JP2018009794A - Flow velocity measurement method and flow velocity measurement system - Google Patents
Flow velocity measurement method and flow velocity measurement system Download PDFInfo
- Publication number
- JP2018009794A JP2018009794A JP2016136617A JP2016136617A JP2018009794A JP 2018009794 A JP2018009794 A JP 2018009794A JP 2016136617 A JP2016136617 A JP 2016136617A JP 2016136617 A JP2016136617 A JP 2016136617A JP 2018009794 A JP2018009794 A JP 2018009794A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- liquid
- microchannel
- flow velocity
- concentration
- solute
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Landscapes
- Investigating Materials By The Use Of Optical Means Adapted For Particular Applications (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
本発明は、流速測定方法および流速測定システムに関し、特に、液体の流速とその時間経過を測定する流速測定方法および流速測定システムに関する。 The present invention relates to a flow velocity measuring method and a flow velocity measuring system, and more particularly, to a flow velocity measuring method and a flow velocity measuring system for measuring a flow velocity of a liquid and its passage of time.
一般に、化学分析、有機合成、工業的化合物生産、および生化学実験操作等では、液体の流速を測定することが基本的且つ重要である。例えば、有機合成や工業的化合物生産においては、液体の流速により合成速度が決定される。また、生化学実験操作では、例えば、分離工程および合成工程におけるキャピラリーやマイクロ流路を用いる実験およびカラムを用いる操作で、反応効率、反応量、および分子分離能を最適化するのに液体の流速が必要となる。 In general, it is fundamental and important to measure the flow rate of a liquid in chemical analysis, organic synthesis, industrial compound production, and biochemical experimental operations. For example, in organic synthesis and industrial compound production, the synthesis rate is determined by the flow rate of the liquid. Also, in biochemical experimental operations, for example, experiments using columns and microchannels in the separation and synthesis steps and operations using columns, the flow rate of the liquid is optimized to optimize reaction efficiency, reaction volume, and molecular resolution. Is required.
ここで、液体の流速について説明する。
一般に、濃度が異なる溶質が流路に導入された場合、流体の流れに乗って、溶質の濃度が変化し下流に伝搬する。これは移流と呼ばれる。また、拡散によって溶質の濃度が伝搬するので、流路の中で溶液中の溶質分子の濃度は、移流と拡散によって変化する。
Here, the flow rate of the liquid will be described.
In general, when solutes having different concentrations are introduced into a flow path, the solute concentration changes and propagates downstream along the flow of the fluid. This is called advection. Further, since the concentration of the solute is propagated by diffusion, the concentration of the solute molecule in the solution in the flow path changes due to advection and diffusion.
断面が長方形である流路において、流路の幅方向をＸ軸方向とし、流体が流れる方向（流路の延在方向）をＹ軸方向とし、流路の高さ（厚さ）方向（Ｘ軸およびＹ軸に垂直な方向）をＺ軸方向としたとき、Ｙ軸方向に流れる溶質分子種ｉの濃度Ｃｉの時間変化（溶質の伝搬速度）は、層流の場合、式（１）で表される（非特許文献１参照）。式（１）において、Ｖは液体の流速（線流速分布）であり、Ｄは溶質の拡散係数である。 In a channel having a rectangular cross section, the width direction of the channel is defined as the X-axis direction, the direction in which the fluid flows (channel extending direction) is defined as the Y-axis direction, and the height (thickness) direction (X When the Z-axis direction is the direction perpendicular to the axis and the Y-axis), the temporal change in the concentration Ci of the solute molecular species i flowing in the Y-axis direction (solute propagation speed) is expressed by the equation (1) in the case of laminar flow. (Refer to Non-Patent Document 1). In equation (1), V is the flow velocity (linear flow velocity distribution) of the liquid, and D is the diffusion coefficient of the solute.
式（１）から理解されるように、液体の流速Ｖと濃度の伝搬速度は異なる。
また、液体が水溶液の場合、流路を層流で流れている液体の流速は、液体の粘度η、流路の形状因子ｆ、液体に加わる圧力ｐから求められ、流路内での流速分布は、流路の中心で最大となり、流路壁面でゼロとなる。流路内での液体の流速の最大値（以下、「最大流速ν００」と表記する。）は、式（２）で表される。
As understood from the equation (1), the liquid flow velocity V and the concentration propagation speed are different.
When the liquid is an aqueous solution, the flow velocity of the liquid flowing in the flow path in a laminar flow is obtained from the viscosity η of the liquid, the shape factor f of the flow path, and the pressure p applied to the liquid, and the flow velocity distribution in the flow path Is maximum at the center of the flow path and zero at the flow path wall surface. The maximum value of the flow rate of the liquid in the flow path (hereinafter referred to as “maximum flow rate ν00”) is expressed by the equation (2).
式（２）において、流路の形状で決まる形状因子“ｆ”とポンプなどの外部装置の設定値によって決まる圧力“ｐ”を定数とすると、最大流速ν００と液体の粘度ηは、逆比例の関係にある。
この関係は、断面積が等しい流路でも成立し、例えば流路が円管流路の場合、当該流路の断面（Ｘ−Ｚ平面上の円）の半径をｒ、当該流路の長さ（Ｙ軸方向の長さ）をＬとしたとき、形状因子ｆは式（３）で表される。
In equation (2), if the shape factor “f” determined by the shape of the flow path and the pressure “p” determined by the set value of an external device such as a pump are constants, the maximum flow velocity ν00 and the viscosity η of the liquid are inversely proportional. There is a relationship.
This relationship also holds for channels having the same cross-sectional area. For example, when the channel is a circular channel, the radius of the section (circle on the XZ plane) of the channel is r, and the length of the channel. When (the length in the Y-axis direction) is L, the shape factor f is expressed by Expression (3).
したがって、円管流路の流速分布は、当該流路の中心を最大とする２次曲線状となり、円管流路の平均流速は中心流速の１／２となる。 Therefore, the flow velocity distribution of the circular pipe channel is a quadratic curve having the maximum at the center of the flow channel, and the average flow velocity of the circular pipe channel is ½ of the central flow velocity.
一方、断面が扁平な長方形状の流路の場合、流路の長さ（Ｙ軸方向の長さ）をＬ、流路の厚さ（Ｚ軸方向の長さ）をｈ、流路の幅（Ｘ軸方向の長さ）をｗ（＞＞ｈ）としたとき、形状因子ｆは式（４）で表され、厚さｈに比して長い幅ｗの影響はない。 On the other hand, in the case of a rectangular channel having a flat cross section, the channel length (Y-axis direction length) is L, the channel thickness (Z-axis direction length) is h, and the channel width. When (length in the X-axis direction) is w (>> h), the shape factor f is expressed by the equation (4), and there is no influence of the long width w compared to the thickness h.
また、断面が扁平な長方形状の流路の流速分布は、当該流路の中心を最大とする２次曲線状となり、当該流路の平均流速は中心流速の２／３となる。 In addition, the flow velocity distribution of the rectangular flow channel having a flat cross section is a quadratic curve having the maximum at the center of the flow channel, and the average flow velocity of the flow channel is 2/3 of the central flow velocity.
溶液の流速を考える場合、上述した液体としての流速と、液体に溶解した分子の濃度の移動速度としての溶質の流速とに分けることができる。ここで、液体の流速は、上記式（１）における“Ｖ”であり、層流の場合には、上述した円管流路や断面視長方形状の扁平な流路の壁面での流速Ｖは“０”となる。一方、溶質の流速は、上記式（１）において、濃度ｃｉがその最高濃度の１／２となる位置の移動速度として考えることができる。ここで、濃度Ｃｉは拡散によって移動するので、上述した円管流路や断面視長方形状の扁平な流路の場合も、その値は壁面において“０”にならない。 When considering the flow rate of the solution, it can be divided into the above-described flow rate as a liquid and the solute flow rate as the transfer rate of the concentration of molecules dissolved in the liquid. Here, the flow velocity of the liquid is “V” in the above formula (1). In the case of laminar flow, the flow velocity V on the wall surface of the above-described circular pipe flow path or a flat flow path having a rectangular shape in cross section is It becomes “0”. On the other hand, the flow rate of the solute can be considered as a moving speed at a position where the concentration ci is ½ of the maximum concentration in the above formula (1). Here, since the concentration Ci moves due to diffusion, the value does not become “0” on the wall surface even in the case of the above-described circular channel or a flat channel having a rectangular shape in cross section.
ところで、マイクロ流路中の流速の測定方法としては、コリオリ力の測定、熱拡散測定、およびＰＩＶによる測定方法が一般的に知られている。 By the way, as a method for measuring the flow velocity in the microchannel, a Coriolis force measurement, a thermal diffusion measurement, and a measurement method using PIV are generally known.
例えば、コリオリ力を利用する測定方法では、屈曲した流路や狭窄部を挿入することが必要であるとともに、マイクロ流路中で振動する構造が必要となる。熱拡散測定では管路を流れる試料を加熱する必要がある。また、最も一般的なＰＩＶによる測定方法では、色素、蛍光分子、またはこれらを含む粒子を非測定液体に混合するとともに、混合した位置を顕微鏡で観測し、画像処理によって流速を推定する。そのため、流れを可視化するための混合物が必要となり、混合物を導入できない場合や、混合物が流路内の流れを阻害する場合や、混合物が流体サンプルと化学反応する場合には、当該測定方法を適用することはできない。 For example, in a measurement method using Coriolis force, it is necessary to insert a bent channel or a narrowed portion, and a structure that vibrates in a micro channel. In the thermal diffusion measurement, it is necessary to heat the sample flowing through the pipeline. In the most general measurement method using PIV, a dye, a fluorescent molecule, or particles containing these are mixed in a non-measurement liquid, the mixed position is observed with a microscope, and the flow velocity is estimated by image processing. Therefore, if the mixture for visualizing the flow is necessary and the mixture cannot be introduced, the mixture obstructs the flow in the flow path, or the mixture chemically reacts with the fluid sample, the measurement method is applied. I can't do it.
マイクロ流路中の液体の流速をその液体に影響を与えることなく測定するためには、流路の外部からその壁面を通して情報を得る必要がある。上述したように、流路内では液体の流速が０から最大値まで壁面からの距離に応じて変化しているので、特定の壁面からの距離での流速の情報を得ることが必要である。そのための最も簡単な方法としては、液体にかかる圧力ｐが既知であるとすると、マイクロ流路の壁面に接する液体の溶質の濃度ｃｉの変化を測定し、その値を上記式（１）と式（２）に基づいて“Ｖη”を求める方法である。この方法によれば、粘度が一定の既知の値であれば、直ちに液体の流速を求めることができる。 In order to measure the flow rate of the liquid in the microchannel without affecting the liquid, it is necessary to obtain information from the outside of the channel through the wall surface. As described above, since the flow velocity of the liquid changes in the flow path from 0 to the maximum value according to the distance from the wall surface, it is necessary to obtain information on the flow velocity at the distance from the specific wall surface. As the simplest method for that purpose, if the pressure p applied to the liquid is known, the change in the concentration ci of the liquid solute in contact with the wall surface of the microchannel is measured, and the value is expressed by the above formula (1) and the formula This is a method for obtaining “Vη” based on (2). According to this method, if the viscosity is a constant and known value, the flow rate of the liquid can be obtained immediately.
