(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】各流体供給ポートＰ１，Ｐ２から供給された種類の異なる流体を、第１の反応エレメント２の流体導入口２１を通して反応流路５に供給する。この反応流路５において流体を第１の混合小室群２２の各小室２２ａ内と、第２の混合小室群３２の各小室３２ａ内に交互に導入して蛇行させながら放射状に流動させるとともに、横断面内において分割及び合流させながら流動させる。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の流体供給ポートを有する流体供給エレメントと、
この流体供給エレメントに隣設され、中心部に各流体供給ポートから供給された複数種の流体を一側面から他側面に導く流体導入口を有し、前記他側面の流体導入口の周囲に微細な凹凸面を有する第１の反応エレメントと、
この第１の反応エレメントに隣設され、一側面の中心部に前記流体導入口を通過した複数種の流体を受け止める流体受け部を有し、他側面の前記流体受け部の周囲に微細な凹凸面を有する第２の反応エレメントと、
前記第１及び第２の反応エレメントの相互間に設けられ、前記流体受け部によって受け止めた複数種の流体を、前記第１及び第２の反応エレメントの微細な凹凸面に沿って蛇行させながら放射状に流動させて分散混合させる反応流路と、
この反応流路を通過した流体を集める集合路と、
この集合路に連通する流体排出ポートを有する流体排出エレメントと
を備えることを特徴とするマイクロリアクター。
【請求項２】
前記第１の反応エレメントの凹凸面が、第２の反応エレメント側が開口された多数の小室を有するハニカム状の第１の混合小室群からなり、第２の反応エレメントの凹凸面が、第１の反応エレメント側が開口された多数の小室を有するハニカム状の第２の混合小室群とからなり、互いに対向する各混合小室群の小室どうしが、位置をずらして配置されている請求項１記載のマイクロリアクター。
【請求項３】
前記集合路が、反応流路を通過した流体を第２の反応エレメントの他側面側に導く第１の流路と、この第１の流路を通過した流体を第２の反応エレメントの中心部に向かって流動させる第２の流路とを備え、この第２の流路に、第１の流路を通過した流体を第２の反応エレメントの中心部に向かって直線的に流動させる整流部を放射状に設けているとともに、前記流体排出ポートを第２の反応エレメントの中心部に対応させて設けている請求項１記載のマイクロリアクター。
【請求項４】
　前記整流部の中心側の端部を結ぶ仮想円の直径が、前記流体排出ポートの内径よりも小さい請求項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１０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１１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、複数の流体供給ポートを有する流体供給エレメントと、この流体供給エレメントに隣設され、中心部に各流体供給ポートから供給された複数種の流体を一側面から他側面に導く流体導入口を有し、前記他側面の流体導入口の周囲に微細な凹凸面を有する第１の反応エレメントと、この第１の反応エレメントに隣設され、一側面の中心部に前記流体導入口を通過した複数種の流体を受け止める流体受け部を有し、他側面の前記流体受け部の周囲に微細な凹凸面を有する第２の反応エレメントと、前記第１及び第２の反応エレメントの相互間に設けられ、前記流体受け部によって受け止めた複数種の流体を、前記第１及び第２の反応エレメントの微細な凹凸面に沿って蛇行させながら放射状に流動させて分散混合させる反応流路と、この反応流路を通過した流体を集める集合路と、この集合路に連通する流体排出ポートを有する流体排出エレメントとを備えている（請求項１）。
【０００６】
このような構成のマイクロリアクターによれば、流体供給エレメントの各流体供給ポートから供給された複数種の流体を、流体導入口を通して第２の反応エレメントの流体受け部に導いて反応流路に供給し、この反応流路内に形成した微細な凹凸面によって蛇行させながら放射状に流動させながら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。
【０００７】
前記マイクロリアクターは、前記第１の反応エレメントの凹凸面が、第２の反応エレメント側が開口された多数の小室を有するハニカム状の第１の混合小室群からなり、第２の反応エレメントの凹凸面が、第１の反応エレメント側が開口された多数の小室を有するハニカム状の第２の混合小室群とからなり、互いに対向する各混合小室群の小室どうしが、位置をずらして配置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。
【０００８】
前記マイクロリアクターにおいて、前記集合路は反応流路を通過した流体を第２の反応エレメントの他側面側に導く第１の流路と、この第１の流路を通過した流体を第２の反応エレメントの中心部に向かって流動させる第２の流路とを備え、この第２の流路に、第１の流路を通過した流体を第２の反応エレメントの中心部に向かって直線的に流動させる整流部を放射状に設けているとともに、前記流体排出ポートを第２の反応エレメントの中心部に対応させて設けているのが好ましい（請求項３）。
