JP2010188265A - Droplet atomizing device - Google Patents
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Abstract
【課題】マイクロ流体チップを用いた生成液滴を微粒化する装置を提供する。
【解決手段】マイクロ流体チップの微小流路内を流れる互いに混じり合わない2種類の液体からせん断力によって第一の液滴1を生成する液滴生成部と、前記流路下流部の内壁に形成された少なくとも一対の駆動電極401,402に電圧を印加し前記液滴を分裂させることで第二の液滴1011,1012を生成する液滴分裂部と、を有する。
【選択図】図1An apparatus for atomizing generated droplets using a microfluidic chip is provided.
A droplet generation unit that generates a first droplet 1 from two kinds of liquids that do not mix with each other flowing in a microchannel of a microfluidic chip by a shearing force and an inner wall of a downstream portion of the channel A droplet splitting unit that generates a second droplet 1011 or 1012 by applying a voltage to at least the pair of drive electrodes 401 and 402 to split the droplet.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、マイクロ流体チップを用いた液滴生成技術に関する。 The present invention relates to a droplet generation technique using a microfluidic chip.
近年、微小液滴を生成する技術として、マイクロ流体チップを用いた技術が提唱されている。マイクロ流体チップとは、幅および深さが数十から数百μmの微小な流路を持ち、その流路に液体を供給させることで様々な液体操作を行うデバイスである。この微小流路内に、互いに混じり合わない2種類の液体を供給し、それに伴うせん断力によってどちらか一方の液体をせん断して液滴を生成することができる(特許文献1、特許文献2)。生成される液滴の大きさは、流路幅に対しておおよそ0.5〜2倍である。液体をせん断する流れは安定した層流であるため、生成液滴の径分布が非常に小さくなることが特徴である。
In recent years, a technique using a microfluidic chip has been proposed as a technique for generating microdroplets. A microfluidic chip is a device that has a minute flow channel with a width and depth of several tens to several hundreds of μm, and performs various liquid operations by supplying liquid to the flow channel. Two types of liquids that do not mix with each other are supplied into the microchannel, and either one of the liquids is sheared by the accompanying shearing force to generate droplets (
一方、液体を操作する技術として、エレクトロウェッティングが知られている。エレクトロウェッティングとは、電極上にある液体に対して電極との間に電位差を与えることで、液体の電極に対する見かけの接触角が変化する現象である(非特許文献1)。この現象を利用し、液滴を生成する技術が報告されている(特許文献3、非特許文献2)。
On the other hand, electrowetting is known as a technique for manipulating a liquid. Electrowetting is a phenomenon in which an apparent contact angle of a liquid with respect to an electrode changes by applying a potential difference between the liquid on the electrode and the electrode (Non-Patent Document 1). A technique for generating droplets using this phenomenon has been reported (
特許文献1、特許文献2のようなマイクロ流体チップを用いた液滴生成技術では、生成可能な液滴のサイズには下限があるという課題がある。小さい液滴を生成するには、それに応じた小さい流路幅が必要である。流路幅dは、流路の圧力損失△P、流路長さl、μは液体粘度、Qは流量とすると、以下の式で表すことができる。
△P = 128μlQ / πd4 (1)
In the droplet generation technology using a microfluidic chip such as
ΔP = 128μlQ / πd 4 (1)
流路の圧力損失△Pは、マイクロ流体チップの耐圧、もしくは送液ポンプの最高圧力より小さくなければならない。例えば、マイクロ流体チップの送液に用いられるシリンジポンプの最高圧力損失△Pを0.5Mpaとする場合、最も小さい液滴を生成できる条件として、液体粘度μを1mPa・s、流路長さlを200μm、流量Qを1×10-11m3/sとすると、流路幅dは11μmとなる。したがって、この場合には流路幅の0.5倍である5.5μmよりも小さい液滴を生成することはできない。 The pressure loss ΔP of the flow path must be smaller than the pressure resistance of the microfluidic chip or the maximum pressure of the liquid feed pump. For example, when the maximum pressure loss ΔP of a syringe pump used for liquid feeding of a microfluidic chip is 0.5 Mpa, the liquid viscosity μ is 1 mPa · s and the channel length l is set as a condition for generating the smallest droplet. Assuming 200 μm and a flow rate Q of 1 × 10 −11 m 3 / s, the flow path width d is 11 μm. Therefore, in this case, a droplet smaller than 5.5 μm which is 0.5 times the channel width cannot be generated.
