JP7178012B2 - 液体混合装置及び液体混合方法 - Google Patents

Description

本発明は、液体混合装置及び液体混合方法に関する。

近年、微細加工技術の発達に伴い、マイクロ流体デバイスを用いた実験・研究が注目されている。ここで、マイクロ流体デバイスとは、マイクロ流路、センサ、アクチュエータ等をチップ上に統合したものをいい、Lab on a Chip(LOC)、MicroTAS(Total Analysis System)とも呼ばれている。マイクロ流体デバイスを用いた実験・研究によれば、例えば、サンプル注入、前処理、攪拌、混合、反応生成物の単離・精製・検出等を、１つのチップ上で行うことができる。このように、様々な操作をミクロ化すれば、実験を高速・高効率・低コストに行うことが可能となる。このため、こうしたマイクロ流体デバイスをバイオ研究・化学工学等に応用した技術の発展が期待されている。特に、化学反応を起こす必要がある実験に際し、試薬を混合する操作は基本的かつ不可欠な操作である。

しかしながら、マイクロ流体デバイスの内部は、低レイノルズ数の環境であることから、当該液体の流れが層流となる。このため、マイクロ流体デバイスの内部では、液体の混合が難しい。

これに対し、従来の技術としては、マイクロ流体デバイス内に分岐流路を形成することにより、液体の流れを多数の層流に引き延ばして混合する方法が知られている（例えば、非特許文献１参照。）。また、従来の他の技術としては、電気浸透流を用いて混合する方法が知られている（例えば、非特許文献２参照。）。

Adeosun,John T, et al, Sensor Actuat. B-Chem, 110.1(2005); 101-111 Sasaki Naoki, et al, Lab on Chip 6.4(2006); 550-554

しかしながら、こうした従来の方法では、液体の流れは、シリンジポンプ等の圧送手段によって生じさせている。このため、従来の方法では、デッドボリューム（混合液として利用されない液体の容量）が大きく、例えば、希少な試薬（例えば、蛍光試薬・抗体試薬）、細胞分泌物等の混合に使用することは、コスト等の点において難しかった。

本発明の目的は、デッドボリュームを抑制しつつ、複数種類の液体を混合可能な、液体混合装置及び液体混合方法を提供することである。

本発明に係る液体混合装置は、周壁によって区画された領域内に複数のピラーが配置されたプレートと、前記プレート上に供給される複数種類の液体が前記ピラーの周りを周回運動するように、前記プレートを駆動させるプレート駆動部と、を備える。

本発明に係る液体混合装置では、前記ピラーの間隔は、前記ピラーの平面視における外接円の直径以下であることが好ましい。

本発明に係る液体混合装置において、前記プレート駆動部は、前記プレートが旋回運動するように、当該プレートを駆動させる駆動部であり、前記ピラーの間隔は、以下の関係式（１）

により求められるδと同程度の値に設定されていることが好ましい。ここで、δは境界層の厚み（μｍ）、すなわち振動により流れが生じる領域を表しており、νは動粘性係数（Ｐａ・ｓ）、ωは前記プレートが旋回運動するときの角振動数（ｒａｄ／ｓ）である。

本発明に係る液体混合装置において、前記液体の供給部は、前記ピラーが配置された領域の直上にあることが好ましい。

本発明に係る液体混合方法は、周壁によって区画された領域内に複数のピラーが配置されたプレート上に、複数種類の液体を供給する液体供給工程と、前記液体供給工程の後、平面視において、前記プレートを駆動させて、前記プレート上に供給された前記複数種類の液体を前記ピラーの周りに周回運動させる、周回運動工程と、を含む。

本発明に係る液体混合方法では、前記ピラーの間隔は、前記ピラーの平面視における外接円の直径以下であることが好ましい。

本発明に係る液体混合方法では、前記周回運動工程において、前記プレートが旋回運動するように、当該プレートを駆動させると共に、
前記ピラーの間隔は、境界層の厚みδ（μｍ）に設定され、当該境界層の厚みδは、以下の関係式（１）

ν：動粘性係数（Ｐａ・ｓ）
ω：プレートが旋回運動するときの角振動数（ｒａｄ／ｓ）
によって設定されていることが好ましい。

本発明に係る液体混合方法において、前記液体供給工程において、前記液体を、前記ピラーが配置された領域の直上から供給することが好ましい。

本発明によれば、デッドボリュームを抑制しつつ、複数種類の液体を混合可能な、液体混合装置及び液体混合方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る液体混合装置を概略的に示す斜視図である。 図１の液体混合装置におけるマイクロミキサーチップを示す概略的な図であって、当該マイクロミキサーチップを示す平面図である。 図２のＡ－Ａ断面図である。 図２のマイクロミキサーチップにおけるピラーの配置構造を一部拡大して示す平面図である。 図２のマイクロミキサーチップにおけるピラーの配置構造を参照して、２つの液体が混合される基本的な原理を説明する図であって、当該２種類の液体が混合される前の状態を示す図である。 図５Ａに引き続いて、２つの液体が混合される過程を示す図である。 本発明の一実施形態に係る液体混合方法の液体供給工程の一例を説明するための、図２のＡ－Ａ断面図に相当する図である。 本発明の一実施形態に係る液体混合方法の周回運動工程の一例を説明するための、図２のＡ－Ａ断面図に相当する図である。 本発明の一実施形態に係る液体混合方法の混合液回収工程の一例を説明するための、図２のＡ－Ａ断面図に相当する図である。 図２のマイクロミキサーチップに適用可能な、ピラーの配置構造の他の例を一部拡大して示す平面図である。 図２のマイクロミキサーチップに適用可能な、ピラーの配置構造の更に他の例を一部拡大して示す平面図である。 図２のマイクロミキサーチップに適用可能な、他のピラーの配置構造の更に他の例を一部拡大して示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る液体混合装置のマイクロミキサーチップを製造するための方法の一例であって、当該方法の第１工程を説明するための概略図である。 図１０Ａに引き続いて行われる、マイクロミキサーチップを製造するための方法の第２工程を説明するための概略図である。 図１０Ｂに引き続いて行われる、マイクロミキサーチップを製造するための方法の第３工程を説明するための概略図である。 図１０Ｃに引き続いて行われる、マイクロミキサーチップを製造するための方法の第４工程を説明するための概略図である。 図１０Ｄに引き続いて行われる、マイクロミキサーチップを製造するための方法の第５工程を説明するための概略図である。 図１０Ｅに引き続いて行われる、マイクロミキサーチップを製造するための方法の第６工程を説明するための概略図である。 マイクロミキサーチップ１において、液体Ａ及び液体Ｂをそれぞれ、離れた位置から供給し、振動誘起を生じさせる前のプレートを示す画像である。 図１１Ａの画像におけるｘ方向位置と、当該ｘ方向位置における輝度との関係を表すグラフである。 マイクロミキサーチップ１において、振動誘起を生じさせてから２０秒後のプレートを示す画像である。 図１２Ａの画像におけるｘ方向位置と、当該ｘ方向位置における輝度との関係を表すグラフである。 マイクロミキサーチップ２において、液体Ａ及び液体Ｂをそれぞれ、離れた位置から供給し、振動誘起を生じさせる前のプレートを示す画像である。 図１３Ａの画像におけるｘ方向位置と、当該ｘ方向位置における輝度との関係を表すグラフである。 マイクロミキサーチップ２において、振動誘起を生じさせてから２０秒後のプレートを示す画像である。 図１４Ａの画像におけるｘ方向位置と、当該ｘ方向位置における輝度との関係を表すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係る液体混合装置及び液体混合方法について説明をする。

