JP2007033225A - 回転分析デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】液体の計量を精度よく行うことのできる回転分析デバイスを提供することを目的とする。
【解決手段】分析するために必要な量の試料液を注入／収容するための液体収容室９と、液体収容室９に連結通路１３によって連結されるとともに液体収容室９に対して半径方向外方に配置された試料液を一定量保持する計量室１０と、計量室１０に連結され、計量室１０の容量よりも過剰な容量の試料液を受容するための溢流室１１を有する回転分析デバイスであって、溢流室１１の流入口１６は、計量室１０の溢流口１４より半径方向内方に配置されるとともに計量室１０の溢流口１４と毛細管通路１７で連結される。
【選択図】図３

Description

本発明は、生物学的流体を光学的に分析する回転分析デバイスに関するものであり、より詳細には、光学的分析装置で生物学的流体の測定に使用する回転分析デバイスにおける生物学的流体の計量に関する。

従来、生物学的流体を光学的に分析する方法として液体流路を形成したマイクロデバイスを用いて分析する方法が知られている。マイクロデバイスは回転装置を使って流体の制御をすることが可能であり、遠心力を利用して試料の計量、細胞質材料の分離、分離された流体の移送分配等を行うことができるため、種々の生物化学的な分析を行うことが可能である。

遠心力を利用して試料を計量する方法としては、図７に示すように中心から周縁に向けて分析前に希釈すべき液体を収容する中央収容部７１と、計量室７２及び溢流室７３と、混合室７４と、測定セル７５とを備え、計量室７２が溢流室７３とほぼ平行に配置され、且つ供給口７６及び溢流口７７以外に供給口７６と対向する計量室壁面に設けられる開口７８を有し、この開口が常時開放されると共に、供給口７６及び溢流口７７より遥かに小さい断面を有することを特徴とする回転分析デバイスがあり、このような構成にすることで計量室７２の充填が高速で実施され、且つその溢流が即刻除去される。液体は計量室７２が液体で満たされ始めるとすぐにこの室から流出し始める。そのため、流入口断面積対流出口断面積の比の関数たる供給時間対流出口からの流出時間の比を好きなだけ小さくすることができることから、測定に正確さが与えられる（特許文献１）。

また、図８に示すように大型流体室８１と、大型流体室８１に連結されると共に大型流体室８１に対して半径方向外方に配置された計量室８２と、計量室８２に連結された溢流室８３と、計量室８２に対して半径方向外方に配置された受容室８４と、計量室８２から受容室８４に液体を供給するための毛細管連結手段８５とを有する回転分析デバイスがあり、毛細管連結手段８５は毛細管構造を有するサイフォン８６を含み、サイフォン８６の肘状屈曲部分が、回転分析デバイスの中心から、計量室８２の半径方向再内方点と実質的に同じ距離になるように位置付けられることで、回転分析デバイスの回転中は毛細管力が遠心力に比べて小さいため、液体／空気の界面は回転分析デバイスの軸線と同じ軸線を有し、且つ回転分析デバイスの中心から計量室８２の半径方向再内方点までの距離に等しい長さの半径を持つ回転円筒体の形状と合致して計量室８２は充填され、過剰な液は溢流室８３に流れ込む。回転分析デバイスを止めると、計量室８２内に充填された液が、毛細管力で毛細管連結手段８５に流入し、再度回転させることでサイフォンが始動し、計量室８２内に存在する液は受容室８４に排出される（特許文献２）。
特開昭６１−１６７４６９号公報 特表平５−５０８７０９号公報

しかしながら、前記従来の構成では、回転分析デバイスが回転中の時は、遠心力が液体と計量室壁面との間に働く表面張力より大きいため、溢流口の開口位置で液面が釣り合って所定の量を計量できているが、次工程に移るために回転を減速あるいは停止させた場合に、液体は遠心力から開放されると同時に液体と溢流口壁面の界面で表面張力が働き出し、その表面張力によって液体は溢流口の壁面を伝って溢流室に流出してしまい、精密な計量ができていなかった。また、液体の物性値の違いによって流出する量がばらつくため、分析する液体ごとに計量室の大きさを変える必要があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、液体の計量を精度よく行うことのできる回転分析デバイスを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の回転分析デバイスは、分析するために必要な量の試料液を注入／収容するための液体収容室と、前記液体収容室に連結通路によって連結されるとともに前記液体収容室に対して半径方向外方に配置された前記試料液を一定量保持する計量室と、前記計量室に連結され当該計量室の容量よりも過剰な容量の試料液を受容するための溢流室を有する回転分析デバイスであって、前記溢流室の流入口は、前記計量室の溢流口より半径方向内方に配置されるとともに前記計量室の溢流口と毛細管通路で連結されることを特徴としたものである。

