(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体混合物の分析システムであって、
入口および出口、クロマトグラフィーカラムの前記入口から前記出口まで延在する内側表面を有する壁、ならびに前記内側表面を被覆する固定相の膜を備える、少なくとも１つのクロマトグラフィーカラム（４，１０４．１，１０４．２）と、
前記混合物を前記カラム（４，１０４．１，１０４．２）へと注入するための手段（２）と、
前記気体混合物を形成している化合物を検出するための手段（６，１０６）と、を備え、
検出手段（６，１０６）が、前記カラム（４，１０４．１，１０４．２）の入口および出口を含む、前記カラム（４，１０４．１，１０４．２）の入口と出口との間の少なくとも２箇所において前記化合物を検出することが可能であり、前記検出手段（６，１０６）が前記カラム（４，１０４．１，１０４．２）に沿って、前記カラムの壁に組み込まれ、前記カラムの前記入口と前記出口との間に分布した、検出器のネットワークを備え、
前記クロマトグラフィーカラム内の前記気体混合物の各成分の速度を決定することが可能な検出手段であって、前記検出器のネットワークによって検出されたピークと、前記検出器間の距離を用いる検出手段を備える、分析システム。
【請求項２】
前記検出器が吸着材料の層の堆積によって機能化されている、請求項１に記載の分析システム。
【請求項３】
前記検出器上に堆積される前記吸着材料が、前記カラムの前記固定相の材料と同一である、請求項２に記載の分析システム。
【請求項４】
２つの隣接する検出器の間隔が１ミリメートルである、請求項１から３のいずれか一項に記載の分析システム。
【請求項５】
前記検出器が重量測定センサである、請求項１から４のいずれか一項に記載の分析システム。
【請求項６】
前記カラムがマイクロキャピラリーまたはマクロキャピラリー型であり、前記検出器がＮＥＭＳセンサである、請求項１から５のいずれか一項に記載の分析システム。
【請求項７】
前記検出器が１００ｎｍ２から数μｍ２の範囲を含む有効表面積を有する、請求項６に記載の分析システム。
【請求項８】
直列に接続された少なくとも第１のクロマトグラフィーカラム（１０４．１）および第２のクロマトグラフィーカラム（１０４．２）、ならびに前記第１および第２クロマトグラフィーカラムの各々と関連付けられた検出手段を備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の分析システム。
【請求項９】
前記カラムが、一方で基板に溝をエッチングし、他方で前記溝をプレートで閉鎖することによって作製されている、請求項１から８のいずれか一項に記載の分析システム。
【請求項１０】
前記検出器が、前記溝の形状に対応するパターンに従って前記溝内または前記プレート上に作製されている、請求項９に記載の分析システム。
【請求項１１】
前記カラムの形状が前記基板の縁部に沿った部分を有するものであり、前記検出手段が前記基板の縁部に隣接して配置されている、請求項１０に記載の分析システム。
【請求項１２】
前記カラムが互いに連結した４つの部分を備え、各部分が蛇行形状を有し、各蛇行形状の部分が前記基板の１つの縁部に沿っている、請求項１１に記載の分析システム。
【請求項１３】
前記４つの部分が同一の長さを有する、請求項１２に記載の分析システム。
【請求項１４】
前記４つの部分が異なる固定相で被覆されている、請求項１３に記載の分析システム。
【請求項１５】
前記カラムにサンプルを一つ一つ注入するステップであって、二つの注入の間に注入時間を有するステップと、
前記混合物の成分のピークを検出するステップと、
前記成分の各々の局所速度が２つの連続する検出器の間で決定されるように、前記混合物の成分の各々の軌道のマップを作成するステップと、
を含む、請求項１から１４のいずれか一項に記載の分析システムを適用するサンプルの分析方法。
【請求項１６】
２つの注入の間の前記注入時間が第１の注入の最も遅い成分の移動の時間より短いか、または、気体溶媒の移動の時間よりも短い、請求項１５に記載の分析方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は、混合物の成分を決定するために、少なくとも１つのクロマトグラフィーカラムを備える、気体混合物の分析システムに関する。本発明は、より詳細には、数センチメートルから数メートルの間で可変である長さを有し、例えば１０μｍから数百μｍの間を含む直径を有する中空管で形成されたマイクロキャピラリー型または約５００μｍから数ｍｍの間を含む直径を有するマクロキャピラリー型の、１つまたは複数のクロマトグラフィーカラムを含む分析システムに関する。
【０００２】
例えば、課題は、所定の濃度閾値で混合物中の特定の気体の存在を検出することである。
【０００３】
このタイプの検出システムの用途は多数あり、特に、空気品質監視、食品および農業監視、工程および安全監視の分野が挙げられる。
【０００４】
そのような検出システムは、ガスクロマトグラフィーカラムおよびカラムの出口にある検出器を備える。カラムの入口には事前濃縮器または注入システムが設けられ得る。
【０００５】
クロマトグラフィーカラムは、混合物の異なる成分を分離することで、異なる成分が異なる時点でカラムから出て連続的に検出することを目的とするものである。
【０００６】
カラム内でのこの分離は、カラムの内部を覆いかつ程度の差がある親和性を有する固定相が存在するため、成分が異なる速度で移動することによって得られる。
【０００７】
