JP2003001077A - 混合方法、混合機構、該混合機構を備えたマイクロミキサーおよびマイクロチップ - Google Patents
混合方法、混合機構、該混合機構を備えたマイクロミキサーおよびマイクロチップInfo
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- Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
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- Y10T137/8593—Systems
- Y10T137/87571—Multiple inlet with single outlet
- Y10T137/87652—With means to promote mixing or combining of plural fluids
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 微小領域で効率よく拡散混合を行うことがで
きる混合方法、混合機構、該混合機構を備えたマイクロ
ミキサーおよびマイクロチップを提供する。 【解決手段】 一つの第１流路１２と、複数の第１分岐
流路４２と、１又は２以上の第２分岐流路４３と、１又
は２以上の第２流路２６と、一つの混合流路１４とを備
える。第１分岐流路４２は、第１流路１２の端部に接続
され、第１流路１２と略同じ方向に延在し、互いに略平
行に間隔を設けて層状に形成される。第２分岐流路４３
は、少なくとも第１分岐流路４２の間に層状に形成され
る。第２流路２６は、第１流路１２および第１分岐流路
４２を含む面とは異なる面上に配置され、第２分岐流路
４３に接続される。混合流路１４は、その端部に、第１
分岐流路４２および第２分岐流路４３が交互に大略重な
り合った状態で接続される。
きる混合方法、混合機構、該混合機構を備えたマイクロ
ミキサーおよびマイクロチップを提供する。 【解決手段】 一つの第１流路１２と、複数の第１分岐
流路４２と、１又は２以上の第２分岐流路４３と、１又
は２以上の第２流路２６と、一つの混合流路１４とを備
える。第１分岐流路４２は、第１流路１２の端部に接続
され、第１流路１２と略同じ方向に延在し、互いに略平
行に間隔を設けて層状に形成される。第２分岐流路４３
は、少なくとも第１分岐流路４２の間に層状に形成され
る。第２流路２６は、第１流路１２および第１分岐流路
４２を含む面とは異なる面上に配置され、第２分岐流路
４３に接続される。混合流路１４は、その端部に、第１
分岐流路４２および第２分岐流路４３が交互に大略重な
り合った状態で接続される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、混合方法、混合機
構、該混合機構を備えたマイクロミキサーおよびマイク
ロチップに関する。
構、該混合機構を備えたマイクロミキサーおよびマイク
ロチップに関する。
【０００２】
【従来の技術】μ−ＴＡＳ（μ−Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌ
ｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）は、従来使われてきた器具で
あるフラスコや試験管に比べて格段に小さいサイズであ
る。そのため、用いる試薬、検体の量やコスト、廃棄を
抑えることができ、微小量の合成や検出が可能となる点
が、特徴の一つとして注目されている。μ−ＴＡＳは、
臨床分析チップ、環境分析チップ、遺伝子分析チップ
(ＤＮＡチップ)、衛生分析チップ、化学・生化学合成チ
ップ等に適用することができる。
ｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）は、従来使われてきた器具で
あるフラスコや試験管に比べて格段に小さいサイズであ
る。そのため、用いる試薬、検体の量やコスト、廃棄を
抑えることができ、微小量の合成や検出が可能となる点
が、特徴の一つとして注目されている。μ−ＴＡＳは、
臨床分析チップ、環境分析チップ、遺伝子分析チップ
(ＤＮＡチップ)、衛生分析チップ、化学・生化学合成チ
ップ等に適用することができる。
【０００３】例えば、特表２０００−５１２５４１号公
報には、約１０μｍ〜約１００μｍの幅の流路を有する
抽出装置が開示されている。しかし、複数の分岐された
流路を立体的に配置し、並列に合流させるマイクロな混
合機構は開示されていない。
報には、約１０μｍ〜約１００μｍの幅の流路を有する
抽出装置が開示されている。しかし、複数の分岐された
流路を立体的に配置し、並列に合流させるマイクロな混
合機構は開示されていない。
【０００４】また、「マイクロリアクター技術の現状と
展望」には、“ＬＩＱＩＯＤ−ＳＨＥＥＴ ＢＲＥＡＫ
ＵＰ ＩＮ ＭＩＣＲＯＭＩＸＥＲＳ”が開示されてい
る。このシステムでは、同一平面上に液体とガスを互い
に逆方向から流し、合流させて真上に取り出すように構
成されている。
展望」には、“ＬＩＱＩＯＤ−ＳＨＥＥＴ ＢＲＥＡＫ
ＵＰ ＩＮ ＭＩＣＲＯＭＩＸＥＲＳ”が開示されてい
る。このシステムでは、同一平面上に液体とガスを互い
に逆方向から流し、合流させて真上に取り出すように構
成されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】チャンネルがマイクロ
スケールである微小流路の世界においては、寸法および
流速のいずれも小さく、レイノルズ数は２００以下であ
る。例えば、マイクロ流路で用いられる平均的な２００
μｍ幅の流路に流速２ｍｍ／ｓで水を流した場合、レイ
ノルズ数は０．４となる。よって微小流路（流路幅が約
５００μｍ以下）の世界では、従来の反応装置のような
乱流支配ではなく、層流支配の世界である。
スケールである微小流路の世界においては、寸法および
流速のいずれも小さく、レイノルズ数は２００以下であ
る。例えば、マイクロ流路で用いられる平均的な２００
μｍ幅の流路に流速２ｍｍ／ｓで水を流した場合、レイ
ノルズ数は０．４となる。よって微小流路（流路幅が約
５００μｍ以下）の世界では、従来の反応装置のような
乱流支配ではなく、層流支配の世界である。
【０００６】マイクロスケールの空間では、比界面積が
大きいため、層流が接触する界面での拡散混合に有利で
ある。混合に要する時間は、２液の接する界面の断面積
と液層の厚さに依存する。
大きいため、層流が接触する界面での拡散混合に有利で
ある。混合に要する時間は、２液の接する界面の断面積
と液層の厚さに依存する。
【０００７】拡散理論に従うと、混合に要する時間
（Ｔ）は、流路幅（Ｗ）、拡散係数（Ｄ）とすると、Ｗ
２／Ｄに比例するので、流路幅を小さくすればするほ
ど、混合(拡散)時間は速くなる。また、拡散係数Ｄは、
次式で与えられる。 Ｄ＝Ｋｂ×Ｔ／６×π×μ×ｒ ………（１） (ただし、Ｔ：液温、μ：粘度、ｒ：粒子半径、Ｋｂ：
ボルツマン定数)
（Ｔ）は、流路幅（Ｗ）、拡散係数（Ｄ）とすると、Ｗ
２／Ｄに比例するので、流路幅を小さくすればするほ
ど、混合(拡散)時間は速くなる。また、拡散係数Ｄは、
次式で与えられる。 Ｄ＝Ｋｂ×Ｔ／６×π×μ×ｒ ………（１） (ただし、Ｔ：液温、μ：粘度、ｒ：粒子半径、Ｋｂ：
ボルツマン定数)
【０００８】例えば、粒径１００ｎｍ（０．１μｍ）の
粒子を用いた場合の流路幅（チャンネル幅）と比界面積
および拡散時間との関係は、図１に示したようになる。
粒子を用いた場合の流路幅（チャンネル幅）と比界面積
および拡散時間との関係は、図１に示したようになる。
【０００９】つまり、マイクロスケール空間では、機械
的攪拌などを用いなくても、分子輸送、反応、分離が、
分子・粒子の自発的挙動だけで速やかに行われる。
的攪拌などを用いなくても、分子輸送、反応、分離が、
分子・粒子の自発的挙動だけで速やかに行われる。
【００１０】一方、現状のマクロスケールの装置では、
直径５ｍｍ前後の試験管等を使って、機械式による乱流
混合が―般的に行われているが、マイクロスケールにな
るとマクロスケールに比べて、毛細管力、流路抵抗の影
響により、見かけ上、液体の粘度が急増し、液は容易に
は動かなくなる。
直径５ｍｍ前後の試験管等を使って、機械式による乱流
混合が―般的に行われているが、マイクロスケールにな
るとマクロスケールに比べて、毛細管力、流路抵抗の影
