マイクロ流体回路におけるより高い圧力を制御するプログラム可能追跡圧力レギュレータ
【課題】マイクロ流体回路における小さい差動圧力を制御するために適切なプログラム可能高精度圧力レギュレータを提供すること。
【解決手段】差動圧力を測定する手段に基づいて、圧力を精確に制御するレギュレータに関する。より具体的には、本発明は、比較的高いバックグラウンド圧力を追跡し、正または負のオフセットを付与して毛管ネットワーク内で流体を輸送するために利用され得る小さい差動圧力を生成する圧力制御を提供する。本発明は、マイクロ流体素子（ドーナツキャビティ等）を高度な精度で制御する方法にも方向付けられる。高性能液体クロマトグラフィの応用例では、これは、追跡圧力レギュレータを用いて、液体ポンプ圧力と制御された空気圧との間の差を測定およびこれに応答するために、追跡圧力レギュレータを用いて達成される。
【解決手段】差動圧力を測定する手段に基づいて、圧力を精確に制御するレギュレータに関する。より具体的には、本発明は、比較的高いバックグラウンド圧力を追跡し、正または負のオフセットを付与して毛管ネットワーク内で流体を輸送するために利用され得る小さい差動圧力を生成する圧力制御を提供する。本発明は、マイクロ流体素子（ドーナツキャビティ等）を高度な精度で制御する方法にも方向付けられる。高性能液体クロマトグラフィの応用例では、これは、追跡圧力レギュレータを用いて、液体ポンプ圧力と制御された空気圧との間の差を測定およびこれに応答するために、追跡圧力レギュレータを用いて達成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の背景）
（ａ）発明の分野
本発明は、少量の液体の形成、制御および移動を利用する装置で圧力を制御するために特に有用なプログラム可能追跡圧力レギュレータおよび方法に関する。より具体的には、本発明は、毛管クロマトグラフィ用の、動作圧が高くても、マクロ流体ネットワークにおいて高精度の圧力制御ができるプログラム可能追跡圧力レギュレータおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
（ｂ）従来技術の記載
マイクロ流体回路における流体の輸送は、通常、回路内の選択されたポイント間に差動圧力を付加することによってか、または、選択されたポイント間に電圧差を付加することによってという２つの方法のうちの１つで行われている。圧力を加えることによって、従来の毛管でハーゲン・ポアズイユ式層流分配がもたらされ、これに対して、電圧を印加することによって、界面動電ポンピングおよびプラグ流れがもたらされる。しかしながら、どちらの場合も、毛管の大きさでの流体の輸送の制御は、微視的流体ゲートが不在であることが不利であった。枝分かれした流体回路において、特定の方向への流れを停止させる手段が不在である場合、流体回路の種々の部分を隔離する方法はない。
【０００３】
毛細回路に機械的ゲートを提供することが提示されており、ここで、バルブクロージャは、隔膜または類似のシーリング部材から構成される。しかしながら、毛細規模では、特に、部分間で位置合わせが必要とされる場合、機械的バルブは信頼できず、かつ、製作することが困難である。機械的バルブは、ナノリットルのボリュームでは有用ではなかった。
【０００４】
毛管内の流体の移動を制御するために、非機械的手段を用いることも提示されている。例えば、毛管内の流体の移動を制御するためにメニスカスを利用するというコンセプトは、Ｌａｎｇ−Ｌｅｖｙマイクロピペット等のデバイスにおいて利用されている。
【０００５】
参考のため、本明細書本明細書中に援用される特許文献１の開示は、液体毛管内にメニスカスを生成し、液体毛管からメニスカスを除去し、かつ毛管セグメント内の静水圧力を外部から制御する制御可能な方法を開示する。より具体的には、特許文献１は、ナノリットルレベルでの少量の液体サンプルを輸送するプロセスおよびシステムを開示する。プロセスおよびシステムは、解析または反応等のサンプルの精確な処理を可能にするために、液体サンプルからのメニスカスの包含および／または除去を可能にし、さらに、少量の液体サンプルを貯蔵手段から使用ポイントへ正確に輸送することを可能にする。
【０００６】
特許文献１に記載されるように。圧力等比は、毛管ネットワークにおける流体の輸送を制御するために用いられ得る。毛管のトラックに沿って配置された浅いディスク形状のキャビティまたは「ドーナツ」は、液体ストリームを分裂させ、キャビティの周囲を取り囲んで流れさせる。ディスクの軸に沿う、ディスクに対して垂直の別個のチャネルは、液体への圧力の到達を可能にする。外部圧力源が、分離した液体の流れのメニスカスに印加され得、これにより、毛管内の液体の静水圧力を制御する。制御キャビティまたは「ドーナツ」が毛管の反対側の端部に配置された場合、これらのキャビティは、毛管を通る液体の移動を方向付ける毛管に沿う圧力勾配を生成するために用いられ得る。より具体的には、毛管の高さを有するストレージボリュームは、少なくとも２つの毛細導管と流体連絡する。ストレージボリュームは、毛管の幅よりも大きい幅を有し、これにより、ストレージボリュームは、毛管に貯蔵された量よりも多い量の液体を保持することができる。ストレージボリュームは、さらに、制御された圧力を有するガスと流体連絡し、これにより、ストレージボリュームがストレージボリューム内の液体における圧力制御ポイントとして機能することが可能になる。メニスカスは、入口毛細導管からストレージボリュームに方向付けられた液体とストレージボリュームに供給されたガスとの界面のストレージボリューム内に形成される。液体は、ストレージボリュームから出口毛細導管に通される。出口毛細導管内の液体は、出口毛細導管の端部におけるストレージボリュームから毛管ゲートに延び、ここで、第２のメニスカスは、出口毛細導管内の液体面に形成される。毛管ゲートは、バルブとして機能する。液体流の制御は、出口毛細導管内の液体にかかる静水圧力がメニスカス力を超過しないならば、毛管ゲートにおけるメニスカス力が出口毛細導管内の液体流を阻止するという事実に基づいて液体流が制御される。
【０００７】
マイクロ流体ドーナツ間に差動圧力を提供する等の特定の用途のためには、制御差動圧力は、かなり小さくなければならない。ほぼマイクロメータのフィーチャ寸法で、毛管内のメニスカス圧力は約１ｐｓｉである。比較的高い圧力、特に、高性能液体クロマトグラフィに典型的な、はるかに高い圧力でドーナツおよび毛管力を用いるために、プログラム可能な高精度圧力制御（例えば、２０００ｐｓｉのコモンモードプレッシャーに関して±０．０１〜±０．１ｐｓｉの解像度）のためのいくつかの手段がなければならない。応答時間は、高速（例えば、１０分の１秒以内）でなければならないが、プログラム可能制御は、状況に応じて、レギュレータが圧力を急速に増減することができなければならない。いくつかの場合、レギュレータは、圧力が気圧よりも低くなるように引き下げることができなければならないことを示す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第６，１９３，４７１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、比較的高いコモンモードの圧力が存在するにも関わらず、マイクロ流体回路における小さい差動圧力を制御するために適切なプログラム可能高精度圧力レギュレータを提供することが好ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、例えば、上記課題を解決するために、以下の項目を提供する。
（項目１）
追跡圧力レギュレータであって、
コントローラと、
該コントローラと通信する第１の圧力トランスデューサであって、該圧力トランスデューサは、第１の流体流と第２の流体流との間の差動圧力を測定するように位置付けられ、該トランスデューサは、該差動圧力を表す信号をコントローラに送信するように調整される、第１の圧力トランスデューサと、
該第１の流体流が流れるバルブであって、該バルブは、該コントローラに応答し、これにより、該バルブから出た該第１の流体流の流れは、該差動圧力に基づいてレギュレートされる、追跡圧力レギュレータ。
（項目２）
前記第２の流体流と第３の流体流との間の第２の差動圧力を測定するように位置付けられる第２の圧力トランスデューサと、該第３の流体流が流れる第２のバルブとをさらに備え、該第２のバルブは、該コントローラに応答し、これにより、該第２のバルブから出た該第３の流体流の流れは、該第２の差動圧力に基づいてレギュレートされる、項目１に記載の追跡圧力レギュレータ。