クロマトグラフィーカラムを利用する現在のシステムでは、各成分の速度がカラム内で一定であると想定されている。この想定は、固定相の厚さが一定の場合にのみ正しい。しかし、カラムを製造する方法において、そのような一定の厚さを得ることは技術的制約を課し、費用が高い。
【０００８】
さらに、従来のシステムを用いると、第１の混合物の全ての成分がカラムから出るまで第２の混合物をカラムに注入することはできない。実際に、我々が示したように、カラム内での移動速度は、成分の固定相との親和性に依存するため、第１の混合物の１つもしくは複数の成分より先に第２の混合物の成分がカラムを出ること、またはそれらと重なることが起こり得る。その場合、この成分が第１の混合物または第２の混合物のいずれに由来するものであるかを特定することが不可能である。前の混合物の全ての成分がカラムを出てから新たな混合物を注入しなければならないこの要件は、例えばある成分がカラムから出るのが非常に遅い場合、非常に不利な条件となり得る。分析の速度は非常に遅くなる。
【０００９】
特に複雑な混合物の場合、例えば石油化学の分野などでは、全ての成分を分離するためには１つのカラムでは十分ではない。実際、所定の固定相に対して、いくつかの成分が該固定相に同一の親和性を有する傾向にある。そこで、異なる固定相を有する直列に連結された２つのカラムが使用される。各成分は、両方のカラムに対する一対の親和性によって特徴付けられる。混合物は、第１のカラム、続いて第２のカラムを通り、各成分が第１のカラム、続いて第２のカラムにおいて分離される。各カラムとの親和性を知るために、各成分に対して各々のカラムにおける両方の移動時間を知らなければならない。各成分に対して、すなわち第２のカラムからの排出ピークの各々に対して、第２のカラムからの排出時間および第１のカラムへのサンプルの導入時間は容易に知ることができる。その一方で、第１のカラムから第２のカラムへと通過する瞬間を知ることはより困難である。各カラムにおける移動速度を推測するためには、この瞬間を知ることが必要である。実際、成分が第２のカラムにおいて互いを「追い越し」、第２のカラムから同一の順序で出てくるとは限らないため、２つのカラムの間を移動するピークと、第２のカラムから少し後に出てくるピークとの間の対応を明確に確立する方法が知られていない。この不明確性を解決するために使用される手段の１つに、バルブおよび／または熱制御装置を含む比較的複雑なシステムによってカラム内の流速を調節することがある。そのようなシステムについては、非特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｄｉｍａｎｄｊａ，  Ｊ．Ｍ．Ｄ．，  ＧＣ  ｘ  ＧＣ．  Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，  ２００４．  ７６（９）：  ｐ．１６７Ａ−１７４Ａ
【非特許文献２】Ｗｈｉｔｉｎｇ，  Ｊ．Ｊ．，  Ｃ．Ｓ．  Ｆｉｘ，  Ｊ．Ｍ．  Ａｎｄｅｒｓｏｎ，  ｅｔ  ａｌ．  “Ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ  ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｇａｓ  ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ  ｕｓｉｎｇ  ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  ＧＣ  Ｃｏｌｕｍｎｓ  ｃｏｍｂｉｎｅｄ  ｗｉｔｈ  ｎａｎｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｍａｓｓ  ｓｅｎｓｏｒｓ”  ｉｎ  ＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲＳ  ２００９  −  １５ｔｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｓｅｎｓｏｒｓ，  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  ａｎｄ  Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ，  ２００９
【非特許文献３】Ｋａａｎｔａ，  Ｂ．，  Ｈ．  Ｃｈｅｎ，  ａｎｄ  Ｘ．  Ｚｈａｎｇ，  Ａ  ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃａｌｌｙ  ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  ｇａｓ  ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ  ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｃｏｌｕｍｎ  ｗｉｔｈ  ａｎ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｈｉｇｈ  ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ  ｄｅｔｅｃｔｏｒ．  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ  ａｎｄ  Ｍｉｃｒｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，  ２０１０，  ２０（５）：  ｐ．０５５０１６．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従って、本発明の目的は、従来のシステムよりも少ない製造制約を有する検出システムを提供することにある。
