JP4807358B2 - 圧力差気泡移動制御方法、並びにその方法を用いたガス交換装置、導電率測定装置、全有機体炭素測定装置、反応装置及び細胞培養装置 - Google Patents
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Description
本発明は、純水や超純水と呼ばれる不純物の少ない液体を初め、製薬用水、半導体製造用行程水、冷却水、ボイラー水、水道水、細胞培養液などから酸素や炭酸ガス等の気泡を除去したり、他の流体から気泡が混入することを防いだりする気泡移動制御方法と、その方法を用いて液体中のガス成分を除去したり導入したりするガス交換装置、液体中の成分イオン濃度を測定するための導電率測定装置、試料水中の全有機体炭素濃度を測定する装置、微少量の試料で有機物を合成したりするマイクロ合成チップや前処理機能を集積したμＴＡＳ（Micro Total Analysis System：マイクロ総合分析システム）などの反応装置、及び細胞培養装置に関するものである。
純水や超純水と呼ばれる不純物の少ない液体や製薬用水、半導体製造用行程水などの試料水の有機性汚染を評価する場合、試料水に溶け込んでいる二酸化炭素を除去する必要がある。一般には、分析装置に送液する前に真空脱気や窒素等によるバブリングを行うことによって脱気を行い、液体試料に含まれる二酸化炭素などの気体成分を除去している。
しかしバブリングでは気泡が混入し、微細な流路を用いる分析装置や反応装置では、気泡が流路の一部に留まり、簡単には除去できない。測定装置では、検出部へ気泡が入った場合、紫外線吸光検出のときは異常なノイズの原因となり、電気伝導率検出のときは導電率が正しく測定できない。また、反応装置では、反応液の混合や合成を行う部位に気泡が入った場合、反応液の流れに影響を与えるために反応液の混合が安定してできず、再現性が低下する。
また、バブリングを行なわなくてももともと液体試料に含まれている気泡がノイズの原因となることもあるので、液体試料中の気泡を取り除くことが望まれている。
液体試料中から気泡を取り除く一手段としてガス交換膜が用いられる。ガス交換膜としてはガス透過膜と、メンブレンフィルタがある。
ガス透過膜は、概略的には図６（Ａ）に符号３１として示されるような断面構造をもち、素材における分子と分子の隙間がランダムな方向に存在し、その隙間をガス成分が透過する。ガス透過膜ではガスの透過速度は遅いが、液体が膜を通じて漏れることはない。
液体試料中から気泡を取り除く一手段としてガス交換膜が用いられる。ガス交換膜としてはガス透過膜と、メンブレンフィルタがある。
ガス透過膜は、概略的には図６（Ａ）に符号３１として示されるような断面構造をもち、素材における分子と分子の隙間がランダムな方向に存在し、その隙間をガス成分が透過する。ガス透過膜ではガスの透過速度は遅いが、液体が膜を通じて漏れることはない。
メンブレンフィルタは、概略的には図６（Ｂ）に符号３２として示されるような断面構造をもち、膜を貫通した多数の孔３３が形成されたものである。その孔３３は互いに交わらない方向に形成されたものと、互いに交わるものとがあるが、いずれにしてもその孔３３の直径は透過させようとするガス成分より遥かに大きい。そのため、ガス成分は気体の拡散速度で移動するため透過速度はガス透過膜に比べて非常に速いが、液体は膜表面の表面張力により保持されているだけであるので、液体の送液圧力が表面張力を上回るとメンブレンフィルタ３２の孔３３に液体が侵入して漏れる。
液体からガス成分を除去したり、逆に液体にガス成分を移動させて溶解させたりするためのガス交換装置としては、中空糸膜を利用したものが使用されている。中空糸膜は多数が束ねられてその両端にキャップが設けられたモジュールとして使用される。そのようなモジュールでは、中空糸膜内に液体を流し、外部を吸引することで液体に含まれるガスを除去したり、外部のガスを加圧したりすることにより中空糸膜内の液体にガスを溶け込ませるように使用される（特許文献１参照。）。
試料水中の全有機体炭素を測定する全有機体炭素測定装置としては、有機体炭素を二酸化炭素に変換する有機物酸化分解部、有機物酸化分解部で発生した二酸化炭素を脱イオン水へ抽出する二酸化炭素分離部、及び二酸化炭素分離部で抽出した二酸化炭素量を測定するために二酸化炭素分離部の脱イオン水の導電率を測定する検出部を備えたものがある。
そのような全有機体炭素測定装置において、二酸化炭素分離部は有機物酸化分解部で酸化処理が施された試料水から二酸化炭素を脱イオン水に移動させるために、試料水と脱イオン水をガス透過膜で隔てて配置することにより、試料水中の二酸化炭素をそのガス透過膜を介して脱イオン水に移させるようにしている。
本発明は流路中の気泡を取り除いたり、流路に気泡が混入することを防いだりすることのできる圧力差気泡移動制御方法と、その方法を用いたガス交換装置、導電率測定装置、全有機体炭素測定装置、反応装置及び細胞培養装置を提供することを目的とするものである。
本発明の圧力差気泡移動制御方法は、液体からなる第１流体が流される第１流路と、液体からなる第２流体が流される第２流路とを、液体が通過せずにガス成分が移動できるガス交換部を介して配置することと、上記ガス交換部を挟んで両流路間に圧力差を設けることとを含み、それにより両流路間の気泡の移動を制御する方法である。
気泡の移動は脱気と混入の両方又は一方を含む。
気泡の移動は脱気と混入の両方又は一方を含む。
気泡の移動制御の第１の形態は、第２流路の圧力を第１流路の圧力よりも高くすることにより第１流体から第２流体に気泡が混入することを防止することである。
気泡の移動制御の第２の形態は、第２流路の圧力を第１流路よりも高くすることにより第２流体中の気泡を第１流体に移動させて脱気することである。
一方の流路の圧力を他方の流路の圧力よりも高くする方法として、一方の流路の下流に抵抗管などの流路抵抗部品を接続する方法を挙げることができる。
気泡の移動制御の第２の形態は、第２流路の圧力を第１流路よりも高くすることにより第２流体中の気泡を第１流体に移動させて脱気することである。
一方の流路の圧力を他方の流路の圧力よりも高くする方法として、一方の流路の下流に抵抗管などの流路抵抗部品を接続する方法を挙げることができる。
本発明の圧力差気泡移動制御方法により試料水中の二酸化炭素濃度を測定する場合は、第１流路に第１流体として二酸化炭素を含む試料水、第２流路に第２流体として純水やイオン交換水などの脱イオン水を流して第１流体から第２流体へ二酸化炭素を移動させるとともに、両流体間の気泡の移動を制御し、その後第２流体の電気伝導度を測定する。
また、同方法を細胞培養装置に適用する場合は、第１流路に第１流体として二酸化炭素と酸素を含む液体、第２流路に第２流体として細胞培養液を流し、第１流体から第２流体へ二酸化炭素と酸素を移動させるとともに、第１流体中の気泡が第２流体に混入するのを防ぐ。
本発明のガス交換装置は、ガス交換可能なガス交換部と、ガス交換部と接触する第１流路と、ガス交換部と接触しガス交換部を介して第１流路と対向する部分をもつ第２流路とを備え、本発明の圧力差気泡移動制御方法により第１流路と第２流路との間の気泡の移動が制御されるものである。
ガス交換部の一形態は、膜を貫通した多数の孔が形成されたメンブレンフィルタ又はガス透過膜で仕切られたものを挙げることができる。
ガス交換部の一形態は、膜を貫通した多数の孔が形成されたメンブレンフィルタ又はガス透過膜で仕切られたものを挙げることができる。
ガス透過膜よりも膜内部でのガス成分の透過速度を速くし、メンブレンフィルタよりも高い送液圧力を可能にするガス交換部の好ましい一形態として、膜を貫通した多数の孔が形成されたメンブレンフィルタと、メンブレンフィルタに形成されその孔を通して液体が移動せずに液体に含まれるガス成分の移動だけができる隙間を形成している疎水性材料からなるガス透過層とからなるものを挙げることができる。
