JP2015500135A - ミクロン規模の連続液体噴流を提供するシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

流体噴流を生成するノズル、ノズルの使用方法、流体噴流を真空システムに供給するために本発明のノズルを備えるインジェクタについて記載する。

Description

本開示は、ミクロン規模の連続液体噴流を形成する方法および装置に関する。

タンパク質やその他の生物学的分子などの粒子の分析および操作では、粒子が未変性コンホメーションを維持しなければならない真空に粒子を導入または注入する必要がしばしばある。粒子の真空への注入を要する粒子操作または分析は、たとえば、分子構造決定、分光法、（たとえばセンサアレイ作製のための）基板への粒子蒸着、ナノスケール自由形状作製、新規な低温形状の粒子含有複合物の形成、レーザ光、Ｘ線放射線、中性子、またはその他のエネルギービームによる粒子の打込み、おそらくはナノスケール空間分解能での誘導される自由空間化学反応の制御または促進、これらの粒子の分離、分析、または精製などである。

こうした媒体を真空に注入する従来の装置は、加圧ガスによって囲まれる液体を孔または流路を通って真空へ注入することを含んでいた。しかしながら、これらの装置は一連の液滴をもたらす。しかし、多数の技術的および科学的用途にとって、正確に位置調整された微細連続液体噴流の形成は大きな関心事である。

第１の側面では、本発明は（ａ）遠位端が出口流路を画定するハウジングと、（ｂ）ハウジング内に配置され、遠位端が任意で先細である毛細管と、（ｃ）毛細管によって画定される少なくとも１つの穴であって、出口流路外に配置される毛細管出口を毛細管の遠位端に画定する穴と、を備えるノズルアセンブリを提供する。

第２の側面では、本発明は、（ａ）穴と毛細管出口とを有する毛細管と、（ｂ）穴に接続される液体容器と、（ｃ）液体容器に接続されるガス圧源と、を備える連続液体噴流の生成システムを開示する。

第３の側面では、本発明は、（ａ）毛細管出口がハウジングから突出する本発明の第１の側面に係るノズルアセンブリを設けるステップと、（ｂ）第１の流体をハウジングの近位端に注入するステップと、（ｃ）第２の流体を毛細管の近位端に注入するステップと、（ｄ）第２の流体にガス背圧を生成するステップと、を備え、（ｅ）第２の流体が毛細管出口から出て、（ｅ）第１の流体が第２の流体に作用して出口流路を通って流れる液体噴流を生成する、高粘度液体の連続流の生成方法を開示する。

第４の側面では、本発明は、（ａ）近位端で入口開口部、遠位端でラバルノズルで全側面を囲まれる空隙を画定するハウジングであって、ラバルノズルが集束−散開流路を画定し、ハウジング出口が集束−散開流路が圧縮される点でラバルノズル内に画定されるハウジングと，（ｂ）同軸空間が毛細管とハウジングとの間に維持されるようにハウジングの空隙内に配置される毛細管であって、遠位端が任意で先細にされる毛細管と、（ｃ）毛細管によって画定される少なくとも１つの穴であって、少なくとも１つの穴の近位端が毛細管入口を画定し、少なくとも１つの穴の遠位端が毛細管出口を画定し、毛細管出口がハウジング出口を超えて延在しない少なくとも１つの穴、を備えるノズルアセンブリであって、（ｄ）ハウジングは第１の推進流路と第２の推進流路をさらに画定し、第１および第２の推進流路はそれぞれ同軸空間に略直角に配置され、同軸空間と流体連通するノズルアセンブリを提供する。第４の側面の１実施形態では、本発明は、集束−散開流路の散開部の第１の側でハウジング内に画定される第１の切換流路と集束−散開流路の散開部の第２の側でハウジング内に画定される第２の切換流路とをさらに設け、第１および第２の切換流路がそれぞれ集束−散開流路の散開部と流体連通する。

第５の側面では、本発明は（ａ）本発明の第４の側面に係るノズルアセンブリを設けること、（ｂ）第１の流体を第１および第２の推進流路に注入すること、（ｃ）第２の流体を毛細管入口に注入すること、を備える液体噴流の生成方法を提供する。１実施形態では、上記方法は、集束−散開流路の上流−下流圧力比を約１．０３〜約１．８９に維持することによって亜音速流で動作させることをさらに備える。別の実施形態では、該方法は、（ａ）集束−散開流路の散開部の第１の側の境界層に沿って液体噴流を生成することと、（ｂ）第１の風を第１の切換流路に注入することと、（ｃ）第１の風に応答して、液体噴流を集束−散開流路の散開部の第２の側の境界層に切り換えることと、をさらに備える。追加の実施形態では、該方法は、（ａ）第２の風を第２の切換流路に注入すること、（ｂ）第２の風に応答して、液体噴流を集束−散開流路の散開部の第１の側の境界層に切り換えること、をさらに備える。さらに別の実施形態では、該方法は、（ａ）真空下で集束−散開流路の散開部を動作させることと、（ｂ）真空下での動作に応答して、集束−散開流路の散開部の第１の側と第２の側との間で略中心に来る液体噴流を生成することと、をさらに備える。

第６の側面では、本発明は、（ａ）スピンコートされたフォトレジストをシリコンウェハに所望のパターンでソフトベークすることと、（ｂ）フォトマスクを介してフォトレジストをＵＶ光にさらすことと、（ｃ）フォトレジストを化学的に現像することと、（ｄ）フォトレジストをハードベークして凹型を形成することと、（ｅ）未硬化ポリ（ジメチルシロキサン）を凹型に流し込んで、空隙および複数の微小流路を画定する層を形成することと、（ｆ）ポリ（メタクリル酸メチル）の上スラブと下スラブとの間で層を固定することと、を備える第４の側面のノズルアセンブリのハウジングの製造方法を提供する。

