(57)【要約】【課題】マイクロ空間内において流体を効率よく撹拌及び混合する【解決手段】マイクロミキサー１００は、液体プラグＡ６が内部に導入された混合チャンバ１と、液体プラグＢ７が内部を流通する流体流路部２とを備えている。流体流路部２は混合チャンバ１に接続されている。マイクロミキサー１００は、流体流路部２の内部を流通する液体プラグＢ７を、混合チャンバ１の方向に加速し、混合チャンバ１内に流入させて、液体プラグＡ６に接触させるようになっている。これにより、液体プラグＡ６と液体プラグＢ７とを効率よく撹拌及び混合することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の液体が内部に導入される混合チャンバと、
上記混合チャンバに接続され、内部を流体が流通する流体流路部とを備え、
上記流体流路部の内部を流通する流体を、上記混合チャンバの方向に加速し、上記混合チャンバ内に流入させて第１の液体に接触させるものであることを特徴とする流体混合装置。
【請求項２】
上記流体の流入方向に平行な面において、上記混合チャンバに接続されており、内部を気体が流通する気体導出流路部をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の流体混合装置。
【請求項３】
上記混合チャンバと上記気体導出流路部との界面において、上記気体導出流路部側から上記混合チャンバを加圧することによって、上記混合チャンバ内の液体成分が上記気体導出流路部に流入するのを妨げる圧力障壁を形成する第１の加圧手段をさらに備えていることを特徴とする請求項２に記載の流体混合装置。
【請求項４】
上記気体導出流路部における、上記流体の流入方向に直交し、上記混合チャンバと上記気体導出流路部との界面に平行な方向の第１の距離は、上記混合チャンバにおける、上記流体の流入方向に直交し、上記混合チャンバと上記気体導出流路部との界面に平行な方向の第２の距離と同一又はより短いことを特徴とする請求項２又は３に記載の流体混合装置。
【請求項５】
第１の距離に対する第２の距離の比が１以上１０以下であることを特徴とする請求項４に記載の流体混合装置。
【請求項６】
上記混合チャンバ、上記流体流路部、及び上記気体導出流路部の少なくとも１つの内部は疎水性であることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の流体混合装置。
【請求項７】
上記混合チャンバ、上記流体流路部、及び気体導出流路部の少なくとも１つの内部における水に対する接触角は、９０度以上１８０度以下であることを特徴とする請求項６に記載の流体混合装置。
【請求項８】
上記混合チャンバの容積が、上記流体が気体である場合における第１の液体の体積、及び上記流体が第２の液体である場合における第１の液体と第２の液体との体積の総和よりも大きいことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の流体混合装置。
【請求項９】
上記流体が気体である場合における第１の液体の体積、及び上記流体が第２の液体である場合における第１の液体と第２の液体との体積の総和が、１ｐＬ以上１μＬ以下であることを特徴とする請求項８に記載の流体混合装置。
【請求項１０】
上記流体が第２の液体であり、
上記流体流路部に接続され、規定された体積の第１の液体又は第２の液体を上記流体流路部に導入する体積規定手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜９に記載の流体混合装置。
【請求項１１】
上記体積規定手段は、
内部を第１の液体又は第２の液体が流通する切取流路部と、
上記切取流路部内における第１の液体又は第２の液体の流通方向に交差するように、上記切取流路部に接続され、上記規定された体積の第１の液体又は第２の液体と同一の容積を有する体積規定流路部と、
上記体積規定流路部と上記流体流路部との間に接続されたバルブ流路部と、
上記体積規定流路部と上記バルブ流路部との界面に、上記体積規定流路部から上記バルブ流路部への第１の液体又は第２の液体の流入を妨げる第１の圧力を上記バルブ流路部側から印加し、上記切取流路部を流通する第１の液体又は第２の液体が上記体積規定流路部内に充填された後、上記体積規定流路部内の第１の液体又は第２の液体に第１の圧力よりも高い第２の圧力を上記切取流路部側から印加する第２の加圧手段とを備えていることを特徴とする請求項１０に記載の流体混合装置。
【請求項１２】
上記体積規定手段を複数備え、複数の上記体積規定手段における上記体積規定流路部の容積がそれぞれ異なっていることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の流体混合装置。
【請求項１３】
上記流体流路部の内部に導入された流体に第３の圧力を印加して、当該流体を上記混合チャンバの方向に加速させる圧力印加手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の流体混合装置。
【請求項１４】
第３の圧力が１ｋＰａ以上１ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項１３に記載の流体混合装置。
【請求項１５】
混合チャンバ内に導入された第１の液体に、当該混合チャンバ方向に加速した流体を接触させる接触工程を含むことを特徴とする流体混合方法。
【請求項１６】
上記接触工程の前に、上記流体に対して上記混合チャンバ方向に第４の圧力を印加して、上記流体を加速する加速工程をさらに含み、
上記接触工程では、上記加速工程において加速した上記流体を第１の液体に接触させることを特徴とする請求項１５に記載の流体混合方法。
【請求項１７】
第４の圧力が１ｋＰａ以上１ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項１６に記載の流体混合方法。
【請求項１８】
上記混合チャンバは管形状であり、
上記接触工程では、上記混合チャンバの短手側の一方から上記流体を第１の液体に接触させることを特徴とする請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の流体混合方法。
【請求項１９】
上記流体は第２の液体であり、
上記接触工程の前に、第２の液体に対して上記混合チャンバ方向に第１の気体を接触させて、第２の液体を加速する加速工程をさらに含み、
上記接触工程では、上記加速工程において加速した第２の液体を第１の液体に接触させることを特徴とする請求項１５〜１８のいずれか１項に記載の流体混合方法。
【請求項２０】
第１の気体は、１ｋＰａ以上１ＭＰａ以下に加圧されていることを特徴とする請求項１９に記載の流体混合方法。
【請求項２１】
上記流体は第２の液体であり、
上記接触工程は、第１の液体に第２の液体を接触させた後、第１の液体と第２の液体との混合液体にさらに第２の気体を接触させ、当該混合液体の界面に沿って当該気体を流通させることを含むことを特徴とする請求項１５〜２０のいずれか１項に記載の流体混合方法。
【請求項２２】
上記接触工程は、上記混合液体が上記混合チャンバ内を移動するように、第２の気体を上記混合液体に接触させることを含むことを特徴とする請求項２１に記載の流体混合方法。
【請求項２３】
上記流体は第２の液体であり、
第１の液体の体積と第２の液体の体積とがそれぞれ異なっていることを特徴とする請求項１５〜２２のいずれか１項に記載の流体混合方法。
【請求項２４】
第１の液体と第２の液体との総和が１ｐＬ以上１μＬ以下であることを特徴とする請求項１５〜２３のいずれか１項に記載の流体混合方法。
【請求項２５】
上記流体は第３の気体であり、
上記接触工程は、第３の気体を第１の液体に接触させ、第１の液体の界面に沿って流通させることを含むことを特徴とする請求項１５〜１８のいずれか１項に記載の流体混合方法。
