(57)【要約】      （修正有）【課題】隣接する各々の流体が微小流路内で安定な流体境界を形成し、隣接する層流の混入なしに別々に所定の排出口より排出することができる微小流路構造体、及びこのような微小流路構造体を用い、流体を送液するだけで微小流路内で流体の進行方向に互いの流体境界で接触させてより効率的に化学操作する方法を提供する。【解決手段】流体を導入するための２以上の導入口１１及び導入流路と、導入流路が合流する合流部と連通しかつ導入された流体を流すための微小流路１９と、微小流路に連通しかつ所定の流体を分離する分岐部４を有した２以上の排出流路及び排出口１２と、を有した微小流路構造体であって、微小流路には、導入された２種以上の流体により形成される境界３に沿って、導入された流体が互いに混入しないための複数の仕切り壁２２が設けられている微小流路構造体及びそれを用いた流体の化学操作方法を用いる。【選択図】図８
2004358453.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を導入するための２以上の導入口及びそれらに連通する導入流路と、前記導入流路が合流する合流部と連通しかつ導入された流体を流すための微小流路と、前記微小流路に連通しかつ所定の流体を分離する分岐部を有した２以上の排出流路及びそれらに連通する排出口と、を有した微小流路構造体であって、前記微小流路には、導入された２種以上の流体により形成される境界に沿って、導入された流体が互いに混入しないための複数の仕切り壁が設けられていることを特徴とする微小流路構造体。
【請求項２】
仕切り壁が、流体の進行方向に対して不連続であることを特徴とする請求項１記載の微小流路構造体。
【請求項３】
前記仕切り壁の高さが、微小流路深さに実質的に等しいことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の微小流路構造体。
【請求項４】
前記複数の仕切り壁が、前記合流部および分岐部と離れた位置に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の微小流路構造体。
【請求項５】
前記複数の仕切り壁のうち、前記微小流路の分岐部に最も近い仕切り壁が、前記微小流路の分岐部と連通していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の微小流路構造体。
【請求項６】
前記複数の仕切り壁において、前記導入流路の合流部近傍と前記排出流路の分岐部近傍を除いて、存在しない箇所が１箇所以上ある特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の微小流路構造体。
【請求項７】
前記仕切り壁の前記流体の進行方向の最長の長さが、前記流体の進行方向の仕切り壁と仕切り壁の間隔以下であることを特徴とする請求項１〜６いずれかに記載の微小流路構造体。
【請求項８】
前記微小流路の直線以外の形状の部分において、前記仕切り壁が前記微小流路の直線以外の形状の部分の直前の近傍付近から前記微小流路の直線以外の形状の部分の直後の近傍付近まで連続していることを特徴とする請求項１〜７いずれかに記載の微小流路構造体。
【請求項９】
前記微小流路における導入流路近傍及び／または排出流路近傍の部分において、前記流体の進行方向の仕切り壁と仕切り壁の間隔が、前記微小流路における導入流路近傍及び／または排出流路近傍以外の部分との前記流体の進行方向の仕切り壁と仕切り壁の間隔より短くなっていることを特徴とする請求項１〜８いずれかに記載の微小流路構造体。
【請求項１０】
前記微小流路における導入流路近傍及び／または排出流路近傍の部分において、前記流体の進行方向の仕切り壁が、前記流体の進行方向に連続していることを特徴とする請求項１〜８いずれかに記載の微小流路構造体。
【請求項１１】
前記仕切り壁で仕切られた微小流路の内壁に、流体の流れを維持できる程度に張り出した突起が複数形成されていることを特徴とする請求項１〜１０いずれかに記載の微小流路構造体。
【請求項１２】
前記微小流路に導入された２種以上の流体において、仕切り壁を介在して隣接する流体の進行方向が互いに逆になるように前記２以上の導入口とそれらに連通する前記導入流路および、前記２以上の排出口とそれらに連通する前記排出流路を配置したことを特徴とする請求項１〜１１いずれかに記載の微小流路構造体。
【請求項１３】
前記仕切り壁で仕切られた微小流路の内壁表面が、前記導入された流体の各々の親水性／疎水性に応じて馴染む性質を有することを特徴とする請求項１〜１２いずれかに記載の微小流路構造体。
【請求項１４】
前記仕切り壁で仕切られた微小流路の内壁表面が、導入される流体の送液される側において親水性の異なる材質となっていることを特徴とする請求項１３に記載の微小流路構造体。
【請求項１５】
前記流体の進行方向の仕切り壁と仕切り壁の間に、前記仕切り壁と仕切り壁の間隔以下の微細な穴を有する膜が存在することを特徴とする請求項１〜１４いずれかに記載の微小流路構造体。
【請求項１６】
前記膜が高分子材料及び／又は無機材料であることを特徴とする請求項１５記載の微小流路構造体。
【請求項１７】
前記微小流路の内壁及び／または仕切り壁の壁面の全てあるいは一部に金属の膜を配置したことを特徴とする請求項１〜１６いずれかに記載の微小流路構造体。
【請求項１８】
前記金属への電流供給手段かつ／又は電圧供給手段を備えたことを特徴とする請求項１７記載の微小流路構造体。
【請求項１９】
前記排出口から排出された流体を前記排出口から前記導入口へ導くための再導入流路を備えた構造を有することを特徴とする請求項１〜１８いずれかに記載の微小流路構造体。
【請求項２０】
前記再導入流路に連通しており、流体を送液するためのポンプと前記再導入流路に連通しており流体を一時的に貯えておくためのリザーバータンクを備えることを特徴とする請求項１９に記載の微小流路構造体。
【請求項２１】
微小流路を流れる流体にエネルギーを供給する手段を備えたことを特徴とする請求項１〜２０いずれかに記載の微小流路構造体。
【請求項２２】
エネルギーを供給する手段が、加熱装置及び／又は光照射装置であることを特徴とする請求項２１に記載の微小流路構造体。
【請求項２３】
請求項１〜２２いずれかに記載の微小流路が平面的あるいは立体的に複数存在することを特徴とする微小流路構造体。
【請求項２４】
流体を導入するための２以上の導入口及びそれらに連通する導入流路と、前記導入流路が合流する合流部と連通しかつ導入された流体を流すための微小流路と、前記微小流路に連通しかつ所定の流体を分離する分岐部を有した２以上の排出流路及びそれらに連通する排出口と、を有した微小流路構造体であって、前記微小流路には、導入された２種以上の流体により形成される境界に沿って、導入された流体が互いに混入しないための、流体の進行方向に対して不連続でかつ、高さが微小流路深さに実質的に等しい仕切り壁が設けられており、前記仕切り壁の存在しない箇所が、前記導入流路の合流部近傍と前記排出流路の分岐部近傍を除いて、１箇所以上あることを特徴とする微小流路構造体。
【請求項２５】
請求項１〜２４いずれかに記載の微小流路構造体を用いて、前記微小流路内で前記仕切り壁を介して接触する２種以上の流体を分子拡散により混合することを特徴とする化学操作方法。
【請求項２６】
１以上の流体に微粒子を混入させ、流体境界を保ちながら流体を攪拌し混合を促進することを特徴とする請求項２５記載の化学操作方法。
【請求項２７】
請求項１〜２４いずれかに記載の微小流路構造体を用いて、前記微小流路内で前記仕切り壁を介して接触する２種以上の流体を化学反応させることを特徴とする化学操作方法。
【請求項２８】
請求項１〜２４いずれかに記載の微小流路構造体を用いて、前記微小流路内で前記仕切り壁を介して接触する抽出溶媒に被抽出溶媒から抽出対象物質を相間移動により溶媒抽出することを特徴とする化学操作方法。
【請求項２９】
請求項１〜２４いずれかに記載の微小流路構造体を用いて、前記微小流路内で前記仕切り壁を介して接触する２種以上の流体を分離することを特徴とする化学操作方法。
【請求項３０】
前記分離された１以上の流体を前記導入口より再び導入することを特徴とする請求項２９記載の化学操作方法。
【請求項３１】
前記分離された流体を排出流路を通じて排出口から排出し、その後排出された流体を前記導入口より再び導入することを特徴とする請求項３０記載の化学操作方法。
【請求項３２】
請求項１〜２４いずれかに記載の微小流路構造体を用いて、前記微小流路を流れる流体にエネルギーを供給することを特徴とする化学操作方法。
【請求項３３】
前記エネルギーが熱及び／又は光であることを特徴とする請求項３２記載の化学操作方法。
【請求項３４】
請求項１〜２４いずれかに記載の微小流路構造体を用いて、請求項２５〜３３いずれかに記載の２以上の化学操作を任意に組み合わせ行うことを特徴とする化学操作方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化学反応や液滴生成、分析などを行なう微小流路を有する微小流路構造体において、微小流路に導入した流体の混合や化学反応および生成物の溶媒抽出、分離、触媒回収等を行なうに好適な微小流路構造体及びそれを用いた流体の化学操作方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、数ｃｍ角のガラス基板上に長さが数ｃｍ程度で、幅と深さがサブμｍから数百μｍの微小流路を有する微小流路構造体を用い、流体を微小流路へ導入することにより化学反応を行う研究が注目されている。このような微小流路では、微小空間での短い分子拡散距離および大きな比界面積の効果による分子のすみやかな分子拡散により、特別な攪拌操作を行なわなくとも効率の良い化学反応を行なうことができることや、化学反応によって生じた目的化合物が反応相から抽出相へすばやく溶媒抽出、分離されることによって、引き続いて起こる副反応が抑えられることが示唆されている（例えば、非特許文献１参照）。ここで微小流路とは一般に流路の幅が５０〜３００μｍ、流路の深さが１０〜１００μｍの大きさの流路を意味する。
【０００３】
上記の例等では、図１に示すようにＹ字状の微小流路に原材料を溶かした水相（１）と有機相（２）を導入し、Ｙ字の合流部分で形成される有機相と水相の流体境界（３）で化学反応を起こしている。一般的に、マイクロスケールの流路内ではレイノルズ数が１より小さいケースがほとんどであり、よほど流速を大きくしない限りは図１に示すような層流の状態となる。また、分子の拡散時間は微小流路の幅（９）の２乗に比例するので、微小流路の幅（９）を小さくするほど反応液を能動的に混合しなくとも分子の拡散によって混合が進み、化学反応や溶媒抽出が起こりやすくなる。なお、流体境界は層流界面といわれることもある。
【０００４】
また、図２に示すように、微小流路の流体排出口（１２）をＹ字にしておくことで、水相と有機相を分離することができるということが一般的に言われている。このように流体排出口で導入した流体を完全に分離して排出することは、微小流路内で流体が接触することによって生じる化学反応や溶媒抽出を微小流路の分岐部（４）において完全に停止させたり、一度微小流路に導入した流体を再利用する上でも非常に重要な機能である。
【０００５】
しかし実際には、流体境界の位置は不安定であり変動する。その第１の要因は、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように流体を送液するポンプなどに起因する送液速度の時間的変動等により流体境界の位置が変動することである。この現象を円管内層流における流体の内部摩擦にもとづく圧力損失を表す理論式であるハーゲン−ポアズイユの式を用いて説明する。図４（ａ）に示すように、直径ｄ［ｍ］（６）の水平円管内（７）を流体が線速度ｕ［ｍ／ｓ］（５）で層流を形成して流れている場合、両方の円管端面（８）に作用する圧力Ｐ１とＰ２の差である圧力損失ΔＰ［Ｐａ］は、
ΔＰ＝Ｐ２−Ｐ１＝３２μＬｕ／ｄ２      （式１）
となる。これをハーゲン−ポアズイユの式という。ここで、μ［Ｐａ・ｓ］は粘性係数、Ｌ［ｍ］は流路長（１０）である。今、図４（ｂ）に示すように微小流路に２つの流体Ａ（１３）と流体Ｂ（１４）が層流となって流体境界を形成して流れている場合、それぞれの流体に（式１）が成り立ち、流体Ａと流体Ｂの圧力損失ΔＰＡおよびΔＰＢは、それぞれ（式２）、（式３）で示される。
【０００６】
ΔＰＡ＝３２μＡＬｕＡ／ｄＡ２      （式２）
ΔＰＢ＝３２μＢＬｕＢ／ｄＢ２      （式３）
ここで、μＡ、ｕＡ、ｄＡは、それぞれ流体Ａの粘性係数、線速度（５）、流体幅（３３）であり、μＢ、ｕＢ、ｄＢは、それぞれ流体Ｂの粘性係数、線速度、流体幅である。ここで、流体Ａと流体Ｂは、流路幅Ｄ［ｍ］（２２）の同一微小流路内を流れているので、ΔＰＡとΔＰＢはつりあっており（式４）が成立している。
【０００７】
μＡｕＡ／ｄＡ２＝μＢｕＢ／ｄＢ２      （式４）
さらに、送液速度ｖ［μＬ／分］と線速度ｕ［ｍ／ｓ］の関係は、流体の流れの方向に垂直な断面積をＳ［ｍ２］とすると、
ｕ＝１．６７×１０−１１・ｖ／Ｓ      （式５）
の関係にあり、この関係を（式４）に代入すれば
μＡｖＡ／ＳＡｄＡ２＝μＢｖＢ／ＳＢｄＢ２      （式６）
とな。ここでｖＡ、ｖＢは、それぞれ流体Ａ、流体Ｂの送液速度、ＳＡ、ＳＢはそれぞれ流体Ａ、流体Ｂの流れの方向に垂直な断面積である。さらに、断面積Ｓ［ｍ２］は、流体幅ｄ［ｍ］の２乗に比例することから、
