(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に微細な流路が配設されてフロー型分析システムが構成されているマイクロ化学分析システムにおいて、ＶＨＦ駆動マイクロ誘導結合プラズマ源部が流路に配置されていることを特徴とするマイクロ化学分析システム。
【請求項２】
プラズマ源部では、基板上にマイクロアンテナが配設されていることを特徴とする請求項１のマイクロ化学分析システム。
【請求項３】
請求項１または２のマイクロ化学分析システムにおいて、ＶＨＦ駆動マイクロ誘導結合プラズマ源は、モジュールとして基板に対して装着脱自在とされていることを特徴とするマイクロ化学分析システム。
【請求項４】
基板に微細な流路が配設されてフロー型分析システムが構成されているとともに流路にＶＨＦ駆動マイクロ誘導結合プラズマ源部が配置されている請求項１から３のうちのいずれかのマイクロ化学分析システムにおいて、マイクロネブライザー部が流路に形成されていることを特徴とするマイクロ化学分析システム。
【請求項５】
マイクロネブライザー部では、微小量液体試料を導入する中央部のキャピラリーの片方または両方の側部にキャリアガスの導入のためのキャピラリーが配置され、中央部キャピラリーの先端側部よりキャリアガスが吹出されるようにしたことを特徴とする請求項４のマイクロ化学分析システム。
【請求項６】
請求項４または５の化学分析システムにおいてマイクロネブライザー部は、モジュールとして基板に対して装着脱自在とされていることを特徴とするマイクロ化学分析システム。
【請求項７】
請求項４から６のうちのいずれかのマイクロ化学分析システムにおいて、ネブライザー部に近接してＶＨＦ駆動マイクロ誘導結合プラズマ源部が流路に配置されていることを特徴とするマイクロ化学分析システム。
【請求項８】
請求項１から７のうちのいずれかのマイクロ化学分析システムにおいて、誘導結合プラズマ発光分光分析が可能とされていることを特徴とするマイクロ化学分析システム。
【請求項９】
請求項１から７のうちのいずれかのマイクロ化学分析システムにおいて、マイクロキャピラリー電気泳動部が設けられていることを特徴とするマイクロ化学分析システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願発明は、マイクロ化学分析システム（μＴＡＳ：Micro Total Analysis Ststem)に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、高感度な微量物質検出のための新しいマイクロ化学分析システムとそのための要素技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術と発明の課題】
この出願の発明は、シリコン、ガラス、プラスチックなどのチップ上に数10μｍ幅の溝を微細加工してガスクロマトグラフィー（ＧＣ）やマイクロキャピラリー電気泳動（μＣＥ）などの極微量物質の高速分離を行うフロー型分析システムを形成し、レーザ誘起蛍光検出や微小電極による電気化学計測などのオンチップ高感度検出方法との組み合わせより革新的な高性能分析を実現するマイクロ化学分析システム（μTAS：Micro Total Analysis System）の研究が急速に進んでおり、遺伝子解析、医用検査、新薬開発など広い分野での応用が期待されている。
【０００３】
また、ベンチトップの分析装置ではキャピラリー電気泳動などの分離技術に極めて感度の高い元素分析法として知られる誘導結合プラズマ発光分光分析(ICP−OES：Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spcciroscopy)やＩＣＰ質量分析を結合させた高速かつ超高速感度な物質検出方法が近年開発されている。
【０００４】
そこで、高密度マイクロプラズマをガラス等のチップ上で生成させ、μＴＡＳに集積して高感度検出モジュールとして応用することが考えられるが、これまでのところ、チップ上での高密度マイクロプラズマの生成とμＴＡＳチップへの応用については実現されていないのが実情である。
