JP2004053545A - マイクロリアクタと反応分析システム及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高性能マイクロリアクタ実現のためには、粘性力と界面張力の影響をいかに小さくするかが大きな課題であった。
【解決手段】反応や分析に用いる流動体として、粘性力と界面張力の小さな超臨界状態、亜臨界状態、液体状態の流動体を用いることにより、高性能なマイクロリアクタを提供する。例えば超臨界状態の二酸化炭素を用いる場合は、40℃以上の温度と10MPa以上の圧力条件下で動作させるが、マイクロリアクタ内外の圧力差を小さくして圧力漏れが生じないようにするため、マイクロリアクタを高圧容器内に設置すると良い。
【選択図】 図5
【解決手段】反応や分析に用いる流動体として、粘性力と界面張力の小さな超臨界状態、亜臨界状態、液体状態の流動体を用いることにより、高性能なマイクロリアクタを提供する。例えば超臨界状態の二酸化炭素を用いる場合は、40℃以上の温度と10MPa以上の圧力条件下で動作させるが、マイクロリアクタ内外の圧力差を小さくして圧力漏れが生じないようにするため、マイクロリアクタを高圧容器内に設置すると良い。
【選択図】 図5
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ごく微少な量で化学反応や分析を行うことのできる装置、特に半導体加工技術と超臨界流体技術を融合した高性能なマイクロリアクタを提供するものである。
【0002】
【従来の技術】
マイクロリアクタは、基板上に形成した10〜1000μmのマイクロチャネルを用いて化学反応や分離・分析を行う装置であり、極微少量の試薬で化学反応や分析を行うことができる。マイクロリアクタは、リソグラフィーとエッチングを基本とする半導体微細加工技術と精密機械加工技術との融合により実現されたものであり、半導体技術を利用することで、伝熱部、制御部、検出部の集積化が可能となった。マイクロリアクタは、特に分析方面に応用される場合、「Lab−on−a−chip」や「μ−TAS(Micro Total Analysis System)」と呼ばれる(草壁克己他、化学工学、Vol66、No.2、54(2002))。
【0003】
マイクロリアクタを用いると、サンプルや試薬の使用量、廃液の軽減、省スペースでポータブルなシステムの実現、表面積/体積比率の向上による熱移動、物質移動の高速化、温度、濃度分布の軽減などが期待される。その結果、反応や分離の精密制御、高速・高効率化、副反応の抑制などが実現可能となる。また、半導体微細加工技術を活用することで、集積化、並列化、複合化が可能となり、多種サンプルの並行同時処理、前処理・反応・分離等の一連のプロセスの融合化なども実現できる。
【0004】
図8にマイクロリアクタの一例を示す。試料や試薬をマイクロポンプなどを用いて各々のポートに導入し、反応後の生成物や分離分析物を、バイオセンサなどを用いて検出する。マイクロリアクタ上に形成された流路(溝)の大きさは直径10μmレベルであり、従来のmmレベルのシステムと比較すると、大幅な小型化を実現することができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術においては、以下のような課題があった。
【0006】
まず、マイクロ空間に働く力を考える(中嶋光敏、化学工学、Vol66、No.2、62(2002))。マイクロ空間の一例として、相当径L=10μmのマイクロチャネル内の液体を考える。密度ρ=1000kg/cm3、粘度μ=10m・Pa・s、流速U=1mm/s、重力加速度g=10m/ s2、界面張力σ=0.01N/mと仮定し、この流体に働く慣性力、重力、粘性力、界面張力を求めると、各々、慣性力10−3N/m2、重力10−7N/m2、粘性力10−1N/m2、界面張力103N/m2となる。よって、このような微小領域の液体には、粘性力と界面張力の大きさが相対的に大きくなり、支配的になるということがわかる。よって、高性能のマイクロリアクタを実現するためには、粘性力と界面張力の影響をいかに小さくするかが非常に重要である。
【0007】
ところが、従来のマイクロリアクタは反応溶媒として液体を用いていた。液体は取り扱いが比較的容易であり、反応溶媒として優れた特性を有しているが、前述の通り粘性力と界面張力が大きい。高性能のマイクロリアクタを実現するためには、粘性力と界面張力を小さくする必要があるが、従来の通り液体を用いていると粘性力と界面張力を小さくすることはできない。
【0008】
本発明の目的は、粘性力と界面張力の小さな溶媒を用いることにより、高性能なマイクロリアクタを提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明のマイクロリアクタは、内部に少なくとも1つの流路を有する基板と、前記流路と接続された試料導入管と、前記流路と接続された試料導出管と、流動体を加圧して前記試料導入管へ送る機構とを有し、前記流動体として超臨界状態もしくは亜臨界状態もしくは液体状態の流動体を少なくとも1つ用いることを特徴とするマイクロリアクタであり、粘性力と界面張力の小さな超臨界状態もしくは亜臨界状態もしくは液体状態の流動体を用いることにより、高性能なマイクロリアクタを提供することができる。また、前記試料導出管に接続された背圧制御装置を設けることにより、前記流路の内部圧力を安定化することもできる。前記流動体としては、二酸化炭素、炭化水素、アルコール、アンモニア、亜酸化窒素、水の少なくとも1つを用いることが好ましく、これらの内2種類以上を併用することもできる。
【0010】
また本発明のマイクロリアクタは、流路と試料導入管との接続箇所を前記基板と押し付けて耐圧を持たせる構造を有するか、流路と試料導入管との接続箇所を前記基板にねじ溝を設けて耐圧を持たせる構造を有するマイクロリアクタであり、接続個所からの圧力漏れを防止することができる。さらに、流路を有する基板を高圧容器内に設置し、前記加圧した流動体を前記流路に流し、かつ前記高圧容器内にも加圧した流動体を導入することにより、前記流路内部の圧力と前記基板外部の圧力との圧力差を小さくして、圧力漏れや装置の破壊を回避することができる。また、前記高圧容器の一部に観測用の窓を設けることもでき、反応、抽出などの操作を効率良く行うことができる。
【0011】
本発明の反応分析システムは、マイクロリアクタを用いて、金属錯体の形成・分離、薬品の抽出、微量成分の分析、DNAの分析、微粒の子形成、微粒子への薄膜コーティング、生体物質の検知の少なくとも1つの機能を実現するものであり、超臨界状態もしくは亜臨界状態もしくは液体状態の流動体の低い粘性力と小さな界面張力をうまく用いて高性能なマイクロリアクタを提供することができる。
【0012】