ガス交換部の他の好ましい形態として、両流路間を結ぶ複数の溝が備えられ、その溝は液体が移動せずに液体に含まれるガス成分の移動だけができるようにその内表面の少なくとも一部の疎水性化とその断面積の大きさの設定がなされているものを挙げることができる。
マイクロ加工を用いて測定装置を小型化すると、試料や試薬消費量を低減することが可能になる。そこで、ガス交換装置の好ましい形態として、第１流路がガス交換部と積層された第１基板により形成され、第２流路がガス交換部を介して第１基板と積層された第２基板により形成されているものを挙げることができる。
全有機体炭素濃度は空気中の二酸化炭素が溶け込むことによって変化するため、試料水は迅速に測定する必要がある。そのため、導電率測定装置を全有機体炭素測定装置に適用する場合の本発明の導電率測定装置は、ガス交換装置の第２流路に接続され、第２流路からの液体の導電率を測定するための電極が配置された測定セルを有する第３流路をさらに備え、第２流路に測定水として脱イオン水を流すものである。
本発明の全有機体炭素測定装置は、試料水中の有機体炭素を二酸化炭素に変換する有機物酸化分解部、有機物酸化分解部で発生した二酸化炭素を脱イオン水からなる測定水へ抽出する二酸化炭素分離部、及び二酸化炭素分離部で抽出した二酸化炭素量を測定するために二酸化炭素分離部からの測定水の導電率を測定する検出部を備え、二酸化炭素分離部及び検出部として本発明の導電率測定装置を使用し、有機物酸化分解部からの試料水を第１流路に導くものである。
本発明の反応装置は、溶液中で化学反応を起こさせる反応部を有する反応流路を備え、その反応流路の反応部の下流に本発明のガス交換装置を配置し、反応流路を第２流路に接続し、第２流路の圧力を第１流路の圧力よりも高くすることによって反応流路で発生したガスを第１流路に脱気するものである。
本発明の細細胞培養装置は、胞培養室とその細胞培養室に細胞培養液を流す細胞培養液流路とを備え、細胞培養室の上流に本発明のガス交換装置を配置し、細胞培養液流路を第２流路に接続して第２流路を経由して細胞培養室へ細胞培養液を流すようにし、第１流路に二酸化炭素と酸素を含む液体を流し、第２流路の圧力を第１流路の圧力よりも高くすることによって第１流路から第２流路の細胞培養液への気泡の移動を抑えながら細胞培養液の酸素と二酸化炭素の濃度を調整するものである。
本発明の圧力差気泡移動制御方法によれば、ガス交換部を挟んで両流路間に送液圧力差を設けることにより両流路間の気泡の移動を制御することができるので、導電率の測定、反応液の混合、合成などを行う際に測定や反応の障害になる気泡の影響を除くことができ、測定精度や再現性が向上する。
第１流路及び第２流路中の送液圧力に差をもたせることにより、第２流路中への気泡の混入の防止を図り、また第２流路から脱気を図ることができる。
流路の下流に流路抵抗部品を接続して圧力を高める方法は簡便である上、圧力の調整も容易である。流路抵抗部品の一例は抵抗管である。
流路の下流に流路抵抗部品を接続して圧力を高める方法は簡便である上、圧力の調整も容易である。流路抵抗部品の一例は抵抗管である。
第１流路に二酸化炭素を含む試料水を流し、第２流路に脱イオン水を流して二酸化炭素を第２流路に移動させるとともに、第２流路の圧力を第１流路の圧力よりも高くすれば、第２流路の脱イオン水への気泡の移動を防ぐことができるので、第２流路の脱イオン水を測定セルに導いて導電率を測定すれば、気泡の影響を受けることなく導電率を正確に測定することができる。
第１流路に二酸化炭素と酸素を含む溶液を流し、第２流路に細胞培養液を流して第１流体から第２流体へ二酸化炭素と酸素を移動させるとともに、第２流路の圧力を第１流路の圧力よりも高くすれば、気泡の影響を受けることなしに第２流体の二酸化炭素と酸素の濃度を調整することができ、細胞培養液を最適な状態に保つことができる。
本発明の圧力差気泡移動制御方法は、本発明のガス交換装置においてガス交換部、第１流路及び第２流路により実現することができる。
ガス交換部はメンブレンフィルタ又はガス透過膜を用いて実現することもできるが、メンブレンフィルタと疎水性材料のガス透過層とからなるものや、液体が移動せずに液体に含まれるガス成分の移動だけができる複数の溝で両流路間を結ぶものを使用すれば、ガス透過膜よりも透過速度を速くし、メンブレンフィルタよりも高い送液圧力を可能にすることができる。
ガス交換装置を第１基板と第２基板とを積層したものとすれば、装置が小型になるだけでなく、流路を接続する部材が不要になるので、そのような部材からの異物の侵入を抑えることができる。
ガス交換部はメンブレンフィルタ又はガス透過膜を用いて実現することもできるが、メンブレンフィルタと疎水性材料のガス透過層とからなるものや、液体が移動せずに液体に含まれるガス成分の移動だけができる複数の溝で両流路間を結ぶものを使用すれば、ガス透過膜よりも透過速度を速くし、メンブレンフィルタよりも高い送液圧力を可能にすることができる。
ガス交換装置を第１基板と第２基板とを積層したものとすれば、装置が小型になるだけでなく、流路を接続する部材が不要になるので、そのような部材からの異物の侵入を抑えることができる。
本発明のガス交換装置に第２流路からの流体の導電率を測定するための電極が配置された測定セルを有する第３流路を接続すれば、気泡の影響を抑えた導電率測定装置を容易に実現することができる。
全有機体炭素測定装置の二酸化炭素分離部及び検出部として本発明の導電率測定装置を使用すれば、気泡の影響を抑えて精度よく測定のできる全有機体炭素測定装置とすることができる。
全有機体炭素測定装置の二酸化炭素分離部及び検出部として本発明の導電率測定装置を使用すれば、気泡の影響を抑えて精度よく測定のできる全有機体炭素測定装置とすることができる。
反応装置に本発明のガス交換装置を接続すれば、反応流路で生成したガスを除去することができるので、反応生成物の測定を高精度に行なうことができるようになる。
細胞培養装置に本発明のガス交換装置を使用すれば、気泡の影響を受けることなしに第２流体の二酸化炭素と酸素の濃度を調整することができ、細胞培養液を最適な状態に保つことができる。
細胞培養装置に本発明のガス交換装置を使用すれば、気泡の影響を受けることなしに第２流体の二酸化炭素と酸素の濃度を調整することができ、細胞培養液を最適な状態に保つことができる。
以下に本発明の導電率測定装置、全有機体炭素測定装置並びに細胞培養装置、及びそれらに用いる圧力差気泡移動制御方法について詳細に説明する。
［実施例１］
図１Ａ〜図１Ｂは本発明で種々の装置のガス交換装置として用いられるガス交換チップの一実施例を示しており、図１Ａは流路の配置を示す平面図、図１Ｂは図１ＡのＸ−Ｘ’線位置での断面図である。
図１Ａ〜図１Ｂは本発明で種々の装置のガス交換装置として用いられるガス交換チップの一実施例を示しており、図１Ａは流路の配置を示す平面図、図１Ｂは図１ＡのＸ−Ｘ’線位置での断面図である。
このガス交換チップは、ガス交換部５を間に挟んで第１基板１１と第２基板１２とを接合させたものである。
基板１１，１２は特に限定されるものではないが、例えば石英ガラス基板などのガラス基板である。第１基板１１の片面には、１０００μｍ以下の幅と深さを持つ第１流路１が形成され、流路１の両端には液体又は気体からなる第１流体を導入したり排出したりする貫通孔６，７が形成されている。第２基板１２の片面にも１０００μｍ以下の幅と深さをもつ第２流路２が形成され、流路２の両端にも液体からなる第２液体を導入したり排出したりする貫通孔８，９が形成されている。一例として、流路１，２の幅を１ｍｍ、深さを１００μｍとした。
