JP2007268492A - マイクロデバイス及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】反応によって生成する凝集物や析出物等による微細な流路の目詰まりを抑制し、連続運転安定性を向上できる。
【解決手段】
複数の流体を隔壁部３６により隔てられたそれぞれの液体供給路２８、２８を流通させて１本の混合・反応流路２６で合流させることにより、複数の流体の混合又は反応を行うマイクロデバイス１０の運転方法であって、隔壁部３６先端の吐出口４０から複数の流体同士が合流する合流部３８に向けて、複数の流体に対して不溶性且つ不活性な流体Ｌｎを押し出すことにより、隔壁部３６の先端に流体壁４６を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明はマイクロデバイス及びその運転方法に係り、特に、マイクロスケールの空間が有する特徴を利用して反応を効率的に行うマイクロフルイディスク分野において、流体混合により化学製品や医薬品等を製造するマイクロデバイス及びその運転方法に関する。

近年、マイクロスケールの微小空間内で反応を効率的に行うマイクロフルイディスクの有用性が認識されはじめている。マイクロフルイディスクは、反応場の均一性が高く、熱制御性が容易であり、省エネルギー化できる等の優れた特徴をもっている。このように、マイクロ空間の反応場の均一性を利用して複数の流体を混合又は反応させるデバイスをマイクロリアクターと称している。

上記マイクロリアクターを用いて行う反応には、例えば、無機物質や有機物質等を対象としたイオン反応、酸化還元反応、熱反応、触媒反応、ラジカル反応、重合反応等の様々な反応形態が挙げられる。また、上記マイクロリアクターは、例えば、ナノメートルオーダの微粒子を均一に製造することに利用されている。代表的な微粒子製造反応には、ゾルーゲル法、分散重合法、懸濁重合法、ノンソープ乳化重合法、膜乳化重合法、再沈法等が挙げられる。

例えば、再沈法については、２種類の異なる流体を混合及び反応させ、それによって生成される物質の溶媒に対する溶解度を制御することで微粒子を析出させるものである。

例えば、図９に従来の２流体混合型のマイクロリアクター１の構造を説明する模式図である。図９に示されるように、従来のマイクロリアクター１は、主に、２流体を合流させて反応させる反応流路２と、反応流路２にそれぞれの流体を別々に供給するための流体供給路４、４が連通したＹ字型流路６を備えている。ここで、２流体はそれぞれ流体供給路４、４に導入された後、反応流路２内で合流して相互に接触することにより、微粒子析出反応する。このように、微細な反応流路２内では、２流体が層流を形成して分子拡散により徐々に混合されるので、反応場の均一性が高くなる。

このように、マイクロフルイディスクには数多くのメリットがある一方で、微小な空間内で反応を行うため、外部からの不純物の混入又は副生成物の発生等により流路の目詰まりが発生し易く、反応を連続的に行うことが困難であった。また、流路の固体壁面近傍では流体の流速が流路の中で最も遅く、特に微粒子析出反応を行う場合は、固体壁面に析出した微粒子が堆積し、ひいては目詰まりを発生させるという問題があった。

図１０は、図９の従来のマイクロリアクター１の合流部近傍における作用を説明する説明図であり、このうち図１０（Ａ）はマイクロリアクター１の合流部近傍における拡大上面図であり、図１０（Ｂ）は合流部近傍の流路断面図である。例えば、上記図１０に示されるように、２流体Ｌ１、Ｌ２の反応により析出した微粒子Ｐが、２流体Ｌ１、Ｌ２が合流する合流部の上下の固体壁面８、９に時間の経過と共に付着する場合がある。このような微粒子Ｐの付着が進行すると、流路サイズに対して無視できない大きさの堆積物となり、流路を詰まらせる原因になっていた。

これらを解決するための手段として、例えば、特許文献１には、２つの流体供給路の間に補助流路を設け、ここに２流体と反応しない第３の流体を通流させる方法が提案されている。これにより、合流部において上記２流体が直接接触しないようにすることが記載されている。

その他、マイクロ空間をより大きくする方法や、固体壁面に微粒子が付着しにくくするコーティング等の表面処理を施す方法等が提案されている。
特開２００３−１６４７４５号公報

しかしながら、上記特許文献１の方法では、反応に関与しない第３の流体を通流させるので、反応流路内において生成する微粒子の濃度が薄まることがあった。また、第３の流体によって、反応に関与する２流体間の分子拡散や混合性の制御が複雑になるという問題があった。

また、マイクロ空間をより大きくする方法では、マイクロリアクター自体の特徴が損なわれるという問題もあった。

さらに、微粒子が付着しにくくするように固体壁面を表面処理する方法では、均一に表面処理することが困難であるだけでなく、コーティングの性能が使用時間と共に劣化する等の問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、反応によって生成する凝集物や析出物等による微細な流路の目詰まりを抑制し、連続運転安定性を向上できるマイクロデバイス及びその運転方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１は前記目的を達成するために、複数の流体を隔壁部により隔てられたそれぞれの供給流路を流通させて１本の混合・反応流路で合流させることにより、前記複数の流体の混合又は反応を行うマイクロデバイスの運転方法であって、前記隔壁部先端の吐出口から前記複数の流体同士が合流する合流部に向けて、前記流体に対して不溶性且つ不活性な流体を押し出すことにより、前記隔壁部の先端に流体壁を形成することを特徴とするマイクロデバイスの運転方法を提供する。

本発明者は、マイクロ空間における安定な微粒子製造を妨げる一因として、反応により生成した微粒子が微細な流路の合流部の固体壁面に付着、堆積し易いことに着目し、この合流部近傍の固体壁面上で、反応流体同士が直接接触しないようにした。

請求項１によれば、複数の流体を隔壁部により隔てられたそれぞれの供給流路を流通させて１本の混合・反応流路で合流させることにより、複数の流体の混合又は反応を行うマイクロデバイスの運転方法であって、隔壁部先端の吐出口から複数の流体同士が合流する合流部に向けて、複数の流体に対して不溶性且つ不活性な流体を押し出すことにより、隔壁部の先端に流体壁を形成する。

