JP2008527336A - 試料の採取と分析の方法及び装置 - Google Patents

Abstract

ミクロ反応体系（３）の排出口（４）の横に配置された吸引チューブ（９）を備えるミクロ反応体系（３）からの試料の採取及び分析方法が開示されている。該方法によれば、排出口（４）から抜き出された物質を吸引するために、吸引チューブ（９）に真空を生じさせて、抜き出される物質の流れが吸引される物質の流れと自由落下する物質の流れに分けられる。そこではそれら２つの分割された物質の流れのうち一方が分析のために分析装置（１０）に供給される。分析結果にしたがって、吸引チューブ（９）の真空に影響を与えることができることから、排出される物質の流れの分割が制御又は調整されうる。さらに、分析結果にしたがって、反応パラメータが予め設定され、又は制御されうる。本発明の方法を実行するための装置は、排出口（４）の横に配置された吸引チューブ（９）の穴を備えている。分析装置（１０）が吸引チューブ（９）に連結され、又は排出口（４）の下方に配置されている状態で、吸引チューブ（９）に真空を発生させることができる。

Description

本発明は、ミクロ反応体系から試料の採取と分析の方法に関する。

個々のミクロ反応器及びミクロ反応体系に使用される要素の小型化が進み、様々な分析方法の正確さ及び感度が絶えず改善されるに伴い、連続した実験を行うために又は試薬の調製において、さらに少量の物質が使用される。従来は確実に反応を行い評価するために、ミリリットル程度又はそれ以上の量の試料が必要であったのに対し、現在では、マイクロリットル又はそれどころかナノリットルの領域の量の試料を使用又は処理することができている。このようにして、物質の必要な量と、同様に必要な反応時間の両方に関する努力とコストが低減される。熱プロセス管理は、流量を低減することによって単純化することができ、反応中及び反応後の危険及び存在するどんな環境上の汚染も低減される。

長期間の連続した実験を行うときにも、同様に確立した反応プロセスを制御する際にも、ミクロ反応体系中を通る試薬の流れを、又はそれどころか続いている化学反応を妨げる又は終了させることなしに、連続して動作するミクロ反応体系から少量の試料を取り出すことが必要であることが多い。この目的のために必要な試料の量を取り出すには、通常、ミクロ反応体系内の適切な点に配置され、バルブ又は閉鎖部材によって制御することができる排出口が用意される。そこには避けられずに空隙が発生し、その中では、ミクロ反応体系で進む化学反応が起きないか、又は異なる、通常制御不能な反応条件の下に置かれる。このようにして、反応の過程又は結果として生じる反応生成物と、同じく分析に適したある量の試料の組成との両方が、望まない状態で影響される又は阻害される。これは、反応生成物又は分析の相当な部分を利用することができなくなるかもしれないということを意味している。

異なる物質又は反応プロセスのために同じミクロ反応体系を使用するときは、物質と接触するエレメントの複雑な洗浄を毎回行わなければならない。この洗浄は、空隙中のデッドスペースの存在によってかつ隣接するエレメント又はバルブによって、より困難にされている。

物質の流れが流路を通る、少量の試料を取り出すための装置が公知である（米国特許第６０７４８８０号）。その経路は、例えば貫通孔の形状で１つ以上の開口部を有している、それで少量の試料が、このために経路に設けられた開口を通して、経路上に向けられた圧縮空気の一吹きで、経路中を通る物質の流れから、吹き出される。

物質の流れが所望の経路の支流へ流れる様に適切な圧力差を発生させることで、枝分かれした経路体系中を輸送される物質の流れの流れ方向に影響することも公知である（米国特許第３９７４６９７号）。

公知の装置は、少量の物質を試料採取できるが、簡単とは言えないほど複雑な形を必要とする。

公知の装置の場合は、採取された量の試料のすぐの分析は用意されていない。

したがって、本発明の目的は、進行中のミクロ反応を最も阻害する可能性が少ない試料採取、及び直後の採取された量の試料での分析が可能であるように、試料の採取及び分析の方法を計画することである。

