JPWO2020067289A1 - 液滴出射装置 - Google Patents

Abstract

試料液体が微量であっても、高精度の分析が可能となるように試料を分析機器に導入することができる液滴出射装置を提供する。液滴出射装置１０は、第１方向Ｄ１に沿って形成され、液体が流される第１流路Ｃ１と、第１流路の出口と接続され、気体が流される第２流路Ｃ２及び第３流路Ｃ３と、第１流路の出口、第２流路の出口及び第３流路の出口と接続され、第１方向に沿って形成され、液体及び気体が流される第４流路Ｃ４と、第４流路の出口と接続され、気体が流される第５流路Ｃ５及び第６流路Ｃ６と、第４流路の出口、第５流路の出口及び第６流路の出口と接続され、第１方向に沿って形成され、第４流路より幅が大きく、液体及び気体が流される第７流路Ｃ７と、を備える。

Description

本発明は、液滴出射装置に関する。

近年、質量分析計やＤＮＡシーケンサ等の分析機器に導入される試料の流量は、μＬ（１０^−６リットル）／ｍｉｎやｎＬ（１０^−９リットル）／ｍｉｎのオーダーにまで微量化している。また、ガラス等の基板に数１０μｍの幅及び深さを有するマイクロ流路を加工して、様々な化学操作を集積化するマイクロ流体デバイスも進展している。

マイクロ流体デバイスで処理された試料液体の質量分析に関し、下記特許文献１には、試料液滴と油を混合してマイクロアレイプレートに流し込み、マイクロアレイに液滴を配置した後、液滴をレーザでイオン化して分析機器に導入する技術が開示されている。

Simon K. Kuster、他６名、"Interfacing Droplet Microfluidics with Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization Mass Spectrometry: Label-Free Content Analysis of Single Droplets"、Anal. Chem., 2013, 85 (3), pp 1285−1289

例えば液体クロマトグラフ質量分析計では、クロマトグラフィーによって成分を分離した試料液体に電界を印加してイオン化し、噴霧することで分析機器に導入するエレクトロスプレーイオン化法が用いられている。しかしながら、エレクトロスプレーイオン化法では、噴霧した試料の数％が分析機器に導入されるに過ぎず、導入率が低いため、試料が微量の場合には高精度の分析が難しい。

この点、非特許文献１に記載の技術によれば、分析機器への導入率を向上させることができるが、試料と油の相互作用によって試料の損失が生じることがある。そのため、このような技術を用いても、試料が微量の場合には高精度の分析が難しい。

そこで、本発明は、試料液体が微量であっても、高精度の分析が可能となるように試料を分析機器に導入することができる液滴出射装置を提供する。

本発明の一態様に係る液滴出射装置は、第１方向に沿って形成され、液体が流される第１流路と、第１流路の出口と接続され、第１方向と交差する第２方向に沿って形成され、気体が流される第２流路と、第１流路の出口と接続され、第１方向及び第２方向と交差する第３方向に沿って形成され、気体が流される第３流路と、第１流路の出口、第２流路の出口及び第３流路の出口と接続され、第１方向に沿って形成され、第１流路より幅が大きく、液体及び気体が流される第４流路と、第４流路の出口と接続され、第１方向と交差する第４方向に沿って形成され、気体が流される第５流路と、第４流路の出口と接続され、第１方向及び第４方向と交差する第５方向に沿って形成され、気体が流される第６流路と、第４流路の出口、第５流路の出口及び第６流路の出口と接続され、第１方向に沿って形成され、第４流路より幅が大きく、液体及び気体が流される第７流路と、を備える。

この態様によれば、第１流路に微量な試料液体を流すことで、第２流路及び第３流路を流れて第４流路で合流する気体によって試料液体が第１方向に引き延ばされ、第５流路及び第６流路を流れて第７流路で合流する気体によって試料液体が液滴状に切り取られて、第１方向に向かって出射される。これにより、試料液体が微量であっても、高精度の分析が可能となるように試料を分析機器に導入することができる。

上記態様において、第１流路を流れる液体の流速は、第２流路を流れる気体の流速、第３流路を流れる気体の流速、第５流路を流れる気体の流速及び第６流路を流れる気体の流速のいずれよりも小さく、第２流路を流れる気体の圧力及び第３流路を流れる気体の圧力は、それぞれ、第５流路を流れる気体の圧力及び第６流路を流れる気体の圧力より大きくてもよい。

この態様によれば、第１流路を流れる試料液体が第２流路、第３流路、第５流路及び第６流路に逆流することなく、第１方向に液滴として出射される。

上記態様において、第２流路、第３流路、第４流路、第５流路、第６流路及び第７流路の表面は、疎水性コーティングされていてもよい。

この態様によれば、試料液体が第２流路、第３流路、第４流路、第５流路、第６流路及び第７流路の表面に付着しづらくなり、第４流路での液体の引き延ばし及び第７流路での液滴出射が適切に行われるようになる。

上記態様において、第７流路の深さは、第４流路の幅より大きくてもよい。

この態様によれば、第４流路の出口で形成された液滴が、第７流路の底面及び天面に触れることが防止され、液滴の飛距離を伸ばすことができる。

上記態様において、第２流路と第３流路は、第１方向に関して軸対称に形成されていてもよい。

この態様によれば、第２流路及び第３流路に第１圧力で気体を流すことで、第１流路を流れる液体に対して軸対称な力を加えることができ、第１方向に沿うように安定して液体を引き延ばすことができる。

