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WO2010013312A1 - 送液装置及び方法、攪拌装置及び方法、マイクロリアクター - Google Patents

送液装置及び方法、攪拌装置及び方法、マイクロリアクター Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a liquid feeding device and method, a stirring device and method, and a microreactor using them.
  • the microreactor is a reaction apparatus having a micro flow channel of several to several hundred ⁇ m, and is used for compound synthesis / analysis, drug development, genome / DNA analysis, and the like.
  • the microreactor is 1) heat exchange efficiency is extremely high compared to conventional reactors using flasks, etc., and temperature control can be performed efficiently. 2) The area of the interface per unit volume of the fluid becomes very large. In recent years, research and development has been actively conducted because it has many features such as efficient reaction and 3) easy scale-up by numbering up.
  • a general pump such as a syringe pump or a piston pump is provided outside the microreactor.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and as a new microreactor capable of accurately controlling the liquid feeding at an arbitrary position in an apparatus such as a microreactor and a related technique.
  • An object is to provide a liquid apparatus and method.
  • the microreactor of the present invention includes a columnar magnetic body disposed in a fluid in the microreactor, and an end fixing means for fixing one end of the columnar magnetic body in the microreactor using a DC magnetic field. And end movement means for moving the other end of the columnar magnetic body using an alternating magnetic field.
  • the end motion means applies an alternating magnetic field substantially parallel to the liquid feeding direction, and feeds the other end so that the magnetic body operates like a pendulum with the one end as a fulcrum. It can be reciprocated in the liquid direction and vice versa.
  • the end motion means can reciprocate the other end so that the moving speed differs between the forward motion and the backward motion.
  • the end motion means applies an AC magnetic field so that the direction of the magnetic field rotates 360 ° in a plane including the flow path, and the magnetic body operates like a conical pendulum with the one end as a fulcrum. Thus, the other end can be moved in a substantially circular motion within the plane.
  • the columnar magnetic body may be generated by magnetically coupling a plurality of magnetic particles into a columnar shape by the DC magnetic field.
  • the liquid delivery device of the present invention includes an end fixing means for fixing one end of a columnar magnetic body contained in a fluid in the target device within the target device using a DC magnetic field, and the columnar magnetic body.
  • Liquid feeding means for moving the other end of the fluid so as to feed the fluid using an alternating magnetic field.
  • the stirrer according to the present invention includes an end fixing means for fixing one end of a columnar magnetic body contained in a fluid in the target apparatus in the target apparatus using a DC magnetic field, and the columnar magnetic body. And stirring means for moving the other end so as to stir the fluid using an alternating magnetic field.
  • the liquid feeding method of the present invention includes an end fixing step of fixing one end of a columnar magnetic body disposed in a fluid in the target device in the target device using a DC magnetic field, and the columnar magnetic material. A liquid feeding step of moving the other end of the body to feed the fluid using an alternating magnetic field.
  • the stirring method of the present invention includes an end fixing step of fixing one end of a columnar magnetic body disposed in a fluid in the target device within the target device using a DC magnetic field, and the columnar magnetic body. And a stirring step of moving the other end of the fluid so as to stir the fluid using an alternating magnetic field.
  • the liquid feeding at an arbitrary position in the apparatus is accurately and appropriately controlled by the behavior based on the external magnetic field of the magnetic substance contained in the fluid in the apparatus. can do.
  • the fluid can be agitated by the behavior of the magnetic body based on the external magnetic field, the fluids can be effectively mixed at an arbitrary position in the apparatus.
  • FIG. 1A is a perspective view schematically showing a schematic configuration of a microreactor 1 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B is an enlarged plan view of a part of the channel in a state where a fluid is introduced into the channel of the microreactor 1.
  • the microreactor 1 has a microchannel 10 for performing a chemical reaction or the like on the surface of the substrate, as in the conventional microreactor.
  • a plurality of fluids introduced from the inlets 11 and 12 are mixed in the reaction channel 13 and discharged from the outlet 14. Discharged from.
  • the microreactor 1 of this embodiment is for controlling the behavior of the magnetic body 20 as a liquid feeding / stirring device 30 in that the magnetic body 20 is arranged in the fluid in the microchannel 10. It differs from a conventional microreactor in that it includes an end fixing means 31 and an end movement means 32.
  • the size of the microchannel 10 can be determined according to the design.
  • the structure of the microchannel 10 can take various structures such as a T-shape or a multilayer structure depending on the design.
