JP4528585B2 - 二相流安定化チップ - Google Patents

Description

本発明は化学反応や分析を行なわせるために、微量溶液中の物質、例えば微生物、蛋白質、核酸、糖質、抗原、抗体又はこれらが結合した混合物を抽出したり、二相流を安定化させる装置に関するものである。

近年、分析化学の分野ではμＴＡＳ（Micro Total Systems）の研究が盛んになりつつあり、マイクロチップを用いて分析の高速・省サンプル・省溶媒化を図ることが期待されている。マイクロチップ上の微小空間中の反応では、従来の化学操作を用いた反応よりも反応効率を向上できる可能性も示されている。化学プロセスや装置の使用をミクロサイズで行う場合、マクロサイズで行なう場合に比べて、化学反応が起きる単位体積あたりの界面積（比界面積という）が大きいことから、液体と液体の界面で起こる現象の効率は高くなる。また、流体力学によりマイクロチャンネルを流れる液体は流路が微細なためにレイノルズ数が小さくなり、流れと同じ方向に平行な２層が形成されやすい。

例えば水とフェノールのような混じらない２液間で抽出を行う場合で流路が通常サイズの場合、液体は２層になったままでは反応場となる比界面積が小さく不利であるが、流路の空間サイズが小さい場合は拡散距離が短くなると同時に反応の比界面積も大きいので、機械的な混合を行う必要がなく、分子の拡散のみにより混合抽出が可能となる。

これまで、流路（マイクロチャンネル）において二相流を安定化させるために、底面に溝状のガイドを設ける方法（非特許文献１参照。）や、底面に破線状ガイドラインを設ける方法（非特許文献２参照。）、オクタデシルトリクロロシランのトルエン溶液で化学修飾を行うことで疎水性に処理する方法（非特許文献３参照。）がとられてきている。しかし、より簡便な方法で二相流を安定に流す方法が望まれている。
また、例えばエマルジョンの分離を行うには、遠心分離する方法が一般的に用いられている。最近、マイクロチャンネルにおいて、エマルジョンを分離させる方法として、親水性の基板と疎水性の基板を張り合わせて作った流路にエマルジョンを通して相分離させる方法が報告された（非特許文献４参照。）が、より簡便な方法でエマルジョン分離させる方法が望まれている。
Anal. Chem., 74, 1565-1571 (2001) 第７回化学とマイクロナノシステム研究会 講演予稿集 Ｐ５２ ２Ｐ０８ 第７回化学とマイクロナノシステム研究会 講演予稿集 Ｐ５９ ２Ｐ１５ The 7th International conference on Microreaction Technology, 予稿集 Ｐ４１

一般にマイクロチャンネルでは、レイノルズ数が小さいため二相流が形成されやすいが、溶媒の粘性やチャンネル表面との表面張力などにより、溶媒の種類によっては、二相流が形成されにくい場合がある。たとえば、ジクロロメタン／水、クロロホルム／水、ｎ−へキサン／水などがこの例にあたる。つまりこれらの溶媒を用いてマイクロチャンネル中で相間分子輸送を行って溶媒抽出を行うことは、界面が不安定化しプラグ流になってしまうことから難しい。
本発明は、簡単な流路形状によってマイクロチップ中で安定した二相流を形成したり、エマルジョンを相分離できるようにすることを目的とするものである。

本発明は、基板内に１ｍｍ以下の幅と深さの断面形状をもつ流路を有するチップにおいて、前記流路の流通方向に直交する断面形状は凸型の第一、第二の断面形状が接合した凸型であり、第一の断面形状は第二の断面形状と比べて断面積及び幅が大きいことを特徴とする二相流安定化チップである。
第一の断面形状をもつ流路部分の内面が親水性であり、第二の断面形状をもつ流路部分の内面が疎水性であることが好ましい。
そのための一方法として、第一の断面形状をもつ流路部分及び第二の断面形状をもつ流路部分の内面の一方又は両方が親水性又は疎水性に化学修飾することができる。
他の方法として、第一の断面形状をもつ流路部分を親水性の基板に形成し、第二の断面形状をもつ流路部分を疎水性の基板に形成してもよい。
２つの液入り口をもち、それらの液入り口につながる液流入路が前記流路に合流してつながることによって、二相流安定化チップを提供することができる。

