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特開2023-163721流体デバイス電極作製方法、及び電極付きマイクロ流体デバイス
(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】P2023163721
(43)【公開日】2023-11-10
(54)【発明の名称】流体デバイス電極作製方法、及び電極付きマイクロ流体デバイス
(51)【国際特許分類】
B81B 1/00 20060101AFI20231102BHJP
B81C 99/00 20100101ALI20231102BHJP
G01N 37/00 20060101ALI20231102BHJP
B01J 19/00 20060101ALI20231102BHJP
【ＦＩ】
B81B1/00
B81C99/00
G01N37/00 101
B01J19/00 321
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022074806
(22)【出願日】2022-04-28
(71)【出願人】
【識別番号】504137912
【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学
(74)【代理人】
【識別番号】100165179
【弁理士】
【氏名又は名称】田▲崎▼ 聡
(74)【代理人】
【識別番号】100188558
【弁理士】
【氏名又は名称】飯田 雅人
(74)【代理人】
【識別番号】100140774
【弁理士】
【氏名又は名称】大浪 一徳
(74)【代理人】
【識別番号】100175824
【弁理士】
【氏名又は名称】小林 淳一
(74)【代理人】
【識別番号】100194250
【弁理士】
【氏名又は名称】福原 直志
(72)【発明者】
【氏名】竹内 昌治
(72)【発明者】
【氏名】森本 雄矢
(72)【発明者】
【氏名】菅原 啓亮
【テーマコード（参考）】
3C081
4G075
【Ｆターム（参考）】
3C081AA00
3C081AA17
3C081BA21
3C081BA22
3C081BA23
3C081CA11
3C081CA31
3C081CA45
3C081DA10
3C081DA27
3C081EA27
3C081EA28
3C081EA29
4G075AA02
4G075AA27
4G075AA39
4G075AA56
4G075BA10
4G075BB10
4G075CA05
4G075CA14
4G075DA02
4G075DA18
4G075EA02
4G075EC21
4G075FA05
4G075FB02
4G075FB12
(57)【要約】
【課題】流体デバイスの機能を拡張できること。
【解決手段】流体デバイス電極作製方法は、流路が形成された流体デバイスには電極として用いられる金属を導入するための金属導入用流路が形成されており、金属導入用流路の流入口に金属が載置され、かつ金属導入用流路の流出口が所定の範囲のガス透過率を有する蓋によって塞がれた状態において、流体デバイスを耐圧容器内に載置する工程と、耐圧容器を真空状態にする工程と、耐圧容器内に空気を流入させる工程とを有する。
【選択図】図１
【解決手段】流体デバイス電極作製方法は、流路が形成された流体デバイスには電極として用いられる金属を導入するための金属導入用流路が形成されており、金属導入用流路の流入口に金属が載置され、かつ金属導入用流路の流出口が所定の範囲のガス透過率を有する蓋によって塞がれた状態において、流体デバイスを耐圧容器内に載置する工程と、耐圧容器を真空状態にする工程と、耐圧容器内に空気を流入させる工程とを有する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
流路が形成された流体デバイスには電極として用いられる金属を導入するための金属導入用流路が形成されており、
前記金属導入用流路の流入口に前記金属が載置され、かつ前記金属導入用流路の流出口が所定の範囲のガス透過率を有する蓋によって塞がれた状態において、前記流体デバイスを耐圧容器内に載置する工程と、
前記耐圧容器を真空状態にする工程と、
前記耐圧容器内に空気を流入させる工程と
を有する流体デバイス電極作製方法。
前記金属導入用流路の流入口に前記金属が載置され、かつ前記金属導入用流路の流出口が所定の範囲のガス透過率を有する蓋によって塞がれた状態において、前記流体デバイスを耐圧容器内に載置する工程と、
前記耐圧容器を真空状態にする工程と、
前記耐圧容器内に空気を流入させる工程と
を有する流体デバイス電極作製方法。
【請求項2】
前記金属とは、低融点合金である
請求項１に記載の流体デバイス電極作製方法。
請求項１に記載の流体デバイス電極作製方法。
【請求項3】
前記ガス透過率の下限は、前記耐圧容器を真空状態にする工程において前記金属導入用流路の内部の空気を抜くことができるという条件によって決められ、前記ガス透過率の上限は、前記耐圧容器内に空気を流入させる工程において、前記耐圧容器の外部が大気圧に達する時期において前記金属導入用流路の内部を真空に近い状態に保持できるという条件によって決められる
請求項１に記載の流体デバイス電極作製方法。
請求項１に記載の流体デバイス電極作製方法。
【請求項4】
前記蓋の材質は、ＰＤＭＳである
請求項１に記載の流体デバイス電極作製方法。
請求項１に記載の流体デバイス電極作製方法。
【請求項5】
前記流体デバイスの材質は、紫外線硬化樹脂である
請求項１に記載の流体デバイス電極作製方法。
請求項１に記載の流体デバイス電極作製方法。
【請求項6】
前記金属導入用流路の幅は、７５０マイクロメートル以下である
請求項１に記載の流体デバイス電極作製方法。
請求項１に記載の流体デバイス電極作製方法。
【請求項7】
前記金属導入用流路の形状は、３次元形状である
請求項１に記載の流体デバイス電極作製方法。
請求項１に記載の流体デバイス電極作製方法。
【請求項8】
対象物を流通させるためのマイクロ流路と、
前記マイクロ流路を流通する対象物に電場を印加する電極と、
を備え、
前記電極は、幅が７５０マイクロメートル以下である３次元形状である
電極付きマイクロ流体デバイス。
前記マイクロ流路を流通する対象物に電場を印加する電極と、
を備え、
前記電極は、幅が７５０マイクロメートル以下である３次元形状である
電極付きマイクロ流体デバイス。
【請求項9】
前記マイクロ流体デバイスの材質は、紫外線硬化樹脂である
請求項８に記載の電極付きマイクロ流体デバイス。
請求項８に記載の電極付きマイクロ流体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、流体デバイス電極作製方法、及び電極付きマイクロ流体デバイスに関する。
【背景技術】
【0002】
マイクロ流体デバイスは、微細加工技術を用いて、マイクロ流路や微小な反応チャンバを作製し、流体中の化学物質や細胞やリポソームなど粒子の分析、合成、検出を行うための装置の総称である。マイクロ流体デバイスはマイクロスケールの操作を流体中で行えることから、化学や生物学で幅広く利用されている。マイクロ流体デバイスによってＬａｂ ｏｎ ａ ｃｈｉｐ（ＬＯＣ）、Ｍｉｃｒｏ ｔｏｔａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｙｓｔｅｍｓ（ＭｉｃｒｏＴＡＳ、マイクロタス）などの技術分野が発展し、微細化学反応容器、遺伝子解析、細胞解析、ドラッグデリバリ、Ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｃａｒｅ検査、Ｏｒｇａｎ ｏｎ ａ ｃｈｉｐ、合成生物学や人工細胞の創生といった様々な研究に寄与している。
【0003】
近年では、３次元造形技術の進歩により、３次元マイクロ流体デバイスが注目されている。従来の主流であるソフトリソグラフィ技術により作られるマイクロ流体デバイスと比較して、３次元マイクロ流体デバイスは、低予算で大量に作製することができる。中でも、３Ｄプリンタはマイクロ流体デバイスを１ステップで作製することができ、３Ｄプリンタの発展と普及によって、より多くの分野の専門家がマイクロ流体デバイスを使えるようになる。
【0004】
一方、近年、３次元マイクロ流体デバイスに電極を埋め込むことによって、３次元マイクロ流体デバイスの機能を大きく拡張することが求められている。しかしながら、３次元的に電極を配線する方法の提案は少ない。従来では、マイクロ流体デバイスに２次元的な電極パターンを張り合わせる方法、ワイヤ電極を流路に直接差し込む方法が主流であった。最も用いられる電極付きマイクロ流体デバイスの作製方法は、金属薄膜をパターニングした基板とソフトリソグラフィ技術で作製した流路を組み合わせる方法である。しかしながら、この従来方法は流路底面や上面に非常に薄い電極を設けているために、センシングできる空間的な制限や電場によって粒子にかかる力が弱まりやすいといった欠点がある。そこで、これまでに流路の高さと同程度の分厚い電極をソフトリソグラフィ技術によって作製した流路と組み合わせる方法が研究されている（例えば、非特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0005】
