CN101346167B - 压力差气泡移动控制方法以及使用了该方法的气体交换装置、导电率测定装置、总有机碳测定装置、反应装置及细胞培养装置 - Google Patents

压力差气泡移动控制方法以及使用了该方法的气体交换装置、导电率测定装置、总有机碳测定装置、反应装置及细胞培养装置 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于，控制流路中的气泡的除去或混入。本发明的方法包括：将流过由液体或气体构成的第一流体的第一流路(1)和流过由液体构成的第二流体的第二流路(2)夹隔着不使液体穿过且可使气体成分移动的气体交换部(5)配置；夹隔着气体交换部(5)在两条流路(1、2)之间设置压力差，由此来控制两条流路(1、2)之间的气泡的移动。通过使第二流路(2)的压力高于第一流路(1)的压力，来防止气泡从第一流体进入第二流体，或者将第二流体中的气泡向第一流体移动而脱气。

Description

压力差气泡移动控制方法以及使用了该方法的气体交换装置、导电率测定装置、总有机碳测定装置、反应装置及细胞培养装置
技术领域
本发明涉及从以纯水或被称作超纯水的杂质很少的液体为首的制药用水、半导体制造用过程水、冷却水、锅炉用水、自来水、细胞培养液等中除去氧或二氧化碳气体等的气泡、防止从其他的流体中混入气泡的气泡移动控制方法；使用该方法将液体中的气体成分除去或导入的气体交换装置；用于测定液体中的成分离子浓度的导电率测定装置；测定试样水中的总有机碳浓度的装置、利用微量的试样来合成有机物的微合成芯片或集成了前处理功能的μTAS(Micro Total Analysis System：微型综合分析系统)等反应装置；及细胞培养装置。
背景技术
在评价纯水或被称作超纯水的杂质很少的液体或制药用水、半导体制造用过程水等试样水的有机性污染时，需要除去溶入试样水中的二氧化碳。一般来说，在向分析装置送液之前通过进行真空脱气或利用氮气等的鼓泡来进行脱气，将液体试样中所含的二氧化碳等气体成分除去。
但是，因鼓泡会混入气泡，在使用微细的流路的分析装置或反应装置中，气泡存留于流路的一部分中，很难轻易地除去。如果是测定装置，则在气泡混入了检测部的情况下，在进行紫外线吸光检测时就会成为异常噪音的原因，在进行导电率检测时就无法正确地测定导电率。另外，如果是反应装置，则在气泡进入了进行反应液的混合或合成的部位的情况下，由于对反应液的流动造成影响，因此无法稳定地进行反应液的混合，再现性降低。
另外，由于即使不进行鼓泡，原本包含于液体试样中的气泡也会成为噪音的原因，因此希望将液体试样中的气泡除去。
作为从液体试样中去除气泡的一种机构可以使用气体交换膜。作为气体交换膜有气体透过膜、膜滤器。
气体透过膜大致上具有如图6(A)中作为符号31表示的剖面结构，原材料的分子与分子的间隙存在于随机的方向上，气体成分透过该间隙。虽然气体透过膜中气体的透过速度慢，然而不会有液体穿过膜而泄漏的情况。
膜滤器大致上具有如图6(B)中作为符号32表示的剖面结构，是形成有多个贯穿了膜的孔33的装置。该孔33有沿不相互交叉的方向形成的孔、相互交叉的孔，然而无论是哪种该孔33的直径都要远远大于所要透过的气体成分。由此，由于气体成分是以气体的扩散速度移动，因此透过速度与气体透过膜相比非常快，由于液体只是由膜表面的表面张力保持，因此当液体的送液压力在表面张力以上时，则液体就会侵入膜滤器32的孔33而泄漏。
作为用于从液体中除去气体成分或相反地使气体成分向液体中移动而溶解的气体交换装置，使用利用了空心丝膜的装置。空心丝膜被作为将多根捆扎而在其两端设置了帽的模块使用。此种模块是如下使用的，即，液体在空心丝膜内流动，通过抽吸外部，而将液体中所含的气体除去，通过将外部的气体加压，而使气体溶入空心丝膜内的液体中(参照专利文献1。)。
作为测定试样水中的总有机碳的总有机碳测定装置，有具备：将有机碳变换为二氧化碳的有机物氧化分解部；将在有机物氧化分解部产生的二氧化碳向去离子水中抽取的二氧化碳分离部；及为了测定在二氧化碳分离部抽取的二氧化碳量而测定二氧化碳分离部的去离子水的导电率的检测部的装置。
此种总有机碳测定装置中，二氧化碳分离部为了从利用有机物氧化分解部实施了氧化处理的试样水中将二氧化碳向去离子水移动，通过将试样水与去离子水用气体透过膜隔开地配置，而将试样水中的二氧化碳经由该气体透过膜向去离子水移动。
专利文献1：日本专利第3370407号公报
发明内容
本发明的目的在于，提供可以去除流路中的气泡、防止气泡混入流路的压力差气泡移动控制方法；使用了该方法的气体交换装置；导电率测定装置；总有机碳测定装置；反应装置及细胞培养装置。
本发明的压力差气泡移动控制方法是如下的方法，即，包括：将流过由液体或气体构成的第一流体的第一流路、流过由液体构成的第二流体的第二流路夹隔着不使液体穿过且可使气体成分移动的气体交换部配置；夹隔着上述气体交换部在两条流路之间设置压力差，由此来控制两条流路之间的气泡的移动。
气泡的移动包括脱气和混入的双方或一方。
气泡的移动控制的第一方式是，通过使第二流路的压力高于第一流路的压力，来防止气泡从第一流体混入第二流体。
气泡的移动控制的第二方式是，通过使第二流路的压力高于第一流路，而将第二流体中的气泡向第一流体移动来脱气。
作为使一方的流路的压力高于另一方的流路的压力的方法，可以举出在一方的流路的下游连接阻力管等流路阻力部件的方法。