【００１２】
本発明の目的はまた、従来のシステムと比較してサンプルの分析速度が速く、複雑なサンプルの分析を簡略化することができる、１つまたは複数のクロマトグラフィーカラムを利用する分析システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前述の目的は、ガスクロマトグラフィーカラムと、カラム内で分離された成分を検出するための手段であって、分析すべき混合物の流路上の少なくとも２つの異なる地点に配置されることにより、カラム内の成分の移動速度を決定することが可能である、検出手段と、を備える分析システムによって達成される。例えば、検出手段は、カラムの出口に位置する検出器と、上流、入口またはカラム内に位置する別の検出器と、を備える。従って、特に成分の速度がカラムに沿って厳密に一定でない場合に、サンプルの各成分の速度をより正確に推測することができる。これを利用して、カラムを製造するための技術的制約を低減させることが可能となる。
【００１４】
さらに、本発明によるシステムを利用することによって、第１のサンプルの全ての成分が出る前に第２のサンプルを注入することができる。成分の数及びカラムにおける対応するピークによって特徴付けられるサンプルの複雑性に従って、十分な数の検出器が各成分の追跡及び第１のサンプルの成分より速度が速い第２のサンプルの成分の検出のために利用可能であり、それにより不確定要素はもはやなくなる。任意の複雑性のサンプルに対して、それぞれの間隔がピークの半値幅に対応する距離未満となる密度で検出器を配置することで十分である。この半値幅を決定するために、溶媒またはより一般的には固定相に対して親和性を全く有さないかまたは殆ど有さない成分に対応するピークが好ましくは選択されることになる。
【００１５】
さらに、異なる成分の互いに対する相対的な変位を管理する必要がないため、複数のカラムの利用、特に、異なる固定相を有し、直列に連結される複数のカラムの利用が簡略化される。
【００１６】
言い換えると、本発明によれば、カラムにおける化合物を特徴付けるために、従来のシステムのようにカラムの出口の検出器によって提供される検出ピークのみでなく、速度が使用される。
【００１７】
特に有利なやり方では、ＭＥＭＳ型検出器またはセンサが使用され、さらに有利にはＮＥＭＳ型検出器が使用され、それらの寸法によってカラム壁面への組み込みが可能となり、そのセクションの幅は数十マイクロメートルである。さらに、ＮＥＭＳ検出器は、一般的にＭＥＭＳ検出器よりも精度が高い。
【００１８】
有利には、クロマトグラフィーカラムに沿って検出器を並置してよく、カラム内の各化合物の速度の変動に対する特定の知識を有することが可能となる。
【００１９】
検出器は、例えば重量測定マイクロセンサまたはナノセンサである。検出器はまた、ナノチューブ、例えばカーボンナノチューブの支持を有する電気伝導測定検出器とすることもできる。サイズ、感度、応答時間の点において適合性を有する特性を有するその他の検出器もまた考えられ得る。
【００２０】
従って、本発明の対象は主に、気体混合物の分析システムであって、少なくとも１つの  クロマトグラフィーカラムと、前記混合物を前記カラムへと注入するための手段と、前記気体混合物を形成している化合物を検出するための手段と、を備え、前記検出手段が、前記カラムの入口及び出口を含む前記カラムの入口と出口との間の少なくとも２箇所において前記化合物を検出することが可能である、分析システムである。
【００２１】
例えば、検出手段は、カラムの出口に少なくとも１つの検出器と、カラムの入口及び／またはカラム内に少なくとも１つの検出器とを備える。
【００２２】
有利には、検出手段は、カラムの出口に少なくとも１つの検出器と、カラム内に少なくとも１つの検出器とを備え、より具体的には、少なくとも１つの検出器はクロマトグラフィーカラムの壁に組み込まれている。
【００２３】
好ましくは、本発明によるシステムは、カラムに沿ってカラムの入口と出口との間に分布した検出器のネットワークを備える。
【００２４】
有利には、２つの隣接する検出器の間隔は、ピークの半値幅以下である。
【００２５】
有利には、カラムは、少なくとも２つの検出器によって、いかなる時点においても各成分が「見られる」ように、十分な数の検出器を備える。
【００２６】
１実施形態では、本発明によるシステムは、直列に接続された少なくとも２つのカラムを備え、第２の下流カラムは、入口に１つの検出器および出口に１つの検出器の少なくとも２つの検出器を備える。
【００２７】
第１の上流カラムはまた、カラムの出口に配置された検出器を備え得る。第１のカラムが複数の検出器を備え得ることは十分に理解される。
【００２８】
例えば、検出器は、重量測定センサである。カラムがマイクロキャピラリーまたはマクロキャピラリー型である場合、検出器はＮＥＭＳセンサである。検出器は、例えば１００ｎｍ２から数μｍ２の範囲を含む有効表面積を有する。
【００２９】
検出器は、吸着材料の層を堆積することによって機能化され得る。検出器に堆積される吸着材料は、カラムの固定相の材料と同一であり得る。
【００３０】
カラムは、例えば一方で基板に溝をエッチングし、他方で前記溝をプレートで閉鎖することによって作製される。検出器は、溝の形状に対応するパターンに従って溝内またはプレート上に作製され得る。
【００３１】
本発明の対象はまた、
カラムにサンプルを連続的に注入するステップと、
前記混合物の成分の各々のピークを検出するステップと、
前記成分の各々の局所速度が２つの連続する検出器の間で決定され得るように、前記混合物の成分の各々の軌道マップを作成するステップと、
