(57)【要約】【課題】ポンプ等の加圧手段を必要とすることなく、混合流体の構成自体によって流体の混合を確実かつ効率良く行うことができる、特にパッシブ型マイクロ流体デバイスに好適な混合流路を提供する。【解決手段】毛管力を発生させるキャピラリポンプ流路１５ａ，１５ｂと、キャピラリポンプ流路１５ａ，１５ｂに連通し、流体を混合させつつ移動させる混合流路１６とを備えたマイクロ流体デバイス１０であって、混合流路１６が、流路軸線方向に沿って流路断面の図心が変化し、かつ、断面形状の変化による損失ヘッドの変動を発生させない、周期的な繰り返し構造を有する構成としてある。【選択図】図２
2016097353.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を混合させつつ移動させる混合流路であって、
前記流路が、
流路軸線方向に沿って流路断面の図心が変化し、かつ、断面形状の変化による損失ヘッドの変動を発生させない、周期的な繰り返し構造を有することを特徴とする混合流路。
【請求項２】
前記図心が連続的に変化することを特徴とする請求項１記載の混合流路。
【請求項３】
前記流路が、
流路軸線方向に沿って流路断面の図心が変化し、かつ、
断面形状の変化による損失ヘッドの増減が、以下の２式を満たすことを特徴とする請求項１又は２記載の混合流路。
2016097353.tif 000012
【請求項４】
毛管力を発生させるキャピラリポンプ流路と、
前記キャピラリポンプ流路に連通する混合流路と、を備えたマイクロ流体デバイスであって、
前記混合流路が、請求項１乃至３に記載の混合流路からなることを特徴とするマイクロ流体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小な流路空間内で微小容量の流体を混合させたり反応させたりするための混合流路と、そのような混合流路を備えたマイクロ流体デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の微細加工技術の進展や、プラスチック成形加工技術の発展・広範化により、マイクロ流体デバイスの活用・普及が進んでいる。
マイクロ流体デバイスは、例えば人間の体液等の対象となる流体の混合，反応，抽出，分離など様々な化学プロセスを小型化・集積化して行うための手段（化学システム）であり、使用目的などにより例えばマイクロミキサー（混合装置），マイクロリアクター（化学反応装置），マイクロＴＡＳ（ラボ・オン・チップ：ｌａｂ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐ）等とも呼ばれる。
このようなマイクロ流体デバイスは、微小な流路空間内で流体を混合させたり反応させたりするための反応場を形成するマイクロチャンネルチップによって構成されている。
【０００３】
図４に、マイクロ流体デバイスを構成するマイクロチャンネルチップを模式化した図を示す。
同図に示すように、マイクロ流体デバイスを構成するマイクロチャンネルチップ１００は、ガラス製やプラスチック製の基板１０１に、例えば幅１００μｍ程度，深さ５０μｍ程度の微小な流路空間であるマイクロ流路１０３が刻設され、その上面に蓋部材（カバー体）１０２が接合されることで反応場となるマイクロ流路１０３が形成される。なお、刻設されるマイクロ流路１０３の流路の大きさ（幅・深さ）や流路長，流路形状等は、マイクロ流体デバイスの使用用途や流体の種類などに応じて任意に設定される。
そして、このようなマイクロ流路１０３を備えるマイクロチャンネルチップ１００に、図示しない各種検出・制御素子等が埋め込まれて、化学システムを構成するマイクロ流体デバイスが形成されるようになっている。
【０００４】
このようなマイクロ流体デバイスでは、反応場となる微小なマイクロ空間で流体の混合，反応等が行われるため、例えば通常の装置等では「ｃｍ」空間で行われていた反応が、「１００μｍ」空間で行われることになり、反応場の大きさが約１／１００となり、反応効率が高いというメリットがある。
具体的には、マイクロ流体デバイスでは、分子拡散時間（拡散距離の２乗に比例）が約１／１０，０００程度となり、化学反応速度が大幅に速くなる。
このため、例えば水道水の重金属汚染検査を、通常は３〜４時間程度かかるところを、約５０秒程度で完了することが可能となる。
【０００５】
また、このようなマイクロ流体デバイスでは、反応等に用いられる流体の量も微小となるため、試料・廃液の量も大幅に減少することになる。具体的には、流体の体積（大きさの３乗に比例）を従来の約１／１，０００，０００程度とすることができ、試料・廃液の量をナノリットルオーダーに減少させることができる。
これにより、例えば水道水の重金属汚染検査の場合、対象流体（水）量を、通常の検査装置における１ｋｇから１μｇ程度に、すなわち、およそ１０億分の一までにすることができるようになる。
