(57)【要約】【課題】従来技術の問題点を克服した高機能の液−液分離機能を有するマイクロチップデバイスを提供する。【解決手段】互いに混じり合わない２種類の液体を別々の流路より１つの微細流路に導入し、該微細流路内において界面を介して接する２層流を形成させながら該微細流路内を通過させた後、再び２種類の液体を別々の流路に分けて取り出すように構成したマイクロチップデバイスにおいて、前記微細流路は、第１の板状部材と第２の板状部材の少なくとも一方に溝を穿設後、両者を張り合わせることによって形成され、該微細流路の親水性液体が流れる側の内壁に親水性化学処理、疎水性液体が流れる側の内壁に疎水性化学処理を施して、２種類の液体が２層流となって流れるように構成するとともに、前記２種類の液体の界面に沿って両側から２層流を仕切るように張り出した仕切り部材を前記微細流路の側壁に設けた。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに混じり合わない２種類の液体を別々の流路より１つの微細流路に導入し、該微細流路内において界面を介して接する２層流を形成させながら該微細流路内を通過させた後、再び２種類の液体を別々の流路に分けて取り出すように構成したマイクロチップデバイスにおいて、
前記微細流路は、第１の板状部材と第２の板状部材の少なくとも一方に溝を穿設後、両者を張り合わせることによって形成され、該微細流路の親水性液体が流れる側の内壁に親水性化学処理、疎水性液体が流れる側の内壁に疎水性化学処理を施して、２種類の液体が２層流となって流れるように構成するとともに、
前記２種類の液体の界面に沿って両側から２層流を仕切るように張り出した仕切り部材を前記微細流路の側壁に設けたことを特徴とするマイクロチップデバイス。
【請求項２】
前記板状部材は金属製であり、温度制御できることを特徴とする請求項１記載のマイクロチップデバイス。
【請求項３】
前記疎水性および親水性化学処理は、疎水性または親水性の薄膜をコーティングする方法、または、親水性微粒子または疎水性微粒子を流路に固定する方法であることを特徴とする請求項１記載のマイクロチップデバイス。
【請求項４】
前記仕切り部材は断面がテーパ状になっていることを特徴とする請求項１記載のマイクロチップデバイス。
【請求項５】
前記仕切り部材は、付け根部分から界面への張り出しが、前記微細流路の上流側よりも下流側において大きくなっていることを特徴とする請求項１記載のマイクロチップデバイス。
【請求項６】
前記仕切り部材の厚みは、前記微細流路の流路深さの３０％以下、前記仕切り部材の横幅は、前記微細流路から２種類の液体を別々の流路に分けて取り出すようにした分岐点において、流路幅の少なくとも６０％を塞ぐ長さであることを特徴とする請求項１記載のマイクロチップデバイス。
【請求項７】
前記仕切り部材部分をマイクロチップデバイスから取り外して交換可能な構造とし、前記仕切り部材の張り出しの位置と大きさを、前記２層流の流速に応じて任意に選べるようにしたことを特徴とする請求項１記載のマイクロチップデバイス。
【請求項８】
前記仕切り部材は、前記２つの板状部材の接合部に沿って穿設された長溝に嵌合されることによって、前記微細流路の側壁に取り付けられることを特徴とする請求項１記載のマイクロチップデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複雑な混合物試料中の微量物質、例えば環境水中の農薬など環境汚染物質や生体試料中の薬物、タンパク質などの抽出・精製操作に広く用いられるマイクロチップデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロチップデバイスの微細流路を用いた溶媒抽出技術に関する研究は、比界面積がマクロな系に比べて大きいという利点があることから、以前から盛んに行われている。また、流体力学によると、微細流路を流れる液体はレイノルズ数（慣性力と粘性による摩擦力との比）が小さくなり、慣性作用よりも粘性作用の強い流れとなるため、流れと同じ方向に並行な２層流が形成されやすい。
【０００３】
このような微細流路内の２層流は、重力の影響をほとんど受けないために、比重の異なる、混ざり合わない２種類（例えば水とエーテル）の液体を横方向に接触させて同方向に流すと、左右に分離された２層流が形成される。
【０００４】