上記態様において、第５流路と第６流路は、第１方向に関して軸対称に形成されていてもよい。

この態様によれば、第５流路及び第６流路に第２圧力で気体を流すことで、第４流路を流れる液体に対して軸対称な力を加えることができ、安定して液滴を出射することができる。

上記態様において、第７流路を流れる液体は、第５流路を流れる気体の圧力又は第６流路を流れる気体の圧力の平方根に反比例する直径を有する液滴を形成していてもよい。

この態様によれば、液滴の直径を、第５流路を流れる気体の圧力又は第６流路を流れる気体の圧力によって調整することができ、分析機器に導入する試料の量を微細にコントロールすることができる。

上記態様において、液滴の直径は、液体の表面張力の平方根に比例していてもよい。

この態様によれば、第１流路に流す液体の表面張力に応じて液滴の直径を調整することができ、分析機器に導入する試料の量を微細にコントロールすることができる。

上記態様において、液滴は、所定の周期で第４流路から第７流路へ出射されてもよい。

この態様によれば、ある直径を有する液滴を所定の周期で出射することで、単位時間あたり一定の量で試料を分析機器に導入することができる。

上記態様において、所定の周期は、第１流路を流れる液体の流速に比例していてもよい。

この態様によれば、単位時間あたりに分析機器に導入する試料の量を微細にコントロールすることができる。

上記態様において、第７流路を流れる気体の流速、第７流路の深さ及び気体の動粘性係数により算出されるレイノルズ数は、５０以上４００未満であってもよい。

この態様によれば、第７流路を流れる液滴の飛距離を十分に長くすることができ、試料が分析機器に導入される導入率を向上させることができる。

上記態様において、第１流路を流れる液体は、第１方向に沿って成分が分離されていてもよい。

この態様によれば、クロマトグラフィーによって成分が分離された試料液体を、分離状態を保ったまま液滴にして出射し、分析機器に導入することができる。

上記態様において、第７流路の出口は、分析機器の入口に接続されていてもよい。

この態様によれば、試料液体を液滴として出射して分析機器に導入することができ、試料液体が微量であっても高精度の分析が可能となる。

本発明によれば、試料液体が微量であっても、高精度の分析が可能となるように試料を分析機器に導入することができる液滴出射装置が提供される。

本発明の実施形態に係る液滴出射装置を含む質量分析システムの概要を示す図である。 本実施形態に係る液滴出射装置を構成する第１基板及び第２基板を示す図である。 本実施形態に係る液滴出射装置を拡大撮影した画像を示す図である。 本実施形態に係る液滴出射装置により液滴が出射される様子を連続撮影した画像を示す図である。 本実施形態に係る液滴出射装置を含む質量分析システムにより得られたマススペクトルとエレクトロスプレーイオン化法を用いて得られたマススペクトルを示す図である。 本実施形態に係る液滴出射装置の上面図である。 本実施形態に係る液滴出射装置の側面図である。 本実施形態に係る液滴出射装置の動作原理を説明する図である。 本実施形態に係る液滴出射装置により液滴が適切に出射される圧力の条件を示す図である。 本実施形態に係る液滴出射装置により形成される液滴の直径と第２圧力との関係を示す図である。 本実施形態に係る液滴出射装置により形成される液滴の直径と液体の表面張力との関係を示す図である。 本実施形態に係る液滴出射装置により形成される液滴の出射頻度と液体の流量との関係を示す図である。 本実施形態に係る液滴出射装置により形成される液滴の直径と液体の流量との関係を示す図である。 本実施形態に係る液滴出射装置により出射される液滴の飛距離と第２圧力との関係を示す図である。

以下、本発明の一側面に係る実施の形態（以下、「本実施形態」と表記する。）を、図面に基づいて説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一又は同様の構成を有する。

図１は、本実施形態に係る液滴出射装置１０を含む質量分析システム１の概要を示す図である。本実施形態に係る液滴出射装置１０は、Ｑ＝２μＬ／ｍｉｎの流量で流される試料液体を、所定の直径を有する液滴Ｄとして切り出して、所定の周期で出射する。質量分析システム１は、液体にＶ＝３ｋＶの電圧を印加して液滴Ｄをイオン化させるイオン化装置８０と、液滴ＤをＴ＝２００℃で加熱して気化させるヒータ９０と、試料イオンＩのマススペクトルを分析する質量分析計１００とを備える。

なお、質量分析システム１は、本実施形態に係る液滴出射装置１０の応用例の一つであり、液滴出射装置１０は、質量分析計１００以外の分析機器に接続されてもよい。

図２は、本実施形態に係る液滴出射装置１０を構成する第１基板１０ａ及び第２基板１０ｂを示す図である。本実施形態に係る液滴出射装置１０は、第１基板１０ａに形成されたマイクロ流路と、第２基板１０ｂに形成されたマイクロ流路とを貼り合わせて構成されている。より具体的には、エッチングにより、第１基板１０ａに浅い流路（後述する第１流路、第２流路、第３流路及び第４流路）と、深い流路（後述する第５流路、第６流路及び第７流路）とを形成し、同様にエッチングにより、第２基板１０ｂに深い流路（後述する第５流路、第６流路及び第７流路）を形成して、両部材の深い流路が一致するように貼り合わされて液滴出射装置１０が構成されている。

