WO2004054704A1

WO2004054704A1 - 微粒子のハンドリング方法及び装置

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Publication number: WO2004054704A1
Application number: PCT/JP2003/014983
Authority: WO
Inventors: Jun Akedo; Maxim Lebedev; Harumichi Sato
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2002-12-17
Filing date: 2003-11-25
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2005-06-17
Also published as: JP2004195340A; JP4415139B2; AU2003284666A1

Abstract

　Ｓｉ基板１をプラズマエッチングあるいは化学エッチングなどで加工して、薄いＳｉ基板の領域２を設け、この領域２の底面に超音波を発生するための超音波発生源３を設ける。この超音波発生源３は、上部電極４、下部電極５の設けられたＰＺＴなどの圧電素子７を上記基板１裏面の所定の位置に張り付ける。　圧電素子７の厚みの下限は、微粒子をハンドリングするのに必要な超音波の発生パワーからして１μｍ以上、また小型デバイスとして実用に供する観点から駆動電圧を低減するために５０μｍ以下に設定することが望ましい。また、Ｓｉなどできた基板１の厚みは、ＰＺＴ圧電素子７の厚みと同様に、局所的あるは効率的な超音波の印加を考慮し、５００μｍ以下であることが望ましい。　超音波発生源３の配置された基板１底面から基板１表面に向けて１ｋＨｚ以上の周波数で超音波を発生させると、基板１表面の溶液に分散していた微粒子８は、圧電素子が配置され音波振動の腹の部分となる超音波源の中心部に集まり凝集、濃縮される。

Description

明細書微粒子のハンドリング方法及び装置技術分野

この発明は、基板上に展開された大きさが 1 0 0 / m以下の微粒子、薬剤粉末及び D N A等（本明細書では、これらを総称して単に「微粒子」という。）を基板上で搬送、混合、濃縮、分離する方法及び装置に関する。背景技術

生物学、医学、薬学の分野では、処理の高速化や機器の携帯性など様々な理由から液中に分散された極微量の試料を非接触に取り扱い、分析 ·診断する技術が求められている。

従来、液中に分散された微粒子をハンドリングするためにレーザ一による光輻射や加熱による液体流れによる手法が提案されている（従来例 1 )。

また、マイクロマシニングなどを応用した微小化学分析装置や医療用分析装置では、その携帯性を高めるため分析素子の配置された基板上に被分析試料や薬液をガィドするための微小な流路ゃキヤビティ一を設けたカード状の分析装置が提案されている (従来例 2 )。

しかしながら、従来例 1のように、熱的な効果を利用した場合、微粒子の搬送応答速度や安定性に問題があり、基板上に展開された薄い液膜内の強い表面張力に保持された大量の微粒子を一括してハンドリングする事は困難で、扱える分量も僅かで実用性に欠けていた。

また、従来例 2の場合、微小な流路ゃキヤビティーに付着した薬液や D NAなどの固体の分析試料はクリ一ニングが容易でなく、使い捨ての機器にならざる得なかつた。従って、高度で複雑な分析を行うと高価な物になり、その用途は限定された物になる等の課題があった。

本発明は、従来技術の有する問題点を解決すべく新しい知見に基づきなされたもので、超音波輻射による微粒子の凝集現象とフラヅトな基板上に展開された液膜の表面張力を利用し、流路ゃキヤビティ一などのガイド無しに、基板上で超音波を用いて微粒子をハンドリングする技術を提供することを目的とする。発明の開示

まず、本発明の原理について説明する。

容器に入れた液中に分散された微粒子に超音波を照射すると、容器内で形成される超音波定在波節の部分の方が腹の部分より圧力が下がり、結果、液中に分散された微粒子が、節の部分に集まり濃縮される。このことは「超音波輻射圧による微粒子の凝集現象」として知られ文献（応用物理 Vol.67, 3号， p323-326) にも記載されている。

これに対し、基板上に展開あるいは塗布させた印加超音波の波長以下の薄い液膜中の微粒子への超音波照射の場合、液膜の厚みで微粒子の運動は擬 2次元的に拘束され、また、超音波源からの距離がその波長以下であるため、後述するように液中に分散した微粒子は、上記超音波輻射圧を用いた場合と異なり、振動の腹の部分に集まる。この違いは、超音波の近接場効果や液膜の微粒子や基板との間に働く表面張力の効果などが顕著になるためと考えられる。

