JP5892491B2 - 流路チップ - Google Patents

Description

本発明は、第１の基材と第２の基材との間に形成された処理槽に多孔質体が内包された流路チップに関する。

試料と試薬とをマイクロ流路チップを用いて混合させる場合、マイクロ流路チップ内のレイノルズ数は小さく乱流による混合を期待できない。例えば、流路を複雑化したり長くすることで混合促進を図る構成が考えられるが、かかる構成では流路チップが大型化したり、生産効率が悪化する問題があった。

また特許文献１には、流路の途中に反応部室を設け、その中に多孔質体を内包した化学反応用カートリッジに関する発明が開示されている。また特許文献２にはマイクロリアクターに関する発明が開示されている。

特許文献１や特許文献２を参照すれば、多孔質体を円形状や矩形状で形成することができる。

しかしながら多孔質体の寸法精度は高くないため、円形状や矩形状の多孔質体をプレート（基材）に組み込んだ際、プレートとの間で隙間が生じて液漏れが発生しやすく、多孔質体を介した高精度な混合処理が行えない問題があった。またプレートとの間で隙間を小さくするための多孔質体の加工が非常に大変であり生産性に劣っていた。また多孔質体内に液混合に寄与しないデッドボリュームが大きくなる問題があった。

特開２００５−３７３６８号公報 特開２０１０−４１９７３号公報

そこで本発明は上記従来の課題を解決するものであり、特に、液漏れを抑制し、デッドボリュームを小さくできる流路チップを提供することを目的としている。

本発明における流路チップは、少なくとも第１の基材と第２の基材とを張り合わせてなり、前記第１の基材と前記第２の基材との間に流路及び前記流路と繋がる処理槽が形成された流路チップであって、
前記処理槽には平面視三角形の板状の多孔質体が内包されており、前記処理槽は平面視にて、前記多孔質体の三角形の３辺と平行な３つの辺を有し、これらの辺どうしが交わることで得られる三角形が、前記多孔質体の三角形とほぼ同じ大きさであることを特徴とするものである。これにより、従来に比べて液漏れやデッドボリュームを小さくできる。また多孔質体の一辺だけを加工して必要な寸法を得やすく、簡単な加工を実現できる。

本発明では、前記多孔質体は、平面視にて正三角形であることが好ましい。これにより、多孔質体の一辺だけを加工して必要な寸法を得る際、どの一辺を加工しても必要な寸法に簡単に加工できる。

また本発明では、前記多孔質体は第１の側壁、第２の側壁及び第３の側壁を備え、各側壁間が接続されて平面視にて三角形とされており、前記第１の側壁と前記第２の側壁とが交わる頂部に流排出口へ通じる液排出流路が位置しており、前記第３の側壁の両端に夫々、液導入口へ通じる液導入流路が位置していることが好ましい。これにより、各液導入流路から導入された液体の圧力で多孔質体を、液排出流路側に押し付けることができ、液漏れをより効果的に防止できる。

また上記において、各液導入流路は、前記第１の側壁及び前記第２の側壁の延長線上に沿って形成されていることがより好ましい。これにより、液漏れをより効果的に防止できる。

また本発明では、前記流路及び前記処理槽は、少なくとも前記第１の基材に形成されていることが好ましい。これにより、流路及び処理槽を簡単に形成できる。
また本発明では、前記多孔質体に、シリカモノリスを選択することができる。

本発明の流路チップによれば、従来に比べて液漏れやデッドボリュームを小さくできる。また多孔質体を必要な寸法に簡単に加工できる。

図１（ａ）は本発明の第１実施形態の流路チップの平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の流路チップをＡ−Ａ線に沿って切断し矢印方向から見た縦断面図である。 図２（ａ）は流路チップの第１の基材（本体プレート）を示す平面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の第１の基材をＢ−Ｂ線に沿って切断し矢印方向から見たときの縦断面図であり、図２（ｃ）は、流路チップの第２の基材（本体プレート）を示す平面図であり、図２（ｄ）は、第２の基材をＣ−Ｃ線に沿って切断し矢印方向から見たときの縦断面図であり、図２（ｅ）は、多孔質体の平面図であり、図２（ｆ）は、多孔質体をＤ−Ｄ線に沿って切断し矢印方向から見た縦断面図である。 図３は流路チップの処理槽に内包された多孔質体及び各流路の部分拡大平面図である。 図４は、加工前の多孔質体の拡大平面図である。 図５は、多孔質体を三角形で形成した構成（実施例）と、多孔質体を円形で形成した構成（比較例）とで効果の違いを説明するための部分拡大平面図である。 図６は、本発明の第２実施の形態の流路チップの平面図である。 図７は、図６の流路チップの処理槽に内包された多孔質体及び各流路の部分拡大平面図である。 図８は、図９の実験で用いた比較例の流路を示す部分拡大平面図である。 図９は、図８に示す比較例及び実施例における混合性能を測定した実験結果である。