これにより、複数の流体同士が合流する合流部に露出する固体壁面量を低減できるので、反応等により析出した微粒子の固体壁面への付着を抑制することができる。従って、反応によって生成する凝集物や析出物等による微細な流路の目詰まりを抑制し、連続運転安定性を向上できる。

ここで、不溶性且つ不活性な流体としては、気泡を含む流体も含まれる。また、混合・反応流路の円相当直径が１ｍｍ以下であることが好ましい。また、吐出口は、隔壁部、又はその他の部材（合流部に対応する蓋部材、本体部材等）に設けられることが好ましい。

請求項２は請求項１において、前記流体壁は、前記吐出口から気体を押し出すことにより形成される気泡であることを特徴とする。

請求項２によれば、流体壁は、吐出口から気体を押し出すことにより形成される気泡であるので、複数の流体に対して不溶性且つ不活性な流体を混合・反応流路の合流部に局所的に形成できる。これにより、微細な混合・反応流路等の目詰まりを抑制できると共に、不溶性且つ不活性な流体の使用量を少量にとどめることができる。

請求項３は請求項１において、前記複数の流体が油に不溶な流体であると共に、前記流体壁は前記吐出口から押し出された油であることを特徴とする。

請求項３によれば、複数の流体が油に不溶な流体であると共に、流体壁は吐出口から押し出された油であるので、流体壁が複数の流体に溶解したり流されたりすることを抑制できる。ここで、油とは、水、水溶液又は水溶性流体等に不溶な流体をいい、例えば、ｎ−ヘキサン、トルエン、キシレン、グリセリン等が挙げられる。また、油に不溶な流体とは、水、水溶液、及び水溶性流体等をいう。ここで、水溶性流体とは、メタノール、エタノール等の水との相溶性があり且つ油に不溶な流体をいう。

請求項４は請求項１〜３の何れか１において、前記流体壁が形成されるように、前記吐出口から押し出す流体の押出圧力を調整することを特徴とする。

押出圧力は、例えば、吐出口に連通するように接続されたシリンジポンプ等の押出手段を調節することにより、調整できる。

ここで、流体壁を吐出口において安定に保持するためには、合流部において、流体壁を押し出す圧力が、反応流体を流す圧力に打ち勝つ必要があり、同時に流体壁を押し出す圧力が、流体壁を吐出口から下流側に脱離させる圧力よりも低くなくてはならない。したがって、流体壁を吐出口に安定に保持するためには、合流部において流体壁を押し出す圧力と反応流体を流す圧力の圧力差ΔＰが所定の範囲内にある必要がある。ここで、圧力差ΔＰは、０＜ΔＰ＜１０ｋＰａとすることが好ましい。例えば、ガラス製のマイクロリアクターにおいて、流路幅および深さが２００μｍであり、流体壁が水である場合、合流部における流体壁を押し出す圧力と反応流体を流す圧力の圧力差ΔＰは、０＜ΔＰ＜０．７ｋＰａとすることが好ましい。

請求項５は請求項１〜４の何れか１において、前記吐出口から前記流体を間欠的に押し出すことを特徴とする。

請求項５によれば、例えば、流体壁が流体に対する溶解量が無視できない場合や流体壁が流され易い場合等に、再び流体壁を形成することができる。

ここで、合流部において流体を間欠的に押し出す時の圧力と、反応流体を流す圧力の圧力差ΔＰは、ΔＰ＞０．０１ｋＰａとすることが好ましい。例えば、ガラス製のマイクロリアクターにおいて、流路幅及び深さが２００μｍであり、流体壁が水である場合、圧力差ΔＰは、ΔＰ＞０．７ｋＰａとすることが好ましい。

本発明の請求項６は前記目的を達成するために、複数の流体を隔壁部により隔てられたそれぞれの供給流路を流通させて１本の混合・反応流路で合流させることにより、前記複数の流体の混合又は反応を行うマイクロデバイスの運転方法であって、前記合流した複数の流体同士が前記混合・反応流路の流れ方向に形成する界面と、前記混合・反応流路の内壁面とが接する接液線に沿って、前記複数の流体に対して不活性且つ不溶性の流体を流すことにより、前記接液線に沿って連続的な流体壁を形成することを特徴とするマイクロデバイスの運転方法を提供する。

請求項６によれば、複数の流体同士が合流する合流部だけでなく、それを含む混合・反応流路全体において、連続的な流体壁を形成できる。これにより、反応によって生成する凝集物や析出物等による微細な流路の目詰まりをより確実に抑制し、連続運転安定性を向上できる。ここで、不溶性且つ不活性な流体としては、気泡を含む流体も含まれる。

請求項７は請求項６において、前記複数の流体が油に不溶な流体であると共に、前記流体壁を形成する流体が油であることを特徴とする。

請求項７によれば、流体壁が複数の流体に溶解したり流されたりすることを抑制できる。尚、請求項３で既述したのと同様の流体を使用できる。

請求項８は請求項６又は７において、前記複数の流体及び前記不活性且つ不溶性の流体は、前記混合・反応流路を上から下に重力方向に流れることを特徴とする。

請求項８によれば、複数の流体と、不活性且つ不溶性の流体との比重差に関係なく、不活性且つ不溶性の流体からなる連続的な流体壁を安定に形成できる。

本発明の請求項９は前記目的を達成するために、複数の流体を隔壁部により隔てられたそれぞれの供給流路を流通させて１本の混合・反応流路で合流させることにより、前記複数の流体の混合又は反応を行うマイクロデバイスであって、前記隔壁部の先端に前記複数の流体同士が合流する合流部に向けて形成された吐出口と、前記吐出口から前記流体に対して不溶性且つ不活性な流体を押し出す押出手段と、前記押出手段と前記吐出口とを連通する吐出流路と、を備えたことを特徴とする。