この場合には、反応流路を通過した流体を第１の流路を通して第２の反応エレメントの他側面側に導き、この他側面側に導いた流体を第２の流路において整流部により第２の反応エレメントの中心部に向かって直線的に流動させることができる。これにより、流体を第２の反応エレメントの中心部にスムースに集めて流体排出ポートから効率よく排出することができる。このため、背圧によって反応流路で流体の流れが阻害されるのを防止することができる。また、この場合において、前記整流部の中心側の端部を結ぶ仮想円の直径は、前記流体排出ポートの内径よりも小さいのが好ましい（請求項４）これにより、第２の流路において中心部に向かって流動する流体どうしを、当該中心部で効果的に合流させて、その分散混合をさらに促進させることができる。
【０００９】
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。
【００１０】
【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Ｍの一実施形態を示す断面図であり、図２はその一部欠截平面図である。このマイクロリアクターＭは、複数の流体供給ポートＰ１を有する流体供給エレメント１と、この流体供給エレメント１に隣設された第１の反応エレメント２と、この第１の反応エレメント２に隣設された第２の反応エレメント３と、中心部に流体排出ポートＰ２を有する流体排出エレメント４とによって構成されている。
【００１１】
前記マイクロリアクターＭは、各エレメント１〜４を積層して円板状にしたものであり、その直径は例えば１０〜５０ｍｍ、厚みは例えば５〜１５ｍｍ程度に設定されている。また、各エレメントの素材としては、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前記素材の中から適宜選択される。
【００１２】
前記流体供給エレメント１に形成された各流体供給ポートＰ１は、一側面（上面）に開口しており、当該流体供給エレメント１の他側面（下面）側に形成された円形断面の凹部１１によって相互に連通されている。各流体供給ポートＰ１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。
【００１３】
第１の反応エレメント２は、その一側面が流体供給エレメント１に接合されており、その中心部に各流体供給ポートＰ１から供給された複数種の流体を当該一側面から他側面に導く流体導入口２１が貫通形成されている。
前記他側面の外周側には、環状にて平坦な座部２３が形成されており、この座部２３と前記流体導入口２１との間には、複数の小室２２ａからなるハニカム状の第１の混合小室群２２が形成されている（図３参照）。前記小室２２ａは第２の反応エレメント３側が開口しており、その断面形状は図の場合六角形を呈している。また、隣設する小室２２ａどうしは、その周壁の一部を共有している。
【００１４】
第２の反応エレメント３は、その一側面の外周側が第１の反応エレメント２の座部２３に接合されており、その他側面の外周側には、環状にて平坦な座部３３が形成されているとともに、この座部３３の内側に凹部３０が形成されている。この第２の反応エレメント３の前記一側面の中心部には、第１の反応エレメント２の流体導入口２１を通過した複数種の流体を受け止める流体受け部３１が形成されている。この流体受け部３１は前記流体導入口２１の軸線に対して直交する平坦面からなり、当該流体導入口２１から導入された流体を偏りなく放射状に拡散させる。なお、この流体受け部３１は、前記平坦面の他、第１の反応エレメント２方向に突出する円錐面や球面であってもよい。
【００１５】
前記流体受け部３１の周囲には、複数の小室３２ａからなる第２の混合小室群３２が形成されている（図５参照）。この第２の混合小室群３２は、前記第１の混合小室群２２と同様なハニカム状のものであり、その小室３２ａは第１の反応エレメント２側が開口している。
また、前記第２の反応エレメント３には、後述する反応流路５を通過した流体を、第２の反応エレメント３の他側面側に導く第１の流路６１が、前記凹部３０の外周縁に沿って所定ピッチ毎に複数個貫通形成されている（図５及び図６参照）。
【００１６】
前記第１の混合小室群２２の小室２２ａと、第２の混合小室群３２の小室３２ａとは、互いに対向する一方の小室が他方の小室と正対しないように、図３及び図５において上下方向及び左右方向に所定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。また、前記第１の混合小室群２２の下面と第２の混合小室群３２の上面とは、ほぼ同一平面に配置されている。これにより、各混合小室群２２，３２の相互間には、前記流体受け部３１によって受け止めた複数種の流体を放射状に流動させつつ蛇行させる反応流路５（図１参照）が構成されている。
【００１７】
各小室２２ａ，３２ａ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、前記反応流路５には、各混合小室群２２，３２によって微細な凹凸面が構成されている。なお、前記各小室２２ａ，３２ａ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る。
【００１８】
第１の反応エレメント２の凹部３０によって流体排出エレメント４との間に構成される隙間は、前記第１の流路６１を通過した流体を中心部に導く第２の流路６２として構成されており、これら各流路６１，６２によって、反応流路５を通過した流体を中心部に集合させる集合路６が構成されている。
前記第２の流路６２には、複数枚の整流部７が放射状に配置されている（図１及び図６参照）。各整流部７は第２の反応エレメント３の他側面から突出したリブ状のものであり、第２の流路６２を周方向において等間隔に区画している。この整流部７により、第２の流路６２に導いた流体を、第２の反応エレメント３の中心部に向かって直線的に流動させることができる。
