JP4308732B2 - マイクロ流体滴定装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体試料を滴定するための装置に関し、より詳細には、マイクロ流体試料操作チャネルと、それに連通している滴定チャンバとを備える、試料の滴定分析を実施するための分析チップに関する。

滴定は、例えば、試料中の所望の化合物の濃度を決定するために、一般に使用されているなじみの深い化学分析法である。当然ながら、滴定分析を行うために、多くの様々な手順や技法が用いられる。それにもかかわらず、簡単に言うと、たいていの滴定方法は、滴定剤と試料との化学量論的当量点を決定するために、標準溶液（「滴定剤」）を正確に調整された滴下量にて試料溶液中に加える必要がある。滴定剤は、試料と既知の様式で反応する既知の濃度の化合物からなる。滴定剤はまた、滴定剤中の化合物が試料と反応する際に応答する染料のような指示薬化合物を含むことがある。即ち、指示薬は、滴定剤と試料との反応が「終点」に達した際に反応する。終点は、ｐＨなどの他のいくつかの基準によって示すこともできる。終点を判定するために用いられる尺度に関係なく、終点に達したときは、２つの溶液が化学量論的に等価となっており、試料中の所望の化合物の濃度を求めることができる。

標準の滴定は、多くの研究施設において日常的に実施されているが、その試験は、一般的に、比較的複雑である。例えば、ほとんどの滴定では、少なくとも比較的高度な訓練を受けた技術者が、標準溶液を調製し、機器を洗浄し設置し、機器を較正し、溶液を慎重に調製し、滴定を実行することが必要とされる。その後で、結果を算出しなければならない。比較的複雑な定型的滴定分析の例として、アメリカ環境保護局から発表されている試験手順に従って、全アルカリ度が約１０〜２５０ｍＬ／Ｌ（ＣａＣＯ_３換算）の範囲にあるアルカリ度を有する水試料の、全アルカリ度を決定することが挙げられる。当該分析では、正確に量られた試料を、酸を用いて所定のｐＨにまで滴定する必要がある。技術者は、ガラス容器や他の機器を洗浄し設置する他に、原液（ｓｔｏｃｋ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を調製しなければならない（当該試験用の標準滴定剤は０．０２００ＮのＨ_２Ｓ０_４であり、また、ｐＨメータ較正用のｐＨ緩衝液（一般に７．０と４．５）を調製しなければならない）。原液のアルカリ度制御溶液（ｓｔｏｃｋ ａｌｋａｌｉｎｉｔｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）も調製され、一般に蒸留水中に既知濃度のＮａ_２ＣＯ_３を含むものである。これらの調製が完了したら、既知の量の試料に、ｐＨが４．５になるまで、正確に調製された滴下量にて滴定剤を添加する。その後、ＣａＣＯ_３換算の全アルカリ度が、（滴定剤のｍｌ）×１０として算出される。

以上の滴定方法は、時間がかかり、従って高価で、比較的複雑で、誤差を生じやすいことは理解されよう。従来の滴定に関連する以上の問題点及びその他の問題点を考慮して、迅速に、正確且つ高精度に、低コストで、誤差を生じる変数をほとんど用いることなく、滴定を実施する装置及び方法が必要とされている。

これらの必要性に取り組む装置及び方法を以下に詳しく説明する。本発明の利点及び特徴は、以下の明細書及び図面を参照することにより明らかになるであろう。

例示する装置は、流体試料入口ポートを画定する第１のオリフィスを有する本体部材と、第１の端部において試料入口ポートとその各々が連通している複数のマイクロ流体チャネルとから構成されるマイクロ流体滴定チップを表している。複数の滴定チャンバの各々は、マイクロ流体チャネルと流体連通しており、且つ各滴定チャンバはまた、空気管理ポートとも連通している。滴定チャンバの各々は滴定剤を含んでおり、どのチャンバに関しても、滴定剤濃度は他のチャンバの滴定剤濃度とは異なっている。