基板１１では貫通孔６を入口、貫通孔７を排出口とし、基板１２では貫通孔８を入口、貫通孔９を排出口とする。
基板１１，１２は特に限定されるものではないが、例えば石英ガラス基板などのガラス基板である。第１基板１１の片面には、１０００μｍ以下の幅と深さを持つ第１流路１が形成され、流路１の両端には液体又は気体からなる第１流体を導入したり排出したりする貫通孔６，７が形成されている。第２基板１２の片面にも１０００μｍ以下の幅と深さをもつ第２流路２が形成され、流路２の両端にも液体からなる第２液体を導入したり排出したりする貫通孔８，９が形成されている。一例として、流路１，２の幅を１ｍｍ、深さを１００μｍとした。
基板１１では貫通孔６を入口、貫通孔７を排出口とし、基板１２では貫通孔８を入口、貫通孔９を排出口とする。
ガス交換部５は、例えばフッ素樹脂に多くの孔が形成されている多孔質膜である。ガス交換部５の例については実施例２以降で詳細に説明する。基板１１と基板１２の間にガス交換部５を挟み、流路１と流路２が向き合うように位置決めして基板１１、ガス交換部５及び基板１２を接合して、このガス交換チップを作製した。
両流路１，２にはそれぞれ配管が接続されて使用される。両流路１，２間に圧力差を設けるため、流路１の下流側の貫通孔７に内径の太いチューブ（例えば内径０．５ｍｍ、長さ１ｍのＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン製）チューブ）を接続し、流路２の下流側の貫通孔９に内径の細いチューブ（例えば内径０．２５ｍｍ、長さ１ｍのＰＴＦＥチューブ）を抵抗管３として接続する。抵抗管３は流路抵抗部品の一例である。
流路１に二酸化炭素を含んだ試料水を流し、流路２に測定水として脱イオン水として純水を流す。試料水と純水を同じ流量で流す。両流路１，２間には流路抵抗の違いによって送液圧力差が生じる。
流路１に二酸化炭素を含んだ試料水を流し、流路２に測定水として脱イオン水として純水を流す。試料水と純水を同じ流量で流す。両流路１，２間には流路抵抗の違いによって送液圧力差が生じる。
図２Ａ〜図２Ｄはこのガス交換チップで送液圧力差（第２流路＞第１流路）を生じさせたときの作用を概略的に示した模式図である。
図２Ａは第１流路１に第１流体として二酸化炭素を含んだ試料水（気泡１０を含む）を流し、第２流路２に第２液体として純水（気泡を含まない）を流した場合である。流路２の送液圧力が流路１よりも高くなっているため、流路１の試料水中の気泡１０は流路２の測定水に混入することなく、流路１の試料水中の二酸化炭素がガス交換部５を経て流路２の純水に移動する。
図２Ａは第１流路１に第１流体として二酸化炭素を含んだ試料水（気泡１０を含む）を流し、第２流路２に第２液体として純水（気泡を含まない）を流した場合である。流路２の送液圧力が流路１よりも高くなっているため、流路１の試料水中の気泡１０は流路２の測定水に混入することなく、流路１の試料水中の二酸化炭素がガス交換部５を経て流路２の純水に移動する。
図２Ｂも流路１に第１流体として二酸化炭素を含んだ試料水を流し、流路２に第２液体として測定水としての純水を流した場合であるが、この場合は流路２の測定水に気泡が混入したものとする。この場合、流路２中の測定水中の気泡１０はガス交換部５を経て流路１の試料水へ脱気され、流路１の試料水中の二酸化炭素がガス交換部５を経て流路２の純水に移動する。
図２Ｃは流路１に第１流体として空気を流し、流路２に第２液体として測定水の純水（気泡を含まない）を流した場合である。流路１の空気から流路２の測定水に気泡が混入することなく、流路１の空気中の二酸化炭素など測定対象のガス成分がガス交換部５を経て流路２の純水に移動する。
図２Ｄも図２Ｃと同様に、流路１に第１流体として空気を流し、流路２に第２液体として測定水の純水を流した場合であるが、この場合は流路２の測定水に気泡が混入したものとする。この場合、流路２中の測定水中の気泡１０はガス交換部５を経て流路１の空気中へ脱気され、流路１の空気中の二酸化炭素など測定対象のガス成分がガス交換部５を経て流路２の純水に移動する。
次に送液圧力差の効果についての測定結果を示す。
用いたガス交換チップは図１に示されたものである。ガス交換部５として、平均孔径が０．０５μｍのＰＴＦＥ多孔質膜（住友電工ファインポリマー社の製品）を使用した。流路２の排出口９につながる配管には、圧力計と導電率計を接続し、さらにその下流には流路２に背圧を印加するために抵抗管３として内径０．２５ｍｍのＰＴＦＥチューブを接続した。そのＰＴＦＥチューブの長さを７５０〜１３５０ｍｍの範囲で変化させることにより流路２の背圧を調整した。流路１にはそのような抵抗管は接続せず、流路２の抵抗管３による流路抵抗による背圧がほぼ両流路１，２間の圧力差となるようにした。
流路１にはバブリングをして大気と平衡に達した水を１００μＬ／分の流量で流し、流路２には純水を１００μＬ／分の流量で流した。
用いたガス交換チップは図１に示されたものである。ガス交換部５として、平均孔径が０．０５μｍのＰＴＦＥ多孔質膜（住友電工ファインポリマー社の製品）を使用した。流路２の排出口９につながる配管には、圧力計と導電率計を接続し、さらにその下流には流路２に背圧を印加するために抵抗管３として内径０．２５ｍｍのＰＴＦＥチューブを接続した。そのＰＴＦＥチューブの長さを７５０〜１３５０ｍｍの範囲で変化させることにより流路２の背圧を調整した。流路１にはそのような抵抗管は接続せず、流路２の抵抗管３による流路抵抗による背圧がほぼ両流路１，２間の圧力差となるようにした。
流路１にはバブリングをして大気と平衡に達した水を１００μＬ／分の流量で流し、流路２には純水を１００μＬ／分の流量で流した。
図３はそのような条件での抵抗管３の長さと、流路２の下流に接続した導電率計の測定値の変動から求めた気泡の数と流路２の背圧を示したグラフである。導電率計の測定値が急激に変動すれば気泡が検出されたとして、気泡数１とした。この気泡は流路１からガス交換部５を経て流路２の純水中に移動したものである。
この結果によれば、両流路１，２間の圧力差が小さいときは気泡が検出されるが、抵抗管３の長さを長くして両流路１，２間の圧力差を大きくしていくと気泡が観測されなくなって気泡が移動しなくなることがわかる。この実施例では気泡が移動しなくなる圧力差は約１０ｋＰａであった。
図４はこの測定における導電率計の測定値の変動の様子を示したものである。導電率測定は第１流路と第２流路の圧力差を変化させながら行った。初めは圧力差を生じさせず、その後１５ｋＰａの圧力差を生じさせ、再び圧力差を生じさせずに測定を行った。圧力差を生じさせない場合は気泡による妨害で導電率が激しく変動するのに対し、圧力差を後１５ｋＰａ生じさせた場合は導電率がほぼ一定に保たれ、気泡が移動しないことが確認できる。
図５はこの測定における両流路１，２間の圧力差と流路２の測定水の導電率の関係を示したグラフである。抵抗管３の長さは圧力差と比例関係にあるが、導電率は圧力差に依存していない。これにより、第１流路と第２流路の送液圧力差を大きくすることで第１流路から第２流路への気泡の移動を阻止できるとともに、第１流路から第２流路への二酸化炭素の移動は影響を受けずに行なうことができることが確認できる。これにより、両流路１，２間に圧力差を設けることにより、測定への影響を取り除くことができ、測定の精度や再現性が向上することが見出された。
［実施例２］
実施例１以外のガス交換装置の実施例として、ガス交換部としてガス透過膜又はメンブレンフィルタを用いた実施例を示す。この実施例においても、以下の実施例においても記載は省略しているが、ガス交換部を介して対向する２つの流路間には圧力差が生じるような手段が設けられている。