この時、例えばエーテル中に大量の疎水性夾雑物質と微量の親水性物質（目的物質）が溶解していれば、この目的物質は溶媒の流れに乗りながらエーテル層から水層に界面を移動する。そして、下流で水層とエーテル層を分岐させる流路を設けておけば、目的物質を抽出することが可能になる。
【０００５】
微細流路では並行な２層流が形成されやすいと前述したが、溶媒の粘性やチャンネル表面との表面張力などにより、溶媒の種類によっては、安定した２層流が形成されにくい場合がある。たとえば、ジクロロメタン／水、クロロホルム／水、ｎ−へキサン／水などがこの例にあたる。
【０００６】
これまで、微細流路において２層流を安定化させるために、例えば、微細流路の底面に溝状のガイドを設ける方法（特許文献１）や、微細流路の底面に破線状のガイドを設ける方法（特許文献２）や、２枚の基板に深さと幅の異なる溝を作製して各溝の壁面を親水性および疎水性とし、両溝を合わせて流路を形成する方法（特許文献３）などの方法がとられてきた。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−００１１０２号公報
【特許文献２】特開２００５−０３４８２７号公報
【特許文献３】特開２００６−０７５６８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１の方法では、ガイド構造は流路底面のみに作製するため、安定な界面を形成させるには溶媒の組み合わせなどに制限がある。また、流路内壁の化学処理との併用は技術的に困難である。
【０００９】
また、特許文献２の方法は、ガイド構造作製の技術的難易度が高く、実用化には適していない上に、ガイドによって液−液接触面積が小さくなるため、抽出効率は低下するという問題がある。
【００１０】
また、特許文献３の方法では、流路内壁の化学的処理は容易であるが，上下流路の断面形状を等しくすると界面を安定化させる効果が低下するため、液−液の流速が等しい時には使い難いという問題がある。
【００１１】
一方、マイクロチップデバイスの基材に目を向けると、プラスチックやガラスが一般的に使われている。ところが、プラスチックは加工性が良いが耐薬品性などに問題がある。また、ガラスは耐薬品性が高いが、加工性はプラスチックより劣るし機械的強度も低いので、実用化を考えると耐久性にやや難がある。
【００１２】
また、溶媒抽出の効率という観点から見ると、抽出温度は重要な要素であるが、下記に示すように、プラスチックの熱伝導性はガラスや金属に比べると小さいので、外部から温度制御した時の流路内の温度応答性は高くない。
【００１３】
熱伝導率［cal/cm・s・K］
銅                        0.934
アルミ            0.523
ステンレス        0.037
ポリプロピレン    0.33×10−3
ガラス            0.13
また、機械的強度、耐久性、対薬品性、熱伝導性共に高い材質としては金属があるが、加工性が高くないため、マイクロチップデバイスの基材としては殆ど用いられていない。
【００１４】
本発明の目的は、上述した点に鑑み、ステンレスなどの金属材料に対する高い微細加工技術を駆使し、従来技術の問題点を克服した高機能の液−液分離機能を有するマイクロチップデバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この目的を達成するため、本発明にかかるマイクロチップデバイスは、
互いに混じり合わない２種類の液体を別々の流路より１つの微細流路に導入し、該微細流路内において界面を介して接する２層流を形成させながら該微細流路内を通過させた後、再び２種類の液体を別々の流路に分けて取り出すように構成したマイクロチップデバイスにおいて、
前記微細流路は、第１の板状部材と第２の板状部材の少なくとも一方に溝を穿設後、両者を張り合わせることによって形成され、該微細流路の親水性液体が流れる側の内壁に親水性化学処理、疎水性液体が流れる側の内壁に疎水性化学処理を施して、２種類の液体が２層流となって流れるように構成するとともに、
前記２種類の液体の界面に沿って両側から２層流を仕切るように張り出した仕切り部材を前記微細流路の側壁に設けたことを特徴としている。
【００１６】
また、前記板状部材は金属製であり、温度制御できることを特徴としている。
【００１７】
