JP2014519611A - 平面状マイクロ流体分離装置のヴィアに起因する分散の低減 - Google Patents

Abstract

平面状のマイクロ流体化学分離装置が、当該装置の平面内に位置する分離チャネルを備える。さらに装置は、分離チャネルに対して垂直に位置する１つ以上のヴィアを備える。ヴィアは、分離チャネルとの流体の連通のために、分離チャネルと基板の外表面との間を延びる。ヴィアは、サンプルのバンドが１つ以上のヴィアを通過することによって生じるバンドの広がりを抑制するために、分離チャネルの第１の領域の断面積よりも実質的に小さい断面積を有する。

Description

本出願は、２０１１年６月９日付の米国特許仮出願第６１／４９５，０４３号の優先権を主張する。米国特許仮出願第６１／４９５，０４３号の全内容が、本明細書に援用される。

本発明は、平面状マイクロ流体分離装置のヴィアに起因する分散の低減に関する。

高速液体クロマトグラフィ（ＨＰＬＣ）およびキャピラリ電気泳動（ＣＥ）などの化学的分離技術の一目的は、化学種の混合物の種々の成分を、例えば固定相との化学親和性の相違またはゲル中での移動速度の相違にもとづいて分離することにある。分離の結果は、典型的には、分離カラムまたは分離チャネルから異なるタイミングで溶出し、ＵＶ吸収度、レーザ誘起の蛍光、または質量分析などの種々の技術によって検出される一連のピークを示すクロマトグラム（ＨＰＬＣ）または電気泳動図（ＣＥ）である。分離の品質は、ピークが最も鋭いときに最高であると考えられる。

化学的な選択性が、分離技術の原動力である一方で、分散が、ピークをより幅広くする重要な物理現象である。熱力学の第２法則は、アナライトの狭い帯域に位置する分子が、拡散および対流を通じて空間的に再び分散し、したがってクロマトグラフシステムを通って移動するにつれて初期の鋭いピークが次第に幅広くなることを意味する。分散を理解し、最小化することが、分離の科学者らにとって重要な関心事である。

分析の用途（準備の用途とは対照的に）のための最新の液体クロマトグラフィ分離は、典型的には、１．０〜４．６ｍｍの間の内径および５〜１５ｃｍの間の長さのステンレス鋼管において行なわれる。これらの管またはカラムに、１．７〜３．５ミクロンの平均径の多孔質粒子が充てんされる。粒子を所定位置に保持し、流体が充てん床を通って流れるときの充てん床の緩みを防止するために、カラムの両端にフリットが配置される。一般に、多孔質粒子からなる不動の充てん床が、固定相と称され、そこを通って流れる流体が、移動相と称される。内径が０．２５０ｍｍ以下の管が、典型的には、入り口および出口と称されるカラムの両端のねじ山付きのポートを介して取り付けられる。入り口管が、典型的には、カラムの入り口と、カラムの上流に配置される注入弁およびポンプとの間に接続される。ポンプは、典型的には分離の開始から終了まで一定である、所定の流量の移動相の流れをもたらす。ＬＣの一般的な一様態である逆相液体クロマトグラフィ（ＲＰ−ＬＣ）の場合には、移動相が、典型的には水とアセトニトリルなどの有機溶媒との混合物であり、混合物の組成が一定にされ（無勾配分離）、あるいは線形な方式で変化させられる（勾配分離）。注入バルブが、分離すべき化学種の混合物からなるプラグまたはバンドを移動相へと注入する。このバンドが、移動相とともにカラムへと移動し、カラムにおいてバンドの各成分が分離される。カラムの出口へと接続された出口管が、分離された成分を検出器（例えば、ＵＶ検出器または質量分析計）へと運ぶ。

一様な充てん床における分散は、Ｖａｎ Ｄｅｅｍｔｅｒモデルによって表現および計算することができる。ピークまたはバンドは、ある距離Ｌを移動した後に幅広くなり、その幅は、その空間的分散σ_Ｌ ^２または時間的分散σ_ｔ ^２＝σ_Ｌ ^２／ｕ^２によって定量化でき、ここでｕは、下記で定義される線速度である。バンドの広がりの一般的な２つの指標は、Ｈ＝σ_Ｌ ^２／Ｌ＝ｕ^２σ_ｔ ^２／Ｌとして定義されるプレート高さ、およびＮ＝Ｌ／Ｈとして定義されるプレートカウントである。分離の科学者らは、バンドの広がりを最小にすることを追求し、したがってプレート高さＨを最小にし、プレートカウントＮを最大にすることを追求している。一般的に用いられるＶａｎ Ｄｅｅｍｔｅｒモデルは、

を予測し、ここでｄ_ｐは、平均粒子径であり、Ｄ_ｍｏｌは、アナライト（サンプル）の分子拡散係数であり、ｕは、移動相の線速度である。線速度そのものは、ｕ＝Ｕ_ｓ／ε_ｔとして計算され、ここでＵ_ｓ＝Ｑ／Ａは、床における見掛けの速度であり、Ｑは、移動相の流量であり、Ａは、カラムの断面積であり、ε_ｔは、充てん床の全孔隙率である。粒子が多孔性であるため、全孔隙率は、粒子内孔隙率および粒子間孔隙率（粒子をひとかたまりの球と考えたときの粒子間の体積）の和である。