実施例１以外のガス交換装置の実施例として、ガス交換部としてガス透過膜又はメンブレンフィルタを用いた実施例を示す。この実施例においても、以下の実施例においても記載は省略しているが、ガス交換部を介して対向する２つの流路間には圧力差が生じるような手段が設けられている。
ガス透過膜を単独で用いる場合、疎水性多孔質膜が好ましく、例えば、多孔質フッ素樹脂膜（例えば、住友電工社製のポアフロン（登録商標））を用いることができる。
メンブレンフィルタを単独でガス交換部として用いる場合、厚さが１０μｍ、孔径が０．２μｍ、気孔率が５〜２０％のポリカーボネート製メンブレンフィルタ（ISOPORE MEMBRANE FILTER：MILLIPORE社の製品）を使用することができる。
メンブレンフィルタを単独でガス交換部として用いる場合、厚さが１０μｍ、孔径が０．２μｍ、気孔率が５〜２０％のポリカーボネート製メンブレンフィルタ（ISOPORE MEMBRANE FILTER：MILLIPORE社の製品）を使用することができる。
［実施例３］
実施例１以外のガス交換装置の他の実施例として、メンブレンフィルタ及びその表面に形成されるガス透過層を用いる実施例を示す。
この実施例で、ガス透過層がメンブレンフィルタの両面から形成されているものは、概略的には図６Ｃ〜図６Ｅのいずれか、又はそれらの組み合わされた構造になっている。
図６Ｃの構造は、疎水性材料からなるガス透過層３４がメンブレンフィルタ３２の孔３３を粗く埋めることにより、孔３３を通じて液体が移動することを阻止し、液体に含まれるガス成分はガス透過層３４の隙間を通って移動できるようになったものである。
実施例１以外のガス交換装置の他の実施例として、メンブレンフィルタ及びその表面に形成されるガス透過層を用いる実施例を示す。
この実施例で、ガス透過層がメンブレンフィルタの両面から形成されているものは、概略的には図６Ｃ〜図６Ｅのいずれか、又はそれらの組み合わされた構造になっている。
図６Ｃの構造は、疎水性材料からなるガス透過層３４がメンブレンフィルタ３２の孔３３を粗く埋めることにより、孔３３を通じて液体が移動することを阻止し、液体に含まれるガス成分はガス透過層３４の隙間を通って移動できるようになったものである。
図６Ｄの構造は、疎水性材料からなるガス透過層３５がメンブレンフィルタ３２の孔３３の径を小さくすることにより、孔３３を通じて液体が移動することを阻止し、液体に含まれるガス成分はガス透過層３５の隙間を通って移動できるようになったものである。
図６Ｅの構造は、疎水性材料からなるガス透過層３６がメンブレンフィルタ３２の表面を薄く被うことにより、メンブレンフィルタ３２の孔３３を通じて液体が移動することをガス透過層３６が阻止し、液体に含まれるガス成分がそのガス透過層３６の隙間を通って移動できるようになったものである。
図６Ｃ，図６Ｄの構造によれば、ガス透過層３４の隙間又は小さくされたメンブレンフィルタ３２の孔３３の径は、従来のガス透過膜における分子間の隙間よりは大きいため、ガス成分は膜中を気体の拡散速度で移動することができる。またメンブレンフィルタ３２そのものの孔３３よりは径が小さくなって表面張力の効果が高まっているので、使用できる液体の送液圧力上限が大きくなるように改善される。
図６Ｅの構造によれば、ガス成分は従来の透過膜と同様にガス透過層３６の素材における分子と分子の隙間をガス成分が透過することになるが、従来の技術で作製できる透過膜の厚みより薄く作製できるため、ガス成分が透過する時間が短縮される。
メンブレンフィルタの好ましい例は、膜を貫通している孔が膜に垂直方向に形成されたものであり、ガス透過層の一例はフッ素系堆積薄膜である。メンブレンフィルタの孔が互いに交わっていなければメンブレンフィルタ内部でのガスの拡散が少なく、ガス成分の移動速度がより速くなる。
メンブレンフィルタの好ましい例は、膜を貫通している孔が膜に垂直方向に形成されたものであり、ガス透過層の一例はフッ素系堆積薄膜である。メンブレンフィルタの孔が互いに交わっていなければメンブレンフィルタ内部でのガスの拡散が少なく、ガス成分の移動速度がより速くなる。
本実施例ではポリカーボネート製メンブレンフィルタを選択して使用することができる。メンブレンフィルタの表面には疎水性材料からなるガス透過層を形成するので、メンブレンフィルタ自体の材質は疎水性でも親水性でもよい。また、メンブレンフィルタの孔径は特に限定されるものではないが、大きすぎると液漏れが生じやすくなるので、ガス透過層を形成した状態で液漏れが生じないような大きさのものを選択する。逆に小さすぎるとガス透過層を形成した状態でガスの透過速度が遅くなる。
本発明でガス交換チップのガス交換部として使用することのあるメンブレンフィルタの一態様を図７Ａ〜図７Ｂに示す。図７Ａのメンブレンフィルタの孔を通して液体が移動せずに液体に含まれるガス成分の移動だけができる隙間を形成するために、疎水性材料からなるガス透過層を表面と裏面の両面に形成した状態を示したのが図７ＢのＳＥＭ画像である。ここでは、ＣＨＦ3を反応ガスとしてプラズマ処理することにより、メンブレンフィルタの両面にガス透過層としてフルオロカーボン層を成膜した。その成膜条件は、ガス流量５０ｓｃｃｍ、成膜圧力１５０ｍＴｏｒｒ、成膜時間が片面５分、印加パワー１００Ｗであった。成膜レートは約１６〜１８ｎｍ／分で、成膜されたフルオロカーボン層の膜厚は約８０〜９０ｎｍであった。
このガス透過フィルタの疎水化の評価は、メンブレンフィルタ表面と水滴の接触角を測定することにより行ない、接触角は未処理の場合（図７Ａ）は５１°であったのに対し、処理後（図７Ｂ）には９６°へと増大し、疎水化されていることを確認できた。
［実施例４］
実施例１以外のガス交換装置のさらに他の実施例として、流路間に複数の溝が形成されたものを用いる実施例を示す。
ガス交換部５として樹脂膜を用いる。その膜厚方向に貫通するように微細な穴が他の穴と互いに交わらないように形成されている。この膜は、例えばポリカーボネート薄膜に面に垂直な方向から中性子を照射して直径１μｍ以下の多数の穴を開け、それらの穴の少なくとも一部を疎水性化したものである。疎水性化は、例えばＣＨＦ3ガスやＣＦ4ガスなどのフッ素化合物ガスを流しながらＲＩＥ（反応性イオンエッチング）処理を施したり、エキシマレーザなどの光照射により分解させることにより、穴の内面をフッ素化することにより行なうことができる。この場合、穴の内部までフッ素化することは容易ではないが、液体の浸入を阻止するための疎水性化は穴の入口部分だけであってもよい。
実施例１以外のガス交換装置のさらに他の実施例として、流路間に複数の溝が形成されたものを用いる実施例を示す。
ガス交換部５として樹脂膜を用いる。その膜厚方向に貫通するように微細な穴が他の穴と互いに交わらないように形成されている。この膜は、例えばポリカーボネート薄膜に面に垂直な方向から中性子を照射して直径１μｍ以下の多数の穴を開け、それらの穴の少なくとも一部を疎水性化したものである。疎水性化は、例えばＣＨＦ3ガスやＣＦ4ガスなどのフッ素化合物ガスを流しながらＲＩＥ（反応性イオンエッチング）処理を施したり、エキシマレーザなどの光照射により分解させることにより、穴の内面をフッ素化することにより行なうことができる。この場合、穴の内部までフッ素化することは容易ではないが、液体の浸入を阻止するための疎水性化は穴の入口部分だけであってもよい。
液体が流れる流路の幅や深さを微細加工技術により小さく形成すれば、溝と液体が流れる流路との距離を短くし、液体に含まれる気体が流路から溝へ移動する距離、又は気体が溝から流路の液体へ移動する距離を短くすることができるので、交換又は抽出される気体の移動を短時間で行なうことができ、さらに少ない試薬量を処理することができ、装置の小型化や試薬消費量の低減が可能である。
［実施例５］
