JP3974531B2 - マイクロチャネルにおける混合方法及びマイクロチャネル装置 - Google Patents

Description

本発明は、新規なマクロチャネル装置に関する。より具体的には、本発明は、マイクロチャネルにおいて２つ以上の液体を混合することを容易にする新規なマイクロチャネル装置に関する。本発明は、また、マイクロチャネルにおいて２つ以上の液体を共に混合する新規な方法にも関する。

マイクロチャネル装置は、液体が沿って流れることが可能である１つまたは複数のマイクロチャネルを有する装置であり、当該マイクロチャネルまたは各マイクロチャネルは、チャネルに垂直に１００ｎｍと１ｍｍの間の寸法を有する。マイクロチャネルの他に、装置は、チャンバ、フィルタ、電極、ポンプ、バルブ、または混合システムなど、他の構成要素を備えることができる。マイクロチャネルは、ＰＴＦＥ、プラスチック、ガラス、石英から形成することが可能であり、またはシリコンウエハを微細機械加工することによって形成することが可能である。

マイクロチャネル装置は、ごく少量の物質に関わる分析および合成の応用に使用される。たとえば、分析プロセスに使用される試薬は、高価である可能性がある。マイクロチャネル装置においてプロセスを実施することによって、必要な化学物質の量は少量ですみ、したがってコストは最小限に抑えられる。

いくつかの化学物質の組合せは、その反応性が高いために、小規模でのみ可能であることができる。

マイクロチャネル装置は、比較的低コストで大量生産することが可能であるので、単に、必要な数のマイクロチャネル装置において反応を同時に実施することによって、反応を大規模化することができる。

しかし、そのような小規模で反応および他のプロセスを実施することは、いくつかの重大な問題を呈示することがある。問題となる具体的な分野は、化学反応を引き起こす第１ステップとして必要な、２つ以上の液体の組合せである。層流のために、２つの液体を共に流すのは、一般に十分簡単ではない。隣接するフローのために、液体は、ほとんど混合されないままになるだけである。この層流は、チャネルの寸法が小さいことと、微小流体工学で通例使用される流速との結果である。行われるそのような混合は、２つの液体の境界面を横断する拡散の結果である。

この問題に対処することが可能である１つ方法は、混合する各液体のフローを複数の流れに分割することであり、各流れは、図１に示すように、断面積が小さくなっている。図１は、複数の流れを生成することが可能である従来の技術の装置の一部の概略図である。複数のマイクロチャネル１１、１２、１３、１４、１５、および１６は、シリコンチップ１７の上に製作される。マイクロチャネル１１から１６は、第１マイクロチャネル１１と、第２マイクロチャネル１２と、第３マイクロチャネル１３と、第４マイクロチャネル１４と、第５マイクロチャネル１５と、第６マイクロチャネル１６とを備える。第１マイクロチャネル１１は、第１液体を含み、第２マイクロチャネル１２は、第２液体を含む。矢印１８は、両方の液体が流れる方向を示す。第１マイクロチャネル１１は、第３マイクロチャネル１３と第４マイクロチャネル１４とに流れ込み、これらのマイクロチャネルの両方ともフローに垂直な低減された寸法である。第２マイクロチャネル１２は、第５マイクロチャネル１５と第６マイクロチャネル１６とに流れ込み、やはりこれらのマイクロチャネルの両方ともフローに垂直な低減された断面寸法である。第４マイクロチャネル１４と第５マイクロチャネル１５とは、交差するが交わらないように製作される。

第４マイクロチャネル１４と第５マイクロチャネル１５とが交差する結果として、液体の空間的交代順序が獲得される。図１の底部における液体の順序は、右から左へ、第１液体、第２液体、第１液体、および第２液体である。第３マイクロチャネル１３と、第４マイクロチャネル１４と、第５マイクロチャネル１５と、第６マイクロチャネル１６とに含まれている４つの流れは、交代順序と低減された断面積が保持されるように、単一のマイクロチャネル（図１には示さず）に組み合わせることが可能である。このようにして、拡散による相互作用としたがって混合とが改善される。

図１の装置は、理想的な解決方法には劣ることを示すが、その理由は、装置が比較的複雑で、製作が困難であるからである。具体的には、交差するが交わらないチャネルを機械加工するのは困難である。図１の装置に付随する他の問題は、得られる混合物において、第１液体と第２液体の比率を変更するのが困難であるということである。比率は、マイクロチャネルの相対断面積によってほぼ決定される。

マイクロチャネルを流れる２つの液体を組み合わせることが可能である第２の方法は、レイノルズ数が約２３００より大きくなるまで、マイクロチャネルを流れる流量を単に増大させることである。そのような大きなレイノルズ数では、乱流が存在し、したがって液体は混合される。圧力駆動フローでは、２３００より大きいレイノルズ数に対して十分高い流量を獲得するために、１００万Ｐａを超える圧力が必要な可能性がある。これは、比較的頑強なマイクロチャネル装置を使用することを必要とし、この装置は、実際には作成することが困難な可能性がある。

