JP4687238B2 - 微小流路構造体 - Google Patents

Description

本発明は、化学反応や液滴生成、分析などを行なう微小流路を有する微小流路構造体において、微小流路に導入した流体の化学反応および生成物の抽出、分離を行なうに好適な微小流路構造体に関する。

近年、数ｃｍ角のガラス基板上に長さが数ｃｍ程度で、幅と深さがサブμｍから数百μｍの微小流路を有する微小流路構造体を用い、流体を微小流路へ導入することにより化学反応を行う研究が注目されている。このような微小流路では、微小空間での短い分子間距離および大きな比界面積の効果による分子のすみやかな拡散により、特別な攪拌操作を行なわなくとも効率の良い化学反応を行なうことができることや、反応によって生じた目的化合物が反応相から抽出相へすばやく抽出、分離されることによって、引き続いて起こる副反応が抑えられることが示唆されている（例えば、非特許文献１参照）。ここで微小流路とは一般に流路の幅が５０〜３００μｍ、流路の深さが１０〜１００μｍの大きさの流路を意味する。

上記の例等では、図１に示すようにＹ字状の微小流路に原材料を溶かした水相（１）と有機相（２）を導入し、Ｙ字の合流部分で形成される有機相と水相の層流界面（３）で反応を起こしている。一般的に、マイクロスケールの流路内ではレイノルズ数が１より小さいケースがほとんどであり、よほど流速を大きくしない限りは図１に示すような層流の状態となる。また、拡散時間は微小流路の幅（９）の２乗に比例するので、微小流路の幅（９）を小さくするほど反応液を能動的に混合しなくとも分子の拡散によって混合が進み、反応や抽出が起こりやすくなる。

また、図２に示すように、微小流路の流体排出口（１２）をＹ字にしておくことで、水相と有機相を分離することができるということが一般的に言われている。このように流体排出口で導入した流体を完全に分離して排出することは、微小流路内で流体が接触することによって生じる反応や抽出を微小流路の分岐部（４）において完全に停止させたり、一度微小流路に導入した流体を再利用する上でも非常に重要な機能である。

しかし実際には、層流界面の位置は不安定であり変動する。その第１の要因は、図３及び図４に示すように流体を送液するポンプなどに起因する送液速度の時間的変動等により層流界面の位置が変動することである。この現象を円管内層流における流体の内部摩擦にもとづく圧力損失を表す理論式であるハーゲン−ポアズイユの式を用いて説明する。図７に示すように、直径ｄ［ｍ］（６）の水平円管内（７）を流体が線速度ｕ［ｍ／ｓ］（５）で層流を形成して流れている場合、両方の円管端面（８）に作用する圧力Ｐ１とＰ２の差である圧力損失ΔＰ［Ｐａ］は、
ΔＰ＝Ｐ２−Ｐ１＝３２μＬｕ／ｄ^２ （式１）
となる。これをハーゲン−ポアズイユの式という。ここで、μ［Ｐａ・ｓ］は粘性係数、Ｌ［ｍ］は流路長（１０）である。今、図８に示すように微小流路に２つの流体Ａ（１３）と流体Ｂ（１４）が層流となって層流界面を形成して流れている場合、それぞれの流体に（式１）が成り立ち、流体Ａ（１３）と流体Ｂ（１４）の圧力損失ΔＰ_ＡおよびΔＰ_Ｂは、それぞれ（式２）、（式３）で示される。

ΔＰ_Ａ＝３２μ_ＡＬｕ_Ａ／ｄ_Ａ ^２ （式２）
ΔＰ_Ｂ＝３２μ_ＢＬｕ_Ｂ／ｄ_Ｂ ^２ （式３）
ここで、μ_Ａ、ｕ_Ａ、ｄ_Ａは、それぞれ流体Ａ（１３）の粘性係数、線速度（５）、流体幅（３３）であり、μ_Ｂ、ｕ_Ｂ、ｄ_Ｂは、それぞれ流体Ｂ（１４）の粘性係数、線速度（５）、流体幅（３３）である。ここで、流体Ａと流体Ｂは、流路幅Ｄ［ｍ］（２２）の同一微小流路内を流れているので、ΔＰ_ＡとΔＰ_Ｂはつりあっており（式４）が成立している。

