JP2003047832A

JP2003047832A - 流通型微小混合器及び混合装置並びに液体混合方法

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Publication number: JP2003047832A
Application number: JP2001235439A
Authority: JP
Inventors: Eiji Takayama; 英士高山; Satoru Isomura; 哲磯村
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Priority date: 2001-08-02
Filing date: 2001-08-02
Publication date: 2003-02-18
Anticipated expiration: 2021-08-02
Also published as: JP3793433B2

Abstract

(57)【要約】【課題】流通型微小混合器及び混合装置並びに液体混
合方法において、製造を容易に行なえ、簡素な構成で効
率的に液体の混合を行なえるようにする。【解決手段】それぞれ微小な相当直径の断面を有する
複数の導入流路１１Ａ，１１Ｂと、微小な相当直径の断
面を有し上記の複数の導入流路１１Ａ，１１Ｂが合流し
て形成される合流路１２とをそなえ、上記の複数の導入
流路１１Ａ，１１Ｂから導入された液体Ｆ_A，Ｆ_Bを合流
路１２で合流／反応させる、流通型微小混合器におい
て、導入流路１１Ａ，１１Ｂを形成する内壁面よりも、
液体Ｆ_A，Ｆ_Bに対する親和性の低い低親和部１４を、導
入流路１１Ａ，１１Ｂの合流部１２ａの直ぐ上流側にお
いて該内壁面の一部に設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、微小な流路を用い
て液体を混合させる、流通型微小混合器及び混合装置並
びに液体混合方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、微少な流路断面積の流路を用いて
複数の流体を流通させながら混合させ種々の微小化学反
応を起こさせる装置が注目されており、この装置には、
流通型微小混合器（以下、単に微小混合器ともいう）が
不可欠となる。微小混合器には、流路断面積が微少であ
ることから、試薬，検体の体積が少量で十分であること
に加え、合流路での流体の比表面積（単位体積当たりの
表面積）が大きくなるので高い除熱効率が得られ反応を
効率的に行なわせることができるというメリットがあ
る。このため、微小混合器は、所定物質の生産を目的と
した合成反応或いは検査を目的とした試薬と検査体との
反応を行なわせるために使用されることが多い。

【０００３】図１１は微小混合器の一般的な構成の一例
である。この微小混合器は、複数（ここでは２つ）の導
入流路１０１Ａ，１０１Ｂ及び導入流路１０１Ａ，１０
１Ｂが合流して形成される合流路１０２とをそなえて構
成されており、導入流路１０１Ａ，１０１Ｂにそれぞれ
導入された液体Ｆ_A，Ｆ_Bが合流路１０２で合流する。液
体Ｆ_A，Ｆ_Bの流通は、流路１０１Ａ，１０１Ｂ，１０２
が微小断面の流路であるため毛細管現を利用して行なわ
せたり、シリンジポンプ等の圧力駆動装置を用いて行な
わせたりする。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図１２に示
すように一方の液体Ｆ_Aが他方の液体Ｆ_Bよりも早期に合
流部に到達すると、液体Ｆ_Aの上流端と液体Ｆ_Bの上流端
との間に気体が密閉され、この気体により上記ギャップ
Ｇが形成されてしまう。そして、このようなギャップＧ
が液体Ｆ_A，Ｆ_B間に形成されてしまうと、これらの液体
Ｆ_A，Ｆ_Bの流通や拡散／混合や化学反応に悪影響が生じ
てしまうため、液体Ｆ_A，Ｆ_Bの流通を適宜制御して複数
の液体を略同時に合流部に到達させることが好ましい
が、このような精度の高い流通制御は極めて困難であ
る。

【０００５】つまり、毛細管現象を利用して液体を移動
させる場合には、毛細管現象は、周囲の環境（圧力，温
度）や、流路に面する壁面の濡れ性，接触角，自由エネ
ルギー等や、液体の粘度，密度，表面張力や、流路に面
する壁面と液体との界面張力や、流路断面積や、流路幅
や、流路深さ等の種々の要素により微妙に変化してしま
うため、上記のような高精度の流通制御は困難である。

【０００６】また、このように毛細管現象を利用する場
合には、液体の導入流路への導入と同時に自ずと液体が
移動を開始してしまうので、複数の液体を略同時に合流
部に到達させるためには、複数の流路をそれぞれ対応す
る導入流路に適宜のタイミングで導入する必要があり、
この点でも、複数の液体を略同時に合流部に到達させる
のは難しい。

【０００７】また、単に電気浸透流における電圧調整や
圧力駆動における圧力調整により流通を制御する場合に
は、制御遅れがあるため上記のような高精度の流通制御
は困難である。特に圧力駆動においては微細流路では圧
力損失が高くなるので液体を高圧で駆動することとな
り、このような高圧下において高精度に流通制御を行な
うことは難しい。

【０００８】この他、各導入流路の下流端近傍（合流部
の直上流部）に、ピエゾ素子や弾性体（例えばエストラ
マ等のポリマ）を微小変位させて流路を開閉するマイク
ロバルブを設け、このマイクロバルブの作動を制御し
て、各導入流路内の液体を同時に合流部に流入させるこ
とが考えられる。つまり、各マイクロバルブを閉弁した
状態で液体を移動させ、全ての液体が合流部の直上流部
で一旦停止してから各導入流路のマイクロバルブを一斉
に開弁することにより各導入流路内の液体を同時に合流
部に流入させるのである。

【０００９】しかしながら、マイクロバルブは、微小で
あるが故に高度な設計が必要であるとともに製造に手間
が掛かるため高価なものとなり、また、微小流路への取
り付け作業が微妙な作業となり、さらに複雑な制御機構
が必要となってしまう。本発明は、このような課題に鑑
み創案されたもので、製造を容易に行なえ、簡素な構成
で効率的に液体の混合を行なえるようにした、微小混合
器及び混合装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このため、本発明の流通
型微小混合器（請求項１）は、それぞれ微小な相当直径
の断面を有する複数の導入流路と、微小な相当直径の断
面を有し上記の複数の導入流路が合流して形成される合
流路とをそなえ、上記の複数の導入流路から導入された
液体を該合流路で合流／反応させる、流通型微小混合器
において、該導入流路を形成する内壁面よりも、該液体
に対する親和性の低い低親和部が、該導入流路の合流部
の直ぐ上流側において該内壁面の一部に設けられている
ことを特徴としている。

