JP4274399B2 - 一体化モノリシックマイクロ加工したエレクトロスプレーと液体クロマトグラフィーのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術を用いて加工した一体化小型化学分析システムに関する。特には、本発明は、一体化モノリシックマイクロ加工されたエレクトロスプレーおよび液体クロマトグラフィー装置に関する。これにより、例えば医薬の発見に用いる場合、従来のシステムに比べて、質量分析計による高処理分析という点で、著しく有利となる。
【０００２】
【従来の技術】
医薬の発見および開発における新たな発展により、分析技術に対する新たな要求が生まれている。例えば、コンビナトリアルケミストリーは、新たなリード化合物を発見するのに、またはリード化合物の変形を作るために、しばしば用いられる。コンビナトリアルケミストリー技術は、何千、何百万もの化合物（コンビナトリアルライブラリー）を比較的短時間（数日から数週間程度）に作ることができる。このような多数の化合物の生物学的活性について、タイムリーにかつ効率的な方法でテストするには、各候補化合物の特性を素早く評価することのできる高処理スクリーニング法が必要である。
【０００３】
コンビナトリアルライブラリー中の複数の化合物を、しばしば同時に１つの分子の標的に対して試験する。例えば、比色計測を用いる酵素検定法は、１枚の９６ウエルプレート内で実施される。各ウエル中の酵素の部分を、数十または数百の化合物と混合する。有効な酵素阻害物質が通常の酵素反応による色の発生を阻止し、検定結果の迅速な分光学的（または視覚的）評価を可能にする。各ウエルに１０種類ずつの化合物がある場合、プレート全体で９６０種の化合物を選別することができ、また１０５枚のプレートで１０万種類の化合物を選別することができ、化合物の迅速かつ自動的な試験を可能とする。
【０００４】
しかし、しばしば、ライブラリーの合成方法が原因で、コンビナトリアルライブラリーのある部分にどの化合物が含まれているかを決めることが困難となる。例えば、米国特許第５，１８２，３６６号のランダムペプチド合成の「スプリット＆プール」法は、各樹脂ビーズが固有のペプチド配列を保有するペプチドライブラリーを作る方法を記述している。９６ウエルプレートの各ウエルに１０個のビーズを入れ、続いてビーズからペプチドを切断し、切断溶液を取り除いて、結果としてプレートの各ウエルに１０（またはより少ない）ペプチドを得る。次に酵素検定をプレートウエルの中で行い、１００，０００種のペプチドを１０５枚のプレートで選別する。しかし、ペプチドの正体は分かっていないので、各ウエルの内容を分析する必要がある。
【０００５】
各ウエルから溶液の一部を取り出し、中身を質量分析計と連結した液体クロマトグラフィーまたはキャピラリー電気泳動器等の分離装置に注入することにより、ペプチドの分析が可能であった。このような方法が１被分析試料当り約５分かかるとすると、該方法が完全に自動化で２４時間運転するとして、１０５枚の９６ウエルプレートの内容物を分析するのに１ヶ月以上を必要とする。
【０００６】
この例は、多数の化合物または化合物の複合混合物の迅速な分析法について、特には、高処理スクリーニングの場合に臨界的な必要性があることを示したものである。多数の化合物を作る技術は、例えばコンビナトリアルケミストリーを通して、確立されている。高処理スクリーニング法は、広範な標的に対して開発中であり、前記の比色酵素分析法およびＥＬＩＳＡ（酵素結合免疫吸着検定法）技術等の幾つかのスクリーニング法がよく確立されている。前記の例で示したように、複数の化合物の複数の混合物、または複数の個々の化合物を特徴付けなければならない段階においてボトルネックがしばしば発生する。
【０００７】
分子バイオテクノロジーにおける現在の発展を考えると、この必要性はさらにはっきりとする。膨大な量の遺伝子配列データが、新しいＤＮＡ塩基配列決定法により作り出されている。この新しい情報の財産が、病気の進行のメカニズムに対する新しい見識を作り出している。特に、新興分野であるゲノムは、医薬開発の試みの新たな標的の迅速な同定を可能にしている。個人間の遺伝子的差異の決定を行うことによって、個人の特別な遺伝子プロフィールをもとにした個人向け医薬を標的とする可能性を開くものである。費用のかかる動物実験および臨床試験の代わりに、細胞毒性、特異性および他の医薬的特性の試験を高処理検定で実施することができる。したがって、医薬品開発の早い段階での潜在的医薬またはリード化合物を詳細に特徴付けることにより、時間と費用の両方を著しく節約できる可能性がある。
【０００８】
これらの新しい標的に対する有効なスクリーニング法の開発は、検定結果を分析するために迅速な分離および分析技術が利用できるかどうかによるところが多い。例えば、候補薬の潜在的毒性代謝物を検定する場合、候補薬とその候補の代謝物の両方を同定する必要がある。特異性の検定は、ウイルスのプロテアーゼと哺乳類のプロテアーゼ等の２つの分子の標的に識別的に結合する複数の化合物を同定する必要がある。
【０００９】
したがって、効率的なプロテオーム解析の方法を提供して、評価過程の早い時期に薬物動態学的プロフィールを得ることは、有利であろう。新化合物がいかにして体に吸収され、いかにして代謝されるかを理解することは、増大した治療効果の有無の可能性を予測することを可能にする。
【００１０】
日々作られる膨大な数の新化合物を考慮すると、医薬の発見のための潜在的治療価値のある分子を同定するための改善したシステムも非常に必要である。
【００１１】
また、関心のある疾病において役割を果たす遺伝子または遺伝子産物と相互作用する化合物を迅速に配列分析し、かつ同定する方法を提供することが望まれる。迅速な配列分析法は、化合物を順次（１つずつ）分析する非効率的で時間のかかる方法のボトルネックを打開するものである。
【００１２】
したがって、潜在的候補薬の同定のために、化合物を目的とした反応の高処理スクリーニングし、かつ同定することに対して臨界的な必要性がある。
【００１３】
マイクロチップ系の分離装置が、多数のサンプルを迅速に分析するために開発されてきた。他の従来の分離装置と比べると、これらのマイクロチップ系の分離装置は、より高いサンプル処理能力を有し、サンプルと試薬の消費量を減らし、かつ化学的廃棄物を減らす。マイクロチップ系の分離装置の流速は、ほとんどの用途に対し毎分約１〜３００ナノリットル（ｎＬ）の範囲である。
【００１４】
マイクロチップ系の分離装置の例としては、キャピラリー電気泳動（ＣＥ）、キャピラリー電気クロマトグラフィー（ＣＥＣ）および高速液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）がある。HarrisonらのScience１９９３年、２６１号、８５９〜８９７頁；JacobsonらのAnal. Chem.１９９４年、６６号、１１１４〜１１１８頁；およびJacobsonらのAnal. Chem.１９９４年、６６号、２３６９〜２３７３頁を参照のこと。このような分離装置により、高速分析が可能となり、かつ他の従来の分析装置に比べて、精度と信頼性が向上している。
【００１５】
液体クロマトグラフィー（ＬＣ）は、後の分析および／または同定のために、ある液体の成分を分離するのに定評ある分析方法である。伝統的に、液体クロマトグラフィーは、密に詰められたビーズ、ゲルまたは他の適当な粒状物質を充填して表面積を大きくした、円筒管等の分離カラムを用いる。表面積が大きいので、液体と粒状物質との相互反応が促進され、かつ粒状物質が密に詰められ、無作為に間隔をあけているので、液体はカラムの長さよりも非常に長い効果的な流路を移動させられる。特に、各成分の分配係数に基づき、液体の複数の成分が移動相（液体クロマトグラフィーカラムを流れる溶出液）および固定相（液体クロマトグラフィーカラム内の粒子）と相互反応する。分配係数は、被分析試料が固定相と相互反応するのに費やす時間と移動相と相互反応するのに費やす時間との比、と定義される。被分析試料が固定相と長時間相互反応するほど、分配係数は大きくなり、かつ被分析試料が液体クロマトグラフィーカラムに保持される時間が長くなる。カラム出口をカラム後の検出器に接続することにより、液体クロマトグラフィーカラムから溶離後に、成分を分光学的に検出することができる。
【００１６】
分光学的検出器は、適当な波長による励起後の屈折率、紫外線および／または可視光線吸収率の変化、または蛍光発光を基にして、分離した成分を検出する。または、分離した成分は、液体クロマトグラフィーカラムから出て、分析のために他の形式の分析機器に入れることもできる。分析結果は、液体クロマトグラフィーカラムにより分離された成分が順次到達することにより決まり、したがって時間依存性である。
【００１７】
拡散を最小にし、よって分離効率および分析感度を最大にするために、液体クロマトグラフィーカラムから検出器等の分析機器までの液体の移送長は、好ましくは最短とする。移送長をデッドボリュームまたはカラム外体積と呼ぶ。
【００１８】
キャピラリー電気泳動法は、小キャピラリーチューブ内における分子の電気泳動的性質および／または液体の電気浸透流を利用して液体の成分を分離する技術である。典型的には、１００μｍ以下の内径のフューズドシリカのキャピラリーを、電解質を含んだ緩衝液で満たす。キャピラリーの両端を、緩衝電解液を収容した別々の液体リザーバー内に配置する。
【００１９】
一方の緩衝液リザーバーにポテンシャル電圧をかけ、他方の緩衝液リザーバーに第２ポテンシャル電圧をかける。緩衝液リザーバーに印加した２つのポテンシャル電圧により作られた電界の影響下で、正および負に荷電した種が、キャピラリーを逆方向に泳動する。電気浸透流は、緩衝液から荷電した種の泳動による、キャピラリー壁に沿った液体の流れ、と定義される。幾つかの分子は、溶液中では荷電した種として存在し、分子種の荷電対質量の比に基づきキャピラリーを泳動する。この泳動を電気泳動度と定義する。液体の各成分の電気浸透流および電気泳動度が、各液体成分の全体の泳動を決定する。分離チャネルの壁に沿った摩擦抵抗の減少により、電気浸透流により生じる流速プロフィールは平坦である。これにより、流速プロフィールが圧力駆動流のため放物線状である液体クロマトグラフィーに比べ、分離効率が向上する。
【００２０】
キャピラリー電気クロマトグラフィーは、液体クロマトグラフィーに典型的な固体固定相を充填したキャピラリーカラム内での電気泳動分離法の電気駆動流特性を利用した複合技術である。これは、逆相液体クロマトグラフィーの分離力とキャピラリー電気泳動の高効率とを一緒にしたものである。液体クロマトグラフィーに比べて、キャピラリー電気クロマトグラフィー分離は、より高い効率が得られる。なぜならば、圧力駆動流により生ずる放射状の流れプロフィールと比較した場合、電気浸透流による生ずる流れプロフィールは、分離チャネルの壁に沿って摩擦力が低減するので平坦だからである。さらに、液体クロマトグラフィーに比べて、キャピラリー電気クロマトグラフィーにおいては、より小さな粒径を用いることができる。なぜなら、電気浸透流によって背圧は発生しないからである。電気泳動とは対照的に、液体クロマトグラフィー分離機構を利用して、被分析試料がカラム粒子の固定相と移動相との間で分配されるので、キャピラリー電気クロマトグラフィーは、中性分子を分離することができる。
【００２１】
このような分離装置で分離した生成物を、液体サンプルとして、エレクトロスプレーイオン化を発生するのに用いる装置に導入することができる。エレクトロスプレー装置を、エレクトロスプレーされた液体を分析するための大気圧イオン化質量分析計（ＡＰＩ−ＭＳ）に接続することができる。
【００２２】
エレクトロスプレーシステム５０の概要を図１に示す。十分な電位差Ｖ_sprayを、キャピラリーオリフィスを出た導電性または半導電性液体と電極との間に加えて、エレクトロスプレー装置のキャピラリー５２の先端または終端から発する電界線の集中を起こした場合に、エレクトロスプレーが発生する。質量分析計へのイオンサンプリングオリフィスに備えたもの等の、取り出し電極５４に対してキャピラリーの先端に正の電圧Ｖ_sprayを加えた場合、電界により液体中に正に荷電したイオンが生じ、キャピラリーの先端で流体の表面に移動する。質量分析計へのイオンサンプリングオリフィスに備えたもの等の、取り出し電極５４に対するキャピラリーの先端に負の電圧Ｖ_sprayを加えた場合、電界により液体中に負に荷電したイオンが生じ、キャピラリーの先端で流体の表面に移動する。
【００２３】
溶媒和したイオンの反発力が、エレクトロスプレーされた液体サンプルの表面張力を上回った場合、液体サンプルの体積は、キャピラリーの先端から延びる、テイラーコーン５６として知られる円錐形になる。小さな荷電液滴５８がテイラーコーン５６の先端から形成され、取り出し電極５４に向けて引き出される。この現象は、例えば、DoleらによりChem. Phys. １９６８年、４９号、２２４０頁で、およびYamashitaとFennによりJ. Phys. Chem. １９８４年、８８号、４４５１頁で説明されている。エレクトロスプレーを開始させるのに必要なポテンシャル電圧は、例えば、SmithがIEEE Trans. Ind. App.、１９８６年、ＩＡ−２２号、５２７〜５３５頁に説明されているように、溶液の表面張力により決まる。典型的には、電界は概ね１０^６Ｖ／ｍのオーダーである。キャピラリーの物理的大きさにより、エレクトロスプレーを開始するのに必要な電界線密度が決まる。
【００２４】
エレクトロスプレーイオン化法の利点の１つは、質量分析計により測定した被分析試料に対する応答が、液体中の被分析試料の濃度に依存し、かつ流速に依存しないという点である。流速１００μＬ／分で質量分析とエレクトロスプレーイオン化法を組み合わせて用いた、所定の濃度の溶液中の被分析試料への応答は、流速１００ｎＬ／分に匹敵する。
【００２５】
毎分ナノリッターのオーダーの流速におけるエレクトロスプレーイオン化工程は、「ナノエレクトロスプレー」と呼ばれてきた。キャピラリーから流れる液体中には被分析試料分子が存在するので、ＡＰＩ質量分析計のイオンサンプリングオリフィスにエレクトロスプレーすることにより、質量分析検出器から定量応答が発生する。
【００２６】
したがって、上流をマイクロチップ系の分離装置で一体化し、かつ下流をＡＰＩ−ＭＳ装置で一体化するエレクトロスプレーイオン化装置に設けることが望まれる。
【００２７】
ナノエレクトロスプレーを行うエレクトロスプレー装置を製造することが試みられてきた。例えば、WilmとMannはAnal. Chem.、１９９６年、６８号、１〜８頁において、内径２〜４μｍに引き伸ばしたフューズドシリカのキャピラリーから流速２０ｎＬ／分でエレクトロスプレーする工程を記述している。具体的には、ＡＰＩ質量分析計のイオンサンプリングオリフィスから１〜２ｍｍ離して、６００〜７００Ｖで、内径２μｍ、外径５μｍの引き伸ばしたフューズドシリカのキャピラリーから、２０ｎＬ／分のナノエレクトロスプレーが達成された。
【００２８】
Ramseyらは、Anal. Chem.、１９９７年、６９号、１１７４〜１１７８頁において、電気浸透流を用い、チップの端部をＡＰＩ質量分析計のイオンサンプリングオリフィスから３〜５ｍｍ離した、エレクトロスプレー用マイクロチップの端部上の閉鎖分離チャネルから出た液体に４．８ｋVを印加して、深さ１０μｍ、幅６０μｍ、長さ３３ｍｍの閉鎖分離チャネルを有する板状ガラスマイクロチップの端部から放出される、９０ｎL／分のナノエレクトロスプレーを記述している。テイラーコーンおよびマイクロチップ端部から放出される安定したナノエレクトロスプレーが形成される前に、約１２ｎＬのサンプル液体がチップの端部に集まる。しかし、約１２ｎＬのサンプル液体が集合すると、液体の再混合を招き、ゆえに分離チャネルで行われた分離を取り消してしまう。再混合してしまうと、マイクロチップの端部での帯域広幅化を起こし、基本的に被分析試料検出用ナノエレクトロスプレー質量分析計への適用を制限してしまう。それゆえ、キャピラリー電気泳動による分離またはキャピラリー電気クロマトグラフィーによる分離後のこのマイクロチップ素子の端部からのナノエレクトロスプレーは、非実用的となる。さらに、この素子は表面が平坦であり、それゆえ隆起が比較的少量であるので、電界線濃度が不十分なため、この素子は、エレクトロスプレーを形成する場合、エレクトロスプレーを開始するために非実用的な高電圧を必要とする。
【００２９】
Xue, Q.；Foret, F.；Dunayevskiy, Y. M.；Zavracky, P. M.；McGruer, N. E.；Karger, B. L.は、Anal. Chem.、１９９７年、６９号、４２６〜４３０頁において、深さ２５μｍ、幅６０μｍおよび長さ３５〜５０ｍｍの閉鎖チャネルによりチップの端部をＡＰＩ質量分析計のイオンサンプリングオリフィスから３〜８ｍｍ離して、エレクトロスプレー形成用マイクロチップの端部上の閉鎖分離チャネルから出た液体に４．２ｋVを印加することによって板状ガラスマイクロチップの端部からの安定なナノエレクトロスプレーを行うことを記述している。シリンジポンプを用いて、ガラスマイクロチップエレクトロスプレイヤーに１００〜２００ｎＬ／分の間の流速でサンプル液体を移送する。ガラスマイクロチップの端部には疎水コーティングが施され、平坦面からのナノエレクトロスプレーに付帯する難点を軽減している。疎水コーティングは、ナノエレクトロスプレーの安定性をわずかに向上させる。平坦面からのこの方法によるエレクトロスプレーは、またしても電界線濃度を不十分にし、かつエレクトロスプレーを非効率的にする。
【００３０】
