(57)【要約】【課題】液体の流速とその流速の時間変化を簡便に測定する。【解決手段】本発明に係る流速測定方法は、マイクロ流路に第１液を導入する第１ステップ（Ｓ１）と、マイクロ流路に溶質を含む第２液を導入し、層流で送流させる第２ステップ（Ｓ２）と、マイクロ流路に導入された第１液と第２液とを含む液体の屈折率を時系列的に測定する第３ステップ（Ｓ３）と、上記屈折率の時系列データから、液体中の溶質の濃度が第１液と第２液とが接触する前の第２液中の溶質の濃度の半分となる濃度境界の位置の時間変化を示す濃度境界データを生成する第４ステップ（Ｓ４）と、濃度境界データを第２液の拡散係数とマイクロ流路の厚さ方向の長さに基づいて換算した換算データを生成する第５ステップ（Ｓ５）と、換算データに基づいて、マイクロ流路内の第１液および第２液を含む液体の流速を算出する第６ステップ（Ｓ６）とを含むことを特徴とする。【選択図】図１４
2018009794.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ流路に第１液を注入する第１ステップと、
前記第１ステップの後に、前記マイクロ流路に溶質を含む第２液を注入し、層流で送流させる第２ステップと、
前記マイクロ流路に光を照射することにより、前記マイクロ流路に注入された前記第１液と前記第２液とを含む液体の屈折率の空間的な分布を時系列的に測定する第３ステップと、
前記第３ステップで測定された前記屈折率の時系列データから、前記液体中の前記溶質の濃度が前記第１液と前記第２液とが接触する前の前記第２液中の前記溶質の濃度の半分となる濃度境界の時間変化を示す濃度境界データを生成する第４ステップと、
前記濃度境界と、前記濃度境界の変化時間と、前記溶質の拡散係数と、前記マイクロ流路の光が照射される面と垂直な方向の厚さと、前記液体の流速との関係を示す関係式を算出する第５ステップと、
前記第５ステップで算出した関係式と前記第４ステップで生成した前記濃度境界データとに基づいて、前記マイクロ流路内の前記液体の流速を算出する第６ステップと、を含む
流速測定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の流速測定方法において、
前記第５ステップは、時間に対して前記拡散係数を乗算するとともに前記厚さ方向の長さを２乗した値によって除算した換算時間と、前記濃度境界の位置に対して、前記拡散係数を乗算するとともに前記厚さ方向の長さを２乗した値と前記流速とによって除算した換算位置との関係を示す関係式を算出するステップを含み、
前記第６ステップは、前記第５ステップで算出した前記換算時間と前記換算位置との関係を示す関係式と前記濃度データとに基づいて前記流速を算出するステップを含む
ことを特徴とする流速測定方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の流速測定方法において、
前記第６ステップで算出した前記流速に基づいて、前記第２液の粘度を算出する第７ステップを更に含む
ことを特徴とする流速測定方法。
【請求項４】
マイクロ流路チップに形成されたマイクロ流路に流体を注入するための注入器と、
前記マイクロ流路内の圧力を制御するための圧力制御ポンプと、
載置された前記マイクロ流路チップの前記マイクロ流路に光を照射したときの表面プラズモン共鳴角度を測定することにより、前記マイクロ流路に注入された流体の速度を測定する測定装置と、を有し、
前記測定装置は、
前記マイクロ流路に注入された第１液と溶質を含む第２液とを含む液体の屈折率の空間的な分布を時系列的に測定する測定部と、
前記測定部で測定された前記屈折率の時系列データから、前記液体中の前記溶質の濃度が前記第１液と前記第２液とが接触する前の前記第２液中の前記溶質の濃度の半分となる濃度境界の時間変化を示す濃度境界データを生成する濃度境界データ生成部と、
前記濃度境界と、前記濃度境界の変化時間と、前記溶質の拡散係数と、前記マイクロ流路の光が照射される面と垂直な方向の厚さと、前記液体の流速との関係を示す関係式を算出する関係式算出部と、
前記関係式算出部で算出した関係式と前記濃度境界データとに基づいて、前記マイクロ流路内の前記液体の流速を算出する流速算出部と、を含む
ことを特徴とする流速測定システム。
【請求項５】
請求項４に記載の流速測定システムにおいて、
前記関係式算出部は、時間に対して前記拡散係数を乗算するとともに前記厚さ方向の長さを２乗した値によって除算した換算時間と、前記濃度境界の位置に対して、前記拡散係数を乗算するとともに前記厚さ方向の長さを２乗した値と前記流速とによって除算した換算位置との関係を示す関係式を算出し、
前記流速算出部は、前記換算データ生成部で算出した前記換算時間と前記換算位置との関係を示す関係式と前記濃度境界データから前記流速を算出する
ことを特徴とする流速測定システム。
【請求項６】
請求項４または５に記載の流速測定システムにおいて、
前記流速算出部で算出した前記流速に基づいて、前記第２液の粘度を算出する粘度算出部を更に有する
ことを特徴とする流速測定システム。
【請求項７】
請求項４乃至６の何れか一項に記載の流速測定システムにおいて、
前記測定装置は、
前記マイクロ流路が形成されたマイクロ流路チップを載置するためのステージを更に有し、
前記ステージは、載置された前記マイクロ流路チップに照射する光を透過する観測領域と、前記観察領域の外側に前記観察領域と同一平面上に形成された非観測領域とを含み、
前記非観察領域は、前記マイクロ流路の一部を前記観測領域上に配置したときに、前記マイクロ流路の残りの部分を載置可能な面積を有している
ことを特徴とする流速測定システム。
【請求項８】
請求項４乃至７の何れか一項に記載の流速測定システムにおいて、
前記注入器は、前記流体を前記流路に注入する注入動作に同期した同期信号を出力し、  前記圧力制御ポンプは、前記同期信号に基づいて圧力を制御する
