JP2004517335A - 少量の液体を操作する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、固体表面で少量の液体を操作する装置において、周辺部とは異なる湿潤特性を示し、操作すべき液体が好ましく停留できるよう選ばれた物質からなる少なくとも一つの定義された停留領域を有し、該停留領域が少なくとも一つの、液体の表面張力の働きで液体が通常の状態では越えることのできない狭められた領域を有し、主に該狭められた領域の方向に外部からの力を発生させることのできる手段を少なくとも１つ有することを特徴とする少量の液体を操作する装置に関する。また本発明は、固体表面で少量の液体を操作する方法及び本発明に係る方法に基づいて定義された量の液体を得る方法に関する。

Description

【０００１】
本発明は、固体の表面で少量の液体を操作する装置及び方法ならびに固体の表面で少なくとも定義された液体量を得る方法に関する。
【０００２】
少量の液体を用いての微量分析や微量合成において、少量の液体を定義し、できるだけ正確に体積を測ることは必要不可欠である。本文書における液体には、純粋な液体、混合液、分散液、懸濁液や生体物質など固体微粒子を含有する液体等が含まれる。
【０００３】
最近注目を浴びている「ラボ・オン・ア・チップ」テクノロジーなどにおいては、定義された液体量を定義された分析ポイントや合成ポイント上で動かせることが望ましい。これらのポイントにおいて、化学的分析や物理的分析が行われるが、この時該液体の体積及び容量が正確に既知であることが通常望ましい。
【０００４】
該方法は、Ｏ．Ｍｕｌｌｅｒ、Ｌａｂｏｒｗｅｌｔ １／２０００、３６から３８ページ等に記載のごとく、無機試薬や、細胞、分子、高分子や遺伝物質等の有機物質等を対象に用いられる。分析や合成の分野における少量の液体の運搬は、従来微細管構造で行われている（Ａｎｎｅ Ｙ．Ｆｕ ｅｔ ａｌ，Ｎａｔｕｒｅ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ １７，１１０９ページ ｆｆ，（１９９９））。該文献には、電気浸透法による数ミクロ・メートルの深さ或いは幅での微細管内での少量の液体の動きが記載されている。その他、微細管構造内のマイクロ・メカニカル・ポンプや静電気ポンプによる少量の液体の運搬法等を従来の技術として挙げる事ができ、これはＡ．Ｍａｎｚ＆Ｈ．Ｂｅｃｋｅｒ著「Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｌｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ」（出版Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｖｅｒｌａｇ，１９９９）の２９から３４ページに記載されている。
【０００５】
静電気による方法は、Ｍ．Ｋｏｈｌｅｒ ｅｔ ａｌ．（Ｐｈｙｓｉｋａｌｉｓｃｈｅ Ｂｌａｔｔｅｒ ５６，Ｎｒ、１１，Ｐ．５７−６１）に記載されている。
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、少量の液体を正確に操作できる改良された装置及び改良された方法を提供することにある。
【０００７】
該課題は、請求項１記載の特徴を持つ装置及び請求項２６或いは２７項記載の特徴を持つ方法により解決することができる。
【０００８】
すなわち、本発明は、少なくとも１つの操作すべき液体が好ましく停留する少なくとも１つの定義された停留領域を持つことを特徴とする装置に関する。更に少なくとも１つの定義された該停留領域は、周囲の固体表面とは異なる湿潤特性を示す事を特徴とする。液体の定義された該停留領域は、例えば定義された停留領域或いはその周囲を適切にコーティングすることによりなされ、固体表面に「コンダクター・ライン」として形成することができる。液体の動きの妨げとなるような溝、角、淵など無しに湿潤特性の差のみで液体の停留領域を制限することが特に好ましい。
【０００９】
湿潤特性の差は、例えば槻水性或いは疎水性の領域を定義することで実現できる。例えば、水性溶液の操作においては定義された停留領域が周囲の固体表面よりも親水性になるようにする。これは、定義された停留領域を親水性にコーティングする或いは周囲を疎水性にコーティングすることで実現できる。例えば疎水性の周囲は、例えば本発明の好ましい実施形態のごとく、表面をシラン処理することで実現できる。
【００１０】
使用目的に応じて停留領域周辺の固体表面を、停留領域に比べ親水性、疎油性或いは親油性に選択することが可能である。水性以外の液体の操作をする時は、例えば好ましい停留領域を周囲と比較して親油性とする事が好ましい。
【００１１】