＜液体混合装置＞
図１中、符号１００は、本発明の一実施形態に係る液体混合装置である。液体混合装置１００は、マイクロ流体デバイスとしてのマイクロミキサーチップ１０と、マイクロミキサーチップ１０を駆動させるプレート駆動部（駆動部）２０と、を備えている。マイクロミキサーチップ１０は、は、プレート駆動部２０上に配置（例えば、固定）されている。

液体混合装置１００は、周壁１２によって区画された領域内に複数のピラーが配置されたプレート１１を備えている。本実施形態では、マイクロミキサーチップ１０は、プレート１１と、周壁１２と、カバー１４とによって区画された液体混合用ケースである。図２は、マイクロミキサーチップ１０を示す平面図である。図２に示すように、マイクロミキサーチップ１０は、プレート１１と、周壁１２と、複数のピラー１３とを備えている。複数のピラー１３は、周壁１２によって区画されたプレート１１の領域内に配置されている。なお、図２は、図面表記の煩雑さを回避するため、複数のピラー１３のうち、二点鎖線で囲まれた領域の中央側のピラー１３は省略して記載されている。ただし、実際には、当該領域の全体には、複数のピラー１３が、図示された複数のピラー１３と同様に、規則的な配列で配置されている。また、本実施形態では、複数のピラー１３は、図３に示すように、周壁１２と共にプレート１１の上面１１ａから、カバー１４の下面の位置までにわたって起立している。周壁１２の下端内周側に形成された下端開口は、プレート１１によって液密な状態に閉じられている。

また、本実施形態では、マイクロミキサーチップ１０は、周壁１２を閉じるカバー１４を備えている。図３に示すように、カバー１４は、周壁１２の上端内周側に形成された上端開口を閉じている。これによって、図３に示すように、マイクロミキサーチップ１０の内部には、プレート１１、周壁１２及びカバー１４によって区画された空間Ｓが形成され、当該空間Ｓには、複数のピラー１３がプレート１１の上面１１ａから起立している。空間Ｓは、液体を充填するための空間として機能する。

また、本実施形態では、カバー１４には、空間Ｓを外界に通じさせる複数の供給部１０ａと、同じく空間Ｓを外界に通じさせる回収部１０ｂと、が形成されている。本実施形態では、供給部１０ａ及び回収部１０ｂは、カバー１４に形成された開口部である。図１に示すように、本実施形態では、カバー１４には、２つの供給部１０ａ１及び１０ａ２が形成されている。２つの供給部１０ａ１及び１０ａ２は、それぞれ、カバー１４の左右方向（長手方向：図１及び図２のｘ方向）の両側の位置に間隔を置いて配置されている。また、本実施形態では、回収部１０ｂは、２つの供給部１０ａ１及び１０ａ２の間の、カバー１４の中央の位置に配置されている。

プレート駆動部２０は、プレート１１上に供給される複数種類の液体が、ピラー１３（本実施形態では、より具体的に、複数のピラー１３のそれぞれ）の周りを周回運動するように、プレート１１を駆動させる。本実施形態では、プレート駆動部２０は、図２に示すように、平面視において、マイクロミキサーチップ１０を旋回運動させることにより、当該マイクロミキサーチップ１０内に充填された液体をピラー１３の周りに周回運動させる。こうしたプレート駆動部２０としては、例えば、２軸ピエゾステージが挙げられる。

ここで、この明細書において、「旋回運動」とは、上記マイクロミキサーチップ等の、運動する物体について、平面視において、当該物体が並進運動（物体上の全ての点が同一の速度で移動する運動）をしつつ、当該物体全体が所定の中心軸の周りを回転する運動をいい、当該物体上の全ての点が当該物体上にある所定の中心軸の周りを回転する運動（以下、「自転運動」という。）ではない。即ち、図２の白抜き矢印は、マイクロミキサーチップ１０が当該白抜き矢印の方向に自転運動をしていることを示すものではなく、当該マイクロミキサーチップ１０全体が当該白抜き矢印の方向に時間的に推移していることを示すものである。但し、本実施形態における旋回運動についての上記「旋回運動」は、複数種類の液体Ｌをピラー１３の周りに周回させる運動である限り、円運動に限定されない。例えば、仮想の矩形の各辺に沿って回転する運動であってもよい。また、「旋回運動」は、自転を伴うものであってもよい。

