HOME材料・素材・技術分野 > マイクロ流路−ものづくりと分析技術−

マイクロ流路
−ものづくりと分析技術−


 

 マイクロ流路プロセス技術には、混合・反応・分離・濃縮・乳化などがあり、化学、医療、食品、化成品など多様な分野での利用が期待されています。
 マイクロ流路プロセスを集積したマイクロリアクタは多くの利点を有しています。技術開発時においては、サンプルや試薬が少量で済むこと、流路の壁面に触媒や酵素を固定化することなどにより実験コストを大幅に抑えることができ、量産化時には、反応速度の向上や連続流れによる副産物生成の低減、ナンバリングアップによるスケールアップなど、優れた特徴を有しています。
 本書は、このようなマイクロ流路に関して、以下の項目についてまとめたものです。



  ★マイクロ流路システムの概要・構成及びマイクロ流路内の流体の特徴
  ★マイクロ流路の材料及び作製技術
  ★マイクロ流路の周辺技術(計測技術・流れの解析ソフト)
  ★各種分野への応用
  ★マイクロ流路及びマイクロリアクタ関連特許

    
    □体裁 A4判466ページ
    □価格 本体68,000円+消費税
    □送料 弊社負担
    □発行 2014年5月

章 目 次

 

第1章 マイクロ流路システムの概念と特徴
第2章 マイクロ流路の作製
第3章 マイクロ流路システムの周辺技術
第4章 マイクロ流路の応用
第5章 特許


詳 細 目 次

 
第1章 マイクロ流路システムの概念と特徴 1
 1.1 マイクロ流路システムとは 1
  1.1.1 マイクロ流路システムの概要 1
  1.1.2 マイクロ流路チップの特徴 2
  1.1.3 マイクロ流路内の流体の特性 3
 1.2 マイクロ流路システムの構成要素 5
  1.2.1 マイクロポンプの駆動方法 5
   (1) プランジャー方式 6
   (2) 圧電素子を利用する方式 7
    (a) Metal Micro Pump 7
    (b) ピエゾマイクロポンプ 7
    (c) 液体自身を弁として使う双方向マイクロポンプ 8
    (d) 圧電薄膜を用いた流路壁面振動による送液デバイス 9
   (3) 電磁方式 11
    (a) 電磁流体(MHD)マイクロポンプ 11
      (b) 電磁式マイクロリニアポンプ 11
   (4) ポリマーアクチュエータポンプ 12
  1.2.2 マイクロバルブ 14
   (1) ミニチュアダイアフラムバルブ 14
   (2) シリコーンラバーマイクロバルブ 15
  1.2.3 マイクロ流路チップ(混合・反応・分離・精製などの機能部)の材質 17
   (1) 石英ガラス製マイクロ流路チップ 17
   (2) プラスチック製マイクロ流路チップ 20
   (3) シリコン基板製マイクロ流路チップ 22
  1.2.4 マイクロミキサーの構造と機能 23
   (1) T字・Y字ミキサー 23
   (2) K-Mミキサー 24
   (3) 二重管ミキサー 25
   (4) ドリルホール型ミキサー 25
   (5) スリット型マイクロミキサー 26
   (6) 金属薄膜振動型アクティブマイクロミキサー 26
  1.2.5 マイクロ流路システムで用いられるヒーター 27
  1.2.6 マイクロ熱交換器 30
   (1) 急速昇温・冷却用マイクロ熱交換器 30
   (2) 熱交換器付きマイクロミキサー(非等温混合) 31
  1.2.7 流速・流量センサとマイクロ流路システムへの適用 32
   (1) 差圧流量計「Micro Flow Sensor」 32
   (2) 超音波流量計 33
   (3) 電磁流量計 34