本発明によって、迅速に、正確且つ高精度に、低コストで、滴定を実施するための、装置及び方法が提供される。

本発明は、流体試料を滴定するための、一体化された自立型装置を提供する。本発明は、受動的毛管現象によって試料を複数のマイクロ流体チャネルを介して複数の滴定チャンバ内に送ることにより、チップ内への試料の導入を容易にする。各滴定チャンバには、実施する滴定の特定の種類に応じて選択された試薬及び指示薬が較正された量にて予め充填されている。各滴定チャンバは、空気管理チャンバに接続され、それによって受動毛管現象による試料流体の移動（マイクロ流体チャネルを介して吸入口から滴定チャンバへと）が促進される。滴定チャンバ内に事前に充填されている試薬及び指示薬に応じて、任意の種類の滴定分析を実施することができる。本発明の装置は、多くの場面で使用することができるが、特に、より伝統的な試料収集機器及び分析機器を使用することが困難な又は不可能な水試料の現地分析にとって有効である。さらに、本明細書では、本発明を、主に、水をサンプリング又は分析するのに用いる分析装置としてのその用途に関して説明するが、本発明は、他の流体を滴定するためにも使用できる。

本発明は、一実施形態において、流体試料（例えば、水）を滴定するための複数の滴定チャンバを備えるマイクロ流体チップ装置を含む。後に詳述するように、各滴定チャンバには、較正された量の試薬と指示薬が予め充填されており、その場合、任意の所与の滴定チャンバの試薬濃度は厳密に制御されており、滴定チャンバ内の試料体積は既知である。各チップが、異なる濃度の「滴定剤」をそれぞれ収容している複数の滴定チャンバを備えているため、単一チップ内で一連の滴定がもたらされる。試料が滴定チャンバに導入され、滴定チャンバの緩衝容量を超えた場合には、指示薬が、それら滴定チャンバ内で変色する。本明細書に示すチップは、特に当該チップと共に使用されるよう設計された分析機器と共に用いられる。当該分析機器は、滴定チャンバ内で起こる色の変化を検出するよう設計されている。どの滴定チャンバが緩衝容量を超え、どの滴定チャンバが緩衝用量を超えなかったかを検出することによって、所望のパラメータを、迅速、正確、高精度且つ容易に決定することができる。現場で取得したデータを迅速に収集し記憶させるために、当該機器を携帯情報端末やラップトップコンピュータなどのマイクロプロセッサに接続することもできる。当該分析機器は、本発明の一部を構成するものではないが、本発明に対する理解を容易にするために、本明細書において概略的に説明する。

図１〜図６に、単一マイクロ流体滴定チップ１０の第１の例示的実施形態を示している。図１は、マイクロ流体滴定チップ１０を図で概略的に再現したものであり、これは、本発明の一態様にしたがって滴定分析を実施するよう構成されている。図１に示すチップ１０は、チップの構造と作動に関して詳細な情報を提供するため、きわめて概略的に示していることを理解されたい。

図２を参照すると、チップ１０は、上側層１２と下側層１４を有する複合物基材から構成される。後に説明するように、各層１２及び１４は、別々に製造される。２つの層１２及び１４は、使用される材料に十分な光学的透明性と材料整合性があれば、ガラス、シリコン材料、及びプラスチックをも含む様々な材料から製造することができる。

上側層１２は、下側層１４に形成されている試料分配チャンバ１８と連通している試料入口ポート１６を画定するオリフィスを備えるプレートである。図１〜図６に示す実施形態では、上側層１２はさらに、２０ａ〜２０ｏと付された複数の空気管理ポートを備える。各空気管理ポート２０ａ〜２０ｏの各々は、下側層１４に形成されている異なる滴定チャンバと流体連通しており、従って、それと関連付けられている。図１〜図４において、滴定チャンバは、符号２２ａ〜２２ｏを付して示されている。

試料入口ポート１６は、上側層１２の上面２４を貫通する開口を画定し、この開口は、上側層を下面２６まで完全に貫通しており、それによって、当該開口は、下側層１４の試料分配チャンバ１８への流体経路を画定している。図２。下側層１４の上面２８には、複数の流体搬送マイクロ流体チャネル３２が形成されている。下側層１４の下面には、符号３０を付している。図１では、３２ａ〜３２ｏと付されている独立した１５のマイクロ流体チャネル３２がある。各チャネル３２は、第１端の試料分配チャンバ１８から、第２端の各々の滴定チャンバ２２まで連通している流体流路を画定している。マイクロ流体チャネル３２は、分析される流体（例えば、水）が、チャネルを通って滴定チャンバ内に流れるように寸法決めされている。前述のように、空気管理ポート２０は、関連する滴定チャンバと流体連通されている。しかしながら、上面２４から滴定チャンバ内への開口を画定する空気管理ポート２０は、分析する流体が空気管理ポート２０に流入できないように寸法決めされている。空気管理ポート２０は、毛管現象による流体の流れを促進することによって、流体搬送マイクロ流体チャネル３２を介する滴定チャンバ内への試料流体の移動を制御し管理するために設けられている。用語「受動的毛管現象」は、チップ１０内の毛管現象による流体の移動は能動的メカニズムによって生じないため、本明細書において時々使用される。この代わりに、図１に示すような大気に対して開放された空気管理ポート２０によってもたらされる空気管理機能は、大気に対して開放されていない空気管理ポートを画定するチャンバによって実現することもできる。この構造の例を、図７〜図１２に示しており、これに関しては後に説明する。

