JP2005297150A - 微小流路構造体及びそれを用いた液滴生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】微小流路内で平均粒径が１０μｍ未満であり、さらに粒径分散度が１０％未満の均一粒径の微小液滴を、工業的規模となる大量に生成することを可能とする微小流路構造体及びそれを用いた液滴生成方法を提供する。
【解決の手段】少なくとも一つの基板上に形成された第１の流路、第２の流路及び第３の流路を有する微小流路構造体であって、第１の流路は第１の流体導入口及び第１の流体排出口と連通しており、第２の流路は第２の流体導入口及び第２の流体排出口と連通しており、第３の流路は前記第１の流路と前記第２の流路と連通すると共に、第３の流路内の第２の流路側において流路が１以上の仕切り壁で分割されていることを特徴とする微小流路構造体及びそれを利用した液滴生成方法を用いる。
【選択図】なし

Description

本発明は、分取・分離用カラム充填剤に用いられる微小粒子や医薬品、含酵素カプセル、化粧品、香料、表示・記録材料、接着剤、農薬等に利用されるマイクロカプセルに用いられる微小粒子などの製造用として好適に用いられる微小流路構造体及びそれを用いた微小な液滴生成方法に関する。

近年、数ｃｍ角のガラス基板上に長さが数ｃｍ程度で、幅と深さがサブμｍから数百μｍの微小流路を有する微小流路構造体を用い、流体を微小流路へ導入することにより微小粒子の生成を行う研究が注目されている。微小粒子を生成する手段の一つとして、界面張力の異なる２種類の流体を、前記２種類の流体の交差部が存在する流路に導入し、一方の流体によりもう一方の流体をせん断することにより微小粒子を生成することができることが報告されている（例えば、特許文献１参照）。なおここでいう微小粒子とは、固体状の微小粒子の他にも微小液滴や微小液滴の表面だけが硬化した微小粒子（以下、「半硬化」という。）や、非常に粘性が高い半固体状の微小粒子も含む。

例えば、特許文献１に示されている手法は図１に示すように、基板（１）に連続相導入口（２）、連続相を導入する流路（以下、連続相導入流路（３）という）、分散相導入口（４）、分散相を導入する流路（以下、分散相導入流路（５）という）、連続相中に微小粒子化した分散相を排出する流路（以下、排出流路（７）という）及び排出口（８）を有したＴ字型の流路を有し、基板の流路面側にカバー体を接合した微小流路構造体であり、マイクロチャンネル中を流れる連続相に対し、分散相を前記連続相の流れに交差する向きで分散相供給口より排出し、前記連続相のせん断力によって、前記分散相の供給チャンネルの幅より径の小さい微小液滴を得ている。なお、図１の流路の一部断面図を図２に示した。ここで特許文献１には、連続相導入流路の幅及び分散相導入流路の幅は１００μｍであり、連続相導入流路の深さ及び分散相導入流路の深さは１００μｍと記載されている。なお、以下では、導入された連続相と分散相とが交差する部分を交差部（６）という。 特許文献１に記載された手法を用い分散相と連続相の流速を制御して送液を行うと、数μｍ〜数百μｍの微小液滴の生成が可能であり、分散相及び連続相の流量を制御することで生成する微小液滴の粒径を制御することが可能であることが記載されている。得られた微小液滴の粒径としては、特許文献１では分散相の送液圧を２．４５ｋＰａに固定し、連続相の送液圧を４．８５〜５．０３ｋＰａに変化させることで５〜２５μｍの粒径の微小液滴を得ていることが示されている。

しかしながら、流体のせん断力を用いて粒径が１０μｍ未満であり、かつ粒径分散度が良い液滴を生成することは一般的に非常に難しい。ここで、粒径分散度とは、粒径の標準偏差を粒径の平均値（以下、平均粒径という。）で割った値であると定義し、本発明において粒径分散度が良いとは、粒径分散度が１０％未満であることを意味する。

また、微小液滴を生成する別の手段として、２本の流路（以下、流路Ａ、流路Ｂとする）に挟まれた、前記２本の流路と連通する微小空間に、一方の流路Ａから液滴化したい流体を送液し、毛細管現象により前記微小空間に流体を引き込んだ後、流路Ａに残留する流体を取り除き、前記微小空間の容積に応じた体積の液滴を生成することが試みられている（例えば、特許文献２参照）。

特許文献２に示されている手法は図３に示すように、それぞれ所定の方向に延長される第１の流路Ａ（９）ならびに第２の流路Ｂ（１０）と、流路Ａならびに流路Ｂのそれぞれの流路壁において開口して流路Ａと流路Ｂとを連結する流路Ａならびに流路Ｂの太さより細い第３の流路Ｃ（１１）とを有し、流路Ａに導入された液体が、流路Ａの流路壁において開口する流路Ｃの開口部を介して毛細管現象により流路Ｃ内に引き込まれた後、流路Ａに残留する前記液体を取り除き、前記流路Ｃの容積に応じた体積の液滴を生成し流路Ｂに送り出している。

