JP4555609B2 - 気液反応ユニットおよび分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、気体と液体とを、隔膜等を介さずに直接接触させて反応させる気液反応ユニット、およびこれを用いた分析装置に関する。

従来、気体のみを通過させ液体を通過させない隔膜を用い、隔膜の内側に収納された反応液に隔膜の外側の気体を吸収させ、この反応液の性状変化から、気体中のガス成分を検出又は定量することが行われていた。
ところが、このように隔膜を用いる方法は、隔膜の汚れやつまりによる応答速度の遅れや、検出誤差等を招くおそれがあった。また、構造上分析センサのマイクロ化の要請に応じることも困難であった。

これに対して、微小流路内に気体と液体とを同時に流入させ、この微小流路内で気体中の成分を液体中の成分と反応させるマイクロ化学分析チップが報告されている（非特許文献１）。
この非特許文献１のマイクロ化学分析チップでは、微小流路内で液体と気体とが層流状態で直接接触し、この気液界面において気体中の成分が液体中に移行する。そのため、隔膜を用いずに気体中の成分と液体中の成分との反応が可能とされている。
このようなマイクロ化学分析チップは、試薬、廃棄物、エネルギー消費量を削減しやすく、環境的に優れている。また、迅速で高感度な測定が可能である。さらに、小型かつ軽量な分析装置を構築できるという優れた機能を兼ね備えている。
「１．気液反応を利用したマイクロ化学分析チップの基礎検討」、ケミカルセンサーズ（Chemical Sensors）、２００３年、第１９巻付録（Supplement）Ｂ、p1-3

しかし、非特許文献１のマイクロ化学分析チップでは、高感度な測定が困難である場合があった。これは、特に反応速度が遅い反応系を利用した場合、気体中の成分と液体中の成分との反応が必ずしも充分に進行しないためであると考えられる。
本発明は、気体中の成分と液体中の成分との反応がより迅速かつ高効率に進行する気液反応ユニットを提供することを課題とする。また、気体中の成分と液体中の成分との反応が迅速に進行することにより、気体中の成分を高感度に測定することが可能な分析装置を提供することを課題とする。

本発明は、以下の態様を含む。
［１］１以上の大流路と１以上の小流路とを有し、前記各々の大流路および小流路は、集合部と集合部の一端側に存する導入部と集合部の他端側に存する流出部とからなり、前記大流路の集合部と小流路の集合部とは、互いに内部の流体が接触可能な状態で隣接し、かつ該小流路の集合部の深さおよび断面積が該大流路の集合部の深さおよび断面積よりも小さく、前記大流路および小流路の各々の導入部は、いずれも他の導入部と接触しない独立の流路であり、前記大流路および小流路の各々の流出部は、いずれも他の流出部と接触しない独立の流路であり、前記大流路の導入部には液体が導入される液体導入口が設けられており、前記小流路の導入部には気体が導入される気体導入口が設けられており、前記大流路の流出部には気体が流出する気体流出口が設けられており、前記小流路の流出部には液体が流出する液体流出口が設けられており、前記気体導入口に気体を導入し、前記液体導入口に液体を導入することにより、前記大流路の集合部と小流路の集合部において気体と液体とが交叉し、その後前記気体流出口から気体が流出し、前記液体流出口から液体が流出するように構成されていることを特徴とする気液反応ユニット。
［２］前記小流路の内面の一部又は全部が、前記大流路に導入される液体に対して親液性とされている［１］に記載の気液反応ユニット。
［３］［１］又は［２］に記載の気液反応ユニットと、前記小流路の流出部における液体の性状を検知する検知手段とを備える分析装置。

［１］の態様の発明によれば、気体と液体とが集合部で交叉するので、気体と液体とが攪拌混合された状態となる。そのため、気体中の成分と液体中の成分との反応が促進される。
［２］の態様の発明によれば、液体の小流路への親液性が高まることにより、液体の小流路への移動が促進される。そのため、集合部において気体と液体とを確実に交叉させることができ、気体中の成分と液体中の成分との反応がより促進される。
［３］の態様の発明によれば、小流路の流出部における液体は、気体中の成分との反応に応じた性状となっている。そのため、この液体の性状を検知することにより気体中の成分を検出又は定量することができる。本態様の分析装置では、気体中の成分と液体中の成分との反応が迅速に進行する気液反応ユニットを用いることにより、気体中の成分を高感度に測定することができる。

