流路デバイスおよび流体の混合方法
【課題】 マイクロ流路内に含まれる複数の流体を効率よく混合させる。
【解決手段】 流体を流すための、少なくとも２つの流路と、該２つの流路の流体を合流させ、それぞれの流体による界面を形成する合流流路と、前記合流流路の下流に配され、流れ方向に対する断面が該合流流路よりも界面が増大する方向に長い混合流路と、を有することを特徴とする流路デバイス。
【解決手段】 流体を流すための、少なくとも２つの流路と、該２つの流路の流体を合流させ、それぞれの流体による界面を形成する合流流路と、前記合流流路の下流に配され、流れ方向に対する断面が該合流流路よりも界面が増大する方向に長い混合流路と、を有することを特徴とする流路デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は複数の流体を混合するための流路を有する流路デバイスおよび流体を混合する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
化学および生化学反応の経過や結果を確かめるために濃度、成分などの所望の情報を得ることは分析化学の基礎的な事項であり、それらの情報の取得を目的としたさまざまな装置およびセンサが発明されている。それらの装置やセンサを微細化し、所望の情報を得るまでの全工程をマイクロデバイス上にての実現を目指す、マイクロ・トータル・アナリシス・システム（μ−ＴＡＳ）またはラブオンチップと呼ばれるコンセプトがある。これは、採取された原料や未精製検体をマイクロデバイス内の流路を通過させることにより検体精製や化学反応などの工程を経て、最終的な化学合成物や検体中に含まれる成分の濃度などを得ることを目標とするコンセプトである。また、これらの分析や反応を司るマイクロデバイスは、必然的に微小量の溶液や気体を扱うことから、マイクロ流路デバイス、あるいはマイクロ流体デバイスと呼ばれることが多い。
【０００３】
従来技術のデスクトップサイズの分析機器と比較すると、マイクロ流路デバイスを用いることによってデバイス内に含まれる流体は低容量化されるため、必要試薬量の低減および分析物量の微量化による反応時間の短縮が期待される。このようなマイクロ流路デバイスの利点が認知されるにつれて、μ−ＴＡＳに関わる技術が注目を集めている。
【０００４】
一方、デスクトップサイズの装置をマイクロデバイス化することにより、新たな特徴が生じる。一例として、比界面積の上昇や分子拡散のみによる流体の混合促進などが挙げられ、デスクトップサイズの分析機器では無視できうる現象がマイクロデバイス内では重要になる。特に流路内で複数の溶液を効率的に混合させることは、化学反応を実施するうえで重要であるが、マイクロ流路においては同じ方向に流れる複数の溶液を合流させると層流を形成してしまい、混合が進みにくいという現象が生じる。
【０００５】
マイクロ流路内で混合を促進させる方法として、特許文献１には深溝型のマイクロリアクタで、流路の幅に比べて深さ寸法を大きくし、深さ方向に平行な接触面を持つ層流を形成することが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−０５０３２０号公報（図４（Ｂ））
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載のマイクロリアクタは、合流前の２つの流路とも深溝となっており、合流後も同じ深溝幅で合流する構成である。
【０００８】
このため、合流時の両者の液量を精度よく制御することが難しく、混合の割合は界面に沿った方向において均一にならない場合があった。
【０００９】
よって、大量の反応合成を行うリアクタという観点においては問題とならないが、後にＰＣＲなどの検査反応処理を行うμ−ＴＡＳなどの分野においては、量的なコントロールが困難となる場合があり、より好適な形態が求められていた。
【００１０】
本発明は、このような背景技術を鑑みてなされたものであり、流路を流れる流体を能動的に操作する必要がなく、簡便に作製でき、且つ混合量を制御しつつ流体の混合を促進できる流路デバイスおよびそれを用いた流体の混合方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するマイクロ流体デバイスは、流体を流すための、少なくとも２つの流路と、該２つの流路の流体を合流させ、それぞれの流体による界面を形成する合流流路と、前記合流流路の下流に配され、流れ方向に対する断面が該合流流路よりも界面が増大する方向に長い混合流路と、を有する
ことを特徴とする。
【００１２】
上記の課題を解決する流体の混合方法は、少なくとも２つの流路と、該２つの流路の流体を合流させる合流流路と、を有する流路デバイスを用いた流体の混合方法であって、前記２つの流路から流体をそれぞれ流し、合流流路においてそれぞれの流体による界面を形成させ、該合流流路の下流にて前記流体どうしの界面を増大させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、複数の流体を合流流路で合流させた後に、下流の拡大流路で接触界面方向が大きくなるように層流を形成させることができる。これにより、合流時の各流体の量的な制御が容易であり、且つ速やかに混合させる流路デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の流路デバイスの原理を示す概念図である。
【図２】本発明の流路デバイスの一実施形態を示す図である。
【図３】本発明の流路デバイスを用いた２液混合の一実施態様を示す概念図である。
【図４】本発明の流路デバイスを用いた２液混合の一実施態様の流路断面図である。
【図５】本発明の流路デバイスを用いた２液混合の一実施態様を示す概念図である。
【図６】本発明の流路デバイスを用いた２液混合の一実施態様の流路断面図である。
【図７】本発明の流路デバイスを用いた３液混合の一実施態様を示す概念図である。
【図８】本発明の流路デバイスを用いた３液混合の一実施態様の流路断面図である。
【図９】本発明の流路デバイスを用いた４液以上を混合する一実施態様を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を詳細に説明する。なお、特にＸＹＺの方向軸に関する記載がない場合は、基板に形成された流路のうち、基板面に平行な方向の平面を流路幅方向、基板面に垂直な方向の平面を流路高さ方向として説明する。
【００１６】
本発明に関わるデバイスは、流体を流すための、少なくとも２つの流路と、該２つの流路の流体を合流させ、それぞれの流体による界面を形成する合流流路と、前記合流流路の下流に配され、流れ方向に対する断面が該合流流路よりも界面が増大する方向に長い混合流路と、を有することを特徴とする。
【００１７】
本発明に関わる流体の混合方法は、少なくとも２つの流路と、該２つの流路の流体を合流させる合流流路と、を有する流路デバイスを用いた流体の混合方法であって、前記２つの流路から流体をそれぞれ流し、合流流路においてそれぞれの流体による界面を形成させ、該合流流路の下流にて前記流体どうしの界面を増大させることを特徴とする。
【００１８】
流路デバイスは、混合流路となる溝が形成された第１の基板を有しており、混合流路が、合流流路から離れるにつれて前記溝の深さ方向に大きくなる拡大流路部を有する構成、さらには拡大流路部の天面が、第２の基板の底面である構成であることが好ましい。
【００１９】
またさらに、第１の基板に第１流路、第２の基板に第２流路が形成され、前記第１流路の端部が前記第２流路に接続して第２の基板に合流流路を形成するように第２の基板と第１の基板を接合した流路デバイスとして構成し、前記合流流路の端部が、前記第１の基板に形成された前記流路の略端部に接続することが好ましい。
【００２０】
あるいは、第１の基板に分岐を有する第１流路、第２の基板に分岐を有する第２流路が形成され、前記第１流路の一つの端部が前記第２流路に接続して第２の基板に形成された第２の合流流路を形成し、前記第２流路の一つの端部が前記第１流路に接続して第１の基板に形成された第１の合流流路を形成し、前記第１の合流流路の端部が前記第２の合流流路に接続するように第２の基板と第１の基板を接合したマイクロ流体デバイスであり、前記第２の合流流路の端部が前記第１の基板に形成された前記流路の略端部に接続することが好ましい。
【００２１】
そして合流流路において、界面の方向を変えるための屈曲流路を有する構成にするとよい。混合のための複数の流路、流路に接続する供給口などを、深い溝を形成した混合流路に対して、一方の領域側にそれらを集積化させることができるようになる。これにより、もう一方の領域を混合後の流路を形成する領域として使用できるようになるので、より集積化することができるようになる。