一方、特許文献3、非特許文献2に記載のエレクトロウェッティングを用いた液適生成方法では、液滴を分裂させることができるため微小液滴を生成するのに適しているものの、単位時間当たりの液滴生成数が少ないという課題がある。この方法では、0.1mmオーダーの間隔を持つ2枚の基板間に液溜りから液滴を注入し、エレクトロウェッティングによって基板に対して水平な方向に電極1ピッチ0.5mm引き伸ばして分裂させ、微小な液滴を生成する。つまり、電極電圧のスイッチング制御によって液滴を帯電させ、静電力で移動・分裂させる。このとき、基板間隔に対する電極ピッチの比はおおよそ0.2よりも小さい必要がある。電極に電圧を印加してから液滴が分裂するのに要する時間は、液滴粘性による抵抗等を考えると液滴移動速度は高々30mm/sであるため、電極1ピッチ分移動するのに少なくとも17ms必要である。したがって、単位時間当たりの液滴生成数は毎秒60個程度であり、上記マイクロ流体チップを用いた液滴生成方法に比べて十分な量を供給することはできない。
On the other hand, the liquid suitable generation method using electrowetting described in
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、より微小な液滴を生成するものである。また、エレクトロウェッティングによる分裂液滴生成速度を、せん断力によって生成した液滴の生成速度と同期した数百Hzオーダーまで追従可能とするものである。 The present invention has been made in view of such circumstances, and produces finer droplets. In addition, the split droplet generation speed by electrowetting can be tracked to the order of several hundred Hz in synchronization with the generation speed of the droplet generated by the shearing force.
上記課題を解決するために、本発明は、マイクロ流体チップの微小流路内のせん断力によって生成した液滴を、流路内部の流れ場を利用して下流へ移動させ、その流路の下流における流れ場の中で、エレクトロウェッティングによって流路壁面に対して垂直に分裂させる。 In order to solve the above-described problem, the present invention moves a droplet generated by a shearing force in a microchannel of a microfluidic chip downstream using a flow field inside the channel, and downstream of the channel. In the flow field in Fig. 1, it is split perpendicularly to the channel wall surface by electrowetting.
すなわち、本発明の液滴微粒化装置は、マイクロ流体チップの微小流路内を流れる互いに混じり合わない2種類の液体からせん断力によって第一の液滴を生成する液滴生成部と、前記流路下流部の内壁に形成された少なくとも一対の駆動電極に電圧を印加し前記液滴を分裂させることで第二の液滴を生成する液滴分裂部と、を有することを特徴とする。 That is, the droplet atomization apparatus of the present invention includes a droplet generation unit that generates a first droplet by shearing force from two kinds of liquids that do not mix with each other flowing in a microchannel of the microfluidic chip, and the flow And a droplet splitting portion that generates a second droplet by applying a voltage to at least a pair of drive electrodes formed on the inner wall of the downstream portion of the path to split the droplet.
また、本発明の液滴微粒化装置は、マイクロ流体チップの微小流路内を流れる互いに混じり合わない2種類の液体からせん断力によって第一の液滴を生成する液滴生成部と、前記流路下流部の内壁に形成された少なくとも3つの電極をスイッチング制御によって電圧変化させ前記液滴を分裂させることで第二の液滴を生成する液滴分裂部と、を有することを特徴とする。 Further, the droplet atomization apparatus of the present invention includes a droplet generation unit that generates a first droplet by shearing force from two kinds of liquids that do not mix with each other flowing in a microchannel of the microfluidic chip, and the flow It has a droplet splitting portion that generates a second droplet by changing the voltage of at least three electrodes formed on the inner wall of the downstream portion of the path by switching control to split the droplet.
本発明によれば、液滴分裂に必要な流路幅は液滴と同程度であるため、流路の圧力損失を大きくすることなく、より微小な液滴を生成することができる。
また、分裂後の液滴径の分布は、分裂前の液滴径の分布とほぼ等しくなる。
According to the present invention, since the flow path width necessary for the liquid droplet splitting is approximately the same as that of the liquid droplet, it is possible to generate a finer liquid droplet without increasing the pressure loss of the flow path.
Further, the distribution of the droplet diameter after the division is almost equal to the distribution of the droplet diameter before the division.
さらに、エレクトロウェッティングによる壁面に垂直方向の液滴分裂は、数百Hzオーダーまで追従可能である。したがって、せん断力によって生成した液滴の生成速度に同期して液滴を分裂することが可能であり、単位時間当たりの液滴生成数は従来と同程度となる。 Furthermore, droplet breakup in the direction perpendicular to the wall surface due to electrowetting can follow up to the order of several hundred Hz. Therefore, it is possible to divide the droplets in synchronism with the generation rate of the droplets generated by the shearing force, and the number of droplets generated per unit time is about the same as the conventional one.
