(57)【要約】【課題】生成される微小液滴の流量を迅速、かつ、的確に計測することができる微少流量の制御・計測方法およびその装置を提供する。【解決手段】マイクロチャンネル中を流れる連続相５に対し、測定すべき微少流れ側である分散相６を前記連続相５の流れに交差する向きで分散相供給口４から排出することにより生成される微小液滴７を計測する微少流量の制御・計測方法において、前記生成される微小液滴７の体積と生成レートに基づいてその微少流量を計測する。【選択図】　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロチャンネル中を流れる連続相に対し、測定すべき微少流れ側である分散相を前記連続相の流れに交差する向きで分散相供給口から排出することにより生成される微小液滴を計測する微少流量の制御・計測方法において、
前記生成される微小液滴の体積と生成レートに基づいて微少流量を計測することを特徴とする微少流量の制御・計測方法。
【請求項２】
両側に形成されるマイクロチャンネル中を流れる連続相の合流ポイントで、前記連続相の流れに交差するように測定すべき微少流れ側である分散相を送り出すことにより生成される微小液滴を計測する微少流量の制御・計測方法において、
前記生成される微小液滴の体積と生成レートに基づいて微少流量を計測することを特徴とする微少流量の制御・計測方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の微少流量の制御・計測方法において、前記生成される微小液滴の体積及び生成レートを、前記分散相のマイクロチャンネルの高さを変化させることにより変化可能にすることを特徴とする微少流量の制御・計測方法。
【請求項４】
請求項１又は２記載の微少流量の制御・計測方法において、前記生成される微小液滴の体積及び生成レートを、前記分散相のマイクロチャンネルの幅を変化させることにより変化可能にすることを特徴とする微少流量の制御・計測方法。
【請求項５】
請求項１又は２記載の微少流量の制御・計測方法において、前記生成される微小液滴の体積及び生成レートを、前記連続相のマイクロチャンネルの高さ変化させることにより変化可能にすることを特徴とする微少流量の制御・計測方法。
【請求項６】
請求項１又は２記載の微少流量の制御・計測方法において、前記生成される微小液滴の体積及び生成レートを、前記連続相のマイクロチャンネルの幅を変化させることにより変化可能にすることを特徴とする微少流量の制御・計測方法。
【請求項７】
請求項１又は２記載の微少流量の制御・計測方法において、前記生成される微小液滴の体積及び生成レートを、前記連続相の流量を変化させることにより変化可能にすることを特徴とする微少流量の制御・計測方法。
【請求項８】
請求項１又は２記載の微少流量の制御・計測方法において、前記生成レートは、前記生成される微小液滴の単位時間当たりのカウント数に基づいて演算することを特徴とする微少流量の制御・計測方法。
【請求項９】
マイクロチャンネル中を流れる連続相に対し、測定すべき微少流れ側である分散相を前記連続相の流れに交差する向きで分散相供給口から排出することにより生成される微小液滴を計測する微少流量の制御・計測装置において、
（ａ）前記生成される微小液滴の体積を求める手段と、
（ｂ）前記生成される微小液滴の生成レートを求める手段と、
（ｃ）前記生成される微小液滴の体積と生成レートに基づいて微少流量を計測する手段とを具備することを特徴とする微少流量の制御・計測装置。
【請求項１０】
両側に形成されるマイクロチャンネル中を流れる連続相の合流ポイントで、前記連続相の流れに交差するように測定すべき微少流れ側の分散相を送り出すことにより生成される微小液滴を計測する微少流量の制御・計測装置において、
（ａ）前記生成される微小液滴の体積を求める手段と、
（ｂ）前記生成される微小液滴の生成レートを求める手段と、
（ｃ）前記生成される微小液滴の体積と生成レートに基づいて微少流量を計測する手段とを具備することを特徴とする微少流量の制御・計測装置。
