(57)【要約】【課題】  気体中の複数成分を一度に測定することが可能な分析装置を提供する。【解決手段】  集合部２１ａと導入部２１ｂと流出部２１ｃとからなる大流路２１、集合部２２ａと導入部２２ｂと流出部２２ｃとからなる第１の小流路２２、および集合部２３ａと導入部２３ｂと流出部２３ｃとからなる第２の小流路２３を有し、集合部２１ａと集合部２２ａ、集合部２１ａと集合部２３ａは、各々互いに内部の流体が接触可能な状態で隣接し、かつ集合部２２ａ、２２ｂの深さおよび断面積が、集合部２１ａの深さおよび断面積よりも小さく、２１ｂには気体が導入される気体導入口２４が設けられており、導入部２２ｂには第１試薬液が導入される第１の試薬液導入口２５が、導入部２３ｃには第２試薬液が導入される第２の試薬液導入口２６が、各々設けられていることを特徴とする気液反応ユニット。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
大流路と第１の小流路および第２の小流路とを有し、前記各々の大流路および小流路は、集合部と集合部の一端側に存する導入部と集合部の他端側に存する流出部とからなり、
前記大流路の集合部と第１の小流路の集合部、および前記大流路の集合部と第２の小流路の集合部は、各々互いに内部の流体が接触可能な状態で隣接し、かつ各々の小流路の集合部の深さおよび断面積が、大流路の集合部の深さおよび断面積よりも小さく、
前記大流路と第１の小流路および第２の小流路の各々の導入部は、いずれも他の導入部と接触しない独立の流路であり、
前記大流路と第１の小流路および第２の小流路の各々の流出部は、いずれも他の流出部と接触しない独立の流路であり、
前記大流路の導入部には気体が導入される気体導入口が設けられており、
前記第１の小流路の導入部には第１試薬液が導入される第１試薬液導入口が、前記第２の小流路の導入部には第１試薬液とは異なる組成の第２試薬液が導入される第２試薬液導入口が、各々設けられており、
前記大流路の流出部には気体が流出する気体流出口が設けられており、
前記第１の小流路および第２の小流路の流出部には液体が流出する液体流出口が各々設けられていることを特徴とする気液反応ユニット。
【請求項２】
前記第１の小流路および第２の小流路の内面の一部又は全部が、各々に導入される試薬液に対して親液性とされている請求項１に記載の気液反応ユニット。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の気液反応ユニットと、前記第１の小流路の流出部における液体の性状を検知する第１検知手段および第２の小流路の流出部における液体の性状を検知する第２検知手段とを備える分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体と液体とを、隔膜等を介さずに直接接触させて反応させる気液反応ユニット、およびこれを用いた分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、気体のみを通過させ液体を通過させない隔膜を用い、隔膜の内側に収納された反応液に隔膜の外側の気体を吸収させ、この反応液の性状変化から、気体中のガス成分を検出又は定量することが行われていた。
ところが、このように隔膜を用いる方法は、隔膜の汚れやつまりによる応答速度の遅れや、検出誤差等を招くおそれがあった。また、構造上分析センサのマイクロ化の要請に応じることも困難であった。
【０００３】
これに対して、微小流路内に気体と液体とを同時に流入させ、この微小流路内で気体中の成分を液体中の成分と反応させるマイクロ化学分析チップが報告されている（非特許文献１）。
この非特許文献１のマイクロ化学分析チップでは、微小流路内で液体と気体とが層流状態で直接接触し、この気液界面において気体中の成分が液体中に移行する。そのため、隔膜を用いずに気体中の成分と液体中の成分との反応が可能とされている。
このようなマイクロ化学分析チップは、試薬、廃棄物、エネルギー消費量を削減しやすく、環境的に優れている。また、迅速で高感度な測定が可能である。さらに、小型かつ軽量な分析装置を構築できるという優れた機能を兼ね備えている。
【非特許文献１】「１．気液反応を利用したマイクロ化学分析チップの基礎検討」、ケミカルセンサーズ（Chemical Sensors）、２００３年、第１９巻付録（Supplement）Ｂ、p1-3
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、非特許文献１のマイクロ化学分析チップでは、一種類の反応試薬液しか使用することができず、気体中の一成分しか測定することができなかった。
