JP2005161310A - 容器中でピストン運動により微粒子をバラバラにすることによる集塊粉砕装置 - Google Patents

Abstract

【課題】懸濁液中の粒子の集塊を粉砕するための装置を提供する。
【解決手段】本装置は、懸濁液を受け入れるための容器2と、狭窄部を画定する少なくとも１つの懸濁液のための流路12によって１つに連結された、容器2のシリンダーチャンバー4の２つの空間領域16、18の間で懸濁液を動かすために、容器2の中を特に往復方式で動くことができる少なくとも１つのピストン6とを有している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、懸濁液中に存在する粒子の集塊を粉砕するための装置に関する。

懸濁液は様々な技術分野、特に化学分野で使われている。すなわち、例えば、検査すべきサンプルの特定の被検成分（アナライト）と結合することができ測定システムにより検出することができる捕獲分子（例えばDNA）が表面に固定されている微粒子、いわゆるビーズの懸濁液が、医療診断分野において分析目的のために使用されている。しかしながら、これらの診断用途および分析用途ならびにその他の懸濁液の用途分野においては、それらのそれぞれの液体に分散された固体微粒子が、集塊を形成するという問題がある。これは、なかでも、これら微粒子間に働く静電気力およびファンデルワールス相互作用によって引き起こされる。これらの集塊は、それぞれの用途において懸濁液の至適な利用を害することがある。

集塊の生成に対抗することが意図された、またすでに存在している集塊を粉砕することが意図された装置および方法が公知である。この目的のために、なかでも、例えば撹拌用具（スターラー）のような通常の混合装置が用いられる。懸濁液を撹拌すると、撹拌運動により、微粒子間に働く引力に対抗する力が微粒子の集塊に働く。特にこの撹拌運動は、剪断流れを発生させ、これが次に剪断力を発生させ、これが集塊に作用して、集塊のサイズを小さくする。

これまでに知られている装置および方法は、それらが、一部の用途に対して、懸濁液中の集塊を十分な程度に粉砕することができないという欠点を有している。これらの既知の撹拌装置では、非常に長い撹拌時間が容認されなければならないか、または非常に速い撹拌速度が必要である。これらはいずれも、一部の用途にとっては、特に、その時間効率が低いことと、微粒子に結合され得るその用途に特異的な試薬がこの撹拌工程によって微粒子から引き離され得ることから、不都合なことである。

K. Higashitani, Proceedings of Second World Congress PARTICLE TECHNOLOGY, Sept. 19-22, 1990, Kyoto, Japan の論文「応用化学の分散性[Dispersibility of Applied Chemistry]」から、流れの加速度をもった伸張流れ[extensional flow]および軸方向流れ[longitudinal flow]を用いて集塊を粉砕することができることは公知である。この伸張流れの結果集塊に働く水力学的な力により、集塊の粉砕が実質的に改善される。この伸張流れを発生させるためには、懸濁液は、例えば開口部、すなわち懸濁液の流路における狭窄部を通過させなければならない。

本発明の課題は、懸濁液中の集塊のサイズをより効果的に小さくするのに用いることができる、先行技術に比べて改良された装置を提供することである。

本発明による、懸濁液中の粒子の集塊を粉砕するための装置は、懸濁液を受け入れるための容器、および、狭窄部を画定する少なくとも１つの懸濁液のための流路により互いに連結された、容器の中空空間構造部の２つの空間領域の間で懸濁液を動かすために容器の中を動くことができる少なくとも１つの、好ましくはピストンの形態にある流体移動手段を含む。

ピストン運動によって引き起こされる懸濁液の移動の結果、懸濁液は狭窄部を通過して流れるとき強く加速される。この工程において、K. Higashitaniの論文を引用して上記で記載した水力学的な引張力[tensile force]および伸張力[extending force]が、懸濁液中の集塊に働く。これにより集塊の効果的な粉砕が行われ、更には懸濁液の十分な混合が行われる。本発明の装置により、懸濁液において、比較的短時間で、可能な最も小さい集塊のいわゆる安定状態に到達することが可能になる。集塊サイズをこれ以上もっと小さくすることは、もはや許容範囲の努力量では可能でない。

