JP5062399B2 - Microchannels and microreactors - Google Patents
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Description
本発明は、マイクロ流路およびマイクロリアクタに関する。 The present invention relates to a microchannel and a microreactor.
近年、ヒトゲノム(ヒトの遺伝子情報)の解析が終了し、異常な遺伝子構造が生成する異常蛋白質と病気との関係解明が進められつつある。この関係の解明により、新薬の開発手法が、開発者の薬剤や化合物に対する経験と勘を頼りに行う既存手法から、異常蛋白質に直接作用する化合物を探索して新薬とする手法へと変化している。この手法の採用により、20年近く必要としていた新薬開発の期間が、今後5年程度に短縮すると見込まれている。
新薬候補の化合物の探索には、異常蛋白質と新薬候補の化合物との物理的な結合量を指標として用いるのが一般的である。結合量の測定方法としては、以前は、酵素、発光物質、放射性同位元素などの標識物質を結合させた化合物を用い、この化合物と異常蛋白を結合させた後、標識物質の量を測定することで、結合した化合物を定量していたが、現在では、標識物質を用いずに測定を行う方法が注目されている。
その方法の一つとして、反応器を用いた測定方法を示す。反応器とは、半導体やガラス、樹脂などで構成されたチップの中に導入路と廃液路を形成し、その間に反応槽を設けたデバイスである。反応槽には、予め異常蛋白質を固定したセンサが設置される。このように構成された反応器において、導入路から化合物を含む被測定試料液をポンプを用いて流し込むと、被測定試料液中の化合物が反応槽に予め設置された異常蛋白質と反応し、反応後の廃液が廃液路から排出される。なお、反応槽で予め固定されている物質はリガンドと呼ばれ、溶液として供給される物質はアナライトと呼ばれる。
In recent years, the analysis of the human genome (human gene information) has been completed, and the relationship between abnormal proteins that produce abnormal gene structures and diseases is being elucidated. By elucidating this relationship, the development method of new drugs has changed from existing methods that rely on developers' experiences and intuition to drugs and compounds to search for compounds that act directly on abnormal proteins and make them new drugs. Yes. By adopting this method, it is expected that the period of new drug development required for nearly 20 years will be shortened to about 5 years in the future.
In the search for a new drug candidate compound, the physical binding amount between the abnormal protein and the new drug candidate compound is generally used as an index. As a method for measuring the amount of binding, a compound that has previously been bound with a labeling substance such as an enzyme, a luminescent substance, or a radioisotope is used. However, at present, a method of performing measurement without using a labeling substance is attracting attention.
As one of the methods, a measurement method using a reactor is shown. A reactor is a device in which an introduction path and a waste liquid path are formed in a chip made of semiconductor, glass, resin, etc., and a reaction tank is provided between them. In the reaction tank, a sensor having an abnormal protein fixed in advance is installed. In the reactor configured as described above, when the sample liquid to be measured containing the compound is poured from the introduction path using a pump, the compound in the sample liquid to be measured reacts with the abnormal protein previously set in the reaction tank, and reacts. The later waste liquid is discharged from the waste liquid path. A substance fixed in advance in the reaction vessel is called a ligand, and a substance supplied as a solution is called an analyte.
反応槽においては、被測定試料液中のアナライトのうちあるものはリガンドと結合してセンサに固定される。アナライトとリガンドの反応が平衡状態に達すると(即ち、センサに固定されるアナライトの量と、センサから離れるアナライトの量が等しくなると)、リガンドに固定されているアナライトの量が一定量となる。この量が新薬開発に必要なデータとなる。
このような反応器に関する技術としては、次のようなものがある。すなわち、センサに圧電振動子(特に水晶振動子)の振動を利用し、圧電振動子表面に接する試料の粘性や振動子に付着した微少な質量を測定する技術である。詳細に説明すると、圧電振動子の両面に形成した電極に交流電圧を印加すると、圧電振動子の材料特性および形状から決定される特定の周波数で共振する。そこで、圧電振動子の電極に物質が付着すると、付着した質量に応じて振動子全体の共振周波数が変化する。この変化を検出することで、電極に付着した物質の質量を測定するという技術である。
しかし、このような質量計測手段では、特定の物質の検出ができない。このため、特定の物質のみを吸着もしくは捕獲する手段を所定位置に固定し、特定の物質のみの質量を測定できる技術が求められる。このような要求に応える技術として、蛋白質の検出に抗原抗体反応を利用する技術が知られている(例えば、特許文献1参照。)。このような構成をセンサに利用すると、ある特定の測定対象物質の微小な質量を測定することが可能となる。また、前述した反応器と同時に、ひとつのチップ基板内にバルブ、送液流路、液体の導入口、排出口を作りこんだものが、マイクロリアクタと呼ばれている。
Examples of the technology relating to such a reactor include the following. That is, this is a technique that uses the vibration of a piezoelectric vibrator (particularly a quartz crystal vibrator) as a sensor to measure the viscosity of a sample in contact with the surface of the piezoelectric vibrator and the minute mass attached to the vibrator. More specifically, when an AC voltage is applied to the electrodes formed on both sides of the piezoelectric vibrator, resonance occurs at a specific frequency determined from the material characteristics and shape of the piezoelectric vibrator. Therefore, when a substance adheres to the electrode of the piezoelectric vibrator, the resonance frequency of the whole vibrator changes according to the attached mass. By detecting this change, the technique is to measure the mass of the substance attached to the electrode.
