JP2013527432A - 拡散結合され表面改質された構成要素を有するクロマトグラフィ装置 - Google Patents

Abstract

クロマトグラフィによってサンプルを分離するためのマイクロ流体デバイスは、２次材料を導入することなく、隣接する金属シートのそれぞれの間に気密封止された界面が生成されるように一緒に接合された、拡散結合した金属シートを含む。拡散結合したシート内には、入口または出口の少なくとも１つから接触可能な分離チャネルが包封される。分離チャネルには、クロマトグラフィ分離の固定相として働くマイクロメートルサイズの粒子が充填される。分離チャネルの濡れ面は、少なくとも１つの単層の厚さの有機材料のコーティングを含む。

Description

本技術は、一般にクロマトグラフィ装置に関し、詳細には高圧液体クロマトグラフィ機器に関する。

体積スケールのクロマトグラフィおよびそれが流路での実装に及ぼす影響の簡単な考察を、以下に示す。高性能液体クロマトグラフィ（ＨＰＬＣ）は伝統的に、最終的な内径（ＩＤ）またはボアが約４．６ミリメートルであり長さが典型的に約５センチメートルから２５センチメートルの範囲にある、分析カラムを使用して行われる。そのようなカラムは典型的に、慎重に機械加工された構成要素から組み立てられる。

カラムチューブは典型的に、各端部におねじを有し、それぞれのカラム端部継手または端子内の、対応するめねじに係合する。各カラム端部継手は、完成したカラムの性能に極めて重要なフィーチャを取り込んでいる。これらのフィーチャの中にはフリットおよび拡散プレートがあり、微粒子固定相（または充填）をカラム床内に保持するように、また、狭いボアの入力／出力相互接続管材（典型的には０．２３ミリメートルＩＤ）の幾何形状と、さらに広い直径寸法の充填床（４．６ミリメートル）との間で液体流を遷移させるように、協働する。各カラム端部継手は、ねじ付き圧縮ポートも含み、実質的に漏れのない界面をカラムと相互接続チューブとの間に確立するのに使用される。

伝統的な４．６ｍｍ ＩＤ ＨＰＬＣカラムには、５マイクロメートルの特徴的充填粒子直径を組み込む固定相が充填されることもある。適切な移動相体積流量でのそのカラムの動作の結果、床構造を通る特徴的移動相線速度が得られる。カラムが十分充填された場合（即ち、空隙、ブリッジまたはその他の床欠陥が実質的に存在しない場合）、この動作レジームは、１つ以上のタイプのプローブ化合物の使用により実証されるように、このシステムに関する特徴的分離「効率」をもたらす。特徴的効率は、システム内を伝搬し得るクロマトグラフィゾーンまたは帯域の狭さの尺度と考えられる。

ＨＰＬＣ分析機器では、一般に、高効率で分離を行うことが望ましく、それによって干渉または近干渉ゾーンまたは帯域の分解能を高めることによりクロマトグラムの情報量が最大限になる。上述のシステムから溶出された帯域は、５σで測定された、実質的に１０秒の時間的経過（即ち、帯域の最高点、ならびに最高点に先行し最高点の後を辿る帯域の２．５σを含む、検出器を通る帯域の実質的なガウス濃度分布の通過）を有すると予測することもできる。

体積流量を知った上で、時間単位での帯域の幅を体積単位での幅に変換することができる（この例では、分当たり１．０ミリリットルの流量で１６７マイクロリットル）。体積ドメインでの作動は、「余分なカラム」体積が分離効率に及ぼす影響の調査に進むときに、特に有益である。カラム外（例えば、移送チューブ内、検出器内およびインジェクタ内）の体積の存在により、一般に、カラムで送達されたときの分離の質しか劣化しなくなる。

余分なカラムの分散（分散＝σ^２）の寄与は、分散が実質的に加法的であるので、指定された分離が１つ以上のタイプの余分なカラム寄与の存在下でどのように劣化するかを明らかにするための、極めて有用な尺度である。クロマトグラフィシステムのいくつかのクラスの特徴的体積スケールを表にすることは、システム設計者が直面する事柄を理解するのに有用である。以下の作表では、全てのシステムが同じ効率値を保持し、移動相線速度が充填床を通して一定に維持されることを前提とする。したがって体積流量は、カラム床断面積に比例して、したがってカラム内半径^２に比例して、スケールが決められた。

クロマトグラフィカラム床を構成するため、より小さな適切に充填された粒子の使用に移行するときに、より高い分離効率を実現することができることがさらに理解される。このレジームは、通常の１．７マイクロメートル直径粒子を使用してＷａｔｅｒｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｍｉｌｆｏｒｄ、ＭＡ、ＵＳＡ）により商用化され、Ｕｌｔｒａ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ（商標）（ＵＰＬＣ（商標））と呼ばれた。したがってＵＰＬＣ（商標）における帯域またはゾーンは、これらのＨＰＬＣにおける対応物よりも狭く（時間ドメインと体積ドメインとの両方で）、余分なカラム体積の低減およびそのゾーン分散作用の両方がさらに求められている。

表１のカラムおよび流量範囲は、従来スケールのＨＰＬＣでの使用に非常に満足のいく（特徴的ピーク体積が、１ミリリットルのかなりの部分を占める場合）従来の管材および管材界面が、毛管スケールまたはナノスケールＨＰＬＣなどの適用例でどのように素早く差を付けているのか（特徴的ピーク体積は数マイクロリットルから数十ナノリットル範囲であり、したがって余分なカラムの分散「バジェット」が本質的になくなった場合）を例示する。別の言い方をすれば、従来のＨＰＬＣの実施において許容可能な余分なカラム体積および余分なカラム分散は、一般に、毛管およびナノスケールＬＣ技法の実施に不適切である。毛管およびナノスケール技法は、特に分析に利用可能なサンプル質量が限定される（サンプル限定分析）場合、主として質量分析法とのインターフェースをとる際のその適切性により、今のところ分離技術の最先端にある。

実際、表１に列挙した特徴的ピーク体積の大部分で分離効率を維持する能力について実証した製造業者は、いるとしてもごく僅かである。さらに、より高い分離効率を実現するために、より小さな充填粒度の使用に向かう傾向が同時にある。このより高い効率は、溶出ゾーンまたは帯域の体積のさらなる減少をもたらし、余分なカラムの効果に関する問題をさらに悪化させる。平面流体回路は、余分なカラム体積を最小限に抑えるよう取り組み、余分なカラム分散は、機能を強固にし、比較的短い指定経路を生成するという能力が魅力的であると考えられるが、今日まで、構成材料（典型的にはガラス、プラスチックまたはある特定のセラミック）は、最新の小粒子分離に典型的な内部静水圧に、デバイスが耐えられるようにしていなかった。これら後者の圧力は、カラムヘッド以上の高さで１００メガパスカルの範囲にあってもよく、ＵＰＬＣ（商標）または超高圧液体クロマトグラフィ（ＶＨＰＬＣ）のレジームに対応する。

一般に、この技術の態様は、ＨＰＬＣ、ＵＰＬＣ（商標）、ＶＨＰＬＣ、超臨界流体クロマトグラフィ（ＳＦＣ）またはガスクロマトグラフィ（ＧＣ）機器などの化学分離デバイスに含まれる部分的にまたは完全に一体化したマイクロ流体回路を必要とし；そのような回路は、少なくとも部分的に、実質的に類似の組成を有する拡散結合金属層から有利に製作される。一実施形態では、非常に様々な厚さのチタン基板が、そのような機器を製作および動作するのに特に十分に適している。いくつかの実施形態は、ステンレス鋼拡散結合シートを特徴とする。この技術のいくつかの例示的な実施形態では、２つ以上の拡散結合金属シートから、集積度が様々なクロマトグラフィ機器を製作する。２つ以上の拡散結合金属シートを接合して、隣接する金属シート間に気密封止された界面を備えるマイクロ流体デバイスを作成する。入口および／または出口の少なくとも一方から接触可能な少なくとも１つのマイクロ流体チャネルは、マイクロ流体デバイス内に包封されている。いくつかの実施形態は、マイクロ流体チャネルの濡れ面に好ましいパターニング法および／または好ましい表面改質法を必要とする。いくつかの実施形態は、クロマトグラフィ分離で固定相として働くマイクロメートルサイズの粒子が充填された、マイクロ流体チャネルを特徴とする。さらに、いくつかの実施形態は、充填されたマイクロ流体チャネルに流体連絡する粒子保持要素を含む。いくつかの実施形態は、流体をデバイスから送出するために一体化されたエレクトロスプレーチップを特徴とする。

本出願において、マイクロ流体チャネルという用語は、毛管スケールまたはナノスケールの分離を支持しまたは維持するのに典型的に適切な流路フィーチャを指すのに使用され、そのようなチャネルの特徴的横断寸法は、典型的に、数十から数百マイクロメートルの範囲内になる。