請求項９は請求項１を装置として構成したものである。ここで、吐出口は、隔壁部、又はその他の部材（合流部に対応する蓋部材、本体部材等）に設けられることが好ましい。押出手段としては、例えば、不溶性且つ不活性な流体の適切な押出圧力で吐出口に流体壁を保持するためのシリンジポンプ等の各種ポンプを使用できる。また、不溶性且つ不活性な流体としては、気泡を含む流体も含まれる。

請求項１０は請求項９において、前記吐出口が、前記複数の流体に対して不溶性且つ不活性な流体からなる流体壁を保持する形状に構成されることを特徴とする。

請求項１０によれば、流れの中に曝されても流体壁は破壊されにくく、安定に保持され易い。従って、反応によって生成する凝集物や析出物等による微細な流路の目詰まりを抑制し、連続運転安定性を向上できる。ここで、流体壁を保持し易い形状としては、凹状に湾曲した形状や、合流部に露出する部分に気泡や液体等を保持し易い平面を備えた形状等が含まれる。

請求項１１は請求項９又は１０において、前記吐出口が、凹状に形成されたことを特徴とする。

このような形状とすることで、合流部に形成された気泡や液泡は安定に保持され易くなる。

請求項１２は請求項９〜１１の何れか１において、前記流体壁は、前記吐出口から気体を押し出すことにより形成される気泡であることを特徴とする。

請求項１２によれば、流体壁は吐出口から気体を押し出すことにより形成される気泡であるので、不溶性且つ不活性な流体を混合・反応流路の合流部に局所的に形成できる。

請求項１３は請求項９〜１２の何れか１において、複数の流体が油に不溶な流体であると共に、前記流体壁は前記吐出口から押し出された油であることを特徴とする。

これにより、流体壁が複数の流体に溶解したり流されたりすること抑制できる。

本発明の請求項１４は前記目的を達成するために、複数の流体を隔壁部により隔てられたそれぞれの供給流路を流通させて１本の混合・反応流路で合流させることにより、前記複数の流体の混合又は反応を行うマイクロデバイスであって、前記合流した複数の流体同士が前記混合・反応流路の流れ方向に形成する界面と、前記混合・反応流路の内壁面とが接する接液線に沿って設けられ、前記複数の流体に対して不活性且つ不溶性の流体を流す長溝と、前記不活性且つ不溶性の流体を前記長溝に供給する流体供給手段と、を備えたことを特徴とするマイクロデバイスマイクロデバイスを提供する。

請求項１４は、請求項６を装置として構成したものである。ここで、不溶性且つ不活性な流体としては、気泡を含む流体も含まれる。

請求項１５は請求項１４において、前記混合・反応流路は前記合流部を上にして重力方向に形成されていることを特徴とする。

請求項１５によれば、複数の流体と、不活性且つ不溶性の流体との比重差に関係なく、不活性且つ不溶性の流体からなる連続的な流体壁を安定に形成できる。

請求項１６は請求項９〜１５の何れか１において、前記混合・反応流路の円相当直径が１ｍｍ以下であることを特徴とする。

このような目詰まりが起こり易い微細な流路において、特に本発明を適用することが有効である。

本発明によれば、反応によって生成する凝集物や析出物等による微細な流路の目詰まりを抑制し、連続運転安定性を向上できる。

以下、添付図面に従って本発明に係るマイクロデバイスの好ましい実施の形態について詳説する。

[第１実施形態]
本実施形態は、薄片状流型のマイクロデバイスにおいて、流路の合流部にのみ流体壁を形成する例について説明する。以下、反応流体として液体Ｌ１、Ｌ２を用いて液液反応させる場合について説明する。

図１は本発明に係るマイクロデバイスの一例を概念的に示した斜視図であり、薄片状流型のマイクロデバイス１０の場合である。図２（Ａ）はマイクロデバイス本体（以下、装置本体１２という）の上面図であり、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。

図１に示されるように、薄片状流型のマイクロデバイス１０は、主として、装置本体１２と、液液反応を行う液体Ｌ１、Ｌ２を液体供給管１４、１４を介して装置本体１２に供給する液体供給手段としてのシリンジポンプ１６、１６と、液液反応を行う液体Ｌ１、Ｌ２に不溶性且つ不活性な流体Ｌｎ（以下、「不活性流体Ｌｎ」という）を流体供給管１８を介して装置本体１２に押し出す流体押出手段としてのシリンジポンプ２０と、を備えて構成されている。尚、本実施形態では２種類の液体Ｌ１、Ｌ２で液液反応を行う例で説明する。

図２に示されるように、装置本体１２は、本体部材２２と蓋部材２４とを備えて構成されている。本体部材２２には、２種類の液体Ｌ１、Ｌ２の液液反応を行う混合・反応流路２６と該混合・反応流路２６に液体Ｌ１、Ｌ２を合流させる２本の液体供給路２８、２８とから成るＹ字型液体流路３０が形成されている。また、混合・反応流路２６の終端位置には、液液反応による反応生成液ＬＭを排出させる液体排出口３２が形成されている。一方、蓋部材２４には２本の液体供給路２８、２８に液体Ｌ１、Ｌ２を導入する２個の液体導入口３４、３４が形成されており、２個の液体導入口３４、３４に上記した２本の液体供給管１４、１４がそれぞれ連結されている。Ｙ字型液体流路３０を構成する２本の液体供給路２８、２８の合流角度は小さいほうが好ましく、４５°以下とすることがより好ましい。これは、Ｙ字型液体流路３０の形状がよりＴ字型に近いほど、送液する液体Ｌ１、Ｌ２の衝突力が固体壁から突き出た流体壁４６に伝わり、流体壁４６が不安定となり易く、液体Ｌ１と液体Ｌ２とを隔てる機能をもたなくなるためである。

