WO2003076038A1 - Procede d'enrichissement d'une phase liquide a l'interieur d'une micropuce par ecoulement diphase gaz-liquide et dispositif a micropuces associe - Google Patents

Description

明 細 書 気液二相流でのマイクロチップ内濃縮方法と

そのためのマイクロチップデパイス 技術分野

この出願の発明は、 気液二相流でのマイクロチップ内での濃縮方法とそ のためのマイクロチップデバイスに関するものである。 背景技術

近年、 微小空間の特徴を生かしたマイクロ化学システムの検討が各種の 領域において進められている。 この出願の発明者らも、すでにこれまでに、 複雑な化学システムを実現する方法として、 ミクロ単位操作と多相流ネッ トワークを組み合わせた連続流体化学プロセスという方法を確立してき ている。 この連続流体化学プロセスは、 混合 ·抽出，相分離などの複数の ミクロ単位操作を組み合わせ、 非常に高効率なマイク口化学システムが構 築できるという特徴を有している。 ただ、 これまでのマイクロシステムで は、 プロセスを濃度をパラメ一夕に設定しており、 体積変化という概念が 入っていなかった。 そのため、 体積変化を伴う濃縮法 '凝縮法などは実現 していない。

そこで、 この出願の発明は、 これまでの発明者らによるマイクロ化学シ ステムの開発とそこでの知見を踏まえ、 体積変化を伴う濃縮法をマイクロ チップ上に操作として集積化することを課題としている。

より具体的には、 この出願の発明は、 マイクロチップのチャンネル内で の気液二層流における溶媒の蒸発を利用した新しい濃縮方法とそのため のマイクロチップデバイスを提供することを課題としている。 発明の開示

この出願の発明は、 上記の課題を解決するものとして、 第 1には、 基板 に流路を形成したマイクロチップにおいて、 流路内に気液二相流による界 面を形成して液相の濃縮を行うことを特徵とする気液二相流でのマイク 口チップ内濃縮方法を提供する。

また、 この出願の発明は、 第 2には、 流路内における気相と液相の流量 比を気相 >液相となるように制御することを特徴とする上記の濃縮方法 を、 第 3には、 流路内への多段階での気体の導入とそれに伴う排出によつ て気液界面を多段形成することを特徴とする濃縮方法を、 第 4には、 気液 二相流が形成される流路の少くとも一部を加熱して液相溶媒の一部を蒸 発させることを特徴とする濃縮方法を提供する。

そしてこの出願の発明は、 第 5には、 基板に流路を形成したマイクロチ ップにおいて流路内に気液二相流による界面を形成して液相の濃縮を行 うためのデバイスであって、 気液二相流を構成する気体と液体の各々の導 入路と排出路とが配設されていることを特徴とするマイクロチップデバ イスを提供する。

第 6には、 流路内における流量比が気相 >液相となるように制御する流 量制御機構が配設されていることを特徵とする上記のマイクロチップデ パイスを、 第 7には、 流路底部には気液界面位置に相当する流れ方向の突 条が設けられ、 この突条の配置が流量制御機構の少くとも一部とされてい ることを特徵とするマイクロチップデバイスを、 第 8には、 流路内で気液 界面を多段形成するための流路内への多段階での気体の導入とそれに伴 う排出を行う流路が設けられていることを特徴とするマイクロチップデ バイスを、 第 9には、 気液二相流が形成される流路の少くとも一部を加熱 する加熱機構が配設されていることを特徴とするマイクロチップデバイ スを、 第 1 0には、 流路を設けた基板の背面部もしくはカパ一上板の表面 部にヒーター線もしくは面状ヒーターが配設されていることを特徴とす るマイクロチップデバイスを提供する。

