JP4699779B2 - Microchip - Google Patents
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Description
本発明は、少なくとも一方の基板内に流路(マイクロチャネル)、反応容器及び/又はポートなどの微細構造(マイクロストラクチャー)が形成されている、いわゆるマイクロチップに関する。更に詳細には、本発明は、マイクロチャネル内で流体を混合・撹拌するためのマイクロミキサーを有するマイクロチップに関する。 The present invention relates to a so-called microchip in which a fine structure (microstructure) such as a flow path (microchannel), a reaction vessel and / or a port is formed in at least one substrate. More specifically, the present invention relates to a microchip having a micromixer for mixing and stirring fluid in a microchannel.
最近、マイクロスケール・トータル・アナリシス・システムズ(μTAS)又はラブ・オン・チップ(Lab-on-Chip)などの名称で知られるように、基板内に所定の形状の流路を構成するマイクロチャネル及びポートなどの微細構造を設け、該微細構造内で物質の化学反応、合成、精製、抽出、生成及び/又は分析など各種の操作を行うことが提案され、一部実用化されている。このような目的のために製作された、基板内にマイクロチャネル及びポートなどの微細構造を有する構造物は「マイクロ流体チップ」とか「マイクロ化学チップ」と呼ばれる。 Recently, as is known by the names such as Microscale Total Analysis Systems (μTAS) or Lab-on-Chip, a microchannel that forms a flow path of a predetermined shape in a substrate and Providing a fine structure such as a port and performing various operations such as chemical reaction, synthesis, purification, extraction, generation and / or analysis of substances within the fine structure has been proposed and partially put into practical use. A structure manufactured for such a purpose and having a microstructure such as a microchannel and a port in a substrate is called a “microfluidic chip” or a “microchemical chip”.
マイクロチップは遺伝子解析、臨床診断、薬物スクリーニング及び環境モニタリングなどの幅広い用途に使用できる。常用サイズの同種の装置に比べて、マイクロチップは(1)サンプル及び試薬の使用量が著しく少ない、(2)分析時間が短い、(3)感度が高い、(4)現場に携帯し、その場で分析できる、及び(5)使い捨てできるなどの利点を有する。 Microchips can be used for a wide range of applications such as genetic analysis, clinical diagnosis, drug screening and environmental monitoring. Compared with the same type of equipment of the common size, the microchip is (1) significantly less sample and reagent usage, (2) shorter analysis time, (3) higher sensitivity, (4) carried on-site, It can be analyzed in the field and (5) can be disposable.
一般的に、これらのマイクロチップは、一方の平面上にマイクロチャネル及びポートなどの微細構造を有する基板と、これらの微細構造を封止する目的の平面を有する対面基板とを貼り合わせた構造を有する。基板の材質は製造方法やマイクロチップの使用目的等により、各種のものが利用されているが、中でも、基板材料にシリコンゴムの一種であるポリジメチルシロキサン(PDMS)を用い、対面基板にガラス基板を用いた一連のマイクロチップが非特許文献1に詳述されている。 Generally, these microchips have a structure in which a substrate having a microstructure such as a microchannel and a port on one plane and a facing substrate having a target plane for sealing these microstructures are bonded together. Have. Various materials are used depending on the manufacturing method and the purpose of use of the microchip. Among them, polydimethylsiloxane (PDMS), which is a kind of silicon rubber, is used as a substrate material, and a glass substrate is used as a facing substrate. A series of microchips using is described in detail in Non-Patent Document 1.
マイクロチップのマイクロチャネルなどの微細構造内で発生させた流体の流れは、マイクロスケールにおけるレイノルズ数が非常に小さいために、乱流や剥離が発生せず層流となることが一般的である。従って、2種類の液体をそれぞれのマイクロチャネルから流して別のマイクロチャネル内で合流させる場合、2種類の液体間の混合は、それぞれの層流の間に形成される界面を通して行われる分子拡散のみに依存する。 The flow of fluid generated in a micro structure such as a microchannel of a microchip is generally a laminar flow without generating turbulence or separation because the Reynolds number on a microscale is very small. Therefore, when two kinds of liquids flow from each microchannel and merge in another microchannel, mixing between the two kinds of liquids is only molecular diffusion performed through an interface formed between the respective laminar flows. Depends on.
例えば、図13に示されるようなY字形状のマイクロチャネルを有するマイクロチップ100において、一方のマイクロチャネル102から液体Aを流し、他方のマイクロチャネル104から液体Bを流し、Y字形状で合流マイクロチャネル106に流し込む。合流マイクロチャネル106では液体A及びBによる層流が発生し、その境目に界面108が形成される。この界面108を通して2液は混合されるが、分子拡散はなかなか進行せず、十分に混合されるには長い距離の合流マイクロチャネル106が必要となり、μTASの概念に馴染まない。従って、マイクロチップにおいては、何らかの効果的なマイクロミキサーが必要となることが多々ある。 For example, in a microchip 100 having a Y-shaped microchannel as shown in FIG. 13, the liquid A flows from one microchannel 102 and the liquid B flows from the other microchannel 104, and the Y-shaped merged microchannel Pour into channel 106. In the confluence microchannel 106, a laminar flow is generated by the liquids A and B, and an interface 108 is formed at the boundary. Although the two liquids are mixed through this interface 108, the molecular diffusion does not proceed easily, and a long-distance confluence microchannel 106 is required for sufficient mixing, which is not familiar with the concept of μTAS. Therefore, a microchip often requires some effective micromixer.
マイクロチップにおいては、液体同士を混合する事例だけでなく、液体と粒径が1μm〜100μmの粉体を混合しなければならない事例も存在する。例えば、マイクロ化学チップにおいて必要とされる粉体には次のようなものがある。
(1)DNA等の抽出を目的とした細胞断片等
具体的には口内スワブ等で、溶解バッファーと混合・撹拌し、DNAを抽出する。
(2)DNA等を特異的に吸着するビーズ
主にDNA等を精製することを目的として使用されるビーズである。ビーズといっても必ずしも球形とは限らない。材質はガラスや合成樹脂などである。磁性を帯びさせるために、酸化鉄などの磁性体を含む場合もある。
(3)触媒作用のある粉体
各種の化学反応促進を目的とした金属粉などである。
(4)光を吸収する粉体
カーボン粉等で、マイクロチップの外部よりレーザ光等を照射し、光を吸収することで局部的な熱を発生させ、その熱で化学反応を促進させる。
(5)物理的な作用を発生させるための粉体
一例としては、磁性ビーズを用い、外部からの交番磁界によってそのビーズを振動させ、粉体の混合や化学反応を促進する。
(6)その他
流れを可視化するために、透明な液体中に視認性のある粉体を混入する。
In microchips, there are cases where not only liquids are mixed but also liquids and powders having a particle size of 1 μm to 100 μm must be mixed. For example, the following powders are required for a microchemical chip.
(1) Cell fragments for the purpose of extracting DNA, etc. Specifically, the DNA is extracted by mixing and stirring with a lysis buffer with an oral swab or the like.
(2) Beads that specifically adsorb DNA etc. These beads are mainly used for the purpose of purifying DNA etc. A bead is not necessarily spherical. The material is glass or synthetic resin. In order to be magnetized, a magnetic material such as iron oxide may be included.
(3) Catalytic powders These are metal powders for the purpose of promoting various chemical reactions.
(4) Powder that absorbs light Carbon powder or the like is irradiated with laser light or the like from the outside of the microchip and absorbs the light to generate local heat, which promotes the chemical reaction.
(5) Powder for generating physical action As an example, magnetic beads are used, and the beads are vibrated by an alternating magnetic field from the outside to promote powder mixing and chemical reaction.
(6) Others Visible powder is mixed in a transparent liquid to visualize the flow.