一方、マイクロ流路中の溶質の流速（移動速度）を測定する方法としては、特許文献１に開示がある。特許文献１に記載された測定方法によれば、マイクロ流路中の屈折率の時間的および空間的な変化を表面プラズモン共鳴法（ＳＰＲ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）で測定することにより、非接触で、流路に狭窄や振動を与えることなく、また、液体に粒子などの特別なマーカー分子や物質を混合することなく、溶質の流速を測定することができる。 On the other hand, Patent Document 1 discloses a method for measuring the flow rate (movement speed) of a solute in a microchannel. According to the measurement method described in Patent Document 1, the temporal and spatial changes in the refractive index in the microchannel are measured in a non-contact manner by measuring the surface plasmon resonance (SPR). The solute flow rate can be measured without constricting or vibrating the channel, and without mixing special marker molecules or substances such as particles in the liquid.
このＳＰＲによる測定方法によれば、マイクロ流路の壁面のＹ軸方向の位置に対して選択的に溶質の濃度を測定することができるので、マイクロ流路の壁面からの距離が事実上“０”である場所の溶質の濃度の情報を得ることができる。したがって、この測定方法によれば、ＳＰＲで測定された流路内の屈折率の時空間変化データを数値解析することにより、溶質の濃度を算出し、その値から溶質の流速を得ることができる。 According to this measuring method by SPR, the concentration of the solute can be selectively measured with respect to the position in the Y-axis direction of the wall surface of the microchannel, so that the distance from the wall surface of the microchannel is effectively “0”. The information on the concentration of the solute in the place where “is” can be obtained. Therefore, according to this measurement method, the solute concentration can be calculated by numerically analyzing the spatiotemporal change data of the refractive index in the flow path measured by SPR, and the solute flow velocity can be obtained from the value. .
また、特許文献１には、マイクロ流路を流れる分子の拡散係数を求める方法も開示されている。この方法でも、ＳＰＲによって流路を流れる溶質の濃度の時間的および空間的な変化を測定し、そのデータを数値処理することよって拡散係数を求めている。その数値処理の中では、液体の流速が既知であることを利用している。 Patent Document 1 also discloses a method for obtaining a diffusion coefficient of molecules flowing through a microchannel. Also in this method, the diffusion coefficient is obtained by measuring temporal and spatial changes in the concentration of the solute flowing through the flow path by SPR and numerically processing the data. In the numerical processing, the fact that the flow rate of the liquid is known is used.
しかしながら、特許文献１に開示された従来の測定方法では、流体中の分子の拡散係数に依存する、溶質の輸送速度としての流速を測定しており、液体の流速を測定してはいない。そのため、液体の粘度の影響を評価することはできない。また、液体の流速が時間的に変化する場合には、その時間に対する流速の変化を正確に測定することはできない。 However, the conventional measurement method disclosed in Patent Document 1 measures the flow rate as the solute transport rate, which depends on the diffusion coefficient of molecules in the fluid, and does not measure the flow rate of the liquid. Therefore, the influence of the viscosity of the liquid cannot be evaluated. Further, when the flow rate of the liquid changes with time, the change of the flow rate with respect to that time cannot be measured accurately.
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、液体の流速とその流速の時間変化を簡便に測定することにある。 This invention is made | formed in view of said subject, and the objective of this invention is to measure the flow rate of a liquid, and the time change of the flow rate easily.
本発明に係る流速測定方法は、マイクロ流路に第１液を導入する第１ステップ（Ｓ１）と、第１ステップの後に、マイクロ流路に溶質を含む第２液を導入し、層流で送流させる第２ステップ（Ｓ２）と、マイクロ流路に導入された第１液と第２液とを含む液体の屈折率の空間的な分布を時系列的に測定する第３ステップ（Ｓ３）と、第３ステップで測定された屈折率の時系列データから、液体中の溶質の濃度が第１液と第２液とが接触する前の第２液中の溶質の濃度の半分となる濃度境界の時間変化を示す濃度境界データを生成する第４ステップ（Ｓ４）と、濃度境界と、濃度境界の変化時間と、溶質の拡散係数と、マイクロ流路の光が照射される面と垂直な方向の厚さと、液体の流速との関係を示す関係式（式（５））を算出する第５ステップ（Ｓ５）と、第５ステップで算出した関係式と第４ステップで生成した濃度境界データとに基づいて、マイクロ流路内の第１液および第２液を含む液体の流速を算出する第６ステップ（Ｓ６）と、を含むことを特徴とする。 The flow velocity measuring method according to the present invention includes a first step (S1) for introducing the first liquid into the microchannel, and a second liquid containing a solute in the microchannel after the first step, and laminar flow. A second step (S2) for sending, and a third step (S3) for measuring the spatial distribution of the refractive index of the liquid including the first liquid and the second liquid introduced into the microchannel in a time series. From the time-series data of the refractive index measured in the third step, the concentration of the solute in the liquid is half the concentration of the solute in the second liquid before the first liquid and the second liquid contact each other. The fourth step (S4) for generating concentration boundary data indicating the time change of the boundary, the concentration boundary, the change time of the concentration boundary, the diffusion coefficient of the solute, and the surface perpendicular to the surface irradiated with the light of the microchannel The fifth step of calculating a relational expression (formula (5)) indicating the relation between the thickness in the direction and the flow velocity of the liquid. (S5), the flow rate of the liquid containing the first liquid and the second liquid in the microchannel is calculated based on the relational expression calculated in the fifth step and the concentration boundary data generated in the fourth step. And 6 steps (S6).
上記流速測定方法において、第５ステップは、時間に対して拡散係数を乗算するとともに厚さ方向の長さを２乗した値によって除算した換算時間と、濃度境界の位置に対して、拡散係数を乗算するとともに厚さ方向の長さを２乗した値と流速とによって除算した換算位置との関係を示す関係式（式（５））を算出するステップを含み、第６ステップは、第５ステップで算出した換算時間と換算位置との関係を示す関係式と濃度データとに基づいて流速を算出するステップを含んでもよい。 In the flow velocity measuring method, the fifth step is to calculate the diffusion coefficient with respect to the conversion time obtained by multiplying the time by the diffusion coefficient and divided by the square of the length in the thickness direction, and the position of the concentration boundary. The sixth step includes the step of calculating the relational expression (formula (5)) indicating the relationship between the value obtained by multiplying and the square of the length in the thickness direction and the converted position divided by the flow velocity. The step of calculating the flow velocity based on the relational expression indicating the relationship between the conversion time calculated in step 1 and the conversion position and the concentration data may be included.
上記流速測定方法において、第６ステップで算出した流速に基づいて、第２液の粘度を算出する第７ステップ（Ｓ７）を更に含んでもよい。 The flow velocity measuring method may further include a seventh step (S7) for calculating the viscosity of the second liquid based on the flow velocity calculated in the sixth step.
本発明に係る流速測定システム（１００）は、マイクロ流路チップ（１）に形成されたマイクロ流路（１０）に流体を注入するための注入器（３）と、マイクロ流路内の圧力を制御するための圧力制御ポンプ（４）と、載置されたマイクロ流路チップのマイクロ流路に光を照射したときの表面プラズモン共鳴角度を測定することにより、マイクロ流路に注入された流体の速度を測定する測定装置（１）とを有し、測定装置は、マイクロ流路に注入された第１液と溶質を含む第２液とを含む液体の屈折率の空間的な分布を時系列的に測定する測定部（２０）と、測定部で測定された屈折率の時系列データから、液体中の溶質の濃度が第１液と第２液とが接触する前の第２液中の溶質の濃度の半分となる濃度境界（ＳＦ）の位置の時間変化を示す濃度境界データを生成する濃度境界データ生成部（２１）と、濃度境界と、濃度境界の変化時間と、溶質の拡散係数と、マイクロ流路の光が照射される面と垂直な方向の厚さと、液体の流速との関係を示す関係式（式（５））を算出する関係式算出部（２２）と、関係式算出部で算出した関係式と濃度境界データ生成部で生成した濃度境界データとに基づいて、マイクロ流路内の第１液および第２液を含む液体の流速を算出する流速算出部（２３）とを含むことを特徴とする。 The flow velocity measurement system (100) according to the present invention includes an injector (3) for injecting a fluid into a microchannel (10) formed on a microchannel chip (1), and a pressure in the microchannel. The pressure control pump (4) for controlling and the surface plasmon resonance angle when light is irradiated to the microchannel of the mounted microchannel chip, the fluid injected into the microchannel A measuring device (1) for measuring the velocity, and the measuring device time-series the spatial distribution of the refractive index of the liquid including the first liquid injected into the microchannel and the second liquid containing the solute. From the time series data of the refractive index measured by the measurement unit (20) to measure automatically and the measurement unit, the concentration of the solute in the liquid is in the second liquid before the first liquid and the second liquid are in contact with each other. Shows the time change of the position of the concentration boundary (SF) that is half the concentration of the solute A concentration boundary data generation unit (21) for generating temperature boundary data, a concentration boundary, a change time of the concentration boundary, a diffusion coefficient of the solute, and a thickness in a direction perpendicular to the light irradiation surface of the microchannel , A relational expression calculation unit (22) for calculating a relational expression (formula (5)) showing a relation with the liquid flow velocity, a relational expression calculated by the relational expression calculation part, and concentration boundary data generated by the concentration boundary data generation part And a flow rate calculation unit (23) for calculating a flow rate of the liquid including the first liquid and the second liquid in the microchannel.
上記流速測定システムにおいて、関係式算出部は、時間に対して拡散係数を乗算するとともに厚さ方向の長さを２乗した値によって除算した換算時間と、濃度境界の位置に対して、拡散係数を乗算するとともに厚さ方向の長さを２乗した値と流速とによって除算した換算位置との関係を示す関係式（式（５））を算出し、流速算出部は、関係式算出部によって算出した換算時間と換算位置との関係を示す関係式と濃度境界データ生成部で生成された濃度境界データとに基づいて流速を算出してもよい。 In the flow velocity measuring system, the relational expression calculating unit multiplies the diffusion coefficient with respect to the conversion time obtained by multiplying the time by the diffusion coefficient and the value obtained by dividing the length in the thickness direction by the square and the position of the concentration boundary. And a relational expression (formula (5)) showing the relation between the value obtained by squaring the length in the thickness direction and the converted position divided by the flow velocity, and the flow velocity calculation section is calculated by the relational expression calculation section. The flow velocity may be calculated based on the relational expression indicating the relationship between the calculated conversion time and the conversion position and the concentration boundary data generated by the concentration boundary data generation unit.
上記流速測定システムにおいて、測定装置は、流速算出部で算出した流速に基づいて、第２液の粘度算出する粘度算出部（２４）を更に有してもよい。 In the flow velocity measurement system, the measurement device may further include a viscosity calculation unit (24) that calculates the viscosity of the second liquid based on the flow velocity calculated by the flow velocity calculation unit.
上記流速測定システムにおいて、測定装置は、マイクロ流路が形成されたマイクロ流路チップを載置するためのステージ（２０２）を更に有し、ステージは、載置されたマイクロ流路チップに照射する光を透過する観測領域（２１０）と、観察領域の外側に観察領域と同一平面上に形成された非観測領域（２１１）とを含み、非観察領域は、マイクロ流路の一部を観測領域上に配置したときに、マイクロ流路の残りの部分を載置可能な面積を有していてもよい。 In the flow velocity measurement system, the measurement apparatus further includes a stage (202) for mounting the microchannel chip on which the microchannel is formed, and the stage irradiates the mounted microchannel chip. An observation region (210) that transmits light and a non-observation region (211) formed on the same plane as the observation region outside the observation region, and the non-observation region includes a part of the microchannel. When arranged above, it may have an area where the remaining part of the microchannel can be placed.
