JP2009168650A - カートリッジ式電気化学分析装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】カートリッジ内流路の汚染を効果的に防止でき、流路内での微細気泡の発生を抑制することが容易であり、どんな場所ででも容易に使用することができる携帯容易なカートリッジ式電気化学分析装置を提供する。
【解決手段】検出用カートリッジは外面に開口する複数のポートを有し、第１のポートを貯留部に接続する第１の内部流路と、第２のポートに接続される第２の内部流路と、貯留部を第２のポートに接続する第３内部流路と、第２の内部流路に面して配置された検出用電極配列とを備える。処理ユニットは、検出用カートリッジを処理ユニットに接続したとき吐出口が第１の吐出側バルブを介して検出用カートリッジの第１のポートに接続される第１のポンプと、吐出口が第２の吐出側バルブを介して検出用カートリッジの第２のポートに接続される第２のポンプと、第１及び第２のポンプのそれぞれに接続される第１及び第２の薬液タンクとを備える。
【選択図】図６（ａ）

Description

本発明は、カートリッジ式の電気化学分析装置に関する。さらに詳細に述べると、本発明は、被検出物質を含む被検液を通す流路を有する検出用カートリッジと、該検出用カートリッジに接続可能であり、該検出用カートリッジ内に通される被検液に含まれる被検出物質に関する情報を生成する処理ユニットとからなるカートリッジ式電気化学分析装置に関する。

特開平１０−３１１８２９号公報は、カード式の携帯型使い捨て分析システムを開示する。この分析システムは、人又は動物の体液の少なくとも一つの検査値を検出してそれに相応した出力信号を発生するセンサーを備えたカード式使い捨て検査具と、該検査具からの信号を受けて演算処理する演算処理部及び表示部を含む携帯型分析器とからなる。
カード式使い捨て検査具は、間に薄い仕切り板を挟んで互いに液密に重畳される二枚の基板から構成される。基板の一方は、内面に、検査対象となる人又は動物の体液を通す通路と、この通路の一端に連通するように体液貯蔵部が設けられる。通路の他端には基板を厚さ方向に貫通する体液注入孔が設けられる。センサーは、他方の基板の内面に設けられる。さらに、該他方の基板内面には、センサー校正用の試薬容器を受ける凹部と、仕切り板の開口部を介して上記一方の基板に設けた体液貯蔵部に連通する第２の体液貯蔵部が設けられる。
携帯型分析器は、検査具を差し込むための挿入口を有し、検査具が差し込まれたとき、試薬容器受け凹部に位置する試薬容器が破られて、センサーまで流れ、実際の分析に先立って該センサーの校正が行われる。その後、体液注入口から人又は動物の体液が注入され、基板内面に形成された通路を通ってセンサーまで流れ、測定が行われる。測定により発生する電気信号は、分析器に送られて、演算処理部により処理され、分析の結果が表示部に表示される。
この分析システムは、軽便で、現場での検査が可能であり、検査すべき体液を注射器等の注入器で直接注入できるので、検査すべき体液が雰囲気に触れることを避けることができるという利点がある。しかし、検査対象は、人又は動物の体液といった高濃度の液体であり、例えば土壌に含まれる有害重金属のように極めて微量な被検出物質の濃度測定には使用できない。

米国特許第６，１１０，３５４号明細書は、飲用水や廃水、及び血液や尿のような生物学的流体などの分析に使用される微小バンド電極アレイを備えた分析装置を開示する。分析の原理は、分析対象の電解質液体が電極に接触することによって発生する電流のファラデー成分を検出することである。この分析装置の一例として示される構造は、平坦な基板からなる平板状のセンサーを備えるもので、微小バンド電極アレイを用いることにより非ファラデ−成分の発生を抑制して検出感度を高めることができ、水溶液に微小量含まれる有害金属の検出が可能になると考えられる。しかし、土壌に含まれる有害重金属のように極めて微量な被検出物質を対象とする場合には、この装置を用いて濃度測定を行うのは、検出感度が十分でないため困難である。

国際公開ＷＯ２００４／０３９５００Ａ１は、核酸の分析に使用されるカートリッジ式分析装置を開示する。この装置は、チップカートリッジと該チップカートリッジに接続される測定系、送液系及び温度制御機構から構成される。チップカートリッジは、該文献の図２に示されており、プリント基板と、該プリント基板を下部側から支持する支持体と、該支持体とともにプリント基板を上部側から挟み込み固定支持する上蓋から構成される。上蓋には、２つの流路が形成されており、これらの流路はセルを通るように配置されている。
プリント基板には、ＤＮＡプローブが固定化される塩基配列検出チップが実装されており、該プリント基板はチップカートリッジに取り付けられる。
この文献に開示された装置においては、被検出物質であるＤＮＡプローブが固定化される塩基配列検出チップが置かれた位置に「各種溶液」が通されて、その位置で、検出のための電気化学反応が生じさせられる。この従来の装置では、各種流路の洗浄が困難で、流路の汚染の問題がある。また、装置の一部のみ、例えば塩基配列検出チップのみを使い捨て部品として構成することが困難である。

これら従来の装置における問題点を解消でき、被検体に含まれる被検出物質の濃度が極めて微量であっても支障なく濃度検出を行うことができる、軽量で持ち運びに便利なカートリッジ式検出装置を、本出願人は、特願２００７−５００４４９号により提示した。この出願に開示された検出装置は、検出用カートリッジと処理ユニットとから構成され、該処理ユニットには、被検出物質を貯留する貯留部があり、さらに試薬タンクと送液ポンプとが備えられる。検出用カートリッジには、被検液流路と検出用流体流路とが設けられ、該検出用流体流路は、検出用カートリッジが処理ユニットに装着された状態で、試薬タンクに連通させられる。この状態で送液ポンプを作動させることにより、試薬タンク内の試薬が検出用流体流路に通されて、貯留部に貯留された被検出物質を該試薬内に溶出させ、検出機構に送る。この出願に好ましい実施形態として開示された装置では、検出用カートリッジの複数の流路に所望の薬液を切り替えて流通させるために、単一の送液ポンプと複数のバルブ機構が設けられる。

この特願２００７−５００４４９号に開示された装置は、微小濃度の被検出物質でも支障なく検出でき、小型で持ち運びにも便利である、という利点を有する。しかし、この種の装置においては、種々の薬液がカートリッジ内に流通させられるため、流路内の洗浄が必要となるが、流路やバルブ機構近傍の洗浄が必ずしも完全に遂行できないことによる流路汚染の問題がある。さらに、この種の装置では、流路内に微細気泡が発生するのを極力防止する必要があるが、この観点からも、この出願に開示された装置には、改良の余地がある。

特開平１０−３１１８２９号公報 米国特許第６，１１０，３５４号明細書 国際公開ＷＯ２００４／０３９５００Ａ１ 特願２００７−５００４４９号の明細書及び図面（先願）

本発明は、流路の汚染を効果的に防止でき、流路内での微細気泡の発生を抑制することが容易であるカートリッジ式電気化学分析装置を提供することを課題とする。

本発明の他の課題は、検査場所に制限がなく、どんな場所ででも容易に使用することができる携帯容易なカートリッジ式電気化学分析装置を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明は、被検出物質を含む被検液を通す流路を有する検出用カートリッジと、該検出用カートリッジに接続可能であり、該検出用カートリッジ内に通される被検液に含まれる被検出物質に関する情報を生成する処理ユニットとからなるカートリッジ式電気化学分析装置の改良された構成を提供する。
本発明の一実施形態による電気化学分析装置において、検出用カートリッジは、外面に開口する少なくとも３つのポートと、該３つのポートのうちの第１のポートを貯留部に接続する第１の内部流路と、該３つのポートのうちの第２及び第３のポートを互いに接続する第２の内部流路と、貯留部を第２のポートに接続する第３内部流路と、第２の内部流路に面するように配置された検出用電極配列とを備える。処理ユニットは、検出用カートリッジが該処理ユニットに接続されたとき吐出口が第１の吐出側バルブを介して検出用カートリッジの前記第１のポートに接続される第１のポンプと、該検出用カートリッジが該処理ユニットに接続されたとき吐出口が第２の吐出側バルブを介して前記検出用カートリッジの前記第２のポートに接続される第２のポンプと、第１及び第２のポンプのそれぞれに接続される第１及び第２の薬液タンクと、検出用カートリッジが該処理ユニットに接続されたとき該検出用カートリッジの前記第３のポートに接続される廃液タンクとを備える。さらに、第１及び第２の薬液タンクに所望の薬液を入れて、該第１及び第２のポンプと、第１及び第２の吐出側バルブとを適宜作動させることにより所望の分析を行うことができるように構成される。

