JP6537160B2 - ガスクロマトグラフィーに汚染物質を閉じ込めるためのマイクロ流体汚染物質トラップ - Google Patents

Description

ガスクロマトグラフィー（GC）は、気体のまたは気化された試料中の多くの異なる物質の存在を分析および検知するために使用される。ガスクロマトグラフィーの機能は、化学的な試料の成分を分離し、これらの成分の存在そしてしばしば量を検知することにある。分離はしばしば、キャピラリカラムを使用して果たされる。このカラムは本質的に、試料と相互作用して成分を分離する内部のコーティングを有する一片の石英ガラス管類である。

GCカラムの寸法はさまざまであるが、通常の内径は100ミクロン〜530ミクロンの範囲である。通常の長さは5メートル〜60メートルの範囲である。

ユーザが比較的不揮発性の成分を含有する試料を分析する場合、これらの成分はカラムの内壁に堆積し、カラムを汚染し、ことによるとその性能を低下させることがある。分析が繰り返されたのちに見過ごせない低下が生じた場合、ユーザは、カラム内の汚染物質の影響を除去しない限り、軽減するための処置を取らねばならなくなるであろう。

GCシステム内の汚染物質の悪影響に取り組む公知の方法には、カラムの汚染された部分を繰り返し切除すること、および/または、カラムを取り換えることが含まれる。あるいは、カラムの使い捨ての部分（sacrificial section）を使用することができる。このような使い捨てのカラムは、通常「リテンションギャップ」、「プレカラム」または「ガードカラム」のいずれかで呼ばれ、（例えば、不活性化した石英ガラスキャピラリの切断片をカラム接続とともに使用して）ユーザが作成したものであっても、または、完成された製品として購入したものであってもよい。さらにあるいは、分析対象でなく、かつ、分析温度でカラム内をゆっくりと移動する試料成分を除去するために、カラムをバックフラッシュしてもよい。

米国特許出願公開第2014/0118742号 米国特許出願公開第2014/0119993号 米国特許第6,444,326号 米国特許第4,532,150号 米国特許第4,376,641号 米国特許第5,567,868号 米国特許第5,720,798号 米国特許第5,792,943号 米国特許第5,997,708号 米国特許第7,128,876号 米国特許第7,811,452号 米国特許第8,123,841号 米国特許第6,783,871号

上述した解決手段の多くは、汚染物質を閉じ込めるために、ユーザが石英ガラスキャピラリを扱うことを必要とする。キャピラリは、適切に作動するために、GCシステム用の入口に注意深く装着されねばならない。

適切な装着のステップには、キャピラリを必要な長さまで切除しながら、清潔な正方形の端をそこに作成すること、キャピラリの内部または外部の汚染を回避または除去すること、キャピラリを正確な深さで入口内へと配置すること、キャピラリに漏れ止め封止を作成すること、および、入口に漏れ止め封止を作成することが含まれる。

理解できるように、例えばカラムを切断したあとにキャピラリを装着することの複雑さ、および、入口へのキャピラリの接続の最終的な質が、所望のものまたは許容可能なものを下回る場合がある。

ゆえに、要望されているのは、少なくとも上述した公知の構造の欠点を克服する機器である。

本発明はマイクロ流体汚染物質トラップに向けられている。マイクロ流体汚染物質トラップは例示的に、ガスクロマトグラフィー（GC）システムの試料入口に直接的または非直接的に接続されるよう構成された入口と、GCカラムの入口に直接的に、または、別の流体的な部品を介してGCカラムの入口に非直接的に接続されるよう構成された出口と、チャネルを備える中間層と、中間層にわたって配置され中間層に接合された上側層と、チャネルにわたって配置されたコーティングとを備えている。コーティングにより、マイクロ流体汚染物質トラップの入口に供給された試料からの検体の、マイクロ流体汚染物質トラップとの相互作用が低減される。

別の本発明の実施態様では、マイクロ流体汚染物質トラップは、ガスクロマトグラフィー（GC）システムの試料入口に直接的または非直接的に接続されるよう構成された入口と、GCカラムの入口に直接的に、または、別の流体的な部品を介してGCカラムの入口に非直接的に接続されるよう構成された出口と、第1のチャネルを備える第1のチャネル層と、第1のチャネルにわたって配置された第1のコーティングとを備えている。

第1のコーティングは、マイクロ流体汚染物質トラップの入口に供給された試料からの検体の相互作用を低減する。マイクロ流体汚染物質トラップは、第2のチャネルを備える第2のチャネル層をも備えている。第1のチャネルは第2のチャネルと流体連通している。マイクロ流体汚染物質トラップは、第2のチャネルにわたって配置された第2のコーティングをも備えている。第2のコーティングは、マイクロ流体汚染物質トラップの入口に供給された試料からの検体の、マイクロ流体汚染物質トラップとの相互作用を低減する。マイクロ流体汚染物質トラップはまた、第1のチャネル層にわたって配置された上側層と、第1のチャネル層の下側面と第2のチャネル層の上側面の上方との間に配置された中間層と、第2のチャネル層の下方に配置された下側層とを備えている。上側層および中間層は第1のチャネルを封止するよう構成され、中間層および下側層は第2のチャネルを封止するよう構成されている。

当業者が本出願を検討すれば理解するであろうが、例えばカラムを切断および再装着する必要、または、ガードカラムを取り換えるもしくは新しいカラムを装着する必要を含む、公知のGCシステムと比較した他の利点の中でもとりわけ、マイクロ流体汚染物質トラップは、適切な長さの切断された清潔な端面をカラムに設ける必要なしに、試料入口とカラムとの間に接続することができる。さらに、2つの同時の接続を形成するための接続（カラムからフェルール、およびフェルールから入口）を必要とする公知のGCシステムと違って、2つの独立した接続が、本実施形態のマイクロ流体トラップを使用して形成される（入口からトラップ、および、トラップからGCシステム）。

これらの本実施形態では、この封止は端面対端面の封止であり、他の公知のGCシステムにおける接続よりも、過剰に締まる傾向が少ない。さらに、これらの実施形態は、石英ガラスの同等の片よりも占有面積が小さい。例えば、マイクロ流体装置における500μm×500μmのチャネルの793mmの長さの部分を、45mm×20mm×1mmの空間に配置することができる。530μmの石英ガラスキャピラリの793mmの部分を、石英ガラスが破損する大きな危険なしに直径130mmよりも小さく巻くことはできない。さらに、本教示のマイクロ流体汚染物質トラップはキャピラリカラムよりも扱いがはるかに容易であり、封止面に触れることもない。このように、本実施形態のマイクロ流体汚染物質トラップは、ユーザによるGCシステム汚染の影響を受けにくい。