ことを特徴とする流速測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流速測定方法および流速測定システムに関し、特に、液体の流速とその時間経過を測定する流速測定方法および流速測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、化学分析、有機合成、工業的化合物生産、および生化学実験操作等では、液体の流速を測定することが基本的且つ重要である。例えば、有機合成や工業的化合物生産においては、液体の流速により合成速度が決定される。また、生化学実験操作では、例えば、分離工程および合成工程におけるキャピラリーやマイクロ流路を用いる実験およびカラムを用いる操作で、反応効率、反応量、および分子分離能を最適化するのに液体の流速が必要となる。
【０００３】
ここで、液体の流速について説明する。
一般に、濃度が異なる溶質が流路に導入された場合、流体の流れに乗って、溶質の濃度が変化し下流に伝搬する。これは移流と呼ばれる。また、拡散によって溶質の濃度が伝搬するので、流路の中で溶液中の溶質分子の濃度は、移流と拡散によって変化する。
【０００４】
断面が長方形である流路において、流路の幅方向をＸ軸方向とし、流体が流れる方向（流路の延在方向）をＹ軸方向とし、流路の高さ（厚さ）方向（Ｘ軸およびＹ軸に垂直な方向）をＺ軸方向としたとき、Ｙ軸方向に流れる溶質分子種ｉの濃度Ｃｉの時間変化（溶質の伝搬速度）は、層流の場合、式（１）で表される（非特許文献１参照）。式（１）において、Ｖは液体の流速（線流速分布）であり、Ｄは溶質の拡散係数である。
【０００５】
【数１】
2018009794.tif 000003
【０００６】
式（１）から理解されるように、液体の流速Ｖと濃度の伝搬速度は異なる。
また、液体が水溶液の場合、流路を層流で流れている液体の流速は、液体の粘度η、流路の形状因子ｆ、液体に加わる圧力ｐから求められ、流路内での流速分布は、流路の中心で最大となり、流路壁面でゼロとなる。流路内での液体の流速の最大値（以下、「最大流速ν００」と表記する。）は、式（２）で表される。
【０００７】
【数２】
2018009794.tif 000004
【０００８】
式（２）において、流路の形状で決まる形状因子“ｆ”とポンプなどの外部装置の設定値によって決まる圧力“ｐ”を定数とすると、最大流速ν００と液体の粘度ηは、逆比例の関係にある。
この関係は、断面積が等しい流路でも成立し、例えば流路が円管流路の場合、当該流路の断面（Ｘ−Ｚ平面上の円）の半径をｒ、当該流路の長さ（Ｙ軸方向の長さ）をＬとしたとき、形状因子ｆは式（３）で表される。
【０００９】
【数３】
2018009794.tif 000005
【００１０】
したがって、円管流路の流速分布は、当該流路の中心を最大とする２次曲線状となり、円管流路の平均流速は中心流速の１／２となる。
【００１１】
一方、断面が扁平な長方形状の流路の場合、流路の長さ（Ｙ軸方向の長さ）をＬ、流路の厚さ（Ｚ軸方向の長さ）をｈ、流路の幅（Ｘ軸方向の長さ）をｗ（＞＞ｈ）としたとき、形状因子ｆは式（４）で表され、厚さｈに比して長い幅ｗの影響はない。
【００１２】
【数４】
2018009794.tif 000006
【００１３】
また、断面が扁平な長方形状の流路の流速分布は、当該流路の中心を最大とする２次曲線状となり、当該流路の平均流速は中心流速の２／３となる。
【００１４】
溶液の流速を考える場合、上述した液体としての流速と、液体に溶解した分子の濃度の移動速度としての溶質の流速とに分けることができる。ここで、液体の流速は、上記式（１）における“Ｖ”であり、層流の場合には、上述した円管流路や断面視長方形状の扁平な流路の壁面での流速Ｖは“０”となる。一方、溶質の流速は、上記式（１）において、濃度ｃｉがその最高濃度の１／２となる位置の移動速度として考えることができる。ここで、濃度Ｃｉは拡散によって移動するので、上述した円管流路や断面視長方形状の扁平な流路の場合も、その値は壁面において“０”にならない。
【００１５】
ところで、マイクロ流路中の流速の測定方法としては、コリオリ力の測定、熱拡散測定、およびＰＩＶによる測定方法が一般的に知られている。
【００１６】
例えば、コリオリ力を利用する測定方法では、屈曲した流路や狭窄部を挿入することが必要であるとともに、マイクロ流路中で振動する構造が必要となる。熱拡散測定では管路を流れる試料を加熱する必要がある。また、最も一般的なＰＩＶによる測定方法では、色素、蛍光分子、またはこれらを含む粒子を非測定液体に混合するとともに、混合した位置を顕微鏡で観測し、画像処理によって流速を推定する。そのため、流れを可視化するための混合物が必要となり、混合物を導入できない場合や、混合物が流路内の流れを阻害する場合や、混合物が流体サンプルと化学反応する場合には、当該測定方法を適用することはできない。
【００１７】
マイクロ流路中の液体の流速をその液体に影響を与えることなく測定するためには、流路の外部からその壁面を通して情報を得る必要がある。上述したように、流路内では液体の流速が０から最大値まで壁面からの距離に応じて変化しているので、特定の壁面からの距離での流速の情報を得ることが必要である。そのための最も簡単な方法としては、液体にかかる圧力ｐが既知であるとすると、マイクロ流路の壁面に接する液体の溶質の濃度ｃｉの変化を測定し、その値を上記式（１）と式（２）に基づいて“Ｖη”を求める方法である。この方法によれば、粘度が一定の既知の値であれば、直ちに液体の流速を求めることができる。
【００１８】
一方、マイクロ流路中の溶質の流速（移動速度）を測定する方法としては、特許文献１に開示がある。特許文献１に記載された測定方法によれば、マイクロ流路中の屈折率の時間的および空間的な変化を表面プラズモン共鳴法（ＳＰＲ：Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）で測定することにより、非接触で、流路に狭窄や振動を与えることなく、また、液体に粒子などの特別なマーカー分子や物質を混合することなく、溶質の流速を測定することができる。
【００１９】