別の態様では、この技術は：（ａ）結合を促進させるために表面に層が導入されていない平らな主面をそれぞれが有する、２つ以上の実質的に組成が類似している金属シートであって、これら２つ以上の金属シートの少なくとも１つがその内部に配置されたマイクロ流体チャネルの少なくとも一部を含んでいる、２つ以上の金属シートを供給する段階；（ｂ）２つ以上の金属シートのそれぞれの平らな主面を、これら２つ以上のシートの少なくとも１つに接触する関係にし、それによって界面を形成し、そのようなシート間の界面で、少なくとも１つの流入ポートおよび少なくとも１つの流出ポートを有するマイクロ流体チャネルを形成し包封する段階；（ｃ）接触しているシートを、真空炉または不活性雰囲気炉内で、そのようなシートの融解温度よりも実質的に低い温度に加熱する段階；（ｄ）２つ以上の金属シートの粒を、１つのシートからその他のシートへの界面を横断するように融合させることによって、シートが一緒に結合するようにシートを加熱しながら、圧縮応力下で、これらの接触しているシートを一緒にする段階；（ｅ）結合された２つ以上のシートをほぼ室温まで冷却する段階；および（ｆ）少なくとも１つの流入ポートまたは少なくとも１つの出口ポートの少なくとも１つを通して、結合された２つ以上のシートの間に包封されたマイクロ流体チャネルに、少なくとも有機コーティングを付着させる段階を含んで製造された、拡散結合生成物に関する。

本出願において、濡れ面という用語は、通常の分析操作または使用中に、分離の移動相流体に直接接触している任意の面を特定するのに使用される。この用語は、そのような面と、移動相の流れに接触して配置されるものではない構造のその他の面とを区別する。

技術のこの態様のいくつかの実施形態は、以下の特徴の１つ以上を含む。拡散結合生成物は、冷却後であるが有機コーティングを付着させる前に、蒸気でマイクロ流体チャネルの濡れ面を表面処理する段階を、さらに含むように製造される。いくつかの実施形態では、蒸気は、非晶質シリコンを濡れ面上に堆積する。いくつかの実施形態では、蒸気は、無機酸化物の層を濡れ面上に堆積する。２つ以上の実質的に組成が類似している金属シートは、実質的に類似しているチタン合金または純粋なもしくは実質的に純粋なチタンを形成することができる。一実施形態では、２種以上の実質的に組成が類似している金属シートの第１のシートは、工業用純（ＣＰ）チタンシートで形成され、第２のシートは、チタン６ＡＬ−４Ｖ合金のシートで形成される。いくつかの実施形態では、２つ以上の実質的に類似している金属シートは、ＡＩＳＩ ３００シリーズのオーステナイト系ステンレス鋼で形成される。有機コーティングは、過フッ化炭素化合物を含むことができる。あるいは、またはさらに、有機コーティングは炭化水素化合物を含むことができる。有機コーティングは、所望の疎水性または親水性を有する有機材料で形成することもできる。所望の疎水性または親水性は、典型的には、クロマトグラフィ分離中に濡れ面と分析物またはサンプルとの相互作用が低減または防止されるように選択される。

別の態様では、この技術は、クロマトグラフィによってサンプルを分離するためのマイクロ流体デバイスに関する。デバイスは、実質的に類似した組成をそれぞれが有している拡散結合金属シートを含む。拡散結合金属シートは、２次材料を導入することなく、隣接する金属シートのそれぞれの間に気密封止された界面を生成するように、および入口または出口の少なくとも１つから接触可能な拡散結合金属シート内に分離チャネルを包封するように、接合される。分離チャネルの濡れ面は、少なくとも１つの単層厚の有機材料でコーティングされ、分離チャネルには、クロマトグラフィ分離の固定相として働くマイクロメートルサイズの粒子が充填される。

技術のこの態様の実施形態は、下記の特徴の１つ以上を含む。拡散結合金属シートは、実質的に類似しているチタン合金またはチタンで形成される。一実施形態では、拡散結合金属シートの第１のシートは工業用純チタンで形成され、第１のシートに隣接する第２のシートはチタン６ＡＬ−４Ｖ合金で形成される。別の実施形態では、拡散結合金属シートは、ＡＩＳＩ ３００シリーズのオーステナイト系ステンレス鋼で形成される。いくつかの実施形態は、分離チャネルの濡れ面と有機材料との間に堆積された非晶質シリコン材料または層を特徴とする。いくつかの実施形態は、分離チャネルの濡れ面と有機材料との間に堆積された無機酸化物層を特徴とする。有機材料は、実質的に疎水性とすることができる。あるいは有機材料は、実質的に親水性とすることができる。デバイスはさらに、エレクトロスプレーチップを含みまたは画定することができる。エレクトロスプレーチップは、分離チャネルに流体連絡している。いくつかの実施形態は、分離チャネルに流体連絡している粒子保持要素を特徴とする。粒子保持要素は、分離チャネルと、拡散結合金属シートの外面に至る出口との間に位置決めされる。

別の態様では、技術は、サンプルをクロマトグラフィ分離するための、マイクロ流体デバイスを製造する方法に関する。方法は：（ａ）第１の金属シートの表面をコーティングし、コーティングの１つ以上の部分を選択的に除去して、シートの表面の１つ以上の領域を露出させ、第１の金属シートを電解質に少なくとも部分的に浸漬し；第１の金属シートと対極との間に電位差を印加してアノード溶解により１つ以上の露出領域から材料を選択的に除去することにより、第１の金属シート内に流体チャネルの少なくとも一部を形成することによって、流体チャネルの少なくとも一部を画定するように第１の金属シートをパターニングする段階；（ｂ）第１の金属シートに実質的に類似した組成を有する第２の金属シートを設ける段階；および（ｃ）第１の金属シートを第２の金属シートに拡散結合して、第１および第２の金属シートの直接的な金属接触を有する気密封止された界面を形成し、その界面で、第１および第２の金属シートの間に、第１の金属シートに少なくとも部分的にパターニングされた流体チャネルを形成し包封する段階を含む。

技術のこの態様の実施形態は、下記の特徴の１つ以上を含む。パターニング段階で第１の金属シートに付着されたコーティングは、ポリマーフォトレジストとすることができる。別の実施形態では、コーティングを二酸化チタン層にすることができる。コーティングは、マスクの使用を取り入れたまたはマスクのない（即ち、レーザによって選択的に除去される。）リソグラフィ技法によって選択的に除去される。

技術のこの態様の方法のいくつかの実施形態は、さらに、流体チャネルの表面改質をもたらす材料で、第１および第２の金属シートを拡散結合することにより形成された流体チャネルの濡れ面をコーティングする段階を含む。コーティングを形成する材料は、少なくとも部分的に、有機材料で形成することができる。コーティングを形成する材料は、少なくとも部分的に、無機酸化物で形成することができる。コーティングを形成する材料は、少なくとも部分的に、シリコンで形成することができる。コーティングは、蒸着によって、１種以上の材料を濡れ面上に堆積することができる。

技術のこの態様の方法のいくつかの実施形態は、流体チャネルに流体連絡する粒子保持フィーチャも含むように、第１の金属シートをパターニングする段階をさらに含むことができる。方法は、クロマトグラフィ分離の固定相媒体が提供されるように、流体チャネルに複数のマイクロメートルサイズの粒子を充填する段階も含むことができる。方法のいくつかの実施形態は、流体チャネルに流体連絡するエレクトロスプレーチップを形成するために、拡散結合された第１および第２の金属シートの端部を製作する段階を含む。

高い内部圧力、特に最新の小粒子クロマトグラフィ分離に関連した高圧に耐えることが可能なクロマトグラフィデバイスを経済的に製作できる能力を含むがこれらに限定されない、本発明の技術の態様の非常に数多くの利点がある。さらに、本発明の技術のいくつかの態様は、商業生産で実現可能な用途に適した、有利な製作方法を提供する。さらに、上記態様の１つ以上により製作された方法およびデバイスは、製作されたデバイスにマイクロ流体フィーチャをアライメントし維持することが可能である。さらに、本明細書に記述される１つ以上の態様によるデバイスおよび方法は、デバイスの濡れ面とサンプルとの相互作用が低減したため、より正確なクロマトグラフィデータを提供する。

上述の技術の利点は、他の利点と共に、添付図面と併せて以下の記述を参照することによって、より良く理解することができる。図面は、必ずしも縮尺を合わせて示しておらず；代わりに全体的に技術の原理を示すことを強調している。