   (4) 直接型質量流量計 35
    (a) コリオリ式質量流量計 35
    (b) 熱式質量流量計 35
   (5) レーザー流量計 36
   (6) マイクロ粒子画像流速計 38
    (a) 輝度パターン法 38
    (b) 粒子追跡法 38
   (7) 回折格子を用いた流速計測法 40
  1.2.8 圧力センサ 43
   (1) 半導体圧力センサ 43
   (2) PSPを応用した圧力・酸素濃度分布計測 45
  1.2.9 マイクロ流路システムで用いられる温度センサ 47
   (1) 熱電対 47
   (2) 流路内温度計の製作 48
   (3) 近赤外分光法を応用した微量水溶液の温度イメージング 50
 1.3 マイクロ流路内における流体の挙動特性 50
  1.3.1 混相流の形態と解析手法 51
   (1) 界面の数値解析法 51
   (2) 多相流 51
    (a) DIMを用いた二相流計算法 51
    (b) Cahn-Hilliard方程式を用いた界面追跡(DIF)法による混相流の
       シミュレーション 53
    (c) 二相系格子ボルツマン法 55
    (d) マイクロ流路のY字分岐・合流部における液液二相流の有限要素解析 56
    (e) マイクロ流路の親水・疎水塗り分け 57
    (f) 液中の気泡の挙動 58
  (3) 二相スラグ流 61
    (a) 水平管内のスラグ流解析例 61
    (b) T型マイクロ流路による二相スラグ流のシート状ディスプレイへの応用 62
    (c) マイクロ流路内における二相流の次元解析とその応用 63
    (d) 円形マイクロ流路内二相流の気泡速度、ボイド率、圧力損失に関する研究 65
   (4) 噴流 68
    (a) 微粉粒子を含む固気二相流れとその応用 68
    (b) 固気二相自由乱流の渦法シミュレーション 69
  1.3.2 混合方式 74
   (1) 流体衝突を用いるマイクロミキサーによる混合 75
    (a) T・Y字ミキサー 76
    (b) K-Mミキサー 77
    (c) 二重管ミキサー 78
   (2) 交互流入とキャビティによる混合 80
    (a) 界面の引き伸ばし 80
    (b) フラクタル次元 81
   (3) 熱対流の利用 82
   (4) 交流電気浸透を用いた高速マイクロミキサーによる混合 83
   (5) 磁気ビーズと変動磁場の利用(マイクロカオス混合器) 83
   (6) 電磁アクチュエータを用いた流体制御マイクロリアクタ 85
  1.3.3 熱流体としての特徴 89
   (1) 固液間熱伝達 89
    (a) ナノ構造間隔が固液熱抵抗に及ぼす影響 89
    (b) マイクロデバイス創製のための熱伝導・熱流動解析と計測 89
   (2) 気液二相流の伝熱流動特性 94
    (a) 平滑な鉛直平板上を流下する液膜流れ 94
    (b) 薄液膜蒸発(管内溝付管)を利用したマイクロ蒸発器 96
    (c) 平板型マイクロヒートパイプの伝熱特性 97
    (d) マイクロチャネル積層型熱交換器の熱交換特性と
        微細管内の気液二相流動現象 99
    (e) 気液混合層流における熱伝導と核生成 101
    (f) 強制対流沸騰 101
    (g) 衝突流沸騰 105
 1.4 流体制御技術 110
  1.4.1 ナノ流体の制御 110
   (1) 背圧調整法 110
   (2) 空気圧調整法 110
  1.4.2 プラスチック製マイクロ流路内壁の親水化 111
   