本発明のさらに別の態様においては、第１及び第２のポンプは、液体を吸入して該吸入した液体を定流速で吐出する形式のポンプとする。第１の薬液タンクは、第１の吸入側バルブを介して第１のポンプの吸入側に接続され、第２の薬液タンクは、第２の吸入側バルブを介して前記第２のポンプの吸入側に接続される。
さらに、本発明の他の態様においては、検出用カートリッジには外面に開口する第４のポートが形成され、該第４のポートは、参照電極用流路を介して第３の内部流路と第３のポートに接続され、参照電極用流路に面して参照電極が配置される。さらに、処理ユニットは、検出用カートリッジが該処理ユニットに接続されたとき吐出口が第３の吐出側バルブを介して検出用カートリッジの第４のポートに接続される第３のポンプと、第３のポンプの吸入側に接続される参照電極用薬液タンクとを備える。また、第３のポンプは、液体を吸入して該吸入した液体を定流量で吐出する形式のポンプであり、参照電極用薬液タンクは、第３の吸入側バルブを介して第３のポンプの吸入側に接続される。さらに、検出用カートリッジに存在する外面に開口する第３のポートが廃液タンクに接続されずに、検出用カートリッジ内に形成された廃液溜に接続される。

本発明の他の実施形態においては、検出用カートリッジは、外面に開口する少なくとも４つのポートと、該４つのポートのうちの第１及び第２のポートを互いに接続する第１の内部流路と、該４つのポートのうちの第３及び第４のポートを互いに接続する第２の内部流路とを備える。さらに、検出用カートリッジは、第１の内部流路内に配置された貯留部と、第２の内部流路に面するように配置された検出用電極配列とを備える。また、この分析装置は、検出用カートリッジ又は処理ユニットのいずれか一方に、検出用カートリッジの第１及び第２の内部流路を互いに接続する接続流路を備える。処理ユニットは、検出用カートリッジが該処理ユニットに接続されたとき吐出口が第１の吐出側バルブを介して検出用カートリッジの第１のポートに接続される第１のポンプと、検出用カートリッジが該処理ユニットに接続されたとき吐出口が第２の吐出側バルブを介して該検出用カートリッジの第３のポートに接続される第２のポンプと、第１及び第２のポンプのそれぞれに接続される第１及び第２の薬液タンクと、検出用カートリッジが該処理ユニットに接続されたとき該検出用カートリッジの前記第４のポートに接続される廃液タンクとを備える。そして、第１及び第２の薬液タンクに所望の薬液を入れて、第１及び第２のポンプと、前記第１及び第２の吐出側バルブとを適宜作動させることにより所望の分析を行うことができるように構成される。

本発明のさらに別の態様においては、第１及び第２のポンプは、液体を吸入して該吸入した液体を定流速で吐出する形式のポンプとする。第１の薬液タンクは、第１の吸入側バルブを介して第１のポンプの吸入側に接続され、第２の薬液タンクは、第２の吸入側バルブを介して前記第２のポンプの吸入側に接続される。処理ユニットには、検出用カートリッジが該処理ユニットに接続されたとき該検出用カートリッジのポートが形成された面に接触する面を有する配管プレートを備えることができる。この場合、検出用カートリッジの第１及び第２の内部流路を互いに接続する上述の接続流路は、該配管プレートに形成することができる。
さらに、本発明の他の態様においては、検出用カートリッジには外面に開口する第５のポートが形成され、該第５のポートは、参照電極用流路を介して第２の内部流路と第４のポートに接続され、参照電極用流路に面して参照電極が配置される。さらに、処理ユニットは、検出用カートリッジが該処理ユニットに接続されたとき吐出口が第３の吐出側バルブを介して検出用カートリッジの第５のポートに接続される第３のポンプと、第３のポンプの吸入側に接続される参照電極用薬液タンクとを備える。また、第３のポンプは、液体を吸入して該吸入した液体を定流量で吐出する形式のポンプであり、参照電極用薬液タンクは、第３の吸入側バルブを介して第３のポンプの吸入側に接続される。さらに、検出用カートリッジに存在する外面に開口する第４のポートが廃液タンクに接続されずに、検出用カートリッジ内に形成された廃液溜に接続される。

本発明はまた、上述した分析装置を使用する分析方法を提供する。この方法は、被検出物質が検出用カートリッジの貯留部に貯留された状態の検出用カートリッジが処理ユニットに接続された状態とし、第１の薬液タンクとして溶離液を充填した溶離液タンクを準備し、第２の薬液タンクとして電解液を充填した電解液タンクを準備し、第２の吐出側バルブを開いて第２のポンプを作動させることにより第２の内部流路に電解液を流通させ、該第２のポンプの作動を停止し、第２の吐出側バルブを閉じ、第３の吐出側バルブを開いて第３のポンプを作動させることにより参照電極に薬液を送り、第３のポンプの作動を停止し、第３の吐出側バルブを閉じ、第１の吐出側バルブを開いて第１のポンプを作動させることにより、溶離液を第１の内部流路から貯留部を経て第２の内部流路に流通させ、貯留部に貯留された被検出物質を溶離させて、該被検出物質を含む溶離液を、前記第２の内部流路に面して配置された検出用電極に接触させて被検出物質の検出を行う段階を含む。
被検出物質を含む溶離液を検出用電極に接触させながら所定の電気制御を行うことにより、該電極に溶離液に含まれる被検出物質に関する情報を表す電気信号が生成され、この電気信号は、処理ユニットに送られて、処理ユニット内の電気的処理装置により情報の読み取りが行われる。

上記方法は、ボルタメトリ法によって行うことができる。アノーディックボルタメトリ法によって、カドミウム、鉛、ヒ素、セレン、亜鉛、銅、ニッケル、水酸基を持つ化合物等の物質を定性または／および定量分析することが出来、カソーディックボルタメトリ法によって、クロム等の物質を定性または／および定量分析することができる。
アノーディックボルタメトリ法では、検出用電極に被検出物質の酸化還元電位以下の電位（プレーティング電位）をかけた状態で第１のポンプを作動させて溶離液を貯留部の上流から流すことにより、イオン化された被検出物質が検出用電極（後述する作用電極）に接触する。検出用電極は酸化還元電位以下となっているため、イオン化された被検出物質は金属として検出用電極に析出する。
所定量の溶離液を流した後、送液を止めて検出用電極の電位を上げていくと、被検出物質の酸化還元電位に達したところで電極表面に析出していた被検出物質がはがれる（ストリッピング）。このとき電極にイオン化した被検出物質の量に応じた電流が流れるのでそれを測定する。得られた電位―電極ピーク電位から被検出物質の定性分析、ピーク面積や高さから定量分析を行うことができる。
カソーディックボルタメトリ法では、検出用電極に被検出物質の吸着脱離電位以上の電位をかけた状態で第１のポンプを作動させて溶離液を貯留部の上流から流すことにより、吸着された被検出物質が検出用電極（後述する作用電極）に接触する。検出用電極は吸着脱離電位以下となっているため、被検出物質は検出用電極に吸着する。
所定量の溶離液を流した後、送液を止めて検出用電極の電位を下げていくと、被検出物質の吸着脱離電位に達したところで電極表面に吸着していた被検出物質が脱離する。このとき電極にイオン化した被検出物質の量に応じた電流が流れるのでそれを測定する。得られた電位―電極ピーク電位から被検出物質の定性分析、ピーク面積や高さから定量分析を行うことができる。

検出用カートリッジの貯留部は、第１の内部流路内に配置されて被検出物質を吸着するように作用する吸着担体を含むことができる。この場合、該吸着担体に吸着された被検出物質を溶離させる溶離液を吸着担体に通して検出用電極配列に向けて流すことにより被検出物質に関連する電気信号が該検出用電極において生成される。吸着担体は、膜、微粒子、又は多孔質体のいずれの形態であってもよい。吸着担体は、カチオン性物質吸着担体とすることができる。この場合、該吸着担体は、該担体を構成する材料をスルホン酸基で処理して形成することができる。また、吸着担体は、アニオン性物質吸着担体とすることができる。この場合には、該吸着担体は、該担体を構成する材料を４級アミン基で処理して形成することができる。さらに、吸着担体は、該担体を構成する材料を被検出物質受容性物質で処理して形成することができる。この被検出物質受容性物質は、キレート物質、包接体及び被検出物質吸着性物質のいずれかとすることができる。キレート物質は、イミノ２酢酸又はエチレンジアミン基のいずれかとすることができる。包接体は、ポルフィリン及びカリックスアレンのいずれかとすることができる。また、被検出物質吸着性物質は、アポ酵素及び被検出物質吸着抗体のいずれかとすることができる。

