特開 2022-159742 液体誘導装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022159742

(43)【公開日】2022-10-18

(54)【発明の名称】液体誘導装置

(51)【国際特許分類】

   B81B 1/00 20060101AFI20221011BHJP

   B01J 19/00 20060101ALI20221011BHJP

   G01N 13/00 20060101ALI20221011BHJP

【ＦＩ】

B81B1/00

B01J19/00 321

G01N13/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021064126

(22)【出願日】2021-04-05

(71)【出願人】

【識別番号】594164542

【氏名又は名称】キヤノンメディカルシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100108855

【弁理士】

【氏名又は名称】蔵田 昌俊

(74)【代理人】

【識別番号】100103034

【弁理士】

【氏名又は名称】野河 信久

(74)【代理人】

【識別番号】100179062

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 正

(74)【代理人】

【識別番号】100075672

【弁理士】

【氏名又は名称】峰 隆司

(74)【代理人】

【識別番号】100153051

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 直樹

(74)【代理人】

【識別番号】100162570

【弁理士】

【氏名又は名称】金子 早苗

(72)【発明者】

【氏名】逢坂 竜生

【テーマコード（参考）】

3C081

4G075

【Ｆターム（参考）】

3C081AA13

3C081BA01

3C081BA72

3C081CA34

3C081CA36

3C081CA45

3C081DA07

3C081DA10

3C081DA11

3C081EA29

4G075AA13

4G075AA39

4G075BA10

4G075BB10

4G075BD04

4G075BD05

4G075DA02

4G075DA18

4G075EA02

4G075EB50

4G075FA05

4G075FA08

4G075FB02

4G075FB04

4G075FB12

4G075FC20

(57)【要約】      （修正有）

【課題】所望の方向に液体を誘導できる構造を容易かつ低コストで実現すること。
【解決手段】本実施形態に係る液体誘導装置１０は、ベース部１１と、複数の微細構造物１２とを含む。複数の微細構造物１２は、ベース部１１上に突設され、互いの間に空間を形成する。複数の微細構造物１２は、滴下される液体との見かけの接触角が液体の誘導方向に向かうほど小さくなるように、誘導方向に向かって段階的に高く形成される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ベース部と、
前記ベース部上に突設され、互いの間に空間を形成する複数の微細構造物と、
を具備し、
前記複数の微細構造物は、滴下される液体との見かけの接触角が前記液体の誘導方向に向かうほど小さくなるように、前記誘導方向に向かって段階的に高く形成される、液体誘導装置。

【請求項2】

前記複数の微細構造物は、前記誘導方向に向かうほど前記液体の濡れ性に関するラフネスパラメータが略１．７に近づくように、微細構造物の高さおよび隣接する微細構造物間のピッチが設計される、請求項１に記載の液体誘導装置。

【請求項3】

隣接する微細構造物における前記誘導方向側の微細構造物の高さは、他方よりも高い、請求項１または請求項２に記載の液体誘導装置。

【請求項4】

同じ高さの複数の微細構造物で形成される微細構造物群が複数形成され、
隣接する微細構造物群における前記誘導方向側の微細構造物群の高さは、他方よりも高い、請求項１または請求項２に記載の液体誘導装置。

【請求項5】

前記複数の微細構造物は、多角柱形状を有する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の液体誘導装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書および図面に開示の実施形態は、液体誘導装置に関する。

【背景技術】

【0002】

いわゆるカートリッジを用いたインフルエンザウイルスなどの迅速検査においては、検体と試薬を混合した混合液をカートリッジ上に滴下し、カートリッジ上に設けられた測定部など所定の位置へ液滴を移動させる必要がある。一般的なカートリッジの設計では、液滴が流れるような傾斜をつけるスペースや厚みが十分に確保できない場合が多いため、カートリッジを傾けるなど人手によって液滴を所望の方向へ誘導させることもある。しかし、傾けても液滴が加速しづらかったり、傾けた角度によってはカートリッジから液滴が落下してしまう可能性がある。また、薬品がカートリッジ表面に付着してしまうこともあり、本来測定に必要な量よりも多目に試薬を滴下しなくてはならないという問題もある。

【0003】

そのため、液体が滴下されるカートリッジの表面を化学処理や部分的に材料を変更するなどして、カートリッジ表面の濡れ性を制御し、液滴を所望の方向へ移動させやすくすることも考えられるが、化学処理により試薬が変性する可能性やコストがかかるというデメリットがある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１４－１２４７５０号公報