第2章 マイクロ流路の作製 113
 2.1 マイクロ流路の構成材料 113
  2.1.1 ガラス及びセラミックス 113
   (1) ほう珪酸ガラス(硬質ガラス) 113
   (2) 石英ガラス 114
   (3) 多孔セラミックス 116
  2.1.2 樹脂及びPDMS(シリコーンゴム) 117
   (1) 樹脂製マイクロ流路チップ 117
   (2) バイオチップ用レジスト 118
   (3) PDMS(シリコーンゴム) 119
   (4) 硬質樹脂 120
  2.1.3 金属 121
   (1) Si基板 121
   (2) ステンレス 122
   (3) その他の金属 123
    (a) 熱交換器積層型マイクロリアクタ 124
    (b) 冷却チャネルを有する金属製多層形マイクロリアクタ 124
   (4) マイクロ・ナノポーラス金属 125
 2.2 マイクロ流路の作製技術 126
  2.2.1 金属の微細加工 126
   (1) 機械加工 127
    (a) 削り加工 127
    (b) レーザー加工 127
   (2) フォトエッチング(ウエットエッチング) 128
   (3) ドライエッチング 129
   (4) 拡散接合技術 129
   (5) P-B接合法 130
   (6) エレクトロフォーミング加工 131
   (7) 金属粉末射出成形法(MIM) 131
  2.2.2 ガラスの微細加工 132
   (1) マイクロドリルを用いた微細加工 133
   (2) レーザー加工 134
   (3) フォトリソグラフィーによるウエットエッチング 135
   (4) レーザー加工とエッチングによる加工 138
   (5) マイクロブラスト工法 138
   (6) ドライエッチング 139
   (7) ガラス表面に直接凹凸を形成する技術 142
    (a) 圧力を利用する方法 142
    (b) 熱を利用する方法 143
   (8) マシニングセンタ 145
   (9) 各種加工法の比較 145
  2.2.3 樹脂・ゴムの微細加工 147
   (1) モールド 147
    (a) PDMS(poly(dimethylsiloxane)) 147
    (b) 硬質樹脂 149
   (2) 射出成形 150
    (a) PDMS 150
    (b) ポリプロピレン 150
    (c) ポリカーボネイトとTOPAS 152
   (3) マイクロホットエンボス加工(熱ナノインプリント技術) 152
   (4) 粘弾性材料の切削加工 156
  2.2.4 接合・溶着技術 159
   (1) 熱溶着(ヒートシール) 159
   (2) 高周波溶着 159
   (3) 光活性化によるプラスチックの低温接合 159
   (4) 赤外線溶着法 160
   (5) 樹脂ラミネート法 161
   (6) ポリイミド樹脂圧着接合法 162
  2.2.5 3次元マイクロ構造体 163
   (1) 3次元マイクロ光造形 163
   (2) 回転傾斜露光法 165
   (3) 移動マスクUVリソグラフィー技術 167
   (4) 高効率らせん流れ3次元マイクロ流路 168
  2.2.6 機械加工用微細工具の開発 171
   (1) 単結晶ダイヤモンド工具 171
   (2) マイクロ穴加工工具 172
   (3) 微細テクスチャを有する微細加工用工具 174
   
第3章 マイクロ流路システムの周辺技術 176
 3.1 濃度及び流速の計測技術 176
  3.1.1 光の透過を用いる方法 176
   (1) 生成物の吸光度測定 176
   (2) 光の屈折による透過光の減少の利用 176
   (3) 二色法 178
  3.1.2 光の屈折光・反射光を用いるもの 180
   (1) 表面プラズモン共鳴現象の利用 180
   (2) エバネッセント波の利用 180
    (a) 2種の蛍光色素を用いる方法 180
    (b) エバネッセント波分子タギング法 182
  3.1.3  光散乱(顕微ラマン分光)を用いる方法 184
  3.1.4 レーザー誘起蛍光法(LIF) 187
   (1) CCDカメラによる濃度測定 187
   (2) ドットマトリックス状レーザー光照射による流速測定法 189
  3.1.5 トレーサ粒子を用いる方法 191
   (1) PIV 191
    (a) 1つのカメラを用いる方法(2次元PIV) 192
    (b) 2つのカメラを用いる方法(ステレオPIV) 194
    (c) 多波長励起による蛍光と2つのカメラを利用する方法 196
    (d) 2種類のトレーサ粒子を利用する方法 197
   (2) PTV 199
    (a) 2次元PTV 199
    (b) 3次元PTV 202
    (c) マイクロ・プロセス・トモグラフィー(MPT) 202
   (3) 市販されているPIV/PTVシステム 205
    (a) PIV関連 205
    (b) PTVシステム 210
  3.1.6 単一粒子計測を用いる方法 213
 3.2 解析技術 214
  3.2.1 流れの解析 214
   (1) 高クヌーセン数流れの解析 214
    (a) 格子ボルツマン(LBM)法 214
    (b) 共鳴多光子イオン化(REMPI)法 215
   (2) 界面を含む流れの解析 217
   (3) 粒子法による多相流体・構造連成解析手法 218
   (4) マイクロリアクタでの流動解析への応用 219
    (a) 深溝型マイクロ流路内の流動解析 219
    (b) 深溝型マイクロ流路における混合の解析 220
    (c) 溶媒効果の量子化学計算による予測 221
    (d) マイクロリアクタの多重閉塞診断 223
  3.2.2 市販の解析ソフトウエア 227
  3.2.3 粒子径計測−動的光散乱(DLS)法 236
   