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。ただし、本実施形態は本発明を実現するための一例に過ぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではないことに留意すべきである。また、各図において共通の構成については同一の参照番号が付されている。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, it should be noted that this embodiment is merely an example for realizing the present invention, and does not limit the technical scope of the present invention. In each drawing, the same reference numerals are assigned to common components.
(装置全体の構成)
図10は、本発明の液滴生成部および液滴分裂部を有する液滴微粒化装置全体の概略構成図である。
(Configuration of the entire device)
FIG. 10 is a schematic configuration diagram of the entire droplet atomization apparatus having the droplet generation unit and the droplet splitting unit of the present invention.
本発明の液滴微粒化装置は、液滴の原料となる液体22とその媒体2、液体22と媒体2を送液するための送液ポンプ20、21とその制御装置26、液滴22と媒体2を輸送するための配管18、19、液滴を生成、微粒化するためのマイクロ流体チップ17、マイクロ流体チップを制御するための電源9とその配線801、802、生成された液滴を輸送するための配管24とそれを回収するための回収容器25、を備えている。
The droplet atomization apparatus of the present invention includes a
また、マイクロ流体チップ17は、液体22と媒体2から液滴を生成する液滴生成部304、生成された液滴と媒体が流れる流路3、流路3の下流部で液滴を分裂させるための液滴分裂部305、を備えている。
In addition, the
(装置の動作)
上述のような構成を有する液滴微粒化装置では、はじめに、液体22と媒体2から液滴が生成される。流路3を内部に形成したマイクロ流体チップ17は、配管18、19によって送液ポンプ20、21に接続される。ポンプ20、21は液滴の原料である液体22と、媒体2をそれぞれ送液する。マイクロ流体チップ17内に送液された液体22と媒体2から、流路3の液滴生成部304において液体のせん断力によって液滴が生成される。
(Device operation)
In the droplet atomization apparatus having the above-described configuration, first, droplets are generated from the
次に、その下流の液滴分裂部305においてエレクトロウェッティングによって液滴が分裂される。生成された液滴を含む媒体2は、配管24を通して回収容器25に貯蔵される。送液ポンプ20、21と電源9は、制御装置26によって流れの速度と電圧の大きさを同期して制御される。
Next, the droplet is split by electrowetting in the
このように、マイクロ流体チップの微小流路内のせん断力によって生成した液滴を、その流路の下流における流れ場の中で、エレクトロウェッティングによって流路壁面に対して垂直に分裂させることで、より微小な液滴を生成することができる。また、同一流路の層流中でせん断作業と分裂作業とを行うことで、エレクトロウェッティングによる分裂液滴生成速度を、せん断力によって生成した液滴の生成速度と同期した数百Hzオーダーまで追従可能とすることが可能となる。 In this way, the droplets generated by the shear force in the microchannel of the microfluidic chip are split perpendicularly to the channel wall surface by electrowetting in the flow field downstream of the channel. , Finer droplets can be generated. In addition, by performing shearing and splitting operations in a laminar flow in the same flow path, the split droplet generation rate by electrowetting can be reduced to the order of several hundreds of Hz synchronized with the generation rate of droplets generated by shearing force. It becomes possible to follow.
以下、上記効果を有しつつ、さらにエレクトロウェッティングを利用した本発明特有の液滴分裂部について詳細に説明する。
(液滴分裂のための基本構成と動作原理)
図1を用いて、本発明におけるエレクトロウェッティングによる液滴分裂の基本構造と動作原理を説明する。液滴1と液滴周囲の媒体2が、流路の外部に接続された送液ポンプによって流路3の内部を流される。液滴1は流路3の内壁に接している。流路3の向かい合う2つの内壁701、702の表面上には駆動電極401、402が、さらにその上に撥水性を有する絶縁膜501、502が形成されている。絶縁膜501、502が撥水性を有しない場合は、それらは図1中には示していない撥水膜6で覆われている。駆動電極401、402は、配線801、802によって電源9に接続され、制御回路26が時間により電圧を切り替える。切り替え時間は、液滴と媒体の物性に合わせて適宜調整可能である。たとえば、液滴1が純水,媒体2が粘度1mPa・s程度のシリコーンオイル,流路幅(すなわち、内壁701と702間の距離)が11μmのとき,スイッチング切り替え時間が10ms以上であれば、充分に液滴分裂は可能である。
Hereinafter, the droplet splitting portion unique to the present invention using the electrowetting while having the above effect will be described in detail.