連続液体流は多数の利点を備える。たとえば、微細脂質立方相（ＬＣＰ）流は、現行の硬Ｘ線自由電子レーザの１２０Ｈｚパルス速度に非常に適する低容積流量で押出することができる。低流量により、ＬＣＰ流は、未加工のターゲット材料を露光するのに必要な正確な距離だけ、Ｘ線パルス間で前進させることができる。したがって、サンプル材料はほとんど無駄にされず、最小量のＬＣＰタンパク質サンプルしか必要とされない。多数の膜タンパク質はごく限られた量しか入手できないため、これは大きな実験上の利点である。

本文書に提示する本発明の側面と適用を、図面と本発明の詳細な説明で以下説明する。特段明記されない限り、本明細書および請求項の文言および節は、当業者にとって平易かつ一般的で慣れ親しんだ意味を持つと意図される。

本発明の１実施形態に係るノズルの断面図である。 本発明の１実施形態に係るノズルの斜視図である。 本発明の１実施形態に係るノズルの斜視図である。 本発明の１実施形態に係るノズルの斜視図である。 本発明の１実施形態に係るノズルの断面図である。 本発明の１実施形態に係るノズルの斜視図である。 本発明の１実施形態に係るノズルの断面図である。 本発明の１実施形態に係る方法を示す図である。 本発明の１実施形態に係る連続液体噴流を生成するノズルの図である。 本発明の１実施形態に係る連続液体噴流の生成システムを示す図である。 本発明の１実施形態による連続液体噴流の時間経過に伴うシーケンスを示す図である。 本発明の第４の側面により液体噴流と液滴流とを生成するノズルアセンブリの上断面図である。 本発明の第４の側面により液体噴流と液滴流とを生成するノズルアセンブリの端面図である。 集束−散開流路の散開部の第１の側の境界層に沿った液体噴流と集束−散開流路の散開部の第２の側の境界層に沿った液体噴流とを生成し、液体噴流が集束−散開流路の散開部の第１の側と第２の側との間で略中心に来る、本発明の第４の側面に係るノズルアセンブリの遠位端の詳細を示す３つの画像である。 集束−散開流路の散開部の第１の側の境界層に沿った液体噴流、集束−散開流路の散開部の第２の側の境界層に沿った液体噴流、並びに、第１および第２の切換流路を形成する、本発明の第４の側面に係るノズルアセンブリの遠位端の詳細を示す２つの画像である。

詳細な説明を参照し以下の図面と併せて検討することによって本発明をさらに完全に理解することができる。図面全体を通じて、類似の参照符号は類似の構成要素または動作を指す。図面中の構成要素と動作とは簡易に示されており、必ずしも特定のシーケンスまたは実施形態に係るものではない。

以下の記載では、説明上、本発明の各種側面の理解を深めるために多数の具体的な詳細について説明する。しかしながら、当業者によって、本発明はこれらの具体的な細部なしでも実施できると理解される。開示される発明が適用可能な様々な代替の構造、装置、および技術が多数存在することに留意すべきである。本発明の範囲は以下説明する実施例に限定されない。

図１Ａおよび図１Ｂは、本発明の１実施形態に係るノズル１００の断面図および斜視図である。ノズルアセンブリ１００は、遠位端が出口流路１２０を画定するハウジング１５０と、ハウジング１５０内に配置され、任意の先細端１３１を備える毛細管１３０と、毛細管１３０によって画定され、毛細管出口１３４を画定する少なくとも１つの穴１３２と、を備える。

ハウジング１５０は、毛細管１３０を収容するようなサイズと形状とする。ハウジングの内側断面は、十分な流量と略対称的な流れパターンを有するように第１の流体（たとえば、ガス）への十分なアクセスを提供する任意の断面形状を有することができる。流体流が非対称である場合、結果として生じる繊維状の液体噴流を軸外で出口流路から発生させてしまう場合がある。好適な形状の例は、円形、正方形、三角形、または六角形を含むがそれらに限定されない。特定の実施形態では、ハウジングの内側断面は円形である。特定の実施形態では、ハウジングの内側断面は正方形である。

図１Ａおよび１Ｂに示す実施形態では、ハウジング１５０の内側断面は円形であるため、ハウジングは略円柱状であり、ハウジング１５０の内径は毛細管１３０の外径よりも大きいため、ハウジング１７０の内壁と毛細管１８０の外壁との間に同軸空間１６０が形成される。

毛細管１３０は、流体が流れることのできる少なくとも１つの穴１３２を有する。毛細管１３０は、ホウ珪酸塩または当業者にとって既知なその他の任意の材料で構成することができる。

毛細管穴１３２は、その長さに沿って略一定の、集束する、または散開する径を有することができる。特定の実施形態では、毛細管穴はその長さに沿って略一定のまたは集束する径を有することができる。一定のまたは集束する径は、粒子が毛細管穴１３２を詰まらせるのを防ぎ、その詰まりは、径が圧縮された毛細管穴で発生することがある。特定の実施形態では、毛細管穴はその長さに沿って略一定の径を有することができる。特定の他の実施形態では、毛細管穴はその長さに沿って散開する径を有することができる。

１実施形態では、毛細管１３１の先細端は出口流路１２０に収容される。ハウジング１５０内での毛細管１３０の自動調心を助けるため、先細端１３１は略円錐状とすることができる。もしくは、先細端１３１は略円錐状とし、斜面をつけることができる。これは、２つの異なる角度を提供して、毛細管１３０を出口流路１２０に挿入しやすくするという利点を備える。本実施形態は単独の斜面を設けることができる。

