JPH08261986A - 電気浸透流を用いる液体混合方法と液体混合装置 - Google Patents

電気浸透流を用いる液体混合方法と液体混合装置

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JPH08261986A
JPH08261986A JP8027560A JP2756096A JPH08261986A JP H08261986 A JPH08261986 A JP H08261986A JP 8027560 A JP8027560 A JP 8027560A JP 2756096 A JP2756096 A JP 2756096A JP H08261986 A JPH08261986 A JP H08261986A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】電気浸透流を用いた液体の混合方法及び装置。 【解決手段】本発明では、多数のキャピラリ又はマイク
ロチップ・チャネルが共通の接合点で連結する。キャピ
ラリは液体の混合に用いられ、残りは混合される液体の
供給に用いられる。各供給キャピラリはバイアル中の液
体に浸される自由端を備える。第１の電源端子は液体混
合用キャピラリの自由端に取付けられる。各バイヤルは
電極を備え、第２の電源端子に切換可能に接続する。ス
イッチを閉じると、液体はバイアルから共通の接合点を
介して液体混合用キャピラリへ流れる。各スイッチは独
立し、継続的に閉じられる。一定又はある比率のデュー
ティサイクルで切換られ、連続的な混合及び変更可能な
比率の混合が可能である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は一般に分析化学のための
機器に関し、特に、液体の混合に電気浸透を利用するこ
とに関するものである。
【０００２】
【発明の背景】自動化学分離システムにおける共通の必
須事項として、複数の溶媒または緩衝液の正確な継続的
な混合がある。特に、溶媒混合物は、液体クロマトグラ
フィー及びミセル(micellar)電気泳動法で必要とされて
いる。液体クロマトグラフィーでは、溶媒の混合比を時
間に関して変化させることが有効である。いくつかの化
学分離システムでは、溶媒混合物は一般的ではないが、
もし安価な混合システムが利用可能であれば、有用であ
る。液体クロマトグラフィー及びキャピラリ電気泳動法
のどちらも、分析に必要な試料容量を減らすため及び機
器を携帯可能とするため、機器の寸法を小さくすること
が要求されている。加えて、常に、コストと複雑さを軽
減する必要性がある。最終目標として、ガラス又は半導
体材料で流体流のためのチャネルの加工に適した半導体
加工分野におけるリソグラフィー及びエッチング技術を
用いて電子工学と化学分析をマイクロチップに一体形成
させる重要性がある。本願明細書において、本願の特定
の実施例でキャピラリを用いて説明することになるが、
「キャピラリ」という用語は、「マイクロチップ・チャ
ンネル」という用語と置き換えることができ、本願明細
書のマイクロチップ・チャンネルは、ここでは、流体流
に適した、マイクロチップ基板上に製造されたトレンチ
または溝（トラフ）となる。
【０００３】クロマトグラフは、典型的には、液体推進
のために機械ポンプを用いている。加えて、クロマトグ
ラフィー及び電気泳動の分析装置は、典型的には、流れ
及び混合を制御するために電気機械式弁（バルブ）を用
いている。小粒子が充填されている管又はキャピラリを
使用する分離システムでは、いくつかの性能因子は粒子
寸法を減少させることによって改善される。しかし、小
径の管で且つ小粒子の場合、液体推進に高圧力を必要と
する。加えて、マイクロチップ・システムでは、極めて
小さい流量が要求され、時には毎分数ナノリットル（nl
/分）のオーダーでなければならない。典型的には、機
械ポンプ及び弁は、連続の低流量を達成する性能が制限
される、有限の吐出容積(finite stroke volume)を有す
る。いくつかのシステムでは、液体を高流量で混合し、
その後、その混合物のほんの少しだけを使い残りの混合