【請求項２６】
第１の液体の体積が１ｐＬ以上１μＬ以下であることを特徴とする請求項２５に記載の流体混合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体混合装置及び流体混合方法に関し、より具体的には、ナノメートルからマイクロメートルオーダーの微小な反応空間において、流体を混合する流体混合装置及び流体混合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガラスや樹脂性のチップ上にナノメートルからマイクロメートルオーダーの微小な流路を形成し、この流路中において化学やバイオ分野等の分析を実現する技術が、近年注目を集めている。このような技術は、μＴＡＳ（ｍｉｃｒｏ  ｔｏｔａｌ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ｓｙｓｔｅｍ）又はＬａｂ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐと呼ばれている。この技術においては、様々な分析を微細なチップ上で実現するために、微細なチップ上における送液、混合、検出等の各要素技術の開発が進められている。
【０００３】
このような微細なチップ上において、液体を用いて実際に分析及び反応操作を行う場合、液体の攪拌及び複数の液体の混合を効率よく行うことは、高精度で迅速な分析を実現するために重要である。一般に、ナノメートルからマイクロメートルオーダーの微小な反応流路のようなマイクロ空間内においては、液体の粘性力が影響する層流状態となり、分子拡散による液体の撹拌及び混合が可能となる。
【０００４】
分子拡散を利用した技術として、特許文献１には、複数の流路を流れる液体を合流させる合流路が設けられたチップからなる反応機構が記載されている。この反応機構において合流路は連続して設けられた混合領域及び反応領域を有しており、合流させた液体を混合領域において混合した後、反応領域において反応を進行させる。
【０００５】
また、特許文献２には、複数の液体流路をそれぞれ異なる合流点において合流させ、さらに各合流点に分岐路を設けて合流した液体の一部を分岐させることによって、合流−分岐−合流が連続した混合機構が記載されている。この混合機構においては、合流−分岐を連続して行いながら分子拡散により混合し、大きな混合比率での液体の混合を実現している。さらに、特許文献３には、エレクトロウエッティングにより液滴を自動送液して接触させ、接触した液滴の分子拡散及び液滴の移動により生じる循環流によって、液滴を混合する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−３０９９９号公報（２００５年２月３日公開）
【特許文献２】特開２００５−１００３１号公報（２００５年１月１３日公開）
【特許文献３】特開２００６−３１７３６３号公報（２００６年１１月２４日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、液体同士を接触させて分子拡散により混合する場合、十分に混合するために長時間要し、特に反応流路を用いる場合には、十分に混合するために反応流路を長くする必要があった。
【０００８】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、特にナノメートルからマイクロメートルオーダーの微小な反応空間（マイクロ空間）において、流体を効率よく撹拌及び混合する流体混合装置及び流体混合方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る流体混合装置は、上記課題を解決するために、第１の液体が内部に導入される混合チャンバと、上記混合チャンバに接続され、内部を流体が流通する流体流路部とを備え、上記流体流路部の内部を流通する流体を、上記混合チャンバの方向に加速し、上記混合チャンバ内に流入させて第１の液体に接触させるものであることを特徴としている。
【００１０】
本発明に係る流体混合装置は、流体と第１の液体とを撹拌及び混合するものである。すなわち、当該流体が気体である場合には、気体によって第１の液体を撹拌し、当該流体が第２の液体である場合には、第１の液体と第２の液体とを混合するものである。上記の構成によれば、混合チャンバ内の第１の液体に流体流路部内において加速した流体を接触させるので、当該流体は激しい勢いで第１の液体に衝突する。ここで、当該流体が第２の液体である場合には、第２の液体が第１の液体に衝突したときの衝撃によって、第１の液体と第２の液体の混合液体内に渦流が発生し、第１の液体と第２の液体との混合が促進される。また、当該流体が気体である場合には、気体が第１の液体に衝突したときの衝撃によって、第１の液体内に渦流が発生し、第１の液体内の撹拌が促進される。これにより、第１の液体と第２の液体との混合、又は第１の液体の撹拌が効率よく行われる。
【００１１】
本発明に係る流体混合装置は、上記流体の流入方向に平行な面において、上記混合チャンバに接続されており、内部を気体が流通する気体導出流路部をさらに備えていることが好ましい。
【００１２】
上記の構成によれば、第１の液体と流体との接触前に、第１の液体と流体との間に存在する気体を、気体導出流路部内に流通させて混合チャンバ及び流体流路部内から効率よく除去し、第１の液体を効率よく撹拌及び混合することができる。また、気体導出流路部に流入する気体が、混合チャンバ内の液体に沿って流れるので、この気体の流れによって、混合チャンバ内の液体内に循環流が生じ、より効率よく液体を撹拌及び混合することができる。
【００１３】
本発明に係る流体混合装置は、上記混合チャンバと上記気体導出流路部との界面において、上記気体導出流路部側から上記混合チャンバ内を加圧することによって、上記混合チャンバ内の液体が上記気体導出流路部に流入するのを妨げる圧力障壁を形成する第１の加圧手段をさらに備えていることが好ましい。
【００１４】
上記構成によれば、混合チャンバから気体導出流路部内に液体が流入するのを妨げることが可能であり、液体を混合チャンバ及び流体流路部に保持して、第１の液体を効率よく撹拌及び混合することができる。
【００１５】
本発明に係る流体混合装置は、上記気体導出流路部における、上記流体の流入方向に直交し、上記混合チャンバと上記気体導出流路部との界面に平行な方向の第１の距離は、上記混合チャンバにおける、上記流体の流入方向に直交し、上記混合チャンバと上記気体導出流路部との界面に平行な方向の第２の距離と同一又はより短いことが好ましい。
【００１６】
上記構成によれば、気体導出流路部の深さは混合チャンバの深さよりも浅いので、第１の液体と流体との接触前に、第１の液体と流体との間に存在する気体を、気体導出流路部内に流通させて混合チャンバ及び流体流路部内から効率よく除去すると共に、液体を混合チャンバ及び流体流路部内に保持して、第１の液体を効率よく撹拌及び混合することができる。
【００１７】
本発明に係る流体混合装置において、第１の距離に対する第２の距離の比が１以上１０以下であることが好ましい。これにより、分子拡散による液体の撹拌及び混合も効率よく利用して、より迅速に第１の液体を撹拌及び混合することができる。
【００１８】
本発明に係る流体混合装置において、上記混合チャンバ、上記流体流路部、及び上記気体導出流路部の少なくとも１つの内部は疎水性であることが好ましい。これにより、疎水性の圧力障壁（ラプラス圧）を利用して、混合チャンバ及び流体流路部内の液体が気体導出流路部内に流入することを防ぐことが可能であり、第１の液体をより効率よく撹拌及び混合することができる。また、第１の液体と流体との接触前に、第１の液体と流体との間に存在する気体を、気体導出流路部内に流通させて混合チャンバ及び流体流路部内から効率よく除去する。特に流体流路部の内部が疎水性であることによって、流体流路部内を流体が流通するときの流体流路部と流体との相互作用が軽減され、流体の加速に使用するエネルギーを低減させることができる。結果として、第１の液体をより効率よく混合することができる。
