JP4630263B2 - マイクロ化学反応装置 - Google Patents
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Description
このようなマイクロリアクタ装置としては、例えば、Si基板の表面に複数の独立した反応チャンバと注入ポートと排出ポートを異方性エッチングで形成し、更にこれらと連通する微細な凹溝を形成し、それらの上にガラス材の平板を配置して反応チャンバ、注入ポート、排出ポートを密閉してそれらの間を結ぶマイクロチャンネルを形成した構造の生化学反応用マイクロリアクタが提案されている(特許文献1を参照)。
また、石英ガラス基板の表面にCO2レーザを照射して所定の寸法形状と平面パターンを有する凹溝を刻設し、そしてその上に石英ガラスのカバー体を配置して前記凹溝を密閉することによりマイクロチャンネルを形成した構造のマイクロチャンネル構造体が提案されている。
これら先行技術のマイクロリアクタ装置の場合、いずれも、例えばある特定の反応操作のような1種類の化学操作を実施させることを目的として設計されており、また試料は基板の上面または下面から供給される構造になっている。
このような積層構造の装置は、それを構成する単位マイクロリアクタ装置を単独で運転した場合に比べて、高い生産性を発揮するとされている。しかしながら、これら積層構造の装置は、あくまでも、ある特定の化学操作を行う機能しか備えていない。
なお、これらの操作は、いずれも、化学反応の場(反応系)に、所定の試料を供給して化学反応を進め、最終的には反応生成物を分取する過程で必要とされる処理操作であり、この操作には、例えば、試料の供給、混合、反応、分離(または抽出)、検出(計測)などがあり、また反応処理に関しても、反応状態の計測、反応の促進、反応系の加熱や冷却などのプロセス制御のような処理操作がある。
このような観点に立って、1枚の基板に、試料の供給部から排出部にかけて、試料の混合領域、反応領域、分離領域、反応生成物の検出領域などを順次形成し、その間をマイクロチャンネルで連結した構造の集積型マイクロリアクタ装置が構想されている。
そして、仮に1枚の基板に全ての領域が組み込まれることによって小型形状のマイクロリアクタ装置が得られたとしても、当該装置への試料供給、反応生成物の分取、または別の装置への接続などのためには、通常の配管や継手手段などを使用することになるので、結局、デッドスペースが多くなって装置全体としては大型化し、形状が小型であるという利点は減殺される。
一方、マイクロリアクタ装置を製作する場合には、所定の寸法形状を有するマイクロチャンネルが所定の平面パターンで形成されており、またある化学操作を進める領域が形成されている基板(以後、チャンネル基板という)を製造しなければならない。
例えば、未加工の基板の表面に、例えばX線リソグラフィーと電気めっきを組み合わせたLIGA技術を適用したり、または紫外線リソグラフィーとエッチング技術を組み合わせた半導体プロセス技術を適用して、当該基板の表面に、マイクロチャンネル用の凹溝を刻設したのち、そこに平板を配置して固定することにより当該凹溝を密閉してマイクロチャンネルが形成されている。
更には、未加工基板の表面に、直接、所定のスキャンニングパターンでレーザ光やイオンビームを照射するレーザ加工法やイオンビーム加工法を適用してマイクロチャンネル用の凹溝を刻設したのち、それを平板で密閉してマイクロチャンネルが形成されている。
とくに、例えば形成したマイクロチャンネルの表面に、更に微細な構造物を選択的に付加しようとする場合には、そのための工程は一層複雑化する。
すなわち、本発明においては、反応系に必要な化学操作の領域を平面的に集積することを必ずしも必要としないチャンネル基板を用いても、全体として集積型マイクロリアクタ装置としての機能を発揮するので、製作は容易であり、また反応系の変更に対する自由度も大きく、更には、個々の化学操作に対する個別のプロセス制御も可能である集積型マイクロ化学反応装置とそれに連結される補助ユニットの提供を目的とする。
貫通孔が形成された枠状体と、一方から他方の端面に延設された空洞のマイクロチャンネルを有し且つ前記端面を前記枠状体の端面から突出させて前記貫通孔内に収納される少なくとも1枚のチャンネル基板とを有することを特徴とするマイクロ化学反応装置が提供される。
さらに、前記枠状体は前記貫通孔の端部を向き合わせて隣接して複数配置され、且つ複数の前記枠状体内に収納されたそれぞれの前記チャンネル基板の前記端面は互いに当接されて配置されることを特徴とするマイクロ化学反応装置が提供される。