を含む、本発明によるシステムを適用してサンプルを分析する方法である。
【００３２】
有利には、２つの注入の間の時間は、第１の注入の最も遅い成分の移動の時間より短いか、または、気体溶媒の移動の時間よりも短い。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１Ａ】本発明による分析システムの例示的実施形態の概略図である。
【図１Ｂ】本発明による分析システムの例示的実施形態の概略図である。
【図２Ａ】固定相がカラムに沿って均一な特性を有する場合に、図１Ａおよび１Ｂの分析システムを用いて得られる、化合物の時空濃度マップのグラフである。
【図２Ｂ】固定相がカラムに沿って可変の特性を有する場合に、図１Ａおよび１Ｂの分析システムを用いて得られる、化合物の時空濃度マップのグラフである。
【図３】図１Ａおよび１Ｂの分析システムを用いて得られる、２つの連続するサンプルの化合物の時空濃度マップのグラフである。
【図４Ａ】直列に連結された２つのクロマトグラフィーカラムを備える本発明による分析システムの概略図である。
【図４Ｂ】図４Ａの分析システムを用いて得られる、化合物の時空濃度マップの概略図である。
【図４Ｃ】図４Ｂのマップに対応するクロマトグラフィーマップである。
【図５Ａ】図４Ａの分析システムを用いて得られる、化合物の時空濃度マップのグラフである。該化合物は、４Ｂのマップのものと比較すると固定相に対して異なる親和性を有する。
【図５Ｂ】図５Ａのマップに対応するクロマトグラフィーマップである。
【図６Ａ】本発明によるシステムに利用され得るらせん状カラムを含む基板の部分上面図である。
【図６Ｂ】本発明によるシステムに適用され得るらせん状カラムを含む基板の部分縦断面図である。
【図７】本発明において適用され得る往復経路を形成するカラムを備えた基板の斜視図である。
【図８Ａ】センサがカバー上に形成された、本発明によるシステムの斜視図である。
【図８Ｂ】センサがカバー上に形成された、本発明によるシステムの斜視図である。
【図９】本発明による分析システムによって得られる曲線の例である：曲線ＩおよびＩＩは異なる固定相を有するシステムに対応し、曲線ＩＩＩは炎イオン化検出器による分析に対応する。
【図１０】本発明の分析システムの別の実施形態の概略図である。
【図１１】図１０のシステムの詳細なレイアウトの例である。
【図１２】図１１による実際のシステムの写真である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
本発明は、以下の詳細な説明および添付の図面によってより深く理解されるであろう。
【００３５】
以下の説明において、「サンプル」との記載は、分析する化合物の気体混合物に言及する。
【００３６】
「化合物」、「構成要素」、「成分」、「被分析物」との用語は全て、例えば空気である、キャリアガスに溶解している溶質に言及する。
【００３７】
図１Ａには、注入手段２、クロマトグラフィーカラム４、及び検出手段６を含む、本発明による分析システムＳ１の例示的実施形態の略図が示されている。
【００３８】
注入手段２によって、分析されるサンプルを導入し、かつ揮発させることが可能である。サンプルは、例えば、室内もしくは車内、または固相抽出（ＳＰＥ）ベースの事前濃縮器もしくは熱脱着器の出口でサンプリングされた分析される空気、あるいは有機溶媒中に溶解した液体サンプル（例えば石油化学抽出物、精油）である。これらは当業者に周知であるため、詳細には説明しない。
【００３９】
クロマトグラフィーカラム４は、例えば１０μｍから数百マイクロメートルを含む直径を有するマイクロキャピラリー型の管、または５００μｍから数ミリメートルを含む直径のマクロキャピラリー型の管によって形成される。長さは例えば０．５ｍから数メートルを含む。
【００４０】
管の内側表面は、固定相５と称される材料の薄膜で被覆されている。そのような材料の堆積は、当業者に周知の任意の種類の技術によって実施することができる。固定相の材料は、例えばポリエチレングリコールまたはポリジメチルシロキサンなどのポリマーとすることができる。この材料はまた、固体、ゲルゾル、または液体であってよい。
【００４１】
注入したサンプルの異なる分子は、固定相との親和性によって分離されることになるが、ある分子は他の分子より速度が遅く、異なる分子が示す信号の測定が可能となり、それらを特定する可能性をもたらす。
【００４２】
所定のカラムに対して、化合物は保持係数または因子ｋによって特定される。この保持因子は、固定相中の化合物質量に対する移動相中の化合物質量の比率に対応する。また、化合物と溶媒のそれぞれの通過時間の差と、カラム内の（カラムと相互作用しない）溶媒の通過時間の比率である。
【００４３】
強力な保持因子を有する化合物は、カラムの固定相に対して高い親和性を有し、大きく減速する化合物に相当する。
【００４４】
本発明によると、気体検出手段６は、分析システムの少なくとも２つの異なる位置で異なる化合物を検出することができる。検出手段は、さまざまなやり方で配置された少なくとも２つの検出器を含む。
【００４５】
図示した例では、検出器６．１はカラム４の出口に配置され、検出器６．２は、カラム内、より具体的には、カラム４の壁に配置される。
【００４６】
代替として、それらの１つが出口に配置され、別の１つが入口に配置され得る。
【００４７】
前記少なくとも２つの気体検出器の存在によって、カラム内での溶質の移動を追跡し、より詳細には瞬間速度を推測することが可能となる。
【００４８】