前記チップにエマルジョンを流す場合、比界面積により二層流が形成されることによって相分離することができる。

本発明の二相流安定化チップは断面形状が凸型であることを特徴としており、流路の断面の比界面積の違いによって簡単な構造で二相流が安定化する。
流路部分の内面に化学修飾したり、又は親水性もしくは疎水性の性質を有する基板を用いることによって、第一の断面形状をもつ流路部分の内面をより親水性にし、第二の断面形状をもつ流路部分を疎水性とすることができ、二相流を一層安定化させることができる。
また、気―液の界面安定化においては、マイクロチェンネルを利用した気―液反応など合成反応にも応用できる。また、二相流の界面において抽出操作することもでき、エマルジョンなどの相分離に応用できる。
本発明の構成はごく単純な構造であり、様々なチップ作製工程に導入できるため、バルブ等を組み込んだ複雑なマイクロチップにも展開可能である。
このようにマイクロチップの高度集積化やマイクロチップ中の多層液形成のための新しい技術手段が提供される。

図１に一実施例の二相流安定化チップにおける流路の断面形状の例を示す。チップ中の流路の例としては、それぞれの基板２、４に流路となる溝３ａ、３ｂを形成し、それらの溝が重なって流路を形成するように２枚の基板を張り合わせる方法（図１−Ａ）と、１枚の基板７に断面形状が異なる流路部分９ａ，９ｂをもつ流路となる溝９を形成し、その溝９の開口を閉じるように平坦な基板５を張り合わせる方法（図１−Ｂ）がある。

それぞれの基板に流路となる溝を形成した２枚の基板を張り合わせて作製した（図１−Ａ）の一実施例の製造方法を図２に示す。
（Ａ）まず、ガラス基板３０を洗浄した後、フォトレジスト３２をコーティングする。
（Ｂ）次に、フォトマスク３４を用いてＵＶ（紫外）光をフォトレジスト３２に露光する。
（Ｃ）その後、フォトレジスト３２を現像してパターニングする。
（Ｄ）パターニングされたフォトレジスト３２をマスクとして、基板３０を例えば４６％フッ酸水溶液にてエッチングして、流路溝３６を形成する。
（Ｅ）フォトレジスト３２を除去する。
（Ｆ）同様にして他の基板に断面の大きさの異なる流路溝を形成し、両基板の溝が形成されている面を向かい合わせ、フッ酸溶液により液密に接合することにより流路３８を形成する。

基板の素材としてはガラス基板の他、シリコン基板や樹脂基板を用いることができる。いずれの場合も上基板と下基板の接合面に、化学的に、機械的に、あるいはレーザー照射やイオンエッチング等の各種の手段によって流路となる溝を形成し、それらの溝が重なるように張り合わせることで、本発明で提案する凸型形状の流路を作りこむことができる。

本発明による流路の断面形状は凸型であり、第一の大きい断面形状と第二の小さい断面形状が合わさった形である。図３に断面形状の例を示す。それぞれの断面形状の加工の手段について、（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ），（Ｆ），（Ｈ）に示す三角形又は台形の部分についてはシリコン基板のアルカリによる異方性エッチングにより、（Ｅ），（Ｆ），（Ｇ），（Ｈ）に示す曲線をもつ部分についてはウエットエッチングの方法により、また（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｅ），（Ｇ）の矩形についてはドライエッチングによる異方性エッチングの方法により、それぞれ形成することが可能である。

一実施例を図４および５によって示す。カバーとなる上基板２、下基板４は例えば石英ガラス基板である。基板２及び４は上から見た図である。基板は流路を作製できる材質であればよい。ガラス基板２のガラス基板４との接触面側には、１００μｍの幅、４０μｍの深さを持つ流路用の溝８ａ（図５−Ｂ）と、液体又は気体導入用の２つの導入穴１０−１、１０−２と、排出のための排出穴１０−３が形成されている。溝８は蛇行し、一端部は導入穴１０−１、１０−２の近傍で２つに分岐して導入穴１０−１、１０−２につながり、他端部は排出穴１０−３につながっている。導入穴１０−１、１０―２及び排出穴１０−３は貫通穴として形成されている。ガラス基板４のガラス基板２との接触面側には３００μｍの幅、４０μｍの深さの流路用の溝８ｂ（図５−Ｂ）が形成されている。溝８ａと溝８ｂは向かい合わせると重なる対称形に形成されている。両基板２、４の溝形成面を向かい合わせて密着させ、例えばフッ酸溶液による接合などの手段で液密に接合することで流路を形成する。
上記流路の幅と深さは例示であって、幅、深さとも変更することができる。