本発明は、気体中の複数成分を一度に測定することが可能な分析装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、以下の態様を含む。
［１］大流路と第１の小流路および第２の小流路とを有し、前記各々の大流路および小流路は、集合部と集合部の一端側に存する導入部と集合部の他端側に存する流出部とからなり、
前記大流路の集合部と第１の小流路の集合部、および前記大流路の集合部と第２の小流路の集合部は、各々互いに内部の流体が接触可能な状態で隣接し、かつ各々の小流路の集合部の深さおよび断面積が、大流路の集合部の深さおよび断面積よりも小さく、
前記大流路と第１の小流路および第２の小流路の各々の導入部は、いずれも他の導入部と接触しない独立の流路であり、
前記大流路と第１の小流路および第２の小流路の各々の流出部は、いずれも他の流出部と接触しない独立の流路であり、
前記大流路の導入部には気体が導入される気体導入口が設けられており、
前記第１の小流路の導入部には第１試薬液が導入される第１試薬液導入口が、前記第２の小流路の導入部には第１試薬液とは異なる組成の第２試薬液が導入される第２試薬液導入口が、各々設けられており、
前記大流路の流出部には気体が流出する気体流出口が設けられており、
前記第１の小流路および第２の小流路の流出部には液体が流出する液体流出口が各々設けられていることを特徴とする気液反応ユニット。
［２］前記第１の小流路および第２の小流路の内面の一部又は全部が、各々に導入される試薬液に対して親液性とされている［１］に記載の気液反応ユニット。
［３］［１］又は［２］に記載の気液反応ユニットと、前記第１の小流路の流出部における液体の性状を検知する第１検知手段および第２の小流路の流出部における液体の性状を検知する第２検知手段とを備える分析装置。
【発明の効果】
【０００６】
［１］の態様の発明によれば、第１試薬液と第２試薬液とを各々気体に接触させるので、複数の試薬液と気体中の成分との反応を、別個にかつ同時に行わせることができる。
［２］の態様の発明によれば、試薬液の小流路への親液性が高まることにより、各小流路の試薬液と大流路の気体との間で安定な層流を形成しやすい。そのため、気体中の成分と試薬液との反応を安定的に進行させることができる。
［３］の態様の発明によれば、各小流路の流出部における液体は、気体中の成分と各試薬液との反応に応じた性状となっている。そのため、この液体の性状を検知することにより気体中の成分を検出又は定量することができる。本態様の分析装置では、気体中の成分と複数の試薬液との反応が別個にかつ同時に進行する気液反応ユニットを用いることにより、気体中の複数成分を同時に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
次に、本発明の第１実施形態に係る気液反応ユニットおよびこれを用いた分析装置を、図１から図３を用いて説明する。本実施形態の気液反応ユニットは、図１に示すように、基板１に設けられた大流路２１と小流路２２（第１の小流路）、小流路２３（第２の小流路）とを備えている。
基板１の材質としては、例えば、シリコン、樹脂、硝子、石英等が使用できる。これらの材質中、硝子は透明性が高く、この気液反応ユニットを利用して光分析を行う場合に好適である。特に、パイレックス（登録商標）ガラスは、耐熱性、耐薬品性が高く好ましい。
基板１は、単一の材質から構成されていてもよく、複数の材質を組み合わせてもよい。たとえば、エッチング等により流路を形成したシリコン板に、硝子板を貼り合わせて基板とすることもできる。基板１は、好ましくは平板状とされている。
【０００８】
大流路２１は、集合部２１ａと集合部２１ａの図示左側に存する導入部２１ｂと集合部２１ａの図示右側に存する流出部２１ｃとからなり、小流路２２、２３は、各々集合部２２ａ、２３ａと集合部２２ａ、２３ａの図示左側に存する導入部２２ｂ、２３ｂと集合部２２ａ、２３ａの図示右側に存する流出部２２ｃ、２３ｃとからなっている。
そして、大流路２１の集合部２１ａと小流路２２の集合部２２ａとは、互いに内部の流体が接触可能な状態で隣接している。同様に、大流路２１の集合部２１ａと小流路２３の集合部２３ａとは、互いに内部の流体が接触可能な状態で隣接している。また、大流路２１および小流路２２、２３の各々の導入部２１ｂ、２２ｂ、２３ｂは、互いに接触しない独立の流路とされている。同様に、大流路２１および小流路２２、２３の各々の流出部２１ｃ、２２ｃ、２３ｃは、互いに接触しない独立の流路とされている。
【０００９】