μ_Ａｕ_Ａ／ｄ_Ａ ^２＝μ_Ｂｕ_Ｂ／ｄ_Ｂ ^２ （式４）
さらに、送液速度ｖ［μＬ／分］と線速度ｕ［ｍ／ｓ］の関係は、流体の流れの方向に垂直な断面積をＳ［ｍ^２］とすると、
ｕ ＝ １．６７×１０^−１１・ｖ／Ｓ （式５）
の関係にあり、この関係を（式４）に代入すれば
μ_Ａｖ_Ａ／Ｓ_Ａｄ_Ａ ^２＝μ_Ｂｖ_Ｂ／Ｓ_Ｂｄ_Ｂ ^２ （式６）
とな。ここでｖ_Ａ、ｖ_Ｂは、それぞれ流体Ａ、流体Ｂの送液速度、Ｓ_Ａ、Ｓ_Ｂはそれぞれ流体Ａ、流体Ｂの流れの方向に垂直な断面積である。さらに、断面積Ｓ［ｍ^２］は、流体幅ｄ［ｍ］の２乗に比例する事から、
μ_Ａｖ_Ａ／ｄ_Ａ ^４＝μ_Ｂｖ_Ｂ／ｄ_Ｂ ^４ （式７）
が成立し、流体Ａと流体Ｂは、流路幅Ｄ［ｍ］（２２）の同一微小流路内を流れているので、
Ｄ＝ｄ_Ａ＋ｄ_Ｂ （式８）
が成立する。

ここで、流体Ａ（１３）と流体Ｂ（１４）の粘性は変化しないとする。今、流体Ａ（１３）の送液速度が変化して大きくなると、ｖ_Ａが大きくなると同時にｄ_Ａが大きくなり（式７）のバランスを保とうとする。ｄ_Ａが大きくなると流路幅Ｄ（２２）は一定であるためｄ_Ｂが小さくなると同時にｖ_Ｂが小さくなり（式７）のバランスが保たれる。従って、流体を送液するポンプなどに起因する送液速度の時間的変動等により層流界面の位置が変動する。また、上記の例では、流体Ａ（１３）と流体Ｂ（１４）の粘性は変化しないと仮定したが、化学反応や抽出の進行にしたがって、流体Ａ（１３）と流体Ｂ（１４）の粘性が変化した場合も、（式７）のバランスを保とうとするので同様にｄ_Ａ、ｄ_Ｂが変化して層流界面の位置が変動する。

層流界面の位置が不安定であり変動する第２の要因は、図６に示すように微小流路内壁と送液する流体との親和性の違いによる流体の回り込み（１５）が生じることにある。例えば、図４に示すようにガラス製の微小流路の中に水相（１）と有機相（２）を送液した場合、水相（１）は有機相（２）に比べてガラスの親和性が高いために、図４に示すように、水相（１）は次第に有機相（２）の外側を取り囲むように流路内壁から回り込んで流れる。この状態のまま微小流路の分岐部で分岐すると、有機相（２）に水相（１）が、水相（１）に有機相（２）が混入する。

以上のような要因のため、微小流路内で図２に示すような層流界面（３）を安定して形成することは容易ではない。特に微小流路内での反応時間や抽出時間を長くする目的で、微小流路内での流体の滞在時間を長くするために低い流速で送液する場合は、送液速度変動や流体の回り込みが生じやすい。

すなわち、流体を送液するポンプなどに起因する送液速度の時間的変動等により層流界面の位置が変動にすることで層流を維持できなくなること、かつ、微小流路内壁と送液する流体との親和性の違いによる流体の回り込みが生じることにより、微小流路の流体排出口から排出される各々の流体に他の流体が混入してしまい、微小流路内で流体が接触することによって生じる反応や抽出を微小流路の分岐部で完全に停止させることが不可能であり、また、一度微小流路に導入した流体を再利用するには排出口から排出された各々の流体に混入した流体を特別に分離する必要があり、流体の再利用を容易に実現することはできなかった。

微小流路に導入された流体間の層流界面の位置の変動を抑えるために、例えば図９に示すように、微小流路の底部（１８）に流路深さ（１７）の約２０％程度以下のガイド条（１６）を有する微小流路構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このようなガイド条（１６）を微小流路の底部（１８）に形成することで、図３（ａ）に示す層流界面（３）の位置の変動をある程度抑えることできるが、図３（ｂ）に示す微小流路内壁と送液する流体との親和性の違いによる流体の回り込み（１５）を十分に抑えることはできない。
また、微小流路に導入された流体間の層流界面を安定化させるために、例えば図１３〜図１６に示すように、導入された流体間に形成される境界に沿って、導入された流体が互いに混入しないための、微小流路深さに実質的に等しい高さの１以上の仕切り壁を有する微小流路構造が提案されている（例えば特許文献２参照）。このような仕切り壁を微小流路内に形成することで、図３に示す層流界面（３）の位置の変動をある程度押さえること、また図４に示す微小流路内壁と送液する流体との親和性の違いによる流体の回り込み（１５）をある程度抑えることはできる。しかしながら、図２１に示すように、層流界面の変動幅が一定の値を超えると、一方の流体がもう一方の流体側へ仕切り壁の隙間から液滴の状態で混入し（３７）、またこの液滴が生成される過程において生じる層流界面付近の圧力変動により、層流界面の位置がさらに大きく変動し、一定時間層流が維持できなくなるという問題があった。
以上のことから、微小流路の流体排出口から、各々の流体を他の流体が混入することなく排出することは非常に困難であり、ガイド条を形成した微小流路や、仕切り壁を形成した微小流路のさらなる改善が求められていた。

