JP4683066B2 - Liquid mixing mechanism - Google Patents

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本発明は、液体混合機構に関し、詳しくは、微量の液体を混合する液体混合機構に関する。   The present invention relates to a liquid mixing mechanism, and more particularly to a liquid mixing mechanism that mixes a small amount of liquid.

μ−TAS(μ−Total Analysis System)は、従来使われてきた器具であるフラスコや試験管に比べて格段に小さいサイズである。そのため、用いる試薬、検体の量やコスト、廃棄を抑えることができ、微小量の合成や検出が可能となる点が、特徴の一つとして注目されている。μ−TASは、臨床分析チップ、環境分析チップ、遺伝子分析チップ(DNAチップ)、衛生分析チップ、化学・生化学合成チップ等に適用することができる。   [mu] -TAS ([mu] -Total Analysis System) is much smaller in size than a flask or test tube that has been used conventionally. Therefore, attention has been paid as one of the features that the amount and cost of reagents and specimens to be used, and disposal can be suppressed, and that minute amounts can be synthesized and detected. μ-TAS can be applied to clinical analysis chips, environmental analysis chips, gene analysis chips (DNA chips), hygiene analysis chips, chemical / biochemical synthesis chips, and the like.

例えば、特表2000−512541号公報には、約10μm〜約100μmの流路を有する抽出装置が開示されている。   For example, Japanese translations of PCT publication No. 2000-512541 discloses an extraction apparatus having a flow path of about 10 μm to about 100 μm.

また、「マイクロリアクター技術の現状と展望」(社団法人近畿化学協会ロボット合成研究会監修)には、“LIQUID−SHEET BREAKUP IN MICROMIXERS”が開示されている。このシステムでは、同一平面上に液体とガスを互いに逆方向から流し、合流させて真上に取り出すように構成されている。   In addition, “LIQUID-SHEEET BREAKUP IN MICROMIXERS” is disclosed in “Current Status and Prospects of Microreactor Technology” (supervised by Kinki Chemical Society Robot Synthesis Research Group). In this system, a liquid and a gas are flowed in opposite directions on the same plane, merged, and taken out directly above.

チャンネルがマイクロスケールである微小な流路の世界においては、寸法及び流速のいずれも小さく、レイノルズ数は200以下である。例えば、マイクロ流路で用いられる平均的な200μm幅の流路に流速2mm/sで水を流した場合、レイノルズ数は0.4となる。よって、微小な流路(例えば、水では流路幅が約500μm以下)の世界では、従来の反応装置のような乱流支配ではなく、層流支配の世界である。   In the world of a micro flow channel whose channel is a micro scale, both the size and the flow velocity are small, and the Reynolds number is 200 or less. For example, when water is flowed at a flow rate of 2 mm / s through an average channel having a width of 200 μm used in the microchannel, the Reynolds number is 0.4. Therefore, the world of minute channels (for example, the channel width of water is about 500 μm or less) is not a turbulent flow control as in a conventional reactor, but a laminar flow control world.

マイクロスケールの空間では、比界面積が大きいため、層流が接触する界面での拡散混合に有利である。混合に要する時間は、2液の接する界面の断面積と液層の厚さに依存する。   In the microscale space, the specific interface area is large, which is advantageous for diffusive mixing at the interface where the laminar flow contacts. The time required for mixing depends on the cross-sectional area of the interface between the two liquids and the thickness of the liquid layer.

拡散理論に従うと、混合に要する時間(T)は、流路幅をW、拡散係数をDとすると、W/Dに比例するので、流路幅を小さくすればするほど、混合(拡散)時間は速くなる。また、拡散係数Dは、次式で与えられる。
D=Kb×T/6×π×μ×r ………(1)
(ただし、T:液温、μ:粘度、r:粒子半径、Kb:ボルツマン定数)
According to the diffusion theory, the time (T) required for mixing is proportional to W 2 / D, where W is the channel width and D is the diffusion coefficient. Therefore, the smaller the channel width, the more the mixing (diffusion). Time gets faster. The diffusion coefficient D is given by the following equation.
D = Kb × T / 6 × π × μ × r (1)
(However, T: liquid temperature, μ: viscosity, r: particle radius, Kb: Boltzmann constant)

例えば、粒径10nm(0.01μm)の粒子を用いた場合の流路幅(チャンネル幅)と比界面積(S/V)及び拡散時間(t)との関係は、図1に示したようになる。なお、Sは界面積、Vは体積である。   For example, the relationship between the channel width (channel width), the specific interface area (S / V), and the diffusion time (t) when using particles having a particle diameter of 10 nm (0.01 μm) is as shown in FIG. become. In addition, S is an interface area and V is a volume.

つまり、マイクロスケール空間では、機械的攪拌などを用いなくても、分子輸送、反応、分離が、分子・粒子の自発的挙動だけで速やかに行われる。   In other words, in the microscale space, molecular transport, reaction, and separation can be performed quickly only by spontaneous behavior of molecules / particles without using mechanical stirring.

最近、流路幅方向に拡散させるタイプの研究が発表されているが、流路幅がせいぜい200μm程度までは、比較的簡単に作成でき、ポンプを組み合わせた場合でも、流路抵抗の上昇が問題になるレベルではない。しかしながら、用途によっては、200μmレベルの流路幅で自発的拡散による混合を行った場合、時間がかかりすぎるという問題がある。   Recently, research on the type of diffusion in the channel width direction has been announced, but it is relatively easy to create a channel width of up to about 200 μm, and even if a pump is combined, the increase in channel resistance is a problem. It is not a level to become. However, depending on the application, there is a problem that it takes too much time when mixing by spontaneous diffusion is performed with a channel width of 200 μm level.

例えば、代表的な例として、マイクロ流路内で血漿を拡散させることにより血液凝固検査を行う場合が挙げられる。   For example, a typical example is a case where a blood coagulation test is performed by diffusing plasma in a microchannel.

血漿は、血球を除いた成分で、全て100nm以下の粒子と考え、粘度も平均的な2cpsと仮定する。混合させる試薬は、約45nm以下と考える。血漿中の凝固に関係するフェブリノーゲンは、約45nm分子であり、拡散係数は、D=5×10−8cm/秒となり、100μm移動するための拡散時間は2000秒と計算される。25μmの移動では、拡散時間は125秒となる。 Plasma is a component excluding blood cells, all considered to be particles of 100 nm or less, and the viscosity is assumed to be an average of 2 cps. The reagent to be mixed is considered to be about 45 nm or less. The febrinogen involved in clotting in plasma is about 45 nm molecules, the diffusion coefficient is D = 5 × 10 −8 cm 2 / sec, and the diffusion time for moving 100 μm is calculated as 2000 seconds. For a 25 μm movement, the diffusion time is 125 seconds.

しかし、実際は、血漿の中に多くのタンパク質、分子が含まれ、相互に作用し合い、血漿と混合させたい試薬の種類(溶媒、濃度)により、拡散の推進力になる濃度差(モル分率)、相互拡散係数等を補正し算出する必要がある。また、検体によっては粘度が高い場合もあり、例えば粘度が20cpsとすると、上記結果の10倍も拡散時間がかかってしまう。   However, in reality, many proteins and molecules are contained in plasma, interact with each other, and depending on the type of reagent (solvent, concentration) that is desired to be mixed with plasma, the concentration difference (molar fraction) that serves as a driving force for diffusion ), It is necessary to correct and calculate the mutual diffusion coefficient. Also, depending on the specimen, the viscosity may be high. For example, if the viscosity is 20 cps, the diffusion time will be 10 times as long as the above result.

凝固検査の結果は、試薬と混合させ固まるまでの時間を、0.1秒の分解能で計る必要があるが、上記計算結果のように混合に2000秒かかってしまうと、幅方向に2000秒分の粘度勾配をもった状態で検出される。検出の観点からは、難題である。   As a result of the coagulation test, it is necessary to measure the time until it is mixed with the reagent and solidified with a resolution of 0.1 second. However, if it takes 2000 seconds to mix as shown in the above calculation result, it will be 2000 seconds in the width direction. It is detected with a viscosity gradient of. From a detection standpoint, it is a challenge.