本発明の技術による製作プロセスの、３つの異なる段階にあるデバイスを示す断面図である。 異なる幅および深さを有する２つのチャネルが、本発明の技術の態様による方法を使用して製作された、チタンシートを示す断面図である。 本発明の技術の態様による流体デバイスを示す、拡大斜視図である。 本発明の技術の態様による流体デバイスを示す、別の拡大斜視図である。 本発明の技術による分離媒体に流体連絡するフリットの製作方法を示す側面図である。 本発明の技術による分離媒体に流体連絡するフリットの製作方法を示す側面図である。 図５Ｃの線Ｆ−Ｆに沿って得られた断面図である。 図５Ｃの線Ｇ−Ｇに沿って得られた断面図である。 本発明の技術による、分離チャネルと流体連絡するフリットの、別の製作方法を示す側面図である。 本発明の技術による、分離チャネルと流体連絡するフリットの、別の製作方法を示す側面図である。 図６Ｂの線Ｈ−Ｈに沿って得られた断面図である。 本発明の技術による、分離チャネルと流体連絡するフリットの、別の製作方法を示す側面図である。 本発明の技術による、分離チャネルと流体連絡するフリットの、別の製作方法を示す側面図である。 図７Ｂの線Ｉ−Ｉに沿って得られた断面図である。 図７Ｂの線Ｊ−Ｊに沿って得られた断面図である。 流体デバイスの端部でのエレクトロスプレーチップの製作を示す斜視図である。 流体デバイスの端部でのエレクトロスプレーチップの製作を示す斜視図である。 流体デバイスの端部でのエレクトロスプレーチップの製作を示す斜視図である。 図８Ｃに示される領域Ｋ−Ｋを示すクローズアップ斜視図である。

以下の記述は、特定の材料および製作段階を必要とするいくつかの実施形態に関する記述を含むものであり、包括的ではなく例示的なものとする。したがってこの記述は、技術に関するデバイスおよび製作方法を、任意の特定の装置、材料およびプロセス段階に限定しないとして理解すべきである。

本明細書の拡散結合は、実質的に金属の構成要素の直接結合をもたらす高温処理を指す。一般に、熱および圧縮応力を、２つ以上の構成要素を一緒にするのに組み合わせて使用する。結合段階に先立ち、ラッピングおよび研磨プロセスを場合によって使用することにより、極めて平らであり（典型的には何百ナノメートル台の範囲内まで）２５０ナノメートルより下、好ましくは５０ナノメートルより下の表面粗さ統計値Ｒ_ａを有する合わせ面を実現する。

金属の拡散結合が、接合面で原子レベルの接触を伴うと仮定すれば、高温および中程度の圧縮応力（例えば、０．７から７．０メガパスカルの全球平均応力）で、通常なら接合面を離して保持する傾向があると考えられる局在化した表面粗さをもたらすことによって、必要な緊密接触が可能になるように見える。ある温度で時間が与えられると、親材料の粒界は、当初の結合線の証拠が実質的になくなるように再分布する。

航空宇宙産業での機械試験用小片の大規模な試験は、チタンおよびＴｉ ６Ａｌ−４Ｖなどの合金で形成された結合線が、親材料の強度および延性を実質的に保持することを示す。チタンおよびＴｉ ６Ａｌ−４Ｖなどの合金は、ベース材料が、それ自体の表面酸化物層（不動態化層）を結合温度で溶解することが容易に可能であるので、真空拡散結合に特に十分適しているように見える。したがって、この不動態化層および得られる結合にこの層が及ぼす影響をなくすために、普通とは異なるプロトコルに頼る必要はない。しかし、ほとんどの金属は、（１つ以上の）不動態化層を取り扱うのに適切な条件が用いられたとき、拡散結合できることが理解される。

類似の材料の拡散結合は、融接技法とは全く対照的に、非常に低い残留応力を特徴とする接合を生成する傾向がある。チタンに関する拡散結合の一連の事象において、接合面は、液化する状態にはならない。関与する温度（例えば、８４０℃）は、局所粗さを得るのを促進させるのに十分高いことが理解される。ほとんどの金属において、温度の上昇は降伏強さの低下を一般に伴う。これらの局所粗さは降伏により高度に局在化した応力に応答するので、得られる印加応力値は、全球平均圧縮応力値に収束する傾向があり、さらなる降伏を実質的に終わらせる。適正な条件を用いる場合、２つ以上のチタン基板の拡散結合は、部分が周囲温度に戻ったときに、部分の寸法に正味の変化を実質的にもたらさないものとすべきである。これは、圧縮ポートなどの機械加工された詳細を、初期機械加工時に構成要素に導入することができ、それらの詳細は実質的に正確であり、結合プロセスの後に使用可能であるので、有用である。

導入のため、この技術のいくつかの実施形態は、金属材料の２つ以上の拡散結合層を利用する。下記の実施形態における「拡散結合」は、実質的に同じ金属で形成された２つ以上の部分に熱および力を加え、隣接する実質的に平らな主面が互いに原子接触するようにし、２つの部分の間の界面に隣接する粒および／または粒界が、最低エネルギー構成を実現しようとする際に再構成されるようにして、結合部分が当初の界面の証拠を示さずに結合領域がバルク金属と実質的に同じ強度を有するという理想的な結果をもたらすことである。

「同じ金属」または「実質的に同じ金属」は、本明細書では、実質的に類似した組成を有する金属を指す。例えば、工業用純チタン部分は別の工業用純チタン部分に結合することができ、３００シリーズステンレス鋼部分は、３００シリーズステンレス鋼部分に結合することができ（例えば、３０４タイプと３０４タイプとの結合；３１６タイプと３０４タイプとの結合）、または工業用純チタン部分はチタン合金部分に結合することができるが、チタン部分はステンレス鋼部分に結合しない。その結果、同じ金属または実質的に同じ金属は、隣接する拡散結合シートと実質的に同じ組成を有する。したがってシートは、実質的の組成が類似した金属シートであると定義することができる。

本明細書に記述される実施形態において、最大結合温度は一般に、親金属の融解温度よりも実質的に低い温度である。いくつかの実施形態では、最大結合温度は、融解温度の５０％から８０％の間である。ある実施形態では、最大結合温度は親材料の融解温度の約９０％である。結合温度には、上昇が数時間続いた後に典型的には到達し、その結合温度の平坦域の後、典型的には周囲温度に低下して同様に数時間続く。結合中にこれらの部分に加えられる力（圧縮応力）は、チャネルおよびホールなどの内部フィーチャが変形しないように、できる限り小さいことが求められる。典型的な結合圧縮応力は、０．７から７．０メガパスカルの範囲内にある。

拡散結合は、好ましくは、熱、力および真空、または実質的に酸素を含まない不活性雰囲気を利用する。拡散結合には、融接またはブレージングなどの代替接合方法に勝る著しい利点がある。融接は、微細な機械加工フィーチャを変形させる可能性があり、冷却後に残留応力を導入する可能性のある、非常に高い温度をもたらす。残留応力は、適切な手法で拡散結合された部分を実質的に含まない。ブレージングは、結合された部分の間に２次材料または中間層を導入する。これは、チタンまたはステンレス鋼などの金属の融解温度よりもさらに低い温度での接合を可能にするが、結合の強度は親金属の場合よりも低く、異なる金属の導入は、濡れ面からのサンプル汚染およびそれらの面へのサンプル吸着というさらなる問題を引き起こす。さらに、ブレーズ金属の一時的な液化は、典型的には、チャネルまたはその他の微細構造内にブレーズが意図せず流れて詰まりを引き起こすという問題が生じる。

拡散結合は、任意の適切な雰囲気でまたは真空中で行われる。いくつかの適切な雰囲気には、窒素、アルゴンまたはヘリウムなどの不活性ガスが含まれる。平面流体回路に関連した技術のいくつかの実施形態では、適切に選択された構造金属の強度、硬さ、延性および破壊靭性によって、金属は、デバイスの一体性を破壊する可能性のある破壊を伝搬させることなく応力集中に局所的に応答することが可能になるので、より脆い材料が破断するリスクを負う可能性のある平面流体回路の実装で十分機能することが可能になる。

金属層は、公知の金属材料を含めた任意の適切な材料で構成される。いくつかの高圧流体回路を実装するのに必要な強度、硬さ、耐蝕性、延性および破壊靭性を有するある適切な種類の構造金属は、チタン合金（実質的に純粋なチタンを含む。）の種類である。例えば、いくつかの適切なチタン材料は、Ａｌｌｅｇｈｅｎｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｉｎｃ．’ｓ ＡｌｌＶａｃ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ（Ｍｏｎｒｏｅ、Ｎｏｒｔｈ Ｃａｒｏｌｉｎａ、ＵＳＡ）から入手可能である。これらの材料には：異なる酸素レベルに関連して異なる降伏強さを有するＡＬＬＶＡＣ（登録商標）３０、４０、５５および７０ ＣＰ（工業用純）チタン級；ＡＬＬＶＡＣ（登録商標）チタン６Ａｌ−４Ｖおよび６Ａｌ−４Ｖ ＥＬＩ合金（６．３％Ａｌ、３．８％Ｖおよび０．０１７％Ｆｅを含む。）が含まれる。意図せず合金化されたある形のチタンは、ＣＰ（「工業用純」に関する。）という名称で販売することができる。チタン層の拡散結合中、チタンは、それ自体の酸化物層を、結合温度よりも低い温度で可溶化する。

