JP3974531B2 - Microchannel mixing method and microchannel apparatus - Google Patents

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Abstract

This invention relates to a microchannel device comprising a microchannel and a liquid introduction means for introducing at least two liquids into the microchannel; characterised in that the introduction means comprises a pulse means for introducing each liquid into the microchannel in the form of a plurality of pulses, and for staggering the pulses of each liquid relative to the pulses of the other liquids. The device may be used to mix liquids for microfluidic applications.

Description

本発明は、新規なマクロチャネル装置に関する。より具体的には、本発明は、マイクロチャネルにおいて2つ以上の液体を混合することを容易にする新規なマイクロチャネル装置に関する。本発明は、また、マイクロチャネルにおいて2つ以上の液体を共に混合する新規な方法にも関する。   The present invention relates to a novel macro channel apparatus. More specifically, the present invention relates to a novel microchannel device that facilitates mixing two or more liquids in a microchannel. The present invention also relates to a novel method for mixing two or more liquids together in a microchannel.

マイクロチャネル装置は、液体が沿って流れることが可能である1つまたは複数のマイクロチャネルを有する装置であり、当該マイクロチャネルまたは各マイクロチャネルは、チャネルに垂直に100nmと1mmの間の寸法を有する。マイクロチャネルの他に、装置は、チャンバ、フィルタ、電極、ポンプ、バルブ、または混合システムなど、他の構成要素を備えることができる。マイクロチャネルは、PTFE、プラスチック、ガラス、石英から形成することが可能であり、またはシリコンウエハを微細機械加工することによって形成することが可能である。   A microchannel device is a device having one or more microchannels through which liquid can flow, each microchannel or each microchannel having a dimension between 100 nm and 1 mm perpendicular to the channel. . In addition to microchannels, the device can include other components such as chambers, filters, electrodes, pumps, valves, or mixing systems. Microchannels can be formed from PTFE, plastic, glass, quartz, or can be formed by micromachining a silicon wafer.

マイクロチャネル装置は、ごく少量の物質に関わる分析および合成の応用に使用される。たとえば、分析プロセスに使用される試薬は、高価である可能性がある。マイクロチャネル装置においてプロセスを実施することによって、必要な化学物質の量は少量ですみ、したがってコストは最小限に抑えられる。   Microchannel devices are used in analytical and synthetic applications involving very small quantities of material. For example, reagents used in the analytical process can be expensive. By carrying out the process in a microchannel device, the amount of chemical required is small and therefore the cost is minimized.

いくつかの化学物質の組合せは、その反応性が高いために、小規模でのみ可能であることができる。   Some chemical combinations may be possible only on a small scale due to their high reactivity.

マイクロチャネル装置は、比較的低コストで大量生産することが可能であるので、単に、必要な数のマイクロチャネル装置において反応を同時に実施することによって、反応を大規模化することができる。   Since microchannel devices can be mass-produced at a relatively low cost, the reaction can be scaled up simply by performing the reactions simultaneously in the required number of microchannel devices.

しかし、そのような小規模で反応および他のプロセスを実施することは、いくつかの重大な問題を呈示することがある。問題となる具体的な分野は、化学反応を引き起こす第1ステップとして必要な、2つ以上の液体の組合せである。層流のために、2つの液体を共に流すのは、一般に十分簡単ではない。隣接するフローのために、液体は、ほとんど混合されないままになるだけである。この層流は、チャネルの寸法が小さいことと、微小流体工学で通例使用される流速との結果である。行われるそのような混合は、2つの液体の境界面を横断する拡散の結果である。   However, carrying out reactions and other processes on such a small scale can present several serious problems. A specific area of concern is the combination of two or more liquids that are necessary as a first step in causing a chemical reaction. Due to the laminar flow, it is generally not easy enough to flow the two liquids together. Because of the adjacent flow, the liquid only remains almost unmixed. This laminar flow is a result of the small dimensions of the channel and the flow rates typically used in microfluidics. Such mixing that occurs is the result of diffusion across the interface of the two liquids.

この問題に対処することが可能である1つ方法は、混合する各液体のフローを複数の流れに分割することであり、各流れは、図1に示すように、断面積が小さくなっている。図1は、複数の流れを生成することが可能である従来の技術の装置の一部の概略図である。複数のマイクロチャネル11、12、13、14、15、および16は、シリコンチップ17の上に製作される。マイクロチャネル11から16は、第1マイクロチャネル11と、第2マイクロチャネル12と、第3マイクロチャネル13と、第4マイクロチャネル14と、第5マイクロチャネル15と、第6マイクロチャネル16とを備える。第1マイクロチャネル11は、第1液体を含み、第2マイクロチャネル12は、第2液体を含む。矢印18は、両方の液体が流れる方向を示す。第1マイクロチャネル11は、第3マイクロチャネル13と第4マイクロチャネル14とに流れ込み、これらのマイクロチャネルの両方ともフローに垂直な低減された寸法である。第2マイクロチャネル12は、第5マイクロチャネル15と第6マイクロチャネル16とに流れ込み、やはりこれらのマイクロチャネルの両方ともフローに垂直な低減された断面寸法である。第4マイクロチャネル14と第5マイクロチャネル15とは、交差するが交わらないように製作される。   One way that this problem can be addressed is to divide the flow of each liquid to be mixed into multiple flows, each flow having a reduced cross-sectional area, as shown in FIG. . FIG. 1 is a schematic diagram of a portion of a prior art apparatus capable of generating multiple streams. A plurality of microchannels 11, 12, 13, 14, 15, and 16 are fabricated on the silicon chip 17. The microchannels 11 to 16 include a first microchannel 11, a second microchannel 12, a third microchannel 13, a fourth microchannel 14, a fifth microchannel 15, and a sixth microchannel 16. . The first microchannel 11 includes a first liquid, and the second microchannel 12 includes a second liquid. Arrow 18 indicates the direction in which both liquids flow. The first microchannel 11 flows into the third microchannel 13 and the fourth microchannel 14, both of which have reduced dimensions that are perpendicular to the flow. The second microchannel 12 flows into the fifth microchannel 15 and the sixth microchannel 16, both of which have a reduced cross-sectional dimension perpendicular to the flow. The fourth microchannel 14 and the fifth microchannel 15 are manufactured so as to intersect but not intersect.

第4マイクロチャネル14と第5マイクロチャネル15とが交差する結果として、液体の空間的交代順序が獲得される。図1の底部における液体の順序は、右から左へ、第1液体、第2液体、第1液体、および第2液体である。第3マイクロチャネル13と、第4マイクロチャネル14と、第5マイクロチャネル15と、第6マイクロチャネル16とに含まれている4つの流れは、交代順序と低減された断面積が保持されるように、単一のマイクロチャネル(図1には示さず)に組み合わせることが可能である。このようにして、拡散による相互作用としたがって混合とが改善される。   As a result of the intersection of the fourth microchannel 14 and the fifth microchannel 15, a liquid spatial alternation order is obtained. The order of the liquids at the bottom of FIG. 1 is from the right to the left, the first liquid, the second liquid, the first liquid, and the second liquid. The four flows contained in the third microchannel 13, the fourth microchannel 14, the fifth microchannel 15, and the sixth microchannel 16 are such that the alternating order and the reduced cross-sectional area are maintained. In addition, it can be combined into a single microchannel (not shown in FIG. 1). In this way, interaction by diffusion and thus mixing is improved.

図1の装置は、理想的な解決方法には劣ることを示すが、その理由は、装置が比較的複雑で、製作が困難であるからである。具体的には、交差するが交わらないチャネルを機械加工するのは困難である。図1の装置に付随する他の問題は、得られる混合物において、第1液体と第2液体の比率を変更するのが困難であるということである。比率は、マイクロチャネルの相対断面積によってほぼ決定される。   The device of FIG. 1 shows inferior to the ideal solution because the device is relatively complex and difficult to manufacture. Specifically, it is difficult to machine channels that intersect but do not intersect. Another problem associated with the apparatus of FIG. 1 is that it is difficult to change the ratio of the first liquid to the second liquid in the resulting mixture. The ratio is largely determined by the relative cross-sectional area of the microchannel.