【００２２】
本発明の流路デバイスを作製する際の接合において、流路の断面積の高さが幅よりも大きいほうが、接合時の製造誤差を考慮すると、幅が高さよりも大きい形のマイクロ流路よりも、マイクロ流路の断面積を保持したまま接合できる。
【００２３】
本発明の流路デバイスは、いわゆるマイクロ流路として、幅、高さ、長さの少なくともいずれかのサイズがμｍオーダー、すなわち０．１μｍ〜５００μｍであるマイクロ流路デバイスにおいて好適に実施される。
【００２４】
例えば、幅５０μｍ、高さ２０μｍのマイクロ流路において、接合時の圧力により高さ方向が１μｍ押しつぶされたとすると、断面積は９５μｍ２となる。一方、幅２０μｍ、高さ５０μｍのマイクロ流路において、同じ製造誤差があるとすると、断面積は９８μｍ２となり、本来意図した１００μｍ２により近くなる。よって、プラスチック素材などでマイクロ流路を作製しようとすると、流路断面積を保つためには流路高さが幅よりも大きい方が有利となる。ここで、前述の層流を多層に形成して混合を促進する方法は、マイクロ流路の断面積の幅方向に界面が形成されるように多層の層流を形成し、層流の界面面積を大きくすることによって混合を促進する。ところが、マイクロ流路の高さが幅方向と比較して大きいときの混合に対しては、界面面積が小さい方向における層流を形成するため、最適ではない。
【００２５】
本発明は、マイクロ流路内に層流を形成するが、ある特定の流路内における流体の流れが層流を形成するかまたは乱流を形成するかはレイノルズ数（Ｒｅ）で見積もることが可能であり、以下の式、
Ｒｅ＝ＵＬ／ν
によって導かれる。ここで、Ｕ代表速度、Ｌは代表長さ、νは動粘度係数である。厳密な境界となる数値はないが、一般におよそレイノルズ数が２０００より低ければ、当該系の流体は層流を形成すると考えられている。実際、マイクロ流路の場合レイノルズ数が低くなることが知られ、その値は通常１００より低く、しばしば１以下にもなるため、マイクロ流路においては流体の流れは層流を形成するものと考えてよい。よって、複数の流体を同一のマイクロ流路に注入したとき、それぞれの流体の流れは接触している界面近傍を除いて混合されることなく進行する。本発明における流路とは、特に断らない限り、レイノルズ数が低いため流路を流れる流体は層流を形成する大きさであるとする。
【００２６】
マイクロ流路内における流体の混合は、微少場であるため物理的に撹拌することが容易でなく、また重力の影響もほぼ無視できるほどに小さいことから、混合は分子の拡散に依存する。Ｅｉｎｓｔｅｉｎ−Ｓｍｏｌｕｃｈｏｗｓｋｉの理論から、１次元における分子の拡散時間（ｔ）、拡散距離（σ）および流体の拡散係数（Ｄ）の関係、
ｔ＝σ２／２Ｄ
が知られている。いま、あるマイクロ流路の流路幅をｗとしたとき、拡散時間はｗ２／Ｄに比例する。
【００２７】
いま、流路断面積が流路幅１００μｍ、流路高さ２０μｍのマイクロ流路において、２種類の流体がそれぞれ幅５０μｍ、高さ２０μｍの断面積を有しながら流れているとする。このときそれぞれの流体を構成する分子の拡散に必要な移動距離は、最長５０μｍであるから、分子の拡散係数を１ｘ１０−６ｃｍ２／ｓとしたとき、分子の移動に要する時間は１２．５秒である。一方、同じ断面積を有するマイクロ流路だが、流路幅２０μｍ、流路高さ１００μｍで、２種類の流体がそれぞれ幅１０μｍ、高さ１００μｍの断面積を有しながら流れているときの分子の移動に要する時間は、０．５秒である。つまり、拡散に要する距離が１／５になることにより、移動時間は１／２５に短縮される。
【００２８】
さらに、層流により形成された界面を通過する分子の量は流束（Ｊ）、断面積（Ａ）、時間（ｔ）としたとき、
Ｊ・Ａ・ｔ
により決定される。界面を通過する分子の量が大きい方が混合が促進されるため、混合効率は界面の断面積に比例する。例えば、流路幅２０μｍ、流路高さ１００μｍで断面積が１００μｍ２であるマイクロ流路において、２種類の流体が交互に幅５μｍ、高さ１００μｍの断面積を有しながら４本の層流を形成して流れているとき、分子の拡散係数を１ｘ１０−６ｃｍ２／ｓとすると、分子の移動に要する時間は０．１２５秒である。これを２本の層流が同じ断面積のマイクロ流路を流れているときの状態と比べると、界面面積は３倍になるので、その分の寄与も混合時間には含まれる。
【００２９】
つまり、多層の層流を形成することにより、混合に必要な拡散距離を減少させ、かつ界面面積を大きく保つことが混合効率を高める上で重要な要素である。
【００３０】
本発明は上記の原理を利用して、マイクロ流路内に界面面積が大きくなる方向に多層の層流を形成して、マイクロ流路内における複数の流体の混合を実施する。なお、以下の説明においては２本の流体により形成された層流を２層流、３本の流体により形成された層流を３層流などと記述する。
【００３１】
図１は本発明のデバイスの界面面積を大きく保った上で層流を形成する一実施態様を示す概念図である。以下、図１を用いて詳細に説明する。
【００３２】
本実施形態のデバイスは、合流流路１２がその端部１３において略直角に屈曲し、Ｚ軸方向への変位を伴いながら混合流路１４に接続している。合流流路１２は複数の流体が合流したときに、層流を形成し、接触界面を除いて流体の混合が進行しづらい大きさである。
【００３３】
合流流路の下流に配置された混合流路１４はＸ軸方向を流路幅とし、Ｚ軸方向を流路高さとしたとき、流路幅対流路高さのアスペクト比が合流流路よりも大きく形成されている。
【００３４】
すなわち、流れ方向（Ｙ軸方向）に対する断面が該合流流路よりも界面が増大する方向（Ｚ軸方向）に長い混合流路を下流に設けることで、層流の接触界面の面積を増大させ、混合を促進させることができるようになる。
【００３５】
合流流路１２と混合流路１４との接続部分は、図１に示すように、端部１３の位置から離れるにつれて徐々にアスペクト比を大きくするように、徐々に流路高さを変更する拡大流路部が混合流路の一部として設けられているとよい。このような構造は、合流流路１２を一枚の基板に作製し、混合流路１４を他の基板に作製して、端部１３を混合流路１４の略端部の位置に一致させ、合流流路１２と混合流路１４が略直角となるように二枚の基板を接合すると作製できる。
【００３６】
図２は、本形態の流路デバイスを二枚の基板を接合することで構成した具体例を示すものである。混合流路１４を有する第１の基板１８と合流流路１３の一部を有する第２の基板とが接合され、流路デバイスを構成している。混合流路１４は、合流流路１３との接続部分に、合流流路から離れるにつれて溝の深さ方向に大きくなる拡大流路部１６が形成されている。
【００３７】
図２（ａ）は、図１の流路デバイスをＸ軸方向からみた断面図に対応するものであり、図２（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ‘断面およびＢ−Ｂ’断面の流路断面形状を模式的に示すものである。
【００３８】
本形態においては、流体１０と流体１１は互いに混和できる流体でＺ軸方向に重なった２層流を形成しており、合流流路１２内をまずＸ軸方向に流れている。合流流路１２の端部１３において、流体１０および流体１１はＺ軸の負の方向に略直角に曲がると、それぞれ流体１０’および流体１１’となる。このとき、流体１０’は流体１１’に比べてよりＸ軸の正の方向に位置し、おおよそ２層流は保たれる。流体１０’および流体１１’はＹ軸方向に伸びる混合流路１４内においておおよそ２層流を保ったまま流れるが、混合流路１４の流路高さが流路幅より大きな値を有する地点でそれぞれ流体１０’’および流体１１’’を形成する。よって、流体１０’’と流体１１’’は、それぞれ流体１０と流体１１として合流流路１２に存在していた時と比較すると、接触界面が増加し、両流体が混合される効率が高くなり、混合の進展の様子は１５のように示される。すなわち、図２（ｂ）で示すように、混合流路１４の流れ方向における流路の断面形状が、合流流路１２よりも界面が増大する方向（Ｚ軸方向）に長い形状となっている。界面の法線方向（Ｘ軸方向）は、ともに同じ幅とすることが製造の観点で好ましいが、異なっていても良い。
【００３９】