特に、粉体を含む流体を扱う場合は、流体同士を混合するだけでなく、次に示すように流体内で粉体を十分に撹拌させる必要がある。
(1)口内スワブを十分に溶解させる。
(2)DNAをビーズ表面に効率的に吸着させる。
(3)DNAが吸着されたビーズを洗浄バッファーを用いて余分な不純物を精度良く洗浄する。
(4)溶出バッファーを用いて、DNAが吸着されたビーズ表面よりDNAを有効的に溶出させる。
(5)触媒の作用、光の吸収(発熱)作用、物理的な作用などの粉体の効率を上げる。
(6)液体中の粉体の分布を均一化させる。
In particular, when handling a fluid containing powder, it is necessary not only to mix the fluids but also to sufficiently agitate the powder in the fluid as shown below.
(1) Dissolve the oral swab thoroughly.
(2) The DNA is efficiently adsorbed on the bead surface.
(3) Excess impurities are washed with high precision using beads with the DNA adsorbed beads.
(4) The elution buffer is used to effectively elute the DNA from the surface of the beads to which the DNA has been adsorbed.
(5) Increase the efficiency of the powder, such as catalyst action, light absorption (heat generation) action, and physical action.
(6) Uniform distribution of powder in the liquid.
マイクロチップの分野では、複数の流体をマイクロチャネル内で効率よく混合することを目的とした様々なマイクロミキサーが非特許文献2に記載されている。従来のマイクロミキサーはその原理から、次の2種類に大別される。
(1)流体の流れそのものを利用した受動的な「パッシブミキサー」
(2)流体以外の外力を利用した能動的な「アクティブミキサー」
In the field of microchips, Non-Patent Document 2 describes various micromixers for the purpose of efficiently mixing a plurality of fluids in a microchannel. Conventional micromixers are roughly classified into the following two types based on the principle.
(1) Passive "passive mixer" using the fluid flow itself
(2) Active "active mixer" using external force other than fluid
パッシブミキサーを構成するマイクロチャネル構造として、次のものなどが挙げられる。
(1)マイクロチャネルを部分的に狭くしたり広くしたりする。
(2)マイクロチャネルにピラー等の障害物を設ける。
(3)マイクロチャネルを屈曲させる。
(4)マイクロチャネルを分岐し、再合流させる(コアンダ効果)。
Examples of the microchannel structure constituting the passive mixer include the following.
(1) The microchannel is partially narrowed or widened.
(2) Provide obstacles such as pillars in the microchannel.
(3) Bend the microchannel.
(4) The microchannel is branched and rejoined (Coanda effect).
図14はコアンダ効果によるパッシブミキサーの一例の模式的構成図である。合流マイクロチャネル106に分岐チャネル110を設け、合流マイクロチャネル106の分岐点よりも下流側に折返部112を設けることによりコアンダ効果を実現させ、流れの一部を逆流させて2液の流れを乱すことにより混合して合流マイクロチャネル106内に再流入させる。 FIG. 14 is a schematic configuration diagram of an example of a passive mixer based on the Coanda effect. A branch channel 110 is provided in the merging microchannel 106, and a Coanda effect is realized by providing a folded portion 112 downstream of the branching point of the merging microchannel 106, thereby reversing part of the flow and disturbing the flow of the two liquids. To mix and reflow into the confluence microchannel 106.
しかし、パッシブミキサーは流れを阻害する複雑なマイクロチャネル構造を持っているために、次のような問題点が存在する。
(1)圧力損失が発生し、高い送液圧力を必要とする。
(2)流量を正確に制御し難い。
(3)空気溜まりが発生し易い。
(4)ゴミが詰まり易い。
(5)特に流体が粉体を含んでいる場合、複雑な流路構造が粉体の流れを阻害する。極端な場合には粉体が詰まり、流路を閉塞させてしまう。
However, since the passive mixer has a complicated microchannel structure that hinders the flow, the following problems exist.
(1) Pressure loss occurs and high liquid supply pressure is required.
(2) It is difficult to control the flow rate accurately.
(3) Air accumulation easily occurs.
(4) Easily clogged with garbage.
(5) In particular, when the fluid contains powder, the complicated flow path structure hinders the flow of the powder. In an extreme case, the powder is clogged and the channel is blocked.
図15はアクティブミキサーの一例の模式的構成図である。液体Aを流すマイクロチャネル102の途中にアクティブバルブ114を配設し、液体Bを流すマイクロチャネル104の途中にアクティブバルブ116を配設する。バルブ114及び116を交互に開閉することにより、合流マイクロチャネル106に液体AとBを交互に流し、2液間の界面118を増大させ、混合を促進するものである。 FIG. 15 is a schematic configuration diagram of an example of an active mixer. An active valve 114 is disposed in the middle of the microchannel 102 through which the liquid A flows, and an active valve 116 is disposed in the middle of the microchannel 104 through which the liquid B flows. By alternately opening and closing the valves 114 and 116, the liquids A and B are caused to flow alternately in the merged microchannel 106, and the interface 118 between the two liquids is increased to promote mixing.
一般的にパッシブミキサーでは混合能力が低く、十分な混合を行うには長い距離のマイクロチャネルを必要とする。一方、アクティブミキサーはパッシブミキサーに比べて混合能力が高く効果的である。また、パッシブミキサーは低い流量では混合の機能が発揮しないなど、流量や流速によって混合能力が大きく影響するが、アクティブミキサーは幅広い流量に対し混合が行える。 In general, a passive mixer has a low mixing capacity, and a long distance microchannel is required for sufficient mixing. On the other hand, the active mixer has a higher mixing ability and is effective compared to the passive mixer. In addition, the mixing ability is greatly influenced by the flow rate and flow velocity, such as the passive mixer does not perform the mixing function at a low flow rate. However, the active mixer can perform the mixing over a wide range of flow rates.
しかし、アクティブミキサーには次のような問題点が存在する。
(1)マイクロチャネル内に設けられたバルブ等が、上流からの一定の流れを阻害するばかりか、流れが断続的になる。
(2)バルブ等の構造によっては、空気溜まりの発生、ゴミの詰まり、粉体の流れの阻害を引き起こす。場合によっては、ゴミや粉体によりバルブ等の機能が損なわれ、ミキサーとして動作しなくなる。
However, the active mixer has the following problems.
(1) A valve or the like provided in the microchannel obstructs a constant flow from the upstream, and the flow becomes intermittent.
(2) Depending on the structure of the valve, etc., it may cause air accumulation, clogging of dust, and obstruction of powder flow. In some cases, the function of the valve or the like is impaired by dust or powder, and the mixer does not operate.
従って、本発明の目的は、(1)送液圧力の上昇が無く、(2)上流からの一定の流れを阻害せず、(3)流量を正確に制御し易く、(4)空気溜まりの発生が無く、(5)ゴミが詰まらず、(6)ゴミにより混合の機能を損なわず、(7)特に粉体を含んだ流体に効果的に利用でき、しかも、(8)液体同士の混合だけでなく、粉体を含んだ場合に攪拌の効果を合わせ持つマイクロミキサーを有するマイクロチップを提供することである。 Accordingly, the objects of the present invention are (1) no increase in liquid supply pressure, (2) no obstruction of a constant flow from the upstream, (3) easy control of the flow rate, and (4) air accumulation No generation, (5) no clogging of dust, (6) no loss of mixing function due to dust, (7) effective use especially for fluids containing powder, and (8) mixing of liquids In addition, the present invention provides a microchip having a micromixer having a stirring effect when powder is included.