本発明の第１実施形態に係る気液反応ユニットおよびこれを用いた分析装置を、図１から図３を用いて説明する。本実施形態の気液反応ユニットは、図１に示すように、基板１に設けられた大流路１１と小流路１２とを備えている。
基板１の材質としては、例えば、シリコン、樹脂、硝子、石英等が使用できる。これらの材質中、硝子は透明性が高く、この気液反応ユニットを利用して光分析を行う場合に好適である。特に、パイレックス（登録商標）ガラスは、耐熱性、耐薬品性が高く好ましい。
基板１は、単一の材質から構成されていてもよく、複数の材質を組み合わせてもよい。たとえば、エッチング等により流路を形成したシリコン板に、硝子板を貼り合わせて基板とすることもできる。基板１は、好ましくは平板状とされている。

大流路１１は、集合部１１ａと集合部１１ａの図示左側に存する導入部１１ｂと集合部１１ａの図示右側に存する流出部１１ｃとからなり、小流路１２は、集合部１２ａと集合部１２ａの図示左側に存する導入部１２ｂと集合部１２ａの図示右側に存する流出部１２ｃとからなっている。
そして、大流路１１の集合部１１ａと小流路１２の集合部１２ａとは、互いに内部の流体が接触可能な状態で隣接している。また、大流路１１および小流路１２の各々の導入部１１ｂ、１２ｂは、互いに接触しない独立の流路とされている。同様に、大流路１１および小流路１２の各々の流出部１１ｃ、１２ｃは、互いに接触しない独立の流路とされている。

また、大流路１１の導入部１１ｂには、基板１の外部と連通しており液体が導入される液体導入口１３が設けられている。また、小流路１２の導入部１２ｂには、基板１の外部と連通しており気体が導入される気体導入口１４が設けられている。また、大流路１１の流出部１１ｃには、基板１の外部と連通しており気体が流出する気体流出口１５が設けられている。また、小流路１２の流出部１２ｃには、基板１の外部と連通しており液体が流出する液体流出口１６が設けられている

この大流路１１と小流路１２との関係を図２および図３を用いてさらに詳しく説明する。図２（ａ）は大流路１１および小流路１２の各々の導入部１１ｂ、１２ｂと集合部１１ａ、集合部１２ａとの境界近傍の部分拡大平面図である。また、図２（ｂ）は大流路１１および小流路１２の各々の集合部１１ａ、集合部１２ａの部分拡大平面図である。また、図２（ｃ）は大流路１１および小流路１２の各々の集合部１１ａ、集合部１２ａと流出部１１ｃ、１２ｃとの境界近傍の部分拡大平面図である。さらに、図３は、大流路１１および小流路１２の各々の集合部１１ａ、集合部１２ａにおける拡大断面図である。

図３に示すように、各流路の底面はいずれも円弧状とされている。また、小流路１２の集合部１２ａの深さｄ２は大流路１１の集合部１１ａの深さｄ１よりも浅く（小さく）なっている。また、集合部１２ａの幅ｗ２は集合部１１ａの幅ｗ１よりも狭く（小さく）なっている。その結果、小流路１２の集合部１２ａの断面積は大流路１１の集合部１１ａの断面積よりも狭く（小さく）なっている。
深さｄ１は５０μｍ以上であることが好ましく、幅ｗ１は（ｄ１×２＋１０）μｍ前後であることが好ましい。深さｄ２は５０μｍ未満であることが好ましく、幅ｗ２は（ｄ２×２＋１０）μｍ前後であることが好ましい。また、深さｄ１と深さｄ２との比は、３：１前後であることが好ましい。

基板１の小流路１２の内面の一部又は全部は、親液性とされていることが好ましい。特に、集合部１２ａの部分が親液性とされていることが好ましい。ここで親液性とは、大流路１１の導入部１１ｃから導入される液体に対して親液性であることを意味し、当該液体が水性である場合には親水性であることを、当該液体が油性である場合は親油性であることを意味する。
これに対して、基板１の大流路１１の内面の一部又は全部は、親液性が低い方が好ましい。特に、集合部１１ａの部分が低い親液性とされていることが好ましい。
親水性、親油性とする手段としては、薬液処理、プラズマ処理、粗面化処理等、公知の手段を適宜使用することができる。