μＡｖＡ／ｄＡ４＝μＢｖＢ／ｄＢ４      （式７）
が成立し、流体Ａと流体Ｂは、流路幅Ｄ［ｍ］の同一微小流路内を流れているので、
Ｄ＝ｄＡ＋ｄＢ      （式８）
が成立する。
【０００８】
ここで、流体Ａと流体Ｂの粘性は変化しないとする。今、流体Ａの送液速度が変化して大きくなると、ｖＡが大きくなると同時にｄＡが大きくなり（式７）のバランスを保とうとする。ｄＡが大きくなると流路幅Ｄは一定であるためｄＢが小さくなると同時にｖＢが小さくなり（式７）のバランスが保たれる。従って、流体を送液するポンプなどに起因する送液速度の時間的変動等により流体境界の位置が変動する。また、上記の例では、流体Ａと流体Ｂの粘性は変化しないと仮定したが、化学反応や溶媒抽出の進行にしたがって、流体Ａと流体Ｂの粘性が変化した場合も、（式７）のバランスを保とうとするので同様にｄＡ、ｄＢが変化して流体境界の位置が変動する。
【０００９】
流体境界の位置が不安定であり変動する第２の要因は、図３（ｃ）に示すように微小流路内壁と送液する流体との親和性の違いによる流体の回り込み（１５）が生じることにある。例えば、図３（ｂ）に示すようにガラス製の微小流路の中に水相（１）と有機相（２）を送液した場合、水相は有機相に比べてガラスの親和性が高いために、図３（ｂ）に示すように、水相は次第に有機相の外側を取り囲むように流路内壁から回り込んで流れる。この状態のまま微小流路の分岐部で分岐すると、有機相に水相が、水相に有機相が混入する。
【００１０】
以上のような要因のため、微小流路内で図２に示すような流体境界（３）を安定して形成することは容易ではない。特に微小流路内での化学反応の時間や溶媒抽出の時間を長くする目的で、微小流路内での流体の滞在時間を長くするために低い流速で送液する場合は、送液速度変動や流体の回り込みが生じやすい。
【００１１】
微小流路に導入された流体間の流体境界を安定化させるために、例えば図５（ａ）に示すように、微小流路の底面（１８）に流路深さ（１７）の約２０％程度以下のガイド状（１６）を有する微小流路構造が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。このようなガイド状を微小流路の底面に形成することで、図３（ａ）に示す流体境界（３）の位置の変動をある程度抑えることできるが、図３（ｂ）に示す微小流路内壁と送液する流体との親和性の違いによる流体の回り込み（１５）を十分に抑えることはできない。このため、ガイド状を微小流路の底面に形成した微小流路を用いても微小流路の流体排出口から、各々の流体を他の流体が混入することなく排出することは非常に困難であった。
【００１２】
すなわち、流体を送液するポンプなどに起因する送液速度の時間的変動等により流体境界の位置が変動にすることで層流を維持できなくなること、かつ、微小流路内壁と送液する流体との親和性の違いによる流体の回り込みが生じることにより、微小流路の流体排出口から排出される各々の流体に他の流体が混入してしまい、微小流路内で流体が接触することによって生じる化学反応や溶媒抽出を微小流路の分岐部で完全に停止させることが不可能であり、また、一度微小流路に導入した流体を再利用するには排出口から排出された各々の流体に混入した流体を特別に分離する必要があり、流体の再利用を容易に実現することはできなかった。
【００１３】
また、前述したように２種以上の流体が微小流路を通過後に、隣接し合う流体が混入せずに各々の流体を十分に分離できなかったために、混合時間及び／又は化学反応の時間を微小流路の流路長および／又は流体の送液速度によって決まる微小流路の中で隣接する流体の接触時間が微小流路の中だけで決定できなかった。従って、微小流路内だけで混合及び／又は化学反応を止めることができず、流体が微小流路を出た後でも混合及び／又は化学反応が進行し、例えば逐次反応による副生成物の生成が微小流路を出たあとで進行してしまい、反応収率の低下を招き、微小流路が有する、逐次反応の制御や副反応の抑制（例えば、非特許文献１参照）などの本来の特徴を生かすことができなかった。
【００１４】
また、前述したように２種以上の流体が微小流路を通過後に、隣接し合う流体が混入せずに各々の流体を十分に分離できなかったために、微小流路内で抽出溶媒に抽出対象物質を被抽出溶媒から溶媒抽出する時間を微小流路の流路長および／又は流体の送液速度によって決まる微小流路の中で隣接する流体の接触時間が微小流路の中だけで決定できなかった。従って、微小流路内で微小流路内だけで溶媒抽出を止めることができず、流体が微小流路を出た後でも溶媒抽出が進行し、例えば、微小流路の外では、各々の流体の混入の割合が変わってしまい、抽出溶媒と被抽出溶媒の体積比を保ったまま溶媒抽出を行なうことができなかった。また、微小流路の中で溶媒抽出した抽出溶媒を微小流路の外に出た後に被抽出溶媒から十分に分離することができなかった。ここで、溶媒抽出とは、前述したように抽出溶媒に抽出対象物質を被抽出溶媒から抽出することを意味するが、本明細書では、液体からなる液相を蒸発させて隣接する気体からなる気相に取り込むことも含む。
【００１５】
また、最近、微小流路に２種以上の流体を流した時にできる隣接する流体境界に膜を形成し、微小流路内の隣接する２流体間で前記膜を介して流体内の物質の選択的透過（例えば、非特許文献２参照）や前記膜への触媒や酵素の担持による触媒反応や酵素反応などが試みられている（例えば、非特許文献３参照）。しかしながら、膜の形成は微小流路の長さが１ｍｍ程度以下の短い流路長でないと流体進行方向に沿って膜を形成することが難しく、長い微小流路に流体進行方向に沿って連続した膜を形成することが難しかった。
【００１６】
また最近、微小流路の中で層流となった隣接する流体を互いに反対の流体進行方向にして送液したり、隣接する流体を任意の角度で交差させて接触させるなどの試みがなされている（例えば、非特許文献４参照）。これらは、隣接する流体の進行方向を同一方向にしないことで、化学反応や溶媒抽出の平衡をずらすことなどができないかなどに期待を持たれている。非特許文献４では、もともと親水性であるガラス製の微小流路の内壁の片側半分を、一般的に知られている疎水性の修飾剤であるトリクロロオクタデシルシランで疎水性に修飾して、１ｍｍ以下程度の長さで実験した例が示されている。このように、微小流路内で層流となった隣接する流体を互いに反対の流体進行方向にして送液することや、隣接する流体を任意の角度で交差させて接触させることは難しく、特に微小流路の長い距離にわたって実現することは非常に難しく、前記操作により化学反応や溶媒抽出の平衡をずらすことが可能なのか否かを検証するための実験を行なうことすらできなかった。
【００１７】
また、非特許文献４のような流路修飾を行なうには、前洗浄工程、修飾剤送液工程、修飾剤安定化工程、後洗浄工程など、複数の工程を必要とし、流路作製に時間とコストがかかる他、修飾剤の耐久性も１〜４週間程度しかなく、半永久的に上述した送液を実現する微小流路は存在しなかった。
【００１８】
また通常図１のような場合、化学反応の進行は主に流体境界（３）で進行する（例えば、非特許文献５参照）ため、分子の拡散効果だけでは反応生成物が流体境界に蓄積され、前述した微小空間での化学反応の特徴である効率の良い化学反応、すばやい溶媒抽出、分離および副反応の抑制といった効果を十分に得ることができなかった。前述したように微小流路の幅（９）を狭くすればさらに分子の拡散時間を短くでき、流体境界での生成物の蓄積を抑えることはできるが、微小流路の幅が狭いほど圧力損失が大きくなるため送液自体が難しくなり現実的ではない。また、能動的に流体境界を崩して混合すれば、生成物は流路内に均一に分布させることができるので化学反応の効率は向上する可能性はあるが、流体は懸濁状になり生成物を反応相から容易に分離することができず、溶媒抽出、分離の効果や副反応の抑制効果が十分得られなかった。
【００１９】
一方、例えば従来から触媒を用いた化学反応として、反応物質と触媒とが相を異にする不均一系触媒反応と、反応物質と触媒とがともに同一の相に存在して触媒反応が進行する均一系触媒反応がある。不均一系触媒反応においては、触媒として固体触媒が多く用いられており、例えば固体触媒に反応物質を含有した液体や気体を連続的に流通させて化学反応を進行させる。
【００２０】
従って、触媒と生成物を分離する操作が不要であり、大量生産が可能であるという利点があるが、固体触媒の表面のみで触媒作用が生じるため、均一系触媒反応に比べて反応効率が比較的悪く、生成物への選択性が悪いといった欠点がある。
【００２１】
一方、均一系触媒反応においては、一般に反応容器の中で触媒と原材料を混合させ懸濁状にすることで化学反応させるため反応物質に対する触媒の比界面積が大きくなり、不均一系触媒反応に比べて反応効率が良く生成物への選択性が良い利点があるが、反応終了後に溶媒、触媒、生成物を蒸留や濾過などの手段を用いて分離し回収する操作が必要である。しかしながら、一般に触媒は溶媒に溶解しているため高価な触媒の分離や再利用が非常に難しいという欠点がある。
【００２２】
従来、以上のような不均一系触媒反応と均一系触媒反応の利点と欠点を、お互いに補完する一つの手段として、触媒をポリマーや酸化物などの担体に担持させて不均一化させ、反応終了後に担持させた担体ごと分離する手法などが行われていた。しかしながら、触媒をポリマーや酸化物などの担体に担持させることで、高価な触媒がさらに高価になる上、熱的あるいは化学的に不安定になってしまったり、触媒の利点である迅速な熱除去ができなくなったり、反応効率が悪くなるという問題があった。
【００２３】
さらに、水相に含有させた触媒の一種である酵素（生体触媒）と有機相に含有させた基質を混合し、酵素により基質を加水分解したりやエステル化したりする化学反応が一般的に行われている。この場合、反応効率を上げるため機械的攪拌などにより水相と有機相の混合を行なうと、酵素の構造が機械的に壊れて活性を失ったり、攪拌により懸濁状になった酵素が有機相と接触することより性質が変わり活性を失ったりする問題があった。
【００２４】
【特許文献１】
特開２００２−１１０２号公報
【特許文献２】
ＷＯ９６／１２５４１
【非特許文献１】
Ｈ．Ｈｉｓａｍｏｔｏ  ｅｔ．ａｌ．（Ｈ．ひさもと  ら著）「Ｆａｓｔ  ａｎｄ  ｈｉｇｈ  ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  ｐｈａｓｅ−ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｅｘｐｌｏｉｔｉｎｇ  ｔｈｅ  ｌｉｑｕｉｄ−ｌｉｑｕｉｄｉｎｔｅｒｆａｃｅ  ｆｏｒｍｅｄ  ｉｎ  ａ  ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ  ｃｈｉｐ」，  Ｃｈｅｍ．Ｃｏｍｍｕｎ．，  ２００１年発行，  ２６６２−２６６３頁
【非特許文献２】
志水由紀ら、「マイクロチャネルにおける高分子隔膜の作成」，第３回  化学とマイクロシステム研究会  講演予稿集，２００１年発行，１１頁
【非特許文献３】
志水由紀ら、「マイクロチャネル内高分子膜状構造体の作成と応用」，第５回化学とマイクロシステム研究会  講演予稿集，２００２年発行，３７頁
【非特許文献４】
火原彰秀ら、「立体交差する多層流形成法の開発」，第３回  化学とマイクロシステム研究会  講演予稿集，２００１年発行，５５頁
【非特許文献５】
藤井、「集積型マイクロリアクターチップ」、ながれ２０巻、２００１年発行、９９〜１０５頁、
【００２５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、かかる従来の実状に鑑みて提案されたものであり、２種以上の流体を微小流路に導入し、隣接する各々の流体が微小流路内で安定な流体境界を形成し、隣接する層流の混入なしに別々に所定の排出口より排出することができる微小流路構造体を提供すること、そして前記微小流路構造体を用いて、流体を送液するだけで微小流路内で流体の進行方向に互いの流体境界で接触させてより効率的な混合、化学反応、溶媒抽出、分離、触媒回収等を行なう流体の化学操作方法を行うことを提供すること、多層系の触媒反応において、化学反応の過程で触媒の活性を失わず回収し再利用することが可能な微小流路構造体とそれを用いた化学操作方法を提供することにある。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するものとして、流体を導入するための２以上の導入口及びそれらに連通する導入流路と、導入流路が合流する合流部と連通しかつ導入された流体を流すための微小流路と、微小流路に連通しかつ所定の流体を分離する分岐部を有した２以上の排出流路及びそれらに連通する排出口と、を有した微小流路構造体であって、微小流路には、導入された２種以上の流体により形成される境界に沿って、導入された流体が互いに混入しないための複数の仕切り壁が設けられた微小流路構造体を提案し、さらにこのような微小流路構造体を用いて、混合、化学反応、溶媒、分離、触媒回収等の化学操作を行なうことにより、上記の従来技術による課題を解決することができ、遂に本発明を完成するに至った。なお、「２種以上の流体により形成される境界」という表現を、本発明では「流体境界」という表現と同意語で使用している。
【００２７】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００２８】