物は廃棄する。システムの寸法が縮小されると、高圧
力、低容積及び滑らかな連続的な正確な流れに対する要
件の組合せから、機械ポンプ及び弁は複雑且つ高価にな
りがちである。それ故、システムの寸法が縮小される時
は機械ポンプ及び弁を排除することが特に必要となる。
【０００４】液体の推進に電界を用いることもできる。
固体を液体に浸すと、固体の表面上である種の表面群(s
urface groups)のイオン化が生じたり、その液体に存在
するイオンの吸収が起きることもあり、その結果、固体
表面上に実効電荷(net charge)が生ずる。固体表面上の
実効電荷は、そのいくつかが可動の拡散層に残っている
流体中で逆に帯電したイオンを引き付ける。接線電界が
印加されると、可動イオンは、粘性抵抗により余分の液
体を伴って、適切な電極の方へ移動する。接線方向に印
加された電界の影響下で固体表面と接して流れる液体の
流れは、電気浸透(electroosmosis)（又は時にはelectr
oendosmosis）と呼ばれる。
【０００５】電気浸透流は、可動機構部分を何ら使わず
に正確な連続流を供給するため、小型化される分析化学
では特に魅力的である。加えて、次のような他の利点も
ある。静水圧力(hydrostatic pressure)を使って小さい
開放管を通して液体を移動させる時、その管壁での表面
張力によって液体の流れが妨害され、その結果、管の中
心で管壁の所より高速の流れを生ずる。この不均一な流
れ分布のため、被分析試料が分散し、分離処理の精度が
低下する。静水圧力を使って充填管の小粒子の間を通し
て液体を移動させる時、各粒子の表面のせん断力が流れ
を妨害し、そのため流量を維持するのに高静水圧力が必
要となる。これとは対照的に、電気浸透では、液体の流
れは表面で発生し、管径が極めて小さい場合でも平坦な
流れ分布を生ずることになる。加えて、粒子表面は、電
気浸透流が妨害されるどころか支援されるよう、可動拡
散層も生成する。結果として、電気浸透流は、小さい管
及び小粒子が充填された管を通して液体を流すのに特に
有用である。
【０００６】液体の流れに電気浸透を用いている任意の
化学分離技術を指すのに「電気クロマトグラフィー」と
いう用語を使うことが提案されてきた。電気クロマトグ
ラフィー及び電気浸透流を概観するには、例えば、１９
８７年の「Chromatographia」 Vol.24, 135〜 143頁に
掲載されるJ.H.Knoxらによる「Miniaturization in Pre
ssure and Electroendosmotically Driven Liquid Chro
matography:Some Theoretical Considerations」を参照
されたい。流れの注入システムに用いられた電気浸透の
例としては、１９９４年６月１日付けの「Analytical C
hemistry」Vol.66, No.11, 1792〜1798頁に掲載される
P.K.Dasgupaらによる「Electroosmosis:A Reliable Flu
id Propulsion System for Flow Injection Analysis」
を参照されたい。マイクロチップにおける電気浸透の流
れを用いた研究の例としては、１９９４年７月１５日付
けの「Analytical Chemistry」の,Vol.66, No.14, 236
9〜2373頁に掲載されるS.C.Jacobsonらによる「Open Ch
annel Electrochromatography on a Microchip」を参照
されたい。米国特許第4,140,121号（Kuhl等）では、ヒ
ト又は動物の体に薬物を放出するための植え込み可能な
投薬装置(implantable dosing device)における電気浸
透流の用法が開示されている。欧州公開公報0 616 218
A1(Kamahori)では、微小反応炉装置における電気浸透流
の用法が開示されている。
【０００７】上記に開示された特許及び論文の何れも特
に液体混合の問題を扱ってはいない。液体を混合するに