第4章 マイクロ流路の応用 239
 4.1 混相流への応用 239
  4.1.1 マイクロバブル(気液混相流) 239
   (1) マイクロバブルの生成 239
    (a) サブミリスケールの気泡発生 239
    (b) マイクロバブル発生装置の高性能化 242
    (c) ベンチュリ管による気泡微細化 243
   (2) マイクロ流路内気泡の二相流動に影響する因子 244
   (3) マイクロ流路内の気液二相流動の粒径制御 248
   (4) マイクロバブルの利用 251
    (a) 洗浄 251
    (b) 水質浄化 251
    (c) 油汚染土壌の改質 252
    (d) マイクロバブルと超音波を用いた分子導入システム 254
  4.1.2 ナノ粒子(固液混相流) 258
   (1) ナノ粒子の作製 258
    (a) マイクロミキサーを用いた金属ナノ粒子の合成 258
    (b) エレクトロスプレーマイクロリアクタを用いた金属ナノ粒子の合成 262
    (c) 中心衝突型マイクロリアクタ(KMリアクタ)を用いた
       有機顔料ナノ粒子の合成 264
    (d) 同心円形マイクロリアクタを用いた複合微粒子の合成 265
    (e) マイクロリアクタによるナノ粒子の合成と制御 267
    (f) 強制薄膜式リアクタを用いたナノ粒子の合成 269
    (g) マイクロリアクタを利用した水酸アパタイト粒子の合成 271
    (h) マイクロリアクタを用いた超臨界水熱合成による
       金属酸化物ナノ粒子の合成 272
   (2) 浮遊粒子の分離 274
    (a) ピンチド流路を用いた粒子の分級
       (ピンチドフローフラクショネーション法) 274
    (b) 二重音響場によるマイクロ流路内浮遊粒子の連続的分離法 275
    (c) カーブしたマイクロ流路による微粒子の分級 278
   (3) 超音波を用いたマイクロ流路中での微粒子操作 278
    (a) 周波数をスイープする方式 278
    (b) 三角形の溜り場を持つマイクロ流路中での超音波による微粒子操作 280
  4.1.3 液滴(液液混相流) 281
   (1) 液滴生成と結晶化 281
    (a) マイクロ流路による連続液滴生成と合流挙動および応用 281
    (b) 微小液滴を用いてタンパク質の結晶を1個だけ得る方法 283
   (2) ゲルの製造 284
    (a) Y字型マイクロ流路を用いたゲルの作製 284
    (b) フォーカシングデバイス法を用いたハイドロゲル材料の合成 285
    (c) 同軸の3次元マイクロ流路を用いた液滴の生成 286
   (3) エマルションの生成 287
    (a) 単分散エマルションの調製 287
    (b) 単分散多相エマルションの調製 291
 4.2 マイクロリアクタ(化学分野への応用) 297
  4.2.1 マイクロリアクタの開発動向 297
   (1) 化学装置としての特徴 297
   (2) マイクロリアクタを適用可能なプロセス 298
    (a) 逐次反応での収率向上 299
    (b) 除熱速度を利用した安全性向上 301
    (c) 反応温度制御による改善 301
   (3) マイクロリアクタ導入の手順 302
   (4) ラボレベルで利用できるマイクロリアクタシステム 304
   (5) NEDOのマイクロリアクタ開発プロジェクト 309
  4.2.2 酸化・還元反応、分解反応への応用 315
   (1) 直接法過酸化水素製造プロセスの開発 315
   (2) 不飽和有機化合物の水素化反応への応用 316
    (a) フェノール類の水素化反応 317
    (b) β-ナフトールの水素化反応 317
    (c) 4-シアノベンズアルデヒドの水素化反応 318
   (3) 三相系水素化反応への応用 319
   (4) 芳香族有機ハロゲン化物の脱ハロゲン化反応への応用 319
   (5) 有機ハイドライド方式水素発生システム 320
  4.2.3 酵素反応への応用 323
   (1) 低濃度酵素での反応への応用 323
   (2) 固相触媒導入型マイクロフロー反応器への応用 324
    (a) 固体触媒充填マイクロリアクタ 324
    (b) 表面化学修飾法による触媒固定化マイクロリアクタ 325
    (c) 層流界面に高分子パラジウム膜を導入したマイクロリアクタ 326
    (d) 壁面への酵素の固定化 326
   (3) メソポーラス材料固定化マイクロリアクタ 327
    (a) リパーゼによるエステル加水分解反応への応用 328
    (b) リパーゼを用いた有機溶媒中でのエステル交換反応 329
  4.2.4 有機合成への応用 330
   (1) ハロゲン-リチウム交換反応による二置換ベンゼン類の合成 330
   (2) アニオン反応への応用 331
    (a) フェニルボロン酸の合成 331
    (b) ペンタフルオロベンゼンの合成 331
    (c) スチレン類のアニオン合成 331
    (d) メタクリル酸エステルのアニオン重合 332
   (3) カチオン反応への応用 332
    (a) Friedel-Craftsアルキル化反応 332
    (b) Pristane合成反応 333
    (c) 1-アダマンタンカルボン酸の合成(Koch-Haaf反応) 333
   (4) ラジカル反応への応用 333
   (5) 強制薄膜式マイクロリアクタによる有機合成 333
    (a) 過酸化水素水を用いたサリチルアルデヒド酸化反応(デーキン反応) 333
    (b) アルコールのトシル化反応 334
   (6) マイクロリアクタにおける超臨界流体の利用 335
   (7) メタンからメタノールの直接合成 337
   (8) アルキニル化アニール(芳香族アセチレン)の合成(薗頭反応)への応用 339
   (9) 薬品製造への応用 340
    (a) フローマイクロリアクタを用いた光Barton反応 340