特に有利なやり方では、検出手段６は、カラムの入口からカラムの出口まで配置された検出器のネットワークによって形成される。図１Ｂには、カラムに沿って配置された６つの検出器６．２から６．７のネットワーク、及びカラムの出口の検出器６．１が示されている。ネットワークは、間隔がピークの幅の半分以下となるように規則的に離間された少なくとも十分な数の検出器を含む。所定のカラムに対して、ピークの平均値は、「理論段相当高さ」によって推定され得る。実際には、約１ミリメートル間隔で配置された検出器、すなわち１メートルのカラムに対して約１，０００個の検出器を備えると有利である。
【００４９】
検出器は、カラム内に配置することができるような寸法に選択される。クロマトグラフィーマイクロカラムの場合、そのようなマイクロカラムの標準断面は、数十マイクロメートルの幅を有し、選択された基本検出器は、この値より小さな寸法を有する。
【００５０】
検出器は、ガスマイクロセンサとすることができる。マイクロセンサとは、カラムの直径に沿って約１００ｎｍ２から数μｍ２の有効表面積を有するセンサを意味する。マイクロセンサは、好ましくはカラムの内壁に組み込まれる。好ましくは、検出器は可能な限り小さく、それにより検出手段の感度を増加させることができる。ＮＥＭＳセンサの場合は特に、少なくとも１つの寸法が１マイクロメートル未満である。いくつかの並べられたＮＥＭＳセンサを有する基本検出器を作製することも可能である。寸法が数十マイクロメートル未満のいかなるタイプのセンサも適当であり得る。例えば、化学的に機能化されたナノ構造に基づくセンサ、例えばカーボンナノチューブまたはシリコンナノワイヤなどが挙げられる。
【００５１】
気体種が検出器の近くを通過する間に分子が検出器と相互作用し、この相互作用により検出可能な電気信号が生成される。
【００５２】
これらの検出器が相対的選択性を有すると有利である。選択性は例えば、センサ上に堆積された感知ポリマー層に由来する。このポリマーは固定相と同一であっても異なっていてもよい。代替として、カラム内の検出器を異なる感知ポリマーで機能化してもよい。
【００５３】
これらは、重量測定ＮＥＭＳナノセンサとすることができる。このタイプのセンサは、カラム内を移動する気体種が堆積する振動面を有する。この種の堆積は、共振周波数の変化を引き起こし、これは例えば容量効果、圧電効果、またはピエゾ抵抗効果によって測定され得る。留意点として、容量検出の範囲内では、２つの電極は、それらの間隔が、両電極によって形成される静電容量の変化を含めて、ＮＥＭＳの移動部分の移動によって変化するように作製される。圧電およびピエゾ抵抗検出では、歪みゲージが適当な材料で作製され、端子の電圧または抵抗がゲージに加えられる応力に依存してそれぞれ変化する。
【００５４】
ＮＥＭＳ検出器は、例えば非特許文献２に記載されたような重量測定ＮＥＭＳセンサである。
【００５５】
重量測定センサは例えばＳｉＮであり、２．５μｍ×０．７μｍの寸法を有する。
【００５６】
センサは、感知ポリマーまたは分析される混合物の化合物に対して化学的親和性を有する任意のその他の吸着材料によって機能化されると有利である。化合物が存在すると、一定量のこの化合物が感知層に吸着され、センサに信号を発生する。吸着材料は、固定相と同一のものでも異なるものでもよい。
【００５７】
基本検出器がいくつかのＮＥＭＳマイクロセンサで形成され得ることは明らかに理解される。
【００５８】
これらはまた、その他の周知のガスマイクロセンサまたはナノセンサ、特に支持体への分子の堆積が電気伝導度の変化をもたらす電気伝導測定センサであってよい。支持体はカーボンナノチューブからなり得る。
【００５９】
これらはまた、熱伝導度検出器（ＴＣＤ）であり得る。これは、非特許文献３に記載されているようにシリコンチップ上に作製することができる。
【００６０】
しかしながら、この種の検出器は、以下の欠点を有する。
その分子量の関数にすぎないガスの伝導度のみに基づくため、異なる被分析物の識別能力が比較的非常に乏しい。分子量が近く、かつ極性の異なる２つの被分析物の識別は、感知ポリマー上での吸着により可能となるが、ＴＣＤでは不可能である。
ＴＣＤ検出器によってもたらされる信号がキャリアガスの速度に依存する。従って、速度を非常に正確に制御し続けることが重量となる。
ＴＣＤでは、被分析物とキャリアガスの熱伝導度の差を大きくすることによって強い信号が得られる。つまり、水素またはヘリウムが一般的に使用される。これらの２つのガスは爆発性であるかまたは高価である。
【００６１】
ＴＣＤを使用することができるが、以下の理由からケミレジスタまたは電気機械システム（ＭＥＭＳもしくはＮＥＭＳ）などの親和性ベースの検出器が好ましく選択される：
‐キャリアガスの速度の影響を受けにくい、
‐被分析物の物理／化学特性（極性、分極率、特定の官能基の有無など）に応じて選択可能である。
【００６２】
この場合、クロマトグラフィーカラムによる分離が完璧でなくても、いくつかの検出器を別々の相補的な層と組み合わせることによって、分離されないいくつかの被分析物を識別することが可能となる。このような調整により、より複雑な混合物（すなわちより多くの化合物を含む）を分析することが可能となる。異なる被分析物は、異なる信号パターンを与える。
【００６３】
例えば図９に示すように、曲線ＩおよびＩＩは、異なるポリマー（それぞれポリカプロラクトン（ＰＣＬ）およびポリ［（２−（３−プロピル）−３，５−ビス（トリフルオロメチル）フェノール］メチル）シロキサン（ＤＫＡＰ））で機能化したＮＥＭＳによってもたらされた信号である。これらの曲線から、２つのポリマーが異なる応答を示すことがわかる。例えばトルエンに相当するピーク１、ヘプタノールに相当するピーク３、オクタノールに対応するピーク７に対して特に明らかであり、ポリマーに対してより応答性を示している。