好ましい停留領域の定義は、エッチングすることでも成すことが、或いは助長することが可能である。この時エッチングの深さは、「コンダクター・ライン」よりも小さく、例えば幅の百分の１程度でなくてはならない。すなわち、例えば対象が水性の溶液であるときに好ましい停留領域を定義するには、停留領域の周囲の表面を疎水性にコーティングし、停留領域自身をナノ・メートルからミクロ・メートルの範囲で表面をエッチングする。このように接触角の観点からコントラストを高めることができる。ただし表面は、巨視的にぼぼ平らである。このような平らなエッチング加工は、細い溝の深いエッチングと言った既知の問題が起こることなく、簡単に且つ正確に行うことができる。
【００１２】
異なる表面粗さの違いに基づく所謂「ロータス・効果」のごとく、湿潤特性をマイクロ構造で調節することも可能である。これは、化学的処理やイオン照射などで対象となる表面領域のマイクロ構造を処理することなどにより実現できる。
【００１３】
上記のごとく定義された固体表面で少なくとも１つの操作すべき液体量に対応した少なくとも１つの好ましい停留領域は、本発明においては、好ましい停留領域内で周囲の幅よりも狭い幅の少なくとも１箇所の狭められた領域をもつ。この時、該領域の幅を対象となる液体が、外部からの力無しには該液体の表面張力のため越えることのできない幅に設定する。
【００１４】
操作対象の液体量は、固体表面の好ましい停留領域の上に、例えば滴状におかれる。液滴の表面が平衡状態にあるとき固体表面の湿潤領域全域で同一の湾曲を示す。以下にその理由を述べる。湾曲が異なると、液滴表面の異なる領域で異なる内圧が発生する。液滴内の領域ごとに内圧が異なると高圧領域から低圧領域へ液体が流れる。この流れは、圧力が均一、すなわち表面全領域の湾曲が同一になるまで続く。液体と固体間の境界線、すなわち液滴と固体表面間には、湾曲ではなく、平衡状態で等方的条件下では固体表面の物質と液体からのみ影響を受ける接触角が発生する。
【００１５】
好ましい停留領域の定義によって空間的に水平方向に制限された湿潤においては、液滴表面の湾曲は、好ましい停留領域すなわち「コンダクター・ライン」の幅と該停留領域上にある液体の体積によって決定される。「コンダクター・ライン」の幅が急激に変化すると、双方の幅の違う領域においては、滴の高さ、すなわち「盛り上がり」が急激に変化するので一定の湾曲を保つことができない。よって幅の狭い「コンダクター・ライン」へ幅の広い「コンダクター・ライン」から液体を流すことは、外部から力をかけない限り不可能である。
【００１６】
ピコ・リットル・オーダーの液体体積を運搬するのに必要な好ましい停留領域によって定義された「コンダクター・ライン」の幅は、数ミクロ・メートル・オーダーである。ナノ・リットル・オーダーの液体量の場合は、幅１０〜数１００ミクロ・メートル・オーダーで可能である。
【００１７】
外部からの狭められた領域の方向への１ベクトル成分の力が少量の液体にかかり、平衡が崩れると狭められた領域を越えることができる。この時、外部からの力の大きさは、少量の液体が狭められた領域を越えるが、好ましい停留領域からはこぼれでない大きさに設定される。平衝を崩す手段としては、例えば局所的な温度変化や特に好ましい本発明の実施形態で使用されているがごとく表面波によるインパルス等が採用される。
【００１８】
狭められた領域の幅が、液体が該狭められた領域を越えるために必要な外部からの力の強さを決定する主な要因である。狭められた領域の幅が狭ければ狭いほど、液体が狭められた領域を越えるには、より大きな力が必要となる。狭められた領域の幅が、隣接する「コンダクター・ライン」の幅の半分以下であることが好ましい。このようにすれば、表面張力の働きで、外部から力をかけることなく液体が、狭められた領域に流れ込むのを防ぐことができる。
【００１９】
本発明に係る装置及び方法によれば、少量の液体を特定の時点、すなわち外部から液体に力がかけられる時点に、液体が通常越えられないバリアをこえさせることが可能である。このようにする事で、対応する狭められた領域の後ろ側の好ましい停留領域は、特定の時点に液体で満たされることになるので、液体の位置を正確に把握することが可能となる。
【００２０】
固体表面の定義された好ましい停留領域は、狭められた領域と幅の広い領域、すなわち液体の「コンダクター・ライン」を特に制限なく組み合わせ形成することができる、ネットワークや将棋盤状に、定義された領域とこれに隣接する狭められた領域を組み合わせることも可能である。ネットワーク状に組み合わせることにより定義された量の液体を、１つの定義された領域から狭められた領域を越え２つ目の領域に外部から力をかけ、送ることも可能である。このように、例えばネットワーク状の形態を採用した際には、定義された一部の領域から間にある狭められた領域を越え他の領域に選択的に液体を送ることが可能となる。すなわち液体を、ネットワーク内の目的の領域に自由に配置することが可能となる。