図４は、マイクロミキサーチップ１０における、ピラー１３の配置構造を一部拡大して示す平面図である。ここで、ピラー１３の配置構造とは、図４に示すように、平面視において、複数のピラー１３がプレート１１上に所定の配列により配置されている構造をいう。また、以下の説明において、ｘ方向及びｙ方向は、互いに直交する方向をいう。本実施形態では、ｘ方向は、プレート１１の長手方向に沿った方向である。また、ｙ方向は、本実施形態では、ｙ方向は、プレート１１の短手方向に沿った方向である。

ピラー１３の配置構造は、図４に示すように、平面視において、各ピラー１３が互いに任意の間隔Ｃを置いて配列されることにより設定することができる。本実施形態に係る液体混合装置１００では、ピラー１３の間隔Ｃ（ピラーの間隔）は、同一の間隔である。ここで、「ピラー１３の間隔Ｃ」は、図４に示すように、平面視において、ピラー１３のピッチ間隔Ｐ上の、当該ピラー１３の外周面の間の間隔である。即ち、ピラー１３の間隔Ｃは、２つのピラー１３の間隔のうち、最小の間隔である。また、「ピラー１３のピッチ間隔Ｐ」は、２つのピラー１３の中心間距離である。図４に示すように、本実施形態では、ピラー１３の形状は、平面視において、直径Ｄ１３の真円形状である。即ち、本実施形態では、ピラー１３のピッチ間隔Ｐは、２つのピラー１３の中心Ｏの間の距離である。

次に、図５Ａ及び図５Ｂを参照して、複数種類の液体を、液体混合装置１００のマイクロミキサーチップ１０を用いて混合し、混合液を生成するための基本的な原理を説明する。

図５Ａ及び図５Ｂでは、液体Ｌ１と液体Ｌ２との２液を混合して、混合液Ｌ３を生成する場合を例にする。図５Ａに示すように、プレート１１上には、液体Ｌ１と液体Ｌ２との２液が供給されている。図５Ａでは、液体Ｌ１と液体Ｌ２とは、分離した状態にある。ここで、図５Ｂの白抜き矢印に示すように、平面視において、プレート１１を旋回運動させると、図５Ｂの矢印に示すように、プレート１１上に供給されている液体Ｌ１及び液体Ｌ２が各ピラー１３の周りを周回運動する（本実施形態では、円運動する）。即ち、プレート１１を旋回運動させると、例えば、図５Ｂの矢印に示す向きに、各ピラー１３の周りにそれぞれ、液体Ｌの流れ（以下、「振動誘起流れ」ともいう。）Ｆが生じる。振動誘起流れＦは、ピラー１３の周りを周回し、当該周回の周期（振動誘起流れＦの周期）は、プレート１１の駆動周期Ｔに依存する。振動誘起流れＦは、図５Ｂに示すように、液体Ｌ１と液体Ｌ２とを攪拌し、液体Ｌ１及び液体Ｌ２を混合させる。

ここで、図５Ａ及び５Ｂにおいて、プレート１１にピラー１３が配置された領域を領域Ｒ１、Ｒ２及びＲ３と区画し、更に詳細に説明をする。液体Ｌ１が供給されたプレート１１の領域Ｒ１では、当該領域Ｒ１に生じた振動誘起流れＦによって液体Ｌ１が攪拌される。また、液体Ｌ２が供給されたプレート１１の領域Ｒ２では、当該領域Ｒ２に生じた振動誘起流れＦによって液体Ｌ２が攪拌される。これらの攪拌された液体Ｌ１及び液体Ｌ２は、領域Ｒ１及び領域Ｒ２の間の中央に位置するプレート１１の領域Ｒ３に向かって順次、伝播されることで、液体Ｌ１及び液体Ｌ２の混合が生起される。これにより、別々の液体Ｌ１と液体Ｌ２とを混合して混合液Ｌ３を生成することができる。

ところで、上述のとおり、ピラー１３の間隔Ｃは、適宜設定することができるが、当該ピラー１３の間隔Ｃは、ピラー１３の平面視における外接円の直径以下とすることが好ましい。上述のとおり、本実施形態に係る液体混合装置１００では、ピラー１３の形状は、図４に示すように、平面視において、直径Ｄ１３の真円形状である。本実施形態では、ピラー１３の外接円の直径は、ピラー１３の直径Ｄ１３である。即ち、本実施形態では、ピラー１３の間隔Ｃは、当該ピラー１３の直径Ｄ１３以下とすることが好ましい。本実施形態では、ピラー１３の直径Ｄ１３は、１０μｍである。この場合、ピラー１３の間隔Ｃは、１０μｍである。

また、ピラー１３の間隔Ｃは、プレート１１上の液体Ｌの境界層を考慮して設定することが好ましい。ここで、「境界層」とは、プレート１１上の液体Ｌの流れにおいて、当該液体の粘性による影響を強く受ける層をいう。振動誘起流れＦは、ピラー１３の外周面から径方向に、例えば、数１０μｍの局所的な領域に生じる。この場合、前記境界層は、平面視において、ピラーの外周面から径方向から、数１０μｍの局所的な領域（厚み）となる。

上述のとおり、本実施形態に係る液体混合装置１００では、ピラー１３の間隔Ｃは、それぞれ、ピラー１３の周りに生起される振動誘起流れＦを、互いに隣り合うピラー１３の間で適度に干渉させるように、設定することが好ましい。本実施形態では、ピラー１３の間隔Ｃは、境界層の厚みδ（μｍ）に設定することができる。ここで、境界層厚みδ（μｍ）は、以下の関係式（１）によって設定することができる。

ν：動粘性係数（Ｐａ・ｓ）
ω：プレートが旋回運動するときの角振動数（ｒａｄ／ｓ）

また、式（１）の動粘性係数ν及び角振動数ωは、それぞれ、次の式（２）、式（３）で表すことができる。
ν＝μ／ρ・・・（２）
μ：粘度（Ｐａ・ｓ）
ρ：密度（ｋｇ／ｍ3）
ω＝２πｆ・・・（３）
ｆ：プレート駆動部の駆動振動数（ピアゾステージの共振周波数）

