(57)【要約】【課題】小型にして複数種の流体を効率よく一様に混合することができるマイクロチップと、これを用いた流体の混合方法を提供する。【解決手段】マイクロチップ１Ａを、チップ本体２と、チップ本体２に形成された流入口３，４と、同じくチップ本体２に形成された流出口５と、前記流入口３，４のそれぞれから延びる２つの流体導入流路６，７と、これら流体導入流路６，７の合流部８と、合流部８と流出口５とをつなぐ流体混合流路９と、流体混合流路９に形成された旋回流形成部１０とから構成する。旋回流形成部１０は、流体混合流路９の内壁面の長さ方向に螺旋状の凸部１０ａ，１０ｂを連続的に突設することにより形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チップ本体と、当該チップ本体に形成された流入口及び流出口並びに前記流入口と前記流出口とをつなぐ流路とを有し、前記流路の少なくとも一部に前記流入口から前記流路内に導入された流体の流れを層流から旋回流に変換する旋回流形成部を設けたことを特徴とするマイクロチップ。
【請求項２】
チップ本体と、当該チップ本体に形成された複数の流入口、１つの流出口、前記複数の流入口のそれぞれから延びる複数の流体導入流路、これら複数の流体導入流路の合流部及び当該合流部と前記流出口とをつなぐ流体混合流路とを有し、前記流体混合流路に前記合流部から導入された流体の流れを層流から旋回流に変換する旋回流形成部を設けたことを特徴とするマイクロチップ。
【請求項３】
前記旋回流形成部が、前記流路の内壁面に形成された螺旋形の凹凸部により形成されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロチップ。
【請求項４】
前記旋回流形成部が、前記流体混合流路の内壁面に形成された螺旋形の凹凸部により形成されていることを特徴とする請求項２に記載のマイクロチップ。
【請求項５】
前記チップ本体が２つの板状部材の接合体をもって構成されており、前記流路及び前記旋回流形成部が前記２つの板状部材の接合面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロチップ。
【請求項６】
前記チップ本体が２つの板状部材の接合体をもって構成されており、前記複数の流体導入流路、前記合流部、前記流体混合流路及び前記旋回流形成部が前記２つの板状部材の接合面に形成されていることを特徴とする請求項２に記載のマイクロチップ。
【請求項７】
チップ本体と、当該チップ本体に形成された流入口及び流出口並びに前記流入口と前記流出口とをつなぐ流路とを有し、前記流路の少なくとも一部に前記流入口から前記流路内に導入された流体の流れを層流から旋回流に変換する旋回流形成部を設けたマイクロチップを用い、前記流路内に複数種の流体を導入し、前記旋回流形成部にて前記複数種の流体の流れを層流から旋回流に変換して前記流路内に導入された複数種の流体を混合することを特徴とする流体混合方法。
【請求項８】
チップ本体と、当該チップ本体に形成された複数の流入口、１つの流出口、前記複数の流入口のそれぞれから延びる複数の流体導入流路、これら複数の流体導入流路の合流部及び当該合流部と前記流出口とをつなぐ流体混合流路とを有し、前記流体混合流路に前記合流部から導入された流体の流れを層流から旋回流に変換する旋回流形成部を設けたマイクロチップを用い、前記複数の流入口のそれぞれから前記流体導入流路内に複数種の流体を導入し、前記合流部を介して前記流体混合流路に導入された前記複数種の流体の流れを層流から旋回流に変換してこれら複数種の流体を混合することを特徴とする流体混合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微量の流体の混合、反応、加熱、冷却、分離精製、相合流、相分離及び検出等に適用されるマイクロチップと、これを用いた流体の混合方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、生化学や遺伝子工学の分野においては、各種微小物質の混合、反応、加熱、冷却、分離精製、相合流、相分離、検出等の機能を有するマイクロチップとして、マイクロリアクター、マイクロアレー、バイオチップ、ＤＮＡチップ、プロテインチップ又はラボオンチップ等と称される各種のマイクロチップが用いられている。
