JP2007326181A

JP2007326181A - マイクロ流路の洗浄方法

Info

Publication number: JP2007326181A
Application number: JP2006159290A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Ota; 哲生太田; Seiichi Takagi; 高木　　誠一
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2006-06-08
Filing date: 2006-06-08
Publication date: 2007-12-20
Also published as: US20070284249A1; CN101085674A; CN101085674B

Abstract

【課題】マイクロ流路の洗浄性に優れ、マイクロ流路を有する装置を分解することなく洗浄可能であるマイクロ流路の洗浄方法を提供すること。
【解決手段】マイクロ流路内を流れる流体を電気分解して気泡を発生させる工程、及び、マイクロ流路に前記気泡を含有する流体を通過させる工程を含むことを特徴とするマイクロ流路の洗浄方法。また、前記マイクロ流路の洗浄方法は、前記マイクロ流路に対向して備えられる電極により前記電気分解を行う洗浄方法であることが好ましい。
【選択図】図２

Description

本発明は、マイクロ流路の洗浄方法に関する。

一般的に「微細加工を利用して作られ、等価直径が５００μｍ以下の微小な流路で反応を行う装置」と定義されているマイクロリアクターに代表される微小な素子や装置は、例えば、物質の分析、合成、抽出、分離を行う技術に応用した場合、少量多品種、高効率、低環境負荷などの多くの利点が得られるため、近年、様々な分野への応用が期待されている。
マイクロリアクターは、ガラス・プラスチック・金属・シリコーンなどの材質により製造されることが多い。中でもマイクロリアクター内部の挙動を見るためには、ガラスやプラスチックを用いる場合が多い。ガラスやプラスチックなどを用いたマイクロリアクターは、製作時に接合されているため、送液中の異物や粒子などが流路壁面に付着し閉塞を起こした場合、分解洗浄ができない。
従来のマイクロ流路の洗浄方法としては、圧力をかけて水などの溶媒を流し、付着物を押し流す方法や、マイクロリアクター本体を超音波洗浄機にいれ、シリンジなどで圧力をかけながら洗浄する方法が知られている。
また、例えば、特許文献１には、反応後のマイクロ化学デバイスに酸化剤水溶液を通液することを特徴とするマイクロ化学デバイスの洗浄方法が記載されている。

特開２００５−１４４６３４号公報

本発明は、マイクロ流路の洗浄性に優れ、マイクロ流路を有する装置を分解することなく洗浄可能であるマイクロ流路の洗浄方法を提供することである。

本発明の上記課題は、手段＜１＞によって解決された。好ましい実施態様である＜２＞と共に以下に示す。
＜１＞マイクロ流路内を流れる流体を電気分解して気泡を発生させる工程、及び、マイクロ流路に前記気泡を含有する流体を通過させる工程を含むことを特徴とするマイクロ流路の洗浄方法、
＜２＞前記電気分解を、前記マイクロ流路の流れ方向と交差する方向に電界を付与することにより行う上記＜１＞に記載のマイクロ流路の洗浄方法。

本発明によれば、マイクロ流路の洗浄性に優れ、マイクロ流路を有する装置を分解することなく洗浄可能であるマイクロ流路の洗浄方法を提供することができた。

以下、図面も参照しながら、本発明を詳細に説明する。

本発明のマイクロ流路の洗浄方法（以下、単に「本発明の洗浄方法」ともいう。）は、マイクロ流路内を流れる流体を電気分解して気泡を発生させる工程（以下、「気泡発生工程」ともいう。）、及び、マイクロ流路に前記気泡を含有する流体を通過させる工程（以下、「気泡通過工程」ともいう。）を含むことを特徴とする。
本発明のマイクロ流路の洗浄方法は、マイクロ流路内を流れる流体を電気分解し、マイクロ流路内に気泡を発生させ、前記気泡が混合した流体をマイクロ流路中に流すことで、マイクロ流路内の汚れや付着物等を除去する洗浄方法である。電気分解によりマイクロ流路内に気泡を発生させ、洗浄を行うことで、マイクロ流路の洗浄性に優れ、マイクロ流路を有する装置を分解することなく洗浄可能である。また、本発明の洗浄方法によりマイクロ流路を適宜繰り返して洗浄することにより、該マイクロ流路を長期間繰り返し使用することができるようになるため好ましい。

