JP2006255584A

JP2006255584A - マイクロリアクタ

Info

Publication number: JP2006255584A
Application number: JP2005076452A
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】反応流路において短い流路長で効率的に複数種の流体を混合することができ、基板の小形化が可能で製作も容易であるマイクロリアクタを提供する。
【解決手段】基板１０の表面および裏面にそれぞれ複数の有端流路２０、２２を並列させて形成し、基板表面側の有端流路２０の下流端と基板裏面側の有端流路２２の上流端、および、基板裏面側の有端流路２２の下流端と基板表面側の有端流路２０の上流端とをそれぞれ順次連通させるように、基板の厚み方向に複数の貫通流路２４を形成し、基板の表・裏両面の複数の有端流路２０、２２と複数の貫通流路２４とにより反応流路１６を構成した。
【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。）。

マイクロリアクタにおいては、複数種の流体を速やかにかつ十分に混合させて反応させる必要がある。このため、従来のマイクロリアクタでは、反応流路を蛇行させて流路長を長くしたり、反応流路の溝底を凹凸状に加工したり、あるいは、反応流路に分岐部分と合流部分とを繰り返し設ける、といった流路構成にしたりしていた。
特開２００４−１６８７０号公報（第２−４頁、図１、図９および図１０）

従来のマイクロリアクタのように、反応流路を蛇行させて流路長を長くしたり、反応流路に分岐部分と合流部分とを繰り返し設けたりする構造では、チップのサイズが大きくなる、といった問題点がある。また、反応流路の溝底を凹凸状とする構造では、加工が難しく、製作コストが高くなる、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、反応流路において短い流路長で効率的に複数種の流体を混合することができ、基板の小形化が可能で、製作も容易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、複数の流体供給口から供給される複数種の流体を混合して反応させる反応流路が設けられたマイクロリアクタにおいて、基板の表面および裏面に、それぞれ複数の有端流路を並列させて形成するとともに、基板表面側の有端流路の下流端と基板裏面側の有端流路の上流端、および、基板裏面側の有端流路の下流端と基板表面側の有端流路の上流端とをそれぞれ順次連通させるように、基板の厚み方向に複数の貫通流路を形成し、基板の表・裏両面の前記複数の有端流路と前記複数の貫通流路とにより前記反応流路を構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、前記基板表面側の複数の有端流路が、流体の全体的流れ方向に沿った直線に対して傾斜しかつ互いに平行に形成されて、流体の全体的流れ方向に配列され、前記基板裏面側の複数の有端流路が、流体の全体的流れ方向に沿った直線に対して基板表面側の有端流路と反対方向に傾斜しかつ互いに平行に形成されて、流体の全体的流れ方向に配列され、前記基板表面側の複数の有端流路と前記基板裏面側の複数の有端流路とが平面透視でジグザグ状に配置さ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、複数の流体供給口から供給されて反応流路内に流入した複数種の流体は、基板表面側の有端流路から基板の厚み方向における貫通流路を経て基板裏面側の有端流路へ、基板裏面側の有端流路から基板の厚み方向における貫通流路を経て基板表面側の有端流路へというように順次流動していく。そして、流体は、基板表面側の有端流路から貫通流路へ流れ込み、貫通流路から基板裏面側の有端流路へ流れ込み、また、流体が基板裏面側の有端流路から貫通流路へ流れ込み、貫通流路から基板表面側の有端流路へ流れ込むときに、それぞれ大きく流動方向を変える。このように、流体は繰り返し流動方向を大きく変えながら反応流路内を流れていくので、複数種の流体は効率良く混合される。このため、反応流路の流路長をそれほど長くする必要が無い。また、反応流路は、基板の表面と裏面の両方に形成され、基板の厚み方向にも形成されているので、反応流路の入口から出口までの直線距離も短くすることができる。
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、反応流路において短い流路長で効率的に複数種の流体を混合することができる。また、このマイクロリアクタは、小形化が可能で、製作も容易である。

