JP2010518373A - キャピラリークロマトグラフィー装置および当該装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

回路基板（２）に設けられており、前記第１収容スペースがキャピラリー分離カラムの巻かれた部分（８）を少なくとも部分的に収めるのに適しているような形である、少なくとも１つの第１収容スペースを含むキャピラリークロマトグラフィー装置（１）の製造方法。また、そのような装置を製造する方法。そのような装置および方法を用いて、最も優れた可能な利点が、小型化され集積されたガスクロマトグラフ（最小のデッドボリューム、集積オプション、小さい熱質量および速い温度調整、低い原価、小さい寸法、重量およびエネルギー消費、持ち運び可能で柔軟な使用）と通常のキャピラリー分離カラムの使用（非常に良好な分離、高精度および再現性）の両方から得られる。ここでキャピラリー分離カラムは、均一に、急速に、かつ精確に加熱することが可能である。

Description

本発明はキャピラリークロマトグラフィー装置に関する。本発明は、キャピラリークロマトグラフィー装置の製造方法に関するものでもある。

クロマトグラフィーは、混合物を個々の化学成分に分離する最も古い化学分析法の一つである。従って、混合物中の化学成分の定性的および定量的測定がより容易になる。ガスクロマトグラフィーにおいては、不活性キャリアーガス、即ち移動相によって、混合物を分離カラムの中に導入する。分離は、移動相中の異なる化学成分と固定化された固定相（即ち、分離カラムの内壁を覆っている又は分離カラム内の不活性キャリアー物質上に配置されている液体または固体材料）との間の相互作用の差異に基づいている。分離カラム内の化学成分の保持時間は、固定相との相互作用の度合い、固定相の種類および量、分離カラムの長さおよび径、キャリアーガスの種類、流速ならびに温度の関数である。異なる化学成分は、原則として異なる時点で分離カラムから出るだろう。これらの時点は、分離カラムからのアウトフロー（または流出物）を検出器に導くことによって測定可能である。その後、異なる化学成分は、検出器の出力（即ちクロマトグラム）において、より鋭い又はより鋭くない「ピーク」として現れる。

ガスクロマトグラフィーにおいては、キャピラリー分離カラム（内径が通常約０．１ｍから０．５ｍｍまで様々であり、長さが通常約１ｍから１５０ｍまで様々である細管）を通常使用する。大部分のキャピラリー分離カラムは、外側にポリイミドの保護層を有する溶融石英で作られているが、例えば金属キャピラリー分離カラムも知られている。そのようなキャピラリー分離カラムを用いて、高い精度および再現性を有する非常に良好な分離を実施することが可能である。キャピラリー分離カラムが非常に長いことに関して、キャピラリー分離カラムは、通常、使用するために少なくとも部分的にコイル状に巻く。キャピラリー分離カラムを加熱することが可能でなければならず、そこでは、非常に精確に、かつ好ましくは非常に速く温度を調節することが可能でなければならない。この目的のために、巻かれたキャピラリー分離カラムは通常加熱炉内に設置し、前記加熱炉の温度は非常に精確に調節可能である。従って、キャピラリー分離カラムを、均一に、かつ非常に精確に、決められた所望の温度へ至らしめることが可能である。しかし、加熱炉の熱質量が比較的大きいので、温度変化は比較的低速でのみ起こり得る。

数十年の間、微細構造技術を用いて製造される小型ガスクロマトグラフも存在してきており、そこでは、分離カラムは適切な材料にエッチングされている（例えば国際公開第２００６／０４２７２７号または国際公開第２００４／０６５９５５号）。エッチングされた分離カラム、インジェクターおよび検出器の小型化および集積（または一体化）によって、デッドボリュームを最小化することが可能である。システム全体の原価をより低くすることが可能である。そのような微小システムの寸法、重量およびエネルギー消費は相対的に更に小さく、それによって、それらには持ち運び可能な形態が与えられることが可能であり、場所（または配置）に関してより柔軟に利用することが可能である。所望の加熱要素は、この中に集積して製造可能であり、エッチングされた分離カラムの温度は、熱質量が比較的小さいので比較的早く調節可能である。しかし、実際には、そのようなエッチングされた分離カラムの分離特性、精度および再現性には、不十分な点が今でも多く存在することがわかってきた。更に、制御困難な望ましくない温度勾配がすぐに生じるので、エッチングされた分離カラムを均一に加熱することが難しいこともわかってきた。