  • the substrate of the microreactor 1 can be formed using various materials such as glass, silicon, and plastic as in the conventional case.
  • the end fixing means 31 is arranged at the lower part of the microreactor 1 and the end moving means 32 is arranged at the introduction port side of the microreactor 1. If it is a position which can apply the magnetic field 40 and the alternating current magnetic fields 41 and 42, it can arrange
  • FIG. 2 schematically shows the structure of the magnetic body 20.
  • the magnetic body 20 is formed by magnetically coupling a plurality of magnetic particles 21 in a columnar shape, and includes two end portions 22 and 23 corresponding to both ends of the column.
  • One end 22 of the magnetic body 20 is fixed in contact with the microchannel 10 by an end fixing means 31 as described later.
  • the other end 23 of the magnetic body 20 is not fixed, and is controlled so as to reciprocate by the end motion means 32 as will be described later.
  • the magnetic particles 21 can be manufactured using conventional techniques, and may be particles of a composition containing a magnetic material in addition to particles of the magnetic material itself.
  • the magnetic particles 21 can take various shapes such as granular, plate-like, box-like, and needle-like (for example, magnetic carbon nanotube (CNT)).
  • the size is the size of the microchannel 10 and the type of fluid. It can be determined according to the required liquid feeding ability and stirring ability.
  • the end fixing means 31 is a device that applies a DC magnetic field 40 in a direction substantially orthogonal to the microchannel 10 (for example, a direction orthogonal to a plane including the microchannel 10) (FIG. 3A). reference).
  • a DC magnetic field 40 in a direction substantially orthogonal to the microchannel 10 (for example, a direction orthogonal to a plane including the microchannel 10) (FIG. 3A). reference).
  • Such an apparatus can be realized by using a permanent magnet, an electromagnet, or the like, as in the prior art.
  • the magnetic body 20 of the present embodiment is formed using the above phenomenon. That is, after introducing and dispersing the magnetic particles 21 in the fluid, a DC magnetic field 40 is applied in a direction substantially orthogonal to the microchannel 10 by the end fixing means 31, so that the magnetic field incident side of the microchannel 10 The magnetic particles 21 are magnetically coupled in a columnar shape with the bottom (fixed end portion 22) as a magnetic body 20.
  • magnetic particles or a magnetic thin film may be provided in advance on the magnetic field incident side of the microchannel 10.
  • the attaching method can use a conventional technique such as adhesion.
  • the magnetic particles 21 are magnetically coupled so that the magnetic particles attached in advance are at the bottom of the column, the formation position of the magnetic body 20 can be designated in advance.
  • the end motion means 32 applies an alternating magnetic field 41 substantially parallel to the flow path direction (liquid feeding direction) of the micro flow path 10, and the direction of the magnetic field is 360 ° in a plane including the micro flow path 10.
  • This is a device that applies an alternating magnetic field 42 so as to rotate (see FIGS. 3B and 3C).
  • Such a device can be realized by using a magnetic field generated by an alternating current, as in the prior art.
  • the end portion 23 of the magnetic body 20 is not fixed to the microchannel 10, and therefore moves under the influence of the alternating magnetic field 41 applied by the end motion means 32.
  • the end portion 22 of the magnetic body 20 is also affected by the alternating magnetic field 41 applied by the end portion moving means 32, so that the end portion moving means 32 can be fixed to the microchannel 10 under the influence.
  • the strength of the DC magnetic field 40 applied by the end fixing means 31 is set to be sufficiently larger than the strength of the AC magnetic field 41 applied by.
  • magnetic particles 21 are mixed and dispersed in each fluid to be reacted using the microreactor 1 (step 1).
  • each fluid in which the magnetic particles 21 are dispersed is introduced into the microchannel 10 from the inlets 11 and 12 (step 2).
  • a DC magnetic field 40 is applied to the microchannel 10 by the end fixing means 31 in a substantially orthogonal direction (step 3).
  • the DC magnetic field 40 is applied in a direction from the lower side to the upper side of the plane including the microchannel 10.
  • the magnetic particles 21 dispersed in the fluid are magnetically coupled in a columnar shape with the lower side (fixed end 22) of the microchannel 10 on the side on which the DC magnetic field is incident as the bottom. Then, the magnetic body 20 is formed.
