(57)【要約】【課題】  不要な材料を含むことのない粒径分布の小さな粒子を長時間にわたり安定して形成可能な微小粒子の製造方法を提供する。【解決手段】  一定の速度で第１の流路３−１を流れる第１の流体と、一定の速度で第２の流路３−２を流れる第２の流体とを合流させ、その流路合流部３−３近傍に一定の時間間隔で集光したパルスレーザを照射する微小粒子の製造方法。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定の速度で第１の流路を流れる第１の流体と、一定の速度で第２の流路を流れる第２の流体とを合流させ、その流路合流部近傍に一定の時間間隔で集光したパルスレーザを照射することを特徴とする微小粒子の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の微小粒子の製造方法において、パルスレーザの照射方向が第１の流路と第２の流路とを含む平面に対して直交することを特徴とする微小粒子の製造方法。
【請求項３】
請求項２記載の微小粒子の製造方法において、照射するパルスレーザの集光位置がレーザ光進行方向において流体中に存在することを特徴とする微小粒子の製造方法。
【請求項４】
請求項２又は３記載の微小粒子の製造方法において、照射するパルスレーザの集光位置が照射面内において第１の流体内にあることを特徴とする微小粒子の製造方法。
【請求項５】
請求項１記載の微小粒子の製造方法において、パルスレーザの照射方向が第１の流路と第２の流路とを含む平面に対して平行であることを特徴とする微小粒子の製造方法。
【請求項６】
請求項５記載の微小粒子の製造方法において、パルスレーザの集光位置がレーザ光進行方向において第１の流体内にあることを特徴とする微小粒子の製造方法。
【請求項７】
請求項１から６いずれか一項に記載の微小粒子の製造方法において、照射に用いるパルスレーザのパルス幅が１ｎｓ以下であることを特徴とする微小粒子の製造方法。
【請求項８】
請求項１から７いずれか一項に記載の微小粒子の製造方法において、用いる第１の流体の沸点が、第２の流体の沸点より低いことを特徴とする微小粒子の製造方法。
【請求項９】
少なくとも第１の流路と、第１の流路と合流する第２の流路とを備え、さらに流路上部に蓋が設けられた構造の流路デバイスにおいて、流路合流部近傍が光透過部材よりなり、この光透過部材に集光作用のある光学素子が形成されていることを特徴とするマイクロ流路デバイス。
【請求項１０】
請求項９記載のマイクロ流路デバイスにおいて、光学素子が凸レンズであることを特徴とするマイクロ流路デバイス。
【請求項１１】
請求項９記載のマイクロ流路デバイスにおいて、光学素子が回折光学素子であることを特徴とするマイクロ流路デバイス。
【請求項１２】
少なくとも第１の流路と、第１の流路と合流する第２の流路とを備え、さらに流路上部に蓋が設けられた構造の流路デバイスにおいて、流路合流部近傍が光透過部材よりなり、この光透過部材に対向する流路部が、光を反射する部材よりなり集光作用のある光学素子が形成されていることを特徴とするマイクロ流路デバイス。
【請求項１３】
請求項１２記載のマイクロ流路デバイスにおいて、光学素子が凹面鏡であることを特徴とするマイクロ流路デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小なギャップを形成するためのスペーサや高精細な画像を形成するためのトナーなどのように、高度に粒径の揃った微小粒子を製造する微小粒子の製造方法、その製造に用いるマイクロ流路デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
水と油のような本来混ざり合わないような物質同士であっても、一方の物質を微小な粒子として分散させることで、見かけ上混合した状態とすることができこの現象を乳化と呼んでいる。このような乳化状態が保持されるためには分散している粒子の径が比較的均一である必要がある。物質を粒子として分散させる方法としてはミキサーやホモジナイザにより攪拌することにより生じる剪断力により分散させる方法が知られている。
この方法によれば、攪拌のときに生じる剪断力と、得られる粒子の径との間に相関関係があり、攪拌速度に応じた平均粒径の粒子を製造することができる。しかしながら、ある容積を持った容器内を１または複数のミキサー等の攪拌手段で攪拌することで得られる攪拌速度、剪断力は容器内の場所により異なるために、得られる粒径の分布は比較的広いものになってしまうという問題がある。
