JP2010008332A - Electrokinetic apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、流路内の流体を界面動電で移動させる界面動電装置に関する。 The present invention relates to an electrokinetic device that moves fluid in a flow path by electrokinetics.
近年、ラボチップ(Lab on a Chip)、微小化学分析システム(μTAS:Micro Total Analysis System)およびバイオマイクロチップなどと呼ばれる、微量の液体を扱う化学分析システムの開発が盛んに行われている。この化学分析システムでは、ガラスやシリコン等の基板上に、流路、反応槽、ポンプ、バルブおよびセンサなどの要素が集積されている。また、これらの要素で構成されるチップの内部で、液体状の試料の移動、反応、合成および分析等が行われる。 2. Description of the Related Art In recent years, chemical analysis systems that handle a small amount of liquid, called a lab chip (Lab on a Chip), a micro chemical analysis system (μTAS: Micro Total Analysis System), and a bio micro chip, have been actively developed. In this chemical analysis system, elements such as a flow path, a reaction tank, a pump, a valve, and a sensor are integrated on a substrate such as glass or silicon. In addition, movement, reaction, synthesis, analysis, and the like of a liquid sample are performed inside a chip constituted by these elements.
この化学分析システムは、小型化することにより以下のような利点がある。先ず、試料の低減が可能となる。また、化学分析システムの低価格化が可能になる。なお、このような化学分析システムは、在宅医療やベッドサイドモニタ等の臨床医療分野、DNA解析等のバイオ分野での応用が期待されている。 This chemical analysis system has the following advantages by downsizing. First, the sample can be reduced. In addition, the price of the chemical analysis system can be reduced. Such chemical analysis systems are expected to be applied in the field of clinical medicine such as home medical care and bedside monitors, and in the field of biotechnology such as DNA analysis.
化学分析システムの一例として、基板内に設けられたμmオーダーの微細な流路に試料を流して、臨床検査を行う小型分析システムが挙げられる。 As an example of a chemical analysis system, there is a small analysis system that conducts a clinical test by flowing a sample through a fine flow path on the order of μm provided in a substrate.
また、このような小型分析システムにおいて、微量の対象物を所望の方向へ移動させる方法として、ポンプおよびバルブなどを用いた機械的手法の代わりに、電気的な手法が実用化されている。 In such a small analysis system, an electrical technique has been put into practical use instead of a mechanical technique using a pump and a valve as a method of moving a minute amount of an object in a desired direction.
以下、電気的な手法による対象物の移動について説明する。 Hereinafter, the movement of the object by an electrical method will be described.
水のような極性液体に固体が接触すると、固体表面は電荷を獲得する。この獲得された固体表面の電荷は、固体表面近傍の液体中の電荷に影響を与える。 When a solid contacts a polar liquid such as water, the solid surface acquires a charge. This acquired solid surface charge affects the charge in the liquid near the solid surface.
具体的には、固体表面の電荷は、その固体表面の電荷と反対の電荷を有するイオンを引き寄せる。このため、固体表面には、固体表面の電荷と反対の電荷を有するイオンが固体表面近傍の液体から集まる。そのイオンが固体表面の電荷と対を成して、シュテルン層と呼ばれる極薄層を形成する。 Specifically, the charge on the solid surface attracts ions that have a charge opposite to that on the solid surface. For this reason, ions having a charge opposite to the charge on the solid surface gather from the liquid near the solid surface on the solid surface. The ions pair with the charge on the solid surface to form an ultrathin layer called a Stern layer.
シュテルン層は、液体中の電荷分布に影響を及ぼし、シュテルン層と同じ種類の電荷の拡散層を形成する。シュテルン層の電荷は、固体表面の電荷と対を成しているため固定されているが、拡散層の電荷は、動くことができる。 The stern layer affects the charge distribution in the liquid and forms a diffusion layer of the same type of charge as the stern layer. The stern layer charge is fixed because it is paired with the solid surface charge, but the diffusion layer charge can move.
ここで、シュテルン層と拡散層は、ヘルムホルツの電気二重層を形成する。また、拡散層の厚さは、イオンのデバイ長λDと等しい。また、シュテルン層と拡散層の境界は、すべり面となる。また、シュテルン層と拡散層の境界における電位がゼータ電位であり、拡散層を形成する電荷と同じ符号を有する。 Here, the Stern layer and the diffusion layer form a Helmholtz electric double layer. The thickness of the diffusion layer is equal to the Debye length λ D of ions. In addition, the boundary between the Stern layer and the diffusion layer is a slip surface. The potential at the boundary between the Stern layer and the diffusion layer is the zeta potential, and has the same sign as the charge forming the diffusion layer.
なお、ガラス表面は、通常シラノールで覆われている。シラノールは、液体中では、水素を放出する。このため、ガラスが極性液体に接触すると、溶液中に水素が溶解する。水素は負に帯電するので、ゼータ電位は、負の値になる。特に石英ガラスでは、ゼータ電位の絶対値が大きくなることが知られている。 The glass surface is usually covered with silanol. Silanol releases hydrogen in the liquid. For this reason, when glass contacts a polar liquid, hydrogen dissolves in the solution. Since hydrogen is negatively charged, the zeta potential is negative. In particular, quartz glass is known to increase the absolute value of the zeta potential.
電気二重層が形成されている環境下では、界面動電と呼ばれる現象を利用することで電気的に対象物を移動させることができる。界面動電としては、電気浸透流、電気泳動および誘電泳動などが知られている。 In an environment where an electric double layer is formed, an object can be moved electrically by utilizing a phenomenon called electrokinetics. As electrokinetics, electroosmotic flow, electrophoresis, dielectrophoresis and the like are known.