  • the interval (interval between the end portions 22) and the height (number of bonds of the magnetic particles 21) between the magnetic bodies 20 formed on the lower side of the microchannel 10 are the diameter, magnetic moment, and type (Fe, Co, Ni, etc.).
  • the specific spacing and height can be determined according to the size of the microchannel 10, the type of fluid, and the required liquid feeding ability and stirring ability.
  • an alternating magnetic field 41 is applied by the end motion means 32 in the liquid feeding operation mode (step 4).
  • an alternating magnetic field 41 is applied substantially parallel to the flow path direction (liquid feeding direction) of the micro flow path 10 (the reaction flow path 13 in the present embodiment).
  • the end portion 23 of the magnetic body 20 reciprocates in the direction of the AC magnetic field 41 (that is, the liquid feeding direction and the opposite direction).
  • the reciprocating motion of the end portion 23 can be controlled by the waveform of the alternating magnetic field 41 to be applied.
  • the moving speed of the end portion 23 during the forward movement is higher than the moving speed during the backward movement.
  • the waveform of the AC magnetic field 41 can be set. Specifically, during the forward movement, the waveform of the AC magnetic field 41 is set so that a relatively steep magnetic field gradient (change in magnetic flux density) is generated, and the end 23 is controlled to move at a relatively high speed. To do. Further, during the backward movement, the waveform of the AC magnetic field 41 is set so that a relatively gentle magnetic field gradient is generated, and the end portion 23 is controlled to move at a relatively slow speed.
  • the magnetic body 20 is like a pendulum with the fixed end portion 22 as a fulcrum. It works to feed fluid (functions as a nanopump).
  • FIG. 4 schematically shows how the magnetic substance 20 in the fluid functions as a nanopump.
  • 4A is a view of the columnar magnetic body 20 viewed from the side
  • FIG. 4B is a view of the columnar magnetic body 20 viewed from above.
  • the magnetic body 20 in each drawing is schematically shown, and the dimensional ratio is not limited to the illustrated ratio.
  • the moving speed difference of the reciprocating motion in the liquid feeding operation mode can be determined according to the type of fluid and the required liquid feeding capacity. Moreover, what is necessary is just to stop the application of the alternating current magnetic field 41, when a liquid feeding effect becomes unnecessary.
  • an alternating magnetic field 42 is applied by the end motion means 32 in the stirring operation mode (step 5).
  • the application direction and strength of the alternating magnetic field 42 in the stirring operation mode can be determined according to the type of fluid and the required stirring ability.
  • the waveform of the alternating magnetic field 42 can be set so that the end portion 23 rotates 360 degrees in the direction of the magnetic field in the plane including the microchannel 10.
  • the end portion 23 of the magnetic body 20 moves in a substantially circular motion within the plane.
  • the magnetic body 20 operates like a conical pendulum with the fixed end 22 as a fulcrum, and acts to stir the fluid (functions as a nanostirrer).
  • FIG. 5 schematically shows how the magnetic substance 20 in the fluid functions as a nanostirrer.
  • 5A is a view of the columnar magnetic body 20 viewed from the side
  • FIG. 5B is a view of the columnar magnetic body 20 viewed from above.
  • the magnetic body 20 in each drawing is schematically shown, and the dimensional ratio is not limited to the illustrated ratio.
  • the rotation speed of the magnetic field in the stirring operation mode can be determined according to the type of fluid and the required stirring ability. Further, when the stirring action becomes unnecessary, the application of the alternating magnetic field 42 may be stopped.
  • the microreactor 1 of this embodiment can send a fluid by the behavior of the magnetic body 20 in the fluid, a conventional pump device is unnecessary. As a result, the amount of fluid required to pass through the piping in the pump device, which has been necessary in the past, is no longer necessary, so that a necessary amount of a necessary amount can be produced as necessary. Further, since the mechanical part called the pump device can be eliminated, it is possible to avoid shortening the apparatus life due to a failure of the mechanical part.
  • the magnetic body 20 that functions as a nanopump can be selected by locally applying an alternating magnetic field 41 to the microchannel 10, and the nanopump liquid feed can be controlled by controlling the waveform of the alternating magnetic field 41 to be applied. Since the ability can be controlled, fluid feeding can be accurately controlled at an arbitrary position of the micro flow path 10.
  • the magnetic body 20 can function as a nanostirrer, so that mixing of fluids can be effectively performed at an arbitrary position in the reaction channel 13. It can be carried out.
  • the present invention is not limited to the above embodiment and can be applied in various modifications.
