JP2006102585A - Manufacturing method of fine particles and microflow channel device - Google Patents

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JP2006102585A JP2004289978A JP2004289978A JP2006102585A JP 2006102585 A JP2006102585 A JP 2006102585A JP 2004289978 A JP2004289978 A JP 2004289978A JP 2004289978 A JP2004289978 A JP 2004289978A JP 2006102585 A JP2006102585 A JP 2006102585A
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伸治 手塚
Yoshihiro Norikane
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of fine particles capable of stably forming particles having a particle size distribution containing no unnecessary material for a long period of time. <P>SOLUTION: In the manufacturing method of fine particles, a first fluid flowing through a first flow channel 3-1 at a constant speed and a second fluid flowing through a second flow channel 3-2 at a constant speed are allowed to meet with each other and the vicinity of the flow channel meeting part is irradiated with pulse lasers condensed at constant time intervals. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、微小なギャップを形成するためのスペーサや高精細な画像を形成するためのトナーなどのように、高度に粒径の揃った微小粒子を製造する微小粒子の製造方法、その製造に用いるマイクロ流路デバイスに関する。   The present invention relates to a method for producing fine particles, such as spacers for forming minute gaps and toner for forming high-definition images. The present invention relates to a microchannel device to be used.

水と油のような本来混ざり合わないような物質同士であっても、一方の物質を微小な粒子として分散させることで、見かけ上混合した状態とすることができこの現象を乳化と呼んでいる。このような乳化状態が保持されるためには分散している粒子の径が比較的均一である必要がある。物質を粒子として分散させる方法としてはミキサーやホモジナイザにより攪拌することにより生じる剪断力により分散させる方法が知られている。
この方法によれば、攪拌のときに生じる剪断力と、得られる粒子の径との間に相関関係があり、攪拌速度に応じた平均粒径の粒子を製造することができる。しかしながら、ある容積を持った容器内を1または複数のミキサー等の攪拌手段で攪拌することで得られる攪拌速度、剪断力は容器内の場所により異なるために、得られる粒径の分布は比較的広いものになってしまうという問題がある。
また、粒径分布が広いと、生成された複数の粒子が時間経過とともに合体しやすく、それを回避するために多量の界面活性剤を添加することが行われている。しかしながら界面活性剤は粒子本来の機能としては不要な場合が多く、界面活性剤を添加した場合には、後工程で多くの水資源を投入して界面活性剤を除去する必要がある。また、粒径分布に関しては攪拌時間を長く取ることである程度の抑制が可能であるが、そのためには長い時間と多くのエネルギーが必要となる。
近年、均一な粒径分布の粒子を作製するためにT字型もしくはY字型の合流部を持つ微小流路を形成し、その一端から連続相となる水もしくは油を流し、さらにもう一端から粒子を形成したい分散相(連続相が水の場合は油、連続相が油の場合は水)を連続相よりも小さな流量で流し、これらの合流部において連続相の剪断力により分散相を切断し粒子化させるという方法(例えばhttp://www.intellect.pe.u-tokyo.ac.jp/research/emulsion/micro_channel_j.html)が提案されている。関連技術として、例えば特許文献1及び2記載の技術がある。
Even substances that do not normally mix with each other, such as water and oil, can be apparently mixed by dispersing one of the substances as fine particles. This phenomenon is called emulsification. . In order to maintain such an emulsified state, the dispersed particles need to have a relatively uniform diameter. As a method of dispersing a substance as particles, a method of dispersing by a shearing force generated by stirring with a mixer or a homogenizer is known.
According to this method, there is a correlation between the shearing force generated during stirring and the diameter of the obtained particles, and particles having an average particle diameter corresponding to the stirring speed can be produced. However, since the stirring speed and shearing force obtained by stirring the inside of a container having a certain volume with stirring means such as one or a plurality of mixers vary depending on the location in the container, the obtained particle size distribution is relatively There is a problem that it becomes wide.
In addition, when the particle size distribution is wide, a plurality of generated particles are likely to coalesce with time, and a large amount of surfactant is added to avoid this. However, the surfactant is often unnecessary as the original function of the particles, and when the surfactant is added, it is necessary to remove the surfactant by adding a large amount of water resources in a subsequent process. Further, the particle size distribution can be suppressed to some extent by taking a long stirring time, but this requires a long time and a large amount of energy.
In recent years, in order to produce particles with a uniform particle size distribution, a micro flow channel having a T-shaped or Y-shaped confluence is formed, and water or oil as a continuous phase is flowed from one end thereof, and from the other end. Flow the dispersed phase in which particles are to be formed (oil if the continuous phase is water, water if the continuous phase is oil) at a lower flow rate than the continuous phase, and cut the dispersed phase by the shearing force of the continuous phase at these junctions. A method of making particles into particles (for example, http://www.intellect.pe.u-tokyo.ac.jp/research/emulsion/micro_channel_j.html) has been proposed. As related technologies, for example, there are technologies described in Patent Documents 1 and 2.