【非特許文献1】「Ｌａｂ ｏｎ ａ Ｃｈｉｐ」、２００７年６月２５日、２００７年７号、１１１４－１１２０頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
流体デバイスの流路に電極を配置することによって、流体デバイスの機能を拡張することが求められている。
【0007】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、マイクロ流体デバイスの機能を拡張できる流体デバイス電極作製方法、及び電極付きマイクロ流体デバイスを提供する。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、本発明の一態様は、流路が形成された流体デバイスには電極として用いられる金属を導入するための金属導入用流路が形成されており、前記金属導入用流路の流入口に前記金属が載置され、かつ前記金属導入用流路の流出口が所定の範囲のガス透過率を有する蓋によって塞がれた状態において、前記流体デバイスを耐圧容器内に載置する工程と、前記耐圧容器を真空状態にする工程と、前記耐圧容器内に空気を流入させる工程とを有する流体デバイス電極作製方法である。
【0009】
また、本発明の一態様は、上記の流体デバイス電極作製方法において、前記金属とは、低融点合金である。
【0010】
また、本発明の一態様は、上記の流体デバイス電極作製方法において、前記ガス透過率の下限は、前記耐圧容器を真空状態にする工程において前記金属導入用流路の内部の空気を抜くことができるという条件によって決められ、前記ガス透過率の上限は、前記耐圧容器内に空気を流入させる工程において、前記耐圧容器の外部が大気圧に達する時期において前記金属導入用流路の内部を真空に近い状態に保持できるという条件によって決められる。
【0011】
また、本発明の一態様は、上記の流体デバイス電極作製方法において、前記蓋の材質は、ＰＤＭＳである。
【0012】
また、本発明の一態様は、上記の流体デバイス電極作製方法において、前記マイクロ流体デバイスの材質は、紫外線硬化樹脂である。
【0013】
また、本発明の一態様は、上記の流体デバイス電極作製方法において、前記合金導入用流路の幅は、７５０マイクロメートル以下である。
【0014】
また、本発明の一態様は、上記の流体デバイス電極作製方法において、前記金属導入用流路の形状は、３次元形状である。
【0015】
また、本発明の一態様は、対象物を流通させるためのマイクロ流路と、前記マイクロ流路を流通する対象物に電場を印加する電極と、を備え、前記電極は、幅が７５０マイクロメートル以下である３次元形状である電極付きマイクロ流体デバイスである。
【0016】
また、本発明の一態様は、上記のマイクロ流体デバイスにおいて、前記マイクロ流体デバイスの材質は、紫外線硬化樹脂である。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、流体デバイスの機能を拡張できる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】本発明の実施形態に係るマイクロ流体デバイスの外観の一例を示す斜視図である。
【図2】本発明の実施形態に係るマイクロ流体デバイスの外観の一例を示す断面図である。
【図3】本発明の実施形態に係る耐圧容器の内部に載置されたマイクロ流体デバイスの一例を示す断面図である。
【図4】本発明の実施形態に係る真空引きが行われたマイクロ流体デバイスの一例を示す断面図である。
【図5】本発明の実施形態に係る大気開放が行われたマイクロ流体デバイスの一例を示す断面図である。
【図6】本発明の実施形態に係る低融点合金が滴下されるマイクロ流体デバイスの一例を示す断面図である。
【図7】本発明の実施形態に係る耐圧容器の内部に載置されたマイクロ流体デバイスの一例を示す断面図である。
【図8】本発明の実施形態に係る大気開放が行われたマイクロ流体デバイスの一例を示す断面図である。
【図9】本発明の第１実施例に係るマイクロ流体デバイスを示す図である。
【図10】本発明の第１実施例に係るマイクロ流体デバイスを示す図である。
【図11】本発明の第１実施例に係るマイクロ流体デバイスに低融点合金を導入し電極を作製した一例を示す図である。
【図13】本発明の第１実施例に係る微細な電極を作製した例を示す図である。
【図14】本発明の第１実施例に係るマイクロ流体デバイスを示す図である。
【図15】本発明の第１実施例に係るマイクロ流体デバイスを示す図である。
【図16】本発明の第１実施例に係るマイクロ流体デバイスを示す図である。
【図17】本発明の第１実施例に係るマイクロ流体デバイスを示す断面図である。
【図18】本発明の第１実施例に係る電極作製方法によって電極を作製した結果を示す図である。
【図19】本発明の第１実施例に係る電極作製方法によって電極を作製した結果を示す図である。
【図20】本発明の第１実施例に係る電極作製方法によって電極を作製した結果を示す図である。
【図21】本発明の第１実施例に係る初期差圧と低融点合金の導入速度との関係を示す図である。
【図22】本発明の第１実施例に係る流量としての低融点合金の導入速度の時間変化を示す図である。
【図23】本発明の第１実施例に係る低融点合金の充填率を示す図である。
【図24】本発明の第１実施例に係る流入口から７．５ｍｍ毎の低融点合金の充填率を示す図である。
【図25】本発明の第２実施例に係る電極によって電場を与えたマイクロビーズの移動の様子を示す図である。
【図26】本発明の第２実施例に係るマイクロビーズの移動距離を電場の大きさを変えながら測定した結果を示す図である。
【図27】本発明の第３実施例に係る電極付きマイクロ流体デバイスのマイクロ流路と、電極との構成を示す図である。
【図28】本発明の第３実施例に係るマイクロ流路を通過するマイクロビーズの様子を示す図である。
【図29】本発明の第３実施例に係る流路上の距離と蛍光の相対強度の関係を示す図である。
【図30】本発明の第４実施例に係る３次元配置デバイスを示す図である。
【図31】本発明の第４実施例に係る交流電圧を与えた電極間の中心にマイクロビーズが集まる様子を示す図である。
【図32】本発明の第４実施例に係る３次元的に配列されたマイクロビーズをゲル上面からみた図である。
【図33】本発明の第４実施例に係る３次元的に配列されたマイクロビーズをゲル側面からみた図である。
【図34】本発明の第４実施例に係るマイクロビーズの平面方向と高さ方向におけるゲル壁面からの相対的な距離を示す図である。
【図35】本発明の第５実施例に係る１面電極の配置を示す図である。
【図36】本発明の第５実施例に係る３面電極の配置を示す図である。
【図37】本発明の第５実施例に係る１面電極デバイスでの電場のシミュレーション結果を示す上面図である。
【図38】本発明の第５実施例に係る１面電極デバイスでの電場のシミュレーション結果を示す断面図である。
【図39】本発明の第５実施例に係る３面電極デバイスでの電場のシミュレーション結果を示す上面図である。
【図40】本発明の第５実施例に係る３面電極デバイスでの電場のシミュレーション結果を示す断面図である。
【図41】本発明の第６実施例に係るスフェロイドが流出口に移動する様子を示す図である。
【図42】本発明の第６実施例に係るソーティングしたスフェロイドについて生死判別を行った結果を示す図である。
【図43】本発明の第６実施例に係る各サンプルにおける生スフェロイドと死スフェロイドの割合を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
（実施形態）
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、本実施形態に係るマイクロ流体デバイス１の外観の一例を示す斜視図である。図２は、本実施形態に係るマイクロ流体デバイス１の外観の一例を示す断面図である。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、本実施形態に係るマイクロ流体デバイス１の外観の一例を示す斜視図である。図２は、本実施形態に係るマイクロ流体デバイス１の外観の一例を示す断面図である。
【0020】
本実施形態では、マイクロ流体デバイス１に電極を作製する方法である電極作製方法について説明する。本実施形態に係る電極作製方法では、真空導入方法を利用し、マイクロ流体デバイス１に低融点合金４を導入する。マイクロ流体デバイス１に作製される電極は、マイクロ流体デバイスに導入された低融点合金４である。なお、図１及び図２はそれぞれ、低融点合金４がマイクロ流体デバイス１に導入される前の状態を示す。
【0021】