なお、図１においては、流体１０と流体１１がＺ軸方向に重なった２層流を形成しながら合流流路１２を流れているが、この２層流を形成することは、以下の方法で達成できる。流体１０が流れるための合流流路１２を一枚の基板に作製し、流体１１を供給するマイクロ流路を他の基板に作製して合流流路１２に交差するように二枚の基板を接合することにより実現できる。このとき、流体１１を供給するマイクロ流路と、混合流路１４が同じ基板上に形成されていることが好ましい。また、合流流路１２の流体幅対流路高さの比は任意であるが、マイクロ流体デバイス全体に占める面積を低減するためにおおむね１００μｍ以下の流路幅であることが望ましい。さらに、合流流路１２内で形成される接触界面において、わずかな量の流体１０と流体１１は混合されるが、混合流路１４において均一に混合させることを目的とするときは、合流流路１２で少量の混合が生じてもかまわない。
【００４０】
合流流路１２や混合流路１４を形成するデバイスの材質は、ガラス、セラミック、半導体またはそれらのハイブリッドなど、特に限定を設ける必要はないが、混合流路１４の流路幅対流路高さを大きくするためには、プラスチック材質であると作製しやすい。プラスチック材質であれば、流路高さが流路幅と比較して大きな流路でも、機械加工や射出成型などの比較的安価な方法により流路を形成することが可能だからである。
【００４１】
流体１０や流体１１は、互いに混和性であれば特に制限はない。また、流体１０と流体１１の主成分が同一のものであっても構わない。例えば、流体１０と流体１１の主成分は水であるが、いずれにも水溶性の物質が含まれており、流体１０と流体１１の混合によって物質の反応が開始されるものである。また、流体１０内に水溶性の検体が含まれ、流体１１が水を主成分とする試薬であってもよい。
【００４２】
以上、マイクロ流路内で層流を形成するとき、接触界面面積が大きくなる方向に層流を形成する方法を説明したが、さらに層流を多層に形成する方法を実施例を通じて説明する。
【実施例】
【００４３】
以下、実施例を示し本発明をさらに具体的に説明する。なお、以下の実施例は本発明をより詳細に説明するための例であって、実施形態は以下の実施例のみに限定されない。
【００４４】
（実施例１）
実施例１において、マイクロ流路内において多層の層流を形成し、その層流の方向転換をすることにより接触界面面積が大きくなる方向に多層層流を形成する本発明の方法について図３および図４を用いて説明する。
【００４５】
図３はマイクロ流体デバイスにおけるインレットと流路を表示した斜視図である。実線で記載された流路は第２の基板に作製された流路であり、破線で示された流路は第１の基板に作製された流路である。第２の基板に形成された溝と第１の基板の平面部分、または第１の基板に形成された溝と第２の基板の平面部分を一致させて接合することにより、第２と第１の基板に流路が形成される。ただし、図３における２４、２４’、２６、２８においては、第２の基板に作製された流路と第１の基板に作製された流路が交差する位置であるので、流路が高さ方向の変位を伴って接続している。
【００４６】
第２のインレットに含まれる流体２０は、分岐を有する流路２２を流れる。第１のインレットに含まれる流体２１は分岐を有する流路２３を流れる。なお、流路２０と流体２１は互いに混和できる物質である。流路２３は流路２２と合流地点２４において合流する。このとき、流路２３を流れる流体２１は合流地点２４において、Ｚ軸の正の方向への変位を伴いながら流体２０と合流する。そして、合流流路２５内において、流体２０と流体２１は流体２０がＺ軸の正の方向にある向きで２層流を形成する。図４（Ａ）は合流地点２４における、ＺＸ断面図を表わしている。
【００４７】
一方、流路２２および流路２３を合流地点２４’方向に流れる、それぞれ流体２０および流体２１は、合流地点２４’において、流体２０がＺ軸の負の方向への変位を伴いながら流体２１と合流し、合流流路２５’を流れる。合流地点２４’と合流流路２５’内を流れる流体２０と流体２１の様子を、合流地点２４’付近のＺＸ断面図を図４（Ｂ）に示している。流体２０は流路２２からＺ軸の負の方向への変位を伴って流体２１と合流しているため、合流流路２５’内では、流体２０がＺ軸の正の方向になる２層流を形成する。
【００４８】
合流流路２５および合流流路２５’はさらなる合流地点２６にて合流する。このときの流体の流れをＺＸ断面図として図４（Ｃ）に示す。合流流路２５’を流れる２層流は、Ｚ軸の正の方向へ変位を伴いながら、合流流路２５を流れる２層流と合流するため、合流流路２７内で４層流を形成する。このさいに、合流流路２５および合流流路２５’における層流の形成方向は合流地点２６を通過しても不変である。なお、合流流路２５と合流流路２５’が合流するときの、ＸＹ平面上に作製される角度であるが、１８０度のときはそれぞれの流路を流れる層流が維持されない場合が生じるため、角度は１８０度であってはならない。好ましくは、０度より大きくおおよそ４５度以下である。
【００４９】
合流流路２７を流れる４層流は、端部２８において、混合流路２９と略直角に接続される。このときの流体の様子を図４（Ｄ）に示す。合流流路２７を流れる４層流は、端部２８において、Ｚ軸の負の方向へ変位を受けることにより、Ｚ軸方向に重なった層流がＸ軸方向に重なった層流に変換される。方向転換を受けた層流は、Ｘ軸方向への重なりを保持したまま、混合流路２９をＹ軸方向へと流れる。混合流路２９は、流路幅（Ｘ軸方向）より流路高さ（Ｚ軸方向）が大きい流路なので、層流が形成する接触界面面積が大きい状態にある。よって、界面面積を大きく保ちながら多層の層流を形成することができるため、混合が大きく促進される。
【００５０】
流体２０と流体２１の混合比率を調整するためには、第２と第１のインレットに印加する圧力を調整することにより、流体２０および流体２１の流量を任意に設定できる。また、混合比率は混合流路２９における各層流の幅を観測することにより、混合流路２９内に注入された流体の量を確かめることが可能である。
【００５１】
このように本発明では、界面面積が大きくなる方向に多層の層流を形成することを、Ｚ軸方向への変位を伴う構造を有しながらも２枚の基板を接合することにより達成できる。また、界面面積を大きくするためには、ＸＹ平面上で例えば合流流路２７の幅を広くする方法も考えられるが、ＸＹ平面方向の面積が大きくなりデバイスの集積化には不利になる。つまり、本発明のように混合流路２９の流路幅を流路高さより小さい状態の流路とすれば、混合に要するＸＹ平面方向の面積が低減され、より集積化に適したデバイスを作製することができる効果も有する。
【００５２】
（実施例２）
実施例２おいて、混合流路を用いて多層の層流を形成し、接触界面面積が大きくなる方向に多層層流を形成する本発明の方法について図５および図６を用いて説明する。
【００５３】
図５はマイクロ流体デバイスにおけるインレットと流路を表示した斜視図である。実線で記載された流路は第２の基板に作製された流路であり、破線で示された流路は第１の基板に作製された流路である。第２の基板に形成された溝と第１の基板の平面部分、または第１の基板に形成された溝と第２の基板の平面部分を一致させて接合することにより、第２と第１の基板に流路が形成される。ただし、図５における４４、４４’４６、４６’においては、第２の基板に作製された流路と第１の基板に作製された流路が交差する位置であるので、流路が高さ方向の変位を伴って接続している。
【００５４】
第２のインレットに含まれる流体４０は、流路４２および流路４２’に分岐して流れる。第１のインレットに含まれる流体４１は、流路４３および流路４３’に分岐して流れる。流路４３および流路４３’の端部は、それぞれ流路４２および流路４２’に接続し、その位置を合流地点４４とする。流体４１は合流地点４４にてＺ軸の正の方向に変位を受けながら流体４０と合流する。この時の様子を、図６（Ａ）に表わす。合流流路４５には、流体４０が流体４１に対して、Ｚ軸の正の方向にある状態の２層流が形成される。同様に、合流流路４５’においても、流体４１が合流地点４４’にて流体４０と合流し、流体４０が流体４１に対して、Ｚ軸の正の方向にある状態の２層流が形成される。
【００５５】
合流流路４５を流れる流体は、端部４６において、図６（Ｂ）に示されるように、Ｚ軸の負の方向に変位を受け、層流の向きがＺ軸方向に重なった向きからＸ軸方向に重なった向きに変換される。そして、この層流の向きを保持したまま混合流路４８の合流地点４７へ流れる。一方、合流流路４５’を流れる流体は、端部４６’において、Ｚ軸の負の方向に変位を受け、２層流の向きがＺ軸方向に重なった向きからＹ軸方向に重なった向きに変換される。そして、その２層流の向きを保持したまま混合流路４８の合流地点４７へ流れる。
【００５６】