以下、図13を用いて、界面動電の一例である電気浸透流について説明する。図13において、2枚の石英ガラス板101は、それらの間に隙間102ができるように対向して配置される。また、隙間102の両端に電極108および109が配置されている。
Hereinafter, electroosmotic flow, which is an example of electrokinetics, will be described with reference to FIG. In FIG. 13, two
石英ガラス板101の表面103は、シラノールで覆われている。この状態で、水性媒体である電解質溶液104が隙間102に注入されると、水素イオンがシラノールから電解質溶液104に移動し、表面103には負の電荷105が生じる。その結果、電解質溶液104内の陽イオン106が表面103に移動し、ヘルムホルツの電気二重層107が生じる。
The
電気二重層107が生じている状態で、直流電源110を用いて、電極108に正の電位を印加し、電極109に負の電位を印加すると、陽イオン106が負の電極109の方向に移動する。
When a positive potential is applied to the
陽イオン106が負の電極109の方向に移動すると、粘性流の効果により、電解質溶液104自体も負の電極109の方向に移動する。この現象が電気浸透流である。
When the
このように石英ガラス板101で形成された隙間102を流路に接続し、その隙間102または流路の両端に電圧を印加させることで、電気浸透流にて、流路全体の電解質溶液104を移動させることができる。このような流路全体の電解質溶液104を移動させる機構は、電気浸透流ポンプと呼ばれる。なお、流路として、石英ガラス板101で形成された隙間102の代わりに、一般的な石英ガラスで形成された流路を使用することもできる。
By connecting the
次に、界面動電のひとつである電気泳動について説明する。電気泳動は、電荷を有する粒子または分子が電界中を移動する現象である。電気泳動には、さまざまな用途があるが、特に分子生物学では、デオキシリボ核酸(DNA)や蛋白質を分離する手法として重要である。 Next, electrophoresis, which is one of electrokinetics, will be described. Electrophoresis is a phenomenon in which charged particles or molecules move in an electric field. There are various uses for electrophoresis, but in molecular biology, it is important as a technique for separating deoxyribonucleic acid (DNA) and proteins.
電気泳動を利用することで対象物を移動させるためには、例えば、両端に電極を設けた流路の一端にDNAまたはタンパク質などの対象物を含む試料を導入する。そして、流路に設けられた電極に直流電圧を印加すると、対象物が、電気泳動にて試料中を移動する。例えば、デオキシリボ核酸の分子は、負に帯電しているため、試料中を正の電極の方向に移動する。 In order to move an object by using electrophoresis, for example, a sample containing an object such as DNA or protein is introduced into one end of a flow path provided with electrodes at both ends. Then, when a DC voltage is applied to the electrode provided in the flow path, the object moves through the sample by electrophoresis. For example, deoxyribonucleic acid molecules are negatively charged and move through the sample in the direction of the positive electrode.
このようにして試料中の対象物を流路の端方向に移動させることで、その対象物を試料から分離させ、その対象物を検出することができる。 In this way, by moving the object in the sample toward the end of the flow path, the object can be separated from the sample, and the object can be detected.
上記のように電気泳動や電気浸透流のような界面動電にて対象物を移動させる場合、電極は、通常、緩衝水溶液中に設けられる。この状態で、各電極に外部電源から電圧が印加されると、電極間に電位差が生じる。これにより、緩衝水溶液に電気分解が引き起こされ、電極に気体が発生する。この発生した気体により、電極表面に気泡が形成される。なお、通常、カソード(陰極)にて水素ガスが発生し、アノード(陽極)には酸素ガスが発生する。また、発生する気体の種類や量は、緩衝水溶液中のイオンの組成などに応じて変化する。 When the object is moved by electrokinetics such as electrophoresis or electroosmotic flow as described above, the electrode is usually provided in a buffered aqueous solution. In this state, when a voltage is applied to each electrode from an external power source, a potential difference is generated between the electrodes. This causes electrolysis in the buffered aqueous solution, and gas is generated at the electrode. The generated gas forms bubbles on the electrode surface. Normally, hydrogen gas is generated at the cathode (cathode), and oxygen gas is generated at the anode (anode). Further, the kind and amount of the generated gas vary depending on the composition of ions in the buffered aqueous solution.
界面動電にて対象物を移動させる界面導電装置において、電極表面に気泡が形成されると、重大な問題が生じる。 In an interface conductive device that moves an object by electrokinetics, if bubbles are formed on the electrode surface, a serious problem occurs.
なお、一般に界面動電を用いて対象物を移動させるときには、電気伝導度の高い電解質溶液(緩衝溶液等)が駆動液体として用いられることが多い。この場合、直流電圧を電極に印加した時、電極間を流れる電流が大きくなる。したがって、電極における気泡の発生が促進される。 In general, when an object is moved using electrokinetics, an electrolyte solution (such as a buffer solution) having high electrical conductivity is often used as a driving liquid. In this case, when a DC voltage is applied to the electrodes, the current flowing between the electrodes increases. Accordingly, the generation of bubbles in the electrode is promoted.