以下の従来の技術は、本発明に関係すると見なされる。ＧＢ ２３５５４１４Ａは、対向ノズルを有するマイクロミキサを記載している。ＤＥ １９６ １１ ２７０Ａ１は、ごく小さい体積の液体用のマイクロミキサを記載している。米国特許第６，１５０，１１９号は、複数の異なるサンプルを微小流体チャネルネットワークに連続導入することについて記載している。

他の関係する従来の技術は、Ａ．Ｄｅｓｈｍｕｋｈによって、Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ、２０００年６月４〜８日、米国サウスカルフォルニア州ヒルトンヘッド、Ｃｒｏｗｎｅ Ｐｌａｚａ Ｒｅｓｏｒｔに提示されている。

本発明の目的は、上述した問題を軽減する、新規なマイクロチャネル装置と、マイクロチャネルにおいて２つ以上の液体を混合する新規な方法とを提供することである。

第１態様によれば、本発明は、マイクロチャネルにおいて少なくとも２つの液体を混合する方法であって、（ａ）各液体をマイクロチャネルに導入するステップと、（ｂ）各液体をマイクロチャネルに沿って流れさせるステップとを含み、ステップ（ａ）が、（ｉ）各液体を複数のパルスの形態でマイクロチャネルに導入するステップと、（ｉｉ）前記複数のパルスを他の１つまたは複数の液体のパルスと交互にするステップとを含み、各液体が、マイクロチャネルの壁に入口開口を有する少なくとも１つの入口チャネルを通ってマイクロチャネルに導入され、マイクロチャネルに入る点における入口チャネルの深さが、マイクロチャネルの深さより小さいことを特徴とする方法を提供する。

疑念のないように、「液体」という用語は、溶液および懸濁液を含むように認識されるべきである。

パルスは、各液体がマイクロチャネルに導入されるレート（ｒａｔｅ）を繰り返して増大または減少させることによって形成することが可能である。パルスは、マイクロチャネルへの各液体のフローを繰り返して停止または開始させることによって形成することが可能である。たとえば、パルスは、バルブを繰り返して開閉することによって形成することが可能である。代替として、パルスは、制御可能なポンプによって、各液体の導入を調整することによって形成することが可能である。パルスの形成は、混合する成分のいずれかについて、マイクロチャネルへの液体フローを完全に停止することを含む必要はない。

交互にすることは、複数のバルブを順次開閉することによって達成することが可能である。パルスを交互にすることによって、異なる液体を異なる時間に導入することが可能である。たとえば、１つのバルブが開いており、同時に他の１つまたは複数のバルブが閉じていることを保証することによって、液体の１つのみを所与の時間に導入することが可能である。

パルスを交互にすることにより、液体は、マイクロチャネルにおいてより効率的に混合される。技術が効率的であることは、高圧と複雑な構造とを利用することが必要ではないことを意味する。この混合が改善される理由は、マイクロチャネルの長さに沿った異なる液体間で、マイクロチャネルの長さに垂直な、ある程度の空間分離のためである。他の要因は、マイクロチャネルの幅にわたる非一様なフロープロファイルであり、フローは、マイクロチャネルの中心で最速である。これらの２つの要因の組合せにより、隣接パルスがチャネルに沿って進む際に、隣接パルス間の境界領域が増大し、境界領域が増大する際に、薄化によってパルス間の混合に必要な平均拡散経路が低減される。

対照的に、従来の技術の方法は、しばしば、異なる液体をマイクロチャネルの幅の両端に空間的に分離する傾向がある。この場合、非一様フロープロファイルは、混合を促進しないことになる。

本発明では、マイクロチャネルの幅とは対照的に、長さに沿った空間分離により、マイクロチャネルに沿ったフローが、異なる液体を混合することを可能にすることができる。マイクロチャネルの長さに沿った成分間の空間分離は、液体が導入されるマイクロチャネルの領域において最も顕著である可能性が高いことに留意されたい。そのような空間分離は、マイクロチャネルを横断する非一様フローのために、液体がマイクロチャネルに沿って流れる際に、減少する傾向がある。

各パルスは、マイクロチャネルの対向側面と接触するように、マイクロチャネルに導入することが可能である。

バルブのいずれか１つが開かれ、次いで閉じられる間の所要時間は、５秒未満とすることが可能である。バルブのいずれか１つが閉じられ、次いで開かれる間の所要時間は、０．１秒未満とすることが可能である。１つのバルブを開き、他のバルブを閉じる間に、遅延が導入される可能性があり、そのような遅延は、０．１秒未満とすることが可能である。