実施例１以外のガス交換装置のさらに他の実施例として、複数の溝が形成されたガス交換チップの実施例を図８Ａ〜図８Ｂにより示す。図８Ａは流路と溝の配置を示す平面図、図８Ｂは図８ＡのＸ−Ｘ’線位置での断面図である。
１１ａ，１２ａはガラス基板、例えば石英ガラス基板である。一方の基板１２ａの片面には、１０００μｍ以下、好ましくは数百μｍ以下の幅と深さをもつ第１流路１ａ，第２流路２ａが形成されている。他方の基板１１ａにはその片面に流路１ａ，２ａ間を結ぶ位置に疎水性の表面を有する複数の溝５ａが形成され、流路１ａ，２ａの両端に対応する位置には基板１１ａを貫通して液体や気体の導入や排出に利用する穴６ａ，７ａ，８ａ，９ａが形成されている。
実施例１以外のガス交換装置のさらに他の実施例として、複数の溝が形成されたガス交換チップの実施例を図８Ａ〜図８Ｂにより示す。図８Ａは流路と溝の配置を示す平面図、図８Ｂは図８ＡのＸ−Ｘ’線位置での断面図である。
１１ａ，１２ａはガラス基板、例えば石英ガラス基板である。一方の基板１２ａの片面には、１０００μｍ以下、好ましくは数百μｍ以下の幅と深さをもつ第１流路１ａ，第２流路２ａが形成されている。他方の基板１１ａにはその片面に流路１ａ，２ａ間を結ぶ位置に疎水性の表面を有する複数の溝５ａが形成され、流路１ａ，２ａの両端に対応する位置には基板１１ａを貫通して液体や気体の導入や排出に利用する穴６ａ，７ａ，８ａ，９ａが形成されている。
基板１１ａ，１２ａは流路１ａ，２ａが形成されている面と溝５ａが形成されている面が内側になるように対面させ、流路１ａ，２ａの両端に穴６ａ，７ａ，８ａ，９ａが配置され、溝５ａが流路１ａ，２ａ間を結ぶように位置決めされた状態で接合されて、一体化されている。
溝５ａはその長さと幅が数百μｍ以下、好ましくは幅と高さが１０μｍ以下である。流路１ａ，２ａの一方又は両方に液体を流したとき、溝５ａには液体が浸入せず、溝５ａを通じてガスが移動する。
溝５ａはその長さと幅が数百μｍ以下、好ましくは幅と高さが１０μｍ以下である。流路１ａ，２ａの一方又は両方に液体を流したとき、溝５ａには液体が浸入せず、溝５ａを通じてガスが移動する。
このような流路１ａ，２ａ及び溝５ａは例えばフォトリソグラフィとエッチングを用いた微細加工技術により、穴６ａ，７ａ，８ａ，９ａは例えばサンドブラスト法により形成することができる。溝５ａの内面の疎水性化処理は実施例４と同様に行なうことができる。
基板１１ａ，１２ａはフッ酸接合法により接合することができる。フッ酸接合法では、例えば１％のフッ酸水溶液を基板１１ａ，１２ａの界面に介在させ、必要に応じて１ＭＰａ程度に荷重しつつ、室温で２４時間程度放置する。
流路１ａより流路２ａの方が圧力が高くなるように抵抗管などを接続しておき、例えば、流路１ａに二酸化炭素を含む試料水、流路２ａに純水を流すと、二酸化炭素は濃度勾配によって流路１ａから溝５ａを経て流路２ａに移動するが、試料水中に気泡が入っていたとしても、気泡は流路２ａ側に移動することはない。
流路１ａより流路２ａの方が圧力が高くなるように抵抗管などを接続しておき、例えば、流路１ａに二酸化炭素を含む試料水、流路２ａに純水を流すと、二酸化炭素は濃度勾配によって流路１ａから溝５ａを経て流路２ａに移動するが、試料水中に気泡が入っていたとしても、気泡は流路２ａ側に移動することはない。
［実施例６］
実施例１以外のガス交換装置のさらに他の実施例として、複数の溝が形成されたガス交換チップの他の実施例を図９Ａ〜図９Ｂにより示す。図９Ａは流路と溝の配置を示す平面図、図９Ｂは図９ＡのＸ−Ｘ’線位置での断面図である。
基板１１ｂ，１２ｂはシリコン基板である。基板１１ｂの片面には第１流路１ｂ，第２流路２ｂと、流路１ｂ，２ｂ間を結ぶ疎水性の表面を有する複数の溝５ｂが形成されている。他方の基板１１ｂ上の流路１ｂ，２ｂの両端に対応する位置に液体や気体の導入や排出に利用する貫通穴６ｂ，７ｂ，８ｂ，９ｂが形成されている。
実施例１以外のガス交換装置のさらに他の実施例として、複数の溝が形成されたガス交換チップの他の実施例を図９Ａ〜図９Ｂにより示す。図９Ａは流路と溝の配置を示す平面図、図９Ｂは図９ＡのＸ−Ｘ’線位置での断面図である。
基板１１ｂ，１２ｂはシリコン基板である。基板１１ｂの片面には第１流路１ｂ，第２流路２ｂと、流路１ｂ，２ｂ間を結ぶ疎水性の表面を有する複数の溝５ｂが形成されている。他方の基板１１ｂ上の流路１ｂ，２ｂの両端に対応する位置に液体や気体の導入や排出に利用する貫通穴６ｂ，７ｂ，８ｂ，９ｂが形成されている。
基板１１ｂ，１２ｂは流路１ｂ，２ｂと溝５ｂが形成されている面が内側になるように対面させ、流路１ｂ，２ｂの両端に穴６ｂ，７ｂ，８ｂ，９ｂが配置されるように位置決めされた状態で接合されて、一体化されている。
流路１ｂ，２ｂと溝５ｂの寸法は実施例１に示されたものと同様であり、流路１ｂ，２ｂ、溝５ｂ及び穴６ｂ，７ｂ，８ｂ，９ｂの形成及び溝５ｂ内表面の疎水性化処理は実施例４と同様に行なうことができる。基板１１ｂ，１２ｂの接合は基板表面の酸化膜を利用してフッ酸接合により行なうことができる。
この実施例においても、流路１ｂより流路２ｂの方が圧力が高くなるように抵抗管などを接続しておき、例えば、流路１ｂに二酸化炭素を含む試料水、流路２ｂに純水を流すと、二酸化炭素は濃度勾配によって流路１ｂから溝５ｂを経て流路２ｂに移動するが、試料水中に気泡が入っていたとしても、気泡は流路２ｂ側に移動することはない。
この実施例においても、流路１ｂより流路２ｂの方が圧力が高くなるように抵抗管などを接続しておき、例えば、流路１ｂに二酸化炭素を含む試料水、流路２ｂに純水を流すと、二酸化炭素は濃度勾配によって流路１ｂから溝５ｂを経て流路２ｂに移動するが、試料水中に気泡が入っていたとしても、気泡は流路２ｂ側に移動することはない。
［実施例７］
上記の実施例で示したような本発明のガス交換装置を用いた全有機体炭素測定装置の一実施例を図１０に示す。
この全有機体炭素測定装置は、試料水中に最初から溶け込んでいる二酸化炭素を除去するＩＣ（無機態炭素）除去部４１、試料水中の有機体炭素を二酸化炭素に変換する有機物酸化分解部４４、有機物酸化分解部４４で発生した二酸化炭素を測定水としての純水へ抽出する二酸化炭素分離部４６、及び二酸化炭素分離部４６で抽出した二酸化炭素量を測定するために二酸化炭素分離部４６からの純水の導電率を測定する検出部４７を備えている。その二酸化炭素分離部４６として実施例１に示したガス交換チップを使用する。その２流路型ガス交換チップの第１流路に有機物酸化分解部４４からの試料水を流し、第２流路に純水を流し、そのガス交換チップを経た純水を検出部４７に導く。
上記の実施例で示したような本発明のガス交換装置を用いた全有機体炭素測定装置の一実施例を図１０に示す。
この全有機体炭素測定装置は、試料水中に最初から溶け込んでいる二酸化炭素を除去するＩＣ（無機態炭素）除去部４１、試料水中の有機体炭素を二酸化炭素に変換する有機物酸化分解部４４、有機物酸化分解部４４で発生した二酸化炭素を測定水としての純水へ抽出する二酸化炭素分離部４６、及び二酸化炭素分離部４６で抽出した二酸化炭素量を測定するために二酸化炭素分離部４６からの純水の導電率を測定する検出部４７を備えている。その二酸化炭素分離部４６として実施例１に示したガス交換チップを使用する。その２流路型ガス交換チップの第１流路に有機物酸化分解部４４からの試料水を流し、第２流路に純水を流し、そのガス交換チップを経た純水を検出部４７に導く。
ＩＣ除去部４１は疎水性多孔質膜４２を介して真空ポンプ４３により減圧にすることにより試料水中の二酸化炭素を除去するものである。有機物酸化分解部４４はＵＶ（紫外線）ランプ４５の周りに流路が巻かれた構造をしており、試料水がその流路を通過するときにＵＶランプ４５からのＵＶエネルギーにより酸化を受ける。有機物酸化分解部４４の流路内部には触媒（例えば、酸化チタン）が塗布されていることが好ましい。