Ｈ．Ｈｉｓａｍｏｔｏ ｅｔ．ａｌ．（Ｈ．ひさもと ら著）「Ｆａｓｔ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｐｈａｓｅ−ｔｒａｎｓｆｅｒ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｅｘｐｌｏｉｔｉｎｇ ｔｈｅ ｌｉｑｕｉｄ−ｌｉｑｕｉｄ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｆｏｒｍｅｄ ｉｎ ａ ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ ｃｈｉｐ」， Ｃｈｅｍ．Ｃｏｍｍｕｎ．， ２００１年発行， ２６６２−２６６３頁 特開２００２−１１０２号公報（第３−４頁、第１図） 特開２００４−３４８４５３号公報（第３５頁、第６図）

本発明の目的は、かかる従来の実状に鑑みて提案されたものであり、２以上の流体を微小流路に導入し、微小流路内で流体の進行方向に互いの流体境界で接触させて反応や抽出を実施し、各々の流体が実質的に他の流体の混入なしに別々に所定の排出口より排出することができる微小流路構造体を提供することにある。

本発明は上記課題を解決するものとして、流体を導入する２以上の導入口及びそれらに連通する導入流路と、前記導入流路が合流する合流部と連通しかつ導入された流体を流す微小流路と、前記微小流路に連通しかつ導入される流体を分離する分岐部を有した２以上の排出流路及びそれらに連通する排出口と、を有した微小流路構造体であって、前記微小流路には、導入された２以上の流体により形成される層流界面の位置又はその近傍に前記微小流路の高さと実質的に等しい高さの不連続な仕切り壁が設けられているとともに、前記仕切り壁の両側の位置に連続した凸形状のガイド条が微小流路の底面に設けられている微小流路構造体を用いることにより、上記の従来技術による課題を解決することができ、遂に本発明を完成するに至った。以下、本発明を詳細に説明する。

前記したように、微小流路の底部にガイド条を形成することによって微小流路に導入された流体間の層流界面の位置の変動をある程度抑えることができるが、微小流路内壁と送液する流体との親和性の違いによる流体の回り込みを押さえることは出来なかった。一方、導入された２以上の流体により形成される境界に沿って仕切り壁を形成することによって、微小流路内壁と送液する流体との親和性の違いによる流体の回り込みはある程度抑えることができるが、一定以上の層流界面の位置の変動に対しては層流の維持ができなくなるものであった。

このことから、導入された２以上の流体により形成される層流界面の位置又はその近傍に設けられた仕切り壁と、微小流路の底面に設けられたガイド条の両方を形成させることによって、層流界面を安定に維持し、かつ流路内壁と送液する流体との親和性の違いによる流体の回り込みを防止して、さらに層流界面の大きな変動による仕切り壁の隙間からの液滴の発生を抑えることができ、微小流路の分岐部において、各々の流体に他の流体が混入することなく分離することがさらに効果的に達成できるのである。

そこで本発明の微小流路構造体は、流体を導入する２以上の導入口及びそれらに連通する導入流路と、前記導入流路が合流する合流部と連通しかつ導入された流体を流す微小流路と、前記微小流路に連通しかつ導入される流体を分離する分岐部を有した２以上の排出流路及びそれらに連通する排出口と、を有した微小流路構造体であって、前記微小流路には、導入された２以上の流体により形成される層流界面の位置又はその近傍に前記微小流路の高さと実質的に等しい高さの不連続な仕切り壁が設けられているとともに、前記仕切り壁の両側の位置に連続した凸形状のガイド条が微小流路の底面に設けられているものである。

ここで、導入された流体が互いに混入しないとは、各々の流体への他の流体の混入が実質的にないことを意味し、より具体的には混入率が１０％未満である。

また、上記の微小流路とは、一般的に幅５００μｍ以下、深さ３００μｍ以下のサイズの流路である。また、導入流路と排出流路の幅と深さは特に制限はないが、微小流路と同様の幅と深さであっても良い。また、導入口と排出口の大きさも特に制限はないが、一般的に直径数０．１〜数ｍｍ程度の大きさであれば良い。