【００２１】
ネットワーク内の各狭められた領域に取り囲まれた各領域の形状は、特に制限されない。円形が特に好ましい。このようにする事で、好ましい停留領域の周囲の表面湿潤特性を正確に定義し、対応する「充填度」において液体が定義された面積をもつ該領域の周囲全体と接触するようにすることができる。
【００２２】
また目的の反応が起こるように、定義された面積をもつ各領域の表面に機能を持たせることも可能である。定義された面積をもつ他の領域は、電場や磁場をかけたり、加熱手段や機械的手段等を取り付けたりすることにより、化学的分析や物理的分析を行う領域として使用することも出来る。その他、定義された面積をもつ領域上で液体の蛍光分析を行うことも可能である。またその他の領域においては、様々な物質を該停留領域に送り込むことによって、該物質を使った合成を行うことも可能である。
【００２３】
様々な湿潤特性や様々な機能を持つ領域の作製は、既知のリソグラフィー技術やコーティング技術を採用し、簡単且つ安価に行うことができる。
【００２４】
表面張力は、圧力や温度と言った熱力学パラメーターに依存している。液体の体積、すなわち幾何学的に定義された「規定体積」も、熱力学的パラメーターに依存する。熱力学的パラメーターを利用することにより、少なくとも１部の好ましい停留領域にある液体の体積を、幾何学的に定められた量に対して一定の範囲内で変化させることが可能である。
【００２５】
液体に狭められた領域を越えさせるのに必要な力を発生させる手段は、特に制限されない。特に容易な手段として固体表面の加熱手段などによる温度の上昇を挙げることができる。該加熱手段で、固体表面の特定の一部分或いは固体表面全体を加熱することができる。例えば簡易な実施形態においては、固体表面に抵抗加熱手段が採用されている。液体が加熱されると、通常液体の体積が増し、表面張力が低下する。すなわち、液体が狭められた領域を越える力が発生する。
【００２６】
他の実施形態においては、μ／メカニック・ポンプや圧電気（ピエゾ）ポンプが採用されている。また電極を固体表面に取り付け液体を帯電することで動かすことも可能である。
【００２７】
本発明に係る装置の特に好ましい実施形態においては、少なくとも１つの表面波発生装置が採用される。該表面波発生装置は、表面波を発生し好ましい停留領域にある操作すべき液体にインパルスを与える。インパルスは、固体表面の機械的変形或いは帯電或いは分極可能な物質の電場に伴う力として与えることが可能である。
【００２８】
少量の物質を操作する際に、表面波を用いてインパルスを与える主な理由を以下に示す。
１．少量の液体にかかる力の大きさは、表面波の振幅として幅広いレンジで設定 することができる。
２．パルスの長さ等、力を時間的に様々に電子的に（エレクトロニクスで）変化 させることが可能である。
３．固体表面を表面波でソニケーションするので、液体が移動する領域が自動的 に清掃される。
４．制御を対応するソフトウェアで簡単に行うことができる。
【００２９】
表面波は、圧電基質や圧電領域を持つ基質、例えば圧電物質によるコーティングなどで発生させることができる。該基質或いは該コーティングは、表面波発生装置の設置部にのみあればよい。表面波は、圧電領域外にも伝わる。
【００３０】
表面波の発生に、既知のインターデジタル・トランスデューサを採用するのが好ましい。該インターデジタル・トランスデューサは、指のごとく互いに噛み合う電極を装備している。例えぱ１００ＭＨｚレンジの高周波交流場をかけることで圧電基質或いは基質の圧電部分で表面波を発生する。なお該表面波の波長は、表面波の速度と周波数の商として求められる。該波の伝播方向は、指状電極のかみ合わせ方向に対して直角方向である。このようなインターデジタル・トランスデューサを採用することで、定義された表面波を簡単に発生せしめることが可能である。該インターデジタル・トランスデューサの作製は、既知のリソグラフィー技術やコーティング技術で安価に且つ簡単に行うことが可能である。該インターデジタル・トランスデューサは、例えば電磁交流場を照射する事で該インターデジタル・トランスデューサに取り付けられているアンテナを介して配線無くして操作することも可能である。
【００３１】
以下、インターデジタル・トランスデューサを少量の液体を操作するための表面波の発生用に採用した本発明の特別な実施形態を、上記のごとき「ネットワーク」を例にとり説明する。好ましい停留領域の定義された面積を持つ一部分は、好ましい停留領域の他の部分と狭められた領域のみを介して接続されている。すなわち、上記好ましい停留領域の定義された面積を持つ一部分に液体を満たす事は、上記狭められた領域からのみ可能である。
【００３２】
