JP2003028836A - マイクロチャンネル立体交差構造体と立体交差多層流の形成方法 - Google Patents

マイクロチャンネル立体交差構造体と立体交差多層流の形成方法

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JP2003028836A
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Takehiko Kitamori
武彦 北森
Akihide Hibara
彰秀 火原
Manabu Tokeshi
学 渡慶次
Kenji Uchiyama
堅慈 内山
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01F25/42—Static mixers in which the mixing is affected by moving the components jointly in changing directions, e.g. in tubes provided with baffles or obstructions
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    • B01F25/4323—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction with means for dividing the material flow into separate sub-flows and for repositioning and recombining these sub-flows; Cross-mixing, e.g. conducting the outer layer of the material nearer to the axis of the tube or vice-versa using elements provided with a plurality of channels or using a plurality of tubes which can either be placed between common spaces or collectors
    • B01F25/43231—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction with means for dividing the material flow into separate sub-flows and for repositioning and recombining these sub-flows; Cross-mixing, e.g. conducting the outer layer of the material nearer to the axis of the tube or vice-versa using elements provided with a plurality of channels or using a plurality of tubes which can either be placed between common spaces or collectors the channels or tubes crossing each other several times
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
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    • B01F33/30—Micromixers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B81B1/00—Devices without movable or flexible elements, e.g. microcapillary devices
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    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00783—Laminate assemblies, i.e. the reactor comprising a stack of plates

Abstract

(57)【要約】 【課題】 マイクロチップへの流路の集積度を大きく向
上させることができ、連続操作や多段操作を容易とし、
しかも安定した界面や良好な相分離性の実現をも容易と
することのできる、高度集積化や多層流形成のための新
しい技術手段を提供することを課題としている。 【解決手段】 マイクロチャンネルが配設された基板が
