JP2008086888A - 流路構造体、該流路構造体を備えたマイクロデバイス、及びそれを用いた気泡除去方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な方法及び構成で、液体中の気泡を捕捉又は除去でき、液体を微細な流路内に安定かつ均一に供給できる。
【解決手段】
流通する液体中の気泡を捕捉する機能を備えた流路構造体であって、第２の滞留部２８と、第２の滞留部２８に連通する複数の流路と、を備え、複数の流路のうち、少なくとも１つの流路が第２の滞留部２８に液体を供給する供給流路２６であり、供給流路２６以外の流路が第２の滞留部２８内の液体を排出する第２の分岐流路３０Ａ〜３０Ｄであり、第２の滞留部２８の上部には、供給流路２６から第２の滞留部２８内に供給した第２の液体Ｌ２中の気泡６４を捕捉する気泡捕捉手段が設けられている。
【選択図】 図４

Description

本発明は、流路構造体、該流路構造体を備えたマイクロデバイス、及びそれを用いた気泡除去方法に係り、特に、複数種類の液体同士を混合・反応させるマイクロ流路内に気泡が混入するのを抑制する流路構造体、該流路構造体を備えたマイクロデバイス、及びそれを用いた気泡除去方法に関する。

マイクロ空間内では、単位体積あたりの表面積が大きくなる性質から、反応流体の反応界面を多く形成でき、温度制御も容易にできるため、流体間の反応や混合の高効率化又は高速化ができる技術として注目されている。

このようなマイクロ空間内で液体同士を混合又は反応させる場合、液体中の気泡が液体の流動状態に与える影響は大きい。たとえば、気泡が微細な流路内に混入すると、気泡が流路の内壁面に付着し、目詰まりすることにより圧損が上昇したり、気泡が流路を塞いで送液できなくなったりする。また、気泡が混入したまま液体同士を混合又は反応させると流れ場が乱れ、混合性能や反応性能が著しく低下するという問題もあった。このように、液体同士の混合又は反応において、気泡が流路内に混入するのを極力防止する必要があった。

この対策としては、例えば、気泡を除去する対象となる表面に親水処理を施す方法（特許文献１〜３）、フィルタを用いて気泡をトラップする方法（特許文献４）、超音波により気泡を凝集後、外部に排出する方法（特許文献５）等が提案されている。

また、並行接触する２つのチャンネルの一方の内表面を疎水性にし、他方の内表面を親水性にしたマイクロチャンネル構造体において、親水性のチャンネルに水性溶液をある一定条件の流速で流すと、水性溶液から疎水性のチャンネルに気泡を排出できることが記載されている（特許文献６）。
特開平５−３１２１５３号公報 特開２００１−１６５７３７号公報 特開２００１−２３２７９２号公報 特開平１０−２７２７８３号公報 特開２００２−１８２０２号公報 特開２００５−１６９３８６号公報

しかしながら、上記各特許文献では、以下のような問題があった。

すなわち、特許文献１〜３は、微細な流路内に気泡が既に混入しているので、反応・混合性能が低下するという問題があった。また、特許文献４では、フィルタを利用することにより気泡をトラップすることはできるが、これと同時にごみや異物もトラップするため、目詰まりを起こし易く定期的に洗浄する必要があった。また、特許文献５では、超音波を用いる方法は、材質によっては超音波を吸収して発熱するため、材質が劣化する虞があった。また、特許文献６では、並行接触する２つのチャンネルの深さを変えて製作するため、製作工程が複雑であるという問題があった。

このように、簡単な方法及び構成で、マイクロ流路に気泡が入らないようにする方法はこれまでなかった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、簡単な方法及び構成で、液体中の気泡を捕捉又は除去でき、液体を微細な流路内に安定かつ均一に供給できる流路構造体、該流路構造体を備えたマイクロデバイス、及びそれを用いた気泡除去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、流通する液体中の気泡を捕捉する機能を備えた流路構造体であって、滞留部と、該滞留部に連通する複数の流路と、を備え、前記複数の流路のうち、少なくとも１つの流路が前記滞留部に前記液体を供給する供給流路であり、前記供給流路以外の流路が前記滞留部内の液体を排出する排出流路であり、前記滞留部の上部には、前記供給流路から該滞留部内に供給した液体中の気泡を捕捉する気泡捕捉手段が設けられていることを特徴とする流路構造体を提供する。

請求項１によれば、液体中の気泡が滞留しやすい滞留部の上部に気泡捕捉手段を設けたので、供給流路から滞留部へ流入する液体中の気泡を、比重差を利用して滞留部の上部に捕捉し、気泡が除去された液体を排出流路に排出することができる。これにより、簡単な方法及び構成で、気泡が滞留部と流路の連通部分を閉塞したり、滞留部から微細な流路内に気泡が混入したりするのを抑制し、液体を安定かつ均一に供給できる。ここで、滞留部とは、連通した流路において、流れが滞る領域をいい、例えば流路の流路交差部分をいう。また、上部とは、滞留部における液体中の気泡が、比重差により浮上して接する部分をいう。

