JP4578838B2 - マイクロ流体装置 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも２個の供給口から供給された種類の異なる液体を微小流路に導き該微小流路で該液体の混合もしくは化学反応を行わせて該微小流路の下流にある排出口から所望の液体を得るマイクロ流体素子と、該マイクロ流体素子の各供給口に種類の異なる該液体を送液する送液系と、該マイクロ流体素子における該排出口から所望の液体を受ける排液系を有するマイクロ流体装置に関するものである。

この種マイクロ流体装置は、マイクロミキサーやマイクロリアクタと呼ばれて、免疫分析や化学反応（合成）を行うものとして一部実用に供されており、マイクロ流体素子に設けた１００〜２００μＭ程度の幅あるいは深さを持つ微小流路に流体を流すことにより起きる特異的な物理現象を利用して、異なる液体同士を短時間で均一に混合したり、反応させたりする装置である。

マイクロミキサーとマイクロリアクタは基本的にマイクロ流体素子の構造は共通であるが、単なる混合の場合にはマイクロミキサー、化学反応を伴う場合にはマイクロリアクタと呼ばれており、以下、これらをマイクロ流体装置と総称して説明する。
なお、マイクロ流体装置を示すものとして下記の特許文献１がある。

特開２００３−２１０９６３号公報

マイクロ流体素子は、少なくとも２種類の液体をマイクロチャンネル（またはマイクロキャピラリー）と呼ばれる幅あるいは深さが１００〜２００μＭ程度の微小流路に流してその液体同士を混合あるいは反応させるもので、流路面積に対して液体同士の界面の面積が相対的に大きくなる。

したがって、この界面での分子同士の拡散がより顕著になり（この分子拡散時間は距離の二乗に比例する）、混合又は反応が素早く、均一且つ連続的に行われ、物理現象を起す場所が微小窪みであるため、反応時間や温度制御などを精密に行うことができるという利点がある。

同じことを大容積のビーカやタンクで行うと、上記界面の相対的面積は小さく、混合又は反応時間が長くなるので、所期の目的とは異なる副生成物ができる恐れがある。またバッチ処理のため一次生成物が容器内に滞留するため、さらにこの一次生成物が反応して多量の副生成物ができて生成効率が低下するなどの問題点がある。

上述のように、マイクロ流体素子は微小窪みでのプロセスに基づくものであり、いかに微小窪みを微細化し、それに伴って装置を微小化するかが重要である。
このマイクロ流体素子に外部から送液をすることや出来上がった所望の液体を外部に取り出す排液についての検討はあまり行われていない。

上記従来技術では、配管で用いられてきたネジ式の継手を小型化して螺合により取り付けて、送液系や排液系と結合している。

混合や反応に利用する液体の種類が変わるたびにマイクロ流体素子は交換する必要があり、上記従来技術ではマイクロ流体素子を交換する都度、継手毎に手作業で螺合を解き、新しいマイクロ流体素子に組み付けなければならず、マイクロ流体素子を小型化できればできる程マイクロ流体装置に期待される機能・性能は理想に近づくにも係わらず、マイクロ流体素子と送液系あるいは排液系との結合技術が充分ではなく、マイクロ流体素子の小型化に限界があった。
それゆえ本発明の目的は、マイクロ流体素子と送液系あるいは排液系との結合を容易にできてマイクロ流体素子の小型化が可能なマイクロ流体装置を提供することにある。

上記目的を達成する本発明の特徴とするところは、少なくとも２個の供給口から供給された種類の異なる液体を微小流路に導き該微小流路で該液体の混合もしくは化学反応を行わせて該微小流路の下流にある排出口から所望の液体を得るマイクロ流体素子と、該マイクロ流体素子の各供給口に種類の異なる該液体を送液する送液系と、該マイクロ流体素子における該排出口から所望の液体を受ける排液系を有するマイクロ流体装置において、該各供給口と排出口にそれぞれゴム製または樹脂製のシール材を設け、該送液系は該各供給口の各シール材に刺し込む先端部と該送液系の送液配管を接続する頭部を有し該頭部から該先端部に設けた吐出口に連通する中空路を有する送液針を該各供給口毎に備え、該排液系は該排出口のシール材に刺し込む先端部と該排液系の排液配管を接続する頭部を有し該頭部から該先端部に設けた排出口に連通する中空路を有する排液針を備えていることにある。

