JP5470642B2 - 微小液滴調製装置 - Google Patents

Description

本発明は、微細構造を有するマイクロ流路を用いて乳化を行う微小液滴調製装置に関するものである。

従来、水に油を分散させたり、油を水に分散させるといった乳化にマイクロ流路を利用することが有効であることは、これまで多く示されている。そのなかで、Ｙ字型やＴ字型のような二次元的な流路を基板に刻み、二流体間の剪断力によって単分散液滴を調製する乳化技術が従来技術として報告されている。また、同様の目的でマイクロチャネルと呼ばれる微小孔を設けて単分散液滴を調製するマイクロチャネル乳化法も、従来技術として知られている（例えば、特許文献１参照）。
なかでも、Ｙ字型およびＴ字型のマイクロ流路を有するマイクロリアクター（微小液滴調製装置）を用いた乳化技術（いわゆるマイクロ流路分岐乳化法）では、マイクロチャネル乳化法に比べて圧力損失が小さく、流路幅よりも小さな液滴が単分散で得られることから注目されている方法である。
特開２００１−１８１３０９号公報

Ｙ字型およびＴ字型マイクロリアクターでは、二流体の合流部分近傍において連続相となる流体が分散相となる流体を剪断することによって液滴が調製されると考えられる。連続相を水相、分散相を油相とした場合には、分散相である油相の性質によっては液滴形成が不可能な場合が生じる。これは、流路壁面への油相成分の吸着(付着)が原因と推測される。そこで、安定な液滴を得るために流路壁面全体をオゾンガス処理等により親水化処理して流路壁面への油相成分の吸着を防止する方法も検討されているが、通常の表面処理による流路壁面の親水化では有効期間が短く（数日程度）、マイクロリアクターを用いて乳化を連続的に行うという乳化装置の連続運転においては効果的ではない。

また、従来からある流路を有したマイクロリアクターは、流路が形成された１枚の基板を上下から閉塞する閉塞用の蓋基板で挟んだ構成であったため、油相が上側蓋基板の裏面（流路の天井部）や下側蓋基板の裏面（流路の底部）に付着しながら流れることがあり、単一分散の液滴を調製することが困難であった。

本発明は、以上の問題点を鑑みなされたもので、マイクロリアクターにシンプルな改良を加えることで、構造が単純で、且つ長期間に渡って安定な単分散液滴が調製可能な微小液滴調製装置を提供することを目的とする。

本発明の微小液滴調製装置においては、
複数の基板を積層して流体が流れる流路を形成し、連続相となる流体が分散相となる流体を剪断することによって液滴を調製するとともに、前記連続相となる流体と前記分散相となる流体とが合流する流路における天井部及び底部の両方が、前記各流体合流時における流体の流れに対して所定の間隔を有するように形成された微小液滴調製装置であって、
前記流路は、
前記連続相と前記分散相の各流体が流れる流路と前記各流路が合流する合流部とが開口形成された流路基板と、
前記流路基板の両方の面に接合され、前記流路基板の合流部に対して鉛直方向の一方に所定の空間を有するスペース部を形成するスペーサー基板と、
前記流路基板の両方の面に前記スペーサー基板を各々接合し、その両外側から接合して閉塞する蓋基板と、
を一体的に積層して形成し、
前記流路基板に開口形成された前記連続相と前記分散相の各流体が流れる前記各流路の上流側に、前記各流路のそれぞれに連通する所定の開口部を備え、
前記流路基板の両方の面に接合される前記スペーサー基板のどちらか一方と、その外側から接合して閉塞する蓋基板のそれぞれにおいて、前記所定の開口部に対応する位置に開口部を備え、
前記流路基板と、前記開口部を備えたスペーサー基板と、前記開口部を備えた蓋基板とを積層することで、前記各流路のそれぞれに連通する連続相を供給する連続相供給部と分散相を供給する分散相供給部とを形成したものである。

本発明の微小液滴調製装置においては、
前記流路基板の両方の面に接合される前記スペーサー基板の前記スペース部を前記流路基板に開口形成された合流部の両外側の対応する位置に配置したものである。

本発明の微小液滴調製装置においては、
前記流路基板の前記合流部内の上流側において、連続相が分散相を剪断するものである。

本発明の微小液滴調製装置においては、
前記流路基板の両方の面に接合される前記スペーサー基板のそれぞれに形成された前記スペース部が、前記流路基板に開口形成された前記合流部に対応する位置に穿設された凹入部もしくは開口形成された開口部であるものである。