このＳＰＲによる測定方法によれば、マイクロ流路の壁面のＹ軸方向の位置に対して選択的に溶質の濃度を測定することができるので、マイクロ流路の壁面からの距離が事実上“０”である場所の溶質の濃度の情報を得ることができる。したがって、この測定方法によれば、ＳＰＲで測定された流路内の屈折率の時空間変化データを数値解析することにより、溶質の濃度を算出し、その値から溶質の流速を得ることができる。
【００２０】
また、特許文献１には、マイクロ流路を流れる分子の拡散係数を求める方法も開示されている。この方法でも、ＳＰＲによって流路を流れる溶質の濃度の時間的および空間的な変化を測定し、そのデータを数値処理することよって拡散係数を求めている。その数値処理の中では、液体の流速が既知であることを利用している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】特開２０１５−２１０１１９号公報
【非特許文献】
【００２２】
【非特許文献１】Giddings, J. C., CLASSIFICATION AND COMPARISON OF METHODS. In Unified Separation Science, John Wiley and Sons: 1991; pp 37-85.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
しかしながら、特許文献１に開示された従来の測定方法では、流体中の分子の拡散係数に依存する、溶質の輸送速度としての流速を測定しており、液体の流速を測定してはいない。そのため、液体の粘度の影響を評価することはできない。また、液体の流速が時間的に変化する場合には、その時間に対する流速の変化を正確に測定することはできない。
【００２４】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、液体の流速とその流速の時間変化を簡便に測定することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明に係る流速測定方法は、マイクロ流路に第１液を導入する第１ステップ（Ｓ１）と、第１ステップの後に、マイクロ流路に溶質を含む第２液を導入し、層流で送流させる第２ステップ（Ｓ２）と、マイクロ流路に導入された第１液と第２液とを含む液体の屈折率の空間的な分布を時系列的に測定する第３ステップ（Ｓ３）と、第３ステップで測定された屈折率の時系列データから、液体中の溶質の濃度が第１液と第２液とが接触する前の第２液中の溶質の濃度の半分となる濃度境界の時間変化を示す濃度境界データを生成する第４ステップ（Ｓ４）と、濃度境界と、濃度境界の変化時間と、溶質の拡散係数と、マイクロ流路の光が照射される面と垂直な方向の厚さと、液体の流速との関係を示す関係式（式（５））を算出する第５ステップ（Ｓ５）と、第５ステップで算出した関係式と第４ステップで生成した濃度境界データとに基づいて、マイクロ流路内の第１液および第２液を含む液体の流速を算出する第６ステップ（Ｓ６）と、を含むことを特徴とする。
【００２６】
上記流速測定方法において、第５ステップは、時間に対して拡散係数を乗算するとともに厚さ方向の長さを２乗した値によって除算した換算時間と、濃度境界の位置に対して、拡散係数を乗算するとともに厚さ方向の長さを２乗した値と流速とによって除算した換算位置との関係を示す関係式（式（５））を算出するステップを含み、第６ステップは、第５ステップで算出した換算時間と換算位置との関係を示す関係式と濃度データとに基づいて流速を算出するステップを含んでもよい。
【００２７】
上記流速測定方法において、第６ステップで算出した流速に基づいて、第２液の粘度を算出する第７ステップ（Ｓ７）を更に含んでもよい。
【００２８】
本発明に係る流速測定システム（１００）は、マイクロ流路チップ（１）に形成されたマイクロ流路（１０）に流体を注入するための注入器（３）と、マイクロ流路内の圧力を制御するための圧力制御ポンプ（４）と、載置されたマイクロ流路チップのマイクロ流路に光を照射したときの表面プラズモン共鳴角度を測定することにより、マイクロ流路に注入された流体の速度を測定する測定装置（１）とを有し、測定装置は、マイクロ流路に注入された第１液と溶質を含む第２液とを含む液体の屈折率の空間的な分布を時系列的に測定する測定部（２０）と、測定部で測定された屈折率の時系列データから、液体中の溶質の濃度が第１液と第２液とが接触する前の第２液中の溶質の濃度の半分となる濃度境界（ＳＦ）の位置の時間変化を示す濃度境界データを生成する濃度境界データ生成部（２１）と、濃度境界と、濃度境界の変化時間と、溶質の拡散係数と、マイクロ流路の光が照射される面と垂直な方向の厚さと、液体の流速との関係を示す関係式（式（５））を算出する関係式算出部（２２）と、関係式算出部で算出した関係式と濃度境界データ生成部で生成した濃度境界データとに基づいて、マイクロ流路内の第１液および第２液を含む液体の流速を算出する流速算出部（２３）とを含むことを特徴とする。
【００２９】
上記流速測定システムにおいて、関係式算出部は、時間に対して拡散係数を乗算するとともに厚さ方向の長さを２乗した値によって除算した換算時間と、濃度境界の位置に対して、拡散係数を乗算するとともに厚さ方向の長さを２乗した値と流速とによって除算した換算位置との関係を示す関係式（式（５））を算出し、流速算出部は、関係式算出部によって算出した換算時間と換算位置との関係を示す関係式と濃度境界データ生成部で生成された濃度境界データとに基づいて流速を算出してもよい。
【００３０】
上記流速測定システムにおいて、測定装置は、流速算出部で算出した流速に基づいて、第２液の粘度算出する粘度算出部（２４）を更に有してもよい。
【００３１】
上記流速測定システムにおいて、測定装置は、マイクロ流路が形成されたマイクロ流路チップを載置するためのステージ（２０２）を更に有し、ステージは、載置されたマイクロ流路チップに照射する光を透過する観測領域（２１０）と、観察領域の外側に観察領域と同一平面上に形成された非観測領域（２１１）とを含み、非観察領域は、マイクロ流路の一部を観測領域上に配置したときに、マイクロ流路の残りの部分を載置可能な面積を有していてもよい。
