(57)【要約】【課題】短時間に且つ高効率に目的成分を生成できるマイクロリアクタを得る。【解決手段】本発明のマイクロリアクタは、矩形の形状をしたマイクロ反応本体部１２の上面に同一寸法の上蓋１３の下面を密接することで、試料液および試薬液を注入する注入口１４と、その試料液と試薬液との混合溶液を系外に排出する流出口１５と、各流入口から導入された溶液を流出口１５に極低流量の流速で送液する微小流路１６が形成されたもので、注入口１４と流出口１５との間に凹状の混合部１７を設け、その混合部１７内にナノ材料攪拌子１８を配置し、混合部１７の領域にあたる上蓋１３の上部に混合部１７の温度を制御する冷却部１９を埋設させ、混合部１７の下部に金属板２０を埋設し、その金属板２０と混合部１７との間に温度センサー挿入口２１を設けている。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
矩形の形状をしたマイクロ反応本体部１２の上面に同一寸法の上蓋１３の下面を密接することで、試料液および試薬液を注入する注入口１４と、その試料液と試薬液との混合溶液を系外に排出する流出口１５と、各流入口から導入された溶液を流出口１５に極低流量の流速で送液する微小流路１６が形成されたマイクロリアクタにおいて、
前記注入口１４と前記流出口１５との間に凹状の混合部１７を設け、その混合部１７内にナノ材料攪拌子１８を配置し、前記混合部１７の領域にあたる上蓋１３の上部に混合部１７の温度を制御する冷却部１９を埋設させ、混合部１７の下部に金属板２０を埋設し、その金属板２０と混合部１７との間に温度センサー挿入口２１を設けたことを特徴とするマイクロリアクタ。
【請求項２】
前記ナノ材料攪拌子１８は、１本ないしは複数本の単層または複層のカーボンナノチューブから形成されたナノチューブ材料２２に、フェライト微粒子、シリカゲル、アルミナなどから選択して用いた磁性粒子２３の表面をフルオロシラン、トリメチルクロロシラン、ビニルトリメトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシランなどから少なくとも１種類のシランカップリング剤２４でコーティングし、それをナノチューブ材料２２の両側面に固定化したことを特徴とする請求項１記載のマイクロリアクタ。
【請求項３】
前記冷却部１９は、下側に矩形のペルチェ素子２５を配置し、そのペルチェ素子２５の上面にナノチューブ集合体２６を高密度に配置し、さらにそのナノチューブ集合体２５を囲むようにポリピロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリカーボネート（ＰＥＴ）などの高分子樹脂やアルミから形成された枠体２７をペルチェ素子２５の上面に固定化し、ペルチェ素子２５から発生した熱を系外に排出する冷却ファンを枠体２８に設けたことを特徴とする請求項１または２記載のマイクロリアクタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＤＮＡやＲＮＡなどの核酸、自然界に存在する環境物質および新規化学物質の微量分析および物質創製に用いられるマイクロリアクタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のマイクロリアクタにおいては、流路内に残滴が残りにくくするために次のようなマイクロリアクタであった。その中では、超音波照射によって微小流路内での流体の混合攪拌手段が記載されている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−３４７３９２公報（第２図）
【０００４】
図４は、従来のマイクロリアクタの構成を示す側断面図である。図４において、１はスペーサで、２は混合したい試料流体を導入する流路で、３は混合された試料溶液を排出するための排出口で、４、５、６は音響ホーンで、７、８、９は超音波を照射する超音波振動子で、１０は超音波振動子７、８、９より照射された超音波の振動方向である。また、１１は混合された試料溶液の特性を測定するための光学検出器である。
以上の構成において、スペーサ１に形成された流路２を挟んで、照射される超音波が非対称になるように超音波振動子７、８、９は互い違いに配置されており、その超音波振動子７、８、９で発生した超音波は流路２に対して互い違いに配置された音響ホーン４、５、６に導入されてより狭い断面からより強力な超音波を試料溶液の流れと直交する方向に照射するようになっている。
また、超音波の照射方向が互い違いに非対称になっていることで超音波の強度分布が流路内で非対称となり効果的に音響流が矢印１０の方向に発生する。
上記のようなマイクロリアクタにおいて、流路内に何ら層流を乱す構成を持たせることなく滑らかな管壁から超音波を照射して攪拌することで、流路抵抗の上昇ないし試料溶液を攪拌通過させることが可能である。また、１０ＭＨｚ未満の振動数の超音波を用いることで、キャビテーションの発生を抑制することができるので、細胞などの生物試料の損傷を防止できるようになっている。
【０００５】
【発明が解決しょうとする課題】
しかしながら、上記由来のマイクロリアクタにおいて、試料の送液量が多い場合や試料濃度が低い場合には、試料成分および試薬成分の移動速度を加速させるにはエネルギー的に不十分なため、目的成分を高速・高効率に得ることは難しい。
したがって、本発明の目的は、短時間且つ高効率に目的成分を生成することが可能なマイクロリアクタを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明は次のように構成したものである。