ＳＰＲ測定部分の空間分解能を上げることにより測定精度は高くなるが、測定部分が長くなると、ＳＰＲ測定に必要な光学系も長大になる。長大な光学系にＳＰＲ測定で必要な平行光線を照射するには、強力な光源が必要になり、また大面積の２次元受光デバイスが必要になり、５ｍｍ以上の観測領域を設けるのは、事実上困難である。一方、測定に必要な流路の長さはサンプルの性状と加える圧力によりさまざまに変化する。また、ステップＳ３で測定する濃度境界は流路中のどこにあっても、第２液が通過するので、流路全域を測定する必要はない。そこで非観察領域を設けることにより、光学系の小さな装置を実現することができる。このことは、特に可搬性の装置を実現する場合に有利である。
本法では、流れが層流で、均一であることが必要であるため、直線流路を用いるのが望ましい。そのため、流路を屈曲させないために、非観測領域は、観測領域と同一平面内あることが望ましい。
Increasing the spatial resolution of the SPR measurement portion increases the measurement accuracy. However, if the measurement portion becomes longer, the optical system required for SPR measurement also becomes longer. In order to irradiate a parallel optical beam necessary for SPR measurement to a long optical system, a powerful light source is required, a large area two-dimensional light receiving device is required, and it is a fact that an observation area of 5 mm or more is provided. It is difficult. On the other hand, the length of the flow path required for measurement varies depending on the properties of the sample and the applied pressure. Further, since the second liquid passes through the concentration boundary measured in step S3 anywhere in the flow path, it is not necessary to measure the entire flow path. Therefore, by providing a non-observation region, an apparatus with a small optical system can be realized. This is particularly advantageous when implementing a portable device.
In this method, since the flow needs to be laminar and uniform, it is desirable to use a straight flow path. Therefore, in order not to bend the flow path, it is desirable that the non-observation region is in the same plane as the observation region.
上記流速測定システムにおいて、注入器は、流体を流路に注入する注入動作に同期した同期信号を出力し、圧力制御ポンプは、同期信号に基づいて圧力を制御してもよい。 In the flow velocity measurement system, the injector may output a synchronization signal synchronized with an injection operation for injecting fluid into the flow path, and the pressure control pump may control the pressure based on the synchronization signal.
この機構は、ステップＳ１に必要な圧力とステップＳ２に必要な圧力が異なる場合に、ステップＳ１とステップＳ２を連続し行うために必要であり、この機構によって、第１液と第２液の粘度の差が大きな場合の測定、第１液と第２液の表面張力が異なる場合の測定を容易にする利点がある。また、第１液をマイクロ流路に挿入するときには測定する必要がなく速やかに挿入すると測定時間を短くすることができるので、高い圧力を用いるのが望ましいが、ステップＳ２の実行前に、第１液を停止する必要があるために、圧力を下げなければならない。圧力を下げるタイミングが遅れると、第１液は、マイクロ流路を流れ去ってしまう。その後、ステップＳ２を実行するには所定の圧力を液体に加えるため、ステップＳ１の実行後、速やかにステップＳ２で必要な圧力に設定する必要があるため、第２液の注入に同期した圧力調整機構があると測定を確実に成功させることができる。 This mechanism is necessary to continuously perform Step S1 and Step S2 when the pressure required for Step S1 and the pressure required for Step S2 are different. By this mechanism, the viscosities of the first liquid and the second liquid are obtained. There is an advantage of facilitating measurement when the difference between the two is large and measurement when the surface tensions of the first and second liquids are different. In addition, when the first liquid is inserted into the microchannel, it is not necessary to perform measurement, and if it is quickly inserted, the measurement time can be shortened. Therefore, it is desirable to use a high pressure, but before the execution of step S2, the first liquid is used. Since the liquid needs to be stopped, the pressure must be reduced. When the timing for lowering the pressure is delayed, the first liquid flows away through the microchannel. After that, in order to execute step S2, a predetermined pressure is applied to the liquid. Therefore, after the execution of step S1, it is necessary to quickly set the pressure to a necessary pressure in step S2. Therefore, the pressure adjustment is synchronized with the injection of the second liquid. With the mechanism, the measurement can be surely successful.
なお、上記説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の構成要素を、括弧を付した参照符号によって表している。 In the above description, as an example, constituent elements on the drawing corresponding to the constituent elements of the invention are represented by reference numerals with parentheses.
本発明によれば、液体の流速とその流速の時間変化を、簡便に測定することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to easily measure the flow rate of a liquid and the temporal change of the flow rate.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
≪流速測定システムの構成≫
図１は、本発明の一実施の形態に係る流速測定システムの構成を示す図である。
同図示される流速測定システム１００は、マイクロ流路チップ１、測定装置２、液体分注装置３、気液分離装置４、および圧力制御ポンプ５を有する。
≪Configuration of flow velocity measurement system≫
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a flow velocity measurement system according to an embodiment of the present invention.
A flow velocity measuring system 100 shown in the figure includes a microchannel chip 1, a measuring device 2, a liquid dispensing device 3, a gas-liquid separation device 4, and a pressure control pump 5.
マイクロ流路チップ１は、図２に示されるように、マイクロ流路１０の主流路１３の一端に液体導入穴１１が形成されるとともに主流路１３の他端に液体排出穴１２が形成された構成を有している。主流路１３の流路形状は、例えばＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）を使った鋳型法で作成されている。このマイクロ流路チップ１は、例えば、ガラス（ＢＫ７）の基板とマイクロ流路１０とを接着して構成されている。例えば、マイクロ流路１０の延在方向の長さ（Ｙ軸方向の長さ）は、約２０ｍｍである。 As shown in FIG. 2, the microchannel chip 1 has a liquid introduction hole 11 formed at one end of the main channel 13 of the microchannel 10 and a liquid discharge hole 12 formed at the other end of the main channel 13. It has a configuration. The flow channel shape of the main flow channel 13 is created by a mold method using PDMS (polydimethylsiloxane), for example. The microchannel chip 1 is configured, for example, by bonding a glass (BK7) substrate and a microchannel 10. For example, the length of the microchannel 10 in the extending direction (the length in the Y-axis direction) is about 20 mm.
液体分注装置３は、ＦＥＰ（フッ素樹脂）チューブ６によりマイクロ流路チップ１の大気解放された液体導入穴１１と接続され、液体導入穴１１に対して液体を所定のタイミングで供給する注入装置である。液体分注装置３は、液体の注入動作に同期した同期信号８を生成する。具体的には、液体分注装置３は、液体をマイクロ流路１０に注入したとき、同期信号８を出力する。 The liquid dispensing apparatus 3 is connected to a liquid introduction hole 11 opened to the atmosphere of the microchannel chip 1 by an FEP (fluororesin) tube 6 and supplies liquid to the liquid introduction hole 11 at a predetermined timing. It is. The liquid dispensing device 3 generates a synchronization signal 8 synchronized with the liquid injection operation. Specifically, the liquid dispensing device 3 outputs the synchronization signal 8 when the liquid is injected into the microchannel 10.
気液分離装置４は、気体と液体とを分離する装置であり、ＦＥＰチューブ６によりマイクロ流路チップ１の液体排出穴１２と気密状態のまま接続されている。 The gas-liquid separation device 4 is a device that separates gas and liquid, and is connected to the liquid discharge hole 12 of the micro-channel chip 1 through the FEP tube 6 in an airtight state.
圧力制御ポンプ５は、気液分離装置４とＦＥＰチューブ６により接続され、マイクロ流路１０内の圧力を制御することにより、マイクロ流路内に流体を導入する液送制御装置である。また、圧力制御ポンプ５は、液体分注装置３によって生成された同期信号８に基づいて液体の送液圧力を動的に制御することができる構造を有している。 The pressure control pump 5 is a liquid feed control device that is connected to the gas-liquid separator 4 by the FEP tube 6 and introduces fluid into the microchannel by controlling the pressure in the microchannel 10. Further, the pressure control pump 5 has a structure capable of dynamically controlling the liquid feeding pressure based on the synchronization signal 8 generated by the liquid dispensing device 3.
測定装置２は、マイクロ流路チップ１の主流路１３の中心線に沿った壁面近傍位置の屈折率を測定するものである。測定装置２としては、例えば、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）型または、臨界角あるいはブリュースター角測定型の装置を用いることができる。なお、ＳＰＲ型の場合には、マイクロ流路チップ１の測定装置２側の壁面に金属膜（例えばＡｕ膜）が必要となる。なお、本実施の形態では、測定装置２がＳＰＲ型の装置である場合を一例として説明する。 The measuring device 2 measures the refractive index in the vicinity of the wall surface along the center line of the main channel 13 of the microchannel chip 1. As the measuring device 2, for example, a surface plasmon resonance (SPR) type or a critical angle or Brewster angle measuring type device can be used. In the case of the SPR type, a metal film (for example, an Au film) is required on the wall surface of the microchannel chip 1 on the measuring device 2 side. In the present embodiment, a case where the measuring device 2 is an SPR type device will be described as an example.
図３は、測定装置２の外観を模式的に示す平面図であり、図４は、測定装置２の外観を模式的に示す側面図である。
図３，４に示すように、測定装置２は、表面プラズモン共鳴測定によってマイクロ流路に注入された液体の屈折率を測定するための機能部および各種データ処理を実行する機能部（後述する）を内部に収容した筐体２０１と、筐体２０１上に配置され、マイクロ流路チップ１を載置するためのステージ２０２とを備えている。
FIG. 3 is a plan view schematically showing the external appearance of the measuring device 2, and FIG. 4 is a side view schematically showing the external appearance of the measuring device 2.
As shown in FIGS. 3 and 4, the measuring apparatus 2 includes a functional unit for measuring the refractive index of the liquid injected into the microchannel by surface plasmon resonance measurement and a functional unit for executing various data processing (described later). And a stage 202 disposed on the casing 201 and on which the microchannel chip 1 is placed.
ステージ２０２は、図５に示すように、マイクロ流路チップ１を載置する面２０２Ａに窪み２０２Ｂが形成された上板２０３と、上板２０３の窪み２０２Ｂに配置されたガラス板２０４とから構成されている。ここで、上板２０３とガラス板２０４は、ガラス板２０４を上板２０３の窪み２０２Ｂに配置したときに上板２０３とガラス板２０４との間で段差が生じないように、同一平面となるように形成されている。ステージ２０２のマイクロ流路チップ１を載置する面２０２Ａと反対側の面には、プリズム２０５が設けられている。 As shown in FIG. 5, the stage 202 includes an upper plate 203 having a recess 202 </ b> B formed on a surface 202 </ b> A on which the microchannel chip 1 is placed, and a glass plate 204 disposed in the recess 202 </ b> B of the upper plate 203. Has been. Here, the upper plate 203 and the glass plate 204 are flush with each other so that no step is generated between the upper plate 203 and the glass plate 204 when the glass plate 204 is disposed in the recess 202B of the upper plate 203. Is formed. A prism 205 is provided on the surface of the stage 202 opposite to the surface 202A on which the microchannel chip 1 is placed.