前記課題を解決するための手段として請求項1に係る発明は、第1の基板と、該第1の基板の一方の面側に接着される第2の基板とからなり、前記第1の基板の第2の基板との接着面側に少なくとも1本のマイクロチャネルが形成されているマイクロチップにおいて、
前記マイクロチャネルが形成されている第1の基板がシリコーン樹脂から構成されており、
前記マイクロチャネルの途中にマイクロミキサーが配設されており、
前記マイクロミキサーは、
(1)該マイクロチャネルの前後の幅よりも大きな幅を有する容積拡大部と、
(2)前記容積拡大部の壁面の一部を変形及び復元させて該容積拡大部の容積を変化させることにより層流状態の2種類の流体の流れを乱して両流体を撹拌混合する少なくとも1個の手段とからなることを特徴とするマイクロチップである。
The invention according to claim 1 as means for solving the problem comprises a first substrate and a second substrate bonded to one surface side of the first substrate , and the first substrate. In the microchip in which at least one microchannel is formed on the adhesion surface side of the second substrate ,
The first substrate on which the microchannel is formed is made of silicone resin ,
A micromixer is disposed in the middle of the microchannel,
The micromixer is
(1) a volume expansion portion having a width larger than the width before and after the microchannel;
(2) By deforming and restoring a part of the wall surface of the volume expanding section to change the volume of the volume expanding section, the two types of fluids in a laminar flow state are disturbed to stir and mix both fluids. It is a microchip characterized by comprising one means.
前記課題を解決するための手段として請求項2に係る発明は、前記容積拡大部が前記マイクロチャネルの長手方向軸線に対して対称形に形成されており、前記対称形の容積拡大部の前記長手方向軸線に対する各半分の部分について、それらの壁面の一部を変形及び復元させて該半分部分の容積を変化させることにより層流状態の2種類の流体の流れを乱して両流体を撹拌混合する手段がそれぞれ配設され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である。 The invention according to claim 2 as means for solving the above-mentioned problems is that the volume expanding portion is formed symmetrically with respect to the longitudinal axis of the microchannel, and the longitudinal direction of the symmetrical volume expanding portion is For each half part with respect to the direction axis, by deforming and restoring part of the wall surface and changing the volume of the half part, the flow of the two types of fluid in the laminar flow state is disturbed, and both fluids are stirred and mixed 2. The microchip according to claim 1, wherein means for performing the operation are respectively provided.
前記課題を解決するための手段として請求項3に係る発明は、前記容積拡大部の壁面の一部を変形及び復元させて該容積拡大部の容積を変化させることにより層流状態の2種類の流体の流れを乱して両流体を撹拌混合する手段は、前記容積拡大部の壁面を隔壁とする圧力室であり、該圧力室には圧力印加手段が接続されており、該圧力印加手段を介して圧力室の圧力を変化させることにより容積拡大部の壁面の一部を変形及び復元させて該容積拡大部の容積を変化させることを特徴とする請求項1又は2記載のマイクロチップである。 As a means for solving the above-mentioned problem, the invention according to claim 3 includes two types of laminar flow states by changing a volume of the volume expanding portion by deforming and restoring a part of the wall surface of the volume expanding portion . Means for disturbing the flow of the fluid and stirring and mixing both fluids is a pressure chamber having the wall surface of the volume expanding portion as a partition wall, and a pressure applying means is connected to the pressure chamber. 3. The microchip according to claim 1, wherein the pressure of the pressure chamber is changed to deform and restore a part of the wall surface of the volume expanding portion to change the volume of the volume expanding portion. .
前記課題を解決するための手段として請求項4に係る発明は、第1の基板がポリジメチルシロキサンからなり、第2の基板がポリジメチルシロキサン、ガラス、シリコン、ポリスチレン、アクリル樹脂、ポリメチルメタクリレート及びポリカーボネートからなる群から選択される1種類の素材からなり、前記第1の基板の第2の基板との接着面側に少なくとも1本のマイクロチャネルが形成されており、該マイクロチャネルの途中に該マイクロチャネルの長手方向軸線に対して対称形の容積拡大部が形成されており、該マイクロチャネルの長手方向軸線に対して各半分の容積拡大部に対して、該各半分の容積拡大部の壁面を隔壁として圧力室が前記長手方向軸線に対して対称的にそれぞれ配設されていることを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載のマイクロチップである。 As a means for solving the above-mentioned problem, the invention according to claim 4 is characterized in that the first substrate is made of polydimethylsiloxane, and the second substrate is made of polydimethylsiloxane, glass, silicon, polystyrene, acrylic resin, polymethyl methacrylate, It consists of one kind of material selected from the group consisting of polycarbonate, and at least one microchannel is formed on the side of the first substrate to be bonded to the second substrate, and in the middle of the microchannel, the microchannel A symmetrical volume expansion portion is formed with respect to the longitudinal axis of the microchannel, and a wall surface of each half volume expansion portion with respect to each half volume expansion portion with respect to the longitudinal axis of the microchannel The pressure chambers are arranged symmetrically with respect to the longitudinal axis with the partition walls being used as partition walls. Is a microchip described.
前記課題を解決するための手段として請求項5に係る発明は、前記第1の基板の上面に第3の基板が更に接着されており、前記第1の基板が比較的薄い膜厚のポリジメチルシロキサンからなり、前記第3の基板が前記第1の基板の厚さよりも厚いポリジメチルシロキサン、ガラス、シリコン、ポリスチレン、アクリル樹脂、ポリメチルメタクリレート及びポリカーボネートからなる群から選択される1種類の素材からなり、前記第3の基板の前記第1の基板との接着面側に、前記容積拡大部及び圧力室の平面面積と同等又はこれよりも大きな平面面積を有し、かつ、所定の高さを有する大気と連通した大気圧室が更に配設されていることを特徴とする請求項1〜4に記載のマイクロチップである。 As a means for solving the above-mentioned problem, the invention according to claim 5 is characterized in that a third substrate is further bonded to the upper surface of the first substrate, and the first substrate is polydimethyl having a relatively thin film thickness. A single material selected from the group consisting of polydimethylsiloxane, glass, silicon, polystyrene, acrylic resin, polymethylmethacrylate, and polycarbonate, which is made of siloxane and in which the third substrate is thicker than the thickness of the first substrate. The third substrate has a plane area equal to or larger than the plane area of the volume expanding portion and the pressure chamber on the bonding surface side of the third substrate with the first substrate, and has a predetermined height. The microchip according to any one of claims 1 to 4, further comprising an atmospheric pressure chamber communicating with the atmosphere.
前記課題を解決するための手段として請求項6に係る発明は、第1の基板がポリジメチルシロキサンからなり、第2の基板がポリジメチルシロキサン又はガラスからなり、前記第1の基板の第2の基板との接着面側に少なくとも1本のマイクロチャネルが形成されており、該マイクロチャネルの途中に該マイクロチャネルの長手方向軸線に対して対称形の容積拡大部が形成されており、
前記第1の基板の上面に第3の基板が更に接着されており、前記第1の基板が比較的薄く、前記第3の基板が前記第1の基板の厚さよりも厚く、前記第3の基板の前記第1の基板との接着面側に、該マイクロチャネルの長手方向軸線に対して各半分の容積拡大部の上部壁面を隔壁として、各半分の容積拡大部の少なくとも一部に重なるように圧力室が少なくとも1個配設されていることを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載のマイクロチップである。
As a means for solving the above-mentioned problem, the invention according to claim 6 is characterized in that the first substrate is made of polydimethylsiloxane, the second substrate is made of polydimethylsiloxane or glass, and the second substrate of the first substrate is made. At least one microchannel is formed on the adhesion surface side with the substrate, and a volume expansion portion symmetrical to the longitudinal axis of the microchannel is formed in the middle of the microchannel,
A third substrate is further bonded to the upper surface of the first substrate, the first substrate is relatively thin, the third substrate is thicker than the first substrate, and the third substrate The upper wall surface of each half volume expansion portion with respect to the longitudinal axis of the microchannel is used as a partition wall on the bonding surface side of the substrate with the first substrate so as to overlap at least part of each half volume expansion portion. The microchip according to claim 1, wherein at least one pressure chamber is disposed in the microchip.
前記課題を解決するための手段として請求項7に係る発明は、各半分の容積拡大部に対してそれぞれ圧力室が配設されており、該圧力室には圧力印加手段が接続されており、該圧力印加手段を介して圧力室の圧力を変化させることにより容積拡大部の上部壁面の一部を変形及び復元させて該容積拡大部の容積を変化させることを特徴とする請求項6記載のマイクロチップである。 In the invention according to claim 7 as means for solving the above-mentioned problem, a pressure chamber is provided for each half volume expansion portion, and a pressure applying means is connected to the pressure chamber, 7. The volume of the volume expanding portion is changed by changing and restoring a part of the upper wall surface of the volume expanding portion by changing the pressure of the pressure chamber through the pressure applying means. It is a microchip.