本発明は、この新しい超音波輻射による微粒子の凝集現象とフラヅトな基板上に展開された液膜の表面張力を利用し、流路ゃキヤビティーなどのガイド無しに、基板上で超音波を用いて微粒子をハンドリングする技術を提供することを目的とする。

なお、本明細書において「超音波」は、高い周波数をもつ各種の弾性波を総称して超音波といい、およそ 1 k H z以上の周波数の音波をいう。

上記目的を達成するため本発明の微粒子のハンドリング方法は、溶液と混合された微粒子を ¾反上に展開し、これに超音波を印加し、微粒子と溶液を搬送、混合、凝集、濃縮又は分離することを特徴とする。

また、本発明の微粒子のハンドリング方法は、溶液と微粒子とが混合されて形成する液膜の厚みが印加する超音波の波長あるいはその波長以下であることを特徴とする。

また、本発明の微粒子のハンドリング方法は、溶液と微粒子とが混合されて形成する液膜の厚みが微粒子の粒径の 3〜 1 0倍の範囲であること特徴とする。また、本発明の微粒子のハンドリング装置は、溶液と混合された微粒子を表面に展開する基板の裏面に超音波発生源を設け、前記基板の裏面側から液体と混合された微粒子に超音波を印加することを特徴とする。

また、本発明の微粒子のハンドリング装置は、超音波発生源として基板の裏面にエアロゾルデポジション法で形成される P Z T膜から成る圧電素子を用いることを特徴とする。

また、本発明の微粒子のハンドリング装置は、基板裏面に少なくとも 2力所以上の超音波発生源を設け、これらの超音波発生源を順次動作させることを特徴とする。

また、本発明の微粒子のハンドリング装置は、微粒子が 1 以上、 1 0 0〃 m以下であることを特徴とする。

また、本発明の微粒子のハンドリング装置は、溶液と混合された微粒子に印加される超音波が、 1 k H z以上であることを特徴とする。

また、本発明の微粒子のハンドリング装置は、溶液と微粒子とが混合されて形成する液膜の厚みが 1 O mm以下であることを特徴とする。

また、本発明の微粒子のハンドリング装置は、基板の厚みが 0. 5〜5 0 0 z m の範囲であることを特徴とする。

また、本発明の微粒子のハンドリング装置は、超音波発生源に印加する電圧振幅が 3 0 V以下であることを特徴とする。

本発明によれば、基板上に展開された薄い液膜内の強い表面張力に保持された大量の微粒子を一括してハンドリングする事が可能であり、扱える分量も実用上必要とされるに十分である。また、微粒子の搬送応答速度や安定性にも優れている。また、本発明では、基板表面に微小流路ゃキヤビティ一を形成せず非接触で微粒子のハンドリング（搬送、凝集、混合、分散、分離など）が行えるため、液膜、微粒子の接触する表面は、フラットで装置をクリーニングすることが容易になり、また、流路などの固定されたガイドが液膜、微粒子の接触する基板表面に存在しないため、同一の装置で任意の方向への微粒子、液体の搬送、凝集、分散が可能となる。また、本発明によれば、従来のものに比して操作が容易であり、また低廉なハンドリング装置の提供が可能である。図面の簡単な説明

第 1図は、この発明の実施の形態 1に係る微粒子のハンドリング装置の概略を示す正面断面図である。

第 2図は、この発明の実施の形態 1による実験例 1を示すもので、微粒子のハンドリング装置の上面から見た画像である。

第 3図は、この発明の実施の形態 1による実験例 2を示すもので、微粒子のハンドリング装置の上面から見た画像である。

第 4図は、この発明の実施の形態 1による実験例 3を示すもので、微粒子のハンドリング装置の上面から見た画像である。

第 5図は、この発明の実施の形態 1による実験例 4を示すもので、微粒子のハンドリング装置の上面から見た画像である。

第 6図は、この発明の実施の形態 1に係る超音波を印加した際の基板の振動状態をレーザ一変位計で計測した結果を示す図である。

第 7図は、基板裏面をエッチングし、該エッチング部に超音波発生源である圧電素子を設けた例を示す正面図である。

第 8図は、この発明の実施の形態 2に係る、フラットな基板裏面上に超音波発生源である圧電素子を複数配列し、これを順次駆動させることで、基板表面上に塗布された液膜内の微粒子を搬送する状態を示す正面図である。