さらに別の実施形態では、毛細管１３１の先細端は複数の平面状平坦部（図示せず）、好ましくは最低３つの平面状平坦部を画定して、十分なガス流を達成する。特定の実施形態では、３〜約１０の平面状平坦部が毛細管１３１の先細端に設けられる。特定の実施形態では、３〜約８の平面状平坦部が設けられる。または３〜約６の平面状平坦部が毛細管１３１の先細端に設けられる。特定の実施形態では、３つの平坦部、または４つの平坦部、または５つの平坦部、または６つの平坦部、または７つの平坦部、または８つの平坦部、または９つの平坦部、または１０の平坦部が毛細管の先細端１３１に設けられる。

これらの平面状平坦部は、互いに均等に間隔をおいて配置され、毛細管の先細端１３１の周に対して均等に角度をつけた対称的な開口の形状をとることができ、先細端１３１と出口流路１２０がかみ合って自動調心を達成したとき、ガス流は毛細管を通じて先細端１３１とハウジング１５０との間で融合することができる。

少なくとも１つの穴１３２は、毛細管１３０の長さに沿って先細端１３１まで延在する。１実施形態では、少なくとも１つの穴１３２は、毛細管１３０の中心軸と略位置合わせされた単独の穴１３２を備える。本文書で使用される２つのオリフィスに対して「略位置合わせされ」という用語は、第１のオリフィスの中心で第１のオリフィスによって画定される面に垂直なベクトルが、第２のオリフィスによって画定される面と交差し略垂直であり（たとえば、９０度＋／−１０度、好ましくは ＋／−５度）、第２のオリフィスの境界内で第２のオリフィスによって画定される面と交差することを意味する。より好ましくは、第１のオリフィスの中心で第１のオリフィスによって画定される面に垂直なベクトルが、第２のオリフィスによって画定される面と略垂直であり、第２のオリフィスの中心（たとえば、オリフィスの総径の１０％内、好ましくは５％内）で第２のオリフィスによって画定される面と交差する。単独の穴１３２が中心軸１３０から散開して、先細端１３１の側面で毛細管出口１３４を画定することができる。

毛細管出口１３４は、毛細管端部が同軸ガスの超音速膨張の連続流形態内に配置されるようにハウジング１５０から突出することができる。この領域のサイズは、当業者にとって明確であるように、ガス種とガス流量に依存する。たとえば、毛細管端部は、ガス開口出口面の下流でいくらかのガス開口径内（たとえば、出口流路１２０の径の約１〜約５；または約１〜約３倍）に配置することができる。最小距離は、ガス開口出口面の下流から０径である。

特定の実施形態では、毛細管出口はハウジングから少なくとも１開口径突出することができる。たとえば、毛細管出口はハウジングから約０倍〜３倍開口径突出することができる。いかなる動作理論にも制限されず、ハウジングを超えて毛細管出口が拡張されることで、液体噴流がガスの自由噴流膨張内で押出され、液滴への分裂が阻止される。

別の実施形態では、少なくとも１つの穴１３２は、毛細管１３０の中心軸と平行だが、間隔をおいて配置される。毛細管１３０が２つ（またはそれ以上の）穴１３２を画定する場合、液体は穴１３２のいずれかまたは両方を通って流れることができる。もしくは、２つの反応する液体を別々に各自の穴１３２へ送って、毛細管１３１の遠位端の先端で混合させることができる。

図１Ｃは本発明の１実施形態の斜視図である。本実施形態では、ノズル１９０は図１Ａの断面を有する。しかしながら、本実施形態では、ハウジング１５１の内側断面は略正方形状である。毛細管１３１は図１Ｂの毛細管１３１と略同一であり、毛細管出口１３４はまだハウジング１５１から突出している。

１実施形態では、毛細管の遠位端は凹凸を有する。凹凸は毛細管の外面からのわずかな突出（たとえば、点または隆起）である。凹凸は好ましくは、毛細管がハウジングに挿入されたときに凹凸が自動的に中心に来るように毛細管の遠位端の中心に配置される。連続線形流が所望される場合、凹凸はハウジングを超えて突出することができる。特定の実施形態では、毛細管出口１３４はガス開口（たとえば、１２０）の面の上流に来ることができる。しかしながら、凹凸はガス開口の面を超えて延在すべきである。

もしくは、凹凸は出口流路内に含めることができる。凹凸を設けることは、液体噴流は毛細管の遠位端上の最も大きな凹凸から発生するため、第２の流体が毛細管から発生する箇所を制御できるという有益な効果を有する。

図２Ａおよび図２Ｂは、本発明の１実施形態に係るノズル２００の斜視図と断面図とである。図示される実施形態では、ハウジング２５０は正方形の内側断面を画定するため、ハウジングの４つの角２０４がガス流にとって十分なアクセスを提供する。正方形の内側断面により、毛細管２３０はハウジング２５０と接触し、領域にガスを通過させながら位置調整を助けることができる。ハウジングの遠位端は対称的な収束先細になるように出口流路２２０を形成することができる。もしくは、出口流路２２０はその長さに沿って一定の径を有することができる。毛細管２３０は好ましくは、出口流路２２０の軸に沿って略位置合わせされる。図示されるように、毛細管２３０は先細ではないが、他の実施形態では毛細管２３０は先細にさせることができる。

図３Ａおよび図３Ｂは、本発明の１実施形態に係るノズル３００の斜視図と断面図とである。図示される実施形態では、ハウジング３５０は略円形の内側断面を画定する。毛細管２３０は図２Ａおよび図２Ｂの毛細管２３０と略同一である。ハウジング３５０は毛細管２３０の外径よりも大きな内径を有するため、ガスが両者間の領域３２０を流れることができる。

図４を参照すると、本発明は、毛細管に穴４１０を設けるステップと、液体を毛細管４２０の近位端に注入するステップと、液体が連続液体噴流４３０として穴の遠位端から発生するように液体にガス圧を印加するステップと、を備える連続液体噴流の生成方法を提供する。