は、それぞれ異なった正確な速度で、時には正確な時間
変化率で、複数の液体を送り出し（ポンピングし）且つ
組合せる必要がある。Kuhlらの場合、予め混合された単
一の流体が送り出される。Kamahori及びDasguptaらの場
合、流れを制御するのに電気機械式弁が用いられてい
る。Jacobsonらの場合、与えられた任意の時間に、被検
体か又は単一緩衝液かの何れかが2つの間の手動切換え
操作で分離カラム中へ送り込まれる。電気クロマトグラ
フィー及び化学的マイクロチップ・システムにおいて、
何ら可動機構部分を持たず且つ複数の溶媒又は緩衝液が
低流速で正確に混合される液体混合システムが必要とさ
れている。
【０００８】
【発明の目的】本発明の目的は、極めて低い流量で正確
な連続混合を可能とする電気浸透流を用いた液体混合系
を提供することにある。
【０００９】
【発明の概要】複数のキャピラリ（又はマイクロチップ
・チャンネル）が共通の接合点で交わっている。1つの
キャピラリは混合した液体を含有し、残りのキャピラリ
は混合されるべき液体を供給する。混合した液体は、電
源の第１の端子に電気的に接続する。供給キャピラリ
は、それぞれ液体のバイヤル（容器）中に浸される自由
の端部を有している。各バイアル中の液体は電源の第２
の端子に電気的に接続する。その液体は、可変電圧に直
接接続するか、可変抵抗を通して接続するか、又はスイ
ッチ経由で接続してよい。電気回路が、電源、混合液体
のキャピラリ、供給キャピラリ及び結合したバイヤルを
経て完了されると、電気浸透流により、液体は、結合し
たバイヤルから連結している供給キャピラリを通って共
通接合点へそして混合液体のキャピラリの中へ流れる。
流量は、各液体に対する電圧を調整することにより調整
してよい。あるいは、流量は、電流制限用抵抗体によっ
て調整してよい。あるいは、流量は、切換え（スイッチ
ング）のデューティ・サイクル（使用率）を調整して調
整することもでき、また相対的流量はスイッチングのデ
ューティ・サイクルの調整により調整してもよい。流れ
勾配（時間に関して変化する流れ）は、連結しているス
イッチのデューティ・サイクルを時間に関して変化させ
ることにより任意の特定の液体に対して発生させてよ
い。
【００１０】
【実施例】図1は、本発明の実施例を説明するための簡
略化したブロック図である。図1においては、キャピラ
リ100は、共通点102で少なくとも2本の他のキャピラリ
(104及び106)と接合される。キャピラリ104の自由端は
第１のバイヤル108中の第１の液体の中に浸されてい
る。キャピラリ106の自由端は第２のバイヤル110中の第
２液体中に浸されている。キャピラリ100中の液体は、
キャピラリ100の自由端を通して電圧V1(112)に接続され
ている。バイヤル108の液体113は、スイッチ116によっ
て切り換え可能で接地されている。バイヤル110の液体1
14はスイッチ118によって切り換え可能で接地されてい
る。各キャピラリは液体を満たしておく。
【００１１】キャピラリ壁の材料が適切な表面電荷を生
成でき、電圧112は特有の極性を有し且つキャピラリを
通して十分電流を発生させるだけの大きさを有してお
り、さらに2つのバイヤル中の液体はある種のイオンを
含んでいると仮定すれば、スイッチ116が閉じられる
と、液体は電気浸透によってバイヤル108からキャピラ
リ100の自由端の方へ送り出され、またスイッチ118が投
入されると、液体は電気浸透によってバイヤル110から
キャピラリ100の自由端の方へ送り出される。もし両方
のスイッチが閉じられると、液体は両方のバイヤルから
同時に送り出されて、接合点102で連続的に混合する。
【００１２】一般に、固定電圧では、別々の異なったイ
オン濃度を有する液体はそれぞれ異なった速度で流れる
ことになる。連続的混合に関しては、スイッチ群は継続
的に閉じられ、流量は電流の流れを制限する直列抵抗体
(120及び122)を用いて制御してよい。代わりに、電圧で
流量が決定されるように異なった電圧を各液体に印加し
てもよい。簡単にするためには示されているように単一
の電源を用い、抵抗体は存在せず（スイッチ116及び118
