JP2009183876A

JP2009183876A - マイクロ流体混合装置および混合方法

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Publication number: JP2009183876A
Application number: JP2008027046A
Authority: JP
Inventors: Hideyori Igata; 英資井形
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2008-02-06
Filing date: 2008-02-06
Publication date: 2009-08-20

Abstract

【課題】省スペース化を実現するため送液機構として１つのバルブ機構を設けることによって、定量的な混合が可能なマイクロ流体混合装置を提供する。
【解決手段】複数の流体をバルブを用いて順次に混合流路に供給して混合するマイクロ流体混合装置であって、複数の流体をバルブに注入する複数の注入流路と、該注入流路から注入された複数の流体を収納する複数の貫通流路を有する移動可能なバルブと、該バルブに接して設けられ、複数の貫通流路に収納された流体を加圧により外部に移送する加圧流路と、該加圧流路の加圧により貫通流路から移送された複数の流体を収納して混合する混合流路と、前記バルブを移動させることにより複数の貫通流路に収納された複数の流体を加圧により順次混合流路に供給するバルブ移動手段を有するマイクロ流体混合装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の流体を混合させるマイクロ流体混合装置および混合方法に関するものである。

複数の流体が合流する際において、一般的にレイノルズ数がおよそ２０００以下になるとその空間を進行する流体は層流を形成する。レイノルズ数が１００以下に多々なり得る微小領域の流体においても同様に、複数流体を合流させると層流を形成し、各流体が混合されにくい。また、微小空間内においては、駆動できる物体を配置して流体を攪拌することも困難である。そこで、マイクロ流路内での複数流体を混合する方法として、マイクロ流路内に障害物を設ける方法（特許文献１参照）、または流路寸法を変化させる方法（特許文献２参照）により乱流を発生させ混合を促進させてきた。また、層流のまま流体を混合させる方法として、流体の流れを分流し、混合させようとする流体を挟み込む方法がある（特許文献３参照）。

さらに、前記各種混合方法は、マイクロ流路の構造が複雑になるなどの課題が存在するのに対し、流路構造によらない送液機構の調整による混合方法は、簡便な混合方法である。図４のような複数の注入流路４１、４２があり、それぞれにポンプ４５、４６が配置されたマイクロ流路において、ポンプ４５とポンプ４６を交互に作動させることにより、合流点４３においてそれぞれの流体４７、４８を同時にではなく交互に通過させることにより、混合流路４４において両流体界面における拡散を促して混合させる方法が開示されている（特許文献４参照）。

また、３流体の混合を行う場合には、前記図４のような２液混合を行った後に新たに１流体混合させるか、図５に示されるように、第１、２、３注入流路をそれぞれレザーバ５７、５８、５９よりポンプ５４、５５、５６によって、流路４９，５０，５１を移送されてくる流体が合流点５２を交互に通過し、混合流路５３で拡散により混合させる方法がある（特許文献５参照）。
特開２００６−２０８１８８号公報（第１０項、図１）特開２００６−５３０９１号公報（第１３項、図６）特開２００３−１０７７号公報（第１０項、図３）特開２００５−１４４２１５号公報（第７項、図３）特開２００３−２２０３２２号公報（第１０項、図１０）

送液機構の調整による混合方法は、流路構造による混合方法より簡便ではあるが、以下のような課題が生じる。まず、各注入流路それぞれに送液機構が必要なため、送液機構のためのスペースを確保する必要が生じる。マイクロデバイスにおいて、多くの機能を付加するためには、省スペースである必要があり、送液機構に多くのスペースを確保するのは好ましくない。これは、混合する流体数が増加するとより顕著になる問題である。

次に、合流点において各注入流路と混合流路内の圧力のバランスによっては、１つの注入流路から他の注入流路へ流体が流入して、注入しようとしている流体が混合流路外で混合される可能性がある。このため混合比率を確定する必要のある定量的な混合が困難になる。

また、３流体以上混合可能なデバイスにおいて、３流体のうち任意の２流体だけを混合させるような、流体の混合組み合わせに対する自由度がなく、定量的な混合にも課題が生じる。これは、図５で説明すると、第１流体と第３流体のみを混合させる場合、第１流体と第３流体のみを注入しようとすると、流体の一部は混合流路５３方向と第２注入流路５０方向へ分流されてしまう。よって、第１流体と第３流体の全量が混合流路５３方向へは進行しないので、定量的に２種の流体が混合されないということに相当する。