なお、ピラー１３の配置構造は、例えば、図４に示すように、平面視において、各ピラー１３をひし形格子状に配列した配置構造とすることができる。こうしたピラー１３の配置構造は、例えば、各ピラー１３を互い違いに配列することで形成することができる。図４のピラー１３の配置構造は、ｙ方向に沿って、各ピラー１３を互いに違いに配列した配置構造である。本実施形態では、図４に示すように、ピラー１３の配置構造は、複数のｘ方向配列Ａｘを含んでいる。本実施形態では、ピラー１３のピッチ間隔Ｐのうち、ｘ方向のピッチ間隔Ｐをｘ方向ピッチ間隔Ｐｘとすると、１つのｘ方向配列Ａｘは、図４に示すように、平面視において、複数のピラー１３が、ｘ方向に互いに等しいピッチ間隔Ｐ（ｘ方向ピッチ間隔Ｐｘ）を置いて、当該ｘ方向に沿って一直線に配置された配列である。また、本実施形態では、本実施形態では、ピラー１３のピッチ間隔Ｐのうち、ｙ方向のピッチ間隔Ｐをｙ方向ピッチ間隔Ｐｙとすると、図４に示すように、平面視において、各ｘ方向配列Ａｘは、ｙ方向に互いに等しいピッチ間隔Ｐ（ｙ方向ピッチ間隔Ｐｙ）を置いて、当該ｙ方向に沿って配列されている。本実施形態では、ｙ方向に隣り合うｘ方向配列Ａｘがｙ方向において互い違いになるように配列されている。これにより、図４のピラー１３の配置構造は、ひし形格子状に配列された配置構造となっている。なお、ひし形格子状に配列されたピラー１３の配置構造は、ｙ方向に代えて、ｘ方向に沿って、各ピラー１３を互い違いに配列することで形成することができる。また、ｘ方向ピッチ間隔Ｐｘ及びｙ方向ピッチ間隔Ｐｙはそれぞれ、ピラー１３の中心間距離である。なお、本実施形態では、個々のピラー１３のｘ方向ピッチ間隔Ｐｘ及びｙ方向ピッチ間隔Ｐｙを等しくしているが、個々のピラー１３のｘ方向ピッチ間隔Ｐｘ及びｙ方向ピッチ間隔Ｐｙを異ならせることもできる。

ところで、図４のピラー１３の配置構造では、ピラー１３のピッチ間隔Ｐのうち、互いに隣接するピラー１３の隣接ピッチ間隔Ｐａは等しい。詳細には、図４のピラー１３の配置構造では、１つのピラー１３が等しい隣接ピッチ間隔Ｐａで他の６つのピラー１３に取り囲まれるように配列されている。図４の例では、ピラー１３のｘ方向ピッチ間隔Ｐｘは、ピラー１３の隣接ピッチ間隔Ｐａと等しく、ピラー１３のｙ方向ピッチ間隔Ｐｙは、ピラー１３の隣接ピッチ間隔Ｐａと異なる。なお、ピラー１３の隣接ピッチ間隔Ｐａは、ｘ方向ピッチ間隔Ｐｘ及びｙ方向ピッチ間隔Ｐｙと同様、ピラー１３の中心間距離である。

なお、本実施形態において、ピラー１３の直径Ｄ１３は、Ｄ１３＝５０μｍである。また、ピラー１３の隣接ピッチ間隔Ｐａは、Ｐａ＝１００μｍである。但し、ピラー１３の直径Ｄ１３、ピラー１３の隣接ピッチ間隔Ｐａは、適宜、設定することができる。

また、ピラー１３の直径Ｄ１３、ピラー１３のｘ方向ピッチ間隔Ｐｘ、ｙ方向ピッチ間隔Ｐｙ及び隣接ピッチ間隔Ｐａ等のピラー１３のピッチ間隔Ｐは、それぞれ、マイクロミキサーチップ１０の大きさ、混合するべき液体の物性等、様々な条件に応じて変更することができる。例えば、ピラー１３のｘ方向ピッチ間隔Ｐｘは、ｘ方向におけるピラー１３同士の間で、互いに異ならせることができる。このことは、ピラー１３のｙ方向ピッチ間隔Ｐｙとピラー１３の隣接ピッチ間隔Ｐａについても同様である。

［液体混合方法］
次に、本発明の一実施形態に係る液体混合方法について説明をする。本実施形態に係る液体混合方法では、図１の液体混合装置１００を使用することにより、複数種類の液体Ｌを混合する。

（液体供給工程）
本実施形態に係る液体混合方法では、第１の工程として、先ず液体供給工程を行う。前記液体供給工程は、周壁１２によって区画された領域内に複数のピラー１３が配置されたプレート１１上に、複数種類の液体Ｌを供給する。本実施形態では、液体Ｌ１と液体Ｌ２との２種類の液体を供給する。まず図１に示すように、マイクロミキサーチップ１０をプレート駆動部２０上に配置し、当該マイクロミキサーチップ１０内に液体Ｌ１と液体Ｌ２とを供給する。本実施形態では、図６Ａに示すように、プレート駆動部２０上に配置されたマイクロミキサーチップ１０の供給部１０ａ１及び供給部１０ａ２にそれぞれ、液体Ｌ１及び液体Ｌ２を供給する。具体例としては、図６Ａに示すように、ピペット等の定量給排装置３０を用いることにより、液体Ｌ１及び液体Ｌ２を、マイクロミキサーチップ１０の供給部１０ａ１及び供給部１０ａ２を通してプレート１１上に供給する。

前記液体供給工程では、液体Ｌ１及び液体Ｌ２を、ピラー１３が配置された領域の直上から供給することが好ましい。本実施形態では、マイクロミキサーチップ１０の供給部１０ａ及び回収部１０ｂは、図６Ａに示すように、ピラー１３が配置された領域の直上に形成されている。詳細には、図２に示すとおりである。この場合、液体Ｌ１及び液体Ｌ２の周回運動が早期に行われるため、効率的な混合が実現される。