各狭められた領域には、それぞれ表面波発生装置が、表面波伝播方向が狭められた領域に沿うように取り付けられている。上記のごとく設定することにより好ましい停留領域の定義された面積を持つ一部分にある液体の少なくとも一部をインパルスにより、狭められた領域を越え、２つ目の停留領域の定義された面積を持つ一部分へ送ることが可能となる。この面積が意図的に充填或いは排出可能な少量の液体の「基準体積」を定義している。また上記操作は、表面波発生装置が操作される定義された時点に行われる。
【００３３】
それぞれの表面波発生装置を使用することで、該レイアウトにおいて液滴を定義された順番で狭められた領域を越えさせ、ネットワーク内に意図的に少量の液体を配置することが可能である。この際、本発明に従って表面波で照射された液滴は、該表面波を吸収する。この特性により、離れた領域にある液滴が、吸収され弱まった表面波に照射されても、ぼぼ或いは全く表面波の影響を受けない。
【００３４】
上記の、或いは伝播方向が例えば１つ目の表面波発生装置と平行に設定された第二の表面波発生装置を使用し、必要に応じて強度を下げて第二の表面波を好ましい停留領域の一部分にある液体の方向に発生させることも可能である。第二の表面波の減少率を計測することで、液体の量と体積を測定することができる。
【００３５】
狭められた領域が互いに垂直に配置され、少なくとも２つの表面波発生装置から発生される定義された面積を持つ停留領域の充填或いは排出のための表面波照射角が狭められた領域と平行である形状を持つネットワーク状のレイアウトは、特に簡単且つ正確に操作することが可能である。上記の配置では、第一及ぴ第二の表面波発生装置から発生した表面波が同一のインパルス成分を持たないに等しいので、特に正確に操作することが可能である。
【００３６】
並列に配置された狭められた複数の領域を照射する表面波発生装置が１つだけであっても差し支えない。この際使用される表面波発生装置は、いわゆる「テーパー状」インターデジタル・トランスデューサである。このようなテーパー状インターデジタル・トランスデューサの指の間隔は、トランスデューサ軸方向に一定ではない。波長は、該指の間隔により決定される。表面波速度が一定の時、共鳴条件は特定の周波数、すなわち表面波速度と波長の商として割り出される表面波の周波数を発生する指が特定の間隔に配置されている時のみ満たされる。このようにする事で、伝播方向に対して垂直方向への広がりが極めて少ない表面波を発生させることができる。よって並列に配置された狭められた複数の領域から特定の領域のみを照射することができる。
【００３７】
該装置及び方法により定義された液体体積を得ることも可能である。本発明に係る方法によれば、操作すべき液体を例えば分析や合成が行われる固体基質上に送ることができる。ここで言う、分析や合成とは、化学的、物理的及び／或いは生物学的な分析や合成を示す。また、液体を他の液体と反応させるべく特定の位置に移動させることも可能である。よって本発明に係る装置及び方法は、一種の液体或いは多種類の液体間の分析だけでなく、反応にも適している。
【００３８】
外部からの力を発生させる装置は、対応するソフトウェアでプログラミング可能な制御装置に接続することができる。
【００３９】
本発明の好ましい実施形態を、以下図面で説明する。以下の全ての実施例においては、外部からの力を発生させる装置として表面波発生装置を例示的に採用している。
【００４０】
図１における好ましい停留領域の２で示される幅を持つ部分領域１及び３は、操作すべき液体用である。領域１及び３の正確な形状や幅は、制限されない。該領域１及び３には、以下記載のごとく該領域１及び３と同様に形成される狭められた領域７及び９が接続されている。該狭められた領域には、円形の領域５が接続されている。狭められた領域７及び９の幅８は、領域１及び３の幅２の半分以下とする。ただしそれぞれの狭められた領域で同一の幅にする必要はない。上記全てのレイアウトは、例えばチップなどの固体表面にある。該固体は、例えば水晶やＬｉＮｂＯ_３ 等の圧電物質や少なくとも表面の一部がＺｎＯなど圧電物質で形成されている。
【００４１】
好ましい停留領域１、３、５、７及び９は、固体の周辺表面とは異なる湿潤特性を示し、操作すべき液体が停留領域１、３、５、７及び９に優先的に存在するものとなっている。水性溶液の場合、好ましい停留領域の表面は、例えば周囲の疎水的な固体表面に比べ親水的になっている。これは、固体表面のうち該領域の周囲をシラン処理或いはマイクロ・ストラクチャー化することで疎水的にする事で実現できる。
【００４２】