【０００６】
このように大きなメリットを有するマイクロ流体デバイスであるが、流路空間が狭小であり、また、凹凸や起伏，曲がり等のない直線状の流路では、流体の流れは、レイノルズ数が１を切る（例えばＲｅ＝０．２１等）層流状態となるため、流体の混合反応は分子拡散のみによって進行することになる。その結果、流体の混合効率が非常に悪くなるという問題があった。このため、特に完全に分離された複数の流体について十分な混合・混錬が得られるまでには、長い流路長と混合時間が必要になるという問題が発生した。
そこで、このようなマイクロ流体デバイスにおける流路の混合効率の問題を解決するために、これまで種々の提案がなされている。
【０００７】
例えば、特許文献１には、マイクロ流体デバイスの混合流路に関して、パイ捏ね変換に基づいて流路断面形状を連続的に変化させる「流体の混合装置」が提案されている。
この特許文献１に提案されている「流体の混合装置」によれば、パイ捏ね変換に基づいて２つの流路を上下左右に立体的に交差するように構成し、そのような２つの各流路にそれぞれ流体を流すことで、各流路を通る２つの流体を、上下方向・左右方向に混合及び分離させ、それによって２つの流体を良好に混合できるようにするというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１３−１３９０３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１記載の「流体の混合装置」では、流路断面形状がパイ捏ね変換に基づいて上下左右に不規則に変化するために、流路断面積の変化によって損失ヘッドが増加するという問題があった。
混合流路において損失ヘッドが増加すると、流路内の圧力損失が増大することになり、流体を移動・通過させるためには、別途、流路内に圧力を加える必要があり、例えば流路内を加圧するポンプ等の加圧手段が必要となる。
【００１０】
このため、マイクロ流体デバイス自体の構成が複雑化・大型化することになり、マイクロ流体デバイスの特徴である小型化・集積化の特徴を大きく損なうという問題が発生する。
また、そのようにポンプ等の加圧手段を必要とする混合流路では、外部からの加圧力によることなく毛管力等によって流体を移動させるパッシブ型のマイクロ流体デバイスには対応することができなくなる。
【００１１】
パッシブ型のマイクロ流体デバイスは、デバイス全体が非常に小型軽量化され、取り扱いも簡便なことから、例えば治療現場や自宅で簡易に使用できるインフルエンザ用迅速診断キットなどへの適用を期待されている。
ところが、上記のようにポンプ等の加圧手段を必要とする混合流路・混合装置では、このような小型軽量化されたパッシブ型マイクロ流体デバイスに対応することは不可能であった。
【００１２】
本発明は、以上のような従来の技術が有する課題を解決するために提案されたものであり、ポンプ等の加圧手段を必要とすることなく、混合流路の構成自体によって流体の混合を確実かつ効率良く行うことができる、特に簡易なインフルエンザ用の診断キットなどを構成するパッシブ型マイクロ流体デバイスに好適な混合流路及びこの混合流路を備えたマイクロ流体デバイスの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明の混合流路は、流体を混合させつつ移動させる混合流路であって、前記流路が、流路軸線方向に沿って流路断面の図心が変化し、かつ、断面形状の変化による損失ヘッドの変動を発生させない、周期的な繰り返し構造を有する構成としてある。
また、本発明のマイクロ流体デバイスは、毛管力を発生させるキャピラリポンプ流路と、前記キャピラリポンプ流路に連通する混合流路と、を備えたマイクロ流体デバイスであって、前記混合流路が、本発明に係る混合流路からなる構成としてある。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ポンプ等の加圧手段を必要とすることなく、混合流路の構成自体によって流体の混合を確実かつ効率良く行うことができる。
これによって、例えば簡易なインフルエンザ用の診断キットなどを構成するパッシブ型マイクロ流体デバイスに好適な混合流路及びマイクロ流体デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係るマイクロ流体デバイスを示す外観斜視図である。
【図２】図１に示すマイクロ流体デバイスに備えられる、本発明の一実施形態に係る流路断面の図心を連続的に変化させた混合流路を示す説明図であり、（ａ）は混合流路を平面視した拡大図、（ｂ）は同じく混合流路の基板断面を側面視した拡大図、（ｃ）はマイクロ流体デバイスの外観斜視図であり、（ａ），（ｂ）に示す混合流路に相当する部分を破線で示している。
