JP2006320829A - 微小流路構造体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】流体を導入する2以上の導入口及びそれらに連通する導入流路と、導入流路が合流する合流部と連通しかつ導入された流体を流す微小流路19と、微小流路に連通しかつ導入される流体を分離する分岐部を有した2以上の排出流路及びそれらに連通する排出口と、を有した微小流路構造体であって、微小流路には、導入された2以上の流体により形成される層流界面の位置又はその近傍に微小流路の高さと実質的に等しい高さの不連続な仕切り壁22が設けられているとともに、仕切り壁の両側の位置に連続した凸形状のガイド条16が微小流路の底面に設けられている微小流路構造体を用いる。
【選択図】図17
Description
ΔP=P2−P1=32μLu/d2 (式1)
となる。これをハーゲン−ポアズイユの式という。ここで、μ[Pa・s]は粘性係数、L[m]は流路長(10)である。今、図8に示すように微小流路に2つの流体A(13)と流体B(14)が層流となって層流界面を形成して流れている場合、それぞれの流体に(式1)が成り立ち、流体A(13)と流体B(14)の圧力損失ΔPAおよびΔPBは、それぞれ(式2)、(式3)で示される。
ΔPB=32μBLuB/dB 2 (式3)
ここで、μA、uA、dAは、それぞれ流体A(13)の粘性係数、線速度(5)、流体幅(33)であり、μB、uB、dBは、それぞれ流体B(14)の粘性係数、線速度(5)、流体幅(33)である。ここで、流体Aと流体Bは、流路幅D[m](22)の同一微小流路内を流れているので、ΔPAとΔPBはつりあっており(式4)が成立している。
さらに、送液速度v[μL/分]と線速度u[m/s]の関係は、流体の流れの方向に垂直な断面積をS[m2]とすると、
u = 1.67×10−11・v/S (式5)
の関係にあり、この関係を(式4)に代入すれば
μAvA/SAdA 2=μBvB/SBdB 2 (式6)
とな。ここでvA、vBは、それぞれ流体A、流体Bの送液速度、SA、SBはそれぞれ流体A、流体Bの流れの方向に垂直な断面積である。さらに、断面積S[m2]は、流体幅d[m]の2乗に比例する事から、
μAvA/dA 4=μBvB/dB 4 (式7)
が成立し、流体Aと流体Bは、流路幅D[m](22)の同一微小流路内を流れているので、
D=dA+dB (式8)
が成立する。
また、微小流路に導入された流体間の層流界面を安定化させるために、例えば図13〜図16に示すように、導入された流体間に形成される境界に沿って、導入された流体が互いに混入しないための、微小流路深さに実質的に等しい高さの1以上の仕切り壁を有する微小流路構造が提案されている(例えば特許文献2参照)。このような仕切り壁を微小流路内に形成することで、図3に示す層流界面(3)の位置の変動をある程度押さえること、また図4に示す微小流路内壁と送液する流体との親和性の違いによる流体の回り込み(15)をある程度抑えることはできる。しかしながら、図21に示すように、層流界面の変動幅が一定の値を超えると、一方の流体がもう一方の流体側へ仕切り壁の隙間から液滴の状態で混入し(37)、またこの液滴が生成される過程において生じる層流界面付近の圧力変動により、層流界面の位置がさらに大きく変動し、一定時間層流が維持できなくなるという問題があった。
以上のことから、微小流路の流体排出口から、各々の流体を他の流体が混入することなく排出することは非常に困難であり、ガイド条を形成した微小流路や、仕切り壁を形成した微小流路のさらなる改善が求められていた。
(実施例1)
図18〜図20に第1の実施例に用いた微小流路構造体の概念図を示した。微小流路の形状は流体導入口側と流体排出口側がY字状に2本の微小流路に分岐しており、微小流路内には図17に示すように、微小流路の幅方向に対してほぼ中央に、微小流路の深さに等しい高さの流体進行方向に沿った不連続な仕切り壁(22)を形成した。さらに微小流路中、仕切り壁によって仕切られた、各流体が流れる各流路の幅方向に対してほぼ中央に、流体進行方向に沿った連続したガイド条(16)を1本ずつ形成した。製作した微小流路の幅(9)は100μm、深さ(17)は20μm、長さ30mmである。仕切り壁の間隔(25)及び仕切り壁の長さ(26)は、100μmである。仕切り壁の流路幅方向の厚さ(23)は約5μmである。ガイド条の高さは5μmである。微小流路は、70mm×38mm×1mm(厚さ)のパイレックス(登録商標)基板に一般的なフォトリソグラフィーとウエットエッチングにより形成し、2つの流体導入口と2つの流体排出口に相当する位置に、直径0.6mmの貫通した小穴を機械的加工手段により設けた同サイズのパイレックス(登録商標)基板をカバー体として熱融着により接合することで微小流路を密閉した。