また、最大の問題は、凝固の終了が短時間、例えば10秒以内で済む検査の場合、微小な流路内で拡散がほとんど進んでいないうちに、2液の界面で凝固が起こり、それがバリアとなって拡散が進行しなくなる。このように瞬間的に混合させる必要がある血液凝固検査の場合は、幅100μmレベルの流路においては、検査が成り立たない。また、血液凝固以外であっても、極短時間の混合は、一般的に多くの分野で要求されており、用途は多い。   In addition, the biggest problem is that in the case of an examination in which coagulation is completed in a short time, for example, within 10 seconds, coagulation occurs at the interface between the two liquids while diffusion hardly progresses in the minute flow path. It becomes a barrier and diffusion does not progress. In the case of a blood coagulation test that needs to be mixed instantaneously in this way, the test cannot be performed in a flow path having a width of 100 μm. In addition to blood coagulation, mixing in a very short time is generally required in many fields and has many uses.

しかし、拡散時間を効率的に速くしようと流路幅を極端に小さくしてしまうと、流路抵抗が極端に大きくなり、送液の制御ができないばかりか、送液のために非常に大きな圧力が必要となり、送液機構が大型化してしまい、トータルなマイクロシステムにはならない。また、流路幅が極端に小さいということは、流体量が極端に少なく、検出限界が下がり、さらに高感度な検出機構が必要となり、現在の検出方法ではアプリケーションが限られる。   However, if the flow path width is made extremely small in order to increase the diffusion time efficiently, the flow resistance becomes extremely large and not only the liquid feeding control is possible, but also a very large pressure for the liquid feeding. Is required, and the liquid feeding mechanism becomes large, and the total micro system cannot be obtained. In addition, the extremely small flow path width means that the amount of fluid is extremely small, the detection limit is lowered, and a more sensitive detection mechanism is required, and the current detection method has limited applications.

したがって、本発明が解決しようとする技術的課題は、微小領域で効率よく拡散混合を行うことができる液体混合機構を提供することである。   Therefore, the technical problem to be solved by the present invention is to provide a liquid mixing mechanism that can efficiently perform diffusion mixing in a minute region.

本発明は、上記技術的課題を解決するために、以下の構成の液体混合機構を提供する。   In order to solve the above technical problems, the present invention provides a liquid mixing mechanism having the following configuration.

液体混合機構は、交差部又は合流部で交差又は合流する微小な第1及び第2の流路を備え、上記第1の流路を流れる第1の液体と上記第2の流路を流れる第2の液体とが上記交差部又は合流部で交差又は合流して混合するタイプのものである。上記第1及び第2の液体の少なくとも一方は、上記交差部又は合流部に、脈動しながら送液される。   The liquid mixing mechanism includes minute first and second flow paths that intersect or merge at an intersection or a merge section, and the first liquid flowing in the first flow path and the second flow path flowing in the second flow path. This is a type in which the two liquids intersect or merge at the intersection or junction. At least one of the first and second liquids is sent to the intersecting part or merging part while pulsating.

上記構成において、脈動する第1及び第2の液体の少なくとも一方は、間欠的に交差部又は合流部に供給される。これにより、交差部又は合流部およびそれより下流側で、第1の液体の塊と第2の液体の塊とが交互に並び、隣接する第1の液体の塊と第2の液体の塊との間で拡散混合が生じるようにすることができる。   In the above configuration, at least one of the pulsating first and second liquids is intermittently supplied to the intersection or the junction. Accordingly, the first liquid mass and the second liquid mass are alternately arranged at the intersection or the merge portion and the downstream side thereof, and the adjacent first liquid mass and the second liquid mass are arranged. Diffusive mixing can occur between the two.

上記構成によれば、適宜な脈動によって、隣接する第1の液体の塊と第2の液体の塊との界面直角方向の距離を小さくし、第1及び第2の液体を短時間で均一に混合することができる。   According to the above configuration, the distance between the adjacent first liquid mass and the second liquid mass in the direction perpendicular to the interface is reduced by appropriate pulsation, and the first and second liquids are made uniform in a short time. Can be mixed.

したがって、微小領域で効率よく拡散混合を行うことができる。   Accordingly, diffusion mixing can be performed efficiently in a minute region.

好ましくは、上記交差部又は合流部の流路直角方向の断面積が、その前後の流路の流路直角方向の断面積よりも小さい。   Preferably, the cross-sectional area in the direction perpendicular to the flow path of the intersecting portion or the merging portion is smaller than the cross-sectional area in the direction perpendicular to the flow path of the flow path before and after the intersection or the merge portion.

上記構成によれば、交差部又は合流部の断面積が小さいので、隣接する第1及び第2の液体の塊の界面直角方向の距離を小さくして、混合時間を短くすることができる。交差部又は合流部の断面積のみを部分的に小さくすることで、断面減少による流路抵抗の増大をできるだけ小さくすることができる。さらに、交差部又は合流部の下流側の流路で断面が大きくなることにより、液体の塊が例えば傘状に広がり、第1及び第2の液層が薄くなり、第1及び第2の液体の塊の界面直角方向の距離が小さくなり、より短時間で混合させることも可能である。   According to the said structure, since the cross-sectional area of a cross | intersection part or a confluence | merging part is small, the distance of the interface orthogonal direction of the adjacent 1st and 2nd liquid lump can be made small, and mixing time can be shortened. By partially reducing only the cross-sectional area of the intersection or the merging portion, it is possible to minimize the increase in flow resistance due to the reduction in cross-section. Furthermore, by increasing the cross section in the flow path downstream of the intersecting portion or the merging portion, the liquid mass spreads in an umbrella shape, for example, the first and second liquid layers become thin, and the first and second liquids The distance in the direction perpendicular to the interface of the lump is reduced, and it is possible to mix in a shorter time.

好ましくは、上記第1及び第2の液体の少なくとも一方は、1回あたり、上記交差部又は合流部の容積の1/5倍以上で、その前後の流路幅に対して十分小さくなる量を脈動する。   Preferably, at least one of the first and second liquids is not less than 1/5 times the volume of the intersection or merging portion at a time, and an amount that is sufficiently small with respect to the flow path width before and after that. It pulsates.

上記構成において、脈動1回当たりの流量は、交差部又は上記合流部の容積とオーダー的に同程度である。上記構成によれば、交差部又は合流部において、交差部又は合流部の容積と同程度の第1及び第2の液体の塊を形成し、効率よく混合することができる。   In the above configuration, the flow rate per pulsation is on the same order as the volume of the intersection or the junction. According to the said structure, the 1st and 2nd lump of a liquid comparable as the volume of a crossing part or a junction part can be formed in a crossing part or a junction part, and it can mix efficiently.

好ましくは、上記第1及び第2の液体は、上記交差部又は合流部において、略逆位相で交差又は合流する。   Preferably, the first and second liquids intersect or merge at approximately the opposite phase at the intersecting portion or the merging portion.

上記構成によれば、交差部又は合流部において、第1の液体の塊と第2の液体の塊とを交互に形成し、第1及び第2の液体を、効率よく混合することができる。   According to the above configuration, the first liquid mass and the second liquid mass can be alternately formed in the intersecting portion or the merge portion, and the first and second liquids can be mixed efficiently.

好ましくは、上記第1及び第2の液体のいずれか一方が脈動し、他方が整流で、上記交差部又は合流部に送液される。   Preferably, one of the first and second liquids pulsates and the other is rectified, and is sent to the intersecting part or the joining part.

上記構成によれば、第1及び第2の液体の一方のみを脈動させればよく、他方とのタイミング調整が不要となるので、簡単な制御で混合することができる。   According to the above configuration, only one of the first and second liquids needs to be pulsated, and timing adjustment with the other is not necessary, so that mixing can be performed with simple control.

好ましくは、上記第1及び第2の流路が、交差した後に合流する。   Preferably, the first and second flow paths merge after intersecting.

上記構成において、第1及び第2の流路は、交差部で一旦交差し、交差部より下流側はそれぞれ分離し、再び合流部で合流する。第1及び第2の流路の交差部と合流部との間では、ともに、第1及び第2の液体が混在した状態となる。これを合流部で合流させることで、第1及び第2の液体をより均一に混合することができる。   In the above configuration, the first and second flow paths once intersect at the intersecting portion, the downstream side from the intersecting portion is separated, and merged again at the joining portion. The first and second liquids are mixed together between the intersecting portion and the merging portion of the first and second flow paths. The first and second liquids can be mixed more uniformly by joining these at the junction.