【００１９】
本発明に係る流体混合装置において、上記混合チャンバ、上記流体流路部、及び気体導出流路部の少なくとも１つの内部における水に対する接触角は、９０度以上１８０度以下であることが好ましい。これにより、第１の液体を混合チャンバ１内に保持する方向にラプラス圧の効果を作用させることが可能である。また、特に流体流路部２内部を上記構成にすることで、流体の加速に使用するエネルギーをより低減することができる。
【００２０】
本発明に係る流体混合装置において、上記混合チャンバの容積が、上記流体が気体である場合における第１の液体の体積、及び上記流体が第２の液体である場合における第１の液体と第２の液体との体積の総和よりも大きいことが好ましい。これにより、混合チャンバ１内に撹拌及び混合する液体の全部分が収容され、液体と気体導出流路部との界面に気液界面を形成することが可能であるため、より効率よく第１の液体を撹拌及び混合することができる。
【００２１】
本発明に係る流体混合装置において、上記流体が気体である場合における第１の液体の体積、及び上記流体が第２の液体である場合における第１の液体と第２の液体との体積の総和が、１ｐＬ以上１μＬ以下であることが好ましい。これにより、液体の体積に対する液体の表面積の比率（比界面積）を大きくすることが可能であり、より効率よく第１の液体を撹拌及び混合することができる。
【００２２】
本発明に係る流体混合装置において、上記流体が第２の液体であり、上記流体流路部に接続され、規定された体積の第１の液体又は第２の液体を上記流体流路部に導入する体積規定手段をさらに備えていることが好ましい。これにより、撹拌又は混合に供する第１の液体又は第２の液体の体積の規定を１つの装置内で行うことが可能であり、液体の測定並びに撹拌及び混合を一連の操作で容易に行うことが可能である。
【００２３】
本発明に係る流体混合装置において、上記体積規定手段は、内部を第１の液体又は第２の液体が流通する切取流路部と、上記切取流路部内における第１の液体又は第２の液体の流通方向に交差するように、上記切取流路部に接続され、上記規定された体積の第１の液体又は第２の液体と同一の容積を有する体積規定流路部と、上記体積規定流路部と上記流体流路部との間に接続されたバルブ流路部と、上記体積規定流路部と上記バルブ流路部との界面に、上記体積規定流路部から上記バルブ流路部への第１の液体又は第２の液体の流入を妨げる第１の圧力を上記バルブ流路部側から印加し、上記切取流路部を流通する第１の液体又は第２の液体が上記体積規定流路部内に充填された後、上記体積規定流路部内の第１の液体又は第２の液体に第１の圧力よりも高い第２の圧力を上記切取流路部側から印加する第２の加圧手段とを備えていることが好ましい。これにより、撹拌又は混合に供する第１の液体又は第２の液体の体積の規定を正確に行うことができる。
【００２４】
本発明に係る流体混合装置は、上記体積規定手段を複数備え、複数の上記体積規定手段における上記体積規定流路部の容積がそれぞれ異なっていることが好ましい。これにより、体積比の異なる液体の規定及び混合を１つの装置内で容易に行うことができる。
【００２５】
本発明に係る流体混合装置は、上記流体流路部の内部に導入された流体に第３の圧力を印加して、当該流体を上記混合チャンバの方向に加速させる圧力印加手段をさらに備えていることが好ましい。これにより、流体を効率よく加速させ、当該流体と第１の液体との接触により生じる渦流によって、第１の液体を効率よく撹拌及び混合することができる。
【００２６】
本発明に係る流体混合装置において、第３の圧力が１ｋＰａ以上１ＭＰａ以下であることが好ましい。これにより、流体をより効率よく加速させることができる。
【００２７】
本発明に係る流体混合方法は、混合チャンバ内に導入された第１の液体に、当該混合チャンバ方向に加速した流体を接触させる接触工程を含むことを特徴としている。
【００２８】
本発明に係る流体混合方法は、流体と第１の液体とを撹拌及び混合するものである。すなわち、当該流体が気体である場合には、気体によって第１の液体を撹拌し、当該流体が第２の液体である場合には、第１の液体と第２の液体とを混合するものである。上記の構成によれば、混合チャンバ内の第１の液体に対して、混合チャンバ方向に加速した流体を接触させるので、当該流体は激しい勢いで第１の液体に衝突する。ここで、当該流体が第２の液体である場合には、第２の液体が第１の液体に衝突したときの衝撃によって、第１の液体と第２の液体の混合液体内に渦流が発生し、第１の液体と第２の液体との混合が促進される。また、当該流体が気体である場合には、気体が第１の液体に衝突したときの衝撃によって、第１の液体内に渦流が発生し、第１の液体内の撹拌が促進される。これにより、第１の液体と第２の液体との混合、又は第１の液体の撹拌が効率よく行われる。
【００２９】
本発明に係る流体混合方法は、上記接触工程の前に、上記流体に対して上記混合チャンバ方向に第４の圧力を印加して、上記流体を加速する加速工程をさらに含み、上記接触工程では、上記加速工程において加速した上記流体を第１の液体に接触させることが好ましい。これにより、流体を効率よく加速させ、当該流体と第１の液体との接触により生じる渦流によって、第１の液体を効率よく撹拌及び混合することができる。
【００３０】
本発明に係る流体混合方法において、第４の圧力が１ｋＰａ以上１ＭＰａ以下であることが好ましい。これにより、流体をより効率よく加速させることができる。
【００３１】
本発明に係る流体混合方法において、上記混合チャンバは管形状であり、上記接触工程では、上記混合チャンバの短手側の一方から上記流体を第１の液体に接触させることが好ましい。これにより、液体の体積に対する液体の表面積の比率（比界面積）を大きくすることが可能であり、より効率よく第１の液体を撹拌及び混合することができる。
【００３２】
本発明に係る流体混合方法において、上記流体は第２の液体であり、上記接触工程の前に、第２の液体に対して上記混合チャンバ方向に第１の気体を接触させて、第２の液体を加速する加速工程をさらに含み、上記接触工程では、上記加速工程において加速した第２の液体を第１の液体に接触させることが好ましい。これにより、第２の液体を効率よく加速させ、第２の液体と第１の液体との接触により生じる渦流によって、第１の液体と第２の液体とを効率よく混合することができる。
【００３３】
本発明に係る流体混合方法において、第１の気体は、１ｋＰａ以上１ＭＰａ以下に加圧されていることが好ましい。これにより、流体をより効率よく加速させることができる。
【００３４】
本発明に係る流体混合方法において、上記流体は第２の液体であり、上記接触工程は、第１の液体に第２の液体を接触させた後、第１の液体と第２の液体との混合液体にさらに第２の気体を接触させ、当該混合液体の界面に沿って当該気体を流通させることを含むことが好ましい。これにより、混合液体の界面に沿って流通する気体によって、混合チャンバ内の混合液体内に循環流が生じ、より効率よく第１の液体と第２の液体とを混合することができる。
【００３５】
本発明に係る流体混合方法において、上記接触工程は、上記混合液体が上記混合チャンバ内を移動するように、第２の気体を上記混合液体に接触させることを含むことが好ましい。これにより、混合液体内に、混合液体の移動に伴う循環流をさらに生じさせることができるので、より効率よく第１の液体と第２の液体とを混合することができる。
【００３６】
