JP4362014B2 - 物理及び化学処理のためのマイクロ波プローブアプリケータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の分野】
本発明は物理及び化学反応のマイクロ波増進に関する。特に、本発明は普通のマイクロ波空洞とは独立に、マイクロ波源から遠く離れて使用できるマイクロ波加熱装置及びこれに関連する技術に関する。
【０００２】
【発明の背景】
化学合成及び関連する処理においては、普通の加熱装置は典型的には、反応容器、試薬、溶剤等を加熱するために伝導（例えば、高温板）又は対流（オーブン）を使用する。ある状況の下では、これらの種類の装置は遅鈍で有効でなくなることがある。更に、伝導又は対流を使用して温度設定点に反応物を維持することが困難になることがあり、急激な温度変化は殆ど不可能である。
【０００３】
逆に、（多くの試薬を含む）多くの材料を直接加熱するマイクロ波の使用は（化学反応を含む）ある処理を数桁の大きさにも加速できる。これは、マイクロ波加熱の相互作用特性の結果、反応時間を減少させるのみならず、製品の劣化を少なくする。ある場合は、マイクロ波装置により容易にされた反応は一層低い温度で行われ、一層清潔な化学現象を生じさせ、最終製品の困難な仕上げを少なくする。更に、マイクロ波エネルギは選択的で、極性分子と容易に結合し、熱を瞬時に伝達する。これは、反応の要求に従って変調できる高エネルギ密度を生じさせる制御可能な領域状態を許容する。
【０００４】
しかし、多くの従来のマイクロ波装置はある制限を有する。例えば、マイクロ波装置は典型的には剛直な空洞を含むように設計される。このような装置はフランス国特許第２５００７０７号明細書に記載されている。これは、漂遊放射の包含を容易にするが、使用可能な反応容器を、一定の空洞内に嵌まることのできる寸法及び形状に制限し、マイクロ波透過性の材料で容器を形成させる必要性を生じさせる。更に、このような空洞内の加熱効率は一層大きな負荷に対して一層高く、一層小さな負荷に対して一層低くなる傾向を有する。このような空洞内での一層小さな加熱量は理想のものよりも少ない。これらの空洞内での温度の測定は複雑である。マイクロ波空洞に関連する別の問題は、反応容器を空洞内に配置でき、反応の進行状態を監視できるようにする空洞ドア（及び時には窓）の必要性である。これは安全配慮を取り入れることになり、従って、漂遊マイクロ波放射が空洞から出るのを阻止するように特殊に設計したシールを必要とする。
【０００５】
代わりに、典型的なマイクロ波空洞は普通の実験室用ガラス製品として希に設計される。従って、このような空洞もガラス製品も、これを典型的な装置内で使用できるようにする前に修正しなければならない。両方の型式の修正は不便で、時間がかかり、高価になることがある。
【０００６】
更に、典型的なマイクロ波空洞は素子又は試薬を付加したり除去したりするのを著しく困難にする。換言すれば、従来のマイクロ波空洞装置は、素子を容器に単に付加できて加熱できるような反応に対しては一層便利になる傾向を有する。反応（単数又は複数）が進むにつれて素子を付加したり除去したりしなければならないような一層複雑な反応に対しては、空洞装置はチューブ及び弁のかなり複雑な構造と組み合わさなければならない。他の場合においては、空洞はある反応を実行するのに必要な設備を簡単に収容できない。
【０００７】
あるマイクロ波装置は、普通の空洞が無い場合に放射を送給するために、アンテナ（即ち「プローブ」）に適合する導波路を使用する。このような装置は、本質的には、その中に収容された反応物の反応を容易にするためにコンテナの外部へマイクロ波エネルギを伝達する。例えば、マツオイビクツ著の「サンプル準備のための高圧／高温照準マイクロ波加熱テフロン容器の開発」（選集、化学部門、１９９４年発行、６６巻、７５１−７５５頁）(Matusiewicz, Development of a High Pressure/Temperature Focused Microwave Heated Teflon Bomb for Sample Preparation, Anal. Chem. 1994, 66, 751-755)。