マイクロチャンネル配設面を対向させて積層されている
構造体であって、各々の基板に配設されたマイクロチャ
ンネルは、少なくともその一部において相互に立体交差
されており、この立体交差部において、マイクロチャン
ネル内を流通する液体の液液界面が形成されるようにす
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この出願の発明は、マイクロ
チャンネル立体交差構造体と立体交差多層液の形成方法
に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明
は、微細流路（マイクロチャンネル）を有するマイクロ
チップ等において、精密微量分析や精密分離、あるいは
精密化学合成等を行うのに有用な、流路が立体的に交差
されているマイクロチャンネル構造体と、これを用いた
立体交差多層液の形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術と発明の課題】ガラス基板等に形成した微
細流路を利用して、精密に微量分析や分離、あるいは化
学合成を行う方法が注目されている。たとえば、このよ
うな微細流路であるマイクロチャンネルを用いた化学操
作の一つとして、マイクロチャンネル微小空間の特性を
活した分離方法が各種提案されており、電気泳動法やク
ロマトグラフィー等についての検討が進められている。
【０００３】しかしながら、これまでの多くの方法の場
合には水溶液系にしか実際に適用できず、さらには複雑
な集積化が必要とされる連続操作や多段操作に適用する
ことが難しいという問題があった。
【０００４】このような状況において、この出願の発明
者らは、従来のような汎用性に乏しく、高度な集積化が
難しいという問題を解決するために、溶媒抽出法や化学
合成のための新しい液液２層液の形成や気液界面の形成
方法等を開発してきた。
【０００５】ただ、これまでの発明者らによる検討にお
いても、マイクロチャンネルは同一基板面に形成された
ものであることから、マイクロチップにおいて構成され
るマイクロチャンネルの集積化には制約があり、また、
液液界面の形成についても主として界面張力によるもの
であることから、界面の安定性や相分離の困難さなどの
問題が残されていた。
【０００６】そこで、この出願の発明は、以上のとおり
の背景を踏まえ、マイクロチップへの流路の集積度を大
きく向上させることができ、連続操作や多段操作を容易
とし、しかも安定した界面や良好な相分離性の実現をも
容易とすることのできる、高度集積化や多層流形成のた
めの新しい技術手段を提供することを課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この出願の発明は、上記
の課題を解決するものとして、第１には、マイクロチャ
ンネルが配設された基板がマイクロチャンネル配設面を
対向させて積層されている構造体であって、各々の基板
に配設されたマイクロチャンネルは、少くともその一部
において相互に立体交差されており、この立体交差部に
おいて、マイクロチャンネル内を流通する液体の液液界
面が形成されるようにしたことを特徴とするマイクロチ
ャンネル立体交差構造体を提供する。
【０００８】また、この出願は、第２には、立体交差部
を構成する上下のマイクロチャンネルの一方の表面が疎
水性とされ、他方の表面が親水性とされていることを特
徴と前記のマイクロチャンネル立体交差構造体を提供
し、第３には、立体交差される上部基板のマイクロチャ
ンネルは、上部基板上面もしくは中間基板を介して積層
される上部基板の下面または上面に配設されたマイクロ
チャンネルと貫通穴により連通されていることを特徴と
するマイクロチャンネル立体交差構造体を、第４には、
各々の基板のマイクロチャンネルに連通する液体供給部
と排液部とが配設されていることを特徴とする前記マイ
クロチャンネル立体交差構造体を提供する。そして、こ
の出願の発明は第５には、以上いずれかのマイクロチャ
ンネル立体交差構造体により、上下各々の基板のマイク
ロチャンネルに液体を流通させて、立体交差部において
液液界面が形成される多層流とすることを特徴とする立
体交差多層液の形成方法を提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】この出願の発明は前記のとおりの
特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態につい
て説明する。
【００１０】まず、なによりもこの出願の発明において
特徴的なことは、マイクロチャンネルによる流路の３次
元集積化と、それにともなう立体交差液液界面の形成に
ある。
【００１１】図１および図２はこのことを模式的に例示
したものであるが、たとえば図１に例示したように、こ
の出願の発明の構造体においては、その上面部にマイク
ロチャンネル（１Ａ１）が形成されている下部基板（１