請求項２は請求項１において、前記気泡捕捉手段が、前記滞留部の上部のうちの上面に形成された撥水面であることを特徴とする。

請求項２によれば、撥水面は、液体中の気泡を選択的に捕捉できるだけでなく、一旦捕捉すると再び液体中に混入させにくいため、気泡を安定に保持できる。なお、請求項２において、上面全体、上面の一部を撥水面とする場合のいずれも含む。

請求項３は請求項２において、前記撥水面は、撥水領域と非撥水領域とを備えた撥水パターニングであることを特徴とする。

請求項３によれば、撥水面が撥水領域と非撥水領域とを備えるようにパターニングするので、撥水領域で気泡を選択的に捕捉できると共に、非撥水領域で液体の流通を確保することができる。

請求項４は請求項２又は３において、前記滞留部の側面及び／又は底面は、親水面が形成されたことを特徴とする。

請求項４によれば、滞留部の側面及び／又は底面に形成された親水面により、側面や底面には気泡が付着しにくくなるため、液体中に気泡が混入するのを抑制できる。特に、滞留部と流路との連通部分の表面は、親水面とするのが好ましい。

請求項５は請求項１〜４のいずれか１項において、前記気泡捕捉手段が、前記滞留部の上部のうちの上面に形成された粗面であることを特徴とする。

請求項５によれば、粗面は、液体中の気泡を捕捉し易いだけでなく、一旦捕捉すると再
び液体中に脱離させにくく、気泡を安定に保持できる。なお、請求項５において、上面全体、上面の一部を粗面とする場合のいずれも含む。

請求項６は請求項１〜５のいずれか１項において、前記気泡捕捉手段が、前記滞留部の上部のうちの上面に形成された凹部であることを特徴とする。

請求項６によれば、比重差により浮上した液体中の気泡を液面の上方で捕捉し、保持できる。

請求項７は請求項６において、前記凹部の表面は、撥水面であることを特徴とする。

請求項７によれば、気泡を撥水面で安定に保持できるので、液体中に気泡が再び混入するのを抑制できる。

請求項８は請求項１〜７のいずれか１項において、前記捕捉した気泡を前記滞留部から除去するための除去手段を備えたことを特徴とする。

請求項８によれば、滞留部の上部で捕捉した気泡を保持するだけでなく、外部に排出することにより除去できる。これにより、保持した気泡が蓄積することにより、気泡が液体中に再び混入したり、流路を閉塞したりするのを抑制できる。

請求項９は、マイクロデバイスが請求項１〜８のいずれか１項に記載の流路構造体を備えたことを特徴とする。

微細な流路内で複数の液体同士を混合・反応させるマイクロデバイスにおいて、本発明が特に有効である。

請求項１０は、請求項１〜８のいずれか１項に記載の流路構造体を用いて気泡を除去することを特徴とする気泡除去方法を提供する。

本発明によれば、簡単な方法及び構成で、液体中の気泡を捕捉又は除去でき、液体を微細な流路内に安定かつ均一に供給できる。

以下添付図面に従って本発明に係る流路構造体、該流路構造体を備えたマイクロデバイス、及びそれを用いた気泡除去方法の好ましい実施の形態について説明する。

本発明において、「マイクロデバイス」とは、微小流路（マイクロチャンネル）で流体を流し、及び（又は）そこで合流させ、それに起因する混合、反応、熱交換等の操作を行うための装置の総称であって、特に、混合を主目的とするマイクロデバイスをマイクロミキサ、反応を主目的とするマイクロデバイスをマイクロリアクタ、熱交換を主目的とするマイクロデバイスをマイクロ熱交換器（マイクロヒートエクスチェンジャー）という。その微小流路（マイクロチャンネル）又はそこを通過するストリームの直径または相当直径（チャンネルまたはストリームの断面が円形でない場合）は、１ｍｍ以下であり、特に直径または相当直径が通常５００μｍ以下であり、好ましくは１００μｍ以下である。また、「相当直径」とは、流体力学の分野において用いられる意味で使用している。なお、マイクロチャンネルを構成する各種流路は、真直ぐであっても、湾曲していてもよい。

まず、第１の実施形態について説明する。本実施形態の流体操作方法は、重力方向に対
して上側と下側から２液を供給し、マイクロ流路内で混合させるマイクロデバイスにおいて、２液の供給経路上で気泡を捕捉することにより、マイクロ流路内に気泡を混入させないようにする方法である。