本発明に係る流体混合方法において、上記流体は第２の液体であり、第１の液体の体積と第２の液体の体積とがそれぞれ異なっていることが好ましい。これにより、第１の液体と第２の液体との体積比が異なるため、第２の液体が第１の液体に接触したときに、第１の液体と第２の液体との体積差を利用して、より効率よく第１の液体と第２の液体とを混合することができる。
【００３７】
本発明に係る流体混合方法において、第１の液体と第２の液体との総和が１ｐＬ以上１μＬ以下であることが好ましい。これにより、液体の体積に対する液体の表面積の比率（比界面積）を大きくすることが可能であり、より効率よく第１の液体を混合することができる。
【００３８】
本発明に係る流体混合方法において、上記流体は第３の気体であり、上記接触工程は、第３の気体を第１の液体に接触させ、第１の液体の界面に沿って流通させることを含むことが好ましい。これにより、第３の気体を効率よく加速させ、第３の気体と第１の液体との接触により生じる渦流によって、第１の液体を効率よく撹拌することができる。
【００３９】
本発明に係る流体混合方法において、第１の液体の体積が１ｐＬ以上１μＬ以下であることが好ましい。これにより、第１の液体の体積に対する第１の液体の表面積の比率（比界面積）を大きくすることが可能であり、より効率よく第１の液体を撹拌することができる。
【発明の効果】
【００４０】
以上のように、本発明に係る流体混合装置及び流体混合方法によれば、混合チャンバ内に導入された第１の液体に、流体流路部内部において加速した流体を接触させるので、第１の液体と流体とを効率よく撹拌及び混合することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に係るマイクロミキサーの一実施形態を示す上面概略図である。
【図２】本発明に係るマイクロミキサーの一実施形態を示す上面概略図である。
【図３】本発明に係るマイクロミキサーの一実施形態を示す上面概略図である。
【図４】本発明に係るマイクロミキサーの一実施形態を示す上面概略図である。
【図５】本発明に係るマイクロミキサーの一実施形態を示す上面概略図である。
【図６】本発明に係るマイクロミキサーの一実施形態を示す上面概略図である。
【図７】本発明に係るマイクロミキサーの一実施形態を示す上面概略図である。
【図８】本発明に係るマイクロミキサーの体積規定部を示す概略図である。
【図９Ａ】本発明に係るマイクロミキサーの体積規定部による体積規定を説明する概略図である。
【図９Ｂ】本発明に係るマイクロミキサーの体積規定部による体積規定を説明する概略図である。
【図９Ｃ】本発明に係るマイクロミキサーの体積規定部による体積規定を説明する概略図である。
【図１０】本発明に係るマイクロミキサーによる液体の撹拌を説明する概略図である。
【図１１Ａ】本発明に係るマイクロミキサーによる液体の混合を説明する概略図である。
【図１１Ｂ】本発明に係るマイクロミキサーによる液体の混合を説明する概略図である。
【図１１Ｃ】本発明に係るマイクロミキサーによる液体の混合を説明する概略図である。
【図１１Ｄ】本発明に係るマイクロミキサーによる液体の混合を説明する概略図である。
【図１２Ａ】本発明に係るマイクロミキサーによる液体の混合を説明する概略図である。
【図１２Ｂ】本発明に係るマイクロミキサーによる液体の混合を説明する概略図である。
【図１２Ｃ】本発明に係るマイクロミキサーによる液体の混合を説明する概略図である。
【図１２Ｄ】本発明に係るマイクロミキサーによる液体の混合を説明する概略図である。
【図１２Ｅ】本発明に係るマイクロミキサーによる液体の混合を説明する概略図である。
【図１３】本発明に係るマイクロミキサーを用いて液体を混合した結果を示す画像データである。
【図１４Ａ】本発明に係るマイクロミキサーを用いて液体を混合した結果を示す画像データである。
【図１４Ｂ】本発明に係るマイクロミキサーを用いて液体を混合した結果を示す画像データである。
【図１４Ｃ】本発明に係るマイクロミキサーを用いて液体を混合した結果を示す画像データである。
【図１４Ｄ】本発明に係るマイクロミキサーを用いて液体を混合した結果を示す画像データである。
【図１５】本発明に係るマイクロミキサーを用いて液体を混合した結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
本発明の一実施形態について、図１〜５を参照して以下に説明する。なお、図１〜５は、本発明に係るマイクロミキサーの一実施形態を示す上面概略図である。図１に示すように、本発明に係るマイクロミキサー（流体混合装置）１００は、混合チャンバ１及び流体流路部２を備えている。混合チャンバ１の内部には、液体プラグＡ（第１の液体）６が導入されている。流体流路部２の一端は混合チャンバ１の一端に接続されており、その内部には流体が流通している。本実施形態においては、まず、流体流路部２の内部を流通する流体が液体（液体プラグＢ（第２の液体）７）である場合について説明し、当該流体が気体である場合については後述する。
【００４３】
混合チャンバ１の幅（図１の上下方向の距離）は、１〜１０００μｍであればよい。混合チャンバ１の深さ（液体プラグＢ７の流入方向に直交し、混合チャンバ１と気体導出流路部３との界面に平行な方向の距離）は１〜１０００μｍであってもよいが、好ましくは１〜２００μｍである。混合チャンバ１の長さ（図１の左右方向の距離）は、液体プラグＡ６及び液体プラグＢ７の体積に応じて適宜調整するものであるが、０．１〜１００ｍｍであることが好ましい。なお、混合チャンバ１の容積が、混合する液体プラグＡ６及び液体プラグＢ７の体積の総和（好ましくは１ｐＬから１μＬの範囲）より大きくなるように、混合チャンバ１のサイズが設定されることが好ましい。
【００４４】
流体流路部２の幅（図１の上下方向の距離）は１〜１０００μｍであればよく、深さ（液体プラグＢ７の流入方向に直交し、混合チャンバ１と気体導出流路部３との界面に平行な方向）は１〜１０００μｍであればよい。また、流体流路部２の長さ（図１の左右方向の距離）は、０．１〜５００ｍｍであることが好ましい。混合チャンバ１及び流体流路部２において、互いに接続されている部分の断面の大きさは同一であってもよいし、異なっていてもよい。なお、本発明に係るマイクロミキサー１００における、幅、深さ、長さ等のサイズは上記範囲に限定されず、例えばｎｍオーダーであってもよい。
【００４５】
混合チャンバ１及び流体流路部２において、液体プラグＡ６及び液体プラグＢ７が存在していない部分には、液体プラグＡ６及び液体プラグＢ７に干渉しない物質が充填されていることが望ましく、各種の気体（好ましくは空気）が充填されていればよい。また、当該部分に充填されている物質は、必要に応じて油等でもよい。
【００４６】
マイクロミキサー１００は、例えば、ウエット又はドライエッチングや機械加工等によって、ガラスや樹脂基板を加工することによって形成することができる。また、マイクロミキサー１００は、上記加工の後、流体の導入及び導出口を有する別の基板（図示せず）を用いて蓋をするように構成されていてもよい。
【００４７】
図１に示すように、流体流路部２内の液体プラグＢ７は矢印方向に流通しており、混合チャンバ１の一端に接続された流体流路部２の一端から混合チャンバ１内に流入して、液体プラグＡ６に接触するようになっている。このとき、流体流路部２内において液体プラグＢ７は混合チャンバ１の方向に加速されて、混合チャンバ１内に流入するようになっている。これにより、液体プラグＢ７が液体プラグＡ６に激しい勢いで衝突するので、その衝撃により生じる循環流によって、液体プラグＡ６と液体プラグＢ７とを効率よく混合することができる。特に、液体の拡散のみによる混合に比して、短時間で液体プラグＡ６と液体プラグＢ７とを混合することができる。
【００４８】