本発明の好ましい実施形態では、流体移動手段が、２つの空間領域を収容するシリンダーチャンバー中を軸方向に後方および前方に動くことができ、そのシリンダーチャンバー中を後方および前方に動くときに、その保持されている懸濁液を交互に一方の空間領域から他方の空間領域の中に狭窄部を通過させて移動させることができる、その２つの空間領域の間で境界面を形成するピストンである。本発明による装置のそのような実施形態は、簡単に実現でき、また操作できる。すなわち狭窄部を画定する流路は、例えば、ピストン中を軸方向に貫通する穴で形成することができる。その場合、ピストンがシリンダーチャンバーの中を動くときに、小さくなる空間領域から移動させられる懸濁液が、ピストンの軸方向の穴を通過して、拡大しつつある空間領域の中に流れて、狭窄部の領域における高い流速と、集塊をバラバラに砕くという効果を有するその流れの強い加速度を生むことができる。結果として得られる懸濁液中で同時に発生する乱流は、液体中の粒子の速い輸送を確実に行い、その結果懸濁液の良好な混合または均質化が行われる。ピストンの往復運動は懸濁液を２つの空間領域の間で後方および前方に動かすが、この間、シリンダーチャンバーは本粉砕装置の操作中は外部に対して基本的に閉鎖されていることから、懸濁液はそのたび狭窄部を通過して流れなければならない。

その結果、元々存在していた大きな集塊は、比較的短い時間で可能な限り粉砕され、十分に混合される。このようにして調製された懸濁液は、その後開いたバルブなどを通してシリンダーチャンバーあるいは容器から取り出し、目的の用途に供することができる。

本発明の１つの実施形態では、懸濁液の少量が非常に小さい開口部を通して容器から排出され、対応する量の処理しようとする懸濁液が、ピストンのストロークのたびにもう１つの小さな開口部を通して容器の中に導入される。

当然ピストンに、数個の小さい軸方向の穴などを設けて、移動させられる懸濁液に対する流路を形成することもできる。

もう１つの実施形態では、狭窄部を画定する流路が、ピストンの円周部壁とシリンダーチャンバーの壁との間の環状ギャップによって形成されている。このような場合、ピストンはシリンダーチャンバーの円周部壁によっては案内されないので、ピストンを、外に向かって延びているピストンロッドにより軸方向に可動式に案内することが推奨される。

もう１つの実施形態では、狭窄部を画定する流路は、ピストンの円周部壁における少なくとも１つの半径方向の凹部により形成されている。

本発明のもう１つの実施形態では、２つの空間領域が、シリンダーチャンバーの外側を通る、懸濁液流路を形成する流体ラインにより互いに連結されている。このような場合ピストンは、２つの空間領域を実質的に密封状態で分けることができ、その結果移動させられる懸濁液は、一方の空間領域から他方の空間領域の中に外部流体ラインを通って流れるしかない。

本発明の１つの実施形態では、ピストンを手動で操作することができる。本発明のもう１つの実施形態では、ピストンを往復運動させる駆動モーターが備えられている。

本発明の好ましい実施形態では、本集塊粉砕装置は、分子、特に生体分子を化学分析するための自動分析システムの中に組み込まれて一体化されている。このような場合懸濁液中の固体相は、好ましくは、懸濁液に加えられる分析すべきサンプル（例えば生き物の体液）の被検成分に特異的に結合することができ、その結合が分光学的手段のような分析システムの技術的測定手段により検出することができる捕獲分子がその上に固定されているビーズ、すなわち微粒子から構成される。