図１は、本実施形態におけるマイクロデバイス１０の主要部を説明する分解斜視図である。図２は、第１の滞留部の部分拡大図であり、図３は、第２の滞留部の部分拡大図である。なお、図１において、重力方向（下向き）を矢印Ｇで示す。

図１に示すように、マイクロデバイス１０は、第１の液体Ｌ１を供給する第１の供給プレート１２と、第２の液体Ｌ２を供給する第２の供給プレート１４と、第１、第２の液体Ｌ１、Ｌ２を合流するための合流プレート１６と、を備えている。マイクロデバイス１０を構成する際は、上記の各プレートを一体に積層した後、締結することにより組み立てる。この組み立て方法としては、特に限定されないが、例えば、各プレートの周辺部に各プレートを貫通するボア（孔、図示せず）を等間隔に設けてボルト及びナットでこれらの各プレートを一体に締結する方法がある。

第１の供給プレート１２の上面（第２の供給プレート１４に対向する面と反対側の面）には、第１の供給プレート１２の中央付近に凹状に形成され、第１の液体Ｌ１が供給される第１の滞留部１８と、該第１の滞留部１８から放射状に４本に分岐する第１の分岐流路２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ及び２０Ｄ（排出流路）と、が形成される（図２参照）。さらに、第１の供給プレート１２の厚さ方向に貫通するボア（孔）２２Ａ〜２２Ｄが形成され、第１の分岐流路２０Ａ〜２０Ｄの各先端と連通している。

第２の供給プレート１４には、その厚さ方向に貫通するボア２４Ａ〜２４Ｄが形成され、第１の供給プレート１２のボア２２Ａ〜２２Ｄと連通している（図３参照）。また、第２の供給プレート１４の中央には、厚さ方向に貫通し、第２の液体Ｌ２が供給される供給流路２６が形成される。この供給流路２６は、後述する合流プレート１６の中央に形成され、厚さ方向に貫通した供給流路２７と連通している。

第２の供給プレート１４の上面（第１の供給プレート１２に対向する面）には、供給流路２６と連通し、該供給流路２６よりも幅広の凹状に形成された第２の滞留部２８と、該第２の滞留部２８から放射状に４本に分岐する第２の分岐流路３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ及び３０Ｄ（排出流路）と、が形成される。さらに、第２の供給プレート１４の厚さ方向に貫通するボア３２Ａ〜３２Ｄが形成され、第２の分岐流路３０Ａ〜３０Ｄの各先端と連通している（図３参照）。また、第１の液体Ｌ１が流れるボア２４Ａ〜２４Ｄと、第２の液体Ｌ２が流れるボア３２Ａ〜３２Ｄとは相互に重ならない位置、すなわち、ボア２４Ａ〜２４Ｄとボア３２Ａ〜３２Ｄは、交互に位置するように配置される。

合流プレート１６の上面（第２の供給プレート１４に対向する面）には、第１の供給プレート１２、第２の供給プレート１４により各４つに分岐された第１、第２の液体Ｌ１、Ｌ２をそれぞれ合流させる４つのＹ字型のマイクロチャンネル３４Ａ〜３４Ｄが形成される。Ｙ字型のマイクロチャンネル３４Ａ（〜３４Ｇ）は、主に、第１の液体Ｌ１が供給される第１の供給流路３６Ａ（〜３６Ｄ）と、第２の液体Ｌ２が供給される第２の供給流路３８Ａ（〜３８Ｄ）と、該第１、第２の供給流路３６Ａ（〜３６Ｄ）、３８Ａ（〜３８Ｄ）と連通して１本の流路を形成する合流流路４０Ａ（〜４０Ｄ）と、より構成される。第１の供給流路３６Ａ〜３６Ｄの上流端は、合流プレート１６の上面に凹状に形成された第１の供給口４２Ａ〜４２Ｄと連通している。この第１の供給口４２Ａ〜４２Ｄは、第２の供給プレート１４のボア２４Ａ〜２４Ｄと連通している。これと同様に、第２の供給流路３８Ａ〜３８Ｄの上流端は、合流プレート１６の上面に凹状に形成された第２の供給口４４Ａ〜４４Ｄと連通し、該第２の供給口４４Ａ〜４４Ｄは、第２の供給プレート１４のボ
ア３２Ａ〜３２Ｄと連通している。合流流路４０Ａ（〜４０Ｄ）の各下流端は、合流プレート１６の厚さ方向に貫通するボア４６Ａ〜４６Ｄと連通している。このボア４６Ａ〜４６Ｄは、更に下流側に設けられた図示しない回収流路と連通し、外部へ回収できるようになっている。