マイクロ流体デバイス１は、一例として、３Ｄプリンタによって作製（造形）されている。マイクロ流体デバイス１の材質は、一例として、ポリメチルメタクリレート（Ｐｏｌｙ Ｍｅｔｈｙｌ Ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ：ＰＭＭＡ）を主剤とする紫外線硬化樹脂である。マイクロ流体デバイス１は、所定以下のガス透過率を有し、ほとんど空気を透過させない。
【0022】
マイクロ流体デバイス１には、低融点合金導入部分が形成されている。低融点合金導入部分は、合金導入用流路２と、合金流入口３と、蓋作製部５とを含む。
【0023】
合金流入口３は、載置された低融点合金４を合金導入用流路２に流入させるための入り口である。合金流入口３の形状は、一例として、直径が５ｍｍであり、高さが３．８ｍｍの円錐である。合金流入口３の形状は、載置された低融点合金４をこぼさずに合金導入用流路２に注入できれば円錐以外であってもよい。合金流入口３は、合金導入用流路２の流入口２１と接続されている。
【0024】
低融点合金４は、所定より低い融点を有する合金である。低融点合金４は、一例として、ビスマス、鉛、インジウム、スズ、カドミウムなどが混ぜ合わせられた合金、共晶ガリウム－インジウム（ＥＧａＩｎ）、またはＵアロイなどである。低融点合金４の材質は、所定より低い融点を有していればいずれの低融点合金（液体金属ともいう）が用いられてもよい。低融点合金４の融点は、一例として、約４７度である。
【0025】
合金導入用流路２は、低融点合金４を内部に流し込み、内部に電極を作製するための流路である。合金導入用流路２の形状は、マイクロ流体デバイス１の使用目的に応じて設計される。合金導入用流路２の形状は、一例として、３次元的（立体的ともいう）に設計される。図１から図２に示す例では、合金導入用流路２の形状は、四角柱である。
【0026】
蓋作製部５は、ＰＤＭＳ蓋６を作製するための部位である。蓋作製部５は、合金導入用流路２の流出口２２と接続されている。
【0027】
ＰＤＭＳ蓋６は、蓋作製部５において作製されることによって流出口２２を塞ぐ。ＰＤＭＳ蓋６は、所定の範囲のガス透過率を有する。ＰＤＭＳ蓋６は、合金導入用流路２の内部の空気を合金導入用流路２の外部へとゆっくりと透過させる。ＰＤＭＳ蓋６の材質は、一例として、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）である。ＰＤＭＳ蓋６の形状は、一例として、厚みが約０．８ｍｍの円板形状である。
【0028】
ＰＤＭＳ蓋６の材質は、所定の範囲のガス透過率を有しさえすれば、ＰＤＭＳ以外であってもよい。例えば、ＰＤＭＳ蓋６の材質は、ＰＭＳＰであってもよい。ＰＤＭＳ蓋６の材質は、ＰＤＭＳの側鎖のメチル基をエチル基、プロピル基、またはフェニル基などに置換した物質などであってもよい。
【0029】
なお、マイクロ流体デバイス１には、対象物を流通させるためのマイクロ流路が形成されてもよい。ただし、本実施形態では、電極作製方法を中心に説明するため、マイクロ流体デバイス１には、マイクロ流路は形成されていない。
【0030】
マイクロ流体デバイス１には、合金導入用流路２と、マイクロ流路との微細で複雑な形状の流路を造形する必要がある。そのため上述したように、マイクロ流体デバイス１は、３Ｄプリンタによって作製されている。当該３Ｄプリンタは、一例として、ステレオリソグラフィ式である。当該３Ｄプリンタは、ＤＬＰ方式により、紫外線をプロジェクタから照射し、樹脂を重合することで造形を行う。紫外線レーザーを走査して造形を行うレーザーベースのステレオリソグラフィ式の３Ｄプリンタと比較して、ＤＬＰ方式の３Ｄプリンタは複雑で小さな構造を多く含むデバイスを速く造形することができる。マイクロ流体デバイス１の造形に用いた３Ｄプリンタの解像度は１０μｍであり、積層高さは１０μｍから４０μｍである。
【0031】
マイクロ流体デバイス１は、所定以上の荷重たわみ温度（例えば、１１４度）を有する。所定以上の荷重たわみ温度とは、ＰＤＭＳ蓋６として用いられるＰＤＭＳの硬化させるための加熱温度（例えば、７５度）、及び低融点合金４を導入させるための加熱温度（例えば、７５度）においてもマイクロ流体デバイス１がたわまない程度の温度である。
【0032】
図３から図５を参照し、ガス透過率の低いマイクロ流体デバイス１への低融点合金４を導入する原理について説明する。
上述したように、本実施形態に係る電極作製方法では、真空導入方法を用いる。本実施形態に係る電極作製方法では、マイクロ流体デバイス１を耐圧容器７に入れ、真空引きにより真空状態にした後に、大気開放を行うことで、マイクロ流路である合金導入用流路２の内部と外部との間に圧力差を生じさせ、低融点合金４を導入する。
上述したように、本実施形態に係る電極作製方法では、真空導入方法を用いる。本実施形態に係る電極作製方法では、マイクロ流体デバイス１を耐圧容器７に入れ、真空引きにより真空状態にした後に、大気開放を行うことで、マイクロ流路である合金導入用流路２の内部と外部との間に圧力差を生じさせ、低融点合金４を導入する。
【0033】
なお、耐圧容器７は、第１バルブ７１と、第２バルブ７２とを備える。第１バルブ７１が開かれ、第２バルブ７２が閉じられると、真空ポンプ８により真空引きが行われる。第１バルブ７１が閉じられ、第２バルブ７２が開かれると、大気開放が行われる。
【0034】
図３に示すように、マイクロ流体デバイス１は、耐圧容器７の内部に載置されている。低融点合金４を導入する流入口２１には低融点合金４が載置されている。流出口２２は、ＰＤＭＳ蓋６によって塞がれている。ここで、大気圧をＰａｉｒとする。耐圧容器７の内部の圧力をＰｏｕｔとする。耐圧容器７の内部の圧力は、マイクロ流体デバイス１の外部の圧力（外圧）に相当する。合金導入用流路２の内部の圧力（内圧）をＰｉｎとする。
【0035】
図４に示すように、第２バルブ７２を閉じ、第１バルブ７１を開くことによって耐圧容器７の内部を真空状態にする。つまり、マイクロ流体デバイス１に対して真空引きを行う。このとき、始めにマイクロ流体デバイス１の外部の空気が瞬時に耐圧容器７の外部へと抜けてゆく。その結果、ＰｏｕｔとＰｖａｃとが等しくなる。ここで真空時の圧力をＰｖａｃとする。一方で、合金導入用流路２の内部の空気は、マイクロ流体デバイス１の外部の空気と比較してゆっくりとＰＤＭＳ蓋６を通って耐圧容器７の外部へと抜けてゆく。ＰｏｕｔとＰｖａｃとが等しくなったのと同様にして、真空引き数十分後には、ＰｉｎとＰｖａｃとが等しくなる。つまり、合金導入用流路２の内部も真空状態となる。
【0036】
図５に示すように、合金導入用流路２の内部とマイクロ流体デバイス１の外部とを真空状態にした後に、一気に大気開放すると、耐圧容器７の内部つまりマイクロ流体デバイス１の外部に空気が瞬時に流入する。その結果、マイクロ流体デバイス１の外圧は大気圧に達する。つまり、ＰｏｕｔとＰａｉｒとが等しくなる。
【0037】
一方で、合金導入用流路２の内部への空気の移動は、ＰＤＭＳ蓋６を通して行われており、大気開放をした直後は合金導入用流路２の内部は空気で充満されない。そのため、大気開放直後の合金導入用流路２の内圧は真空状態に近く、ＰｉｎとＰｖａｃとがほぼ等しくなる。これによって、大気開放直後には、合金導入用流路２の外圧は、合金導入用流路２の内圧よりも大きくなり圧力差が生じる。つまり、ＰｏｕｔがＰｉｎよりも大きくなる。この圧力差によって低融点合金４が押されて、低融点合金４が合金導入用流路２の内部に導入される。
【0038】
上述したように、マイクロ流体デバイス１は、微細で複雑な形状の流路を造形する必要があるため、３Ｄプリンタによって作製されている。マイクロ流体デバイス１の材質は、３Ｄプリンタによる造形が可能な紫外線硬化樹脂である。そのため、マイクロ流体デバイス１は、ガス透過率が低くほとんど気体を通さない。本実施形態に係る電極作製方法では、ゆっくりとガス交換を行うことができるＰＤＭＳ蓋６が合金導入用流路２の流出口２２に載置されている。これによって、ガス透過率が低くほとんど気体を通さないマイクロ流体デバイス１においても、真空引きによって、合金導入用流路２の内部と外部との間に圧力差を生じさせ、低融点合金４を導入する。
【0039】
【0040】
まず、７５℃のホットプレート（不図示）上で低融点合金４を液化した。次に、図６に示すように、ＰＤＭＳ蓋６を取り付けたマイクロ流体デバイス１を７５℃のホットプレート（不図示）上で温めながら、マイクロピペット９のチップの先で低融点合金４を合金流入口３に滴下した。
【0041】
次に、耐圧容器７を７５℃に温めた。図９に示すように、温めた耐圧容器７の内部に、低融点合金４を滴下したマイクロ流体デバイス１を載置した。真空ポンプ８の第１バルブ７１を開放し真空引きを行った。ここで、マイクロ流体デバイス１の外圧が－１００ｋＰａになるまで真空引きを行った。マイクロ流体デバイス１の外圧は、圧力メーター（不図示）によって測定した。
【0042】
図８に示すように、真空引きを行ってから約３０分後に、真空ポンプ８の第１バルブ７１を閉じて、第２バルブ７２を一気に開放した（大気開放）。大気開放により低融点合金４を合金導入用流路２の内部に導入した。合金導入用流路２の流入口２１から流出口２２まで低融点合金４が導入されている。
【0043】
