JP2007240501A - 流速測定装置及び流速測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】流体への外部からの影響を抑えた、流路中の流速や流量を測定する装置及びそれを用いる測定方法を提供することにある。
【解決手段】複数の検出部を設けた測定用流路に異なる２種の流体を送液し、先行流体に続く後続流体の各検出部の通過時間を検出して、後続流体が複数の検出部の間の移動に要した時間から流体の流速を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、流路中の流体の流速を測定するための装置及び方法に関する。

流路中の流体の流速や流量を測定する方法として、大きく分けて２つの手法が挙げられる。第１の方法は、外部に接続されたポンプやシリンジなどの流体送液手段を利用した機械的な測定方法である。このような方法には、送液装置の吐出部の体積に基づいた推定法や流路内に設けられたファンの回転数などを利用する方法がある。第２の方法は、流路中でのその場測定法であり、外部から光や熱、バブルなどの溶液とは異なる物質を加え、流体内に生じた変化を、熱的、光学的に測定する方法である（下記特許文献１および２参照）。
特開２００２−１４８０８９号公報 特開２００４−２７１５２３号公報

しかしながら、前記のような従来法では、機械的な誤差が生じることや、外部からの熱や異物からの影響が流路中の流体成分に影響を及ぼすことがあった。例えば、試料の分析に、流体の流速や流量の測定を組み合せて行う場合には、タンパク質などの測定対象物質が測定のために加えられた熱により変成・変質してしまったり、流体の粘度が温度によって変わってしまうことがあった。また、流路内での化学合成に、流体の流速や流量の測定を組み合せて用いる場合には、好ましくない副反応を生じてしまうこともある。

本発明は、上記の背景技術における課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、流体への外部からの影響を抑えた、流路中の流速や流量を測定する装置及びそれを用いる測定方法を提供することにある。

本発明の装置は、流路内を連続して流れる流体の流速を測定するための装置であって、
異なる２種の流体を連続して送液可能な測定用流路と、前記異なる２種の流体のうちの先行流体に続く後続流体の通過を検出するための検出部と、を有し、
前記検出部の複数を前記測定用流路に設けたことを特徴とする流速測定用の装置である。

本発明の流速測定方法は、流路中を流れる液体の流速の測定方法であって、
所定間隔をもって配置した複数の検出部を有する測定用流路に、先行流体と、該先行流体と異なる後続流体とを連続して送液する工程と、
前記後続流体の通過時間を各検出部で検出する工程と、
各検出部での通過時間から、上流に位置する検出部から下流に位置する検出部に前記後続流体が到達するまでの経過時間を算出し、該経過時間に基づいて前記流体の流速を算出及びする工程と、
を有することを特徴とする流速の測定方法である。

本発明によれば、流体への外部からの影響を抑えた、流路中の流速及び流量を測定する装置及びそれを用いる測定方法を提供することが可能となる。

以下、本発明に含まれる各様態について詳細に説明する。
（流速及び流量測定部）
本発明にかかる流速測定装置は、連続して流れる異なる２つの流体の先行流体に続く後続流体の通過を検出するための検出部の複数を測定用の流路の流体の流れの方向に沿って所定間隔で配置した測定部を少なくとも有する。図１に検出部を流路の上流側と下流側の２箇所に設けた構造の測定部の一例を示す。測定部の有する測定用流路の断面積は全長において一定であり、既知である。また、２つの検出部は所定（既知）の間隔で配置されている。従って、流体の各検出部での通過時間を測定し、その通過時間の差、すなわち、流体が上流側の検出部から下流側の検出部に到達するまでの経過時間を求め、求めた経過時間から流体の流速を算出することができる。更に、必要に応じて、こうして求めた流速に基づいて流量を算出することができる。本発明によれば、流速及び流量は、流路中の検出部における実測値として測定可能である。

この流速測定装置の測定部を、反応装置などの各種装置の流路中に挿入設置することで、液体に含まれる物質への流速測定に伴う物理的、化学的影響をなくして、あるいは少なくして、流路中での液体の流速や流量を実測することができる。本発明の流速測定装置の測定部は、各種装置の流路内の任意の位置に設置でき、また複数箇所に設置して各設置位置での流速や流量を測定することができる。また、流速は、流路径の変化によっても変化するので、本発明の流速測定装置の測定部において流速や流量を実測値として測定可能であることは、流路内の物質の挙動を制御する上でも有効である。