本発明のマイクロリアクタの製造方法は、第1の基板上に第1の薄膜を部分的に形成する工程と、前記第1の薄膜をマスクにして前記第1の基板の一部をエッチングすることにより流路を形成する工程と、第2の基板と前記第1の基板とを張り合わせる工程とを有することを特徴とするマイクロリアクタであり、半導体微細加工技術と精密機械加工技術との融合により微細かつ高性能なマイクロリアクタを実現することができる。また、前記第1の基板上に第2の薄膜を形成する工程と、前記第1の薄膜を除去することで前記第2の薄膜を前記流路の一部に形成する工程とを追加することで、前記流路の一部に前記第2の薄膜を形成することができる。前記第2の薄膜としては、白金、パラジウム、ルテニウム、チタン、バナジウム、ニッケル、ロジウム等の金属か前記金属の酸化物か窒化物かのうち少なくとも1つを用いることができ、反応の触媒などとしてさらに効率を上げることができる。また前記第2の薄膜としては、ヘキサメチレンジシラザン等のシランカップリング剤あるいはその他の試薬を用いた表面コーティング薄膜を用いても良いし、10nm径以下の粒状物質を用いても良い。前記第1の基板や前記第2の基板の材料としては、ガラス、アクリル、ポリカーボネートの少なくとも1つを主成分とすることができる。また第1の薄膜を部分的に形成する方法としては、フォトリソグラフィーとエッチングの組み合わせ法か、メタルマスクによる部分形成法か、インクジェットヘッドなどを用いた部分吐出法かのうち少なくとも1つを用いることができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態におけるマイクロリアクタについて図面を参照しながら説明する。
【0014】
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態によるマイクロリアクタの製造方法を示す図である。
【0015】
図1(a)において、ガラス基板101上に、スパッタ法や真空蒸着法を用いてCr薄膜102を30nm厚、Au薄膜103を100nm厚順に形成する。
【0016】
次に、図1(b)においてAu薄膜103上にポジ型のフォトレジスト104を1μm厚で形成し、図1(c)において前記フォトレジスト104の一部に紫外光115を照射後、図1(d)において前記フォトレジスト104を現像する。本実施の形態では、フォトレジスト104としてポジ型を用い、露光に紫外光115を用いたが、これに限定されるものではない。露光、現像後にレジストパターンが形成されるならば、フォトレジスト104としてネガ型を用いても良いし、露光に電子線やX線等他のエネルギー線を用いても良い。
【0017】
次に、図2(e)においてAu薄膜103とCr薄膜102のエッチングを順に行う。Au薄膜103のエッチングはI2/NH4I等で行い、Cr薄膜102のエッチングはCe(NH4)2(NO3)6等で行う。RIE等のドライエッチングを用いても良い。
【0018】
次に、図2(f)において前記フォトレジスト104とAu薄膜103とCr薄膜102とをマスクとして、ガラス基板101のエッチングを行い、ガラス基板101上に流路105を形成する。このエッチングは、緩衝フッ化水素酸(HF)を用いて行う。エッチングを安定化するために、緩衝フッ化水素酸(BHF)を用いると良い。
【0019】
次に、図2(g)において前記フォトレジスト104とAu薄膜103とCr薄膜102とを除去する。フォトレジスト104は酸素プラズマ等を用いて除去し、Au薄膜103のエッチングはI2/NH4I等で行い、Cr薄膜102のエッチングはCe(NH4)2(NO3)6等で行う。
【0020】
次に、図2(h)において、流路105を形成したガラス基板101上に上部ガラス基板106を重ね、接着もしくは加熱融着して流路を完成する。
【0021】
本実施の形態では、流路105の表面はガラス基板101もしくは上部ガラス基板106で全て覆われている。流路105内で化学反応を生じさせるなどの必要がある場合は、流路105の表面の全部もしくは一部を他の物質で被覆することができる。例えば、図2(e)に引き続き、図3(i)において前記フォトレジスト104とAu薄膜103とCr薄膜102とをマスクとして、ガラス基板101のドライエッチングを行い、引き続き緩衝フッ化水素酸(BHF)を用いたウェットエッチングを行うことで、流路105を形成する。ドライエッチングを行うことで、ガラス基板101上での流路105の横方向の入り込みを小さくすることができる。次に、図3(j)においてスパッタ法や真空蒸着法、レーザーアブレーション法等を用いて白金薄膜107を形成する。白金薄膜107は、ガラス基板101上に形成した流路105表面と、Au薄膜103とCr薄膜102との側面と、フォトレジスト104の表面に形成される。次に、図3(k)において、硫酸等の酸によりフォトレジスト104を除去する。この時、フォトレジスト104表面に形成された白金薄膜107も同時にリフトオフされ、除去される。引き続いてAu薄膜103とCr薄膜102とを除去する。Au薄膜103のエッチングはI2/NH4I等で行い、Cr薄膜102のエッチングはCe(NH4)2(NO3)6等で行う。その結果、ガラス基板101上には、流路105表面のみに白金薄膜107が形成される。
【0022】
次に、図3(l)において、流路105を形成したガラス基板101上に上部ガラス基板106を重ね、接着もしくは加熱融着して流路を完成する。
【0023】
本実施の形態では、流路105の表面に白金薄膜107を形成したが、これに限定されるものではない。触媒効果を有するパラジウム、ルテニウム、チタン、バナジウム、ニッケル、ロジウム等の金属や前記金属の酸化物、窒化物などでも良いし、撥水性を高めるためにHMDS(ヘキサメチレンジシラザン)等のシランカップリング剤、あるいはその他の試薬を用いて表面コーティングを行っても良い。同様のプロセスを用いて、10nm径以下のドットを流路105の表面に敷き詰め、表面張力を下げることもできる。
【0024】
本実施の形態では、加工にリソグラフィーとエッチングを組み合わせて用いたが、メタルマスクなど基板上に密着させ、それをマスクにして部分的に薄膜を形成する方法を用いることもできるし、インクジェットヘッドを用いて部分的にノズルから薄膜形成材料を吐出し、部分的に薄膜を形成することもできる。
【0025】
(第2の実施形態)
図4は、本発明の第2の実施形態によるマイクロリアクタを示す図である。
【0026】
図4において、第1の実施形態等を用いて形成したマイクロリアクタ219の上部ガラス基板206に試料導入管キャップ213を用いて試料導入管212を接続する。同様に、試料導出管キャップ215を用いて試料導出管214を上部ガラス基板206に接続する。試料導入管キャップ213や試料導出管キャップ215は、各々ガラス基板201に接して設けられたキャップ押さえ218と接続され、流路205内の圧力が上昇しても試料導入管キャップ213や試料導出管キャップ215がはずれないようになっている。
【0027】
図1では示していないが、試料導出入管212、214が接続される部分の上部ガラス基板206には、予め孔が設けられている。もちろん、必要に応じて、緩衝フッ化水素酸で試料導出入管212、214が接続される部分の上部ガラス基板206をエッチングしても良い。