また、センサ手段などを備えた補助ユニットを化学操作ユニットに連結することにより、化学操作ユニットで進行する化学操作の加速、計測、制御などをすることもできる。
また、このチャンネル基板のマイクロチャンネルには、当該チャンネル基板が担当する化学操作の促進部が形成されているので、マイクロチャンネルは試料の送流流路としての機能以上の機能を発揮することができる。
この装置は、試料の装置への供給という化学操作を行う供給ユニットU1、供給された試料の混合という化学操作を行う混合ユニットU2と混合試料の反応操作を行う操作ユニットU3とからなる反応ユニット、および反応生成物とその他の排液を送流する化学操作を行う送流ユニットU4を、それぞれの端面で、気密状態を保持し、かつ着脱自在に、直列に接続した構造になっている。そして、操作ユニットU3の側部には、後述する補助ユニットuが連結されている。
このユニットUAは、その組み立てに際して、まず、5枚のチャンネル基板3を互いの端面3a(3b)を揃えた状態で積層して端面3A(3B)を有する積層構造を形成する。各チャンネル基板の積層に際しては、例えば各チャンネル基板を接着剤で接着して一体化する方法、熱圧着して一体化する方法や、端面を基準として適切な治具を用いて配列する方法などを適用することができる。
このチャンネル基板3は、上記した角板形状の基板本体4の中に、その一方の端面3aから他方の端面3bにかけて所定の平面パターンをなして延設された空洞のマイクロチャンネル5が形成された1枚の板状体である。
例えば、マイクロチャンネル5の幅と深さは、0.05〜数mm程度であり、その断面形状はほぼ正方形や長方形であるが、半円形状や円形の断面形状も可能である。
なお、チャンネル基板3におけるマイクロチャンネル5の平面パターンと全体の流路長、その断面形状、その表面構造などは、当該チャンネル基板が組み込まれる化学操作ユニットで実現させる化学操作との関係で適宜に設計すればよい。また、マイクロチャンネル5は、試料の形態(例えば、気体、液体、固体、粘性体)等も考慮して設計する。
本発明でいうチャンネル基板の端面とは、上記した態様に限定されるものではなく、例えば図5で示したように、マイクロチャンネルの端部5a(5b)の周辺領域Aを領域Bに対して突出させ、これら領域Aの全体で端面3a(3b)が構成されていてもよい。
再び図2に戻ると、ユニットUAの組み立てに際しては、枠状体6が用いられる。この枠状体6は、前記したチャンネル基板の積層構造の断面(マイクロチャンネルの延設方向と直交する方向の断面)と略同じ寸法形状の貫通孔6cを有するとともにチャンネル基板の積層構造の長さと略等しい長さを有している。そしてこの枠状体6の当該貫通孔6cの中に、枠状体6の両端面6a,6bと積層構造の両端面3A(3B)とを揃えた状態で当該積層構造を挿入・配置して例えば接着剤を用いて積層構造を枠状体に固定する。
したがって、このユニットUA内には、両端面で開口する各チャンネル基板3のマイクロチャンネル5が一方の端面3Aから他方の端面3Bに向かって走行していて、ユニットUAにとっての試料の送流流路が形成されている。
図6に別のユニット例UBを示す。
このユニットは、枠状体6が溝6eを有する下部材6Aと押さえ板6Bの分割構造になっていて、溝6eの中に既に説明したチャンネル基板の積層構造を配置し、その上に押さえ板6Bを配置し、下部材6Aと押さえ板6Bを例えばねじ止めまたは接着して積層構造を枠状体6で支持している。
このユニットUCは、図2で示したユニットUAにおいて、枠状体6の一方の側部または両側部に開口部6fが形成されている。そして、この開口部6fの周囲にも後述する複数個(図では4個)の位置決め用ピン穴6dが設けられている。
したがって、開口部6fからは、枠状体6で支持されているチャンネル基板3(またはその積層構造)の側面が表出している。
このユニットUDは、チャンネル基板3の積層構造がその両端で枠状体6C,6Dによって支持されたタイプの化学操作ユニットである。したがって、このユニットUDの場合、チャンネル基板3(またはその積層構造)において、枠状体6C,6Dで支持されている両端部以外の部分は裸出した状態になっている。ユニットUDの構造の場合、マイクロチャンネル5の端部5a、5b以外の部分を上下から観察することができる。言い換えると、試料の反応状態を上下から観察することが可能となる。