    (b) 薗頭反応と反応条件最適化への応用 342
    (c) 条件検索型フローマイクロリアクタによるアジド化反応の短時間検索 343
    (d) マイクロリアクタを用いた環境調和型化学合成 343
    (e) コンビナトリアル合成 344
    (f) 安価な糖からの生理活性物質ヒドロキシメチルフルフラール(HMF)製造 345
   (10) 触媒を必要とする気液反応への適用 345
   (11) ナノチューブを触媒担体にしたマイクロリアクタでのオレフィンの
             ヒドロキシル化反応 346
   (12) 抽出への応用 347
    (a) アクチノイドの分離・分析への応用 347
    (b) 神戸製鋼所SMCRの抽出用途への適用 348
 4.3 分析機器への応用 351
  4.3.1 シースフローを利用するもの 351
   (1) フローサイトメトリー 351
   (2) セルソーター 354
   (3) セルアナライザ 358
  4.3.2 化学分析への応用 361
   (1) 電気泳動への応用 361
    (a) 高分子マイクロチップを用いるキャピラリー電気泳動 361
    (b) キャピラリー電気泳動チップの開発 362
    (c) マイクロチャネル電気泳動 363
   (2) キャピラリー電気クロマトグラフィー(CEC)への応用 363
   (3) 全アミノ酸同時計測用バイオチップへの応用 363
   (4) 微量金属イオンの分離と検出への応用 365
   (5) マイクロ流路を用いたプラズマ発光分析への応用 365
   (6) NMR用デバイスへの応用 366
  4.3.3 フローイムノアッセイへの応用 367
   (1) マイクロチッブを用いたフローイムノアッセイシステム 367
   (2) マイクロ流路式迅速ELISAシステム 368
   (3) マイクロ流路デバイスを用いた重金属のイムノアッセイ 369
   (4) マイクロチップ基板を用いた抗原抗体反応系の構築 370
   (5) 全自動免疫測定装置ミュータスワコーi30 371
 4.4 バイオ・臨床分野への応用 374
  4.4.1 DNA・RNA解析への応用 375
   (1) DNAチップの作製方法 375
   (2) マイクロリアクタによる分析方法の開発 376
   (3) 使い捨て半導体DNAセンサ 377
   (4) ナノピラーチップによるDNA解析 378
   (5) DNA検査用ハイブリダイズチップ 379
   (6) ポータブル型DNA解析装置 379
   (7) 可搬型マイクロチップによる極微量マイクロRNAの高速検出 381
  4.4.2 臨床分野への応用 383
   (1) 血球の分離 383
    (a) 微小間隙チップを用いた母体血中の有核赤血球の分離と解析 384
    (b) バイオチップによる血球・血漿の分離 385
    (c) マイクロ分析システムによる血液中の血球検出 386
    (d) 血球分離チップ 388
   (2) 血球分析への応用 389
    (a) 白血球数/全血球数測定用試料の作製方法 389
    (b) 赤血硬さの評価 389
   (3) 1細胞分離とその応用 395
    (a) RainDance社癌細胞の単細胞分離とPCR増幅によるDNA分析 395
    (b) GigaGenが開発を進める1細胞分離技術 395
   (4) 単離細胞の増殖と解析 396
    (a) 単離細胞の有する遺伝子検出のためのPCR用マイクロ流路 396
    (b) テーバ状マイクロ流路を用いた1細胞からの核酸解析 397
  4.4.3 細胞・生体分子の制御と検出への応用 399
   (1) 細胞計測用マイクロ流路デバイス 399
   (2) 壁面修飾流路を用いた細胞分離メカニズムの研究 401
   (3) 細胞接着解析への応用 402
    (a) 細胞接着に及ぼす因子の解明 402
    (b) マイクロ流路内壁へのマルチ細胞パターン形成 403
   (4) 細胞培養への応用 404
    (a) 肺を再現したデバイス 405
    (b) マイクロ流路を用いた培養細胞のパターン形成 405
    (c) マイクロ流路を用いた細胞培養デバイス 405
    (d) 細胞培養用3次元マイクロリアクタ 407
    (e) 細胞刺激デバイス 407
   (5) タンパク質解析への応用 409
    (a) 単一分子検出用マイクロ流路チップの開発 409
    (b) 膜タンパク機能解析への応用 410
   (6) 生体分子操作への応用 411
    (a) ゲノムDNA分子操作 411
    (b) ナノメートルサイズの繊維で出来た「分子の線路」 412
    (c) マイクロ流路を利用した生体分子レールの円状配向 412
   (7) 1分子解析技術を基盤とした革新ナノバイオデバイスの開発研究
            (川合プロジェクト) 414
   (8) 科学技術振興機構 戦略的創造研究「医療に向けた化学・生物系分子を
           利用したバイオ素子・システムの創製」 414
   (9) 戦略的創造研究推進事業(CREST)「再生医療に向けたバイオ/ナノハイブリッド
      プラットホーム技術の構築」 416
  4.4.4 臨床分野への応用 419
   (1) インフルエンザウイルス検出への応用 419
    (a) Flow型PT-PCRチップによる遺伝子検査 420
    (b) インフルエンザウイルス型・亜型同定検査 421
   (2) 腫瘍マーカ検出への応用 424
   (3) マイクロニードルへの応用 426
    (a) 薬液注入用マイクロニードル 426
    (b) 微小透析針を用いた皮下生体成分計測 427
    (c) 神経プローブ 428
   (4) 薬剤による細胞刺激への応用 429
    (a) ミクロ薬理学 429
    (b) 微小孔とマイクロ流路を用いた神経幹細胞の薬剤刺激 430
   