カートリッジは、カード状に形成することができ、この場合の処理ユニットは、ケーシングにカード状のカートリッジを挿入する挿入部を形成することが好ましい。電極配列は、寸法が１０μｍより大きくない少なくとも１個の微小電極要素を含むものとすることが好ましい。この場合、電極要素の上面に絶縁体シートを配置し、該絶縁体シートに寸法が１０μｍより大きくない孔を形成することにより、該微小電極要素とすることが好ましい。

電極配列は、少なくとも１個の作用電極要素と、対極要素とを含むものとし、少なくとも１個の参照電極要素を設けることができる。作用電極要素は、互いに異なる面積であって異なる濃度範囲の測定のために働く複数の作用電極要素を含むものとすることができる。

さらに、電極配列は、少なくとも１個の作用電極要素と、少なくとも１個の対極要素と、少なくとも１個の参照電極要素とを含むものとすることができる。

また、貯留部は、カチオン性物質を吸着するカチオン吸着担体とアニオン性物質を吸着するアニオン吸着担体とが並列配置された構成とし、電極配列は、２組の電極組を含み、各々の電極組を、それぞれカチオン吸着担体とアニオン吸着担体に対応させることができる。

上述した本発明による電気化学分析装置は、検出用カートリッジの各ポートにそれぞれ別々のポンプがバルブを介して接続されるので、使用後に検出用カートリッジを廃棄し、処理ユニットのみを再度使用する場合に、該処理ユニットの洗浄が容易であり、洗浄残りを生じるような個所をなくすことができる。また、作動に際しても、１つの送液ポンプにより複数のポートへの送液を吐出側バルブの切り換えにより行う構成では、先ず１つのポートへの流路を開閉するバルブを開いてポンプを作動させ、薬液を該ポートに接続された流路に送り、次いで他の１つのポートへの流路を開閉するバルブを開いて同じポンプを作動させ、他の薬液を該ポートに接続された流路に送って洗浄を行う、という動作を順次に繰り返す必要があるが、検出用カートリッジの各ポートにそれぞれ別々のポンプがバルブを介して接続される本発明の構成によれば、バルブの開閉動作を一部並列的に行うことができるので、全体的に動作時間を短縮することが可能になる。したがって、全体としての分析時間が等しいものとして比較すれば、本発明による分析装置では、検出用カートリッジに送られる液体の流速を低くすることができる。したがって、本発明の装置は、検出用カートリッジに通される流体の流速を抑制することにより、微細気泡の発生を防止することができる、という分析装置にとって極めて有用な効果を達成することができる。

本発明の分析装置は、該被検出物質を含む液体が検出用電極に接触したとき、該電極に被検出物質に関する電気的情報が生成される物質であれば、どのような物質の分析にも適用することができる。使用される電極構成としては、典型的には、作用電極、対極及び参照電極からなるものが通常は用いられる。作用電極は、被検出物質を吸着し、溶離液に接触したときに該被検出物質を溶離液中に放出する電極である。作用電極に望まれる条件としては、印加できる電位の範囲が広いこと、すなわち電位窓が広いこと、腐食や酸化に耐性があることである。電位窓とは、電気化学上好ましくない水素イオンの発生又は酸化皮膜の生じない電位領域を指し、この領域は、電極の材質及び測定対象溶液のｐＨ値によって異なる範囲となる。

作用電極として好ましい材料は、白金、金、水銀、銀、ビスマス、カーボンなどである。作用電極を形成するにあたっては、これらの材料から適宜選択すればよいが、測定対象である被検出物質を吸着し易い材料であることが好ましい。被検出物質がカドミウム、鉛及び水銀である場合には、作用電極としてはカーボン表面を有する電極を使用し、砒素及び水銀測定用の作用電極としては金表面を有する電極を使用することが適切である。六価クロムの検出のためには、カーボン表面を有する電極を使用すればよい。その理由は、カーボン表面を有する電極は、六価クロムとジフェニルカルバジドの会合体を良く吸着する性質を有するからである。

カーボン表面を有する電極としては、黒鉛／ガラス状炭素比が７０／３０の黒鉛のカーボン焼結体からなるカーボン電極が好ましい。一般に、黒鉛は、鉛やカドミウム、水銀などを吸着し易いが、その結晶の配向方向を揃え難いために、物質の吸着にばらつきを生じたり、接触する液体により膨潤したりするという問題がある。しかし、黒鉛にガラス状カーボンを一部混入して焼結することにより、焼結体を緻密化し、液体の浸透を抑制することができる。また、ガラス状カーボンにより黒鉛の配向方向をランダム化して、吸着のばらつきを極めて小さくすることができる。上述した黒鉛／ガラス状カーボン比が約７０／３０の焼結体は、高感度で再現性のよい作用電極を構成するのに好都合である。

金表面を有する電極としては、特に材質に制限はない。本発明においては、ガラス基板上にクロム層を介して金を被覆した構成を用いることにより、良好に作動する作用電極を得ることができる。この場合、クロム及び金の成膜はスパッタリングにより行うことができる。膜の厚さに特に制限はないが、クロム層は約４０ｎｍ、金層は約４００ｎｍとすればよい。

対極は、作用電極との間で電流を流すためのものである。導電性の材料であれば、どのような材料であっても対極として使用できる。

参照電極は、既知の安定した電位を示すことにより電位の基準とすることができる電極である。代表的な参照電極として、水素電極、飽和カロメル電極（水銀／塩化水銀電極）、銀ハロゲン化銀電極などを挙げることができる。銀／ハロゲン化銀電極としては、銀表面が塩素を含む溶液との平衡反応により塩化銀を形成している銀・塩化銀電極がある。この電極においては、電圧が印加された場合にも、銀と塩化銀との平衡状態が常時保たれるため、発現する電位は常時一定となり、参照電極として用いることができる。銀・臭化銀電極及び銀・ヨウ化銀電極も使用できるが、材料の汎用性及び加工コストの観点からは、銀・塩化銀電極が好ましい。
後述する参照極溶液として、塩化物イオンを含む溶液を用いる場合は、簡単な構成の銀プリント電極によって参照電極として機能させることができる。この場合、測定中に参照電極に流れる微弱な電流によって銀が塩化銀に転化しながら銀/塩化銀電極として機能する。

電極のサイズは特に限定はされないが、一例を挙げると、３ｘ８．４ｍｍの長方形平面形状を有し、厚さが０．５ｍｍの薄板状の電極に、直径１ないし２．５ｍｍ程度の小孔をあけた両面粘着テープのようなシートを貼付して所定面積の電極表面を露出させるようにすることができる。電極は、薄板状の予め成形した電極素材をカートリッジ基板に貼り付ける構成とすることが、成形及び取り付けの容易さの観点から好ましいが、カートリッジ基板に直接形成することもできる。さらに、電極露出サイズが１０μm以下の微少電極によって感度を向上させることができる。

上記作用電極、対極、参照極を適当な電解質を含む溶液に接触させ、電気化学測定を行う。電解質は、溶液中で塩を形成する物質であればどんな物質でもよいが、塩化カリウム、硫酸、硝酸、硝酸カリウム、水酸化ナトリウム等が価格の観点から好ましい。また、作用電極の電位窓は、pHに応じて負側もしくは正側にずれる性質を有するため、電解質によってｐＨの調整をしておくことで、測定対象電位範囲における作用電極からの水素発生や作用電極上の酸素皮膜形成などの不具合を防ぐことが出来る。

参照電極は、作用電極、対極との間で電気的相互作用を有しつつ、参照極に用いられている銀イオンが作用電極に影響をおよぼさないように隔離されていることが好ましい。このため、作用電極及び対極が収納される電解室とは別に参照電極室を別途設けておき、参照電極室と溶離液が液路により接続される構造を形成しておく。液路は、容易に分子拡散を生じないように微細流路としておくことが好ましい。多孔質膜で参照電極室と溶離液が隔てられている構造としてもよいが、この際には多孔質膜に参照電極用薬液が浸透するまでに或る程度長い時間が掛かることから、本発明のように短時間で被検出物質の検出を行う目的の場合には、微細流路の方がより好ましい。参照電極室中には参照電極が設置され、この参照電極質に参照電極用薬液が予め含まれた状態とするか、若しくは参照電極用薬液が必要に応じて供給される構成にしておくことが望ましい。参照電極用薬液は、電解室に満たされる電解室液と同様のものを用いることができる。検出用カートリッジに予め参照電極活性化液を搭載しておく場合には、液体の蒸発による固体物質の析出を防ぐために、参照電極用薬液をアルミニウム製パックなどに封入しておくことが有用である。