在利用本发明的压力差气泡移动控制方法测定试样水中的二氧化碳浓度的情况下，在第一流路中作为第一流体流过含有二氧化碳的试样水，在第二流路中作为第二流体流过纯水或离子交换水等去离子水，使二氧化碳从第一流体向第二流体移动，并且控制两流体之间的气泡的移动，其后测定第二流体的导电率。
另外，在将相同的方法应用于细胞培养装置中时，在第一流路中作为第一流体流过含有二氧化碳和氧的液体，在第二流路中作为第二流体流过细胞培养液，使二氧化碳和氧从第一流体向第二流体移动，并且防止第一流体中的气泡混入第二流体中。
本发明的气体交换装置是如下的装置，即，具备：可以交换气体的气体交换部、与气体交换部接触的第一流路、与气体交换部接触并具有夹隔着气体交换部与第一流路相面对的部分的第二流路，利用本发明的压力差气泡移动控制方法来控制第一流路与第二流路之间的气泡的移动。
作为气体交换部的一个方式，可以举出由形成有多个贯穿了膜的孔的膜滤器或气体透过膜分隔了的构件。
作为与气体透过膜相比使膜内部的气体成分的透过速度更快，与膜滤器相比可以实现更高的送液压力的气体交换部的优选的一个方式，可以举出由膜滤器和气体透过层构成的构件，其中，所述膜滤器形成有贯穿了膜的多个孔，所述气体透过层由疏水性材料构成，其形成于膜滤器上，形成有不会使液体穿过该孔移动而只能移动液体中所含的气体成分的间隙。
作为气体交换部的其他的优选的方式，可以举出如下的构件，即，具备将两条流路之间连结的多个槽，该槽被以不使液体移动而只能移动液体中所含的气体成分的方式来进行其内表面的至少一部分的疏水化和其截面积的大小的设定。
当使用微型加工将测定装置小型化时，则可以减少试样或试剂消耗量。所以，作为气体交换装置的优选的方式，可以举出如下的装置，即，利用与气体交换部层叠了的第一基板来形成第一流路，利用夹隔着气体交换部与第一基板层叠了的第二基板来形成第二流路。
由于总有机碳浓度会溶入空气中的二氧化碳而变化，因此需要迅速地测定试样水。由此，将导电率测定装置应用于总有机碳测定装置中时的本发明的导电率测定装置还具备第三流路，其与气体交换装置的第二流路连接，具有配置了用于测定来自第二流路的液体的导电率的电极的测定池，在第二流路中作为测定水流过去离子水。
本发明的总有机碳测定装置具备：将试样水中的有机碳变换为二氧化碳的有机物氧化分解部；将在有机物氧化分解部产生的二氧化碳向由去离子水构成的测定水中抽取的二氧化碳分离部；及为了测定在二氧化碳分离部抽取的二氧化碳量而测定来自二氧化碳分离部的测定水的导电率的检测部，作为二氧化碳分离部及检测部使用本发明的导电率测定装置，将来自有机物氧化分解部的试样水导向第一流路。
本发明的反应装置具备反应流路，其具有使溶液中引起化学反应的反应部，在该反应流路的反应部的下游配置本发明的气体交换装置，将反应流路与第二流路连接，通过使第二流路的压力高于第一流路的压力，而将在反应流路中产生的气体向第一流路中脱气。
本发明的细胞培养装置具备细胞培养室、向该细胞培养室流入细胞培养液的细胞培养液流路，在细胞培养室的上游配置本发明的气体交换装置，将细胞培养液流路与第二流路连接，经由第二流路向细胞培养室流入细胞培养液，在第一流路中流过含有二氧化碳和氧的液体，通过使第二流路的压力高于第一流路的压力，而在抑制气泡从第一流路向第二流路的细胞培养液中的移动的同时，调整细胞培养液的氧和二氧化碳的浓度。
根据本发明的压力差气泡移动控制方法，由于可以通过夹隔着气体交换部在两条流路之间设置送液压力差，来控制两条流路之间的气泡的移动，因此在进行导电率的测定、反应液的混合、合成等之时就可以去除成为测定或反应的障碍的气泡的影响，提高测定精度或再现性。
通过使第一流路及第二流路中的送液压力具有差别，就可以实现对气泡向第二流路中的混入的防止，另外可以实现从第二流路中脱气。
在流路的下游连接下游阻力部件而提高压力的方法不仅简便，而且压力的调整也很容易。流路阻力部件的一个例子是阻力管。
如果在第一流路中流过含有二氧化碳的试样水，在第二流路中流过去离子水，而使二氧化碳向第二流路中移动，并且使第二流路的压力高于第一流路的压力，则可以防止气泡向第二流路的去离子水中移动，因此如果将第二流路的去离子水导向测定池而测定导电率，则可以不受气泡的影响地正确地测定导电率。
如果在第一流路中流过含有二氧化碳和氧的溶液，在第二流路中流过细胞培养液，而使二氧化碳和氧从第一流体向第二流体中移动，并且使第二流路的压力高于第一流路的压力，则可以不受气泡的影响地调整第二流体的二氧化碳和氧的浓度，可以将细胞培养液保持为最佳的状态。
本发明的压力差气泡移动控制方法可以在本发明的气体交换装置中利用气体交换部、第一流路及第二流路来实现。
虽然气体交换部也可以使用膜滤器或气体透过膜来实现，但是如果使用由膜滤器和疏水性材料的气体透过层构成的构件；或用可以不使液体移动而只能移动液体中所含的气体成分的多个槽将两条流路之间连结的构件，则可以使透过速度比气体透过膜更快，可以实现比膜滤器更高的送液压力。
如果将气体交换装置设为将第一基板和第二基板层叠了的装置，则不仅装置变得小型化，而且由于不需要连接流路的构件，因此可以抑制来自此种构件的异物的侵入。
如果在本发明的气体交换装置上连接第三流路，其具有配置了用于测定来自第二流路的流体的导电率的电极的测定池，则可以很容易地实现抑制了气泡的影响的导电率测定装置。
如果作为总有机碳测定装置的二氧化碳分离部及检测部使用本发明的导电率测定装置，则可以形成能够抑制气泡的影响而精度优良地测定的总有机碳测定装置。