【０００３】
この種のマイクロチップは、取り扱う試料や試薬（本明細書においては、これらを総称して「流体」という。）の量がμＬオーダーであるため、マイクロチップの集積化及び並列化が容易で小型・軽量な実験システムを構築できる、所要の化学反応を高速に行わせることができる、不純物の混入を抑制できる、温度など反応条件を容易に一定に保つことができる、安全性に優れる等の種々の利点がある。
【０００４】
図１０は従来より知られているこの種のマイクロチップ（マイクロリアクター）の第１例を示す断面図であって、本例のマイクロリアクターは、第１の板状部材１０１と第２の板状部材１０２との接合体をもってチップ本体１００が形成されており、前記第１及び第２の板状部材１０１，１０２の接合面に直線状の凹溝からなる反応流路１０３が形成され、前記第１の板状部材１０２に前記反応流路１０３に連通する２つの流体供給ポート１０４と１つの流体排出ポート１０５とが形成されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
図１１は従来より知られているこの種のマイクロチップ（マイクロリアクター）の第２例を示す断面図であって、本例のマイクロリアクターは、第１の板状部材１０１と第２の板状部材１０２との接合体をもってチップ本体１００が形成されており、前記第１及び第２の板状部材１０１，１０２の接合面に蛇行状の凹溝からなる反応流路１０３が形成され、前記第１の板状部材１０２に前記反応流路１０３に連通する３つの流体供給ポート１０４と１つの流体排出ポート１０５とが形成されている（例えば、特許文献２参照。）。
【特許文献１】特開平１０−３３７１７３号公報
【特許文献２】特開２００２−２７９８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記第１従来例に係るマイクロリアクターは、２つの流体供給ポート１０４から注入された２種類の流体を反応流路１０３の入口部分で衝突させ、これによって生成された混合流を反応流路１０３内に導入して各流体を相互拡散によって混合するという構成であるので、２種類の流体の混合が速やかに行われず、混合効率が低いばかりでなく、反応収率が不十分になるという不都合がある。即ち、反応流路１０３の断面積は微小であるので、反応流路１０３内を流れる流体は層流となり、レイノルズ数が非常に小さくなって乱流の発生が抑えられる。このため、反応流路１０３内においては流体どうしがほとんど衝突によって分散せず、拡散による混合しか期待できない。しかし、流体どうしを拡散によって混合するには長時間が必要であり、流路が短いマイクロリアクター内で流体どうしを充分に分散混合させることは困難である。
【０００７】
前記第２従来例に係るマイクロリアクターは、反応流路１０３を蛇行させて反応流路１０３内における流体の滞留時間を長くしたので、前記第１従来例に係るマイクロリアクターよりも混合効率を高めることができるが、基本的には前記第１従来例に係るマイクロリアクターと同様に拡散によって複数種類の流体を混合するものであるので、混合効率を充分に高めることができない。また、この第２従来例に係るマイクロリアクターは、反応流路１０３を蛇行させてなるので、チップサイズが大型化するという不都合もある。
【０００８】
本発明は、前記従来技術の不都合を解決するためになされたものであり、その目的は、小型にして複数種の流体を効率よく一様に混合することができるマイクロチップと、これを用いた流体の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】
前記課題を解決するため、本発明は、マイクロチップに関して、第１に、チップ本体と、当該チップ本体に形成された流入口及び流出口並びに前記流入口と前記流出口とをつなぐ流路とを有し、前記流路の少なくとも一部に前記流入口から前記流路内に導入された流体の流れを層流から旋回流に変換する旋回流形成部を設けるという構成にした。
【００１０】