【請求項１１】
請求項９又は１０記載の微少流量の制御・計測装置において、前記微小液滴の生成レートを求める手段は、微小液滴の単位時間当たりのカウント数を計測する装置であることを特徴とする微少流量の制御・計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微少流量の制御・計測方法およびその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来からの微少流量測定は、細いパイプ内に流体を定常流として流してその速度をカウントすることで行われていたが、最近の半導体やバイオ分野の進歩に伴なう微少流量計測の要望に対しては必ずしも満足できていない状況にある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本願発明者らは直交するマイクロチャンネルに、連続相及び測定すべき微少流れ側である分散相（以下、単に分散相という）を流し、そこで生成される微小液滴の体積と個数とから正確に微少流量を計測する方法を見出した。
【０００４】
本発明は、上記状況に鑑みて、生成される微小液滴の流量を、迅速、かつ的確に計測することができる微少流量の制御・計測方法およびその装置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】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕マイクロチャンネル中を流れる連続相に対し、測定すべき微少流れ側である分散相を前記連続相の流れに交差する向きで分散相供給口から排出することにより生成される微小液滴を計測する微少流量の制御・計測方法において、前記生成される微小液滴の体積と生成レートに基づいて微少流量を計測することを特徴とする。
【０００６】
〔２〕両側に形成されるマイクロチャンネル中を流れる連続相の合流ポイントで、前記連続相の流れに交差するように測定すべき微少流れ側である分散相を送り出すことにより生成される微小液滴を計測する微少流量の制御・計測方法において、前記生成される微小液滴の体積と生成レートに基づいて微少流量を計測することを特徴とする。
【０００７】
〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の微少流量の制御・計測方法において、前記生成される微小液滴の体積及び生成レートを、前記分散相のマイクロチャンネルの高さを変化させることにより変化可能にすることを特徴とする。
【０００８】
〔４〕上記〔１〕又は〔２〕記載の微少流量の制御・計測方法において、前記生成される微小液滴の体積及び生成レートを、前記分散相のマイクロチャンネルの幅を変化させることにより変化可能にすることを特徴とする。
【０００９】
〔５〕上記〔１〕又は〔２〕記載の微少流量の制御・計測方法において、前記生成される微小液滴の体積及び生成レートを、前記連続相のマイクロチャンネルの高さ変化させることにより変化可能にすることを特徴とする。
【００１０】
〔６〕上記〔１〕又は〔２〕記載の微少流量の制御・計測方法において、前記生成される微小液滴の体積及び生成レートを、前記連続相のマイクロチャンネルの幅を変化させることにより変化可能にすることを特徴とする。
【００１１】
〔７〕上記〔１〕又は〔２〕記載の微少流量の制御・計測方法において、前記生成される微小液滴の体積及び生成レートを、前記連続相の流量を変化させることにより変化可能にすることを特徴とする。
【００１２】
〔８〕上記〔１〕又は〔２〕記載の微少流量の制御・計測方法において、前記生成レートは、前記生成される微小液滴の単位時間当たりのカウント数に基づいて演算することを特徴とする。
【００１３】
〔９〕マイクロチャンネル中を流れる連続相に対し、測定すべき微少流れ側である分散相を前記連続相の流れに交差する向きで分散相供給口から排出することにより生成される微小液滴を計測する微少流量の制御・計測装置において、前記生成される微小液滴の体積を求める手段と、前記生成される微小液滴の生成レートを求める手段と、前記生成される微小液滴の体積と生成レートに基づいて微少流量を計測する手段とを具備することを特徴とする。
【００１４】
〔１０〕両側に形成されるマイクロチャンネル中を流れる連続相の合流ポイントで、前記連続相の流れに交差するように測定すべき微少流れ側である分散相を送り出すことにより生成される微小液滴を計測する微少流量の制御・計測装置において、前記生成される微小液滴の体積を求める手段と、前記生成される微小液滴の生成レートを求める手段と、前記生成される微小液滴の体積と生成レートに基づいて微少流量を計測する手段とを具備することを特徴とする。
【００１５】
〔１１〕上記〔９〕又は〔１０〕記載の微少流量の制御・計測装置において、前記微小液滴の生成レートを求める手段は、微小液滴の単位時間当たりのカウント数を計測する装置であることを特徴とする。
【００１６】
【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。
【００１７】
まず、微小液滴の製造について説明する。
【００１８】
図１は本発明の第１実施例を示す微小液滴の経路を示す平面図、図２はその微少流量の制御・計測の説明図である。ここで、図２（ａ）はその微少流量の制御・計測の構成図、図２（ｂ）は連続相が流れるマイクロチャンネルの断面図、図２（ｃ）は分散相供給チャンネルの断面図である。
【００１９】
これらの図において、１は微小液滴の経路を形成する本体、２はその本体１に形成された、連続相が流れるマイクロチャンネル、３はそのマイクロチャンネル２に交差する向きに形成される分散相供給チャンネル、４は分散相供給口、５は連続相（例えば、油）、６は分散相（例えば、水）、７は微小液滴、１１はビデオカメラ、１２はインタフェース（Ｉ／Ｆ）、１３はＡ／Ｄ変換器内蔵のＰＣ（パーソナルコンピュータ）である。
【００２０】
そこで、マイクロチャンネル２中を流れる連続相５に対し、分散相６を、図２に示すような連続相５の流れに交差する向きで供給し、連続相５が分散相供給口４に一部入り込むことにより、微小液滴７が生成される。
【００２１】
例えば、分散相（水）６の流量が０．０１ｍｌ／ｈに固定され、連続相（油；食用ひまわり油）５の流量が１２．０ｍｌ／ｈである場合、マイクロチャンネル２と分散相供給チャンネル３のサイズを、幅Ｗ１が２００μｍ、Ｗ２が１００μｍ、高さＨ１，Ｈ２を１００μｍとしたときは、粒子径が約５０μｍの微小液滴７を得ることができる。
【００２２】
次に、この微小液滴から微少流量の計測を行うことにする。
【００２３】
一般的には、微少流量＝微小液滴の体積×生成レート、つまり
Ｑｄ＝Ｖｍｓ×Ｒｍｓ
ここで、Ｑｄ：微少流量（分散相流量）
Ｖｍｓ：微小液滴１個の体積（πｄ３／６）
Ｒｍｓ：生成レート
であり、微小液滴７の体積Ｖｍｓは、分散相６の流量Ｑｄと、連続相５の流量Ｑｃと、連続相供給マイクロチャンネル２の寸法ＭＣＤ１（高さＨ１×幅Ｗ１）と、分散相供給チャンネル３の寸法ＭＣＤ２（高さＨ２×幅Ｗ２）とに依存する。
【００２４】
微小液滴７の体積Ｖｍｓは、分散相６の流量Ｑｄが大きいほど大きくなり、分散相６の流量Ｑｄが小さいほど小さくなる。また、連続相５の流量Ｑｃが大きいほど小さくなり、連続相５の流量Ｑｃが小さいほど大きくなる。さらに、連続相供給マイクロチャンネル２の寸法ＭＣＤ１、分散相供給チャンネル３の寸法ＭＣＤ２が小さいほど微小液滴７の体積Ｖｍｓは小さくなる。
【００２５】
この実施例では、図２に示すように、微小液滴７の生成レートは、生成される微小液滴７をビデオカメラ１１で撮像し、インタフェース（Ｉ／Ｆ）１２を介してＡ／Ｄ変換器内蔵のＰＣ１３に取込み、画像処理により流路内を流れる液滴の計数を行う。また、液滴を球に見立てることにより、画素数のカウントから微小液滴７の体積を算出する。つまり、微小液滴７の単位時間当たりのカウント数と、液滴の画素数のカウントから算出された体積から、微少流量を演算することができる。