さらに、本実施形態のマイクロ流体汚染物質トラップの平坦な形状および接続により、試料入口およびカラムから独立した、マイクロ流体トラップの温度制御が促進される。この促進は、容積に対する表面積の高い比率、および、構造体の外面から中心への最小化された距離という、平坦な構造体の2つの特徴によるものである。

最後に、かつ、本教示の説明が続くとともに、より明らかとなるであろうように、本実施形態のマイクロ流体汚染物質トラップは、それらの効果性が非許容限度に達したときに、交換されるように構成されている。この交換は、試料入口の出口およびカラムの入口に対するマイクロ流体汚染物質トラップの、比較的容易かつ効率的な端面封止接続により促進される。本教示のマイクロ流体汚染物質トラップのこれらおよび他の利点を、本実施形態に関連して、より十分に以下に説明する。

本発明の実施形態に係るGCシステムを示す簡略化されたブロック図である。 本発明の実施形態に係るマイクロ流体汚染物質トラップの分解図である。 図2Aに示すマイクロ流体汚染物質トラップの斜視図である。 本発明の実施形態に係るマイクロ流体汚染物質トラップの分解図である。 本実施形態に係るマイクロ流体汚染物質トラップの一部を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係るマイクロ流体汚染物質トラップの一部を示す斜視図である。 本実施形態に係るマイクロ流体汚染物質トラップの斜視図である。 本実施形態に係るマイクロ流体汚染物質トラップの分解図である。 本実施形態に係るマイクロ流体汚染物質トラップの分解図である。

本教示は、添付の図面とともに以下の詳細な説明を読むときに、最もよく理解される。特徴は必ずしも等角で描かれているわけではない。実用的である場合、類似の参照番号は類似の特徴を指している。

本明細書中で使用する専門用語が、特定の実施形態を説明することのみを目的としており、限定することを意図していないことを理解されたい。定義された用語は、一般に理解される定義された用語の技術的および科学的な意味に加えて、本教示の技術分野においても受け入れられる。

明細書および添付の特許請求の範囲において使用されるように、用語「1つの」および「前記」は、そうでないことが文脈により明示されていない限り、単数および複数の指示物の両方を含んでいる。ゆえに、例えば「1つの装置」は1つの装置および複数の装置を含んでいる。

明細書および添付の特許請求の範囲において使用されるように、かつ、それらの通常の意味に加えて、「実質的な」または「実質的に」という用語は、許容できる限度または程度があることを意味する。例えば、「実質的に撤回された」は、撤回が許容できると当業者がみなすであろうことを意味している。

明細書および添付の特許請求の範囲において使用されるように、かつ、その通常の意味に加えて、「ほぼ」という用語は、当業者にとって許容できる限度または量の範囲内であることを意味する。例えば、「ほぼ同じ」は、比較されている項目が同じであると当業者がみなすであろうことを意味している。

以下の詳細な説明において、特定の詳細を開示する本実施形態は、限定ではなく説明を目的として、本教示の十分な理解を与えるために記載されている。公知のシステム、装置、材料、操作方法および製造方法の説明は、例示の実施形態の説明を不明瞭にすることのないよう、省略される場合がある。しかし、当業者の認識範囲内にあるシステム、装置、材料および方法を、本実施形態に従って使用してもよい。

一般に、図面および図面に示されるさまざまな要素は等角に描かれていないと理解されている。さらに、「上方」、「下方」、「頂部」、「底部」、「上側」、「下側」、「左」、「右」、「垂直」および「水平」などの相対的な用語が、添付図面に示すように、さまざまな要素の互いに対する関係を説明するのに使用されている。これらの相対的な用語は、マイクロ流体汚染物質トラップおよび/または要素の異なる方位を、図面に示す方位に加えて包含することを意図していると理解される。例えば、マイクロ流体汚染物質トラップが図面の視点に対して逆にされた場合、例えば「上方の」別の要素として説明された要素が、今ではその要素の「下方に」あることになる。同様に、装置が図面の視点に対して90度回転された場合、例えば「垂直」と説明された要素が、今では「水平」であることになる。

図1は、本実施形態に係るGCシステム100の簡略化されたブロック図である。GCシステム100の多くの局面は当業者にとって公知である。それゆえに、GCシステム100の特定の公知の部品の詳細説明を省略する。ある場合、実施されてもよい公知の部品の主たる例に言及するが、例示のために示すのであり、限定することを決して意図していない。

GCシステムは、スプリット/スプリットレス入口などの試料入口101を備えている。試料入口101はマイクロ流体汚染物質トラップ102に流体的に連結され、マイクロ流体汚染物質トラップ102はカラム103に流体的に連結されている。カラム103は、ガスクロマトグラフィーで有効なさまざまなカラムの1つであってもよい。

カラム103は化学試料の成分を分離する。カラム103は、化学試料の成分を分離するために試料入口101からの試料と相互作用する管類の内部にコーティングを有する1本の石英ガラス管類（図示せず）を備えるキャピラリカラムであってもよい。このカラム103の寸法はさまざまであるが、通常の内径は100ミクロン〜530ミクロンの範囲である。通常の長さは5メートル〜60メートルの範囲である。

本実施形態に関連して、より詳細に後に説明するように、汚染物質トラップ102は、試料入口101から来る試料からの汚染物質を閉じ込めるよう構成され、かつ、汚染物質がトラップの出口に達する前にそれらを閉じ込めることにより、それらがカラム103に達することを防止するよう構成されたマイクロ流体汚染物質トラップである。

カラム103は検知器104に接続されている。検知器104は、カラム103により分離された成分の存在および多くの場合に量を検知する。一般に、検知器104は、フレームイオン化検出器（FID）、質量分析計検出器（MSD）、熱伝導度検出器（TCD）、電子捕獲型検出器（ECD）、窒素リン検出器（NPD）、硫黄化学発光検出器（SCD）、窒素化学発光検出器（NCD）、パルス型炎光光度検出器（PFPD）、またはヘリウムイオン化検出器（HID）などの、公知のGC検出器である。