図５を参照すると、毛細管は図１Ｃに類似のハウジング内に配置されている。本実施形態では、加圧ガスが、ハウジングを流れて出口流路から出るようにハウジングに導入される。加圧ガスは不活性ガスを備える、あるいは主成分とすることができる。本文書で使用される「不活性ガス」という用語は、流体および／または分析物の劣化または反応を引き起こさないガスを意味する。ガスは好ましくは、制限されたレベルの酸素および／または水を含有する。しかしながら、水および／または酸素の許容可能レベルは流体および／または分析物に依存し、当業者にとっては容易に自明である。このような大気は好ましくは水素、窒素、二酸化炭素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、揮発性炭化水素ガス、またはそれらの混合物を含むがそれらに限定されないガスを含む。特定の実施形態では、不活性ガスは窒素、ヘリウム、アルゴン、またはそれらの混合物を備える。特定の実施形態では、不活性ガスは窒素を備える。特定の実施形態では、不活性ガスはヘリウムを備える。特定の実施形態では、不活性ガスはアルゴンを備える。

加圧ガスは、大気圧の約２〜１００倍、または大気圧の約２〜５０倍、または大気圧の約２〜２５倍、または大気圧の約２〜１５倍、または大気圧の約２〜１０倍の圧力で、より好ましくは、大気圧の約２〜５倍、または大気圧の約３〜５倍、または大気圧の約５〜１００倍、または大気圧の約５〜５０倍、または大気圧の約５〜２５倍、または大気圧の約５〜１５倍、または大気圧の約５〜１０倍、または大気圧の約９〜１００倍、または大気圧の約９〜５０倍、または大気圧の約９〜２５倍、または大気圧の約９〜１５倍の圧力でハウジングに供給することができる。

いくつかの実施形態では、流体は分析物を備える。流体は好ましくは、異種混合または同種溶液、あるいは第２の流体内の分析物の粒子懸濁液を備える。流体は、結晶形状を含む所望の分子配座で分析物を保持しつつ分析物含有流を形成する、水と、洗剤、緩衝剤、抗凝血剤、凍結防止剤、脂質、および／またはその他の添加物（たとえば、蔗糖）を必要に応じて含有する各種水溶液を含むがそれらに限定されない。特定の実施形態では、流体は、脂質立方相を形成するのに十分な量と濃度の脂質水溶液（たとえば、モノオレインまたはモノパルミトレイン）および任意の緩衝剤を備える。たとえば、引用により全文を本文書に組み込むＬａｎｄａｕらのＰｒｏｃ．Ｎａｔｌ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．１９９６、９３、１４５３２〜５３５を参照されたい。

好適な分析物は、タンパク質、タンパク質複合体、ペプチド、ヌクレイン酸（たとえば、ＤＮＡ、ＲＮＡ、ｍＲＮＡ）、脂質、感応性ナノ粒子、ウィルス、バクテリア、全細胞などを含むがそれらに限定されない。特定の実施形態では、分析物は光化学系Ｉ（ＰＳＩ）を含むがそれに限定されないタンパク質複合体である。特定の他の実施形態では、流体は、分析物（たとえば、ＰＳＩなどのタンパク質）、脂質水溶液（たとえば、モノオレインまたはモノパルミトレイン）、および任意の緩衝剤を、脂質立方相を形成するのに十分な量と濃度で備える。

流体は好ましくは、大気圧の約２〜３５倍の圧力、より好ましくは、大気圧の約１０〜２０倍、または大気圧の約１５〜２０倍の圧力で毛細管に供給される。
本実施形態では、ガスは、毛細管１３０から発生する液体流にガス動力を印加し、液体流の径を大幅に低減する。液体流は好ましくは圧縮され、微細径の連続的な線形の繊維状液体噴流６１０として現れる。液体噴流６１０は、発生する毛細管穴６３２よりもずっと小さくすることができる。

たとえば、本発明の方法により第２の流体に関して形成される噴流は２０μｍ未満の径を有することができる。より好ましくは、滴は１９μｍ、１８μｍ、１７μｍ、または１６μｍ未満の径を有する。さらに好ましくは、滴は１５μｍ、１４μｍ、１３μｍ、１２μｍ、１１μｍ、１０μｍ、９μｍ、８μｍ、７μｍ、６μｍ、５μｍ、４μｍ、３μｍ、２μｍ、１μｍ、または１００ｎｍ未満の径を有する。他の実施形態では、本発明の方法により形成される液滴は約１〜２０μｍ、または約１〜１９μｍ、または約１〜１８μｍ、または約１〜１７μｍ、または約１〜１６μｍ、または約１〜１５μｍ、または約１〜１４μｍ、または約１〜１３μｍ、または約１〜１２μｍ、または約１〜１１μｍ、または約１〜１０μｍ、または約１〜９μｍ、または約１〜８μｍ、または約１〜７μｍ、または約１〜６μｍ、または約１〜５μｍの径を有する。他の実施形態では、本発明の方法により形成される液滴は、約１００ｎｍ〜２０μｍ、または約１００ｎｍ〜１９μｍ、または約１００ｎｍ〜１８μｍ、または約１００ｎｍ〜１７μｍ、または約１００ｎｍ〜１６μｍ、または約１００ｎｍ〜１５μｍ、または約１００ｎｍ〜１４μｍ、または約１００ｎｍ〜１３μｍ、または約１００ｎｍ〜１２μｍ、または約１００ｎｍ〜１１μｍ、または約１００ｎｍ〜１０μｍ、または約１００ｎｍ〜９μｍ、または約１００ｎｍ〜８μｍ、または約１００ｎｍ〜７μｍ、または約１００ｎｍ〜６μｍ、または約１００ｎｍ〜５μｍｍの径を有する。

