W. J. Niels Klement, Elia Savino, Wesley R. Browne, Elisabeth Verpoorte
“In-line Raman imaging of mixing by herringbone grooves in microfluidic channels”
Lab on a Chip, 2024, 24, 3498. DOI: 10.1039/d4lc00115j
背景
マイクロ流体デバイスは化学や生物学の分野で広く利用されており、フォトケミカルフローリアクター、オルガンオンチップシステム、(生体)分析化学、細胞選別、COVID-19検出など多岐にわたる応用がなされている。特に効率的な流体混合が必要とされる場合が多く、これは化学反応を行う際に重要である。マイクロチャネル内での流体の流れは通常、層流であり、混合は拡散に依存する。そのため、反応を完了するための時間はチャネルの寸法に依存し、長いチャネルや低い流量が必要となる場合がある。この問題を解決するため、チャネルに溝などの構造を組み込んで静的ミキサーとして機能させるアプローチが一般的に採用されている。これにより、層流が乱され、混合効率が向上する。特に、傾斜ヘリンボーンミキサー（SHM）は、非常に広範な流量範囲で高い混合速度を実現できるため、多くの応用が見られる。
※ヘリボーン溝（Herringbone grooves）は、流体混合の効率を高めるためにマイクロ流体チャネル内に設けられる特定の溝のパターンを指す。これらの溝は、魚の骨（ヘリボーン）に似た形状をしており、溝が斜めに配置されている。
従来技術の問題点
しかし、単一の溶媒を用いる場合、マイクロチャネル内の流れは純粋に層流であり、信頼性のある混合を達成することが重要な設計上の考慮事項となる。従来の混合特性を評価する実験的アプローチには、インライン測定とオフライン測定があり、それぞれに利点があるが、オフライン分析は時間および距離の解像度が失われ、混合特性の不正確な視点をもたらす可能性がある。インライン測定は、混合パターンがチャネル内で距離に沿って進化するため、混合特性の測定に適しているが、通常、蛍光イメージングや単一ポイントスキャニングに基づいており、それらの方法は時間と労力を要する。
解決方法と結果
そこで、本研究では、レーザーを用いたラインフォーカス照明によるインラインラマンイメージングを提案し、チャネル内の混合プロセスをリアルタイムで観察できる手法を開発した。これにより、ミキサー設計の性能を迅速に評価できる。実験では、シクロヘキサンとD2Oの非混和性溶媒の流れを調べ、特定の位置での混合状態をラマンスペクトルとして捉えた。また、化学的に等価な溶媒ストリームの流れを、ルテニウム(II)ポリピリジル錯体の同位体を用いて評価し、ミキサー内での混合の程度を明確にした。さらに、Fe(II)硫酸塩と2,2′-ビピリジンの迅速な化学反応を利用して、溶媒ストリーム間の混合の進行を正確に評価した。
使用されたCoboltのレーザー
ラマンスペクトルを記録し、sCMOSカメラを使用してリアルタイムでのイメージングを実現した。