本実施形態によれば、検知器は、上記特許文献1および上記特許文献2に記載されたような炎光光度検出器（FPD）であってもよい。共有の上記特許文献1および共有の上記特許文献2の開示は、参照により本明細書中に特に組み込まれる。FPDの使用が単なる例示であって、当業者に公知の他の多くの検知器が本教示により予期されることを強調しておく。

図2Aは、本実施形態に係るマイクロ流体汚染物質トラップ200の分解図である。マイクロ流体汚染物質トラップ200は、上側層201、中間層202および下側層203を備えている。

マイクロ流体汚染物質トラップ200は、試料入口（例えば試料入口101）の出口に直接的または非直接的に流体的に連結されるよう構成された入口204を備えている。マイクロ流体汚染物質トラップ200は、GCシステムのカラム（例えばカラム103）の入口に直接的または非直接的に流体的に連結されるよう構成された出口205をも備えている。本実施形態では、試料入口（例えば試料入口101）は、スプリット/スプリットレス入口（S/SL）またはマルチモード入口または当業者に公知の他のGC入口タイプの1つである。

入口204は中間層入口206に流体的に連結されており、出口205は中間層出口207に流体的に連結されている。中間層202は、中間層上側面208および中間層下側面209を備えている。チャネル210は中間層202に設けられており、中間層入口206を中間層出口207に流体的に連結させている。

図2Aに示すように、チャネル210は、中間層入口206と中間層出口207との間の蛇行した通路に沿って延びており、試料が移動する距離を増加させて汚染物質の閉じ込めを最大にする。

本実施形態によれば、コーティング（図2Aに図示せず。図4を参照）が、試料と接触することになるマイクロ流体汚染物質トラップ200の全表面に塗布されている。コーティングは、例えばチャネル210の表面にわたって塗布された不活性化コーティングである。くわえて、適用可能なように、コーティングは、マイクロ流体汚染物質トラップ200の全表面（例えば、閉じ込め機構（trapping features）および外部機構（図4の本実施形態を参照）に塗布されて、試料が接触する表面との、試料の検体の相互作用を低減してもよい。不活性化コーティングは、試料内での対象となる検体との表面の相互作用を低減するのに有効な、選択された化学物質を含んでいる。

本実施形態では、コーティングは、例えば上記特許文献3（Smith）に記載されているような、官能性水素化非晶質シリコン表面を備えている。上記特許文献3の開示は、参照により本明細書中に特に組み込まれる。

第2の本実施形態では、コーティングは、例えば上記特許文献4（Endo et al.）に記載されているような、炭化ケイ素表面を備えている。上記特許文献4の開示は、参照により本明細書中に特に組み込まれる。

第3の本実施形態では、コーティングは、例えば上記特許文献4（Nestrick et al.）に記載されているような、シロキサン表面を備えている。上記特許文献5の開示は、参照により本明細書中に特に組み込まれる。

例として、不活性化コーティングは、公知のシリコンベースのコーティング、公知のシロキサン、または他の公知の重合体、単量体、または炭化物コーティングであってもよい。コーティングは公知の方法で塗布され、試料の検体と接触することになる全表面が適切に被覆されることを確実にするために、マイクロ流体汚染物質トラップのさまざまな部品が互いに接合されたのちに塗布される。

ある本実施形態では、試料がその上を流れる表面積を増加させて、それにより、マイクロ流体汚染物質トラップ200による汚染物質の閉じ込めの程度を改善するために、閉じ込め機構（図2Aに図示せず）もチャネル内に設けられている。閉じ込め機構は、汚染物質が接触する表面積を増加させ、汚染物質を有益な仕方でチャネルを通じて拡散し、汚染物質と試料の検体との間の干渉を低減するよう機能する。

入口204と中間層入口206との間および中間層出口207と出口205との間に導管または貫通穴を形成することにより、流体接続が形成されている。流体接続は、入口204から中間層入口206への、および、中間層出口207から出口205への垂直な接続（すなわち、図2Aに示す上側層201、中間層202および下側層203の平面に垂直な）を設けるために形成されている。これらのチャネルは、上側層201、中間層202および下側層203について選択された材料に基づく公知の方法を使用して形成することができる。さらに、これらの接続は、上記特許文献6、上記特許文献7、上記特許文献8、上記特許文献9、上記特許文献10および上記特許文献11に記載されるように、ならびに、上記特許文献12に記載されるように実施されてもよい。これらの特許文献の開示は、参照により本明細書中に特に組み込まれる。

上で示唆したように、本実施形態のマイクロ流体汚染物質トラップ200の1つの利点は、それが汚染物質により飽和された場合または他の仕方で効果性が許容できない程度に達した場合に、それを交換する容易さおよび効率性である。このように、本実施形態によれば、マイクロ流体汚染物質トラップ200は、GCシステム100の使い捨て可能な要素であってもよく、公知のトラップおよび使用方法を使用して実現できるGCシステムの一体性を備えていなくても、容易かつ効率的に交換することができる。

本実施形態では、上側層201、中間層202および下側層203がステンレス鋼プレートを備えている。上側層201、中間層202および下側層203は、チャネル210と、マイクロ流体汚染物質トラップ200の他のマイクロ流体導管および接続（例えば、中間層入口206および中間層出口207）とを形成するよう化学エッチングされてもよい。上側層201、中間層202および下側層203は、圧力および熱の公知の技術（例えば上記特許文献13（Sheng）に記載の方法）を使用して互いに接合されており、上記特許文献13の開示は、参照により本明細書中に特に組み込まれる。

適用温度がより低い代替的な実施形態では、上側層201、中間層202および下側層203は、チャネル210ならびに他のマイクロ流体導管および接続を形成するようレーザ除去されたポリイミドシートを備えている。次いで、上側層201、中間層202および下側層203は、熱封止により封止されてもよい。

さらに別の代替的な実施形態では、上側層201、中間層202および下側層203は、化学エッチングされてチャネル210ならびに他のマイクロ流体導管および接続を形成する、ガラス、石英または石英ガラスシートを備えている。次いで、上側層201、中間層202および下側層203は、公知のつなぎ工程により封止されてもよい。ガラス、石英または石英ガラスが「柔軟（compliant）」でなく、面封止を形成するよう変形させることができないことに留意されたい。ポリイミドなどの柔軟な材料の中間的な層をアセンブリに追加することのできる、より低い温度（通常250℃未満）で分析が行われる場合、これは問題ではない。逆に、これらの材料は、非活性化層が塗布されている場合、協働することがより容易になる場合がある。