図9は従来例に係る微小流路を用いた2流体の合流による粒子生成過程の説明図である。Y字型をした3本の流路のうちの二股に分岐した2本の流路3−1、3−2の一方3−1より連続相となる流体を流し、他方の流路3−2より粒子を形成させる流体を分散相として連続相よりも少ない流量で流す。この際に流路内壁は分散相に対して濡れ難く、連続相に対して濡れやすい材料もしくは処理が施されていることが望ましい。すると、流路合流部近傍において壁面には連続相が接した状態で分散相は流路に接触しない状態で合流する。
このような状態では連続相の速い流れにより分散相に剪断力が働き、切断され粒子となって下流側に流れてゆく。このとき連続相、分散相それぞれ一定の速度で流れており剪断力として働く力が一定であることから、それら流速及び粘度により決められた大きさの揃った粒子が分散相より形成される(図9(1))。
特開平9−225291号公報 特開2003−126686公報
FIG. 9 is an explanatory diagram of a particle generation process by the merging of two fluids using a microchannel according to a conventional example. A fluid that is a continuous phase is flowed from one of the two flow paths 3-1 and 3-2 that are bifurcated among the three Y-shaped flow paths, and the other flow path 3-2. A fluid that forms more particles is allowed to flow as a dispersed phase at a lower flow rate than the continuous phase. At this time, it is desirable that the inner wall of the flow path be subjected to a material or treatment that is difficult to wet with respect to the dispersed phase and easy to wet with respect to the continuous phase. Then, in the vicinity of the flow path merging portion, the dispersed phase merges in a state where the continuous phase is in contact with the wall surface and not in contact with the flow path.
In such a state, a shearing force acts on the disperse phase due to a fast flow of the continuous phase, and the particles are cut into particles and flow downstream. At this time, since the continuous phase and the dispersed phase flow at a constant speed and the force acting as a shearing force is constant, particles having a uniform size determined by the flow velocity and viscosity are formed from the dispersed phase (see FIG. 9 (1)).
JP 9-225291 A JP 2003-126686 A

しかしながら分散相として連続相よりも粘度の大きなものを用いた場合には、連続相により押される力の影響で壁面に近づき、連続相流路側の壁面にほぼ接して流れるようになる。その結果合流部より下流で切断されるようになり、このとき得られる粒子の径は上記した状態よりも広い分布を持つようになる(図9(2))。
流路壁面の撥液処理が不十分であったり流体中にごみなどが混入していたりすると、粒子生成の初期段階には図9(1)のように良好であっても経時的に図9(2)のようになっていく。そして最終的には図9(3)のようにまったく粒子が生成されなくなってしまうこともある。特に連続層として水相、分散層として連続層よりも粘度の高い油相を用いた場合にこの傾向は顕著である。
本発明は、不要な材料を含むことのない粒径分布の小さな粒子を長時間にわたり安定して形成可能な微小粒子の製造方法及びマイクロ流路デバイスを提供することを目的とする。
However, when a dispersed phase having a viscosity higher than that of the continuous phase is used, the dispersed phase approaches the wall surface due to the force exerted by the continuous phase and flows almost in contact with the wall surface on the continuous phase flow path side. As a result, the particles are cut downstream from the joining portion, and the particle diameter obtained at this time has a wider distribution than the above-described state (FIG. 9 (2)).
If the liquid-repellent treatment of the flow path wall surface is insufficient or dust or the like is mixed in the fluid, the initial stage of particle generation may be good as shown in FIG. It becomes like (2). Finally, particles may not be generated at all as shown in FIG. 9 (3). This tendency is particularly remarkable when an aqueous phase is used as the continuous layer and an oil phase having a higher viscosity than the continuous layer is used as the dispersed layer.
An object of the present invention is to provide a method for producing microparticles and a microchannel device capable of stably forming particles having a small particle size distribution without containing unnecessary materials over a long period of time.