本発明のマイクロチップでは、マイクロミキサー部分のマイクロチャネルが狭まったり、屈曲したり、障害物があったり、分岐・再合流することがなく、流体の流れを妨げない構造である。また、マイクロチャネル途中に配設される第1の可変容積部及び第2の可変容積部は相補的に容積変化させるので、合計の容積変化は生じない。よって、マイクロミキサー前後のマイクロチャネルに対し、余分な圧力変動の影響を及ぼさない。
その結果、(1)マイクロミキサーを設けたことによる送液圧力の上昇がない、
(2)上流からの一定の流れを阻害しない。すなわち、流量が均一で安定している、
(3)余分な圧力発生がない為、流量を正確に制御し易い、
(4)空気溜まりの発生がない、
(5)ゴミが詰まらない、
(6)ゴミにより混合の機能を損なわない、及び
(7)特に粉体を含んだ流体に効果的に利用できるなどの様々な効果が得られる。。
また、流れの無い留まった流体に対しても、本発明のマイクロミキサーによる攪拌の効果が得られる。
The microchip of the present invention has a structure in which the microchannel of the micromixer portion is not narrowed, bent, obstructed, branched or rejoined, and does not hinder the flow of fluid. Further, since the first variable volume part and the second variable volume part arranged in the middle of the microchannel are changed in volume complementarily, the total volume change does not occur. Therefore, there is no influence of excessive pressure fluctuation on the microchannels before and after the micromixer.
As a result, (1) there is no increase in liquid feeding pressure due to the provision of a micromixer,
(2) A constant flow from upstream is not obstructed. That is, the flow rate is uniform and stable,
(3) Since there is no excessive pressure generation, it is easy to control the flow rate accurately.
(4) There is no air pool,
(5) Garbage is not clogged.
Various effects such as (6) not impairing the mixing function by dust, and (7) being able to be effectively used especially for fluid containing powder are obtained. .
Moreover, the effect of stirring by the micromixer of the present invention can be obtained even for a fluid that remains without flow.
以下、図面を参照しながら本発明のマイクロチップについて具体的に説明する。図1は本発明のマイクロチップの一例の部分概要平面図である。図2は図1におけるII-II線に沿った部分概要断面図である。本発明のマイクロチップ1は従来のマイクロチップと同様に、第1の基板3と第2の基板(対面基板)5との組合せからなる。第1の基板3はPDMSなどのシリコーン樹脂からなり、第2の基板5はPDMS、ガラス、シリコン、ポリスチレン、アクリル樹脂、ポリメチルメタクリレート及びポリカーボネートからなる群から選択される1種類の素材などからなる。第1の基板3には液体又は粉体含有液体などを流すためのマイクロチャネル7が配設されている。マイクロチャネル7の途中にマイクロミキサー9が配設されている。マイクロミキサー9は、マイクロチャネル7を間に挟んで第1の圧力室11と第2の圧力室13を対向するように有する。第1の圧力室11の位置に対応して、マイクロチャネル7の幅を拡大させた第1の可変容積部15と、第2の圧力室13の位置に対応して、マイクロチャネル7の幅を拡大させた第2の可変容積部17が形成されている。第1の圧力室11と第1の可変容積部15とは、円弧形の第1の隔壁19により隔離されており、同様に、第2の圧力室13と第2の可変容積部17とは、円弧形の第2の隔壁21により隔離されている。第1の圧力室11には正圧又は負圧を印加するための圧力管路23が接続されており、同様に、第2の圧力室13には正圧又は負圧を印加するための圧力管路25が接続されている。圧力管路23及び25には、空気などの気体の他、オイルなどの液体を送入することができる。圧力室と可変容積部との間の隔壁の形状は図示された円弧状に限定されず、台形状など適宜の形状を採用することができる。マイクロチャネル及び可変容積部は第2の基板側に配設することもできる。本発明のマイクロミキサーでは、第1の可変容積部15と第2の可変容積部17を合わせて容積拡大部と呼ぶが、何れか一方だけでも容積拡大部と呼ぶことができる。従って、本発明のマイクロミキサーでは、第1の可変容積部15又は第2の可変容積部17の何れか一方のみからなる容積拡大部を有することもできる。 The microchip of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a partial schematic plan view of an example of the microchip of the present invention. FIG. 2 is a partial schematic cross-sectional view taken along line II-II in FIG. The microchip 1 of the present invention comprises a combination of a first substrate 3 and a second substrate (face-to-face substrate) 5 as in the conventional microchip. The first substrate 3 is made of a silicone resin such as PDMS, and the second substrate 5 is made of one kind of material selected from the group consisting of PDMS, glass, silicon, polystyrene, acrylic resin, polymethyl methacrylate, and polycarbonate. . The first substrate 3 is provided with a microchannel 7 for flowing a liquid or a powder-containing liquid. A micromixer 9 is disposed in the middle of the microchannel 7. The micromixer 9 has a first pressure chamber 11 and a second pressure chamber 13 facing each other with the microchannel 7 interposed therebetween. Corresponding to the position of the first pressure chamber 11, the first variable volume portion 15 in which the width of the microchannel 7 is enlarged and the width of the microchannel 7 corresponding to the position of the second pressure chamber 13. An enlarged second variable volume portion 17 is formed. The first pressure chamber 11 and the first variable volume portion 15 are separated from each other by an arc-shaped first partition wall 19. Similarly, the second pressure chamber 13, the second variable volume portion 17, Are separated by an arc-shaped second partition wall 21. A pressure line 23 for applying a positive pressure or a negative pressure is connected to the first pressure chamber 11, and similarly, a pressure for applying a positive pressure or a negative pressure to the second pressure chamber 13. A pipeline 25 is connected. In addition to a gas such as air, a liquid such as oil can be fed into the pressure lines 23 and 25. The shape of the partition wall between the pressure chamber and the variable volume portion is not limited to the illustrated arc shape, and an appropriate shape such as a trapezoidal shape can be adopted. The microchannel and the variable volume portion may be disposed on the second substrate side. In the micromixer of the present invention, the first variable volume section 15 and the second variable volume section 17 are collectively referred to as a volume expansion section, but any one of them can be referred to as a volume expansion section. Therefore, the micromixer of the present invention can also have a volume expanding section composed of only one of the first variable volume section 15 and the second variable volume section 17.
第1の可変容積部15及び第2の可変容積部17はそれぞれ円弧形のなだらかな形状を有するようにマイクロチャネル7の一部を拡幅することにより形成されている。これにより、可変容積部とその近傍のマイクロチャネルを流れる流体は、その流れを大きく妨げられず、スムーズに流れることができる。また、マイクロチャネル自体を塞ぐものが存在しないので、ゴミなどが詰まりにくく、気泡が発生したり、留まることがない。特に、粉体を含む流体は障害なく流れることができる。 The first variable volume portion 15 and the second variable volume portion 17 are each formed by widening a part of the microchannel 7 so as to have an arcuate shape. Thereby, the fluid flowing through the variable volume portion and the microchannel in the vicinity thereof can flow smoothly without being largely hindered by the flow. In addition, since there is nothing that blocks the microchannel itself, dust and the like are not easily clogged, and bubbles are not generated or stayed. In particular, a fluid containing powder can flow without obstacles.