本実施形態の気液反応ユニットで気液反応を行わせるためには、液体を液体導入口１３から大流路１１に導入する。また、これと同時に、気体を気体導入口１４から小流路１２に導入する。導入された液体と気体とは、集合部１１ａ、１２ａに達すると合流するが、その後直ちに液体は小流路１２側に移行し、気体は大流路１１側に移行する。そして、気液の界面が保たれた層流状態となって集合部１１ａ、１２ａを移動した後、液体は小流路１２の流出部１２ｃへと、気体は大流路１１の流出部１１ｃへと流れる。そして、液体は液体流出口１６から、気体は気体流出口１５から各々流出する。
すなわち、集合部１１ａ、１２ａ内で気体と液体とが交叉することとなる。この交叉の間に、気体と液体とは充分に攪拌、混合された状態となるので、気体中の成分と液体中の成分との反応が迅速に進行する。
なお、このように気体と液体とが交叉するのは、気体よりも液体の方が、流路壁面に対する密着性が高く、そのため、液体の方が気体よりも狭い空間に向かいやすい性質を有することに基づく。小流路１２の内面が親液性とされている場合、液体の小流路１２への密着性がより強まるので、係る気液の交叉をより確実に進行させることができる。

気体と液体とを、交叉させた後に、液体流出口１６と気体流出口１５とから各々流出させるためには、交叉後、集合部１１ａと集合部１２ａの間で気液の界面が保たれた層流状態とする必要がある。
この層流状態を達成するためには、液体導入口１３から導入する液体および気体導入口１４から導入する気体の双方がある程度以上の圧力を有する必要がある。そして、この圧力を確保するためには、双方の流量を一定以上とする必要がある。
層流状態を達成するために必要な流量は、流路の断面積にもよるが、例えば、深さｄ１が９０μｍ、幅ｗ１が１９０μｍ、深さｄ２が６０μｍ、幅ｗ２が６０μｍの場合について、フェノールフタレイン水溶液と空気を用いて実験したところ、以下の条件で良好な層流状態が得られることが確認できた。
すなわち、液体（フェノールフタレイン水溶液）の流量を１μＬ／ｍｉｎとし、気体（空気）の流量を０．５〜２．５ｍＬ／ｍｉｎとした場合、および気体の流量を１ｍＬ／ｍｉｎとし、液体の流量を０．１〜５μＬ／ｍｉｎとした場合、各々良好な層流状態が得られた。

係る第１実施形態の気液反応ユニットを用いた分析装置は、気液反応ユニットに加えて、気液反応の結果を検知する検出器を備えるものである。
気液反応ユニットにおいては、液体、気体共に、気液反応の結果として性状が変化しうる。したがって、検出器は、流出部１２ｃの液体、流出部１１ｃの気体の何れを対象とするものであってもよいが、検知が容易である点から、流出部１２ｃにおける液体の性状を検知する検出器を備えることが好ましい。
また、気液反応ユニットの流出部における流体の性状は、その場で検知しても、流出部から流出後に検知してもよい。すなわち、流出部１２ｃにおける液体の性状を検知する場合、流出部１２ｃの液体をその場で検知しても、流出部１２ｃから流出した後に検知してもよい。

検知すべき流体の性状としては、例えば気液反応により生成した化合物の濃度、気相から液相に移行した化合物の濃度、これらの化合物の濃度に連動する導電率、ｐＨ等の物性値などが挙げられる。また、検知手段としては、蛍光、光吸収等を検知する光検出手段、導電率センサ、Ｈ_２Ｏ_２センサ、ｐＨセンサ、熱レンズ顕微鏡検出手段等の電気化学的検出手段等が挙げられる。

第１実施形態の気液反応ユニットを用いた分析装置の使用方法の一例として、気体中のアンモニアガスの濃度を求める方法を説明する。
まず、被検体としての気体を気体導入口１４から導入する。また、反応試薬として、ｐＨ指示薬であるフェノールフタレイン溶液を液体導入口１３から導入する。そして、流出部１２ｃにおけるフェノールフタレイン溶液の発色を熱レンズ顕微鏡で検知する。その結果、気体中のアンモニアガスによるフェノールフタレイン溶液のｐＨ変化を求め、この値から、気体中のアンモニアガスの濃度を求めることができる。

