JPWO2003008981A1 - 多層流マイクロチャンネルの集積化構造体とこれを用いる多層流操作方法 - Google Patents

多層流マイクロチャンネルの集積化構造体とこれを用いる多層流操作方法 Download PDF

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Abstract

流体の界面をともなう並行多層流が形成されるマイクロチャンネルが基板上に複数個所配設されており、この複数の多層流マイクロチャンネルの各々は、別の多層流マイクロチャンネルに連通されていることを特徴とする多層流マイクロチャンネルの集積化構造体とし、高度微量分析や精密化学合成等をマイクロチップ上において、複数の単位操作を連続的操作で高効率で行うことを可能とする、高度に集積化された多層流マイクロチャンネル構造体を提供する。

Description

技術分野
この出願の発明は、多層流マイクロチャンネルの集積化構造体とこれを用いる多層流操作方法に関するものである。
さらに詳しくは、この出願の発明は、高精度微量分析や精密化学合成等をマイクロチップ上において連続的操作で高効率で行うことを可能とする、高度に集積化された多層流マイクロチャンネル構造体と、これを用いる物理化学的、あるいは化学的な精密操作方法に関するものである。
背景技術
近年、化学操作あるいは物理化学操作を数センチメートル角の基板上へ集積化する、いわゆるμ−ＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎｏｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ）あるいはＬａｂ−ｏｎ−ａ−Ｃｈｉｐと呼ばれる技術の検討が急速に広がっている。
しかしながら、このような技術においては、微小基板、つまりチップ上への集積化は容易ではない。ＤＮＡなどの生体分子の検出のためのプローブを固定したＤＮＡチップ等の場合とは異って、μ−ＴＡＳあるいはＬａｂ−ｏｎ−ａ−Ｃｈｉｐの場合には、液体試料を取扱うための微細流路（マイクロチャンネル）を高度に集積化することは難しく、複雑な化学プロセスを連続化することは容易ではないからである。
この出願の発明者らは、このような状況において単位化学操作（Ｕｎｉｔ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）を種々組合わせることで複雑な化学プロセスを集積化することを検討し、これまでにも、いくつかの提案を行ってきた。そして、この検討において、この出願の発明者らは、さらに高度に制御された流体としての多層流の操作をマイクロチャンネル内において実施可能とし、これをマイクロチップ上に集積化することを課題としてきた。
すなわち、この出願の発明は、以上の背景を踏えて、高度微量分析や精密化学合成等をマイクロチップ上において、複数の単位操作を連続的操作で高効率で行うことを可能とする、高度に集積化された多層流マイクロチャンネル構造体を提供することを課題とし、さらにはこの構造体を用いる操作方法を提供することを課題としている。
発明の開示
この出願の発明は、前記の課題を解決するものとして、第１には、流体の界面をともなう多層流が形成されるマイクロチャンネルが基板上に複数個所配設されており、この複数の多層流マイクロチャンネルの各々は、別の多層流マイクロチャンネルに連通されていることを特徴とする多層流マイクロチャンネルの集積化構造体を提供する。