各液体は、他の液体とマイクロチャネルにおけるほぼ同じ位置で、マイクロチャネルに導入することが可能である。

液体のそれぞれは、幅ｗのマイクロチャネルの部分に導入することが可能である。その部分は、マイクロチャネルにおける液体のフローの方向に沿って測定して、５ｗ未満の長さを有することが好ましい。より好ましくは、液体のそれぞれは、２ｗ未満の長さを有するマイクロチャネルの部分に導入することが可能である。

ステップ（ａ）は、液体のそれぞれのフローが、マイクロチャネルに入る際に、マイクロチャネルの長さに対してほぼ垂直であるように実施されることが有利である。

マイクロチャネルは、基板に取り付ける、または基板に形成することが可能である。本明細書の目的では、「マイクロチャネルの深さ」という用語は、基板の面にほぼ垂直なマイクロチャネルの断面の寸法として確定されるべきである。「入口チャネルの深さ」という用語は、入口チャネルがマイクロチャネルに入る点における、基板の面にほぼ垂直な入口チャネルの断面の寸法として確定されるべきである。

当該入口チャネルまたは少なくとも１つの入口チャネルの深さは、マイクロチャネルの深さの２分の１未満とすることが可能である。

当該入口チャネルまたは少なくとも１つの入口チャネルの深さは、マイクロチャネルの深さの１０分の１未満とすることが可能である。

当該入口チャネルまたは少なくとも１つの入口チャネルの断面積は、マイクロチャネルの断面積より小さくすることが可能である。

当該入口チャネルまたは少なくとも１つの入口チャネルの断面積は、マイクロチャネルの断面積の２分の１未満とすることが可能である。

当該入口チャネルまたは少なくとも１つの入口チャネルの断面積は、マイクロチャネルの断面積の１０分の１未満とすることが可能である。

マイクロチャネルの体積は、２０μｌ未満であることが好ましい。マイクロチャネルの体積は、５μｌ未満であることがより好ましい。

ステップ（ａ）は、１つの液体のパルスの少なくとも１つが、マイクロチャネルに入る際に、他の液体のパルスと接触するように実施されることが有利である。

各液体が導入される位置、圧力、および時間は、当該流体間または少なくとも２つの液体の相互作用の結果として、渦がマイクロチャネルに確立されるようにすることが可能である。

液体をマイクロチャネルに導入することによる渦の形成は、液体を共に混合するのに役立つ可能性がある。

マイクロチャネルは、１００μｍ未満の少なくとも１つの断面寸法を有することが可能である。マイクロチャネルは、１０，０００μｍ^２未満の断面積を有することが可能である。

当該流体または液体の少なくとも２つをマイクロチャネルに導入することは、液体が導入される領域から離れているマイクロチャネルの端部における液体のフローが、１００秒より長い期間、ほぼ連続的であるように実施することが可能である。

多くの合成および分析の技術は、反応物または生成物の比較的一定なフローを必要とし、これは、本発明によって満たすことが可能である基準である。たとえば、液体を導入するバルブを連続動作することにより、マイクロチャネルから連続的に出力することが可能になる。

結果的な混合物の組成は、パルスの相対持続時間を変化させることによって、変更することが可能である。たとえば、第１液体を第２液体と混合する場合、第１液体の割合は、第１液体のパルス長を第２液体のパルス長に対して長くすることによって、増大することができる。

再び、これは、所与の混合物について、反応物の割合を変更することを必要とする多くの合成および分析の応用に関して、重要な特徴である。

２つの流体を混合する場合、たとえば、１０：１、１００：１、および１０００：１という高い混合比率が達成されることができる。

パルスの形成および交互は、１つの液体のみが任意の所与の時間にマイクロチャネルに導入されるように実施されることが好ましい。パルスの形および交互は、マイクロチャネルに導入されている液体を繰り返して変更するように実施されることがより好ましい。

該方法は、電子構成要素を使用して、各パルスの持続時間を制御する他のステップを含むことが有利である。電子構成要素は、コンピュータを備えることがより好ましい。

マイクロチャネルの寸法と、液体がマイクロチャネルに導入されるレートとは、マイクロチャネルを通る液体のフローが、マイクロチャネルの幅にわたって非一様であるようにすることが有利である。マイクロチャネルを流れる液体のフローは、ほぼ放物線状であることがより有利である。すなわち、断面の少なくとも１つの線にわたる速度分布は、ほぼ放物線状である。この放物線フローにより、パルスがマイクロチャネルに沿って流れる際に、混合される異なる成分間の相互作用がより大きくなり、相互作用の面積が大きくなり、空間分離が小さくなり、したがって混合を実施するために拡散に必要な距離が短縮される、と考えられる。

