WO2020067289A1 - 液滴出射装置 - Google Patents

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WO2020067289A1
WO2020067289A1 PCT/JP2019/037859 JP2019037859W WO2020067289A1 WO 2020067289 A1 WO2020067289 A1 WO 2020067289A1 JP 2019037859 W JP2019037859 W JP 2019037859W WO 2020067289 A1 WO2020067289 A1 WO 2020067289A1
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flow path
droplet
liquid
outlet
emitting device
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PCT/JP2019/037859
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French (fr)
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裕 嘉副
北森　武彦
祐輔 清水
康 照井
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University of Tokyo NUC
Hitachi High Tech Corp
Original Assignee
Hitachi High Technologies Corp
University of Tokyo NUC
Hitachi High Tech Corp
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B1/00—Devices without movable or flexible elements, e.g. microcapillary devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N35/00—Automatic analysis not limited to methods or materials provided for in any single one of groups G01N1/00 - G01N33/00; Handling materials therefor
    • G01N35/10—Devices for transferring samples or any liquids to, in, or from, the analysis apparatus, e.g. suction devices, injection devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N37/00—Details not covered by any other group of this subclass

Definitions

  • the present invention relates to a droplet emitting device.
  • Patent Literature 1 discloses that a sample droplet and oil are mixed and poured into a microarray plate, the droplet is arranged on the microarray, and the droplet is ionized by a laser. A technique for introducing the analyzer into an analytical instrument is disclosed.
  • a liquid chromatograph mass spectrometer uses an electrospray ionization method in which an electric field is applied to a sample liquid from which components have been separated by chromatography, ionized, and then sprayed and introduced into an analytical instrument.
  • electrospray ionization method only a few% of the sprayed sample is introduced into the analyzer, and the introduction rate is low. Therefore, it is difficult to perform high-accuracy analysis when the sample is very small.
  • Non-Patent Document 1 the rate of introduction into the analytical instrument can be improved, but the sample may be lost due to the interaction between the sample and the oil. Therefore, even if such a technique is used, it is difficult to perform high-accuracy analysis when the sample is very small.
  • the present invention provides a droplet emitting device that can introduce a sample into an analyzer so that highly accurate analysis is possible even if the amount of the sample liquid is very small.
  • a droplet ejection device is formed along a first direction, is connected to a first flow path through which a liquid flows, and a second flow path that is connected to an outlet of the first flow path and intersects the first direction.
  • the third flow path is connected to the outlet of the first flow path, the outlet of the second flow path, and the outlet of the third flow path, is formed along the first direction, is wider than the first flow path, A fourth flow path through which gas flows, a fifth flow path connected to an outlet of the fourth flow path and formed along a fourth direction intersecting the first direction, through which gas flows, and a fourth flow path A sixth flow path connected to the outlet and formed along a fifth direction intersecting the first direction and the fourth direction, through which gas flows, an outlet of the fourth flow path, and a fifth flow path Is connected to the outlet of the outlet and the sixth flow path is formed along a first direction, comprising width than the fourth flow path is large, and the seventh flow path liquid and gas flows, a.
  • the sample liquid is elongated in the first direction by the gas flowing through the second flow path and the third flow path and merging with the fourth flow path.
  • the sample liquid is cut into droplets by the gas flowing through the fifth flow path and the sixth flow path and joining at the seventh flow path, and is emitted in the first direction.
  • the flow rate of the liquid flowing through the first flow path is determined by the flow rate of the gas flowing through the second flow path, the flow rate of the gas flowing through the third flow path, the flow rate of the gas flowing through the fifth flow path, and the sixth flow path.
  • the pressure of the gas flowing through the second flow path and the pressure of the gas flowing through the third flow path are smaller than the flow velocity of the flowing gas, and the pressure of the gas flowing through the fifth flow path and the pressure of the gas flowing through the sixth flow path, respectively. May be higher than the pressure.
  • the sample liquid flowing through the first flow path is emitted as a droplet in the first direction without flowing backward to the second flow path, the third flow path, the fifth flow path, and the sixth flow path.
  • the surfaces of the second flow path, the third flow path, the fourth flow path, the fifth flow path, the sixth flow path, and the seventh flow path may be coated with a hydrophobic coating.