1 図面の簡単な説明

図 1は、 この出願の発明の基本構成を示した概要図である。

図 2は、 突条をもつ非対称微細流路の例を示した断面図である。

図 3は、 突条をもつ微細流路の形成方法を例示した工程概要図である。 図 4は、 非対称微細流路の形成のための 2段エッチング法を例示したェ 程概要図である。

図 5は、 ヒ一夕一線の配設を例示した概要図である。

図 6は、 ヒータ一線の形成方法を例示した工程概要図である。

図 7は、 実施例としての非対称微細流路の概要断面図である。

図 8は、 マイクロヒータ一を配設した実施例としてのマイクロチップの 概要斜視図である。

図 9は、 実施例における濃縮度と印加電圧との関係を例示した図である < 図 1 0は、 3段階チャンネルの模式図である。

図 1 1は、 酢酸ェチルと空気との二相流の安定条件について例示した図 である。

図 1 2は、 水と空気との二相流の安定条件について例示した図である。 なお、 図中の符号は次のものを示す。

1 マイクロチップ基板

2 微細流路

3 A 気相

3 B 液相

4 A 気体の導入路

4 B 液体の導入路

5 A 気体の排出路

5 B 液体の排出路

6 突条

7 ヒーター線 発明を実施するための最良の形態

この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、 以下にその 実施の形態について説明する。

まず、 この出願の発明の濃縮方法においては、 マイクロチップの基板上 に形成した微細流路 （マイクロチャンネル） 内に気体と液体とによる気液 二相流による界面を形成して液相の濃縮を行うことが基本とされている。

この濃縮の方法は、 マイクロチャンネルという微小な限定空間内での濃 縮操作となり、 比界面積が大きく、 溶媒の蒸発速度が速く、 また、 気液平 衡の制限下に行われ、 液体のまま維持されることから制御が容易であると いう原理的な特徴を有している。

図 1は、 この出願の発明の濃縮方法の基本を示した概要図である。 たと えばガラスやセラミックス、 あるいはシリコン、 樹脂等のマイクロチップ 基板（1)上には、エッチング等の微細加工によって形成した微細流路（2) が設けられている。 この微細流路（2) において、 気相 （3A) と液相 （3 B) との気液二相流が形成され、 その界面 （3 C) において液相 （3 B) を構成する溶媒が蒸発されて濃縮が行われるようにしている。 もちろん、 微細流路 （2) が形成されている基板 （1) 上には、 カバー上板が密着配 置されて、 気相 （3A) が液相 （3 B) が散逸されないようにしている。 そして、 気液二相流の形成のための気体の導入路 （4 A) と液体の導入 路 （4 B)、 並びに気体の排出路 （5A) と液体の排出路 （5 B) が、 同 様に微細加工によって基板 （1) 上に配設されている。

微細流路 （2) の大きさや長さについては特に限定はないが、 マイクロ チップ上でのマイクロ化学システムを構成するための適宜な設定とする。 たとえば微細流路の流れ方向に直交する断面について見ると、 その幅は、 500 /xm以下、 深さは 300 im以下程度を実際的な目安とすることが できる。

そして、 この出願の発明の濃縮方法においては、 微細流路 （マイクロチ ャンネル） 内での気液二相流による界面が形成される必要があることから、 微細流路の断面積や気相および液相の各々を構成する物質の種類等を考 慮して、 この界面形成のための好適な気相および液相の流量比が設定され ることになる。

一般的には、 微細流路 （2 ) 内における気相 （3 A) と液相 （3 B ) と の単位時間当りの流量比を気相の流量が液相の流量よりも大きくなるよ うに制御することが望ましい。 ただ、 液相流量に対して気相流量を過剰、 過大とすると、 気相には液相物質が混入して気液二相流としての界面が形 成されないことになる。 もちろん、 逆に、 気相流量が過少にする場合にも 界面の形成は難しくなる。