次に、本発明の第２実施形態に係る気液反応ユニットおよびこれを用いた分析装置を、図４から図６を用いて説明する。本実施形態の気液反応ユニットは、図４に示すように、基板１に設けられた大流路２１と小流路２２、２３とを備えている。基板１の材質、形状等は、第１実施形態における基板１と同様なので説明を省略する。

大流路２１は、集合部２１ａと集合部２１ａの図示左側に存する導入部２１ｂと集合部２１ａの図示右側に存する流出部２１ｃとからなり、小流路２２、２３は、各々集合部２２ａ、２３ａと集合部２２ａ、２３ａの図示左側に存する導入部２２ｂ、２３ｂと集合部２２ａ、２３ａの図示右側に存する流出部２２ｃ、２３ｃとからなっている。
そして、大流路２１の集合部２１ａと小流路２２の集合部２２ａとは、互いに内部の流体が接触可能な状態で隣接している。同様に、大流路２１の集合部２１ａと小流路２３の集合部２３ａとは、互いに内部の流体が接触可能な状態で隣接している。また、大流路２１および小流路２２、２３の各々の導入部２１ｂ、２２ｂ、２３ｂは、互いに接触しない独立の流路とされている。同様に、大流路２１および小流路２２、２３の各々の流出部２１ｃ、２２ｃ、２３ｃは、互いに接触しない独立の流路とされている。

また、大流路２１の導入部２１ｂには、基板１の外部と連通しており液体が導入される液体導入口２４が設けられている。また、小流路２２の導入部２２ｂおよび小流路２３の導入部２３ｂには、各々基板１の外部と連通しており気体が導入される気体導入口２５、２６が設けられている。また、大流路２１の流出部２１ｃには、基板１の外部と連通しており気体が流出する気体流出口２７が設けられている。また、小流路２２の流出部２２ｃおよび小流路２３の流出部２３ｃには、各々基板１の外部と連通しており液体が流出する液体流出口２８、２９が設けられている

この大流路２１と小流路２２、２３との関係を図５および図６を用いてさらに詳しく説明する。図５（ａ）は大流路２１および小流路２２、２３の各々の導入部２１ｂ、２２ｂ、２３ｂと集合部２１ａ、２２ａ、２３ａとの境界近傍の部分拡大平面図である。また、図５（ｂ）は大流路２１および小流路２２、２３の各々の集合部２１ａ、２２ａ、２３ａの部分拡大平面図である。また、図５（ｃ）は大流路２１および小流路２２、２３の各々の集合部２１ａ、２２ａ、２３ａと流出部２１ｃ、２２ｃ、２３ｃとの境界近傍の部分拡大平面図である。さらに、図６は、大流路２１および小流路２２、２３の各々の集合部２１ａ、２２ａ、２３ａにおける拡大断面図である。

図６に示すように、各流路の底面はいずれも円弧状とされている。また、小流路２２、２３の集合部２２ａ、２３ａの各深さｄ４、ｄ５は等しく、いずれも大流路２１の集合部２１ａの深さｄ３よりも浅く（小さく）なっている。また、集合部２２ａ、２３ａの各幅ｗ４、ｗ５は等しく、いずれも集合部２１ａの幅ｗ３よりも狭く（小さく）なっている。その結果、小流路２２、２３の集合部２２ａ、２３ａの断面積は、いずれも大流路２１の集合部２１ａの断面積よりも狭く（小さく）なっている。
深さｄ３は５０μｍ以上であることが好ましく、幅ｗ３は（ｄ３×２＋１０）μｍ前後であることが好ましい。深さｄ４、ｄ５は、いずれも５０μｍ未満であることが好ましく、幅ｗ４は（ｄ４×２＋１０）μｍ前後、幅ｗ５は（ｄ５×２＋１０）μｍ前後であることが好ましい。また、深さｄ３と深さｄ４（ｄ５）との比は、３：１前後であることが好ましい。