（検出部）
本発明にかかる流速測定装置の検出部において、そこを後続流体が通過した時間が検出される。検出部は後続流体の通過を検出できる構成を有するものであればよい。例えば、先行する流体と後続する流体とに測定可能な物理的及び／または化学的性質の違いがある場合に、これらの性質を検出部で検出することで後続流体の通過を検出部において検出することができる。

この２種の流体の性質の違いとしては、流体の組成や含有成分の違いを反映する屈折率を選択することが好ましい。組成などに応じて屈折率が異なる２種の流体が連続して検出部を通過する際に屈折率変化が生じ、この屈折率変化を測定することで後続流体の通過を検出することが可能となる。この屈折率変化は、光学手段により測定可能であり、流体中に含まれる物質への影響のない、あるいは影響が極めて少ない検出方法を提供可能である。

光学的手段での屈折率変化を測定する好ましい方法としては、表面プラズモン共鳴法を挙げることができる。検出部の流体と接触する面に表面プラズモン共鳴を得るための構造を付与し、異なる組成の流体における屈折率変化をこの表面構造を利用した表面プラズモン共鳴により高感度に測定可能となる。このような表面プラズモン共鳴法での測定に用いる表面構造は、特に限定されないが、図２に代表されるような複数の金属構造体を表面に互いに隔離して配置した構造や、図３のような金属薄膜を表面に設けた構造を挙げることができる。

これら金属構造体及び金属薄膜は、いわゆるプラズモン共鳴現象に関与しており、金属近傍の屈折率の変化に反応して、その光学特性が変化することが知られている。この現象を利用した、屈折率センサやバイオセンサが実用化されている。

金属構造体及び金属薄膜の形成に用いる材料としては、金、銀、銅及びアルミニウムのいずれかの金属、もしくはそれらの合金を用いることができる。金属構造体及び金属薄膜は、基板との密着性の観点から、流路内壁との間にクロムあるいはチタンなどの薄膜を介して、流路内壁上に形成されていてもよい。金属構造体及び金属薄膜は、１０ｎｍから２００ｎｍ程度の膜厚で形成される。各金属構造体の平面形状や各金属構造体の配置態様や配置間隔は検出に必要なものを選択して用いる。金属薄膜についても同様である。

金属構造体または金属薄膜を形成するための基板としては、光学的に透明な、ガラス基板、石英基板、ポリカーボネートやポリスチレンなどの樹脂基板やＩＴＯ基板などを用いることができる。すなわち、プラズモン共鳴法による検出を可能とする基板であればよい。

流体中に存在する成分が、非特異的に前記の金属構造体や金属薄膜に吸着してしまい、その結果、以後の分析や反応等に影響を及ぼすことが予想される場合には、非特異吸着の防止処理を、前記の金属構造体や金属薄膜上に施すことが望ましい。その場合には、ポリマーコーティング、自己組織化膜コーティング、ウシ血清アルブミンやカゼイン等のタンパク質コーティング等を用いるのが好ましい。

検出部は、基板の所定位置に金属構造体を形成して得ることができる。その製造方法の一例を図４に示す。図４に示したように、まず、基板１上に金属薄膜４をスパッタ法あるいは蒸着法により成膜する（図４（Ｂ））。その上に電子線レジスト３をスピンコートにより成膜し（図４（Ｃ））、電子線描画装置で露光し、現像後レジストパターンを得る（図４（Ｄ））。その後、不要な金属薄膜をエッチングし（図４（Ｅ））、レジストを除去して、アレイ状に配置した金属構造体２を形成する（図４（Ｆ））。電子線描画装置の他、集束イオンビーム加工装置、Ｘ線露光装置、ＥＵＶ露光装置によるパターニングで作製することもできる。

また、図５に示したように、モールド法により作製した微細な凹凸の基板１（図５（Ａ））を用いた作製方法も可能である。この場合、基板１上に金属薄膜４をスパッタ法あるいは蒸着法により成膜する（図５（Ｂ））。次に表面の金属膜を研磨し、所望の金属構造体を基板上に形成する（図５（Ｃ））。同様に図６は、金属薄膜４が基板１の凹凸よりも薄い場合の作製方法を示すものである。この場合、基板１の凸部が金属薄膜４表面より上部にあってもよいし、凹凸部の壁面に金属薄膜４が成膜されていてもよい。ここで、研磨する代わりに金属膜をドライエッチングによるエッチバックを利用して除去することも可能である。さらに、図７のように金コロイド微粒子の内壁への化学的固定化法によってもよい。基板表面を予めシランカップリング剤などでアミノ化した後、金コロイドを添加することにより、金属微粒子を分散固定することができる。