マイクロミキサー１００は、流体流路部２内において液体プラグＢ７を混合チャンバ１の方向に加速する加速手段（図示せず）を備えていることができる。上述した加速手段として、流体流路部２内を加圧する加圧装置、流体流路部２内を減圧する減圧装置、電気的駆動装置（誘電泳動、エレクトロウエッティング）を使用することが可能であるが、流体流路部２内を加圧する加圧装置が好ましい。このような加圧装置として、流体流路部２の内部に導入された液体プラグＢ７に圧力（第３の圧力）を印加して、液体プラグＢ７を混合チャンバ１方向に加速させる装置を使用することができる。また、加圧装置としては、加圧した気体を流体流路部２内に導入するような装置が好ましく、例えば圧力コントローラーを用いることが可能である。このとき、加圧した気体の圧力は、１ｋＰａ以上１ＭＰａ以下であることが好ましいが、この範囲に限定されない。
【００４９】
図１に示すように、マイクロミキサー１００は、混合チャンバ１及び流体流路部２の、液体プラグＢ７の流入方向に平行な面であり、かつ上記混合チャンバと上記流体流路部とが接続されている面に直交する面（図１中上側の面）において、混合チャンバ１に接続された気体導出流路部３を備えていてもよい。本実施形態においては、気体導出流路部３を備えたマイクロミキサーを例として説明する。なお、気体導出流路部３は混合チャンバ１と流体流路部２との両方に接続されていてもよい。
【００５０】
気体導出流路部３の幅（図１の上下方向の距離）は１〜１０００μｍであればよい。気体導出流路部３の深さ（液体プラグＢ７の流入方向に直交し、混合チャンバ１と気体導出流路部３との界面に平行な方向）は１〜１０００μｍであってもよいが、好ましくは１〜２００μｍである。気体導出流路部３の長さ（図１の左右方向の距離）は、０．１〜５００ｍｍであることが好ましい。気体導出流路部３の混合チャンバ１に接続されていない一端には、気体の導出口（図示せず）に繋がる開口部５を備えている。
【００５１】
また、気体導出流路部３の深さ（第１の距離）は混合チャンバ１の深さ（第２の距離）より浅いことが好ましく、気体導出流路部３の深さに対する混合チャンバ１の深さの比が１以上１０以下であることが好ましい。混合チャンバの深さが１〜１０００μｍ、好ましくは１〜２００μｍであり、気体導出流路部３の深さに対する混合チャンバ１の深さの比が１以上１０以下であることによって、混合チャンバ１の深さ方向の混合に拡散が必要な場合であっても、拡散に必要な時間を短縮することが可能である。また、気体導出流路部３と混合チャンバ１との深さの比が、１以上１０以下であることによって、混合チャンバ１内に液体プラグＡ６を十分に保持することが可能である。
【００５２】
図１に示すように、混合チャンバ１と気体導出流路部３との界面には、気体導出流路部３側から混合チャンバ１を加圧することによって、混合チャンバ１内の液体成分が気体導出流路部３に流入するのを妨げる圧力障壁４が形成されている。したがって、マイクロミキサー１００は、上述した圧力障壁４を形成する第１の加圧手段（図示せず）を備えていてもよい。第１の加圧手段としては、従来公知のものを使用可能である。ここで、圧力障壁４は、混合チャンバ１と気体導出流路部３との間に実際に壁として設けられているものではなく、混合チャンバ１と気体導出流路部３との界面において、液体成分の移動を妨げる仮想壁である。
【００５３】
気体導出流路部３の形状は図１に示すものに限定されず、例えば図２に示すマイクロミキサー１０１のように、混合チャンバ１における、液体プラグＢ７の流入方向に平行な面であり、かつ混合チャンバ１と流体流路部２とが接続されている面に直交する両方の面に、気体導出流路部３ａ及び３ｂを備えていてもよい。図２に示すように、気体導出流路部３ａと混合チャンバ１及び流体流路部２との界面には圧力障壁４ａが形成されており、気体導出流路部３ｂと混合チャンバ１との界面には圧力障壁４ｂが形成されている。そして、気体導出流路部３ａ及び３ｂにおける、混合チャンバ１に接続されていない一端は互いに接続されて１つの開口部５を有するように形成されている。また、気体導出流路部３ａ及び３ｂにおける、混合チャンバ１に接続されていない一端は互いに接続されておらず、それぞれ開口部５を有していてもよい。
【００５４】
また、図３に示すマイクロミキサー１０２のように、気体導出流路部３ｃと気体導出流路部３ｄとが連続するように設けられており、気体導出流路部３ｄの一端に開口部５を有していてもよい。ここで、気体導出流路部３ｃと混合チャンバ１との界面には圧力障壁４ｃが形成されており、気体導出流路部３ｄと混合チャンバ１との界面には圧力障壁４ｄが形成されている。さらに、図４に示すマイクロミキサー１０３のように、気体導出流路部３ｅが、混合チャンバ１における、液体プラグＢ７の流入方向に平行な面であり、かつ混合チャンバ１と流体流路部２とが接続されている面に直交する面の一部にのみ設けられており、当該面の残りの部分には気体導出流路部３ｅが設けられていなくてもよい。図４に示すように、気体導出流路部３ｅと混合チャンバ１との界面には、図１〜３と同様に圧力障壁４ｅが形成されている。
【００５５】
以上の構成において混合チャンバ１の形状は図示したものに限定されず、例えば、図１に対応する形状であって、図４に示すように、気体導出流路部３が、混合チャンバ１における、液体プラグＢ７の流入方向に平行な面であり、かつ混合チャンバ１と流体流路部２とが接続されている面に直交する面の一部にのみ接続されていてもよい。また、混合チャンバ１、流体流路部２及び気体導出流路部３は円筒形状であってもよい。さらに、図５に示すマイクロミキサー１０４のように、混合チャンバ１の幅が、流体流路部２及び気体導出流路部３の幅に比して顕著に広くてもよい。また、混合チャンバ１、流体流路部２及び気体導出流路部３のそれぞれの幅及び深さは均一でなくてもよく、幅及び深さが段階的に広がる又は狭まるようなテーパ形状や、一部の幅及び深さのみが広い又は狭いような形状であってもよい。
【００５６】
このように、気体導出流路部３を設けることによって、混合チャンバ１に流入する液体プラグＢ７が液体プラグＡ６に接触する前に液体プラグＡ６と液体プラグＢ７との間に存在する気体を、気体導出流路部３に誘導することが可能であり、液体プラグＡ６と液体プラグＢ７とを接触させることによる混合が可能となる。また、混合チャンバ１内で液体プラグＡ６と液体プラグＢ７とが接触した後、流体流路部２から混合チャンバ１方向に気体を流入させることによって、液体プラグＡ６と液体プラグＢ７との混合液体１２（図１０Ｂ）内に渦流及び循環流を発生させることができる。これにより、特に液体プラグＡ６と液体プラグＢ７との体積比率が大きい場合、より迅速に混合することが可能となる。混合液体１２内に発生する渦流及び循環流の詳細については、後述する。
【００５７】
混合チャンバ１内の液体成分８（図６）が、気体導出流路部３との間に気液界面を有しつつ、気体導出流路部３内に漏れ出さないためには、混合チャンバ１と気体導出流路部３の間に液体成分８を混合チャンバ１内に保持する方向の圧力障壁４が存在する必要がある。ここで、液体成分８は、液体プラグＡ６又は液体プラグＡ６と液体プラグＢ７との混合液体１２が意図される。圧力障壁４をＰＬＰで表し、以下のＹｏｕｎｇ−Ｌａｐｌａｃｅの式（１）によって次のように算出する。
【００５８】
ＰＬＰ  ＝  −２γ・ｃｏｓθ／（ｄｈ／２）          （１）
ここで、γは混合チャンバ１内の液体成分８に作用する表面張力、θは当該液体成分８の接触角、ｄｈは当該液体成分８と気体導出流路部３内の気体との気液界面の相当直径を示している。
【００５９】
したがって、混合チャンバ１内の液体成分８に作用する表面張力が一定である場合、気体導出流路部３の疎水性が強い（θ＞９０度）ほど、また相当直径が小さい（深さが浅い）ほど、液体成分８が安定して混合チャンバ１内に保持されることになる。ただし、これは水系の液体成分８を用いる場合についてであり、油系の液体成分８を用いる場合は、親水及び疎水の関係が逆になるが、この場合も本発明に含まれる。