  • the sample liquid hardly adheres to the surfaces of the second flow path, the third flow path, the fourth flow path, the fifth flow path, the sixth flow path, and the seventh flow path. , And the ejection of the liquid droplets in the seventh flow path is appropriately performed.
  • the depth of the seventh flow path may be larger than the width of the fourth flow path.
  • the droplet formed at the outlet of the fourth channel is prevented from touching the bottom surface and the top surface of the seventh channel, and the flight distance of the droplet can be extended.
  • the second flow path and the third flow path may be formed axially symmetric with respect to the first direction.
  • an axially symmetric force can be applied to the liquid flowing through the first flow path, and the liquid flows in the first direction.
  • the liquid can be stretched stably along the direction.
  • the fifth flow path and the sixth flow path may be formed axially symmetric with respect to the first direction.
  • an axisymmetric force can be applied to the liquid flowing through the fourth flow path, and the liquid can be stably supplied. Drops can be emitted.
  • the liquid flowing through the seventh flow path may form a droplet having a diameter inversely proportional to the pressure of the gas flowing through the fifth flow path or the square root of the pressure of the gas flowing through the sixth flow path.
  • the diameter of the droplet can be adjusted by the pressure of the gas flowing through the fifth flow path or the pressure of the gas flowing through the sixth flow path, and the amount of the sample introduced into the analytical instrument can be finely controlled. can do.
  • the diameter of the droplet may be proportional to the square root of the surface tension of the liquid.
  • the diameter of the droplet can be adjusted according to the surface tension of the liquid flowing through the first flow path, and the amount of the sample introduced into the analyzer can be finely controlled.
  • the droplet may be emitted from the fourth channel to the seventh channel at a predetermined cycle.
  • a sample can be introduced into the analyzer in a constant amount per unit time.
  • the predetermined cycle may be proportional to the flow rate of the liquid flowing through the first flow path.
  • the amount of the sample introduced into the analyzer per unit time can be finely controlled.
  • the Reynolds number calculated from the flow velocity of the gas flowing through the seventh flow path, the depth of the seventh flow path, and the kinematic viscosity coefficient of the gas may be 50 or more and less than 400.
  • the flight distance of the droplet flowing through the seventh flow path can be made sufficiently long, and the rate of introduction of the sample into the analyzer can be improved.
  • the liquid flowing through the first flow path may have components separated along the first direction.
  • the sample liquid from which the components have been separated by chromatography can be emitted as droplets while maintaining the separated state, and introduced into the analytical instrument.
  • the outlet of the seventh flow path may be connected to the inlet of the analyzer.
  • the sample liquid can be ejected as droplets and introduced into the analyzer, and high-precision analysis can be performed even when the amount of the sample liquid is very small.
  • a droplet ejecting apparatus capable of introducing a sample into an analyzer so as to enable high-precision analysis even when the amount of the sample liquid is very small.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an outline of a mass spectrometry system including a droplet emitting device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a first substrate and a second substrate that constitute the droplet emitting device according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an enlarged image of the droplet emitting device according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an image obtained by continuously photographing a state in which droplets are emitted by the droplet emitting device according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing a mass spectrum obtained by a mass spectrometry system including the droplet emitting device according to the present embodiment and a mass spectrum obtained by using an electrospray ionization method.
  • FIG. 3 is a diagram showing a mass spectrum obtained by a mass spectrometry system including the droplet emitting device according to the present embodiment and a mass spectrum obtained by using an electrospray ionization method.
  • FIG. 3 is a top view of the droplet emitting device according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a side view of the droplet emitting device according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the operation principle of the droplet emitting device according to the embodiment. It is a figure showing the conditions of pressure by which a droplet discharge device concerning this embodiment emits a droplet appropriately.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship between a diameter of a droplet formed by the droplet emitting device according to the embodiment and a second pressure.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship between a diameter of a droplet formed by the droplet emitting device according to the embodiment and a surface tension of the liquid.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the operation principle of the droplet emitting device according to the embodiment. It is a figure showing the conditions of pressure by which a droplet discharge device concerning this embodiment emits a droplet appropriately.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship between a
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship between the ejection frequency of droplets formed by the droplet ejection device according to the present embodiment and the flow rate of a liquid.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship between a diameter of a droplet formed by the droplet emitting device according to the embodiment and a flow rate of the liquid.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship between a flight distance of a droplet ejected by a droplet ejection device according to the embodiment and a second pressure.