However, such mass measurement means cannot detect a specific substance. For this reason, there is a need for a technique capable of fixing the means for adsorbing or capturing only a specific substance at a predetermined position and measuring the mass of only the specific substance. As a technique that meets such a requirement, a technique that utilizes an antigen-antibody reaction for protein detection is known (see, for example, Patent Document 1). When such a configuration is used for a sensor, a minute mass of a specific measurement target substance can be measured. In addition to the reactor described above, a device in which a valve, a liquid flow path, a liquid inlet and a liquid outlet are formed in one chip substrate is called a microreactor.
前記特許文献1に記載された測定を行なう場合、送液ポンプは常に均一に送液を行なわなければならない。何故なら、リガンドとアナライトの反応量は送液流量の影響を受けるし、圧電振動子の発振周波数は、流量変化による流路内圧変化によりドリフトするからである。
しかしながら、この種の測定で用いられている従来の送液ポンプは、ダイアフラム式やローラー式のものが主流であり、いずれにしても送液時に脈動が発生してしまう。この脈動は、前述したように測定ノイズとなり精密な測定を妨げる。
When the measurement described in Patent Document 1 is performed, the liquid feed pump must always feed liquid uniformly. This is because the reaction amount between the ligand and the analyte is affected by the flow rate of the liquid, and the oscillation frequency of the piezoelectric vibrator drifts due to a change in the internal pressure of the flow path due to a change in the flow rate.
However, as for the conventional liquid feeding pump used in this type of measurement, a diaphragm type or a roller type is the mainstream, and anyway, pulsation occurs during liquid feeding. As described above, this pulsation becomes measurement noise and prevents precise measurement.
そこで、脈動のない送液方法として、重力を利用してマイクロリアクタ内部に溶液を流す方法が考えられる。この方法だと、ポンプを使わないので、脈動が生じることがない。
この方法を実現するためには、疎水性を示す材料、例えばプラスチックを用いてマイクロ流路を構成するのが好ましい。疎水性の材料であれば、液体を弾くのでマイクロ流路内部に留まることなく、均一に液体を流すことができるからである。
しかしながら、プラスチックには蛋白質が非特異吸着し易いという欠点がある。対して、蛋白質の非特異吸着が起きにくい材料として、ガラスがある。しかしながら、ガラスは親水性のため、ガラスを用いてマイクロ流路を製造すると、マイクロ流路内部に溶液を留めようとする力が働き、重力を利用した送液が行えなくなる。
Therefore, as a liquid feeding method without pulsation, a method of flowing the solution into the microreactor using gravity can be considered. Because this method does not use a pump, pulsation does not occur.
In order to realize this method, it is preferable to configure the microchannel using a hydrophobic material, for example, plastic. This is because if the material is hydrophobic, the liquid can be repelled, so that the liquid can flow uniformly without staying inside the microchannel.
However, plastics have the disadvantage that proteins tend to adsorb nonspecifically. On the other hand, glass is a material that hardly causes nonspecific adsorption of proteins. However, since glass is hydrophilic, when a microchannel is manufactured using glass, a force that keeps the solution inside the microchannel acts and liquid feeding using gravity cannot be performed.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、脈動の発生を抑えることで、特定物質の質量測定を行う場合にその精度を向上させることができ、しかも非特異吸着を抑えることも可能な、マイクロ流路及びそれを備えたマイクロリアクタを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and by suppressing the occurrence of pulsation, the accuracy of mass measurement of a specific substance can be improved, and nonspecific adsorption can be suppressed. Another object of the present invention is to provide a microchannel and a microreactor including the microchannel.
上記課題を解決するために、請求項1に係るマイクロ流路では、センサに液体を供給またはセンサへ供給した液体を排出するためのマイクロ流路であって、起立状態で使用される流路本体が、流路中心線に平行な分割面で分割される、疎水性を示す第1の壁面部と親水性を示す第2の壁面部とを有し、前記第1の壁面部の前記流路中心線に直交する面に沿った周長をLa、前記第1の壁面部と前記液体との接触角をθa、前記第2の壁面部の前記流路中心線に直交する面に沿った周長をLb、前記第2の壁面部と前記液体との接触角をθbとするとき、前記流路本体が、以下の(1)式で表される条件を満たすことを特徴としている。
La・cosθa+Lb・cosθb<0 …(1)
In order to solve the above problem, in the micro flow channel according to claim 1, a micro flow channel for supplying liquid to the sensor or discharging the liquid supplied to the sensor, the flow channel body used in an upright state Has a first wall surface portion that exhibits hydrophobicity and a second wall surface portion that exhibits hydrophilicity, which are divided by a dividing surface parallel to the flow path center line, and the flow path of the first wall surface portion. A circumferential length along a plane perpendicular to the center line is La, a contact angle between the first wall surface portion and the liquid is θa, and a circumference along a surface perpendicular to the flow path center line of the second wall surface portion. When the length is Lb and the contact angle between the second wall surface portion and the liquid is θb, the flow path body satisfies the condition represented by the following expression (1).