前述のように、滴定チャンバ２２ａ〜２２ｏの各々は、後述する分析機器６０のような適切な検出器によって検出される色の変化をもたらす化学反応式滴定分析を実施するよう構成されている。チャンバ内の所望の化学反応を促進するために、試薬や比色指示薬などが滴定チャンバ内に予め充填され、その後で上側層１２と下側層１４とが結合される。こうして、例えば、限定はしないが、チップ１０は、水のアルカリ度を滴定するよう構成される。そのように、滴定チャンバ２２ａ〜２２ｏの各々には、アルカリ度を滴定するのに適した較正された既知の濃度の試薬が予め充填されている。どの単一滴定チャンバの試薬の濃度も、他の滴定チャンバの試薬濃度とは異なる。各滴定チャンバ２２の体積は、既知であり（従って、滴定される液体試料の体積は既知である）、それぞれの他の滴定チャンバと同じなので、任意の所定の滴定チャンバに予め充填されている試薬の量を、累進的な範囲の滴定を実現するように算出することができる。用語「滴定剤」とは、本明細書では、概して、特定の滴定を実施するのに必要な様々な化学物質、安定剤、及び指示薬を示すために用いられる。チップ１０において用いられる特定の滴定剤は、実施する滴定の種類に依存する。

例えば、図４を参照すると、滴定剤は、符号３４を付して表される。滴定チャンバ２２ａ内の滴定剤３４の濃度は、命名規則［３４／２２ａ］で表すことができ、即ち、「［３４／２２ａ］」は、滴定チャンバ２２ａ内の滴定剤３４の濃度を表す。この規則に従えば、隣接する滴定チャンバ２２ｂ内の滴定剤３４の濃度は、［３４／２２ｂ］で表される。一実施形態では、複数の滴定チャンバ２２内の滴定剤の濃度は、以下の通りである。

［３４／２２ａ］＜［３４／２２ｂ］＜［３４／２２ｃ］＜［３４／２２ｄ］．．．＜［３４／２２ｏ］

即ち、各滴定チャンバ内の滴定剤３４の濃度は、最低濃度の滴定剤を収容している滴定チャンバ２２ａから、最高濃度の滴定剤を収容しているチャンバ２２ｏになるに従って高くなる。滴定剤３４の絶対濃度及び量は、当然ながら、実施する特定の滴定、滴定チャンバの容積、使用される試薬などをはじめとする多くの因子に依存し、必要に応じて設定することができる。いずれの場合も、滴定チャンバ２２ａから滴定チャンバ２２ｏまでの滴定剤３４の濃度範囲は、所定の滴定に対して考えられ得る結果の範囲を包含するよう設計されている。

滴定チャンバの数は、図１に示している１５の滴定チャンバから大きく変更することができ、隣接する滴定チャンバ間の滴定剤の濃度差もまた同様に、必要に応じて大きく変化させることができる。一般的に、ｎ個の滴定チャンバを備えるチップ１０における、異なる滴定チャンバ内の滴定剤Ｔの濃度の関係は、以下のとおりである。

［Ｔ_１］＜［Ｔ_２］＜［Ｔ_３］＜［Ｔ_４］．．．［Ｔ_ｎ］

第１の好ましい実施形態では、Ｔ_１とＴ_２との滴定剤３４の濃度差は、Ｔ_２とＴ_３との滴定剤の濃度差と同じである。従って、滴定チャンバは、ある滴定チャンバから隣りの滴定チャンバへの勾配の各増加分が、滴定剤の濃度の点で同等である直線的な連続勾配で構成される。ある滴定チャンバから隣りの滴定チャンバへの滴定剤の濃度の増分は、線形でなくてもよく、例えば対数的な濃度勾配とすることもでき、その場合は、チップ１０によって包括される濃度範囲がさらにより大きくなることが理解されよう。さらに、滴定反応を実施している際に起こる指示薬溶液の変色の様式は、一般にオン／オフ式ではないことが理解されよう。別の言い方をすると、指示薬によって生じる色の変化は、段階的な色相変化をもたらす傾向がある。例えば、一般にｐＨ滴定に用いられる指示薬であるフェノールレッドは、ｐＨ１までの比較的広いｐＨ範囲にわたって色相変化を示す傾向がある。従って、化学量論的当量点は、複数の滴定チャンバの色相変化の分析によって決定することができる。