図１（ａ）は本発明の第１実施形態の流路チップの平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の流路チップをＡ−Ａ線に沿って切断し矢印方向から見た縦断面図である。

図１（ｂ）に示すように、本発明の第１の実施の形態の流路チップ１は、第１の基材１０と第２の基材２０がその板厚方向に重ねられて本体部が構成されている。

第１の基材１０、及び第２の基材２０は、いずれも同じ合成樹脂材料で形成されている。好ましい合成樹脂材料は、薬品に対する耐性を有し且つ蛍光性の低い環状ポリオレフィン樹脂（シクロオレフィンポリマー；ＣＯＰ）である。ただし、使用する流体の物性などに応じて前記合成樹脂を自由に選択することが可能である。

第１の基材１０と第２の基材２０は、例えば同じ厚み寸法を有している。厚み寸法は０．３〜３．０ｍｍ程度である。本実施形態では、第１の基材１０と第２の基材２０は共に平面形状が四角形であるが、形状を限定するものでない。

図２（ａ）に示すように、第１の基材１０は、平面形状が四角形であり、図２（ｂ）に示すように、接合表面１０ａと外表面１０ｂとを有している。

図２（ａ）（ｂ）に示すように、第１の基材１０の接合表面１０ａには溝（凹部）１１が形成されている。溝１１は、２本の液導入流路１２，１３と、１本の液排出流路１４と、各流路１２〜１４と繋がる処理槽１５とを有して構成されている。

図２（ａ）に示すように、液導入流路１２，１３はＸ１−Ｘ２方向に直線状に形成されており、液排出流路１４はＸ１−Ｘ２方向に直交するＹ１−Ｙ２方向に直線状に形成されている。Ｘ１−Ｘ２方向とＹ１−Ｙ２方向とは平面内にて直交する２方向を示している。

なお図２（ａ）に示す各流路１２〜１４の方向は一例であるが、後述する図６，図７では、各流路の方向の好ましい構成を示している。また、各流路１２〜１４は直線状でなくてもよいが、本実施形態では、各流路１２〜１４と繋がる処理槽１５内に多孔質体３０を内包しており、混合性能を高めるために流路形状を複雑化しなくてもよい。よって、生産性を高め流路チップの小型化のために各流路１２〜１４は直線状とすることが好適である。

図２（ａ）に示すように、各流路１２〜１４間を接続する処理槽１５には、Ｘ１−Ｘ２方向及びＹ１−Ｙ２方向に対して傾斜する傾斜側面１５ａ，１５ｂが設けられている。傾斜側面１５ａは、Ｘ１方向からＹ１方向に向けて６０°傾いており、傾斜側面１５ｂは、Ｘ２方向からＹ１方向に向けて６０°傾いている。

図２（ｃ）に示すように、第２の基材２０は、平面形状が四角形であり、図２（ｄ）に示すように、接合表面２０ａと外表面２０ｂとを有している。

図２（ｃ）に示すように第２の基材２０には、図示上方の２箇所に、液導入口２２，２３となる穴が板厚方向に貫通して形成されており、また図示下方の１箇所に液排出口２４となる穴が板厚方向に貫通して形成されている。図２（ｄ）には、板厚方向に貫通した液排出口２４が図示されている。

液導入口２２，２３及び液排出口２４は、第１の基材１０と第２の基材２０とを重ね合わせたときに、各流路１２〜１４の処理槽１５側とは反対側の端部と板厚方向で対向する位置に形成される。この結果、図１（ａ）（ｂ）に示すように、第１の基材１０と第２の基材２０とを重ね合わせた状態では、液導入口２２，２３−液導入流路１２，１３−処理槽１５−液排出流路１４−液排出口２４を辿る連続した微細空間が流路チップ１に形成される。

図２（ｅ）は多孔質体３０の平面図であり、図２（ｅ）に示すように多孔質体３０は平面視にて三角形で形成されている。平面視とは、Ｘ１−Ｘ２方向及びＹ１−Ｙ２方向からなる平面に対して直交方向（高さ方向、板厚方向）からの矢視であり、すなわち平面図で示される図が平面視図である。