独国未公開特許第１９７０７１１４号には、キャピラリークロマトグラフィーシステムであって、キャピラリー分離カラムが加熱炉の内壁に接しており、炉内に設置されている加熱ランプによって前記キャピラリー分離カラムを加熱するキャピラリークロマトグラフィーシステムが記載されている。キャピラリー分離カラムを比較的急速に加熱可能であることが有利な点である。しかし、そのシステムは、微細構造技術および小型化によって製造するには適切でなく、またはほとんど適切でない。米国特許出願公開第２００６／０２８３３２４号には、ガラス繊維布の２つの薄層の間に封入され、接着されたキャピラリー分離カラムが記載されている。その全体は、好ましくはスペーサーによって基部表面、例えばプリント基板に取付けられており、加熱装置もその基部表面に設けられている。そのような構成は、小型であり、キャピラリー分離カラムを比較的急速に加熱可能であり、非常に良好な分離特性、高精度および再現性を有する常套のキャピラリー分離カラムの使用が可能であるという利点を有する。しかし、全体が複雑であること、より常套的でない技術による製造の原価が高いこと、および望ましくない温度勾配が発生することが特に難点である。

従って、小型化され、かつ集積されたガスクロマトグラフの利点と、より常套的なキャピラリー分離カラムを使用することの利点の両方を可能な限り有するキャピラリークロマトグラフィーシステムであって、前記キャピラリー分離カラムを均一に、急速に、かつ精確に加熱することが可能であるキャピラリークロマトグラフィーシステムに対する要求が存在する。本発明は、本発明の目的のために、この要求を満たさなければならない。

本発明は、この目的のために、回路基板に設けた少なくとも１つの第１収容スペースを含み、前記第１収容スペースが、キャピラリー分離カラムの巻かれた部分（またはコイル状部分もしくは輪状に巻かれた部分）を好ましくは実質的にぴったりと入る（またはぴったりと収まるもしくは隙間無く収まる、ｃｌｏｓｅ−ｆｉｔｔｉｎｇ）ように収容するのに適しているような形態である、キャピラリークロマトグラフィー装置を提供する。ここで、また以下において、「回路基板」は、全ての態様においてＰＣＢ（プリント基板）を意味すると理解され、前記ＰＣＢは、場合により積層され、１またはそれより多くの金属層を有し、基本的材料として例えば繊維強化エポキシ樹脂、ポリイミドまたはセラミック材料を有し、電気回路を実現するために例えばスクリーン印刷またはフォトリソグラフィーを利用し、ならびに電気若しくは電子部品、ＭＣＭｓ（マルチチップモジュール）またはハイブリッド（混成集積回路）を配列および接続するためのスルーホール（または貫通孔）または表面実装技術を利用する。「ぴったりと入る（ｃｌｏｓｅ−ｆｉｔｔｉｎｇ）」とは、キャピラリー分離カラムが、少なくともいくつかの側において、第１収容スペースの壁と実質的に接しており、または前記第１収容スペースの壁に比較的緊密に接続していることを意味すると理解される。その結果、第１収容スペースの寸法が最小であることが可能であり、その結果、装置が小型であることが可能であり、関連する熱質量が小さい。例えばバックフラッシュ供給、分析分離カラムおよびバックフラッシュ分離カラムを有する装置のように、複数の第１収容スペースおよび複数のキャピラリー分離カラムも存在し得る。ここで装置は、好ましくは、回路基板に設けられた少なくとも１つの第２収容スペースを含み、前記第２収容スペースはキャピラリー分離カラムの巻かれていない部分（またはコイル状でない部分）、特に末端部を収容するのに適しているような形態である。従って、キャピラリー分離カラムの巻かれていない部分および外端部もまた収容されることが可能であり、定位置に保持することが可能である。

回路基板を使用することが著しく有利である。公知技術を用いて、例えば電力供給、通信または制御のための、必要な電気または電子部品、ならびに他の部品、例えば流体工学的機能を有するチップ、または分離カラムおよび前記チップを加熱するための加熱手段を回路基板に設けることが可能である。例えば通常のフリップチップ技術を使用すること、または流体工学的、電気的および機械的な機能ならびに接続を実現させるためにガスケットをシールとして使用することも好都合である。フライス加工によって収容スペースを設けることが可能である。これは、通常使用可能であり、例えば回路基板の製造において多数適用されている機械加工技術である。これによって、空洞（またはキャビティー）等を回路基板において比較的簡単に設けることが可能である。

装置は、好ましくは、回路基板上に設けられた、流体工学的機能を有する少なくとも１つのチップをも含む。このチップは、例えばインジェクター（または注入器）および検出器を含み得る。従って高集積を実現することが可能である。装置は、好ましくは、キャピラリー分離カラムを加熱するための第１加熱手段およびチップを加熱するための第２加熱手段をも含む。キャピラリー分離カラムおよびチップは、収容スペースと近接して（例えばキャピラリー分離カラムの両側に）またはチップの近くにて回路基板上に加熱要素を設けることによって、急速かつ均一に加熱することが可能である。ここで、少なくとも１つの収容スペースに、少なくとも部分的に熱伝導性材料を充填することが好ましい。これにより、キャピラリー分離カラムの温度は、例えばより速く調節可能であり、望ましくない温度勾配を最小化することが可能である。装置は、例えば回路基板にフライス加工した（または刻まれた）スロットまたは溝の形態の、断熱体として作用する凹部も含み得る。従って、例えばキャピラリー分離カラムとインジェクターおよび検出器を有するチップとの間の所望の温度差を、より良くかつより速く、実現および持続することが可能である。