また、粒径分布が広いと、生成された複数の粒子が時間経過とともに合体しやすく、それを回避するために多量の界面活性剤を添加することが行われている。しかしながら界面活性剤は粒子本来の機能としては不要な場合が多く、界面活性剤を添加した場合には、後工程で多くの水資源を投入して界面活性剤を除去する必要がある。また、粒径分布に関しては攪拌時間を長く取ることである程度の抑制が可能であるが、そのためには長い時間と多くのエネルギーが必要となる。
近年、均一な粒径分布の粒子を作製するためにＴ字型もしくはＹ字型の合流部を持つ微小流路を形成し、その一端から連続相となる水もしくは油を流し、さらにもう一端から粒子を形成したい分散相（連続相が水の場合は油、連続相が油の場合は水）を連続相よりも小さな流量で流し、これらの合流部において連続相の剪断力により分散相を切断し粒子化させるという方法（例えばhttp://www.intellect.pe.u-tokyo.ac.jp/research/emulsion/micro_channel_j.html）が提案されている。関連技術として、例えば特許文献１及び２記載の技術がある。
【０００３】
図９は従来例に係る微小流路を用いた２流体の合流による粒子生成過程の説明図である。Ｙ字型をした３本の流路のうちの二股に分岐した２本の流路３−１、３−２の一方３−１より連続相となる流体を流し、他方の流路３−２より粒子を形成させる流体を分散相として連続相よりも少ない流量で流す。この際に流路内壁は分散相に対して濡れ難く、連続相に対して濡れやすい材料もしくは処理が施されていることが望ましい。すると、流路合流部近傍において壁面には連続相が接した状態で分散相は流路に接触しない状態で合流する。
このような状態では連続相の速い流れにより分散相に剪断力が働き、切断され粒子となって下流側に流れてゆく。このとき連続相、分散相それぞれ一定の速度で流れており剪断力として働く力が一定であることから、それら流速及び粘度により決められた大きさの揃った粒子が分散相より形成される（図９（１））。
【特許文献１】特開平９−２２５２９１号公報
【特許文献２】特開２００３−１２６６８６公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら分散相として連続相よりも粘度の大きなものを用いた場合には、連続相により押される力の影響で壁面に近づき、連続相流路側の壁面にほぼ接して流れるようになる。その結果合流部より下流で切断されるようになり、このとき得られる粒子の径は上記した状態よりも広い分布を持つようになる（図９（２））。
流路壁面の撥液処理が不十分であったり流体中にごみなどが混入していたりすると、粒子生成の初期段階には図９（１）のように良好であっても経時的に図９（２）のようになっていく。そして最終的には図９（３）のようにまったく粒子が生成されなくなってしまうこともある。特に連続層として水相、分散層として連続層よりも粘度の高い油相を用いた場合にこの傾向は顕著である。
本発明は、不要な材料を含むことのない粒径分布の小さな粒子を長時間にわたり安定して形成可能な微小粒子の製造方法及びマイクロ流路デバイス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】
【０００５】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、一定の速度で第１の流路を流れる第１の流体と、一定の速度で第２の流路を流れる第２の流体とを合流させ、その流路合流部近傍に一定の時間間隔で集光したパルスレーザを照射する微小粒子の製造方法を最も主要な特徴とする。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の微小粒子の製造方法において、パルスレーザの照射方向が第１の流路と第２の流路とを含む平面に対して垂直である微小粒子の製造方法を主要な特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項２記載の微小粒子の製造方法において、照射するパルスレーザの集光位置がレーザ光進行方向において流体中に存在する微小粒子の製造方法を主要な特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項２又は３記載の微小粒子の製造方法において、照射するパルスレーザの集光位置が照射面内において第１の流体内にある微小粒子の製造方法を主要な特徴とする。