【0028】
次に、マイクロリアクタ219を適切な温度に保持する。試料搬送媒体として超臨界状態の流動体を用いる場合は、その流動体の臨界温度以上に設定する。一方、液体状態の流動体を用いる場合は、その流動体の臨界温度未満に設定する。例えば、流動体として二酸化炭素を用いる場合は、二酸化炭素の臨界温度は31℃、臨界圧力は7.4MPaであるため、超臨界状態として用いる場合は40℃以上が好ましい。一方、亜臨界状態もしくは液体状態として用いる場合は30℃以下が好ましい。マイクロリアクタ219内の流路205は通常500μm径以下の微細構造となっており、表面積が大きいため流路205内部と周辺との温度ばらつきを小さくできる。また、超臨界状態や亜臨界状態の流動体は熱伝導性が良いためさらに均一な温度にすることができる。
【0029】
次に、超臨界状態もしくは亜臨界状態もしくは液体状態の二酸化炭素を試料導入管212から流路205へ導入する。この時、二酸化炭素は液体ポンプなどを用いて圧力を印加して流路205へ導入する。導入当初は圧力が低いため気体状態の場合があるが、試料導出管214の先に背圧制御装置(図示せず)等を設けて圧力を一定に調整し、所望の超臨界状態もしくは液体状態の二酸化炭素にすることができる。試料搬送媒体として超臨界状態の流動体を用いる場合は、その流動体を超臨界状態にする必要がある。このためには、圧力を臨界圧力以上にする必要がある。例えば、流動体として二酸化炭素を用いる場合は、二酸化炭素の臨界圧力が7.4MPaであるため、これ以上の圧力にする必要がある。通常は、10MPa以上が好ましい。一方、亜臨界状態もしくは液体状態の流動体を用いる場合は、圧力をその温度における気液平衡曲線以上の圧力にする必要がある。
【0030】
次に、前記二酸化炭素を一定量流して温度、圧力が定常状態になった後、二酸化炭素に試料を溶解または混合した流動体を、試料導入管212から流路205へ導入する。試料は流路205へ導入され、流路205内で分析、反応など所望の操作が行われ、その後試料導出管214へと流される。分析や反応などの操作に関しては搬送媒体として常圧での液体を用いる場合と同じである。前記二酸化炭素を用いた場合は、背圧制御装置で圧力が取り除かれて常圧に戻ると、二酸化炭素は気体となって蒸散する。よって、溶媒を分離する工程が不要となる。
【0031】
図4には試料導入管212と試料導出管214とが各々1つだけ表されているが、所望の分析や反応に応じて試料導入管212や試料導出管214を増やすことができる。例えば、複数の流動体を平行に接して流すことにより、高精度の抽出や反応を行うこともできる。また、第1の実施形態で説明したように、流路205内壁に白金薄膜107等を設けることもできる。この場合、白金薄膜107表面の触媒効果により、反応が促進され高速反応を行わせることもできる。
【0032】
前述の通り、試料搬送媒体として超臨界状態の流動体を用いる場合は、温度をその流動体の臨界温度以上にし、かつ圧力をその流動体の臨界圧力以上にする必要がある。例えば、流動体として二酸化炭素を用いる場合は、二酸化炭素の臨界温度が31℃、臨界圧力が7.4MPaであるため、これ以上の温度、圧力の条件にする必要がある。通常は、40℃以上、10MPa以上が好ましい。但し、これ以上の温度、圧力条件下で分析、反応など所望の操作に適した温度、圧力を任意に選択することができる。一方、亜臨界状態もしくは液体状態の流動体を用いる場合は、その流動体の温度を臨界温度未満、かつ圧力をその温度における気液平衡曲線以上の圧力にする必要がある。例えば、流動体として二酸化炭素を用いる場合は、30℃以下かつ10MPa以上が望ましい。試料搬送媒体として超臨界状態の流動体を用いると、表面張力や粘性が小さく、微細な流路205を用いて、高精度の分析、反応などを行うことができる。一方、亜臨界状態もしくは液体状態の流動体を用いると、流動体の密度が大きいため、多くの試料を溶解または混合することができる。
【0033】
本実施の形態では、流路205内の圧力が非常に高くなる。例えば、流動体として超臨界状態の二酸化炭素を用る場合は10MPa程度の圧力が印加される。よって、ガラス基板201や上部ガラス基板206は十分な耐圧を必要とする。一方、前述の通り試料導入管キャップ213や試料導出管キャップ215は、流路205内の圧力が上昇してもはずれないように工夫はされているが、高圧になると圧力漏れなどを生じる場合がある。前記圧力漏れは、流路205内の圧力と、マイクロリアクタ219外部の圧力との圧力差に起因するものなので、マイクロリアクタ219外部の圧力を上げることにより回避することができる。例えば図5に示すように、マイクロリアクタ219を高圧容器211内に設置し、流動体導入管216から流動体を高圧容器211内に導入し、高圧容器211内の圧力を上げることができる。流動体導出管217の先に背圧制御装置(図示せず)等を設けて高圧容器211内の圧力を一定に調整することもできる。流路205内の圧力と、マイクロリアクタ219外部の圧力との圧力差を5MPa以内に抑制するとほとんど圧力漏れは生じない上に、より高い圧力領域まで使用してもマイクロリアクタが破壊することもない。また、高圧容器211内に導入した流動体を温度制御のため用いるなど必要な場合は流動体導出管217を通して外部に排出して定常フロー状態を作り出すこともできる。
【0034】
さらに、高圧容器211上面にサファイア等を用いて観測窓220を設けることもできる。観測窓220を通して流路内をその場観測することで、分析や反応の制御を行うことが可能となり、効率が向上する。
【0035】
また、圧力漏れが生じやすい場合や、キャップ押さえ218が設置できない場合などは、キャップ押さえ以外の方法で試料導入管212や試料導出管214を接続することができる。例えば、図6に示すように、上部ガラス基板206と試料導入管キャップ213と試料導出管キャップ215とにねじ溝229を設け、ねじ溝229を締め込むことで圧力漏れを防止することができる。
【0036】
