(57)【要約】【課題】高性能マイクロリアクタ実現のためには、粘性力と界面張力の影響をいかに小さくするかが大きな課題であった。【解決手段】反応や分析に用いる流動体として、粘性力と界面張力の小さな超臨界状態、亜臨界状態、液体状態の流動体を用いることにより、高性能なマイクロリアクタを提供する。例えば超臨界状態の二酸化炭素を用いる場合は、４０℃以上の温度と１０ＭＰａ以上の圧力条件下で動作させるが、マイクロリアクタ内外の圧力差を小さくして圧力漏れが生じないようにするため、マイクロリアクタを高圧容器内に設置すると良い。【選択図】　図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に少なくとも１つの流路を有する基板と、
前記流路と接続された試料導入管と、
前記流路と接続された試料導出管と、
流動体を加圧して前記試料導入管へ送る機構とを有し、
前記流動体として超臨界状態もしくは亜臨界状態もしくは液体状態の流動体を少なくとも１つ用いることを特徴とするマイクロリアクタ。
【請求項２】
試料導出管に接続された背圧制御装置を有することを特徴とする請求項１に記載のマイクロリアクタ。
【請求項３】
流動体として二酸化炭素、炭化水素、アルコール、アンモニア、亜酸化窒素、水の少なくとも１つを用いることを特徴とする請求項１から２に記載のマイクロリアクタ。
【請求項４】
流路と試料導入管との接続箇所を前記基板と押し付けて耐圧を持たせる構造を有する請求項１から３に記載のマイクロリアクタ。
【請求項５】
流路と試料導入管との接続箇所を前記基板にねじ溝を設けて耐圧を持たせる構造を有する請求項１から３に記載のマイクロリアクタ。
【請求項６】
流路を有する基板を高圧容器内に設置し、前記加圧した流動体を前記流路に流し、かつ前記高圧容器内にも加圧した流動体を導入することを特徴とする請求項１から５に記載のマイクロリアクタ。
【請求項７】
前記高圧容器の少なくとも一部に観測用の窓を設けることを特徴とする請求項６に記載のマイクロリアクタ。
【請求項８】
前記請求項１から７に記載のマイクロリアクタを用いて、金属錯体の形成・分離、薬品の抽出、微量成分の分析、ＤＮＡの分析、微粒の子形成、微粒子への薄膜コーティング、生体物質の検知の少なくとも１つの機能を実現する反応分析システム。
【請求項９】
第１の基板上に第１の薄膜を部分的に形成する工程と、
前記第１の薄膜をマスクにして前記第１の基板の一部をエッチングすることにより流路を形成する工程と、
第２の基板と前記第１の基板とを張り合わせる工程とを有することを特徴とするマイクロリアクタの製造方法。
【請求項１０】
第１の基板上に第１の薄膜を部分的に形成する工程と、
前記第１の薄膜をマスクにして前記第１の基板の一部をエッチングすることにより流路を形成する工程と、
前記第１の基板上に第２の薄膜を形成する工程と、
前記第１の薄膜を除去することで前記第２の薄膜を前記流路の一部に形成する工程と、
第２の基板と前記第１の基板とを張り合わせる工程とを有することを特徴とするマイクロリアクタの製造方法。
【請求項１１】
第２の薄膜として、白金、パラジウム、ルテニウム、チタン、バナジウム、ニッケル、ロジウム等の金属か前記金属の酸化物か窒化物かのうち少なくとも１つを用いることを特徴とする請求項１０に記載のマイクロリアクタの製造方法。
【請求項１２】
第２の薄膜として、ヘキサメチレンジシラザン等のシランカップリング剤あるいはその他の試薬を用いた表面コーティング薄膜を用いることを特徴とする請求項１０に記載のマイクロリアクタの製造方法。
【請求項１３】
第２の薄膜として、１０ｎｍ径以下の粒状物質を用いることを特徴とする請求項１０に記載のマイクロリアクタの製造方法。
【請求項１４】
第１の基板と第２の基板の少なくとも一方が、ガラス、アクリル、ポリカーボネートの少なくとも１つを主成分であることを特徴とする請求項９から１３に記載のマイクロリアクタの製造方法。