本発明の微小液滴調製装置においては、
前記流路基板の両方の面に接合される前記スペーサー基板のそれぞれに形成された前記スペース部が、同形状であるものである。

本発明の微小液滴調製装置においては、
前記流路基板の両方の面に接合される前記スペーサー基板は、板厚が同じであるものである。

本発明の微小液滴調製装置においては、
前記流路基板の両方の面に接合され、前記流路基板の前記合流部に対して鉛直方向の一方に所定の空間を有する前記スペース部を形成する前記スペーサー基板と、該スペーサー基板を外側から接合して閉塞する前記蓋基板とを一体化して形成し、
前記流路基板の前記合流部の両外側に対応する位置に前記各スペース部を備えるとともに、前記各スペース部が前記流路基板の前記合流部の位置と一致するよう両外側から挟んで一体的に積層したものである。

本発明の微小液滴調製装置によれば、液滴の流路壁面への付着を防ぎ、長期間に渡って安定に単分散液滴を調製することができる。

本発明の微小液滴調製装置によれば、粘度や疎水性の高い成分を持つ分散相でも乳化が可能となる。

本発明の微小液滴調製装置によれば、微小液滴調製装置の流路壁面に対して表面処理を施さず、半永久的に安定な乳化を実現できる。

本発明の実施例に係るマイクロリアクターの構成を示す図であり、（ａ）は各基板の形状を示す平面図、（ｂ）はマイクロリアクターを示す斜視図。 スペーサー基板を基板の上下に配置する状態を示す斜視図。 図１（ｂ）におけるＡ−Ａ断面矢視図。 マイクロリアクターの別の実施形態を示す断面図。 マイクロリアクターにより調製された単分散液滴を示す写真。 比較例に係る流路基板の一部を示す写真。 比較例に係る液滴を形成しない状態である分散相を示す写真。

１ マイクロリアクター（微小液滴調製装置）
２ 流路
２ａ・２ｃ 連続相流路
２ｂ 分散相流路
３ｂ 合流部
３ａ・３ｃ スペース部
４・６ スペーサー基板
５ 流路基板
７・８ 蓋基板

以下、本発明の最良の実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には、同一の符号を付し、重複した説明を省略する。また、積層方向を上下方向とする。
本発明に係る微小液滴調製装置は、連続相となる流体により分散相となる流体を剪断することによって微小液滴を調製するマイクロリアクター等のマイクロ流路を有する装置のことであり、以下においては、便宜上、マイクロリアクターという。
図１は本発明の実施例に係るマイクロリアクターの構成を示す図であり、（ａ）は各基板の形状を示す平面分解図、（ｂ）はマイクロリアクターを示す斜視図である。図２はスペーサー基板を流路基板の上下に配置する状態を示す斜視図、図３は図１（ｂ）におけるＡ−Ａ断面矢視図、図４はマイクロリアクターの別の実施形態を示す断面図、図５はマイクロリアクターにより調製された単分散液滴を示す写真、図６は比較例に係る流路基板の一部を示す写真、図７は比較例に係る液滴を形成しない状態である分散相を示す写真である。

本発明に係るマイクロリアクターは、連続相となる流体が分散相となる流体を剪断することによって液滴を調製するマイクロリアクターであり、前記連続相となる流体と前記分散相となる流体とが合流する流路における天井部及び底部の両方が、或いは天井部もしくは底部の少なくとも一方が、前記各流体合流時における流体の流れに対して所定の間隔を有するように形成されたものである。

すなわち、本発明に係るマイクロリアクターは、連続相となる流体が分散相となる流体を剪断することによって液滴を調製するために形成された所定の流路を有するものであり、連続相となる流体及び分散相となる流体の各々を、複数に分岐した流路により導き、当該複数の流路を各々所定角度をなすように配置することで、前記各流体を合流させ、前記各流体合流時に作用する剪断力を利用して、調製される流体である分散化された分散相（単分散相）の流れに対して所定の間隔を有するように流路を形成したものである。
つまり、本発明に係るマイクロリアクターでは、上記のような各流体を合流させる部分となる流路形成部において、前記各流体合流時における流体の流れに対して所定の間隔を有するように前記流路形成部の天井部及び底部の両方を、或いは天井部もしくは底部の一方を、形成することにより、分散相である液滴の流路壁面（流路形成部壁面）への付着を防ぎ、長期間に渡って安定に単分散液滴を調製することができる。
なお、天井部及び底部は、その形状を特に限定するものではなく、前記各流体合流時に調製される単分散相が付着しないように、単分散相の流れに対して所定間隔を有するように所定空間を形成できればよい。以下、具体的な実施形態について詳細に説明する。

本実施形態においては、図１（ａ）に示すようなマイクロ流路形状を有した液滴分散系調製用（Ｏ／Ｗ型エマルション調製用）の積層型マイクロリアクター１（以下、マイクロリアクター１という）を用いて、サイズが揃った微小の液滴である単分散Ｏ／Ｗ型エマルションを調製する過程を具体例として説明する。