また、前記疎水性および親水性化学処理は、疎水性または親水性の薄膜をコーティングする方法、または、親水性微粒子または疎水性微粒子を流路に固定する方法であることを特徴としている。
【００１８】
また、前記仕切り部材は断面がテーパ状になっていることを特徴としている。
【００１９】
また、前記仕切り部材は、付け根部分から界面への張り出しが、前記微細流路の上流側よりも下流側において大きくなっていることを特徴としている。
【００２０】
また、前記仕切り部材の厚みは、前記微細流路の流路深さの３０％以下、前記仕切り部材の横幅は、前記微細流路から２種類の液体を別々の流路に分けて取り出すようにした分岐点において、流路幅の少なくとも６０％を塞ぐ長さであることを特徴としている。
【００２１】
また、前記仕切り部材部分をマイクロチップデバイスから取り外して交換可能な構造とし、前記仕切り部材の張り出しの位置と大きさを、前記２層流の流速に応じて任意に選べるようにしたことを特徴としている。
【００２２】
また、前記仕切り部材は、前記２つの板状部材の接合部に沿って穿設された長溝に嵌合されることによって、前記微細流路の側壁に取り付けられることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のマイクロチップデバイスによれば、
互いに混じり合わない２種類の液体を別々の流路より１つの微細流路に導入し、該微細流路内において界面を介して接する２層流を形成させながら該微細流路内を通過させた後、再び２種類の液体を別々の流路に分けて取り出すように構成したマイクロチップデバイスにおいて、
前記微細流路は、第１の板状部材と第２の板状部材の少なくとも一方に溝を穿設後、両者を張り合わせることによって形成され、該微細流路の親水性液体が流れる側の内壁に親水性化学処理、疎水性液体が流れる側の内壁に疎水性化学処理を施して、２種類の液体が２層流となって流れるように構成するとともに、
前記２種類の液体の界面に沿って両側から２層流を仕切るように張り出した仕切り部材を前記微細流路の側壁に設けたので、
ステンレスなどの金属材料に対する高い微細加工技術を駆使し、従来技術の問題点を克服した高機能の液−液分離機能を有するマイクロチップデバイスを提供することが可能になった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【実施例１】
【００２５】
図１および図２は、本発明にかかる新しい液−液分離用マイクロチップデバイスを構成する部品の一実施例である。
【００２６】
本実施例は、互いに混じり合わない２種類の液体を別々の流路より１つの微細流路に導入し、該微細流路内において界面を介して接する２層流を形成させながら該微細流路内を通過させた後、再び２種類の液体を別々の流路に分けて取り出すように構成されたマイクロチップデバイスである。
【００２７】
０．５〜１０ｍｍの厚みのステンレス、銅、アルミなどの金属、最も好ましくはステンレスでできた２枚の金属板１、２に、それぞれ金属板の中心線に沿って直線状にまっすぐ延び、両端が 〕または〔 の形に屈曲した溝３を作製し、金属板１の溝側を下にして、金属板２の溝側の上に載せて張り合わせると、２つの溝の中央部が上下に合わさって１つの直線状微細流路を形成し、直線状微細流路の両端が見かけ上Ｙ字状に分岐するように構成される。
【００２８】
溝３はウェットエッチング法やドリル加工により作られている。溝の幅は２００〜１０００μｍ、溝の深さは５０〜２５０μｍである。一方の金属板には、溝表面に疎水性化学処理が施されており、他方の金属板には、溝表面に親水性化学処理が施されている。
【００２９】
溝表面における疎水性および親水性化学処理方法には、例えば疎水性または親水性の薄膜をコーティングする方法や、シリカゲルなどの親水性微粒子または疎水性官能基で親水性微粒子の表面を修飾した疎水性微粒子を流路に固定する方法などがある。
【００３０】
直線状微細流路の流路両側壁（２枚の板状部材の合わせ目部分）には、流れ方向に沿って点線で示した長溝（ザグリ）４が対向して設けられ、その長溝４に嵌合する形で上下の流路を分割するための仕切り板としての役割を果たすエッジを備えた駒部品５が入る構造となっている。各部品の接触部面は全て鏡面に加工されており、上下にネジ等で締め付けることで、流路からの液漏れを防ぐ構造である。
【００３１】