合流地点４７は混合流路４８内に配置され、Ｚ軸方向の変位を伴わない合流地点である。つまり、端部４６および端部４６’から来る流れは、Ｘ軸方向に重なった向きの２層流を形成する。合流地点４７直前の流れは２層流であるから、ＸＹ平面の断面図である図６（Ｃ）に示されるように、合流地点４７を通過すると４層流が形成される。さらに混合流路４８を進行する４層流の流れは、接触界面面積が大きい方向に形成されているため、混合が速やかに進展する。
【００５７】
このように、本発明は混合に適する多層の層流を混合流路内で形成して、混合を促進することができる。
【００５８】
（実施例３）
実施例３として、３種類以上の流体を速やかに混合するため方法について図７および図８を用いて説明する。
【００５９】
第２のインレットに流体６０、第１のインレットに流体６１、第三のインレットに流体６２を含むマイクロ流体デバイスがある。それぞれのインレットから流れでた流体は、混合流路６８へ向けて流れながら多層の層流を形成して、混合流路６８内で混合される。なお、図７において、実線で示された部分は第２の基板に形成された流路で、破線で示された部分は第１の基板に形成された流路であり、合流地点６３、６３’、６４、６４’、および端部６６、６６’にて互いに接続されている。つまり、このマイクロ流体デバイスは混合する流体が３種類ありながら、２枚の基板から構成されている。
【００６０】
流体６１は合流地点６３において、Ｚ軸方向の変位を伴いながら流体６０と合流し、流体６０が流体６１に対してＺ軸の正の方向になるような２層流が形成される。このときの流体の様子を図８（Ａ）に示す。次に、流体６２は合流地点６４において、流体６０と流体６１で構成された２層流のＺ軸の負の方向に３層目の層を形成するように合流し、３層流となって合流流路６５を流れる。このときの流体６０、流体６１および流体６２の様子は図８（Ｂ）に示される通りである。
【００６１】
合流流路６５の端部６６において、３層流はＺ軸の負の方向に流れを変化させることにより、３層流の向きがＸ軸方向に重なった流れに変換され、混合流路６８を合流地点６７へと向かって流れる。このときの３層流の向きを図示したものが、図８（Ｃ）である。合流地点６３’、６４’および合流流路６５’を通過した流体も同様に３層流を形成し、端部６６’において、３層流の向きがＹ軸方向に重なった流れに変換され、混合流路６８を合流地点６７へと向かって流れる。
【００６２】
合流地点６７付近の流体の流れの様子をＸＹ平面の断面図に表わして図８（Ｄ）に図示する。流体６０、流体６１および流体６２により形成された２本の３層流は、Ｚ軸方向の変位を伴わない合流地点６７へと向かう。混合流路６８は、レイノルズ数が低い状態になる大きさなので、２本の３層流は合流地点６７で合流すると６層流を形成する。混合流路６８内に６層流が形成されることによって、混合されるために必要な分子拡散の距離が低減され、かつ混合流路６８は幅（Ｘ軸方向）が高さ（Ｚ軸方向）より大きいため、界面面積も大きく保持されるため、混合が促進され易い環境になる。
【００６３】
図７においては、３種類の流体を混合するように図示してあるが、さらに多くの種類の流体を混合するには以下の方法で実現できる。必要があるときには、合流地点６４および６４’より端部６６および６６’の方向に第１の基板内に流路を形成し、その流路が合流流路６５および６５’にＺ軸の負の方向から合流するように接続させることにより実現できる。この時のインレットと各流路を図９に示す。つまり、図７における流体６２が単独で流れる流路と同じ構造の流路を第１の基板内に平行して新たな流路を作製するだけで、４種類以上の流体の混合にも対応できる。
【００６４】
このように、本発明は２種類の流体の混合に特化したものではないため、３種類以上の流体を混合するさいにおいて、２種類の流体を混合する構造の全部分を繰り返し配置する必要がなく、デバイスの混合に要する面積が低減できるという効果も有する。さらに、４種類、５種類の流体の混合のためにも容易な設計変更で対応することができる。
【００６５】
（実施例４）
実施例４として、流路に注入される流体が非混和性の流体においても本発明が有用であることを説明するために、マイクロ流体デバイス内における液−液抽出を例として図１を用いて説明する。
【００６６】
検体を含む流体１０、および検体を抽出するための流体１１は内は、合流流路１２においてはＺ軸方向に重なった層流を形成する。検体は流体１１と親和性を保有するものであり、流体１１に接触すると、流体１１内に抽出される。この抽出効率は、流体１０と流体１１の接触界面面積に依存し、接触界面面積が大きい方が抽出効率は高い。
【００６７】
いま、合流流路１２内を流れる流体１０および１１は端部１３において２層流の方向が変換され、混合流路１４へと流れる。液−液抽出のさいには、流体１０と流体１１は互いに非混和であることが多く、混合流路１４においてもＸ軸方向に重なった２層流は保持される。しかし、混合流路１４の幅（Ｘ軸方向）は高さ（Ｚ軸方向）より高く、その接触界面面積は合流流路１２内の２層流よりも大きく設定できる。よって、界面面積の上昇とともに、検体の流体１１への抽出効率は高まる。
【００６８】
検体は、例えば水溶液中に存在するトルエンであり、これを水とトルエンの混合物を流体１０としたとき、流体１１はオイルであると、水溶液中のトルエンを流体１１のオイル内に抽出できる。
【００６９】
このように、本発明は流体を混合させる以外のアプリケーションにおいても、層流を界面面積が大きくなる方向に形成することにより、界面を通過することが必須な反応に対して効果を有する。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明は、化学反応、化学分析を実施するためのマイクロ流体デバイスに利用することができる。
【符号の説明】
【００７１】
１０、１０’、１０’’ 流体
１１、１１’、１１’’ 流体
１２ マイクロ流路
１３ 端部
１４ 混合流路
１５ 流体の混合の様子
２０ 流体
２１ 流体
２２ 流路
２３ 流路
２４、２４’ 合流地点
２５ 合流流路
２６ 合流地点
２７ 合流流路
２８ 端部
２９ 混合流路
４０ 流体
４１ 流体
４２、４２’ 流路
４３、４３’ 流路
４４、４４’ 合流地点
４５、４５’ 合流流路
４６、４６’ 端部
４７ 合流地点
４８ 混合流路
６０ 流体
６１ 流体
６２ 流体
６３、６３’ 合流地点
６４、６４’ 合流地点
６５、６５’ 合流流路
６６、６６’ 端部
６７ 合流地点
６８ 混合流路
【技術分野】
【０００１】
本発明は複数の流体を混合するための流路を有する流路デバイスおよび流体を混合する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
化学および生化学反応の経過や結果を確かめるために濃度、成分などの所望の情報を得ることは分析化学の基礎的な事項であり、それらの情報の取得を目的としたさまざまな装置およびセンサが発明されている。それらの装置やセンサを微細化し、所望の情報を得るまでの全工程をマイクロデバイス上にての実現を目指す、マイクロ・トータル・アナリシス・システム（μ−ＴＡＳ）またはラブオンチップと呼ばれるコンセプトがある。これは、採取された原料や未精製検体をマイクロデバイス内の流路を通過させることにより検体精製や化学反応などの工程を経て、最終的な化学合成物や検体中に含まれる成分の濃度などを得ることを目標とするコンセプトである。また、これらの分析や反応を司るマイクロデバイスは、必然的に微小量の溶液や気体を扱うことから、マイクロ流路デバイス、あるいはマイクロ流体デバイスと呼ばれることが多い。
【０００３】
従来技術のデスクトップサイズの分析機器と比較すると、マイクロ流路デバイスを用いることによってデバイス内に含まれる流体は低容量化されるため、必要試薬量の低減および分析物量の微量化による反応時間の短縮が期待される。このようなマイクロ流路デバイスの利点が認知されるにつれて、μ−ＴＡＳに関わる技術が注目を集めている。
【０００４】
一方、デスクトップサイズの装置をマイクロデバイス化することにより、新たな特徴が生じる。一例として、比界面積の上昇や分子拡散のみによる流体の混合促進などが挙げられ、デスクトップサイズの分析機器では無視できうる現象がマイクロデバイス内では重要になる。特に流路内で複数の溶液を効率的に混合させることは、化学反応を実施するうえで重要であるが、マイクロ流路においては同じ方向に流れる複数の溶液を合流させると層流を形成してしまい、混合が進みにくいという現象が生じる。
【０００５】
マイクロ流路内で混合を促進させる方法として、特許文献１には深溝型のマイクロリアクタで、流路の幅に比べて深さ寸法を大きくし、深さ方向に平行な接触面を持つ層流を形成することが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−０５０３２０号公報（図４（Ｂ））