マイクロチャネルを流れる2つの液体を組み合わせることが可能である第2の方法は、レイノルズ数が約2300より大きくなるまで、マイクロチャネルを流れる流量を単に増大させることである。そのような大きなレイノルズ数では、乱流が存在し、したがって液体は混合される。圧力駆動フローでは、2300より大きいレイノルズ数に対して十分高い流量を獲得するために、100万Paを超える圧力が必要な可能性がある。これは、比較的頑強なマイクロチャネル装置を使用することを必要とし、この装置は、実際には作成することが困難な可能性がある。   A second way in which two liquids flowing through the microchannel can be combined is simply to increase the flow rate through the microchannel until the Reynolds number is greater than about 2300. At such a large Reynolds number, turbulence exists and therefore the liquid is mixed. In pressure driven flows, pressures in excess of 1 million Pa may be required to obtain a sufficiently high flow rate for Reynolds numbers greater than 2300. This requires the use of a relatively robust microchannel device, which can be difficult to create in practice.

以下の従来の技術は、本発明に関係すると見なされる。GB 2355414Aは、対向ノズルを有するマイクロミキサを記載している。DE 196 11 270A1は、ごく小さい体積の液体用のマイクロミキサを記載している。米国特許第6,150,119号は、複数の異なるサンプルを微小流体チャネルネットワークに連続導入することについて記載している。   The following prior art is considered relevant to the present invention. GB 2355414A describes a micromixer with opposed nozzles. DE 196 11 270A1 describes a micromixer for very small volumes of liquid. US Pat. No. 6,150,119 describes the continuous introduction of multiple different samples into a microfluidic channel network.

他の関係する従来の技術は、A.Deshmukhによって、Solid State Sensors and Actuator Workshop、2000年6月4〜8日、米国サウスカルフォルニア州ヒルトンヘッド、Crowne Plaza Resortに提示されている。   Other related conventional techniques include: Desmukhh, Solid State Sensors and Actuator Workshop, June 4-8, 2000, Hilton Head, South California, USA, Crowne Plaza Research.

本発明の目的は、上述した問題を軽減する、新規なマイクロチャネル装置と、マイクロチャネルにおいて2つ以上の液体を混合する新規な方法とを提供することである。   It is an object of the present invention to provide a novel microchannel device and a novel method for mixing two or more liquids in a microchannel that alleviates the above mentioned problems.

第1態様によれば、本発明は、マイクロチャネルにおいて少なくとも2つの液体を混合する方法であって、(a)各液体をマイクロチャネルに導入するステップと、(b)各液体をマイクロチャネルに沿って流れさせるステップとを含み、ステップ(a)が、(i)各液体を複数のパルスの形態でマイクロチャネルに導入するステップと、(ii)前記複数のパルスを他の1つまたは複数の液体のパルスと交互にするステップとを含み、各液体が、マイクロチャネルの壁に入口開口を有する少なくとも1つの入口チャネルを通ってマイクロチャネルに導入され、マイクロチャネルに入る点における入口チャネルの深さが、マイクロチャネルの深さより小さいことを特徴とする方法を提供する。   According to a first aspect, the present invention is a method for mixing at least two liquids in a microchannel, comprising: (a) introducing each liquid into the microchannel; and (b) each liquid along the microchannel. And (ii) introducing each liquid into the microchannel in the form of a plurality of pulses; and (ii) one or more other liquids. Each liquid is introduced into the microchannel through at least one inlet channel having an inlet opening in the wall of the microchannel, and the depth of the inlet channel at the point of entry into the microchannel is A method characterized by being smaller than the depth of the microchannel.

疑念のないように、「液体」という用語は、溶液および懸濁液を含むように認識されるべきである。   As no doubt, the term “liquid” should be recognized to include solutions and suspensions.

パルスは、各液体がマイクロチャネルに導入されるレート(rate)を繰り返して増大または減少させることによって形成することが可能である。パルスは、マイクロチャネルへの各液体のフローを繰り返して停止または開始させることによって形成することが可能である。たとえば、パルスは、バルブを繰り返して開閉することによって形成することが可能である。代替として、パルスは、制御可能なポンプによって、各液体の導入を調整することによって形成することが可能である。パルスの形成は、混合する成分のいずれかについて、マイクロチャネルへの液体フローを完全に停止することを含む必要はない。   The pulses can be formed by repeatedly increasing or decreasing the rate at which each liquid is introduced into the microchannel. The pulse can be formed by repeatedly stopping or starting the flow of each liquid into the microchannel. For example, a pulse can be formed by repeatedly opening and closing a valve. Alternatively, the pulses can be formed by adjusting the introduction of each liquid with a controllable pump. The formation of the pulse need not involve completely stopping liquid flow into the microchannel for any of the components to be mixed.

交互にすることは、複数のバルブを順次開閉することによって達成することが可能である。パルスを交互にすることによって、異なる液体を異なる時間に導入することが可能である。たとえば、1つのバルブが開いており、同時に他の1つまたは複数のバルブが閉じていることを保証することによって、液体の1つのみを所与の時間に導入することが可能である。   Alternation can be achieved by sequentially opening and closing a plurality of valves. By alternating the pulses, different liquids can be introduced at different times. For example, it is possible to introduce only one of the liquids at a given time by ensuring that one valve is open and at the same time one or more other valves are closed.

パルスを交互にすることにより、液体は、マイクロチャネルにおいてより効率的に混合される。技術が効率的であることは、高圧と複雑な構造とを利用することが必要ではないことを意味する。この混合が改善される理由は、マイクロチャネルの長さに沿った異なる液体間で、マイクロチャネルの長さに垂直な、ある程度の空間分離のためである。他の要因は、マイクロチャネルの幅にわたる非一様なフロープロファイルであり、フローは、マイクロチャネルの中心で最速である。これらの2つの要因の組合せにより、隣接パルスがチャネルに沿って進む際に、隣接パルス間の境界領域が増大し、境界領域が増大する際に、薄化によってパルス間の混合に必要な平均拡散経路が低減される。   By alternating pulses, the liquid is mixed more efficiently in the microchannel. The efficiency of the technology means that it is not necessary to utilize high pressures and complex structures. The reason for this improved mixing is due to some degree of spatial separation between different liquids along the length of the microchannel, perpendicular to the length of the microchannel. Another factor is the non-uniform flow profile across the width of the microchannel, where the flow is fastest at the center of the microchannel. The combination of these two factors increases the boundary area between adjacent pulses as adjacent pulses travel along the channel, and the average diffusion required for mixing between pulses due to thinning as the boundary area increases. The path is reduced.

対照的に、従来の技術の方法は、しばしば、異なる液体をマイクロチャネルの幅の両端に空間的に分離する傾向がある。この場合、非一様フロープロファイルは、混合を促進しないことになる。   In contrast, prior art methods often tend to spatially separate different liquids across the width of the microchannel. In this case, the non-uniform flow profile will not promote mixing.

本発明では、マイクロチャネルの幅とは対照的に、長さに沿った空間分離により、マイクロチャネルに沿ったフローが、異なる液体を混合することを可能にすることができる。マイクロチャネルの長さに沿った成分間の空間分離は、液体が導入されるマイクロチャネルの領域において最も顕著である可能性が高いことに留意されたい。そのような空間分離は、マイクロチャネルを横断する非一様フローのために、液体がマイクロチャネルに沿って流れる際に、減少する傾向がある。   In the present invention, the spatial separation along the length, as opposed to the width of the microchannel, can allow the flow along the microchannel to mix different liquids. Note that the spatial separation between components along the length of the microchannel is likely to be most noticeable in the region of the microchannel where the liquid is introduced. Such spatial separation tends to decrease as liquid flows along the microchannel due to non-uniform flow across the microchannel.

各パルスは、マイクロチャネルの対向側面と接触するように、マイクロチャネルに導入することが可能である。   Each pulse can be introduced into the microchannel such that it contacts the opposite side of the microchannel.

バルブのいずれか1つが開かれ、次いで閉じられる間の所要時間は、5秒未満とすることが可能である。バルブのいずれか1つが閉じられ、次いで開かれる間の所要時間は、0.1秒未満とすることが可能である。1つのバルブを開き、他のバルブを閉じる間に、遅延が導入される可能性があり、そのような遅延は、0.1秒未満とすることが可能である。   The time required between any one of the valves being opened and then closed can be less than 5 seconds. The time required between closing and then opening any one of the valves can be less than 0.1 seconds. A delay may be introduced while opening one valve and closing the other, and such a delay may be less than 0.1 seconds.

