JP5448888B2 - 液体混合装置 - Google Patents
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Description
本発明は、チップ上で化学分析や化学合成を行う小型化学分析・合成システム等に適用可能な液体混合装置に関し、具体的には、誘起電荷電気浸透を用いた液体混合装置に関する。
電気浸透を用いるマイクロポンプは、構造が比較的簡単である、微小流路（マイクロ流路）内への実装が容易、等の理由でμＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ‐Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）等の分野で使用されている。
こうした中、近年、誘起電荷電気浸透（ＩＣＥＯ：Ｉｎｄｕｃｅｄ‐Ｃｈａｒｇｅ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｏｓｍｏｓｉｓ）を用いたマイクロポンプが、液体の流速を大きくできる、電極と液体の間に生ずる化学反応をＡＣ駆動が可能なことにより抑制できる等の理由から着目されている。
特許文献１及び非特許文献１は、誘起電荷電気浸透を用いたミキサ（混合装置）であって、円柱金属ポストのまわりのＩＣＥＯ流れによる渦を利用したマイクロミキサを開示する。
非特許文献２では、円柱金属ポストに垂直電界と斜め電界を交互に印加し、２つの渦流を交互に切り替えるミキサを開示する。
Ｍ．Ｚ．Ｂａｚａｎｔ ａｎｄ Ｔ．Ｍ．Ｓｑｕｉｒｅｓ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．９２，０６６１０１（２００４）
Ｈ．Ｚｈａｏ ａｎｄ Ｈ．Ｂａｕ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｅ ７５ ０６６２１７（２００７）
微小流路の中では、レイノルズ数が低いために乱流による混合が期待できず、混合は分子拡散によるものが主となる。
このため特許文献１や非特許文献１に開示されたＩＣＥＯ流れによる渦をマイクロ流路中で発生させるものでは、十分な混合を得るのに必要な時間、及び、必用な流路長が比較的長くなるという問題が生ずる。
一方、非特許文献２に記載のミキサでは、流路壁面に対して斜め方向に傾いた斜め電界を必要とするために、実際に装置を構成しようとすると、電極配置にそれなりの工夫を必用とし小型集積化が困難となるおそれがある。
本発明は、短時間で効率的な液体の混合をなし得、小型集積化が可能な液体混合装置を提供することを目的とする。
本発明により提供される液体混合装置は、液体を搬送するための微小流路と、該流路内に設けられた導電性部材と該導電性部材に電界を与える電極とを備え前記電界により前記流路内に前記液体の渦流を生じさせる渦流発生手段と、前記流路に沿った方向の前記液体の流れを発生させる方向性流れ発生手段と、前記渦流と前記方向性流れとを所定の周波数で交互に切り替える切り替え手段と、を有することを特徴とする。
本発明の液体混合装置は、流路内に液体の渦流を生じさせる渦流発生手段と、流路の端部に接続され流路に沿った方向の流れを発生させる方向性流れ発生手段と、これら手段の切り替え手段を有し、渦流と方向性流れとを切り替えることが可能となる。これにより、短時間で効率的な液体の混合が可能となる。さらに、斜め電界を必用とせず、小型集積化が容易な液体混合装置を提供できる。
以下、本発明の液体混合装置について、図を参照して説明する。
本発明に係る液体混合装置は、液体を搬送するための流路と、該流路内に設けられた導電性部材と該導電性部材に電界を与える電極とを備え前記電界により前記流路内に前記液体の渦流を生じさせる渦流発生手段と、前記流路に沿った方向の前記液体の流れを発生させる方向性流れ発生手段と、前記渦流と前記方向性流れとを切り替える切り替え手段と、を有することを特徴とする。
図１は本発明の液体混合装置の一例を示す模式図である。