（流路）
上記のように検出部が基材に作製された後、別途ポリジメチルシロキサン（PDMS）樹脂やポリスチレン樹脂、ポリカーボネート樹脂等で作製した基板と貼り合わせ流路構造を構成する。樹脂基板上（図８）には、例えば、幅１００μｍ、深さ１００μｍの矩形の微小流路がパターニングされており、貼り合わせることで、流速測定部を構成することができる。図９のようにインレットとアウトレットとなる貫通孔を通じ、他の流路と組み合せて用いることができる。そのため、金属構造体及び金属薄膜が形成された基板側に、前記インレットとアウトレットに対応した位置に貫通孔を空けておく。送液機構としては、マイクロピストンポンプやシリンジポンプなどを用いる。

（流体）
流体は、例えば液体や気体である。液体としては、水溶液などである。本実施形態では、流体中にその物質の含有量によって屈折率変化を生じさせるような物質が含まれる必要がある。例えば、タンパク質のような高分子が好適に用いられる。このような系は、タンパク質の量を測定するようなバイオセンサとの組み合わせにおいて有用である。そのような場合、流路を用いたバイオセンサに於いては、シグナル量の制御のため流速及び流量を制御し、最適な測定条件を作る必要があるためである。

（測定装置及び測定方法）
上述したとおり、本発明の流速測定装置の測定部は、流路と、流路に所定間隔で配置された複数の検出部とを少なくとも有して構成されている。この装置は、更に、測定部で得られた２つの検出部間で流体の通過時間を検出する時間検出手段と、この検出時間から流体の流速及び流量の少なくとも一方を算出する算出手段と、を更に有することができる。すなわち、上流部にある検出部で検出された後続流体が下流部にある検出部で検出されるまでの経過時間を検知し、この経過時間に基づいて、コンピュータなどの演算装置を利用した算出手段により、流体の流速を算出する。更に、必要に応じて得られた流速から流量を算出する。更に、ディスプレ等の表示手段やプリンターなどの記録手段を設けておき、得られた流速や流量を表示したり記録したりすることができる。

次に、上記の構成の測定装置を用いた、流路中の流速及び流量の測定について説明する（代表例、図１０）。この測定装置は、上記構成の測定部を保持する保持手段と、検出部からの信号を検出するための検出手段と、を少なくとも有して構成される。

検出部における検出手段としては、光源と分光光度計、レンズ類から構成される光学検出系と、流体を検出部まで移動させるための流路、送液機構等からなる送液系を有するものが好適に利用できる。光源としては、可視領域から近赤外領域までの波長領域をカバーできるものを用いることができる。光学測定は、吸収スペクトル、透過スペクトル、散乱スペクトル、反射スペクトルを用いることができる。最も好ましくは、金属構造体の場合には、吸収スペクトルのピーク波長あるいは、ピークの吸収強度を、金属薄膜の場合には、反射スペクトルあるいは反射光強度変化を利用する。検出部の有する金属構造体あるいは金属薄膜は、近傍の流体の屈折率に応じて、表面プラズモン共鳴状態が変化し、吸収スペクトルのピーク波長や吸収強度、反射強度はシフトする。

次に、本装置における測定部の流路に、異なる組成に基づく屈折率の差を有する２種の液体を連続的に流した場合における流速や流量の測定の一例について以下に説明する。

流路中を流れる２種類の流体は、組成が異なるためその屈折率に差がある。測定部を先行して流れる第１の流体と連続して流路中を流れる組成の異なる第２の流体の境界部が測定部を通過する時間を、前記スペクトルや強度のシフトのタイミングを以って計測する。シフトしていると判断するためには、実験的に決定した閾値を以って判断する（図１１参照）。本測定部には、前記検出部が複数存在し、順次、第１の流体と第２の流体の境界部が各検出部を通過する時間（ｔ１、ｔ２・・・）を計測することができる。ここで、流体の速度ｖは、以下の式（１）により算出できる。
ｖ＝ｌ／（t１−ｔ２）・・・（１）
但し、
ｌ：ｔ１に通過した検出部とｔ２に通過した検出部との距離（既知）
ｔ１：第1の検出部で測定された、流体の通過時間
ｔ２：第２の検出部で測定された、流体の通過時間
である。