(Basic configuration and operating principle for droplet breakup)
The basic structure and operation principle of droplet breakup by electrowetting in the present invention will be described with reference to FIG. The
電源9の電圧が0ボルトでは、液滴1の絶縁膜501、502に対する接触角は大きい(図1(1))。
電源9の電圧をV1ボルトとすると、エレクトロウェッティングによって液滴1の絶縁膜501、502に対する接触角が減少する。このとき、液滴1内部と電源9の電荷が絶縁膜501、502を挟む位置に移動する。それに伴って、液滴1が分裂液滴101、102に分裂する(図1(2))。
When the voltage of the power source 9 is 0 volts, the contact angle of the
When the voltage of the power source 9 is V1 volts, the contact angle of the
分裂液滴101、102内の絶縁膜501、502の表面に移動した電荷は、絶縁膜501、502のリーク電流によって、電源9に徐々に移動する。それによって、分裂液滴101、102の絶縁膜501、502に対する接触角は増大し、元の大きさに復元する(図1(3))。
接触角が復元した分裂液滴1011、1012は、流路内の流れ場によって下流方向に流される(図1(4))。
The charges that have moved to the surfaces of the insulating
The
このように、液滴分裂に必要な流路幅を液滴と同程度とすることで、流路の圧力損失を大きくすることなく、より微小な液滴を生成することができる。 In this way, by setting the flow path width necessary for the liquid droplet splitting to the same level as the liquid droplets, it is possible to generate smaller liquid droplets without increasing the pressure loss of the flow path.
また、分裂後の液滴径は、分裂前液滴の壁面に対する接触面積に依存することから、微小流路内が安定した層流を供給することで、液滴の壁面に対する接触面積が常に一定となる。これにより、分裂後の液滴径の分布を分裂前の分布とほぼ等しくでき、均一の流径にすることができる。 In addition, since the droplet diameter after splitting depends on the contact area with the wall surface of the droplet before splitting, the contact area with the wall surface of the droplet is always constant by supplying a stable laminar flow in the microchannel. It becomes. Thereby, the distribution of the droplet diameter after the division can be made substantially equal to the distribution before the division, and a uniform flow diameter can be obtained.
(拡大流路による液滴分裂)
液滴1の接触角を変化させるには、液滴1は絶縁膜501、502の両方に接する必要があるため、流路3の幅は液滴1の直径よりも同程度である必要がある。図1の場合は、流路幅が小さいために、液滴の物性によっては電源9に電圧を印加した際に液滴が分裂しない場合が生じる。
(Drop breakup by expansion channel)
In order to change the contact angle of the
図2は、本発明の液滴分裂部の流路幅を拡大する概略構成を示す。
電源9の電圧が0ボルトでは、流路3の拡大前部分301にある液滴1の絶縁膜501、502に対する接触角は大きい(図2(1))。
電源9の電圧をV1ボルトとすると、流路3の拡大前部分301にある液滴1の絶縁膜501、502に対する接触角が減少する(図2(2))。
FIG. 2 shows a schematic configuration for enlarging the channel width of the droplet splitting portion of the present invention.
When the voltage of the power source 9 is 0 volts, the contact angle of the
When the voltage of the power source 9 is V1 volts, the contact angle of the
接触角が減少した液滴103は、流路内の流れ場によって、流路3の拡大部分302を通過して拡大後部分303に移動する。このとき、液滴103は静電気力によって、絶縁膜501、502から離れないために、流路に垂直な方向に伸張する(図2(3))。
電源9の電圧をV1ボルトよりも大きいV2ボルトにすることによって、流路3の拡大後部分303にある液滴104が分裂液滴101、102に分裂する(図2(4))。
The
By setting the voltage of the power source 9 to V2 volts, which is larger than V1 volts, the
図1(3)と同様に、絶縁膜501、502のリーク電流によって、分裂液滴101、102の接触角が復元する(図2(5))。その後、流路内の流れ場によって、下流に移動する。
Similar to FIG. 1 (3), the contact angle of the split
このように、液滴分裂時の流路幅を拡大する構成を採ることで、流路入り口が液滴径に対して0.5〜1.0倍程度の狭い場合においても、図1の場合よりも確実に液滴を分裂させることができる。 In this way, even when the flow path entrance is narrow, about 0.5 to 1.0 times the droplet diameter, by adopting a configuration in which the flow path width at the time of droplet breakup is enlarged, the case of FIG. It is possible to break the droplet more reliably.