窪み２０２Ｂと２０５の長軸とは平行であることが望ましい。このことによって、マイクロ流路チップ１内の観測領域と光学的観測領域を一致させることが容易になる。 It is desirable that the long axes of the recesses 202B and 205 are parallel to each other. This facilitates matching the observation area in the microchannel chip 1 with the optical observation area.
図５に示すように、ステージ２０２は、載置されたマイクロ流路チップ１に照射する光を透過する観測領域２１０と、観察領域の外側に観察領域と同一平面上に形成された非観測領域２１１とに分けることができる。 As shown in FIG. 5, the stage 202 includes an observation region 210 that transmits light that irradiates the placed microchannel chip 1, and a non-observation region that is formed on the same plane as the observation region outside the observation region. 211.
観測領域２１０は、ガラス板２０４における平面視でプリズム２０５と重なりを有する領域であって、載置されたマイクロ流路チップ１に光を照射したときの表面プラズモン共鳴角度を測定するための領域である。一方、非観測領域２１１は、マイクロ流路チップ１を安定して支持するための領域であって、ガラス板２０４および上板２０３の観測領域２１０の外側の領域である。 The observation region 210 is a region on the glass plate 204 that overlaps the prism 205 in plan view, and is a region for measuring the surface plasmon resonance angle when the mounted microchannel chip 1 is irradiated with light. is there. On the other hand, the non-observation area 211 is an area for stably supporting the microchannel chip 1 and is an area outside the observation area 210 of the glass plate 204 and the upper plate 203.
観測領域２１０は、平面視矩形状に形成され、その一辺の長さＬ２がマイクロ流路１０の延在方向の長さＬ１より短い。また、非観察領域２１１は、マイクロ流路１０の一部を観測領域２１０上に配置したときに、マイクロ流路１０の残りの部分を載置可能な面積を有している。具体的には、図６に示すように、非観測領域２１１は、マイクロ流路１０の一部の領域の屈折率を測定するためにその領域を観測領域２１０上に配置したときに、マイクロ流路１０のその他の領域がステージ２０２からはみ出さない程度の面積を有している。例えば、マイクロ流路１０の全長Ｌ１＝２０ｍｍとしたとき、非観測領域２１１は、観測領域２１０の延長線上に少なくともＬ３＝４０ｍｍの長さを有している。 The observation region 210 is formed in a rectangular shape in plan view, and the length L2 of one side thereof is shorter than the length L1 in the extending direction of the microchannel 10. The non-observation region 211 has an area where the remaining part of the microchannel 10 can be placed when a part of the microchannel 10 is arranged on the observation region 210. Specifically, as shown in FIG. 6, the non-observation region 211 has a micro-flow current when the region is arranged on the observation region 210 in order to measure the refractive index of a partial region of the microchannel 10. The other area of the path 10 has an area that does not protrude from the stage 202. For example, when the total length L1 of the microchannel 10 is set to 20 mm, the non-observation region 211 has a length of at least L3 = 40 mm on the extension line of the observation region 210.
上述したように、測定装置２は、表面プラズモン共鳴測定によってマイクロ流路に注入された液体の屈折率を測定するための機能部（例えば、光源、プリズム、および受光部等）と各種データ処理を実行する機能部とを筐体２０１に収容している。 As described above, the measurement device 2 performs various data processing and a functional unit (for example, a light source, a prism, and a light receiving unit) for measuring the refractive index of the liquid injected into the microchannel by surface plasmon resonance measurement. The function unit to be executed is accommodated in the housing 201.
ここで、各種データ処理を実行する機能部は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、メモリ、およびインタフェース等からなるコンピュータ（ハードウェア）がプログラム（ソフトウェア）に従って処理を実行することによって実現される。なお、上記プログラムは、コンピュータが読取可能な記録媒体や記憶装置に格納された状態で提供されても良いし、電気通信回線を介して提供されても良い。 Here, the functional unit that executes various data processing is realized by a computer (hardware) including a CPU (Central Processing Unit), a memory, an interface, and the like executing processing according to a program (software). The program may be provided in a state where it is stored in a computer-readable recording medium or storage device, or may be provided via a telecommunication line.
図７は、測定装置２の内部構成を示す図である。
なお、同図には、説明の便宜上、測定装置２の構成要素のうち、屈折率を測定するための機能部と流速を測定するための機能部のみを図示している。
FIG. 7 is a diagram showing an internal configuration of the measuring apparatus 2.
For convenience of explanation, only the functional unit for measuring the refractive index and the functional unit for measuring the flow velocity are illustrated in FIG.
同図に示されるように、測定装置２は、測定部２０、濃度境界データ生成部２１、関係式生成部２２、流速算出部２３、および粘度算出部２４を含む。 As shown in the figure, the measurement device 2 includes a measurement unit 20, a concentration boundary data generation unit 21, a relational expression generation unit 22, a flow velocity calculation unit 23, and a viscosity calculation unit 24.
測定部２０は、よく知られた表面プラズモン共鳴測定により、マイクロ流路１０に注入された第１液と溶質を含む第２液とを含む液体の屈折率の空間的な分布を時系列的に測定する機能部である。具体的に、測定部２０は、マイクロ流路１０を第１液（溶媒）で満たした後に、マイクロ流路１０に第２液（溶液）を注入して第１液と第２液とを接触させ、第１液および第２液を含む液体が圧力流でマイクロ流路１０中を流れているときに、上述した観測領域２１０の下面にプリズムを介して照射した光の反射光の強度を測定することによって、観測領域２１０上のマイクロ流路チップ１の主流路１３の中心線に沿った壁面近傍位置の屈折率を測定する。 The measuring unit 20 chronologically determines the spatial distribution of the refractive index of the liquid including the first liquid injected into the microchannel 10 and the second liquid containing the solute by well-known surface plasmon resonance measurement. It is a functional part to measure. Specifically, the measurement unit 20 fills the microchannel 10 with the first liquid (solvent), and then injects the second liquid (solution) into the microchannel 10 to contact the first liquid and the second liquid. When the liquid containing the first liquid and the second liquid is flowing through the microchannel 10 by pressure flow, the intensity of the reflected light of the light irradiated through the prism on the lower surface of the observation region 210 is measured. By doing so, the refractive index in the vicinity of the wall surface along the center line of the main channel 13 of the microchannel chip 1 on the observation region 210 is measured.
表面プラズモン共鳴測定の原理は以下のとおりである。液体が接触するマイクロ流路１０の底面のＡｕ膜の表面における、エバネッセント波と表面プラズモン波との共鳴が起こる角度で反射率が低くなる谷が観測される。この共鳴が起こる表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）角度は、Ａｕ膜に接する液体の屈折率に依存する。したがって、測定される反射光の強度の変化を測定することにより、観測領域２１０上のマイクロ流路を通過する液体の屈折率の変化を測定することができる。この屈折率の時間変化を測定することにより、マイクロ流路を通過する液体の溶質の濃度の時間分布を知ることができる。 The principle of surface plasmon resonance measurement is as follows. A valley where the reflectance decreases at an angle at which resonance between the evanescent wave and the surface plasmon wave occurs on the surface of the Au film on the bottom surface of the microchannel 10 in contact with the liquid is observed. The surface plasmon resonance (SPR) angle at which this resonance occurs depends on the refractive index of the liquid in contact with the Au film. Therefore, the change in the refractive index of the liquid passing through the microchannel on the observation region 210 can be measured by measuring the change in the intensity of the reflected light to be measured. By measuring the time change of the refractive index, the time distribution of the concentration of the solute of the liquid passing through the microchannel can be known.
濃度境界データ生成部２１は、測定部２０で測定された屈折率の時系列データから、液体中の溶質の濃度が所定値となる位置の時間変化を示す濃度境界データを生成する機能部である。 The concentration boundary data generation unit 21 is a functional unit that generates concentration boundary data indicating the time change of the position where the concentration of the solute in the liquid becomes a predetermined value from the time series data of the refractive index measured by the measurement unit 20. .
ここで、溶質の濃度が所定値となる液体中の位置とは、例えば、液体の溶質の濃度が、第１液と第２液とが接触する前の第２液の濃度（最大濃度）の半分となる液体中の位置である。以下、液体の濃度が最大濃度の半分となる点を「濃度境界ＳＦ」と称する。 Here, the position in the liquid where the concentration of the solute becomes a predetermined value is, for example, the concentration of the solute of the liquid before the contact between the first liquid and the second liquid (maximum concentration). It is a position in the liquid that halves it. Hereinafter, the point where the concentration of the liquid becomes half of the maximum concentration is referred to as “concentration boundary SF”.
濃度境界データ生成部２１は、液体の屈折率の時間変化（液体の濃度の時間変化）のデータから、濃度境界ＳＦの位置（Ｙ軸方向の位置）ＳＦｙとその時間ＳＦｔを抽出し、濃度境界ＳＦの位置ＳＦｙの時間に対する変化を示すデータを濃度境界データとして生成する。 The concentration boundary data generation unit 21 extracts the position of the concentration boundary SF (position in the Y-axis direction) SFy and its time SFt from the data of the time change of the refractive index of the liquid (time change of the concentration of the liquid), and the concentration boundary Data indicating a change in the SF position SFy with respect to time is generated as density boundary data.
関係式算出部２２は、濃度境界ＳＦと、濃度境界ＳＦの変化時間と、溶質の拡散係数Ｄと、マイクロ流路１０の光が照射される面と垂直な方向（Ｚ軸方向）の厚さ２ｄと、液体の流速（最大流速ν００）との関係を示す関係式を算出する機能部である。ここで、マイクロ流路１０の厚さ２ｄとは、換言すれば、マイクロ流路１０の短い（狭い）方の幅である。 The relational expression calculation unit 22 includes the concentration boundary SF, the change time of the concentration boundary SF, the diffusion coefficient D of the solute, and the thickness in the direction perpendicular to the light irradiation surface (Z-axis direction). This is a functional unit that calculates a relational expression indicating the relationship between 2d and the liquid flow velocity (maximum flow velocity ν00). Here, the thickness 2d of the microchannel 10 is, in other words, the short (narrow) width of the microchannel 10.
流速算出部２３は、関係式算出部２２で算出した関係式と濃度境界データとに基づいて、マイクロ流路１０内の液体の流速を算出する機能部である。粘度算出部２４は、流速算出部２３によって算出された流速に基づいて、液体の粘度を算出する機能部である。 The flow velocity calculation unit 23 is a functional unit that calculates the flow velocity of the liquid in the microchannel 10 based on the relational expression calculated by the relational expression calculation unit 22 and the concentration boundary data. The viscosity calculation unit 24 is a functional unit that calculates the viscosity of the liquid based on the flow rate calculated by the flow rate calculation unit 23.
≪流速測定システムを用いた流速測定方法の概要≫
先ず、本発明に係る流速測定方法の概要について説明する。
ここでは、マイクロ流路１０を第１液（溶媒）で満たした後に、マイクロ流路１０に第２液（溶液）を注入して第１液と第２液とを接触させ、第１液および第２液を含む液体が圧力流でマイクロ流路１０内を送流する場合を例にとり、説明する。
≪Overview of flow velocity measurement method using flow velocity measurement system≫
First, an outline of the flow velocity measuring method according to the present invention will be described.
Here, after filling the micro flow path 10 with the first liquid (solvent), the second liquid (solution) is injected into the micro flow path 10 to bring the first liquid and the second liquid into contact with each other. The case where the liquid containing the second liquid is sent through the microchannel 10 by pressure flow will be described as an example.