特許文献1には、電気泳動にて対象物を移動させる際に生じる気泡を除去するための気泡除去装置が記載されている。この気泡除去装置は、図14に示すように、電気泳動槽204内の溶液を循環する流路207と、流路207内に配設されパラジウムを担持した触媒層を内蔵した反応槽205とを含む。
反応槽205内では、パラジウムの触媒作用により、電極202aおよび電極202bで発生した気体(H2およびO2)が、2H2+O2→2H2Oの反応にて水として結合させる。これにより、発生したガスが除去され、電極表面に気泡が形成されることを抑制することが可能になる。
In the
また、これとは別に、イオン導電性材料を電極として用い、流路の外部でそのイオン導電性材料を電子導体に電気的に接続させることにより、ガスの発生箇所を流路の外部にするという方法も検討されている。この方法では、流路の内部でのガスの発生を抑制することが可能になるため、電極表面に気泡が形成されることを抑制することが可能になる。
特許文献1に記載の気泡除去装置では、反応槽、循環ポンプおよび循環流路といったメカニカルな構成要素が追加されていた。しかしながら、このようにメカニカルな構成要素が追加されると、装置が大型化されるという問題があった。なお、特許文献1に記載の気泡除去装置は、界面動電として、電気泳動を想定して考案されたものであるが、電気浸透流に対しても適用できる。しかしながら、上記の問題は、電気浸透流でも生じる。
In the bubble removing apparatus described in
また、イオン導電性材料を電極として用いる方法では、流路の内部におけるガス発生の問題を回避することが可能になるが、流路の外部でイオン導電性材料を電子導体に電気的に接続させる必要があるので、装置が複雑するという問題があった。 Further, in the method using an ion conductive material as an electrode, it is possible to avoid the problem of gas generation inside the flow path, but the ion conductive material is electrically connected to the electronic conductor outside the flow path. There is a problem that the apparatus is complicated because it is necessary.
そこで、本発明の目的は、装置の大型化および複雑化を抑制しながら、電極における気泡の発生を低減することが可能な界面動電装置を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an electrokinetic device capable of reducing the generation of bubbles in an electrode while suppressing an increase in size and complexity of the device.
本発明による界面動電装置は、流体のための流路と、前記流路の中に設けられ、前記流体を用いて電気的に接続される複数の第一電極と、前記複数の第一電極の間に電圧を印加して、前記流路内の流体を界面動電で移動させる電圧供給手段と、を含む界面動電装置において、各第一電極に対応して設けられた、該第一電極で発生した気体をイオン化するための複数の触媒体と、各触媒体を互いに導通させる導通手段と、前記電圧供給手段による電圧の印加のオンオフと、前記導通手段による導通のオンオフと、を切り替える切替手段と、を含むことを特徴とする。 The electrokinetic apparatus according to the present invention includes a flow path for fluid, a plurality of first electrodes provided in the flow path and electrically connected using the fluid, and the plurality of first electrodes. Voltage supply means for moving the fluid in the flow path by electrokinetics by applying a voltage between the first electrode and the first electrode, corresponding to each first electrode. Switching between a plurality of catalyst bodies for ionizing the gas generated at the electrodes, conduction means for conducting the catalyst bodies to each other, on / off of voltage application by the voltage supply means, and on / off of conduction by the conduction means Switching means.
本発明によれば、装置の大型化および複雑化を抑制しながら、電極における気泡の発生を低減することが可能になる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to reduce generation | occurrence | production of the bubble in an electrode, suppressing the enlargement and complication of an apparatus.
以下、図面を用いて本発明に係る実施例について説明する。 Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
本発明に係る実施例1の界面動電装置の構成について、図1ないし図3を参照して説明する。 A configuration of an electrokinetic device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3.
図1は、本実施例の界面動電装置のガラス基板上の構成を模式的に示した平面図である。 FIG. 1 is a plan view schematically showing the configuration on the glass substrate of the electrokinetic device of the present embodiment.
図1において、ガラス基板1には、流体のための流路として、緩衝液導入口2が形成された緩衝液導入用流路4と、緩衝液排出口3が形成された分離検出用流路5とが形成されている。さらに、ガラス基板1には、試料導入口6が形成された試料導入用流路8と、試料排出口7が形成された試料排出用流路9とが形成されている。
In FIG. 1, a
緩衝液導入用流路4および分離検出用流路5は、互いに一本につながっている。このため、緩衝液導入口2および緩衝液排出口3は、緩衝液導入用流路4および分離検出用流路5を介して、互いに流体的に連通している。
The buffer
また、試料導入用流路8および試料排出用流路9は、互いに一本につながっている。このため、試料導入口6および試料排出口7は、試料導入用流路8および試料排出用流路9を介して、互いに流体的に連通している。ここで、緩衝液導入用流路4および分離検出用流路5の連結箇所は、試料導入用流路8および試料排出用流路9の連結箇所と交差している。