図示される実施形態では、ハウジングガス圧は１５０ｐｓｉであり、液体は１気圧の背圧を印加した１．４モル蔗糖溶液である。毛細管の内径は５０ミクロンであり、連続液体噴流６１０は１５ミクロン径まで低減される。

１実施形態では、該方法は液体にガス背圧を印加することをさらに備える。脂質立方相（ＬＣＰ）（約５００Ｐａ・ｓ）または１．４Ｍ蔗糖水溶液（２５℃で０．０８１Ｐａ・ｓ）などの特定の高粘度流体をノズルに投入し、微細線形液体噴流をもたらすことができる。その他多数の流体も微細線形液体噴流をもたらすことができる。ガス背圧は、ガス圧なしでは押出できなかったであろう粘性液体も毛細管穴を通って配送するのを助ける。

本文書で使用される「高粘度」は、水の粘度（２０℃で１．００センチポアズ）よりも大幅に高い粘度を意味する（たとえば、オリーブオイル（８４センチポアズ）やひまし油（９８６ｃｐ）などの油は高粘度と考えられる）。管を通る層流（ポアズイユ流れ）の場合、容積流量は流体粘度に反比例し、管に沿った単位長当たりの圧力低下に正比例し、管半径の４乗で変動する。したがって、管に沿って前後方向に所与の圧力が印加される場合、容積流量は粘度の増大に伴って減少し、管半径の減少に伴い激減する。したがって、適応可能な粘度の有効上限を設定するのは管径と所要の圧力である。

ノズルが真空に配置されると、液体噴流はガスの自由噴流膨張の影響を受ける。これにより、液体は微細連続流に押出され、液滴への分解が遅延される。
ガス背圧は様々に印加することができる。たとえば、１実施形態では、高圧力管が液体容器に連結され、そして容器が毛細管に連結される。液体はシリンジで、または組立前に、または当業者にとって既知なその他の任意の方法で容器に導入することができる。ガス圧は当業者に慣れた方法で高圧管に印加することができる。ガス圧は約６００ｐｓｉ〜約２０００ｐｓｉの範囲で印加することができる。１実施形態では、６００〜２０００ｐｓｉの乾燥窒素ガスが印加される。その他のガス圧源も十分に既知であり、使用することができる。流体の材料と所望の流量に応じてより高いまたは低い圧力を印加することができる。印加される圧力に応じて、流量は約１ｎＬ／分〜約１０μＬ／分とすることができる。しかしながら、より多いまたは少ない流量も可能である。特定の実施形態では、流量は約１００ナノリットル／分未満とすることができる。

他の実施形態では、約１気圧〜約１００気圧の低ガス圧を使用することができる。たとえば、１．４Ｍ蔗糖水溶液を線形連続流に押出するのに１気圧を利用することができる。
図６は、本発明の１実施形態に係る液体の押出装置を示す。本実施形態では、該装置は、３０ミクロン毛細管穴を有する毛細管と、最大２０００ｐｓｉの圧力を供給するポリエチルエチルケトン（ＰＥＥＫ）管と、液体容器とを備える。

図７は、本発明の１実施形態により押出されつつある液体の一連の写真を示す。本実施形態では、液体はＬＣＰ（２５℃で約１，８２０，０００ｃｐの粘度を有する）であり、毛細管穴は３０ミクロンの径を有する。ＬＣＰは１５００ｐｓｉのガス背圧を印加され、ハウジングガス圧はない。押出されるＬＣＰ流の径は３０ミクロンである。ハウジングガス圧がないため、連続液体噴流は毛細管穴と等価の径を有し、毛細管を出た後に丸まる。ハウジングガス圧は、流れに印加される力のために略直線的な連続液体噴流を維持することができる。

別の側面では、本発明は、（ｉ）真空オリフィスとインジェクタオリフィスとを備え、真空分析システムと共に使用されるように構成されるチャンバと、（ｉｉ）上述するようなノズルであって、ノズルの出口流路がチャンバに出力し、インジェクタオリフィスと略位置合わせされるノズルと、を備えるインジェクタを提供する。

本文書で使用される２つのオリフィスに対して「略位置合わせされ」という用語は、第１のオリフィスの中心で第１のオリフィスによって画定される面に垂直なベクトルが、第２のオリフィスによって画定される面と交差し略垂直であり（たとえば、９０度＋／−１０度、好ましくは＋／−５度）、第２のオリフィスの境界内で第２のオリフィスによって画定される面と交差することを意味する。より好ましくは、第１のオリフィスの中心で第１のオリフィスによって画定される面に垂直なベクトルが、第２のオリフィスによって画定される面と略垂直であり、第２のオリフィスの中心（たとえば、オリフィスの総径の１０％内、好ましくは５％内）で第２のオリフィスによって画定される面と交差することを意味する。

本発明のインジェクタを作動させる際、真空が真空オリフィスを介してチャンバ内で維持され、上述したように液体噴流がノズルによって供給される。好ましくは、インジェクタ内の真空は、真空分析システム内で維持される真空以下のレベルで維持される。

インジェクタにより、液体噴流を真空分析システムに注入することができる。このようなシステムは、超高真空（ＵＨＶ）または高真空（ＨＶ）〜１気圧の圧力下で分析されるサンプルを含むことができる（たとえば、環境走査型電子顕微鏡（ｅ−ＳＥＭ）または環境トンネル式電子顕微鏡（ｅ−ＴＥＭ））。たとえば、サンプルは約１００トル〜約１０^−９ミリバールの圧力下で分析することができる。特定の実施形態では、サンプルは、環境撮像方法に適した圧力、たとえば約０．１トル〜１００トル、または０．１トル〜１０トル、または０．１ミリバール〜１トルを含むがそれらに限定されない圧力下で分析される。