請求項５記載の発明は、請求項１記載の微小粒子の製造方法において、パルスレーザの照射方向が第１の流路と第２の流路とを含む平面に対して平行である微小粒子の製造方法を主要な特徴とする。
請求項６記載の発明は、請求項５記載の微小粒子の製造方法において、パルスレーザの集光位置がレーザ光進行方向において第１の流体中にある微小粒子の製造方法を主要な特徴とする。
請求項７記載の発明は、請求項１から６いずれか一項に記載の微小粒子の製造方法において、照射に用いるパルスレーザのパルス幅が１ｎｓ以下である微小粒子の製造方法を主要な特徴とする。
【０００６】
請求項８記載の発明は、請求項１から７いずれか一項に記載の微小粒子の製造方法において、用いる第１の流体の沸点が第２の流体の沸点より低い微小粒子の製造方法を主要な特徴とする。
請求項９記載の発明は、少なくとも第１の流路と、第１の流路と合流する第２の流路とを備え、さらに流路上部に蓋が設けられた構造の流路デバイスにおいて、流路合流部近傍が光透過部材よりなり、この光透過部材に集光作用のある光学素子が形成されているマイクロ流路デバイスを最も主要な特徴とする。
請求項１０記載の発明は、請求項９記載のマイクロ流路デバイスにおいて、光学素子が凸レンズであるマイクロ流路デバイスを主要な特徴とする。
請求項１１記載の発明は、請求項９記載のマイクロ流路デバイスにおいて、光学素子が回折光学素子であるマイクロ流路デバイスを主要な特徴とする。
請求項１２記載の発明は、少なくとも第１の流路と、第１の流路と合流する第２の流路とを備え、さらに流路上部に蓋が設けられた構造の流路デバイスにおいて、流路合流部近傍が光透過部材よりなり、この光透過部材に対向する流路部が、光を反射する部材よりなり集光作用のある光学素子が形成されているマイクロ流路デバイスを最も主要な特徴とする。
請求項１３記載の発明は、請求項１２記載のマイクロ流路デバイスにおいて、光学素子が凹面鏡であるマイクロ流路デバイスを主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の微小粒子の製造方法においては、流体の一部が一定の時間間隔で気化し、流体中の流れを分断するために確実に粒子を形成することができる。
また、照射するレーザの集光位置が流体中さらには第１の流体中であるために流路や構成部材、粒子の材料となる第２の流体への熱損傷を与えることなく粒子を製造することができる。
また、パルス幅が非常に短いレーザ光を用いているので、集光された光子密度の高いごく微小領域でのみ熱影響が生じるために、必要部以外の損傷及び熱影響を著しく低減することができる。
また、第１の流体の融点が低いために確実に先に気化するため、第２の流体の粒子を確実に作製することができる。
本発明のマイクロ流路デバイスにおいては、流路合流部近傍の蓋部が光を透過させることができ、かつ集光作用のある光学素子を設けてあるために、この部分に対して流路外より光を照射することにより、合流部近傍の流体中に集光させ光子密度の高い領域を作り出すことができる。
また、流路合流部近傍に、反射により集光作用のある光学素子が形成されておりかつ、この部分に対向する蓋部が光を透過することができる構造であるので、流路デバイス外部より導入した光を流路合流部近傍の流体中に集光させ光子密度の高い領域を作り出すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。
図１は本発明の実施形態に係る微小粒子の製造方法の説明図である。図９と同様にＹ字型流路を持つマイクロ流路デバイスに対して、第１の流路３−１に対しては図示しない送液手段より連続相（第１の流体）を一定流量で流し、第２の流路３−２に対しては分散相となる材料（第２の流体）を連続相より少ない一定の流量で流す（図１（１））。符号３−３は流路合流部を示す。図中の矢印は送液方向を示している。
本発明においては、二股に分岐した第１及び第２の流路３−１、３−２の合流部から一本の第３の流路に合流するようにしたＹ字型流路において、一定の速度で第１の流路３−１を流れる第１の流体（連続相）と、一定の速度で第２の流路３−２を流れる第２の流体（分散相）とを合流させ、その流路合流部近傍に一定の時間間隔で集光したパルスレーザを照射することにより、第２の流体の一部を一定の時間間隔で気化させ、第２の流体中の流れを分断するために確実に所定粒径の粒子を形成することが可能となる。