本発明のマイクロ流路の洗浄方法の一実施態様を、図１に示すマイクロリアクターを用いて説明する。
図１は、本発明のマイクロ流路の洗浄方法に用いるマイクロリアクターの一例を示す概略図である。
また、図２は、図１に示すマイクロリアクターにおける電圧をかけた場合の電極周辺の部分拡大図である。
図１に示すマイクロリアクター１０は、マイクロ流路１２（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ及び１２ｄ）と、マイクロ流路の内壁の一部かつ流れ方向と交差する方向に対向して備えられた電極１４ａ及び１４ｂと、マイクロ流路の端部である流体導入（回収）部１６（１６ａ、１６ｂ及び１６ｃ）とを有しており、電極１４ａ及び１４ｂには、それぞれコード１８ａ及び１８ｂを介して電源装置２０が接続されている。
図１に示すマイクロリアクター１０において、流体導入部１６ａ及び１６ｂから流体を流し、電極１４ａ及び１４ｂ間に電圧をかけ、流体中の成分を電気分解することができる。図２に示すように二電極間（１４ａと１４ｂとの間）に電圧をかけ電気分解を行うことにより、気泡２２が発生し、流体と共に気泡２２が下流のマイクロ流路１２ｄへと流れていき、マイクロ流路１２ｄのよごれや付着物を、気泡２２を含む流体と共に流し出し、流体回収部１６ｃより排出することができる。また、流体の流れを上記と逆にして、上記と同様の操作を行い、マイクロ流路１２ａ、１２ｂ及び１２ｃの洗浄を行うこともできる。
マイクロ流路の洗浄は、流路内を流れる流体が層流となって安定して送液されている状態で、二電極間（１４ａと１４ｂとの間）に電圧をかけて気泡２２を発生させる事が好ましい。また、洗浄は連続して行うのではなく、時間の間隔を空けて行うことが好ましく、一定の時間ごとに行うことがより好ましい。

本発明のマイクロ流路の洗浄方法に用いることができる流体、すなわち、洗浄時にマイクロ流路中に流す流体は、含有成分のうち少なくとも１つの成分を電気分解でき気体を発生させることができる流体であれば、特に制限はないが、含有成分である水を電気分解し酸素及び／又は水素を発生させることができる水含有液であることが好ましく、含有成分である水を電気分解し酸素及び水素を発生させることができる水含有液であることがより好ましく、ハロゲン化物イオン及び銅イオンや銀イオン等の重金属イオンを含有していない水含有液であることがさらに好ましい。
洗浄時に用いる流体は、上述したように電気分解により気体を発生させることができる流体であれば、反応や混合等の用途に使用する流体をそのまま洗浄時に使用してもよく、別途、洗浄用の流体（洗浄液）を使用してマイクロ流路の洗浄を行ってもよい。また、洗浄時に用いる流体は、使用用途に応じ、固体や電気分解により生じる気体以外の気体を含む流体であってもよく、流体の組成等も必要に応じ選択することができる。
洗浄時に用いる流体としては、電解質溶液、酸・アルカリ水溶液、水・アルコールの分散液等が例示できる。

洗浄時に用いる流体の電気伝導度（「電導度」ともいう。その単位としては、Ｓ（ジーメンス）／ｃｍを用いるものとする。）は、電気分解を容易に行うため、１０μＳ／ｃｍ以上であることが好ましく、１００μＳ／ｃｍ以上であることがより好ましく、５００〜１，０００μＳ／ｃｍであることがさらに好ましい。
洗浄時に用いる流体の温度は、特に、限定されないが、汚染物質を除去するのに適した温度を選ぶことが好ましい。また、マイクロリアクター構成材料を損傷しない温度を選ぶことは言うまでもない。

また、洗浄時以外に本発明のマイクロ流路デバイスに流すことができる流体は、電気分解により気体を発生させることができる流体である必要はなく、水系媒体や有機溶媒、それらの混合物等、所望の溶媒を用いることができ、また、使用用途に応じ、固体や気体を含む流体であってもよく、その組成や濃度等も必要に応じ選択することができる。

電気分解を行う電極の材質としては、電気分解時に腐食や溶解を起こさない材質であることが好ましく、イオン化傾向の小さい白金又は金であることがより好ましい。また、電気分解を行う電極は、白金又は金等の貴金属をメッキした電極であってもよい。