本発明の微小流路構造体は、水、有機溶媒等の媒体に目的とする反応物、あるいは抽出すべき物質を溶解した２以上の流体を、微小流路構造体に形成されている微小流路に導入し、導入された流体が微小流路空間内で層流を維持したまま送液することで、導入された流体間で接触させ化学反応や抽出処理が行われ、かつ、微小流路より排出流路へ送液させるにあたっても、導入された流体の各々が、所定の排出流路へ送液できる構造としたものである。

このため、本発明の微小流路構造体は、流体を導入するための２以上の導入口及びそれらに連通する導入流路と、この導入流路が合流する部分（合流部）に連通しかつ導入された流体を流すための微小流路と、微小流路に連通しかつ所定の流体を分離する分岐部を有した２以上の排出流路及びそれらに連通する排出口と、を有した構造としている。さらに、導入された流体の各々が、所定の排出流路へ送液できるように、微小流路には、導入された２以上の流体により形成される層流界面の位置又はその近傍に前記微小流路の高さと実質的に等しい高さの不連続な仕切り壁が設けられているとともに、前記仕切り壁の両側の位置に連続した凸形状のガイド条が微小流路の底面に設けられているのである。

このガイド条は、導入された流体が圧力変動により層流界面の位置が移動するのを極力抑えるために設けられたものであるが、その形成される位置は図２２に示すように、導入された各流体が合流し、層流界面を形成する箇所のみであってもよいが、図２３に示すように層流界面を形成しない箇所、すなわち導入口及びそれらに連通する導入流路から微小流路を経由して、分岐部から排出流路及び排出口まで連通して存在していてもよい。またその高さは特に制限はないが、層流界面の位置が移動するのを抑える効果が得られるだけの高さであればよく、好ましくは、流路深さの２０％程度とするのがよい。

またガイド条は、仕切り壁の両側に流体進行方向に沿って連続して設けられるが、その形成される数としては、仕切り壁の両側に１ずつ設けられていてもよいが、仕切り壁の両側にあるいは片方に２以上のガイド条が互いに交差することなく実質的に平行して形成されていてもよく、さらに導入される流体の層流界面をより安定化させるために仕切り壁に対して対称の位置となるよう同数ずつ設けるとよい。その位置としては微小流路の側壁と前記仕切り壁との中心線の位置又はその近傍に設けられることが好ましい。

さらに図２４および図２５に示すように、微小流路に不連続な仕切り壁（２２）が３以上設けられる場合には、ガイド条（１６）が、微小流路の側壁と仕切り壁との中心線の位置もしくはその近傍、及び、仕切り壁の間の中心線の位置もしくはその近傍に設けられることが好ましい。

以下、本発明の微小流路構造体について図面を参照しながらさらに詳しく説明する。

図１３に示すように、微小流路（１９）の内部において、２以上の流体境界（２０）又はその近傍に、流体の進行方向（２７）に沿って、微小流路深さ（１７）以下の高さの流体進行方向（２７）に対して不連続な仕切り壁（２２）を複数形成することで、仕切り壁（２２）のない所では流体を接触させ、また仕切り壁（２２）のある所では流体を分離させることができ、この不連続な仕切り壁（２２）を微小流路の流体進行方向（２７）に沿って複数形成しておけば、流体の接触と分離が繰り返される。このようにすることで、流体を送液するポンプなどに起因する送液速度の時間的変動等による層流界面の位置の変動を抑制し、かつ、微小流路内壁と送液する流体との親和性の違いによる流体の回り込み（１５）を防止することができる。

しかし層流界面の位置の変動幅がある一定量を超えると、図８に示すように隣り合う仕切り壁の間からはみ出した層流界面が仕切り壁によって剪断され、仕切り壁の隙間から液滴となって他の流体に混入する。さらに、液滴が生成する際に生じる圧力変動により、層流界面の位置が元に戻っても液滴が一定時間続き、混入率を悪化させる要因となっていた。

そこで本発明は図１７〜図２０に示すように、流体進行方向に沿った連続したガイド条（１６）を形成することで、流体をより安定した層流として送液することが可能となり、仕切り壁の隙間からの液滴の発生を防止することができ、微小流路の流体排出口から、各々の流体を他の流体が混入することなく排出することができる。従って、微小流路内で流体が接触することによって生じる反応や抽出を流体排出口で完全に停止させたり、一度微小流路に導入した流体を再利用することが可能となる。

