(57)【要約】【課題】極端に低い流速であっても安定した多相層流を形成することができ、抽出効率や相間移動反応等を高効率に行うことを可能とする、改善された新しい技術手段を提供する。【解決手段】マイクロチップに配設したマイクロチャンネル（１）内に、その流路方向にマイクロチャンネル（１）底面より、もしくはマイクロチャンネルのカバー体より立設されたピラー状突起（２）が設けられているマイクロチャンネル・ピラー構造体とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロチップに配設したマイクロチャンネル内に、その流路方向に、マイクロチャンネル底面より、もしくはマイクロチャンネルのカバー体より立設されたピラー状突起が設けられていることを特徴とするマイクロチャンネル・ピラー構造体。
【請求項２】
マイクロチャンネル流路の合流域および分岐域の少くともいずれかにピラー状突起が設けられていることを特徴とする請求項１のマイクロチャンネル・ピラー構造体。
【請求項３】
ピラー状突起が流路方向に複数配列されていることを特徴とする請求項１または２のマイクロチャンネル・ピラー構造体。
【請求項４】
複数のピラー状突起相互の間、およびマイクロチャンネル流路の合流点または分岐点とピラー状突起との間の少くともいずれかには、ガイド突条が配設されていることを特徴とする請求項２または３のいずれかのマイクロチャンネル・ピラー構造体。
【請求項５】
ピラー状突起の相互間の距離は、マイクロチャンネル最大深さの２倍以上であることを特徴とする請求項３のマイクロチャンネル・ピラー構造体。
【請求項６】
ピラー状突起の高さは、マイクロチャンネル最大深さの０．７５〜１．０倍であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかのマイクロチャンネル・ピラー構造体。
【請求項７】
ガイド突条の最低高さは、マイクロチャンネル最大深さの０．１〜０．７５倍であって、ピラー状突起よりも低いことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかのマイクロチャンネル・ピラー構造体。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかの構造体であることを特徴とするマイクロチップ。
【請求項９】
複数の流体の少くともいずれか、または全てが低流速もしくは停止状態にあることを特徴とする請求項８のマイクロチップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願の発明は、マイクロチャンネル・ピラー構造体に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、低流速下においてもマイクロチャンネル内に安定した多相層流を形成し、高効率での抽出や反応等の操作を行うことのできる、新しいマイクロチャンネル・ピラー構造体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ガラス基板等を用いたマイクロチップの微細流路（マイクロチャンネル）内において多相層流を実現して、抽出や相間移動反応を効率的に行うことが試みられている。
【０００３】
抽出・相間移動反応を、マイクロチャンネル内での多相層流を利用して行う上で、各流体の流速を低くする、極端な場合、一つあるいは複数の流体を静止させることができれば、溶液間の接触時間を長くとり、抽出効率・反応効率を飛躍的に向上させることができることになる。しかしながら、マイクロチャンネル内多相層流が安定に存在するための流速条件範囲は、各流体の物性・マイクロチャンネルの形状などにより規定されており、極端に低い流速での安定化は困難であった。
【０００４】
たとえばこれまでにも、マイクロチャンネル内での安定した多相層流を実現させるための方策がこの出願の発明者らによって開発されている。その第１のものは、マイクロチャンネル内にガイド構造を形成するものである。マイクロチャンネルの底面にガイド突条状構造を構築することで、多相層流を安定化させ、ある程度低い流速でも多相層流の安定化を可能としている（非特許文献１）。だが、この場合には、流速を低くすることにはおのずと限界があり、安定した多相層流の形成においてはさらなる改善が求められていた。
【０００５】