（項目３）
前記第２の流体流は、高性能液体クロマトグラフィチップと液体連絡する移動相である、項目１に記載の追跡圧力レギュレータ。
（項目４）
前記第１の圧力トランスデューサに隣接するキャビティと、該キャビティを通過する管とをさらに備え、該管は、前記第２の流体流を含む、項目１に記載の追跡圧力レギュレータ。
（項目５）
前記管を包囲し、かつ、前記圧力トランスデューサと密着するキャビティ内の実質的に圧縮できない流体をさらに備える、項目４に記載の追跡圧力レギュレータ。
（項目６）
前記第１の圧力トランスデューサと前記第２の圧量トランスデューサとの間のキャビティと、該キャビティ内の管とをさらに備え、該管は、該第２の流体流を含む、項目２に記載の追跡圧力レギュレータ。
（項目７）
前記管を包囲し、かつ、前記第１および第２の圧力トランスデューサと密着する前記キャビティ内に実質的に圧縮できない流体をさらに備える、項目６に記載の追跡圧力レギュレータ。
（項目８）
前記レギュレータは、遠隔的に制御される、項目１に記載の追跡圧力レギュレータ。
（項目９）
液体サンプルを使用ポイントに送達するシステムであって、
ガスと流体連絡するストレージボリュームと、
該ストレージボリュームと流体連絡する液体サンプルを受取るための入口毛細導管と、
該ストレージボリュームと流体連絡する液体サンプルを受取る出口毛細導管と、
該ストレージボリューム内を通る毛細液体流内にメニスカスを形成するように寸法決定されるストレージボリュームと、
該出口毛細導管と流体連絡し、かつ、ガスと流体連絡し、そして、該出口液体が毛細導管とドレイン毛細導管との間の該毛管ゲートを通って流れることが可能になるように寸法決定される、毛管ゲートと、
該ストレージボリューム内のガス圧を制御する追跡圧力レギュレータと
を備え、該追跡圧力レギュレータは、
コントローラと、
該コントローラと連絡する圧力トランスデューサであって、該圧力トランスデューサは、該ガスと、第１および第２の流体流との間の差動圧力を測定するために位置付けられ、該トランスデューサは、該差を示す信号を該コントローラに送信するように調整される、圧力トランスデューサと、
該ガス流を通るバルブであって、該バルブは、該コントローラに応答し、これにより、該バルブから出て該ストレージボリュームに入る該ガス流は、該差に基づいてレギュレートされる、バルブと
を備える、システム。
（項目１０）
該第２の流体流と第３の流体流との間の第２の差動圧力を測定するように位置付けられた第２の圧力トランスデューサと、該第３の流体流が流れる第２のバルブとをさらに備え、該第２のバルブは、該コントローラに応答し、これにより、該第２のバルブから出た該第３の流体流の流れは、該第２の差動圧力に基づいてレギュレートされる、項目９に記載のシステム。
（項目１１）
前記第２の流体流は、高性能液体クロマトグラフィチップと流体連絡する移動相である、項目９に記載のシステム。
（項目１２）
差動圧力デューサであって、
シールされたハウジング内に封入された圧力トランスデューサであって、第１の圧力入力が第２の圧力入力から分離される、圧力トランスデューサと、
該第２の圧力入力と密着する該シールされたハウジング内に封入された実質的に圧縮できない流体であって、該ハウジングのボリュームを充填する該流体は、該第２の入力に割り当てられる、実質的に圧縮できない流体と、
該ハウジング内にあり、かつ、該実質的に圧縮できない流体と密着する管であって、該管の両方の端部は、該シールされたハウジングを通る圧力フィッティングによって到達可能に作製され、これにより、該管を通って流れるようにされた該流体の圧力は、該圧縮できない流体に伝達される、管と、
該シーリングされたハウジング上の圧力フィッティングを通り、該トランスデューサの該第１の圧力入力への入力であって、該トランスデューサは、該第２の圧力入力と該第１の圧力入力との間の差動圧力を感知するように調整される、入力と
を備える、差動圧力デューサ。
（項目１３）
前記第２の圧力入力は、基準圧力入力であり、該第１の圧力入力は、測定された圧力入力である、項目１２に記載の差動圧力トランスデューサ。
（項目１４）
前記シールされたハウジング内に封入された第２の圧力トランスデューサであって、前記第２の圧力入力は、第３の圧力入力から分離される第２の圧力トランスデューサをさらに備える、項目１２に記載の差動圧力トランスデューサ。
（項目１５）
前記第３の圧力入力は、測定された圧力入力である、項目１４に記載の差動圧力トランスデューサ。
（項目１６）
複数のトランスデューサであって、該複数のトランスデューサの各々は、基準入力を有し、該複数のトランスデューサは、該基準入力が前記実質的に圧縮できない流体と密着するように取り付けられ、これにより、複数のトランスデューサが該基準流体の同じ圧力に従って同時に参照され、従って、１つの基準に従って複数の測定された入力の差を感知し得る、項目１２に記載の差動圧力トランスデューサ。
（項目１７）
接続された圧力制御ノード間の差動圧力を制御する方法であって、
第１および第２の測定された流体流および基準流体流を含むシールされたハウジングを提供するステップと、
該第１の測定された流体流と該基準流体流との間の該差動圧力を第１の圧力トランスデューサで感知するステップと、
該第１の測定された流体流の流れを該差に基づいてレギュレートするステップと、
該第２の測定された流体流と該基準流体流との間の該差動圧力を第２の圧力トランスデューサで感知するステップと、
該第２の測定された流体流の流れを該差に基づいてレギュレートするステップと
を包含する、方法。
（項目１８）
差動圧力センサであって、
第１の流体流と第２の流体流との間の差動圧力測定するように位置付けられた第１の圧力トランスデューサと、該第２の流体流と第３の流体流との間の第２の圧力トランスデューサとを備え、該第１および第２の圧力トランスデューサは、これらの差動圧力を示す現在の出力になるように調整される、差動圧力センサ。
（項目１９）
差動圧力センサであって、
複数の圧力トランスデューサを備え、各圧力トランスデューサは、１つの共通流体およびそれぞれの異なった流体と密着し、これにより、複数の差動圧力を示す出力を提供する、差動圧力センサ。
（発明の要旨）
従来技術の問題は、差動圧力を測定する手段に基づいて、圧力を高精度制御するためのレギュレータを提供する本発明によって克服される。より具体的には、本発明は、比較的高いバックグラウンド圧力を追跡し、かつ、毛管ネットワーク内で流体を輸送するために利用され得る小さい差動圧力を生成するために、正または負のオフセットを付加する。本発明は、さらに、高度の精度で接続された圧力制御ノード（ドーナツキャビティ等）間の差動圧力を制御する方法にも関する。これは、液体ポンプ圧力とレギュレートされた空気圧との間の差を測定およびこれに応答する追跡圧力レギュレータを用いて達成される。
（特徴）
本発明は、圧力を高精度で制御するためのコンパクト、堅牢、低コストのレギュレータを提供する。
【００１１】
本発明は、複数の差動圧力を測定する手段をさらに提供する。本発明は、高いコモンモードの圧力下で複数の差動圧力を測定する手段をさらに提供する。
【００１２】
本発明は、複数の差動圧力を制御する手段をさらに提供する。
【００１３】
本発明は、高いコモンモードの圧力下で複数の差動圧力を制御する手段をさらに提供する。
【００１４】
本発明は、高いコモンモードの圧力下で複数の差動圧力を制御する個別にプログラム可能な手段をさらに提供する。
【００１５】
本発明は、高いコモンモードの圧力下で複数の差動圧力を制御する温度補償手段をさらに提供する。
【００１６】
本発明は、比較的高いバックグラウンド圧力を追跡する複数の圧力を制御し、かつ、小さい差動圧力を生成するために正または負のオフセットを付加する手段をさらに提供する。
【００１７】
本発明は、非常に小さいボリューム間の非常に小さい差動圧力を感知および測定する方法をさらに提供する。
【００１８】
本発明は、汚染の危険がなく、制御流体の組成を容易かつ迅速に変更する手段をさらに提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明において用いられる圧力レギュレータアセンブリを追跡する斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、このアセンブリを構成する３つのモジュールを示すアセンブリ１００の分解図である。