【００３２】
ＳＰＲ測定部分の空間分解能を上げることにより測定精度は高くなるが、測定部分が長くなると、ＳＰＲ測定に必要な光学系も長大になる。長大な光学系にＳＰＲ測定で必要な平行光線を照射するには、強力な光源が必要になり、また大面積の２次元受光デバイスが必要になり、５ｍｍ以上の観測領域を設けるのは、事実上困難である。一方、測定に必要な流路の長さはサンプルの性状と加える圧力によりさまざまに変化する。また、ステップＳ３で測定する濃度境界は流路中のどこにあっても、第２液が通過するので、流路全域を測定する必要はない。そこで非観察領域を設けることにより、光学系の小さな装置を実現することができる。このことは、特に可搬性の装置を実現する場合に有利である。
本法では、流れが層流で、均一であることが必要であるため、直線流路を用いるのが望ましい。そのため、流路を屈曲させないために、非観測領域は、観測領域と同一平面内あることが望ましい。
【００３３】
上記流速測定システムにおいて、注入器は、流体を流路に注入する注入動作に同期した同期信号を出力し、圧力制御ポンプは、同期信号に基づいて圧力を制御してもよい。
【００３４】
この機構は、ステップＳ１に必要な圧力とステップＳ２に必要な圧力が異なる場合に、ステップＳ１とステップＳ２を連続し行うために必要であり、この機構によって、第１液と第２液の粘度の差が大きな場合の測定、第１液と第２液の表面張力が異なる場合の測定を容易にする利点がある。また、第１液をマイクロ流路に挿入するときには測定する必要がなく速やかに挿入すると測定時間を短くすることができるので、高い圧力を用いるのが望ましいが、ステップＳ２の実行前に、第１液を停止する必要があるために、圧力を下げなければならない。圧力を下げるタイミングが遅れると、第１液は、マイクロ流路を流れ去ってしまう。その後、ステップＳ２を実行するには所定の圧力を液体に加えるため、ステップＳ１の実行後、速やかにステップＳ２で必要な圧力に設定する必要があるため、第２液の注入に同期した圧力調整機構があると測定を確実に成功させることができる。
【００３５】
なお、上記説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の構成要素を、括弧を付した参照符号によって表している。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、液体の流速とその流速の時間変化を、簡便に測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施の形態に係る流速測定システムの構成を示す図である。
【図２】マイクロ流路チップ１の構成を示す図である。
【図３】測定装置２の外観を模式的に示す平面図である。
【図４】測定装置２の外観を模式的に示す側面図である。
【図５】測定装置２におけるステージの構成を模式的に示す側面図である。
【図６】ステージにおける非観測領域とマイクロ流路チップのとの位置関係を説明するための図である。
【図７】測定装置２の内部構成を示す図である。
【図８】溶質の拡散係数Ｄが１ｅ−１０ｍ2／ｓである第２液と第１液とを含む液体が圧力流でマイクロ流路１０中を流れているときの溶質の濃度の変化を示す図である。
【図９】溶質の拡散係数Ｄが１ｅ−９ｍ2／ｓである第２液と第１液とを含む液体が圧力流でマイクロ流路１０中を流れているときの溶質の濃度の変化を示す図である。
【図１０】溶質の拡散係数Ｄが１ｅ−１０ｍ2／ｓである第２液と第１液とを含む液体のマイクロ流路底面における濃度変化を示す図である。
【図１１】溶質の拡散係数Ｄが１ｅ−９ｍ2／ｓである第２液と第１液とを含む液体のマイクロ流路底面における濃度変化を示す図である。
【図１２】濃度境界ＳＦの時間変化を示す図である。
【図１３】換算時間ＳＦｔ＿ｘと換算位置ＳＦｙ＿ｘとの関係を示す図である。
【図１４】本発明の一実施の形態に係る流速測定方法の流れを示すフロー図である。
【図１５】ステップＳ３で取得した夫々の送液圧力での液体の濃度境界ＳＦｙの時間変化を示す図である。
【図１６】図１５に示した濃度境界データから換算した、液体の流速ν００の時間変化を示す図である。
【図１７】同期信号に基づく圧力制御の概要を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００３９】
≪流速測定システムの構成≫
図１は、本発明の一実施の形態に係る流速測定システムの構成を示す図である。
同図示される流速測定システム１００は、マイクロ流路チップ１、測定装置２、液体分注装置３、気液分離装置４、および圧力制御ポンプ５を有する。
【００４０】
マイクロ流路チップ１は、図２に示されるように、マイクロ流路１０の主流路１３の一端に液体導入穴１１が形成されるとともに主流路１３の他端に液体排出穴１２が形成された構成を有している。主流路１３の流路形状は、例えばＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）を使った鋳型法で作成されている。このマイクロ流路チップ１は、例えば、ガラス（ＢＫ７）の基板とマイクロ流路１０とを接着して構成されている。例えば、マイクロ流路１０の延在方向の長さ（Ｙ軸方向の長さ）は、約２０ｍｍである。
【００４１】
液体分注装置３は、ＦＥＰ（フッ素樹脂）チューブ６によりマイクロ流路チップ１の大気解放された液体導入穴１１と接続され、液体導入穴１１に対して液体を所定のタイミングで供給する注入装置である。液体分注装置３は、液体の注入動作に同期した同期信号８を生成する。具体的には、液体分注装置３は、液体をマイクロ流路１０に注入したとき、同期信号８を出力する。
【００４２】
気液分離装置４は、気体と液体とを分離する装置であり、ＦＥＰチューブ６によりマイクロ流路チップ１の液体排出穴１２と気密状態のまま接続されている。
【００４３】