前述したように、一般に微小流路内での化学反応の時間や溶媒抽出の時間を長くする目的で、微小流路内での流体の滞在時間を長くするために低い流速で送液する場合は、送液速度の変動や流体の回り込みが生じやすい。このことは逆に微小流路の長さが短い程、流体境界の位置の変動や微小流路内壁と送液する流体との親和性の違いによる流体の回り込みが少ないことを意味している。これは、流体の接触距離及び接触時間が短いために、流体境界の位置の変動が小さく、かつ微小流路内壁と送液する流体との親和性の違いによる流体の回り込みが小さいためと考えられる。
【００２９】
従って、微小流路内で流体を接触させ、各々の流体の流体境界の位置の変動が小さい状態で、かつ微小流路内壁と送液する流体との親和性の違いによる流体の回り込みが小さい状態で分離し、その後に再び各々の流体を接触させる、というように接触と分離の操作を複数回繰り返すことで微小流路全体にわたって流体境界を安定に維持し、かつ流路内壁と送液する流体との親和性の違いによる流体の回り込みを防止して、微小流路の分岐部において、各々の流体に他の流体が混入することなく分離することができると考えられる。
【００３０】
従って本発明の微小流路構造体は、流体を導入するための２以上の導入口及びそれらに連通する導入流路と、前記導入流路が合流する合流部と連通しかつ導入された流体を流すための微小流路と、前記微小流路に連通しかつ所定の流体を分離する分岐部を有した２以上の排出流路及びそれらに連通する排出口と、を有した微小流路構造体であって、前記微小流路には、導入された２種以上の流体により形成される流体境界に沿って、前記合流部および分岐部と離れた位置に、導入された流体が互いに混入しないための複数の、微小流路深さに実質的に等しい高さの仕切り壁が設けられていることを特徴とする微小流路構造体である。
【００３１】
ここで、流体とは液体あるいは気体を意味する。また、導入された流体が互いに混入しないとは、各々の流体への他の流体の混入が実質的にないことを意味し、より具体的には混入率が１０％未満であることを意味する。
【００３２】
また、上記の微小流路とは、一般的に幅５００μｍ以下、深さ３００μｍ以下のサイズの流路である。また、導入流路と排出流路の幅と深さは特に制限はないが、微小流路と同様の幅と深さであっても良い。また、導入口と排出口の大きさも特に制限はないが、一般的に直径約０．１ｍｍ〜数ｍｍ程度の大きさであれば良い。
【００３３】
また導入流路の合流部近傍とは、合流部から１０μｍ以上５００μｍ以下を意味し、排出流路の分岐部近傍とは、分岐部から１０μｍ以上５００μｍ以下を意味する。
本発明の微小流路構造体は、水、有機溶媒等の媒体に目的とする反応物、あるいは抽出対象となる物質を溶解した２種以上の流体を微小流路構造体に形成されている微小流路に導入し、導入された流体が微小流路空間内で層流を維持したまま送液することで、流体間で接触させ分子拡散による混合や化学反応、溶媒抽出が行われ、かつ、微小流路より排出流路へ送液させるにあたっても、導入された流体の各々が、所定の排出流路へ送液できる構造としたものである。
【００３４】
このため、本発明の微小流路構造体には、流体を導入するための２以上の導入口及びそれらに連通する導入流路と、前記導入流路が合流する合流部と連通しかつ導入された流体を流すための微小流路と、前記微小流路に連通しかつ所定の流体を分離する分岐部を有した２以上の排出流路及びそれらに連通する排出口と、を有した微小流路構造体であって、前記微小流路には、導入された２種以上の流体により形成される境界に沿って、導入された流体が互いに混入しないための複数の仕切り壁が設けられていることを特徴とする微小流路構造体であり、さらには、仕切り壁が、流体の進行方向に対して不連続であることが好ましい。このように隣接する流体を仕切るための壁が設けられていれば導入された各々の流体が互いに混入することはなく、さらに、仕切り壁を不連続とすることで隣接する流体が接触して分子拡散による混合や化学反応、溶媒抽出、分離等を効率的に行なうことができる。
【００３５】
またこの仕切り壁は、導入された流体が微小流路内で互いに混入しないために設けられたものであるが、その高さが、微小流路深さと実質的に等しいか、あるいは流体が仕切り壁を越えて他の流体の相へ移動することができない程度の高さであればよく、好ましくは微小流路深さと等しい高さとするのがよい。
【００３６】
このような構造にすることで、流体を送液するポンプなどに起因する送液速度の時間的変動等による流体境界の位置の変動を抑制し、かつ、微小流路内壁と送液する流体との親和性の違いによる流体の回り込みを防止することができ、微小流路の流体排出口から、各々の流体を他の流体が混入することなく排出することができる。
【００３７】
以下、本発明の微小流路構造体について図面を参照しながらさらに詳しく説明する。
【００３８】
本発明における仕切り壁と導入流路の合流部、仕切り壁と排出流路の分岐部の位置関係としては、不連続な仕切り壁とするために、図８（ａ）に示すように仕切り壁（２２）を合流部（３７）および分岐部（４）から離れた位置に形成することが基本的な態様であるが、図８（ｂ）に示すように微小流路の分岐部に最も近い仕切り壁が、微小流路の分岐部と連通していることが好ましい。このようにすることで、隣接する流体をゆるやかに分離し、各々の流体の混入を抑制することができる。また、仕切り壁が、導入流路の合流部近傍（４２）と排出流路の分岐部近傍（４３）を除いて、存在しない箇所が１箇所以上ある、すなわち、図８（ｃ）に示すように、流体の進行方向の仕切り壁と仕切り壁の間隔が微小流路における導入流路近傍及び／または排出流路近傍以外の部分との流体の進行方向の仕切り壁と仕切り壁の間隔より短くなるように、合流部近傍と分岐部近傍には合流部から連続した仕切り壁および分岐部から連続した仕切り壁を形成すること、あるいは、図８（ｄ）に示すように、合流部近傍と分岐部近傍の部分において、合流部から流体の進行方向に連続して仕切り壁および分岐部から連続した仕切り壁を形成することがさらに好ましい。このように、合流部近傍に仕切り壁を設けることで、隣接する流体の衝突による各々の流体の混入を抑制することができ、分岐部近傍に仕切り壁を設けることで、隣接する流体を急激に分割することによる各々の流体の混入を抑制することができる。また、この仕切り壁が流体の進行方向に存在しない箇所が排出流路の分岐部近傍を除いて１箇所以上存在するということは、すなわち仕切り壁が少なくとも流体進行方向に１以上形成されていることを意味する。
【００３９】
また、流路修飾による方法のような多数の工程を経ずにエッチングや機械加工、成型などの方法を用いて、微小流路の形状作製と同時に行なうことができるので、流路修飾による方法に比べ流路作製の時間とコストが大幅に削減できる。特に、樹脂やセラミック、ガラスなどの成型により本発明の微小流路構造体を作製する場合に最大限の流路作製の時間とコストの削減効果を得られる。さらに、基本的に、上述した効果は本発明の微小流路構造体の微小流路の形状によって実現しているため、流路修飾による方法に比べて、前述した効果の実現の持続、すなわち効果の耐久性が半永久的な微小流路を本発明の微小流路構造体により初めて実現することができる。
【００４０】
また、仕切り壁の流体の進行方向における最長の長さが、すべて同じ長さになるように複数の仕切り壁を設けてもよいが、異なる長さの仕切り壁であっても差し支えない。また、流体進行方向の仕切り壁と仕切り壁の間隔も、同じ間隔であっても異なる間隔であってもよい。
【００４１】
また、図７に示すように本発明における微小流路（１９）の直線以外の形状の部分において、前記仕切り壁（２２）が前記微小流路の直線以外の形状の部分の直前の近傍付近（４１）から前記微小流路の直線以外の形状の部分の直後の近傍付近（４１）まで連続していることが望ましい。ここでいう近傍とは、特に制限はないが好ましくは５０００μｍ以内を意味する。例えば、曲線状の微小流路に流体を流した場合、微小流路の曲線状の部分において遠心力が働くことで、曲線状の微小流路の内側の流体が外側の流体に向かって押し出されるような形状になり、結果的に曲線状の微小流路の内側の流体と外側の流体が混入するようなことが生じる。しかしながら、微小流路の直線以外の形状の部分において、前記仕切り壁が前記微小流路の直線以外の形状の部分の直前の近傍付近から前記微小流路の直線以外の形状の部分の直後の近傍付近まで連続して仕切り壁を形成することで、この様な現象を防ぐことができ、微小流路の曲線状の部分において曲線状の微小流路の内側の流体と外側の流体が混入することが無くなる。
【００４２】
上記の考え方に基づいて、本発明は図６（ａ）に示すように、微小流路（１９）の内部において、２種以上の流体境界（３）又はその近傍に、流体の進行方向（２７）に沿って、微小流路深さ（１７）以下の高さの流体進行方向に対して不連続な仕切り壁（２２）を複数形成することで、仕切り壁のない所では流体を接触させ、また仕切り壁のある所では流体を分離させることができ、この不連続な仕切り壁を微小流路の流体進行方向に向かって複数形成しておけば、流体の接触と分離が繰り返される。このようにすることで、流体を送液するポンプなどに起因する送液速度の時間的変動等による流体境界の位置の変動を抑制し、かつ、微小流路内壁と送液する流体との親和性の違いによる流体の回り込み（１５）（図３（ｃ）の１５に示される）を防止することができ、微小流路の流体排出口から、各々の流体を他の流体が混入することなく排出することができる。従って、微小流路内で流体が接触することによって生じる分子拡散による混合、化学反応、溶媒抽出を流体排出口で完全に停止させたり、一度微小流路に導入した流体を再利用することが可能となる。
【００４３】
ここで、微小流路の幅方向に対する仕切り壁の位置は、特に制限されず、送液する流量や流速、粘性などの溶液の性質に応じて変更することができる。当然、混合、化学反応、溶媒抽出により隣接する流体の粘性が変化して流体境界の位置が流体進行方向に従って徐々に変化する場合でも、予め粘性の変化をシミュレーション等により計算し予測しておけば、予測した流体境界に沿って仕切り壁を設ければ良い。逆に、仕切り壁を流路の幅方向に対して中央付近に形成した場合に粘性が異なる流体を流した場合は、（式７）から流体の粘性に逆比例した送液速度で流体を送液すれば流体境界を仕切り壁付近に形成することができる。また、仕切り壁の厚さ（２３）は特に限定されないが、送液自体を妨げないように流路幅の３〜１０％程度が好ましい。また、仕切り壁の高さ（２４）は流路深さ以下であれば特に制限されないが、仕切り壁の高さが流路深さ（１７）に等しい場合が最も好ましい。また、流体進行方向における仕切り壁と仕切り壁の最短の間隔（２５）の最小値は、仕切り壁（２２）が不連続であれば特に制限はないが、あまり短すぎると流体の接触時間が短くなり化学反応や溶媒抽出を行うことができなくなるので、５０［μｍ］程度以上が好ましい。
【００４４】
また、本発明の微小流路構造体は、微小流路に導入するすべての流体の送液速度が等しい場合、仕切り壁と仕切り壁の流体進行方向に対する最短の間隔が好ましくは８００μｍ未満、さらに好ましくは４００μｍ以下であることが望ましい。後述する実施例でも示すように、流体進行方向の仕切り壁と仕切り壁の最短の間隔が８００μｍでは排出口から排出される各々の流体に他の流体が混入せずに排出流路を通って排出口から排出することができなくなることがある。これは、流体進行方向の仕切り壁と仕切り壁の最短の間隔が８００μｍを超えると流体を送液するポンプなどに起因する送液速度の時間的変動や微小流路内壁と送液する流体との親和性の違いによる流体の回り込みなどによる流体境界の位置が不安定になるためである。本発明で示す実施例から、排出口から排出される各々の流体に他の流体が混入せずに排出流路を通って排出口から排出することができる、流体進行方向の仕切り壁と仕切り壁の最短の間隔は４００μｍ以下であることが望ましい。
【００４５】
なおこの条件は、流体の粘性係数が等しく流路の幅方向に対する仕切り壁の位置が中央にある場合を想定しているが、隣接する流体の粘性係数が異なる場合は、（式７）と（式８）から送液速度が等しい場合のｄＡあるいはｄＢの値を計算し、その位置に仕切り壁を形成すれば、同様の関係式が成り立つ。
【００４６】
また、本発明の微小流路構造体は、微小流路に導入する流体のうち隣接する流体の送液速度と粘性係数の積が異なる場合、仕切り壁と仕切り壁の流体進行方向に対する最短の間隔が好ましくは４００μｍ未満、さらに好ましくは２００μｍ以下とすることで、微小流路に導入する流体の送液速度と粘性係数の積が０．６２５以上１．２５以下の範囲で変動しても、各々の流体に他の流体が混入せずに排出流路を通って所定の排出口から排出することができる。
【００４７】
すなわち、流体の粘性係数が等しい場合は、相対的に流路壁面と親和性の低い流体の流速を１０μＬ／分とすると、相対的に流路壁面と親和性の高い流体の送液速度の範囲が６．２５以上１２．５μＬ／分以下の範囲で変動しても各々の流体に他の流体が混入せずに排出流路を通って排出口から排出することができる。または、流体の送液速度が等しい場合は、相対的に流路壁面と親和性の低い流体の粘性係数を１ｍＰａ・ｓとすると、相対的に流路壁面と親和性の高い流体の粘性の下限値は、０．６２５以上１．２５ｍＰａ・ｓ以下の範囲で変動しても、各々の流体に他の流体が混入せずに排出流路を通って排出口から排出することができる。なおこの条件は、流体の粘性係数が等しく流路の幅方向に対する仕切り壁の位置が中央にある場合を想定しているが、隣接する流体の粘性係数が異なる場合は、（式７）と（式８）から送液速度が等しい場合のｄＡあるいはｄＢの値を計算し、その位置に仕切り壁を形成すれば、同様の関係式が成り立つ。