【図２】図２は、図１Ａに示されるアセンブリの水平方向の断面図である。
【図３】図３は、図１Ｂに示されるエンドモジュール２９の分解図である。
【図４】図４は、図１Ｂに示される中間モジュール２７の分解図である。
【図５】図５は、アセンブリが圧縮不可能な流体で充填される態様を示す、図４に示される追跡圧力レギュレータの中間モジュール２７の断面図である。
【図６】図６は、本発明の圧力レギュレータを構成するために用いられる圧力トランスデューサとフィードスループラグとの間の空間を調整するために用いられる取り付けツールを示す追跡圧力レギュレータの圧力トランスデューサの分解図である。
【図７】図７は、本発明による、電子フィードバック回路の模式図である。
【図８】図８は、２段の追跡圧力レギュレータへの単段追跡圧力レギュレータの拡張部分を示すブロック図である。
【図９】図９は、シリカチップ上の毛管クロマトグラフィカラムのアレイを備えるシステムと共に用いられる追跡圧力レギュレータの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（特定の実施形態の説明）
毛管ゲートまたは「ドーナツ」および毛管力を、より高い圧力で、特に、高性能液体クロマトグラフィ（ＨＰＬＣ）に典型的な、はるかに高い圧力で用いるために、プログラム可能、高精度圧力制御のいくつかの手段がなければならない（例えば、２０００ｐｓｉのバックグラウンド圧力に対する±０．０１ｐｓｉの解像度）。さらに、応答時間は、高速でなければならず（例えば、１０分の１秒以内）、さらに、プログラム可能な制御が、圧力を迅速に増減し、いくつかの場合、気圧よりも低い圧力に引き下げなければならない。さらに、ＨＰＬＣに用いる場合、移動相圧力を測定するために利用可能なボリュームは、移動相の組成が変化するので非常に小さくなければならない。本発明による追跡圧力レギュレータは、これらの問題に取り組む。
ここで、図１Ａを参照して、本発明のある実施形態による、追跡圧力レギュレータアセンブリが示される。アセンブリは、本発明の要件を満たし、かつ、高性能液体クロマトグラフィに用いられる高圧ハウジングである。この実施形態では、第３の位置に対するマイクロ流体ネットワークの２つの異なった位置の圧力をレギュレートするために、２つの圧力トランスデューサが用いられる。図１Ｂを簡単に参照して、アセンブリは、中間モジュール２７に取り付けられた２つの同一のエンドモジュール２８、２９を備える。後述されるように、各エンドモジュール２８、２９は、電位感受性オリフィスバルブ６０、６１、およびフィッティング４０、４１、５０、５１、好ましくは、Ｓｗａｇｌｏｃｋ（登録商標）フィッティングを備える。中間モジュールは、かなり詳細に示され、かつ記載されるように、充填ポート１５０、１５１を備える。
【００２１】
図２を参照して、図１Ａのアセンブリ全体１００は、水平方向の断面図で示される。２つのゲージ圧トランスデューサ２０、２１は、背中合わせの構成でアセンブリ１００に取り付けられる。トランスデューサは、シリコンオイル等の実質的に圧縮できない流体７７で充填される浅いキャビティによって分離される。移動相７８、高圧下の液体を支持する平坦化された可撓性の薄壁の管１２０が、キャビティ１０５を通る。管１２０内の圧力は、管１２０の壁を通って、従って、実質的に圧縮できない流体７７を通ってトランスデューサ２０、２１に伝達される。「実質的に圧縮できない」という用語は、本明細書中で、十分に圧縮できず、従って、著しい損失なく、管内の圧力をトランスデューサに伝達する任意の流体を意味する。「実質的に圧縮できない」流体が圧縮された結果としての任意のボリュームの低減が、薄壁管１２０内のさらなるボリュームの移動相流と置換される。移動相流体の圧力の抑制を回避するためのさらなる圧力を用いなくても、薄壁管１２０は、十分に拡張できる。従って、温度変化の結果としての任意のボリューム変動は、移動相流７８のボリュームとは逆の変動によって補償される。このような変動は、圧縮か、または温度変化の結果かに関わらず、トランスデューサの精度に影響を及ぼさない。
【００２２】
当業者は、流体の混合およびボリュームの最小化が特定の用途において問題ない場合、管１２０および圧縮できない流体７７が必要でないことを理解する。従って、流体は、キャビティ１０５内に直接輸送され得る。
【００２３】
デジタル／アナログ電子回路（図７を参照してかなり詳細に後述される）は、電位感受性オリフィスバルブ６０および６１のプログラム可能な制御を可能にする。各圧力トランスデューサ２０、２１は、移動相流の圧力に対する、アキュムレータキャビティ（２２または２３）内のガス供給源の圧力の差を測定する。特に、圧力トランスデューサ２０は、アキュムレータキャビティ２２とキャビティ１０５との間の差動圧力を測定し、圧力トランスデューサ２１は、アキュムレータキャビティ２３とキャビティ１０５との間の差動圧力を測定する。従って、２つの別個の差動圧力が取得され、２つの独立したガス圧力が電子的にレギュレートされる。
【００２４】
追跡レギュレータは、ガス圧を制御するために、電位感受性オリフィスバルブを用いる。適切なバルブは、小型で可変のオリフィスを有し、そのサイズは、バルブ内のソレノイドのコイルを通る電流によって決まる。これによって、流れを変更することが可能になり、これにより、安定した、パルスのない圧力のレギュレーションが提供される。完全に開かれるか、または完全に閉じられるように設計された他のほとんどの電気駆動バルブとは異なって、これらのバルブは、制御電流と比例して部分的に開かれるように意図される。従って、電位感受性オリフィスバルブは、圧力レギュレータ等のデバイスに特に有用である。なぜなら、これらのバルブは、パルスを送達するのではなく、流れを変更し得るからである。このようなバルブは、Ｐａｒｋｅｒ−Ｈａｎｎｅｆｉｎ Ｃｏｒｐ．のニュートロニクス部門からＶＳＯ（登録商標）という名称で販売されており、当業者に公知である。標準的「開閉」バルブは、結果としての圧力パルスおよびノイズが許容され得る場合、バルブのデューティサイクルを変更することによって用いられ得る。
【００２５】
バルブ６０、６１は、圧力を不安定にし、かつ、フィードバック制御の振動を引き起こし得るタイムラグを消去するために、図１Ａに示されるように、圧力ハウジングに直接設置されることが好ましい。ガス供給は、バルブの入口に入り、かつ、オリフィスから出る。任意の所与の時間のオリフィス開口のサイズは、特定のバルブ（６０または６１）と関連した異なった圧力トランスデューサ（２０または２１）からの信号に基づいて、図７に示されるように、電子フィードバックループによって決定される。
【００２６】
ここで図３を参照して、追跡圧力レギュレータ１００のエンドモジュール２９の分解図が示される。エンドモジュールハウジング３０は、中間およびエンドハウジングが取り付けられた場合に中間モジュールハウジング１１０の中央アパーチャ１６０と位置合わせされる中央アパーチャ１７０を備える。圧力トランスデューサ２０（その隔壁は順方向に面する）は、アパーチャ１７０に挿入され、Ｏリング４２に押し付けられ、凹部を有するタブ７０のペアによって所定の場所で締め付けられる。ねじ山を有するフィードスループラグ２５は、圧力トランスデューサ２０に対して正確に位置付けられ、かつ、トランスデューサ２０からのワイヤ（図示せず）用のスリップフィット穴を有する。フィードスループラグは、エンドモジュールハウジング３０に対してＯリング４３およびナット３５の手段によって所定の場所でシールされる。Ｓｗａｇｌｏｃｋ（登録商標）フィッティング４０は、ハウジング３０に小型のチューブを接続して、漏れを制御するために真空を提供する。フィッティング４０に挿入されるチューブのボアは、高圧側に過負荷されないように小さくなければならない（例えば、０．０１５インチＩＤ）。別の、より大きいＳｗａｇｌｏｃｋフィッティング５０は、ユニットに高圧チューブを接続する。
【００２７】
