(57)【要約】【課題】流体どうしの分散混合を効果的に行うことができ、ひいては流体どうしの反応を良好に行わせることができるマイクロリアクター及びそれを用いた化学反応方法を提供する。【解決手段】反応流路３内に、流体供給ポート４から供給される複数種の流体を蛇行させながら流動させて分散混合させる微細な凹凸面Ｘを形成した。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の内部に、流体供給ポートから注入した複数種の流体を反応させる反応流路を設けたマイクロリアクターにおいて、
前記反応流路内に、前記複数種の流体を蛇行させながら流動させて分散混合させる微細な凹凸面を形成したことを特徴とするマイクロリアクター。
【請求項２】
前記凹凸面が、互いに対向させた状態で位置をずらして配置され且つ互いに接近する側が開口された複数の小室からなる第１の混合小室群と第２の混合小室群とにより構成されている請求項１記載のマイクロリアクター。
【請求項３】
各混合小室群が反応流路に沿って複数列形成されている請求項２記載のマイクロリアクター。
【請求項４】
各混合小室群がハニカム状のものである請求項３記載のマイクロリアクター。
【請求項５】
請求項１〜４の何れかに記載のマイクロリアクターの流体供給ポートから複数種の流体を注入し、その反応流路内において当該複数種の流体を分散混合させて反応させることを特徴とする化学反応方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、複数種の微量の流体を混合して反応させるマイクロリアクター及びそれを用いた化学反応方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来、微量の試料で化学反応を行うための微小反応容器であるマイクロリアクターが提供されている。このマイクロリアクターは、反応容量が通常μＬオーダであるため、微量の原料で高速に反応させ得る、小型にて軽量な実験システムが実現できる、集積化及び並列化が容易である、不純物の混入が抑えられる、温度制御など反応条件を一定に保つことが容易である、安全性に優れている等の種々の利点がある。このため、化学合成反応、生化学反応等の化学反応や生体試料検出等に用いられている。
【０００３】
前記マイクロリアクターは、例えば図９に示すように、第１のチップ１０１に第２のチップ１０２を積層して基板１００を形成するとともに、前記チップ１０１，１０２の何れか一方又は双方に予め形成しておいた細長い凹溝によって、両者間に反応流路１０３を構成し、前記第１のチップ１０２に、前記反応流路１０３に連通する二つの流体供給ポート１０４及び一つの流体排出ポート１０５を形成している（例えば特開平１０−３３７１７３号公報参照）。
このマイクロリアクターにおいては、前記二つの流体供給ポート１０４からそれぞれ注入された２種類の流体が、前記反応流路１０３で混合されて流体排出ポート１０５から排出される。ところが、前記反応流路１０３における流体の混合は、２種類の流体の衝突や流動時の相互拡散によって行われるために、両者が十分に混合されない。このため、２種類の流体の混合が速やかに行われず、反応収率に劣る、副反応が発生する等の問題があった。
【０００４】
そこで、図１０に示すように、前記反応流路１０３を蛇行させて流体の滞留時間を長くしたものが提案されている（特開平２００２−２７９８４号公報参照）。しかし、このマイクロリアクターについても、反応流路１０３の全長を単に長くしたに過ぎず、２種類の流体の混合が衝突や流動時の相互拡散によって行われるために、両者の混合効率がなお不十分である。
また、何れのマイクロリアクターについても、反応流路１０３が微小であり、この微小流路内では流体の流れが通常層流となるので、レイノルズ数が非常に小さく、乱流の発生が抑えられる。このため、反応流路１０３の幅方向や深さ方向での流体どうしの混合はほとんど行われず、拡散による混合しか期待できない。しかし、流体どうしを拡散のみによって効果的に混合するにはきわめて長時間が必要である。したがって、前記従来のマイクロリアクターにおいては、化学反応の基本である流体どうしの分散混合がきわめて困難である。
この発明は前記問題点に鑑みてなされたものであり、流体どうしの分散混合を効果的に行うことができるマイクロリアクターを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するためのこの発明のマイクロリアクターは、基板の内部に、流体供給ポートから注入した複数種の流体を反応させる反応流路を設けたマイクロリアクターにおいて、前記反応流路内に、前記複数種の流体を蛇行させながら流動させて分散混合させる微細な凹凸面を形成したことを特徴としている（請求項１）。
このような構成のマイクロリアクターによれば、前記反応流路内に形成した微細な凹凸面によって、複数種の流体を蛇行させながら流動させて分散混合させることができる。このため、流体どうしの混合を短時間で効果的に行うことができる。
【０００６】