【００４８】
また、本発明の微小流路の直線部分においては、図６（ａ）に示す仕切り壁の流体進行方向の最長の長さ（２６）は、仕切り壁と仕切り壁の流体進行方向の最短の間隔（２５）以下であることがより好ましい。すなわち、仕切り壁の流体進行方向の最長の長さが仕切り壁と仕切り壁の流体進行方向の最短の間隔より短いことで、その微小流路の長さにおいて流体の接触時間、すなわち化学反応の時間や溶媒抽出の時間をより長く設けることができる。なお、仕切り壁の流体進行方向の最長の長さは、５０μｍ以上であることが、流体境界を安定に形成し、排出口において、各々の流体を他の流体が混入することなしに分離して排出するのにより好ましい。
【００４９】
さらに、図８（ａ）〜（ｄ）に示すように微小流路（１９）における導入流路近傍（３８）及び／又は排出流路近傍（３９）において、仕切り壁（２２）と仕切り壁の流体進行方向に対する最短の間隔（２５）が、微小流路の中央近傍（４０）の仕切り壁と仕切り壁の流体進行方向に対する最短の間隔よりも短くなっていることが好ましい。ここで導入流路近傍とは合流部（３７）から５０００μｍ以内を意味し、排出流路近傍とは、分岐部（４）から５０００μｍ以内を意味する。このようにすることで、導入流路近傍及び／又は排出流路近傍において、より流体境界を安定にすることができるので、合流部と分岐部において、各々の流体を他の流体が混入することなしに分離して排出することがより確実になる。
【００５０】
また本発明の微小流路構造体は、前記仕切り壁で仕切られた微小流路の内壁の親和性が、仕切り壁を介在して隣接する微小流路の内壁の親和性と異なっていることを特徴とする微小流路構造体である。このようにすることで、微小流路内壁と親和性のある流体が、微小流路内壁と親和性のない流体を覆うことによる回り込みをさらに効果的に抑えることができ、排出口において、各々の流体を他の流体が混入することなしに分離して排出することがさらに確実になる。
【００５１】
また、本発明における微小流路構造体は、不連続な仕切り壁で仕切られた微小流路の内壁に、流体の流れを維持できる程度に張り出した突起が複数形成されていることを特徴とする微小流路構造体である。このような突起を形成することで、突起に流体が接触することにより流体の流れの方向が変化することで攪拌効果を得ることができる。このような構造を微小流路内に形成することで、既に公知の圧電素子などによる機械的振動を利用した攪拌手段などに比べ電源等を必要とせずに、不連続な仕切り壁によって各流体の流体境界が安定に保たれながらその流体内で攪拌されるため、流体に含有される物質が各流体内でよりすみやかに均一に分散し十分な化学反応および抽溶媒抽出を速やかに行なうことができる。
【００５２】
また、不連続な仕切り壁によって各流体が流体境界を安定に保持しているので、各流体を微小流路の分岐部において容易に分離することができる。微小流路内に形成した突起のいくつかの形態の概念図を図１２（ａ）〜（ｄ）に示す。なお図１２では、２つの流体を導入した場合の例を示している。また本発明は、これらの例のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更が可能であることは言うまでもない。
【００５３】
図１２（ａ）は、片側半分の微小流路の底面（１８）に、複数の突起（２０）を形成した例である。突起は、１つあるいは複数の流体を各々の流体内で流体境界を保ちながら攪拌し、流体の流れを維持できる程度に張り出し、実質的に微小流路を塞がない高さと幅を有しておれば特に制限はない。突起の数も実質的に微小流路を塞がず各々の突起の形状を保持できる数であれば制限はない。突起の配列の仕方も特に制限はなく、規則正しく配列させても、ランダムに配置しても良い。図１２（ａ）では突起を片側半分の微小流路の底面のみ形成しているが、微小流路の底面の全体に形成しても良いし、さらに微小流路（１９）の上面から微小流路の内側に向けてに突起を形成してもよく、さらに両者に併せ持っていてもよい。微小流路の底面と。微小流路の上面（５０）に突起を形成した場合は、その突起により実質的に微小流路を塞がなければ、その突起の位置は微小流路の底面と微小流路の上面で同じであっても異なっていても良い。
【００５４】
図１２（ｂ）は、片側の微小流路の側面（５１）から、複数の突起（２０）を形成した例である。突起は、１つあるいは複数の流体を各々の流体内で流体境界を保ちながら攪拌し、流体の流れを維持できる程度に張り出し、実質的に微小流路（１９）を塞がない高さと幅を有しておれば特に制限はない。突起の数も実質的に微小流路を塞がず各々の突起の形状を保持できる数であれば制限はない。突起の配列の仕方も特に制限はなく、規則正しく配列させても、ランダムに配置しても良い。また図１２（ｂ）では突起を片側の微小流路の側面のみ形成しているが、両側の微小流路の側面に突起を形成してもよい。両側の微小流路の側面に突起を形成した場合は、その突起により実施的に微小流路を塞がなければ、その突起の位置は、両側の側面で同じであっても異なっていても良い。
【００５５】
図１２（ｃ）及び（ｄ）は、微小流路の底面（１８）に流体の進行方向（２７）に対して角度θを有する壁（５３）を微小流路の底面から垂直に形成した例である。なお壁の幅は、各々の流体境界の幅（５４）と等しくなるように設定されている。壁の高さは、実質的に微小流路（１９）を塞がない高さを有しておれば特に制限はない。また壁の数も実質的に微小流路を塞がず各々の壁の形状を保持できる数であれば制限はない。また壁の配列の仕方も特に制限はなく、規則正しく等間隔に配列しても、ランダムな間隔で配列しても良い。壁の流体の進行方向に対する角度θも特に制限はなく、図１２（ｃ）に示すように２つの流体の進行方向に対して各々対称的な角度θになるよう形成しても良いし、図１２（ｄ）に示すように２つの流体の進行方向に対して各々同じ角度θに形成してもよい。また、当然のことながら、すべての壁の角度θが異なって形成しても良い。また、図１２（ｃ）および（ｄ）では、両側の微小流路の底面（１８）に壁を形成しているが、片側の微小流路の底面に壁を形成しても良いし、微小流路の上面（５１）、片側の微小流路の側面（５０）あるいは両方の微小流路の側面に壁を形成してもよく、さらに両方を形成していてもよい。
【００５６】
微小流路の底面、上面、側面に壁を形成した場合は、その壁により実施的に微小流路を塞がなければ、その壁の位置は、底面、上面、側面で同じであっても異なっていても良い。
【００５７】
また本発明の微小流路構造体は、微小流路に導入された２種以上の流体において、仕切り壁を介在して隣接する流体の進行方向が互いに逆になるように２以上の導入口とそれらに連通する導入流路および、２以上の排出口とそれらに連通する前記排出流路を配置することで、図９に示したように、数ｍｍ程度の長さの微小流路の中で層流となった隣接する流体を互いに反対の流体進行方向にして送液することができ、さらに前述したように微小流路内を仕切り壁で仕切られた微小流路の内壁の親和性が、仕切り壁を介在して隣接する微小流路の内壁の親和性と異なるように修飾すれば、数ｃｍ程度の長さで微小流路の中で層流となった隣接する流体を互いに反対の流体進行方向にして送液することができる。これにより、微小流路の中で層流となった隣接する流体を互いに反対の流体進行方向にして送液することで化学反応や溶媒抽出の平衡をずらすことが可能なのか否かを検証するための実験を行なうことが可能となる。
【００５８】
また、本発明の微小流路構造体は、前記流体の進行方向の仕切り壁と仕切り壁の間に、前記仕切り壁と仕切り壁の間隔以下の微細な穴を有する膜を容易に形成することができる。なおこの膜の材質は、ナイロン、アクリル、セルロースなどの高分子材料であっても良いし、酸化珪素、酸化チタン、アルミナ、ジルコニアなどの無機材料であっても良く、さらに両者を併存させることもできる。
【００５９】
このような微小流路内の膜の形成は、前述した非特許文献２にあるようにナイロンを微小流路内の流体境界の形成した例が報告されているが、膜を形成できる流路長は長くとも１ｍｍ程度であり、実用的に十分な流路長とはいえなかったが、本発明の微小流路構造体のように、流体進行方向の仕切り壁と仕切り壁の間隔を１ｍｍ以下にして数ｃｍ〜数十ｃｍの微小流路の中に１ｍｍ以下の間隔で仕切り壁を多数形成しておけば、すべての仕切り壁と仕切り壁の間に確実にナイロン、アクリル、セルロースなどの高分子材料の膜を形成することができる。これは、本発明の微小流路構造体をもってはじめて可能となる。
【００６０】
従って、非特許文献２にある既に公知の方法によりナイロン、アクリル、セルロースなどの高分子材料の膜を形成し、微小流路内で選択分離が可能な機能性の高分子膜を実用的な長さの微小流路に形成することができる。またすでに公知の非特許文献３にあるように、微小流路内の流体境界に形成した高分子膜に酵素などを固定化して生化学反応を実用的な長さの微小流路に形成した実験なども、本発明の微小流路構造体をもってはじめて可能となる。
【００６１】
なお前述したようにこの膜の材質は、酸化珪素、酸化チタン、アルミナ、ジルコニアなどの無機材料であっても良い。このような無機材料の膜の形成は、例えば図１０に示すように、１）のステップで導入口、排出口をそれぞれ２ずつ有した、２入力２出力の本発明の微小流路構造体を適当な温度に加熱した状態で、片側の導入口から熱硬化性樹脂（４４）を、もう一方の導入口からは水相を導入、送液して層流を形成し、ヒーター（４５）により徐々に加熱して熱硬化性樹脂を硬化させた後、２）のステップで先に水を導入した導入口からいわゆるゾルゲル法により、アンモニア水溶液や水酸化ナトリウム水溶液などに酸化珪素、酸化チタン、アルミナ、ジルコニアなどの無機材料を懸濁させた懸濁液（４６）を適当な温度に加熱した状態で流して、３）のステップで微小流路の片側内壁に無機材料をコートした後、４）のステップで先の無機材料の懸濁液を導入した導入口から酸やアルカリ（４７）などを流して、もう一方の微小流路内で硬化した熱硬化製樹脂を除去することで、５）のステップで仕切り壁と仕切り壁の間に酸化珪素、酸化チタン、アルミナ、ジルコニアなどの無機材料の１μｍ〜５μｍの厚さのポーラスな膜（４８）を形成することができる。このような無機材料のポーラスな薄膜を触媒などに利用することで、隣接する流体間の触媒反応を実現することができる。このようなことも本発明の微小流路構造体をもってはじめて可能となる。
【００６２】
また、本発明の微小流路構造体は、図１１（ａ）に示すように微小流路の内壁及び／または仕切り壁の壁面の全て、あるいは図１１（ｂ）、（ｃ）に示すように一部に金属の膜（４９）を配置しても良い。図１１（ａ）のようにすることで、流路内壁の親媒性を変えたり、この金属に既存の電源で電流を供給したり、電磁誘導などにより金属に渦電流を発生させて金属を加熱し、ヒーターすることで、微小流路内の流体を加熱した金属に直接接触させ、効率の良い加熱反応を行なができる。またこの金属がタングステン、白金、パラジウム、ルテニウムの金属であれば、アンモニアなどの合成や分解などの触媒としても利用できる。
また図１１（ｂ）、（ｃ）のように金属を配置した場合は、金属間に電位差を与える電圧を供給することで、微小流路内に配置した金属間に電界を発生させることができる。この時の電界強度は、例えば、図１１（ｃ）の流路深さが１０μｍであった場合、１０Ｖの電位差を電極間に与えることで、１×１０６Ｖ／ｍの電界を生じさせることができる。これは、１０ｍｍの電極間に１０ｋＶの高電圧を印可した時の電界強度に相当する。すなわち、微小流路内に乾電池数個分の電源を用いることで容易に強電界を発生させることができ、この強い電界により、極性を有する分子などの配向を制御し、化学反応の選択性を高めるような制御も可能となる。
【００６３】
微小流路内への金属膜の形成は、スパッタ、電解めっき、無電解めっき、蒸着、ＣＶＤなど公知の方法で行なうことができる。金属膜の厚みは特に制限はないが、微小流路の大きさを考慮して、数ｎｍ〜数十μｍ程度が好ましい。
【００６４】
また本発明の微小流路構造体は、排出口から排出された流体を前記排出口から前記導入口へ導くための再導入流路を備えた構造を有した微小流路構造体である。ここで再導入流路とは、反応生成物を回収する流路、さらに必要あれば流体を廃棄するための流路を含む。なお、本明細書においては、これらの再導入流路、反応生成物を回収する流路、流体を廃棄するための流路を総称して排出流路ということがある。
【００６５】
上述したように再導入流路は分離された流体の内の化学反応の原料を含む流体を導くためのものであり、当該再導入流路は排出口を通じて前記した導入口の内のいずれかあるいはいずれとも連通している。このような流路を有した構造体とすることで、化学反応により生じた反応生成物等を分離すると共に、原料を含む流体を回収し、再び化学反応に用いることができ、効率的な化学反応を実施することができる。
【００６６】
さらに、この再導入流路には、これに連通しており流体を送液するためのポンプと、１以上の導入流路及び１以上の排出流路に連通しており流体を一時的に貯えておくためのリザーバータンクとを、さらに備えていてもよく、このような構造にすることで微小流路基板内で流体を回収、再利用すえうことができ、非常にコンパクトな化学反応装置とすることができる。
【００６７】