The
試料導入口6の中には、電極14が設けられている。また、試料排出口7の中には、電極15が設けられている。電極14および15は、試料導入用流路8および試料排出用流路9を介して、互いに流体的に連通している。
An
また、電極14には、電気配線22が接続され、電極15には、電気配線23が接続されている。
In addition, an
分離検出用流路5の中には、電極16および17が設けられている。電極16は、電極17より緩衝液導入口2に近い上流側の箇所に設けられている。また、電極17は、電極16より緩衝液排出口3に近い下流側の箇所に設けられている。電極16および17は、分離検出用流路5内の流体を用い、互いに電気的に接続されている。なお、電極16および17のそれぞれは、第一電極の一例である。
また、電極16および17のそれぞれに対応して、その電極で発生した気体をイオン化するための複数の触媒体が設けられている。本実施例では、電極16および17のそれぞれの表面の少なくとも一部に、触媒体として、その電極で発生した気体をイオン化するための触媒層(図示せず)が設けられている。触媒層を形成する触媒は、例えば、パラジウムまたは白金である。なお、触媒は、パラジウムまたは白金に限らず適宜変更可能である。
Further, a plurality of catalyst bodies for ionizing the gas generated at the electrodes are provided corresponding to the
また、電極16には、電気配線24および60が接続され、電極17には、電気配線25および61が接続されている。
In addition,
分離検出用流路5の終端側には、分離検出用流路5を挟むように、電気泳動による試料の分離結果を電気抵抗値として測定するための電極20および21が設けられている。
また、電極20には、電気配線28が接続され、電極21には、電気配線29が接続されている。
In addition, an
図2は、図1に示した界面動電装置の緩衝液導入口2および緩衝液排出口3を結ぶ直線に沿った断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view along a straight line connecting the buffer
緩衝液導入用流路4、分離検出用流路5、試料導入用流路8および試料排出用流路9のそれぞれは、ガラス基板1の上面に彫られている。また、電極14、15、16、17、20および21のそれぞれは、少なくとも表面の一部が流路内の流体に接するように、ガラス基板1に埋め込まれている。
Each of the buffer
また、ガラス基板1の上面には、ガラス板30が接着されている。ガラス板30には、導入口31および排出口32が設けられている。導入口31は、緩衝液導入口2と連通し、排出口32は、緩衝液排出口3と連通している。また、導入口31には、試料槽33が取り付けられ、排出口32には、試料槽34が取り付けられる。試料槽33および34は、液槽であり、ガラス管にて形成される。なお、試料導入口6および試料排出口7のそれぞれにも、試料槽33および34と同様なガラス管にて形成された液槽である試料槽(図示せず)が設けられている。
A
図3は、本実施例の界面動電装置の構成を示した平面図である。図3において、界面動電装置は、ガラス基板1と、電源41、43および48と、スイッチ42、44、49および62と、電流計50、63および64と、電気配線22、23、24、25、28、29、60および61と、制御部70とを含む。
FIG. 3 is a plan view showing the configuration of the electrokinetic device of the present embodiment. In FIG. 3, the electrokinetic device includes a
ここで、電気配線24および25と、電源43とは、電極16および17の間に電圧を印加して分離検出用流路5内の流体を界面動電で移動させる電圧供給部を構成する。また、電気配線60および61は、触媒層を互いに導通させる導通部を構成する。
Here, the
電源41は、電気配線22および23を介して、電極14および15の間に電圧を印加する。スイッチ42は、電源41における電極14および15の間への電圧の印加のオンオフを切り替える。なお、スイッチ42が電圧の印加をオンにすると、電源41は、電極14に正の電位を印加し、電極15に負の電位を印加するものとする。
The
電源43は、電気配線24および25を介して、電極16および17の間に電圧を印加して、分離検出用流路5内の流体を界面動電で移動させる。スイッチ44は、電源43における電極16および17の間への電圧の印加のオンオフを切り替える。なお、スイッチ44がオンになると、電源43が、電極16に正の電位を印加し、電極17に負の電位を印加する。
The
電流計63は、少なくとも電圧供給部における電圧の印加時に、電極16および17の間を流れる電流を計測する。なお、電流計63は、第一計測手段の一例である。
The
電気配線60および61からなる導通部は、電極16および17を導通して、電極16および17の間を互いに導通させる。
The conducting portion composed of the
スイッチ62は、導通部における導通のオンオフを切り替える。なお、スイッチ62がオンになると、電極16および17が導通する。電流計64は、少なくともスイッチ62による導通時に、電極16および17の間を流れる電流を計測する。なお、電流計64は、第二計測手段の一例である。
The
電源48は、電極20および21の間に電圧を印加する。スイッチ49は、電源48による電圧の印加を制御する。スイッチ49がオンになると、電源48は、電極20に正の電位を印加し、電極21に負の電位を印加する。電流計50は、電源48による電圧の印加時において、電極20および21の間を流れる電流値を計測し、その電流値を外部に出力する。
The
制御部70は、切替手段の一例である。制御部70は、電流計63および64のそれぞれで計測した電流値に基づいて、電気供給部による電圧の印加のオンオフと、導通部による導通のオンオフとを切り替える。具体的には、制御部70は、スイッチ44および62のそれぞれのオンオフの切り替えを制御して、電気供給部による電圧の印加のオンオフと、導通部による導通のオンオフとを切り替える。また、このとき、制御部70は、電極16および17で発生した気体の流体の単位体積あたりの溶存量が、その気体の溶解度を超えないように、電圧の印加および導通のオンオフを切り替える。
The
次に動作を説明する。 Next, the operation will be described.
図4ないし図10は、界面動電装置の動作を説明するための説明図である。また、図11は、界面動電装置の動作を説明するためのフローチャートである。なお、以下の説明においてステップ数は、図11で示したフローチャートと対応している。 4 to 10 are explanatory diagrams for explaining the operation of the electrokinetic device. FIG. 11 is a flowchart for explaining the operation of the electrokinetic device. In the following description, the number of steps corresponds to the flowchart shown in FIG.
