(57)【要約】【課題】流体の混合方法及びその方法を利用した混合装置を提供する。【解決手段】混合される流体に共振周波数の交流電源をかけることによって、界面電動不安定性をさらに効果的に誘発してレイノルズ数が非常に小さい層流領域でも流体を迅速かつ効果的に混合でき、また、共振周波数より低い周波数の交流電源をかけることによって、交流電源の周波数に流体の混合パターンを同期化させて経時的な流体の混合程度を任意に調節できる流体の混合方法及び混合装置である。【選択図】図６Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）連結部で互いに連結された２以上のフローチャンネルを通じて混合しようとする２種以上の流体を流すステップと、
（ｂ）前記フローチャンネルに直流電源で誘導される混合のパターン周期に対応する共振周波数で交流電源を印加して、前記（ａ）ステップで流した流体に界面電動不安定性を形成するステップと、を含む流体の混合方法。
【請求項２】
前記共振周波数は、０．１ないし１００Ｈｚであることを特徴とする請求項１に記載の流体の混合方法。
【請求項３】
前記フローチャンネルに直流電源をさらに印加することを特徴とする請求項１に記載の流体の混合方法。
【請求項４】
第１流体のフローチャンネルの連結部の両側から第２流体を流入させることを特徴とする請求項１に記載の流体の混合方法。
【請求項５】
前記フローチャンネルに１以上の陥没部を形成したことを特徴とする請求項１に記載の流体の混合方法。
【請求項６】
（ａ）流体が流れる複数のフローチャンネルと、
（ｂ）前記フローチャンネルが連結される連結部と、
（ｃ）前記フローチャンネルの上流側及び下流側に設置される２以上の電極と、
（ｄ）前記２以上の電極に共振周波数の交流電源または共振周波数より低い周波数の交流電源を供給するための電源供給手段と、を備える流体の混合装置。
【請求項７】
第１流体が流れるフローチャンネルの連結部の両側に第２流体が流れるフローチャンネルが連結されていることを特徴とする請求項６に記載の流体の混合装置。
【請求項８】
前記フローチャンネルに１以上の陥没部を形成したことを特徴とする請求項６に記載の流体の混合装置。
【請求項９】
請求項６に記載の混合装置を採用した化学分析装置。
【請求項１０】
（ａ）連結部で互いに連結された２以上のフローチャンネルを通じて混合しようとする２種以上の流体を流すステップと、
（ｂ）前記フローチャンネルに直流電源で誘導される混合のパターン周期に対応する共振周波数より低い周波数で交流電源を印加して、前記（ａ）ステップで流した流体に界面電動不安定性を形成するステップと、を含む流体の混合方法。
【請求項１１】
前記交流電源の周波数は、０．０１ないし５Ｈｚであることを特徴とする請求項１０に記載の流体の混合方法。
【請求項１２】
前記フローチャンネルに直流電源をさらに印加することを特徴とする請求項１０に記載の流体の混合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の混合方法及びその方法を利用した混合装置に係り、さらに詳細には、フローチャンネル内に界面電動不安定性（ＥＫＩ：Ｅｌｅｃｔｒｏｋｉｎｅｔｉｃ  Ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ）を誘発して流体を混合する方法及び前記方法を利用した流体の混合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
チップを利用して化学的または生物学的分析を行わせる微視流体機器が去る十数年間注目を集めてきた。関連技術の発達によって、関連機器の規模がｍｍ単位以下に縮小化され、従来に実験室をぎっしり埋まっていた各種分析機器が信用カード１枚サイズのチップに入って、いわば‘チップ実験室’と呼ばれるに至った。このような技術の発達は、コストの節減はもとより、色々な分析実験を同時に進めうることによって、分析時間の短縮、必要なサンプルの節約、インシチュー操作を可能にして、遺伝子研究、蛋白質研究などのような分子生物学的な研究の発達に大きく寄与すると期待されている。
【０００３】
前記のような微視流体機器の縮小及び統合設計において、多様な設計変数を慎重に考慮せねばならないが、最も重要な設計変数のうち一つが生物学的または生化学的試薬または溶液を制限された時間内に均一に混合することである。