貯留部に配置される吸着担体は、電極構成の上流側に位置する第１の内部流路中に設けられる。既に述べたように、吸着担体は、膜、微粒子、多孔質体のいずれの形態であってもよく、また、それらの組み合わせであってもよい。以下に、それぞれの形態を具体的に説明する。

膜構造：
主として繊維によりフィルター状に形成される。高分子膜、金属膜に適当な孔を開けたものとすることもできる。膜構造の例としては、表面の形態により被測定対象物質に対する吸着機能を持つもの、表面を官能基で修飾したことにより同様の吸着機能を持つもの、繊維に特定機能を有する粒子を担持させたものが挙げられる。
微粒子：
この構造には、微粒子表面の形態により被測定対象物質吸着機能を持つもの、微粒子表面を官能基で修飾したことにより同様の吸着機能を持つものがある。微粒子を、流路の長手方向に約10mm以上にわたって延びるカラム状に充填すれば、クロマトグラフィーを行うことが出来る。充填の形状は、直方体状、円筒状のいずれでもよい。
多孔質体：
多数の連通孔を有する担体である。例としては、多孔質セラミック、多孔質ガラス等のモノリス型多孔質無機材料、或いは、ポリアクリルアミドゲル、スチレンジビニルベンゼン共重合体等を多孔質化したものなどが挙げられる。連通孔表面の形態により被測定対象物質吸着機能を持つもの、連通孔表面を官能基で修飾したことにより同様の吸着機能を持つものがある。連通孔を有する担体が一体構造を有する場合には、以下にこれをモノリスと呼ぶ。クロマトグラフィーができる長さより小さい場合には、これをモノリスディスクと呼び、クロマトグラフィーができる長さのものは、これをモノリスカラムと呼び、いずれも用語は目的に応じて使い分けることができる。モノリスカラムは、樹脂充填カラムに比べて相対的に低圧力で通液することが可能であるため、低圧送液ポンプを用いることができ、同じ分析性能を有する機器でも、より小型化、低消費電力化が可能になる。モノリスディスクについても、同様の理由で低圧力での送液が可能であるため機器の小型化が容易となる。モノリスカラム及びモノリスディスクとも、一体化された構造を有するので、カートリッジ式マイクロリアクタ内に設置する際の取り扱いが容易である。

吸着担体を構成する材料の例としては、スチレン−ジビニルベンゼン共重合体、ポリメタクリレート樹脂、ポリヒドロキシメタクリレート樹脂、ポリビニルアルコール、ポリエチレン、ポリプロピレン及びエチレンープロピレン共重合体等に代表されるポリオレフィン、エチレンーテトラフルオロエチレン共重合体、エチレンークロロトリフルオロエチレン共重合体に代表されるオレフィン−ハロゲン化オレフィン共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリクロロトリフルオロエチレン等に代表されるハロゲン化ポリオレフィン及びポリスルホン、シリカ、アルミナなどが挙げられる。繊維状の吸着担体の場合には、セルロース系材料、綿や麻などの植物性繊維、絹や羊毛などの動物性繊維に代表される各種の天然繊維あるいは再生繊維、ポリエステル繊維やポリアミド繊維等の各種合成繊維等の繊維状材料が用いられる。

また上記構造をとらない場合でも、流路の壁面が被測定対象物質に対する吸着機能を有する場合には、同様に濃縮機能を生じることができる。

吸着担体の表面に被測定対象物質に対する吸着機能を持たせるためには、表面が被測定対象物質に対する相補的な構造を有するか、又はイオン結合、配位結合、キレート結合、疎水性相互作用、分子内極性による相互作用等を起こす機能性分子が固定化されるようにすればよい。

相互作用を有する機能性分子としては、例えば、スルホ基、第４級アンモニウム基、オクタデシル基、オクチル基、ブチル基、アミノ基、トリメチル基、シアノプロピル基、アミノプロピル基、ニトロフェニルエチル基、ピレニルエチル基、ジエチルアミノエチル基、スルホプロピル基、カルボキシル基、カルボキシメチル基、スルホキシエチル基、オルトリン酸基、ジエチル（２−ヒドロキシプロピル）アミノエチル基、フェニル基、イミノジ酢酸基、エチレンジアミン、硫黄原子を含むキレート形成基、例えば、各種メルカプト基、ジチオカルバミン酸基、チオ尿素基などの官能基が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、２種類以上を同時に用いてもよい。

溶離液は、貯留部の吸着担体に吸着している被検出物質を、吸着担体から離脱させるためのものである。吸着の形態に応じて有効な溶離液は異なるので、吸着の化学的特性から判断して溶離液を選定する。例えば、吸着担体表面に吸着しやすいイオンを含有する溶液であって、この溶液が吸着担体を通過するときに、該吸着担体に既に吸着しているイオンの形態の測定対象成分が溶離液中のイオンと交換することによって、測定対象成分を吸着担体から離脱させることができる。本発明においては、被検出物質に応じて下記に示すような組成を有する溶離液を用いることができる。
カドミウム、鉛、水銀測定の場合：
吸着担体として、３Ｍ社からCation-SRの商標により入手可能なエムポア(TM)ディスクカートリッジを用い、溶離液として0.4M 塩化カリウム、 10mM クエン酸、3.5mM エチレンジアミンを含む液体（pH＝約４）を使用する。この吸着担体は、粒径50-100μmの微粒子を繊維状テフロン（登録商標）に固着させ、0.5〜0.75mmの厚みの膜状にしたものである。微粒子10％、繊維状テフロン（登録商標）90％の構成である。微粒子表面はスルホン酸基により修飾されている。
砒素、セレン、六価クロムの測定の場合：
吸着担体として、３Ｍ社からAnion-SRの商標により入手可能なエムポア(TM)ディスクカードリッジを用い、溶離液として、１Ｍ−硫酸（pH＝約２）を用いる。この吸着担体も、粒径50-100μmの微粒子を繊維状テフロン（登録商標）に固着させ、0.5〜0.75mmの厚みの膜状にしたものである。微粒子表面は４級アミン基により修飾されている。

溶離液は、電解質を含有する溶液が好ましい。電解質が含まれている溶離液を一定流量で送液することにより、溶離から検出までを連続して行うことができる。このように構成することにより、配管及び操作を簡易化でき、溶液の混合比や混合スピードを管理する必要がなくなる。溶離液と電解質溶液を別途用意する場合には、それぞれの溶液の絶対量の管理が必要になるが、本発明の濃度検出装置のように、流路や電極を設けるスペースが極少量である場合には、溶液の絶対量の管理は困難であり、１種類の溶離液、及び電解質溶液の両方として機能する溶液により溶離と電気化学測定を行えるようにすることは、極めて有効である。

吸着担体によっては、サンプル液を通過させる前に吸着担体を活性化する液体を通過される必要があるものがある。例えば、砒素、セレン、六価クロムを吸着する４級アミンは、OH-イオンと接触することにより吸着性能を発揮するようになるが、これは、目的とする陰イオンがOH-イオンと置換する反応を利用するものである。この場合には、吸着担体活性化液が使用される。吸着担体活性化液としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどが用いられる。

吸着担体の大きさは、吸着担体の吸着容量が、目的とする成分を吸着するにあたって飽和とならない範囲で、自由に決定できる。測定対象物質を含む溶液中に、吸着担体に吸着しうる物質がどの程度含まれているかを予め想定し、吸着担体の大きさを決定する。吸着担体の吸着容量が小さい場合には、濃縮倍率を上げやすいが、飽和吸着となり易いため、所望の吸着容量が得られる大きさの吸着担体とすることが必要である。

吸着担体の空隙率、連通孔の大きさ等は、溶液との接触を確実に行うことができ、目詰まりが問題とならない範囲で決定する。膜構造の場合には、その目の粗さは０．３μｍ程度以上、微粒子を用いる場合には、その粒子径は２〜５０μｍ程度、モノリスカラムの場合の連通孔は１〜５０μｍ程度が好ましい。