前述した特許文献２では、流路Ｃの容積が実質的にｎＬ（×１０^−９リットル：ナノリットル）オーダーであり、実施例にも５ｎＬのグルコース水溶液の液滴を生成している。これは粒径に換算すると約２００μｍ程度となる。さらに平均粒径の小さい液滴を生成するには、流路Ｃの容積を小さくする必要があり、流路Ｃの容積を０．５ｐＬ（×１０^−１２リットル：ピコリットル）未満とすれば平均粒径が１０μｍ未満の液滴を生成することが計算上可能である。しかしながら、０．５ｐＬの断面積は、０．５ｐＬの立方体を仮定した場合約８μｍ^３となる。この態様で液滴を生成した場合、液滴生成速度が遅いという問題がある。以下にその理由を記述する。

一般に空間を流れる流体の圧力損失（ΔＰ［Ｐａ］）は、以下に示す（式１）のハーゲン・ポアズイユの式に従う。

ΔＰ＝３２μＬｖ／Ｒ^２ （式１）
μ［Ｐａ・ｓ］は流体の粘性係数、Ｌ［ｍ］は流路長、ｖ［ｍ／ｓ］は流体の線速度、Ｒ［ｍ］は流路を円筒管とした場合の流路の直径である。従って、直径Ｒ［ｍ］、長さＬ［ｍ］の円筒管に線速度ｖ［ｍ／ｓ］で送液するときの力Ｆ_１［Ｎ］は以下の（式２）で示される。

Ｆ_１＝ΔＰ・πＲ^２／４＝８πμＬｖ （式２）
一方、毛細管現象で流体が引き込まれる力Ｆ_２［Ｎ］は一般に（式３）で示される。

Ｆ_２＝πＲＴｃｏｓθ （式３）
Ｔ［Ｆ／ｍ］は流体の表面張力、Ｒ［ｍ］は流路を円筒管とした場合の流路の直径である。

毛細管現象により流体が流路Ｃに入りこむためには、毛細管現象で流体が引き込まれる力Ｆ_２が圧力損失による力Ｆ_１より大きいことが条件であるので、Ｆ_２＞Ｆ_１である必要があることから（式４）の関係が成り立つ。

πＲＴｃｏｓθ＞８πμＬｖ （式４）
（式４）を変形して、
ｖＬ／Ｒ＜Ｔｃｏｓθ／８μ （式５）
となる。ここで、ガラス流路に対して水を流路Ｃに送り込むことを考えると、水の粘性係数μは１［ｍＰａ・ｓ］、表面張力Ｔは２６．２［ｍＮ／ｍ］、ガラスとの接触角θは０［度］として計算すると、
ｖ＜３．２７５Ｒ／Ｌ （式６）
となる。

今、平均粒径約６０μｍ程度の液滴を生成する場合を考える。この場合、流路Ｃの体積は、内径Ｒが５０μｍ、流路長Ｌが５０μｍの円筒状の体積に相当する。ガラス流路に対して水を流路Ｃに送り込む条件は（式６）を満たす必要があるから、ＲとＬを代入すると線速度ｖは３．２７５ｍ／ｓ未満である必要がある。ここで、内径Ｒ［ｍ］、の円筒状の流路を線速度ｖ［ｍ／ｓ］で流す時の送液速度ｕ［Ｌ／分］との関係は以下の（式７）で示される。

ｕ＝６０π（Ｒ／２）^２・ｖ・１０^３ （式７）
従って、上記の線速度３．２７５ｍ／ｓ未満の時の送液速度ｕは３８５μＬ／分未満となる。

一般に実際の生産量としては、年間約１万Ｌの液滴をスラリーとして得る場合が考えられる（以下、本発明においては、年間１万Ｌの液滴を含んだスラリーを生産する程度の能力を大量生産と定義することとする。）。また、マイクロリアクターの特徴として、同じ流路の本数を増やせば液滴の単位時間あたりの生産能力を向上させることができるナンバリングアップという概念が提唱されている。しかしながら、実際にマイクロリアクターを大量生産用にナンバリングアップした報告は本発明者らが実施した例（例えば非特許文献１参照）以外にはほとんど無い。非特許文献１で示されているように、例えば直径１３０ｍｍの微小流路基板に微小流路を放射状に配置した場合は１０〜１００本本程度、またその基板を積層した場合も５枚〜１０枚程度、その積層したマイクロリアクターを並列に設置したとしても５〜１０程度の並列が現時点での実績であり、流路の本数としては最大で１万本程度が現時点での現実的なナンバリングアップと想定できる。前述したマイクロリアクターによる大量生産システムを用いて、実稼動日数を２１０日、１日８時間送液したとして、年間１万Ｌの液滴のスラリーを生産するためには、１本の流路から１０μＬ／分以上の液滴をスラリーとして排出する能力が必要となる。