図２（ｆ）に示すように多孔質体３０は、所定の板厚を有する板状で形成される。多孔質体３０の板厚は、図２（ａ）（ｂ）に示す処理槽１５の深さ寸法と同じとされる。

多孔質体３０は平面視三角形であることが条件であり、二等辺三角形や直角二等辺三角形等とすることができるが、特に正三角形であることが好適である。図２（ａ）に示す処理槽１５は、正三角形の多孔質体３０を収納可能な空間形状とされている。

多孔質体３０は、液体の混合や化学反応の促進、または流体中の成分の分離を行うためのものであるが、本実施形態では、液体の混合に使用されるものである。特に、モノリス構造の焼結セラミックスの多孔質体は、低い流路損失で高性能の混合ができるために好ましい。特に、全体が一体のシリカゲルで形成されたシリカモノリスが好適であり、例えば、株式会社京都モノテック製のものを用いることができる。

多孔質体３０を処理槽１５内に配置して、第１の基材１０の接合表面１０ａと第２の基材２０の接合表面２０ａとを当接させる。これにより基材１０，２０間に各流路１２〜１４及び処理槽１５を備える図１に示す流路チップ１が完成する。本実施形態では、第１の基材１０と第２の基材２０とを、接着剤を用いることなく接合することができる。したがって、流路チップ１の内部に供給されて混合させられる流体が接着剤の影響を受けることがない。

各基材１０，２０間の接合は、例えば各接合表面に真空赤外光（ＶＵＶ）を照射してプレート表面を活性化させる。そして各基材１０，２０を加熱し加圧して、各基材１０，２０の接合表面同士を、接着剤を用いることなく密着して接合している。

図３は、多孔質体３０付近を拡大して示した流路チップ１の部分拡大平面図である。図３に示すように多孔質体３０は、第１の側壁３０ａと第２の側壁３０ｂと第３の側壁３０ｃを備え、各側壁３０ａ〜３０ｃの端部間が接続されて平面視にて三角形状（図３では正三角形）の形となっている。側壁とは板厚方向と平行な面を指す。

図３に示すように多孔質体３０の第１の側壁３０ａと第２の側壁３０ｂとが交わる頂部３１に液排出口２４（図１参照）に通じＹ１−Ｙ２方向に直線状に延出する液排出流路１４が位置している。また多孔質体３０の第１の側壁３０ａと第３の側壁３０ｃとが交わる頂点３２に接する第１の側壁３０ａの端部に、液導入口２２（図１参照）に通じＸ１−Ｘ２方向に直線状に延出する液導入流路１２が位置している。また、多孔質体３０の第２の側壁３０ｂと第３の側壁３０ｃとが交わる頂点３３に接する第２の側壁３０ｂの端部に、液導入口２３（図１参照）に通じＸ１−Ｘ２方向に直線状に延出する液導入流路１３が位置している。

図３に示すように、液導入流路１２から液体Ｅ（例えば試料）、液導入流路１３から液体Ｆ（例えば試薬）が多孔質体３０に向けて導入され、液体Ｅと液体Ｆは多孔質体３０内で混合される。そして混合液Ｇが、多孔質体３０内から液排出流路１４を通って図１に示す液排出口２４から外部に排出される。

ところで多孔質体３０は、焼結などの工程を経て製造されるため、金型を用いた成型で製造することが可能な基材１０，２０と比較して、寸法精度を高くすることが難しい。

そこで本実施形態では、多孔質体３０を平面視三角形の板材で形成して所望の寸法に加工し易くした。

図４に示すように多孔質体３０を平面視正三角形の板材で形成することで、出来上がり寸法が多少大きく処理槽１５に収まらない（処理槽１５からはみ出す）部分３０ｄがあっても、図４の点線（切断線）で示すように多孔質体３０の一辺だけを加工することで、必要な寸法に簡単且つ適切に加工することができる。実際には多孔質体３０を予め、多少大きく形成しておき、１辺を加工して所望の大きさとなるように調整することが好ましい。

このように多孔質体３０を平面視三角形の板材とすることで多孔質体３０の製造段階で２辺（図３で示す第１の側壁３０ａと第２の側壁３０ｂ）の寸法精度を出すことができれば、残り１辺だけを最終的に切り出し加工することで必要な寸法となるように簡単且つ適切に加工することができる。

例えば多孔質体を平面視円状の板材とした場合、多孔質体を大きく形成してしまうと全周の加工が必要となる。また多孔質体を平面視矩形状としても、平面視三角形とするよりも加工が大変となる。

また本実施形態では、多孔質体３０を平面視正三角形とすることで、どの辺（側壁３０ａ〜３０ｃ）を加工しても、所望の寸法に加工することができるので、正三角形とすることが好ましい。

