JPH11347392A - 攪拌装置 - Google Patents

攪拌装置

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JPH11347392A
JPH11347392A JP10163214A JP16321498A JPH11347392A JP H11347392 A JPH11347392 A JP H11347392A JP 10163214 A JP10163214 A JP 10163214A JP 16321498 A JP16321498 A JP 16321498A JP H11347392 A JPH11347392 A JP H11347392A
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賢二 安田
Takeshi Sakamoto
健 坂本
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、微小管内の流路抵抗を増加させる
ことなく、かつ流路内に残滴が残りにくい構造を持った
攪拌装置を提供することを課題とする。 【解決手段】 本発明の攪拌装置は、容器中に超音波振
動子を配置し、超音波振動子が発生する超音波によって
生じた音響流によって混合したい複数の試料溶液を攪拌
混合する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、超音波照射によっ
て微小流路内での流体の混合攪拌技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】マイクロファブリケーションの微小な装
置内部で流体を混合する技術は、マイクロＴＡＳ等のマ
イクロ化学分析技術を実現するためには必要不可欠な技
術である。しかし微小で流路長に対して流路断面積が極
端に小さく、溶液が高速に流れるマイクロファブリケー
ションの流路内では容易に層流が発生してしまい、流路
内で異なる溶液の攪拌・混合を効果的に行うには特別な
構造を流路内に組み込む必要があった。例えば、流路を
くの字型に繰り返し折り曲げることで常に溶液の流れの
向きを変え層流の形成を防いだり、試料溶液が流れる流
路の壁面に吹き出し口を多数形成して、ここより反応試
薬を散布・混合する技術等が提案されている。詳しく
は、グラヴィセンら（P. Gravesen et al.）がジャ
ーナル・オヴ・マイクロメカニクス・アンド・マイクロ
エンジニアリング第３巻（１９９３年）第１６８頁より
１８２頁に微細流路での流体の問題に関する総説を報告
している（Microfluidics a review, J. Micromech.Mi
croeng. Vol.3 (1993) pp.168-182）。
【０００３】他方、超音波を照射して流体中の微粒子を
非接触に捕獲したり、液体等に流れを発生させることが
できることは１９世紀より知られていた。たとえば、超
音波を液体に照射することで、液体自体に流れが生じる
超音波流動現象は、ナイボルグ（W. L. Nyborg）によっ
て冊子フィジカル・アコースティクス 第２巻Ｂ（１９
６５年）（Physical Acoustics Vol. 2B, Ed. W. P. M
ason, Academic Press, 1965）のアコースティック・
ストリーミング（Acoustic Streaming）の章の中に紹
介されている。これらの現象は、超音波強度の傾きによ
って生じるものと考えられており、より大きな駆動力を
得るためには超音波のエネルギー密度の空間分布の変化
を増加させるか、超音波の流体中での減衰を大きくすれ
ばよいことが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術で述べた
ように、従来のマイクロファブリケーション攪拌技術
は、流路の構造を複雑にすることで実現されたが、これ
により流路の管内抵抗が増加してしまい試料溶液を導入
するために更なる加圧が必要となり、装置の接合部の耐
圧を改善する必要があった。また試料残滴が流路内に残
ってしまい、複数の試料を同一の流路を用いて順次処理
する場合、試料混濁の可能性があった。