本発明によれば、送液針や排液針をマイクロ流体素子に設けたシール材に刺し込むだけで、マイクロ流体素子と送液系あるいは排液系との結合とその結合部でのシールの確保とを同時に行うことができるだけでなく、一層小型のマイクロ流体素子を使用できるという利点がある。

以下、図に基づいて本発明の一実施例を説明する。

図１は、本発明になるマイクロ流体装置の概略構成を示している。
図１において、１０は後述するように複数の液体供給口と１個の排出口を有し両口間に微小流路を有するマイクロ流体素子、２０は送液系、３０は排液系で、マイクロ流体素子１０は装置のフレーム４０に適宜に保持固定できるようになっている。５０は送液系２０を制御する制御部で、作業者がキーボード５１から入力した指示データは制御装置５２に記憶し、所用の指令値に変換して送液系２０を制御するようになっている。

送液系２０は、複数の種類の異なる液体を貯留したタンク２１ａ〜２１ｎと各タンクから貯留した各液体を汲み上げるポンプ２２ａ〜２２ｎと電磁弁２３ａ〜２３ｎと送液針ユニット２４とマイクロ流体素子１０における複数の液体の供給口に嵌め合わせにより設けたシール材ユニット２５とこれらを連結する送液用配管２６ａ〜２６ｎから構成される。

排液系３０はマイクロ流体素子１０における液体の排出口に嵌め合わせにより設けたシール材３１とシール材３１に刺し込んだ排液針３２と排液針３２に連結してタンク３３に導く排液用配管３４とから構成される。

送液用配管２６ａ〜２６ｎや排液用配管３４は、耐薬品性に優れたフッ素系樹脂のチューブ等を使用し、後述する送液針ユニット２４の送液針や排液針３２の頭部を送液用配管２６ａ〜２６ｎや排液用配管３４の端部に刺し込んで、結合する。

次に、各部の構成を詳細に説明する。
図２はマイクロ流体素子１０を示し、図２（ａ）は図1に示した送液針ユニット２４とシール材ユニット２５およびシール材３１を付けた形で示したマイクロ流体素子１０のマイクロ流体素子本体１１の平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ切断線に沿った位置でのマイクロ流体素子本体１１にさらに蓋１２を付け送液針ユニット２４は除去した形で示した縦断面図である。

図２（ａ）において、マイクロ流体素子本体１１には上面部に左端側を円弧状としたほぼ長方形で深さが１００μＭ程度の窪み１３を設けてある。窪み１３の右端側から中央右側に掛けてのマイクロ流体素子本体１１の下面部には、図２（ａ）の上下方向に複数の窪み１４ａ〜１４ｎを設けてあり、下面部の各窪み１４ａ〜１４ｎと上面部の窪み１３を連通するように千鳥配置に複数の孔１５ａ〜１５ｎを設けてある。

そして複数の孔１５ａ〜１５ｎの周囲には窪み１３の底部から上面部に至る左に向けて開放した馬蹄形の流れ規制壁１６ａ〜１６ｎを設けてある。なお、図２（ａ）では後述する説明の都合上、一部の流れ規制壁１６ａ〜１６ｎは図示を省略している。
窪み１３の左端側の下面部にも円形の窪み１７があり、この窪み１７と上面部の窪み１３を連通する孔１８を設けてある。

マイクロ流体素子本体１１の下面部では各窪み１４ａ〜１４ｎと窪み１７を設けた周囲を突出させてあり、その突出部１９Ａ、１９Ｂにシール材ユニット２５およびシール材３１を嵌め込んである。シール材ユニット２５およびシール材３１は、耐引裂き特性に優れた素材、例えば天然ゴムやポリウレタンなどを成形して得たものである。
なお、シール材ユニット２５およびシール材３１に示した一点鎖線は、後述する送液針ユニット２４の送液針や排液針３２を刺し込む位置を示している。