Ａ）と、下面部にマイクロチャンネル（１Ｂ１）が形成
されている上部基板（１Ｂ）とが、マイクロチャンネル
（１Ａ１）（１Ｂ１）の形成面を対向させて積層されて
いる。そして、上下各々のマイクロチャンネル（１Ａ
１）（１Ｂ１）は、その交差部（２）において、その各
々の内部を流通する液体が、立体交差して液液界面
（３）が形成されるようにしている。
【００１２】図２の例も、このような液液界面が形成さ
れる交差部（２）を例示しているが、図１の例の交差部
（２）に比べて、液液界面の流れ方向の長さ（Ｌ）はよ
り長いものとなっている。この長さ（Ｌ）は、図３にも
部分断面図を示したように、多層流としての接触長さを
意味している。
【００１３】もちろん、この交差部（２）の長さ（Ｌ）
や交差部（２）の配設個所と数は、この発明の構造体の
操作目的、用途に応じて適宜に定められることになる。
そして、この出願の発明においては、以上のような立体
交差部（２）によって液液界面（３）を形成する上部基
板（１Ｂ）の下面に形成したマイクロチャンネル（１Ｂ
１）については、たとえば部分断面を例示した図４のよ
うに、上部基板（１Ｂ）の上面に形成したマイクロチャ
ンネル（１Ｂ２）と貫通穴（１Ｂ３）によって連通させ
ることもできる。マイクロチャンネル（１Ｂ２）の上部
には、さらに別の基板や、カバープレート（４）を積層
してもよい。たとえばこのような構成とすることによっ
て、下部基板（１Ａ）のマイクロチャンネル（１Ａ１）
に対し、マイクロチャンネル（１Ｂ１）の交差部（２）
の位置の選択の自由度が大きくなる。上面のマイクロチ
ャンネル（１Ｂ２）により所定の位置にまで上部液体を
導いて、所定の位置で交差部（２）において液液界面を
形成することができるからである。
【００１４】このような構成は、基板をさらに多数枚と
することにより、たとえば多層プリント配線板と同様
に、流路回路を三次元に自在に構成することが可能とな
る。このため、たとえば中間層としての基板を介在させ
てもよいことは言うまでもない。
【００１５】いずれの場合であっても上下立体交差によ
る液液界面の形成については、上部液体と下部液体との
安定した界面の形成のために、各々液体の性質や、表面
張力、比重、相溶性等の点が考慮されることになる。ま
た、当然にも、これらの点を考慮して、流速、あるいは
液温等が定められることになる。流路への流体の供給手
段、そして流路からの液の排出手段も適宜に定められる
ことになる。
【００１６】安定した界面の形成のための手段として
は、立体交差上下のマイクロチャンネルの一方の表面を
疎水性とし、他方を親水性とすることが有効でもある。
たとえばガラス基板に形成したマイクロチャンネルにつ
いては、トリクロロオクタデジルシラン（ＯＤＳ）等に
よるシラン処理を施すことで効果的にその表面を疎水化
することができる。たとえば表面疎水化したマイクロチ
ャンネルには油相（有機相）を、他方の親水性表面を有
するマイクロチャンネルには水性相を流通させ、上下に
立体交差させることが考慮される。
【００１７】もちろん、マイクロチャンネルそのものに
ついては、従来と同様に、その幅について５００μｍ以
下、深さ２００μｍ以下程度とすることが考慮される
が、これに限定されることはない。また、流体の流速に
ついては、一般的には２０μｌ／ｍｉｎ以下程度が考慮
されるが、これに限定されることはない。
【００１８】この発明の立体交差構造体のマイクロチャ
ンネルについては、たとえばフォトリソグラフィー・ウ
ェットエッチング等の各種の加工法によって形成するこ
とができる。
【００１９】たとえば図５は、この方法の一例を、ガラ
ス基板の場合について、下部基板のＯＤＳ疎水化処理を
も含めたプロセス工程として例示したものである。この
例においては、ガラス基板表面にＣｒ（クロム）および
Ａｕ（金）をデポジションした後にフォトリソグラフィ
ー・ウェットエッチングによってマイクロチャンネルを
形成し、下部基板（１Ａ）にＯＤＳ（シラン）処理を施
して疎水表面としている。ＯＤＳ（シラン）処理は、レ
ジストおよび金属のストリッピングの後に行ってもよい
ことは言うまでもない。
【００２０】また、立体交差部（２）の形成のための下
部基板（１Ａ）と上部基板（１Ｂ）との積層において
は、熱融着によってもよいし、ネジ止めやホルダーによ
る圧着等によってもよい。
【００２１】たとえば以上のようなこの出願の発明のマ
イクロチャンネル立体交差構造体による液液界面の立体
的形成は、溶媒抽出等による分離や試薬反応による分
析、光学手段による分析、さらには液液界面反応による
化学合成法等に有用であり、さらには三次元の立体交差
による流路形成そのものとして有用でもある。 その目
的、用途に応じて、立体交差部は流路に複数個所配置さ
れてもよい。たとえば図６に例示したように、下部基板
のマイクロチャンネル（１Ａ１）と上部基板のマイクロ
チャンネル（１Ｂ１）を交差させる等の様々な形態が可