例えば適切なプラスチック内に成形することにより、ケーシング（または囲い）によって、装置を少なくとも部分的に封入することが好ましい。ケーシングは、保護を与えると共に、装置と周囲の環境との間の追加の断熱体としても作用し得る。装置は、好ましくは機械的、流体工学的および／または電気的結合手段を備えており、その結合手段によって、全体が交換可能なカートリッジとして化学分析装置と接続し得る。従って、例えば予備検査および較正をした、（１または複数の）インジェクター、（１または複数の）キャピラリー分離カラム、（１または複数の）検出器、加熱手段および場合により他の部品の全体は、例えばキャピラリー分離カラムのみの代わりにカートリッジとして交換可能である。

本発明の装置および方法の限定的でない例示的態様に基づいて、本発明を以下に説明する。

図１ａは本発明の装置の上面図である。 図１ｂは前記装置の底面図である。 図１ｃは、前記装置の、図１ａに示す平面Ａ−Ａに沿った部分断面図である。 図２は、前記装置の、一部を切り取った斜視図である。 図３はハウジング内に収容された装置の斜視図である。

［本発明の装置の例示的態様］
図に示す装置（１）は、インジェクター、検出器および温度センサーを含むシリコンチップ（３）が設けられ、かつ電気的接続（４）を備えている回路基板（２）を含む。キャピラリー分離カラムの巻かれた部分（８）を収容する第１収容スペース（５）を、回路基板（２）にフライス加工する。巻かれていない両方の外端部（９、１０）を、２つの第２収容スペース（６、７）であって、それらもまた回路基板（２）にフライス加工されており上部側が開口している収容スペースに収容する。装置（１）の製造を以下のように進めることが可能である。第１の外端部（９）を、第１収容スペース（５）の外側から開口部（１１）を通じて操作し（前記開口部（１１）はこの目的のために設けるものである）、一つ目の第２収容スペース（６）に上から設置し、そこで例えば第１のチューブ部品（１２）と接続し得る（前記第１のチューブ部品（１２）はこの目的のために設けるものである）。その後、キャピラリー分離カラムを、中心（１４）から第１収容スペース（５）の中へと操作し、その中でコイル状（または輪状）に巻く。その後、第２の外端部（１０）を、二つ目の第２収容スペース（７）に上から設置し、そこで例えば第２のチューブ部品（１３）と接続し得る（前記第２のチューブ部品（１３）はこの目的のために設けるものである）。

回路基板（２）において、上部側（または上面）（１６）および底部側（または底面）（１７）の両方に、第１加熱手段（１８）（この例においては、キャピラリー分離カラムの巻かれた部分（８）を抵抗加熱するための伝導体トラック）を設ける。第１収容スペース（５）を、熱伝導性材料（図示せず）で少なくとも部分的に充填することが可能であり、それによって、キャピラリー分離カラムの巻かれた部分（８）の温度を更に速く調節することが可能であり、望ましくない温度勾配を更に最小化することが可能である。回路基板（２）は、温度センサー（１５）、およびシリコンチップ（３）を有する部分（２０）とキャピラリー分離カラムの巻かれた部分（８）を有する部分（２１）との間の断熱体として作用する、回路基板（２）にフライス加工された複数のスロット（１９）をも備えている。シリコンチップ（３）を第２加熱手段（２２）によって加熱し、前記第２加熱手段はその目的のために設けるものである。

装置（１）は、断熱体としても作用する保護ケーシング（図示せず）に封入することが可能であり、それは例えばこの目的に適したプラスチック内に装置を成型することによる。装置（１）は、例えば予備試験し、較正した交換可能なカートリッジを形成することが可能である。特定の例示的態様において、装置（１）を、この目的のために設けられたハウジング（２３）内に設置し、その後、この全体を、化学分析装置またはガスクロマトグラフ内にモジュールとして組み込むことが可能である。

そのような装置および方法を用いることによって、小型化されたガスクロマトグラフと集積されたガスクロマトグラフ（最小のデッドボリューム、集積オプション、小さい熱質量および速い温度調節、低い原価、小さい寸法、重量およびエネルギー消費、持ち運び可能で融通性のある使用）の両方から、および通常のキャピラリー分離カラムの使用（非常に優れた分離、高精度、および再現性）から、考えられ得る最も優れた利点を得ることが可能である。キャピラリー分離カラムは、ここでは、均一に、急速に、および精確に加熱することが可能である。