本発明においては、前述した３Ｍ社のエムポア(TM)ディスクカードリッジを用いることにより、好適な結果が得られる。厚みは非常に薄いため、吸着した重金属を離脱させるときに用いる溶離液の量が、具体的には9〜15μｌというように極少量で済み、従って溶離液中の重金属濃度が高くなり、結果として高感度の分析を実現出来る。吸着担体の形態の如何を問わず、その容積が極少であることは、微量成分の分析では重要である。

また、このように薄い膜構造を用いることにより、液体を通過させるために必要な送液圧力が殆どかからなくなる。装置を小型化するためには、ポンプの小型化が必須であり、送液圧力を低減することが有効である。この観点でも薄い膜構造の形態をとるのは好ましいことである。

検出用カートリッジ内で各種の液体を移送・貯蔵するために、微小流路が形成される。液体を移送する流路は、数百μｍ〜数ｍｍのオーダーの幅を有し、数百μｍ深さを有する溝により形成され、流路の断面積は１００μｍ²〜１ｍｍ²程度であることが好ましい。流路が大きすぎると、流路中で乱流が生じやすくなり、目的とする物質の輸送が均一でなくなる。流路が小さすぎると、流路中に存在する微粒子などにより流路が詰まったり、気泡が抜けにくいなどの不具合が生じる場合がある。液体の移送を確実に行うために、流路の内部を親水化処理してもよい。親水化処理は、気泡の滞留を生じにくくする作用も併せて有する。

カートリッジを処理ユニットに接続するには、カートリッジを、該処理ユニットのケーシングに機械的に結合することが好ましい。カートリッジ内の電極やポートに相当する位置と、読取装置の端子、弁機構、各種溶液の注入口が正しく接続されるのを確実にする配置を得るために、読取装置のケーシングには、該カートリッジを所定位置に保持するホルダ部を設けることが好ましい。カートリッジとケーシングには、互いの形状に合わせて嵌合するように、凹部及び突起が設けられ、これらが相互に係合して、カートリッジを読取装置のケーシングに確実に保持する。本発明の一つの態様では、検出用カートリッジが処理ユニットに接続されたとき、配管プレートが検出用カートリッジのポートを有する面に密着して、該配管プレート内の流路、例えば第１及び第２の内部流路を接続する接続流路や、第１及び第２のポートを第１及び第２の吐出側バルブに接続する流路などを、それぞれの対応するポートに液密に接続する。

電気化学的検出は、ホルダ部に固定されたピン状の端子を介して行われる。これらの端子と処理ユニットは予め結線される。この端子は、処理ユニット内にカートリッジが設置されたときに電極が位置するところに設けられ、その内部にバネを設けて伸縮可能とし、接続が確実になるような構成とすることが好ましい。ホルダ部にカートリッジを設置した状態で、予め電極上方に位置するようホルダーに固定された端子が、バネの力で電極と確実に接触する。これらの電極には、予め設定した測定プロファイルに従って電圧が印加され、電極に流れた電流を検出して、記録や表示部に信号が送られる。

各送液用ポンプは、少量の液体を安定して送液でき、脈動がなく、流速が一定であるものが好ましい。５〜１００μl／min程度の流速が安定して実現できることが好ましく、ポンプが送液可能な圧力は0.01〜10Mpaであることが好ましい。また、本体が小型かつ軽量で消費電力が少ないものであることが好ましい。これらの条件に適合するポンプとしては、シリンジポンプが挙げられる。好適なシリンジポンプとしては、ユニフロー社製ペンシルポンプがある。この他にも、ギヤポンプなどを使用することができる。

本発明の濃度検出装置においては、被検出物質を検出用電極配列によって補足する工程、より具体的にはアノーディックボルタンメトリ法における酸化還元電位以下あるいはカソーディックボルタンメトリ法における吸着脱離電位以上の電位をかけて被検出物質を作用電極上に析出させる工程において、被検出物質を含む被検液を一定の流速で流しながら測定を行うことが好ましい。このために、流量検出手段を採用することもできる。溶液を流すことにより、単位時間当たりに電極表面近傍を通過する重金属イオンの数が多くなり、その結果として、析出する被検出物質の量が多くなるので、測定を高感度で行うことが可能になる。また、一定の流速で常に溶液を更新し続けることができるので、吸着担体活性化液や洗浄液等の液残り分の影響を考慮したり、溶液の全容積を管理したりする必要がなくなり、流速のみを管理するだけで精度の高い分析をすることができるようになる。さらに、分析対象や濃度に応じて流速を変えることにより、的確な条件で測定を行うことができ、共通のチップを様々な分析対象に使用することができるようになる。

以下、本発明を図面に示す実施形態に基づいて説明する。

（検出用カートリッジによる各種重金属の測定）
図１（a）に、本発明の一実施形態による検出用カートリッジの一例を分解図で示す。図示実施形態においては、検出用カートリッジ１は、３枚の樹脂製のベース基板１１、１２、１３を、下からこの順で重ね、組み合わせて構成されている。典型的な例を挙げると、各基板の大きさは、平面形状が３５ｍｍ×５０ｍｍであり、一枚の基板の厚さは１ｍｍであり、重ね合わせた状態で約３ｍｍとなる。

基板１１、１２の間には、被検出物質を吸着する吸着担体２２、被検出物質を検出するための作用電極３１、該作用電極３１に対応する対極３３及び参照極３４が配置される。基板１１は、吸着担体２２を収めるための凹部２２ａが形成される。この凹部２２ａは、貯留部の一部を構成する。基板１１には、さらに、電極３１、３３、３４を所定位置に収めるために凹部が形成される。図１（a）において、基板１１の凹部３１ａが作用電極３１を収める作用電極室であり、凹部３３ａが対極３３を収める対極室、凹部３４ａが参照電極３４を収めるための参照電極室である。さらに、基板１１には、吸着担体２２を受ける凹部２２ａが形成され、基板１２には、該凹部２２ａに対応する位置に、該凹部２２ａと同じ直径の円形孔２２ｂが形成されている。

砒素及びセレン測定用の作用電極としては、ガラス基材上にクロム層を介して金層が形成された金電極（３．５ｍｍ×８．４ｍｍ×０．５ｍｍ）を用い、カドミウム、鉛、水銀及び六価クロム測定用の作用電極としては板状カーボン電極（３．５ｍｍ×８．４ｍｍ×０．５ｍｍ）を用いる。対極３３には、作用電極３２と同様の板状カーボン電極（３．５ｍｍ×８．４ｍｍ×０．５ｍｍ）を使用し、参照極３４には、アルミナ基材上に銀/塩化銀ペーストが塗布された電極（バイオデバイス社製）（３．５ｍｍ×８．４ｍｍ×０．５ｍｍ）を使用すればよい。もちろん、他の電極構成を採用することも可能である。

電極の大きさは全て統一されており、電極表面と基板１２の表面が同一面になるように、それぞれの電極３１、３３、３４が基板１２の凹部３１ａ、３３ａ、３４ａにそれぞれ収められている。基板１１と基板１２の間、基板１２と基板１３の間は、粘着テープ２４ａ、２４ｂによって、それぞれ液密に固定される。図１（a）には、基板１２、１３間に配置される粘着テープ２４の例が示されている。各粘着テープは、必要な個所に開口又は孔が形成される。

作用電極３１及びその他の電極の表面は、粘着テープ２４ａによってマスクされる。図１（a）に示すように、マスク２４ａの電極に対応する３ヶ所の位置に所定の面積の孔を開口することにより、各電極が露出される。図１（a）において、孔２４１が作用電極３１に対応するものである。図示実施形態では、作用電極３１に対応する孔２４１を直径１ｍｍの円形孔としている。これらの孔は、各電極３１、３３、３４が液体と接するようにするためのものである。さらに、粘着テープ２４ａには、基板１１上の凹部２２ａに対応する位置にも該凹部２２ａと同じ大きさの孔２４３が形成されている。個々に説明はしないが、粘着テープ２４ａ、２４ｂには、それぞれ基板に形成される凹部等に対応する位置に必要な孔又は開口が形成される。