Ｖａｎ Ｄｅｅｍｔｅｒモデルにおいて、３つの項は、充てん床の非一様性、粒子間の移動相における分散、および多孔質粒子の固定相への質量移動を説明している。モデルは、分散が、移動相におけるアナライトの拡散によって引き起こされるだけでなく、かなりの程度まで、分離媒体の形状によって引き起こされることを示している。１．５ｄ_ｐという項は、床が良好に充てんされていることを仮定している。そのようでない場合、定数が１．５よりも大きくなりうる。分離媒体が、粒子が空間内に無作為に配置されている充てん床とは対照的に、フォトリソグラフィ法を使用して製造された規則的かつ整然とした柱のアレイである場合、定数が大幅に小さくなりうる（例えば、米国特許第６，５９５，１４４Ｂ１号明細書を参照；「Ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｐｅｒｆｅｃｔｌｙ ｏｒｄｅｒｅｄ ２Ｄ ｐｏｒｏｕｓ ｐｉｌｌａｒ ａｒｒａｙｓ ｏｖｅｒ ｐａｃｋｅｄ ｂｅｄ ｃｏｌｕｍｎｓ ｆｏｒ ＬＣ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎｓ： Ａ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ」、 Ｐ． Ｇｚｉｌ， Ｎ． Ｖｅｒｖｏｏｒｔ， Ｇ． Ｂａｒｏｎ， Ｇ． Ｄｅｓｍｅｔ、 Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ２００３， ７５， ６２４４−６２５０も参照）。

説明に役立つ例を提示するために、ｖａｎ Ｄｅｅｍｔｅｒ曲線とも称されるｖａｎ Ｄｅｅｍｔｅｒモデルによって予測されるプレート高さＨが、図１において、以下のパラメータ、すなわちｄ_ｐ＝１．７ミクロン、ε_ｔ＝０．７、２．１ｍｍのカラム径、４０％の水と６０％のアセトニトリルとからなる移動相、Ｄ_ｍｏｌ＝１０^−９ｍ^２／ｓ（ヘキサノフェノンなどの典型的な小分子化合物の代表的な値）に関して、線速度ｕに対してプロットされている。最小プレート高さは、ｕ＝１．３４７ｍｍ／ｓまたはＱ＝４マイクロリットル／分において、Ｈ_ｍｉｎ＝３．９４ミクロンである。ｖａｎ Ｄｅｅｍｔｅｒの式のＤ_ｍｏｌ／ｕ項に起因するｕがきわめて小さいときのＨの急な立ち上がりは、分散への支配的な貢献が、移動相のアナライトの物理的な拡散によることを示している。線１００によって示されるようにある程度大まかにｕ＜０．５ｍｍ／ｓとして定めることができる、図１において参照番号１０１で示されているこの領域から遠くにとどまることが、分離装置の設計において重要となりうる。通常のＨＰＬＣの実施においては、Ｖａｎ Ｄｅｅｍｔｅｒモデルが、カラム全体について１つのプレート高さまたは１つのプレートカウントを得るために使用される。これは、充てん床および線速度がカラムの全体積にわたってほぼ一様である場合に、道理にかなう。しかしながら、モデルは、局所的に充てん床の小部分にも当てはまり、カラムの形状が管とは異なる状況または充てん床において線速度が変化する状況において分散を計算するためにも充分に適切である。

いくつかの用途において、とりわけサンプルの量が限られている場合や、ＬＣカラムを質量分析計（ＭＳ）に組み合わせることが望まれる場合に、典型的には７５〜３００ミクロンの範囲にある小さな内径のカラムを、典型的には１２マイクロリットル／分未満の移動相の流量との組み合わせにおいて使用することが好都合である。この規模のクロマトグラフィは、通常はマイクロスケールまたはナノスケールクロマトグラフィと称される。カラムを、高品質のＨＰＣＬに必要な寸法の一貫性および表面の仕上げを備えて金属管から製作することが、困難になる可能性がある。典型的には、内径７５〜１５０ミクロンのカラムは、溶融石英で作られ、内径３００ミクロンのカラムは、ＰＥＥＫポリマー（英国ＬａｎｃａｓｈｉｒｅのＶｉｃｔｒｅｘ ＰＬＣから入手可能）などのポリエーテルエーテルケトンで作られる。わずかな量のサンプルで高品質の分離を達成することが可能であるが、配管および流体の接続部に起因するカラムのバンドの余分な広がりを最小限にし、とくにはデッドボリュームをなくすという課題の困難さゆえ、このようなカラムのプロテオミクスなどの特殊な用途への使用は限られている。

マイクロスケールまたはナノスケールクロマトグラフィの分野において、平面状マイクロ流体装置が、近年において、ＨＰＬＣおよびＣＥに伝統的に用いられているステンレス鋼、ＰＥＥＫ、または溶融石英の管の代案として、関心を集めてきている。ガラスまたはポリマーに加工されたＣＥマイクロチップが、より小さな注入プラグの生成、ジュール加熱から生じる熱のより良好な放熱、および複数のパラレルな分離チャネルのただ１つの平面状装置への一体化を可能にする。同様に、ＨＰＬＣおよび超高速液体クロマトグラフィ（ＵＰＬＣ（ＴＭ））の分野においても、マイクロチップは、溶融石英またはＰＥＥＫで作られた市販の管状カラムに対していくつかの利点を有する。それらの利点として、トラップチャネルが、分析チャネルと同じ装置に、２つのチャネル間のデッドボリュームを最小限にしつつ一体化され、使用がより容易であり、流体接続部およびそれに係わるデッドボリュームが少なくなり、漏れの恐れが少なくなることが挙げられる。