各液体は、他の液体とマイクロチャネルにおけるほぼ同じ位置で、マイクロチャネルに導入することが可能である。   Each liquid can be introduced into the microchannel at approximately the same position in the microchannel as the other liquid.

液体のそれぞれは、幅wのマイクロチャネルの部分に導入することが可能である。その部分は、マイクロチャネルにおける液体のフローの方向に沿って測定して、5w未満の長さを有することが好ましい。より好ましくは、液体のそれぞれは、2w未満の長さを有するマイクロチャネルの部分に導入することが可能である。   Each of the liquids can be introduced into a portion of the microchannel having a width w. The portion preferably has a length of less than 5 w as measured along the direction of liquid flow in the microchannel. More preferably, each of the liquids can be introduced into a portion of the microchannel having a length of less than 2w.

ステップ(a)は、液体のそれぞれのフローが、マイクロチャネルに入る際に、マイクロチャネルの長さに対してほぼ垂直であるように実施されることが有利である。   Step (a) is advantageously performed such that each flow of liquid is substantially perpendicular to the length of the microchannel as it enters the microchannel.

マイクロチャネルは、基板に取り付ける、または基板に形成することが可能である。本明細書の目的では、「マイクロチャネルの深さ」という用語は、基板の面にほぼ垂直なマイクロチャネルの断面の寸法として確定されるべきである。「入口チャネルの深さ」という用語は、入口チャネルがマイクロチャネルに入る点における、基板の面にほぼ垂直な入口チャネルの断面の寸法として確定されるべきである。   The microchannel can be attached to or formed on the substrate. For the purposes of this specification, the term “microchannel depth” should be defined as the cross-sectional dimension of the microchannel approximately perpendicular to the plane of the substrate. The term “entrance channel depth” should be defined as the cross-sectional dimension of the inlet channel approximately perpendicular to the plane of the substrate at the point where the inlet channel enters the microchannel.

当該入口チャネルまたは少なくとも1つの入口チャネルの深さは、マイクロチャネルの深さの2分の1未満とすることが可能である。   The depth of the inlet channel or at least one inlet channel can be less than half the depth of the microchannel.

当該入口チャネルまたは少なくとも1つの入口チャネルの深さは、マイクロチャネルの深さの10分の1未満とすることが可能である。   The depth of the inlet channel or at least one inlet channel can be less than one tenth of the depth of the microchannel.

当該入口チャネルまたは少なくとも1つの入口チャネルの断面積は、マイクロチャネルの断面積より小さくすることが可能である。   The cross-sectional area of the inlet channel or at least one inlet channel can be smaller than the cross-sectional area of the microchannel.

当該入口チャネルまたは少なくとも1つの入口チャネルの断面積は、マイクロチャネルの断面積の2分の1未満とすることが可能である。   The cross-sectional area of the inlet channel or at least one inlet channel can be less than one half of the cross-sectional area of the microchannel.

当該入口チャネルまたは少なくとも1つの入口チャネルの断面積は、マイクロチャネルの断面積の10分の1未満とすることが可能である。   The cross-sectional area of the inlet channel or the at least one inlet channel can be less than one tenth of the cross-sectional area of the microchannel.

マイクロチャネルの体積は、20μl未満であることが好ましい。マイクロチャネルの体積は、5μl未満であることがより好ましい。   The volume of the microchannel is preferably less than 20 μl. More preferably, the volume of the microchannel is less than 5 μl.

ステップ(a)は、1つの液体のパルスの少なくとも1つが、マイクロチャネルに入る際に、他の液体のパルスと接触するように実施されることが有利である。   Step (a) is advantageously performed such that at least one of the pulses of one liquid comes into contact with the other liquid pulses when entering the microchannel.

各液体が導入される位置、圧力、および時間は、当該流体間または少なくとも2つの液体の相互作用の結果として、渦がマイクロチャネルに確立されるようにすることが可能である。   The location, pressure, and time at which each liquid is introduced can cause a vortex to be established in the microchannel as a result of the fluid or the interaction of at least two liquids.

液体をマイクロチャネルに導入することによる渦の形成は、液体を共に混合するのに役立つ可能性がある。   The formation of vortices by introducing liquid into the microchannel can help to mix the liquid together.

マイクロチャネルは、100μm未満の少なくとも1つの断面寸法を有することが可能である。マイクロチャネルは、10,000μm未満の断面積を有することが可能である。 The microchannel can have at least one cross-sectional dimension of less than 100 μm. The microchannel can have a cross-sectional area of less than 10,000 μm 2 .

当該流体または液体の少なくとも2つをマイクロチャネルに導入することは、液体が導入される領域から離れているマイクロチャネルの端部における液体のフローが、100秒より長い期間、ほぼ連続的であるように実施することが可能である。   Introducing at least two of the fluids or liquids into the microchannel is such that the flow of liquid at the end of the microchannel away from the region where the liquid is introduced is substantially continuous for a period longer than 100 seconds. Can be implemented.

多くの合成および分析の技術は、反応物または生成物の比較的一定なフローを必要とし、これは、本発明によって満たすことが可能である基準である。たとえば、液体を導入するバルブを連続動作することにより、マイクロチャネルから連続的に出力することが可能になる。   Many synthesis and analysis techniques require a relatively constant flow of reactants or products, which is a criterion that can be met by the present invention. For example, by continuously operating a valve for introducing a liquid, it is possible to continuously output from the microchannel.

結果的な混合物の組成は、パルスの相対持続時間を変化させることによって、変更することが可能である。たとえば、第1液体を第2液体と混合する場合、第1液体の割合は、第1液体のパルス長を第2液体のパルス長に対して長くすることによって、増大することができる。   The composition of the resulting mixture can be altered by changing the relative duration of the pulses. For example, when mixing the first liquid with the second liquid, the proportion of the first liquid can be increased by increasing the pulse length of the first liquid relative to the pulse length of the second liquid.

再び、これは、所与の混合物について、反応物の割合を変更することを必要とする多くの合成および分析の応用に関して、重要な特徴である。   Again, this is an important feature for many synthetic and analytical applications that require changing the proportion of reactants for a given mixture.

2つの流体を混合する場合、たとえば、10:1、100:1、および1000:1という高い混合比率が達成されることができる。   When mixing two fluids, for example, high mixing ratios of 10: 1, 100: 1, and 1000: 1 can be achieved.

パルスの形成および交互は、1つの液体のみが任意の所与の時間にマイクロチャネルに導入されるように実施されることが好ましい。パルスの形および交互は、マイクロチャネルに導入されている液体を繰り返して変更するように実施されることがより好ましい。   Pulse formation and alternation is preferably performed such that only one liquid is introduced into the microchannel at any given time. More preferably, the pulse shape and alternation are implemented to repeatedly change the liquid introduced into the microchannel.

該方法は、電子構成要素を使用して、各パルスの持続時間を制御する他のステップを含むことが有利である。電子構成要素は、コンピュータを備えることがより好ましい。   The method advantageously includes other steps of using electronic components to control the duration of each pulse. More preferably, the electronic component comprises a computer.

マイクロチャネルの寸法と、液体がマイクロチャネルに導入されるレートとは、マイクロチャネルを通る液体のフローが、マイクロチャネルの幅にわたって非一様であるようにすることが有利である。マイクロチャネルを流れる液体のフローは、ほぼ放物線状であることがより有利である。すなわち、断面の少なくとも1つの線にわたる速度分布は、ほぼ放物線状である。この放物線フローにより、パルスがマイクロチャネルに沿って流れる際に、混合される異なる成分間の相互作用がより大きくなり、相互作用の面積が大きくなり、空間分離が小さくなり、したがって混合を実施するために拡散に必要な距離が短縮される、と考えられる。   The dimensions of the microchannel and the rate at which liquid is introduced into the microchannel are advantageously such that the flow of liquid through the microchannel is non-uniform across the width of the microchannel. More advantageously, the flow of liquid through the microchannel is approximately parabolic. That is, the velocity distribution over at least one line of the cross section is substantially parabolic. Because of this parabolic flow, as the pulse flows along the microchannel, the interaction between the different components being mixed is greater, the area of interaction is larger, the spatial separation is smaller, and therefore the mixing is performed. It is thought that the distance required for diffusion is shortened.

