(57)【要約】  ナノスケール分析システム内における流体流を管理するための方法および装置であって、凍結解凍セグメント（２０１）内に凍結されたプラグ（２０２）を圧縮するための異なる幾何学的形態を有する凍結解凍バルブを具備する。凍結解凍バルブは、高圧分析システムに使用するためのものである。凍結解凍セグメント（２０１）内のチャンネルすなわち管の内径の幾何学的形態は、軸方向の力が印加されるときに、凍結プラグ（２０２）の圧縮を生じさせるべく形成した。圧縮は、バルブ漏れを回避するために高圧力における凍結されたプラグ（２０２）の移動を防止すべく凍結解凍バルブの流路内に用いられる。
2005509823.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
毛細状の配管またはチャンネルのセグメント内における液体を凍結させ且つ解凍させることによって配管またはチャンネルを通る流体流を管理するための方法であって、次の：
圧縮性の幾何学的形態を持つように前記配管またはチャンネルの内部通路の圧縮セグメントを形成するステップと、
流体の通過を停止させるように前記圧縮セグメントを凍結させるステップと、
流体の通過を許可するように前記圧縮セグメントを解凍させるステップと、
の各ステップを有する、方法。
【請求項２】
前記内部通路は、毛細状の配管内に含まれる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記内部通路は、マイクロチャンネルである、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記液体流は、２０，０００ｐｓｉよりも大きい圧力下にある、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記セグメントの前記凍結は、二酸化炭素の使用によるものである、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記セグメントの前記凍結は、ヒートポンプの使用によるものである、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記圧縮性の幾何学的形態は、先細化されている形態である、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記圧縮性の幾何学的形態は、球根状である、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記圧縮性の幾何学的形態は、第１の直径および第２の直径を有し、且つ前記第１の直径は、前記第２の直径よりも大きい、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記幾何学的形態は、段階屈曲である、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
毛細状の配管またはチャンネルのセグメント内における液体を凍結させ且つ解凍させることによって配管またはチャンネルを通る流体流を管理するための装置であって、次の：
流体流のための内径を有するバルブセグメントと、
前記内径の範囲内の圧縮性幾何学的形態と、
前記バルブセグメント内の前記流体を凍結させて、凍結されたプラグを形成するための手段であって、
前記凍結されたプラグが、流体流を停止し且つ前記圧縮性幾何学的形態によって作られる圧縮力によって適正個所に保持される手段と、
流体流を許可するように前記バルブセグメント内の前記流体を解凍するための手段と、
を備える装置。
【請求項１２】
前記液体流は、２０，０００ｐｓｉよりも大きい圧力下にある、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記セグメントを凍結させるための前記手段は、二酸化炭素の使用によるものである、請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】
前記セグメントを凍結させるための前記手段は、ヒートポンプの使用によるものである、請求項１１に記載の装置。
【請求項１５】
前記幾何学的形態は、先細化されている形態である、請求項１１に記載の装置。
【請求項１６】
前記幾何学的形態は、球根状である、請求項１１に記載の装置。
【請求項１７】
前記幾何学的形態は、第１の直径および第２の直径を有し、且つ前記第１の直径は、前記第２の直径よりも大きい、請求項１１に記載の装置。
【請求項１８】
前記幾何学的形態は、屈曲形態である、請求項１１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、ナノスケールの毛細状の配管およびチャンネルを通る液体流を、管またはチャンネル（管路）のセグメント内で液体を凍結させまたは凍結された液体を解凍させることによって、制御するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