圧力制御ポンプ５は、気液分離装置４とＦＥＰチューブ６により接続され、マイクロ流路１０内の圧力を制御することにより、マイクロ流路内に流体を導入する液送制御装置である。また、圧力制御ポンプ５は、液体分注装置３によって生成された同期信号８に基づいて液体の送液圧力を動的に制御することができる構造を有している。
【００４４】
測定装置２は、マイクロ流路チップ１の主流路１３の中心線に沿った壁面近傍位置の屈折率を測定するものである。測定装置２としては、例えば、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）型または、臨界角あるいはブリュースター角測定型の装置を用いることができる。なお、ＳＰＲ型の場合には、マイクロ流路チップ１の測定装置２側の壁面に金属膜（例えばＡｕ膜）が必要となる。なお、本実施の形態では、測定装置２がＳＰＲ型の装置である場合を一例として説明する。
【００４５】
図３は、測定装置２の外観を模式的に示す平面図であり、図４は、測定装置２の外観を模式的に示す側面図である。
図３，４に示すように、測定装置２は、表面プラズモン共鳴測定によってマイクロ流路に注入された液体の屈折率を測定するための機能部および各種データ処理を実行する機能部（後述する）を内部に収容した筐体２０１と、筐体２０１上に配置され、マイクロ流路チップ１を載置するためのステージ２０２とを備えている。
【００４６】
ステージ２０２は、図５に示すように、マイクロ流路チップ１を載置する面２０２Ａに窪み２０２Ｂが形成された上板２０３と、上板２０３の窪み２０２Ｂに配置されたガラス板２０４とから構成されている。ここで、上板２０３とガラス板２０４は、ガラス板２０４を上板２０３の窪み２０２Ｂに配置したときに上板２０３とガラス板２０４との間で段差が生じないように、同一平面となるように形成されている。ステージ２０２のマイクロ流路チップ１を載置する面２０２Ａと反対側の面には、プリズム２０５が設けられている。
【００４７】
窪み２０２Ｂと２０５の長軸とは平行であることが望ましい。このことによって、マイクロ流路チップ１内の観測領域と光学的観測領域を一致させることが容易になる。
【００４８】
図５に示すように、ステージ２０２は、載置されたマイクロ流路チップ１に照射する光を透過する観測領域２１０と、観察領域の外側に観察領域と同一平面上に形成された非観測領域２１１とに分けることができる。
【００４９】
観測領域２１０は、ガラス板２０４における平面視でプリズム２０５と重なりを有する領域であって、載置されたマイクロ流路チップ１に光を照射したときの表面プラズモン共鳴角度を測定するための領域である。一方、非観測領域２１１は、マイクロ流路チップ１を安定して支持するための領域であって、ガラス板２０４および上板２０３の観測領域２１０の外側の領域である。
【００５０】
観測領域２１０は、平面視矩形状に形成され、その一辺の長さＬ２がマイクロ流路１０の延在方向の長さＬ１より短い。また、非観察領域２１１は、マイクロ流路１０の一部を観測領域２１０上に配置したときに、マイクロ流路１０の残りの部分を載置可能な面積を有している。具体的には、図６に示すように、非観測領域２１１は、マイクロ流路１０の一部の領域の屈折率を測定するためにその領域を観測領域２１０上に配置したときに、マイクロ流路１０のその他の領域がステージ２０２からはみ出さない程度の面積を有している。例えば、マイクロ流路１０の全長Ｌ１＝２０ｍｍとしたとき、非観測領域２１１は、観測領域２１０の延長線上に少なくともＬ３＝４０ｍｍの長さを有している。
【００５１】
上述したように、測定装置２は、表面プラズモン共鳴測定によってマイクロ流路に注入された液体の屈折率を測定するための機能部（例えば、光源、プリズム、および受光部等）と各種データ処理を実行する機能部とを筐体２０１に収容している。
【００５２】
ここで、各種データ処理を実行する機能部は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、メモリ、およびインタフェース等からなるコンピュータ（ハードウェア）がプログラム（ソフトウェア）に従って処理を実行することによって実現される。なお、上記プログラムは、コンピュータが読取可能な記録媒体や記憶装置に格納された状態で提供されても良いし、電気通信回線を介して提供されても良い。
【００５３】
図７は、測定装置２の内部構成を示す図である。
なお、同図には、説明の便宜上、測定装置２の構成要素のうち、屈折率を測定するための機能部と流速を測定するための機能部のみを図示している。
【００５４】
同図に示されるように、測定装置２は、測定部２０、濃度境界データ生成部２１、関係式生成部２２、流速算出部２３、および粘度算出部２４を含む。
【００５５】
測定部２０は、よく知られた表面プラズモン共鳴測定により、マイクロ流路１０に注入された第１液と溶質を含む第２液とを含む液体の屈折率の空間的な分布を時系列的に測定する機能部である。具体的に、測定部２０は、マイクロ流路１０を第１液（溶媒）で満たした後に、マイクロ流路１０に第２液（溶液）を注入して第１液と第２液とを接触させ、第１液および第２液を含む液体が圧力流でマイクロ流路１０中を流れているときに、上述した観測領域２１０の下面にプリズムを介して照射した光の反射光の強度を測定することによって、観測領域２１０上のマイクロ流路チップ１の主流路１３の中心線に沿った壁面近傍位置の屈折率を測定する。
【００５６】
表面プラズモン共鳴測定の原理は以下のとおりである。液体が接触するマイクロ流路１０の底面のＡｕ膜の表面における、エバネッセント波と表面プラズモン波との共鳴が起こる角度で反射率が低くなる谷が観測される。この共鳴が起こる表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）角度は、Ａｕ膜に接する液体の屈折率に依存する。したがって、測定される反射光の強度の変化を測定することにより、観測領域２１０上のマイクロ流路を通過する液体の屈折率の変化を測定することができる。この屈折率の時間変化を測定することにより、マイクロ流路を通過する液体の溶質の濃度の時間分布を知ることができる。
