JP2008212882A - Micromixer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、マイクロ流体(数μm 〜数100μmオーダーの流路寸法を流れる流体)の混合操作(マイクロミキシング)において、その混合操作部の構造およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a structure of a mixing operation unit and a manufacturing method thereof in a mixing operation (micromixing) of a microfluid (fluid flowing in a flow path dimension on the order of several μm to several 100 μm).
近年、化学分析装置、生化学分析装置等の小型化を目的としたμTAS(μ Total Analysis System)が注目され、遺伝子分析チップ、化学合成チップ、生化学合成チップ、環境分析チップ等への応用が期待されている。これらの小型化が実現すると、従来の分析装置と比較して試料、試薬、廃液等の少量化、測定時間の短縮、システム全体の消費電力の低減、低コスト化、携帯性等の有益性が期待されることから、多種多様な研究が行われている。これらの分析システムの構成要素の一つに、微小領域で混合を行うためのマイクロミキサーがある。一方、マイクロ流路(マイクロチャネル)では、チャネルの寸法、流速が共に小さいことから、レイノルズ数が200以下程度である事例が多い。レイノルズ数が小さい場合、マイクロチャネル内において乱流が起こりにくく、層流が支配的となる。したがって、流体の混合は、流体同士の接触界面による拡散混合が主となり、単に合流させるだけでは、効率的な混合ができない。 In recent years, μTAS (μ Total Analysis System) aimed at miniaturization of chemical analyzers, biochemical analyzers, etc. has attracted attention, and its application to gene analysis chips, chemical synthesis chips, biochemical synthesis chips, environmental analysis chips, etc. Expected. When these miniaturizations are realized, the benefits of reducing the amount of samples, reagents, waste liquid, etc., shortening measurement time, reducing power consumption of the entire system, reducing costs, and portability compared to conventional analyzers. A wide variety of research has been conducted because of expectations. One of the components of these analysis systems is a micromixer for performing mixing in a micro area. On the other hand, there are many cases where the Reynolds number is about 200 or less in the micro flow channel (micro channel) because the channel size and flow velocity are both small. When the Reynolds number is small, turbulence hardly occurs in the microchannel, and laminar flow becomes dominant. Therefore, the mixing of the fluid is mainly diffusion mixing at the contact interface between the fluids, and efficient mixing cannot be performed simply by joining them.
この混合を効率的に行うために、たとえば、特許文献1では、マイクロ流路の底面・側面に斜めの凹凸を配置した流路によって、また特許文献2では、流路内部に螺旋の突起(または凸凹状螺旋)をつけた流路によって、ともに流体の螺旋流れを生み出し混合効率を上げる方法が提案されている。また特許文献3では、主流とは別に製作された支流から流体を流入させカオス混合による混合効率の向上が述べられている。
従来提案されてきた文献1に示される断続的に形成された凹凸溝や、文献2に示される主流内部につけられた凹凸状の螺旋溝のみでは、螺旋流れが起こるが、混合効率が小さいという問題がある。また文献3の方法では、複数の支流流路と流体制御のためのポンプが必要になり、分析機器に求められる小型化・低コスト化とはならない問題がある。
Only the intermittently formed concave and convex grooves shown in
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、安価で混合効率が大きいマイクロミキサーおよびその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a micromixer that is inexpensive and has high mixing efficiency and a method for manufacturing the micromixer.
上記目的を達成するために、本発明は、マイクロ流路の主流流路から分岐した別の連続的な支流流路を主流流路の下部に形成することで、主流と支流が流れ方向に大きく交互に流体移動を繰り返す手段を提案する。この手段によれば、流動方向の流動断面の引きのばしと折りたたみが繰り返し起こり、流体層間の距離が指数関数的に減少する。図2は層間距離の減少の様子を示したものである。すなわち、同図の1〜7の順番に断面の伸縮と回転重ね合わせの操作を繰り返す場合を考える。支流流路の効果はどの場合も同じであるので、1→2と同じ回転操作を繰り返すこととみなせる。ここで、1→2の操作は、1の着色領域を縦に伸ばし横に縮小し、2の着色領域に並行に移り、また1の白領域は、縦に伸びて横に縮小させた白領域を180°回転させて着色領域の右に合わせる操作である。以上のように、一回の操作で、層間距離は1/2となるので、n番目には層間距離はもとの(1/2)n-1となる。n=7では、(1/2)6=1/64となる。 In order to achieve the above object, the present invention forms another continuous tributary flow channel branched from the main flow channel of the micro flow channel at the lower part of the main flow channel, so that the main flow and the tributary flow are greatly increased in the flow direction. A means for repeating fluid movement alternately is proposed. According to this means, stretching and folding of the flow cross section in the flow direction occur repeatedly, and the distance between the fluid layers decreases exponentially. FIG. 2 shows how the interlayer distance decreases. That is, consider a case where the operations of cross-sectional expansion and contraction and rotation superposition are repeated in the order of 1 to 7 in FIG. Since the effect of the tributary flow path is the same in all cases, it can be considered that the same rotation operation as 1 → 2 is repeated. Here, the operation of 1 → 2 extends 1 colored area vertically and horizontally reduces it, moves to 2 colored areas in parallel, and 1 white area extends vertically and horizontally reduced. Is rotated 180 ° to match the right side of the colored area. As described above, since the interlayer distance becomes 1/2 in one operation, the interlayer distance becomes the original (1/2) n-1 in the nth . When n = 7, (1/2) 6 = 1/64.