本実施形態では、チャネル210は、中間層上側面208から中間層下側面209を通って（すなわち中間層202を通って）延びている。より十分に以下に説明するように、チャネル210は、中間層上側面208にわたって上側層201を固定することにより、かつ、中間層下側面209にわたって下側層203を固定することにより封止されている。本実施形態では、チャネル210は封止されると、実質的に正方形の断面を持つ。これが単なる例示であることに留意されたく、かつ、封止されたチャネル210の断面が他の形状（例えば長方形、楕円形、円形など）であってもよいことを強調しておく。

チャネル210の蛇行した形状は、本実施形態のマイクロ流体汚染物質トラップ200の面積の使用を最適化するために選択されている。チャネルの蛇行した形状が単なる例示であることに留意されたく、チャネル210は、らせんまたは線形などの他の形状を有していてもよい。

チャネル210の長さおよびその断面積は、チャネル内での汚染物質の実質的な閉じ込めを確実にして、汚染物質が中間層出口およびそれゆえにカラムに達するのを実質的に防ぐよう選択されている。一般に、チャネル210は、分析カラムの内径に適合する断面積を有している。さらに、チャネル210は、試料中の実質的にすべての汚染物質を閉じ込めるよう選択された長さを有しており、チャネル210の長さは、例えば溶媒の種類、注入量、汚染物質の種類に依存している。最後に、チャネル210寸法はカラムの稼動（プログラムされた温度対等温）に依存している。これは、マイクロ流体汚染物質トラップ200の寸法が、システムのクロマトグラフィーの性能に影響を与えることになるためである。一般に、汚染物質の閉じ込めの程度は、使用される溶媒、試料の注入量、試料注入の回数およびマイクロ流体汚染物質トラップの温度を含むもののこれらに限定されないさまざまなパラメータに依存している。

図2Bは、封止後のマイクロ流体汚染物質トラップ200の斜視図である。本実施形態によれば、上側層201、中間層202（図2Bに図示せず）および下側層203は同一の材料で形成されているが、他の本実施形態では、2つ以上の材料が、マイクロ流体汚染物質トラップのこれらの部品について使用されていてもよい。

マイクロ流体汚染物質トラップ200の全体的な構造は、長さ211、幅212および厚み213を有していて、実質的に平坦である。マイクロ流体汚染物質トラップ200の平坦な構造は、平らな加熱器（例えば、窒化アルミニウム（AIN）に形成された抵抗加熱素子）へのその結合を促進して、マイクロ流体汚染物質トラップの急速な加熱にとって有利な特徴である効率的な熱伝達を保証する。

1つの本実施形態では、上側層201、中間層202および下側層203は、比較的薄い層で形成されている。例として、上側層201、中間層202および下側層203は、拡散接合されて内側のチャネルおよび滑らかな外面を有する実質的に一体の金属片を形成するステンレス鋼の、10μm〜1mmの範囲の厚みを有している。例として、マイクロ流体汚染物質トラップ200は、下側層203を中間層下側面209に拡散接合することにより、および、中間層上側面208を上側層201に拡散接合することにより、流体的に封止される。中間層上側面208と上側層201との間に形成される封止が、チャネル210の一端の入口204用に、チャネル210の他端の出口205用に、および、それらの間のすべての地点用に封止を設けることに留意されたい。本実施形態では、中間層202および上側層201への下側層203の接合は、共有の上記特許文献13に記載されているように行われてもよい。上記特許文献13の開示は、参照により本明細書中に特に組み込まれる。あるいは、下側層203、中間層202および上側層201は、下側層203、中間層202および上側層201の間の適切なロウ付け薄層を使用して、ロウ付けされてもよい。

さまざまな特徴（例えば、チャネル210、入口204、出口205およびそれらの間の接続）が、当業者の下調べの範囲内にある公知の光化学加工/エッチング技術の1つを使用して形成される。あるいは、さまざまな特徴は、公知のレーザ加工技術を使用して製作されてもよい。

上側層201、中間層202および下側層203に対するステンレス鋼の使用が単なる例示であることを強調しておく。あるいは、上側層201、中間層202および下側層203は、チタン、ニッケル、石英、石英ガラス、ガラスまたはケイ素の1つ以上で形成されていてもよい。特定の実施形態では、試料が接触する表面との試料の検体の相互作用を低減するために、不活性化コーティングを、チャネル210の表面にわたって塗布してもよく、塗布可能であれば閉じ込め機構に塗布してもよい。

上述したように、不活性化コーティングは、試料内での対象となる検体とのマイクロ流体汚染物質トラップの表面の相互作用を低減するのに有効な、選択された化学物質を含んでいる。くわえて、比較的増大された表面積を与えて、マイクロ流体汚染物質トラップ200内での汚染物質の閉じ込めを改善するために、チャネル210内に粒子を供給することができる。閉じ込められた汚染物質をチャネル210を通じて拡散するために、追加の機構（feature）をチャネル210内に含めることができる。

以下の数値例により、用途に依拠したマイクロ流体汚染物質トラップ200の例示的な寸法およびその部品を示す。これらの数値例は単なる例示であって、本教示を一切限定しない。
数値例1
第1の数値例では、マイクロ流体汚染物質トラップ200は、45mm×20mm×1mmの寸法（長さ211×幅212×厚み213）を有している。チャネル210は、793mmの入口から出口への長さ、ならびに500μmの幅および500μmの高さを有している。
数値例2
第2の数値例では、マイクロ流体汚染物質トラップ200は、45mm×2mm×1mmの寸法（長さ211×幅212×厚み213）を有しており、チャネル210は、60mm×250μm×250μmの寸法（L×W×H）を有している。
数値例3
第3の数値例では、マイクロ流体汚染物質トラップ200は、45mm×2mm×1mmの寸法（長さ211×幅212×厚み213）を有しており、チャネル210は、60mm×250μm×250μmの寸法（L×W×H）を有しており、管が入口204にロウ付けされている。
数値例4
第4の数値例では、マイクロ流体汚染物質トラップ200は、45mm×40mm×1mmの寸法（長さ211×幅212×厚み213）を有しており、チャネル210は、1.6m×500μm×500μmの寸法（L×W×H）を有している。