また、大流路２１の導入部２１ｂには、基板１の外部と連通しており気体が導入される気体導入口２４が設けられている。また、小流路２２の導入部２２ｂおよび小流路２３の導入部２３ｂには、各々基板１の外部と連通しており第１試薬液が導入される試薬液導入口２５（第１試薬液導入口）、第２試薬液が導入される試薬液導入口２６（第２試薬液導入口）が設けられている。また、大流路２１の流出部２１ｃには、基板１の外部と連通しており気体が流出する気体流出口２７が設けられている。また、小流路２２の流出部２２ｃおよび小流路２３の流出部２３ｃには、各々基板１の外部と連通しており液体が流出する液体流出口２８、２９が設けられている
【００１０】
この大流路２１と小流路２２、２３との関係を図２および図３を用いてさらに詳しく説明する。図２（ａ）は大流路２１および小流路２２、２３の各々の導入部２１ｂ、２２ｂ、２３ｂと集合部２１ａ、２２ａ、２３ａとの境界近傍の部分拡大平面図である。また、図２（ｂ）は大流路２１および小流路２２、２３の各々の集合部２１ａ、２２ａ、２３ａの部分拡大平面図である。また、図２（ｃ）は大流路２１および小流路２２、２３の各々の集合部２１ａ、２２ａ、２３ａと流出部２１ｃ、２２ｃ、２３ｃとの境界近傍の部分拡大平面図である。さらに、図３は、大流路２１および小流路２２、２３の各々の集合部２１ａ、２２ａ、２３ａにおける拡大断面図である。
【００１１】
図３に示すように、各流路の底面はいずれも円弧状とされている。また、小流路２２、２３の集合部２２ａ、２３ａの各深さｄ４、ｄ５は等しく、いずれも大流路２１の集合部２１ａの深さｄ３よりも浅く（小さく）なっている。また、集合部２２ａ、２３ａの各幅ｗ４、ｗ５は等しく、いずれも集合部２１ａの幅ｗ３よりも狭く（小さく）なっている。その結果、小流路２２、２３の集合部２２ａ、２３ａの断面積は、いずれも大流路２１の集合部２１ａの断面積よりも狭く（小さく）なっている。
深さｄ３は５０μｍ以上であることが好ましく、幅ｗ３は（ｄ３×２＋１０）μｍ前後であることが好ましい。深さｄ４、ｄ５は、いずれも５０μｍ未満であることが好ましく、幅ｗ４は（ｄ４×２＋１０）μｍ前後、幅ｗ５は（ｄ５×２＋１０）μｍ前後であることが好ましい。また、深さｄ３と深さｄ４（ｄ５）との比は、３：１前後であることが好ましい。
【００１２】
基板１の小流路２２、２３の内面の一部又は全部は、試薬液に対して親液性とされていることが好ましい。特に、集合部２２ａ、２３ａの部分が親液性とされていることが好ましい。ここで親液性とは、各々の小流路に導入される試薬液に対して親液性であることを意味し、当該試薬液が水性である場合には親水性であることを、当該液体が油性である場合は親油性であることを意味する。
これに対して、基板１の大流路２１の内面の一部又は全部は、親液性が低い方が好ましい。特に、集合部２１ａの部分が低い親液性とされていることが好ましい。
親水性、親油性とする手段としては、薬液処理、プラズマ処理、粗面化処理等、公知の手段を適宜使用することができる。
【００１３】
本実施形態の気液反応ユニットで気液反応を行わせるためには、気体を気体導入口２４から大流路２１に導入する。また、これと同時に、第１試薬液を試薬液導入口２５から小流路２２に、第２試薬液を試薬液導入口２６から小流路２３に、各々導入する。この第１試薬液と第２試薬液とは、互いに異なる組成となっている。
導入された各試薬液と気体とは、集合部２１ａ、２２ａ、２３ａに達すると気液の界面が保たれた層流状態となって集合部２１ａ、２２ａ、２３ａを移動した後、液体は小流路２２、２３の流出部２２ｃ、２３へと、気体は大流路２１の流出部２１ｃへと流れる。そして、液体は液体流出口２８、２９から、気体は気体流出口２７から各々流出する。
すなわち、集合部２１ａ、２２ａ、２３ａにおいて、気体と各々の試薬液とが接触することとなる。そして、この接触の間に気体中の成分と試薬液との反応が進行する。
【００１４】
上記の層流状態を達成するためには、気体導入口２４から導入する気体および試薬液導入口２５、２６から導入する試薬液の双方がある程度以上の圧力を有する必要がある。そして、この圧力を確保するためには、双方の流量を一定以上とする必要がある。
層流状態を達成するために必要な流量は、流路の断面積にもよるが、例えば、深さｄ３が９０μｍ、幅ｗ３が１９０μｍ、深さｄ４、ｄ５が６０μｍ、幅ｗ４、ｗ５が６０μｍの場合について、フェノールフタレイン水溶液（便宜上、いずれの試薬液も同じフェノールフタレイン水溶液で実験した。）と空気を用いて実験したところ、以下の条件で良好な層流状態が得られることが確認できた。
すなわち、各試薬液の流量を１μＬ／ｍｉｎとし、気体（空気）の流量を０．５〜２．５ｍＬ／ｍｉｎとした場合、および気体の流量を１ｍＬ／ｍｉｎとし、各試薬液の流量を０．１〜５μＬ／ｍｉｎとした場合、各々良好な層流状態が得られた。
【００１５】
係る第１実施形態の気液反応ユニットを用いた分析装置は、気液反応ユニットに加えて、小流路２２（第１の小流路）、小流路２３（第２の小流路）の各々の流出部における液体の性状を検知する検出器を備えるものである。