マイクロチャネルを流れる液体のそれぞれのフローは、液体のそれぞれをマイクロチャネルに導入することによってのみ生じることが好ましい。すなわち、マイクロチャネルを流れる液体のそれぞれのフローは、気体をマイクロチャネルに導入することによっては生じない。気体は、気体と液体の接触がマイクロチャネルの内部では起きないことを条件として、混合される液体に圧力を加えるために使用することが可能である。代替として、フローは、微小流体ポンプまたは界面動電現象によって誘発することが可能である。   Each flow of liquid flowing through the microchannel preferably occurs only by introducing each of the liquid into the microchannel. That is, each flow of liquid flowing through the microchannel does not occur by introducing gas into the microchannel. The gas can be used to apply pressure to the liquid to be mixed, provided that no gas-liquid contact occurs inside the microchannel. Alternatively, the flow can be induced by a microfluidic pump or electrokinetic phenomenon.

ステップ(b)は、マイクロチャネルにおいて液体の少なくともいくつかを動電学的にポンピングするステップを含むことが可能である。ステップ(b)は、放物線フローが誘発されるように、マイクロチャネルにおいて少なくともいくつかの液体を動電学的にポンピングするステップを含むことが可能である。   Step (b) can include electrokinetically pumping at least some of the liquid in the microchannel. Step (b) may comprise electrokinetically pumping at least some liquid in the microchannel so that a parabolic flow is induced.

マイクロチャネルにおいて気体を使用せずに、マイクロチャネルを流れる液体のそれぞれのフローは、気体が液体に溶解することによって、または気泡を形成することによって、汚染される危険性を最小限に抑えられる。   Without the use of gas in the microchannel, each flow of liquid flowing through the microchannel minimizes the risk of contamination by dissolving the gas in the liquid or forming bubbles.

ステップ(a)は、動電ポンプによって、各液体をマイクロチャネルに導入するステップを含むことが有利である。   Step (a) advantageously includes the step of introducing each liquid into the microchannel by means of an electrokinetic pump.

ステップ(a)は、各パルスが、各パルスが通って導入された入口チャネルとほぼ対向するマイクロチャネル壁の部分と接触するように実施されることが好ましい。   Step (a) is preferably performed such that each pulse contacts a portion of the microchannel wall generally opposite the inlet channel through which each pulse was introduced.

ステップ(a)をこのように実施することによって、入口チャネルの領域と接触し、かつ入口チャネルに対向するマイクロチャネル壁の領域と接触するパルスを形成することが可能である。対向接触点におけるパルスのチャネルに沿ったフローは、対向接触点を結合する線に沿った点におけるチャネルに沿ったフローに対して抑制される。パルスの中点とパルスの端部との流量の差は、混合プロセスにとって有益であると考えられる。   By performing step (a) in this way, it is possible to form a pulse in contact with the region of the inlet channel and with the region of the microchannel wall opposite the inlet channel. The flow along the channel of the pulse at the opposing contact point is constrained relative to the flow along the channel at a point along the line joining the opposing contact points. The difference in flow rate between the midpoint of the pulse and the end of the pulse is considered beneficial for the mixing process.

ステップ(a)は、前記接触点間の線が、マイクロチャネルを流れる流体フローの方向にほぼ垂直であるように、各パルスが、前記マイクロチャネルの2点を接触させるステップを含むことが可能である。   Step (a) can include each pulse contacting two points of the microchannel such that the line between the contact points is substantially perpendicular to the direction of fluid flow through the microchannel. is there.

各パルスは、少なくとも2つの入口チャネルを通って導入されることが有利である。各パルスが通って導入される2つの入口チャネルまたは入口チャネルの2つは、互いにほぼ対向して配置されることがより有利である。   Each pulse is advantageously introduced through at least two inlet channels. More advantageously, the two inlet channels or two of the inlet channels through which each pulse is introduced are arranged substantially opposite each other.

2つ以上の入口チャネルからの液体は、各パルスを形成するように、共にマイクロチャネルを流れる。2つ以上の入口チャネルを流れる液体のフローによって各パルスを形成することにより、各パルスは、パルスが通って導入され、かつ互いに間隔をおいて位置する入口チャネルの領域の点において、マイクロチャネルと接触することが可能になる。各パルスのフローは、接触点において抑制され、混合プロセスを補助する。   Liquids from two or more inlet channels flow through the microchannel together to form each pulse. By forming each pulse with a flow of liquid flowing through two or more inlet channels, each pulse is introduced into the microchannel at the point of the region of the inlet channel through which the pulses are introduced and spaced from each other. It becomes possible to contact. The flow of each pulse is constrained at the point of contact to assist the mixing process.

ステップ(b)は、疎水性膜によって、マイクロチャネルの液体に気体圧力を加えるステップを含むことが可能である。   Step (b) can include applying gas pressure to the liquid in the microchannel with a hydrophobic membrane.

第2態様によれば、本発明は、マイクロチャネルと、少なくとも2つの液体を、マイクロチャネルの壁に入口開口を有する少なくとも1つの入口チャネルを通してマイクロチャネルに導入する液体導入手段とを備えるマイクロチャネル装置であって、液体導入手段が、各液体を複数のパルスの形態でマイクロチャネルに導入し、かつ各液体のパルスを他の液体のパルスと交互にするパルス手段を備え、マイクロチャネルに入る点における各前記入口チャネルの深さが、マイクロチャネルの深さより小さいことを特徴とするマイクロチャネル装置を提供する。   According to a second aspect, the present invention provides a microchannel apparatus comprising a microchannel and a liquid introducing means for introducing at least two liquids into the microchannel through at least one inlet channel having an inlet opening in the wall of the microchannel. Wherein the liquid introduction means comprises pulse means for introducing each liquid into the microchannel in the form of a plurality of pulses and alternating the pulses of each liquid with the pulses of the other liquid at a point entering the microchannel. A microchannel device is provided wherein the depth of each inlet channel is less than the depth of the microchannel.

当該入口チャネルまたは各入口チャネルは、マイクロチャネルにほぼ垂直であることが可能である。   The inlet channel or each inlet channel can be substantially perpendicular to the microchannel.

液体導入手段は、液体の1つに関連付けられたバルブを備えることが可能である。バルブと、マイクロチャネルと、液体とは、バルブを開け、次いで閉じることにより、液体のパルスがマイクロチャネルの中に放出されるように構成される。   The liquid introduction means may comprise a valve associated with one of the liquids. The valve, microchannel, and liquid are configured such that a liquid pulse is released into the microchannel by opening and then closing the valve.

液体導入手段は、複数のバルブを備えることが好ましい。制御手段は、前記複数のバルブのそれぞれを順次開閉する手段を備えることがより好ましい。制御手段は、他の1つまたは複数のバルブが閉じていることを保証するために、任意の所与の時間に1つのバルブのみを開く手段を備えることがさらにより好ましい。制御手段は、前記複数のバルブのどれを任意の所与の時間に開くかを繰り返して変更する手段を備えることがさらによりいっそう好ましい。   The liquid introduction means preferably includes a plurality of valves. More preferably, the control means includes means for sequentially opening and closing each of the plurality of valves. Even more preferably, the control means comprises means for opening only one valve at any given time to ensure that the other valve or valves are closed. Even more preferably, the control means comprises means for repeatedly changing which of the plurality of valves is opened at any given time.

制御手段は、マイクロチャネルへの液体のフローを繰り返して停止および開始させることによって、前記複数のパルスを形成する手段を備えることが可能である。   The control means may comprise means for forming the plurality of pulses by repeatedly stopping and starting the flow of liquid into the microchannel.

液体導入手段は、液体の1つに関連付けられた動電ポンプを備えることが可能である。動電ポンプと、マイクロチャネルと、液体とは、動電ポンプの作動により、液体のパルスがマイクロチャネルの中に放出されるように構成される。動電ポンプは、非一様速度プロファイルがマイクロチャネルを横断して生成されるように、構成および作動させることが可能である。動電ポンプは、放物線状の速度プロファイルがマイクロチャネルを横断して生成されるように、構成および作動させることが可能である。   The liquid introduction means can comprise an electrokinetic pump associated with one of the liquids. The electrokinetic pump, the microchannel, and the liquid are configured such that a liquid pulse is released into the microchannel upon actuation of the electrokinetic pump. The electrokinetic pump can be configured and operated such that a non-uniform velocity profile is generated across the microchannel. The electrokinetic pump can be configured and operated such that a parabolic velocity profile is generated across the microchannel.