また、２本の液体供給路２８、２８を隔てる隔壁部３６には、不活性流体Ｌｎからなる流体壁を、Ｙ字型液体流路３０を流れる２種類の液体Ｌ１、Ｌ２の合流部３８位置に形成するための吐出口４０が設けられている。この吐出口４０は、２種類の液体Ｌ１、Ｌ２の合流部３８に連通している。この吐出口４０は、不活性流体Ｌｎを押し出す吐出流路４１と連通している。一方、蓋部材２４には、吐出流路４１に不活性流体Ｌｎを導入するための流体導入口４２が形成され、流体導入口４２に上記した流体供給管１８が連結されている。そして、流体供給管１８は、不活性流体Ｌｎを供給する流体供給手段２０と連結されている。

図３は、隔壁部３６近傍の構成の一例を説明する拡大上面図である。図３に示されるように、吐出口４０の先端は、流体壁４６を保持し易い形状に形成されていることが好ましい（同図では、吐出口の先端が平面になっている）。尚、吐出口４０の内径と、吐出流路４１の内径は、同じでも異なってもよい。

図４は、隔壁部３６先端の吐出口４０の別態様である。図４に示されるように、吐出口４０の先端が、凹状の湾曲形状に形成されている。これにより、流体壁４６をトラップし易くなり、液体Ｌ１、Ｌ２が合流する流れの中でも流体壁４６を安定に形成及び保持できる。尚、凹状の形状は上記実施形態に限られることはなく、種々の形状が取り得る。

また、流体壁４６は、液体Ｌ１、Ｌ２が合流部付近の固体壁面と接触しないように形成され、特に、混合・反応流路２６内に突き出すように形成されることが好ましい。

これにより、Ｙ字型液体流路３０を流れる２種類の液体Ｌ１、Ｌ２の合流部３８位置に、流体導入口４２から導入された不活性流体Ｌｎは、吐出口４０からＹ字型液体流路３０における２種類の液体Ｌ１、Ｌ２の合流部３８に押し出されて流体壁４６が形成される。

本実施形態に使用される不活性流体Ｌｎとしては、反応流体（ここでは、液体Ｌ１、Ｌ２）に対して不活性且つ不溶性である液体、気体、及び気泡を含む流体をいう。また、不活性流体Ｌｎとしては、汎用的に使用するためには、エアや窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガスが好ましい。

流体壁４６としては、気泡や液泡（例えば、水、油等の液泡）を用いることができる。

本実施形態の液液反応において、上記流体壁としては、気泡や液泡（例えば、水、油等の液泡）を用いることができる。例えば、液体Ｌ１、Ｌ２が水溶性液体であれば、上記液泡としては油等が使用できる。要は、流体壁として使用される流体は、反応流体の反応に関与せず、且つ反応流体と相溶性のないものが好ましい。

また、流体壁４６を反応場である混合・反応流路２６内に突き出すように安定に形成するためには、他の物性や操作条件にも依存するが、流体壁４６を形成する不活性流体Ｌｎの界面張力が液体Ｌ１、Ｌ２の流れの中でも安定に保持できるように選択されることが好ましい。また、液体Ｌ１、Ｌ２に不溶性且つ不活性な流体壁４６として液泡を用いる場合、液泡を構成する液体の粘度、密度、界面張力等の物性を、液体Ｌ１、Ｌ２（又は気体同士）の流れの中でも安定に保持できるように設定することが好ましい。

混合・反応流路２６は、円相当直径が１ｍｍ（１０００μｍ）以下、好ましくは５００μｍ以下のマイクロチャンネル状の微細な流路であることが好ましい。混合・反応流路２６は、径方向断面の形状が四角形状のものが一般的であるが、四角形状に限定するものではない。また、液体供給路２８、２８を２本で構成する場合には、１本の液体供給路２８の円相当直径は混合・反応流路２６の半分になるように設計することが好ましい。例えば、径方向断面が四角形状の混合・反応流路２６の幅を５００μｍ、深さを２００μｍとした場合には、１本の液体供給路２８の幅を２５０μｍ、深さを２００μｍとする。また、混合・反応流路２６の長さＬ（図２参照）は、液液反応が終了するに足る長さに設定され、液液反応の種類によって異なる。

かかるマイクロスケールの微細なＹ字型液体流路３０を有する装置本体１２を製作するには微細加工技術が使用され、本体部材２２にＹ字型液体流路３０や液体Ｌ１、Ｌ２の導入口３４、排出口３２、及び流体導入口４２を微細加工技術で形成し、本体部材２２の上面に蓋部材２４を被せて本体部材２２と蓋部材を接合することにより製作される。微細加工技術としては、例えば次のようなものがある。

(1)Ｘ線リソグラフィと電気メッキを組み合わせたＬＩＧＡ技術
(2)ＥＰＯＮ ＳＵ８を用いた高アスペクト比フォトリソグラフィ法
(3)機械的マイクロ 切削加工（ドリル径がマイクロ オーダのドリルを高速回転するマイクロドリル加工等）
(4)Ｄｅｅｐ ＲＩＥによるシリコンの高アスペクト比加工法
(5)Ｈｏｔ Ｅｍｂｏｓｓ加工法
(6)光造形法
(7)レーザー加工法
(8)イオンビーム法

また、装置本体１２を製作するための材料としては、耐熱、耐圧及び耐溶剤性、加工容易性等の要求に応じて、金属、ガラス、セラミックス、プラスチック、シリコン、及びテフロン（登録商標）等を好適に使用できる。装置本体１２の製作においては、Ｙ字型液体流路３０の製作は勿論重要であるが、該Ｙ字型液体流路３０に被せる蓋部材２４を本体部材２２に接合する接合技術も重要である。蓋部材２４の接合方法は、高温加熱による材料の変質や変形によるＹ字型液体流路３０の破壊を伴わず寸法精度を保った精密な方法が望ましく、製作材料との関係から固相接合（例えば、圧接接合や拡散接合等）や液相接合（例えば、溶接、共晶接合、はんだ付け、接着等）を選択することが好ましい。例えば、材料としてシリコンを使用する場合にシリコン同士を接合するシリコン直接接合や、ガラス同士を接合する融接、シリコンとガラスを接合する陽極接合、金属同士を接合する拡散接合等がある。セラミックスの接合については、金属のようにメカニカルなシール技術以外の接合技術が必要であり、アルミナに対してglass solderなる接合剤をスクリーン印刷で８０μｍに印刷し、圧力をかけずに４４０〜５００°Ｃで処理する方法がある。また、研究段階ではあるが、新しい接合技術として、表面活性化接合、水素結合を用いた直接結合、ＨＦ（フッ化水素）水溶液を用いた接合等がある。