図１において、５は液体を搬送するための流路（長さＬ、幅ｗ、深さｄ２（＞ｗ））、３は流路内に設けられた導電性部材、４は電極１及び２に接続されており、導電性部材３に電界を与える電源である。ここで電極１、２と電源４と、導電性部材３とは、流路内に液体の渦流を生じさせる渦流発生手段を構成する。
８ａ及び８ｂは流路５内に該流路（流路の延びる方向）に沿った方向の液体の流れを発生させる方向性流れ発生手段としてポンプであり、このポンプを作動させることで流路の入口と出口における液体に圧力差ΔＰを生じさせる。９は渦流発生手段と方向性流れ発生手段とを切り替える切り替え手段である。
図１の装置においては、電極１及び２間に電圧を印加することで電界が生じ、この電界により導電性部材３の表面に電荷が誘起される。誘起された電荷に液体中の帯電成分（陽イオン、負イオン等）が吸い寄せられて、所謂、電気二重層が形成される。誘起される電荷と対をなして形成される電気二重層部分に起こる電気浸透流に起因して渦流が発生する。
本発明の液体混合装置では、流路内に主に発生する液体の流れとして渦流と方向性流れとを切り替えることにより短時間で効率的な液体の混合が可能となる。
導電性部材を構成する材料は、電界により電荷を誘起する材料が用いられ、金属（例えば、金、白金）の他、炭素や炭素系の材料等が挙げられる。しかしこの部材についても搬送する液体に対して安定な材料で構成するのが好適である。
また、流路内に設けられる導電性部材の数は、効率的に渦流を発生させるためには複数とするのが好ましく、流路の長さと導電性部材の大きさ、搬送する液体の粘性等を考慮して選択することができる。
導電性部材の配置は、流路の中心を境として、液体の搬送される方向に関して、ジグザグ状に配置することが渦流の効率的観点から好ましい。図１では流路の中心を境に２個づつ、計４個を配したが、個数は適宜選択することができる。
導電性部材に電界を与える電極は、図１では対向する一対の電極１及び２が設けられているが、導電性部材に電荷が効果的に誘起できる配置であれば、３個あるいは４個以上を配置することも可能である。電極を構成する材料としては、金属等からなる一般的な電極材料の他、金、白金、炭素、炭素系導電体等が挙げられる。また、図１では、渦流発生用の電源としてＡＣ（交流）電源が用いて電界を用いて駆動する例を示しているが、ＤＣ（直流）電源を用いることも可能である。
本発明において、流路に沿った方向の流れを発生させる方向性流れ発生手段には、各種ポンプを採用することができるがμＴＡＳ（マイクロトータルアナリシスシステム）等の分野で一般的に使用されるダイアフラムポンプ、圧電アクチュエータポンプ、電気泳動ポンプ、電気浸透ポンプ等のマイクロポンプを用いるのが好ましい。
方向性流れ発生手段（ポンプ）と渦流発生手段との切り替え手段は、例えば、２つのチャンネルを持つ任意波形発生器を用いて構成することができる。
この発生器は、例えば、最大値を５Ｖ（ＯＮ状態）、最小値を０Ｖ（ＯＦＦ状態）とする矩形波（ゲートパルス）をチャンネル１とチャンネル２で逆位相に発生させるものであり、方向性流れ発生手段はチャンネル１のゲートパルスに応じてＯＮ状態またはＯＦＦ状態に制御されるインターフェースを持ち、渦流発生手段は方向性流れ発生手段はチャンネル２のゲートパルスに応じてＯＮ状態またはＯＦＦ状態に制御されるインターフェースを持つことになる。
もちろん、チャンネル２のＯＮ状態期間のピーク駆動電圧（＋Ｖ０，−Ｖ０）と周波数を適宜調整して、直接、ＡＣ電圧を電極に接続してもかまわない。また、小型システムを構成する観点から切り替え替え手段に含まれる電気回路部をＩＣチップに集積することも可能である。
本発明において、流体を搬送する流路は、μＴＡＳ等の分野で一般的に使用される材料で構成することができる。具体的には、搬送する液体に対して安定な材料で構成でき、そのような材料としては、ＳｉＯ２、Ｓｉ、フッ素樹脂、高分子樹脂等が挙げられる。