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載のマイクロリアクタは、合流前の２つの流路とも深溝となっており、合流後も同じ深溝幅で合流する構成である。
【０００８】
このため、合流時の両者の液量を精度よく制御することが難しく、混合の割合は界面に沿った方向において均一にならない場合があった。
【０００９】
よって、大量の反応合成を行うリアクタという観点においては問題とならないが、後にＰＣＲなどの検査反応処理を行うμ−ＴＡＳなどの分野においては、量的なコントロールが困難となる場合があり、より好適な形態が求められていた。
【００１０】
本発明は、このような背景技術を鑑みてなされたものであり、流路を流れる流体を能動的に操作する必要がなく、簡便に作製でき、且つ混合量を制御しつつ流体の混合を促進できる流路デバイスおよびそれを用いた流体の混合方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するマイクロ流体デバイスは、流体を流すための、少なくとも２つの流路と、該２つの流路の流体を合流させ、それぞれの流体による界面を形成する合流流路と、前記合流流路の下流に配され、流れ方向に対する断面が該合流流路よりも界面が増大する方向に長い混合流路と、を有する
ことを特徴とする。
【００１２】
上記の課題を解決する流体の混合方法は、少なくとも２つの流路と、該２つの流路の流体を合流させる合流流路と、を有する流路デバイスを用いた流体の混合方法であって、前記２つの流路から流体をそれぞれ流し、合流流路においてそれぞれの流体による界面を形成させ、該合流流路の下流にて前記流体どうしの界面を増大させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、複数の流体を合流流路で合流させた後に、下流の拡大流路で接触界面方向が大きくなるように層流を形成させることができる。これにより、合流時の各流体の量的な制御が容易であり、且つ速やかに混合させる流路デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の流路デバイスの原理を示す概念図である。
【図２】本発明の流路デバイスの一実施形態を示す図である。
【図３】本発明の流路デバイスを用いた２液混合の一実施態様を示す概念図である。
【図４】本発明の流路デバイスを用いた２液混合の一実施態様の流路断面図である。
【図５】本発明の流路デバイスを用いた２液混合の一実施態様を示す概念図である。
【図６】本発明の流路デバイスを用いた２液混合の一実施態様の流路断面図である。
【図７】本発明の流路デバイスを用いた３液混合の一実施態様を示す概念図である。
【図８】本発明の流路デバイスを用いた３液混合の一実施態様の流路断面図である。
【図９】本発明の流路デバイスを用いた４液以上を混合する一実施態様を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を詳細に説明する。なお、特にＸＹＺの方向軸に関する記載がない場合は、基板に形成された流路のうち、基板面に平行な方向の平面を流路幅方向、基板面に垂直な方向の平面を流路高さ方向として説明する。
【００１６】
本発明に関わるデバイスは、流体を流すための、少なくとも２つの流路と、該２つの流路の流体を合流させ、それぞれの流体による界面を形成する合流流路と、前記合流流路の下流に配され、流れ方向に対する断面が該合流流路よりも界面が増大する方向に長い混合流路と、を有することを特徴とする。
【００１７】
本発明に関わる流体の混合方法は、少なくとも２つの流路と、該２つの流路の流体を合流させる合流流路と、を有する流路デバイスを用いた流体の混合方法であって、前記２つの流路から流体をそれぞれ流し、合流流路においてそれぞれの流体による界面を形成させ、該合流流路の下流にて前記流体どうしの界面を増大させることを特徴とする。
【００１８】
流路デバイスは、混合流路となる溝が形成された第１の基板を有しており、混合流路が、合流流路から離れるにつれて前記溝の深さ方向に大きくなる拡大流路部を有する構成、さらには拡大流路部の天面が、第２の基板の底面である構成であることが好ましい。
【００１９】
またさらに、第１の基板に第１流路、第２の基板に第２流路が形成され、前記第１流路の端部が前記第２流路に接続して第２の基板に合流流路を形成するように第２の基板と第１の基板を接合した流路デバイスとして構成し、前記合流流路の端部が、前記第１の基板に形成された前記流路の略端部に接続することが好ましい。
【００２０】
あるいは、第１の基板に分岐を有する第１流路、第２の基板に分岐を有する第２流路が形成され、前記第１流路の一つの端部が前記第２流路に接続して第２の基板に形成された第２の合流流路を形成し、前記第２流路の一つの端部が前記第１流路に接続して第１の基板に形成された第１の合流流路を形成し、前記第１の合流流路の端部が前記第２の合流流路に接続するように第２の基板と第１の基板を接合したマイクロ流体デバイスであり、前記第２の合流流路の端部が前記第１の基板に形成された前記流路の略端部に接続することが好ましい。
【００２１】
そして合流流路において、界面の方向を変えるための屈曲流路を有する構成にするとよい。混合のための複数の流路、流路に接続する供給口などを、深い溝を形成した混合流路に対して、一方の領域側にそれらを集積化させることができるようになる。これにより、もう一方の領域を混合後の流路を形成する領域として使用できるようになるので、より集積化することができるようになる。
【００２２】
本発明の流路デバイスを作製する際の接合において、流路の断面積の高さが幅よりも大きいほうが、接合時の製造誤差を考慮すると、幅が高さよりも大きい形のマイクロ流路よりも、マイクロ流路の断面積を保持したまま接合できる。
【００２３】
本発明の流路デバイスは、いわゆるマイクロ流路として、幅、高さ、長さの少なくともいずれかのサイズがμｍオーダー、すなわち０．１μｍ〜５００μｍであるマイクロ流路デバイスにおいて好適に実施される。
【００２４】
例えば、幅５０μｍ、高さ２０μｍのマイクロ流路において、接合時の圧力により高さ方向が１μｍ押しつぶされたとすると、断面積は９５μｍ２となる。一方、幅２０μｍ、高さ５０μｍのマイクロ流路において、同じ製造誤差があるとすると、断面積は９８μｍ２となり、本来意図した１００μｍ２により近くなる。よって、プラスチック素材などでマイクロ流路を作製しようとすると、流路断面積を保つためには流路高さが幅よりも大きい方が有利となる。ここで、前述の層流を多層に形成して混合を促進する方法は、マイクロ流路の断面積の幅方向に界面が形成されるように多層の層流を形成し、層流の界面面積を大きくすることによって混合を促進する。ところが、マイクロ流路の高さが幅方向と比較して大きいときの混合に対しては、界面面積が小さい方向における層流を形成するため、最適ではない。
【００２５】
本発明は、マイクロ流路内に層流を形成するが、ある特定の流路内における流体の流れが層流を形成するかまたは乱流を形成するかはレイノルズ数（Ｒｅ）で見積もることが可能であり、以下の式、
Ｒｅ＝ＵＬ／ν
によって導かれる。ここで、Ｕ代表速度、Ｌは代表長さ、νは動粘度係数である。厳密な境界となる数値はないが、一般におよそレイノルズ数が２０００より低ければ、当該系の流体は層流を形成すると考えられている。実際、マイクロ流路の場合レイノルズ数が低くなることが知られ、その値は通常１００より低く、しばしば１以下にもなるため、マイクロ流路においては流体の流れは層流を形成するものと考えてよい。よって、複数の流体を同一のマイクロ流路に注入したとき、それぞれの流体の流れは接触している界面近傍を除いて混合されることなく進行する。本発明における流路とは、特に断らない限り、レイノルズ数が低いため流路を流れる流体は層流を形成する大きさであるとする。
【００２６】
マイクロ流路内における流体の混合は、微少場であるため物理的に撹拌することが容易でなく、また重力の影響もほぼ無視できるほどに小さいことから、混合は分子の拡散に依存する。Ｅｉｎｓｔｅｉｎ−Ｓｍｏｌｕｃｈｏｗｓｋｉの理論から、１次元における分子の拡散時間（ｔ）、拡散距離（σ）および流体の拡散係数（Ｄ）の関係、
ｔ＝σ２／２Ｄ
が知られている。いま、あるマイクロ流路の流路幅をｗとしたとき、拡散時間はｗ２／Ｄに比例する。
【００２７】