基板１の小流路２２、２３の内面の一部又は全部は親液性とされていることが好ましい。特に、集合部２２ａ、２３ａの部分が親液性とされていることが好ましい。
これに対して、基板１の大流路２１の内面の一部又は全部は、親液性が低い方が好ましい。特に、集合部２１ａの部分が低い親液性とされていることが好ましい。
なお、親液性の意味および親液性とする手段は上述のとおりである。

本実施形態の気液反応ユニットで気液反応を行わせるためには、液体を液体導入口２４から大流路２１に導入する。また、これと同時に、気体を気体導入口２５、２６から小流路２２、２３に導入する。導入された液体と気体とは、集合部２１ａ、２２ａ、２３ａに達すると合流するが、その後直ちに液体は両側の小流路２２、２３側に移行し、気体は中央の大流路２１側に移行する。そして、気液の界面が保たれた層流状態となって集合部２１ａ、２２ａ、２３ａを移動した後、液体は小流路２２、２３の流出部２２ｃ、２３へと、気体は大流路２１の流出部２１ｃへと流れる。そして、液体は液体流出口２８、２９から、気体は気体流出口２７から各々流出する。
すなわち、集合部２１ａ、２２ａ、２３ａ内で気体と液体とが交叉することとなる。この交叉の間に、気体と液体とは充分に攪拌、混合された状態となるので、気体中の成分と液体中の成分との反応が迅速に進行する。

気体と液体とを交叉させた後に、液体流出口２８、２９と気体流出口２７とから各々流出させるためには、交叉後、２１ａ、２２ａ、２３ａの間で気液の界面が保たれた層流状態とされる必要がある。
この層流状態を達成するためには、液体導入口２４から導入する液体および気体導入口２５、２６から導入する気体の双方がある程度以上の圧力を有する必要がある。そして、この圧力を確保するためには、双方の流量を一定以上とする必要がある。
層流状態を達成するために必要な流量は、流路の断面積にもよるが、例えば、深さｄ３が９０μｍ、幅ｗ３が１９０μｍ、深さｄ４、ｄ５が６０μｍ、幅ｗ４、ｗ５が６０μｍの場合について、フェノールフタレイン水溶液と空気を用いて実験したところ、以下の条件で良好な層流状態が得られることが確認できた。
すなわち、液体（フェノールフタレイン水溶液）の流量を各々１μＬ／ｍｉｎとし、気体（空気）の流量を０．５〜２．５ｍＬ／ｍｉｎとした場合、および気体の流量を１ｍＬ／ｍｉｎとし、液体の流量を各々０．１〜５μＬ／ｍｉｎとした場合、各々良好な層流状態が得られた。

係る第２実施形態の気液反応ユニットを用いた分析装置は、気液反応ユニットに加えて、気液反応の結果を検知する検出器を備えるものである。
第１実施形態の気液反応ユニットを用いた分析装置と同様に、第２実施形態の分析装置においても、流出部２２ｃおよび／または流出部２３ｃにおける液体の性状を検知する検出器を備えることが好ましい。また、流出部２２ｃおよび／または２３ｃにおける液体の性状を検知する場合、流出部２２ｃおよび／または流出部２３ｃの液体をその場で検知しても、流出部２２ｃおよび／または流出部２３ｃから流出した後に検知してもよい。検知すべき流体の性状、検知手段も、第１実施形態の場合と同様である。

第２実施形態の気液反応ユニットを用いた分析装置の使用方法の一例として、気体中のアンモニアガスの濃度を求める方法を説明する。
まず、被検体としての気体を気体導入口２５、２６から導入する。また、反応試薬として、ｐＨ指示薬であるフェノールフタレイン溶液を液体導入口２４から導入する。そして、流出部２２ｃ、２３ｃの双方又は一方におけるフェノールフタレイン溶液の発色を熱レンズ顕微鏡で検知する。その結果、気体中のアンモニアガスによるフェノールフタレイン溶液のｐＨ変化を求め、この値から、気体中のアンモニアガスの濃度を求めることができる。

次に、本発明の第３実施形態に係る気液反応ユニットおよびこれを用いた分析装置を、図７を用いて説明する。本実施形態の気液反応ユニットおよびこれを用いた分析装置は、大流路２１、小流路２２、２３の断面形状が異なる他は、第２実施形態に係る気液反応ユニットと同じである。
図７は、本実施形態の大流路２１および小流路２２、２３の各々の集合部２１ａ、２２ａ、２３ａにおける拡大断面図である。