第 9図は、この発明の実施の形態 2に係る、微細な超音波源をマトリックス状に配置した例を示す説明図である。発明を実施するための最良の形態' '

以下、本発明をより詳細に説述するために、添付の図面に従ってこれを説明する。〔実施の形態 1〕

第 1図乃至第 7図は、実施の形態 1を示すものである。

図 1は、微粒子ハンドリング装置の概略を示す正面断面図であり、左側の図が電源 O F F時を、右側の図が電源 O N時を示している。微粒子ハンドリング装置は、以下の手順で作製される。

まず、 Si¾¾lをプラズマェヅチング（ICP— RIE：誘導プラズマ結合反応性ェヅチング）あるいは化学ェヅチング（異方性エッチング）などで加工し、第 1図に示すような薄い S i基板の領域 2を設け（結果として微小な容器（キヤビティー）を構成することになる。）、この領域 2の底面に超音波を発生するための超音波発生源 3を設ける。

この超音波発生源 3は、上部電極 4、下部電極 5の設けられた PZTなどの圧電素子 7を上記基板 1裏面の所定の位置に張り付ける。このとき、上記超音波発生発生源 3である圧電素子 7をエアロゾルデポジション法（例えば、特許公開 2002 - 20878に開示されている微粒子堆積法）で P Z T微粒子を P tなどの下部電極 5の設けられた S i基板 1に吹きつけ直接形成すると、接着剤などを介さないため、発生した超音波の吸収が最小限に抑えられ、 S i基板 1上に塗布された液膜内に超音波を広い周波数に渡り効率的に伝搬させることが可能となる。

さらに形成する P Z T圧電素子 7の厚みの下限は、微粒子をハンドリングするのに必要な超音波の発生パワーからして 1 zm以上、また小型デバイスとして実用に供する観点から駆動電圧を低減するために 50 m以下に設定することが望ましい。また、 S iなどできた ¾|反 1の厚みは、 PZT圧電素子 7の厚みと同様に、局所的あるは効率的な超音波の印加を考慮し、 500//m以下であることが望ましい。次に、この様に形成された超音波発生源 3を設けた基板 1に、粒径 500〃 m以下のガラス微粒子 8と溶液 9を混合したものを塗布あるは滴下し、薄い液膜 10を形成し、前記超音波発生源 3の配置された基板 1底面から基板 1表面に向けて 1 k H z以上の周波数で超音波を発生させると、基板 1表面の溶液に分散していた微粒子 8は、第 2図乃至第 5図に示すように圧電素子が配置され音波振動の腹の部分となる超音波源の中心部に集まり凝集、濃縮される。一

第 2図乃至第 5図に示す実験例①〜④では、微粒子 8の粒径は 5〃m、 20〃m、 124 zmで、液膜 10の厚みは 1〜 6 mm、 S i基板 1厚みは 65 zm、 100 〃m、圧電素子（PZT層） 7厚みは 10〜15〃m、駆動超音波の周波数は、 1 0kHz, 13 kHz, 96kHz, 144kHz， 214 k H z、駆動電圧は土 10V、溶液 9の種類は、水、エチレングルコール、パラフィン、シリコンオイルである。このとき液膜 10面は微粒子 8との間に働く表面張力により引きずられ微粒子 8の凝集に伴い盛り上がり、印加している超音波振動を切ると、溶液 9の熱振動や基板 1との表面張力により、超音波発生源直下に濃縮、集められた微粒子 8は、再び分散することになる。つまり、超音波照射の ON、 OFFにより、この微粒子 8の凝集操作は可逆的に行うことが可能である。

また、超音波照射中に凝集した微粒子は、静的に集まったものでなく、液体との間に流れを作っており、動的に動きながら集まったものである。従って、種類の異なる微粒子を混合することも可能であり、さらに微粒子を溶液と混合、反応させることも可能である。

微粒子 8の凝集の速度は、圧電素子 7に印加する駆動電圧で制御可能で、超音波源のパワー（素子の振幅）の増加に伴って、微粒子 8の移動速度が増加することが確認された。また、第 2図乃至第 4図の実験①〜③にあるように、微粒子 8の粒子径、溶液 9の種類に関係無く、超音波により凝集操作を実現することができる。尚、このときの照射超音波の周波数は ¾«1の共振周波数（溶液有り： 5kHz, 溶液無し： 20kHz)ではない。