また、本発明において、電気分解を行うため２つの電極間に印加する電圧は、使用する流体の種類や温度等によっても異なるが、１．０〜３０．０Ｖであることが好ましく、１．５〜６．０Ｖであることがより好ましい。上記範囲であると、洗浄に十分な気泡を発生させることができ、また、発熱等によるマイクロリアクターの基材の溶解や分解等が起こりにくいため好ましい。また、上記電圧の範囲と、前記電気伝導度の範囲との組み合わせもさらに好ましい。

本発明のマイクロ流路の洗浄方法において、電気分解に使用する電極の構造は、マイクロ流路中を流れる流体中の含有成分のうち少なくとも１つの成分を電気分解できる構造であればよく、特に制限はないが、マイクロ流路を流れる層流を乱さないため、マイクロ流路の内壁表面に凹凸がないよう電極が設けられた構造であることが好ましい。また、前記電極の構造は、電気分解を効率よく行うため、マイクロ流路の内壁に対向して設けられた構造であることが好ましい。また、これら電極には、電気分解に必要な電圧をかけることができる電界付与手段が電気的に接続される。電界付与手段としては、公知の装置等を用いることができ、具体的には電源装置や電池等が例示できる。

前記電極の構造として具体的には、図３及び図４に示す構造が例示できるが、本発明はこれらに限定されるものではない。
図３は、本発明のマイクロ流路の洗浄方法に用いるマイクロリアクターの一例を、マイクロ流路中央部において切断した電極近傍部分の断面概略図である。
図３に示すマイクロリアクターの電極近傍部分は、流れ方向に垂直な方向の断面形状が矩形であるマイクロ流路１２の対向する１対の内壁の一部に電極１４ｃ，１４ｄが設けられ、また、該電極１４ｃ，１４ｄはそれぞれマイクロアクター外部方向へ薄膜状に設けられており、電源（不図示）と接続されている。
図４は、本発明のマイクロ流路の洗浄方法に用いるマイクロリアクターの他の一例を作製する２枚のマイクロリアクター基板を示す投影概略図である。
図４に示す（Ａ）及び（Ｂ）は、マイクロリアクター基板２４ａ及び２４ｂをそれぞれ示し、この２枚の基板を接合することによりマイクロリアクターを製造することができる。
図４の（Ａ）に示すマイクロリアクター基板２４ａには、その表面に２つの電極１４ｅ及び１４ｆがマイクロ流路径分の間隔を空けて基板２４ａの中央部に設けられている。また、電極１４ｅ及び１４ｆの厚さは、後述する電極はめ込み部２６ｅ及び２６ｆの深さと同じである。
図４の（Ｂ）に示すマイクロリアクター基板２４ｂには、Ｙ字型のマイクロ流路１２が設けられており、基板２４ｂの中央部に電極はめ込み部２６ｅ及び２６ｆが該マイクロ流路１２と同じ深さで設けられている。また、電極はめ込み部２６ｅ及び２６ｆの形状は、電極１４ｅ及び１４ｆの形状と同じである。
２つのマイクロリアクター基板２４ａ及び２４ｂを、電極１４ｅと電極はめ込み部２６ｅ、及び、電極１４ｆと電極はめ込み部２６ｆとがそれぞれ一致するようにはめあわせ、２つの基板２４ａ及び２４ｂを接合することにより、本発明に用いることができるマイクロリアクターが得られる。

洗浄時における流体の流速は、特に制限はなく、マイクロ流路内の汚れや付着物の程度、マイクロリアクターの強度、電気分解による気泡の発生量等により適宜調整することができる。

電気分解によりマイクロ流路内に発生する気泡の平均粒径は、流体の圧力や流速、気泡の発生量等にも依存するが、マイクロ流路の流路径に対し、１／５０〜１／２であることが好ましく、１／２０〜１／４であることがより好ましい。上記範囲であると、より、汚染物質や堆積、閉塞物質を押し流しやすいため好ましい。
気泡の平均粒径の測定方法としては、特に制限はなく、公知の方法を用いることができ、例えば、顕微鏡画像を画像解析装置によって解析することにより平均粒径を求める方法が挙げられる。