由于如果在反应装置上连接本发明的气体交换装置，则可以除去在反应流路中生成的气体，因此可以高精度地进行反应生成物的测定。
如果在细胞培养装置中使用本发明的气体交换装置，则可以不受气泡的影响地调整第二流体的二氧化碳和氧的浓度，从而可以将细胞培养液保持为最佳的状态。
附图说明
图1A是表示气体交换装置的一个实施例的俯视图。
图1B是相同实施例的X-X’线位置的剖面图。
图2A是表示本发明的压力差气泡移动控制方法的一个实施例的概略剖面图。
图2B是表示本发明的压力差气泡移动控制方法的其他实施例的概略剖面图。
图2C是表示本发明的压力差气泡移动控制方法的另一个其他实施例的概略剖面图。
图2D是表示本发明的压力差气泡移动控制方法的另一个其他实施例的概略剖面图。
图3是表示阻力管的长度与气泡移动及压力差的关图系的图表。
图4是表示伴随着气泡的移动的导电率测定信号的变动的波形图。
图5是表示送液压力差与导电率测定值及流路阻力的管长度的关系的图表。
图6A是概略性地表示以往的气体透过膜的膜结构的剖面图。
图6B是概略性地表示以往的膜滤器的膜结构的剖面图。
图6C是概略性地表示实施例中所用的气体透过过滤器的膜结构的一个例子的剖面图。
图6D是概略性地表示实施例中所用的气体透过过滤器的膜结构的其他例子的剖面图。
图6E是概略性地表示实施例中所用的气体透过过滤器的膜结构的另一个其他例子的剖面图。
图7A是膜滤器表面的SEM图像。
图7B是在膜滤器表面形成了由疏水性材料构成的气体透过层的材料的表面的SEM图像。
图8A是表示气体交换装置的其他实施例的俯视图。
图8B是相同实施例的X-X’线位置的剖面图。
图9A是表示气体交换装置的另一个其他实施例的俯视图。
图9B是相同实施例的X-X’线位置的剖面图。
图10是表示总有机碳测定装置的一个实施例的概略构成图。
图11是表示总有机碳测定装置的其他实施例的概略构成图。
图12A是表示反应装置的一个实施例的俯视图。
图12B是相同实施例的X-X’线位置的剖面图。
图12C是在相同实施例中未应用本发明方法的情况的剖面图。
图12D是表示相同实施例的动作的剖面图。
图13A是表示细胞培养装置的一个实施例的俯视图。
图13B是相同实施例的X-X’线位置的剖面图。
图13C是在相同实施例中未应用本发明的情况的剖面图。
图13D是表示相同实施例的动作的剖面图。
其中，1、1a～1e  第一流路，2、2a～2e  第二流路，3  阻力管，5、5a～5e  气体交换部，6～9、6a～9a、6b～9b、6c～9c  贯穿孔，10、10d  气泡，11、11a～11e  第一基板，12、12a～12e  第二基板，13c第三基板，14c  第四基板，15  分支流路，19  氧化用流路，61  细胞培养室，63  细胞。
具体实施方式
下面将对本发明的导电率测定装置、总有机碳测定装置及细胞培养装置以及它们中所用的压力差气泡移动控制方法进行详细说明。
[实施例1]
图1A～图1B表示了本发明中作为各种装置的气体交换装置使用的气体交换芯片的一个实施例，图1A是表示流路的配置的俯视图，图1B是图1A的X-X’线位置的剖面图。
该气体交换芯片是将气体交换部5夹隔其间地接合了第一基板11和第二基板12的芯片。
基板11、12没有特别限定，然而例如为石英玻璃基板等玻璃基板。在第一基板11的一面，形成有具有1000μm以下的宽度和深度的第一流路1，在流路1的两端形成有将由液体或气体构成的第一流体导入或排出的贯穿孔6、7。在第二基板12的一面也形成有具有1000μm以下的宽度和深度的第二流路2，在流路2的两端也形成有将由液体构成的第二液体导入或排出的贯穿孔8、9。作为一个例子，将流路1、2的宽度设为1mm，将深度设为100μm。
在基板11中将贯穿孔6设为入口，将贯穿孔7设为排出口，在基板12中将贯穿孔8设为入口，将贯穿孔9设为排出口。
气体交换部5例如为在氟树脂中形成很多孔的多孔膜。对于气体交换部5的例子将在实施例2以后详细说明。在基板11与基板12之间夹设气体交换部5，将流路1与流路2相面对地定位而将基板11、气体交换部5及基板12接合，制作了该气体交换芯片。
在两条流路1、2上分别连接配管而使用。为了在两条流路1、2之间设置压力差，在流路1的下游侧的贯穿孔7上连接内径粗的管(例如内径为0.5mm、长为1m的PTFE(聚四氟乙烯制)管)，在流路2的下游侧的贯穿孔9上作为阻力管3连接内径细的管(例如内径为0.25mm、长为1m的PTFE管)。阻力管3是流路阻力部件的一个例子。
在流路1中流过含有二氧化碳的试样水，在流路2中作为测定水流过设为去离子水的纯水。以相同的流量流过试样水和纯水。在两条流路1、2之间利用流路阻力的差异来产生送液压力差。
图2A～2D是概略性地表示利用该气体交换芯片产生送液压力差(第二流路＞第一流路)时的作用的示意图。
图2A是在第一流路1中作为第一流体流过了含有二氧化碳的试样水(包含气泡10)，在第二流路2中作为第二液体流过了纯水(不包含气泡)的情况。由于流路2的送液压力高于流路1，因此不会有流路1的试样水中的气泡10混入流路2的测定水中的情况，流路1的试样水中的二氧化碳经由气体交换部5向流路2的纯水中移动。
图2B也是在流路1中作为第一流体流过了含有二氧化碳的试样水，在流路2中作为第二液体流过了作为测定水的纯水的情况，然而该情况下，气泡混入了流路2的测定水中。该情况下，流路2中的测定水中的气泡10被经由气体交换部5向流路1的试样水中脱气，流路1的试样水中的二氧化碳经由气体交换部5向流路2的纯水中移动。