La · cos θa + Lb · cos θb <0 (1)
ここで、起立状態の流路本体に液体が存する場合、流路本体の壁面部と液体との接触角がθであるときに、表面張力により液体には単位長さあたりT・cosθの力が鉛直上方へ働く(Tは表面張力)。
したがって、この請求項1に係るマイクロ流路の場合、流路本体内に存する液体が第1の壁面部との間の表面張力によって受ける鉛直上方への力は、周長がLaであるから、
T・La・cosθaとなる。
同様に、流路本体内に存する液体が第2の壁面部から表面張力によって受ける鉛直上方への力は、周長がLbであるから、T・Lb・cosθbとなる。
Here, when liquid is present in the standing channel body, when the contact angle between the wall surface of the channel body and the liquid is θ, the force of T · cos θ per unit length is exerted on the liquid due to surface tension. Work vertically upward (T is surface tension).
Therefore, in the case of the microchannel according to claim 1, the vertically upward force received by the surface tension between the liquid existing in the channel main body and the first wall surface portion is La,
T · La · cos θa.
Similarly, the vertically upward force that the liquid existing in the flow path body receives from the second wall surface due to the surface tension is T · Lb · cos θb because the circumference is Lb.
結局、流路本体内に存する液体が周囲の壁面部から表面張力によって受ける鉛直上方への力は、それら第1の壁面部から受ける力と第2の壁面部から受ける力とを足した値であり、それは、以下の(4)式で表される。
T・La・cosθa+T・Lb・cosθb …(2)
(2)式を変形すると、以下の(3)式になる。
T(La・cosθa+Lb・cosθb) …(3)
As a result, the vertically upward force that the liquid existing in the flow path body receives from the surrounding wall surface portion due to the surface tension is a value obtained by adding the force received from the first wall surface portion and the force received from the second wall surface portion. Yes, it is expressed by the following equation (4).
T · La · cos θa + T · Lb · cos θb (2)
When the equation (2) is modified, the following equation (3) is obtained.
T (La · cos θa + Lb · cos θb) (3)
ここで、請求項1に係る発明では、前記(1)式で示したように、La・cosθa+Lb・cosθbが負であることを条件としている。また、Tは表面張力であって正の定数である。したがって、前記(3)式で表される、流路本体内に存する液体が周囲の壁面部から表面張力によって受ける鉛直上方の力は、負になる。このため、流路本体内に存する液体は、表面表力のみの力によって下方に流れることとなる。加えて、流路本体は起立状態で使用されるため、流路本体内に存する液体へは重力がさらに加わることとなり、この結果、流路本体内に存する液体は、確実に下方に流れる。 Here, in the invention according to claim 1, as shown in the equation (1), the condition is that La · cos θa + Lb · cos θb is negative. T is a surface tension and is a positive constant. Therefore, the vertically upward force that the liquid existing in the flow path body receives by the surface tension from the surrounding wall surface, which is expressed by the expression (3), becomes negative. For this reason, the liquid which exists in a flow-path main body will flow below by the force of only surface surface force. In addition, since the flow channel body is used in an upright state, gravity is further applied to the liquid existing in the flow channel body. As a result, the liquid existing in the flow channel body surely flows downward.
また、流路本体は、流路中心線に平行な分割面で分割される、疎水性を示す第1の壁面部と親水性を示す第2の壁面部とを有しているので、例えばプラスチック等からなる、疎水性を示す壁面部のみによって流路本体が構成される場合に比べて、親水性を示す壁面部を有する分、非特異吸着を抑えることができる。 In addition, the flow channel body has a first wall surface portion that exhibits hydrophobicity and a second wall surface portion that exhibits hydrophilicity, which are divided by a dividing surface parallel to the flow channel center line. Compared to the case where the flow path body is constituted only by the wall surface portion having hydrophobicity, the nonspecific adsorption can be suppressed by the amount of the wall surface portion having hydrophilicity.