図３は、本実施形態に係る液滴出射装置１０を拡大撮影した画像を示す図である。液滴出射装置１０は、第１流路Ｃ１、第２流路Ｃ２、第３流路Ｃ３、第４流路Ｃ４、第５流路Ｃ５、第６流路Ｃ６及び第７流路Ｃ７を備える。

第１流路Ｃ１は、第１方向Ｄ１に沿って形成され、液体が流される。例えば、第１流路Ｃ１にはＱ＝２μＬ／ｍｉｎの流量で試料液体が第１方向Ｄ１に流されてよい。もっとも、第１流路Ｃ１に流される液体の流量は任意である。また、第１流路Ｃ１を流れる液体は、第１方向Ｄ１に沿って成分が分離されていてよい。これにより、クロマトグラフィーによって成分が分離された試料液体を、分離状態を保ったまま液滴にして出射し、分析機器に導入することができる。

第２流路Ｃ２は、第１流路Ｃ１の出口と接続され、第１方向Ｄ１と交差する第２方向Ｄ２に沿って形成され、気体が流される。また、第３流路Ｃ３は、第１流路Ｃ１の出口と接続され、第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２と交差する第３方向Ｄ３に沿って形成され、気体が流される。ここで、第２方向Ｄ２及び第３方向Ｄ３は、第１方向Ｄ１に対して約６０°傾いていてよいが、傾きは任意である。第２流路Ｃ２及び第３流路Ｃ３には、同じ圧力（第１圧力Ｐ_g1）で同じ気体が流されてよい。第２流路Ｃ２及び第３流路Ｃ３には、例えば空気が流されてよい。

第４流路Ｃ４は、第１流路Ｃ１の出口、第２流路Ｃ２の出口及び第３流路Ｃ３の出口と接続され、第１方向Ｄ１に沿って形成され、第１流路Ｃ１より幅が大きく、液体及び気体が流される。第１流路Ｃ１を流れる液体は、第２流路Ｃ２及び第３流路Ｃ３を流れて第４流路Ｃ４で合流する気体と第１流路Ｃ１の出口でぶつかり、気体の流れに引きずられて第４流路Ｃ４で第１方向Ｄ１に引き延ばされる。

第２流路Ｃ２と第３流路Ｃ３は、第１方向Ｄ１に関して軸対称に形成されていてよい。これにより、第２流路Ｃ２及び第３流路Ｃ３に第１圧力Ｐ_g1で気体を流すことで、第１流路Ｃ１を流れる液体に対して軸対称な力を加えることができ、第１方向Ｄ１に沿うように安定して液体を引き延ばすことができる。

第５流路Ｃ５は、第４流路Ｃ４の出口と接続され、第１方向Ｄ１と交差する第４方向Ｄ４に沿って形成され、気体が流される。また、第６流路Ｃ６は、第４流路Ｃ４の出口と接続され、第１方向Ｄ１及び第４方向Ｄ４と交差する第５方向Ｄ５に沿って形成され、気体が流される。ここで、第５方向Ｄ５及び第６方向Ｄ６は、第１方向Ｄ１に対して約６０°傾いていてよいが、傾きは任意である。また、第５方向Ｄ５は第２方向Ｄ２と平行であってよく、第６方向Ｄ６は、第３方向Ｄ３と平行であってよい。第５流路Ｃ５及び第６流路Ｃ６には、同じ圧力（第２圧力Ｐ_g2）で同じ気体が流されてよい。第５流路Ｃ５及び第６流路Ｃ６には、例えば空気が流されてよい。

第７流路Ｃ７は、第４流路Ｃ４の出口、第５流路Ｃ５の出口及び第６流路Ｃ６の出口と接続され、第１方向Ｄ１に沿って形成され、第３流路Ｃ３より幅が大きく、液体及び気体が流される。第４流路Ｃ４で引き延ばされた液体は、第５流路Ｃ５及び第６流路Ｃ６を流れて第７流路Ｃ７で合流する気体と第４流路Ｃ４の出口でぶつかり、第１方向Ｄ１の抗力を受ける。液体に加わる抗力は、第１方向Ｄ１と反対方向に生じる表面張力と釣り合うが、液体が流れ込むため第４流路Ｃ４の出口で液滴が成長する。液滴に加わる抗力は、液滴の直径が大きくなるにつれて増大し、抗力が表面張力よりも大きくなると、液滴がレイリー不安定性により切り離され、第１方向Ｄ１に向かって出射される。第７流路Ｃ７の出口は、質量分析計１００等の分析機器の入口に接続されていてよい。これにより、試料液体を液滴として出射して分析機器に導入することができ、試料液体が微量であっても高精度の分析が可能となる。

第５流路Ｃ５と第６流路Ｃ６は、第１方向Ｄ１に関して軸対称に形成されていてよい。これにより、第５流路Ｃ５及び第６流路Ｃ６に第２圧力Ｐ_g2で気体を流すことで、第４流路Ｃ４を流れる液体に対して軸対称な力を加えることができ、安定して液滴を出射することができる。