前記凹凸面は、互いに対向させた状態で位置をずらして配置され且つ互いに接近する側が開口された複数の小室からなる第１の混合小室群と第２の混合小室群とにより構成されているのが好ましい（請求項２）。この場合には、複数種の流体を第１の混合小室群の各小室と第２の混合小室群の各小室とに交互に導入してより効率よく分散混合させることができる。
【０００７】
前記各混合小室群は、反応流路に沿って複数列形成されているのが好ましい（請求項３）。この場合には、複数種の流体を、流路の縦断面内で蛇行させつつ、横断面内で分割及び合流させながら流動させることができる。このため、流体どうしの混合をより短時間で効果的に行うことができる。また、この場合において、前記各混合小室群はハニカム状のものであってもよく（請求項４）、これにより、各混合小室群の小室を高密度に配置することができるので、流体どうしの混合をより短時間で効果的に行うことができる。
【０００８】
またこの発明の化学反応方法は、請求項１〜４の何れかに記載のマイクロリアクターの流体供給ポートから複数種の流体を注入し、その反応流路内において当該複数種の流体を混合させて分散反応させることを特徴としている（請求項６）。
この化学反応方法によれば、前記マイクロリアクターの反応流路内に形成した微細な凹凸面によって、複数種の流体を蛇行させながら流動させて効果的に分散混合させることができるので、流体どうしの反応を短時間で効果的に行うことができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明のマイクロリアクターの実施の形態について、添付図面を参照しながら説明する。
図１はこの発明のマイクロリアクターの一実施形態を示す一部欠截平面図であり、図２はその拡大断面図である。このマイクロリアクターは、第１のチップ１と第２のチップ２とからなる基板Ａの内部に、複数種の流体を反応させる反応流路３を設け、この反応流路３に連通させて、二つの流体供給ポート４及び一つの流体排出ポート５を形成している。
【００１０】
第１のチップ１及び第２のチップ２は薄い平板状のものであり、互いに積層することにより基板Ａを構成している。各チップ１，２のサイズは例えば幅５〜２５ｍｍ、長さ１０〜７５ｍｍ、厚み１〜５ｍｍ程度に設定されている。各チップ１，２の素材としては、金属、ガラス、セラミックス、プラスチック等が用いられ、適用される流体の性質、光反応や光遮断下での反応等の反応条件に応じて適宜選択される。
【００１１】
反応流路３は前記第１のチップ１に形成された凹溝３１と、これに対向させて第２のチップ２に形成された凹溝３２とによって構成されており、その内部には一対の混合エレメント６，７が互いに対向させた状態で配置されている。
各混合エレメント６，７は平面形状が長方形を呈しており、その互いに対向する側には、複数の小室６１ａ，７１ａからなる第１の混合小室群６１及び第２の混合小室群７１がそれぞれ形成されている。前記第１の混合小室群６１を構成する小室６１ａ及び第２の混合小室群７１を構成する小室７１ａは、互いに接近する側が開口された正方形断面のものであり（図３及び図４参照）、それぞれ反応流路３に沿って所定ピッチ毎に１列形成されている。
【００１２】
前記第１の混合小室群６１の小室６１ａと、第２の混合小室群７１の小室７１ａとは、反応流路３に沿って１／２ピッチずつ互いに位置をずらした状態で配置されている。したがって、第１の混合小室群６１の小室６１ａの周壁６１ｂは、２の混合小室群７１の小室７１ａの周壁７１ｂの中間に位置している。
各小室６１ａ，７１ａの周壁の外接円の直径は例えば０．１〜１ｍｍの範囲に設定され、深さは例えば０．０１〜０．５ｍｍの範囲に設定される。したがって、前記一対の混合エレメント６，７の各小室６１ａ，７１ａによって、前記反応流路３に微細な凹凸面Ｘが構成されている。これら各小室６１ａ，７１ａは、例えばリソグラフィ法や光造形法等によって形成されている。
なお、前記第１の混合小室群６１の周壁６１ｂの下面と、２の混合小室群７１の周壁７１ｂの上面とは、ほぼ同一平面に配置されている。また、前記混合エレメント７の上流端には、各小室６１ａ，７１ａに流体を導入するための切欠き７１ｃが形成されており、下流端には、各小室６１ａ，７１ａから流体を排出するための切欠き７１ｄが形成されている。
【００１３】
各流体供給ポート４は、前記第１のチップ１に貫通形成されており、それぞれ連通路４１を介して前記反応流路３に連通されている。各流体供給ポート４には、ディフューザ式やダイヤフラム式等のマイクロポンプ、マイクロバルブ、マイクロシリンジ等によって、種類の異なる流体が個別に供給される。この流体としては、液体、気体、粉体等が挙げられる。
また、流体排出ポート５は前記第１のチップ１に貫通形成されており、それぞれ連通路５１を介して前記反応流路３に連通されている。
【００１４】
以上の構成であれば、各流体供給ポート４から供給された種類の異なる流体は、連通路４１を通して反応流路３に供給され、この反応流路３において、図２の矢印で示すように、第１の混合小室群６１の各小室６１ａ内と、第２の混合小室群７１の各小室７１ａ内に交互に導入されながら下流側に導かれる。このため、微小な反応流路３であるにもかかわらず、流体の流れを乱流にすることができ、種類の異なる流体どうしを、拡散混合だけでなく分散混合させることもできる。したがって、流体どうしをきわめて短時間で効率よく混合させて反応させることができる。