流路の大きさは、所謂、マイクロリアクターとして使用され得る大きさとするのが好ましい。具体的な流路幅として好ましくは１０００μｍ以下、より好ましくは５００μｍ以下、望ましくは２００μｍ以下である。流路幅が狭くなるにつれ、液体の拡散距離が短くなり、混合時間の短縮、反応時間の短縮につながる。また、流路の深さについては、混合させる液体同士の接触面積を広くさせるという観点から流路幅よりも深い（大きい）ことが好ましい。具体的には、深さ／流路幅は０．１以上、より好ましくは０．５以上、より好ましくは１以上最適には２以上が好ましい。さらに深さ／流路幅が大きくなることは流路の断面積が大きくなり多くの流体が流せるという効果も奏する。
本発明において、流路内を搬送可能な液体は、基本的には、帯電成分を含有する極性分子を含むものであり、水や、各種電解質を含む溶液等が挙げられる。
以下、具体的な実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。
図１は、実施例１の混合装置を示す断面図である。同図において、１及び２は一対の電極、３は導電性部材、４は電源、５は幅ｗ（＝１００μｍ）、長さＬ（＝２２５μｍ）、深さｄ２（＞ｗ）の流路であり、流路５には水や電解質水溶液など分極可能な溶液が充たされている。ここで、一対の電極１、２はＤＣまたはＡＣ電界を流路に印加する手段である。電極１、２と電源４と、導電性部材３とは、流路内に液体の渦流を生じさせる渦流発生手段を構成する。
また、８ａ、８ｂは流路５の端部に接続され流路に沿った方向の流れを発生させる方向性流れ発生手段としてのポンプである。
９は、方向性流れ発生手段８ａ、８ｂによって発生する方向性流れと、渦流発生手段によって発生する渦流と、を交互に切り替える切り替え手段である。
本発明では、２種の流れを切り替えることにより混合に必要な流路長及び時間を短縮し、斜め電界のいらない小型集積化が容易な高性能な液体混合装置（マイクロミキサ）を提供できる。
ここで、渦流発生手段は流路５内に配した導電性部材３と、導電性部材３に電界を与える電極１、２と、を備え、電界により導電構造体３に誘起される電荷と対をなして形成される電気二重層部分に起こる電気浸透流（ＩＣＥＯ）を用いる。ＩＣＥＯ流れによる渦流を利用するため、渦流の流れ速度を大きくできるとともに、ＡＣ駆動可能なためにＤＣの場合に問題となる化合物の分解等を回避できる効果がある。
本実施例では、導電性部材３は、半径ｃ（直径２ｃ）の円柱で構成されている。図１において、φは、円柱上の位置を表すパラメータであり、Ｅは電極に垂直な垂直電界を示す。また、４つの円柱の位置は（ｘｉ，ｙｉ）（ｉ＝１，２，３，４）で示され、２δ（＝ｄ０）は、円柱配置のｘ方向の間隔を示す。
つまり、流路下部の円柱のｘ位置は、ｘ１＝ｘ３＝０．５ｗ＋δ、流路上部の円柱のｘ位置は、ｘ２＝ｘ４＝０．５ｗ−δ、ｙ１／ｗ＝０．４５，ｙ２／ｗ＝０．９、ｙ３／ｗ＝１．３５、ｙ４／ｗ＝１．８である。
また、図１（ｂ）は、方向性流れ発生手段による駆動と、渦流発生手段による駆動と、の切り替えのタイムチャートであり、Ｔ１は、方向性流れ発生手段による圧力差（流路の入口と出口の圧力差）印加期間である。また、Ｔ２は渦流発生手段によるＡＣ電圧印加期間である。Ｔ＝Ｔ１＋Ｔ２は、切り替え周期を示す。
図２は、本実施例の装置の流速分布の計算図であり、図２（ａ）は方向性流れ発生手段８ａ、８ｂによって発生する方向性流れの流速分布図、図２（ｂ）は、渦流発生手段によって発生する渦流の流速分布図である。
ここでの計算値は誘起電荷浸透効果を考慮したストークス流体方程式を用いた計算による。
ｃ／ｗ＝０．１、δ／ｗ＝０．３、方向性流れ発生手段による流路の入口と出口の圧力差ΔＰ＝２．４Ｐａ（圧力勾配ΔＰ／Ｌ）、ｗ＝１００μｍ、Ｌ／ｗ＝２．２５、渦流発生手段の印加電圧Ｖ０＝２．３８Ｖとして計算している。
ｃ／ｗ＝０．１、δ／ｗ＝０．３、方向性流れ発生手段による流路の入口と出口の圧力差ΔＰ＝２．４Ｐａ（圧力勾配ΔＰ／Ｌ）、ｗ＝１００μｍ、Ｌ／ｗ＝２．２５、渦流発生手段の印加電圧Ｖ０＝２．３８Ｖとして計算している。