このように本実施形態では、多孔質体３０を所望の寸法に簡単且つ適切に形成できるため、図３に示すように多孔質体３０を処理槽１５内に配置した際に、多孔質体３０の第１の側壁３０ａ及び第２の側壁３０ｂと処理槽１５の傾斜側面１５ａ，１５ｂとの間、さらに、多孔質体３０の第３の側壁３０ｃと、処理槽１５の液導入流路１２，１３間に位置する側面１５ｃとの間に生じる隙間を従来よりも小さくでき、あるいは隙間を無くすことができる。この結果、多孔質体３０内に液体を適切に通すことができ、隙間に液体が漏れ出てしまう液漏れを少なくでき、あるいは液漏れを無くすことができ、多孔質体３０を介した高精度な混合処理を行うことができる。

また平面視三角形の多孔質体３０とすることで、隙間を小さくできるから、隙間を小さくするために多孔質体３０を被覆したり、あるいは隙間を埋めるための付勢部材等を設けることが必要でない。

さらに多孔質体３０を平面視三角形の板材としたことで、デッドボリュームを小さくできる利点もある。

図５は、平面視正三角形からなる本実施形態の多孔質体３０と、平面視円形からなる比較例の多孔質体４０とを図示した模式図（部分拡大平面図）である。

図５では、液導入流路４１，４２や液排出流路４３は、各多孔質体３０，４０に対して同じ位置に配置されている。すなわち各流路４１，４２，４３の配置を変えずに各流路４１，４２，４３と接続されるように、多孔質体の形状を三角形あるいは円形にした。

図５に示すように、平面視円形の多孔質体４０には、平面視三角形の多孔質体３０よりも平面視にて外側にはみ出す領域４０ａ〜４０ｃが存在する。これらはみ出した領域４０ａ〜４０ｃは、液体の混合に寄与しない、あるいは寄与しても寄与度が低いデッドボリュームとなる。

このように平面視三角形の多孔質体３０とすると平面視円形の多孔質体４０に比べてデッドボリュームを小さくでき、多孔質体内での混合効率を向上させることができる。平面視矩形状の多孔質体に対しても、平面視三角形の多孔質体３０とすることでデッドボリュームを小さくできる。

デッドボリュームを小さくできることは、すなわち混合に寄与しない無駄な領域を少なくできることであるから生産コストを低減させることが可能になる。

図６は、第２の実施形態を示す流路チップ５０であり、図６では、液導入流路５１，５２の配置が図１〜図３に示す流路チップ１と異なる以外はほぼ同じ構成となっている。 図７は、図６の多孔質体３０付近を示す部分拡大平面図である。

図７に示す液導入流路５１，５２は、図３に示す液導入流路１２，１３と違って、多孔質体３０を構成する第３の側壁３０ｃの両端に夫々、位置している。特に図７では、各液導入流路５１，５２は、夫々、多孔質体３０の第１の側壁３０ａ及び第２の側壁３０ｂの延長線３０ａ１，３０ｂ１上に沿いつつ第３の側壁３０ｃに接続されている。

図７に示すように、１本の液排出流路１４を多孔質体３０の第１の側壁３０ａ及び第２の側壁３０ｂの頂部３１に接続し、２本の液導入流路５１，５２を多孔質体３０の第３の側壁３０ｃの両端に接続することで、各液導入流路５１，５２から液体Ｈ，Ｉが導入された際の圧力により多孔質体３０が液排出流路１４方向に押し付けられ（図７には、押し付け力を矢印Ｊで示した）、多孔質体３０の第１の側壁３０ａと処理槽１５の傾斜側面１５ａ間、及び多孔質体３０の第２の側壁３０ｂと処理槽１５の傾斜側面１５ｂ間に隙間が生じるのをより効果的に抑制でき、液漏れを抑制することができる。

上記に示した実施形態では、２枚の基材（プレート）を用いて流路チップ１，５０を構成していたが、３枚以上の基材を用いてもよい。

また図２（ａ）に示すように第１の基材１０に各流路１２〜１４及び各流路１２〜１４と繋がる処理槽１５を形成しているが、第１の基材１０と第２の基材２０の間に、各流路１２〜１４及び処理槽１５が形成されていればよいので、例えば第２の基材２０に各流路１２〜１４を形成し、第１の基材１０に処理槽１５を形成することもできる。また第１の基材１０と第２の基材２０との接合表面の双方に各流路を形成したり、処理槽を形成することもできる。

