JP2006145451A - 攪拌装置とこれを用いた攪拌方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 少量の液体の攪拌においても装置が大型化していた。
【解決手段】 遠心力を発生させる遠心力発生手段と、この遠心力発生手段から発生する遠心力の強さを制御する制御手段と、前記遠心力発生手段により発生する遠心力の方向１２に対して略直角方向に配置されるとともに、攪拌すべく液体が流入するチャンバー１１と、このチャンバー１１に連結されるとともに遠心力の方向１２と略反対方向に向かって設けられた流路１３とを備え、チャンバー１１は毛細管力の非発生の厚み形状にするとともに、流路１３は毛細管力の発生する厚み形状とし、この流路１３は前記遠心力発生手段による遠心力発生時にチャンバー１１と流路１３とは液体で連結したものである。これにより、初期の目的を達成することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、少量の液体を攪拌させる攪拌装置とこれを用いた攪拌方法に関するものである。

従来の攪拌装置は、液体の入った容器に人為的に振動を与えたり、或いは、機械的に振動を与えたりして攪拌していた。しかし、この方法による攪拌にはある程度多量の液体が必要であった。そこで、少ない量の液体を攪拌する装置として、例えばポンプ等を用いて攪拌する装置が提案されている。

即ち、図１５に示すように、流路１の一方の端に液体２の入ったチャンバー（容器）３を連結し、他方の端にポンプ４を連結し、流路１の略中央に固形の試薬５を載置したものである。そして、ポンプ４を正方向或いは逆方向に回転させることにより、液体２はチャンバー３とポンプ４の方向へ交互に移動し、このときの液体２と試薬５との摩擦で試薬５が液体２に拡散して攪拌されるものである。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１、特許文献２が知られている。
特表平５―５０８７０９号公報 特開平９−１９６９２０号公報

しかしながらこのように振動による攪拌では、慣性を用いて攪拌するため、どうしてもある程度多量の液体と、これを攪拌するための容積が必要となる。また、ポンプ４を用いた攪拌装置では、ポンプ４やそれに接続するホース等が必要となり、攪拌装置が大型化してしまうという問題があった。

そこで本発明は、このような問題を解決したもので、小型化された攪拌装置を提供することを目的としたものである。

この目的を達成するために本発明の攪拌装置は、遠心力を発生させる遠心力発生手段と、この遠心力発生手段から発生する遠心力の強さを制御する制御手段と、前記遠心力発生手段により発生する遠心力の方向に対して略直角方向に配置されるとともに、攪拌すべく液体が注入するチャンバーと、このチャンバーに連結されるとともに前記遠心力の方向と略反対方向に向かって設けられた流路とを備え、前記チャンバーは毛細管力の非発生の厚み形状にするとともに、前記流路は毛細管力の発生する厚み形状とし、この流路は前記遠心力発生手段による遠心力発生時に前記チャンバーと前記流路とは前記液体で連結するものである。これにより、初期の目的を達成することができる。

以上のように本発明は、遠心力を発生させる遠心力発生手段と、この遠心力発生手段から発生する遠心力の強さを制御する制御手段と、前記遠心力発生手段により発生する遠心力の方向に対して略直角方向に配置されるとともに、攪拌すべく液体が流入するチャンバーと、このチャンバーに連結されるとともに前記遠心力の方向と略反対方向に向かって設けられた流路とを備え、前記チャンバーは毛細管力の非発生の厚み形状にするとともに、前記流路は毛細管力の発生する厚み形状とし、この流路は前記遠心力発生手段による遠心力発生時に前記チャンバーと前記流路とは前記液体で連結するものである。

従って、毛細管力の非発生の厚み形状のチャンバーと、毛細管力の発生する厚み形状の流路とで攪拌することができるので、装置の小型化を図ることができる。
また、毛細管力と遠心力で攪拌するので、少量の液体でも充分に攪拌することができる。従って、血液の攪拌等に応用すれば、少量の血液に試薬を加えて攪拌して分析することができることになり、人体への負担が少ないという効果がある。

