オンチップ高速流体制御を用いた局所的渦生成によるオンデマンド溶液混合

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近年，マイクロ流体チップ内で溶液の化学反応や細胞の刺激応答を解析するためのデバイスとして，マイクロミキサの研究が盛んに行われてきた．特に，芳香族化合物の混合反応や藻類細胞の浸透圧変化応答など、従来のバッチ式のデバイスでは観察できなかった高速応答現象の解析に注目が集まっている．しかし，マイクロ流路特有の低レイノルズ数の層流環境によって，従来のオンチップ溶液混合技術において，ミリ秒以下の速さでの高速混合は困難とされていた．そこで本研究では，高速溶液混合システムを構築することを目的とし、オンチップメンブレンポンプを用いた超高速流体制御に基づく局所渦のオンデマンド生成に成功し、局所渦をマイクロ流路中の撹拌子として利用することで、従来技術の10倍以上の速さのオンチップミキシングに成功した．超高速流体制御を達成するために、MEMS加工技術を用いてガラス―シリコン―ガラスの３層構造の高剛性マイクロ流体チップを作製した。局所渦生成実験では、約40 usという非常に高速な時間スケールで局所渦を生成することに成功した。局所渦を用いたミキシング実験の結果，流量1.2 ml/minという高流量条件下で，応答速度約0.5 msの高速溶液混合を達成した。さらに，導入する溶液の流量比を制御することによる混合後の溶液の濃度制御に成功し，また，従来技術において問題であった混合時のデバイスの温度変化について実験および有限要素法を用いて評価を行った結果、デバイス表面の温度上昇は約4.2℃，内部流体の温度上昇は約0.1℃以下であることが確認できた．以上の結果より，提案する超高速流体制御による局所渦生成を用いることで高速オンチップ溶液混合が可能であることが確認できた。本研究の成果は、高速な溶液混合反応や細胞の溶液変化に対する高速応答の解析だけでなく、高流量のフロー合成に貢献可能であると考えられる．