【００６０】
気体導出流路部３の内側は、疎水性であることが好ましい。また、疎水性の面の水に対する接触角が９０度以上１８０度以下であることが好ましい。したがって、気体導出流路部３の内側は疎水性の材料により形成されているか、疎水修飾されていればよい。疎水性の材料としては、テフロン（登録商標）、ＰＤＭＳ等の樹脂を例示することができる。気体導出流路部３の内側を疎水修飾するときの疎水修飾剤としては、アモルファスフッ素ポリマー、オクタデシルトリクロロシラン等を好適に使用可能である。同様に、混合チャンバ１の内部も疎水性であることが好ましい。
【００６１】
圧力障壁４が形成されている場合における、混合チャンバ１、気体導出流路部３及び液体成分８の関係を、図６及び７を参照して以下に説明する。図６は、混合チャンバ１と気体導出流路部３との界面を加圧して圧力障壁４を形成する場合の、混合チャンバ１、気体導出流路部３、及び液体成分８の関係を説明する断面模式図であり、図７は、圧力障壁４が存在する場合の、混合チャンバ１、気体導出流路部３、及び液体成分８の関係を説明する上面模式図である。
【００６２】
図６に示すように、混合チャンバ１内に液体成分８を留めるために、気体導出流路部３側から混合チャンバ１に圧力ＰＬＰを印加する。ＰＬＰを印加することによって、混合チャンバ１から気体導出流路部３側に流出しようとする液体成分８を混合チャンバ１内に押し戻すことができる。また、図７に示すように、ＰＬＰを印加することによって圧力障壁４を形成し、さらに液体成分８の両端にＰＬＰを印加してもよい。これにより混合チャンバ１における液体成分８の存在する位置や長さを調節し、液体成分８を混合チャンバ１内に固定することができる。
【００６３】
また、混合チャンバ１及び気体導出流路部３と同様に、流体流路部２の内部も疎水修飾又は撥水若しくは撥油修飾されていることが好ましい。これにより、流体流路部２内を液体プラグＢ７が流入するとき、液体プラグＢ７と流体流路部２の内壁との相互作用が低減されるため、液体プラグＢ７を小さな力で効率よく加速させることが可能であり、効率よく液体プラグＡ６と液体プラグＢ７との混合を行うことができる。流体流路部２の内部の水に対する接触角が９０度以上１８０度以下であることが好ましく、このような疎水修飾剤又は撥水若しくは撥油修飾剤として、アモルファスフッ素ポリマー、オクタデシルトリクロロシラン等を好適に使用可能である。また、このような疎水又は撥水若しくは撥油修飾を行う代わりに、元々疎水又は撥水若しくは撥油性を示すテフロン（登録商標）、ＰＤＭＳ等の樹脂のような材料を用いて流体流路部２を形成してもよい。さらに、疎水又は撥水若しくは撥油効果を大きくするために、流体流路部２の内壁の表面に凹凸を設ける構成としてもよい。
【００６４】
本発明に係るマイクロミキサー１００は、規定された体積の液体プラグＡ６又は液体プラグＢ７を流体流路部２に導入する体積規定部２００を備えていてもよい。マイクロミキサー１００が体積規定部２００を備えている形態について、図８、図９Ａ、図９Ｂ、及び図９Ｃを参照して以下に説明する。本実施形態においては、体積規定部２００を用いて液体プラグＢ７の体積を規定する方法について説明する。図８は、体積規定部２００の一実施形態を示す上面概略図であり、図９Ａ〜図９Ｃは、図８に示す体積規定部２００を用いた体積の規定方法を説明する説明図である。
【００６５】
図８に示すように、体積規定部２００は、体積規定流路部９、バルブ流路部１０、及び切取流路部１１を備えている。切取流路部１１の内部には体積が規定される前の液体プラグＢ７が流通している。体積規定流路部９は、切取流路部１１における液体プラグＢ７の流通方向に交差するように切取流路部１１に接続されている。体積規定流路部９の容積は、体積を規定して流体流路部２に導入する液体プラグＢ７と同一の容積を有している。バルブ流路部１０は、体積規定流路部９と流体流路部２との間に直接又は間接的に接続されている。
【００６６】
体積規定流路部９の容積は、所望の体積の液体プラグＢ７を流体流路部２に導入し得るように、所望の体積と同等になるように設計される。体積規定流路部９の幅（図８の左右方向の距離）及び深さ（上記幅及び下記長さに直交する方向の距離）は、１〜１０００μｍ、長さ（図８の上下方向の距離）は１μｍ〜５０ｍｍであることが好ましいが、この範囲に限定されない。
【００６７】
体積規定流路部９とバルブ流路部１０との界面には、第２の加圧手段（図示せず）によって、体積規定流路部９からバルブ流路部１０への液体プラグＢ７の流入を妨げる圧力が、バルブ流路部１０側から印加されている。これにより、体積規定流路部９とバルブ流路部１０との界面には、液体プラグＢ７を体積規定流路部９内に保持する方向に圧力障壁が形成される。
【００６８】
圧力障壁と圧力の向きとの関係は、上述の（１）式の関係と同様に示される。バルブ流路部１０の相当直径は１〜１０００μｍの範囲にあることが好ましく、バルブ流路部１０の長さ（図８の上下方向）は、１〜１０００μｍの範囲にあることが好ましいが、この範囲に限定されない。また、上述の気体導出流路部３と同様の理由により、バルブ流路部１０は疎水性の材質からなるか、若しくは疎水修飾されていることが好ましい。切取流路部１１の幅（図８の上下方向の距離）及び深さ（上記幅及び下記長さに直交する方向の距離）は１〜１０００μｍ、長さ（図８の左右方向）は１μｍ〜１００ｍｍであることが好ましいが、この範囲に限定されない。
【００６９】
次に、図９Ａ〜図９Ｃを参照して、体積規定部２００を用いた体積の規定方法を説明する。図９Ａに示すように、切取流路部１１内を流通する液体プラグＢ７は、切取流路部１１と体積規定流路部９とが接続されている部分から、体積規定流路部９内に流入する。体積規定流路部９内に流入した液体プラグＢ７は、体積規定流路部９とバルブ流路部１０との界面に形成された圧力障壁によって、バルブ流路部１０内には流入せずに体積規定流路部９内に留まる。ここで、切取流路部１１から体積規定流路部９に液体プラグＢ７が流入するときの圧力は、上記圧力障壁の圧力よりも低いことが望ましい。
【００７０】
そして、図９Ｂに示すように、体積規定流路部９内に液体プラグＢ７が流入した後、切取流路部１１内に液体プラグＢ７と干渉しない物質（主に空気等の気体）を、上記圧力障壁の圧力よりも低い圧力で導入する。これにより、体積規定流路部９の容積と概ね等しい体積の液体プラグＢ７が規定される。その後、図９Ｃに示すように、上記圧力障壁の圧力よりも高い圧力を、切取流路部１１側から体積規定流路部９内の液体プラグＢ７に印加することによって、バルブ流路部１０を介して流体流路部２に体積が規定された液体プラグＢ７を流入させる。
【００７１】
以上のように、体積規定部２００を用いれば、マイクロミキサー１００において混合するための極めて微少な量の液体の測定を装置内で行うことが可能である。すなわち、液体の測定並びに混合及び撹拌の一連の操作を、１つの装置内で完結することが可能であり、より効率よく液体の混合及び撹拌を行うことができる。従来の混合装置によれば、１ｎＬといった微小量の液体の体積を規定した後に混合装置に導入して混合することは困難であったが、本発明に係るマイクロミキサー１００は、体積規定部２００を備えているので、微少量の液体の規定並びに当該液体の撹拌及び混合を１つの装置内において一連の操作で行うことができる。その結果、微少量の液体の撹拌及び混合を精度良く行うことができる。
【００７２】
体積規定部２００は、上述したように、体積規定流路部９とバルブ流路部１０との界面に、体積規定流路部９からバルブ流路部１０への液体プラグＢ７の流入を妨げる圧力（第１の圧力）をバルブ流路部１０側から印加し、切取流路部１１を流通する液体プラグＢ７が体積規定流路部９内に充填された後、液体プラグＢ７に上記圧力よりも高い圧力（第２の圧力）を切取流路部１１側から印加する加圧手段（第２の加圧手段）を備えていてもよい。