【０００５】
分析用マイクロプラズマチップの最初の報告は、Ａ．ＭａｎｚらによりμＴＡＳ化したＧＣ（ガスクロマトグラフィー）での原子、分子検出を目的として１９９９年に発表されている。ガラスチップ内に形成した幅４５０μ×深さ２００μｍ×長さ２０００μｍの微小空間内に約１７ｋＰａの減圧下で１０〜５０ｍＷの電力でＨｅの直流グロー放電を発生させ、メタンの検出限界６００ｐｐｍを見積もっている。減圧下での動作ではカソード電極のスパッタにより、２時間で放電不能になったが、その後、大気圧では２４時間の動作も可能であると報告されている。
【０００６】
また、マイクロストリップアンテナを用いた２．４５ＧＨｚマイクロ波放電チップが、大気圧かつ無電極で動作する最初のマイクロプラズマチップとして報告され、深さ０．９ｍｍ×幅１ｍｍ×長さ９０ｍｍの放電室内に長さ２〜３ｃｍの放電を１０〜４０Ｗで発生させ、水銀蒸気の検出限界として１０ｎｇ／ｍｌが報告されている。
【０００７】
しかしながら、μＴＡＳチップへのマイクロプラズマの実現による高感度な微量分析を可能とするとのことは依然として実現されていない。微小空間での安定した高密度プラズマを小電力で生成することは容易ではないからである。
【０００８】
しかもまた、このような、マイクロプラズマ源の実現は、マイクロ化学分析システムとしてチップに集積して、フロー型分析システムを構成しなければならないが、微量の液体試料を分析対象とするためには、マイクロネブライザーが欠かせないものとなるが、このような手段についても実際的なものとなっていないという問題がある。
【０００９】
そこで、この出願の発明は、以上のとおりの問題点を解消し、高感度な微量分析を可能とする、新しいマイクロプラズマ源やマイクロネブライザーという要素技術とともに、これをチップに備えたマイクロ化学分析システムを提供することを課題としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、基板に微細な流路が配設されてフロー型分析システムが構成されているマイクロ化学分析システムにおいて、ＶＨＦ駆動マイクロ誘導結合プラズマ源部が流路に配置されていることを特徴とするマイクロ化学分析システムを提供する。
【００１１】
また、第２には、上記のプラズマ源部には、基板上にマイクロアンテナが配設されていることを特徴とするマイクロ化学分析システムを、第３には、ＶＨＦ駆動マイクロ誘導結合プラズマ源は、モジュールとして基板に対して装着脱自在とされていることを特徴とするマイクロ化学分析システムを提供する。
【００１２】
そして、この出願の発明は、第４には基板に微細な流路が配設されてフロー型分析システムが構成されているとともに上記のように流路にＶＨＦ駆動マイクロ誘導結合プラズマ源部が配置されているマイクロ化学分析システムにおいて、マイクロネブライザー部が流路に形成されていることを特徴とするマイクロ化学分析システムを提供し、第５には、マイクロネブライザー部では、微小量液体試料を導入する中央部のキャピラリーの側部にキャリアガスの導入のためのキャピラリーが配置され、中央部キャピラリーの先端側部よりキャリアガスが吹出されるようにしたことを特徴とするマイクロ化学分析システムを、第６には、マイクロネブライザー部は、モジュールとして基板に対して装着脱自在とされていることを特徴とするマイクロ化学分析システムを提供する。さらに、この出願の発明は、第７には、上記ネブライザー部に近接してＶＨＦ駆動マイクロ誘導結合プラズマ源部が流路に配置されていることを特徴とするマイクロ化学分析システムを提供し、第８には、誘導結合プラズマ発光分光分析が可能とされていることを特徴とするマイクロ化学分析システムを提供し、第９には、マイクロキャピラリー電気泳動部が設けられていることを特徴とするマイクロ化学分析システムを提供する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００１４】
まずμＴＡＳに組込むことのできるマイクロＶＨＦプラズマ源部について説明する。
【００１５】