次に、本実施の形態によるマイクロリアクタの反応・抽出応用例を示す。図7にコバルト金属錯体形成のためのマイクロリアクタの概略図とその動作方法を示す。このマイクロリアクタは、反応・抽出用原料を導入するための3つの流路、流路A501、流路B502、流路C503を有し、さらに、前記材料を反応させて所望の生成物を形成するための混合流路504と、反応・抽出後の生成物を導出するための導出流路A505、導出流路B506とを有する。流路A501からは2価のコバルトイオン511を含む水溶液を導入する。流路B502からは、2−ニトロソ−1−ナフトール512を含むアルカリ性水溶液を導入する。さらに、流路C503からは、超臨界状態もしくは液体状態の二酸化炭素513を導入する。流路A501から導入された2価のコバルトイオン511を含む水溶液と、流路B502から導入された2−ニトロソ−1−ナフトール512を含むアルカリ性水溶液とは、前記混合流路504で合流し、混ざり合う。この時、2価のコバルトイオン511と2−ニトロソ−1−ナフトール512とは反応してコバルト金属錯体514を形成する。このコバルト金属錯体514は極性の小さな有機溶媒に溶けやすい。一方、超臨界状態もしくは液体状態の二酸化炭素513は、極性の小さな有機溶媒と似た相溶係数を有する。よって、コバルト金属錯体514は超臨界状態もしくは液体状態の二酸化炭素513にも溶解しやすい。本実施の形態によるマイクロリアクタでは、混合流路504において、水相と二酸化炭素相とは大きな比界面積の液−液界面あるいは超臨界−液界面を形成する。よって、水相で形成されたコバルト金属錯体514は速やかに二酸化炭素相に抽出される。水相と二酸化炭素相とは相流になっているため、流路A501から導入された水溶液と、流路B502から導入されたアルカリ性水溶液とは導出流路A505へ流れ、マイクロリアクタ外部へ排出される。一方、流路C503から導入された超臨界状態もしくは液体状態の二酸化炭素513は導出流路B506へ流れ、同じくマイクロリアクタ外部へ排出される。マイクロリアクタ外部で二酸化炭素513の圧力を減圧すると、二酸化炭素513は気体となり蒸散する。同時に、前記コバルト金属錯体514に対する溶解度も低下するため、コバルト金属錯体514が抽出、単離することができる。
【0037】
本実施の形態においては、超臨界状態もしくは亜臨界状態もしくは液体状態の二酸化炭素を用いた。超臨界状態の二酸化炭素を用いると、表面張力や粘性が小さいため、微細な流路A501、流路B502、流路C503、混合流路504等を用いて、高精度の分析、反応などを行うことができる。有機物に対する溶解度も向上するため、種々の反応に適用することができる。一方、液体状態の二酸化炭素を用いると、密度が大きいため、多くの試料を溶解または混合することができ、短時間に多くの生成物を得る場合がある。超臨界状態の二酸化炭素を用いる場合は、二酸化炭素の臨界温度が31℃、臨界圧力が7.4MPaであるため、これ以上の温度、圧力の条件にする必要がある。通常は、40℃以上、10MPa以上が好ましい。但し、これ以上の温度、圧力条件下で分析、反応など所望の操作に適した温度、圧力を任意に選択することができる。一方、亜臨界状態もしくは液体状態の二酸化炭素を用いる場合は、温度を臨界温度の31℃未満、かつ圧力をその温度における気液平衡曲線以上の圧力にする必要がある。一般に、30℃以下かつ10MPa以上が望ましい。
【0038】
本実施の形態では、流路C503から導入される流動体として、超臨界状態もしくは亜臨界状態もしくは液体状態の二酸化炭素を用いたが、それに限定されるものではない。所望の反応、抽出などの操作に最適なように、二酸化炭素のほかに、炭化水素、アルコール、アンモニア、亜酸化窒素、水等の超臨界状態もしくは液体状態も用いることができる。同様に、流路A501とから導入された水溶液と、流路B502から導入されたアルカリ性水溶液とは、共に水を流動体として用いているが、水に限定されるものではない。所望の反応、抽出などの操作に最適なように、水のほかに、二酸化炭素、アルコール、アンモニア、亜酸化窒素等の超臨界状態もしくは液体状態も用いることができる。
【0039】
本発明の実施形態によるマイクロリアクタを用いると、前述のような金属錯体の形成・抽出を行う以外にも、ナノメートルサイズの金属微粒子もしくはセラミックス微粒子表面に均一に所望の分子を修飾したり、所望の薄膜をコーティングしたりすることもできる。また、超臨界状態の流動体は粘度は表面張力が小さいために、高分子やDNAなど比較的分子量の大きなものを扱う場合も、高速に反応やクロマトグラフィーなどの分析を行うことができる。また、粘度が高いために流路の中央と壁面との流速の差異が小さく、理論段数が大きく取れるため、分析としての分解能も飛躍的に向上する。さらに試料が少量で済み、小型のため、効率が高く、経済的である。これらを用いて、金属錯体の形成・分離システム、薬品抽出システム、微量分析システム、DNA分析システム、生体センサ、微粒子形成システム、微粒子への薄膜コーティングシステムなどを実現することができる。
【0040】
【発明の効果】
本発明の製造方法を用いれば、リソグラフィーとエッチングを基本とする半導体微細加工技術と精密機械加工技術との融合により微細な流路を有するマイクロリアクタを形成することができる。また、本発明のマイクロリアクタを用いれば、超臨界流体の特長である小さな粘性力と低い界面張力を生かすことにより、高速、高性能な反応、抽出、分析等を行うことができるマイクロリアクタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態によるマイクロリアクタの製造方法を示す図
【図2】本発明の第1の実施形態によるマイクロリアクタの製造方法を示す図
【図3】本発明の第1の実施形態によるマイクロリアクタの製造方法を示す図
【図4】本発明の第2の実施形態によるマイクロリアクタを示す部分拡大断面図
【図5】本発明の第2の実施形態によるマイクロリアクタを示す部分拡大断面図
【図6】本発明の第2の実施形態によるマイクロリアクタを示す部分拡大断面図
【図7】本発明の第2の実施形態によるコバルト金属錯体形成のためのマイクロリアクタの概略図とその動作方法を示す図
【図8】マイクロリアクタの一例を示す図
【符号の説明】
101 ガラス基板
102 Cr薄膜
103 Au薄膜
104 フォトレジスト
105 流路
106 上部ガラス基板
107 白金薄膜
115 紫外光
201 ガラス基板
205 流路
206 上部ガラス基板
211 高圧容器
212 試料導入管
213 試料導入管キャップ
214 試料導出管
215 試料導出管キャップ
216 流動体導入管
217 流動体導出管
218 キャップ押さえ
219 マイクロリアクタ
229 ねじ溝
501 流路A
502 流路B
503 流路C
504 混合流路
505 導出流路A
506 導出流路B
511 コバルトイオン
512 2−ニトロソ−1−ナフトール
513 二酸化炭素
514 コバルト金属錯体
【発明の属する技術分野】
本発明は、ごく微少な量で化学反応や分析を行うことのできる装置、特に半導体加工技術と超臨界流体技術を融合した高性能なマイクロリアクタを提供するものである。
【0002】
【従来の技術】
マイクロリアクタは、基板上に形成した10〜1000μmのマイクロチャネルを用いて化学反応や分離・分析を行う装置であり、極微少量の試薬で化学反応や分析を行うことができる。マイクロリアクタは、リソグラフィーとエッチングを基本とする半導体微細加工技術と精密機械加工技術との融合により実現されたものであり、半導体技術を利用することで、伝熱部、制御部、検出部の集積化が可能となった。マイクロリアクタは、特に分析方面に応用される場合、「Lab−on−a−chip」や「μ−TAS(Micro Total Analysis System)」と呼ばれる(草壁克己他、化学工学、Vol66、No.2、54(2002))。
【0003】