幅２は、例えば数ミクロ・メートルでピコ・リットルないしナノ・リットル・レンジの液体を操作するのに適している。図中１１及び１７は、表面波発生装置を示し、これらの伝播方向はそれぞれ２３と２５で表されている。図示されている実施形態においては指状に互いに噛み合う先端１５及び２１からなる電極１３及び１９を備えたインターデジタル・トランスデューサが採用されている。各トランスデューサの電極に交流場をかけると該電極の指の間隔に対応した波長を持つ表面波が発生する。伝播方向は、互いに噛み合う指に対して直角方向である。トランスデューサは、多数の指から形成されるが、図面中にはそのうちの数本が概念的に縮尺を無視して図示されている。
【００４３】
結晶構造を選択することで、レイリー波やシアー波など様々な波形を発生させることが可能である。
【００４４】
該インターデジタル・トランスデューサは、例えばリソグラフィー技術やコーティング技術を応用してチップ表面に形成され、電極１３及び１９に接続される。
【００４５】
図中２６は、液体がインターデジタル・トランスデューサ１７で送られる方向を示している。領域５は、円形でその面積は定義されている。
【００４６】
図１ｂは、固体表面の図示されている部分、すなわち好ましい停留領域５の断面図である。該図には、固体表面上にある液滴２７が概念的に図示されている。
【００４７】
図１の本発明に係る装置は、以下のごとく使用される。「コンダクター・ライン」１に外部から操作すべき液体が注がれ、「液体カラム」を形成する。該液体は、「コンダクター・ライン」を狭められた領域７の手前までを満たす。液体表面の湾曲は、「コンダクター・ライン」１の幅と液体の体積により決定される。「コンダクター・ライン」１の幅と狭められた領域７の幅８に差があるので、液滴の湾曲を幅の異なる領域を越え一定に保とうとすると、液滴の高さに差が生じてしまい液滴の湾曲を一定に保つことはできない。狭められた領域７に外部からの力がかからない限り、幅の広い「コンダクター・ライン」１からは、液体を送ることができない。トランスデューサ１１から方向２３に向け伝播される表面波の助けを借りれば狭められた領域７を越え液体を「汲み上げる」事が出来る。液体を「汲み上げる」のに必要な表面波の強さは、事前にキャリブレーションするか実験中に液体が狭められた領域７を越え領域５に流れ込むように設定する。このように定義された量の液体をコンダクター・ライン１から定義された面積を持つ領域５に送り込むことが可能である。
【００４８】
必要量の液体が領域５にあれば、物理的分析や科学的分析或いは、他の物質との反応等を行うことができる。
【００４９】
停留領域５にある液体の量は、例えば領域５がある固体表面部分を通過する表面波の減少率を計測するなどすれば定量できる。これは、領域５をはさんで設置される（図示されていない）インターデジタル・トランスデューサを使用すれば可能である。必要に応じて弱められた表面波を上記インターデジタル・トランスデューサの一方から領域５の方向に送ると、そこにある液体により吸収される。この時液体の量が多ければ多いほど一般的に表面波の減少率は大きくなる。もう一方の（図示されていない）インターデジタル・トランスデューサで、表面波を検出し表面波の減少率を測定する。
【００５０】
一方目的の量の液体を得た後、第二のインターデジタル・トランスデューサ１７から方向２５へ定義された面積を持つ領域５にある液体に表面波を送ることができる。該表面波のインパルスで上記の狭められた領域７の時と同様に液体を狭められた領域９を越えて送ることができる。液体は、方向２６へ流れコンダクター・ライン３に到達する。このように定義された体積の液体を得ることができる。目的の量の液体が領域５にある時、インターデジタル・トランスデューサ１７の第二の表面波の力で、領域５から正確にこの量の液体を送り出すことができる。
【００５１】
図１の実施形態においては、平らな固体表面上で極少量の液体を正確に定義することができる。図示されていない抵抗加熱手段や赤外線ヒーター等で特定部分を加熱すれば、液体の表面張力を下げることができ、狭められた領域を液体を越えさせるのに必要な表面波の強さを下げることができる。このように、ある一定の範囲内で定義された面積を持つ領域５の「規定体積」を調整することができる。
【００５２】
複数の好ましい停留領域を、様々な「ラボ・オン・ア・チップ」機能を有する或いは様々な反応を行えるマイクロ流体システムに図示されていない狭められた領域を介して接続することも可能である。該狭められた領域を介し、好ましい停留領域の該領域を液体で満たすことができる。この時、該狭められた領域も、液体の表面張力で外部から力をかけることなく越えることができないように十分に幅の狭いものでなければならない。ここにおいても、外部からの表面波などのインパルスの力で液体を狭められた領域を介して好ましい領域の該領域に送ることができる。
【００５３】
また上記のごとき狭められた領域で、好ましい停留領域と同様の湿潤特性を持つ大きな面積からなる貯留領域を接続することも可能である。該貯留領域には多量の液体を貯留することができる。該貯留領域から、表面波などの外部からのインパルスの力で目的の量の液体を該狭められた領域を介し、好ましい停留領域の目的の領域に送ることが可能である。上記領域には、ピペットなどでも液体を注ぐことができる。