図４は、本発明による、圧力レギュレータ１００の中間モジュール２７の分解図を示す。移動相７８（液体）入口チューブ８０は、高圧（例えば、ＨＰＬＣにおける移動相に典型的な圧力）を与えることができるＰＥＥＫ（登録商標）等の材料から作製される。チューブは、圧力フィッティング９０、およびフィッティング９０に対してスリップするように改変され、かつ、可撓性の薄壁チューブ１２０を収容するために拡大されたボアを有するはめ輪９１を有するハウジングに結合される。チューブ１２０は、入口チューブ８０の外径（０．０６０インチ）と等しい内径を有し、これにより、チューブ１２０は、入口チューブ８０全体にわたって引張られ得る（図５において最もよくわかる）。チューブ１２０は、薄壁ＰＴＦＥチューブ（０．００２インチ壁厚さ）であることが好ましい。ハウジング１１０は、圧縮できない流体の充填ポート１５０、１５１を備える。中央アパーチャ１６０は、トランスデューサ２０、２１が挿入されるキャビティ１０５を形成する。
【００２８】
図５は、図４の中間モジュール２７の断面図である。この図は、キャビティ１０５内の薄壁ＰＴＦＥチューブ１２０のセクションによって中断された高圧移動相ＰＥＥＫチューブ８０を示す。図５は、移動相チューブ内の圧力を正確に測定するために好ましくないバブルをキャビティから除去する方法で、圧縮できない流体が入口１５０を通じてキャビティ１０５内に導入される態様を示す。圧縮できない流体をチューブ８０および１２０にほぼ圧入する入口ポート１５０（図５の拡大図を参照）に導入することによって、バブルがチャネルから押出され、圧縮できない流体のフィルムをこの空間に残す。閉じ込められた空気は、キャビティ１０５を通じて押し上げられ、ポート１５１から押出され、バブルのないアセンブリを残す。ポート１５０、１５１は、その後、高圧フィッティングでシールされる。
【００２９】
本発明の装置を組み立てる際に生じる１つの問題は、両方のアキュムレータキャビティ２２、２３が、高圧下にあるために、漏れを引き起こすことなく、アセンブリ１００から出た、圧力トランスデューサ２０、２１からの電気リードを得ていたことである。これは、図６に示される、圧力トランスデューサ２０とフィードスループラグ２５との間の空間を調整する一方で、ワイヤをプラグ２５にポッティングするために、上部２１０および下部２４０を備える特定のツールを設計することによって達成された。ツールの上部２１０は、関連したワイヤリード１５を有するトランスデューサ２０を保持し、ツールの下部２４０は、フィードスループラグ２５を保持する。これらの部分はエンドモジュール２８内に組み立てられるので、これらの部分の空間をシミュレートするように構成され、これにより、リード線１５は、正確な長さおよび任意の必要な張力緩和（ｓｔｒａｉｎ ｒｅｌｉｅｆ）を有するフィードスループラグ２５にポッティングされ得る。エポキシは、ワイヤの周りに高圧シールを形成するために、フィードスループラグ２５に含まれるダブテイル凹部（ｄｏｖｅｔａｉｌ ｄｅｐｒｅｓｓｉｏｎ）２２７に注入される。
【００３０】
図７は、本発明のレギュレータと共に用いられ得る適切な電子フィードバック回路の模式図である。圧力トランスデューサ２０は、ホイートストンブリッジ（Ｗｈｅａｔｓｔｏｎｅ ｂｒｉｄｇｅ）として構成される温度補償固体状態デバイスである。このトランスデューサからの差動出力は、計測増幅器４００によって増幅され、かつ、高利得動作増幅器４２０の手段によって、動作増幅器４６０によって供給される基準信号と比較される。動作増幅器４６０へのＤＡＣ入力は、高いバックグラウンド圧力に関して維持されるべき所望のオフセット値（例えば、±０．０１ｐｓｉ）を表す。動作増幅器４２０からの制御信号は、増幅器４４０およびパワートランジスタ４８０によって、バルブ６０を駆動する電流に変換される。キャビティ２２内のガス圧がプログラムされた量よりも多い分（すなわち、ＤＡＣ基準によって特定されるように）移動相圧力を超過する場合、バルブ６０を通る電流は低減され、バルブオリフィスは収縮し、これにより、キャビティ２２内の圧力を低減する。逆に、キャビティ２２内のガス圧がプログラミングされた量よりも小さい場合、電流は増加し、バルブ６０のオリフィスを広げ、圧力を増加させる。ＤＡＣ基準信号の使用は、ガスアキュムレータキャビティ（図２の２２）と移動相との間の差動圧力がわずかなステップで調整される。ガスアキュムレータは、移動相よりも高い圧力か、または低い圧力を有し得、差は、非常に高速で再現可能にどちらかの方向に変更され得る。上述の記載は、トランスデューサ２０に関してなされたが、同じ動作の原理がトランスデューサ２１およびその対応するバルブ６１に適用される。
【００３１】
追跡圧力を低減するという命令に応答して、電子フィードバック回路は、出夏感知オリフィスバルブのオリフィスを部分的に閉じる。このアクションは、圧力を引き下げるために常に十分であるわけではない。プログラム可能な追跡レギュレータは、余分なガスを抜くために、逃気メカニズムを必要とする。ある実施形態では、ガス漏れ率を最小化するために、毛細チューブ接続により絞られる追跡圧力レギュレータは、大気中へのわずかな漏れがある。このようにして、圧力は、ソースオリフィスが縮小されるとすぐに急激に落ち込む（ｐｌｕｎｇｅ）。第２の実施形態では、わずかな漏れは、真空リザーバに接続され、圧力がマイクロ流体回路の適切な動作のために必要とされる場合に気圧よりも低い状態に陥る。図７に示される第３の実施形態では、ガス抜きの能動制御は、図７に示される加圧バルブ６０と反比例して動作する、さらなる電位感受性オリフィスバルブ６５によって行われる。動作増幅器４８５、４９０およびパワートランジスタ５００は、バルブ６５の制御電流を提供する。
【００３２】
図８は、上述の単段追跡圧力レギュレータの拡張部分のブロック図である。単段デバイスは、最大約１５０ｐｓｉに制限された定格圧力を有する。なぜなら、現在利用可能な電位感受性オリフィスバルブは、このバルブの最大定格圧力を有するからである。はるかに高い圧力に達するために、別の段が追加され得、これにより、バルブにわたって降下する最大圧力は１５０ｐｓｉを越えない。アキュムレータキャビティ内で必要とされるゲージ圧は、２０００ｐｓｉの高さであり得る。これは、移動相のゲージ圧を追跡する第１の段をデバイスに追加し、かつ、１５０ｐｓｉまでこの圧力を増加させることによって達成され得る。このレギュレートされた追跡圧力は、上述の差動追跡レギュレータへの入力として用いられ得る。圧力は、過度に精確である必要はない。なぜなら、この圧力には、非常に広い余裕が与えられているからである。しかしながら、第１の段は、上述の差動の第２の段よりも移動相圧力の変化に対してよりゆっくりと応答する。応答の抑制は、不安定性および振動を回避するために望ましい。拡張部分は、解像度を犠牲にすることなく、はるかに多様な動作を可能にする。レギュレータのこの２段バージョンは、はるかに高い圧力に達するために必要とされる。
【００３３】
図９は、追跡圧力レギュレータが毛管クロマトグラフィマイクロ流体システムと共に用いられる本発明のある応用例を示す。この応用例では、追跡圧力レギュレータ１００は、ポンプ３００とクロマトグラフィチップ３２０との間のラインに配置される。ガス供給源３１０を通る圧力レギュレータ１００によって、すでに記載されたように調整される２つの制御ライン（３３０および３４０）の圧力はレギュレータの出力であり、かつ、チップ上の流体の移動を外部から制御することを可能にするために、クロマトグラフィチップ上のポート（拡大された吹き出しを参照）と通信する。気圧でのサンプルは、移動相が静止している場合にクロマトグラフィチップの表面上の開口を取って導入される。移動相圧力が増加すると、追跡圧力レギュレータブロックによって生成あれる制御圧力は、これらの開口を通って外側に向かって流れ、これにより、移動相およびサンプルがエントリポートから吹き出すことを防ぐ。上述の‘４７１に記載の液体毛管内に形成されたドーナツは、流体の移動およびサンプルの注入を外部から制御するために用いられる。このような動作を可能にするために、制御ライン３３０、３４０内の圧力は、コモンモード（移動相）圧力で、または、移動相圧力をわずかに越えるかまたは越えない状態で維持される必要がある。本発明の追跡圧力レギュレータの使用は、この結果を実現する。
【技術分野】
【０００１】
（発明の背景）
（ａ）発明の分野
本発明は、少量の液体の形成、制御および移動を利用する装置で圧力を制御するために特に有用なプログラム可能追跡圧力レギュレータおよび方法に関する。より具体的には、本発明は、毛管クロマトグラフィ用の、動作圧が高くても、マクロ流体ネットワークにおいて高精度の圧力制御ができるプログラム可能追跡圧力レギュレータおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