图2C是在流路1中作为第一流体流过了空气，在流路2中作为第二液体流过了作为测定水的纯水(不包含气泡)的情况。流路1的空气中的二氧化碳等测定对象的气体成分经由气体交换部5向流路2的纯水中移动，而没有从流路1的空气向流路2的测定水中混入气泡的情况。
图2D也与图2C相同，是在流路1中作为第一流体流过了空气，在流路2中作为第二液体流过了作为测定水的纯水的情况，然而该情况下在流路2的测定水中混入了气泡。该情况下，流路2中的测定水中的气泡10被经由气体交换部5向流路1的空气中脱气，流路1的空气中的二氧化碳等测定对象的气体成分经由气体交换部5向流路2的纯水中移动。
下面给出对于送液压力差的效果的测定结果。
所用的气体交换芯片是图1所示的芯片。作为气体交换部5，使用了平均孔径为0.05μm的PTFE多孔膜(住友电工精细高分子公司的产品)。。在与流路2的排出口9相连的配管上，连接压力计和导电率计，另外在其下游为了对流路2施加背压而作为阻力管3连接了内径为0.25mm的PTFE管。通过使该PTFE管的长度在750～1350mm的范围中变化来调整流路2的背压。在流路1上未连接此种阻力管，从而使得由流路2的阻力管3造成的流路阻力所致的背压基本上成为两条流路1、2之间的压力差。
在流路1中以100μL/分钟的流量流过进行鼓泡而与大气达到平衡的水，在流路2中以100μL/分钟的流量流过纯水。
图3是表示此种条件下的阻力管3的长度、根据连接在流路2的导电率计的测定值的变动求得的气泡的数和流路2的背压的图表。如果导电率计的测定值急剧地变动，则看作检测出了气泡，设为气泡数1。该气泡是从流路1经由气体交换部5移动到流路2的纯水中的。
根据该结果，在两条流路1、2之间的压力差小时，可以检测出气泡，而如果加长阻力管3的长度来增大两条流路1、2之间的压力差，则无法观测到气泡，说明气泡不发生移动。该实施例中，气泡不发生移动的压力差约为10kPa。
图4是表示该测定中的导电率计的测定值的变动的样子的图。导电率测定是在改变第一流路与第二流路的压力差的同时进行的。最初不产生压力差，其后产生15kPa的压力差，继而又不产生压力差，进行了测定。在不产生压力差的情况下，因气泡的妨碍，导电率剧烈地变动，而在其后产生了15kPa的压力差的情况下，导电率基本上保持一定，可以确认气泡不发生移动。
图5是表示该测定中的两条流路1、2之间的压力差与流路2的测定水的导电率的关系的图表。阻力管3的长度与压力差有比例关系，然而导电率并不依赖于压力差。由此可以确认，通过增大第一流路与第二流路的送液压力差，可以阻止气泡从第一流路向第二流路的移动，并且可以不受影响地进行二氧化碳从第一流路向第二流路的移动。由此发现，通过在两条流路1、2之间设置压力差，可以去除对测定的影响，提高测定的精度或再现性。
[实施例2]
作为实施例1以外的气体交换装置的实施例，给出作为气体交换部使用了气体透过膜或膜滤器的实施例。虽然无论是在该实施例中，还是在以下的实施例中，都省略了记载，但是，在夹隔着气体交换部相面对的2条流路之间设有能够产生压力差的机构。
在单独使用气体透过膜的情况下，优选疏水性多孔膜，例如可以使用多孔氟树脂膜(例如住友电工公司制的POREFLON(注册商标))。
在将膜滤器单独地作为气体交换部使用的情况下，可以使用厚为10μm、孔径为0.2μm、气孔率为5～20％的聚碳酸酯制膜滤器(ISOPOREMEMBRANE FILTER：MILLIPORE公司的产品)。
[实施例3]
作为实施例1以外的气体交换装置的其他的实施例，给出使用膜滤器及形成于其表面的气体透过层的实施例。
该实施例中，从膜滤器的两面形成气体透过层的装置大致上成为图6C～图6E的某个结构或者将它们组合了的结构。
图6C的结构是如下的结构，即，因由疏水性材料构成的气体透过层34粗疏地填埋膜滤器32的孔33，而可以阻止液体穿过孔33移动，而液体中所含的气体成分可以穿过气体透过层34的间隙而移动。
图6D的结构是如下的结构，即，因由疏水性材料构成的气体透过层35减小膜滤器32的孔33的直径，而可以阻止液体穿过孔33移动，而液体中所含的气体成分可以穿过气体透过层35的间隙而移动。
图6E的结构是如下的结构，即，因由疏水性材料构成的气体透过层36薄薄地覆盖膜滤器32的表面，气体透过层36就可以阻止液体穿过膜滤器32的孔33移动，而液体中所含的气体成分可以穿过该气体透过层36的间隙而移动。
根据图6C、图6D的结构，由于气体透过层34的间隙或被减小了的膜滤器32的孔33的直径大于以往的气体透过膜的分子间的间隙，因此气体成分可以在膜中以气体的扩散速度移动。另外，由于与膜滤器32本身的孔33相比直径变小，表面张力的效果提高，因此被改善为使得可以使用的液体的送液压力上限变大。
根据图6E的结构，虽然气体成分与以往的透过膜情况相同，气体成分将会透过气体透过层36的原材料的分子与分子的间隙，但是由于可以制作得比利用以往的技术能够制作的透过膜的厚度更薄，因此气体成分透过的时间被缩短。
膜滤器的优选的例子是在膜上沿垂直方向形成了贯穿膜的孔的膜滤器，气体透过层的一个例子是氟系堆集薄膜。如果膜滤器的孔不相互交叉，则膜滤器内部的气体的扩散很少，气体成分的移动速度变得更快。
本实施例中可以选择使用聚碳酸酯制膜滤器。由于在膜滤器的表面形成由疏水性材料构成的气体透过层，因此膜滤器自身的材质无论是疏水性还是亲水性都可以。另外，膜滤器的孔径没有特别限定，然而如果过大，则容易产生漏液，因此选择在形成了气体透过层的状态下不会产生漏液的大小的孔径。相反，如果过小，则在形成了气体透过层的状态下气体的透过速度就会变慢。