図８，９は、第１液および第２液を含む液体が圧力流でマイクロ流路１０中を流れているときの溶質の濃度の変化を示す図である。
図８は、第２液の溶質の拡散係数Ｄが１ｅ−１０〔ｍ2／ｓ〕の場合の溶質の濃度の変化を示し、図９は、拡散係数Ｄが１ｅ−９〔ｍ2／ｓ〕の場合の溶質の濃度の変化を示している。また、図８，９では、第２液に溶けている溶質の濃度の大きさが色で表されている。図８、９において、横軸は液体が流れる方向の距離（Ｙ軸方向の距離）を表し、縦軸は流路の厚さ（Ｚ軸方向の距離）を表している。
8 and 9 are diagrams showing changes in the concentration of the solute when the liquid containing the first liquid and the second liquid is flowing in the microchannel 10 by pressure flow.
FIG. 8 shows changes in the concentration of the solute when the diffusion coefficient D of the solute of the second liquid is 1e-10 [m 2 / s], and FIG. 9 shows the diffusion coefficient D of 1e-9 [m 2 / s. ] Shows the change in the concentration of the solute. Moreover, in FIG. 8, 9, the magnitude | size of the density | concentration of the solute dissolved in the 2nd liquid is represented by the color. 8 and 9, the horizontal axis represents the distance in the liquid flow direction (distance in the Y-axis direction), and the vertical axis represents the thickness of the flow path (distance in the Z-axis direction).
図１０，１１は、マイクロ流路底面の濃度変化を示す図である。
図１０は、図８に対応し、第２液の溶質の拡散係数Ｄが１ｅ−１０〔ｍ2／ｓ〕の場合の溶質の濃度の変化を示している。また、図１１は、図９に対応し、拡散係数Ｄが１ｅ−９〔ｍ2／ｓ〕の場合の溶質の濃度の変化を示している。また、図１０，１１には、図８，９と同様に、第２液に溶けている溶質の濃度の大きさが色で表され、縦軸は液体が流れる方向の距離（Ｙ軸方向の距離）を表し、横軸は時間を表している。
10 and 11 are diagrams showing changes in concentration on the bottom surface of the microchannel.
FIG. 10 corresponds to FIG. 8 and shows a change in the concentration of the solute when the diffusion coefficient D of the solute of the second liquid is 1e-10 [m 2 / s]. FIG. 11 corresponds to FIG. 9 and shows the change in the concentration of the solute when the diffusion coefficient D is 1e-9 [m 2 / s]. 10 and 11, similarly to FIGS. 8 and 9, the magnitude of the concentration of the solute dissolved in the second liquid is represented by a color, and the vertical axis represents the distance in the direction in which the liquid flows (in the Y-axis direction). Distance), and the horizontal axis represents time.
図８〜１１に示されるように、時間Ｔが経過するとともに、液体が右方向（Ｙ軸方向）に進行し、溶質の濃度も同じ方向に進行していることが理解される。また、拡散係数Ｄが１ｅ−１０〔ｍ2／ｓ〕の場合も１ｅ−９〔ｍ2／ｓ〕の場合も、マイクロ流路の中心付近が先行して濃度が変化していることが理解される。 As shown in FIGS. 8 to 11, it is understood that as time T elapses, the liquid progresses in the right direction (Y-axis direction) and the solute concentration also progresses in the same direction. In addition, it is understood that the concentration changes in the vicinity of the center of the microchannel in both cases where the diffusion coefficient D is 1e-10 [m 2 / s] and 1e-9 [m 2 / s]. Is done.
このようなマイクロ流路１０を流れる液体の濃度の時系列データから、マイクロ流路１０中の液体の濃度がＴ＝０での第２液の溶質の濃度（最大濃度）の半分（１／２）の値となる液体中の位置ＳＦｙとその時間ＳＦｔとを抽出し、それらの関係を図示すると、図１２に示すグラフ（濃度境界データ）が得られる。なお、同図には、Ｄ＝１ｅ−１０〔ｍ2／ｓ〕とＤ＝１ｅ−９〔ｍ2／ｓ〕以外に拡散係数Ｄを変えて計算した濃度境界データが示されている。 From such time-series data of the concentration of the liquid flowing in the microchannel 10, the concentration of the solute of the second liquid (maximum concentration) is half (1/2) when the concentration of the liquid in the microchannel 10 is T = 0. When the position SFy in the liquid having the value of) and its time SFt are extracted and their relationship is illustrated, a graph (concentration boundary data) shown in FIG. 12 is obtained. The figure shows density boundary data calculated by changing the diffusion coefficient D in addition to D = 1e-10 [m 2 / s] and D = 1e-9 [m 2 / s].
ここで、液体の流速が一定の場合には、濃度境界ＳＦは、図１２に示される、その液体に含まれる溶質の拡散係数Ｄに対応する特定の軌道を移動する。 Here, when the flow velocity of the liquid is constant, the concentration boundary SF moves along a specific trajectory corresponding to the diffusion coefficient D of the solute contained in the liquid shown in FIG.
更に、図１２における横軸の時間ＳＦｔを拡散係数Ｄとマイクロ流路１０の厚さ（
Ｚ軸方向の長さ）２ｂとを用いて換算時間ＳＦｔ＿ｘ＝ＳＦｔ×Ｄ／ｂ2に換算し、図１２における縦軸の濃度境界ＳＦの位置ＳＦＹを、拡散係数Ｄと、マイクロ流路１０の厚さ２ｂと、液体の流速Ｖとを用いて換算位置ＳＦｙ＿ｘ＝ＳＦｙ×Ｄ／ｂ2／Ｖに換算する。そして、換算時間ＳＦｔ＿ｘと換算位置ＳＦｙ＿ｘとの関係を図示すると、図１３のグラフが得られる。
Further, the time SFt on the horizontal axis in FIG. 12 is determined as the diffusion coefficient D and the thickness of the microchannel 10 (
(Length in the Z-axis direction) 2b and converted into a conversion time SFt_x = SFt × D / b 2. The position SFY of the concentration boundary SF on the vertical axis in FIG. Using the thickness 2b and the flow velocity V of the liquid, the conversion position SFy_x = SFy × D / b 2 / V is converted. And if the relationship between conversion time SFt_x and conversion position SFy_x is illustrated, the graph of FIG. 13 will be obtained.
図１３に示されるように、図１２の曲線群は、拡散係数Ｄによらず、単一の曲線上を移動することが理解される。すなわち、マイクロ流路１０に加わる圧力が変化して、液体の流速Ｖが変化する場合、濃度境界ＳＦは、図１２に示される曲線群を横切るように変化する。図１３に示される換算時間ＳＦｔ＿ｘと換算位置ＳＦｙ＿ｘとの関係を示す曲線は、横軸（ＳＦｔ＿ｘ＝ＳＦｔ×Ｄ／ｂ2）が０．３以上では直線になる。 As shown in FIG. 13, it is understood that the group of curves in FIG. 12 moves on a single curve regardless of the diffusion coefficient D. That is, when the pressure applied to the microchannel 10 changes and the liquid flow velocity V changes, the concentration boundary SF changes so as to cross the group of curves shown in FIG. The curve showing the relationship between the conversion time SFt_x and the conversion position SFy_x shown in FIG. 13 is a straight line when the horizontal axis (SFt_x = SFt × D / b 2 ) is 0.3 or more.
したがって、この曲線を表す多項式を算出し、その多項式を用いて、Ｄ，ｂ，ｖからｔとＳＦｙを求めると、任意のＤまたはｖでのＳＦｙの時間依存性を求めることができる。すなわち、換算時間ＳＦｔ＿ｘと換算位置ＳＦｙ＿ｘとの関係を示す多項式から、液体の流速Ｖを求めることができる。 Therefore, when a polynomial representing this curve is calculated and t and SFy are obtained from D, b, and v using the polynomial, the time dependency of SFy at any D or v can be obtained. That is, the liquid flow velocity V can be obtained from a polynomial that indicates the relationship between the conversion time SFt_x and the conversion position SFy_x.
また、液体の粘度が溶質の屈折率の分率が低い分子によって引き起こされる場合、すなわち、低濃度分子種によって粘度が変化する場合には、ＳＰＲで測定される拡散係数Ｄは変化しないが、粘度は変化する。例えば、溶液中の低濃度モノマーと高濃度のタンパク質が溶解した溶液で、モノマーが架橋してゲル化した場合等では、粘度が変化する。このような場合、マイクロ流路１０に加わる圧力が一定の条件では、粘度が変化すると流速Ｖが変化するので、濃度境界ＳＦは、図１２に示される曲線群を横切るように変化する。この場合、屈折率を担う分子と粘度を担う分子が別なので、ゲル化などで粘度が変わっても屈折率を担う分子の拡散係数は変化しない。またマイクロ流路１０の形状は変化しないので、流速Ｖと粘度の積は一定になる。したがって、濃度境界ＳＦが図１２どこを通過しているかを調べることにより、流体の粘度または流速を求めることができる。 In addition, when the viscosity of the liquid is caused by a molecule having a low refractive index fraction of the solute, that is, when the viscosity changes due to low-concentration molecular species, the diffusion coefficient D measured by SPR does not change. Will change. For example, when the monomer is cross-linked and gelled in a solution in which a low concentration monomer and a high concentration protein in the solution are dissolved, the viscosity changes. In such a case, under a condition where the pressure applied to the microchannel 10 is constant, the flow velocity V changes when the viscosity changes, so the concentration boundary SF changes across the group of curves shown in FIG. In this case, since the molecule responsible for the refractive index is different from the molecule responsible for the viscosity, even if the viscosity changes due to gelation or the like, the diffusion coefficient of the molecule responsible for the refractive index does not change. Moreover, since the shape of the microchannel 10 does not change, the product of the flow velocity V and the viscosity is constant. Therefore, by examining where the concentration boundary SF passes in FIG. 12, the viscosity or flow velocity of the fluid can be obtained.
≪流速測定システムを用いた流速測定方法の詳細≫
次に、本発明の一実施の形態に係る流速測定システム１００を用いた液体の流速測定方法について具体的に説明する。ここでは、第１液として水を用い、第２液としてグルコース溶液を用いた場合の実施例を用いて説明する。グルコースの拡散係数は既知である。
≪Details of flow velocity measurement method using flow velocity measurement system≫
Next, a liquid flow velocity measuring method using the flow velocity measuring system 100 according to an embodiment of the present invention will be specifically described. Here, description will be made using an example in which water is used as the first liquid and a glucose solution is used as the second liquid. The diffusion coefficient of glucose is known.
図１４は、本発明の一実施の形態に係る流速測定方法の流れを示すフロー図である。
先ず、測定装置１０２のステージ２０２に載置したマイクロ流路チップ１のマイクロ流路１０に第１液として水を注入する（ステップＳ１）。具体的には、マイクロ流路１０における主流路１３の体積の１０倍となる水を液体分注装置３により液体導入穴１１に滴下し、圧力制御ポンプ５により一定の圧力で吸引する。これにより、主流路１３内が所定の圧力状態となり、その圧力状態に応じた液速で第１液（水）が主流路１３の中を流れ、主流路１３を満たした後、気液分離装置４に達する。水は、気液分離装置４の底に溜まり、圧力の制御に必要な気体が圧力制御ポンプ５に達する。
FIG. 14 is a flowchart showing the flow of the flow velocity measuring method according to the embodiment of the present invention.
