JP2004097886A

JP2004097886A - マイクロ分離装置とそれを用いた分離方法

Info

Publication number: JP2004097886A
Application number: JP2002260513A
Authority: JP
Inventors: Akifumi Katsumura; 勝村　明文
Original assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Priority date: 2002-09-05
Filing date: 2002-09-05
Publication date: 2004-04-02

Abstract

【課題】液体中に含まれるイオンや荷電粒子等を効率良く、高精度に分離する。
【解決手段】平板状の基板に形成された所定の形状の微細流路と、上記基板に形成されるとともに、上記微細流路の一方の端部に連接された所定の形状の複数の分岐微細流路と、上記基板に形成されるとともに、上記微細流路の他方の端部に連接された所定の形状の複数の分岐微細流路を有し、少なくとも集合した微細流路の部分に磁界を印加する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ分離装置とそれを用いた分離方法に関わるものである。さらに詳細には、イオンや荷電微粒子を他の液体に移動させて、荷電体を分離する装置およびそれを用いた分離方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、微細流路を用いた高速、高効率な分析、化学プロセスが注目を集めている。微細流路とは、平板状の基板に超精密微細加工技術を用いて、数μｍ〜数１００μｍスケールの幅および深さの流路を形成したものであり、そのサイズ効果により、分子の拡散移動時間が飛躍的に短くなること、熱容量が小さくなることで高速の熱交換が可能となること、レイノルズ数が小さいことから、層流支配となり、相溶する液体どおしであっても混合せずに並行して流すことができることで、フラスコやタンクを用いた化学反応とは、まったく挙動の異なる新規な化学技術となることが期待されている。（例えば、非特許文献１参照）
【０００３】
このような特徴を利用して、相溶性のある液体どおしを並行に微細流路により接触させることで分離を行う方法が提案されている。（例えば、特許文献１参照）
【０００４】
しかし、この方法は濃度勾配に支配されるため、濃度が均一になってしまえばそれ以上の分離、抽出はできないことから、分析目的であれば、一部が分離、抽出されれば目的を達することが可能であるが、化学合成等のプロセスには不十分である。
【０００５】
また、分離、抽出する目的物が有用である場合だけではなく、微量の不純物を除去するために、分離、抽出が必要である場合があり、この場合は、分離、抽出する目的物の濃度が低く、いかに微細流路での拡散が高速であるといえ、濃度勾配が小さくて実用にはならない。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−２８１２３３号公報（第３−８頁）
【非特許文献１】
（財）化学技術戦略推進機構、マイクロリアクターＷＧ調査報告書「化学合成を指向したマイクロリアクター技術に関する調査研究」平成１２年６月、ｐ．３
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的とするところは、液体に微量に含まれるイオン性不純物を除去し、半導体の製造等で必要とされる極めて高純度な材料を製造する技術を提供するものである。
【０００８】
さらにまた、本発明の目的とするところは、正と負のイオンや化学種が、一方だけが高濃度で存在する反応場を微細流路内に形成することに応用する技術を提供しようとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の課題を解決するものとして、液体に含まれる荷電体を、液体とともに微細流路を流す際に、磁界によりローレンツ力を生じさせて強制的に移動させることで分離ができることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００１０】