図３は送液針ユニット２４を示し、図３（ａ）は送液針ユニット２４の斜視図、図３（ｂ）は送液針ユニット２４を構成する各送液針の断面図である。
２８は送液針で、シール材ユニット２５に刺し込む先端部２８ａと送液系の送液用配管２６ａ〜２６ｎを接続する頭部２８ｂを有し、頭部２８ｂから先端部２８ａに設けた吐出口２８ｃに連通する中空路２８ｄを有する構造で、各送液針２８は帯状の連結部材２９で一体化してある。吐出口２８ｃは送液針２８を一体化する連結部材２９の長手方向に対し交差する方向に開孔している。

各窪み１４ａ〜１４ｎのほぼ中央の位置において、シール材ユニット２５に各送液針２８を刺し込むようにしてあり、従って、吐出口２８ｃの開孔方向は各窪み１４ａ〜１４ｎの長手方向に沿っている。なお、図４はシール材ユニット２５に送液針２８を刺し込んだ左側の一部を示している。シール材ユニット２５に各送液針２８を刺し込むと、シール材ユニット２５の弾力で各送液針２８を締め付け、抜けを阻止するだけでなく気密性も確保する。従って、送液針ユニット２４をマイクロ流体素子１０に固定する部材は必要でなく、ワンタッチでマイクロ流体素子１０と送液針ユニット２４を一体化できる。

このような構成を使用することによって、図１に実線や点線の矢印で示すように液漏れなく液体をマイクロ流体素子１０内に送液することができ、水溶液を用いて送液した結果、０．３Ｍｐａまでは液漏れなくシールできることを確認した。
排液系３０における排液針３２は、連結部材がないことを除いて各送液針２８と同様な構造であるので、説明は省略する。

図１において、所用の処理を行うために、キーボード５１でマイクロ流体素子本体１１に供給する液体の種類とその比率などのデータを入力すると、制御装置５２はポンプ２２ａ〜２２ｎの中から所要のポンプを決めてその回転数を設定する。そして、電磁弁２３ａ〜２３ｎの中から所要の電磁弁を選択して開く指示を出す。マイクロ流体素子本体１１には液体を同時に供給する必要があり、選択されたポンプと電磁弁のそれぞれに制御装置５２から同時に動作指令が出される。

すると、図２（ａ）に示すように開孔１５ａ〜１５ｎのうち開かれた電磁弁２３ａ〜２３ｎに連通する送液針２８の吐出口２８ｃから点線の矢印で示すように所望の液体が窪み１４ａ〜１４ｎに噴出する。この点線の矢印の方向は各開孔１５ａ〜１５ｎが並んだ方向（図２（ａ）においては上下方向）であり、吐出口２８ｃから噴き出す液体は各開孔１５ａ〜１５ｎに均一に供給されることになり、各窪み１４ａ〜１４ｎは液体の分配器の機能を果たしている。

各開孔１５ａ〜１５ｎが供給口となって窪み１３に流出した液体は、流れ規制壁１６ａ〜１６ｎがあるために、実線の矢印で示すように排出口１８の方向に流れを変える。各開孔１５ａ〜１５ｎは千鳥配置となっているので、前後において流れは並行し、液体同士の接触面積は大きなものとなっている。

従って、マイクロ流体素子本体１１は鋳型に樹脂を流し込んで流れ規制壁１６ａ〜１６ｎや突出部１９ａ、１９ｂを一体成形により製作し、上面部に蓋１２を密着固定すると窪み１３は特異的な物理現象を起す微小流路となり、混合や反応の所要の処理結果を得ることができる。

同じ液体を用い、成分比率を変えて所要の処理を行う場合は、排液用のタンク３３を変えれば良いが、異なる液体を用い、異なる処理を行う場合は、マイクロ流体素子１０を交換し、所要の処理に無関係の液体が混入することを避ける必要がある。