以下の記述は、チタン拡散結合構成要素を含む実施形態に焦点を合わせる。しかし、この技術のいくつかの原理は、その他の材料から形成された拡散結合構成要素に適用可能である。「チタン」という単語は、下記において、実質的に純粋なチタンおよび適切なチタン合金の両方を指すのに使用される。いくつかの好ましい実施形態は、例えば、Ｃｒ／Ｎｉ合金のＡＩＳＩ ３００シリーズのメンバーであるステンレス鋼を使用する、鉄合金結合構成要素を利用する。ＡＩＳＩ ３００シリーズのメンバーには、例えば、タイプ３１６手術用ステンレス鋼、タイプ３１６Ｌ超低炭素ステンレス鋼、タイプ３０４およびタイプ３０４Ｌが含まれる。ステンレス鋼タイプ３１６および３０４は、類似する機械的性質を有するが、モリブデン含量は数パーセントのレベルで異なる。タイプ３１６の高いモリブデン含量は、塩化物塩の存在下、改善された点蝕または隙間腐蝕に対する耐性と共に、いくらかより良好な全体的な耐蝕性を与えると見なされる。タイプ３１６は、より良好な天然の耐蝕性を示す可能性があるが、本明細書に記述されるデバイスは、適切な表面改質が適用された場合、タイプ３１６から形成されたデバイスと実質的に同じ性能を有するタイプ３０４から作製することができる。表面改質の技法および手順を以下に示す。

高圧チタンベースまたはその他の金属ベースの流体回路に流路を形成する適切な方法には、例えば、金属材料の薄いシートの光化学スルーエッチングまたはより厚いシートの光化学ブラインドエッチングが含まれる。あるいは、流路を生成するのに必要な材料除去は、電気化学ミリング、レーザーアブレーション、酸素ガス供給によるレーザーアブレーション、放電マシニング（「ＥＤＭ」）、集束イオンビーム（「ＦＩＢ」）、電子ビーム切断、反応性イオン乾式エッチング、機械切断または任意の代替の適切な手段により実現することができる。いくつかの製作方法を、以下により詳細に記述する。

平面流路は、シングルスルーエッチングがなされた薄い層または箔の実質的に内部に場合によって実装され、これは場合によって、後で２つのエッチングされていない対面層の間に捕捉されるものである。あるいは流路は、ブラインドエッチングとして１つの材料層に、または結合平面を共有する２つの材料シートに構成された鏡像ブラインドエッチングとして実装されてもよい。必要に応じて、回路は、対面するシートに存在するブラインドエッチングされた流路構成要素の他に、中心の箔にスルーエッチングされた流路を組み込んでもよい。

流路は、プリント回路基板（ＰＣＢ）構成で見られる場合と同様に、望みに応じて平面間を相互接続するのにバイアを使用して、複数の個別の層内に存在してもよい。金属対面シートは、結合アセンブリを作製するため高圧液密接続（例えば、ねじ付き圧縮ポート）を作製することが可能な機械加工されたフィーチャで構成されてもよく、高圧ポンプ、サンプルインジェクタ、検出器などを組み込む現実のシステムへの結合アセンブリの同化を容易にし、それによって、他の材料で実施される従来技術の平面流体回路の制約の１つが克服される。

高圧対応分離システムの構成要素として、例えば固定相が充填された分離カラム、インライン熱交換器、検出器セルまたはセル構成要素、ポンプマニホールド、および／またはサンプルインジェクタの構成要素を含めた適切と考えられるシステムの任意の部分を包含し実装するのに、結合チタン流路要素が場合によって使用される。分離システムの完全な機能を単一結合されたデバイス上に存在させる必要はなく、むしろその機能は、場合によって、その指定されたタスクに適切なサイズおよび内部体積スケールと回路の複雑さを有する多数のデバイス全体に拡張させる。

構造金属を接合するいくつかの適切な方法は、接合面内に存在しまたは接合面にすぐ隣接する流路フィーチャを破壊することなく、好ましくは２次材料を流路に導入しまたは曝すことなく、接合平面に勝る高圧対応液密封止を容易に生成する。２次材料のいくつかの例は、ブレーズ（例えば、ニッケル−金のブレーズ）および融点降下剤（例えば、ホウ素をベースにした融点降下剤）である。ブレーズの場合、ブレーズ材料は、親材料の融解温度よりも低い温度での融解または液化を実現する。ニッケル−金などの高品質のブレーズ材料であっても、典型的には、３１６または３１６Ｌステンレス鋼などの選択された基板材料よりも低い化学的不活性を示す。融点降下剤は、ブレーズとは別の種類の材料であり、基板の非常に薄い表面層を、バルク基板材料の正味の融解温度よりも低い温度で融解させることによって、金属接合に関与する。一時液相（ＴＬＰ）接合または結合と呼ばれる特定の種類の金属接合手順があり、その実施には、そのような降下剤の使用を組み込む。２次材料は、例えばブレーズおよび融点降下剤などの導入された材料であり、自然酸化物層またはその他の天然に生ずる材料を含まない。

上述のように、チタンおよびチタン合金は、例えば真空拡散結合によって接合される。公知のプロセスを含めた任意の適切な拡散結合プロセスが、場合によって用いられる。いくつかの適切な真空拡散結合プロセスが、航空宇宙産業で現在利用されている。真空拡散結合によれば、適切に調製されたチタン表面を、例えば制御された雰囲気、高温、積層スタックに対する圧縮応力および時間の提供を含む指示された条件下で、直接結合することが可能になり；そのような条件は一般に、介在充填金属またはブレーズ（即ち、２次材料）の使用を必要としない。チタンおよびチタン合金の真空拡散結合は、一般に、一体化した構成要素を提供し、隣接する層の粒界および／または層の間の（１つ以上の）界面にもしくは界面付近に存在する粒界は、当初の１つ以上の結合平面を跨ぐように移行した。適正に設計された場合、複数の層は、１回の真空炉の「炉内運転」の状況において場合によって一度に結合する。

一例として、上述のＴｉ−６ＡＬ−４Ｖ合金は、場合によって約０．７から７．０メガパスカルの公称平均圧縮応力で、何時間にもわたる過程で加熱を行うことにより拡散結合され、典型的には、室温状態から結合温度状態まで、用いられる温度の浅い線形上昇を行い、この結合温度状態から元の室温まで低下させる。結合サイクル中に到達した最大温度は、典型的には７００℃よりも高く、β−ｔｒａｎｓｕｓ温度（例えば、Ｔｉ−６ＡＬ−４Ｖに関して９８０℃）よりも低い。

好ましくは、接触層は良好な表面仕上げを有し、例えば表面粗さ統計値Ｒ_ａは２５０ナノメートルよりも低く、好ましくは５０ナノメートルよりも低い。結合は、不活性ガスなどの任意の適切な環境で、または１．０×１０^−５ｔｏｒｒまたはそれよりも良好な真空中で生じる。好ましくは、環境は酸素を実質的に含まない。

スタックアセンブリの拡散結合は、スタックを結合状態に変換し、当初は区別された金属層がもはやしばしば個々に区別できない状態にある実質的にモノリシックな構造を形成する。即ち、層の間の界面（結合平面とも呼ばれる。）は、バルク材料に典型的な粒構造に置き換えられ、当初の結合平面がもはや見えないようになる。

上述のように、毛管スケールまたはナノスケール液体クロマトグラフィ（ＬＣ）システムでの使い易さおよび信頼性の問題の多くは、デッドボリュームの少ない相互接続を作製する難しさから生ずる。マイクロ流体をベースにしたＬＣシステムは、これらの課題の多くを回避する可能性を有する。少なくともいくつかのＬＣ構成要素はマイクロ流体として構成され、所望の相互接続は、適切なマイクロ流体チャネルを介してこれらの要素の間に作製される。

高圧対応分離システムの構成要素として、拡散結合したチタン流路要素を場合によって使用することにより、微粒子充填分離カラムおよび／またはその他の構成要素を含めた適切と考えられるシステムの任意の部分を包含しまたは実装する。分離システムの完全な機能を単一結合されたデバイス上に存在させる必要はなく、むしろその機能は、場合によって、その指定されたタスクに適切なサイズおよび内部体積スケールと回路の複雑さを有する多数のデバイス全体に拡張させる。

上述のように、本明細書でマイクロ流体デバイスと呼ばれるいくつかの平面デバイスは、少ない体積のサンプルを、デバイスの水圧構成要素の間の少ない接続数およびデッドボリュームで、したがって改善された性能および堅牢性で分離させるように、ＨＰＬＣ、ＵＰＬＣ（商標）および超高圧液体クロマトグラフィ（ＵＨＰＬＣ）を支援する。ＨＰＬＣ分離は、一般に、最高約３５メガパスカルの圧力で実施される。ガラス、シリコンおよびポリマーなどのマイクロ流体適用例に関するいくつかの、場合による材料は、一般に、３５メガパスカルの内部圧力に耐えることができず、例えばシリコンおよびガラスの場合には脆性破壊を通してまたはポリマーの場合には層剥離を通して破壊する可能性がある。さらに、この技術の実施形態は、最高１３５メガパスカルのより高い圧力、またはさらにそれ以上の圧力での分離を支援する。