【００１５】
図５及び図６は各混合エレメント６，７の他の実施の形態を示す底面図及び平面図である。この実施の形態においては、各混合小室群６１，７１がハニカム状に形成されている。すなわち、各混合小室群６１，７１を構成する各小室６１ａ，７１ａが図の場合六角形断面に形成されおり、これら各小室６１ａ，７１ａが反応流路３に沿って復列にて所定ピッチ毎に形成されているとともに、隣設する小室どうしは、その周壁の一部を共有している。また、第１の混合小室群６１の小室６１ａと、第２の混合小室群７１の小室７１ａとは、左右対称に配置されているとともに、反応流路３に沿って１／４ピッチずつ互いに位置をずらした状態で配置されている。したがって、第１の混合小室群６１の一つの小室６１ａは、第２の混合小室群７１の３つの小室７１ａの一部と対向している（図７参照）。なお、前記第１の混合小室群６１の周壁６１ｂの下面と、２の混合小室群７１の周壁７１ｂの上面とは、ほぼ同一平面に配置されている。
【００１６】
この実施の形態においては、流体供給ポート４から供給された複数種の流体を、流路の縦断面内では蛇行させ、横断面内では分割及び合流させながら流動させることができる。このため、種類の異なる流体どうしをより効率的に分散混合させることができる。しかも、各小室６１ａ，７１ａがハニカム状にて高密度に配置されているので、流体どうしをより一層効率的に分散混合させることができる。
【００１７】
前記小室６１ａ，７１ａの断面形状としては、前記正方形や六角形の他、三角形、五角形、八角形等の種々の多角形や円形等であってもよく、これら何れについても外接円の直径は０．１〜１ｍｍの範囲に、深さは０．０１〜０．５ｍｍの範囲にそれぞれ設定するのが好ましい。前記外接円の直径が前記範囲を超えると、反応に必要な流体の容量が増大するとともに、流体の混合効果が低下する。また、外接円の直径が小さすぎると小室６１ａ，７１ａの製造が困難となる。
なお、前記各小室６１ａ，７１ａの底面に、微細な凹凸を設けて実施してもよい。また、前記各小室６１ａ，７１ａの開口縁に曲面からなる面取りを形成してもよく、この場合には、第１の混合小室群６１の小室６１ａと第２の混合小室群７１の小室７１ａとが交差する部分において流体が滞留するのを、前記面取りによって抑制することができる。
【００１８】
前記小室６１ａ，７１ａの個数については、流体の種類の応じて適宜選択されるが、一般に混合エレメント６，７毎に３〜１５個の範囲で選択される。また、流体供給ポート４の個数については、反応させる流体の種類に応じて選択される。
さらに、各混合小室群６１，７１は、第１のチップ１及び第２のチップ２自体に直接形成してもよい。
前記マイクロリアクターは、基台８上に複数個形成してもよく（図８参照）、この場合には、多数の化学反応を同時に実施することができるので、効率よく化学反応を行うことができる。
【００１９】
この発明のマイクロリアクターは原料流体どうしの分散混合を高度に達成することができるので、従来、フラスコスケールでは実施が困難であった各種の化学反応も実施できる。この発明の化学反応は液体−液体、液体−気体、液体−固体、液体−固体−気体など様々な系で実施することができる。
また、この発明のマイクロリアクターは、生化学反応その他の化学反応に用いられ、コンビナトリアル・ケミストリー、創薬分野等にも応用できる。この他、ハイブリダイゼーションの原理を利用したＤＮＡの検出、抗体―抗原反応、各種酵素反応当にも用いられる。
【００２０】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、原料流体どうしの分散混合を効果的に行うことができ、ひいては流体どうしの反応を良好に行わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のマイクロリアクターの一実施の形態を示す一部欠截平面図である。
【図２】図１の要部拡大断面図である。
【図３】第１の混合エレメントを示す底面図である。
【図４】第２の混合エレメントを示す平面図である。
【図５】第１の混合エレメントの他の実施の形態を示す底面図である。
【図６】第２の混合エレメントの他の実施の形態を示す平面図である。
【図７】反応流路を示す模式図である。
【図８】他の実施の形態を示す平面図である。
【図９】従来例を示す一部欠截平面図である。
【図１０】他の従来例を示す一部欠截平面図である。
【符号の説明】
１　　　第１のチップ
２　　　第２のチップ
３　　　反応流路
４　　　流体供給ポート
５　　　流体排出ポート
６　　　第１の混合エレメント
６１　　第１の混合小室群
６１ａ　小室
７　　　第２の混合エレメント
７１　　第２の混合小室群
７１ａ　小室
Ａ　　　基板
Ｘ　　　凹凸面
【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】
2004016870.tif 000009
【図８】
2004016870.tif 000010
【図９】
2004016870.tif 000011
【図１０】
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