Desaiらは、1997 International Conference on Solid-State Sensor and Actuator, シカゴ、１９９７年６月１６〜１９日、９２７〜９３０頁において、直径または幅１〜３μｍおよび長さ４０μｍのシリコンマイクロチップの端部上にノズルを生成する多工程処理およびＡＰＩ質量分析計のイオンサンプリングオリフィスから０．２５〜０．４ｍｍ離したマイクロチップ全体に４ｋＶを印加することを記載している。このナノエレクトロスプレーノズルは、サンプル液体のデッドボリュームを減らす。しかし、マイクロチップの端部からノズルを延長すると、ノズルを不慮の破損にさらす。比較的高いスプレー電圧を用いており、ノズルが質量分析計のサンプリングオリフィスに非常に近接して配置されているので、電界線濃度が不十分となり、エレクトロスプレーが低効率となった。
【００３１】
前述の装置の全てにおいて、チップの端面の物理的形状を厳密かつ繰り返し測定することができないので、モノリシックチップからの端部スプレー法は、不十分に制御された方法となる。端部スプレー法の別の実施態様において、延伸キャピラリーの小切片等の放出ノズルは、分離し、かつ独立してチップの端部に取り付けられる。この方法は、固有的にコスト的に非効率でかつ信頼性がなく、チップの設計において空間上制限を強いり、ゆえに工業生産には不向きである。
【００３２】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、制御可能なスプレー法を具えたエレクトロスプレーイオン化装置ならびにこのような装置の製造方法で、大容量で容易に再現可能および工業生産可能な方法も望まれている。
【００３３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、再現可能、制御可能かつ頑強な、液体のナノエレクトロスプレーイオン化のためのシリコンマイクロチップ系のエレクトロスプレー装置を提供する。該エレクトロスプレー装置は、エレクトロスプレーした液体の分析用大気圧イオン化質量分析計（ＡＰＩ−ＭＳ）を下流に接続し、および／または小型化した液相分離装置を上流に接続することができ、該分離装置は、例えばガラス、プラスチックまたはシリコンの基板またはウエハースを有することができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
本発明のエレクトロスプレー装置は、注入面上の入口オリフィスと放出面（主要面）上のノズルとの間のチャネルを画定したシリコンの基板またはマイクロチップを通常含み、エレクトロスプレー装置により発生したエレクトロスプレーが、通常放出面に対し概ね垂直となるようにする。ノズルは、内径と外径を有し、放出面より窪んだ環状部により画定される。環状の窪みは、外径から放射状に延びる。ノズルの先端は、放出面と同一平面または同一高さにあり、放出面を超えることはなく、ゆえにノズルは偶発的破損から保護されている。ノズル、チャネルおよび窪み部を、反応性イオンエッチングおよび他の標準的半導体製造技術によりシリコン基板からエッチングする。
【００３５】
シリコン基板の全ての面は、好ましくは酸化により作られたニ酸化ケイ素層をその上に有して、異なるポテンシャル電圧を各面および液体サンプルに独立的に印加することができるように、基板から液体サンプルを、ならびに放出面および注入面をお互いから電気的に絶縁する。また、二酸化ケイ素層は生態適合性を具える。さらに、エレクトロスプレー装置は、酸化物層を通して基板と電気的に接触した、基板に電位を印加するための少なくとも1つの制御電極を含む。
【００３６】
好ましくは、ノズル、チャネルおよび窪みを、反応性イオンエッチングおよび他の標準的半導体製造技術によりシリコン基板からエッチングする。注入側素子、基板貫通液体チャネル、放出側素子および制御電極は、単結晶シリコン基板からモノリシック的に形成される。すなわち、個別の部品を操作または組み立てることを必要とせずに順次加工する途中にまたは結果として、これらが形成される。
【００３７】
エレクトロスプレー装置は、反応性イオンエッチングおよび他の標準半導体製造技術を用いて製造されるので、このような装置の大きさを非常に小さく、例えば、内径２μｍおよび外径５μｍもの小ささにすることができる。したがって、例えば、内径５μｍおよび高さ２５０μｍのノズルは、４．９ｐＬ（ピコリットル）の体積しか有しない。対照的に、ガラスマイクロチップの平坦端からのエレクトロスプレー装置は、１９．８ｎＬの分離チャネルの体積に対し、１２ｎＬのさらなるデッドボリュームを導入し、それゆえ液体成分の再混合を起こし、かつ分離チャネルで行った分離を取り消してしまう。マイクロメーターサイズの大きさのエレクトロスプレー装置は、デッドボリュームを最小限にし、それゆえ効率および分析感度を増加させる。
【００３８】
本発明のエレクトロスプレー装置は、エレクトロスプレーの効率的で効果的な形成を提供する。マイクロメートルのオーダーの大きさで液体を放出するエレクトロスプレー面を具えることにより、エレクトロスプレー装置はテイラーコーンを作るのに必要な電圧を制限する。必要な電圧は、ノズル直径、液体の表面張力および取り出し電極からのノズルの距離により決まるからである。エレクトロスプレー装置のノズルは、大きな電界が集中するマイクロメートルのオーダーの物理的隆起を与える。さらに、エレクトロスプレー装置は、放出面上に付加電極を具えてもよく、該付加電極に、電位を印加し、かつ液体および取り出し電極の電位とは独立に制御して、電界を有利に変更し、かつ最適化する。それゆえ、ノズルと付加電極とを組み合わせることによって、ノズルと取り出し電極の間の電界を増強する。１０^６Ｖ／ｍ以上のオーダーで、液体と取り出し電極の間の電位差により発生した大きな電界は、空間に均一に分配せずに、液体コーンに直接印加される。
【００３９】
本発明のマイクロチップ系のエレクトロスプレーイオン化装置により、カラム外体積を減少させた結果として、カラム外分散が最小になり、かつ効率的、再現可能、高信頼および厳格なエレクトロスプレーを形成する。イオン化装置の構成も頑強であるので、エレクトロスプレー装置を費用効率が高く、収率の高い方法で容易に大量生産することができる。
【００４０】
作動中、導電性または半導電性液体サンプルは、注入面上の入口オリフィスと通してチャネルに導入される。エレクトロスプレー装置への液体分配チャネル内の電線を用い、または周辺の表面領域および基板から絶縁された注入面上に形成された電極を用い、液体に印加されているポテンシャル電圧に液体サンプルおよびノズルを保持する。基板および／または放出面に電圧、好ましくは液体に印加した電圧の概ね半分未満の電圧を加えることにより、ノズル先端の電界強度を増強する。したがって、液体／ノズルおよび基板／放出面の電圧を独立に制御することにより、本発明のエレクトロスプレー装置は、ノズルから発する電界線の最適化を可能にする。さらに、エレクトロスプレー装置の下流を質量分析装置に接続した場合、液体／ノズルおよび基板／放出面電圧の独立制御により、質量分析装置の許容領域内にエレクトロスプレーを向け、かつ最適化することも可能にする。
【００４１】
本発明のエレクトロスプレー装置は、ＡＰＩ質量分析計から１〜２ｍｍまたは最大１０ｍｍの位置に置き、２０ｎＬ／分もの低流速で、例えばノズルに７００Ｖの電圧を印加し、かつシリコンマイクロチップの基板および／または板状放出面に０〜３５０Ｖの電圧を印加して、安定なナノエレクトロスプレーを確立する。
【００４２】
標準的で、十分に制御された薄層処理を用いたシリコン加工により、このような微小な部品の取扱いが排除できるだけでなく、機能的に似た素子を迅速に並列で処理することも可能となるので、本発明の複数のエレクトロスプレー装置のアレイまたはマトリックスを、単一のマイクロチップ上に製造することができる。ノズルは、チップの中心付近で比較的小さな直径を有する円の周りに放射状に配置することができる。したがって、本発明のエレクトロスプレー装置は、時間および費用効率、制御、ならびに再現性において顕著な優位性を与える。これらのエレクトロスプレー装置は低コストであるので、使い捨てが可能となり、異なる液体サンプルからの交差汚染を排除することができる。
【００４３】
本発明のエレクトロスプレー装置は、上流を小型化液体サンプル取扱い装置で一体化し、および下流をＡＰＩ質量分析計で一体化されることができる。エレクトロスプレー装置は、例えば、キャピラリー電気泳動、キャピラリー電気クロマトグラフィー、アフィニティークロマトグラフィー、液体クロマトグラフィー（ＬＣ）またはその他の濃縮相分離技術を実施可能な、シリコンマイクロチップ系液体分離装置に、チップ対チップで、またはウエハー対ウエハーで接合してもよい。エレクトロスプレー装置はまた、適当な方法によりガラスおよび／またはポリマー系の液体分離装置に接合してもよい。
【００４４】
本発明の別の態様において、マイクロチップ系の液体クロマトグラフィー装置を提供することができる。液体クロマトグラフィー装置は、入口オリフィスとリザーバーの間に導入チャネルを、リザーバーと出口オリフィスの間に分離チャネルを画定する分離基板またはウエハーを一般的に含む。分離チャネルは、分離チャネルの側壁から分離チャネルを流れる液体に垂直な方向に分離柱状体が設けられている。好ましくは、分離柱状体は、分離基板の表面を超えず、かつ好ましくは分離基板の表面と同一面であるか、または高さが分離基板と同じで、製造工程中の偶発的損傷から守られている。成分の分離は分離チャネル内で行われ、分離チャネルを流れる液体の相互反応のために大きな表面積を与えることにより、分離柱状体は液体クロマトグラフィーの役目をする。カバー基板を分離基板に接合して、カバー基板に隣接するリザーバーおよび分離チャネルを密封する。
【００４５】
液体クロマトグラフィー装置は、電位を液路に沿った場所で液体に印加するための、１つまたは複数の電極を更に含むことができる。液路に沿って異なる電位を印加することにより、流路の液流を促進することができる。
【００４６】
導入および分離チャネル、入口および出口オリフィスならびに分離柱状体を、好ましくは、反応性イオンエッチングおよび他の標準的半導体製造技術によりシリコン基板からエッチングする。分離柱状体は、好ましくは酸化したシリコンの柱状体で、化学的に変化してサンプル液体の成分と固定分離柱状体との相互反応を最適化することができる。
【００４７】
本発明の別の態様において、液体クロマトグラフィー装置は、エレクトロスプレー装置と一体化され、液体クロマトグラフィー装置の出口オリフィスがエレクトロスプレー装置の入口オリフィスと均一な界面を形成し、それゆえエレクトロスプレーを発生させるための、液体クロマトグラフィー装置からエレクトロスプレー装置への液体のオンチップ移送を可能にする。エレクトロスプレー装置のノズル、チャネルおよび窪み部は、液体クロマトグラフィー装置のカバー基板からエッチングしてもよい。
【００４８】
本発明のさらに別の態様において、複数の液体クロマトグラフィーシステムを単一チップ上に形成して、後の順次分析するための共有点まで多数のサンプルを移送することができる。エレクトロスプレー装置の複数のノズルを、単一チップの中心付近に比較的小さな半径を有する円周辺に放射状に配置することができる。
【００４９】
多システムチップ上の放射状に分配されたエレクトロスプレーノズルアレイは、サンプルオリフィスの近くにノズルを置くことにより、質量分析計のサンプリングオリフィスと接続することができる。エレクトロスプレーノズルの密集した放射状配置により、エレクトロスプレーノズルを質量分析計のサンプリングオリフィスと非常に近接して配置することが可能となる。
【００５０】
したがって、マルチシステムチップは、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）技術を用いて加工した、迅速順次化学分析システムを提供する。例えば、マルチシステムチップは、多数のサンプルを自動化により順次分離および注入することを可能にし、結果として、例えば、医薬の発見のために化合物を高処理検出するために、質量分析機器を著しく大きな分析処理能力により利用をすることになる。
【００５１】
本特許出願には、少なくとも１つの彩色した図面を含む。カラー図面を付した本特許出願の写しは、請求と必要な費用の支払いにより、特許商標庁から提供されるであろう。
【００５２】
本発明の一態様において、液体サンプルのエレクトロスプレーイオン化を発生するためのシリコンマイクロチップ系のエレクトロスプレー装置を提供する。エレクトロスプレー装置は、下流でエレクトロスプレーされた液体の分析用の大気圧イオン化質量分析計（ＡＰＩ−ＭＳ）に接続してもよい。本発明の別の態様は、例えば、エレクトロスプレー装置と一体のガラス、プラスチックまたはシリコン基板を有することができる一体化された小型液相分離装置である。以下の説明では、液体クロマトグラフ分離装置に関連して本発明を提示する。しかし、他のマイクロチップ系の分離装置を用いて同様の装置を作ることができるのは、容易に認識されよう。以下の説明は、当業者の誰もが本発明を作りかつ利用することができるようにするものである。具体的な用途に関する記述は、単に例として挙げたものである。好ましい実施態様を様々に変更することは当業者には容易に理解でき、ここで明示した一般原理は、本発明の精神と範囲を離れることなく、他の実施態様および用途に適用することができる。したがって、本発明は、提示した実施態様に制限されるものではなく、ここに開示した原理と特徴と合致した最も広範な範囲を与えられるべきものである。
【００５３】
（エレクトロスプレー装置）
図２〜４は、それぞれ、本発明のエレクトロスプレー１００の斜視図、平面図および横断面図である。本発明のエレクトロスプレー装置は、基板１０２を貫通し、注入面１０８上の入口オリフィス１０６と放出面１１２上のノズル１１０との間のチャネル１０４を画定するシリコン基板またはマイクロチップまたはウエハー１０２を通常含む。チャネルは、円形または長方形等の任意の好適な断面形状を有することができる。ノズル１１０は、内径および外径を有し、窪み領域１１４により画定される。領域１１４は、放出面１１２から窪み、ノズル１１０から外向きに延び、かつ環状とすることができる。ノズル１１０の先端は、放出面１１２を超えず、好ましくは放出面と同一平面または同じ高さとし、よって不慮の破損からノズル１１０を保護する
【００５４】
好ましくは、注入面１０８は放出面１１２の反対側にある。しかし、図示していないが、注入面が放出面に隣接し、入口オリフィスとノズルの間に延びるチャネルが装置内で向きを変えていてもよい。このような構造において、エレクトロスプレーは互いに接合した２つの基板を含む。第１基板は、接合面と接合面の反対側の放出面との間に延びる基板貫通チャネルを画定することができる。第１基板はさらに、基板貫通チャネルおよび注入面のオリフィスから延びる、接合面から窪んだ開放チャネルを画定し、第１基板と第２基板の接合の際に、第２基板の接合面が開放チャネルを密封することができる。または、第２基板は、接合面から窪んだ開放チャネルを画定し、第１基板と第２基板の接合の際に、第１基板の接合面が開放チャネルを密封することができる。さらに別の変形としては、第１基板はさらに、第２の基板貫通チャネルを画定し、開放チャネルが２つの基板貫通チャネルの間に延びることができる。したがって、注入面は放出面と同じ面である。
【００５５】
放出面１１２のグリッド面領域１１６は、ノズル１１０および窪み領域１１４の外部にあり、電位を基板１０２に印加してノズル先端１１０を含む放出面１１２と取出電極５４との間の電界パターンを変更するために、導電性電極１２０を含む導電性材料１１９の層をその上に形成した面を具えることができる。または、導電性電極を、注入面１１８（図示せず）上に設けてもよい。
【００５６】
エレクトロスプレー装置１００は、さらに基板１０２の表面を覆う二酸化ケイ素層１１８を含み、電極１２０はこの層を通して基板１０２と放出面１１２または注入面１０８のいずれかで接触している。チャネル１０４の壁に形成された二酸化ケイ素層１１８は、シリコン基板１０２から内部の液体を電気的に絶縁し、ゆえにチャネル１０４内の液体およびシリコン基板１０２に対する異なる電位の独立した印加および維持を可能にする。液体および基板の電位を独立して変えることができるので、以下に述べるように、電界線パターンを変更してエレクトロスプレーを最適化することができる。または、所定の用途に適当であれば、基板１０２を液体と同じ電位に制御することもできる。
【００５７】
図５に示す通り、エレクトロスプレーを発生するために、例えば、キャピラリー５２またはマイクロピペットにより、エレクトロスプレー装置１００の入口オリフィス１０６に液体を移送することができる。キャピラリー５２もしくはチャネル１０４内に置いた電線（図示せず）または注入面１０８上に設け、表面領域および基板１０２から絶縁された電極（図示せず）を介して、液体にポテンシャル電圧Ｖ_fluidを加える。グリッド面１１６上の電極１２０にポテンシャル電圧Ｖ_substrateを印加することも可能で、その大きさは、エレクトロスプレー特性を最適化するために可変であることが好ましい。液体は、チャネル１０４を流れ、非常に微細な、高荷電した液滴５８の形でノズル１１０から出るかまたは放出される。エレクトロスプレーが電界の影響下で取出電極５４に向かって引き出されるようなポテンシャル電圧Ｖ_extractに電極５４は保持される。電界に影響を与える相対電位であるので、液体、基板および取出電極の電位を容易に調整および変更して所望の電界を得ることができる。一般的に、電界の強さは、周囲の媒体、典型的には空気の誘電破壊強度を超えるべきではない。