  • the present embodiment an embodiment according to one aspect of the present invention (hereinafter, referred to as “the present embodiment”) will be described with reference to the drawings.
  • the components denoted by the same reference numerals have the same or similar configurations.
  • FIG. 1 is a diagram showing an outline of a mass spectrometry system 1 including a droplet emitting device 10 according to the present embodiment.
  • the mass spectrometry system 1 is one of application examples of the droplet emitting device 10 according to the present embodiment, and the droplet emitting device 10 may be connected to an analyzer other than the mass spectrometer 100.
  • FIG. 2 is a diagram showing a first substrate 10a and a second substrate 10b that constitute the droplet emitting device 10 according to the present embodiment.
  • the droplet emitting device 10 according to the present embodiment is configured by bonding a microchannel formed on a first substrate 10a and a microchannel formed on a second substrate 10b. More specifically, a shallow flow path (first flow path, second flow path, third flow path, and fourth flow path to be described later) and a deep flow path (fifth flow path to be described later) are formed in the first substrate 10a by etching.
  • a flow path, a sixth flow path, and a seventh flow path are formed, and a deep flow path (fifth flow path, sixth flow path, and seventh flow path described later) is formed in the second substrate 10b by etching in the same manner.
  • the droplet ejection device 10 is formed and bonded so that the deep flow paths of both members coincide with each other.
  • FIG. 3 is a diagram showing an enlarged image of the droplet emitting device 10 according to the present embodiment.
  • the droplet emitting device 10 includes a first channel C1, a second channel C2, a third channel C3, a fourth channel C4, a fifth channel C5, a sixth channel C6, and a seventh channel C7. .
  • the first flow path C1 is formed along the first direction D1, through which the liquid flows.
  • the flow rate of the liquid flowing through the first flow path C1 is arbitrary.
  • components of the liquid flowing through the first flow path C1 may be separated along the first direction D1. As a result, the sample liquid from which the components have been separated by chromatography can be emitted as droplets while maintaining the separated state, and introduced into the analytical instrument.
  • the second flow path C2 is connected to an outlet of the first flow path C1, is formed along a second direction D2 intersecting the first direction D1, and allows gas to flow.
  • the third flow path C3 is connected to an outlet of the first flow path C1, is formed along a third direction D3 intersecting the first direction D1 and the second direction D2, and allows gas to flow.
  • the second direction D2 and the third direction D3 may be inclined by about 60 ° with respect to the first direction D1, but the inclination is arbitrary.
  • the same gas may flow through the second flow path C2 and the third flow path C3 at the same pressure (first pressure P g1 ).
  • air may flow through the second flow path C2 and the third flow path C3.
  • the fourth flow path C4 is connected to the outlet of the first flow path C1, the outlet of the second flow path C2, and the outlet of the third flow path C3, is formed along the first direction D1, and is formed from the first flow path C1.
  • the width is large, and liquid and gas flow.
  • the liquid flowing through the first flow path C1 collides with the gas flowing through the second flow path C2 and the third flow path C3 and merging with the fourth flow path C4 at the outlet of the first flow path C1, and is dragged by the flow of the gas. Thus, it is extended in the first direction D1 in the fourth flow path C4.
  • the second flow path C2 and the third flow path C3 may be formed axially symmetric with respect to the first direction D1.
  • an axially symmetric force can be applied to the liquid flowing through the first flow path C1.
  • the liquid can be stably stretched along the direction D1.
  • the fifth flow path C5 is connected to an outlet of the fourth flow path C4, is formed along a fourth direction D4 intersecting with the first direction D1, and allows gas to flow.
  • the sixth flow path C6 is connected to the outlet of the fourth flow path C4, is formed along a fifth direction D5 intersecting the first direction D1 and the fourth direction D4, and allows gas to flow.
  • the fifth direction D5 and the sixth direction D6 may be inclined by about 60 ° with respect to the first direction D1, but the inclination is arbitrary.
  • the fifth direction D5 may be parallel to the second direction D2, and the sixth direction D6 may be parallel to the third direction D3.
  • the same gas may flow through the fifth flow path C5 and the sixth flow path C6 at the same pressure (the second pressure P g2 ).
  • air may flow through the fifth flow path C5 and the sixth flow path C6.