（周回運動工程）
次いで、本実施形態に係る液体混合方法では、第２の工程として、周回運動工程を行う。前記周回運動工程は、前記液体供給工程の後、平面視において、プレート１１を駆動（本実施形態では、旋回運動）させて、当該プレート１１上に供給された複数種類の液体Ｌをピラー１３の周りに周回運動させる。本実施形態では、プレート駆動部２０として、２軸ピエゾステージを用いている。これにより、図６Ｂに示すように、平面視において、マイクロミキサーチップ１０を旋回運動させることができる。前記２軸ピエゾステージは、図５Ｂに示すように、平面視で、ｘ方向及びｙ方向の２軸方向に対して制御可能である。２軸ピエゾステージは、ｘ方向に配置されたピエゾ素子と、ｙ方向に配置されたピエゾ素子とを、互いに独立して振動制御することができる。これにより、２軸ピエゾステージは、マイクロミキサーチップ１０を時計回り及び反時計回りの少なくともいずれか一方に旋回運動させることができる。但し、マイクロミキサーチップ１０の旋回運動は、液体Ｌ１及び液体Ｌ２をピラー１３の周りに周回運動させる運動であれば、円運動に限定されない。本実施形態では、プレート駆動部２０は、図５Ｂに示すように、平面視で、マイクロミキサーチップ１０を時計回りに駆動周期Ｔ（＝１／ｆ）で旋回運動させる。これにより、ピラー１３の周りに生じる振動誘起流れＦも、図５Ｂに示すように、平面視で、ピラー１３の周りを周回する流れとなる。なお、プレート駆動部２０は、マイクロミキサーチップ１０を反時計回りに旋回運動させることも可能である。また、プレート駆動部２０は、駆動周期Ｔで、時計回りの旋回運動と、反時計回りの旋回運動とを交互に切り替えることもできる。

（混合液回収工程）
液体Ｌ１及び液体Ｌ２は、ピラー１３の周りの振動誘起流れＦによってプレート１１上で攪拌される。これにより、プレート１１上では、液体Ｌ１及び液体Ｌ２を流通させることなく、液体Ｌ１及び液体Ｌ２を含む混合液Ｌ３が生成される。プレート１１上に生成された混合液Ｌ３は、図６Ｃに示すように、マイクロミキサーチップ１０の回収部１０ｂから回収することができる。具体例としては、図６Ｃに示すように、定量給排装置３０を用いることにより、混合液Ｌ３を、マイクロミキサーチップ１０の回収部１０ｂを通してプレート１１上から回収する。

次に、上述の実施形態に係る液体混合装置１００及び液体混合方法の作用効果について説明をする。

上述のように、本実施形態に係る液体混合装置１００は、周壁１２によって区画された領域内に複数のピラー１３が配置されたプレート１１と、プレート１１上に供給される液体Ｌ１及び液体Ｌ２がピラー１３の周りを周回運動するように、プレート１１を駆動させるプレート駆動部２０と、を備える。本実施形態では、液体Ｌ１及び液体Ｌ２の複数種類の液体Ｌをマイクロミキサーチップ１０のプレート１１上に供給し、液体Ｌ１及び液体Ｌ２がプレート１１に配置された複数のピラー１３の周りを周回運動するように、プレート駆動部２０を駆動させる。これにより、本実施形態に係る液体混合装置１００によれば、液体Ｌ１及び液体Ｌ２を含む混合液Ｌ３を生成することができる。また、従来の液体混合装置は、複数種類の液体Ｌを、各流路を通して層流とした後、互いに合流させることによって混合させている。このため、従来の液体混合装置には、例えば、液体Ｌが前記流路に残留することで損失を生じる、いわゆる、デッドボリューム（混合液として利用されない液体の容量）の問題があった。これに対し、本実施形態に係る液体混合装置１００によれば、従来の液体混合装置で用いられているような、前記流路が不要となるため、例えば、当該流路内に、液体Ｌ１及び液体Ｌ２が残留することによって生じ得る、デッドボリュームを抑制することができる。従って、本実施形態に係る液体混合装置１００によれば、デッドボリュームを抑制しつつ、複数種類の液体Ｌを混合可能となる。

また、従来の液体混合装置は、混合すべき液体Ｌを障害物に衝突させることにより、当該液体Ｌを混合させていた。このため、従来の液体混合装置では、シリンジポンプ等の圧送手段を用いる必要があった。これに対し、本実施形態に係る液体混合装置１００は、液体Ｌを障害物に衝突させる必要がないため、前記圧送手段が不要となる。また、本実施形態に係る液体混合装置１００によれば、液体Ｌを圧送する必要がないため、マイクロミキサーチップ１０は、必ずしも、カバー１４で閉じることで密封する必要もない。このため、本実施形態に係る液体混合装置１００では、カバー１４に形成した供給部１０ａを通すことによって、又は、カバー１４を省略することによって、混合すべき、液体Ｌ１及び液体Ｌ２をプレート１１上から直接滴下することができ、また、回収すべき混合液Ｌ３も、カバー１４に形成した回収部１０ｂを通すことによって、又は、カバー１４を省略することによって、プレート１１上から直接回収することができる。この場合、混合すべき、液体Ｌ１及びＬ２の供給と、混合液Ｌ３の回収が容易となる。

また、本実施形態に係る液体混合装置１００では、ピラー１３の間隔Ｃは、ピラー１３の平面視における外接円の直径以下であることが好ましい。この場合、ピラー１３の間隔Ｃを近似的に算出することで、当該ピラー１３の間隔Ｃの設定を容易に行うことができる。具体例としては、上述のとおり、加工し易さ等を考慮すれば、ピラー１３の間隔Ｃは、１０μｍ以上とする。なお、本実施形態では、上述のとおり、ピラー１３の間隔Ｃは、ピラー１３の直径Ｄ１３＝１０μｍである。