二酸化炭素分離部４６のガス交換チップから試料水を排出するチューブを内径の太いチューブ（例えば内径０．５ｍｍ×長さ１ｍのＰＴＦＥチューブ）とし、ガス交換チップ４６を通って検出部４７へ純水を流す流路で、検出部４７の下流に内径の細いチューブ（例えば内径０．２５ｍｍ×長さ１ｍのＰＴＦＥチューブ）を抵抗管として接続しておく。
図１０の全有機体炭素測定装置において、有機物を含む試料水には塩酸などの酸が添加され、ＩＣ除去部４１において疎水性多孔質膜４２を介して真空ポンプ４３により減圧にされることで二酸化炭素が除去される。二酸化炭素は水中では解離しているために水中から取り出すことは難しいので、酸を加えることで解離を防ぐのである。
次に、試料水は有機物分解部４４に送られ、二酸化炭素が除去された試料水の有機物は、ＵＶランプ４５からのＵＶエネルギーにより酸化され、二酸化炭素になる。このとき、試料水に酸化剤が添加されている場合はその酸化剤の作用により、また流路内部に触媒が塗布されている場合にはその触媒の作用により、試料水中の有機物はより効果的に酸化される。有機物の酸化分解により生じた二酸化炭素が溶存している試料水は二酸化炭素分離部４６のガス交換チップに送られ、試料水に含まれる二酸化炭素は純水（第２流体）へ移動する。純水は検出部４７へ送られ、純水の導電率を測定することで、二酸化炭素の濃度が定量される。
このとき、検出部４７の下流に抵抗管が接続されているので、二酸化炭素分離部４６のガス交換チップでは試料水の流路と測定水の流路の間に送液圧力差が生じており、二酸化炭素を含んだ試料水から純水へ二酸化炭素は移動するが気泡は移動せず、したがって気泡の影響を受けない安定した導電率測定ができる。また、試料水を送液する際に誤って空気を送液したとしても、気泡は検出部４７に到達しないので、検出部４７に気泡が留まることがなく、再測定が容易である。
［実施例８］
上記の実施例で示したような本発明のガス交換装置を用いた全有機体炭素測定装置の他の例を図１１に示す。図１１はその全有機体炭素測定装置の概略断面図である。
この全有機体炭素測定装置は、ガス交換装置であるガス交換チップが、上側の有機物酸化部と下方の導電率測定部によって挟まれて一体化している。
上記の実施例で示したような本発明のガス交換装置を用いた全有機体炭素測定装置の他の例を図１１に示す。図１１はその全有機体炭素測定装置の概略断面図である。
この全有機体炭素測定装置は、ガス交換装置であるガス交換チップが、上側の有機物酸化部と下方の導電率測定部によって挟まれて一体化している。
ガス交換チップはガス交換部５ｃと、ガス交換部５ｃとの間に第１流路１ｃを形成する第１基板１１ｃと、ガス交換部５ｃを介して第１流路１ｃと対向する第２流路２ｃを形成する第２基板１２ｃとが積層して固定されたものである。
導電率測定部は、第２基板１２ｃに対向して固着され第２基板１２ｃとの間に第２流路２ｃにつながる測定セルを形成する第３基板１３ｃと、測定セル内に配置された導電率測定電極７とを備えたものである。測定セル内の流路１６の一端は、貫通穴９ｃを介して第２流路２ｃにつながり、他端は基板１３ｃに貫通穴として設けられた排出口２４につながっている。
基板１３ｃには第２流体である測定水としてのイオン交換水の供給流路２３が貫通穴として設けられ、その供給流路２３は基板１２ｃの貫通穴８ｃを介して第２流路２ｃにつながっているとともに、第２基板１２ｃと第３基板１３ｃにより形成されている分岐流路１５を介して貫通穴として設けられた排出口２５につながっている。
イオン交換水の精度を維持するための最適流量はこのようなガス交換チップで必要とされる測定水の流量に比べて大きい。そのために、この実施例では、基板１２ｃと基板１３ｃとの間に、イオン交換水を第２流路２ｃと他の流路に分岐する分岐流路１５を形成しているので、イオン交換水の精度を維持するための最適流量を維持したまま、測定水の流量を調整して供給することができる。
有機物酸化部は、第１基板１１ｃに対向して固着された第４基板１４ｃを備え、第４基板１４ｃと第１基板１１ｃとの間に酸化用流路１９が形成され、少なくとも酸化用流路１９の一部に外部からの紫外線が入射可能なように第４基板１４ｃが透明材質となっている。
酸化用流路１９の一端は、貫通穴として設けられた第１流体（試料水）用の供給流路２１につながり、他端は基板１１ｃに設けられた貫通穴６ｃを介して第１流路１ｃにつながっている。第１流路１ｃは試料水を排出するために基板１１ｃに設けられた貫通穴７ｃと、基板１４ｃの貫通穴である排出口２２につながっている。
第１流路１ｃよりも第２流路２ｃの方が圧力が高くなるように、排出口２４と排出口２５の下流には抵抗管を接続する。
酸化用流路１９の一端は、貫通穴として設けられた第１流体（試料水）用の供給流路２１につながり、他端は基板１１ｃに設けられた貫通穴６ｃを介して第１流路１ｃにつながっている。第１流路１ｃは試料水を排出するために基板１１ｃに設けられた貫通穴７ｃと、基板１４ｃの貫通穴である排出口２２につながっている。
第１流路１ｃよりも第２流路２ｃの方が圧力が高くなるように、排出口２４と排出口２５の下流には抵抗管を接続する。
基板１１ｃ，１２ｃ，１３ｃの接合部１７，１８は、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）や接着性の有機膜、又は接着剤を塗布した薄膜シートや薄膜でシールする。
このように、紫外線入射が可能な透明材質の基板を用いて酸化用流路をさらに積層すれば、有機物酸化部、ガス交換部及び導電率測定部を一体化することができ、装置をさらに小型化できるとともに、二酸化炭素に変換された全有機体炭素を迅速に測定することができる。これにより、測定の精度を上げることができる。
このように、紫外線入射が可能な透明材質の基板を用いて酸化用流路をさらに積層すれば、有機物酸化部、ガス交換部及び導電率測定部を一体化することができ、装置をさらに小型化できるとともに、二酸化炭素に変換された全有機体炭素を迅速に測定することができる。これにより、測定の精度を上げることができる。
この全有機体炭素測定装置における有機物濃度測定の動作を図１１を参照しながら説明する。
試料水として、例えば、フタル酸水素カリウム水溶液を用いた。
試料水は供給流路２１から０．１ｍＬ／分程度の流量で、酸化用流路１９に供給される。試料中の有機物は紫外線を０．１〜５分間、好ましくは３分間照射されることにより酸化され、二酸化炭素として試料水中に溶存する。
試料水として、例えば、フタル酸水素カリウム水溶液を用いた。
試料水は供給流路２１から０．１ｍＬ／分程度の流量で、酸化用流路１９に供給される。試料中の有機物は紫外線を０．１〜５分間、好ましくは３分間照射されることにより酸化され、二酸化炭素として試料水中に溶存する。
イオン交換水はイオン交換水精製器などにより、供給流路２３から０．１〜１０ｍＬ／ｍｉｎの流量、本実施例では、２ｍＬ／ｍｉｎの流量で供給される。しかし、導電率を測定するときのイオン交換水の流量は非常に少量であるため、供給流路２３から供給されたイオン交換水の余剰量は、分岐流路１５を経て排出口２５から排出し、測定水流量を調整した。分岐流路１５及び排出口２５を設けることによって、例えば、第２流路２ｃへの流量（例えば、０．１ｍＬ／ｍｉｎ）とは別に、イオン交換水の供給流量を最適な流量（１．９ｍＬ／ｍｉｎ）にすることができる。
有機物が二酸化炭素に転換されて溶存している試料水は、貫通穴６ｃを介して第１流路１ｃに送られ、ガス交換部５ｃによって、試料水中の二酸化炭素は第２流路２ｃ側のイオン交換水へ透過する。このとき、試料水に気泡が入っていても、第１流路１ｃより第２流路２ｃの方が圧力が高くなっているので、気泡は第２流路２ｃの測定水には移動しない。