  • the seventh channel C7 is connected to the outlet of the fourth channel C4, the outlet of the fifth channel C5, and the outlet of the sixth channel C6, is formed along the first direction D1, and is formed from the third channel C3.
  • the width is large, and liquid and gas flow.
  • the liquid extended in the fourth flow path C4 collides with the gas flowing in the fifth flow path C5 and the sixth flow path C6 and joining in the seventh flow path C7 at the outlet of the fourth flow path C4, and It receives the drag in the direction D1.
  • the drag applied to the liquid balances the surface tension generated in the direction opposite to the first direction D1, but the liquid flows, so that the droplet grows at the outlet of the fourth flow path C4.
  • the drag applied to the droplet increases as the diameter of the droplet increases, and when the drag exceeds the surface tension, the droplet is separated due to Rayleigh instability and emitted in the first direction D1.
  • the outlet of the seventh flow path C7 may be connected to the inlet of an analytical instrument such as the mass spectrometer 100.
  • the fifth flow path C5 and the sixth flow path C6 may be formed axially symmetric with respect to the first direction D1.
  • an axially symmetric force can be applied to the liquid flowing through the fourth flow path C4, and the liquid can be stabilized. Droplets can be emitted.
  • the droplet emitting device 10 by flowing a small amount of the sample liquid through the first flow path C1, the liquid drops flow through the second flow path C2 and the third flow path C3, and merge at the fourth flow path C4.
  • the sample liquid is extended in the first direction D1 by the flowing gas, and the sample liquid is cut into droplets by the gas flowing through the fifth flow path C5 and the sixth flow path C6 and joining at the seventh flow path C7.
  • the surfaces of the second flow path C2, the third flow path C3, the fourth flow path C4, the fifth flow path C5, the sixth flow path C6, and the seventh flow path C7 may be coated with a hydrophobic coating. This makes it difficult for the sample liquid to adhere to the surfaces of the second flow path C2, the third flow path C3, the fourth flow path C4, the fifth flow path C5, the sixth flow path C6, and the seventh flow path C7.
  • the extension of the liquid in the fourth flow path C4 and the ejection of the droplets in the seventh flow path C7 are appropriately performed.
  • FIG. 4 is a view showing an image obtained by continuously photographing a state in which a droplet is emitted by the droplet emitting device 10 according to the present embodiment.
  • a fourth image taken later and a fifth image taken 133 ⁇ s after the initial time t 0 are shown.
  • the flow rate of the liquid flowing through the first flow path C1 is 5 ⁇ L / min
  • the pressure of the gas flowing through the second flow path C2 and the third flow path C3 is 80 kPa
  • the pressure of the gas flowing through the passage and the sixth passage is 20 kPa.
  • the first image shows a state in which the droplet D is starting to be formed at the outlet of the fourth flow path C4. At the right end of the first image, the droplet emitted in the previous cycle is photographed.
  • the second image shows that the droplet D is formed at the outlet of the fourth flow path C4 and is growing.
  • the diameter of the droplet D formed at the outlet of the fourth flow path C4 is larger than that in the case of the second image, and shows a state immediately before separation.
  • the fourth image shows a state in which the diameter of the droplet D is further larger than in the case of the third image, and the droplet D is separated and emitted to the seventh flow path C7.
  • the fifth image shows a state in which the droplet D emitted to the seventh flow path C7 is flying.
  • the droplet ejection device 10 repeats the ejection process of the droplet D shown in FIG. 4 at a predetermined cycle.
  • the diameter of the droplet D is about 29 ⁇ m
  • the frequency of emission is about 6.3 kHz. That is, the emission cycle is about 160 ⁇ s. Note that the diameter of the droplet D can be further increased or decreased. Further, the frequency of emission can be higher or lower.
  • the sample liquid can be separated into droplets and emitted, and the sample can be introduced into the analyzer at an introduction rate of almost 100%. Further, since the sample liquid is separated into droplets by gas and the sample liquid is not mixed with another liquid such as oil, a small amount of the sample can be introduced into the analyzer without loss.
  • the droplet emitting device 10 can also be used as a pipetting device. Conventionally, the pipetting of a small amount of the sample liquid has been performed by ink jet, but the droplet emitting device 10 according to the present embodiment is superior to the ink jet in the following three points. First, since the inkjet requires a pressurized chamber, the volume of the sample liquid to be pipetted can be reduced only to about mL. However, according to the droplet ejection device 10 according to the present embodiment, several tens of Since a droplet having a diameter of ⁇ m can be formed, the sample liquid can be pipetted on the order of ⁇ L to nL.