本発明に係るマイクロ流路は、前記両接触角θa、θbが、以下の(6)〜(8)式の条件を満たすことが好ましい。
θa>θb …(4)
θa>90deg …(5)
θb<90deg …(6)
物質が親水性に属するか疎水性に属するか判断がつきにくい場合がある。ここでは、親水性か疎水性かを論じることなく、液体と壁面部との接触角が90degを超えるかそれ未満かで、親水性か疎水性かに代えてそれを判断することができる。したがって、第1の壁面部あるいは第2の壁面部の材料を選択する場合、液体との接触角のみを調べれば足りるので、その選択が容易になる。
In the microchannel according to the present invention, it is preferable that the contact angles θa and θb satisfy the conditions of the following expressions (6) to (8).
θa> θb (4)
θa> 90deg (5)
θb <90 deg (6)
It may be difficult to determine whether a substance belongs to hydrophilicity or hydrophobicity. Here, without discussing whether it is hydrophilic or hydrophobic, whether the contact angle between the liquid and the wall surface portion exceeds 90 degrees or less can be determined instead of hydrophilic or hydrophobic. Therefore, when selecting the material of the first wall surface portion or the second wall surface portion, it is sufficient to examine only the contact angle with the liquid, so that the selection becomes easy.
本発明に係るマイクロ流路では、前記流路本体は、流路中心線に直交する断面形状が多角形状に形成されていることが好ましい。
2部材の合わせ面に流路本体を形成する場合、両部材の少なくともいずれか一方の合わせ面に予め溝を形成しておき、それら両部材を接合する方法がある。この場合、部材の合わせ面に形成する溝は、断面円弧状のものよりも断面多角形状(例えば角状)のものを形成する方が、精度が出易くかつ加工が容易である。このため、2部材の合わせ面に断面多角状の流路本体を形成する場合には、他の断面形状の流路本体を形成するよりも、精度が出易くかつ加工が容易になる。
In the microchannel according to the present invention, it is preferable that the channel body has a polygonal cross-sectional shape orthogonal to the channel centerline.
In the case where the flow path body is formed on the mating surface of the two members, there is a method in which a groove is formed in advance on at least one of the mating surfaces of both members, and the two members are joined. In this case, the grooves formed on the mating surfaces of the members are more accurate and easier to process if they have a polygonal cross section (for example, a square shape) than a circular arc. For this reason, in the case where a flow path body having a polygonal cross section is formed on the mating surface of the two members, it is easier to obtain accuracy and processing than forming a flow path body having another cross sectional shape.
本発明に係るマイクロ流路では、前記流路本体は、流路中心線に直交する断面形状が円状に形成されていることが好ましい。
液体を流す場合、角部があるとそこによどみが生じ、均一に流すことが難しくなる。ここでは、流路本体の断面形状を円状としているので、よどみを生じさせることなく、流路本体内にある液体を、均一に流すことができる。
In the microchannel according to the present invention, it is preferable that the channel body has a circular cross section perpendicular to the channel centerline.
When flowing a liquid, if there is a corner, stagnation occurs, making it difficult to flow uniformly. Here, since the cross-sectional shape of the flow path body is circular, the liquid in the flow path body can flow uniformly without causing stagnation.
本発明に係るマイクロ流路では、前記第1の壁面部はプラスチックにより構成され、前記第2の壁面部はガラスにより構成されているのが好ましい。
ここでは、プラスチックとガラスという一般的に使用されている材料によって流路本体を構成しているので、容易に製造でき、かつ、コストも低減できる。
In the microchannel according to the present invention, it is preferable that the first wall surface portion is made of plastic and the second wall surface portion is made of glass.
Here, since the flow path main body is made of commonly used materials such as plastic and glass, it can be easily manufactured and the cost can be reduced.
本発明に係るマイクロ流路では、前記第1の壁面部はプラスチック板の表面の一部がコ字状に削られた溝の表面により形成され、前記第2の壁面部はガラス板の表面により形成されていることが好ましい。
本発明に係るマイクロリアクタは、請求項1〜6のいずれか1項に記載のマイクロ流路を導入路及び廃液路として使用され、前記導入路と前記廃液路との間に、前記液体中に含まれる物質と反応するセンサを有する反応槽が介在されていることを特徴とする。
この場合、マイクロリアクタは前述したマイクロ流路の利点を備えることとなる。
In the microchannel according to the present invention, the first wall surface portion is formed by a groove surface in which a part of the surface of the plastic plate is cut into a U shape, and the second wall surface portion is formed by the surface of the glass plate. Preferably it is formed.
The microreactor according to the present invention uses the microchannel according to any one of claims 1 to 6 as an introduction path and a waste liquid path, and is included in the liquid between the introduction path and the waste liquid path. It is characterized in that a reaction tank having a sensor that reacts with a substance to be mixed is interposed.
In this case, the microreactor has the advantages of the microchannel described above.
本発明によれば、脈動の発生を抑えることで、特定物質の質量測定を行う場合にその精度を向上させることができ、しかも非特異吸着を抑えることもできる。 According to the present invention, by suppressing the occurrence of pulsation, the accuracy of mass measurement of a specific substance can be improved, and nonspecific adsorption can also be suppressed.