【００１１】この場合、該液体に対する親和性の低い低
親和部を、該導入流路への該液体の注入点を挟むように
して一組設けても良い（請求項２）。また、該低親和部
が、水に対する接触角が８０度以上の材料により構成さ
れていることが好ましい（請求項３）。また、該低親和
部を、温度変化に応じて該親和性の度合いが変化する親
和度変化部材により構成してもよい（請求項４）。

【００１２】本発明の混合装置（請求項５）は、請求項
１〜４の何れかの項に記載の流通型微小混合器と、該流
通型微小混合器内の該液体を輸送するための液体輸送手
段とをそなえて構成されていることを特徴としている。
この場合、該液体輸送手段が、該導入流路内に取り付け
られた１対の電極と、該電極間の電圧を制御する電圧制
御手段により構成されていることが好ましい（請求項
６）。

【００１３】又は、該液体輸送手段が、圧力により駆動
を行なう圧力駆動手段により構成されていることが好ま
しい（請求項７）。或いは、該液体輸送手段が、該親和
度変化部材と該親和度変化部材の温度を制御する温度制
御手段とにより構成されていることが好ましい（請求項
８）。本発明の流通型微小混合器を使用した液体混合方
法（請求項９）は、請求項１〜４の何れか１項に記載の
流通型微小混合器において、該複数の導入流路に該液体
をそれぞれ導入するステップと、該各複数の導入流路
に設けられた該低親和部上で、該複数の導入流路内の該
液体がそれぞれ流通を停止した後、該液体の該合流路へ
の輸送を再開するステップとをそなえて構成されている
ことを特徴としている。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。なお、以下の各実施形態で
は微小混合器により混合させる液体を水溶性の液体とし
て説明する。また、ここでいう液体とはサスペンショ
ン、コロイド等の分散系も含む。また、以下でいう疎水
部とは、微小流路を流通する液体に対し微小流路を形成
する固相壁面（内壁面）よりも親和度が低い部分をい
い、定常的に親和度が固相壁面よりも低いものは勿論、
親和度が温度によっては固相壁面よりも低くなるものを
含む。

【００１５】まず、本発明の第１実施形態としての、微
小混合器及び混合装置について説明する。図１〜図６は
本実施形態の微小混合器及び混合装置について示す図で
ある。本発明の第１実施形態としての混合装置は、複数
種類（ここでは２種類）の異なる液体Ｆ_A，Ｆ_Bを混合さ
せ合成反応させるためのもので、図１を用いて後述する
微小混合器と、微小混合器の導入流路１１Ａ，１１Ｂの
それぞれについて設けられる図示しない液体輸送手段と
をそなえて構成されている。液体輸送手段は、微小混合
器内に注入された液体Ｆ_A，Ｆ_Bを輸送するための手段で
あり、ここでは圧力駆動により輸送を行なう例えばシリ
ンジポンプのような圧力駆動手段により構成されてお
り、微小混合器の注入口１１Ａａ，１１Ｂａのそれぞれ
に取り外し可能に接続されている。

【００１６】なお、液体輸送手段を、圧力駆動手段の代
わりに、疎水部１４（これについては後述する）の上流
側に設けられた図１中に二点差線で示す一対の電極（電
気駆動部）Ｅ１，Ｅ２及びこれらの電極Ｅ１，Ｅ２間の
電圧を調整する電圧制御手段から構成するようにしても
良い。このような構成では、電極Ｅ１，Ｅ２間に所定電
圧をかけることにより、液体Ｆ_A，Ｆ_Bに対して電気浸透
流を発生させて液体Ｆ _A，Ｆ_Bを流路内で移動させること
ができるようになっている。

【００１７】さて、微小混合器は、図１に示すように、
上記液体Ｆ_A，Ｆ_Bをそれぞれ流通させるための複数（こ
こでは２つの）微小な導入流路１１Ａ，１１Ｂと、上記
液体Ｆ_A，Ｆ_Bを混合／反応させる微小な反応路（合流
路）１２とをそなえて構成されている。ここでいう微小
とは、毛細管現象により液体を各流路内で確実に輸送し
うる程度の大きさを意味し、流路断面の相当直径（＝４
×流路断面積／流路断面周囲長）は、０．０１ｍｍ〜２
ｍｍの範囲にあることが好ましく、０．０５ｍｍ〜１ｍ
ｍの範囲にあることがさらに好ましい。

【００１８】合流路１２は導入流路１１Ａ，１１Ｂを合
流させて形成され、導入流路１１Ａ，１１Ｂの下流端を
結合させてなる合流部１２ａを上流端として形成され
る。また、導入流路１１Ａ，１１Ｂの上流端には外部か
ら液体を注入する注入口１１Ａａ，１１Ｂａがそれぞれ
設けられ、合流路１２の下流端には、拡大部１２ｂが、
液体Ｆ_A，Ｆ_Bの混合物を貯めておく貯蓄部として設けら
れている。拡大部１２ｂには、流路１１Ａ，１１Ｂ，１
２内の液体が移動できるように通気口１２ｃが設けられ
ている。

【００１９】各流路１１Ａ，１１Ｂ，１２は、ここで
は、図２（ａ）に示すように、所定形状の溝２０ａが設
けられた基板２０に対し、この溝２０ａがある側に蓋２
１を取り付けることにより、基板２０と蓋２１との間に
形成される矩形の横断面を有する閉空間として形成され
る。或いは、図２（ｂ）に示すように所定形状の貫通穴
２２ａが形成された薄膜状物２２を基板２０に貼り付
け、薄膜状物２２の基板２０に接しない側にさらに蓋２
１を取り付けることにより、基板２０，蓋２１，薄膜状
物２２間に形成される閉空間を流路１１Ａ，１１Ｂ，１
２として形成するようにしても良い。何れにしても、流
路１１Ａ，１１Ｂ，１２は、基板２０，蓋２１〔図２
（ｂ）に示す構成ではさらに薄膜状物２２〕からなる内
壁面（固相壁面）１３により構成されることとなる。