本実施形態において、滞留部とは、平均流速がマイクロデバイス全体における最速部の１／１００以下、好ましくは１／１０以下、より好ましくは１／２以下のものをいう。

上記第１、第２の分岐流路２０Ａ〜２０Ｄ、３０Ａ〜３０Ｄの断面形状は、矩形でも円形（半円形も含む）でもよく、特に限定されない。流路断面積は、特に規定しないが、層流を形成できる範囲であることが、系の安定性の観点から好ましい。層流を形成できる条件としては、通常、相当直径２ｍｍ以下、好ましくは６００μｍ以下が好ましい。また、分岐する供給流路の数も本実施形態の４本であるが、２〜３本、又は５本以上でもよく、特に限定されない。また、Ｙ字型のマイクロチャンネル３４Ａ〜３４Ｄを構成する各流路の相当直径は、１ｍｍ以下であり、５００μｍ以下であるのが好ましく、１００μｍ以下であるのがより好ましい。

このような構成を有するマイクロデバイス１０において、第１の滞留部１８や、第２の滞留部２８では、それぞれ第１、第２の液体Ｌ１、Ｌ２中の気泡が滞留し易い。このような気泡が微細な第１、第２の分岐流路２０Ａ〜２０Ｇ、３０Ａ〜３０Ｇ内に混入するのを抑制するために、本発明では、第１、第２の滞留部１８、２８の上部に、液体中の気泡を捕捉するための撥水領域（気泡捕捉手段）を形成する。なお、第１、第２の滞留部１８、２８の上部とは、液体中の気泡が比重差により浮上して接する壁面や空間をいい、たとえば、第１、第２の滞留部１８、２８の上面をいう。

図４は、第１、第２の滞留部１８、２８近傍の構成（流路構造体）を示すＡ−Ａ線に沿った部分断面図である。このうち、図４（ａ）は、第１の滞留部１８であり、図４（ｂ）は、第２の滞留部２８である。なお、同図において、通常、第１の供給プレート１２の上面には、第１の液体Ｌ１を供給する供給流路４８を備えたプレート５０が設けられるので、点線部分で表した。

図４（ａ）に示すように、プレート５０の第１の供給プレート１２と対向する面のうち、第１の滞留部１８に対向する領域１８Ａ（以下、「第１の滞留部１８の上面１８Ａ」という）には、撥水パターニング５２が形成される。これと同様に、図４（ｂ）に示すように、第２の供給プレート１４の上面に対向する第１の供給プレート１２の面のうち、第２の滞留部２８に対向する領域２８Ａ（以下、「第２の滞留部２８の上面２８Ａ」という）にも撥水パターニング５２が形成される。さらに、上記第１の滞留部１８、第２の滞留部２８の底面２８Ｂ及び側面２８Ｃには、気泡が付着するのを防止するために、それぞれ親水処理５４が施される。特に、第１、第２の滞留部１８、２８と第１、第２の分岐流路２０Ａ〜２０Ｄ、３０Ａ〜３０Ｄとが連通する部分の表面は、親水処理を施すことが好ましい。

また、第１、第２の滞留部１８、２８の上面１８Ａ、２８Ａには、捕捉した気泡を除去するための気泡除去機構５８（除去手段）が備えられる。すなわち、気泡除去機構５８として、第１の滞留部１８では、上面１８Ａと大気とを連通する通気孔５８ａが設けられ、第２の滞留部２８では、上面２８Ａと連通する微細な孔５８ｂと、該孔５８ｂと大気とを連通する通気孔５８ｃと、が形成される。これにより、捕捉した気泡を大気へ開放し、除去できるようになっている。なお、本実施形態では、気泡除去機構５８を備えた例を示しているが、備えない形態も有り得る。

第１、第２の滞留部２８の上面１８Ａ、２８Ａに形成される撥水パターニング５２は、撥水パターニングが施される領域が異なること以外はほぼ同様であるため、以下、第２の滞留部２８について説明する。

図５は、第２の滞留部２８の上面２８Ａに形成された撥水パターニング５２を説明する説明図である。同図に示すように、第２の滞留部２８の上面２８Ａには、撥水領域５２ａと非撥水領域５２ｂが格子状に配された撥水パターニング５２が形成される。このように、撥水領域５２ａと非撥水領域５２ｂとを設けることにより、気泡を捕捉し易くするだけでなく、液体の流路を確保することができる。なお、第２の滞留部２８の上面２８Ａの全体を、撥水領域５２ａとすることも可能である。

次に、撥水パターニング５２の形成方法について説明する。

撥水パターニング５２は、撥水パターニング５２に合わせて凸部が形成されたスタンプ部材を用いて形成できる。図６は、スタンプ部材の製造方法を説明する部分断面図である。図７は、図６で製造されたスタンプ部材を示す斜視図である。