【００５８】
実施態様の１つにおいて、ノズル１１０は、取出電極５４の役目を果たす、ＡＰＩ質量分析計のサンプリングオリフィスから最大１０ｍｍまで離して置くことができる。約５００〜１０００Ｖの範囲で、例えば７００Ｖのポテンシャル電圧Ｖ_fluidを液体に印加する。液体のポテンシャル電圧Ｖ_fluidは、基板１０２の表面上の二酸化ケイ素に関して最大５００Ｖ／μｍとすることができ、かつスプレーされた液体の表面張力およびノズル１１０のジオメトリーにより決まる。液体のポテンシャル電圧Ｖ_fluidのおよそ半分未満、すなわち０〜３５０Ｖである基板のポテンシャル電圧Ｖ_substrateをグリッド面１１６上の電極に印加して、ノズル１１０先端の電界強度を増強する。取出電極５４を、地電位Ｖ_extract（０Ｖ）またはその付近で保持する。したがって、１，０００ｎＬ／分未満の流速でエレクトロスプレー装置１００に導入される液体のナノエレクトロスプレーは、電界の影響下で取出電極５４に向けて引き出される。
【００５９】
ノズル１１０は、効率的なエレクトロスプレーを得るために、ノズル１１０から発せられる電界線を集中するための物理的隆起を具える。また、ノズル１１０は、基板貫通チャネル１０４の延長を形成し、出口オリフィスの役目を果たす。さらに、窪み領域１１４は、ノズル１１０を放出面１１２のグリッド面領域１１６から物理的に分離し、それによって電界線の集中を促進し、かつノズル１１０とグリッド面１１６との間を電気的に絶縁する役目を果たす。本発明は、液体およびノズル１１０のポテンシャル電位Ｖ_fluidならびに放出面１１２のグリッド面１１６上の電極のポテンシャル電位Ｖ_substrateの独立制御を通して、ノズル１１０から発せられる電界線の最適化を可能にする。
【００６０】
電極１２０に加え、１つまたは複数の付加導電性電極を基板１０２の放出面１１２上の二酸化ケイ素層１１８上に具えてもよい。図６および７は、それぞれエレクトロスプレー装置１００’の一例の平面図および断面図を示す。ここで、導電性層１１９が基板１０２の放出面１１２上に３つの付加電極１２２、１２４、１２６を画定している。放出面１１２上の二酸化ケイ素層１１８はシリコン基板１０２を放出面１１２上の付加電極１２２、１２４、１２６から電気的に絶縁しており、付加電極１２２、１２４、１２６は互いに物理的に分離しているので、各付加電極１２２、１２４、１２６に印加する電位は、お互いから、基板１０２からおよび液体から独立して制御することができる。したがって、付加電極１２２、１２４、１２６を用いて電界線パターンをさらに変更し、例えば、エレクトロスプレーの操舵および／または成形を行うことができる。同じ大きさと形状に描かれているが、電極１２０および付加電極１２２、１２４、１２６は、同じまたは異なる、適当な形状および大きさのいずれであってもよい。
【００６１】
エレクトロスプレーをさらに制御および最適化するために、図８に示すフィードバック制御回路１３０もエレクトロスプレー装置１００に具えることができる。フィードバック回路１３０は、至適スプレー性状設定ポイント１３２、比較器および電圧制御器１３４ならびに１つまたは複数のスプレー性状センサー１３６を含む。至適スプレー性状設定ポイント１３２は、オペレーターにより、または既定もしくは初期値に設定される。１つまたは複数のスプレー性状センサー１３６は、エレクトロスプレー装置１００からのエレクトロスプレーの１つまたは複数の所望の性状、例えばエレクトロスプレーイオン流および／またはスプレーパターンの空間的濃度等、を検出する。スプレー性状センサー１３６は、エレクトロスプレーの所望の性状値を示す信号を比較器および電圧制御器１３４に送り、所望の性状を示す値と至適スプレー性状設定ポイント１３２と比較する。次に、比較器および電圧制御器１３４は、ポテンシャル電圧Ｖ_fluid、Ｖ_substrateをそれぞれ液体およびシリコン基板１０２に供給する。ポテンシャル電圧Ｖ_fluid、Ｖ_substrateを独立して変えて、所望のスプレー性状を最適化することができる。図示していないが、比較器および電圧制御器１３４は、独立して制御された付加ポテンシャル電圧を１つまたは複数の付加導電性電極のそれぞれに供給することができる。
【００６２】
フィードバック回路１３０を、適当な方法のいずれかでエレクトロスプレー装置１００に接続することができる。例えば、フィードバック回路１３０を、エレクトロスプレー装置１００上の一体化回路、エレクトロスプレー装置１００に電気的に接続した分離一体化回路、またはエレクトロスプレー装置の基板と電気的に接続した共用基板上にある個別部品として構成することができる。
【００６３】
エレクトロスプレー装置１００を接続もしくは一体化する上流および／または下流の装置と同時に、具体的な用途、配置設計等の種々の要因により、エレクトロスプレー装置１００の大きさを決めることができる。さらに、チャネルおよびノズルの大きさを、液体サンプルの所望の流速のために最適化することができる。反応性イオンエッチング技術の使用により、例えば内径２μｍ、外径５μｍの小径ノズルの再現可能で費用効果のある生産を可能にする。
【００６４】
現在好適な実施態様の一つにおいて、エレクトロスプレー装置１００のシリコン基板１０２の厚さは約２５０〜６００μｍであり、チャネル１０４の断面積は約５０，０００μｍ^２未満である。チャネル１０４の断面が円形である場合、チャネル１０４およびノズル１１０の内径は最大２５０μｍ、より好ましくは最大１４５μｍであり、ノズル１１０の外径は最大２５５μｍ、より好ましくは最大１５０μｍであり、ノズル１１０の高さ（および窪み部１１４の深さ）は最大５００μｍである。窪み部１１４が、好ましくはノズル１１０から外方向に最大１０００μｍ延びる。二酸化ケイ素層１１８の厚さは、約１〜４μｍ、好ましくは１〜２μｍである。
【００６５】
（エレクトロスプレー装置の加工手順）
図９〜２０Ｂを参照しながら、エレクトロスプレー装置１００の加工について説明する。好ましくは熱酸化、写真平板、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、イオンインプランテーション、および金属付着等の、確立され、良く制御された薄膜シリコン加工技術を用いて、モノリシックシリコン一体化回路としてエレクトロスプレー装置１００を加工する。このようなシリコン加工技術を用いた加工は、同じ装置の大量並列処理を容易にし、時間的、コスト的に有効であり、重要な寸法の厳密な制御を可能にし、容易に再現可能であり、および結果として全体が一体の装置となり、したがって、いかなる組み立ての必要性も無くす。さらに、加工手順を容易に延長して、エレクトロスプレー装置の注入面および／または放出面上に物理的外観または特徴を作成し、液体移送システムへの接続および連結を容易にし、または液体移送副システムとの一体化を容易にして単体一体化システムを作ることができる。
【００６６】
（注入面の処理：入口からウエハー貫通チャネルまで）
本発明のエレクトロスプレー装置１００の加工における基板の注入側の処理工程を図９Ａ〜１１に示す。平面図９Ａおよび断面図９Ｂをそれぞれ参照して、両面研磨シリコンウエハー基板２００は、酸化環境内で高温に晒され、基板２００の注入側２０３に二酸化ケイ素の層またはフィルム２０２を、および放出側２０５に二酸化ケイ素の層またはフィルム２０４を形成する。生成した二酸化ケイ素層２０２、２０４の各々の厚さは、約１〜２μｍである。二酸化ケイ素層２０２、２０４は、電気的絶縁を付与され、またシリコン基板２００の特定の領域の後の選択的エッチングのマスクの役目をする。
【００６７】
基板２００の注入面２０３上の二酸化ケイ素層２０２上に、ポジ型フォトレジストのフィルム２０６を蒸着する。ウエハー貫通チャネルへの入口に対応するフォトレジストの領域２０６は、後にエッチングされるが、波長が３６５、４０５または４３６ナノメートルの青または近紫外等の短波長光を透過する光学リトグラフ露光ツールにより、マスクを通して選択的に露光される。
【００６８】
平面図１０Ａおよび断面図１０Ｂにそれぞれ示す通り、フォトレジスト２０６を現像した後、非感光領域をフォトレジスト２０６’で保護したまま、フォトレジストの感光領域２０８を取り除き、下にある二酸化ケイ素層２０２まで開口する。二酸化ケイ素層２０２の感光領域２１０を、保護フォトレジスト２０６’に対しては高度の異方性および選択性を持って、フッ素系のプラズマによりシリコン基板２００に達するまでエッチングする。残存フォトレジストを、酸素プラズマまたは過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）により活性化した硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）等の活性酸化化学薬品浴内で取り除く。
【００６９】
断面図１１に示す通り、シリコン基板２００の貫通チャネルの注入側部２１２を別のフッ素系のエッチングにより垂直にエッチングする。ここで説明する加工方法の利点は、アスペクト比（深さ対幅）等の貫通チャネルの寸法を正確かつ再現可能に制限および制御できることである。加工する機器のエッチングアスペクト比が制限因子である場合、まずウエハーの片側をエッチングし、次にウエハーの反対側をエッチングすることにより、この制限を克服することが可能である。例えば、現行のシリコンエッチング処理では、一般にエッチングアスペクト比が３０：１に制限されるので、慣用的な厚さが約２５０〜６００μｍである基板２００を貫通する直径約１０μｍ未満のチャネルを、基板２００の両面からエッチングする。
【００７０】
基板２００の放出側２０５からエッチングされる貫通チャネルのもう一つの部分と連結するために、チャネル部２１２の深さを最小値以上とすべきである。放出側２０５上の窪み領域１１４の望ましい深さにより、チャネル１０４の放出側部２２０がどれだけ深くエッチングされるかが概ね決まる。チャネル１０４の残部、注入側部２１２を注入側からエッチングする。正確なエッチング深さが最小エッチング深さ以上であることは、エレクトロスプレー装置の装置性能または収率に影響しないが、チャネル部２１２の最小深さは典型的には５０μｍである。
【００７１】
（放出面処理：ノズルおよび周辺面の構造）
本発明のエレクトロスプレー装置１００の加工における基板２００の放出側２０５の処理工程を図１２〜２０Ｂに示す。図１２の断面図に示す通り、ポジ型フォトレジスト２１４のフィルムを基板２００の放出側２０５上の二酸化ケイ素層２０４上に析出させる。放出側２０５上のパターンを、基板２００の注入側２０３上に先に形成されたパターンに揃える。シリコンおよびその酸化物は、赤外波長スペクトル領域、すなわち７０〜１０００ナノメートルにおいて、光に対して固有的相対的に透明であるので、注入側２０３の残存パターンは、パターンを施した注入側２０３から基板２００に赤外光を照射することにより、十分明確に識別することができる。したがって、放出側２０５用のマスクを要求される許容度内にあわせることができる。
【００７２】
パターンを揃えた後、ノズルおよび窪み部に対応するフォトレジスト２１４の特定の領域を、波長が３６５、４０５、４３６ナノメーターの青または近紫外等の短波長光を透過する光学リトグラフ露光ツールにより放出側のマスクを通して選択的に露光する。平面図１３Ａおよび断面図１３Ｂにそれぞれ示すように、次いでフォトレジスト２１４を現像してフォトレジストの感光領域を取り除き、未感光領域をフォトレジスト２１４’で保護したまま、ノズル領域２１６および窪み領域２１８を下にある二酸化ケイ素層２０２まで開口する。二酸化ケイ素層２０４の感光領域２１６、２１８を、次いで、保護フォトレジスト２１４’に対しては高度の異方性および選択性を持って、フッ素系プラズマにより二酸化ケイ素層２００に到達するまでエッチングする。
【００７３】
断面図１４に示す通り、次のフッ素系のシリコンエッチングによりシリコン基板２００の放出側２０５にあるパターンを垂直にエッチングする間、残存フォトレジスト２１４’はさらなるマスキングになる。次いで、残存フォトレジスト２１４’を酸素プラズマまたは過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）により活性化した硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）等の活性酸化化学薬品浴内で取り除く。
【００７４】
チャネル１０４の放出側部２２０を形成することにより、フッ素系エッチングは、シリコン基板２００を貫通したチャネル１０４を作る。フッ素系エッチングは、放出ノズル１１０、ノズル１１０外側の窪み領域１１４およびノズル１１０と窪み領域１１４の外側のグリッド面領域１１６も作る。好ましくはグリッド面領域１１６をノズル１１０の先端と同一平面とし、ノズル１１０を不用意な磨耗、取扱い時の応力破砕および／または偶発的破損から保護する。グリッド面領域１１６は、１つまたは複数の導電性電極を設ける台としての役目も果たす。
【００７５】
組み立ての必要無く、単結晶シリコン基板からエレクトロスプレー装置の素子をエッチングすることにより、この加工手順は加工されたエレクトロスプレー装置に優れた機械的安定性を付与する。この加工手順は、注入側および放出側シリコンエッチングの相対量を調節することにより、ノズル高の制御を可能とする。さらに、窪み部１１４の横方向の広がりおよび形状をその深さと独立して制御することが可能である。この深さは、ノズル高に影響し、かつ基板の放出側のエッチング範囲により決まる。窪み部１１４の横方向の広がりおよび形状の制御により、エレクトロスプレー装置１００と取出電極の間の電界パターンを変更および制御することができるようになる。
【００７６】
（電気的絶縁のための酸化）
断面図１５に示す通り、シリコン基板２００を酸化環境中で高温に晒すことにより、二酸化ケイ素層２２１を基板２００の全シリコン面上に育成する。例えば、酸化環境は、二酸化ケイ素厚がおよそ数百ナノメーターより大きい場合には水素を酸化して作った超純粋水蒸気、または二酸化ケイ素厚がおよそ数百ナノメーター以下の場合には純粋酸素とすることができる。基板２００の全シリコン表面を覆う二酸化ケイ素層２２１により、チャネル内の液体がシリコン基板２００から電気的に絶縁され、チャネル１０４内の液体およびシリコン基板２００に対する異なる電位の印加および維持が可能となる。
【００７７】
全シリコン表面が酸化され、酸化の温度と時間を選択することにより制御可能な厚さを持った二酸化ケイ素が形成される。二酸化ケイ素の最終的な厚さを選択して、装置の所望の電気的絶縁度を得ることができる。二酸化ケイ素層が薄いほど、電気的絶縁破壊に対する抵抗が高くなる。
【００７８】
（電界制御のための金属処理）
図１６〜２０Ｂは、基板２００の放出側２０５上の、基板２００に電気的に接続した単一の導電性電極の構成を示す。断面図１６に示す通り、ポジ型フォトレジスト２２２のフィルムを基板２００の放出側２０５上の二酸化ケイ素層を覆って析出させる。電極と基板２００の間の電気的に接触する領域に対応するフォトレジスト領域２２２を、波長が３６５、４０５、４３６ナノメーターの青または近紫外等の短波長光を透過する光学リトグラフ露光ツールにより別のマスクを通して選択的に露光する。
【００７９】
次にフォトレジスト２２２を現像してフォトレジストの感光領域２２４を取り除き、未感光領域をフォトレジスト２２２’で保護したまま、電極と基板２００の間の電気的に接触する領域を下にある二酸化ケイ素層２０４まで開口する。断面図１７に示す通り、二酸化ケイ素層２０４の感光領域２２４を、次いで保護フォトレジスト２２２’に対しては高度の異方性および選択性を持って、フッ素系プラズマにより二酸化ケイ素層２００に到達するまでエッチングする。
【００８０】
ここで断面図１８を参照する。次いで、残存フォトレジストを酸素プラズマまたは過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）により活性化した硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）等の活性酸化化学薬品浴内で取り除く。パターンの施された放出側二酸化ケイ素層２０４をマスクとして利用し、高容量埋め込みを行い、埋め込み領域２２５を形成して、電極と基板２００の間が低抵抗電気的接触であることを確保する。アルミニウム等の導電性フィルム２２６が、熱または電子ビーム蒸発により基板２００の放出側２０５上に均一に析出し、電極１２０を形成する。明確にするために厚さを大きく描いているが、導電性フィルム２２６の厚さは、好ましくは約３０００Åである。
【００８１】
放出ノズル１１０の側壁上に導電性材料の連続フィルムを作らないのであれば、任意の方法により導電性フィルム２２６を作ることができる。このような連続フィルムは、チャネル１０４内の液体と基板２００とを電気的に接続し、それぞれの電位の独立制御を妨げる。例えば、導電性材料の熱または電子ビーム蒸発により導電性フィルムを作ることができるが、呈した面の視線方向（line-of-sight）に析出を招く。放出ノズル１１０の側壁が蒸発源の視線方向外になるように基板２００を向けることにより、導電性材料が放出ノズル１１０の側壁上に連続フィルムとして析出しないようにする。プラズマ内での導電性材料のスパッタリングは、全面に導電性材料の析出を招き、かつ故に好ましくないという析出技術の例である。
【００８２】