将有时在本发明中作为气体交换芯片的气体交换部使用的膜滤器的一个方式表示于图7A～图7B中。图7B的SEM图像是表示如下状态的图像，即，为了形成不使液体穿过图7A的膜滤器的孔移动而只能使液体中所含的气体成分移动的间隙，在表面与背面两个面上形成了由疏水性材料构成的气体透过层。这里，通过将CHF3作为反应气体进行等离子体处理，在膜滤器的两面作为气体透过层形成了氟碳层。其成膜条件是，气体流量为50sccm，成膜压力为150mTorr，成膜时间为一面5分钟，施加功率为100W。成膜速率约为16～18nm/分钟，所形成的氟碳层的膜厚约为80～90nm。
该气体透过过滤器的疏水化的评价是通过测定膜滤器表面与水滴的接触角来进行的，接触角在未处理的情况下(图7A)为51°，而处理后(图7B)则增大为96°，可以确认被疏水化。
[实施例4]
作为实施例1以外的气体交换装置的另一个实施例，给出使用在流路之间形成了多个槽的装置的实施例。
作为气体交换部5使用树脂膜。沿其膜厚方向贯穿地形成微细的孔，使之不与其他的孔相互交叉。该膜例如是从与面垂直的方向对聚碳酸酯薄膜照射中子，开设直径1μm以下的多个孔，将这些孔的至少一部分疏水化的膜。疏水化例如可以通过在流过CHF3气体或CF4气体等氟化合物气体的同时实施RIE(反应性离子蚀刻)处理，或利用准分子激光器等光照射将其分解，将孔的内面氟化来进行。该情况下，虽然并不容易氟化至孔的内部，但是用于阻止液体的浸入的疏水化也可以只是针对孔的入口部分。
由于如果利用微细加工技术将液体所流过的流路制成很小的宽度或深度，则可以缩短槽与液体所流过的流路的距离，缩短液体中所含的气体从流路向槽移动的距离；或气体从槽向流路的液体中移动的距离，因此可以在短时间内进行交换或所抽取的气体的移动，可以处理更少的试剂量，从而能够实现装置的小型化或试剂消耗量的减少。
[实施例5]
作为实施例1以外的气体交换装置的另一个实施例，利用图8A～图8B给出形成了多个槽的气体交换芯片的实施例。图8A是表示流路与槽的配置的俯视图，图8B是图8A的X-X’线位置的剖面图。
11a、12a是玻璃基板，例如石英玻璃基板。在一方的基板12a的一面，形成有具有1000μm以下，优选数百μm以下的宽度和深度的第一流路1a、第二流路2a。在另一方的基板11a上，在其一面的将流路1a、2a之间连结的位置上形成具有疏水性的表面的多个槽5a，在与流路1a、2a的两端对应的位置贯穿基板11a地形成用于液体或气体的导入或排出的孔6a、7a、8a、9a。
将基板11a、12a相面对，使得形成有流路1a、2a的面与形成有槽5a的面处于内侧，在流路1a、2a的两端配置孔6a、7a、8a、9a，在槽5a被定位为将流路1a、2a之间连结的状态下将基板接合而一体化。
槽5a的长度与宽度在数百μm以下，优选宽度与高度在10μm以下。在流路1a、2a的一方或双方中流过液体时，液体不会浸入槽5a，而气体穿过槽5a移动。
此种流路1a、2a及槽5a例如可以利用使用了光刻和蚀刻的微细加工技术来形成，孔6a、7a、8a、9a例如可以利用喷砂法来形成。槽5a的内面的疏水化处理可以与实施例4相同地进行。
基板11a、12a可以利用氢氟酸接合法来接合。氢氟酸接合法中，例如在基板11a、12a的界面夹设1％的氢氟酸水溶液，在根据需要施加1MPa左右的载荷的同时，在室温下放置24小时左右。
为了与流路1a相比使流路2a一方压力更高而连接好阻力管等，例如当在流路1a中流过含有二氧化碳的试样水，在流路2a中流过纯水时，则二氧化碳会因浓度梯度而从流路1a经由槽5a向流路2a移动，即使气泡进入了试样水中，也不会有气泡向流路2a侧移动的情况。
[实施例6]
作为实施例1以外的气体交换装置的另一个实施例，利用图9A～图9B给出形成了多个槽的气体交换芯片的其他的实施例。图9A是表示流路与槽的配置的俯视图，图9B是图9A的X-X’线位置的剖面图。
基板11b、12b是硅基板。在基板11b的一面形成有第一流路1b、第二流路2b、将流路1b、2b之间连结的具有疏水性的表面的多个槽5b。在另一方的基板11b上的与流路1b、2b的两端对应的位置形成有用于液体或气体的导入或排出的贯穿孔6b、7b、8b、9b。
将基板11b、12b相面对，使得形成有流路1b、2b和槽5b的面处于内侧，在将孔6b、7b、8b、9b定位为配置于流路1b、2b的两端的状态下将基板接合而一体化。
流路1b、2b与槽5b的尺寸与实施例1中所示的相同，流路1b、2b、槽5b及孔6b、7b、8b、9b的形成及槽5b内表面的疏水化处理可以与实施例4相同地进行。基板11b、12b的接合可以利用基板表面的氧化膜以氢氟酸接合来进行。
该实施例中，也是为了与流路1b相比使流路2b一方压力更高而连接好阻力管等，例如当在流路1b中流过含有二氧化碳的试样水，在流路2b中流过纯水时，则二氧化碳会因浓度梯度而从流路1b经由槽5b向流路2b移动，即使气泡进入了试样水中，也不会有气泡向流路2b侧移动的情况。
[实施例7]
图10中给出使用了如上述的实施例中所示的本发明的气体交换装置的总有机碳测定装置的一个实施例。