図１（a）に示すように、基板１１には、第１のポート１１１、第３のポート１１３、第４のポート１１４、及び第５のポート１１５を形成する厚さ方向貫通孔が形成されている。さらに、基板１２には、基板１１上の凹部２２ａに対応する位置に、貯留部の上半分を構成する凹部２２ｂが形成され、さらに、第１のポート１１１に対応する位置に貫通孔２１１、第３のポート１１３と第４のポート１１４を接続する溝２０１、この溝２０１と第５のポート１１５を接続する溝２０２のそれぞれに対応する位置に、厚さ方向に延びる孔２１１、２１３、２１４、２１５が形成される。図２（a）は、基板１１、１２、１３を重ねて検出用カートリッジ１に組み立てた状態で各ポート及び内部流路の関係を示す断面図である。図３は、検出用カートリッジ１の内部流路を透視的に示す斜視図である。

図２（a）を参照すると、基板１１には、凹部２２ａの下側の位置に、第２のポート１１２が形成され、該第２のポート１１２は、基板１１の下面から凹部２２ａまで延びている。基板１２に形成される凹部２２ｂは、基板１２の下面に開口し、基板１１の凹部２２ａとともに貯留部を形成する。基板１２は、凹部２２ｂの上部から該基板１２の上面に達する貫通孔２１２を有する。また、図１（a）、図２（a）、図３に示すように、基板１２の下面には、孔２１３と孔２１４とを連通させる流路溝２０１と、第５のポート１１５に接続された孔２１５を参照電極３４に連通させる流路溝２０２が形成される。２つの流路溝２０１、２０２は、溝２０３により接続される。基板１３には、下面に、基板１２上の孔２１１と孔２１２を互いに接続する流路溝３０１が形成されている。

上述した検出用カートリッジ１の構成において、第１のポート１１１から孔２１１、流路溝３０１及び孔２１２を経て凹部２２ａ、２２ｂに至り、さらに第２のポート１１２に通じる経路が、本発明の第１の内部流路を構成する。第３のポート１１３から孔２１３、流路溝２０１及び孔２１４を経て第４のポート１１４に至る経路が第２の内部流路を構成する。第５のポート１１５、孔２１５及び流路溝２０２が参照電極流路を構成する。

図４に、上述した検出用カートリッジ１が処理ユニット５の一部を構成する配管プレート５１に装填された状態を断面模式図で示す。配管プレート５１は、検出用カートリッジ１の第２のポート１１２と第３のポート１１３を接続する接続流路５０１を有する。この接続流路５０１は、配管プレート５１にではなく、検出用カートリッジ１の基板１１に形成することも可能である。しかし、後述するように、被検液を第１の内部流路に通して被検出物質を吸着担体２２に吸着させる段階で、第１の内部流路と第２の内部流路を切り離した状態にするために、接続流路５０１は配管プレート５１に形成することが好ましい。図４に示すように、配管プレート５１には、第１のポート１１１、第３のポート１１３、第４のポート１１４及び第５のポートのそれぞれに接続される流路５１１、５１３、５１４、５１５が厚さ方向に貫通して形成されている。図５は、配管プレート５１の外観を示す斜視図である。図に示すように、配管プレート５１の上面には、検出用カートリッジ１を嵌め込むための凹部５２が形成されている。この凹部５２に検出用カートリッジ１が嵌め込まれると、検出用カートリッジ１のポート１１１、１１２、１１３、１１４、１１５が形成された下面が配管プレート５１の凹部５２の底面に密着して、各ポート１１１、１１３、１１４、１１５と配管プレート５１の各流路５１１、５１３、５１４、５１５との間の接続が完成される。

図４に概略的に示すように、配管プレート５１の流路５１１には、第１のポンプ５２１が第１の吐出側バルブ５３１を介して接続される。第１のポンプ５２１の吸入口には、第１の薬液タンク５４１が第１の吸入側バルブ５５１を介して接続される。同様に、流路５１３には、第２のポンプ５２２が第２の吐出側バルブ５３２を介して接続され、第２のポンプ５２２の吸入口には、第２の薬液タンク５４２が第１の吸入側バルブ５５２を介して接続される。さらに、流路５１５には、第３のポンプ５２３が第３の吐出側バルブ５３３を介して接続され、第３のポンプ５２３の吸入口には、参照電極用薬液タンク５４３が第３の吸入側バルブ５５３を介して接続される。流路５１４には、廃液タンク５４４が接続される。これらポンプは、脈動がなく、流速が一定であるものが好ましく、好適なポンプとしては、ユニフロー社製のペンシルポンプのようなシリンジポンプを挙げることができる。このポンプは、オートゼロ設定により容積ゼロに設定され、次の作動により、一定容積の液体を吸入し、次いで、吸入した液体を一定の流速で吐出することができる。また、第２の内部流路途中には、第３のポート１１３の上方に流路内の空気を除去するための空気孔が形成されており、溶離液兼電解質溶液がカートリッジ外に出ないように防水透水性素材（ゴアテックス（登録商標）等）のフィルタが介在されている。

図１（b）及び図２（b）に検出用カートリッジ１ａを４枚の樹脂製ベース板１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａにより構成した実施形態を示す。この実施形態においては、前例において配管プレート５１に形成されていた接続流路５０１に相当する内部流路５０１ａが、４板目の樹脂製ベース板、すなわち最下層の樹脂製ベース板１４ａに形成される。図１（b）及び図２（b）に示す例において、図１（a）及び図２（a）の構造における各ポートに対応するポートは、同一の符号により示してある。図１（b）において、ベース板１４ａには、ベース板１１ａ内のポート１１４に連通するポート１１４ａが形成されて、図２（b）に示すように廃液タンク５４４に接続される。
しかし、この例においては、最下部のベース板１４ａにポート１１４ａを形成せず、ベース板１４ａの上面に、図１（b）に想像線で示すように凹部を設けることにより、廃液溜５４４ａを形成しても良い。樹脂製ベース板１１ａ、１２ａ、１３ａには、廃液溜５４４ａに通じる空気抜き孔Ｖを形成することが好ましい。この構成では、検出用カートリッジに最低限必要な外部開口ポートは２個である。参照電極用薬液タンクに接続されるポートを設ける場合には、外部開口ポートは３個となる。
同様に、図１（a）に示す実施形態においても、図１（a）に想像線で示すように基板１１の上面に凹部を設けることにより、廃液溜５４４ｂを形成することができる。このように基板１１の上面に廃液溜を形成する場合には、図１（a）及び図２（a）に示すポート１１４は不要になり、この構成でも、最低限必要なポートは２個である。

図６（ａ）（ｂ）（ｃ）に処理装置２の構成を示す。処理装置２は、ケーシング６２０内に収められたプリント基板６２１と、パソコンにインストールされた演算処理ソフトウエア（図示せず）と、収納部６２２とを備える。収納部６２２には、上述した４個のタンク５４１、５４２、５４３、５４４と、ポンプ５２１、５２２、５２３、及びそれらに付随するバルブ５３１、５３２、５３３、５５１、５５２、５５３が収容される。プリント基板６２１はパソコンに接続され、演算処理ソフトウエアを起動することにより、検出用カートリッジ１からの電気信号を読み取って、被検出物質に関する情報を、パソコンの画面に表示する。ケーシング６２０内には、必要な電源として、バッテリ（図示せず）が収められる。さらに、ケーシング６２０内には、図４及び図５について前述した配管プレート５１が配置され、該配管プレート５１に検出用カートリッジ１が嵌め込まれるように構成されている。検出用カートリッジ１の出し入れ、及びタンクの交換のために、ケーシング６２０には適当な開閉蓋を設けることができる。

図７は、前処理として、検出用カートリッジ１に被検液を注入する被検液注入用ホルダ７０を示す斜視図であり、図８は、該ホルダ７０の内部を示す断面図である。ホルダ７０は、箱状の本体７１を有し、該本体の上に蓋７２が開閉自在に被せられる。本体７１の内部には、検出用カートリッジ１を載置するためのプレート７３が配置され、該プレート７３の上に検出用カートリッジ１が、ポート１１１、１１２を上にして置かれる。説明を簡単にするため、検出用カートリッジ１の他のポートは図示していない。本体７１内においてプレート７３より下の部分は廃液溜７４である。蓋７２には上方に開口する注入口７５が形成され、該注入口７５の下端は、蓋７２が閉じられたとき、検出用カートリッジ１の第１のポート１１１に接続される。蓋７１には、さらに、蓋７２が閉じた状態で一端が検出用カートリッジ１の第２のポート１１２に接続される廃液通路７６が形成されている。廃液通路７６の他端は、プレート７３に厚さ方向に貫通するように設けられた廃液パイプ７７の上端に接続される。

