JP2006051409A - マイクロリアクタ - Google Patents

Abstract

【課題】 合流路の壁面からの汚染や壁面の表面反応等の影響を受けず、反応生成物の分離、濃縮をおこなうように構成したマイクロリアクタを提供する。
【解決手段】 複数の流路と、これら複数の流路が合流する合流路と前記複数の流路を流れる流体を前記合流路で合流させ、合流による反応を促進するための光照射手段を有するマイクロリアクタにおいて、前記流路に磁界および／又は電界を印加する手段を設けた。

Description

近年、レーザ光による光触媒化学反応や光酵素化学反応を活用した超分子の創生、光反応を利用した酵素やたんぱく質などの生化学物質の分離・精製の制御を行う研究が進められている。また、レ−ザ光により生成されるプラズマを利用したスペクトル分析など状態分析への応用も勧められている。本発明はこのような分野で使用される反応容器としてのマイクロリアクタに関するものである。

マイクロリアクタは非常に小型の反応容器で、シリコン，水晶，ポリマー，金属など物理化学特性が明らかな物質で構成され、一般に長さ数ｃｍ、流体の流路の直径が１０〜１００μｍ程度に加工される。加工にはマイクロエレクトロニクスやマイクロマシン（ＭＥＭＳ）等の微細加工技術が用いられる。

生化学反応を行う容器をマイクロ化すると、微小空間に特有の効果が現れる。マイクロマシンのスケール効果として、マイクロ化に伴う表面積、体積比の増大により反応液を混合しなくても分子の拡散により混合が進み反応が起こりやすくなる。即ち、スケールが小さいと層流支配の流れとなり拡散距離を短くすれば短い時間で混合することが可能である。

このようなマイクロリアクタの先行技術しては下記の非特許文献や特許文献が知られている。

藤井 輝人：「集積型マイクロリアクタ−チップ」、 ながれ第20巻第2号（2001年4月発行）、pp.99-105 外輪 健一郎、草壁 克己：「マイクロリアクタ−で極めるCFD」、 Fluent Asian Pacific ニュースレター Fall（2002） 特開２００３−１２６６８６号公報

図３（ａ，ｂ）は上記非特許文献１，２に記載されたマイクロリアクタの構成を示すもので、Ｙ字型の流路を合流させる合流路に２液を流し、その２液の反応を行わせるものである。図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

図３（ａ，ｂ）において、１０は溝１１が形成されたＰＤＭＳ樹脂（Ｐｏｌｙ−ｄｉｍｅｔｈｙｌｏｘａｎｅ）であり、この溝は第１流路１１ａ、第２流路１１ｂ、合流路１１ｃで構成されている。１２ａは第１流路１１ａの端部に形成された第１流入口、１２ｂは第２流路１１ｂの端部に形成された第２流入口、１３は合流路１１ｃの端部に形成された流出口である。１４はＰＭＭＡ（メタクリル樹脂）でＰＤＭＳ樹脂１０の溝が形成された側を覆って固定されている。このようなマイクロリアクタの溝の断面は１００μｍ^２程度である。

図３（ｃ）は第１，第２流路１１ａ，１１ｂを流れてきた成分の異なる流体が合流路１１ｃで合流した状態を示すもので、スケールが小さいために層流支配の流れとなる。このようにマイクロスケールの流路内ではレイノルズ数が１より小さいケースがほとんどであり、例えば２種類の液相間で抽出操作等を行う場合に利用可能である。そして、層流状態であっても流れの幅を小さく（拡散距離を短く）すれば短い時間で混合することができる。

図４（ａ〜ｃ）は上記特許文献１に記載されたマイクロリアクタの構成を示す平面図である。図において図３と同一要素には同一符号を付している。
図（ａ）において切欠き２３は第１，第２流路が合流する合流点付近に形成され、その底部から合流路１１ｃまでの隔壁は１０μｍ程度の肉厚、加熱範囲は１００μｍ程度とされている。２０はレンズによって絞られたレーザ光である。
なお、この例では第１基板１０の材質としてはＳＵＳ，アルミ，ガラスなどが用いられる。

図４（ｂ）は第１基板１０の材質をガラスや透明プラスチックなどの光透過性部材で構成し、第１基板１０を用いて直接凸レンズやフレネルレンズを形成した例を示している。これらの場合でも凸レンズやフレネルレンズを介してレーザ光を照射して加熱し合流路を流れる流体の化学反応を促進する。

ところで、図３に示す従来のマイクロ流路を用いたマイクロリアクタは、流路を結合することによる分子の拡散による反応を目的とするものであり、図４に示すマイクロリアクタはレーザによって温度などを制御して合流路を流れる流体の化学反応を促進するものである。

しかしながら、流体の種類によっては単に加熱するだけでは限られた化学反応しか得られないという問題があった。また、レーザで合流路を流れる流体を加熱する際には光強度が強い領域が主反応領域となるため、生成・反応が生じる場合に、壁面からの汚染や壁面の表面反応等の影響を受けるという問題があった。

本発明は、さらに、この混合・反応を行わせるためにマイクロ流路を分岐し、分岐する部分に電界あるいは磁界を印加する機構を設け、反応生成物の分離、濃縮をおこなうように構成したマイクロリアクタを提供することを目的としている。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
複数の流路と、これら複数の流路が合流する合流路と前記複数の流路を流れる流体を前記合流路で合流させ、合流による反応を促進するための光照射手段を有するマイクロリアクタにおいて、前記流路に磁界および／又は電界を印加する手段を設けたことを特徴とする。