図７に示すように、各流路の底面はいずれも水平な直線状とされている。また、小流路２２、２３の集合部２２ａ、２３ａの各深さｄ７、ｄ８は等しく、いずれも大流路２１の集合部２１ａの深さｄ６よりも浅く（小さく）なっている。また、集合部２２ａ、２３ａの各幅ｗ７、ｗ８は等しく、いずれも集合部２１ａの幅ｗ６よりも狭く（小さく）なっている。その結果、小流路２２、２３の集合部２２ａ、２３ａの断面積は、いずれも大流路２１の集合部２１ａの断面積よりも狭く（小さく）なっている。

次に、本発明の第４実施形態に係る気液反応ユニットおよびこれを用いた分析装置を、図８を用いて説明する。本実施形態の気液反応ユニットおよびこれを用いた分析装置も、大流路２１、小流路２２、２３の断面形状が異なる他は、第２実施形態に係る気液反応ユニットと同じである。
図８は、本実施形態の大流路２１および小流路２２、２３の各々の集合部２１ａ、２２ａ、２３ａにおける拡大断面図である。図８に示すように、各流路の底面および上面は、いずれも円弧状とされている。

なお、上記各実施形態における大流路および小流路の数は各々１又は２であるが、いずれも３以上であってもよい。ただし、大流路と小流路とは、交互に配置されることが好ましい。
また、集合部における気液分離をより確実にするために、気相と液相との間を部分的に分離する隔壁を、たとえば集合部の底面から上面方向に向けて立設させもよい。

本発明の１実施形態に係る気液反応ユニットの平面図である。 図１の部分拡大平面図である。 図１の部分拡大断面図である。 本発明の２実施形態に係る気液反応ユニットの平面図である。 図４の部分拡大平面図である。 図４の部分拡大断面図である。 本発明の３実施形態に係る気液反応ユニットの部分拡大断面図である。 本発明の４実施形態に係る気液反応ユニットの部分拡大断面図である。

符号の説明

１１、２１・・・・大流路、
１２、２２、２３・・・・小流路、
１１ａ、１２ａ、２１ａ、２２ａ、２３ａ・・・・集合部、
１１ｂ、１２ｂ、２１ｂ、２２ｂ、２３ｂ・・・・導入部、
１１ｃ、１２ｃ、２１ｃ、２２ｃ、２３ｃ・・・・流出部、
１３、２４・・・・、液体導入口、
１４、２５、２６・・・・気体導入口、
１５、２７・・・・気体流出口、
１６、２８、２９・・・・液体流出口

Claims (3)

1. １以上の大流路と１以上の小流路とを有し、前記各々の大流路および小流路は、集合部と集合部の一端側に存する導入部と集合部の他端側に存する流出部とからなり、
   前記大流路の集合部と小流路の集合部とは、互いに内部の流体が接触可能な状態で隣接し、かつ該小流路の集合部の深さおよび断面積が該大流路の集合部の深さおよび断面積よりも小さく、
   前記大流路および小流路の各々の導入部は、いずれも他の導入部と接触しない独立の流路であり、
   前記大流路および小流路の各々の流出部は、いずれも他の流出部と接触しない独立の流路であり、
   前記大流路の導入部には液体が導入される液体導入口が設けられており、
   前記小流路の導入部には気体が導入される気体導入口が設けられており、
   前記大流路の流出部には気体が流出する気体流出口が設けられており、
   前記小流路の流出部には液体が流出する液体流出口が設けられており、
   前記気体導入口に気体を導入し、前記液体導入口に液体を導入することにより、
   前記大流路の集合部と小流路の集合部において気体と液体とが交叉し、その後前記気体流出口から気体が流出し、前記液体流出口から液体が流出するように構成されていることを特徴とする気液反応ユニット。
2. 前記小流路の内面の一部又は全部が、前記大流路に導入される液体に対して親液性とされている請求項１に記載の気液反応ユニット。
3. 請求項１または請求項２に記載の気液反応ユニットと、前記小流路の流出部における液体の性状を検知する検知手段とを備える分析装置。
   
   
   

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