(57)【要約】    【課題】  ミクロ流路の界面における抽出速度を高める。    【解決手段】  抽出される溶質を含む被抽出溶液である溶液Ａと、その溶質を抽出する溶媒となる溶液Ｂとが送液機構のポンプ４，６によりミクロ流路２に供給され、ミクロ流路２では溶液Ａと溶液Ｂとが界面で接触し互いに層流となって流れる。ミクロ流路２において、溶液Ｂ側の側面に流れ方向に沿って一対の電極１２ａ，１２ｂが配置されており、両電極１２ａ，１２ｂ間に交流電源１４から交流電圧が印加されることによって電気力線１６が発生し、その電気力線により溶液Ａ，Ｂ内に電場勾配が生じる。溶質８はその電場により分極され、電場勾配によって誘電泳動して界面１０での溶質８の濃度が高まり、界面１０で抽出速度が高まる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
抽出される溶質を含む被抽出溶液と前記溶質を抽出する溶媒とが界面で接触し互いに層流となって流れるミクロ流路と、
前記流路に前記被抽出溶液及び前記溶媒をそれぞれ供給する送液機構と、
前記流路において前記被抽出溶液中の前記溶質を前記界面方向に誘電泳動させる電場勾配を作用させる電場印加機構と、を備えたことを特徴とする液液抽出装置。
【請求項２】
前記流路の下流に１又は複数段のミクロ流路が配置され、
下流側の各段のミクロ流路は直前の前段ミクロ流路で溶質を抽出した溶媒と他の溶媒が界面で接触し互いに層流となって流れるように構成されており、前記他の溶媒を供給する送液機構と、溶質を抽出した前段からの溶媒中の溶質を前記他の溶媒との界面方向に誘電泳動させる電場勾配を作用させる電場印加機構とをさらに備えている請求項１に記載の液液抽出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は化学反応や分析を行なうために、微量溶液中の物質、例えば微生物、蛋白質、核酸、糖質、抗原、抗体又はこれらが結合した混合物を抽出する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
化学プロセスや装置をミクロサイズで行なう場合、比界面積が大きいことから、液体と液体の界面で起こる現象の効率は高くなる。流体力学によりマイクロチャンネルを流れる液体は流路が微細なためレイノルズ数が小さくなり、流れの方向に平行な２層が形成される。
【０００３】
例えば水とフェノールのような混じらない２液間で抽出を行なう場合、通常のサイズだと２層になったままでは界面積が小さく不利であるが、空間サイズが小さいと拡散距離が短くなると同時に比界面積も大きいので、機械的な混合を行なう必要なく分子の拡散のみにより混合抽出が可能となる。これらの反応時間は液を混合する部位の形状及び流速によって決まる。
【０００４】
ミクロ流路を用いた従来の抽出装置の概略を図６に示す（非特許文献１参照。）。
抽出される溶質を含む被抽出溶液である溶液Ａと、その溶質を抽出する溶媒となる溶液Ｂとが送液機構のポンプ４，６によりミクロ流路２に供給され、ミクロ流路２では溶液Ａと溶液Ｂとが界面で接触し互いに層流となって流れ、下流側でそれぞれの層の流路に分岐されて排出される。溶液Ａには抽出される溶質８として物質Ａが溶解しており、２つの溶液Ａ，Ｂの界面１０で溶液ＡからＢへ溶質８が拡散により移動する。
【非特許文献１】「マテリアルインテグレーション」誌、Ｖｏｌ．１５，Ｎｏ．２，Ｐ．３−８（２００２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このようなミクロ流路の界面で接触して流れる２つの層流間の液液抽出の抽出速度は拡散により決定されるため、反応速度の向上には限界がある。
そこで、本発明はミクロ流路の界面における抽出速度を高めることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
反応時間が２液の界面ができる領域の形状と流速で決まるが、界面のできる領域において溶液中に不均一な電界をかけることにより誘電泳動を起こさせて抽出速度を高める。
すなわち、本発明の液液抽出装置は、抽出される溶質を含む被抽出溶液と前記溶質を抽出する溶媒とが界面で接触し互いに層流となって流れるミクロ流路と、前記流路に前記被抽出溶液及び前記溶媒をそれぞれ供給する送液機構とを備えたものであって、前記流路において前記被抽出溶液中の前記溶質を前記界面方向に誘電泳動させる電場勾配を作用させる電場印加機構を備えたことを特徴とする。
ミクロ流路とは流れの方向に平行な２つの層流が界面で接触して流れることができるような微小な大きさの流路を意味する。
【０００７】
