JP2006205080A - Micromixer - Google Patents
Micromixer Download PDFInfo
- Publication number
- JP2006205080A JP2006205080A JP2005021304A JP2005021304A JP2006205080A JP 2006205080 A JP2006205080 A JP 2006205080A JP 2005021304 A JP2005021304 A JP 2005021304A JP 2005021304 A JP2005021304 A JP 2005021304A JP 2006205080 A JP2006205080 A JP 2006205080A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fluid
- tip
- stirrer
- flow path
- micromixer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Abstract
Description
本発明は、μ−TAS、Lab−on−A−chip、マイクロリアクターに代表される微細構造をもつマイクロ流体素子を用いて行う、流体の混合・攪拌を可能とした、新規なマイクロミキサーに関するものである。 The present invention relates to a novel micromixer capable of mixing and stirring fluids using a microfluidic device having a microstructure represented by μ-TAS, Lab-on-A-chip, and microreactor. It is.
化学物質の合成・分析、ゲノム創薬支援、各種疾病診断チップに応用されるような、微細構造をもつマイクロ流体素子は、界面を利用した反応・分離・精製に有効であり、温度制御が容易であり、しかも、小型・サンプル量が少なく、かつ高速処理が可能であるという、数々の利点を有することが知られている。
このようなマイクロ流体素子の一つの機能として、その微小流路における流体の特性を利用した混合技術があり、様々なマイクロミキサーが提案されている。例えば、
As one function of such a microfluidic device, there is a mixing technique using the characteristics of the fluid in the microchannel, and various micromixers have been proposed. For example,
また、簡単なマイクロミキサーの一例としては、例えば図3に示すように、マイクロ流体素子1の基板2に、Y字形、T字形の流路3を設けたものがある。
すなわちこのマイクロ流体素子1の流路3には、ガラスまたはシリコン基板の蓋部分に混合する溶液を注入するために、一対の流入口4、4と、混合された溶液を排出するための流出口5を設けている。
また前記基板2内部にはそれぞれの流入口4、4から微小流路6、6が引き出され、合流点7で合流した後、混合流路8で混合され、流出口5まで導かれる構成となっている。
As an example of a simple micromixer, for example, as shown in FIG. 3, a
That is, a pair of
Further, the
しかしながら、このようなマイクロ流体素子1では、微小流路6のサイズが数100μm以下になると、微小流路6内の流体は粘性の影響が大きくなり層流が支配的となるため、少なくとも二種類の溶液を混合する場合、上述のようなY字型の流路3を作製しても二液の接する界面における拡散でしか混合されず、混合効率が悪い。
However, in such a microfluidic device 1, when the size of the
一方、このような混合効率を改善するべく、二液の界面の面積を大きくするために、複数の流入口のそれぞれを細分化し、合流構造を複雑化、積層化させることで、溶液を混合する手法や、流路壁に衝突させることで発生する擬似乱流を利用する手法がある。上述の方法では、マイクロ流路の設計に際し、混合する溶液の粘性や溶液に含まれる粒子の拡散係数に応じて流路構造を最適化する必要がある。 On the other hand, in order to improve the mixing efficiency, in order to increase the area of the interface between the two liquids, each of the plurality of inlets is subdivided, and the merging structure is complicated and layered to mix the solutions. There are a method and a method using a pseudo turbulent flow generated by colliding with a channel wall. In the above-described method, it is necessary to optimize the channel structure according to the viscosity of the solution to be mixed and the diffusion coefficient of particles contained in the solution when designing the microchannel.