従って平均粒径約６０μｍ程度の液滴を生成する場合の送液速度は３８５μＬ／分未満であるため、十分に上記量産条件を満たすことがわかる。

一方、平均粒径約４μｍ程度の液滴を生成する場合を考える。この場合、流路Ｃの体積は、内径Ｒが５μｍ、流路長Ｌが５μｍの円筒状の体積に相当する。ガラス流路に対して水を流路Ｃに送り込む条件は（式６）を満たす必要があるから、線速度ｖは、３．２７５ｍ／ｓ未満である必要があり、（式７）からこのときの送液速度ｕは３．８６μＬ／分未満である必要がある。前述したマイクロリアクターによる大量生産システムで年間１万Ｌの液滴のスラリーを生産するには、１０μＬ／分以上の送液速度が必要であるため、この条件では想定目標の１／３未満しか生産できないことがわかる。実際、特許文献２の例では液滴を生成する原料を連続的に流す態様ではなく、液滴の原料となる液体を流したあと、液体を流路Ｃのみに蓄えるために流路Ａから液滴の原料となる液体を排除し、さらに流路Ｃに蓄えられた液体を流路Ｂに排出するために流路Ａに流体を送液する手段を伴っており、実質的には３．８６μＬ／分の数分の１〜数十分の１の送液速度となり、想定目標の１／１０〜１／３０程度以下の生産能力となる。従って、特許文献２の方法では、平均粒径が数μｍ程度で分散度が１０％未満の液滴を生成することが可能ではあるが、その生成速度が遅いために、実用的な工業的規模に相当する年間１万Ｌの生産に適用することは非常に困難であった。

国際公開ＷＯ０２／０６８１０４パンフレット

特開２００２−３５７６１６ Ａ．Ｋａｗａｉ、Ｔ．Ｆｕｔａｍｉら著、「ＭＡＳＳ−ＰＲＯＤＵＣＴＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭ ＯＦ ＮＥＡＲＬＹ ＭＯＮＯＤＩＳＰＥＲＳＥ ＤＩＡＭＥＴＥＲ ＧＥＬＰＡＲＴＩＣＬＥＳ ＵＳＩＮＧ ＤＲＯＰＬＥＴＳ ＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ＩＮ Ａ ＭＩＣＲＯＣＨＡＮＮＥＬ」， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ μ−ＴＡＳ ２００２ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，２００２年発行，３６８−３７０頁

以上のように前述したように流体のせん断力や毛細管現象により微小液滴を生成する従来の技術では、平均粒径が１０μｍ未満であり、かつ粒径分散度が１０％未満の均一粒径の液滴を大量に生成することは非常に困難であった。

本発明は、上記課題鑑みてなされたもので、微小流路内で平均粒径が１０μｍ未満であり、さらに粒径分散度が１０％未満の均一粒径の微小液滴を、工業的規模となる大量に生成することを可能とする微小流路構造体及びそれを用いた液滴生成方法を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決する手段として、少なくとも一つの基板上に形成された第１の流路、第２の流路及び第３の流路を有する微小流路構造体であって、第１の流路は第１の流体導入口及び第１の流体排出口と連通しており、第２の流路は第２の流体導入口及び第２の流体排出口と連通しており、第３の流路は前記第１の流路と前記第２の流路と連通すると共に、第３の流路内の第２の流路側において流路が１以上の仕切り壁で分割されている微小流路構造体を用い、前記第１の流路に導入された液体が、前記第１の流路の流路壁において開口する前記第３の流路の開口部を介して前記第３の流路内に送り込み、前記液体を送りこんだ後、前記第１の流路に残留する前記液体を取り除き、前記第３の流路の容積に応じた体積の液体を蓄え、前記蓄えた液体を前記仕切り壁を通過させることにより分割して液滴を生成し、前記第２の流路に前記液滴を送り出すことによる液滴生成方法を提供することで、上記の従来技術による課題を解決することができ、遂に本発明を完成することができた。以下、本発明を詳細に説明する。

本発明の微小流路構造体は、少なくとも一つの基板上に形成された第１の流路、第２の流路及び第３の流路を有する微小流路構造体であって、第１の流路は第１の流体導入口及び第１の流体排出口と連通しており、第２の流路は第２の流体導入口及び第２の流体排出口と連通しており、第３の流路は前記第１の流路と前記第２の流路と連通すると共に、第３の流路内の第２の流路側において流路が１以上の仕切り壁で分割されている微小流路構造体である。

前記仕切り壁の幅は特に制限はないが、前記第３の流路において導入される液体等の流体を２以上分割でき、一般的なフォトリソグラフィーとドライエッチングあるいはウェットエッチングで加工できる程度の幅が好ましい。さらには仕切り壁の幅は仕切り壁と仕切り壁の間隔よりも大きい方がより好ましい。これは、仕切り壁と仕切り壁の間から出てきた隣の液滴同士が合一することなく第２の流路に速やかに排出させるためである。また、前記仕切り壁の長さには特に制限は無いが、前記第３の流路の前記第１の流路の連通部から前記第２の流路の連通部まで連続していていることが第３の流路に蓄えた液体を確実に分割することができるのでより好ましい。また、仕切り壁の高さも特に制限はないが、流路Ｃ内の液体を確実に分割するためには、流路の深さと同じ高さであることが好ましい。