以下、本発明の各実施形態について説明する。
<第1実施形態>
以下、本発明の第1実施形態における、マイクロ流路を備えるマイクロリアクタについて、図面を参照して説明する。
図1はマイクロリアクタの断面図、図2は図1のII−II線に沿う断面図、図3はプラスチック板の正面図である。
Hereinafter, each embodiment of the present invention will be described.
<First Embodiment>
Hereinafter, a microreactor including a microchannel in the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 is a cross-sectional view of the microreactor, FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II of FIG. 1, and FIG. 3 is a front view of a plastic plate.
図1に示すように、マイクロリアクタ1は、ガラス板2と、このガラス板2の一面に適宜接合手段(例えば、接着剤等)で接合されるプラスチック板3と、前記ガラス板2のプラスチック板3との接合面とは逆側の面の高さ方向略中央に取り付けられた圧電振動子センサ(例えば水晶振動子センサ)4とを備える。
ガラス板2とプラスチック板3との合わせ部分には、前記圧電振動子センサ4に液体を導く導入路5が上端部から中央部にかけて形成され、同合わせ部分には、前記圧電振動子センサ4に送液した前記液体を外部へ排出する廃液路6が中央部から下端に達するように形成されている。なお、導入路5の上端は液体導入口5aとされ、廃液路6の下端は液体排出口6aとされている。
As shown in FIG. 1, a microreactor 1 includes a
An
ガラス板2と圧電振動子センサ4との間には環状の隔壁7を介して、反応槽8が形成されている。反応槽8内には前記圧電振動子センサ4の反応部4aが露出している。反応部4aは、被測定試料液中に特定の物質が含まれている場合、その特定の物質のみを吸着もしくは捕獲する手段、例えば特定の蛋白質を検出する場合には、抗原抗体反応を利用した吸着もしくは捕獲手段が備えられる。また、反応槽8には、前記ガラス板2に一体に形成された連通路9、9を介して前記導入路5及び前記廃液路6がそれぞれ連通している。
また、導入路5または連通路9には、図示せぬバルブが介装され、導入路5を流れる液体の送液・停止を制御できるようになっている。
A reaction tank 8 is formed between the
Further, a valve (not shown) is interposed in the
前記導入路5について説明する。なお、前記廃液路6は導入路5と略同じ構成であるので、ここはその説明を省略する。
導入路5は前記圧電振動子センサ4に微量の液体を送液するためのマイクロ流路を構成するものである。導入路5は図4に示すように起立状態で使用される流路本体10を備える。流路本体10は、流路中心線Jに直交する断面形状が4角形状に形成されている。また、流路本体10は、流路中心線Jに平行な分割面Sで分割される、第1の壁面部11と第2の壁面部12とを有する。
第1の壁面部11は、前記プラスチック板3の表面の一部がコ字状に削られた溝の表面により形成されるものであって、疎水性を有する。第2の壁面部12は、前記ガラス板2の表面により形成されるものであって、親水性を有する。
The
The
The first
第1の壁面部11の流路中心線に直交する面に沿った周長をLa、第1の壁面部11と液体(例えば水)との接触角をθa、第2の壁面部の流路中心線に直交する面に沿った周長をLb、第2の壁面部12と液体との接触角をθbとするとき(図5参照)、流路本体10は、前述した(1)式で表される条件を満たすものとする。
さらに、前記両接触角θa、θbは、前述した(4)〜(6)式で表される条件を満たすものとする。
The circumferential length along the surface perpendicular to the flow path center line of the first
Furthermore, both the contact angles θa and θb satisfy the conditions represented by the above-described equations (4) to (6).
次に、前記マイクロリアクタの作用について説明する。
まず、液体導入口5aから例えば水(真水)を供給し、導入路5、反応槽8および廃液路6内に満たす。この場合、後述するように、重力や表面張力を利用することにより、水を満たしても良いが、これに限られることなく、ポンプを用いて水を満たしても良い。というのは、このとき、圧電振動子センサ4による計測は行わず、単に、マイクロリアクタの流路に水を満たすだけだからである。
Next, the operation of the microreactor will be described.