【請求項１５】
第１の薄膜を部分的に形成する方法として、フォトリソグラフィーとエッチングの組み合わせ法か、メタルマスクによる部分形成法か、インクジェットヘッドなどを用いた部分吐出法かのうち少なくとも１つを用いる請求項９から１４に記載のマイクロリアクタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ごく微少な量で化学反応や分析を行うことのできる装置、特に半導体加工技術と超臨界流体技術を融合した高性能なマイクロリアクタを提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロリアクタは、基板上に形成した１０〜１０００μｍのマイクロチャネルを用いて化学反応や分離・分析を行う装置であり、極微少量の試薬で化学反応や分析を行うことができる。マイクロリアクタは、リソグラフィーとエッチングを基本とする半導体微細加工技術と精密機械加工技術との融合により実現されたものであり、半導体技術を利用することで、伝熱部、制御部、検出部の集積化が可能となった。マイクロリアクタは、特に分析方面に応用される場合、「Ｌａｂ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐ」や「μ−ＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｔｏｔａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　Ｓｙｓｔｅｍ）」と呼ばれる（草壁克己他、化学工学、Ｖｏｌ６６、Ｎｏ．２、５４（２００２））。
【０００３】
マイクロリアクタを用いると、サンプルや試薬の使用量、廃液の軽減、省スペースでポータブルなシステムの実現、表面積／体積比率の向上による熱移動、物質移動の高速化、温度、濃度分布の軽減などが期待される。その結果、反応や分離の精密制御、高速・高効率化、副反応の抑制などが実現可能となる。また、半導体微細加工技術を活用することで、集積化、並列化、複合化が可能となり、多種サンプルの並行同時処理、前処理・反応・分離等の一連のプロセスの融合化なども実現できる。
【０００４】
図８にマイクロリアクタの一例を示す。試料や試薬をマイクロポンプなどを用いて各々のポートに導入し、反応後の生成物や分離分析物を、バイオセンサなどを用いて検出する。マイクロリアクタ上に形成された流路（溝）の大きさは直径１０μｍレベルであり、従来のｍｍレベルのシステムと比較すると、大幅な小型化を実現することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術においては、以下のような課題があった。
【０００６】
まず、マイクロ空間に働く力を考える（中嶋光敏、化学工学、Ｖｏｌ６６、Ｎｏ．２、６２（２００２））。マイクロ空間の一例として、相当径Ｌ＝１０μｍのマイクロチャネル内の液体を考える。密度ρ＝１０００ｋｇ／ｃｍ３、粘度μ＝１０ｍ・Ｐａ・ｓ、流速Ｕ＝１ｍｍ／ｓ、重力加速度ｇ＝１０ｍ／　ｓ２、界面張力σ＝０．０１Ｎ／ｍと仮定し、この流体に働く慣性力、重力、粘性力、界面張力を求めると、各々、慣性力１０−３Ｎ／ｍ２、重力１０−７Ｎ／ｍ２、粘性力１０−１Ｎ／ｍ２、界面張力１０３Ｎ／ｍ２となる。よって、このような微小領域の液体には、粘性力と界面張力の大きさが相対的に大きくなり、支配的になるということがわかる。よって、高性能のマイクロリアクタを実現するためには、粘性力と界面張力の影響をいかに小さくするかが非常に重要である。
【０００７】
ところが、従来のマイクロリアクタは反応溶媒として液体を用いていた。液体は取り扱いが比較的容易であり、反応溶媒として優れた特性を有しているが、前述の通り粘性力と界面張力が大きい。高性能のマイクロリアクタを実現するためには、粘性力と界面張力を小さくする必要があるが、従来の通り液体を用いていると粘性力と界面張力を小さくすることはできない。