またこの出願の発明は、第２には、複数の多層流マイクロチャンネルが同一の基板面に配設され、流体を移送するためのガイドマイクロチャンネルを介して連通されていることを特徴とする前記の多層流マイクロチャンネルの集積化構造体を提供し、第３には、複数の基板が積層化された多層流マイクロチャンネル構造体であって、異なる基板面に多層流マイクロチャンネルが配設され、上下に立体配置された多層流マイクロチャンネルが流体移送のための上下貫通のガイドホールを介して連通されていることを特徴とする多層流マイクロチャンネルの集積化構造体を、第４には、複数の基板が積層化された多層流マイクロチャンネル構造体であって、多層流マイクロチャンネルへの流体の供給および多層流マイクロチャンネルからの流体の排出のための流路手段の各々が多層流マイクロチャンネル配設面と同一または異なる基板面に配置されていることを特徴とする多層流マイクロチャンネルの集積化構造体を提供する。
そして、この出願の発明は、第５には、前記いずれかの多層流マイクロチャンネル集積化構造体であって、複数の多層流マイクロチャンネルの各々が異なる単位操作域として設定されていることを特徴とする多層流マイクロチャンネルの集積化構造体を提供し、第６には、前記いずれかの多層流マイクロチャンネル集積化構造体であって、多層流マイクロチャンネルの少くとも一つが分析対象域として設定されていることを特徴とする多層流マイクロチャンネルの集積化構造体を提供する。
さらにこの出願の発明は、第７には、前記いずれかの多層流マイクロチャンネル集積化構造体を用いることを特徴とする多層流操作方法を提供し、第８には、多層流マイクロチャンネルにおいて、気液の流体界面をともなう多層流を形成することを特徴とする多層流操作方法を、第９には、多層流マイクロチャンネルにおいて３層以上の多層流を形成することを特徴とする多層流操作方法を提供する。
第１０には、この出願の発明は、基板上に配設したマイクロチャンネル内において、流体の界面をともなう３層以上の多層流を形成することを特徴とする多層流操作方法を提供し、第１１には、流体の界面をともなう３層以上の多層流において、流体の界面を介して複数の単位操作を行うことを特徴とする多層流操作方法を提供する。
発明を実施するための最良の形態
この出願の発明は前記のとおりの特徴をもつものであるが、以下に発明の実施の形態について説明する。
何よりもこの出願の第１ないし第９の発明において特徴的なことは、流体の界面をともなう多層流が形成されるマイクロチャンネルが基板上に複数個所配設されており、そして、この多層流マイクロチャンネルの各々が別の多層流マイクロチャンネルに連通されていることである。
ここで、前記の多層流マイクロチャンネルの複数が配設される基板は、同一の基板でもよいし、あるいは複数のものが積層化される基板であってもよい。複数の積層化される基板においては、一つの基板に一つの多層流マイクロチャンネルが配設され、全体として、つまり積層構造体として、複数の多層流マイクロチップが基板上に配設されたものとすることもできる。
複数個所に配設された多層流マイクロチャンネルは、その各々が同種の単位操作、たとえば溶媒抽出等の単位操作を行うようにしてもよいし、あるいは別種の、たとえば溶媒抽出とそれに次ぐ化学反応等の異なる単位操作を連続して行うようにしてもよい。また、一つの多層流マイクロチャンネルにおいて、複数の単位操作が行われるようにしてもよい。いずれの多層流マイクロチャンネルにおいても、並行する２層以上の多層流が形成されことになる。
単位操作については特にその種類が限定されることはなく、物理化学的、あるいは化学的な単位操作（単位反応も含まれる）の各種のものでよい。当然にも、この単位操作には、分析や測定のための操作も含まれる。
そして、この出願の発明においては、マイクロチャンネル内の多層流は、液液界面を形成するであってもよいし、気液界面を形成するものであってもよい。
特に、この出願においては、第９の発明、さらには、第１０および第１１の発明のように、並行する３層以上の多層流を形成することを顕著な特徴としている。
たとえば添付した図１および図２によりこの出願の発明の概略を説明すると、まず図１（Ａ）に例示したように、同一基板面の２個所に、第１の多層流マイクロチャンネル（１）としての反応・抽出エリアと、第２の多層流マイクロチャンネル（２）としての分解・除去エリアを配設し、この両者の多層流マイクロチャンネル（１）（２）を、ガイドマイクロチャンネル（３）によって連通することができる。