上記目的を達成するために、請求項1記載の発明は、一定の速度で第1の流路を流れる第1の流体と、一定の速度で第2の流路を流れる第2の流体とを合流させ、その流路合流部近傍に一定の時間間隔で集光したパルスレーザを照射する微小粒子の製造方法を最も主要な特徴とする。
請求項2記載の発明は、請求項1記載の微小粒子の製造方法において、パルスレーザの照射方向が第1の流路と第2の流路とを含む平面に対して垂直である微小粒子の製造方法を主要な特徴とする。
請求項3記載の発明は、請求項2記載の微小粒子の製造方法において、照射するパルスレーザの集光位置がレーザ光進行方向において流体中に存在する微小粒子の製造方法を主要な特徴とする。
請求項4記載の発明は、請求項2又は3記載の微小粒子の製造方法において、照射するパルスレーザの集光位置が照射面内において第1の流体内にある微小粒子の製造方法を主要な特徴とする。
請求項5記載の発明は、請求項1記載の微小粒子の製造方法において、パルスレーザの照射方向が第1の流路と第2の流路とを含む平面に対して平行である微小粒子の製造方法を主要な特徴とする。
請求項6記載の発明は、請求項5記載の微小粒子の製造方法において、パルスレーザの集光位置がレーザ光進行方向において第1の流体中にある微小粒子の製造方法を主要な特徴とする。
請求項7記載の発明は、請求項1から6いずれか一項に記載の微小粒子の製造方法において、照射に用いるパルスレーザのパルス幅が1ns以下である微小粒子の製造方法を主要な特徴とする。
In order to achieve the above object, the first aspect of the present invention provides a first fluid that flows through the first flow path at a constant speed and a second fluid that flows through the second flow path at a constant speed. The most important feature is a method for producing fine particles that are irradiated and irradiated with a pulsed laser focused at a fixed time interval in the vicinity of the flow path merging portion.
According to a second aspect of the present invention, there is provided the method for producing a microparticle according to the first aspect, wherein the irradiation direction of the pulse laser is a microparticle that is perpendicular to a plane including the first channel and the second channel. The manufacturing method is the main feature.
The invention according to claim 3 is characterized in that, in the method for producing microparticles according to claim 2, the method for producing microparticles in which the focused position of the irradiating pulse laser exists in the fluid in the laser beam traveling direction is a main feature. .
The invention according to claim 4 is the method for producing microparticles according to claim 2 or 3, mainly comprising the method for producing microparticles in which the focused position of the pulse laser to be irradiated is in the first fluid within the irradiation surface. Features.
The invention according to claim 5 is the method for producing microparticles according to claim 1, wherein the irradiation direction of the pulse laser is parallel to the plane including the first flow path and the second flow path. The manufacturing method is the main feature.
The invention according to claim 6 is characterized in that, in the method for producing microparticles according to claim 5, the method for producing microparticles in which the focused position of the pulse laser is in the first fluid in the laser beam traveling direction is the main feature. .
The invention according to claim 7 is characterized in that, in the method for producing microparticles according to any one of claims 1 to 6, the method for producing microparticles in which the pulse width of the pulse laser used for irradiation is 1 ns or less. To do.

請求項8記載の発明は、請求項1から7いずれか一項に記載の微小粒子の製造方法において、用いる第1の流体の沸点が第2の流体の沸点より低い微小粒子の製造方法を主要な特徴とする。
請求項9記載の発明は、少なくとも第1の流路と、第1の流路と合流する第2の流路とを備え、さらに流路上部に蓋が設けられた構造の流路デバイスにおいて、流路合流部近傍が光透過部材よりなり、この光透過部材に集光作用のある光学素子が形成されているマイクロ流路デバイスを最も主要な特徴とする。
請求項10記載の発明は、請求項9記載のマイクロ流路デバイスにおいて、光学素子が凸レンズであるマイクロ流路デバイスを主要な特徴とする。
請求項11記載の発明は、請求項9記載のマイクロ流路デバイスにおいて、光学素子が回折光学素子であるマイクロ流路デバイスを主要な特徴とする。
請求項12記載の発明は、少なくとも第1の流路と、第1の流路と合流する第2の流路とを備え、さらに流路上部に蓋が設けられた構造の流路デバイスにおいて、流路合流部近傍が光透過部材よりなり、この光透過部材に対向する流路部が、光を反射する部材よりなり集光作用のある光学素子が形成されているマイクロ流路デバイスを最も主要な特徴とする。
請求項13記載の発明は、請求項12記載のマイクロ流路デバイスにおいて、光学素子が凹面鏡であるマイクロ流路デバイスを主要な特徴とする。
The invention described in claim 8 is mainly a method for producing microparticles according to any one of claims 1 to 7, wherein the boiling point of the first fluid used is lower than the boiling point of the second fluid. Features.
The invention according to claim 9 is a flow channel device having a structure including at least a first flow channel and a second flow channel that merges with the first flow channel, and further having a lid on the upper portion of the flow channel. The micro flow channel device in which the vicinity of the flow path merging portion is made of a light transmitting member and an optical element having a light collecting action is formed on the light transmitting member is the main feature.
The invention according to claim 10 is characterized in that, in the microchannel device according to claim 9, the microchannel device in which the optical element is a convex lens.
An eleventh aspect of the invention is characterized in that, in the microchannel device according to the ninth aspect, the microchannel device in which the optical element is a diffractive optical element.
The invention according to claim 12 is a flow channel device having a structure including at least a first flow channel and a second flow channel that merges with the first flow channel, and further having a lid provided on an upper portion of the flow channel. Most important is a microchannel device in which the vicinity of the channel confluence is made of a light transmitting member, and the channel portion facing the light transmitting member is made of a member that reflects light and has an optical element with a light collecting function. Features.
A thirteenth aspect of the invention is characterized in that, in the microchannel device according to the twelfth aspect, the microchannel device in which the optical element is a concave mirror.