低融点合金４を導入したマイクロ流体デバイス１をオーブンから取り出した。低融点合金４が冷めて固化する前に、流入口２１に残った低融点合金４と導線を接続させてもよい。オーブンから取り出したマイクロ流体デバイス１は室温になるまで静置し、低融点合金４を固化させた。
【0044】
なお、第１バルブ７１を開放し真空引きを開始してから、第１バルブ７１を閉じて、第２バルブ７２を開放し大気開放を行う工程は、マイクロ流体デバイス１の外圧が所定の圧力（例えば、－１００ｋＰａ）以下になったことを確認した後、所定の時間（例えば、３０分）だけ経過した後に行われる。マイクロ流体デバイス１の外圧が所定の圧力以下になってから大気開放を行うまでの所定の時間は、低融点合金４が合金導入用流路２内部に導入される速度を測定し予め決められる。
【0045】
本実施形態に係る電極作製方法によれば、作製される電極は、合金導入用流路２に導入された低融点合金４が固化したものである。そのため、作製される電極の形状は、合金導入用流路２の形状とほぼ同じである。また、作製される電極の大きさは、合金導入用流路２の大きさとほぼ同じである。合金導入用流路２は、３Ｄプリンタによって微細で複雑な形状の流路を造形することができる。そのため、本実施形態に係る電極作製方法によれば、微細かつ複雑な３次元形状である電極を作製できる。なお、マイクロ流体デバイス１は、３Ｄプリンタ以外の作製方法によって作製されてもよい。
【0046】
３次元形状とは、立体形状ともいう。３次元形状とは、厚さ（高さ）が長さ、及び幅に対して極端に薄くない形状をいう。つまり、３次元形状とは、ある１方向の長さが、他の２方向の長さに比べて極端に短くない形状をいう３次元形状とは、２次元形状と区別される。２次元形状（平面形状、フィルム形状などともいう）とは、例えば、長さ、及び幅に対して厚さが極端に薄い形状をいう。なお、合金導入用流路２の形状は、２次元形状であってもよい。
【0047】
なお、本実施形態では、電極として用いられる金属が、低融点合金である場合の一例について説明したが、これに限られない。電極として用いられる金属は、合金でなくてもよい。また、電極として用いられる金属は、流体デバイスに形成された金属を導入するための流路に導入できれば、低融点でなくてもよい。電極として用いられる金属は、例えば、金であってもよい。その場合、本実施形態に係る流体デバイス電極作製方法は、高温耐熱性の流体デバイスに金を流し込むことによっても、本実施形態と同様に適用できる。
【0048】
なお、本実施形態では、流路が形成された流体デバイスの一例として、マイクロ流体デバイス１について説明した。つまり、流体デバイスに形成された流路の幅が、マイクロメートルの程度である場合の一例について説明したが、これに限られない。流体デバイスに形成された流路の幅は、マイクロメートルの程度に限られず、マイクロメートルの程度よりも大きくてもよい。また、合金導入用流路の幅もマイクロメートルの程度よりも大きくてもよい。流体デバイスに形成された流路の幅、及びまたは合金導入用流路の幅がマイクロメートルの程度よりも大きい場合であっても、本実施形態に係る流体デバイス電極作製方法を適用可能である。
【0049】
本実施形態では、合金導入用流路２に流入口２１、及び流出口２２がそれぞれ１つずつ設けられる場合の一例について説明したが、これに限られない。合金導入用流路２には複数の流入口が設けられてもよい。また、合金導入用流路２には複数の流出口が設けられてもよい。つまり、合金導入用流路２は分岐を有する形状であってもよい。合金導入用流路２に複数の流入口が設けられる場合、複数の流入口それぞれについて合金流入口が設けられる。また、合金導入用流路２に複数の流出口が設けられる場合、複数の流出口それぞれについてＰＤＭＳ蓋、及び蓋作製部が設けられる。
【0050】
以上に説明したように、本実施形態に係る流体デバイス電極作製方法では、流路が形成された流体デバイス（本実施形態において、マイクロ流体デバイス１）には電極として用いられる金属（本実施形態において、低融点合金４）を導入するための金属導入用流路（本実施形態において、合金導入用流路２）が形成されており、金属導入用流路（本実施形態において、合金導入用流路２）の流入口２１に低融点合金４が載置され、かつ金属導入用流路（本実施形態において、合金導入用流路２）の流出口２２が所定の範囲のガス透過率を有する蓋（本実施形態において、ＰＤＭＳ蓋６）によって塞がれた状態において、流路が形成された流体デバイス（本実施形態において、マイクロ流体デバイス１）を耐圧容器７内に載置する工程と、耐圧容器７を真空状態にする工程と、耐圧容器７内に空気を流入させる工程と、を有する。
【0051】
この構成により、本実施形態に係る流体デバイス電極作製方法では、流体デバイスの流路に電極を配置できるため、流体デバイスの機能を拡張できる。
【0052】
本実施形態に係る流体デバイス電極作製方法は、３Ｄプリンタによって作製されたマイクロ流体デバイスに微小電極を配置するのに好適である。微小電極とは、例えば、幅が７５０マイクロメートル以下の電極である。また、本実施形態に係る流体デバイス電極作製方法では、合金導入用流路に微小電極の材料としての低融点合金を導入することによって微小電極を作製でき、合金導入用流路の形状はマイクロ流体デバイスを３Ｄプリンタによって作製することによって任意の３次元形状とできる。そのため、本実施形態に係る流体デバイス電極作製方法は、３次元形状の微小電極をマイクロ流体デバイスに配置するのに好適である。
【0053】
（第１実施例）
［電極付きマイクロ流体デバイスの作製例］
実施例として、上述した実施形態に係る電極作製方法によってマイクロ流体デバイスに電極が作製された例について説明する。
図９は、本実施例に係るマイクロ流体デバイス１ａを示す図である。マイクロ流体デバイス１ａは、合金導入用流路２ａの形状は四角柱である。合金導入用流路２ａの長さをＬ１とし、高さをＨ１とし、幅をＷ１とする。
［電極付きマイクロ流体デバイスの作製例］
実施例として、上述した実施形態に係る電極作製方法によってマイクロ流体デバイスに電極が作製された例について説明する。
図９は、本実施例に係るマイクロ流体デバイス１ａを示す図である。マイクロ流体デバイス１ａは、合金導入用流路２ａの形状は四角柱である。合金導入用流路２ａの長さをＬ１とし、高さをＨ１とし、幅をＷ１とする。
【0054】
図１０は、本実施例に係るマイクロ流体デバイス１ｂを示す図である。マイクロ流体デバイス１ｂは、合金導入用流路２ｂの形状は四角柱である。合金導入用流路２ｂは、狭窄な部分を有する。合金導入用流路２ｂの長さをＬ１とし、高さをＨ１とし、幅をＷ１とする。合金導入用流路２ｂのうち狭窄な部分の長さをＬ２とし、高さをＨ２とし、幅をＷ２とする。
【0055】
図１１に、図９に示したマイクロ流体デバイス１ａに、実施形態に係る電極作製方法によって低融点合金を導入し電極を作製した例を示す。図１２に図１１に示した電極のうち部分Ｒ１を拡大した図を示す。部分Ｒ１の幅は、７５０μｍである。
【0056】
また図１３に示すように、合金導入用流路２の幅Ｗ１（または高さＨ１）に応じて、７５０μｍよりもさらに狭い幅の微細な電極を作製できる。図１３（Ａ）に示す作製された電極の幅Ｗ１は５００μｍである。図１３（Ｂ）に示す作製された電極の幅Ｗ１は２５０μｍである。
【0057】
また、図１０に示したマイクロ流体デバイス１ｂに、実施形態に係る電極作製方法によって低融点合金を導入し電極を作製した。当該電極のうち狭窄な部分を拡大した図を図１３（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）に示す。図１３（Ｃ）に示す作製された電極では、幅Ｗ１は２５０μｍであり、幅Ｗ２は２００μｍである。図１３（Ｄ）に示す作製された電極では、幅Ｗ１は２５０μｍであり、幅Ｗ２は１５０μｍである。図１３（Ｅ）に示す作製された電極では、幅Ｗ１は２５０μｍであり、幅Ｗ２は５０μｍである。
【0058】
次に、上述した実施形態に係る電極作製方法によって、３次元的に配線された流路へ低融点合金を導入であることを示すため様々な３次元形状の電極の作製例を示す。
図１４は、本実施例に係るマイクロ流体デバイス１ｃを示す図である。マイクロ流体デバイス１ｃは、合金導入用流路２ｃの形状は、曲がり角を有する形状（折れ線の形状）であり、かつ折れ線の一部の辺が他の辺とは異なる高さに配置された３次元形状である。
図１４は、本実施例に係るマイクロ流体デバイス１ｃを示す図である。マイクロ流体デバイス１ｃは、合金導入用流路２ｃの形状は、曲がり角を有する形状（折れ線の形状）であり、かつ折れ線の一部の辺が他の辺とは異なる高さに配置された３次元形状である。
【0059】
図１５は、本実施例に係るマイクロ流体デバイス１ｄを示す図である。マイクロ流体デバイス１ｄでは、合金導入用流路２ｄの形状は、螺旋形状（コイル形状）である。合金導入用流路２ｄは、円筒形状のマイクロ流路１１ｄの周りに巻かれるように作製されている。
【0060】
