JP2001510568A - フローセル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 混合される流体を受容するための第１および第２の入口ならびに共通の混合流体出口を有するミキサーと、ミキサーの出口に連結されている入口および出口を有するチャンバを規定するボディと、流体を所定の流量でミキサーの入口に送達するための手段とを含むフローセル。窓が、チャンバの少なくとも１つの壁に形成され、この窓を通してチャンバ内の混合流体が観測され得る。ミキサーの入口および出口は、共通のジャンクションで相互に連結されており、また、流体フローがジャンクションの直ぐ上流および下流において所定の流量にて乱流となるように寸法決めされ、チャンバの隔間された部分と並行に連通し、また、流体フローがチャンバの直ぐ上流において所定の流量にて層流となるように寸法決めされた複数の導管によって、チャンバの入口が規定される。

Description

【発明の詳細な説明】 フローセル 本発明は、生物反応および化学反応をモニターするための、特にＸ線散乱を用 いて反応をモニターするためのフローセル（ｆｌｏｗ ｃｅｌｌ）に関する。 フローセルは、サンプルと試薬との間の反応のダイナミクスの時間領域測定（ ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ｍａｓｕｒｅｍｅｎｔ）を行うために使用される。代 表的には、サンプルおよび試薬が一緒に供給され、混合されて反応混合物を生成 し、その後、数ミリ秒の混合で観測チャンバに供給される。サンプルと試薬との 間の反応のダイナミクスは、観測チャンバの窓に方向付けられるＸ線または他の エネルギーのより低い光子の反応混合物による散乱をモニターすることによって 測定される。 試薬の混合と反応混合物の観測チャンバへのポンプ送りとの間に経過する時間 （「無駄時間」として知られる）は、フローセルの操作に制限を与える。フロー セルの無駄時間と同じか、より短いタイムスケールを有する反応のダイナミクス は、このようなフローセルを用いて正確にモニターされ得ない。従って、サンプ ルと試薬との適切な混合を行い、最小限の無駄時間で試薬を観測チャンバに輸送 するフローセルに対する絶え間の無い要望が存在する。 サンプルおよび試薬を供給する２つの方法が、既存のフローセルにおいて用い られている。第１の方法は、圧縮ガスによって駆動されるシリンジを用いてサン プルおよび試薬を推進させる方法である。しかしながら、シリンジの可動部品の 慣性および試薬の慣性が付随し、操作中のセル内の圧力は結果として高くなる（ 代表的には３．５ｂａｒ（バール））。シリンジ駆動セル内で作用する圧力の結 果として、観測チャンバの窓を厚くする必要があり（通常、石英製）、これを通 過するＸ線の減衰をもたらす。この減衰は、窓からの散乱Ｘ線の強度を減少させ 、測定感度を減少させ、よって、満足な分析結果を得るために必要とされる繰返 し測定の数を増加させる。従って、シリンジによる試薬推進法は、Ｘ線散乱と共 に用いられるフローセルに対しては好ましくない。 サンプルおよび試薬を一緒に供給する別の方法は、電磁式バルブを介して混合 点に連結されている独立したリザーバ内で、サンプルおよび試薬の各々を圧力下 （通常、約１ｂａｒ）で保持する方法である。電磁式バルブは、所定長さの時間 でトリガーされ（開かれ）、サンプルおよび試薬を混合点を通じて観測チャンバ に流す。シリンジバルブの場合とは対照的に、試薬の慣性とバルブはほぼ切り離 される。従って、単純な電磁式バルブに基づくフローセルにおける圧力は、シリ ンジに基づくデバイスにおける圧力よりもはるかに低く保持され得、より薄い観 測チャンバ窓（例えば、２０μｍのマイカ）を用いることができ、これは、散乱 Ｘ線の減衰を小さくさせる。フローセル内の圧力を減少させることの更なる利点 は、観測チャンバの窓の歪を減少させることである。これは、Ｘ線の偏光に影響 されやすい測定に対して特に重要である。なぜなら、高圧によってもたらされる 歪が、窓の複屈折を起こし、よって測定に影響するからである。 フローセルの最も重要な点は、試薬の混合効率と、得られる反応混合物がその 後に乱流から層流に変わるスピードとである。反応混合物（そのフローは、観測 チャンバに到達する際には実質的に層流である）が、チャンバを均一に充填する が、これは非常に望ましい状態である。 