図3は本発明のマイクロミキサー9の動作を説明する模式的部分断面図である。図3(A)において、マイクロチャネル7の流路内圧力を基準として、この圧力よりも高い圧力を第1の圧力室11及び第2の圧力室13に印加すると、第1の基板3が弾性体のPDMSから形成されているため、第1の圧力室11及び第2の圧力室13は主にマイクロチップの上部方向に拡大変形する。これに伴い、薄く変形し易いように構成された第1の隔壁19及び第2の隔壁21も上部方向に引き伸ばされ、圧力室の拡大変形は隣接する第1の可変容積部15及び第2の可変容積部17にまで影響し、その各容積を増大させる結果となる。これに対して、図3(B)において、マイクロチャネル7の流路内圧力を基準として、この圧力よりも低い圧力を第1の圧力室11及び第2の圧力室17に印加すると、第1の圧力室11及び第2の圧力室13は主にマイクロチップの下部方向に縮小変形する。これに伴い、薄く変形し易いように構成された第1の隔壁19及び第2の隔壁21も下部方向に圧縮され、圧力室の縮小変形は隣接する第1の可変容積部15及び第2の可変容積部17にまで影響し、その各容積を減少させる結果となる。 FIG. 3 is a schematic partial sectional view for explaining the operation of the micromixer 9 of the present invention. In FIG. 3A, when a pressure higher than this pressure is applied to the first pressure chamber 11 and the second pressure chamber 13 with reference to the pressure in the flow path of the microchannel 7, the first substrate 3 is elastic. Since it is formed from the body PDMS, the first pressure chamber 11 and the second pressure chamber 13 are enlarged and deformed mainly in the upper direction of the microchip. Along with this, the first partition wall 19 and the second partition wall 21 configured to be thin and easily deformed are also extended upward, and the expansion deformation of the pressure chamber is caused by the adjacent first variable volume portion 15 and the second partition wall. This affects the variable volume portion 17 and increases the respective volumes. On the other hand, in FIG. 3B, when a pressure lower than this pressure is applied to the first pressure chamber 11 and the second pressure chamber 17 with reference to the pressure in the flow path of the microchannel 7, the first pressure chamber 11 The pressure chamber 11 and the second pressure chamber 13 are reduced and deformed mainly in the lower direction of the microchip. Accordingly, the first partition wall 19 and the second partition wall 21 configured to be thin and easily deformed are also compressed in the lower direction, and the contraction deformation of the pressure chamber is caused by the adjacent first variable volume portion 15 and the second partition wall. The variable volume portion 17 is affected and the respective volumes are reduced.
各圧力室には両方同時に正圧又は負圧を印加する必要はない。従って、第1の圧力室11に正圧を印加している時、第2の圧力室13は、等圧状態、正圧状態又は負圧状態の何れかであることができる。同様に、第2の圧力室13に正圧を印加している時、第1の圧力室11は、等圧状態、正圧状態又は負圧状態の何れかであることができる。このように、圧力室に正圧及び/又は負圧を印加することにより、可変容積部の容積を変化させることができ、この可変容積部の容積変化により層流状態の2種類の流体の流れを乱して両流体を混合することができる。可変容積部の容積の変化量は、その可変容積部の位置のマイクロチャネルの容積の略半分になるように、可変容積部の形状や操作圧力を適宜選択することが好ましい。 It is not necessary to apply a positive pressure or a negative pressure to each pressure chamber at the same time. Therefore, when a positive pressure is applied to the first pressure chamber 11, the second pressure chamber 13 can be in an equal pressure state, a positive pressure state, or a negative pressure state. Similarly, when a positive pressure is applied to the second pressure chamber 13, the first pressure chamber 11 can be in an equal pressure state, a positive pressure state, or a negative pressure state. Thus, by applying a positive pressure and / or a negative pressure to the pressure chamber, the volume of the variable volume portion can be changed, and the flow of two types of fluids in a laminar flow state can be changed by the volume change of the variable volume portion. It is possible to mix both fluids with disturbance. It is preferable to appropriately select the shape and operating pressure of the variable volume portion so that the amount of change in the volume of the variable volume portion is approximately half the volume of the microchannel at the position of the variable volume portion.
図4は本発明のマイクロチップの別の例の部分概要平面図である。図5は図4におけるV-V線に沿った部分概要断面図である。図1及び図2に示されたマイクロチップ1と異なり、図4及び図5にに示されたマイクロチップ1Aでは、第1の基板3の上面に第3の基板27が接着されており、この第3の基板の接着面側に、第1の基板3内の可変容積部15,17及び圧力室11,13の全体を覆う面積を有する大気圧室29が配設されている。大気圧室29は必要に応じて、大気と連通する管路31を有する。圧力室11,13と大気圧室29との間は、第1の基板3のPDMS弾性体による薄膜33により隔離されている。薄膜33の厚さは例えば、約100μm程度である。 FIG. 4 is a partial schematic plan view of another example of the microchip of the present invention. FIG. 5 is a partial schematic cross-sectional view taken along line VV in FIG. Unlike the microchip 1 shown in FIGS. 1 and 2, in the microchip 1 </ b> A shown in FIGS. 4 and 5, a third substrate 27 is bonded to the upper surface of the first substrate 3. An atmospheric pressure chamber 29 having an area covering the entire variable volume portions 15 and 17 and the pressure chambers 11 and 13 in the first substrate 3 is disposed on the bonding surface side of the third substrate. The atmospheric pressure chamber 29 has a pipe line 31 communicating with the atmosphere as necessary. The pressure chambers 11 and 13 are separated from the atmospheric pressure chamber 29 by a thin film 33 made of a PDMS elastic body of the first substrate 3. The thickness of the thin film 33 is about 100 μm, for example.
第1の基板3と第2の基板(対面基板)5のみで構成されている場合、第1の基板3の厚さは1mm〜数mm程度であり、マイクロチップの基板としては比較的厚いので、PDMSなどのゴム弾性を有する素材であっても圧力室11,13、隔壁19,21及び可変容積部15,17は必ずしも十分に変形可能であるとは限らない。そのため、圧力室11,13、隔壁19,21及び可変容積部15,17の変形を容易化するために、第1の基板3の上面に第3の基板27を接着し、この第3の基板27の接着面側、すなわち圧力室11,13の上部に大気圧室29を配設する。 When the first substrate 3 and the second substrate (face-to-face substrate) 5 are used alone, the thickness of the first substrate 3 is about 1 mm to several mm, and is relatively thick as a microchip substrate. Even if the material has rubber elasticity such as PDMS, the pressure chambers 11 and 13, the partition walls 19 and 21, and the variable volume portions 15 and 17 are not necessarily deformable enough. Therefore, in order to facilitate the deformation of the pressure chambers 11 and 13, the partition walls 19 and 21, and the variable volume portions 15 and 17, a third substrate 27 is bonded to the upper surface of the first substrate 3, and this third substrate An atmospheric pressure chamber 29 is provided on the bonding surface side of 27, that is, on the pressure chambers 11 and 13.
図6(A)は図4及び図5に示されるマイクロミキサー9Aにおいて大気圧室29を配設した場合の効果を説明する模式的部分断面図である。図6(イ)に示されるように、圧力室11又は13が大気圧と等圧状態では、薄膜33は変形しない。(ロ)に示されるように、圧力室11又は13を負圧状態にしたとき、薄膜33が圧力室側に撓み、圧力室は容積が減少する方向に容易に変形する。この圧力室の容積減少に伴い、可変容積部15又は17は図3(B)に示されるように変形する。一方、(ハ)に示されるように、圧力室11又は13を正圧状態にしたとき、薄膜33が大気圧室側に撓み、圧力室は容積が増大する方向に容易に変形する。この圧力室の容積増大に伴い、可変容積部15又は17は図3(A)に示されるように変形する。 FIG. 6A is a schematic partial cross-sectional view for explaining the effect when the atmospheric pressure chamber 29 is provided in the micromixer 9A shown in FIGS. As shown in FIG. 6A, when the pressure chamber 11 or 13 is at the same pressure as the atmospheric pressure, the thin film 33 is not deformed. As shown in (b), when the pressure chamber 11 or 13 is brought into a negative pressure state, the thin film 33 is bent toward the pressure chamber, and the pressure chamber is easily deformed in a direction in which the volume decreases. As the volume of the pressure chamber decreases, the variable volume portion 15 or 17 is deformed as shown in FIG. On the other hand, as shown in (c), when the pressure chamber 11 or 13 is brought into a positive pressure state, the thin film 33 is bent toward the atmospheric pressure chamber, and the pressure chamber is easily deformed in the direction of increasing the volume. As the volume of the pressure chamber increases, the variable volume portion 15 or 17 is deformed as shown in FIG.
