(57)【要約】基板に流路を形成したマイクロチップにおいて、流路内に気液二相流による界面を形成して液相の濃縮を行い、体積変化を伴う濃縮法をマイクロチップに集積化して高効率での濃縮を可能とする。
2003076038.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に流路を形成したマイクロチップにおいて、流路内に気液二相流による界面を形成して液相の濃縮を行うことを特徴とする気液二相流でのマイクロチップ内濃縮方法。
【請求項２】
流路内における気相と液相の流量比を気相＞液相となるように制御することを特徴とする請求項１の濃縮方法。
【請求項３】
流路内への多段階での気体の導入とそれに伴う排出によって気液界面を多段形成することを特徴とする請求項１または２の濃縮方法。
【請求項４】
気液二相流が形成される流路の少くとも一部を加熱して液相溶媒の一部を蒸発させることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかの濃縮方法。
【請求項５】
基板に流路を形成したマイクロチップにおいて流路内に気液二相流による界面を形成して液相の濃縮を行うためのデバイスであって、気液二相流を構成する気体と液体の各々の導入路と排出路とが配設されていることを特徴とするマイクロチップデバイス。
【請求項６】
流路内における流量比が気相＞液相となるように制御する流量制御機構が配設されていることを特徴とする請求項５のマイクロチップデバイス。
【請求項７】
流路底部には気液界面位置に相当する流れ方向の突条が設けられ、この突条の配置が流量制御機構の少くとも一部とされていることを特徴とする請求項６のマイクロチップデバイス。
【請求項８】
流路内で気液界面を多段形成するための流路内への多段階での気体の導入とそれに伴う排出を行う流路が設けられていることを特徴とする請求項５ないし７のいずれかのマイクロチップデバイス。
【請求項９】
気液二相流が形成される流路の少くとも一部を加熱する加熱機構が配設されていることを特徴とする請求項５ないし８のいずれかのマイクロチップデバイス。
【請求項１０】
流路を設けた基板の背面部もしくはカバー上板の表面部にヒーター線もしくは面状ヒーターが配設されていることを特徴とする請求項９のマイクロチップデバイス。
【発明の詳細な説明】
技術分野
この出願の発明は、気液二相流でのマイクロチップ内での濃縮方法とそのためのマイクロチップデバイスに関するものである。
背景技術
近年、微小空間の特徴を生かしたマイクロ化学システムの検討が各種の領域において進められている。この出願の発明者らも、すでにこれまでに、複雑な化学システムを実現する方法として、ミクロ単位操作と多相流ネットワークを組み合わせた連続流体化学プロセスという方法を確立してきている。この連続流体化学プロセスは、混合・抽出・相分離などの複数のミクロ単位操作を組み合わせ、非常に高効率なマイクロ化学システムが構築できるという特徴を有している。ただ、これまでのマイクロシステムでは、プロセスを濃度をパラメータに設定しており、体積変化という概念が入っていなかった。そのため、体積変化を伴う濃縮法・凝縮法などは実現していない。
そこで、この出願の発明は、これまでの発明者らによるマイクロ化学システムの開発とそこでの知見を踏まえ、体積変化を伴う濃縮法をマイクロチップ上に操作として集積化することを課題としている。
より具体的には、この出願の発明は、マイクロチップのチャンネル内での気液二層流における溶媒の蒸発を利用した新しい濃縮方法とそのためのマイクロチップデバイスを提供することを課題としている。
発明の開示
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、基板に流路を形成したマイクロチップにおいて、流路内に気液二相流による界面を形成して液相の濃縮を行うことを特徴とする気液二相流でのマイクロチップ内濃縮方法を提供する。
また、この出願の発明は、第２には、流路内における気相と液相の流量比を気相＞液相となるように制御することを特徴とする上記の濃縮方法を、第３には、流路内への多段階での気体の導入とそれに伴う排出によって気液界面を多段形成することを特徴とする濃縮方法を、第４には、気液二相流が形成される流路の少くとも一部を加熱して液相溶媒の一部を蒸発させることを特徴とする濃縮方法を提供する。
そしてこの出願の発明は、第５には、基板に流路を形成したマイクロチップにおいて流路内に気液二相流による界面を形成して液相の濃縮を行うためのデバイスであって、気液二相流を構成する気体と液体の各々の導入路と排出路とが配設されていることを特徴とするマイクロチップデバイスを提供する。