響により、見かけ上、液体の粘度が急増し、液は容易に
は動かなくなる。
【００１１】例えば、円筒状のマクロ流路とマイクロ流
路での混合に必要な機械的攪拌力を比較するため、 必要機械攪拌力＝毛細管力（△Ｐ）×流路抵抗（△Ｒ） ………（２） △Ｐ＝Ｈ×ｃｏｓθ×τ／Ａ ………（３） （ただし、Ｈ：液体の表面張力、θ：接触角、τ：流路
断面外周長、Ａ：流路断面積） △Ｒ＝３２×μ×Ｌ／π×ｒ４ ………（４） （ただし、μ：粘度、Ｌ：流路長（軸方向の高さ）、
ｒ：流路断面半径） としたモデルを用いると、内径０．２ｍｍのマイクロ流
路内に高さ０．１ｍｍの液体が入っている場合の必要機
械攪拌力は、内径５ｍｍのマクロ流路内に高さ２ｍｍの
液体が入っている場合の必要機械攪拌力の４８８２８１
倍となる。つまり、現状のマクロスケールの装置と同じ
機械攪拌で同じ程度の混合を達成させるためには、マイ
クロ流路の場合には、約十万倍の攪拌力が必要となるこ
とが、上記モデル計算から導かれる。
路での混合に必要な機械的攪拌力を比較するため、 必要機械攪拌力＝毛細管力（△Ｐ）×流路抵抗（△Ｒ） ………（２） △Ｐ＝Ｈ×ｃｏｓθ×τ／Ａ ………（３） （ただし、Ｈ：液体の表面張力、θ：接触角、τ：流路
断面外周長、Ａ：流路断面積） △Ｒ＝３２×μ×Ｌ／π×ｒ４ ………（４） （ただし、μ：粘度、Ｌ：流路長（軸方向の高さ）、
ｒ：流路断面半径） としたモデルを用いると、内径０．２ｍｍのマイクロ流
路内に高さ０．１ｍｍの液体が入っている場合の必要機
械攪拌力は、内径５ｍｍのマクロ流路内に高さ２ｍｍの
液体が入っている場合の必要機械攪拌力の４８８２８１
倍となる。つまり、現状のマクロスケールの装置と同じ
機械攪拌で同じ程度の混合を達成させるためには、マイ
クロ流路の場合には、約十万倍の攪拌力が必要となるこ
とが、上記モデル計算から導かれる。
【００１２】以上のことから、マイクロスケール空間で
は、機械的攪拌はマイクロであるが故にデメリットとな
るので、機械的攪拌を用いずに、分子・粒子の自発的挙
動による拡散を積極的に利用して、分子輸送、反応、分
離を行うことが考えられる。
は、機械的攪拌はマイクロであるが故にデメリットとな
るので、機械的攪拌を用いずに、分子・粒子の自発的挙
動による拡散を積極的に利用して、分子輸送、反応、分
離を行うことが考えられる。
【００１３】しかし、拡散時間を効率的に速くしようと
流路幅を極端に小さくしてしまうと、流路抵抗が極端に
大きくなり、送液の制御ができないばかりか、送液のた
めに非常に大きな圧力が必要となり、送液機構が大型化
してしまい、全体としてはマイクロシステムにはならな
い。また、流路幅が極端に小さいと、液体量が極端に少
なく、検出限界が下がり、より高感度な検出機構が必要
となり、現在の検出方法ではアプリケーシヨンが限られ
る。
流路幅を極端に小さくしてしまうと、流路抵抗が極端に
大きくなり、送液の制御ができないばかりか、送液のた
めに非常に大きな圧力が必要となり、送液機構が大型化
してしまい、全体としてはマイクロシステムにはならな
い。また、流路幅が極端に小さいと、液体量が極端に少
なく、検出限界が下がり、より高感度な検出機構が必要
となり、現在の検出方法ではアプリケーシヨンが限られ
る。
【００１４】したがって、本発明が解決しようとする技
術的課題は、微小領域で効率よく拡散混合を行うことが
できる混合方法、混合機構、該混合機構を備えたマイク
ロミキサーおよびマイクロチップを提供することであ
る。
術的課題は、微小領域で効率よく拡散混合を行うことが
できる混合方法、混合機構、該混合機構を備えたマイク
ロミキサーおよびマイクロチップを提供することであ
る。
【００１５】
【課題を解決するための手段および作用・効果】本発明
は、上記技術的課題を解決するために、以下の構成の混
合機構を提供する。
は、上記技術的課題を解決するために、以下の構成の混
合機構を提供する。
【００１６】混合流路は、一つの第１流路と、複数の第
１分岐流路と、１又は２以上の第２分岐流路と、１又は
２以上の第２流路と、一つの混合流路とを備える。上記
第１分岐流路は、上記第１流路の端部に接続され、上記
第１流路と略同じ方向に延在し、互いに略平行に間隔を
設けて層状に形成される。第２分岐流路は、少なくとも
上記第１分岐流路の間に層状に形成される。上記第２流
路は、上記第１流路および上記第１分岐流路を含む面と
は異なる面上に配置され、上記第２分岐流路に接続され
る。上記混合流路は、その端部に、上記第１分岐流路お
よび上記第２分岐流路が交互に大略重なり合った状態で
接続される。
１分岐流路と、１又は２以上の第２分岐流路と、１又は
２以上の第２流路と、一つの混合流路とを備える。上記
第１分岐流路は、上記第１流路の端部に接続され、上記
第１流路と略同じ方向に延在し、互いに略平行に間隔を
設けて層状に形成される。第２分岐流路は、少なくとも
上記第１分岐流路の間に層状に形成される。上記第２流
路は、上記第１流路および上記第１分岐流路を含む面と
は異なる面上に配置され、上記第２分岐流路に接続され
る。上記混合流路は、その端部に、上記第１分岐流路お
よび上記第２分岐流路が交互に大略重なり合った状態で
接続される。
【００１７】上記構成において、例えば、第１の液体が
第１流路から第１分岐流路へと流れ、第２の液体が第２
流路から第２分岐流路へと流れ、第１および第２の流体
が混合流路で合流する。第１分岐流路と第２分岐流路を
層状に形成することにより、混合流路内において、層状
の第１の液体と第２の液体とが交互に流れ、第１の液体
と第２の液体との間で拡散混合を行うようにすることが
できる。例えば、第１の液体又は第２の液体のいずれか
一方に含まれる分子・粒子が、ブラウン運動などにより
他方に移動するようにすることができる。
第１流路から第１分岐流路へと流れ、第２の液体が第２
流路から第２分岐流路へと流れ、第１および第２の流体
が混合流路で合流する。第１分岐流路と第２分岐流路を
層状に形成することにより、混合流路内において、層状
の第１の液体と第２の液体とが交互に流れ、第１の液体
と第２の液体との間で拡散混合を行うようにすることが
できる。例えば、第１の液体又は第２の液体のいずれか
一方に含まれる分子・粒子が、ブラウン運動などにより
他方に移動するようにすることができる。
【００１８】上記構成によれば、液体の層を薄くし、拡
散距離を短くすることによって拡散時間を短縮し、短時
間で効率的に拡散混合を行うようにすることができる。
このとき、分岐流路を層状に薄くしても幅を大きくして
断面積を確保したり、分岐数を増やすなどして、分岐流
路での流路抵抗の増大を防ぎ、送液のための大きなポン
プを不要とすることができる。また、流速の制御も比較
的簡単である。
散距離を短くすることによって拡散時間を短縮し、短時
間で効率的に拡散混合を行うようにすることができる。
このとき、分岐流路を層状に薄くしても幅を大きくして
断面積を確保したり、分岐数を増やすなどして、分岐流
路での流路抵抗の増大を防ぎ、送液のための大きなポン
プを不要とすることができる。また、流速の制御も比較
的簡単である。
【００１９】したがって、微小領域で効率よく拡散混合
を行うことができる。
を行うことができる。
【００２０】なお、第１分岐流路の外側に形成された第
２分岐流路を含んでもよい。また、第１および第２分岐
流路と混合流路との各接続部分は、完全に重なり合った
状態であっても、多少離れた状態であってもよい。ま
た、第２流路は第１流路および第１分岐流路と異なる面
上に配置され、流路は立体的に構成されるので、２液合
流だけでなく、３液以上を同時に合流させることも可能
である。例えば、第１の液体が流れる第１流路および第
１分岐流路を平面上に形成し、その上方および／又は下
方から２以上の液体がそれぞれ流れ込むようにすれば、
３以上の液体を同時に合流させることも可能である。
２分岐流路を含んでもよい。また、第１および第２分岐
流路と混合流路との各接続部分は、完全に重なり合った
状態であっても、多少離れた状態であってもよい。ま
た、第２流路は第１流路および第１分岐流路と異なる面
上に配置され、流路は立体的に構成されるので、２液合
流だけでなく、３液以上を同時に合流させることも可能
である。例えば、第１の液体が流れる第１流路および第
１分岐流路を平面上に形成し、その上方および／又は下
方から２以上の液体がそれぞれ流れ込むようにすれば、
３以上の液体を同時に合流させることも可能である。