本実施形態のマイクロデバイス１０で使用される液体供給手段及び流体押出手段としては、液体Ｌ１、Ｌ２や不活性流体Ｌｎの供給圧力制御を兼ね備えた連続流動方式型のシリンジポンプを好適に使用することができる。

マイクロデバイスの場合、液体Ｌ１、Ｌ２や不活性流体Ｌｎを混合・反応流路２６に導入する流体制御技術が必要であり、特にマイクロスケールの混合・反応流路２６における液体や気体の挙動は、マクロスケールとは異なる性質をもつため、マイクロスケールに適した流体制御方式を適用する必要がある。連続流動方式は、装置本体１２の内部や装置本体１２に至る流路内は全て流体で満たされ、外部に用意したシリンジポンプ１６、シリンジポンプ２０によって、流体全体を駆動する方式であり、混合・反応流路２６に供給する液体Ｌ１、Ｌ２の供給圧力、供給流量及び不活性流体Ｌｎの供給圧力及び供給流量を任意に制御することができる。また、図１R>１のように、液体供給管１４の液体導入口３４に近い位置及び流体供給管１８の流体導入口４２に近い位置には、それぞれ圧力計４４、４４、４４が設けられ、液体Ｌ１、Ｌ２の供給圧力及び不活性流体Ｌｎの供給圧力がモニタリングされる。

本実施形態では特に示さないが、マイクロデバイス１０での液液反応の温度を制御する温度制御手段を設けることが好ましい。マイクロデバイス１０において反応を行う際の温度制御方法には、古典的な方法として、温水、冷水をマイクロデバイス内に供給する方法がある。この他にも、従来から行われている温度制御方法には、金属抵抗線やPolysiliconなどのヒータ構造をマイクロデバイスに作り込む方法等がある。このような金属抵抗線やPolysiliconなどのヒータ構造の場合には、加熱についてはこれを使用し、冷却については自然冷却でサーマルサイクルを行うことで温度を制御する。この場合の温度のセンシングについては、金属抵抗線の場合には同じ抵抗線をもう一つ作り込んでおき、その抵抗値の変化に基づいて温度検出を行い、特にPolysiliconの場合には、熱電対を用いて温度検出を行う方法が一般的に採用されている。また、近年においては、ペルチェ素子を用いた温度制御機能を装置本体１２内に組み込むことで、反応の際の温度制御を精度良く行うことも試みられている。いずれにしても、温度制御そのものは、従来からの温度制御技術でもペルチェ素子に代表される新規な温度制御技術でも可能であり、用途や装置本体１２の材料等に応じた加熱・冷却機構と温度センシング機構の選択、及び外部制御系の構成を組み合わせて最適な方法を選択することが重要である。

本実施形態に使用される反応流体としては、液体、気体、液体中に金属微粒子等が分散された固液混相流体、気体中に金属微粒子等が分散された気液混相流体、液体中に気体が溶解せずに分散した気液混相流体等が含まれる。また、流体が２種類以上ある場合、流体の種類、化学組成、表面張力、比重、粘度等が異なる場合のみならず、例えば、温度、気液比や、固液比などの状態が異なる場合も、反応流体に含まれる。

上記の反応流体が水溶性流体である場合、例えば、不活性流体Ｌｎとしては油が好ましい。油とは、水、水溶液又は水溶性流体等に不溶な流体をいい、例えば、ｎ−ヘキサン、トルエン、キシレン、グリセリン等が挙げられる。尚、水溶性流体とは、メタノール、エタノール等の水との相溶性があり且つ油に不溶な流体をいう。

次に、上記の如く構成された薄片状流型のマイクロデバイス１０を用いて液液反応を行う本発明の作用について説明する。図５は、マイクロデバイス１０の隔壁部３６近傍における作用を説明する説明図である。このうち、図５（Ａ）は、隔壁部３６近傍の構成を説明する拡大上面図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。

図１に示されるように、先ず、液体供給手段としてのシリンジポンプ１６、１６から液体供給路２８、２８に供給された液体Ｌ１、Ｌ２は、合流部３８で１本の混合・反応流路２６に合流し、薄片状の層流として流通しつつ、液体Ｌ１、Ｌ２同士がその接触界面の法線方向へ拡散して液液反応を行う。

一方、流体押出手段としてのシリンジポンプ２０から、液体Ｌ１、Ｌ２に不溶性且つ不活性な流体である不活性流体Ｌｎが、吐出流路４１を通して吐出口４０に押し出される。そして、図５（Ａ）に示されるように、流体壁４６が混合・反応流路２６における液体Ｌ１、Ｌ２の合流部３８に露出するように形成される。この流体壁４６は、吐出口４０の先端に形成された平面部で安定に保持される。

また、図５（Ｂ）に示されるように、混合・反応流路２６における液体Ｌ１、Ｌ２の合流部３８では、液体Ｌ１、Ｌ２からなる液体層ＬＬ１、ＬＬ２（Liquid Layer）の間に流体壁４６が形成された状態で保持される。これにより、液体層ＬＬ１、ＬＬ２が、合流部３８付近の固体壁面上（図５（Ｂ）では上下に対向する流路壁面上）で直接接触したり、生成した直後の微粒子が固体壁面に付着したりすることが抑制される。これにより、液体Ｌ１、Ｌ２の反応で析出した微粒子が、混合・反応流路２６における合流部３８の固体壁面上に堆積することを抑制することができる。