ここで、微小流路の幅方向に対する仕切り壁（２２）の位置は、特に制限されず、送液する流量や流速、粘性などの溶液の性質に応じて変更することができるが、導入される流体の層流界面をより安定化させるために微小流路の幅方向の中心位置又はその近傍に設けられることが好ましい。さらには、微小流路に不連続な仕切り壁が２以上設けられる場合には、導入される流体の送液する流量や流速、粘性などの溶液の性質によるものの、微小流路の幅方向の均等位置又はその近傍に設けられることが好ましい。

さらに微小流路に不連続な仕切り壁（２２）が３以上設けられる場合には、前記したようにガイド条（１６）は、微小流路の側壁と仕切り壁との中心線の位置もしくはその近傍、及び、仕切り壁の間の中心線の位置もしくはその近傍に設けられるが、図２４および図２５に示すように、不連続な仕切り壁（２２）を設ける位置としては、微小流路の幅方向の一定間隔となる位置に平行して設けるとよく、また、流体進行方向に対しては不連続な仕切り壁の各々が相対する別の仕切り壁（２２）との関係において図２５に示されるように交互となる位置に設けるとよい。このような不連続な仕切り壁（２２）を設けることで、本発明の効果が奏されるものとなる。

逆に、仕切り壁を流路の幅方向に対して中央付近に形成した場合に粘性が異なる流体を流した場合は、（式７）から流体の粘性に逆比例した送液速度で流体を送液すれば層流界面を仕切り壁付近に形成することができる。また、仕切り壁の厚さ（２３）は特に限定されないが、送液自体を妨げないように流路幅の３〜１０％程度が好ましい。また、仕切り壁の高さ（２４）は流路深さ以下であれば特に制限されないが、仕切り壁の高さ（２４）が流路深さ（１７）に等しい場合が最も好ましい。また、仕切り壁の間隔（２５）の最小値は、仕切り壁（２２）が不連続であれば特に制限はないが、あまり短すぎると流体の接触時間が短くなり反応や抽出を行うことができなくなるので、５０μｍ程度以上が好ましい。

また、図１７に示す仕切り壁の長さ（２６）は、隣り合う仕切り壁の間隔（２５）以下であることがより好ましい。すなわち、仕切り壁の長さ（２６）が隣り合う仕切り壁の間隔（２５）より短いことで、その微小流路の長さにおいて流体の接触時間、すなわち反応時間や抽出時間をより長く設けることができる。なお、仕切り壁の長さ（２５）は、５０μｍ以上であることが、層流界面を安定に形成し、排出口において、各々の流体を他の流体が混入することなしに分離して排出するのにより好ましい。

また、微小流路の幅方向に対するガイド条（１６）の位置は特に制限されず、流体進行方向に沿って連続して設けられていればよい。またガイド条の高さは、特に制限されないが、導入された流体が圧力変動により層流界面の位置が移動するのを抑え、流体をより安定した層流として送液するために設けられたものであるため、層流界面の位置が移動するのを抑える効果が得られるだけの高さが必要であり、少なくとも流路深さの１０％程度以上が好ましい。またあまり高すぎると流体中の分子の拡散による移動が妨げられてしまうので、流路深さの５０％程度以下が好ましい。

以上のような微小流路を有する微小流路基板は、例えばガラスや石英、セラミック、シリコン、あるいは金属や樹脂等の基板材料を、機械加工やレーザー加工、エッチングなどにより直接加工することによって製作できる。また、基板材料がセラミックや樹脂の場合は、流路形状を有する金属等の鋳型を用いて成形することで製作することもできる。なお一般的に、前記微小流路基板は、流体導入口、流体排出口、および各微小流路の排出口に対応する位置に直径数ｍｍ程度の***を設けたカバー体と積層一体化させた微小流路構造体として使用する。カバー体と微小流路基板の接合方法としては、基板材料がセラミックスや金属の場合は、ハンダ付けや接着剤を用いたり、基板材料がガラスや石英、樹脂の場合は、百度〜千数百度の高温下で荷重をかけて熱接合させたり、基板材料がシリコンの場合は洗浄により表面を活性化させて常温で接合させるなどそれぞれの基板材料に適した接合方法が用いられる。