【図３】図２に示す混合流路の要部拡大図であり、（ａ）は混合流路の平面視拡大図、（ｂ）は同じく混合流路の断面側面視拡大図、（ｃ）は流路断面の図心の変化を模式的に示す説明図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係るマイクロ流体デバイスを構成するマイクロチャンネルチップを模式化した斜視図であり、（ａ）はマイクロ流路が刻設された基板とその上面に接合される蓋部材とを分解した状態、（ｂ）は同じく基板の上面に蓋部材を接合させた状態を示している。この図４に示すマイクロ流体デバイスに、図２（ａ），（ｂ）及び図３に示した混合流路を適用して、本発明の実施例１として示す。
【図５】図４に示すマイクロ流体デバイスに備えられる、流路断面の図心を連続的に変化させた混合流路の他の実施形態を示す説明図であり、（ａ）は混合流路を平面視した拡大図、（ｂ）は同じく混合流路の基板断面を側面視した拡大図、（ｃ）は（ａ），（ｂ）の破線で囲む部分に相当する混合流路の拡大図、（ｄ）は（ｃ）に対応する流路断面の変化を模式的に示す説明図である。この図５に示す混合流路を図４に示すマイクロ流体デバイスに適用して、本発明の実施例２として示す。
【図６】図４に示す本発明の実施例１の解析結果を示す説明図であり、図３に示す混合流路の要部拡大図に対応する、流路断面方向に発生する流体の速度成分の変化を模式的に示した図である。
【図７】図４に示す本発明の実施例１の解析結果を示す説明図であり、図６に示す混合流路の流路断面方向に発生する流体の速度成分の変化を合成して示した図である。
【図８】図４に示す本発明の実施例１の解析結果を示す説明図であり、図６及び７に示す解析結果に対応する、流路内での流体の混合状態の変化を模式的に示した図である。
【図９】本発明の実施例２の解析結果を示す説明図であり、図５に示す混合流路の要部拡大図に対応する、流路内での流体の混合状態の変化を模式的に示した図である。
【図１０】本発明の実施例に対する比較例の解析結果を示す説明図であり、流路断面の図心が変化しないストレート流路の流路内での流体の混合状態の変化を模式的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に係る混合流路及びこの混合流路を備えたマイクロ流体デバイスの実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る混合流路を備えたマイクロ流体デバイス１０を示す外観斜視図である。
同図に示すマイクロ流体デバイス１０は、毛管力を発生させるキャピラリポンプ流路１５と、キャピラリポンプ流路に接続・連通する混合流路１６とを備え、混合流路に対するポンプ等の加圧手段を備えないパッシブ型のマイクロ流体デバイスを構成している。この種のパッシブ型のマイクロ流体デバイスは、加圧手段を必要とせず、デバイス自体の構成を小型化・簡素化できるもので、例えば簡易なインフルエンザ用の迅速診断キットとして構成されるマイクロ流体デバイスである。
【００１７】
［マイクロ流体デバイス］
具体的には、本実施形態のマイクロ流体デバイス１０は、イムノクロマトグラフィー法によるインフルエンザ診断キットとして構成されており、図４に示したマイクロチャンネルチップ１００と同様に、基板１１と、基板１１の表面を覆う蓋部材（カバー体）１２とを備えたマイクロチャンネルチップによって構成されている。
そして、本実施形態では、このようなマイクロチャンネルチップ上に、インフルエンザ抗原と結合する金コロイド標識抗体が含浸されたコンジュゲートパッド１３と、分析後の残液を吸収させる吸収パッド１４とを備えている。
【００１８】
基板１１の表面には、コンジュゲートパッド１３を保持する保持部，第１キャピラリポンプ部１５ａ，混合流路（液送流路部）１６，検出部１７，第２キャピラリポンプ部１５ｂ、また、吸収パッド１４を保持する保持部等の各部が形成されている。
混合流路１６は、キャピラリポンプ流路１５（第１キャピラリポンプ部１５ａ及び第２キャピラリポンプ部１５ｂ）に接続・連通する流路空間であり、本発明に係る混合流路を構成している。
検出部１７は、混合流路１６の下流側に備えられた流路空間であり、金コロイド標識抗体と結合しインフルエンザ抗原を捕捉する捕捉抗体を塗布したテスト流路１７ａと、インフルエンザ抗原が結合していない金コロイド標識抗体を捕捉する捕捉抗体を塗布したコントロール流路１７ｂが設けられる。
【００１９】
キャピラリポンプ流路１５（第１キャピラリポンプ部１５ａ，第２キャピラリポンプ部１５ｂ）は、分析対象を含む流体（調製液）を移動（液送）する推進力として毛細管現象を利用する微細液送構造体からなり、本発明に係るキャピラリポンプ流路を構成している。
このようなキャピラリポンプ流路１５を備えることにより、本実施形態に係るマイクロ流体デバイス１０は、外部から加圧するポンプ等の加圧手段を必要とすることなく流体を移動させることができるパッシブ型のマイクロ流体デバイスを構成している。