この意味において、本発明による装置は、医療診断用試薬が結合されている微粒子（ビーズ）の集塊サイズを小さくするのに非常に適している。そのような医療診断用途においては、サンプル物質に曝されるビーズの、結合可能な表面の集塊による減少は、できる限り避けられなければならないので、懸濁液には非常に高い要求がなされる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。

図1aおよび図1bによる、懸濁液中の粒子の集塊を粉砕するための装置は、シリンダー状容器2を有し、このシリンダーチャンバー4の中にピストン6が、往復する形で動くことができるように配置されている。ピストン6は、シリンダー状容器2の上側前部端面8を貫通して密封状態で案内されるピストンロッド10を有しており、このピストンは手動で操作することができて、ピストン6を、シリンダーチャンバー4中で行ったり来たり軸方向に動かすことができる。図1aおよび1bの実施形態の変形では、電動モーターのような駆動モーターをピストンロッドに駆動連結することができ、ピストン6のストローク運動を起すことができる。

図1aおよび1bにおいて、基本的に半径方向の中心に在るピストン6の直径は、シリンダーチャンバー4の内径より少し小さく、その結果、ピストン円周部と、シリンダーチャンバー4の内側円周表面との間に小さな環状ギャップ12が存在する。この環状ギャップ12が、シリンダーチャンバー4中に保持された懸濁液14のための狭窄部を画定する流路である。その結果、懸濁液14は、ピストン6によって分けられているシリンダーチャンバー4の２つの空間領域16および18の間の環状ギャップ12を通過して流れることができる。

図1aは、ピストン6の下方向への運動中の図である。この工程においてピストン6は、懸濁液を空間領域18から環状ギャップ12を通って空間領域16の中に移動させる。ピストン6に働く駆動力は、懸濁液流体が狭窄部12を高い流速で通過し、懸濁液の流れが狭窄部12に入る直前に大きく加速されるような大きさとする。この大きく加速された伸張流れにより、この領域に存在する懸濁液中の集塊に引き延ばしの力が働き、これにより集塊がバラバラに砕かれる。

流れ挙動を、簡略化された定性的な表現で描いている流れの矢印20により示されるように、懸濁液の高い流速は、拡大しつつある空間領域16に入るときに乱流を発生させる。これには混合効果があり、懸濁液の所望される均質化に対して貢献をなす。

図1bは、ピストン6が上の方向に動かされるときの図であり、その際懸濁液14は、今度は縮小しつつある空間領域16から狭窄部12を通って拡大しつつある空間領域18の中に移動させられる。環状ギャップ12の中に入って通過するとき、懸濁液中に存在する集塊は、加速された伸張流れの中で前述の引き延ばしの力にさらされる。

ピストン6の軸方向往復運動を適切な回数行って、懸濁液14が十分に最終的な姿に分散されたなら、流出ラインに配置されているチェックバルブ22を開いて、懸濁液を、目的とする用途に供給することができる。

24は、シリンダー2に入ってくるラインに在るチェックバルブを表わす。このチェックバルブ24を開けると、本発明による装置での処理のために、新しい懸濁液をシリンダーチャンバー4の中に供給することができる。

他の図における本発明のその他の実施形態を説明するのに、第１の実施形態の機能的および／または構造的構成要素に対応する各構成要素は、同じ参照数字で付番されている。

図2aおよび図2bによる本発明の第２の実施形態は、第１の実施形態とは、第２の実施形態のピストン6が、その軸方向の往復運動の際直接シリンダーチャンバー4の内壁上をスライド式で案内されるように、より大きな直径Dを有しているという点でのみ異なる。しかしながら、特に図2bに示されているように、ピストン6は半径方向と軸方向の貫通溝12を有しており、これがシリンダーチャンバー4の内壁と一緒に、ピストン6の往復運動によって懸濁液が空間領域16および18の間で強制的に後方と前方に流されるとき、懸濁液のための狭められた流路を形成する。