そのようなミクロ流路における被抽出溶液と抽出溶媒との界面が形成されている領域に電極を配置して交流印加を行ない、被抽出溶液側から抽出溶媒側に電場が強くなるような電場勾配を作用させると誘電泳動が起こる。すなわち、その電場勾配により、溶質である中性粒子が媒質より分極しやすい粒子であれば溶質内で分極が起こり、正・負電荷に加わる力の合力の方向へ移動する。このようにして、分極しやすい溶質は溶液中を移動し、界面へと濃縮される。この結果、界面における溶質の反応時間が短くなる。
【０００８】
本発明ではこのようなミクロ流路を多段に配置して抽出を多段に行なわせることができる。その場合には、1段目のミクロ流路の下流に１又は複数段のミクロ流路が配置され、下流側の各段のミクロ流路は直前の前段ミクロ流路で溶質を抽出した溶媒と他の溶媒が界面で接触し互いに層流となって流れるように構成されており、前記他の溶媒を供給する送液機構と、溶質を抽出した前段からの溶媒中の溶質を前記他の溶媒との界面方向に誘電泳動させる電場勾配を作用させる電場印加機構とをさらに備えている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の液液抽出装置では、ミクロ流路に界面方向に誘電泳動を起こさせるように電場勾配を作用させるので、分極特性をもつ溶質に対して高速に抽出を行なうことができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は一実施例を概略的に表わす。図６の構成と比較すると、ミクロ流路２及び溶液を供給するポンプ４，６の構成は同じであり、抽出される溶質を含む被抽出溶液である溶液Ａと、その溶質を抽出する溶媒となる溶液Ｂとが送液機構のポンプ４，６によりミクロ流路２に供給され、ミクロ流路２では溶液Ａと溶液Ｂとが界面で接触し互いに層流となって流れ、下流側でそれぞれの層の流路に分岐されて排出される。溶液Ａには抽出される溶質８として物質Ａが溶解しており、２つの溶液Ａ，Ｂの界面１０で溶液ＡからＢへ溶質８が拡散により移動する。
このミクロ流路２はガラス、シリコン、プラスチックスなどの基板中に形成されたものであり、幅Ｗが１〜１０００μｍ、深さが１〜１０００μｍのものである。
【００１１】
ミクロ流路２において、溶液Ｂ側の側面に流れ方向に沿って一対の電極１２ａ，１２ｂが配置されており、両電極１２ａ，１２ｂ間に交流電源１４から交流電圧が印加されることによって電気力線１６が発生し、その電気力線により溶液Ａ，Ｂ内に電場勾配が生じる。電極１２ａ，１２ｂは溶質８を抽出しようとする溶液Ｂ側の側面に配置されている。電場勾配は電極極１２ａ，１２ｂに近づくほど強くなるため、溶液ＡからＢ方向に向かって強くなる方向の電場勾配が形成される。
【００１２】
界面１０近傍が図２に拡大して示されているように、溶質８はその電場により分極され、電場勾配によって誘電泳動する。その結果、分極した溶質８は電場勾配により溶液Ａを界面１０方向に移動して界面１０での溶質８の濃度が高まり、界面１０で溶液Ｂと反応して溶液Ｂ側に移動して抽出される。界面１０での抽出は、溶質８と溶液Ｂとの化学反応を伴う場合だけでなく、化学反応を伴わずに物理的に拡散のみによって抽出される場合も含めて、本発明では「反応」と称している。
【００１３】
図３は第２の実施例を表わしたものであり、図１に示されているのと同じミクロ流路が上流側と下段側に２段に配置された例である。上流側のミクロ流路２は図１に示されたものである。そのミクロ流路２で溶液Ａから溶質８を抽出した溶液Ｂが下流側のミクロ流路２０へ導かれる。
【００１４】
ミクロ流路２０もミクロ流路２と同様の形状と大きさをもつミクロ流路である。ミクロ流路２０では、溶液Ｂの他にポンプ２２により抽出溶媒として溶媒Ｃが供給されることにより、溶液Ｂと溶媒Ｃが層流となり互いに界面２４で接触しながら流れる。ミクロ流路２０には誘電泳動を起させるための電極２６ａと２６ｂが溶媒Ｃの側の側面に流路に沿って配置されている。電極２６ａと２６ｂには交流電源２８から電圧が印加されることにより電気力線３０が発生し、図１の実施例で説明したのと同じく、その電気力線３０によって溶質８が分極して界面２４方向に誘電泳動し、界面２４での反応時間が短縮されて溶液Ｂ中に抽出される。
【００１５】
図３では、溶液Ａには溶質として符号８で示される物質Ａの他に符号８ｂで示される物質Ｂが共存している場合を示している。物質ＡとＢとは分極の程度が異なり、物質Ａは分極しやすく、物質Ｂは分極しにくいものである。分極しにくい物質Ｂは誘電泳動を受けにくく、したがってミクロ流路２での界面１０における抽出が起こりにくい。そのためミクロ流路２では溶質として２種類の物質ＡとＢを含む溶液Ａから物質Ａのみを溶液Ｂに抽出することができ、その抽出溶液Ｂ中の溶質８を下流側のミクロ流路２０においてさらに溶液媒Ｃに抽出することにより、ミクロ流路２０から流出する溶媒Ｃにおける物質Ａの純度が高まる。このように、複数種類の物質が共存している場合にも、分極特性に応じて分離することができる。
【００１６】