また、本発明は、マイクロチップに関して、第２に、チップ本体と、当該チップ本体に形成された複数の流入口、１つの流出口、前記複数の流入口のそれぞれから延びる複数の流体導入流路、これら複数の流体導入流路の合流部及び当該合流部と前記流出口とをつなぐ流体混合流路とを有し、前記流体混合流路に前記合流部から導入された流体の流れを層流から旋回流に変換する旋回流形成部を設けるという構成にした。
【００１１】
かかる構成によると、流路中に流路内を流れる流体の流れを層流から旋回流に変換する旋回流形成部を設けたので、衝突により複数種の流体を効率的に分散させることができる。また、流体の混合効率が高められるので、流路を短縮化することができ、マイクロチップの小型化を図ることができる。
【００１２】
また、本発明は、前記第１の構成のマイクロチップにおいて、前記旋回流形成部が、前記流路の内壁面に形成された螺旋形の凹凸部により形成されているという構成にした。
【００１３】
また、本発明は、前記第２の構成のマイクロチップにおいて、前記旋回流形成部が、前記流体混合流路の内壁面に形成された螺旋形の凹凸部により形成されているという構成にした。
【００１４】
かかる構成によると、旋回流形成部を流路の内壁面に形成された螺旋形の凹凸部により形成するので、マイクロモータなどの特別なアクチュエータを必要とせず、混合効率が高いマイクロチップを簡易かつ小型に形成することができる。
【００１５】
また、本発明は、前記第１の構成のマイクロチップにおいて、前記チップ本体が２つの板状部材の接合体をもって構成されており、前記流路及び前記旋回流形成部が前記２つの板状部材の接合面に形成されているという構成にした。
【００１６】
また、本発明は、前記第２の構成のマイクロチップにおいて、前記チップ本体が２つの板状部材の接合体をもって構成されており、前記複数の流体導入流路、前記合流部、前記流体混合流路及び前記旋回流形成部が前記２つの板状部材の接合面に形成されているという構成にした。
【００１７】
かかる構成によると、所要の流路及び旋回流形成部を２つの板状部材の接合面に形成するので、所要の流路及び旋回流形成部の形成を容易に行うことができ、混合効率が高いマイクロチップを安価に製造することができる。
【００１８】
一方、流体混合方法に関して、本発明は、第１に、チップ本体と、当該チップ本体に形成された流入口及び流出口並びに前記流入口と前記流出口とをつなぐ流路とを有し、前記流路の少なくとも一部に前記流入口から前記流路内に導入された流体の流れを層流から旋回流に変換する旋回流形成部を設けたマイクロチップを用い、前記流路内に複数種の流体を導入し、前記旋回流形成部にて前記複数種の流体の流れを層流から旋回流に変換して前記流路内に導入された複数種の流体を混合するという構成にした。
【００１９】
また、流体混合方法に関して、本発明は、第２に、チップ本体と、当該チップ本体に形成された複数の流入口、１つの流出口、前記複数の流入口のそれぞれから延びる複数の流体導入流路、これら複数の流体導入流路の合流部及び当該合流部と前記流出口とをつなぐ流体混合流路とを有し、前記流体混合流路に前記合流部から導入された流体の流れを層流から旋回流に変換する旋回流形成部を設けたマイクロチップを用い、前記複数の流入口のそれぞれから前記流体導入流路内に複数種の流体を導入し、前記合流部を介して前記流体混合流路に導入された前記複数種の流体の流れを層流から旋回流に変換してこれら複数種の流体を混合するという構成にした。
【００２０】
かかる構成によると、所要の流路と旋回流形成部とを有するマイクロチップを用い、旋回流形成部が形成された流路内に複数種の流体を導入し、当該旋回流形成部にて前記流路内に導入された流体の流れを層流から旋回流に変換するので、衝突により複数種の流体を効率的に分散させることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明のマイクロチップは、流路中に流路内を流れる流体の流れを層流から旋回流に変換する旋回流形成部を設けたので、衝突により複数種の流体を効率的に分散させることができ、流体の混合効率を高めることができる。また、流体の混合効率が高められることから、流路を短縮化することができ、マイクロチップの小型化を図ることができる。
【００２２】