図９から図１２までに、本発明の分析装置を使用する分析方法を説明する。図９は、検出用カートリッジ１に被検液を通すカートリッジ前処理段階を示す。この段階では、図７及び図８に示す被検液注入用ホルダ７０を使用する。先ず、ステップ１においてカートリッジ１をホルダ７０内に図８に示すようにセットする。ここで、カートリッジ内の貯留部（吸着担体）を活性化するためにカートリッジの前処理を行う。次に、ステップ２において、注入口７５から被検出物質を含む被検液を注入する。被検液は、注入口７５からカートリッジ１のポート１１１に入り、吸着担体２２を通過してポート１１２からホルダ７０の蓋７２に形成された廃液流路７６を通って、廃液パイプ７７から廃液溜７４に排出される。被検液が吸着担体２２を通る間に、被検液内の被検出物質が吸着担体２２に吸着される。

図１０は、測定前準備段階を示すフロー図である。ステップ３において電源が投入されて、ステップ４の各処理が行われる。第１、第２、第３、第４のタンク５４２、５４２、５４３、５４４の位置にはそれぞれ試薬を収納したタンクが接地される。この例では、５４１及び５４２では溶離液兼電解質溶液タンク、５４３は参照極用薬液タンク、５４４は空タンク（廃液用）が設置される。カートリッジ１の位置には洗浄用カートリッジ１が設置される。洗浄用カートリッジは検出用カートリッジと同様のポート及び流路を備え、被検液等を通水していない状態のカートリッジである。バルブの操作及びポンプの作動は、図１０に示すシーケンスで行われる。

図１１は、測定開始準備段階を示す。処理ユニット２から洗浄用カートリッジを取り外し、図９に示す手順で被検液が注入された検出用カートリッジ１を処理ユニット２に設置し、次に、図に示す操作を行って、電解質溶液をカートリッジ１内の電極室２０１に注入し、参照電極用薬液を参照電極室２０２に注入する。

図１２は本測定のための処理手順を示すフロー図である。タンク５４１内の溶離液兼電解質溶液を第１の内部流路内に設けられた貯留部２２の上流から通液し、接続流路、第２の内部流路へと送液することにより、貯留部から溶離された被検出物質が電極上で電気化学上の操作によって検出される。図１３、図１４は、測定終了後の洗浄等の後処理における手順を示すフロー図である。

〔検出用カートリッジ１〕
貯留部（吸着担体２２）：３Ｍ社製エムポア アニオン用フィルター
〔作用電極３１〕
金電極（シリコンウエハ基板にスパッタリングにより金を蒸着）
〔対極３３〕
カーボン電極（三菱鉛筆社製ＰＦＣＥ）
〔参照極〕
Ａｇ/ＡｇＣｌ電極（Ａｇ/ＡｇＣｌ混合ポリエステル系バインダ液を塗布して作成）
〔カートリッジ前処理〕
５０％メタノール溶液と１Ｍ−ＮａＯＨ溶液をこの順で通液
〔被検液〕
１０ｐｐｂ−Ａｓ溶液
〔第１、第２タンクの薬液〕
溶離液兼電解質溶液 １Ｍ−ＮａＣｌ、
０．５３Ｍ−Ｌ−システインー塩酸塩
１Ｍ−塩酸
〔第３タンクの薬液〕
参照極用液 １．６−ＮａＣｌ、１０ｍＭ−クエン酸ー水和物
〔Ａｓ測定〕
アノーディックストリッピングボルタメトリ法（ＡＳＶ）
プレーティング：−０．４Ｖで２０μｌ／分×５分（１００μｌ）
ストリッピング：−０．４Ｖから０．８ＶまでＬＳＶ（Linear Sweep Voltammetry）にて０．４Ｖ／秒で挿引
以上の条件で測定を行った結果、０．３Ｖ付近にＡｓのピークが得られ、ピーク面積から求めた濃度は１０ｐｐｂであった。連続して１０枚の検出用カートリッジについて測定した。結果は、ＣＶ値１０％以内の安定した結果が得られた。

本発明の一実施形態の検出用カートリッジを分解して示す斜視図である。 本発明の第二の実施形態による検出用カートリッジを示す図１（ａ）と同様な図である。 検出用カートリッジの組立て状態を示す断面図である。 図１（ａ）の検出用カートリッジの組立て状態を示す断面図である。 検出用カートリッジの液体流路を概略的に示す斜視図である。 検出用カートリッジ内の流路と配管プレートとの関係を示す断面図である。 配管プレートの斜視図である。 処理装置全体を示す斜視図である。 処理装置全体を示す正面図である。 処理装置全体を示す側面図である。 被検液注入用カートリッジホルダの外観を示す斜視図である。 図７に示すホルダの断面図である。 前処理としてのカートリッジへの被検液注入の手順を示すフロー図である。 前処理操作としての洗浄操作手順を示すフロー図である。 測定開始前の準備手順を示すフロー図である。 本測定の手順を示すフロー図である。 測定終了後の後処理を示すフロー図である。 後処理の続きを示すフロー図である。

符号の説明

１・・・検出用カートリッジ
２・・・処理装置
１１、１２、１３・・・基板
２２・・・吸着担体
２４ａ、２４ｂ・・・粘着テープ
３１・・・作用電極
３３・・・対極
３４・・・参照電極
１１１・・・第１ポート
１１２・・・第２ポート
１１３・・・第３ポート
１１４・・・第４ポート
１１５・・・第５ポート
５２１・・・第１ポンプ
５２２・・・第２ポンプ
５２３・・・第３ポンプ
５３１・・・第１吐出側バルブ
５３２・・・第２吐出側バルブ
５３３・・・第３吐出側バルブ
６２１・・・演算処理装置

Claims (11)