図3は、本発明の液滴分裂部の流路幅が連続的に拡大する概略構成を示す。
電源9の電圧が0ボルトでは、液滴1は絶縁膜501、502に接している(図3(1))。
電源9の電圧をV1ボルトとすると、液滴1の絶縁膜501、502に対する接触角が減少する(図3(2))。
FIG. 3 shows a schematic configuration in which the flow path width of the droplet splitting portion of the present invention continuously increases.
When the voltage of the power supply 9 is 0 volts, the
When the voltage of the power source 9 is V1 volts, the contact angle of the
接触角が減少した液滴103は、流路内の流れ場によって下流に移動する。このとき、液滴103は静電気力によって、絶縁膜501、502から離れないために、流路に垂直な方向に伸張する(図3(3))。
流路3の幅がある値よりも大きくなったところで、液滴103が分裂する(図3(4))。
The
When the width of the
図1(3)と同様に、絶縁膜501、502のリーク電流によって、分裂液滴101、102の接触角が復元する(図3(5))。その後、流路内の流れ場によって、下流に移動する。
Similar to FIG. 1 (3), the contact angle of the split
このように、流路幅が連続的に拡大する構成を採ることで、流れ場の中で自然と液滴を分裂させることが可能となり、図2のように電源電圧を2段階に変化させる必要が無くなる。また、流路幅が連続的に拡大するため、分裂可能となる最大液滴径を限定する必要は無く、様々な径の液滴に対応することができる。 In this way, by adopting a configuration in which the flow path width continuously increases, it becomes possible to spontaneously break up the droplet in the flow field, and it is necessary to change the power supply voltage in two stages as shown in FIG. Disappears. In addition, since the channel width continuously increases, it is not necessary to limit the maximum droplet diameter that can be split, and droplets of various diameters can be handled.
(駆動電極の斜め配置による液滴分裂)
図4は、本発明の液滴分裂部の駆動電極が電極中心線が一致しない斜めの位置に配置された概略構成を示す。
電源9の電圧が0ボルトでは、液滴1の絶縁膜501、502に対する接触角は大きい(図4(1))。
(Drop breakup due to oblique arrangement of drive electrodes)
FIG. 4 shows a schematic configuration in which the drive electrode of the droplet splitting portion of the present invention is disposed at an oblique position where the electrode center lines do not coincide.
When the voltage of the power source 9 is 0 volts, the contact angle of the
液滴1が駆動電極401、402の両方に接する位置に移動したときに、電源9の電圧をV1ボルトとすると、エレクトロウェッティングによって液滴1の絶縁膜501、502に対する接触角が減少する。それに伴って、液滴1が分裂液滴101、102に分裂する(図4(2))。
If the voltage of the power source 9 is set to V1 volts when the
図1と同様に、絶縁膜501、502のリーク電流によって、分裂液滴101、102の接触角が復元する(図4(3))。その後、流路内の流れ場によって、下流に移動する。
As in FIG. 1, the contact angle of the split
このように、駆動電極401、402が液滴1に対して斜めに配置され、液滴1を流路3に対して斜め方向に分裂させることで、図2、図3のように流路の幅を変化させる必要も、図2のように電源電圧を2段階に変化させる必要も無くなる。また、流路に対する液滴径が比較的大きい場合でも、分裂後の液滴同士に距離が生ずるため、一度分裂した液滴同士が合体しにくくなる。
In this way, the
なお、電極中心線が一致しなければ、斜めに向かい合う一方の駆動電極端は他方の駆動電極端の位置と重なり合っても同様の効果を有することは言うまでもない。 Needless to say, if the electrode center lines do not coincide with each other, one drive electrode end facing diagonally has the same effect even if it overlaps the position of the other drive electrode end.
(第一の分裂液滴の接触角復元制御)
図1の場合、分裂後の液滴101、102間の距離が小さい、もしくは電圧V1が大きいと、101、102の間に働く静電気力により、互いに引き合って合体する場合がある。これは、分裂後に液滴内部の電荷が、もう一方の液滴側の面に移動するためである。
(Contact angle restoration control of the first split droplet)
In the case of FIG. 1, when the distance between the
図5を用いて、本発明の第一の分裂液滴の接触角復元を制御する構成と動作原理を説明する。
液滴1には絶縁膜501、502以外に接地電極1201、1202が接続されている。駆動電極401、402は配線801、802とスイッチ1001、1002を介して、電源901、902に接続されるか、接地される。接地電極1201、1202は配線1101、1102を介して常に接地されており、絶縁膜で覆われる必要は無い。スイッチ1001、1002は、制御回路26によって時間により切り替えられる。切り替え時間は液滴と媒体の物性に合わせて適宜調整可能である。
The configuration and operation principle for controlling the contact angle restoration of the first split droplet according to the present invention will be described with reference to FIG.