流量は、前記流速と、測定部の流路の断面積（既知）から算出することができる。第１の流体と第２の流体の組成により、境界部が若干混合してしまう場合もあるが、そのような微小領域での混合は、本流速測定法で想定している用途では影響しない。

以下、本発明を実施例により更に具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。

（実施例１）
図１０に本実施例で用いた検出装置の概略の構造を示す。検出部は、膜厚２０ｎｍの金薄膜を５２５μｍ厚の石英基板上に形成し、これを所定のパターンに電子線描画装置を用いてパターニングすることで製作した。図１２の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像にあるように、金属構造体の平面形状の外形は２００ｎｍ×２００ｎｍの正方形状である。解像性の高低により、外形は必ずしも鋭角に作製できるとは限らない。各パターンは、２５０ｎｍのスペースを開けてアレイ状に配置されている。このパターンを１ｃｍの間隔を空けて２つ並べて配置し、流速測定用の検出部を２箇所用意する。本実施例の構造体の吸収スペクトルは、８００ｎｍ近傍にピーク波長を持っている。

本実施例の流路は、ポリスチレン樹脂を用いて成型する。流路は、幅１００μｍ、深さ１００μｍの矩形形状とする。紫外線硬化型接着剤を用い、前記、検出部が形成された基材と貼り合わせる。基材には、予めインレットとアウトレット用の貫通孔を空けてあり、送液系の装置との接続に用いる。

流速の測定流体は、先行して流れる第1の流体としてリン酸緩衝液を連続して流れる組成の異なる第２の流体として１０ｍｇ／ｍｌのヒトα−ｆｅｔｏｐｒｏｔｅｉｎ（ＡＦＰ）のリン酸緩衝液を用い、インレットに接続した、シリンジポンプにより送液する。

吸収スペクトルについて第１の流体と第２の流体を比較すると、図１１に１例を示すように、２種の流体の境界面が検出部を通過することで吸収スペクトルがシフトする。ここで、吸収スペクトルのピーク強度あるいはピーク波長のシフトのタイミングから、流体が通過する時間を計測する。測定データは、演算装置に送られ、式（１）より流速を測定することができる。

（実施例２）
実施例１に示した検出装置に於いて、第１の流体として空気を、第２の流体として水を用いる。検出部は、粒径４０ｎｍの金コロイドを５２５μｍ厚の石英基板上に固定化し、製作した。固定化に当っては、3-アミノプロピルトリメトキシシラン（信越化学工業株式会社製）で石英表面を処理した後、金コロイド溶液（田中貴金属工業株式会社製）を1２時間浸漬すると、図１３の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像にあるような分散した固定化が可能である。このパターンを１ｃｍの間隔を空けて２つ並べて配置し、流速測定用の検出部を２つ配置する。本実施例の金属構造体の吸収スペクトルは、５１０ｎｍ近傍にピーク波長を持っている。実施例１と同様に送液し、空気から水への境界部をピーク波長のシフトを以って、検出し、流速を測定する。

（実施例３）
検出部を膜厚５０ｎｍの金薄膜で構成する。金薄膜の大きさは、１００μｍ×１００μｍで、前記実施例と同様の流路を用い、流路内に収まるサイズとする。この金薄膜を、１ｃｍの間隔を空けて２つ並べて配置し、２つの検出部とする。測定は、光源からの光を図１４のように配置した光学系を通して、金薄膜で反射させ、その反射光の反射スペクトルのピークシフトあるいは、特定波長の反射光ピーク強度の角度シフトを利用して、流体の境界部の通過を検出し、流速を測定する。

本発明の実施の形態における測定部を例示する模式図である。 本発明の実施の形態における検出部の平面配置を例示する模式図である。 本発明の実施の形態における検出部の平面配置を例示する模式図である。 本発明の実施の形態における検出部の作製方法を説明する図である。 本発明の実施の形態における検出部の作製方法を説明する図である。 本発明の実施の形態における検出部の作製方法を説明する図である。 本発明の実施の形態における検出部の作製方法を説明する図である。 本発明の実施の形態における測定部の構成の一例を説明する図である。 本発明の実施の形態における測定部の構成の一例を説明する図である。 本発明の実施の形態における検出装置のブロック図である。 実施例１の検出の一例である。 実施例１の検出部の金属構造体のSEM画像の１例である。 実施例２の検出部の金属構造体のSEM画像の１例である。 実施例３の検出部の構成の１例である。