米国特許第６５９５１４４号明細書

「Ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｐｅｒｆｅｃｔｌｙ ｏｒｄｅｒｅｄ ２Ｄ ｐｏｒｏｕｓ ｐｉｌｌａｒ ａｒｒａｙｓ ｏｖｅｒ ｐａｃｋｅｄ ｂｅｄ ｃｏｌｕｍｎｓ ｆｏｒ ＬＣ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎｓ： Ａ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ」、 Ｐ． Ｇｚｉｌ， Ｎ． Ｖｅｒｖｏｏｒｔ， Ｇ． Ｂａｒｏｎ， Ｇ． Ｄｅｓｍｅｔ、 Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ２００３， ７５， ６２４４−６２５０

本発明は、一部には、平面状マイクロ流体化学分離装置における分散、したがって分離の性能または効率の低下を、ヴィア−チャネルの移行の領域における流体の輸送体積を小さくすることによって、低減できるという認識から生まれている。これを、ヴィアの直径を減らすことによって達成でき、いくつかの場合においては、チャネルの入り口、すなわちヴィアとチャネルとがつながる領域を狭くし、あるいはテーパ状にすることによって達成できる。

本発明の一態様は、平面状のマイクロ流体化学分離装置を提供する。装置は、当該装置の平面内に位置する分離チャネルを備える。さらに装置は、分離チャネルに対して垂直に位置する１つ以上のヴィアを備える。ヴィアは、分離チャネルとの流体の連通のために分離チャネルと基板の外表面との間を延びている。ヴィアは、サンプルのバンドが１つ以上のヴィアを通過することによって生じるバンドの広がりを抑制するために、分離チャネルの第１の領域の断面積よりも実質的に小さい断面積を有する。

本発明の別の態様は、サンプルのバンドを保持する移動相流体を基板の第１のヴィアを通ってもたらし、基板によって画定される分離チャネルを通ってサンプルを駆動することで、サンプルのバンドの成分を分離し、その後に基板の第２のヴィアを通って追い出すステップを含む方法に関する。第１および第２のヴィアが、サンプルのバンドが第１および第２のヴィアを通過することによって生じるバンドの広がりを抑制するために、分離チャネルの第１の領域の断面積よりも実質的に小さい断面積を有している。

別の態様において、本発明は、平面状のマイクロ流体化学分離装置を形成する方法に関する。本方法は、第１の基板層に１対のヴィアを形成するステップと、第２の基板層に第１の溝を形成するステップと、第１の溝によって、囲まれた分離チャネルの少なくとも一部分が形成され、ヴィアによって分離チャネルとの流体の連通が可能にされるように、第１の基板層と第２の基板層とを結合させて基板を形成するステップとを含む。ヴィアが、分離チャネルの第１の領域の断面積よりも実質的に小さい断面積を有することで、サンプルのバンドがヴィアを通過することによって生じるバンドの広がりが抑制される。

実装形態は、以下の特徴のうちの１つ以上を含むことができる。

いくつかの実装形態においては、ヴィアの断面積が、分離チャネルの第１の領域の断面積よりも１．７倍〜９．０倍小さい（例えば、４．０倍小さい）。

特定の実装形態においては、分離チャネルの第１の領域が、０．０７平方ミリメートル〜０．２０平方ミリメートルの断面積を有する。すなわち、分離チャネルの第１の領域が、直径３００ミクロン〜５００ミクロンのカラムの断面積に相当する断面積を有することができる。

いくつかの実装形態においては、分離チャネルが、５ｃｍ〜２５ｃｍの長さ、例えば１０ｃｍを有する。

特定の実装形態においては、分離チャネルが、クロマトグラフ分離を実施するように構成される。

いくつかの実装形態においては、分離チャネルの第１の領域が、チャネルの全長の９０％〜９９％を占める。

特定の実装形態においては、分離チャネルが、ビアに向かって先細りとなってヴィアにつながる１つ以上の移行の領域をさらに備える。移行の領域が、チャネルの全長の１％〜１０％を占める。

いくつかの実装形態においては、分離チャネルが、第１の領域とヴィアとの間を延びる第２の領域を有し、第２の領域は、ヴィアとの接合部に向かって狭くなるチャネル幅を有する。

特定の実装形態においては、第２の領域が、ヴィアとの接合部に向かって狭くなるチャネル高さを有する。

いくつかの実装形態においては、分離チャネルは、第１の領域とヴィアとの間を延びる移行の領域を有する。第２の領域は、ヴィアとの接合部に向かって狭くなるチャネル高さを有する。いくつかの例では、分離チャネルは、第１の領域における第１のチャネル高さから、第１のチャネル高さよりも１０％〜５０％小さい（例えば、２５％小さい）、移行の領域における第２のチャネル高さへと縮小する。