再び図2Bを参照して、マイクロ流体汚染物質トラップ200の1つの明瞭な利点は、試料入口101の出口への、およびカラムへのその接続の容易さである。注意すべきことに、現在説明している本実施形態では、入口204は、試料入口101の出口の底部に直接接続されている。この接続は、フェルールの必要なしに、マイクロ流体汚染物質トラップ200を試料入口101の出口へと直接接続する、いわゆる「面封止」である。

S/SL入口を有する特定の実施形態では、この面封止は、通常使用される金封止およびフェルール接続に取って代わることになる。マルチモード入口（MMI）を有する実施形態では、この面封止は入口の底部に直接接続され、それによりフェルール接続に取って代わることになる。

同様に、出口205は、面封止を使用して、カラム103に接続されている。試料入口101の出口への入口204の接続およびカラム103への出口205の接続のさらなる詳細は、George Walsh他の発明者による「GC Column Connection with a Planar Connection to Mating Devices」という名称の、同じ出願人による米国特許出願第14/057,016号に記載されている。当該米国特許出願の全開示は、参照により本明細書中に特に組み込まれる。

注意すべきことに、本出願は、トラップ接続へのMMIの説明を特に含んでいる。マイクロ流体汚染物質トラップ200により提供されるいわゆる「面封止」が単なる例示であって、限定的でないことに留意されたい。注意すべきことに、マイクロ流体プレートへの流体接続を実現する他の公知の方法が存在する。例えば、取り付け具を、石英ガラスキャピラリカラムを含む管状の装置への接続を可能にするプレートへと、溶接またはロウ付けすることができる。

本実施形態では、マイクロ流体汚染物質トラップ200を、試料入口および分析カラムから分離して、加熱もしくは冷却することができ、またはその両方を行うことができる。これにより、分析の始めに、マイクロ流体汚染物質トラップ200の初期温度を溶媒の沸点未満に維持しながら、マイクロ流体汚染物質トラップ200を分析方法の最大温度まで加熱することもできる。ある場合、マイクロ流体汚染物質トラップは、トラップからの逆流（backflush）を可能にするために、最大のカラム温度よりも高い温度に加熱されてもよい。

上述したように、ある本実施形態では、チャネル210が、中間層上側面208から中間層下側面209を通って延びている。しかし、これは本質的ではなく、中間層に「ハーフエッチングされた」チャネルを設け、かつ、別の層に「ハーフエッチングされた」チャネルを設けることにより、チャネルを形成することができる。

図3に、このような実施形態に係るマイクロ流体汚染物質トラップ300を示している。注意すべきことに、図1〜図2Bの本実施形態に関連して上に説明した材料、構造、特徴、寸法および作製方法の詳細の多くは、図3の本実施形態の説明に共通している。図3の本実施形態の説明を曖昧にすることを避けるため、多くの場合にこれらの詳細を繰り返さない。

マイクロ流体汚染物質トラップ300は、上側層301および中間層302を備えている。この本実施形態では、中間層302は、上側面304に設けられた第1のチャネル303を備えている。第1のチャネル303は中間層302の下側面305を通って延びておらず、むしろ中間層302へと部分的にのみ設けられている。

例えば、第1のチャネル303は、中間層の厚み306のほぼ半分の深さで、中間層302に設けられていてもよい。さらに、第1のチャネル303は断面が、上述したチャネル210の半分の形状である。そのため、上述した例示的な形状に続いて、第1のチャネル303は、例えば、球の半分の、または楕円の半分の、または円の半分の断面を有している。

形状の他の「半分」は、上側層301に設けられた第2のチャネル307（仮想線にて図示）により設けられる。詳しくは、第2のチャネル307は、上側層301の下側面308へと部分的にのみ設けられている。そのため、第2のチャネル307は上側層301の上側面309を通って延びておらず、むしろ上側層301へと部分的にのみ設けられている。例えば、第2のチャネル307は、上側層301の厚み310のほぼ半分の深さで、上側層301に設けられていてもよい。さらに、第2のチャネル307は断面が、上述したチャネル210の半分の形状である。そのため、上述した例示的な形状に続いて、第2のチャネル307は、例えば、球の半分の、または楕円の半分の、または円の半分の断面を有している。

上側層301の第2のチャネル307および中間層302の第1のチャネル303は、整列された仕方で形成され、互いの鏡像とされており、その結果、中間層302の上側面304が上側層301の下側面308に接触したときに、第1のチャネル303が第2のチャネル307に整列され、第1のチャネル303および第2のチャネル307の断面形状の各「半分」がつながれて「完全な」断面形状チャネルを形成する。上記の説明に続いて、第1のチャネル303および第2のチャネル307が、補完的な半正方形（half-square）である断面形状を有している場合、上側層301を中間層302に接触させると、第1のチャネル303および第2のチャネル307から生じるチャネルは正方形の形状の断面を持つ。

上側層301および中間層302が接触したのち、これらは互いに接合されて、流体的に封止されたマイクロ流体汚染物質トラップ300を形成する。使用される接合手段は、上側層301および中間層302用に選択された材料に依存しており、図2A〜図2Bにおける本実施形態に関連して上述したとおりである。他の利点の中でもとりわけ、接合されていない上側層301および中間層302は、いわゆる「スルーエッチングされた（through-etched）」設計に比べて比較的頑丈である。

詳しくは、公知の構造では、チャネルを形成する層を通るエッチングは通常、層側部から片持ちとなったチャネル壁という結果になる。これらのチャネル壁は、部分的にエッチングされた層から上昇する壁よりも弱い。さらに、接合されていない上側層301および中間層302は、より長いチャネルの設計を可能にし、それゆえに、より長い（かつ、より効果的な）汚染物質トラップを可能にする。

注意すべきことに、第1および第2のチャネル303、307が、上側層301および中間層302を化学エッチングすることにより形成されている場合、このマイクロ流体汚染物質トラップ300は比較的粗い表面を有する。有利なことに、第1のチャネル303および第2のチャネル307の比較的粗い表面により、汚染物質をより効果的に捕捉する表面積が増加することになり、試料の流れが緩やかになってもよく、より効率的な閉じ込めにつながる。

ある本実施形態では、上側層301中の第2のチャネル307が先行し、上側層301の下側面308が実質的に平坦であることに留意されたい。このような実施形態では、チャネルは、適用のために選択された第1のチャネルの断面積を有する中間層302に設けられた第1のチャネル303のみを備えている。上側層301の下側面308は中間層302の上側面304に接触し、2つの表面は上述したように互いに接合されて、チャネルのガス不透過性の封止を提供する。