そこで、本発明は、省スペース化を実現するため送液機構として１つのバルブ機構を設けることによって、定量的な混合を可能にするマイクロ流体混合装置および混合方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するマイクロ流体混合装置は、複数の流体をバルブを用いて順次に混合流路に供給して混合するマイクロ流体混合装置であって、複数の流体をバルブに注入する複数の注入流路と、該注入流路から注入された複数の流体を収納する複数の貫通流路を有する移動可能なバルブと、該バルブに接して設けられ、複数の貫通流路に収納された流体を加圧により外部に移送する加圧流路と、該加圧流路の加圧により貫通流路から移送された複数の流体を収納して混合する混合流路と、前記バルブを移動させることにより複数の貫通流路に収納された複数の流体を加圧により順次混合流路に供給するバルブ移動手段を有することを特徴とする。

上記の課題を解決するマイクロ流体混合方法は、複数の流体をバルブを用いて順次に混合流路に供給して混合するマイクロ流体混合方法であって、複数の注入流路から複数の流体をバルブに注入する工程と、該注入流路から注入された複数の流体を、移動可能なバルブに設けられた複数の貫通流路に収納する工程と、該複数の貫通流路に収納された流体を、バルブに接して設けられた加圧流路からの加圧により外部に移送する工程と、該加圧流路の加圧により貫通流路から移送された流体を混合流路に収納する工程と、前記バルブを移動させることにより複数の貫通流路に収納された複数の流体を加圧により順次混合流路に供給して混合する工程を有することを特徴とする。

本発明のマイクロ流体混合装置は、従来の複数の送液機構を要した装置に比較して、送液機構として１つのバルブ機構を設けることによって、定量的な混合を可能にし、省スペース化を実現できる効果がある。

また、複数の流体において、混合する定量の流体を前段階にてバルブ内の貫通流路に保持することにより、混合の前段階において流体間の混合が発生しないため、混合比率が保持され、定量的な混合が可能になるという効果がある。

さらに、バルブ内の複数の貫通流路は互いに独立し、複数の各々の流体を収容できるので、混合流体の選択自由度が上昇するという効果がある。

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明に係るマイクロ流体混合装置は、複数の流体をバルブを用いて順次に混合流路に供給して混合するマイクロ流体混合装置であって、複数の流体をバルブに注入する複数の注入流路と、該注入流路から注入された複数の流体を収納する複数の貫通流路を有する移動可能なバルブと、該バルブに接して設けられ、複数の貫通流路に収納された流体を加圧により外部に移送する加圧流路と、該加圧流路の加圧により貫通流路から移送された複数の流体を収納して混合する混合流路と、前記バルブを移動させることにより複数の貫通流路に収納された複数の流体を加圧により順次混合流路に供給するバルブ移動手段を有することを特徴とする。

前記バルブに接して、注入流路と該注入流路からの流体が流入する廃棄流路が設けられ、前記バルブを移動することにより、注入流路と貫通流路と廃棄流路を連通させ、流体を注入流路から貫通流路に注入することが好ましい。

前記バルブに接して加圧流路と混合流路が設けられ、前記バルブを移動することにより、加圧流路と貫通流路と混合流路を連通させ、貫通流路に収納された流体を加圧流路からの加圧により順次混合流路に供給することが好ましい。

前記複数の貫通流路に収納された複数の流体を、加圧流路からの気体による加圧により順次混合流路に供給することが好ましい。
本発明に係るマイクロ流体混合方法は、複数の流体をバルブを用いて順次に混合流路に供給して混合するマイクロ流体混合方法であって、複数の注入流路から複数の流体をバルブに注入する工程と、該注入流路から注入された複数の流体を、移動可能なバルブに設けられた複数の貫通流路に収納する工程と、該複数の貫通流路に収納された流体を、バルブに接して設けられた加圧流路からの加圧により外部に移送する工程と、該加圧流路の加圧により貫通流路から移送された流体を混合流路に収納する工程と、前記バルブを移動させることにより複数の貫通流路に収納された複数の流体を加圧により順次混合流路に供給して混合する工程を有することを特徴とする。

前記複数の貫通流路に収納された複数の流体を、加圧流路からの気体の印加圧力値を一定に保って加圧することにより順次混合流路に供給することが好ましい。
本発明では、複数の流体に対し、移動式バルブ内にそれぞれ一定容積の貫通流路を形成する。その貫通流路内に流体を保持した後、移動式バルブの位置を制御して、バルブに接して設けられた加圧流路と混合流路を単一の貫通流路で連通させて、加圧流路からの気体を加圧して貫通流路内の流体の一部を混合流路に注入する。他の貫通流路内の流体も同様に一部分ずつ混合流路に注入させることにより、複数の流体を交互に混合流路に注入することにより、流体間の短い拡散距離内で混合される。