照射するパルスレーザの集光位置がレーザ光進行方向において第１の流体中に存在するので、流路や構成部材、粒子の材料となる第２の流体への熱損傷を与えることなく粒子化することができる。
本発明では、流路の適所、合流部の近傍に集光素子を配置して流路を構成する材料を透過してきたパルスレーザ光を流体中に集光させるようにしている。このパルスレーザ光の集光手段については後述する。
この状態で集光素子を含む領域に対して短パルスレーザを一定間隔で照射する。レーザ光のうち集光素子に入射した光は集光され流体内に焦点を結ぶ。照射に用いているレーザ光はパルス幅が短いために、ピークパワーとして数メガワットに達し、それをレンズにより微小領域に集光しているために、集光しない状態では透過してしまう光でも複雑な非線形効果により吸収が生じ熱が発生する。この熱により集光された領域の流体は瞬時に加熱気化し気泡を生じる。この気泡により流路内の下流側にある流体は分断される（図１（２））。
【０００９】
照射される光はごく短時間であるために、その後気化した部分は冷却され直ちに液相へ戻る。このとき連続相の流量は多く流路内に占める体積が多いために、前後の液相と一体化し再び連続相を形成する。これに対して分散相は流量が少ないために、孤立した状態で表面張力の影響で球形となりながら下流へ流れて行き粒子が形成される（図１（３））。
このときそれぞれの流体の流量及びパルスレーザの照射間隔が一定であるために生じる気泡により切断される分散相の体積は一定となり、その結果粒径の揃った粒子が得られる。照射するレーザ光としてはそのパルス幅の短いものの方が望ましい。これはパルス幅が短いほど同じ出力であってもピークパワーとして大きくなり、短時間に効率よく加熱ができることを意味する。これを集光することによりさらに領域を選択して加熱することができるようになる。
すなわち、集光されない状態では照射されてもほとんど加熱されず、ある面積以下に集光された部分のみが沸点以上に加熱され気化することができる。この集光場所として連続相の内部に限定することができれば分散相はほとんど温度変化がなく粒子化することができる。これは温度により変質してしまうような材料を粒子化する際に特に効果的である。
また、流路デバイスに熱が加わることを防ぐことができ長期にわたって流路デバイスを使用することを可能とする。また、レーザ光は図７に示すように流路基板面（第１の流路と第２の流路を含む平面）に対して垂直（直交）してもよいし、図８に示すように流路基板面に対して平行に照射することもできる。
なお、照射するパルスレーザの集光位置が照射面内において第１の流体内にあるように構成することにより、流路や構成部材、粒子の材料となる第２の流体への熱損傷を有効に防止できる。
また、照射に用いるパルスレーザとして、パルス幅が非常に短く設定されている（例えば、１ｎｓ以下）ので、集光された光子密度の高いごく微小領域でのみ熱影響が生じるために、必要部以外の損傷及び熱影響を低減できる。
また、用いる第１の流体の沸点が、第２の流体の沸点より低いように設定することにより、第２の液体が確実に気化することとなり、第２の流体の粒子を容易に形成できる。
【００１０】
次に流路へのパルスレーザ光の導入法及びそれを実現する流路デバイスについて説明する。図７は一般的なマイクロ流路デバイスの構成図（その１）、図８は一般的なマイクロ流路デバイスの構成図（その２）である。符号１は蓋、２は流路基板、３は流路、４は集光素子を示す。図７、図８に示すようにレーザ光発生手段と流路３との間に集光素子４を配置し、これによりレーザ光を流路３内へ導入し流体中で集光させる構成とすることができる。
しかしながらこの構成においては集光素子４の焦点距離として比較的長い距離が必要であり、その結果得られるレーザ光の集光スポットが比較的大きくなってしまい、加熱される流体の領域が大きくなってしまう。そこで望ましくは以下に説明するように流路デバイスに集光素子を一体で形成しその焦点距離を短くし集光スポット径を小さくしたものが望ましい。
図２は本発明の第１の実施形態に係るマイクロ流路デバイスの構成図であり、（１）は蓋１の構成を示し、（２）は流路基板２の構成を示す。実際には流路基板２の上に蓋１が接合されており、２ヶ所有る流入口５はそれぞれ図示しない送液手段に接続され、流出口６は図示しない粒子回収手段へと接続されている。