【００５４】
図２記載の本発明に係る実施形態においては、液滴を表面の意図的に所定の位置に運搬しそこに停留させることができる。ここでは、特別な実施形態である将棋盤状レイアウトが図示されている。図１ａの領域５に相当する複数の定義された領域を設ける。図中では、これらの領域のいくつかの領域が代表として１０５で表示されている。該領域は、狭められた領域１０７と１０９で接続されている。液体の供給には、狭められた領域の幅よりも幅の広い「コンダクター・ライン」１００を使用する。図１の実施形態と同様に領域１００、１０５、１０７、１０９は、固体表面の他の部分とは異なる湿潤特性を持っている。
【００５５】
該実施形態においては、それぞれに独立して制御可能なインターデジタル・トランスデューサ群１１５、１１７及び１１９が備えられている。それぞれのトランスデューサは、表面波の伝播方向がそれぞれ狭められた領域の列１０７或いは１０９に沿うように配置されている。図においては、代表として伝播方向１１８を持つインターデジタル・トランスデューサ１２０が図示されている。該図２の実施形態においてぱ、インターデジタル・トランスデューサ群１１９と１１７が向い合って設置されている。言うまでもなくインターデジタル・トランスデューサ群１１５の、将棋盤状レイアウトをはさんで対面側に更なるインターデジタル・トランスデューサ群を設けることもできる。
【００５６】
所定量の液体が「コンダクター・ライン」１００から図２中の左上にある定義された面積を持つ停留領域へ送られる。もちろん他の定義された領域１０５に、対応する「コンダクター・ライン」を接続しても差し支えないことは言うまでもない。上記のごとく表面張力の働きで、液体が狭められた領域を越え隣り合う他の定義された領域１０５に流れ込まないようになっている。液体は、例えばインターデジタル・トランスデューサ１２０に交流場をかけ表面波を発生させてはじめて、上記のごとく隣り合う狭められた領域を越え次の領域１０５に「汲み上げ」られる。方向１１８が、この時「汲み上げ」られる方向を定める。このように液体は、目的の停留位置に到達するまで、それぞれ対応するインターデジタル・トランスデューサを操作することによりそれぞれの領域１０５間を運搬されていく。この時、それぞれ領域１０５に到達液体の内圧が高いためにそれぞれの狭められた領域には、液体が残らない。
【００５７】
液体は、「コンダクター・ライン」と同様の湿潤特性を示し液体が好ましく停留しえる貯留領域などから送り込まれる。該領域は、相当量の液体を貯留しえるよう大きな面積を有している。該領域は、該システムにコンダクター・ライン１００及び／或いは表面波の照射無しでは液体が越えることのできない対応する狭められた領域を介して接続されている。
【００５８】
定義された面積を持つ領域１０５を、上記のごとく表面波の伝播方向１１８に順に満たしていくことができる。例えば定義された面積を持つ停留領域のある列の最終領域が満たされた時は、最初の領域から液体の移動を再度開始する。表面波が、表面波発生装置から見て手前にある液体に吸収されるため、後ろ側にある液体はほぼ影響を受けない。同様にインターデジタル・トランスデューサ１１５を使えば図２においての垂直方向に液滴を移動させることができる。
【００５９】
トランスデューサ１１６とトランスデューサ１２０のような対面するトランスデューサを使用すれば、液滴を反対方向に移動させることも可能である。
【００６０】
またトランスデューサ、例えばトランスデューサ１１６から対面するトランスデューサ、例えばトランスデューサ１２０への振幅の小さな表面波の透過率を、液体が表面波を吸収することを応用して測定することで各領域１０５に液体が存在するか否かを調べることができる。振幅を下げる理由は、測定時に液滴が狭められた領域を越え他の領域に移らないようにするためである。
【００６１】
例えば図２の領域１０５の最下列の下に領域１０５、１０７、１０９などと同様な狭められた領域を取り付け例えば大きな面積を持つ領域に接続しても差し支えないことは言うまでもない。この場合、トランスデューサ群１１５で表面波を発生させればネットワーク内の液体を全て該広い領域に送ることが可能である。
【００６２】
図２に示された本発明の実施形態は、例えば蛍光分析用の「マイクロ滴定プレート」等に応用できる。この場合、それぞれの領域１０５にある液滴を蛍光分析等にかける。またそれぞれの領域１０５の表面コーティングに機能を持たせ、反応を起こさせることも可能である。この時反応は、それぞれの領域内でしか起こらないので正確に分析することが可能である。
【００６３】