（実施の形態１）
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態１における攪拌装置とこれを用いた攪拌方法について説明する。図１は本実施の形態における攪拌装置の平面図である。図１において、１１は遠心力１２の方向に対して直角に設けられたチャンバー（容器）である。そして、このチャンバー１１の一方には、遠心力の方向１２と逆方向に向かって流路１３が設けられている。

１４は、チャンバー１１の他方に遠心力の方向１２と逆方向に向かって設けられた流入路１４である。即ち、この流入路１４とチャンバー１１と流路１３で「Ｕ字」形状をした攪拌装置１５を形成している。そして、この流入路１４とチャンバー１１と流路１３内は夫々連結しており、その中に液体が流入されるように空洞になっている。

１６は流入路１４の頂点（遠心力の方向１２と反対方向）に設けられた注入口であり、ここから液体を注入して、チャンバー１１に液体を満たすためのものである。１７は、流路１３の頂点（遠心力の方向１２と反対方向）に設けられた空気口である。また、この流路１３のチャンバー１１との連結部１８はチャンバー１１の底部（遠心力の方向１２と直角方向）に向かって斜め略４５度になっている。

次に、寸法関係について説明する。流路１３の横方向（遠心力の方向１２と直角方向）の寸法１９は、１ｍｍであり、流入路１４の横方向の寸法２０は０．５ｍｍである。また、流路１３と流入路１４とを含めたチャンバー１１の横方向の寸法２１は５ｍｍである。また、流路１３の縦方向の寸法２２は８ｍｍとしている。

図２は、攪拌装置１５の断面図である。図２において、チャンバー１１と流入路１４の厚み寸法２３は４００μｍであり、流路１３の厚み寸法２４は１００μｍである。従って、このような厚み寸法にすることにより、液体を流入させたとき、チャンバー１１と流入路１４では、毛細管力（毛細管現象により生ずる力）は発生しない。これに対して、流路１３では、毛細管力が発生する。

また、チャンバー１１に流入させる液体の量と流路１３の容積は略同じにしている。これは、効率よく攪拌する上で重要なことである。また、チャンバー１１の厚み寸法２３と流路１３の厚み寸法２４の差による段差２６が形成されており、この段差２６により、攪拌時に液体の乱流が起こり、攪拌が促進される。

また、チャンバー１１と流路１３とは同一平面上に並んで形成されている。この攪拌装置１５におけるチャンバー１１の厚み寸法は略４００μｍであり、このように同一平面上に形成することにより薄型化された攪拌装置１５を実現することができる。

次に、図３、図４を用いて液体の攪拌方法を説明する。図３において、先ず、注入口１６から液体２５を注入する。次に遠心力により液体２５は、流入路１４を通ってチャンバー１１に流入する。この液体２５の流入量はあらかじめ測定された一定量である。チャンバー１１に流入した液体２５は毛細管力により、流路１３に吸い上げられる。

次に、図４に示すように、遠心力の方向１２に遠心力を加えると、この遠心力により液体２５は下方（遠心力の方向１２）に移動する。このとき、チャンバー１１と流路１３とを液体で連結させることは、停止時に流路への毛細管力を発生させる為に重要なことであり、その一つの手法として、連結部１８の形状を上述した斜め略４５度の形状にしている。
次に、遠心力を停止させる。すると液体２５は毛細管力により、図３に示すように、再び流路１３に吸い上げられる。そして、次に遠心力を加えると、図４に示すように液体２５は下方に移動する。

このようにして、遠心力を加えたり、停止したりすることで、液体２５はチャンバー１１と流路１３との間を往復することになる。このように液体２５がチャンバー１１と流路１３との間を往復移動することにより、液体２５は攪拌されるわけである。
また、このときチャンバー１１或いは流路１３の内面に固形の試薬を装着しておけば、試薬は拡散してこの液体２５とで攪拌される。また、最初から試薬と混合された液体を注入口１６から注入して、この攪拌装置１５で攪拌することもできる。