【００２０】そして、本発明の大きな特徴として、図１
に示すように、導入流路１１Ａ，１１Ｂの一部であって
合流部１２ａの直ぐ上流側にはそれぞれ疎水部（低親和
部）１４が設けられている。ここでは、疎水部１４は導
入流路１１Ａ，１１Ｂの流路断面を囲うように固相壁面
１３の全周にわたって形成されている。ここでいう疎水
とは、基板２０等からなる固相壁面１３よりも液体
Ｆ_A，Ｆ_Bに対する親和性（ここでは親水性）が低いこと
を意味する。即ち、固相壁面１３の液体Ｆ_A，Ｆ_Bに対す
る親和性を基準に決定される相対的な性質を意味してい
るのである。

【００２１】このように疎水部１４を設けることによ
り、図３（ａ）に示すように液体Ｆ_A，Ｆ_Bを例えばスポ
イト等により注入口１１Ａａ，１１Ｂａから導入流路１
１Ａ，１１Ｂに注入すると（この状態では圧力駆動手段
は注入口１１Ａａ，１１Ｂａから取り外されている）、
図３（ｂ）に示すように液体Ｆ_A，Ｆ_Bは毛細管現象によ
り合流路１２に向かって移動する。そして、図３（ｃ）
に示すように疎水部１４に到達すると、液体Ｆ_A，Ｆ_Bは
疎水部１４よりも親和性の高い導入流路１１Ａ，１１Ｂ
に留まろうとして、この結果、液体Ｆ_A，Ｆ_Bは、毛細管
現象に抗して疎水部１４の上流側（即ち合流部１２ａの
直ぐ上流側）で停止するようになっている。

【００２２】そして、図３（ｃ）に示すように液体
Ｆ_A，Ｆ_Bが何れも疎水部１４で停止した後、液体Ｆ_A，
Ｆ_Bが合流部１２ａの極近傍に停止したこの状態から、
圧力駆動手段を注入口１１Ａａ，１１Ｂａに接続して作
動させれば液体Ｆ_A，Ｆ_Bを略同時に合流部１２ａに流入
させることができるようになっている。このような毛細
管現象に抗して液体Ｆ_A，Ｆ_Bを停止させるのに必要な流
通抑制力は、主に液体Ｆ_A，Ｆ_Bに対する疎水部１４の疎
水性（親和性）により決定されるもので、疎水部１４の
材質としては後述の実施例で説明するように液体Ｆ_A，
Ｆ_Bに対する接触角が７０度以上のものを使用すること
が好ましい。

【００２３】さらに詳細には、疎水部１４の流通抑制力
は、接触角の他に、導入流路１１Ａ，１１Ｂの相当直径
Ｄや、流路断面の周囲長に対する疎水部１４が設けられ
る周長さの比（疎水部長さ比率、低親和部長さ比率）α
〔ここでは疎水部１４が流路断面の全周にわたって設け
られているのでα＝１、例えば図４に示す例では、α＝
Ｌ₁／（２Ｌ₂＋２Ｌ₃）〕に大きく依存する。したがっ
て、疎水部１４の材質及び疎水部長さ比率αは、導入流
路１１Ａ，１１Ｂ内を毛細管現象により流通する液体Ｆ
_A，Ｆ_Bを停止させるべく例えば以下の条件１〜条件３を
満たすようにように設定することが好ましい。

【００２４】（条件１）導入流路１１Ａ，１１Ｂの相当
直径Ｄが０．２ｍｍ〜２ｍｍである場合には、疎水部長
さ比率αを０．２以上に設定し、且つ、疎水部１４の材
質には、固相壁面１３よりも疎水性が高いことを前提と
して、液体Ｆ_A，Ｆ_Bに対する接触角θが７０度以上であ
る材質を疎水部に用いることが好ましい。（条件２）また、導入流路１１Ａ，１１Ｂの相当直径Ｄ
が０．０２ｍｍ〜０．２ｍｍである場合には、疎水部長
さ比率αを０．２５以上に設定し、且つ、疎水部１４の
材質に、固相壁面１３よりも疎水性が高いことを前提と
して、液体Ｆ_A，Ｆ_Bに対する接触角θが７０度以上であ
る材質を疎水部に用いることが好ましい。

【００２５】（条件３）さらには、導入流路１１Ａ，１
１Ｂの相当直径Ｄが０．０１ｍｍ〜０．０２ｍｍである
場合には、疎水部長さ比率αを０．４以上に設定し、且
つ、疎水部１４の材質に、固相壁面１３よりも疎水性が
高いことを前提として、液体Ｆ_A，Ｆ_Bに対する接触角θ
が７０度以上である材質を疎水部として用いることが好
ましい。

【００２６】なお、液体Ｆ_A，Ｆ_Bとして使用される液体
の種類が特定されない場合には、上記条件１〜３を満た
すべく、使用が予想される液体の何れについても接触角
θが７０度以上である材質を疎水部として用いることが
好ましい。この他、導入流路１１Ａ，１１Ｂよりも疎水
性が高いことを前提として、水に対する接触角θが８０
度以上であることが、疎水部１４の材質として使用でき
る材料の大きな目安となり、接触角８０度以上の材質と
しては例えばポリメタクリル酸メチル、ポリカーボネー
ト、ポリ塩化ビニル、ろう等である。水に対する接触角
θが９０度以上の材質を疎水部１４に使用することがよ
り好ましい。

【００２７】なお、本発明において接触角θとは、協和
界面化学（株）製の型番ＣＡ−Ａの装置を使用して、周
囲温度２１．２〜２３．７℃、周囲湿度３０〜３８％の
条件下で測定されたものをいう。固相壁面１３の材質，
流路１１Ａ，１１Ｂ，１２の形成方法について説明する
と、固相壁面１３、即ち基板２０及び蓋２１〔図２
（ｂ）に示す構成ではさらに薄膜状物２２〕の材質は、
樹脂，セラミックス，ガラス，金属等，その種類は特に
限定されないが、疎水部１４よりも液体Ｆ_A，Ｆ_Bに対す
る親和性が高いものである必要があるため、かかる親和
性特性を把握しておく必要がある。