【００２０】
以上のような構成からなるマイクロ流体デバイス１０を用いて、被験者がインフルエンザに感染しているか否かを診断するには、まず、被験者から採取した鼻汁などの検体（分析対象流体）を含む検体調製液をコンジュゲートパッド１３に滴下する。
コンジュゲートパッド１３に滴下された検体調製液は、コンジュゲートパッド１３から浸み出して圧送キャピラリポンプ部１５ａに浸入する。そして、検体調製液は、毛細管現象を推進力として第１キャピラリポンプ部１５ａ内を進行して混合流路１６に圧送される。混合流路１６に圧送された検体調製液は、被験者の検体と混合されつつ混合流路１６内を流動して、その流路上に形成された検出部１７に送られる。
【００２１】
検出部１７を通過した検体調製液の残液は、第２キャピラリポンプ部１５ｂに達すると、その毛細管現象を推進力として第２キャピラリポンプ部１５ｂ内を進行する。検体調製液が流れた流動長の増加に伴い流動を妨げる抵抗も増加するが、キャピラリポンプ部１５は、流動長の増加に伴い流路の分岐を増加することで、流動を妨げる抵抗の増加を抑制している。このため、外部ポンプを使用することなく、検体調製液が一定の流量で流動することで再現性の高い分析（診断）が可能になる。
【００２２】
検体調製液の残液は、第２キャピラリポンプ１５ｂ内を進行した後に吸収パッド１４に吸収される。
患者がインフルエンザに感染していれば、検体調製液には、インフルエンザ抗原が含まれており、コンジュゲートパッド１３に検体調製液を滴下すると、コンジュゲートパッド１３に含浸された金コロイド標識抗体が検体調製液に溶出し、共に混合流路へ流れる。
このインフルエンザ抗原（検体）とコンジュゲートパッド１３に含浸された金コロイド標識抗体とが、検出部１７に至るまでの混合流路１６において混合されて結合されることになる。
【００２３】
上述したように、検出部１７には、金コロイド標識抗体と結合したインフルエンザ抗原を捕捉する捕捉抗体を塗布したテスト流路１７ａと、インフルエンザ抗原が結合していない金コロイド標識抗体を捕捉する捕捉抗体を塗布したコントロール流路１７ｂが設けられている。
従って、検体調製液が検出部１７を通過した後に、コントロール流路１７ｂにだけ金コロイドによる発色が視認されれば、被験者はインフルエンザに感染していないと診断でき、テスト流路１７ａにも金コロイドによる発色が視認されれば、被験者はインフルエンザに感染していると診断できる。
【００２４】
ここで、以上のようなインフルエンザ診断キットでは、インフルエンザ抗原（検体）と金コロイド標識抗体とを、検出部１７に至るまでの混合流路１６において確実に混合・結合させて反応させておくことが重要となる。
すなわち、上述のように検出部１７では、金コロイド標識抗体と結合したインフルエンザ抗原を捕捉してインフルエンザ感染の有無を視認・判定するようになっており、金コロイド標識抗体と結合・反応していないインフルエンザ抗原は診断に寄与しない。
【００２５】
従って、検出部１７に至るまでの混合流路１６において、インフルエンザ抗原（検体）と金コロイド標識抗体とを確実に結合・反応させる必要がある。
また、検査キットを小型化する観点からは混合流路１６の流路長もできる限り短くすることが望ましい。
そのためには、混合流路１６において、２つの流体（インフルエンザ抗原（検体）と金コロイド標識抗体）の混合・反応を、確実かつ効率良く行わせることが重要となる。
【００２６】
そこで、本実施形態では、上記のようなインフルエンザ診断キットを構成するマイクロ流体デバイス１０において、対象流体（インフルエンザ抗原（検体）と金コロイド標識抗体）を混合・結合させる混合流路１６として、本実施形態に係る混合流路を備えるようにしてある。
以下、本実施形態に係る混合流路の詳細について、図２〜３を参照しつつ説明する。
【００２７】
［混合流路］
混合流路は、流体を混合させつつ移動させるマイクロ流体デバイスに備えられる流路空間（ミキサ流路）であり、本実施形態では、上述した図１に示すマイクロ流体デバイス１０の混合流路（液送流路部）１６や、図４に示すマイクロチャンネルチップ１００のマイクロ流路１０３を構成している。
そして、本実施形態では、移動・液送される複数の流体を確実かつ効率よく混合させるために、混合流路を、流路軸線方向に沿って流路断面の図心が変化し、かつ、断面形状の変化による損失ヘッドの変動を発生させない、周期的な繰り返し構造を有する構成としてある。
【００２８】
まず、本実施形態に係る混合流路は、流路断面の図心の位置が、流路軸線方向に沿って一定間隔で周期的に繰り返し変化するように、流路の断面形状を構成してある。
ここで、「図心」とは、対象となる平面図形の中心、重心位置のことであり、例えば対象図形が長方形であれば対角線の交点が図心となる。