本発明のマイクロリアクターの実施形態について図１、図２及び図３を用いて説明する。

マイクロリアクター１は、図１（ａ）（ｂ）に示すように、複数の基板を積層して流体が流れる流路２を形成し、連続相となる流体が分散相となる流体を剪断することによって液滴を調製するマイクロリアクターであり、前記連続相と前記分散相の各流体が合流する合流部３ｂを有し、前記流路２が開口形成された流路基板５と、前記流路基板５の一方の面（本実施形態では上面）に接合され、前記合流部３ｂの鉛直方向の上方に所定の空間（間隔）を有している後述するスペース部３ａを形成する第一スペーサー基板４と、前記流路基板５の他方の面（本実施形態では下面）に接合され、前記合流部３ｂの鉛直方向の下方に所定の空間（間隔）を有している後述するスペース部３ｃを形成する第二スペーサー基板６と、前記第一スペーサー基板４と第二スペーサー基板６の両外側となる上側と下側から接合して閉塞する蓋基板７・８と、を図１（ｂ）に示すように、一体的に積層して構成されている。以下、マイクロリアクター１の構成の詳細について説明する。
なお、本実施形態においては各基板を積層することにより形成される前記流路２の内壁面において、上側の蓋基板７内側に位置する面を便宜上、天井部７ａとし、下側の蓋基板内側に位置する面を便宜上、底部８ａとする（図３参照）。
また、本実施形態においては、流路基板５の両方の面に前記第一スペーサー基板４と第二スペーサー基板６を各々接合したものであるが、特に限定するものではなく、前記第一スペーサー基板４もしくは第二スペーサー基板６のどちらか一方を前記流路基板５の一方の面に接合し、他方の面を蓋基板７（８）にて接合するように構成してもかまわない。

流路基板５は、薄いステンレス製（厚さ５０μｍ）の板状部材であり、所定パターンの流路２が開口されている。前記流路２は、分散相（本実施形態においては油相）を流す分散相流路２ｂ（流路幅５０μｍ）と、該分散相流路２ｂの両側に位置する連続相（本実施例においては水相）を流す二本の連続相流路２ａ・２ｃ（流路幅７０μｍ）と、後述する合流部３ｂと、後述する液滴形成流路２ｄとから構成されている。分散相流路２ｂの一端は、該分散相流路２ｂの上流側に配置されている平面視丸状に開口形成されている所定の開口部である分散相供給部１０ａに連通している。分散相流路２ｂの他端は、該分散相流路２ｂの下流側に配置されている平面視略四角状の合流部３ｂに連通している。また、連続相流路２ａ・２ｃのそれぞれの一端は、該連続相流路２ａ・２ｃの上流側に配置されている平面視丸状に開口形成されている所定の開口部である連続相供給部１１ａ・１２ａに連通している。連続相流路２ａ・２ｃは、前記分散相流路２ｂの両側に配置され、下流側に行くに従って徐々に分散相流路２ｂに近づき、連続相流路２ａ・２ｃの他端は、該分散相流路２ｂの下流側に配置されている平面視略四角状の合流部３ｂに連通している。また、分散相流路２ｂの他端には、油相が合流部３ｂに吐出される分散相吐出口９を有しており、該分散相吐出口９の水平方向両隣には、連続相流路２ａ・２ｃのそれぞれの他端となる連続相吐出口１７・１８が隣接して配置されている。また、合流部３ｂは微小液滴を形成する液滴形成流路２ｄを介して液滴を溜める平面視四角状の溜り部１５ｂに連通している。また、溜り部１５ｂの下流側には液滴排出部２１が設けられている。
なお、流路２を構成する流路２ａ・２ｂ・２ｃ・２ｄの形状及び配置パターンとしては、特に本実施形態に限定するものではなく、乳化の調製条件等により適宜変更してもかまわない。例えば、流路２の形状としては直線状だけでなく、クランク状、蛇行状等であっても良い。また、流路２の配置パターンとしてはＹ字状、Ｔ字状等であっても良い。

第一スペーサー基板４は、薄いステンレス製（厚さ５０μｍ）の板状部材であり、図１（ａ）に示すように、前記流路基板５の合流部３ｂ、液滴形成流路２ｄ及び溜り部１５ｂのそれぞれの鉛直方向に対応する位置に所定パターンの開口部を有している。すなわち、第一スペーサー基板４の所定パターンの開口部は、前記流路基板５の合流部３ｂの鉛直方向の上方に所定の空間を有するように開口形成された平面視四角状のスペース部３ａと、前記流路基板５の溜り部１５ｂの鉛直方向の上方に所定の空間を有するように開口形成された平面視四角状の溜り部１５ａと、前記流路基板５の液滴形成流路２ｄの鉛直方向の上方に所定の空間を有するように開口形成された液滴形成流路２ｅと、から構成されている。また、前記スペース部３ａは、液滴形成流路２ｅを介して溜り部１５ａと連通している。

第二スペーサー基板６は、薄いステンレス製（厚さ５０μｍ）の板状部材であり、図１（ａ）に示すように、前記流路基板５の合流部３ｂ、液滴形成流路２ｄ、溜り部１５ｂ、分散相供給部１０ａ及び連続相供給部１１ａ・１２ａに鉛直方向に対応する位置に所定パターンの開口部を有している。すなわち、第二スペーサー基板６の所定パターンの開口部は、前記流路基板５の合流部３ｂの鉛直方向の下方に所定の空間を有するように開口形成された平面視四角状のスペース部３ｃと、前記流路基板５の溜り部１５ｂの鉛直方向の下方に所定の空間を有するように開口形成された平面視四角状の溜り部１５ｃと、前記流路基板５の液滴形成流路２ｄの鉛直方向の下方に所定の空間を有するように開口形成された液滴形成流路２ｆと、第二スペーサー基板６が前記流路基板５の下側に配置され接合したときに、分散相供給部１０ａ及び連続相供給部１１ａ・１２ａと対応した位置に開口形成された平面視丸状の分散相供給部１０ｂ及び連続相供給部１１ｂ・１２ｂとから構成されている。また、前記スペース部３ｃは、前記液滴形成流路２ｆを介して溜り部１５ｃと連通している。

蓋基板７・８は、ステンレス製（厚さ５ｍｍ）あるいは石英ガラスの板状部材であり、図１（ａ）に示すように、前記第一スペーサー基板４と、前記流路基板５と、前記第二スペーサー基板６とが順に積層された状態において、両外側となる上側と下側とを閉塞するように接合される。蓋基板７は、開口部を有しないが、蓋基板８には、該蓋基板８が前記流路基板５の下側に配置され接合したときに、分散相供給部１０ｂ及び連続相供給部１１ｂ・１２ｂと対応した位置に開口形成された平面視丸状の分散相供給部１０ｃ及び連続相供給部１１ｃ・１２ｃを有している。基板５・６・８が積層されることで、分散相供給部１０ｃ及び連続相供給部１１ｃ・１２ｃと、前述した流路基板５が有する分散相供給部１０ａ及び連続相供給部１１ａ・１２ａと、第二スペーサー基板６が有する分散相供給部１０ｂ及び連続相供給部１１ｂ・１２ｂとから分散相供給部１０及び連続相供給部１１・１２が形成されることになり、前記分散相供給部１０及び前記連続相供給部１１・１２が分散相及び連続相を供給する図示せぬ供給手段と接続される。
なお、本実施形態においては、第二スペーサー基板６と蓋基板８とに平面視丸状の開口部を形成して、マイクロリアクター１の下側から分散相と連続相を図示せぬ供給手段により供給すべく分散相供給部１０及び連続相供給部１１・１２を設けたが、特に限定するものではなく第一スペーサー基板４と蓋基板７のそれぞれに分散相供給部１０ａ及び連続相供給部１１ａ・１２ａに対応した位置に平面視丸状の開口部を開口形成して、マイクロリアクター１の上側から分散相と連続相を図示せぬ供給手段により供給すべく分散相供給部及び連続相供給部を設けてもかまわない。

こうして、前記流路基板５と、前記第一スペーサー基板４と、前記第二スペーサー基板６とは、図２に示すように積層されている。そして、各基板５・６・８の各供給部１０ａ・１１ａ・１２ａ、１０ｂ・１１ｂ・１２ｂ及び１０ｃ・１１ｃ・１２ｃと、各基４・５・６の合流部３ｂ及びスペース部３ａ・３ｃと、各基板４・５・６の各液滴形成流路２ｄ・２ｅ・２ｆと、各基板４・５・６の各溜り部１５ａ・１５ｂ・１５ｃとは、それぞれの開口部の位置を一致させるようにして積層できるように構成されている。

各基板４・５・６・７・８間を接合することで、前記流路基板５、前記第一スペーサー基板４、前記第二スペーサー基板６、前記蓋基板７・８を、図１（ｂ）に示すように、積層してマイクロリアクター１を形成することができる。このように各基板４・５・６・７・８を積層して一体的に形成されたマイクロリアクター１の各基板４・５・６・７・８間は面接触により密着状態となっており、さらに図示せぬ固定部材によりマイクロリアクター１周囲を固定することで、流路２に流体を流しても各基板４・５・６・７・８間の界面から、各供給部１０・１１・１２から供給される油相や水相が染み出すことなくマイクロ流路として機能することができる。

次に、各基板４・５・６・７・８を積層してマイクロリアクター１を形成した状態について図３を用いて説明する。図３は、図１（ｂ）に示すマイクロリアクター１の短手方向の中心におけるＡ−Ａ矢視断面図である。

図３に示すように、各基板４・５・６・７・８間を積層してマイクロリアクター１を形成した状態において、第一スペーサー基板４のスペース部３ａと、流路基板５の合流部３ｂと、第二スペーサー基板６のスペース部３ｃとがマイクロリアクター１内の略中央部で微小空間である合流部３を形成する。すなわち、合流部３は、前記第一スペーサー基板４のスペース部３ａと、前記第二スペーサー基板６のスペース部３ｃと、を前記流路基板５に開口形成された合流部３ｂの両側となる上側と下側の対応する位置に配置したことで形成されたものである。また、第一スペーサー基板４に開口形成されたスペース部３ａは、前記合流部３の上部空間を形成する。また、第二スペーサー基板６に開口形成されたスペース部３ｃは、前記合流部３の下部空間を形成する。また、第一スペーサー基板４の液滴形成流路２ｅと、流路基板５の液滴形成流路２ｄと、第二スペーサー基板６の液滴形成流路２ｆとが液滴形成流路１９を形成する。また、第一スペーサー基板４の溜り部１５ａと、流路基板５の溜り部１５ｂと、第二スペーサー基板６の溜り部１５ｃとがマイクロリアクター１内で微小空間である溜り部１５を形成する。前述した液滴形成流路１９は、微小空間である前記合流部３と、該合流部３の下流側に位置する微小空間である溜り部１５とを連通する流路となっている。
また、基板５・６・８が積層された状態において、流路基板５の分散相供給部１０ａ及び連続相供給部１１ａ・１２ａと、第二スペーサー基板６の分散相供給部１０ｂ及び連続相供給部１１ｂ・１２ｂと、蓋基板８の分散相供給部１０ｃ及び連続相供給部１１ｃ・１２ｃと、が分散相を供給する分散相供給部１０及び連続相を供給する連続相供給部１１・１２を形成する。分散相供給部１０は、該分散相供給部１０の上部空間となる分散供給部１０ａから分散相流路２ｂを介して前述した微小空間である合流部３と連通している。また、連続相供給部１１・１２のそれぞれは、該連続相供給部１１・１２の各上部空間となる連続相供給部１１ａ・１２ａから連続相流路２ａ・２ｃを介して前述した微小空間である合流部３と連通している。
なお、図３に示すマイクロリアクター１の断面図においては、図１（ｂ）に示すマイクロリアクター１の短手方向の中心部におけるＡ−Ａ矢視断面図を示したものであるため、前記分散相供給部１０と分散相流路２ｂの断面部分を示している。

このように、第一スペーサー基板４と第二スペーサー基板６を、流路基板５の上下の面に接合して積層したことにより、流路基板５の合流部３ｂの鉛直方向の上方に所定空間を有する上側スペース部３ａと、流路基板５の合流部３ｂの鉛直方向の下方に所定空間を有する下側スペース部３ｃとを設けることが可能となる。すなわち、これら上側スペース部３ａ及び下側スペース部３ｃを設けたことにより、分散相流路２ｂの吐出口９付近に、図３に示すように段差部４ａ・６ａを設けた形状となり、換言すれば、分散相吐出口９の開口部上端及び下端よりも外側に所定間隔（本実施形態では、基板４・６の膜厚分となる５０μｍ）拡大した形状となっている。

また、分散相及び連続相を供給する図示せぬ供給手段が、分散相供給部１０及び連続相供給部１１・１２に接続されている。この供給手段は、複数のシリンジを有するシリンジポンプから構成されており、該シリンジポンプの各シリンジがチューブを介して前記各供給部１０・１１・１２に接続されている。そして、各シリンジ内に連続相となる流体と分散相となる流体とを充填し、図示せぬポンプをコントローラにより駆動させて各流体を所定の流量及び流速にてマイクロリアクター１の各供給部１０・１１・１２に供給することが可能となっている。

次に、前述したマイクロリアクター１と同様の機能を有するマイクロリアクターの別実施形態について図４を用いて説明する。

マイクロリアクター３０は、図４に示すように、前述したマイクロリアクター１を構成している第一スペーサー基板４と蓋基板７とを一体化したものである第一スペーサー基板１４と、第二スペーサー基板６と蓋基板８を一体化して形成したものである第二スペーサー基板１６とを、流路基板５の合流部３ｂの位置と一致するように両外側から挟んで一体的に積層することにより構成されている。

第一スペーサー基板１４は、ステンレス製（厚さ５ｍｍ）の板状部材であり、図４に示すように、前記流路基板５の合流部３ｂ、液滴形成流路２ｄ及び溜り部１５ｂに鉛直方向に対応する位置に所定パターンに穿設された凹入部を有している。すなわち、第一スペーサー基板１４の所定パターンの凹入部は、前記流路基板５の合流部３ｂの鉛直方向の上方に所定の空間を有するように穿設形成された平面視四角状のスペース部１３ａと、前記流路基板５の溜り部１５ｂの鉛直方向の上方に所定の空間を有するように穿設形成された平面視四角状の溜り部２５ａと、前記流路基板５の液滴形成流路２ｄの鉛直方向の上方に所定の空間を有するように穿設形成された液滴形成流路２０ｅと、から構成されている。また、前記スペース部１３ａは、前記液滴形成流路２０ｅを介して溜り部２５ａと連通している。また、各凹入部であるスペース部１３ａ、液滴形成流路２０ｅ及び溜り部２５ａの深さｄ１は、５０μｍである。

第二スペーサー基板１６は、ステンレス製（厚さ５ｍｍ）の板状部材であり、図４に示すように、前記流路基板５の合流部３ｂ、液滴形成流路２ｄ、溜り部１５ｂ、分散相供給部１０ａ及び連続相供給部１１ａ・１２ａに鉛直方向に対応する位置に所定パターンに穿設された凹入部を有している。すなわち、第二スペーサー基板１６の所定パターンの凹入部は、前記流路基板５の合流部３ｂの鉛直方向の下方に所定の空間を有するように穿設形成された平面視四角状のスペース部１３ｃと、前記流路基板５の溜り部１５ｂの鉛直方向の下方に所定の空間を有するように穿設形成された平面視四角状の溜り部２５ｃと、前記流路基板５の液滴形成流路２ｄの鉛直方向の下方に所定の空間を有するように穿設形成された液滴形成流路２０ｆと、第二スペーサー基板１６が前記流路基板５の下側に配置され接合したときに、分散相供給部１０ａ及び連続相供給部１１ａ・１２ａと対応した位置に開口形成された平面視丸状の分散相供給部１０ｄ及び連続相供給部（図示せず）とから構成されている。また、前記スペース部１３ｃは、前記液滴形成流路２０ｆを介して溜り部２５ｃと連通している。また、各凹入部であるスペース部１３ｃ、液滴形成流路２０ｆ及び溜り部２５ｃの深さｄ２は、５０μｍである。つまり、前記第一スペーサー基板１４及び前記第二スペーサー基板１６のそれぞれに形成されたスペース部１３ａとスペース部１３ｃとが、同形状である。
なお、図４に示すマイクロリアクター３０の断面図においては、マイクロリアクター３０の短手方向の中心部における断面図を示したものであるため、前記分散相供給部１０と分散相流路２ｂの断面部分を示している。

このように、第一スペーサー基板１４と第二スペーサー基板１６を、流路基板５の上下の面に接合して積層したことにより、流路基板５の合流部３ｂの鉛直方向の上方に所定空間を有する上側スペース部１３ａと、流路基板５の合流部３ｂの鉛直方向の下方に所定空間を有する下側スペース部１３ｃとを設けることが可能となる。すなわち、これら上側スペース部１３ａ及び下側スペース部１３ｃを設けたことにより、分散相流路２ｂの吐出口９付近に、図４に示すように段差部１４ａ・１６ａを設けた形状となり、換言すれば、分散相吐出口９の開口部上端及び下端よりも外側に所定間隔（本実施形態では、基板１４・１６に穿設された凹入部の深さ分となる５０μｍ）拡大した形状となっている。

各基板１４・５・１６間を接合することで、前記流路基板５、前記第一スペーサー基板１４、前記第二スペーサー基板１６を、図４に示すように、積層してマイクロリアクター３０を形成することができる。このマイクロリアクター３０の内部構造（内部空間）は、マイクロリアクター１と同形状のものであり、その機能も同一であるため、説明は省略する。
なお、流路基板５の両側を第一スペーサー基板１４及び第二スペーサー基板１６で挟むように積層するだけでなく、流路基板５の上側を第一スペーサー基板４と蓋基板７とを積層して、流路基板５の下側を前述した第二スペーサー基板１６を配置するように積層してもかまわない。すなわち、第一スペーサー基板及び第二スペーサー基板のそれぞれに形成されたスペース部の形状が、前記流路基板５に開口形成された前記合流部３ｂに対応する位置に穿設された凹入部もしくは開口形成された開口部のどちらであってもかまわない。

また、流路２の近傍に加熱もしくは冷却手段を設けてマイクロリアクター１を構成することも可能である。

以上のようにマイクロリアクター１を構成することによって、均一かつ微小な液滴の調製を行うことが可能となる。以下に、上述したマイクロリアクター１を用いて液滴の調製を行った実施例について説明する。

前述した図示せぬ供給手段により、分散相である油相（本実施例ではポリマーを溶解したドデカン溶液）と連続相である水相（本実施例では１ｗｔ％ドデシル硫酸ナトリウム水溶液）がマイクロリアクター１の分散相供給部１０と連続相供給部１１・１２の各々より注入され、油相と水相の各々が所定の流量及び流速で分散相流路２ｂと連絡相流路２ａ・２ｃを流れる。油相が流路２ｂの吐出口９から吐出されるとともに、該吐出口の両隣の連続相吐出口１７・１８から水相が吐出されて、吐出口９から吐出される油相を斜め方向から剪断していく。すなわち、前記流路基板５の前記合流部３ｂ内の上流側において、連続相が分散相を剪断する。この際に、油相はスペーサー基板４・６により形成された上下スペース部３ａ・３ｃ（段差部４ａ・６ａ）を設けたことにより、従来のように油相が蓋基板７内面である天井部７ａや蓋基板８内面である底部８ａと接触しながら流れることなく、水相により油相の外側が包まれた状態（いわゆるオイル・イン・ウォータ：Ｏ／Ｗ）で、糸状の液滴になりつつ、液滴形成流路２ｄ・２ｅ・２ｆへと移動する。そうして、該液滴形成流路１９（２ｄ・２ｅ・２ｆ）の吐出口より溜り部１５（１５ａ・１５ｂ・１５ｃ）へと均一かつ微小な液滴（エマルション）が吐出される。こうして、溜り部１５（１５ａ・１５ｂ・１５ｃ）に溜められた液滴は液滴排出部２１から排出されて図示しない貯留容器へと送られる。このように、本実施例に係るマイクロリアクター１を用いて調製された液滴をシャーレに載せ、実体顕微鏡（光学顕微鏡）にて観察するとともに、液滴径・分散度（ＣＶ値）を測定したところ、図５に示すように、最少液滴径１４．２μｍ、分散度８.５１％である均一な液滴が調製されたことが確認できた。

このように、本実施例に係るマイクロリアクター１では、第一スペーサー基板４及び第二スペーサー６とで流路基板５を挟むことによって分散相流路２ｂの吐出口９から吐出される分散相溶液（油相溶液）が流路２の天井部７ａ及び底部８ａと接触せずに連続相である水相によって剪断されるため、安定な液滴調製が可能になる。当然ながら前述したマイクロリアクター３０はマイクロリアクター１と同形状であるため、同様に安定な液滴調製を行うことが可能である。

比較例

図６において、本比較例で用いた通常の単分散液滴調製が可能なマイクロ流路基板を示す。
図６に示す前述した基板５と略同様のパターンの開口部を有した流路基板を使用し、実施例１で用いたスペーサー基板４・６を用いないで流路基板の上下を直接蓋基板７・８で閉塞して構成したマイクロリアクターにより液滴の調製を行った比較例について図６及び図７を用いて説明する。

上述したマイクロリアクターを用いて実施例１と同様の溶液組成（油相：ポリマーを溶解したドデカン溶液、水相：１ｗｔ％ドデシル硫酸ナトリウム水溶液）及び同様の操作条件において、液滴の調製を行ったところ、最適な流量条件下で行った場合でも図７の矢印部分が示すように、液滴形成流路２ｄから液滴が連続した状態で吐出された。結果として図５に示すような均一な液滴を形成することができなかった。原因としては、本比較例で用いたマイクロリアクターでは、分散相流路２ｂの吐出口９から押出される分散相溶液（油相）がマイクロリアクター１の蓋基板７・８内面と接触したまま連続相流路２ａ・２ｃを介して分散相流路２ｂの両側から進入してくる連続相である水相によって剪断されるため、分散相の性質によりうまく剪断できずに蓋基板７・８内面を伝わってしまうために均一な液滴が形成されなかったと考えられる。

前述した実施例と比較例を比べることで明らかなように、マイクロリアクター１は、流路基板５の上下にスペーサー基板４・６を配設することで合流部３ｂ部分の鉛直方向の上下に上下スペース部３ａ・３ｃを設けたので、すなわち、分散相の吐出口９に段差部４ａ・６ａを設けたので、上述したように水相による油相剪断時に、油相が蓋基板７・８内面（天井部７ａ及び底部８ａ）と接触することがなくなり、安定な単分散液滴を調製することを可能にしている。また、スペーサー基板４・６の導入により流路壁面のオゾン処理等の表面処理などを必要としない安定な単分散液滴を調製することを可能にしたのである。

このように、複数の基板を積層して流体が流れる流路２を形成し、連続相となる流体が分散相となる流体を剪断することによって液滴を調製するマイクロリアクター１であって、前記連続相と前記分散相の各流体が流れる流路２ａ・２ｂ・２ｃと前記各流路２ａ・２ｂ・２ｃが合流する合流部３ｂとが開口形成された流路基板５と、前記流路基板５の一方の面に接合され、前記合流部３ｂの鉛直方向の一方に所定の間隔を保持するスペース部３ａを形成する第一スペーサー基板４と、前記流路基板５の他方の面に接合され、前記合流部３ｂの鉛直方向の他方に所定の間隔を保持するスペース部３ｃを形成する第二スペーサー基板６と、前記第一スペーサー基板４と第二スペーサー基板６の両外側から接合して閉塞する蓋基板７・８と、を一体的に積層したマイクロリアクター１を構成としたことにより、液滴の流路壁面への付着を防ぎ、長期間に渡って安定に単分散液滴を調製することができる。さらに、粘度や疎水性の高い成分を持つ分散相でも乳化が可能となる。マイクロリアクター１の流路壁面に対して表面処理を施さず、半永久的に安定な乳化を実現できる。また、積層型のマイクロリアクター１としたことにより、製造しやすく、また分解が容易であるためメンテナンスもし易い。

また、本発明においては、シンプルな改良で、従来、乳化が困難な材料組成でも乳化を行うことが可能になる。また、平板を積層するタイプのマイクロリアクターにおいては、三次元的な流動状態を考慮した設計を可能にする。

また、本発明においては、オゾン処理等の流路壁面の表面処理などを必要としないで長期間に渡って安定に単分散液滴を調製することができる。

当然ながら、流路２の分散相を流す分散相流路２ｂに、分散相として水相を流し、かつ、連続相を流す連続相流路２ａ・２ｃに、連続相として油相を流してＷ／Ｏ型（ウォーター・イン・オイル型）のエマルションを調製することも可能である。

また、既存のマイクロリアクターに本発明のごとくスペーサー基板を挿入するというシンプルな改良を加えることで、マイクロリアクターが要求される小型化を維持しつつ、構造が単純で、且つ長期間に渡って安定な単分散液滴が調製可能なマイクロリアクターを提供することができる。

また、本実施形態においては、理解に供しやすくするために単一のマイクロリアクター１について説明したが、特に限定するものではなく、例えばマイクロリアクター１を１０〜２０階建てとなるように複数積み重ねて（いわゆるナンバリングアップを行って）高層型のマイクロリアクターを構成することも可能である。この場合、大量の液滴を調製することが可能となり、液滴の量産化が可能となる。

なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明は、μ−ＴＡＳ、Ｌａｂ−ｏｎ−Ａ−ｃｈｉｐ、マイクロリアクターに代表される微細構造を有するマイクロ流体素子を用いた乳化装置、微小液滴を利用した単分散微粒子およびゲル粒子合成、二流体を分散しあうマイクロリアクター等のマイクロ流路を有する装置等に広く適用することができる。

Claims (7)

1. 複数の基板を積層して流体が流れる流路を形成し、連続相となる流体が分散相となる流体を剪断することによって液滴を調製するとともに、前記連続相となる流体と前記分散相となる流体とが合流する流路における天井部及び底部の両方が、前記各流体合流時における流体の流れに対して所定の間隔を有するように形成された微小液滴調製装置であって、
   前記流路は、
   前記連続相と前記分散相の各流体が流れる流路と前記各流路が合流する合流部とが開口形成された流路基板と、
   前記流路基板の両方の面に接合され、前記流路基板の合流部に対して鉛直方向の一方に所定の空間を有するスペース部を形成するスペーサー基板と、
   前記流路基板の両方の面に前記スペーサー基板を各々接合し、その両外側から接合して閉塞する蓋基板と、
   を一体的に積層して形成し、
   前記流路基板に開口形成された前記連続相と前記分散相の各流体が流れる前記各流路の上流側に、前記各流路のそれぞれに連通する所定の開口部を備え、
   前記流路基板の両方の面に接合される前記スペーサー基板のどちらか一方と、その外側から接合して閉塞する蓋基板のそれぞれにおいて、前記所定の開口部に対応する位置に開口部を備え、
   前記流路基板と、前記開口部を備えたスペーサー基板と、前記開口部を備えた蓋基板とを積層することで、前記各流路のそれぞれに連通する連続相を供給する連続相供給部と分散相を供給する分散相供給部とを形成したことを特徴とする微小液滴調製装置。
2. 前記流路基板の両方の面に接合される前記スペーサー基板の前記スペース部を前記流路基板に開口形成された合流部の両外側の対応する位置に配置したことを特徴とする請求項１に記載の微小液滴調製装置。
3. 前記流路基板の前記合流部内の上流側において、連続相が分散相を剪断することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の微小液滴調製装置。
4. 前記流路基板の両方の面に接合される前記スペーサー基板のそれぞれに形成された前記スペース部が、前記流路基板に開口形成された前記合流部に対応する位置に穿設された凹入部もしくは開口形成された開口部であることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３の何れか一項に記載の微小液滴調製装置。
5. 前記流路基板の両方の面に接合される前記スペーサー基板のそれぞれに形成された前記スペース部が、同形状であることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３または請求項４の何れか一項に記載の微小液滴調製装置。
6. 前記流路基板の両方の面に接合される前記スペーサー基板は、板厚が同じであることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４または請求項５の何れか一項に記載の微小液滴調製装置。
7. 前記流路基板の両方の面に接合され、前記流路基板の前記合流部に対して鉛直方向の一方に所定の空間を有する前記スペース部を形成する前記スペーサー基板と、該スペーサー基板を外側から接合して閉塞する前記蓋基板とを一体化して形成し、
   前記流路基板の前記合流部の両外側に対応する位置に前記各スペース部を備えるとともに、前記各スペース部が前記流路基板の前記合流部の位置と一致するよう両外側から挟んで一体的に積層したことを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３に記載の微小液滴調製装置。

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