First, for example, water (fresh water) is supplied from the
次いで、液体導入口5aから被測定試料液を所定量だけ供給した後、続いて、同液体導入口5aからバッファ用の水を供給する。
ここで、導入路5内に水が供給される場合を考察する。
導入路5は、図4に示すように奥行きt、幅w、高さhの直方体形状である。したがって、この導入路5内に水が充たされた場合、比重をρとすると、この導入路5内に満たされる水に加わる重力Wは、以下の(7)式で表される(gは重力加速度)。
ρ・g・t・w・h …(7)
一方、導入路5内の水と壁面部との間の表面張力Tによる鉛直上方への力は、以下の
(8)式で表される。
T・w・cosθa+T・2t・cosθa+T・w・cosθb …(8)
Next, after supplying a predetermined amount of the sample liquid to be measured from the
Here, a case where water is supplied into the
The
ρ · g · t · w · h (7)
On the other hand, the vertically upward force due to the surface tension T between the water in the
T · w · cos θa + T · 2t · cos θa + T · w · cos θb (8)
ここで、導入路5内の水に加わる重力と、同水に加わる表面張力による鉛直上方の力とが釣り合うと仮定すると、以下の(9)式が成り立つ。
ρ・g・t・w・h=T・w・cosθa+T・2t・cosθa+T・w・cosθb …(9)
上記(9)式を変形すると、
h=(T/(ρ・g))((cosθa)/t+2(cosθa)/w+(cosθb)/t) …(10)
となる。
Here, assuming that the gravity applied to the water in the
ρ · g · t · w · h = T · w · cos θa + T · 2t · cos θa + T · w · cos θb (9)
When the above equation (9) is transformed,
h = (T / (ρ · g)) ((cos θa) / t + 2 (cos θa) / w + (cos θb) / t) (10)
It becomes.
ここで、上記(10)式に、具体的な数値を代入してみる。
例えば、接触角θa=112(deg)、接触角θb=30(deg)、
ρ=998.2(kg/m2)、g=9.8(m/s2)、
T=0.00728(N/m)、w=0.5(mm)、t=0.08(mm)を、それぞれ代入してみる。
すると、
h=0.03456(m)
が得られる。
Here, a specific numerical value is substituted into the above equation (10).
For example, contact angle θa = 112 (deg), contact angle θb = 30 (deg),
ρ = 998.2 (kg / m 2 ), g = 9.8 (m / s 2 ),
T = 0.00728 (N / m), w = 0.5 (mm), and t = 0.08 (mm) are substituted.
Then
h = 0.03456 (m)
Is obtained.
すなわち、接触角θa、θbがそれぞれ上記値で、しかも、導入路5の奥行きt、幅wをそれぞれ上記値であると仮定した場合、導入路5の高さhが0.03456(m)であると、導入路5内の水に加わる重力と同水に加わる表面張力による鉛直上方の力とが釣り合うこととなって、導入路5内の水は上昇も下降もすることなく、その場で止まる。
一方、導入路5の高さhが0.03456(m)を越えると、導入路5内の水は表面張力よりも、重力の影響を強く受けて下降する。逆に、導入路5の高さhが0.03456(m)に満たないと、導入路5内の水は表面張力の方が強くなって上昇することとなって、導入路5内に水を流すことはできない。
That is, assuming that the contact angles θa and θb are the above values and the depth t and the width w of the
On the other hand, when the height h of the
一方、重力の影響を考慮することなく、導入路5内に存する水に働く表面張力のみによって、同導入路5内に存する水を下方へ流すための条件を考えてみる。この条件を満たすためには、上記(8)式で表される、導入路5内の水と壁面部との間の表面張力Tによる鉛直上方への力が負であればよい。
上記(8)式は以下の(11)式に変形できる。
T((w+2t)・cosθa+w・cosθb) …(11)
ここで、図4にも示すように、w+2tは第1の壁面部11の液面に沿った周長Laに他ならず、また、wは第2の壁面部12の液面に沿った周長Lbに他ならない。したがって、(11)式は、以下の(12)式に変形できる。
T(La・cosθa+Lb・cosθb) …(12)
On the other hand, without considering the influence of gravity, let us consider a condition for flowing the water existing in the
The above equation (8) can be transformed into the following equation (11).
T ((w + 2t) · cos θa + w · cos θb) (11)
Here, as shown in FIG. 4, w + 2t is nothing but the circumferential length La along the liquid surface of the first
T (La · cos θa + Lb · cos θb) (12)
(12)式において、La・cosθa+Lb・cosθbは、前述したように(1)式の条件から負であることは明らかである。また、Tは表面張力であって正の定数である。したがって、前記(12)式で表される、流路本体内に存する液体が周囲の壁面部から表面張力によって受ける鉛直上方の力は、必ず負になる。この結果、この第1実施形態のマイクロ流路においては、前述したように(1)式の条件を満たすことから、流路本体内に存する液体は表面表力のみの力によって下方に流れることとなる。加えて、流路本体は起立状態で使用されるため、流路本体内に存する液体へは重力がさらに加わることとなり、同流路本体内に存する液体は、確実に下方に流れる。 In the equation (12), it is obvious that La · cos θa + Lb · cos θb is negative from the condition of the equation (1) as described above. T is a surface tension and is a positive constant. Therefore, the vertically upward force that the liquid existing in the flow channel body receives by the surface tension from the surrounding wall surface, which is expressed by the equation (12), is always negative. As a result, in the microchannel according to the first embodiment, since the condition of the expression (1) is satisfied as described above, the liquid existing in the channel body flows downward by the force of only the surface surface force. Become. In addition, since the flow path body is used in an upright state, gravity is further applied to the liquid existing in the flow path body, and the liquid existing in the flow path body surely flows downward.