（ｂ）従来技術の記載
マイクロ流体回路における流体の輸送は、通常、回路内の選択されたポイント間に差動圧力を付加することによってか、または、選択されたポイント間に電圧差を付加することによってという２つの方法のうちの１つで行われている。圧力を加えることによって、従来の毛管でハーゲン・ポアズイユ式層流分配がもたらされ、これに対して、電圧を印加することによって、界面動電ポンピングおよびプラグ流れがもたらされる。しかしながら、どちらの場合も、毛管の大きさでの流体の輸送の制御は、微視的流体ゲートが不在であることが不利であった。枝分かれした流体回路において、特定の方向への流れを停止させる手段が不在である場合、流体回路の種々の部分を隔離する方法はない。
【０００３】
毛細回路に機械的ゲートを提供することが提示されており、ここで、バルブクロージャは、隔膜または類似のシーリング部材から構成される。しかしながら、毛細規模では、特に、部分間で位置合わせが必要とされる場合、機械的バルブは信頼できず、かつ、製作することが困難である。機械的バルブは、ナノリットルのボリュームでは有用ではなかった。
【０００４】
毛管内の流体の移動を制御するために、非機械的手段を用いることも提示されている。例えば、毛管内の流体の移動を制御するためにメニスカスを利用するというコンセプトは、Ｌａｎｇ−Ｌｅｖｙマイクロピペット等のデバイスにおいて利用されている。
【０００５】
参考のため、本明細書本明細書中に援用される特許文献１の開示は、液体毛管内にメニスカスを生成し、液体毛管からメニスカスを除去し、かつ毛管セグメント内の静水圧力を外部から制御する制御可能な方法を開示する。より具体的には、特許文献１は、ナノリットルレベルでの少量の液体サンプルを輸送するプロセスおよびシステムを開示する。プロセスおよびシステムは、解析または反応等のサンプルの精確な処理を可能にするために、液体サンプルからのメニスカスの包含および／または除去を可能にし、さらに、少量の液体サンプルを貯蔵手段から使用ポイントへ正確に輸送することを可能にする。
【０００６】
特許文献１に記載されるように。圧力等比は、毛管ネットワークにおける流体の輸送を制御するために用いられ得る。毛管のトラックに沿って配置された浅いディスク形状のキャビティまたは「ドーナツ」は、液体ストリームを分裂させ、キャビティの周囲を取り囲んで流れさせる。ディスクの軸に沿う、ディスクに対して垂直の別個のチャネルは、液体への圧力の到達を可能にする。外部圧力源が、分離した液体の流れのメニスカスに印加され得、これにより、毛管内の液体の静水圧力を制御する。制御キャビティまたは「ドーナツ」が毛管の反対側の端部に配置された場合、これらのキャビティは、毛管を通る液体の移動を方向付ける毛管に沿う圧力勾配を生成するために用いられ得る。より具体的には、毛管の高さを有するストレージボリュームは、少なくとも２つの毛細導管と流体連絡する。ストレージボリュームは、毛管の幅よりも大きい幅を有し、これにより、ストレージボリュームは、毛管に貯蔵された量よりも多い量の液体を保持することができる。ストレージボリュームは、さらに、制御された圧力を有するガスと流体連絡し、これにより、ストレージボリュームがストレージボリューム内の液体における圧力制御ポイントとして機能することが可能になる。メニスカスは、入口毛細導管からストレージボリュームに方向付けられた液体とストレージボリュームに供給されたガスとの界面のストレージボリューム内に形成される。液体は、ストレージボリュームから出口毛細導管に通される。出口毛細導管内の液体は、出口毛細導管の端部におけるストレージボリュームから毛管ゲートに延び、ここで、第２のメニスカスは、出口毛細導管内の液体面に形成される。毛管ゲートは、バルブとして機能する。液体流の制御は、出口毛細導管内の液体にかかる静水圧力がメニスカス力を超過しないならば、毛管ゲートにおけるメニスカス力が出口毛細導管内の液体流を阻止するという事実に基づいて液体流が制御される。
【０００７】
マイクロ流体ドーナツ間に差動圧力を提供する等の特定の用途のためには、制御差動圧力は、かなり小さくなければならない。ほぼマイクロメータのフィーチャ寸法で、毛管内のメニスカス圧力は約１ｐｓｉである。比較的高い圧力、特に、高性能液体クロマトグラフィに典型的な、はるかに高い圧力でドーナツおよび毛管力を用いるために、プログラム可能な高精度圧力制御（例えば、２０００ｐｓｉのコモンモードプレッシャーに関して±０．０１〜±０．１ｐｓｉの解像度）のためのいくつかの手段がなければならない。応答時間は、高速（例えば、１０分の１秒以内）でなければならないが、プログラム可能制御は、状況に応じて、レギュレータが圧力を急速に増減することができなければならない。いくつかの場合、レギュレータは、圧力が気圧よりも低くなるように引き下げることができなければならないことを示す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第６，１９３，４７１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、比較的高いコモンモードの圧力が存在するにも関わらず、マイクロ流体回路における小さい差動圧力を制御するために適切なプログラム可能高精度圧力レギュレータを提供することが好ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、例えば、上記課題を解決するために、以下の項目を提供する。
（項目１）
追跡圧力レギュレータであって、
コントローラと、
該コントローラと通信する第１の圧力トランスデューサであって、該圧力トランスデューサは、第１の流体流と第２の流体流との間の差動圧力を測定するように位置付けられ、該トランスデューサは、該差動圧力を表す信号をコントローラに送信するように調整される、第１の圧力トランスデューサと、
該第１の流体流が流れるバルブであって、該バルブは、該コントローラに応答し、これにより、該バルブから出た該第１の流体流の流れは、該差動圧力に基づいてレギュレートされる、追跡圧力レギュレータ。
（項目２）
前記第２の流体流と第３の流体流との間の第２の差動圧力を測定するように位置付けられる第２の圧力トランスデューサと、該第３の流体流が流れる第２のバルブとをさらに備え、該第２のバルブは、該コントローラに応答し、これにより、該第２のバルブから出た該第３の流体流の流れは、該第２の差動圧力に基づいてレギュレートされる、項目１に記載の追跡圧力レギュレータ。
（項目３）
前記第２の流体流は、高性能液体クロマトグラフィチップと液体連絡する移動相である、項目１に記載の追跡圧力レギュレータ。
（項目４）
前記第１の圧力トランスデューサに隣接するキャビティと、該キャビティを通過する管とをさらに備え、該管は、前記第２の流体流を含む、項目１に記載の追跡圧力レギュレータ。
（項目５）
前記管を包囲し、かつ、前記圧力トランスデューサと密着するキャビティ内の実質的に圧縮できない流体をさらに備える、項目４に記載の追跡圧力レギュレータ。
（項目６）
前記第１の圧力トランスデューサと前記第２の圧量トランスデューサとの間のキャビティと、該キャビティ内の管とをさらに備え、該管は、該第２の流体流を含む、項目２に記載の追跡圧力レギュレータ。
（項目７）
前記管を包囲し、かつ、前記第１および第２の圧力トランスデューサと密着する前記キャビティ内に実質的に圧縮できない流体をさらに備える、項目６に記載の追跡圧力レギュレータ。
（項目８）
前記レギュレータは、遠隔的に制御される、項目１に記載の追跡圧力レギュレータ。
（項目９）
液体サンプルを使用ポイントに送達するシステムであって、
ガスと流体連絡するストレージボリュームと、
該ストレージボリュームと流体連絡する液体サンプルを受取るための入口毛細導管と、
該ストレージボリュームと流体連絡する液体サンプルを受取る出口毛細導管と、
該ストレージボリューム内を通る毛細液体流内にメニスカスを形成するように寸法決定されるストレージボリュームと、
該出口毛細導管と流体連絡し、かつ、ガスと流体連絡し、そして、該出口液体が毛細導管とドレイン毛細導管との間の該毛管ゲートを通って流れることが可能になるように寸法決定される、毛管ゲートと、
該ストレージボリューム内のガス圧を制御する追跡圧力レギュレータと
を備え、該追跡圧力レギュレータは、
コントローラと、