本発明の液滴生成方法は、前述した微小流路構造体を用いて、前記第１の流路に液体を導入し、前記第１の流路の流路壁において開口する前記第３の流路の開口部を介して前記第３の流路内に液体を送りこみ、前記液体を送りこんだ後、前記第１の流路に残留する前記液体を取り除き、前記第３の流路の容積に応じた体積の液体を蓄え、前記蓄えた液体を前記仕切り壁を通過させることにより分割して液滴を生成し前記第２の流路に前記液滴を送り出す液滴生成方法である。このようにすることで、流路Ｃの実質的体積をＶ［ｍ^３］とし、仕切り壁で区切られた数をＮとすると、Ｖ／Ｎ［ｍ^３］の体積の液滴がＮ個同時に生成可能となる。当然仕切り壁の数が多いほど平均粒径の小さい液滴が大量に生成される。

また本発明の微小流路構造体は、前記第３の流路の仕切り壁により分割された１分割分の実質的容量が０．５［ｐＬ］未満になるように前記第３の流路を仕切り壁により、複数かつ均等に分割することにより、平均粒径が１０μｍ未満であり、かつ粒径分散度が１０％未満の非常に均一な微小液滴を生成することが可能となる。

例えば、第３の流路を幅１００μｍ、深さ１μｍ、長さ５０μｍとし、仕切り壁は流路Ｃの流路Ｂ側の開口部近傍において、長さ１μ、仕切り壁の幅５μｍ、仕切り壁と仕切り壁の間隔５μｍとして、流路Ｃの幅方向に１０等分した仕切り壁を形成する。この場合、流路Ｃの体積は約５［ｐＬ］であり、この体積を１０等分に分割した平均粒径９．８μｍ液滴を１０個生成することができる。また、フォトリソグラフィーとドライエッチングあるいはウェットエッチングによる流路の製作精度は、一般に±５μｍ以内であるので、１０％未満の粒径分散度である均一な粒径の液滴を生成することができる。

なお、ここで述べる流路とは、特に断りが無い限り微小流路を意味している。一般的に微小流路とは、流路の幅が１μｍ〜５００μｍ、好ましくは５μｍ〜２００μｍであり、流路の深さは０．１μｍ〜２００μｍ、好ましくは１μｍ〜５０μｍであり、流路の長さは、１μｍ〜５０ｃｍ、好ましくは１０μｍ〜５ｃｍの流路を意味する。しかしながら、本発明における流路は、上記大きさの微小流路であってもよいが、特に上記範囲になければいけないということでもない。

また本発明の微小流路構造体は、前記第１の流路と前記第２の流路の流路壁の親媒性が、前記第３の流路の流路の流路壁との親媒性と異なる微小流路構造体である。

例えば、前記第１の流路と前記第２の流路の流路壁を疎水性とし、前記第３の流路の流路壁を親水性とすることにより、親水性の液滴を第３の流路に滞留させ、親水性の液滴を生成することがより容易になる。また逆に前記第１の流路と前記第２の流路の流路壁を親水性とし、前記第３の流路の流路壁を疎水性とすることにより、親水性の液滴を第３の流路に滞留させ、疎水性の液滴を生成することがより容易になる。

また本発明の液滴生成方法は、前記第３の流路の蓄えた液体を、前記仕切り壁を通過させることにより分割して液滴を生成し前記第２の流路に前記液滴を送り出す手段が、前記第１の流路に残留する前記液体を取り除くために前記第１の流路に送りこまれた流体の圧力による液滴生成方法である。このようにすることで、液滴の原料となる液体とそれを排除する流体を交互に送り込むことで、連続して液滴を生成することが可能となる。

ここで、液滴の原料となる液体を排除する流体が気体の場合は液滴と同時に気泡が流路Ｂに発生し、この気泡の影響で流路Ｂに排出された液滴が合一したり分割することで均一な粒径を維持することができなくなるため、液体であることがより好ましい。また、液滴の原料となる液体を排除する流体は、液体であれば特に制限はないが、排除用の液体自体が液滴とならないように前記第２の流路に送液している液体と同じ液体であることがより好ましい。

また本発明の微小流路構造体は、前記第３の流路の前記仕切り壁で区切られた部分の各々の容積が、実質的に等しいことを特徴とする微小流路構造体であり、このようにすることで、仕切り壁で分割した液滴の体積を正確に規定することが可能となり、平均粒径の分散度が１０％未満の非常に均一な粒径の液滴を生成することが可能となる。ここで、各々の容積が実質的に等しいとは、各々の容積の差が±５％未満であることを意味する。