【００２１】好ましくは、上記第２流路と上記第２分岐
流路との接続部分又はその近傍部分に、上記第２流路か
ら上記第２分岐流路への流れ方向に見たとき、該流れ方
向に垂直な流路断面の面積が拡大するバルブ部を備え
る。
流路との接続部分又はその近傍部分に、上記第２流路か
ら上記第２分岐流路への流れ方向に見たとき、該流れ方
向に垂直な流路断面の面積が拡大するバルブ部を備え
る。
【００２２】上記構成において、第２流路を流れた液体
が、第２流路と第２分岐流路との接続部分又はその近傍
部分に達すると、流路断面積が大きくなるので、所定値
以下の圧力のとき、液体の先端を接続部分又はその近傍
部分で停止させることができる。また、所定値を越える
圧力を液体に加えることにより、接続部分又はその近傍
部分を越えて第２分岐流路から混合流路へと流し込むこ
とができる。このようなバルブ機能により、タイミング
を見計らって液体を合流させることが可能となる。した
がって、混合流路に所定比で液体を導くことが容易とな
る。また、泡の混入が比較的少なくなるように構成する
ことができる。
が、第２流路と第２分岐流路との接続部分又はその近傍
部分に達すると、流路断面積が大きくなるので、所定値
以下の圧力のとき、液体の先端を接続部分又はその近傍
部分で停止させることができる。また、所定値を越える
圧力を液体に加えることにより、接続部分又はその近傍
部分を越えて第２分岐流路から混合流路へと流し込むこ
とができる。このようなバルブ機能により、タイミング
を見計らって液体を合流させることが可能となる。した
がって、混合流路に所定比で液体を導くことが容易とな
る。また、泡の混入が比較的少なくなるように構成する
ことができる。
【００２３】好ましくは、上記混合流路は、断面減少部
を含む。上記断面減少部は、上記第１および第２分岐流
路の間隔方向に対応する方向（例えば、混合流路が湾曲
している場合には、流路直角方向）の流路断面寸法が、
上記端部から離れるほど小さくなる。
を含む。上記断面減少部は、上記第１および第２分岐流
路の間隔方向に対応する方向（例えば、混合流路が湾曲
している場合には、流路直角方向）の流路断面寸法が、
上記端部から離れるほど小さくなる。
【００２４】上記構成によれば、所定比をもって混合流
路に複数液体を導いた後に徐々に流路を狭めることによ
り、複数液体が所定比を維持した状態で層を薄くして拡
散距離を短くし、混合時間の短縮を図ることができる。
路に複数液体を導いた後に徐々に流路を狭めることによ
り、複数液体が所定比を維持した状態で層を薄くして拡
散距離を短くし、混合時間の短縮を図ることができる。
【００２５】好ましくは、上記第１および第２分岐流路
は、それぞれ、上記第１および第２分岐流路の間隔方向
の寸法が２００μｍ以下である。
は、それぞれ、上記第１および第２分岐流路の間隔方向
の寸法が２００μｍ以下である。
【００２６】混合流路における液体の各層の厚さが２０
０μｍのとき、機械的な攪拌と同程度の時間で混合する
ことが可能となる。機械的な攪拌と同等又はそれ以上の
効率で混合するには、２００μｍ以下とすることが好ま
しい。
０μｍのとき、機械的な攪拌と同程度の時間で混合する
ことが可能となる。機械的な攪拌と同等又はそれ以上の
効率で混合するには、２００μｍ以下とすることが好ま
しい。
【００２７】なお、液体の各層の厚さを小さくするほど
拡散は速くなるが、小さくし過ぎると、流路抵抗が増大
し、加工や反応検出なども困難になり、送液機構や検出
機構等を含めた全体としての小型化、効率化を図ること
ができない。したがって、液体の各層の厚さは、１０μ
ｍ以上（好ましくは２０μｍ以上）、５０μｍ以下とす
るのが、実用的である。
拡散は速くなるが、小さくし過ぎると、流路抵抗が増大
し、加工や反応検出なども困難になり、送液機構や検出
機構等を含めた全体としての小型化、効率化を図ること
ができない。したがって、液体の各層の厚さは、１０μ
ｍ以上（好ましくは２０μｍ以上）、５０μｍ以下とす
るのが、実用的である。
【００２８】好ましくは、上記第１および第２分岐流路
は、上記第１および第２分岐流路の間隔方向に中央側の
方が外側よりも該間隔方向の寸法が小さい。
は、上記第１および第２分岐流路の間隔方向に中央側の
方が外側よりも該間隔方向の寸法が小さい。
【００２９】一般に、ポンプ等の機械的手段によって発
生した圧力により液体が送液される場合、流路幅が狭け
れば狭いほど、流路壁の影響を受けやすく、流路幅方向
に速度分布を生じる。具体的には中央部は流路壁付近に
比べて流速が大きい。混合流路においては、流速が遅い
ほど、混合時間が長くなり混合が進行しやすく、また短
距離で混合が終了する。そこで、上記構成のように分岐
流路幅を変えれば、混合流路に流れ込んだ後の各層の流
速を略等しくして、効率よく均一に拡散混合が進むよう
にすることができる。
生した圧力により液体が送液される場合、流路幅が狭け
れば狭いほど、流路壁の影響を受けやすく、流路幅方向
に速度分布を生じる。具体的には中央部は流路壁付近に
比べて流速が大きい。混合流路においては、流速が遅い
ほど、混合時間が長くなり混合が進行しやすく、また短
距離で混合が終了する。そこで、上記構成のように分岐
流路幅を変えれば、混合流路に流れ込んだ後の各層の流
速を略等しくして、効率よく均一に拡散混合が進むよう
にすることができる。
【００３０】好ましくは、上記第１および第２分岐流路
と上記混合流路とは、少なくとも互いの接続部分の近傍
部分が略同じ方向に延在する。
と上記混合流路とは、少なくとも互いの接続部分の近傍
部分が略同じ方向に延在する。
【００３１】混合流路で液体を合流させるときに外乱や
偏向が生じると、部分的に拡散距離が大きくなり、混合
が不完全になる領域が生じたり、泡が発生するが、上記
構成によれば、混合流路で液体を合流させるときに外乱
や偏向が生じないようにすることができるので、拡散距
離を十分に予見でき、均一に混合させることができる。
すなわち、効率よく混合することができる。
偏向が生じると、部分的に拡散距離が大きくなり、混合
が不完全になる領域が生じたり、泡が発生するが、上記
構成によれば、混合流路で液体を合流させるときに外乱
や偏向が生じないようにすることができるので、拡散距
離を十分に予見でき、均一に混合させることができる。
すなわち、効率よく混合することができる。
【００３２】また、本発明は、上記技術的課題を解決す
るため、以下の構成の混合機構を提供する。
るため、以下の構成の混合機構を提供する。
【００３３】混合機構は、層状に形成された第１分岐流
路と、該第１分岐流路を含む面と異なる面上に層状に形
成された第２分岐流路と、その端部に、上記第１および
第２分岐流路が大略重なり合った状態で接続された混合
流路とを備える。
路と、該第１分岐流路を含む面と異なる面上に層状に形
成された第２分岐流路と、その端部に、上記第１および
第２分岐流路が大略重なり合った状態で接続された混合
流路とを備える。
【００３４】上記構成によれば、第１分岐流路を流れる
第１の液体と、第２分岐流路を流れる第２の液体とが、
混合流路において、それぞれ層状に重なり合って流れ、
このとき、層の厚さ方向に拡散が進行するようにするこ
とができる。
第１の液体と、第２分岐流路を流れる第２の液体とが、
混合流路において、それぞれ層状に重なり合って流れ、
このとき、層の厚さ方向に拡散が進行するようにするこ
とができる。
【００３５】上記構成によれば、第１および第２分岐流
路のそれぞれの深さ、すなわち第１および第２分岐流路
の間隔方向の寸法を小さくしても、深さに対して直角方
向の寸法を大きくすることにより、流路断面積の減少を
防ぎ、流路抵抗の増大を少なくすることができる。ま
た、第１および第２分岐流路は浅く、低アスペクト比と
することができるので、シリコン以外のガラスや樹脂等
を用いて簡易に製造することが可能である。
路のそれぞれの深さ、すなわち第１および第２分岐流路
の間隔方向の寸法を小さくしても、深さに対して直角方
向の寸法を大きくすることにより、流路断面積の減少を
防ぎ、流路抵抗の増大を少なくすることができる。ま
た、第１および第２分岐流路は浅く、低アスペクト比と
することができるので、シリコン以外のガラスや樹脂等
を用いて簡易に製造することが可能である。
【００３６】好ましくは、上記混合流路は、上記第１お
よび第２分岐流路の間隔方向と同方向の流路断面寸法が
上記端部から離れるほど小さくなる断面減少部を含む。