該コントローラと連絡する圧力トランスデューサであって、該圧力トランスデューサは、該ガスと、第１および第２の流体流との間の差動圧力を測定するために位置付けられ、該トランスデューサは、該差を示す信号を該コントローラに送信するように調整される、圧力トランスデューサと、
該ガス流を通るバルブであって、該バルブは、該コントローラに応答し、これにより、該バルブから出て該ストレージボリュームに入る該ガス流は、該差に基づいてレギュレートされる、バルブと
を備える、システム。
（項目１０）
該第２の流体流と第３の流体流との間の第２の差動圧力を測定するように位置付けられた第２の圧力トランスデューサと、該第３の流体流が流れる第２のバルブとをさらに備え、該第２のバルブは、該コントローラに応答し、これにより、該第２のバルブから出た該第３の流体流の流れは、該第２の差動圧力に基づいてレギュレートされる、項目９に記載のシステム。
（項目１１）
前記第２の流体流は、高性能液体クロマトグラフィチップと流体連絡する移動相である、項目９に記載のシステム。
（項目１２）
差動圧力デューサであって、
シールされたハウジング内に封入された圧力トランスデューサであって、第１の圧力入力が第２の圧力入力から分離される、圧力トランスデューサと、
該第２の圧力入力と密着する該シールされたハウジング内に封入された実質的に圧縮できない流体であって、該ハウジングのボリュームを充填する該流体は、該第２の入力に割り当てられる、実質的に圧縮できない流体と、
該ハウジング内にあり、かつ、該実質的に圧縮できない流体と密着する管であって、該管の両方の端部は、該シールされたハウジングを通る圧力フィッティングによって到達可能に作製され、これにより、該管を通って流れるようにされた該流体の圧力は、該圧縮できない流体に伝達される、管と、
該シーリングされたハウジング上の圧力フィッティングを通り、該トランスデューサの該第１の圧力入力への入力であって、該トランスデューサは、該第２の圧力入力と該第１の圧力入力との間の差動圧力を感知するように調整される、入力と
を備える、差動圧力デューサ。
（項目１３）
前記第２の圧力入力は、基準圧力入力であり、該第１の圧力入力は、測定された圧力入力である、項目１２に記載の差動圧力トランスデューサ。
（項目１４）
前記シールされたハウジング内に封入された第２の圧力トランスデューサであって、前記第２の圧力入力は、第３の圧力入力から分離される第２の圧力トランスデューサをさらに備える、項目１２に記載の差動圧力トランスデューサ。
（項目１５）
前記第３の圧力入力は、測定された圧力入力である、項目１４に記載の差動圧力トランスデューサ。
（項目１６）
複数のトランスデューサであって、該複数のトランスデューサの各々は、基準入力を有し、該複数のトランスデューサは、該基準入力が前記実質的に圧縮できない流体と密着するように取り付けられ、これにより、複数のトランスデューサが該基準流体の同じ圧力に従って同時に参照され、従って、１つの基準に従って複数の測定された入力の差を感知し得る、項目１２に記載の差動圧力トランスデューサ。
（項目１７）
接続された圧力制御ノード間の差動圧力を制御する方法であって、
第１および第２の測定された流体流および基準流体流を含むシールされたハウジングを提供するステップと、
該第１の測定された流体流と該基準流体流との間の該差動圧力を第１の圧力トランスデューサで感知するステップと、
該第１の測定された流体流の流れを該差に基づいてレギュレートするステップと、
該第２の測定された流体流と該基準流体流との間の該差動圧力を第２の圧力トランスデューサで感知するステップと、
該第２の測定された流体流の流れを該差に基づいてレギュレートするステップと
を包含する、方法。
（項目１８）
差動圧力センサであって、
第１の流体流と第２の流体流との間の差動圧力測定するように位置付けられた第１の圧力トランスデューサと、該第２の流体流と第３の流体流との間の第２の圧力トランスデューサとを備え、該第１および第２の圧力トランスデューサは、これらの差動圧力を示す現在の出力になるように調整される、差動圧力センサ。
（項目１９）
差動圧力センサであって、
複数の圧力トランスデューサを備え、各圧力トランスデューサは、１つの共通流体およびそれぞれの異なった流体と密着し、これにより、複数の差動圧力を示す出力を提供する、差動圧力センサ。
（発明の要旨）
従来技術の問題は、差動圧力を測定する手段に基づいて、圧力を高精度制御するためのレギュレータを提供する本発明によって克服される。より具体的には、本発明は、比較的高いバックグラウンド圧力を追跡し、かつ、毛管ネットワーク内で流体を輸送するために利用され得る小さい差動圧力を生成するために、正または負のオフセットを付加する。本発明は、さらに、高度の精度で接続された圧力制御ノード（ドーナツキャビティ等）間の差動圧力を制御する方法にも関する。これは、液体ポンプ圧力とレギュレートされた空気圧との間の差を測定およびこれに応答する追跡圧力レギュレータを用いて達成される。
（特徴）
本発明は、圧力を高精度で制御するためのコンパクト、堅牢、低コストのレギュレータを提供する。
【００１１】
本発明は、複数の差動圧力を測定する手段をさらに提供する。本発明は、高いコモンモードの圧力下で複数の差動圧力を測定する手段をさらに提供する。
【００１２】
本発明は、複数の差動圧力を制御する手段をさらに提供する。
【００１３】
本発明は、高いコモンモードの圧力下で複数の差動圧力を制御する手段をさらに提供する。
【００１４】
本発明は、高いコモンモードの圧力下で複数の差動圧力を制御する個別にプログラム可能な手段をさらに提供する。
【００１５】
本発明は、高いコモンモードの圧力下で複数の差動圧力を制御する温度補償手段をさらに提供する。
【００１６】
本発明は、比較的高いバックグラウンド圧力を追跡する複数の圧力を制御し、かつ、小さい差動圧力を生成するために正または負のオフセットを付加する手段をさらに提供する。
【００１７】
本発明は、非常に小さいボリューム間の非常に小さい差動圧力を感知および測定する方法をさらに提供する。
【００１８】
本発明は、汚染の危険がなく、制御流体の組成を容易かつ迅速に変更する手段をさらに提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明において用いられる圧力レギュレータアセンブリを追跡する斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、このアセンブリを構成する３つのモジュールを示すアセンブリ１００の分解図である。
【図２】図２は、図１Ａに示されるアセンブリの水平方向の断面図である。
【図３】図３は、図１Ｂに示されるエンドモジュール２９の分解図である。
【図４】図４は、図１Ｂに示される中間モジュール２７の分解図である。
【図５】図５は、アセンブリが圧縮不可能な流体で充填される態様を示す、図４に示される追跡圧力レギュレータの中間モジュール２７の断面図である。
【図６】図６は、本発明の圧力レギュレータを構成するために用いられる圧力トランスデューサとフィードスループラグとの間の空間を調整するために用いられる取り付けツールを示す追跡圧力レギュレータの圧力トランスデューサの分解図である。
【図７】図７は、本発明による、電子フィードバック回路の模式図である。
【図８】図８は、２段の追跡圧力レギュレータへの単段追跡圧力レギュレータの拡張部分を示すブロック図である。
【図９】図９は、シリカチップ上の毛管クロマトグラフィカラムのアレイを備えるシステムと共に用いられる追跡圧力レギュレータの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（特定の実施形態の説明）
毛管ゲートまたは「ドーナツ」および毛管力を、より高い圧力で、特に、高性能液体クロマトグラフィ（ＨＰＬＣ）に典型的な、はるかに高い圧力で用いるために、プログラム可能、高精度圧力制御のいくつかの手段がなければならない（例えば、２０００ｐｓｉのバックグラウンド圧力に対する±０．０１ｐｓｉの解像度）。さらに、応答時間は、高速でなければならず（例えば、１０分の１秒以内）、さらに、プログラム可能な制御が、圧力を迅速に増減し、いくつかの場合、気圧よりも低い圧力に引き下げなければならない。さらに、ＨＰＬＣに用いる場合、移動相圧力を測定するために利用可能なボリュームは、移動相の組成が変化するので非常に小さくなければならない。本発明による追跡圧力レギュレータは、これらの問題に取り組む。