In addition to the insulating
はじめに、駆動電極401、402は、スイッチ1001、1002を介して接地されている(図5(1))。
スイッチ1001、1002を電源901、902側へ切り替えることで、駆動電極401、402に電圧を印加する。すると、絶縁膜501で覆われた駆動電極401および絶縁膜で覆われていない設置電極1201の双方に接していた液滴1に、接地電極1201のみから電荷が直ちに移動する結果、液滴は負に帯電する。他方の駆動電極402、接地電極1202でも同様である。これによって、液滴1は液滴101と液滴102に分裂する(図5(2))。
First, the
A voltage is applied to the
スイッチ1001のみを接地側に切り替える。これによって、駆動電極401、液滴101内部の電荷が移動する。すると、絶縁膜501に対する液滴101の接触角が復元する(図5(3))。
接触角の復元によって、液滴101が絶縁膜501から離れる。その結果、液滴101は流路3の下流側に流される(図5(4))。
Only the
The
スイッチ1002を接地側に切り替える。これによって、駆動電極402、液滴102内部の電荷が移動する。すると、絶縁膜502に対する液滴102の接触角が復元する(図5(5))。
接触角の復元によって、液滴102が流路内壁から離れる。その結果、液滴102は流路3の下流側に流される。
Due to the restoration of the contact angle, the
このように、分裂後の液滴101、102の接触角復元のタイミングをスイッチング制御することで、一度分裂した液滴の合体を防ぐことができる。
In this manner, by controlling the switching of the contact angle restoration timing of the
(第一の電極配置の態様)
図6(a)〜(d)は、本発明の図5の分裂方法を実現するための、流路3内面の駆動電極401、402、接地電極1201、1202の複数の配置例を示した概略構成図である。駆動電極401、402上には絶縁膜が形成されているが、図中では省略されている。接地電極1201、1202上には絶縁膜はない。図6(d)は、接地電極1201、1202を一つの電極12とした場合であり、製造のしやすさの点で優れている。
(Mode of first electrode arrangement)
6A to 6D are schematic views showing a plurality of arrangement examples of the
(第二の分裂液滴の接触角復元制御)
図7を用いて、本発明の第二の分裂液滴の接触角復元を制御する構成と動作原理を説明する。駆動電極4011、4021は配線8011、8021とスイッチ1001、1002を介して、電源901、902に接続されるか、接地される。接地電極4012、4022は配線8012、8022を介して常に接地される。スイッチ1001、1002は、制御回路26によって時間により切り替えられる。切り替え時間は液滴と媒体の物性に合わせて適宜調整可能である。
(Contact angle restoration control of the second split droplet)
The configuration and operation principle for controlling the contact angle restoration of the second split droplet of the present invention will be described with reference to FIG. The
はじめに、駆動電極4011、4021は、スイッチ1001、1002を介して接地されている(図7(1))。
液滴1が駆動電極4011、4012、4021、4022に接する位置で、スイッチ1001、1002を電源901、902側に切り替えることで、駆動電極4011、4021に電圧を印加する。これによって、液滴1は液滴101と液滴102に分裂する(図7(2))。
First, the
A voltage is applied to the
スイッチ1001のみを接地側に切り替える。これによって、駆動電極4011、4012、液滴101内部の電荷が移動する。すると、絶縁膜501に対する液滴101の接触角が復元する(図7(3))。
接触角の復元によって、液滴101が流路内壁から離れる。その結果、液滴101は流路3の下流側に流される(図7(4))。
Only the
Due to the restoration of the contact angle, the
スイッチ1002を接地側に切り替える。これによって、駆動電極4021、4022、液滴102内部の電荷が移動する。すると、絶縁膜502に対する液滴102の接触角が復元する(図7(5))。
接触角の復元によって、液滴102が流路内壁から離れる。その結果、液滴102は流路3の下流側に流される。
Due to the restoration of the contact angle, the
このように、分裂後の液滴101、102の接触角復元のタイミングをスイッチング制御することで、一度分裂した液滴の合体を防ぐことができる。
In this manner, by controlling the switching of the contact angle restoration timing of the
(第二の電極配置の態様)
図8(a)〜(c)は、本発明の図7の分裂方法を実現するための、流路3内面の駆動電極4011、4012、4021、4022の複数の配置例を示した概略構成図である。駆動電極4011、4012、4021、4022上には絶縁膜が形成されているが、図中では省略されている。図8(d)は駆動電極を一つの流路壁上に複数形成した電極列411,412とした場合である。電極列411,412上には絶縁膜が形成されているが、図中では省略されている。
(Second electrode arrangement mode)
8A to 8C are schematic configuration diagrams showing a plurality of arrangement examples of the
(分裂後の液滴径の調整)
図9を用いて、本発明の分裂後の液滴径を調整する方法について説明する。図5もしくは図7のように、各流路壁面上の駆動電極に対して独立に電圧を印加できる場合、分裂後の液滴径を調整することが可能である。図9は図7と同一の構成であり、配線、スイッチ、電源は図9内では省略してある。スイッチは、制御回路によって時間により切り替えられる。切り替え時間は液滴と媒体の物性に合わせて適宜調整可能である。