は直接接地される）、流れはスイッチングのデューティ
・サイクルを制御することにより調整することが好まし
い。2つのスイッチは独立している。スイッチ116及び11
8を同期させる必要はない。加えて、スイッチ116及び11
8を同一の頻度で切換える必要もない。しかし、適切な
混合は部分的に頻度に依存している。各液体について、
平均流量は連結しているスイッチのデューティ・サイク
ルによって決定される。もし切換の頻度が液体及び電気
浸透の送り出しの応答時間に比べて長い周期を有するな
ら、一連の液体のパケットが生成される。もしスイッチ
116及び118が非常に低い頻度で交互に閉じられるのであ
れば、液体は各バイヤルから交互に送り出され、キャピ
ラリ100において一連の液体のパケットを生成する。も
しその頻度が低すぎると、パケットが完全に混合されな
いことがある。切換頻度が十分高くなれば、パケットは
小さくなり、たとえパケットが変化しても各バイヤルか
らの液体は接合点102で拡散により混合され、実質的に
均一な液体の混合物を作り出すのである。さらに高い頻
度では、電圧は液体及び電気浸透の送り出しが応答し得
るより早く変化し、その流れは本質的に連続で、切換電
圧の平均値で制御される。混合に適する典型的頻度範囲
は、10〜100 Hzの範囲にある。総流量は両スイッチのデ
ューティ・サイクルを調整することによって調整でき
る。バイヤル108及び110からの相対的流量はスイッチ11
6及び118の相対的デューティ・サイクルを調整すること
によって調整できる。加えて、1つの液体の流量は、時
間に関して対応するスイッチのデューティ・サイクルを
変更することにより、時間に関して（例えば、プログラ
ムされた溶媒勾配について）変化させることができる。
【００１３】図1の各液体については、その流量はバイ
ヤルの中の液体の高さに依存する。即ち、電気浸透ポン
プは、液体の重力誘導静水圧力（ヘッド圧）に対して送
り出さなければならない。それ故、流量は、バイヤルが
空になるにつれ経過時間において変化してよい。加え
て、特定のスイッチが開放されて電気浸透の送り出し圧
力がなくなると、対応するキャピラリ中の液体は対応す
るバイヤル中へ逆流することになる。（直径100ミクロ
ン未満の）非常に小さいキャピラリでは、液体ヘッド圧
の影響は電気浸透の送り出しが液体ヘッド圧に比べて高
いので無視することができる。また、逆流の影響もキャ
ピラリ壁の粘性摩擦が逆流を阻止するので無視すること
ができる。
【００１４】上述したように、小粒子は不可的な帯電表
面を提供するる。結果として、小粒子は、粒子上の不可
的帯電表面のポンピング効果が高いため、電気浸透流の
有効圧力を高めることになる。それ故、もしキャピラリ
104及び106が小粒子を充填される場合、液体レベルの流
体静力学効果(hydrostatic effects)は電気浸透の送り
出し（ポンピング）圧力において無視することができ
る。加えて、発明の背景で述べたように、小粒子は静水
圧力によって生じる流れを阻止する傾向がある。結果と
して、もしキャピラリ104及び106が小粒子を充填される
場合、サイクル期間以外における逆流は軽減される。そ
れ故、（直径100ミクロンを越える）大きいキャピラリ
では、キャピラリ104及び106に小粒子を充填することが
好ましい。もちろん、バイヤル中の液体レベルは測定で
き又は流量は測定でき、充填キャピラリで与えられる閉
ループシステムでは、簡単で価格が安く且つ効果的なも
のである。
【００１５】キャピラリ100は溶媒混合体を別の電気ク
ロマトグラフィー・システムへ供給することも可能で、
又はキャピラリ100は電気泳動システム（例えば、ミセ
ル電気泳動）のための分離キャピラリであってよい。キ
ャピラリ100はクロマトグラフィー（静水圧力の代わり
に液体の流れに電気浸透を使う電気クロマトグラフィ
ー）のための分離カラムでもよい。もしキャピラリ100
が分離キャピラリ又はカラムであるなら、試料（被検
体）も接合点102で注入されなければならない。試料
は、電気浸透流によるか（例えば、Jacobsonらの論文を