図１は、本発明におけるマイクロ流体混合装置の一実施態様を示す模式図である。図１において、マイクロ流体混合装置１には第１流体注入流路３と、第２流体注入流路５が形成され、１端をそれぞれのレザーバに接続し、反対側の端はバルブ８を収納し、バルブが移動するために設けられた空間部分のバルブ穴２に接続している。空間部分のバルブ穴２はマイクロ流体混合装置１の側面より内部の方向に、加圧流路４と混合流路７が対向しながら分断する方向に形成され、内部に貫通流路９および１０を有するバルブ８の大きさにほぼ等しい大きさを保持する。

加圧流路４は、１端はポンプ６に接続し、反対側の端はバルブ穴２の壁面に接続している。混合流路７は、１端はバルブ穴２の壁面に接し、反対側の端は特に限定する必要はない。バルブ８はマイクロ流体混合装置１のバルブ穴２内に移動させながら挿入された際に、貫通流路９、１０はそれらの位置により注入流路３、５、加圧流路４、または混合流路７と連通させることができる。

１１はバルブ移動手段であり、バルブを移動させることにより複数の貫通流路に収納された複数の流体を加圧により順次混合流路に供給する。バルブ移動手段１１は、機械的にバルブ８を移動させるものでもよいし、また磁気など直接バルブ８と接していなくても、バルブ８の位置制御が可能なものであれば、特に動作方式を限定する必要はない。

ポンプ６はマイクロ流体混合装置１上に必ずしも設置される必要はなく、マイクロ流体混合装置１の外部に設置されているシリンジポンプなようなもので作動させてもよい。ここで、マイクロ流体混合装置１の材質は、特に限定する必要はないが、バルブ穴２壁面が疎水性を有するような材質か、またはマイクロ流体混合装置１の材質が親水性であった場合は、バルブ穴２壁面は疎水性処理が施されていることが好ましい。

さらに、バルブ８においても、材質を特に限定する必要はないが、表面が疎水性を有する材質または表面が疎水性処理可能な材質が好ましい。また、マイクロ流体混合装置１およびバルブ８の材質は使用される流体と化学反応を生じない材質であることが好ましい。

以下、実施例を示して本発明を具体的に説明する。
実施例１
本発明の実施例１を図２を用いて説明する。図２は、本発明におけるマイクロ流体混合装置の基本構成を示す模式図であり、特にマイクロ流体混合装置１とバルブ８の上面図を示す。

バルブ８を、第１流体貫通流路９、第１流体注入流路３、第１流体廃棄流路１５と連通されるような位置にて停止させ、第１流体１７の液滴を、第１流体レザーバ１２上に置く。第１流体１７は毛細管現象により第１流体注入流路３を通してバルブ８内の第１流体貫通流路９へ注入される。第１流体１７が、第１流体貫通流路９を通過した後、バルブ８の位置を第２流体注入流路５、第２流体貫通流路１０、第２流体廃棄流路１６が連通するように合わせ、第２流体を第２流体レザーバ１４上へ置き、毛細管現象によって第２流体貫通流路１０へ注入する。

このさい、混合に必要な流体量は、貫通流路９、１０の容積によって決定されるため、混合流路７へ定量が注入されることになり、混合比が保たれる。
第２流体１８が第２流体貫通流路１０を通過した後、バルブ８の位置を第１流体貫通流路が加圧流路４と混合流路７に連通する位置に合わせ、ポンプ６を作動させることにより加圧流路４へ気体を送り込み、第１流体１７の一部を混合流路７内へ移送する。

次に、第２流体貫通流路１０が、加圧流路４と混合流路７と連通する位置にバルブ８を合わせ、ポンプ６を作動させることにより、第２流体１８の一部が混合流路７内へ移送される。このバルブ８を、第１、第２貫通流路と混合流路７とを交互に連通させてポンプ６からの加圧によりそれぞれの流体の一部を移送する工程を行うことにより、混合流路７内には第１流体と第２流体が交互に移送され、微小領域内においても効果的に流体が混合される。

各貫通流路と混合流路７および加圧流路４が連通したさいに、流体の一部が混合流路７に注入されるわけであるが、その注入量はポンプ６の印加圧力で調整可能である。
なお、全ての実施例におけるバルブ８の動作は、１つの貫通流路がいづれかの注入流路、加圧流路および混合流路と連通しているときには、他の全ての貫通流路はいづれかの流路とも連通していない状態であるように設計されている。
また、全ての実施例において、図示されているバルブ８はバルブ穴２の壁面に対して直線方向へ移動させるように記載されているが、必ずしも直線方向へ限定する必要はない。例えば、移動方向は回転を含むものであってもよい。さらに、移動方向が回転を含む場合、バルブ８は常時バルブ穴２内に保持されていてもよい。