図６および７を参照して前述したように、１つまたは複数の付加導電性電極を基板２００の放出側２０５上に容易に形成することができる。断面図１９に示す通り、ポジ型フォトレジスト２２８を基板２００の放出側２０５上の導電性フィルム２２６を覆って析出させる。電極間の物理的空間に対応するフォトレジスト２２８の特定の領域を波長が３６５、４０５、４３６ナノメーターの青または近紫外等の短波長光を透過する光学リトグラフ露光ツールにより別のマスクを通して選択的に露光する。
【００８３】
ここで平面図２０Ａおよび断面図２０Ｂを参照する。フォトレジスト２２８を現像してフォトレジストの感光領域２３０を取り除き、未感光領域をフォトレジスト２２８’で保護したまま、感光領域を下にある二酸化ケイ素層２０４まで開口する。導電性フィルム２２６の感光領域２３０は、次いで、湿式化学エッチングまたは反応性イオンエッチングの、特定の導電性材料に適当ないずれかを用いてエッチングする。エッチングは、下にある二酸化ケイ素層２０４に選択的であるか、またはエッチングの速度および時間を基に終了されるかのいずれかである。最後に、酸素プラズマ中で残存フォトレジストを取り除く。
【００８４】
下にある二酸化ケイ素層２０４に対して導電性フィルム２２６をエッチングすることは、導電性材料または電極の物理的および電気的離島を結果的に生じる。前述の通り、これらの電極をシリコン基板またはチャネル液体と独立に制御することができる。なぜなら、これらは、二酸化ケイ素により基板から、および物理的分離によりお互いから電気的に絶縁されているからである。これらを用いて、さらに電界線パターンを変更し、よってエレクトロスプレー液体の操舵および／または成形をすることができる。この工程により、エレクトロスプレー装置１００の処理および加工手順が終了する。
【００８５】
前述の通り、エレクトロスプレー装置の基板に電位を印加するための導電性電極を放出面ではなく注入面上に設けてもよい。加工手順は、基板２００の放出側２０５上に導電性電極を設ける手順と同様である。図２０Ｃ〜２０Ｇは、基板２００の注入側２０３上の基板２００に電気的に接続した単一導電性電極の形成を図示したものである。
【００８６】
断面図２０Ｃに示した通り、ポジ型フォトレジスト２３２の薄層を基板２００の注入側２０３上の二酸化ケイ素層を覆って析出させる。電極と基板２００の間の電気接触領域に対応するフォトレジスト２３２の領域を、波長が３６５、４０５、４３６ナノメーターの青または近紫外等の短波長光を透過する光学リトグラフ露光ツールにより別のマスクを通して選択的に露光する。
【００８７】
次にフォトレジスト２３２を現像してフォトレジストの感光領域２３４を取り除き、未感光領域をフォトレジスト２３２’で保護したまま、電極と基板２００の間の電気的に接触する領域を下にある二酸化ケイ素層２０２まで開口する。断面図２０Ｄに示す通り、二酸化ケイ素層２０２の感光領域２３４を、次いで保護フォトレジスト２３２’に対しては高度の異方性および選択性を持って、フッ素系プラズマにより二酸化ケイ素層２００に到達するまでエッチングする。
【００８８】
ここで断面図２０Ｅを参照する。次いで、残存フォトレジストを酸素プラズマまたは過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）により活性化した硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）等の活性酸化化学薬品浴内で取り除く。パターンの施された放出側二酸化ケイ素層２０２をマスクとして利用し、高容量埋め込みを行い、埋め込み領域２３６を形成して、電極と基板２００の間が低抵抗電気的接触であることを確保する。アルミニウム等の導電性フィルム２３８を、熱または電子ビーム蒸発により基板２００の放出側２０３上に均一に析出し、電極１２０’を形成する。
【００８９】
エレクトロスプレーの放出面上に導電性電極を形成するのとは対照的に、熱または電子ビーム蒸発の他に、スパッタリングを用いて注入面上に導電性電極を形成することができる。基板の注入側でなく放出側にノズルがあるので、注入側電極層がノズルまで延びて、ノズルと物理的に連続な、ゆえに電気的に導通な経路を作ることはなく、スパッタリングを用いて注入側上に電極を形成することができる。
【００９０】
エレクトロスプレー装置の注入面上に電極を形成する際に、スパッタリングの方が蒸発よりも好ましいかもしれない。なぜなら、スパッタリングは、二酸化ケイ素層２０２を通して基板２００までエッチングして、基板２００に対する電気的連続性および確実な電気的接触を確保した感光領域２３４の側壁上に絶縁保護被覆を作る能力が高いからである。
【００９１】
ある種の用途においては、注入側２０３上の入口オリフィス１０６に隣接した面の領域から導電性フィルム取り除くことにより、基板２００とエレクトロスプレー装置内の液体との間の電気的絶縁を確保することが必要であるかもしれない。取り除くべき導電性フィルム２３８の範囲は、エッチング方法とは無関係であり、上流の液体移送システム／副システムとエレクトロスプレー装置の注入側との間の境界面を作るのに用いる具体的な方法により決めることができる。例えば、直径が約０．２〜２ｍｍの間の導電性フィルム２３８を入口オリフィス１０６の周辺領域から取り除くことができる。
【００９２】
断面図２０Ｆに示す通り、ポジ型フォトレジスト２４０の別のフィルムを基板２００の注入側２０３上の導電性フィルム２３８を覆って析出させる。注入側２０３上の入口オリフィス１０６に隣接した領域に対応するフォトレジスト領域２４０を、波長が３６５、４０５、４３６ナノメーターの青または近紫外等の短波長光を透過する光学リトグラフ露光ツールにより別のマスクを通して選択的に露光する。
【００９３】
次にフォトレジスト２４０を現像してフォトレジストの感光領域２４２を取り除き、未感光領域をフォトレジスト２４０’で保護したまま、注入側２０３上の入口オリフィス１０６に隣接する領域を下にある導電性フィルム２３８まで開口する。断面図２０Ｇに示す通り、導電性フィルム２３８の感光領域２４２を、次いで保護フォトレジスト２４０’に対しては高度の異方性および選択性を持って、塩素系プラズマにより二酸化ケイ素層２０３に到達するまでエッチングする。
【００９４】
導電性フィルム２３８をエッチングする具体的な技術は、析出した具体的な導電性材料により決まる。例えば、標準アルミニウムエッチング液を用い湿式化学浴中、または反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）および塩素系化学組成を用いたプラズマ中のいずれかによりアルミニウムをエッチングしてもよい。標準湿式アルミニウムエッチング液を用いてアルミニウムフィルムをエッチングすることが好ましいかもしれない。このような湿式エッチングにより、入口オリフィス１０６を経由して、チャネル１０４内に析出した望ましくない導電性材料を取り除くことができるからである。さらに、塩素系反応性イオンエッチングを用いてもよいが、このようなエッチングは、フォトレジストの除去が遅れた場合、アルミニウムの腐食を招くかもしれない。
【００９５】
注入側上に電極を形成して、エレクトロスプレー装置の基板に電位を印加することにより、いくつかの利点が生じる。例えば、非平面トポロジーにより表面上のフォトレジストを均一に被覆する能力は制限されるため、より平らな注入側上にフォトレジストを被覆する方が、放出側上のフォトレジストを被覆するよりも、より均一で連続的なフォトレジストフィルムとなる。フォトレジストの均一性および連続性は、直接的および肯定的に信頼性および収率に影響する。なぜなら、少なくとも部分的には、フォトレジスト被覆の欠損により、感光領域２２４、２３４のエッチングの際、望まない位置の二酸化ケイ素を続いてエッチングするからである。
【００９６】
注入面上に電極を形成するもう一つの利点は、導電性材料析出工程における、柔軟性と信頼性がより高いことである。なぜなら、エレクトロスプレー装置の放出面上よりも注入面上に析出した導電性材料により、ノズルの内面が被覆されないからである。その結果、析出技術としてスパッタリングを用いて、導電性材料の絶縁保護被覆および表面から基板接点までの電気的連続性を確保することができる。さらに、注入面上に電極を設けることにより、放出側上の付加導電性電極の析出および模様付けを阻止せず、さらに電界線を変更して、例えばエレクトロスプレーの操舵および／または成形を行う。このような付加電極は基板と電気的に接触する必要がないからである。
【００９７】
注入面上に電極を形成することが可能であることは、パッケージング等の物理的制約により放出側よりも注入側の電気的接触の必要性が決まる特定の用途においても有利であるかもしれない。
【００９８】
前述のエレクトロスプレー装置１００の加工手順は、単一モノリシック基板内に一体化した複数チャネルおよび／または複数放出ノズルを含む複数エレクトロスプレー装置を含む単一モノリシックシステムの同時加工に容易に適合、および適用することができる。さらに、例えば、単に配置設計の変更により、および／またはフォトマスクの極性の変更とポジ型フォトレジストの使用ではなくネガ型フォトレジストの使用により処理工程を変更して、同一または異なるエレクトロスプレー装置を加工することができる。
【００９９】
さらに、加工手順を単一エレクトロスプレー装置の加工に関して説明しているが、この加工手順により同様の装置の大量並列処理が容易かつ可能になる。次いで、単一ウエハー上で大量並列処理して加工した複数エレクトロスプレー装置またはシステムを複数装置またはシステムに切断するか、そうでなければ分離することができる。
【０１００】
エレクトロスプレー装置の接続または一体化
（エレクトロスプレー装置の下流接続または一体化）
具体的な用途によっては、エレクトロスプレー装置１００を、下流をサンプリング装置に接続または一体化してもよい。例えば、輸送、分析および／または合成の目的で、被分析試料を表面上へエレクトロスプレーして表面を被覆するか、またはもう一つの装置内にエレクトロスプレーすることができる。図５を参照しながら前述した通り、エレクトロスプレー１００により、ナノリットル規模の体積の被分析試料から、高荷電液滴が大気圧で作られる。高荷電液滴は、溶媒分子が十分に蒸発した場合に気相イオンを作り、例えば大気圧イオン化質量分析計（ＡＰＩ−ＭＳ）のオリフィスを通して、エレクトロスプレーした液体の分析のために気相イオンを採取することができる。
【０１０１】
（エレクトロスプレー装置の上流接続または一体化）
ここで図２１〜２３を参照する。圧電ピペット、マイクロピペット、キャピラリーまたは他の形式のマイクロデバイス等の１つまたは複数の液体移送装置と上流接続または一体化により、液体を任意の適当な方法でエレクトロスプレー装置の入口オリフィスに移送する。液体移送装置を別々の部品として、エレクトロスプレー装置の入口オリフィスと異種の界面を作ってもよい。または、液体移送装置をエレクトロスプレー装置と一体化し、エレクトロスプレー装置の入口オリフィスと同種の界面を作ってもよい。
【０１０２】
図２１Ａおよび２１Ｂは、エレクトロスプレー装置の入口オリフィスと異種の界面を作る液体移送装置の例を示す。好ましくは、異種の界面は液体移送装置およびエレクトロスプレー装置が物理的に分離しかつ接触していない、非接触界面である。例えば、断面図２１Ａに示す通り、圧電ピペット３００をエレクトロスプレー装置１００Ａの注入面１０８の上方に隔てて配置する。圧電ピペット３００は、入口オリフィス１０６Ａを通してチャネル１０４内へ、それぞれ体積が約２００ｐＬの微液滴の流れを析出する。好ましくは、圧電ピペット３００を用いる場合のように、特に基板貫通チャネル１０４の体積よりも大きい体積の液体をスプレーすることが望まれ、かつ液体の連続的な供給が実現不可能な場合に、エレクトロスプレー装置１００Ａは、チャネル１０４に入る前にサンプル液を収容するための入口ウエル３０２を入口オリフィス１０６Ａに具える。入口ウエルは好ましくは体積が０．１ｎＬ〜１００ｎＬである。さらに、電位を液体に印加するために、入口ウエル３０２の表面上に、注入面１０８と平行に入口ウエル電極３０４を設ける。または、ワイヤー（図示せず）を、入口オリフィス１０６Ａを介してチャネル１０４内に配置してもよい。好ましくは、いくらかの液体が入口ウエル３０２内にあり、液体と入口ウエル電極３０４との間の電気的接触を確保している。
【０１０３】
または、異種界面が、液体移送装置をエポキシ接合等の任意の適当な方法によりエレクトロスプレー装置に取り付け、上流の液体源とエレクトロスプレー装置のチャネルとの間に連続した密閉流路を形成する接触した界面であってもよい。例えば、図２１Ｂは、エレクトロスプレー装置１００Ｂの入口オリフィス１０６に取り付ける前のキャピラリー３０６の断面図を示している。エレクトロスプレー装置１００Ｂの注入面１０８は、キャピラリー３０６の取り付けを容易にするように適合させる。このような素子を容易に基板の注入側用マスクへ配置し、同時に注入側をエッチングしている間にチャネルの注入側部と一緒に形成することができる。
【０１０４】
例えば、キャピラリー３０６の内径がチャネル１０４および入口オリフィス１０６よりも大きい所では、エレクトロスプレー装置１００Ｂは好ましくは注入面１０８より窪んだ領域３０８を画定し、キャピラリー３０６と結合および固定のための結合鍔を形成する。したがって、キャピラリー３０２の出口オリフィス３１０部が入口オリフィス１０６周辺に配置されるように、キャピラリー３０６は窪み部３０８内に配置および取り付けされる。さらに、エレクトロスプレー装置１００Ｂは随意に入口オリフィス１０６Ｂに入口ウエル３１２を具え、チャネル１０４に入る前にサンプル液体を収容する。図示していないが、キャピラリーの外径がチャネルおよび入口オリフィスの外径より小さい場合、キャピラリーをエレクトロスプレー装置の位置口オリフィスに挿入し、かつ取り付けることができる。
【０１０５】
ここで概略図２２を参照する。異種界面ではなく、上流液体移送装置３１８がエレクトロスプレー装置１００の入口オリフィス（図示せず）と同種界面を形成した、単一一体化システム３１６が設けられている。このシステム３１６は、エレクトロスプレーを発生させるために、上流液体移送装置３１８を出た液体をエレクトロスプレー装置１００の入口オリフィスにオンチップで移送することができる。
【０１０６】
単一一体化システム３１６により、余剰液体体積を最小とするか、または無くし、反応および／または混合等による、液体の望ましくない変化の危険度を減らすという利点を生じる。また、単一一体化システム３１６により、顕微鏡レベルでの部品の信頼性のない取扱いおよび取り付けの必要を無くし、ひとつの一体化システム内に液体を収容することにより液体の漏れを最小とするか、または無くすという利点を生じる。
【０１０７】
上流の液体移送装置３１８は、エレクトロスプレー装置１００の入口オリフィスまで液体サンプルが直接または間接に通過する出口オリフィスを有するモノリシック一体化回路であってもよい。上流の液体移送装置３１８は、例えばキャピラリー電気泳動、キャピラリー電気クロマトグラフィー、アフィニティ−クロマトグラフィー、液体クロマトグラフィー（ＬＣ）または他の濃縮相の分離法が可能なシリコンマイクロチップ系の液体分離装置であってもよい。さらに、上流の液体移送装置３１８は、シリコン、ガラス、プラスチックおよび／またはポリマー系の装置で、任意の適当な方法によりエレクトロスプレー装置１００がチップ対チップで、またはウエハー対ウエハーで接合された装置であってもよい。例えば単一一体化システム３１６に用いるモノリシック液体クロマトグラフィー装置の例を次に説明する。
【０１０８】
（マイクロデバイス内で合成されたコンビナトリアルケミストリーライブラリーのサンプル移送用エレクトロスプレー装置）
エレクトロスプレーは、ナノエレクトロスプレー付着により、母板から娘板にサンプルを再現可能に移送および付着する役目もする。エレクトロスプレー装置を、コンビナトリアルケミストリーライブラリーを合成することのできるマイクロデバイス中にエッチングすることができる。所望の時間に、ノズルは所望の量のサンプルを母板から娘板へスプレーすることができる。ノズルの大きさの制御、印加電圧、および散布時間により、マトリックス支援レーザーイオン化飛行時間型質量分析計（ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳ）による分子量決定のためのサンプル板の生成等の、ノズルアレイからのサンプル付着の正確かつ再現可能な方法が得られる。母板から娘板へ被分析試料を移送する能力を、プロテオミックスクリーニング等の他形式の分析用の他の娘基板を作るのにも用いることができる。
【０１０９】
図２３Ａおよび２３Ｂはそれぞれ、反応ウエルブロックまたはタイタープレート３２２および受容または娘板３２４を含むチップ型のコンビナトリアルケミストリーシステム３２０の、線２３Ｂ−２３Ｂにおける分解斜視図および断面図を示す。反応ウエルブロック３２２は、コンビナトリアルに合成した化合物からの反応生成物を収納するためのリザーバー３２６のアレイを画定する。反応ウエルブロック３２２は、さらに、チャネル３２８、ノズル３３０および窪み部３３２を画定し、各リザーバー３２６内の液体が対応するチャネル３２８を流れて、対応するノズル３３０を通ってエレクトロスプレーの形で出るようにする。反応ウエルブロック３２２は、任意の数のリザーバーを任意の望ましい構成で画定し、各リザーバーは好適な大きさと形である。リザーバー３２６の体積は数ナノリットルから最大数マイクロリットルの範囲であり、より好ましくは約２００ｎＬから１μＬの間の範囲である。
【０１１０】