初期状態として、スイッチ62はオンであり、他のスイッチはオフであるとする。スイッチ62がオンであることにより、電極16および17近傍の溶存気体は、一定量以下になっている。溶存気体は、代表的には、酸素および水素である。なお、界面動電装置に導入する流体の溶存気体量が一定値以下であることが保証されている場合には、スイッチ62を初期状態においてオンにしておく必要はない。
As an initial state, it is assumed that the
先ず、緩衝液を、緩衝液導入口2に設けられた試料槽33に入れる。緩衝液は、毛細管力などにより、緩衝液導入用流路4、分離検出用流路5、試料導入用流路8および試料排出用流路9に充填される(ステップS1)。次に、被測定試料を、試料導入口6に設けられた不図示の試料槽に入れる(ステップS2)。
First, the buffer solution is put into the
続いて、図4に示すように、スイッチ42をオンする。スイッチ42がオンにされると、電源41が電極14および15間に電圧を印加する。これにより、試料導入用流路8内に電気浸透流が引き起こされる。この電気浸透流により、試料導入用流路8に満たされていた緩衝液が試料排出口7から排出され、被測定試料が試料導入用流路8に注入される(ステップS3)。
Subsequently, as shown in FIG. 4, the switch 42 is turned on. When the switch 42 is turned on, the
試料導入用流路8に被測定試料が注入された後、スイッチ42をオフにする。スイッチ42がオフになると、電源43による電極14および15間への電圧の印加が止まる(ステップS4)。これにより、緩衝液導入用流路4および分離検出用流路5の間に位置する部分には被測定試料が注入される。
After the sample to be measured is injected into the
ここで、図5に示すように、スイッチ49をオンにする。スイッチ49がオンになると、電源48が電極20および21の間に電圧を印加する(ステップS5)。
Here, as shown in FIG. 5, the
次に、制御部70を動作させる。制御部70は、動作すると、図6に示すように、スイッチ62をオフにし、その後、スイッチ44をオンにする(ステップS6)。
Next, the
スイッチ44がオンにされると、電源43が、分離検出用流路5の両側に配置された電極16および17の間に電圧を印加する。この電圧の印加により、試料導入用流路8に注入された被測定試料のうち緩衝液導入用流路4と分離検出用流路5の間に位置する被測定試料が、分離検出用流路5における電気浸透流の作用により分離検出用流路5に導入される。この分離検出用流路5に導入された被測定試料は、電気浸透流の作用により、分離検出用流路5の中を電極16から電極17の方向へ移動する。なお、被測定試料は、分離検出用流路5の中を移動しながら電気泳動の作用を受ける。これにより、被測定試料中の各成分は、液体中における移動のしやすさの差に応じて分離される。
When the
そして、制御部70は、電極16および17の間に電源43による電圧を印加してから所定の時間T1が経過したかを判断する(ステップS7)。この時間T1は、電極16および17に発生する気体の溶解度と、その気体の液体単位体積あたりの溶存量とに応じて予め設定されている。具体的には、時間T1は、気体の液体単位体積あたりの溶存量が気体の溶解度を超えない値に設定される。なお、気体の液体単位体積あたりの溶存量は、電流計63にて計測される電流値を、後述する「ファラデーの電気分解の法則」に適用することで算出される。なお、本実施例では、時間T1は、0.2秒に設定されているとする。
Then, the
制御部70は、時間T1が経過していないと、再びステップS7を実行し、時間T1が経過すると、スイッチ44をオフする(ステップS8)。
続いて、制御部70は、スイッチ44をオフにすると、図7に示すように、スイッチ62をオンにする。スイッチ62をオンになると、電極16および17が導通する(ステップS9)。
Subsequently, when the
電極16および17の間が導通されると、電極16においては、電極16に設けられている触媒の作用により、ステップS6で正の電位が印加された際に発生した酸素が再び水酸基イオンに戻る。つまり、電極16の表面に凝集して気泡の形態になりかけた酸素に対応して電子が与えられ、酸素が水を分解しながら水酸基イオンに戻る。こうして、電極16が還元される。
When the
また、電極16および17の間が導通されると、電極17においては、電極16の場合と同様に、電極17に設けられた触媒の作用により、ステップS6で負の電位が印加された際に発生した水素が再び水素イオンに戻る。つまり、電極17の表面に凝集して気泡の形態になりかけた水素から電子が奪われ、水素が水素イオンに戻る。こうして、電極17は酸化されたことになる。
When the
なお、このとき、電極16および17の間の電位差が解消されるため、分離検出用流路5の中で、電気浸透流および電気泳動の作用は生じない。つまり、分離検出用流路5の中において、被測定試料の移動および各成分の分離の機能は休止される。
At this time, since the potential difference between the
そして、制御部70は、スイッチ62をオンにすると、スイッチ62をオンして電極16および17を導通してから時間T2が経過したかを判断する(ステップS10)。この時間T2は、ステップS7において、電極16および17で発生した気体の量に応じて決定される。
Then, when the
本実施例では、制御部70は、時間T2を、電極16および17で発生した気体の量と、イオン化される気体の量が略同量となるように決定する。より具体的には、制御部70は、電流計64にて計測された電流値の時間T2にわたる積分値が、電流計63にて計測された電流値の時間T1にわたる積分値と略等しくなるように、時間T2を決定する。
In the present embodiment, the
制御部70は、時間T2が経過していないと、再びステップS10を実行し、時間T2が経過すると、図8に示すように、スイッチ62をオフする(ステップS11)。
制御部70は、ステップS6からS11までの一連の処理を行った処理回数を計数し、その処理回数が所定の回数Nになったか否かを判断する(ステップS12)。なお、本実施例では、所定の回数Nは、100回に設定されている。
The
制御部70は、処理回数が所定の回数Nになっていないと、ステップS6を実行する。これにより、ステップS6からS11までの一連の処理がN回繰り返して行われる。
If the number of processes is not the predetermined number N, the
また、制御部70は、処理回数が所定の回数Nになると、図9に示すように、スイッチ49をオフにし、スイッチ62をオンにする(ステップS13)。
Further, when the number of processing times reaches the predetermined number N, the
分離検出用流路5での電気泳動により分離された試料成分が電極20および21の位置に到達すると、電源48にて電極20および21間に電圧が印加されているため、流れる電流の変化として、各試料成分の流れが検出される。電流の変化は、電流計50にて測定される。ステップS6からステップS11までの操作をN回繰り返し、最終的にスイッチ49をオフするまでの間、電流計50がモニタされている。
When the sample component separated by electrophoresis in the separation
ステップS13が終了すると、動作が終了する。 When step S13 ends, the operation ends.