実施例２
次に実施例２を説明する。
図１において、バルブ８を、第１流体貫通流路９、第１流体注入流路３、第１流体廃棄流路１５と連通される位置にて停止させ、第１流体１７の液滴を、第１流体レザーバ１２上に置く。第１流体１７は毛細管現象により第１流体注入流路３を通してバルブ８内の第１流体貫通流路へ注入される。第１流体１７が、第１流体貫通流路９を通過した後、バルブ８の位置を第２流体注入流路５、第２流体貫通流路１０、第２流体廃棄流路が連通するように合わせ、第２流体を第２流体レザーバ１４上へ置き、毛細管現象によって第２流体貫通流路１０へ注入する。

ポンプ６を作動させ、一定値圧力を加圧流路４方向へ与える。バルブ８位置を第１流体貫通流路が加圧流路４と混合流路７に連通する位置に合わせて加圧流路４からの圧力により、第１流体１７の一部を混合流路７内へ移送する。次に、第２流体貫通流路１０が、加圧流路４と混合流路７と連通する位置にバルブ８を合わせて加圧流路４からの圧力により、第２流体１８の一部が混合流路７内へ移送される。ポンプ６からの加圧値を一定に保持し、バルブ８の位置を第１、第２貫通流路と混合流路７とを交互に連通させてそれぞれの流体の一部を移送する工程を行うことにより、混合流路７内には第１流体と第２流体が交互に移送され、微小領域内においても効果的に流体が混合される。

各貫通流路と混合流路７および加圧流路４が連通したさいに、流体の一部が混合流路７に注入されるわけであるが、その注入量はバルブ８の位置が貫通流路と混合流路が連通している時間によって調節可能である。

実施例３
次に実施例３を図３を用いて説明する。
図３は、本発明におけるマイクロ流体混合装置の他の実施態様を示す模式図である。図３（ａ）はマイクロ流体混合装置１９の上面図、図３（ｂ）はマイクロ流体混合装置１９の側面図である。

図３において、２１、２３、２４はそれぞれ第１、第２、第３流体注入流路、３５、３６、３７はそれぞれ第１、第２、第３流体廃棄流路である。また、２２は加圧流路、２６は混合流路である。これらの流路において、第１、第３流入流路２１、２４および第１、第３廃棄流路３５、３７は同一の水平方向の平面内に位置し、第１、第３注入流路より垂直方向へ上昇させた面に、第２流入流路２３および第２廃棄流路３６が配置されている。混合流路２６、加圧流路２２およびポンプ２５は第２注入流路２３よりさらに垂直方向へ上昇させた平面に配置されている。

バルブ２７は内部に第１流体貫通流路２８、第２流体貫通流路２９、第３流体貫通流路３０を保持し、それぞれ第１、第２、第３流体注入流路と第１、第２、第３流体貫通流路が連通可能な位置に、バルブ動作機構（図示せず）を２次元的に作動させることにより制御することができる。

バルブ２７を、第１流体貫通流路２８、第１流体注入流路２１、第１流体廃棄流路３５と連通されるような位置にて停止させ、第１流体３８の液滴を、第１流体レザーバ３１上に置く。第１流体３８は毛細管現象により第１流体注入流路２１を通してバルブ２７内の第１流体貫通流路２８へ注入される。第１流体３８が、第１流体貫通流路２８を通過した後、バルブ２７位置を第２流体注入流路２３、第２流体貫通流路２９、第２流体廃棄流路３６が連通するように合わせ、第２流体を第２流体レザーバ３３上へ置き、毛細管現象によって第２流体貫通流路２９へ注入する。さらに、第２流体３９が、第２流体貫通流路２９を通過した後、バルブ２７位置を第３流体注入流路２４、第３流体貫通流路３０、第３流体廃棄流路３７が連通するように合わせ、第３流体を第３流体レザーバ３４上へ置き、毛細管現象によって第３流体貫通流路３０へ注入する。