反応ウエルブロック３２２を母板として使って、マイクロチップ系化学合成装置に接続し、反応ウエルブロック３２２のエレクトロスプレー機能を用いて、控えめの量の生成溶液を受容または娘板３２４に再現可能に移送することができる。娘板３２４は、リザーバー３２６のそれぞれに対応する受容ウエル３３４を画定する。次いで娘板３２４内の分配された生成溶液を用いて、生物学的標的に対してコンビナトリアルケミストリーライブラリーをスクリーニングする。
【０１１１】
（エレクトロスプレーを発生するエレクトロスプレー装置の説明）
図２４Ａおよび２４Ｂは、一体化シリコン系ノズルから発せられる実際のテイラーコーンのカラー画像を示す。図２４Ｃおよび２４Ｄは、それぞれ図２４Ａおよび２４Ｂに示したエレクトロスプレー装置および質量分析システムの斜視図および側断面図である。図２４Ａは、ノズルおよび窪み部または窪み環、並びにテイラーコーン、０．２％のギ酸を含むポリプロプレングリコール４２５（ＰＰＧ４２５）を１０μｇ／ｍＬ含んだメタノールの高荷電エレクトロスプレーされた液滴の液体ジェットおよび噴流を示す。図２４Ｂは、エレクトロスプレー装置に加え、質量分析計のイオンサンプリングオリフィスを示す。
【０１１２】
エレクトロスプレー装置１００は、上流をピペット５２’に接続されている。図２４Ａおよび２４Ｂのそれぞれ右上隅ならびに図２４Ｃおよび２４Ｄ中に示す通り、ピペットの先端をエレクトロスプレー装置１００の注入側に圧迫封着する。エレクトロスプレー装置１００は、注入側上の直径１０μｍの入口オリフィス、内径３０μｍで外径６０μｍのノズル、１５μｍのノズル壁厚および１５０μｍのノズル深さを有する。窪み部または窪み環は、ノズルの外径から３００μｍ延びる。液体に印加した電圧Ｖ_fluidをエレクトロスプレー装置に導入して、ノズル電圧は９００Ｖとなる。電圧Ｖ_substrateを基板に印加し、エレクトロスプレー装置は０Ｖとなる。取り出し電極の役目も果たす質量分析計に印加した電圧Ｖ_extractは、約４０Ｖである。液体サンプルは、シリンジポンプを用い、エレクトロスプレー装置の注入側に圧迫封着したピペット先端を通して、３３３ｎＬ／分の流速で送られる。ノズルは、質量分析計６０のイオンサンプリングオリフィス６２から約５ｍｍである。質量分析計６０のイオンサンプリングオリフィス６２は、通常質量分析計６０の許容領域を画定する。データを得るための質量分析計は、Ｍｉｃｒｏｍａｓｓ社のＬＣＴ飛行時間質量分析計であった。
【０１１３】
図２４Ｅは、水５０％と、ギ酸０．１％、アセロニトリル０．１％および２ｍＭ酢酸アンモニウムを含むメタノール５０％とに１μｇ／ｍＬのＰＰＧ４２５を入れたものの質量スペクトルを示す。データを流速３３３ｎＬ／分で集めた。
【０１１４】
（液体クロマトグラフィー装置）
分解斜視図２５Ａおよび断面図２５Ｂにそれぞれ示す、本発明の別の態様において、シリコン系液体クロマトグラフィー装置４００には、通常シリコン基板またはマイクロチップ４０２を含み、該シリコン基板またはマイクロチップ４０２は、基板４０２を貫通し第１面４０８上の入口オリフィス４０６と液体リザーバー４１０の間に延びる導入チャネル、リザーバー４１０と出口オリフィス４１４の間に延びる分離チャネル、分離チャネル４１２に沿った複数の分離柱状体、ならびにカバー４２０に隣接するリザーバー４１０および分離チャネル４１２のためのカバー４２０に隣接する封入面を設けるためのカバー４２０を画定する。
【０１１５】
複数の分離柱状体４１６は、分離チャネル４１２の側壁から分離チャネル４１２を通る液体に垂直な方向に延びる。好ましくは、各分離柱状体４１６の一端は、第２面４１７を超えては延びず、好ましくは第２面４１７と同一面または同一高さである。分離チャネル４１２は、機能的には液体クロマトグラフィーのカラムと同じであり、複数の分離柱状体４１６が液体クロマトグラフィー機能を果たす分離チャネル４１２内で成分分離が起きる。円柱状分離柱状体４１６により表面積の大きくなった分離チャネル４１２を流れる液体の相互反応により成分分離は起きる。分離チャネル４１２および分離柱状体４１６の表面には、好ましくは絶縁層を具えて、分離チャネル４１２内の液体を基板４０２から絶縁する。具体的には、分離柱状体４１６は、好ましくはサンプル液体の成分と固定相すなわち分離柱状体４１６との相互反応を最適化するために既知の技術を用いて化学的に修正をした、酸化ケイ素柱状体であることが好ましい。実施態様の一つにおいて、分離チャネル４１２は分離柱状体４１６を超え、基板４０２の端まで延び、出口オリフィス４１４として終結する。
【０１１６】
導入チャネル、４０４、分離チャネル４１２、リザーバー４１０および分離柱状体４１６は、円形および／または長方形等の任意の好適な断面形状を有することができる。好ましくは、分離柱状体４１６は同じ断面形状および大きさを有するが、それでもなお異なる断面形状および／または大きさを有することもできる。
【０１１７】
液体クロマトグラフィー装置４００はさらに、カバー４２０の基板の表面を覆ったニ酸化ケイ素層４２２および基板４０２の表面を覆ったニ酸化ケイ素層４２４を含む。二酸化ケイ素層４２２、４２４は、リザーバー４１０および分離チャネル４１２に収納された液体を基板４０２およびカバー４２０の基板から電気的に絶縁する。二酸化ケイ素層４２２、４２４はまた、比較的不活性であり、ゆえに単なるケイ素に比べてリザーバー４１０および分離チャネル４１２内の液体と相互反応し難い。
【０１１８】
具体的な用途によっては、基板４０２には、装置４００内の液体と電気的に接触した１つまたは複数の導電性電極を形成した面を具えることができる。例えば、リザーバー電極４２６および／または出口電極４２８を基板４０２の第２面４１７上に設けて、対応する電極をリザーバー４１０内および出口オリフィス４１４に近接した液体とそれぞれ電気的に接触させることができる。充填電極４３０も基板４０２の第２面４１７上に設け、リザーバー４１０と最初に現れる分離柱状体４１６との間の、分離チャネル４１２の未実装部４３２内の液体と充填電極４３０を電気的に接触させることができる。基板４０２上の各電極の形状、大きさおよび流体の流路に沿った位置を、隣接した電極間の距離等の設計の検討により決めることができる。さらに、任意のまたは全ての電極を、カバー４２０の接合面４２５上に二者択一的にまたは付加的に形成することができる。例えば、充填電極４３０を二者択一的に置いて、リザーバー４１０に隣接した分離チャネル４１２内の液体と電気的に接触させることができる。さらに、付加電極を設けて、例えば液体の流路に沿った任意の電位分布を作ることができる。
【０１１９】
装置４００内の液体サンプルを基板４０２およびカバー４２０の基板４０２から電気的に絶縁すると共に、２つ以上のリザーバー電極、充填電極および出口電極を設けることにより、流路に沿った２つ以上の異なる場所における異なる（または同じ）電位の印加および保持を可能とする。流路に沿った２つ以上の異なる場所における電位の違いにより、その２つ以上の場所の間で液体の動きが生じる。したがって、これらの電極は、リザーバー４１０の充填および／または分離チャネル４１２を通った液体の駆動を促進する。
【０１２０】
さらに、適当な配置設計および加工方法により、基板４０２および／またはカバー４２０には、リザーバー４１０に移送される前に液体の前調整、および／または分離チャネル４１２から出た液体サンプルの移送、分析および／または処理等の付加機能も具える。カバー４２０は、カバー４２０の一方もしくは両方の面および／または大部分にこのような付加機能を設ける。
【０１２１】
カバー４２０には、ケイ素あるいはガラス、プラスチックおよび／またはポリマー等の任意の他の好適な材料を含む基板４１８を含む。例えば、ケイ素がより望ましい基板４０２と同様の処理技術を用いて、カバー４２０の加工を容易にするのにガラスがより望ましいおよび／または考慮すべきである蛍光液体の直接観察を望むかどうかにより、カバー４２０用の具体的な材料は決まる。カバー４２０を接合するか、そうでなければ固定して、液体の封じ込めおよび絶縁の適当な水準を確保するために、基板４０２とカバー４２０の間の密封を形成する。例えば、陽極接合、ケイ酸ナトリウム接合、共晶接合および融着接合を含む、ケイ素対ケイ素、またはガラス対ケイ素の接合をする幾つかの方法が当業で知られている。具体的な密封接合方法は、基板４０２とカバー４２０の表面の物理的形状ならびに／あるいは一体化システムおよび／または液体クロマトグラフィー装置４００の用途と機能等の様々な要因により決まる。
【０１２２】
液体クロマトグラフィー装置４００の大きさは、それが接続または一体化される装置と同様に具体的な用途、配置設計等の種々の要因により決まる。液体クロマトグラフィー装置４００の素子の表面寸法、すなわちＸおよびＹ方向の寸法は、配置設計および加工に用いた対応するフォトマスクにより決まる。液体クロマトグラフィー装置４００の素子の深さまたは高さ、すなわちＺ方向の寸法は、以下に説明する加工中のエッチング処理により決まる。反応性イオンエッチングのアスペクト比制限がエッチング深さ、特に分離柱状体４１６間のチャネル４１２内の小さな表面開口を用いたエッチング深さを制限するが、素子の深さまたは高さは、一次近似において表面寸法とは独立である。
【０１２３】
さらに、分離柱状体４１６の大きさ、数、断面形状、間隔および位置を、所望の流速を達成しかつ分離チャネル４１２内の視界の低抵抗線を防ぎ、適当な液体−表面相互反応を確保するための配置設計により決めることができる。各分離柱状体４１６は、同じまたは異なる、大きさおよび／または断面形状等の特性を有することが出来る。柱状体の断面形状を配置設計の際に選択して、柱状体表面における液体／境界層の相互反応を最適化することができる。分離柱状体４１６を周期的、半周期的または不規則的等の任意の所望のパターンで分離チャネル４１２内に配置することができる。分離柱状体４１６の間隔が狭い方が、液体との表面相互反応を最大にするためには望ましい。同様に、分離柱状体４１６の断面積を最小にすることにより、分離チャネル４１２内により多くの数を置くことができる。しかし、分離柱状体４１６の断面積を減らすことは、処理中に必要な機械的安定性が減少するという結果を招くため、限定される。
【０１２４】
従来の分離カラム充填材料は、間隔が不規則に変動する上に粒度分布の分散が望ましくないので、分離柱状体４１６の大きさ、数、断面形状、間隔および位置を制御することは、従来の液体クロマトグラフィーに対して有利となる。
【０１２５】
一般に好ましい実施態様の一つにおいて、液体クロマトグラフィー装置４００の基板４０２は、厚さが約２５０〜６００μｍであり、分離チャネル４１２は、深さが約１０μｍであり、長方形リザーバー４１０は約１０００μｍ×１０００μｍであり、その結果体積が約１０ｎＬとなる。リザーバー４１０および分離チャネル４１２の深さは分離柱状体４１６の高さにより制限され、分離柱状体の高さもまた最大エッチングアスペクト比により制限される。分離柱状体４１６の最も近い隣接柱状体との間隔は、好ましくは約５μｍ未満である。リザーバー４１０の大きさは液体クロマトグラフィー分離に用いることのできる液体サンプルの容量を決め、明白なことであるが、表面積と深さを独立に制御することにより、リザーバー４１０を任意の所望の体積にすることができる。好ましくは、入口オリフィス４０６の直径を１００μｍ以下として、リザーバー４１０内の液体を保持してリザーバーからの漏出を防ぐのに十分な液体の表面張力とする。
【０１２６】
シリコン系の液体クロマトグラフィー装置４００により、典型的液体クロマトグラフィー装置の大きさを２桁近くの規模で縮小する。寸法の縮小により、正確な分析に必要な被分析試料の量および／または液体サンプルの体積を顕著に減らすという利点を得ることができる。さらに、巨視的分離カラムおよびその充填材料をモノリシック装置へ縮小することにより、液体クロマトグラフィー装置４００をオンチップ一体化システムの部品とすることができる。
【０１２７】
さらに、リザーバー、分離チャネルおよび分離柱状体等の素子の全てが、基板４０２から窪んでいる。基板４０２のリザーバーおよび分離チャネルの外側の部分は、それゆえ基板４０２とカバー４２０の取扱いおよびその後の接合の際の不用意な破損および接合の際の不用意な破損および応力破砕から分離柱状体を物理的に保護する役目を果たす。柱状体は基板に一体化されているので、柱状体は本質的に安定で、ゆえに、従来の高速液体クロマトグラフィーシステムで従来の充填材を使用した場合に起きる固相の損傷の危険性なしに加圧システムの使用を可能にする。
【０１２８】
マイクロピペット、圧電ピペットまたは小キャピラリー等の上流の液体移送システムを液体クロマトグラフィー装置４００の外面に圧迫封着し、ピペットまたはキャピラリーを入口オリフィス４０６と同心にすることができる。随意に、液体クロマトグラフィー装置に鍔（図示せず）を設けて、図２１Ｂを参照して説明したエレクトロスプレー装置の鍔の結合と同様に、液体移送装置の液体クロマトグラフィー装置への結合および取り付けを容易にする。
【０１２９】
液体クロマトグラフィー装置４００を操作するために、まず、入口オリフィス４０６を介して導入チャネル４０４を通し液体移送装置から液体を注入することにより、サンプル液体で液体リザーバー４１０を満たす。マイクロピペット、圧電ピペットまたは小キャピラリー等の任意の好適な液体移送装置が使用可能である。液体クロマトグラフィー装置４００に注入するサンプル液体の体積は、最大で、概ねリザーバー４１０の体積に導入チャネル４０４内に残る比較的小さな体積を加えた量である。
【０１３０】
リザーバー電極４２６と充填電極４３０との間に、導入チャネル４０４が約１０００Ｖ／ｃｍ等の、適当なポテンシャル電位差を印加することにより、リザーバー４１０の充満を容易にすることができる。特に、ある量の液体は、入口オリフィス４０６を介して導入チャネル４０４を通りリザーバー４１０に最初に導入され、毛管作用によりリザーバー４１０および導入チャネルの表面を覆いまたは呼び水して、液体とリザーバーおよび充填電極４２６、４３０との間を電気的に接触させる。分離チャネル４１２の分離柱状体４１６を実装していない部分に充填電極４３０を置いた場合、充填電極４３０も、リザーバー４１０と充填電極４３０の間のチャネル４１２の部分の充満を容易にする。
【０１３１】
適当な体積のサンプル液体でリザーバー４１０を満たした後、任意の好適な方法を用いて、液体をリザーバー４１０から分離チャネル４１２内に移すことができる。例えば、入口オリフィス４０６を介して静水圧をリザーバー４１０に加えることにより、充填したリザーバー４１０から分離チャネル４１２に液体を運ぶことができる。
【０１３２】
二者択一的に、または付加的に、リザーバー電極４２６と出口電極４２８との間に好適な静電学的ポテンシャル電位差を印加して、電気泳動的または電気浸透的な液体の動きを発生させることにより、液体は分離チャネル４１２を通過することができる。好ましくは、電位差は分離チャネル長で約１０００Ｖ／ｃｍある。勿論、任意の他の好適な液体の流れを誘発する方法を用いることができる。圧力駆動および電圧駆動流動は、異なる分離効率をもたらす。したがって、用途により、一方または両方を用いることができる。
【０１３３】
次いで、液体は、出口オリフィス４１４を通り分離チャネル４１２から、例えば、図２６に示す通り、出口オリフィスとオフチップ相互結合をしているキャピラリー４３４へ出る。または、図２７に示す通り、液体クロマトグラフィー装置４００は、リザーバー４１０からの液体を分離して、液体の残部を廃棄リザーバー４３９に導きながら、柱状体４１６により行われた分離から選択した被分析試料を、未実装チャネルから分析および／または混合向け等の他のオンチップ装置４３８に通過させることができる。未実装チャネル４３６は、液体クロマトグラフィー装置４００の分離チャネル４１２の単なる延長または分離チャネル４１２から分岐したチャネルとすることができる。
【０１３４】
連続的にリザーバーを満たし、液体を分離チャネル４１２を通過させることにより、２つ以上の液体サンプルを液体クロマトグラフィー装置４００を通過させることができる。例えば、ある種の用途においては、最初に１つまたは複数の試薬により分離柱状体４１６の表面を被覆し、次いで被分析サンプルを調整した分離柱状体４１６上を通すことが望ましいか、または必要である。
【０１３５】
前述の液体クロマトグラフィー装置を様々に変更することができる。例えば、図２８に示す通り、基板内に入口オリフィスおよび導入チャネルを画定せず、液体クロマトグラフィー装置４００’はカバー４２０’内に導入チャネル４０４’を設け、入口オリフィス４０６’をカバー４２０’の外面上に画定することができる。さらに、カバー４２０’は、カバー４２０’の外面上に画定された出口オリフィス４１４’と基板４０２’内で終了する分離チャネル４１２’との間に出口チャネル４１３を画定することができる。
【０１３６】
もう一つの変形としては、付加的導入チャネル４４０および入口オリフィス４４２を図２９に示す通り基板４０２’’内またはカバー（図示せず）内に画定してもよい。付加的導入チャネル４４０は、液体を分離チャネル４１２’’に導入して、付加的導入チャネル４４０からの液体が、リザーバー４１０から分離チャネル４１２’’の未実装部４３２’’への液流の経路をさえぎる。液体リザーバー４１０を溶離液のバッファとして用い、付加導入チャネル４４０を用いて液体サンプルを分離チャネル４１２’に導入することができる。さらに、付加的入口オリフィス４４２を用いて、連続して幾つかの液体サンプルを分離チャネル４１２’に導入することもできる。例えば、ある用途においては、分離柱状体４１６の表面をある試薬で被覆し、次に調整した分離柱状体４１６の表面上に被分析試料を通過させることが必要であろう。
