JP2006255583A

JP2006255583A - マイクロリアクタ

Info

Publication number: JP2006255583A
Application number: JP2005076451A
Authority: JP
Inventors: Itsuo Furukawa; 逸雄古川
Original assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2005-03-17
Filing date: 2005-03-17
Publication date: 2006-09-28

Abstract

【課題】１つのチップ上において複数の混合比での反応操作を同時に行うことができ、流体の注入操作も各流体について１回行うだけでよく、基板も小さくすることが可能であるマイクロリアクタを提供する。
【解決手段】基板１０に、流体の種類ごとに設けられる複数の流体供給口１２ａ、１２ｂ、流体供給口に連通流路１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、２０ａ、２０ｂ、２０ｃを通して流路接続される反応流路１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、および、反応流路の末端に流路接続される流体採取口１４ａ、１４ｂ、１４ｃが形成され、各流体供給口から供給されて各反応流路内で混合される複数種の流体の混合比が反応流路ごとに相違するように各連通流路の流路断面積を設定し、各連通流路および各反応流路からなる流路系を、基板の表・裏両面および基板の厚み方向に形成した。
【選択図】図１

Description

この発明は、基板内において複数種の微少量の流体を混合して反応させるマイクロリアクタに関し、このマイクロリアクタは、化学反応、生化学反応、抗体−抗原反応、酵素反応などの各種反応を利用して化学薬品、化粧品、化学調味料等の合成、血液検査、病原体の検出、ＤＮＡの検出などに使用される。

この種のマイクロリアクタは、例えば、ガラス、プラスチック、セラミックス、金属などで形成された基板（チップ）の表面に微細な凹溝や有底孔を加工形成し、その基板にステンレス鋼等のカバー板を積層し密着させて、凹溝部分を流体の流路とするとともに、有底孔部分を流体の供給口や採取口とした構造を有している。また、基板に積層されるカバー板には、流体供給口および流体採取口にそれぞれ連通する複数の貫通孔が加工形成されている。そして、複数種、例えば２種類の流体を混合して反応させるマイクロリアクタでは、２つの流体供給口と1つの流体採取口、および、１本の反応流路が設けられ、各流体供給口と反応流路の先端とがそれぞれ連通流路を通して流路接続され、反応流路の末端に流体採取口が流路接続されている。このような構成のマイクロリアクタを使用して２種類の流体を反応させるときは、マイクロポンプ、マイクロシリンジ、マイクロバルブなどにより各流体供給口へ個別にそれぞれ流体を供給する。流体供給口へ供給された２つの流体は、それぞれ連通流路を通って反応流路の方へ流動し、反応流路内に流入して拡散混合される。そして、混合流体が反応流路内を流れる間に化学反応等の反応が進行し、反応後の流体が反応流路の末端から流出して、流体採取口を通って排出される（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−１６８７０号公報（第２−４頁、図１、図９および図１０）

例えば、２種類の薬液の混合比を種々に変えて両薬液を反応させたいような場合に、従来のマイクロリアクタにおいては、１つのチップ上では１つの混合比での反応結果しかみることができないため、複数のマイクロリアクタを用意する必要があった。一方、１つのチップ上において複数の混合比での反応操作を同時に行うためには、１つのチップ上にそれぞれ独立した複数の流路系を設ける必要がある。しかしながら、この場合には、チップのサイズが大きくなり、また、薬液の注入操作を各流路系ごとに別々に行う必要があって、その操作に手間と時間がかかる、といった問題点がある。