蓋１はガラスや樹脂などの透明材料よりなっており、流路合流部３−３に対向する部分には集光素子４として凸レンズが形成されている。集光素子４としては凸レンズのほかに屈折率分布型レンズ、フレネルレンズ、回折光学素子のいずれを用いることもできる。
即ち、本実施形態は、少なくとも第１の流路３−１と、第１の流路と合流する第２の流路３−２とを備え、さらに流路上部に蓋１が設けられた構造の流路デバイスにおいて、流路合流部近傍が光透過部材よりなり、この光透過部材に集光作用のある光学素子が形成されている点が特徴的である。
このように本発明のマイクロ流路デバイスにおいては、流路合流部近傍の蓋部１が光を透過させることができ、かつ集光作用のある光学素子４を設けてあるために、この部分に対して流路外より光を照射することにより、合流部近傍の流体中に集光させ光子密度の高い領域を作り出すことができる。
【００１１】
図３は本発明の第２の実施形態に係るマイクロ流路デバイスの構成図であり、（１）は蓋を示し、（２）は流路基板を示す。蓋１と流路基板２とよりなっており流入口５、流出口６を備え、実際には両者は接合されている。
蓋１はガラスや樹脂などの透明材料よりなっており、流路基板２は少なくとも流路表面（内面）が光の反射率の高い部材よりなっており、流路基板２側には、流路３の流路合流部３−３近傍の底面に反射型集光素子４として球面状の凹面（反射面）が形成されている。その他の部分は図２と同様である。いずれについても焦点距離として流路深さもしくは幅程度のごく短い距離に設定することができる。
図４は本発明の第３の実施形態に係るマイクロ流路デバイスの構成図である。蓋１の外側面に形成された集光素子４が流路３の中央に配置されている。
図５は本発明の第４の実施形態に係るマイクロ流路デバイスの構成図である。蓋１の外側面に形成された集光素子４が流路３の中央ではなく連続相側に寄って配置されている。
このような配置にすることによりレーザ光が焦点を結ぶ位置が連続相中であり、分散相には集光されたレーザ光が照射されることがないので、温度上昇をほとんど引き起こすことなく気泡を発生させることができる。これにより分散相として熱により変質しやすい材料を用いても影響を及ぼすことなく粒子を形成することができる。
図６は本発明の第５の実施形態に係るマイクロ流路デバイスの構成図である。流路３に球面状の凹面からなる集光素子（凹面状反射面＝凹面鏡）４が形成されている。流路３は光を反射する部材で形成されているために、蓋１を通して流路３に照射された光は流路３で反射される。この際に凹面に照射された光は集光され、流体内でやはり焦点を結ぶこととなり上記と同様に気泡を生じる。その結果同様に粒径の揃った粒子を得ることができる。
このように流路合流部近傍に、反射により集光作用のある光学素子４が形成されておりかつ、この部分に対向する蓋部１が光を透過することができる構造であるので、流路デバイス外部より導入した光を流路合流部近傍の流体中に集光させ光子密度の高い領域を作り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係る微小粒子の製造方法の説明図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るマイクロ流路デバイスの構成図。
【図３】本発明の第２の実施形態に係るマイクロ流路デバイスの構成図。
【図４】本発明の第３の実施形態に係るマイクロ流路デバイスの構成図。
【図５】本発明の第４の実施形態に係るマイクロ流路デバイスの構成図。
【図６】本発明の第５の実施形態に係るマイクロ流路デバイスの構成図。
【図７】一般的なマイクロ流路デバイスの構成図（その１）。
【図８】一般的なマイクロ流路デバイスの構成図（その２）。
【図９】従来例に係る微小流路を用いた２流体の合流による粒子生成過程の説明図。
【符号の説明】
【００１３】
１  蓋、２  流路基板、３  流路、３−１  第１の流路、３−２  第２の流路、３―３  流路合流部、４  集光素子、５  流入口、６  流出口
【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９】
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