それにも拘わらず、この方法で送給されたマイクロ波エネルギは、典型的には、溶液内へ深く侵入することができない。更に、包まれた空洞の外部へ放射を発出するプローブは、一般的に、ある形の放射シールドを必要とする。従って、このようなプローブの形態は実用を制限し、主として医療分野で使用される傾向があった。しかし、このような状況においては、適用されるパワーは典型的には比較的低く、すなわち、医療装置は、人体組織への好ましい侵入深さを有する９１５メガヘルツの周波数で低パワー（場合によっては１００ワットであるが、普通は一層小さく、典型的にはほんの数ワット）を使用する傾向がある。更に、マイクロ波医療プローブが典型的には体内で使用されるので、漂遊放射は人体組織により吸収され、付加的なシールドを不必要にする。
【０００８】
【目的及び発明の概要】
それ故、本発明の目的は、空洞により課される制限を回避する、物理及び化学処理における加熱工程を容易にする新規なマイクロ波装置を提供することである。
【０００９】
主な面においては、本発明はマイクロ波源と、アンテナと、反応容器と、所望の化学反応以外の周囲に到達したり影響を及ぼしたりしないように、アンテナで発生したマイクロ波を食い止めるシールドとを有する。大半の実施の形態においては、シールドは金属メッシュの形をとる。アンテナに隣接して配置する場合、メッシュは、依然として所望の試薬に放射線を照射しながら、マイクロ波が意図する反応領域を越えて進行するのを阻止する浸透性のセルの形をとる。反応容器のまわりに配置する場合、観察が望ましいか又は必要なときには、メッシュは試薬を可視状態に保つことを許容する。
【００１０】
別の面においては、プローブの源端部はまた、マイクロ波受け取りアンテナを有することができる。この実施の形態を使用すると、本発明はマイクロ波を受け取り、次いでこれを所望の位置又は反応へ再伝達するように普通の装置に「プラグ接続」できる。
【００１１】
更に別の面においては、本発明はまた、プローブに温度センサを組み込むことができる。光学ファイバ技術を使用する検出器が典型的には有用である。その理由は、これらが電磁場により大いに影響を受けないからである。次いで、測定された温度は、提供されるパワー又は他の変数を制御するために使用することができる。
【００１２】
別の面においては、本発明はマイクロ波アシスト化学反応を実行する方法である。
本発明の上述及び他の目的や利点、並びに、これを達成する方法は、添付図面を参照しての以下の詳細な説明内で更に特定される。
【００１３】
【詳細な説明】
本発明は化学反応を増進させるためのマイクロ波装置である。図１、４、７は一層一般的な様式で装置を示し、一方、図２、３、５、６、８は付加的な詳細（細目）を示す。最初に、ここでの説明の多くは化学反応を参照するが、本発明の基本的な利点はまた、溶剤溶液又は他の型式の試薬の単純な加熱を含む一般の加熱処理に根本的に適用することを理解されたい。
【００１４】
図１は、図１に符号１０で全体を示す装置の全体斜視図である。装置はマイクロ波の源を有し、この源は、図では磁電管１１（例えば、図４、５）として示すが、また、磁電管、クライストロン、切り換え電源及びソリッドステート源を含むグループから選択することができる。磁電管、クライストロン及びソリッドステート源の性質及び作動は当分野で十分理解されており、ここでは詳細に繰り返さない。マイクロ波放射を発生させるための切り換え電源の使用は、本出願人に係る継続中の米国特許出願第０９／０６３，５４５号明細書（１９９８年４月２１日出願；名称「マイクロ波アシスト化学における連続可変パワーの使用」）に詳細に記載されている。図示の実施の形態においては、磁電管１１はこのような切り換え電源により駆動され、磁電管１１に連通した導波路１２（図６、７）内でマイクロ波放射を伝播させる。
【００１５】