本発明によれば、以下の効果を奏することができる。

本発明の微小流路構造体は、流体を導入する２以上の導入口及びそれらに連通する導入流路と、前記導入流路が合流する合流部と連通しかつ導入された流体を流す微小流路と、前記微小流路に連通しかつ導入される流体を分離する分岐部を有した２以上の排出流路及びそれらに連通する排出口と、を有した微小流路構造体であって、前記微小流路には、導入された２以上の流体により形成される層流界面の位置又はその近傍に前記微小流路の高さと実質的に等しい高さの不連続な仕切り壁が設けられているとともに、前記仕切り壁の両側の位置に連続した凸形状のガイド条が微小流路の底面に設けられている。このようにすることで、流体を送液するポンプなどに起因する送液速度の時間的変動等による層流界面の位置の変動を抑制し、かつ、微小流路内壁と送液する流体との親和性の違いによる流体の回り込みを防止することができ、微小流路の流体排出口から、各々の流体を他の流体が混入することなく排出することができる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更が可能であることは言うまでもない。
（実施例１）
図１８〜図２０に第１の実施例に用いた微小流路構造体の概念図を示した。微小流路の形状は流体導入口側と流体排出口側がＹ字状に２本の微小流路に分岐しており、微小流路内には図１７に示すように、微小流路の幅方向に対してほぼ中央に、微小流路の深さに等しい高さの流体進行方向に沿った不連続な仕切り壁（２２）を形成した。さらに微小流路中、仕切り壁によって仕切られた、各流体が流れる各流路の幅方向に対してほぼ中央に、流体進行方向に沿った連続したガイド条（１６）を１本ずつ形成した。製作した微小流路の幅（９）は１００μｍ、深さ（１７）は２０μｍ、長さ３０ｍｍである。仕切り壁の間隔（２５）及び仕切り壁の長さ（２６）は、１００μｍである。仕切り壁の流路幅方向の厚さ（２３）は約５μｍである。ガイド条の高さは５μｍである。微小流路は、７０ｍｍ×３８ｍｍ×１ｍｍ（厚さ）のパイレックス（登録商標）基板に一般的なフォトリソグラフィーとウエットエッチングにより形成し、２つの流体導入口と２つの流体排出口に相当する位置に、直径０．６ｍｍの貫通した***を機械的加工手段により設けた同サイズのパイレックス（登録商標）基板をカバー体として熱融着により接合することで微小流路を密閉した。

この微小流路構造体に水とシクロヘキサンをそれぞれ、１μＬ／分〜１００μＬ／分の間で等しい送液速度で送液した。なお、２０℃における水の粘性は１．００２［ｍＰａ・ｓ］、シクロヘキサンの粘性は０．９７９［ｍＰａ・ｓ］でありほぼ等しい。導入口Ａ（２８）から水を、導入口Ｂ（２９）からシクロヘキサンを上記条件で送液し、排出口Ｃ（３０）から排出された水の量と混入したシクロヘキサンの量を、排出口Ｄ（３１）から排出されたシクロヘキサンの量と混入した水の量を、それぞれ、メスシリンダーにて秤量して測定し、その結果を表１に示した。

表１は、等速条件下で、各送液速度における混入率を、水相への有機相の混入率（％）、有機相への水相の混入率（％）として示したものであり、流速は１，３，５，８，１０，２０，５０，１００μＬ／分である。

この結果から、少なくとも１〜１００μＬ／分の広い範囲において混入率１０％未満を実現した。
（実施例２）
実施例１で使用した微小流路構造体にシクロヘキサンを８μＬ／分の固定した送液速度で送液し、それに対して水を１μＬ／分〜５０μＬ／分の間で送液速度を変えて送液した。すなわち、シクロヘキサンに対する水の送液速度比が０．１２５（＝１［μＬ／分］／８［μＬ／分］）〜６．２５０（＝５０［μＬ／分］／８［μＬ／分］）の間で、導入口Ａから水を、導入口Ｂからシクロヘキサンを上記条件で送液し、排出口Ｃから排出された水の量と混入したシクロヘキサンの量を、排出口Ｄから排出されたシクロヘキサンの量と混入した水の量を、それぞれ、メスシリンダーにて秤量して測定し、その結果を表２に示した。

表２は、各送液速度比における混入率を、水相への有機相の混入率（％）、有機相への水相の混入率（％）として示したものであり、送液速度比は０．１２５、０．３７５、０．６２５、１．０００、１．２５０、２．５００、６．２５０である。

この結果から、送液速度比の範囲が少なくとも０．３７５〜２．５００の広い範囲において混入率１０％未満を実現した。
（比較例１）
図１０〜図１２に比較例に用いた微小流路構造体の概念図を示した。微小流路の形状は流体導入口側と流体排出口側がＹ字状に２本の微小流路に分岐しており、微小流路内には図９に示すように、微小流路の幅方向に対してほぼ中央に、微小流路の底部（１８）に流路深さ（１７）の約２０％程度以下のガイド条（１６）を形成した。製作した微小流路の幅（９）は１００μｍ、深さ（１７）は２０μｍ、長さ３０ｍｍである。ガイド条の高さは４μｍである。微小流路は、７０ｍｍ×３８ｍｍ×１ｍｍ（厚さ）のパイレックス（登録商標）基板に一般的なフォトリソグラフィーとウエットエッチングにより形成し、２つの流体導入口と２つの流体排出口に相当する位置に、直径０．６ｍｍの貫通した***を機械的加工手段により設けた同サイズのパイレックス（登録商標）基板をカバー体として熱融着により接合することで微小流路を密閉した。