参照）、もしくは重力の流れ又は他の静水圧力によって
（例えば、注射器によって）注入してもよい。一般に、
３本以上のキャピラリを共通接合点で接合してよく、そ
れらのキャピラリの1つは溶媒用というよりは試料用で
あってよい。試料の注入に充填キャピラリが使われる場
合、分離キャピラリ100の代わりに装填するキャピラリ
においてある種の分離が起こることもある。キャピラリ
100と接合点102との間で取り外し可能な接続方法を用い
ることが好ましい。そうすればキャピラリ100へ直接注
入することが可能である。
【００１６】一般に、電気浸透による送り出しが可能な
液体は、最小のイオン濃度を有していなければならな
い。電気クロマトグラフィーでは、適切な液体には、緩
衝液及び予め水と混合した（例えば、10%水）有機溶媒
が含まれる。キャピラリ及びマイクロチップによく使わ
れるシリカ表面は一定の負電荷を帯びており、正に帯電
したイオンを余分に含有する液状溶液に境界層を生ず
る。正帯電イオンは陰極の方へ移動する。典型的な所要
電界強度は50,000 V/mである。電流の大きさは、典型的
には、1〜100マイクロアンペアの範囲にある。V2 /Rの
印加によって加熱され、ここでVはキャピラリ両端の電
圧であり、Rはそのキャピラリの抵抗値である。充填キ
ャピラリでは、温度勾配の拡散効果を避けるために直径
の小さいキャピラリが望ましい。電極は、好ましくは、
白金又は金のような非反応性金属である。
【００１７】混合を示すために用いた特定の実施例で
は、キャピラリ100、102及び104は直径50ミクロンで且
つ開放型である。電圧112はマイナス20 kVである。バイ
ヤル1(108)はpH6.5のリン酸ナトリウムを含み、スイッ
チ116は絶えず閉じられている。バイヤル2 (110)は吸光
度分光計で検出できるようDMSO（ジメチルスルホキシ
ド）と混合した緩衝液を含んでいる。スイッチ118は10
Hzの頻度で切換えられ、その結果、デューティ・サイク
ルは10%から90%までの範囲になる。平均電流は約18マイ
クロアンペアである。流体の平均流量は約23 nl/分であ
る。デューティ・サイクルの1パーセントの変化は吸光
度分光計で検出することができる。
【００１８】以上、本発明の実施例について詳述した
が、以下、本発明の各実施態様の例を示す。 (1)電気浸透によって第１の液体を接合点へ送り出し、
電気浸透によって第２の液体を前記接合点へ送り出し、
前記接合点にて第１の液体と第２の液体の実質的に均一
な混合液を生成することを特徴とする電気浸透流を用い
る液体混合方法である。 (2)前記第１の液体を前記接合点に送り出す工程は連続
的に行われる前項(1)記載の電気浸透流を用いる液体混
合方法である。 (3)前記第１の液体を前記接合点に送り出す工程は、一
定のデューティ・サイクルで切換が行われる前項(1)項
記載の電気浸透流を用いる液体混合方法である。 (4)前記第１の液体を前記接合点に送り出す工程は、可
変のデューティ・サイクルで切換が行われる前項(1)記
載の電気浸透流を用いる液体混合方法である。 (5)第１及び第２の端部を有する第１のキャピラリまた
はマイクロチップ・チャンネルと、前記第１のキャピラ
リまたはマイクロチップ・チャンネルの前記第１の端部
が第１の液体に浸されているものであり、第１及び第２
の端部を有する第２のキャピラリ又はマイクロチップ・
チャンネルと、前記第２のキャピラリまたはマイクロチ
ップ・チャンネルの前記第１の端部は第２の液体に浸さ
れているものであり、前記第１のキャピラリまたはマイ
クロチップ・チャンネルの前記第２の端部と前記第２の
キャピラリまたはマイクロチップ・チャンネルの前記第
２の端部は前記接合点と接続するものであり、前記第１
の液体と前記接合点の間に第１の電圧を印加し、前記第
２の液体と前記接合点の間に第２の電圧を印加する電源
と、電気浸透によって前記接合点へ流入することによっ
て前記接合点で第１及び第２の液体の実質的に均一な混
合液を形成する第１及び第２の液体とを含む電気浸透流
を用いる液体混合装置である。 (6)前記第１と前記第２の電圧が異なり、前記第１の液
体の流量は前記第１の電圧に依存し、前記第２の液体の