本実施形態に係る液滴出射装置１０によれば、第１流路Ｃ１に微量な試料液体を流すことで、第２流路Ｃ２及び第３流路Ｃ３を流れて第４流路Ｃ４で合流する気体によって試料液体が第１方向Ｄ１に引き延ばされ、第５流路Ｃ５及び第６流路Ｃ６を流れて第７流路Ｃ７で合流する気体によって試料液体が液滴状に切り取られて、第１方向Ｄ１に向かって出射される。これにより、試料液体が微量であっても、高精度の分析が可能となるように試料を分析機器に導入することができる。

第２流路Ｃ２、第３流路Ｃ３、第４流路Ｃ４、第５流路Ｃ５、第６流路Ｃ６及び第７流路Ｃ７の表面は、疎水性コーティングされていてよい。これにより、試料液体が第２流路Ｃ２、第３流路Ｃ３、第４流路Ｃ４、第５流路Ｃ５、第６流路Ｃ６及び第７流路Ｃ７の表面に付着しづらくなり、第４流路Ｃ４での液体の引き延ばし及び第７流路Ｃ７での液滴出射が適切に行われるようになる。

図４は、本実施形態に係る液滴出射装置１０により液滴が出射される様子を連続撮影した画像を示す図である。同図では、初期時刻ｔ₀に撮影した第１画像と、初期時刻ｔ₀から３３μｓ後に撮影した第２画像と、初期時刻ｔ₀から６７μｓ後に撮影した第３画像と、初期時刻ｔ₀から１００μｓ後に撮影した第４画像と、初期時刻ｔ₀から１３３μｓ後に撮影した第５画像と、を示している。なお、本例の場合、第１流路Ｃ１に流される液体の流量は５μＬ／ｍｉｎであり、第２流路Ｃ２及び第３流路Ｃ３に流される気体の圧力は８０ｋＰａであり、第５流路及び第６流路に流される気体の圧力は２０ｋＰａである。

第１画像は、第４流路Ｃ４の出口に液滴Ｄが形成され始めている様子を示している。なお、第１画像の右端には、一つ前の周期に出射された液滴が撮影されている。

第２画像は、第４流路Ｃ４の出口に液滴Ｄが形成され、成長途中である様子を示している。第３画像は、第４流路Ｃ４の出口に形成された液滴Ｄの直径が、第２画像の場合よりも大きくなり、切り離される直前の様子を示している。第４画像は、液滴Ｄの直径が第３画像の場合よりさらに大きくなり、切り離されて第７流路Ｃ７に出射される様子を示している。第５画像は、第７流路Ｃ７に出射された液滴Ｄが飛行している様子を示している。

本実施形態に係る液滴出射装置１０は、図４に示した液滴Ｄの出射の過程を所定の周期で繰り返す。本例の設定の場合、液滴Ｄの直径は、約２９μｍであり、出射の頻度は約６．３ｋＨｚである。すなわち、出射の周期は約１６０μｓである。なお、液滴Ｄの直径は、さらに大きくもできるし、小さくもできる。また、出射の頻度は、さらに高頻度にもできるし、低頻度にもできる。

本実施形態に係る液滴出射装置１０によれば、試料液体を液滴に分離して出射することができ、ほとんど１００％の導入率で試料を分析機器に導入することができる。また、試料液体を気体によって液滴に分離させ、試料液体を油等の他の液体と混合させることが無いため、微量な試料を損失させることなく分析機器に導入することができる。

液滴出射装置１０は、ピペッティング装置として用いることもできる。試料液体の微量のピペッティングは、従来、インクジェットで行われることがあったが、本実施形態に係る液滴出射装置１０は、以下の三点でインクジェットより優れている。第一に、インクジェットは加圧チャンバを必要とするため、ピペッティングする試料液体の体積をｍＬ程度までしか小さくすることができないが、本実施形態に係る液滴出射装置１０によれば、数十μｍの直径の液滴を形成することができるため、μＬ〜ｎＬのオーダーで試料液体をピペッティングすることができる。第二に、インクジェットは加圧チャンバにｍＬ程度の液体を溜める必要があるため、試料液体を成分分離したとしても、加圧チャンバで混合せざるを得ない場合があるが、本実施形態に係る液滴出射装置１０によれば、成分分離した試料液体をそのまま液滴にして出射することができ、微量な試料液体の成分を分離してピペッティングすることができる。第三に、インクジェットで異なる試料液体をピペッティングする場合、試料の混合を防ぐため相当の時間をかけて加圧チャンバを洗浄する必要があるが、本実施形態に係る液滴出射装置１０によれば、水等の洗浄液を流すことで流路の洗浄を簡単に比較的短時間で行うことができるため、異なる試料液体を混合させずにピペッティングすることが容易にできる。

図５は、本実施形態に係る液滴出射装置１０を含む質量分析システム１により得られたマススペクトルとエレクトロスプレーイオン化法を用いて得られたマススペクトルを示す図である。同図では、本発明による液滴出射装置１０を含む質量分析システム１より得られたマススペクトルを実線で示し、エレクトロスプレーイオン化法を用いて得られたマススペクトルを破線で示している。同図では、縦軸に信号値（ｃｐｓ：counts per second）を示し、横軸に質量電荷比（ｍ／ｚ）を示している。なお、本例では、試料液体としてカフェイン５μＭ、ギ酸０．１％を用いている。