【００５７】
濃度境界データ生成部２１は、測定部２０で測定された屈折率の時系列データから、液体中の溶質の濃度が所定値となる位置の時間変化を示す濃度境界データを生成する機能部である。
【００５８】
ここで、溶質の濃度が所定値となる液体中の位置とは、例えば、液体の溶質の濃度が、第１液と第２液とが接触する前の第２液の濃度（最大濃度）の半分となる液体中の位置である。以下、液体の濃度が最大濃度の半分となる点を「濃度境界ＳＦ」と称する。
【００５９】
濃度境界データ生成部２１は、液体の屈折率の時間変化（液体の濃度の時間変化）のデータから、濃度境界ＳＦの位置（Ｙ軸方向の位置）ＳＦｙとその時間ＳＦｔを抽出し、濃度境界ＳＦの位置ＳＦｙの時間に対する変化を示すデータを濃度境界データとして生成する。
【００６０】
関係式算出部２２は、濃度境界ＳＦと、濃度境界ＳＦの変化時間と、溶質の拡散係数Ｄと、マイクロ流路１０の光が照射される面と垂直な方向（Ｚ軸方向）の厚さ２ｄと、液体の流速（最大流速ν００）との関係を示す関係式を算出する機能部である。ここで、マイクロ流路１０の厚さ２ｄとは、換言すれば、マイクロ流路１０の短い（狭い）方の幅である。
【００６１】
流速算出部２３は、関係式算出部２２で算出した関係式と濃度境界データとに基づいて、マイクロ流路１０内の液体の流速を算出する機能部である。粘度算出部２４は、流速算出部２３によって算出された流速に基づいて、液体の粘度を算出する機能部である。
【００６２】
≪流速測定システムを用いた流速測定方法の概要≫
先ず、本発明に係る流速測定方法の概要について説明する。
ここでは、マイクロ流路１０を第１液（溶媒）で満たした後に、マイクロ流路１０に第２液（溶液）を注入して第１液と第２液とを接触させ、第１液および第２液を含む液体が圧力流でマイクロ流路１０内を送流する場合を例にとり、説明する。
【００６３】
図８，９は、第１液および第２液を含む液体が圧力流でマイクロ流路１０中を流れているときの溶質の濃度の変化を示す図である。
図８は、第２液の溶質の拡散係数Ｄが１ｅ−１０〔ｍ2／ｓ〕の場合の溶質の濃度の変化を示し、図９は、拡散係数Ｄが１ｅ−９〔ｍ2／ｓ〕の場合の溶質の濃度の変化を示している。また、図８，９では、第２液に溶けている溶質の濃度の大きさが色で表されている。図８、９において、横軸は液体が流れる方向の距離（Ｙ軸方向の距離）を表し、縦軸は流路の厚さ（Ｚ軸方向の距離）を表している。
【００６４】
図１０，１１は、マイクロ流路底面の濃度変化を示す図である。
図１０は、図８に対応し、第２液の溶質の拡散係数Ｄが１ｅ−１０〔ｍ2／ｓ〕の場合の溶質の濃度の変化を示している。また、図１１は、図９に対応し、拡散係数Ｄが１ｅ−９〔ｍ2／ｓ〕の場合の溶質の濃度の変化を示している。また、図１０，１１には、図８，９と同様に、第２液に溶けている溶質の濃度の大きさが色で表され、縦軸は液体が流れる方向の距離（Ｙ軸方向の距離）を表し、横軸は時間を表している。
【００６５】
図８〜１１に示されるように、時間Ｔが経過するとともに、液体が右方向（Ｙ軸方向）に進行し、溶質の濃度も同じ方向に進行していることが理解される。また、拡散係数Ｄが１ｅ−１０〔ｍ2／ｓ〕の場合も１ｅ−９〔ｍ2／ｓ〕の場合も、マイクロ流路の中心付近が先行して濃度が変化していることが理解される。
【００６６】
このようなマイクロ流路１０を流れる液体の濃度の時系列データから、マイクロ流路１０中の液体の濃度がＴ＝０での第２液の溶質の濃度（最大濃度）の半分（１／２）の値となる液体中の位置ＳＦｙとその時間ＳＦｔとを抽出し、それらの関係を図示すると、図１２に示すグラフ（濃度境界データ）が得られる。なお、同図には、Ｄ＝１ｅ−１０〔ｍ2／ｓ〕とＤ＝１ｅ−９〔ｍ2／ｓ〕以外に拡散係数Ｄを変えて計算した濃度境界データが示されている。
【００６７】
ここで、液体の流速が一定の場合には、濃度境界ＳＦは、図１２に示される、その液体に含まれる溶質の拡散係数Ｄに対応する特定の軌道を移動する。
【００６８】
更に、図１２における横軸の時間ＳＦｔを拡散係数Ｄとマイクロ流路１０の厚さ（
Ｚ軸方向の長さ）２ｂとを用いて換算時間ＳＦｔ＿ｘ＝ＳＦｔ×Ｄ／ｂ2に換算し、図１２における縦軸の濃度境界ＳＦの位置ＳＦＹを、拡散係数Ｄと、マイクロ流路１０の厚さ２ｂと、液体の流速Ｖとを用いて換算位置ＳＦｙ＿ｘ＝ＳＦｙ×Ｄ／ｂ2／Ｖに換算する。そして、換算時間ＳＦｔ＿ｘと換算位置ＳＦｙ＿ｘとの関係を図示すると、図１３のグラフが得られる。
【００６９】
図１３に示されるように、図１２の曲線群は、拡散係数Ｄによらず、単一の曲線上を移動することが理解される。すなわち、マイクロ流路１０に加わる圧力が変化して、液体の流速Ｖが変化する場合、濃度境界ＳＦは、図１２に示される曲線群を横切るように変化する。図１３に示される換算時間ＳＦｔ＿ｘと換算位置ＳＦｙ＿ｘとの関係を示す曲線は、横軸（ＳＦｔ＿ｘ＝ＳＦｔ×Ｄ／ｂ2）が０．３以上では直線になる。
【００７０】
したがって、この曲線を表す多項式を算出し、その多項式を用いて、Ｄ，ｂ，ｖからｔとＳＦｙを求めると、任意のＤまたはｖでのＳＦｙの時間依存性を求めることができる。すなわち、換算時間ＳＦｔ＿ｘと換算位置ＳＦｙ＿ｘとの関係を示す多項式から、液体の流速Ｖを求めることができる。
【００７１】
また、液体の粘度が溶質の屈折率の分率が低い分子によって引き起こされる場合、すなわち、低濃度分子種によって粘度が変化する場合には、ＳＰＲで測定される拡散係数Ｄは変化しないが、粘度は変化する。例えば、溶液中の低濃度モノマーと高濃度のタンパク質が溶解した溶液で、モノマーが架橋してゲル化した場合等では、粘度が変化する。このような場合、マイクロ流路１０に加わる圧力が一定の条件では、粘度が変化すると流速Ｖが変化するので、濃度境界ＳＦは、図１２に示される曲線群を横切るように変化する。この場合、屈折率を担う分子と粘度を担う分子が別なので、ゲル化などで粘度が変わっても屈折率を担う分子の拡散係数は変化しない。またマイクロ流路１０の形状は変化しないので、流速Ｖと粘度の積は一定になる。したがって、濃度境界ＳＦが図１２どこを通過しているかを調べることにより、流体の粘度または流速を求めることができる。