好ましくは、上記第1及び第2の流路の少なくとも一方の上記交差部又は合流部より上流側に、マイクロポンプを備える。   Preferably, a micropump is provided on the upstream side of the intersecting portion or the merging portion of at least one of the first and second flow paths.

上記構成によれば、マイクロポンプにより液体に脈動を与えながら送液することができる。マイクロポンプを用いれば、全体の構成を簡単にし、小型化することが容易である。例えば、液体混合機構をマイクロチップ内に構成した場合に、好適である。   According to the above configuration, the liquid can be fed while pulsating the liquid by the micropump. If a micropump is used, it is easy to simplify the overall configuration and reduce the size. For example, it is suitable when the liquid mixing mechanism is configured in a microchip.

好ましくは、上記第1及び第2の流路の少なくとも一方の上記交差部又は合流部より上流側に、ダイアフラムを備える。   Preferably, a diaphragm is provided on the upstream side of the intersecting portion or the merging portion of at least one of the first and second flow paths.

上記構成によれば、適宜な手段で送液した状態でダイアフラムを駆動することにより、送液に脈動を与えることができる。ダイアフラムは、脈動を与えるだけであるため負荷容量が小さく、構成が簡単で、小型化が容易である。例えば、液体混合機構をマイクロチップ内に構成した場合に、好適である。   According to the said structure, a pulsation can be given to liquid feeding by driving a diaphragm in the state sent with the suitable means. Since the diaphragm only gives pulsation, the load capacity is small, the configuration is simple, and the size can be easily reduced. For example, it is suitable when the liquid mixing mechanism is configured in a microchip.

本発明によれば、適宜な脈動によって、隣接する第1の液体の塊と第2の液体の塊との界面直角方向の距離を小さくし、第1及び第2の液体を短時間で均一に混合することができる。   According to the present invention, by appropriate pulsation, the distance in the direction perpendicular to the interface between the adjacent first liquid mass and the second liquid mass is reduced, and the first and second liquids are made uniform in a short time. Can be mixed.

以下、本発明の各実施形態に係る液体混合機構について、図2〜図15を参照しながら説明する。   Hereinafter, the liquid mixing mechanism according to each embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

まず、第1実施形態の液体混合機構30について、図2〜図5を参照しながら説明する。   First, the liquid mixing mechanism 30 according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.

図2の構成図に示したように、液体混合機構30は、大略、第1及び第2の流路31a,31bが交差部37でX字状に交差し、それより下流側の部分36が合流部38でY字状に合流し、その下流側に合流流路31xが接続するようになっている。   As shown in the configuration diagram of FIG. 2, the liquid mixing mechanism 30 generally includes the first and second flow paths 31 a and 31 b intersecting in an X shape at the intersecting portion 37, and a portion 36 on the downstream side thereof The merge part 38 merges in a Y shape, and the merge channel 31x is connected to the downstream side thereof.

第1及び第2の流路31a,31bは、それぞれの端部に、検体や試薬などの液体を導入するための液体導入口32a,32bが設けられている。また、液体導入口32a,32bと交差部37との間には、それぞれ、マイクロポンプ34a,34bが設けられている。交差部37及び合流部38の幅は、その前後の流路31a,31b,31xの幅よりも小さく、交差部37及び合流部38近傍の流路直角方向の断面は、その前後の流路31a,31b,31xの流路直角方向の断面よりも狭く絞られている。   The first and second flow paths 31a and 31b are provided with liquid inlets 32a and 32b for introducing liquids such as specimens and reagents at their respective ends. Micro pumps 34a and 34b are provided between the liquid inlets 32a and 32b and the intersection 37, respectively. The width of the intersecting portion 37 and the merge portion 38 is smaller than the width of the flow paths 31a, 31b, and 31x before and after the cross section 37, and the cross section in the direction perpendicular to the flow path in the vicinity of the intersect portion 37 and the merge section 38 , 31b, 31x are narrower than the cross section in the direction perpendicular to the flow path.

マイクロポンプ34a,34bには、例えば図3及び図4の断面図に示したように、ディフューザー型ポンプを用いる。マイクロポンプ34a,34bは、ポンプ室35bに対向する振動板320に、セラミック圧電材料であるPZT[Pb(Zr,Ti)O3]35sが貼り付けられている。PZT35sは、駆動部340により駆動電圧が印加されるとポンプ室35b側に湾曲し、ポンプ室35bの容積が変動するようになっている。このとき、前後のディフューザー35a,35cの流路インピーダンスの差により、液体が送液される。 As the micro pumps 34a and 34b, for example, as shown in the cross-sectional views of FIGS. 3 and 4, a diffuser type pump is used. In the micropumps 34a and 34b, PZT [Pb (Zr, Ti) O 3 ] 35s, which is a ceramic piezoelectric material, is attached to a diaphragm 320 that faces the pump chamber 35b. When a drive voltage is applied by the drive unit 340, the PZT 35s is bent toward the pump chamber 35b, and the volume of the pump chamber 35b varies. At this time, the liquid is fed due to the difference in flow path impedance between the front and rear diffusers 35a and 35c.

下流側のディフューザー35cは、ポンプ室35bの圧力変化が急激であっても緩やかであっても、液体が層流状態で流れるので、流路インピーダンスの変化が相対的に小さい。   Even if the pressure change in the pump chamber 35b is abrupt or gentle, the downstream diffuser 35c has a relatively small change in flow path impedance because the liquid flows in a laminar flow state.

これに対し、上流側のディフューザー35aは、流路インピーダンスの変化が相対的に大きい。すなわち、上流側のディフューザー35aは、ポンプ室35bの圧力変化が急激な場合には、乱流が発生するために、流路インピーダンスが下流側のディフューザー35cよりも大きくなる。一方、ポンプ室35bの圧力変化が緩やかな場合には、乱流が発生しないので、流路インピーダンスは下流側のディフューザー35cよりも小さくなる。   In contrast, the upstream diffuser 35a has a relatively large change in flow path impedance. That is, when the pressure change in the pump chamber 35b is abrupt, the upstream diffuser 35a generates a turbulent flow, so that the flow path impedance is larger than that of the downstream diffuser 35c. On the other hand, when the pressure change in the pump chamber 35b is gradual, no turbulent flow occurs, so that the flow path impedance is smaller than that of the downstream diffuser 35c.

例えば、急激な立上がりと緩やかな立ち下がりを繰り返す鋸歯状の駆動電圧をPZT35sに印加した場合、電圧の急激な変化により、ポンプ室35bの容積が急激に小さくなり、図3において矢印364で示すように、下流側のディフューザー35cから液体が吐出する。次に、電圧の緩やかな変化により、ポンプ室35bの容積はゆっくりと元に戻り、図3において矢印362で示すように、上流側のディフューザー35aからポンプ室35b内に液体が吸い込まれる。このとき、下流側のディフューザー35cからも、多少はポンプ室35b内に液体が吸い戻される。この繰り返しにより、液体は全体として前方に送り出される。   For example, when a sawtooth drive voltage that repeats a sudden rise and a gradual fall is applied to the PZT 35s, the volume of the pump chamber 35b suddenly decreases due to a sudden change in voltage, as shown by an arrow 364 in FIG. In addition, the liquid is discharged from the diffuser 35c on the downstream side. Next, due to a gradual change in voltage, the volume of the pump chamber 35b slowly returns to its original state, and liquid is sucked into the pump chamber 35b from the diffuser 35a on the upstream side as indicated by an arrow 362 in FIG. At this time, the liquid is also sucked back into the pump chamber 35b from the downstream diffuser 35c. By repeating this, the liquid is sent forward as a whole.

液体混合機構30を用いて混合する場合、液体導入口32a,32bに第1及び第2の液体、例えば液状の検体と試薬をそれぞれ供給し、マイクロポンプ34a,34bを駆動することにより、第1及び第2の液体を合流流路31xに向けて交互に送液する。   When mixing using the liquid mixing mechanism 30, the first and second liquids, for example, liquid specimens and reagents are supplied to the liquid inlets 32 a and 32 b, respectively, and the micropumps 34 a and 34 b are driven, whereby the first And the 2nd liquid is alternately sent toward the confluence | merging flow path 31x.