即ち本発明は、
（１）　平板状基板に、中空流路が形成された、注入側流路部と集合部と集合流路部と分岐部と排出側流路部とを有するマイクロチップと、磁界印加部とを具備してなるマイクロ分離装置、
（２）　注入側流路部と排出側流路部とが、複数で同数の微細中空流路からなるものである前記第（１）項記載のマイクロ分離装置、
（３）　注入側流路部と排出側流路部とが、複数で異なる数の微細中空流路からなるものである前記第（１）項記載のマイクロ分離装置、
（４）　注入側流路部が、集合流路部の中空流路断面積よりも大きい中空流路総断面積を有し、排出側流路部が、集合流路部の中空流路断面積よりも小さい中空流路総断面積を有するものである前記第（１）項〜第（３）項のいずれかに記載のマイクロ分離装置、
（５）　集合流路部が、折り返し構造の中空流路を有するものである前記第（１）項〜第（４）項のいずれかに記載のマイクロ分離装置、
（６）　マイクロチップが、高分子材料とスライドガラスからなるものである前記第（１）項〜第（５）項のいずれかに記載のマイクロ分離装置、
（７）　磁界印加部が、マイクロチップの上方および／または下方に磁場発生装置を配置してなるものである前記第（１）項〜第（６）項のいずれかに記載のマイクロ分離装置、
（８）　前記第（１）項〜第（７）項のいずれかに記載のマイクロ分離装置を用いて、正または負の荷電体を含む第一の液体を微細流路に送液し、第二の液体を、別の微細流路に送液し、並列に集合させ、印加された磁界中を通過することで、第一の液体中の荷電体にローレンツ力を生じせしめて、第二の液体側に荷電体を移動させ、第一の液体と第二の液体を分岐して排出させる電荷体の分離方法、
（９）　前記第（１）項〜第（７）項のいずれかに記載のマイクロ分離装置を用いて、正および負の荷電体を含む第一の液体を微細流路に送液し、第二および第三の液体を、それぞれ別の微細流路に送液し、第一の液体が第二および第三の液体で挟まれるように並列に集合させ、印加された磁界中を通過することで、第一の液体中の荷電体にローレンツ力を生じせしめて、第二の液体側に正または負の荷電体を移動させ、第三の液体側には第二の液体側に移動させる荷電体とは反対の荷電体を移動させ、第一の液体、第二の液体および第三の液体を分岐して排出させる電荷体の分離方法、
を提供するものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面に基づいて、本発明によるマイクロ分離装置およびそれを用いた分離方法の実施の形態を詳細に説明するものとする。
【００１２】
図１（ａ）および図１（ｂ）には、本発明によるマイクロ分離装置に用いるマイクロチップの第一の実施の形態が示されており、図１（ａ）はチップの上面図であり、図１（ｂ）はＡ−Ａ’面の断面図である。本発明によるマイクロ分離装置は、磁界を印加するための磁界発生装置が装着されているが、図１（ｂ）において、実施の一例として、マイクロチップの下方に永久磁石２０を配している。
【００１３】
このマイクロ分離装置用マイクロチップ１は、平板状基板に、中空流路が形成された、注入側流路部と集合部と集合流路部と分岐部と排出側流路部とを有するものであり、ホウ珪酸ガラスからなるスライドガラス（基板２）、中空流路となる溝を形成したポリエーテルスルホン樹脂からなる板（基板３）、液体の注入口および排出口となる穴を形成したホウ珪酸ガラスからなるスライドガラス（基板４）とを重ね合わせて作製することができる。材質としては、特に本発明に限定されるものではないが、目的に応じて、シリコン、前記ポリエーテルスルホン樹脂等の高分子材料、ガラス、金属等より、その耐蝕性、耐熱性、透明性、加工性などの特性から選ばれる。ただし、金属を使用する場合は、中空流路内にチップ平面を貫通する方向への磁界が形成されることを損なわないものでなければならない。