小さな直径のチャンネル内における液体の流れの管理は、チャンネルのスケールおよび液体の容積が低減されるというような課題を与える。一つの重要な制約は、伝統的なバルブ技術の構成である。ナノリットル容量スケールの流体管理は、伝統的なバルブ調節法の範囲内に内在する不充分に一掃されたまたは「死んだ」容量によってひどく否定的な影響を受ける。そのような液体を凍結させ且つ解凍することによってそれ自体をオン／オフバルブとして作動させるべくこれらのナノスケール毛管およびチャンネル内の流体を使用する方法が、当該技術において知られており、例えば米国特許第６，１５９，７４４号明細書および米国特許第５，７９５，７８８号明細書を参照されたい。液体の流れは、配管またはチャンネルのセグメント内に含まれる液体を単に凍結させ且つ解凍することによって、さらなるチャンネルまたは小室に切換えられ得ることが見出されている。この流れ切換え装置、すなわち一般に「凍結解凍バブ調節」と称されるもの、は、いかなる作動部品も必要とせず、そして最も重要な点では、分析システム内に実質的にいかなる死んだ容量も与えることがない。
【０００３】
先行技術の凍結解凍バルブは、バルブが閉じられた状態の間に流体流を制限するために、結果的に得られる凍結されたプラグとチャンネル壁部の間に得られるせん断移動に対する抵抗に依存している。この方法の流体管理は、低圧力を必然的に伴う分析システムにおいて成功しているのに、（例えば２０，０００ｐｓｉよりも大きい）高圧力におけるこれらのバルブを用いた経験は、凍結プラグが、低レベルの流れまたは漏洩という結果となるバルブ調節セグメントから押し退けられ得るということを明らかにしている。凍結プラグは、バルブ調節セグメントから押し出されるので、当該バルブセグメントに入る新たな流体が、不完全なバルブ閉鎖を維持して凝固される。不幸なことに、この低レベルの漏洩は、これらの凍結解凍バルブが、毛細管クロマトグラフィーおよび毎分数ナノリットルよりも低い流体の流速および高吐出圧が使用される他のナノスケール分析システムに使用されるときには、容認できない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、高圧ナノスケール分析システム内における流体流の管理のための方法および装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本装置は、凍結されたプラグの移動を抑制する異なる幾何学形態を有する流体管路によって実現された凍結解凍バルブを備えている。本発明によって企図される凍結解凍バルブは、高圧分析システムに使用することに向けられている。バルブの凍結解凍セグメント内における流体管路の幾何学的形態は、液圧負荷がプラグの上流側に印加されたときに、凍結プラグの少なくとも一部の圧縮（ｃｏｎｓｔｒｉｃｔｉｏｎ）を生じさせるべく形成されている。この幾何学的形態は、実質的に漏洩を回避するために、高圧における凍結プラグの移動を防止すべく凍結解凍バルブセグメントの流路において使用される。凍結解凍セグメントの形態は、液圧負荷が印加されたときに凍結プラグの圧縮を生じさせる種々の幾何学形態であり得る。
【０００６】
本発明において企図される流体管路は、ほぼ２μｍから５００μｍ、そしてより典型的には、２５から１００μｍ、のオーダーの横向きの（流軸に垂直な）寸法を有している。本発明において企図された凍結解凍セグメントを利用する分析システム内の圧力は、ほぼ２０，０００ＰＳＩＧのオーダーであるかまたはそれより大きい。
【０００７】
例証される実施の形態における、凍結解凍セグメント内における液体状態を凍結させるための手段は、精巧に管理された冷却ガスのジェットである。冷却ガスは、液体二酸化炭素のような、液化されたガス源から圧力下で提供される。凍結解凍セグメント内において、液体状態を凍結させるための代替的な手段は、液体窒素のような極低温の液体またはペルティエベースのヒートポンプのような熱電気的方法の使用を含んでいる。本発明において企図されているのは、凍結解凍セグメント内において、凍結されたプラグを解凍するための加温手段が、温暖空気または他のガスの誘導されたジェット、電気抵抗加熱エレメント、または分析環境内の周囲の空気であり得るということである。凍結解凍セグメントの温度は、凍結解凍セグメント内に組み込まれた熱電対のような、当業者に既知の在来の手段によって監視されても良い。さらに、冷却手段は、限定された凍結されたプラグを維持するために必要とされる時間の間、連続的に印加され、そして液流が所望されるときには選択的な加熱手段によって中断されても良い。
【０００８】
本発明の利点は、高圧状況における凍結解凍バルブ調節を実施するための単純で且つ低コストの仕掛けの提供を含んでいる。凍結されたプラグの移動および漏洩は、実質的に回避される。本発明は、不充分に一掃されたまたは死んだ容量の導入を回避すると同時にナノスケール高圧分析システム内における流体流の管理のための方法および装置を提供する。
【０００９】
本発明のこれらおよび他の特徴および利点は、本発明の凍結解凍バルブ調節のための方法および装置の例示的な実施の形態を図解する添付図面に関連付けられた以下の詳細な説明によって明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