マイクロチャネルを流れる液体のそれぞれのフローは、液体のそれぞれをマイクロチャネルに導入することによってのみ生じることが好ましい。すなわち、マイクロチャネルを流れる液体のそれぞれのフローは、気体をマイクロチャネルに導入することによっては生じない。気体は、気体と液体の接触がマイクロチャネルの内部では起きないことを条件として、混合される液体に圧力を加えるために使用することが可能である。代替として、フローは、微小流体ポンプまたは界面動電現象によって誘発することが可能である。

ステップ（ｂ）は、マイクロチャネルにおいて液体の少なくともいくつかを動電学的にポンピングするステップを含むことが可能である。ステップ（ｂ）は、放物線フローが誘発されるように、マイクロチャネルにおいて少なくともいくつかの液体を動電学的にポンピングするステップを含むことが可能である。

マイクロチャネルにおいて気体を使用せずに、マイクロチャネルを流れる液体のそれぞれのフローは、気体が液体に溶解することによって、または気泡を形成することによって、汚染される危険性を最小限に抑えられる。

ステップ（ａ）は、動電ポンプによって、各液体をマイクロチャネルに導入するステップを含むことが有利である。

ステップ（ａ）は、各パルスが、各パルスが通って導入された入口チャネルとほぼ対向するマイクロチャネル壁の部分と接触するように実施されることが好ましい。

ステップ（ａ）をこのように実施することによって、入口チャネルの領域と接触し、かつ入口チャネルに対向するマイクロチャネル壁の領域と接触するパルスを形成することが可能である。対向接触点におけるパルスのチャネルに沿ったフローは、対向接触点を結合する線に沿った点におけるチャネルに沿ったフローに対して抑制される。パルスの中点とパルスの端部との流量の差は、混合プロセスにとって有益であると考えられる。

ステップ（ａ）は、前記接触点間の線が、マイクロチャネルを流れる流体フローの方向にほぼ垂直であるように、各パルスが、前記マイクロチャネルの２点を接触させるステップを含むことが可能である。

各パルスは、少なくとも２つの入口チャネルを通って導入されることが有利である。各パルスが通って導入される２つの入口チャネルまたは入口チャネルの２つは、互いにほぼ対向して配置されることがより有利である。

２つ以上の入口チャネルからの液体は、各パルスを形成するように、共にマイクロチャネルを流れる。２つ以上の入口チャネルを流れる液体のフローによって各パルスを形成することにより、各パルスは、パルスが通って導入され、かつ互いに間隔をおいて位置する入口チャネルの領域の点において、マイクロチャネルと接触することが可能になる。各パルスのフローは、接触点において抑制され、混合プロセスを補助する。

ステップ（ｂ）は、疎水性膜によって、マイクロチャネルの液体に気体圧力を加えるステップを含むことが可能である。

第２態様によれば、本発明は、マイクロチャネルと、少なくとも２つの液体を、マイクロチャネルの壁に入口開口を有する少なくとも１つの入口チャネルを通してマイクロチャネルに導入する液体導入手段とを備えるマイクロチャネル装置であって、液体導入手段が、各液体を複数のパルスの形態でマイクロチャネルに導入し、かつ各液体のパルスを他の液体のパルスと交互にするパルス手段を備え、マイクロチャネルに入る点における各前記入口チャネルの深さが、マイクロチャネルの深さより小さいことを特徴とするマイクロチャネル装置を提供する。

当該入口チャネルまたは各入口チャネルは、マイクロチャネルにほぼ垂直であることが可能である。

液体導入手段は、液体の１つに関連付けられたバルブを備えることが可能である。バルブと、マイクロチャネルと、液体とは、バルブを開け、次いで閉じることにより、液体のパルスがマイクロチャネルの中に放出されるように構成される。

液体導入手段は、複数のバルブを備えることが好ましい。制御手段は、前記複数のバルブのそれぞれを順次開閉する手段を備えることがより好ましい。制御手段は、他の１つまたは複数のバルブが閉じていることを保証するために、任意の所与の時間に１つのバルブのみを開く手段を備えることがさらにより好ましい。制御手段は、前記複数のバルブのどれを任意の所与の時間に開くかを繰り返して変更する手段を備えることがさらによりいっそう好ましい。

制御手段は、マイクロチャネルへの液体のフローを繰り返して停止および開始させることによって、前記複数のパルスを形成する手段を備えることが可能である。

液体導入手段は、液体の１つに関連付けられた動電ポンプを備えることが可能である。動電ポンプと、マイクロチャネルと、液体とは、動電ポンプの作動により、液体のパルスがマイクロチャネルの中に放出されるように構成される。動電ポンプは、非一様速度プロファイルがマイクロチャネルを横断して生成されるように、構成および作動させることが可能である。動電ポンプは、放物線状の速度プロファイルがマイクロチャネルを横断して生成されるように、構成および作動させることが可能である。