よび第２分岐流路の間隔方向と同方向の流路断面寸法が
上記端部から離れるほど小さくなる断面減少部を含む。
【００３７】上記構成によれば、所定比をもって混合流
路に複数液体を導いた後に徐々に流路を狭めることによ
り、複数液体が所定比を維持した状態で層を薄くして拡
散距離を短くし、混合時間の短縮を図ることができる。
路に複数液体を導いた後に徐々に流路を狭めることによ
り、複数液体が所定比を維持した状態で層を薄くして拡
散距離を短くし、混合時間の短縮を図ることができる。
【００３８】好ましくは、上記第１および第２分岐流路
と上記混合流路とは、少なくとも互いの接続部分の近傍
部分が略同じ方向に延在する。
と上記混合流路とは、少なくとも互いの接続部分の近傍
部分が略同じ方向に延在する。
【００３９】混合流路で液体を合流させるときに外乱や
偏向が生じると、部分的に拡散距離が大きくなり、混合
が不完全になる領域が生じたり、泡が発生するが、上記
構成によれば、混合流路で液体を合流させるときに外乱
や偏向が生じないようにすることができるので、拡散距
離を十分に予見でき、均一に混合させることができる。
すなわち、拡散混合を効率的に行うことができる。
偏向が生じると、部分的に拡散距離が大きくなり、混合
が不完全になる領域が生じたり、泡が発生するが、上記
構成によれば、混合流路で液体を合流させるときに外乱
や偏向が生じないようにすることができるので、拡散距
離を十分に予見でき、均一に混合させることができる。
すなわち、拡散混合を効率的に行うことができる。
【００４０】さらに、本発明は、上記技術的課題を解決
するために、上記各構成の混合機構を備えたマイクロミ
キサーを提供する。
するために、上記各構成の混合機構を備えたマイクロミ
キサーを提供する。
【００４１】また、本発明は、上記技術的課題を解決す
るために、上記各構成の混合機構を備えたマイクロチッ
プを提供する。
るために、上記各構成の混合機構を備えたマイクロチッ
プを提供する。
【００４２】また、本発明は、上記技術的課題を解決す
るために、以下の混合方法を提供する。
るために、以下の混合方法を提供する。
【００４３】混合方法は、第１の液体を互いに略平行に
間隔を設けて複数の層に分岐して流す第１ステップと、
上記第１の液体の流路を含む面とは異なる面上に第２の
液体を流し、上記第１の液体の上記層の間に上記第２の
液体を層状に流す第２ステップと、層状の上記第１およ
び第２の液体を交互に重なり合った状態で合流させる第
３ステップとを備える。
間隔を設けて複数の層に分岐して流す第１ステップと、
上記第１の液体の流路を含む面とは異なる面上に第２の
液体を流し、上記第１の液体の上記層の間に上記第２の
液体を層状に流す第２ステップと、層状の上記第１およ
び第２の液体を交互に重なり合った状態で合流させる第
３ステップとを備える。
【００４４】上記方法によれば、第１の液体と第２の液
体とが合流した後、第１の液体と第２の液体との層間で
拡散混合を行うようにすることができる。例えば、第１
の液体又は第２の液体のいずれか一方に含まれる分子・
粒子が、ブラウン運動などにより他方に移動するように
することができる。
体とが合流した後、第１の液体と第２の液体との層間で
拡散混合を行うようにすることができる。例えば、第１
の液体又は第２の液体のいずれか一方に含まれる分子・
粒子が、ブラウン運動などにより他方に移動するように
することができる。
【００４５】上記方法によれば、液体の層を薄くし、拡
散距離を短くすることによって拡散時間を短縮し、短時
間で効率的に拡散混合を行うようにすることができる。
このとき、液体の層を薄くしても幅を大きして断面積を
確保したり、層の数を増やすなどして、流路抵抗の増大
を防ぎ、送液のための大きなポンプを不要とすることが
できる。また、流速の制御も比較的簡単である。
散距離を短くすることによって拡散時間を短縮し、短時
間で効率的に拡散混合を行うようにすることができる。
このとき、液体の層を薄くしても幅を大きして断面積を
確保したり、層の数を増やすなどして、流路抵抗の増大
を防ぎ、送液のための大きなポンプを不要とすることが
できる。また、流速の制御も比較的簡単である。
【００４６】したがって、微小領域で効率よく拡散混合
を行うことができる。
を行うことができる。
【００４７】また、２液合流だけでなく、３液以上を同
時に合流させることも可能である。
時に合流させることも可能である。
【００４８】好ましくは、上記第１および第２ステップ
の少なくとも一方は、上記第１又は第２の液体を、合流
前の所定位置まで流して一旦停止させる流れ停止ステッ
プと、停止させた上記第１又は第２の液体を、所定のタ
イミングで上記所定位置からさらに流す流れ再開ステッ
プとを含む。
の少なくとも一方は、上記第１又は第２の液体を、合流
前の所定位置まで流して一旦停止させる流れ停止ステッ
プと、停止させた上記第１又は第２の液体を、所定のタ
イミングで上記所定位置からさらに流す流れ再開ステッ
プとを含む。
【００４９】上記流れ停止ステップおよび流れ再開ステ
ップにより、タイミングを見計らって液体を合流させる
ことが可能となる。したがって、所定比で液体を混合す
ることが容易となる。また、泡の混入が比較的少なくな
る。
ップにより、タイミングを見計らって液体を合流させる
ことが可能となる。したがって、所定比で液体を混合す
ることが容易となる。また、泡の混入が比較的少なくな
る。
【００５０】好ましくは、合流させた上記第１および第
２の液体の重なり方向に対応する方向（流路が湾曲して
いる場合には、流路直角方向）の流路寸法を、下流側ほ
ど小さくする第４ステップをさらに含む。
２の液体の重なり方向に対応する方向（流路が湾曲して
いる場合には、流路直角方向）の流路寸法を、下流側ほ
ど小さくする第４ステップをさらに含む。
【００５１】上記第４ステップにより、所定比をもって
合流した液体の流路を徐々に狭めるので、所定比を維持
した状態で各層を薄くし、層間の拡散距離を短くして、
混合時間の短縮を図ることができる。
合流した液体の流路を徐々に狭めるので、所定比を維持
した状態で各層を薄くし、層間の拡散距離を短くして、
混合時間の短縮を図ることができる。
【００５２】好ましくは、上記第３ステップにおいて、
上記第１および第２の液体の各層は、それぞれ、重なり
方向の寸法が２００μｍ以下の状態で合流させる。
上記第１および第２の液体の各層は、それぞれ、重なり
方向の寸法が２００μｍ以下の状態で合流させる。
【００５３】液体の各層の厚さが２００μｍ以下であれ
ば、機械的な攪拌よりも短時間で混合することが可能と
なる。
ば、機械的な攪拌よりも短時間で混合することが可能と
なる。
【００５４】なお、液体の各層の厚さを小さくするほど
拡散は速くなるが、小さくし過ぎると、流路抵抗が増大
し、加工や反応検出なども困難になり、送液機構や検出
機構等を含めた全体としての小型化、効率化を図ること
ができない。したがって、液体の各層の厚さは、１０μ
ｍ以上（好ましくは２０μｍ以上）、５０μｍ以下とす
るのが、実用的である。
拡散は速くなるが、小さくし過ぎると、流路抵抗が増大
し、加工や反応検出なども困難になり、送液機構や検出
機構等を含めた全体としての小型化、効率化を図ること
ができない。したがって、液体の各層の厚さは、１０μ
ｍ以上（好ましくは２０μｍ以上）、５０μｍ以下とす
るのが、実用的である。
【００５５】好ましくは、上記第１および２ステップに
おいて、上記第１および第２の液体の各層の重なり方向
寸法が、該重なり方向に中央側の方が外側よりも小さ
い。
おいて、上記第１および第２の液体の各層の重なり方向
寸法が、該重なり方向に中央側の方が外側よりも小さ
い。
【００５６】一般に、ポンプ等の機械的手段によって発
生した圧力により液体が送液される場合、流路幅が狭け
れば狭いほど、流路壁の影響を受けやすく、流路幅方向
に速度分布を生じる。具体的には中央部は流路壁付近に
比べて流速が大きい。混合流路においては、流速が遅い
ほど、混合時間が長くなり拡散混合が進行しやすく、ま
た短距離で混合が終了する。そこで、上記のように合流
前の液体の各層の厚さを変えれば、合流後の各層の流速
を略等しくして、効率よく均一に拡散混合が進むように
することができる。
生した圧力により液体が送液される場合、流路幅が狭け
れば狭いほど、流路壁の影響を受けやすく、流路幅方向
に速度分布を生じる。具体的には中央部は流路壁付近に
比べて流速が大きい。混合流路においては、流速が遅い