この微小流路構造体に水とシクロヘキサンをそれぞれ、実施例１と同様にして１μＬ／分〜１００μＬ／分の間で等しい送液速度で送液した。導入口Ａ（２８）から水を、導入口Ｂ（２９）からシクロヘキサンを上記条件で送液し、排出口Ｃ（３０）から排出された水の量と混入したシクロヘキサンの量を、排出口Ｄ（３１）から排出されたシクロヘキサンの量と混入した水の量を、それぞれ、メスシリンダーにて秤量して測定し、測定結果を表１に示した。その結果、いずれの送液条件においても、混入率１０％未満を達成することができなかった。

また、この微小流路構造体に、実施例２と同様にして、シクロヘキサンを８μＬ／分の固定した送液速度で送液し、それに対して水を１μＬ／分〜５０μＬ／分の間で送液速度を変えて送液した。すなわち、シクロヘキサンに対する水の送液速度比が０．１２５（＝１［μＬ／分］／８［μＬ／分］）〜６．２５０（＝５０［μＬ／分］／８［μＬ／分］）の間で、導入口Ａ（２８）から水を、導入口Ｂ（２９）からシクロヘキサンを上記条件で送液し、排出口Ｃ（３０）から排出された水の量と混入したシクロヘキサンの量を、排出口Ｄ（３１）から排出されたシクロヘキサンの量と混入した水の量を、それぞれ、メスシリンダーにて秤量して測定し、測定結果を表２に示した。その結果、いずれの送液条件においても、混入率１０％未満を達成することができなかった。
（比較例２）
図１４〜図１６に比較例に用いた微小流路構造体の概念図を示した。微小流路の形状は流体導入口側と流体排出口側がＹ字状に２本の微小流路に分岐しており、微小流路内には図１３に示すように、微小流路の幅方向に対してほぼ中央に、微小流路の深さに等しい高さの流体進行方向に沿った不連続な仕切り壁（２２）を形成した。製作した微小流路の幅（９）は１００μｍ、深さ（１７）は２０μｍ、長さ３０ｍｍである。仕切り壁の間隔（２５）及び仕切り壁の長さ（２６）は、１００μｍである。仕切り壁の流路幅方向の厚さ（２３）は約５μｍである。微小流路は、７０ｍｍ×３８ｍｍ×１ｍｍ（厚さ）のパイレックス（登録商標）基板に一般的なフォトリソグラフィーとウエットエッチングにより形成し、２つの流体導入口と２つの流体排出口に相当する位置に、直径０．６ｍｍの貫通した***を機械的加工手段により設けた同サイズのパイレックス（登録商標）基板をカバー体として熱融着により接合することで微小流路を密閉した。

この微小流路構造体に水とシクロヘキサンをそれぞれ、実施例１と同様にして１μＬ／分〜１００μＬ／分の間で等しい送液速度で送液した。導入口Ａ（２８）から水を、導入口Ｂ（２９）からシクロヘキサンを上記条件で送液し、排出口Ｃ（３０）から排出された水の量と混入したシクロヘキサンの量を、排出口Ｄ（３１）から排出されたシクロヘキサンの量と混入した水の量を、それぞれ、メスシリンダーにて秤量して測定し、測定結果を表１に示した。この結果から、混入率１０％未満を達成する送液速度の範囲は、３〜５０μＬ／分の狭い範囲に限られた。

また、この微小流路構造体に、実施例２と同様にして、シクロヘキサンを８μＬ／分の固定した送液速度で送液し、それに対して水を１μＬ／分〜５０μＬ／分の間で送液速度を変えて送液した。すなわち、シクロヘキサンに対する水の送液速度比が０．１２５（＝１［μＬ／分］／８［μＬ／分］）〜６．２５０（＝５０［μＬ／分］／８［μＬ／分］）の間で、導入口Ａ（２８）から水を、導入口Ｂ（２９）からシクロヘキサンを上記条件で送液し、排出口Ｃ（３０）から排出された水の量と混入したシクロヘキサンの量を、排出口Ｄ（３１）から排出されたシクロヘキサンの量と混入した水の量を、それぞれ、メスシリンダーにて秤量して測定し、測定結果を表２に示した。その結果、混入率１０％未満を達成する送液速度比の範囲は、０．６２５〜１．２５０の狭い範囲に限られた。