ただ、 一般的には前記のとおり、 気相と液相の流量比を気相 >液相とす ることが好ましい。 そして、 このような流量比の制御を高精度で行うため の補助的手段としての機構をマイクロチップに具備することも考慮され る。 たとえばこのような制御機構の一つとして、 図 2にその断面を例示し たように、 微細流路 （2 ) の底部に、 気液の界面位置に相当する流れ方向 の突条（6 ) を設け、 この突条（6 ) の配設位置を選択することによって、 気相（3 A) と液相（3 B )の流量比を制御可能とすることが考慮される。

もちろん、 突条 （6 ) は、 ガイドの役割を果たすのであって、 厳密に気 液界面 （3 C ) 位置にある場合だけでなく、 気液二相流と所定の流量比が 確保されることを条件に、図 2のように、許容される位置での気液界面（3 C ) 位置とのズレがあってもよいことは言うまでもない。

突条 （6 ) の位置選択によって、 たとえば図 2の例のように、 非対称の 断面を有する微細流路 （2 ) は、 気体の流量増加のために有効な手段の一 つである。

微細流路 （2 )、 そして突条 （6 ) の形成については、 たとえば図 3の ように、 ガラス基板の表面上の金属蒸着膜にフォトレジストを配設し、 マ スクを通して U V光を照射して転写を行い、 次いで金属エッチングゃフッ 酸エッチングして現像するといぅフォトリソグラフィ一とエッチングに

5

¾ΓϊΕきれた ffl紙 (規鄉 9 より形成することができる。 この方法に沿って、 図 4のように、 転写とェ ツチングを繰り返す 2段エッチングを行うことで突条 （6 ) をもつ図 2の ような非対称な微細流路 （2 ) を形成することができる。

また、 この出願の発明においては、 気液二相流の少くとも一部を加熱し て液相溶媒の一部をこの加熱で発生させることも有効である。 このような 加熱のための機構としては各種のものが考慮されるが、 デバイス構成並び に加熱操作性の観点からは、 微細流路を設けた基板の背面部あるいはカバ

—上板の表面部等に、 抵抗加熱によるヒ一夕一線や面状ヒーターを設ける ことが好適なものとして例示される。 図 5はこのようなヒータ一線 （7 ) を設けた例を示したものであって、 たとえば図 6に例示したように、 C r 蒸着膜のエッチングによって形成することが容易に可能である。

さらに、 この出願の発明の濃縮方法とそのためのデバイスについては、 たとえば以上のような気液二相流による界面を断続的に複数個所設け、 多 段で濃縮操作ができるようにしてもよい。 このためには、 各段階での気体 の導入とそれに伴う排出を行うための気体流路が複数個所設けることが 考慮される。

たとえば以上のとおりのこの出願の発明によって、 マイクロチップ上で の高効率での濃縮操作が可能とされる。

そこで以下に実施例を示し、 さらに詳しく説明する。 もちろん、 以下の 例によって発明が限定されることはない。 実 施 例

図 1に例示したとおりのダブル Y型マイクロチャンネルの一方から、 C o— D MA P錯体の酢酸ェチル溶液を導入し、 もう一方の導入口から空気 を導入してマイクロチャンネル内に気液二層流を形成、 マイクロチャンネ ルに沿って有機相を熱レンズ顕微鏡で測定して、 熱レンズ顕微鏡の測定位 置と信号強度の関係から単位体積当りの C o— D M A P錯体の濃度の変 化として濃縮効率を評価した。 そして、 気液平衡の観点から濃縮効率を上 げるため、マイクロチヤンネルの断面が非対称な形状を持つチップ（図 7 ) を用いた。 また、 マイクロチップの裏面にマイクロヒ一夕一を作製し、 加 熱濃縮した。