本実施形態では、混合流路の流路断面を構成する平面図形を対象として、その図心が流路の軸線方向に沿って変位するように混合流路を形成するようにしてある。
【００２９】
流路断面の図心の位置を流路軸線方向に沿って変化させることにより、流路内を流れる流体には、流路断面の図心の変化に応じて流路断面の上下方向や左右方向に向かって速度が発生・変化することになる。
これによって流路内の流体は、その速度成分の方向・大きさに沿って混合・混錬されることになり、図心が複数の方向に繰り返し周期的に変化することで、流体も繰り返し混錬・攪拌されることになり、短い流路の間でも効率よく確実に、複数の流体を混合させることができるようになる。
【００３０】
ただ、単に流路断面の図心を変化させるようにするだけでは、流路断面の形状変化により流路内の損失ヘッドが変動・増大することになり、流路長を経る程に、損失ヘッド・圧力損失が大きくなってしまう。損失ヘッドが増大すれば、それだけ流路内の圧力損失も増大し、流体を円滑に移動・通過させることが困難になる。その結果、流路内の流体に圧力を加えるための、例えばポンプ等の加圧手段が必要となってしまう。
しかしながら、そのようなポンプ等を備える構成では、マイクロ流体デバイス自体が複雑化・大型化することになり、また、上述したように外部からの加圧力によることなく毛管力等によって流体を移動させるキャピラリポンプ流路１５を備えたパッシブ型のマイクロ流体デバイス１０に対応することは不可能となる。
【００３１】
そこで、本実施形態では、混合流路の流路断面における図心の位置を変化させるように流路断面の形状を変化させながらも、それによって損失ヘッドが変動・増大しないように、流路の周期的な繰り返し構造を所定の形状に設定・構成するようにしてある。
これによって、流体を効率よく混合させるために流路断面の図心が変化するように構成しても、流路内の損失ヘッドは変動しないようにすることで、流路内の損失ヘッド・圧力損失が増加することをなくし、ポンプ等の加圧手段を必要とすることなく、流体を混合させつつ流路内を円滑に通過・移動させることができる。
具体的には、本実施形態に係る混合流路は、以下のような形状となるように形状・寸法を設定するようにしてある。
【００３２】
［流路内の損失発生（損失ヘッド）］
非圧縮性の完全流体の定常な流れ（定常流）があるとき、一本の流線に沿って以下のベルヌーイの式１が成り立つ。
［式１］
2016097353.tif 000003
【００３３】
上記の式１は一本の流線（流路）に沿って成り立ち、従って流路ごとに上記Ｈの値は異なることになる。
そして、流路内に摩擦その他の損失が発生することは、上記式１を用いて、以下の式２のように表すことができる。式２では、流路の上流側の断面（断面１）と下流側の断面（断面２）をとり、両断面上における値を添字１，２で表している。また、下記式２において、ｈは、二つの断面間で生じた損失であり、一般に（二断面間の）損失ヘッドと呼ばれる。
［式２］
2016097353.tif 000004
【００３４】
そして、上記式２は、以下の式３のように整理・一般化して表すことができる。
このとき、損失ヘッドｈは、流路の下流に行くに従って増大することになる。
［式３］
2016097353.tif 000005
【００３５】
ここで、流路内の流れにおいて発生する損失（損失ヘッドｈ）は、流路の内径ｄ（ｍ）の真っ直ぐな円管内を、流体が平均流速ｖ（ｍ／ｓ）で流れているとした場合に、流路の長さｌ（ｍ）に対する損失ヘッドｈ（ｍ）は、無次元の係数λを用いて以下の式４のように表すことができる。
［式４］
2016097353.tif 000006
上記式４中で、係数λ，重力加速度ｇは、流路のいずれの断面においても不変である。従って、流路長ｌが同じであれば、流路の内径ｄ（ｍ）と流体の平均流速ｖ（ｍ／ｓ）が損失ヘッドｈの変動（増加）要因となる。
【００３６】
以上のことから、本実施形態では、上記式４を整理して以下の式５，６とし、流路軸線方向に沿って流路断面の図心を変化させる場合に、流路が式５，６を満たすように、流路の断面形状を設定するようにしてある。
［式５］
2016097353.tif 000007
［式６］
2016097353.tif 000008
【００３７】
このような式５，６の条件を満たすように流路の形状を設定・形成することにより、流路の断面形状が流路軸線方向に沿って図心が変化・変動するように形成しても、そのような流路の断面形状の変化による損失ヘッドの増減が一定の範囲（±１０％）内に抑制される。
上記式５，６の条件を満たして流路の損失ヘッドがほぼ変動しない状態は、等価直径ｄｅ（＝４Ａ／Ｓ（Ａ：対象図形の面積，Ｓ：対象図形の周長））に相当する直径のストレート流路（円管流路）と同様に損失ヘッドを発生させないことになる。
【００３８】