この技術のいくつかの実施形態は、主に電気化学マイクロマシニング（ＥＭＭ）および拡散結合を使用して金属から製作された、高圧クロマトグラフィの適用例に向けた平面デバイスである。デバイスの製作に使用される金属は限定されないが、いくつかの例示的な例はチタンであり、好ましくはＡＳＴＭグレード１、２、３、４または５のチタン、およびＡＩＳＩ ３００シリーズのステンレス鋼である。例えば、厚さ５０マイクロメートルから５００マイクロメートルのチタンまたはステンレス鋼のシートを、それらの表面粗さＲ_ａが約２５０ナノメートル未満になるように最初に研磨して、平らな主面を生成する。チャネル、入口および出口ホール、およびアライメントホールなどの幾何学的フィーチャを、一部が既に記述されたような平面内チャネル用の電気化学マイクロマシニング（ＥＭＭ）など、適切な品質の表面仕上げをもたらすのに特に適した技法を使用して、これらのシートに機械加工する。放電マシニング（ＥＤＭ）およびピコ秒レーザーマシニングは、表面仕上げがやや重要ではないフィーチャを形成するのに場合によって使用される。

次いでシートを、拡散結合を使用して接合して、１３５メガパスカルを超える内部水圧ならびに大きな外力および曲げモーメントに耐えることが可能な、気密封止デバイスを形成する。さらに、いくつかの実施形態は、例えばチタンおよび／またはステンレス鋼の金属壁からサンプル分析物を単離するために、および壁面へのサンプル吸着またはサンプル中への金属の漏れを防止するために、濡れ面の表面改質を利用する。これは、２つの可能性ある問題：１）製作に最も良く適した材料の選択および２）サンプル分析物とこの材料との相互作用に関する解決策を提供する。

いくつかの手法では、金属基板のマイクロ流体チャネルおよびホールは、湿式チャネルエッチング、エキシマレーザーアブレーションおよび機械式ミリングおよびドリル穿孔により形成され；これらの技法は、ある液体クロマトグラフィの適用例に適切ではない粗い表面を生成する可能性がある。チタンのフィーチャを機械加工する別の、場合による技法は、深部反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）である。ＤＲＩＥは、高度に精密なフィーチャを良好な表面仕上げで生成することができるが、速度が遅く、クリーンルーム環境での費用のかかる製作ツールを必要とする可能性がある。

電気化学マシニング（ＥＣＭ）から導き出された電気化学マイクロマシニング（ＥＭＭ）は、金属での厳密な許容差を有する高品質な面を生成するのに適切である。ＥＣＭでは、機械加工される加工物を、電解質を含有する電解槽のアノードにする。ツールをカソードにし、１つの場合による形態では、カソードの形状を、加工物に与えられる形状を反転させたものにしてもよい。加工物とツールとの間に電圧を印加することにより、金属原子は、加工物からアノード反応により犠牲にされ、液相イオンに変換され、電解質溶液に溶媒和してそこから移送される。ツールを加工物に向けて動かすことにより、任意の３次元にすることができる所望の形状を、加工物に与えることができる。

示されるように、ＥＭＭはＥＣＭの変形例であり、場合によって平面デバイスを機械加工するのに使用される。この技術の一実施形態によるある種類の技法を図１に示すが、この図は、製作プロセスの３つの異なる段階（図１中、Ａ、ＢおよびＣが付される。）での、デバイスの断面を示す。フォトレジスト層１０１が、例えばスピンコーティングを使用して金属基板１００上に付着される。フォトレジスト層の開口１０２は、フォトリソグラフィによって画定される。この部分は、３電極電解槽のアノードになり、上面だけが電解質に曝されるように電解質に浸漬される。電解槽はさらに、この部分から離れて位置付けられたカソードおよび参照電極を含有する。電界を、この部分とカソードとの間に印加する。電流を、カソードからこの部分に流す。金属原子をこの部分から除去し（「アノード溶解」）、液相イオンを形成して、電解質を穏やかに撹拌することによって除去する。参照電極は、印加電圧を安定化させる働きをする。

材料を、フォトレジスト層の開口領域からのみ、アノード溶解によって除去した結果、キャビティ１０３が得られる。材料を垂直方向に、しかし水平方向からも除去して、キャビティに丸みが付くようにする。キャビティの幅および深さは、フォトレジスト層１０１の開口１０２の幅と、ポテンショスタットと呼ばれる電源により送出された電荷または電流の量に依存する。キャビティの断面寸法は、数マイクロメートルまたはそれよりも良好な範囲内に制御することができる。キャビティの位置の精度は、マスクの精度に依存する可能性のあるフォトリソグラフィの精度によって実質的に決定されるが、数マイクロメートル、確かに１０マイクロメートル未満の位置の精度を実現することができる。

より一般に、ＥＭＭは「電解エッチング」または「フォトマスクを経た電気化学マイクロマシニング」とも呼ばれ、単に表面上は、エレクトロニクス産業で一般に使用される「光化学マシニング」（ＰＣＭ）と呼ばれる湿式化学エッチングプロセスに類似している。ＰＣＭの材料除去は、化学エッチャントによる金属基板の化学侵襲に起因するのに対し、ＥＭＭでは電気化学／アノード溶解に起因する。

ＰＣＭは、シリコンまたはガラスに滑らかなエッチング面を典型的にはもたらすが、酸性エッチャントは粒界を侵襲する（即ち、粒間侵襲）傾向があるので金属では非常に粗い面になる。後者の場合、得られるエッチング済み側壁面は、典型的には、金属基板の特徴的粒度よりも滑らかではない。これはＰＣＭを、非常に滑らかなチャネル側壁が望まれるクロマトグラフィの、ある適用例に十分適したものにしない。例えば、そのようなチャネルには、クロマトグラフィ分離カラムとして働くように、「充填」と呼ばれるプロセス中に１から５マイクロメートルの間の直径を有する固定相粒子が最終的に充填される可能性がある。稠密で均一な充填床の生成は、良好なクロマトグラフィ性能を実現するのに極めて重要である。滑らかな側壁を有するチャネルは、粗い側壁のチャネルよりも良好な充填を支援するのに好ましく、したがって、より良好なクロマトグラフィ性能をもたらす。

高い印加電圧、低い電解質および基板温度を伴う条件下、ＥＭＭは、金属部分の仕上げの適用例での電解研磨にも一般に使用される現象である、「表面光沢」と呼ばれる極めて滑らかな面をもたらすことができる。

図２は、異なる幅および深さの２つのチャネル２００および２０１がＥＭＭを使用して製作されている、チタンシートの上面を示す。両方のチャネルの断面は、ほぼ半楕円形である。ＥＭＭによって機械加工された側壁は非常に滑らかであり、平均表面粗さが２５ナノメートル程度に低い。チタンに特異的な図１に示されるプロセスの変形例では、厚さが１マイクロメートルよりも一般に大きいポリマーフォトレジスト層１０１を、厚さ５０−３００ナノメートルの酸化チタン層に置き換えることができる。次いで酸化物層を、エキシマレーザが標的材料を除去する、マスクレスリソグラフィ技法で選択的に除去する。

材料除去プロセスの等方性により、ＥＭＭは、厚さ５０−５００ナノメートルの金属シートを通して垂直ホールを作製するのに適していない。代わりに、いくつかの実施形態は、いくつかのその他の技法：放電マシニング（ＥＤＭ）、ピコ秒レーザーマシニングまたは機械式ドリル穿孔の１つを使用する。入口および出口ポートホールは、好ましくは直径５０−３００マイクロメートルのものであり、流路の部分であり分離チャネルのように充填されるので、滑らかな側壁を有するべきである。アライメントホールは、さらに大きくすることができ、滑らかな側壁を必要としない。ＥＤＭおよびピコ秒レーザーマシニングは、１００マイクロメートルよりも小さい直径のホールを良好な表面仕上げで、２次仕上げ操作を必要とすることなく作製するのに使用することができる。機械式ドリル穿孔は、１００マイクロメートルよりも大きい直径のホールを作製するのに使用することができるが、ばり取りなどの仕上げ操作が必要になる可能性があり望ましくない。３つの技法の全ては、チャネルならびにホールを作製するのに使用できるが、チャネル側壁はＥＭＭで得られる場合ほど滑らかになる可能性は低いことに留意されたい。

チャネルおよびホールを機械加工した後、金属シートを積み重ね、典型的にはアライメントホールを使用して位置合わせし、次いで拡散結合を使用して接合して、気密封止された内部チャネルを備えたモノリシック部分を形成する。内部チャネルは、クロマトグラフィ分離を実施するのに使用されるマイクロ流体チャネル（即ち、分離チャネル）にすることができる。内部チャネルには、少なくとも入口および／または出口から接触可能である。いくつかの実施形態では、内部チャネルには、多数の入口および／または多数の出口から接触可能である。いくつかの実施形態では、入口および出口は、金属シートの平らな主面に形成される（例えば、ドリル穿孔される。）。その他の実施形態では、入口および／または出口は、デバイスの外縁の、２つの隣接するシートの界面で位置決めされる。