ここで、上記(1)式のLa、Lbを、それぞれこの実施形態の導入路5の奥行きt及び幅wで置き換えると、以下の(13)式が得られる。
(w+2t)・cosθa+w・cosθb<0 …(13)
この(13)式に、具体的な接触角θa=112(deg)、接触角θb=30(deg)をそれぞれ代入すれば、
w<1.5246t
が得られる。
つまり、接触角θa、θbがそれぞれ上記値であることを条件に、導入路5の奥行きtと幅wとが、w<1.5246tの関係を満たせば、流路本体10内に存する液体は、重力の影響を受けることなく、表面表力のみの力によって、下方へ流れることとなる。
Here, when La and Lb in the above equation (1) are respectively replaced with the depth t and the width w of the
(W + 2t) · cos θa + w · cos θb <0 (13)
If a specific contact angle θa = 112 (deg) and a contact angle θb = 30 (deg) are respectively substituted into the equation (13),
w <1.5246t
Is obtained.
That is, on the condition that the contact angles θa and θb are the above values, if the depth t and the width w of the
ところで、上記のように導入路5内の液体は、脈動を発生させることなく、常に均一な速度で連通路9を介して反応槽8に流れ込む。液体が水の場合、反応槽8を通過しても、圧電振動子センサ4の反応部4aにおいて何ら変化は起こらない。しかしながら、水と水の間に介在された被測定試料液が反応槽8に至ると、該被測定試料液中に含まれる特定物質が反応部4aと接触し、この反応部4aで吸着もしくは捕獲される。このとき、圧電振動子センサ4の圧電振動子の共振周波数が、反応部4aに吸着等された特定物質の質量に応じて変化する。この変化を検出することで、反応部4aに吸着等された特定物質の質量を高精度で測定することができる。
つまり、脈動の発生を抑えることで、特定物質の質量測定を行う場合にその精度を向上させることができる。しかも、流路本体10は、疎水性を示す第1の壁面部11と親水性を示す第2の壁面部12とを有しているので、例えばプラスチック等からなる、疎水性を示す壁面部のみによって流路本体を構成する場合に比べて、親水性を示す壁面部を有する分、非特異吸着を抑えることができる。
なお、反応槽8で反応後の廃液は、連通路9及び廃液路6を介して外部へ排出される。
By the way, as described above, the liquid in the
That is, by suppressing the occurrence of pulsation, the accuracy of mass measurement of a specific substance can be improved. Moreover, since the
The waste liquid after reaction in the reaction tank 8 is discharged to the outside through the
<第2実施形態>
図6は、本発明の第2実施形態を示す。この第2実施形態では、マイクロリアクタの全体構成については、前述の第1実施形態と略同様であるので省略し、ここでは、マイクロ流路のみを示す。
ここで示すマイクロ流路が前記第1実施形態のそれと異なるところは、マイクロ流路の流路本体の断面形状が異なる点である。
すなわち、前記第1実施形態では、流路本体の流路中心線Jに直交する断面形状が4角形状に形成されていたが、この第2実施形態では、流路本体21の流路中心線Jに直交する断面形状が円状に形成されている。
<Second Embodiment>
FIG. 6 shows a second embodiment of the present invention. In the second embodiment, the overall configuration of the microreactor is omitted because it is substantially the same as that of the first embodiment, and only the microchannel is shown here.
The microchannel shown here is different from that of the first embodiment in that the cross-sectional shape of the channel body of the microchannel is different.
That is, in the first embodiment, the cross-sectional shape orthogonal to the flow path center line J of the flow path body is formed in a quadrangular shape, but in this second embodiment, the flow path center line of the flow path body 21 A cross-sectional shape orthogonal to J is formed in a circular shape.