【特許文献2】特開２００５－０００７４４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本明細書および図面に開示の実施形態が解決しようとする課題の一つは、所望の方向に液体を誘導できる構造を容易かつ低コストで実現できることである。ただし、本明細書及び図面に開示の実施形態により解決しようとする課題は上記課題に限られない。後述する実施形態に示す各構成による各効果に対応する課題を他の課題として位置づけることもできる。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本実施形態に係る液体誘導装置は、ベース部と、複数の微細構造物とを含む。複数の微細構造物は、前記ベース部上に突設され、互いの間に空間を形成する。複数の微細構造物は、滴下される液体との見かけの接触角が前記液体の誘導方向に向かうほど小さくなるように、前記誘導方向に向かって段階的に高く形成される。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】図１は、本実施形態に係る液体誘導装置の構成を示す斜視図である。

【図2】図２は、液体誘導装置の濡れ性について説明する概念図である。

【図3】図３は、微細構造物の高さとラフネスパラメータとの関係を示す概念図である。

【図4】図４は、本実施形態に係る液体誘導装置の微細構造物の配置に関する第１の変形例を示す図である。

【図5】図５は、本実施形態に係る液体誘導装置の微細構造物の配置に関する第２の変形例を示す図である。

【図6】図６は、本実施形態に係る液体誘導装置の微細構造物の配置に関する第３の変形例を示す図である。

【図7】図７は、微細構造物の形状を半球状にした場合を示す図である。

【図8】図８は、微細構造物の形状を滴形状にした場合を示す図である。

【図9】図９は、本実施形態に係る液体誘導装置の利用例を示す概念図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、図面を参照しながら本実施形態に係わる液体誘導装置について説明する。以下の実施形態では、同一の参照符号を付した部分は同様の動作をおこなうものとして、重複する説明を適宜省略する。

【0009】

図１は、本実施形態に係る液体誘導装置の構成を示す斜視図である。図１に示すように、本実施形態に係る液体誘導装置１０は、ベース部１１と、複数の微細構造物１２とを含む。

【0010】

ベース部１１は、液体に対する接触角が略９０度よりも小さくなるような、つまり親液性を有するような材料または処理により形成される。例えば、ベース部１１は、熱可塑性樹脂で形成される場合は、当該熱可塑性樹脂に親液性を有する成分を添加した組成物で形成されればよい。なお、ベース部１１の材料については、熱可塑性樹脂に限らず、ポリエステルアクリレートなどの光硬化性樹脂といった他の合成樹脂でもよいし、金属、セラミックなどの材料でもよい。

【0011】

複数の微細構造物１２は、例えば、互いの間に空間を形成してベース部１１上に２次元平面上に突設される、ピラー状の構造物である。図１の例では、液体の誘導方向に向かって微細構造物１２の高さが高くなるように形成される。なお、微細構造物１２は、ベース部１１と同じ材料で形成されてもよいし、異なる材料で形成されてもよい。

【0012】

複数の微細構造物１２は、滴下される液体との見かけの接触角が、液体についての所望の誘導方向に向かうほど小さくなるように、言い換えれば、液体の誘導方向に向かって親液性が高くなるように、誘導方向に向かって微細構造物１２のｚ軸方向の高さが段階的に高く形成される。

【0013】

液体誘導装置１０の作製方法としては、例えば３Ｄプリンタによる造形処理により、ベース部１１と複数の微細構造物１２とを同一材料で作製すればよい。また、熱転写またはＵＶ転写などの型形状転写により、同一材料または異なる材料で一体成形されてもよい。その他、微細構造物１２の高さをそれぞれ変更および調整して製造可能な方法であれば、どのような作製方法を用いてもよい。

【0014】

次に、液体誘導装置１０の濡れ性について図２を参照して説明する。
図２は、固体に液体が付着したときの濡れ性を説明するための図である。平坦な固体表面での液体２０１の接触角θは、Ｙｏｕｎｇの式により、（１）式のように表せる。

【0015】

γ_ｓｇ＝γ_ｌｇｃｏｓθ＋γ_ｓｌ・・・（１）
ここで、γ_ｓｇは、固体－気体の界面自由エネルギーであり、γ_ｌｇは、液体－気体の界面自由エネルギーであり、γ_ｓｌは、固体－液体の界面自由エネルギーである。

【0016】

一方、粗い表面での液体２０１の接触角θ’は、Ｗｅｎｚｅｌモデルにより、（２）式で表せる。

【0017】

ｃｏｓθ’＝ｒ（γ_ｓｇ－γ_ｓｌ）／γ_ｌｇ＝ｒｃｏｓθ・・・（２）
ここで、ｒは、いわゆるラフネスパラメータ（ラフネスファクターとも呼ぶ）であり、（実際の表面積／見かけの表面積）で与えられる。すなわち、実際の表面積が大きくなるほどラフネスパラメータｒの値が大きくなる。