以下、電気分解にて発生する気体の定量的把握と、時間T1およびT2などの設定方法について説明する。 Hereinafter, a quantitative grasp of the gas generated by the electrolysis and a method for setting the times T 1 and T 2 will be described.
ステップS6において、電源43にて電極16および17の間に電圧が印加されると、電極16には正の電位が印加され、電極17には負の電位が印加される。このとき、緩衝液および試料の主要な組成物である水が電気分解され、陽極である電極16の表面には酸素が発生し、陰極である電極17の表面には水素が発生する。
In
電気分解による気体の発生量は、よく知られているように「ファラデーの電気分解の法則」に従う。つまり、「ファラデーの電気分解の法則」の第一法則によると、電気分解されて析出される物質の量は、流体に流れた電気量に比例する。また、同第二法則によると、電気化学当量は化学当量と等しい。つまり、電気化学当量は化学当量と同じものとなる。 As is well known, the amount of gas generated by electrolysis follows the “Faraday electrolysis law”. That is, according to the first law of “Faraday's law of electrolysis”, the amount of the substance that is electrolyzed and deposited is proportional to the amount of electricity that has flowed into the fluid. According to the second law, the electrochemical equivalent is equal to the chemical equivalent. That is, the electrochemical equivalent is the same as the chemical equivalent.
式(1)は、「ファラデーの電気分解の法則」の第二法則を示したものである。 Equation (1) shows the second law of “Faraday's Law of Electrolysis”.
n=m/M=(I・t)/(z・F)・・・(1)
ここで、記号の意味は以下のとおりである。
n〔mol〕:物質量、
m〔g〕:質量、
M〔g/mol〕:分子量、
I〔A〕:電流、
t〔s〕:時間、
z:イオン化数、
F=9.65×104〔C/mol〕:ファラデー定数。
n = m / M = (I · t) / (z · F) (1)
Here, the meanings of the symbols are as follows.
n [mol]: substance amount,
m [g]: mass,
M [g / mol]: molecular weight,
I [A]: current,
t [s]: time,
z: ionization number,
F = 9.65 × 104 [C / mol]: Faraday constant.
例として、陰極である電極17の表面に発生する水素の量を、ある条件のもとで試算する。条件は、以下のとおりである。
I=0.005〔A〕、
t=0.2〔s〕、
z=1、
F=9.65×104〔C/mol〕。
As an example, the amount of hydrogen generated on the surface of the
I = 0.005 [A],
t = 0.2 [s],
z = 1,
F = 9.65 × 104 [C / mol].
この条件(数値)を使うと、物質量n=1.04×10-8〔mol〕となる。この物質量の気体は、0℃および1気圧のもとで、2.3×10-5〔L〕=0.23〔μL〕の体積となる。 When this condition (numerical value) is used, the substance amount n = 1.04 × 10 −8 [mol]. This amount of gas has a volume of 2.3 × 10 −5 [L] = 0.23 [μL] at 0 ° C. and 1 atmosphere.
本実施例では、電源43にて電極16および17の間に電圧が印加されてから時間T1後に、スイッチ44がオフにされる。時間T1としては、0.2秒が設定されている。電極17について考えると、印加電圧が10ボルト程度で5マイクロアンペア程度の電流が流れている場合、前述した試算で示した量の水素が発生する。具体的には、水素の総量は、十分の数マイクロリットル程度である。
In this embodiment, the
発生した気体が電極17から離脱する前に、電極16および電極17を導通させて発生した気体を消滅させる条件に設定することが重要である。なお、この条件は、電極17の寸法や流路の寸法などさまざまな要因で変化する。
Before the generated gas separates from the
本実施例では、上述のように電極16および17を導通する時間T2は、制御部70にて、時間T1で発生した気体の量と略同量の気体がイオンに戻るまでの時間として決定されている。
In the present embodiment, the time T 2 for conducting the
例えば、先ず、制御部70は、電流計63にて計測された電流値を、処理回数が1のときのステップS6でスイッチ44をオンにしてから、同処理回数のときのステップS8でスイッチ44をオフにするまで積分する。
For example, the
続いて、制御部70は、同処理回数のときのステップS9でスイッチ62をオンにすると、電流計64にて計測された電流値を積分していく。
Subsequently, the
その後、制御部70は、同処理回数のときのステップS10では、電流計64にて計測された電流値の積分値(第一積分値と称する)が、電流計63にて計測された電流値の積分値(第二積分値と称する)になったか否かを判断する。制御部70は、第一積分値が第二積分値になると、時間T2が経過したと判断し、第一積分値が第二積分値になっていないと、時間T2が経過していないと判断する。さらに、制御部70は、ステップS9でスイッチ62をオンにしてから第一積分値が第二積分値になるまでの時間を測定し、その時間を時間T2として決定する。
Thereafter, the
なお、制御部70は、処理回数が2以上のときのステップ10では、スイッチ62をオンして電極16および17を導通してから、その決定した時間T2が経過したかを判断する。
In step 10 when the number of processes is 2 or more, the
また、図10は、電極16および17が導通されている時の電流計63にて計測される電流値と経過時間の関係を示したものである。ここに示されるように、時間T2が短いほど電極16および17を導通している時の単位時間あたりの移動電荷量は大きい。よって、T1をできるだけ短く設定し、頻繁に電圧の印加と導通を切り替えることにより、T2の間に移動できる単位時間あたりの電荷量は大きく。このため、気泡の発生を効率よく低減できる。
FIG. 10 shows the relationship between the current value measured by the
また、液体内の発生した気体は、触媒層に接触することでイオン化される。したがって、気体のイオン化を効率よく行なうためには、なるべく多くの気体が短時間で触媒層に触れるようにすればよい。このため、流路内の流体と接触する触媒層の表面積を大きくすれば、気体のイオン化を効率よく行なうことができる。 Further, the generated gas in the liquid is ionized by contacting the catalyst layer. Therefore, in order to efficiently ionize the gas, as much gas as possible should touch the catalyst layer in a short time. For this reason, if the surface area of the catalyst layer in contact with the fluid in the flow path is increased, gas ionization can be performed efficiently.