マイクロリアクタを用いると、サンプルや試薬の使用量、廃液の軽減、省スペースでポータブルなシステムの実現、表面積/体積比率の向上による熱移動、物質移動の高速化、温度、濃度分布の軽減などが期待される。その結果、反応や分離の精密制御、高速・高効率化、副反応の抑制などが実現可能となる。また、半導体微細加工技術を活用することで、集積化、並列化、複合化が可能となり、多種サンプルの並行同時処理、前処理・反応・分離等の一連のプロセスの融合化なども実現できる。
【0004】
図8にマイクロリアクタの一例を示す。試料や試薬をマイクロポンプなどを用いて各々のポートに導入し、反応後の生成物や分離分析物を、バイオセンサなどを用いて検出する。マイクロリアクタ上に形成された流路(溝)の大きさは直径10μmレベルであり、従来のmmレベルのシステムと比較すると、大幅な小型化を実現することができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術においては、以下のような課題があった。
【0006】
まず、マイクロ空間に働く力を考える(中嶋光敏、化学工学、Vol66、No.2、62(2002))。マイクロ空間の一例として、相当径L=10μmのマイクロチャネル内の液体を考える。密度ρ=1000kg/cm3、粘度μ=10m・Pa・s、流速U=1mm/s、重力加速度g=10m/ s2、界面張力σ=0.01N/mと仮定し、この流体に働く慣性力、重力、粘性力、界面張力を求めると、各々、慣性力10−3N/m2、重力10−7N/m2、粘性力10−1N/m2、界面張力103N/m2となる。よって、このような微小領域の液体には、粘性力と界面張力の大きさが相対的に大きくなり、支配的になるということがわかる。よって、高性能のマイクロリアクタを実現するためには、粘性力と界面張力の影響をいかに小さくするかが非常に重要である。
【0007】
ところが、従来のマイクロリアクタは反応溶媒として液体を用いていた。液体は取り扱いが比較的容易であり、反応溶媒として優れた特性を有しているが、前述の通り粘性力と界面張力が大きい。高性能のマイクロリアクタを実現するためには、粘性力と界面張力を小さくする必要があるが、従来の通り液体を用いていると粘性力と界面張力を小さくすることはできない。
【0008】
本発明の目的は、粘性力と界面張力の小さな溶媒を用いることにより、高性能なマイクロリアクタを提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明のマイクロリアクタは、内部に少なくとも1つの流路を有する基板と、前記流路と接続された試料導入管と、前記流路と接続された試料導出管と、流動体を加圧して前記試料導入管へ送る機構とを有し、前記流動体として超臨界状態もしくは亜臨界状態もしくは液体状態の流動体を少なくとも1つ用いることを特徴とするマイクロリアクタであり、粘性力と界面張力の小さな超臨界状態もしくは亜臨界状態もしくは液体状態の流動体を用いることにより、高性能なマイクロリアクタを提供することができる。また、前記試料導出管に接続された背圧制御装置を設けることにより、前記流路の内部圧力を安定化することもできる。前記流動体としては、二酸化炭素、炭化水素、アルコール、アンモニア、亜酸化窒素、水の少なくとも1つを用いることが好ましく、これらの内2種類以上を併用することもできる。
【0010】
また本発明のマイクロリアクタは、流路と試料導入管との接続箇所を前記基板と押し付けて耐圧を持たせる構造を有するか、流路と試料導入管との接続箇所を前記基板にねじ溝を設けて耐圧を持たせる構造を有するマイクロリアクタであり、接続個所からの圧力漏れを防止することができる。さらに、流路を有する基板を高圧容器内に設置し、前記加圧した流動体を前記流路に流し、かつ前記高圧容器内にも加圧した流動体を導入することにより、前記流路内部の圧力と前記基板外部の圧力との圧力差を小さくして、圧力漏れや装置の破壊を回避することができる。また、前記高圧容器の一部に観測用の窓を設けることもでき、反応、抽出などの操作を効率良く行うことができる。
【0011】
本発明の反応分析システムは、マイクロリアクタを用いて、金属錯体の形成・分離、薬品の抽出、微量成分の分析、DNAの分析、微粒の子形成、微粒子への薄膜コーティング、生体物質の検知の少なくとも1つの機能を実現するものであり、超臨界状態もしくは亜臨界状態もしくは液体状態の流動体の低い粘性力と小さな界面張力をうまく用いて高性能なマイクロリアクタを提供することができる。
【0012】
本発明のマイクロリアクタの製造方法は、第1の基板上に第1の薄膜を部分的に形成する工程と、前記第1の薄膜をマスクにして前記第1の基板の一部をエッチングすることにより流路を形成する工程と、第2の基板と前記第1の基板とを張り合わせる工程とを有することを特徴とするマイクロリアクタであり、半導体微細加工技術と精密機械加工技術との融合により微細かつ高性能なマイクロリアクタを実現することができる。また、前記第1の基板上に第2の薄膜を形成する工程と、前記第1の薄膜を除去することで前記第2の薄膜を前記流路の一部に形成する工程とを追加することで、前記流路の一部に前記第2の薄膜を形成することができる。前記第2の薄膜としては、白金、パラジウム、ルテニウム、チタン、バナジウム、ニッケル、ロジウム等の金属か前記金属の酸化物か窒化物かのうち少なくとも1つを用いることができ、反応の触媒などとしてさらに効率を上げることができる。また前記第2の薄膜としては、ヘキサメチレンジシラザン等のシランカップリング剤あるいはその他の試薬を用いた表面コーティング薄膜を用いても良いし、10nm径以下の粒状物質を用いても良い。前記第1の基板や前記第2の基板の材料としては、ガラス、アクリル、ポリカーボネートの少なくとも1つを主成分とすることができる。また第1の薄膜を部分的に形成する方法としては、フォトリソグラフィーとエッチングの組み合わせ法か、メタルマスクによる部分形成法か、インクジェットヘッドなどを用いた部分吐出法かのうち少なくとも1つを用いることができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態におけるマイクロリアクタについて図面を参照しながら説明する。
【0014】
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態によるマイクロリアクタの製造方法を示す図である。
【0015】
図1(a)において、ガラス基板101上に、スパッタ法や真空蒸着法を用いてCr薄膜102を30nm厚、Au薄膜103を100nm厚順に形成する。
【0016】
次に、図1(b)においてAu薄膜103上にポジ型のフォトレジスト104を1μm厚で形成し、図1(c)において前記フォトレジスト104の一部に紫外光115を照射後、図1(d)において前記フォトレジスト104を現像する。本実施の形態では、フォトレジスト104としてポジ型を用い、露光に紫外光115を用いたが、これに限定されるものではない。露光、現像後にレジストパターンが形成されるならば、フォトレジスト104としてネガ型を用いても良いし、露光に電子線やX線等他のエネルギー線を用いても良い。