圧力室の変形を容易にするだけなら、大気圧室の上方を全てオープンにすれば良いが、有限な高さを持つ大気圧室を設けるのは次の効果がある為である。図6(ハ)に示されるように、圧力室11,13を正圧にした時、薄膜33は大気圧室29の高さ分だけ変形すると、そこで変形は抑えられ、ストッパとして作用する。よって、圧力室11,13に高い正圧を印加した場合に、薄膜33が破損するのを防止する効果がある。 If only the deformation of the pressure chamber is to be facilitated, all the upper part of the atmospheric pressure chamber may be opened, but the provision of the atmospheric pressure chamber having a finite height is because of the following effects. As shown in FIG. 6C, when the pressure chambers 11 and 13 are set to a positive pressure, if the thin film 33 is deformed by the height of the atmospheric pressure chamber 29, the deformation is suppressed and acts as a stopper. Therefore, there is an effect of preventing the thin film 33 from being damaged when a high positive pressure is applied to the pressure chambers 11 and 13.
図6(B)は図4及び図5に示されるマイクロミキサー9Aにおいて大気圧室29を配設した場合の効果を実証する拡大平面写真図である。図6(i)は、Y字形のマイクロチャネルから流れてきた2種類の液体が合流マイクロチャネルから本発明のマイクロミキサーの容積拡大部に入ったところで、第1の圧力室11を正圧にし、第2の圧力室13を負圧にした状態の写真であり、図6(ii)は、第1の圧力室11を負圧にし、第2の圧力室13を正圧にした状態の写真である。圧力室が拡大しているときは圧力室内部がクリアーに見え、圧力室が縮小しているときは圧力室内部がグレーにくすんで見える。液体は圧力室が縮小された可変容積部方向から圧力室が拡大された可変容積部方向に向かって(すなわち、写真における実矢線方向に)押しやられる。このようにマイクロミキサーの容積拡大部において両液が混合され、層流界面の無い均一な単一液体となってマイクロチャネル下流側に流れていくことが実証された。 FIG. 6B is an enlarged plan photographic view demonstrating the effect when the atmospheric pressure chamber 29 is provided in the micromixer 9A shown in FIGS. FIG. 6 (i) shows that when the two types of liquids flowing from the Y-shaped microchannel enter the volume expansion portion of the micromixer of the present invention from the merged microchannel, the first pressure chamber 11 is set to a positive pressure, FIG. 6 (ii) is a photograph of a state in which the second pressure chamber 13 is set to a negative pressure, and FIG. 6 (ii) is a photograph of a state in which the first pressure chamber 11 is set to a negative pressure and the second pressure chamber 13 is set to a positive pressure. is there. When the pressure chamber is expanding, the inside of the pressure chamber appears clear, and when the pressure chamber is contracted, the inside of the pressure chamber appears dull in gray. The liquid is pushed from the variable volume part direction in which the pressure chamber is reduced toward the variable volume part direction in which the pressure chamber is enlarged (that is, in the direction of the solid arrow in the photograph). Thus, it was demonstrated that both liquids were mixed in the volume expansion part of the micromixer and flowed downstream of the microchannel as a uniform single liquid without a laminar interface.
図7は本発明のマイクロチップの他の例の部分概要平面図であり、図8は図7におけるVIII-VIII線に沿った部分概要断面図である。図7及び図8に示されたマイクロチップ1Bは、第2の基板(対面基板)5の上面に接着された第1の基板3と、第1の基板3の上面に接着された第3の基板27からなる3層構造を有する。第1の基板3の下面側にはマイクロチャネル7が配設されており、また、マイクロチャネル7の適当な箇所に、マイクロチャネル7を拡幅した形状の、第1の可変容積部15Bと第2の可変容積部17Bが配設されている。第3の基板27の下面側であって、前記第1の可変容積部15Bと第2の可変容積部17Bに対応する位置に、第1の圧力室11Bと第2の圧力室13Bが配設されている。第1の圧力室11Bには正圧又は負圧を印加するための圧力管路23Bが接続されており、同様に、第2の圧力室13Bには正圧又は負圧を印加するための圧力管路25Bが接続されている。圧力管路23B及び25Bには、空気などの気体の他、オイルなどの液体を送入することができる。第1の基板3の第1の可変容積部15B及び第2の可変容積部17Bに対応する位置は薄膜33Bにより第1の圧力室11B及び第2の圧力室13Bと隔離されている。 FIG. 7 is a partial schematic plan view of another example of the microchip of the present invention, and FIG. 8 is a partial schematic sectional view taken along line VIII-VIII in FIG. The microchip 1B shown in FIG. 7 and FIG. 8 includes a first substrate 3 bonded to the upper surface of the second substrate (facing substrate) 5 and a third substrate bonded to the upper surface of the first substrate 3. It has a three-layer structure consisting of a substrate 27. The microchannel 7 is disposed on the lower surface side of the first substrate 3, and the first variable volume portion 15 </ b> B and the second variable volume portion 15 </ b> B having a shape in which the microchannel 7 is widened at an appropriate position of the microchannel 7. The variable volume portion 17B is disposed. The first pressure chamber 11B and the second pressure chamber 13B are disposed on the lower surface side of the third substrate 27 at positions corresponding to the first variable volume portion 15B and the second variable volume portion 17B. Has been. A pressure line 23B for applying a positive pressure or a negative pressure is connected to the first pressure chamber 11B, and similarly, a pressure for applying a positive pressure or a negative pressure to the second pressure chamber 13B. Pipe line 25B is connected. In addition to a gas such as air, a liquid such as oil can be fed into the pressure lines 23B and 25B. The positions of the first substrate 3 corresponding to the first variable volume portion 15B and the second variable volume portion 17B are separated from the first pressure chamber 11B and the second pressure chamber 13B by the thin film 33B.
図9は、図7及び図8に示されるマイクロチップ1Bにおけるマイクロミキサー9Bの動作を説明する模式的部分概要断面図である。図9(A)に示されるように、例えば、第1の圧力室11Bを、マイクロチャネル7の圧力に対して正圧にすると、第1の圧力室11B下部の薄膜33Bが下方に向かって押し下げられ、第1の可変容積部15Bの容積は減少する。一方、図9(B)に示されるように、例えば、第1の圧力室11Bを、マイクロチャネル7の圧力に対して負圧にすると、第1の圧力室11B下部の薄膜33Bが上方に向かって引き上げられ、第1の可変容積部15Bの容積は増大する。第2の圧力室13Bも同様に動作することができる。前記と同様に、第1の圧力室11Bに正圧を印加している時、第2の圧力室13Bは、等圧状態、正圧状態又は負圧状態の何れかであることができ、第2の圧力室13Bに正圧を印加している時、第1の圧力室11Bは、等圧状態、正圧状態又は負圧状態の何れかであることができる。このように、圧力室に正圧及び/又は負圧を印加することにより、可変容積部の容積を変化させることができ、この可変容積部の容積変化により層流状態の2種類の流体の流れを乱して両流体を混合することができる。可変容積部の容量の変化量は、その可変容積部の位置のマイクロチャネルの容積の略半分になるように、可変容積部や圧力室の形状や操作圧力を適宜選択することが好ましい。 FIG. 9 is a schematic partial schematic cross-sectional view for explaining the operation of the micromixer 9B in the microchip 1B shown in FIGS. As shown in FIG. 9A, for example, when the first pressure chamber 11B is set to a positive pressure with respect to the pressure of the microchannel 7, the thin film 33B below the first pressure chamber 11B is pushed downward. Thus, the volume of the first variable volume portion 15B decreases. On the other hand, as shown in FIG. 9B, for example, when the first pressure chamber 11B is set to a negative pressure relative to the pressure of the microchannel 7, the thin film 33B below the first pressure chamber 11B is directed upward. Thus, the volume of the first variable volume portion 15B increases. The second pressure chamber 13B can operate similarly. Similarly to the above, when a positive pressure is applied to the first pressure chamber 11B, the second pressure chamber 13B can be in one of a constant pressure state, a positive pressure state, or a negative pressure state. When a positive pressure is applied to the second pressure chamber 13B, the first pressure chamber 11B can be in an equal pressure state, a positive pressure state, or a negative pressure state. Thus, by applying a positive pressure and / or a negative pressure to the pressure chamber, the volume of the variable volume portion can be changed, and the flow of two types of fluids in a laminar flow state can be changed by the volume change of the variable volume portion. It is possible to mix both fluids with disturbance. It is preferable to appropriately select the shape of the variable volume section and the pressure chamber and the operation pressure so that the amount of change in the capacity of the variable volume section is approximately half the volume of the microchannel at the position of the variable volume section.