第６には、流路内における流量比が気相＞液相となるように制御する流量制御機構が配設されていることを特徴とする上記のマイクロチップデバイスを、第７には、流路底部には気液界面位置に相当する流れ方向の突条が設けられ、この突条の配置が流量制御機構の少くとも一部とされていることを特徴とするマイクロチップデバイスを、第８には、流路内で気液界面を多段形成するための流路内への多段階での気体の導入とそれに伴う排出を行う流路が設けられていることを特徴とするマイクロチップデバイスを、第９には、気液二相流が形成される流路の少くとも一部を加熱する加熱機構が配設されていることを特徴とするマイクロチップデバイスを、第１０には、流路を設けた基板の背面部もしくはカバー上板の表面部にヒーター線もしくは面状ヒーターが配設されていることを特徴とするマイクロチップデバイスを提供する。
発明を実施するための最良の形態
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
まず、この出願の発明の濃縮方法においては、マイクロチップの基板上に形成した微細流路（マイクロチャンネル）内に気体と液体とによる気液二相流による界面を形成して液相の濃縮を行うことが基本とされている。
この濃縮の方法は、マイクロチャンネルという微小な限定空間内での濃縮操作となり、比界面積が大きく、溶媒の蒸発速度が速く、また、気液平衡の制限下に行われ、液体のまま維持されることから制御が容易であるという原理的な特徴を有している。
図１は、この出願の発明の濃縮方法の基本を示した概要図である。たとえばガラスやセラミックス、あるいはシリコン、樹脂等のマイクロチップ基板（１）上には、エッチング等の微細加工によって形成した微細流路（２）が設けられている。この微細流路（２）において、気相（３Ａ）と液相（３Ｂ）との気液二相流が形成され、その界面（３Ｃ）において液相（３Ｂ）を構成する溶媒が蒸発されて濃縮が行われるようにしている。もちろん、微細流路（２）が形成されている基板（１）上には、カバー上板が密着配置されて、気相（３Ａ）が液相（３Ｂ）が散逸されないようにしている。
そして、気液二相流の形成のための気体の導入路（４Ａ）と液体の導入路（４Ｂ）、並びに気体の排出路（５Ａ）と液体の排出路（５Ｂ）が、同様に微細加工によって基板（１）上に配設されている。
微細流路（２）の大きさや長さについては特に限定はないが、マイクロチップ上でのマイクロ化学システムを構成するための適宜な設定とする。たとえば微細流路の流れ方向に直交する断面について見ると、その幅は、５００μｍ以下、深さは３００μｍ以下程度を実際的な目安とすることができる。
そして、この出願の発明の濃縮方法においては、微細流路（マイクロチャンネル）内での気液二相流による界面が形成される必要があることから、微細流路の断面積や気相および液相の各々を構成する物質の種類等を考慮して、この界面形成のための好適な気相および液相の流量比が設定されることになる。
一般的には、微細流路（２）内における気相（３Ａ）と液相（３Ｂ）との単位時間当りの流量比を気相の流量が液相の流量よりも大きくなるように制御することが望ましい。ただ、液相流量に対して気相流量を過剰、過大とすると、気相には液相物質が混入して気液二相流としての界面が形成されないことになる。もちろん、逆に、気相流量が過少にする場合にも界面の形成は難しくなる。
ただ、一般的には前記のとおり、気相と液相の流量比を気相＞液相とすることが好ましい。そして、このような流量比の制御を高精度で行うための補助的手段としての機構をマイクロチップに具備することも考慮される。たとえばこのような制御機構の一つとして、図２にその断面を例示したように、微細流路（２）の底部に、気液の界面位置に相当する流れ方向の突条（６）を設け、この突条（６）の配設位置を選択することによって、気相（３Ａ）と液相（３Ｂ）の流量比を制御可能とすることが考慮される。
もちろん、突条（６）は、ガイドの役割を果たすのであって、厳密に気液界面（３Ｃ）位置にある場合だけでなく、気液二相流と所定の流量比が確保されることを条件に、図２のように、許容される位置での気液界面（３Ｃ）位置とのズレがあってもよいことは言うまでもない。
突条（６）の位置選択によって、たとえば図２の例のように、非対称の断面を有する微細流路（２）は、気体の流量増加のために有効な手段の一つである。
微細流路（２）、そして突条（６）の形成については、たとえば図３のように、ガラス基板の表面上の金属蒸着膜にフォトレジストを配設し、マスクを通してＵＶ光を照射して転写を行い、次いで金属エッチングやフッ酸エッチングして現像するというフォトリソグラフィーとエッチングにより形成することができる。この方法に沿って、図４のように、転写とエッチングを繰り返す２段エッチングを行うことで突条（６）をもつ図２のような非対称な微細流路（２）を形成することができる。
また、この出願の発明においては、気液二相流の少くとも一部を加熱して液相溶媒の一部をこの加熱で発生させることも有効である。このような加熱のための機構としては各種のものが考慮されるが、デバイス構成並びに加熱操作性の観点からは、微細流路を設けた基板の背面部あるいはカバー上板の表面部等に、抵抗加熱によるヒーター線や面状ヒーターを設けることが好適なものとして例示される。図５はこのようなヒーター線（７）を設けた例を示したものであって、たとえば図６に例示したように、Ｃｒ蒸着膜のエッチングによって形成することが容易に可能である。