この目的は、ミクロ反応体系及びミクロ反応体系の排出口の横に配置された吸引チューブからの試料の採取及び分析の方法であって、排出口から出てくる物質を吸引するための吸引チューブに減圧を生じさせて、出てくる物質の流れを吸引される物質の流れ及び自由落下する物質の流れに分割し、続いてそれら２つの分割された物質の流れのうち１つを分析のための分析装置に供給する方法により本発明によって達成される。ここで、排出口は、化学反応に関与する物質を完全に排出するためのミクロ反応体系出口として使用されるか、排出口で連続して出てくる物質の量が、ミクロ反応体系でさらに進行する反応を著しく阻害することがないように、十分小さくなるように設計され、ミクロ反応体系内の適切な点に配置されている。バルブ、閉鎖部材及び圧縮空気を発生させる装置のいずれも所望の量の試料を採取するためには必要ではない。

これらの２つに分割された物質の流れのうち１つ、すなわち、吸引チューブに吸引される物質の流れ、又は吸引されず、自由落下する物質の流れのいずれか一方が、直接に分析装置へ供給され、排出口から出てきた物質の迅速で実質上偏らない分析を可能とする。

出てくる物質に対して、いずれの場合も所望される設計又はさらなる使用に応じて、例えば、吸引された物質の流れが分析のためにだけ使用され、続いて排出され破棄され、吸引されない自由落下の物質の流れは、１つ以上の容器に収容すると意図するかどうかがここでは自由に選択できる。吸引された物質の流れが、更なる処理のために直接供給され、出てくる物質の分析及び制御を、排出口の下方へ自由落下する物質の流れを収集して評価する分析装置によって実行することが同様に可能である。

吸引チューブの減圧、ひいては出てくる物質の流れの分割が、分析結果の関数として、影響されることが好ましい。つまり、まず、例えば、反応生成物が所望の濃度になるまで、出てくる物質の流れの連続した吸引及び分析が実行され、次いで出てくる物質の流れは適切な方法で利用され、試料は分析目的及び制御のために適切な間隔で単に採取されるだけである。

出てくる物質の流れの分割を分析結果の関数として制御することが特に有利である。このようにして、実質上自動化された方法で広範囲の一連の実験を実施できる。出てくる物質の流れは周期的に又は実質上連続して分析される。分析結果が予め設定された範囲になるとすぐに、又はそうである限りは、出てくる物質の流れを、例えば、収集容器に送ること、又はさらなる反応のための原料として使用することができる。

同様に、出てくる物質の流れのさらなる使用が分析結果の関数として制御されることが有利であり、考えられる。特に、非接触の分析の場合又は反応物質に悪影響を及ぼさない分析の場合には、このようにして、分析結果、ひいては分析された物質の流れの組成に応じて、吸引された物質の流れと、さらには自由落下する物質の流れの両方のさらなる使用に関して決定することができ、それに応じた制御を実行することができる。

１つ以上の反応パラメータを分析結果の関数として制御することが好ましい。このようにして、反応パラメータの予め設定された反応を有する冗長な一連の実験が制御され自動化された方法で実施される。出てくる物質の流れの分析が、出てくる物質の流れの所望の組成又は特性が達成されたことを示すまで、反応パラメータの変化によって、進行する反応又は結果の反応生成物を修正することが同様に可能である。この場合、出てくる物質の流れの分割を適切に制御することによって、試料が、記録のためあるいはさらなる評価又は調査のため採取され、収容され、任意に保存されることが有利である。

既知の又は予め規定された反応の過程及び結果として生じる反応生成物を広範囲にわたりモニターするために、実質上自動化された連続の実験の代わりに、記載の方法を使用することもできる。例えば、出てくる物質の流れを多数の容器に分配しようとし、非常に少量の物質だけを各容器、例えば微小空隙に収容しようとする場合は、記載の方法は、個々の収容動作のそれぞれの間で出てくる物質の流れの分析を実施するためや、その性質と品質を計測及びモニターするために使用されうる。