例えば図5に示したように、マイクロポンプ34a,34b(「ポンプ1」、「ポンプ2」と表示)を逆位相で周期的に駆動し、第1及び第2の液体に、脈動の振幅Wを交互に与える。これにより、第1及び第2の液体は、大略交互に交差部37に流れ込み、第1及び第2の流路31a,31bの交差部37より下流側36には、第1及び第2の液体の塊が流路進行方向に交互に並んだ状態となる。このとき、第1及び第2の液体の塊(液層)間で自発的拡散が起こる。   For example, as shown in FIG. 5, the micropumps 34a and 34b (designated as “pump 1” and “pump 2”) are periodically driven in opposite phases, and the pulsation amplitude W is applied to the first and second liquids. Alternately. As a result, the first and second liquids flow into the intersecting portion 37 approximately alternately, and the first and second liquids are provided downstream of the intersecting portion 37 of the first and second flow paths 31a and 31b. In this state, the lump is alternately arranged in the flow direction. At this time, spontaneous diffusion occurs between the first and second liquid masses (liquid layers).

下流側36の液体は、合流部38で再び合流する。そして、合流部38では、第1流路31a側の液体の塊と、第2流路側31bの液体の塊とが交互に並んだ状態となり、同様に自発的拡散が起こる。   The liquid on the downstream side 36 joins again at the junction 38. In the merging portion 38, the liquid mass on the first flow path 31a side and the liquid mass on the second flow path side 31b are alternately arranged, and spontaneous diffusion similarly occurs.

そして、合流部38を流れていた液体が合流流路31xに入ると、合流流路31xの流路直角方向の断面積は合流部38の流路直角方向の断面積よりも大きいので、液の塊は大略傘状に広がり、液層が薄くなる。   When the liquid flowing through the merge portion 38 enters the merge channel 31x, the cross-sectional area of the merge channel 31x in the direction perpendicular to the flow path is larger than the cross-sectional area in the direction perpendicular to the flow path of the merge portion 38, so The lump spreads out in a generally umbrella shape, and the liquid layer becomes thinner.

以上のようにして、第1及び第2の液体の液層を薄くし、粒子の移動距離を短くし、極めて短時間で第1及び第2の液体を均一に混合することができる。   As described above, the liquid layers of the first and second liquids can be thinned, the moving distance of the particles can be shortened, and the first and second liquids can be uniformly mixed in an extremely short time.

第1実施形態では、それぞれの流路31a,31bにマイクロポンプ32a,32bが必要であり、かつ、それらの脈動の位相差を考慮して駆動する必要があるが、以下の第2及び第3実施形態によれば、より簡便な手法で混合することができる。   In the first embodiment, the micropumps 32a and 32b are necessary for the flow paths 31a and 31b, respectively, and it is necessary to drive them in consideration of the phase difference between the pulsations. According to the embodiment, mixing can be performed by a simpler method.

次に、第2実施形態の液体混合機構40について、図6の構成図を参照しながら説明する。   Next, the liquid mixing mechanism 40 of the second embodiment will be described with reference to the configuration diagram of FIG.

液体混合機構40は、大略、第1実施形態と同様に構成され、第1及び第2の流路41a,41bが交差部47でX字状に交差し、それより下流側の部分46が合流部48でY字状に合流し、合流流路41xに接続するようになっている。   The liquid mixing mechanism 40 is generally configured in the same manner as in the first embodiment, and the first and second flow paths 41a and 41b intersect in an X shape at the intersecting portion 47, and the downstream portion 46 joins. In the part 48, it merges in Y shape and connects with the confluence | merging flow path 41x.

一方、第1実施形態とは異なり、第1の流路41aにのみ,液体導入口42とマイクロポンプ44が設けられ、液体導入口42に供給された第1の液体の送液に脈動を与えて送液できるようになっている。   On the other hand, unlike the first embodiment, the liquid introduction port 42 and the micropump 44 are provided only in the first flow path 41a, and the pulsation is given to the liquid supply of the first liquid supplied to the liquid introduction port 42. So that it can be fed.

第2の流路41bには、矢印49で示すように、第2の液体を一定流量で注入することができるようになっている。例えば、第2の流路41bに、不図示の外付けのポンプやシリンジを接続したり、変形が可能なダイアフラムを適宜な手段(例えば、外付けアクチュエータによる押し込みや、ダイアフラムに貼り付けた形状記憶合金の薄板のバイメタル変形)で変形させて押し込むことによって、一定流量で送液する。   As shown by the arrow 49, the second liquid 41 can be injected into the second channel 41b at a constant flow rate. For example, an external pump or syringe (not shown) is connected to the second flow path 41b, or a deformable diaphragm is pressed by an appropriate means (for example, pushing by an external actuator or a shape memory pasted on the diaphragm). The liquid is fed at a constant flow rate by being deformed and pushed by a bimetallic deformation of a thin alloy plate.

液体の混合は、定常的に流れる第2の液体の流れに、マイクロポンプ44により脈動する第1の液体を、間欠的に割り込ませることにより行う。すなわち、交差部47において、第1の液体の塊と第2の液体の塊とが流路進行方向に交互に並んだ状態とし、第1実施形態と同様に、自発的拡散により混合させる。   The mixing of the liquid is performed by intermittently interrupting the first liquid pulsating by the micropump 44 into the flow of the second liquid that flows constantly. That is, at the intersection 47, the first liquid mass and the second liquid mass are alternately arranged in the flow path traveling direction, and are mixed by spontaneous diffusion as in the first embodiment.

次に、第3実施形態の液体混合機構50について、図7の構成図を参照しながら説明する。   Next, the liquid mixing mechanism 50 of the third embodiment will be described with reference to the block diagram of FIG.

液体混合機構50は、大略、第1実施形態と同様に構成される。すなわち、第1及び第2の流路51a,51bは、交差部57でX字状に交差し、それより下流側56が合流部58でY字状に合流し、合流流路51xに接続するようになっている。第1及び第2の流路51a,51bの端部には、液体導入口52a,52bがそれぞれ設けられている。   The liquid mixing mechanism 50 is generally configured similarly to the first embodiment. That is, the first and second flow paths 51a and 51b intersect in an X shape at the intersection 57, and the downstream side 56 joins in a Y shape at the merge section 58 and is connected to the merge flow path 51x. It is like that. Liquid inlets 52a and 52b are provided at the ends of the first and second flow paths 51a and 51b, respectively.

一方、第1実施形態と異なり、矢印59で示すように、合流流路51x側から吸引することにより、液体導入口52a,52bに供給された第1及び第2の液体を送液するようになっている。例えば、合流流路51xに、不図示のシリンジやポンプを接続して吸引する。真空吸引や、毛細管力を利用して吸引してもよい。   On the other hand, unlike the first embodiment, as indicated by an arrow 59, the first and second liquids supplied to the liquid inlets 52a and 52b are fed by suction from the merging channel 51x side. It has become. For example, a syringe or pump (not shown) is connected to the merging channel 51x for suction. Suction may be performed using vacuum suction or capillary force.

第1流路51aには、ダイアフラム54が設けられ、適宜な手段で振動させ、送液に脈動を与えるようになっている。ダイアフラム54は、例えば、ダイアフラムに圧電素子を貼り付けて変形させたり、静電吸引力で変形させたり、外付けの振動機構を取り付けたりして、送液に脈動を与える。ダイアフラム54は、液体に推進力を与える必要はなく、脈動を起こすだけでよいので、マイクロポンプに比べ、簡単な形状、構成とすることができる。   The first flow path 51a is provided with a diaphragm 54, which is vibrated by an appropriate means so as to give pulsation to liquid feeding. For example, the diaphragm 54 is deformed by attaching a piezoelectric element to the diaphragm, deformed by an electrostatic attraction force, or attached with an external vibration mechanism to give pulsation to liquid feeding. The diaphragm 54 does not need to give a propulsive force to the liquid, and only needs to cause pulsation. Therefore, the diaphragm 54 can have a simple shape and configuration as compared with the micropump.