さらに、図4に示すような超音波型マイクロミキサー9がある。
しかしながら、上述の手法では、粒子の拡散に頼った混合手法であるため、効率的な混合ができず、また局所的な混合が難しくチップの他の部分への影響があるため、μ−TAS、Lab−on−A−chipなどのように機能の複合化(混合+分析)が難しくなる。
本発明は、以上のような課題を克服するために提案されたものであって、流路パターンの複雑化・積層化に頼らない、混合・攪拌が可能な、新規なマイクロミキサーを提供することを目的とする。
However, since the above method is a mixing method that relies on particle diffusion, efficient mixing is not possible, and local mixing is difficult and affects other parts of the chip. It becomes difficult to combine functions (mixing + analysis) such as Lab-on-A-chip.
The present invention has been proposed in order to overcome the above-described problems, and provides a novel micromixer capable of mixing and stirring without relying on complication and lamination of flow path patterns. With the goal.
前記した課題を解決するために、本発明では、請求項1において、混合すべき流体を注入する少なくとも二つ以上の流入口と、これら流入口から互いに合流させて前記流体を混合・攪拌し、混合・攪拌した混合液を取り出す流出口へ連通する流路を備えたマイクロ流体素子において、合流後の流路の適所に、流路内の流体中に直接攪拌子を浸漬して、攪拌子を振動させて局所的に流体の混合攪拌を促進する構成としたマイクロミキサーを提案する。
また本発明では、請求項2において、前記合流後の流路の適所に、流路に連通する貫通孔を設けて、この貫通孔を介して前記攪拌子を流路内に浸漬させるようにし、この攪拌子は先端を先鋭化加工し、この攪拌子を任意の周波数で励振させる振動子とを備えたマイクロミキサーを提案する。
また本発明では、請求項3において、前記攪拌子は数100nm以下の先鋭化先端を有するシリコン、窒化シリコン製のAFMチップによって構成し、先端側を前記流路内の流体に浸漬するように設置したマイクロミキサーを提案する。
また本発明では、請求項4において、前記攪拌子は数100nm以下の先鋭化先端を有する石英、プラスチック製のファイバープローブによって構成し、先端側を前記流路内の流体に浸漬するように設置したマイクロミキサーを提案する。
また本発明では、請求項5において、前記攪拌子は先端が先鋭化された金属やプラスチックその他の材質によって構成し、先端側を前記流路内の流体に浸漬するように設置したマイクロミキサーを提案する。
また本発明では、請求項6において、前記流体に先端を浸漬した攪拌子に、前記振動子を励振することで、任意の振動周波数・振動振幅を与えて振動子先端の振動挙動により生ずる、流体の対流パターンによって、流体の混合・攪拌を促進する構成としたマイクロミキサーを提案する。
さらに本発明では、請求項7において、前記流体に先端を浸漬した攪拌子に、前記振動子を励振することで、振動子の共振周波数で任意の振動振幅を与えて振動子先端の振動挙動により生ずる、流体の対流パターンによって、流体の混合・攪拌を促進する構成としたマイクロミキサーを提案する。
In order to solve the above-described problem, in the present invention, in claim 1, at least two or more inlets for injecting fluids to be mixed, and the fluids are mixed and stirred together from these inlets, In a microfluidic device equipped with a flow channel that communicates with the outlet that takes out the mixed and stirred liquid mixture, the stirrer is immersed directly in the fluid in the flow channel at an appropriate position in the flow channel after the merge. We propose a micromixer that is configured to vibrate and locally promote mixing and stirring of fluids.
Further, in the present invention, in
Also, in the present invention, in
Further, in the present invention, in
Also, in the present invention, the micromixer according to
Further, in the present invention, the fluid according to
Further, according to the present invention, in
流路パターンの複雑化・積層化に頼らない新しい溶液混合・攪拌技術が確立されるため、微細構造を持つマイクロ流体素子の単純化・小型化を図ることができる。
また超音波振動を利用したマイクロミキサーとは異なり、直接溶液中に攪拌子を浸漬して、攪拌子を振動子で振動させて攪拌するため、極めて局所的な領域における攪拌が可能となる。
また、攪拌子の共振周波数における共振を利用するため、攪拌子を励振させる振動子の振動振幅が数nm程度でも攪拌子先端では振動振幅が増幅され、振動子自体の超音波振動の伝播や攪拌子と流体界面の振動の影響は無視することができる。
また、攪拌子の先端が先鋭化されているため、攪拌中心となる先端部における流体抵抗が小さくなり、効率良く攪拌することが可能となる。
さらに、本発明にかかるマイクロミキサーを実装するために、特別な流路を形成する必要はなく、流路上部の蓋部分に微小な貫通孔が存在すれば、混合・攪拌が可能となる。
Since a new solution mixing / stirring technique that does not depend on complication / stacking of the flow path pattern is established, the microfluidic device having a fine structure can be simplified and miniaturized.