本発明に用いることができるマイクロリアクターの材質としては、セラミック、ガラス、シリコーン、樹脂などの材料が例示でき、樹脂が好ましく挙げられる。また、マイクロリアクターの材質として金属等の導電体を、マイクロリアクターの一部に用いてもよいが、その場合、電極との絶縁を適切に行い電気分解に影響を与えないように用いることが肝要である。
前記材質は、透明性及び加工性などの観点からはガラスを用いることが好ましく、また、安価、透明性、成型性及び耐衝撃性などの観点からは樹脂を用いることが好ましい。

前記ガラスとしては、例えば、ソーダガラス、石英ガラス、ホウ珪酸ガラス、クリスタルガラスなど一般的なものが使用できる。また、ガラスのガラス転移点としては、５００〜６００℃であることがより好ましい。
前記樹脂としては、耐衝撃性、耐熱性、耐薬品性、透明性などが、行う反応や単位操作に適した樹脂が好ましく、具体的には、ポリエステル樹脂、スチレン樹脂、アクリル樹脂、スチレン・アクリル樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ジエン系樹脂、フェノール樹脂、テルペン樹脂、クマリン樹脂、アミド樹脂、アミドイミド樹脂、ブチラール樹脂、ウレタン樹脂、エチレン・酢酸ビニル樹脂等が好ましく例示できるが、より好ましくは、メチルメタクリレート樹脂などのアクリル樹脂、スチレン樹脂である。また、前記樹脂としては、ガラス転移点を有する樹脂であることが好ましく、前記樹脂のガラス転移点は、９０〜１５０℃の範囲であることが好ましく、１００〜１４０℃の範囲であることがより好ましい。

前記マイクロ流路は、マイクロスケールの流路である。すなわち、流路の幅（流路径）は、５，０００μｍ以下であり、好ましくは１０〜１，０００μｍの範囲であり、より好ましくは３０〜５００μｍの範囲である。また、流路の深さは１０〜５００μｍの範囲程度であることが好ましい。さらに、流路の長さは、形成される流路の形状にもよるが、好ましくは５〜４００ｍｍの範囲であり、より好ましくは１０〜２００ｍｍの範囲である。
また、マイクロ流路の形状については特に制限はなく、例えば、流れ方向に対し垂直な方向での断面形状が円形、楕円形、多角形など所望の形状とすることができる。

マイクロリアクターの大きさは、使用目的に応じ適宜設定することができるが、１〜１００ｃｍ²の範囲が好ましく、１０〜４０ｃｍ²の範囲がより好ましい。また、マイクロリアクターの厚さは、２〜３０ｍｍの範囲が好ましく、３〜１５ｍｍの範囲がより好ましい。

本発明に用いることができるマイクロリアクターは、必要に応じて、気泡発生手段を備えたマイクロ流路を１つ以上有していればよく、流路の分岐や合流部分、他のマイクロ流路等を有していてもよい。また、洗浄手段として、気泡発生手段以外に、シリンジやポンプ等による流体に圧力をかける手段や、超音波照射手段等の公知の洗浄手段を併用してもよい。
本発明に用いることができるマイクロリアクターは、電気分解により気泡を発生させることにより電極部分で発熱する場合もあるため、放熱手段や冷却手段を有していてもよい。また、例えば、電気分解時の温度調整や、反応等の洗浄以外の目的での温度調整等のため、加熱手段を有していてもよい。
また、本発明に用いることができるマイクロリアクターは、その用途に応じて、気泡発生手段を備えたマイクロ流路以外にも、反応、混合、分離、精製、分析、他の方法による洗浄等の機能を有する部位を有していてもよい。

本発明に用いることができるマイクロリアクターには、必要に応じて、例えば、マイクロリアクターに流体を送液するための送液口や、マイクロリアクターから流体を回収するための回収口などを設けてもよい。

また、本発明に用いることができるマイクロリアクターは、その用途に応じて、複数を組合わせたり、反応、混合、分離、精製、分析等の機能を有する装置や、送液装置、回収装置、他のマイクロリアクター等を組み合わせ、マイクロ化学システムを好適に構築することができる。