ここで、図１Ａを参照して、本発明のある実施形態による、追跡圧力レギュレータアセンブリが示される。アセンブリは、本発明の要件を満たし、かつ、高性能液体クロマトグラフィに用いられる高圧ハウジングである。この実施形態では、第３の位置に対するマイクロ流体ネットワークの２つの異なった位置の圧力をレギュレートするために、２つの圧力トランスデューサが用いられる。図１Ｂを簡単に参照して、アセンブリは、中間モジュール２７に取り付けられた２つの同一のエンドモジュール２８、２９を備える。後述されるように、各エンドモジュール２８、２９は、電位感受性オリフィスバルブ６０、６１、およびフィッティング４０、４１、５０、５１、好ましくは、Ｓｗａｇｌｏｃｋ（登録商標）フィッティングを備える。中間モジュールは、かなり詳細に示され、かつ記載されるように、充填ポート１５０、１５１を備える。
【００２１】
図２を参照して、図１Ａのアセンブリ全体１００は、水平方向の断面図で示される。２つのゲージ圧トランスデューサ２０、２１は、背中合わせの構成でアセンブリ１００に取り付けられる。トランスデューサは、シリコンオイル等の実質的に圧縮できない流体７７で充填される浅いキャビティによって分離される。移動相７８、高圧下の液体を支持する平坦化された可撓性の薄壁の管１２０が、キャビティ１０５を通る。管１２０内の圧力は、管１２０の壁を通って、従って、実質的に圧縮できない流体７７を通ってトランスデューサ２０、２１に伝達される。「実質的に圧縮できない」という用語は、本明細書中で、十分に圧縮できず、従って、著しい損失なく、管内の圧力をトランスデューサに伝達する任意の流体を意味する。「実質的に圧縮できない」流体が圧縮された結果としての任意のボリュームの低減が、薄壁管１２０内のさらなるボリュームの移動相流と置換される。移動相流体の圧力の抑制を回避するためのさらなる圧力を用いなくても、薄壁管１２０は、十分に拡張できる。従って、温度変化の結果としての任意のボリューム変動は、移動相流７８のボリュームとは逆の変動によって補償される。このような変動は、圧縮か、または温度変化の結果かに関わらず、トランスデューサの精度に影響を及ぼさない。
【００２２】
当業者は、流体の混合およびボリュームの最小化が特定の用途において問題ない場合、管１２０および圧縮できない流体７７が必要でないことを理解する。従って、流体は、キャビティ１０５内に直接輸送され得る。
【００２３】
デジタル／アナログ電子回路（図７を参照してかなり詳細に後述される）は、電位感受性オリフィスバルブ６０および６１のプログラム可能な制御を可能にする。各圧力トランスデューサ２０、２１は、移動相流の圧力に対する、アキュムレータキャビティ（２２または２３）内のガス供給源の圧力の差を測定する。特に、圧力トランスデューサ２０は、アキュムレータキャビティ２２とキャビティ１０５との間の差動圧力を測定し、圧力トランスデューサ２１は、アキュムレータキャビティ２３とキャビティ１０５との間の差動圧力を測定する。従って、２つの別個の差動圧力が取得され、２つの独立したガス圧力が電子的にレギュレートされる。
【００２４】
追跡レギュレータは、ガス圧を制御するために、電位感受性オリフィスバルブを用いる。適切なバルブは、小型で可変のオリフィスを有し、そのサイズは、バルブ内のソレノイドのコイルを通る電流によって決まる。これによって、流れを変更することが可能になり、これにより、安定した、パルスのない圧力のレギュレーションが提供される。完全に開かれるか、または完全に閉じられるように設計された他のほとんどの電気駆動バルブとは異なって、これらのバルブは、制御電流と比例して部分的に開かれるように意図される。従って、電位感受性オリフィスバルブは、圧力レギュレータ等のデバイスに特に有用である。なぜなら、これらのバルブは、パルスを送達するのではなく、流れを変更し得るからである。このようなバルブは、Ｐａｒｋｅｒ−Ｈａｎｎｅｆｉｎ Ｃｏｒｐ．のニュートロニクス部門からＶＳＯ（登録商標）という名称で販売されており、当業者に公知である。標準的「開閉」バルブは、結果としての圧力パルスおよびノイズが許容され得る場合、バルブのデューティサイクルを変更することによって用いられ得る。
【００２５】
バルブ６０、６１は、圧力を不安定にし、かつ、フィードバック制御の振動を引き起こし得るタイムラグを消去するために、図１Ａに示されるように、圧力ハウジングに直接設置されることが好ましい。ガス供給は、バルブの入口に入り、かつ、オリフィスから出る。任意の所与の時間のオリフィス開口のサイズは、特定のバルブ（６０または６１）と関連した異なった圧力トランスデューサ（２０または２１）からの信号に基づいて、図７に示されるように、電子フィードバックループによって決定される。
【００２６】
ここで図３を参照して、追跡圧力レギュレータ１００のエンドモジュール２９の分解図が示される。エンドモジュールハウジング３０は、中間およびエンドハウジングが取り付けられた場合に中間モジュールハウジング１１０の中央アパーチャ１６０と位置合わせされる中央アパーチャ１７０を備える。圧力トランスデューサ２０（その隔壁は順方向に面する）は、アパーチャ１７０に挿入され、Ｏリング４２に押し付けられ、凹部を有するタブ７０のペアによって所定の場所で締め付けられる。ねじ山を有するフィードスループラグ２５は、圧力トランスデューサ２０に対して正確に位置付けられ、かつ、トランスデューサ２０からのワイヤ（図示せず）用のスリップフィット穴を有する。フィードスループラグは、エンドモジュールハウジング３０に対してＯリング４３およびナット３５の手段によって所定の場所でシールされる。Ｓｗａｇｌｏｃｋ（登録商標）フィッティング４０は、ハウジング３０に小型のチューブを接続して、漏れを制御するために真空を提供する。フィッティング４０に挿入されるチューブのボアは、高圧側に過負荷されないように小さくなければならない（例えば、０．０１５インチＩＤ）。別の、より大きいＳｗａｇｌｏｃｋフィッティング５０は、ユニットに高圧チューブを接続する。
【００２７】
図４は、本発明による、圧力レギュレータ１００の中間モジュール２７の分解図を示す。移動相７８（液体）入口チューブ８０は、高圧（例えば、ＨＰＬＣにおける移動相に典型的な圧力）を与えることができるＰＥＥＫ（登録商標）等の材料から作製される。チューブは、圧力フィッティング９０、およびフィッティング９０に対してスリップするように改変され、かつ、可撓性の薄壁チューブ１２０を収容するために拡大されたボアを有するはめ輪９１を有するハウジングに結合される。チューブ１２０は、入口チューブ８０の外径（０．０６０インチ）と等しい内径を有し、これにより、チューブ１２０は、入口チューブ８０全体にわたって引張られ得る（図５において最もよくわかる）。チューブ１２０は、薄壁ＰＴＦＥチューブ（０．００２インチ壁厚さ）であることが好ましい。ハウジング１１０は、圧縮できない流体の充填ポート１５０、１５１を備える。中央アパーチャ１６０は、トランスデューサ２０、２１が挿入されるキャビティ１０５を形成する。
【００２８】
図５は、図４の中間モジュール２７の断面図である。この図は、キャビティ１０５内の薄壁ＰＴＦＥチューブ１２０のセクションによって中断された高圧移動相ＰＥＥＫチューブ８０を示す。図５は、移動相チューブ内の圧力を正確に測定するために好ましくないバブルをキャビティから除去する方法で、圧縮できない流体が入口１５０を通じてキャビティ１０５内に導入される態様を示す。圧縮できない流体をチューブ８０および１２０にほぼ圧入する入口ポート１５０（図５の拡大図を参照）に導入することによって、バブルがチャネルから押出され、圧縮できない流体のフィルムをこの空間に残す。閉じ込められた空気は、キャビティ１０５を通じて押し上げられ、ポート１５１から押出され、バブルのないアセンブリを残す。ポート１５０、１５１は、その後、高圧フィッティングでシールされる。
【００２９】
本発明の装置を組み立てる際に生じる１つの問題は、両方のアキュムレータキャビティ２２、２３が、高圧下にあるために、漏れを引き起こすことなく、アセンブリ１００から出た、圧力トランスデューサ２０、２１からの電気リードを得ていたことである。これは、図６に示される、圧力トランスデューサ２０とフィードスループラグ２５との間の空間を調整する一方で、ワイヤをプラグ２５にポッティングするために、上部２１０および下部２４０を備える特定のツールを設計することによって達成された。ツールの上部２１０は、関連したワイヤリード１５を有するトランスデューサ２０を保持し、ツールの下部２４０は、フィードスループラグ２５を保持する。これらの部分はエンドモジュール２８内に組み立てられるので、これらの部分の空間をシミュレートするように構成され、これにより、リード線１５は、正確な長さおよび任意の必要な張力緩和（ｓｔｒａｉｎ ｒｅｌｉｅｆ）を有するフィードスループラグ２５にポッティングされ得る。エポキシは、ワイヤの周りに高圧シールを形成するために、フィードスループラグ２５に含まれるダブテイル凹部（ｄｏｖｅｔａｉｌ ｄｅｐｒｅｓｓｉｏｎ）２２７に注入される。