【００１４】
注入側流路部は、基板４に形成された液体の注入口５，６，７と、それぞれの注入口に対応し基板３に形成された微細中空流路８，９，１０とからなり、排出側流路部は、基板４に形成された液体の排出口１７，１８，１９と、それぞれの排出口に対応し基板３に形成された微細中空流路１４，１５，１６とからなるものである。注入側流路部は、合流部１１で１本の中空流路１２からなる集合流路部と連結され、集合流路部は、分岐部１３で排出側流路部と連結されている。ここでは、微細中空流路が３本の例を示したが、その数は限定されない。また、注入側流路部と排出側流路部の微細中空流路の数は、同数であることが好ましい。
【００１５】
中空流路１２の長さは、例えば、３０ｍｍに設定され、中空流路１２の幅は、例えば、３００μｍに設定され、中空流路１２の深さは、例えば、２００μｍに設定されている。
【００１６】
一方、第１微細中空流路８、第２微細中空流路９、第３微細中空流路１０、第４微細中空流路１４、第５微細中空流路１５および第６微細中空流路１６の長さは、例えば、５ｍｍに設定され、第１微細中空流路８、第２微細中空流路９、第３微細中空流路１０の幅は、例えば１２０μｍに設定され、第４微細中空流路１４、第５微細中空流路１５および第６微細中空流路１６の幅は、例えば、１００μｍに設定され、第１微細中空流路８、第２微細中空流路９、第３微細中空流路１０、第４微細中空流路１４、第５微細中空流路１５および第６微細中空流路１６の深さは、例えば、２００μｍに設定されている。
【００１７】
なお、これらの微細中空流路の長さは、特に限定されるものではなく、必要に応じて、任意の長さに設定することができるものであり、例えば、１ｍｍ〜１０００ｍｍの間の任意の値に設定することが可能である。
【００１８】
また、これらの微細中空流路の幅も、特に限定されるものではなく、必要に応じて、任意の大きさの幅に設定することができるものであり、例えば、１μｍ〜１０００μｍの間の任意の値に設定することが可能である。集合部１１と分岐部１３で、層流を乱さないように微細中空流路は、滑らかに形成されることが望ましい。また、注入側流路部における微細中空流路８，９，１０の断面積の合計は、集合流路部における中空流路１２の断面積より大きく、排出側流路部における微細中空流路１４，１５，１６の断面積の合計は、集合流路部における中空流路１２の断面積より小さいほうが、望ましい。
【００１９】
さらにまた、これらの微細中空流路の深さも、特に限定されるものではなく、必要に応じて、任意の大きさの深さに設定することができるものであり、例えば、１μｍ〜５ｍｍの間の任意の値に設定することができる。集合流路部における中空流路１２の深さと注入側流路部および排出側流路部における微細中空流路８，９，１０，１４，１５，１６の深さは同じであることが、層流を安定的に維持するのに有利であるが、かならずしも限定されるものではなく、層流を乱さないように滑らかに変化させることで、違う深さに設計してもよい。
【００２０】
基板４における注入口５，６，７および排出口１７，１８，１９は、ホウ珪酸ガラスからなるスライドガラスを、高速ドリル加工によって作成することができるが、他の方法、例えばフッ酸を用いたエッチング等の方法によっても良い。
【００２１】
基板３における中空流路となる溝は、ポリエーテルスルホン樹脂からなる板を、所定の厚さのポリエーテルスルホン樹脂からなるシートを、レーザー加工によって溝となる部分をくりぬいて作成することができるが、他の方法、例えば、抜き型を用いた打ち抜き加工等の方法によって作成しても良い。
【００２２】
以上のように作成されたスライドガラス４とポリエーテルスルホン樹脂からなる板３は、平坦なスライドガラス２と、図１のように注入口５，６，７および排出口１７，１８，１９が微細中空流路８，９，１０，１４，１５，１６と連結するように位置を合わせて重ねられ、締め具（図示せず）によって、液体が中空流路から漏れないように締め付けてマイクロチップ１を得ることができる。また、締め具によって固定する以外にも、適当な接着剤を用いてそれぞれの板を貼り合わせても良く、また、図１の基板２および基板３、もしくは基板３および基板４は、１つの板を加工して一体として作成してもよい。