上述したように、本教示のマイクロ流体汚染物質トラップにおけるチャネルの効果性を改善するために、閉じ込め機構を設けるのは有効である。図4は、閉じ込め機構として有効な1つの構造を示している。

図4は、本実施形態に係るマイクロ流体汚染物質トラップ400の一部の斜視図である。図1〜図3の本実施形態に関連して上に説明した材料、構造、特徴、寸法および作製方法の詳細の多くは、図4の本実施形態の説明に共通している。図4の本実施形態の説明を曖昧にすることを避けるため、多くの場合にこれらの詳細を繰り返さない。

マイクロ流体汚染物質トラップ400は、入口（図示せず）と出口（図示せず）との間の蛇行した通路を有するチャネル401を備えている。チャネル401は、チャネル401の表面403に沿って設けられた閉じ込め機構を有している。図4に示す本実施形態では、閉じ込め機構402は追加の表面積を設けて、試料の流れを緩やかにし、かつ/または、汚染物質を機械的に閉じ込め、より効率的な閉じ込めを実現している。

図示した実施形態では、閉じ込め機構402は、表面403からの「マイクロポスト」または円筒状の延伸部である。あるいは、閉じ込め機構402は、表面403の円筒状の凹部であってもよい。注意すべきことに、閉じ込め機構402の円筒状の形状は単なる例示であって、類似の閉じ込め機構を、異なる形状、不規則な形状および形状の組み合わせを有する表面403に設けることができる。例として、マイクロポストは、チャネル401の高さのほぼ5％の高さを有している。しかし、マイクロポストは、この例示的な高さよりも大きくてもまたは小さくてもよく、閉じ込め機構402を作製する能力により規定される。

さらに、図4に示す閉じ込め機構402に加えてまたは代えて、コーティング405を、チャネル401の表面403にわたって、および、試料と接触することになるマイクロ流体汚染物質トラップの内部または外部の機構にわたって設けられていてもよい。上で示唆したように、コーティング405は、試料中の対象となる検体との表面の相互作用を低減するために設けられる。コーティング405は、試料の検体との表面の相互作用を低減するのに有効な、選択された化学物質を含んでいる。

本実施形態では、コーティング405は、例えば上記特許文献3（Smith）に記載されたような機能性水素化アモルファスシリコン表面を備えている。上記特許文献3の開示は、参照により本明細書中に特に組み込まれる。第二の本実施形態では、コーティング405は、例えば上記特許文献4（Endo et al.）に記載されたような炭化ケイ素表面を備えている。上記特許文献4の開示は、参照により本明細書中に特に組み込まれる。第三の本実施形態では、コーティング405は、例えば上記特許文献5（Nestrick et al.）に記載されたようなシロキサン表面を備えている。上記特許文献5の開示は、参照により本明細書中に特に組み込まれる。例として、不活性化コーティングは、公知のシリコンベースのコーティング、公知のシロキサン、または他の公知の重合体、単量体、または炭化物コーティングであってもよい。コーティングは公知の方法で塗布され、試料の検体と接触することになる全表面が適切に被覆されることを確実にするために、マイクロ流体汚染物質トラップのさまざまな部品が互いに接合されたのちに塗布される。

ある実施形態では、チャネル401は中間層を通って延びている（例えば、図2Aに関連して説明した実施形態など）が、他の実施形態では、チャネル401はチャネルの半分であってもよく（例えば、図3に関連して説明した実施形態など）、チャネルは、上側層を中間層に噛み合わせることにより形成される。

本実施形態は前者の構造を示しており、閉じ込め機構402は下側層404の内面に形成されている。あるいは、閉じ込め機構は上側層の内面（例えば、図2Aの上側層201）に形成されていてもよい。さらにあるいは、閉じ込め機構402は、試料が流れる表面積をさらに増加させるために、下側層404および上側層（図4に図示せず）の両方に形成されていてもよい。

他の実施形態では、チャネル401は、中間層の第1のチャネル（例えば、図3の第1のチャネル303）に部分的にのみエッチングされていても、または、上側層のチャネル（例えば、図3の第2のチャネル307）に部分的にエッチングされていてもよく、または両方であってもよい。

マイクロ流体汚染物質トラップのチャネル内に形成された閉じ込め機構の代わりに、または、マイクロ流体汚染物質トラップのチャネル内に形成された閉じ込め機構に加えて、GCカラムパッキン材料（packing material）をチャネル内に設けてもよい。

図5は、本実施形態に係るマイクロ流体汚染物質トラップ500の一部の斜視図である。図1〜図4の本実施形態に関連して上に説明した材料、構造、特徴、寸法および作製方法の詳細の多くは、図5の本実施形態の説明に共通している。図5の本実施形態の説明を曖昧にすることを避けるため、多くの場合にこれらの詳細を繰り返さない。

マイクロ流体汚染物質トラップ500は、第1のパッキン材料502、第2のパッキン材料503および第3のパッキン材料504を有するチャネル501を備えている。パッキン材料は、当業者にとって公知の多くのパッキン材料から選択してもよい。例として、第1のパッキン材料502、第2のパッキン材料503または第3のパッキン材料504は、金属、セラミックもしくはガラスで形成されていてもよく、または、重合体もしくは炭素質のパッキン材料であってもよい。第1、第2および第3のパッキン材料502〜504の使用は単なる例示であって、より多くのまたはより少ない種類のパッキン材料をチャネル501に設けてもよいことに留意されたい。

さらに、第1、第2および第3のパッキン材料502〜504によって占有されるチャネル501の容積は、さまざまな要因に基づいて選択され、図5に示すものより大きくても小さくてもよい。上述した閉じ込め機構と同様に、第1、第2および第3のパッキン材料502〜504は、汚染物質をより効果的に捕捉する、増大された表面積を提供するものであり、試料の流れを緩やかにしてもよく、より効率的な閉じ込めにつながる。

本実施形態のマイクロ流体汚染物質トラップは、多くの仕方で多様な使用法を提供する。図6は、本実施形態に係るマイクロ流体汚染物質トラップ600の斜視図である。図1〜図5の本実施形態に関連して上に説明した材料、構造、特徴、寸法および作製方法の詳細の多くは、図6の本実施形態の説明に共通している。図6の本実施形態の説明を曖昧にすることを避けるため、多くの場合にこれらの詳細を繰り返さない。