  • the AC magnetic fields 41 and 42 are uniformly applied to the entire micro flow path 10, but are locally applied to the reaction flow path 13 and the flow path portions on the side of the introduction ports 11 and 12.
  • an AC magnetic field may be applied.
  • the AC magnetic field 41 is locally applied to each of the flow passage portions on the inlets 11 and 12 side to enter the liquid feeding operation mode, and the AC magnetic field 42 is locally applied to the reaction flow channel 13. It is good also as a structure set as stirring operation mode.
  • the liquid feeding / stirring device 30 is operated in both the liquid feeding operation mode and the stirring operation mode, but only one of the operation modes (that is, only as the liquid feeding device or the stirring device). As well). Alternatively, the liquid feeding operation mode and the stirring operation mode may be switched so that the liquid feeding operation and the stirring operation are alternately performed.
  • liquid feeding device and method, the stirring device and the method of the present invention are not limited to the application to the microreactor, and can be applied to other devices such as an artificial heart device.
  • the liquid feeding function and the stirring function can be realized by controlling the behavior of the magnetic body 20 in the fluid.
  • the present invention can be widely used for apparatuses for feeding and stirring liquids in fine channels, including various microreactors, and their production.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining a magnetic body 20. It is a figure for demonstrating the DC magnetic field 40 and the AC magnetic fields 41 and 42 which are applied by the edge part fixing means 31 and the edge movement means 32. FIG. It is a figure for demonstrating the magnetic body 20 which functions as a nanopump. It is a figure for demonstrating the magnetic body 20 which functions as a nanostirrer.

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Abstract

装置内の任意の位置にある流体の送液を精度よく制御することができ、また流体どうしの混合を効果的に行うことができる、新しいマイクロリアクター及びその関連技術を提供することを目的とする。本発明のマイクロリアクターは、マイクロリアクター内の流体中に配された柱状の磁性体と、前記柱状の磁性体の一方の端部を、直流磁界を用いてマイクロリアクター内で固定する端部固定手段と、前記柱状の磁性体の他方の端部を、交流磁界を用いて運動させる端部運動手段と、を備える。