【0017】
次に、図2(e)においてAu薄膜103とCr薄膜102のエッチングを順に行う。Au薄膜103のエッチングはI2/NH4I等で行い、Cr薄膜102のエッチングはCe(NH4)2(NO3)6等で行う。RIE等のドライエッチングを用いても良い。
【0018】
次に、図2(f)において前記フォトレジスト104とAu薄膜103とCr薄膜102とをマスクとして、ガラス基板101のエッチングを行い、ガラス基板101上に流路105を形成する。このエッチングは、緩衝フッ化水素酸(HF)を用いて行う。エッチングを安定化するために、緩衝フッ化水素酸(BHF)を用いると良い。
【0019】
次に、図2(g)において前記フォトレジスト104とAu薄膜103とCr薄膜102とを除去する。フォトレジスト104は酸素プラズマ等を用いて除去し、Au薄膜103のエッチングはI2/NH4I等で行い、Cr薄膜102のエッチングはCe(NH4)2(NO3)6等で行う。
【0020】
次に、図2(h)において、流路105を形成したガラス基板101上に上部ガラス基板106を重ね、接着もしくは加熱融着して流路を完成する。
【0021】
本実施の形態では、流路105の表面はガラス基板101もしくは上部ガラス基板106で全て覆われている。流路105内で化学反応を生じさせるなどの必要がある場合は、流路105の表面の全部もしくは一部を他の物質で被覆することができる。例えば、図2(e)に引き続き、図3(i)において前記フォトレジスト104とAu薄膜103とCr薄膜102とをマスクとして、ガラス基板101のドライエッチングを行い、引き続き緩衝フッ化水素酸(BHF)を用いたウェットエッチングを行うことで、流路105を形成する。ドライエッチングを行うことで、ガラス基板101上での流路105の横方向の入り込みを小さくすることができる。次に、図3(j)においてスパッタ法や真空蒸着法、レーザーアブレーション法等を用いて白金薄膜107を形成する。白金薄膜107は、ガラス基板101上に形成した流路105表面と、Au薄膜103とCr薄膜102との側面と、フォトレジスト104の表面に形成される。次に、図3(k)において、硫酸等の酸によりフォトレジスト104を除去する。この時、フォトレジスト104表面に形成された白金薄膜107も同時にリフトオフされ、除去される。引き続いてAu薄膜103とCr薄膜102とを除去する。Au薄膜103のエッチングはI2/NH4I等で行い、Cr薄膜102のエッチングはCe(NH4)2(NO3)6等で行う。その結果、ガラス基板101上には、流路105表面のみに白金薄膜107が形成される。
【0022】
次に、図3(l)において、流路105を形成したガラス基板101上に上部ガラス基板106を重ね、接着もしくは加熱融着して流路を完成する。
【0023】
本実施の形態では、流路105の表面に白金薄膜107を形成したが、これに限定されるものではない。触媒効果を有するパラジウム、ルテニウム、チタン、バナジウム、ニッケル、ロジウム等の金属や前記金属の酸化物、窒化物などでも良いし、撥水性を高めるためにHMDS(ヘキサメチレンジシラザン)等のシランカップリング剤、あるいはその他の試薬を用いて表面コーティングを行っても良い。同様のプロセスを用いて、10nm径以下のドットを流路105の表面に敷き詰め、表面張力を下げることもできる。
【0024】
本実施の形態では、加工にリソグラフィーとエッチングを組み合わせて用いたが、メタルマスクなど基板上に密着させ、それをマスクにして部分的に薄膜を形成する方法を用いることもできるし、インクジェットヘッドを用いて部分的にノズルから薄膜形成材料を吐出し、部分的に薄膜を形成することもできる。
【0025】
(第2の実施形態)
図4は、本発明の第2の実施形態によるマイクロリアクタを示す図である。
【0026】
図4において、第1の実施形態等を用いて形成したマイクロリアクタ219の上部ガラス基板206に試料導入管キャップ213を用いて試料導入管212を接続する。同様に、試料導出管キャップ215を用いて試料導出管214を上部ガラス基板206に接続する。試料導入管キャップ213や試料導出管キャップ215は、各々ガラス基板201に接して設けられたキャップ押さえ218と接続され、流路205内の圧力が上昇しても試料導入管キャップ213や試料導出管キャップ215がはずれないようになっている。
【0027】
図1では示していないが、試料導出入管212、214が接続される部分の上部ガラス基板206には、予め孔が設けられている。もちろん、必要に応じて、緩衝フッ化水素酸で試料導出入管212、214が接続される部分の上部ガラス基板206をエッチングしても良い。
【0028】
次に、マイクロリアクタ219を適切な温度に保持する。試料搬送媒体として超臨界状態の流動体を用いる場合は、その流動体の臨界温度以上に設定する。一方、液体状態の流動体を用いる場合は、その流動体の臨界温度未満に設定する。例えば、流動体として二酸化炭素を用いる場合は、二酸化炭素の臨界温度は31℃、臨界圧力は7.4MPaであるため、超臨界状態として用いる場合は40℃以上が好ましい。一方、亜臨界状態もしくは液体状態として用いる場合は30℃以下が好ましい。マイクロリアクタ219内の流路205は通常500μm径以下の微細構造となっており、表面積が大きいため流路205内部と周辺との温度ばらつきを小さくできる。また、超臨界状態や亜臨界状態の流動体は熱伝導性が良いためさらに均一な温度にすることができる。
【0029】
次に、超臨界状態もしくは亜臨界状態もしくは液体状態の二酸化炭素を試料導入管212から流路205へ導入する。この時、二酸化炭素は液体ポンプなどを用いて圧力を印加して流路205へ導入する。導入当初は圧力が低いため気体状態の場合があるが、試料導出管214の先に背圧制御装置(図示せず)等を設けて圧力を一定に調整し、所望の超臨界状態もしくは液体状態の二酸化炭素にすることができる。試料搬送媒体として超臨界状態の流動体を用いる場合は、その流動体を超臨界状態にする必要がある。このためには、圧力を臨界圧力以上にする必要がある。例えば、流動体として二酸化炭素を用いる場合は、二酸化炭素の臨界圧力が7.4MPaであるため、これ以上の圧力にする必要がある。通常は、10MPa以上が好ましい。一方、亜臨界状態もしくは液体状態の流動体を用いる場合は、圧力をその温度における気液平衡曲線以上の圧力にする必要がある。
【0030】
次に、前記二酸化炭素を一定量流して温度、圧力が定常状態になった後、二酸化炭素に試料を溶解または混合した流動体を、試料導入管212から流路205へ導入する。試料は流路205へ導入され、流路205内で分析、反応など所望の操作が行われ、その後試料導出管214へと流される。分析や反応などの操作に関しては搬送媒体として常圧での液体を用いる場合と同じである。前記二酸化炭素を用いた場合は、背圧制御装置で圧力が取り除かれて常圧に戻ると、二酸化炭素は気体となって蒸散する。よって、溶媒を分離する工程が不要となる。
【0031】