本発明は、反応に含まれる物質のための排出口を備えたミクロ反応体系を有する、記載の方法を実施するための装置にも関している。

本発明によれば、吸引チューブの開口部は、排出口の横に配置され、そこでは、排出口から出てくる物質を吸引するため吸引チューブに減圧が生じる。また、分析装置は、吸引チューブに連結されるか排出口の下方に配置される。反応が全く起きないか又は別の或いは制御不能な条件の下でしか反応が起きない、空隙の形状の僅かのデッドスペースが、排出口のために必要ないかそれのみであるように、排出口を設計することができる。本発明によるサンプリングシステムの形は、分析装置に供給される試料の量が、ミクロ反応に関与する物質の組成と異ならないか、又はわずかな程度しか異ならないことを保証する。このようにして、その分析装置で行われる計測と評価の高い意義が保証される。具体的には、排出口が同時にミクロ反応体系の出口でもあり、その排出口から出てくる物質の流れが反応生成物と同一である場合は、ミクロ反応体系で進行している反応の阻害或いは歪みが実質上排除される。

好ましくは、分析装置が吸引チューブの減圧を制御するための制御装置に連結されることが想定される。このようにして、排出口から出てくる物質の流れが吸引チューブに生成された減圧で吸引されるか、逆に、吸引されず重力で下方向に自由落下するものであるかを、分析結果に応じて、単純な手段を用いて指定することができる。

制御装置がバルブであることが有利である。バルブにより吸引チューブの減圧を制御することが、比較的少ない形の複雑さで可能であり、出てくる物質の流れの分割の間に迅速な圧力変化ひいては正確な制御を可能にする。

本発明の概念の有利な実施態様によれば、分析装置及びそれに続く制御装置が吸引チューブに沿って配置されることが提案される。これにより、バルブの不可避のデッドスペースによる又はバルブの材料の取り込みによる等の物質の流れに存在する反応生成物への望ましくない汚染ひいては測定結果のひずみが避けられる。

同様に、制御装置及びそれに続く分析装置が吸引チューブに沿って配置されることがありうる。このようにして、分析装置からの制御コマンドがその間に物質の流れの分割に作用することができる反応時間を改善することができる。分割された物質の流れを正確に測ることの方が、ありうる、些細な汚染を避けることより重要である場合には、このタイプの配置を特に有利に採用できる。

排出口から出てくる物質のための出口開口部を有し吸引チューブのための通路開口部を有する筐体が、排出口の周りに配置されることが好ましい。その筐体は、一方では、望ましくない、制御不能の環境上の影響から排出口の周りの領域を保護し、他方では、単純な手段による排出口に関係する吸引チューブの正確で再現可能な配置を可能にする。出てくる物質の流れが吸引チューブと直接接触する状態になることなしに、吸引チューブの開口部が排出口に対してより近くに配置されるほど、排出口から出てくる物質の量の完全な吸引を確実にするために最低限必要な吸引チューブ内の減圧の程度が小さくなる。

本発明の概念の実施態様によれば、排出口に関する吸引チューブの開口部の配置が修正されうることが提案される。このようにして、吸引チューブの事前に設定された減圧で、排出口の領域のそれによって生じる吸引作用が、物質及び反応生成物のありうる、異なる特性、例えば異なる粘性又は揮発性を考慮するため、修正されうる。

本発明の概念の有利な実施態様によれば、排出口が毛細管の形状にされることが提案される。毛細管は、一方で、ミクロ反応体系から排出する間に、比較的少量の物質の実にまた特に正確な計測を容易にし、他方では、ミクロ反応体系で継続している反応が、排出口のすぐ近くの圧力条件の変化の影響を受けることを実質上避けている。毛細管の内径は出てくる物質の量の完全な吸引を確実にするため、この場合は十分に小さくなるように有利に選択され、他方では、毛細管の圧力差が急激に増大することによって物質の連続した排出を危うくすることを避けるため、十分大きく選択されるべきである。特に、適切な毛細管で、物質の流れが細かい自由噴流で排出口から流出することが保障される。

排出口の周りの領域は加熱することができることが有利である。例えば、ジクロロメタン又はエーテルなどの、容易に揮発する溶剤を使用すると、その溶剤の蒸発のエンタルピーのため、排出口において氷が形成される可能性があることが分かっている。作動中のこうした望ましくない害を、排出口領域を暖めることによって簡単に避けられる。