図４に概略的に示すように、滴定剤３４は、チップ１０を製造する間に、滴定チャンバ内に閉じ込めることが好ましい。滴定剤３４が固体の場合は、滴定剤を単純にチャンバ内に付着させることができる（それぞれの連続したチャンバ内に、異なる、較正した量の滴定剤を付着させる）。滴定剤が、滴定チャンバに容易に閉じ込められない種類の場合には、滴定剤を物理的に捕捉するか化学的に結合させるために、チップ１０を製造する間に滴定チャンバ内に非反応マトリクス化合物を付着させ、それによって、試料が導入されるより前に滴定チャンバ内に滴定剤を維持させると有利である。これに用い得る適切なマトリクス化合物は多数ある。例えば、滴定チャンバの内側面に付着されたポリビニルアルコール（ＰＶＡ）又はナイロンは、様々な滴定剤３４を捕捉し得る物理的マトリクス構造を形成する。同様に、吸収・吸着剤（ｓｏｒｂａｎｔ）型材料を使用して、有機及び無機両方の滴定剤化合物を引きつけ又は結合させることができ、また滴定剤を結合させるマトリクス化合物と組み合わせることができる。適切な吸収・吸着剤として、一般にクロマトカラムに使用される化学的種類の吸収・吸着剤が挙げられる。種々様々なそのような吸収・吸着剤は市販されており、選択された吸収・吸着剤の特定の種類は、実施する試験の種類及び試験に使用される滴定剤、含まれる分子の大きさ、極性、溶解度、環境作動条件などをはじめとする多数の因子に依存する。架橋結合セルロース又はアガロース、液体クロマトグラフィに使用される吸着剤、及びしばしば薄層クロマトグラフィに使用される種類の吸収・吸着剤のような、吸収・吸着剤を使用することができる。使用されるマトリクス化合物並びに吸収・吸着剤材料はどれも、例えば低容積流体調製法などの技法を用いて、単一層材料を付着させることによって、滴定チャンバ壁面に容易にコーティングできることが好ましい。

図５は、チップ１０の上側層１２、詳細には上側層１２の下面２６を示している。図６は、下側層１４の上面２８を示している。図５及び図６は、互いに分解されて、開いた本のように互いに隣接して配置される２つの層１２及び１４を示している。即ち、図５及び図６に示す図においては、上側層１２の下面２６が見えており、また下側層１４の上面２８が見えており、従って、これらの２つの面（２６と２８）は、チップを組み立てるときに互いに結合される。この図では、様々なポート、滴定チャンバ、及びマイクロ流体チャネルをはっきりと確認することができ、２つの層１２及び１４をチップ１０に組み立てるとき（後述するように）、チップは、図１に示す形態に類似する。例示している実施形態のチップ１０は、入口１６、マイクロ流体チャネル３２、及び滴定チャンバ２２の相対位置が、図に示す位置と異なるように配列させて製造し得ることに注意されたい。一例として、チップ１０は、上側層１２の下面２６内に形成されているマイクロ流体チャネル３２や、下側基材１４の上面２８に形成されている滴定チャンバ３２などを有することができる。当業者は、これらの構造の位置が、特許請求の範囲内で広範にわたって調節できることが理解されよう。