いま、流路断面積が流路幅１００μｍ、流路高さ２０μｍのマイクロ流路において、２種類の流体がそれぞれ幅５０μｍ、高さ２０μｍの断面積を有しながら流れているとする。このときそれぞれの流体を構成する分子の拡散に必要な移動距離は、最長５０μｍであるから、分子の拡散係数を１ｘ１０−６ｃｍ２／ｓとしたとき、分子の移動に要する時間は１２．５秒である。一方、同じ断面積を有するマイクロ流路だが、流路幅２０μｍ、流路高さ１００μｍで、２種類の流体がそれぞれ幅１０μｍ、高さ１００μｍの断面積を有しながら流れているときの分子の移動に要する時間は、０．５秒である。つまり、拡散に要する距離が１／５になることにより、移動時間は１／２５に短縮される。
【００２８】
さらに、層流により形成された界面を通過する分子の量は流束（Ｊ）、断面積（Ａ）、時間（ｔ）としたとき、
Ｊ・Ａ・ｔ
により決定される。界面を通過する分子の量が大きい方が混合が促進されるため、混合効率は界面の断面積に比例する。例えば、流路幅２０μｍ、流路高さ１００μｍで断面積が１００μｍ２であるマイクロ流路において、２種類の流体が交互に幅５μｍ、高さ１００μｍの断面積を有しながら４本の層流を形成して流れているとき、分子の拡散係数を１ｘ１０−６ｃｍ２／ｓとすると、分子の移動に要する時間は０．１２５秒である。これを２本の層流が同じ断面積のマイクロ流路を流れているときの状態と比べると、界面面積は３倍になるので、その分の寄与も混合時間には含まれる。
【００２９】
つまり、多層の層流を形成することにより、混合に必要な拡散距離を減少させ、かつ界面面積を大きく保つことが混合効率を高める上で重要な要素である。
【００３０】
本発明は上記の原理を利用して、マイクロ流路内に界面面積が大きくなる方向に多層の層流を形成して、マイクロ流路内における複数の流体の混合を実施する。なお、以下の説明においては２本の流体により形成された層流を２層流、３本の流体により形成された層流を３層流などと記述する。
【００３１】
図１は本発明のデバイスの界面面積を大きく保った上で層流を形成する一実施態様を示す概念図である。以下、図１を用いて詳細に説明する。
【００３２】
本実施形態のデバイスは、合流流路１２がその端部１３において略直角に屈曲し、Ｚ軸方向への変位を伴いながら混合流路１４に接続している。合流流路１２は複数の流体が合流したときに、層流を形成し、接触界面を除いて流体の混合が進行しづらい大きさである。
【００３３】
合流流路の下流に配置された混合流路１４はＸ軸方向を流路幅とし、Ｚ軸方向を流路高さとしたとき、流路幅対流路高さのアスペクト比が合流流路よりも大きく形成されている。
【００３４】
すなわち、流れ方向（Ｙ軸方向）に対する断面が該合流流路よりも界面が増大する方向（Ｚ軸方向）に長い混合流路を下流に設けることで、層流の接触界面の面積を増大させ、混合を促進させることができるようになる。
【００３５】
合流流路１２と混合流路１４との接続部分は、図１に示すように、端部１３の位置から離れるにつれて徐々にアスペクト比を大きくするように、徐々に流路高さを変更する拡大流路部が混合流路の一部として設けられているとよい。このような構造は、合流流路１２を一枚の基板に作製し、混合流路１４を他の基板に作製して、端部１３を混合流路１４の略端部の位置に一致させ、合流流路１２と混合流路１４が略直角となるように二枚の基板を接合すると作製できる。
【００３６】
図２は、本形態の流路デバイスを二枚の基板を接合することで構成した具体例を示すものである。混合流路１４を有する第１の基板１８と合流流路１３の一部を有する第２の基板とが接合され、流路デバイスを構成している。混合流路１４は、合流流路１３との接続部分に、合流流路から離れるにつれて溝の深さ方向に大きくなる拡大流路部１６が形成されている。
【００３７】
図２（ａ）は、図１の流路デバイスをＸ軸方向からみた断面図に対応するものであり、図２（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ‘断面およびＢ−Ｂ’断面の流路断面形状を模式的に示すものである。
【００３８】
本形態においては、流体１０と流体１１は互いに混和できる流体でＺ軸方向に重なった２層流を形成しており、合流流路１２内をまずＸ軸方向に流れている。合流流路１２の端部１３において、流体１０および流体１１はＺ軸の負の方向に略直角に曲がると、それぞれ流体１０’および流体１１’となる。このとき、流体１０’は流体１１’に比べてよりＸ軸の正の方向に位置し、おおよそ２層流は保たれる。流体１０’および流体１１’はＹ軸方向に伸びる混合流路１４内においておおよそ２層流を保ったまま流れるが、混合流路１４の流路高さが流路幅より大きな値を有する地点でそれぞれ流体１０’’および流体１１’’を形成する。よって、流体１０’’と流体１１’’は、それぞれ流体１０と流体１１として合流流路１２に存在していた時と比較すると、接触界面が増加し、両流体が混合される効率が高くなり、混合の進展の様子は１５のように示される。すなわち、図２（ｂ）で示すように、混合流路１４の流れ方向における流路の断面形状が、合流流路１２よりも界面が増大する方向（Ｚ軸方向）に長い形状となっている。界面の法線方向（Ｘ軸方向）は、ともに同じ幅とすることが製造の観点で好ましいが、異なっていても良い。
【００３９】
なお、図１においては、流体１０と流体１１がＺ軸方向に重なった２層流を形成しながら合流流路１２を流れているが、この２層流を形成することは、以下の方法で達成できる。流体１０が流れるための合流流路１２を一枚の基板に作製し、流体１１を供給するマイクロ流路を他の基板に作製して合流流路１２に交差するように二枚の基板を接合することにより実現できる。このとき、流体１１を供給するマイクロ流路と、混合流路１４が同じ基板上に形成されていることが好ましい。また、合流流路１２の流体幅対流路高さの比は任意であるが、マイクロ流体デバイス全体に占める面積を低減するためにおおむね１００μｍ以下の流路幅であることが望ましい。さらに、合流流路１２内で形成される接触界面において、わずかな量の流体１０と流体１１は混合されるが、混合流路１４において均一に混合させることを目的とするときは、合流流路１２で少量の混合が生じてもかまわない。
【００４０】
合流流路１２や混合流路１４を形成するデバイスの材質は、ガラス、セラミック、半導体またはそれらのハイブリッドなど、特に限定を設ける必要はないが、混合流路１４の流路幅対流路高さを大きくするためには、プラスチック材質であると作製しやすい。プラスチック材質であれば、流路高さが流路幅と比較して大きな流路でも、機械加工や射出成型などの比較的安価な方法により流路を形成することが可能だからである。
【００４１】
流体１０や流体１１は、互いに混和性であれば特に制限はない。また、流体１０と流体１１の主成分が同一のものであっても構わない。例えば、流体１０と流体１１の主成分は水であるが、いずれにも水溶性の物質が含まれており、流体１０と流体１１の混合によって物質の反応が開始されるものである。また、流体１０内に水溶性の検体が含まれ、流体１１が水を主成分とする試薬であってもよい。
【００４２】
以上、マイクロ流路内で層流を形成するとき、接触界面面積が大きくなる方向に層流を形成する方法を説明したが、さらに層流を多層に形成する方法を実施例を通じて説明する。
【実施例】
【００４３】
以下、実施例を示し本発明をさらに具体的に説明する。なお、以下の実施例は本発明をより詳細に説明するための例であって、実施形態は以下の実施例のみに限定されない。
【００４４】
（実施例１）
実施例１において、マイクロ流路内において多層の層流を形成し、その層流の方向転換をすることにより接触界面面積が大きくなる方向に多層層流を形成する本発明の方法について図３および図４を用いて説明する。
【００４５】
図３はマイクロ流体デバイスにおけるインレットと流路を表示した斜視図である。実線で記載された流路は第２の基板に作製された流路であり、破線で示された流路は第１の基板に作製された流路である。第２の基板に形成された溝と第１の基板の平面部分、または第１の基板に形成された溝と第２の基板の平面部分を一致させて接合することにより、第２と第１の基板に流路が形成される。ただし、図３における２４、２４’、２６、２８においては、第２の基板に作製された流路と第１の基板に作製された流路が交差する位置であるので、流路が高さ方向の変位を伴って接続している。
【００４６】