また、微粒子 8の凝集の速度は、上記した圧電素子 7に印加する駆動電圧の他に、溶液の粘度、あるいは、微粒子の粒径に応じても凝集速度が変化する。この性質を利用することにより、微粒子の分離、あるいは微粒子と溶液との分離をすることも可能である。

さらに、第 5図の実験例④は、超音波の周波数を変化させたときの凝集操作の変化を調べた結果である。 10kHz〜200 kHzにわたり、凝集操作を実現することができた。このとき、上述した①〜④の全ての実験において、溶液中.の音波波長は、 7 mm〜 150 mmで、液膜 10の厚みや実験に用いた基板 1に形成されたキヤビティーの大きさ以上で、超音波の波長から本発明の液中微粒子の獲現象は、近接場超音波の効果によるものと考えられ、先述した超音波輻射圧による液中微粒子の凝集現象とは、メカニズムが異なることが確認された。また、基板振動部分の振幅（d) は、 1 Onm (10kHz時）〜2nm (214kHz時）と非常に僅かで、単純な基板振動による粒子の凝集でも無く、超音波による効果であることが明らかになった。尚、確認のために超音波を印加した際の基板 1の振動状態をレーザー変位計（小野測器製： L V- 1 6 1 0 &フリンジカウン夕一 L V— 0 1 2 0 )で計測した結果、第 6図に示すように超音波印加により粒子の凝集した超音波源中央部で最大変位をする 1次の振動モードであった。また、同じ超音波源を設けた基板に液体を除いた状態で微粒子 8だけを載せ、超音波を照射したところ、 S反 1上の微粒子 8はその場で振動するだけで、この様な微粒子 8の凝集現象は、全く観察されなかった。つまり、本発明の微粒子のハンドリング手法は、従来、ネジ等の微小部品を搬送するのに使われるパ一ヅフィーダ一などの様な振動と重力を用いた原理とは本質的に異なることが確認された。

この実施例では、塗布する溶液 9としては自然蒸発、乾燥を防く、ため水、ェチレングルコ一ル、パラフィン、シリコンオイルを使ったが、アルコール類などその他の液体でも同様の操作が可能で、用途により適宜選択する。また、超音波により微粒子 8に働く力は、粒径に依存して小さくなり、最終的にはブラウン運動のため散乱されハンドリングできなくなる。実験的には 0.5〃 m程度の粒子径までは操作できることが確認された。液膜 1 0の厚みについては、本発明の場合、使用する微粒子 8の粒径にも影響されるが、実験的には使用する微粒直径の 3〜1 0倍程度が好ましい。

尚、液膜 1 0を形成する液体 9に高粘度あるいは表面張力の大きな液体を用いると、重力の影響を無視でき、基板 1表面に特別なカバ一を掛けなくとも、基板 1上に展開された液体 9や微粒子 8はこぼれ落ちることなく使用することができ、装置が簡便化する利点がある。

また、上記実施例の実験では、基板 1にエッチングにより微小なキヤビティーを設けたが、これは溶液 9をガイドする為の物でなく、溶液 9や微粒子 8に局所的かつ効率的に超音波を印加するために S i基板 1を薄くし、側壁からの音波の反射を利用するためで、本装置の動作原理からも、これは必須のものでは無い。従って、

S i基板 1上で超音波を効率的に印加するためにエッチングを施し、厚みを薄くする箇所は、液膜 1 0の塗布される基板 1表面に設ける必要は無く、第 7図に示すように基板 1裏面をエッチングし、超音波発生源 3である圧電素子 7を設けてもよい。つまり、基板 1に超音波が印加されていれば、液膜 1 0中の微粒子 8は超音波発生源 3近傍に拘束され、微小キヤビティ一や微小流路などのガイドが必要でなくフラヅト（平面）な基板 1面上で安定した微粒子のハンドリング、分析が可能となる。また、これにより複雑な流路ゃキヤビティ一を設ける必要が無く、分析装置のクリ —ニングが容易になる。

尚、第 7図の様な構成の場合、圧電膜の形成は従来薄膜技術では困難で、エア口ゾルデポジション法により、ノズルから P Z T微粒子を噴射し、局所的なパ夕一二ングを行えば容易に作製できる。