請求項１記載の発明は、注入口１４と流出口１５との間に凹状の混合部１７を設け、その混合部１７内にナノ材料攪拌子１８を配置し、混合部１７の領域にあたる上蓋１３の上部に混合部１７の温度を制御するための冷却部１９を埋設させ、混合部１７の下部に金属板２０を埋設し、その金属板２０と混合部１８との間に温度センサー挿入口２１を設けたものである。
そのようになっているため、図示していない化学合成などで良く使用されている小型攪拌機（スターラー）の回転に伴って、混合部１７内のナノ材料攪拌子が回転するために、混合部１７内に導入された流体が層流から乱流へと変化するので、試料成分と試薬成分の衝突確率が増し、結果的に反応時間を短くするができる。また、温度センサーによって混合部１７内の溶液温度を測定することで、溶液を過剰に加熱する必要がないので、熱的に不安定な試料成分や試薬成分の熱分解を防止することが可能であり、冷却部１９で混合部１７の上層部を冷却しているので、溶液の気化による気泡の発生も抑制することができる。
請求項２記載の発明は、１本ないしは複数本の単層または複層のカーボンナノチューブから形成されたナノチューブ材料２２に、フェライト微粒子（酸化鉄など）、シリカゲル、アルミナなどから選択して用いた磁性粒子２３の表面をフルオロシラン、トリメチルクロロシラン、ビニルトリメトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシランなどから少なくとも１種類のシランカップリング剤２４でコーティングし、それをナノチューブ材料２２の両側面に固定化したものである。
そのようになっているため、微小空間での流体の混合・攪拌が可能となるとともに、試料成分や試薬成分が磁性微粒子の表面や細孔内部に吸着・残留することがないので、目的成分を高効率に得ることが可能となる。
請求項３記載の発明は、混合部１７内の温度を制御する冷却部１９は、下側に矩形のペルチェ素子２５を配置し、そのペルチェ素子２５の上面にナノチューブ集合体２６を高密度に配置し、ならにそのナノチューブ集合体２５を囲むようにポリピロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリカーボネート（ＰＥＴ）などの高分子樹脂やアルミから形成された枠体２７をペルチェ素子２５の上面に固定化し、ペルチェ素子２５から発生した熱を系外に排出するための冷却ファンを枠体２８に設けたものである。
そのようになっているため、ペルチェ素子２５から吸収した熱をナノ材料で素早く伝熱するので、アルミ製のヒートシンクに比べて冷却効率が向上するとともに、更なる薄型および軽量化が実現可能となる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態を示すマイクロリアクタの側断面図である。
図１に示す１００〜５００μｍの幅および深さの溝が形成されているマイクロ反応本体部１２の上面に上蓋１３の下面を接合することにより、注入口１４、排出口１５、微小流路１６が形成される。次に、注入口１４から送液された試料溶液および試薬溶液を混合部１７に導入し、図示していない小型攪拌機の回転に伴いナノ材料攪拌子１８が回転し、試料溶液および試薬溶液とが強制的に混合攪拌される。小型攪拌機の中で加熱機能付きのものを用いると、発生した熱が金属板２０を介して混合部１７に伝熱して混合部１７内の溶液を加熱する。
また、温度センサー挿入口２１にセットされた白金測温体または熱電素子と上蓋１３に埋設された冷却部１９で混合部１７内の溶液温度を制御する。
この実施の形態のマイクロリアクタは、試料溶液と試薬溶液を高速・高効率に混合して目的成分の生成率を向上させる。また、溶液の過熱による試料および試薬成分の熱分解を防止するとともに、溶液からの気泡の発生を防止することである。
この実施の形態によれば、図示していない小型攪拌機を７００〜１５００ｒｐｍの回転数で回転させることにより、混合部１７に導入された二つ以上の流体を強制的に攪拌しているため、流体が層流から乱流へと急速に変化し、試料成分および試薬成分の移動速度が加速されるので、試料成分と試薬成分の衝突確率が大きくなり、最終的に目的成分を短時間に生成できるようになる。尚、反応効率をより一層向上させるには、間欠的に回転方向を切り替える方が好ましい。
また、金属板２０には熱伝導性の良い金属材料を用いているため、加熱機能付き小型攪拌機から発生した熱を効率良く混合部１７に伝熱できるので、過熱による試料成分および試薬成分の熱分解を防止できるようになる。
【０００８】
（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態を示すマイクロリアクタの側断面図である。
すなわち、図２に示す１本ないし複数本の単層または複層のカーボンナノチューブからなるナノチューブ材料２２の両端面に、フェライト粒子、シリカ、アルミナなどの磁性粒子２３の表面層にフルオロシラン、トリメチルクロロシラン、ビニルトリメトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシランなどから少なくとも１種類のシランカップリング剤２４がコーティングされている。
この実施の形態のマイクロリアクタは、微粒子表面にＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質および各種有機化合物などが吸着・残留することを抑制することである。
この実施の形態によれば、直径がサブマイクロメールから数十マイクロメートルのシリカ粒子の場合、粒子には多数の亀裂や細孔が存在している上に、粒子内部および表面層に親水性のシラノール基（Ｓｉ−ＯＨ）存在するため、表面を何らかの方法で不活性にしないと、ＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質などの生体分子や官能基にアンモニウムイオン（―ＮＨ３＋）などを有する有機分子などが細孔内部や表面層のシラノール基と静電気的な相互作用などにより吸着・残留する可能性がある。