以上に述べたような構造とすることで、化学反応をさせた流体の内の化学反応用原料を未だ残している流体を効率的に導入口へ導入させることができる。また、非常に高価な触媒、特に不斉触媒や相間移動触媒、生体触媒（酵素）などを廃棄することなく回収して再び化学反応の利用することが容易に可能となる。
具体的に流体を導入、回収する手段を図１３に示す。
【００６８】
その１つの形態例として図１３（ａ）に示すように微小流路構造体（５５）の外部に設置した送液ポンプ（５６）などを用いて流体を送液し、流体排出口（１２）から排出された流体を、送液ポンプが送液する流体をあらかじめ入れてある容器（５７）にキャピラリーチューブ（５８）などを通して戻せば良い。
【００６９】
また別の形態例としては、図１３（ｂ）に示すように微小流路構造体（５５）の中に、流体を溜めておくリザーバータンク（６１）と送液するためのマイクロポンプ（５９）を埋め込み、リザーバータンクからマイクロポンプによる流体を流体導入口（１１）に送液し、微小流路（１９）を通って流体排出口（１２）から排出された流体を微小流路構造体の中に設けた回収流路（６０）を通して再びリザーバータンクに戻し、マイクロポンプにより再び流体を送液しても良い。ここで図１３（ｂ）では、マイクロポンプをＭＰと表示してある。なお、リザーバータンクは、微小流路の全体に流体を送液しても、リザーバータンク内の流体が枯渇しない容量を有していれば、その大きさに特に制限はない。また、回収流路の幅と深さにも特に制限はないが、微小流路と同等の幅と深さであっても良い。
【００７０】
また本発明の微小流路構造体は、微小流路を流れる流体にエネルギーを供給する手段を備えていてもよく、そのエネルギーを供給する手段が、加熱装置及び／又は光照射装置であることを特徴とする微小流路構造体である。このような構造体とすることで、光照射装置により光を照射したり、加熱装置により加熱したりして、微小流路部分へエネルギーを供給し化学反応を効率的に行わせることができる。
【００７１】
また本発明の微小流路構造体は、これまで記述してきた特徴を有する微小流路が、１枚の基板上に集積化して複数存在しても良いし、さらにその基板を積層一体化させてもよい。このようにすることで、微小空間の特徴を生かしたまま、大量の流体の混合、化学反応、溶媒抽出、分離等の化学操作を行なうことができる。
【００７２】
以上のような微小流路構造体を構成している微小流路を有する微小流路基板は、例えばガラスや石英、セラミック、シリコン、あるいは金属や樹脂等の基板材料を、機械加工やレーザー加工、エッチングなどにより直接加工することによって製作できる。また、基板材料がセラミックや樹脂の場合は、流路形状を有する金属等の鋳型を用いて成形することで製作することもできる。なお一般的に、前記微小流路基板は、流体導入口、流体排出口、および各微小流路の排出口に対応する位置に直径数ｍｍ程度の小穴を設けたカバー体と積層一体化させた微小流路構造体として使用する。カバー体と微小流路基板をの接合方法としては、基板材料がセラミックスや金属の場合は、ハンダ付けや接着剤を用いたり、基板材料がガラスや石英、樹脂の場合は、百度〜千数百度の高温下で荷重をかけて熱接合させたり、基板材料がシリコンの場合は洗浄により表面を活性化させて常温で接合させるなどそれぞれの基板材料に適した接合方法が用いられる。
【００７３】
本発明の流体の化学操作方法とは、これまで述べてきた本発明の微小流路構造体を用いて、混合、化学反応、溶媒抽出、分離、回収等の化学操作を意味し、それらを２つ以上組み合わせた化学操作を意味する。
【００７４】
このうちの混合方法の一つとして、少なくとも１以上の流体に微粒子を混入させ、流体境界を保ちながら流体を攪拌し混合を促進する化学操作方法であってもよい。このようにすることで、流体に混入した微粒子が流体内で動き、流体の流れの方向が変化することで、微粒子が混入した流体のみが攪拌される。このようにすることで、各流体の流体境界が保たれながらその流体内で攪拌されるため、流体に含有されている物質が各流体内ですみやかに均一に分散し十分な化学反応反応および溶媒抽出が可能となる。
【００７５】
また、各流体が流体境界を保持しているので、隣接して層流を形成している流体を容易に分離することができる。また、微小流路の幅が数μｍ〜数百μｍ程度、深さが数十μｍ程度であり、この微小流路内を微粒子が詰まらず流れる必要があることから、微粒子の粒径は、微小流路の幅や深さより一桁程度小さくなるように、サブミクロンから数十μｍ程度であることが好ましい。
【００７６】
また微粒子の個数も、微粒子を混入した流体に一定の攪拌効果が得られ、微小流路内を微粒子が詰まらず流れれば特に制限はない。
【００７７】
また微粒子の材質は、シリカなどの無機材料やスチレン系やアクリル系などの樹脂材料など、混入する流体に溶解しないものであれば特に制限はない。また、微粒子の表面が微粒子本体の材質に対して親水性あるいは疎水性に改質されていても良い。例えば、微粒子を混入する流体が水、エタノールといった親水性媒体の場合は、微粒子の表面が水酸基、カルボキシル基といった官能基を有する親水性に改質された微粒子を用い、微粒子を混入する流体がヘキサン、酢酸エチルといった疎水性媒体の場合は、微粒子の表面がオクタデシル基、ブチル基といった官能基を有する疎水性に改質された微粒子を用いることが好ましい。
【００７８】
これにより、１つの流体に混入させた微粒子が、その流体と流体境界で接触している流体に流体境界を越えて動くことを抑えることができ、不連続な仕切り壁によって流体境界を安定に保ったまま微粒子が混入している流体を攪拌することができる。
【００７９】
このような微粒子による微小流路内で流体を攪拌する方法の概念図を図２０に示す。なお、図２０では、２種の流体を導入し、一方の流体にのみ微粒子を混入した場合の例を示している。図２０に示すように微粒子（８０）が微小流路（１９）の内壁に衝突したり、微粒子がお互いに衝突したりすることで、流体の流れの向きが変わり攪拌効果を得ることができる。なお図２０では、微小流路を流れる片方の流体に微粒子を混入させて攪拌を行なった例であるが、両方の流体に微粒子を混入して、両方の流体を攪拌してもよい。
【００８０】
本発明の微小流路構造体を用いて、混合、化学反応、溶媒抽出、分離、回収等の化学操作を行なうことで、従来、試験管やビーカー、フラスコ等を用いて、上記、混合、化学反応、溶媒抽出、分離、触媒回収等の化学操作を別々に行なってきたことを、微小流路内で一度に実施することが、本微小流路構造体を用いることによって初めて可能となる。特に、本発明の微小流路構造体を用いた有効な化学操作方法の対象となる反応として多相系触媒反応がある。
【００８１】
一般的な触媒としては、オキソニウムイオンや水酸化物イオンなどの酸・塩基触媒や、ニッケルやパラジウム、銅、チタンなどを中心金属とした遷移金属錯体などがある。また触媒一種として、いわゆる生体触媒と呼ばれている生体内で合成されるタンパク質である酵素があげられ、酵素としては、リパーゼ、トリプシン、キモトリプシン、カテプシン、フマレートヒドラターゼ、ラッカーゼなどがある。
【００８２】
本発明の化学操作方法では、排出口から排出され導入された導入口から再び導入される流体が、前述した触媒を含む流体であっても良い。このようにすることで、非常に高価な触媒をその触媒活性が失われない範囲で回収し再利用することができる。特に生体触媒である酵素を用いた化学反応では、水相に含有した酵素と有機相に含有した基質を効率よく反応させるために、スターラーなどの攪拌子などによる機械的攪拌により水相と有機相を懸濁状にして混合することが行われるが、一般的に酵素は機械的攪拌による物理的な作用で活性を失ったり、酵素が有機相と懸濁状になることで活性を失ったりする。しかしながら、本発明による微小流路構造体を用いることにより、酵素を含有した水相と基質を含有した有機相を層流にして微小流路内で安定した流体境界を形成して接触させることで、機械的攪拌操作を行なわなくとも、比界面積が大きく分子拡散距離が短いため、酵素と基質の化学反応は効率よく行なわれる。さらに、機械的攪拌による物理的な作用や、酵素が有機相と懸濁状になることで酵素が活性を失うことが無いため、酵素を含有した水相と基質を含有した有機相を分離し、１つの排出流路に有機相を流して酵素により化学反応した基質を取り出し、一つの排出流路には水相を流して排出口から排出された水相を取り出し、酵素を含有した水相を導入した導入口へ再び導入することによって、酵素をその活性を失わずに容易に分離、回収し再利用することができる。このような化学操作方法も本発明における微小流路構造体を用いて初めて可能となる。
【００８３】
本発明における化学操作方法は、図１９（ａ）に示すように、触媒を含有する流体（７８）と基質を含有する流体（７９）とを微小流路（１９）の中で２相の層流を形成させて化学操作（拡散による混合、化学反応、溶媒抽出、分離、回収）を行なっても良いし、図１９（ｂ）に示すように、触媒を含有する流体（７８）の両側を流体進行方向（２７）に２種の基質を含有する流体（７９）で挟んで送液し、３相の層流を形成させて化学操作を行なっても良いし、図１９（ｃ）に示すように、基質を含有する流体（７９）の両側を流体進行方向（２７）に触媒を含有する流体（７８）で挟んで送液し、３相の層流を形成させて化学操作を行なっても良いし、図１９（ｄ）に示すように、触媒を含有する流体（７８）と基質を含有する流体（７９）を流体進行方向（２７）に交互に接触させて多相の層流を形成させ化学操作を行なっても良い。ここで複数の基質はそれぞれの同じでも良いし異なっていても良い。また、複数の触媒はそれぞれの同じでも良いし異なっていても良い。
【００８４】
一般的に高価な触媒の一つとしていわゆる相間移動触媒がある。ここで、図１４を用いて、相間移動触媒の一例として四級アンモニウム塩を用いた２相反応系を例に説明する。図１４では、求核アニオン（６２）としてＣＮ−を用い、アルキルハライド（６３）である（Ｒ−Ｘ）をニトリル（６４）である（Ｒ−ＣＮ）に交換する反応において、四級アンモニウム塩（６５）である（Ｑ＋Ｘ−）を相間移動触媒として用いたときの反応メカニズムの概念を示している。
【００８５】
求核アニオンからなるＮａ＋ＣＮ−を含む水相と、これと反応する有機基質であるアルキルハライドである（Ｒ−Ｘ）を含む非極性の有機相の反応系で、相間移動触媒の四級アンモニウム塩である（Ｑ＋Ｘ−）は、水相の求核アニオンである（ＣＮ−）と自分とイオン対になっているハロゲンアニオン（６６）である（Ｘ−）を交換することにより、反応の起こる有機相に求核アニオンである（ＣＮ−）を移行させて反応を促進する。反応後は、脱離したハロゲンアニオンである（Ｘ−）とイオン対をつくり、再び四級アンモニウム塩である（Ｑ＋Ｘ−）となって水相に戻りこのサイクルを繰り返す。
【００８６】
相間移動触媒としては、四級アンモニウム塩の他にホスホニウム塩、シンコニニウム塩、クラウンエーテル、クリプタンド、ジアルキルポリオキシエチレンオキサイド等が一般的に知られている。
【００８７】
このような相間移動触媒を用いた反応系の反応の効率は、相間移動触媒がいかに効率よく相間を移動できるかに依存しており、相間移動触媒の相間移動の効率は、触媒相と反応相の比界面積が大きいほど、さらに相間移動触の拡散距離が短いほど良くなる。ここで本発明の微小流路構造体における微小空間においては、特別な攪拌操作を行なわなくとも比界面積が大きく、分子拡散距離が短いため、相間移動触媒の触媒相から反応相への相間移動および反応相から触媒相への相間移動は効率よく行なわれる。
【００８８】
また、本発明による微小流路構造体を用いることにより、微小流路では触媒相と反応相が層流となり、それぞれの流体境界を保って流れ、微小流路から排出流路に分岐する分岐部において、接触していた反応相と触媒相を分離し、１つの排出流路に反応相を流して生成物を取出し、もう一つの排出流路には触媒相を流し、排出口から排出された触媒相を、触媒相が導入された導入口へ再び導入することによって、触媒相に回収した相間移動触媒を容易に分離、回収し再利用することができる。
【００８９】
また、前記相間移動触媒がエネルギー依存性相間移動触媒であっても良い。エネルギー依存性のエネルギーとは光や熱を意味しており、このエネルギーを付加することで触媒の相間移動が生じる触媒をここではエネルギー依存性相間移動触媒と称する。エネルギーが熱である場合のエネルギー依存性相間移動触媒を特に温度依存性相間移動触媒という。
【００９０】
ここで、図１５を用いて温度依存性相間移動触媒を用いた反応系の概念を説明する。図１５に示すように触媒Ｄ（６７）が温度を上げることで触媒相（６８）から反応相（６９）に溶解し、反応物質Ａ（７０）と反応物質Ｂ（７１）の反応を促進し、生成物Ｃ（７２）を生成する。温度が下がると触媒Ｄの反応相への溶解度が低減し触媒相にへ戻り本合成反応への寄与がなくなる。一般に、このような触媒Ｄを温度依存性相間移動触媒と呼ぶ。このような温度依存性触媒を用いた反応の例として図１６に示したＧｌａｄｙｓｚ  ｒｅａｃｔｉｏｎやＹａｍａｍｏｔｏ  ｒｅａｃｔｉｏｎが一般に良く知られている。
【００９１】
このような温度依存性相間移動触媒を用いた反応系の反応の効率は、温度依存性相間移動触媒が効率よく相間を移動できるかに依存している。すなわち温度依存相間移動触の相間移動の効率は、加熱・冷却の効率が良いほど、また触媒相と反応相の比界面積が大きいほど、さらに温度依存性相間移動触の拡散距離が短いほど良くなる。ここで本発明の微小流路構造体における微小空間においては、熱容量が小さく急速な加熱や冷却が可能であるため、温度依存性相間移動触媒の触媒相から反応相への相間移動および反応相から触媒相への相間移動が効率よく行なわれる。また前述したように微小空間においては、特別な攪拌操作を行なわなくとも比界面積が大きく、分子拡散距離が短いため、温度依存性相間移動触媒の触媒相から反応相への相間移動および反応相から触媒相への相間移動はさらに効率よく行なわれる。