図８に示す流路６０を備える比較例の流路チップを作製した。
図８に示す流路６０は、２本の液導入流路６１，６２と液導入流路６１，６２と繋がる１本の液排出流路６３を備える。ただし図８に示す流路チップには多孔質体を流路内に内包しなかった。

一方、実施例には図１に示す流路チップを用いた。すなわち平面視正三角形の多孔質体３０を処理槽１５内に内包した。多孔質体３０には、株式会社京都モノテック製のシリカモノリスを用いた。

なお実施例及び比較例とも流路チップの大きさを、５０×５０×４ｍｍとした。また基材を透明樹脂（ＣＯＰ）で形成した。また流路内体積を実施例及び比較例ともに約５３μｌとした。このうち実施例では、約１１μｌを多孔質体の体積とした。そして実施例及び比較例ともに、室温２３℃及び湿度５０％の環境条件にて純水で評価したところ約１．４ＭＰａの耐圧性を有していた。

評価方法には、Villermaux/Dushman反応を用いた。Ａ液にはＨＣｌ（０．１３７４Ｍ）を、Ｂ液にはＫＩ（０．０３１９Ｍ）、ＫＩＯ_３（０．００６３５Ｍ）、ＮａＯＡｃ（１．３３Ｍ）を用いた。

Ａ液を一方の液導入流路から導入し、Ｂ液を他方の液導入流路から導入した。流量を０．０５ｍｌ／ｍｉｎ〜２．０ｍｌ／ｍｉｎの範囲で８段階に切り換え、Ａ液とＢ液とを等量混合した。
Dushman反応は、以下の反応により表される。

ＣＨ_３ＣＯＯ⁻＋Ｈ^＋←→ＣＨ_３ＣＯＯＨ （１）
５Ｉ⁻＋ＩＯ_３ ⁻＋６Ｈ^＋←→３Ｉ_２＋３Ｈ_２Ｏ （２）
Ｉ_２＋Ｉ⁻←→Ｉ_３ ⁻ （３）

上記（１）、（２）式の反応は共に迅速であるが、反応（１）が最も迅速である。Ａ液とＢ液との混合が迅速であるほど、Ｉ_２及びＩ_３ ⁻の生成量が減少する。したがってＩ_３ ⁻のＵＶ吸光度が低いほど混合が良好とされる。

Ｉ_３ ⁻のＵＶ吸光度は３５２ｎｍであるので、３５２ｎｍの吸光度を測定した。その実験結果が図９に示されている。

図９に示すように、どの流量においても、実施例のほうが比較例よりも、３５２ｎｍの吸光度が低くなっていることがわかった。また実施例は比較例よりも１／３程度の吸光度であることがわかった。以上により実施例のほうが、比較例に比べて混合性能が優れてることがわかった。

１ 流路チップ
１０ 第１の基材
１１ 溝（凹部）
１２、１３、４１、４２、５１、５２ 液導入流路
１４ 液排出流路
１５ 処理槽
１５ａ、１５ｂ 傾斜側面
２０ 第２の基材
２２、２３ 液導入口
２４ 液排出口
３０ 多孔質体
３０ａ 第１の側壁
３０ｂ 第２の側壁
３０ｃ 第３の側壁

Claims (6)

1. 少なくとも第１の基材と第２の基材とを張り合わせてなり、前記第１の基材と前記第２の基材との間に流路及び前記流路と繋がる処理槽が形成された流路チップであって、
   前記処理槽には平面視三角形の板状の多孔質体が内包されており、前記処理槽は平面視にて、前記多孔質体の三角形の３辺と平行な３つの辺を有し、これらの辺どうしが交わることで得られる三角形が、前記多孔質体の三角形とほぼ同じ大きさであることを特徴とする流路チップ。
2. 前記多孔質体は、平面視にて正三角形である請求項１記載の流路チップ。
3. 前記多孔質体は第１の側壁、第２の側壁及び第３の側壁を備え、各側壁間が接続されて平面視にて三角形とされており、前記第１の側壁と前記第２の側壁とが交わる頂部に流排出口へ通じる液排出流路が位置しており、前記第３の側壁の両端に夫々、液導入口に通じる液導入流路が位置している請求項1又は２に記載の流路チップ。
4. 各液導入流路は、前記第１の側壁及び前記第２の側壁の延長線上に沿って形成されている請求項３記載の流路チップ。
5. 前記流路及び前記処理槽は、少なくとも前記第１の基材に形成されている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の流路チップ。
6. 前記多孔質体は、シリカモノリスである請求項１ないし５のいずれか１項に記載の流路チップ。