また本発明の微小流路構造体は、前述した第１の流路と第２の流路と第３の流路を１組とした流路が平面的あるいは立体的に複数存在する微小流路構造体であり、また、前記第１の流路と前記第２の流路がすべて連通しており、前記第１の流路に連通した前記第１の流体導入口及び前記第１の流体排出口と、前記第２の流路に連通した前記第２の流体導入口及び前記第２の流体排出口が各々１つずつ備えられていても良い。このようにすることで、大量の液滴を生成することが可能となる。以下では図を用いてさらに本発明を詳細に説明する。

図４には本発明の微小流路構造を説明するための概念図が示されており、図５〜図８は図４の所定の個所の断面図が示されている。また、図９〜図１２には本発明の原理を説明する概念図が示されている。なお、この例では流路の内壁は親水性であり、親水性の液滴、例えば水の液滴を生成する場合を想定している。

図９〜図１２に示すように、第１の流路として流路Ａ（９）、第２の流路として流路Ｂ（１０）、第３の流路として流路Ｃ（１１）の３本の流路が、２本の流路Ａ、流路Ｂの間に流路Ｃを橋渡しするような構造を有している。流路Ｃが流路Ａと流路Ｂとを連結しており、流路Ｃの流路Ｂ側の開口部Ｂ（１５）には、仕切り壁（１６）が備えられている。なおこの場合、流路Ｃの流路Ａ側の開口部Ａ（１４）の断面積は流路Ａの開口部Ａ近傍の断面積よりも小さいことが好ましい。

このようにすることで、流路Ｃの毛管引力が流路Ａの毛管引力よりも大きいため、液体Ａが流路Ａから流路Ｃに入りこみやすくなり、逆に流路Ｃから流路Ａに出にくくなる。また、一般的に平均粒径が１０μｍ未満の液滴を生成する場合は、仕切り壁と仕切り壁の間隔により形成される断面積は、流路Ｂの断面積よりも小さいため、開口部Ｂでの端面における流路Ｃの毛管引力が流路Ｂの毛管引力よりも大きいため、流路Ｃ内に入り込んだ液体Ａは、流路Ｂ内に入り込むことはない。

そして図１０に示すように、流路Ａ内に残留する液体Ａを、例えば、流路Ａに別の液体Ｂ（２６）を適切な送液圧で送液し、液体Ａを流路Ａ内から取り除く。液体Ｂが適切な送液圧であれば、図１１に示すように流路Ｃ内の液体Ａは、流路Ｃ内に留まる。その結果、流路Ｃ内の液体Ａの両端面たる端面Ａ（２５）と端面Ｂ（２６）とが、流路Ｃの開口部Ａ（１４）ならびに開口部Ｂ（１５）に位置するようになり、３本の流路Ａ、流路Ｂ、流路Ｃのうちの流路Ｃ内のみに液体が瞬間的に残留する。その後、適切な送液圧で液体Ｂを流路Ａに送液することにより、図１２に示すように流路Ｃに蓄えた液体Ａを仕切り壁（１６）を通過させ実質的に等しい体積に分割することにより液滴（２７）を生成し流路Ｂに液滴を送り出す。

また、本発明は流路Ａ及び流路Ｂの親媒性と流路Ｃの親媒性とが互いに異なるように構成することがさらに好ましい。

流路Ｃの内壁のみを親水性にする場合は、微小流路基板をガラスなどの親水性の材料で微小流路基板を作製し、流路Ａ及び流路Ｂにシランカップリング剤をトルエン等に溶解させた疎水化溶液を送液すれば良い。この場合、疎水化溶液に対しては、流路Ａの断面積よりも流路Ｃの流路Ａ側の開口部の断面積を小さくし、流路Ｂの断面積よりも流路Ｃの流路Ｂ側の開口部近傍に備えられた仕切り壁の断面積を除いた部分の断面積が小さいため、流路Ｃには負の毛細管現象が流路Ａ、流路Ｂよりもより大きく働くので流路Ｃに疎水化溶液が入り込むことは無い。このようにすることで、流路Ａ及び流路Ｂの内壁を疎水性にし、流路Ｃの内壁を親水性にすることが可能となる。

また、また流路Ｃの内壁のみを疎水性にする場合は、微小流路基板を耐溶剤性が比較的高いポリエーテルイミドやポリアセタール、ナイロン等の疎水性の樹脂で微小流路基板を作製し、流路Ａ及び流路Ｂに無電解メッキ溶液を送液しＰｄやＮｉなどの金属で内壁を修飾すれば良い。この場合、無電解メッキ溶液に対しては、流路Ａの断面積よりも流路Ｃの流路Ａ側の開口部の断面積を小さくし、流路Ｂの断面積よりも流路Ｃの流路Ｂ側の開口部近傍に備えられた仕切り壁の断面積を除いた部分の断面積が小さいため、流路Ｃには負の毛細管現象が流路Ａ、流路Ｂよりもより大きく働くので流路Ｃに無電解メッキ溶液が入り込むことは無い。このようにすることで、流路Ａ及び流路Ｂの内壁を親水性にし、流路Ｃの内壁を疎水性にすることが可能となる。