ここで、本実施の形態において、遠心力発生手段はコンパクトディスクなどを光ディスクドライブで回転させることにより、遠心力を得ている。この遠心力を得るために本実施の形態ではコンパクトディスクを毎分２０００〜３０００回転させている。この遠心力が毎分１０００回転より少なくなると、毛細管力のほうが強くなる。従って、コンパクトディスクの回転を完全に停止してしなくとも、毎分１０００回転以下にすれば必ずしも停止する必要はない。なお、この遠心力１２の制御は、制御手段により行っている。

本実施の形態において、チャンバー１１に流入する液体２５の量と流路１３の容積を等しくしているので、遠心力を加えたり、停止したりする度に液体２５は完全にチャンバー１１と流路１３との間を交互に移動する。即ち、移動量が大きくなるので良く攪拌されるわけである。

チャンバー１１内に流入する液体２５の量より流路１３の容積が小さいと、全ての溶液２５が流路１３に移動することができないので、攪拌量は少なくなる。従って、完全に攪拌するには攪拌回数を多くする必要がある。逆に、チャンバー１１内に流入する液体２５の量より流路１３の容積が大きい場合は、流路１３の長さが長くなり、攪拌装置１５も大きくなる。

なお、チャンバー１１の内面を疎水性の材料で形成し、流路１３の内面を親水性の材料で形成しておくことにより、攪拌効果を更に増すことができる。

（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２における攪拌装置３０の平面図である。図５において、３１は、サンプル液の注入口であり、この注入口３１から注入されたサンプル液は、サンプル液を一時保持する第１のチャンバー３２に流入する。この第１のチャンバー３２の厚みは４００μｍである。３３は第１のチャンバー３２の底面に連結された第１の流路であり、この第１の流路３３はサンプル液の逆流を防止するためのバルブ３４に連結されている。

バルブ３４の出口は厚みが１００μｍで幅が１ｍｍの第２の流路３５を介して前記サンプル液を担持する測定用の第２のチャンバー３６の底面に連結されている。この第２のチャンバー３６は、バルブ３４の下方に位置している。そして、この第２のチャンバー３６は、直径２ｍｍの円形をしており、その容積は１．３μＬ（マイクロリットル）である。このように容積が小さいので、血液の分析等においては人体への負担は少ない。

３７は、第２の流路３５から分岐するとともに上方（遠心力の方向３８と反対方向）に伸びた第３の流路であり、この第３の流路３７の先端には空気口３９が設けられている。またこの第３の流路３７の幅は１ｍｍであり、厚みは１００μｍである。従って、第２の通路３５と第３の通路３７は毛細管力が発生する。

４０は、第２のチャンバー３６の上端から導出された第４の流路であり、この第４の流路４０は水平方向に伸びるとともに、その終端では逆「Ｕ字」状の折れ曲がり部４１に連結している。この折れ曲がり部４１の出口には下方（遠心力の方向３８）に向かって設けられた余剰サンプル液排出用の第５の流路４２に連結している。なお、この「Ｕ字」の頂部４１ａは、第２のチャンバー３６の上端より上方に位置している。
第４の流路４０と折れ曲がり部４１と第５の流路４２は共に幅は１ｍｍであり、厚みは４００μｍである。この厚み４００μｍの第２のチャンバー３６、第４の通路４０と、折曲がり部４１と、第５の通路４２では毛細管力は発生しない。

この攪拌装置３０に遠心力が加わったときのサンプル液の液面は、折曲がり部４１の逆「Ｕ字」の内側４１ａの液位になる。即ち、点線４３の液位となり、第２の流路３５では３５ａの位置となり、第３の流路３７では３７ａの位置になる。ここで、遠心力を停止（または、遠心力を毛細管力より低下）させると、毛細管力によりサンプル液は遠心力と逆方向に移動する。