つまり、上記式５，６の条件を満たす流路は、ストレート流路と等価、すなわち損失ヘッドの変動・増加のない流路となり、この式５，６の条件を満たす限り、流路断面の図心を変動させても、流路の損失ヘッドは増加しないことになる。
これによって、流体を図心の変動に応じて混合・混錬しつつ、流体の移動・通過がストレート流路と同様に円滑に行われるようになり、ポンプ等の加圧手段を必要とせず、パッシブ型のマイクロ流体デバイスに対しても好適な対応・適用できるようになる。
【００３９】
なお、本実施形態では、上記式１〜６に示したように、流路内の損失ヘッドに基づいて、ストレート流路と等価な損失ヘッドの変動のない流路として設定するようにしてある。
但し、損失ヘッドに基づくことなく、流路内の流動抵抗を直接算出することにより、流動抵抗そのものに基づいて、流動抵抗の変動のない流路を設定することもできる。
すなわち、混合流路の流動抵抗を直接的に算出・設定することで、上述した損失ヘッドに基づく場合と同様に、ストレート流路と等価の流路を形成することができる
【００４０】
ここで、矩形流路内の流動抵抗は、以下のようにして求めることができる。
［式７］
2016097353.tif 000009
［式８］
2016097353.tif 000010
【００４１】
［混合流路の形状］
次に、上記式５，６（又は式７，８）の条件を満たすように、損失ヘッド（又は流動抵抗）が所定範囲に収まるように形成される混合流路の具体的な形状について、図２〜３，６を参照しつつ説明する。
【００４２】
［図心が連続的に変化］
図２は、図１に示すマイクロ流体デバイス１０に備えられる混合流路１６の、流路断面の図心を連続的に変化させた実施形態を示す説明図であり、（ａ）は混合流路を平面視した拡大図、（ｂ）は同じく混合流路の基板断面を側面視した拡大図、（ｃ）はマイクロ流体デバイスの外観斜視図で、（ａ），（ｂ）に示した混合流路の拡大図に相当する部分を破線で示している。
図３は、図２に示す混合流路の断面の要部拡大図と流路断面の図心の変化を模式的に示す説明図である。
また、図６は、本発明に係る混合流路を図４に示したマイクロチャンネルチップ１００のマイクロ流路１０３に適用した実施例（実施例１）の解析結果を示す説明図であり、図３に示す混合流路の要部拡大図に対応する、流路断面方向に発生する流体の速度成分の変化を模式的に示した図である。
【００４３】
これらの図に示すように、本実施形態に係る混合流路は、流路断面の図心が連続的に変化するように構成することができる。
まず、混合流路は、図２（ａ）に示すように、マイクロ流体デバイス１０の上面側から平面視したＸＹ平面において、流路幅が所定間隔で連続的に増減変動するように形成してある。
具体的には、図３（ａ）及び図６（ａ）に示すように、混合流路は、例えば流路長２．５ｍｍ間隔（Ｘ＝０．０ｍｍ〜２．５ｍｍ）で、ＸＹ平面における流路幅が１５μｍ〜６０μｍの範囲で連続的かつ周期的に変動するように形成してある。
【００４４】
また、混合流路は、図２（ｂ）に示すように、流路軸線方向に沿った流路断面を側面視したＺＸ平面において、流路の深さが所定間隔で連続的に増減変動するように形成してある。
具体的には、図３（ｂ）及び図６（ｂ）に示すように、混合流路は、例えば流路長２．５ｍｍ間隔（Ｘ＝０．０ｍｍ〜２．５ｍｍ）で、ＺＸ平面における流路深さが、正弦曲線に従って２０μｍ〜１２０μｍの範囲で連続的かつ周期的に変動するように形成してある。
【００４５】
このような構成により、混合流路は、図３の破線内拡大図に示すように、流路軸線方向に沿って、図面左側から、Ｘ＝０．０ｍｍでの断面は「幅２０μｍ×深さ６０μｍ」、Ｘ＝０．６ｍｍでは「幅６０μｍ×深さ２０μｍ」、Ｘ＝１．８ｍｍでは「幅１５μｍ×深さ１２０μｍ」、Ｘ＝２．５ｍｍでは「幅２０μｍ×深さ６０μｍ」・・・となるように、断面形状がＸＹ方向・ＺＸ方向にそれぞれ連続的に変化するように形成されることになる。
そして、このような混合流路の幅及び深さの値は、上述した式５，６の条件を満たすように、すなわち、損失ヘッドが一定の範囲（±１０％）内に収まるように算出されて設定されるようになっている。
【００４６】
なお、損失ヘッドに基づく上記式５，６の条件を満たす混合流路の上記のような幅・深さについては、公知のシミュレーター等を用いることで算出・設定することができる。
また、上記式５，６の条件を満たす混合流路における、流路の大きさ（幅・深さ）や流路長，流路形状等は、マイクロ流体デバイスの使用用途や流体の種類などに応じて任意に設定することができる。
【００４７】
以上のようにして、本実施形態に係る混合流路は、ＸＹ平面における流路幅と、ＺＸ平面における流路深さが、それぞれ連続的かつ周期的に変動するようになっている。
これによって、混合流路の流路断面の図心は、図３（ｃ）に示すように、流路軸線方向に沿って垂直方向（図面上下方向）に連続的に変動することになる。