μＴＡＳに組み込むプラズマ源ではＧＣなどの分離能を損なわないようにデットスペースの無い微小放電管内に高密度で励起効率の良いプラズマを生成する必要がある。このような微小空間でのプラズマ生成を特徴づける物理量は、小さな放電容器の特性長と、それゆえに大きい放電体積に対する表面積の比である。たとえば、ミリメートルサイズのＨｅプズマを生成することを想定して、プラズマを特徴づける物理量と圧力及び周波数との関係をオーダーで評価してみるとまず、電子の平均自由行程を１ｍｍ以下にするには約１００Ｐａ以上の圧力が必要となる。ただし圧力を上げすぎると電子エネルギーが低下するため、高電圧駆動が必要になる。高周波電界中で電子が受けとるパワーは電子衝突周波数νと電源角周波数ω（＝２πｆ）が一致するときに最大になるが、たとえば電子温度が３ｃＶのとき、１００〜１０００Ｐａでの電子衝突周波数は１〜１０ＧＨｚとなり、電源周波数ｆが１００ＭＨｚ〜１ＧＨｚのＶＨＦやＵＨＦを利用すると低電力で放電が可能になる。そして、ＨＦを利用する更なる利点は壁での損失の抑制にある。中性種との衝突を考慮すると周波数１００ＭＨｚで電界強度の振幅が１００Ｖ／ｍｍの高周波電界中でのＨｅイオンの振幅は約１０μｍ以下、電子の振幅は圧力が１００Ｐａでは１０ｍｍ以上だが、１０００Ｐａでは１ｍｍ程度になる。つまり、１０００Ｐａ以上の圧力でＶＨＦを利用すれば、イオン及び電子の一部を放電管内に捕捉することができる。
【００１６】
以上のことを踏まえて、この出願の発明では、ＶＨＦ駆動によるマイクロプラズマ源を構成している。そして、ＶＨＦ電力をプラズマに結合させる方式としては、静電界みより電子を加速する容量結合よりも、アンテナに流れる電流により生じる誘電電界を利用する誘導結合の方が効率よくプラズマを生成できる。そこで、この出願の発明は、ＶＨＦ駆動による誘導結合マイクロプラズマ源部とする。たとえば、図１はその例を示した平面の部分構成写真である。たとえば、３０ｍｍ角の石英製のチップ（１）中央に幅、深さが１〜５ｍｍの放電管キャピラリー（２）と、銅めっきとフォトリソグラフィーにより作製した内径２ｍｍの一巻き平板型アンテナ（３）をもつマイクロプラズマチップとすることができる。
【００１７】
このようなマイクロプラズマチップは、モジュールとして、μＴＡＳチップに装着脱自在とすることができる。
【００１８】
たとえば図１のマイクロプラズマチップについては、幅５ｍｍ、深さ１ｍｍ、長さ２０ｍｍの溝を有する石英チップ上に前記の一巻きアンテナを設置し、１００ＭＨｚの高周波を印加してプラズマ生成させると、圧力１０Ｔｏｒｒ以上、電力７０Ｗ以上の条件で溝内に高密度純Ｈｅプラズマが発生することが確認される。Ｈｅプラズはマバックグランドスペクトルにピークが少なく、試料とのスペクトル干渉が抑えられるという特徴を有している。
【００１９】
また、図２に、Ｈｅプラズマの励起温度を例示したが、Ｈｅの発光ピークから算出したＨｅの励起温度は、電力とともに増加し、１００Ｗで７０００Ｋに達することが確認された。
【００２０】
図３は、幅および深さともに１ｍｍの溝の場合について、微量に添加した水素のＨｅ発光スペクトル（バルマー系列：４８６ｎｍ）のシュタルク広がりから見積もったＡｒ及びＨｅプラズマの電子密度と電力の関係の例を示したものである。１０Ｗ付近で持つ度の急激な増大が起こり、プラズマ密度は約１０13ｃｍ-3に達することが確認される。
【００２１】
そして図４は、Ａｒのパルスインジェクションによる発光強度応答の結果を例示したものである。Ａｒのパルスインジェクションにより、プラズマ発光の強度上昇が明瞭に確認される。以上、プラズマ分光分析へのこの発明のＶＨＦ駆動マイクロ誘導結合プラズマ源部の有用性が説明される。
【００２２】
リソグラフィーで形成した小型アンテナを用いて微小空間に高密度プラズマが生成可能であり、プラズマ源の構造もチップ化に適していることからμＴＡＳに集積するプラズマ源としては有力な手段である。
【００２３】
また、マイクロプラズマ発光分光の適用範囲はガスクロマトグラフィーにおける元素検出等、まずは気体試料から検討されるが、今後、液体試料へと適用範囲の拡大が要求されることから、この出願の発明では、液体試料をアトマイズ化して噴出させるためのマイクロネブライザーも提供する。
【００２４】