【００７３】
また、マイクロミキサー１００に複数の体積規定部２００が備えられていてもよい。このとき、一方の体積規定部２００を用いて液体プラグＡ６の体積を規定し、他方の体積規定部２００を用いて液体プラグＢ７の体積を規定した後、体積を規定した液体プラグＡ６から流体流路部２を介して混合チャンバ１内に導入し、その後液体プラグＢ７を流体流路部２に導入すればよい。このように、液体プラグＡ６と液体プラグＢ７とを、異なる体積規定部２００を用いて体積を規定することによって、異なる体積比で規定した液体プラグＡ６及び液体プラグＢ７を混合することができる。ここで、複数の体積規定部２００によって体積が規定される液体プラグＡ６及び液体プラグＢ７のそれぞれの体積比が、２以上であってもよい。また、体積規定部２００によって規定される液体の体積は、１ｐＬから１μＬであってもよい。
【００７４】
マイクロミキサー１００において、流体流路部２の内部を流通する流体が気体である場合について、図１０を参照して以下に説明する。図１０は、マイクロミキサー１００による液体の撹拌を説明する概略図である。流体流路部２の内部を流通する流体が気体である場合も、流体流路部２の内部を流通する流体が液体プラグＢ７である場合と、マイクロミキサー１００の構成は同一である。図１０に示すように、流体流路部２の内部を矢印方向に流通する気体は、混合チャンバ１内に流入して液体プラグＡ６に接触した後、気体導出流路部３に流入して開口部５から導出される。
【００７５】
このとき、流体流路部２内において気体は混合チャンバ１の方向に加速されて、混合チャンバ１内に流入するようになっている。これにより、気体が液体プラグＡ６に激しい勢いで衝突し、衝突後に気体導出流路部３内に流入した気体が、液体プラグＡ６の界面に沿って流れることによって、図１０に示すように液体プラグＡ６内に渦流及び循環流が生じる。図１０に示すように、気体が衝突した後の液体プラグＡ６においては、気体の衝突面から、気体の流れに誘起されるように渦流が発生する。そして、気体導出流路部３内を流れる気体と液体プラグＡ６との界面においては、気体の流れによって誘起されるせん断流が液体プラグＡ６内に図１０における右向き方向に発生する。液体プラグＡ６全体としては混合チャンバ１内に保持されているので、図１０における右向き方向の流れと釣り合いをとるための流れが、液体プラグＡ６内に図１０における左向きの方向に発生する。このようにして生じる渦流及び循環流によって、液体プラグＡ６内を効率よく迅速に攪拌することができる。この場合、混合チャンバ１は、撹拌チャンバとして機能する。
【００７６】
このように、本発明に係るマイクロミキサー１００は、液体プラグＡ６内を効率よく撹拌することが可能であるので、液体プラグＡ６内に可溶化している成分のみではなく、粒子状の成分をも攪拌及び混合することができる。したがって、本発明に係るマイクロミキサー１００は、多くの分析において必要とされている、濃度が不均一な成分を有する液体プラグＡ６の効率のよい攪拌に好適に利用される。
【００７７】
次に、図１１Ａ、図１１Ｂ、図１１Ｃ及び図１１Ｄを参照して、液体プラグＡ６と液体プラグＢ７との混合について、より詳細に説明する。図１１Ａ〜１１Ｄは、マイクロミキサー１００による液体の混合を説明する概略図である。図１１Ａに示すように、液体プラグＢ７は流体流路部２内を混合チャンバ１の方向に流通している。このとき、流体流路部２内を流通する液体プラグＢ７に対して、加圧した気体（第１の気体）を混合チャンバ１の方向に接触させることによって、液体プラグＢ７を加速している。当該気体は、１ｋＰａ以上１ＭＰａ以下に加圧されていることが好ましい。
【００７８】
そして、液体プラグＡ６は混合チャンバ１内に静止しており、液体プラグＡ６の体積は１ｐＬ以上１μＬ以下であり得る。液体プラグＡ６と液体プラグＢ７との間の流体流路部２内には気体が存在しているが、当該気体は、液体プラグＢ７が液体プラグＡ６方向に近づくにしたがって、点線矢印に示すように気体導出流路部３内に流入する。
【００７９】
その後、図１１Ｂに示すように、液体プラグＢ７が液体プラグＡ６に接触すると、接触界面において液体プラグＢ７と液体プラグＡ６との混合が開始する。ここで、液体プラグＢ７が液体プラグＡ６に接触した後も、混合液体１２に対して、加圧した気体を混合チャンバ１方向に接触させ続ける。これにより、液体プラグＡ６と液体プラグＢ７との混合液体１２は、混合チャンバ１内を実線矢印方向に移動する。
【００８０】
そして図１１Ｃに示すように、さらに、混合液体１２に対して加圧した気体を混合チャンバ１方向に接触させることによって、混合液体１２の移動に伴って、混合液体１２内に循環流が誘起されて混合が促進される。最終的には、図１１Ｄに示す位置まで混合液体１２は移動し、混合液体１２に対して接触させた加圧した気体は気体導出流路部３に流入する。図１１Ｄの状態においても、加圧した気体を混合液体１２に対して接触させ続けることによって、混合液体１２内の渦流及び循環流を維持されるので、さらに混合が促進されるため好ましい。
【００８１】
このような液体プラグＡ６と液体プラグＢ７との混合においては、液体プラグＢ７の体積が液体プラグＡ６の体積と等しいか、或いはより大きいときに特に有効であり、体積比の大きく異なる液体同士を効率よく混合することが可能である。
【００８２】
次に、液体プラグＢ７の体積が液体プラグＡ６の体積と比して小さい場合の、液体プラグＡ６と液体プラグＢ７との混合について、図１２Ａ、図１２Ｂ、図１２Ｃ、図１２Ｄ、及び図１２Ｅを参照して以下に説明する。図１２Ａ〜図１２Ｅは、マイクロミキサー１００による液体の混合を説明する概略図である。図１２Ａに示すように、液体プラグＢ７は流体流路部２内を混合チャンバ１の方向に流通している。このとき、流体流路部２内を流通する液体プラグＢ７に対して、加圧した気体（第１の気体）を混合チャンバ１の方向に接触させることによって、液体プラグＢ７を加速している。当該気体は、１ｋＰａ以上１ＭＰａ以下に加圧されていることが好ましい。
【００８３】
そして、液体プラグＡ６は混合チャンバ１内に静止している。液体プラグＡ６と液体プラグＢ７との間の流体流路部２内には気体が存在しているが、当該気体は、液体プラグＢ７が液体プラグＡ６方向に近づくにしたがって、点線矢印に示すように気体導出流路部３内に流入する。
【００８４】
その後、図１２Ｂに示すように、液体プラグＢ７が液体プラグＡ６に接触すると、接触界面において液体プラグＢ７と液体プラグＡ６との混合が開始する。ここで、液体プラグＢ７が液体プラグＡ６に接触した後も、混合液体１２に対して、気体を混合チャンバ１方向に接触させ続ける。これにより、液体プラグＡ６と液体プラグＢ７との混合液体１２は、混合チャンバ１内を実線矢印方向に移動する。
【００８５】
そして図１２Ｃ及び１２Ｄに示すように、さらに、混合液体１２に対して気体を混合チャンバ１方向に接触させ、混合液体１２の界面に沿って、気体導出流路部３内を流通させることによって、混合液体１２内に循環流が誘起されて混合が促進される。最終的には、図１２Ｅに示すように、混合液体１２が完全に混合されるまで気体を接触させ続けることによって、混合液体１２の均一な混合が促進される。
【００８６】
このように、混合時に接触させる液体プラグＢ７の体積が液体プラグＡ６の体積に比して小さいとき、液体プラグＢ７と液体プラグＡ６との接触により生じる渦流が弱い場合であっても、液体プラグＡ６と液体プラグＢ７との混合液体１２に気体を接触させ続けることによって、混合液体１２内に循環流を生じさせ続けることができるので、液体の均一な混合を効率よく行うことができる。これにより、例えば滴定分析のように、体積の小さい液体を体積の大きい液体に対して連続的に導入した後に混合するような場合に、特に好適に利用することができる。
【００８７】