請求項２に係る発明のマイクロリアクタでは、流体は反応流路内を旋回するように三次元的に流動していくので、複数種の流体の混合がより効率的に行われる。

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ないし図３は、この発明の実施形態の１例を示し、図１は、マイクロリアクタの構成要素である基板（チップ）の反応流路部分を示す斜視図であり、図２は、基板の概略平面図であり、図３は、基板の反応流路を示す拡大平面図である。なお、図１ないし図３では、繰り返し単位の数が互いに違っているが、図示した繰り返し単位の数に特別な意味は無い（図４および図５においても同じ）。

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、図２に示すように、流体の種類ごとに設けられる複数、この実施形態では２つの流体供給口１２ａ、１２ｂ、および、反応後の流体を採取するための流体採取口１４がそれぞれ設けられている。また、基板１０には反応流路１６が設けられている。反応流路１６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、１８ｂを通してそれぞれ流路接続されており、反応流路１６の末端には流体採取口１４が流路接続されている。

流体供給口１２ａ、１２ｂおよび流体採取口１４は、基板１０の表面に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１４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１４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。反応流路１６は、基板１０の表面および裏面に凹溝をそれぞれ加工するとともに、基板１０の厚み方向に貫通孔を穿設して、それらを互いに接続することにより形成されており、後述するように流路構成されている。また、連通流路１８ａ、１８ｂは、基板１０の表面に凹溝を加工することにより形成されている。

図１および図３に示すように、反応流路１６は、基板１０の表面および裏面に、それぞれ複数の有端流路２０、２２を並列させて設けるとともに、基板１０の表面側の有端流路２０の下流端と基板１０の裏面側の有端流路２２の上流端、および、基板１０の裏面側の有端流路２２の下流端と基板１０の表面側の有端流路２０の上流端とを、基板１０の厚み方向に形成された各貫通流路２４によりそれぞれ順次連通させることにより構成されている。基板１０の表面に形成された複数の有端流路２０は、流体の全体的流れ方向に配列されており、流体の全体的流れ方向に沿った直線に対して傾斜しかつ互いに平行に配置されている。また、基板１０の裏面に形成された複数の有端流路２２は、同じく流体の全体的流れ方向に配列されており、流体の全体的流れ方向に沿った直線に対して有端流路２０と反対方向に傾斜しかつ互いに平行に配置されている。基板１０の厚み方向に形成された複数の貫通流路２４は、基板１０の表・裏面に対してそれぞれ垂直に配置されている。そして、基板表面側の複数の有端流路２０と基板裏面側の複数の有端流路２２とは、平面視で透視した状態でジグザグ状に配置されている。また、複数の有端流路２０、２２と貫通流路２４とから構成された反応流路１６は、従来のマイクロリアクタの反応流路のように平面的ではなく立体的に形成されている。

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種類の流体を混合して反応させる場合、マイクロポンプ等により各流体を各流体供給口１２ａ、１２ｂへそれぞれ個別に供給する。流体供給口１２ａ、１２ｂへ供給された両流体は、各連通流路１８ａ、１８ｂをそれぞれ通って流動し、反応流路１６内へ流入する。反応流路１６内へ流入した流体は、図１に矢印で示したように、基板表面側の有端流路２０から基板１０の厚み方向における貫通流路２４を経て基板裏面側の有端流路２２へ流動し、基板裏面側の有端流路２２から貫通流路２４を経て基板表面側の有端流路２０へ流動する。このように、流体は、貫通流路２４を介して基板表面側の有端流路２０と基板裏面側の有端流路２２とを交互に流動していく。この間、流体は、基板表面側の有端流路２０から貫通流路２４へ流れ込み、貫通流路２４から基板裏面側の有端流路２２へ流れ込み、また、基板裏面側の有端流路２２から貫通流路２４へ流れ込み、貫通流路２４から基板表面側の有端流路２０へ流れ込むときに、それぞれ大きく流動方向を変えながら、反応流路１６内を流れていく。このため、２種類の流体は効率良く混合され、速やかに反応する。反応後の流体は、反応流路１６の末端から流出し、流体採取口１４を通って排出される。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。