本発明の微小粒子の製造方法においては、流体の一部が一定の時間間隔で気化し、流体中の流れを分断するために確実に粒子を形成することができる。
また、照射するレーザの集光位置が流体中さらには第1の流体中であるために流路や構成部材、粒子の材料となる第2の流体への熱損傷を与えることなく粒子を製造することができる。
また、パルス幅が非常に短いレーザ光を用いているので、集光された光子密度の高いごく微小領域でのみ熱影響が生じるために、必要部以外の損傷及び熱影響を著しく低減することができる。
また、第1の流体の融点が低いために確実に先に気化するため、第2の流体の粒子を確実に作製することができる。
本発明のマイクロ流路デバイスにおいては、流路合流部近傍の蓋部が光を透過させることができ、かつ集光作用のある光学素子を設けてあるために、この部分に対して流路外より光を照射することにより、合流部近傍の流体中に集光させ光子密度の高い領域を作り出すことができる。
また、流路合流部近傍に、反射により集光作用のある光学素子が形成されておりかつ、この部分に対向する蓋部が光を透過することができる構造であるので、流路デバイス外部より導入した光を流路合流部近傍の流体中に集光させ光子密度の高い領域を作り出すことができる。
In the method for producing microparticles of the present invention, a part of the fluid is vaporized at a constant time interval, and the particles can be reliably formed to break the flow in the fluid.
Further, since the condensing position of the laser to be irradiated is in the fluid and further in the first fluid, the particles are manufactured without causing thermal damage to the flow path, the constituent members, and the second fluid as the material of the particles. be able to.
Also, since laser light with a very short pulse width is used, thermal effects occur only in very small regions with high photon density, which can significantly reduce damage and thermal effects other than necessary parts. it can.
In addition, since the first fluid has a low melting point and is surely vaporized first, the particles of the second fluid can be reliably produced.
In the micro-channel device of the present invention, the lid near the channel merging portion can transmit light and is provided with an optical element having a light collecting function. By irradiating more light, it is possible to create a region with high photon density by condensing in the fluid near the confluence.
In addition, an optical element having a condensing function is formed in the vicinity of the flow path merging portion, and the lid portion facing this portion can transmit light. The introduced light can be collected in the fluid in the vicinity of the flow path confluence and a region with a high photon density can be created.

以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。
図1は本発明の実施形態に係る微小粒子の製造方法の説明図である。図9と同様にY字型流路を持つマイクロ流路デバイスに対して、第1の流路3−1に対しては図示しない送液手段より連続相(第1の流体)を一定流量で流し、第2の流路3−2に対しては分散相となる材料(第2の流体)を連続相より少ない一定の流量で流す(図1(1))。符号3−3は流路合流部を示す。図中の矢印は送液方向を示している。
本発明においては、二股に分岐した第1及び第2の流路3−1、3−2の合流部から一本の第3の流路に合流するようにしたY字型流路において、一定の速度で第1の流路3−1を流れる第1の流体(連続相)と、一定の速度で第2の流路3−2を流れる第2の流体(分散相)とを合流させ、その流路合流部近傍に一定の時間間隔で集光したパルスレーザを照射することにより、第2の流体の一部を一定の時間間隔で気化させ、第2の流体中の流れを分断するために確実に所定粒径の粒子を形成することが可能となる。
照射するパルスレーザの集光位置がレーザ光進行方向において第1の流体中に存在するので、流路や構成部材、粒子の材料となる第2の流体への熱損傷を与えることなく粒子化することができる。
本発明では、流路の適所、合流部の近傍に集光素子を配置して流路を構成する材料を透過してきたパルスレーザ光を流体中に集光させるようにしている。このパルスレーザ光の集光手段については後述する。
この状態で集光素子を含む領域に対して短パルスレーザを一定間隔で照射する。レーザ光のうち集光素子に入射した光は集光され流体内に焦点を結ぶ。照射に用いているレーザ光はパルス幅が短いために、ピークパワーとして数メガワットに達し、それをレンズにより微小領域に集光しているために、集光しない状態では透過してしまう光でも複雑な非線形効果により吸収が生じ熱が発生する。この熱により集光された領域の流体は瞬時に加熱気化し気泡を生じる。この気泡により流路内の下流側にある流体は分断される(図1(2))。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is an explanatory view of a method for producing fine particles according to an embodiment of the present invention. Similarly to FIG. 9, for a microchannel device having a Y-shaped channel, a continuous phase (first fluid) is supplied to the first channel 3-1 at a constant flow rate by a liquid feeding means (not shown). A material (second fluid) that becomes a dispersed phase is allowed to flow through the second flow path 3-2 at a constant flow rate smaller than that of the continuous phase (FIG. 1 (1)). Reference numeral 3-3 denotes a flow path junction. The arrows in the figure indicate the liquid feeding direction.
In the present invention, in the Y-shaped channel that is joined to one third channel from the junction of the first and second channels 3-1 and 3-2 that are bifurcated, it is constant. A first fluid (continuous phase) that flows through the first flow path 3-1 at a speed of 2 mm and a second fluid (dispersed phase) that flows through the second flow path 3-2 at a constant speed, In order to divide the flow in the second fluid by irradiating a part of the second fluid by irradiating the vicinity of the flow path confluence with a pulsed laser beam focused at a constant time interval. It is possible to reliably form particles having a predetermined particle diameter.
Since the focused position of the pulse laser to be irradiated exists in the first fluid in the laser beam traveling direction, the particles are formed without causing thermal damage to the flow path, the constituent members, and the second fluid that is the material of the particles. be able to.
In the present invention, a condensing element is disposed at an appropriate position in the flow path and in the vicinity of the merge portion so that the pulsed laser light transmitted through the material constituting the flow path is condensed in the fluid. The means for condensing the pulse laser beam will be described later.
In this state, a short pulse laser is irradiated to the region including the condensing element at a constant interval. Of the laser light, the light incident on the condensing element is condensed and focused in the fluid. Because the laser beam used for irradiation has a short pulse width, it reaches a peak power of several megawatts and is focused on a very small area by a lens. Absorption is caused by a nonlinear effect and heat is generated. The fluid in the region condensed by this heat is instantaneously heated and vaporized to generate bubbles. The fluid on the downstream side in the flow path is divided by the bubbles (FIG. 1 (2)).