図３を参照すると、マイクロ流体デバイスは、２つの金属シートまたは層を含む。上層３００は、マイクロＥＤＭ、ワイヤＥＤＭ、機械式ドリル穿孔またはレーザードリル穿孔により作製された、ホール３０２、３０３、３０４、３０５、３０６、３０７および３０８とスロット３０９を含有する。ホール３０２および３０３は、直径５０−３００マイクロメートルを有し、流体アクセスポートまたはバイアとして使用される。ホール３０４、３０５、３０６および３０７は、デバイスの縁部または側面３１０への流体接触がもたらされるように、デバイスの外縁３１０に継手を取着するのに使用される。底層３０１は、ＥＭＭまたはミリングにより作製された、層３０１の厚さ未満の深さの２つの溝３１１および３１２と、ホール３１５、３１６、３１７、３１８および３１９と、スロット３２０を含有する。ＥＭＭを使用して溝３１１および３１２を作製する実施形態では、溝３１１および３１２はそれぞれ、図２のチャネル２００および２０１に対応し、ほぼ半楕円形の断面を有する。溝３１１および３１２を作製するのにＥＭＭを使用するにしてもまたはミリングを使用するにしても、高度な表面平滑性が求められる。２５０ナノメートル未満の平均粗さＲ_ａが望ましく、５０ナノメートル未満が好ましい。

全ての溝およびホールを機械加工した後、上層３００の底面と底層３０１の上面とを接触させて配置し、ホール３０８および３１９とスロット３０９および３２０に挿入された固定ピンを使用して位置合わせする。積み重ねられた層３００および３０１は、溝３１１および３１２が高水圧下で気密に流体を保持することが可能な流体チャネル（例えば、分離チャネル）になるように、拡散結合させる。チャネル３１１の始まりは３１３であり、ホール３０２の下に位置付けられる。チャネル３１１を、ホール３０３の下に位置付けられた３１４でチャネル３１２と一致させる。したがってホール３０２および３０３は、チャネル３１１および３１２への流体バイアまたはアクセスポート（例えば、入口）を画定する。さらにチャネルは、３２１に示されるように、結合部分の縁部（例えば、３１０）まで延ばして別の流体アクセスポートを画定してもよい。チャネルの断面は、ＥＭＭを使用した場合に半円形または半楕円形を有し、典型的な軸長は５０−５００マイクロメートルであり、ミリングを使用した場合に長方形を有し、典型的な幅および高さは５０−５００ナノメートルである。

層３００は、同じ手法で加工された金属の２つ以上の同質のシートまたは箔からなるものにすることができると理解される。

図４に示される別の実施形態では、マイクロ流体デバイスは３つの金属シートまたは層を含み、全てのフィーチャはＥＤＭによって作製される。上層４００は、第１の実施形態の上層３００と同一であり、マイクロＥＤＭ、ワイヤＥＤＭ、機械式ドリル穿孔またはレーザードリル穿孔により作製された小さなバイア４０３を含有する。中間層４０１は、側壁が４００ナノメートルよりも低い、好ましくは２００ナノメートルよりも低い表面粗さを有するように、層全体を貫いて切断されてワイヤＥＤＭにより作製された、スロット４０４および４０５を含有する。上層４００、中間層４０１および底層４０２は、拡散結合前に３つのシートを位置合わせするのに使用されるホール４１０、４１１および４１２とスロット４１３、４１４および４１５など、従来のワイヤＥＤＭにより作製されたその他のフィーチャも含有する。結合部分は、ポート４０３および４０６を通して外部環境に接触する気密封止された流体通路またはチャネル４０５および４０６を生成する。チャネルの断面は長方形であり、中間層の厚さにより画定された高さは、図１の丸みの付いたキャビティ１０３とは異なる。チャネル４０５および４０６の典型的な高さおよび幅は、５０−５００マイクロメートルである。

製作および結合の後、チャネル４０４および４０５に、クロマトグラフィ分離の固定相として働くマイクロメートルサイズの粒子を充填する（図３に示される実施形態の、形成されたチャネル３１１および３１２にも、クロマトグラフィ分離用にマイクロメートルサイズの粒子を充填できることに留意すべきである。）。液体がチャネル内を流れるときに、粒子がチャネルから逃げないようにする手段を設けることが好ましい。例えば保持構造またはフリットは、例えば狭い領域で粒子を焼結することにより、またはカラムの端部をポリマー溶液に浸漬し、ポリマーを硬化して粒子を所定位置に固定することにより、場合によってカラムの端部に生成される。さらに、ＥＭＭを第１の実施形態の変形例で使用して、保持構造として働く機械的フィーチャを底層３０１に生成することができる。一般に、そのような粒子保持要素を堰と呼んでもよい。ＥＭＭにより作製された粒子保持要素またはフィーチャの３つの実施形態を図５、６および７に示し、次に記述する。

第１の実施形態（図５Ａ−５Ｅに示される。）では、充填されるチャネルは、粒子が保持される絞り部が生成される、より狭いチャネル内で集結する。最初のフォトリソグラフィ操作は、マスク開口５００を生成する（図５Ａ）。この開口を通した電解エッチングは、５０５（図５Ｄ）の断面にも示されるチャネル５０１を生成する。２回目のフォトリソグラフィ操作（図５Ｂ）は、より狭いマスク開口５０２を生成する。この開口を通した電解エッチングは、５０６（図５Ｅ）の断面にも示される狭いチャネル５０３を生成する。２つのチャネルの形状およびサイズは、フォトリソグラフィによって画定されたマスク開口の幅によって、および電力供給により電解槽に供給された電荷の量によって、決定される。チャネル５０６の深さは、１マイクロメートル程に小さく作製することができ、したがって、マイクロメートルサイズの粒子の物理障壁にすることができる。しかし、そのような浅い流路は、破片または溶液からの沈殿物によって容易に詰まる可能性がある。あるいは、流れの遮断を防止するために、チャネル５０６に、５から１０マイクロメートルの間の僅かに大きな深さを与えることができる。サイズが１．５−５マイクロメートルの粒子は、チャネル５０１と狭いチャネル５０３との間を通過するときに、所定位置で粒子自体を「架橋」しまたは固定して、充填床の保持構造を効果的に形成する。

第２の実施形態（図６Ａ−６Ｃに示される。）では、狭いチャネル用のマスク開口６０１を、チャネル６００に対して短距離６０２だけ僅かにシフトさせる（図６Ａ）。この距離が適切に決定された場合、ネック６０４が、マスク開口６０２を通した電解エッチングによってチャネル６００と６０３の間に生成される（図６Ｂ）。金属シートの上面６０５とネック６０６の上部との間の隙間は、理想的には１から５マイクロメートルの間である（図６Ｃ）。

第３の実施形態（図７Ａ−７Ｄに示される。）では、７０５（図７Ｃ）に見られるような断面で、充填されるチャネル７００を最初に作製した後、第２のフォトリソグラフィ操作によってパターン７０１（図７Ａ）を生成する。破線領域は、深さ１−５マイクロメートルの浅い領域７０３（図７Ｂ）を形成するよう電解エッチングされたマスク開口部分を表す（図７Ａ）。マスクされたフィーチャ７０２は、粒子の保持構造として働く堰構造７０４をもたらす。複数の堰７０４は、詰まりまたは流れの遮断のリスクを低下させる。堰７０４の断面図を図７Ｄに示す。

クロマトグラフィ分離カラムの出口は、分析用に質量分析計の入口に向いていてもよく、液体サンプルをイオン化するための一般的な技法は、エレクトロスプレーチップまたはエミッタとも一般に呼ばれるエレクトロスプレーノズルのチップにテイラーコーンを形成することである。平面マイクロ流体クロマトグラフィデバイスの場合、市販されているような外部のエレクトロスプレーエミッタを、高品質の低デッドボリューム流体封止を使用して分離チャネルの出口に接続してもよい。

あるいは、いくつかの実施形態は、デバイスの一体化部分としてエレクトロスプレーエミッタを含む。この技術の一実施形態による例示的な金属デバイスは、ＥＭＭおよびＥＤＭを使用して作製された、一体化エレクトロスプレーチップを含む（図８Ａ−Ｄ）。デバイス８００は、クロマトグラフィ粒子が充填される分離チャネル８０１および充填されない、より狭いチャネル８０２を含有する（図８Ａ参照）。ＥＤＭワイヤを、位置合わせホール８０３または当技術分野に公知のその他の位置合わせフィーチャの使用を通して、デバイス８００に正確に位置合わせする（図８Ａ）。このＥＤＭワイヤを使用して、チップ８０４を切断する（図８Ｂ）。

次いでデバイス８００を回転させ、チップ８０７を切断する前に、ＥＤＭワイヤを上面８０５および底面８０６（図８Ｃ）に位置合わせする。チップの端部を、Ｋ−Ｋで詳細に示す（図８Ｄ）。このチップ端部８０８の目標は、チャネル８０２により送出された流体がチップ端部８０８に閉じ込められたままになるように、およびチップのその他の面８０９に拡がらないように、できる限り小さくすることである。ＥＤＭ切断は、機械加工中に機械加工された部分との機械的な接触を伴わないので、非常に小さな、したがって機械的に脆いチップを作製するのに適切な技法であることが当業者に明らかにされる。