〔実施の形態 2〕

第 8図及び第 9図は、実施の形態 2を示すものである。

実施の形態 1の基本操作を基に、第 8図に示すようにフラットな S i基板 1裏面上に超音波発生源 3である圧電素子 Ίを複数配列し、これを順次駆動させることで、その表面上に塗布された液膜 1 0内の微粒子 8を搬送することができる。次にその動作を説明する、まず、複数配列された圧電素子 7の一つを動作させると、圧電素子 7周辺に存在する粒子 8は実施の形態 1の原理に基づき圧電素子 7の近傍に凝集する。次にこの圧電素子 7の駆動を停止し、あるいは漸次弱めながら、隣接された圧電素子 7を徐々に駆動すると、圧電素子 7の近傍に集まっていた微粒子 8は、同様の原理で圧電素子 7近傍に引き寄せられ、圧電素子 7近傍に凝集する。この様な動作を隣接する複数の圧電素子 7にわたり順次駆動する事で、結果的に微粒子 8は、基板 1上に配置された圧電素子 Ίの配列に応じて、移動することができる。

この様な圧電素子 7の配列は、従来の微小流路のパターンに対応するもので、搬送、混合、凝集などの操作の必要に応じて配置、大きさを選ぶ。また、微細な超音波源を第 9図に示すようにマトリックス状に配置し、一筆書きできる形で順次駆動すると、駆動する超音波源の組み合わせにより同一の素子で、基板 1上の微粒子 8 を任意のべクトル方向にハンドリングが可能となり、様々な目的に'応じて同装置を安価に提供することができる。尚、超音波源の配列間隔と各超音波源の切り替わり時間は、液体の粘性、液膜の厚み、粒子の大きさ、超音波の周波数、強度に応じて適宜調整する。産業上の利用可能性以上のように、本発明にかかる微粒子のハンドリング方法及び装置は、基板上に展開された大きさが 1 0 0 / m以下の微粒子、薬剤粉末及び D N A等を基板上で搬送、混合、濃縮、分離するのに有用であり、特に、生物学、医学、薬学の分野における液中に分散された極微量の試料を非接触に取り扱い、分析 ·診断するのに適している。

Claims

請求の範囲

I . 溶液と混合された微粒子を基板上に展開し、これに超音波を印加し、微粒子と溶液を搬送、混合、凝集、濃縮又は分離することを特徴とする微粒子のハンドリング方法。

2 . 溶液と微粒子とが混合されて形成する液膜の厚みが印加する超音波の波長あるいはその波長以下であることを特徴とする請求の範囲第 1項記載の超音波微粒子ハンドリング方法。

3 . 溶液と微粒子とが混合されて形成する液膜の厚みが微粒子の粒径の 3〜 1 0倍の範囲であること特徴とする請求の範囲第 1項記載の微粒子のハンドリング方法。

4 . 溶液と混合された微粒子を表面に展開する基板の裏面に超音波発生源を設け、前記基板の裏面側から液体と混合された微粒子に超音波を印加することを特徴とする微粒子のハンドリング装置。

5 . 超音波発生源として基板の裏面にエアロゾルデポジション法で形成される P Z T膜から成る圧電素子を用いることを特徴とする請求の範囲第 4項記載の微粒子のハンドリング装置。

6 . S反裏面に少なくとも 2力所以上の超音波発生源を設け、これらの超音波発生源を順次動作させることを特徴とする請求の範囲第 4項又は 5項記載の微粒子のハンドリング装置。

7 . 微粒子が l〃m以上、 1 0 0〃m以下であることを特徴とする請求の範囲第 4 項乃至第 6項のいずれか 1項に記載の微粒子のハンドリング装置。

8 . 溶液と混合された微粒子に印加される超音波が、 1 k H z以上であることを特徴とする請求の範囲第 4項乃至第 7項のいずれか 1項に記載の微粒子のハンドリング装置。

9 . '溶液'と微粒子とが混合されて形成する液膜の厚みが 1ひ mm以下であることを特徴とする請求の範囲第 4項乃至第 8項のいずれか 1項に記載の微粒子のハンドリング装置。

1 0 . 基板の厚みが 0. 5〜5 0 0 /zmの範囲であることを特徴とする請求の範囲第 4項乃至第 9項のいずれか 1項に記載の微粒子のハンドリング装置。

I I . 超音波発生源に印加する電圧振幅が 3 0 V以下であることを特徴とする請求の範囲第 4項乃至第 1 0項のいずれか 1項に記載の微粒子のハンドリング装置 ₍