また第２のものは、マイクロチャンネル内を疎水・親水表面処理によってパターニングを行うものである（非特許文献２）。すなわち、マイクロチャンネルを形成したガラス基板に疎水処理したものと、未処理のものとを、双方のマイクロチャンネルの位置が一致するように重ね合わせて物理的に圧着して一本のマイクロチャンネルを形成する。これによって、水・油の２相層流に関して、流体の低流速条件下、静止条件下、さらには向流条件下でも２相を安定化させられる。しかしながら、このようなパターニングの場合には、物理的に圧着してチャネルを形成しているので、基板の間から液漏れが起きる可能性がある。また、原理上、作製可能なマイクロチャンネル構造が、上下の基板に彫られた溝をそれぞれ親水部・疎水部とするものに限られ、より複雑なチャネル構造へ発展させることは困難である。また、処理された表面の安定性のため、使用できる溶液の性質が限定されてしまうという制約がある。
【非特許文献１】M.Tokeshi et al.,Anal.Chem.,74,1565(2002)
【非特許文献２】A.Hibara et al.,Anal.Chem.,74,1724(2002)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、この出願の発明は、以上のとおりの従来技術の問題点を解消し、極端に低い流速であっても安定した多相層流を形成することができ、抽出効率や相間移動反応等を高効率に行うことを可能とする、改善された新しい技術手段を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、マイクロチップに配設したマイクロチャンネル内に、その流路方向に、マイクロチャンネル底面より、もしくはマイクロチャンネルのカバー体より立設されたピラー状突起が設けられていることを特徴とするマイクロチャンネル・ピラー構造体を提供する。
【０００８】
そして、第２には、マイクロチャンネル流路の合流域および分岐域の少くともいずれかにピラー状突起が設けられていることを特徴とする前記のマイクロチャンネル・ピラー構造体を、第３には、ピラー状突起が流路方向に複数配列されていることを特徴とするマイクロチャンネル・ピラー構造体を、第４には、複数のピラー状突起相互の間、およびマイクロチャンネル流路の合流点または分岐点とピラー状突起との間の少くともいずれかには、ガイド突条が配設されていることを特徴とするマイクロチャンネル・ピラー構造体を提供する。
【０００９】
また、この出願の発明は、ピラー状突起の相互間の距離は、マイクロチャンネル最大深さの２倍以上であることを特徴とするマイクロチャンネル・ピラー構造体を提供し、第６には、ピラー状突起の高さは、マイクロチャンネル最大深さの０．７５〜１．０倍であることを特徴とするマイクロチャンネル・ピラー構造体を、第７には、ガイド突条の最低高さは、マイクロチャンネル最大深さの０．１〜０．７５倍であって、ピラー状突起よりも低いことを特徴とするマイクロチャンネル・ピラー構造体を提供する。
【００１０】
さらに、この出願の発明は、第８には、以上のいずれかの構造体であることを特徴とするマイクロチップを提供する。第９には、この構造体において、複数の流体の少くともいずれかが低流速もしくは停止状態にあることを特徴とするマイクロチップを提供する。
【発明の効果】
【００１１】
以上のようなこの出願の発明のマイクロチャンネル・ピラー構造体においては、従来は困難であったマイクロチャンネル内での低流速あるいは実質的に一方もしくは双方の相の静止の条件下で液−液相、気−液相等の多相層流の安定化が容易に可能とされる。これを一因として、相間の接触時間を長くとることができるので、高効率での抽出や相間移動反応等が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
この出願の発明は、上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００１３】
この出願の発明のマイクロチャンネル・ピラー構造体は、ガラス、シリコン、樹脂等の素材からなる１または２以上の基板とこれらの基板もしくは基板積層体の表面に一体化配設される同様の素材のカバー体とにより構成されるマイクロチップにおいて、基板面に形成された微細流路であるマイクロチャンネル内に、その流路方向に１または２以上のピラー状、つまり柱状の突起が配設されていることを特徴としている。この突起は、マイクロチャンネルの底部に立設された構造を有している。また、この出願の発明のマイクロチャンネル・ピラー構造体では、マイクロチャンネルの底部ではなく、マイクロチャンネルを覆う前記カバー体にマイクロチャンネル内に向けてピラー状、つまり柱状の突起が、流路方向に１または２以上立設された構造を有してよいし、前記のマイクロチャンネル底部での柱状突設の立設と、このカバー体での立設とを組合わせた構造を有していてもよい。
【００１４】
たとえば図１は、この出願の発明のマイクロチャンネル・ピラー構造体のマイクロチャンネル（１）とその内部に配設された複数のピラー状突起（２）を模式的に例示した要部斜視図である。この例では、複数のピラー状突起（２）が、マイクロチャンネル（１）の流路方向に沿って配列されている。
【００１５】
この図１の例のように、複数のピラー状突起（２）を配設することにより、例えば液体相（Ａ）と液体相（Ｂ）の流れがピラー状突起（２）の間で安定した層流の状態を形成し、この層流は、例えば、液体相（Ａ）（Ｂ）の双方もしくは一方が極低速であっても、さらには一方もしくは双方が実質的に物質移動として静止状態であっても安定に保たれることになる。これは、複数のピラー状突起（２）を配設することにより、マイクロチャンネル（１）内壁面との相互作用がより強い方の液体相（ＡまたはＢ）がピラー状突起（２）に密着し、液体相（Ａ）（Ｂ）間の界面がピラー状突起（２）位置に固定されるようになるためである。また、複数のピラー状突起（２）で界面を分断されているため、流れに変位が生じても分断されていない（つまり、ガイド突条（３）のみの）場合に比べ、界面の曲率変化が大きくなり、界面の状態を復元しようとする張力が大きくなって、大きな乱れに発展しにくくなるためである。この出願の発明のマイクロチャンネル・ピラー構造体からなるマイクロチップにおいては、複数の流体の一部または全てが、マイクロチャンネル・ピラーの存在によって低流速、あるいは停止状態にコントロールすることが可能になる。
【００１６】
そして、このような安定性は、図１に例示したように、ピラー状突起（２）の間にガイド突条（３）を設ける場合にはさらに良好になる。
【００１７】
一般的には、この出願の発明のマイクロチャンネル・ピラー構造体では、マイクロチャンネル（１）の幅（Ｗ）は、その最大深さ（ｄ）の４倍以上であることが、また、最大深さは、流れの制御やエッチングによるマイクロチャンネル（１）の加工性等を考慮すると、２０〜１００μｍの範囲とすることが好適である。そして、ピラー状突起（２）の相互間の距離やピラー形状、その高さ等の配置寸法については、流れの対象とする流体の表面張力などの物質を考慮して最適化することができる。
【００１８】
一般的な目安としては、たとえば相互の間の距離、すなわちピッチ（Ｐ）は、前記のマイクロチャンネル（１）の最大深さ（ｄ）の２倍とすることが好ましく、２倍未満の場合には多相層流は不安定になりやすい。また、ピッチ（Ｐ）は、最大深さ（ｄ）の６倍以下とすることが好ましい。過度にピッチが大きい場合にも不安定になりやすい。もちろん、ピッチ（Ｐ）は、液体相（Ａ）（Ｂ）の性質によって適宜調整してもよい。
【００１９】
複数のピラー状突起（２）を配列させる場合には、各々のピラー状突起（２）の高さは相違していてもよいが、流れの安定化、および一方もしくは双方の相の停止状態における相分離の安定化のためには実質的に、つまり加工作成上の誤差を除いて同一高さとすることが望ましい。
【００２０】
また、ピラー状突起（２）は、多相層流間の界面を分断できればよいため、その大きさは加工可能な範囲であればよく、とくに限定されない。本発明者らは、例えば、エッチングが進行しすぎてピラー状突起（２）の上端面が溶けても、残存するピラー状突起（２）の頂点とマイクロチャンネル（１）の天井との間の隙間が十分に小さければ、ピラー状突起（２）として作用することを実験的に確認している。また、反対に、ピラー状突起（２）があまり大きな場合には、送液速度（流速）が大きいときに多相層流が不安定になりやすく、液体相（Ａ）（Ｂ）間の接触面積が減少するため、抽出や反応の効率が低下しやすいことも明らかになっている。
【００２１】
したがって、ピラー状突起（２）の大きさとしては、加工可能な範囲で小さいことが望ましく、例えば、ピラー状突起（２）の頂点の幅がマイクロチャンネル（１）の幅（Ｗ）の１〜２割程度とすることができる。また、ピラー状突起（２）のその底面からの高さは、マイクロチャンネル（１）の最大深さ（ｄ）の０．７５〜１．０倍にすることが、ピラー状突起（２）間に前記のようにガイド突条（３）を設ける場合には、その最低高さ（ｈ）は、マイクロチャンネル（１）の最大深さ（ｄ）の０．１〜０．７５倍であって、ピラー状突起（２）の高さより低いことが望ましい。
【００２２】
ピラー状突起（２）の外観形状については各種であってよいが、錐状や筒状等として、その外表面が湾曲した滑めらかな外表面を有していることが望ましい。もちろん、その水平断面は厳密に円形でなくてもよい。長円形、あるいは正方や長方形等でもよい。
【００２３】
ピラー状突起（２）の平面配置については、マイクロチャンネル（１）の流路内であれば、抽出や反応等の目的に応じて適宜な箇所に配置してよく、また、たとえば図２の平面図に例示したように、マイクロチャンネル（１）流路の合流域（１１）および分岐域（１２）の少くともいずれかに１以上のピラー状突起（２）が配置されることや合流点（１１０）と隣接のピラー状突起（２）との間、分岐点（１２０）と隣接のピラー状突起（２）との間に前記のガイド突条（３）を配置することも考慮される。
【００２４】
以上のようなピラー状突起（２）の構造については、たとえば等方的なウェットエッチング特性を考慮し、ピラー状突起（２）の構造となるべき部分が残るようにマスクパターンをデザインし、ウェットエッチング法によりガラス基板等にマイクロチャンネル（１）を作製することで実現することができる。具体的には、ガラス基板上に金属保護膜およびフォトレジストを順に成膜し、マスクパターンを露光した後、露光部分を溶出させ（現像）、露出した部分から弗酸を用いてガラスをエッチングすることにより、マイクロチャンネル（１）を作製できる。また、アモルファスなガラスが等方的にエッチングされることを考慮して、マイクロチャンネル（１）の中にピラー状突起（２）として残したい部分をマスクし、弗酸による処理時間を制御すれば、ピラー状突起（２）を作製できる。さらに、ピラー状突起（２）のマスク間を線状に繋いだマスクパターンを用いれば、ピラー状突起（２）の間にガイド条突（３）を有するマイクロチャンネル（１）が作製できる。
【００２５】
形成されたこの出願の発明のマイクロチャンネル・ピラー構造体は、マイクロチップとして、超微量物質の分析や化合合成、あるいは生化学合成等のための、安定した多相層流における抽出や相間移動反応等の操作として有効に使用することができる。
【００２６】
以上のようなマイクロチャンネル・ピラー構造体は従来同様のマイクロチップにおいて構成されてよく、このマイクロチップには、前記マイクロチャンネル（１）内での流体の流れとその制御のための手段、さらには加熱、冷却等のための手段、温度や含有成分等の検出手段等適宜に具備されていてよいことは言うまでもない。
【００２７】
そこで以下に実施例を示し、さらに詳しく説明する。もちろん以下の例によって発明が限定されることはない。
【実施例】
【００２８】
ガラス基板上に、金属保護膜とフォトレジストを順に成膜し、マスクパターンを露光した後、露光部分を溶出させ、露出した部分からガラスを弗酸でエッチングした。図１のように、幅（Ｗ）２００μｍ、深さ（ｄ）５０μｍのマイクロチャンネル（１）内に、相互の間隔、ピッチ（Ｐ）が４００μｍで、複数の、高さ５０μｍのピラー状突起（２）を形成した。ピラー状突起（２）の形状は、流路（流線）方向に船の舳先形のエッジができるようにし、ピラー状突起（２）の相互の間を、高さ（ｈ）１０μｍのガイド突条（３）で連結した。
【００２９】
このピラー状突起（２）を有するマイクロチップにおいて、マイクロチャンネル（１）内に、水と酢酸エチルを送液した後、水を静止状態とし、酢酸エチルを０．３μｍ/分で流した。その様子を図３に例示した。安定した多相層流が実現されていることが確認された。
【００３０】
同様に、空気を５μｍ/分で、酢酸エチルを０．３μｍ/分で流した場合についても、図４のように、気液界面において安定した多相層流が実現されていることが確認された。
【００３１】
また、図３の例として実際に、長い接触時間を利用した抽出を行うことができた。
【００３２】
そして、上記と同様の構造を持つマイクロチャンネルを利用し、イソアミルアルコールへの鉄（II）パソフェナントロリン錯体の水溶液からの抽出、また、相間移動反応として、５−メチルレゾルシノール酢酸エチル溶液と４−ニトロベンゼンジアゾニウムテトラフルオロボレート水溶液の相間移動反応によるアゾ色素合成を行うことができた。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、従来技術の問題点を解消し、極端に低い流速であっても安定した多相層流を形成することができ、抽出効率や相間移動反応等を高効率に行うことを可能とする、改善された新しい技術手段が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】この出願の発明の構造体について模式的に例示した要部概要斜視図である。
【図２】平面配置例を示した概要図である。
【図３】実施例としての液液界面を例示した顕微鏡写真である。
【図４】実施例としての気液界面を例示した顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【００３５】
１    マイクロチャンネル
１１    合流域
１１    合流点
１２    分岐域
１２０    分岐点
２    ピラー状突起
３    ガイド突条
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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