図１６は、本実施例に係るマイクロ流体デバイス１ｅを示す図である。図１６（Ａ）に示すように、マイクロ流体デバイス１ｅでは、合金導入用流路２ｅの形状は、マイクロ流路１１ｅの内部に複数の円柱（ピラー）が並べられた３次元形状である。図１６（Ｂ）に、図１６（Ａ）に示したマイクロ流路１１ｅのうち部分Ｒ２を拡大した図を示す。図１７にマイクロ流体デバイス１ｅの断面図を示す。ピラー形状の電極を作製するためのマイクロ流路１１ｅとは、流路が分岐し分岐先が行き止まりとなっている形状（行き止まり形状ともいう）である。行き止まりは、図１７に示すピラーの円柱形状の上面である。
【0061】
図１４から図１６に示したように設計したマイクロ流体デバイスをそれぞれ３Ｄプリンタで造形した。造形したマイクロ流体デバイスの合金導入用流路の流出口にＰＤＭＳの蓋を取り付け、７５℃、９０分間、真空オーブン中で真空引きをして、低融点合金を導入した。その後、マイクロ流体デバイスを観察し、低融点合金の導入を確認した。
【0062】
図１８に、図１４に示したマイクロ流体デバイス１ｃに、実施形態に係る電極作製方法によって低融点合金を導入し電極を作製した例を示す。合金導入用流路が互いに異なる高さの部分からなる場合であっても、低融点合金が重力の影響などで導入ができなくなることはなかった。実施形態に係る電極作製方法によって、３次元配線電極付きマイクロ流体デバイスのアレイ化電極のように、電極を３次元的に配線することによって集積などして、マイクロ流路への電極の配置の自由度を上げることができると考えられる。
【0063】
図１９に、図１５に示したマイクロ流体デバイス１ｄに、実施形態に係る電極作製方法によって低融点合金を導入し電極を作製した例を示す。合金導入用流路が螺旋形状である場合であっても、合金導入用流路に低融点合金を導入できることが確かめられた。螺旋形状の電極によってマイクロ流路の内部の温度制御などへの応用が期待できる。
【0064】
図２０に、図１６に示したマイクロ流体デバイス１ｅに、実施形態に係る電極作製方法によって低融点合金を導入し電極を作製した例を示す。図２０（Ｂ）に、図２０（Ａ）に示した電極のうち部分Ｒ３を拡大した図を示す。
従来では、センサなどに利用されるマイクロピラー電極は、金属を積層蒸着することなどで作製されていた。しかしながら、この従来の方法では３次元形状のマイクロ流路の内部にマイクロピラー電極を併設することは難しかった。実施形態に係る電極作製方法では、行き止まり形状の流路にも低融点合金をしっかりと導入でき、直径２００μｍのマイクロピラー電極を作製することができた。
従来では、センサなどに利用されるマイクロピラー電極は、金属を積層蒸着することなどで作製されていた。しかしながら、この従来の方法では３次元形状のマイクロ流路の内部にマイクロピラー電極を併設することは難しかった。実施形態に係る電極作製方法では、行き止まり形状の流路にも低融点合金をしっかりと導入でき、直径２００μｍのマイクロピラー電極を作製することができた。
【0065】
３Ｄプリンタで作製した流路に液体金属を流し込む方法をはじめとする従来方法では比較的簡単で大きな流路幅の電極デザインに限定されていた。一方、実施形態に係る電極作製方法では、上述したような複雑な３次元形状の微小電極を作製することができる。実施形態に係る電極作製方法では合金導入用流路の内部の空気を抜いてから低融点合金を導入しているため、３次元配線電極などの曲がり角の多い形状、またはピラーなどの行き止まり形状を持つ場合でも、低融点合金を合金導入用流路に導入できる。
【0066】
本実施例に示したように、実施形態に係る電極作製方法は、従来方法より幅広いデザインの電極を作製することができる。実施形態に係る電極作製方法では、従来方法と比べて小さい様々な形状の電極を作製することができるため、微小電極を３次元的に配置したバイオセンサ、または３次元的な微小粒子を操作することによる人工組織の構築への応用が期待される。
【0067】
［導入速度及び充填率］
次に、実施形態に係る電極作製方法における低融点合金の合金導入用流路への導入速度及び充填率について説明する。
電極の作製においてマイクロ流路と電極を直接接触させる場合には、低融点合金をマイクロ流路に導入させてしまわないように、低融点合金の導入速度を下げる必要がある。そこで、初期差圧を下げることによって低融点合金の導入速度を下げることができるかを調べた。初期差圧は、真空引きを完了した時における耐圧容器の内部の圧力（合金導入用流路が形成されているマイクロ流体デバイスの外圧に相当する）と大気圧との差である。
次に、実施形態に係る電極作製方法における低融点合金の合金導入用流路への導入速度及び充填率について説明する。
電極の作製においてマイクロ流路と電極を直接接触させる場合には、低融点合金をマイクロ流路に導入させてしまわないように、低融点合金の導入速度を下げる必要がある。そこで、初期差圧を下げることによって低融点合金の導入速度を下げることができるかを調べた。初期差圧は、真空引きを完了した時における耐圧容器の内部の圧力（合金導入用流路が形成されているマイクロ流体デバイスの外圧に相当する）と大気圧との差である。
【0068】
図２１は、本実施例に係る初期差圧と低融点合金の導入速度との関係を示す図である。合金導入用流路の全長をＬとする。合金導入用流路の流入口から低融点合金が導入された位置までの長さをＬｔとする。低融点合金導入率は、Ｌに対するＬｔの割合である。図２１に示す２つグラフはそれぞれ、低融点合金導入率の大気開放後の時間変化を示す。一方のグラフは、初期差圧が－１００ｋＰａである場合の低融点合金導入率の時間変化を示す。他方のグラフは、初期差圧が－５０ｋＰａである場合の低融点合金導入率の時間変化を示す。
【0069】
初期差圧が－１００ｋＰａの場合は、大気開放後に低融点合金の導入が開始されるまでに約４０ｍｓｅｃかかった。一方、初期差圧が－５０ｋＰａの場合は、大気開放後に低融点合金の導入が開始されるまでに約１００ｍｓｅｃかかった。これは、初期差圧が低いほど、大気流入あたりの合金導入用流路の内外の圧力の変化が小さく、大気開放後に合金導入用流路の流入口から測定開始点までに低融点合金が流れるのに時間がかかるためであると考えられる。
【0070】
また、初期差圧が－１００ｋＰａの場合には低融点合金の導入に約１００ｍｓｅｃかかる。一方、初期差圧が－５０ｋＰａの場合には約４００ｍｓｅｃかかった。これも同様に初期差圧が低いほど合金導入用流路の内外に生じる圧力差が小さく低融点合金が押し出される力が弱くなるためであると考えられる。この結果から合金導入用流路の全体において、初期差圧が小さいほど低融点合金の導入に時間がかかることがわかった。
【0071】
低融点合金の導入速度を流量として、この流量の時間変化を図２２に示した。初期差圧が－１００ｋＰａの場合と初期差圧が－５０ｋＰａの場合とのそれぞれにおいて、低融点合金は導入されるとある程度一定の流量で流れることがわかった。初期差圧が－５０ｋＰａの場合における低融点合金の平均流量は２１±７μＬ／ｓｅｃであった。初期差圧が－５０ｋＰａの場合の流量は初期差圧が－１００ｋＰａの場合の流量の約５分の１であった。
【0072】
図２１に示した結果と、図２２に示した結果とから、初期差圧を下げることで低融点合金の導入速度を下げることができることがわかった。なお、低融点合金の導入を制御するために、初期差圧は－１００ｋＰａのままで合金導入用流路の抵抗を大きくするなどしてもよい。
【0073】
上述したように実施形態に係る電極作製方法においては、ＰＤＭＳ蓋が用いられる。蓋の材料がＰＤＭＳであることが低融点合金の導入に寄与していることを示すために、３つの条件について、低融点合金の充填率を測定した。３つの条件とは、蓋が無く穴Ａ１が空いている場合、ＰＤＭＳ製の蓋Ａ２の場合、及び３Ｄプリンタ樹脂製の蓋Ａ３の場合である。
【0074】
蓋が無く穴Ａ１が空いている場合は、低融点合金の導入が合金導入用流路の流入口から途中で止まり、最後（流出口）まで低融点合金は導入されなかった。ＰＤＭＳ製の蓋Ａ２の場合は、低融点合金を合金導入用流路の全体に導入することができた。３Ｄプリンタ樹脂製の蓋Ａ３の場合は、空気が生じて低融点合金の導入が途中で止まるなど低融点合金が流路全体に導入することができなかった。
【0075】
図２３に示すように、上述した３つの条件それぞれにおいて低融点合金の充填率を算出し比較した。３つの条件それぞれについて、低融点合金の導入は複数回行われ、充填率は複数回測定された。
ＰＤＭＳ製の蓋Ａ２の場合は、低融点合金の充填率は１．０であり、低融点合金は合金導入用流路の流入口から流出口まで導入された。
ＰＤＭＳ製の蓋Ａ２の場合は、低融点合金の充填率は１．０であり、低融点合金は合金導入用流路の流入口から流出口まで導入された。
【0076】
蓋が無く穴Ａ１が空いている場合は、低融点合金の導入率は０．１５±０．０７であり、３つの条件の中で導入率は最も低かった。これは、蓋がなく穴Ａ１が空いている場合は、真空引き後の大気開放によって合金導入用流路に空気がすぐさま入り込み、合金導入用流路の内部の圧力を真空状態に保つことができずに、外部との圧力差を作れなくなるためである。つまり、蓋のガス透過率が高すぎる場合は、空気の流入によって導入時の合金導入用流路の内外の圧力差を保てずに、低融点合金の導入が途中で止まってしまうと考えられる。