【0018】

Ｗｅｎｚｅｌモデルを参照すると、ベース部１１に関する液体の接触角θと、複数の微細構造物１２上に液体２０１が存在する粗い面上での液体の接触角との関係は、（２）式により表せる。ここで、ラフネスパラメータの値が「１～１．７」の間では、値が略１．７に近づくほど親液性が高くなり、複数の微細構造物１２上に滴下された液体２０１との見かけの接触角、つまり接触角θ’を小さくできる。よって、液体誘導装置１０の複数の微細構造物１２を、液体２０１の誘導方向に向かって親液性を高くするためには、ラフネスパラメータの値が１．７に近づくように形成すればよい。

【0019】

次に、ラフネスパラメータの値を制御するための、微細構造物１２の高さとラフネスパラメータとの関係について図３を参照して説明する。
図３は、図１に示す液体誘導装置１０をｙ軸方向から見た場合の、隣接する２つの微細構造物１２を示す図である。ここでは、図１のようにｙ軸方向には複数の微細構造物１２が並設されている場合であって、ｘ軸方向を液体の誘導方向とし、ｙ軸方向には微細構造物１２の高さを同一とすることを想定するため、表面積の変化に影響する微細構造物１２の高さが異なるｘ軸方向の１次元で説明する。

【0020】

実線３０１が、２つの微細構造物を跨ぐ稜線であり、液体が接する実際の表面積を求めるための一辺となる。つまり、２つの微細構造物１２の上面３１１の長さと、２つの微細構造物１２の間のピッチ３１０の長さと、２つの微細構造物１２の側面３１２、つまりピッチ間で対向する面の高さ（ｚ軸方向の辺の長さ）とを加算した長さが、実際の表面積を求めるための一辺の長さとなる。一方、破線３０２が、見かけの表面積を求めるための一辺である。つまり、２つの微細構造物１２上面の長さと、ピッチ３１０の長さとを加算した長さが破線３０２である。
実線３０１で示す稜線が長いほど実際の表面積が大きくなり、ラフネスパラメータの値も大きくなる。よって、液体の誘導方向に向かって、ラフネスパラメータの値が略１．７に近づくように、微細構造物１２の高さを段階的に高く形成すればよい。

【0021】

微細構造物１２の高さを段階的にどの程度高くするかの決定方法としては、例えば、滴下する液体の液体誘導装置１０での位置と、誘導先となる目的地までの距離とに基づいて設計されればよい。
例えば、滴下される液体の位置から目的地までの距離が１０ｍｍであり、滴下される液体の位置におけるラフネスパラメータの値が「１．２」である場合を想定する。この場合、例えば１ｍｍの移動距離でラフネスパラメータの値を「０．０５」ずつ高く設計できるように、実際の表面積と見かけの表面積とを考慮して微細構造物１２の高さを決定すればよい。具体的には、例えば微細構造物１２の上面３１１を３００ｕｍとし、ピッチ３１０を４００ｕｍとし、図３に示す２つの微細構造物１２上でのラフネスパラメータの値を「１．２５」に設計したい場合を想定する。右側の微細構造物の高さを１００ｕｍとし、左側の液体の誘導方向側の微細構造物の高さを１５０ｕｍと設計すればよい。

【0022】

次に、複数の微細構造物１２の配置に関する第１の変形例について図４に示す。
図４上図は、液体誘導装置１０をｚ軸方向から見た平面図であり、図４下図は、液体誘導装置１０をｙ軸方向から見た側面図である。

【0023】

図１では、隣接する２つの微細構造物１２が段階的に高く形成される例として、液体の誘導方向側の微細構造物１２の高さが他方の高さよりも高くなるように形成される場合を示すが、図４の例では、同じ高さの複数の微細構造物で形成される微細構造物群４０１が複数形成される。隣接する微細構造物群４０１において、液体の誘導方向側の微細構造物群４０１の高さが、他方の高さよりも高くなるように形成される。このように、隣接する微細構造物１２間で必ずしも連続的に高くする必要はなく、複数の微細構造物１２は、液体の誘導方向に向かって高さが変わらない微細構造物群を含み、段階的に高くなるように形成されてもよい。

【0024】

次に、液体誘導装置１０の複数の微細構造物１２の配置に関する第２の変形例について図５に示す。
図５は、図４と同様の平面図および側面図である。微細構造物１２の高さだけではなく微細構造物１２間のピッチについても制御してもよい。図５では、微細構造物１２間のピッチが液体の誘導方向に向かって狭まるように複数の微細構造物１２が形成される。例えば、ピッチ５０１よりも誘導方向側のピッチ５０２のほうが狭い。ピッチの大きさを狭めることで見かけの表面積を小さくでき、結果としてラフネスパラメータの値を大きくすることができる。このように、液体誘導装置１０の作製時に、微細構造物１２の高さだけでなく、微細構造物１２間のピッチの大きさも調整することで、ラフネスパラメータの値をより柔軟に制御できる。