(実施例2)
実施例1で使用した微小流路構造体にシクロヘキサンを8μL/分の固定した送液速度で送液し、それに対して水を1μL/分〜50μL/分の間で送液速度を変えて送液した。すなわち、シクロヘキサンに対する水の送液速度比が0.125(=1[μL/分]/8[μL/分])〜6.250(=50[μL/分]/8[μL/分])の間で、導入口Aから水を、導入口Bからシクロヘキサンを上記条件で送液し、排出口Cから排出された水の量と混入したシクロヘキサンの量を、排出口Dから排出されたシクロヘキサンの量と混入した水の量を、それぞれ、メスシリンダーにて秤量して測定し、その結果を表2に示した。
(比較例1)
図10〜図12に比較例に用いた微小流路構造体の概念図を示した。微小流路の形状は流体導入口側と流体排出口側がY字状に2本の微小流路に分岐しており、微小流路内には図9に示すように、微小流路の幅方向に対してほぼ中央に、微小流路の底部(18)に流路深さ(17)の約20%程度以下のガイド条(16)を形成した。製作した微小流路の幅(9)は100μm、深さ(17)は20μm、長さ30mmである。ガイド条の高さは4μmである。微小流路は、70mm×38mm×1mm(厚さ)のパイレックス(登録商標)基板に一般的なフォトリソグラフィーとウエットエッチングにより形成し、2つの流体導入口と2つの流体排出口に相当する位置に、直径0.6mmの貫通した小穴を機械的加工手段により設けた同サイズのパイレックス(登録商標)基板をカバー体として熱融着により接合することで微小流路を密閉した。
(比較例2)
図14〜図16に比較例に用いた微小流路構造体の概念図を示した。微小流路の形状は流体導入口側と流体排出口側がY字状に2本の微小流路に分岐しており、微小流路内には図13に示すように、微小流路の幅方向に対してほぼ中央に、微小流路の深さに等しい高さの流体進行方向に沿った不連続な仕切り壁(22)を形成した。製作した微小流路の幅(9)は100μm、深さ(17)は20μm、長さ30mmである。仕切り壁の間隔(25)及び仕切り壁の長さ(26)は、100μmである。仕切り壁の流路幅方向の厚さ(23)は約5μmである。微小流路は、70mm×38mm×1mm(厚さ)のパイレックス(登録商標)基板に一般的なフォトリソグラフィーとウエットエッチングにより形成し、2つの流体導入口と2つの流体排出口に相当する位置に、直径0.6mmの貫通した小穴を機械的加工手段により設けた同サイズのパイレックス(登録商標)基板をカバー体として熱融着により接合することで微小流路を密閉した。
2:有機相
3:層流界面
4:分岐部
5:線速度
6:直径
7:水平円管
8:円管端面
9:微小流路の幅
10:流路長
11:流体導入口
12:流体排出口
13:流体A
14:流体B
15:流体の回り込み
16:ガイド条
17:流路深さ
18:微小流路の底部
19:微小流路
20:流体境界
21:流路幅
22:仕切り壁
23:仕切り壁の厚さ
24:仕切り壁の高さ
25:仕切り壁の間隔
26:仕切り壁の長さ
27:流体進行方向
28:導入口A
29:導入口B
30:排出口C
31:排出口D
32:基板
33:流体幅
34:カバー対
35:小穴
36:ガイド条の厚さ
37:液滴
Claims (4)
- 流体を導入する2以上の導入口及びそれらに連通する導入流路と、前記導入流路が合流する合流部と連通しかつ導入された流体を流す微小流路と、前記微小流路に連通しかつ導入される流体を分離する分岐部を有した2以上の排出流路及びそれらに連通する排出口と、を有した微小流路構造体であって、前記微小流路には、導入された2以上の流体により形成される層流界面の位置又はその近傍に前記微小流路の高さと実質的に等しい高さの不連続な仕切り壁が設けられているとともに、前記仕切り壁の両側の位置に連続した凸形状のガイド条が微小流路の底面に設けられている微小流路構造体。
- ガイド条が、微小流路の側壁と仕切り壁との中心線の位置又はその近傍に設けられている請求項1記載の微小流路構造体。
- ガイド条が、微小流路の側壁と仕切り壁との中心線の位置もしくはその近傍、及び、仕切り壁の間の中心線の位置もしくはその近傍に設けられている請求項1記載の微小流路構造体。
- ガイド条が、導入口及びそれらに連通する導入流路から微小流路を経由して排出流路及び排出口まで連続して設けられている請求項1〜3のいずれかに記載の微小流路構造体。
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