【００９２】
また、本発明による微小流路構造体を用いることにより、微小流路では触媒相と反応相が層流となりそれぞれの流体境界を保って流れ、微小流路から２つの排出流路に分岐する分岐部において、接触していた触媒相と反応相を分離し、片側の排出流路に反応相を流して生成物を取出し、もう一方の排出流路には触媒相を流し、排出口から排出された触媒相を、触媒相が導入された導入口へ再び導入することによって、触媒相に回収した温度依存性相間移動触媒を容易に分離、回収し再利用することができる。
【００９３】
例えば、本発明の微小流路構造体において、図１７に示すように導入口（１１）側に位置する微小流路の前半部分に加熱装置となるヒーター（７３）を設置し加熱することで、微小流路（１９）の前半部分で温度依存性相間移動触媒を触媒相から反応相へ効率よく相間移動させた後反応を実施し、排出口（１２）側に位置する微小流路の後半部分には、断熱材（７４）などを微小流路構造体（５５）の中に埋め込むなどの既知の断熱手法により微小流路の前半部分と熱的に絶縁することで流体を加熱状態から常温に戻し、温度依存性相間移動触媒を触媒相に効率よく相間移動させて分離、回収し再利用することができる。
【００９４】
図１８には、エネルギー依存性相間移動触媒のエネルギーが光である場合、微小流路構造体内部の微小流路の一部に光を照射する光照射装置を有した微小流路構造体の一例を示した。図１８では、マスク（７６）を通して照射した光照射（７５）が、微小流路（１９）の一部に光照射スポット（７７）なり照射される構造を示しており、他の符号は図１３に示されたものと同じである。
【００９５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更が可能であることは言うまでもない。
（実施例１）
第１の実施例に用いた微小流路構造体の構成を図６（ｂ）に示した。微小流路の形状は流体導入口側と流体排出口側がＹ字状に２本の微小流路に分岐しており、微小流路構造体の微小流路の内部の構造は図６（ａ）に示すように、微小流路の幅方向に対してほぼ中央に、微小流路の深さに等しい高さの流体進行方向に沿った不連続な仕切り壁（２２）を形成した。製作した微小流路の幅（９）は１００μｍ、深さ（１７）は２０μｍ、長さ３０ｍｍである。流体進行方向に対する仕切り壁と仕切り壁の最短の間隔（２５）及び仕切り壁の流体進行方向の最長の長さ（２６）が、それぞれ５０μｍ、１００μｍ、２００μｍ、４００μｍ、８００μｍの５種類の微小流路を製作した。仕切り壁の流路幅方向の厚さ（２３）は約５μｍである。
【００９６】
図６（ｂ）に示すように、微小流路は、７０ｍｍ×３８ｍｍ×１ｍｍ（厚さ）のパイレックス（登録商標）基板（３２）に一般的なフォトリソグラフィーとウエットエッチングにより形成し、導入口Ａ（２８）と導入口Ｂ（２９）、排出口Ｃ（３０）と排出口Ｄ（３１）に相当する位置に、直径０．６ｍｍの貫通した小穴を機械的加工手段により設けた同サイズのパイレックス（登録商標）基板をカバー体（３４）として熱融着により接合することで微小流路を密閉した。
【００９７】
この微小流路構造体に水とシクロヘキサンをそれぞれ、３μＬ／分〜５０μＬ／分の間で等しい送液速度で送液した。なお、２０℃における水の粘性は１．００２［ｍＰａ・ｓ］、シクロヘキサンの粘性は０．９７９［ｍＰａ・ｓ］でありほぼ等しい。導入口Ａ（２８）から水を、導入口Ｂ（２９）からシクロヘキサンを上記条件で送液し、排出口Ｃ（３０）から排出された水の量と混入したシクロヘキサンの量を、排出口Ｄ（３１）から排出されたシクロヘキサンの量と混入した水の量を、それぞれ、メスシリンダーにて秤量して測定し、その結果を表１に示した。
【００９８】
【表１】
2004358453.tif 000003
表１は、等速条件下で、各送液速度における混入率を、水相への有機相の混入率（％）、有機相への水相の混入率（％）として示したものであり、流速は３、５、８、１０、２０、５０μＬ／分であり、流体進行方向の仕切り壁と仕切り壁の最短の間隔は５０、１００、２００、４００、８００μｍである。
【００９９】
第１の実施例の結果から、流体進行方向の仕切り壁と仕切り壁の最短の間隔が４００μｍ以下のとき、送液速度の範囲が少なくとも８〜５０μＬ／分の範囲で混入率１０％未満を実現した。流体進行方向の仕切り壁と仕切り壁の最短の間隔が８００μｍの場合は、どの送液速度においても混入率１０％未満にはならなかった。
（実施例２）
第２の実施例として、実施例１で使用した図６に示す微小流路構造体を使用して、シクロヘキサンを８μＬ／分の固定した送液速度で送液し、それに対して水を３μＬ／分〜２０μＬ／分の間で送液速度を変えて送液した。すなわち、シクロヘキサンに対する水の送液速度比が０．３７５〜２．５の間で、導入口Ａ（２８）から水を、導入口Ｂ（２９）からシクロヘキサンを上記条件で送液し、排出口Ｃ（３０）から排出された水の量と混入したシクロヘキサンの量を、排出口Ｄ（３１）から排出されたシクロヘキサンの量と混入した水の量を、それぞれ、メスシリンダーにて秤量して測定し、その結果を表２に示した。
【０１００】
【表２】
2004358453.tif 000004
表２は、各送液速度比における混入率を、水相への有機相の混入率（％）、有機相への水相の混入率（％）として示したものであり、送液速度比は０．３７５、０．６２５、１．０００、１．２５０、２．５００であり、流体進行方向の仕切り壁と仕切り壁の最短の間隔は５０、１００、２００、４００、８００μｍである。
【０１０１】
第２の実施例の結果から、流体進行方向の仕切り壁と仕切り壁の最短の間隔が２００μｍ以下のとき、送液速度比の範囲が少なくとも０．６２５〜１．２５の範囲で混入率１０％未満を実現した。、流体進行方向の仕切り壁と仕切り壁の最短の間隔が４００μｍ、および８００μｍの場合は、送液速度の比が１：１以外は混入率１０％未満にはならなかった。
（比較例１）
第１の比較例として図５（ｂ）に使用した微小流路構造体の構成を示した。微小流路の形状は流体導入口側と流体排出口側がＹ字状に２本の微小流路に分岐しており、微小流路の内部構造としては、図５（ａ）に示すように微小流路の幅方向に対してほぼ中央に、微小流路の深さ（１７）の約２０％程度の高さの流体進行方向に沿った連続したガイド状（１６）を形成した。製作した微小流路の幅は１００μｍ、深さは２０μｍ、長さ３０ｍｍである。ガイド状の厚さ（３６）は約５μｍである。
【０１０２】
図５（ｂ）に示すように、微小流路は、７０ｍｍ×３８ｍｍ×１ｍｍ（厚さ）のパイレックス（登録商標）基板（３７）に一般的なフォトリソグラフィーとウエットエッチングにより形成し、導入口Ａ（２８）と導入口Ｂ（２９）、排出口Ｃ（３０）と排出口Ｄ（３１）に相当する位置に、直径０．６ｍｍの貫通した小穴（３５）を機械的加工手段により設けた同サイズのパイレックス（登録商標）基板をカバー体（３４）として熱融着により接合することで微小流路を密閉した。
【０１０３】
この微小流路構造体に水とシクロヘキサンをそれぞれ、実施例１と同様にして５μＬ／分〜２０μＬ／分の間で等しい送液速度で送液した。導入口Ａ（２８）から水を、導入口Ｂ（２９）からシクロヘキサンを上記条件で送液し、排出口Ｃ（３０）から排出された水の量と混入したシクロヘキサンの量を、排出口Ｄ（３１）から排出されたシクロヘキサンの量と混入した水の量を、それぞれ、メスシリンダーにて秤量して測定し、測定結果を表１に示した。その結果、水へのシクロヘキサン及び、シクロヘキサンへの水への混入率はどの送液速度においても、３０％以上となり非常に高い混入率となった。
【０１０４】
また、同様の微小流路構造体を用いて、実施例２と同様にして、シクロヘキサンを８μＬ／分の固定した送液速度で送液し、それに対して水を３μＬ／分〜２０μＬ／分の間で送液速度を変えて送液した。すなわち、シクロヘキサンに対する水の送液速度比が０．３７５〜２．５の間で、導入口Ａ（２８）から水を、導入口Ｂ（２９）からシクロヘキサンを上記条件で送液し、排出口Ｃ（３０）から排出された水の量と混入したシクロヘキサンの量を、排出口Ｄ（３１）から排出されたシクロヘキサンの量と混入した水の量を、それぞれ、メスシリンダーにて秤量して測定し、測定結果を表２に示した。その結果、水へのシクロヘキサン及び、シクロヘキサンへの水への混入率はどの送液速度比においても、２０％以上となり非常に高い混入率となった。
（実施例３）
第３の実施例として、図６（ｂ）の微小流路構造体の構成及び図６（ａ）に示す微小流路の内部構造を有する実施例１で使用した微小流路構造体のうち、流体進行方向の仕切り壁と仕切り壁の最短の間隔が２００μｍと４００μｍの微小流路構造体の微小流路の片側内壁を以下の手順で疎水化処理した。
【０１０５】
まず、飽和ＫＯＨ−エタノール溶液を導入口Ａ（２８）および導入口Ｂ（２９）から送液速度５μＬ／分で３０分間程度送液し、次に導入口Ａからはトルエン、導入口Ｂからは１０％オクタデシルトリクロロシランのトルエン溶液を送液速度５μＬ／分で３時間程度送液した。この処理により、トルエンのみを送液した導入口Ａから導入されて排出口Ｃ（３０）から排出される側の微小流路片側内壁はもともとのパイレックス（登録商標）ガラスの親水性の状態であり、１０％オクタデシルトリクロロシランのトルエン溶液を送液した導入口Ｂから導入されて排出口Ｄ（３１）から排出される側の微小流路片側内壁は疎水性に修飾される。
【０１０６】
この微小流路の片側内壁を疎水化処理した、流体進行方向の仕切り壁と仕切り壁の最短の間隔が４００μｍの微小流路構造体に水とシクロヘキサンをそれぞれ、３μＬ／分〜５０μＬ／分の間で等しい送液速度で送液した。導入口Ａ（２８）から水を、導入口Ｂ（２９）からシクロヘキサンを上記条件で送液し、排出口Ｃ（３０）から排出された水の量と混入したシクロヘキサンの量を、排出口Ｄ（３１）から排出されたシクロヘキサンの量と混入した水の量を、それぞれ、メスシリンダーにて秤量して測定し、測定結果を表３に示した。
【０１０７】
【表３】
2004358453.tif 000005
表３は、等速条件下で、各送液速度における混入率を、水相への有機相の混入率（％）、有機相への水相の混入率（％）として示したものであり、流速は３、５、８、１０、２０、５０μＬ／分である。
【０１０８】
第３の実施例の結果、実施例１での仕切り壁４００μｍにおける混入率１０％未満の送液速度の範囲において、混入率が８％未満となり混入率が低減した。
【０１０９】
また、この微小流路の片側内壁を疎水化処理した、流体進行方向の仕切り壁と仕切り壁の最短の間隔が２００μｍの微小流路構造体にシクロヘキサンを８μＬ／分の固定した送液速度で送液し、それに対して水を３μＬ／分〜２０μＬ／分の間で送液速度を変えて送液した。すなわち、シクロヘキサンに対する水の送液速度比が０．３７５〜２．５の間で、導入口Ａ（２８）から水を、導入口Ｂ（２９）からシクロヘキサンを上記条件で送液し、排出口Ｃ（３０）から排出された水の量と混入したシクロヘキサンの量を、排出口Ｄ（３１）から排出されたシクロヘキサンの量と混入した水の量を、それぞれ、メスシリンダーにて秤量して測定し、測定結果を表４に示した。
【０１１０】
【表４】
2004358453.tif 000006
表４は、各送液速度比における混入率を、水相への有機相の混入率（％）、有機相への水相の混入率（％）として示したものであり、送液速度比は０．３７５、０．６２５、１．０００、１．２５０、２．５００である。
その結果、実施例２での仕切り壁２００μｍにおける混入率１０％未満の送液速度比の範囲において、混入率が８％未満となり混入率が低減した。
（実施例４）
第４の実施例として使用した微小流路構造体の構成を図６（ｂ）に示した。微小流路の形状は流体導入口側と流体排出口側がＹ字状に２本の微小流路に分岐している。また本実施例に使用した微小流路の内部構造を図２１に示した。図２１（ａ）は、本実施例で用いた微小流路を上面から見たＳＥＭ写真であり、図２１（ｂ）は本実施例で用いた微小流路の内部構造の形状を示した概念図である。形成した微小流路の幅は２４０μｍ、深さは６０μｍ、長さ３０ｍｍであり、導入口Ａと排出口Ｃ側の微小流路の片側の側壁から３０μｍの突起（２０）を多数形成した。また、図６（ａ）に示すように、微小流路の中央付近には、流体進行方向の最大長さ５０μｍの不連続な高さ６０μｍの仕切り壁（２２）を流体進行方向に５０μｍ間隔で形成した。
【０１１１】
実施例１と同様の手法により、流路は、７０ｍｍ×３８ｍｍ×１ｍｍ（厚さ）のパイレックス（登録商標）基板に一般的なフォトリソグラフィーとウエットエッチングにより形成し、流体の導入口Ａ（２８）と導入口Ｂ（２９）、流体の排出口Ｃ（３０）と排出口Ｄ（３１）に相当する位置に、直径０．６ｍｍの貫通した小穴（３５）を機械的加工手段により設けた同サイズのパイレックス（登録商標）基板をカバー体（３４）として熱融着により接合することで微小流路を密閉した。
【０１１２】