Description

送液装置及び方法、攪拌装置及び方法、マイクロリアクター
　本発明は、送液装置及び方法、攪拌装置及び方法、並びにそれらを用いたマイクロリアクターに関する。
　マイクロリアクターは、数～数百μmのマイクロ流路を有する反応装置であり、化合物の合成・分析、薬品の開発、ゲノム・ＤＮＡ解析等に利用されている。マイクロリアクターは、１）フラスコ等を用いた従来の反応装置に比べて熱交換効率が極めて高く、温度制御が効率良く行える、２）流体の単位体積あたりの界面の面積が非常に大きくなるため、反応を効率良く行える、３）ナンバリングアップにより容易にスケールアップできるなどの多くの特徴を有していることから、近年、その研究開発が盛んに行われるようになってきている。
　従来、マイクロリアクターに流体を送液するために、シリンジポンプやピストンポンプなどの一般的なポンプを、マイクロリアクター外部に設けて用いている。
　しかし、微細な流路内では流体の見かけの粘度が非常に高くなることから、これらのポンプを用いる従来方法では、流路内の任意の位置（特にポンプから離れた位置）にある流体の送液を精度よく制御することは難しい。また、ポンプ内などの配管を通る分の流体が最低限必要となるため、必要な物質を必要な量だけ必要に応じて生産するというマイクロリアクターの利点が十分に生かせないという問題もある。
　更に、微細な流路内では、レイノルズ数が非常に小さくなり、流体の流れが層流となるため、流体どうしの混合が本来的に困難である、という問題も存在する。
　これらの問題はマイクロリアクターに限られず、微細な流路に送液や攪拌を行う必要がある状況では同様の問題が生じることになる。
　そこで、本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、マイクロリアクター等の装置内の任意の位置にある流体の送液を精度よく制御することができる新しいマイクロリアクター及びその関連技術として送液装置及び方法を提供することを目的とする。
　また、流体どうしの混合を効果的に行うことができる新しいマイクロリアクター、及びその関連技術として攪拌装置及び方法を提供することを目的とする。
　本発明のマイクロリアクターは、マイクロリアクター内の流体中に配された柱状の磁性体と、前記柱状の磁性体の一方の端部を、直流磁界を用いてマイクロリアクター内で固定する端部固定手段と、前記柱状の磁性体の他方の端部を、交流磁界を用いて運動させる端部運動手段と、を備える。
　前記端部運動手段は、送液方向に対して略平行に交流磁界を印加し、前記磁性体が前記一方の端部を支点として振り子の様に動作するように、前記他方の端部を送液方向及びその逆方向に往復運動させることができる。
　また前記端部運動手段は、往運動と復運動とで移動速度が異なるように前記他方の端部を往復運動させることができる。
　また前記端部運動手段は、流路を含む平面内で磁界の向きが３６０°回転するように交流磁界を印加し、前記磁性体が前記一方の端部を支点として円錐振り子の様に動作するように、前記他方の端部を前記平面内で略円運動させることができる。
　前記柱状の磁性体は、前記直流磁界によって複数の磁性粒子を柱状に磁気結合させて生成されるものであってよい。
　本発明の送液装置は、対象装置内の流体中に含まれる柱状の磁性体の一方の端部を、直流磁界を用いて対象装置内で固定する端部固定手段と、前記柱状の磁性体の他方の端部を、交流磁界を用いて前記流体を送液するように運動させる送液手段と、を備える。
　本発明の攪拌装置は、対象装置内の流体中に含まれる柱状の磁性体の一方の端部を、直流磁界を用いて対象装置内で固定する端部固定手段と、前記柱状の磁性体の他方の端部を、交流磁界を用いて前記流体を攪拌するように運動させる攪拌手段と、を備える。
　本発明の送液方法は、対象装置内の流体中に配された柱状の磁性体の一方の端部を、直流磁界を用いて対象装置内で固定する端部固定工程と、前記柱状の磁性体の他方の端部を、交流磁界を用いて前記流体を送液するように運動させる送液工程と、を備える。
　本発明の攪拌方法は、対象装置内の流体中に配された柱状の磁性体の一方の端部を、直流磁界を用いて対象装置内で固定する端部固定工程と、前記柱状の磁性体の他方の端部を、交流磁界を用いて前記流体を攪拌するように運動させる攪拌工程と、を備える。
　本発明のマイクロリアクター及びその関連技術によれば、装置内の流体中に含有させた磁性体の外部磁界に基づく挙動によって、装置内の任意の位置にある流体の送液を精度よく適切に制御することができる。
　また、前記磁性体の外部磁界に基づく挙動によって流体を攪拌できるので、装置内の任意の位置において流体どうしを効果的に混合することができる。