また、本発明は、分析するために必要な量の試料液を注入／収容するための液体収容室と、前記液体収容室に連結通路によって連結されるとともに前記液体収容室に対して半径方向外方に配置された前記試料液を一定量保持する計量室と、前記計量室に連結され当該計量室の容量よりも過剰な容量の試料液を受容するための溢流室と、前記計量室で計量された試料液を移送して該試料液の吸光度を測定するための測定セルと、前記計量室と測定セルをつなぐ連結通路の間に計量室の測定セル側出口の半径方向位置より外方に位置する毛細管バルブと、を備える。

本発明の回転分析デバイスによれば、回転分析デバイスを回転させて計量室に保持させた液体を、次工程に移るために回転を減速あるいは停止させても、計量室と溢流室を毛細管で連結させることで、液体はその毛細管内にトラップされて溢流室に流出しないため、正確な計量を行うことができる。また、表面張力の異なる液体も計量後の溢流室への流出が無くなるため、同じ量だけ計量することができる。

以下に、本発明の回転分析デバイスの実施の形態を図面とともに詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施例における回転分析デバイスの構成を示す模式図である。また、図２は第１の実施例における回転分析デバイスのマイクロチャネルが形成された基板を示す斜視図である。

図１において、本発明の回転分析デバイスは、マイクロチャネル４ａ、４ｂを有する基板１と、平坦な基板２と、接着層３で構成されている。

基板１に形成されるマイクロチャネル４ａ、４ｂは、図３に示すような凹凸のあるマイクロチャネルパターンを射出成形により作製しており、分析する試料液を回転分析デバイスに注入し、遠心力と毛細管力を利用して流体移動をさせることが可能となっている。

本発明では、マイクロチャネル４ａに透過光を照射して、検査すべき試料液と試薬の反応状態を光学的に分析する。測定時には、マイクロチャネル４ａ内に試料液と試薬とを反応させた反応溶液５が充填され、反応溶液５は試料液と試薬の反応の割合で吸光度が変化するため、光源部６からマイクロチャネル４ａに透過光を照射し、受光部７にてその透過光の光量を測定することで、反応溶液５を透過した光量の変化を測定することができるため、反応状態を分析することができる。

本発明では、基板１および基板２の厚みは、１ｍｍ〜５ｍｍで形成しているが、特に制限は無く、マイクロチャネル４ａ、４ｂを形成可能な厚みであればよい。基板１および基板２の形状についても特に限定する必要が無く、用途目的に応じた形状、例えば、シート状、板状、棒状、その他複雑な形状の成形物などの形状が可能である。

本発明では基板１および基板２の材料として、易成形性、高生産性、低価格の面からプラスチックを使用しているが、ガラス、シリコンウェハー、金属、セラミックなど接合できる材料であれば特に制限はない。

本発明ではマイクロチャネル４ａ、４ｂを有する基板１および基板２にはマイクロチャネル４ａ、４ｂ内の粘性抵抗を減らし流体移動をしやすくするために親水性処理を行っているが、ガラス等の親水性材料を用いたり、成形時に界面活性剤、親水性ポリマー、シリカゲルの如き親性粉末などの親水化剤を添加させて材料表面に親水性を付与させたりしてもかまわない。親水性処理方法としては、プラズマ、コロナ、オゾン、フッ素等の活性ガスを用いた表面処理方法や界面活性剤による表面処理が挙げられる。ここで、親水性とは水との接触角が９０度未満のことをいい、より好ましくは接触角４０度未満である。

本発明では、接着剤を用いて基板１と基板２を接合しているが、使用する材料に応じて溶融接合や陽極接合などの接合方法で接合してもかまわない。

次に上記で説明した本発明の第１の実施例における回転分析デバイスのマイクロチャネル構成および試料液の移送プロセスについて説明する。

図３は第１の実施例における回転分析デバイスのマイクロチャネル構成を示す平面図である。また、図４（ａ）〜図４（ｄ）は本発明の第１の実施例における回転分析デバイスの移送プロセスを示す図である。

図２に示すように、本発明の回転分析デバイスのマイクロチャネル構成は、試料液を注入／収容するための液体収容室９と、試料液を一定量計量し保持する計量室１０と、計量室１０の容量よりも過剰な容量の試料液を受容するための溢流室１１と、計量室１０で計量された試料液を移送させて試薬と反応させ、その液の吸光度を測定するための測定セル１２とで構成されている。ここで、本実施例では省略しているが、計量室１０と測定セル１２の間には細胞質を分離するための分離室や、試料液を希釈／混合するための混合室等を設けてもかまわない。

