(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
微量分析あるいは微量処理に用いる装置であって、微少な内径の管あるいは通路に通す液体の流れを、前記管あるいは通路の微少部分を冷凍し解凍することにより制御する流れ制御装置において、
１あるいはそれ以上の毛細管からなる入口通路と、
１あるいはそれ以上の毛細管からなる出口通路と、
前記種々の毛細管を接続する微細連絡通路と、
前記種々の毛細管と前記微細連絡通路を接続するための固体接続手段と、
所定圧に保たれた冷却ガスを供給する液化ガス源と、
前記液体を凍結させ、供給される冷却ガスを前記毛細管若しくは微細通路管のスイッチポイントに前記冷却ガスを噴き付ける手段と、を備え、
前記固体接続手段は、
前記種々の毛細管が取り付けられ、毛細管の端面同士が同一平面上にある平坦な上面を有する下本体部と、
前記微細連絡通路が形成され、平坦な下面を有する上本体部と、
前記上本体部の平坦な下面と前記下本体部の平坦な上面を重ねることにより、前記種々の毛細管と前記微細連絡通路を接続するために下本体部と上本体部を固定する手段と、
を具備することを特徴とする流れ制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、それぞれ微細連絡通路は、２本の毛細管を接続し、断面積が内径部の面積の２倍までの範囲にある流れ制御装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の装置において、少なくとも２の微細連絡通路が反応セルを形成し、あるいはこの反応セルに接続し、交差するように固体接続手段に設けられる流れ制御装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載の装置において、少なくとも２本の微細連絡通路が固体接続手段の外部で反応セルに接続されている流れ制御装置。
【請求項５】
請求項１に記載の装置において、上本体部の下面は、下本体部の上面の微細通路とともに通路を形成する微細通路を有する流れ制御装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかの項に記載の装置において、前記装置は、電気クロマトグラフィまたは毛管電気泳動装置である流れ制御装置。
【発明の詳細な説明】
本発明は、内径のごく小さな孔あるいは通路での液体の流れを制御する手段の改良に関し、一層詳細には、毛管電気泳動や高精度液体クロマトグラフィなどの微量分析や微量処理における液体の流れを管理する装置に関する。
高精度液体クロマトグラフィや、電気クロマトグラフィ、毛管電気泳動などの技術では、キャピラリチューブを液相が流れ、このキャピラリチューブの内径は、２μｍから１０００μｍの範囲で平均５０μｍである。これらの微量分析、微量処理技術では、多くの場合、通路またはチューブでの一の液相の流れを止め、他の液相をキャピラリチューブの特定のポイントから導入するための手段が用いられ、あるいは、液相の流れを分岐するために、必要に応じて入口部、出口部を付加するための手段が用いられる。
これまでのところ、このようなコラムまたはチューブでの液相の流れの制御には、キャピラリチューブをスリーブコネクタあるいはユニオンを介して接続するスッイッチングバルブが用いられており、このバルブはこれらの特定用途に専用に設計されているものである。特定の仕様に合致するように専用のものとして個別に製作されバルブは、高価であり、また、操作上の種々の欠点がある。
すなわち、メカニカルなバルブは、液相がバルブ本体から派生する物質などによって汚染されてはならず、化学的に不活性でなければならないが、この要求があるため、バルブ本体の材質や潤滑物質の選択が限られてくる。
また、コラムへのバルブやフィティングや、キャピラリチューブへの入口、出口を付加した場合、理想的には、デッドボリュームがゼロでなければならない。さらに、必要な精度を得るためには、バルブを流れるときに、流れに乱れが生じてはならない。