【００６４】
曲線ＩＩＩは、炎イオン化検出器（ＦＩＤ）の応答であり、これは、ガスクロマトグラフィ装置の参照検出器である。曲線ＩまたはＩＩと曲線ＩＩＩを比較することにより本発明のシステムの性能がわかる。
【００６５】
その他の検出ピークは以下の通り対応する。
０：溶媒
２：オクタン
４：ＣＥＥＳ  （２−クロロエチルエチルスルフィド）
５：ＤＭＭＰ  （メチルホスホン酸ジメチル）
６：ＤＣＰ  （クロロリン酸ジエチル）
８：ＤＥＭＰ  （メチルホスホン酸ジエチル）
９：ＤＮＢＳ  （ジ−ｎ−ブチルスルフィド）
１０：ウンデカン
１１：ＤＩＭＰ  （メチルホスホン酸ジイソプロピル）
１２：ＤＣＨ  （ジクロロヘキサン）
１３：ＭＳ  サリチル酸メチル
【００６６】
溶媒はジエチルエーテルである。図９のクロノグラムを作製するために、全ての被分析物をジエチルエーテルに溶解して０．５質量％の濃度にした。
【００６７】
上述のとおり、本発明によると、カラムにおける化合物の位置によって速度が変化し得る、２つの連続した検出器の間の各化合物の平均速度を測定することが可能である。そして、図２Ａに示すような、カラム内の化合物の二次元時空濃度マップを再構築することが可能である。図２Ａでは、横軸は時間ｔを表し、縦軸はカラムに覆われる距離ｘを表す。このマップは、固定相がカラムに沿って均一な特性を有する場合、つまり化合物の速度が実質的に一定の場合に得られる。固定相の特性は、例えば表面の組成、厚さ、温度などである。図２Ａには、溶媒の軌道ＴＳおよびサンプルに含まれる２つの成分の軌道ＴＣが示される。
【００６８】
したがって、このマップの点（ｘ，ｔ）は、時間ｔ、位置ｘにおいて検出器によって検出されたガス濃度である。従来技術のシステムによって得られるクロマトグラムは、このマップにおいて式ｘ＝Ｌの直線となり、式中Ｌはカラムの長さであり、１つの検出器がカラム出口に配置されている。このマップの直線ｔ＝ｔ０は、時間ｔ０でのカラムに沿った化合物の位置を表す。このようなマップにおいて、被分析物の軌道は線分ＴＣであり、固定相の特性がカラムを通して一定であると想定される。線の傾きは、カラム内の化合物の速度に対応する。速度を用いて、カラム内の化合物の特性を明らかにすることが可能である。
【００６９】
固定相の厚さがカラムに沿って変化する場合、カラム内の各化合物の通過速度は同一方向に変化する、つまり、速度が遅くなるかまたは速くなるかのいずれかであるため、化合物が再度混合されることはない。
【００７０】
固定相の組成がカラムに沿って変化する場合、カラム内の各成分の通過速度は互いに別々に変化し得るため、成分が互いを追い越す場合がある。このような構成は、従来の装置では処理することができない。ここで、本発明を用いることによって、組成の変動を補うことが可能である。
【００７１】
図２Ｂには、固定相がカラムに沿って均一な特性を有さない場合の、カラム内の化合物に対する二次元時空濃度マップが示されている。化合物の速度は、カラム内の移動の間に局所的に変化する。図からわかるように、各化合物の軌道ＴＣは曲線である。ＴＳとして示される軌道は溶媒のものである。
【００７２】
本発明によると、従来より高速で分析を実施することができる。実際には、各化合物はカラム内を移動する間中追跡されており、出口でのみ検出されるわけではないため、前のサンプルの全ての化合物がカラムを出るまで次のサンプルの注入を待つ必要がない。このことは、図３のマップから特に明らかである。関連するカラムは、特性が変わらない固定相を有する。長破線で示されている軌道の束Ｔ１は、最後に注入されたサンプルに対応し、短破線の軌道Ｔ２の束は、二番目に注入されたサンプルに対応し、実線の軌道の束Ｔ３は、最初に注入されたサンプルに対応する。
【００７３】
各束は、溶媒Ｓの軌道、および２つの化合物Ｃ１、Ｃ２の軌道を含む。
束Ｔ１は、軌道Ｓ１、ＴＣ１１、およびＴＣ１２を含む。
束Ｔ２は、軌道Ｓ２、ＴＣ２１、およびＴＣ２２を含む。
束Ｔ３は、軌道Ｓ３、ＴＣ３１、およびＴＣ３２を含む。
【００７４】
マップに示されているように、化合物Ｔ２は、化合物Ｔ３１よりも高速で移動し、カラム内で「追い越す」。マップを用いると、この「追い越し」は明確に位置を見つけ出すことができるため、このことは、分析に障害をもたらすものではない。したがって、各サンプルの各化合物は明確に識別され、どのサンプルのどの化合物に対応するピークであるかを知ることができる。
【００７５】
したがって、本発明によると、２つのサンプル間の注入時間は、最後のガス成分の通過時間より短くてよい。
したがって、分析をより高速に実施することが可能となる。
【００７６】
図４Ａには、本発明による直列に連結された２つのクロマトグラフィーカラム１０４．１、１０４．２を備える別の分析システムの例Ｓ１００が示されている。両方のカラム１０４．１および１０４．２は、異なる固定相１０５．１および１０５．２を含む。関連する実施例では、両方のカラムはその特性が変わらない固定相を含む。
【００７７】
システムは、第１カラム１０４．１の上流に位置する注入手段１０２、および検出手段  １０６を含む。図示された例では、両方のカラム１０４．１および１０４．２は、中間領域１０８を介して連結されており、そこでは組成は監視されなくてもよい。
【００７８】
本発明によると、検出手段１０６は、第１カラム１０４．１および第２カラム１０４．２のいくつかの場所、ならびに中間領域１０８における検出を可能にする。
【００７９】
図示された例では、検出手段１０６は、第１カラム１０４．１の出口の検出器１０６．１、第２カラム１０４．２の検出器１０６．２、および第２カラム１０４．２の出口の検出器１０６．３を含む。第１カラム１０４．１は、長さＬ１を有し、第２カラムは長さＬ２を有し、中間部分１０８は長さＬ３を有する。