液体導入手段は、複数の動電ポンプを備えることが好ましい。制御手段は、前記動電ポンプを順次作動および停止する手段を備えることがより好ましい。制御手段は、他の１つまたは複数の動電ポンプが停止していることを保証するために、任意の所与の時間に１つの動電ポンプのみを作動させる手段を備えることがさらにより好ましい。制御手段は、前記複数の動電ポンプのどれを任意の所与の時間に作動させるかを繰り返して変更する手段を備えることがさらによりいっそう好ましい。

各液体を複数のパルスの形態でマイクロチャネルに導入する手段は、各パルスが、マイクロチャネルの対向側面と接触するような構成を有することが可能である。

各バルブは、入口チャネルによって、マイクロチャネルに接続することが可能である。

各前記入口開口は、１０ｍｍ未満の長さを有するマイクロチャネルの部分の内部に形成することが可能であることが好ましい。前記入口開口または各入口開口は、５ｍｍ未満の長さを有するマイクロチャネルの部分の内部に形成することが可能であることがより好ましい。

パルス手段は、マイクロチャネルへの液体のそれぞれのフローが、マイクロチャネルの長さにほぼ垂直であるように構築されることが有利である。

マイクロチャネルに入る位置の入口チャネルまたは各入口チャネルの深さは、マイクロチャネルの深さの２分の１未満とすることが可能である。

マイクロチャネルに入る位置の入口チャネルまたは各入口チャネルの深さは、マイクロチャネルの深さの１０分の１未満とすることが可能である。

入口チャネルまたは各入口チャネルの断面積は、マイクロチャネルの断面積より小さくすることが可能である。

入口チャネルまたは各入口チャネルの断面積は、マイクロチャネルの断面積の２分の１未満とすることが可能である。

入口チャネルまたは各入口チャネルの断面積は、マイクロチャネルの断面積の１０分の１未満とすることが可能である。

各バルブに関連付けられた当該液体の少なくとも一部は、液体がリザーバからバルブに流れ込むことが可能であるように、リザーバに含まれることが可能である。

マイクロチャネルは、５００μｍと１００ｎｍの間の最小断面寸法を有することが好ましい。マイクロチャネルは、１００μｍと１μｍの間の最小断面寸法を有することがより好ましい。

マイクロチャネルは、少なくとも２つのサブチャネルを備え、各サブチャネルは、マイクロチャネルにほぼ平行であり、各サブチャネルの断面積は、マイクロチャネルの断面積より小さく、各サブチャネルは、マイクロチャネルの内部に配置することが可能である。

各サブチャネルが、十分に長い放物線状であることを条件として、各サブチャネルにおいてフローを確立することが可能である。各サブチャネルにおいて放物線状のフローを確立することは、混合プロセスを補助する。

制御手段は、液体の１つのみを、任意の所与の時間にマイクロチャネルに導入することを可能にする手段を備えることが有利である。制御手段は、液体のどれをマイクロチャネルに導入するかを繰り返して変更する手段を備えることがより有利である。

制御手段は、電子構成要素を備えることが好ましい。制御手段は、コンピュータを備えることがより有利である。制御手段は、実時間で動作するようにプログラムされたコンピュータを備えることがさらにより有利である。

液体導入手段は、各パルスが、１つの入口チャネルを通って導入され、かつ各パルスが、各パルスが通って導入された入口チャネルとほぼ対向するマイクロチャネル壁の部分と接触するような構成を有することができる。

液体導入手段は、各パルスが少なくとも２つの入口チャネルを通って導入されるような構成を有することが好ましい。流体導入手段は、各パルスが、マイクロチャネルの対向側面上に配置された２つの入口チャネルを通って導入されるような構成を有することができる。

マイクロチャネルは、一端がほぼ閉じていることが有利である。マイクロチャネルは、当該入口チャネルまたは入口チャネルの少なくとも１つにほぼ隣接するマイクロチャネルの端部が閉じていることがより好ましい。

ここで、図２および３を参照して、単に例示として、本発明について記述する。

図２は、本発明によるマイクロチャネル装置の概略図であり、２１によって全体を示す。第１リザーバ２２と第２リザーバ２３とは、第１バルブ２５および第２バルブ２６とフローリストリクタ２７、２８、３１、および３２とを介して、マイクロチャネル２４に接続される。第１リザーバ２２は、第１液体を含み、第２リザーバ２３は、第２液体を含む。この例の目的では、第１液体は、第１水溶性染料の水溶液とされ、第２液体は、第２水溶性染料の水溶液とされる。