本発明は更に、図１に符号１３で全体を示すアンテナを有する。アンテナはケーブル１４と、ケーブル１４の第１の端部に接続され、磁電管１１により発生されたマイクロ波を受け取るレシーバ１５（図７）とを有する。アンテナは更に、ケーブル１４の他端に位置し、磁電管１１により発生されたマイクロ波を伝達するトランスミッタ１６を有する。ケーブル１４は、最も好ましくは、同軸ケーブルであり、トランスミッタ１６は中心ワイヤの露出部分であり、波長の約１／４の長さを有する。アンテナの他の望ましくて一般的な態様は当業界で周知であり、過度の実験なしに選択することができる。
【００１６】
図１に示すように、本発明の装置は試薬を受け入れるための反応容器１７を含み、アンテナ１３のトランスミッタ１６は反応容器１７内に位置する。
【００１７】
図２、３はケーブル１４、トランスミッタ１６及び反応容器１７の概略線図であり、本発明が更に（図２に符号２０で示し、図１に符号２１で示す）マイクロ波シールドを有することを示し、このマイクロ波シールドは、トランスミッタ１６から発出したマイクロ波が反応容器を実質上越えて延びるのを阻止するためのものである。図２、３は本発明の２つの最も好ましい実施の形態を示し、これらの実施の形態においては、シールド２０は反応容器内に配置される（図２）か、または、シールドは反応容器を連続して取り囲むレセプタージャケット２１の形をしている（図３）。図２、３の両方の実施の形態においては、シールド２０又は２１は好ましくは、マイクロ波の通過漏洩を阻止するのに十分小さな開口を備えた金属メッシュを有する。適当なメッシュの相対寸法は、過度の実験なしに当業者により選択することができる。金属メッシュは液体及び気体に対するその透過性のために特に好ましく、液体や気体がアンテナ１６からのマイクロ波放射で処理されている間にこれらがシールドを通って流れるのを許容し、現在までの測定では、マイクロ波不吸収溶剤に浸したトランスミッタでの６インチ（約１５．２４ｃｍ）の距離において最大前方パワーでマイクロ波漏洩が平方センチメートル当り５ミリワット（５ｍＷ／ｃｍ²）以下であることを示している。０．００３インチ（約０．００７６２ｃｍ）ないし０．００７インチ（約０．０１７７８ｃｍ）のメッシュ布及び可撓性ワイヤがマイクロ波周波数にとって非常に適する。アルミニウム及び銅は金属メッシュにとって最も好ましいが、所望の又は必要な形状及び寸法に製造するのに十分な順応性を有する場合は、任意の他の金属も許容できる。しかし、シールドは、別の方法でアンテナの作動、化学反応又は容器との干渉を避けながらマイクロ波を遮断する任意の特定の幾何学形状で任意の適当な材料（例えば、金属箔又はあるサセプター材料）で作ることができる。所望又は適当な場合は、メッシュの数個の層を使用してバリヤの密度を増大させることができる。
【００１８】
従って、本発明、特に図２の実施の形態はマイクロ波アシスト化学反応を実行する際に多数の融通性を提供することを理解できよう。特に、アンテナ１６及びシールド２０は種々の普通の容器内に配置することができ、これらの容器内の反応を増進するために使用することができ、それと同時に、シールドを越えてのマイクロ波放射の逃避を阻止する。従って、従来の空洞にとって必要であったものを排除できる。
【００１９】
同様に、図３に示す実施の形態においては、空洞が無い状態でマイクロ波アシスト化学を実行するための自己能力によって極めて便利にする多数の標準の容器寸法及び形状として、かつ、マイクロ波源から遠く離れた位置で、連続的なシールド２１を製造できる。更に他の実施の形態においては、マイクロ波シールド、特に金属メッシュは、ある構造ガラスをワイヤで内部補強する方法に幾分似た特注様式で、容器自体内に直接組み込むことができる。
【００２０】
多数のサンプルを単一の装置で加熱できるように、アンテナが複数のトランスミッタを含むことができることを更に理解されたい。これは、生物学的及び医学的な応用にとって特殊な利点を有する本発明を提供する（例えば、典型的な９６穴タイター板の如き複数のサンプルに関連して使用される複数のトランスミッタ）。
【００２１】