このユニットUD’は、図8で示したユニットUDにおいて、チャンネル基板3が1枚であって、その両端が枠状体6C,6Dによって支持されたタイプの化学操作ユニットである。したがって、このユニットUD’におけるマイクロチャンネル5は、幅方向に一次元的に配列している。
これらの化学操作ユニットを、互いの端面で接続して図1で例示したマイクロ化学反応装置が組み立てられる。
接続部の気密状態が確保されていない場合は、試料が接続部で漏洩してしまう。また、各マイクロチャンネルが面内での位置ずれを起こして接続されている場合は、接続部に発生する流路の段差により試料の流れに乱れが生じたり、流路抵抗が大きくなって後段のユニットにおける化学操作の結果が設定目的値から偏倚するからである。いずれにしても、上記2条件が満たされない場合は、マイクロ化学反応装置は設計基準の動作をしなくなる。
第1の処理は、個々のチャンネル基板(またはその積層構造)の両端面に精密研削・研磨を施すことである。
それを、以下に図面に則して説明する。
ここで、領域A1,A2,A3・・・Anを仮定した理由は、この領域が、領域Bとは無関係に、チャンネル基板3を接続したときに、マイクロチャンネル間の確実な気密状体を実現するために実質的に寄与する領域であると考えるからである。
まず、領域A1,A2,A3・・・Anの端面は全て同一平面上にあり、かつ領域Bの端面と同一平面上にあるか、または領域Bの端面からは突出していることである。そして、領域A1,A2,A3・・・Anの表面の平坦度は1μm以下、好ましくは0.5μm以下であり、またその表面粗さは100nm以下、好ましくは10nm以下になっていることである。更には、幅tは10μm〜1mmの範囲内にあることである。
この精密研削・研磨処理が施されたチャンネル基板(またはその積層構造)の場合、互いの端面を押圧して端面接続した状態でマイクロチャンネル内にポンプ圧として20〜100MPaの水圧を印加しても、接続部での漏液は発生しない。すなわち、高水準の気密状態が保持される。
ところで、この処理が施されたチャンネル基板(またはその積層構造)を用いたユニットの場合、組立て時に、その端面を枠状体の端面よりも、若干ではあれ、突出させることが必要である。チャンネル基板(またはその積層構造)の端面が枠状体の端面よりも凹没していると、ユニットを接続してもチャンネル基板(またはその積層構造)の端面は互いに当接することがないからである。
このような問題を考慮して、本発明では次のような第2の処理が施されることを好適とする。
すなわち、第2の処理は、既に組み立てたユニットそれ自体の両端面を精密研削・研磨する。
この第2の処理が施されることにより、処理後のユニットにおいては、チャンネル基板(またはその積層構造)の端面と枠状体の端面は面一状態になる。
しかしながら、この第2の処理の場合、厳密にいえば、チャンネル基板(またはその積層構造)と枠状体の境界部分には数十から数百nmオーダの微小段差が生ずる。そのため、ユニットをそのまま接続すると第1の処理の場合よりもユニット接続部の気密状態は劣化する。それでも、ポンプ圧として20〜70MPaの水圧を印加しても気密状態を実現することができる。
上記した精密研削・研磨は砥石を用いて行われるが、その場合、小さい番数の砥石を用いた研磨から順次、番数が大きい砥石を用いた砥磨へと段階的に研磨作業が進められる。例えば、荒い回転砥石でチャンネル基板(またはその積層構造や組み立てたユニット)の両端面を研削し、研削面を例えば超音波洗浄したのち乾燥し、ついで、例えば酸化セリウムと、酸化マグネシウム、炭化けい素もしくはシリカなどとが一部混合されている回転砥石か、または酸化セリウムやコロイダルシリカなどの遊離砥粒を用いて上記した研削面を研磨する。
なお、上記した第2の処置は精密研削だけで行うこともできる。その場合には、砥石として1000番以上のものを用いる。表面粗さは若干悪化するか、しかし平坦度は向上するので、研削面積が大きい場合や、供給試料と反応しない樹脂製(例えば、ポリイミド樹脂製、ポリイミドアミド樹脂製など)、もしくはゴム製(例えば、バイトンゴム、シリコーンゴムなど)のパッキンを介装してユニット接続を行う場合には漏液が抑制されて有利である。
なお、混合ユニットU2は図2で示したユニットUAタイプ、操作ユニットU3は図7で示したユニットUCのタイプである。
いずれのユニットも、その端面においては、図16で示したように、チャンネル基板の積層構造の端面3Aが枠状体6の端面6aよりも突出しており、そして当該端面3Aに対しては前記した精密研削(第2の処置)が施されている。積層構造の端面3Aを枠状体6の端面から突出させることにより、ユニットを接続したときに、積層構造の端面3Aのみが互いに当接するので、全体の接続面圧が上昇することに基因する供給試料の漏液という問題を解消することができる。