本発明の概念の実施態様によれば、雰囲気の湿気を置き換える保護ガス雰囲気が、排出口の周りの領域に形成、維持されることがある。冷えている排出口で望ましくない氷が形成されるのを防止するために、保護ガス雰囲気を加熱装置に代わり又はそれに加えて使用することができる。さらに、排出口から出てくる物質の流れの汚染を実質上避けることが保護ガス雰囲気によってできる。

本発明の例示的な実施態様は以下にさらに詳細に説明され、図面で示される。

図１は、ミクロ反応体系からの試料の採取及び分析のための装置の線で書いた全体図である。
図２は、分析装置が連結された、サンプリング装置の詳細図である。
図３は、採取される試料の分割を制御するための磁気バルブの配置が異なる図１及び２に準ずる装置の線で書いた全体図を示す。

図１及び２に示されたサンプリング装置１は、ホース２を介してミクロ反応体系３に連結されている。そのミクロ反応体系３は、簡単にするために図式的に示したが、特定の用途に応じて複雑な設計を有することができる。反応が完了すると、ミクロ反応体系３全体が、サンプリング装置１によって完全に空にされる。排出口４は、毛細管の形状に設計されている。ホース２は、排出口４又は毛細管に連結部５を介して着脱可能に連結される。このようにして、互いに異なるサンプリング装置１を備えた複数のミクロ反応体系３が、どんな所望の組み合わせでも使用することができ、例えば、連結した複数のサンプリング装置１を、使用された物質に応じた特定の適用に適した１つのミクロ反応体系３とそれぞれの場合に組み合わせることができる。クリーニングしようとするミクロ反応体系３又はクリーニングしようとするサンプリング装置１が単純に交換されることもでき、事実上連続した動作が達成される。

毛細管として設計された排出口４は、スリーブ形状の筐体６の内部に移動可能に配置される。ホース２の連結部５と毛細管形状の排出口４の両方が、筐体の蓋７に取り付けられている。そのケーシングの蓋７は、ねじ山によって筐体６に係合され、それにより、毛細管の開放端の、筐体６の基部に対する縦方向の移動を容易にする。

筐体６は、毛細管の形状の排出口４に隣接して、吸引チューブ９が筐体６の内側に通じる通路開口部８を有する。吸引チューブ９は分析装置１０に繋がる。吸引チューブ９を介して分析装置１０に供給される物質の流れに、分析装置１０で適切な計測を行うことができ、その評価により、物質の流れの個々の反応生成物の特性、例えば組成又は濃度について結論を導き出すことが可能になる。分析後、物質の流れは、分析装置１０から洗浄瓶１１に供給され、その洗浄瓶１１は真空ライン１２に連結されている。

吸引チューブ９では、磁気バルブ１３が分析装置１０の下流に配置され、その磁気バルブ１３により、吸引チューブ９に生じさせることのできる減圧を制御することができる。その磁気バルブ１３は、制御装置１４を介して分析装置１０に連結され、それにより制御可能である。分析結果に応じて、磁気バルブ１３が開閉されて、それにより、吸引チューブ９にゆきわたる減圧が規定される。

反応生成物の試料の採取及び分析のために、磁気バルブ１３が開けられ、減圧が吸引チューブ９に生じる。この減圧により、排出口４から出てくる物質の流れが吸引チューブ９に吸い込まれ、分析装置１０に供給される。その分析結果として、分析された試料が指定の基準を満たすと判定される場合は、磁気バルブ１３を閉じることができ、次いで自由落下する物質の流れが筐体６の基部の出口開口部１５中を通って流出することができ、それを適当な試料容器１６に収集することができる。

発生した真空又は減圧のオン又はオフの継続時間により、吸引チューブ９に吸引された又は出口開口部１５中を通って出てくる物質の量を正確に測ることができ、そのため、一定の間隔で実行される分析及び制御の場合に、サンプリング装置１を計測システムとして使用することも考えられる。