【０００５】本発明は、微小管内の流路抵抗を増加させ
ることなく、かつ流路内に残滴が残りにくい構造を持っ
た攪拌装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の攪拌装置は、攪拌容器に攪拌したい複数の
試料流体を導入する部位の下流に、容器の流路内に流れ
の方向とは直交する方向に超音波が作用し、かつ非対称
な音場強度分布が発生するように流路壁面または周辺に
超音波振動子を非対称に配置し、超音波振動子が発生す
る超音波によって生じた音響流によって前記複数の試料
流体を攪拌混合する手段を有する。また、本発明の攪拌
装置は、流路壁面に流路を挟んで対称に配置した超音波
振動子から流路内に定在波が発生する波長とは異なる波
長の超音波を照射して前記複数の試料流体を攪拌混合す
る手段を有する。あるいは、超音波振動子の振動によっ
て直接流路壁面を振動させて試料流体の壁面への吸着や
残存を防ぐ手段を有する。
【０００７】
【発明の実施の形態】本発明の攪拌装置の第1の実施例
１について、図１の斜視図を用いて以下に説明する。ま
た、図２に図１で示した実施例の攪拌装置１のＡ−Ａ断
面図を示す。図１において、１１は装置容器の上板、１
２は下板、１３はスペーサー、２１、２２は混合したい
試料流体を導入する流路、２３は混合された試料溶液の
出口である。３１、３２、３３は超音波振動子、４１、
４２、４３は音響ホーン、矢印６１は超音波振動子より
照射された超音波の照射方向である。また５１、５２は
混合された試料溶液の特性を測定する光学検出部であ
る。本実施例では、流路２３を挟んで、照射される超音
波が非対称になるように超音波振動子３１、３２、３３
が互い違いに配置されており、またそれぞれの超音波振
動子３１、３２、３３で発生した超音波は流路２３に対
して互い違いに配置された音響ホーン４１、４２、４３
に導入されてより狭い断面からより強力な超音波を試料
溶液の流れと直交する方向に照射する構成になってい
る。また超音波の照射方向が互い違いに非対称となって
いることで照射超音波の強度分布が流路内で非対称とな
り効果的に音響流が矢印６１の方向に発生する。本実施
例の装置構成では、流路内に何ら層流を乱す構成を持た
せることなく滑らかな管壁から非接触力の一つである超
音波を照射することで攪拌することから、流路抵抗の上
昇なしに試料溶液を攪拌通過させることが可能であり、
流路の凹凸に起因する残滴の可能性もない。また、超音
波を用いる場合に問題となるのは、超音波によって発生
するキャビテーション由来の試料損傷である。特に細胞
等の生物試料が試料溶液に含まれる場合には、キャビテ
ーションの発生を抑制する手段を組み合わせることが必
須である。キャビテーション閾値は試料溶液の溶存空気
の飽和量に対する割合が高くなるほど高くなり、キャビ
テーションが発生しにくくなる。このことから超音波キ
ャビテーションを抑制する手段として、膜圧８０μｍ程
度のシリコーンチューブを脱気チャンバー中に封入し、
このシリコーンチューブ内を試料溶液を通過させること
で溶存気体を脱気させ、その後に流路２１あるいは２２
に試料溶液を導入してもよい。あるいはキャビテーショ
ン発生の閾値音圧は超音波の振動数の１．２乗に比例す
ることから高い振動数の超音波を用いることでキャビテ
ーションの発生を抑制することができる。従って本実施
例で用いる超音波の振動数として１MHz以上の超音波を
用いることで脱気プロセスによる前処理なしにキャビテ
ーション生成を抑制することができる。また音響流の発
生強度は超音波の振動数の２乗に比例して増大するため
より強力な攪拌を行うためには高い振動数の超音波を用
いることが望ましいが、同時に試料に損傷を与える可能
性のある超音波の吸収も一般に超音波の振動数の２乗に
比例して増大する。
【０００８】試料に損傷を与えることなく効率的に音響
流を発生させるためには１０MHz未満の振動数の超音波
を用いることが望ましい。
【０００９】図３に、図１の実施例で用いる音響ホーン
の形状を説明する。超音波発生部７１〜７５は超音波を
発生する超音波振動子３４と、様々な形状の音響ホーン
４４、４５、４６、４７、４８よりなる。超音波発生部