現在、いくつかのタイプのミキサーが種々のフローセルに用いられている。第 １のミキサーは、「Ｔ」字形ミキサーとして知られ、対向する方向から入口に沿 ってサンプルおよび試薬が流れ、衝突し、出口の方へ方向転換される。Ｔ字形ミ キサーは、ミキサーでの流体の流量が十分に乱れた流れを生じさせるのに十分な ものである場合に有効である。この混合タイプの有効性は、観測チャンバをこの ようなミキサーの上方に直接に取りつけることによって、良好なフローセルが容 易に構成され得ることにあると言えるであろう。しかしながら、これは、サンプ ルおよび試薬の反応混合物の流れの前方部が凸状プロフィールで前進する場合、 観測窓の充填が常に不均一となるので使用できない。この問題を回避する１つの 方法は、常套の４−ジェットミキサーを「Ｔ」字形ミキサーと観測チャンバとの 間に導入することである。市販で入手可能な４−ジェットミキサーは、Ｄｕｒｒ ｕｍ−Ｇｉｂｓｏｎミキサーと呼ばれる、単一の入口を有するものである。この 単一の入口は、４個のより小さい入口に分割され、その後、単一の出口へ再合流 する。４−ジェットミキサーは、観測チャンバよりも上流での体積が増加し、従 って、４−ジェットミキサーが備えられるフローセルの無駄時間を増加させると いう本質的な欠点を有する。Ｔ字形ミキサーおよび４−ジェットミキサーの両方 を組み込んだフローセルが、Ｆｏｗｌｅｒら（１９８３年、Ｊ．Ｂｉｏｃｈｅｍ ．Ｂｉｏｐｈｙｓ．Ｍｅｔｈ．７：３１７）によって、また、Ｂｅｒｔｈｅｔ− Ｃｏｌｏｍｉｎａｓら（１９８４年、Ｒｅｖｕｅ Ｐｈｙｓ．Ａｐｐｌ．１９： ７６９）によって開発された。Ｂｅｒｔｈｅｔ−Ｃｏｌｏｍｉｎａｓのフローセ ルはまた、５本の導管から成る並行アレイを含み、この導管は、サンプルおよび 試薬を４−ジェットミキサーから観測チャンバに送る。この構成は、観測チャン バを横切る反応混合物の「ストリーミング（ｓｔｒｅａｍｉｎｇ）」という問題 がある。この場合、反応混合物はチャンバを適切に充填せず、その代わりに入口 から出口へ直接的に前進し、観測チャンバの中央領域のみを通過する。 凸状の注入前方部を排除するための異なるアプローチは、Ｎａｇａｍｕｒａら （１９８５年、Ｊ．Ｂｉｏｃｈｅｍ．Ｂｉｏｐｈｙｓ．Ｍｅｔｈ．１１：２７７ ）によって、「スリット」ミキサーを用いて行われた。ここで、サンプルおよび 試薬は、矩形断面を有する入口に沿って流れ、点というよりも線で合流する。ス リットミキサーからの反応混合物の流れは、混合物が観測チャンバに入る時に実 質的に層流であり、従って、観測チャンバの充填は、Ｔ字形ミキサーを用いる場 合よりも均一である。しかしながら、実際にはスリットミキサーは、良好な混合 に必要とされる乱流を提供できないという問題がある。この問題は、Ｎａｇａｍ ｕｒａらにより、１４のＴ字形ミキサーのアレイを用いてスリットミキサーに近 づけることによって克服された。この構成は、発表されたデータからは上手く機 能するように思われるが、ミキサーを構成する非常に細い入口および出口を有す る複雑なアレイが、最終的な流量を制限し、よって、達成され得る無駄時間を制 限する。入口および出口はまた、閉塞されやすく、ミキサーの信頼性を低下させ る。 本発明の目的は、上記の欠点を克服するか、実質的に軽減するフロー（流れ） を提供することにある。 本発明によれば、混合される流体を受容するための第１および第２の入口なら びに共通の混合流体出口を有するミキサーと、ミキサーの出口に連結されている 入口および出口を有するチャンバを規定するボディ（または本体）と、流体を所 定の流量（または流れの割合）でミキサーの入口に送達（または供給）するため の手段とを含み、窓が、チャンバの少なくとも１つの壁に形成され、この窓を通 してチャンバ内の混合流体が観測され得るフローセルであって、ミキサーの入口 および出口は、共通のジャンクションで相互に連結されており、また、流体フロ ーがジャンクションの直ぐ上流および下流において所定の流量にて乱流となるよ うに寸法決めされ、チャンバーの隔間された部分と並行に連通し、また、流体フ ローがチャンバの直ぐ上流において所定の流量にて層流となるように寸法決めさ れた複数の導管によって、チャンバの入口が規定されているフローセルが提供さ れる。 