混合マクロチャネル２４は、１ｍｍ×１００ミクロンの断面寸法を有する。すなわち、マイクロチャネル２４は、１ｍｍの幅と１００ミクロンの深さとを有する。マイクロチャネル２４の全長は、１９ｃｍであり、空間を節約するように蛇行構造に構成される。マイクロチャネル２４は、１２０Ｃにおいて圧力を加えることによって、ポリメチルメタクリルレート（ＰＭＭＡ）の２つの薄層を１つに結合することによって製作される。マイクロチャネルの構造は、マイクロミリングによってＰＭＭＡ層の１つに形成される。接続導管が、埋込みマイクロチャネル構造に接続するのを可能にするように、他のＰＭＭＡ層を通して形成される。金属管が、プラスチック配管を容易に接続することを可能にするように、接続導管に接着される。

４０ｋＰａの圧力が、圧縮空気によって第１液体と第２液体とに加えられる。マクロチャネル２４への第１液体と第２液体の入力は、２つのバルブ２５と２６とによって制御される。したがって、気体の圧力は、第１液体と第２液体をマイクロチャネル２４の導入するために使用されるが、気体の圧力自体は、マイクロチャネル２４には入らない。

第１バルブ２５と第２バルブ２６とは、第１バルブ２５と第２バルブ２６とが開いているか、または閉じているかを制御する制御手段（図２には図示せず）に接続される。制御手段は、第１バルブ２５と第２バルブ２６の一方のみが、任意の所与の時間に開いているように、プログラムすることが可能である。制御手段は、また、第１溶液と第２溶液の交代パルスがマイクロチャネル２４の中に放出されるように、２つのバルブ２５、２６のどちらが開いているかを変更することも可能である。このようにして、第１液体と第２液体の導入は、交互になり、その結果、第１液体は、第２液体と同時には導入されない。

第１液体または第２液体の各パルスの持続時間は、約０．８秒である。１秒当たり１．２のパルスが、マイクロチャネル２４に放出される。パルスを交互にすることによって、マイクロチャネル２４の長さに沿って、第１液体と第２液体の間に、ある程度の空間分離が生じる。この空間分離は、２つの液体が導入されるマイクロチャネル２４の領域において最大である。２つの液体は、マイクロチャネル２４に沿って移動する際に、混合される。

バルブ２５と２６とは、市販のソレノイドバルブである。各バルブ２５および２６は、閉じるときに、流体を変位させ、ポンピング作用を実施する。ポンピング作用は、フローリストリクタ２７、２８、３１、および３２を、各バルブの両側面に配置することによって最小限に抑えることができる。各フローリストリクタは、５ｍｍの長さと、４０ミクロンの深さと、１００ミクロンの幅とを有する。

フローリストリクタ２７、２８、３１、および３２を各バルブの両側面に配置することによって、マイクロチャネルの液体フローが第１バルブ２５と第２バルブ２６とを閉じる動作の影響が、最小限に抑えられる。第１バルブ２５と第２バルブ２６とを閉じることにより、バルブ２５、２６の領域の圧力が増大する傾向がある。フローリストリクタの構成により、マイクロチャネルは、ソレノイドバルブ２５、２６のポンピングの影響から保護されることになる。

本発明の図２の実施形態では、フローリストリクタ２７および２８は、入口チャネルを形成し、それによって、第１液体と第２液体とは、マイクロチャネル導入される。すなわち、入口チャネルの寸法は、図２の実施形態では、４０ミクロン（深さ）、１００ミクロン（幅）、および５ｍｍ（長さ）である。

第１液体と第２液体の混合物が、マイクロチャネル２４に送達された後、マイクロチャネル２４に含まれている液体を、流体に気体圧力を加えることによって送達することが可能である。圧力は、ガスライン３０を介して加えられ、１０ｋＰａの圧力であることが好都合である。ガスラインは、気体の通過は可能であるが、液体を基にした水溶液の通過は可能にしない疎水性膜２９を介して接続される。したがって、液体が、バルブ２５と２６とを介してマイクロチャネル２４に送達されたとき、フローは、疎水性膜２９によって停止される。このようにして、マイクロチャネル２４に沿った液体の送達も、混合動作を生じる。

他の実施形態では、図には示していないが、本発明によるマイクロチャネル装置は、図２の装置と同一の構造を有することが可能であるが、２００ミクロンのマイクロチャネル深さを有する点が異なる。

図３は、マイクロチャネル３２と入口チャネル３５、３６とを備えるマイクロチャネル装置であり、３１によって全体を示す。マイクロチャネルは、バッフル３４によって形成された３つのサブチャネル３３を備える。液体は、マイクロチャネル３１の長さを下方に流れて、混合される。サブチャネルが十分に長い場合、サブチャネルを流れる放物線状のフローが生じることができる。したがって、バッフル３４が存在することにより、バッフル３４がない場合と比較して、液体間の混合相互作用が増大する。