Further, unlike a micromixer using ultrasonic vibration, a stirrer is directly immersed in a solution, and the stirrer is vibrated with a vibrator to stir, so that stirring in a very local region is possible.
In addition, since the resonance at the resonance frequency of the stirrer is used, even if the vibration amplitude of the vibrator for exciting the stirrer is about several nanometers, the vibration amplitude is amplified at the tip of the stirrer, and the propagation of ultrasonic vibration and stirring of the vibrator itself The influence of vibration at the child-fluid interface can be ignored.
In addition, since the tip of the stirrer is sharpened, the fluid resistance at the tip that is the center of stirring is reduced, and efficient stirring is possible.
Furthermore, in order to mount the micromixer according to the present invention, it is not necessary to form a special flow path, and mixing and stirring can be performed if a minute through hole exists in the lid portion at the upper part of the flow path.
請求項1によれば、直接、流体中に振動子を浸漬して攪拌するため、局所的な領域における攪拌が可能となる。 According to the first aspect, since the vibrator is immersed and stirred directly in the fluid, stirring in a local region is possible.
請求項2によれば、攪拌子を振動子により攪拌子の一次或いは高次の共振周波数で振動させることで攪拌子先端が特有な振動を発生させ、これに対応して攪拌子先端の周辺で溶液が特有の対流パターンを形成し、これによって混合・攪拌が促進される。 According to the second aspect, the stirring bar tip is caused to vibrate at a primary or higher resonance frequency of the stirring bar by the vibrator, thereby generating a specific vibration at the tip of the stirring bar. The solution forms a unique convection pattern, which facilitates mixing and stirring.
請求項3、4、5によれば、AFMチップ、ファイバープローブ、先端先鋭化された金属やプラスチックその他の材質で構成した攪拌子を流路内の流体に浸漬して、振動を与え、流体の混合・攪拌が促進される。 According to the third, fourth, and fifth aspects, the AFM tip, the fiber probe, the stirrer composed of a metal having a sharp tip, plastic, or other material is immersed in the fluid in the flow path to give vibration, Mixing and stirring are promoted.
請求項6、7によれば、流体に浸漬された先端が先鋭化された攪拌子は振動子によって、任意の振動周波数・振動振幅を与えることによって生じる振動子先端の振動挙動を利用した流体の対流パターンを得ることができる。
このため、粘性の異なる混合溶液ごとにマイクロ流体素子の流路設計を行うことなく、攪拌子の先端形状または圧電素子の周波数・振幅を最適化させるだけで効率よく混合・攪拌される。
According to the sixth and seventh aspects, the stirrer with the sharpened tip immersed in the fluid is made of the fluid using the vibration behavior of the tip of the vibrator generated by giving an arbitrary vibration frequency and vibration amplitude by the vibrator. A convection pattern can be obtained.
For this reason, mixing / stirring can be performed efficiently only by optimizing the shape of the tip of the stirrer or the frequency / amplitude of the piezoelectric element without designing the flow path of the microfluidic element for each mixed solution having different viscosities.
以下、本発明にかかるマイクロミキサーについて、一つの実施の形態を挙げ、添付の図面に基づいて説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, a micromixer according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings with an embodiment.