流量は前記第２の電圧に依存する前項(5)項記載の電気
浸透流を用いる液体混合装置である。 (7)前項(5)記載の液体混合装置はさらに前記電源と前記
第１の液体との間に直列に接続された第１の抵抗と前記
電源と前記第２の液体との間に直列に接続された第２の
抵抗と前記第１抵抗に依存する前記第１の液体の流量と
前記第２の抵抗に依存する第２の液体の流量を含む電気
浸透流を用いた液体混合装置である。 (8)前項(5)項記載の液体混合装置はさらに前記電源と前
記第１の液体との間に直列に接続された第１のスイッチ
と前記電源と前記第２の液体との間に直列に接続された
第２のスイッチと前記第１及び第２のスイッチががそれ
ぞれオンになるとき、電気浸透によって接合点へ流れる
第１及び第２の液体は、それぞれ前記第１及び第２のス
イッチの切換によって綴じられ、少なくとも一つのスイ
ッチが前記接合点で前記第１及び第２の液体の実質的に
均一な混合液の形成を確実にするめ、十分な頻度で切り
替えられることを特徴とする電気浸透流を用いる液体混
合装置である。 (9)前項(8)項記載の液体混合装置はさらに一定の第１の
切換えデューティ・サイクルを有する第１のスイッチと
一定の第２の切換えデューティ・サイクルを有する第２
のスイッチとを含み、第１及び第２のデューティ・サイ
クルの比が一定であることを特徴とする電気浸透流を用
いる液体混合装置である。 (10)前項(8)項記載の液体混合装置はさらに前記第１及
び第２のスイッチのうちの少なくとも1つは、経過時間
に対して変化する切換えデューティ・サイクルを有する
ことを特徴とする電気浸透流を用いる液体混合装置であ
る。
【００１９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明より、大型
の付加的装置を必要とせず、電気浸透流を制御すること
で低流量の流体を正確に混合することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従って電気浸透の流れを用いる化学的
混合装置のブロック説明図である。
【符号の説明】
１００、１０４、１０６：キャピラリ １０８、１１０：バイアル １１６、１１８：スイッチ １２０、１２２：抵抗

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電気浸透によって第１の液体を接合点へ
    送り出し、 電気浸透によって第２の液体を前記接合点
    へ送り出し、前記接合点にて第１の液体と第２の液体の
    実質的に均一な混合液を生成することを特徴とする電気
    浸透流を用いる液体混合方法。
  2. 【請求項２】前記第１の液体を前記接合点に送り出す工
    程は連続的に行われることを特徴とする請求項第１項記
    載の電気浸透流を用いる液体混合方法。
  3. 【請求項３】第１及び第２の端部を有する第１のキャピ
    ラリまたはマイクロチップ・チャンネルと、前記第１の
    キャピラリまたはマイクロチップ・チャンネルの前記第
    １の端部が第１の液体に浸されているものであり、 第１及び第２の端部を有する第２のキャピラリ又はマイ
    クロチップ・チャンネルと、前記第２のキャピラリまた
    はマイクロチップ・チャンネルの前記第１の端部は第２
    の液体に浸されているものであり、前記第１のキャピラ
    リまたはマイクロチップ・チャンネルの前記第２の端部
    と前記第２のキャピラリまたはマイクロチップ・チャン
    ネルの前記第２の端部は前記接合点と接続するものであ
    り、 前記第１の液体と前記接合点の間に第１の電圧を印加
    し、前記第２の液体と前記接合点の間に第２の電圧を印
    加する電源と、 電気浸透によって前記接合点へ流入することによって前
    記接合点で第１及び第２の液体の実質的に均一な混合液
    を形成する第１及び第２の液体とを含むことを特徴とす
    る電気浸透流を用いる液体混合装置。
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