【００２８】流路１１Ａ，１１Ｂ，１２の代表的な形成
方法としては、上述したように、図２（ａ）に示すよう
に基板２０に溝２０ａを設けて形成する方法と、図２
（ｂ）に示すように所定形状の貫通穴２２ａが形成され
た薄膜状物２２を基板２０に貼り付けて形成する方法と
がある。また、光造形法などの一体成型によりチップ基
板（以下、単に基板とも言う）２０と一体に形成する方
法もある。

【００２９】基板２０に溝２０ａを形成する方法として
は、例えば、機械加工，射出成型や圧縮成型に代表され
る転写技術，ドライエッチング（ＲＩＥ，ＩＥ，ＩＢ
Ｅ，プラズマエッチング，レーザーエッチング，レーザ
ーアブレーション，ブラスト加工，放電加工，ＬＩＧ
Ａ，電子ビームエッチング，ＦＡＢ），ウエットエッチ
ング（化学浸食）などによる流路あるいは溝部分のエッ
チング、光造形やセラミックス敷詰等の一体成型、各種
物質を層状にコート，蒸着，スパッタリング，堆積し部
分的に除去することにより微細構造物を形成するＳｕｒ
ｆａｃｅＭｉｃｒｏ−ｍａｃｈｉｎｉｎｇ等がある。

【００３０】また、薄膜状物２２を基板２０に貼り付け
て流路を形成する場合の薄膜状物２２の貼り付け方法と
しては、接着剤による接着，プライマーによる樹脂接
合，拡散接合，陽極接合，共晶接合，熱融着，超音波接
合，レーザー溶融，溶剤・溶解溶媒による貼り合わせ，
粘着テープ，接着テープ，圧着，自己吸着剤による結
合，物理的な保持，凹凸による組み合わせが挙げられ
る。

【００３１】疎水部１４の形成方法について説明する
と、疎水部１４の形成方法は、例えば、固相壁面１３
（基板２０等）を部分的に疎水化（低親和化）する方法
と、これとは逆に固相壁面１３（基板２０等）の所定部
分（疎水部１４）を除いた部分を親水化（高親和化）す
る方法とがある。固相壁面１３に、アクリル樹脂，ポリ
カーボネート，ポリスチレン，シリコン，ポリウレタ
ン，ポリオレフィン，ポリテトラフルオロエチレン，ポ
リプロピレン，ポリエチレン，熱可塑性エラストマーな
どの疎水性材料を用いる場合、これを親水化する方法と
しては、表面コーティング，湿式化学的改質，ガス改
質，界面活性剤処理，コロナ放電，疎面化，金属の蒸
着，金属のスパッタリング，紫外線処理，加工雰囲気に
依存する親水性官能基または親水性分子の表面への付与
を伴う方法（プラズマ法，イオン注入法，レーザー処理
等）が挙げられる。

【００３２】また、固相壁面１３に、ガラス，金属，セ
ラミックスなどの親水性材料を用いる場合、これを部分
的に疎水化する方法としては、接着剤，ロウなどの疎水
性物質の表面コーティング，表面グラフト法，加工雰囲
気に依存する，疎水性官能基または疎水性分子の表面へ
の付与を伴う方法（プラズマ法，イオン注入法，レーザ
ー処理等）が挙げられる。

【００３３】このように固相壁面１３の改質（親水化又
は疎水化）を行なう場合には、改質部分に直接処理を行
ってもよいし，マスクなどで非改質部分を覆ってから開
口部に処理を施してよい。つまり、図５（ａ），（ｂ）
に示すように、流路３０を親水性の固相壁面より形成
し、この固相壁面の所定箇所３１，３２だけに上記改質
方法を使用して疎水部を形成したり、或いは、流路３０
を疎水性の固相壁面より形成し、この固相壁面の所定箇
所３１，３２を除いた箇所だけに上記親水化方法を直接
使用して相対的に疎水部３１，３２を形成しても良い。

【００３４】また、図６（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す
ように、流路３０を親水性の固相壁面より形成し、固相
壁面に対し所定箇所に開口部３３，３４を有するマスク
３５を取り付けてから固相壁面全体にわたる範囲に対し
上記疎水化方法を実施することにより、開口部３３，３
４内、即ち所定箇所３１，３２だけを疎水部として形成
するようにしても良い。或いは、所定箇所３１，３２だ
けをマスクした後、固相壁面全体にわたる範囲に対し上
記親水化方法を使用することにより、所定箇所３１，３
２を除いた箇所を親水化して相対的に疎水部３１，３２
を形成しても良い。

【００３５】なお、別種の親水性，疎水性材料を組み立
てることで，部分的パターンを形成することも可能であ
る。即ち、例えば親水性の固相壁面１３に疎水性の材質
を貼り付けて疎水部を形成するようにしてもよい。本発
明の第１実施形態としての微小混合器及び混合装置は上
述したように構成されているので、液体の混合が以下の
手法（本発明の第１実施形態としての微小混合器を使用
した液体混合方法）により行なわれる。以下、図１を参
照して説明を進める。

【００３６】先ず、シリンジポンプを注入口１１Ａａ，
１１Ｂａから取り外した状態で液体Ｆ_A，Ｆ_Bを例えばス
ポイト等により注入口１１Ａａ，１１Ｂａから導入流路
１１Ａ，１１Ｂに注入する。導入流路１１Ａ，１１Ｂに
注入されたこの液体Ｆ_A，Ｆ_Bは毛細管現象により合流部
１２ａへ向かって移動し、疎水部１４で停止する。そし
て、液体Ｆ_A，Ｆ_Bが何れも疎水部１４で停止した後、シ
リンジポンプを注入口１１Ａａ，１１Ｂａに接続して作
動させると、シリンジポンプによりエアが供給され、こ
のエアを介して液体Ｆ_A，Ｆ_Bが駆動される。これによ
り、液体Ｆ_A，Ｆ_Bが合流部１２ａの極近傍から液体
Ｆ_A，Ｆ_Bを略同時に合流部１２ａに流入させることがで
きる。