第２のインレットに含まれる流体２０は、分岐を有する流路２２を流れる。第１のインレットに含まれる流体２１は分岐を有する流路２３を流れる。なお、流路２０と流体２１は互いに混和できる物質である。流路２３は流路２２と合流地点２４において合流する。このとき、流路２３を流れる流体２１は合流地点２４において、Ｚ軸の正の方向への変位を伴いながら流体２０と合流する。そして、合流流路２５内において、流体２０と流体２１は流体２０がＺ軸の正の方向にある向きで２層流を形成する。図４（Ａ）は合流地点２４における、ＺＸ断面図を表わしている。
【００４７】
一方、流路２２および流路２３を合流地点２４’方向に流れる、それぞれ流体２０および流体２１は、合流地点２４’において、流体２０がＺ軸の負の方向への変位を伴いながら流体２１と合流し、合流流路２５’を流れる。合流地点２４’と合流流路２５’内を流れる流体２０と流体２１の様子を、合流地点２４’付近のＺＸ断面図を図４（Ｂ）に示している。流体２０は流路２２からＺ軸の負の方向への変位を伴って流体２１と合流しているため、合流流路２５’内では、流体２０がＺ軸の正の方向になる２層流を形成する。
【００４８】
合流流路２５および合流流路２５’はさらなる合流地点２６にて合流する。このときの流体の流れをＺＸ断面図として図４（Ｃ）に示す。合流流路２５’を流れる２層流は、Ｚ軸の正の方向へ変位を伴いながら、合流流路２５を流れる２層流と合流するため、合流流路２７内で４層流を形成する。このさいに、合流流路２５および合流流路２５’における層流の形成方向は合流地点２６を通過しても不変である。なお、合流流路２５と合流流路２５’が合流するときの、ＸＹ平面上に作製される角度であるが、１８０度のときはそれぞれの流路を流れる層流が維持されない場合が生じるため、角度は１８０度であってはならない。好ましくは、０度より大きくおおよそ４５度以下である。
【００４９】
合流流路２７を流れる４層流は、端部２８において、混合流路２９と略直角に接続される。このときの流体の様子を図４（Ｄ）に示す。合流流路２７を流れる４層流は、端部２８において、Ｚ軸の負の方向へ変位を受けることにより、Ｚ軸方向に重なった層流がＸ軸方向に重なった層流に変換される。方向転換を受けた層流は、Ｘ軸方向への重なりを保持したまま、混合流路２９をＹ軸方向へと流れる。混合流路２９は、流路幅（Ｘ軸方向）より流路高さ（Ｚ軸方向）が大きい流路なので、層流が形成する接触界面面積が大きい状態にある。よって、界面面積を大きく保ちながら多層の層流を形成することができるため、混合が大きく促進される。
【００５０】
流体２０と流体２１の混合比率を調整するためには、第２と第１のインレットに印加する圧力を調整することにより、流体２０および流体２１の流量を任意に設定できる。また、混合比率は混合流路２９における各層流の幅を観測することにより、混合流路２９内に注入された流体の量を確かめることが可能である。
【００５１】
このように本発明では、界面面積が大きくなる方向に多層の層流を形成することを、Ｚ軸方向への変位を伴う構造を有しながらも２枚の基板を接合することにより達成できる。また、界面面積を大きくするためには、ＸＹ平面上で例えば合流流路２７の幅を広くする方法も考えられるが、ＸＹ平面方向の面積が大きくなりデバイスの集積化には不利になる。つまり、本発明のように混合流路２９の流路幅を流路高さより小さい状態の流路とすれば、混合に要するＸＹ平面方向の面積が低減され、より集積化に適したデバイスを作製することができる効果も有する。
【００５２】
（実施例２）
実施例２おいて、混合流路を用いて多層の層流を形成し、接触界面面積が大きくなる方向に多層層流を形成する本発明の方法について図５および図６を用いて説明する。
【００５３】
図５はマイクロ流体デバイスにおけるインレットと流路を表示した斜視図である。実線で記載された流路は第２の基板に作製された流路であり、破線で示された流路は第１の基板に作製された流路である。第２の基板に形成された溝と第１の基板の平面部分、または第１の基板に形成された溝と第２の基板の平面部分を一致させて接合することにより、第２と第１の基板に流路が形成される。ただし、図５における４４、４４’４６、４６’においては、第２の基板に作製された流路と第１の基板に作製された流路が交差する位置であるので、流路が高さ方向の変位を伴って接続している。
【００５４】
第２のインレットに含まれる流体４０は、流路４２および流路４２’に分岐して流れる。第１のインレットに含まれる流体４１は、流路４３および流路４３’に分岐して流れる。流路４３および流路４３’の端部は、それぞれ流路４２および流路４２’に接続し、その位置を合流地点４４とする。流体４１は合流地点４４にてＺ軸の正の方向に変位を受けながら流体４０と合流する。この時の様子を、図６（Ａ）に表わす。合流流路４５には、流体４０が流体４１に対して、Ｚ軸の正の方向にある状態の２層流が形成される。同様に、合流流路４５’においても、流体４１が合流地点４４’にて流体４０と合流し、流体４０が流体４１に対して、Ｚ軸の正の方向にある状態の２層流が形成される。
【００５５】
合流流路４５を流れる流体は、端部４６において、図６（Ｂ）に示されるように、Ｚ軸の負の方向に変位を受け、層流の向きがＺ軸方向に重なった向きからＸ軸方向に重なった向きに変換される。そして、この層流の向きを保持したまま混合流路４８の合流地点４７へ流れる。一方、合流流路４５’を流れる流体は、端部４６’において、Ｚ軸の負の方向に変位を受け、２層流の向きがＺ軸方向に重なった向きからＹ軸方向に重なった向きに変換される。そして、その２層流の向きを保持したまま混合流路４８の合流地点４７へ流れる。
【００５６】
合流地点４７は混合流路４８内に配置され、Ｚ軸方向の変位を伴わない合流地点である。つまり、端部４６および端部４６’から来る流れは、Ｘ軸方向に重なった向きの２層流を形成する。合流地点４７直前の流れは２層流であるから、ＸＹ平面の断面図である図６（Ｃ）に示されるように、合流地点４７を通過すると４層流が形成される。さらに混合流路４８を進行する４層流の流れは、接触界面面積が大きい方向に形成されているため、混合が速やかに進展する。
【００５７】
このように、本発明は混合に適する多層の層流を混合流路内で形成して、混合を促進することができる。
【００５８】
（実施例３）
実施例３として、３種類以上の流体を速やかに混合するため方法について図７および図８を用いて説明する。
【００５９】
第２のインレットに流体６０、第１のインレットに流体６１、第三のインレットに流体６２を含むマイクロ流体デバイスがある。それぞれのインレットから流れでた流体は、混合流路６８へ向けて流れながら多層の層流を形成して、混合流路６８内で混合される。なお、図７において、実線で示された部分は第２の基板に形成された流路で、破線で示された部分は第１の基板に形成された流路であり、合流地点６３、６３’、６４、６４’、および端部６６、６６’にて互いに接続されている。つまり、このマイクロ流体デバイスは混合する流体が３種類ありながら、２枚の基板から構成されている。
【００６０】
流体６１は合流地点６３において、Ｚ軸方向の変位を伴いながら流体６０と合流し、流体６０が流体６１に対してＺ軸の正の方向になるような２層流が形成される。このときの流体の様子を図８（Ａ）に示す。次に、流体６２は合流地点６４において、流体６０と流体６１で構成された２層流のＺ軸の負の方向に３層目の層を形成するように合流し、３層流となって合流流路６５を流れる。このときの流体６０、流体６１および流体６２の様子は図８（Ｂ）に示される通りである。
【００６１】
合流流路６５の端部６６において、３層流はＺ軸の負の方向に流れを変化させることにより、３層流の向きがＸ軸方向に重なった流れに変換され、混合流路６８を合流地点６７へと向かって流れる。このときの３層流の向きを図示したものが、図８（Ｃ）である。合流地点６３’、６４’および合流流路６５’を通過した流体も同様に３層流を形成し、端部６６’において、３層流の向きがＹ軸方向に重なった流れに変換され、混合流路６８を合流地点６７へと向かって流れる。
【００６２】
合流地点６７付近の流体の流れの様子をＸＹ平面の断面図に表わして図８（Ｄ）に図示する。流体６０、流体６１および流体６２により形成された２本の３層流は、Ｚ軸方向の変位を伴わない合流地点６７へと向かう。混合流路６８は、レイノルズ数が低い状態になる大きさなので、２本の３層流は合流地点６７で合流すると６層流を形成する。混合流路６８内に６層流が形成されることによって、混合されるために必要な分子拡散の距離が低減され、かつ混合流路６８は幅（Ｘ軸方向）が高さ（Ｚ軸方向）より大きいため、界面面積も大きく保持されるため、混合が促進され易い環境になる。
【００６３】