本発明におけるミクロ流路は基体内部に構成されたものである。ミクロ流路は微細加工技術により基体の内部に形成することができる。
ミクロ流路を基板内部に形成する方法とともに、より具体的な実施例を説明する。
【００１７】
図４はこの実施例の液液抽出装置を製造する方法を示したものであり、（Ａ）から（Ｅ）の左側の図は平面図、その右側の図は右側面図を表わしている。
（Ａ）ガラス基板４０の一方の表面にフォトレジスト４２を塗布し、写真製版により流路となる部分に開口をもつ形状にパターン化する。そのレジストパターン４２をマスクとしてガラス基板４０の表面をウエットエッチング法又はドライエッチング法により所定の深さにエッチングしてミクロ流路となる溝４４を形成する。溝４４の形状は流路４４ｂの一端が２つの流路４２ａと４２ｄに分岐し、他端が２つの流路４２ｃと４２ｅに分岐した形状である。
【００１８】
（Ｂ）分岐流路４２ａ，４２ｄ，４２ｃ，４２ｅのそれぞれの端部には、基板４０の他方の表面側から貫通穴４６を開ける。貫通穴４６はウエットエッチング法もしくはドライエッチング法により、又はサンドブラストのような物理的な方法により開けることができる。
【００１９】
（Ｃ）基板４０の溝４４が形成されている側の表面に他方のガラス基板４８を接合する。この接合は、例えば両基板４０，４８間にフッ酸溶液を介在させて圧着することにより融着して接合させることができる。
【００２０】
（Ｄ）両基板４０，４８の外側の表面に電極となる金属膜５０を蒸着法やスパッタリング法により形成する。
（Ｅ）その金属膜５０を写真製版とエッチングによって電極５２ａ，５２ｂ形状にパターン化する。電極５２ａ，５２ｂは流路４４ｂの一方の側方から中央まで存在するように形成する。
【００２１】
得られた液液抽出装置における動作を図５の拡大図も参照して説明すると、溶質を含んだ溶液Ａが一端側の分岐流路４４ａの貫通穴から供給され、流路４４ｂを経て他端側の分岐流路４４ｃの貫通穴から排出される。他方の液Ｂが一端側の分岐流路４４ｄの貫通穴から供給され、流路４４ｂを経て他端側の分岐流路４４ｅの貫通穴から排出される。流路４４ｂでは両液ＡとＢが界面で接触しながら流れる。このとき、交流電源１４から電極５２ａ，５２ｂ間に交流流電圧を印加すると、電極５２ａ，５２ｂは液Ｂが流れている領域にのみ存在するので、電気力線５４によって溶液Ａ側では両溶液の界面に近づくほど強くなる電界勾配が発生し、溶液Ａ中の溶質８が誘電泳動によって界面方向に移動し、液Ｂに抽出される。
【００２２】
基板４０，４８としては、ガラス基板のほかに、シリコン基板、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）などのプラスティック材料なども用いることができる。基板４０として例えばＰＤＭＳを用いた場合には、成型により溝４４や貫通穴４６を形成することができる。
また、両基板４０，４８間を接着剤で接着して接合してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明の液液抽出装置は、微量溶液中の物質、例えば微生物、蛋白質、核酸、糖質、抗原、抗体又はこれらが結合した混合物を処理する化学システムに利用することができ、特にそのような化学システムをミクロ化したり集積化したりするのに利用するのに適する。例えば、移動相に液体を用いる分離方法、例えば液体クロマトグラフィ（ＬＣ）やキャピラリー電気泳動（ＣＥ）などに対し、前処理装置として用いれば、純度の高い試料供給が可能になる。
また、本発明では抽出速度が分極特性に依存するので、溶質が２種類以上存在する場合、抽出する溶質と抽出しない溶質を分極特性によって選択することもできも、共存物質の分離装置として利用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】一実施例を示す概略平面図である。
【図２】同実施例における界面近傍を拡大して示す概略平面図である。
【図３】他の実施例を示す概略平面図である。
【図４】さらに他の実施例を製造方法とともに示す工程図である。
【図５】（Ａ）は同実施例における動作を説明するための拡大断面図、（Ｂ）の右側の図はその流路部分の拡大断面図、（Ｂ）の左側の図は流路を流れる液の流れに垂直な方向からみた断面図である。
【図６】従来のミクロ流路を示す概略平面図である。
【符号の説明】
【００２５】
４，６，２２      送液機構のポンプ
２，２０，４４      ミクロ流路
８      抽出される溶質
１０，２４      界面
１２ａ，１２ｂ，２６ａ，２６ｂ，５２ａ，５２ｂ      電極
１６，３０      電気力線
１４，２８      交流電源
【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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