液体導入手段は、複数の動電ポンプを備えることが好ましい。制御手段は、前記動電ポンプを順次作動および停止する手段を備えることがより好ましい。制御手段は、他の1つまたは複数の動電ポンプが停止していることを保証するために、任意の所与の時間に1つの動電ポンプのみを作動させる手段を備えることがさらにより好ましい。制御手段は、前記複数の動電ポンプのどれを任意の所与の時間に作動させるかを繰り返して変更する手段を備えることがさらによりいっそう好ましい。   The liquid introduction means preferably includes a plurality of electrodynamic pumps. More preferably, the control means includes means for sequentially operating and stopping the electrodynamic pump. Even more preferably, the control means comprises means for activating only one electrokinetic pump at any given time to ensure that the other one or more electrokinetic pumps are stopped. . Even more preferably, the control means comprises means for repeatedly changing which of the plurality of electrodynamic pumps is activated at any given time.

各液体を複数のパルスの形態でマイクロチャネルに導入する手段は、各パルスが、マイクロチャネルの対向側面と接触するような構成を有することが可能である。   The means for introducing each liquid into the microchannel in the form of a plurality of pulses can have a configuration such that each pulse contacts the opposite side of the microchannel.

各バルブは、入口チャネルによって、マイクロチャネルに接続することが可能である。   Each valve can be connected to a microchannel by an inlet channel.

各前記入口開口は、10mm未満の長さを有するマイクロチャネルの部分の内部に形成することが可能であることが好ましい。前記入口開口または各入口開口は、5mm未満の長さを有するマイクロチャネルの部分の内部に形成することが可能であることがより好ましい。   Each said inlet opening can preferably be formed inside a part of the microchannel having a length of less than 10 mm. More preferably, the inlet opening or each inlet opening can be formed inside a portion of a microchannel having a length of less than 5 mm.

パルス手段は、マイクロチャネルへの液体のそれぞれのフローが、マイクロチャネルの長さにほぼ垂直であるように構築されることが有利である。   The pulsing means is advantageously constructed such that each flow of liquid into the microchannel is approximately perpendicular to the length of the microchannel.

マイクロチャネルに入る位置の入口チャネルまたは各入口チャネルの深さは、マイクロチャネルの深さの2分の1未満とすることが可能である。   The depth of the inlet channel or each inlet channel at the location entering the microchannel can be less than half the depth of the microchannel.

マイクロチャネルに入る位置の入口チャネルまたは各入口チャネルの深さは、マイクロチャネルの深さの10分の1未満とすることが可能である。   The depth of the inlet channel or each inlet channel at the location that enters the microchannel can be less than one tenth of the depth of the microchannel.

入口チャネルまたは各入口チャネルの断面積は、マイクロチャネルの断面積より小さくすることが可能である。   The cross-sectional area of the inlet channel or each inlet channel can be smaller than the cross-sectional area of the microchannel.

入口チャネルまたは各入口チャネルの断面積は、マイクロチャネルの断面積の2分の1未満とすることが可能である。   The cross-sectional area of the inlet channel or each inlet channel can be less than half the cross-sectional area of the microchannel.

入口チャネルまたは各入口チャネルの断面積は、マイクロチャネルの断面積の10分の1未満とすることが可能である。   The cross-sectional area of the inlet channel or each inlet channel can be less than one tenth of the cross-sectional area of the microchannel.

各バルブに関連付けられた当該液体の少なくとも一部は、液体がリザーバからバルブに流れ込むことが可能であるように、リザーバに含まれることが可能である。   At least a portion of the liquid associated with each valve can be contained in the reservoir so that liquid can flow from the reservoir to the valve.

マイクロチャネルは、500μmと100nmの間の最小断面寸法を有することが好ましい。マイクロチャネルは、100μmと1μmの間の最小断面寸法を有することがより好ましい。   The microchannel preferably has a minimum cross-sectional dimension between 500 μm and 100 nm. More preferably, the microchannel has a minimum cross-sectional dimension between 100 μm and 1 μm.

マイクロチャネルは、少なくとも2つのサブチャネルを備え、各サブチャネルは、マイクロチャネルにほぼ平行であり、各サブチャネルの断面積は、マイクロチャネルの断面積より小さく、各サブチャネルは、マイクロチャネルの内部に配置することが可能である。   The microchannel comprises at least two subchannels, each subchannel being substantially parallel to the microchannel, the cross-sectional area of each subchannel being smaller than the cross-sectional area of the microchannel, each subchannel being an interior of the microchannel It is possible to arrange in

各サブチャネルが、十分に長い放物線状であることを条件として、各サブチャネルにおいてフローを確立することが可能である。各サブチャネルにおいて放物線状のフローを確立することは、混合プロセスを補助する。   It is possible to establish a flow in each subchannel, provided that each subchannel is sufficiently long parabolic. Establishing a parabolic flow in each subchannel aids the mixing process.

制御手段は、液体の1つのみを、任意の所与の時間にマイクロチャネルに導入することを可能にする手段を備えることが有利である。制御手段は、液体のどれをマイクロチャネルに導入するかを繰り返して変更する手段を備えることがより有利である。   Advantageously, the control means comprises means that allow only one of the liquids to be introduced into the microchannel at any given time. More advantageously, the control means comprises means for repeatedly changing which liquid is introduced into the microchannel.

制御手段は、電子構成要素を備えることが好ましい。制御手段は、コンピュータを備えることがより有利である。制御手段は、実時間で動作するようにプログラムされたコンピュータを備えることがさらにより有利である。   The control means preferably comprises an electronic component. More advantageously, the control means comprises a computer. Even more advantageously, the control means comprises a computer programmed to operate in real time.

液体導入手段は、各パルスが、1つの入口チャネルを通って導入され、かつ各パルスが、各パルスが通って導入された入口チャネルとほぼ対向するマイクロチャネル壁の部分と接触するような構成を有することができる。   The liquid introducing means is configured such that each pulse is introduced through one inlet channel and each pulse contacts a portion of the microchannel wall that is generally opposite the inlet channel through which each pulse is introduced. Can have.

液体導入手段は、各パルスが少なくとも2つの入口チャネルを通って導入されるような構成を有することが好ましい。流体導入手段は、各パルスが、マイクロチャネルの対向側面上に配置された2つの入口チャネルを通って導入されるような構成を有することができる。   The liquid introduction means preferably has a configuration such that each pulse is introduced through at least two inlet channels. The fluid introduction means may have a configuration such that each pulse is introduced through two inlet channels arranged on opposite sides of the microchannel.

マイクロチャネルは、一端がほぼ閉じていることが有利である。マイクロチャネルは、当該入口チャネルまたは入口チャネルの少なくとも1つにほぼ隣接するマイクロチャネルの端部が閉じていることがより好ましい。   The microchannel is advantageously closed at one end. More preferably, the microchannel is closed at the end of the microchannel substantially adjacent to the inlet channel or at least one of the inlet channels.

ここで、図2および3を参照して、単に例示として、本発明について記述する。   The present invention will now be described by way of example only with reference to FIGS.

図2は、本発明によるマイクロチャネル装置の概略図であり、21によって全体を示す。第1リザーバ22と第2リザーバ23とは、第1バルブ25および第2バルブ26とフローリストリクタ27、28、31、および32とを介して、マイクロチャネル24に接続される。第1リザーバ22は、第1液体を含み、第2リザーバ23は、第2液体を含む。この例の目的では、第1液体は、第1水溶性染料の水溶液とされ、第2液体は、第2水溶性染料の水溶液とされる。   FIG. 2 is a schematic diagram of a microchannel device according to the present invention, generally indicated by 21. The first reservoir 22 and the second reservoir 23 are connected to the microchannel 24 via the first valve 25 and the second valve 26 and the flow restrictors 27, 28, 31 and 32. The first reservoir 22 contains a first liquid, and the second reservoir 23 contains a second liquid. For the purposes of this example, the first liquid is an aqueous solution of a first water-soluble dye and the second liquid is an aqueous solution of a second water-soluble dye.