また、本発明においては、主流と支流を機械的加工手段(除去加工または成形加工)によって製作することから、深さ方向に変化をもたせた3次元流路構造を、簡単に短時間に作ることができる。また構造変化も簡単に変更でき、特許文献1に提示された半導体露光プロセスを応用した製造方法に比べ、製作コストを小さくできる。
In the present invention, since the main flow and the tributary flow are manufactured by mechanical processing means (removal processing or molding processing), a three-dimensional flow path structure with a change in the depth direction can be easily formed in a short time. Can do. Further, the structural change can be easily changed, and the manufacturing cost can be reduced as compared with the manufacturing method using the semiconductor exposure process presented in
本発明においては、主流から分岐する別の支流流路によって、主流の流体要素の引き伸ばしと折りたたみが起こり、この操作を繰り返すことで、流体要素の層間距離を減少させ、短時間に拡散が促進される。その結果、マイクロミキサーの小型化を図ることが可能である。 In the present invention, the mainstream fluid element is stretched and folded by another branch flow channel branched from the mainstream. By repeating this operation, the interlayer distance of the fluid element is reduced and diffusion is promoted in a short time. The As a result, it is possible to reduce the size of the micromixer.
以下、本発明について実施例および比較例を用いて具体的に説明する。
混合操作の実施には、Y字ミキサーと呼ばれる混合流路を基準とし、Y字ミキサーの主流流路1から分流する形で支流流路3を主流流路の下部に形成した。ここでY字ミキサーとは、2種類の液体を2本の入り口から流入させ、1本に合流させて混合し、所定長さの混合部を経て、排出するものである。図1。
Hereinafter, the present invention will be specifically described using examples and comparative examples.
In carrying out the mixing operation, the
ミキサーの性能評価は、異なる色のついた2種類の液体(赤色と白色)を2本の入口にシリンジポンプで流入させ、混合部を通過中の色の入れ替わり(回転)を調べる方法(特許文献1)と、混合程度を画像数値データ(RGB数値)により定量化する方法で行った。画像数値データの定量化の方法は、混合部以前の色データを0,1の数値に規格化し、混合後の画像数値データの標準偏差を計算して行った。完全な分離であれば標準偏差s=0.5であり、完全混合の場合、標準偏差s=0である。なお色のついた溶液は、水溶性絵の具の赤と白を純水9ccに1g添加して作成した。溶液の動粘性係数νをオストワルド相対粘度計で測定したところ、白溶液は1.64 mm2/sであり、赤溶液では1.43 mm2/sであった(レイノルズ数計算には、平均1.50 mm2/sを動粘性係数として用いた)。 The performance evaluation of the mixer is a method in which two types of liquids with different colors (red and white) are made to flow into the two inlets with a syringe pump and the change (rotation) of the color passing through the mixing section is examined (Patent Document) 1) and a method of quantifying the degree of mixing using image numerical data (RGB numerical values). The method of quantifying the numerical image data was performed by normalizing the color data before the mixing portion to values of 0 and 1, and calculating the standard deviation of the image numerical data after mixing. For complete separation, the standard deviation s = 0.5, and for complete mixing, the standard deviation s = 0. The colored solution was prepared by adding 1 g of red and white water-soluble paint to 9 cc of pure water. When the kinematic viscosity coefficient ν of the solution was measured with an Ostwald relative viscometer, it was 1.64 mm 2 / s for the white solution and 1.43 mm 2 / s for the red solution (average of 1.50 mm 2 / s for the Reynolds number calculation). s was used as the kinematic viscosity coefficient).