図７〜図１２に例示する実施形態に示しているチップ５０は、異なる種類の空気管理チャンバ、詳細には大気に対して開放されていない空気管理チャンバ、を使用している以外は、図１〜図６に示すチップ１０と同一のものである。図１〜図６と関連して使用している同じ符号は、図７〜図１２において同じ構造物を表すために使用される。図７を参照すると、滴定チャンバ２２ａ〜２２ｏの各々は、マイクロ流体チャネル３２を介して試料分配チャンバ１８と流体連通している。しかしながら、図１の実施形態に示すような大気に対して開放されている空気管理ポート２０ａ〜２０ｏは、滴定チャンバ２２から空気管理チャンバ５６まで延在する流体経路を画定しているマイクロ流体チャネル５４ａ〜５４ｏ（各々の滴定チャンバとそれぞれ関連付けられている）と置き換えられている。空気管理チャンバ５６は、滴定チャンバ２２の容積とマイクロ流体チャネル３２の容積とを足し合わせた容積よりもかなり大きい容積を有する、チップ１０内に形成された閉じた空隙である。空気管理チャンバ５６は、大気に対して開放されていないが、滴定チャンバに流入する試料によってマイクロ流体チャネル３２ａ〜３２ｏ及び滴定チャンバ２２ａ〜２２ｏから押し出された空気を全て収容できるだけの大きい容積を有している。前述の空気管理ポート２０と同じように、マイクロ流体チャネル５４は、流体試料（例えば、水）はチャネルに入ることができないが、押し出された空気はチャネル内を通ることができるように寸法決めされている。重ねて、水ではなく空気がチャネル５４内を通るため、受動的毛管現象による滴定チャンバへの流体の流入が促進される。さらに、試料はチャネル５４に流れ込まないため、滴定チャンバ２２の全容積が流体試料で充填される。滴定チャンバの容積は既知であるので、任意の所定の滴定チャンバ内に入った滴定剤の濃度を算出することができる。

チップ１０の製造には、種々のガラス、石英、及びプラスチックをはじめとする種々様々な材料を使用することができる。一般に、上側層１２及び下側層１４の両方は、同じ材料で形成される。チップを製造するのに用いられる材料に関係なく、２つの層のうちの少なくとも１つの層、好ましくは両方の層は、必要に応じて、透明であり、その結果、後述するように、分析機器６０や他の検出器の光源からの光が基材材料を透過でき、それによって分析機器は滴定チャンバ内で生じる比色変化を検出し得る。下側層１４から開始して、分配チャンバ１８、マイクロ流体チャネル３２、及び滴定チャンバ２２を、上面２４までエッチングする（層１４を形成するために使用される材料がエッチングし得ると仮定）。プラスチックを使用する場合は、チャネルとチャンバを成形して層にすることができる。エッチングプロセスは、滴定チャンバの容積が制御され且つ既知であるよう、制御される。使用される空気管理チャンバが、図７〜図１０に示している種類の場合には、空気管理チャンバ１０を、この時点で下側層までエッチングする。次いで、前述のような、特定の滴定に必要とされる全ての化学物質を含む滴定剤３４を、滴定チャンバ２２内に充填する。各滴定チャンバに関しては、滴定チャンバ全体にわたってある範囲の緩衝容量をもたらすために、様々な較正量の滴定剤３４が添加されている。滴定チャンバ内の滴定剤３４を固定化させるために支持マトリクスを使用する場合には、マトリクスを付着させてはならない下側層１４部分をマスクすることによって、チャンバ上にマトリクスを浸漬コーティング又は積層させることができる。さらに、例えばマイクロピペットやｑｕｉｌｌ型マイクロディスペンサによって、任意の適切な方法を用いて滴定剤３４を付着させることができる。あるいはまた、一連の連続したコーティング及びマスキング工程で、マトリクスと滴定剤を組み合わせて付着させることもできる。

試料入口ポート１６及び使用するならば空気管理ポート２２、などの上側層１２のオリフィスは、例えばレーザードリルや他の適切な道具を用いて基材に穴空けすることによって形成される。オリフィスは、２つの層を組み立てたときに、オリフィスが下側層１４の様々な構造に対して所望の向きに整列するように、上側層１２に配置される。

次いで、２つの層１２と１４を向かい合わせて、即ち下側層１４の上面２８が上側層１２の下面２６と対面し、且つ上側層１２中のオリフィスが下側層１４の対応する構造と適切に位置合わせされるよう配置し、この望ましい配置状態で２つの層を互いに結合させる。基材は、例えば非水溶性接着剤、カプセル封止、熱圧縮、ポリアミド及び／又は熱硬化性フィルムなどの任意の適切な方法によって、結合させ得る。２つの層を結合させる方法は、汚染物質を導入せず且つ滴定チャンバ内の滴定剤を劣化させないように選択される。上側層は、滴定チャンバとマイクロ流体チャネルを有効に閉じる。結合され完成したチップ１０は、単独で使用することもでき、かなり小さい場合があるチップの操作を容易にする支持体のような別の構造体に取り付けて用いることもできる。