ガラス基板２とガラス基板４の溝形成面を向かい合わせに接合させたのが図５（Ａ）のガラス基板６である。流路８の断面図を図５の（Ｂ）に示す。流路溝８ａの幅１２−２は１００μｍ、流路溝８ｂの幅１２−３は３００μｍ、流路溝８ａの深さ１２−４は４０μｍ、流路溝８ｂの深さ１２−５は４０μｍである。
このような流路８において、導入穴１０−１から気体を流し、導入穴１０−２から水を流すと、流れやすい空気が流路幅の狭い方であるガラス基板２の流路８ａを流れ、流れにくい水がガラス基板４の流路部分８ｂを流れるために、流路８の中で流体層の９０度回転がおこり、ガラス基板２の流路部分８ａを空気が、ガラス基板４の流路部分８ｂを水が選択的に流れる。

本チップの流路は、断面形状が上側と下側の基板で異なることを特徴としているが、流路内面を化学修飾することにより、さらに流路中の二相流を安定化することができる。例えば、１０％オクタデシルトリクロロシランのトルエン溶液で化学修飾（非特許文献３参照。）を行うことで疎水性に処理する方法があり、また、ＴｉＯ₂などの光触媒よって親水性に処理する方法もある。

二相流を安定化させる手段として、化学修飾する方法以外に、疎水性、又は親水性の基板を用いることもできる。例えば、ガラス基板を用いることで親水性とし、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を基板として用いることで疎水性とすることもできる。

前記に示した二相流を安定化させる手段は組み合わせることが可能であり、例えば、ガラス基板にエッチングによる手段で流路を形成し、これを化学処理したものを親水性基板として用い、ポリ四フッ化エチレン基板にエッチングにより流路を形成したものを疎水性基板として用いることができる。

流路の凸型断面形状による、二相流の安定化の模式図を図６に示す。図６（Ａ）は二相流安定化チップを示し、図５（Ａ）に示されたものである。（Ｂ）はチップ中の流路８の断面形状を示し、（Ｃ）は導入穴１０−１、１０−２からの流路が合流している部分の平面図で、２層の流れ２２−１、２２−２が示されている。（Ｅ）はその部分の断面形状である。（Ｄ）は流路が合流してから層の９０度回転がおこった後の２層の流れ２２−１、２２−２が示されたものである。（Ｆ）はその部分の断面形状であり、上側に層の流れ２２−１があることを示している。
例えば、相２２−１として酢酸エチル、相２２−２として水を流した場合、表面図（Ｃ）から（Ｄ）に移動していくに従って流路中の相が９０度回転し、第一の相２２−２の上に第二の相２２−１が乗るような形になり、断面積の異なる流路を流れることによって二相流が安定していることがわかる。
図４及び図５の導入穴１０−１と導入穴１０−２から流す物質は、酢酸エチル／水のほか、空気／水など、様々な組み合わせができる。

エマルジョンの分離を行なうためのチップ図の一実施例を図７および８によって示す。カバーとなる上基板２、下基板４は例えば石英ガラス基板である。ガラス基板２のガラス基板４との接触面側には、１００μｍの幅、４０μｍの深さを持つ流路用の溝１１ａ（図８−Ｂ）と、エマルジョン導入用の導入穴１４−１、排出のための排出穴１４−２が形成されている。溝１１は蛇行し、一端部は導入穴１４−１につながり、他端部は排出穴１４−２につながっている。導入穴１４−１及び排出穴１４−２は貫通穴として形成されている。ガラス基板４のガラス基板２との接触面側には３００μｍの幅、４０μｍの深さの流路用の溝１１ｂ（図８−Ｂ）が形成されている。溝１１ａと溝１１ｂは向かい合わせると重なる対称形に形成されている。両基板２、４の溝形成面を向かい合わせて密着させ、例えばフッ酸溶液による接合などの手段で液密に接合することで流路を形成する。
上記流路の幅と深さは例示であって、幅、深さとも変更することができる。