【０００４】
混合にかかる時間の単位が化学反応にかかる時間の単位と同じであるか、またはさらに大きい場合に、迅速な混合の重要性は急速に高まる。前記のような微視流体機器においては、内部直径が非常に小さい毛細管が良く使われ、ここを過ぎる微視流体は、その特性上非常に小さいレイノルズ数（Ｒｅｙｎｏｌｄ’ｓ  ｎｕｍｂｅｒ）を有する。非常に小さいレイノルズ数で、流体は層流を有し、したがって、攪拌手段として非常に有用な乱流性を利用不能になって、迅速な混合が難しくなる。
【０００５】
いわば、均一な混合とは、濃度勾配が無いことを意味するが、層流において、濃度勾配の低下は、分子拡散に大きく左右される。拡散時間ｔＤは、拡散長さＬＤの自乗に比例する関係にあるということが、次の数式で知られている。
【０００６】
【数１】
2006122903.tif 000003
【０００７】
ここで、Ｄは、拡散係数である。
【０００８】
したがって、拡散係数が一定である状況で拡散時間を短縮する方法は、混合される二つの流体の接触境界を延ばし、拡散距離を縮める方向に研究されている。公知の混合方法としては、積層混合、微細管注入法、混沌混合、並列／直列混合がある。
【０００９】
積層混合は、効果的な混合方法であるが、微細な３次元構造を有しており、製造コストが高く、相当な断面積のフローチャンネルを要求するという短所がある。積層混合に関しては、非特許文献１及び２、特許文献１及び２に詳細に記載されている。並列／直列混合も類似な問題点を有しており、十分な混合のために長いフローチャンネルを要求する。この方法は、前記非特許文献１に記載されている。
【００１０】
微細管注入法は、Ｂ流体内にＡ流体を数多くの微細管を通じて注入する方法であるが、混合に必要な長さが相対的に短い。Ｂ流体内に注入された微細管状のＡ流体が徐々に広がって均一になるので、混合物の均一性は、単位断面積当たりＡ流体が注入される微細管の数密度に比例する。しかし、Ａ流体を注入するための微細管を加工し難いという短所がある。本方法は、非特許文献３に詳細に記載されている。
【００１１】
混沌混合は、強制噴射を通じて混沌とした対流現象を利用するものである。しかし、実際に、このような効果を得るためには、非常に複雑な構造が要求され、したがって技術的、経済的な難しさが伴う。これに関しては、非特許文献４及び５に詳細に記載されている。
【００１２】
前記で扱った混合方法は、何れも受動混合方法と呼ばれるものであって、能動混合方法と呼ばれる混合方法と区分される。一般的に、能動混合方法は、動作部を有するか、圧力または電場のような外部的な混合手段を有する。動作部を有する能動混合方法は、成形加工が難しく、制御し難いという短所があって、制限的にのみ使われる。
【００１３】
特許文献３は、微動フロー区域で、効果的かつ速かに液体を混合する方法及び装置を開示している。前記特許文献３によれば、各液体に電場を加えることによって、機械的攪拌または乱流による攪拌が不可能な毛細管内の流体のフローを混ぜて均一にできるという。しかし、本発明は、混合のためのチャンバを別途に要求して、混合にさらに多くの空間を必要とし、直流電源を供給して形成される循環フローのみを利用して混合したため、混合の効率側面で限界があった。
【００１４】
特許文献４は、フローチャンネルの壁面上に電極と帯電表面とを付設することによって、別途のチャンバが不要な効率的な液体混合装置を開示している。前記特許文献３に比べて、連続フローにさらに適切に開発されたという長所があるが、これもやはり直流電源を供給して形成される循環フローのみを開示しているため、混合の効率側面で限界があった。
【００１５】
特許文献５は、直流電源のみを加えた従来の方式と違って、交流電源を加えて混合効率を向上させようとした。すなわち、交流電源をフローチャンネルの両側面に加えれば、数秒内に任意の３次元揺動が流体に発生し、液体を能動的かつ迅速で効果的に攪拌するＥＫＩ現象が発生する。このような現象を利用して溶液を混合することによって、均一な溶液を得る方法として生化学など色々な分野に有用な方法を開示した。しかし、特許文献５では、流体のフロー方向と垂直方向に交流電源を加えるための別途の混合チャンバが要求されて、不要なデッドゾーンが発生した。また、単純に交流電源を加えるという方法を提示しているのに過ぎず、前記交流電源をどのように最適化し、混合効率を極大化するかについての言及は提示されていない。
