4.3 交流電場誘起流の流動特性評価実験
4.3.1 交流電場誘起流の定性的評価
本節では，まず初めに，交流電場誘起流について，流動の観察より定性的な評 価を行った．
(Ⅰ)液導電率変化による交流電気誘起流の流動
交流電場を並行平板電極に印加した際，主に2種類の流動が誘起された．
一つ目の流動について，σ≒0.1mS/cmの低導電率域において，x＝0～100μmの 電極近傍領域で，電極に平行な流動が誘起された．例として Fig. 4.1.1 に σ
=1.1mS/cm, E =25V/mm, f=1kHz, z = 0における速度ベクトル図を示す．図より，
電極近傍で電極に平行な流動の誘起が示されている．速度ベクトルの大きさの 比較より流動は電極近傍で大きく，電極から離れるほど小さくなることから，電 極近傍で誘起された流動が支配的であると考えられる．また，誘起流の流速が大 きい場合，両電極で誘起された流動が電極間ギャップでぶつかり合い，X軸正方 向の電極から離れる向きの流動や渦が観察された．電極近傍での流動が支配的 であることや導電率が低値なことから，流動はAC electro-osmotic flowが支配的 であると考えられる．
次に，σ≒10mS/cmの高導電率域では，電極から離れた領域を中心に， z軸方
向の流動が誘起された．例としてFig. 4.1.2にσ =10.3mS/cm, E =35V/mm, f=10kHz, z = 0における速度ベクトル図を示す．z=100μm，y=0の電極から離れた領域を中 心に，速度ベクトルの集中が示されている．高さzを変化させた観察より，速度 ベクトルが集中・減少している領域では，観測面であるx－y平面に対して垂直 方向のz軸方向の速度成分の増加が確認され，これより，z軸方向の流動が支配 的であると考えられる．
また，σ≒1mS/cm の中間の導電率域では，電極に平行な流動と z 軸方向の流 動が同時に観察された．Fig. 4.1.3にσ =1.1mS/cm，E＝50mS/cm, f =100kHz, z = 0
97
における速度ベクトル図を示す．x = 0～100μm の電極近傍では電極に平行な流 動が，x＝100～300μmでは，z軸方向の流動が誘起が確認できる．
98
0 100
-100
0 100 200 300
Fig. 4.3.1 Velocity Profile near parallel plate Electrode (σ = 0.13mS/cm, E =50V/mm, f = 100kHz)
Fig. 4.3.2 Velocity Profile near parallel plate Electrode (σ = 10.3mS/cm, E =35V/mm, f =10kHz)
0 100
-100
0 100 200 300
x [μm]
x [μm]
y [μm] y [μm] Induced flow velocityInduced flow velocity
99
0 100
-100
0 100 200 300
Fig. 4.3.3 Velocity Profile near parallel plate Electrode (σ =1.1mS/cm, E =50V/mm, f =100kHz)
x [μm]
y[μm] Induced flow velocity
100
(Ⅱ) 印加電場強度，周波数変化による交流電場誘起流の分類
印加電場強度，周波数変化による交流電場誘起流の支配的な流動について分 類した．印加電場条件をE＝5,15.25,35,50V/mm，周波数条件を
f ＝1kHz,10kHz,100kHz,1MHz,10MHz で変化 さ せた場 合の定 性的評価結果 を
Table 4.3.1～4.3.4に示す．電極に平行な流動(○)，z軸方向の流動(□)，電極に平行
な流動とz軸方向の流動(△)，電気分解(×)，流動なし(－)とした．
Table 4.3.1～4.3.4 より，どの導電率でも最小印加電場強度の E＝5V/mm では
流動の形成は見られなかった．また，導電率が増加するにつれ，流動が誘起され る印加電場強度，印加電場周波数の範囲が拡大することが示されている．また，
Table 4.3.2，4.3.3より，支配的な流動がσ=1.3ｍS/cmとσ=5.0mS/cm の間で遷移 することが示唆され，印加電場強度・周波数に依存しないことが示された．Fig.
4.3.4と4.3.5に導電率に関して整理した流動の分類を示す．これからも交流電場
誘起流の支配的な流動は導電率の影響を受けていることが明らかである．
電気分解に関して，体内で血液の電気分解が発生した場合，電気分解によって 生じた気泡が血栓の働きをして，血流を止め重大な障害や死を招く可能性があ る．そのため，電気分解が発生する交流電場強度，周波数の条件を把握する必要 がある．Table 4.3.2～4.3.4より，σ＝5.0，10.5mS/cm，f＝1kHzの条件で電気分解 が確認されたことから，高導電率域の低周波が電気分解の条件であると考えら れる．また，血液の導電率もσ＝5～15mS/cm であることから，交流電場誘起流 を遊泳デバイスで用いる場合には周波数条件が重要となる．
101
E [V/mm] 1k 10k 100k 1M 10M
5
15 ○ ○ ○ ○
25 ○ ○ ○ ○
35 ○ ○ ○ ○
50 ○ ○ ○ ○
f [Hz]
Table 4.3.1 Classification of flow (σ =0.1mS/cm)
E [V/mm] 1k 10k 100k 1M 10M
5
15 ○ ○ ○ ○
25 ○ ○ ○ ○ ○
35 ○ ○ ○ ○ ○
50 ○＋□ ○＋□ ○＋□ ○＋□ ○＋□
f [Hz]
Table 4.3.2 Classification of flow (σ =1.1mS/cm)
102
E [V/mm] 1k 10k 100k 1M 10M
5
15 □ □ □ □
25 × □ □ □ □
35 × □ □ □ □
50 × □ □ □ □
f [Hz]
Table 4.3.3 Classification of flow (σ =5.0mS/cm)
E [V/mm] 1k 10k 100k 1M 10M
5
15 × □ □ □ □
25 × □ □ □ □
35 × □ □ □ □
50 × □ □ □ □
f [Hz]
Table 4.3.4 Classification of flow (σ =10.5mS/cm)
103
1 10 100 1000 10000
0.01 0.1 1 10 100
f[kHz]
σ[mS/cm]
0 10 20 30 40 50
0.01 0.1 1 10 100
E[V/mm]
σ[mS/cm]
Fig. 4.3.4 Classification of induced flow near electrode ( E=50V/mm )
Fig. 4.3.5 Classification of induced flow near electrode ( f=100kHz )
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