ほど、混合時間が長くなり拡散混合が進行しやすく、ま
た短距離で混合が終了する。そこで、上記のように合流
前の液体の各層の厚さを変えれば、合流後の各層の流速
を略等しくして、効率よく均一に拡散混合が進むように
することができる。
【００５７】好ましくは、上記第３ステップにおいて、
上記第１および第２の液体の各層を略同じ方向に流して
合流させる。
上記第１および第２の液体の各層を略同じ方向に流して
合流させる。
【００５８】上記方法によれば、外乱や偏向が生じない
ようにして液体を合流させることができるので、拡散距
離を十分に予見でき、均一に混合させることができる。
すなわち、拡散混合を効率的に行うことができる。
ようにして液体を合流させることができるので、拡散距
離を十分に予見でき、均一に混合させることができる。
すなわち、拡散混合を効率的に行うことができる。
【００５９】好ましくは、上記第３ステップにおいて、
上記第１および第２の液体の各層を、合流後に略同じ速
度となる速度で合流させる。
上記第１および第２の液体の各層を、合流後に略同じ速
度となる速度で合流させる。
【００６０】上記方法によれば、合流後の層間で相対的
な速度差ができるだけ生じないようにして、一層効率よ
く混合を行うことができる。
な速度差ができるだけ生じないようにして、一層効率よ
く混合を行うことができる。
【００６１】また、本発明は、上記技術的課題を解決す
るため、以下の混合方法を提供する。
るため、以下の混合方法を提供する。
【００６２】混合方法は、第１の液体を層状に流す第１
ステップと、第２の液体を層状に流す第２ステップと、
層状の上記第１および第２の液体を、重なり合った状態
で合流させる第３ステップとを備える。
ステップと、第２の液体を層状に流す第２ステップと、
層状の上記第１および第２の液体を、重なり合った状態
で合流させる第３ステップとを備える。
【００６３】上記方法によれば、第１の液体と第２の液
体とが層状に重なり合って流れ、このとき、層の厚さ方
向に拡散混合が進行するようにすることができる。上記
方法によれば、各層を薄くしても、幅を大きくすること
により、流路抵抗の増大を少なくすることができる。流
体を流すための流路は、シリコン以外のガラスや樹脂等
を用いて簡易に製造することが可能である。
体とが層状に重なり合って流れ、このとき、層の厚さ方
向に拡散混合が進行するようにすることができる。上記
方法によれば、各層を薄くしても、幅を大きくすること
により、流路抵抗の増大を少なくすることができる。流
体を流すための流路は、シリコン以外のガラスや樹脂等
を用いて簡易に製造することが可能である。
【００６４】好ましくは、合流させた上記第１および第
２の液体の重なり方向の流路寸法を、下流側ほど小さく
する第４ステップをさらに含む。
２の液体の重なり方向の流路寸法を、下流側ほど小さく
する第４ステップをさらに含む。
【００６５】上記方法によれば、所定比をもって合流さ
せた後に徐々に流路を狭めるので、所定比を維持した状
態で各層間の拡散距離がさらに短くなり、混合時間の短
縮を図ることができる。
せた後に徐々に流路を狭めるので、所定比を維持した状
態で各層間の拡散距離がさらに短くなり、混合時間の短
縮を図ることができる。
【００６６】好ましくは、上記第３ステップにおいて、
上記第１および第２の液体の各層を略同じ方向に流して
合流させる。
上記第１および第２の液体の各層を略同じ方向に流して
合流させる。
【００６７】上記方法によれば、外乱や偏向が生じない
ようにして液体を合流させることができるので、拡散距
離を十分に予見でき、均一に混合させることができる。
すなわち、拡散混合を効率的に行うことができる。
ようにして液体を合流させることができるので、拡散距
離を十分に予見でき、均一に混合させることができる。
すなわち、拡散混合を効率的に行うことができる。
【００６８】好ましくは、上記第３ステップにおいて、
上記第１および第２の液体の各層を、合流後に略同じ速
度となる速度で合流させる。
上記第１および第２の液体の各層を、合流後に略同じ速
度となる速度で合流させる。
【００６９】上記方法によれば、合流後の層間で相対的
な速度差ができるだけ生じないようにして、一層効率よ
く混合を行うことができる。
な速度差ができるだけ生じないようにして、一層効率よ
く混合を行うことができる。
【００７０】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につい
て、図２〜図１１を参照しながら説明する。
て、図２〜図１１を参照しながら説明する。
【００７１】まず、本発明の第１実施形態について、図
２〜図１０を参照しながら説明する。
２〜図１０を参照しながら説明する。
【００７２】図２〜図１０は、血液凝固検査に用いるマ
イクロチップ２の実施例を示す。
イクロチップ２の実施例を示す。
【００７３】図２に示すように、マイクロチップ２内に
は、３つの流路部１０，２０，３０が立体的に構成され
ている。検体（血液）を流す第１流路部１０の途中に設
けた第１および第２合流部１３，１６に、希釈液を流す
第２流路部２０と試薬を流す第３流路部３０との接続流
路２６，３６が下から合流し、それぞれの下流側の第１
および第２混合流路１４，１７で各液が混合するように
なっている。第２流路部２０の下側部分２２は、その先
端２４が３つに分岐し、それぞれ接続流路２６に接続さ
れている。第３流路部３０の下側部分３２は、その先端
３４が３つに分岐し、それぞれ接続流路３６に接続され
ている。
は、３つの流路部１０，２０，３０が立体的に構成され
ている。検体（血液）を流す第１流路部１０の途中に設
けた第１および第２合流部１３，１６に、希釈液を流す
第２流路部２０と試薬を流す第３流路部３０との接続流
路２６，３６が下から合流し、それぞれの下流側の第１
および第２混合流路１４，１７で各液が混合するように
なっている。第２流路部２０の下側部分２２は、その先
端２４が３つに分岐し、それぞれ接続流路２６に接続さ
れている。第３流路部３０の下側部分３２は、その先端
３４が３つに分岐し、それぞれ接続流路３６に接続され
ている。
【００７４】例えば、第１流路路部１０は、深さ（図２
において上下方向の寸法）が約１００μｍである。幅
（図２において水平方向の寸法）は、上流側流路１２で
は、約１５０μｍ、混合流路１４，１７では約３００μ
ｍである。
において上下方向の寸法）が約１００μｍである。幅
（図２において水平方向の寸法）は、上流側流路１２で
は、約１５０μｍ、混合流路１４，１７では約３００μ
ｍである。
【００７５】図３の要部拡大斜視図に示したように、第
１合流部１３には、検体（血液）が流れる３つの第１分
岐流路４２と、希釈液が流れる３つの第２分岐流路４３
とが、交互に配置され、その下流側の第１混合流路１４
において、層状の各液が拡散混合するようになってい
る。
１合流部１３には、検体（血液）が流れる３つの第１分
岐流路４２と、希釈液が流れる３つの第２分岐流路４３
とが、交互に配置され、その下流側の第１混合流路１４
において、層状の各液が拡散混合するようになってい
る。
【００７６】分岐流路４２，４３を形成するために、第
１合流部１３には、上流側が接続壁４１ａ，４１ｂ，４
１ｃでそれぞれ接続された３対の仕切壁４０ａ，４０
ｂ，４０ｃが配置されている。仕切壁４０ａ，４０ｂ，
４０ｃは、厚さが数μｍ程度であり、流路方向に略平行
に間隔を設けて配置されている。第１分岐流路４２は、
仕切壁４０ａ，４０ｂ，４０ｃの各対の間に形成され、
第１流路部１０の上流側流路１２から、検体（血液）が
流れるようになっている。第２分岐流路４３は、仕切壁
４０ａ，４０ｂ，４０ｃおよび接続壁４１ａ，４１ｂ，
４１ｃにより断面Ｕ字状に形成される。分岐流路４３の
上流側には接続流路２６が接続され、希釈液が流れ込む
ようになっている。
１合流部１３には、上流側が接続壁４１ａ，４１ｂ，４
１ｃでそれぞれ接続された３対の仕切壁４０ａ，４０
ｂ，４０ｃが配置されている。仕切壁４０ａ，４０ｂ，
４０ｃは、厚さが数μｍ程度であり、流路方向に略平行
に間隔を設けて配置されている。第１分岐流路４２は、
仕切壁４０ａ，４０ｂ，４０ｃの各対の間に形成され、
第１流路部１０の上流側流路１２から、検体（血液）が
流れるようになっている。第２分岐流路４３は、仕切壁
４０ａ，４０ｂ，４０ｃおよび接続壁４１ａ，４１ｂ，
４１ｃにより断面Ｕ字状に形成される。分岐流路４３の