第３流体４０が第３流体貫通流路３０を通過した後、バルブ２７位置を第１流体貫通流路２８が加圧流路２２と混合流路２６に連通する位置に合わせ、ポンプ２５を作動させることにより加圧流路２２へ気体を送り込み、第１流体３８の一部を混合流路２６内へ移送する。次に、第２流体貫通流路２９が、加圧流路２２と混合流路２６と連通する位置にバルブ２７を合わせ、ポンプ２５を作動させることにより、第２流体３９の一部が混合流路２６内へ移送される。さらに、第３流体貫通流路３０が、加圧流路２２と混合流路２６と連通する位置にバルブ２７を合わせ、ポンプ２５を作動させることにより、第３流体４０の一部が混合流路２６内へ移送される。このバルブ２７を、第１、第２、第３貫通流路と混合流路２６とを交互に連通させてポンプ２５からの加圧によりそれぞれの流体の一部を移送する工程を行うことにより、混合流路２６内には第１流体、第２流体および第３流体が交互に移送され、微小領域内においても効果的に流体が混合される。
また、必要に応じて混合流路２６へ各流体を注入する順序を変えてもよい。さらに、３種類の流体中、任意の２種類の流体のみを混合することもでき、そのさいに使用されない注入流路には流体が注入されることはない。

実施例４
実施例４を図３を用いて説明する。実施例３において第１、第２、第３貫通流路にそれぞれの流体を注入された後に、ポンプ２５を一定の圧力が加圧流路２２に印加されるようにして、第１、第２、第３貫通流路が混合流路２６と加圧流路２２に連通したときに、第１、第２、または第３流体の一部が混合流路２６内へ注入して効果的に混合させる。

本発明のマイクロ流体混合装置は、省スペース化を実現するため送液機構として１つのバルブ機構を設けることによって、定量的な混合が可能なので、流体の分析装置内の一システムとして利用することができる。

本発明におけるマイクロ流体混合装置の一実施態様を示す模式図である。本発明におけるマイクロ流体混合装置の基本構成を示す模式図である。本発明におけるマイクロ流体混合装置の他の実施態様を示す模式図である。従来技術の送液機構による微小領域内の２液混合方法を示す模式図である。従来技術の送液機構による微小領域内の３液混合方法を示す模式図である。

符号の説明

１マイクロ流体混合装置
２バルブ穴
３第１流体注入流路
４加圧流路
５第２流体注入流路
６ポンプ
７混合流路
８バルブ
９第１流体貫通流路
１０第２流体貫通流路
１１バルブ移動手段
１５第１廃棄流路
１６第２廃棄流路

Claims

複数の流体をバルブを用いて順次に混合流路に供給して混合するマイクロ流体混合装置であって、複数の流体をバルブに注入する複数の注入流路と、該注入流路から注入された複数の流体を収納する複数の貫通流路を有する移動可能なバルブと、該バルブに接して設けられ、複数の貫通流路に収納された流体を加圧により外部に移送する加圧流路と、該加圧流路の加圧により貫通流路から移送された複数の流体を収納して混合する混合流路と、前記バルブを移動させることにより複数の貫通流路に収納された複数の流体を加圧により順次混合流路に供給するバルブ移動手段を有することを特徴とするマイクロ流体混合装置。
前記バルブに接して、注入流路と該注入流路からの流体が流入する廃棄流路が設けられ、前記バルブを移動することにより、注入流路と貫通流路と廃棄流路を連通させ、流体を注入流路から貫通流路に注入することを特徴とする請求項１に記載のマイクロ流体混合装置。
前記バルブに接して加圧流路と混合流路が設けられ、前記バルブを移動することにより、加圧流路と貫通流路と混合流路を連通させ、貫通流路に収納された流体を加圧流路からの加圧により順次混合流路に供給することを特徴とする請求項１に記載のマイクロ流体混合装置。
前記複数の貫通流路に収納された複数の流体を、加圧流路からの気体による加圧により順次混合流路に供給することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかの項に記載のマイクロ流体混合装置。
複数の流体をバルブを用いて順次に混合流路に供給して混合するマイクロ流体混合方法であって、複数の注入流路から複数の流体をバルブに注入する工程と、該注入流路から注入された複数の流体を、移動可能なバルブに設けられた複数の貫通流路に収納する工程と、該複数の貫通流路に収納された流体を、バルブに接して設けられた加圧流路からの加圧により外部に移送する工程と、該加圧流路の加圧により貫通流路から移送された流体を混合流路に収納する工程と、前記バルブを移動させることにより複数の貫通流路に収納された複数の流体を加圧により順次混合流路に供給して混合する工程を有することを特徴とするマイクロ流体混合方法。
前記複数の貫通流路に収納された複数の流体を、加圧流路からの気体の印加圧力値を一定に保って加圧することにより順次混合流路に供給することを特徴とする請求項５に記載のマイクロ流体混合方法。