この発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、１つの基板（チップ）上において複数の混合比での反応操作を同時に行うことができ、流体の注入操作も各流体について１回行うだけでよく、基板の大きさも小さくすることが可能であるマイクロリアクタを提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、基板に、流体の種類ごとに設けられる複数の流体供給口、前記各流体供給口にそれぞれ連通流路を通して流路接続される反応流路、および、この反応流路の末端に流路接続される流体採取口がそれぞれ形成されたマイクロリアクタにおいて、前記反応流路を複数設けるとともに、その各反応流路の末端にそれぞれ個別に流路接続した流体採取口を複数設け、前記各流体供給口からそれぞれ供給されて前記各反応流路内で混合される複数種の流体の混合比が反応流路ごとに相違するように前記各連通流路の流路断面積をそれぞれ設定し、前記各連通流路および前記各反応流路からなる流路系を、基板の表・裏両面および基板の厚み方向に形成したことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のマイクロリアクタにおいて、前記流体供給口が第１の流体供給用および第２の流体供給用の２つ設けられるとともに、前記反応流路および前記流体採取口がそれぞれ３つ設けられ、前記各流体供給口、第１の流体を前記各反応流路へそれぞれ導入するための各連通流路、前記各反応流路および前記各流体採取口がそれぞれ基板の表面に形成され、第２の流体を前記各反応流路へそれぞれ導入するための各連通流路の一部もしくは全部が基板の裏面に形成されたことを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載のマイクロリアクタにおいて、前記流体供給口が３つ以上設けられたことを特徴とする。

請求項１に係る発明のマイクロリアクタにおいては、流体の種類ごとに１つだけ設けられた複数の流体供給口からそれぞれ供給された複数種の流体は、各連通流路をそれぞれ通って複数の反応流路へ流動し、各反応流路内に流入してそれぞれ拡散混合される。このとき、各連通流路の流路断面積は、複数種の流体の混合比が反応流路ごとに相違するようにそれぞれ設定されているので、複数の反応流路内において複数の混合比での反応操作が同時に行われる。また、各連通流路および各反応流路からなる流路系は、基板の表・裏両面および基板の厚み方向に形成されているので、基板の表面のみに流路系が形成されたものとは異なり、別の流路系同士を立体的に交差させて形成することができる。
したがって、請求項１に係る発明のマイクロリアクタを使用すると、１つの基板（チップ）上において複数の混合比での反応操作を同時に行うことができ、また、流体の注入操作を各流体について１回行うだけでよいので、その操作を簡単にかつ迅速に行うことができる。さらに、このマイクロリアクタでは、基板の大きさを可及的に小さくすることができる。

請求項２に係る発明のマイクロリアクタでは、第１の流体と第２の流体との混合比を３種類に変えた反応操作を１つの基板上において同時に行うことができる。また、両方の流体の供給および反応後の流体の採取をそれぞれ基板の表面側から行うことができ、また、流体同士の反応も基板の表面側で行われる。

請求項３に係る発明のマイクロリアクタでは、基板の表面のみに流路系が形成されたものでは不可能である３種以上の流体の混合・反応の同時操作が可能である。

以下、この発明の最良の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、この発明の実施形態の１例を示し、マイクロリアクタの構成要素である基板（チップ）の斜視図である。基板１０は、ガラス、プラスチック、セラミックス、金属などで形成されており、図示していないが、基板１０の表・裏両面には、ステンレス鋼等のカバー板がそれぞれ積層されて密着し、基板１０および一対のカバー板が一体化されてマイクロリアクタが構成される。

基板１０には、流体の種類ごとに設けられる複数の流体供給口１２ａ、１２ｂ、および、反応後の流体を採取するための複数の流体採取口１４ａ、１４ｂ、１４ｃがそれぞれ設けられている。この実施形態では、２種類の流体をそれぞれ個別に供給するための２つの流体供給口１２ａ、１２ｂが設けられ、また、３つの流体採取口１４ａ、１４ｂ、１４ｃが設けられている。また、基板１０には、複数本、この実施形態では３本の反応流路１６ａ、１６ｂ、１６ｃが設けられており、各反応流路１６ａ、１６ｂ、１６ｃの末端にそれぞれ個別に流体採取口１４ａ、１４ｂ、１４ｃが流路接続されている。各反応流路１６ａ、１６ｂ、１６ｃの先端は、２つの流体供給口１２ａ、１２ｂのそれぞれに各連通流路１８ａ、２０ａ；１８ｂ、２０ｂ；１８ｃ、２０ｃを通してそれぞれ流路接続されている。