【０００８】
本発明の目的は、粘性力と界面張力の小さな溶媒を用いることにより、高性能なマイクロリアクタを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のマイクロリアクタは、内部に少なくとも１つの流路を有する基板と、前記流路と接続された試料導入管と、前記流路と接続された試料導出管と、流動体を加圧して前記試料導入管へ送る機構とを有し、前記流動体として超臨界状態もしくは亜臨界状態もしくは液体状態の流動体を少なくとも１つ用いることを特徴とするマイクロリアクタであり、粘性力と界面張力の小さな超臨界状態もしくは亜臨界状態もしくは液体状態の流動体を用いることにより、高性能なマイクロリアクタを提供することができる。また、前記試料導出管に接続された背圧制御装置を設けることにより、前記流路の内部圧力を安定化することもできる。前記流動体としては、二酸化炭素、炭化水素、アルコール、アンモニア、亜酸化窒素、水の少なくとも１つを用いることが好ましく、これらの内２種類以上を併用することもできる。
【００１０】
また本発明のマイクロリアクタは、流路と試料導入管との接続箇所を前記基板と押し付けて耐圧を持たせる構造を有するか、流路と試料導入管との接続箇所を前記基板にねじ溝を設けて耐圧を持たせる構造を有するマイクロリアクタであり、接続個所からの圧力漏れを防止することができる。さらに、流路を有する基板を高圧容器内に設置し、前記加圧した流動体を前記流路に流し、かつ前記高圧容器内にも加圧した流動体を導入することにより、前記流路内部の圧力と前記基板外部の圧力との圧力差を小さくして、圧力漏れや装置の破壊を回避することができる。また、前記高圧容器の一部に観測用の窓を設けることもでき、反応、抽出などの操作を効率良く行うことができる。
【００１１】
本発明の反応分析システムは、マイクロリアクタを用いて、金属錯体の形成・分離、薬品の抽出、微量成分の分析、ＤＮＡの分析、微粒の子形成、微粒子への薄膜コーティング、生体物質の検知の少なくとも１つの機能を実現するものであり、超臨界状態もしくは亜臨界状態もしくは液体状態の流動体の低い粘性力と小さな界面張力をうまく用いて高性能なマイクロリアクタを提供することができる。
【００１２】
本発明のマイクロリアクタの製造方法は、第１の基板上に第１の薄膜を部分的に形成する工程と、前記第１の薄膜をマスクにして前記第１の基板の一部をエッチングすることにより流路を形成する工程と、第２の基板と前記第１の基板とを張り合わせる工程とを有することを特徴とするマイクロリアクタであり、半導体微細加工技術と精密機械加工技術との融合により微細かつ高性能なマイクロリアクタを実現することができる。また、前記第１の基板上に第２の薄膜を形成する工程と、前記第１の薄膜を除去することで前記第２の薄膜を前記流路の一部に形成する工程とを追加することで、前記流路の一部に前記第２の薄膜を形成することができる。前記第２の薄膜としては、白金、パラジウム、ルテニウム、チタン、バナジウム、ニッケル、ロジウム等の金属か前記金属の酸化物か窒化物かのうち少なくとも１つを用いることができ、反応の触媒などとしてさらに効率を上げることができる。また前記第２の薄膜としては、ヘキサメチレンジシラザン等のシランカップリング剤あるいはその他の試薬を用いた表面コーティング薄膜を用いても良いし、１０ｎｍ径以下の粒状物質を用いても良い。前記第１の基板や前記第２の基板の材料としては、ガラス、アクリル、ポリカーボネートの少なくとも１つを主成分とすることができる。また第１の薄膜を部分的に形成する方法としては、フォトリソグラフィーとエッチングの組み合わせ法か、メタルマスクによる部分形成法か、インクジェットヘッドなどを用いた部分吐出法かのうち少なくとも１つを用いることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態におけるマイクロリアクタについて図面を参照しながら説明する。