チップ端部８０８は、この実施形態では長方形である。あるいは、チップ８０７は、丸みの付いたチップ８０７を、したがって円形チップ端部８０８を生成するために、電気化学的に機械加工されてもよい。別の代替の実施形態では、デバイス８００は、丸みの付いたチップ８０７を生成するためのワイヤＥＤＭ切断中に回転させてもよい。

表面挙動および表面改質
体積スケールの分離が減少するにつれ、流体システムの表面積対体積比が増大する。体積スケールの大きな変化（例えば、従来スケールのＬＣから毛管スケールまたはナノスケールのＬＣ）は、これに伴って、分析流および含有デバイスに特徴的な表面積対体積比に大きな変化があることを示唆する。

特に、分離および分析のために生体分子を取り扱う場合、表面積対体積比のこの劇的な増大は、生体分子（例えば、タンパク質、ペプチド、炭水化物、脂質およびこれらの組合せ）が表面に対して持つことのできる多くの様々な相互作用の形態が原因で、実際に非常に問題となる可能性がある。しかし全ての分析物は、表面と相互に作用する可能性を有し、相互作用の程度が分析物群全体にわたって様々である場合、そのような相互作用は、非常に望ましくない偏向を分析結果にもたらす可能性がある。

特定の例は、下記の通りである。チタンおよびその合金のある種類は、比較的、化学的に不活性な金属材料と見なされ、その結果、侵襲的な腐蝕条件に遭遇する可能性のある化学処理産業で使用される。チタンの典型的な化学「不動態性」は、金属表面に隣接する環境で酸素が利用可能である場合、金属の表面に自然発生的に形成されるＴｉＯ_２の酸化物層（「不動態化層」）が存在することによって生じる。

化学不動態性は、一般に、酸化物層を維持できる条件下で保持される（典型的には、化学不動態性は、酸化物層が持続できず、および／または自己修復できない条件下で失われる。）。上記にて用いられる「化学不動態性」という用語は、侵襲的な化学環境の存在下で金属で観察される腐蝕劣化および漏洩（より一般には、犠牲）が、比較的存在しない状態を指す。

しかし、ＴｉＯ_２不動態化層はホスホペプチド化合物を結合させるという著しい傾向を示し、この結合は、下に在る金属そのものを劣化させないが、分析結果を確かに偏向させ、ホスホペプチドが、分析を受けるペプチドのいくつかの種類の１つ（または多くの種類の１つ）を含む状態になる。化合物クラスとしてホスホペプチドが完全に失われる状態は、ナノ分離において実証可能である。マイクロ微粒子またはナノ微粒子構成中のＴｉＯ_２（二酸化チタン顔料と呼ぶことができる。）は、混合物から選択的におよび意識してホスホペプチドを引き出そうとする場合、生物分析での用途が実際に見出される。

ナノ分離デバイスの壁面が、分析混合物のホスホペプチド成分の本質的に完全な損失を引き起こす（結合を通して）可能性があるという状況は、表面積対体積比がマイクロ流体デバイス内で大きくなる程度を表している。分析結果からの、化合物クラスとしてのこの不注意によるホスホペプチドの損失は、ペプチドの定性および定量分析を行う機器にとって許容できないものである。

したがって、毛管およびナノスケール分離デバイスに適切な構成材料は、いくつかの非常に異なる要件を満足させなければならないことが理解され、その要件の１つは、分離および分析が目標とされる分析物との濡れ面での相互作用の程度を最小限に抑えることである。したがって、この技術のいくつかの実施形態は、「分断攻略」手法の部分として濡れ面の表面改質を利用し、構造的に適切でありパターニングおよび結合に向いている構成材料が表面改質されて、分析物との最小限の相互作用という上記要件を満足させる。表面改質は、分析結果を複雑化し無効にする可能性のある（分析物の結合とは別に）、ある金属の腐蝕性侵襲（観察されるステンレス鋼からの鉄の浸出など）をさらに低減させる役割を演じることができる。

様々な実施形態によれば、表面改質は、いくつかの形のいずれかをとる。２つの例について、以下に論じる。

一実施形態による表面改質は、そのようなデバイスの任意の微粒子充填前に、通常なら完全に製作された平面流体回路に適用される、気相前駆体を使用する。気相は、チャネルへの入口または出口の少なくとも１つを通して、デバイス（即ち、完全に製作された平面流体回路）内に包封されたチャネルに流入する。いくつかの実施形態では、気相は、多数の入口または多数の出口を通って流入する。ある実施形態では、気相は、入口および出口の両方を通って流入する。気相は、チャネルの濡れ面に沿って堆積する材料を形成する。必要に応じて、マイクロ流体デバイスの表面を最初に化学的に清浄化して（例えば液相溶媒クリーニング、または無機酸クリーニング）、意図される導入面の結合を妨げる可能性のある、弱く接着している汚染物質上層（周囲空気から誘導される炭化水素汚染物質に最も典型的）を除去する。最終的な清浄化段階は、好ましくは酸素プラズマで行われ、この段階は、意図される堆積段階の直前に処理チャンバ内で直接行われる。このように基板は、酸素プラズマ処理と堆積処理との間に短時間でも雰囲気に曝されない。

ある実施形態では、第１の堆積は化学気相成長（「ＣＶＤ」）無機酸化物であり、典型的にはＳｉＯ_２であり、後で行われる有機上層の堆積のための、反応性の基礎を提供するものである。その基礎は、多数の単層の深さに対応することができる。ＣＶＤ酸化物プロセスは、有機（炭化水素、または場合によってはフルオロカーボン）材料を共有結合することができる表面を残す（この相は、場合によって、例えばＣ８またはＣ１０脂肪族炭化水素鎖を含む。）。

一実施形態では、ＳｉＯ_２材料は、非晶質シリコン堆積物を酸素にまたは酸素および熱に曝すことによって生成される。この実施形態では、非晶質シリコン堆積物の一部が酸化される。

別の実施形態では、非晶質シリコンの層は、有機材料を堆積する前に堆積される。

有機材料を堆積する前であるがマイクロ流体チャネルを拡散結合デバイス内に製作した後に、このデバイスを室温（±５℃）程度に冷却する。典型的には冷却は、真空または不活性雰囲気炉の温度下降の後、デバイスを炉から取り出し、デバイスを雰囲気／室温に、ある時間曝すことによって実施される。本技術の実施形態では、デバイスは、指定速度でデバイスを冷却する炉に接続されたファンまたは追加の冷却手段を作動させてまたは作動させずに、加熱要素への電力を止めることによって、炉内でより急速に冷却することができる。いずれにしても、デバイスは、マイクロ流体チャネルの濡れ面に有機材料を堆積する前に、室温程度に冷却される。

室温よりも十分高い温度（例えば、４００℃以上）で有機材料は焼失する可能性があり、その結果、濡れ面が非常に高い温度にある場合は、有機材料はこれら濡れ面をコーティングせずまたは均一にコーティングしない。均一なコーティングを得るには、デバイスを、堆積前に室温程度に冷却する。

有機材料またはいくつかの実施形態での有機上層は、デバイス材料または基板と移送相流中の溶媒和分析物との間に介在させた、液体クロマトグラフィの用語で言えば「結合相」を、実際に含む。この結合相の存在は、分析物と天然基板との間の直接的な相互作用をマスクすることが意図される。この結合相の疎水性または親水性は、有機官能性の慎重な選択によって、または存在する有機官能性の混合によって、調整することができる。

過剰に疎水性の面は、相との疎水的な相互作用により分析物が固定化された場合、有害である可能性がある。その場合、望ましくない「結合」挙動が依然として観察される可能性があるが、結合のメカニズムは、天然基板により示される場合とは異なる可能性がある。疎水的相互作用は、逆相クロマトグラフィで活用された同じ原理を使用して、より高いパーセントの有機移動相組成物（より強力に溶媒和している。）を存在させることにより、典型的には「解放」される可能性がある。

上記表面改質プロセスは、場合によって、適切な市販の設備で行われる。例えば、典型的にはウエハをベースにした材料フォーマット用に販売される、Ａｐｐｌｉｅｄ ＭｉｃｒｏＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ Ｉｎｃ．（Ｓａｎ Ｊｏｓｅ、ＣＡ、ＵＳＡ）から入手可能なＭＶＤ（登録商標）堆積ツールが、いくつかの堆積プロセスに適切である。

様々な実施形態は、既存の装置および方法に関連した様々な課題を解決する。例えば、いくつかの金属マイクロ流体デバイスは、２つの重要な特徴：１）ＨＰＬＣ、ＵＰＬＣ（商標）およびＶＨＰＬＣに典型的な高圧に耐える能力と；２）高度に精密な寸法および位置、非常に滑らかなチャネル壁面、および／または不動態化内面を備える内部チャネルを提供する。