図10は図7及び図8に示されるマイクロチップ1Bにおけるマイクロミキサー9Bの動作により形成される2種類の流体の流れの状態を説明する部分模式図である。第1の圧力室11B及び第2の圧力室13Bを相補的に交互動作させ、第1の可変容積部15B及び第2の可変容積部17Bの容積を相補的に交互変化させる。すなわち、第1の可変容積部15Bの容積を増加させた時は第2の可変容積部17Bの容積を減少させ、第1の可変容積部15Bの容積を減少させた時は第2の可変容積部17Bの容積をBを増加させる。これにより、マイクロミキサー9Bより下流側において液体A、Bの界面は蛇行する。更に、交互動作の周期を、液体がマイクロミキサー9Bの前を通過する時間の約2倍にする。このことと、容積変化量がマイクロミキサー9Bの前のマイクロチャネル7の容積の略半分であることにより、マイクロミキサー9B下流側の液体A、Bは図10に示されるようにほぼ交互の流れになる。
図10は流れが発生している場合の混合動作であったが、流れが無い場合でも、第1の可変容積部15B及び第2の可変容積部17Bの容積を変化させることで、攪拌の効果が得られる。その場合、第1の圧力室11B及び第2の圧力室13Bは必ずしも交互動作である必要はない。
FIG. 10 is a partial schematic view for explaining the flow states of two types of fluids formed by the operation of the micromixer 9B in the microchip 1B shown in FIGS. The first pressure chamber 11B and the second pressure chamber 13B are alternately and alternately operated, and the volumes of the first variable volume portion 15B and the second variable volume portion 17B are alternately and alternately changed. That is, when the volume of the first variable volume portion 15B is increased, the volume of the second variable volume portion 17B is decreased, and when the volume of the first variable volume portion 15B is decreased, the second variable volume portion 15B is decreased. The volume of the part 17B is increased by B. Thereby, the interfaces of the liquids A and B meander on the downstream side of the micromixer 9B. Furthermore, the period of the alternating operation is set to about twice the time for the liquid to pass in front of the micromixer 9B. Because of this and the volume change amount is approximately half of the volume of the microchannel 7 in front of the micromixer 9B, the liquids A and B on the downstream side of the micromixer 9B flow almost alternately as shown in FIG. Become.
FIG. 10 shows the mixing operation in the case where a flow is generated, but the effect of stirring can be achieved by changing the volumes of the first variable volume portion 15B and the second variable volume portion 17B even when there is no flow. Is obtained. In that case, the first pressure chamber 11B and the second pressure chamber 13B do not necessarily need to be operated alternately.
以上、本発明のマイクロミキサーの好ましい実施態様について説明してきたが、本発明のマイクロミキサーは図示された実施態様に限定されない。例えば、図示されたマイクロミキサーはマイクロチャネルの途中に対称的に配置された可変容積部に対して対向するように2個の圧力室を設けているが、圧力室は1個でもよい。また、可変容積部は1個だけでもよく、必ずしも対称形である必要はない。 The preferred embodiments of the micromixer of the present invention have been described above, but the micromixer of the present invention is not limited to the illustrated embodiment. For example, although the illustrated micromixer is provided with two pressure chambers so as to be opposed to the variable volume portion disposed symmetrically in the middle of the microchannel, the number of pressure chambers may be one. Further, only one variable volume portion may be provided, and it is not always necessary to have a symmetrical shape.
図7及び図8に示されるマイクロミキサー9Bを有するマイクロチップ1Bを製造した。第1の基板3として厚さ200μmのPDMS基板を使用した。第2の基板5として厚さ1mmのガラス基板を使用した。第3の基板27として厚さ2mmのPDMS基板を使用した。Y字形マイクロチャネルの合流点から1mm下流側に容積拡大部及びマイクロミキサーを配設した。各可変容積部の非加圧時の容積は約6nLであった。(従って、容積拡大部の全体容積は約12nLである。)各圧力室は直径0.5mmの円柱状であり、非加圧時の高さは55μmで容積は約11nLであった。使用圧力は正圧100KPa(キロパスカル)、負圧−70KPaであった。圧力操作方法は、各圧力室に正圧と負圧を交互に印加した。従って、第1の圧力室と第2の圧力室は常に反対の圧力を印加した。
このマイクロチップ1Bのマイクロチャネル7に2種類の液体(赤インクと水)を流してマイクロミキサー9Bの実証試験を行った。実験条件は、合流前のY字形マイクロチャネルの幅は100μmで高さは55μmであり、合流後のマイクロチャネル7の幅は200μmで高さは55μmであった。流量は0.5μL/分(各液0.25μL/分づつ)で、流速は0.76mm/秒(計算値)であった。マイクロミキサー9Bの動作周期は0.4秒(正負それぞれ0.2秒毎)であり、0.4秒での流体の移動距離は0.3mmとした。
マイクロミキサー9Bを停止させた時と動作させた時の、マイクロミキサー9Bの下流側1mm程度に於ける流体の状況を顕微鏡で確認した。図11(A)に示すように、マイクロミキサー9Bを停止させた場合は、2液の層流の界面が明確に観察されたが、図11(B)に示すように、マイクロミキサー9Bを動作させた場合、界面は不明確になり、十分に2液が混合されていることが確認された。
また、マイクロミキサー9Bの上流側では、マイクロミキサー9Bを動作させた場合でも、2液による層流の界面は乱れることなく、マイクロミキサー9Bにより流れを乱すことが無いことが確認された。
A microchip 1B having the micromixer 9B shown in FIGS. 7 and 8 was manufactured. A PDMS substrate having a thickness of 200 μm was used as the first substrate 3. A glass substrate having a thickness of 1 mm was used as the second substrate 5. A PDMS substrate having a thickness of 2 mm was used as the third substrate 27. A volume expansion part and a micromixer were disposed 1 mm downstream from the confluence of the Y-shaped microchannel. The volume at the time of non-pressurization of each variable volume part was about 6 nL. (Thus, the total volume of the volume expansion portion is about 12 nL.) Each pressure chamber was a columnar shape with a diameter of 0.5 mm, the height when not pressurized was 55 μm, and the volume was about 11 nL. The working pressure was a positive pressure of 100 KPa (kilopascal) and a negative pressure of -70 KPa. In the pressure operation method, positive pressure and negative pressure were alternately applied to each pressure chamber. Therefore, the opposite pressure was always applied to the first pressure chamber and the second pressure chamber.
Two types of liquids (red ink and water) were allowed to flow through the microchannel 7 of the microchip 1B, and a demonstration test of the micromixer 9B was performed. The experimental conditions were that the width of the Y-shaped microchannel before joining was 100 μm and the height was 55 μm, and the width of the microchannel 7 after joining was 200 μm and the height was 55 μm. The flow rate was 0.5 μL / min (each solution was 0.25 μL / min), and the flow rate was 0.76 mm / sec (calculated value). The operation period of the micromixer 9B was 0.4 seconds (positive and negative every 0.2 seconds), and the moving distance of the fluid in 0.4 seconds was 0.3 mm.