図示されていない実施形態においては、インターデジタル・トランスデューサ群１１５、１１７、１１９に代わって指の間隔が一定でないテーパー状のインターデジタル・トランスデューサを採用している。該テーパー状のインターデジタル・トランスデューサを採用すると、一定の表面波速度と指の間隔によって定められる波長の商として周波数が得られるので、照射個所を周波数で選択することができる。すなわち周波数を合わせることで、一列に並んでいる狭められた領域群のどの列を照射するかが選択できる。
【００６４】
本発明に係る実施形態は、特に制限なく組み合わせることができ、トータル・システムとして使用することも可能である。またこれらを大きなトータル・システムの部品、すなわち本発明に係る実施形態と測定、分析、合成ステーションなどを組合せ「ラボ・オン・ザ・チップ」として構成されているチップ等としても使用することができる。本発明に係る装置及び方法は、システム内で少量の液体の移動や配置を行う手段として特に好ましく応用できる。該構造全体は、既知のリソグラフィー技術等で簡単に形成でき、チップ上に他の機能と共に、例えば少量の液体の運搬や分析手段として作製することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１（ａ）は、本発明に係る少量の液体を定義する装置の実施形態を示す上面概念図、図１（ｂ）は、図１ａの実施形態の側面概念図である。
【図２】
第二の実施形態の上面概念図である。
【符号の説明】
（１） 停留領域
（２） 幅
（３） 停留領域
（５） 停留領域
（７） 狭められた領域
（８） 最小幅
（９） 狭められた領域
（１１） 表面波発生手段（インターデジタル・トランスデューサ）
（１７） 表面波発生手段（インターデジタル・トランスデューサ）
（２７） 液体
（２９） 表面
（１００） 停留領域
（１０５） 停留領域
（１０７） 狭められた領域
（１０９） 狭められた領域
（１１６） 表面波発生手段（インターデジタル・トランスデューサ）
（１２０） 表面波発生手段（インターデジタル・トランスデューサ）

Claims (32)

1. 固体表面で少量の液体を操作する装置において、
   表面（２９）を有する固体基質からなり
   周辺部とは異なる湿潤特性を示し、操作すべき液体（２７）が好ましく停留できるよう選ばれた物質からなる少なくとも一つの定義された停留領域（１、３、５、７、９、１００、１０５、１０７、１０９）を表面（２９）上に有し、
   該停留領域の少なくとも一つが、隣接する停留領域の一部の幅（２）よりも狭い最小幅（８）の、表面張力の働きで液体（２７）が外部から力をかけて停留領域（１、３、５、７、９、１００、１０５、１０７、１０９）の少なくとも一部を離れない限り越えることのできない狭められた領域（７、９、１０７、１０９）を有し、
   少なくとも一つの狭められた領域の方向に外部からの力を発生させることのできる手段（１１、１７、１１６、１２０）を少なくとも１つ有する
   ことを特徴とする少量の液体を操作する装置。
2. 外部からの力を発生する手段（１１、１７、１１６、１２０）を制御するための手段をソフトウェアでプログラムできることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 湿潤特性の差が、親水性と少なくともこれと比較して疎水性の領域或いは親油性と少なくともこれと比較して疎油性の領域により実現されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
4. 親水性と疎水性の領域或いは親油性と疎油性の領域がリソグラフィー技術によって定義されていることを特徴とする請求項３記載の装置。
5. 湿潤特性の異なる各領域が横方向のミクロ或いはナノ構造によって定義されていることを特徴とする請求項１から４の１項記載の装置。
6. 湿潤特性の異なる各領域が異なる機能及び／或いはコーティングによって定義されていることを特徴とする請求項１から５の１項記載の装置。
7. 少なくとも１つの狭められた領域（７、９、１０７、１０９）以外の停留領域（１、３、５、１００、１０５）幅（２）が最大でも数ミリメートルであり、狭められた領域（７、９、１０７、１０９）の幅（８）は、狭められた領域以外の停留領域の幅（２）の半分以下であることを特徴とする請求項１から６の１項記載の装置。
8. 少なくとも１つの狭められた領域（７、９、１０７、１０９）以外の停留領域（１、３、５、１００、１０５）幅（２）が最小でも数ナノメートルであり、狭められた領域（７、９、１０７、１０９）の幅（８）は、狭められた領域以外の停留領域の幅（２）の半分以下であることを特徴とする請求項１から７の１項記載の装置。
9. 少なくとも１つの停留領域の少なくとも部分領域（５、１０５）が少なくとも１つの狭められた領域（７、９、１０７、１０９）のみで停留領域の他の領域（１、３）と接続され、該領域の面積が定義されていることを特徴とする請求項１から８の１項記載の装置。