上流側には接続流路２６が接続され、希釈液が流れ込む
ようになっている。
【００７７】分岐流路４２，４３の下流側は、混合流路
１４と平行に延在するように構成され、合流後の液体に
外乱や偏向ができるだけ生じないようになっている。こ
れにより、できるだけ均一に液体が混合されるようにな
っている。
１４と平行に延在するように構成され、合流後の液体に
外乱や偏向ができるだけ生じないようになっている。こ
れにより、できるだけ均一に液体が混合されるようにな
っている。
【００７８】仕切壁４０ａ，４０ｂ，４０ｃは、等間隔
に配置しても、間隔を適宜に変えてもよい。例えば、間
隔方向に中央側の方が外側より狭くして、流路４２，４
３の中央側よりも外側の方が、流速が大きくなるように
してもよい。これにより、混合流路１４内において流路
壁付近で流速が小さくなるのを防ぎ、各流路４２，４３
から流出した液体の速度が略等しくなるようにして、よ
り均一に混合させることができる。
に配置しても、間隔を適宜に変えてもよい。例えば、間
隔方向に中央側の方が外側より狭くして、流路４２，４
３の中央側よりも外側の方が、流速が大きくなるように
してもよい。これにより、混合流路１４内において流路
壁付近で流速が小さくなるのを防ぎ、各流路４２，４３
から流出した液体の速度が略等しくなるようにして、よ
り均一に混合させることができる。
【００７９】次に、マイクロチップ２の製造工程につい
て、図５を参照しながら説明する。
て、図５を参照しながら説明する。
【００８０】まず、シリコン基板５０の上下面に、酸化
膜５２，５４を形成する（図５（１）参照）。シリコン
基板５０には、例えば厚さ４００μｍのシリコンウエハ
ーを用いる。酸化膜５２，５４は、例えば、それぞれの
厚さが１．５μｍとなるように、熱酸化により成膜す
る。
膜５２，５４を形成する（図５（１）参照）。シリコン
基板５０には、例えば厚さ４００μｍのシリコンウエハ
ーを用いる。酸化膜５２，５４は、例えば、それぞれの
厚さが１．５μｍとなるように、熱酸化により成膜す
る。
【００８１】次に、上面にレジストを塗布し、所定のマ
スクパターンを露光し、現像する。そして、上面の酸化
膜５２をエッチングする。そして、上面のレジストを剥
離する（図５（２）参照）。酸化膜５２は、符号５２
ａ，５２ｂで示したように、その厚さ分を完全に除去す
る。レジスト塗布には、例えばＯＦＰＲ８００を用い、
レジスト膜の厚さは、例えば１μｍとする（以下、同
じ）。酸化膜５２の除去には、例えばＲＩＥを用いる
（以下、同じ）。レジストの剥離には、例えば硫酸過水
を用いる（以下、同じ）。
スクパターンを露光し、現像する。そして、上面の酸化
膜５２をエッチングする。そして、上面のレジストを剥
離する（図５（２）参照）。酸化膜５２は、符号５２
ａ，５２ｂで示したように、その厚さ分を完全に除去す
る。レジスト塗布には、例えばＯＦＰＲ８００を用い、
レジスト膜の厚さは、例えば１μｍとする（以下、同
じ）。酸化膜５２の除去には、例えばＲＩＥを用いる
（以下、同じ）。レジストの剥離には、例えば硫酸過水
を用いる（以下、同じ）。
【００８２】次に、上面に再びレジストを塗布し、露
光、現像を行い、酸化膜５２を段状にエッチングする。
そして、上面のレジストを剥離する（図５（３）参
照）。これにより、符号５２ｃで示したように、酸化膜
５２を厚さ方向に途中まで除去する。例えば、厚さ０．
８μｍ分だけ除去する。
光、現像を行い、酸化膜５２を段状にエッチングする。
そして、上面のレジストを剥離する（図５（３）参
照）。これにより、符号５２ｃで示したように、酸化膜
５２を厚さ方向に途中まで除去する。例えば、厚さ０．
８μｍ分だけ除去する。
【００８３】次に、下面にレジストを塗布し、露光、現
像し、酸化膜５４をエッチングした後、レジストを剥離
する（図５（４）参照）。これにより、マスクパターン
に従って、符号５４ａで示したように、酸化膜５４を厚
さ方向に完全に除去する。
像し、酸化膜５４をエッチングした後、レジストを剥離
する（図５（４）参照）。これにより、マスクパターン
に従って、符号５４ａで示したように、酸化膜５４を厚
さ方向に完全に除去する。
【００８４】次に、上面についてシリコンエッチングを
行い、シリコン基板５０の貫通孔部分５０ａ，５０ｂを
途中まで除去する（図５（５）参照）。シリコンエッチ
ングには、例えば、ＩＣＰ（高周波誘導結合型プラズ
マ、ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓ
ｍａ）を用いる（以下、同じ）。
行い、シリコン基板５０の貫通孔部分５０ａ，５０ｂを
途中まで除去する（図５（５）参照）。シリコンエッチ
ングには、例えば、ＩＣＰ（高周波誘導結合型プラズ
マ、ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓ
ｍａ）を用いる（以下、同じ）。
【００８５】次に、上面の酸化膜５２のエッチングを行
ない、段状の薄い部分５２ｃを完全に除去する（図５
（６）参照）。さらに、上面についてシリコンエッチン
グを行い、貫通孔部分５０ａ，５０ｂをさらに深く除去
するとともに、上側流路５１ａを形成する（図５（７）
参照）。
ない、段状の薄い部分５２ｃを完全に除去する（図５
（６）参照）。さらに、上面についてシリコンエッチン
グを行い、貫通孔部分５０ａ，５０ｂをさらに深く除去
するとともに、上側流路５１ａを形成する（図５（７）
参照）。
【００８６】次に、下面についてシリコンエッチングを
行い、貫通孔部分５０ａ，５０ｂを貫通するとともに、
下側流路５１ｂを形成する（図５（８）参照）。
行い、貫通孔部分５０ａ，５０ｂを貫通するとともに、
下側流路５１ｂを形成する（図５（８）参照）。
【００８７】次に、上下面の酸化膜５２，５４を剥離
し、完全に除去する（図５（９）参照）。酸化膜５２，
５４の剥離には、ＢＨＦを用いる。
し、完全に除去する（図５（９）参照）。酸化膜５２，
５４の剥離には、ＢＨＦを用いる。
【００８８】そして、シリコン基板５０の両面に、ガラ
ス蓋５６，５８を貼り付ける（図５（１０）参照）。例
えば、９００Ｖ、４００°Ｃで、陽極接合を行う。
ス蓋５６，５８を貼り付ける（図５（１０）参照）。例
えば、９００Ｖ、４００°Ｃで、陽極接合を行う。
【００８９】上側流路５１ａとしては、図６の上面図に
示したように、第１流路部１０を形成する。第１流路部
１０の両端には、開口１１，１９が形成され、検体を供
給し、廃液を排出できるようになっている。
示したように、第１流路部１０を形成する。第１流路部
１０の両端には、開口１１，１９が形成され、検体を供
給し、廃液を排出できるようになっている。
【００９０】第１および第２混合流路１４，１７は、図
６（ａ）に示したように、流路幅（図において流路と直
角方向の寸法）が一定であってもよい。また、図６
（ｂ）に示したように、第１および第２混合流路１４
ａ，１６ａの途中に、流路幅が狭くなった断面減少部１
５，１８を設けてもよい。後者の場合には、液体の各層
が断面減少部１５，１８で薄くなり、前者に比べて混合
が一層促進される。例えば、界面で部分的に凝固等が生
じても、界面が広がるので、均一に混合することができ
る。流路幅は、例えば約半分程度、狭くする。
６（ａ）に示したように、流路幅（図において流路と直
角方向の寸法）が一定であってもよい。また、図６
（ｂ）に示したように、第１および第２混合流路１４
ａ，１６ａの途中に、流路幅が狭くなった断面減少部１
５，１８を設けてもよい。後者の場合には、液体の各層
が断面減少部１５，１８で薄くなり、前者に比べて混合
が一層促進される。例えば、界面で部分的に凝固等が生
じても、界面が広がるので、均一に混合することができ
る。流路幅は、例えば約半分程度、狭くする。
【００９１】下側流路５１ｂとしては、図７（ａ）の下
面図に示したように、第２および第３流路部２０，３０
を形成する。下側流路５１ｂ、すなわち、第２および第
３流路部２０，３０は、上側流路５１ａ、すなわち第１
流路部１０の上流側流路１２とは逆方向に湾曲し、前述
したように、先端部分２４，３４が３つに分岐してい
る。第２および第３流路部２０，３０の他端２１，３１
は、シリコン基板５０の上面まで貫通し、希釈液および
試薬を供給することができるようになっている。
面図に示したように、第２および第３流路部２０，３０
を形成する。下側流路５１ｂ、すなわち、第２および第
３流路部２０，３０は、上側流路５１ａ、すなわち第１