請求項２の発明は請求項１記載のマイクロリアクタにおいて、
前記合流路は下流側で複数路に分岐され、その分岐部分に前記磁界および／又は電界印加手段を設けたことを特徴とする。

請求項３の発明は請求項１又は２に記載のマイクロリアクタにおいて、
前記光照射手段から照射される光はレーザであって、前記レーザ光をレンズを介して照射するとともに、前記レーザは前記合流路の両側壁に接触しない程度に前記レンズで絞られていることを特徴とする。

本発明の請求項１および２ によれば次のような効果がある。
複数の流路と、これら複数の流路が合流する合流路と前記複数の流路を流れる流体を前記合流路で合流させ、合流による反応を促進するための光照射手段を有するマイクロリアクタにおいて、前記合流路の下流側を複数路に分岐し、その分岐部分に前記磁界および／又は電界印加手段を設けたので、従来のマイクロ流路の温度・圧力等の制御を行ったマイクロ流路内の拡散による混合・化学反応を利用した方法では得られない、特定の化学反応の促進、特定の反応生成物質の分離・濃縮が可能となる。

本発明の請求項３によれば、前記光照射手段から照射される光はレーザであって、前記レーザ光をレンズを介して照射するとともに、前記レーザは前記合流路の両側壁に接触しない程度に前記レンズで絞られているので、壁面からの汚染や壁面の表面反応等の影響のないリアクタを実現することができる。

本発明の実施形態の一例を図１に示す。なお、従来例として説明した図３，４と同一要素には同一符号を付している。
図１において、第１流入口１２ａからはＡ液が流入し、第２流入口１２ｂからはＢ液が流入する。これらの液は合流路１１ｃで合流し流出口１３ａ，１３ｂを介して流出する。
なお、図では省略するが第１基板１０の合流路１１ｃが形成された側には先に従来例で説明した図２で示すものと同様の第２基板が形成され、流入口１２ａ，１２ｂ、流出口１３ａ，１３ｂなどを覆っているものとする。

図１に示すように本発明のマイクロリアクタは、２種類の流体（実施例ではＡ液、Ｂ液）を導くＹ字型の第１，第２流入口１２ａ,１２ｂと、これらの液体が合流して光が照射される合流路１１ｃと、反応した流体が再び第１，第２流出路１３ａ，１３ｂへ分岐される出口付近に例えば電界印加手段（電極）１５を設けて電界（Ｄ）を印加できるように構成されている。

２種類の液体は合流した後分子の拡散により混合が進行して反応が進むが、ここでは合流路１１ｃの中程でレーザ出射装置（図示省略）を用いてレーザを照射して光化学反応を制御（促進）する。

反応液が光を吸収して促進するように反応部分の流路材料はこの励起光に対して透明材料が用いられる。そして、光反応が例えば特定の波長で生じる共鳴吸収に基づく反応であれば、この励起光に可変波長光源（例えば可変波長レ−ザ）を用いて特定の化学反応を制御することができる。図では３種類の波長の異なる光照射により特定の反応生成物質を光励起してイオン化する状態を示している。

ここで生じた反応生成物質をさらに、第１，第２流出路１３ａ，１３ｂへの分岐部分（Ｙ字型流路）で分岐する際に、分岐部分に電界印加手段１５を設けて電界を印加する。その結果、分岐後の一方の流路の光励起イオン化反応生成物質を分離あるいは、濃縮することが可能となる。

上記実施例では、特定波長の光照射による反応促進、特定波長による光励起イオン化および電界による分離・濃縮をマイクロリアクタ内の機能として付加しているが、反応生成物質の種類に応じてＹ字型流路の分岐部分に電界でなく磁界を印加するように構成することもできる。

図２（ａ，ｂ）は本発明の請求項３に関する説明図で、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ｂ断面図である。なお、図では図１に示す合流路１１ｃの部分のみを示している。この例では第１，第２基板の材料として光吸収が少ない光透過材料、例えば石英などの材料が用いられる。この場合、レーザ光はレンズ２１を介して照射されレーザはレンズ２１により合流路１１ｃの両側壁に接触しない程度に絞られている。

即ち、図２（ｂ）に示すように合流路１１ｃ内に集光されたレーザ光は壁面から離れて光強度が高いビ−ムウエストＰが位置し、この光強度の高い領域が主反応領域となる。従って、光強度が強い領域で生成・反応が生じる場合に、壁面からの汚染や壁面の表面反応等の影響を防止することができる。

なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。従って本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。

本発明のマイクロリアクタの実施形態の一例を示す図である。 レーザ光のビームウエストの位置を示す説明図である。 従来のマイクロリアクタの説明図である。 従来のマイクロリアクタの説明図である。

符号の説明

１０ 第１基板
１１ 溝
１１ａ 第１流路
１１ｂ 第２流路
１２ａ 第１流入口
１２ｂ 第２流入口
１３ａ 第１流出口
１３ｂ 第２流出口
１４ 第２基板
１５ 電界印加手段

Claims (3)

1. 複数の流路と、これら複数の流路が合流する合流路と前記複数の流路を流れる流体を前記合流路で合流させ、合流による反応を促進するための光照射手段を有するマイクロリアクタにおいて、前記流路に磁界および／又は電界を印加する手段を設けたことを特徴とするマイクロリアクタ。
2. 前記合流路は下流側で複数路に分岐され、その分岐部分に前記磁界および／又は電界印加手段を設けたことを特徴とする請求項１記載のマイクロリアクタ。
3. 前記光照射手段から照射される光はレーザであって、前記レーザ光をレンズを介して照射するとともに、前記レーザは前記合流路の両側壁に接触しない程度に前記レンズで絞られていることを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロリアクタ。