(57)【要約】【課題】  流路パターンの複雑化・積層化に頼らない、混合・攪拌が可能な、新規なマイクロミキサーを提供する。【解決手段】  マイクロ流体素子１の基板２に、Ｙ字形の流路３を設ける。この流路３は、例えばガラスまたはシリコン基板の蓋部分に混合する溶液を注入するための、一対の流入口４、４と、混合された溶液を吐出するための流出口５とを有する。  前記基板２内部にはそれぞれの流入口４、４から合流点７に至る微小流路６、６を形成し、注入した溶液を前記合流点７で合流させて、混合流路８で混合させ、この混合溶液を流出口５までもたらすようにする。  前記流路３における合流点７下流近傍の混合流路５の上部には、貫通孔１３を設け、この貫通孔１３には、先端先鋭化加工した攪拌子１４と、この攪拌子１４を任意の周波数で励振させる振動子であるＰＺＴ１１を配置する構成とする。【選択図】              図１
2006205080.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
混合すべき流体を注入する少なくとも二つ以上の流入口と、これら流入口から互いに合流させて前記流体を混合・攪拌し、混合・攪拌した混合液を取り出す流出口へ連通する流路を備えたマイクロ流体素子において、合流後の流路の適所に、流路内の流体中に直接攪拌子を浸漬して、攪拌子を振動させて局所的に流体の混合攪拌を促進する構成としたことを特徴とするマイクロミキサー。
【請求項２】
前記合流後の流路の適所に、流路に連通する貫通孔を設けて、この貫通孔を介して前記攪拌子を流路内に浸漬させるようにし、この攪拌子は先端を先鋭化加工し、この攪拌子を任意の周波数で励振させる振動子とを備えたことを特徴とする請求項１記載のマイクロミキサー。
【請求項３】
前記攪拌子はＡＦＭチップによって構成し、先端側を前記流路内の流体に浸漬するように設置したことを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロミキサー。
【請求項４】
前記攪拌子はファイバープローブによって構成し、先端側を前記流路内の流体に浸漬するように設置したことを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロミキサー。
【請求項５】
前記攪拌子は先端が先鋭化された金属やプラスチックその他の材質によって構成し、先端側を前記流路内の流体に浸漬するように設置したことを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロミキサー。
【請求項６】
前記流体に先端を浸漬した攪拌子に、前記振動子を励振することで、任意の振動周波数・振動振幅を与えて攪拌子先端の振動挙動により生ずる、流体の対流パターンによって、流体の混合・攪拌を促進する構成としたことを特徴とする請求項１ないし５記載のうち、いずれか１記載のマイクロミキサー。
【請求項７】
前記流体に先端を浸漬した攪拌子に、前記振動子を励振することで、振動子の共振周波数で任意の振動振幅を与えて攪拌子先端の振動挙動により生ずる、流体の対流パターンによって、流体の混合・攪拌を促進する構成としたことを特徴とする請求項６記載のマイクロミキサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、μ−ＴＡＳ、Ｌａｂ−ｏｎ−Ａ−ｃｈｉｐ、マイクロリアクターに代表される微細構造をもつマイクロ流体素子を用いて行う、流体の混合・攪拌を可能とした、新規なマイクロミキサーに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
化学物質の合成・分析、ゲノム創薬支援、各種疾病診断チップに応用されるような、微細構造をもつマイクロ流体素子は、界面を利用した反応・分離・精製に有効であり、温度制御が容易であり、しかも、小型・サンプル量が少なく、かつ高速処理が可能であるという、数々の利点を有することが知られている。
このようなマイクロ流体素子の一つの機能として、その微小流路における流体の特性を利用した混合技術があり、様々なマイクロミキサーが提案されている。例えば、
【特許文献１】特開２００４−１１３９６８号公報
【０００３】
また、簡単なマイクロミキサーの一例としては、例えば図３に示すように、マイクロ流体素子１の基板２に、Ｙ字形、Ｔ字形の流路３を設けたものがある。
すなわちこのマイクロ流体素子１の流路３には、ガラスまたはシリコン基板の蓋部分に混合する溶液を注入するために、一対の流入口４、４と、混合された溶液を排出するための流出口５を設けている。
また前記基板２内部にはそれぞれの流入口４、４から微小流路６、６が引き出され、合流点７で合流した後、混合流路８で混合され、流出口５まで導かれる構成となっている。
【０００４】
しかしながら、このようなマイクロ流体素子１では、微小流路６のサイズが数100μm以下になると、微小流路６内の流体は粘性の影響が大きくなり層流が支配的となるため、少なくとも二種類の溶液を混合する場合、上述のようなＹ字型の流路３を作製しても二液の接する界面における拡散でしか混合されず、混合効率が悪い。
【０００５】
一方、このような混合効率を改善するべく、二液の界面の面積を大きくするために、複数の流入口のそれぞれを細分化し、合流構造を複雑化、積層化させることで、溶液を混合する手法や、流路壁に衝突させることで発生する擬似乱流を利用する手法がある。上述の方法では、マイクロ流路の設計に際し、混合する溶液の粘性や溶液に含まれる粒子の拡散係数に応じて流路構造を最適化する必要がある。
【０００６】
さらに、図４に示すような超音波型マイクロミキサー９がある。
【非特許文献１】ZhenYang,et al.Sensors and Actuators A 93(2001)266-272  この超音波型マイクロミキサー９では、図３で示した、Ｙ字型の流路３における混合流路８の下面にダイヤフラム１０を形成すると共に、このダイヤフラム１０の下面にＰＺＴ等の圧電素子１１を密着する構成としている。この圧電素子１１にパルス電圧を印加して振動を発生させ、振動をダイヤフラム１０を介して前記混合流路８内の溶液に伝導することにより、サンプル液と試薬液との混合を促進するとしている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述の手法では、粒子の拡散に頼った混合手法であるため、効率的な混合ができず、また局所的な混合が難しくチップの他の部分への影響があるため、μ−ＴＡＳ、Ｌａｂ−ｏｎ−Ａ−ｃｈｉｐなどのように機能の複合化（混合＋分析）が難しくなる。
本発明は、以上のような課題を克服するために提案されたものであって、流路パターンの複雑化・積層化に頼らない、混合・攪拌が可能な、新規なマイクロミキサーを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記した課題を解決するために、本発明では、請求項１において、混合すべき流体を注入する少なくとも二つ以上の流入口と、これら流入口から互いに合流させて前記流体を混合・攪拌し、混合・攪拌した混合液を取り出す流出口へ連通する流路を備えたマイクロ流体素子において、合流後の流路の適所に、流路内の流体中に直接攪拌子を浸漬して、攪拌子を振動させて局所的に流体の混合攪拌を促進する構成としたマイクロミキサーを提案する。
また本発明では、請求項２において、前記合流後の流路の適所に、流路に連通する貫通孔を設けて、この貫通孔を介して前記攪拌子を流路内に浸漬させるようにし、この攪拌子は先端を先鋭化加工し、この攪拌子を任意の周波数で励振させる振動子とを備えたマイクロミキサーを提案する。
また本発明では、請求項３において、前記攪拌子は数100nm以下の先鋭化先端を有するシリコン、窒化シリコン製のＡＦＭチップによって構成し、先端側を前記流路内の流体に浸漬するように設置したマイクロミキサーを提案する。
また本発明では、請求項４において、前記攪拌子は数100nm以下の先鋭化先端を有する石英、プラスチック製のファイバープローブによって構成し、先端側を前記流路内の流体に浸漬するように設置したマイクロミキサーを提案する。
また本発明では、請求項５において、前記攪拌子は先端が先鋭化された金属やプラスチックその他の材質によって構成し、先端側を前記流路内の流体に浸漬するように設置したマイクロミキサーを提案する。
また本発明では、請求項６において、前記流体に先端を浸漬した攪拌子に、前記振動子を励振することで、任意の振動周波数・振動振幅を与えて振動子先端の振動挙動により生ずる、流体の対流パターンによって、流体の混合・攪拌を促進する構成としたマイクロミキサーを提案する。
さらに本発明では、請求項７において、前記流体に先端を浸漬した攪拌子に、前記振動子を励振することで、振動子の共振周波数で任意の振動振幅を与えて振動子先端の振動挙動により生ずる、流体の対流パターンによって、流体の混合・攪拌を促進する構成としたマイクロミキサーを提案する。
【発明の効果】
【０００９】
流路パターンの複雑化・積層化に頼らない新しい溶液混合・攪拌技術が確立されるため、微細構造を持つマイクロ流体素子の単純化・小型化を図ることができる。
また超音波振動を利用したマイクロミキサーとは異なり、直接溶液中に攪拌子を浸漬して、攪拌子を振動子で振動させて攪拌するため、極めて局所的な領域における攪拌が可能となる。
また、攪拌子の共振周波数における共振を利用するため、攪拌子を励振させる振動子の振動振幅が数nm程度でも攪拌子先端では振動振幅が増幅され、振動子自体の超音波振動の伝播や攪拌子と流体界面の振動の影響は無視することができる。
また、攪拌子の先端が先鋭化されているため、攪拌中心となる先端部における流体抵抗が小さくなり、効率良く攪拌することが可能となる。
さらに、本発明にかかるマイクロミキサーを実装するために、特別な流路を形成する必要はなく、流路上部の蓋部分に微小な貫通孔が存在すれば、混合・攪拌が可能となる。
【００１０】
請求項１によれば、直接、流体中に振動子を浸漬して攪拌するため、局所的な領域における攪拌が可能となる。
【００１１】
請求項２によれば、攪拌子を振動子により攪拌子の一次或いは高次の共振周波数で振動させることで攪拌子先端が特有な振動を発生させ、これに対応して攪拌子先端の周辺で溶液が特有の対流パターンを形成し、これによって混合・攪拌が促進される。
【００１２】
請求項３、４、５によれば、ＡＦＭチップ、ファイバープローブ、先端先鋭化された金属やプラスチックその他の材質で構成した攪拌子を流路内の流体に浸漬して、振動を与え、流体の混合・攪拌が促進される。
【００１３】
請求項６、７によれば、流体に浸漬された先端が先鋭化された攪拌子は振動子によって、任意の振動周波数・振動振幅を与えることによって生じる振動子先端の振動挙動を利用した流体の対流パターンを得ることができる。
このため、粘性の異なる混合溶液ごとにマイクロ流体素子の流路設計を行うことなく、攪拌子の先端形状または圧電素子の周波数・振幅を最適化させるだけで効率よく混合・攪拌される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明にかかるマイクロミキサーについて、一つの実施の形態を挙げ、添付の図面に基づいて説明する。
【実施例】
【００１５】
図１に、本発明にかかるマイクロミキサー１２を模式的に示す。なお、ここでは、従来技術で示した、マイクロミキサーで実質的に同様の構成要素には、同符号を付して説明する。
この場合、このマイクロミキサー１２は、マイクロ流体素子１の基板２に、Ｙ字形の流路３を設けており、この流路３は、例えばガラスまたはシリコン基板の蓋部分に混合する溶液を注入するための、一対の流入口４、４と、混合された溶液を吐出するための流出口５とを有している。
また前記基板２内部にはそれぞれの流入口４、４から合流点７に至る微小流路６、６を形成しており、注入した溶液を前記合流点７で合流させて、混合流路８で混合させ、この混合溶液を流出口５までもたらすようにしている。
そして、このような流路３における合流点７下流近傍の混合流路５の上部には、貫通孔１３を設けており、この貫通孔１３には、先端先鋭化加工した攪拌子１４と、この攪拌子１４を任意の周波数で励振させる振動子であるＰＺＴ１１を配置する構成としている。
【００１６】
すなわち上記構成のマイクロミキサー１２は、動作原理を説明すると、簡単のために、図２に示すように、微小流路６内の流体を微小液滴１５として表せば、この微小液滴１５に攪拌子１４先端を浸漬させ、攪拌子１４にＰＺＴ１１で振動を与えたときに攪拌子１４先端近傍の流体が特有な対流パターンや擬似乱流を発生することで、混合・攪拌を促進させることができることに基づいている。
【００１７】
そこで、実際に図２に示すように、マイクロミキサー１２の混合・攪拌の作用を検証してみる。
先ず、流体挙動を追跡するために、微小液滴１５にトレーサーとして３μｍの蛍光粒子を懸濁させ、攪拌子１４として光ファイバーを先鋭化させて作製したファイバープローブの先端１６を、微小液滴１５中に浸漬させる。
次に、前記ファイバープローブをＰＺＴ１１により振動させてファイバープローブ先端１６を振動させる。このときのファイバープローブ先端１６近傍での微小液滴１５中の流体の挙動を蛍光顕微鏡１７により観察する。
なお、前記攪拌子１４は先端先鋭化加工したものであるが、この攪拌子１４先端の形状と、振動子であるＰＺＴ１１による振動周波数と、振動振幅に応じて液中の流体挙動に影響を及ぼすことがわかっている。
【００１８】
攪拌子１４先端の形状が、微細な径のまま、加工しない状態（エッチングなし）と、先端のテーパー角が例えば６０°、３０°の場合を取り上げ、所定の振動周波数を与えたところ、通常、ＰＺＴ１１の振幅が微小であるため、ファイバープローブ先端１６の振幅も微小となり、流体挙動としての変化は現れず、超音波振動を液滴中の流体に与えるのみであるが、振動周波数が２０〜３０ｋＨｚにおいて急峻な共振点が得られた。
【００１９】
次に、前記ＰＺＴ１１によりファイバープローブの共振周波数で振動させ、ファイバープローブ先端１６の振動を増幅させると、ファイバープローブ先端１６の流体挙動に変化が現れた。
【００２０】
さらに、ファイバープローブの共振周波数で、ＰＺＴ１１に対する印加電圧を変えて振動振幅を変えると、攪拌子１４先端を中心に、それぞれの振幅に応じて自由渦（左右回転）、複数の渦が得られることがわかった。
この場合、印加電圧が比較的小さい場合には、ファイバープローブ先端１６を中心とした自由渦が現れ、特有の対流パターンを示す。
前記ＰＺＴ１１に印加する電圧を大きくすると、対流パターンに変化が現れ始め、単一だった渦が２つまたは４つに増加し、ファイバープローブ先端１６を中心とした対称的な擬似乱流が発生し、これによって微小液滴内流体の効率的な攪拌が可能となることがわかる。
【００２１】
以上のことから、同一のファイバープローブ、同一のＰＺＴ、同一の動作条件（振動周波数、振動振幅）を満たすことで、
（１）プローブ（攪拌子１４）先端を中心に対称的な対流パターンが得られる。
（２）共振周波数で流体挙動が変化する。
（３）印加電圧を変えることで、自由渦（左右回転）、複数の渦が得られる。
（４）先端曲率を小さくすることで流速が高速化する。
（５）流体挙動に再現性（任意の電圧・周波数）がある。
（６）周波数依存性がある。
ということが知見された。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明にかかるマイクロミキサーの構成を説明するための、模式的説明図である。
【図２】図１に示すマイクロミキサーの、流体の混合・攪拌作用を説明するために供せられる模式図である。
【図３】従来のマイクロミキサーの一例を示した、模式的説明図である。
【図４】従来のマイクロミキサーの別例を示した、模式的断面図である。
【符号の説明】
【００２３】
１                  マイクロ流体素子
２                  基板
３                  流路
４                  流入口
５                  流出口
６                  微小流路
７                  合流点
８                  混合流路
９                  超音波型マイクロミキサー
１０                ダイヤフラム
１１                ＰＺＴ
１２                マイクロミキサー
１３                貫通孔
１４                攪拌子
１５                微小液滴
１６                先端
１７                蛍光顕微鏡
【図１】
2006205080.tif 000003
【図２】
2006205080.tif 000004
【図３】
2006205080.tif 000005
【図４】
2006205080.tif 000006