【００７２】
≪流速測定システムを用いた流速測定方法の詳細≫
次に、本発明の一実施の形態に係る流速測定システム１００を用いた液体の流速測定方法について具体的に説明する。ここでは、第１液として水を用い、第２液としてグルコース溶液を用いた場合の実施例を用いて説明する。グルコースの拡散係数は既知である。
【００７３】
図１４は、本発明の一実施の形態に係る流速測定方法の流れを示すフロー図である。
先ず、測定装置１０２のステージ２０２に載置したマイクロ流路チップ１のマイクロ流路１０に第１液として水を注入する（ステップＳ１）。具体的には、マイクロ流路１０における主流路１３の体積の１０倍となる水を液体分注装置３により液体導入穴１１に滴下し、圧力制御ポンプ５により一定の圧力で吸引する。これにより、主流路１３内が所定の圧力状態となり、その圧力状態に応じた液速で第１液（水）が主流路１３の中を流れ、主流路１３を満たした後、気液分離装置４に達する。水は、気液分離装置４の底に溜まり、圧力の制御に必要な気体が圧力制御ポンプ５に達する。
【００７４】
なお、流速測定システム１００では、気液分離装置４と圧力制御ポンプ５とが分離された状態で用いられているが、これに限るものではなく、液体の圧力も制御可能な圧力制御ポンプを圧力制御装置として用いてもよい。
【００７５】
次に、水で満たされたマイクロ流路１０に第２液としてグルコース溶液を注入し、層流で送流させる（ステップＳ２）。具体的には、液体分注装置３により、グルコース溶液を液体導入穴１１に滴下する。この滴下されたグルコース溶液は、先にマイクロ流路１０の入り口まで満たしていた水と接触する。これにより、著しく表面張力が低下し、グルコース溶液は、圧力制御ポンプ５の圧力により液送される。
【００７６】
次に、測定装置２が、マイクロ流路中の水とグルコース溶液とを含む液体の屈折率の空間的な分布を時系列的に測定する（ステップＳ３）。具体的には、測定装置２を、例えば１／１５０秒毎に測定できるように設定し、測定部２０によって液体の屈折率の時間変化を測定する。ここでは、マイクロ流路１０における液体の送液圧力を変更（１５０，２００，２５０，３５０，４５０，５５０，６５０，７５０，８５０，９５０，１０５０〔Ｐａ〕）し、夫々の送液圧力での液体の屈折率の時系列データを取得した。これにより、夫々の送液圧力での液体の濃度の時系列データが得られる。
【００７７】
次に、濃度境界データ生成部２１が、ステップＳ３で測定された屈折率の時系列データから、液体中の溶質（グルコース）の濃度が最大濃度の二分の１となる濃度境界ＳＦの時間変化を示す濃度境界データを生成する（ステップＳ４）。
【００７８】
図１５は、ステップＳ３で取得した夫々の送液圧力での液体の濃度（屈折率）の時系列データから抽出した、液体中の溶質（グルコース）の濃度が最大濃度の二分の１となる濃度境界ＳＦｙの時間変化を示す図である。同図には、送液圧力を１５０，２００，２５０，３５０，４５０，５５０，６５０，７５０，８５０，９５０，１０５０〔Ｐａ〕としたときの、濃度境界ＳＦｙの時間変化を示すグラフ（濃度境界データ）が夫々示されている。
【００７９】
同図に示されるように、夫々の送液圧力での濃度境界の位置ＳＦｙの時間変化を示すグラフは、溶質の拡散係数Ｄは同じであるが、送液圧力が相違するため、異なる軌跡を描く。
【００８０】
次に、関係式算出部２２が、濃度境界ＳＦと、濃度境界ＳＦの変化時間と、溶質の拡散係数Ｄと、マイクロ流路１０の光が照射される面と垂直な方向（Ｚ軸方向）の厚さ２ｂと、液体の流速（最大流速ν００）との関係を示す関係式を算出する（ステップＳ５）。
【００８１】
具体的には、先ず、関係式算出部２２が、換算時間ＳＦｔ＿ｘ＝ＳＦｔ×Ｄ／ｂ2と、換算位置ＳＦｙ＿ｘ＝ＳＦｙ×Ｄ／ｂ2／Ｖと拡散係数Ｄ、流路厚さ２ｂとの関係を示す、式（５）を生成する。
【００８２】
【数５】
2018009794.tif 000007
【００８３】
ここで、式（５）に含まれるＧ（ｘ）は図１３のデータを多項式で近似し、式（６）で表すことができる。
【００８４】
【数６】
2018009794.tif 000008
【００８５】
式（６）において、Ｐ（ｎ）は、［１．１６０７６４４５４０７０ｅ＋０２；  −３．８１７５６７９０５７１３ｅ＋０２；  ５．１６１１８８７９１２１７ｅ＋０２；  −３．７０４６９３３５２０２１ｅ＋０２；  １．５３０３８８４１６１５７ｅ＋０２；  −３．７６４５１０７４３３０４ｅ＋０１；５．８８０７９６６８４６８５ｅ＋００；  ０；０］とすることができる。
なお、ここでは、流速Ｖとして最大流速ν００を用いている。
【００８６】
次に、関係式算出部２２が、算出した関数Ｇを用いて、換算時間ＳＦｔ＿ｘ＝ＳＦｔ×Ｄ／ｂ2と、換算位置ＳＦｙ＿ｘ＝ＳＦｙ×Ｄ／ｂ2／Ｖとの関係を示す関係式を算出する。この関係式は、式（５）で表される。ここでは、流速Ｖとして最大流速ν００を用いている。
【００８７】
次に、流速算出部２３が、ステップＳ５で算出した関係式（式（５））とステップＳ４で生成した濃度境界データとに基づいて、流速を算出する（Ｓ６）。具体的には、式（５）を最大流速ν００について解いた下記式（７）に、拡散係数Ｄおよび流路高さ２ｂと、与えられたＳＦｙ，ＳＦｔの対とを代入することにより、流速（最大流速ν００）を算出する。
【００８８】
【数７】
2018009794.tif 000009
【００８９】
図１６に、図１５に示した濃度境界データから換算した、液体の最大流速ν００の時間変化を示すグラフを示す。同図において、横軸は時間であり、縦軸は液体の流速である。また、図１６において、横軸に平行な直線は、夫々の送液圧力において式（２）から算出される中心線流速を表している。
【００９０】