なお、ダイアフラム54は、第1及び第2の流路52a,52bの両方に設けてもよい。この場合、脈動のタイミングを合わせる制御が必要となるが、混合の効率は向上するものと考えられる。   The diaphragm 54 may be provided in both the first and second flow paths 52a and 52b. In this case, it is necessary to control the timing of pulsation, but the mixing efficiency is considered to be improved.

また、合流流路51x側から吸引する代わりに、液体導入口52a,52b側から液体を押し出すようにしてもよい。   Further, instead of suction from the merging channel 51x side, the liquid may be pushed out from the liquid introduction ports 52a and 52b side.

次に、第4実施形態の液体混合機構60について、図8の構成図を参照しながら説明する。   Next, the liquid mixing mechanism 60 of the fourth embodiment will be described with reference to the block diagram of FIG.

液体混合機構60は、第1実施形態から交差部37をなくした構成である。すなわち、液導入口62a,62b及びマイクロポンプ64a,64bがそれぞれ設けられた第1及び第2の流路61a,61bが、合流部66でY字状に合流し、合流流路61xに接続するようになっている。   The liquid mixing mechanism 60 has a configuration in which the intersecting portion 37 is eliminated from the first embodiment. That is, the first and second flow paths 61a and 61b provided with the liquid introduction ports 62a and 62b and the micropumps 64a and 64b are merged in a Y shape at the merge section 66 and connected to the merge flow path 61x. It is like that.

液体混合機構60を用いて混合する場合、第1実施形態と同様に、液体導入口62a,62bに供給した第1及び第2の液体をマイクロポンプ64a,64bの駆動により、合流部66で合流させる。このとき、例えば第1及び第2の液体が合流部66に逆位相で供給されるようにして、第1の液体の塊と第2の液体の塊とが流路進行方向に交互に並んだ状態とし、自発的拡散により混合させる。   When mixing using the liquid mixing mechanism 60, the first and second liquids supplied to the liquid introduction ports 62a and 62b are joined at the joining unit 66 by driving the micropumps 64a and 64b, as in the first embodiment. Let At this time, for example, the first liquid mass and the second liquid mass are alternately arranged in the flow path traveling direction so that the first and second liquids are supplied to the merging portion 66 in opposite phases. Bring to state and mix by spontaneous diffusion.

液体混合機構60は、再混合の効果を得られないが、形状が単純であるので、加工が容易であり、気泡が残存するという問題が起きにくい。   The liquid mixing mechanism 60 cannot obtain the effect of remixing, but since the shape is simple, processing is easy and the problem that bubbles remain is unlikely to occur.

なお、第2及び第3実施形態についても交差部47,57をなくし、合流部48,58のみで混合する構成とすることができる。   In the second and third embodiments, the intersecting portions 47 and 57 can be eliminated, and only the merging portions 48 and 58 can be mixed.

次に、第5実施形態の液体混合機構70について、図9の構成図を参照しながら説明する。   Next, a liquid mixing mechanism 70 of the fifth embodiment will be described with reference to the configuration diagram of FIG.

液体混合機構70は、第4実施形態を組み合わせたものであり、第1、第2及び第3の流路71a,71b,71cが、順次、合流するようになっている。すなわち、第1及び第2の流路71a,71bが合流部76aでY字状に合流し、前合流流路71sに接続する。前合流流路71sは、合流部76bで第3の流路71cとY字状に合流し、合流流路71xに接続するようになっている。第1、第2及び第3の流路71a,71b,71cの端部には、液導入口72a,72b,73c及びマイクロポンプ74a,74b,74cがそれぞれ設けられている。   The liquid mixing mechanism 70 is a combination of the fourth embodiment, and the first, second, and third flow paths 71a, 71b, 71c are sequentially joined. That is, the first and second flow paths 71a and 71b merge in a Y shape at the merge portion 76a and connect to the front merge flow path 71s. The pre-merging channel 71s joins the third channel 71c in a Y shape at the merging portion 76b and is connected to the merging channel 71x. Liquid inlets 72a, 72b, 73c and micropumps 74a, 74b, 74c are provided at the ends of the first, second and third flow paths 71a, 71b, 71c, respectively.

次に、第6実施形態の液体混合機構80について、図10の構成図を参照しながら説明する。   Next, a liquid mixing mechanism 80 of the sixth embodiment will be described with reference to the configuration diagram of FIG.

液体混合機構80は、第1、第2及び第3の流路81a,81b,81cは、合流部86で一度に合流し、合流流路81xに接続するようになっている。第1、第2及び第3の流路81a,81b,81cには、それぞれ、液導入口82a,82b,83cとマイクロポンプ84a,84b,84cが設けられている。   In the liquid mixing mechanism 80, the first, second, and third flow paths 81a, 81b, and 81c are merged at the merge section 86 at a time and connected to the merge flow path 81x. The first, second and third flow paths 81a, 81b and 81c are provided with liquid introduction ports 82a, 82b and 83c and micro pumps 84a, 84b and 84c, respectively.

液体混合機構80は、液導入口82a,82b,83cにそれぞれ供給された第1、第2及び第3の液体を、マイクロポンプ84a,84b,84cの駆動により、少しずつ位相をずらして合流部86に送り込むことにより、第1、第2及び第3の液体の塊を流路進行方向に並べ、自発的拡散により混合させることができる。   In the liquid mixing mechanism 80, the first, second, and third liquids supplied to the liquid inlets 82a, 82b, and 83c are gradually shifted in phase by driving the micropumps 84a, 84b, and 84c. By feeding to 86, the lumps of the first, second and third liquids can be arranged in the flow path traveling direction and mixed by spontaneous diffusion.

なお、平面的に流路を配置した場合、流路の数が増えると、合流部近傍は過密になる。そこで、流路がそれぞれ形成された複数枚の基板を積層し、各流路を貫通穴で連結すれば、より多くの種類の液体を1ヶ所に送り込んで混合することが可能である。   In addition, when arrange | positioning a flow path planarly, if the number of flow paths increases, the confluence | merging part vicinity will become overcrowded. Therefore, by laminating a plurality of substrates each having a flow path and connecting the flow paths with through holes, it is possible to feed and mix more types of liquids in one place.

次に、液体混合機構をマイクロチップに構成した例について、図13及び図14を参照しながら説明する。   Next, an example in which the liquid mixing mechanism is configured as a microchip will be described with reference to FIGS. 13 and 14.

図13の斜視図に示したマイクロチップ20は、血球分離で得られた血液成分を、マイクロチップ20上で試薬と混合し反応させることにより、検査を行うことができる。   The microchip 20 shown in the perspective view of FIG. 13 can be tested by mixing and reacting blood components obtained by blood cell separation with reagents on the microchip 20.

マイクロチップ20は、流路21が形成されたシリコン基板20aの上下面に、透明なガラス板20bが接合されている。なお、マイクロチップ20は、樹脂等を用いて形成することもできる。   In the microchip 20, a transparent glass plate 20b is bonded to the upper and lower surfaces of the silicon substrate 20a on which the flow path 21 is formed. The microchip 20 can also be formed using a resin or the like.

マイクロ流路21は、第1流路21aと第2流路21bとが、交差部21xで交差した後、第3流路21cと合流するように形成されている。図示していないが、交差部21xや第3流路21cとの合流部の近傍部分の流路幅は、第1実施形態のように、その前後の流路の幅よりも狭くしてもよい。   The micro flow channel 21 is formed so that the first flow channel 21a and the second flow channel 21b intersect with the third flow channel 21c after intersecting at the intersecting portion 21x. Although not shown, the channel width in the vicinity of the junction with the intersection 21x and the third channel 21c may be narrower than the width of the channels before and after the first embodiment. .

第2流路21bには、端部にフィルター受け部23aが形成され、中間位置にダイアフラム23bが形成されている。第1流路21aと第2流路21bとには、交差部21xの近傍に、流路断面が部分的に小さくなった撥水バルブ24a,24bがそれぞれ形成されている。第3流路21cの端部側には液貯め部23cが形成されている。   In the second channel 21b, a filter receiving portion 23a is formed at an end portion, and a diaphragm 23b is formed at an intermediate position. In the first channel 21a and the second channel 21b, water repellent valves 24a and 24b each having a partially reduced channel cross section are formed in the vicinity of the intersection 21x. A liquid reservoir 23c is formed on the end side of the third flow path 21c.