また、本実施形態に係る液体混合装置１００では、上述のとおり、ピラー１３の間隔Ｃは、境界層の厚みδ（μｍ）に設定され、当該境界層の厚みδは、以下の関係式（１）

ν：動粘性係数（Ｐａ・ｓ）
ω：プレートが旋回運動するときの角振動数（ｒａｄ／ｓ）
によって設定されていることが好ましい。

ピラー１３の間隔Ｃの上限値は、上述のとおり、式（１）で算出される、境界層厚みδで設定することが好ましい。即ち、ピラー１３の間隔Ｃは、上記境界層の厚みδ以下とすることが好ましい。上述のとおり、ピラー１３の間隔Ｃは、それぞれ、ピラー１３の周りに生起される振動誘起流れＦを、互いに隣り合うピラー１３の間で適度に干渉させるように、設定することが好ましいためである。なお、ピラー１３の間隔Ｃの下限値は、加工技術に依存する。例えば、加工し易さ等を考慮すれば、ピラー１３の間隔Ｃの下限値は、１０μｍ以上とすることが好ましい。具体的には、ピラー１３の間隔Ｃの好適な範囲は、近似的に、

とすることができる。

特に、ピラー１３の間隔Ｃを上記式（１）により設定する場合、当該ピラー１３の間隔Ｃは、液体Ｌの粘度μと、プレート駆動部２０の駆動振動数ｆとの関係で設定されていることが好ましい。本実施形態では、上述の式（１）に基いて、液体Ｌ１の粘度μ１及び液体Ｌ２の粘度μ２と、プレート駆動部２０の駆動振動数ｆとから、液体Ｌ１及び液体Ｌ２の特性に合わせたピラー１３の間隔Ｐを容易に得ることができる。
ν＝μ／ρ・・・（２）
μ：粘度（Ｐａ・ｓ）
ρ：密度（ｋｇ）
ω＝２πｆ・・・（３）
ｆ：プレート駆動部の駆動振動数（ピアゾステージの共振周波数）

また、液体Ｌ１の供給部１０ａ１及び液体Ｌ２の供給部１０ａ２は、図２等に示すように、ピラー１３が配置された領域の直上にあることが好ましい。この場合、液体Ｌ１及び液体Ｌ２の攪拌が迅速に行われることで、液体Ｌ１及び液体Ｌ２を効率的に混合可能となる。

また、図６Ａ～図６Ｃのように、本実施形態に係る液体混合方法によれば、前記液体供給工程において、複数のピラー１３が配置されたプレート１１上に、液体Ｌ１及び液体Ｌ２を供給し、前記液体供給工程の後、前記周回運動工程において、プレート１１を駆動させて、当該プレート１１上に供給された液体Ｌ１及び液体Ｌ２をピラー１３の周りに周回運動させる。これにより、本実施形態に係る液体混合方法によれば、液体Ｌ１及び液体Ｌ２を含む混合液Ｌ３を生成することができる。また、本実施形態に係る液体混合方法によれば、従来の液体混合方法のように、複数種類の液体Ｌを、各流路を通して層流とした後、互いに合流させることによって混合させる工程が不要となる。従って、本実施形態に係る液体混合方法によれば、デッドボリュームを抑制しつつ、複数種類の液体Ｌを混合可能な液体混合方法となる。

また、本実施形態に係る液体混合方法は、液体Ｌ１及び液体Ｌ２をピラー１３等の障害物に衝突させることで混合させる必要がない。このため、従来の液体混合方法で用いられていたポンプ手段が不要となり、マイクロミキサーチップ１０をカバー１４で密封する必要もない。このため、混合すべき、液体Ｌ１及び液体Ｌ２をプレート１１上から直接滴下することができ、また、回収すべき混合液Ｌ３も、プレート１１上から直接回収することができる。この場合、混合すべき、液体Ｌ１及び液体Ｌ２の供給と、混合液Ｌ３の回収が容易な液体混合方法を得ることができる。

特に、本実施形態に係る液体混合方法では、上述のとおり、ピラー１３の間隔Ｃは、ピラー１３の平面視における外接円の直径以下であることが好ましい。本実施形態では、上述のとおり、ピラー１３の間隔Ｃは、ピラー１３の直径Ｄ１３と等しい。

特に、本実施形態に係る液体混合方法では、ピラー１３の間隔Ｃは、上述のとおり、液体の粘度μと、プレート駆動部２０の駆動振動数ｆとの関係で設定されていることが好ましい。

特に、本実施形態に係る液体混合方法は、前記液体供給工程において、液体Ｌ１及び液体Ｌ２を、ピラー１３が配置された領域の直上から供給している。この場合、液体Ｌ１及び液体Ｌ２の攪拌が迅速に行われることで、液体Ｌ１及び液体Ｌ２を効率的に混合可能な液体混合方法を得ることができる。

ところで、上述の実施形態では、ピラー１３の形状は、平面視において、真円形状としたが、楕円形状、多角形状等の様々な形状とすることができる。

図７は、液体混合装置１００、より詳細には、図２のマイクロミキサーチップ１０に適用可能な、ピラー１３の配置構造の他の例を一部拡大して示す平面図である。図７では、ピラー１３の形状は、図７に示すように、平面視において、ひし形形状である。この例では、各ピラー１３はそれぞれ、ｘ方向に扁平なひし形形状である。

また、図８は、マイクロミキサーチップ１０に適用可能な、他のピラー１３の配置構造の更に他の例を一部拡大して示す平面図である。図８では、ピラー１３の形状は、図８に示すように、平面視において、Ｖ形形状である。この例では、各ピラー１３は、当該ピラー１３のＶ字の先端が同一の方向に指向するように形作られている。詳細には、各ピラー１３は、当該ピラー１３のＶ字の先端がｘ方向に沿う同一の向きに指向するように形作られている。なお、図８では、各ピラー１３は、当該ピラー１３のＶ字の先端が図面左側に指向するように形作られているが、図面右側に指向するように形作ることもできる。