  • the inkjet needs to store about mL of liquid in the pressurized chamber, even if the sample liquid is separated into components, it may be necessary to mix the sample liquid in the pressurized chamber.
  • the sample liquid from which the components have been separated can be directly emitted as droplets, and a small amount of the sample liquid component can be separated and pipetted.
  • the flow path can be easily washed in a relatively short time by flowing a washing liquid such as water, so that pipetting can be easily performed without mixing different sample liquids.
  • FIG. 5 is a diagram showing a mass spectrum obtained by the mass spectrometry system 1 including the droplet emitting device 10 according to the present embodiment and a mass spectrum obtained by using the electrospray ionization method.
  • the mass spectrum obtained from the mass spectrometry system 1 including the droplet emitting device 10 according to the present invention is shown by a solid line
  • the mass spectrum obtained by using the electrospray ionization method is shown by a broken line.
  • the vertical axis indicates the signal value (cps: counts per second)
  • the horizontal axis indicates the mass-to-charge ratio (m / z).
  • caffeine 5 ⁇ M and formic acid 0.1% are used as sample liquids.
  • the mass spectrometry system 1 including the droplet ejection device 10 according to the present embodiment can obtain about 20 times the signal value of the mass spectrum as compared with the conventional electrospray ionization method. Can be read. This is because almost all of the minute amount of the sample liquid can be introduced into the mass spectrometer 100 by the droplet emitting device 10 according to the present embodiment. As described above, according to the droplet emitting device 10 according to the present embodiment, the sample can be introduced into the analyzer so that highly accurate analysis can be performed.
  • FIG. 6 is a top view of the droplet emitting device 10 according to the present embodiment.
  • the figure shows a state in which the liquid flows at the flow rate U 1 in the first flow path C 1 , a droplet D is formed at the outlet of the fourth flow path C 4, and is emitted to the seventh flow path C 7.
  • the surface tension and the drag applied to the growing droplet D at the outlet of the fourth flow path C4 are shown, and the second flow path C2, the third flow path C3, the fourth flow path C4, the fifth flow
  • the streamlines of the gas flowing through the path C5, the sixth flow path, and the seventh flow path C7 are indicated by broken lines.
  • the width w2 of the fourth flow path C4 is larger than the width w1 of the first flow path C1. This prevents the liquid extended in the fourth flow path C4 from coming into contact with the wall surface of the fourth flow path C4.
  • the width w3 of the seventh flow path C7 is larger than the width w2 of the fourth flow path C4. This prevents the droplet formed at the outlet of the fourth flow path C4 from coming into contact with the wall surface of the seventh flow path C7.
  • the flow velocity U 1 of the liquid flowing through the first flow path C 1 is determined by the flow velocity U g1 of the gas flowing through the second flow path C 2 and the flow velocity U 1 of the gas flowing through the third flow path C 3. g1, smaller than either of the flow velocity U g2 of the gas flowing through the flow velocity U g2 and the sixth flow path C6 of the gas flowing through the fifth flow path C5.
  • the sample liquid flowing in the first flow path C1 does not flow back to the second flow path C2, the third flow path C3, the fifth flow path C5, and the sixth flow path C6, It is emitted as a droplet in the direction D1.
  • FIG. 7 is a side view of the droplet emitting device 10 according to the present embodiment.
  • FIG. 1 shows a first flow path C1, a fourth flow path C4, and a seventh flow path C7.
  • the depth d2 of the seventh flow path C7 is larger than the width w2 of the fourth flow path C4.
  • the droplet D formed at the outlet of the fourth flow path C4 is prevented from touching the bottom surface and the top surface of the seventh flow path C7, and the flying distance of the droplet d can be extended.
  • the depth of the first flow path C1 and the depth of the fourth flow path C4 are the same at d1, and are smaller than the depth d2 of the seventh flow path C7.
  • the bottom surface of the seventh flow passage C7 is formed lower than the bottom surfaces of the first flow passage C1 and the fourth flow passage C4, and the top surface of the seventh flow passage C7 is formed of the first flow passage C1 and the fourth flow passage C4. It is formed higher than the top surface of C4.