この微小流路構造体を用いて、エチレンジアミンのヨードメタンによるメチル化反応を行なった。導入口Ａから、すなわち微小流路の側壁に突起を有した側にエチレンジアミンの水溶液の水相を１０μＬ／分で送液し、導入口Ｂからヨードメタンのブタノール溶液の有機相を３μＬ／分で送液した。この反応系は、エチレンジアミンがヨードメタンと反応し、Ｎ−メチルエチレンジアミンが合成され水相に抽出される反応系である。流体導入口から各溶液を送液した状態で微小流路を顕微鏡で観察したところ、水相と有機相の流体境界が観察され、流体排出口側の分岐部において流体を分離し、排出口Ｃから水相を、排出口Ｄから有機相を実質的にほぼお互いの混入なしに分離して排出することができた。また、流体排出口から排出された水相を試験管で回収し、高速液体クロマトグラフィーを用いて分析したところ、エチレンジアミンとＮ−メチルエチレンジアミンの量比が約９０：１０で確認され、この反応におけるＮ−メチルエチレンジアミンの転換率は約１０％程度であった。
（実施例５）
第５の実施例として使用した微小流路構造体の構成を図６（ｂ）に示した。微小流路の形状は流体導入口側と流体排出口側がＹ字状に２本の微小流路に分岐している。形成した微小流路（１９）の幅は２４０μｍ、深さは６０μｍ、長さ３０ｍｍである。また、微小流路の内部構造としては、図６（ａ）に示すように微小流路の中央付近に流体進行方向の最大長さ５０μｍの不連続な高さ６０μｍの仕切り壁（２２）を流体進行方向に５０μｍ間隔で形成した。
【０１１３】
実施例１と同様の手法により、微小流路は、７０ｍｍ×３８ｍｍ×１ｍｍ（厚さ）のパイレックス（登録商標）基板に一般的なフォトリソグラフィーとウエットエッチングにより形成し、導入口Ａ（２８）と導入口Ｃ（２９）、排出口Ｃ（３０）と排出口Ｄ（３１）に相当する位置に、直径０．６ｍｍの貫通した小穴（３５）を機械的加工手段により設けた同サイズのパイレックス（登録商標）基板をカバー体（３４）として熱融着により接合することで微小流路を密閉した。この微小流路を用いて、エチレンジアミンのヨードメタンによるメチル化反応を行なった。導入口Ａからエチレンジアミンの水溶液の水相に平均粒径５μｍのシリカの微粒子を混入して１０μＬ／分で送液し、導入口Ｂからヨードメタンのブタノール溶液の有機相を図２０に示す流体進行方向（２７）に３μＬ／分で送液した。この反応系は、エチレンジアミンがヨードメタンと反応し、Ｎ−メチルエチレンジアミンが合成され水相に抽出される反応系である。流体導入口から各溶液を送液した状態で微小流路を顕微鏡で観察したところ、水相と有機相の流体境界が観察され、流体排出口側の分岐部において流体を分離し、排出口Ｃから水相を、排出口Ｄから有機相を実質的にほぼお互いの混入なしに分離して排出することができた。また、排出口Ｃから排出された水相を試験管で回収し、高速液体クロマトグラフィーを用いて分析したところ、エチレンジアミンとＮ−メチルエチレンジアミンの量比が約９０：１０で確認され、この反応におけるＮ−メチルエチレンジアミンの転換率は約１０％程度であった。
（実施例６）
第６の実施例として使用した微小流路構造体の構成を図６（ｂ）に示した。微小流路の形状は流体導入口側と流体排出口側がＹ字状に２本の微小流路に分岐している。。形成した微小流路の幅は２４０μｍ、深さは６０μｍ、長さ３０ｍｍである。また、微小流路の内部構造としては、図６（ａ）に示すように流路の中央付近には高さ６０μｍの仕切り壁を形成した。
【０１１４】
実施例１と同様の手法により、流路は、７０ｍｍ×３８ｍｍ×１ｍｍ（厚さ）のパイレックス（登録商標）基板に一般的なフォトリソグラフィーとウエットエッチングにより形成し、導入口Ａ（２８）と導入口Ｂ（２９）、排出口Ｃ（３０）と排出口Ｄ（３１）に相当する位置に、直径０．６ｍｍの貫通した小穴を機械的加工手段により設けた、同サイズのパイレックス（登録商標）基板をカバー体として熱融着により接合することで微小流路を密閉した。
【０１１５】
この微小流路構造体を用いて、エチレンジアミンのヨードメタンによるメチル化反応を行なった。導入口Ａからエチレンジアミンの水溶液の水相を１０μＬ／分で送液し、導入口Ｂからヨードメタンのブタノール溶液の有機相を３μＬ／分で送液した。流体導入口から各溶液を送液した状態で微小流路を顕微鏡で観察したところ、水相と有機相の流体境界が観察され、流体排出口側の分岐部において流体を分離し、排出口Ｃから水相を、排出口Ｄから有機相を実質的にほぼお互いの混入なしに分離して排出することができた。また、排出口Ｃから排出された水相を試験管で回収し、高速液体クロマトグラフィーを用いて分析したところ、エチレンジアミンとＮ−メチルエチレンジアミンの量比が約９３：７で確認され、この反応におけるＮ−メチルエチレンジアミンの転換率は約７％程度であった。
【０１１６】
以上の実施例４、実施例５、実施例６から、本発明により２種以上の流体が層流を形成して流体境界で接触し、不連続な仕切り壁によりその流体境界を安定に保ちながら、流体排出口側の微小流路の分岐部において実質的にほぼお互いの混入なしに分離し、かつ、反応に必要な原料や反応生成物を含んだ流体をその流体内で攪拌するような微細構造を微小流路内に形成することや、微粒子を混入させた流体内で攪拌することで、化学反応や溶媒抽出、分離がすみやかに実施可能な微小流路を有する微小流路構造体および化学操作方法を提供することことが可能となったことがわかる。
（実施例７）
第７の実施例として、図２２（ｂ）に示す微小流路構造体を用いて、触媒反応の一つである環境汚染物質分解作用を持つラッカーゼによるｐ−クロロフェノールの分解反応を行なった。微小流路（１９）の形状は、導入口Ａ（２８）と導入口Ｂ（２９）に連通する２本の導入流路と、排出口Ｃ（３０）と排出口Ｄ（３１）に連通する２本の排出流路がそれぞれＹ字状に分岐している微小流路を用いた。形成した微小流路の幅は１００μｍ、深さは２５μｍ、長さは４００ｍｍである。微小流路の内部構造は、実施例４と同様に図２１に示すように、導入口Ａと排出口Ｃ側の微小流路の片側の側壁から３０μｍの突起（２０）を多数形成した。また、図２２（ａ）に示すように、微小流路の中央付近には、流体進行方向の最大長さ５０μｍの不連続な高さ２５μｍの仕切り壁（２２）を流体進行方向に５０μｍ間隔で形成した。
【０１１７】
この微小流路構造体を用いて、触媒反応の一つである環境汚染物質分解作用を持つラッカーゼによるｐ−クロロフェノールの分解反応を行なった。導入口Ａから、すなわち微小流路の側壁に突起を有した側に有機相として、ｐ−クロロフェノール１００μＭを含有するイソオクタン溶液を５μＬ／分で送液し、導入口Ｂから水相としてラッカーゼ３０μＭを含有するコハク酸緩衝溶液（ｐＨ５．０）を５μＬ／分で送液し、反応前後の両相のｐ−クロロフェノール量を液体クロマトグラフィーにより定量した。
【０１１８】
結果として、流体排出口側の分岐部において流体を分離し、排出口Ｃから水相を、排出口Ｄから有機相を実質的にほぼお互いの混入なしに分離して排出することができた。また、約８秒でｐ−クロロフェノールの分解率が８２％まで到達した。
（実施例８）
第８の実施例として、図２２（ｂ）に示す微小流路構造体を用いて、触媒反応の一つである環境汚染物質分解作用を持つラッカーゼによるｐ−クロロフェノールの分解反応を行なった。微小流路（１９）の形状は、導入口Ａ（２８）と導入口Ｂ（２９）に連通する２本の導入流路と、排出口Ｃ（３０）と排出口Ｄ（３１）に連通する２本の排出流路がそれぞれＹ字状に分岐している微小流路を用いた。形成した微小流路の幅は１００μｍ、深さは２５μｍ、長さは４００ｍｍである。微小流路の内部構造としては、図２２（ａ）に示すように微小流路の中央付近には、流体進行方向の最大長さ５０μｍの不連続な高さ２５μｍの仕切り壁（２２）を流体進行方向に５０μｍ間隔で形成した。
【０１１９】
この微小流路構造体を用いて、導入口Ａから、有機相として、ｐ−クロロフェノール１００μＭを含有するイソオクタン溶液に平均粒径５μｍのシリカの微粒子を混入して５μＬ／分で送液し、導入口Ｂから水相としてラッカーゼ３０μＭを含有するコハク酸緩衝溶液（ｐＨ５．０）を５μＬ／分で送液し、反応前後、２つの流体排出口から出てくるの両相のｐ−クロロフェノール量を液体クロマトグラフィーにより定量した。
【０１２０】
結果として、流体排出口側の分岐部において流体を分離し、排出口Ｃから水相を、排出口Ｄから有機相を実質的にほぼお互いの混入なしに分離して排出することができた。また、約８秒でｐ−クロロフェノールの分解率が８５％まで到達した。
（実施例９）
実施例９として、図２２（ｂ）に示す微小流路構造体を用いて、触媒反応の一つである環境汚染物質分解作用を持つラッカーゼによるｐ−クロロフェノールの分解反応を行なった。微小流路（１９）の形状は、導入口Ａ（２８）と導入口Ｂ（２９）に連通する導入流路と、排出口Ｃ（３０）と排出口Ｄ（３１）に連通する排出流路がそれぞれＹ字状に２本に分岐している微小流路を用いた。形成した微小流路の幅は１００μｍ、深さは２５μｍ、長さは４００ｍｍである。微小流路の内部構造として図２２（ａ）に示すように微小流路の中央付近には、流体進行方向の最大長さ５０μｍの不連続な高さ２５μｍの仕切り壁（２２）を流体進行方向に５０μｍ間隔で形成した。
【０１２１】
この微小流路構造体を用いて、導入口Ａから有機相として、ｐ−クロロフェノール１００μＭを含有するイソオクタン溶液を５μＬ／分で送液し、導入口Ｂからは水相としてラッカーゼ３０μＭを含有するコハク酸緩衝溶液（ｐＨ５．０）を５μＬ／分で送液し、反応前後の両相のｐ−クロロフェノール量を液体クロマトグラフィーにより定量した。
【０１２２】
結果として、流体排出口側の分岐部において流体を分離し、排出口Ｃから水相を、排出口Ｄから有機相を実質的にほぼお互いの混入なしに分離して排出することができた。また、約８秒でｐ−クロロフェノールの分解率が８０％まで到達した。
【０１２３】
以上の実施例７、実施例８、実施例９から、本発明により２種以上の流体が層流を形成して流体境界で接触し、不連続な仕切り壁によりその流体境界を安定に保ちながら、微小流路の分岐部で流体をほぼお互いの混入なしに分離することができ、かつ、反応に必要な原料や反応生成物を含んだ流体をその流体内で攪拌するような微細構造を微小流路内に形成することや、また微粒子を混入した流体のみを攪拌することで、化学反応や溶媒抽出、分離をすみやかに実施可能な微小流路を有する微小流路構造体と化学操作方法を提供することことが可能となったことがわかる。
（実施例１０）
第１０の実施例として、図２２（ｂ）に示すような微小流路構造体を製作した。微小流路（１９）の形状は、導入口Ａ（２８）と導入口Ｂ（２９）に連通する導入流路と排出口Ｃ（３０）と排出口Ｄ（に連通する、排出流路がそれぞれＹ字状に２本に分岐している微小流路（１９）を用いた。形成した微小流路の幅は１００μｍ、深さは２５μｍ、長さは４００ｍｍである。また、微小流路内部の構造として、微小流路の中央付近には、図２２（ａ）に示したような流体進行方向の最大長さが５０μｍの不連続な高さ２５μｍの仕切り壁（２２）を流体進行方向に５０μｍ間隔で形成した。微小流路は、７０ｍｍ×３８ｍｍ×１ｍｍ（厚さ）のパイレックス（登録商標）基板に一般的なフォトリソグラフィーとウエットエッチングにより形成した。導入口Ａ（２８）と導入口Ｂ（２９）、排出口Ｃ（３０）と排出口Ｄ（３１）に相当する位置に、直径０．６ｍｍの貫通した小穴（３５）を機械的加工手段により設けた同サイズのパイレックス（登録商標）基板をカバー体（３４）として熱融着により接合することで微小流路を密閉し、微小流路構造体を形成した。
【０１２４】
この微小流路構造体を用いて、触媒反応の一つである環境汚染物質分解作用を持つラッカーゼによるｐ−クロロフェノールの分解反応を行なった。微小流路には、導入口Ａから水相としてラッカーゼ３０μＭを含有するコハク酸緩衝溶液（ｐＨ５．０）を５μＬ／分で送液し、導入口Ｂから有機相として、ｐ−クロロフェノール１００μＭを含有するイソオクタン溶液を５μＬ／分で送液し、反応前後の両相のｐ−クロロフェノール量を液体クロマトグラフィーにより定量した。
【０１２５】
結果として、流体排出口側の分岐部において流体を分離し、排出口Ｃから水相を、排出口Ｄから有機相を実質的にほぼお互いの混入なしに分離して排出することができた。また、ｐ−クロロフェノールの分解率が８０％まで到達するのに約８秒であった。さらに、酵素の活性の度合いをフェノールアミノアンチピリン法（Ｐ−４ＡＡ法）により測定したところ、上記反応を１０回繰り返しても、酵素の活性は９０％以上を維持した。
（比較例２）
第２の比較例として、５０ｍｌのサンプルビンに、水相としてラッカーゼ３０μＭを含有するコハク酸緩衝溶液（ｐＨ５．０）を１５ｍｌ、有機相として、ｐ−クロロフェノール１００μＭを含有するイソオクタン溶液を１５ｍｌ入れ、マグネチックスターラーを用いて激しく攪拌し、反応前後の両相のｐ−クロロフェノール量を液体クロマトグラフィーにより定量した。その結果、ｐ−クロロフェノールの分解率が８０％まで到達するのに約３０分を要した。また、酵素の活性の度合いをフェノールアミノアンチピリン法（Ｐ−４ＡＡ法）により測定したところ、約３０分後には酵素の活性は約８０％程度に低下し、約９０分後には酵素の活性は約５％程度に低下した。
【０１２６】
以上の実施例１０と比較例２から、本発明により２種以上の流体が層流を形成して流体境界で接触し、不連続な仕切り壁により流体境界を安定に保ちながらその流体境界で反応し、微小空間の特徴である大きな比界面積と短い分子拡散距離により、機械的攪拌を必要とせずに速やかに酵素反応が進行し、機械的攪拌による物理的な作用や有機相中で酵素が懸濁状になることに起因する酵素の活性が失われること無しに、酵素を回収し再利用することが可能であり酵素反応が効率よく進行したことがわかる。
【０１２７】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の効果を奏することができる。