混合マクロチャネル24は、1mm×100ミクロンの断面寸法を有する。すなわち、マイクロチャネル24は、1mmの幅と100ミクロンの深さとを有する。マイクロチャネル24の全長は、19cmであり、空間を節約するように蛇行構造に構成される。マイクロチャネル24は、120Cにおいて圧力を加えることによって、ポリメチルメタクリルレート(PMMA)の2つの薄層を1つに結合することによって製作される。マイクロチャネルの構造は、マイクロミリングによってPMMA層の1つに形成される。接続導管が、埋込みマイクロチャネル構造に接続するのを可能にするように、他のPMMA層を通して形成される。金属管が、プラスチック配管を容易に接続することを可能にするように、接続導管に接着される。   The mixed macrochannel 24 has a cross-sectional dimension of 1 mm × 100 microns. That is, the microchannel 24 has a width of 1 mm and a depth of 100 microns. The total length of the microchannel 24 is 19 cm, and is configured in a serpentine structure so as to save space. The microchannel 24 is fabricated by bonding two thin layers of polymethyl methacrylate (PMMA) together by applying pressure at 120C. A microchannel structure is formed in one of the PMMA layers by micromilling. A connecting conduit is formed through another PMMA layer to allow connection to the buried microchannel structure. A metal tube is glued to the connecting conduit to allow easy connection of plastic piping.

40kPaの圧力が、圧縮空気によって第1液体と第2液体とに加えられる。マクロチャネル24への第1液体と第2液体の入力は、2つのバルブ25と26とによって制御される。したがって、気体の圧力は、第1液体と第2液体をマイクロチャネル24の導入するために使用されるが、気体の圧力自体は、マイクロチャネル24には入らない。   A pressure of 40 kPa is applied to the first liquid and the second liquid by compressed air. The input of the first liquid and the second liquid to the macro channel 24 is controlled by two valves 25 and 26. Thus, the gas pressure is used to introduce the first and second liquids into the microchannel 24, but the gas pressure itself does not enter the microchannel 24.

第1バルブ25と第2バルブ26とは、第1バルブ25と第2バルブ26とが開いているか、または閉じているかを制御する制御手段(図2には図示せず)に接続される。制御手段は、第1バルブ25と第2バルブ26の一方のみが、任意の所与の時間に開いているように、プログラムすることが可能である。制御手段は、また、第1溶液と第2溶液の交代パルスがマイクロチャネル24の中に放出されるように、2つのバルブ25、26のどちらが開いているかを変更することも可能である。このようにして、第1液体と第2液体の導入は、交互になり、その結果、第1液体は、第2液体と同時には導入されない。   The first valve 25 and the second valve 26 are connected to control means (not shown in FIG. 2) for controlling whether the first valve 25 and the second valve 26 are open or closed. The control means can be programmed so that only one of the first valve 25 and the second valve 26 is open at any given time. The control means can also change which of the two valves 25, 26 is open so that alternating pulses of the first solution and the second solution are released into the microchannel 24. In this way, the introduction of the first liquid and the second liquid alternates so that the first liquid is not introduced at the same time as the second liquid.

第1液体または第2液体の各パルスの持続時間は、約0.8秒である。1秒当たり1.2のパルスが、マイクロチャネル24に放出される。パルスを交互にすることによって、マイクロチャネル24の長さに沿って、第1液体と第2液体の間に、ある程度の空間分離が生じる。この空間分離は、2つの液体が導入されるマイクロチャネル24の領域において最大である。2つの液体は、マイクロチャネル24に沿って移動する際に、混合される。   The duration of each pulse of the first liquid or the second liquid is about 0.8 seconds. 1.2 pulses per second are emitted into the microchannel 24. By alternating the pulses, some spatial separation occurs between the first liquid and the second liquid along the length of the microchannel 24. This spatial separation is greatest in the region of the microchannel 24 where the two liquids are introduced. The two liquids are mixed as they move along the microchannel 24.

バルブ25と26とは、市販のソレノイドバルブである。各バルブ25および26は、閉じるときに、流体を変位させ、ポンピング作用を実施する。ポンピング作用は、フローリストリクタ27、28、31、および32を、各バルブの両側面に配置することによって最小限に抑えることができる。各フローリストリクタは、5mmの長さと、40ミクロンの深さと、100ミクロンの幅とを有する。   Valves 25 and 26 are commercially available solenoid valves. Each valve 25 and 26, when closed, displaces the fluid and performs the pumping action. The pumping action can be minimized by placing the flow restrictors 27, 28, 31, and 32 on both sides of each valve. Each flow restrictor has a length of 5 mm, a depth of 40 microns, and a width of 100 microns.

フローリストリクタ27、28、31、および32を各バルブの両側面に配置することによって、マイクロチャネルの液体フローが第1バルブ25と第2バルブ26とを閉じる動作の影響が、最小限に抑えられる。第1バルブ25と第2バルブ26とを閉じることにより、バルブ25、26の領域の圧力が増大する傾向がある。フローリストリクタの構成により、マイクロチャネルは、ソレノイドバルブ25、26のポンピングの影響から保護されることになる。   By arranging the flow restrictors 27, 28, 31, and 32 on both sides of each valve, the influence of the operation of closing the first valve 25 and the second valve 26 by the liquid flow in the microchannel is minimized. . By closing the first valve 25 and the second valve 26, the pressure in the region of the valves 25, 26 tends to increase. The flow restrictor configuration protects the microchannel from the effects of pumping of the solenoid valves 25,26.

本発明の図2の実施形態では、フローリストリクタ27および28は、入口チャネルを形成し、それによって、第1液体と第2液体とは、マイクロチャネル導入される。すなわち、入口チャネルの寸法は、図2の実施形態では、40ミクロン(深さ)、100ミクロン(幅)、および5mm(長さ)である。   In the embodiment of FIG. 2 of the present invention, the flow restrictors 27 and 28 form an inlet channel, whereby the first and second liquids are introduced into the microchannel. That is, the dimensions of the inlet channel are 40 microns (depth), 100 microns (width), and 5 mm (length) in the embodiment of FIG.

第1液体と第2液体の混合物が、マイクロチャネル24に送達された後、マイクロチャネル24に含まれている液体を、流体に気体圧力を加えることによって送達することが可能である。圧力は、ガスライン30を介して加えられ、10kPaの圧力であることが好都合である。ガスラインは、気体の通過は可能であるが、液体を基にした水溶液の通過は可能にしない疎水性膜29を介して接続される。したがって、液体が、バルブ25と26とを介してマイクロチャネル24に送達されたとき、フローは、疎水性膜29によって停止される。このようにして、マイクロチャネル24に沿った液体の送達も、混合動作を生じる。   After the mixture of the first liquid and the second liquid is delivered to the microchannel 24, the liquid contained in the microchannel 24 can be delivered by applying gas pressure to the fluid. The pressure is applied via the gas line 30 and is advantageously a pressure of 10 kPa. The gas line is connected via a hydrophobic membrane 29 that allows gas to pass but does not allow liquid based aqueous solutions to pass through. Thus, when liquid is delivered to the microchannel 24 via valves 25 and 26, the flow is stopped by the hydrophobic membrane 29. In this way, delivery of liquid along the microchannel 24 also results in a mixing operation.

他の実施形態では、図には示していないが、本発明によるマイクロチャネル装置は、図2の装置と同一の構造を有することが可能であるが、200ミクロンのマイクロチャネル深さを有する点が異なる。   In other embodiments, although not shown in the figure, the microchannel device according to the present invention can have the same structure as the device of FIG. 2, but has a microchannel depth of 200 microns. Different.

図3は、マイクロチャネル32と入口チャネル35、36とを備えるマイクロチャネル装置であり、31によって全体を示す。マイクロチャネルは、バッフル34によって形成された3つのサブチャネル33を備える。液体は、マイクロチャネル31の長さを下方に流れて、混合される。サブチャネルが十分に長い場合、サブチャネルを流れる放物線状のフローが生じることができる。したがって、バッフル34が存在することにより、バッフル34がない場合と比較して、液体間の混合相互作用が増大する。   FIG. 3 is a microchannel device comprising a microchannel 32 and inlet channels 35, 36, indicated generally by 31. The microchannel comprises three subchannels 33 formed by baffles 34. The liquid flows down the length of the microchannel 31 and is mixed. If the subchannel is long enough, a parabolic flow through the subchannel can occur. Thus, the presence of the baffle 34 increases the mixing interaction between the liquids as compared to the case without the baffle 34.