  • the droplet formed at the outlet of the fourth flow path C4 is prevented from touching the bottom surface and the top surface of the seventh flow path C7, and the flying distance of the droplet d can be extended.
  • Such a structure can be realized by a simple process by forming the droplet emitting device 10 by bonding the first substrate 10a and the second substrate 10b.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating the operation principle of the droplet emitting device 10 according to the present embodiment.
  • the droplet D is separated from the first stage in which the formation of the droplet D starts at the outlet of the fourth flow channel C4, the second stage in which the droplet D grows at the outlet of the fourth flow channel C4.
  • a third stage of emission to the seventh flow path C7 is shown.
  • the droplet emitting device 10 repeatedly emits the droplet D by repeating the first stage, the second stage, and the third stage at a predetermined cycle.
  • the liquid extended in the fourth flow path C4 flows through the fifth flow path C5 and the sixth flow path C6 and joins with the gas which joins in the seventh flow path C7 and the outlet of the fourth flow path C4. And receives a drag in the first direction D1.
  • the drag applied to the liquid is proportional to the radius R of the droplet D, and balances the surface tension generated in the direction opposite to the first direction D1.
  • the surface tension is proportional to the contact area A between the growing droplet D and the liquid extending to the fourth flow path C4.
  • the droplet D emitted in the first direction D1 flies in the seventh flow path C7.
  • the flight distance of the droplet D varies depending on the flow velocity of the gas flowing through the seventh flow path C7, the depth d2 of the seventh flow path C7, and the Reynolds number Re calculated from the kinematic viscosity coefficient ⁇ of the gas. For example, when the Reynolds number Re is about 200, the flight distance is about 30 times the depth d2 of the seventh flow path C7.
  • the diameter 2R of the ejected droplet D is proportional to the square root of the surface tension ⁇ of the liquid, and the pressure P g2 of the gas flowing through the fifth flow path C5 or the sixth flow path C6 It is shown to be inversely proportional to the square root of the pressure P g2 of the gas flowing through. From such a relationship, the diameter 2R of the droplet D can be adjusted by the pressure P g2 of the gas flowing through the fifth flow path C5 or the pressure P g2 of the gas flowing through the sixth flow path C6. The amount of sample to be performed can be finely controlled. Further, the diameter 2R of the droplet D can be adjusted according to the surface tension ⁇ of the liquid flowing in the first flow path C1, and the amount of the sample introduced into the analyzer can be finely controlled.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating conditions of pressure at which droplets are appropriately ejected by the droplet ejection device 10 according to the present embodiment.
  • the vertical axis shows the pressure (second pressure P g2 ) of the gas flowing through the fifth flow path C5 and the sixth flow path C6 in kPa
  • the horizontal axis shows the second flow path C2 and the third flow path.
  • the pressure (first pressure P g1 ) of the gas flowing through C3 is indicated in units of kPa, and when the flow rate of the liquid flowing through the first flow path C1 is 5 ⁇ L / min, the case where droplet ejection is possible is indicated by “ ⁇ ”.
  • ⁇ the case where droplet ejection is possible is plotted with “x”.
  • droplets are ejected appropriately when P g2 ⁇ P g1 ⁇ P g2 +100.
  • the droplet is not necessarily not ejected at all but may be ejected to some extent.
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the diameter 2R of the droplet formed by the droplet emitting device 10 according to the present embodiment and the second pressure P g2 .
  • the vertical axis indicates the diameter 2R of the droplet in units of ⁇ m
  • the horizontal axis indicates the pressure (second pressure P g2 ) of the gas flowing through the fifth channel C5 and the sixth channel C6 in units of kPa. Is shown.
  • the case where the first pressure P g1 is 60 kPa is plotted by a circle
  • the case where the first pressure P g1 is 80 kPa is plotted by a triangle
  • the case where the first pressure P g1 is 100 kPa is a square.
  • the liquid flowing through the seventh flow path C7 is a droplet having a diameter inversely proportional to the square root of the pressure (second pressure P g2 ) of the gas flowing through the fifth flow path C5 and the sixth flow path C6.
  • the second pressure P g2 is in the range of 20 kPa to 70 kPa and the first pressure P g1 is in the range of 60 kPa to 120 kPa
  • the diameter 2R of the droplet is inversely proportional to the square root of the second pressure P g2. It is confirmed that there is.