このようにして、遠心力を加えたり、停止したりするときに流路３５にはバルブ３４があるのでバルブを超えて液は移動しないので、サンプル液は主に第２のチャンバー３６と第３の流路３７との間を往復することになる。このようにサンプル液が第２のチャンバー３６と第３の流路３７との間を往復移動することにより、サンプル液は攪拌されるわけである。また、このとき第２のチャンバー３６或いは第３の流路３７の内面に固形の試薬を載置しておけば、試薬は拡散してこのサンプル液と良く攪拌される。また、最初から試薬と混合された液体を注入口３１から注入して、この攪拌装置３０で攪拌することもできる。

なお、第３の通路３７の位置３７ａと空気口３９との間の容積は第２のチャンバー３６の容積の２５％〜１００％の間にすると良い。この容積にすることにより、攪拌装置３０の大きさを必要以上に大きくすることなく、攪拌作用を向上させることができる。

図６は、攪拌装置３０の点線４４における断面図である。図６において、４５はベース基板であり、このベース基板４５の上方には接着シート４６を介して上カバー４７が被せられている。この上カバー４７の内側に溝を彫ってチャンバーや流路を形成している。即ち、図６に示す第５の流路４２、第４の流路４０はその厚みは４００μｍであり、第２の流路３５、第３の流路３７はその厚みが１００μｍである。

（実施の形態３）
実施の形態３では、毛細管力を発生させる種々の流路形状を説明している。図７、図８、図９はいろいろの流路の形状の例である。いずれにしても、チャンバー５１は毛細管力の不発生の厚み４００μｍであり、流路５２、５３、５４は毛細管力を発生させる厚み１００μｍである。そして、これらの流路５２、５３、５４はチャンバー５１の上端に連結されて上方（遠心力の方向５５と反対方向）に向かって設けられている。

そして、これらの流路５２、５３、５４の先端（遠心力の方向５５と反対方向）には空気口５６ａ〜５６ｄが設けられている。即ち、図７において流路５２の先端には空気口５６ａが設けられている。また、この流路５２は先端にいくほど広がっており、その容積を増している。５２ａは流路５２と合流する流入路であり、この流入路５２ａからサンプル液が流入するものである。

同様に、図８において流路５３の先端にも空気口５６ｂが設けられている。また、この流路５３は蛇行しており、この蛇行により生ずる障害でサンプル液の移動による攪拌を促進するとともに、この流路５３の占有するスペースを小さくし、その容積を増している。５３ａは流路５３と合流する流入路であり、この流入路５３ａからサンプル液が流入するものである。

また、図９における流路５４は上方に向かって２つの流路に分流し、その夫々の分流した流路５４の先端に夫々空気口５６ｃ、５６ｄが設けられている。また、この流路５４は２本（３本以上でも良い）に分流することにより、流路５４の占有するスペースを小さくし、その容積を増している。５４ａは流路５４と合流する流入路であり、この流入路５４ａからサンプル液が流入するものである。

また、図７、図８、図９において、チャンバー５１の底面からは、厚み１００μｍの流路５７を介して、厚み４００μｍの排出路５８に連結している。この排出路５８は、逆「Ｕ字」形状をしており、その下端５８ａは、チャンバー５１より上方であって、流路５２，５３，５４と合流路５２ａ，５３ａ，５４ａとの合流点よりも下方である。

（実施の形態４）
実施の形態４は、実施の形態２で説明した攪拌装置３０を複数個回転盤に取り付けて遠心力発生手段を形成し、遠心力を得る構成とした攪拌装置である。

図１０では、８角形をしたカートリッジ６１を均等に４等分し、この４等分された４方向に凹部６２を夫々設けている。そして、この凹部６２の夫々に実施の形態２で説明した攪拌装置３０のチップ６３を嵌合させたものである。そして、このカートリッジ６１をモータで回転させることにより、遠心力を発生させるものである。また、図示していないが、このカートリッジ６１の回転を制御手段で回転数の制御をすることにより、攪拌を促進するものである。なお、このカートリッジ６１では、一度に４個の攪拌装置３０を制御することができる。