図4は、第1入口チャネル42、43と第2入口チャネル44、45とを有する、マイクロチャネル装置であり、41によって全体を示す。入口チャネル42、43、44、および45は、マイクロチャネル46の壁に、入口開口42a、43a、44a、および45aを形成する。第1液体が、第1入口チャネル42および43を通って導入され、第2液体が、第2入口チャネル44および45を通って導入される。第1液体と第2液体とは、複数のパルスの形態で導入される。第1液体の各パルスは、第1入口チャネル42、43の両方を流れる液体のほぼ同時のフローによって形成される。第2液体の各パルスは、第2入口チャネル44、45の両方を流れる液体のほぼ同時のフローによって形成される。2つの第1入口チャネル42、43は、マイクロチャネルの対向側面上に構成され、2つの第2入口チャネル44、45も、互いに関してマイクロチャネルの対向側面上に構成される。この入口チャネル42、43、44、および45の構成により、2つの液体がマイクロチャネルに沿って流れる際に、2つの液体のより大きな相互作用が起きる。図5は、本発明による他のマイクロチャネル装置の概略図であり、51によって全体を示す。マイクロチャネル装置は、図3に示したものと同一であるが、サブチャネルを備えない点が異なる。マイクロチャネル52の断面寸法は、1mm(幅)×200ミクロン(深さ)である。入口チャネル53は、100ミクロン(幅)×40ミクロン(深さ)の断面寸法を有する。入口チャネル53は、マイクロチャネル52に垂直であるように構成され、入口チャネル53に隣接するマイクロチャネル52の端部は、閉じられる。図5のマイクロチャネル52の壁は、透明な材料から構築される。   FIG. 4 is a microchannel device having first inlet channels 42, 43 and second inlet channels 44, 45, indicated generally by 41. Inlet channels 42, 43, 44 and 45 form inlet openings 42 a, 43 a, 44 a and 45 a in the walls of microchannel 46. A first liquid is introduced through the first inlet channels 42 and 43 and a second liquid is introduced through the second inlet channels 44 and 45. The first liquid and the second liquid are introduced in the form of a plurality of pulses. Each pulse of the first liquid is formed by a substantially simultaneous flow of liquid flowing through both first inlet channels 42, 43. Each pulse of the second liquid is formed by a substantially simultaneous flow of liquid flowing through both the second inlet channels 44, 45. Two first inlet channels 42, 43 are configured on opposite sides of the microchannel, and two second inlet channels 44, 45 are also configured on opposite sides of the microchannel with respect to each other. This configuration of inlet channels 42, 43, 44, and 45 causes a greater interaction of the two liquids as they flow along the microchannel. FIG. 5 is a schematic diagram of another microchannel device according to the present invention, indicated generally by 51. The microchannel device is the same as that shown in FIG. 3 except that it does not include a subchannel. The cross-sectional dimension of the microchannel 52 is 1 mm (width) × 200 microns (depth). The inlet channel 53 has a cross-sectional dimension of 100 microns (width) x 40 microns (depth). The inlet channel 53 is configured to be perpendicular to the microchannel 52 and the end of the microchannel 52 adjacent to the inlet channel 53 is closed. The walls of the microchannel 52 of FIG. 5 are constructed from a transparent material.

図6は、図5の装置を使用して実施された実験の結果を示す。水と赤色染料の水溶液とのパルスが、本発明による方法によって図5のマイクロチャネルに導入される。図6のプロットは、マイクロチャネルに沿った距離に対する、マイクロチャネルにおける赤色染料のチャネルの中心での濃度を示す。マイクロチャネルにおける赤色染料の濃度は、チャネルにおける液体による光の吸収を測定することによって決定される。濃度は、Beer Lambert(ベール−ランバート)の法則によって決定される。図6は、本発明の方法および装置の混合の有効性を示す。   FIG. 6 shows the results of an experiment performed using the apparatus of FIG. A pulse of water and an aqueous solution of a red dye is introduced into the microchannel of FIG. 5 by the method according to the invention. The plot in FIG. 6 shows the concentration at the center of the channel of the red dye in the microchannel against the distance along the microchannel. The concentration of red dye in the microchannel is determined by measuring the absorption of light by the liquid in the channel. The concentration is determined by the Beer Lambert law. FIG. 6 illustrates the effectiveness of the mixing of the method and apparatus of the present invention.

CFD(Flume CAD(RTM)(コンベンタ))を使用して、本発明による方法によって2つの液体の混合を調査した。2D計算の結果を図7(a)に示す。図7(a)は、入口チャネル71の1つを通したパルスの注入を示す。図7(a)の結果からわかるように、パルスは、マイクロチャネル72の対向壁に到達しない。   The mixing of the two liquids was investigated by the method according to the invention using CFD (Flume CAD (RTM) (Conventor)). The result of the 2D calculation is shown in FIG. FIG. 7 (a) shows the injection of a pulse through one of the inlet channels 71. As can be seen from the result of FIG. 7A, the pulse does not reach the opposing wall of the microchannel 72.

図7(b)は、図7(a)と同じマイクロチャネル装置に関する結果を示す。しかし、図7(b)の計算は、3Dシミュレーションについて実施された。図7(a)と7(b)の結果が違うのは、図7(b)の計算は、入口チャネル71とマイクロチャネル72の深さの差を考慮に入れているからである。図7(a)の結果は、2D計算についてなので、注入チャネルの深さは、これらの結果では、マイクロチャネルの深さと事実上同じものとして扱われる。したがって、図7の結果は、入口チャネルのそれぞれの深さは、マイクロチャネルの深さより小さくあるべきであることが有利であることを示す。   FIG. 7 (b) shows the results for the same microchannel device as in FIG. 7 (a). However, the calculation of FIG. 7B was performed for a 3D simulation. The difference between the results of FIGS. 7A and 7B is that the calculation of FIG. 7B takes into account the difference in depth between the inlet channel 71 and the microchannel 72. Since the results of FIG. 7 (a) are for 2D calculations, the depth of the injection channel is treated in these results as virtually the same as the depth of the microchannel. Accordingly, the results of FIG. 7 show that it is advantageous that the depth of each of the inlet channels should be less than the depth of the microchannel.

従来の技術のマイクロチャネル装置の一部の概略図である。1 is a schematic view of a part of a conventional microchannel device. 本発明によるマイクロチャネル装置の概略図である。1 is a schematic view of a microchannel device according to the present invention. 少なくとも2つのサブチャネルを備える、本発明によるマイクロチャネル装置の概略図である。1 is a schematic diagram of a microchannel device according to the present invention comprising at least two subchannels. 液体の各パルスが、2つの入口チャネルを通って導入される、本発明によるマイクロチャネル装置の概略図である。1 is a schematic view of a microchannel device according to the present invention in which each pulse of liquid is introduced through two inlet channels. FIG. 各入口チャネルが、マイクロチャネルに垂直である、本発明によるマイクロチャネル装置の概略図である。1 is a schematic view of a microchannel device according to the present invention, wherein each inlet channel is perpendicular to the microchannel. マイクロチャネルに沿った距離の関数として、2つの液体を含んでいる本発明によるマイクロチャネル装置による光の吸収を示す図である。FIG. 4 shows the absorption of light by a microchannel device according to the invention containing two liquids as a function of distance along the microchannel. 本発明による方法によって、パルスをマイクロチャネルに注入することに関するモデリングの結果を示す図である。FIG. 6 shows the modeling results for injecting pulses into a microchannel by the method according to the invention. 本発明による方法によって、パルスをマイクロチャネルに注入することに関するモデリングの結果を示す図である。FIG. 6 shows the modeling results for injecting pulses into a microchannel by the method according to the invention.