【００２６】
図３は本発明の第２実施例を示す微少流量の制御・計測の構成図である。
【００２７】
この図において、１６はマイクロチャンネル２に設けられた対向電極、１７はその対向電極１６に接続される電源、１８はその対向電極１６の出力を増幅する増幅器、１９はその増幅器１８に接続されるＰＣ（パーソナルコンピュータ）である。
【００２８】
この実施例においては、生成された微小液滴７が対向電極１６間を通過するとその際に生じる電位差の変化を検出し、増幅器１８で増幅することにより、その出力をＰＣ１９に取込み、生成レートの測定及び微小液滴の体積の算出を行うようにしている。
【００２９】
図４は本発明の第３実施例を示す微少流量の制御・計測の構成図である。
【００３０】
この実施例では、生成された微小液滴７の通過時の静電容量の変化を検出して微小液滴７のカウントを行うようにしている。すなわち、対向電極２１と２２間には高周波電源２４およびＡ／Ｄ変換器内蔵のＰＣ（パーソナルコンピュータ）２５が接続される静電容量ブリッジ２３を接続する。
【００３１】
図５はその液滴が通過することによる静電容量変化を示す図であり、この図において、横軸は時間（ｓ）、縦軸は静電容量（ｐＦ）を示している。
【００３２】
この図から明らかなように、液滴の通過時には、急峻なピーク波形が見受けられる。この波形を検出することにより、微小液滴をカウントすることができる。
【００３３】
図６は具体的な実験装置の構成図である。
【００３４】
この実験では、測定条件として、分散相側流量は０．１ｍｌ／ｈ、連続相側流量は５ｍｌ／ｈ、送液はシリンジポンプで行った。また、連続相側、分散相側のマイクロチャンネルはともに断面の幅１ｍｍ、高さ１ｍｍのものを用いた。
【００３５】
この実験装置は、連続相が流れるマイクロチャンネル２にアルミニウム電極３１と３２を接着して、電極３１と３２間の静電容量を、ＬＣＺメータ（キーエンス社製２３３０）３３で測定し、データはＧＰＩＢを通じてＰＣ（パーソナルコンピュータ）３４に取り込んだ。
【００３６】
その結果、生成レートは静電容量のピークカウントから求めた実験値で０．９２個／秒、目視から計数すると０．９５個／秒となった。
【００３７】
また、微小液滴７の粒径は０．４ｍｍであったので、これより分散相側の流量を計算すると、静電容量変化および目視から求めた流量は、ともに０．１１ｍｌ／ｈとなってほぼ設定値と同一になり、実験値、目視とも極めて相関が高い値が得られた。測定データを蓄積すれば精度はさらに向上すると思われる。
【００３８】
図７は本発明にかかる液滴径と流量の関係を示す図、図８は本発明にかかる生成レートと流量の関係を示す図である。
【００３９】
図７において、横軸は平均液滴径（μｍ）、縦軸は算出流量（ｍｌ／ｈ）を示しており、連続相の流量が異なる場合（◆は１０ｍｌ／ｈ（１）、▲は１０ｍｌ／ｈ（２）、■は３０ｍｌ／ｈ）を示している。
【００４０】
図８において、横軸は液滴生成レート（１／ｓ）、縦軸は算出流量（ｍｌ／ｈ）を示しており、連続相の流量が異なる場合（◆は１０ｍｌ／ｈ（１）、▲は１０ｍｌ／ｈ（２）、■は３０ｍｌ／ｈ）を示している。
【００４１】
これらの図から明らかなように、本発明の微小液滴の制御・計測方法およびその装置によれば、的確に微少流量を算出することができる。
【００４２】
図９は本発明にかかるシリンジポンプ設定流量と、液滴の生成レート及び体積から算出された流量の関係を示す図であり、ここでは、図２に示したＴ字型の流路を用いており、連続相流路幅Ｗ１が５００μｍ、分散相流路幅Ｗ２が１００μｍ、高さＨ１，Ｈ２は共に１００μｍである。
【００４３】
この図においては、連続相の流量が異なる場合（◆は１０ｍｌ／ｈ（１）、▲は１０ｍｌ／ｈ（２）、■は３０ｍｌ／ｈ、……は理論値）を示している。
【００４４】
なお、水の流量を「分散相流量＝液滴体積×生成レート」で計算した結果、ポンプで送液した流量とほぼ一致することが判明した。
【００４５】
したがって、本発明によれば、このように液滴を生成し、画像や電位差、静電容量の変化を利用した計数法を用いることにより微少流量を計測することができる。
【００４６】
図１０は本発明の第４実施例を示す微小液滴の経路を示す平面図、図１１はその微小液滴の製造方法の説明図である。
【００４７】
これらの図において、１２１は微小液滴の経路の本体、１２２は第１の連続相が流れる第１のマイクロチャンネル、１２３は第２の連続相が流れる第２のマイクロチャンネル、１２４は第１の連続相、１２５は第２の連続相、１２６は第１の連続相１２４と第２の連続相１２５との合流ポイント、１２７は分散相供給チャンネル、１２８は分散相、１２９は微小液滴である。
【００４８】
そこで、第１，第２のマイクロチャンネル１２２，１２３中を流れる連続相１２４，１２５の合流ポイント１２６で、図１１に示すように連続相１２４，１２５の流れに交差するように分散相１２８を送り出して微小液滴１２９を生成させることができる。
【００４９】
このようにして生成される微小液滴１２９も上記した本発明の微小液滴の制御・計測方法およびその装置を適用することにより、生成される微小液滴の体積と生成レートに基づいて微少流量を計測することができる。
【００５０】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００５１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、生成される微小液滴の体積と生成レートに基づいて、簡便に、しかも迅速に微少流量を計測することができる。
【００５２】
また、生成される微小液滴の体積と生成レートを適宜制御可能にし、その場合にも、その流量を的確に計測することができる。
【００５３】
更に、半導体分野や遺伝子操作分野においては微少流量の制御と計測とが重要な技術となりつつある現状からして、本発明の効果は著大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す微小液滴の経路を示す平面図である。
【図２】本発明の第１実施例を示す微少流量の制御・計測の説明図である。
【図３】本発明の第２実施例を示す微少流量の制御・計測の構成図である。
【図４】本発明の第３実施例を示す微少流量の制御・計測の構成図である。
【図５】本発明にかかる液滴が通過することによる静電容量変化を示す図である。
【図６】具体的な実験装置の構成図である。
【図７】本発明にかかる液滴径と流量の関係を示す図である。
【図８】本発明にかかる生成レートと流量の関係を示す図である。
【図９】本発明にかかるシリンジポンプ設定流量と、液滴の生成レート及び体積から算出された流量の関係を示す図である。
【図１０】本発明の第４実施例を示す微少流量の経路を示す平面図である。
【図１１】本発明の第４実施例を示す微小液滴の製造方法の説明図である。
【符号の説明】
１，１２１　　微小液滴の経路を形成する本体
２　　連続相が流れるマイクロチャンネル
３，１２７　　分散相供給チャンネル
４　　分散相供給口
５　　連続相（例えば、油）
６　　分散相（例えば、水）
７，１２９　　微小液滴
１１　　ビデオカメラ
１２　　インタフェース（Ｉ／Ｆ）
１３，１９，２５，３４　　ＰＣ（パーソナルコンピュータ）
１６，２１，２２　　流路に設けられた対向電極
１７　　電源
１８　　増幅器
２３　　静電容量ブリッジ
２４　　高周波電源
３１，３２　　アルミニウム電極
３３　　ＬＣＺメータ
１２２　　第１のマイクロチャンネル
１２３　　第２のマイクロチャンネル
１２４　　第１の連続相
１２５　　第２の連続相
１２６　　第１の連続相と第２の連続相との合流ポイント
１２８　　分散相
【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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