チップ１０の寸法及びスケールは、所望の滴定種類、滴定する流体、コストなどの因子によって変化させ得る。マイクロ流体チャネル３２及び滴定チャンバの「深さ」は、数ミクロンから数ミリメートルまで変化させ得る。さらに、もっと多量又は少量の試料を処理しやすくするために滴定チャンバの「深さ」を変更することができる。チップ１０は、図示しているような長方形、正方形、楕円、円形又は他の形を含むほとんどの任意形状とすることができる。正方形チップの場合、一辺の大きさは、約０．５ミリメートルからほぼ任意の寸法までとし得る。

上側層１２及び下側層１４は両方とも、光学的に透明であることが好ましい。しかしながら、チップ１０は、層の一方だけが透明になるように製造することもできる。さらに、場合によっては、必要に応じて薄い反射フィルムを下側層１４の下面３０などの、基材の１つの面に付着させることもでき、この目的は、後にさらに詳しく説明する。分析の際、この反射フィルムは、チップ１０へと送られる、分析機器６０からの光の分散を促進する。

標準の滴定は、最初に、流体試料を試料入口ポート１６に導入することによって行われる。試料は、スポイト又はピペット、注入器又は注射針のような任意の都合のよい方法によって、又は例えば入口ポートが流体面より下になるように流体試料中にチップ自体を浸すことによって、入口に導入することができる。試料入口ポート１６は、例えば注射針などをはじめとする、チップ１０に水試料を送るための他の同等の構造物と置き換えることができることに注意されたい。いずれにしても、試料は、入口２０を通って試料分配チャンバ１８を満たし、そこから試料は、マイクロ流体チャネル３２に流入する。試料は、受動的毛管現象によってチャネル３２を通って関連した滴定チャンバに引き込まれ、即ち、水試料は、流体の流れを誘起させる能動的機構を必要とすることなく、反応チャンバに流れ込む。チャネル３２及び関連する滴定チャンバ２２から押し出された空気は、空気管理ポート２０を通る。空気管理ポートは、空気は通り得るが流体は通ることができないほどに孔径が小さく決められているため（例えば、水を滴定する例では、表面張力によって、水が空気管理ポート内に流入するのが阻止される）、滴定チャンバは完全に試料流体によって充填される。

層１２及び１４をガラスを用いて形成し且つそのガラスが十分に清浄な場合には、マイクロ流体チャネルの毛管現象は十分であることが確認された。だがしかし、試料入口ポート１６及びマイクロ流体チャネル３４を、任意に、コーティング又は表面変性法を用いてさらに処理することで、入口ポート内並びに試料分配チャンバ１８とマイクロ流体チャネル３２との境界におけるメニスカスの発生を防止し、毛管現象を促進させることができる。表面処理の具体的な種類は、基材１２を製造するために使用される材料に依存する。例えば、特定のガラスなどのいくつかの材料は、ＳＣ１清浄技術によって清浄にすることができる。様々なプラスチックを使用するような他の場合では、流量特性を改善する自己組織化単層膜などの薄層又は単一層コーティングを、基材に付着させることができる。前述のような空気管理ポート２０によって、マイクロ流体チャネル３２を介する滴定チャンバ２２内への毛管現象による流体の流れが促進され、また試料がマイクロ流体チャネルを通る際には試料によって押し出された空気がポート２０から放出されるため、流体試料は、各滴定チャンバに確実に流入し、それを満たすことができる。重ねて、図１記載の実施形態における、大気に対して開放されている空気管理ポート２０の機能は、図７記載の、滴定チャンバに流体連通している閉じた空気管理チャンバによって同様に実現される。

試料が滴定チャンバ２２に入ると、滴定チャンバ２２に収容されている滴定剤３４は試料と混ざり反応する。図に示しているチップ１０の場合では、１５の異なる滴定チャンバが存在し、各チャンバには、所望の範囲を包含する前述のような異なる濃度の滴定剤３４が収容されている。滴定剤３４と試料との反応が起こるとき、緩衝容量を超えた滴定チャンバでは、滴定剤３４に含まれている染料又は指示薬が変色する。緩衝容量を超えなかった滴定チャンバでは、変色は起こらない。従って、滴定の終点は、変色しなかった滴定チャンバと、それに隣接する変色した滴定チャンバの間に存在する。分解能、即ち滴定の終点の精度は、隣接する滴定チャンバ間の緩衝容量の増分変化量に依存する。それぞれ異なる濃度の滴定剤を含む複数の滴定チャンバを備えるため、チップ１０は、本質的に、複数の滴定を同時に実施し、１つの独立した滴定が各滴定チャンバ内で実施される。滴定の終点は、変色を示していない最後の滴定チャンバと、変色している一連の滴定チャンバとの間にある。一般に、いくつかの滴定チャンバの間で色相変化が存在するため（例えば、変化の大きさは、滴定剤の濃度範囲などの因子に依存する）、終点は、関係のある（又は色相変化の起こっている）滴定チャンバ内の滴定剤の既知濃度に基づいて算出し判定することができる。