混合ユニットU2の枠状体6の両端面6a,6bには、所定の径と深さを有する4個の位置決め用ピン穴6dが形成され、また、操作ユニットU3の枠状体の両端面にも、混合ユニットU2の位置決め用ピン穴と対向する位置に同じく4個の位置決め用ピン穴が形成されている。
嵌合ピンの径を上記した値に設定することにより、図17で示したように、嵌合ピン7が嵌合されている箇所ではユニットU2とユニットU3の位置ずれは最小限度にまで緩和されて高精度な位置合わせを実現することができる。
また、ピンの嵌合後、一方のユニットをマイクロチャンネルの流路方向に沿って押圧するときにねじれが発生して、図18で示したように、ユニットの端面間に開きが生じたとしても、その開きの量が緩和されるので漏液が有効に防止される。また嵌合ピンは2個のピン穴の合計深さよりも短いので、混合ユニットU2の端面と操作ユニットU3の端面は、前記した気密状態を確保して確実に接触し、この両ユニットは気密に接続される。なお、対応するユニット間における嵌合ピンの位置精度は、±5μm以下、好ましくは±0.5μmに設定する。
図19はその1例UA’を示し、図20は別の例UA”を示す。
図19の化学操作ユニットUA’の場合、チャンネル基板3(またはその積層構造)を支持する枠状体6の貫通孔6cの底面に、いずれも枠状体6の長手方向に延びる複数本(図では2本)の逆V字型のレール6g,6gが一体形成されている。そして、この貫通孔6cに挿入・配置されるチャンネル基板3(またはその積層構造)の下面には、そのマイクロチャンネルの流路方向に沿って、前記逆V字型レール6g,6gと対向する位置に当該逆V字型レールと形状、寸法が高精度でネガ−ポジの関係にあるV字溝3c,3cが刻設されている。
このようにして、チャンネル基板3(またはその積層構造)と枠状体6の固定は、V字溝3cと逆V字型レール6gとの噛み合わせを、前記した位置決めピンによって高精度に行うことができる。
そして、両者を接着固定する際に、上記したクリアランスには接着剤が充填されて、図21で示したように、両者の間に接着剤層が介装された状態になる。この接着剤層が介装されていることにより、外部からの応力に基づくチャンネル基板3(またはその積層構造)の変形が緩和される。
図20の化学操作ユニットUA”は、ユニットUA’の逆V字型レールに代えてV字溝6hが形成され、またチャンネル基板3(またはその積層構造)の下面に前記V字溝6hと対抗する位置に当該V字溝6hと例えば同じ形状のV字溝3dが形成され、2種類のV字溝が形成する空間の中に位置決めピン7Aが挿入されることにより、チャンネル基板3(またはその積層構造)と枠状体6との位置合わせがされている。
このような手段を行使することにより、混合ユニットU2と操作ユニットU3をピン穴とピンを用いて端面接続すれば、各ユニットのマイクロチャンネルの開口端面は面内における位置ずれをほとんど起こすことなく正しく連結され、ここに、混合ユニットU2と操作ユニットU3を貫く連結流路が形成される。
ここで、本発明のマイクロ化学反応装置への試料の供給、および反応生成物や排液の回収のために用いて好適なコネクタ部材について説明する。
例えば、図1で示した装置に則していえば、供給用コネクタ部材は混合ユニットU2に接続されている供給ユニットU1に相当しており、回収用コネクタ部材は操作ユニットU3に接続されている送流ユニットU4に相当している。
このコネクタ部材Aは、例えばガラス材や樹脂から成る本体12と分岐フェルール(図示しない)に接続されている複数本のマイクロチューブ13とコネクタ14で構成されている。
本体12の一方の端面12aは接続対象の化学操作ユニット(例えば図1の混合ユニットU2)との接続端面であって、そこには、既に説明した複数個(図では4個)の位置決め用ピン穴6dが形成され、またその端面は前記した精密研削・研磨を施すことによって対象とする化学操作ユニットとの接続時に気密状態を確保できる状態になっている。
なお、貫通孔15の数は、接続される化学操作ユニットとの連結構造により適宜、設計される。例えば、図22では、貫通孔15が4列×4列の計16個の孔が形成されているが、これは(図示しないが)接続する化学操作ユニットの供給もしくは送流の口数と対応させているためである。このため、化学操作ユニットの供給もしくは送流の口数が4であれば、貫通孔15として4列×1列の計4個の孔を形成すればよい。