流体供給口１２ａ、１２ｂおよび流体採取口１４ａ、１４ｂ、１４ｃは、基板１０の表面に微小な有底孔を加工することにより形成され、図示していないが、基板１０の表面に積層されるカバー板に、各流体供給口１２ａ、１２ｂおよび各流体採取口１４ａ、１４ｂ、１４ｃにそれぞれ連通する複数本の貫通孔が形成されている。そして、マイクロポンプ、マイクロシリンジ、マイクロバルブなどによりカバー板の貫通孔を通して流体供給口１２ａ、１２ｂへ流体が注入され、また、流体採取口１４ａ、１４ｂ、１４ｃからカバー板の貫通孔を通して流体が排出されるようになっている。また、反応流路１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、および、流体供給口１２ａに連通する連通流路１８ａ、１８ｂ、１８ｃは、基板１０の表面に微細な凹溝を加工することにより形成されている。一方、流体供給口１２ｂに連通する連通流路２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、基板１０の表面および裏面に微細な凹溝をそれぞれ加工するとともに、図２に図１のII−II矢視部分拡大縦断面図を示すように基板１０の厚み方向に貫通孔２２を穿設して、それらを互いに接続することにより形成されている。このように、流路系が基板１０の表・裏両面および基板１０の厚み方向に形成されているので、基板１０の表面のみに流路系が形成されたものとは異なり、別の流路系同士を立体的に交差させて形成することが可能となる。このため、基板１０を可及的に小形化することができる。

３本の反応流路１６ａ、１６ｂ、１６ｃでは、互いに異なる混合比で混合される２種類の流体の反応操作が行われる。このため、連通流路１８ａ、１８ｂ、１８ｃおよび連通流路２０ａ、２０ｂ、２０ｃをそれぞれ通って反応流路１６ａ、１６ｂ、１６ｃ内へ流入して混合される２種類の流体の混合比が反応流路１６ａ、１６ｂ、１６ｃごとに相違するように、各連通流路１８ａ、２０ａ；１８ｂ、２０ｂ；１８ｃ、２０ｃの流路断面積、すなわち凹溝の幅および深さをそれぞれ適切に設定する。

上記したように構成された基板１０を備えたマイクロリアクタを使用して、２種類の流体を３種の混合比でそれぞれ混合して反応させる場合、マイクロポンプ等により、第１の流体および第２の流体を各流体供給口１２ａ、１２ｂへそれぞれ個別に供給するだけでよい。流体供給口１２ａ、１２ｂへ供給された２種類の流体は、各連通流路１８ａ、２０ａ；１８ｂ、２０ｂ；１８ｃ、２０ｃをそれぞれ通って各反応流路１６ａ、１６ｂ、１６ｃに向かって流動し、各反応流路１６ａ、１６ｂ、１６ｃ内へ流入してそれぞれ拡散混合される。このとき、反応流路１６ａ、１６ｂ、１６ｃ内へ流入して混合される２種類の流体の混合比は、反応流路１６ａ、１６ｂ、１６ｃごとに相違しており、３本の反応流路１６ａ、１６ｂ、１６ｃ内では３種の混合比での反応操作が同時に行われることとなる。そして、混合流体が反応流路１６ａ、１６ｂ、１６ｃ内を流れる間に化学反応等の反応が進行する。反応後の流体は、各反応流路１６ａ、１６ｂ、１６ｃの末端からそれぞれ流出し、各流体採取口１４ａ、１４ｂ、１４ｃを通って別々に排出される。なお、流体供給口１２ａ、１２ｂへ供給される流体は、液体、気体および粉体のいずれであってもよく、また、液体と気体、液体と粉体といったような組み合わせであってもよい。

図３ないし図９に、種々の流路構成例を示す。
図３に平面図を示した基板２４では、図１に示した基板１０と同様に、２つの流体供給口２６ａ、２６ｂおよび３つの流体採取口２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、３本の反応流路３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、ならびに、一方の流体供給口２６ａに連通する連通流路３２ａ、３２ｂ、３２ｃが、それぞれ基板２４の表面側に形成され、他方の流体供給口２６ｂに連通する連通流路３４ａ、３４ｂ、３４ｃが、基板２４の表面側および裏面側ならびに基板２４の厚み方向に形成されている。