さらに、この出願の発明の濃縮方法とそのためのデバイスについては、たとえば以上のような気液二相流による界面を断続的に複数個所設け、多段で濃縮操作ができるようにしてもよい。このためには、各段階での気体の導入とそれに伴う排出を行うための気体流路が複数個所設けることが考慮される。
たとえば以上のとおりのこの出願の発明によって、マイクロチップ上での高効率での濃縮操作が可能とされる。
そこで以下に実施例を示し、さらに詳しく説明する。もちろん、以下の例によって発明が限定されることはない。
実  施  例
図１に例示したとおりのダブルＹ型マイクロチャンネルの一方から、Ｃｏ−ＤＭＡＰ錯体の酢酸エチル溶液を導入し、もう一方の導入口から空気を導入してマイクロチャンネル内に気液二層流を形成、マイクロチャンネルに沿って有機相を熱レンズ顕微鏡で測定して、熱レンズ顕微鏡の測定位置と信号強度の関係から単位体積当りのＣｏ−ＤＭＡＰ錯体の濃度の変化として濃縮効率を評価した。そして、気液平衡の観点から濃縮効率を上げるため、マイクロチャンネルの断面が非対称な形状を持つチップ（図７）を用いた。また、マイクロチップの裏面にマイクロヒーターを作製し、加熱濃縮した。
すなわち、まず、図４に例示した二段階エッチング法を用いて図７の断面を有する非対称型のマイクロチャンネルを作製し、このチャンネルを用いて流量比を１：２０００にして測定をした場合、２倍程度の濃縮が得られ、マイクロチップ内での蒸発が確認された。さらに、濃縮効率を上げるため、図６のようなエッチングによってマイクロチップの裏面にＣｒ薄膜をパターニングしてマイクロヒーターを作製し（図８）、チップを局所的に加熱した。このチップを用いて二相合流後、３０ｍｍの地点で濃度測定した結果を図９に示した。印加電圧の増加すなわち温度上昇とともに熱レンズ信号強度が増加していることから、加熱により濃縮度が向上していることが分かる。信号強度より、体積変化によって４倍（７５％の溶媒が蒸発）以上の濃縮度が得られた。
１：２０００の流量比において４倍の濃縮が得られるとすると、図１０に例示したとおりの３段階での操作では、実に６４倍の濃縮率が実現されることになる。
なお、気液二相流による界面形成のための安定条件を定めるために、上記マイクロチップにおいて、気相と液相の組合わせの種類と流量比を変えて実験的に検討した。その結果を図１１および図１２に例示した。
図１１は、空気と酢酸エチルの場合、図１２は、空気と水との場合を示しており、図中のＡ領域は安定条件を、Ｂ領域は空気過剰で不安定なことを、Ｃ領域は液体過剰で不安定なことを示している。
たとえばこのような検討に基づいて、各種の濃縮対象について、好適な安定流量比条件が具体的に定められることになる。
産業上の利用可能性
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、体積変化を伴う濃縮法をマイクロチップ上に集積化することが可能とされ、高効率での濃縮が実現される。これによって、液相中の環境規制物質や、生体関連物質、生物物質、さらには反応中間体や反応剤等の微量物質についての検出、測定、さらには分離回収等にとって大変に有益なマイクロチップ上での濃縮が可能となる。
【図面の簡単な説明】
図１は、この出願の発明の基本構成を示した概要図である。
図２は、突条をもつ非対称微細流路の例を示した断面図である。
図３は、突条をもつ微細流路の形成方法を例示した工程概要図である。
図４は、非対称微細流路の形成のための２段エッチング法を例示した工程概要図である。
図５は、ヒーター線の配設を例示した概要図である。
図６は、ヒーター線の形成方法を例示した工程概要図である。
図７は、実施例としての非対称微細流路の概要断面図である。
図８は、マイクロヒーターを配設した実施例としてのマイクロチップの概要斜視図である。
図９は、実施例における濃縮度と印加電圧との関係を例示した図である。
図１０は、３段階チャンネルの模式図である。
図１１は、酢酸エチルと空気との二相流の安定条件について例示した図である。
図１２は、水と空気との二相流の安定条件について例示した図である。
なお、図中の符号は次のものを示す。
１  マイクロチップ基板
２  微細流路
３Ａ  気相
３Ｂ  液相
４Ａ  気体の導入路
４Ｂ  液体の導入路
５Ａ  気体の排出路
５Ｂ  液体の排出路
６  突条
７  ヒーター線
【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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【国際調査報告】
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