【０１３７】
ここで図３０〜３５を参照する。液体クロマトグラフィー装置を単一のリザーバーおよび単一のチャネルを含むものとして説明してきたが、モノリシック液体クロマトグラフィー装置を容易に改造および変更して、複数液体クロマトグラフィー装置および／または複数入口オリフィス、出口オリフィス、リザーバーおよび／または分離チャネルを含むようにできる。各変形において、幾つかのまたは全てのリザーバー、分離チャネルおよび分離柱状体は、異なる大きさおよび／または形状を有することができる。
【０１３８】
例えば、複数リザーバー−分離チャネルの組合せを単一チップ上に設けることができる。特に、図３０に示す通り、リザーバー４１０Ａは分離柱状体４１６Ａを有する分離チャネル４１２Ａに流入し、もう一つのリザーバー４１０Ｂは分離柱状体４１６Ｂを有するもう一つの分離チャネル４１２Ｂに流入してもよい。
【０１３９】
図３１に示すもう一つの変形において、単一リザーバー４１０Ｃは、複数分離チャネル４１２Ｃ、４１２Ｄに流入してもよい。分離チャネル４１２Ｃ、４１２Ｄのそれぞれは、数、大きさおよび形状等の特性が同じまたは異なる分離柱状体４１６Ｃ、４１６Ｄをそれぞれ内部に有する。もう一つのチャネル４１２Ｅを、分離柱状体が完全に未実装のヌルチャネルとして設けてもよい。ヌルチャネル４１２Ｅからの出力を、分離柱状体を実装した分離チャネルからの出力との比較の基礎として用いることができる。または、チャネル４１２Ｃ、４１２Ｄ、４１２Ｅの全ては、分離柱状体を有する分離チャネルであってもよい。
【０１４０】
ここで図３２を参照する。複数リザーバー４１０Ｅおよび４１０Ｆからの液体を、それぞれ連結チャネル４４４Ｅ、４４４Ｆを介して単一分離チャネル４１２Ｆに送り込む。連結チャネル４４４Ｅ、４４４Ｆは、分離チャネル４１２Ｆを通過する前に、リザーバー４１０Ｅ、４１０Ｆからの液体サンプルの混合を容易にするために分離柱状体が未実装であることが好ましい。分離の前に興味のある主要なサンプルを調整するため、または分離チャネル４１２Ｆの実装部を通過する前にサンプル間で反応をさせるために、サンプルを混合してもよい。あるいは、リザーバー４１０Ｅからの調整液体等の液体を分離チャネル４１２Ｆに流して、他のリザーバーからの被分析サンプル等の他のサンプルの通過の前に、分離柱状体４１６Ｆの表面を調整してもよい。分離柱状体４１６Ｆは異なる断面を持つように図示しているが、分離柱状体４１６Ｆは、同じ大きさで同じ断面形状であってもよい。
【０１４１】
また、連結チャネルを介して単一分離チャネルに流入する複数リザーバーからの液体を有することに加え、分離チャネルの実装部を液体が通過する前および／または後において、もう一つのリザーバーからの液体を、分離チャネルに沿った液流に導入してもよい。例えば、複数リザーバー４１０Ｇ、４１０Ｈからの液体は、それぞれ連結チャネル４４４G、４４４Hを介して単一分離チャネル４１２Gに流入し、もう一つのリザーバー４１０Ｉからの液体を、液体が分離柱状体４１６Ｇを通過したあとに分離チャネル４１２Ｇに沿った液流に導入することができることを図３３は示している。複数リザーバー４１０Ｊ、４１０Ｋからの液体は、それぞれ連結チャネル４４４Ｊ、４４４Ｋを介して単一分離チャネル４１２Ｊに流入し、もう一つのリザーバー４１０Ｌからの液体を、液体が分離柱状体４１６Ｊを通過する前に分離チャネル４１２Ｊに沿った液流に導入することができることを図３４は示している。
【０１４２】
複数リザーバーおよび／または複数チャネルを有する装置のために、分離電極を各リザーバーおよび／または各チャネル、例えば、分離柱状体の上流のチャネルの未実装部および／またはチャネルの出口付近に設けることができる。このような分離電極の設置は、液体流れの個別かつ独立した制御して、各リザーバーの充填および／または液体の分離チャネルの通過を可能にする。
【０１４３】
複数リザーバーおよび／または複数チャネルに、一つの共有リザーバー電極、一つの共有充填電極、および／または一つの出口電極を有することで電極制御を単純にすることができる。例えば、第１電圧を共有リザーバー電極に、第１電圧とは異なる第２電圧を充填するリザーバーに対応する充填電極に印加し、第１電圧を他の充填電極のそれぞれに印加することにより、複数リザーバーの各々を分離して充填することができる。明らかに、第１電圧を共有リザーバー電極に、第２異電圧を充填電極のそれぞれに印加することにより、複数リザーバーを同時に満たすことができる。同様に、第３電圧を共有リザーバー電極に印加し、第３電圧と異なる第４電圧を液体が通過するチャネルに対応する出口電極に、第３電圧を他の出口電極に印加することにより、液体を各複数チャネルに分離して送ることができる。
【０１４４】
図３５に示すさらに別の変形において、サンプルリザーバー４１０Ｍおよび分離柱状体４１６Ｍに加え、複数の柱状体４１６Ｌを分離柱状体４１６Ｍの上流のチャネル４１２Ｍ内に設けて、サンプルの前処理に固相抽出（ＳＰＥ）等の付加的機能性を与えることができる。ＳＰＥ柱状体４１６Ｍは、単純に配置設計を変えることで、分離柱状体４１６Ｍと同一、類似または非類似とすることができる。ＳＰＥ柱状体４１６Ｌは、分離柱状体４１６Ｍとは異なる表面機能性を与える。あるいは、サンプルリザーバーを設ける代わりに、導入チャネル（図示せず）を用いて、サンプルの直接注入を認めることにより、液体サンプルを直接チャネル４１２Ｍに導入することができる。さらに、リザーバー４１０Ｎ、４１０Ｐを設けて、柱状体４１６Ｌの上流でのサンプルの前処理に必要な緩衝液を含むことができる。例えば、被分析試料の溶離用に溶離剤リザーバーを設け、サンプルの洗浄用に洗浄リザーバーを設けることができる。
【０１４５】
液体サンプルがＳＰＥ柱状体４１６Ｌを通過した後、例えば、固相抽出処理による廃棄物を廃棄リザーバー４１０Ｑに導くことができる。特に、ＳＰＥ処理の間、電圧差をリザーバー４１０Ｍ、４１０Ｎ、４１０Ｐおよび４１０Ｑの間に印加し、リザーバー４１０Ｍ、４１０Ｎからの液体の一部を廃棄リザーバー４１０Ｑに導き、リザーバー４１０Ｍからの液体の残部をＳＰＥ柱状体４１６Ｌ上に残したままにすることができる。次いで、例えば、分離柱状体４１６Ｍにより抽出された物質の分離のために、リザーバー４１０Ｐからの液体をチャネル４１２Ｍに導くことにより、ＳＰＥ柱状体４１６Ｌから材料を洗い落とすことができる。廃棄リザーバー４１０Ｑの下流で分離柱状体４１６Ｍの上流に補助リザーバー４１０Ｒ、４１０Ｓを設けて、一つのリザーバー内に被分析試料の勾配溶離液を、および他のリザーバー内に希釈液を収容することができる。勾配溶離液は、移動相組成、すなわち極性被分析試料と固定相との相互反応を促進し、ゆえに被分析試料の分離を容易にする極性を変化することによりクロマトグラフィーを容易にする。さらに、希釈液により次の分離のための正しい溶液の極性が与えられる。
【０１４６】
（液体クロマトグラフィー装置加工手順）
本発明の液体クロマトグラフィー装置の加工法を図３６Ａ〜４６Ｂを参照しながら説明する。好ましくは熱酸化、写真平板、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、イオンインプランテーション、および金属付着等の確立し、良く制御された薄膜シリコン加工技術を用いたモノリシックシリコンマイクロ装置として液体クロマトグラフィー装置を加工する。このようなシリコン加工技術を用いた加工は、同じ装置の大量並列処理を容易にし、時間とコストに有効であり、重要な寸法の厳密な制御を可能にし、容易に再現可能であり、および結果として全体が一体の装置となる。したがって、組み立ての必要性が全くない。別々の部品を操作し、および／または副組み立てして、高い信頼性および収率で液体クロマトグラフィー装置を作ることは、望ましくないし、効率的な分離に必要なマイクロメートルの大きさでは不可能である。
【０１４７】
さらに、加工手順を容易に延長して、物理的外観または特徴を作り、他の機能性を持った装置との接続、一体化および／または連結を容易にし、または単一一体化システムを作るための液体移送副システムとの一体化を容易にすることができる。したがって、液体クロマトグラフィー装置を使い捨て装置として加工および使用することができ、ゆえにカラムの再生の必要性がなくなり、かつサンプルの交差汚染の危険性がなくなる。
【０１４８】
平面図３６Ａおよび断面図３６Ｂをそれぞれ参照する。両面研磨され、厚さが約２５０〜６００μｍのシリコンウエハー分離基板５００を酸化環境化で高温に晒して、分離基板５００のリザーバー側５０３上に二酸化ケイ素の層またはフィルム５０２を、裏側５０５上に二酸化ケイ素の層またはフィルム５０４を育成する。得られる二酸化ケイ素層５０２、５０４のそれぞれは、約１〜２μｍの厚さを有する。二酸化ケイ素層５０２、５０４は電気的絶縁を付与し、かつ次の分離基板５００のある領域の選択的エッチング用のマスクとしての役目も果たす。
【０１４９】
ポジ型フォトレジスト層５０６を分離基板５００のリザーバー側５０３上の二酸化ケイ素層５０２上に析出させる。リザーバー、分離チャネルおよび分離柱状体に対応するフォトレジスト５０６のある領域は、後にエッチングされるが、波長が３６５、４０５または４３６ナノメートルの青または近紫外等の短波長光を透過する光学リトグラフ露光ツールにより、マスクを通して選択的に露光される。
【０１５０】
平面図３７Ａおよび断面図３７Ｂをそれぞれ参照する。フォトレジスト５０６を現像した後、非感光領域をフォトレジスト５０６’で保護したまま、それぞれリザーバー、分離柱状体およびチャネルに対応するフォトレジストの感光領域５０８、５０９、５１０を取り除き、下にある二酸化ケイ素層５０２まで開口する。次に、二酸化ケイ素層５０２の感光領域５０８、５０９、５１０を、保護フォトレジスト５０６’に対しては高度の異方性および選択性を持って、フッ素系のプラズマによりシリコン基板５００に達するまでエッチングする。残存フォトレジストを、酸素プラズマまたは過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）により活性化した硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）等の活性酸化化学薬品浴内で取り除く。
【０１５１】
断面図３８に示す通り、リザーバー４１０、分離チャネル４１２、および分離チャネル４１２内の分離柱状体４１６を別のフッ素系のエッチングによりシリコン分離基板５００内に垂直に形成する。好ましくは、リザーバー４１０および分離チャネル４１２は、既知のエッチング速度においてエッチング時間により制御される同じ深さを有する。リザーバー４１０およびチャネル４１２の同時形成は、均一な深さを確保し、液体束縛面内に液流を妨げる不連続点を無くす。リザーバー４１０およびチャネル４１２の深さは、好ましくは約５〜２０μｍであり、より好ましくは約１０μｍである。エッチングは、最大３０：１のアスペクト比（深さ対幅）を正確かつ再現可能に生成できる。図示していないが、その他のリザーバーおよび／またはチャンネルも、実装であろうが、未実装であろうが、このエッチング手順により形成することができる。
【０１５２】
次いで、ポジ型フォトレジストフィルムを分離基板５００のリザーバー側５０３上の二酸化ケイ素層５０２および感光した分離基板５００上に析出させる。導入チャネルに対応するフォトレジスト領域は、後にエッチングされるが、波長が３６５、４０５または４３６ナノメートルの青または近紫外等の短波長光を透過する光学リトグラフ露光ツールにより、マスクを通して選択的に露光される。フォトレジストを現像した後、非感光領域をフォトレジストで保護したまま、導入チャネルに対応するフォトレジストの感光領域を取り除き、下にある分離基板５００まで開口する。
【０１５３】
平面図３９Ａおよび断面図３９Ｂにそれぞれ示す通り、分離基板５００の感光領域を、次いで保護フォトレジストに対しては高度の異方性および選択性を持って、フッ素系プラズマにより背側５０５上の二酸化ケイ素層５０４に到達するまでエッチングする。したがって、導入チャネル部４０４が、分離基板５００を通して形成される。残存フォトレジストを酸素プラズマまたは過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）により活性化した硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）等の活性酸化化学薬品浴内で取り除く。次いで、背側５０５上の二酸化ケイ素層５０４を、例えばフッ素系プラズマ中で無地のエッチングにより取り除く。
【０１５４】
あるいは、図４０Ａおよび４０Ｂに示す通り、導入チャネル４０４を基板５００のリザーバー側５０３および背側５０５の両方からのエッチングにより形成することができる。前述と同様の方法により基板部５００を垂直エッチングして導入チャネル部４０４を形成した後、ポジ型フォトレジストフィルム５１２を分離基板５００の背側５０５上の二酸化ケイ素層５０４上に析出させる。背側５０５上のパターンを、分離基板５００のリザーバー側５０３上に先に形成されたパターンに揃えることができる。ケイ素およびその酸化物は、赤外波長スペクトル領域、すなわち約７００〜１０００ナノメートルにおいて、Ｂ光に対して固有的相対的に透明であるので、リザーバー側５０３の残存パターンは、パターンを施したリザーバー側５０３から基板５００に赤外光を照射することにより、十分な透明性を持って識別することができる。したがって、背側５０５用のマスクを要求される許容度内にあわせることができる。揃える際に、入口オリフィスおよび導入チャネルに対応するフォトレジストの領域５１２は、後にエッチングされるが、波長が３６５、４０５または４３６ナノメートルの青または近紫外等の短波長光を透過する光学リトグラフ露光ツールにより、マスクを通して選択的に露光される。
【０１５５】
フォトレジスト５１２を現像した後、非感光領域をフォトレジスト５１２で保護したまま、入口オリフィスに対応するフォトレジストの感光領域５１４、を取り除き、下にある二酸化ケイ素層５０４まで開口する。次に、二酸化ケイ素層５０４の感光領域５１４を、保護フォトレジスト５１２に対しては高度の異方性および選択性を持って、フッ素系のプラズマによりシリコン基板５００に達するまでエッチングする。次のフッ素系のシリコンエッチングにより導入チャネルの背側部を垂直にエッチングする間、残存フォトレジストはさらなるマスキングになる。したがって、基板貫通導入チャネル４０４が完成する。残存フォトレジストを酸素プラズマまたは過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）により活性化した硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）等の活性酸化化学薬品浴内で取り除く。
【０１５６】
好ましくは、導入チャネル４０４は、入口オリフィスと同じ直径である。３０：１というエッチングアスペクト比の実用上の制限により、厚さが約３００μｍの基板に対して入口オリフィスの直径が約１０μｍ以上となるようにエッチングせざるを得ない。実用的に考慮すると、好ましくは、入口オリフィス４０６および導入チャネル４０４は、直径が約１００μｍである。例えば、エッチングアスペクト比により最小直径が決まり、直径はリザーバー４１０の充填を容易にするのに十分に大きく、さらに液体の表面張力を確保して液体のリザーバー４１０からの漏れを防ぐのに十分小さいことが好ましい。
【０１５７】
あるいは、導入チャネルおよび入口オリフィスの両方を、分離チャネル５００の背側５０５からエッチングすることにより形成することができる。分離柱状体４１６をフォトレジストで良好に被覆することは困難であるので、これは好ましい。さらに、装置の用途、例えば外部サンプル移送システム、所望のチップ取扱い装置、他の装置との接続、チップ型もしくは非チップ型、および／またはチップの実装を考慮すると、これが望ましい。断面図４１を参照する。リザーバー、分離チャネルおよび分離柱状体を基板５００内にエッチングした後に（図３８に示した）、ポジ型フォトレジストフィルム５１６を分離基板５００の背側５０５上の二酸化ケイ素層５０４上に析出させる。背側５０５上のパターンを、前述のようにパターンを施したリザーバー側５０３から基板５００に赤外光を照射することにより、分離基板５００のリザーバー側５０３上に先に形成されたパターンに揃えることができる。揃える際に、入口オリフィスに対応するフォトレジストの領域５１６は、後にエッチングされるが、波長が３６５、４０５または４３６ナノメートルの青または近紫外等の短波長光を透過する光学リトグラフ露光ツールにより、マスクを通して選択的に露光される。
【０１５８】
フォトレジスト５１６を現像した後、入口オリフィスに対応するフォトレジスト５１６の感光領域５１８を取り除き、下にある分離基板５００の背側５０５上の二酸化ケイ素層５０４まで開口する。次に、酸化ケイ素層５０４の感光領域５１８を、保護フォトレジスト５１２に対しては高度の異方性および選択性を持って、フッ素系のプラズマによりシリコン基板５００に達するまでエッチングする。残存フォトレジストを同じ場所に残して、次のシリコン分離基板５００を通したエッチングの間の付加マスキングとする。
【０１５９】
ここで、断面図４２を参照する。導入チャネル４０４を別のフッ素系のエッチングによりシリコン分離基板５００内に垂直に形成する。導入チャネル４０４は、リザーバー４１０に到達するまで、分離基板５００を通してエッチングすることにより完成する。したがって、導入チャネル４０４は、分離基板５００を通して、分離基板５００の背側上の入口オリフィスとリザーバーとの間に延びる。残存フォトレジストを酸素プラズマまたは過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）により活性化した硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）等の活性酸化化学薬品浴内で取り除く。