そして、液液反応が終了した後、流体壁４６はシリンジポンプ２０を制御することにより反応生成物ＬＭと一緒に混合・反応流路２６外に排出される。

ここで、流体壁４６を混合・反応流路２６における合流部３８に安定に形成及び保持する上で重要なことは、混合・反応流路２６の液体Ｌ１、Ｌ２が流体壁４６を破壊したり、流体壁４６と液体Ｌ１、Ｌ２とが混ざり合って気液混相流状態になったりしないように、流体壁４６の突出構造を吐出口４０に安定に保持することである。このためには、不活性流体Ｌｎのシリンジポンプ２０を制御して、混合・反応流路２６の合流部３８に形成する流体壁４６の押出圧力を最適化する方法がある。また、液体Ｌ１、Ｌ２の供給圧力や供給流量を、流体壁４６を破壊しないようにシリンジポンプ１６等で制御することもできる。また、流体壁４６の界面張力が高いことが好ましい。例えば、界面張力が７２ｍＮ／ｍである水のような流体を用いることが好ましい。このほか、流体壁４６の突出構造を安定に維持するため、流体壁４６の粘度や、送液する反応流体の粘度、界面張力等を調整することも可能である。

これにより、液体Ｌ１、Ｌ２が合流する流れの中においても、流体壁４６を混合・反応流路２６の合流部３８に安定して形成し易くなる。

上記したように液体Ｌ１、Ｌ２を混合・反応流路２６に供給する圧力や流量と、不活性流体Ｌｎを混合・反応流路２６に供給する圧力や流量のうちの少なくとも何れかを制御する場合、例えば、液体供給管１４を流れる液体Ｌ１、Ｌ２の圧力及び流体供給管１８を流れる不活性流体Ｌｎの圧力をそれぞれの圧力計４４（図１参照）でモニタリングしながら、液体Ｌ１、Ｌ２のシリンジポンプ１６、及び不活性流体Ｌｎのシリンジポンプ２０からの供給流量を制御するとよい。

本実施形態では、使用時に流体壁４６を形成する例で説明したが、流体壁４６が反応流体により溶解されたり破壊されたりした場合は、流体押出手段２０を制御して再度流体壁４６を形成することもできる。また、使用後は、上記したように流体押出手段のシリンジポンプ２０を制御して反応生成物ＬＭと共に排出口３２より回収するだけでなく、吐出流路４１内を負圧にして流体壁４６を合流部３８から没入させたりすることができる。後者の場合、流体壁４６と反応生成物ＬＭとを分離回収する必要がない点で有効な方法である。

また、本実施形態では、液体供給路２８、２８を隔てる隔壁部３６の先端に形成された吐出口４０から合流部３８に向けて流体壁４６を形成する例で説明したが、これに限定されることはなく、合流部３８に対応する蓋部材２４に吐出口を設け、この吐出口に連結させた各種注射器やシリンジポンプ等により、流体壁を直接合流部３８に形成することも可能である。

以上に説明した本発明に係るマイクロデバイス及びその運転方法によれば、微細な流路の目詰まりを抑制し、効率良く安定に混合又は反応を行うことができる。また、反応に関与しない流体からなる流体壁を部分的且つ一時的に形成するので、反応に関与しない流体の使用量を大幅に低減できると共に、固体壁面の表面処理のように使用時間に伴う劣化を懸念する必要がない。

[第２実施形態]
本実施形態は、薄片状流型のマイクロデバイスにおいて、混合・反応流路２６’の幅方向中央に連続的な流体壁を形成する例について説明する。

図６は、本発明に係る薄片状流型のマイクロデバイスにおいて、マイクロデバイス本体の内部構造を説明する説明図である。このうち、図６（Ａ）はマイクロデバイス本体（以下、装置本体１２’という）の上面図であり、図６（Ｂ）は図６（Ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。また、図７は、図６のＢ−Ｂ’線断面図である。尚、図２と同一の部材及び同一の機能を有するものは、同一の符号を付し、その詳細な説明については省略する。

図６に示されるように、装置本体１２’は、本体部材２２と蓋部材２４に、液体Ｌ１、Ｌ２に不溶性且つ不活性な流体Ｌｎ（以下、「不活性流体Ｌｎ」という）を流通させる長溝４３ａ、４３ｂをそれぞれ設けたこと以外は、ほぼ図２と同様に構成される。尚、液体Ｌ１、Ｌ２及び不活性流体Ｌｎを供給する液体導入口や流体導入口、及び液体排出口、流体排出口等については、特に図示しないが、図２と同様に蓋部材２４（又は本体部材２２）に形成してもよいし、装置本体１２’の始端及び終端の側面（図６では、左右の両端側面）に各種導入口及び各種排出口を形成してもよい。尚、本実施形態に使用される不活性流体Ｌｎ、及び反応流体の種類は、第１実施形態と同様のものが使用できるものとする。

図７に示されるように、長溝４３ａは、蓋部材２４の下面において、混合・反応流路２６’の幅方向の中央位置に設けられている。同様に、長溝４３ｂは、混合・反応流路２６’の底面において、蓋部材２４に形成された長溝４３ａと対向する位置に設けられている。これにより、液体Ｌ１、Ｌ２の界面は、本体部材２２と蓋部材２４からなる固体壁と直接接触することなく、長溝４３ａ、４３ｂ内を流れる不活性流体Ｌｎによる連続的な流体壁４６’と接触するようになる。

長溝４３ａ、４３ｂの流路幅は、液体Ｌ１、Ｌ２の液液界面と固体壁が直接接触しないようにできる範囲内で、小さく設定することが好ましい。

ここで、装置本体１２’を水平に設置する場合、不活性流体Ｌｎと液体Ｌ１、Ｌ２との比重の影響から、安定に不活性流体Ｌｎを流すことが困難なことがある。この場合、混合・反応流路の上流側を上に、下流側を下に向けるように設置することで、比重の影響を無視できる程度に抑えることができる。