いくつかのポリマーマイクロ流体デバイスは、約３５メガパスカルよりも高い内部圧力で動作することが可能である。いくつかのセラミックマイクロ流体デバイスは、３５メガパスカルよりも高い圧力で動作可能であるが、脆く、張力または曲げの状態になったときに破断する可能性があり、それらの内部チャネルは、充填される粒子と同じ大きさの著しい壁面粗さを有する可能性がある。チタンをベースにしたマイクロ流体デバイスは、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、半導体で一般的な乾式エッチング技法およびＭＥＭＳ（微小電気機械システム）適用例を使用して作製することができる。ＲＩＥは、高度に精密で滑らかなフィーチャを生成することが可能であるが、非常に費用のかかる設備を必要とし、非常に速度の遅いプロセスであり、ＨＰＬＣ／ＵＰＬＣ（商標）／ＶＨＰＬＣ／ＳＦＣ消耗品（カラム）として適用されるその経済的実現可能性が損なわれる。ＲＩＥはまた、一般的にステンレス鋼構造には適用可能ではない。

様々な実施形態が、５０から５００マイクロメートルの間の均等な直径のチャネル断面を有する、ＨＰＬＣ／ＵＰＬＣ／ＳＦＣ消耗品などの様々な適用例に、場合によって実施される。

Claims (35)

1. 結合を促進するために、面上に層が存在しない平らな主面をそれぞれが有する、２つ以上の実質的に組成が類似した金属シートであって、前記２つ以上の金属シートの少なくとも１つがその内部に配置されたマイクロ流体チャネルの少なくとも一部を含んでいる、２つ以上の金属シートを供給する段階；
   前記２つ以上の金属シートのそれぞれの平らな主面を、前記２つ以上のシートの少なくとも１つに接触する関係にし、それによって、界面を形成し、前記シートの間の界面で、少なくとも１つの流入ポートおよび少なくとも１つの流出ポートを有するマイクロ流体チャネルを形成し包封する段階；
   前記接触しているシートを、真空炉または不活性雰囲気炉内で、前記シートの融解温度よりも実質的に低い温度に加熱する段階；
   前記２つ以上の金属シートの粒を、１つのシートからその他のシートへの界面を横断するように融合させることによって、前記シートが一緒に結合するように前記シートを加熱しながら、圧縮応力下で、前記接触しているシートを一緒にする段階；
   前記結合された２つ以上のシートをほぼ室温まで冷却する段階；および
   少なくとも１つの流入ポートまたは少なくとも１つの流出ポートの少なくとも１つを通して、前記結合された２つ以上のシートの間に包封されたマイクロ流体チャネルに、少なくとも有機コーティングを付着させる段階
   を含んで製造された、拡散結合生成物。
2. 冷却後であるが有機コーティングを付着する前に、蒸気でマイクロ流体チャネルの濡れ面を表面処理する段階
   をさらに含む、請求項１に記載の拡散結合生成物。
3. 蒸気が、マイクロ流体チャネルの濡れ面に非晶質シリコンを堆積する、請求項２に記載の拡散結合生成物。
4. 蒸気が、マイクロ流体チャネルの濡れ面に無機酸化物の層を堆積する、請求項２に記載の拡散結合生成物。
5. ２つ以上の実質的に組成が類似した金属シートが、実質的に類似したチタン合金またはチタンを含む、請求項１に記載の拡散結合生成物。
6. ２つ以上の実質的に組成が類似した金属シートの第１のシートが、工業用純チタンシートを含み、前記２つ以上の実質的に組成が類似した金属シートの第２のシートが、チタン６ＡＬ−４Ｖ合金のシートを含む、請求項５に記載の拡散結合生成物。
7. ２つ以上の実質的に組成が類似した金属シートが、ＡＩＳＩ ３００シリーズのオーステナイト系ステンレス鋼を含む、請求項１に記載の拡散結合生成物。
8. 有機コーティングが過フッ化炭素化合物を含む、請求項１に記載の拡散結合生成物。
9. 有機コーティングが炭化水素化合物を含む、請求項１に記載の拡散結合生成物。
10. 有機コーティングが、所望の疎水性または親水性を有する有機材料を含む、請求項１に記載の拡散結合生成物。
11. 各金属シートが実質的に類似した組成を有する複数の拡散結合金属シートであって、２次材料を導入することなく隣接する金属シートのそれぞれの間に気密封止された界面を生成するように、および分離チャネルへの入口または出口の少なくとも１つから接触可能な分離チャネルを前記拡散結合金属シート内に包封するように接合された、前記複数の拡散結合金属シート；
    少なくとも１つの単層の厚さの有機材料でコーティングされ、およびクロマトグラフィ分離の固定相として働くマイクロメートルサイズの粒子が充填された、前記分離チャネルの濡れ面
    を含む、クロマトグラフィによってサンプルを分離するためのマイクロ流体デバイス。
12. 拡散結合金属シートが、実質的に類似したチタン合金またはチタンを含む、請求項１１に記載のデバイス。
13. 拡散結合金属シートの第１のシートが工業用純チタンシートを含み、第１のシートに隣接する拡散結合金属シートの第２のシートが、チタン６ＡＬ−４Ｖ合金のシートを含む、請求項１２に記載のデバイス。
14. 拡散結合金属シートが、ＡＩＳＩ ３００シリーズのオーステナイト系ステンレス鋼を含む、請求項１１に記載のデバイス。
15. 非晶質シリコン材料が、分離チャネルの濡れ面と有機材料との間に位置決めされるように堆積される、請求項１１に記載のデバイス。
16. 無機酸化物の、堆積された層が、分離チャネルの濡れ面と有機材料との間に位置決めされる、請求項１１に記載のデバイス。
17. 有機材料が疎水性である、請求項１１に記載のデバイス。
18. 有機材料が親水性である、請求項１１に記載のデバイス。
19. 拡散結合金属シートがエレクトロスプレーチップを画定し、エレクトロスプレーチップが分離チャネルに流体連絡している、請求項１１に記載のデバイス。
20. 分離チャネルに流体連絡し、分離チャネルと拡散結合金属シートの外面への出口との間に位置決めされた、粒子保持要素をさらに含む、請求項１１に記載のデバイス。
21. 第１の金属シートの表面をコーティングし；
    コーティングの１つ以上の部分を選択的に除去して、シートの表面の１つ以上の領域を露出させ；
    第１の金属シートを電解質に少なくとも部分的に浸漬し；および
    第１の金属シートとカソードとの間に電位差を印加して、アノード溶解により１つ以上の露出領域から材料を選択的に除去することにより、第１の金属シート内に流体チャネルの少なくとも一部を形成すること
    によって、流体チャネルの少なくとも一部を画定するように第１の金属シートをパターニングする段階；
    第１の金属シートに実質的に類似した組成を有する第２の金属シートを設ける段階；および
    第１の金属シートを第２の金属シートに拡散結合して、第１および第２の金属シートの直接的な材料接触を有する気密封止界面を形成し、前記界面で、第１および第２の金属シートの間に、第１の金属シートに少なくとも部分的にパターニングされた流体チャネルを形成し包封する段階
    を含む、サンプルのクロマトグラフィ分離用のマイクロ流体デバイスを製造する方法。
22. コーティングがポリマーフォトレジストである、請求項２１に記載の方法。
23. コーティングが二酸化チタン層である、請求項２１に記載の方法。
24. コーティングが、リソグラフィ技法によって選択的に除去される、請求項２２に記載の方法。
25. コーティングが、リソグラフィ技法によって選択的に除去される、請求項２３に記載の方法。
26. コーティングが、マスクレスリソグラフィ技法によって選択的に除去される、請求項２５に記載の方法。
27. 第１の金属シートを第２の金属シートに拡散結合することによって形成された流体チャネルの濡れ面を、ある材料でコーティングして、流体チャネルの表面改質をもたらす段階
    をさらに含む、請求項２１に記載の方法。
28. 材料が、少なくとも部分的に有機材料を含む、請求項２７に記載の方法。
29. 材料が、少なくとも部分的に無機酸化物を含む、請求項２７に記載の方法。
30. 材料が、少なくとも部分的にシリコンを含む、請求項２７に記載の方法。
31. コーティングが、１種以上の材料の蒸着を含む、請求項２７に記載の方法。
32. コーティングが、濡れ面上に、材料の１つ以上の層の蒸着を含む、請求項２７に記載の方法。
33. 第１の金属シートが、流体チャネルに流体連絡する粒子保持フィーチャをさらに含むようにパターニングされる、請求項２１に記載の方法。
34. クロマトグラフィ分離の固定相媒体が得られるように、流体チャネルに複数のマイクロメートルサイズの粒子を充填する段階
    をさらに含む、請求項３３に記載の方法。
35. 流体チャネルに流体連絡するエレクトロスプレーチップが形成されるように、拡散結合した第１および第２の金属シートの端部を製作する段階
    をさらに含む、請求項２１に記載の方法。

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