同図によれば、本実施形態に係る液滴出射装置１０を含む質量分析システム１によって、従来法であるエレクトロスプレーイオン化法に対して、マススペクトルについて約２０倍の信号値を得ることができることが読み取れる。これは、本実施形態に係る液滴出射装置１０によって微量の試料液体のほとんど全量を質量分析計１００に導入できるためである。このように、本実施形態に係る液滴出射装置１０によれば、高精度の分析が可能となるように試料を分析機器に導入することができる。

図６は、本実施形態に係る液滴出射装置１０の上面図である。同図では、第１流路Ｃ１に流速Ｕ₁で液体が流され、第４流路Ｃ４の出口で液滴Ｄが形成され、第７流路Ｃ７に出射される様子を示している。同図では、第４流路Ｃ４の出口で成長中の液滴Ｄに加わる表面張力と、抗力とを示し、第２流路Ｃ２、第３流路Ｃ３、第４流路Ｃ４、第５流路Ｃ５、第６流路及び第７流路Ｃ７を流れる気体の流線を破線で示している。

第４流路Ｃ４の幅ｗ２は、第１流路Ｃ１の幅ｗ１よりも大きい。これにより、第４流路Ｃ４で引き延ばされる液体が、第４流路Ｃ４の壁面に接触することが防止される。また、第７流路Ｃ７の幅ｗ３は、第４流路Ｃ４の幅ｗ２より大きい。これにより、第４流路Ｃ４の出口で形成された液滴が、第７流路Ｃ７の壁面に接触することが防止される。

本実施形態に係る液滴出射装置１０において、第１流路Ｃ１を流れる液体の流速Ｕ₁は、第２流路Ｃ２を流れる気体の流速Ｕ_g1、第３流路Ｃ３を流れる気体の流速Ｕ_g1、第５流路Ｃ５を流れる気体の流速Ｕ_g2及び第６流路Ｃ６を流れる気体の流速Ｕ_g2のいずれよりも小さい。また、本実施形態に係る液滴出射装置１０において、第２流路Ｃ２を流れる気体の圧力Ｐ_g1及び第３流路Ｃ３を流れる気体の圧力Ｐ_g1は、それぞれ、第５流路Ｃ５を流れる気体の圧力Ｐ_g2及び第６流路Ｃ６を流れる気体の圧力Ｐ_g2より大きい。このような関係を満たすことで、第１流路Ｃ１を流れる試料液体が第２流路Ｃ２、第３流路Ｃ３、第５流路Ｃ５及び第６流路Ｃ６に逆流することなく、第１方向Ｄ１に液滴として出射される。なお、第２流路Ｃ２及び第３流路Ｃ３を流れる気体の圧力（第１圧力Ｐ_g1）及び第６流路Ｃ６及び第７流路Ｃ７を流れる気体の圧力（第２圧力Ｐ_g2）と、液滴出射可否との関係については、後に図９を用いて詳細に説明する。

図７は、本実施形態に係る液滴出射装置１０の側面図である。同図では、第１流路Ｃ１、第４流路Ｃ４及び第７流路Ｃ７を示している。本実施形態に係る液滴出射装置１０では、第７流路Ｃ７の深さｄ２は、第４流路Ｃ４の幅ｗ２より大きい。これにより、第４流路Ｃ４の出口で形成された液滴Ｄが、第７流路Ｃ７の底面及び天面に触れることが防止され、液滴ｄの飛距離を伸ばすことができる。

また、第１流路Ｃ１の深さ及び第４流路Ｃ４の深さは、それぞれｄ１で同じであり、第７流路Ｃ７の深さｄ２より小さい。ここで、第７流路Ｃ７の底面は、第１流路Ｃ１及び第４流路Ｃ４の底面より低く形成され、第７流路Ｃ７の天面は、第１流路Ｃ１及び第４流路Ｃ４の天面より高く形成されている。これにより、第４流路Ｃ４の出口で形成された液滴が、第７流路Ｃ７の底面及び天面に触れることが防止され、液滴ｄの飛距離を伸ばすことができる。このような構造は、第１基板１０ａと第２基板１０ｂを貼り合わせて液滴出射装置１０を構成することで、簡単な工程で実現できる。

図８は、本実施形態に係る液滴出射装置１０の動作原理を説明する図である。同図では、第４流路Ｃ４の出口で液滴Ｄの形成が始まる第１段階と、第４流路Ｃ４の出口で液滴Ｄが成長する第２段階と、液滴Ｄが切り離されて第７流路Ｃ７に出射される第３段階とを示している。液滴出射装置１０は、第１段階、第２段階及び第３段階を所定の周期で繰り返して、液滴Ｄを連続して出射する。

第１段階において、第４流路Ｃ４で引き延ばされた液体は、第５流路Ｃ５及び第６流路Ｃ６を流れて第７流路Ｃ７で合流する気体と第４流路Ｃ４の出口でぶつかり、第１方向Ｄ１の抗力を受ける。液体に加わる抗力は、液滴Ｄの半径Ｒに比例し、第１方向Ｄ１と反対方向に生じる表面張力と釣り合う。ここで、表面張力は、成長中の液滴Ｄと第４流路Ｃ４に延びる液体との接触面積Ａに比例する。