図１１は、円形をしたコンパクトディスク（以下、ディスクという）６５を均等に６つの場所に分け、それぞれの場所に実施の形態２で説明した攪拌装置３０を埋設したものである。そして、このディスク６５を回転させることにより、遠心力を発生させるものである。

また、図示していないが、このディスク６５の回転を制御手段で回転数の制御、或いは停止させたり減速させたりすることにより、攪拌を促進するものである。なお、このディスク６５では、一度に６個の攪拌装置３０を制御することができる。

また、このディスク６５は直径が８ｃｍであり、中心から３ｃｍのところに攪拌装置３０のチャンバー３６が設けられている。なお、ディスクの大きさや攪拌装置の位置は本実施の形態の条件に限定されない。

（実施の形態５）
図１２は、遠心力発生手段、遠心力制御手段を含めた攪拌装置全体の側面図である。図１２において、実施の形態４で説明したディスク６５は、その中心に連結して設けられたディスクモータ７１により回転させられる。また、このディスクモータ７１は制御回路７２により、回転数の制御や停止がなされる。

７３は、レーザ出力駆動回路であり、このレーザ出力駆動回路７３の出力でレーザダイオード７４からレーザ光がディスク６５に向けて発射される。このレーザ光は２つ出力されるが図１２では１つのみ表している。

このレーザ光のうちディスク６５の回転制御に使われるレーザ光はディスク６５で反射してディスク６５上の情報をフォトディテクタ７５で検出する。そして、その出力は制御回路７２に入力されて、ディスク６５の回転が制御される。即ち、回転速度の制御や停止等が制御される。

また、レーザ光のうちディスク６５に設けられたチャンバー３６を通過するレーザ光は、フォトディテクタ７６で検出されて、その出力は映像信号処理回路７７で処理される。このようにして、チャンバー３６内の攪拌されたサンプル液の測定が行われる。

一例として、チャンバー３６に０．２μｇのＰＭＳと２μｇのＮＴＢを塗布・乾燥固形化したものを固定する。そして注入口３１からＮＡＤＨ溶液（濃度１ｍＭ）３μＬを注入して以下の順番で回転／停止を繰り返す。

即ち、３０００ｒｐｍ（毎分の回転数）で３０秒回転させて１０秒停止し、次に３０００ｒｐｍ２０秒と１０秒の停止を４回繰り返し、その後、３０００ｒｐｍ２０秒と２０００ｒｐｍを１７分行う。

最後の２０００ｒｐｍの１６分５０秒から透過光量を計測する。吸光度は波長５７０ｎｍで測定した結果０．９７であり、試薬が均一に拡散さていることがわかる。

比較として、３０００ｒｐｍ３０秒、２０００ｒｐｍ１９分３０秒で２０００ｒｐｍ１９分２０秒経過時点から測定した場合においては、波長５７０ｎｍでの吸光度を測定した結果０．６８であり、試薬が均一に拡散されていないことがわかる。

（実施の形態６）
実施の形態６では、毛細管力を発生させる手段としてチャンバーの内側を撥水性の材料で形成し、流路の内側を親水性の材料で形成した攪拌装置を説明している。図１３において、７８は遠心力１２の方向に対して直角に設けられたチャンバー（容器）である。そして、このチャンバー７８の一方には、遠心力の方向１２と逆方向に向かって流路７９が設けられている。

８０は、チャンバー７８の他方に遠心力の方向１２と逆方向に向かって設けられた流入路８０である。即ち、この流入路８０とチャンバー７８と流路７９で「Ｕ字」形状をした攪拌装置８１を形成している。そして、この流入路８０とチャンバー７８と流路７９内は夫々連結しており、その中に液体が流入されるように空洞になっている。