なお、本実施例では、ステップS6からS11までの処理を繰り返す回数を100回としたが、この回数は、界面動電装置の構成から決定される。具体的には、この回数は、分離検出用流路5の長さに応じて変化する電気浸透流にかかる時間や、電気泳動により対象物質を分離するのにかかる時間から設定される。
In the present embodiment, the number of repetitions of the processing from steps S6 to S11 is set to 100, but this number is determined from the configuration of the electrokinetic device. Specifically, the number of times is set from the time required for the electroosmotic flow that changes according to the length of the separation
また、本実施例では、ステップS6において発生する気体の量と、ステップS9において消費される気体の量が略等しくなるように時間T1およびT2の値を設定したが、それに限るものではない。例えば、ステップS9における気体の消費量がステップS6における気体の発生量より少なくても、ステップS13に至るまでに流路内の液体における気体の単位体積あたりの溶存量がその気体の溶解度を超えなければよい。 Further, in this embodiment, the amount of gas generated in step S6, the amount of gas to be consumed is set substantially equal so that the value of the time T 1 and T 2 in step S9, it is not limited thereto . For example, even if the amount of gas consumed in step S9 is less than the amount of gas generated in step S6, the dissolved amount per unit volume of gas in the liquid in the flow path must exceed the solubility of the gas by the time step S13 is reached. That's fine.
次に効果を説明する。 Next, the effect will be described.
本実施例では、電源43と電気配線24および25とで構成される電圧供給部は、電極16および17の間に電圧を印加して、流路内の流体を界面導電で移動させる。また、電極16および17のそれぞれで発生した気体をイオン化するための触媒体が、電極16および17のそれぞれに対応して設けられる。電気配線60および61で構成される導通部は、触媒体を互いに導通させる。制御部70は、電圧供給部による電圧の印加のオンオフと、導通部による導通のオンオフとを切り替える。
In the present embodiment, the voltage supply unit composed of the
この場合、電圧の印加時に電極16および17のそれぞれで発生した気体が、触媒体の導通時にイオン化される。したがって、反応槽、循環ポンプおよび循環流路を設けなくても、気泡の発生を低減することが可能になる。また、流路の外部でイオン動電性材料を電子導体に電気的に接続させなくても、気泡の発生を低減することが可能になる。したがって、装置の大型化および複雑化を抑制しながら、電極における気泡の発生を低減することが可能になる。
In this case, the gas generated in each of the
また、本実施例では、各触媒体は、電極16および17のそれぞれの表面に設けられている。
In this embodiment, each catalyst body is provided on the surface of each of the
この場合、装置構成を単純化することが可能になり、装置の大型化をさらに抑制することが可能になる。 In this case, the apparatus configuration can be simplified, and the increase in size of the apparatus can be further suppressed.
また、電極で発生する気体の量は、電極16および17の間を流れる電流値に応じて変化する。また、触媒作用によりイオン化される気体の量は、各触媒体間を流れる電流値に応じて変化する。よって、その発生した気体の流体単位体積あたりの溶存量は、電極16および17の間を流れる電流値および各触媒体間を流れる電流値に応じて変化する。
Further, the amount of gas generated at the electrode changes according to the value of the current flowing between the
本実施例では、電流計63は、電圧供給部による電圧の印加時に、電極16および17の間を流れる電流値を計測する。電流計64は、導通部による導通時に、各触媒体間を流れる電流値を計測する。制御部70は、電流計63および64のそれぞれにて計測された電流値に基づいて、電圧供給部による電圧の印加のオンオフと、導通部による導通のオンオフとを切り替える。
In this embodiment, the
このため、電極16および17で発生した気体の流体の単位体積あたりの溶存量に応じて、電圧供給部による電圧の印加のオンオフと、導通部による導通のオンオフとを切り替えることが可能になる。よって、電極16および17で発生した気体の流体の単位体積あたりの溶存量がその気体の溶解度を超えないようにすることが可能になる。したがって、気泡の発生をより低減することが可能になる。
For this reason, according to the dissolved amount per unit volume of the gaseous fluid which generate | occur | produced in the
図12は、本発明に係る実施例2の界面動電装置の構成を示した平面図である。なお、図12において、図3と同じ機能を有するものには、同じ符号を付しその説明を省略することがある。 FIG. 12 is a plan view showing the configuration of the electrokinetic device according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 12, components having the same functions as those in FIG.