そこで、下記の反応式（１）のシランカップリング剤の一種であるトリメトキシフルオロシランによるシリカ粒子表面の化学的処理を例にとって説明する。
表面層のシラノール基（Ｓｉ−ＯＨ）がトリメトキシフルオロシラン（Ｆ−Ｓｉ−（ＯＣＨ３）３）と反応することにより、安定なシロキサン基（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ）となり、表面層はフッ素で覆われるため、粒子の表面は親水性から疎水性へと変化するので、ＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質などの生体分子やアンモニウムイオンを有する有機分子などが粒子の細孔内部および表面層に吸着・残留することを抑制できる。
【０００９】
【数１】
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【００１０】
（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態を示すマイクロリアクタの側断面図である。すなわち、ペルチェ素子２５の下面から吸収した熱は、ナノチューブ集合体２６に伝達された後、枠体２７に取り付けられた冷却ファン２８により系外に排出される。
この実施の形態のマイクロリアクタは、アルミ製のヒートシンクに比べて冷却効率の向上および更なる薄型および軽量化を実現することである。
この実施の形態によれば、カーボンナノチューブは構造的に炭素のみからできており、直径が数ｎｍ〜数十ｎｍで、長さが数μｍから数十μｍと微小のチューブであり、アルミ、銅、鉄などの金属材料と同様に電気伝導性に優れているため、アルミ製のヒートシンクと比べて放熱に必要な表面積を大きく取れるため、それによって伝熱速度が増し、冷却効率の向上に繋がるとともにより一層薄型・軽量化が可能となる。
【００１１】
【発明の効果】
請求項１記載のマイクロリアクタによれば、図示していない化学合成などで良く使用されている小型攪拌機（スターラー）の回転に伴って、混合部１７内のナノ材料攪拌子が回転するために、混合部１７内に導入された流体が層流から乱流へと変化するので、試料成分と試薬成分の衝突確率が増し、結果的に反応時間を短くするができる。また、温度センサーによって混合部１７内の溶液温度を測定することで、溶液を過剰に加熱する必要がないので、熱的に不安定な試料成分や試薬成分の熱分解を防止することが可能であり、冷却部１９で混合部１７の上層部を冷却しているので、溶液の気化による気泡の発生も抑制することができる。請求項２記載のマイクロリアクタによれば、直径がサブμｍから数十μｍのシリカ粒子の場合、粒子には多数の亀裂や細孔が存在している上に、粒子内部および表面層に親水性のシラノール基（Ｓｉ−ＯＨ）存在するため、表面を何らかの方法で不活性にしないと、ＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質などの生体分子や官能基にアンモニウムイオン（―ＮＨ３＋）などを有する有機分子などが細孔内部や表面層のシラノール基と静電気的な相互作用などにより吸着・残留する可能性がある。
そこで、トリメトキシフルオロシランなどのシランカップリング剤を用いてシリカ粒子表面を化学処理すると、表面層のシラノール基（Ｓｉ−ＯＨ）がトリメトキシフルオロシラン（Ｆ−Ｓｉ−（ＯＣＨ３）３）と反応し、安定なシロキサン基（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ）となり、表面層はフッ素で覆われる形になるため、粒子表面は親水性から疎水性へと変化し、それによってＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質などの生体分子やアンモニウムイオンを有する有機分子などが粒子の細孔内部や表面層に吸着・残留することを抑制できるようになる。
請求項３記載のマイクロリアクタによれば、カーボンナノチューブは構造的に炭素のみからできており、直径が数ｎｍ〜数十ｎｍで、長さが数μｍから数十μｍと微小のチューブであり、アルミ、銅、鉄などの金属材料と同様に電気伝導性に優れているため、アルミ製のヒートシンクと比べて放熱に必要な表面積を大きく取れるため、それによって伝熱速度が増し、冷却効率の向上に繋がるとともにより一層薄型・軽量化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態のマイクロリアクタの構成を示す側断面図である。
【図２】、本発明の第２の実施形態のマイクロリアクタの構成を示す側断面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態のマイクロリアクタの構成を示す側断面図である。
【図４】、従来のマイクロリアクタの構成を示す側断面図である。
【符号の説明】
１２  マイクロ反応本体部
１３  上蓋
１４  注入口
１５  流出口
１６  微小流路
１７  混合部
１８  ナノ材料攪拌子
１９  冷却部
２０  金属板
２１  温度センサー挿入口
２２  ナノチューブ材料
２３  磁性粒子
２４  シランカップリング剤
２５  ペルチェ素子
２６  ナノチューブ集合体
２７  枠体
２８  冷却ファン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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