典型的な凍結解凍バルブにおいては、せん断移動に対する抵抗が、凍結された液体プラグと毛細管壁部の間に存在する。すなわち、抵抗は、流体流を制限するのに充分なものである。しかしながら、この方法のバルブ調節は、高圧分析システム内のように、圧力が増大されるにときに問題があることがわかっている。図１Ａおよび図１Ｂを参照すると、典型的な凍結解凍バルブが描かれている。典型的な凍結解凍バルブにおいては、毛細状配管１０４またはチャンネルの選択されたセグメント１０２に、二酸化炭素のような冷媒１０３を導くことによって毛細状の配管１０４のセグメント内に固体プラグ１０１が形成される。図１Ｂに示されるように、選択されたセグメント１０２内の流体流を停止させるべく、凍結されたプラグ１０１が形成される。図１Ｃに移ると、高圧分析システム（例えば、２０，０００ｐｓｉまたはそれより大きい）が描かれている。この高圧分析システム内において、毛細状配管１０４またはチャンネル内の流体圧は、凍結されたプラグに対する軸方向の力を生成し、それは、形成された凍結されたプラグ１０１と毛細管壁部１０５の間の界面にせん断応力を作り出す。充分に高い印加された流体圧は、凍結されたプラグ１０１を移動させるであろう。凍結されたプラグ１０１の移動は、結果としてバルブ漏洩を生じる。後続の凍結されたプラグ１０６が形成されると同時に、もとの凍結されたプラグ１０１は、下流の分析について問題を含み得る。
【００１１】
図２Ａになると、毛細状配管の内部幾何学的形態は、凍結されたプラグ２０２と対応する毛細管壁部の間に得られるせん断移動に対する抵抗に頼るだけでなく、凍結されたプラグが移動し且つ漏洩を生じることを防止すべく流体チャンネル内の収束する幾何学的形態の領域をも使用する凍結解凍バルブを提供すべく変更されている。先細形状（ｔａｐｅｒ）２０１が、２０，０００ｐｓｉを超える流体圧を伴う分析システムにおける凍結解凍プラグの破損および移動を防止して、印加された液圧負荷の存在において凍結プラグ２０２の圧縮を可能とすべく毛細管内部に形成される。凍結解凍セグメントの変更された幾何学的形状は、収束領域を形成すべく毛細状配管またはチャンネルの内部寸法を先細とすることによって形成される。例えば、毛細管の内部直径は、圧縮の特徴または作用を助長するために、内方に向かって、通常の毛細管内部直径のほぼ一倍の長さにわたって通常の毛細管内部直径のほぼ二分の一だけ先細にされ得る（例えば、１００μｍの毛細管について、１００μｍの長さにわたって５０μｍへの先細形状）。
【００１２】
図２Ｂに示されるように、実例となる代替的実施の形態は、収束領域に続く発散領域を含んで、球根状の形態である幾何学的形態を有する内部チャンネル３０２を有する凍結解凍セグメント３０１を有している。上述の発明の凍結解凍バルブにおけるように、この実施の形態の幾何学的形態は、先行技術のバルブにおいて利用されたせん断移動に対する抵抗に加えて、それを高圧分析システムに使用することを可能とする圧縮力を分与する。この実施の形態においては、毛細管内部直径は、圧縮の作用を形成すべく、通常の毛細管内部直径の三倍の長さにわたって通常の毛細管内部直径のほぼ一および二分の一倍に増大される。
【００１３】
図３になると、さらなる代替的な実施の形態が示されている。この代替的な実施の形態において、有孔フリット（ｐｏｒｏｕｓ  ｆｒｉｔ）４０１が、凍結解凍セグメント４０３を形成する毛細管壁部４０２に接着される。上述した発明の凍結解凍バルブにおけるように、この実施の形態の構成は、当該プラグと毛細管壁部の間のせん断移動に対する抵抗ばかりでなく、高圧分析システムにおけるこの実施の形態の使用を許容する圧縮力をも有する凍結解凍セグメント内に凍結されたプラグ４０４を提供する。この実例となる実施の形態において、フリット４０１は、毛細管内部直径のほぼ二倍の長さにわたってもとの場所に珪酸ナトリウムを重合させることによって形成される。このようにして設けられるフリット４０１は、毛細管壁部への共有結合を形成し、それによって固定位置を維持する。フリット４０１は、ほぼ０．５μｍの細孔サイズを有している。この有孔フリット４０１内において、流体経路または隙間空間は、収束幾何学形態が得られる繰り返し事例を含んでいる。
【００１４】
図４に示される通り、付加的な実例となる代替的な実施の形態は、第一の内部直径５０４を有する基部毛細管５０２および第二の内部直径を有する末端毛細管５０３を有する凍結解凍セグメント５０１を有している。基部毛細管５０２は、凍結解凍セグメント５０１を形成して末端毛細管５０３に連結されている。第一の内部直径５０４は、第２の内部直径５０５よりも大きい。第一の内部の直径と第二の内部直径における相違は、凍結解凍セグメント５０１に、プラグと毛細管壁部の間の界面において得られるせん断移動に対する抵抗だけでなく、異なる直径によって生じさせられる圧縮力によっても凍結されたプラグ５０６が適正位置に保持されることを可能とする形態を分与する。
【００１５】