まず、撥水パターニング５２の反転形状が表面に形成されている反転型板６０を準備する（図６（ａ）参照）。この反転型板６０は、後述する微細加工技術、特に、フォトリソグラフィ法を用いて製造できる。この反転型板６０の表面には、剥離剤を塗布する。この剥離剤としては、スタンプ部材となる樹脂材の種類、加工条件（温度等）等に応じて適宜のものが採用できる。

次いで、反転型板６０の表面に樹脂材６２を塗布し、この樹脂材を硬化させる（図６（ｂ）参照）。樹脂材６２が、たとえば紫外線硬化樹脂である場合には、塗布後の樹脂材に紫外線を照射して硬化させる。樹脂材６２が、たとえばポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）のような熱可塑性樹脂である場合には、反転型板６０の表面に樹脂材を当ててホットプレス機により熱転写成形を行う。

そして、硬化後の樹脂材６２を反転型板６０より剥離する（図６（ｃ））。この樹脂材６２は、第２の滞留部２８とほぼ同じ径のスタンプ部材６２Ａとして使用される。

このような方法によれば、図７に示すように、撥水パターニングの模様に合わせた凹部が表面に形成されたスタンプ部材を精度よく形成でき、かつ、安価に形成できる。

スタンプ部材６２Ａの材質は、特に限定しないが、ＰＤＭＳ等のゴム系プラスチック等が使用できる。

図８は、図７のスタンプ部材６２Ａを用いて、第１の供給プレート１２の第２の供給プレート１４に対向する面（第２の滞留部２８の上面２８Ａ）に撥水パターニング５２を形成する方法を示す部分断面図である。

図８（ａ）に示すように、スタンプ部材６２Ａの凹凸面に、撥水剤５２Ｌを付着させる。次いで、第１の供給プレート１２の（第２の供給プレート１４に対向する）面１２Ａにスタンプ部材６２Ａの撥水剤５２Ｌ付着面を直接押し当てる（図８（ｂ）参照）。そして、面１２Ａを十分に乾燥させることにより、面１２Ａ上に撥水パターニング５２を形成する（図８（ｃ）参照）。

さらに、第２の滞留部２８の側面及び底面（図４（ｂ）参照）に、気泡が付着するのを抑制するために、親水処理を施すことが好ましい。この方法としては、第２の滞留部２８
と同径で、表面が平滑なスタンプ部材を用いて親水剤を塗布する方法や、直接親水剤を第２の滞留部２８内に流した後、乾燥させることにより親水処理する方法等、が挙げられる。

撥水剤５２Ｌとしては、公知公用の撥水剤が使用でき、たとえば、シリコーン系化合物、フッ素系化合物等を使用できる。

親水剤としては、公知公用の親水剤が使用でき、たとえば、ポリエチレングリコール、リン脂質ポリマー（ＭＰＣポリマー等）が使用できる。

マイクロデバイス１０を構成する各種プレートの材質としては、強度が高く、腐食防止性があり、原料流体の流動性を高めるものが好ましい。例えば、金属（鉄、アルミ、ステンレス鋼、チタン、ハステロイ、その他の各種金属）、樹脂（フッ素樹脂、アクリル樹脂、ＰＳ、ＰＰ等）、ガラス（石英等）、セラミックス（シリコン等）、アルミナ等などが好ましく使用できる。

マイクロデバイス１０を製作するには、微細加工技術が適用される。適用可能な微細加工技術としては、例えば、一部既述したように、Ｘ線リソグラフィを用いるＬＩＧＡ（Ｒｏｅｎｔｇｅｎ−Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｅ Ｇａｌｖａｎｉｋ Ａｂｆｏｒｍｕｎｇ）技術、ＥＰＯＮ ＳＵ−８（商品名）を用いた高アスペクト比フォトリソグラフィ法、マイクロ放電加工法（μ−ＥＤＭ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ））、Ｄｅｅｐ ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）によるシリコンの高アスペクト比加工法、Ｈｏｔ Ｅｍｂｏｓｓ加工法、光造形法、レーザー加工法、イオンビーム加工法、及び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機械的マイクロ切削加工法等がある。これらの技術を単独で用いてもよいし、組み合わせて用いてもよい。好ましい微細加工技術は、Ｘ線リソグラフィを用いるＬＩＧＡ技術、ＥＰＯＮ ＳＵ−８を用いた高アスペクト比フォトリソグラフィ法、マイクロ放電加工法（μ−ＥＤＭ）、及び機械的マイクロ切削加工法である。