特定の実装形態においては、基板が、分離チャネルに配置された多孔質粒子を含む。

いくつかの実装形態においては、基板が、分離チャネルの少なくとも一部分を画定する第１の基板層と、第１の基板層へと重ねられ、ヴィアを画定する第２の基板層とを備える。

特定の実施形態においては、分離チャネルが、正方形または矩形の断面形状を有する。

いくつかの実装形態においては、分離チャネルが、丸みを帯びた断面形状を有する。

特定の実装形態においては、分離チャネルが、ヴィアとの接合部に位置して接合部における流体の流れの停滞を抑制する丸みを帯びた角を終端とする。

いくつかの実装形態においては、分離チャネルがヴィアとつながる移行の領域において先細りとなるように、第１の溝の末端に先細りの領域が形成される。

特定の実装形態においては、第１および第２の基板層が、結合させられたときに、第１および第２の溝が協働して、囲まれた分離チャネルを形成するように、第１の基板層に第２の溝が形成される。

いくつかの実装形態においては、分離チャネルが、ヴィアとつながる移行の領域において先細りとなるように、第２の溝の末端に先細りの領域が形成される。

特定の実装形態においては、分離チャネルが、ヴィアとつながる移行の領域において先細りとなるように、第１および第２の溝の末端に先細りの領域が形成される。

実装形態は、以下の利点のうちの１つ以上をもたらすことができる。

いくつかの実装形態においては、平面状のマイクロ流体化学分離装置のヴィアとチャネルとの間の移行に起因するクロマトグラフ性能の損失を、低減することができる。

特定の実装形態においては、サンプルのバンドの広がりが、ヴィア−チャネルの移行の領域において低減される。

いくつかの実装形態においては、平面状のマイクロ流体分離装置に、従来からの直線分離カラムの性能特性と実質的に同じ性能特性がもたらされる。

他の態様、特徴、および利点は、明細書、図面、および特許請求の範囲にある。

ｖａｎ Ｄｅｅｍｔｅｒモデルによって予測されるプレート高さＨを線速度ｕに対してプロットして示すグラフである。 平面状のマイクロ流体化学分離装置の斜視図である。 ヴィアおよび分離チャネルの長さ５ミリメートルの区間について、そこを通過するサンプルのバンドの流れをモデル化する数値シミュレーションの結果を示しており、ここではヴィアおよび分離チャネルの断面積が３００ミクロンの管の断面積に等しい。 図３のモデルの入り口および出口において測定されたピークの形状を、同じ長さの流体の経路を有する直線カラムの入り口および出口におけるピークの形状と比べて示す線図である。 図３のモデルの一連の側面図であり、ヴィアを通過して分離チャネルに進入するときの種々の時点におけるサンプルのバンドの形状を示している。 図５の線３０５に沿った線速度を示すグラフである。 ヴィアおよび分離チャネルの長さ５ミリメートルの区間について、そこを通過するサンプルのバンドの流れをモデル化する数値シミュレーションの結果を示しており、ここではヴィアが分離チャネルの断面積よりも４倍小さい断面積を有している。 ヴィアおよび分離チャネルの長さ５ミリメートルの区間について、そこを通過するサンプルのバンドの流れをモデル化する数値シミュレーションの結果を示しており、ここではヴィアが分離チャネルの第１の領域の断面積よりも４倍小さい断面積を有しており、分離チャネルの幅が第２の領域においてヴィアにつながるにつれて狭くなっている。 ヴィアおよび分離チャネルの長さ５ミリメートルの区間について、そこを通過するサンプルのバンドの流れをモデル化する数値シミュレーションの結果を示しており、ここではヴィアが１５０ミクロンの直径を有し、分離チャネルが第１の領域において２６５ミクロンの幅および高さを有し、ヴィアに近い第２の領域において分離チャネルの高さおよび幅が１５０ミクロンへと直線的に先細りになっている。 ヴィアおよび分離チャネルの長さ５ミリメートルの区間について、そこを通過するサンプルのバンドの流れをモデル化する数値シミュレーションの結果を示しており、ここではヴィアが１７０ミクロンの直径を有し、分離チャネルの第１の領域における幅および高さが、それぞれ３５０ミクロンおよび２００ミクロンであり、ヴィアに近い第２の領域において分離チャネルの高さおよび幅が、それぞれ１７０ミクロンおよび１２５ミクロンへと直線的に先細りになっている。 図１０のモデルの側面図である。 図１１Ａの線１００３に沿った線速度を示すグラフである。 ヴィアおよび分離チャネルの長さ５ミリメートルの区間について、そこを通過するサンプルのバンドの流れをモデル化する数値シミュレーションの結果を示しており、ここではチャネルが、ヴィアにつながるにつれて狭くなるほぼ半楕円形の断面を有している。 図１２Ａの分離チャネルのほぼ半楕円形の断面形状を示している。 図１２Ａのモデルの側面図である。 図１３Ａの線１２０５に沿った線速度を示すグラフである。 ヴィアおよび分離チャネルの長さ５ミリメートルの区間について、そこを通過するサンプルのバンドの流れをモデル化する数値シミュレーションの結果を示しており、ここではチャネルが、ヴィアにつながるにつれて狭くなるほぼ楕円形の断面を有している。 図１４Ａの分離チャネルのほぼ半楕円形の断面形状を示している。

類似の参照番号は、類似の構成要素を指し示している。

本発明は、平面状マイクロ流体分離装置においてヴィア−チャネルの移行の領域の流体の輸送体積を減少させることによって、サンプルのバンドがこれらの領域を通過することによって生じるバンドの広がりを低減することを目的とする。これを、ヴィアの直径を減らすことによって達成でき、いくつかの場合においては、チャネルの入り口、すなわちヴィアとチャネルとがつながる領域を狭くし、あるいはテーパ状にすることによって達成できる。