マイクロ流体汚染物質トラップ600は、上側層601、下側層602、入口603および出口604を備えている。マイクロ流体汚染物質トラップ600は、追加の機能を提供するために、管605などの追加の部品とつながれていてもよい。

図6の本実施形態では、マイクロ流体汚染物質トラップ600は、GC試料入口に対する界面の一部である管類605にレーザ溶接されている。管605の機能は、試料がマイクロ流体トラップに入る地点を移転させることである。管605がマイクロ流体トラップと入口との間に封止を形成しないこと、面封止は2つの間に形成されることに留意されたい。キャピラリカラムは再び、面封止取り付け具への新たなキャピラリの1つを介して、出口604に接続することになる。入口側の管は、所定の位置にロウ付けまたは溶接される。

上述したように、1つ以上の中間層が、本実施形態のマイクロ流体汚染物質トラップにおいて備えられていてもよい。他の利点の中でもとりわけ、トラップ内の全体のチャネル長さを、マイクロ流体汚染物質トラップの面積（「専有面積」）を増加させることなく、より長くすることができる。

図7は、本実施形態に係るマイクロ流体汚染物質トラップ700の分解図である。図1〜図6の本実施形態に関連して上に説明した材料、構造、特徴、寸法および作製方法の詳細の多くは、図7の本実施形態の説明に共通している。図7の本実施形態の説明を曖昧にすることを避けるため、多くの場合にこれらの詳細を繰り返さない。

マイクロ流体汚染物質トラップ700は、上側層701および対向する下側層702を備えている。上側層701と下側層702との間に、マイクロ流体汚染物質トラップ700は、第1のチャネル層703、第1の層704、第2のチャネル層705、第2の層706および第3のチャネル層707を備えている。マイクロ流体汚染物質トラップ700は、出口709に流体的に接続された入口708を備えている。

図2Aおよび図2Bの実施形態に関連して説明したものと類似した仕方で、第1、第2および第3のチャネル層703、705および707は、上側層701、下側層702、第1の層704および第2の層706により封止されている。そこで、例えば、第1のチャネル710が、第1のチャネル層703の両側で、上側層701と第1の層704との接合により封止される。

入口708と出口709との間の流体接続は、第1のチャネル層703の第1のチャネル710、第2のチャネル層705の第2のチャネル711および第3のチャネル層707の第3のチャネル712の間の接続により設けられている。詳しくは、第1のチャネル層703内に配置された第1の接続部713が、入口708を第1のチャネル710へと流体的に連結している。第1のチャネル層703の対向する端部に配置された第2の接続部714が、第1のチャネル710を第2のチャネル711へと流体的に接続している。流体は、第1の層704内に設けられた第1の開口部715を通って、第2のチャネル層705内に配置された第3の接続部716へと流れる。第2のチャネル層の対向する端部にある第3の接続部717が、第2の層706内に設けられた第2の開口部718を介して、第2のチャネル711を第3のチャネル712に流体的に接続している。第2の開口部718は、第3のチャネル層707内に設けられた第4の接続部719に流体的に連結されている。第4の接続部720は第3のチャネル712に流体的に接続されており、第3のチャネル712を通ったのちに、流体は出口709に供給される。

通常、接続部および開口部は、チャネルの断面積に類似した断面積を有している。しかし、接続部および開口部の断面範囲寸法は、特定の機械設計用に必要なチャネル寸法と異なっていてもよい。例えば、非常に狭いチャネルが、外部の装置に接続するために、より大きな開口部を有していてもよい。これは、小さなチャネルの寸法の穴が、噛み合わせ装置との整列を保証するのに十分なだけ正確に配置することができない場合があるためである。そこで、例として、250um×250umチャネルが500um直径の開口部を有していてもよい。

図7に示す層内のさまざまな接続部および開口部が、上述したような公知の技術を使用して、その中に形成されたチャネルと同じ仕方で形成されている。このようにして、垂直（図7に示す層の平面に垂直）および水平な流体接続が、マイクロ流体汚染物質トラップ700の層内に直接形成され、比較的小さな領域内で複数のチャネル層の接続を可能にしている。

別の本実施形態では、マイクロ流体汚染物質トラップが、互いに流体的に分離された2つの独立した要素を備えていてもよい。例えば、冷却装置がマイクロ流体汚染物質トラップに熱的に連結され、しかし流体的に分離されていてもよい。

図8は、本実施形態に係るマイクロ流体汚染物質トラップ800の分解図である。図1〜図7の本実施形態に関連して上に説明した材料、構造、特徴、寸法および作製方法の詳細の多くは、図8の本実施形態の説明に共通している。図8の本実施形態の説明を曖昧にすることを避けるため、多くの場合にこれらの詳細を繰り返さない。

マイクロ流体汚染物質トラップ800は第1の層801および第2の層802を備えており、第1の層801および第2の層802は、第1のチャネル層803および第2のチャネル層804に封止および流体分離を提供している。第1および第2のチャネル層803、804はそれぞれ、第1のチャネル805および第2のチャネル806を備えている。

図8と関連して説明する本実施形態では、第1および第2のチャネル805、806は、それらのそれぞれの層の厚みの途中まで設けられている。ある実施形態では、第1および第2のチャネル805、806は、幾何学的な形状の「半分」（例えば円の半分）である断面を有している。あるいは、図3に関連して説明したある実施形態のように、第1および第2のチャネル805、806は、それぞれ第1の層801および第2の層802に配置された補完的なチャネル（図8Aに図示せず）に連結されていてもよい。

さらに別の実施形態では、図2Aと関連して説明したある実施形態と同様、第1のチャネル805および第2のチャネル806は、それぞれ第1および第2の層801、802の一方の側から貫通して別の側へとエッチングされていてもよい。このような実施形態では、第1および第2のチャネル805、806は、流体的に封止され、かつ、互いに流体的に分離されている。

本実施形態では、第1の入口807が流体（例えば試料）を受けて、流体を第1の接続部808へと第1のチャネル805へと移送する。流体は第1のチャネル805を通って流れ、第2の接続部809により第1の出口810へと供給される。第2の入口811が流体を受けて、流体を第2のチャネル806へと移送する。流体は第2のチャネル806を通って流れ、第2の出口812へと供給される。