図３、図４、図５及び図６は、周期境界を使って計算した液体混合装置中の液体の位置を示す図である。図１におけるＬｑ１とＬｑ２を流路５の入口部に流入する２種の液体を図３（ｔ＝０）において、３１、３２として示し、この２種の液体の経時的な位置変化を図４（ｔ＝１００ｍｓ）、図５（ｔ＝２００ｍｓ）、図６（ｔ＝５００ｍｓ）で示している。図６より５００ｍｓ程度の時間で２種の液体が良好に混合することが理解される。ここで、方向性流れ発生期間及び渦流発生期間は、Ｔ／２＝２０ｍｓとした。
また、図７は、定量的に混合を評価する手法であるボックス計測法によって定義された十分に時間が経過した後の液体の混ざり具合を表わす混合係数（ε３，ｍａｘ）のストローハル数Ｓｔ１＝ｆｄ１／Ｕ１、Ｓｔ０＝ｆｄ０／Ｕ０依存性を示すグラフ（計算図）である。
ここで、ストローハル数は時間変化による慣性力と場所移動による慣性力の無次元数であり、ｆは切り替え周波数、ｄ１は渦流の前記流路に沿った方向の幅、ｄ０は渦流の流路に沿った方向と垂直な方向の幅、Ｕ１は流路に沿った方向の液体の平均流速、Ｕ０は渦流の前記垂直な方向の速度を、それぞれ示している。
混合係数は
で定義される。
ただし、ｎｉ＜ｎａｖｅの場合ωｉ＝ｎｉ／ｎａｖｅ、その他の場合ωｉ＝１である。また、ｎａｖｅ＝Ｎ３／Ｋ、Ｎ３＝（Ｎ１Ｎ２）０．５，ｎｉ＝（ｎ１ｎ２）０．５であり、ｎ１，ｎ２は仮想粒子１，２のボックス内の数、Ｎ１＝Ｎ２＝２０Ｘ４０＝８００は仮想流体粒子１、２の総数、Ｋ＝１０Ｘ２０＝２００は評価ボックスの数を示す。
ここで、ωｉ＝ｎｉ／ｎａｖｅは平均粒子数以下のボックスで低い値となり、平均粒子数以上の過剰粒子数のボックスで１となり、よく混合されているとみなされる（ε３が１に近づくほど良好な混合を示し、０に近づくと混合がなされていない）。それゆえ、２種の液体３１、３２の仮想粒子が流路全体に均一に広がるにつれて、混合係数は１に近づき、全体としてよく混合した状態を示す。
図７から、Ｓｔ１＝ｆｄ１／Ｕ１＜１、Ｓｔ０＝ｆｄ０／Ｕ０＜１で良好な混合が得られることが理解される。
また、図８は混合時間ｔｍとストローハル数の関係、図９は混合距離Ｌｍとストローハル数の関係を示す。
図８、図９より、Ｓｔ１＝ｆｄ１／Ｕ１＜１、Ｓｔ０＝ｆｄ０／Ｕ０＜１なる条件で、ｔｍは〜１ｓ程度、Ｌｍは〜１ｍｍ程度であり、短い時間と距離で十分な混合が起きることが分かる。ただし、Ｔ０＝１ｍｓである。また、実線、破線、点線は、切り替え時間をＴ／（２Ｔ０）＝２０，４０，８０としたときの単純モデルによる解析解である。また、混合距離は、図３のように周期条件を使わない実際の流路で必要となる距離であり、Ｌｍ＝Ｕ１ｔｍである。
通常、流路幅１００μｍ程度の流路内では混合時間は６０ｓ程度以上、混合流路長は１ｃｍ程度必要と言われるため、本発明により、大幅に混合時間及び混合流路長を短くできることがわかる。また、計算ではレイノルズ数がゼロ、及び、ピクレー数が無限大の極限を考えた。ここでピクレー数は拡散係数に関係する無次元数であって、ピクレー数が無限大のときに拡散係数は０となる。
本発明では、複数種の流れを切り替えるカオス混合を用いているために、レイノルズ数が極めて低く、ピクレー数が大きい場合にも効果があることが分かる。
また、本発明の液体混合装置は、レイノルズ数が低く、乱流による混合が期待できないマイクロ流体システムにおいて、極めて有用である。本発明の液体混合装置は、マイクロ流体システムが適用可能な種々の分野に適用可能であり、具体的には、ＤＮＡやタンパク質の解析、細胞のソーティング、ハイスループットスクリーニング、化学反応、微小量（１−１００ｎｌ）の移動手段等に利用可能である。
ＤＮＡやタンパク質、あるいは細胞では、分子量が大きいために、拡散係数が小さくなり、システムのピクレー数が極めて大きくなるため、ピクレー数が無限大でも効果を発揮する本発明の混合装置は、極めて有用となる。さらに、化学分析等に利用されるマイクロ流体デバイスには、通常、使い捨てができるように高価でなく、単純な構造のものが望まれるため、この点でも、本発明は好適な混合装置となり得る。
（比較例１）
図１１、図１２は、渦流と方向性流れを切り替えずに同時に発生させた場合の液体混合装置中の液体の位置を示す図である。