Claims (13)

幅および深さを有する管として形成されたマイクロチャネルにおいて少なくとも2つの液体を混合する方法であって、(a)各液体をマイクロチャネル(24、32、46、52、72)に導入するステップと、(b)各液体をマイクロチャネル(24、32、46、52、72)に沿って流れさせるステップとを含み、ステップ(a)が、(i)各液体を複数のパルスの形態でマイクロチャネル(24、32、46、52、72)に導入するステップと、(ii)各液体の前記複数のパルスを他の1つまたは複数の液体のパルスと交互にするステップとを含み、各液体が、マイクロチャネル(24、32、46、52、72)の壁に入口開口を有する少なくとも1つの入口チャネル(27、28、35、36、42、43、44、45、53、71)を通ってマイクロチャネル(24、32、46、52、72)に導入され、マイクロチャネル(24、32、46、52、72)に入る点における入口チャネル(27、28、35、36、42、43、44、45、53、71)の深さが、マイクロチャネル(24、32、46、52、72)の深さより小さいことを特徴とする方法。A method of mixing at least two liquids in a microchannel formed as a tube having a width and depth , comprising: (a) introducing each liquid into a microchannel (24, 32, 46, 52, 72); (B) causing each liquid to flow along the microchannel (24, 32, 46, 52, 72), wherein step (a) comprises: (i) each liquid in the form of a plurality of pulses. (24, 32, 46, 52, 72) and (ii) alternating the plurality of pulses of each liquid with pulses of one or more other liquids, , At least one inlet channel (27, 28, 35, 36, 42, 43, 44, 45, 5) having an inlet opening in the wall of the microchannel (24, 32, 46, 52, 72) 71) is introduced into the microchannel (24, 32, 46, 52, 72) and enters the microchannel (24, 32, 46, 52, 72) at the entry channel (27, 28, 35, 36). , 42, 43, 44, 45, 53, 71) is smaller than the depth of the microchannel (24, 32, 46, 52, 72). 各液体が、各液体が通って導入された入口チャネル(27、28、35、36、42、43、44、45、53、71)にほぼ対向するマイクロチャネル壁の部分と接触するように、ステップ(a)が実施される、請求項1に記載の方法。  Each liquid is in contact with the portion of the microchannel wall that generally faces the inlet channel (27, 28, 35, 36, 42, 43, 44, 45, 53, 71) through which each liquid is introduced. The method of claim 1, wherein step (a) is performed. 各液体が、マイクロチャネル(24、32、52、72)における他の液体とほぼ同じ位置でマイクロチャネル(24、32、52、72)に導入されるように、ステップ(a)が実施される、請求項1または2に記載の方法。  Step (a) is performed so that each liquid is introduced into the microchannel (24, 32, 52, 72) at approximately the same location as the other liquid in the microchannel (24, 32, 52, 72). The method according to claim 1 or 2. 液体が導入される領域から離れているマイクロチャネル(24、32、46、52、72)の端部における液体のフローが、100秒より長い期間ほぼ連続するように、ステップ(a)が実施される、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。  Step (a) is performed so that the liquid flow at the end of the microchannel (24, 32, 46, 52, 72) away from the area where the liquid is introduced is substantially continuous for a period longer than 100 seconds. The method according to any one of claims 1 to 3. 液体がマイクロチャネル(24、32、46、52、72)に導入されるレートが、マイクロチャネル(24、32、46、52、72)を流れる液体の断面の少なくとも1つの線にわたる速度分布がほぼ放物線状であるように、マイクロチャネル(24、32、46、52、72)の寸法に関して選択される、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。  The rate at which liquid is introduced into the microchannel (24, 32, 46, 52, 72) is approximately equal to the velocity distribution across at least one line of the cross-section of the liquid flowing through the microchannel (24, 32, 46, 52, 72). 5. A method according to any one of the preceding claims, wherein the method is selected with respect to the dimensions of the microchannel (24, 32, 46, 52, 72) so as to be parabolic. 幅および深さを有する管として形成されたマイクロチャネル(24、32、46、52、72)と、マイクロチャネル(24、32、46、52、72)の壁に入口開口を有する少なくとも1つの入口チャネル(27、28、35、36、42、43、44、45、53、71)を通して、少なくとも2つの液体をマイクロチャネル(24、32、46、52、72)に導入する液体導入手段(22、23、25、26)とを備えるマイクロチャネル装置であって、液体導入手段(22,23、25、26)が、各液体を複数のパルスの形態でマイクロチャネル(24、32、46、52、72)に導入し、かつ各液体のパルスを他の1つまたは複数の液体のパルスと交互にするパルス手段を備え、マイクロチャネル(24、32、46、52、72)に入る点における前記入口チャネルまたは各入口チャネル(27、28、35、36、42、43、44、45、53、71)の深さが、マイクロチャネル(24、32、46、52、72)の深さより小さいことを特徴とするマイクロチャネル装置。Microchannel (24, 32, 46, 52, 72) formed as a tube having a width and depth, and at least one inlet having an inlet opening in the wall of the microchannel (24, 32, 46, 52, 72) Liquid introduction means (22) for introducing at least two liquids into the microchannel (24, 32, 46, 52, 72) through the channels (27, 28, 35, 36, 42, 43, 44, 45, 53, 71). , 23, 25, 26), wherein the liquid introduction means (22, 23, 25, 26) feed each liquid in the form of a plurality of pulses into the microchannel (24, 32, 46, 52 , 72) and pulse means for alternating each liquid pulse with one or more other liquid pulses and comprising microchannels (24, 32, 46, 5 72) the depth of the inlet channel or each inlet channel (27, 28, 35, 36, 42, 43, 44, 45, 53, 71) at the point of entry into the microchannel (24, 32, 46, 52). 72), which is smaller than the depth of 72). 前記入口チャネルまたは各入口チャネル(35、36、42、43、44、45、53、71)が、マイクロチャネル(32、46、52、72)にほぼ垂直である、請求項6に記載のマイクロチャネル装置。  The micro of claim 6, wherein the inlet channel or each inlet channel (35, 36, 42, 43, 44, 45, 53, 71) is substantially perpendicular to the micro channel (32, 46, 52, 72). Channel device. 液体導入手段が、液体の1つに関連付けられたバルブ(25、26)を備え、バルブ(25、26)と、マイクロチャネル(24、32、46、52、72)と、液体とが、バルブ(25、26)を開き、次いで閉じることにより、液体のパルスがマイクロチャネル(24、32、46、52、72)の中に放出されるように構成される、請求項6または7に記載のマイクロチャネル装置。  The liquid introducing means comprises a valve (25, 26) associated with one of the liquids, the valve (25, 26), the microchannel (24, 32, 46, 52, 72) and the liquid being a valve 8. The device according to claim 6, wherein the liquid pulse is configured to be released into the microchannel (24, 32, 46, 52, 72) by opening and then closing (25, 26). Microchannel device. 液体導入手段が、複数のバルブ(25、26)を備える、請求項8に記載の装置。  9. A device according to claim 8, wherein the liquid introduction means comprises a plurality of valves (25, 26). 前記入口開口または各入口開口が、10mm未満の長さを有するマイクロチャネル(24、32、46、52、72)の部分の内部に形成される、請求項6から9のいずれか一項に記載のマイクロチャネル装置。  10. The inlet opening or each inlet opening is formed within a portion of a microchannel (24, 32, 46, 52, 72) having a length of less than 10 mm. Microchannel device. マイクロチャネル(24、32、46、52、72)が、1mmと100nmの間の最小断面寸法を有する、請求項6から10のいずれか一項に記載のマイクロチャネル装置。  The microchannel device according to any one of claims 6 to 10, wherein the microchannel (24, 32, 46, 52, 72) has a minimum cross-sectional dimension between 1 mm and 100 nm. マイクロチャネル(24、32、46、52、72)に入る点における前記入口チャネルまたは各入口チャネル(27、28、35、36、42、43、44、45、53、71)の深さが、マイクロチャネル(24、32、46、52、72)の深さの2分の1未満である、請求項6から11のいずれか一項に記載のマイクロチャネル装置。  The depth of the inlet channel or each inlet channel (27, 28, 35, 36, 42, 43, 44, 45, 53, 71) at the point of entry into the microchannel (24, 32, 46, 52, 72) is The microchannel device according to any one of claims 6 to 11, wherein the microchannel device is less than one half of the depth of the microchannel (24, 32, 46, 52, 72). マイクロチャネル(32)が、少なくとも2つのサブチャネル(33)を備え、各サブチャネル(33)が、マイクロチャネル(32)にほぼ平行であり、各サブチャネル(33)の断面積が、マイクロチャネル(32)の断面積より小さく、各サブチャネル(33が、マイクロチャネル(32)の内部に配置される、請求項6から12のいずれか一項に記載のマイクロチャネル装置。  The microchannel (32) comprises at least two subchannels (33), each subchannel (33) being substantially parallel to the microchannel (32), and the cross-sectional area of each subchannel (33) being a microchannel 13. The microchannel device according to any one of claims 6 to 12, wherein each subchannel (33) is smaller than the cross sectional area of (32) and is arranged inside the microchannel (32).
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