本実施形態では、第1の入口807へと供給される流体が試料であり、第2の出口812へと供給される流体が冷却流体または加熱流体である。第1のチャネル805および第2のチャネル806は流体的に分離されているが熱的に接続されているため、第2のチャネル806内を流れる冷却または加熱流体は、第1のチャネル805内を流れる試料の温度を設定または変更するのに使用することができる。そこで、例えば、冷却流体をトラップ全体およびそれゆえに試料を冷却するのに使用することができる。あるいは、冷却流体用のチャネルを、試料チャネルの1つの部分のみの下方に通してもよく、冷却流体を、溶媒の蒸発温度未満の温度に設定することができる。これにより、試料が再濃縮されることになる。このため、試料をカラム内へと注入するために、トラップを急速に加熱することができる。

この開示に鑑みて、本教示に沿いつつ、方法および装置を実施することができる。さらに、さまざまな部品、材料、構造およびパラメータが、限定の意味ではなく、説明および例示のためにのみ含まれている。この開示に鑑みて、添付の特許請求の範囲内に留まりつつ、本教示を他の用途において実施することができ、かつ、これらの用途を実施するのに必要な部品、材料、構造および機器を決定することができる。

Claims (15)

1. ガスクロマトグラフィー（GC）システムの試料入口（101）に直接的または非直接的に接続されるよう構成された入口（204）と、
   GCカラム（103）の入口に直接的に、または、別の流体的な部品を介して前記GCカラム（103）に非直接的に接続されるよう構成された出口（205）と、
   汚染物質をトラップするためのチャネル（210）を備える中間層（202）と、
   前記中間層（202）の上方に配置され前記中間層（202）に接合された上側層（201）と、
   前記チャネル（210）にわたって配置されたコーティング（405）とを備えるマイクロ流体汚染物質トラップであって、
   前記コーティング（405）により、当該マイクロ流体汚染物質トラップの前記入口（204）に供給された試料からの検体の相互作用が低減される、マイクロ流体汚染物質トラップ（102）。
2. 前記上側層（201）が実質的に平坦である、請求項1に記載のマイクロ流体汚染物質トラップ。
3. 前記接合された上側層（201）が、前記中間層（202）の上側面（304）で、前記チャネル（210）の実質的に不透過性のガス封止を提供する、請求項1に記載のマイクロ流体汚染物質トラップ。
4. 前記中間層（202）の下方に配置され、それに接合された下側層（203）をさらに備える、請求項1に記載のマイクロ流体汚染物質トラップ。
5. 前記接合された下側層（203）が、前記中間層（202）の下側面（305）で、前記チャネル（210）の実質的に不透過性のガス封止を提供する、請求項4に記載のマイクロ流体汚染物質トラップ。
6. 前記チャネル（210）が、前記中間層（202）の上側面（304）から前記中間層（202）の下側面（305）まで延びている、請求項4に記載のマイクロ流体汚染物質トラップ。
7. 前記チャネル（210）が第1のチャネル（303）であり、前記上側層（201）が、前記第1のチャネル（303）にわたって整列された第2のチャネル（307）を備える、請求項1に記載のマイクロ流体汚染物質トラップ。
8. 前記第1のチャネル（303）および前記第2のチャネル（307）が補完的であり、前記上側層（201）が前記チャネル（210）を封止するよう構成されている、請求項7に記載のマイクロ流体汚染物質トラップ。
9. 前記チャネル（210）内に閉じ込め機構（402）をさらに備え、前記閉じ込め機構（402）が、汚染物質を閉じ込めるために、当該チャネル内に追加の表面積を設けていることを特徴とする、請求項1に記載のマイクロ流体汚染物質トラップ。
10. 前記閉じ込め機構（402）が、前記チャネル（210）内に形成されたポストを備える、請求項9に記載のマイクロ流体汚染物質トラップ。
11. 当該マイクロ流体汚染物質トラップが、ステンレス鋼、チタン、ニッケル、石英、石英ガラス、ガラスまたはケイ素の1つを備える、請求項1に記載のマイクロ流体汚染物質トラップ。
12. 前記チャネル（210）内に配置されたパッキン材料をさらに備え、前記パッキン材料が、汚染物質を閉じ込めるために、当該チャネル内に追加の表面積を設けている、請求項1に記載のマイクロ流体汚染物質トラップ。
13. 前記チャネルの表面（403）が、機能性水素化アモルファスシリコン、炭化ケイ素またはシロキサンから選ばれた1つのコーティング（405）を備える、請求項１に記載のマイクロ流体汚染物質トラップ。
14. マイクロ流体汚染物質トラップ（102）であって、
    ガスクロマトグラフィー（GC）システムの試料入口（101）に直接的または非直接的に接続されるよう構成された入口（708, 807）と、
    GCカラム（103）の入口に直接的または非直接的に接続されるよう構成された出口（709, 812）と、
    第1のチャネル（710, 805）を備える第1のチャネル層（703, 803）と、
    前記第1のチャネル（710, 805）にわたって配置されており、当該マイクロ流体汚染物質トラップの前記入口（708, 807）に供給された試料からの検体の相互作用を低減する第1のコーティング（405）と、
    第2のチャネル（711, 806）を備えており、前記第1のチャネル（710, 805）が前記第2のチャネル（711, 806）と流体連通している第2のチャネル層（705, 804）と、
    前記第2のチャネル（711, 806）にわたって配置されており、当該マイクロ流体汚染物質トラップの前記入口（708, 807）に供給された前記試料からの検体の相互作用を低減する第2のコーティング（405）と、
    前記第1のチャネル層（703, 803）の上方に配置された上側層（701, 801）と、
    前記第1のチャネル層（703, 803）の下側面の下方および前記第2のチャネル層（705, 804）の上側面の上方に配置された中間層（704, 802）と、
    前記第2のチャネル層（705, 804）の下方に配置された下側層とを備え、
    前記上側層（701, 801）および前記中間層（704, 802）が前記第1のチャネル（710, 805）を封止するよう構成され、前記中間層（704, 802）および前記下側層が前記第2のチャネル（711, 806）を封止するよう構成されている、マイクロ流体汚染物質トラップ。
15. 前記第1のチャネル（710, 805）が、前記第1のチャネル層（703, 803）の上側面から、前記第1のチャネル層（703, 803）の前記下側面を通って延びている、請求項14に記載のマイクロ流体汚染物質トラップ。

Images