図１１、図１２は、渦流と方向性流れを切り替えずに同時に発生させた場合の液体混合装置中の液体の位置を示す図である。
これらの図において、混合させる２種の液体を８０１と８０２として示しており、経時的な位置変化を図１１（ａ）（ｔ＝０ｍｓ）、図１１（ｂ）（ｔ＝１００ｍｓ）図１２（ａ）（ｔ＝２００ｍｓ）、図１２（ｂ）（ｔ＝５００ｍｓ）で示している。
これらの図より、切り替えなしの本例の装置では、実施例１に示した装置と異なり、時間経過と共に良好な混合は得られないことが理解される。
すなわち、分子拡散が極めて小さい場合には、渦流と方向性流れを切り替えないと良好な混合は生じない。
図９は、本発明の実施例２の液体混合装置の特徴を示す図である。本実施例の装置は、実施例１に示した方向性流れ発生手段８ａ、８ｂ（ポンプ）に代えて、方向性流れ発生手段６１ａ及び６１ｂを有することが特徴である。
方向性流れ発生手段６１ａ及び６１ｂは、それぞれ楕円型の導電性部材１３ａ、１３ｂを挟んだ位置に、該導電性部材に電界を付与することで発生する液体の流れの内、逆方向の流れを抑制する抑制部材６５ａ及び６５ｂを配置して構成されている。
６２は実施例１に示したのと同様の渦流発生手段である。
本実施例の装置は、渦流発生手段６２に接続された電源、方向性流れ発生手段６１ａ及び６１ｂにそれぞれ接続された電源が切り替え手段９に接続され、液体の流れを制御できるようになっている。
この装置では、図９の左側より右側に向かう流体の流れを順方向として、方向性流れ発生装置６１ａによる順方向流れ、渦流発生手段６２による渦流、方向性流れ発生装置６１ｂによる逆方向流れ、渦流発生手段６２による渦流の順に液体の流れを順次生じさせることが（交互に切り替え）可能となる。
こうした切り替えを行う本実施例の装置では、実質的な流路長を３Ｌ＝６．７５μｍ程度に大幅に縮小できる。
１ 電極
３ １３ａ １３ｂ 導電性部材
８ａ ８ｂ ６１ａ ６１ｂ 方向性流れ発生手段
６２ 渦流発生手段
９ 切り替え手段
３ １３ａ １３ｂ 導電性部材
８ａ ８ｂ ６１ａ ６１ｂ 方向性流れ発生手段
６２ 渦流発生手段
９ 切り替え手段
Claims (5)
- 液体を搬送するための微小流路と、該流路内に設けられた導電性部材と該導電性部材に電界を与える電極とを備え前記電界により前記流路内に前記液体の渦流を生じさせる渦流発生手段と、前記流路に沿った方向の前記液体の流れを発生させる方向性流れ発生手段と、前記渦流と前記方向性流れとを所定の周波数で交互に切り替える切り替え手段と、を有することを特徴とする液体混合装置。
- 前記微小流路の流路幅が１０００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の液体混合装置。
- 前記渦流発生手段は、前記電界により前記導電性部材に生ずる電気二重層に起因する電気浸透流を用いるものであることを特徴とする請求項１または２に記載の液体混合装置。
- 前記方向性流れ発生手段に該方向性流れ発生手段に起因して生ずる前記液体の流れる方向を切り替える切り替え手段が接続されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の液体混合装置。
- 液体を搬送するための微小流路と、該流路内に設けられた導電性部材と該導電性部材に電界を与える電極とを備え前記電界により前記流路内に前記液体の渦流を生じさせる渦流発生手段と、前記流路に沿った方向の前記液体の流れを発生させる方向性流れ発生手段と、前記渦流と前記方向性流れとを切り替える切り替え手段と、を有し、
前記方向性流れ発生手段に該方向性流れ発生手段に起因して生ずる前記液体の流れる方向を切り替える切り替え手段が接続され、前記切り替え手段を用いて、前記流路内に、前記液体の第一の方向の方向性流れ、前記液体の渦流、前記液体の第二の方向の方向性流れ、前記液体の渦流、を順次生じさせることを特徴とする液体混合装置。
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