  • the diameter 2R of the droplet can be adjusted by the pressure P g2 of the gas flowing through the fifth flow path C5 and the sixth flow path C6, and the amount of the sample introduced into the analytical instrument can be finely controlled. Can be.
  • FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the diameter 2R of the droplet formed by the droplet emitting device 10 according to the present embodiment and the surface tension ⁇ of the liquid.
  • the vertical axis indicates the diameter 2R of the droplet in units of ⁇ m
  • the horizontal axis indicates the surface tension ⁇ of the liquid in units of N / m.
  • the relationship between the diameter 2R of the droplet and the surface tension ⁇ is plotted while the surface tension ⁇ is changed by changing the mixing ratio of the two types of liquids and the other conditions are kept constant.
  • the flow rate of the liquid flowing through the first flow path C1 is 5 ⁇ L / min.
  • a function proportional to the square root of the surface tension ⁇ of the liquid is shown by a solid line.
  • the diameter 2R of the droplet is proportional to the square root of the surface tension ⁇ of the liquid.
  • the figure confirms that the diameter 2R of the droplet is proportional to the square root of the surface tension ⁇ when the surface tension ⁇ is in the range of 0.02 N / m to 0.07 N / m.
  • the diameter 2R of the droplet can be adjusted according to the surface tension ⁇ of the liquid flowing through the first flow path C1, and the amount of the sample introduced into the analyzer can be finely controlled.
  • FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the ejection frequency of droplets formed by the droplet ejection device 10 according to the present embodiment and the flow rate of liquid.
  • the vertical axis indicates the frequency of ejection of the liquid droplet in units of kHz
  • the horizontal axis indicates the flow rate of the liquid in units of ⁇ L / min.
  • the relationship between the ejection frequency of the droplet and the flow rate is plotted while the flow rate of the liquid is changed and other conditions are kept constant.
  • the droplet emitting device 10 emits droplets from the fourth channel C4 to the seventh channel C7 at a predetermined cycle.
  • the predetermined cycle is proportional to the flow velocity of the liquid flowing through the first flow path C1.
  • the ejection frequency of the droplet is proportional to the flow rate of the liquid flowing through the first flow path C1. Is confirmed.
  • the droplet ejection device 10 As described above, according to the droplet ejection device 10 according to the present embodiment, by ejecting a droplet having a certain diameter at a predetermined cycle, it is possible to introduce a sample into the analyzer in a constant amount per unit time. it can. Further, according to the droplet emitting device 10 according to the present embodiment, the amount of the sample introduced into the analyzer per unit time can be finely controlled by the flow rate of the liquid flowing through the first flow path C1.
  • FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the diameter 2R of the droplet formed by the droplet emitting device 10 according to the present embodiment and the flow rate of the liquid.
  • the vertical axis indicates the diameter 2R of the droplet in units of ⁇ m
  • the horizontal axis indicates the flow rate of the liquid in units of ⁇ L / min.
  • the relationship between the diameter 2R of the droplet and the flow rate is plotted while the flow rate of the liquid is changed and other conditions are kept constant.
  • the diameter 2R of the droplet depends on the second pressure P g2 and the surface tension ⁇ of the liquid, but does not depend on the flow rate of the liquid flowing through the first flow path C1. According to the figure, when the flow rate of the liquid flowing through the first flow path C1 is in the range of 1 ⁇ L / min to 9 ⁇ L / min, the diameter 2R of the droplet is almost constant with respect to the flow rate of the liquid flowing through the first flow path C1. It is confirmed that there is.
  • the ejection frequency of the droplet can be controlled independently. That is, the ejection frequency of the droplet is controlled by the flow rate of the liquid flowing through the first flow path C1, and the diameter 2R of the droplet is controlled by the pressure P g2 of the gas flowing through the fifth flow path C5 and the sixth flow path C6. can do.
  • the droplet ejection device 10 even if the ejection amount of the sample liquid per unit time is the same, the ejection frequency is reduced by enlarging the droplet or the ejection frequency is decreased by decreasing the droplet. Can be set higher, and more precise pipetting and introduction to analytical instruments can be performed.
  • FIG. 14 is a diagram showing the relationship between the flight distance of the droplet ejected by the droplet ejection device 10 according to the present embodiment and the second pressure.