そして、このように図心が変動することにより、流路内の上下左右方向に流体の速度が発生・変化することになる。
【００４８】
以上説明したように、本実施形態の混合流路及びマイクロ流体デバイスによれば、流路を周期的な繰り返し構造となるよう形成し、これによって流路軸線方向に沿って流路断面の図心を変化させるとともに、流路の断面形状の変化により流路内の損失ヘッドの変動を発生させないように、流路内の周期的な繰り返し構造を設定することができる。
このような流路構造を採用することにより、流路内を流れる流体は、流路断面の図心の変化に応じて流路内の上下左右方向に速度が発生・変化することになり、これによって流路内の流体は流路の上下左右方向に混合・混錬されることになる。
また、そのように流路断面の図心が変化しても、流路内の損失ヘッドは変動しないように流路の形状を設定しているため、流路内の損失ヘッド・圧力損失が増加することがなく、ポンプ等の加圧手段を必要とすることなく、流体を混合させつつ流路内を通過・移動させることができる。
【００４９】
このように、本実施形態に係る混合流路は、流路の構成自体によって流体の混合を確実かつ効率良く行うことができ、加圧手段等を必要とすることなく混合流路を移動させることができる。
従って、例えば簡易なインフルエンザ用の迅速診断キットなどのパッシブ型マイクロ流体デバイスとして好適な混合流路及びマイクロ流体デバイスを実現することができる。
【実施例】
【００５０】
以下、本発明に係る混合流路及びマイクロ流体デバイスの一実施例を説明する。
なお、本発明を以下の実施例により更に説明するが、本発明は下記実施例により何らかの制限を受けるものではない。
【００５１】
以下に本発明の実施例を示す。
○性能評価
・流体解析ソフトを用いて混合流路を評価する
・評価流路
・実施例１の混合流路を図３に示す
図３に示す混合流路は、マイクロ流体デバイス１０の上面側から平面視したＸＹ平面において、流路幅の両側において、所定間隔で流路幅が連続的に増減変動するように形成したものである
・実施例２の混合流路を図５に示す
図５に示す混合流路は、図３に示す混合流路に対して、マイクロ流体デバイス１０の上面側から平面視したＸＹ平面において、流路幅の片側のみにおいて、所定間隔で流路幅が連続的に増減変動するように形成したものである
・比較例としてストレート流路を評価する
・流路長はいずれも３０ｍｍ
・解析条件
・解析モデル：２流体Ａ、Ｂを平行して送液
・流体解析ソフト：ＰＨＯＥＮＩＣＳ
・解析条件
・時間依存性：定常計算
・流体：水
・流量：１μL／ｍｉｎ
・評価項目
・損失ヘッド（圧力損失）
・流入口および流出口での流路断面図心での圧力を測定し圧力損失ΔＰを算出する
・｜（ΔＰ：混合流路−ΔＰ：ストレート流路）／ΔＰ：ストレート流路｜＜０．１となる場合、圧力損失がストレート流路と等価である良好な混合流路として評価を○とする
・混合効率
・Ｂ流入側流出口の流路壁面近傍でのＡ濃度Ｃ１を測定
・上記濃度が０．４≦Ｃ１≦０．６となる場合、混合効果が良好な混合流路として評価を○とする
○評価結果
【表１】
2016097353.tif 000011
・実施例１の解析結果を図６、図７、図８に示す
・実施例２の解析結果を図９に示す
・比較例の解析結果を図１０に示す
【００５２】
以下、図３及び図６を参照しつつ、流路内における流体の速度成分の発生・態様について具体的に説明する。
図６は、上述の通り、図２，３に示す混合流路の断面の要部拡大図と流路断面方向に発生する流体の速度方向の変化を模式的に示す説明図である。
なお、この図６に示す例では、シミュレーションのパラメータとして、定常流モデルにおいて、水と等価の物性値の２つの流体（Ａ液・Ｂ液）を、流量１μＬ／ｍｉｎで流した場合となっている。
【００５３】
図６（ｃ）に示すように、まず、混合流路内において、図面左側のＸ＝０．０ｍｍの断面では、Ａ液・Ｂ液の２つの流体がＸＹ平面に並列に層流状に流れているとする。
この状態から、Ｘ＝０．６ｍｍの断面では、図３（ｃ）で示したように、図心が上方に移動することになり、流路断面は流路幅が増大する一方、流路深さが減少する。
これによって、Ａ液・Ｂ液の２つの流体には、図６（ｃ）に示すように、両者の界面に向かう水平方向（左右方向）の内向きに沿って速度成分が発生する。
【００５４】
次いで、Ｘ＝１．８ｍｍの断面では、図３（ｃ）で示したように、図心が再び下方に移動することになり、流路断面は流路幅が大きく減少する一方、流路深さが大幅に増大する。
これによって、Ａ液・Ｂ液の２つの流体には、図６（ｃ）に示すように、両者の界面に沿った垂直方向（上下方向）の下向きに沿って速度成分が発生する。
【００５５】
さらに、Ｘ＝２．５ｍｍの断面では、図３（ｃ）で示したように、図心が再び上方に移動し、流路断面は流路幅が増大しつつ、流路深さが減少していく。