滴定チャンバ内の変色は、場合によっては、裸眼又はミクロ倍率やマクロ倍率などの拡大装置を用いて人間の目で検出できる場合がある。より一般的には、分析機器を用いて、滴定の終点を決定する。

次に、図１３を参照すると、どの滴定チャンバに変色が起きたかを決定するための分析機器６０が構成されている。チップ１０と共に使用される分析機器に関するいくらかの内容を提供するために、本明細書では分析機器６０を概略的に示し説明することとする。分析機器６０は、滴定チャンバ２２内に保持された試料の比色変化を検出するのに適しており、且つ分析結果を、分析機器６０内の内部メモリに格納し得る及び／又はコンピュータ７０へ出力し得るデータ形態にて報告するのに適している光学構成要素を備えている。好ましい実施形態では、分析機器６０は、現地に運び込みやすい自立型装置であり、コンピュータ７０は、ハンドヘルドコンピュータやラップトップコンピュータなどの携帯装置である。

試料（例えば、水）を、マイクロ流体滴定チップ１０及び関連する滴定チャンバ２２に導入するとき、チップ１０が滴定反応を起こすのに十分な時間が与えられる。緩衝容量を超えた場合に滴定チャンバ内で起こる変色は、分析機器６０内のチップ１０を通過する光、又はチップ表面に反射フィルムを貼り付けている例では、試料を通過し反射フィルムによって機器内の適切な検出器へと反射される光、の光学特性によって検出することができる。

前述のように、いくつかの場合には、薄い反射フィルムを、基材の一方の面、例えば下側層１４の下面３０に貼り付けることができる。反射フィルムは、分析機器６０内の光源からの光を光学的に分散させる働きを有する白色フィルムが好ましいが、アルミニウムなどの反射フィルムを用いることもできる。この種の構造体（反射フィルム）を使用する場合、分析機器６０の光源からの光は、反射フィルムで反射され、検出器に送られる。

いずれにしても、終点の起こった２つの滴定チャンバがどれか確認した後に、あるいはまた、一連の滴定チャンバが色相変化を示した後に、滴定の結果を算出することができる。例えば、チップ１０が、水のアルカリ度を滴定するよう構成されている場合は、結果は、２つの滴定チャンバ、即ち緩衝容量を超えた（そして変色が起きた）最後の滴定チャンバ、及び緩衝容量を超えなかった（そして変色が起こらなかった）隣りの滴定チャンバの既知の滴定剤濃度から算出して得ることができる。算出結果の精度は、これらの２つの滴定チャンバ間の濃度の増分変化量に依存する。分析機器は、様々な滴定チャンバ内の滴定剤の濃度に基づいて終点を算出するようにプログラムされている。

以上、本発明の例示的実施形態を説明してきたが、当業者は、本発明の範囲内において他の変更を実施し得るものと予想される。本発明の趣旨及び範囲は、説明した例示的実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲によって定義されるような種々の修正及び等価物に拡張されることが理解されよう。

本発明の一実施形態によるマイクロ流体滴定装置の概略平面図（内部構造を破線で示している） 図１の線２−２に沿って切断した、図１記載のマイクロ流体滴定装置の断面図 図１の線３−３に沿って切断した、図１記載のマイクロ流体滴定装置の断面図 図１の線４−４に沿って切断した、図１記載のマイクロ流体滴定装置の断面図 図１記載の２層マイクロ流体滴定装置の上側層の平面図（上側層の下面を示している） 図１記載の２層マイクロ流体滴定装置の下側層の平面図（下側層の上面を示している） 本発明の第２の例示的実施形態によるマイクロ流体滴定装置の概略平面図（内部構造を破線で示している） 図７の線８−８に沿って切断した、図７記載のマイクロ流体滴定装置の断面図 図７の線９−９に沿って切断した、図７記載のマイクロ流体滴定装置の断面図 図７の線１０−１０に沿って切断した、図７記載のマイクロ流体滴定装置の断面図 図７記載の２層マイクロ流体滴定装置の上側層の上面図（上側層の下面を示している） 図７記載の２層マイクロ流体滴定装置の下側層の上面図（下側層の上面を示している） 図１記載のマイクロ流体滴定装置と、当該装置から分析データを収集し、コンパイルし、記憶するのに用いられる関連分析機器の概略図