本発明の流体混合方法は、所要の流路と旋回流形成部とを有するマイクロチップを用い、旋回流形成部が形成された流路内に複数種の流体を導入し、当該旋回流形成部にて前記流路内に導入された流体の流れを層流から旋回流に変換するので、衝突により複数種の流体を効率的に分散させることができ、複数種の流体を短時間に高い混合率で混合することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明に係るマイクロチップ及びこれを用いた流体混合方法の第１実施形態を、図１乃至図５に基づいて説明する。図１は第１実施形態に係るマイクロチップの平面方向から見た透視図、図２は第１実施形態に係るマイクロチップの内面図、図３は図１のＸ−Ｘ’断面図、図４は図１のＹ−Ｙ’断面図、図５は図１のＺ−Ｚ’断面図である。
【００２４】
これらの図から明らかなように、本例のマイクロチップ１Ａは、チップ本体２と、チップ本体２に形成された２つの流入口３，４と、同じくチップ本体２に形成された１つの流出口５と、前記２つの流入口３，４のそれぞれから延びる２つの流体導入流路６，７と、これら２つの流体導入流路６，７の合流部８と、合流部８と流出口５とをつなぐ流体混合流路９と、流体混合流路９に形成された旋回流形成部１０とから構成されている。
【００２５】
チップ本体２は、ほぼ同形同大に形成された第１の板状部材２ａと第２の板状部材２ｂの接合体をもって構成されており、これら第１及び第２の板状部材２ａ，２ｂの接合面に円形の横断面を有する流体導入流路６，７、合流部８、流体混合流路９及び旋回流形成部１０が形成されると共に、第１の板状部材２ａに円形の横断面を有する流入口３，４及び流出口５が形成されている。
【００２６】
第１及び第２の板状部材２ａ，２ｂは、半導体、金属、ガラス、セラミックス、プラスチック等をもって形成でき、適用される流体の性質や反応条件に応じて適宜選択される。例えば、光反応を必要とする場合には、ガラスやプラスチック等の透光性材料が用いられ、反対に光遮断下での反応を必要とする場合には、半導体、金属、セラミックス等の遮光性材料が用いられる。この第１及び第２の板状部材２ａ，２ｂの外形寸法は、必要に応じて任意に設定することができるが、本明細書に例示的に示すサイズとして、およそ幅２０ｍｍ、長さ４０ｍｍ、厚み０．５ｍｍ程度に設定した。
【００２７】
流入口３，４、流出口５、流体導入流路６，７、合流部８及び流体混合流路９の直径は、必要に応じて任意に設定することができるが、本明細書に例示的に示すサイズとして、およそ直径２００μｍ程度に設定した。流体導入流路６，７、合流部８及び流体混合流路９は、図３乃至図５に示すように、第１及び第２の板状部材２ａ，２ｂの接合面に形成された溝を突き合わせることによって形成される。即ち、直径２００μｍの流体導入流路６，７、合流部８及び流体混合流路９は、第１及び第２の板状部材２ａ，２ｂの接合面にそれぞれ形成された幅２００μｍ、深さ１００μｍの溝を突き合わせることによって形成される。
【００２８】
旋回流形成部１０は、図１及び図３に示すように、流体混合流路９の内壁面の長さ方向に螺旋状の凸部１０ａ，１０ｂを連続的に突設することによって形成される。なお、図２に示すように、螺旋状の凸部１０ａは第１の板状部材２ａの接合面の溝内に形成され、螺旋状の凸部１０ｂは第２の板状部材２ｂの接合面の溝内に形成される。凸部１０ａ，１０ｂの高さは、流体混合流路９の直径よりも小さい必要があり、半径より小さい任意の値に設定されることが好ましい。また、凸部１０ａ，１０ｂのピッチは、流体混合流路９の長さや流体の性質、それに反応条件等に応じて適宜設定されるが、一例としては、流体混合流路９の直径の０．５倍以上１０倍以下に設定することが好ましい。また、上述のマイクロチップは、切削加工で作製した金型を用いて、ポリカーボネート樹脂を射出成形する方法で作製した。
【００２９】
なお、前記実施形態においては、第１及び第２の板状部材２ａ，２ｂに旋回流形成部１０として螺旋状の凸部１０ａ，１０ｂを形成したが、図９に示すように、流体混合流路９の長手方向に関して傾斜するリブ状の突起１１を旋回流形成部１０として形成することもできる。かかる構成によっても、流体混合流路９の流体の流れを旋回流にすることができる。
【００３０】
以下、図９に示すマイクロチップの製造方法について説明する。
【００３１】