スリーブコネクタやユニオンを用いるときに生じる問題は、キャピラリチューブ両端部におけるデッドボリュームの発生である。このデッドボリュームの量は、その両端をきれいに切断して注意深くキャピラリチューブを取り付けることにより低減することはできるが、まったくゼロにしたり、多次元電気泳動のような分析では、このデッドボリュームがほとんど無視できるように小さくすることはほとんど不可能である。立体幾何学的に単純化して計算すれば、５０μｍの内径で、外径が３７５μｍのキャピラリチューブ用のＹ型スリーブコネクタでは、すくなくもデッドボリュームは２３ｎＬが見積もられ、実際上はこれよりも大きな量である。このデッドボリュームは、毛細電気泳動やなどの５ｎＬのオーダで液体を扱う微量分析では、あまりにも大きな誤差である。このような状況であるから、誤差をまるめるために、デッドボリュームの生じる領域で対流や渦を誘発させている。
本出願人は、メカニカルなスイッチングバルブを用いることにより不都合を毛細系の適当な部分で液相に急速冷凍、急速解凍を加えることにより解消できることを見出した。毛細管を流れる液相の流れは、チューブの微小部分を急速に冷却することにより止めることができる。さらに、この冷却に必要な毛細管微小セグメントの熱的容量はわずかなものであり、従って、急速な冷凍、解凍が可能となる。
また、スリーブコネクタおよびユニオンの使用による従来の問題点は、本発明が提供する種々の毛細管を接続する微細連絡通路によって解決される。
本発明は、微細な内径の管あるいは通路を流れる液体の流れを制御する手段を提供する。この流れ制御手段は、管あるいは通路の微小部分の液体を凍結する手段を有する。好ましくしは、液相を冷凍する手段は、管の所定の部分に向けて噴き出される冷却ガスからなる。通常、冷却ガスは、圧力下にあるたとえば、二酸化炭素や窒素の液化ガスから供給される。
液相を凍結する他の代替可能な手段には、ペルチェ効果部材のような熱電効果部材や冷却針が用いられる。加熱ガスが吹き付けられる、通路の凍結部分は急速に解凍する。周囲の環境温度が十分に高いときは、これは必要ない場合がある。
さらに、本発明は、１あるいはそれ以上の入口通路とこれに接続される１あるいはそれ以上の出口通路からなり、前記通路は、微小な内径の管あるいは通路であり、いずれかの入口、出口通路の微小部分で液体を凍結される手段を有する、微量分析、微量処理に用いことのできる流れ制御装置を提供する。好ましくは、前記急速凍結手段は、冷却ガスの噴き付けにより凍結される。また、必要に応じて加熱空気のような、急速に通路の凍結部分を解凍する手段をも有する。
好適な実施形態によれば、入口通路、出口通路は、毛細管からなる。毛細管は、固体接続手段により管の端部が保持され、固体接続手段の微細連絡通路管が毛細管の内径部と固体接続手段の本体の内径とを接続する。２の毛細管を連絡する微細連絡通路は、毛細管の断面積とほぼ同じ断面積を有するものでも、これより小さくてもよい。典型的なものとしては、微細連絡通路の断面積は、毛細管の内径の断面積の２倍まででもよい。しかしながら、毛細管を連絡通路に接続する手段の形（断面、長さ）は、微量分析、微量処理の手法による。
微量分析を含む微量処理に用いる場合、本発明によれば、物質を分析するため分岐する２つの微細通路が必要とれる。それらは、固形の本体部内で反応セルを形成し、あるいは反応セルに接続され、反応セルで分岐する。この反応セルは、毛細管が接続される本体部の外側で反応セルに接続されてもよい。
本発明の一実施形態では、固体接続手段は、平坦な上面を有し接続される毛細管が他の毛細管と接続され毛細管の端面が同一平面上にあるする下本体部と、平坦な下部面を有する上本体部であって、この上本体部が下本体部の上面と重なっているときには、微細連絡通路は適当な毛細管と接続される下本体部と、これらの下本体部と上本体部を固定する手段とを有する。
さらに好ましい実施形態によれば、固体接続手段は、平坦な上面を有し前記平坦な上面に設けられ他の毛細管の開口を接続する微細連絡通路が形成される下本体部と、前記下本体部の上面と重なり微細通路を含む平坦な下部面を有し、微細連絡通路を接続する毛細管の端部をカバーする上本体部と、これらの下本体部と上本体部を固定する手段を有する。