好ましい実施の形態においては、本発明のマイクロ波装置は更に反応容器１７内の温度を測定する手段を有する。熱電対の如き金属を基礎とした装置を首尾よくマイクロ波装置に組み込むことができるが、光学ファイバ装置は僅かに一層好ましい傾向を有する。その理由は、これらが電磁場との干渉を回避するからである。好ましいセンサは−５０°Ｃから２５０°Ｃまでの範囲にわたって温度を迅速に測定することができる。最も好ましい実施の形態においては、温度測定手段は、反応容器内の測定された温度の関数としてマイクロ波電源即ち源を調節するコントローラに関連して作用する。このようなコントローラは、最も好ましくは、適当なマイクロプロセッサである。フィードバックコントローラ及びマイクロ波プロセッサの作動は適当な電子分野においてほぼ十分に理解されており、ここでは別の方法で詳細に説明しない。しかし、例示的な検討は、例えば、ＣＲＣプレス社発行のドルフ著による「電気技術ハンドブック」(Electrical Engineering Handbook) 第２版（１９９７年）の例えば第７９−８５及び１００章に記載されている。
【００２２】
温度測定、フィードバック、コントローラ及び可変の電源の組み合わせが装置のための自動化の可能性を大いに増進することを更に理解されたい。
好ましい実施の形態においては、温度センサはトランスミッタ１６にじかに隣接して担持され、従って、トランスミッタ１６と共に反応容器１７内に配置される。
【００２３】
温度センサが光学装置であるような実施の形態においては、光学装置は、好ましくはアンテナ１３のケーブル１４と一緒に組み込まれた光学ファイバケーブルに沿って運搬できる光信号を発生させる。同じ構成は、温度センサが電気信号を発生させるもの（例えば、熱電対）であり適当な伝達手段がワイヤであるような場合に、好ましい。
【００２４】
図面は本発明の付加的な態様を詳細に示す。例えば、図１は装置１０のための制御パネル２２及びパワースイッチ２３を示す。図５は多分本発明の最大量の細目を示す。ここに示されたように、装置は上方部分２４と下方部分２５とにより形成されたハウジングを含む。制御パネル２２はハウジング２５に固定される。装置は更に磁電管１１、冷却ファン２６及びソリッドステート又は切り換えマイクロ波電源２７を含む。先に説明した機能を実行するための電子制御ボードは符号３０で示され、適当なシールドカバー３１を含む。直流（ＤＣ）電源３２は必要に応じて制御ボード３０にためのパワーを供給する。現時点で好ましい実施の形態においては、切り換え電源２７及び磁電管１１は１３００ワット迄のパワー範囲にわたって２４５０ＭＨｚでのコヒーレントマイクロ波エネルギを供給できる。しかし、過剰で不必要な放射を回避するため、電源２７は普通約７００ワット以下で使用される。
【００２５】
これに関し、ソリッドステート源は、特に小さなサンプルの加熱において１０ワット又はそれ以下のパワーレベルがまたかなり有用であるような生命科学における典型的な作業の如き低パワー応用にとってかなり有用である。ソリッドステート装置はまた、パワー及び周波数の双方を変更する能力を提供する。実際、ソリッドステート源はマイクロ波をアンテナに直接送り出すことができ、もって、磁電管及び導波路の双方を省略できる。従って、ソリッドステート源は、使用者が固定即ち一定の周波数を選択して使用するのを許容し、または、加熱されている材料からのフィードバックに基づき固定の周波数を走査し次いで合焦するのを許容する。
【００２６】
導波路カバー３３も示され、これはアンテナのレシーバ部分のためのソケット３４及び光学ファイバ温度装置のためのソケット３５を含む。図５はまた、主要なチョーク３６及び補助のチョーク３７を示し、その使用は図６、７、８に関連して説明する。図５は、上方ハウジング２４がチョーク、アンテナソケット及び光学ファイバソケットのためのそれぞれの開口４０、４１、４２を有することを示す。
【００２７】
図４は組立てた状態における多数の図５と同じ（制御パネル２２、ハウジング部分２４、２５、電源２７、磁電管１１、ファン２６、切り換え電源２７、カバー３１、主要な及び補助のチョーク３６、３７、並びに、ソケット３４、３５を含む）細目を示す。
【００２８】