第２段階では、液体が流れ込んで液滴が成長し、接触面積Ａが一定のまま半径Ｒが大きくなるため、抗力が増大していく。そして、抗力が表面張力よりも大きくなると、液滴Ｄが抗力により引っ張られて、レイリー不安定性により切り離され、第１方向Ｄ１に向かって出射される。

第３段階では、第１方向Ｄ１に向かって出射された液滴Ｄが第７流路Ｃ７を飛行する。液滴Ｄの飛距離は、第７流路Ｃ７を流れる気体の流速、第７流路Ｃ７の深さｄ２及び気体の動粘性係数νにより算出されるレイノルズ数Ｒｅによって変動する。例えば、レイノルズ数Ｒｅが２００程度である場合、飛距離は第７流路Ｃ７の深さｄ２の３０倍程度になる。

抗力と表面張力の釣り合いの条件から、出射される液滴Ｄの直径２Ｒは、液体の表面張力γの平方根に比例し、第５流路Ｃ５を流れる気体の圧力Ｐ_g2又は第６流路Ｃ６を流れる気体の圧力Ｐ_g2の平方根に反比例することが示される。このような関係から、液滴Ｄの直径２Ｒを、第５流路Ｃ５を流れる気体の圧力Ｐ_g2又は第６流路Ｃ６を流れる気体の圧力Ｐ_g2によって調整することができ、分析機器に導入する試料の量を微細にコントロールすることができる。また、第１流路Ｃ１に流す液体の表面張力γに応じて液滴Ｄの直径２Ｒを調整することができ、分析機器に導入する試料の量を微細にコントロールすることができる。

図９は、本実施形態に係る液滴出射装置１０により液滴が適切に出射される圧力の条件を示す図である。同図では、縦軸に第５流路Ｃ５及び第６流路Ｃ６を流れる気体の圧力（第２圧力Ｐ_g2）をｋＰａの単位で示し、横軸に第２流路Ｃ２及び第３流路Ｃ３を流れる気体の圧力（第１圧力Ｐ_g1）をｋＰａの単位で示して、第１流路Ｃ１に流れる液体の流量が５μＬ／ｍｉｎである場合に、液滴出射可能な場合を「○」でプロットし、液滴出射不可能な場合を「×」でプロットしている。

同図から、おおよそＰ_g2≦Ｐ_g1≦Ｐ_g2＋１００であれば、液滴が適切に出射されることが読み取れる。もっとも、このような条件を満たさない場合であっても、液滴が全く出射されないわけではなく、ある程度出射される場合もある。

図１０は、本実施形態に係る液滴出射装置１０により形成される液滴の直径２Ｒと第２圧力Ｐ_g2との関係を示す図である。同図では、縦軸に液滴の直径２Ｒをμｍの単位で示し、横軸に第５流路Ｃ５及び第６流路Ｃ６を流れる気体の圧力（第２圧力Ｐ_g2）をｋＰａの単位で示している。また、同図では、第１圧力Ｐ_g1が６０ｋＰａの場合を丸印でプロットし、第１圧力Ｐ_g1が８０ｋＰａの場合を三角印でプロットし、第１圧力Ｐ_g1が１００ｋＰａの場合を四角印でプロットし、第１圧力Ｐ_g1が１２０ｋＰａの場合を菱形印でプロットしている。さらに、第２圧力Ｐ_g2の平方根に反比例する関数を実線で示している。なお、第１流路Ｃ１に流れる液体の流量は５μＬ／ｍｉｎである。

先に説明したように、第７流路Ｃ７を流れる液体は、第５流路Ｃ５及び第６流路Ｃ６を流れる気体の圧力（第２圧力Ｐ_g2）の平方根に反比例する直径を有する液滴を形成する。同図によって、第２圧力Ｐ_g2が２０ｋＰａから７０ｋＰａの範囲で、第１圧力Ｐ_g1が６０ｋＰａから１２０ｋＰａの範囲である場合に、液滴の直径２Ｒが第２圧力Ｐ_g2の平方根に反比例していることが確かめられる。

このように、液滴の直径２Ｒを、第５流路Ｃ５及び第６流路Ｃ６を流れる気体の圧力Ｐ_g2によって調整することができ、分析機器に導入する試料の量を微細にコントロールすることができる。

図１１は、本実施形態に係る液滴出射装置１０により形成される液滴の直径２Ｒと液体の表面張力γとの関係を示す図である。同図では、縦軸に液滴の直径２Ｒをμｍの単位で示し、横軸に液体の表面張力γをＮ／ｍの単位で示している。同図では、２種類の液体の混合比を変えることで表面張力γを変化させて、他の条件は一定として液滴の直径２Ｒと表面張力γとの関係をプロットしている。なお、第１流路Ｃ１に流れる液体の流量は５μＬ／ｍｉｎである。