【０１６０】
（表面安定化処理および液体絶縁のための酸化）
断面図４３に示す通り、シリコン基板５００を酸化環境中で高温に晒すことにより、二酸化ケイ素層５２２を基板５００の全シリコン面上に育成する。例えば、酸化環境は、二酸化ケイ素厚がおよそ数百ナノメーターより大きい場合には水素を酸化して作った超純粋水蒸気、または二酸化ケイ素厚がおよそ数百ナノメーター以下の場合には純粋酸素とすることができる。基板５００の全シリコン表面を覆う二酸化ケイ素層５２２は、チャネル内の液体をシリコン基板５００から電気的に絶縁し、リザーバーと分離チャネル出口との間、リザーバーの充填を容易にするリザーバーとリザーバー付近の分離チャネルの未実装部との間、および／または流路に沿った他の点の間に、異なる電位の印加および維持ができるようにする。したがって、液体サンプルに渡る有意な電圧の印加および保持を達成することができる。さらに、酸化により裸のケイ素に比較して表面を不活性にし、結果として表面安定化処理となる。
【０１６１】
全シリコン表面が酸化され、酸化の温度と時間の選択により制御可能な厚さを持った二酸化ケイ素が形成される。二酸化ケイ素の最終的な厚さを選択して、装置の所望の電気的絶縁度を得ることができる。二酸化ケイ素層が薄いほど、電気的絶縁破壊に対する抵抗が高くなる。
【０１６２】
写真平板および反応性イオンエッチングは、分離柱状体直径および柱状体間隔を約１μｍより大きくするよう配置設計を制限する。しかし、熱酸化処理は、約０．４４μｍのケイ素を使って１マイクロメートルの二酸化ケイ素を形成するので、熱酸化処理は体積膨張を招く。この体積膨張を、分離柱状体４１６間の間隔をマイクロメートル以下の寸法に減らすのに用いることができる。例えば、柱状体間の間隔が約１．５μｍの配置において、１μｍの二酸化ケイ素フィルムまたは層を形成する酸化により最も短い間隔が約０．５μｍとなる。さらに、酸化処理がよく制御されているので、柱状体間の間隔を含む分離柱状体の大きさを、マイクロメートル以下の体制において、再現可能かつ高収率な方法で形成することができる。
【０１６３】
図４４Ａ、４４Ｂおよび４４Ｃは、走査電子顕微鏡写真および加工した液体クロマトグラフィー装置部の設計配置を示す。図４４Ａは、分離柱状体が長方形の断面形状を有する場所の、分離チャネル部内のリザーバーおよび分離柱状体部の設計配置を示している。図４４Ｂは、分離チャネル内の分離柱状体で、分離柱状体が円形断面形状ならびに約１μｍの直径および柱状体間間隔を有するものを示している。図４４Ｃは、分離チャネル部内の分離柱状体で、分離柱状体が２μｍの大きさの長方形または正方形断面形状および約１μｍの柱状体間間隔を有するものを示している。
【０１６４】
変形の一つにおいて、二酸化ケイ素層５２５をカバー基板５２４の全面上に育成した後、入口オリフィスおよび液体リザーバーを満たすための導入チャネルを、基板５００内ではなく、カバー基板５２４内に形成することができる。図４５に示す通り、カバー基板５２４を分離基板５００のリザーバー側５０３に接合することができる。リザーバー４１０に関して整列した後に、入口オリフィス４０６’および導入チャネル４０４’をカバー基板５２４内に形成することができる。入口オリフィス４０６’および導入チャネル４０４’は、写真平板を用いて入口オリフィスパターンを画定し、および反応性イオンエッチングを用いて入口オリフィスおよびカバー貫通導入チャネルを作ることにより、前述と同じまたは同様の方法で形成される。カバー基板５２４を再び酸化環境中で高温に晒して、酸化物層を導入チャネル４０４’の表面上に育成する。さらに、導入チャネル４０４’は、カバー基板５２４の１または２面から形成することができる。チャネル４０４’がカバー基板の２面から形成される場合は、カバー基板５２４は、チャネル４０４’の形成後でチャネル表面の酸化後に、基板５００に接合される。入口オリフィスを、完成した液体クロマトグラフィー装置のリザーバーおよび分離チャネルと同じ側に画定する一つの利点は、基板５００の背側にいかなる素子も具えず、かつ基板の背側上に画定された入口オリフィスを通してリザーバーを満たすための特別な設備なしに保護パッケージに接合することができることである。
【０１６５】
（流速制御のための金属処理）
図４６Ａおよび４６Ｂは、好ましくはガラスおよび／またはケイ素を含むカバー基板５２６内の結合パッドに電極をつなぐ導電性の線または電線と同時に、リザーバー電極、充填電極および出口電極の構成を示す。ここで説明する金属処理は、入口オリフィスおよび導入チャネルを備えたカバー基板に容易に適用することができるが、図４６Ａおよび４６Ｂに示すカバー基板５２６は、入口オリフィスまたは導入チャネルを具えていない。
【０１６６】
平面図４６Ａおよび断面図４６Ｂにそれぞれ示す通り、カバー基板５２６上に導電性材料を析出する前に、二酸化ケイ素５２８のフィルムまたは層を作る前述の処理と同じまたは類似の方法により、カバー基板５２６の表面全体を熱酸化に供する。カバー基板５２６がガラスを含む場所では、このような酸化は起きない。
【０１６７】
二酸化ケイ素層５２８は、導電性電極を作ることのできる面を具える。二酸化ケイ素層５２８の厚さは、酸化温度および時間により制御可能であり、最終的な厚さを選択して所望の電気絶縁度を得ることができる。二酸化ケイ素層が薄いほど、電気的絶縁破壊に対する抵抗が高くなる。二酸化ケイ素層５２８は、全ての電極をカバー基板５２６から電気的に絶縁し、かつ液体クロマトグラフィー装置のリザーバーおよびチャネル内の液体をカバー基板５２６から絶縁する。液体をカバー基板５２６から絶縁する能力により、酸化により分離基板に具えられた電気的絶縁を補完し、かつ分離基板およびカバー基板５２６の両方からの液体の完全な電気的絶縁を確保する。両基板からのサンプル液体の完全な電気的絶縁により、流路内の空間的に離れた場所間に電位差を適用して、流路の液流を制御することを可能にする。
【０１６８】
酸化の後、カバー基板５２８を、活性酸化化学薬品浴、例えば過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）により活性化した硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）等の酸化溶液を用いて洗浄する。次いで、カバー基板５２８を十分に濯いで、有機夾雑物および粒子を取り除く。次に、アルミニウム等の導電性材料の層５３０をアルゴン環境中でＤＣマグネトロンスパッタリング等の任意の好適な方法により析出させる。明確にするために厚さを大きく図示しているが、アルミニウムの厚さは、好ましくは約３０００Åである。ここで説明する加工手順にはアルミニウムを用いているが、他の金属、金属多重層、ケイ化物、導電性ポリマーおよびインジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）のような導電性セラミック等の任意の形態の高導電性材料を電極に用いることができる。良好な接合のための表面調製は、用いる具体的な電極材料により変わる。例えば、アルミニウムは通常天然ケイ素には十分に接合しないので、二酸化ケイ素層５２８は、アルミニウム電極が接合できる表面を具える。
【０１６９】
ポジ型フォトレジストフィルム５３２を導電性材料５３０の表面上に析出させる。電極周辺の（図示した）領域ならびに導電性線または電線および結合パッドに対応するフォトレジスト層５３２は、後にエッチングされるが、波長が３６５、４０５または４３６ナノメートルの青または近紫外等の短波長光を透過する光学リトグラフ露光ツールにより、マスクを通して選択的に露光される。
【０１７０】
フォトレジスト５３２を現像した後、導電性線または電線および結合パッドと同様に、リザーバー電極、充填電極および出口電極にそれぞれ対応する未感光領域５３４、５３６、５３８をフォトレジストで保護したまま、下にあるアルミニウム導電層５３０までの開口を残して、フォトレジストの感光領域を取り除きく。特定の導電性材料に適当であるので、湿式化学エッチングまたは反応性イオンエッチング等により、導電性電極および線／結合パッドをエッチングすることができる。エッチングは、下にある二酸化ケイ素層５２８に選択的であるか、またはエッチングの速度および時間を基に終了されるかのいずれかである。酸素プラズマまたはアセトン等の溶媒浴中で残存フォトレジストを取り除く。この加工手順により、導電性電極、線および結合パッドの島をマスクに描かれたパターンに従って、物理的および電気的に分離する。
【０１７１】
カバー基板を分離基板よりも大きくして、電位を電極に印加するために結合パッドおよび／または直接電極を利用できるようにすることができる。図４６Ｃに示す通り、カバー基板５２６’は分離基板よりも大きく、分離基板はカバー基板５２６’に関して点線５４０にまでしか延びていない。接続金属線５４２、５４４および５４６等の導電性リードスルー（lead-throughs）は、それぞれリザーバー電極、充填電極および出口電極５３４、５３６、５３８から延び、電位を電極に印加することを可能にする。
【０１７２】
あるいは、各電極から分離基板のパターンを施していない別の領域へ金属導線を形成して、カバー基板内に形成され、かつ化学蒸着（ＣＶＤ）により導電性材料を充填した基板貫通アクセスチャネルにより電極へのアクセスを可能にする。化学蒸着の代わりとして、基板貫通アクセスチャネルの側壁を、例えばＫＯＨエッチングにより傾斜させて、その上への導電性材料の連続析出を容易にし、よって分離基板からポテンシャル電圧を印加するカバー基板の頂点まで電気的に連続した流路を設けることができる。この変形において、分離およびカバー基板は同じ大きさであってよい。
【０１７３】
電極はカバー基板上に設けられていることが好ましいが、前述の加工方法を適当に変更することにより、電極を二者択一的および／または付加的に分離基板上に設けてもよい。例えば、このような変形において、リザーバーの側壁は、好ましくは底面に対して９０°の角度ではなく、かつ、例えば湿式化学水酸化カリウム（ＫＯＨ）エッチングにより少なくとも一部を形成されることができる。傾斜したリザーバー側壁により、その上に導電性材料を析出することが可能になる。もう一つの変形において、半導体加工の業界で既知のダマシン処理により形成することもできる。ダマシン処理は、結合線またはパッドにより現れるステップアップおよびステップダウン表面地形のない平坦面という利点を提供し、ゆえに後述のように分離およびカバー基板の結合を容易にする。
【０１７４】
前述の液体クロマトグラフィーの加工手順は、上の具体化した単一モノリシック基板で説明したような複数リザーバーおよび／または複数分離チャネルを含む複数液体クロマトグラフィー装置を含むモノリシックシステムの同時加工に容易に適合および応用することができる。
【０１７５】
さらに、加工手順を単一液体クロマトグラフィー装置に関して説明しているが、この加工手順は同じ装置の大量並列処理を容易にし、かつ可能にする。単一ウエハー上に大量並列処理により加工された複数液体クロマトグラフィー装置またはシステムを、次いで切断または他の方法で分離して複数装置またはシステムにする。
【０１７６】
液体クロマトグラフィー装置の制御をリザーバー電極、充填電極および出口電極を含むものとして前述したが、配置設計を変更することにより、これらおよび／または流路内の液体と電気的に接触した他の電極の任意の好適な組合せを得、かつ容易に加工することができる。さらに、任意のまたは全ての電極を付加的または代替的に分離基板内に設けることができる。加工手順を変更して、カバー基板内に電極を形成することに関して前述した工程と類似または同じ付加工程を含めることにより、分離基板内に電極を形成することができる。
【０１７７】
（カバー基板の分離基板への接合）
前述の通り、任意の好適な方法で、液体クロマトグラフィー装置内に液体を封じ込めかつ絶縁するために、カバー基板を分離基板に密封接合することが好ましい。ケイ素をケイ素へ、またはガラスをケイ素へ接合する例には、陽極接合、ケイ酸ナトリウム接合、共晶接合および融着接合を含む。
【０１７８】
例えば、陽極接合により分離基板をガラス被覆基板に接合するために、分離基板および被覆基板を約４００℃に加熱し、分離基板を陽極（または高電位）として４００〜１２００ボルトの電圧を印加する。さらに、必要な接合電圧は表面酸化物の厚さにより決まるので、必要な接合電圧を減らすために、接合処理の前に分離基板の背側５０５から酸化物フィルムまたは層を除去することが望ましい。例えばフッ素系プラズマ中での無地エッチングにより、酸化物フィルムまたは層を除去することができる。酸化物層全てが除去されるまでエッチングを続ける。エッチングの過剰度は重要ではない。したがって、エッチングは容易に制御され、かつ高収率である。
【０１７９】
接合後の液体クロマトグラフィー装置の本来の機能および電極（もしあれば）を液体クロマトグラフィー装置の外部から利用可能とするような結合パッドおよび／または金属線等の導電性リードスルーの配置設計の提供を確保するために、
いずれの接合方法においても重要な検討事項に、分離およびカバー基板内の部品の整列を含む。もう一つの重要な検討事項は、接合方法の分離およびカバー基板を密閉する能力を損なうかもしれない、加工手順によりできた地形である。例えば、ケイ素またはガラスは容易に変形して金属線またはパッドの形状を追従せず、金属と酸化物の間の境界付近に空隙を残すので、金属線またはパッドにより現れる表面地形の昇段および降段により、その周りに封を形成することが特に困難になる。
【０１８０】
（チップ上への液体クロマトグラフィーおよびエレクトロスプレー装置の一体化）
断面概略図４７は、液体クロマトグラフィー装置６０２を含み、本発明のエレクトロスプレー装置６２０を一体化した液体クロマトグラフィーエレクトロスプレー装置６００で、液体クロマトグラフィー装置６０２の出口オリフィス６１４とエレクトロスプレー装置６２０の入口オリフィス６２２との間に均一な界面を形成したものを示す。単一一体化システム６００は、液体クロマトグラフィー装置６０２の出口オリフィス６１４から出る液体をオンチップでエレクトロスプレー装置６２０の入口オリフィス６２２に移送してエレクトロスプレーを発生させることを可能にする。
【０１８１】
図４７に示す通り、液体クロマトグラフィー装置６０２の入口オリフィス６０６および導入チャネル６０４を、エレクトロスプレー装置６２０に沿ってカバー基板６０８内に形成する。または、液体クロマトグラフィー入口オリフィスおよび導入チャネルを分離基板内に形成することもできる。
【０１８２】
エレクトロスプレーノズル入口６２２にある液体は、液体クロマトグラフィー出口オリフィス６１４付近の分離チャネル６１２内の出口電極６１０に印加された出口電圧である。したがって、エレクトロスプレー入口電極は不要である。
【０１８３】
単一一体化システム６００により、余剰液体体積を最小にするか、または無くし、反応および／または混合等による、液体の望ましくない変化の危険度を減らすという利点を生じる。また、単一一体化システム６００により、顕微鏡レベルでの部品の信頼性のない取扱いおよび取り付けの必要を無くし、ひとつの一体化システム内に液体を収容することにより液体の漏れを最小にするか、または無くすという利点を生じる。
【０１８４】
一体化液体クロマトグラフィーエレクトロスプレーシステム６００を用いて、液体サンプルを質量分析計のサンプリングオリフィスに移送することができる。エレクトロスプレーノズル６２４の電圧に関して適当な電圧に保持する場合には、質量分析計のサンプリングオリフィスは、エレクトロスプレー過程における取出し電極の役目を果たすことができる。液体クロマトグラフィーエレクトロスプレーシステム６００は、液体をエレクトロスプレー６２４から効率的に取り出すために質量分析計のサンプリングオリフィスから１０ｍｍ以内に置かれる。
【０１８５】
（単一チップ上の複数液体クロマトグラフィーエレクトロスプレーシステム）
複数の液体クロマトグラフィーエレクトロスプレーシステム６００を単一チップ上に形成して、様々なサンプルを後の順次分析の共有点に移送する。例えば、図４８は、単一チップ６５０上の複数液体クロマトグラフィーエレクトロスプレーシステム６００の平面図を示し、図４９は、明瞭にするために、分離チャネルを点線で示し、窪み部を無くした、システム６００の領域Ａの詳細図を示す。図の通り、エレクトロスプレー装置６２０の複数ノズル６２４を、単一チップ６５０の中心付近では比較的小さな直径を有する円状に放射状に配置することができる。エレクトロスプレーノズルおよび液体クロマトグラフィーチャネルの大きさにより、複数システムチップ６５０上における複数ノズルの配置される場所が制限される。例えば、複数システムチップに、幅最大５０μｍの９６個のノズルを直径２ｍｍの円の周囲に配置して、ノズルの各対間の間隔が約６５μｍとなるように設けることができる。
【０１８６】