プレートを含む各種部材間の接合方法は、高温加熱による材料の変質や変形による流路等の破壊を伴わず、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、材料に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等の部材表面の分子間力を利用した直接接合や、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挙げられる。セラミックスの接合については、金属のような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程度の膜厚に印刷し、圧力をかけずに４４０〜５００℃で熱処理する方法がある。また、新しい技術として、表面活性化接合、水素結合を用いた直接接合、ＨＦ（フッ化水素）水溶液を用いた接合等がある。このうち、表面活性化接合は、真空中でアルゴンイオンビーム等を部材に照射して部材の表面を原子レベルで洗浄し、常温で加圧接合する常温直接接合である。この方法は、部材の熱変形の影響を低減することができ、特に、異なる材質からなる部材同士を接合する際に、熱的ストレスを緩和することにも利用できる。上記接合方法の他、接着剤を使用することもできる。

送液手段としては、各種マイクロポンプ、ダイヤフラムポンプ、連続流動方式型のシリンジポンプ等を好適に使用することができる。連続流動方式は、マイクロデバイス１０を構成する流路全てを第１の液体Ｌ１又は第２の液体Ｌ２で満たし、外部に用意した送液手段によって液体全体を駆動させる方式であり、供給する第１、第２の液体Ｌ１、Ｌ２の供給圧力や供給流量を任意に制御することができる。

また、本発明に使用される流体としては、液体、液固混相流体、気固混相流体等が挙げられる。

次に、本実施形態におけるマイクロデバイス１０の作用について図１及び図９を参照して説明する。図９は、第１、第２の滞留部１８、２８近傍における本発明の作用を示す部分断面図である。このうち、図９（ａ）は、第１の滞留部１８近傍を示し、図９（ｂ）は、第２の滞留部２８近傍を示す。

図９（ａ）に示すように、第１の液体Ｌ１は、上側から供給流路４８を介して第１の供給プレート１２に形成された第１の滞留部１８に供給される。

第１の滞留部１８において、図９（ａ）に示すように、第１の液体Ｌ１中の気泡６４は比重差により浮上し、第１の滞留部１８の上面に形成された撥水パターニング５２の撥水領域５２ａに捕捉される。捕捉された気泡６４は、撥水領域５２ａから連通孔５８ａを通して除去される。そして、気泡６４が除去された第１の液体Ｌ１は、第１の分岐流路２０Ａ〜２０Ｄ（排出流路）へ分岐される。

第１の分岐流路２０Ａ〜２０Ｄを流れる第１の液体Ｌ１は、ボア２２Ａ〜２２Ｄ、及びボア２４Ａ〜２４Ｄを流れた後、合流プレート１６に形成された第１の供給口４２Ａ〜４２Ｄに至る。

一方、第２の液体Ｌ２は、下側から合流プレート１６、第２の供給プレート１４のそれぞれ中央部を貫通する供給流路２６内から第２の滞留部２８に供給される。

第２の滞留部２８において、図９（ｂ）に示すように、第２の液体Ｌ２中の気泡６４は比重差により浮上し、第２の滞留部２８の上面に形成された撥水パターニング５２の撥水領域５２ａに捕捉される。捕捉された気泡６４は、撥水領域５２ａから孔５８ｂ、連通孔５８ｃを通して除去される。そして、気泡が除去された第２の液体Ｌ２は、第２の分岐流路３０Ａ〜３０Ｄ（排出流路）へ分岐され、ボア３２Ａ〜３２Ｄ内を流れた後、合流プレート１６に形成された第２の供給口４４Ａ〜４４Ｄに至る。

そして、合流プレート１６において、各第１、第２の液体Ｌ１、Ｌ２は、Ｙ字型のマイクロチャンネル３４Ａ〜３４Ｄの第１、第２の供給流路３６Ａ〜３６Ｄ、３８Ａ〜３８Ｄを流れた後、合流流路４０Ａ〜４０Ｄで混合される。このとき、各液体中には気泡がほとんど混入していないので、第１、第２の液体Ｌ１、Ｌ２は安定かつ均一に混合又は反応する。そして、混合又は反応した反応生成物ＬＭは、図示しない回収流路から回収される。

以上に説明した本発明に係る流路構造体、該流路構造体を備えたマイクロデバイス、及びそれを用いた気泡除去方法によれば、簡単な方法及び構成で、液体中の気泡を除去することができる。これにより、微細な流路内に気泡が混入したり、気泡同士が合一したりすることによる流路の閉塞や、気泡が流路壁面に付着することにより生じる圧損の変化を抑制できる。したがって、微細な流路内に液体を均一かつ安定に供給できると共に、該液体同士を高効率で混合又は反応させることができる。特に、本発明は、分岐流路構造を有するマイクロデバイスにおいて、液体を均等かつ安定に分配できるので、ナンバリングアップタイプのマイクロデバイスに好適である。

以上、本発明に係る好ましい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ず、種々の態様を採用しうる。

たとえば、本実施形態では、第１、第２の滞留部１８、２８の上面に図５の撥水パターニング５２を形成したが、これに限定されず、たとえば図１０に示すような撥水パターニングも採用できる。図１０は、撥水パターニング５２の変形例を示す平面図である。