好ましくは、チャンバの入口を規定する複数の導管が、ファンの形態（または 扇形）に配置された５個の導管を含み、この導管を通じて、ミキサーの出口から 流れる混合流体が、チャンバにわたって広がる部分に分配される。 好ましくは、チャンバからの出口は、チャンバの入口と同様の寸法を有し、出 口の導管は集合点に到り、この集合点から混合流体がアウトプット導管を通じて 流れ、アウトプット導管は、アウトプット導管内のフローが所定の流量にて乱流 となるように寸法決めされ、アウトプット導管における混合流体の層流から乱流 への遷移は背圧をもたらし、この背圧は出口を通じてチャンバへ戻る方向に作用 する。 適切には、混合される流体は、リザーバ内に保持され、ミキサーへの入口に配 置されるバルブの作動の際にミキサーへ流れる。この流れ（すなわちフロー）は 、リザーバ内の圧力によって得られる。 適切には、バルブが電子式コントローラからの信号の結果として作動され、各 バルブを開いている持続時間が、独立してコントロール可能であり、よって混合 比を変化させる。同期化された停止フローを提供するために、一方のバルブの開 はもう一方のバルブの開に対して遅らせてもよい。 好ましくは、混合される流体を含有するリザーバ内の圧力は、３ｂａｒ未満で ある。 最も好ましくは、混合される流体を含有するリザーバ内の圧力は、１ｂａｒで ある。 本発明は、ミキサーに到達する前に流体が乱流で流れ、これによりミキサーに よる流体の良好な混合を促進するという利点を有する。観測チャンバに通じる導 管の配置と、導管内の混合流体フローが層流であるということとは、混合流体が 均一なプロフィールでチャンバの窓を横切って到達することを確保する。混合流 体の分配は、チャンバの均一な充填をもたらし、反応混合物の、チャンバの中心 領域を横切る「ストリーミング」の問題を防止する。 本発明の特定の実施態様を添付の図面を参照しながら説明する： 図１は、本発明によるフローセルおよびこれに関連するリザーバの概略図であ る； 図２は、図１のフローセルのバルブを操作するために用いられるトリガーパル スの概略図解である；ならびに 図３は、図１のミキサーおよび観測チャンバの拡大図である。 図１を参照して、フローセルは、サンプルと試薬とをそれぞれ含有するリザー バ１を含み、このサンプルおよび試薬はバルブ２を通ってミキサー３へ流れる。 得られる反応混合物は、ミキサー３から観測チャンバ４へ輸送され、観測チャン バ４では、放射源（図示せず）からのＸ線の反応混合物による散乱がモニターさ れる。 試薬およびサンプルが、約１ｂａｒの加圧下で各リザーバ１に保持される。各 リザーバ１の底部からの導管５は、試薬およびサンプルを電磁バルブ（またはソ レノイド・バルブ）２に送る。この電磁バルブは通常は閉じた状態にある。電子 式バルブ・コントローラ（図示せず）が、ミキサー３において必要とされるサン プルの試薬に対する比を提供するように、バルブ２の各々を開閉する。バルブ・ コントローラの操作は、異なるサンプルおよび試薬粘度、およびサンプルの試薬 に対する所望の比を考慮し、選択された量のサンプルおよび試薬をミキサーに供 給するようにバルブ２の開閉を時間調整する。 バルブ・コントローラは、データ取得システム（図示せず）から受け取ったパ ルスの立上り縁（またはリーディングエッジ）に応答してトリガーパルスを生じ る。試薬バルブが、トリガーパルスの立上り縁に応答して開き、サンプルバルブ が、トリガーパルスの立下り縁（またはトレーリングエッジ）に応答して開き、 両方のバルブは、トリガーパルスの立下り縁の後に所定の期間で閉じる。従って 、トリガーパルスの長さを変化させることによって、一方のバルブ２が開くのを 他方に対して遅らせることができ、両方のバルブは同時に閉じる。図２は、単一 の停止フロー・ショット（ｓｔｏｐｐｅｄ−ｆｌｏｗ ｓｈｏｔ）の間にバルブ ２を操作するために用いられるパルスの例を示す。トリガーパルスの長さを変化 させることによって、チャンバ４に送達される混合物中のサンプルの試薬に対す る所望の比が得られるように、各バルブ２の開閉をコントロールすることが可能 となる。 ミキサー３および観測窓４を図３により詳細に示す。電磁バルブ２が開いた状 態にある場合には、サンプルおよび試薬は、１ｂａｒの圧力下でリザーバ１から 入口６を通ってミキサー３へ流れる。