【0025】

次に、液体誘導装置１０の複数の微細構造物１２に関する第３の配置例について図６に示す。
図６は、図４と同様の平面図および側面図である。図５では、液体の誘導方向と同じｘ軸方向のピッチが調整されるが、図６では、誘導方向と垂直なｙ軸方向の微細構造物１２間のピッチが、液体の誘導方向側のほうが狭くなるように複数の微細構造物１２が形成される。例えば、ピッチ６０１よりも、誘導方向側のピッチ６０２のほうが狭い。このように微細構造物１２が形成されることで、例えば対角線方向に液体を誘導できるといった、２次元領域で液体の誘導方向を制御できる。

【0026】

なお、上述の例では、微細構造物１２の形状を四角柱で形成する例を示すが、これに限らない。微細構造物１２の形状に関する変形例について図７および図８を参照して説明する。
図７は、微細構造物１２を半球状に形成した例を示し、図８は、微細構造物１２を滴形状のような複雑な形状に形成した例を示す。図７および図８ともに、誘導方向に向かって微細構造物１２の高さが高くなるように形成すればよい。

【0027】

このように、微細構造物１２の形状は、多角柱、円柱、多角錐、円錐などの形状でもよいし、複雑な立体形状であってもよい。すなわち、液体の誘導方向に向かって液体の接触角が小さくなる、言い換えれば、液体の誘導方向に向かって段階的に高くなるように微細構造物１２が形成されればよい。

【0028】

次に、本実施形態に係る液体誘導装置１０の利用例について図９の概念図を参照して説明する。
図９では、たとえば唾液などにウイルスが含まれているか否かを迅速に検査する場合を想定し、試薬と検体とを反応させるための穴を有する検査用のカートリッジの一部に、本実施形態に係る液体誘導装置１０が配置される場合を想定する。図９では、液体誘導装置１０上に滴下された液体を穴９０２に液体を落下させるよう、目的地を穴９０２に設定した場合の例を示す。

【0029】

図９（ａ）は、液体誘導装置１０の穴９０２とは反対側に液体９０１が滴下された状態を示す。図９（ｂ）は、滴下された液体９０１が濡れ拡がっている状態を示す。液体９０１は接触角が小さい方向に濡れ拡がるため、微細構造物１２の高さが高い方向、つまり液体９０１との接触角が小さい方向に液体が移動する。図９（ｃ）は、誘導された液体９０１が穴９０２に落下していく状態を示す。

【0030】

目的地である穴９０２に向かう微細構造物１２の形状及び配置については、穴９０２に向かって直線状に形成されてもよいし、液体誘導装置１０を配置可能なカートリッジの領域に合わせて形成されてもよい。例えば、液体誘導装置１０を配置する領域が円状であれば、穴９０２に向かって円弧に沿って複数の微細構造物１２が配置されてもよい。

【0031】

なお、図９に示すようなウイルス検査に限らず、微生物、動物および植物などから抽出したＤＮＡ、ＲＮＡまたはタンパク質を試薬と反応させて解析するような、バイオ関連の検査などにも適用できる。すなわち、本実施形態に係る液体誘導装置１０は、液体を所望の誘導方向に移動させる必要がある機器及び処理に適用可能である。

【0032】

以上に示した本実施形態によれば、微細構造物の高さを液体の誘導方向に向かって高くするように形成することで、液体との接触角を小さくするように設計できる。液体は、接触角が小さい方に濡れ拡がるため、所望の誘導方向に液体を誘導できる。また、微細構造物の高さを変化させることで、濡れ性に関するラフネスパラメータの要素である実際の表面積を拡げることができ、効率的に濡れ性を制御できる。これにより、例えば、液体誘導装置１０を配置可能な領域、つまり複数の微細構造物を配置可能な領域が狭く設計の自由度が少ないような条件においても実益がある。

【0033】

以上説明した少なくとも１つの実施形態によれば、所望の方向に液体を誘導できる構造を容易かつ低コストで実現できる。

【0034】

いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、実施形態同士の組み合わせを行なうことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0035】

１０ 液体誘導装置
１１ ベース部
１２ 微細構造物
２０１，９０１ 液体
３０１ 実線
３０２ 破線
３１０，５０１，５０２，６０１，６０２ ピッチ
３１１ 上面
３１２ 側面
４０１ 微細構造物群
９０２ 穴

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】