さらに、本発明の実施形態によれば、固体接続手段は、平坦な上面を有し接続される毛細管が他の毛細管と接続され毛細管の端面が同一平面上にある下本体部と、前記平坦な上面に設けられ他の毛細管の開口を接続する微細連絡通路と、前記下本体部の上面と重なる平坦な下部面を有し、微細連絡通路を接続する毛細管の端部をカバーする上本体部と、これらの下本体部と上本体部を固定する手段を有する。
前記下本体部、上本体部に用いられる材質は、種々のファクタに依存する。その材質は、微細通路を流れる液体に不活性である必要もあり、また、平滑かつ平坦に成形し易いことも条件となる。
毛細管が接続される下本体部は、例えば、エポキシまたはアクリル樹脂からなる。その他、シリカなどの固形材料でもよい。毛細管は、あらかじめ成形された微細通路に挿入された接着固定される。毛細管と本体部は、シリカあるいはガラスを材料としてもよい。
下本体部と上本体部とは、公知の固定手段により固定される。例えば、接着や溶接である。シール性を付与するために、適当なガスケットを用いることもできる。
凍結解凍による流路の切り換えは、迅速に操作できかつ効果的な流れ制御を提供する。特に、遠隔操作による制御を可能とし、また、従来のスイッチングバルブを用いることのできない密閉されたコラムにも利用できる。さらに、この切り換え技術は、凍結可能な液体であれば適用でき、したがって、液体の種類は、メカニカルバルブや潤滑材などの相互の影響といったファクタを考慮することなく選択できる。
凍結手段が冷凍ガス噴流の場合は、液相を零下６０°程度で凍結する液化二酸化炭素が好適である。それ以上の低温で凍結する場合は、液化窒素を用いることができる。
毛細管あるいは通路の所望の部分にある液体を凍結するためには、ガスは、毛細管あるいは通路回りのカラーから冷却ガスが噴き付けられる。この解凍は、同様に加熱ガスの噴き付けにより行なわれる。
液相の微細部分を凍結状態に保つ間、液相の流れはとまったままになる。この凍結状態の間、凍結手段が継続して作動する。また、凍結部の温度は、モニタされ、必要に応じてさらに冷凍される。この温度のモニタは、例えば、毛細管の表面の液体水晶などの温度センサによる検知される。
凍結・解凍の切り換え操作は、あらかじめ作成したプログラムにより自動化することができる。たとえば、電気泳動では、紫外線検知システムのような検知手段や熱電対などのセンサが毛細管を流れる物質の分析に用いられる。冷凍、解凍の切り換えは、このセンサの出力応答に基づいて実行される。
本発明による毛細管接続手段は、光分解プロセスを含む微量分析、微量処理でも利用できる。この場合、接続される毛細管のひとつには、必要な光源をいれるために用いられる。
通路における液相の流れを凍結、解凍により切り換える本発明の技術は、特に、高精度液体クロマトグラフィ（ＨＰＬＣ）、毛細電気泳動（ＣＥ）、多次元毛細電気泳動、これらの組み合わせや、容量分光分析、電気クロマトギラフィと等回転泳動を同時に組み合わせる場合に有用である。
本発明は、その一実施形態として、添付の図面を参照して詳細に説明される。これらの図面において、
図１は、毛細電気泳動において液体の流れを制御する冷凍・解凍スイッチングを模式的に示す図であり、
図２は、本発明により微量分析、微量処理器具に用いられる毛細管接続手段を示し、
図３は、本発明の冷凍・解凍スイッチが組み込まれたマイクロチップを示す詳細図である。
本発明の最も有用な実施例では、液体の流れを冷凍・解凍により切り換えを毛細電気誘導に応用するものであり、これを図１に示す。
この装置は、紫外線検出装置６を通る毛細電気泳動管１と、紫外線検出装置の下流で流路出口をなす毛細管２、３とからなっている。毛細管２、３の適当な位置には、冷凍・解凍スイッチポイント４、５が配置されている。