図６は、主要な及び補助のチョーク３６、３７が導波路１２に隣接する補足のサンプルホルダ（図６に符号４５で示す）を形成することを示し、このサンプルホルダは、このような反応容器の内容物がアンテナとは独立にマイクロ波に晒されるように反応容器を導波路１２内で位置決めするためのものであり、アンテナの位置はソケット３４により図６に表示される。従って、別の面においては、本発明はマイクロ波の源１１と、この源に接続された導波路１２とを有し、導波路１２は、導波路１２内でアンテナを位置決めするためのソケット３４と共に、反応容器の内容物がアンテナとは独立にマイクロ波に晒されるように反応容器を導波路１２内で位置決めするためのサンプルホルダ４５を含む。補足のサンプルホルダ４５は、所望なら、装置から遠く離れた位置ではなくて装置において、単一のサンプルをマイクロ波放射で処理できるという点で、更なる融通度及び有用度を提供する。
【００２９】
好ましい実施の形態においては、サンプルホルダ４５及びソケット３４は、源１１とソケット３４との間でサンプルホルダ４５を位置決めするような方法で、導波路１２に沿って配置される。この方法においては、アンテナレシーバ（図７の符号１５）は源１１とサンプルホルダ４５内のサンプルとの間でのマイクロ波の伝播に干渉しない。位置は違うように配置できるが、導波路内のレシーバは、サンプルホルダ４５内のサンプルとのマイクロ波の所望又は必要な相互作用に干渉するような方法で、導波路内の伝播モードを変更する傾向を有する。
【００３０】
図７はまた、導波路１２、磁電管１１、サンプルホルダを形成するチョーク３６、３７、アンテナ１５及びアンテナソケット３４間の構成を示す補助をなす。図７はまた、制御パネル２２、切り換え電源２７、ボードカバー３１及び制御ボード３０をも示す。図７はまた、光学ファイバソケット３５と制御ボード３０との間の適当な物理的及び電子的な接続４６を示し、これは、上述のように、測定された温度に応じてマイクロ波パワーの適用を調節できるようにする。
【００３１】
別の面においては、本発明は化学反応を増進させる方法であり、この方法は別の方法でマイクロ波放射を送り出すことなく、マイクロ波源から反応容器へマイクロ波を導く工程と、次いで、マイクロ波放射が反応容器の表面を実質上越えて周囲に放出されるのを阻止しながら、反応容器への放出を制限するような態様で、マイクロ波放射を放出させる工程とを有する。すべての実用目的に対して、適当なシールドが波伝播を全体的に阻止するが、少量の即ち実質のない伝達は本発明の限度内に入る。
【００３２】
本発明の装置の態様に関して説明したように、反応容器へマイクロ波放射を導く工程は、好ましくは、最も好ましくは導波路内のアンテナレシーバと反応容器内のアンテナトランスミッタとを備えたワイヤケーブルからなるアンテナに沿って放射を伝達する工程を有する。本発明の装置の態様のように、マイクロ波を放出する工程は、好ましくは、放出されたマイクロ波放射を反応容器内でシールドする工程又は反応容器の外表面をシールドする工程を有する。その方法の態様においては、本発明は更に、マイクロ波放射をマイクロ波源から反応容器へ導く前にマイクロ波放射を発生させる工程と、反応容器内の温度を測定する工程と、その後、測定された温度の関数としてマイクロ波パワー及び放射を制御し、調節する工程とを有する。
【００３３】
図面及び明細書において、本発明の典型的な実施の形態を開示し、特定の用語を使用したが、これらは一般的で記述的な意味のみで使用したものであり、限定を目的とするものではなく、本発明の要旨は特許請求の範囲で規定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る装置の第１の実施の形態の前面斜視図である。
【図２】 本発明に関連するマイクロ波シールドの使用を示す横断面概略線図である。
【図３】 本発明に関連するマイクロ波シールドの使用を示す横断面概略線図である。
【図４】 本発明に係る装置の別の斜視図である。
【図５】 図４に示す装置の分解部品斜視図である。
【図６】 ある内部部分を示す装置の頂平面図である。
【図７】 図４に示す側とは反対側における装置の側立面図である。
【図８】 同様にいくつかの内部素子を示す本発明に係る装置の後立面図である。

Claims (17)

1. 物理及び化学処理を増進させるのに適したマイクロ波加熱装置（１０）において、