【００１６】
また、特許文献５の発明者によって、Ｔ字フローチャンネルで直流電流を流して二つの流体を混合しようとする試みがあったが、二つの流体が出合う連結部で閉塞現象が発生するという短所があり、フローチャンネルの下流側で再び層流のフローを示し、それ以上対流混合が発生しないという短所があった。このような現象を解決するために、電場の強度を上昇させれば、電気分解されるか、または気泡が生成されるなどの問題点も発見された。
【特許文献１】米国特許第６，２１３，１５１号明細書
【特許文献２】米国特許第６，２４１，３７９号明細書
【特許文献３】米国特許第６，０８６，２４３号明細書（Ｐａｕｌら）
【特許文献４】米国特許第６，４８２，３０６号明細書（Ｙａｇｅｒら）
【特許文献５】米国特許出願公開公報第２００２−１２５１３４号（Ｓａｎｔｉａｇｏら）
【非特許文献１】Ｊａｃｏｂｓｏｎら，“Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  ｆｏｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｋｉｎｅｔｉｃａｌｌｙ  Ｐａｒａｌｌｅｌ  ａｎｄ  Ｓｅｒｉａｌ  Ｍｉｘｉｎｇ”，Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．，１９９９，７１，ｐｐ４４５５−４４５９
【非特許文献２】Ｓｃｈｗｅｓｓｉｎｇｅｒら，“Ａｍｏｄｕｌａｒ  Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｗｉｔｈ  ａｎ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｍｉｃｒｏｍｉｘｅｒ”，Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．１９９６，６，ｐｐ９９−１０２
【非特許文献３】Ｅｌｗｅｎｓｐｏｅｋら，“Ｔｏｗａｒｄｓ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｍｉｃｒｏｌｉｑｕｉｄ  ｈａｎｄｌｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍｓ”，Ｊ．ＭｉｃｒｏＭｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．１９９４，４，ｐｐ２２７−２４５
【非特許文献４】Ｌｅｅら，“Ｃｈａｏｔｉｃ  Ｍｉｘｉｎｇ  ｉｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｋｉｎｅｔｉｃａｌｌｙ  ａｎｄ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｄｒｉｖｅｎ  Ｍｉｃｒｏ  Ｆｌｏｗ”，Ｐｒｏｃ．１４ｔｈ  ＩＥＥＥ  Ｗｏｒｋｓｈｏｐ  ＭＥＭＳ  ２００１，ｐｐ４８３−４８６
【非特許文献５】Ｌｉｕら，“Ｐａｓｓｉｖｅ  Ｍｉｘｉｎｇ  ｉｎ  ａ  Ｔｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｓｅｒｐｅｎｔｉｎｅ  Ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ”，Ｊ．Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈ．Ｓｙｓｔ．２０００，９，ｐｐ１９０−１９７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明が解決しようとする第１の技術的課題は、レイノルズ数が非常に小さい層流領域でも流体を迅速かつ効果的に混合できる流体の混合方法を提供することである。
【００１８】
本発明が解決しようとする第２の技術的課題は、レイノルズ数が非常に小さい層流領域でも流体を迅速かつ効果的に混合できる流体の混合装置を提供することである。
【００１９】
本発明が解決しようとする第３の技術的課題は、前記第２の技術的課題で提供される流体の混合装置を採用した化学分析装置を提供することである。