なお、この第2実施形態でも、ガラス板2とプラスチック板3との合わせ部分に、起立状態で使用される、マイクロ流路を構成する流路本体21が設けられる。流路本体21は、ガラス板2及びプラスチック板3のそれぞれの対向する部分が、曲率半径rとなるようにかつそれぞれ所定の開き角度を有するように、円弧状に削られて形成されている。つまり、この第2実施形態においても、流路本体21が、流路中心線Jに平行な分割面Sで分割される、疎水性を示す第1の壁面部22と親水性を示す第2の壁面部23とを有することとなる。
そして、この実施形態においても、第1の壁面部22の流路中心線に直交する面に沿った周長をLa、第1の壁面部22と液体との接触角をθa、第2の壁面部23の流路中心線に直交する面に沿った周長をLb、第2の壁面部と23液体との接触角をθbとするとき、前記(1)式で示す条件を満たす。
In the second embodiment as well, the flow path
Also in this embodiment, the circumferential length along the surface orthogonal to the flow path center line of the first
この実施形態においても、前記第1実施形態と同様な効果、すなわち、脈動の発生を抑えることで、特定物質の質量測定を行う場合にその精度を向上させることができ、しかも、非特異吸着を抑えることができる効果が得られる。この実施形態ではさらに、流路本体21の流路中心線Jに直交する断面形状が円状に形成されているので、よどみのない均一な流れが得られる効果を奏する。
Also in this embodiment, the same effect as in the first embodiment, that is, by suppressing the occurrence of pulsation, the accuracy can be improved when measuring the mass of a specific substance, and nonspecific adsorption can be performed. The effect which can be suppressed is acquired. In this embodiment, since the cross-sectional shape orthogonal to the flow path center line J of the
なお、本発明の技術範囲は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、前記第1実施形態では、流路本体の流路中心線に直交する断面形状を4角形状に形成したが、これに限られることなく、3角形あるいは5以上の多角形状にしても良い。 また、前記第1実施形態では、流路本体を形成するにあたり、プラスチック板3のガラス板2との合わせ面のうちプラスチック板3の合わせ面にのみ、コ字状の溝を形成しているが、これに限られることなく、双方の板2,3のそれぞれの対向面にコ字状の溝を形成してもよい。
The technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
For example, in the first embodiment, the cross-sectional shape orthogonal to the flow path center line of the flow path main body is formed in a quadrangular shape, but is not limited thereto, and may be a triangular shape or a polygonal shape of 5 or more. . In the first embodiment, when the flow path body is formed, the U-shaped groove is formed only on the mating surface of the
また、前記第1、2実施形態では、疎水性を示す第1の壁面部と親水性を示す第2の壁面部とを有する流路本体を形成するにあたり、互いに異なる材料である、疎水性を示すプラスチック板3と親水性を示すガラス板2との合わせ部分に形成しているが、これに限られることなく、双方の板材を共通の材料、例えば、ガラス板あるいはプラスチック板により構成し、それら板材の対向する面の必要な部分にのみ表面加工処理を施すことにより、疎水性を示す第1の壁面部と親水性を示す第2の壁面部とを有する流路本体を形成してもよい。
また、前記実施形態では、流路本体に、疎水性を示す第1の壁面部と親水性を示す第2の壁面部とを形成するにあたり、流路本体の周壁を周方向に2分割することで形成しているが、これに限られることなく、流路本体の周壁を周方向に4以上の複数個に分割し、疎水性を示す第1の壁面部と親水性を示す第2の壁面部とを交互に配置する構成にしてもよい。
In the first and second embodiments, in forming the flow path body having the first wall surface portion exhibiting hydrophobicity and the second wall surface portion exhibiting hydrophilicity, the hydrophobicity, which is a different material, is used. Although it forms in the joint part of the
Moreover, in the said embodiment, when forming the 1st wall surface part which shows hydrophobicity in the flow path main body, and the 2nd wall surface part which shows hydrophilic property, the surrounding wall of a flow path main body is divided into 2 to the circumferential direction. However, the present invention is not limited thereto, and the peripheral wall of the flow channel body is divided into a plurality of four or more in the circumferential direction, and the first wall surface portion showing hydrophobicity and the second wall surface showing hydrophilicity The parts may be arranged alternately.
1マイクロリアクタ
2ガラス板
3プラスチック板
4圧電振動子センサ
5導入路(マイクロ流路)
6廃液路(マイクロ流路)
8反応槽
9連通路
10、21流路本体
11、22第1の壁面部
12、23第2の壁面部
1 microreactor
2 glass plates
3 plastic plates
4
6 Waste liquid path (micro flow path)
8
Claims (7)
起立状態で使用される流路本体が、流路中心線に平行な分割面で分割される、疎水性を示す第1の壁面部と親水性を示す第2の壁面部とを有し、
前記第1の壁面部の前記流路中心線に直交する面に沿った周長をLa、前記第1の壁面部と前記液体との接触角をθa、前記第2の壁面部の前記流路中心線に直交する面に沿った周長をLb、前記第2の壁面部と前記液体との接触角をθbとするとき、
前記流路本体が、以下の式で表される条件を満たすことを特徴とするマイクロ流路。
La・cosθa+Lb・cosθb<0 A microchannel for supplying liquid to the sensor or discharging the liquid supplied to the sensor,
A flow path body used in an upright state has a first wall surface portion showing hydrophobicity and a second wall surface portion showing hydrophilicity, which are divided by a dividing surface parallel to the flow path center line,
The circumferential length of the first wall surface portion along a plane orthogonal to the flow path center line is La, the contact angle between the first wall surface portion and the liquid is θa, and the flow path of the second wall surface portion. When the circumferential length along the surface orthogonal to the center line is Lb, and the contact angle between the second wall surface portion and the liquid is θb,
The microchannel characterized in that the channel body satisfies a condition represented by the following formula.
La · cos θa + Lb · cos θb <0
θa>θb
θa>90deg
θb<90deg 2. The microchannel according to claim 1, wherein the contact angles θa and θb satisfy a condition represented by the following expression.
θa> θb
θa> 90deg
θb <90deg
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