10. 少なくとも２つの狭められた領域（７、９、１０７、１０９）が停留領域の定義された面積をもつ領域（５、１０５）と接続され且つ該狭められた領域が平行に設置されていないことを特徴とする請求項９記載の装置。
11. 少なくとも狭められた領域（７、９、１０７、１０９）のうち２つにそれぞれ外部からの力を発生する手段（１１、１７、１１６、１２０）が少なくとも１つ、大まかに対象となる狭められた領域（７、９）の方向に向けて取り付けられていることを特徴とする請求項１０記載の装置。
12. 平行でない狭められた領域（７、９、１０７、１０９）が互いに直角に設置されていることを特徴とする請求項１０或いは１１記載の装置。
13. 部分領域（５、１０５）の面積の定義された領域が主に円形であることを特徴とする請求項９から１２の１項記載の装置。
14. 少なくとも１つの停留領域が複数の部分領域（１０５）と狭められた領域（１０７、１０９）を組み合わせたネットワーク状に形成されていることを特徴とする請求項１から１３の１項記載の装置。
15. 少なくとも１つの外部の力を発生する手段（１２０）が、一列に配置されている狭められた領域の線上に力を発生できるように取り付けられていることを特徴とする請求項１４記載の装置。
16. 少なくとも１つの２つ目の外部の力を発生する手段（１１６）が、一列に配置されている狭められた領域の線上、ただし一つ目の外部からの力を発生する手段（１２０）から発生される力に対して反対方向に力を発生できるように取り付けられていることを特徴とする請求項１５記載の装置。
17. 外部からの力を発生する手段（１１、１７、１１６、１２０）の少なくとも１つが表面波発生手段であることを特徴とする請求項１から１６の１項記載の装置。
18. 表面波発生手段の少なくとも１つがインターデジタル・トランスデューサ（１１、１７、１１６、１２０）であることを特徴とする請求項１７記載の装置。
19. 表面波発生を少なくとも１つの等間隔でない指間のインターデジタル・トランスデューサで行うことを特徴とする請求項１８記載の装置。
20. 表面波発生に圧電固体基質或いは少なくとも圧電領域を含む基質を備えることを特徴とする請求項１から１９の１項記載の装置。
21. 少なくとも１つの外部からの力を発生する手段として加熱手段、好ましくは抵抗加熱手段を備えることを特徴とする請求項１から２０の１項記載の装置。
22. 少なくとも１つの外部からの力を発生する手段としてマイクロ・メカニカル・ポンプを備えることを特徴とする請求項１から２１の１項記載の装置。
23. 少なくとも１つの外部からの力を発生する手段として圧電ポンプを備えることを特徴とする請求項１から２２の１項記載の装置。
24. 少なくとも１つの外部からの力を発生する手段として少なくとも１つの電極を備えることを特徴とする請求項１から２３の１項記載の装置。
25. 少なくとも１つの温度を変える手段を備えることを特徴とする請求項１から２４の１項記載の装置。
26. 湿潤特性を変化させることにより得られた固体表面の停留領域の部分領域（１、３、５、１０５）上の液体（２７）を、停留領域の狭められた領域（７、９、１０７、１０９）に沿って働く外部からの力のインパルスで、外部からの力なしでは該液体（２７）の表面張力の働きにより超えることができないであろう該狭められた領域を越え移動せしめることを特徴とする少量の液体を固体表面上で操作する方法。
27. 請求項２６記載の方法を応用し、湿潤特性を変化させることにより得られた固体表面の停留領域（１、３、５、７、９）の定義された面積を持ち狭められた領域（７、９）でのみ残りの固体表面上の停留領域（１、３）と接続されている部分領域（５）へ液体を送ることを特徴とする定義された量の液体を得る方法。
28. 停留領域の定義された面積を持つ部分領域（５）にある液体の量を、固体表面の定義された面積を持つ該部分領域（５）を通過する表面波の吸収率により検知することを特徴とする請求項２７記載の方法。
29. 定義された面積を持つ部分領域（５）を外部からの力のインパルスにより空にすることを特徴とする請求項２７或いは請求項２８記載の方法。
30. 外部の熱力学的パラメータ、好ましくは圧力及び／或いは温度の設定により、停留領域の部分領域（５）上の液体（２７）の内圧と表面張力により決定される液体の体積を変化し得ることを特徴とする請求項２７から２９の１項記載の方法。
31. 温度が固体表面の加熱手段で変化されることを特徴とする請求項３０記載の方法。
32. 外部からの力の発生に表面波が使われることを特徴とする請求項２６から３１の１項記載の方法。

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