分析装置１０の下流に磁気バルブ１３が配置されているので、取り出された試料及び分析用の試料のどんな汚染も避けられる。汚染を避けることではなく、排出口４から出てくる物質の流れの、可能な限り最も正確な計測及び分割が重要である場合は、磁気バルブ１３を、図３に示すように、吸引チューブ９の分析装置１０の上流に配置することができる。この例示的な実施態様では、分析装置１０のデッドスペースに圧力変化又は真空の形成が必要ないので、出てくる物質の流れの分割を制御するため、応答時間が、図１及び２による例示的な実施態様の場合より短い。

筐体６の内部で、例えば電気加熱装置又はヒート・カップリングの使用によって、排出口４の周りの領域を局所的に加熱することを単純に実現することができる。好ましくは実質上化学的に不活性の保護ガスの筐体６内への供給を制御することにより、意図されたさらなる使用の前に、周囲空気が分析装置１０で得られる計測値を歪曲する、又は生成した反応生成物に悪影響を及ぼす状態で、出てくる物質の流れの反応を、例え簡潔なものであっても防ぐことができる。

ミクロ反応体系からの試料の採取及び分析のための装置の線で書いた全体図である。 分析装置が連結された、サンプリング装置の詳細図である。 採取される試料の分割を制御するための磁気バルブの配置が異なる図１及び２に準ずる装置の線で書いた全体図を示す。

Claims (15)

1. ミクロ反応体系（３）の排出口（４）の横に配置された吸引チューブ（９）を有するミクロ反応体系（３）からの試料の採取及び分析の方法であって、排出口（４）から出てくる物質の流れを、吸引される物質の流れと自由落下する物質の流れに分割するために、出てくる物質の流れの吸引のための吸引チューブ（９）に減圧を生じさせること、及び、２つに分割された物質の流れのうちの１つを分析のために分析装置（１０）に供給することを特徴とするミクロ反応体系（３）からの試料の採取及び分析の方法。
2. 吸引チューブ（９）の減圧並びに出てくる物質の流れの分割が、分析結果の関数として、影響されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 出てくる物質の流れの分割が、分析結果の関数として、制御されることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 出てくる物質の流れの別の使用が、分析結果の関数として、制御されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. １つ以上の反応パラメータが、分析結果の関数として、制御されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 反応に含まれる物質のための排出口（４）を備えたミクロ反応体系（３）を有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法を実施するための装置であって、吸引チューブ（９）の開口部が排出口（４）の横に配置され、排出口（４）から出てくる物質を吸引するために吸引チューブ（９）に減圧を発生させることができること、及び分析装置（１０）が、吸引チューブ（９）に連結されるか又は排出口（４）の下方に配置されていることを特徴とする装置。
7. 分析装置（１０）が、吸引チューブ（９）の減圧を制御するための制御装置に連結されていることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
8. 制御装置がバルブ（１３）であることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
9. 分析装置（１０）及びそれに続く制御装置が、吸引チューブ（９）に沿って配置されていることを特徴とする、請求項６〜８のいずれか一項に記載の装置。
10. 制御装置及びそれに続いて分析装置（１０）が、吸引チューブ（９）に沿って配置されていることを特徴とする、請求項６〜８のいずれか一項に記載の装置。
11. 排出口（４）から出てくる物質のための出口開口（１５）を有し、吸引チューブ（９）のための通路開口（８）を有する筐体（６）が、排出口（４）の周りに配置されていることを特徴とする、請求項６〜１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 排出口（４）に対する吸引チューブ（９）の開口部の配置が変更できることを特徴とする、請求項６〜１１のいずれか一項に記載の装置。
13. 排出口（４）が、毛細管の形状であることを特徴とする、請求項６〜１２のいずれか一項に記載の装置。
14. 排出口（４）を囲む領域が、加熱可能であることを特徴とする、請求項６〜１３のいずれか一項に記載の装置。
15. 雰囲気湿気を置換する保護ガス雰囲気が、排出口（４）を囲む領域に生じさせ、維持できることを特徴とする、請求項６〜１４のいずれか一項に記載の装置。

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