図４は、第１入口チャネル４２、４３と第２入口チャネル４４、４５とを有する、マイクロチャネル装置であり、４１によって全体を示す。入口チャネル４２、４３、４４、および４５は、マイクロチャネル４６の壁に、入口開口４２ａ、４３ａ、４４ａ、および４５ａを形成する。第１液体が、第１入口チャネル４２および４３を通って導入され、第２液体が、第２入口チャネル４４および４５を通って導入される。第１液体と第２液体とは、複数のパルスの形態で導入される。第１液体の各パルスは、第１入口チャネル４２、４３の両方を流れる液体のほぼ同時のフローによって形成される。第２液体の各パルスは、第２入口チャネル４４、４５の両方を流れる液体のほぼ同時のフローによって形成される。２つの第１入口チャネル４２、４３は、マイクロチャネルの対向側面上に構成され、２つの第２入口チャネル４４、４５も、互いに関してマイクロチャネルの対向側面上に構成される。この入口チャネル４２、４３、４４、および４５の構成により、２つの液体がマイクロチャネルに沿って流れる際に、２つの液体のより大きな相互作用が起きる。図５は、本発明による他のマイクロチャネル装置の概略図であり、５１によって全体を示す。マイクロチャネル装置は、図３に示したものと同一であるが、サブチャネルを備えない点が異なる。マイクロチャネル５２の断面寸法は、１ｍｍ（幅）×２００ミクロン（深さ）である。入口チャネル５３は、１００ミクロン（幅）×４０ミクロン（深さ）の断面寸法を有する。入口チャネル５３は、マイクロチャネル５２に垂直であるように構成され、入口チャネル５３に隣接するマイクロチャネル５２の端部は、閉じられる。図５のマイクロチャネル５２の壁は、透明な材料から構築される。

図６は、図５の装置を使用して実施された実験の結果を示す。水と赤色染料の水溶液とのパルスが、本発明による方法によって図５のマイクロチャネルに導入される。図６のプロットは、マイクロチャネルに沿った距離に対する、マイクロチャネルにおける赤色染料のチャネルの中心での濃度を示す。マイクロチャネルにおける赤色染料の濃度は、チャネルにおける液体による光の吸収を測定することによって決定される。濃度は、Ｂｅｅｒ Ｌａｍｂｅｒｔ（ベール−ランバート）の法則によって決定される。図６は、本発明の方法および装置の混合の有効性を示す。

ＣＦＤ（Ｆｌｕｍｅ ＣＡＤ（ＲＴＭ）（コンベンタ））を使用して、本発明による方法によって２つの液体の混合を調査した。２Ｄ計算の結果を図７（ａ）に示す。図７（ａ）は、入口チャネル７１の１つを通したパルスの注入を示す。図７（ａ）の結果からわかるように、パルスは、マイクロチャネル７２の対向壁に到達しない。

図７（ｂ）は、図７（ａ）と同じマイクロチャネル装置に関する結果を示す。しかし、図７（ｂ）の計算は、３Ｄシミュレーションについて実施された。図７（ａ）と７（ｂ）の結果が違うのは、図７（ｂ）の計算は、入口チャネル７１とマイクロチャネル７２の深さの差を考慮に入れているからである。図７（ａ）の結果は、２Ｄ計算についてなので、注入チャネルの深さは、これらの結果では、マイクロチャネルの深さと事実上同じものとして扱われる。したがって、図７の結果は、入口チャネルのそれぞれの深さは、マイクロチャネルの深さより小さくあるべきであることが有利であることを示す。

従来の技術のマイクロチャネル装置の一部の概略図である。 本発明によるマイクロチャネル装置の概略図である。 少なくとも２つのサブチャネルを備える、本発明によるマイクロチャネル装置の概略図である。 液体の各パルスが、２つの入口チャネルを通って導入される、本発明によるマイクロチャネル装置の概略図である。 各入口チャネルが、マイクロチャネルに垂直である、本発明によるマイクロチャネル装置の概略図である。 マイクロチャネルに沿った距離の関数として、２つの液体を含んでいる本発明によるマイクロチャネル装置による光の吸収を示す図である。 本発明による方法によって、パルスをマイクロチャネルに注入することに関するモデリングの結果を示す図である。 本発明による方法によって、パルスをマイクロチャネルに注入することに関するモデリングの結果を示す図である。

Claims (13)