本発明の１実施形態では、本発明のインジェクタが、真空オリフィスを介して第１のチャンバに真空を設ける真空ポンプをさらに備える。
好適な実施形態では、インジェクタオリフィスは簡易な孔を備える。第３の側面の別の好適な実施形態では、インジェクタオリフィスは管を備える。第３の側面のより好適な実施形態では、インジェクタオリフィスは分子ビームスキマーをさらに備える。

本発明のインジェクタは、ノズルの出口流路とインジェクタオリフィスとを位置合わせするアライナーをさらに備えることができる。このようなアライナーは、つまみネジ、あるいは毛細管をインジェクタオリフィスに対して横方向および軸方向に移動させる高精度な機械的駆動装置または圧電駆動装置などの機械圧電装置などの機械的位置合わせを含む。アライナーは本発明のインジェクタおよび／または貫通真空シールを備えるアセンブリ内で封止させることができるため、ノズルと周囲プレナムとの間の物理的連通がノズル出口オリフィスを介して、プレナムと周囲大気との間の物理的連通がインジェクタオリフィスを介して行われる。

図８〜１１に示す第４の側面では、たとえば、本発明は、（ａ）近位端で入口開口部８０５、遠位端でラバルノズル８１０で全側面を囲まれる空隙を画定するハウジング８００であって、ラバルノズル８１０が集束−散開流路を画定し、ハウジング出口８１５が集束−散開流路が圧縮される点でラバルノズル８１０内に画定されるハウジング８００と、（ｂ）同軸空間８２５が毛細管８２０の一部とハウジング８００の一部との間に維持されるようにハウジングの空隙内に配置される毛細管８２０であって、遠位端８３０は任意で先細にされる毛細管８２０と、（ｃ）毛細管８２０によって画定される少なくとも１つの穴８３５であって、少なくとも１つの穴の近位端は毛細管入口８４０を画定し、少なくとも１つの穴の遠位端が毛細管出口８４５を画定し、毛細管出口８４５がハウジング出口８１５を超えて延在しない少なくとも１つの穴と、を備えるノズルアセンブリを提供し、（ｄ）ハウジング８００は第１の推進流路８５０と第２の推進流路８５５とをさらに画定し、第１および第２の推進流路８５０、８５５はそれぞれ同軸空間８２５に略直角に配置され、同軸空間８２５と流体連通する。

本文書で使用される「ラバルノズル」とは、非対称の砂時計形状の集束−散開流路を意味する。ラバルノズルは、ハウジング出口８１５を画定する圧縮部を通過する第１および第２の流体を加速させるために使用され、集束から散開へと移行する。よって、好適な実施形態では、ノズル圧縮部を通る流体の加速という最大限の恩恵を得るために、毛細管出口８４５はハウジング出口８１５の近接位置を維持する。１実施形態では、ハウジング出口８１５は図９に示すような矩形断面を有する。

本文書で使用される「同軸空間」とは、略一定の分離がハウジングの一部と毛細管の外面の一部との間で維持されていることを意味する。
第４の側面の１実施形態では、第１の推進流路８５０と第２の推進流路８５５とは図８に示すようにハウジング８００の対向側に配置される。流体は第１および第２の推進流路８５０、８５５に注入され、同軸空間８２５に流れ込み、その後ハウジング出口８１５を通って出て、集束−散開流路８１０の散開部８１１に入る。このようにハウジング８００の対向側に第１および第２の推進流路８５０、８５５を配置する利点は、同軸空間８２５内に流体が均等に分布されることである。

図１１に示す第４の側面の１実施形態では、本発明は、集束−散開流路８１０の散開部８１１の第１の側８６５でハウジング８００内に画定される第１の切換流路８６０と集束−散開流路８１０の散開部８１１の第２の側８７５でハウジング８００内に画定される第２の切換流路８７０とをさらに設け、第１および第２の切換流路８６０、８７０がそれぞれ集束−散開流路８１０の散開部８１１と流体連通する。後述するように、動作中、液体噴流８８０が、切換流路８６０の配置される散開部側の境界層８６５に沿って流れるとき、切換流路８６０は別の風を液体噴流８８０に方向付ける。風は境界層を乱し、液体噴流８８０を散開部８１１の反対側の境界層８７５に切り換える。その後、液体噴流８８０は、液体噴流８８０に隣接している他方の切換流路８７０を通って方向付けられる第２の別の風によって元の境界層８６０に送り戻すことができる。一方の境界層から他方の境界層へ流れを切り換える機能は、より詳細に後述するように、Ｘ線パルス期間中のみ液体噴流８８０を送ることによって流体を節約する方法を提供する。

第５の側面では、本発明は、（ａ）本発明の第４の側面に係るノズルアセンブリを設けること、（ｂ）第１の流体を第１および第２の流路８５０、８５５に注入すること、および（ｃ）第２の流体を毛細管入口８４０に注入すること、を備える液体噴流８８０の生成方法を提供する。１実施形態では、第１の流体はヘリウムガスである。

本文書で使用される「液体噴流」は、流体８８０の略一定流から滴８８５の縦列流までに及ぶ。
１実施形態では、上記方法は、集束−散開流路８１０の上流−下流圧力比を約１．０３〜約１．８９に維持することによって亜音速流で動作させることをさらに備える。本文書で使用される「上流」はラバルノズル８１０の集束部で維持される圧力を指し、「下流」はラバルノズル８１０の散開部８１１で維持される圧力をさす。集束部および散開部の圧力は、ラバルノズル８１０の形状と、液体が第１および第２の推進流路８５０、８５５に注入されるときの圧力とに基づき算出することができる。