図1に、本発明にかかるマイクロミキサー12を模式的に示す。なお、ここでは、従来技術で示した、マイクロミキサーで実質的に同様の構成要素には、同符号を付して説明する。
この場合、このマイクロミキサー12は、マイクロ流体素子1の基板2に、Y字形の流路3を設けており、この流路3は、例えばガラスまたはシリコン基板の蓋部分に混合する溶液を注入するための、一対の流入口4、4と、混合された溶液を吐出するための流出口5とを有している。
また前記基板2内部にはそれぞれの流入口4、4から合流点7に至る微小流路6、6を形成しており、注入した溶液を前記合流点7で合流させて、混合流路8で混合させ、この混合溶液を流出口5までもたらすようにしている。
そして、このような流路3における合流点7下流近傍の混合流路5の上部には、貫通孔13を設けており、この貫通孔13には、先端先鋭化加工した攪拌子14と、この攪拌子14を任意の周波数で励振させる振動子であるPZT11を配置する構成としている。
FIG. 1 schematically shows a
In this case, the
In addition,
A through
すなわち上記構成のマイクロミキサー12は、動作原理を説明すると、簡単のために、図2に示すように、微小流路6内の流体を微小液滴15として表せば、この微小液滴15に攪拌子14先端を浸漬させ、攪拌子14にPZT11で振動を与えたときに攪拌子14先端近傍の流体が特有な対流パターンや擬似乱流を発生することで、混合・攪拌を促進させることができることに基づいている。
In other words, the operation principle of the
そこで、実際に図2に示すように、マイクロミキサー12の混合・攪拌の作用を検証してみる。
先ず、流体挙動を追跡するために、微小液滴15にトレーサーとして3μmの蛍光粒子を懸濁させ、攪拌子14として光ファイバーを先鋭化させて作製したファイバープローブの先端16を、微小液滴15中に浸漬させる。
次に、前記ファイバープローブをPZT11により振動させてファイバープローブ先端16を振動させる。このときのファイバープローブ先端16近傍での微小液滴15中の流体の挙動を蛍光顕微鏡17により観察する。
なお、前記攪拌子14は先端先鋭化加工したものであるが、この攪拌子14先端の形状と、振動子であるPZT11による振動周波数と、振動振幅に応じて液中の流体挙動に影響を及ぼすことがわかっている。
Therefore, as shown in FIG. 2, the action of mixing / stirring of the
First, in order to track the fluid behavior, the
Next, the fiber probe is vibrated by the
The
攪拌子14先端の形状が、微細な径のまま、加工しない状態(エッチングなし)と、先端のテーパー角が例えば60°、30°の場合を取り上げ、所定の振動周波数を与えたところ、通常、PZT11の振幅が微小であるため、ファイバープローブ先端16の振幅も微小となり、流体挙動としての変化は現れず、超音波振動を液滴中の流体に与えるのみであるが、振動周波数が20〜30kHzにおいて急峻な共振点が得られた。
When the shape of the tip of the
次に、前記PZT11によりファイバープローブの共振周波数で振動させ、ファイバープローブ先端16の振動を増幅させると、ファイバープローブ先端16の流体挙動に変化が現れた。
Next, when the
さらに、ファイバープローブの共振周波数で、PZT11に対する印加電圧を変えて振動振幅を変えると、攪拌子14先端を中心に、それぞれの振幅に応じて自由渦(左右回転)、複数の渦が得られることがわかった。
この場合、印加電圧が比較的小さい場合には、ファイバープローブ先端16を中心とした自由渦が現れ、特有の対流パターンを示す。
前記PZT11に印加する電圧を大きくすると、対流パターンに変化が現れ始め、単一だった渦が2つまたは4つに増加し、ファイバープローブ先端16を中心とした対称的な擬似乱流が発生し、これによって微小液滴内流体の効率的な攪拌が可能となることがわかる。
Furthermore, when the vibration amplitude is changed by changing the voltage applied to the
In this case, when the applied voltage is relatively small, a free vortex centered on the
When the voltage applied to the
以上のことから、同一のファイバープローブ、同一のPZT、同一の動作条件(振動周波数、振動振幅)を満たすことで、
(1)プローブ(攪拌子14)先端を中心に対称的な対流パターンが得られる。
(2)共振周波数で流体挙動が変化する。
(3)印加電圧を変えることで、自由渦(左右回転)、複数の渦が得られる。
(4)先端曲率を小さくすることで流速が高速化する。
(5)流体挙動に再現性(任意の電圧・周波数)がある。
(6)周波数依存性がある。
ということが知見された。
From the above, by satisfying the same fiber probe, the same PZT, and the same operating conditions (vibration frequency, vibration amplitude),
(1) A symmetrical convection pattern is obtained around the tip of the probe (stirrer 14).