この場合は、送液針ユニット２４と排液針３２をマイクロ流体素子１０のシール材ユニット２５とシール材３１から引き抜いて、シール材ユニット２５とシール材３１を付けた新たなマイクロ流体素子１０を準備し、新たなマイクロ流体素子１０におけるシール材ユニット２５とシール材３１に送液針ユニット２４と排液針３２を突き刺して連結すれば、送液系２０と排液系３０は簡単にマイクロ流体素子１０と結合し一体化できる。

送液針ユニット２４と排液針３２をシール材ユニット２５とシール材３１から引き抜いた時、各送液針２８と排液針３２を引き抜いた後にシール材ユニット２５とシール材３１にできる孔は、各送液針２８と排液針３２が細いことやシール材ユニット２５とシール材３１が弾力を有していることによって閉塞されるので、放置してもマイクロ流体素子１０から液漏れを生じることはない。

各窪み１４ａ〜１４ｎのほぼ中央の位置において、シール材ユニット２５に各送液針２８を刺し込むようにしており、送液針ユニット２４とシール材ユニット２５の位置関係が決まるから、送液針２８の方向性など配慮する必要が無く、作業は短時間に済み、熟練を必要としない。送液針２８や排液針３２の吐出口は横向きに設けてあるので、目詰まりを起し難く、マイクロ流体素子１０交換時の清掃作業も簡単でよい。

マイクロ流体素子１０を送液系２０や排液系３０に対し簡単に交換できるので、マイクロ流体素子１０の小型化を図ることができ、小型化によりマイクロ流体素子１０を一層性能や機能に優れたものとすることができる。
マイクロ流体素子１０とシール材ユニット２５やシール材３１の結合は、上記した嵌め合わせのほかに粘着性がある材料でシール材ユニット２５やシール材３１を成形し、その粘着性で貼り合わせて結合しても良いし、境界に接着材を介在させて結合してもよい。

送液系２０のシール材ユニット２５と排液系３０のシール材３１を分離しているが、これらは一体成形したものでも良い。

本発明になるマイクロ流体装置の概略構成を示した図である。 図1に示したマイクロ流体素子の詳細な構成を示す図である。 図1に示した送液針ユニットの詳細な構成を示す図である。 図３に示した送液針ユニットとシール材ユニットの結合状況を示す図である。

符号の説明

１０ マイクロ流体素子
２０ 送液系
２４ 送液針ユニット
２５ シール材ユニット
２８ 送液針
３０ 排液系
３１ シール材
３２ 排液針

Claims (4)

1. 供給された種類の異なる液体を微小流路に導き該微小流路で該液体の混合もしくは化学反応を行わせて該微小流路から所望の液体を得るマイクロ流体素子と、前記微小流路に種類の異なる該液体を送液する送液系と、該微小流路から所望の液体を受ける排液系を有するマイクロ流体装置において、
   前記マイクロ流体素子に、前記微小流路に孔を介して連通するように複数の窪みおよび該窪みの周囲を突出させた突出部が形成され、該突出部にゴム製または樹脂製のシール材が前記窪みに面して嵌め込んで設けられ、
   先端部を備え、前記送液系の送液配管に接続される頭部と該先端部に設けた吐出口に連通する中空路とを有する液針が前記シール材に刺し込まれて、前記吐出口が前記窪みにそれぞれ開孔すること
   を特徴とするマイクロ流体装置。
2. 請求項１において、前記複数の窪みが供給口を形成する窪みと排出口を形成する窪みとからなり、前記突出部がそれぞれの窪みの周囲を突出させて形成されていることを特徴とするマイクロ流体装置。
3. 請求項２において、前記液針が供給口を形成する窪みおよび排出口を形成する窪みにそれぞれ開孔する吐出口を備え、前記供給口を形成する窪みに開孔する吐出口を備えた液針は複数の液針の送液針から成り、複数の送液針が連結部材で一体化されることを特徴とするマイクロ流体装置。
4. 請求項１において、前記孔の周囲には、その一部を開放した形状で、供給された液体の流れを規制する流れ規制壁が設けられ、前記マイクロ流体素子が前記突出部および前記流れ規制壁と一体成形されたものであることを特徴とするマイクロ流体装置。

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