前記実施形態に係るマイクロチップは、第１及び第２の板状部材２ａ，２ｂを構成する材料の種類によって適宜の方法で作製することができる。例えば、第１及び第２の板状部材２ａ，２ｂがシリコンなどの半導体材料、セラミック材料、ガラス材料又は金属材料によって形成される場合には、機械加工により平滑な平板状の板状部材２ａ，２ｂを形成した後に、機械加工、ドライエッチング又はウエットエッチング若しくはこれらの組合せにより当該板状部材２ａ，２ｂに流入口３，４、流出口５、流体導入流路６，７、合流部８及び流体混合流路９を形成するという方法がとられる。
【００３２】
また、第１及び第２の板状部材２ａ，２ｂがプラスチック材料によって形成される場合には、射出成型法、圧縮成型法又は光造形法により所要の流路３〜９が一体に形成された第１及び第２の板状部材２ａ，２ｂを形成するという方法がとられる。さらには、セラミックス敷詰法等の一体成型法や、各種物質を層状にコート、蒸着、スパッタリング、堆積し部分的に除去することにより微細構造物を形成するＳｕｒｆａｃｅ  Ｍｉｃｒｏ−マシニングを適用することもできる。
【００３３】
なお、ドライエッチングには、イオンエッチング（ＩＥ）、リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）、ディープリアクティブイオンエッチング（Ｄｅｅｐ−ＲＩＥ）、イオンビームエッチング（ＩＢＥ）、プラズマエッチング（ＩＣＰ）、レーザーエッチング、レーザーアブレーション、ブラスト加工、放電加工、Ｘ線リソグラフィと電鋳を組み合わせた微細加工技術（ＬＩＧＡ）、電子ビームエッチング及び高速原子線エッチング（ＦＡＢ）等がある。
【００３４】
螺旋状の凸部１０ａ，１０ｂの形成については、半導体の分野で用いられている微細加工技術を応用することにより行うことができる。以下、シリコン製の第１及び第２の板状部材２ａ，２ｂに螺旋状の凸部１０ａ，１０ｂを形成する場合を例にとって説明する。
【００３５】
まず、第１及び第２の板状部材２ａ，２ｂのもとになるシリコンウェハを用意し、このシリコンウエハの上面に、例えば熱酸化により厚さ１．５μｍ程度の酸化膜を成膜する。
【００３６】
次いで、前記酸化膜上に均一な厚さのフォトレジスト層を形成し、流路パターンの露光と現像とを行って露光部に対応する部分の酸化膜を露出させ、当該露出された部分の酸化膜をエッチングにより減厚する。しかる後に、酸化膜上に残ったレジストを剥離する。
【００３７】
次いで、前記酸化膜上に再度フォトレジスト層を形成し、今度は凸部１０ａ，１０ｂのパターンの露光と現像とを行って露光部に対応する部分の酸化膜を露出させ、当該露出された部分の酸化膜をエッチングにより減厚する。この際の露光及びエッチングは、流路に対応する部分の酸化膜が完全に除去され、凸部１０ａ，１０ｂに対応する部分に薄い酸化膜が残るようにして行われる。流路（凸部を含む）外に対応する部分には、厚い酸化膜が存在する。しかる後に、酸化膜上に残ったレジストを剥離する。
【００３８】
次いで、前記シリコンウェハの加工面をＲＩＥ、ＩＣＰ、Ｄｅｅｐ  ＲＩＥなどの方法によりエッチングする。ＲＩＥは、イオンを基板に加速することで異方性のドライエッチングを行うドライエッチング方法であり、ＩＣＰまたはＤｅｅｐ  ＲＩＥはさらに深溝加工が出来る異方性のドライエッチング方法である。
【００３９】
これにより、シリコンウェハには、所要の流路６〜９と凸部１０ａ，１０ｂとが形成される。最後に、シリコンウェハを所要のサイズに切断して所要のマイクロチップとする。
【００４０】
なお、前記のようにして作製されたシリコンウェハを原盤として電鋳法により金型を作製し、プラスチックを射出成形してプラスチック製のマイクロチップを作製することもできる。
【００４１】
以下、このように構成されたマイクロチップを用いた流体混合方法について説明する。
【００４２】
流入口３，４より流体導入流路６，７内に、異なる種類の流体を、図示しないマイクロポンプ、マイクロバルブ又はマイクロシリンジ等のアクチュエータにより供給する。流体としては、液体及び気体のほか、粉体や粒体なども用いることができる。
【００４３】