図１０に示す別の実施形態では、該方法は、（ａ）集束−散開流路８１０の散開部の第１の側８６５の境界層に沿って液体噴流８８０，８８５を形成することと、（ｂ）第１の風を第１の切換流路８６０に注入すること、および（ｃ）第１の風に応答して、液体噴流８８０、８８５を集束−散開流路８１０の散開部８１１の第２の側８７５の境界層に切り換えること、をさらに備える。図１０に示す追加の実施形態では、該方法は（ａ）第２の風を第２の切換流路８７０に注入すること、および（ｂ）第２の風に応答して、液体噴流８８０，８８５を集束−散開流路８１０の散開部８１１の第１の側８６５の境界層に切り換えること、をさらに備える。上記実施形態のいずれも、集束−散開流路８１０の散開部８１１が大気圧で維持されるときに達成される。

図１０に示すさらに別の実施形態では、該方法は、（ａ）真空下で集束−散開流路８１０の散開部８１１を動作させることと、および（ｂ）真空下での動作に応答して、第１の側８６５と集束−散開流路８１０の散開部８１１の第２の側８７５との間で略中心に来る液体噴流８８０，８８５を生成することと、をさらに備える。

追加の実施形態では、該方法は、パルスＸ線ビーム全体にわたって液体噴流８８０を方向付けることをさらに備える。ここでは、ライナック干渉光源などの非常に強力なＸ線源が１フェムト秒パルス期間適用され、その間、真空下の液体噴流８８０はＸ線の経路全体にわたって方向付けられ、結晶学を利用して結果を捕捉する実験を行う。

第６の側面では、本発明は、（ａ）スピンコートされたフォトレジストをシリコンウェハに所望のパターンでソフトベークすることと、（ｂ）フォトレジストをフォトマスクを介してＵＶ光にさらすことと、（ｃ）フォトレジストを化学的に現像することと、（ｄ）フォトレジストをハードベークして凹型を形成することと、（ｅ）未硬化ポリ（ジメチルシロキサン）を凹型に流し込んで、空隙および複数の微小流路を画定する層８９０を形成することと、たとえば図９に示すように（ｆ）ポリ（メタクリル酸メチル）の上スラブ８９１と下スラブ８９２との間に層を固定することと、を備える第４の側面のノズルアセンブリのハウジングの製造方法を提供する。

具体的な実施形態を図示し説明したが、当業者によって、同じ目的を達成するように算出される任意の構成を図示される具体的な実施形態と置き換えることができると理解される。本願は、本発明の実施形態のいかなる改変または変形も対象とすることを目的とする。上記の説明は例示のためであり、限定のためではなく、本文書で採用される述語または用語は限定ではなく説明を目的とすると理解すべきである。上記実施形態およびその他の実施形態は、特段明記されない限り、上記の説明を検討後に当業者にとって自明であるように組み合わせることができる。たとえば、第２の側面は第１または第４の側面と組み合わせることができる。同様に、第６の側面は第１または第４の側面と組み合わせることができる。本発明の範囲は、上記の構造および製造方法の実施形態が使用されるその他の任意の用途を含む。本発明の実施形態の範囲は、これらの実施形態に関連する請求項と共に、請求項が権利を有する均等物の全範囲にわたって判断されるべきである。

Claims (38)