【００２３】
本発明によるマイクロ分離装置は、図１に示されるマイクロチップ１の、少なくとも集合流路１２の部分に、マイクロチップの平面を貫通する方向に磁場を形成する磁場発生装置を配置することで作成される。例えば、マイクロチップを水平に配置した場合、マイクロチップの下または上または両側に永久磁石を配置することで達成される。両側に配置する場合はＮ極とＳ極が対抗するように配置することは言うまでもない。永久磁石以外に、電磁石やコイルを配置することも可能である。
【００２４】
次に、上記したマイクロ分離装置を用いて、荷電体を含む液体から、荷電体を分離する方法について説明する。
【００２５】
この実施の態様においては、図１に示されるマイクロチップ１に磁場発生装置を配置したマイクロ分離装置を使用する場合を示すが、正もしくは負の一方の荷電体だけを分離する場合は、分離するものを含む液体と、分離されたものを受け入れる液体のための注入口が２つ、それぞれを合流点に導く分岐微細中空流路が２つ、再び分岐し分離された側の液体と分離されたものを受け入れた側の液体を排出口に導く微細中空流路が２つ、それぞれに対応した排出口が２つあるマイクロチップを用いる。また、必要により、緩衝層となる液体を流すために必要となる注入口、分岐微細中空流路、排出口が４つ以上あるマイクロチップの使用においても、目的とする分離方法は同一である。
【００２６】
まず、分離する荷電体を含む第一の液体を、注入口６から、分離された正の荷電体を受け入れる第二の液体を、注入口７から、分離された負の荷電体を受け入れる第三の液体を、注入口５から、それぞれ同じ流量で注入する。３つの液体は分岐微細中空流路９，１０，８をそれぞれ通り、集合部１１で合流し、流動におけるレイノルズ数が小さいために層流となって、それぞれが混合することなく並行して集合中空流路１２を流れ、分岐部１３で、再びそれぞれの単独の流れに分岐し、第一の液体は、排出口１８へ、第二の液体は排出口１９へ、第三の液体は排出口１７に導かれ、外部に取り出される。
その際に、マイクロチップ１の集合中空流路１２の部分には、図１（ａ）の上面図においてマイクロチップ面と直交する方向で、手前から奥への方向に磁界が形成されているため、第一の液体中の正の荷電体は、第二の液体の方向にローレンツ力を受け、第二の液体中に移動する。第一の液体中の負の荷電体は、逆方向のローレンツ力を受けるため、第三の液体中に移動する。
【００２７】
第一の液体中の正の荷電体が受けるローレンツ力を図２によって説明する。図２は、上記の３つの液体が流れるマイクロチップの集合中空流路１２の部分と、印加されている磁界の向きを示している。第一の液体中の正の荷電体は、流れる方向が電流の向きとなり、電流ベクトルＩで表される。磁界の向きと強さは磁束密度ベクトルＢで表される。磁界中の電流に働く力をローレンツ力と呼び、磁界と電流が直角に交わる場合、
ｆ＝ＩＢで表される。
力の向きは、フレミングの左手の法則で知られるように、図２で示される第二の液体の方向となる。
【００２８】
一方、第一の液体中の負の荷電体が受けるローレンツ力は、図３に示されるように、電流の向きが反対になることによって、正の荷電体とは逆の、第三の液体の方向となる。
【００２９】
磁界の強さ、液体の流速、磁界中にある集合微細流路の長さを適切に設計することによって、分岐部１３において、良好な分離が達成され、それぞれを別々に取り出すことが可能となる。
【００３０】
本実施の態様においては、磁界をマイクロチップ１の上方から下方へ向かうように印加したため、第一の液体に含まれる正の荷電体は第二の液体へ、負の荷電体は第三の液体へ移動したが、磁界の向きを逆にすれば、移動する方向は逆となる。
【００３１】
分離に必要な集合流路部の長さが長くなると、マイクロチップが細長くなり扱いにくくなるが、そのような場合、集合流路部における中空流路を平面基板内で屈曲させて全体をコンパクトにすることができる。図４に示されるように、前記中空流路を屈曲させても、荷電体の移動方向は、常にその電荷の種類を受け入れる液体の方向を向く。