流路部１０の上流側流路１２とは逆方向に湾曲し、前述
したように、先端部分２４，３４が３つに分岐してい
る。第２および第３流路部２０，３０の他端２１，３１
は、シリコン基板５０の上面まで貫通し、希釈液および
試薬を供給することができるようになっている。
【００９２】上側流路５１ａと下側流路５１ｂとは、例
えば図８の斜視図に示したように、接続流路２６を介し
て接続されている。
えば図８の斜視図に示したように、接続流路２６を介し
て接続されている。
【００９３】分岐流路４３の下面４４には、接続流路２
６の端部である開口２７が形成されている。
６の端部である開口２７が形成されている。
【００９４】液体が、接続流路２６を通って開口２７に
達すると、流路断面積が大きくなるので、流体の先端
（メニスカス）を開口２７で停止させることができる。
接続流路２６の内面や分岐流路４３の下面４４が適宜な
ぬれ性あるいは撥水性を有するようにすると、所定の大
きさの圧力（以下、「ストップ力」と呼ぶ）では、流体
の先端が開口に留まり、ストップ力より大きい圧力を越
えると、流体が開口２７から分岐流路４３内に流れ込む
ようにすることができる。
達すると、流路断面積が大きくなるので、流体の先端
（メニスカス）を開口２７で停止させることができる。
接続流路２６の内面や分岐流路４３の下面４４が適宜な
ぬれ性あるいは撥水性を有するようにすると、所定の大
きさの圧力（以下、「ストップ力」と呼ぶ）では、流体
の先端が開口に留まり、ストップ力より大きい圧力を越
えると、流体が開口２７から分岐流路４３内に流れ込む
ようにすることができる。
【００９５】図９および図１０は、ストップ力と流体の
先端の接触角との関係を示すグラフである。図９は、流
路断面の幅が４０μｍ、高さが１００μｍの場合を示
す。図１０は、流路断面の幅が７０μｍ、高さが１００
μｍの場合を示す。
先端の接触角との関係を示すグラフである。図９は、流
路断面の幅が４０μｍ、高さが１００μｍの場合を示
す。図１０は、流路断面の幅が７０μｍ、高さが１００
μｍの場合を示す。
【００９６】このようなバルブ機能を有する部分（バル
ブ部）を設けることにより、所定タイミングで送液を行
うことができ、したがって、液体の混合比を精度良く制
御することができる。
ブ部）を設けることにより、所定タイミングで送液を行
うことができ、したがって、液体の混合比を精度良く制
御することができる。
【００９７】なお、流路断面積を不連続に変化させなく
ても、バルブ機能を持たせることは可能である。また、
検体（血液）についても、例えば、上流側流路１２の途
中に、バルブ機能を有する部分を設けるようにしてもよ
い。
ても、バルブ機能を持たせることは可能である。また、
検体（血液）についても、例えば、上流側流路１２の途
中に、バルブ機能を有する部分を設けるようにしてもよ
い。
【００９８】図４は、マイクロチップ２の使用例を示す
斜視図である。マイクロチップ２の上下をホルダー４で
挟持する。ホルダー４には開口部５が形成され、マイク
ロチップ２に接続したキャップ４〜７から、液体を注
入、排出するようになっている。血液凝固検査の場合に
は、キャップ４からは検体（血液）を、キャップ５から
は希釈液を、キャップ６からは試薬をそれぞれ注入し、
キャップ７からは廃液を回収する。
斜視図である。マイクロチップ２の上下をホルダー４で
挟持する。ホルダー４には開口部５が形成され、マイク
ロチップ２に接続したキャップ４〜７から、液体を注
入、排出するようになっている。血液凝固検査の場合に
は、キャップ４からは検体（血液）を、キャップ５から
は希釈液を、キャップ６からは試薬をそれぞれ注入し、
キャップ７からは廃液を回収する。
【００９９】次に、本発明の第２実施形態について、図
１１を参照しながら説明する。
１１を参照しながら説明する。
【０１００】マイクロチップ３は、基板６０に３つの流
路部６２，６４，６６が形成されている。第１および第
２流路部６２，６４は、基板６０内で第３流路部６６と
合流するようになっている。基板６０の上面には、第１
および第３流路部６２，６６の一方の端部である開口６
２ａ，６６ａが形成されている。基板６０の下面には第
２流路部６４の一方の端部である開口６４ａが形成され
ている。開口６２ａ，６４ａから供給された２液が第３
流路部６６で合流し、開口６６ａから排出されるように
なっている。
路部６２，６４，６６が形成されている。第１および第
２流路部６２，６４は、基板６０内で第３流路部６６と
合流するようになっている。基板６０の上面には、第１
および第３流路部６２，６６の一方の端部である開口６
２ａ，６６ａが形成されている。基板６０の下面には第
２流路部６４の一方の端部である開口６４ａが形成され
ている。開口６２ａ，６４ａから供給された２液が第３
流路部６６で合流し、開口６６ａから排出されるように
なっている。
【０１０１】流路部６２，６４，６６の接合部分の近傍
部分において、各流路部６２，６４，６６は略同じ方向
に延在するように構成され、合流したときに液体に外乱
や偏向ができるだけ生じないようになっている。接合部
分の近傍部分において、各流路部６２，６４，６６の深
さ方向寸法（図１１（ａ）において、上下方向の寸法）
を相対的に小さくすることで、第１実施形態と同様に拡
散混合を利用して、短時間で２液を混合することができ
る。一方、各流路部６２，６４，６６の幅方向寸法（図
１１（ａ）において、紙面直角方向の寸法）を相対的に
大きくすることで、流路抵抗が大きくなり過ぎないよう
にすることができる。
部分において、各流路部６２，６４，６６は略同じ方向
に延在するように構成され、合流したときに液体に外乱
や偏向ができるだけ生じないようになっている。接合部
分の近傍部分において、各流路部６２，６４，６６の深
さ方向寸法（図１１（ａ）において、上下方向の寸法）
を相対的に小さくすることで、第１実施形態と同様に拡
散混合を利用して、短時間で２液を混合することができ
る。一方、各流路部６２，６４，６６の幅方向寸法（図
１１（ａ）において、紙面直角方向の寸法）を相対的に
大きくすることで、流路抵抗が大きくなり過ぎないよう
にすることができる。
【０１０２】マイクロチップ３は、例えば図１１（ａ）
において中央で基板６０を上下に分割し、流路部６２お
よび６６を含む部分と流路部６６を含む部分とを接合す
ることにより、形成することができる。このとき、比較
的浅い溝を形成して接合すればよいので、ガラスやプラ
スチックの成型による製造等も可能であり、製造の自由
度が増す。
において中央で基板６０を上下に分割し、流路部６２お
よび６６を含む部分と流路部６６を含む部分とを接合す
ることにより、形成することができる。このとき、比較
的浅い溝を形成して接合すればよいので、ガラスやプラ
スチックの成型による製造等も可能であり、製造の自由
度が増す。
【０１０３】なお、例えば図１１（ａ）において鎖線で
示したように、第３流路部６６に、第１実施形態と同
様、深さが徐々に小さくなる断面減少部６７を設けるよ
うにすれば、一層効率よく混合することができる。
示したように、第３流路部６６に、第１実施形態と同
様、深さが徐々に小さくなる断面減少部６７を設けるよ
うにすれば、一層効率よく混合することができる。
【０１０４】以上説明した各実施形態は、微小領域で効
率よく拡散混合を行うことができる。
率よく拡散混合を行うことができる。
【０１０５】なお、本発明は上記各実施形態に限定され
るものではなく、その他種々の態様で実施可能である。
るものではなく、その他種々の態様で実施可能である。
【０１０６】例えば、マイクロチップ２，３は、血液凝
固に限らず、微小量の液体を混合するマイクロミキサー
の主要構成部として、広く用いることができる。
固に限らず、微小量の液体を混合するマイクロミキサー
の主要構成部として、広く用いることができる。
【図１】 流路幅と拡散時間および比界面積との関係を
示す図である。
示す図である。
【図２】 本発明の第１実施形態に係るマイクロチップ
の流路構成を示す透視図である。
の流路構成を示す透視図である。
【図３】 図２の要部拡大透視図である。
【図４】 マイクロチップの使用状態を示す斜視図であ
る。
る。
【図５】 マイクロチップの製造工程の説明図である。
【図６】 マイクロチップの上側流路を示す上面図であ
る。
る。
【図７】 マイクロチップの下側流路を示す下面図であ
る。
る。
【図８】 バルブの説明図である。