【００８０】
図４Ｂには、３つの化合物Ａ、Ｂ、およびＣを含むサンプルに対して、図４Ａのシステムによって得られる軌道のマップが示されている。
カラム１０４．１、１０４．２、および中間領域１０８は、マップ上に３つの水平バンドによって図示されている。
【００８１】
３つの化合物Ａ、Ｂ、およびＣを含むサンプルは、図４Ａの分析システムに導入される。第１カラム１０４．１は、化合物Ａをその他２つの化合物ＢおよびＣから分離し、化合物ＢおよびＣはこの第１カラムでは分離されない。第２カラム１０４．２では、化合物ＢおよびＣが分離される。
【００８２】
両方のカラム１０４．１および１０４．２における軌道を分析することによって、両方のカラム内の３つの化合物の各々の通過速度を推測することが可能である。定性的には、
化合物Ａは、第１領域に中程度、第２領域にわずかに保持され、
化合物ＢおよびＣは、Ａよりも著しく、第１領域に同じように保持され、
Ｂは、第２カラムに比較的多くなく、しかしＡよりも多く保持され、
Ｃは、第２カラムにかなり多く保持されていることがわかる。
【００８３】
図４Ｃには、対応するクロマトグラフィーマップが示されており、マップ中、横軸は第１カラム１０４．１の保持係数ｋ１、縦軸は第２カラム１０４．２の保持係数ｋ２である。
【００８４】
本発明によると、化合物は、カラム内での全ての移動の間追跡され得るため、連続するカラム内での移動の間に特定の化合物が他の化合物を「追い越す」ことを避けるために流量を調節する必要はない。
【００８５】
中間領域は、分離には関与しないが、両カラムの間に存在することが検出システムの性能に弊害をもたらすものではない。中間領域を介さずに２つのカラムを直列接続してもよいことは明らかである。
【００８６】
図５Ａには、固定相に対して異なる親和性を有する化合物のサンプルに対して、図４Ａのものと類似した分析システムによって得られる軌道のマップが示されている。
【００８７】
２つの化合物Ａ、Ｂ、およびＣのサンプルがシステムＳ１００に導入される。この例では、化合物ＢおよびＣは、第１カラム１０４．１によって分離されない。第２カラム１０４．２では、化合物Ｂが化合物Ａに「追いつく」ため、第２カラム１０４．２の出口では明確なピークは形成されない。しかしながらこの場合、本発明を用いると、本発明による第２カラム１０４．２に沿って位置する検出器によって、化合物ＡおよびＢの軌道をＣに対して識別することが可能となる。
【００８８】
両方のカラム１０４．１および１０４．２における軌道の分析により、両方のカラムにおける３つの化合物の各々の通過速度を推測することが可能となる。
化合物Ａは、第１カラム内に中程度、第２カラム内により多く保持され、
化合物ＢおよびＣは、Ａよりも著しく第１カラム内に同じように保持され、
化合物Ｂは第２カラム内にあまり多く保持されず、
化合物Ｃは、第２カラム内に多く、実質的にＡと同じだけ保持される。
【００８９】
図５Ｂには、対応するクロマトグラフィーマップが示され、マップ中、横軸は第１カラム１０４．１の保持係数ｋ１であり、縦軸はカラム１０４．２の保持係数ｋ２である。
固定相の特性が変わる、直列に連結されたカラムのシステムが、本発明の範囲を逸脱しないことは明らかに理解される。
【００９０】
図示された例では、２つのカラムは直列に連結されているが、本発明によって、分析システムの分離能力を向上させるために、２つより多くの任意の数のカラムを互いに連結してよい。したがって、本発明を利用して、かつより一般的なやり方で、直列に連結された複数のカラムまたはカラムセグメントＣｊ（１≦ｊ≦Ｎ、Ｎ≧２）を配列することによって、第１カラムに続くカラム、すなわち番号２からＮで表されるカラムは、各成分の軌道を測定するために十分な数だけ、カラム内部に１つまたは複数の検出器を有し、かつおそらく出口に１つの検出器を有する。好ましくは、Ｎは、２から７を含む。
【００９１】
第１カラムは、検出器を含まなくてもよく、あるいは出口に１つの検出器のみを含んでもよい。
溶質Ｒｉおよび各カラムＣｊに対して、平均速度ＶＲｉ，ｊが測定される。
【００９２】
各溶質ＲｉはＮ次元空間の点に対応し、各軸ｊはカラムｊにおいて測定された速度Ｖを示す。言い換えると、溶質Ｒｉは、この空間、座標（ＶＲｉ，１…ＶＲｉ，Ｎ）に存在する。同様に、各溶質はＮ次元の空間の点に対応し、各軸ｊはカラムｊにおける保持係数を表す。各溶質Ｒｉはこの空間において座標（ＫＲｉ，１，…ＫＲｉ，Ｎ）を有し、各係数ＫＲｉ，ｊはカラムｊにおける保持係数を表す。
【００９３】
図６Ａおよび６Ｂには、互いに巻かれた２つのらせん状のクロマトグラフィーカラム４の例示的実施形態の上面および縦断面が示されている。
【００９４】
このカラムは、フォトリソグラフィおよびディープエッチングステップに関連する標準的なマイクロエレクトロニクス技術によって、例えばシリコンの平板基板１２に溝１０をエッチングすることによって作製される。
【００９５】
数平方センチメートルの表面領域上に、カラムが以下のように作製され得る。
‐セクションは、エッチングの深さおよび幅によって決定される。これらの寸法の各々は、約数ミクロンから数百ミクロンまで変化し得る。
‐長さは、数十センチメートルから１または数メートル、例えば２メートルまで変化し得る。
溝１０は、四角らせん形状またはより複雑な形状（例１参照）であってもよい。
【００９６】
図７、８Ａおよび８Ｂには、別の例示的カラム４が示されており、溝１０は、基板１２内にエッチングされた平行な前進部分１４．１および後退部分１４．２を含む。
【００９７】