【００１４】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態によるマイクロリアクタの製造方法を示す図である。
【００１５】
図１（ａ）において、ガラス基板１０１上に、スパッタ法や真空蒸着法を用いてＣｒ薄膜１０２を３０ｎｍ厚、Ａｕ薄膜１０３を１００ｎｍ厚順に形成する。
【００１６】
次に、図１（ｂ）においてＡｕ薄膜１０３上にポジ型のフォトレジスト１０４を１μｍ厚で形成し、図１（ｃ）において前記フォトレジスト１０４の一部に紫外光１１５を照射後、図１（ｄ）において前記フォトレジスト１０４を現像する。本実施の形態では、フォトレジスト１０４としてポジ型を用い、露光に紫外光１１５を用いたが、これに限定されるものではない。露光、現像後にレジストパターンが形成されるならば、フォトレジスト１０４としてネガ型を用いても良いし、露光に電子線やＸ線等他のエネルギー線を用いても良い。
【００１７】
次に、図２（ｅ）においてＡｕ薄膜１０３とＣｒ薄膜１０２のエッチングを順に行う。Ａｕ薄膜１０３のエッチングはＩ２／ＮＨ４Ｉ等で行い、Ｃｒ薄膜１０２のエッチングはＣｅ（ＮＨ４）２（ＮＯ３）６等で行う。ＲＩＥ等のドライエッチングを用いても良い。
【００１８】
次に、図２（ｆ）において前記フォトレジスト１０４とＡｕ薄膜１０３とＣｒ薄膜１０２とをマスクとして、ガラス基板１０１のエッチングを行い、ガラス基板１０１上に流路１０５を形成する。このエッチングは、緩衝フッ化水素酸（ＨＦ）を用いて行う。エッチングを安定化するために、緩衝フッ化水素酸（ＢＨＦ）を用いると良い。
【００１９】
次に、図２（ｇ）において前記フォトレジスト１０４とＡｕ薄膜１０３とＣｒ薄膜１０２とを除去する。フォトレジスト１０４は酸素プラズマ等を用いて除去し、Ａｕ薄膜１０３のエッチングはＩ２／ＮＨ４Ｉ等で行い、Ｃｒ薄膜１０２のエッチングはＣｅ（ＮＨ４）２（ＮＯ３）６等で行う。
【００２０】
次に、図２（ｈ）において、流路１０５を形成したガラス基板１０１上に上部ガラス基板１０６を重ね、接着もしくは加熱融着して流路を完成する。
【００２１】
本実施の形態では、流路１０５の表面はガラス基板１０１もしくは上部ガラス基板１０６で全て覆われている。流路１０５内で化学反応を生じさせるなどの必要がある場合は、流路１０５の表面の全部もしくは一部を他の物質で被覆することができる。例えば、図２（ｅ）に引き続き、図３（ｉ）において前記フォトレジスト１０４とＡｕ薄膜１０３とＣｒ薄膜１０２とをマスクとして、ガラス基板１０１のドライエッチングを行い、引き続き緩衝フッ化水素酸（ＢＨＦ）を用いたウェットエッチングを行うことで、流路１０５を形成する。ドライエッチングを行うことで、ガラス基板１０１上での流路１０５の横方向の入り込みを小さくすることができる。次に、図３（ｊ）においてスパッタ法や真空蒸着法、レーザーアブレーション法等を用いて白金薄膜１０７を形成する。白金薄膜１０７は、ガラス基板１０１上に形成した流路１０５表面と、Ａｕ薄膜１０３とＣｒ薄膜１０２との側面と、フォトレジスト１０４の表面に形成される。次に、図３（ｋ）において、硫酸等の酸によりフォトレジスト１０４を除去する。この時、フォトレジスト１０４表面に形成された白金薄膜１０７も同時にリフトオフされ、除去される。引き続いてＡｕ薄膜１０３とＣｒ薄膜１０２とを除去する。Ａｕ薄膜１０３のエッチングはＩ２／ＮＨ４Ｉ等で行い、Ｃｒ薄膜１０２のエッチングはＣｅ（ＮＨ４）２（ＮＯ３）６等で行う。その結果、ガラス基板１０１上には、流路１０５表面のみに白金薄膜１０７が形成される。
【００２２】