これらの溶液をマイクロシリンジポンプで使用し、流体流入路2の各々に流量13mm3/minの流体を流入させ、主流流路1を流れる流体流量の合計が26mm3/minになるようにした。この流量をマイクロミキサーの流路寸法から平均流速を計算すると、幅200μm深さ50μmでは、約43mm/sであり、幅200μm深さ100μmの流路では流速21.6mm/sである。また、この場合のレイノルズ数は、それぞれ3.9と3.2となる。ただし、チャネル代表寸法はそれぞれ133μm、80μmである。
These solutions were used with a microsyringe pump, and a fluid having a flow rate of 13 mm 3 / min was introduced into each of the
主流流路1から分流した支流流路3の混合効果(色混合の定量化と回転程度)を調べた。支流流路は主流の下部位置に切削加工により形成し、Y字ミキサーの合流点から2mmの位置から10mmの間に20本(ピッチは0.5mm)支流流路を形成した。このミキサーに、流量26mm3/min一定条件で前述した赤白の溶液を流した。また主流と支流、それぞれの流路深さの組合せ効果を調べた。表1は、主流流路の流路深さMdと支流流路の流路深さSdの組合せ実験を示す。
表1.主流流路の深さMdと支流流路の深さSdの組合せ実験表
The mixing effect (quantification of color mixing and the degree of rotation) of the
Table 1. Combination experiment table of mainstream channel depth Md and tributary channel depth Sd
図3は、主流流路深さと支流流路深さの組合せにおける混合程度を示す。図にみられるように、Md=50μm、Sd=100μmの組合せが最も混合している。さらに、主流流路幅200μm、支流流路幅100μmを考慮し、主流流路断面積Sm、支流流路断面積Ssで評価すると、Sm/Ss≦1で混合が適当である。 FIG. 3 shows the degree of mixing in the combination of the main flow channel depth and the tributary channel depth. As seen in the figure, the combination of Md = 50 μm and Sd = 100 μm is the most mixed. Furthermore, considering the main flow channel width of 200 μm and the tributary flow channel width of 100 μm, when the main flow channel cross-sectional area Sm and the tributary flow channel cross-sectional area Ss are evaluated, mixing is appropriate when Sm / Ss ≦ 1.
(比較例1)
比較例1では、支流流路を設けないY字ミキサーである。流路幅200μm、深さ50μmである。
(Comparative Example 1)
In the comparative example 1, it is a Y-shaped mixer which does not provide a tributary flow path. The channel width is 200 μm and the depth is 50 μm.
(比較例2)
比較例2は、特許文献1(実施例1)のマイクロミキサーである。
(Comparative Example 2)
Comparative Example 2 is a micromixer disclosed in Patent Document 1 (Example 1).
(評価)
図4は、Md=50μm Sd=100μm の条件における、混合状況を示す。またY字ミキサーも同様に示す。上下の入れ替わり(0.5回転)に要する流路長さは、1.0mmである。なお比較例1でのY字ミキサーでは、回転しない。
(Evaluation)
FIG. 4 shows the mixing state under the condition of Md = 50 μm Sd = 100 μm. The Y-shaped mixer is also shown. The flow path length required for the upper and lower interchange (0.5 rotation) is 1.0 mm. Note that the Y-shaped mixer in Comparative Example 1 does not rotate.
比較例2では、14mmで2回転であること(特許文献1の実施例1)から、0.5回転に要する長さは、3.5mmと計算できる。これは、本発明の1.0mmの3.5倍の長さを要することが分かる。 In Comparative Example 2, since the rotation is 14 mm and 2 rotations (Example 1 of Patent Document 1), the length required for 0.5 rotation can be calculated as 3.5 mm. It can be seen that this requires 3.5 times as long as 1.0 mm of the present invention.
以上のことから、主流流路とは別に形成された支流流路が、マイクロ流体の混合に有効であることがわかる。 From the above, it can be seen that the tributary flow channel formed separately from the main flow flow channel is effective for mixing the microfluids.
本発明は、混合効率が大きいという基本性能に加え、構造が簡単で安価に製造が可能であるということから、医療診断用分析機器、医薬用製造装置、化学分析機器への広い応用が可能である。 In addition to the basic performance of high mixing efficiency, the present invention has a simple structure and can be manufactured at low cost, so it can be widely applied to medical diagnostic analyzers, pharmaceutical manufacturing equipment, and chemical analyzers. is there.
1.主流流路
2.入口流路
3.支流流路
4.角取り部
1. 1.
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2007056475A JP2008212882A (en) | 2007-03-07 | 2007-03-07 | Micromixer |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2008212882A true JP2008212882A (en) | 2008-09-18 |
Family
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Cited By (3)
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JP2010243419A (en) * | 2009-04-09 | 2010-10-28 | Konica Minolta Holdings Inc | Test device, reaction apparatus, and method of testing reaction |
JP2014077810A (en) * | 2014-02-06 | 2014-05-01 | Konica Minolta Inc | Test device and reaction device |
US11249076B2 (en) | 2011-01-20 | 2022-02-15 | Otsuka Pharmaceutical Co., Ltd. | Test device, reaction apparatus and reactive test method |
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2007
- 2007-03-07 JP JP2007056475A patent/JP2008212882A/en active Pending
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