以下に本発明の実施形態について図面を用いて説明する。図１（Ａ）は、本発明の実施形態であるマイクロリアクター１の概略構成を模式的に示す斜視図である。また図１（Ｂ）は、マイクロリアクター１の流路に流体を導入した状況における、流路の一部の拡大平面図である。

　図に示すように、マイクロリアクター１は、従来のマイクロリアクター同様、基板表面に化学反応等を行うためのマイクロ流路１０が形成されている。マイクロ流路１０では、導入口１１及び１２から導入された複数の流体（例えば、気体、液体、ゲルなど；目的に応じて選択される）が、反応流路１３にて混合され、排出口１４から排出される。
　ただし、本実施形態のマイクロリアクター１は、マイクロ流路１０内の流体中に磁性体２０が配されている点、及び、送液・攪拌装置３０として、磁性体２０の挙動を制御するための端部固定手段３１及び端部運動手段３２を備えている点で、従来のマイクロリアクターとは異なっている。
　なお、マイクロ流路１０のサイズは、設計に応じて決定することができる。また、図ではＹ字型のマイクロ流路１０としているが、マイクロ流路１０の構造は、Ｔ字型や多層構造など、設計に応じて種々の構造を採ることができる。また、マイクロリアクター１の基板は、従来同様、ガラス、シリコン、プラスチックなど、種々の材料を用いて形成することができる。
　また、図１（Ａ）では、端部固定手段３１をマイクロリアクター１の下部に、端部運動手段３２をマイクロリアクター１の導入口側に配置しているが、これらの手段は、後述する直流磁界４０及び交流磁界４１、４２を印加できる位置であれば、設計に応じて任意の位置に配置することができる。
　図２に、磁性体２０の構造を模式的に示す。図に示すように、磁性体２０は、複数の磁性粒子２１が柱状に磁性結合して構成されており、柱の両端に相当する２つの端部２２、２３を備えている。
　磁性体２０の一方の端部２２は、後述するように端部固定手段３１によってマイクロ流路１０に接した状態で固定されている。一方、磁性体２０の他方の端部２３は固定されておらず、後述するように端部運動手段３２によって往復運動などを行うように制御される。
　磁性粒子２１は、従来技術を用いて製造することができ、磁性体自体の粒子のほか、磁性体を含む組成物の粒子であってもよい。磁性粒子２１は、粒状、板状、箱状、針状（例えばマグネチックカーボンナノチューブ（ＣＮＴ））など、種々の形状をとることができ、そのサイズは、マイクロ流路１０のサイズ、流体の種類、必要とされる送液能力や攪拌能力に応じて、決定することができる。
　端部固定手段３１は、マイクロ流路１０に対して略直交方向（例えば、マイクロ流路１０を含む平面に対して直交する方向）に直流磁界４０を印加する装置である（図３（Ａ）参照）。このような装置は、従来同様、永久磁石、電磁石等を用いて実現できる。
　流体中に分散した磁性粒子に対して直流磁界を印加すると、磁性粒子が磁界入射側を底として柱状に磁性結合することが知られている（例えば、「Field-Induced Structures in Ferrofluid Emulsions」,PHYSICAL REVIEW LETTERS, Volume 74, Number 13, 3 April 1995を参照のこと。この文献は参照により本願に組み込まれる）。「柱」の間隔、高さは、印加する直流磁界の強さ等によって制御可能である。
　本実施形態の磁性体２０は、上記の現象を利用して形成される。すなわち、流体中に磁性粒子２１を導入・分散させた後、端部固定手段３１によりマイクロ流路１０に対して略直交方向に直流磁界４０を印加することで、マイクロ流路１０の磁界入射側を底（固定された端部２２）として磁性粒子２１が柱状に磁性結合され、磁性体２０が形成される。
　ここで、マイクロ流路１０の磁界入射側に予め磁性粒子や磁性薄膜を付しておいてもよい。付す方法は、接着など従来技術を用いることができる。この場合、予め付した磁性粒子等が柱の底となるように磁性粒子２１が磁性結合されるので、磁性体２０の形成位置を予め指定することが可能となる。
　端部運動手段３２は、マイクロ流路１０の流路方向（送液方向）に対して略平行に交流磁界４１を印加し、又、マイクロ流路１０を含む平面内で磁界の向きが３６０°回転するように交流磁界４２を印加する装置である（図３（Ｂ）、（Ｃ）参照）。このような装置は、従来同様、交流電流により発生する磁界を用いるなどして実現できる。
　磁性体２０の端部２３は、マイクロ流路１０に固定されておらず、そのため、端部運動手段３２により印加される交流磁界４１の影響を受けて運動する。
　なお、磁性体２０の端部２２も端部運動手段３２により印加される交流磁界４１の影響を受けるため、その影響下でも端部２２をマイクロ流路１０に固定できるよう、端部運動手段３２により印加される交流磁界４１の強さに対して、端部固定手段３１により印加される直流磁界４０の強さを十分に大きく設定する。
　次に、本実施形態におけるマイクロリアクター１を利用した送液方法及び攪拌方法を具体的に説明する。
　まず、マイクロリアクター１を用いて反応させる各流体に磁性粒子２１を混入し、分散させる（ステップ１）。