エッジ駒には、流路を流れる試料溶液の流速が速い場合に用いられるものと、流路を流れる試料溶液の流速が遅い場合に用いられるものとがあり、任意に選択して交換することができるようになっている。図２の上側に示すエッジ駒が速い流速用、図２の下側に示すエッジ駒が遅い流速用である。
【００３２】
流速が速い場合、液−液接触時間が短くなるので、混合部からエッジの始まりまでの距離は、遅い流速用のデバイスに比べると長く設定されている。一方、流速が遅い場合、液−液接触時間が長くなるので、混合部からエッジの始まりまでの距離は、速い流速用のデバイスに比べると短く設定されている。
【００３３】
エッジ駒を組み込んだマイクロチップデバイスの断面図を示したものが図３である。断面Ａには、親水性液体が導入される流路の断面ａ1と疎水性液体が導入される流路の断面ａ2が現れている。断面Ｂには、直線部分の流路側壁に嵌合されたエッジ駒部品ｂ1、ｂ2（エッジの張り出しがない部分）の断面が現れている。断面Ｃには、直線部分の流路側壁に嵌合されたエッジ駒部品ｃ1、ｃ2（エッジが中程度に張り出している部分）の断面が現れている。エッジから上の領域が親水性液体の流れる領域、エッジから下の領域が疎水性液体の流れる領域である。そして、エッジの先端と先端を結ぶ界面付近で両方の液体が接触する。断面Ｄには、直線部分の流路側壁に嵌合されたエッジ駒部品ｄ1、ｄ2（エッジが大きく張り出している部分）の断面が現れている。液体の分布は、断面Ｃの場合と同じである。断面Ｅは断面Ａと同じであるので省略した。
【００３４】
本実施例は、以下のように動作する。まず、図４左側の２つの入り口から、試薬溶液（例えば水溶液）と抽出溶媒（例えばエーテル）を別々に導入する。溝表面を親水性化学処理した側に水溶液、疎水性化学処理した側にエーテルが流れるように初期設定する。尚、試薬溶液の代わりに液体クロマトグラフ装置からの溶離液を直接導入しても良い。
【００３５】
２つの溶液は、左から右に微細流路内を流れ、Ｙ字状混合部で接触し、内壁の化学的性質に従って上下に分かれ、直線流路部で層流を形成して流れる。内壁の化学的性質に従って２液が上下に層流を形成して流れている間に、両液層間で液−液抽出が行なわれる。
【００３６】
直線状微細流路部の途中より、エッジ駒部品により作られた、微細流路を上下に分割する断面がテーパ状のエッジの張り出しによって、２つの層流は液−液界面が物理的に分離され、下流のＹ字状流路でそれぞれ分かれて回収される。
【００３７】
エッジは、付け根部分から界面への張り出しが、前記直線状微細流路の上流側よりも下流側において大きくなっている。エッジの厚みは、最大で流路深さの３０％とし、エッジ長さは、流路分岐点では流路幅の少なくとも６０％を塞ぐサイズとする。
【実施例２】
【００３８】
本実施例は、液−液抽出効率を制御することを目的として、マイクロチップデバイスにペルチェ素子などの温度制御素子６を組み込んだときのデバイスデザインである。図５に示すように、温度制御素子６は、液−液抽出を行なう直線流路部の両側に沿って配置され、抽出部の温度を所望の温度に制御する。
【００３９】
尚、本マイクロチップデバイスの素材にステンレス、銅、アルミなどの金属板を使用する理由の１つは、抽出効率を左右する要素の１つである温度に対して、応答性の高い（熱伝導率の高い）材質を使用したいという要請によるものである。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
液-液抽出装置に広く利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明にかかるマイクロチップデバイス部品の一実施例を示す図である。
【図２】本発明にかかるマイクロチップデバイス部品の別の実施例を示す図である。
【図３】本発明にかかるマイクロチップデバイスの断面図を示す図である。
【図４】本発明にかかるマイクロチップデバイスの一実施例を示す図である。
【図５】本発明にかかるマイクロチップデバイスの別の実施例を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１、２：金属板、３：溝、４：長溝、５：駒部品、６：温度制御素子、ａ1、ａ2：流路、ｂ1、ｂ2、ｃ1、ｃ2、ｄ1、ｄ2：エッジ駒
【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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