上側のガラス板20bには、第1流路21aの端部に連通する試薬導入口25aと、フィルター受け部23aに連通する血液受け25bと、第3流路21cの端部に連通する吸引穴25cと、第1流路21aと外部を連通する大気連通口22aと、第2流路21bと外部とを連通する大気連通口22bとが、設けられている。   The upper glass plate 20b has a reagent introduction port 25a that communicates with the end of the first channel 21a, a blood receiver 25b that communicates with the filter receiver 23a, and a suction hole that communicates with the end of the third channel 21c. 25c, an air communication port 22a that communicates with the first channel 21a and the outside, and an air communication port 22b that communicates the second channel 21b and the outside.

試薬導入口25aには、適宜な試薬を導入する。導入された試薬は、毛細管現象により第1流路21aを進行し、先端が撥水バルブ24aに達すると停止する。   An appropriate reagent is introduced into the reagent introduction port 25a. The introduced reagent advances through the first flow path 21a by capillary action, and stops when the tip reaches the water repellent valve 24a.

血液受け25bには血球を分離するためのフィルターが装填される。このフィルターに全血を滴下すると、フィルターで血球が除去された血液成分が、毛細管現象により、第1流路21bを進行し、ダイアフラム23bを満たし、先端が撥水バルブ24bに達すると停止する。   The blood receiver 25b is loaded with a filter for separating blood cells. When whole blood is dropped onto this filter, the blood component from which blood cells have been removed by the filter travels through the first flow path 21b by capillary action, fills the diaphragm 23b, and stops when the tip reaches the water repellent valve 24b.

撥水バルブ24a,24bで停止している試薬と血液成分は、大気連通口22a,22bを閉じた状態で、吸引穴25cから不図示のシリンジ等により適宜な圧力で吸引することで、第3流路21cに導き、混合する。このとき、ダイアフラム23bを、適宜周期で押し込んで、血液成分に脈動を与える。   The reagent and blood components that are stopped by the water repellent valves 24a and 24b are sucked at an appropriate pressure from a suction hole 25c with a syringe (not shown) or the like with the air communication ports 22a and 22b closed. Guide to the channel 21c and mix. At this time, the diaphragm 23b is pushed in at an appropriate cycle to pulsate blood components.

そして、第3流路21c内の混合液の変化を検出する。例えば、不図示の光源(例えば、発光ダイオード)で第3流路21cに光を照射し、第3流路21cを透過した透過光、あるいは第3流路21cからの散乱光を、不図示の光検出器(例えば、フォトダイオード)で検出する。これにより、生化学的検査や血液凝固検査などの検査(APTT、PT、複合因子T、フェブリノーゲンなど)を行うことができる。   And the change of the liquid mixture in the 3rd flow path 21c is detected. For example, a light source (not shown) (for example, a light emitting diode) irradiates the third flow path 21c with light, and transmitted light transmitted through the third flow path 21c or scattered light from the third flow path 21c is not illustrated. Detection is performed with a photodetector (for example, a photodiode). Thereby, tests (APTT, PT, complex factor T, febrinogen, etc.) such as biochemical tests and blood coagulation tests can be performed.

例えば、マイクロチップ20の外形寸法は約20mm×40mm×0.5mmであり、流路21の幅は200μm、深さは約100μmである。もっとも、寸法・形状は、これに限るものではない。マイクロ流路21を、小さくすればするほど、使用する検体、試薬の量が減り、コスト削減、被検者への負担低減を図ることができる。   For example, the external dimensions of the microchip 20 are about 20 mm × 40 mm × 0.5 mm, the width of the flow path 21 is 200 μm, and the depth is about 100 μm. However, dimensions and shapes are not limited to this. The smaller the microchannel 21 is, the smaller the amount of sample and reagent to be used can be, and the cost can be reduced and the burden on the subject can be reduced.

次に、マイクロチップ20の製造工程について、図14を参照しながら説明する。   Next, the manufacturing process of the microchip 20 will be described with reference to FIG.

図14(a)に示したように、シリコン基板400を用意する。シリコン基板400には、例えば厚さ200μmのシリコンウエハーを用いる。   As shown in FIG. 14A, a silicon substrate 400 is prepared. As the silicon substrate 400, for example, a silicon wafer having a thickness of 200 μm is used.

次に、図14(b)に示したように、シリコン基板400の上下面に、酸化膜410,412を形成する。酸化膜410,412は、例えば、それぞれの厚さが1.0μmとなるように、熱酸化により成膜する。   Next, as shown in FIG. 14B, oxide films 410 and 412 are formed on the upper and lower surfaces of the silicon substrate 400. The oxide films 410 and 412 are formed by thermal oxidation, for example, so that each thickness becomes 1.0 μm.

次に、図14(c)に示したように、下面にポリシリコン膜420を成膜する。ポリシリコン膜420は、例えば厚さが30μmとなるように、エピタキシャルにより成膜する。   Next, as shown in FIG. 14C, a polysilicon film 420 is formed on the lower surface. The polysilicon film 420 is formed by epitaxial so as to have a thickness of 30 μm, for example.

次に、上面にレジストを塗布し、所定のマスクパターンを露光し、現像し、酸化膜410をエッチングする。そして、上面のレジストを剥離した後、再びレジストを塗布し、露光、現像、エッチングを行う。これにより、図14(d)に示したように、酸化膜410を完全に除去した部分416と、厚さ方向に途中まで除去した部分414を形成する。レジスト塗布には、例えばOFPR800などのレジストを用いスピンコーターで回転塗布し、レジスト膜の厚さは、例えば1μmとする。露光はアライナーにより行い、現像はデベロッパーにより行う。酸化膜のエッチングには、例えばRIEを用いる。レジストの剥離には、剥離液、例えば硫酸過水を用いる。   Next, a resist is applied to the upper surface, a predetermined mask pattern is exposed, developed, and the oxide film 410 is etched. Then, after removing the resist on the upper surface, the resist is applied again, and exposure, development, and etching are performed. As a result, as shown in FIG. 14D, a portion 416 from which the oxide film 410 has been completely removed and a portion 414 from which the oxide film 410 has been removed halfway in the thickness direction are formed. For resist application, for example, a resist such as OFPR800 is used and spin-coated by a spin coater, and the thickness of the resist film is set to 1 μm, for example. Exposure is performed by an aligner, and development is performed by a developer. For example, RIE is used for etching the oxide film. For stripping the resist, a stripping solution such as sulfuric acid / hydrogen peroxide is used.

次に、上面についてシリコンエッチングを途中まで行った後に、酸化膜414をエッチングにより完全に除去し、再びシリコンエッチングを行い、図14(e)に示したように、シリコン基板400を貫通する部分404と、途中まで除去された部分402とを形成する。シリコンエッチングには、例えば、ICP(高周波誘導結合型プラズマ、Inductively Coupled Plasma)を用いる。   Next, after the silicon etching is partially performed on the upper surface, the oxide film 414 is completely removed by etching, and the silicon etching is performed again. As shown in FIG. 14E, a portion 404 penetrating the silicon substrate 400 is obtained. And a portion 402 removed halfway. For silicon etching, for example, ICP (High Frequency Inductively Coupled Plasma, Inductively Coupled Plasma) is used.

次に、上面の酸化膜410を、例えばBHFを用いて完全に除去する。そして、図14(f)に示したように、シリコン基板400の上面にガラス板430を貼り付ける。例えば、900V、400℃で、陽極接合する。   Next, the oxide film 410 on the upper surface is completely removed using, for example, BHF. And as shown in FIG.14 (f), the glass plate 430 is affixed on the upper surface of the silicon substrate 400. FIG. For example, anodic bonding is performed at 900 V and 400 ° C.

マイクロポンプを備える場合には、図14(g)に示したように、ポンプ室の振動板の部分にPZTを接着する。   When a micropump is provided, PZT is bonded to the diaphragm portion of the pump chamber as shown in FIG.

次に、液体の混合のシミュレーション結果を、図11及び図12に示す。   Next, simulation results of liquid mixing are shown in FIGS.