(Adjustment of droplet size after splitting)
The method for adjusting the droplet diameter after splitting according to the present invention will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 5 or FIG. 7, when a voltage can be independently applied to the drive electrodes on each channel wall surface, it is possible to adjust the droplet diameter after splitting. FIG. 9 has the same configuration as FIG. 7, and wirings, switches, and power supplies are omitted in FIG. The switch is switched over time by the control circuit. The switching time can be appropriately adjusted according to the physical properties of the droplet and the medium.
はじめに、駆動電極4011、4021は接地され、0ボルトである(図9(1))。
液滴が分裂しない程度に、駆動電極4011にV1ボルト、4021にV2ボルトの電圧を印加する。V1よりもV2の方が大きいため、絶縁膜502に対する接触角は、絶縁膜501に対する接触角よりも小さくなる。それによって、液滴1の絶縁膜502に対する接触面積は、絶縁膜501に対する接触面積よりも大きくなる(図9(2))。
First, the
A voltage of V1 volts is applied to the
駆動電極4011、4021にV3ボルトを印加する。V3はV2よりも大きいため、液滴は分裂する。このとき、分裂液滴101、102の体積は、分裂前の接触面積に依存して異なる(図9(3))。
V3 volts is applied to the
駆動電極4011のみを接地する。これによって、絶縁膜501に対する液滴101の接触角が復元する(図9(4))。
接触角の復元によって、液滴101が流路内壁から離れる。その結果、液滴101は流路3の下流側に流される(図9(5))。
Only the
Due to the restoration of the contact angle, the
駆動電極4021を接地する。これによって、絶縁膜502に対する液滴102の接触角が復元する(図9(6))。
接触角の復元によって、液滴102が流路内壁から離れる。その結果、液滴102は流路3の下流側に流される。
The
Due to the restoration of the contact angle, the
このように、各流路壁面上の駆動電極をスイッチング制御によって独立に電圧を印加することで、分裂後の液滴径を調整することが可能である。 In this way, it is possible to adjust the droplet diameter after splitting by independently applying a voltage to the drive electrodes on each channel wall surface by switching control.
(まとめ)
本発明によれば、マイクロ流体チップの微小流路内のせん断力によって生成した液滴を、その流路の下流における流れ場の中で、エレクトロウェッティングによって流路壁面に対して垂直に分裂させることで、より微小な液滴を生成することができる。また、同一流路の層流中でせん断作業と分裂作業とを行うことで、エレクトロウェッティングによる分裂液滴生成速度を、せん断力によって生成した液滴の生成速度と同期した数百Hzオーダーまで追従可能とすることが可能となる。
(Summary)
According to the present invention, the droplet generated by the shearing force in the microchannel of the microfluidic chip is split vertically to the channel wall surface by electrowetting in the flow field downstream of the channel. As a result, finer droplets can be generated. In addition, by performing shearing and splitting operations in a laminar flow in the same flow path, the split droplet generation rate by electrowetting can be reduced to the order of several hundreds of Hz synchronized with the generation rate of droplets generated by shearing force. It becomes possible to follow.
また、分裂後の液滴径は、分裂前液滴の壁面に対する接触面積に依存することから、微小流路内が安定した層流を供給することで、液滴の壁面に対する接触面積が常に一定となる。これにより、分裂後の液滴径の分布を分裂前の分布とほぼ等しくでき、均一の流径にすることができる。 In addition, since the droplet diameter after splitting depends on the contact area with the wall surface of the droplet before splitting, the contact area with the wall surface of the droplet is always constant by supplying a stable laminar flow in the microchannel. It becomes. Thereby, the distribution of the droplet diameter after the division can be made substantially equal to the distribution before the division, and a uniform flow diameter can be obtained.