When the micromixer 9B was stopped and operated, the state of the fluid at about 1 mm downstream of the micromixer 9B was confirmed with a microscope. As shown in FIG. 11 (A), when the micromixer 9B was stopped, a laminar flow interface between the two liquids was clearly observed, but the micromixer 9B was operated as shown in FIG. 11 (B). In this case, the interface became unclear and it was confirmed that the two liquids were sufficiently mixed.
Further, on the upstream side of the micromixer 9B, it was confirmed that even when the micromixer 9B was operated, the interface of the laminar flow by the two liquids was not disturbed and the flow was not disturbed by the micromixer 9B.
前記実施例1と同じマイクロミキサー9Bを有するマイクロチップ1Bを製造した。使用圧力は正圧70KPa(キロパスカル)、負圧−70KPaであった。これ以外の実験条件及び圧力操作方法は前記実施例1と同じ条件を使用した。流体Aとしては、DNAを特異的に吸着する機能を有する粒径数μmの樹脂粉体(シリカビーズ)をエタノールに混合した懸濁液を使用し、流体Bとしては、DNAやその他の不純物を含んだ溶液(媒体の主体は蒸留水とエタノールである)を使用した。これはDNA精製工程の一部として、流体B中のDNAを流体A中のシリカビーズに吸着させる操作である。
図12は、流体A及びBをY字形マイクロチャネルで合流させた1mm後にマイクロミキサーを設け、2液を混合している状態を示す静止画像の写真図である。マイクロミキサーの上流側では液体A及びBが層流になって分かれているが、マイクロミキサーの下流側では2液が混合され、樹脂粉体もほぼ均一にマイクロチャネル中に分布していることが確認された。
A microchip 1B having the same micromixer 9B as in Example 1 was manufactured. The working pressure was a positive pressure of 70 KPa (kilopascal) and a negative pressure of -70 KPa. Other experimental conditions and pressure operating methods were the same as those in Example 1. As fluid A, a suspension in which resin powder (silica beads) having a particle size of several μm having a function of specifically adsorbing DNA is mixed with ethanol is used, and as fluid B, DNA and other impurities are used. The contained solution (mainly medium is distilled water and ethanol) was used. This is an operation for adsorbing DNA in fluid B onto silica beads in fluid A as part of the DNA purification process.
FIG. 12 is a photograph of a still image showing a state in which a micromixer is provided 1 mm after the fluids A and B are merged by a Y-shaped microchannel and two liquids are mixed. Liquids A and B are separated in a laminar flow on the upstream side of the micromixer, but the two liquids are mixed on the downstream side of the micromixer, and the resin powder is distributed almost uniformly in the microchannel. confirmed.
以上、本発明のマイクロミキサーの好ましい実施態様について具体的に説明してきたが、本発明は開示された実施態様にのみ限定されず、様々な改変を行うことができる。本発明のマイクロミキサーはμTASやLab-on-Chipの観点からマイクロチップ内に実装することができる。本発明のマイクロチップは本願明細書に開示され、かつ添付図面に示されたマイクロミキサーを1個以上適宜組み合わせて内蔵することができる。このような本発明の画期的なマイクロミキサーを内部に有するマイクロチップは、その実用性及び経済性が飛躍的に向上される。その結果、本発明のマイクロチップは、医学、獣医学、歯科学、薬学、生命科学、食品、農業、水産など様々な分野で好適に有効利用することができる。特に、本発明のマイクロチップは、蛍光抗体法、in situ Hibridization等に最適なマイクロチップとして、免疫疾患検査、細胞培養、ウィルス固定、病理検査、細胞診、生検組織診、血液検査、細菌検査、タンパク質分析、DNA分析、RNA分析などの広範な領域で安価に使用できる。 The preferred embodiments of the micromixer of the present invention have been specifically described above, but the present invention is not limited to the disclosed embodiments, and various modifications can be made. The micromixer of the present invention can be mounted in a microchip from the viewpoint of μTAS and Lab-on-Chip. The microchip of the present invention can incorporate one or more of the micromixers disclosed in the present specification and shown in the accompanying drawings. Such a microchip having the epoch-making micromixer of the present invention in its inside is remarkably improved in practicality and economy. As a result, the microchip of the present invention can be suitably used effectively in various fields such as medicine, veterinary medicine, dentistry, pharmacy, life science, food, agriculture, and fisheries. In particular, the microchip of the present invention is an optimal microchip for fluorescent antibody method, in situ hybridization, etc., immunological disease test, cell culture, virus fixation, pathological test, cytology, biopsy histology, blood test, bacterial test , Protein analysis, DNA analysis, RNA analysis, etc. can be used at low cost.
1,1A,1B 本発明のマイクロチップ
3 第1の基板
5 第2の基板(対面基板)
7 マイクロチャネル
9,9A,9B マイクロミキサー
11,11B 第1の圧力室
13,13B 第2の圧力室
15,15B 第1の可変容積部
17,17B 第2の可変容積部
19 第1の隔壁
21 第2の隔壁
23,23B 圧力管路
25,25B 圧力管路
27 第3の基板
29 大気圧室
31 大気連通管路
33,33B 第1の基板の薄膜部分
1, 1A, 1B Microchip of the present invention 3 First substrate 5 Second substrate (facing substrate)
7 Microchannel 9, 9A, 9B Micromixer 11, 11B First pressure chamber 13, 13B Second pressure chamber 15, 15B First variable volume portion 17, 17B Second variable volume portion 19 First partition wall 21 Second partition wall 23, 23B Pressure line 25, 25B Pressure line 27 Third substrate 29 Atmospheric pressure chamber 31 Atmospheric communication line 33, 33B Thin film portion of first substrate
Claims (7)
前記マイクロチャネルが形成されている第1の基板がシリコーン樹脂から構成されており、
前記マイクロチャネルの途中にマイクロミキサーが配設されており、
前記マイクロミキサーは、
(1)該マイクロチャネルの前後の幅よりも大きな幅を有する容積拡大部と、
(2)前記容積拡大部の壁面の一部を変形及び復元させて該容積拡大部の容積を変化させることにより層流状態の2種類の流体の流れを乱して両流体を撹拌混合する少なくとも1個の手段とからなることを特徴とするマイクロチップ。 A first substrate and a second substrate bonded to one surface side of the first substrate, and at least one microchannel on the bonding surface side of the first substrate with the second substrate In the microchip on which is formed,
The first substrate on which the microchannel is formed is made of silicone resin ,
A micromixer is disposed in the middle of the microchannel,
The micromixer is
(1) a volume expansion portion having a width larger than the width before and after the microchannel;
(2) By deforming and restoring a part of the wall surface of the volume expanding section to change the volume of the volume expanding section, the two types of fluids in a laminar flow state are disturbed to stir and mix both fluids. A microchip comprising one means.
前記第1の基板の上面に第3の基板が更に接着されており、前記第1の基板が比較的薄く、前記第3の基板が前記第1の基板の厚さよりも厚く、前記第3の基板の前記第1の基板との接着面側に、該マイクロチャネルの長手方向軸線に対して各半分の容積拡大部の上部壁面を隔壁として、各半分の容積拡大部の少なくとも一部に重なるように圧力室が少なくとも1個配設されていることを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載のマイクロチップ。 The first substrate is made of polydimethylsiloxane, the second substrate is made of polydimethylsiloxane or glass, and at least one microchannel is formed on the bonding surface side of the first substrate with the second substrate. A volume expansion portion symmetrical to the longitudinal axis of the microchannel is formed in the middle of the microchannel,
A third substrate is further bonded to the upper surface of the first substrate, the first substrate is relatively thin, the third substrate is thicker than the first substrate, and the third substrate The upper wall surface of each half volume expansion portion with respect to the longitudinal axis of the microchannel is used as a partition wall on the bonding surface side of the substrate with the first substrate so as to overlap at least part of each half volume expansion portion. The microchip according to claim 1, wherein at least one pressure chamber is disposed on the microchip.
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