ミキサー３は、「Ｔ」字形ミキサーであり 、ここで、サンプルおよび試薬は、入口６に沿って反対方向から送られ、正面衝 突し、そして出口７へ向かって９０度曲げられる。 ミキサー３の直ぐ近くに隣接する各入口６の部分は、減少した直径を有してい る。この減少した直径は、試薬とサンプルをより迅速に流れさせ、それらのフロ ーがＴ字形ミキサー３に到達する前に乱流になることを確保する（代表的なレイ ノルズ数は、３０００以上である）。サンプルおよび試薬は互いに接近して衝突 し、その後出口７に向かって９０度曲げられる。出口７の直径は、出口に沿った フローもまた乱流であることを確保するのに十分なほど狭い。ミキサー３の直ぐ 近くの上流および直ぐ近くの下流において、フローが乱流であるという事実は、 最も重要である。なぜなら、これは、サンプルおよび試薬が反応混合物を生成す るために十分に混合されることを確保するからである。 ミキサー３の直ぐ上方において、出口７は分配チャネルへ通じ、この分配チャ ネルは、観測チャンバ４に通じる５個の導管８からなる「ファン状物（または扇 形様物）」をもたらす。導管８の直径は、各導管８を通る反応混合物フローの速 度がこのフローを層流とする程度に十分に小さく、従って、反応混合物は、層流 で観測チャンバ４に到達するような大きさである。反応混合物は、導管８からな るファン状物によって観測チャンバ全体に亘って均一に分配される。これに対し て他のフローセルの場合には、混合物は観測チャンバの中心部分を横切る「スト リーミング」となる傾向にある。観測チャンバ４への到達の際に、反応混合物中 の反応のダイナミクスは、チャンバ４の壁にあるマイカ窓９を通じて照射される Ｘ線ビームの、混合物による散乱を検出することによってモニターされる。 反応混合物は、５個の導管１０からなる第２のファン状物を通って観測チャン バ４から除去される。この第２のファン状物は、チャンバ４において混合物を分 配する導管８からなるファン状物と同じである。５個の導管１０は集合点１１に 集まり、混合物は、この集合点１１から狭い直径を有する出口１２へ流れる。出 口１２の狭い直径は、反応混合物フローを層流から乱流へ変化させる。この変化 は、背圧を導管１０からなるファン状物に沿って観測チャンバに提供し、これは 、観測チャンバ４の内部での反応混合物のキャビテーション（すなわち気泡形成 ）を防止するように働く。 サンプルと試薬との混合と、得られる反応混合物の観測チャンバ４への到達と の間の時間（無駄時間）は、本発明のこの実施態様については０．８ミリ秒と測 定された。この短い無駄時間は、観測チャンバ４に混合物を送る導管８からなる ファン状物をミキサー３よりも約１ｍｍだけ下流に配置することによって、部分 的に達成される。 観測チャンバ４が充填されるレートは、反応混合物が推進されるところの圧力 に依存する。好ましい実施態様においては、充填レートの増加は、圧力を０．７ ５ｂａｒから１ｂａｒに増加した場合に達成された。圧力の更なる増加は、無視 できる程度の充填レートへの影響を有した。 本発明の例示の実施態様は、１：１〜１：９の範囲の比でサンプルと試薬とを 混合するのに適していることが判明した。 上記のものとは別のバルブ・コントロール・システムももちろん使用可能であ る。本質的にはバルブは、互いに独立して、あるいはこれらを同時に開くか、同 時に閉まる構成とすることによって、操作され得る。各バルブが開いている時間 の長さもまたコントロールされる。このバリエーションは、一方のバルブを立上 り縁でトリガーし、他方のバルブを立下り縁でトリガーするような方形パルスの 立上り縁でバルブをトリガーすることによって行われる。方形パルスの長さとバ ルブの開時間は、所望の効果を得るために変化させられる。この柔軟性が要求さ れる理由は、広範囲のサンプルおよび試薬粘度に亘って、混合比（例えば、１： １〜２０：１）のコントロールを可能にするためである。初期フローが、前のセ ル内容物を除去するために主に働き、実際には要求される反応物比にはない可能 性があるので、セルを通って流れる混合物の量は、セルの体積よりも大きい。フ ローが停止したときに測定が開始される。トライアル・アンド・エラー・プロセ ス（試行錯誤法）によってオフラインで、実験前に混合比を設定してもよい。こ れは、サンプルまたは試薬のいずれかに染料を混合し、染料に対して適切な波長 を有する光の吸収によって観測セル内の染料の最終濃度を測定することにより達 成され得る。 