すなわち、 まず、 図 4に例示した二段階エッチング法を用いて図 7の断 面を有する非対称型のマイクロチヤンネルを作製し、 このチヤンネルを用 いて流量比を 1 ： 2 0 0 0にして測定をした場合、 2倍程度の濃縮が得ら れ、 マイクロチップ内での蒸発が確認された。 さらに、 濃縮効率を上げる ため、 図 6のようなエッチングによってマイクロチップの裏面に C r薄膜 をパターニングしてマイクロヒーターを作製し （図 8 )、 チップを局所的 に加熱した。 このチップを用いて二相合流後、 3 0 mmの地点で濃度測定 した結果を図 9に示した。 印加電圧の増加すなわち温度上昇とともに熱レ ンズ信号強度が増加していることから、 加熱により濃縮度が向上している ことが分かる。 信号強度より、 体積変化によって 4倍 （7 5 %の溶媒が蒸 発） 以上の濃縮度が得られた。

1 ： 2 0 0 0の流量比において 4倍の濃縮が得られるとすると、 図 1 0 に例示したとおりの 3段階での操作では、 実に 6 4倍の濃縮率が実現され ることになる。

なお、 気液二相流による界面形成のための安定条件を定めるために、 上 記マイクロチップにおいて、 気相と液相の組合わせの種類と流量比を変え て実験的に検討した。 その結果を図 1 1および図 1 2に例示した。

図 1 1は、 空気と酢酸ェチルの場合、 図 1 2は、 空気と水との場合を示 しており、 図中の A領域は安定条件を、 B領域は空気過剰で不安定なこと を、 C領域は液体過剰で不安定なことを示している。

たとえばこのような検討に基づいて、 各種の濃縮対象について、 好適な 安定流量比条件が具体的に定められることになる。 産業上の利用可能性

以上詳しく説明したとおり、 この出願の発明によって、 体積変化を伴う

7 濃縮法をマイクロチップ上に集積化することが可能とされ、 高効率での濃 縮が実現される。これによつて、液相中の環境規制物質や、生体関連物質、 生物物質、 さらには反応中間体や反応剤等の微量物質についての検出、 測 定、 さらには分離回収等にとって大変に有益なマイクロチップ上での濃縮 が可能となる。

Claims

請求の範囲

1 . 基板に流路を形成したマイクロチップにおいて、 流路内に気液二相 流による界面を形成して液相の濃縮を行うことを特徴とする気液二相流 でのマイクロチップ内濃縮方法。

2 . 流路内における気相と液相の流量比を気相 >液相となるように制御 することを特徴とする請求項 1の濃縮方法。

3 . 流路内への多段階での気体の導入とそれに伴う排出によって気液界 面を多段形成することを特徴とする請求項 1または 2の濃縮方法。

4 . 気液二相流が形成される流路の少くとも一部を加熱して液相溶媒の 一部を蒸発させることを特徵とする請求項 1ないし 3のいずれかの濃縮 方法。

5 . 基板に流路を形成したマイクロチップにおいて流路内に気液二相流 による界面を形成して液相の濃縮を行うためのデバイスであって、 気液二 相流を構成する気体と液体の各々の導入路と排出路とが配設されている ことを特徵とするマイクロチップデバイス。

6 . 流路内における流量比が気相 >液相となるように制御する流量制御 機構が配設されていることを特徴とする請求項 5のマイクロチップデパ イス。

7 . 流路底部には気液界面位置に相当する流れ方向の突条が設けられ、 この突条の配置が流量制御機構の少くとも一部とされていることを特徴 とする請求項 6のマイクロチップデバイス。

8 . 流路内で気液界面を多段形成するための流路内への多段階での気体 の導入とそれに伴う排出を行う流路が設けられていることを特徴とする 請求項 5ないし 7のいずれかのマイクロチップデパイス。

9 . 気液二相流が形成される流路の少くとも一部を加熱する加熱機構が 配設されていることを特徵とする請求項 5ないし 8のいずれかのマイク 口チップデバイス。

10. 流路を設けた基板の背面部もしくは力パー上板の表面部にヒーター 線もしくは面状ヒーターが配設されていることを特徴とする請求項 9の マイクロチップデバイス。