ここで、貫通孔15の口径は、接続対象の化学操作ユニットの接続端面に表出しているマイクロチャンネルの開口部より大きくなっている。これは、このコネクタ部材と化学操作ユニットを端面接続したときに、貫通孔15の口径内にマイクロチャンネルの開口部を収容することにより、気密状態を確保するためである。
しかし、貫通孔15の口径をあまり大きくすると、接続部で試料の流れが乱れるようになるので、貫通孔の口径はマイクロチャンネルの開口部よりも5〜10μm程度大きくすることが好ましい。
このコネクタ部材Dの本体12は、その接続端面12aに複数個(図では4個)の位置決め用ピン穴6dが形成されており、そして中心部は切除されて他端面にまで至る空洞16が形成されている。そして、本体12の他端面側においては、この空洞16とSUS製のチューブ17がコネクタ14で連結されている。なお、チューブ17は、SUS製以外にもアルミ、銅、樹脂製など、送流される試料から受ける圧力により破壊されなければ特に限定されない。
このコネクタ部材Dは、主として次のような態様で使用される。
まず、一方の端面(上流側端面)に例えば1個の試料流入口を有し、他方の端面(下流側端面)に複数個の試料注出口を有し、この試料注入口から分岐する複数の試料供給流路を有するチャンネル基板で構成された化学操作ユニットの上記一方の端面に接続して使用される。
また逆に、化学操作ユニットの下流側端面に接続し、化学操作ユニットの各マイクロチャンネルから流出してくる試料を合流するために用いることもできる。
図24は、図1で示したユニットU2、ユニットU3、および図22で示したコネクタ部材C,C(図1におけるユニットU1とユニットU4に相当)を互いに位置決め用ピン−ピン穴を用いて端面接続し、全体をばね機能を有する結合クリップ18で長手方向(流路方向)に押圧して組立てたマイクロ化学反応装置を示す。
なお、ユニットU3に接続するコネクタ部材が図23で示したような部材Dである場合には、図26で示したようなシールフィルムを介在させればよい。
本発明のチャンネル基板の1例A1を図27に示す。
このチャンネル基板A1は、基板本体4の中に、一方の端面3aから他方の端面3bにかけて平面パターンがY字形状をしたマイクロチャンネル5が延設され、そのマイクロチャンネルの適宜な箇所には、基板本体4の一方の側端面3eからマイクロチャンネル5までを結ぶ光導波路9が形成されている。すなわち、基板本体4は全体としてガラス材で構成されていて透光性を備えており、前記した光導波路9の部分が他の部分に比べて高屈折率のコア部になっている。
合流点5cで得られた混合試料は、光導波路9の他端面9bから出射するレーザ光によって加熱される。このときに用いるレーザ光としては、送流されている試料が吸収することができる波長のレーザ光であればよい。
その場合、レーザビームのパワー密度やビーム焦点の絞り度合を調整して導入エネルギーを制御することにより、光導波路の断面の大きさなどを調節することができる。
図29に別のチャンネル基板A2を示す。
そして、このチャンネル基板の場合、基板本体の側端面3eに後述する補助ユニットの例えば光ファイバのアレイユニット(図示しない)を光導波路9と同軸的に配置し、同時に他の側端面3fに同じく補助ユニットである例えば受光素子を光導波路9と同軸的に配置して使用することができる。
次に補助ユニットuについて説明する。
図1で示した装置の場合、操作ユニットU3の側部の開口部6fに、補助ユニットuが連結されている。
レーザ光照射ユニットと操作ユニットU3との連結状態の1例を図30に示す。
なお、このようなレーザ光照射ユニットの光導波路としては、光ケーブルの配線に用いる例えば5芯テープなどを使用することができる。
出射したレーザ光は、各チャンネル基板3の側端面3eに表出している光導波路9の端面9aからに入射して各光導波路をマイクロチャンネル5まで伝搬してそこで出射する。そして、マイクロチャンネル5に送流されている試料はレーザ光を吸収することにより加熱され、そして活性化する。
その場合、各チャンネル基板の光導波路に入射させるレーザ光の使用波長はそれぞれ独立して変化させることができるので、各チャンネル基板のマイクロチャンネルに送流させている試料の種類に対応して加熱温度をそれぞれ変化させることができる。すなわち、反応系の変更に対しても大きな自由度を発揮することができる。