该总有机碳测定装置具备：将最初溶入了试样水中的二氧化碳除去的的IC(无机碳)除去部41；将试样水中的有机碳变换为二氧化碳的有机物氧化分解部44；将在有机物氧化分解部44中产生的二氧化碳向作为测定水的纯水中抽取的二氧化碳分离部46；及为了测定在二氧化碳分离部46中抽取的二氧化碳量而测定来自二氧化碳分离部46的纯水的导电率的检测部47。作为该二氧化碳分离部46使用实施例1中所示的气体交换芯片。在该双流路型气体交换芯片的第一流路中流过来自有机物氧化分解部44的试样水，在第二流路中流过纯水，将经过了该气体交换芯片的纯水导向检测部47。
IC除去部41是通过经由疏水性多孔膜42利用真空泵43进行减压而除去试样水中的二氧化碳的部分。有机物氧化分解部44形成在UV(紫外线)灯45的周围卷绕了流路的结构，在试样水穿过该流路时，就会因来自UV灯45的UV能量而受到氧化。最好在有机物氧化分解部44的流路内部涂布催化剂(例如氧化钛)。
将从二氧化碳分离部46的气体交换芯片中排出试样水的管设为内径粗的管(例如内径0.5mm×长1mm的PTFE管)，在穿过气体交换芯片46而向检测部47流入纯水的流路中，在检测部47的下游作为阻力管连接内径细的管(例如内径0.25mm×长1m的PTFE管)。
在图10的总有机碳测定装置中，向含有有机物的试样水中添加盐酸等酸，通过在IC除去部41中经由疏水性多孔膜42利用真空泵43进行减压而将二氧化碳除去。由于二氧化碳在水中离解而难以从水中取出，因此通过添加酸来防止离解。
然后，试样水被送向有机物分解部44，除去了二氧化碳的试样水的有机物被来自UV灯45的UV能量氧化，变为二氧化碳。此时，在试样水中添加有氧化剂的情况下，利用该氧化剂的作用，另外在流路内部涂布有催化剂的情况下，利用该催化剂的作用，可以将试样水中的有机物更为有效地氧化。溶解有因有机物的氧化分解而产生的二氧化碳的试样水被送向二氧化碳分离部46的气体交换芯片，试样水中所含的二氧化碳向纯水(第二流体)中移动。纯水被送向检测部47，通过测定纯水的导电率，可以将二氧化碳的浓度定量。
此时，由于在检测部47的下游连接有阻力管，因此在二氧化碳分离部46的气体交换芯片中，在试样水的流路与测定水的流路之间产生送液压力差，二氧化碳从含有二氧化碳的试样水向纯水移动，而气泡不会移动，所以就可以进行不受气泡的影响的稳定的导电率测定。另外，即使在输送试样水之时错误地输送了空气，由于气泡不会到达检测部47，因此不会有在检测部47中存留气泡的情况，很容易再次测定。
[实施例8]
图11中给出使用了如上述的实施例中所示的本发明的气体交换装置的总有机碳测定装置的另一个例子。图11是该总有机碳测定装置的概略剖面图。
该总有机碳测定装置将作为气体交换装置的气体交换芯片用上侧的有机物氧化部和下方的导电率测定部夹持而一体化。
气体交换芯片是将气体交换部5c、在与气体交换部5c之间形成第一流路1c的第一基板11c、形成夹隔着气体交换部5c与第一流路1c相面对的第二流路2c的第二基板12c层叠而固定了的构件。
导电率测定部具备第三基板13c、导电率测定电极7，其中，所述第三基板13c被与第二基板12c相面对地固定，在其与第二基板12c之间形成与第二流路2c相连的测定池，所述导电率测定电极7配置于测定池内。测定池内的流路16的一端经由贯穿孔9c与第二流路2c相连，另一端与在基板13c上作为贯穿孔设置的排出口24相连。
在基板13c上以贯穿孔的形式设有属于第二流体的作为测定水的离子交换水的供给流路23，该供给流路23经由基板12c的贯穿孔8c与第二流路2c相连，并且经由利用第二基板12c和第三基板13c形成的分支流路15与作为贯穿孔设置的排出口25相连。
用于维持离子交换水的精度的最佳流量与在此种气体交换芯片中所必需的测定水的流量相比更大。为此，该实施例中，由于在基板12c与基板13c之间，形成将离子交换水分支为与第二流路2c不同的流路的分支流路15，因此可以在维持用于维持离子交换水的精度的最佳流量的同时，调整测定水的流量而供给。
有机物氧化部具备与第一基板11c相面对地固定的第四基板14c，在第四基板14c与第一基板11c之间形成氧化用流路19，为了可以至少向氧化用流路19的一部分射入来自外部的紫外线，第四基板14c采用透明材质。
氧化用流路19的一端与作为贯穿孔设置的第一流体(试样水)用的供给流路21相连，另一端经由设于基板11c上的贯穿孔6c与第一流路1c相连。第一流路1c为了排出试样水，而与设于基板11c上的贯穿孔7c、作为基板14c的贯穿孔的排出口22相连。
为了使得与第一流路1c相比第二流路2c的一方压力更高，在排出口24和排出口25的下游连接阻力管。
将基板11c、12c、13c的接合部17、18用PDMS(聚二甲基硅氧烷)或粘接性的有机膜或者涂布了粘接剂的薄膜片或薄膜密封。
如果像这样使用能够射入紫外线的透明材质的基板再层叠氧化用流路，则可以将有机物氧化部、气体交换部及导电率测定部一体化，从而可以将装置进一步小型化，并且可以迅速地测定变换为二氧化碳的总有机碳。这样就可以提高测定的精度。
在参照图11的同时，对该总有机碳测定装置的有机物浓度测定的动作进行说明。
作为试样水，例如使用了邻苯二甲酸氢钾水溶液。
试样水被从供给流路21以0.1mL/分钟左右的流量向氧化用流路19供给。试样中的有机物通过照射0.1～5分钟、优选3分钟紫外线而被氧化，作为二氧化碳溶解于试样水中。