【００３７】或いは、液体Ｆ_A，Ｆ_Bが合流部１２ａに到
達するタイミングに差が生じたとしても、各疎水部１４
と合流部１２ａとの距離が極僅かなものであることか
ら、かかるタイミング差も極僅かなものとなり、液体Ｆ
_A，Ｆ_B間にエアが混入することはない。つまり、液体Ｆ
_Aが合流部１２ａに到達する時間と、液体Ｆ_Bが合流部１
２ａに到達する時間との間に大きな差があり、従来技術
の課題として用いた図１２に示すように液体Ｆ_Aの先端
（下流端）が合流部１２ａを完全に通過した時点で液体
Ｆ_Bの先端が合流部１２ａに到達していないと、液体
Ｆ_A，Ｆ_Bにエアが密封され混入してしまうこととなる
（この密封されたエアをエアプラグという）。

【００３８】しかし、本微小混合器では、上述したよう
に、液体Ｆ_A，Ｆ_Bが合流部１２ａに到達するタイミング
に大きな差が生じることはなく、何れか一方の液体の先
端が合流部１２ａを完全に通過する時点では既に他方の
液体の先端が合流部１２ａに到達するようになるので、
液体間にエアプラグが発生することはないのである。し
たがって、導入流路１１Ａ，１１Ｂに疎水部１４を設け
るという簡素な構成で、液体Ｆ_A，Ｆ_B間のギャップの発
生を実質的に防止でき、液体Ｆ_A，Ｆ_Bの混合ひいては、
その後行なわれる輸送過程や合成反応を安定して行なえ
るという利点がある。

【００３９】また構成が簡素なので製造を容易に行な
え、大量生産を容易に行なえるという利点がある。次
に、本発明の第２実施形態としての微小混合器について
説明する。図７は本実施形態の微小混合器及び混合装置
について示す図である。なお、上述の第１実施形態で説
明した部材については同一の符号を付しその説明を省略
する。また、上述の第１実施形態で使用した図１につい
ても流用して説明する。

【００４０】本発明の第２実施形態としての微小混合器
は、図１に示す第１実施形態の微小混合器に対し、疎水
部１４を親和度変化部材により構成したものである。親
和度変化部材とは温度変化に応じて導入流路１１Ａ，１
１Ｂを流通する液体Ｆ_A，Ｆ_Bに対する親和性が変化する
ものをいい、ここでは、温度変化に応じて親水性が変化
する高分子ゲルである温度感応ゲル（親和度変化部材）
を使用し、特に、このような温度感応ゲルとして代表的
なものである、ＰＩＰＡＡｍ〔ポリ（Ｎ−イソプロピル
アクリルアミド）〕ゲルを使用している。

【００４１】このＰＩＰＡＡｍゲルは、低温になると水
和化し、高温になると脱水和化するため、これに応じて
き低温になると親水化し、高温になると疎水化する。Ｐ
ＩＰＡＡｍの線状ポリマーの水溶液は、ＬＣＳＴ（Ｌｏ
ｗｅｒＣｒｉｔｉｃａｌＳｏｌｕｔｉｏｎＴｅｍｐ
ｅｒａｔｕｒｅ）以下の温度で親水化し、ＬＣＳＴより
も高い温度では疎水化する特徴を持つ。

【００４２】ＰＩＰＡＡｍのＬＣＳＴは約３２℃であ
り、通常の加熱冷却機構により容易に温度制御が可能で
ある。即ち、ＬＣＳＴが大気温度Ｔ_ATM周辺であるた
め、親水／疎水を反転させるのに必要な温度制御幅（即
ちＬＣＳＴ−Ｔ_ATM）が小さいため温度制御を行ないや
すいのである。この他の温度感応性ゲルとしては、ＤＥ
ＡＡｍ（Ｎ，Ｎ−ジエチルアクリルアミド）ゲル（ＬＣ
ＳＴ＝２５〜３２℃）、ｐＡＰＰ（ポリ−Ｎ−アクリロ
イルピペリジル）ゲル（ＬＣＳＴ≒５℃）、及び上記ポ
リマーの共重合体が挙げられる。また、使用環境のｐ
Ｈ，共重合比などによってＬＣＳＴを調整することも可
能である。

【００４３】また、本実施形態の混合装置は、上記の微
小混合器に加え、導入流路１１Ａ，１１Ｂ内の液体
Ｆ_A，Ｆ_Bを輸送する液体輸送手段として、導入流路１１
Ａ，１１Ｂ内の各疎水部（ここでは温度感応ゲル）１４
部毎に設けられ疎水部１４の温度を制御する温度制御装
置（温度制御手段）４０をそなえて構成されている。各
温度制御装置４０は、図７（ａ）に示すように、基板２
０内に埋め込まれ疎水部１４にそれぞれ接続された電熱
板（例えば銅板等）４１と、この電熱板４１に取り付け
られた熱電対（温度センサ）４１ａと、電熱板４１ａを
介して疎水部１４を加熱／冷却するペルチェ素子４２
と、ペルチェ素子４２に重合されたヒートシンク（放熱
板）４３と、制御装置４４とをそなえて構成されてい
る。

【００４４】ペルチェ素子４２は供給される電圧に応じ
て発熱／吸熱するものであり、制御装置４４は、疎水部
１４が、図示しない入力手段から入力された所定温度に
なるように、熱電対４１ａにより検出された疎水部温度
情報に基づき、ペルチェ素子４２に供給する電圧をフィ
ードバック制御するようになっている。なお、温度制御
装置４０において、温度センサとして、図７（ｂ）に示
すように、熱電対４１ａの代わりに赤外線センサ４１ｂ
を用いても良い。また、図７（ｃ）に示すように、電熱
板４１を介することなくペルチェ素子４２を基板４０内
に埋め込んで疎水部１４に直接接続してもよい。