そして、各々の多層流マイクロチャンネル（１）（２）には、液体を供給するための流路手段（１Ａ）（２Ａ）と、液体の排出のための流路手段（１Ｂ）（２Ｂ）とが設けられる。
たとえばこの図１（Ａ）の構成例では、図１（Ｂ）に例示したように、Ｃｏ（コバルト）をはじめとする金属イオン含有の試料におけるＣｏの選択的分析システムを構成することが可能となる。図中のＮ．Ｎ．は２−ニトロソ−１−ナフトールを示している。この例では、反応・抽出エリアでは、試料中のＣｏ２＋を錯体としてｍ−キシレン相に反応抽出し、次の分解・除去エリアではＣｏ２＋以外の金属イオンを除去し、Ｃｏ２＋の含有量のみを選択に熱レンズ顕微鏡により検出するようにしている。
第１の多層流マイクロチャンネル（１）の反応・抽出エリアでは、水性相／有機相の液液界面が形成されており、第２の多層流マイクロチャンネル（２）では、塩酸水性相／ｍ−キシレン有機相／強塩基水性相３層の界面が形成されている。
以上のように、この出願の発明によれば、連続的な操作を効率的に行うことが可能となり、微量分析、精密化学合成等にとって極めて有用なシステムが提供されることになる。
そして、さらに説明すると、図２にも例示したように、一つの多層流マイクロチャンネル（４）内において、複数の単位操作を行うことが可能とされる。たとえば図２に例示したように、▲１▼混合・反応、▲２▼相合流、▲３▼抽出、▲４▼相分離のような複数の単位操作が可能とされることである。
図１の例においては、第１の多層流マイクロチャンネル（１）と第２の多層流マイクロチャンネル（２）とが同一の基板面上においてガイドマイクロチャンネル（３）により連通されている場合について説明しているが、多層流マイクロチャンネル（１）（２）は同一基板面上に配設されていなくてもよい。たとえば多層に複数の基板や中間板が積層されたチップ構成体等においては、図３に例示したように、基板（Ａ）、基板（Ｂ）およびカバー板（Ｃ）の積層体において多層流マイクロチャンネル（１）（２）は、流体供給流路手段（１Ａ）（２Ａ）、流体排出流路手段（１Ｂ）（２Ｂ）とともに、三次元立体配置してもよいからである。そして、同一基板面上のガイドマイクロチャンネル（３）に代えて、上下に基板や中間板を貫通するガイドホール（５）を介して連通してもよいからである。
この出願の発明においては、界面をともなう多層流をマイクロチャンネル内において形成することがその特徴の一つであるが、マイクロチャンネルそのものについては、一般的にフォトリソグラフィー・ウエットエッチング等の公知の手段をはじめとする各種の処理加工手段によって形成することができる。基板についても各種のものでよく、たとえばガラス、シリコン、樹脂等の素材からなるものとすることができる。
マイクロチャンネルの大きさについては、一般的に、その幅５００μｍ以下程度、深さ３００μｍ以下程度とすることができ、多層流マイクロチャンネル構造体の目的、用途に応じて定めることができる。
そして、マイクロチャンネルの底部には、多層流を形成する流体の並行界面の位置に略対応するものとして、微小突起を流れ方向に形成することがより完全な多層流としての安定界面を形成するのに有効でもある。この突起は、流れ方向の突条としてエッチング操作によって形成することができる。
そして、界面をともなう多層流については、対象とする流体の種類、組成に応じて、上記のマイクロチャンネルの大きさをはじめ、マイクロチャンネル内での流速、流通量を定めることができる。この出願の発明者により得られている知見によれば、界面をともなう多層流の形成には流体の表面張力が主として作用していることから、このような観点からマイクロチャンネル多層流システムのための操作条件を最適化すればよい。
そこで以下に実施例を示し、さらに詳しく発明の実施の形態について説明する。もちろん以下の例によって発明が限定されることはない。
実 施 例
＜実施例１＞
図１（Ａ）に例示した流路パターンの多層流マイクロチャンネルを有するマイクロチップを作製した。