これによって、Ａ液・Ｂ液の２つの流体には、図６（ｃ）に示すように、両者の界面に沿った垂直方向（上下方向）の上向きに沿って速度成分が発生する。
そして、混合流路は、以上のようなＸ＝０．０ｍｍ〜２．５ｍｍにおける流路断面の図心の変動が繰り返し連続的に行われ、その結果、上記のような流路の各断面で発生した流体の速度成分が合成されていくことになる。
【００５６】
図７に、図６に示す混合流路の流路断面方向に発生する流体の速度成分の変化をＸ＝２．５ｍｍの断面で合成して示した説明図を示す。
同図に示すように、図６（ｃ）に示した混合流路の各断面において発生する流体の速度成分は、混合流路の流路軸線方向に沿って繰り返し合成・重畳され、流路内の上下左右方向（垂直・水平方向）に速度成分が合成されることになる。特に、図７に示されるように、ストレート流路では発生しないＹＺ方向成分の速度が発生していることが分かる。
これによって、混合流路内の流体は、流路軸線方向に移動しながら、上下左右方向への混合・混錬が行われることになる。
【００５７】
図８は、図２，３，６に示した混合流路の断面の要部拡大図と流路内での流体の混合状態の変化を模式的に示す説明図である。
同図に示すように、図面左側のＸ＝０．０ｍｍの断面ではＡ液・Ｂ液の２つの流体がＸＹ平面に並列に層流状に流れており、両者の間には界面がはっきりと存在していたものが、Ｘ＝１５ｍｍの断面では、Ａ液とＢ液の界面が混ざり合っており、Ｘ＝３０ｍｍの断面では、Ａ液・Ｂ液の２つの流体がほぼ完全に混合していることが分かる。
【００５８】
従って、この場合には、２つの流体（Ａ液・Ｂ液）は、本実施形態の混合流路を流路軸線方向に約３０ｍｍ移動すれば、ほぼ完全に混合されることになり、通常のストレート流路と比較して、非常に効率良く、迅速かつ確実に流体の混合が行われることになる。
しかも、本実施形態の混合流路は、流路内の損失ヘッドがストレート流路と等価となるように設定されており、流路内の損失ヘッド・圧力損失が増加することがなく、このため、ポンプ等の加圧手段を必要とすることなく、流体を混合させつつ流路内を通過・移動させることができる。
【００５９】
従って、本実施形態の混合流路は、上述したマイクロ流体デバイス１０のように、検出部１７に至るまでの混合流路１６において複数の流体（インフルエンザ抗原（検体）と金コロイド標識抗体）を確実に結合・反応させることができ、また、キャピラリポンプ流体を備えることで加圧手段を必要とすることなく簡易に構成することができる。
このため、本実施形態の混合流路は、インフルエンザ用の診断キットを構成するパッシブ型のマイクロ流体デバイスに最適な混合流路として利用することができる。
【００６０】
以上、本発明の混合流路及びマイクロ流体デバイスについて、好ましい実施形態を示して説明したが、本発明に係る混合流路及びマイクロ流体デバイスは、上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲で種々の変更実施が可能であることは言うまでもない。
【００６１】
例えば、上述した実施形態では、本発明に係る混合流路を備えたマイクロ流体デバイスとして、インフルエンザ用の診断キットを例にとって説明したが、本発明に係る混合流体及びマイクロ流体デバイスの適用対象は特にインフルエンザ診断キットに限定されるものではない。
また、上記実施形態では、マイクロ流体デバイスの構成として、流路内の流体を移動させるためのポンプ等の加圧手段を備えないパッシブ型のマイクロ流体デバイスを例にとって説明したが、ポンプ等の加圧手段を備えるアクティブ形のマイクロ流体デバイスに適用することも勿論可能である。
【００６２】
すなわち、本発明は、微小なマイクロ流路空間において複数の流体を効率よく迅速かつ確実に混合・混錬させる必要があるマイクロ流体デバイス及びマイクロ流路を構成する混合流路であれば特に限定されるものではなく、デバイスの構成や形態，使用目的，流体の種類や分量などを問わず、広く本発明を適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、例えば簡易なインフルエンザ用迅速診断キットなどに用いることができる混合流路及び混合流路を備えたマイクロ流体デバイスとして好適に利用することができる。
【符号の説明】
【００６４】
１０  マイクロ流体デバイス
１１  基板
１２  蓋部材（カバー体）
１３  コンジュゲートパッド
１４  吸収パッド
１５  キャピラリポンプ流路
１５ａ  第一キャピラリポンプ部
１５ｂ  第二キャピラリポンプ部
１６  混合流路（液送流路部）
１７  検出部
１７ａ  テスト流路
１７ｂ  コントロール流路
【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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