First, water is injected as a first liquid into the microchannel 10 of the microchannel chip 1 placed on the stage 202 of the measuring apparatus 102 (step S1). Specifically, water that is 10 times the volume of the main flow path 13 in the micro flow path 10 is dropped into the liquid introduction hole 11 by the liquid dispensing device 3 and sucked at a constant pressure by the pressure control pump 5. Thereby, the inside of the main flow path 13 becomes a predetermined pressure state, and after the first liquid (water) flows through the main flow path 13 at a liquid speed according to the pressure state and fills the main flow path 13, the gas-liquid separation device 4 is reached. Water accumulates at the bottom of the gas-liquid separator 4, and gas necessary for pressure control reaches the pressure control pump 5.
なお、流速測定システム１００では、気液分離装置４と圧力制御ポンプ５とが分離された状態で用いられているが、これに限るものではなく、液体の圧力も制御可能な圧力制御ポンプを圧力制御装置として用いてもよい。 In the flow velocity measurement system 100, the gas-liquid separation device 4 and the pressure control pump 5 are used in a separated state, but the present invention is not limited to this, and a pressure control pump capable of controlling the liquid pressure is used as the pressure control pump. It may be used as a control device.
次に、水で満たされたマイクロ流路１０に第２液としてグルコース溶液を注入し、層流で送流させる（ステップＳ２）。具体的には、液体分注装置３により、グルコース溶液を液体導入穴１１に滴下する。この滴下されたグルコース溶液は、先にマイクロ流路１０の入り口まで満たしていた水と接触する。これにより、著しく表面張力が低下し、グルコース溶液は、圧力制御ポンプ５の圧力により液送される。 Next, a glucose solution is injected as a second liquid into the microchannel 10 filled with water and is sent in a laminar flow (step S2). Specifically, the glucose solution is dropped into the liquid introduction hole 11 by the liquid dispensing device 3. This dropped glucose solution comes into contact with the water previously filled up to the entrance of the microchannel 10. Thereby, the surface tension is remarkably lowered, and the glucose solution is fed by the pressure of the pressure control pump 5.
次に、測定装置２が、マイクロ流路中の水とグルコース溶液とを含む液体の屈折率の空間的な分布を時系列的に測定する（ステップＳ３）。具体的には、測定装置２を、例えば１／１５０秒毎に測定できるように設定し、測定部２０によって液体の屈折率の時間変化を測定する。ここでは、マイクロ流路１０における液体の送液圧力を変更（１５０，２００，２５０，３５０，４５０，５５０，６５０，７５０，８５０，９５０，１０５０〔Ｐａ〕）し、夫々の送液圧力での液体の屈折率の時系列データを取得した。これにより、夫々の送液圧力での液体の濃度の時系列データが得られる。 Next, the measuring device 2 measures the spatial distribution of the refractive index of the liquid containing water and the glucose solution in the microchannel in time series (step S3). Specifically, the measuring device 2 is set to be able to measure every 1/150 seconds, for example, and the time change of the refractive index of the liquid is measured by the measuring unit 20. Here, the liquid supply pressure of the liquid in the microchannel 10 is changed (150, 200, 250, 350, 450, 550, 650, 750, 850, 950, 1050 [Pa]), and at each liquid supply pressure. Time series data of the refractive index of the liquid was obtained. Thereby, time-series data of the concentration of the liquid at each liquid supply pressure is obtained.
次に、濃度境界データ生成部２１が、ステップＳ３で測定された屈折率の時系列データから、液体中の溶質（グルコース）の濃度が最大濃度の二分の１となる濃度境界ＳＦの時間変化を示す濃度境界データを生成する（ステップＳ４）。 Next, the concentration boundary data generation unit 21 calculates the time change of the concentration boundary SF at which the concentration of the solute (glucose) in the liquid is one half of the maximum concentration from the time series data of the refractive index measured in step S3. The density boundary data shown is generated (step S4).
図１５は、ステップＳ３で取得した夫々の送液圧力での液体の濃度（屈折率）の時系列データから抽出した、液体中の溶質（グルコース）の濃度が最大濃度の二分の１となる濃度境界ＳＦｙの時間変化を示す図である。同図には、送液圧力を１５０，２００，２５０，３５０，４５０，５５０，６５０，７５０，８５０，９５０，１０５０〔Ｐａ〕としたときの、濃度境界ＳＦｙの時間変化を示すグラフ（濃度境界データ）が夫々示されている。 FIG. 15 shows the concentration at which the concentration of the solute (glucose) in the liquid is a half of the maximum concentration, extracted from the time series data of the concentration (refractive index) of the liquid at each liquid feeding pressure acquired in step S3. It is a figure which shows the time change of boundary SFy. In the same figure, a graph (concentration boundary) showing a time change of the concentration boundary SFy when the liquid feeding pressure is 150, 200, 250, 350, 450, 550, 650, 750, 850, 950, 1050 [Pa]. Data).
同図に示されるように、夫々の送液圧力での濃度境界の位置ＳＦｙの時間変化を示すグラフは、溶質の拡散係数Ｄは同じであるが、送液圧力が相違するため、異なる軌跡を描く。 As shown in the figure, the graph showing the time variation of the concentration boundary position SFy at each liquid supply pressure has the same solute diffusion coefficient D, but the liquid supply pressure is different. Draw.
次に、関係式算出部２２が、濃度境界ＳＦと、濃度境界ＳＦの変化時間と、溶質の拡散係数Ｄと、マイクロ流路１０の光が照射される面と垂直な方向（Ｚ軸方向）の厚さ２ｂと、液体の流速（最大流速ν００）との関係を示す関係式を算出する（ステップＳ５）。 Next, the relational expression calculation unit 22 performs the direction perpendicular to the concentration boundary SF, the change time of the concentration boundary SF, the diffusion coefficient D of the solute, and the light irradiation surface of the microchannel 10 (Z-axis direction). The relational expression indicating the relationship between the thickness 2b of the liquid and the liquid flow velocity (maximum flow velocity ν00) is calculated (step S5).
具体的には、先ず、関係式算出部２２が、換算時間ＳＦｔ＿ｘ＝ＳＦｔ×Ｄ／ｂ2と、換算位置ＳＦｙ＿ｘ＝ＳＦｙ×Ｄ／ｂ2／Ｖと拡散係数Ｄ、流路厚さ２ｂとの関係を示す、式（５）を生成する。 Specifically, the relational expression calculation unit 22 first calculates the conversion time SFt_x = SFt × D / b 2 , the conversion position SFy_x = SFy × D / b 2 / V, the diffusion coefficient D, and the channel thickness 2b. Formula (5) which shows a relationship is produced | generated.
ここで、式（５）に含まれるＧ（ｘ）は図１３のデータを多項式で近似し、式（６）で表すことができる。 Here, G (x) included in Expression (5) can be expressed by Expression (6) by approximating the data of FIG. 13 with a polynomial expression.
式（６）において、Ｐ（ｎ）は、［１．１６０７６４４５４０７０ｅ＋０２； −３．８１７５６７９０５７１３ｅ＋０２； ５．１６１１８８７９１２１７ｅ＋０２； −３．７０４６９３３５２０２１ｅ＋０２； １．５３０３８８４１６１５７ｅ＋０２； −３．７６４５１０７４３３０４ｅ＋０１；５．８８０７９６６８４６８５ｅ＋００； ０；０］とすることができる。
なお、ここでは、流速Ｖとして最大流速ν００を用いている。
In formula (6), P (n) is [1.1607644554070e + 02; 3.881756905713e + 02; be able to.
Here, the maximum flow velocity ν00 is used as the flow velocity V.
次に、関係式算出部２２が、算出した関数Ｇを用いて、換算時間ＳＦｔ＿ｘ＝ＳＦｔ×Ｄ／ｂ2と、換算位置ＳＦｙ＿ｘ＝ＳＦｙ×Ｄ／ｂ2／Ｖとの関係を示す関係式を算出する。この関係式は、式（５）で表される。ここでは、流速Ｖとして最大流速ν００を用いている。 Next, the relational expression calculation unit 22 uses the calculated function G to calculate a relational expression indicating the relationship between the conversion time SFt_x = SFt × D / b 2 and the conversion position SFy_x = SFy × D / b 2 / V. calculate. This relational expression is expressed by Expression (5). Here, the maximum flow velocity ν00 is used as the flow velocity V.
次に、流速算出部２３が、ステップＳ５で算出した関係式（式（５））とステップＳ４で生成した濃度境界データとに基づいて、流速を算出する（Ｓ６）。具体的には、式（５）を最大流速ν００について解いた下記式（７）に、拡散係数Ｄおよび流路高さ２ｂと、与えられたＳＦｙ，ＳＦｔの対とを代入することにより、流速（最大流速ν００）を算出する。 Next, the flow velocity calculation unit 23 calculates a flow velocity based on the relational expression (expression (5)) calculated in step S5 and the concentration boundary data generated in step S4 (S6). Specifically, by substituting the diffusion coefficient D and the channel height 2b and a given SFy, SFt pair into the following equation (7) obtained by solving the equation (5) for the maximum flow velocity ν00, the flow velocity (Maximum flow velocity ν00) is calculated.
図１６に、図１５に示した濃度境界データから換算した、液体の最大流速ν００の時間変化を示すグラフを示す。同図において、横軸は時間であり、縦軸は液体の流速である。また、図１６において、横軸に平行な直線は、夫々の送液圧力において式（２）から算出される中心線流速を表している。 FIG. 16 shows a graph showing the change over time of the maximum liquid flow velocity ν00 converted from the concentration boundary data shown in FIG. In the figure, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the liquid flow rate. Moreover, in FIG. 16, the straight line parallel to the horizontal axis represents the centerline flow velocity calculated from the equation (2) at each liquid feeding pressure.
図１６に示されるように、この実験では、液体の流速がマイクロ流路１０の流路抵抗と送液圧力で決まる一定値に時間とともに近づくように変化していることが理解される。なお、本実験では、ステップＳ２における第２液の注入方法としてキャピラリー力を用いているため、インジェクションから時間が経つと、ポンプで設定される圧力だけが送液の力になるので、液体の流速は、上記式（２）から算出される値に収束すると推測できる。 As shown in FIG. 16, in this experiment, it is understood that the flow rate of the liquid changes so as to approach a constant value determined by the flow path resistance of the micro flow path 10 and the liquid feeding pressure with time. In this experiment, since the capillary force is used as the second liquid injection method in step S2, only the pressure set by the pump becomes the liquid feeding force over time from the injection. Can be estimated to converge to the value calculated from the above equation (2).
次に、粘度算出部２４が、ステップＳ６で算出された液体の最大流速ν００と上記式（２）とに基づいて、粘度を算出する（ステップＳ７）。 Next, the viscosity calculation unit 24 calculates the viscosity based on the maximum liquid flow velocity ν00 calculated in step S6 and the above equation (2) (step S7).
以上、本実施の形態に係る流速測定方法によれば、マイクロ流路１０を流れる液体の流速とその流速の時間変化を、非接触且つ、マーカー物質を用いずに、簡便に測定することができる。また、極めて単純な装置（直線流路）および測定手順で、短時間に、微小な流路内の液体の流速を測定することができる。 As described above, according to the flow velocity measurement method according to the present embodiment, the flow velocity of the liquid flowing through the microchannel 10 and the time change of the flow velocity can be easily measured without using a marker substance. . In addition, the flow rate of the liquid in the minute channel can be measured in a short time with a very simple device (straight channel) and measurement procedure.