照射される光はごく短時間であるために、その後気化した部分は冷却され直ちに液相へ戻る。このとき連続相の流量は多く流路内に占める体積が多いために、前後の液相と一体化し再び連続相を形成する。これに対して分散相は流量が少ないために、孤立した状態で表面張力の影響で球形となりながら下流へ流れて行き粒子が形成される(図1(3))。
このときそれぞれの流体の流量及びパルスレーザの照射間隔が一定であるために生じる気泡により切断される分散相の体積は一定となり、その結果粒径の揃った粒子が得られる。照射するレーザ光としてはそのパルス幅の短いものの方が望ましい。これはパルス幅が短いほど同じ出力であってもピークパワーとして大きくなり、短時間に効率よく加熱ができることを意味する。これを集光することによりさらに領域を選択して加熱することができるようになる。
すなわち、集光されない状態では照射されてもほとんど加熱されず、ある面積以下に集光された部分のみが沸点以上に加熱され気化することができる。この集光場所として連続相の内部に限定することができれば分散相はほとんど温度変化がなく粒子化することができる。これは温度により変質してしまうような材料を粒子化する際に特に効果的である。
また、流路デバイスに熱が加わることを防ぐことができ長期にわたって流路デバイスを使用することを可能とする。また、レーザ光は図7に示すように流路基板面(第1の流路と第2の流路を含む平面)に対して垂直(直交)してもよいし、図8に示すように流路基板面に対して平行に照射することもできる。
なお、照射するパルスレーザの集光位置が照射面内において第1の流体内にあるように構成することにより、流路や構成部材、粒子の材料となる第2の流体への熱損傷を有効に防止できる。
また、照射に用いるパルスレーザとして、パルス幅が非常に短く設定されている(例えば、1ns以下)ので、集光された光子密度の高いごく微小領域でのみ熱影響が生じるために、必要部以外の損傷及び熱影響を低減できる。
また、用いる第1の流体の沸点が、第2の流体の沸点より低いように設定することにより、第2の液体が確実に気化することとなり、第2の流体の粒子を容易に形成できる。
Since the irradiated light is for a very short time, the vaporized portion is cooled and immediately returned to the liquid phase. At this time, since the flow rate of the continuous phase is large and the volume occupied in the flow path is large, it is integrated with the front and back liquid phases to form a continuous phase again. On the other hand, since the flow rate of the dispersed phase is small, it flows downstream while forming a spherical shape under the influence of surface tension in an isolated state, and particles are formed (FIG. 1 (3)).
At this time, since the flow rate of each fluid and the irradiation interval of the pulse laser are constant, the volume of the dispersed phase cut by the generated bubbles is constant, and as a result, particles having a uniform particle diameter are obtained. It is desirable that the laser beam to be irradiated has a short pulse width. This means that the shorter the pulse width, the larger the peak power even if the output is the same, and efficient heating can be achieved in a short time. By condensing this, it becomes possible to further select and heat the region.
That is, in the state where it is not condensed, it is hardly heated even if it is irradiated, and only the part condensed to a certain area or less can be heated to the boiling point or more and vaporized. If this condensing place can be limited to the inside of the continuous phase, the dispersed phase hardly changes in temperature and can be made into particles. This is particularly effective when a material that is altered by temperature is made into particles.
Further, heat can be prevented from being applied to the flow channel device, and the flow channel device can be used over a long period of time. Further, the laser beam may be perpendicular (orthogonal) to the flow path substrate surface (a plane including the first flow path and the second flow path) as shown in FIG. 7, or as shown in FIG. Irradiation can be performed in parallel to the flow path substrate surface.
In addition, by constructing the focused position of the pulse laser to be irradiated within the first fluid within the irradiation surface, it is possible to effectively prevent thermal damage to the second fluid, which is the material of the flow path, the constituent members, and the particles. Can be prevented.
In addition, since the pulse width used for irradiation is set to a very short pulse width (for example, 1 ns or less), a thermal effect occurs only in a very small region where the condensed photon density is high. Damage and thermal effects can be reduced.
Moreover, by setting the boiling point of the first fluid to be used to be lower than the boiling point of the second fluid, the second liquid is surely vaporized, and the particles of the second fluid can be easily formed.