离子交换水是由离子交换水提纯器等从供给流路23以0.1～10mL/min的流量，本实施例中以2mL/min的流量供给。但是，由于测定导电率时的离子交换水的流量非常少，因此将从供给流路23供给的离子交换水的剩余量经由分支流路15从排出口25中排出，调整了测定水流量。通过设置分支流路15及排出口25，例如就可以与流向第二流路2c的流量(例如0.1mL/min)分立地将离子交换水的供给流量设为最佳的流量(1.9mL/min)。
有机物被转换为二氧化碳而溶解的试样水经由贯穿孔6c送向第一流路1c，利用气体交换部5c，试样水中的二氧化碳向第二流路2c侧的离子交换水中透过。此时，即使在试样水中进入了气泡，由于与第一流路1c相比第二流路2c一方压力更高，因此气泡也不会向第二流路2c的测定水中移动。
在气体交换部5c中结束了气体透过的试样水经由贯穿孔7c从排水口22中排出。吸收了二氧化碳的测定水经由贯穿孔9c送向测定池。其后，测定水流过流路16，由测定电极7测定离子交换水的导电率。
通过在试样水中使用完全不含有有机物及二氧化碳的液体而测定背景，从由试样水得到的结果中减去背景，就可以根据导电率将二氧化碳的浓度定量，换算为总有机碳。
图11的实施例是一个例子，而不是要限定能够获得同等的功能的基板材料或密封材料等。另外，对于装置构成，也并不限定于利用4片基板11c、12c、13c、14c的构成，既可以仅由基板11c、12c、13c构成，也可以仅由基板11c、12c构成。
基板构成并不限定于纵型的构成，也可以通过沿平面方向展开来实施。例如，可以通过将第四基板和第三基板沿平面方向展开地与第一基板和第二基板相邻地配置，来降低装置的高度。
在试样水中含有无机碳的情况下，利用实施例的测定求得总碳。为了求出严格的有机碳，只要求出进行紫外线照射而求得的总碳值与未进行紫外线照射而求得的无机碳值的差即可。
[实施例9]
下面，利用图12A～图12B对本发明的反应装置的一个实施例进行说明。
图12A是表示流路的配置的俯视图，图12B是图12A的X-X’线位置的剖面图，图12C表示未应用本发明的情况的动作的概略图，图12D表示该实施例的动作的概略图。
在一方的基板12d的一面，形成有具有1000μm以下、优选数百μm以下的宽度和深度的反应流路(第二流路)2d；从流路2d中分支地相连的反应液导入流路53、54。
在另一方的基板11d的一面，形成有试剂导入流路(第一流路)1d，两个基板11d、12d被按照分别具有两条流路1d、2d夹隔着气体交换部5d相面对的部分的方式接合。在气体交换部5d中使用气体交换膜或多孔膜等。
在基板11d上，形成有对应于流路2d的端部的位置的排出用的贯穿孔9d；对应于与流路2d相连的流路53、54的端部的位置的送液用的贯穿孔51、52；第一流路的送液及排出用的贯穿孔6d、7d。
基板11d、12d例如为石英玻璃基板等玻璃基板。
此种流路1d、2d、53、54例如可以利用使用了光刻和蚀刻的微细加工技术来形成，孔6d、7d、9d、51、52例如可以利用喷砂法来形成。本实施例中虽然流路1d和流路2d被制成流路夹隔着气体交换部5而正交，然而也可以像实施例1中所示的那样是平行的。
下面，对相同实施例的动作进行说明。
在流路1d中作为第一流体流过纯水，在流路2d中作为反应溶液流过来自流路53的稀盐酸，来自流路54的碳酸氢钠水溶液，在流路2d中反应。流路2d中的反应溶液成为第二流体。利用该反应在流路2d中生成二氧化碳，未完全溶解于反应溶液中的二氧化碳作为气泡存在于反应溶液中。
这里，在两条流路1d、2d中未产生送液压力时，则如图12C所示，所产生的气泡原样地从孔9d向下游流动。在孔9d的下游配置有检测器或其他的反应容器的情况下，该气泡就会成为妨碍。
与之不同，利用本发明，通过利用在与孔9d相连的排出流路上连接阻力管等方法，使得与流路1d相比流路2d一方压力更高，则如图12D所示，气泡经由气体交换部5向流路1d侧脱气，从而可以防止向孔9d的下游流去。
作为用于其他的反应中的例子，设为在第一流路1d中作为第一流体流过纯水，在流路2d中作为反应溶液流过来自流路53的0.5％过氧化氢水、来自流路54的1M铁明矾水溶液，在流路2d中反应。利用该反应在流路2d中生成氧，未完全溶解于反应溶液中的氧作为气泡存在于反应溶液中。该情况下，也是通过使流路2d一方的压力高于流路1d，而如图12D所示将气泡经由气体交换部5向流路1d侧脱气，从而防止向孔9d的下游流去。
[实施例10]
下面，利用图13A～图13B对本发明的细胞培养装置的一个实施例进行说明。
图13A是表示流路的配置的俯视图，图13B是图13A的X-X’线位置的剖面图，图13C是表示未应用本发明的情况的动作的概略图，图13D是表示该实施例的动作的概略图。
在一方的基板12e的一面，形成有具有1000μm以下、优选数百μm以下的宽度和深度的细胞培养液用流路(第二流路2e)。流路2e的一部分成为宽度及深度变大了的细胞培养室61。细胞培养室61可以通过对基板2e进行加工而形成，或者通过将多个基板胶粘而形成。例如，只要预先在基板12e上形成成为细胞培养室61的圆筒形状，其后形成流路2e即可。
在另一方的玻璃基板11e的一面形成通气用流路(第一流路)1e，将两个基板11e、12e以分别具有两条流路1e、2e夹隔着气体交换部5e相面对的部分的方式接合。在气体交换部5e中使用气体交换膜或多孔膜等。
在基板11e上，在对应于流路2e的两端的位置形成细胞培养液供给用的贯穿孔8e和排出用的贯穿孔9e，形成流路1e的送液及排出用的贯穿孔6e、7e。
基板11e、12e例如为石英玻璃基板等玻璃基板。