次に、図３（ｌ）において、流路１０５を形成したガラス基板１０１上に上部ガラス基板１０６を重ね、接着もしくは加熱融着して流路を完成する。
【００２３】
本実施の形態では、流路１０５の表面に白金薄膜１０７を形成したが、これに限定されるものではない。触媒効果を有するパラジウム、ルテニウム、チタン、バナジウム、ニッケル、ロジウム等の金属や前記金属の酸化物、窒化物などでも良いし、撥水性を高めるためにＨＭＤＳ（ヘキサメチレンジシラザン）等のシランカップリング剤、あるいはその他の試薬を用いて表面コーティングを行っても良い。同様のプロセスを用いて、１０ｎｍ径以下のドットを流路１０５の表面に敷き詰め、表面張力を下げることもできる。
【００２４】
本実施の形態では、加工にリソグラフィーとエッチングを組み合わせて用いたが、メタルマスクなど基板上に密着させ、それをマスクにして部分的に薄膜を形成する方法を用いることもできるし、インクジェットヘッドを用いて部分的にノズルから薄膜形成材料を吐出し、部分的に薄膜を形成することもできる。
【００２５】
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態によるマイクロリアクタを示す図である。
【００２６】
図４において、第１の実施形態等を用いて形成したマイクロリアクタ２１９の上部ガラス基板２０６に試料導入管キャップ２１３を用いて試料導入管２１２を接続する。同様に、試料導出管キャップ２１５を用いて試料導出管２１４を上部ガラス基板２０６に接続する。試料導入管キャップ２１３や試料導出管キャップ２１５は、各々ガラス基板２０１に接して設けられたキャップ押さえ２１８と接続され、流路２０５内の圧力が上昇しても試料導入管キャップ２１３や試料導出管キャップ２１５がはずれないようになっている。
【００２７】
図１では示していないが、試料導出入管２１２、２１４が接続される部分の上部ガラス基板２０６には、予め孔が設けられている。もちろん、必要に応じて、緩衝フッ化水素酸で試料導出入管２１２、２１４が接続される部分の上部ガラス基板２０６をエッチングしても良い。
【００２８】
次に、マイクロリアクタ２１９を適切な温度に保持する。試料搬送媒体として超臨界状態の流動体を用いる場合は、その流動体の臨界温度以上に設定する。一方、液体状態の流動体を用いる場合は、その流動体の臨界温度未満に設定する。例えば、流動体として二酸化炭素を用いる場合は、二酸化炭素の臨界温度は３１℃、臨界圧力は７．４ＭＰａであるため、超臨界状態として用いる場合は４０℃以上が好ましい。一方、亜臨界状態もしくは液体状態として用いる場合は３０℃以下が好ましい。マイクロリアクタ２１９内の流路２０５は通常５００μｍ径以下の微細構造となっており、表面積が大きいため流路２０５内部と周辺との温度ばらつきを小さくできる。また、超臨界状態や亜臨界状態の流動体は熱伝導性が良いためさらに均一な温度にすることができる。
【００２９】
次に、超臨界状態もしくは亜臨界状態もしくは液体状態の二酸化炭素を試料導入管２１２から流路２０５へ導入する。この時、二酸化炭素は液体ポンプなどを用いて圧力を印加して流路２０５へ導入する。導入当初は圧力が低いため気体状態の場合があるが、試料導出管２１４の先に背圧制御装置（図示せず）等を設けて圧力を一定に調整し、所望の超臨界状態もしくは液体状態の二酸化炭素にすることができる。試料搬送媒体として超臨界状態の流動体を用いる場合は、その流動体を超臨界状態にする必要がある。このためには、圧力を臨界圧力以上にする必要がある。例えば、流動体として二酸化炭素を用いる場合は、二酸化炭素の臨界圧力が７．４ＭＰａであるため、これ以上の圧力にする必要がある。通常は、１０ＭＰａ以上が好ましい。一方、亜臨界状態もしくは液体状態の流動体を用いる場合は、圧力をその温度における気液平衡曲線以上の圧力にする必要がある。
【００３０】