同図では、液体の表面張力γの平方根に比例する関数を実線で示している。先に説明したように、液滴の直径２Ｒは、液体の表面張力γの平方根に比例する。同図によって、表面張力γが０．０２Ｎ／ｍから０．０７Ｎ／ｍの範囲で、液滴の直径２Ｒが表面張力γの平方根に比例していることが確かめられる。

このように、第１流路Ｃ１に流す液体の表面張力γに応じて液滴の直径２Ｒを調整することができ、分析機器に導入する試料の量を微細にコントロールすることができる。

図１２は、本実施形態に係る液滴出射装置１０により形成される液滴の出射頻度と液体の流量との関係を示す図である。同図では、縦軸に液滴の出射頻度をｋＨｚの単位で示し、横軸に液体の流量をμＬ／ｍｉｎの単位で示している。同図では、液体の流量を変化させて、他の条件は一定として液滴の出射頻度と流量との関係をプロットしている。

本実施形態に係る液滴出射装置１０は、所定の周期で第４流路Ｃ４から第７流路Ｃ７へ液滴を出射する。ここで、所定の周期は、第１流路Ｃ１を流れる液体の流速に比例している。同図によれば、第１流路Ｃ１を流れる液体の流量が１μＬ／ｍｉｎから９μＬ／ｍｉｎの範囲で、液滴の出射頻度が第１流路Ｃ１を流れる液体の流量に比例していることが確かめられる。

このように、本実施形態に係る液滴出射装置１０によれば、ある直径を有する液滴を所定の周期で出射することで、単位時間あたり一定の量で試料を分析機器に導入することができる。また、本実施形態に係る液滴出射装置１０によれば、第１流路Ｃ１を流れる液体の流量によって単位時間あたりに分析機器に導入する試料の量を微細にコントロールすることができる。

図１３は、本実施形態に係る液滴出射装置１０により形成される液滴の直径２Ｒと液体の流量との関係を示す図である。同図では、縦軸に液滴の直径２Ｒをμｍの単位で示し、横軸に液体の流量をμＬ／ｍｉｎの単位で示している。同図では、液体の流量を変化させて、他の条件は一定として液滴の直径２Ｒと流量との関係をプロットしている。

液滴の直径２Ｒは、先に説明したように、第２圧力Ｐ_g2と液体の表面張力γに依存するが、第１流路Ｃ１を流れる液体の流量には依存しない。同図によれば、第１流路Ｃ１を流れる液体の流量が１μＬ／ｍｉｎから９μＬ／ｍｉｎの範囲で、液滴の直径２Ｒが第１流路Ｃ１を流れる液体の流量に対してほとんど一定であることが確かめられる。

このように、第１流路Ｃ１を流れる液体の流量を変化させても液滴の直径２Ｒが変化しないため、本実施形態に係る液滴出射装置１０によれば、液滴の出射頻度と、液滴の直径２Ｒとを独立にコントロールすることができる。すなわち、液滴の出射頻度を、第１流路Ｃ１を流れる液体の流量によってコントロールし、液滴の直径２Ｒを、第５流路Ｃ５及び第６流路Ｃ６を流れる気体の圧力Ｐ_g2によってコントロールすることができる。従って、液滴出射装置１０によれば、単位時間あたりの試料液体の出射量が同じであっても、液滴を大きくして出射頻度を下げた設定にしたり、液滴を小さくして出射頻度を上げた設定にしたりすることができ、より精密なピペッティングや分析機器への導入を行うことができる。

図１４は、本実施形態に係る液滴出射装置１０により出射される液滴の飛距離と第２圧力との関係を示す図である。同図では、縦軸に液滴の飛距離をｍｍの単位で示し、横軸に第５流路Ｃ５及び第６流路Ｃ６を流れる気体の圧力（第２圧力Ｐ_g2）をｋＰａの単位で示している。同図では、横軸に、第２圧力Ｐ_g2を第５流路Ｃ５及び第６流路Ｃ６を流れる気体の流速に換算した値をｍ／ｓの単位で示している。また、横軸に、第２圧力Ｐ_g2をレイノルズ数Ｒｅに換算した値を示している。

本実施形態に係る液滴出射装置１０において、第７流路Ｃ７を流れる気体の流速Ｕ_g2、第７流路Ｃ７の深さｄ２及び気体の動粘性係数νにより算出されるレイノルズ数Ｒｅ＝Ｕ_g2ｄ２／νは、５０以上４００未満であってよい。望ましくは、レイノルズ数Ｒｅは１００以上３００未満であってよく、さらに望ましくは、レイノルズ数Ｒｅは１５０以上２５０未満であってよい。

同図によれば、第７流路Ｃ７を流れる気体の圧力Ｐ_g2が４０ｋＰａの場合（第７流路Ｃ７を流れる気体の流速Ｕ_g2が８８ｍ／ｓの場合）にレイノルズ数Ｒｅが２２０であり、液滴の飛距離は第７流路Ｃ７の深さが５０μｍのときに約１．４ｍｍとなっている。一方、例えば第７流路Ｃ７を流れる気体の圧力Ｐ_g2が２００ｋＰａの場合（第７流路Ｃ７を流れる気体の流速Ｕ_g2が３５４ｍ／ｓの場合）にレイノルズ数Ｒｅが８７９であり、液滴の飛距離は約０．１ｍｍとなっている。

このように、レイノルズ数の観点で気体の圧力や液滴出射装置１０の寸法を設計することで、第７流路Ｃ７を流れる液滴の飛距離を十分に長くすることができ、試料が分析機器に導入される導入率を向上させることができる。

本実施形態に係る液滴出射装置１０は、液体クロマトグラフィー装置やキャピラリー電気泳動装置等で化学処理した微量の試料液体を全量回収したり、分析機器に全量導入したりするインターフェースとして用いることができる。ここで、分析機器は、特に質量分析計であってよい。また、本実施形態に係る液滴出射装置１０は、１００〜１０００ｎｍ流路を分離カラムとして利用する拡張ナノクロマトグラフィー（例えばIshibashi, Mawatari, Kitamori, "Highly efficient and ultra-small volume separation by pressure-driven liquid chromatography in extended nanochannels", Small, 8, 1237-1242, 2012に記載の技術）で分離した微量の試料液体を、全量質量分析計に導入するインターフェースとして用いることができる。これにより、分離性能の指標である理論段数が１０万段程度であり、しかも高感度な分離分析システムを実現することができる。さらに、本実施形態に係る液滴出射装置１０は、国際公開第２０１８／０５６１１３号に記載のインターフェース装置の液滴生成部として用いることができる。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。

１…質量分析システム、１０…液滴出射装置、１０ａ…第１基板、１０ｂ…第２基板、８０…イオン化装置、９０…ヒータ、１００…質量分析計、Ｃ１…第１流路、Ｃ２…第２流路、Ｃ３…第３流路、Ｃ４…第４流路、Ｃ５…第５流路、Ｃ６…第６流路、Ｃ７…第７流路、Ｄ１…第１方向、Ｄ２…第２方向、Ｄ３…第３方向、Ｄ４…第４方向、Ｄ５…第５方向

Claims (13)

1. 第１方向に沿って形成され、液体が流される第１流路と、
   前記第１流路の出口と接続され、前記第１方向と交差する第２方向に沿って形成され、気体が流される第２流路と、
   前記第１流路の出口と接続され、前記第１方向及び前記第２方向と交差する第３方向に沿って形成され、前記気体が流される第３流路と、
   前記第１流路の出口、前記第２流路の出口及び前記第３流路の出口と接続され、前記第１方向に沿って形成され、前記第１流路より幅が大きく、前記液体及び前記気体が流される第４流路と、
   前記第４流路の出口と接続され、前記第１方向と交差する第４方向に沿って形成され、前記気体が流される第５流路と、
   前記第４流路の出口と接続され、前記第１方向及び前記第４方向と交差する第５方向に沿って形成され、前記気体が流される第６流路と、
   前記第４流路の出口、前記第５流路の出口及び前記第６流路の出口と接続され、前記第１方向に沿って形成され、前記第４流路より幅が大きく、前記液体及び前記気体が流される第７流路と、
   を備える液滴出射装置。
2. 前記第１流路を流れる前記液体の流速は、前記第２流路を流れる前記気体の流速、前記第３流路を流れる前記気体の流速、前記第５流路を流れる前記気体の流速及び前記第６流路を流れる前記気体の流速のいずれよりも小さく、
   前記第２流路を流れる前記気体の圧力及び前記第３流路を流れる前記気体の圧力は、それぞれ、前記第５流路を流れる前記気体の圧力及び前記第６流路を流れる前記気体の圧力より大きい、
   請求項１に記載の液滴出射装置。
3. 前記第２流路、前記第３流路、前記第４流路、前記第５流路、前記第６流路及び前記第７流路の表面は、疎水性コーティングされている、
   請求項１又は２に記載の液滴出射装置。
4. 前記第７流路の深さは、前記第４流路の幅より大きい、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の液滴出射装置。
5. 前記第２流路と前記第３流路は、前記第１方向に関して軸対称に形成されている、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の液滴出射装置。
6. 前記第５流路と前記第６流路は、前記第１方向に関して軸対称に形成されている、
   請求項１から５のいずれか一項に記載の液滴出射装置。
7. 前記第７流路を流れる液体は、前記第５流路を流れる前記気体の圧力又は前記第６流路を流れる前記気体の圧力の平方根に反比例する直径を有する液滴を形成している、
   請求項１から６のいずれか一項に記載の液滴出射装置。
8. 前記液滴の直径は、前記液体の表面張力の平方根に比例している、
   請求項７に記載の液滴出射装置。
9. 前記液滴は、所定の周期で前記第４流路から前記第７流路へ出射される、
   請求項７又は８に記載の液滴出射装置。
10. 前記所定の周期は、前記第１流路を流れる前記液体の流速に比例している、
    請求項９に記載の液滴出射装置。
11. 前記第７流路を流れる前記気体の流速、前記第７流路の深さ及び前記気体の動粘性係数により算出されるレイノルズ数は、５０以上４００未満である、
    請求項１から１０のいずれか一項に記載の液滴出射装置。
12. 前記第１流路を流れる前記液体は、前記第１方向に沿って成分が分離されている、
    請求項１から１１のいずれか一項に記載の液滴出射装置。
13. 前記第７流路の出口は、分析機器の入口に接続されている、
    請求項１から１２のいずれか一項に記載の液滴出射装置。

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