次に流路へのパルスレーザ光の導入法及びそれを実現する流路デバイスについて説明する。図7は一般的なマイクロ流路デバイスの構成図(その1)、図8は一般的なマイクロ流路デバイスの構成図(その2)である。符号1は蓋、2は流路基板、3は流路、4は集光素子を示す。図7、図8に示すようにレーザ光発生手段と流路3との間に集光素子4を配置し、これによりレーザ光を流路3内へ導入し流体中で集光させる構成とすることができる。
しかしながらこの構成においては集光素子4の焦点距離として比較的長い距離が必要であり、その結果得られるレーザ光の集光スポットが比較的大きくなってしまい、加熱される流体の領域が大きくなってしまう。そこで望ましくは以下に説明するように流路デバイスに集光素子を一体で形成しその焦点距離を短くし集光スポット径を小さくしたものが望ましい。
図2は本発明の第1の実施形態に係るマイクロ流路デバイスの構成図であり、(1)は蓋1の構成を示し、(2)は流路基板2の構成を示す。実際には流路基板2の上に蓋1が接合されており、2ヶ所有る流入口5はそれぞれ図示しない送液手段に接続され、流出口6は図示しない粒子回収手段へと接続されている。
蓋1はガラスや樹脂などの透明材料よりなっており、流路合流部3−3に対向する部分には集光素子4として凸レンズが形成されている。集光素子4としては凸レンズのほかに屈折率分布型レンズ、フレネルレンズ、回折光学素子のいずれを用いることもできる。
即ち、本実施形態は、少なくとも第1の流路3−1と、第1の流路と合流する第2の流路3−2とを備え、さらに流路上部に蓋1が設けられた構造の流路デバイスにおいて、流路合流部近傍が光透過部材よりなり、この光透過部材に集光作用のある光学素子が形成されている点が特徴的である。
このように本発明のマイクロ流路デバイスにおいては、流路合流部近傍の蓋部1が光を透過させることができ、かつ集光作用のある光学素子4を設けてあるために、この部分に対して流路外より光を照射することにより、合流部近傍の流体中に集光させ光子密度の高い領域を作り出すことができる。
Next, a method of introducing pulsed laser light into the flow channel and a flow channel device that realizes the method will be described. FIG. 7 is a configuration diagram (No. 1) of a general micro-channel device, and FIG. 8 is a configuration diagram (No. 2) of a general micro-channel device. Reference numeral 1 denotes a lid, 2 denotes a flow path substrate, 3 denotes a flow path, and 4 denotes a light collecting element. As shown in FIGS. 7 and 8, the condensing element 4 is arranged between the laser light generating means and the flow path 3, and the laser light is introduced into the flow path 3 and condensed in the fluid. be able to.
However, in this configuration, a relatively long distance is required as the focal length of the condensing element 4, and the condensing spot of the laser beam obtained as a result becomes relatively large, and the area of the fluid to be heated becomes large. End up. Therefore, it is desirable that the condensing element is formed integrally with the flow path device, the focal distance thereof is shortened, and the condensing spot diameter is reduced as described below.
FIG. 2 is a configuration diagram of the microchannel device according to the first embodiment of the present invention, where (1) shows the configuration of the lid 1 and (2) shows the configuration of the channel substrate 2. Actually, the lid 1 is bonded on the flow path substrate 2, the two inflow ports 5 are connected to the liquid feeding means (not shown), and the outflow port 6 is connected to the particle recovery means (not shown). .
The lid 1 is made of a transparent material such as glass or resin, and a convex lens is formed as a condensing element 4 at a portion facing the flow path merging portion 3-3. As the condensing element 4, any of a gradient index lens, a Fresnel lens, and a diffractive optical element can be used in addition to the convex lens.
That is, the present embodiment has a structure in which at least a first flow path 3-1 and a second flow path 3-2 that merges with the first flow path are provided, and a lid 1 is provided on the upper portion of the flow path. The flow path device is characterized in that the vicinity of the flow path merging portion is formed of a light transmitting member, and an optical element having a light collecting function is formed on the light transmitting member.
As described above, in the microchannel device of the present invention, the lid portion 1 in the vicinity of the channel merging portion can transmit light and the optical element 4 having a light collecting function is provided. On the other hand, by irradiating light from outside the flow path, it is possible to create a region having a high photon density by condensing in the fluid in the vicinity of the merging portion.