このマイクロチップの作製においては、パイレックスガラスの基板（３ｃｍ×７ｃｍ）に常法のフォトリソグラフィーとウェットエッチングを施すことによりマイクロチャンネルを形成した。図１（Ａ）の流路パターンを再掲した図４において、実線で示されている流路は、幅５０μｍ、深さ２０μｍのマイクロチャンネルとして形成されている。また、点線で示されている流路は、幅１４０μｍ、深さ２０μｍのマイクロチャンネルとして、鎖線で示されている流路は、幅９０μｍ、深さ２０μｍのマイクロチャンネルとして、各々、形成されている。
これらのマイクロチャンネルのうち点線で示されているマイクロチャンネルにおいては、その底部にガイド構造を形成している。このガイド構造は、多層流の層間、つまり液−液インターフェイスを安定化させるためのものであって、図５に示した構造を有している。全体として幅１４０μｍ、深さ２０μｍのマイクロチャンネルの底部に、高さ５μｍの突条が二つ設けられており、この二つの突条の存在によって、液体の３層流がより安定して形成されるようにしている。
このような底部における突条の形成による液体多層流の安定化構造は、この出願の発明者らによる創案として極めてユニークでその作用効果も顕著なものである。
作製されたマイクロチップを用いて、図１に例示したとおりのＣｏ（ＩＩ）の選択的分析を行った。
液体供給流路手段（１Ａ）には、試料としてのＣｏ（ＩＩ）含有水溶液（１×１０−６ＭＣｕ（ＩＩ）および０．２−１．５×１０−７ＭＣｏ（ＩＩ）含有）と、ＮａＯＨ含有の２−ニトロソ−１−ナフトール（ＮＮ）の３．４×１０−４Ｍ溶液、並びにｍ−キシレンの各々を別々の供給口より導入した。また、流体供給手段（２Ａ）には、塩酸とＮａＯＨ水溶液を導入した。
反応−抽出エリアでは、試料中のＣｏ（ＩＩ）を錯体として、ｍ−キシレン相に反応抽出し、次の分解・除去エリアでは、Ｃｏ（ＩＩ）以外のＣｕ（ＩＩ）を除去し、ｍ−キシレン相中のＣｏ（ＩＩ）の含有量のみを熱レンズ顕微鏡により検出した。
図６は、液−液多層流の形成の状態を写真により例示したものである。この写真は次の場所での状態を示している。
（ａ）水相とｍ−キシレン相との合流点
（ｂ）相分離点
（ｃ）ＨＣｌ相、ｍ−キシレン相、ＮａＯＨ水相の合流点
（ｄ）三層流
非常に安定した多層流がマイクロチャンネルにおいて形成されていることがわかる。
図７は、Ｃｏ（ＩＩ）（１×１０−７Ｍ）とＣｕ（ＩＩ）（１×１０−６Ｍ）含有の水溶液試料の場合の、図６（ｃ）の合流点からの熱レンズ顕微鏡による測定点の距離と熱レンズ顕微鏡により検知されたシグナルの強度との関係を示したものである。図中の白四角点はＣｏ（ＩＩ）のシグナルを、黒丸点はＣｕ（ＩＩ）のシグナルを示している。合流点から約１ｍｍの距離での測定によって、Ｃｏ（ＩＩ）が選択的に検知されていることがわかる。
また、図８は、異なるＣｏ（ＩＩ）濃度の試料（Ｃｕ（ＩＩ）は１×１０−６Ｍで同じ濃度）について、前記の（Ｃ）合流点からの距離と熱レンズ顕微鏡のシグナルの強度との関係を示したものである。
Ｃｏ（ＩＩ）濃度が的確にシグナル強度に反映されていることがわかる。
図９は、以上の結果に基づいて、Ｃｏ（ＩＩ）濃度と熱レンズ顕微鏡による検知シグナルの強度との関係を示したものであって、良好な対応関係にあることがわかる。
以上よりＣｏ分析に必要な全ての化学操作の集積化に成功し、共存金属中のＣｏの超微量分析を実現した。
そして、この出願の発明の多層流マイクロチャンネルシステムが極めて有効であることが確認された。
なお、多層流マイクロチャンネルにおいて、その底部に、界面の位置に略対応する微小突起が形成されているガイド構造を持つマイクロチャンネルを用いる場合には、前半の反応・抽出領域では水−有機界面が安定に形成され、後半の洗浄領域に導く際に水溶液と抽出相を完全に分離し、抽出相のみを洗浄領域に導いて塩酸と水酸化ナトリウム水溶液で両側から抽出側に接触させた水・有機・水界面（三層流）をより安全な状態で形成することができることを確認した。