【００４５】本発明の第２実施形態としての微小混合器
及び混合装置は上述したように構成されているので、以
下のようにして液体の混合が行なわれる。つまり、先
ず、必要であれば制御装置４４を介して、疎水部１４の
温度を疎水化するように制御した後、液体Ｆ_A，Ｆ_Bを例
えばスポイト等により注入口１１Ａａ，１１Ｂａから導
入流路１１Ａ，１１Ｂに注入する。導入流路１１Ａ，１
１Ｂに注入されたこの液体Ｆ_A，Ｆ_Bは毛細管現象により
合流部１２へ向かって移動し、疎水部１４で停止する。

【００４６】そして、液体Ｆ_A，Ｆ_Bが何れも疎水部１４
で停止した後、制御装置２４を介して疎水部１４の温度
を制御して疎水部１４を親水性に反転させる。これによ
り、液体Ｆ_A，Ｆ_Bが毛細管現象により移動を再開し、略
同時に合流部１２ａに流入し、したがって、上記第１実
施形態と同様の効果が得られる。また、微小混合器は、
微小混合器を形成する基板等が微小で熱容量が小さいた
め、比較的短い応答時間で、熱感応ゲル（疎水部）１４
の温度制御即ち液体Ｆ_A，Ｆ_Bの流通制御を行なえ、各導
入流路１１Ａ，１１Ｂにおける流通制御を同期させて行
なわせ易いという利点がある。

【００４７】次に、本発明の第３実施形態としての微小
混合器について説明する。図８は本発明の第３実施形態
としての微小混合器について示す図である。なお、上述
の第１実施形態及び第２実施形態で説明した部材につい
ては同一の符号を付しその説明を省略する。本実施形態
の微小混合器は、検査チップとして構成されている。こ
こでいう検査チップとは、サンプル液体に対して所定の
検査を行なうべく抗原抗体反応，タンパク質とタンパク
質との結合，タンパク質と低分子の結合等の生化学反応
等を行なわせるためのものであり、サンプル液体と試薬
との反応状態に基づき所定の検査を行なうためのもので
ある。

【００４８】このため、検査チップは、図８に示すよう
に、第１実施形態と同様に導入流路１１Ａと導入流路１
１Ｂと合流路１２と疎水部１４とをそなえるとともに、
各導入流路１１Ａ，１１Ｂには試薬Ｃ_A，Ｃ_Bがそれぞれ
点着／保持される試薬保持部１５，１５がそれぞれそな
えられ、また、合流路１２には、サンプル液体と試薬と
の混合液体に対して例えば光学的な検出等を行なうため
の拡大部１６が検出部として設けられている。

【００４９】そして、本実施形態の混合装置は、図８に
示す検査チップと、検査チップの注入口１１Ａａ，１１
Ａｂにそれぞれ接続されるシリンジポンプ（液体輸送手
段，圧力駆動手段）とをそなえて構成される。本発明の
第３実施形態としての検査チップは上述したように構成
されているので以下のようにして検査が行なわれる。

【００５０】つまり、先ず、導入流路１１Ａには注入口
１１Ａａからサンプル液体Ｆ_Sが例えば注入口１１Ａａ
から注入され、同様に、導入流路１１Ｂには、上述した
保持部１５に保持される試薬Ｃ_A，Ｃ_Bとは異なる試薬Ｃ
_Cが注入口１１Ｂａから注入される。注入されたサンプ
ル液体Ｆ_S及び試薬Ｃ_Cは、それぞれ毛細管現象により移
動し、試薬保持部１５で試薬Ｃ_A，Ｃ_Bと混合した後、疎
水部１４で停止する。

【００５１】そして、注入口１１Ａａ，１１Ａｂにシリ
ンジポンプがそれぞれ接続され、シリンジポンプからエ
アが送り込まれて導入流路１１Ａ，１１Ｂ内のサンプル
液体及び試薬の輸送が開始されると、これらのサンプル
液体及び試薬が合流路１２に略同時に流入する。したが
って、上記各実施形態と同様に、サンプル液体及び試薬
を安定して効率良く混合できる。次いで、この混合液に
ついて検出部１６において所定の検出が行なわれる。サ
ンプル液体及び試薬が安定して混合されるので、かかる
検出も精度良く行なうことができる。

【００５２】そして、混合液は、合流路１２の下流端に
形成される拡大部（廃液部）１２ｂにまとめて回収され
る。なお、本実施形態では液体輸送手段としてシリンジ
ポンプ（圧力駆動手段）を用いた例を示したが、液体輸
送手段として、一対の電極を導入流路１１Ａ，１１Ｂ内
に挿入し、電気浸透流により液体を輸送するようにして
も良い。或いは、疎水部１４を温度感応ゲルにより構成
し、液体輸送手段として温度感応ゲルの温度を制御する
温度制御装置を用いるようにしても良い。

【００５３】次に、本発明の第４実施形態としての微小
混合器について説明する。図９は本発明の第４実施形態
としての微小混合器について示す図である。なお、上述
の各実施形態で説明した部材については同一の符号を付
しその説明を省略する。本実施形態の微小混合器は、第
３実施形態と同様に検査チップとして構成されており、
第３実施形態の検査チップに対し、図９に示すように、
各導入流路１１Ａ，１１Ｂの上流部には、それぞれ疎水
部１４と同様に構成される一組（２個）の疎水部１４
ａ，１４ｂが設けられている。

【００５４】導入流路１１Ａには、サンプル注入口１１
Ａａからサンプル液体Ｆ_Sが注入されるようになってお
り、例えばスポイト等によりサンプル注入口１１Ａａか
ら注入されたサンプル液体Ｆ_Sは、毛細管現象により導
入流路１１Ａ内を流通するが、サンプル注入口１１Ａａ
両側の疎水部１４ａ，１４ｂで停止する。つまり、これ
らの疎水部１４ａ，１４ｂによりサンプル注入口１１Ａ
ａから注入できるサンプル液体Ｆ_Sの注入量が規定され
ることとなる。即ち、疎水部１４ａ，１４ｂ間の距離に
応じて決定される所定量にサンプル液体Ｆ_Sを自動的に
秤量できるようになっているのである。