例えばシリコンである基板１２にエッチングされた溝１０は、図８Ａおよび８Ｂに図示されるようなカバーを形成するプレート１６によって閉じられる。このプレート１６は、例えばシリコン、シリカ、またはパイレックス（登録商標）製である。基板を覆うカバーの取り付けは、例えば分子シーリングまたはアノードシーリングなどの周知の標準的マイクロエレクトロニクスの方法によって得られる。スクリーン印刷によって堆積される接着剤を利用して基板上へカバーを接着接合することも考えられ得る。
【００９８】
この例示的実施形態では、溝１０に面するように意図されたカバー１６の面上にセンサが作製される。センサ６は、基板１２における溝１０の形状に対応するパターンに従って堆積される。
【００９９】
別の例示的実施形態では、蓋を所定の位置に設置する前に、溝にセンサ６を直接作製するように規定される。
【０１００】
固定相の堆積およびセンサ上のポリマーの堆積に関して、これらの堆積は、組立ての前または後に実施され得る。固定相のポリマーおよびセンサのポリマーが同一の場合、組立て後に堆積することで、これらの堆積を同時に実施することが可能となる。
【０１０１】
固定相が異なる直列接続されたカラムを含むシステムを作製するために、カバーを所定の位置に設置する前または後に堆積が実施され得る。
【０１０２】
例として、本発明によるシステムは、以下の方法に従って作製され得る。システムは、異なる基板にそれぞれ作製される３つのモジュールを含む。
−カラムを含むガス相クロマトグラフィーモジュールを第１基板にディープシリコンエッチングによって作製する。
−検出手段を含む検出モジュールを第２基板上への、第１基板に切り込まれた溝に対応する位置および形状のフォトリソグラフィおよびエッチングによって得られるＮＥＭＳセンサのネットワークとして作製する。
−ＮＥＭＳセンサによって伝送されるデータを制御および処理するための電子モジュールを、第３基板上にＣＭＯＳ技術により実装された集積回路であるＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ−Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）のネットワークとして作製する。
これらの３つの基板は互いに重ね合わせられ、それにより３つの基板が積層された構造が作製される。
【０１０３】
例えば、第１および第２基板の組立ては、接着、例えば接着接合またはマイクロテクノロジーにおいて使用される任意のその他のシーリング方法によって成し遂げられる。ポリマーの堆積によるカラムおよび検出器の化学的機能化が、組立て前に基板の各々上で別々に実施されるかまたは組立て後に全体上に実施され得る。第１基板および第２基板によって形成されたアセンブリと第３基板との組立ては、例えば検出器の各々およびＡＳＩＣ集積処理回路の間の電気的接続を伴う機械的接続によって成し遂げられる。
【０１０４】
図１０および１１は、カラムの全長に沿って都合よく分離された４群の検出器を有する場合に特に適合されるガスクロマトグラフィーカラムの特定の設計を図示する。
【０１０５】
図１０は、ガスクロマトグラフィーカラムの概略図である。この特定のカラムは、各々がカラム全体の４分の１を形成する４つのサブカラムＳＣ１、ＳＣ２、ＳＣ３、ＳＣ４から構成される。カラムの詳細な配置は図１１に示される。
【０１０６】
図１２は、製造される実際の装置の写真である。
４つのサブカラムＳＣ１、ＳＣ２、ＳＣ３、ＳＣ４は、先端の重要性の低い例外はあるが同一の形状および長さを有する。それらは、カラム全体の入口ＩＮおよび出口ＯＵＴを調整するためにわずかな違いを有する。カラムは、検出器６がこの面の周辺上にある検出器面上に配置することができるように設計される。一群のＮＥＭＳ検出器６（この特定の設計においては各グループ内にちょうど１４の検出器）は、検出器面の４つの側の各々およびエッジ周辺に配置される。検出器面のエッジに沿った検出器の配置により、電気配線の長さを最小化することによって読出し電子機器への接続が容易となる。その上、この設計は各サブカラムに沿って検出器を搭載するための周辺上に長い長さをもたらす。
【０１０７】
カラムの特定の形状により、第１、第２、第３および最後の４分の１のカラムの後にそれぞれ、各群の検出器がカラムに沿って均等に配置されることが可能となる。
【０１０８】
この特定の設計により、異なる固定相を有する異なるサブカラムを被覆することが容易となる。その後、カラム全体は、多次元ガスクロマトグラフィを実施するために、１から４の異なる固定相で容易に機能化することができる。
【図１Ａ】
0005850925.tif 000002
【図１Ｂ】
0005850925.tif 000003
【図２Ａ】
0005850925.tif 000004
【図２Ｂ】
0005850925.tif 000005
【図３】
0005850925.tif 000006
【図４Ａ】
0005850925.tif 000007
【図４Ｂ】
0005850925.tif 000008
【図４Ｃ】
0005850925.tif 000009
【図５Ａ】
0005850925.tif 000010
【図５Ｂ】
0005850925.tif 000011
【図６Ａ】
0005850925.tif 000012
【図６Ｂ】
0005850925.tif 000013
【図７】
0005850925.tif 000014
【図８Ａ】
0005850925.tif 000015
【図８Ｂ】
0005850925.tif 000016
【図９】
0005850925.tif 000017
【図１０】
0005850925.tif 000018
【図１１】
0005850925.tif 000019
【図１２】
0005850925.tif 000020