符号の説明

１ 基板
２ 金属構造体
３ 電子線レジスト
４ 金属薄膜
５ 検出部
６ 基材
７ 搬送液インレット
８ 流路
９ アウトレット
１０ 中央演算装置
１１ 測定部
１２ 表示ユニット
１３ 分光光度計
１４ 光源ユニット
１５ 送液ポンプ
１６ 廃液リザーバ

Claims (16)

1. 流路内を連続して流れる流体の流速を測定するための装置であって、
   異なる２種の流体を連続して送液可能な測定用流路と、前記異なる２種の流体のうちの先行流体に続く後続流体の通過を検出するための検出部と、を有し、
   前記検出部の複数を前記測定用流路に設けたことを特徴とする流速測定用の装置。
2. 上流部にある検出部で検出された前記後続流体の通過時間と、下流部で検出された該後続流体の通過時間とから、これらの検出部間を該後続流体が通過する所要時間を算出し、さらに、該所要時間に基づいて流体の流速及び流量の少なくとも一方を算出する算出手段を更に有する請求項１に記載の装置。
3. 前記先行流体と前記後続流体とが屈折率差を有し、前記検出部が、該先行流体に続いて該後続流体が通過する際の屈折率の変化を検知して該後続流体の通過時間を検出する請求項１または２に記載の装置。
4. 前記屈折率の変化を検出するための光学的手段をさらに有する請求項３に記載の装置。
5. 前記光学的手段がプラズモン共鳴法により前記屈折率の変化を検出する請求項４に記載の装置。
6. 前記検出部は、流体と接触する面に、互いに間隔をもって配置された金属構造体の複数を有し、該面と接触する流体の屈折率変化を前記光学的手段により表面プラズモン共鳴法を用いて検出するものである請求項５に記載の装置。
7. 前記検出部は、流体と接触する面に、金属薄膜を有し、該面と接触する流体の屈折率変化を前記光学的手段により表面プラズモン共鳴法を用いて検出するものである請求項５に記載の装置。
8. 前記金属構造体あるいは金属薄膜は、金、銀、銅及びアルミニウムのいずれかの金属、もしくはそれらの合金からなる請求項６または７に記載の装置。
9. 流路中を流れる液体の流速の測定方法であって、
   所定間隔をもって配置した複数の検出部を有する測定用流路に、先行流体と、該先行流体と異なる後続流体とを連続して送液する工程と、
   前記後続流体の通過時間を各検出部で検出する工程と、
   各検出部での通過時間から、上流に位置する検出部から下流に位置する検出部に前記後続流体が到達するまでの経過時間を算出し、該経過時間に基づいて前記流体の流速を算出及びする工程と、
   を有することを特徴とする流速の測定方法。
10. 前記流速に基づいて前記流路中の流量を算出する工程をさらに含む請求項９に記載の測定方法。
11. 前記先行流体と前記後続流体とが屈折率差を有し、前記検出部が、該先行流体に続いて該後続流体が通過する際の屈折率の変化を検知して該後続流体の通過時間を検出する請求項９または１０に記載の測定方法。
12. 前記屈折率の変化を光学的手段により検出する請求項１１に記載の測定方法。
13. 前記光学的手段により、プラズモン共鳴法を用いて前記屈折率の変化を検出する請求項１２に記載の測定方法。
14. 前記検出部は、流体と接触する面に、互いに間隔をもって配置された金属構造体の複数を有し、該面と接触する流体の屈折率変化を前記光学的手段により表面プラズモン共鳴法を用いて検出する請求項１３に記載の測定方法。
15. 前記検出部は、流体と接触する面に、金属薄膜を有し、該面と接触する流体の屈折率変化を前記光学的手段により表面プラズモン共鳴法を用いて検出する請求項１３に記載の測定方法。
16. 前記金属構造体あるいは金属薄膜は、金、銀、銅及びアルミニウムのいずれかの金属、もしくはそれらの合金からなる請求項１４または１５に記載の測定方法。

Images