尚、図７では、長溝４３ａ、４３ｂの断面形状が円形である例を示したが、これに限定されることはなく、矩形でもＶ字型でもよい。また、Ｙ字型液体流路３０において、液体供給路２８、２８の合流角度や流路サイズ等については、第１実施形態と同様とする。

次に、本実施形態における作用について、図８を参照して説明する。図８は、本実施形態における装置本体１２’の作用を説明する説明図であり、このうち、図８（Ａ）は、装置本体１２’の上面図であり、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。同図では、混合・反応流路２６’の上流側を上に、下流側を下に向けるように装置本体１２’を設置した例について示している。

図８に示されるように、図示しない供給口から液体供給路２８、２８に供給された液体Ｌ１、Ｌ２は、合流部３８で１本の混合・反応流路２６’に合流し、薄片状の層流として流通しつつ、液体Ｌ１、Ｌ２同士がその接触界面の法線方向へ拡散して液液反応を行う。

一方、図示しない流体供給手段から不活性流体Ｌｎが、長溝４３ａ、４３ｂに供給される。そして、図８（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、不活性流体Ｌｎからなる連続的な流体壁４６’が、液体Ｌ１、Ｌ２の液液界面が形成される混合・反応流路２６’の幅方向中央、即ち、複数の流体同士が混合・反応流路２６’の流れ方向に形成する界面と、混合・反応流路２６’の内壁面とが接する接液線Ｒに沿って形成される。この流体壁４６’は、混合・反応流路２６’が鉛直方向に向くように設置することでより安定に保持できる。

これにより、液体Ｌ１、Ｌ２の液液界面は、固体壁ではなく、流体壁４６’上（図８（Ｂ）では上下に対向する流体壁４６’上）で接触するので、生成した直後の微粒子が固体壁面に付着することが抑制される。これにより、液体Ｌ１、Ｌ２の反応で析出した微粒子が、混合・反応流路２６’の内壁面の幅方向中央に堆積することを抑制できる。

ここで、流体壁４６’を混合・反応流路２６’における幅方向中央に連続的に安定に形成するためには、長溝４３ａ、４３ｂに供給する不活性流体Ｌｎの供給圧力や界面張力を最適化する方法がある。また、液体Ｌ１、Ｌ２の物性や供給圧力や供給流量を、流体壁を破壊しないように制御することもできる。不活性流体Ｌｎや反応流体の物性については、第１実施形態と同様にすることが好ましい。

これにより、液体Ｌ１、Ｌ２が合流する流れの中においても、連続的な流体壁４６’を混合・反応流路２６’の幅方向中央に安定して形成できる。

以上に説明した本発明に係るマイクロデバイス及びその運転方法によれば、微細な流路の目詰まりを抑制し、効率良く安定に混合又は反応を行うことができる。また、反応に関与しない流体からなる流体壁を連続的に混合・反応流路内の反応流体同士の界面に形成するので、混合・反応流路２６’内で微粒子等の析出や堆積による目詰まりをより確実に抑制できる。

本実施形態では、長溝４３ａ、４３ｂを隔壁部３６の上下に設けた例を説明したが、これに限定されることはなく、例えば、合流部３８に対応する蓋部材２４の下面及び本体部材２２の下面に、合流部３８に連通する注入口を設けて、そこから不活性流体Ｌｎを流すように構成してもよい。

以上、本発明に係るマイクロデバイス及びその運転方法の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各種の態様が採り得る。

例えば、本実施形態では、液液反応の例で説明したが、これに限られず、気体同士の反応や液液反応であってもよい。

本発明は、無機物質や有機物質等を対象としたイオン反応、酸化還元反応、熱反応、触媒反応、ラジカル反応、重合反応等の様々な反応形態に適用することができる。また、各種化学製品や医薬品等を製造するマイクロデバイスに適用することができる。

次に、本発明のマイクロデバイス及びその運転方法の各実施例及び比較例について説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

本例では、図１のマイクロデバイス１０を使用して、塩化銀（ＡｇＣｌ）の微粒子を生成する反応を行った。液体供給路２８、２８からそれぞれ反応流体としての硝酸銀溶液（ＡｇＮＯ３）と塩化ナトリウム溶液（ＮａＣｌ）を供給した。液体供給路２８の流路幅は２５０μｍとし、吐出流路４１の流路幅は２００μｍとし、混合・反応流路２６の流路幅は５００μｍとした。全流路の深さは全て同じであり、２５０μｍとした。

０．０５ｍｏｌ／Ｌの硝酸銀溶液と、０．０５ｍｏｌ／Ｌの塩化ナトリウム溶液を調製し、微粒子生成時の保護コロイドとして、分子量が約２万の低分子量ゼラチンを０．０６ｍｏｌ質量％含有させた。両溶液の温度は、絶対温度で２９５〜２９７Ｋ（摂氏温度で２２〜２４℃）とした。そして、硝酸銀溶液と塩化ナトリウム溶液を同流量で供給し、それぞれの流量が、０．１５ｍＬ／分である場合（実施例１）、０．３ｍＬ／分である場合（実施例２）、及び０．４５ｍＬ／分である場合（実施例３）の３条件について、析出の様子を調べた。

一方、比較例１〜３として、吐出流路４１を有さないＹ字型液体流路を備えたマイクロデバイスを用いて、硝酸銀溶液と塩化ナトリウム溶液を同流量で供給し、それぞれの流量が、０．１５ｍＬ／分である場合（比較例１）、０．３ｍＬ／分である場合（比較例２）、及び０．４５ｍＬ／分である場合（比較例３）の３条件について、上記と同様に析出の様子を調べた。