このマイクロネブライザーは、たとえば、図５の構成として例示される。この図５の例は、石英チップ上に試作したマイクロネブライザーである。両サイドのキャピラリーからキャリアガスをたとえば１０〜２０ｃｃｍ流し、中央の１０μｍ幅のキャピラリーから導入した微少量液体試料をアトマイズ化できることが確認されている。
【００２５】
より具体的には、たとえば図５、そして図６に示したように、プレーナマイクロネブライザを試作し、その動作確認を行った。２０ｍｍ角の石英ガラスにＣｒマスクを用いて深さ１５μｍのドライエッチングによりネブライザーのパターンを形成する。更に幅６０μｍの噴射ノズル内に金属薄膜電極をスパッタリングにより形成する。最後に超音波加工機により試料導入口を開けた別のチップと圧着により張り合わせ、微小流路を封じた。試作したチップにはガス導入のための細管を取り付けた。マイクロキャピラリー両端に高電圧を印加して電気浸透流を発生させ、キャピラリー終端から流出した液体を両側から吹き込むガスにより微粒子化する。まず、ネブライザーガス（Ｎ2流量は４．７ｓｃｃｍ）を流し、キャピラリーに電界をかけない状態で液溜から蛍光顕微鏡による高感度撮像のため０．１ｍＭローダミンを加えた２０ｍＭリン酸緩衝液（ｐＨ＝９．１）を注入すると幅８μｍの液体噴出口で表面張力により緩衝液の流れが止まった。次にキャピラリー端に１．６ｋＶの高電圧をかけると緩衝液は噴射口より流れ出し、ネブライザーガスにより微粒子化する動作が確認された。またＮ2ガスを固定し電圧ふり蛍光強度を調べたところ、図７に例示したように、線形性であることも確認された。
【００２６】
たとえば以上のようなマイクロネブライザーをマイクロモジュールとしてμＴＡＳチップに装着脱自在として、μＴＡＳシステムを構成してもよいことは言うまでもない。また、試料としての物質は、マイクロキャピラリーによる電気泳動やＧＣにより分離可能とし、これをＩＣＰ−ＯＥＳやＩＣＰ質量分析等により高感度な検出システムを構成することができる。
【００２７】
たとえば図８は、そのシステム構成を例示した図である。
【００２８】
前記のＶＨＦ駆動マイクロ誘導結合高密度プラズマ源部とマイクロネブライザー部とを、マイクロキャピラリー電気泳動部とともにチップに搭載している。
【００２９】
研究室や検査室において微量のサンプルを高速に分離し、高感度に分析するという目的を満たすには既存の大型装置を使用しても十分であるが、ベッドサイドでの臨床検査や、製造ラインの不純物汚染検査、野外や工場での環境汚染物質分析などオンサイト・オンタイム計測を可能にすることが欠かせない。このことから、分析システムを集積チップ化してシステム全体をハンディー化、更には携帯可能にするために、この発明のマイクロプラズマ源部やマイクロネブライザー部は極めて重要な手段となる。
【００３０】
もちろん、この出願の発明は以上の例示によって何ら限定されることはない。その細部の携帯については様々であってよい。
【００３１】
【発明の効果】
この出願の発明によって、以上詳しく説明したとおり、高感度な微量分析を可能とする、新しいマイクロプラズマ源やマイクロネブライザーという要素技術とともに、これをチップに備えた実用的な、新しいマイクロ化学分析システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】試作したマイクロプラズマチップを例示した一部平面写真である。
【図２】Ｈｅプラズマ励起温度と電子温度との関係を例示した図である。
【図３】圧力２ｋＰａにおけるＡｒ及びＨｅマイクロプラズマの電子密度の電力依存性を例示した図である。
【図４】パルスインジェクションＡｒの検出発光強度の変化を例示した図である。
【図５】マイクロネブライザーの平面構成を例示した顕微鏡写真である。
【図６】図５の例の動作のための構成を示した概要図である。
【図７】電圧と、噴霧化された試料の蛍光強度の関係を例示した図である。
【図８】システムチップの構成例を示した概要図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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