＜実施例２＞
図１０（Ａ）に例示したとおりのマイクロチャンネルパターンをウエットエッチングによりガラス基板上に形成した。図中の符号１、２、３および４は、流体の導入部を示し、５は排出部を示している。また、図中の符号ａおよびｄは、流体の合流域を示し、ａ〜ｄの間、並びにｄ以降においてマイクロチャンネル多層流が形成される。ちなみにａ〜ｄの間の距離は１８ｃｍであり、多層流が形成されるマイクロチャンネルは、その幅が７０μｍであり、深さが３０μｍである。
合流域ａ点での流れの合流角度は１８°であり、合流域ｄ点での合流角度は２８°である。また、ｃ点のラジアスは１ｍｍである。
以上のとおりの基板上にマイクロチャンネルが形成されたマイクロチップにおいて、
導入部１より：水（流速５μｌ／ｍｉｎ）
導入部２より：アセトン（流速３μｌ／ｍｉｎ）
導入部３より：水（流速５μｌ／ｍｉｎ）
を導入し、ａ点〜ｄ点の間の流速を１３ｃｍ／ｓとした。レイノズル数は１０以下であって層流状態にある。
図１０（Ｂ）は、ａ点の合流域での水／アセトン／水のＷＡＷ多層流形成の状態を示した写真である。また、図１０（Ｃ）は、ａ点より１０ｍｍ下流のｂ点でのＷＡＷ多層流の状態を示している。
次に、上記アセトンに代えてエチルアセテートを用いてマイクロチャンネル多層流の形成を行った。
導入口１より：水（流速３μｌ／ｍｉｎ）
導入口２より：エチルアセテート（流速５μｌ／ｍｉｎ）
導入部３より：水（流速３μｌ／ｍｉｎ）
導入部４より：水（流速３μｌ／ｍｉｎ）
を導入し、ａ点〜ｄ点の間の流速を１１ｃｍ／ｓとした。水／エチルアセテート／水のＷＥＷ多層流が形成され、エチルアセテート層の厚みは１５μｍであることが確認された。
図１０（Ｄ）は、合流域ａ点でのＷＥＷ多層流の形成状態を示しており、図１０（Ｅ）は、ｂ点での状態を、図４（Ｆ）は、カーブ点Ｃでの状態を、図１０（Ｇ）は合流域ｄ点でのＷＥＷ多層流の形成状態を示している。
＜実施例３＞
ウエットエッチングによってガラス基板上に、幅２００μｍ、深さ３０μｍの多層流マイクロチャンネルを形成した。このマイクロチャンネルが形成されたマイクロチップを用い、図１１（Ａ）に例示したとおり、中央のｍ−キシレン相を、Ｃｏ−ジメチルアミノフェノール（ＣｏＤＭＡＰ）錯体含有の水相でサンドイッチさせた、水性相／有機相／水性相の３層流を形成し、ＣｏＤＭＡＰのｍ−キシレン相への抽出を行った。
水相中のＣｏＤＭＡＰの濃度は６．５×１０−６Ｍとした。また、水相の流速は０．５μｌ／ｍｉｎ、有機相の流速は１．０μｌ／ｍｉｎとし、マイクロチャンネル内での全体の流速は２．０μｌ／ｍｉｎ（０．５６ｃｍ／ｓ）とした。
ｍ−キシレン有機相中のＣｏＤＭＡＰの濃度を熱レンズ顕微鏡システム（ＴＬＭ）を用いて検出した。
図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）における距離Ｘと、ＴＬＭシグラル強度との関係を例示したものである。
距離Ｘが１．５ｃｍの点において、つまり合流後３秒後に、ＣｏＤＭＡＰの抽出平衡に達していることが確認された。極めて高効率での抽出操作であることがわかる。
＜実施例４＞
実施例３と同様の幅２００μｍ、深さ３０μｍの多層流マイクロチャンネルにおいて、ブチルアセテート／水／ブチルアセテート／水／ブチルアセテートからなる５層流を形成し、これを確認した。
また、水／空気／水の気液界面をもつ３層流の形成についても確認した。図１２は、この３層流の状態を例示した顕微鏡写真である。
産業上の利用可能性
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、高度微量分析や精密化学合成等をマイクロチップ上において、複数の単位操作を連続的操作で高効率で行うことを可能とする、高度に集積化された多層流マイクロチャンネル構造体が提供され、さらには新しい多層流の操作システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