この結果、本発明を適用した実施例１〜３では、いずれの流量においても、運転開始後２時間以内では合流部３８の界面付近での析出は確認されなかった。

一方、本発明を適用しなかった比較例において、流量が０．４５ｍＬ／分である場合（比較例３）は、運転開始１０分後に合流部３８における界面付近に析出が確認された。同様に、流量が０．３ｍＬ／分である場合（比較例２）は、運転開始２０分後に合流部３８における界面付近に析出が確認され、流量が０．１５ｍＬ／分である場合（比較例１）は、析出は減ったものの、運転開始４０分後には、合流部３８における界面付近に析出が確認された。このように、塩化銀の微粒子を生成する反応では、微粒子が混合・反応流路２６の壁面に付着及び堆積し易く、短時間で混合・反応流路２６が目詰まりを起こし易いことがわかった。

以上から、本発明を適用することにより、反応によって生成する微粒子が、混合・反応流路２６が目詰まりして閉塞することを抑制できる。

本発明におけるマイクロデバイスの一例を概念的に示した斜視図である。 第１実施形態のマイクロデバイスにおける装置本体の内部構造を説明する説明図である。 図２の隔壁部近傍の構成を説明する拡大上面図である。 隔壁部近傍の構成の別態様を説明する拡大上面図である。 図２の隔壁部近傍の作用を説明する拡大上面図である。 第２実施形態のマイクロデバイスにおける装置本体の内部構成を説明する説明図である。 図６のＢ−Ｂ’線断面図である。 図６の合流部近傍における作用を説明する説明図である。 従来の２流体混合型のマイクロリアクターの構成を説明する上面図である。 図９の合流部近傍における作用を説明する説明図である。

符号の説明

１０…薄片状流型のマイクロデバイス、１２、１２’…装置本体、２２…本体部材、２４…蓋部材、２６、２６’…混合・反応流路、２８…液体供給路、３０…Ｙ字型液体流路、３８…合流部、４０…吐出口、４１…吐出流路、１８…流体供給管、２０…シリンジポンプ、３６…隔壁部、４６、４６’…流体壁、４３ａ、４３ｂ…長溝

Claims (16)

1. 複数の流体を隔壁部により隔てられたそれぞれの供給流路を流通させて１本の混合・反応流路で合流させることにより、前記複数の流体の混合又は反応を行うマイクロデバイスの運転方法であって、
   前記隔壁部先端の吐出口から前記複数の流体同士が合流する合流部に向けて、前記流体に対して不溶性且つ不活性な流体を押し出すことにより、前記隔壁部の先端に流体壁を形成することを特徴とするマイクロデバイスの運転方法。
2. 前記流体壁は、前記吐出口から気体を押し出すことにより形成される気泡であることを特徴とする請求項１のマイクロデバイスの運転方法。
3. 前記複数の流体が油に不溶な流体であると共に、前記流体壁は前記吐出口から押し出された油であることを特徴とする請求項１のマイクロデバイスの運転方法。
4. 前記流体壁が形成されるように、前記吐出口から押し出す流体の押出圧力を調整することを特徴とする請求項１〜３の何れか１のマイクロデバイスの運転方法。
5. 前記吐出口から前記流体を間欠的に押し出すことを特徴とする請求項１〜４の何れか１のマイクロデバイスの運転方法。
6. 複数の流体を隔壁部により隔てられたそれぞれの供給流路を流通させて１本の混合・反応流路で合流させることにより、前記複数の流体の混合又は反応を行うマイクロデバイスの運転方法であって、
   前記合流した複数の流体同士が前記混合・反応流路の流れ方向に形成する界面と、前記混合・反応流路の内壁面とが接する接液線に沿って、前記複数の流体に対して不活性且つ不溶性の流体を流すことにより、前記接液線に沿って連続的な流体壁を形成することを特徴とするマイクロデバイスの運転方法。
7. 前記複数の流体が油に不溶な流体であると共に、前記流体壁を形成する流体が油であることを特徴とする請求項６のマイクロデバイスの運転方法。
8. 前記複数の流体及び前記不活性且つ不溶性の流体は、前記混合・反応流路を上から下に重力方向に流れることを特徴とする請求項６又は７のマイクロデバイスの運転方法。
9. 複数の流体を隔壁部により隔てられたそれぞれの供給流路を流通させて１本の混合・反応流路で合流させることにより、前記複数の流体の混合又は反応を行うマイクロデバイスであって、
   前記隔壁部の先端に前記複数の流体同士が合流する合流部に向けて形成された吐出口と、
   前記吐出口から前記流体に対して不溶性且つ不活性な流体を押し出す押出手段と、
   前記押出手段と前記吐出口とを連通する吐出流路と、を備えたことを特徴とするマイクロデバイス。
10. 前記吐出口が、前記複数の流体に対して不溶性且つ不活性な流体からなる流体壁を保持する形状に構成されることを特徴とする請求項９のマイクロデバイス。
11. 前記吐出口が、凹状に形成されたことを特徴とする請求項９又は１０のマイクロデバイス。
12. 前記流体壁は、前記吐出口から気体を押し出すことにより形成される気泡であることを特徴とする請求項９〜１１の何れか１のマイクロデバイス。
13. 前記複数の流体が油に不溶な流体であると共に、前記流体壁は前記吐出口から押し出された油であることを特徴とする請求項９〜１２の何れか１のマイクロデバイス。
14. 複数の流体を隔壁部により隔てられたそれぞれの供給流路を流通させて１本の混合・反応流路で合流させることにより、前記複数の流体の混合又は反応を行うマイクロデバイスであって、
    前記合流した複数の流体同士が前記混合・反応流路の流れ方向に形成する界面と、前記混合・反応流路の内壁面とが接する接液線に沿って設けられ、前記複数の流体に対して不活性且つ不溶性の流体を流す長溝と、
    前記不活性且つ不溶性の流体を前記長溝に供給する流体供給手段と、を備えたことを特徴とするマイクロデバイス。
15. 前記混合・反応流路は、前記合流部を上にして重力方向に形成されていることを特徴とする請求項１４のマイクロデバイス。
16. 前記混合・反応流路の円相当直径が１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項９〜１５の何れか１のマイクロデバイス。

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