さらに、エレクトロウェッティングによる壁面に垂直方向の液滴分裂は、数百Hzオーダーまで追従可能である。したがって、せん断力によって生成した液滴の生成速度に同期して液滴を分裂することが可能であり、単位時間当たりの液滴生成数は従来と同程度となる。 Furthermore, droplet breakup in the direction perpendicular to the wall surface due to electrowetting can follow up to the order of several hundred Hz. Therefore, it is possible to divide the droplets in synchronization with the generation rate of the droplets generated by the shearing force, and the number of droplets generated per unit time is about the same as the conventional one.
(その他)
以上、本発明の例を説明したが、本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能である。
本発明の液滴微粒化装置は、上記で説明した様々な液滴分裂部を組み合わせることも可能である。
(Other)
As mentioned above, although the example of this invention was demonstrated, this invention is not limited to the above-mentioned example, A various change is possible in the range of the invention described in the claim.
The droplet atomization apparatus of the present invention can be combined with the various droplet splitting portions described above.
流路断面は必ずしも長方形である必要は無く、台形、円形、その他の形状でも本発明を実現することは可能である。
制御回路26の電圧切り替えは、時間で行う以外にも、例えば電極に誘電率モニタを設けて行っても良い。
The cross section of the flow path does not necessarily have to be a rectangle, and the present invention can be realized by a trapezoidal shape, a circular shape, or other shapes.
The voltage switching of the
1・・・液滴
101・・・分裂後の液滴
102・・・分裂後の液滴
103・・・電圧印加後の液滴
104・・・電圧印加後の液滴
1011・・・分裂後に接触角が復元した液滴
1012・・・分裂後に接触角が復元した液滴
2・・・媒体
3・・・流路
301・・・流路拡大前部
302・・・流路拡大部
303・・・流路拡大後部
304・・・液滴生成部
305・・・液滴分裂部
401・・・駆動電極
402・・・駆動電極
4011・・・駆動電極
4012・・・駆動電極
4021・・・駆動電極
4022・・・駆動電極
411・・・駆動電極列
412・・・駆動電極列
501・・・絶縁膜
502・・・絶縁膜
6・・・撥水膜
701・・・流路壁
702・・・流路壁
801・・・配線
802・・・配線
9・・・電源
901・・・電源
902・・・電源
1001・・・スイッチ
1002・・・スイッチ
1101・・・配線
1102・・・配線
1201・・・接地電極
1202・・・接地電極
17・・・マイクロ流体チップ
18・・・配管
19・・・配管
20・・・送液ポンプ
21・・・送液ポンプ
22・・・液滴原料
24・・・配管
25・・・回収容器
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記流路下流部の内壁に形成された少なくとも一対の駆動電極に電圧を印加し前記液滴を分裂させることで第二の液滴を生成する液滴分裂部と、
を有することを特徴とする液滴微粒化装置。 A droplet generator that generates a first droplet by shearing force from two types of liquids that do not mix with each other flowing in the microchannel of the microfluidic chip;
A droplet splitting portion that generates a second droplet by applying a voltage to at least a pair of drive electrodes formed on the inner wall of the downstream portion of the flow path to split the droplet;
A droplet atomization apparatus comprising:
前記流路下流部の内壁に形成された少なくとも3つの電極をスイッチング制御によって電圧変化させ前記液滴を分裂させることで第二の液滴を生成する液滴分裂部と、
を有することを特徴とする液滴微粒化装置。 A droplet generator that generates a first droplet by shearing force from two types of liquids that do not mix with each other flowing in the microchannel of the microfluidic chip;
A droplet splitting section for generating a second droplet by changing the voltage of at least three electrodes formed on the inner wall of the downstream portion of the flow path by switching control to split the droplet;
A droplet atomization apparatus comprising:
前記内壁に対面する一対の駆動電極と、
前記内壁に対面する一対の接地電極、前記内壁の同一面上を並走する一対の接地電極、前記駆動電極と異なる前記内壁面に位置する1個の接地電極、のうち少なくとも1つと、
を有することを特徴とする請求項7に記載の液滴微粒化装置。 The droplet splitting part is
A pair of drive electrodes facing the inner wall;
At least one of a pair of ground electrodes facing the inner wall, a pair of ground electrodes running in parallel on the same surface of the inner wall, and one ground electrode located on the inner wall surface different from the drive electrode;
The droplet atomization apparatus according to claim 7, wherein:
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