次に、前記二酸化炭素を一定量流して温度、圧力が定常状態になった後、二酸化炭素に試料を溶解または混合した流動体を、試料導入管２１２から流路２０５へ導入する。試料は流路２０５へ導入され、流路２０５内で分析、反応など所望の操作が行われ、その後試料導出管２１４へと流される。分析や反応などの操作に関しては搬送媒体として常圧での液体を用いる場合と同じである。前記二酸化炭素を用いた場合は、背圧制御装置で圧力が取り除かれて常圧に戻ると、二酸化炭素は気体となって蒸散する。よって、溶媒を分離する工程が不要となる。
【００３１】
図４には試料導入管２１２と試料導出管２１４とが各々１つだけ表されているが、所望の分析や反応に応じて試料導入管２１２や試料導出管２１４を増やすことができる。例えば、複数の流動体を平行に接して流すことにより、高精度の抽出や反応を行うこともできる。また、第１の実施形態で説明したように、流路２０５内壁に白金薄膜１０７等を設けることもできる。この場合、白金薄膜１０７表面の触媒効果により、反応が促進され高速反応を行わせることもできる。
【００３２】
前述の通り、試料搬送媒体として超臨界状態の流動体を用いる場合は、温度をその流動体の臨界温度以上にし、かつ圧力をその流動体の臨界圧力以上にする必要がある。例えば、流動体として二酸化炭素を用いる場合は、二酸化炭素の臨界温度が３１℃、臨界圧力が７．４ＭＰａであるため、これ以上の温度、圧力の条件にする必要がある。通常は、４０℃以上、１０ＭＰａ以上が好ましい。但し、これ以上の温度、圧力条件下で分析、反応など所望の操作に適した温度、圧力を任意に選択することができる。一方、亜臨界状態もしくは液体状態の流動体を用いる場合は、その流動体の温度を臨界温度未満、かつ圧力をその温度における気液平衡曲線以上の圧力にする必要がある。例えば、流動体として二酸化炭素を用いる場合は、３０℃以下かつ１０ＭＰａ以上が望ましい。試料搬送媒体として超臨界状態の流動体を用いると、表面張力や粘性が小さく、微細な流路２０５を用いて、高精度の分析、反応などを行うことができる。一方、亜臨界状態もしくは液体状態の流動体を用いると、流動体の密度が大きいため、多くの試料を溶解または混合することができる。
【００３３】
本実施の形態では、流路２０５内の圧力が非常に高くなる。例えば、流動体として超臨界状態の二酸化炭素を用る場合は１０ＭＰａ程度の圧力が印加される。よって、ガラス基板２０１や上部ガラス基板２０６は十分な耐圧を必要とする。一方、前述の通り試料導入管キャップ２１３や試料導出管キャップ２１５は、流路２０５内の圧力が上昇してもはずれないように工夫はされているが、高圧になると圧力漏れなどを生じる場合がある。前記圧力漏れは、流路２０５内の圧力と、マイクロリアクタ２１９外部の圧力との圧力差に起因するものなので、マイクロリアクタ２１９外部の圧力を上げることにより回避することができる。例えば図５に示すように、マイクロリアクタ２１９を高圧容器２１１内に設置し、流動体導入管２１６から流動体を高圧容器２１１内に導入し、高圧容器２１１内の圧力を上げることができる。流動体導出管２１７の先に背圧制御装置（図示せず）等を設けて高圧容器２１１内の圧力を一定に調整することもできる。流路２０５内の圧力と、マイクロリアクタ２１９外部の圧力との圧力差を５ＭＰａ以内に抑制するとほとんど圧力漏れは生じない上に、より高い圧力領域まで使用してもマイクロリアクタが破壊することもない。また、高圧容器２１１内に導入した流動体を温度制御のため用いるなど必要な場合は流動体導出管２１７を通して外部に排出して定常フロー状態を作り出すこともできる。
【００３４】
さらに、高圧容器２１１上面にサファイア等を用いて観測窓２２０を設けることもできる。観測窓２２０を通して流路内をその場観測することで、分析や反応の制御を行うことが可能となり、効率が向上する。
【００３５】