【００１９】
前記整流部７の中心側の端部７１は、当該端部７１に臨ませた前記流体排出ポートＰ２の内周よりも中心側に位置している。つまり、各整流部７の中心側の端部７１どうしを結ぶ仮想内接円の直径Ｄは、前記流体排出ポートＰ２内径ｄよりも小さくなっている（図１参照）。これにより、第２の流路６２において中心部に向かって流動する流体どうしを、当該中心部で効果的に合流させて、強い乱流を生じさせることができる。
前記流体排出ポートＰ２を形成した流体排出エレメント４は、その一側面の外周側が第２の反応エレメント３の前記座部３３に接合されている。
【００２０】
以上の構成であれば、各流体供給ポートＰ１から供給された種類の異なる流体は、第１の反応エレメント２の流体導入口２１を通過した後、第２の反応エレメント３の流体受け部３１で受け止められて反応流路５に供給され、この反応流路５において放射状に流動しながら、縦断面内では図１の矢印で示すように、第１の混合小室群２２の各小室２２ａ内と、第２の混合小室群３２の各小室３２ａ内とに交互に導入されて蛇行しながら流動し、横断面内では図７の矢印で示すように、分割及び合流しながら流動することができる。このため、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ができ、当該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。しかも、各小室２２ａ，３２ａ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。
【００２１】
そして、反応流路５を通過した流体は、第１の流路６１を通して第２の流路６２に導かれ、中心部に集められて流体排出ポートＰ２を通して排出される。この際、第２の流路６２に導いた流体を、前記整流部７によって中心部に向かって直線的に流動させることができるので、当該流体を第２の反応エレメント３の中心部にスムースに集合させて流体排出ポートＰ２から効率よく排出することができる。このため、背圧によって反応流路５の流体の流れが阻害されるのを防止することができる。また、各整流部７の中心側の端部７１どうしを結ぶ仮想内接円の直径Ｄが、前記流体排出ポートＰ２の内径ｄよりも小さくなっており、第２の流路６２において中心部に向かって流動する流体どうしを、当該中心部で効果的に合流させて、強い乱流を生じさせることができるので、当該流体どうしをより一層効果的に混合させることができる。
【００２２】
前記小室２２ａ，３２ａの断面形状としては、前記六角形の他、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２２ａ，３２ａの製造が困難となる。
なお、前記各小室２２ａ，３２ａ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２２ａ，３２ａ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２２の小室２２ａと第２の混合小室群３２の小室３２ａ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。
【００２３】
前記小室２２ａ，３２ａの個数については、流体の種類の応じて適宜選択される。また、流体供給ポートＰ１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、互いに対をなす第１の反応エレメント２及び第２の反応エレメント３については、反応時間を長く要する場合等には複数対設けてもよい（図８参照）。また、前記整流部７は流体排出エレメント４に突設してもよい。前記マイクロリアクターＭは、基台８上に複数個形成してもよく（図９参照）、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。
【００２４】
この発明のマイクロリアクターＭ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Ｍ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。
【００２５】
【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断面図である。
【図２】同じく一部欠截平面図である。
【図３】第１の反応エレメントを示す底面図である。
【図４】第１の反応エレメントを示す平面図である。
【図５】第２の反応エレメントを示す平面図である。
【図６】第２の反応エレメントを示す底面図である。
【図７】反応流路での流体の流れを示す概略図である。
【図８】他の実施の形態を示す断面図である。
【図９】さらに他の実施の形態を示す平面図である。
【図１０】従来例を示す一部欠截平面図である。
【図１１】他の従来例を示す一部欠截平面図である。
【符号の説明】
１　　　流体供給エレメント
２　　　第１の反応エレメント
２１　　流体導入口
２２　　第１の混合小室群
２２ａ　小室
３　　　第２の反応エレメント
３１　　流体受け部
３２　　第２の混合小室群
３２ａ　小室
５　　　反応流路
６　　　集合路
６１　　第１の流路
６２　　第２の流路
７　　　整流部
Ｐ１　　流体供給ポート
Ｐ２　　流体排出ポート
【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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