図１６に示されるように、この実験では、液体の流速がマイクロ流路１０の流路抵抗と送液圧力で決まる一定値に時間とともに近づくように変化していることが理解される。なお、本実験では、ステップＳ２における第２液の注入方法としてキャピラリー力を用いているため、インジェクションから時間が経つと、ポンプで設定される圧力だけが送液の力になるので、液体の流速は、上記式（２）から算出される値に収束すると推測できる。
【００９１】
次に、粘度算出部２４が、ステップＳ６で算出された液体の最大流速ν００と上記式（２）とに基づいて、粘度を算出する（ステップＳ７）。
【００９２】
以上、本実施の形態に係る流速測定方法によれば、マイクロ流路１０を流れる液体の流速とその流速の時間変化を、非接触且つ、マーカー物質を用いずに、簡便に測定することができる。また、極めて単純な装置（直線流路）および測定手順で、短時間に、微小な流路内の液体の流速を測定することができる。
【００９３】
また、流速が一定と考えられる場合には、粘度を測定することができる。その測定手順は、上述したように、溶液の混合と送液という化学反応で一般的な方法であり、その化学反応に付随する、流速変化または粘度変化を、その反応に必要な条件で、反応に関与する物質のみで測定することができる。
【００９４】
濃度の分布の測定には、全反射光学系による屈折率計を用いればよい。この全反射光学系は、光源の反射光を受光素子で直接検出するため、構造が単純であり、且つ明るい。また、上述したように、流路内壁面に金薄膜を設置すれば、全く同じ光学系で高感度な表面プラズモン共鳴法を用いることもできる。このような屈折率分布を測定するための光学系は可動部品を用いずに構成できるので、安価で丈夫である。
【００９５】
また、本実施の形態に係る流速測定方法によれば、流路中の液体に非接触で測定できるため、接触が反応に影響を及ぼす、生化学反応、特に凝固反応の反応率、速度を調べるのに有用である。
【００９６】
また、中空の流路を用いることができ、重合生成物を容易に流出させることができるので、繰り返し測定に適し、測定のたびに、流路を交換する必要がない。
【００９７】
また、特許文献１に開示された測定方法では、一定の流速で観測されるべき屈折率分布を拡散係数に依存するモデルで近似し、そのモデルに観測データを当てはめて、拡散係数を求めていたが、本実施の形態に係る流速測定システムによる流速測定方法によれば、液体の流速を測定することができるので、その液体の流れる形状と圧力差から流体の粘度を求めることができ、粘度が変化しながら流れる、重合反応の反応進行度合いを測定することが可能となる。これによれば、例えば、血漿と凝固開始剤を混合した場合に粘度を測定すれば、血漿の凝固能を測定することができる。
【００９８】
更に、本実施の形態に係る流速測定システムによれば、非観測領域２１１が、マイクロ流路１０の一部をステージ２０２の観測領域２１０上に配置したときに、マイクロ流路１０の残りの部分がステージ２０２からはみ出さない程度の面積を有しているので、マイクロ流路１０において液体の屈折率（濃度）が変化する部分（濃度境界ＳＦが観測できる領域）を任意に選択することが可能となる。以下、詳細に説明する。
【００９９】
液体の流速（平均流速または中心線流速）は、流路の断面積が一定であれば、測定位置によらず同一になる。しかし、本願の流速測定法では、図８，９に示したように、屈折率（濃度）が変化する部分（濃度境界ＳＦが観測できる領域）を選択する必要がある。マイクロ流路１０は直線状なので、流路全領域に渡ってＳＰＲなどで屈折率を測定するには、流路の長さの被写界をもつ顕微鏡光学系が必要になる。しかし、そのような光学系を構築するのは口径の大きな光学系が必要になり、大型でコストが著しく高くなる。そのため、流れる液体の濃度境界ＳＦｙの測定範囲を選択できることが望ましい。そのためには、流路長と、送液開始から測定までの長さが可変であることが必要である。
【０１００】
本実施の形態に係る流速測定システム１００では、マイクロ流路１０の全長を２０ｍｍとした場合に、少なくとも４０ｍｍの非観測領域２１１を有するステージを有しているので、マイクロ流路チップ１をステージ上の任意の位置に載置することができる。これにより、流路の長さの被写界をもつ顕微鏡光学系を用いなくても、例えばマイクロ流路１０の液体導入穴１１から離れている箇所の濃度境界ＳＦｙを測定することが可能となる。
【０１０１】
また、本実施の形態に係る流速測定システムによれば、液体分注装置３が液体の注入動作に同期した同期信号を生成し、圧力制御ポンプ５が、その同期信号に基づいて圧力を制御するので、第２液の注入をトリガーにして、液体の送液圧力を動的に制御することが可能となる。具体的には、図１７に示すように、圧力制御ポンプ５は、液体分注装置３による液体の注入動作に同期して出力された同期信号８に基づいて圧力を制御することにより、マイクロ流路１０における液体の液送を最適化することが可能となる。例えば、第１液を注入する時には、設定圧力を下げて、液体導入穴１１からマイクロ流路内へ第１液が入り込み過ぎるのを防止し、同期信号を受信した後は、設定圧力をあげて、流速または粘度の測定が迅速に行えるようにすることが可能となる。このように、第２液の注入から液体を圧力で駆動する時間を調整することで、反応に必要な時間と、液体が流路を流れる時間を調整することが可能となる。
【０１０２】
以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。
【符号の説明】
【０１０３】
１００…流速測定システム、１…マイクロ流路チップ、２…測定装置、３…液体分注装置、４…気液分離装置、５…圧力制御ポンプ、６…ＦＥＰチューブ１２、８…同期信号、１１…液体導入穴、１２…液体排出穴、１３…主流路、２０…測定部、２１…濃度境界データ生成部、２２…関係式算出部、２３…流速算出部、２４…粘度算出部、２０１…筐体、２０２…ステージ、２０２Ｂ…窪み、２０３…上板、２０４…ガラス板、２０５…プリズム、２１０…観測領域、２１１…非観測領域。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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