分離されるべき物質が毛細管１の入口部から適当な間隔で繰り返し注入される。混合物は、毛細管１を通る間に電気泳動的に分離され、各々の分離物質は、紫外線検出装置６により検知される。分離物質が毛細管２に流れる必要がある場合には、毛細管３のスイッチポイント４が冷凍されて毛細管３には液体が流れなくなる。毛細管２を必要な液体が流れたあと、毛細管２の流れを止める場合には、毛細管２のスイッチポイント５が冷凍される。これと同時に、毛細管３のスイッチポイント４は解凍されて、他の分離液体が毛細管３を流れることができる。このサイクルは、分離される試料の注入速度に対応させて繰り返される。また、混合物が種々の組成物からなり、それらが純水物として分離される必要がある場合には、出口部の毛細管の数を増やすようにすることもでき、その場合、それぞれの毛細管に冷凍・解凍スイッチ手段が設けられる。
また、紫外線検知装置６のかわりに別の検知システム６を採用することもできる。どの検知装置を用いるかは、分離されるべき混合物の性質による。
本発明による冷凍・解凍方式は、特に、例えば、毛細電気泳動や電気クロマトグラフィーといった電気的操作によるものに有用である。液体を凍結することにより毛細管に断絶部が生成され、これにより、瞬間的に流れが止り、電気的内浸透による流れおよび電気泳動プロセスが阻止される。解凍電流は、通常静電容量から生じる遅延なしい回復し、したがって分析物質の位置についての正確なデータは保持される。
本発明により微量分析に用いる毛細管の接続手段の例を図２に示す。
毛細管１、２、３は下本体部８に取り付けられ、このした本体部８は、磨かれた平坦な上面９を有する。毛細管１、２、３の上端面１０は、研磨されており、上面９と同一平面上にある。上本体部１１は、平坦面１２を有し、微細連絡通路１３が形成されている。この微細連絡通路１３の位置は、毛細管の内径１４と接続するようになっている。微細連絡通路１３は、平坦面１２にレーザービームによって加工されるものである。あるいは写真平板によって加工してもよい。
図２に示すように、本発明による接続手段は、３つの毛細管をそれぞれ接続する３つに別れた微細連絡通路である。本発明による接続手段は、２つの毛細管を接続し、あるいは、３以上の毛細管の接続にも適用することができる。さらに、２以上の毛細管の接続の場合、必要なければそれぞれの毛細管を他の毛細管どおしと接続する微細連絡通路はかならずしも必要ではない。
一の毛細管からの液体の流れを連絡通路を介して他の毛細管に流す場合、その切り換えは、他の毛細管の流れを阻止することにより行なわれる。この流れの切り換えは、第１の毛細管の流れを止め、第２の毛細管に流れを通すことにより行なわれる。
毛細管における液体の流れの制御は、本発明の冷凍・解凍スイッチ方式によりなされる。液体の流れは、毛細管１、２、３あるいは微細連絡通路１３の一部を凍結することにより阻止され、流れは、凍結部分を凍結することにより回復される。
好ましくは、急速に液相を凍結される手段としては、毛細管あるいは微細連絡通路の所定の部分に向けて吹き出される低温ガスである。この冷却ガスとしては、一般に、液化炭酸ガスや液化窒素を所定圧のガス源とする液化ガスを用いることができる。
微細連絡通路における液体の他の凍結手段を図３に示す。ここでは、微細連絡通路２１、２２、２３は、図２の上本体部１２に相当するマイクロチップ２０の表面に形成される。このマイクロチップとしては、毛細管の接続が不要なスタンドアローン式のものを用いるとよい。図３のものでは、微細連絡通路はＴ形である。ペチチエ効果を利用した冷却部材２４がそれぞれ微細連絡通に隣接してその交差点近くに配置されている。
分離されるべき物質の流れは、例えば、入口微細連絡通路２１から導入される。物質を微細連絡通路２２に流す場合には、連絡通路２３に隣接したペルチエ効果冷却部材２４が作用して、微細連絡通路２３における流れを止める。物質が微細連絡通路２２を流れると、微細連絡通路２２に隣接したペルチエ効果冷却部材２４が働いて、微細連絡通路２２の流れを止める。これと同時に、微細連絡通路２３の凍結した部分が解凍され、この微細連絡通路２３を導通させる。この実施形態では、微細連絡通路２１は、流体の入口として描かれている。しかし、微細連絡通路２１、２２、２３のうち、いずれをも入口とて、他を出口側としてするようにしてもよいことは勿論である。
【図１】
0003772990.tif 000002
【図２】
0003772990.tif 000003
【図３】
0003772990.tif 000004