【図９】 ストップ力と接触角との関係を示す図であ
る。
る。
【図１０】 ストップ力と接触角との関係を示す図であ
る。
る。
【図１１】 本発明の第２実施形態のマイクロチップの
模式構成図である。
模式構成図である。
２，３ マイクロチップ
１０ 第１流路部
１２ 上流側流路（第１流路）
１３ 第１合流部（第１分岐流路、第２分岐流路）
１４，１４ａ 第１混合流路（混合流路、第１流路）
１５ 断面減少部
１６ 第２合流部（第１分岐流路、第２分岐流路）
１７，１７ａ 第２混合流路（混合流路）
１８ 断面減少部
２０ 第２流路部
２６ 接続流路（第２流路）
２７（バルブ部）
３０ 第３流路部
３６ 接続流路（第２流路）
４２ 第１分岐流路
４３ 第２分岐流路
６２ 第１流路部（第１分岐流路）
６４ 第２流路部（第２分岐流路）
６６ 第３流路部（混合流路）
６７ 断面減少部
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 山東 康博
大阪府大阪市中央区安土町二丁目３番13号
大阪国際ビル ミノルタ株式会社内
(72)発明者 山元 廣治
大阪府大阪市中央区安土町二丁目３番13号
大阪国際ビル ミノルタ株式会社内
(72)発明者 速水 俊一
大阪府大阪市中央区安土町二丁目３番13号
大阪国際ビル ミノルタ株式会社内
Ｆターム(参考） 4G035 AB37 AC05
Claims (19)
- 【請求項１】 一つの第１流路と、 該第１流路の端部に接続され、該第１流路と略同じ方向
に延在し、互いに略平行に間隔を設けて層状に形成され
た複数の第１分岐流路と、 少なくとも上記第１分岐流路の間に層状に形成された１
又は２以上の第２分岐流路と、 上記第１流路および上記第１分岐流路を含む面とは異な
る面上に配置され、上記第２分岐流路に接続された１又
は２以上の第２流路と、 その端部に、上記第１分岐流路および上記第２分岐流路
が交互に大略重なり合った状態で接続された一つの混合
流路とを備えた、混合機構。 - 【請求項２】 上記第２流路と上記第２分岐流路との接
続部分又はその近傍部分に、上記第２流路から上記第２
分岐流路への流れ方向に見たとき、該流れ方向に垂直な
流路断面の面積が拡大するバルブ部を備えたことを特徴
とする、請求項１記載の混合機構。 - 【請求項３】 上記混合流路は、上記第１および第２分
岐流路の間隔方向に対応する方向の流路断面寸法が上記
端部から離れるほど小さくなる断面減少部を含むことを
特徴とする、請求項１記載の混合機構。 - 【請求項４】 上記第１および第２分岐流路は、それぞ
れ、上記第１および第２分岐流路の間隔方向の寸法が２
００μｍ以下であることを特徴とする、請求項１記載の
混合機構。 - 【請求項５】 上記第１および第２分岐流路は、上記第
１および第２分岐流路の間隔方向に中央側の方が外側よ
りも該間隔方向の寸法が小さいことを特徴とする、請求
項１記載の混合機構。 - 【請求項６】 層状に形成された第１分岐流路と、 該第１分岐流路を含む面と異なる面上に層状に形成され
た第２分岐流路と、 その端部に、上記第１および第２分岐流路が大略重なり
合った状態で接続された混合流路とを備えたことを特徴
とする、混合機構。 - 【請求項７】 上記混合流路は、上記第１および第２分
岐流路の間隔方向と同方向の流路断面寸法が上記端部か
ら離れるほど小さくなる断面減少部を含むことを特徴と
する、請求項６記載の混合機構。 - 【請求項８】 上記第１および第２分岐流路と上記混合
流路とは、少なくとも互いの接続部分の近傍部分が略同
じ方向に延在することを特徴とする、請求項１又は６記
載の混合機構 - 【請求項９】 請求項１ないし８のいずれか一つに記載
の混合機構を備えたマイクロミキサー。 - 【請求項１０】 請求項１ないし８のいずれか一つに記
載の混合機構を備えたマイクロチップ。 - 【請求項１１】 第１の液体を互いに略平行に間隔を設
けて複数の層に分岐して流す第１ステップと、上記第１
の液体の流路を含む面とは異なる面上に第２の液体を流
し、上記第１の液体の上記層の間に上記第２の液体を層
状に流す第２ステップと、 層状の上記第１および第２の液体を交互に重なり合った
状態で合流させる第３ステップとを備えた、混合方法。 - 【請求項１２】 上記第１および第２ステップの少なく
とも一方は、 上記第１又は第２の液体を、合流前の所定位置まで流し
て一旦停止させる流れ停止ステップと、 停止させた上記第１又は第２の液体を、所定のタイミン
グで上記所定位置からさらに流す流れ再開ステップとを
含むことを特徴とする、請求項１１記載の混合方法。 - 【請求項１３】 合流させた上記第１および第２の液体
の重なり方向に対応する方向の流路寸法を、下流側ほど
小さくする第４ステップをさらに含むことを特徴とす
る、請求項１１記載の混合方法。 - 【請求項１４】 上記第３ステップにおいて、上記第１
および第２の液体の各層は、それぞれ、重なり方向の寸
法が２００μｍ以下の状態で合流させることを特徴とす
る、請求項１１記載の混合方法。 - 【請求項１５】 上記第１および２ステップにおいて、
上記第１および第２の液体の各層の重なり方向寸法が、
該重なり方向に中央側の方が外側よりも小さいことを特
徴とする、請求項１１記載の混合方法。 - 【請求項１６】 第１の液体を層状に流す第１ステップ
と、 第２の液体を層状に流す第２ステップと、 層状の上記第１および第２の液体を、重なり合った状態
で合流させる第３ステップとを備えた、混合方法。 - 【請求項１７】 合流させた上記第１および第２の液体
の重なり方向の流路寸法を、下流側ほど小さくする第４
ステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１６記
載の混合方法。 - 【請求項１８】 上記第３ステップにおいて、上記第１
および第２の液体の各層を略同じ方向に流して合流させ
ることを特徴とする、請求項１１又は１６記載の混合方
法。 - 【請求項１９】 上記第３ステップにおいて、上記第１
および第２の液体の各層を、合流後に略同じ速度となる
速度で合流させることを特徴とする、請求項１１又は１
６記載の混合方法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001182217A JP4792664B2 (ja) | 2001-06-15 | 2001-06-15 | 混合方法、混合機構、該混合機構を備えたマイクロミキサーおよびマイクロチップ |
| US10/171,920 US6851846B2 (en) | 2001-06-15 | 2002-06-14 | Mixing method, mixing structure, micromixer and microchip having the mixing structure |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001182217A JP4792664B2 (ja) | 2001-06-15 | 2001-06-15 | 混合方法、混合機構、該混合機構を備えたマイクロミキサーおよびマイクロチップ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003001077A true JP2003001077A (ja) | 2003-01-07 |
| JP4792664B2 JP4792664B2 (ja) | 2011-10-12 |
Family
ID=19022364
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001182217A Expired - Fee Related JP4792664B2 (ja) | 2001-06-15 | 2001-06-15 | 混合方法、混合機構、該混合機構を備えたマイクロミキサーおよびマイクロチップ |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6851846B2 (ja) |
| JP (1) | JP4792664B2 (ja) |
Cited By (22)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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