図１は、この出願の発明の概要を例示した図である。
図２は、この出願の発明の概要を図１とは別に例示した図である。
図３は、三次立体配置の例を示した概要断面図である。
図４は、図１（Ａ）について再掲した平面図である。
図５は、マイクロチャンネル底部のガイド構造を例示した断面図である。
図６は、マイクロチャンネルでの多層流の形成状態を示した図と写真である。
図７は、実施例１における熱レンズ顕微鏡でのＣｏ（ＩＩ）の検出を示した図である。
図８は、濃度の異なるＣｏ（ＩＩ）の検出を示した図である。
図９は、Ｃｏ（ＩＩ）濃度と熱レンズ顕微鏡のシグナル強度との関係を示した図である。
図１０は、実施例２について示したマイクロチャンネルパターン平面図（Ａ）と、多層流形成を例示した顕微鏡写真（Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ）である。
図１１は、実施例３について示したマイクロチャンネル概要平面図と、ＴＬＭ検出強度の測定図である。
図１２は、実施例４について例示した顕微鏡写真である。
なお、図中の符号については次のものを示している。
１，２ 多層流マイクロチャンネル
１Ａ，２Ａ 液体供給流路手段
１Ｂ，２Ｂ 液体排出流路手段
３ ガイドマイクロチャンネル
４ 多層流マイクロチャンネル
５ ガイドホール

Claims (11)

  1. 流体の界面をともなう並行多層流が形成されるマイクロチャンネルが基板上に複数個所配設されており、この複数の多層流マイクロチャンネルの各々は、別の多層流マイクロチャンネルに連通されていることを特徴とする多層流マイクロチャンネルの集積化構造体。
  2. 複数の多層流マイクロチャンネルが同一の基板面に配設され、流体を特定するためのガイドマイクロチャンネルを介して連通されていることを特徴とする請求項１の多層流マイクロチャンネルの集積化構造体。
  3. 複数の基板が積層化された請求項１または２の多層流マイクロチャンネル構造体であって、異なる基板面に多層流マイクロチャンネルが配設され、上下に立体配置された多層流マイクロチャンネルが流体移送のための上下貫通のガイドホールを介して連通されていることを特徴とする多層流マイクロチャンネルの集積化構造体。
  4. 複数の基板が積層化された請求項１ないし３のいずれかの多層流マイクロチャンネル構造体であって、多層流マイクロチャンネルの流体の供給および多層流マイクロチャンネルからの流体の排出のための流路手段の各々が多層流マイクロチャンネル配設面と同一または異なる基板面に配置されていることを特徴とする多層流マイクロチャンネルの集積化構造体。
  5. 請求項１ないし４のいずれかの多層流マイクロチャンネル集積化構造体であって、複数の多層流マイクロチャンネルの各々が異なる単位操作域として設定されていることを特徴とする多層流マイクロチャンネルの集積化構造体。
  6. 請求項１ないし５のいずれかの多層流マイクロチャンネル集積化構造体であって、多層流マイクロチャンネルの少くとも一つが分析対象域として設定されていることを特徴とする多層流マイクロチャンネルの集積化構造体。
  7. 請求項１ないし６のいずれかの多層流マイクロチャンネル集積化構造体を用いることを特徴とする多層流操作方法。
  8. 多層流マイクロチャンネルにおいて、気液の流体界面をともなう多層流を形成することを特徴とする請求項７の多層流操作方法。
  9. 多層流マイクロチャンネルにおいて３層以上の多層流を形成することを特徴とする請求項７または８の多層流操作方法。
  10. 基板上に配設したマイクロチャンネル内において、流体の界面をともなう３層以上の多層流を形成することを特徴とする多層流操作方法。
  11. 流体の界面をともなう３層以上の多層流において、流体の界面を介して複数の単位操作を行うことを特徴とする多層流操作方法。
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