図12において、界面動電装置は、図3で示した実施例1の界面動電装置と比べて、電気配線60および61と、スイッチ62と、電流計64とがない。また、界面動電装置は、図3で示した実施例1の界面動電装置と比べて、電気配線80および81と、スイッチ82と、電流計83と、電極84および85とをさらに含む。
In FIG. 12, the electrokinetic device does not have the
電極84および85は、第二電極の一例である。電極84および85のそれぞれは、電極16および17のそれぞれに対応して設けられている。電極84および85のそれぞれの流体に接触する表面の少なくとも一部には、触媒体として、その電極で発生するガスをイオン化するための触媒層が設けられている。この触媒層を形成する触媒は、例えば、パラジウムまたは白金である。なお、触媒は、パラジウムまたは白金に限らず適宜変更可能である。なお、電極16および17には、触媒層が設けられていなくてもよい。
The
界面動電装置の動作は、実施例1の界面動電装置において、スイッチ62をスイッチ82に読み替え、電流計64を電流計83に読み替える。電極16および17に関する記述のうち、除電および触媒作用について述べている箇所(ステップS9およびS10)では、電極16および17のそれぞれを、電極84および85のそれぞれに読み替えればよい。
Regarding the operation of the electrokinetic device, in the electrokinetic device of the first embodiment, the
次に効果を説明する。 Next, the effect will be described.
本実施例では、気体をイオン化するための触媒体が電極16および17とは別の電極84および85に設けられている。このため、電極16および17で発生した気体をより効率的にイオン化することが可能になる。なぜなら、実施例1においては、気体が発生した電極16および17で気体をイオン化する構成であったため、その発生する気体が電極16および17の下流が流れてしまう可能性があった。本実施例では、例えば、電極84および85のそれぞれを電極16および17のそれぞれにより下流に配置することで、気体をより確実に電極84および85にてとらえることが可能になる。したがって、より効率的に気泡の発生を低減化することが可能になる。
In this embodiment, a catalyst body for ionizing gas is provided on
以上説明した各実施例において、図示した構成は単なる一例であって、本発明はその構成に限定されるものではない。 In each of the embodiments described above, the illustrated configuration is merely an example, and the present invention is not limited to the configuration.
4 緩衝液導入用流路
5 分離検出用流路
16、17、84,85 電極
43 電源
24、25、60、61、80、81 電気配線
63、64、83 電流計
70 制御部
4 Buffer solution
Claims (6)
各第一電極に対応して設けられた、該第一電極で発生した気体をイオン化するための複数の触媒体と、
各触媒体を互いに導通させる導通手段と、
前記電圧供給手段による電圧の印加のオンオフと、前記導通手段による導通のオンオフと、を切り替える切替手段と、を含むことを特徴とする界面動電装置。 A flow path for fluid, a plurality of first electrodes provided in the flow path and electrically connected using the fluid, and applying a voltage between the plurality of first electrodes, In an electrokinetic device including a voltage supply means for moving the fluid in the flow path by electrokinetics,
A plurality of catalyst bodies for ionizing the gas generated at the first electrode provided corresponding to each first electrode;
Conduction means for conducting the catalyst bodies to each other;
An electrokinetic apparatus comprising: switching means for switching on / off of voltage application by the voltage supply means and on / off of conduction by the conduction means.
各触媒体は、各第一電極の表面に設けられている、界面動電装置。 The electrokinetic device according to claim 1,
Each catalyst body is an electrokinetic apparatus provided on the surface of each first electrode.
各触媒体は、各第一電極に対応して設けられた複数の第二電極の表面に設けられている、界面動電装置。 The electrokinetic device according to claim 1,
Each electrocatalyst is provided in the surface of the some 2nd electrode provided corresponding to each 1st electrode.
前記電圧供給手段による電圧の印加時に、各電極の間を流れる電流値を計測する第一計測手段と、
前記導通手段による導通時に、各触媒体間を流れる電流値を計測する第二計測手段と、を含み、
前記切替手段は、前記第一計測手段および前記第二計測手段のそれぞれにて計測された電流値に基づいて、前記電圧供給手段による電圧の印加のオンオフと、前記導通手段による導通のオンオフとを切り替える、界面動電装置。 In the electrokinetic device according to any one of claims 1 to 3,
A first measuring means for measuring a current value flowing between the electrodes when a voltage is applied by the voltage supply means;
A second measuring means for measuring a current value flowing between the catalyst bodies at the time of conduction by the conduction means,
Based on the current values measured by the first measuring means and the second measuring means, the switching means turns on and off the application of voltage by the voltage supply means and turns on and off by the conduction means. Switching electrokinetic device.
前記界面動電は、電気浸透流である、界面動電装置。 In the electrokinetic device according to any one of claims 1 to 4,
The electrokinetic device, wherein the electrokinetic is electroosmotic flow.
前記界面動電は、電気泳動である、界面動電装置。 In the electrokinetic device according to any one of claims 1 to 4,
The electrokinetic apparatus, wherein the electrokinetic is electrophoresis.
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-
2008
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