図１０において、非撥水領域５２ｂは、図３における第２の分岐流路３０Ａ〜３０Ｄから第２の滞留部２８内に延長した流路と、供給流路２６と、に対応しており、第２の液体Ｌ２が流通しやすい形状となっている。これにより、撥水領域５２ａにより第２の液体Ｌ２中の気泡を捕捉できるだけでなく、捕捉した気泡により液体Ｌ２の流れを阻害することなく、第２の液体Ｌ２をスムーズに供給できる。

なお、本実施形態では、第１、第２の滞留部１８、２８の上面１８Ａ、２８Ａに撥水領域を形成し、底面２８Ｂ及び側面２８Ｃには親水処理５４を施したが、必ずしもこの組み合わせに限定されない。たとえば、滞留部の底面及び側面にのみ親水処理を施せば、上面には必ずしも撥水領域を形成しなくてもよい。これとは逆に、滞留部の上面のみに撥水領域を形成すれば、底面及び側面には親水処理を施さなくてもよい。要は、液体中の気泡を選択的に上部に収集できる構成であればよい。

また、本実施形態では、第１、第２の滞留部１８、２８の上面に気泡捕捉手段として撥水パターニングを採用したが、これに限定されず、たとえば、図１１及び図１２に示すような態様も採用できる。図１１及び図１２は、気泡捕捉手段の変形例を示す部分断面図である。

図１１（ａ）に示すように、第１、第２の滞留部１８、２８の上面を粗面（凸凹面）にすることができる。これにより、図１１（ｂ）に示すように、液体中の気泡６４が比重差により浮上して粗面６６と接して安定に捕捉されるとともに、一旦捕捉されると安定に保持される。このため、再び液体中に気泡６４が混入するのを抑制できる。

また、図１２に示すように、第２の滞留部２８の上面２８Ａに気泡を保持する凹部６８を形成することにより、液体中の気泡を比重差により浮上させ、凹部６８と液面との間に形成された空間内に安定に保持できる。なお、同図に示すように、凹部６８の内面に、撥水パターニング５２又は全面が撥水領域となるような処理が施されてもよい。これにより、気泡を再び液体中に混入させることなく、安定に保持できる。

また、本実施形態では、気泡除去機構５８として、第１、第２の滞留部１８、２８の上面と大気とを連通する微細な孔５８ａ及び連通孔５８ｂを備えた例を示したが、更に、図１３に示すように、吸引ポンプやシリンジ等の吸引手段（又は減圧手段）７０を通気孔５８ｃと接続させて、気泡を吸引除去するように構成することもできる。これにより、第２の滞留部２８から気泡を迅速に除去できるだけでなく、気泡を捕捉することにより局所的に圧力が増大するのを抑制できる。なお、吸引手段７０は、図５、１０の撥水パターニング５２、図１１の粗面６６、及び図１２の凹部６８が形成された第２の滞留部２８の上面２８Ａにも同様に設けることができる。また、気泡除去機構５８は、図４の態様に限定されず、通気孔の数や設置形態等、適宜設定される。

また、本実施形態では、１本の供給流路から第１、第２の滞留部１８、２８に液体を供給し、複数の排出流路へ排出させる例について説明したが、これに限定されず、例えば、図１４に示すように、複数の供給流路３０Ｂ’、３０Ｄ’から１本の排出流路２６’へ液体を流す場合についても、本発明を適用できる。

次に、本発明に係る第２の実施形態について説明する。なお、既述の第１の実施形態と同一、類似の部材については、同様の符号を附し、その説明を省略する。

図１５は、本実施形態のマイクロデバイス１０’の概略構成を示す概略図である。

図１５に示すように、マイクロデバイス１０’は、気泡除去機構５８の代わりに、第１の供給プレート１２の上面と、該第１の供給プレート１２と第２の供給プレート１４との間と、の２箇所に繊維シート７２、７２を設けた以外は図１とほぼ同様に構成される。

図１６（ａ）は、第１の滞留部１８の近傍を示す部分断面図であり、図１６（ｂ）は、第２の滞留部２８の近傍を示す部分断面図である。

図１６に示すように、第１、第２の滞留部１８、２８の上部は、繊維シート７２で覆われる。繊維シート７２、７２の第１、第２の滞留部１８、２８に対向するそれぞれの領域には、撥水処理（不図示）が施されることが好ましい。これにより、液体が繊維シート７２の表面を覆うことにより、気泡の抜け道が閉塞され、繊維シート７２の通気性が低下するのを抑制できる。なお、第１、第２の滞留部１８、２８の底面２８Ｂ及び側面２８Ｃには、気泡が付着するのを防止するために親水処理５４が施される。