上記の説明は、Ｘ線と共に使用される停止フローセル（ｓｔｏｐｐｅｄ−ｆｌ ｏｗ ｃｅｌｌ）に関するが、フローセルは、例えば円二色性（または円偏光二 色性）を調べるために紫外光と共に使用するのにも適している。紫外光と共に用 いるためには、観測チャンバの窓は、「スペクトロシル（ｓｐｅｃｔｒｏｓｉｌ ）」窓に換えなければならない。連続フロー条件での本発明の用途もまた存在し 得るが、成分の一貫した混合を確保することについての注意が必要とされるであ ろう。停止フローでの用途においては、バルブにより供給される流体のほとんど は、デバイス内で乱流によって十分に混合され、混合比は、バルブにより供給さ れる流体の体積から正確にわかる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，Ｍ Ｗ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ， ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，Ｅ Ｓ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ，ＩＤ ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ， ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，Ｍ Ｇ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ， ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，Ｖ Ｎ，ＹＵ，ＺＷ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．混合される流体を受容するための第１および第２の入口ならびに共通の混合 流体出口を有するミキサーと、ミキサーの出口に連結されている入口および出口 を有するチャンバを規定するボディと、流体を所定の流量でミキサーの入口に送 達するための手段とを含み、窓が、チャンバの少なくとも１つの壁に形成され、 この窓を通してチャンバ内の混合流体が観測され得るフローセルであって、ミキ サーの入口および出口は、共通のジャンクションで相互に連結されており、また 、流体フローがジャンクションの直ぐ上流および下流において所定の流量にて乱 流となるように寸法決めされ、チャンバの隔間された部分と並行に連通し、また 、流体フローがチャンバの直ぐ上流において所定の流量にて層流となるように寸 法決めされた複数の導管を相互に連結しているチャネルによってチャンバの入口 が規定され、ならびに、チャンバの入口のチャネルがジャンクションの直ぐ下流 においてミキサーの出口に連結されている、フローセル。 ２．チャンバの入口を規定する複数の導管が、チャンバの入口のチャネルから分 配点にチャンバにわたって広がった点に向かって分かれている導管である、請求 の範囲第１項に記載のフローセル。 ３．チャンバからの出口が、チャンバの入口と同じ構成を有する、請求の範囲第 １または２項に記載のフローセル。 ４．チャンバからの出口が、アウトプット導管内のフローが所定の流量にて乱流 となるように寸法決めされる、請求の範囲第１、２、または３項に記載のフロー セル。 ５．サンプルおよび試薬が、リザーバ内に保持され、ミキサーへの入口に配置さ れるバルブの作動の際にミキサーへ流れる、前記請求の範囲のいずれかに記載の フローセル。 ６．バルブが、電子式コントローラからの信号の結果として作動され、バルブの 開時間が、混合比および一方のバルブの開ともう一方のバルブの開との間の遅れ をコントロールするために独立してコントロール可能である、請求の範囲第５項 に記載のフローセル。 ７．リザーバが加圧下にある、請求の範囲第５または６項に記載のフローセル。 ８．サンプルを含有するリザーバ内の過剰の圧力が、１ｂａｒである、請求の範 囲第７項に記載のフローセル。 ９．添付の図面を参照しながら明細書中で説明したものと実質的に同じであるフ ローセル。 １０．添付の図面を参照しながら明細書中で説明したものと実質的に同じである フローセルを用いる流体の分析方法。