  • the vertical axis indicates the flight distance of the droplet in mm
  • the horizontal axis indicates the pressure (second pressure P g2 ) of the gas flowing through the fifth flow path C5 and the sixth flow path C6 in kPa. Is shown.
  • the horizontal axis shows the value obtained by converting the second pressure P g2 into the flow velocity of the gas flowing through the fifth flow path C5 and the sixth flow path C6 in units of m / s.
  • the horizontal axis indicates a value obtained by converting the second pressure P g2 into a Reynolds number Re.
  • the Reynolds number Re U calculated from the flow velocity U g2 of the gas flowing through the seventh flow path C7, the depth d2 of the seventh flow path C7, and the kinematic viscosity coefficient ⁇ of the gas.
  • g2 d2 / v may be 50 or more and less than 400.
  • the Reynolds number Re may be 100 or more and less than 300, and more preferably, the Reynolds number Re may be 150 or more and less than 250.
  • the Reynolds number Re is 220.
  • the flight distance of the droplet is about 1.4 mm when the depth of the seventh flow path C7 is 50 ⁇ m.
  • the Reynolds number Re is 879, Is about 0.1 mm.
  • the flight distance of the droplet flowing through the seventh flow path C7 can be sufficiently increased, and the sample can be analyzed.
  • the introduction rate introduced into the device can be improved.
  • the droplet emitting device 10 according to the present embodiment can be used as an interface for collecting the entire amount of a trace amount of a sample liquid chemically treated by a liquid chromatography device, a capillary electrophoresis device, or the like, or introducing the entire amount to an analytical instrument.
  • the analytical instrument may in particular be a mass spectrometer.
  • the droplet emitting device 10 according to the present embodiment uses an extended nanochromatography (for example, Ishibashi, tMawatari, Kitamori, ”Highly efficient and and ultra-small volume separation by pressure-driven) using a 100 to 1000 nm channel as a separation column.
  • the liquid sample can be used as an interface for introducing a small amount of the sample liquid separated by a liquid chromatography, a technique described in “small,” 8, “1237-1242,” 2012) into a mass spectrometer.
  • This makes it possible to realize a highly sensitive separation analysis system in which the number of theoretical plates, which is an index of separation performance, is about 100,000.
  • the droplet emitting device 10 according to the present embodiment can be used as a droplet generating unit of an interface device described in International Publication No. WO2018 / 056131.

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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

液滴出射装置
　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。
　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Ｐg1）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Ｐg1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Ｐg2）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Ｐg2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Ｕg1、第３流路Ｃ３を流れる気体の流速Ｕg1、第５流路Ｃ５を流れる気体の流速Ｕg2及び第６流路Ｃ６を流れる気体の流速Ｕg2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Ｐg1及び第３流路Ｃ３を流れる気体の圧力Ｐg1は、それぞれ、第５流路Ｃ５を流れる気体の圧力Ｐg2及び第６流路Ｃ６を流れる気体の圧力Ｐg2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Ｐg1）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Ｐg2）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Ｐg2又は第６流路Ｃ６を流れる気体の圧力Ｐg2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Ｐg2又は第６流路Ｃ６を流れる気体の圧力Ｐg2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Ｐg2）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Ｐg1）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Ｐg2≦Ｐg1≦Ｐg2＋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Ｐg2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Ｐg2）をｋＰａの単位で示している。また、同図では、第１圧力Ｐg1が６０ｋＰａの場合を丸印でプロットし、第１圧力Ｐg1が８０ｋＰａの場合を三角印でプロットし、第１圧力Ｐg1が１００ｋＰａの場合を四角印でプロットし、第１圧力Ｐg1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Ｐg2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Ｐg2）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Ｐg2が２０ｋＰａから７０ｋＰａの範囲で、第１圧力Ｐg1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Ｐg2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Ｐg2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Ｐg2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Ｐg2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Ｐg2）をｋＰａの単位で示している。同図では、横軸に、第２圧力Ｐg2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Ｐg2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Ｕg2、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＝Ｕg2ｄ２／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Ｐg2が４０ｋＰａの場合（第７流路Ｃ７を流れる気体の流速Ｕg2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Ｐg2が２００ｋＰａの場合（第７流路Ｃ７を流れる気体の流速Ｕg2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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