また、流速が一定と考えられる場合には、粘度を測定することができる。その測定手順は、上述したように、溶液の混合と送液という化学反応で一般的な方法であり、その化学反応に付随する、流速変化または粘度変化を、その反応に必要な条件で、反応に関与する物質のみで測定することができる。 Further, when the flow rate is considered to be constant, the viscosity can be measured. As described above, the measurement procedure is a general method of chemical reaction of mixing and feeding a solution. The flow rate change or viscosity change associated with the chemical reaction is performed under the conditions necessary for the reaction. It can be measured only with substances involved in the process.
濃度の分布の測定には、全反射光学系による屈折率計を用いればよい。この全反射光学系は、光源の反射光を受光素子で直接検出するため、構造が単純であり、且つ明るい。また、上述したように、流路内壁面に金薄膜を設置すれば、全く同じ光学系で高感度な表面プラズモン共鳴法を用いることもできる。このような屈折率分布を測定するための光学系は可動部品を用いずに構成できるので、安価で丈夫である。 For the measurement of the density distribution, a refractometer using a total reflection optical system may be used. Since this total reflection optical system directly detects the reflected light of the light source by the light receiving element, the structure is simple and bright. Further, as described above, if a gold thin film is installed on the inner wall surface of the flow path, the highly sensitive surface plasmon resonance method can be used with the same optical system. Since an optical system for measuring such a refractive index distribution can be configured without using moving parts, it is inexpensive and durable.
また、本実施の形態に係る流速測定方法によれば、流路中の液体に非接触で測定できるため、接触が反応に影響を及ぼす、生化学反応、特に凝固反応の反応率、速度を調べるのに有用である。 In addition, according to the flow velocity measuring method according to the present embodiment, since the measurement can be performed without contact with the liquid in the flow path, the reaction rate and rate of the biochemical reaction, particularly the coagulation reaction, in which the contact affects the reaction are examined. Useful for.
また、中空の流路を用いることができ、重合生成物を容易に流出させることができるので、繰り返し測定に適し、測定のたびに、流路を交換する必要がない。 Moreover, since a hollow flow path can be used and a polymerization product can be easily flowed out, it is suitable for repeated measurement, and it is not necessary to exchange the flow path for each measurement.
また、特許文献１に開示された測定方法では、一定の流速で観測されるべき屈折率分布を拡散係数に依存するモデルで近似し、そのモデルに観測データを当てはめて、拡散係数を求めていたが、本実施の形態に係る流速測定システムによる流速測定方法によれば、液体の流速を測定することができるので、その液体の流れる形状と圧力差から流体の粘度を求めることができ、粘度が変化しながら流れる、重合反応の反応進行度合いを測定することが可能となる。これによれば、例えば、血漿と凝固開始剤を混合した場合に粘度を測定すれば、血漿の凝固能を測定することができる。 In the measurement method disclosed in Patent Document 1, the refractive index distribution to be observed at a constant flow velocity is approximated by a model that depends on the diffusion coefficient, and the observation data is applied to the model to obtain the diffusion coefficient. However, according to the flow velocity measurement method by the flow velocity measurement system according to the present embodiment, the flow velocity of the liquid can be measured, and therefore the viscosity of the fluid can be obtained from the shape and pressure difference of the flow of the liquid. It is possible to measure the degree of progress of the polymerization reaction flowing while changing. According to this, for example, if the viscosity is measured when plasma and a coagulation initiator are mixed, the coagulation ability of plasma can be measured.
更に、本実施の形態に係る流速測定システムによれば、非観測領域２１１が、マイクロ流路１０の一部をステージ２０２の観測領域２１０上に配置したときに、マイクロ流路１０の残りの部分がステージ２０２からはみ出さない程度の面積を有しているので、マイクロ流路１０において液体の屈折率（濃度）が変化する部分（濃度境界ＳＦが観測できる領域）を任意に選択することが可能となる。以下、詳細に説明する。 Furthermore, according to the flow velocity measurement system according to the present embodiment, when the non-observation region 211 arranges a part of the microchannel 10 on the observation region 210 of the stage 202, the remaining part of the microchannel 10 Has an area that does not protrude from the stage 202, it is possible to arbitrarily select a portion where the refractive index (concentration) of the liquid changes in the microchannel 10 (region where the concentration boundary SF can be observed). It becomes. Details will be described below.
液体の流速（平均流速または中心線流速）は、流路の断面積が一定であれば、測定位置によらず同一になる。しかし、本願の流速測定法では、図８，９に示したように、屈折率（濃度）が変化する部分（濃度境界ＳＦが観測できる領域）を選択する必要がある。マイクロ流路１０は直線状なので、流路全領域に渡ってＳＰＲなどで屈折率を測定するには、流路の長さの被写界をもつ顕微鏡光学系が必要になる。しかし、そのような光学系を構築するのは口径の大きな光学系が必要になり、大型でコストが著しく高くなる。そのため、流れる液体の濃度境界ＳＦｙの測定範囲を選択できることが望ましい。そのためには、流路長と、送液開始から測定までの長さが可変であることが必要である。 The liquid flow rate (average flow rate or centerline flow rate) is the same regardless of the measurement position if the cross-sectional area of the flow path is constant. However, in the flow velocity measurement method of the present application, as shown in FIGS. 8 and 9, it is necessary to select a portion where the refractive index (concentration) changes (region where the concentration boundary SF can be observed). Since the microchannel 10 is linear, in order to measure the refractive index by SPR or the like over the entire region of the channel, a microscope optical system having an object field having the length of the channel is required. However, the construction of such an optical system requires an optical system having a large aperture, which is large and significantly increases in cost. Therefore, it is desirable that the measurement range of the concentration boundary SFy of the flowing liquid can be selected. For that purpose, it is necessary that the flow path length and the length from the start of liquid feeding to the measurement are variable.
本実施の形態に係る流速測定システム１００では、マイクロ流路１０の全長を２０ｍｍとした場合に、少なくとも４０ｍｍの非観測領域２１１を有するステージを有しているので、マイクロ流路チップ１をステージ上の任意の位置に載置することができる。これにより、流路の長さの被写界をもつ顕微鏡光学系を用いなくても、例えばマイクロ流路１０の液体導入穴１１から離れている箇所の濃度境界ＳＦｙを測定することが可能となる。 The flow velocity measurement system 100 according to the present embodiment has a stage having a non-observation area 211 of at least 40 mm when the total length of the microchannel 10 is 20 mm. Can be placed at any position. This makes it possible to measure, for example, the concentration boundary SFy at a location away from the liquid introduction hole 11 of the microchannel 10 without using a microscope optical system having a field of length of the channel. .
また、本実施の形態に係る流速測定システムによれば、液体分注装置３が液体の注入動作に同期した同期信号を生成し、圧力制御ポンプ５が、その同期信号に基づいて圧力を制御するので、第２液の注入をトリガーにして、液体の送液圧力を動的に制御することが可能となる。具体的には、図１７に示すように、圧力制御ポンプ５は、液体分注装置３による液体の注入動作に同期して出力された同期信号８に基づいて圧力を制御することにより、マイクロ流路１０における液体の液送を最適化することが可能となる。例えば、第１液を注入する時には、設定圧力を下げて、液体導入穴１１からマイクロ流路内へ第１液が入り込み過ぎるのを防止し、同期信号を受信した後は、設定圧力をあげて、流速または粘度の測定が迅速に行えるようにすることが可能となる。このように、第２液の注入から液体を圧力で駆動する時間を調整することで、反応に必要な時間と、液体が流路を流れる時間を調整することが可能となる。 Moreover, according to the flow velocity measurement system according to the present embodiment, the liquid dispensing device 3 generates a synchronization signal synchronized with the liquid injection operation, and the pressure control pump 5 controls the pressure based on the synchronization signal. Therefore, it is possible to dynamically control the liquid feeding pressure using the injection of the second liquid as a trigger. Specifically, as shown in FIG. 17, the pressure control pump 5 controls the pressure based on the synchronization signal 8 output in synchronization with the liquid injection operation by the liquid dispensing apparatus 3, thereby It is possible to optimize the liquid feeding of the liquid in the path 10. For example, when injecting the first liquid, the set pressure is lowered to prevent the first liquid from entering the micro flow path from the liquid introduction hole 11, and after receiving the synchronization signal, the set pressure is increased. It becomes possible to make it possible to measure the flow rate or the viscosity quickly. Thus, by adjusting the time for driving the liquid with pressure from the injection of the second liquid, it is possible to adjust the time required for the reaction and the time for the liquid to flow through the flow path.
以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。 Although the invention made by the present inventors has been specifically described based on the embodiments, it is needless to say that the present invention is not limited thereto and can be variously modified without departing from the gist thereof. Yes.
１００…流速測定システム、１…マイクロ流路チップ、２…測定装置、３…液体分注装置、４…気液分離装置、５…圧力制御ポンプ、６…ＦＥＰチューブ１２、８…同期信号、１１…液体導入穴、１２…液体排出穴、１３…主流路、２０…測定部、２１…濃度境界データ生成部、２２…関係式算出部、２３…流速算出部、２４…粘度算出部、２０１…筐体、２０２…ステージ、２０２Ｂ…窪み、２０３…上板、２０４…ガラス板、２０５…プリズム、２１０…観測領域、２１１…非観測領域。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Flow velocity measuring system, 1 ... Micro flow path chip, 2 ... Measuring apparatus, 3 ... Liquid dispensing apparatus, 4 ... Gas-liquid separation apparatus, 5 ... Pressure control pump, 6 ... FEP tube 12, 8 ... Synchronous signal, 11 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Liquid introduction hole, 12 ... Liquid discharge hole, 13 ... Main flow path, 20 ... Measurement part, 21 ... Concentration boundary data generation part, 22 ... Relational expression calculation part, 23 ... Flow velocity calculation part, 24 ... Viscosity calculation part, 201 ... Enclosure, 202 ... stage, 202B ... depression, 203 ... upper plate, 204 ... glass plate, 205 ... prism, 210 ... observation region, 211 ... non-observation region.
Claims (8)
前記第１ステップの後に、前記マイクロ流路に溶質を含む第２液を注入し、層流で送流させる第２ステップと、
前記マイクロ流路に光を照射することにより、前記マイクロ流路に注入された前記第１液と前記第２液とを含む液体の屈折率の空間的な分布を時系列的に測定する第３ステップと、
前記第３ステップで測定された前記屈折率の時系列データから、前記液体中の前記溶質の濃度が前記第１液と前記第２液とが接触する前の前記第２液中の前記溶質の濃度の半分となる濃度境界の時間変化を示す濃度境界データを生成する第４ステップと、
前記濃度境界と、前記濃度境界の変化時間と、前記溶質の拡散係数と、前記マイクロ流路の光が照射される面と垂直な方向の厚さと、前記液体の流速との関係を示す関係式を算出する第５ステップと、
前記第５ステップで算出した関係式と前記第４ステップで生成した前記濃度境界データとに基づいて、前記マイクロ流路内の前記液体の流速を算出する第６ステップと、を含む
流速測定方法。 A first step of injecting a first liquid into the microchannel;
After the first step, a second step of injecting a second liquid containing a solute into the microchannel and sending it in a laminar flow;
By irradiating the microchannel with light, a third time-series measurement of a spatial distribution of the refractive index of the liquid including the first liquid and the second liquid injected into the microchannel is performed. Steps,
From the time-series data of the refractive index measured in the third step, the concentration of the solute in the liquid is the concentration of the solute in the second liquid before the first liquid and the second liquid contact each other. A fourth step of generating density boundary data indicating a time change of the density boundary which is half of the density;
Relational expression showing the relationship between the concentration boundary, the change time of the concentration boundary, the diffusion coefficient of the solute, the thickness in the direction perpendicular to the surface of the microchannel irradiated with light, and the flow velocity of the liquid A fifth step of calculating
And a sixth step of calculating a flow rate of the liquid in the microchannel based on the relational expression calculated in the fifth step and the concentration boundary data generated in the fourth step.