【００３２】
また、本発明のマイクロ分離装置は、共通の磁界発生装置の形成する磁界中に、複数枚のマイクロチップを配置することも可能である。
【００３３】
本発明のマイクロ分離装置は、原則的には、注入する液体の分岐微細流路数と排出する液体の分岐微細流路数は一致するものである。
【００３４】
ただし、分離された荷電体を受け入れる液体は、注入の段階では同一であっても良く、その場合は、マイクロチップ内で分岐することにより、注入口の数は排出口の数と異なっていても良い。
【００３５】
また、本発明のマイクロ分離装置のマイクロチップ内で、分離によって特殊な化学反応場を作り出す目的をもっている場合は、さらに別の注入口と微細流路を設け、流路の途中で合流させることも可能である。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、液体中に含まれる荷電体を効果的に他の液体に移動させ分離することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるマイクロ分離装置に用いるマイクロチップの一例を説明する為の図である。
【図２】本発明のマイクロ分離装置において、第一の液体中の正の荷電体が受けるローレンツ力を説明する図である。
【図３】本発明のマイクロ分離装置において、第一の液体中の負の荷電体が受けるローレンツ力を説明する図である。
【図４】本発明のマイクロ分離装置において、集合流路部が、折り返し構造の中空流路を有する場合の荷電体の移動方向を説明する図である。
【符号の説明】
１：マイクロチップ
２，３，４：基板
５，６，７：注入口
８，９，１０，１４，１５，１６：微細中空流路
１１：合流部
１２：中空流路
１３：分岐部
１７，１８，１９：排出口
２０：永久磁石

Claims

平板状基板に、中空流路が形成された、注入側流路部と集合部と集合流路部と分岐部と排出側流路部とを有するマイクロチップと、磁界印加部とを具備してなるマイクロ分離装置。
注入側流路部と排出側流路部とが、複数で同数の微細中空流路からなるものである請求項１記載のマイクロ分離装置。
注入側流路部と排出側流路部とが、複数で異なる数の微細中空流路からなるものである請求項１記載のマイクロ分離装置。
注入側流路部が、集合流路部の中空流路断面積よりも大きい中空流路総断面積を有し、排出側流路部が、集合流路部の中空流路断面積よりも小さい中空流路総断面積を有するものである請求項１〜３のいずれかに記載のマイクロ分離装置。
集合流路部が、折り返し構造の中空流路を有するものである請求項１〜４のいずれかに記載のマイクロ分離装置。
マイクロチップが、高分子材料とスライドガラスからなるものである請求項１〜５のいずれかに記載のマイクロ分離装置。
磁界印加部が、マイクロチップの上方および／または下方に磁場発生装置を配置してなるものである請求項１〜６のいずれかに記載のマイクロ分離装置。
請求項１〜７のいずれかに記載のマイクロ分離装置を用いて、正または負の荷電体を含む第一の液体を微細流路に送液し、第二の液体を、別の微細流路に送液し、並列に集合させ、印加された磁界中を通過することで、第一の液体中の荷電体にローレンツ力を生じせしめて、第二の液体側に荷電体を移動させ、第一の液体と第二の液体を分岐して排出させる電荷体の分離方法。
請求項１〜７のいずれかに記載のマイクロ分離装置を用いて、正および負の荷電体を含む第一の液体を微細流路に送液し、第二および第三の液体を、それぞれ別の微細流路に送液し、第一の液体が第二および第三の液体で挟まれるように並列に集合させ、印加された磁界中を通過することで、第一の液体中の荷電体にローレンツ力を生じせしめて、第二の液体側に正または負の荷電体を移動させ、第三の液体側には第二の液体側に移動させる荷電体とは反対の荷電体を移動させ、第一の液体、第二の液体および第三の液体を分岐して排出させる電荷体の分離方法。