1. 幅および深さを有する管として形成されたマイクロチャネルにおいて少なくとも２つの液体を混合する方法であって、（ａ）各液体をマイクロチャネル（２４、３２、４６、５２、７２）に導入するステップと、（ｂ）各液体をマイクロチャネル（２４、３２、４６、５２、７２）に沿って流れさせるステップとを含み、ステップ（ａ）が、（ｉ）各液体を複数のパルスの形態でマイクロチャネル（２４、３２、４６、５２、７２）に導入するステップと、（ｉｉ）各液体の前記複数のパルスを他の１つまたは複数の液体のパルスと交互にするステップとを含み、各液体が、マイクロチャネル（２４、３２、４６、５２、７２）の壁に入口開口を有する少なくとも１つの入口チャネル（２７、２８、３５、３６、４２、４３、４４、４５、５３、７１）を通ってマイクロチャネル（２４、３２、４６、５２、７２）に導入され、マイクロチャネル（２４、３２、４６、５２、７２）に入る点における入口チャネル（２７、２８、３５、３６、４２、４３、４４、４５、５３、７１）の深さが、マイクロチャネル（２４、３２、４６、５２、７２）の深さより小さいことを特徴とする方法。
2. 各液体が、各液体が通って導入された入口チャネル（２７、２８、３５、３６、４２、４３、４４、４５、５３、７１）にほぼ対向するマイクロチャネル壁の部分と接触するように、ステップ（ａ）が実施される、請求項１に記載の方法。
3. 各液体が、マイクロチャネル（２４、３２、５２、７２）における他の液体とほぼ同じ位置でマイクロチャネル（２４、３２、５２、７２）に導入されるように、ステップ（ａ）が実施される、請求項１または２に記載の方法。
4. 液体が導入される領域から離れているマイクロチャネル（２４、３２、４６、５２、７２）の端部における液体のフローが、１００秒より長い期間ほぼ連続するように、ステップ（ａ）が実施される、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 液体がマイクロチャネル（２４、３２、４６、５２、７２）に導入されるレートが、マイクロチャネル（２４、３２、４６、５２、７２）を流れる液体の断面の少なくとも１つの線にわたる速度分布がほぼ放物線状であるように、マイクロチャネル（２４、３２、４６、５２、７２）の寸法に関して選択される、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 幅および深さを有する管として形成されたマイクロチャネル（２４、３２、４６、５２、７２）と、マイクロチャネル（２４、３２、４６、５２、７２）の壁に入口開口を有する少なくとも１つの入口チャネル（２７、２８、３５、３６、４２、４３、４４、４５、５３、７１）を通して、少なくとも２つの液体をマイクロチャネル（２４、３２、４６、５２、７２）に導入する液体導入手段（２２、２３、２５、２６）とを備えるマイクロチャネル装置であって、液体導入手段（２２，２３、２５、２６）が、各液体を複数のパルスの形態でマイクロチャネル（２４、３２、４６、５２、７２）に導入し、かつ各液体のパルスを他の１つまたは複数の液体のパルスと交互にするパルス手段を備え、マイクロチャネル（２４、３２、４６、５２、７２）に入る点における前記入口チャネルまたは各入口チャネル（２７、２８、３５、３６、４２、４３、４４、４５、５３、７１）の深さが、マイクロチャネル（２４、３２、４６、５２、７２）の深さより小さいことを特徴とするマイクロチャネル装置。
7. 前記入口チャネルまたは各入口チャネル（３５、３６、４２、４３、４４、４５、５３、７１）が、マイクロチャネル（３２、４６、５２、７２）にほぼ垂直である、請求項６に記載のマイクロチャネル装置。
8. 液体導入手段が、液体の１つに関連付けられたバルブ（２５、２６）を備え、バルブ（２５、２６）と、マイクロチャネル（２４、３２、４６、５２、７２）と、液体とが、バルブ（２５、２６）を開き、次いで閉じることにより、液体のパルスがマイクロチャネル（２４、３２、４６、５２、７２）の中に放出されるように構成される、請求項６または７に記載のマイクロチャネル装置。
9. 液体導入手段が、複数のバルブ（２５、２６）を備える、請求項８に記載の装置。
10. 前記入口開口または各入口開口が、１０ｍｍ未満の長さを有するマイクロチャネル（２４、３２、４６、５２、７２）の部分の内部に形成される、請求項６から９のいずれか一項に記載のマイクロチャネル装置。
11. マイクロチャネル（２４、３２、４６、５２、７２）が、１ｍｍと１００ｎｍの間の最小断面寸法を有する、請求項６から１０のいずれか一項に記載のマイクロチャネル装置。
12. マイクロチャネル（２４、３２、４６、５２、７２）に入る点における前記入口チャネルまたは各入口チャネル（２７、２８、３５、３６、４２、４３、４４、４５、５３、７１）の深さが、マイクロチャネル（２４、３２、４６、５２、７２）の深さの２分の１未満である、請求項６から１１のいずれか一項に記載のマイクロチャネル装置。
13. マイクロチャネル（３２）が、少なくとも２つのサブチャネル（３３）を備え、各サブチャネル（３３）が、マイクロチャネル（３２）にほぼ平行であり、各サブチャネル（３３）の断面積が、マイクロチャネル（３２）の断面積より小さく、各サブチャネル（３３が、マイクロチャネル（３２）の内部に配置される、請求項６から１２のいずれか一項に記載のマイクロチャネル装置。

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