【００５５】また、導入流路１１Ｂの疎水部１４ａ，１
４ｂ間には予め試薬Ｃ_Cが注入されている。なお、各導
入流路１１Ａ，１１Ｂには、液体が流通できるように疎
水部１４ａの上流側に通気口（図示略）がそれぞれ設け
られている。また、本発明の第４実施形態としての混合
装置は、この検査チップと、各導入流路１１Ａ，１１Ｂ
に対して疎水部１４ａ，１４ｂ間に設けられた電極（電
気駆動部）Ｅ１，Ｅ２と、これらの電極（電気駆動部）
Ｅ１，Ｅ２間の電圧を制御する図示しない電圧制御手段
とをそなえて構成されている。

【００５６】本発明の第４実施形態としての検査チップ
及び混合装置は上述したように構成されているので、以
下のようにして検査が行なわれる。つまり、サンプル注
入口１１Ａａからサンプル液体Ｆ_Sが導入流路１１Ａの
疎水部１４ａ，１４ｂに注入され秤量される。そして、
導入流路１１Ａ，１１Ｂの電極Ｅ１，Ｅ２に所定期間電
圧が掛けられると、疎水部１４ａ，１４ｂ間のサンプル
液体Ｆ_S及び試薬Ｃ_Cは駆動され疎水部１４ｂを乗り越え
る。

【００５７】そして、サンプル液体Ｆ_S及び試薬Ｃ_Cは、
疎水部１４ｂを乗り越えると、その後、電極Ｅ１，Ｅ２
から離隔するが、毛細管現象により移動を持続する。サ
ンプル液体Ｆ_S及び試薬Ｃ_Cは、それぞれ試薬保持部１５
で試薬Ｃ_A，Ｃ_Bと混合した後、この時点では電極Ｅ１，
Ｅ２には電圧が掛けられていないので疎水部１４で停止
する。疎水部１４ａと疎水部１４ｂとの間隔は、疎水部
１４ｂと疎水部１４との間隔よりも十分に大きく設定さ
れているので、この時点では、各導入流路１１Ａ，１１
Ｂにおいて疎水部１４ａ，１４ｂ間にサンプル液体Ｆ_S
又は試薬Ｃ_Cが存在する状態となる。

【００５８】このように、各導入流路１１Ａ，１１Ｂの
疎水部１４でサンプル液体Ｆ_S及び試薬Ｃ_Cが何れも停止
した後、再び電極Ｅ１，Ｅ２に所定期間電圧を掛ける
と、疎水部１４ａ，１４ｂ間のサンプル液体Ｆ_S及び試
薬Ｃ_Cが駆動されて、疎水部１４ｂを乗り越える。そし
て、このサンプル液体Ｆ_S及び試薬Ｃ_Cと、合流路１２の
直ぐ上流側の疎水部１４でそれぞれ停止していた液体が
一体となって駆動され、合流路１２に流入して混合す
る。この混合液体は、検出部１６を通過する過程で所定
の検出が行なわれた後、廃液部１２ｂに回収される。

【００５９】なお、導入流路１１Ａを移動するサンプル
液体Ｆ_Sの上流端が、疎水部１４ｂを乗り越えた時点
で、サンプル液体Ｆ_Sは電極Ｅ１，Ｅ２から分離される
ため、この時点で疎水部１４ｂ，１４間にあるサンプル
液体Ｆ_Sは駆動されなくなってしまい検出部１６を通過
しないこととなるが、疎水部１４ｂ，１４間は、疎水部
１４ａ，１４ｂ間に比べて十分に小さく設定されている
ので（即ち導入流路１１Ａ内に注入されたサンプル液体
Ｆ_Sの量に対し、疎水部１４，１４ｂ間に残留し検査に
寄与しないサンプル液体Ｆ_Sの量は十分少ないので）、
十分な量のサンプル液体Ｆ_Sを使用して検査を制度良く
行なえる。

【００６０】上述したように疎水部１４ａ，１４ｂを設
けることによりサンプル液体Ｆ_Sを秤量できるようにな
っているが、この秤量は、疎水部１４，１４ｂ間に残留
するサンプル液体Ｆ_Sを見込んだ量である。勿論、疎水
部１４を温度感応ゲルにより構成して親水性に反転させ
たり、シリンジポンプにより駆動したりして、疎水部１
４ｂ，１４間に液体を残留させないように構成すること
も可能である。

【００６１】なお、導入流路１１Ａ内のサンプル液体や
導入流路１１Ｂ内の試薬に対し悪影響がないように、図
１０に示すように、導入流路１１Ａ，１１Ｂのそれぞれ
について、電極Ｅ１，Ｅ２の周囲にこれらのサンプル液
体及び試薬に対して不溶性の流体（液体は勿論、気体で
も良い）Ｆ_Xを充填し、この流体Ｆ_Xを介してサンプル液
体及び試薬を駆動するようにしても良い。

【００６２】本発明の微小混合器及び混合装置は上述し
た各実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない
範囲で種々変形を行なうことが可能である。例えば上述
した各実施形態では、導入流路を２つ設けた構成とした
が、導入流路を三つ以上設けるような構成であってもよ
い。また、上述した図１に示す第１実施形態の微小混合
器は、合成反応用のチップとして説明したが、サンプル
液体Ｆ_S及び試薬を注入口１１Ａａ，１１Ａｂからそれ
ぞれ注入し、拡大部１２ｂを検出部とすることにより検
査チップとして使用することができる。この場合、拡大
部１２ｂを設けずに、合流路１２の一部を検出部として
使用し、合流路１２の下流端に設けられた排出口より廃
液を外部へ排出するようにしても良い。或いは、拡大部
１２ｂを設けずに、合流路１２の下流端に設けられた排
出口よりサンプル液体Ｆ_Sと試薬との混合液を外部に排
出し、検査チップの外部で所定の検出を行なうようにし
ても良い。