図２が、第１の基板層２０１と第２の基板層２０２とで構成される基板である平面状マイクロ流体化学分離装置２００を示している。第１の基板層２０１は、ポリイミド、セラミック、金属、またはこれらの組み合わせで形成することが可能であり、例えば機械加工、化学エッチング、またはレーザアブレーションによって第１の基板層２０１に形成できる溝を備える。第２の基板層２０２も、ポリイミド、セラミック、金属、またはこれらの組み合わせで形成することが可能であり、通常は第１の基板層２０１と同じ材料である。第２の基板層２０２は、例えば機械加工（例えば、穿孔）、化学エッチング、またはレーザアブレーションによって第２の基板層２０２に形成できる１対のヴィア２０３を備える。

第１の基板層２０１および第２の基板層２０２が、ラミネーション、溶接、または拡散接合などによって一体に接続されて、基板を形成する。いくつかの場合には、第１および第２の基板層２０１、２０２は、拡散接合によって貼り合わせられるチタニウム層である。第１の基板層２０１と第２の基板層２０２とが一体に接続されるとき、第２の基板層２０２は、溝によって、囲まれた分離チャネル２０４が形成され、ヴィア２０３によって分離チャネル２０４との連通が可能にされるように、第１の基板層２０１に重ねられる。分離チャネル２０４に、クロマトグラフィ用の粒子が充てんされ、充てんされた粒子を所定位置に固定するために分離チャネル２０４の端部にフリットが形成される。分離チャネルの長さは、典型的には５ｃｍ〜２５ｃｍの間の範囲にあり、例えば１０ｃｍである。分離チャネル２０４は、長さ１０ｃｍ以上のチャネルを、この例では長さ５．０ｃｍおよび幅２．５ｃｍの小さなサイズの平面状基板に収めるために、２つの６０°ターンと、１つの１８０°ターンとを有している。分離チャネル２０４の幅および高さは、分離チャネル２０４の断面積が、典型的には７５〜３００ミクロンの間の範囲にあるすでに市販されているマイクロスケールまたはナノスケールのカラムの断面積に等しくなるように選択される。この点に関し、分離チャネル２０４は、６７ミクロン〜２６５ミクロンの幅および６７ミクロン〜２６５ミクロンの深さを有する。

使用時には、入り口管が、平面状マイクロ流体化学分離装置２００のヴィア２０３のうちの第１のヴィアと注入バルブおよびポンプとの間に接続される。ポンプが、移動相の流れを、典型的には分離の始めから終わりまで一定である所定の流量にてもたらす。注入バルブが、移動相へとサンプルのプラグまたはバンドを注入する。このバンドが、移動相と一緒に分離チャネル２０４へと移動し、分離チャネル２０４において成分が分離される。分離チャネル２０４の反対側の端部に位置する他方のヴィア２０３へと接続された出口管が、分離された成分を検出器（例えば、ＵＶ検出器または質量分析計）へと運び、次いで検出器を、検出器からの電気信号の記録およびクロマトグラムの生成を行なうコンピュータデータステーションへと接続することができる。

とりわけ、ヴィア２０３は、分離チャネルの断面積よりも小さい断面積にて設けられる。例えば、ヴィアが、分離チャネルの断面積よりも１．７〜９倍小さく、例えば４倍小さい断面積を有することができる。この構成は、サンプルのバンドがヴィアを通過することによって生じるバンドの広がりを、低減するのに役に立つことができる。

以下の例が、この種の構成の利点を、チャネルとヴィアとが同じ断面積を有している構成との比較によって示す。図３が、一方のヴィア３００と分離チャネル３０１の長さ５ミリメートルの区間とをモデル化する数値シミュレーションの結果を示している。このモデルにおいては、ヴィア３００およびチャネル３０１の両者が、３００ミクロンの管の断面積に等しい断面積を有している。ヴィア３００は、３００ミクロンの直径および８８９ミクロンの高さを有している。分離チャネル３０１は、２６５ミクロンの幅および高さを有している。時間的分散σ_ｔ、０ ^２を特徴とするガウス分布を有するアナライトのピークが、ヴィア３００の入り口３０３に導入される。このピークが、図４の第１のピーク４００としても示されている。「ピーク」および「バンド」が、サンプルのプラグを指して互換に使用されていることに注意すべきである。移動相が、アナライトのバンドを計算領域の出口３０５に向かって運ぶ。バンド３０２が、ヴィア３００から分離チャネル３０１への移行の後で激しくゆがめられ、大きな尾部３０４を有することを見て取ることができる。出口３０５において測定されるピークが、図４に４０１でプロットされている。このピークは、尾部の明確な証拠を示している。その時間的分散が計算され、σ_ｔ、１ ^２と呼ばれる。差σ_ｔ、１ ^２−σ_ｔ、０ ^２が、計算領域の入り口と出口との間で生じるバンドの広がりの量を表わす。このバンドの広がりは、２つの寄与の合計である。第１の寄与は、真っ直ぐなカラムにおいて生じると考えられる通常のバンドの広がりである。第２の寄与は、ヴィア−チャネルの移行にとくに起因する追加のバンドの広がりである。