図3は本発明の第2の実施形態に係るマイクロ流路デバイスの構成図であり、(1)は蓋を示し、(2)は流路基板を示す。蓋1と流路基板2とよりなっており流入口5、流出口6を備え、実際には両者は接合されている。
蓋1はガラスや樹脂などの透明材料よりなっており、流路基板2は少なくとも流路表面(内面)が光の反射率の高い部材よりなっており、流路基板2側には、流路3の流路合流部3−3近傍の底面に反射型集光素子4として球面状の凹面(反射面)が形成されている。その他の部分は図2と同様である。いずれについても焦点距離として流路深さもしくは幅程度のごく短い距離に設定することができる。
図4は本発明の第3の実施形態に係るマイクロ流路デバイスの構成図である。蓋1の外側面に形成された集光素子4が流路3の中央に配置されている。
図5は本発明の第4の実施形態に係るマイクロ流路デバイスの構成図である。蓋1の外側面に形成された集光素子4が流路3の中央ではなく連続相側に寄って配置されている。
このような配置にすることによりレーザ光が焦点を結ぶ位置が連続相中であり、分散相には集光されたレーザ光が照射されることがないので、温度上昇をほとんど引き起こすことなく気泡を発生させることができる。これにより分散相として熱により変質しやすい材料を用いても影響を及ぼすことなく粒子を形成することができる。
図6は本発明の第5の実施形態に係るマイクロ流路デバイスの構成図である。流路3に球面状の凹面からなる集光素子(凹面状反射面=凹面鏡)4が形成されている。流路3は光を反射する部材で形成されているために、蓋1を通して流路3に照射された光は流路3で反射される。この際に凹面に照射された光は集光され、流体内でやはり焦点を結ぶこととなり上記と同様に気泡を生じる。その結果同様に粒径の揃った粒子を得ることができる。
このように流路合流部近傍に、反射により集光作用のある光学素子4が形成されておりかつ、この部分に対向する蓋部1が光を透過することができる構造であるので、流路デバイス外部より導入した光を流路合流部近傍の流体中に集光させ光子密度の高い領域を作り出すことができる。
FIG. 3 is a configuration diagram of a microchannel device according to a second embodiment of the present invention, where (1) shows a lid and (2) shows a channel substrate. It consists of a lid 1 and a flow path substrate 2 and includes an inflow port 5 and an outflow port 6, and both are actually joined.
The lid 1 is made of a transparent material such as glass or resin, the flow path substrate 2 is made of a member having a high light reflectivity at least on the flow path surface (inner surface). A spherical concave surface (reflective surface) is formed as the reflective condensing element 4 on the bottom surface in the vicinity of the three flow path confluence portions 3-3. The other parts are the same as in FIG. In either case, the focal distance can be set to a very short distance of about the depth or width of the channel.
FIG. 4 is a configuration diagram of a microchannel device according to a third embodiment of the present invention. A condensing element 4 formed on the outer surface of the lid 1 is disposed at the center of the flow path 3.
FIG. 5 is a configuration diagram of a microchannel device according to a fourth embodiment of the present invention. A condensing element 4 formed on the outer surface of the lid 1 is arranged not on the center of the flow path 3 but on the continuous phase side.
With this arrangement, the position where the laser beam is focused is in the continuous phase, and the dispersed phase is not irradiated with the focused laser beam. Can be generated. As a result, particles can be formed without any influence even if a material that is easily altered by heat is used as the dispersed phase.
FIG. 6 is a configuration diagram of a microchannel device according to a fifth embodiment of the present invention. A condensing element (concave reflecting surface = concave mirror) 4 having a spherical concave surface is formed in the flow path 3. Since the flow path 3 is formed of a member that reflects light, the light irradiated to the flow path 3 through the lid 1 is reflected by the flow path 3. At this time, the light irradiated on the concave surface is collected and is focused in the fluid, and bubbles are generated as described above. As a result, particles having a uniform particle size can be obtained.
In this way, the optical element 4 having a condensing function is formed by reflection in the vicinity of the flow path merging portion, and the lid portion 1 facing this portion can transmit light. Light introduced from the outside of the device can be collected in the fluid near the flow path confluence and a region with a high photon density can be created.

本発明の実施形態に係る微小粒子の製造方法の説明図。Explanatory drawing of the manufacturing method of the microparticle which concerns on embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係るマイクロ流路デバイスの構成図。1 is a configuration diagram of a microchannel device according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第2の実施形態に係るマイクロ流路デバイスの構成図。The block diagram of the microchannel device which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係るマイクロ流路デバイスの構成図。The block diagram of the microchannel device which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態に係るマイクロ流路デバイスの構成図。The block diagram of the microchannel device which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施形態に係るマイクロ流路デバイスの構成図。The block diagram of the microchannel device which concerns on the 5th Embodiment of this invention. 一般的なマイクロ流路デバイスの構成図(その1)。The block diagram of the general microchannel device (the 1). 一般的なマイクロ流路デバイスの構成図(その2)。The block diagram of the general microchannel device (the 2). 従来例に係る微小流路を用いた2流体の合流による粒子生成過程の説明図。Explanatory drawing of the particle | grain production | generation process by 2 fluid confluence | merging using the microchannel based on a prior art example.