次に、図４は、反応流路の別の構成例を示す拡大平面図である。
この反応流路２６では、基板の表面および裏面に、流体の全体的流れ方向に配列され流体の全体的流れ方向に沿った直線に対して直交しかつ互いに平行に複数の有端流路２８、３０をそれぞれ形設している。基板裏面側の各有端流路３０は、基板表面側の各有端流路２８の中間にそれぞれ配置されている。そして、基板表面側の有端流路２８の下流端と基板裏面側の有端流路３０の上流端、および、基板裏面側の有端流路３０の下流端と基板表面側の有端流路２８の上流端とが、基板の厚み方向に形成された各貫通流路３２を介してそれぞれ順次連通している。

図４に示したように構成された反応流路２６を有するマイクロリアクタにおいても、反応流路２６内へ流入した複数種の流体は、貫通流路３２を介して基板表面側の有端流路２８と基板裏面側の有端流路３０とを交互に流動していく。そして、流体は、基板表面側の有端流路２８から貫通流路３２へ流入し、貫通流路３２から基板裏面側の有端流路３０へ流入し、基板裏面側の有端流路３０から貫通流路３２へ流入し、貫通流路３２から基板表面側の有端流路２８へ流入するときにそれぞれ大きく流動方向を変える。このため、複数種の流体は、反応流路内で効率良く混合されて速やかに反応することとなる。

また、図５に拡大平面図を示した反応流路３４は、図４に示した反応流路２６と同様、基板の表面および裏面に、流体の全体的流れ方向に配列され流体の全体的流れ方向に沿った直線に対して直交しかつ互いに平行に複数の有端流路３６、３８をそれぞれ形設し、基板裏面側の各有端流路３８が基板表面側の各有端流路３６の中間にそれぞれ配置されるようにしている。また、基板表面側の有端流路３６の下流端と基板裏面側の有端流路３８の上流端、および、基板裏面側の有端流路３８の下流端と基板表面側の有端流路３６の上流端とを、基板の厚み方向に形成された各貫通流路４０を介してそれぞれ順次連通させている。そして、この反応流路３４では、図４に示した反応流路２６に比べて有端流路３６、３８の形成ピッチを小さくし、反応流路３４の全長を長くすることにより、複数種の流体の混合および反応がより効率的に行われるようにしている。

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、流体供給口や流体採取口あるいは連通流路の形成方法は特に限定されず、流体供給口や流体採取口を基板の裏面側に形成したり、連通流路を基板の表・裏両面および基板の厚み方向に形成したりしてもよい。

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反応流路部分を示す斜視図である。この発明の実施形態の１例を示すマイクロリアクタの基板の概略平面図である。図１に示した反応流路の拡大平面図である。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反応流路の拡大平面図である。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反応流路の拡大平面図である。

符号の説明

１０基板
１２ａ、１２ｂ流体供給口
１４流体採取口
１６、２６、３４反応流路
１８ａ、１８ｂ連通流路
２０、２８、３６基板表面側の有端流路
２２、３０、３８基板裏面側の有端流路
２４、３２、４０貫通流路

Claims

基板に、複数の流体供給口から供給される複数種の流体を混合して反応させる反応流路が設けられたマイクロリアクタにおいて、
基板の表面および裏面に、それぞれ複数の有端流路を並列させて形成するとともに、基板表面側の有端流路の下流端と基板裏面側の有端流路の上流端、および、基板裏面側の有端流路の下流端と基板表面側の有端流路の上流端とをそれぞれ順次連通させるように、基板の厚み方向に複数の貫通流路を形成し、基板の表・裏両面の前記複数の有端流路と前記複数の貫通流路とにより前記反応流路を構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、
前記基板表面側の複数の有端流路が、流体の全体的流れ方向に沿った直線に対して傾斜しかつ互いに平行に形成されて、流体の全体的流れ方向に配列され、前記基板裏面側の複数の有端流路が、流体の全体的流れ方向に沿った直線に対して基板表面側の有端流路と反対方向に傾斜しかつ互いに平行に形成されて、流体の全体的流れ方向に配列され、前記基板表面側の複数の有端流路と前記基板裏面側の複数の有端流路とが平面透視でジグザグ状に配置されたことを特徴とするマイクロリアクタ。