第5章 特許 434
 5.1 マイクロ流路に関する特許 434
  5.1.1 マイクロ流路の形状、材質、表面処理等に関するもの 434
  5.1.2 マイクロ流路の製造法に関するもの 437
 5.2 各種機能をもつマイクロ流路に関する特許 439
  5.2.1 マイクロ流路内の送液に関するもの 439
  5.2.2 マイクロ流路における吸引・分注に関するもの 441
  5.2.3 マイクロ流路における流れの制御に関するもの 441
  5.2.4 マイクロ流路における熱伝導に関するもの 444
  5.2.5 マイクロ流路における混合に関するもの 445
  5.2.6 マイクロ流路を利用した分離・抽出に関するもの 447
 5.3 マイクロ流路での反応・合成に関する特許 449
  5.3.1 マイクロ流路内で反応・合成を行なわせる装置に関するもの 449
  5.3.2 マイクロ流路内での反応・合成方法に関するもの 451
 5.4 マイクロ流路の応用に関する特許 454
  5.4.1 マイクロ流路を用いた前処理に関する特許 454
  5.4.2 マイクロ流路を用いた粒子・液滴・気泡の生成に関する特許 456
  5.4.3 マイクロ流路を用いた測定装置・分析装置に関する特許 458
  5.4.4 マイクロ流路でのバイオテクノロジーに関する特許 464


□ このページのトップへ
□ 材料・素材・技術分野の目次へ