各小流路の流出部における流体の性状は、その場で検知しても、流出部から流出後に検知してもよい。すなわち、流出部２２ｃ、２３ｃにおける液体の性状を検知する場合、流出部２２ｃ、２３ｃの液体をその場で検知しても、流出部２２ｃ、２３ｃから流出した後に検知してもよい。
【００１６】
検知すべき液体の性状としては、例えば気液反応により生成した化合物の濃度、気相から液相（試薬液）に移行した化合物の濃度、これらの化合物の濃度に連動する導電率、ｐＨ等の物性値などが挙げられる。また、検知手段としては、蛍光、光吸収等を検知する光検出手段、導電率センサ、Ｈ２Ｏ２センサ、ｐＨセンサ等の電気化学的検出手段、熱レンズ顕微鏡検出手段等が挙げられる。
【００１７】
第２実施形態の気液反応ユニットを用いた分析装置の使用方法の一例として、気体中のアンモニアガスとシアン化水素ガスの濃度を求める方法を説明する。
まず、被検体としての気体を気体導入口２４から導入する。また、第１試薬液として、ｐＨ指示薬であるフェノールフタレイン溶液を試薬液導入口２５から導入する。また、第２試薬液として、一定量の４−ピリジンカルボン酸ピラゾロンを含む水酸化ナトリウム溶液を試薬液導入口２６から導入する。
そして、流出部２２ｃにおけるフェノールフタレイン溶液の発色を、熱レンズ顕微鏡で検知する。その結果、気体中のアンモニアガスによるフェノールフタレイン溶液のｐＨ変化を求め、この値から、気体中のアンモニアガスの濃度を求めることができる。
一方、流出部２３ｃにおける発色を、熱レンズ顕微鏡で検知する。その結果、気体中のシアン化水素の濃度を求めることができる。
【００１８】
次に、本発明の第２実施形態に係る気液反応ユニットおよびこれを用いた分析装置を、図４を用いて説明する。本実施形態の気液反応ユニットおよびこれを用いた分析装置は、大流路２１、小流路２２、２３の断面形状が異なる他は、第１実施形態に係る気液反応ユニットと同じである。
図４は、本実施形態の大流路２１および小流路２２、２３の各々の集合部２１ａ、２２ａ、２３ａにおける拡大断面図である。
【００１９】
図４に示すように、各流路の底面はいずれも水平な直線状とされている。また、小流路２２、２３の集合部２２ａ、２３ａの各深さｄ７、ｄ８は等しく、いずれも大流路２１の集合部２１ａの深さｄ６よりも浅く（小さく）なっている。また、集合部２２ａ、２３ａの各幅ｗ７、ｗ８は等しく、いずれも集合部２１ａの幅ｗ６よりも狭く（小さく）なっている。その結果、小流路２２、２３の集合部２２ａ、２３ａの断面積は、いずれも大流路２１の集合部２１ａの断面積よりも狭く（小さく）なっている。
【００２０】
次に、本発明の第３実施形態に係る気液反応ユニットおよびこれを用いた分析装置を、図５を用いて説明する。本実施形態の気液反応ユニットおよびこれを用いた分析装置も、大流路２１、小流路２２、２３の断面形状が異なる他は、第１実施形態に係る気液反応ユニットと同じである。
図５は、本実施形態の大流路２１および小流路２２、２３の各々の集合部２１ａ、２２ａ、２３ａにおける拡大断面図である。図５に示すように、各流路の底面および上面は、いずれも円弧状とされている。
【００２１】
なお、上記各実施形態における大流路の数は１、小流路の数は２であるが、２以上の大流路と３以上の小流路とを備えていてもよい。ただし、大流路と小流路とは、交互に配置されることが好ましい。
また、集合部における気液分離をより確実にするために、気相と液相との間を部分的に分離する隔壁を、たとえば集合部の底面から上面方向に向けて立設させもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の１実施形態に係る気液反応ユニットの平面図である。
【図２】図１の部分拡大平面図である。
【図３】図１の部分拡大断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る気液反応ユニットの部分拡大断面図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る気液反応ユニットの部分拡大断面図である。
【符号の説明】
【００２３】
２１・・・・大流路、
２２、２３・・・・小流路、
２１ａ、２２ａ、２３ａ・・・・集合部、
２１ｂ、２２ｂ、２３ｂ・・・・導入部、
２１ｃ、２２ｃ、２３ｃ・・・・流出部、
２４・・・・気体導入口、  
２５、２６・・・・試薬液導入口、
２７・・・・気体流出口、
２８、２９・・・・液体流出口
【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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