本発明では、液体試料室９、計量室１０、溢流室１１、測定セル１２の深さを０.３ｍｍ〜２ｍｍで形成しているが、試料液の量や吸光度測定するための条件（光路長、測定波長、試料液の反応濃度、試薬の種類等）によって調整可能である。

液体収容室９は計量室１０と連結通路１３を介してつながっており、図４（ａ）に示すように注入口８から試料液を注入／収容し、回転分析デバイスを回転させることで、図４（ｂ）に示すように、試料液を計量室１０に移送することができる。

本発明では、連結通路１３の深さを液体収容室９や計量室１０と同じ深さにしているが、計量室１０に空気孔を設けることで、深さ５０μｍ〜２００μｍの毛細管形状にすることも可能である。

計量室１０は、計量室１０より半径方向内方に配置された溢流室１１の流入口１６に、計量室１０の半径方向最内方に位置する溢流口１４から毛細管流路１７を介して連結され、計量室１０の半径方向最外方に位置する場所から連結通路１５を介して測定セル１２に連結されている。溢流室１１には、試料液が流入しやすいように空気孔１８が設けられており、測定セル１２にも、試料液が連結通路１５を流れやすいように空気孔１９が設けられている。

連結通路１５は、回転分析デバイスの回転中心から溢流室１１の流入口１６と、毛細管流路１７の界面までの距離より内方に配置される曲管を備えたサイフォン形状である。本発明では、連結通路１５の幅を０.５ｍｍ〜２ｍｍ、深さを５０μｍ〜２００μｍで形成しているが、毛細管力で連結通路１５内を試料液で充填できるのであれば特に制限はない。

このように計量室１０と測定セル１２を連結することで、液体収容室９内に収容された試料液を回転分析デバイスの回転によって計量室１０に移送・充填させても、図４（ｂ）に示すように、連結通路１５内の試料液は、回転分析デバイスの回転中心から溢流室１１の流入口１６と、毛細管流路１７の界面までの半径方向の距離に相当する位置までしか充填されない。計量室１０の充填完了後に回転分析デバイスを停止させると、図４（ｃ）に示すように、連結通路１５内は毛細管力が働き、測定セル１２の入口まで試料液で満たされる。このとき、試料液は測定セル１２の深さが深く、毛細管力が連結通路１５の毛細管力に比べて極めて小さいため、測定セル１２内には流入しない。
連結通路１５が満たされた後、回転分析デバイスを再度回転させることで計量室１０内に保持されている試料液は、図４（ｄ）に示すように、サイフォン効果で測定セルに移送される。

本発明では、計量室１０を構成する壁面のうち、回転分析デバイスの半径方向内側に位置する壁面の形状が、計量室１０の連結通路１３付近から溢流口１４付近にかけて半径方向内方に入り込むように形成される。即ち、計量室１０を構成する壁面のうち、回転分析デバイスの半径方向内側に位置する壁面は、計量室１０の試料液の流入口から溢流口へ向かうに従って半径方向位置が回転中心へ近接するように形成することで、液体収容室９から試料液を移送させた際に、計量室１０内の空気が溢流口１４に向かって選択的に抜けるため、計量室１０の充填時に空気の混入による試料液の計量ばらつきが少なくなる。

本発明では、毛細管流路１７の深さは５０μｍ〜２００μｍで形成されており、このようにすることで、回転分析デバイスの回転中は、溢流室１１の流入口１６と、毛細管流路１７の界面までの半径方向の距離に相当する位置で液面が安定して計量され、回転の減速／停止時には、試料液は毛細管流路１７の毛細管力によって毛細管流路１７内にトラップされているため、溢流室１１への流出を防ぐことができ、精密な計量が可能となる。また、毛細管流路１７内にトラップされている試料液は、次の回転時に遠心力によって計量室１０に戻されるため、計量された試料液を全て次の工程に移送することが可能となる。

図５は、本発明の第２の実施例における回転分析デバイスの構成を示す模式図である。また、図６は第２の実施例における回転分析デバイスのマイクロチャネルが形成された基板を示す斜視図である。

図５において、実施例１の構成と異なるところは、計量室１０の溢流口１４と溢流室１１の流入口１６との間に溢流制御室２０を設け、溢流室１１の流入口１６と溢流制御室２０を深さ５０μｍ〜２００μｍの毛細管流路２１を介して連結した点である。

溢流制御室２０は計量室１０および溢流室１１より半径方向内方に配置されており、その深さは、図６に示すように０.３ｍｍ〜２ｍｍで形成されている。このような構成にすることで、溢流室１１に流入した試料液の表面張力が低い場合でも、回転停止時に毛細管流路２１の毛細管力で毛細管流路２１内にトラップされるため、試料液が計量室１０に逆流するのを抑制することが可能となる。