図4には試料導入管212と試料導出管214とが各々1つだけ表されているが、所望の分析や反応に応じて試料導入管212や試料導出管214を増やすことができる。例えば、複数の流動体を平行に接して流すことにより、高精度の抽出や反応を行うこともできる。また、第1の実施形態で説明したように、流路205内壁に白金薄膜107等を設けることもできる。この場合、白金薄膜107表面の触媒効果により、反応が促進され高速反応を行わせることもできる。
【0032】
前述の通り、試料搬送媒体として超臨界状態の流動体を用いる場合は、温度をその流動体の臨界温度以上にし、かつ圧力をその流動体の臨界圧力以上にする必要がある。例えば、流動体として二酸化炭素を用いる場合は、二酸化炭素の臨界温度が31℃、臨界圧力が7.4MPaであるため、これ以上の温度、圧力の条件にする必要がある。通常は、40℃以上、10MPa以上が好ましい。但し、これ以上の温度、圧力条件下で分析、反応など所望の操作に適した温度、圧力を任意に選択することができる。一方、亜臨界状態もしくは液体状態の流動体を用いる場合は、その流動体の温度を臨界温度未満、かつ圧力をその温度における気液平衡曲線以上の圧力にする必要がある。例えば、流動体として二酸化炭素を用いる場合は、30℃以下かつ10MPa以上が望ましい。試料搬送媒体として超臨界状態の流動体を用いると、表面張力や粘性が小さく、微細な流路205を用いて、高精度の分析、反応などを行うことができる。一方、亜臨界状態もしくは液体状態の流動体を用いると、流動体の密度が大きいため、多くの試料を溶解または混合することができる。
【0033】
本実施の形態では、流路205内の圧力が非常に高くなる。例えば、流動体として超臨界状態の二酸化炭素を用る場合は10MPa程度の圧力が印加される。よって、ガラス基板201や上部ガラス基板206は十分な耐圧を必要とする。一方、前述の通り試料導入管キャップ213や試料導出管キャップ215は、流路205内の圧力が上昇してもはずれないように工夫はされているが、高圧になると圧力漏れなどを生じる場合がある。前記圧力漏れは、流路205内の圧力と、マイクロリアクタ219外部の圧力との圧力差に起因するものなので、マイクロリアクタ219外部の圧力を上げることにより回避することができる。例えば図5に示すように、マイクロリアクタ219を高圧容器211内に設置し、流動体導入管216から流動体を高圧容器211内に導入し、高圧容器211内の圧力を上げることができる。流動体導出管217の先に背圧制御装置(図示せず)等を設けて高圧容器211内の圧力を一定に調整することもできる。流路205内の圧力と、マイクロリアクタ219外部の圧力との圧力差を5MPa以内に抑制するとほとんど圧力漏れは生じない上に、より高い圧力領域まで使用してもマイクロリアクタが破壊することもない。また、高圧容器211内に導入した流動体を温度制御のため用いるなど必要な場合は流動体導出管217を通して外部に排出して定常フロー状態を作り出すこともできる。
【0034】
さらに、高圧容器211上面にサファイア等を用いて観測窓220を設けることもできる。観測窓220を通して流路内をその場観測することで、分析や反応の制御を行うことが可能となり、効率が向上する。
【0035】
また、圧力漏れが生じやすい場合や、キャップ押さえ218が設置できない場合などは、キャップ押さえ以外の方法で試料導入管212や試料導出管214を接続することができる。例えば、図6に示すように、上部ガラス基板206と試料導入管キャップ213と試料導出管キャップ215とにねじ溝229を設け、ねじ溝229を締め込むことで圧力漏れを防止することができる。
【0036】
次に、本実施の形態によるマイクロリアクタの反応・抽出応用例を示す。図7にコバルト金属錯体形成のためのマイクロリアクタの概略図とその動作方法を示す。このマイクロリアクタは、反応・抽出用原料を導入するための3つの流路、流路A501、流路B502、流路C503を有し、さらに、前記材料を反応させて所望の生成物を形成するための混合流路504と、反応・抽出後の生成物を導出するための導出流路A505、導出流路B506とを有する。流路A501からは2価のコバルトイオン511を含む水溶液を導入する。流路B502からは、2−ニトロソ−1−ナフトール512を含むアルカリ性水溶液を導入する。さらに、流路C503からは、超臨界状態もしくは液体状態の二酸化炭素513を導入する。流路A501から導入された2価のコバルトイオン511を含む水溶液と、流路B502から導入された2−ニトロソ−1−ナフトール512を含むアルカリ性水溶液とは、前記混合流路504で合流し、混ざり合う。この時、2価のコバルトイオン511と2−ニトロソ−1−ナフトール512とは反応してコバルト金属錯体514を形成する。このコバルト金属錯体514は極性の小さな有機溶媒に溶けやすい。一方、超臨界状態もしくは液体状態の二酸化炭素513は、極性の小さな有機溶媒と似た相溶係数を有する。よって、コバルト金属錯体514は超臨界状態もしくは液体状態の二酸化炭素513にも溶解しやすい。本実施の形態によるマイクロリアクタでは、混合流路504において、水相と二酸化炭素相とは大きな比界面積の液−液界面あるいは超臨界−液界面を形成する。よって、水相で形成されたコバルト金属錯体514は速やかに二酸化炭素相に抽出される。水相と二酸化炭素相とは相流になっているため、流路A501から導入された水溶液と、流路B502から導入されたアルカリ性水溶液とは導出流路A505へ流れ、マイクロリアクタ外部へ排出される。一方、流路C503から導入された超臨界状態もしくは液体状態の二酸化炭素513は導出流路B506へ流れ、同じくマイクロリアクタ外部へ排出される。マイクロリアクタ外部で二酸化炭素513の圧力を減圧すると、二酸化炭素513は気体となり蒸散する。同時に、前記コバルト金属錯体514に対する溶解度も低下するため、コバルト金属錯体514が抽出、単離することができる。
【0037】
本実施の形態においては、超臨界状態もしくは亜臨界状態もしくは液体状態の二酸化炭素を用いた。超臨界状態の二酸化炭素を用いると、表面張力や粘性が小さいため、微細な流路A501、流路B502、流路C503、混合流路504等を用いて、高精度の分析、反応などを行うことができる。有機物に対する溶解度も向上するため、種々の反応に適用することができる。一方、液体状態の二酸化炭素を用いると、密度が大きいため、多くの試料を溶解または混合することができ、短時間に多くの生成物を得る場合がある。超臨界状態の二酸化炭素を用いる場合は、二酸化炭素の臨界温度が31℃、臨界圧力が7.4MPaであるため、これ以上の温度、圧力の条件にする必要がある。通常は、40℃以上、10MPa以上が好ましい。但し、これ以上の温度、圧力条件下で分析、反応など所望の操作に適した温度、圧力を任意に選択することができる。一方、亜臨界状態もしくは液体状態の二酸化炭素を用いる場合は、温度を臨界温度の31℃未満、かつ圧力をその温度における気液平衡曲線以上の圧力にする必要がある。一般に、30℃以下かつ10MPa以上が望ましい。
【0038】