流体導入流路６，７内に供給された流体は、合流部８にて合流され、一部が衝突により混合される。この混合流は、流体混合流路９に導かれ、流体混合流路９内の旋回流形成部１０に案内されて、旋回流となる。これにより、流体相互の衝突や拡散によって混合が促進され、混合比率の高い混合流となる。流体混合流路９にて混合された混合物は、流出口５より回収される。
【００４４】
かように、本例のマイクロチップを用いて流体を混合すると、流入口３，４より導入された流体を流体混合流路９中に備えられた旋回流形成部１０にて層流から旋回流に変換するので、衝突により複数種の流体を効率的に分散され、混合率が高い混合流体を短時間に得ることができる。また、サンプル及び試薬が安定して混合されるので、検出なども精度よく行うことができる。さらに、マイクロチップに関しては、流路を短縮化することができるので、マイクロチップの小型化を図ることができる。
【００４５】
なお、前記実施形態においては、チップ本体２に、流入口３，４と、流出口５と、流体導入流路６，７と、合流部８と、流体混合流路９と、旋回流形成部１０とを形成したが、図６に示すように、チップ本体２に流体混合流路９及び旋回流形成部１０のみを形成してマイクロチップ１Ｂとすることもできる。マイクロチップ１Ｂは、図６に示すように、チップ本体２に流入口３，４と合流部８と流体導入流路６，７とが形成されたマイクロチップ１Ｃ及びチップ本体２に流出口５のみが形成されたマイクロチップ１Ｄと組み合わせることにより、上例と同様の方法で流体の混合を行うことができる。
【００４６】
また、前記実施形態においては、第１及び第２の板状部材２ａ，２ｂの双方に流路６〜９の元になる溝を形成したが、図７に示すように、一方の板状部材、例えば第１の板状部材２ａのみに流路６〜９の元になる溝を形成することもできる。
【００４７】
また、前記実施形態においては、流入口３，４及び流出口５を第１の板状部材２ａに形成したが、図８に示すように、第１の板状部材２ａと第２の板状部材２ｂとの接合面に形成することもできる。
【００４８】
その他、前記実施形態においては、流体の流入口を２つのみ形成したが、３つ以上の流入口を形成することももちろん可能である。また、前記実施形態においては、流路３〜９の断面形状を円形としたが、矩形や多角形などのその他の形状とすることももちろん可能である。さらに、前記実施形態においては、旋回流形成部１０として凸部１０ａ，１０ｂ又は突起１１を形成したが、凹溝を形成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】第１実施形態に係るマイクロチップの平面方向から見た透視図である。
【図２】第１実施形態に係るマイクロチップの内面図である。
【図３】図１のＸ−Ｘ’断面図である。
【図４】図１のＹ−Ｙ’断面図である。
【図５】図１のＺ−Ｚ’断面図である。
【図６】他の実施形態に係るマイクロチップの説明図である。
【図７】他の実施形態に係るマイクロチップの説明図である。
【図８】他の実施形態に係るマイクロチップの説明図である。
【図９】他の実施形態に係るマイクロチップの説明図である。
【図１０】従来のマイクロチップの説明図である。
【図１１】従来のマイクロチップの説明図である。
【符号の説明】
【００５０】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ    マイクロチップ
２    チップ本体
３，４    流入口
５    流出口
６，７    流体導入流路
８    合流部
９    流体混合流路
１０    旋回流形成部
１０ａ，１０ｂ    凸部
１１    突起
【図１】
2006142210.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2006142210.tif 000006
【図５】
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【図６】
2006142210.tif 000008
【図７】
2006142210.tif 000009
【図８】
2006142210.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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