なお、本発明では流路Ａ、流路Ｂの親媒性と流路Ｃの親媒性を異ならせる方法は上記方法に限定されるものではない。

以上のように、微小流路構造体を構成している微小流路を有する微小流路基板は、例えばガラスや石英、セラミック、シリコン、あるいは金属や樹脂等の基板材料を、機械加工やレーザー加工、エッチングなどにより直接加工することによって製作できる。また、基板材料がセラミックや樹脂の場合は、流路形状を有する金属等の鋳型を用いて成形することで製作することもできる。なお一般的に、前記微小流路基板は、流体導入口、流体排出口、および各微小流路の排出口に対応する位置に直径数ｍｍ程度の小穴を設けたカバー体と積層一体化させた微小流路構造体として使用する。カバー体と微小流路基板の接合方法としては、基板材料がセラミックスや金属の場合は、ハンダ付けや接着剤を用いたり、基板材料がガラスや石英、樹脂の場合は、百度〜千数百度の高温下で荷重をかけて熱接合させたり、基板材料がシリコンの場合は洗浄により表面を活性化させて常温で接合させるなどそれぞれの基板材料に適した接合方法が用いられる。

本発明の微小流路構造体は、少なくとも一つの基板上に形成された第１の流路、第２の流路及び第３の流路を有する微小流路構造体であって、第１の流路は第１の流体導入口及び第１の流体排出口と連通しており、第２の流路は第２の流体導入口及び第２の流体排出口と連通しており、第３の流路は前記第１の流路と前記第２の流路と連通すると共に、第３の流路内の第２の流路側において流路が１以上の仕切り壁で分割されており、この構造体を利用した本発明の液滴生成方法は、第１の流路に液体を導入し、第１の流路の流路壁において開口する第３の流路の開口部を介して第３の流路内に液体を送りこみ、液体を送りこんだ後、第１の流路に残留する液体を取り除き、第３の流路の容積に応じた体積の液体を蓄え、蓄えた液体を仕切り壁を通過させることにより分割して液滴を生成し第２の流路に液滴を送り出す方法である。このような微小流路構造体とそれを用いた液滴生成方法により、平均粒径１０μｍ未満の粒径分散度が１０％未満の均一な液滴を大量に生成することが可能となる。

また本発明の微小流路構造体は、第３の流路の仕切り壁により分割された１分割分の実質的容量が０．５［ｐＬ］未満である微小流路構造体であり、第３の流路に備えられた仕切り壁で第３の流路の体積に蓄えられた液体を０．５［ｐＬ］未満の体積に複数かつ均等に分割することで平均粒径が１０μｍ未満であり、かつ粒径分散度が１０％未満の非常に均一な微小液滴を大量に生成することが可能となる。

また本発明の液滴生成方法は、第１の流路に導入された液体を、第１の流路の流路壁において開口する第３の流路の開口部を介して第３の流路内に適切な送液圧により送り込み、一時的に第３の流路に液体を蓄え、第１の流路に別の液体を適切な送液圧により送液し、その送液圧により第３の流路の蓄えた液体を前記仕切り壁を通過させることにより分割して液滴を生成し第２の流路に液滴を送り出す液滴生成方法である。このようにすることで、液滴の原料となる液体とそれを排除する流体を交互に送り込み、連続して液滴を生成することが可能となる。

また、第１の流路及び第２の流路の流路壁を親水性とし、第３の流路の流路壁を疎水性とすることにより、疎水性の液滴を第３の流路に滞留させ、疎水性の液滴を生成することがより容易になる。また逆に第１の流路及び第２の流路の流路壁を疎水性とし、前記第３の流路の流路壁を親水性とすることにより、親水性の液滴を第３の流路に滞留させ、親水性の液滴を生成することがより容易になる。

また本発明の微小流路構造体は、第３の流路内の仕切り壁で区切られた部分の容積の各々が、実質的に等しい。このようにすることで、仕切り壁で分割した液滴の体積を正確に規定することが可能となり、平均粒径の分散度が１０％未満の非常に均一な粒径の液滴を生成することが可能となる。

また本発明の微小流路構造体は、前述した第１の流路と第２の流路と第３の流路を１組とした流路が平面的あるいは立体的に複数存在する微小流路構造体であり、また、第１の流路と第２の流路がすべて連通しており、第１の流路に連通した第１の流体導入口及び第１の流体排出口と、第２の流路に連通した第２の流体導入口及び第２の流体排出口が各々１つずつ備えられていても良い。このようにすることで、大量の液滴を生成することが可能となる。