第１の寄与は、図３のヴィア３００およびチャネル３０１の長さの合計に等しい長さ５．８８９ｍｍの直径３００ミクロンの円筒管のコンピュータシミュレーションを行なうことによって計算することができる。このシミュレーションにおいて、入り口におけるピークの形状は、４００に示した同じガウス曲線であり、出口における形状は、ガウス形である曲線４０２であり、時間的分散σ_ｔ、２ ^２を有する。ピーク４０１がピーク４０２よりも幅広いことが明らかである。差σ_ｔ、２ ^２−σ_ｔ、０ ^２が、図３の流体の経路の全長と同等の長さの直線カラムにおいて生じる通常のバンドの広がりである。これを、実際に、直線管カラムにおいては線速度が一様であるため、Ｖａｎ Ｄｅｅｍｔｅｒの式からσ_ｔ、２ ^２−σ_ｔ、０ ^２＝Ｈ．Ｌ／ｕ^２と分析的に計算することができ、ここでＬ＝５．８８９ｍｍである。

したがって、入り口のヴィアにおけるヴィア−チャネルの移行にとくに起因する追加のバンドの広がりは、Δσ_{ｔ，ｉｎｌｅｔ} ^２＝（σ_ｔ、１ ^２−σ_ｔ、０ ^２）−（σ_ｔ、２ ^２−σ_ｔ、０ ^２）＝σ_ｔ、１ ^２−σ_ｔ、２ ^２と計算される。同様のシミュレーションを、出口のヴィアについても実施し、その場合には、ピークが３０５に導入され、３０３から出る。出口のヴィアにおける追加の分散が、入り口のヴィアにおける追加の分散に等しく、すなわち、Δσ_{ｔ，ｏｕｔｌｅｔ} ^２＝Δσ_{ｔ，ｉｎｌｅｔ} ^２であることが明らかになった。

これは、装置全体についての有効プレート高さＨ_ｅｆｆを以下のように計算することを可能にする。上述のパラメータを有する直線カラムは、上述のようにプレート高さＨ＝３．９４ミクロンを有すると考えられる。図３に示されるように長さＬ＝１０ｃｍの分離チャネルおよび直径３００ミクロンの２つのヴィアを有する平面状マイクロ流体装置については、Ｈ_ｅｆｆ＝Ｈ＋ｕ^２（σ_{ｔ，ｉｎｌｅｔ} ^２＋σ_{ｔ，ｏｕｔｌｅｔ} ^２）／Ｌを使用して計算される有効プレート高さが、ヴィアを持たない真っ直ぐな直径３００ミクロンの１０ｃｍのチャネルにおいては３．９４ミクロンであるのに対し、Ｈ_ｅｆｆ＝６．６５ミクロンになると考えられ、すなわちヴィア−チャネルの移行のみに起因して直線カラムと比べて６９％増加する（「プレート高さの損失」）と考えられる。この例は、追加の分散を予測および定量化するために使用される計算の手順を示している。すべての場合において、表現を分かりやすくするために、追加の分散は、ヴィア−チャネルの移行を持たない直線カラムの基準事例と比較したパーセンテージ損失として表わされる。固定相および移動相を表わすすべてのパラメータは、上述のとおりである。この点に関し、ｄ_ｐ＝１．７ミクロン、ε_ｔ＝０．７、Ｄ_ｍｏｌ＝１０^−９ｍ^２／ｓである。

図５が、図３に示した同じ計算モデルの一連の側面図である。この図は、ヴィア３００を通って移動して分離チャネル３０１に進入するときの種々の時点におけるバンドの形状を示している。ｔ＝１．５秒において、バンドは真っ直ぐであって、比較的狭い。ｔ＝２．０秒においては、バンドの前部３０３が分離チャネルの中へと進んでいる一方で、バンドの尾部３０４は後方に遅れている。この尾部が、ｔ＝２．５およびｔ＝３．０秒においてさらに目立つようになる。長さ１ｍｍの図５の線３０５に沿った線速度が、図６に示されている。ヴィア３００から遠ざかると、線速度は、急速にｕ＝１．３４７ｍｍ／ｓに近づく。ヴィア３００の近くでは、ｕは大幅に小さい。実際、ヴィア３００の左下の角においては、局所的な線速度がゼロであり、停滞の点を示す。図１の線速度ｕに対するプレート高さＨの曲線を参照すると、きわめて小さい線速度が、きわめて大きいプレート高さ、したがってきわめて大きな分散に結び付いている。これが、ヴィア３００と分離チャネル３０１との間の移行の領域において追加の分散が見られる理由である。

図７が、本発明による構成をモデル化する数値シミュレーションの結果を示している。図７の例では、分離チャネル７０１が、図３のように３００ミクロンの円筒カラムの断面積と同等の断面積のための２６５ミクロンの幅および高さを有しているが、ヴィア７００が、１５０ミクロンの直径を有しており、したがって図３のヴィアよりも４倍小さい断面積を有している。流れの経路において流量は一定であるため、ヴィア７００における線速度は、４倍大きい５．３８８ｍｍ／ｓであり、これはｖａｎ Ｄｅｅｍｔｅｒモデルによれば５．３３ミクロンのプレート高さに相当する。ヴィア７００を出て分離チャネル７０１に進入した後のバンド７０２のゆがみが、図３のバンド３０２と比べて少ないことを、見て取ることができる。長さ１０ｃｍのチャネルと１５０ミクロンの２つのヴィアとを有する装置について、全体としてのプレート高さの損失は１６．７％であり、３００ミクロンのヴィアについての６９％という対応する数字よりも大幅に小さい。