【００６３】同様に、図８に示す第３実施形態の微小混
合器（検査チップ）においても、検出部として拡大部１
６を設けず、合流路１２の一部を検出部として使用する
ようにしても良い。また、図９に示す第４実施形態の微
小混合器（検査チップ）において、導入流路１１Ｂの疎
水部１４ａ，１４ｂ間に、試薬ではなく溶媒を注入する
ようにしても良い。また、サンプル液体Ｆ_S及び試薬Ｃ_C
が疎水部１４ｂを乗り越えた後も、電極Ｅ１，Ｅ２に電
圧を掛け続けて電気駆動を持続するようにしても良い。
この場合、サンプル液体Ｆ_S及び試薬Ｃ_Cが疎水部１４に
到達した時点で電気駆動を停止しても良いが、サンプル
液体Ｆ_S及び試薬Ｃ_Cが疎水部１４に到達する直前で電気
駆動を停止し、サンプル液体Ｆ_S及び試薬Ｃ_Cを、疎水部
１４に到達するまで毛細管現象により移動させる方が好
ましい。

【００６４】また、一組の電極対で液体に掛けられる電
圧が必要量よりも小さい場合には、複数組の電極対を用
いても良い。

【００６５】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
各導入流路内に注入された液体は毛細管現象により導入
流路内を移動するが、低親和部を設けることにより合流
部の直ぐ上流側で一端停止させることができるので、か
かる液体を直ぐ下流側の合流部へ略同時に流入させるこ
とを容易に行なうことが可能となり、これらの液体の混
合を効率良く行なわせることができるという利点があ
る。

【００６６】また、導入流路に低親和部を配置するだけ
の簡素な構成なので、容易に製造できるという利点があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態及び第２実施形態として
の微小混合器の構成を示す模式的な平面図である。

【図２】本発明の第１実施形態としての微小混合器の構
成を示す図であり、（ａ）は模式的な横断面図であり図
１のＸ−Ｘ断面に相当する図、（ｂ）は模式的な側面図
であって（ａ）の変形例を示す図である。

【図３】（ａ），（ｂ），（ｃ）は本発明の第１実施形
態としての微小混合器の作用を説明するための図であっ
て微小混合器の模式的な平面図である。

【図４】本発明の第１実施形態にかかる疎水部長さ比率
（低親和部長さ比率）αの定義を説明するための模式図
であって、図１のＸ−Ｘ断面に相当する模式図である。

【図５】（ａ），（ｂ）は本発明の第１実施形態にかか
る固相壁面の改質方法を説明するための図であって微小
混合器の要部平面図である。

【図６】（ａ），（ｂ），（ｃ）は本発明の第１実施形
態にかかる固相壁面の改質方法を説明するための図であ
って微小混合器の要部平面図である。

【図７】（ａ），（ｂ），（ｃ）は本発明の第２実施形
態としての混合装置にかかる温度制御装置の構成を示す
図であって、図１のＹ−Ｙ断面に相当する模式図であ
る。

【図８】本発明の第３実施形態としての微小混合器の構
成を示す模式的な平面図である。

【図９】本発明の第４実施形態としての微小混合器の構
成を示す模式的な平面図である。

【図１０】本発明の第４実施形態としての微小混合器の
変形例の構成を示す模式的な平面図である。

【図１１】従来の微小混合器の構成を示す模式的な平面
図である。

【図１２】従来の微小混合器の課題を説明するための図
であって微小混合器の合流部を示す模式的な平面図であ
る。

【符号の説明】

１１Ａ，１１Ｂ導入路１１Ａａ，１１Ｂａ注入口１２合流路１２ａ合流部１２ｂ拡大部１２ｃ通気口１３固体壁面１４，１４ａ，１４ｂ疎水部（低親和部）１５試薬保持部１６検出部２０基板２０ａ溝２１蓋２２薄膜状物２２ａ貫通穴３０流路３１，３２流路３０の所定個所３３，３４開口部３５マスク４０温度制御装置４１電熱板４１ａ熱電対４１ｂ赤外線センサ４２ペルチェ素子４３ヒートシンク４４制御装置Ｅ１，Ｅ２電極（電気駆動部）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】それぞれ微小な相当直径の断面を有する
複数の導入流路と、微小な相当直径の断面を有し上記の
複数の導入流路が合流して形成される合流路とをそな
え、上記の複数の導入流路から導入された液体を該合流
路で合流／反応させる、流通型微小混合器において、該導入流路を形成する内壁面よりも、該液体に対する親
和性の低い低親和部が、該導入流路の合流部の直ぐ上流
側において該内壁面の一部に設けられていることを特徴
とする、流通型微小混合器。
【請求項２】該液体に対する親和性の低い低親和部
が、該導入流路への該液体の注入点を挟むようにしてさ
らに一組設けられていることを特徴とする、請求項１記
載の流通型微小混合器。
【請求項３】該低親和部が、水に対する接触角が８０
度以上の材料により構成されていることを特徴とする、
請求項１又は２記載の流通型微小混合器。
【請求項４】該低親和部が、温度変化に応じて該親和
性の度合いが変化する親和度変化部材により構成されて
いることを特徴とする、請求項１又は２記載の流通型微
小混合器。
【請求項５】請求項１〜４の何れかの項に記載の流通
型微小混合器と、該流通型微小混合器内の該液体を輸送
するための液体輸送手段とをそなえて構成されているこ
とを特徴とする、混合装置。
【請求項６】該液体輸送手段が、該導入流路内に取り
付けられた１対の電極と、該電極間の電圧を制御する電
圧制御手段により構成されていることを特徴とする、請
求項５記載の混合装置。
【請求項７】該液体輸送手段が、圧力により駆動を行
なう圧力駆動手段により構成されていることを特徴とす
る、請求項５記載の混合装置。
【請求項８】該液体輸送手段が、該親和度変化部材と
該親和度変化部材の温度を制御する温度制御手段とによ
り構成されていることを特徴とする、請求項５記載の混
合装置。
【請求項９】請求項１〜４の何れか１項に記載の流
通型微小混合器において、該複数の導入流路に該液体を
それぞれ導入するステップと、該各複数の導入流路に設
けられた該低親和部上で、該複数の導入流路内の該液体
がそれぞれ流通を停止した後、該液体の該合流路への輸
送を再開するステップとをそなえて構成されていること
を特徴とする、流通型微小混合器を使用した液体混合方
法。