本発明に用いることができるマイクロリアクターの製造方法は、特に制限されないが、公知の方法を用いることができる。
マイクロリアクターにおけるマイクロ流路の形成方法としては、特に制限はなく、例えば、公知の方法を用いることができる。マイクロ流路は、例えば、微細加工技術により作製することができる。微細加工方法としては、例えば、Ｘ線を用いたＬＩＧＡ技術を用いる方法、フォトリソグラフィー法によりレジスト部を構造体として使用する方法、レジスト開口部をエッチング処理する方法、マイクロ放電加工法、ＹＡＧレーザーやＵＶレーザー等を使用するレーザー加工法、ダイアモンドのような硬い材料で作られたマイクロ工具を用いるエンドミル等の機械的マイクロ切削加工法がある。これらの技術は単独で用いてもよく、組み合わせて用いてもよい。

以下、本発明を実施例で詳しく説明するが、本発明を何ら限定するものではない。

（実施例１）
図１及び図２に示すマイクロリアクターを用いて以下の操作を行った。なお、マイクロリアクター１０の基材としては、アクリル樹脂（日東樹脂工業（株）製クラレックスＳ（ノーマルタイプ）を用い、マイクロ流路１２ａ及び１２ｂの流路径は２５０μｍであり、マイクロ流路１２ｃ及び１２ｄの流路径は５００μｍであり、電極１４ａ及び１４ｂの材質は金であり、電極１４ａ及び１４ｂの幅は１０μｍとした。
マイクロ流路１２ａ及び１２ｂより洗浄液（組成：ｐＨ＝約６のＮａＮＯ₃溶液、電導度１００μＳ／ｃｍ以上）をシリンジポンプにて流速（１０ｍｌ／ｈ〜２０ｍｌ／ｈ）で送液した。洗浄液の流れが安定するまで送液し、電極１４ａと電極１４ｂとの間に電圧４．５Ｖを流した。図２に示すように、前記溶液に接した電極１４ａ及び１４ｂ表面より気泡２２が発生して流路内を洗浄し、流路内の汚れ（不図示）や流路壁面への付着物（不図示）を取り除くことができた。

また、実施例１の条件において洗浄液の電気伝導度を変化させた場合、では、下記の表１に示す曲線の上部の領域における電気分解時の電導度（μＳ／ｃｍ）及び電圧で電気分解が発生することがわかった。

（実施例２）
実施例１と同様のマイクロリアクターを用いて、感光体顔料合成をアシッドペースティング法により行った。
マイクロ流路１２ａより２５％濃アンモニア溶液１０ｍｌ／ｈ、マイクロ流路１２ｂより９８％濃硫酸顔料溶液を２．０ｍｌ／ｈにて送液した。約３０分ぐらい送液すると、合成時に発生した硫酸アンモニウムが流路内に堆積してした。送液１０分毎に１０秒ほど電極１４ａと電極１４ｂとの間に３．０Ｖの電圧を与え、図２に示すように、前記溶液に接した電極１４ａ及び１４ｂ表面より電気分解の気泡２２を発生させ、流路内部の硫酸アンモニウムを気泡にて除去した。これにより、１０時間の送液・反応が可能であった。

（比較例１）
電界を発生させず、気泡を発生させなかった以外は実施例２と同様の条件で洗浄を行った。流路内の堆積物は少し除去できたが、流路壁面に付着したものはほとんど取り除くことが出来なかった。

本発明のマイクロ流路の洗浄方法に用いるマイクロリアクターの一例を示す概略図である。図１に示すマイクロリアクターにおける電圧をかけた場合の電極周辺の部分拡大図である。本発明のマイクロ流路の洗浄方法に用いるマイクロリアクターの一例を、マイクロ流路中央部において切断した電極近傍部分の断面概略図である。本発明のマイクロ流路の洗浄方法に用いるマイクロリアクターの他の一例を作製する２枚のマイクロリアクター基板を示す投影概略図である。

符号の説明

１０：マイクロリアクター
１２（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ）：マイクロ流路
１４（１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ）：電極
１６（１６ａ，１６ｂ，１６ｃ）：流体導入（回収）部
１８（１８ａ，１８ｂ）：コード
２０：電源装置
２２：気泡
２４（２４ａ，２４ｂ）：マイクロリアクター基板
２６（２６ｅ，２６ｆ）：電極はめ込み部

Claims

マイクロ流路内を流れる流体を電気分解して気泡を発生させる工程、及び、
マイクロ流路に前記気泡を含有する流体を通過させる工程を含むことを特徴とする
マイクロ流路の洗浄方法。