図12は、合流部のみで混合する場合のシミュレーション結果である。シミュレーションモデルは、第1の流路100と第2の流路102が、合流部の細い流路104,106で合流した後、合流流路108に接続する。細い流路106の幅は20μm、合流流路108の幅は200μmである。第2流路102には、第2の液体を、一定圧力500Paで供給する。第1の流路100には第1の液体130を、2000Pa、500HzでON/OFFすることにより、脈動させる。合流流路108には、バッファー液が予め満たされている。図12(a)〜(h)は、1msごとの流れの様子を示している。符号122は、バッファー液と第2の液体との境界である。液体は、細い流路106から合流流路108に入ると、大略傘状に広がり、薄い第1の液層132,134,136と第2の液層142,144,146が流路進行方向に交互に形成される。   FIG. 12 shows a simulation result when mixing is performed only at the junction. In the simulation model, the first flow path 100 and the second flow path 102 are merged in the flow paths 104 and 106 having a narrow merge portion, and then connected to the merge flow path 108. The narrow channel 106 has a width of 20 μm, and the merge channel 108 has a width of 200 μm. The second liquid is supplied to the second channel 102 at a constant pressure of 500 Pa. The first liquid 130 is pulsated in the first flow path 100 by turning it ON / OFF at 2000 Pa and 500 Hz. The merge channel 108 is prefilled with a buffer solution. FIGS. 12A to 12H show the flow state every 1 ms. Reference numeral 122 denotes a boundary between the buffer liquid and the second liquid. When the liquid enters the converging flow path 108 from the narrow flow path 106, the liquid spreads in an approximately umbrella shape, and the thin first liquid layers 132, 134, 136 and the second liquid layers 142, 144, 146 are in the flow path moving direction. It is formed alternately.

図11は、交差部と合流部とを用いて混合する場合のシミュレーション結果を示す。シミュレーションモデルは、第1の流路200に接続された細い流路204と、第2の流路(図示せず)に接続された細い流路202とが、交差部206で交差した後、口字状に折れ曲がり、合流部208で合流し、広い合流流路210に接続する。合流流路210には、バッファー液が予め満たされている。図11(a)〜(d)は、5msごとの流れの様子を示している。第1及び第2の液体は、交差部206、合流部208を通り、合流流路210に流れ込んだときには、それぞれの液層が薄すぎて、既に混合している。   FIG. 11 shows a simulation result when mixing is performed using the intersection and the junction. In the simulation model, the narrow channel 204 connected to the first channel 200 and the narrow channel 202 connected to the second channel (not shown) intersect at the intersection 206, and then the mouth It bends in the shape of a letter, merges at the merge section 208, and connects to a wide merge channel 210. The merge channel 210 is prefilled with a buffer solution. FIGS. 11A to 11D show a flow state every 5 ms. When the first and second liquids flow through the intersection 206 and the junction 208 and flow into the junction channel 210, the respective liquid layers are too thin and are already mixed.

以上説明したように、液体混合機構は、少なくとも2液以上の液体を同時に混合できる。脈動を利用して混合することにより、流路進行方向に非常に薄い液体の拡散層を多数形成するので、拡散混合が桁違いに短時間で終了する。例えば、比較的大きなフェブリノーゲンを100μm幅の流路の幅方向で拡散混合させるための時間は、約2000秒と計算される。これが、流路進行方向の薄い層(2μm)を拡散混合させるための時間は、約0.8秒と計算される。   As described above, the liquid mixing mechanism can simultaneously mix at least two liquids. By mixing using pulsation, a number of very thin liquid diffusion layers are formed in the direction of flow of the flow path, so diffusion mixing is completed in an extremely short time. For example, the time for diffusively mixing relatively large febrinogen in the width direction of a 100 μm wide channel is calculated to be about 2000 seconds. This is calculated to be about 0.8 seconds for diffusing and mixing the thin layer (2 μm) in the flow path direction.

また、流路進行方向の拡散を使用するので流路幅を狭める必要がなく、流路抵抗の上昇による送液の負担が軽減される。すなわち、ポンプの発生圧力を大きくしたり、高圧に耐えるように構成を大きくする必要がない。   Further, since diffusion in the flow path direction is used, it is not necessary to narrow the flow path width, and the burden of liquid feeding due to an increase in flow path resistance is reduced. That is, it is not necessary to increase the pressure generated by the pump or increase the configuration to withstand high pressure.

また、液体混合機構の構成が比較的簡単であり、一つの基板上に平面的に形成でき、部品点数が少ない。   In addition, the configuration of the liquid mixing mechanism is relatively simple, can be formed on a single substrate in a planar manner, and the number of components is small.

それぞれの液の送り量を駆動波形によって制御するので、それぞれの液の送り量を任意に変えることができ、混合比も任意に設定することができる。また、時間によって混合比率を任意に変えることもできる。   Since the feed amount of each liquid is controlled by the drive waveform, the feed amount of each liquid can be arbitrarily changed, and the mixing ratio can also be arbitrarily set. Further, the mixing ratio can be arbitrarily changed depending on the time.

また、マイクロポンプはパルス群を組み合わせることで駆動してもよい。すなわち、図15(a)に示すように、ポンプAにはパルス列Paを、ポンプBにはパルス列Pbを交互に与えて駆動する。この駆動パルス群は電圧のon/offの集合であり、そのパルス形状、パルス電圧、パルス数によってポンプの動きを制御する。このような駆動制御をすることによって、液供給の高精度化・自由度の拡大が可能になる。   The micropump may be driven by combining pulse groups. That is, as shown in FIG. 15A, the pump A is driven by alternately applying the pulse train Pa and the pump B is alternately supplied with the pulse train Pb. This drive pulse group is a set of voltage on / off, and the movement of the pump is controlled by its pulse shape, pulse voltage, and number of pulses. By performing such drive control, it is possible to increase the accuracy of liquid supply and to expand the degree of freedom.

図15(a)のように、ポンプAとポンプBに同じ形状、電圧、数のパルス群を与えた場合、各ポンプから供給される液は1:1になる。パルスの形状または電圧または数のいずれかあるいはいくつかを組み合わせたものを変えることによって、液の混合比率を任意に制御することができる。   As shown in FIG. 15A, when the same shape, voltage, and number of pulse groups are given to the pump A and the pump B, the liquid supplied from each pump becomes 1: 1. The liquid mixing ratio can be arbitrarily controlled by changing the pulse shape or voltage or number, or some combination thereof.

また、図15(b)のように、ポンプAをパルス列Paで脈動させ、ポンプBを整流ポンプとすることで、脈動と整流による2液の混合を実現できる。   Further, as shown in FIG. 15B, by mixing the two liquids by pulsation and rectification, the pump A is pulsated by the pulse train Pa and the pump B is a rectification pump.

さらには、液の送り量を適宜に制御することで、交差部又は合流部より下流側に、濃度勾配、pH勾配等を持った溶液を作ることができる。これにより、例えば濃度やpH等の条件を変えた化学反応を一度に行うことができ、効率的である。   Furthermore, a solution having a concentration gradient, a pH gradient, or the like can be made downstream of the intersection or the merging portion by appropriately controlling the liquid feed amount. Thereby, for example, chemical reactions in which conditions such as concentration and pH are changed can be performed at a time, which is efficient.

なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施可能である。   In addition, this invention is not limited to said each embodiment, It can implement in another various aspect.

例えば、液体混合機構は、マイクロチップに限らず、種々の態様で構成することができる。   For example, the liquid mixing mechanism is not limited to a microchip and can be configured in various forms.