また、圧力漏れが生じやすい場合や、キャップ押さえ２１８が設置できない場合などは、キャップ押さえ以外の方法で試料導入管２１２や試料導出管２１４を接続することができる。例えば、図６に示すように、上部ガラス基板２０６と試料導入管キャップ２１３と試料導出管キャップ２１５とにねじ溝２２９を設け、ねじ溝２２９を締め込むことで圧力漏れを防止することができる。
【００３６】
次に、本実施の形態によるマイクロリアクタの反応・抽出応用例を示す。図７にコバルト金属錯体形成のためのマイクロリアクタの概略図とその動作方法を示す。このマイクロリアクタは、反応・抽出用原料を導入するための３つの流路、流路Ａ５０１、流路Ｂ５０２、流路Ｃ５０３を有し、さらに、前記材料を反応させて所望の生成物を形成するための混合流路５０４と、反応・抽出後の生成物を導出するための導出流路Ａ５０５、導出流路Ｂ５０６とを有する。流路Ａ５０１からは２価のコバルトイオン５１１を含む水溶液を導入する。流路Ｂ５０２からは、２−ニトロソ−１−ナフトール５１２を含むアルカリ性水溶液を導入する。さらに、流路Ｃ５０３からは、超臨界状態もしくは液体状態の二酸化炭素５１３を導入する。流路Ａ５０１から導入された２価のコバルトイオン５１１を含む水溶液と、流路Ｂ５０２から導入された２−ニトロソ−１−ナフトール５１２を含むアルカリ性水溶液とは、前記混合流路５０４で合流し、混ざり合う。この時、２価のコバルトイオン５１１と２−ニトロソ−１−ナフトール５１２とは反応してコバルト金属錯体５１４を形成する。このコバルト金属錯体５１４は極性の小さな有機溶媒に溶けやすい。一方、超臨界状態もしくは液体状態の二酸化炭素５１３は、極性の小さな有機溶媒と似た相溶係数を有する。よって、コバルト金属錯体５１４は超臨界状態もしくは液体状態の二酸化炭素５１３にも溶解しやすい。本実施の形態によるマイクロリアクタでは、混合流路５０４において、水相と二酸化炭素相とは大きな比界面積の液−液界面あるいは超臨界−液界面を形成する。よって、水相で形成されたコバルト金属錯体５１４は速やかに二酸化炭素相に抽出される。水相と二酸化炭素相とは相流になっているため、流路Ａ５０１から導入された水溶液と、流路Ｂ５０２から導入されたアルカリ性水溶液とは導出流路Ａ５０５へ流れ、マイクロリアクタ外部へ排出される。一方、流路Ｃ５０３から導入された超臨界状態もしくは液体状態の二酸化炭素５１３は導出流路Ｂ５０６へ流れ、同じくマイクロリアクタ外部へ排出される。マイクロリアクタ外部で二酸化炭素５１３の圧力を減圧すると、二酸化炭素５１３は気体となり蒸散する。同時に、前記コバルト金属錯体５１４に対する溶解度も低下するため、コバルト金属錯体５１４が抽出、単離することができる。
【００３７】
本実施の形態においては、超臨界状態もしくは亜臨界状態もしくは液体状態の二酸化炭素を用いた。超臨界状態の二酸化炭素を用いると、表面張力や粘性が小さいため、微細な流路Ａ５０１、流路Ｂ５０２、流路Ｃ５０３、混合流路５０４等を用いて、高精度の分析、反応などを行うことができる。有機物に対する溶解度も向上するため、種々の反応に適用することができる。一方、液体状態の二酸化炭素を用いると、密度が大きいため、多くの試料を溶解または混合することができ、短時間に多くの生成物を得る場合がある。超臨界状態の二酸化炭素を用いる場合は、二酸化炭素の臨界温度が３１℃、臨界圧力が７．４ＭＰａであるため、これ以上の温度、圧力の条件にする必要がある。通常は、４０℃以上、１０ＭＰａ以上が好ましい。但し、これ以上の温度、圧力条件下で分析、反応など所望の操作に適した温度、圧力を任意に選択することができる。一方、亜臨界状態もしくは液体状態の二酸化炭素を用いる場合は、温度を臨界温度の３１℃未満、かつ圧力をその温度における気液平衡曲線以上の圧力にする必要がある。一般に、３０℃以下かつ１０ＭＰａ以上が望ましい。
【００３８】