以下に本発明の実施の形態の一例について説明する。なお本発明は、以下の実施の形態のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更が可能であることは言うまでもない。
（実施例）
本発明の実施例における液滴生成用微小流路基板の概略図を図１３に示す。微小流路は７０ｍｍ×２０ｍｍ×１ｔ（厚さ）のパイレックス（登録商標）ガラス上に、流路Ａ（９）、流路Ｂ（１０）、及び流路Ｃ（１１）を形成した。流路Ａと流路Ｂは一般的なフォトリソグラフィーとウエットエッチングにより形成した。流路Ａの流路幅は５００μｍ、流路深さは５０μｍ、流路長は３ｃｍである。また、流路Ｂの流路幅は３００μｍ、流路深さは５０μｍ、流路長は３ｃｍである。流路Ｃは、流路Ａと連通する開口部の幅が１００μｍ、流路Ｂと連通する開口部の幅が５００μｍ、長さは５０μｍ、深さを１μｍとした。また、図１４は、図１３のＦ部の一部分を拡大した図である。図１４に示すように流路Ｂと連通する開口部近傍に幅５．２μｍ、長さ１０μｍの仕切り壁（１６）を４．８μｍ間隔で開口部方向に等間隔に４９個備えた。以上の流路形状から、この実施例の場合の流路Ｃの実質的容量は約１５ｐＬである。

次に図１３に示すように流路Ａ用の流体導入口Ａ（２８）と流体排出口Ａ（２９）、流路Ｂ用の流体導入口Ｂ（３０）と流体排出口Ｂ（３１）を所定の位置に直径１ｍｍの貫通孔を形成した７０ｍｍ×２０ｍｍ×１ｔ（厚さ）のパイレックス（登録商標）ガラスのカバー体（３２）を微小流路基板（３３）に一般的な熱接合により接合し、図１５に示すような微小流路構造体（３４）を製作した。

次に図１６に示すように微小流路構造体（３４）の流路Ａ用の流体導入口Ａ（２８）と流体排出口Ａ（２９）、流路Ｂ用の流体導入口Ｂ（３０）と流体排出口Ｂ（３１）に流体を導入、排出できるように、テフロン（登録商標）製のチューブ（３６）を接続した。テフロン（登録商標）製のチューブは外径０．９ｍｍ、内径２００μｍ、長さ２０ｃｍである。流路Ａ用の流体導入口側のテフロン（登録商標）チューブには、セレクター（３７）を設けて、分散相（３８）の入ったシリンジポンプＡ（４０）と連続相（３９）の入ったシリンジポンプＢ（４１）を接続し、分散相と連続相を交互に切り替えて流せるようにした。流路Ｂ用の流体導入口側のテフロン（登録商標）チューブには、連続相（３９）の入ったシリンジポンプＣ（４２）を接続した。

なお、実際の液滴生成の前に、流路Ａと流路Ｂを以下の手順で疎水処理した。まず、飽和ＫＯＨエタノール溶液を０．４ｍＬ／時間の送液速度で２０分間流し、エタノールで同じ送液速度で１５分間洗浄した後、トルエンを同じ送液速度で１５分間流した。次にトルエンに体積比１０％のオクタデシルトリクロロシランを混ぜた疎水化溶液を送液速度０．４ｍＬ／時間で３時間流した。最後にヘキサンを用いて、送液速度０．４ｍＬ／時間で１５分間流し洗浄した。

実際の液滴を生成する際には、連続相に体積比３％のポリビニルアルコール水溶液を用い，分散相にモノマー（スチレン）、ジビニルベンゼン、酢酸ブチル及び過酸化ベンゾイルの混合溶液を用いた。

図１７に示すよう流路Ｂ（１０）には５μＬ／分の送液速度で連続相（３９）を流しつづけた。流路Ａ（９）にはにまず分散相（３８）を５μＬ／分の送液速度で導入した。分散相は流路Ａの流路壁（２２）において開口する流路Ｃ（１１）の開口部Ａ（１４）を介して開口部Ａから流路Ｃ内に導入され、流路Ａの断面積よりも流路Ｃの断面積が小さいことによる流路Ｃの毛管引力により、流路Ｃに導入された分散相は、流路Ａに逆流することは無かった。また、流路Ｃの反対側の流路端、即ち、流路Ｂの流路壁（２３）において開口している流路Ｃの開口部Ｂ（１５）まで到達した分散相は、流路Ｃ内の仕切り壁による毛細管引力によってせき止められ、流路Ｂ内に入り込むことはなく流路Ｃ内のみに分散相が残留した。

そして図１８〜図２０に示すように、流路Ａから連続相（３９）を２ＭＰａの送液圧で流すことで流路Ａ内に残留する分散相（３８）を取り除くと同時に、流路Ｃに蓄えた分散相（３８）を４９個の仕切り壁を通過させ５０個に分割することにより液滴（２７）を生成し流路Ｂ（１０）に生成した液滴を送り出し、この操作を１０回繰り返した。