1. 遠位端が出口流路を画定するハウジングと、
   前記ハウジング内に配置され、遠位端が任意で先細である毛細管と、
   前記毛細管によって画定される少なくとも１つの穴であって、前記出口流路外に配置される毛細管出口を前記毛細管の遠位端に画定する穴と、
   を備えるノズルアセンブリ。
2. 前記毛細管が前記出口流路の軸に沿って略位置合わせされる請求項１に記載のノズルアセンブリ。
3. 前記少なくとも１つの穴が前記毛細管の中心軸と位置合わせされる単独の穴を含む請求項１〜２、又は２６〜２９に記載のノズルアセンブリ。
4. 前記単独の穴が前記毛細管の中心軸から散開する請求項３に記載のノズルアセンブリ。
5. 前記少なくとも１つの穴が前記毛細管の中心軸と平行であるが、同中心軸から間隔をおいて配置される請求項１〜４、又は２６〜２９のいずれか一項に記載のノズルアセンブリ。
6. 前記毛細管の前記先細端が略円錐状である請求項１〜５、又は２６〜２９のいずれか一項に記載のノズルアセンブリ。
7. 前記毛細管がホウ珪酸塩から成る請求項１〜６、又は２６〜２９のいずれか一項に記載のノズルアセンブリ。
8. 前記毛細管の前記先細端が複数の平面状平坦部を画定する請求項１〜７、又は２６〜２９のいずれか一項に記載のノズルアセンブリ。
9. 前記毛細管の前記先細端が前記出口流路に収容される請求項１〜８のいずれか一項に記載のノズルアセンブリ。
10. 前記ハウジングの内壁と前記毛細管の外壁との間に同軸空間が形成されるように前記ハウジングの内径が前記毛細管の外径よりも大きい請求項１〜９のいずれか一項に記載のノズルアセンブリ。
11. 前記ハウジングが略正方形の内側断面を画定する請求項１〜１０のいずれか一項に記載のノズルアセンブリ。
12. 前記毛細管が凹凸を備える請求項１〜１１、又は２６〜２９のいずれか一項に記載のノズルアセンブリ。
13. 前記少なくとも１つの穴にガス圧を印加するように構成される装置をさらに備える請求項１〜１２、又は２６〜２９のいずれか一項に記載のノズルアセンブリ。
14. 穴と毛細管出口とを有する毛細管と、
    前記穴に接続される液体容器と、
    前記液体容器に接続されるガス圧源と、
    を備える連続液体噴流の生成システム。
15. 室内容積と出口流路とを有するハウジングをさらに備え、前記毛細管が前記ハウジングの前記室内容積内に配置される請求項１４に記載のシステム。
16. 前記毛細管が前記出口流路を超えて延在する請求項１５に記載のシステム。
17. 毛細管に穴を設けることと、
    液体を前記穴の近位端に注入することと、
    前記液体が連続液体噴流として前記穴の遠位端から発生するように前記液体に圧力を印加することと、
    を備える連続液体噴流の生成方法。
18. 前記穴の前記遠位端を真空に置くことをさらに備える請求項１７に記載の方法。
19. 出口流路を有するハウジングを設けることと、前記毛細管を前記ハウジングに挿入することとをさらに備える請求項１７に記載の方法。
20. 前記出口流路を通って出る加圧ガスを前記ハウジングの近位端に入れることをさらに備える請求項１９に記載の方法。
21. 前記液体が脂質立方相を備える請求項１７〜２０のいずれか一項に記載の方法。
22. 前記液体が蔗糖水溶液を備える請求項１７〜２０のいずれか一項に記載の方法。
23. 前記連続液体噴流が約５０ミクロン未満の径を有する請求項１７〜２２のいずれか一項に記載の方法。
24. （ｉ）真空オリフィスとインジェクタオリフィスとを備え、真空分析システムと共に使用されるように構成されるチャンバと、
    （ｉｉ）請求項１〜１３のいずれか一項のノズルと、
    を備え、前記ノズルの前記出口流路が前記チャンバに出力し、前記インジェクタオリフィスと略位置合わせされるインジェクタ。
25. 前記チャンバが透過型電子顕微鏡と共に使用されるように構成される請求項２４に記載のインジェクタ。
26. 近位端で入口開口部、遠位端でラバルノズルで全側面を囲まれる空隙を画定するハウジングであって、前記ラバルノズルが集束−散開流路を画定し、前記集束−散開流路が圧縮される点でハウジング出口がラバルノズル内に画定されるハウジングと、
    同軸空間が毛細管と前記ハウジングとの間に維持されるように前記ハウジングの空隙内に配置される毛細管であって、遠位端が任意で先細にされる毛細管と、
    前記毛細管によって画定される少なくとも１つの穴であって、前記少なくとも１つの穴の近位端が毛細管入口を画定し、前記少なくとも１つの穴の遠位端が毛細管出口を画定し、前記毛細管出口が前記ハウジング出口を超えて延在しない少なくとも１つの穴と、
    を備えるノズルアセンブリであって、
    前記ハウジングが第１の推進流路と第２の推進流路とをさらに画定し、前記第１および第２の推進流路がそれぞれ同軸空間に略直角に配置され、前記同軸空間と流体連通するノズルアセンブリ。
27. 前記ハウジング出口が矩形断面を有する請求項２６に記載のノズルアセンブリ。
28. 前記第１の推進流路と前記第２の推進流路とが前記ハウジングの対向側に位置する請求項２６又は２７に記載のノズルアセンブリ。
29. 前記集束−散開流路の散開部の第１の側で前記ハウジング内に画定される第１の切換流路と前記集束−散開流路の前記散開部の第２の側で前記ハウジング内に画定される第２の切換流路とをさらに備え、前記第１および第２の切換流路がそれぞれ前記集束−散開流路の前記散開部と流体連通する請求項２６〜２８のいずれか一項に記載のノズルアセンブリ。
30. 請求項２６〜２９のいずれか一項によるノズルアセンブリを設けることと、
    第１の流体を前記第１および第２の推進流路に注入することと、
    第２の流体を前記毛細管入口に注入することと、
    を備える液体噴流の生成方法。
31. 前記集束−散開流路の上流−下流圧力比を約１．０３〜約１．８９に維持することによって亜音速流で動作させることをさらに備える請求項３０に記載の液体噴流の生成方法。
32. 前記第１の流体がヘリウムガスである請求項３０又は３１に記載の液体噴流の生成方法。
33. 集束−散開流路の散開部の第１の側の境界層に沿った液体噴流を生成することと、
    第１の風を第１の切換流路に注入することと、
    前記第１の風に応答して、前記液体噴流を前記集束−散開流路の前記散開部の第２の側の境界層に切り換えることと、
    を備える請求項３０〜３２のいずれか一項に記載の液体噴流の生成方法。
34. 第２の風を第２の切換流路に注入することと、
    前記第２の風に応答して、前記液体噴流を前記集束−散開流路の前記散開部の前記第１の側の前記境界層に切り換えることと、
    をさらに備える請求項３３に記載の液体噴流の生成方法。
35. 前記集束−散開流路の散開部が大気圧で維持される請求項３０〜３４のいずれか一項の液体噴流の生成方法。
36. 真空下で前記集束−散開流路の散開部を動作させることと、
    真空下での動作に応答して、前記集束−散開流路の前記散開部の前記第１の側と第２の側との間で略中心に来る液体噴流を生成することと、
    を備える請求項３０〜３４のいずれか一項に記載の液体噴流の生成方法。
37. パルスＸ線ビーム全体にわたって前記液体噴流を方向付けること
    をさらに備える請求項３０〜３６のいずれか一項に記載の液体噴流の生成方法。
38. スピンコートされたフォトレジストをシリコンウェハに所望のパターンでソフトベークすることと、
    前記フォトレジストをフォトマスクを介してＵＶ光にさらすことと、
    前記フォトレジストを化学的に現像することと、
    前記フォトレジストをハードベークして凹型を形成することと、
    未硬化ポリ（ジメチルシロキサン）を前記凹型に流し込んで、空隙および複数の微小流路を画定する層を形成することと、
    ポリ（メタクリル酸メチル）の上スラブと下スラブとの間で前記層を固定することと、
    を備える請求項２６〜２９のいずれか一項の前記ハウジングの製造方法。