前記第５ステップは、時間に対して前記拡散係数を乗算するとともに前記厚さ方向の長さを２乗した値によって除算した換算時間と、前記濃度境界の位置に対して、前記拡散係数を乗算するとともに前記厚さ方向の長さを２乗した値と前記流速とによって除算した換算位置との関係を示す関係式を算出するステップを含み、
前記第６ステップは、前記第５ステップで算出した前記換算時間と前記換算位置との関係を示す関係式と前記濃度データとに基づいて前記流速を算出するステップを含む
ことを特徴とする流速測定方法。 The flow velocity measuring method according to claim 1,
The fifth step multiplies the diffusion coefficient by the conversion time obtained by multiplying the time by the diffusion coefficient and divided by a value obtained by squaring the length in the thickness direction, and the position of the concentration boundary. And calculating a relational expression indicating a relationship between a value obtained by squaring the length in the thickness direction and a converted position divided by the flow velocity,
The sixth step includes a step of calculating the flow velocity based on the relational expression indicating the relationship between the conversion time calculated in the fifth step and the conversion position and the concentration data. Method.
前記第６ステップで算出した前記流速に基づいて、前記第２液の粘度を算出する第７ステップを更に含む
ことを特徴とする流速測定方法。 In the flow velocity measuring method according to claim 1 or 2,
A flow rate measurement method further comprising a seventh step of calculating the viscosity of the second liquid based on the flow velocity calculated in the sixth step.
前記マイクロ流路内の圧力を制御するための圧力制御ポンプと、
載置された前記マイクロ流路チップの前記マイクロ流路に光を照射したときの表面プラズモン共鳴角度を測定することにより、前記マイクロ流路に注入された流体の速度を測定する測定装置と、を有し、
前記測定装置は、
前記マイクロ流路に注入された第１液と溶質を含む第２液とを含む液体の屈折率の空間的な分布を時系列的に測定する測定部と、
前記測定部で測定された前記屈折率の時系列データから、前記液体中の前記溶質の濃度が前記第１液と前記第２液とが接触する前の前記第２液中の前記溶質の濃度の半分となる濃度境界の時間変化を示す濃度境界データを生成する濃度境界データ生成部と、
前記濃度境界と、前記濃度境界の変化時間と、前記溶質の拡散係数と、前記マイクロ流路の光が照射される面と垂直な方向の厚さと、前記液体の流速との関係を示す関係式を算出する関係式算出部と、
前記関係式算出部で算出した関係式と前記濃度境界データとに基づいて、前記マイクロ流路内の前記液体の流速を算出する流速算出部と、を含む
ことを特徴とする流速測定システム。 An injector for injecting fluid into the microchannel formed in the microchannel chip;
A pressure control pump for controlling the pressure in the microchannel;
A measuring device that measures the velocity of the fluid injected into the microchannel by measuring the surface plasmon resonance angle when the microchannel of the mounted microchannel chip is irradiated with light. Have
The measuring device is
A measurement unit for measuring the spatial distribution of the refractive index of the liquid containing the first liquid injected into the microchannel and the second liquid containing the solute in time series;
From the time series data of the refractive index measured by the measurement unit, the concentration of the solute in the second liquid before the first liquid and the second liquid are in contact with each other is the concentration of the solute in the liquid. A density boundary data generation unit that generates density boundary data indicating a time change of the density boundary that is half of
Relational expression showing the relationship between the concentration boundary, the change time of the concentration boundary, the diffusion coefficient of the solute, the thickness in the direction perpendicular to the surface of the microchannel irradiated with light, and the flow velocity of the liquid A relational expression calculation unit for calculating
A flow rate calculation unit that calculates a flow rate of the liquid in the microchannel based on the relational expression calculated by the relational expression calculation unit and the concentration boundary data.
前記関係式算出部は、時間に対して前記拡散係数を乗算するとともに前記厚さ方向の長さを２乗した値によって除算した換算時間と、前記濃度境界の位置に対して、前記拡散係数を乗算するとともに前記厚さ方向の長さを２乗した値と前記流速とによって除算した換算位置との関係を示す関係式を算出し、
前記流速算出部は、前記換算データ生成部で算出した前記換算時間と前記換算位置との関係を示す関係式と前記濃度境界データから前記流速を算出する
ことを特徴とする流速測定システム。 The flow velocity measuring system according to claim 4,
The relational expression calculation unit multiplies the diffusion coefficient with respect to a conversion time obtained by multiplying the time by the diffusion coefficient and divided by a value obtained by squaring the length in the thickness direction, and the position of the concentration boundary. Multiplying and calculating a relational expression indicating the relationship between the value obtained by squaring the length in the thickness direction and the converted position divided by the flow velocity;
The flow velocity calculation unit calculates the flow velocity from a relational expression indicating the relationship between the conversion time calculated by the conversion data generation unit and the conversion position and the concentration boundary data.
前記流速算出部で算出した前記流速に基づいて、前記第２液の粘度を算出する粘度算出部を更に有する
ことを特徴とする流速測定システム。 The flow velocity measuring system according to claim 4 or 5,
The flow rate measurement system further comprising: a viscosity calculation unit that calculates the viscosity of the second liquid based on the flow rate calculated by the flow rate calculation unit.
前記測定装置は、
前記マイクロ流路が形成されたマイクロ流路チップを載置するためのステージを更に有し、
前記ステージは、載置された前記マイクロ流路チップに照射する光を透過する観測領域と、前記観察領域の外側に前記観察領域と同一平面上に形成された非観測領域とを含み、
前記非観察領域は、前記マイクロ流路の一部を前記観測領域上に配置したときに、前記マイクロ流路の残りの部分を載置可能な面積を有している
ことを特徴とする流速測定システム。 In the flow velocity measuring system according to any one of claims 4 to 6,
The measuring device is
A stage for placing the microchannel chip in which the microchannel is formed;
The stage includes an observation region that transmits light irradiated to the mounted microchannel chip, and a non-observation region formed on the same plane as the observation region outside the observation region,
The non-observation region has an area where the remaining part of the microchannel can be placed when a part of the microchannel is disposed on the observation region. system.
前記注入器は、前記流体を前記流路に注入する注入動作に同期した同期信号を出力し、 前記圧力制御ポンプは、前記同期信号に基づいて圧力を制御する
ことを特徴とする流速測定システム。 The flow velocity measurement system according to any one of claims 4 to 7,
The flow rate measuring system, wherein the injector outputs a synchronization signal synchronized with an injection operation for injecting the fluid into the flow path, and the pressure control pump controls pressure based on the synchronization signal.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2016136617A JP6585557B2 (en) | 2016-07-11 | 2016-07-11 | Flow velocity measuring method and flow velocity measuring system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2016136617A JP6585557B2 (en) | 2016-07-11 | 2016-07-11 | Flow velocity measuring method and flow velocity measuring system |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2018009794A true JP2018009794A (en) | 2018-01-18 |
| JP6585557B2 JP6585557B2 (en) | 2019-10-02 |
Family
ID=60995297
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2016136617A Active JP6585557B2 (en) | 2016-07-11 | 2016-07-11 | Flow velocity measuring method and flow velocity measuring system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP6585557B2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111337391A (en) * | 2020-04-26 | 2020-06-26 | 清华大学 | Method for rapidly measuring diffusion coefficient of gas in liquid |
| WO2022201485A1 (en) * | 2021-03-26 | 2022-09-29 | 国立大学法人九州工業大学 | System for measuring viscosity and surface tension and method for measuring viscosity and surface tension |
-
2016
- 2016-07-11 JP JP2016136617A patent/JP6585557B2/en active Active
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111337391A (en) * | 2020-04-26 | 2020-06-26 | 清华大学 | Method for rapidly measuring diffusion coefficient of gas in liquid |
| WO2022201485A1 (en) * | 2021-03-26 | 2022-09-29 | 国立大学法人九州工業大学 | System for measuring viscosity and surface tension and method for measuring viscosity and surface tension |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP6585557B2 (en) | 2019-10-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Eain et al. | Film thickness measurements in liquid–liquid slug flow regimes | |
| Kohl et al. | An experimental investigation of microchannel flow with internal pressure measurements | |
| US20090268548A1 (en) | Microfluidic systems, devices and methods for reducing diffusion and compliance effects at a fluid mixing region | |
| Khodaparast et al. | Application of micro particle shadow velocimetry μPSV to two-phase flows in microchannels | |
| JP2009115542A (en) | Flow-path structure, flow-path substrate equipped with the same, and fluid control method | |
| Peters et al. | An experimental study on slow and fast bubbles in tap water | |
| JP4540506B2 (en) | Method and apparatus for controlling position of sample liquid flow | |
| Uema et al. | Near-infrared imaging in a microfluidic channel of aqueous acid–base reactions | |
| JP2010506187A (en) | Method and apparatus for determining at least one parameter of physicochemical transformation and / or chemical transformation and corresponding screening method | |
| WO2012097221A1 (en) | System and method for a microfluidic calorimeter | |
| JP6585557B2 (en) | Flow velocity measuring method and flow velocity measuring system | |
| Lubej et al. | Microfluidic droplet-based liquid–liquid extraction: online model validation | |
| Wang et al. | Analysis and modeling of flow in rotating spiral microchannels: towards math-aided design of microfluidic systems using centrifugal pumping | |
| de Camargo et al. | Turbulence in microfluidics: cleanroom-free, fast, solventless, and bondless fabrication and application in high throughput liquid-liquid extraction | |
| ES2909667T3 (en) | System and method for a microfluidic calorimeter | |
| Kraus et al. | An integrated multiphase flow sensor for microchannels | |
| WO2012172992A1 (en) | Sensor chip used in specimen detection device and specimen detection device using sensor chip | |
| US20110165025A1 (en) | Stopped-flow chip | |
| JP2003302330A (en) | Planar flow cell device | |
| WO2010079586A1 (en) | Optical measurement apparatus and sample identifying and dispensing apparatus | |
| JP6243287B2 (en) | Diffusion coefficient measuring method and diffusion coefficient measuring apparatus | |
| Luo et al. | Liquid velocity distribution in slug flow in a microchannel | |
| Seibt et al. | Microfluidics for time-resolved small-angle x-ray scattering | |
| Talebi et al. | Analysis of impedance data from bubble flow in a glass/SU8 microfluidic device with on-channel sensors | |
| Zadeh et al. | Experimentally investigating the pressure drop of liquid-liquid Taylor flows over varying viscosity ratios |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20180904 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20190620 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20190702 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20190807 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20190903 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20190905 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6585557 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |