JP2006075679A - Two-phase flow stabilizing chip - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は化学反応や分析を行なわせるために、微量溶液中の物質、例えば微生物、蛋白質、核酸、糖質、抗原、抗体又はこれらが結合した混合物を抽出したり、二相流を安定化させる装置に関するものである。 The present invention extracts a substance in a minute amount of solution, for example, a microorganism, protein, nucleic acid, carbohydrate, antigen, antibody or a mixture of these, or stabilizes a two-phase flow in order to perform a chemical reaction or analysis. It relates to the device.
近年、分析化学の分野ではμTAS(Micro Total Systems)の研究が盛んになりつつあり、マイクロチップを用いて分析の高速・省サンプル・省溶媒化を図ることが期待されている。マイクロチップ上の微小空間中の反応では、従来の化学操作を用いた反応よりも反応効率を向上できる可能性も示されている。化学プロセスや装置の使用をミクロサイズで行う場合、マクロサイズで行なう場合に比べて、化学反応が起きる単位体積あたりの界面積(比界面積という)が大きいことから、液体と液体の界面で起こる現象の効率は高くなる。また、流体力学によりマイクロチャンネルを流れる液体は流路が微細なためにレイノルズ数が小さくなり、流れと同じ方向に平行な2層が形成されやすい。 In recent years, in the field of analytical chemistry, research on μTAS (Micro Total Systems) has been actively conducted, and it is expected to use a microchip to achieve high-speed analysis, sample saving, and solvent saving. In the reaction in the micro space on the microchip, there is a possibility that the reaction efficiency can be improved as compared with the reaction using the conventional chemical operation. When a chemical process or equipment is used at a micro size, the interface area per unit volume (called specific interface area) at which a chemical reaction occurs is larger than at a macro size, so it occurs at the liquid-liquid interface. The efficiency of the phenomenon is increased. Further, the liquid flowing through the microchannel due to fluid dynamics has a small Reynolds number because the flow path is fine, and two layers parallel to the same direction as the flow are easily formed.
例えば水とフェノールのような混じらない2液間で抽出を行う場合で流路が通常サイズの場合、液体は2層になったままでは反応場となる比界面積が小さく不利であるが、流路の空間サイズが小さい場合は拡散距離が短くなると同時に反応の比界面積も大きいので、機械的な混合を行う必要がなく、分子の拡散のみにより混合抽出が可能となる。 For example, when extraction is performed between two liquids such as water and phenol that are not mixed, and the flow path has a normal size, the liquid has a small specific interface area that becomes a reaction field if it remains in two layers, but it is disadvantageous. When the space size of the path is small, the diffusion distance is shortened and the specific interface area of the reaction is also large. Therefore, it is not necessary to perform mechanical mixing, and mixed extraction can be performed only by molecular diffusion.
これまで、流路(マイクロチャンネル)において二相流を安定化させるために、底面に溝状のガイドを設ける方法(非特許文献1参照。)や、底面に破線状ガイドラインを設ける方法(非特許文献2参照。)、オクタデシルトリクロロシランのトルエン溶液で化学修飾を行うことで疎水性に処理する方法(非特許文献3参照。)がとられてきている。しかし、より簡便な方法で二相流を安定に流す方法が望まれている。
また、例えばエマルジョンの分離を行うには、遠心分離する方法が一般的に用いられている。最近、マイクロチャンネルにおいて、エマルジョンを分離させる方法として、親水性の基板と疎水性の基板を張り合わせて作った流路にエマルジョンを通して相分離させる方法が報告された(非特許文献4参照。)が、より簡便な方法でエマルジョン分離させる方法が望まれている。
For example, a centrifugal separation method is generally used to separate the emulsion. Recently, as a method of separating an emulsion in a microchannel, a method of phase separation through an emulsion through a flow path formed by bonding a hydrophilic substrate and a hydrophobic substrate has been reported (see Non-Patent Document 4). A method of separating the emulsion by a simpler method is desired.
一般にマイクロチャンネルでは、レイノルズ数が小さいため二相流が形成されやすいが、溶媒の粘性やチャンネル表面との表面張力などにより、溶媒の種類によっては、二相流が形成されにくい場合がある。たとえば、ジクロロメタン/水、クロロホルム/水、n−へキサン/水などがこの例にあたる。つまりこれらの溶媒を用いてマイクロチャンネル中で相間分子輸送を行って溶媒抽出を行うことは、界面が不安定化しプラグ流になってしまうことから難しい。
本発明は、簡単な流路形状によってマイクロチップ中で安定した二相流を形成したり、エマルジョンを相分離できるようにすることを目的とするものである。
In general, in a microchannel, a two-phase flow is likely to be formed because the Reynolds number is small, but depending on the type of the solvent, a two-phase flow may be difficult to form due to the viscosity of the solvent or the surface tension with the channel surface. Examples include dichloromethane / water, chloroform / water, n-hexane / water, and the like. That is, it is difficult to carry out solvent extraction by carrying out interphase molecular transport in a microchannel using these solvents because the interface becomes unstable and becomes a plug flow.
An object of the present invention is to form a stable two-phase flow in a microchip with a simple flow path shape or to enable phase separation of an emulsion.
本発明は、基板内に1mm以下の幅と深さの断面形状をもつ流路を有するチップにおいて、前記流路の流通方向に直交する断面形状は第一、第二の凸型形状が接合した凸型であり、第一の断面形状は第二の断面形状と比べて断面積及び幅が大きいことを特徴とする二相流安定化チップである。
第一の断面形状をもつ流路部分の内面が親水性であり、第二の断面形状をもつ流路部分の内面が疎水性であることが好ましい。
そのための一方法として、第一の断面形状をもつ流路部分及び第二の断面形状をもつ流路部分の内面の一方又は両方が親水性又は疎水性に化学修飾することができる。
他の方法として、第一の断面形状をもつ流路部分を親水性の基板に形成し、第二の断面形状をもつ流路部分を疎水性の基板に形成してもよい。
2つの液入り口をもち、それらの液入り口につながる液流入路が前記流路に合流してつながることによって、二相流安定化チップを提供することができる。
In the present invention, in a chip having a channel having a cross-sectional shape with a width and depth of 1 mm or less in the substrate, the cross-sectional shape orthogonal to the flow direction of the channel is joined by the first and second convex shapes. The two-phase flow stabilizing chip has a convex shape, and the first cross-sectional shape is larger in cross-sectional area and width than the second cross-sectional shape.
It is preferable that the inner surface of the channel portion having the first cross-sectional shape is hydrophilic and the inner surface of the channel portion having the second cross-sectional shape is hydrophobic.
As one method for that purpose, one or both of the inner surface of the channel portion having the first cross-sectional shape and the channel portion having the second cross-sectional shape can be chemically modified to be hydrophilic or hydrophobic.
As another method, the flow channel portion having the first cross-sectional shape may be formed on the hydrophilic substrate, and the flow channel portion having the second cross-sectional shape may be formed on the hydrophobic substrate.
A two-phase flow stabilization chip can be provided by having two liquid inlets and connecting a liquid inflow path connected to the liquid inlets to the flow path.
前記チップにエマルジョンを流す場合、比界面積により二層流が形成されることによって相分離することができる。 When the emulsion is allowed to flow through the chip, phase separation can be achieved by forming a two-layer flow with a specific interface area.
本発明の二相流安定化チップは断面形状が凸型であることを特徴としており、流路の断面の比界面積の違いによって簡単な構造で二相流が安定化する。
流路部分の内面に化学修飾したり、又は親水性もしくは疎水性の性質を有する基板を用いることによって、第一の断面形状をもつ流路部分の内面をより親水性にし、第二の断面形状をもつ流路部分を疎水性とすることができ、二相流を一層安定化させることができる。
また、気―液の界面安定化においては、マイクロチェンネルを利用した気―液反応など合成反応にも応用できる。また、二相流の界面において抽出操作することもでき、エマルジョンなどの相分離に応用できる。
本発明の構成はごく単純な構造であり、様々なチップ作製工程に導入できるため、バルブ等を組み込んだ複雑なマイクロチップにも展開可能である。
このようにマイクロチップの高度集積化やマイクロチップ中の多層液形成のための新しい技術手段が提供される。
The two-phase flow stabilization chip of the present invention is characterized in that the cross-sectional shape is convex, and the two-phase flow is stabilized with a simple structure due to the difference in specific interface area of the cross section of the flow path.
By chemically modifying the inner surface of the flow channel portion or using a substrate having hydrophilic or hydrophobic properties, the inner surface of the flow channel portion having the first cross-sectional shape becomes more hydrophilic, and the second cross-sectional shape It is possible to make the flow path portion having the hydrophobicity, and it is possible to further stabilize the two-phase flow.
In addition, gas-liquid interface stabilization can also be applied to synthesis reactions such as gas-liquid reactions using microchannels. Moreover, extraction operation can also be performed at the interface of a two-phase flow, and can be applied to phase separation of an emulsion or the like.
Since the structure of the present invention is a very simple structure and can be introduced into various chip manufacturing processes, it can be applied to complicated microchips incorporating valves and the like.
In this way, new technical means for highly integrated microchips and multilayer liquid formation in the microchips are provided.
図1に一実施例の二相流安定化チップにおける流路の断面形状の例を示す。チップ中の流路の例としては、それぞれの基板2、4に流路となる溝3a、3bを形成し、それらの溝が重なって流路を形成するように2枚の基板を張り合わせる方法(図1−A)と、1枚の基板7に断面形状が異なる流路部分9a,9bをもつ流路となる溝9を形成し、その溝9の開口を閉じるように平坦な基板5を張り合わせる方法(図1−B)がある。
FIG. 1 shows an example of the cross-sectional shape of the flow path in the two-phase flow stabilization chip of one embodiment. As an example of the flow path in the chip,
それぞれの基板に流路となる溝を形成した2枚の基板を張り合わせて作製した(図1−A)の一実施例の製造方法を図2に示す。
(A)まず、ガラス基板30を洗浄した後、フォトレジスト32をコーティングする。
(B)次に、フォトマスク34を用いてUV(紫外)光をフォトレジスト32に露光する。
(C)その後、フォトレジスト32を現像してパターニングする。
(D)パターニングされたフォトレジスト32をマスクとして、基板30を例えば46%フッ酸水溶液にてエッチングして、流路溝36を形成する。
(E)フォトレジスト32を除去する。
(F)同様にして他の基板に断面の大きさの異なる流路溝を形成し、両基板の溝が形成されている面を向かい合わせ、フッ酸溶液により液密に接合することにより流路38を形成する。
FIG. 2 shows a manufacturing method of an embodiment (FIG. 1-A) produced by bonding two substrates each having a groove to be a flow path formed on each substrate (FIG. 1A).
(A) First, after the
(B) Next, the
(C) Thereafter, the
(D) Using the patterned
(E) The
(F) Similarly, the flow path grooves having different cross-sectional sizes are formed on the other substrates, the surfaces of the both substrates on which the grooves are formed face each other, and the flow paths are formed by liquid-tight bonding with a hydrofluoric acid solution. 38 is formed.
基板の素材としてはガラス基板の他、シリコン基板や樹脂基板を用いることができる。いずれの場合も上基板と下基板の接合面に、化学的に、機械的に、あるいはレーザー照射やイオンエッチング等の各種の手段によって流路となる溝を形成し、それらの溝が重なるように張り合わせることで、本発明で提案する凸型形状の流路を作りこむことができる。 As a substrate material, a glass substrate, a silicon substrate, or a resin substrate can be used. In any case, a groove to be a flow path is formed on the bonding surface of the upper substrate and the lower substrate chemically, mechanically, or by various means such as laser irradiation or ion etching so that the grooves overlap. By sticking together, the convex channel proposed in the present invention can be created.
本発明による流路の断面形状は凸型であり、第一の大きい断面形状と第二の小さい断面形状が合わさった形である。図3に断面形状の例を示す。それぞれの断面形状の加工の手段について、(B),(C),(D),(F),(H)に示す三角形又は台形の部分についてはシリコン基板のアルカリによる異方性エッチングにより、(E),(F),(G),(H)に示す曲線をもつ部分についてはウエットエッチングの方法により、また(A),(B),(C),(E),(G)の矩形についてはドライエッチングによる異方性エッチングの方法により、それぞれ形成することが可能である。 The cross-sectional shape of the channel according to the present invention is a convex shape, and the first large cross-sectional shape and the second small cross-sectional shape are combined. FIG. 3 shows an example of the cross-sectional shape. Regarding the means for processing each cross-sectional shape, the triangular or trapezoidal portions shown in (B), (C), (D), (F), and (H) are obtained by anisotropic etching of the silicon substrate with alkali ( The portions having curves shown in E), (F), (G), and (H) are processed by wet etching, and the rectangles (A), (B), (C), (E), and (G) are used. Can be formed by anisotropic etching using dry etching.
一実施例を図4および5によって示す。カバーとなる上基板2、下基板4は例えば石英ガラス基板である。上基板2及び4は上から見た図である。基板は流路を作製できる材質であればよい。ガラス基板2のガラス基板4との接触面側には、100μmの幅、40μmの深さを持つ流路用の溝8a(図5−B)と、液体又は気体導入用の2つの導入穴10−1、10−2と、排出のための排出穴10−3が形成されている。溝8は蛇行し、一端部は導入穴10−1、10−2の近傍で2つに分岐して導入穴10−1、10−2につながり、他端部は排出穴10−3につながっている。導入穴10−1、10―2及び排出穴10−3は貫通穴として形成されている。ガラス基板4のガラス基板2との接触面側には300μmの幅、40μmの深さの流路用の溝8b(図5−B)が形成されている。溝8aと溝8bは向かい合わせると重なる対称形に形成されている。両基板2、4の溝形成面を向かい合わせて密着させ、例えばフッ酸溶液による接合などの手段で液密に接合することで流路を形成する。
上記流路の幅と深さは例示であって、幅、深さとも変更することができる。
One example is illustrated by FIGS. The
The width and depth of the flow path are examples, and both the width and depth can be changed.
ガラス基板2とガラス基板4の溝形成面を向かい合わせに接合させたのが図5(A)のガラス基板6である。流路8の断面図を図5の(B)に示す。流路溝8aの幅12−2は100μm、流路溝8bの幅12−3は300μm、流路溝8aの深さ12−4は40μm、流路溝8bの深さ12−5は40μmである。
このような流路8において、導入穴10−1から気体を流し、導入穴10−2から水を流すと、流れやすい空気が流路幅の狭い方であるガラス基板2の流路8aを流れ、流れにくい水がガラス基板4の流路部分8bを流れるために、流路8の中で流体層の90度回転がおこり、ガラス基板2の流路部分8aを空気が、ガラス基板4の流路部分8bを水が選択的に流れる。
The
In such a
本チップの流路は、断面形状が上側と下側の基板で異なることを特徴としているが、流路内面を化学修飾することにより、さらに流路中の二相流を安定化することができる。例えば、10%オクタデシルトリクロロシランのトルエン溶液で化学修飾(非特許文献3参照。)を行うことで疎水性に処理する方法があり、また、TiO2などの光触媒よって親水性に処理する方法もある。 The flow path of this chip is characterized in that the cross-sectional shape differs between the upper and lower substrates, but the two-phase flow in the flow path can be further stabilized by chemically modifying the inner surface of the flow path. . For example, there is a method of hydrophobic treatment by chemical modification (see Non-Patent Document 3) with a toluene solution of 10% octadecyltrichlorosilane, and there is also a method of hydrophilic treatment by a photocatalyst such as TiO 2 . .
二相流を安定化させる手段として、化学修飾する方法以外に、疎水性、又は親水性の基板を用いることもできる。例えば、ガラス基板を用いることで親水性とし、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)を基板として用いることで疎水性とすることもできる。 As a means for stabilizing the two-phase flow, a hydrophobic or hydrophilic substrate can be used in addition to the chemical modification method. For example, it can be made hydrophilic by using a glass substrate and can be made hydrophobic by using PTFE (polytetrafluoroethylene) as a substrate.
前記に示した二相流を安定化させる手段は組み合わせることが可能であり、例えば、ガラス基板にエッチングによる手段で流路を形成し、これを化学処理したものを親水性基板として用い、ポリ四フッ化エチレン基板にエッチングにより流路を形成したものを疎水性基板として用いることができる。 The means for stabilizing the two-phase flow described above can be combined. For example, a flow path is formed on a glass substrate by means of etching, and this is chemically treated and used as a hydrophilic substrate. A hydrophobic substrate in which a flow path is formed by etching on a fluoroethylene substrate can be used.
流路の凸型断面形状による、二相流の安定化の模式図を図6に示す。図6(A)は二相流安定化チップを示し、図5(A)に示されたものである。(B)はチップ中の流路8の断面形状を示し、(C)は導入穴10−1、10−2からの流路が合流している部分の平面図で、2層の流れ22−1、22−2が示されている。(E)はその部分の断面形状である。(D)は流路が合流してから層の90度回転がおこった後の2層の流れ22−1、22−2が示されたものである。(F)はその部分の断面形状であり、上側に層の流れ22−1があることを示している。
例えば、相22−1として酢酸エチル、相22−2として水を流した場合、表面図(C)から(D)に移動していくに従って流路中の相が90度回転し、第一の相22−2の上に第二の相22−1が乗るような形になり、断面積の異なる流路を流れることによって二相流が安定していることがわかる。
図4及び図5の導入穴10−1と導入穴10−2から流す物質は、酢酸エチル/水のほか、空気/水など、様々な組み合わせができる。
FIG. 6 shows a schematic diagram of stabilization of the two-phase flow according to the convex cross-sectional shape of the flow path. FIG. 6A shows a two-phase flow stabilization chip, which is shown in FIG. (B) shows the cross-sectional shape of the
For example, when ethyl acetate is flowed as the phase 22-1 and water is flowed as the phase 22-2, the phase in the flow path rotates 90 degrees as it moves from the surface view (C) to (D). It turns out that the second phase 22-1 rides on the phase 22-2, and the two-phase flow is stable by flowing through the flow paths having different cross-sectional areas.
4 and 5 can be various combinations such as air / water in addition to ethyl acetate / water.
エマルジョンの分離を行なうためのチップ図の一実施例を図7および8によって示す。カバーとなる上基板2、下基板4は例えば石英ガラス基板である。ガラス基板2のガラス基板4との接触面側には、100μmの幅、40μmの深さを持つ流路用の溝11a(図8−B)と、エマルジョン導入用の導入穴14−1、排出のための排出穴14−2が形成されている。溝11は蛇行し、一端部は導入穴14−1につながり、他端部は排出穴14−2につながっている。導入穴14−1及び排出穴14−2は貫通穴として形成されている。ガラス基板4のガラス基板2との接触面側には300μmの幅、40μmの深さの流路用の溝11b(図8−B)が形成されている。溝11aと溝11bは向かい合わせると重なる対称形に形成されている。両基板2、4の溝形成面を向かい合わせて密着させ、例えばフッ酸溶液による接合などの手段で液密に接合することで流路を形成する。
上記流路の幅と深さは例示であって、幅、深さとも変更することができる。
One example of a chip diagram for performing emulsion separation is illustrated by FIGS. The
The width and depth of the flow path are examples, and both the width and depth can be changed.
ガラス基板2とガラス基板4の溝形成面を向かい合わせに接合させたのが図8(A)のガラス基板6である。流路11の断面図を図8の(B)に示す。流路溝11aの幅16−2は100μm、流路溝11bの幅16−3は300μm、流路溝11aの深さ16−4は40μm、流路溝11bの深さ16−5は40μmである。
このような流路11において、導入穴14−1から水と油のエマルジョンを流すと、流れやすい油部分が流路幅の狭い方であるガラス基板2の流路11aを流れ、流れにくい水部分がガラス基板4の流路部分11bを流れるために、流路11中のエマルジョンの相分離がおこり、ガラス基板2の流路部分11aに油部分が、ガラス基板4の流路部分11bに水部分が選択的に流れる。
The
In such a
エマルジョンを分離する際も、前記二相流を安定化させたときと同じように流路内面を親水性又は疎水性に化学修飾などの方法で処理することにより分離能をあげることが可能である。 When separating the emulsion, it is possible to increase the separation performance by treating the inner surface of the flow path with a hydrophilic or hydrophobic chemical modification in the same manner as when the two-phase flow is stabilized. .
本発明による二相流安定化チップを用いると、微少量の液―液抽出や微少量の気―液反応にも用いることができる。また、エマルジョンの分離を行なうこともできる。 When the two-phase flow stabilization chip according to the present invention is used, it can be used for a very small amount of liquid-liquid extraction and a very small amount of gas-liquid reaction. In addition, the emulsion can be separated.
2,4,5,6,7,30 ガラス基板
3,8,9,11 流路
3a,3b,8a,8b,9a,9b,11a,11b 流路部分
10−1,10−2,14−1 導入口
10−3,14−2 排出口
2, 4, 5, 6, 7, 30
Claims (6)
前記流路の流通方向に直交する断面形状は第一、第二の凸型形状が接合した凸型であり、
第一の断面形状は第二の断面形状と比べて断面積及び幅が大きいことを特徴とする二相流安定化チップ。 In a chip having a channel having a cross-sectional shape with a width and depth of 1 mm or less in a substrate,
The cross-sectional shape perpendicular to the flow direction of the flow path is a convex shape in which the first and second convex shapes are joined,
The two-phase flow stabilizing chip, wherein the first cross-sectional shape has a larger cross-sectional area and width than the second cross-sectional shape.
The two-phase flow stabilization chip according to any one of claims 1 to 4, wherein the flow path has one liquid inlet.
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