【0077】
３Ｄプリンタ樹脂製の蓋Ａ３の場合は、充填率は０．４０±０．３０であり、複数回の測定について、充填率の平均は３つの条件の中で２番目に低い値であり、充填率のばらつきは最も大きかった。３Ｄプリンタ樹脂製の蓋Ａ３の場合は、真空引きの時に合金導入用流路の内部から空気を蓋部分から抜くことができず、大気開放時に合金導入用流路の内外に適切な圧力差が作られず、低融点合金を完全に導入することができないためである。また、充填率のばらつきが大きく、低融点合金が一部分のみに導入されるのは、真空引きの際に流路内部空気が低融点合金に入り込むため、及びまたは流路中に空気が残存するためであると考えられる。つまり、蓋の材料のガス透過率が非常に低い場合は、低融点合金または合金導入用流路の内部に空気が残存し、残存した空気によって低融点合金の導入が部分的になり電極を断線させてしまうと考えられる。
【0078】
図２３に示す結果から、蓋の材料のガス透過率が低融点合金の導入に影響を与えることがわかった。蓋のガス透過率が高すぎる場合でも、低すぎる場合でも低融点合金は、合金導入用流路の流入口から流出口まで導入されない。つまり、実施形態に係る電極作製方法においては、蓋のガス透過率が所定の範囲にない場合、低融点合金の導入によって電極を作製することが困難であることがわかった。
【0079】
実施形態に係る電極作製方法において用いられる蓋には、時間をかければ真空引きによって流路内部の空気を抜くことができ、大気開放し外部が大気圧に達する時には合金導入用流路２の内部を真空に近い状態に保持できる所定の範囲のガス透過率の素材が適している。
【0080】
蓋のガス透過率の下限は、時間をかければ真空引きによって合金導入用流路２の内部の空気を抜くことができるという条件によって決まる。真空引きによって流路内部の空気を抜くために要する時間は、電極作製に必要とされる時間以下であればよい。一方、蓋のガス透過率の上限は、大気開放し外部が大気圧に達する時には合金導入用流路２の内部を真空に近い状態に保持できるという条件によって決まる。
【0081】
したがって、蓋のガス透過率の下限は、耐圧容器７を真空状態にする工程において合金導入用流路２の内部の空気を抜くことができるという条件によって決められ、蓋のガス透過率の上限は、耐圧容器７内に空気を流入させる工程において、耐圧容器７の外部が大気圧に達する時期において合金導入用流路２の内部を真空に近い状態に保持できるという条件によって決められる。
【0082】
このようなガス透過率を有する材料としては、上述したＰＤＭＳが好適である。低融点合金を導入するためには蓋のガス透過率がＰＤＭＳのガス透過率程度であることが好ましい。３Ｄプリンタ樹脂製の蓋の主成分であるＰＭＭＡは、ガス透過率がＰＤＭＳより１０００分の１程度低い。図２３に示す結果によれば、蓋のガス透過率がＰＤＭＳのガス透過率よりも１０００分の１程度低い場合は導入できないこと示唆された。
【0083】
次に、合金導入用流路の長さの低融点合金の充填率への影響を調べた。一般的なマイクロ流体デバイスでは、その流路の流入口から流出口までが数ｃｍ四方に収まり、配線や電源との接続のために電極も流路と同程度の長さまで延ばされることが多い。また、３次元に電極を配線し設置する場合は、単位面積当たりの電極長は長くなる。実施形態に係る電極作製方法によって作製することができる電極の長さを調べることは非常に重要である。
【0084】
合金導入用流路の長さ（つまり、電極の長さ）がそれぞれ１５ｍｍ、３０ｍｍ、及び４５ｍｍであるマイクロ流体デバイスに低融点合金を導入した。全ての長さにおいて低融点合金の導入が確認された。各電極の長さにおいて、流入口から７．５ｍｍ毎の低融点合金の充填率を図２４に示す。図２４に示すグラフによれば、数ｃｍ程度まで高い（９５パーセント以上）充填率が維持されていることがわかる。図２４に示すグラフからわかるように、いずれの電極の長さにおいても、流入口からの距離が長くなることによって、低融点合金の充填率が著しく低下することはなかった。実施形態に係る電極作製方法では、真空引きにより合金導入用流路の空気がないため通常よりも流体の圧力損失が小さくなる。そのため、４５ｍｍの長さまでは低融点合金の導入は長さの影響を受けにくいと考えられる。
【0085】
このように、実施形態に係る電極作製方法では、数ｃｍ長の微小電極が作製できる。そのため、実施形態に係る電極作製方法では、マイクロ流体デバイスに統合するために配線を長くしても断線を起こすことなく電極が設置できる。
【0086】
（第２実施例）
本実施例では、実施形態に係る電極作製方法で作製された電極付きマイクロ流体デバイスによって、３Ｄプリンタ製のマイクロ流路において粒子を操作できることを示すために、誘電泳動によるマイクロビーズの操作を行った。本実施例では、負の誘電泳動（ｎＤＥＰ）によってマイクロ流路を流れるマイクロビーズの操作の実験結果について説明する。
本実施例では、実施形態に係る電極作製方法で作製された電極付きマイクロ流体デバイスによって、３Ｄプリンタ製のマイクロ流路において粒子を操作できることを示すために、誘電泳動によるマイクロビーズの操作を行った。本実施例では、負の誘電泳動（ｎＤＥＰ）によってマイクロ流路を流れるマイクロビーズの操作の実験結果について説明する。
【0087】
マイクロ流路を流れるマイクロビーズにマイクロ流路に接続された微小な電極２０によって電場を与えた。その結果、図２５（Ａ）に示すように電極２０近傍側を流れるマイクロビーズが押し出され、図２５（Ｂ）に示すようにこのマイクロビーズを電極２０から離れるように移動させることができた。マイクロビーズが移動した方向は電場が弱まる方向である。また、電場を与えた時のみに移動が起こった。これらのことから、実施形態に係る電極作製方法で作製された電極２０によってｎＤＥＰによるマイクロビーズの操作が行われたことがわかる。
【0088】
本実施例では周波数を３ＭＨｚの交流電圧を付加した。従来技術によれば、純水中での直径１０μｍのポリスチレンマイクロビーズは１０６－１０３Ｈｚの範囲でｎＤＥＰを示す。本実施例でも同様にｎＤＥＰを示すことが確認できた。また、周波数を変化させた実験においてもマイクロビーズのｎＤＥＰを確認しており、本実施例の３次元配線電極付きマイクロ流体デバイスでは、従来技術による微粒子操作と同様な誘電泳動を引き起こすことができる。
【0089】
次に、マイクロビーズの移動距離を電場の大きさを変えながら測定した結果を図２６に示す。ここで図２５に線Ｌ１で示したように、マイクロビーズが電極２０を通過する前後において電極２０側から反対側への移動方向を正の移動方向とした。与える電圧を大きくするとマイクロビーズの移動距離は大きくなった。本実施例での最大電圧である１２０Ｖにおいて、マイクロビーズの移動距離は、電極２０から７６±１０μｍ（平均±標準偏差）であり流路幅の約半分程まで移動させることができた。
【0090】
１００Ｖまでは電圧の大きさに応じてマイクロビーズの移動距離が大きくなった。一方、１００Ｖと１２０Ｖでは移動距離が１００Ｖまでの移動距離ほどは大きく変わらなかった。電圧を大きくすれば移動距離が大きくなるが、移動距離が大きくなることに伴ってマイクロビーズは電極２０から離れ電場が弱まる。そのため、移動距離は減衰し、移動距離の上限に達するためであると考えられる。
【0091】
このように電場の大きさを変えることでマイクロビーズの移動度を制御することができた。この結果から、実施形態に係る電極作製方法で作製された電極付きマイクロ流体デバイスによって、３Ｄプリンタ製のマイクロ流路中で粒子の操作が可能であることが示された。
【0092】
（第３実施例）
本実施例では、実施形態に係る電極作製方法で作製された電極付きマイクロ流体デバイスによって、３Ｄプリンタ製のマイクロ流路において粒子を操作できることを示すために、マイクロビーズのフォーカシング実験の結果について説明する。
本実施例では、実施形態に係る電極作製方法で作製された電極付きマイクロ流体デバイスによって、３Ｄプリンタ製のマイクロ流路において粒子を操作できることを示すために、マイクロビーズのフォーカシング実験の結果について説明する。
【0093】
図２７に、本実施例の電極付きマイクロ流体デバイスのマイクロ流路と、電極との構成を示す。本実施例の電極付きマイクロ流体デバイスは電極と流路の距離を制御するために、ＰＤＭＳ片を挿入することで低融点合金が流路壁で止まるように制御しながら作製した。また、本実施例の電極付きマイクロ流体デバイスでは、マイクロビーズに連続的に誘電泳動力を与えるために２００μｍの電極を１００μｍの間隔で５対アレイ化させた電極３０を作製した。電極３０に３ＭＨｚ、１００Ｖの交流電圧を与えマイクロビーズの電極接続領域の通過前後での動きを観察した。
【0094】
電場を与えてない場合、マイクロビーズは流路中で拡散して移動した。一方、電場を与えた場合、マイクロビーズは電極接続領域を通過していくにつれてマイクロ流路の中心付近に集まるように軌道を変えた。その結果、図２８に示すように、電極接続領域の通過後のマイクロビーズは流路中の中心付近に多く流れていた。図２８では、マイクロビーズのマイクロ流路の長さ方向の位置に応じて、図２７に示したマイクロ流路がマイクロ流路の長さ方向について部分毎に示されている。
【0095】
電極接続領域の通過後のマイクロビーズは流路中の中心付近に多く流れていた理由は、第２実施例において説明したように、電極３０から与えられた電場によるｎＤＥＰによってマイクロビーズが電極３０付近から遠ざかるように移動したためである。第２実施例の電極付きマイクロ流体デバイスと異なり、本実施例の電極付きマイクロ流体デバイスでは流路の両側にｎＤＥＰを起こす電極３０が設置されている。そのため、マイクロビーズが流路の両側から押し出されるため、結果としてマイクロビーズが中心に集まり、フォーカシングができたと考えられる。
【0096】
次に、本実施例の電極付きマイクロ流体デバイスのフォーカシングを評価した結果について説明する。まず、２５０μｍの流路幅のデバイスで本実施例と同様にマイクロビーズのフォーカシングを行った。フォーカシングの過程において、流路の電極接続領域の前後での通過するマイクロビーズの緑色蛍光を検出した。検出した緑色蛍光の強度を標準化することで本実施例の電極付きマイクロ流体デバイスのフォーカシングを評価した。
【0097】
電場を与えていない場合は電極接続領域の前後で流路を流れる蛍光標識したマイクロビーズの分布に大きな変化はなく、流路全体に広がって流れているような分布となった。
一方、図２９に、電場を与えた場合の流路上の距離と蛍光の相対強度の関係を示す。図２９に示すように、電場を与えた場合は電極接続領域の前後で流路を流れる蛍光標識したマイクロビーズの分布が変わった。その結果、一部分に多くのビーズが流れているような分布となった。この結果から、流路壁からの距離が約６０μｍから１２０μｍの間に位置にマイクロビーズが集中していることがわかった。
一方、図２９に、電場を与えた場合の流路上の距離と蛍光の相対強度の関係を示す。図２９に示すように、電場を与えた場合は電極接続領域の前後で流路を流れる蛍光標識したマイクロビーズの分布が変わった。その結果、一部分に多くのビーズが流れているような分布となった。この結果から、流路壁からの距離が約６０μｍから１２０μｍの間に位置にマイクロビーズが集中していることがわかった。
【0098】
このように、実施形態に係る電極作製方法で作製された電極付きマイクロ流体デバイスでは、３次元的に微小電極を集積化でき、３Ｄプリンタ製のマイクロ流路中でマイクロビーズのフォーカシングにより精緻な粒子操作に利用できることが確認された。また、フォーカシングデバイスのように複数の電極により形成される電場で粒子の流路中での位置をより精密に操作を行う場合は電極位置の制御が重要である。本実施例ではＰＤＭＳ片を利用することで流路と接続された電極の位置を正確に制御することができた。なお、ＰＤＭＳ片を利用する制御では、開放されている流路底面部がしっかりと塞がれることが好ましい。
【0099】
（第４実施例）
本実施例では、実施形態に係る電極作製方法で作製された電極付きマイクロ流体デバイスによって、マイクロ流路を流れる粒子を３次元的に配列する場合について説明する。本実施例では、アガロースゲル中でマイクロビーズを３次元的に配列し、ゲル中への包埋を行った。図３０に示すように、本実施例の３次元配置デバイス１ｆはオープンチャンバデバイスである。チャンバ１１ｆの周りに電極１０ｆが３次元に配線された。３次元に配線された電極１０ｆにより不均一電場が形成され、誘電泳動力が生じ、チャンバ１１ｆ内のマイクロビーズ１２ｆが配列する。ここで流路としてのチャンバ１１の壁面の上下左右の四か所に設置された電極１０ｆに極が対角となるように電源につなぎ電場を与えた。アガロースゲル中でマイクロビーズ１２ｆを配列した後に、ゲル化処理を行い、ゲル中に３次元的に配列したマイクロビーズ１２ｆを包埋した。
本実施例では、実施形態に係る電極作製方法で作製された電極付きマイクロ流体デバイスによって、マイクロ流路を流れる粒子を３次元的に配列する場合について説明する。本実施例では、アガロースゲル中でマイクロビーズを３次元的に配列し、ゲル中への包埋を行った。図３０に示すように、本実施例の３次元配置デバイス１ｆはオープンチャンバデバイスである。チャンバ１１ｆの周りに電極１０ｆが３次元に配線された。３次元に配線された電極１０ｆにより不均一電場が形成され、誘電泳動力が生じ、チャンバ１１ｆ内のマイクロビーズ１２ｆが配列する。ここで流路としてのチャンバ１１の壁面の上下左右の四か所に設置された電極１０ｆに極が対角となるように電源につなぎ電場を与えた。アガロースゲル中でマイクロビーズ１２ｆを配列した後に、ゲル化処理を行い、ゲル中に３次元的に配列したマイクロビーズ１２ｆを包埋した。
【0100】
３次元配置デバイス１ｆにマイクロビーズを滴下すると、図３１に示すように、交流電圧を与えた電極１０ｆ間の中心にマイクロビーズが集まる様子が確認された。マイクロビーズが中心に配置された後にアガロースゲルをゲル化し、交流電源を停止した後もマイクロビーズは電極１０ｆ間の中心に配置された。この結果から、３次元配置デバイス１ｆによって純水より粘性の高いアガロースゲル溶液中でも粒子を動かすことができ、その後ゲル化処理を行うことで粒子を電場によって配置した位置に保持することができるとわかった。
【0101】
次に、アガロースゲルを３次元配置デバイス１ｆから取り出し、ゲル上面とゲル側面からマイクロビーズの観察を行い、３次元的にマイクロビーズが配列していることを確かめた。図３２は、本実施例に係る３次元的に配列されたマイクロビーズをゲル上面からみた図である。図３３は、本実施例に係る３次元的に配列されたマイクロビーズをゲル側面からみた図である。図３２及び図３３に示すように、ゲル上面、及び側面の両方において、マイクロビーズはゲルの両方の壁面から中心に直線状に配列していた。このことから、３次元配置デバイス１ｆによって、アガロースゲル中でマイクロビーズが３次元的に配列されていることができるとわかった。
【0102】
上述したように、チャンバ１１の壁面の上下左右の四か所に設置された電極１０ｆに極が対角となるように電源につなぎ電場を与えた。この場合ｎＤＥＰによってマイクロビーズは電場の弱くなる中心に集まるため、３次元配置デバイス１ｆでは３次元的にフォーカシングされるようにマイクロビーズが配列したと考えられる。また、取り出したゲルの大きさが流路幅より大きくなっていた。これは、取り出す際にゲルを純水中に浸けているためにゲルが膨潤した影響であると考えられる。
【0103】
アガロースゲル中に３次元的に配列したマイクロビーズのゲル壁面からの距離を、平面方向と高さ方向において測定した。図３４にマイクロビーズの平面方向と高さ方向におけるゲル壁面からの相対的な距離を示した。相対値で表しているため、図３４に示す相対位置では、「１」 はゲルの反対側の壁面位置していることを意味し、「０．５」はゲルの中心に位置していることを意味する。
【0104】
平面方向において、マイクロビーズの相対位置は０．５２±０．０２であり、マイクロビーズは平面方向にはゲルのほぼ中心に配列していることがわかった。平面方向においては、マイクロビーズの相対位置は０．４６±０．０１であり、マイクロビーズは高さ方向においてもゲルのほぼ中心に配列していることがわかった。高さ方向で相対位置が少し低く、中心からゲル底面に少しだけ寄っているのはマイクロビーズが重力の影響で沈むためだと考えられる。したがって、４つの電極１０ｆにかかる電圧を下側の電極対が大きくなるように調整すれば、マイクロビーズへの重力の影響をより小さすることが可能であると考えられる。本実施例では、平面方向、及び高さ方向のいずれからみてもマイクロビーズはゲルの中心位置しており、３次元的に中心に位置するように配列されていることがわかった。
【0105】
従来、ゲル中での粒子の３次元的な位置操作は、細胞をゲルの中心に配列させる細胞ファイバ技術などに見られるように、３次元マイクロ流体デバイスを用いて層流によりゲルの中心に目的の粒子を流しゲルを固める方法が主流であった。しかしながら、この従来方法では流れるゲルを瞬時に固める必要があり、利用できるゲルの種類が限られていた。
【0106】
一方、実施形態に係る電極作製方法によって作製された３次元配置デバイス１ｆを用いれば、ゲルが固まるまで電場によって粒子を３次元的に配列させることができるため、利用できるゲルの種類が広がると考えられる。本実施例により、３次元配置デバイス１ｆはゲル中での粒子の３次元的な操作を可能にし、将来的に３次元組織構築などへの応用が期待され、医療生命分野での有用な技術となることが示唆された。
【0107】
（第５実施例）
ダブルエマルジョン生成時に多くの微小油滴が生成されてしまうという問題がある。そこで、本実施例では、微小油滴のソーティングを行うために３次元配線した電極付きマイクロ流体デバイスを作製した。
ダブルエマルジョン生成時に多くの微小油滴が生成されてしまうという問題がある。そこで、本実施例では、微小油滴のソーティングを行うために３次元配線した電極付きマイクロ流体デバイスを作製した。
【0108】
図３５は、本実施例に係る１面電極の配置を示す図である。図３５に示す電極の配置では、マイクロ流路１１ｇの４つの壁面のうち片側の側壁に電極１０ｇが配置されている。１面に電極１０ｇが配置された電極付きマイクロ流体デバイスでは、電極１０ｇから離れた位置では電場の大きさが減衰してゆく。そのため、ソーティング対象の粒子（図３５では、微小油滴１２ｇ）が大きくなり、流路幅が広くなるほど、粒子を動かすのに大きな電圧をかける必要がある。
【0109】
図３６は、本実施例に係る３面電極の配置を示す図である。図３６に示す電極の配置では、マイクロ流路１１ｈの４つの壁面のうち３つの壁面（上面、下面、及び片方の側面）に電極１０ｈが配置されている。３面に電極１０ｈが配置電極付きマイクロ流体デバイスでは、電極１０ｈが設置された流路壁面から離れることによる電場の減衰が１面電極の場合に比べて小さい。そのため、流路幅が広くなっても効率的に電場を与えられると考えられる。
【0110】
１面電極デバイスと３面電極デバイスそれぞれについて電場のシミュレーションを行った。図３７は、本実施例に係る１面電極デバイスでの電場のシミュレーション結果を示す上面図である。図３８は、本実施例に係る１面電極デバイスでの電場のシミュレーション結果を示す断面図である。図３９は、本実施例に係る３面電極デバイスでの電場のシミュレーション結果を示す上面図である。図４０は、本実施例に係る３面電極デバイスでの電場のシミュレーション結果を示す断面図である。なお図３７から図４０には、上面図と断面図との対応をわかりやすくするため、三次元直交座標系であるＸＹＺ直交座標系を示してある。
【0111】
図３７から図４０には、誘電泳動力は電場の大きさの２乗の勾配に依存するため、電場のシミュレーション結果として、それぞれのデバイスにおける電場の大きさの２乗の値が示されている。図３７及び図３８に示すように、１面電極デバイスでは電極に近い場所で局所的に強い電場がかかり、流路壁から離れるとすぐに電場は弱まっていくことがわかった。一方で、３面電極デバイスでは１面電極デバイスほど局所的に強い電場は生じないが、電極が覆っている領域においては電極の設置された流路壁から離れても１面電極デバイスより電場の減衰が小さく、広域に電場を与えられていることがわかった。
【0112】
これらのシミュレーション結果から、１面電極デバイスよりも３面電極デバイスの方が、粒子が電極を設置した壁面から離れても、強い電場を与えることがわかる。そのため、１面電極デバイスよりも３面電極デバイスの方が、粒子をより大きな距離移動させることができる。
【0113】
また、高さ方向（Ｚ軸方向）の電場を見てみると、１面電極デバイスでは電場の中央では電場が強く、流路上面と底面では電場が弱くなっていた。３面電極デバイスでは流路上面と底面と比較して中央において電場が少し弱くなっていた。これは３面電極デバイスでは上面の電極と底面の電極と側面の電極とは互いに異なる極に繋がれており、断面図で見た時の流路の隅は電極間距離が近くなり、側面の電極の中央に相当する高さでは電極同士の距離が遠くなるためであると考えられる。
【0114】
微小油滴は流路中で浮くため、３面電極デバイスにおいてはより電場が強くかかる領域を流れていくと考えられるが、流路中心で比較しても３面電極デバイスの方が電極設置壁面から離れた位置においても電場が強く与えられており、粒子の流れる高さのみが影響して３面電極デバイスのほうが効果的に働いているわけではないと考えられる。これらのことから、流路を覆うように電極を３次元的に配線することで電極を設置した流路壁から離れる方向における電場の減衰を小さくし、より大きく粒子を動かすことがきるようになると考えられる。
【0115】
従って、本実施例で作製された３次元配線電極デバイスは、ソーティングに大きな移動距離が必要となる比較大きな微小粒子のソーティングや低電圧で効率的なソーティングに有用であると考えられ、細胞を封入したビーズやスフェロイドなどの粒子を用いる組織工学等の研究にも利用できると考えられる。
【0116】
（第６実施例）
本実施例では、３面電極が配置された電極付きマイクロ流体デバイスを用いてスフェロイドのソーティングを行った。本実施例に係る３面電極デバイス１ｉでは、実施形態に係る電極作製方法を用いてマイクロ流路１１ｉに３面電極である電極１０ｉが配置されている。３面電極である電極１０ｉの配置は、第５実施例に係る３面電極の配置（図３６）と同様である。
本実施例では、３面電極が配置された電極付きマイクロ流体デバイスを用いてスフェロイドのソーティングを行った。本実施例に係る３面電極デバイス１ｉでは、実施形態に係る電極作製方法を用いてマイクロ流路１１ｉに３面電極である電極１０ｉが配置されている。３面電極である電極１０ｉの配置は、第５実施例に係る３面電極の配置（図３６）と同様である。
【0117】
３面電極デバイス１ｉにスフェロイドを流して誘電泳動を行った。３面電極デバイス１ｉによって、ラベルフリーで生スフェロイドと死スフェロイドとを分取するソーティングを実証するために、生スフェロイドと死スフェロイドを分取することができる電場条件を調べた。その結果、１００Ｖ、１ＭＨｚの条件で生細胞を多く含むスフェロイドと死細胞を多く含むスフェロイドが別々の流出口に移動することがわかった。
【0118】
図４１は、本実施例に係るスフェロイドが流出口に移動する様子を示す図である。図４１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）では、生細胞を多く含むスフェロイドである生スフェロイドが下側の流出口に移動する様子が連続写真として撮像されている。図４１（Ｄ）、（Ｅ）、（Ｆ）では、死細胞を多く含むスフェロイドである死スフェロイドが上側の流出口に流れる様子が連続写真として撮像されている。図４１では、１００Ｖ、１ＭＨｚの電場を与えた場合の結果である。
【0119】
図４２は、本実施例に係るソーティングしたスフェロイドについて生死判別を行った結果を示す図である。図４２に示す結果は、等量の生スフェロイドと死スフェロイドを流路に流し、電場を与えソーティングを行い、回収したサンプルを染色し生死判別を行った結果である。蛍光顕微鏡によってサンプルから発出される蛍光を観察した。図４２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、生スフェロイドは緑色の強い蛍光が生じる。図４２（Ｄ）、（Ｅ）、（Ｆ）に示すように、死スフェロイドは赤色の強い蛍光が生じる。図４２（Ａ）、（Ｄ）は、ソーティング前の流入口での観察結果である。図４２（Ｂ）、（Ｅ）は、死スフェロイドを回収するための上側の流出口（図４１参照）での観察結果である。図４２（Ｃ）、（Ｆ）は、生スフェロイドを回収するための下側の流出口（図４１参照）での観察結果である。
【0120】
図４３に、各サンプルにおける生スフェロイドと死スフェロイドの割合を示す。ソーティング前のサンプルには生スフェロイドは約４７％含まれ、死スフェロイドは約５３％含まれていた。死スフェロイドを回収するための上側の流出口より回収したサンプルには、生スフェロイドは約１３％含まれ、死スフェロイドは約８７％含まれていた。生スフェロイドを回収するための下側の流出口より回収したサンプルには、生スフェロイドは約９６％含まれ、死スフェロイドは約４％含まれていた。
【0121】
このことから、本実施例に係る３面電極デバイス１ｉを用いて、ラベルフリーで生スフェロイドと死スフェロイドを分取するソーティングができることがわかった。通常のスフェロイド作製方法ではスフェロイドが培養時に死んでしまうことがあるため、移植などを目的としたスフェロイド作製時にはラベルフリーで生細胞を効率的に分取する必要がある。本実施例に係る３面電極デバイス１ｉでは、細胞へのダメージが少ないより低電圧でのソーティングを実現できる。本実施例に係る３面電極デバイス１ｉは組織工学をはじめとした医療分野において好適に用いられる。
【0122】
上述した各実施形態によれば、実施形態に係る電極作製方法によって作製される電極付きマイクロ流体デバイスは、対象物を流通させるためのマイクロ流路と、マイクロ流路を流通する対象物に電場を印加する電極と、を備え、電極は、幅が７５０マイクロメートル以下である３次元形状である。
また、マイクロ流体デバイスは３Ｄプリンタによって造形されており、マイクロ流体デバイスの材質は、紫外線硬化樹脂である。
また、マイクロ流体デバイスは３Ｄプリンタによって造形されており、マイクロ流体デバイスの材質は、紫外線硬化樹脂である。
【0123】
以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
【符号の説明】
【0124】
１…マイクロ流体デバイス、４…低融点合金、２…合金導入用流路、２１…流入口、２２…流出口、６…ＰＤＭＳ蓋、７…耐圧容器
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【図34】
【図35】
【図36】
【図37】
【図38】
【図39】
【図40】
【図41】
【図42】
【図43】