生成された液滴をサンプル瓶（３５）で回収し、顕微鏡で１００個の液滴を観察したところ、平均粒径が８．９μｍ、粒径分散度が７．５％の微小液滴を生成することができた。

液滴を生成するためのＴ字型の流路の概念図（平面図）である。 Ｔ字型の流路のＡ−Ａ’断面拡大図である。 微小空間の容積に応じた体積の液滴を生成する流路の概念図（平面図）である。 本発明の微小流路構造を説明するための概念図（平面図）である。 図４におけるＢ−Ｂ’断面拡大図である。 図４におけるＣ−Ｃ’断面拡大図である。 図４におけるＤ−Ｄ’断面拡大図である。 図４におけるＥ−Ｅ’断面拡大図である。 本発明の原理を説明する第１の概念図（平面図）である。 本発明の原理を説明する第２の概念図（平面図）である。 本発明の原理を説明する第３の概念図（平面図）である。 本発明の原理を説明する第４の概念図（平面図）である。 本発明の実施例における液滴生成用微小流路基板の概略図（斜視図）である。 図１３のＦ部の一部分を拡大した斜視図である。 本発明の実施例における微小流路構造体の概略図（斜視図）である。 本発明の実施例における実験形態の概念図（斜視図）である。 本発明の実施例を説明する第１の概念図（平面図）である。 本発明の実施例を説明する第２の概念図（平面図）である。 本発明の実施例を説明する第３の概念図（平面図）である。 本発明の実施例を説明する第４の概念図（平面図）である。

符号の説明

１：基板
２：連続相導入口
３：連続相導入流路
４：分散相導入口
５：分散相導入流路
６：交差部
７：排出流路
８：排出口
９：流路Ａ
１０：流路Ｂ
１１：流路Ｃ
１２：開口部近傍Ａ
１３：開口部近傍Ｂ
１４：開口部Ａ
１５：開口部Ｂ
１６：仕切り壁
１７：断面積Ｓ１
１８：断面積Ｓ２
１９：断面積Ｓ３
２０：断面積Ｓ４
２１：液体Ａ
２２：流路Ａの流路壁
２３：流路Ｂの流路壁
２４：液体Ｂ
２５：端面Ａ
２６：端面Ｂ
２７：液滴
２８：流体導入口Ａ
２９：流体排出口Ａ
３０：流体導入口Ｂ
３１：流体排出口Ｂ
３２：カバー体
３３：微小流路基板
３４：微小流路構造体
３５：サンプル瓶
３６：チューブ
３７：セレクタ
３８：分散相
３９：連続相
４０：シリンジポンプＡ
４１：シリンジポンプＢ
４２：シリンジポンプＣ

Claims (9)

1. 少なくとも一つの基板上に形成された第１の流路、第２の流路及び第３の流路を有する微小流路構造体であって、第１の流路は第１の流体導入口及び第１の流体排出口と連通しており、第２の流路は第２の流体導入口及び第２の流体排出口と連通しており、第３の流路は前記第１の流路と前記第２の流路と連通すると共に、第３の流路内の第２の流路側において流路が１以上の仕切り壁で分割されていることを特徴とする微小流路構造体。
2. 前記第３の流路の前記仕切り壁で区切られた部分の容積の各々が、実質的に等しいことを特徴とする請求項１に記載の微小流路構造体。
3. 前記第３の流路の仕切り壁により分割された１分割分の液滴の実質的容量が０．５×１０^−１２リットル［ｐＬ］未満であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の微小流路構造体。
4. 前記第１の流路と前記第２の流路の流路壁の親媒性が、前記第３の流路の流路壁の親媒性と異なることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の微小流路構造体。
5. 請求項１〜４記載のいずれかに記載の流路が平面的あるいは立体的に複数存在することを特徴とする微小流路構造体。
6. 請求項１〜４記載のいずれかに記載の流路が平面的あるいは立体的に複数存在し、前記第１の流路と前記第２の流路がすべて連通しており、前記第１の流路に連通した前記第１の流体導入口及び前記第１の流体排出口と、前記第２の流路に連通した前記第２の流体導入口及び前記第２の流体排出口が各々１つずつ備えられたことを特徴とする微小流路構造体。
7. 前記第１の流路に導入された液体が、前記第１の流路の流路壁において開口する前記第３の流路の開口部を介して前記第３の流路内に送りこむ手段を有し、前記液体を送りこんだ後、前記第１の流路に残留する前記液体を取り除き、前記第３の流路の容積に応じた体積の液体を蓄え、前記蓄えた液体を前記仕切り壁を通過させることにより分割して液滴を生成し前記第２の流路に前記液滴を送り出す手段を有することを特徴とする請求項１〜６いずれかに記載の微小流路構造体を用いた液滴生成方法。
8. 前記第１の流路に導入された液体が、前記第１の流路の流路壁において開口する前記第３の流路の開口部を介して前記第３の流路内に送りこむ手段が、流体の圧力によることを特徴とする請求項７記載の液滴生成方法。
9. 前記第３の流路の蓄えた液体を前記仕切り壁を通過させることにより分割して液滴を生成し前記第２の流路に前記液滴を送り出す手段が、前記第１の流路に残留する前記液体を取り除くために前記第１の流路に送りこまれた流体の圧力によることを特徴とする請求項７又は請求項８記載の液滴生成方法。
   
   

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