本実施の形態では、流路C503から導入される流動体として、超臨界状態もしくは亜臨界状態もしくは液体状態の二酸化炭素を用いたが、それに限定されるものではない。所望の反応、抽出などの操作に最適なように、二酸化炭素のほかに、炭化水素、アルコール、アンモニア、亜酸化窒素、水等の超臨界状態もしくは液体状態も用いることができる。同様に、流路A501とから導入された水溶液と、流路B502から導入されたアルカリ性水溶液とは、共に水を流動体として用いているが、水に限定されるものではない。所望の反応、抽出などの操作に最適なように、水のほかに、二酸化炭素、アルコール、アンモニア、亜酸化窒素等の超臨界状態もしくは液体状態も用いることができる。
【0039】
本発明の実施形態によるマイクロリアクタを用いると、前述のような金属錯体の形成・抽出を行う以外にも、ナノメートルサイズの金属微粒子もしくはセラミックス微粒子表面に均一に所望の分子を修飾したり、所望の薄膜をコーティングしたりすることもできる。また、超臨界状態の流動体は粘度は表面張力が小さいために、高分子やDNAなど比較的分子量の大きなものを扱う場合も、高速に反応やクロマトグラフィーなどの分析を行うことができる。また、粘度が高いために流路の中央と壁面との流速の差異が小さく、理論段数が大きく取れるため、分析としての分解能も飛躍的に向上する。さらに試料が少量で済み、小型のため、効率が高く、経済的である。これらを用いて、金属錯体の形成・分離システム、薬品抽出システム、微量分析システム、DNA分析システム、生体センサ、微粒子形成システム、微粒子への薄膜コーティングシステムなどを実現することができる。
【0040】
【発明の効果】
本発明の製造方法を用いれば、リソグラフィーとエッチングを基本とする半導体微細加工技術と精密機械加工技術との融合により微細な流路を有するマイクロリアクタを形成することができる。また、本発明のマイクロリアクタを用いれば、超臨界流体の特長である小さな粘性力と低い界面張力を生かすことにより、高速、高性能な反応、抽出、分析等を行うことができるマイクロリアクタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態によるマイクロリアクタの製造方法を示す図
【図2】本発明の第1の実施形態によるマイクロリアクタの製造方法を示す図
【図3】本発明の第1の実施形態によるマイクロリアクタの製造方法を示す図
【図4】本発明の第2の実施形態によるマイクロリアクタを示す部分拡大断面図
【図5】本発明の第2の実施形態によるマイクロリアクタを示す部分拡大断面図
【図6】本発明の第2の実施形態によるマイクロリアクタを示す部分拡大断面図
【図7】本発明の第2の実施形態によるコバルト金属錯体形成のためのマイクロリアクタの概略図とその動作方法を示す図
【図8】マイクロリアクタの一例を示す図
【符号の説明】
101 ガラス基板
102 Cr薄膜
103 Au薄膜
104 フォトレジスト
105 流路
106 上部ガラス基板
107 白金薄膜
115 紫外光
201 ガラス基板
205 流路
206 上部ガラス基板
211 高圧容器
212 試料導入管
213 試料導入管キャップ
214 試料導出管
215 試料導出管キャップ
216 流動体導入管
217 流動体導出管
218 キャップ押さえ
219 マイクロリアクタ
229 ねじ溝
501 流路A
502 流路B
503 流路C
504 混合流路
505 導出流路A
506 導出流路B
511 コバルトイオン
512 2−ニトロソ−1−ナフトール
513 二酸化炭素
514 コバルト金属錯体
Claims (15)
- 内部に少なくとも1つの流路を有する基板と、
前記流路と接続された試料導入管と、
前記流路と接続された試料導出管と、
流動体を加圧して前記試料導入管へ送る機構とを有し、
前記流動体として超臨界状態もしくは亜臨界状態もしくは液体状態の流動体を少なくとも1つ用いることを特徴とするマイクロリアクタ。 - 試料導出管に接続された背圧制御装置を有することを特徴とする請求項1に記載のマイクロリアクタ。
- 流動体として二酸化炭素、炭化水素、アルコール、アンモニア、亜酸化窒素、水の少なくとも1つを用いることを特徴とする請求項1から2に記載のマイクロリアクタ。
- 流路と試料導入管との接続箇所を前記基板と押し付けて耐圧を持たせる構造を有する請求項1から3に記載のマイクロリアクタ。
- 流路と試料導入管との接続箇所を前記基板にねじ溝を設けて耐圧を持たせる構造を有する請求項1から3に記載のマイクロリアクタ。
- 流路を有する基板を高圧容器内に設置し、前記加圧した流動体を前記流路に流し、かつ前記高圧容器内にも加圧した流動体を導入することを特徴とする請求項1から5に記載のマイクロリアクタ。
- 前記高圧容器の少なくとも一部に観測用の窓を設けることを特徴とする請求項6に記載のマイクロリアクタ。
- 前記請求項1から7に記載のマイクロリアクタを用いて、金属錯体の形成・分離、薬品の抽出、微量成分の分析、DNAの分析、微粒の子形成、微粒子への薄膜コーティング、生体物質の検知の少なくとも1つの機能を実現する反応分析システム。
- 第1の基板上に第1の薄膜を部分的に形成する工程と、
前記第1の薄膜をマスクにして前記第1の基板の一部をエッチングすることにより流路を形成する工程と、
第2の基板と前記第1の基板とを張り合わせる工程とを有することを特徴とするマイクロリアクタの製造方法。 - 第1の基板上に第1の薄膜を部分的に形成する工程と、
前記第1の薄膜をマスクにして前記第1の基板の一部をエッチングすることにより流路を形成する工程と、
前記第1の基板上に第2の薄膜を形成する工程と、
前記第1の薄膜を除去することで前記第2の薄膜を前記流路の一部に形成する工程と、
第2の基板と前記第1の基板とを張り合わせる工程とを有することを特徴とするマイクロリアクタの製造方法。 - 第2の薄膜として、白金、パラジウム、ルテニウム、チタン、バナジウム、ニッケル、ロジウム等の金属か前記金属の酸化物か窒化物かのうち少なくとも1つを用いることを特徴とする請求項10に記載のマイクロリアクタの製造方法。
- 第2の薄膜として、ヘキサメチレンジシラザン等のシランカップリング剤あるいはその他の試薬を用いた表面コーティング薄膜を用いることを特徴とする請求項10に記載のマイクロリアクタの製造方法。
- 第2の薄膜として、10nm径以下の粒状物質を用いることを特徴とする請求項10に記載のマイクロリアクタの製造方法。
- 第1の基板と第2の基板の少なくとも一方が、ガラス、アクリル、ポリカーボネートの少なくとも1つを主成分であることを特徴とする請求項9から13に記載のマイクロリアクタの製造方法。
- 第1の薄膜を部分的に形成する方法として、フォトリソグラフィーとエッチングの組み合わせ法か、メタルマスクによる部分形成法か、インクジェットヘッドなどを用いた部分吐出法かのうち少なくとも1つを用いる請求項9から14に記載のマイクロリアクタの製造方法。
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