同じように、連結通路１５を計量室１０の半径方向最外方より外側の距離に相当する位置と測定セル１２の間に設けた、深さ０.３ｍｍ〜２ｍｍの毛細管バルブ２２を介して計量室１０と測定セル１２を連結することで、測定セル１２に移送させた試料液は、毛細管力の極めて小さい毛細管バルブ２２があるため、毛細管バルブ２２の流出口までしか毛細管力で戻ることができず、計量室１０に逆流するのを抑制することが可能となる。

本発明にかかる回転分析デバイスは、回転分析デバイスを回転させて計量室に保持させた液体を、次工程に移るために回転を減速あるいは停止させても、計量室と溢流室を毛細管で連結させることで、液体はその毛細管内にトラップされて溢流室に流出しないため、正確な計量を行うことができるという効果を有し、光学的分析装置で生物学的流体の測定に使用する回転分析デバイスにおける生物学的流体の計量方法等として有用である。

本発明の第１の実施例における回転分析デバイスの構成を示す模式図 第１の実施例における回転分析デバイスのマイクロチャネルが形成された基板を示す斜視図 第１の実施例における回転分析デバイスのマイクロチャネル構成を示す平面図 第１の実施例における回転分析デバイスの移送プロセスを説明するための図 第２の実施例における回転分析デバイスのマイクロチャネル構成を示す平面図 第２の実施例における回転分析デバイスのマイクロチャネルが形成された基板を示す斜視図 従来例の遠心力を利用して試料の計量を説明するための図 従来例の他の遠心力を利用して試料の計量を説明するための図

符号の説明

１、２ 基板
３ 接着層
４ａ、４ｂ マイクロチャネル
５ 反応溶液
６ 光源部
７ 受光部
８ 注入口
９ 液体収容室
１０ 計量室
１１ 溢流室
１２ 測定セル
１３ 連結通路
１４ 溢流口
１５ 連結通路
１６ 流入口
１７ 毛細管流路
１８、１９ 空気孔
２０ 溢流制御室
２１ 毛細管流路
２２ 毛細管バルブ
７１ 中央収容部
７２ 計量室
７３ 溢流室
７４ 混合室
７５ 測定セル
７６ 供給口
７７ 溢流口
７８ 開口
８１ 大型流体室
８２ 計量室
８３ 溢流室
８４ 受容室
８５ 毛細管連結手段
８６ サイフォン

Claims (6)

1. 分析するために必要な量の試料液を注入／収容するための液体収容室と、
   前記液体収容室に連結通路によって連結されるとともに前記液体収容室に対して半径方向外方に配置された前記試料液を一定量保持する計量室と、
   前記計量室に連結され当該計量室の容量よりも過剰な容量の試料液を受容するための溢流室を有する回転分析デバイスであって、
   前記溢流室の流入口は、前記計量室の溢流口より半径方向内方に配置されるとともに前記計量室の溢流口と毛細管通路で連結されることを特徴とする回転分析デバイス。
2. 前記計量室を構成する壁面のうち、回転分析デバイスの半径方向内側に位置する壁面は、当該計量室の試料液の流入口から溢流口へ向かうに従って半径方向位置が回転中心へ近接するように形成されることを特徴とする請求項１に記載の回転分析デバイス。
3. 前記計量室と前記溢流室が溢流制御室を介して毛細管で連結され、回転停止時に前記溢流室から前記計量室への試料液の逆流を防止することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転分析デバイス。
4. 前記溢流制御室は、前記計量室及び前記溢流室より半径方向内方に配置されることを特徴とする請求項３に記載の回転分析デバイス。
5. 分析するために必要な量の試料液を注入／収容するための液体収容室と、
   前記液体収容室に連結通路によって連結されるとともに前記液体収容室に対して半径方向外方に配置された前記試料液を一定量保持する計量室と、
   前記計量室に連結され当該計量室の容量よりも過剰な容量の試料液を受容するための溢流室と、
   前記計量室で計量された試料液を移送して該試料液の吸光度を測定するための測定セルと、
   前記計量室と測定セルをつなぐ連結通路の間に計量室の測定セル側出口の半径方向位置より外方に位置する毛細管バルブと、
   を備える回転分析デバイス。
6. 前記毛細管バルブは、前記計量室への逆流を抑制するために毛細管力を前記計量室と測定セルをつなぐ連結通路の毛細管力より小さく設定することを特徴とする請求項５に記載の回転分析デバイス。

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