1. 被検出物質を含む被検液を通す流路を有する検出用カートリッジと、該検出用カートリッジに接続可能であり、該検出用カートリッジ内に通される被検液に含まれる被検出物質に関する情報を生成する処理ユニットとからなるカートリッジ式電気化学分析装置であって、
   （１）前記検出用カートリッジは、
   （ア）外面に開口する少なくとも３つのポートと、
   （イ）前記３つのポートのうちの第１のポートを貯留部に接続する第１の内部流路と、
   （ウ）前記３つのポートのうちの第２及び第３のポートを互いに接続する第２の内部流路と、
   （エ）前記貯留部を前記第２の内部流路に接続する第３内部流路と、
   （オ）前記第２の内部流路に面するように配置された検出用電極配列と、
   を備え、
   （２）前記処理ユニットは、
   （ア）前記検出用カートリッジが該処理ユニットに接続されたとき吐出口が第１の吐出側バルブを介して前記検出用カートリッジの前記第１のポートに接続される第１のポンプと、
   （イ）前記検出用カートリッジが該処理ユニットに接続されたとき吐出口が第２の吐出側バルブを介して前記検出用カートリッジの前記第２のポートに接続される第２のポンプと、
   （ウ）前記第１及び第２のポンプのそれぞれに接続される第１及び第２の薬液タンクと、
   （エ）前記検出用カートリッジが該処理ユニットに接続されたとき該検出用カートリッジの前記第３のポートに接続される廃液タンクと、
   を備え、
   （３）前記第１及び第２の薬液タンクに所望の薬液を入れて、前記第１及び第２のポンプと、前記第１及び第２の吐出側バルブとを適宜作動させることにより所望の分析を行うことができるようになった、
   ことを特徴とするカートリッジ式電気化学的分析装置。
2. 被検出物質を含む被検液を通す流路を有する検出用カートリッジと、該検出用カートリッジに接続可能であり、該検出用カートリッジ内に通される被検液に含まれる被検出物質に関する情報を生成する処理ユニットとからなるカートリッジ式電気化学分析装置であって、
   （１）前記検出用カートリッジは、
   （ア）外面に開口する少なくとも４つのポートと、
   （イ）前記４つのポートのうちの第１及び第２のポートを互いに接続する第１の内部流路と、
   （ウ）前記４つのポートのうちの第３及び第４のポートを互いに接続する第２の内部流路と、
   （エ）前記第１の内部流路内に配置された貯留部と、
   （オ）前記第２の内部流路に面するように配置された検出用電極配列と、
   を備え、
   （２）前記分析装置は、前記検出用カートリッジの前記第１及び第２の内部流路を互いに接続する接続流路を備えており、
   （３）前記処理ユニットは、
   （ア）前記検出用カートリッジが該処理ユニットに接続されたとき吐出口が第１の吐出側バルブを介して前記検出用カートリッジの前記第１のポートに接続される第１のポンプと、
   （イ）前記検出用カートリッジが該処理ユニットに接続されたとき吐出口が第２の吐出側バルブを介して前記検出用カートリッジの前記第３のポートに接続される第２のポンプと、
   （ウ）前記第１及び第２のポンプのそれぞれに接続される第１及び第２の薬液タンクと、
   （エ）前記検出用カートリッジが該処理ユニットに接続されたとき該検出用カートリッジの前記第４のポートに接続される廃液タンクと、
   を備え、
   （４）前記第１及び第２の薬液タンクに所望の薬液を入れて、前記第１及び第２のポンプと、前記第１及び第２の吐出側バルブとを適宜作動させることにより所望の分析を行うことができるようになった、
   ことを特徴とするカートリッジ式電気化学的分析装置。
3. 請求項１に記載したカートリッジ式電気化学分析装置であって、
   前記第１及び第２のポンプは、液体を吸入して該吸入した液体を定流速で吐出する形式のポンプであり、
   （オ）前記第１の薬液タンクは、第１の吸入側バルブを介して前記第１のポンプの吸入側に接続され、
   （カ）前記第２の薬液タンクは、第２の吸入側バルブを介して前記第２のポンプの吸入側に接続されている、
   ことを特徴とするカートリッジ式電気化学分析装置。
4. 請求項２に記載した分析装置であって、
   前記第１及び第２のポンプは、液体を吸入して該吸入した液体を定流速で吐出する形式のポンプであり、
   （オ）前記第１の薬液タンクは、第１の吸入側バルブを介して前記第１のポンプの吸入側に接続され、
   （カ）前記第２の薬液タンクは、第２の吸入側バルブを介して前記第２のポンプの吸入側に接続されている、
   ことを特徴とするカートリッジ式電気化学分析装置。
5. 請求項２又は請求項４に記載したカートリッジ式電気化学分析装置であって、
   前記処理ユニットは、前記検出用カートリッジが該処理ユニットに接続されたとき該検出用カートリッジの前記ポートが形成された面に接触する面を有する配管プレートを備え、前記検出用カートリッジの前記第１及び第２の内部流路を互いに接続する前記接続流路は該配管プレートに形成されることを特徴とするカートリッジ式電気化学分析装置。
6. 請求項２、請求項４又は請求項５のいずれか１項に記載したカートリッジ式電気化学分析装置であって、
   前記検出用カートリッジには外面に開口する第５のポートが形成され、前記第５のポートは、参照電極用流路を介して前記第２の内部流路と前記第４のポートに接続されており、前記参照電極用流路に面して参照電極が配置され、
   前記処理ユニットは、
   前記検出用カートリッジが該処理ユニットに接続されたとき吐出口が第３の吐出側バルブを介して前記検出用カートリッジの前記第５のポートに接続される第３のポンプと、
   前記第３のポンプの吸入側に接続される参照電極用薬液タンクと
   を備えることを特徴とするカートリッジ式電気化学分析装置。
7. 請求項１又は請求項３に記載したカートリッジ式電気化学分析装置であって、
   前記検出用カートリッジには外面に開口する第４のポートが形成され、前記第４のポートは、参照電極用流路を介して前記第２の内部流路と前記第３のポートに接続されており、前記参照電極用流路に面して参照電極が配置され、
   前記処理ユニットは、
   前記検出用カートリッジが該処理ユニットに接続されたとき吐出口が第３の吐出側バルブを介して前記検出用カートリッジの前記第４のポートに接続される第３のポンプと、
   前記第３のポンプの吸入側に接続される参照電極用薬液タンクと
   を備えることを特徴とするカートリッジ式電気化学分析装置。
8. 請求項６又は請求項７に記載したカートリッジ式電気化学分析装置であって、
   前記第３のポンプは、液体を吸入して該吸入した液体を定流量で吐出する形式のポンプであり、前記参照電極用薬液タンクは、第３の吸入側バルブを介して前記第３のポンプの吸入側に接続された
   ことを特徴とするカートリッジ式電気化学分析装置。
9. 被検出物質を含む被検液を通す流路を有する検出用カートリッジと、該検出用カートリッジに接続可能であり、該検出用カートリッジ内に通される被検液に含まれる被検出物質に関する情報を生成する処理ユニットとからなるカートリッジ式電気化学分析装置であって、
   （１）前記検出用カートリッジは、
   （ア）外面に開口する少なくとも２つのポートと、
   （イ）前記２つのポートのうちの第１のポートを貯留部に接続する第１の内部流路と、
   （ウ）一端が第２のポートに接続され、他端が該検出用カートリッジ内に形成された廃液溜に接続された第２の内部流路と、
   （エ）前記貯留部を前記第２の内部流路に接続する第３の内部流路と、
   （オ）前記第２の内部流路に面するように配置された検出用電極配列と、
   を備え、
   （２）前記処理ユニットは、
   （ア）前記検出用カートリッジが該処理ユニットに接続されたとき吐出口が第１の吐出側バルブを介して前記検出用カートリッジの前記第１のポートに接続される第１のポンプと、
   （イ）前記検出用カートリッジが該処理ユニットに接続されたとき吐出口が第２の吐出側バルブを介して前記検出用カートリッジの前記第２のポートに接続される第２のポンプと、
   （ウ）前記第１及び第２のポンプのそれぞれに接続される第１及び第２の薬液タンクと、
   を備え、
   （３）前記第１及び第２の薬液タンクに所望の薬液を入れて、前記第１及び第２のポンプと、前記第１及び第２の吐出側バルブとを適宜作動させることにより所望の分析を行うことができるようになった、
   ことを特徴とするカートリッジ式電気化学的分析装置。
10. 被検出物質を含む被検液を通す流路を有する検出用カートリッジと、該検出用カートリッジに接続可能であり、該検出用カートリッジ内に通される被検液に含まれる被検出物質に関する情報を生成する処理ユニットとからなるカートリッジ式電気化学分析装置であって、
    （１）前記検出用カートリッジは、
    （ア）外面に開口する少なくとも３つのポートと、
    （イ）前記３つのポートのうちの第１及び第２のポートを互いに接続する第１の内部流路と、
    （ウ）前記３つのポートのうちの第３のポート及び他端が該検出用カートリッジ内に形成された廃液溜に接続された第２の内部流路と、
    （エ）前記第２の内部流路に面するように配置された検出用電極配列と、
    を備え、
    （２）前記分析装置は、前記検出用カートリッジの前記第１及び第２の内部流路を互いに接続する接続流路を備えており、
    （３）前記処理ユニットは、
    （ア）前記検出用カートリッジが該処理ユニットに接続されたとき吐出口が第１の吐出側バルブを介して前記検出用カートリッジの前記第１のポートに接続される第１のポンプと、
    （イ）前記検出用カートリッジが該処理ユニットに接続されたとき吐出口が第２の吐出側バルブを介して前記検出用カートリッジの前記第３のポートに接続される第２のポンプと、
    （ウ）前記第１及び第２のポンプのそれぞれに接続される第１及び第２の薬液タンクと、
    を備え、
    （４）前記第１及び第２の薬液タンクに所望の薬液を入れて、前記第１及び第２のポンプと、前記第１及び第２の吐出側バルブとを適宜作動させることにより所望の分析を行うことができるようになった、
    ことを特徴とするカートリッジ式電気化学的分析装置。
11. 請求項８に記載したカートリッジ式電気化学分析装置を使用する分析方法であって、
    被検出物質が検出用カートリッジの貯留部に貯留された状態の検出用カートリッジが処理ユニットに接続された状態とし、
    第１の薬液タンクとして溶離液を充填した溶離液タンクを準備し、
    第２の薬液タンクとして電解液を充填した電解液タンクを準備し、
    第２の吐出側バルブを開いて第２のポンプを作動させて第２の内部流路に電解液を流通させ、
    前記第２のポンプの作動を停止し、前記第２の吐出側バルブを閉じ、第３の吐出側バルブを開いて第３のポンプを作動させることにより参照電極に薬液を送り、
    前記第３のポンプの作動を停止し、前記第３の吐出側バルブを閉じ、第１の吐出側バルブを開いて第１のポンプを作動させることにより、溶離液を第１の内部流路から前記貯留部を経て第２の内部流路に流通させ、前記貯留部に貯留された被検出物質を溶離させて、該被検出物質を含む溶離液を、前記第２の内部流路に面して配置された検出用電極に接触させて被検出物質の検出を行う
    ことを特徴とする分析方法。

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