図４に平面図を示した基板３６では、一方の流体供給口３８ａおよび３つの流体採取口４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、３本の反応流路３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、ならびに、一方の流体供給口３８ａに連通する連通流路４４ａ、４４ｂ、４４ｃが、それぞれ基板３６の表面側に形成され、他方の流体供給口３８ｂが基板３６の裏面側に形成され、その他方の流体供給口３８ｂに連通する連通流路４６ａ、４６ｂ、４６ｃが、基板３６の表面側および裏面側ならびに基板３６の厚み方向に形成されている。また、図５に平面図を示した基板４８では、２つの流体供給口５０ａ、５０ｂおよび３つの流体採取口５２ａ、５２ｂ、５２ｃが、それぞれ基板３６の表面側に形成され、３本の反応流路５４ａ、５４ｂ、５４ｃが基板４８の裏面側に形成され、一方の流体供給口５０ａに連通する連通流路５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、および、他方の流体供給口５０ｂに連通する連通流路５８ａ、５８ｂ、５８ｃが、それぞれ基板４８の表面側および裏面側ならびに基板４８の厚み方向に形成されている。

図６に平面図を示した基板６０では、２つの流体供給口６２ａ、６２ｂが、基板６０の対向する両端部にそれぞれ設けられるとともに、３つの流体採取口６４ａ、６４ｂ、６４ｃが基板６０の中央部にそれぞれ設けられている。そして、２つの流体供給口６２ａ、６２ｂおよび３つの流体採取口６４ａ、６４ｂ、６４ｃが、それぞれ基板６０の表面側に形成され、３本の反応流路６６ａ、６６ｂ、６６ｃが基板６０の裏面側に形成され、流体供給口６２ａに連通する連通流路６８ａ、６８ｂ、６８ｃ、および、流体供給口６２ｂに連通する連通流路７０ａ、７０ｂ、７０ｃが、それぞれ基板６０の表面側だけに形成されている。

図７に平面図を示した基板７２は、平面形状が円形であり、基板７２には、２つの流体供給口７４ａ、７４ｂが基板７２の中心部にそれぞれ設けられるとともに、４つの流体採取口７６ａ、７６ｂ、７６ｃ、７６ｄが基板７２の周縁部にそれぞれ設けられ、４本の反応流路７８ａ、７８ｂ、７８ｃ、７８ｄが放射状に設けられている。そして、２つの流体供給口７４ａ、７４ｂおよび４つの流体採取口７６ａ、７６ｂ、７６ｃ、７６ｄが、それぞれ基板７２の表面側に形成され、４本の反応流路７８ａ、７８ｂ、７８ｃ、７８ｄ、および、一方の流体供給口７４ａに連通する連通流路８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄが、それぞれ基板７２の表面側に形成されており、他方の流体供給口７４ｂに連通する連通流路８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄが、それぞれ基板７２の裏面側だけに形成されている。

図８および図９は、流体供給口が３つ設けられた実施形態を示す。図８に平面図を示した基板８４は、図３に示した基板２４の構成において、３つ目の流体供給口２６ｃが追加して設けられ、その流体供給口２６ｃと各反応流路３０ａ、３０ｂ、３０ｃとを、流体供給口２６ｂに連通する各連通流路３４ａ、３４ｂ、３４ｃを介してそれぞれ流路接続する連通流路８６ａ、８６ｂ、８６ｃが追加して設けられている。そして、流体供給口２６ｃが基板８４の表面側に形成され、その流体供給口２６ｃに連通する連通流路８６ａ、８６ｂ、８６ｃが、それぞれ基板８４の表面側および裏面側ならびに基板８４の厚み方向に形成されている。なお、図８においては、重複する説明を避けるために、図３に関して説明した構成要素と同一要素については、図３で使用した符号と同一符号を付して、これ以上の説明を省略する。