の超音波振動子は図中矢印ｘ方向に３３モードで超音波
を照射するように配置することが望ましく、またこのと
き超音波振動子の厚みは使用する超音波の波長λに対し
て(λ／２)となるようにすることが望ましいが、超音波
振動子をｘ軸に直交する方向に３１モードで用いても良
い。一般にマイクロファブリケーション等の微小な機器
中で超音波振動子を用いる場合には、印加電圧の問題や
素子形状の問題から、超音波振動子単独では音響流を発
生させるのに十分な強力超音波を微小領域に集中的に発
生させることは困難なため、音響ホーン等の増幅素子を
用いて微小変位から大変位を取り出すことが望ましい。
エキスポネンシャル型の音響ホーン４４は、その断面積
S(x)が位置ｘの増加に対してExp（−γｘ）で減少する
ように加工されている。ただしここでγはテーパ定数で
ある。カテノイダル型の音響ホーン４５は、その断面積
S(x)が位置ｘの増加に対してcosh2（ｘ／ｈ）で減少す
るように加工されている。ただしここでｈはテーパ定数
である。コニカル型の音響ホーン４６は、その断面積S
(x)が位置ｘの増加に対してAx2で減少するように加工さ
れている。ただしここでAはテーパ定数である。ステッ
プ型の音響ホーン４７は、その断面積S(x)が位置ｘの増
加に対してx=(L/2)=（λ/4）となるところで、面積S=S1
からS=S2に減少するように加工されている。共振板型の
音響ホーン４８は、その断面積S(x)が位置ｘの増加に対
して一定であるが、その長さLがλ／２あるいは（ｎλ
＋λ／２）となるように加工されている。ただしここで
ｎは自然数である。座標Lでのホーンの特性をエキスポ
ネンシャル型、カテノイダル型、コニカル型について比
較して見ると、振動の速度比はカテノイダル型がもっと
も大きくコニカル型がもっとも小さくなる。また、長さ
Lもカテノイダル型がもっとも短くコニカル型がもっと
も長くなる。したがって増幅効率はカテノイダル型がも
っとも良いが、ホーン材料としてチタン合金（ICI318
A）等の疲労に強い材料を用いる必要があり、形状に関
してもコニカル型に比べて加工が複雑で難しい。本実施
例では、要求される増幅特性および加工コストに応じて
手段を選択することができる。
【００１０】本発明の攪拌装置の第２の実施例２につい
て、図４の斜視図を用いて以下に説明する。また、図５
に図４で示した実施例の攪拌装置２のＢ−Ｂ断面図を、
図６に図４で示した実施例の攪拌装置２のＣ−Ｃ断面図
を示す。図４において、１４は装置容器の上板、１５は
下板、１６はスペーサー、２４は試料溶液が通過する流
路、２５、２６は攪拌混合したい試料溶液を導入する溶
液注入口である。２７、２８の隙間は流路２４に接して
おり、前記注入口２５、２６から注入された試料溶液は
それぞれ矢印６３、６４の方向に流れ、流路２４で試料
溶液６２と一緒になる。つぎに超音波振動子３５、３６
で発生した超音波は共振板４９１、４９２によって増幅
され、流路２４に溶液の流れとは直交する方向に照射さ
れる。このとき、用いる超音波の周波数として流路内に
定在波が発生しない振動数を用いることで試料溶液を攪
拌する超音波の流れを発生させる。具体的には例えば、
使用する超音波の波長がλ/2あるいは（λ/2＋ｎλ）と
なるとき定在波が発生することからこの条件を満たさな
い波長の超音波を用いれば良い。また５３、５４は混合
された試料溶液の特性を測定する光学検出部であり攪拌
混合された試料の反応結果を計測することができる。本
実施例では、共振板４９１，４９２を用いたが図３で示
した他の音響ホーンを用いても良い。また、図１の第１
の実施例の場合と同様、超音波キャビテーションを抑制
する手段として、膜圧８０μｍ程度のシリコーンチュー
ブを脱気チャンバー中に封入し、このシリコーンチュー
ブ内を試料溶液を通過させることで溶存気体を脱気さ
せ、その後に流路２１あるいは２２に試料溶液を導入し
てもよい。あるいはキャビテーション発生の閾値音圧は
超音波の振動数の１．２乗に比例することから本実施例
で用いる超音波の振動数として１MHz以上の超音波を用
いることで脱気プロセスによる前処理なしにキャビテー
ション生成を抑制してもよい。また音響流の発生強度は
超音波の振動数の２乗に比例して増大するためより強力