本実施の形態では、流路Ｃ５０３から導入される流動体として、超臨界状態もしくは亜臨界状態もしくは液体状態の二酸化炭素を用いたが、それに限定されるものではない。所望の反応、抽出などの操作に最適なように、二酸化炭素のほかに、炭化水素、アルコール、アンモニア、亜酸化窒素、水等の超臨界状態もしくは液体状態も用いることができる。同様に、流路Ａ５０１とから導入された水溶液と、流路Ｂ５０２から導入されたアルカリ性水溶液とは、共に水を流動体として用いているが、水に限定されるものではない。所望の反応、抽出などの操作に最適なように、水のほかに、二酸化炭素、アルコール、アンモニア、亜酸化窒素等の超臨界状態もしくは液体状態も用いることができる。
【００３９】
本発明の実施形態によるマイクロリアクタを用いると、前述のような金属錯体の形成・抽出を行う以外にも、ナノメートルサイズの金属微粒子もしくはセラミックス微粒子表面に均一に所望の分子を修飾したり、所望の薄膜をコーティングしたりすることもできる。また、超臨界状態の流動体は粘度は表面張力が小さいために、高分子やＤＮＡなど比較的分子量の大きなものを扱う場合も、高速に反応やクロマトグラフィーなどの分析を行うことができる。また、粘度が高いために流路の中央と壁面との流速の差異が小さく、理論段数が大きく取れるため、分析としての分解能も飛躍的に向上する。さらに試料が少量で済み、小型のため、効率が高く、経済的である。これらを用いて、金属錯体の形成・分離システム、薬品抽出システム、微量分析システム、ＤＮＡ分析システム、生体センサ、微粒子形成システム、微粒子への薄膜コーティングシステムなどを実現することができる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の製造方法を用いれば、リソグラフィーとエッチングを基本とする半導体微細加工技術と精密機械加工技術との融合により微細な流路を有するマイクロリアクタを形成することができる。また、本発明のマイクロリアクタを用いれば、超臨界流体の特長である小さな粘性力と低い界面張力を生かすことにより、高速、高性能な反応、抽出、分析等を行うことができるマイクロリアクタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態によるマイクロリアクタの製造方法を示す図
【図２】本発明の第１の実施形態によるマイクロリアクタの製造方法を示す図
【図３】本発明の第１の実施形態によるマイクロリアクタの製造方法を示す図
【図４】本発明の第２の実施形態によるマイクロリアクタを示す部分拡大断面図
【図５】本発明の第２の実施形態によるマイクロリアクタを示す部分拡大断面図
【図６】本発明の第２の実施形態によるマイクロリアクタを示す部分拡大断面図
【図７】本発明の第２の実施形態によるコバルト金属錯体形成のためのマイクロリアクタの概略図とその動作方法を示す図
【図８】マイクロリアクタの一例を示す図
【符号の説明】
１０１　ガラス基板
１０２　Ｃｒ薄膜
１０３　Ａｕ薄膜
１０４　フォトレジスト
１０５　流路
１０６　上部ガラス基板
１０７　白金薄膜
１１５　紫外光
２０１　ガラス基板
２０５　流路
２０６　上部ガラス基板
２１１　高圧容器
２１２　試料導入管
２１３　試料導入管キャップ
２１４　試料導出管
２１５　試料導出管キャップ
２１６　流動体導入管
２１７　流動体導出管
２１８　キャップ押さえ
２１９　マイクロリアクタ
２２９　ねじ溝
５０１　流路Ａ
５０２　流路Ｂ
５０３　流路Ｃ
５０４　混合流路
５０５　導出流路Ａ
５０６　導出流路Ｂ
５１１　コバルトイオン
５１２　２−ニトロソ−１−ナフトール
５１３　二酸化炭素
５１４　コバルト金属錯体
【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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