符号の説明Explanation of symbols

1 蓋、2 流路基板、3 流路、3−1 第1の流路、3−2 第2の流路、3―3 流路合流部、4 集光素子、5 流入口、6 流出口 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Lid, 2 flow path board | substrates, 3 flow paths, 3-1 1st flow path, 3-2 2nd flow path, 3-3 flow path confluence | merging part, 4 Light condensing element, 5 inflow port, 6 outflow port

Claims (13)

一定の速度で第1の流路を流れる第1の流体と、一定の速度で第2の流路を流れる第2の流体とを合流させ、その流路合流部近傍に一定の時間間隔で集光したパルスレーザを照射することを特徴とする微小粒子の製造方法。   The first fluid that flows through the first flow path at a constant speed and the second fluid that flows through the second flow path at a constant speed are merged and collected at a constant time interval in the vicinity of the flow path confluence. A method for producing fine particles, characterized by irradiating a pulsed laser beam. 請求項1記載の微小粒子の製造方法において、パルスレーザの照射方向が第1の流路と第2の流路とを含む平面に対して直交することを特徴とする微小粒子の製造方法。   2. The method for producing fine particles according to claim 1, wherein the irradiation direction of the pulse laser is orthogonal to a plane including the first flow path and the second flow path. 請求項2記載の微小粒子の製造方法において、照射するパルスレーザの集光位置がレーザ光進行方向において流体中に存在することを特徴とする微小粒子の製造方法。   3. The method for producing fine particles according to claim 2, wherein the focused position of the pulse laser to be irradiated is present in the fluid in the laser beam traveling direction. 請求項2又は3記載の微小粒子の製造方法において、照射するパルスレーザの集光位置が照射面内において第1の流体内にあることを特徴とする微小粒子の製造方法。   4. The method for producing fine particles according to claim 2, wherein the focused position of the pulse laser to be irradiated is in the first fluid within the irradiation surface. 請求項1記載の微小粒子の製造方法において、パルスレーザの照射方向が第1の流路と第2の流路とを含む平面に対して平行であることを特徴とする微小粒子の製造方法。   2. The method for producing fine particles according to claim 1, wherein the irradiation direction of the pulse laser is parallel to a plane including the first channel and the second channel. 請求項5記載の微小粒子の製造方法において、パルスレーザの集光位置がレーザ光進行方向において第1の流体内にあることを特徴とする微小粒子の製造方法。   6. The method for producing microparticles according to claim 5, wherein the condensing position of the pulse laser is in the first fluid in the laser beam traveling direction. 請求項1から6いずれか一項に記載の微小粒子の製造方法において、照射に用いるパルスレーザのパルス幅が1ns以下であることを特徴とする微小粒子の製造方法。   The method for producing microparticles according to any one of claims 1 to 6, wherein the pulse width of the pulse laser used for irradiation is 1 ns or less. 請求項1から7いずれか一項に記載の微小粒子の製造方法において、用いる第1の流体の沸点が、第2の流体の沸点より低いことを特徴とする微小粒子の製造方法。   The method for producing microparticles according to any one of claims 1 to 7, wherein the boiling point of the first fluid used is lower than the boiling point of the second fluid. 少なくとも第1の流路と、第1の流路と合流する第2の流路とを備え、さらに流路上部に蓋が設けられた構造の流路デバイスにおいて、流路合流部近傍が光透過部材よりなり、この光透過部材に集光作用のある光学素子が形成されていることを特徴とするマイクロ流路デバイス。   In a flow channel device having a structure in which at least a first flow channel and a second flow channel that merges with the first flow channel are provided, and a lid is provided on the upper portion of the flow channel, the vicinity of the flow channel merge portion is light transmissive. A microchannel device comprising a member, and an optical element having a condensing function formed on the light transmitting member. 請求項9記載のマイクロ流路デバイスにおいて、光学素子が凸レンズであることを特徴とするマイクロ流路デバイス。   10. The microchannel device according to claim 9, wherein the optical element is a convex lens. 請求項9記載のマイクロ流路デバイスにおいて、光学素子が回折光学素子であることを特徴とするマイクロ流路デバイス。   The microchannel device according to claim 9, wherein the optical element is a diffractive optical element. 少なくとも第1の流路と、第1の流路と合流する第2の流路とを備え、さらに流路上部に蓋が設けられた構造の流路デバイスにおいて、流路合流部近傍が光透過部材よりなり、この光透過部材に対向する流路部が、光を反射する部材よりなり集光作用のある光学素子が形成されていることを特徴とするマイクロ流路デバイス。   In a flow channel device having a structure in which at least a first flow channel and a second flow channel that merges with the first flow channel are provided, and a lid is provided on the upper portion of the flow channel, the vicinity of the flow channel merge portion is light transmissive. A microchannel device comprising a member, wherein a channel portion facing the light transmitting member is formed of a member that reflects light, and an optical element having a condensing function is formed. 請求項12記載のマイクロ流路デバイスにおいて、光学素子が凹面鏡であることを特徴とするマイクロ流路デバイス。
13. The microchannel device according to claim 12, wherein the optical element is a concave mirror.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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