2016 Fiscal Year Research-status Report
微細表面構造を持つパリレン膜流路と操作用磁気プローブを組合わせた流体デバイス
| Project/Area Number |
16K06195
|
|---|
| Research Institution | Nihon University |
|---|
Principal Investigator |
今井 郷充 日本大学, 理工学部, 教授 (20369953)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
|
| Keywords | 液滴 / 搬送 / マイクロ流路 / テクスチャー / 操作 / 薄膜 / リキッドマーブル |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では化学分析やバイオテクノロジー等に関連した微小液滴の搬送方法に関する基礎的な検討を行うことを目的としており，以下の方法を検討した．
1 パリレン薄膜を用いたマイクロ流路の製作 流路を薄膜で形成し，膜を介しての液滴の分離・合成，機械的な振動を与えて撹拌するなどの操作を行うことを目的としている．機械的特性に優れ，化学的に安定で生体適合性も高いパリレンを材料として選択し，リソグラフィやドライエッチングといった一般的なMEMSプロセスによって流路膜を製作する方法を検討した．
２ 表面微細構造による液滴の搬送性能の基本特性 表面に微細な突起を形成することにより，液滴下部に空気をトラップさせ搬送を容易にするいわゆるロータス効果の性能向上に関して，突起の面積比の最適化や，その場合の転落特性（転落角や転落加速度など），液滴の粘性を変えた場合の影響などを調べた．
３ リキッドマーブルを用いた液滴の搬送方法の基本特性 微小液滴の搬送法として，バイオミメティクスを応用したリキッドマーブルのころがりによる搬送方法の基本特性を調べた．搬送後液滴から粒子を磁場によって分離させるため，粒子は撥水性磁性粒子とした．液滴が非常に小さくなると上記の突起を用いた方法が適さなくなる（突起の間に液滴が侵入する現象が生ずる）ため，その代替案として位置付けている．今回，リキッドマーブルの粒子に着目し，分離の観点から撥水性磁性粒子を選択した．この場合の動力学特性を実験的に検討した．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
１ パリレン薄膜を用いた流路 シリコンを基板としてMEMSプロセスによりマイクロ流路を製作し，その上にパリレン膜を蒸着して形状を転写し，基板をドライエッチングで除去する方法により流路を製作できた．流路は幅250μｍ，深さ50μｍの溝で，エッチング時の耐熱性のため，パリレンHTを使用した．また流路の角部で熱応力によるクラックが生じやすいので，対策としてコーナー部への微小Rの付与，熱応力緩和膜としてのアルミニウム蒸着膜の付加を試し，有効性を確認した．
２ 表面微細構造による液滴の搬送性能の評価 円柱状の突起を並べたものを流路のテクスチャーとし，ピラーの面積比をパラメータとして液滴の転落加速度等の特性を評価した(径：30μｍ, 高さ：30μｍ，ピッチ：105～175μｍ，傾斜角：20度，液量：35μｌ)．面積比が小さくなるにつれ（範囲：2％～6％）転落角の減少や転落加速度の上昇が確認でき（加速度：2000～2600 mm/s2）），また液滴の粘度を変えた場合（グリセリン，濃度0～50%）にも転落し易くなることが確認できた．これらはCassieモデルによる効果と考えられるが，面積比を小さくすると液滴が突起間に転落しWenselモデルとなりやすくなるので，ピラーの形状等を工夫する必要がある．
３ リキッドマーブルを用いた液滴の搬送 リキッドマーブルは，撥水性粒子を用いて液滴の形状を安定化できるので，液滴のころがり搬送に応用できると考え，転がり角や転がり加速度等の特性を調べた，最小0.1μL（径0.6ｍｍ）のリキッドマーブルを約15°の傾斜面（材料：ガラス，平坦面）において転落させることが可能であった．微細な磁性粉を用いた場合にリキッドマーブルは転がり易いことが確認できた．表面観察により，粒子が流動しやすく液滴の変形を妨げないためであることがわかった．
|
| Strategy for Future Research Activity |
今後の実施項目としては，表面微細形状の最適化，リキッドマーブルの動特性向上，および膜を介しての液滴の操作を考えており，各項目に関して以下に説明する．
１ 表面微細形状の最適化に関しては，マイクロニードルの製作方法を応用して，先端を適度に大きくしたアレーニードルの製作を検討する．これにより，突起の面積比をさらに小さくすることで，転落性能向上を検討する．
２ リキッドマーブルに関しては，粒子のサイズを小さくすることが有効なので，粒子の微細化を検討する．またナノ材料を用いて粒子を表面修飾による性能向上が可能かを調べる．
３ 膜を介しての液滴の操作に関しては，膜に圧電素子等の振動体を設置して膜を振動させることにより，流路内の液滴の操作（合体，分離，撹拌等）が可能かどうかを調べる．
|
| Causes of Carryover |
流路用の膜として使用するパリレン膜のCVD加工（外注）が予定より少ない回数で済んだことによる加工費の減少，またこれにより加工したものの検査も少なくなったことによる電子顕微鏡(SEM)観察費等の減少，購入予定であった試薬（搬送液体である水の粘度を変化させるための粘度調整用）等が他の研究で購入したものを流用できたことによる購入費の減少等により残金が発生した．
|
| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度の研究テーマとして考えている流路膜の表面に形成するテクスチャー（微細表面構造）加工のためのマスクや加工費，流路膜を介して操作を行うための機器の購入（主に振動を与えることを予定しているので加振用機器），移動時の液滴の形状や挙動を測定するための高速度カメラに関係した付属品や解析ソフトの購入，リキッドマーブル（液滴を撥水性の微粒子でコーティングしたもので搬送の一手段として用いる）の粒子サイズや材料を変えるための費用等に充てる予定である．
|
Research Products
(1 results)