典型的な実施形態を上述したが、他の変更形態も可能である。例えば、別の実施形態においては、ヴィアの断面積がチャネルの断面積よりも小さいことに加えて、チャネルの幅がヴィアとつながるときに狭くされる。例えば、ヴィアが、分離チャネルの第１の領域の断面積よりも１．７〜９倍小さく、例えば４倍小さい断面積を有することができ、分離チャネルが、第２の領域において分離チャネルの幅がヴィアの直径と同じになるように狭くなることができる。図８が、そのような構成をモデル化する数値シミュレーションの結果を示している。図８に示したモデルにおいては、ヴィア８００が、１５０ミクロンの直径を有し、分離チャネル８０１が、１５０ミクロンへと狭くなっている端部付近の領域８０２を除き、全長にわたって３５３ミクロンの幅および２００ミクロンの高さを有している。移行は、０．５〜５ミリメートルの距離にわたって生じる。コンピュータシミュレーションが、図８に示されるような２つのヴィアを有する長さ１０ｃｍのチャネルにおいて、プレート高さの損失が３．１％であることを示している。バンド８０３のきわめて小さなゆがみが、この幾何学的設計により、鋭いバンドを維持し、尾部の形成を防止できることを示している。

さらに別の実施形態においては、ヴィアの直径が減らされ、分離チャネルの高さが、ヴィアにつながるときに小さくなる。例えば、分離チャネルを、第１の領域における第１の高さから、第１の高さよりも小さく、１０％〜５０％、例えば２５％である、ヴィアの付近の第２の領域の第２の高さへと、縮小することができる。いくつかの場合には、分離チャネルの幅および高さの両方の縮小を考慮して、分離チャネルを、第１の領域における第１の断面積から、第１の断面積よりも小さく、６０％〜７０％、例えば６８％である、ヴィアの付近の第２の領域の第２の断面積へと、縮小することができる。図９が、そのような構成をモデル化する数値シミュレーションの結果を示している。図９においては、ヴィア９００が１５０ミクロンの直径を有しており、分離チャネル９０１が、第１の領域９０４において２６５ミクロンの幅および高さを有している。ヴィア９００の付近の第２の領域９０２において、分離チャネル９０２の高さおよび幅が、１５０ミクロンの高さおよび幅へと直線的に先細りである。プレート高さの損失は、１．７％である。分離チャネルの幅および深さが２６５ミクロンの区間に進入した後のアナライトのバンド９０３の形状を見ると、ゆがみはわずかである。

図１０においては、ヴィア１０００が１７０ミクロンの直径を有している。第１の領域１００４における分離チャネル１００１の幅は、３５０ミクロンであり、第２の領域１００２において１７０ミクロンへと先細りになっている。第１の領域における分離チャネル１００１の高さは、２００ミクロンであり、第２の領域１００２において１２５ミクロンへと先細りになっている。プレート高さの損失は、１．１％である。図１１Ａが、図１０に示した同じ形状の側面図である。線１００３に沿った線速度が、図１１Ｂに示されている。領域１００２において分離チャネル１０００が狭くなることで、チャネルにおける平均の線速度１．３４７ｍｍ／ｓよりも大きい線速度が生じている。上述のとおり、これが追加の分散を小さく抑える。追加の分散が最小限であるということは、線速度が０．５ｍｍ／ｓを下回る領域がきわめて小さいという観測結果から納得できる。

図８、図９、および図１０は、チャネルに沿った軸上の各位置における分離チャネルの断面が、正方形または矩形である実施形態を説明している。図１２Ａおよび図１４Ａは、分離チャネルが丸みを帯びた断面を備えている例を示している。図１２Ａおよび図１２Ｂを参照すると、第１の領域１２０４において、分離チャネル１２０１の断面は、ほぼ半楕円形であり、深さが２００ミクロンであり、上面における幅が４４０ミクロンである。分離チャネル１２０１は、直径１５０ミクロンのヴィア１２００につながる領域１２０２において狭くなっている。角１２０３が、図１３Ａおよび図１３Ｂに示されるように、この形状において線速度がゼロまたはゼロに近い停滞の点が存在しないように、丸められている。図１３Ａは、図１２Ａと同じ形状の側面図である。図１３Ｂは、線１２０５に沿った線速度のプロットである。角１２０３においても、線速度が１．０ｍｍ／ｓよりも大きい。

図１４Ａおよび図１４Ｂを参照すると、図１４Ｂに示される分離チャネル１４０１の第１の領域１００４における断面は、ほぼ楕円形であり、３２０ミクロンの軸（幅）および２８０ミクロンの軸（高さ）を有している。分離チャネル１４０１は、第２の領域１４０２において、１７０ミクロンの直径を有するヴィア１４００につながるにつれて、幅および高さの両方において先細りになる。プレート高さの損失は、図１２Ａおよび図１４Ａの設計においては、それぞれ０．０％および０．７％である。