以上の説明は、補助ユニットとしてレーザ光照射ユニットを用い、これを操作ユニットU3に連結した場合であるが、補助ユニットはこのユニットに限定されるものではなく、また連結の対象も操作ユニットU3に限定されるものでもない。以下にそれを説明する。
このことの説明に先立ち、再び本発明のチャンネル基板について説明する。
このチャンネル基板A3では、基板本体4の中に所定の平面パターン(図ではY字パターン)でマイクロチャンネル5が形成され、基板本体4の上面3gに溝部11が刻設されている。したがって、この基板A3は、基板A1や基板A2のように、試料の混合操作を行うことができる。
ヒータ部で発生した熱量は、溝部11とマイクロチャンネル5の間に位置する基板本体を伝熱して溝部の直下に位置するマイクロチャンネル5に到達し、送流されている混合試料を加熱する。このとき、通電路11aへ供給する電力を変化させることにより、マイクロチャンネル内で送流されている試料の温度を変えることができる。なお、電力は電流や電圧を抑制することにより制御可能である。
そして、そのユニットU2の側部に図7のユニットUCのような開口部を形成し、一方、通電量の調節手段を複数個備えている補助ユニットuを製作し、各調節手段の端子を各チャンネル基板A3の給電部11b,11bに接続した状態でこの補助ユニットuを、図30R>0で示したレーザ光照射ユニットの場合と同じようにして前記混合ユニットU2の側部の開口部に連結して各調節手段をそれぞれ動作させることにより、この混合ユニットU2では、それぞれのチャンネル基板A3における試料を個別に独立して加熱することができる。
ところで、前記した従来の積層型マイクロリアクタ装置は全体が恒温槽に収容されるので、装置全体の温度制御は実現されている。しかし、個々のチャンネル基板の温度制御は困難であり、また1枚のチャンネル基板状内における急峻な温度分布を実現することは不可能である。
更に別のチャンネル基板の例A4を図32に示す。
このチャンネル基板A4は、基板本体4の中に平面パターンがY字状をしたマイクロチャンネルが形成され、試料の混合操作を効率よく行うことができるチャンネル基板である。
なお、この凸部5eは、図のように1つの壁面に形成されていてもよく、また他の壁面や全ての壁面に形成されていてもよい。また、凸部5eは、合流マイクロチャンネル5Cの流路のうち、合流点5cに近い位置に形成されていることが好ましい。
したがって、このチャンネル基板A4では試料の混合操作が効率よく進行し、凸部5eは、チャンネル基板A4の化学操作である混合操作に関して化学操作促進部として機能する。
このチャンネル基板A5では、合流マイクロチャンネルの壁面5dに、後述する化学操作促進部としての塗膜5fが形成されている。
なお、この塗膜5fの形成箇所は、合流マイクロチャンネルの壁面であることに限定されず、チャンネル基板で実現する化学操作との関係でマイクロチャンネル5の流路内の適宜な箇所に形成してもよい。
また、光や電磁波の吸収体または反射体から成る塗膜を採用することができる。例えば、SiC、アモルファスカーボン、ダイヤモンドライクカーボン(DLC)のように近赤外から赤外の波長光を吸収する材料の塗膜5fをあげることができる。
更に、塗膜5fとしては、例えばSiC,Si3N4,アモルファスカーボン,DLC,Al2O3のような熱伝導体から成る塗膜であってもよい。また、反射用の塗膜としては、Al,Au,Ag,Ni,Ptなどの金属膜や、TiO2,Ta2O5とSiO2などの多層反射膜であってもよい。
本発明のチャンネル基板は、上に例示したA1〜AAに限定されるものではなく、これらを適宜に組み合わせて、複合した化学操作を実現させることができる。
例えば、基板A1の光導波路と基板A3のヒータと基板A4の凹凸表面と基板AAの操作促進部を組み込むことにより、1枚のチャンネル基板内に送流されている試料に対して、高効率の混合操作、試料の反応性を高める操作、高効率で急峻な加熱操作とその制御操作を集積することができる。
そして、このチャンネル基板(またはその積層構造)を用いて化学操作ユニットを組立て、そのユニットに、各チャンネル基板の機能に対応した手段(例えば給電手段、光照射手段、信号の入出力手段、計測手段など)を備えた補助ユニットを連結することにより、化学操作ユニット内における個々のチャンネル基板の化学操作を制御することができるマイクロ化学反応装置が製作される。
まず、図34で示すように、後述する方法で製造した第1のガラス基板19Aを用意する。この第1のガラス基板19Aの一方の表面には、形成すべきマイクロチャンネルの平面パターンを有し、一方の端面から他方の端面へと延設された凹溝19aが形成されている。