ガス交換部５ｃでガス透過を終えた試料水は、貫通穴７ｃを介して排水口２２から排出される。二酸化炭素を吸収した測定水は、貫通穴９ｃを介して測定セルに送られる。その後、測定水は流路１６を流れ、測定電極７によってイオン交換水の導電率が測定される。
試料水に有機物及び二酸化炭素を全く含まないものを用いてバックグラウンドを測定し、試料水から得られた結果からバックグラウンドを差し引くことで、導電率から二酸化炭素の濃度を定量し、全有機体炭素に換算する。
試料水に有機物及び二酸化炭素を全く含まないものを用いてバックグラウンドを測定し、試料水から得られた結果からバックグラウンドを差し引くことで、導電率から二酸化炭素の濃度を定量し、全有機体炭素に換算する。
図１１の実施例は一例であり、同等の機能が得られる基板材料やシール材等を限定するものではない。また、装置構成についても、４枚の基板１１ｃ，１２ｃ，１３ｃ，１４ｃによる構成に限定するものではなく、基板１１ｃ，１２ｃ，１３ｃのみにより構成してもよいし、基板１１ｃ，１２ｃのみにより構成してもよい。
基板構成は縦型の構成に限定されるものではなく、平面方向に広げることによっても実施することができる。例えば、第４基板と第３基板を平面方向に広げるように、第１基板と第２基板に隣接して配置することで、装置の高さを低くすることができる。
試料水に無機体炭素が含まれている場合は、実施例での測定により全炭素が求められる。厳密な有機体炭素を求めるためには、紫外線照射を行って求めた全炭素値と、紫外線を行わないで求めた無機体炭素値の差を求めればよい。
試料水に無機体炭素が含まれている場合は、実施例での測定により全炭素が求められる。厳密な有機体炭素を求めるためには、紫外線照射を行って求めた全炭素値と、紫外線を行わないで求めた無機体炭素値の差を求めればよい。
［実施例９］
次に本発明の反応装置の一実施例を図１２Ａ〜図１２Ｂにより説明する。
図１２Ａは流路の配置を示す平面図、図１２Ｂは図１２ＡのＸ−Ｘ’線位置での断面図、図１２Ｃは本発明を適用しない場合の動作の概略図、図１２Ｄはこの実施例の動作の概略図を示す。
次に本発明の反応装置の一実施例を図１２Ａ〜図１２Ｂにより説明する。
図１２Ａは流路の配置を示す平面図、図１２Ｂは図１２ＡのＸ−Ｘ’線位置での断面図、図１２Ｃは本発明を適用しない場合の動作の概略図、図１２Ｄはこの実施例の動作の概略図を示す。
一方の基板１２ｄの片面には、１０００μｍ以下、好ましくは数百μｍ以下の幅と深さをもつ反応流路（第２流路）２ｄと、流路２ｄから分岐してつながる反応液導入流路５３，５４が形成されている。
他方の基板１１ｄの片面には試薬導入流路（第１流路）１ｄが形成されており、両基板１１ｄ，１２ｄはそれぞれ両流路１ｄ，２ｄがガス交換部５ｄを挟んで対向する部分をもつように接合されている。ガス交換部５ｄにはガス交換膜や多孔質膜などを用いる。
基板１１ｄには、流路２ｄの端の位置に対応する排出用の貫通穴９ｄと、流路２ｄにつながる流路５３，５４の端の位置に対応する送液用の貫通穴５１，５２と、第１流路の送液及び排出用の貫通穴６ｄ，７ｄが形成されている。
基板１１ｄ，１２ｄは例えば石英ガラス基板などのガラス基板である。
基板１１ｄには、流路２ｄの端の位置に対応する排出用の貫通穴９ｄと、流路２ｄにつながる流路５３，５４の端の位置に対応する送液用の貫通穴５１，５２と、第１流路の送液及び排出用の貫通穴６ｄ，７ｄが形成されている。
基板１１ｄ，１２ｄは例えば石英ガラス基板などのガラス基板である。
このような流路１ｄ，２ｄ，５３，５４は例えばフォトリソグラフィとエッチングを用いた微細加工技術により、穴６ｄ，７ｄ，９ｄ、５１，５２は例えばサンドブラスト法により形成することができる。本実施例では流路１ｄと流路２ｄはガス交換部５を介して流路が直交するように形成されているが、実施例１で示したように平行であってもよい。
次に同実施例の動作を説明する。
流路１ｄに第１流体として純水を流し、流路２ｄに反応溶液として流路５３から希塩酸、流路５４から炭酸水素ナトリウム水溶液を流して流路２ｄで反応させる。流路２ｄでの反応溶液が第２流体となる。この反応により流路２ｄでは二酸化炭素が生成し、反応溶液に溶存しきれない二酸化炭素は気泡として反応溶液中に存在する。
流路１ｄに第１流体として純水を流し、流路２ｄに反応溶液として流路５３から希塩酸、流路５４から炭酸水素ナトリウム水溶液を流して流路２ｄで反応させる。流路２ｄでの反応溶液が第２流体となる。この反応により流路２ｄでは二酸化炭素が生成し、反応溶液に溶存しきれない二酸化炭素は気泡として反応溶液中に存在する。
ここで両流路１ｄ，２ｄに送液圧力差を生じさせないときは、図１２Ｃに示すように、発生した気泡はそのまま穴９ｄから下流に流される。穴９ｄの下流に検出器や別の反応容器が配置される場合にはその気泡が障害となる。
それに対し、本発明により、穴９ｄにつながる排出流路に抵抗管を接続するなどの方法により、流路１ｄよりも流路２ｄの方が圧力が高くなるようにすることにより、図１２Ｄに示すように気泡はガス交換部５を経て流路１ｄ側に脱気され、穴９ｄの下流に流されていくのが防止される。
それに対し、本発明により、穴９ｄにつながる排出流路に抵抗管を接続するなどの方法により、流路１ｄよりも流路２ｄの方が圧力が高くなるようにすることにより、図１２Ｄに示すように気泡はガス交換部５を経て流路１ｄ側に脱気され、穴９ｄの下流に流されていくのが防止される。
他の反応に利用する例として、流路１ｄに第１流体として純水を流し、流路２ｄに反応溶液として流路５３から０．５％過酸化水素水、流路５４から１Ｍ鉄ミョウバン水溶液を流して流路２ｄで反応させたとする。この反応により流路２ｄでは酸素が生成し、反応溶液に溶存しきれない酸素は気泡として反応溶液中に存在する。この場合も、流路１ｄよりも流路２ｄの方が圧力が高くなるようにすることにより、図１２Ｄに示すように気泡はガス交換部５を経て流路１ｄ側に脱気され、穴９ｄの下流に流されていくのが防止される。
［実施例１０］
次に本発明の細胞培養装置の一実施例を図１３Ａ〜図１３Ｂにより説明する。
図１３Ａは流路の配置を示す平面図、図１３Ｂは図１３ＡのＸ−Ｘ’線位置での断面図、図１３Ｃは本発明を適用しない場合の動作を示す概略図、図１３Ｄはこの実施例の動作を示す概略図である。
次に本発明の細胞培養装置の一実施例を図１３Ａ〜図１３Ｂにより説明する。
図１３Ａは流路の配置を示す平面図、図１３Ｂは図１３ＡのＸ−Ｘ’線位置での断面図、図１３Ｃは本発明を適用しない場合の動作を示す概略図、図１３Ｄはこの実施例の動作を示す概略図である。
一方の基板１２ｅの片面には、１０００μｍ以下、好ましくは数百μｍ以下の幅と深さをもつ細胞培養液用流路（第２流路）２ｅが形成されている。流路２ｅの一部は広さ及び深さが大きくなった細胞培養室６１となっている。細胞培養室６１は基板２ｅを加工することにより形成するか、複数の基板を張り合わせることによって形成される。例えば、予め基板１２ｅに細培養室６１となる円筒形状を形成し、その後、流路２ｅを形成すればよい。
他方のガラス基板１１ｅの片面には通気用流路（第１流路）１ｅが形成されており、両基板１１ｅ，１２ｅはそれぞれ両流路１ｅ，２ｅがガス交換部５ｅを挟んで対向する部分をもつように接合されている。ガス交換部５ｅにはガス交換膜や多孔質膜などを用いる。
基板１１ｅには、流路２ｅの両端に対応する位置に細胞培養液供給用の貫通穴８ｅと排出用の貫通穴９ｅが形成され、流路１ｅの送液及び排出用の貫通穴６ｅ，７ｅが形成されている。
基板１１ｅ，１２ｅは例えば石英ガラス基板などのガラス基板である。
基板１１ｅには、流路２ｅの両端に対応する位置に細胞培養液供給用の貫通穴８ｅと排出用の貫通穴９ｅが形成され、流路１ｅの送液及び排出用の貫通穴６ｅ，７ｅが形成されている。
基板１１ｅ，１２ｅは例えば石英ガラス基板などのガラス基板である。