更に、図９は、マイクロミキサーチップ１０に適用可能な、更に他のピラー１３の配置構造の更に他の例を一部拡大して示す平面図である。図９では、ピラー１３の形状は、図８と同様、平面視において、Ｖ形形状である。この例では、各ピラー１３は、当該ピラー１３Ｖ字の先端が異なる方向に指向するように形作られている。詳細には、１つのｘ方向配列Ａｘにおいて、各ピラー１３は、当該ピラー１３のＶ字の先端がｘ方向に沿う同一の向きに指向するように形作られている。これに対し、ｙ方向に隣り合うｘ方向配列Ａｘでは、各ピラー１３は、当該ピラー１３のＶ字の先端が、ｙ方向に隣り合うｘ方向配列Ａｘのピラー１３に対してｘ方向に沿う逆向きに指向するように形作られている。

図７～図９では、ピラー１３の形状は、平面視において、ｘ方向を基準に形作られているが、ｙ方向を基準に形作ることもできる。図７では、各ピラー１３はそれぞれ、ｙ方向に扁平なひし形形状とすることもできる。また、図８及び図９では、各ピラー１３は、当該ピラー１３のＶ字の先端がｙ方向に沿う向きに指向するように形作ることもできる。

また、ピラー１３の配置構造も、様々な配置構造とすることができる。図４、図７～図９のピラー１３の配置構造は、それぞれ、各図面に示すように、平面視において、各ピラー１３をひし形格子状に配列した配置構造であるが、各ピラー１３を方形格子状に配列した配置構造とすることも可能である。こうしたピラー１３の配置構造は、例えば、図４、図７～図９の各図面に示すような平面視において、ｘ方向及びｙ方向に沿って、各ピラー１３を一直線に配列することで形成することができる。また、他のピラー１３の配置構造としては、例えば、図４、図７～図９の各図面に示すような平面視において、各ピラー１３をプレート１１の中心位置から放射状に配列した配置構造、各ピラー１３をプレート１１の中心位置から同心円状に配列した配置構造、等が挙げられる。

ここで、図１０Ａ～図１０Ｆを参照して、マイクロミキサーチップ１０の製造方法の一例について説明をする。この例では、図１０Ａに示すように、シリコンウエハー１０１を準備する。次に、図１０Ｂに示すように、シリコンウエハー１０１上に、エポキシ樹脂をベースとしたフォトレジスト樹脂（ＳＵ－８）を用いて、マイクロピラー成形部１０２を成形する。その後、図１０Ｃに示すように、マイクロピラー成形部１０２に、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）を流し込む。これにより、シリコンウエハー１０１及びマイクロピラー成形部１０２を取り除けば、図１０Ｄに示すように、ピラー構造部１５が成形される。この例では、ピラー構造部１５は、マイクロミキサーチップ１０の周壁１２、ピラー１３及びカバー１４を備えている。更に、図１０Ｅに示すように、ピラー構造部１５には、カバー１４の所定位置に貫通穴を開けることにより、２つの供給部１０ａ、回収部１０ｂが形成される。次いで、図１０Ｆに示すように、ガラス板１０３に対してピラー構造部１５を、例えば、プラズマ接合により接合する。これにより、ガラス板１０３をプレート１１とするマイクロミキサーチップ１０がカバー１４と共に完成する。なお、この例では、液体Ｌの供給部１０ａ及び回収部１０ｂは、ピラー１３が配置された領域の直上に配置されるものではないが、この場合も、マイクロミキサーチップ１０として使用することができる。

図１の液体混合装置１００を使用して、液体Ｌ１と液体Ｌ２とを混合する実験を行った。以下、その実験結果を示す。

［実験システム］
この実験に用いたシステムは、倒立顕微鏡（オリンパス株式会社製 IX-73）上に構築した。マイクロミキサーチップに駆動振動を印加するためのプレート駆動部には、ピエゾステージ（株式会社ナノコントロール製 PK2H100-030U-N）を用いた。マイクロミキサーチップ１０は、接着剤を用いて金属板に固定し、ねじを用いて、ピエゾステージに取り付けた。ピエゾステージへの入力信号は、ファンクションジェネレータ（Teledyne LeCroy社製 Wave Station2012）により生成し、高圧アンプ（株式会社メステック製 M26110-3）により増幅して、ピエゾステージに入力した。観察した現象は、C-MOSカメラ（株式会社アドヴァンビジョン製 Advan Cam E3R）を用いて撮影した。

［実験条件］
マイクロミキサーチップには、ピラーが真円円柱形状のマイクロミキサーチップ１と、ピラーがひし形柱形状のマイクロミキサーチップ２と、を使用した。液体Ｌ１には、純水とグリセリン（富士フィルム和光純薬製 072-00626）を混合した液体を用いた。液体Ｌ２には、液体Ｌ１に、蛍光試薬としてフルオレセイン（富士フィルム和光純薬製 065-00252）を混合した液体を用いた。液体Ｌ１及び液体Ｌ２のグリセリン濃度は、６０重量％に調整した。これは、粘度μ＝１０．８ｃｐ（ここで、粘度の単位として「ポアズ」を使用。）に相当する。ピエゾステージには、周波数５００Ｈｚ、振幅７５Ｖの円振動を印加した。マイクロミキサーチップに導入した液体Ｌ１及び液体Ｌ２を蛍光顕微鏡で観察し、画像の輝度から混合度合いの評価を行った。

［マイクロミキサーチップ１］
図１１Ａは、液体Ｌ１及び液体Ｌ２をそれぞれ、離れた位置から供給し、振動誘起を生じさせる前のプレート１１の画像を示す。図１１Ｂは、図１１Ａの画像におけるｘ方向位置と、当該ｘ方向位置における輝度との関係を表すグラフである。図１１Ａにおいて、液体Ｌ１の領域は、輝度が低く（暗く）なっている領域であり、また、液体Ｌ２の領域は、輝度が高く（明るく）なっている領域である。図１１Ａ及び図１１Ｂからは、液体Ｌ１と液体Ｌ２とが分離した状態にあることがわかる。