図3aおよび図3bの第３の実施形態もまた、図1aおよび1bを参照して既に説明した第１の実施形態の改変形態である。この第３の実施形態では、ピストン6の円周部壁が、シリンダーチャンバー4の内壁に対面してスライド式で案内される。懸濁液が２つの空間領域16および18の間で移動させられるとき、ピストン6中の軸方向の貫通穴12が懸濁液のための流路として機能する。図3bの例では、４つの貫通穴12が示されている。当然その特定の用途に応じて、もっと少ない貫通穴が存在することでもよい。

図4の第４の実施形態は、２つの空間領域16および18を互いから基本的に密封状態で分けるピストン6を有している。シリンダーチャンバー4の空間領域16および18を連結する外部流体ライン12が、狭窄部もしくは大きな流れ抵抗をもつ流路として設けられている。

図1aおよび図1bは、装置の操作中における本発明の実施形態の２つの略式側面図である。 図2aは、本発明による装置の第２の実施形態の略式側面図であり、図2bは、図2aの装置のピストンを下から見た図である。 図3aは、第３の実施形態の略式側面図であり、図3bは、図3aの装置のピストンの図である。 図4は、本発明の第４の実施形態の略式側面図である。

符号の説明

2 容器
4 シリンダーチャンバー
6 ピストン
10 ピストンロッド
12 狭窄部
14 懸濁液
16 空間領域
18 空間領域

Claims (10)

1. 懸濁液中の粒子の集塊を粉砕するための装置であって、
   −前記懸濁液を受け入れるための容器(2)、および
   −狭窄部を画定する少なくとも１つの懸濁液のための流路(12)により互いに連結された、前記容器(2)の中空空間構造部(4)の２つの空間領域(16、18)の間で前記懸濁液を動かすために前記容器(2)の中を動くことができる少なくとも１つの流体移動手段、
   を含む上記装置。
2. 前記流体移動手段(6)が、前記２つの空間領域(16、18)を収容するシリンダーチャンバー(4)の中を軸方向に後方および前方に動くことができ、前記シリンダーチャンバー中を後方および前方に動くときに、その保持されている懸濁液を交互に一方の空間領域(16、18)から他方の空間領域(16、18)の中に前記狭窄部(12)を介して移動させることができる、前記２つの空間領域(16、18)の間で境界面を形成するピストン(6)である、請求項１に記載の集塊を粉砕するための装置。
3. 狭窄部（図3a、図3b中の12）を画定する前記流路が、前記ピストン(6)を貫通する穴、特に軸方向の貫通穴（図3a、図3b）により形成されている、請求項２に記載の集塊を粉砕するための装置。
4. 狭窄部(12)を画定する前記流路が、前記ピストンの円周部壁と、前記シリンダーチャンバーの壁との間のギャップ(12)により形成されている、請求項２に記載の集塊を粉砕するための装置。
5. 前記ギャップが、前記ピストンの円周部壁の周りの環状ギャップ（図1a、図1b中の12）である、請求項４に記載の集塊を粉砕するための装置。
6. 前記ギャップが、前記ピストンの円周部壁における半径方向の凹部（図2a、図2b中の12）により形成されている、請求項４に記載の集塊を粉砕するための装置。
7. 前記２つの空間領域(16、18)が、前記シリンダーチャンバー(4)の外側を通る前記懸濁液の前記流路を形成する流体ライン（図4中の12）により互いに連結されている、請求項２に記載の集塊を粉砕するための装置。
8. 前記流体移動手段を往復運動させるための駆動モーターにより特徴づけられる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の集塊を粉砕するための装置。
9. 前記流体移動手段(6)が、前記容器(2)の中を手動で往復運動させることができる、請求項１〜８のいずれか１項に記載の集塊を粉砕するための装置。
10. 分子、特に生体分子を化学分析するための自動分析システムの中に一体化されている、請求項１〜９のいずれか１項に記載の集塊を粉砕するための装置。

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