ガラス基板２とガラス基板４の溝形成面を向かい合わせに接合させたのが図８（Ａ）のガラス基板６である。流路１１の断面図を図８の（Ｂ）に示す。流路溝１１ａの幅１６−２は１００μｍ、流路溝１１ｂの幅１６−３は３００μｍ、流路溝１１ａの深さ１６−４は４０μｍ、流路溝１１ｂの深さ１６−５は４０μｍである。
このような流路１１において、導入穴１４−１から水と油のエマルジョンを流すと、流れやすい油部分が流路幅の狭い方であるガラス基板２の流路１１ａを流れ、流れにくい水部分がガラス基板４の流路部分１１ｂを流れるために、流路１１中のエマルジョンの相分離がおこり、ガラス基板２の流路部分１１ａに油部分が、ガラス基板４の流路部分１１ｂに水部分が選択的に流れる。

エマルジョンを分離する際も、前記二相流を安定化させたときと同じように流路内面を親水性又は疎水性に化学修飾などの方法で処理することにより分離能をあげることが可能である。

本発明による二相流安定化チップを用いると、微少量の液―液抽出や微少量の気―液反応にも用いることができる。また、エマルジョンの分離を行なうこともできる。

（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ実施例の流路断面図である。 エッチング法による流路形成方法を示す工程断面図である。 （Ａ）〜（Ｈ）はそれぞれ流路の凸型断面形状の例である。 一実施例のマイクロチップを構成する２枚の基板の平面図である。 同実施例のマイクロチップを示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ線位置での断面図である。 マイクロチップの流路で相が９０度回転するときの模式図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は流路の断面図、（Ｃ）及び（Ｄ）は平面図を拡大したもの、（Ｅ）及び（Ｆ）はそれぞれ（Ｃ）及び（Ｄ）の断面図である。 他の実施例のマイクロチップを構成する２枚の基板の平面図である。 同実施例のマイクロチップを示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ線位置での断面図である。

符号の説明

２，４，５，６，７，３０ ガラス基板
３，８，９，１１ 流路
３ａ，３ｂ，８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂ，１１ａ，１１ｂ 流路部分
１０−１，１０−２，１４−１ 導入口
１０−３，１４−２ 排出口

Claims (5)

1. 基板内に１ｍｍ以下の幅と深さの断面形状をもつ流路を有するチップにおいて、
   前記流路の流通方向に直交する断面形状は凸型の第一、第二の断面形状が上下に接合した凸型であり、第一の断面形状は第二の断面形状と比べて断面積及び幅が大きくなっており、
   前記基板には２つの入り口が設けられ、それらの入り口につながる流入路が基板内で左右方向から合流して前記流路につながっていることにより、前記２つの入り口から導入された２つの流体が左右から合流して上下に重なった二相流となることを特徴とする二相流安定化チップ。
2. 基板内に１ｍｍ以下の幅と深さの断面形状をもつ流路を有するチップにおいて、
   前記流路の流通方向に直交する断面形状は凸型の第一、第二の断面形状が上下に接合した凸型であり、第一の断面形状は第二の断面形状と比べて断面積及び幅が大きくなっており、
   前記基板には前記流路につながる１つの入り口が設けられていることにより、前記入り口から導入されたエマルジョンがその構成２成分に分離されて上下に重なった二相流となることを特徴とする二相流安定化チップ。
3. 第一の断面形状をもつ流路部分の内面が親水性であり、第二の断面形状をもつ流路部分の内面が疎水性である請求項１又は２に記載の二相流安定化チップ。
4. 第一の断面形状をもつ流路部分及び第二の断面形状をもつ流路部分の内面の一方又は両方が親水性又は疎水性に化学修飾されている請求項１から３のいずれか一項に記載の二相流安定化チップ。
5. 第一の断面形状をもつ流路部分が親水性の基板に形成され、第二の断面形状をもつ流路部分が疎水性の基板に形成されている請求項１から４のいずれか一項に記載の二相流安定化チップ。

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