このような流路１ｅ，２ｅ及び細胞培養室６１は例えばフォトリソグラフィとエッチングを用いた微細加工技術により、穴６ｅ，７ｅ，８ｅ，９ｅは例えばサンドブラスト法により形成することができる。
この実施例では流路１ｅと流路２ｅはガス交換部５ｅ介して流路が直交するように形成したが、実施例１で示したように平行であってもよい。
この実施例では流路１ｅと流路２ｅはガス交換部５ｅ介して流路が直交するように形成したが、実施例１で示したように平行であってもよい。
次に同実施例の動作を説明する。
細胞培養室６１には細胞６３が収容されており、流路２ｅにより細胞培養液が供給される。この細胞培養装置を３５℃に温度調節し、細胞培養液の酸素濃度と二酸化炭素濃度を最適値に保つために、流路１ｅに酸素が２０％、二酸化炭素が５％、残部が窒素となるように調製された混合ガスを流す。
ガス交換部５ｅでは、流路１ｅの混合ガスから流路２ｅの細胞培養液に酸素と二酸化炭素が移動して細胞培養液の酸素濃度と二酸化炭素濃度が維持される。
細胞培養室６１には細胞６３が収容されており、流路２ｅにより細胞培養液が供給される。この細胞培養装置を３５℃に温度調節し、細胞培養液の酸素濃度と二酸化炭素濃度を最適値に保つために、流路１ｅに酸素が２０％、二酸化炭素が５％、残部が窒素となるように調製された混合ガスを流す。
ガス交換部５ｅでは、流路１ｅの混合ガスから流路２ｅの細胞培養液に酸素と二酸化炭素が移動して細胞培養液の酸素濃度と二酸化炭素濃度が維持される。
ここで両流路１ｅ，２ｅに送液圧力差を生じさせないときは、図１３Ｃに示されるように、ガス交換部５ｅでは、流路１ｅの混合ガスから流路２ｅの細胞培養液に気泡も移動し、その気泡が細胞培養室６１に溜まり、細胞６３と細胞培養液の良好な接触を阻害することがある。
それに対し、本発明により、穴９ｅにつながる排出流路に抵抗管を接続するなどの方法により、流路１ｅよりも流路２ｅの方が圧力が高くなるようにすることにより、図１３Ｄに示されるように気泡が細胞培養液に混入するのが防止され、細胞培養室６１における細胞６３と細胞培養液の良好な接触を維持することができる。
それに対し、本発明により、穴９ｅにつながる排出流路に抵抗管を接続するなどの方法により、流路１ｅよりも流路２ｅの方が圧力が高くなるようにすることにより、図１３Ｄに示されるように気泡が細胞培養液に混入するのが防止され、細胞培養室６１における細胞６３と細胞培養液の良好な接触を維持することができる。
１，１ａ〜１ｅ 第１流路
２，２ａ〜２ｅ 第２流路
３ 抵抗管
５，５ａ〜５ｅ ガス交換部
６〜９，６ａ〜９ａ，６ｂ〜９ｂ，６ｃ〜９ｃ 貫通穴
１０，１０ｄ 気泡
１１，１１ａ〜１１ｅ 第１基板
１２，１２ａ〜１２ｅ 第２基板
１３ｃ 第３基板
１４ｃ 第４基板
１５ 分岐流路
１９ 酸化用流路
６１ 細胞培養室
６３ 細胞
２，２ａ〜２ｅ 第２流路
３ 抵抗管
５，５ａ〜５ｅ ガス交換部
６〜９，６ａ〜９ａ，６ｂ〜９ｂ，６ｃ〜９ｃ 貫通穴
１０，１０ｄ 気泡
１１，１１ａ〜１１ｅ 第１基板
１２，１２ａ〜１２ｅ 第２基板
１３ｃ 第３基板
１４ｃ 第４基板
１５ 分岐流路
１９ 酸化用流路
６１ 細胞培養室
６３ 細胞
Claims (15)
- 液体からなる第１流体が流される第１流路と、液体からなる第２流体が流される第２流路とを、液体が通過せずにガス成分が移動できるガス交換部を介して配置することと、
前記ガス交換部を挟んで両流路間に圧力差を設けることを含み、
それにより両流路間の気泡の移動を制御する圧力差気泡移動制御方法。 - 前記気泡移動制御は、第２流路の圧力を第１流路の圧力より高くすることにより第１流体から第２流体に気泡が入ることを防止することである請求項１に記載の圧力差気泡移動制御方法。
- 前記気泡移動制御は、第２流路の圧力を第１流路の圧力より高くすることにより第２流体中の気泡を第１流体に移動させて脱気することである請求項１又は２に記載の圧力差気泡移動制御方法。
- 第２流路の下流に流路抵抗部品を接続することにより第２流路の圧力を第１流路の圧力よりも高くする請求項１から３のいずれかに記載の圧力差気泡移動制御方法。
- 第１流路に第１流体として二酸化炭素を含む試料水、第２流路に第２流体として脱イオン水を流して第１流体から第２流体へ二酸化炭素を移動させるとともに、両流体間の気泡の移動を制御する請求項２又は４に記載の圧力差気泡移動制御方法。
- 第１流路に第１流体として二酸化炭素と酸素を含む液体、第２流路に第２流体として細胞培養液を流し、第１流体から第２流体へ二酸化炭素と酸素を移動させるとともに、第１流体中の気泡が第２流体に混入するのを防ぐ請求項２又は４に記載の圧力差気泡移動制御方法。
- ガス交換可能なガス交換部と、
前記ガス交換部と接触する第１流路と、
前記ガス交換部と接触し、前記ガス交換部を介して第１流路と対向する部分をもつ第２流路とを備え、
請求項１から４のいずれかに記載の圧力差気泡移動制御方法により第１流路と第２流路との間の気泡の移動が制御されるガス交換装置。 - 前記ガス交換部は、膜を貫通した多数の孔が形成されたメンブレンフィルタ又はガス透過膜で仕切られたものである請求項７に記載のガス交換装置。
- 前記ガス交換部は、膜を貫通した多数の孔が形成されたメンブレンフィルタと、前記メンブレンフィルタに形成され前記孔を通して液体が移動せずに液体に含まれるガス成分の移動だけができる隙間を形成している疎水性材料からなるガス透過層とからなるものである請求項７に記載のガス交換装置。
- 前記ガス交換部は、両流路間を結ぶ複数の溝が備えられたものであり、前記溝は液体が移動せずに液体に含まれるガス成分の移動だけができるようにその内表面の少なくとも一部の疎水性化とその断面積の大きさの設定がなされているものである請求項７に記載のガス交換装置。
- 第１流路が前記ガス交換部と積層された第１基板により形成され、
第２流路が前記ガス交換部を介して第１基板と積層された第２基板により形成されている請求項７，８又は９に記載のガス交換装置。 - 請求項７から１１のいずれかに記載のガス交換装置の第２流路に接続され、第２流路からの液体の導電率を測定するための電極が配置された測定セルを有する第３流路をさらに備え、第２流路に測定水として脱イオン水を流す導電率測定装置。
- 試料水中の有機体炭素を二酸化炭素に変換する有機物酸化分解部、前記有機物酸化分解部で発生した二酸化炭素を脱イオン水からなる測定水へ抽出する二酸化炭素分離部、及び前記二酸化炭素分離部で抽出した二酸化炭素量を測定するために前記二酸化炭素分離部からの測定水の導電率を測定する検出部を備えた全有機体炭素測定装置において、
前記二酸化炭素分離部及び検出部として請求項１２に記載の導電率測定装置を使用し、前記有機物酸化分解部からの試料水を第１流路に導く全有機体炭素測定装置。 - 溶液中で化学反応を起こさせる反応部を有する反応流路を備えた反応装置において、
前記反応流路の反応部の下流に請求項７から１１のいずれかに記載のガス交換装置を配置し、
前記反応流路を第２流路に接続し、
第２流路の圧力を第１流路の圧力よりも高くすることによって前記反応流路で発生したガスを第１流路に脱気する反応装置。 - 細胞培養室とその細胞培養室に細胞培養液を流す細胞培養液流路とを備えた細胞培養装置において、
前記細胞培養室の上流に請求項７から１１のいずれかに記載のガス交換装置を配置し、
前記細胞培養液流路を第２流路に接続して第２流路を経由して細胞培養室へ細胞培養液を流すようにし、第１流路に二酸化炭素と酸素を含む液体を流し、第２流路の圧力を第１流路の圧力よりも高くすることによって第１流路から第２流路の細胞培養液への気泡の移動を抑えながら細胞培養液の酸素と二酸化炭素の濃度を調整する細胞培養装置。
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