　次に、磁性粒子２１を分散させた各流体を導入口１１及び１２からマイクロ流路１０内に導入する（ステップ２）。
　次に、端部固定手段３１により、マイクロ流路１０に対して略直交方向に直流磁界４０を印加する（ステップ３）。ここでは、マイクロ流路１０を含む平面の下側から上側へ向かう方向に直流磁界４０を印加するものとする。
　かかる直流磁界４０の印加により、流体中に分散していた磁性粒子２１は、直流磁界が入射する側であるマイクロ流路１０の下側を底（固定された端部２２）として柱状に磁性結合し、磁性体２０を形成する。
　マイクロ流路１０の下側に形成される磁性体２０の間隔（端部２２どうしの間隔）や高さ（磁性粒子２１の結合数）は、磁性粒子２１の直径、磁気モーメント、種類（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉなど）によって決まる。具体的にどのような間隔、高さとするかは、マイクロ流路１０のサイズ、流体の種類、必要とされる送液能力や攪拌能力に応じて、決定することができる。
　次に、端部運動手段３２により、送液動作モードにて、交流磁界４１を印加する（ステップ４）。送液動作モードでは、マイクロ流路１０（本実施形態では反応流路１３）の流路方向（送液方向）に対して略平行に交流磁界４１を印加する。かかる交流磁界４１の印加により、磁性体２０の端部２３は、交流磁界４１の方向（すなわち、送液方向及びその逆方向）に往復運動する。
　端部２３の往復運動は、印加する交流磁界４１の波形によって制御することができる。
　例えば、送液方向への動きを往運動、送液方向の逆方向への動きを復運動とする場合、端部２３の往運動時の移動速度が、復運動時の移動速度よりも大きくなるように交流磁界４１の波形を設定することができる。具体的には、往運動時には、相対的に急峻な磁場勾配（磁束密度の変化）が生じるように交流磁界４１の波形を設定し、端部２３が相対的に速い速度で移動するように制御する。また、復運動時には、相対的に緩やかな磁場勾配が生じるように交流磁界４１の波形を設定し、端部２３が相対的に遅い速度で移動するように制御する。
　このように往運動の移動速度が復運動の移動速度よりも大きくなるように端部２３の往復運動を制御することで、磁性体２０は、固定されている端部２２を支点として振り子の様に動作し、流体を送液するように作用する（ナノポンプとして機能する）。
　図４に、流体中の磁性体２０がナノポンプとして機能する様子を模式的に示す。図４（Ａ）は柱状の磁性体２０を横から見た図、図４（Ｂ）は柱状の磁性体２０を上から見た図である。各図における磁性体２０は模式的に示したものであり、その寸法比率は図示の比率に限られるものではない。
　なお、送液動作モードにおける往復運動の移動速度差は、流体の種類、必要とされる送液能力に応じて、決定することができる。また、送液作用が不要となった場合は、交流磁界４１の印加を停止すればよい。
　複数の流体が反応流路１３に達し、混合可能な状態となった場合、端部運動手段３２により、攪拌動作モードにて交流磁界４２を印加する（ステップ５）。攪拌動作モードにおける交流磁界４２の印加方向や強さは、流体の種類、必要とされる攪拌能力に応じて、決定することができる。
　例えば、端部２３が、マイクロ流路１０を含む平面内で磁界の向きが３６０°回転するように、交流磁界４２の波形を設定することができる。この場合、磁性体２０の端部２３は、前記平面内で略円運動する。その結果、磁性体２０は、固定されている端部２２を支点として円錐振り子の様に動作し、流体を攪拌するように作用する（ナノスターラとして機能する）。
　図５に、流体中の磁性体２０がナノスターラとして機能する様子を模式的に示す。図５（Ａ）は柱状の磁性体２０を横から見た図、図５（Ｂ）は柱状の磁性体２０を上から見た図である。各図における磁性体２０は模式的に示したものであり、その寸法比率は図示の比率に限られるものではない。
　なお、攪拌動作モードにおける磁界の回転速度などは、流体の種類、必要とされる攪拌能力に応じて、決定することができる。また、攪拌作用が不要となった場合は、交流磁界４２の印加を停止すればよい。
本実施形態のマイクロリアクター１は、流体中の磁性体２０の挙動によって流体を送液できるので、従来のようなポンプ装置は不要である。その結果、従来必要であったポンプ装置内の配管を通る分の流体も不要となるから、必要な物質を必要な量だけ必要に応じて生産することができる。また、ポンプ装置という機械部分を排除できるので、機械部分の故障等による装置寿命の短縮を回避することができる。
　また、マイクロ流路１０に対して局所的に交流磁界４１を印加することでナノポンプとして機能させる磁性体２０を選択することができ、印加する交流磁界４１の波形を制御することでナノポンプの送液能力を制御できるので、マイクロ流路１０の任意の位置において流体の送液を精度よく制御することができる。