特に、マイクロミキサー１００においては、混合チャンバ１が管形状であり、混合チャンバの短手側の一端から液体プラグＢ７又は気体を液体プラグＡ６に接触させるので、液体プラグＡ６に対する液体プラグＢ７又は気体の接触面積比率が最大となり、より効率のよい混合の達成が可能である。また、液体プラグＡ６と液体プラグＢ７との体積の総和は、１ｐＬから１μＬであることができ、液体プラグＡ６と液体プラグＢ７との体積比は２以上であることができる。マイクロミキサー１００においては、混合チャンバ１と流体流路部２との管径を同一にした場合には、これらの内部に導入液体プラグＡ６及び液体プラグＢ７の長手方向の長さが、これらの液体の体積比となる。
【００８８】
液体プラグＢ７及び混合液体１２に接触させる気体を加圧する圧力は、上述した範囲内で適宜調整することが可能であり、混合する液体プラグＡ６と液体プラグＢ７との体積比に応じて、液体プラグＢ７の速度を所望の速度に加速するのを単純な機器構成で達成可能である。
【００８９】
本発明に係るマイクロミキサー１００を用いれば、体積比率や液体の種類を問わず、マイクロ空間内で、微小量に規定された液体の撹拌及び混合を効率よく行うことができる。また、本発明に係るマイクロミキサー１００は、複雑な機器を必要としない。従来の混合装置では、分子拡散により混合するため、混合時間が長く、かつ混合流路を長くする必要があったが、本発明に係るマイクロミキサー１００は、液体プラグＢ７又は気体と、液体プラグＡ６との接触により生じる渦流及び循環流によって、撹拌及び混合を促進するので、反応時間がより短く、かつ長い反応流路を必要としない。
【００９０】
さらに、混合を行う２つの液体を混合流路内に平行に導入するような従来の混合装置と異なり、本発明に係るマイクロミキサー１００は、精密な流速及び流量制御の必要がない。また、エレクトロウエッティングにより液滴同士を混合する従来の装置においては、液滴の体積が電極サイズに規定されるため、体積比率の大きな液滴同士を混合することが困難であり、また液滴が電解質を含むものに限定されていたが、本発明に係るマイクロミキサーは体積比率や液体の種類を問わないため、無極性の有機溶媒を用いた分析等にも適用できる。
【００９１】
本発明は、上述したマイクロミキサー及びマイクロミキシング方法（流体混合方法）とを包含する。本発明に係るマイクロミキシング方法は、本実施形態において説明したマイクロミキサーを使用した液体の撹拌及び混合方法のみならず、同様の構成を有するミキサーを使用した液体の撹拌及び混合方法をも含むものである。
【００９２】
以下に、本発明に係るマイクロミキサー１００を使用して液体プラグＡ６及び液体プラグＢ７を混合した一実施例について説明するが、本発明はこれに限定されない。
【実施例１】
【００９３】
図１３に示すマイクロミキサーを用いて、液体プラグＡ６及び液体プラグＢ７の混合を行った。図１３に示すマイクロミキサーは図１に示すマイクロミキサー１００と同様に構成されている。
【００９４】
ガラス基板上に、ウエットエッチングにより、流体流路部２と混合チャンバ１の連結部の幅を７０μｍとし、混合チャンバ１の長手方向に３００μｍまで徐々に幅が広がる形状の混合チャンバ１を形成した。混合チャンバ１の深さを３０μｍとし、長さは８ｍｍとした。
【００９５】
流体流路部２は、幅７０μｍ、深さ３０μｍ、及び長さ２０ｍｍとし、混合チャンバ１と連結するように形成した。図１３に示すように、混合チャンバ１及び流体流路部２における、液体プラグＢ７の流入方向に平行な面であり、かつ混合チャンバ１と流体流路部２とが接続されている面に直交する面に気体導出流路部３を形成した。気体導出流路部３の幅を１００μｍ、深さを１０μｍとした。
【００９６】
さらに図８に示すような液体の体積を規定する体積規定部２００を２つ形成し、それぞれ流体流路部２に連結した。２つの体積規定部２００において、体積規定流路部９の幅７０μｍ、深さ３０μｍとし、それぞれの長さを異ならせることによって、液体プラグＡ６と液体プラグＢ７とを異なる体積に規定した。バルブ流路部１０は、幅５０μｍ、深さ１０μｍとし、切取流路部１１は、幅９０μｍ、深さ３０μｍとした。
【００９７】
このようにして形成したマイクロミキサーを、液体及び気体導入用の貫通孔を設けた別のガラス基板と接合して完成させた。マイクロミキサー内の全ての流路及び混合チャンバの内部を、アモルファスフッ素ポリマーで疎水修飾した。別のガラス基板に同一の疎水修飾を行った後、水に対する接触角を測定したところ、１１７度となり良好な疎水性を示した。
【００９８】
２つの体積規定部２００内の一方に純水を導入し、他方に蛍光色素を導入し、圧力コントローラーにより体積規定部２００内に印加する気体の圧力を順次変化させることによって、上述した方法により、体積の異なる純水の液体プラグＡ６と蛍光色素を含む液体プラグＢ７を準備した（体積比約１０：１）。次に、体積の大きな液体プラグＡ６から、流体流路部２を介して混合チャンバ１内に導入した。混合チャンバ１内における液体プラグＡ６の長さは約１．５ｍｍとなった（図１３）。
【００９９】
蛍光色素を含む体積の小さな液体プラグＢ７（約０．５ｎｌ相当）を流体流路部２内に導入し、圧力コントローラーにより加圧した気体を液体プラグＢ７に接触させて、液体プラグＢ７を加速し、混合チャンバ１内の液体プラグＢ７に接触させた。その後、液体プラグＡ６と液体プラグＢ７との混合液体にさらに気体を接触させ続けながら、混合チャンバ１内の混合液体における蛍光分布の経時変化を観察した。
【０１００】
観察結果を図１４Ａ、図１４Ｂ、図１４Ｃ、図１４Ｄ、及び図１５に示す。図１４Ａ〜１４Ｄは、液体プラグＡ６と液体プラグＢ７との接触直後から５秒後までの蛍光画像である。図１４Ａは接触直後、図１４Ｂは接触１秒後、図１４Ｃは接触２秒後、図１４Ｄは接触５秒後の蛍光画像をそれぞれ示している。図１５は、液体プラグＡ６の長さ方向（図１４Ａ〜１４Ｄにおける左右方向）に沿った蛍光分布を測定した結果を示すグラフである。
【０１０１】
図１４Ａ〜１４Ｄに示すように、混合液体中に、接触により生じた渦流及び循環流による液体プラグＡ６と液体プラグＢ７との混合が確認された。液体プラグＡ６と液体プラグＢ７との接触５秒後に液体プラグＡ６と液体プラグＢ７とが均一に混合したことが確認できた（図１４Ｄ及び図１５）。ここで、参考として、本発明に係るマイクロミキサーと同一の反応系を使用して、分子拡散のみにより液体プラグＡ６と液体プラグＢ７を混合した場合に、均一に混合するために必要な理論上の時間は約３，０００秒である。したがって、本発明に係るマイクロミキサーを用いれば、液体同士の迅速な混合に大きな効果を奏することが示された。
【０１０２】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
本発明は、遺伝子検査や滴定といった化学、バイオ分野での分析チップに好適に利用する。
【符号の説明】
【０１０４】
１  混合チャンバ
２  流体流路部
３  気体導出流路部
３ａ〜３ｅ  気体導出流路部
４  圧力障壁
４ａ〜４ｅ  圧力障壁
５  開口部
６  液体プラグＡ（第１の液体）
７  液体プラグＢ（第２の液体）
８  液体成分
９  体積規定流路部
１０  バルブ流路部
１１  切取流路部
１２  混合液体
１００〜１０４  マイクロミキサー（流体混合装置）
２００  体積規定部（体積規定手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１２Ｅ】
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【図１５】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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