能とされる。
【００２２】そこで以下に実施例を示し、さらに実施の
形態について説明する。
【００２３】
【実施例】マイクロチップの基板には、２枚のパイレッ
クス（登録商標）ガラスを用いた（上板・下板）。図５
のプロセスに沿って両基板にフォトリソグラフィー・ウ
ェットエッチング法により、基板間で交差するマイクロ
チャンネルを加工した。下板のみをトリクロロオクタデ
シルシランで修飾し、下板のマイクロチャンネル表面を
疎水性（親油性）とした。化学修飾を保護するため、基
板同士は熱融着せず、図７に例示したように、ネジ止め
とホルダーによる圧力のみにより接着させた。
【００２４】図８に化学修飾（疎水処理）したマイクロ
チャンネルを利用した油水２相の流れの様子を示した。
この図８は、上下面に加工した２本のマイクロチャンネ
ルが交差しながら接触している部分の拡大写真である。
油相側にはニトロベンゼンを流通させ、水相側にはプロ
ーブとして蛍光微粒子を分散させている。図８の黒い流
線は、水相側の流線を示している。各相が接触して立体
交差する安定な界面を形成し、表面の親水性（疎水性）
に従って直線的に流れ、その後完全に相分離しているこ
とがわかる。
【００２５】化学修飾により簡単に安定な界面が形成で
き、相分離後の多段操作などの集積化を容易に実現する
ことができる。
【００２６】
【発明の効果】以上詳しく説明したとおり、この出願の
発明によって、マイクロチャンネルへの流路集積度を大
きく向上させることができ、連続操作や多段操作を容易
とし、しかも安定した界面や良好な相分離性の実現をも
容易とすることのできる、高度集積化や多層液形成のた
めの新しい技術手段が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の構造体の概要について例示した模式
図である。
【図２】図１とは別の模式図である。
【図３】立体交差部について例示した要部断面図であ
る。
【図４】図３とは別の例を示した要部断面図である。
【図５】この発明の構造体のマイクロチャンネルの形成
について例示したプロセス工程図である。
【図６】マイクロチャンネルの立体交差の配置について
例示した平面図である。
【図７】実施例におけるこの発明の構造体を例示した分
解斜視図である。
【図８】交差部での液液界面について例示した顕微鏡写
真である。
【符号の説明】
１Ａ 下部基板 １Ａ１ マイクロチャンネル １Ｂ 上部基板 １Ｂ１、１Ｂ２ マイクロチャンネル １Ｂ３ 貫通穴 ２ 交差部 ３ 液液界面 ４ カバープレート
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０１Ｎ 27/26 ３３１Ｇ (72)発明者 渡慶次 学 神奈川県川崎市高津区久本３−２−22 ヴ ァンドーム403号 (72)発明者 内山 堅慈 神奈川県横浜市港北区綱島東１−16−３− 103 Ｆターム(参考） 4G075 AA13 BB05 BD01 BD15 BD24 DA02 EB23 EC30 EE01 EE34

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 マイクロチャンネルが配設された基板が
    マイクロチャンネル配設面を対向させて積層されている
    構造体であって、各々の基板に配設されたマイクロチャ
    ンネルは、少くともその一部において相互に立体交差さ
    れており、この立体交差部において、マイクロチャンネ
    ル内を流通する液体の液液界面が形成されるようにした
    ことを特徴とするマイクロチャンネル立体交差構造体。
  2. 【請求項２】 立体交差部を構成する上下のマイクロチ
    ャンネルの一方の表面が疎水性とされ、他方の表面が親
    水性とされていることを特徴とする請求項１のマイクロ
    チャンネル立体交差構造体。
  3. 【請求項３】 立体交差される上部基板のマイクロチャ
    ンネルは、上部基板上面もしくは中間基板を介して積層
    される上部基板の下面または上面に配設されたマイクロ
    チャンネルと貫通穴により連通されていることを特徴と
    する請求項１または２のマイクロチャンネル立体交差構
    造体。
  4. 【請求項４】 各々の基板のマイクロチャンネルに連通
    する液体供給部と排液部とが配設されていることを特徴
    とする請求項１ないし３のいずれかのマイクロチャンネ
    ル立体交差構造体。
  5. 【請求項５】 請求項１ないし４のいずれかのマイクロ
    チャンネル立体交差構造体により、上下各々の基板のマ
    イクロチャンネルに液体を流通させて、立体交差部にお
    いて液液界面が形成される多層液とすることを特徴とす
    る立体交差多層液の形成方法。
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