【００３０】
図７は、本発明のレギュレータと共に用いられ得る適切な電子フィードバック回路の模式図である。圧力トランスデューサ２０は、ホイートストンブリッジ（Ｗｈｅａｔｓｔｏｎｅ ｂｒｉｄｇｅ）として構成される温度補償固体状態デバイスである。このトランスデューサからの差動出力は、計測増幅器４００によって増幅され、かつ、高利得動作増幅器４２０の手段によって、動作増幅器４６０によって供給される基準信号と比較される。動作増幅器４６０へのＤＡＣ入力は、高いバックグラウンド圧力に関して維持されるべき所望のオフセット値（例えば、±０．０１ｐｓｉ）を表す。動作増幅器４２０からの制御信号は、増幅器４４０およびパワートランジスタ４８０によって、バルブ６０を駆動する電流に変換される。キャビティ２２内のガス圧がプログラムされた量よりも多い分（すなわち、ＤＡＣ基準によって特定されるように）移動相圧力を超過する場合、バルブ６０を通る電流は低減され、バルブオリフィスは収縮し、これにより、キャビティ２２内の圧力を低減する。逆に、キャビティ２２内のガス圧がプログラミングされた量よりも小さい場合、電流は増加し、バルブ６０のオリフィスを広げ、圧力を増加させる。ＤＡＣ基準信号の使用は、ガスアキュムレータキャビティ（図２の２２）と移動相との間の差動圧力がわずかなステップで調整される。ガスアキュムレータは、移動相よりも高い圧力か、または低い圧力を有し得、差は、非常に高速で再現可能にどちらかの方向に変更され得る。上述の記載は、トランスデューサ２０に関してなされたが、同じ動作の原理がトランスデューサ２１およびその対応するバルブ６１に適用される。
【００３１】
追跡圧力を低減するという命令に応答して、電子フィードバック回路は、出夏感知オリフィスバルブのオリフィスを部分的に閉じる。このアクションは、圧力を引き下げるために常に十分であるわけではない。プログラム可能な追跡レギュレータは、余分なガスを抜くために、逃気メカニズムを必要とする。ある実施形態では、ガス漏れ率を最小化するために、毛細チューブ接続により絞られる追跡圧力レギュレータは、大気中へのわずかな漏れがある。このようにして、圧力は、ソースオリフィスが縮小されるとすぐに急激に落ち込む（ｐｌｕｎｇｅ）。第２の実施形態では、わずかな漏れは、真空リザーバに接続され、圧力がマイクロ流体回路の適切な動作のために必要とされる場合に気圧よりも低い状態に陥る。図７に示される第３の実施形態では、ガス抜きの能動制御は、図７に示される加圧バルブ６０と反比例して動作する、さらなる電位感受性オリフィスバルブ６５によって行われる。動作増幅器４８５、４９０およびパワートランジスタ５００は、バルブ６５の制御電流を提供する。
【００３２】
図８は、上述の単段追跡圧力レギュレータの拡張部分のブロック図である。単段デバイスは、最大約１５０ｐｓｉに制限された定格圧力を有する。なぜなら、現在利用可能な電位感受性オリフィスバルブは、このバルブの最大定格圧力を有するからである。はるかに高い圧力に達するために、別の段が追加され得、これにより、バルブにわたって降下する最大圧力は１５０ｐｓｉを越えない。アキュムレータキャビティ内で必要とされるゲージ圧は、２０００ｐｓｉの高さであり得る。これは、移動相のゲージ圧を追跡する第１の段をデバイスに追加し、かつ、１５０ｐｓｉまでこの圧力を増加させることによって達成され得る。このレギュレートされた追跡圧力は、上述の差動追跡レギュレータへの入力として用いられ得る。圧力は、過度に精確である必要はない。なぜなら、この圧力には、非常に広い余裕が与えられているからである。しかしながら、第１の段は、上述の差動の第２の段よりも移動相圧力の変化に対してよりゆっくりと応答する。応答の抑制は、不安定性および振動を回避するために望ましい。拡張部分は、解像度を犠牲にすることなく、はるかに多様な動作を可能にする。レギュレータのこの２段バージョンは、はるかに高い圧力に達するために必要とされる。
【００３３】
図９は、追跡圧力レギュレータが毛管クロマトグラフィマイクロ流体システムと共に用いられる本発明のある応用例を示す。この応用例では、追跡圧力レギュレータ１００は、ポンプ３００とクロマトグラフィチップ３２０との間のラインに配置される。ガス供給源３１０を通る圧力レギュレータ１００によって、すでに記載されたように調整される２つの制御ライン（３３０および３４０）の圧力はレギュレータの出力であり、かつ、チップ上の流体の移動を外部から制御することを可能にするために、クロマトグラフィチップ上のポート（拡大された吹き出しを参照）と通信する。気圧でのサンプルは、移動相が静止している場合にクロマトグラフィチップの表面上の開口を取って導入される。移動相圧力が増加すると、追跡圧力レギュレータブロックによって生成あれる制御圧力は、これらの開口を通って外側に向かって流れ、これにより、移動相およびサンプルがエントリポートから吹き出すことを防ぐ。上述の‘４７１に記載の液体毛管内に形成されたドーナツは、流体の移動およびサンプルの注入を外部から制御するために用いられる。このような動作を可能にするために、制御ライン３３０、３４０内の圧力は、コモンモード（移動相）圧力で、または、移動相圧力をわずかに越えるかまたは越えない状態で維持される必要がある。本発明の追跡圧力レギュレータの使用は、この結果を実現する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
本明細書中に記載の発明。
【請求項１】
本明細書中に記載の発明。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００９−２０５７０１（Ｐ２００９−２０５７０１Ａ）
【公開日】平成２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１４２５８２（Ｐ２００９−１４２５８２）
【出願日】平成２１年６月１５日（２００９．６．１５）
【分割の表示】特願２００３−５６６６４２（Ｐ２００３−５６６６４２）の分割
【原出願日】平成１５年１月２１日（２００３．１．２１）
【出願人】（５９５１６５５９７）パーセプティブ バイオシステムズ，インコーポレイテッド (5)
【氏名又は名称原語表記】ＰｅｒＳｅｐｔｉｖｅ Ｂｉｏｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．
【住所又は居所原語表記】５００ Ｏｌｄ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｃｕｔ Ｐａｔｈ，Ｆｒａｍｉｎｇｈａｍ，Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ ０１７０１，Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月１５日（２００９．６．１５）
【分割の表示】特願２００３−５６６６４２（Ｐ２００３−５６６６４２）の分割
【原出願日】平成１５年１月２１日（２００３．１．２１）
【出願人】（５９５１６５５９７）パーセプティブ バイオシステムズ，インコーポレイテッド (5)
【氏名又は名称原語表記】ＰｅｒＳｅｐｔｉｖｅ Ｂｉｏｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．
【住所又は居所原語表記】５００ Ｏｌｄ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｃｕｔ Ｐａｔｈ，Ｆｒａｍｉｎｇｈａｍ，Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ ０１７０１，Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ
【Ｆターム（参考）】
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