此种流路1e、2e及细胞培养室61例如可以利用使用了光刻和蚀刻的微细加工技术来形成，孔6e、7e、8e、9e例如可以利用喷砂法来形成。
虽然该实施例中将流路1e和流路2e制成流路夹隔着气体交换部5e正交，然而也可以像实施例1中所示那样是平行的。
下面，对相同实施例的动作进行说明。
在细胞培养室61中收容有细胞63，利用流路2e供给细胞培养液。将该细胞培养装置的温度调节为35℃，为了将细胞培养液的氧浓度和二氧化碳浓度保持为最佳值，在流路1e中流过以使氧达到20％、二氧化碳达到5％、剩余部分为氮气的方式配制的混合气体。
气体交换部5e中，氧和二氧化碳从流路1e的混合气体中向流路2e的细胞培养液移动，维持细胞培养液的氧浓度和二氧化碳浓度。
这里在两条流路1e、2e中不产生送液压力差时，则如图13C所示，在气体交换部5e中，气泡也会从流路1e的混合气体向流路2e的细胞培养液移动，该气泡存留于细胞培养室61中，从而会有阻碍细胞63与细胞培养液的良好的接触的情况。
与之不同，利用本发明，通过利用在与孔9e相连的排出流路上连接阻力管等方法，使得流路2e的压力高于流路1e，就可以如图13D所示防止气泡混入细胞培养液，从而可以维持细胞培养室61中的细胞63与细胞培养液的良好的接触。

Claims (15)

1.一种压力差气泡移动控制方法，包括：
将流过由液体构成的第一流体的第一流路和流过由液体构成的第二流体的第二流路夹隔着不使液体穿过且可使气体成分移动的气体交换部配置；
夹隔着所述气体交换部在两条流路之间设置压力差，
由此来控制两条流路之间的气泡的移动。
2.根据权利要求1所述的压力差气泡移动控制方法，其中，所述气泡移动控制是通过使第二流路的压力高于第一流路的压力来防止气泡从第一流体进入第二流体。
3.根据权利要求1或2所述的压力差气泡移动控制方法，其中，所述气泡移动控制是通过使第二流路的压力高于第一流路而将第二流体中的气泡向第一流体移动来脱气。
4.根据权利要求1所述的压力差气泡移动控制方法，其中，通过在第二流路的下游连接流路阻力部件来使第二流路的压力高于第一流路的压力。
5.根据权利要求2或4所述的压力差气泡移动控制方法，其中，在第一流路中作为第一流体流过含有二氧化碳的试样水，在第二流路中作为第二流体流过去离子水，使二氧化碳从第一流体向第二流体移动，并且控制两流体之间的气泡的移动。
6.根据权利要求2或4所述的压力差气泡移动控制方法，其中，在第一流路中作为第一流体流过含有二氧化碳和氧的液体，在第二流路中作为第二流体流过细胞培养液，使二氧化碳和氧从第一流体向第二流体移动，并且防止第一流体中的气泡混入第二流体中。
7.一种气体交换装置，具备：
可以交换气体的气体交换部、
与所述气体交换部接触的第一流路、
与所述气体交换部接触并具有夹隔着所述气体交换部而与第一流路相面对的部分的第二流路，
利用权利要求1至4中任意一项所述的压力差气泡移动控制方法来控制第一流路与第二流路之间的气泡的移动。
8.根据权利要求7所述的气体交换装置，其中，所述气体交换部是由形成有多个贯穿了膜的孔的膜滤器或气体透过膜分隔了的构件。
9.根据权利要求7所述的气体交换装置，其中，所述气体交换部是由膜滤器和气体透过层构成的构件，其中，所述膜滤器形成有贯穿了膜的多个孔，所述气体透过层由疏水性材料构成，所述气体透过层形成于膜滤器上、且形成有不会使液体穿过所述孔移动而只能移动液体中所含的气体成分的间隙。
10.根据权利要求7所述的气体交换装置，其中，所述气体交换部具备将两条流路之间连结的多个槽，所述槽被以不使液体移动而只能移动液体中所含的气体成分的方式来进行其内表面的至少一部分的疏水化和其截面积的大小的设定。
11.根据权利要求7、8或9中任意一项所述的气体交换装置，其中
利用与所述气体交换部层叠了的第一基板来形成第一流路，
利用夹隔着所述气体交换部而与第一基板层叠了的第二基板来形成第二流路。
12.一种导电率测定装置，还具备与权利要求7至11中任意一项所述的气体交换装置的第二流路连接且具有配置了用于测定来自第二流路的液体的导电率的电极的测定池的第三流路，在第二流路中作为测定水流过去离子水。
13.一种总有机碳测定装置，具备：将试样水中的有机碳变换为二氧化碳的有机物氧化分解部；将在所述有机物氧化分解部产生的二氧化碳向由去离子水构成的测定水中抽取的二氧化碳分离部；及为了测定在所述二氧化碳分离部抽取的二氧化碳量而测定来自所述二氧化碳分离部的测定水的导电率的检测部，
作为所述二氧化碳分离部及检测部使用权利要求12所述的导电率测定装置，将来自所述有机物氧化分解部的试样水导向第一流路。
14.一种反应装置，具备了具有使溶液中引起化学反应的反应部的反应流路，
在所述反应流路的反应部的下游配置权利要求7至11中任意一项所述的气体交换装置，
将所述反应流路与第二流路连接，
通过使第二流路的压力高于第一流路的压力，而将在所述反应流路中产生的气体向第一流路中脱气。
15.一种细胞培养装置，具备细胞培养室、和向该细胞培养室流入细胞培养液的细胞培养液流路，
在所述细胞培养室的上游配置权利要求7至11中任意一项所述的气体交换装置，
将所述细胞培养液流路与第二流路连接，经由第二流路向细胞培养室流入细胞培养液，在第一流路中流过含有二氧化碳和氧的液体，通过使第二流路的压力高于第一流路的压力，从而在抑制气泡从第一流路向第二流路的细胞培养液中的移动的同时，调整细胞培养液的氧和二氧化碳的浓度。
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