   マイクロ波の源（１１）；
   上記源にマイクロ波連通し、マイクロ波伝達ケーブル（１４）と、上記ケーブルの第１の端部に接続され、上記源により発生したマイクロ波を受け取るためのレシーバ（１５）と、当該ケーブルの他端に接続され、当該源により発生され、上記ケーブルにより運搬されるマイクロ波を伝達するためのトランスミッタ（１６）とを有するアンテナ（１３）；及び
   試薬を受け入れるための反応容器（１７）；
   を有し、
   上記装置の特徴とするところは、上記アンテナの上記トランスミッタ部分が上記反応容器の内部に位置していて、試薬と当該トランスミッタとの直接の接触を許容することであり；
   上記トランスミッタを取り囲み、上記源により発生されかつ当該トランスミッタから出たマイクロ波が上記反応容器を実質上越えて飛び出すのを阻止するマイクロ波シールド（２０）を更に有する；
   ことを特徴とするマイクロ波装置。
2. 上記シールド（２０）が上記反応容器（１７）を連続して取り囲むレセプタージャケット（２１）を有することを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波装置。
3. 上記レセプタージャケット（２１）が金属箔で形成されることを特徴とする請求項２に記載のマイクロ波装置。
4. 上記シールド（２０）が上記反応容器内（１７）にあり、液体及び気体に対して浸透性であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波装置。
5. 上記浸透性のシールド（２０）が金属メッシュで形成されることを特徴とする請求項２又は４に記載のマイクロ波装置。
6. 上記金属メッシュがマイクロ波放射の波長の約１／４よりも小さな開口を有することを特徴とする請求項５に記載のマイクロ波装置。
7. 上記シールド（２０）が上記反応容器（１７）の構造内に組み込まれることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波装置。
8. 上記シールド（２０）がマイクロ波放射の波長の約１／４よりも小さな開口を有する金属メッシュで形成されることを特徴とする請求項７に記載のマイクロ波装置。
9. 上記反応容器内の温度を測定する手段を更に有することを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波装置。
10. 上記源（１１）が磁電管、クライストロン及びソリッドステート源を含むグループから選択されることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波装置。
11. 上記アンテナ上に複数のトランスミッタ（１６）を有することを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波装置。
12. 上記容器内で上記トランスミッタに隣接する温度センサを有することを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波装置。
13. 上記反応容器内の測定された温度の関数として上記源（１１）を制御するためのコントローラ（２２、３０）と；
    上記センサから上記コントローラへ温度測定値を伝達する手段と；
    を更に有することを特徴とする請求項１２に記載のマイクロ波装置。
14. 上記温度を測定する手段が光学検出器からなることを特徴とする請求項９に記載のマイクロ波装置。
15. 上記温度センサが電気信号を発生させ、上記温度測定値伝達手段がワイヤであることを特徴とする請求項１３に記載のマイクロ波装置。
16. 上記温度測定値伝達手段及び上記アンテナ（１３）が同軸ケーブル内に組み込まれることを特徴とする請求項１３に記載のマイクロ波装置。
17. 上記アンテナ（１３）がワイヤアンテナであることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波装置。

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