図５に図解される通り、さらなる代替的な実施の形態は、その内部毛細管壁部６０１への変化を有する凍結解凍セグメントを提供する。２５℃においてほぼ２４時間にわたり、１ＮのＮａＯＨによって毛細管を満たすような、当該技術における熟達者には既知の方法によって、内部毛細管壁部の化学的変化は、きめの粗い毛細管壁部を生成する。この粗い表面は、凍結されたプラグ６０２が、プラグと毛細管壁部の間の界面において得られるせん断移動に対する抵抗だけでなく、発散する幾何学的形態の領域に収束する幾何学的形態が続く場所において作られる圧縮力によっても、適正位置に保持されるのを可能とする。
【００１６】
図６において、またさらなる代替的実施の形態は、毛細状配管７０２またはチャンネルにおける屈曲７０１を含む凍結解凍セグメント７０３を有する。凍結解凍セグメント７０３の中の、この屈曲７０１は、プラグと毛細管壁部の間に得られるせん断移動に対する抵抗だけでなく、凍結解凍セグメント７０３の非線形形状によって生じさせられる圧縮力によっても、凍結されたプラグが適正位置に保持されることを可能とする圧縮力を与える。
【００１７】
本発明による凍結解凍バルブは、当該技術における熟達者に既に知られている方法によって製造され得る。毛細管またはチャンネルの構成は、構造的要求、製造プロセス、および試薬の両立性／化学的抵抗特性の関係によって決まるものであろう。当該技術における熟達者に走られているように、材料の選択は、製造における容易性およびナノスケールチャンネルまたは毛細状配管を通って流れるであろう流体への不活性のような多数の要因に依存するであろう。特に、無機の結晶性材料またはアモルファス材料、例えば、珪素、二酸化珪素、石英、不活性金属、から、またはプラスティックスのような有機の材料、例えばポリ（メタクリル酸メチル）（ＰＭＭＡ）、アセトニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリオレフィン、ポリプロピレン、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ＰＥＥＫ、およびメタロセン、から作られる毛細状配管およびチャンネルが、提供される。本発明に従った毛細状配管およびチャンネルは、他のもののうちで、それらのモールド成型、プレス加工、およびフライス加工の容易性のために、ポリエチレン、ポリプロピレン、メタクリル酸メチル、ポリカーボネート、およびある種のテフロン（登録商標）のような熱可塑性樹脂から製造され得る。選択的に、毛細状配管およびチャンネルは、二酸化珪素、ガラス、石英または不活性金属で作られ得る。
【００１８】
本開示は、クロマトグラフィー応用および特に毎分５ナノリットルと同程度に低い流速が用いられている毛細管クロマトグラフィーに関して詳細に説明されているが、本発明の実施の形態は、産業上のそしてプロセス制御応用にもなお向けられ得ることが企図されている。
【００１９】
本発明の凍結解凍バルブは、ナノスケール用途に特有の表現で議論されているが、ここに開示された構成は、高圧下の液体が使用されるよほど大きなスケールのチャンネルまたは配管に適用され得ることが理解される。上述の実例となる実施の形態において特定の幾何学的形態が述べられているが、ここに開示された構成は、使用され得る幾何学的形態または構成の網羅的な例証ではないことが理解される。印加された液圧負荷の存在時に、凍結解凍セグメント内における凍結プラグへ圧縮または締め付け力を分与する種々の構成の任意のものが、利用され得ることがさらに理解される。
【００２０】
本発明の形態および詳細における種々の他の変更、省略および付加が、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、そこにおいてなされ得る。それゆえ、上述の説明は、限定して解釈されることなく、しかし単に種々の実施の形態の例示として解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１Ａ】先行技術の凍結解凍バルブ調節を示している。
【図１Ｂ】先行技術の凍結解凍バルブ調節を示している。
【図１Ｃ】先行技術の凍結解凍バルブ調節を示している。
【図２Ａ】凍結プラグを圧縮するために使用される構成を示している。
【図２Ｂ】凍結プラグを圧縮するために使用される構成を示している。
【図３】凍結プラグを圧縮するために毛細管壁部に固着される有孔フリットを示している。
【図４】凍結プラグを圧縮するために異なる直径を有する毛細管を示している。
【図５】表面粗さを与えるための毛細管壁部の化学的変化を示している。
【図６】凍結プラグを圧縮するために使用される毛細管管路における屈曲を示している。
【図１Ａ】
2005509823.tif 000003
【図１Ｂ】
2005509823.tif 000004
【図１Ｃ】
2005509823.tif 000005
【図２Ａ】
2005509823.tif 000006
【図２Ｂ】
2005509823.tif 000007
【図３】
2005509823.tif 000008
【図４】
2005509823.tif 000009
【図５】
2005509823.tif 000010
【図６】
2005509823.tif 000011
【国際調査報告】
2005509823.tif 000012