または、液体クロマトグラフィー装置を持たない複数エレクトロスプレー装置のアレイを単一チップ上に形成して、様々なサンプルを後の順次分析の共有点に移送することができる。ノズルを同様にチップの中心付近で比較的小さな直径を有する円状に放射状に配置することができる。単一チップ上のエレクトロスプレーアレイは、単一マイクロチップ上に加工された分離装置等の複数液体移送装置と上流を一体化することができる。例えば、マイクロ液体クロマトグラフィーカラムの放射状に分配したアレイの放射状に分配した出口オリフィスのアレイを、エレクトロスプレー装置の放射状に配分した入口オリフィスと一体化し、ノズルが質量分析計のオリフィスに近い小さな半径に配列される。従って、エレクトロスプレー装置を、複数のサンプル液体の迅速順次分析用に用いることができる。しかし、具体的な用途および／または下流の質量分析計（または他の下流の装置）の性能によるので、複数のエレクトロスプレーは一つずつまたは同時に、エレクトロスプレー装置の全てまたは一部を用いて、一つまたは複数のエレクトロスプレーを発生することができる。すなわち、複数のエレクトロスプレー装置を、並列に、交互に、または個別に作動することができる。
【０１８７】
単一複数システムチップ６５０を完全にシリコン基板内に加工し、それにより前述のよく発達したシリコン加工技術を利用することができる。このような加工技術は、単一複数システムチップ６５０を費用効率の高い方法で加工し、結果としてサンプル間交差汚染を排除するための使い捨て装置として用いるのに見合うコストパフォーマンスとなることを可能にする。さらに、液体クロマトグラフィーエレクトロスプレーシステムの大きさと位置は、加工によってではなく配置設計により決まるので、単一チップ中の複数液体クロマトグラフィーエレクトロスプレーシステムの加工に配置設計を容易に適合させることができる。
【０１８８】
（質量分析計への複数システムチップの接続）
複数システムチップ上で放射状に配分したエレクトロスプレーノズル６２４のアレイを、ノズルをサンプリングオリフィス付近に配置することにより、質量分析計のサンプリングオリフィスと接続することができる。エレクトロスプレーノズル６２４を密接して放射状に構成することにより、その配置を質量分析計のサンプリングオリフィスとを近接させる。
【０１８９】
複数システムチップ６５０をサンプリングオリフィスに関して回転して、エレクトロスプレー用ノズルの１または複数をサンプリングオリフィス付近に配置することができる。次いで、適当な電圧をエレクトロスプレー用ノズルの１または複数に印加する。または、複数システムチップ６５０を質量分析計のサンプリングオリフィスに関して固定して、比較的狭い半径内に集中した全てのノズルをエレクトロスプレー処理のために適当に配置することができる。明らかに、ノズルの再配置の必要を無くすことにより、単一複数システムチップの高度に再現可能かつ迅速な整列および分析速度の増加が可能となる。
【０１９０】
エレクトロスプレー装置６２０の適当な電極に印加した電圧により制御されているので、エレクトロスプレー装置６２０の放射状に分配されたノズル６２４の１個、いくつかまたは全てがエレクトロスプレーを同時に、順番にまたは無作為に発生することができる。
【０１９１】
本発明の具体的かつ好適な実施態様を説明し、かつ図示してきたが、特許請求の範囲にある本発明の精神を離れること無く、変更をすることができることは理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 エレクトロスプレーシステムの概略図である。
【図２】 本発明のエレクトロスプレー装置の斜視図である。
【図３】 図２のエレクトロスプレー装置の平面図である。
【図４】 線４−４における図３のエレクトロスプレー装置の断面図である。
【図５】 本発明のエレクトロスプレーを含むエレクトロスプレーシステムの概略図である。
【図６】 装置の放出面上に複数電極を有するエレクトロスプレー装置の平面図である。
【図７】 線７−７における図６のエレクトロスプレー装置の断面図である。
【図８】 本発明のエレクトロスプレー装置に組み込むフィードバック制御回路の模式図である。
【図９Ａ】 エレクトロスプレー装置の加工手順の一例を示す。
【図９Ｂ】 エレクトロスプレー装置の加工手順の一例を示す。
【図１０Ａ】 エレクトロスプレー装置の加工手順の一例を示す。
【図１０Ｂ】 エレクトロスプレー装置の加工手順の一例を示す。
【図１１】 エレクトロスプレー装置の加工手順の一例を示す。
【図１２】 エレクトロスプレー装置の加工手順の一例を示す。
【図１３Ａ】 エレクトロスプレー装置の加工手順の一例を示す。
【図１３Ｂ】 エレクトロスプレー装置の加工手順の一例を示す。
【図１４】 エレクトロスプレー装置の加工手順の一例を示す。
【図１５】 エレクトロスプレー装置の加工手順の一例を示す。
【図１６】 エレクトロスプレー装置の加工手順の一例を示す。
【図１７】 エレクトロスプレー装置の加工手順の一例を示す。
【図１８】 エレクトロスプレー装置の加工手順の一例を示す。
【図１９】 エレクトロスプレー装置の加工手順の一例を示す。
【図２０Ａ】 エレクトロスプレー装置の加工手順の一例を示す。
【図２０Ｂ】 エレクトロスプレー装置の加工手順の一例を示す。
【図２０Ｃ】 エレクトロスプレー装置の加工手順の一例を示す。
【図２０Ｄ】 エレクトロスプレー装置の加工手順の一例を示す。
【図２０Ｅ】 エレクトロスプレー装置の加工手順の一例を示す。
【図２０Ｆ】 エレクトロスプレー装置の加工手順の一例を示す。
【図２０Ｇ】 エレクトロスプレー装置の加工手順の一例を示す。
【図２１Ａ】 エレクトロスプレー装置の入口オリフィスから離して置いた、液体サンプルをエレクトロスプレー装置の入口オリフィスへ移送するための圧電ピペットの断面図である。
【図２１Ｂ】 液体サンプルをエレクトロスプレー装置の入口オリフィスへ、エレクトロスプレー装置の入口オリフィスへの取り付けに先立ち移送するキャピラリーの断面図である。
【図２２】 上流の液体移送装置および液体移送装置と均一な界面を有するエレクトロスプレー装置を有する単一一体化システムの概略図である。
【図２３Ａ】 反応ウェル区画および娘基板を含む、チップ型の組合せ化学システムの分解斜視図である。
【図２３Ｂ】 図２３Ａのチップ型の組合せ化学システムの線２３Ｂ−２３Ｂにおける断面図である。
【図２４Ａ】 一体化シリコンチップ型のノズルから発せられる実際のテイラーコーンの写真である。
【図２４Ｂ】 一体化シリコンチップ型のノズルから発せられる実際のテイラーコーンの写真である。
【図２４Ｃ】 それぞれ、図２４Ａおよび２４Ｂのエレクトロスプレー装置および質量分析システムの斜視図および側断面図である。
【図２４Ｄ】 それぞれ、図２４Ａおよび２４Ｂのエレクトロスプレー装置および質量分析システムの斜視図および側断面図である。
【図２４Ｅ】 水５０％、０．１％のギ酸と０．１％のアセトニトリルと２ｍＭの酢酸アンモニウムとを含むメタノール５０％にＰＰＧ４２５を０．１μｇ／ｍＬ入れ、流速３３３ｎＬ／分で捕集した質量スペクトルである。
【図２５Ａ】 本発明のエレクトロスプレー装置と均一に一体化するための液体クロマトグラフィー装置の分解斜視図である。
【図２５Ｂ】 図２５Ａの液体クロマトグラフィー装置の線２５Ｂ−２５Ｂにおける断面図である。
【図２６】 チップ外の装置とチップ外相互接続を形成する出口オリフィスを有する液体クロマトグラフィー装置の平面図である。
【図２７】 チップ上の装置とチップ上相互接続を形成する出口オリフィスを有する液体クロマトグラフィー装置の平面図である。
【図２８】 別の構成を有する液体クロマトグラフィー装置の断面図である。
【図２９】 別の構成を有する液体クロマトグラフィー装置の断面図である。
【図３０】 別の構成を有する液体クロマトグラフィー装置の平面図である。
【図３１】 別の構成を有する液体クロマトグラフィー装置の平面図である。
【図３２】 別の構成を有する液体クロマトグラフィー装置の平面図である。
【図３３】 別の構成を有する液体クロマトグラフィー装置の平面図である。
【図３４】 別の構成を有する液体クロマトグラフィー装置の平面図である。
【図３５】 別の構成を有する液体クロマトグラフィー装置の平面図である。
【図３６Ａ】 液体クロマトグラフィーの加工手順の一例である。
【図３６Ｂ】 液体クロマトグラフィーの加工手順の一例である。
【図３７Ａ】 液体クロマトグラフィーの加工手順の一例である。
【図３７Ｂ】 液体クロマトグラフィーの加工手順の一例である。
【図３８】 液体クロマトグラフィーの加工手順の一例である。
【図３９Ａ】 液体クロマトグラフィーの加工手順の一例である。
【図３９Ｂ】 液体クロマトグラフィーの加工手順の一例である。
【図４０Ａ】 液体クロマトグラフィーの加工手順の一例である。
【図４０Ｂ】 液体クロマトグラフィーの加工手順の一例である。
【図４１】 液体クロマトグラフィーの加工手順の一例である。
【図４２】 液体クロマトグラフィーの加工手順の一例である。
【図４３】 液体クロマトグラフィーの加工手順の一例である。
【図４４Ａ】 液体クロマトグラフィーの加工手順の一例である。
【図４４Ｂ】 液体クロマトグラフィーの加工手順の一例である。
【図４４Ｃ】 液体クロマトグラフィーの加工手順の一例である。
【図４５】 液体クロマトグラフィーの加工手順の一例である。
【図４６Ａ】 液体クロマトグラフィーの加工手順の一例である。
【図４６Ｂ】 液体クロマトグラフィーの加工手順の一例である。
【図４６Ｃ】 液体クロマトグラフィーの加工手順の一例である。
【図４７】 エレクトロスプレーと均一に一体化した液体クロマトグラフィーを含むシステムの断面図である。
【図４８】 図４７のシステムの平面図である。
【図４９】 図４７のシステムの詳細図である。

Claims (42)

1. モノリシック基板と複数の電極を有し、
   前記モノリシック基板は、注入側上に位置する複数の入口オリフィスと、注入側とは反対側の放出面上に位置する複数のノズルと、各々がモノリシック基板を連続的に貫通して延び、複数の入口オリフィスの１つ及びこれに対応する複数のノズルの１つとを連通する複数のチャネルと、放出面より窪み各ノズルを囲む領域を具えるとともに、前記複数のノズルを、質量分析装置インターフェースに複数の被分析試料を放出するためのアレイ内に配置してなり、
   前記電極は、各ノズルに電場を発生しかつ制御してノズルからの被分析試料の放出を質量分析装置の許容領域内に向けるための電位を適用する、ことを特徴とするエレクトロスプレー装置。
2. 前記面を前記基板から電気的に絶縁するために、前記チャネルの少なくとも内面、並びに前記ノズルの内面及び外面にわたり設けられた絶縁層をさらに含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記絶縁面は酸化ケイ素である、請求項２に記載の装置。
4. 前記酸化ケイ素はケイ素の熱酸化により形成される、請求項３に記載の装置。
5. 前記酸化ケイ素は析出技術により形成される、請求項３に記載の装置。
6. 前記ノズルは前記放出面と同一平面上又はこれより低い位置にある、請求項１に記載の装置。
7. 前記複数のノズルのアレイは前記放出面上に円形状に配置される、請求項１に記載の装置。
8. 前記円形状は、幅最大５０μｍの９６個のノズルを直径２ｍｍの円の周囲に配置して、ノズルの隣接する各対間の間隔が６５μｍとなるようにすることを含む、請求項７に記載の装置。
9. 少なくとも１つの入口オリフィスと液連通した流路をさらに具え、前記装置が液体を入口オリフィスに送る、請求項１に記載の装置。
10. 前記流路は、キャピラリー、チップ及びマイクロピペットからなる群より選択される、請求項９に記載の装置。
11. 基板はケイ素である、請求項１に記載の装置。
12. 複数のノズルは、質量分析装置の許容領域内で回転可能である、請求項１に記載の装置。
13. 複数のノズルは、質量分析装置の許容領域に対して固定された位置にある、請求項１に記載の装置。
14. 各ノズルに電場を発生しかつ制御するにあたり、１つ、２つ以上又は全てのノズルで、エレクトロスプレーが同時、順次又は無作為に発生する、請求項１に記載の装置。
15. （ａ）注入面と放出面を持ったエレクトロスプレー基板、
    （ｂ）注入面と放出面を連通するチャネル、
    （ｃ）チャネルの注入面端に位置する入口オリフィス、
    （ｄ）チャネルの放出面端に位置する出口オリフィス、
    （ｅ）出口オリフィス及びチャネルの放出面端の周囲の基板に形成され、電界線を集中するための物理的隆起を有するノズルを形成する、前記放出面より窪んだ窪み領域、及び
    （ｆ）窪み領域の周囲にあり、窪み領域によりノズルから物理的に隔離されたグリッド面領域
    を具えることを特徴とするエレクトロスプレー装置。
16. グリッド面領域の少なくとも一部と重なり、基板から電気的に絶縁された電極をさらに具える、請求項１５に記載の装置。
17. 互いに電気的に絶縁されており、基板からも電気的に絶縁されており、グリッド面領域の一部と重なっている複数の電極をさらに具える、請求項１５に記載の装置。
18. ノズルの放出面端は基板の放出面と同一高さにある、請求項１５に記載の装置。
19. ノズルの放出面端は基板の放出面よりも低い、請求項１５に記載の装置。
20. 前記入口オリフィスと液連通した注入装置をさらに具える、請求項１５に記載の装置。
21. 前記注入装置は、キャピラリー、チップ及びマイクロピペットからなる群より選択される、請求項２０に記載の装置。
22. チャネルに導入されるべき液体と接触し、前記液体に電圧を印加する電極をさらに具える、請求項１５に記載の装置。
23. 前記電極は注入面近傍で基板に取り付けられる、請求項２２に記載の装置。
24. 前記電極は基板の外部にある、請求項２２に記載の装置。
25. 注入面は基板の一方の側面にあり、放出面は基板の他方の側面にあり、チャネルは注入面から放出面までにわたり基板を完全に貫通する、請求項１５に記載の装置。
26. 注入面及び放出面はいずれも基板の同一の側面にある、請求項１５に記載の装置。
27. 前記ノズルは５０，０００μｍ２以下の断面積を有する、請求項１５に記載の装置。
28. 前記チャネルの入口オリフィスを囲むウエルをさらに具える、請求項１５に記載の装置。
29. チャネル表面、基板の注入面、基板の放出面及びノズルにわたり設けられた絶縁層をさらに具える、請求項１５に記載の装置。
30. 窪み領域にわたり設けられた絶縁層をさらに具え、前記絶縁された窪み領域はグリッド面とノズルの間の電気的な絶縁を与える、請求項１５に記載の装置。
31. 基板がケイ素を含み、絶縁層が酸化ケイ素を含む、請求項２９又は３０に記載の装置。
32. ａ）注入面と放出面を持ったエレクトロスプレー基板、
    （ｂ）注入面と放出面を連通する複数のチャネル、
    （ｃ）各チャネルの注入面端に位置する入口オリフィス、
    （ｄ）各チャネルの放出面端に位置する出口オリフィス、
    （ｅ）出口オリフィス及び各チャネルの放出面端の周囲の基板に形成され、電界線を集中するための物理的隆起を有するノズルを形成する、前記放出面より窪んだ窪み領域、及び
    （ｆ）各窪み領域に関連付けられており、それぞれの窪み領域により各ノズルから物理的及び電気的に絶縁されたグリッド面領域
    を具えることを特徴とするエレクトロスプレー装置。
33. ノズルの放出面端は基板の放出面と同一高さにある、請求項３２に記載の装置。
34. ノズルの放出面端は基板の放出面よりも低い、請求項３２に記載の装置。
35. 前記基板の注入面に複数のウエルをさらに具え、それぞれのウエルが複数のチャネルのうちの１つの入口オリフィスに対応しこれを囲む、請求項３２に記載の装置。
36. 前記複数のノズルは基板の放出面上に円形状に配置される、請求項３２に記載の装置。
37. （ａ）モノリシック基板、
    （ｂ）一方の端部が基板の表面で出口オリフィスに連通する第１チャネル、及び
    （ｃ）前記第１チャネルを囲むようにして基板の表面に形成され、エレクトロスプレーを放出し、電界線を集中するための物理的隆起を有するノズルを形成する、放出面より窪んだ窪み部
    を具えることを特徴とするエレクトロスプレー装置。
38. 一方の端部が、第１チャネルの出口オリフィスと同一の基板表面にある出口オリフィスと連通しており、チャネルの平面アレイを形成する複数の付加的チャネルをさらに具え、各チャネルは、基板の表面に形成された窪み部を有しており、エレクトロスプレーの放出されるノズルを形成している、請求項３７に記載の装置。
39. 基板がモノリシックシリコンである、請求項３７に記載の装置。
40. ノズルの断面積が５０，０００μｍ２未満である、請求項３７に記載の装置。
41. 液体のエレクトロスプレーを発生する方法であって、該方法が、
    注入側を有するモノリシックエレクトロスプレー基板を、放出面とは反対側の平面側に設け、このモノリシック基板が、注入側にある入口オリフィスと、放出面にあるノズルと、モノリシック基板を連続的に貫通して延び、入口オリフィス及びノズルと連通するチャネルと、放出面より窪みノズルを包囲する領域を画定し、
    前記入口オリフィスを通して前記チャネルに液体を導入し、
    第１電極を該液体と電気的に接触させ、
    第１ポテンシャル電圧を該液体に印加し、
    該ノズルを取り出し電極に隣接するように配置し、かつ
    該第１ポテンシャル電圧とは異なる第２ポテンシャル電圧を該取り出し電極に印加し、または取り出し電極を第２ポテンシャル電圧に保持することにより、該ノズルを通して該チャネルから該液体を放出する、ことを含むことを特徴とする方法。
42. 第２電極を前記モノリシック基板と電気的に接触させ、かつ前記第１ポテンシャル電圧とは異なる第３ポテンシャル電圧を該第２電極に印加することを更に含む、請求項４１に記載の方法。

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