(2) The fluid behavior changes at the resonance frequency.
(3) By changing the applied voltage, free vortices (left-right rotation) and a plurality of vortices can be obtained.
(4) The flow velocity is increased by reducing the tip curvature.
(5) The fluid behavior has reproducibility (arbitrary voltage / frequency).
(6) There is frequency dependence.
That was discovered.
1 マイクロ流体素子
2 基板
3 流路
4 流入口
5 流出口
6 微小流路
7 合流点
8 混合流路
9 超音波型マイクロミキサー
10 ダイヤフラム
11 PZT
12 マイクロミキサー
13 貫通孔
14 攪拌子
15 微小液滴
16 先端
17 蛍光顕微鏡
1
12
Claims (7)
By exciting the vibrator to the stirrer whose tip is immersed in the fluid, an arbitrary vibration amplitude is given at the resonance frequency of the vibrator, and the convection pattern of the fluid is generated by the vibration behavior of the stirrer tip. The micromixer according to claim 6, wherein mixing and stirring are promoted.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005021304A JP2006205080A (en) | 2005-01-28 | 2005-01-28 | Micromixer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005021304A JP2006205080A (en) | 2005-01-28 | 2005-01-28 | Micromixer |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2006205080A true JP2006205080A (en) | 2006-08-10 |
Family
ID=36962463
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2005021304A Pending JP2006205080A (en) | 2005-01-28 | 2005-01-28 | Micromixer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2006205080A (en) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2008114755A1 (en) | 2007-03-16 | 2008-09-25 | National University Corporation Okayama University | Micromixer |
WO2009069656A1 (en) | 2007-11-26 | 2009-06-04 | Fujimori Kogyo Co., Ltd. | Microchip and blood monitoring device |
US8796031B2 (en) | 2010-02-10 | 2014-08-05 | Fujimori Kogyo Co., Ltd. | Microchip for platelet examination and platelet examination device using same |
CN112844503A (en) * | 2021-01-12 | 2021-05-28 | 京东方科技集团股份有限公司 | Microfluidic device, stirring system and stirring method |
CN113101849A (en) * | 2021-05-10 | 2021-07-13 | 浙江师范大学 | Pipeline type piezoelectric micro mixer |
CN114367319A (en) * | 2021-12-30 | 2022-04-19 | 江苏大学 | Particle control device and method based on low-frequency vibration probe |
-
2005
- 2005-01-28 JP JP2005021304A patent/JP2006205080A/en active Pending
Cited By (15)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2008114755A1 (en) | 2007-03-16 | 2008-09-25 | National University Corporation Okayama University | Micromixer |
US8425840B2 (en) | 2007-11-26 | 2013-04-23 | Fujimori Kogyo Co., Ltd. | Microchip and blood monitoring device |
CN101874208B (en) * | 2007-11-26 | 2016-09-07 | 藤森工业株式会社 | Microsheet and blood observation device |
CN101874208A (en) * | 2007-11-26 | 2010-10-27 | 藤森工业株式会社 | Microchip and blood monitoring device |
JPWO2009069656A1 (en) * | 2007-11-26 | 2011-04-14 | 藤森工業株式会社 | Microchip and blood observation device |
EP2228657A4 (en) * | 2007-11-26 | 2011-07-06 | Fujimori Kogyo Co | Microchip and blood monitoring device |
WO2009069656A1 (en) | 2007-11-26 | 2009-06-04 | Fujimori Kogyo Co., Ltd. | Microchip and blood monitoring device |