また、図９に平面図を示した基板８８は、図６に示した基板６０の構成において、３つ目の流体供給口６２ｃが流体供給口６２ｂの近くに追加して設けられ、その流体供給口６２ｃと各反応流路６６ａ、６６ｂ、６６ｃとを、その各反応流路６６ａ、６６ｂ、６６ｃの途中でそれぞれ流路接続する連通流路９０ａ、９０ｂ、９０ｃが追加して設けられている。そして、流体供給口６２ｃが基板８８の表面側に形成され、その流体供給口６２ｃに連通する連通流路９０ａ、９０ｂ、９０ｃが、それぞれ基板８８の表面側および裏面側ならびに基板８８の厚み方向に形成されている。なお、図９においては、重複する説明を避けるために、図６に関して説明した構成要素と同一要素については、図６で使用した符号と同一符号を付して、これ以上の説明を省略する。

図８および図９に示した実施形態のように、基板の表面のみに流路系が形成されたものでは不可能である３種以上の流体の混合・反応の同時操作も、この発明を適用することにより可能となる。

この発明は、上記したように種々の形態で実施し得るものである。なお、上記したいずれの実施形態においても、流体採取口を基板の表面側に設けるようにしているが、流体採取口を基板の裏面側に設けるようにしてもよい。また、流体供給口の数は４以上でもよいし、反応流路および流体採取口の数も４以上でもよい。

この発明の実施形態の１例を示し、マイクロリアクタの構成要素である基板の斜視図である。図１のII−II矢視部分拡大縦断面図である。この発明の別の実施形態を示し、マイクロリアクタの構成要素である基板の平面図である。この発明のさらに別の実施形態を示し、マイクロリアクタの構成要素である基板の平面図である。この発明のさらに別の実施形態を示し、マイクロリアクタの構成要素である基板の平面図である。この発明のさらに別の実施形態を示し、マイクロリアクタの構成要素である基板の平面図である。この発明のさらに別の実施形態を示し、マイクロリアクタの構成要素である基板の平面図である。この発明のさらに別の実施形態を示し、マイクロリアクタの構成要素である基板の平面図である。この発明のさらに別の実施形態を示し、マイクロリアクタの構成要素である基板の平面図である。

符号の説明

１０、２４、３６、４８、６０、７２、８４、８８基板
１２ａ、１２ｂ、２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、３８ａ、３８ｂ、５０ａ、５０ｂ、６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、７４ａ、７４ｂ流体供給口
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、６４ａ、６４ｂ、６４ｃ、７６ａ、７６ｂ、７６ｃ、７６ｄ流体採取口
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、６６ａ、６６ｂ、６６ｃ、７８ａ、７８ｂ、７８ｃ、７８ｄ、８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄ、８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄ反応流路
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５８ａ、５８ｂ、５８ｃ、６８ａ、６８ｂ、６８ｃ、７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、８６ａ、８６ｂ、８６ｃ、９０ａ、９０ｂ、９０ｃ連通流路
２２貫通孔

Claims

基板に、流体の種類ごとに設けられる複数の流体供給口、前記各流体供給口にそれぞれ連通流路を通して流路接続される反応流路、および、この反応流路の末端に流路接続される流体採取口がそれぞれ形成されたマイクロリアクタにおいて、
前記反応流路を複数設けるとともに、その各反応流路の末端にそれぞれ個別に流路接続した流体採取口を複数設け、前記各流体供給口からそれぞれ供給されて前記各反応流路内で混合される複数種の流体の混合比が反応流路ごとに相違するように前記各連通流路の流路断面積をそれぞれ設定し、前記各連通流路および前記各反応流路からなる流路系を、基板の表・裏両面および基板の厚み方向に形成したことを特徴とするマイクロリアクタ。
請求項１に記載のマイクロリアクタにおいて、
前記流体供給口が第１の流体供給用および第２の流体供給用の２つ設けられるとともに、前記反応流路および前記流体採取口がそれぞれ３つ設けられ、前記各流体供給口、第１の流体を前記各反応流路へそれぞれ導入するための各連通流路、前記各反応流路および前記各流体採取口がそれぞれ基板の表面に形成され、第２の流体を前記各反応流路へそれぞれ導入するための各連通流路の一部もしくは全部が基板の裏面に形成されたことを特徴とするマイクロリアクタ。
請求項１に記載のマイクロリアクタにおいて、前記流体供給口が３つ以上設けられたことを特徴とするマイクロリアクタ。