【００２０】
本発明が解決しようとする第４の技術的課題は、経時的な流体の混合程度を任意に調節できる流体の混合方法を提供することである。
【００２１】
本発明が解決しようとする第５の技術的課題は、経時的な流体の混合程度を任意に調節できる流体の混合装置を提供することである。
【００２２】
本発明が解決しようとする第６の技術的課題は、前記第５の技術的課題で提供される流体の混合装置を採用した化学分析装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明は、第１の課題を達成するために、（ａ）連結部で互いに連結された２以上のフローチャンネルを通じて混合しようとする２種以上の流体を流すステップと、（ｂ）前記フローチャンネルに直流電源へ誘導される混合のパターン周期に対応する共振周波数で交流電源を印加して、前記（ａ）ステップで流した流体にＥＫＩを形成するステップと、を含む流体の混合方法を提供する。
【００２４】
また、本発明は、前記第２の課題を達成するために、（ａ）流体が流れうる複数のフローチャンネルと、（ｂ）前記フローチャンネルが連結される連結部と、（ｃ）前記フローチャンネルの上流側及び下流側に設置される２以上の電極と、（ｄ）前記２以上の電極に共振周波数の交流電源を供給するための電源供給手段と、を備える流体の混合装置を提供する。
【００２５】
また、本発明は、前記第３の課題を達成するために、前記流体の混合装置を採用する化学分析装置を提供する。
【００２６】
前記のような混合方法及び混合装置による場合、従来の方法または装置では、十分な混合が不可能であった流体の効率的な混合が可能である。
【００２７】
また、本発明は、前記第４の課題を達成するために、（ａ）連結部で互いに連結された２以上のフローチャンネルを通じて混合しようとする２種以上の流体を流すステップと、（ｂ）前記フローチャンネルに直流電源へ誘導される混合のパターン周期に対応する共振周波数より低い周波数で交流電源を印加して、前記（ａ）ステップで流した流体にＥＫＩを形成するステップと、を含む流体の混合方法を提供する。
【００２８】
また、本発明は、第５の課題を達成するために、（ａ）流体が流れうる複数のフローチャンネルと、（ｂ）前記フローチャンネルが連結される連結部と、（ｃ）前記フローチャンネルの上流側及び下流側に設置される２以上の電極と、（ｄ）前記２以上の電極に共振周波数より低い周波数の交流電源を供給するための電源供給手段と、を備える流体の混合装置を提供する。
【００２９】
また、本発明は、前記第６の課題を達成するために、前記流体の混合装置を採用する化学分析装置を提供する。
【発明の効果】
【００３０】
本発明による流体の混合方法は、共振周波数の交流電源をかけることによって、ＥＫＩをさらに効果的に誘発して、レイノルズ数が非常に小さい層流領域でも流体を迅速かつ効果的に混合できる。また、共振周波数より低い周波数の交流電源をかけることによって、流体の経時的な混合程度を任意に調節することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明をさらに具体的に説明する。
【００３２】
液体に電場を加えた時、電気浸透フローが生じうると以前から知られてきた。このような電気浸透フローは、電気浸透現象に起因するが、電極によって形成される電場とフローチャンネルとの壁面における電荷の相互作用による現象のためである。このような現象を起こすためのフローチャンネルとしては、主に誘電体を使用するが、全部を誘電体としても良く、フローチャンネルの一部を誘電体として使用しても良い。但し、内部を流れる液体より電気伝導度が高くないものを使用することが一般的であり、大体シリカまたはガラスを多く使用する。
【００３３】
図１は、Ｔ字型フローチャンネルを流れつつ混合される二つの流体を示す。互いに対向して連結部に導入された二つの流体は、圧力差によって垂直に折れて排出部に排出されつつ混合される。しかし、レイノルズ数が極めて低い場合には、層流をなすため、互いにほとんど混ざらなくなる。
【００３４】
ここに、直流電源をかければ、図１Ａ及び図１Ｂに示したように、流体のフローに揺らぎが生じ、互いに混合される。図１Ａ及び図１Ｂで、フローチャンネルに沿って描かれた細い実線は電気力線を表すが、各実線に沿って電場が形成され、電気力線が稠密な所が電場の強度が高い所である。
【００３５】
帯電によって受ける力の大きさは、下記数式２のように表示される。
【００３６】
【数２】
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【００３７】
前記数式２で分かるように、帯電によって受ける力の大きさは、電場Ｅ及び電気伝導度σの傾斜度の内積に比例する。ここで、εは、誘電率であり、ρｆは、帯電によって受ける力の大きさである。
【００３８】
電場の強度は、電極間にかかる電圧と電極間の距離との比で現れるため、電極の位置が固定され、電圧が一定になるかぎり、電場の強度も一定になる。
【００３９】
一方、Ｔ字型フローチャンネルに１またはそれ以上の陥没部を形成して、前記陥没部の近辺で電場の強度が調査されたが、その結果、陥没部と陥没部との間のエッジで電場の強度が高いということが発見された。
【００４０】
したがって、前記陥没部間のエッジで帯電によって受ける力の大きさが大きくなることが分かり、一定または多様なサイズの陥没部を一定または多様な間隔で形成することが、陥没部を形成しない場合より混合にプラスになることが分かる。図１Ａは、陥没部が形成されていない場合、直流電源を印加した場合であって電気力線の形態が一定になって、一定の方向にのみ力を受け、したがって、混合の効率に限界があることが分かる。また、図１Ｂは、陥没部を形成し、直流電源を印加した場合であって電気力線の形態が波形に現れるが、陥没部間のエッジで特に間隔が稠密になって、帯電によって受ける力の大きさが大きくなることが分かる。
【００４１】
前記のような事実を確認するために、図２のＡ、Ｂ、及びＣのように、陥没部の形態及び数を異ならせて混合される程度の変化を説明した。混合に優れた程度を定量的に調べるために、下記数式３のように、混合度Ｚを定義した。
【００４２】
【数３】
2006122903.tif 000005
【００４３】
ここで、Ｎは、ピクセル数を表し、Ｉｉは、各ピクセルの強度、Ｉｉ０は、混合されていない時の各ピクセルの強度、Ｉｉ＊は、完全混合される場合の強度をそれぞれ表す。前記数式３を利用して、フローチャンネルに沿って流れた距離による混合程度の変化を観察した結果、図３のような結果を得た。図３で、ｄは、フローチャンネルの幅を意味し、ｘは、フローチャンネル入口からの距離であって、図３に示したグラフの横軸は、ｘをｄで割って無次元化した相対的な距離を意味する。
【００４４】
その結果、図２のＣのような陥没部を形成したフローチャンネルが陥没部を形成していないフローチャンネルより完全混合を基準として２０％ほど優秀な混合度を示し、最高の効率を示すことが分かった。しかし、図２のＣのような陥没部が最適のものではなく、設計によってさらに優秀な陥没部を着想することもできる。
【００４５】
一方、従来の発明では、二つの流体が出合う連結部がＴ字型に構成された（図４Ａ）。図４Ａに示したように、二つの流体がＴ字型で出合って流れれば、ＥＫＩが起こる界面が一面しかない。この場合、従来の技術による微視流体混合器において、混合効率が十分ではないことはいうまでもなく、混合効率の限界により、たとえフローチャンネルに沿って混合が起こっても、フローチャンネルの一側壁面には、第１流体が相対的に豊富であり、他側壁面には、第２流体が相対的に豊富であって、微視流体混合器の活用度の制限要素となるという短所があった。
【００４６】
しかし、図４Ｂに示したように、二つの流体が十字型で出合って流れれば、ＥＫＩが起こる界面が２面となって混合の効率を向上させる効果を期待することはもとより、それ以外にも、後述するような微視流体混合器の用途展開が可能である。しかし、二つの流体が必ずしも直角をなす十字型で出合う必要はなく、連結部で第１流体の両側に第２流体を流入させても良い。
【００４７】
フローチャンネルに連続的に２以上の流体を流しつつ、直流電源をかけてＥＫＩを誘導すれば、流れる流体が混合されるパターンに一定の周期があることが分かる。すなわち、混合されるパターンは変化するが、このような変化には一定の周期がある。
【００４８】
したがって、前記のようなフローチャンネルに直流電源の代わりにまたは直流電源に付加して追加的に特定周波数を有する交流電源を使用すれば、時間によって周期的に正極と負極とが変わりつつ、ＥＫＩを増幅してさらに効果的なＥＫＩを誘導できる。言い換えれば、直流電源をかかった時に混合されるパターンが有する周期（パターン周期）の半となった時には、混合パターンは、電源を最初に印加する時の相と正反対の相を有し、このとき、電極の負と正とが変わるように操作すれば、混合される程度を増幅できる。すなわち、前記で求めたパターン周期と同じ振動数の交流電源をかければ、電場の相と混合パターンの相とが一致して混合が増幅される。このようになる交流電源の振動数を、以下では、共振周波数と称す。
【００４９】
前記で求めた交流電源の時間ｔによる相は、次の数式４のように表現される。
【００５０】
【数４】
2006122903.tif 000006
【００５１】
ここで、ｆは、交流電源の共振周波数、ｔは、時間、Ｖｍａｘは、最大電圧である。
【００５２】
前記のような共振周波数は、基本的に、システムによって変わるので、本発明を最初に適用するためには、まず直流電源をかけてパターン周期を明らかにして共振周波数を把握することが必要である。直流電源をかければ、経時的に混合パターンが変わるが、この場面を高速撮影して同じ混合パターンが現れる時間間隔を測定することによって、パターン周期を求めうる。
【００５３】
Ｔ字型フローチャンネルでは、秒単位で表したパターン周期の逆数が、すなわち、共振周波数（Ｈｚ）となる。しかし、十字型フローチャンネルでは、Ｔ字型フローチャンネルとは違って、秒単位で表したパターン周期の逆数の２倍が共振周波数（Ｈｚ）となるが、その理由をさらに具体的に説明すれば、次の通りである。すなわち、十字型フローチャンネルで直流電源をかければ、界面が２面で形成され、したがって、図８に示したように、界面のパターンが左右交代に現れる。したがって、界面で生じるパターンの周期で生じた周波数の２倍の共振周波数をかければ、左右で生じる界面にそれぞれ刺激を与えて混合効率を増大させうる。
【００５４】
しかし、パターン周期は、混合される溶媒によって、混合システムの形態及びサイズによって、使われる交流電源及び／または直流電源の周波数、電圧によって、大きく変わるのではなく、共振周波数で表した時、０．１ないし１００Ｈｚ範囲で形成されることが経験的に分かる。また、前記共振周波数は、ほとんどのバイオ用途の微細流体混合器の場合に、７ないし１５Ｈｚの範囲で形成され、さらに用途を制限すれば、９ないし１３Ｈｚの範囲で形成されることが分かる。したがって、本発明の技術的思想を適用する度に、共振周波数を測定する必要はほとんどない。
【００５５】
一方、パターン周期または共振周波数は、前記のように高速撮影を通じてのみ分かるのではなく、多様な他の方法で測定することもある。
【００５６】
前記交流電源は、単独でかけることもあるが、直流電源と共にかけることが望ましい。このようにする場合、直流電源による電気浸透現象で流体が移動しつつ、共にかける交流の影響で、流体が混合されて移送できるという長所がある。
【００５７】
共振周波数の交流電源をかけるだけでなく、共振周波数より低い周波数の交流電源をかけることも、本発明の内容に属する。
【００５８】
共振周波数より低い周波数の交流電源をかける場合、パターン周期が交流電源の周波数に同期化されることを観察できる。したがって、交流電源の周波数を調節することによって、パターン周期を容易に調節でき、この時の混合パターンは、経時的に、図５と同じ形状を表す。図５の場合は、かけた交流電源の周波数が特に０．１Ｈｚの場合であるが、同じ混合パターンを表す時間の間隔が約１０秒であって、交流電源の周波数とパターン周期が同期化されていることを確認できる。
【００５９】
図５で、フローチャンネルのエッジを観察すれば、混合がほとんどなされない時もあり、混合がとてもよくなされる時もある。すなわち、フローチャンネルのエッジでの混合の程度が経時的に変化する。言い換えれば、交流電源の周波数を調節することによって、フローチャンネルのエッジでの経時的な混合の程度を調節できる。
【００６０】
フローチャンネルのエッジでフローチャンネル中心部の流体のみを取れば、特定の時間を周期で濃度が変化するサンプルが得られる。このように採取されたサンプルは、多様な濃度での速度論実験に有用に活用される。また、ＤＮＡ混成化、酵素分析など、バイオまたは一般化学反応において、反応物の濃度を変化させつつ、反応定数を求めるなどの応用分野にも有用に活用される。
【００６１】
このように特定の時間を周期に濃度が変化するサンプルは、Ｔ字型フローチャンネルでも得られるが、本発明で提示したように、第１流体の両側に第２流体を流入させたフローチャンネルを使用した場合にさらに良く得られる。それは、Ｔ字型フローチャンネルでは、濃度の変化幅が、本発明で提示したような第１流体の両側に第２流体を流入させたフローチャンネルを使用した場合より小さいためである。したがって、第１流体の両側に第２流体を流入させたフローチャンネルがＴ字型フローチャンネルと比較した時に有する長所は、二つの界面で混合が起こる以外に、前記のような用途展開がさらに容易であるという点にもある。
【００６２】
以下、具体的な実施形態で本発明の構成及び効果をさらに詳細に説明するが、この実施形態は、単に本発明をさらに明確に理解させるためのものに過ぎず、本発明の範囲を限定しようとするものではない。
【実施例】
【００６３】
図６Ａ及び図６Ｂに、本実施例に使われた装置の概念図を示した。
【００６４】
混合液体及び表面化素材
混合される液体としては、それぞれ１ｍＭ、１０ｍＭの濃度を有するＮａＣｌ水溶液を使用した。混合を可視化するための染料として蛍光染料を使用したが、シグマ（Ｓｉｇｍａ）社製のＦｌｕｏｒｅｓｃｅｉｎ  Ｆ７５０５を使用した。前記蛍光染料は、１０ｍＭの濃度のＮａＣｌ水溶液に５μＭの濃度になるように混合して使用した。
【００６５】
フローチャンネルが内在されるチップの製造
流体が流入されるフローチャンネルの長さを１ｃｍ、排出されるフローチャンネルの長さを２ｃｍにする十字型を有するフローチャンネルをガラスチップ上に製造した。前記フローチャンネルにおいて、断面は、長方形であるが、幅は６０μｍ、深さは５０μｍにした。
【００６６】
実験装置の構成
各フローチャンネル１１，１２，１３，１５には、流体を保存できる保存庫３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄを、図６Ｂに示したように、流入管１１，１２，１３の上流部と排出管１５の下流部とにそれぞれ付設した。保存庫３０ｂには、１０ｍＭの濃度のＮａＣｌ溶液と蛍光染料とが混合された溶液を充填し、保存庫３０ａ及び３０ｃには、１ｍＭの濃度のＮａＣｌ溶液を充填した。
【００６７】
電極４０ａと電極４０ｄとの間及び電極４０ｃと電極４０ｄとの間には、直流電源のみをかけ、電極４０ｂと電極４０ｄとの間には、直流電源と交流電源とを共にかけた。このとき、供給される電源を生成するために、高電圧増幅器（Ｂｅｒｔａｎ  ＡＲＢ−３０）とＤＣ電源（Ｈｅｗｌｅｔｔ−Ｐａｃｋａｒｄ  ３６３０Ａ）、関数発生器（Ｈｅｗｌｅｔｔ−Ｐａｃｋａｒｄ  ３３１２０Ａ）が利用された。これらは、特定周波数を有する電場を形成するが、本実施例では、６５０Ｖの直流電源及び０．１ないし５０Ｈｚの範囲の周波数を有する５０Ｖの交流電源を使用した。
【００６８】
流体混合の表面化
逆転蛍光顕微鏡（Ｎｉｋｏｎ  ＴＥ３００）と１００Ｗの水銀ランプとを利用して、流体の蛍光イメージを観察した。イメージは、１３μｍの正方形ピクセルを有する１２ビットのＣＣＤカメラ（Ｑｕａｎｔｉｘ  ５７、Ｐｈｏｔｏｍｅｔｒｉｃｓ）を利用してキャップチャーされ、キャップチャーされたイメージは、イメージ分析ソフトウェアを利用して分析された（Ｍｅｔａ  Ｍｏｒｐｈ  ６．１，Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  Ｉｍａｇｅ）。このとき、フレーム速度を上げるために横縦各２ピクセルずつ、４ピクセルを一つの単位として処理した。以上の実験装置を図６Ａ及び図６Ｂに概念的に示した。
【００６９】
パターン周期を測定するために、図７に示したように、直流電源（６５０Ｖ）に対する経時的な混合パターンの遷移過程をイメージ化して、これを図８に示した方法で分析した。周期的な性質を理解するために、図８に示した方法によれば、フローチャンネルの特定地点の界面では、時間によって周期的に凹／凸が現れるが、‘凸’（または‘凹’）から次の‘凸’（または‘凹’）までかかった時間がパターン周期となる。図８でも分かるように、同一位置でＡ部分のような形状が再び現れる時間の間隔がパターン周期となる。前記方法を使って図７を分析すれば、パターン周期が約０．１５１ないし０．１７４秒であることが分かった。前記のパターン周期を利用して、共振周波数を求めれば、約１２Ｈｚであることが分かる。
【００７０】
前記で求めた共振周波数で、実際に最大混合が発生するか否かを検証するために、交流電源の周波数を変化させつつ混合の程度を定量的に検討した。混合の程度を定量化するために、まず、下記数式５のように分散係数ＣＶを定義した。すなわち、
【００７１】
【数５】
2006122903.tif 000007
【００７２】
ここで、ｎは、ピクセルの数、Ｉｉは、各ピクセルの強度であり、Ｉａｖｇは、各ピクセルの強度の平均である。前記数式５でＣＶ値が小さければ、混合が良好であるという意味である。また、前記数式５で定義されたＣＶ値を利用して、下記数式６のように混合向上因子Ｅを定義した。すなわち、
【００７３】
【数６】
2006122903.tif 000008
【００７４】
ここで、ＣＶＴＰは、交流電源の与えられた周波数での経時的なＣＶ値を平均したものであり、ＣＶＳｔａｔｉｃは、直流電源をかけた時のＣＶ値を平均したものである。ＣＶＳｔａｔｉｃは、一定であるので、Ｅが小さいほど混合が良くなることを表す。交流電源の周波数を変化させつつ、Ｅ値を求めれば、図９のように現れることが分かった。図９に現れた結果を解釈してみれば、混合向上因子の最小値は、交流電源の周波数が１２Ｈｚである時に現れることが分かり、これは、前記直流電源のパターン分析から得た結果と一致した。
【００７５】
したがって、共振周波数の交流電源をかけた時、実際に最大混合が起こることが分かった。
【００７６】
以上、本発明の望ましい実施形態を参照して説明したが、当業者は、特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び領域から逸脱しない範囲内で本発明を多様に修正及び変更できるということが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明は、特に、多様な化学分析装置に応用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１Ａ】従来の技術によってＴ字型フローチャンネルに直流電源をかけた時に現れる流体の混合パターンを示す蛍光イメージである。
【図１Ｂ】本発明によって、陥没部が形成されたＴ字型フローチャンネルに直流電源をかけた時に現れる流体の混合パターンを示す蛍光イメージである。
【図２】多様な形態の陥没部を形成したＴ字型フローチャンネルに直流電源をかけた時に現れる流体の混合パターンを示す蛍光イメージである。
【図３】多様な形態の陥没部を形成したＴ字型フローチャンネルに直流電源をかけた時に流体の混合程度を位置によって示すグラフである。
【図４Ａ】従来の技術によるＴ字型フローチャンネルに沿って流体が混合される形状を示す蛍光イメージである。
【図４Ｂ】本発明による十字型フローチャンネルに沿って流体が混合される形状を示す蛍光イメージである。
【図５】共振周波数より低い周波数の交流電源をかけた時、交流電源の周波数に同期化された混合パターンの周期を有する流体の形状を連続撮影した蛍光イメージである。
【図６Ａ】本発明の一実施形態を示す概念図である。
【図６Ｂ】本発明の一実施形態の主要部を示す斜視図である。
【図７】直流電源をかけて現れる混合パターンの経時的な変化から共振周波数を探し出す過程を示す蛍光イメージである。
【図８】図７で、共振周波数を探し出す方法を示す概念図である。
【図９】数式６で定義される混合向上因子Ｅを、かける交流電源の周波数によって示すグラフである。
【符号の説明】
【００７９】
１１，１２，１３    フローチャンネル（流入管）、
１５    フローチャンネル（排出管）、
２０    連結部、
３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ    保存庫、
４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄ    電極。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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