繊維シート７２としては、特に限定しないが、耐食性や強度が高いものが好ましく、たとえば、カーボン製の織布、不織布、セラミック繊維や金属繊維製のメッシュ、セラミックや金属の多孔質焼結体等が使用できる。特に、耐食性や強度の観点から、ステンレス鋼製金属繊維（例えばナスロン等）やステンレス鋼多孔質焼結体（例えばシンターパウダー等）が好適に使用できる。

また、第２の滞留部２８に使用される繊維シート７２は、気体を通過させ、液体を通過させないメッシュサイズのものを使用するのが好ましい。また、第１の滞留部１８のうち、第１の液体Ｌ１の供給流路４８との接続部には、繊維シート７２が挟持されないように構成するのが好ましい。

このように構成することにより、より簡単な構成で捕捉した気泡を外部に除去することができる。

以上に説明した本発明に係る気泡除去方法によれば、簡単な方法及び構成で、微細な流路や滞留部内に混入する気泡を除去することができる。これにより、微細な流路を有するマイクロデバイスにおいて、複数種類の液体を均一かつ安定に供給できるとともに、該液体同士を高効率で混合又は反応させることができる。

なお、本発明の流路構造体、該流路構造体を備えたマイクロデバイスとしては、上記各実施形態に限定されるものではない。

本発明に係るマイクロデバイス１０の主要部を説明する分解斜視図である。 図１における第１の滞留部の部分拡大図である。 図１における第２の滞留部の部分拡大図である。 図１における第１、第２の滞留部近傍の部分断面図である。 第２の滞留部の上面に形成された撥水パターニングを説明する説明図である。 本実施形態で使用されるスタンプ部材の製造過程を説明する部分断面図である。 図６のスタンプ部材を示す斜視図である。 第１の供給プレートの表面に撥水パターニングを形成する方法を示す部分断面図である。 第１、第２の滞留部近傍の作用を示す断面図である。 撥水パターニングの変形例を示す平面図である。 気泡捕捉手段の変形例を示す部分断面図である。 気泡捕捉手段の変形例を示す部分断面図である。 気泡捕捉手段の変形例を示す部分断面図である。 液体の流通方法の変形例を示す部分断面図である。 第２の実施形態におけるマイクロデバイス１０’の概略構成を示す概略図である。 図１５の第１、第２の滞留部の近傍を示す部分断面図である。

符号の説明

１０、１０’…マイクロデバイス、１２…第１の供給プレート、１４…第２の供給プレート、１６…合流プレート、１８…第１の滞留部、２８…第２の滞留部、１８Ａ…（第１の滞留部の）上面、２８Ａ…（第２の滞留部の）上面、２０Ａ〜２０Ｄ…第１の分岐流路（排出流路）、３０Ａ〜３０Ｄ…第２の分岐流路、２６、２７…供給流路、５２…撥水パターニング、５２ａ…撥水領域、５２ｂ…非撥水領域、５４…親水処理、６６…粗面、５８…気泡除去機構、５８ａ、５８ｃ…連通孔、５８ｂ…孔、６８…凹部、６２Ａ…スタンプ部材、６４…気泡、７０…吸引手段、７２…繊維シート

Claims (10)

1. 流通する液体中の気泡を捕捉する機能を備えた流路構造体であって、
   滞留部と、
   該滞留部に連通する複数の流路と、を備え、
   前記複数の流路のうち、少なくとも１つの流路が前記滞留部に前記液体を供給する供給流路であり、
   前記供給流路以外の流路が前記滞留部内の液体を排出する排出流路であり、
   前記滞留部の上部には、前記供給流路から該滞留部内に供給した液体中の気泡を捕捉する気泡捕捉手段が設けられていることを特徴とする流路構造体。
2. 前記気泡捕捉手段が、前記滞留部の上部のうちの上面に形成された撥水面であることを特徴とする請求項１に記載の流路構造体。
3. 前記撥水面は、撥水領域と非撥水領域とを備えた撥水パターニングであることを特徴とする請求項２に記載の流路構造体。
4. 前記滞留部の側面及び又は底面は、親水面が形成されたことを特徴とする請求項２又は３に記載の流路構造体。
5. 前記気泡捕捉手段が、前記滞留部の上部のうちの上面に形成された粗面であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の流路構造体。
6. 前記気泡捕捉手段が、前記滞留部の上部のうちの上面に形成された凹部であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の流路構造体。
7. 前記凹部の表面は、撥水面であることを特徴とする請求項６に記載の流路構造体。
8. 前記捕捉した気泡を前記滞留部から除去するための除去手段を備えたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の流路構造体。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の流路構造体を備えたことを特徴とするマイクロデバイス。
10. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の流路構造体を用いて気泡を除去することを特徴とする気泡除去方法。

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