なお、上述した具体的実施形態には、以下の発明が含まれる。
(1) 交差部又は合流部で交差又は合流する微小な第1及び第2の流路に、それぞれ第1及び第2の液体を流す第1のステップと、
上記交差部又は合流部において、上記第1の液体と第2の液体を交差又は合流させる第2のステップとを備え、
上記第1のステップにおいて、上記第1及び第2の液体の少なくとも一方を脈動させることを特徴とする、液体混合方法。
(2) 上記第2のステップにおいて、上記第1の液体と第2の液体を交差又は合流させる部分の流路直角方向の断面積が、その前後の流路の流路直角方向の断面積よりも小さいことを特徴とする、上記(1)記載の液体混合方法。
(3) 上記第1ステップにおいて、上記第1及び第2の液体の少なくとも一方は、1回あたり、上記交差部又は合流部の容積の1/5倍以上で、その前後の流路幅に対して十分小さくなる量を脈動させることを特徴とする、上記(1)記載の液体混合方法。
(4) 上記第1ステップにおいて、上記第1及び第2の液体は、上記交差部又は合流部において、略逆位相で交差又は合流することを特徴とする、上記(1)記載の液体混合方法。
(5) 上記第1のステップにおいて、上記第1及び第2の液体のいずれか一方が脈動し、他方が整流であることを特徴とする、上記(1)記載の液体混合方法。
(6) 上記第2ステップにおいて、上記第1及び第2の液体を交差させた後に、再び合流させることを特徴とする、上記(1)記載の液体混合方法。
(7) 上記第1ステップにおいて、上記第1及び第2の流路の少なくとも一方の上記交差部又は合流部より上流側に設けたマイクロポンプにより、上記第1及び第2の液体の少なくとも一方を脈動させることを特徴とする、上記(1)記載の液体混合方法。
(8) 上記第1ステップにおいて、上記第1及び第2の流路の少なくとも一方の上記交差部又は合流部より上流側に設けたダイアフラムにより、上記第1及び第2の液体の少なくとも一方を脈動させることを特徴とする、上記(1)記載の液体混合方法。
The specific embodiments described above include the following inventions.
(1) a first step of causing the first and second liquids to flow into the minute first and second flow paths that intersect or merge at the intersection or the junction, respectively;
A second step of crossing or merging the first liquid and the second liquid at the intersection or merging section;
In the first step, at least one of the first and second liquids is pulsated.
(2) In the second step, the cross-sectional area in the direction perpendicular to the flow path of the portion where the first liquid and the second liquid intersect or merge is greater than the cross-sectional area in the direction perpendicular to the flow path of the flow path before and after The liquid mixing method according to (1) above, wherein the liquid mixing method is also small.
(3) In the first step, at least one of the first and second liquids is not less than 1/5 times the volume of the intersecting portion or merging portion, and the flow width before and after the first and second liquids. The liquid mixing method according to the above (1), wherein a sufficiently small amount is pulsated.
(4) The liquid mixing method according to (1), wherein, in the first step, the first and second liquids intersect or merge at a substantially opposite phase at the intersecting part or the joining part. .
(5) The liquid mixing method according to the above (1), wherein in the first step, one of the first and second liquids pulsates and the other is rectification.
(6) The liquid mixing method according to (1), wherein in the second step, the first and second liquids are crossed and then merged again.
(7) In the first step, at least one of the first and second liquids is caused by a micro pump provided upstream of at least one of the intersecting portion or the merging portion of the first and second flow paths. The liquid mixing method according to the above (1), wherein the liquid is pulsated.
(8) In the first step, at least one of the first and second liquids is pulsated by a diaphragm provided upstream of at least one of the intersecting part or the joining part of the first and second flow paths. The liquid mixing method as described in (1) above, wherein

チャンネル幅と拡散時間及び比界面積の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between channel width, diffusion time, and a specific interface area. 本発明の第1実施形態に係る液体混合機構の構成図である。It is a block diagram of the liquid mixing mechanism which concerns on 1st Embodiment of this invention. マイクロポンプの構成図である。It is a block diagram of a micropump. 図3の線IV−IVに沿って切断したマイクロポンプの断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of the micropump cut along line IV-IV in FIG. 3. マイクロポンプの駆動流量を示すグラフである。It is a graph which shows the drive flow rate of a micro pump. 本発明の第2実施形態に係る液体混合機構の構成図である。It is a block diagram of the liquid mixing mechanism which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態に係る液体混合機構の構成図である。It is a block diagram of the liquid mixing mechanism which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4実施形態に係る液体混合機構の構成図である。It is a block diagram of the liquid mixing mechanism which concerns on 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5実施形態に係る液体混合機構の構成図である。It is a block diagram of the liquid mixing mechanism which concerns on 5th Embodiment of this invention. 本発明の第6実施形態に係る液体混合機構の構成図である。It is a block diagram of the liquid mixing mechanism which concerns on 6th Embodiment of this invention. 液体混合機構の流れのシミュレーション結果である。It is a simulation result of the flow of a liquid mixing mechanism. 液体混合機構の流れのシミュレーション結果である。It is a simulation result of the flow of a liquid mixing mechanism. 液体混合機構を含むマイクロチップの斜視図である。It is a perspective view of the microchip containing a liquid mixing mechanism. マイクロチップの製造工程図である。It is a manufacturing process figure of a microchip. マイクロポンプの駆動波形図である。It is a drive waveform figure of a micro pump.

符号の説明Explanation of symbols

20 マイクロチップ
21a 第1の流路
21b 第2の流路
21c 第3の流路(合流部)
21x 交差部
30 液体混合機構
31a 第1の流路
31b 第2の流路
34a,34b マイクロポンプ
37 交差部
38 合流部
40 液体混合機構
41a 第1の流路
41b 第2の流路
44 マイクロポンプ
47 交差部
48 合流部
50 液体混合機構
51a 第1の流路
51b 第2の流路
54 ダイアフラム
57 交差部
58 合流部
60 液体混合機構
61a 第1の流路
61b 第2の流路
64a,64b マイクロポンプ
66 合流部
70 液体混合機構
71a,71b,71c 流路
74a,74b,74c マイクロポンプ
76a,76b 合流部
80 液体混合機構
81a,81b,81c の流路
84a,84b,84c マイクロポンプ
86 合流部
20 microchip 21a 1st flow path 21b 2nd flow path 21c 3rd flow path (merging part)
21x intersection 30 liquid mixing mechanism 31a first flow path 31b second flow path 34a, 34b micropump 37 crossing section 38 confluence section 40 liquid mixing mechanism 41a first flow path 41b second flow path 44 micropump 47 Intersection 48 Merge section 50 Liquid mixing mechanism 51a First flow path 51b Second flow path 54 Diaphragm 57 Intersection 58 Merge section 60 Liquid mixing mechanism 61a First flow path 61b Second flow path 64a, 64b Micro pump 66 Junction part 70 Liquid mixing mechanism 71a, 71b, 71c Flow path 74a, 74b, 74c Micropump 76a, 76b Junction part 80 Liquid mixing mechanism 81a, 81b, 81c Channel 84a, 84b, 84c Micropump 86 Junction part

Claims (4)

それぞれ細幅部と太幅部とを備える微小な第1及び第2の流路を備え、上記第1の流路を流れる第1の液体と上記第2の流路を流れる第2の液体とが上記細幅部で交差又は合流して混合する液体混合機構において、
上記第1及び第2の液体の少なくとも一方が、上記細幅部に、脈動しながら送液されることを特徴とする、液体混合機構。
A first liquid flowing in the first flow path and a second liquid flowing in the second flow path, each having a minute first and second flow path each having a narrow width portion and a wide width portion; In the liquid mixing mechanism that crosses or joins at the narrow part and mixes,
A liquid mixing mechanism, wherein at least one of the first and second liquids is sent to the narrow portion while pulsating.
上記細幅部の流路直角方向の断面積が、前記太幅部の流路直角方向の断面積よりも小さいことを特徴とする、請求項1記載の液体混合機構。   The liquid mixing mechanism according to claim 1, wherein a cross-sectional area of the narrow width portion in a direction perpendicular to the flow path is smaller than a cross-sectional area of the wide width portion in the direction perpendicular to the flow path. 上記第1及び第2の液体は、上記細幅部において、略逆位相で交差又は合流することを特徴とする、請求項1記載の液体混合機構。   2. The liquid mixing mechanism according to claim 1, wherein the first and second liquids intersect or merge with each other in a substantially opposite phase in the narrow portion. 上記第1及び第2の流路の少なくとも一方の上記細幅部より上流側に、ダイアフラムを備えたことを特徴とする、請求項1記載の液体混合機構。   The liquid mixing mechanism according to claim 1, further comprising a diaphragm upstream of the narrow portion of at least one of the first and second flow paths.
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