第1のガラス基板19Aの製造に関しては、まず下型の上に平板形状ガラス基板を配置する。このガラス基板は、通常、幅が数mm〜100mm程度、長さが数mm〜100mm程度、厚みが0.1mm〜数mmの平板チップである。
ガラス基板には金型の型面が転写され、形成すべきマイクロチャンネルの形状と同じ形状の凹溝が形成され、前記した第1のガラス基板が得られる。
金型の材料としては、例えば、アモルファスカーボン(またはガラス状カーボン)やSiC、またはそれらにSiコーティングやDLCコーティングを施したものが好適である。これらは成形するガラス材との融着が起こりにくく、離型しやすいため、成形サイクルを短縮することができるからである。
このチャンネル基板の製造方法において、第1のガラス基板と第2のガラス基板の接合は熱圧プレス技術を適用しているので、接合に要する時間は短時間である。しかしながら、得られたチャンネル基板の熱変形や熱歪みを除去するためには、接合後に徐冷することが必要である。そのため、全体の製造時間はこの徐冷工程で律速されることになり、そのためあまり高い生産性を期待することはできない。
この装置は、ガラス基板のストック部100、ガラス基板の供給部110、熱圧プレス部120、基板の搬送部130、および受台140がこの順序で直列に配置されていて、機能的には、接合工程と徐冷工程が別装置を用いて連続的に進められる装置である。
熱圧プレス部120には、基板ホルダ121と搬送ロボット122が設置されていて、搬送ロボット111で基板ホルダ121に供給された1組のガラス基板123は各ガラス基板の位置決め後に熱圧プレス部120で所定温度に熱せられ、そしてプレスされてチャンネル基板になる。
次に、コネクタ部材の他の例について、図38および図39を参照して説明する。
図38は、コネクタ部材Eの一例を示すもので、供給・合流・分岐用として使用するが、これに限らず、必要に応じて適宜使用しても構わない。
アレイ部200の端面200aは、精密研削・研磨を施すことによって、対象とする化学操作ユニットとの接続時に気密状態を確保できる構造となっている。さらに、アレイ部202には、位置決めピン穴6dが形成され、対象とする化学操作ユニットと精密位置決めできるコネクタ構造となっている。なお、アレイ部200とコネクタ部202は一体成形もしくは別体成形のどちらでもよい。ただし、別体成形の場合は、コネクタ部202の端面202aにアレイ部200の端面200aと同様に精密研削・研磨を施し、アレイ部200とコネクタ部202との気密状態を確保する。
このコネクタ部材Fは、材質はコネクタ部材Eと同様である。コネクタ部材Fとコネクタ部材Eの相違する構造は、送流パイプ204の先端がアレイ部200の端面200aに位置するように配置されている点である。コネクタ部材Eは、マイクロチューブ13を挿通させた構造である。
図40はコネクタ接続構造の一例を示すものである。図40は、送流方向に対して接続端面が垂直であるコネクタ接続構造の一例を示すものである。図41は、送流方向に対して接続端面が任意の角度をなして接続されている構造の一例を示すものである。図40、図41に示したコネクタ接続構造では、いずれも、図38、図39で説明したコネクタ部材E、Fのように、それぞれ接続端面が精密研削・研磨されている。さらに、互いに位置決め用ピン−ピン穴を用いて端面接続され、全体をばね機能有する結合クリップ18で長手方向(流路方向)に押圧して組み立てることにより、マイクロ化学反応装置が構成されている。
まず、図43に示した供給(送流)部分の固定構造Pは、ガイドパイプ300と、ガイドパイプ300内に挿通されるマイクロチューブ302とから成り、マイクロチューブ302はガイドパイプ300の一方の端部300aで固定されているものである。
図46の調整機構400は、供給側ユニットとして、A試料を供給するユニットLと、B試料を供給するNユニットとを有し、そして、A試料とB試料を混合するユニットMとを備えている。ユニットL、ユニットNからは、それぞれユニットMに各A、B試料を供給するためのマイクロチューブが4本づつ配置されている。なお、ユニットLからユニットMまでのマイクロチューブは、4本の曲げ率、長さを変化させ、ユニットNからユニットMまでのマイクロチューブは4本の曲げ率、長さを同一にして配置されている。