上述の例に示した形状を生み出すために、さまざまな製造技術を使用することができる。好ましい材料は、チタニウムおよびチタニウム合金である。ヴィアを、機械的な穿孔、放電加工（ＥＤＭ）による穿孔、またはレーザによる穿孔を使用して、１つ以上の層に形成することができる。チャネルを、機械的な切削、ワイヤＥＤＭ、または電気化学マイクロマシニング（ＥＭＭ）を使用して、１つ以上の別個の物理的な基板層に形成することができる。ヴィアおよびチャネルを含んでいる基板層を積み重ね、位置合わせさせ、拡散接合を使用して接合することで、気密封止された流体チャネルを形成することができる。図７、図８、図９、および図１０に示したチャネルなど、正方形または矩形の断面を有するチャネルを、機械的な切削を使用して製造することができる。チャネルの高さに変化がない場合（図７および図８）には、チャネルを形成するために代案として、ワイヤＥＤＭを使用することもできる。図１２Ａおよび図１４Ａの丸みを帯びた断面を有するチャネルは、ＥＭＭを使用して製造可能である。図１２Ａの場合には、チャネルをただ１つの層に形成することができる。図１４Ａの場合には、チャネルの半分を、ヴィアをも含む１つの層に形成でき、他方の半分を第２の層に形成し、２つの層を精密に位置合わせさせることによってほぼ楕円形の断面を実現することができる。

したがって、他の実装形態も、以下の特許請求の範囲に包含される。

Claims (21)

1. 平面状のマイクロ流体化学分離装置であって、
   当該装置の平面内に位置する分離チャネルと、
   分離チャネルに対して垂直に位置し、分離チャネルとの流体の連通のために分離チャネルと基板の外表面との間を延びているヴィアと
   を画定しており、
   ヴィアが、サンプルのバンドがヴィアを通過することによって生じるバンドの広がりを抑制するために、分離チャネルの第１の領域の断面積よりも実質的に小さい断面積を有している装置。
2. ヴィアの断面積が、分離チャネルの第１の領域の断面積よりも１．７倍〜９．０倍小さい、請求項１に記載の装置。
3. ヴィアの断面積が、分離チャネルの第１の領域の断面積よりも４．０倍小さい、請求項２に記載の装置。
4. 分離チャネルが、クロマトグラフ分離を実施するように構成されている、請求項１に記載の装置。
5. 分離チャネルの第１の領域が、チャネルの全長の９０％〜９９％を占める、請求項１に記載の装置。
6. 分離チャネルが、第１の領域とヴィアとの間を延びる第２の領域を有しており、第２の領域が、ヴィアとの接合部に向かって狭くなるチャネル幅を有している、請求項１に記載の装置。
7. 第２の領域が、ヴィアとの接合部に向かって狭くなるチャネル高さを有している、請求項６に記載の装置。
8. 分離チャネルが、第１の領域とヴィアとの間を延びる第２の領域を有しており、第２の領域が、ヴィアとの接合部に向かって狭くなるチャネル高さを有している、請求項１に記載の装置。
9. 分離チャネルが、第１の領域における第１のチャネル高さから、第１のチャネル高さよりも１０％〜５０％小さい第２の領域における第２のチャネル高さへと狭くなる、請求項８に記載の装置。
10. 第２のチャネル高さが、第１のチャネル高さよりも２５％小さい、請求項９に記載の装置。
11. 基板が、分離チャネルに配置された多孔質粒子を含んでいる、請求項１に記載の装置。
12. 基板が、分離チャネルの少なくとも一部を画定する第１の基板層と、第１の基板層へと重ねられ、ヴィアを画定している第２の基板層とを備えている、請求項１に記載の装置。
13. 分離チャネルが、正方形または矩形の断面形状を有している、請求項１に記載の装置。
14. 分離チャネルが、丸みを帯びた断面形状を有している、請求項１に記載の装置。
15. 分離チャネルが、ヴィアとの接合部に位置して接合部における流体の流れの停滞を抑制するために該接合部分にて丸みを帯びた角を終端としている、請求項１に記載の装置。
16. サンプルのバンドを保持する移動相流体を基板の第１のヴィアを通ってもたらし、基板によって画定される分離チャネルを通ってサンプルを駆動することで、サンプルのバンドの成分を分離し、その後に基板の第２のヴィアを通って追い出すステップ
    を含む方法であって、
    第１および第２のヴィアが、サンプルのバンドが第１および第２のヴィアを通過することによって生じるバンドの広がりを抑制するために、分離チャネルの第１の領域の断面積よりも実質的に小さい断面積を有している、方法。
17. 平面状のマイクロ流体化学分離装置を形成する方法にして、
    第１の基板層に１対のヴィアを形成するステップと、
    第２の基板層に第１の溝を形成するステップと、
    第１の溝によって、囲まれた分離チャネルの少なくとも一部分が形成され、ヴィアによって分離チャネルとの流体の連通が可能にされるように、第１の基板層と第２の基板層とを結合させて基板を形成するステップと
    を含む方法であって、
    ヴィアが、サンプルのバンドがヴィアを通過することによって生じるバンドの広がりを抑制するために、分離チャネルの第１の領域の断面積よりも実質的に小さい断面積を有している、方法。
18. 分離チャネルが、ヴィアとつながる移行の領域において先細りとなるように、第１の溝の末端に先細りの領域を形成するステップ
    をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
19. 第１および第２の基板層が結合させられたときに第１および第２の溝が協働して、囲まれた分離チャネルを形成するように、第１の基板層に第２の溝を形成するステップ
    をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
20. 分離チャネルが、ヴィアとつながる移行の領域において先細りとなるように、第２の溝の末端に先細りの領域を形成するステップ
    をさらに含む、請求項１９に記載の方法。
21. 分離チャネルが、ヴィアとつながる移行の領域において先細りとなるように、第１および第２の溝の末端に先細りの領域を形成するステップ
    をさらに含む、請求項２０に記載の方法。

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