　更に、マイクロ流路１０に対して印加する交流磁界４２を制御することで、磁性体２０をナノスターラとして機能させることができるので、反応流路１３の任意の位置において流体どうしの混合を効果的に行うことができる。
　本発明は、上記実施形態に限定されることなく種々に変形して適用することが可能である。例えば、上記実施形態は、マイクロ流路１０全体に対して一様に交流磁界４１、４２を印加しているが、反応流路１３、導入口１１、１２側の流路部分それぞれに対して局所的に交流磁界を印加する構成としてもよい。
　この場合、導入口１１、１２側の流路部分それぞれに対して局所的に交流磁界４１を印加して送液動作モードとし、反応流路１３に対して局所的に交流磁界４２を印加して攪拌動作モードとする構成としてもよい。
　また、上記実施形態では、送液・攪拌装置３０を送液動作モード及び攪拌動作モードの両方で動作させているが、いずれか一方の動作モードのみ（すなわち、送液装置としてのみ、又は攪拌装置としてのみ）動作させてもよい。また、送液動作モード、攪拌動作モードを切り替えて、送液動作と攪拌動作とが交互に行われるように制御してもよい。
　更に、本発明の送液装置及び方法、攪拌装置及び方法はマイクロリアクターへの適用に限定されるものではなく、例えば人工心臓装置など、他の装置に適用することもできる。
　以上説明したとおり、本発明の送液装置及び方法、攪拌装置及び方法、並びにマイクロリアクターによれば、流体中の磁性体２０の挙動を制御することで送液機能及び攪拌機能を実現できるので、種々のマイクロリアクターを含む、微細な流路において送液や攪拌を行う装置、並びに、それらの製造に広く利用することができる。
本発明の一実施形態であるマイクロリアクター１の概略構成を示す図である。 磁性体２０を説明するための図である。 端部固定手段３１及び端部運動手段３２によって印加される直流磁界４０及び交流磁界４１、４２を説明するための図である。 ナノポンプとして機能する磁性体２０を説明するための図である。 ナノスターラとして機能する磁性体２０を説明するための図である。
符号の説明
１     マイクロリアクター
１１、１２    導入口
１３　　反応流路
１４　　排出口
２０　　磁性体
２１　　磁性粒子
２２、２３　　磁性体２０の端部
３０　　送液・攪拌装置
３１　　端部固定手段
３２　　端部運動手段
４０　　直流磁界
４１、４２　　交流磁界
 

Claims (9)

  1. 　マイクロリアクター内の流体中に配された柱状の磁性体と、
    　前記柱状の磁性体の一方の端部を、直流磁界を用いてマイクロリアクター内で固定する端部固定手段と、
    　前記柱状の磁性体の他方の端部を、交流磁界を用いて運動させる端部運動手段と、
    を備えるマイクロリアクター。
  2. 　前記端部運動手段が、送液方向に対して略平行に交流磁界を印加し、前記磁性体が前記一方の端部を支点として振り子の様に動作するように、前記他方の端部を送液方向及びその逆方向に往復運動させることを特徴とする請求の範囲第１項記載のマイクロリアクター。
  3. 　前記端部運動手段が、往運動と復運動とで移動速度が異なるように前記他方の端部を往復運動させることを特徴とする請求の範囲第２項記載のマイクロリアクター。
  4. 　前記端部運動手段が、流路を含む平面内で磁界の向きが３６０°回転するように交流磁界を印加し、前記磁性体が前記一方の端部を支点として円錐振り子の様に動作するように、前記他方の端部を前記平面内で略円運動させることを特徴とする請求の範囲第１項記載のマイクロリアクター。
  5. 　前記柱状の磁性体は、前記直流磁界によって複数の磁性粒子を柱状に磁気結合させて生成されることを特徴とする請求の範囲第１項記載のマイクロリアクター。
  6. 　対象装置内の流体中に含まれる柱状の磁性体の一方の端部を、直流磁界を用いて対象装置内で固定する端部固定手段と、
    　前記柱状の磁性体の他方の端部を、交流磁界を用いて前記流体を送液するように運動させる送液手段と、
    を備える送液装置。
  7. 　対象装置内の流体中に含まれる柱状の磁性体の一方の端部を、直流磁界を用いて対象装置内で固定する端部固定手段と、
    　前記柱状の磁性体の他方の端部を、交流磁界を用いて前記流体を攪拌するように運動させる攪拌手段と、
    を備える攪拌装置。
  8. 　対象装置内の流体中に配された柱状の磁性体の一方の端部を、直流磁界を用いて対象装置内で固定する端部固定工程と、
    　前記柱状の磁性体の他方の端部を、交流磁界を用いて前記流体を送液するように運動させる送液工程と、
    を備える送液方法。
  9. 　対象装置内の流体中に配された柱状の磁性体の一方の端部を、直流磁界を用いて対象装置内で固定する端部固定工程と、
    　前記柱状の磁性体の他方の端部を、交流磁界を用いて前記流体を攪拌するように運動させる攪拌工程と、
    を備える攪拌方法。
     
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