な攪拌を行うためには高い振動数の超音波を用いること
が望ましいが、試料に損傷を与える可能性のある超音波
の吸収も一般に超音波の振動数の２乗に比例して増大す
る。したがって試料に損傷を与えることなく効率的に音
響流を発生させるためには１０MHz未満の振動数の超音
波を用いることが望ましい。
【００１１】また本実施例では、流路断面の形状は直方
体で対向する２面は互いに平行であったが、台形あるい
は楕円形あるいは円弧形等の平行でない形状であっても
良い。
【００１２】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明を用いるこ
とによって、流路抵抗を上げることなく微小な容器中の
試料の攪拌混合ができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の基本構成を示す斜視
図。
【図２】図１で示した装置のＡ−Ａ断面図。
【図３】本発明の第１の実施例で用いることができる音
響ホーンの形状を説明する斜視図。
【図４】本発明の第２の実施例の基本構成を示す斜視
図。
【図５】図４で示した装置のＢ−Ｂ断面図。
【図６】図４で示した装置のＣ−Ｃ断面図。
【符号の説明】
１、２…攪拌装置、１１、１４…上板、１２、１５…下
板、１３、１６…スペーサー、２１、２２、２３、２４
…流路、２５、２６…溶液注入口、２７、２８…溶液導
入部、３１、３２、３３、３４、３５、３６…超音波振
動子、４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７…音
響ホーン、４８、４９１、４９２…共振板、５１、５
２、５３、５４、５５…光学検出部、６１…超音波照射
の方向、６２、６３、６４…溶液の流れる方向、７１、
７２、７３、７４、７５…超音波発生部。

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】攪拌容器に攪拌したい複数の試料流体を導
    入する導入部と、前記導入部の下流に、前記容器の流路
    内の試料流体の流れの方向とは直交する方向に超音波が
    作用し、かつ非対称な音場強度分布が発生するように流
    路壁面または周辺に流路を挟んで非対称に対向して配置
    された複数の超音波振動子と、超音波振動子が発生する
    超音波によって生じた音響流によって前記複数の試料流
    体を攪拌混合する手段を有することを特徴とした攪拌装
    置。
  2. 【請求項２】前記超音波発生手段から発生させる超音波
    の周波数が１メガヘルツ以上であることを特徴とする請
    求項１記載の攪拌装置。
  3. 【請求項３】前記超音波発生手段から発生させる超音波
    の周波数が１０メガヘルツ未満であることを特徴とする
    請求項１記載の攪拌装置。
  4. 【請求項４】前記試料流体を前記容器に導入する前段
    に、前記流体中に溶存する気体を脱気する手段が付加さ
    れたことを特徴とする請求項１記載の攪拌装置。
  5. 【請求項５】前記超音波発生手段に発生超音波を増幅す
    る音響ホーン部が付加されたことを特徴とする請求項１
    記載の攪拌装置。
  6. 【請求項６】前記超音波発生手段に発生超音波を増幅す
    る音響ホーン部の断面積が先端に向かってエキスポネン
    シャルあるいはカテノイダルあるいはコニカルあるいは
    ステップ状に減少する形状を持ったことを特徴とする請
    求項５記載の攪拌装置。
  7. 【請求項７】攪拌容器に攪拌したい複数の試料流体を導
    入する導入部と、前記導入部の下流に、前記容器の流路
    内の試料流体の流れの方向とは直交する方向に作用し、
    かつ流路内に定在波を発生させない振動数の超音波が発
    生するように流路壁面に流路を挟んで対称に対向して配
    置された複数の超音波振動子と、超音波振動子が発生す
    る前記超音波によって生じた音響流によって前記複数の
    試料流体を攪拌混合する手段を有することを特徴とした
    攪拌装置。
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