Ｙ字状微小流路内における層流を示す概念図である。 ダブルＹ字状微小流路内における層流を示す概念図である。 層流界面の位置が変動する様子を示す概念図の一例である。 層流界面の位置が変動する様子を示す概念図の一例である。 層流界面の位置が変動する様子を示す概念図の一例である。 図５における微小流路のＡ−Ａ’断面図である。 ハーゲン・ポアズイユの式を説明するための概念図である。 ハーゲン・ポアズイユの式を説明するための概念図である。 比較例１に用いた微小流路構造体の概念図であり、図１０の微小流路の破線円部分の拡大図である。 比較例１に用いた微小流路構造体の概念図であり、微小流路の構成を示した図である。 図１０における微小流路のＢ−Ｂ’断面図である。 図１０における微小流路のＣ−Ｃ’断面図である。 比較例２に用いた微小流路構造体の概念図であり、図１４の微小流路の破線円部分の拡大図である。 比較例２に用いた微小流路構造体の概念図であり、微小流路の構成を示した図である。 図１４における微小流路のＤ−Ｄ’断面図である。 図１４における微小流路のＥ−Ｅ’断面図である。 実施例に用いた微小流路構造体の概念図であり、図１８の微小流路の破線円部分の拡大図である。 実施例に用いた微小流路構造体の概念図であり、微小流路の構成を示した図である。 図１８における微小流路のＦ−Ｆ’断面図である。 図１８における微小流路のＧ−Ｇ’断面図である。 仕切り壁の隙間から液滴の状態で混入する様子を示す概念図である。 本発明の態様の一例を示す概念図であり、ガイド条が層流界面を形成する箇所に形成された例を示す図である。 本発明の態様の一例を示す概念図であり、ガイド条が導入口及びそれらに連通する導入流路と微小流路、分岐部から排出口に連通する排出流路に至るまで連続して形成された例を示す図である。 本発明の態様の一例を示す概念図であり、３以上の層流を安定に形成させる場合の流路構造の例を示す図である。 本発明の態様の一例を示す概念図であって、３以上の層流を安定に形成させる場合の流路構造の例を示す図であり、ガイド条が導入口及びそれらに連通する導入流路と微小流路、分岐部から排出口に連通する排出流路に至るまで連続して形成された例を示す図である。

符号の説明

１：水相
２：有機相
３：層流界面
４：分岐部
５：線速度
６：直径
７：水平円管
８：円管端面
９：微小流路の幅
１０：流路長
１１：流体導入口
１２：流体排出口
１３：流体Ａ
１４：流体Ｂ
１５：流体の回り込み
１６：ガイド条
１７：流路深さ
１８：微小流路の底部
１９：微小流路
２０：流体境界
２１：流路幅
２２：仕切り壁
２３：仕切り壁の厚さ
２４：仕切り壁の高さ
２５：仕切り壁の間隔
２６：仕切り壁の長さ
２７：流体進行方向
２８：導入口Ａ
２９：導入口Ｂ
３０：排出口Ｃ
３１：排出口Ｄ
３２：基板
３３：流体幅
３４：カバー対
３５：***
３６：ガイド条の厚さ
３７：液滴

Claims (4)

1. 流体を導入する２以上の導入口及びそれらに連通する導入流路と、前記導入流路が合流する合流部と連通しかつ導入された流体を流す微小流路と、前記微小流路に連通しかつ導入される流体を分離する分岐部を有した２以上の排出流路及びそれらに連通する排出口と、を有した微小流路構造体であって、前記微小流路には、導入された２以上の流体により形成される層流界面の位置又はその近傍に前記微小流路の高さと実質的に等しい高さの不連続な仕切り壁が設けられているとともに、前記仕切り壁の両側の位置に連続した凸形状のガイド条が微小流路の底面に設けられている微小流路構造体。
2. ガイド条が、微小流路の側壁と仕切り壁との中心線の位置又はその近傍に設けられている請求項１記載の微小流路構造体。
3. ガイド条が、微小流路の側壁と仕切り壁との中心線の位置もしくはその近傍、及び、仕切り壁の間の中心線の位置もしくはその近傍に設けられている請求項１記載の微小流路構造体。
4. ガイド条が、導入口及びそれらに連通する導入流路から微小流路を経由して排出流路及び排出口まで連続して設けられている請求項１〜３のいずれかに記載の微小流路構造体。
   

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