図７においては、３種類の流体を混合するように図示してあるが、さらに多くの種類の流体を混合するには以下の方法で実現できる。必要があるときには、合流地点６４および６４’より端部６６および６６’の方向に第１の基板内に流路を形成し、その流路が合流流路６５および６５’にＺ軸の負の方向から合流するように接続させることにより実現できる。この時のインレットと各流路を図９に示す。つまり、図７における流体６２が単独で流れる流路と同じ構造の流路を第１の基板内に平行して新たな流路を作製するだけで、４種類以上の流体の混合にも対応できる。
【００６４】
このように、本発明は２種類の流体の混合に特化したものではないため、３種類以上の流体を混合するさいにおいて、２種類の流体を混合する構造の全部分を繰り返し配置する必要がなく、デバイスの混合に要する面積が低減できるという効果も有する。さらに、４種類、５種類の流体の混合のためにも容易な設計変更で対応することができる。
【００６５】
（実施例４）
実施例４として、流路に注入される流体が非混和性の流体においても本発明が有用であることを説明するために、マイクロ流体デバイス内における液−液抽出を例として図１を用いて説明する。
【００６６】
検体を含む流体１０、および検体を抽出するための流体１１は内は、合流流路１２においてはＺ軸方向に重なった層流を形成する。検体は流体１１と親和性を保有するものであり、流体１１に接触すると、流体１１内に抽出される。この抽出効率は、流体１０と流体１１の接触界面面積に依存し、接触界面面積が大きい方が抽出効率は高い。
【００６７】
いま、合流流路１２内を流れる流体１０および１１は端部１３において２層流の方向が変換され、混合流路１４へと流れる。液−液抽出のさいには、流体１０と流体１１は互いに非混和であることが多く、混合流路１４においてもＸ軸方向に重なった２層流は保持される。しかし、混合流路１４の幅（Ｘ軸方向）は高さ（Ｚ軸方向）より高く、その接触界面面積は合流流路１２内の２層流よりも大きく設定できる。よって、界面面積の上昇とともに、検体の流体１１への抽出効率は高まる。
【００６８】
検体は、例えば水溶液中に存在するトルエンであり、これを水とトルエンの混合物を流体１０としたとき、流体１１はオイルであると、水溶液中のトルエンを流体１１のオイル内に抽出できる。
【００６９】
このように、本発明は流体を混合させる以外のアプリケーションにおいても、層流を界面面積が大きくなる方向に形成することにより、界面を通過することが必須な反応に対して効果を有する。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明は、化学反応、化学分析を実施するためのマイクロ流体デバイスに利用することができる。
【符号の説明】
【００７１】
１０、１０’、１０’’ 流体
１１、１１’、１１’’ 流体
１２ マイクロ流路
１３ 端部
１４ 混合流路
１５ 流体の混合の様子
２０ 流体
２１ 流体
２２ 流路
２３ 流路
２４、２４’ 合流地点
２５ 合流流路
２６ 合流地点
２７ 合流流路
２８ 端部
２９ 混合流路
４０ 流体
４１ 流体
４２、４２’ 流路
４３、４３’ 流路
４４、４４’ 合流地点
４５、４５’ 合流流路
４６、４６’ 端部
４７ 合流地点
４８ 混合流路
６０ 流体
６１ 流体
６２ 流体
６３、６３’ 合流地点
６４、６４’ 合流地点
６５、６５’ 合流流路
６６、６６’ 端部
６７ 合流地点
６８ 混合流路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を流すための、少なくとも２つの流路と、
該２つの流路の流体を合流させ、それぞれの流体による界面を形成する合流流路と、
前記合流流路の下流に配され、流れ方向に対する断面が該合流流路よりも界面が増大する方向に長い混合流路と、
を有することを特徴とする流路デバイス。
【請求項２】
前記流路デバイスは、前記混合流路となる溝が形成された第１の基板を有しており、前記混合流路が、合流流路から離れるにつれて前記溝の深さ方向に大きくなる拡大流路部を有する請求項１に記載の流路デバイス。
【請求項３】
前記拡大流路部の天面が、第２の基板の底面である請求項２に記載の流路デバイス。
【請求項４】
第１の基板に第１流路、第２の基板に第２流路が形成され、前記第１流路の端部が前記第２流路に接続して第２の基板に合流流路を形成するように第２の基板と第１の基板を接合した流路デバイスであり、前記合流流路の端部が、前記第１の基板に形成された前記流路の端部に接続する、ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の流路デバイス。
【請求項５】
前記第１の基板に分岐を有する第１流路、第２の基板に分岐を有する第２流路が形成され、前記第１流路の一つの端部が前記第２流路に接続して第２の基板に形成された第２の合流流路を形成し、前記第２流路の一つの端部が前記第１流路に接続して第１の基板に形成された第１の合流流路を形成し、前記第１の合流流路の端部が前記第２の合流流路に接続するように第２の基板と第１の基板を接合した流路デバイスであり、前記第２の合流流路の端部が前記第１の基板に形成された前記流路の端部に接続する、ことを特徴とする請求項１またはから３のいずれかに記載の流路デバイス。
【請求項６】
前記合流流路に、前記界面の方向を変えるための屈曲流路を有する請求項３または４に記載の流路デバイス。
【請求項７】
少なくとも２つの流路と、該２つの流路の流体を合流させる合流流路と、を有する流路デバイスを用いた流体の混合方法であって、
前記２つの流路から流体をそれぞれ流し、合流流路においてそれぞれの流体による界面を形成させ、該合流流路の下流にて前記流体どうしの界面を増大させる
ことを特徴とする混合方法。
【請求項１】
流体を流すための、少なくとも２つの流路と、
該２つの流路の流体を合流させ、それぞれの流体による界面を形成する合流流路と、
前記合流流路の下流に配され、流れ方向に対する断面が該合流流路よりも界面が増大する方向に長い混合流路と、
を有することを特徴とする流路デバイス。
【請求項２】
前記流路デバイスは、前記混合流路となる溝が形成された第１の基板を有しており、前記混合流路が、合流流路から離れるにつれて前記溝の深さ方向に大きくなる拡大流路部を有する請求項１に記載の流路デバイス。
【請求項３】
前記拡大流路部の天面が、第２の基板の底面である請求項２に記載の流路デバイス。
【請求項４】
第１の基板に第１流路、第２の基板に第２流路が形成され、前記第１流路の端部が前記第２流路に接続して第２の基板に合流流路を形成するように第２の基板と第１の基板を接合した流路デバイスであり、前記合流流路の端部が、前記第１の基板に形成された前記流路の端部に接続する、ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の流路デバイス。
【請求項５】
前記第１の基板に分岐を有する第１流路、第２の基板に分岐を有する第２流路が形成され、前記第１流路の一つの端部が前記第２流路に接続して第２の基板に形成された第２の合流流路を形成し、前記第２流路の一つの端部が前記第１流路に接続して第１の基板に形成された第１の合流流路を形成し、前記第１の合流流路の端部が前記第２の合流流路に接続するように第２の基板と第１の基板を接合した流路デバイスであり、前記第２の合流流路の端部が前記第１の基板に形成された前記流路の端部に接続する、ことを特徴とする請求項１またはから３のいずれかに記載の流路デバイス。
【請求項６】
前記合流流路に、前記界面の方向を変えるための屈曲流路を有する請求項３または４に記載の流路デバイス。
【請求項７】
少なくとも２つの流路と、該２つの流路の流体を合流させる合流流路と、を有する流路デバイスを用いた流体の混合方法であって、
前記２つの流路から流体をそれぞれ流し、合流流路においてそれぞれの流体による界面を形成させ、該合流流路の下流にて前記流体どうしの界面を増大させる
ことを特徴とする混合方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−４０７７６（Ｐ２０１３−４０７７６Ａ）
【公開日】平成２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７５９００（Ｐ２０１１−１７５９００）
【出願日】平成２３年８月１１日（２０１１．８．１１）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月１１日（２０１１．８．１１）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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