調整機構400では、ユニットMの4ポートから送流される混合試料の濃度を変化させている。これは、ユニットLからユニットMに供給されるA試料の流量を、マイクロチューブごとに変化させているからである。ユニットMへ供給される試料の流量を調整するには、マイクロチューブの長さ、設置曲げ率、送流圧、もしくはチューブの内径を、チューブ毎に設定すればよい。いずれの構造でも、試料の流量が変化するため、例えば、複数の試料を混合する場合、混合比率を変化させることが可能である。
そして、その化学操作ユニットに各種機能を発揮する本発明のチャンネル基板を組み込み、その機能に対応する手段を備えた本発明の補助ユニットを前記化学操作ユニットに連結することにより、各種の化学操作の促進や制御も可能になる。
u 補助ユニット
A1,A2,A3,A4,A5 チャンネル基板
3 チャンネル基板
3a,3b チャンネル基板3の端面
3c 逆V字溝
3d V字溝
3e,3f チャンネル基板3の側端面
3g チャンネル基板3の表面
4 基体本体
5 マイクロチャンネル
5a,5b マイクロチャンネルの端面開口
5c 合流点
5d マイクロチャンネルの壁面
5e 凸部
5f 塗膜
6 枠状体
6a,6b 枠状体6の端面
6c 貫通孔
6d 位置決め用ピン穴
6e 溝
6f 開口部
6g レール
6h V字溝
7,7A ピン
8 接着剤層
9 光導波路
9a 光導波路9の端面
10a 補助ユニットuの前端面
10b 光ファイバ
10c 光ファイバ10bの先端
11 溝部
11a 通電路
11b 通電路11aの給電部
12 コネクタ部材C,Dの本体
12a コネクタ部材C,Dの接続端面
13 マイクロチューブ
14 コネクタ
15 貫通孔
16 空洞
17 チューブ
18 結合クリップ
19A 第1のガラス基板
19a 凹溝
19B 第2のガラス基板
19A’ 金型
19a’ 突起形状
Claims (6)
- 貫通孔が形成された枠状体と、
一方の端面に形成された突き合わせ接続自在で先端が平滑な突出部の開口から、他方の端面に形成された突き合わせ接続自在で、先端が平滑な突出部の開口まで延設された空洞のマイクロチャンネルを有し、該各突出部を前記枠状体の端面から突出させて、前記貫通孔内に収納される少なくとも1枚のチャンネル基板と、
を備えており、
前記枠状体の貫通孔は前記チャンネル基板を1枚または複数積層して収納可能であり、該貫通孔の断面形状は、前記チャンネル基板の積層方向断面形状と略同じ寸法形状であり、前記枠状体は前記チャンネル基板の長さと略等しい長さを有しており、
前記枠状体は、前記貫通孔の端部を向き合わせて相互に連結させることにより、前記マイクロチャンネルの開口部を当接して接続することができることを特徴とするマイクロ化学反応装置。 - 前記枠状体の前記端面からの前記チャンネル基板の前記突出部の突出量は100μm以下である、
ことを特徴とする請求項1に記載のマイクロ化学反応装置。 - 前記枠状体の前記端面からの前記チャンネル基板の前記突出部の突出量は1〜10μmである、
ことを特徴とする請求項1または2に記載のマイクロ化学反応装置。 - 前記チャンネル基板に形成された前記突出部の先端は、100nm以下の表面粗さになるまで、平面加工されている、
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1つに記載のマイクロ化学反応装置。 - 前記チャンネル基板に形成された前記突出部の先端は、1μm以下の平坦度になるまで、平面加工されている、
ことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1つに記載のマイクロ化学反応装置。 - 貫通孔が形成された枠状体と、
一方の端面に形成された突き合わせ接続自在で先端が平滑な突出部の開口から、他方の端面に形成された突き合わせ接続自在で、先端が平滑な突出部の開口まで延設された空洞のマイクロチャンネルを有し、該先端が平滑な突出部の開口と前記枠状体の端面とが同一平面となるように前記貫通孔内に収納される少なくとも1枚のチャンネル基板と、
を備えており、
前記枠状体の貫通孔は前記チャンネル基板を複数積層して収納可能であり、該貫通孔の断面形状は、前記チャンネル基板の積層構造の厚み方向断面と略同じ寸法形状であり、前記枠状体は前記チャンネル基板の長さと略等しい長さを有しており、
前記枠状体は、前記貫通孔を付き合わせて該枠状体を相互に接合することにより、前記マイクロチャンネルを当接して接続するための位置決め用ピン孔を備えることを特徴とするマイクロ化学反応装置。
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