【０１２８】
本発明の微小流路構造体は、流体を導入するための２以上の導入口及びそれらに連通する導入流路と、前記導入流路が合流する合流部と連通しかつ導入された流体を流すための微小流路と、前記微小流路に連通しかつ所定の流体を分離する分岐部を有した２以上の排出流路及びそれらに連通する排出口と、を有した微小流路構造体であって、前記微小流路には、導入された２種以上の流体により形成される境界に沿って、導入された流体が互いに混入しないための複数の仕切り壁が設けられている微小流路構造体である。このような構造にすることで、流体を送液するポンプなどに起因する送液速度の時間的変動等による流体境界の位置の変動を抑制し、かつ、微小流路内壁と送液する流体との親和性の違いによる流体の回り込みを防止することができ、微小流路の流体排出口から、各々の流体を他の流体が混入することなく排出することができる。
【０１２９】
また、微小流路に導入するすべての流体の送液速度が等しい場合、流体進行方向に対する仕切り壁と仕切り壁の間隔を一定間隔以下（仕切り壁と仕切り壁の間隔を８００μｍ程度以下、好ましくは４００μｍ程度以下）とすることで、粘性の等しい隣接した流体が所定の送液速度範囲において、各々の流体に他の流体が混入せずに排出流路を通って排出口から排出することができる。
【０１３０】
また、微小流路に導入する流体のうち隣接する流体の、相対的に流路壁面と親媒性の低い流体に対する流路壁面と親媒性の高い流体の送液速度と粘性係数の積が異なる場合、仕切り壁と仕切り壁の流体進行方向に対する最短の間隔を一定間隔以下（仕切り壁と仕切り壁の間隔を４００μｍ程度以下、好ましくは２００μｍ程度以下）とすることで、微小流路に導入する流体のうち隣接する流体の、相対的に流路壁面と親媒性の低い流体に対する流路壁面と親媒性の高い流体の送液速度と粘性係数の積がある程度変動しても、各々の流体に他の流体が混入せずに排出流路を通って排出口から排出することができる。
【０１３１】
また、流路修飾による方法のような多数の工程を経ずにエッチングや機械加工、成型などの方法を用いて、微小流路の形状作製と同時に行なうことができるので、流路修飾による方法に比べ流路作製の時間とコストが大幅に削減できる。特に、樹脂やセラミック、ガラスなどの成型により本発明の微小流路構造体を作製する場合に最大限の流路作製の時間とコストの削減効果を得られる。
【０１３２】
さらに、基本的に、上述した効果は本発明の微小流路構造体の微小流路の形状によって実現しているため、流路修飾による方法に比べて、前述した効果の実現の持続、すなわち効果の耐久性が半永久的な微小流路を本発明の微小流路構造体により初めて実現することができる。また、前記微小流路の分岐部に最も近い仕切り壁が、前記微小流路の分岐部と連通していることで、隣接する流体をゆるやかに分離し、各々の流体の混入を抑制することができる。
【０１３３】
また、本発明における微小流路の直線以外の形状の部分において、前記仕切り壁が前記微小流路の直線以外の形状の部分の直前の近傍付近から前記微小流路の直線以外の形状の部分の直後の近傍付近まで連続して形成することで、微小流路の曲線状の部分において曲線状の微小流路の内側の流体が遠心力により外側の流体に向かって出て行くような現象を防止することができ、混入することが無くなる。
【０１３４】
また、微小流路に導入するすべての流体の送液速度が等しい場合、流体進行方向に対する仕切り壁と仕切り壁の間隔を一定間隔より小さくすることで、粘性の等しい隣接した流体が所定の送液速度範囲において、各々の流体に他の流体が混入せずに排出流路を通って排出口から排出することができる。
【０１３５】
また、微小流路に導入する流体のうち隣接する流体の、相対的に流路壁面と親媒性の低い流体に対する流路壁面と親媒性の高い流体の送液速度と粘性係数の積が異なる場合、仕切り壁と仕切り壁の流体進行方向に対する最短の間隔を一定間隔より小さくすることで、微小流路に導入する流体のうち隣接する流体の、相対的に流路壁面と親媒性の低い流体に対する流路壁面と親媒性の高い流体の送液速度と粘性係数の積が約３０〜４０％程度変動しても、各々の流体に他の流体が混入せずに排出流路を通って排出口から排出することができ、化学反応の進行によって各々の流体の粘性が変動しても、粘性の変動が上記の範囲内であれば、各流体が形成する層流の安定な流体境界を維持することができ、各々の流体に他の流体が混入せずに排出流路を通って排出口から排出することができる。
【０１３６】
また、本発明の微小流路構造体は、仕切り壁で仕切られた微小流路の内壁の親和性が、仕切り壁を介在して隣接する微小流路の内壁の親和性と異なっており、このようにすることで、微小流路内壁と親和性のある流体が、微小流路内壁と親和性のない流体を覆うことによる回り込みをさらに効果的に抑えることができ、排出口において、各々の流体を他の流体が混入することなしに分離して排出することがさらに確実になる。
【０１３７】
本発明の微小流路構造体を用いて初めて実現可能となる上記効果により、微小流路内に導入した２種以上の流体を各々の流体境界を安定に維持し、なおかつ、各々の流体を隣接する流体が混入すること無く微小流路から排出することが非常に容易になり、この効果を利用して、さらに以下のような従属効果を得ることができる。
【０１３８】
まず第１の従属効果として、２種以上の流体が微小流路を通過後に、隣接し合う流体が混入せずに各々の流体を十分に分離できるので、混合時間及び／又は化学反応の時間を微小流路の流路長および／又は流体の送液速度によって決まる微小流路の中で隣接する流体の接触時間が微小流路の中だけで決定でき、従って、微小流路内だけで混合及び／又は化学反応を止めることができ、微小流路が有する逐次反応の制御や副反応の抑制などの本来の特徴を生かす化学反応を実現することができる。また、触媒反応などで仕様する触媒の活性を維持したまま回収し、再利用することが可能となる。
【０１３９】
第２の従属効果として、隣接し合う流体が混入せずに各々の流体を十分に分離して排出できるので、溶媒抽出の時間を微小流路の流路長および／又は流体の送液速度によって正確に制御でき、従って、微小流路内で微小流路内だけで溶媒抽出を止めることができる上に、微小流路の中で溶媒抽出した抽出溶媒を微小流路の外に出た後に被抽出溶媒から十分に分離することが可能となる。
【０１４０】
第３の従属効果として、微小流路に２種以上の流体を流した時にできる隣接する流体境界に膜を形成し、微小流路内の隣接する２流体間で前記膜を介して流体内の物質の選択的透過や前記膜への触媒や酵素の担持による触媒反応や酵素反応などを行なう際に、実用的な数ｃｍ〜数十ｃｍの流路長の中に前述した膜を形成したり膜に触媒や酵素を固定化することができる。
【０１４１】
第４の従属効果として、微小流路の中で層流となった隣接する流体を互いに反対の流体進行方向にして送液することが可能となり、化学反応や溶媒抽出の平衡をずらすことなどができる否かを検証するための実験を行なうことが初めて可能となる。また、流路修飾による方法のような多数の工程を経ずにエッチングや機械加工、成型などの方法を用いて、微小流路の形状作製と同時に行なうことができるので、流路修飾による方法に比べ流路作製の時間とコストが大幅に削減できる。特に、樹脂やセラミック、ガラスなどの成型により本発明の微小流路構造体を作製する場合に最大限の流路作製の時間とコストの削減効果を得られる。さらに、基本的に、上述した効果は本発明の微小流路構造体の微小流路の形状によって実現しているため、流路修飾による方法に比べて、前述した効果の実現の持続、すなわち効果の耐久性が半永久的な微小流路を本発明の微小流路構造体により初めて実現することができる。
【０１４２】
第５の従属効果として、微小流路内に流体の流れを維持できる程度に張り出した突起を形成したり、微粒子を混入したりすることで、各流体の形成する層流の流体境界を安定に保ったまま、各流体ごとに攪拌することが可能となり、各流体に含有する物質を各流体内で均一に分散させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｙ字状微小流路内における層流を示す概念図である。
【図２】ダブルＹ字状微小流路内における層流を示す概念図である。また、比較例２と比較例３に使用した微小流路の概念図である。
【図３】（ａ），（ｂ），（ｃ）はいずれも流体境界の位置が変動する様子を示す概念図である。
【図４】（ａ），（ｂ）はいずれもハーゲン・ポアズイユの式を説明するための概念図である。
【図５】（ａ）は比較例１に使用した微小流路の内部構造の概念図であり、（ｂ）は比較例１に使用した微小流路構造体の構成を示す。
【図６】（ａ）は実施例１、実施例２、実施例３、実施例５、実施例６に使用した微小流路の内部構造の概念図であり、（ｂ）は実施例１、実施例２、実施例３、実施例４、実施例５、実施例６に使用した微小流路構造体の構成を示す。
【図７】本発明における微小流路の曲線状部分における仕切り壁の形状の概略平面図である。
【図８】本発明における微小流路の合流部近傍及び、分岐部近傍における仕切り壁のいくつかの態様の概略平面図であり、（ａ）は仕切り壁が微小流路の合流部及び分岐部から離れている場合、（ｂ）は微小流路の分岐部に最も近い仕切り壁が、微小流路の分岐部と連通している場合、（ｃ）及び（ｄ）は微小流路の合流部近傍において仕切り壁が合流部と連続し、かつ、微小流路の分岐部近傍にて仕切り壁が分岐部と連続している場合を示す。
【図９】本発明における微小流路の中で隣接する流体を互いに反対方向から流した場合の概念図である。
【図１０】本発明の微小流路構造体の流体進行方向の仕切り壁と仕切り壁の間に、無機材料の薄膜を形成する概略フロー図である。
【図１１】（ａ），（ｂ），（ｃ）はいずれも本発明の微小流路構造体の微小流路内に金属膜を配置したときの微小流路の断面図の概略図であり、図１１の上図は上方から見た図である。
【図１２】（ａ）〜（ｄ）はいずれも本発明における微小流路内に形成した流体境界を保持しながら流体を攪拌するための突起のいくつかの態様を示す概略図である。
【図１３】本発明における微小流路を用いて、流体を導入、排出、回収する手段を示した概念図であり、（ａ）は流体を微小流路構造体の外部に設置した送液ポンプにより送液する手段を示す概念図であり、（ｂ）は流体を微小流路構造体の内部に埋め込んだマイクロポンプにより送液する手段を示す概念図である。
【図１４】相間移動触媒を使用した反応系の一例を示す図である。
【図１５】温度依存性相間移動触媒を使用した反応系の概念を示す図である。
【図１６】温度依存性相間移動触媒を使用した反応の例である。
【図１７】温度依存性相間移動触媒に用いる微小流路構造体の概念を示す図である。
【図１８】微小流路構造体内部の微小流路の一部に光照射しエネルギーを供給する微小流路構造体の概略図である。
【図１９】（ａ）〜（ｄ）はいずれも本発明における微小流路構造体に触媒を含有する流体と基質を含有する流体を微小流路の中で層流を形成させて化学操作をおこなういくつかの態様を示す図である。
【図２０】本発明における微小流路の片側の流体に微粒子を混入した例を示す概念図である。
【図２１】（ａ）は実施例４と実施例７に使用した微小流路の内部構造の平面図のＳＥＭ写真を示し、（ｂ）は実施例４と実施例７に使用した微小流路の内部構造の概念図である。
【図２２】（ａ）は実施例８、実施例９、実施例１０に使用した微小流路の内部構造を示す概念図であり、（ｂ）は実施例７、実施例８、実施例９、実施例１０に使用した微小流路構造体の構成を示す。
【符号の説明】
１：水相
２：有機相
３：流体境界
４：分岐部
５：線速度
６：直径
７：水平円管
８：円管端面
９：微小流路の幅
１０：流路長
１１：流体導入口
１２：流体排出口
１３：流体Ａ
１４：流体Ｂ
１５：流体の回り込み
１６：ガイド状
１７：流路深さ
１８：微小流路の底面
１９：微小流路
２０：突起
２１：流路幅
２２：仕切り壁
２３：仕切り壁の厚さ
２４：仕切り壁の高さ
２５：流体進行方向の仕切り壁と仕切り壁の最短間隔
２６：流体進行方向の仕切り壁の最長の長さ
２７：流体進行方向
２８：導入口Ａ
２９：導入口Ｂ
３０：排出口Ｃ
３１：排出口Ｄ
３２：基板
３３：流体幅
３４：カバー体
３５：小穴
３６：ガイド状の厚さ
３７：合流部
３８：導入流路近傍
３９：排出流路近傍
４０：微小流路の中央近傍
４１：微小流路が直線以外の形状の部分の直前及び／又は直後の近傍付近
４２：合流部近傍
４３：分岐部近傍
４４：熱硬化性樹脂
４５：ヒーター
４６：無機材料を含んだ懸濁液
４７：酸あるいはアルカリ
４８：無機材料のポーラスな薄膜
４９：金属膜
５０：微小流路の上面
５１：微小流路の側面
５２：微小流路基板
５３：壁
５４：流体境界の幅
５５：微小流路構造体
５６：送液ポンプ
５７：容器
５８：キャピラリーチューブ
５９：マイクロポンプ
６０：回収流路
６１：リザーバータンク
６２：求核アニオン
６３：アルキルハライド
６４：ニトリル
６５：四級アンモニウム塩
６６：ハロゲンアニオン
６７：触媒Ｄ
６８：触媒相
６９：反応相
７０：反応物質Ａ
７１：反応物質Ｂ
７２：生成物Ｃ
７３：ヒーター
７４：断熱材
７５：光照射
７６：マスク
７７：光照射スポット
７８：触媒を含有する流体
７９：基質を含有する流体
８０：微粒子
８１：微粒子の動き
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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