このときチャンバー７８と流入路８０の内側表面はアルキルアラルキル変性シリコン剤（ＧＥ東芝シリコンＴＳＦ４４２０）でコーティングされており撥水作用を有している。このコーティングによる撥水作用は純水の接触角を接触角度計で測ると９０度を記録した。これに対して流路７９の内側表面はＴｒｉｔｏｎＸ−１００でコーティングされており親水性処理されている。このコーティング処理による純水の接触角を同様に測定した場合２５度であった。

この攪拌装置８１の注入口１６より液体を圧力を加えて注入する。その後遠心力によりチャンバー７８に液体を流入させた後に停止させるとチャンバー７８に流入した液体は親水性処理により毛細管力の発生する流路７９に吸い上げられる。

このように遠心力を加えたり、停止したりすることで、液体はチャンバー７８と流路７９の間を往復することで液体は攪拌される。

図１４は攪拌装置８１の断面図である。図１４で示すように本実施の形態では断面の厚み寸法８２はチャンバー７８と流路７９とも同一の１００μｍであるが、内側の材質の違いにより毛細管力が発生している。

本発明にかかる攪拌装置とこれを用いた攪拌方法は、少量の液体の攪拌に適しているので、血液の分析等の用途に適用できる。

本発明の実施の形態１における攪拌装置の平面図 同、断面図 同、攪拌の第１の状態を示す平面図 同、攪拌の第２の状態を示す平面図 同、実施の形態２における攪拌装置の平面図 同、断面図 同、実施の形態３における攪拌装置の流路を中心とした第１の例による平面図 同、第２の例による平面図 同、第３の例による平面図 同、実施の形態４における攪拌装置の回転盤を中心とした第１の例による平面図 同、第２の例による平面図 同、実施の形態５における攪拌装置全体の側面図 本発明の実施の形態６における攪拌装置の平面図 同、断面図 従来の攪拌装置の平面図

符号の説明

１１ チャンバー
１２ 遠心力
１３ 流路
１５ 攪拌装置
２５ 液体

Claims (11)

1. 遠心力を発生させる遠心力発生手段と、この遠心力発生手段から発生する遠心力の強さを制御する制御手段と、前記遠心力発生手段により発生する遠心力の方向に対して略直角方向に配置されるとともに、攪拌すべく液体が流入するチャンバーと、このチャンバーに連結されるとともに前記遠心力の方向と略反対方向に向かって設けられた流路とを備え、前記チャンバーは毛細管力の非発生の厚み形状にするとともに、前記流路は毛細管力の発生する厚み形状とし、この流路は前記遠心力発生手段による遠心力発生時に前記チャンバーと前記流路とは前記液体で連結する攪拌装置。
2. チャンバーに流入する液体の量と、流路の容積とは略等しくした請求項１に記載の攪拌装置。
3. チャンバーと流路とは、同一平面上に並んで設けられた請求項１に記載の攪拌装置。
4. 流路の形状は蛇行して設けられた請求項１に記載の攪拌装置。
5. 流路の内側は親水性の材料で形成された請求項１に記載の攪拌装置。
6. チャンバー又は流路に固体の試薬が載置される請求項１に記載の攪拌装置。
7. チャンバーに連結された第２の流路と、この第２の流路に連結された第２のチャンバーが設けられた請求項１に記載の攪拌装置。
8. 遠心力発生手段には光ディスクドライブが用いられた請求項１に記載の攪拌装置。
9. 前記チャンバーと前記流路とを同じ厚み形状に形成するとともに、前記チャンバーの内側を撥水性の材料で形成し、前記流路の内側を毛細管力の発生するように親水性の材料で形成し、前記遠心力発生手段による遠心力発生時に前記チャンバーと前記流路とは前記液体で連結するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の攪拌装置。
10. 請求項１に記載のチャンバーに液体を注入する第１の工程と、この第１の工程の後で、前記チャンバーに遠心力を与える第２の工程と、この第２の工程の後で、前記チャンバーの遠心力を制御する第３の工程とを有する攪拌方法。
11. 第２の工程と第３の工程とを複数回繰り返す請求項９に記載の攪拌方法。
    
    

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