JP5317988B2 (en) * | 2007-11-26 | 2013-10-16 | 藤森工業株式会社 | Microchip and blood observation device |
EP2228657A1 (en) * | 2007-11-26 | 2010-09-15 | Fujimori Kogyo Co., Ltd. | Microchip and blood monitoring device |
US8796031B2 (en) | 2010-02-10 | 2014-08-05 | Fujimori Kogyo Co., Ltd. | Microchip for platelet examination and platelet examination device using same |
CN112844503A (en) * | 2021-01-12 | 2021-05-28 | 京东方科技集团股份有限公司 | Microfluidic device, stirring system and stirring method |
CN112844503B (en) * | 2021-01-12 | 2022-07-15 | 京东方科技集团股份有限公司 | Microfluidic device, stirring system and stirring method |
CN113101849A (en) * | 2021-05-10 | 2021-07-13 | 浙江师范大学 | Pipeline type piezoelectric micro mixer |
CN114367319A (en) * | 2021-12-30 | 2022-04-19 | 江苏大学 | Particle control device and method based on low-frequency vibration probe |
CN114367319B (en) * | 2021-12-30 | 2023-10-10 | 江苏大学 | Particle control device and method based on low-frequency vibration probe |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Ahmed et al. | A fast microfluidic mixer based on acoustically driven sidewall-trapped microbubbles | |
Huang et al. | An acoustofluidic micromixer based on oscillating sidewall sharp-edges | |
Shi et al. | Step emulsification in microfluidic droplet generation: mechanisms and structures | |
Ahmed et al. | A millisecond micromixer via single-bubble-based acoustic streaming | |
Wang et al. | Frequency dependence and frequency control of microbubble streaming flows | |
Ozcelik et al. | An acoustofluidic micromixer via bubble inception and cavitation from microchannel sidewalls | |
Xu et al. | Drop on demand in a microfluidic chip | |
Capretto et al. | Micromixing within microfluidic devices | |
JP4792664B2 (en) | Mixing method, mixing mechanism, micromixer and microchip having the mixing mechanism | |
US11577241B2 (en) | Acoustofluidic systems including acoustic wave generators for manipulating fluids, droplets, and micro/nano objects within a fluid suspension and related methods | |
Ahmed et al. | Surface acoustic wave-based micromixing enhancement using a single interdigital transducer | |
Pothuri et al. | Rapid mixing in microchannel using standing bulk acoustic waves | |
JP2006205080A (en) | Micromixer | |
KR100941069B1 (en) | Microfluidic dilution device | |
JP2011504221A (en) | Microfluidic self-excited oscillation mixer and apparatus and method of use thereof | |
Phan et al. | Droplet manipulation using acoustic streaming induced by a vibrating membrane | |
JP2006167600A (en) | Micromixer, micromixer chip and micro sensor | |
JP2013040776A (en) | Fluidic channel device, and method for mixing fluids | |
JP3974531B2 (en) | Microchannel mixing method and microchannel apparatus | |
EP1510250B1 (en) | Fluid mixing reaction enhancement method using micro device, and micro device | |
Lim et al. | Acoustically driven micromixing: Effect of transducer geometry | |
JP2005326392A (en) | Sample inlet microdevice | |
JP2007117883A (en) | Micro-reactor and micro-analysis system | |
US20150017023A1 (en) | Apparatuses and methods for modulating fluids using acoustically oscillating solid structures | |
JP2005127864A (en) | Micromixing device |