本発明は、与えられた例示的態様に限定されず、本発明の範囲内で種々の変形が可能であるだろう。第１収容スペースは、例えば、一部を回路基板にフライス加工し、一部を別の材料片にフライス加工することも可能であり、その後、前記別の材料片を回路基板に接続して、完全な第１収容スペースを形成するようにする。

Claims (25)

1. 回路基板（２）に設けられた少なくとも１つの第１収容スペース（５）を含み、前記第１収容スペースがキャピラリー分離カラムの巻かれた部分（８）を少なくとも部分的に収容するのに適しているような形態である、キャピラリークロマトグラフィー装置（１）。
2. 前記第１収容スペースが、キャピラリー分離カラムの巻かれた部分を、実質的にぴったりと入るように、少なくとも部分的に収容するのに適していることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 装置が、回路基板に設けられた少なくとも１つの第２収容スペース（６、７）をも含み、前記第２収容スペースが、キャピラリー分離カラムの巻かれていない部分（９、１０）、特に末端部を少なくとも部分的に収容するのに適しているような形態であることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
4. 装置が、流体工学的機能を有し、回路基板に設けられている少なくとも１つのチップ（３）をも含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
5. 装置が、回路基板に設けられている少なくとも１つの電子部品（１５）をも含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
6. 装置が、キャピラリー分離カラムの少なくとも一部を加熱するための第１加熱手段（１８）であって、回路基板に設けられている第１加熱手段（１８）をも含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記第１加熱手段が、第１収容スペースの２つの対向する面に設けられていることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
8. 装置が、前記チップの少なくとも一部を加熱するための第２加熱手段であって、回路基板に設けられている第２加熱手段をも含むことを特徴とする、請求項４に記載の装置。
9. 少なくとも一つの収容スペースが少なくとも部分的に熱伝導性材料で充填されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
10. 装置が、断熱体として作用する少なくとも一つの凹部（１９）であって、回路基板に設けられている少なくとも一つの凹部（１９）を含むことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の装置。
11. 装置が、ケーシングによって少なくとも部分的に封入されていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置。
12. 装置が、機械的、流体工学的および電気的結合手段の組の少なくとも１つを備えており、前記結合手段によって、装置を交換可能なカートリッジとして化学分析装置に結合し得ることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の装置。
13. 少なくとも一つの第１収容スペースを回路基板に設けることを含む、キャピラリークロマトグラフィー装置の製造方法であって、前記第１収容スペースがキャピラリー分離カラムの巻かれた部分を少なくとも部分的に収容するのに適しているように、前記第１収容スペースを形作る、方法。
14. 前記第１収容スペースが、キャピラリー分離カラムの巻かれた部分を、実質的にぴったりと入るように少なくとも部分的に収容するのに適しているように、前記第１収容スペースを形作ることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
15. 少なくとも１つの第２収容スペースを回路基板に設けることをも含むことを特徴とする方法であって、前記第２収容スペースがキャピラリー分離カラムの巻かれていない部分、特に末端部を、少なくとも部分的に収容するのに適しているように、前記第２収容スペースを形作ることを特徴とする、請求項１３または１４に記載の方法。
16. 少なくとも１つの収容スペースを、フライス加工によって少なくとも部分的に設けることを特徴とする、請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の方法。
17. 流体工学的機能を有する少なくとも１つのチップを回路基板に設けることをも含むことを特徴とする、請求項１３〜１６のいずれか１項に記載の方法。
18. 少なくとも１つの電子部品を回路基板に設けることをも含むことを特徴とする、請求項１３〜１７のいずれか１項に記載の方法。
19. 方法が、キャピラリー分離カラムの少なくとも一部を加熱するための第１加熱手段を回路基板に設けることをも含むことを特徴とする、請求項１３〜１８のいずれか１項に記載の方法。
20. 前記加熱手段を、第１収容スペースの２つの対向する面に設けることを特徴とする、請求項１９に記載の方法。
21. チップの少なくとも一部を加熱するための第２加熱手段を回路基板に設けることをも含むことを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
22. 少なくとも１つの収容スペースを、熱伝導性材料で少なくとも部分的に充填することをも含むことを特徴とする、請求項１３〜２１のいずれか１項に記載の方法。
23. 断熱体として作用する少なくとも１つの凹部を回路基板に設けることをも含むことを特徴とする、請求項１３〜２２のいずれか１項に記載の方法。
24. 装置の少なくとも一部をケーシングによって封入することをも含むことを特徴とする、請求項１３〜２３のいずれか１項に記載の方法。
25. 機械的、流体工学的および電気的結合手段の組の少なくとも１つを装置に設けることをも含み、前記結合手段によって、交換可能なカートリッジとして装置を化学分析装置に結合することが可能であることを特徴とする、請求項１３〜２４のいずれか１項に記載の方法。

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