符号の説明

１０ 本体部材
１６ 流体試料入口ポート
２０ 空気管理ポート
２２ 滴定チャンバ
３２ マイクロ流体チャネル
３４ 滴定剤

Claims (10)

1. 本体への流体試料入口ポート（１６）を画定する第１のオリフィスと、
   その各々が第１の端部において前記試料入口ポート（１６）と関連している複数のマイクロ流体チャネル（３２）と、
   その各々が前記マイクロ流体チャネル（３２）及び空気管理ポート（２０）と流体連通している複数の滴定チャンバ（２２）と、
   を有する本体部材（１０）からなり、
   前記複数の滴定チャンバ（２２）の各々が滴定剤（３４）を含み、前記複数の滴定チャンバ（２２）のうちの任意の１つの滴定チャンバ（２２）内の滴定剤（３４）濃度が、他の滴定チャンバ（２２）内の滴定剤（３４）濃度と異なる、滴定装置。
2. 前記滴定剤（３４）が、所定の属性に関して試料を滴定するように構成されており、且つ緩衝剤及び指示薬を含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記複数の滴定チャンバ（２２）が、滴定チャンバＴ_１〜Ｔ_ｎとして定義され、滴定チャンバＴ_１内の滴定剤（３４）濃度が、滴定チャンバＴ_ｎ内の滴定剤（３４）濃度よりも低い、請求項１に記載の装置。
4. 前記複数の滴定チャンバ（２２）が、滴定チャンバＴ_１、Ｔ_２、．．．Ｔ_ｎとして定義され、滴定チャンバＴ_２内の滴定剤（３４）濃度が、滴定チャンバＴ_１内の滴定剤（３４）濃度よりも所定の増分量だけ高い、請求項３に記載の装置。
5. 隣接する前記滴定チャンバ（２２）間の滴定剤（３４）の濃度差が、Ｔ_１からＴ_ｎまで線形的に増加する、請求項４に記載の装置。
6. 隣接する前記滴定チャンバ（２２）間の滴定剤（３４）の濃度差が、Ｔ_１からＴ_ｎまで対数的に増加する、請求項４による装置。
7. 所定の化学的属性に関して流体を滴定する方法であって、
   （ａ）所定の化学的属性に関して流体を滴定するための既知濃度の滴定剤（３４）をそれぞれ含む複数の滴定チャンバ（２２）を有し、且つ前記複数の滴定チャンバ（２２）が前記滴定剤（３４）の累進的な濃度範囲を画定するように、マイクロ流体チップ（１０）を設けるステップと、
   （ｂ）前記チップ（１０）の入口（１６）に流体を導入するステップと、
   （ｃ）その各々が滴定チャンバ（２２）と連通している、前記チップ内の複数の流体経路（３２）中に、毛管作用によって前記入口（１６）からの流体の流れを誘導し、各滴定チャンバ（２２）に流体を充填させるステップと、
   （ｄ）前記流体を各滴定チャンバ（２２）内の滴定剤（３４）と反応させるステップと、
   （ｅ）前記滴定チャンバ（２２）を観察し、変色の起こった滴定チャンバ（２０）と、変色の起おこらなかった滴定チャンバ（２２）を識別するステップと、
   を包含する方法。
8. 前記滴定の終点が、変色の起こった滴定チャンバ（２２）と、変色の起こらなかった滴定チャンバ（２２）とを識別することによって決定される、請求項７に記載の方法。
9. 前記ステップ（ｃ）が、前記経路（３２）及び前記滴定チャンバ（２２）から押し出された空気を、前記滴定チャンバ（２２）から放出させるステップを含む、請求項７に記載の方法。
10. 滴定の終点を判定する方法であって、
    （ａ）請求項１に記載の滴定装置において、各滴定チャンバ（２２）に試料流体を導入し、各滴定チャンバ内で前記試料流体を滴定剤（３４）と反応させて、前記滴定チャンバ（２２）の各々において個別の滴定を実施するステップを包含する、方法。

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