次に、図１２Ａは、振動誘起を生じさせてから２０秒後のプレート１１の画像を示す。図１２Ｂは、図１２Ａの画像におけるｘ方向位置と、当該ｘ方向位置における輝度との関係を表すグラフである。図１２Ａにおいて、プレート１１全体の輝度が均一になりつつある。即ち、図１２Ａ及び図１２Ｂからは、液体Ｌ１と液体Ｌ２とがほぼ均等に混合されつつあることがわかる。

［マイクロミキサーチップ２］
図１３Ａは、液体Ｌ１及び液体Ｌ２をそれぞれ、離れた位置から供給し、振動誘起を生じさせる前のプレート１１の画像を示す。図１３Ｂは、図１３Ａの画像におけるｘ方向位置と、当該ｘ方向位置における輝度との関係を表すグラフである。図１３Ａにおいて、液体ｌ１の領域は、輝度が低く（暗く）なっている領域であり、また、液体Ｌ２の領域は、輝度が高く（明るく）なっている領域である。図１３Ａ及び図１３Ｂからは、液体Ｌ１と液体Ｌ２とが分離した状態にあることがわかる。

次に、図１４Ａは、振動誘起を生じさせてから２０秒後のプレート１１の画像を示す。図１４Ｂは、図１４Ａの画像におけるｘ方向位置と、当該ｘ方向位置における輝度との関係を表すグラフである。図１４Ａにおいて、プレート１１全体の輝度はほぼ均一になっている。図１４Ａ及び図１４Ｂからは、液体Ｌ１と液体Ｌ２とがほぼ均等に混合された状態であることがわかる。

マイクロミキサーチップ１を用いた実験では、混合効率σは、５５．９％であった。マイクロミキサーチップ２を用いた実験では、混合効率σは、７３．５％であった。なお、混合効率σは、以下の式（２）によって算出した。

Ｎ ：ピラーの全数
Ｉ_i ：振動誘起後のプレート１１上のピラー近傍の各点の輝度
Ｉ_max：振動誘起後のプレート１１上の最大輝度
Ｉ_0i ：振動誘起前のプレート１１上の最小輝度

上述したところは、本発明の一実施形態及び一実施例である。本実施形態に係る液体混合装置及び液体混合方法において、この明細書に記載された事項は、特許請求の範囲に記載された事項の範囲内において、種々の追加・削除・変更等を行うことができる。例えば、マイクロミキサーチップ１０の供給部１０ａは、本実施形態に係る回収部１０ｂと同様、マイクロミキサーチップ１０（プレート１１）の中心位置に形成することができる。或いは、マイクロミキサーチップ１０の供給部１０ａは、マイクロミキサーチップ１０（プレート１１）の中心位置に形成された、本実施形態に係る回収部１０ｂと共通化させることができる。また、液体Ｌ１及び液体Ｌ２としては、同一の粘度の液体、異なる粘度の液体、粒子を含む２種類の液体、いずれか一方のみに粒子を含む２種類の液体、又は、これらの組み合わせに係る２種類の液体が挙げられる。更に、本発明によれば、混合すべき、複数種類の液体は、少なくとも２種類以上の液体とすることができる。

本発明は、例えば、細胞・細胞分泌物を含む溶液に蛍光試薬又は抗体試薬を混合する技術等に利用することができる。

１００：液体混合装置， １０：マイクロミキサーチップ， １０ａ：供給部， １０ａ１：供給部， １０ａ２：供給部， １０ｂ：回収部， １１：プレート， １１ａ：プレートの上面， １２：周壁， １３：ピラー， １４：カバー， ２０；プレート駆動部， Ｌ１；液体， Ｌ２；液体， Ｌ３；混合液

Claims (6)

1. 周壁によって区画された領域内に複数のマイクロピラーが配置されたプレートを備えるマイクロ流体デバイスと、
   前記プレート上に供給される複数種類の粘性を有する液体が、前記マイクロピラーの周りに振動誘起流れを生じさせるように、前記プレートを駆動させるプレート駆動部と、を備えており、
   前記プレート駆動部は、前記プレートが旋回運動するように、当該プレートを駆動させる駆動部であり、
   前記マイクロピラーの間隔は、境界層の厚みδ（μｍ）に設定され、当該境界層の厚みδは、以下の関係式（１）
   

   

   ν：動粘性係数（ｍ ^２ ／ｓ）
   ω：プレートが旋回運動するときの角振動数（ｒａｄ／ｓ）
   によって設定されている、液体混合装置。
2. 前記マイクロピラーの間隔は、前記マイクロピラーの平面視における外接円の直径以下である、請求項１に記載の液体混合装置。
3. 前記粘性を有する液体の供給部は、前記マイクロピラーが配置された領域の直上にある、請求項１又は２に記載の液体混合装置。
4. 周壁によって区画された領域内に複数のマイクロピラーが配置された、マイクロ流体デバイスのプレート上に、複数種類の粘性を有する液体を供給する液体供給工程と、
   前記液体供給工程の後、平面視において、前記プレートを駆動させて、前記プレート上に供給された前記複数種類の粘性を有する液体に前記マイクロピラーの周りに振動誘起流れを生じさせる、周回運動工程と、
   を含んでおり、
   前記周回運動工程において、前記プレートが旋回運動するように、当該プレートを駆動させると共に、
   前記マイクロピラーの間隔は、境界層の厚みδ（μｍ）に設定され、当該境界層の厚みδは、以下の関係式（１）
   

   

   ν：動粘性係数（ｍ ^２ ／ｓ）
   ω：プレートが旋回運動するときの角振動数（ｒａｄ／ｓ）
   によって設定されている、液体混合方法。
5. 前記マイクロピラーの間隔は、前記マイクロピラーの平面視における外接円の直径以下である、請求項４に記載の液体混合方法。
6. 前記液体供給工程において、前記粘性を有する液体を、前記マイクロピラーが配置された領域の直上から供給する、請求項４又は５に記載の液体混合方法。

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