JP2010174817A

JP2010174817A - シリンジポンプ

Info

Publication number: JP2010174817A
Application number: JP2009020354A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Chiba; 一裕千葉; Yutaka Takahashi; 豊高橋; Kanae Teramoto; 華奈江寺本
Original assignee: Tokyo University of Agriculture and Technology NUC
Current assignee: Tokyo University of Agriculture and Technology NUC
Priority date: 2009-01-30
Filing date: 2009-01-30
Publication date: 2010-08-12

Abstract

【課題】微粒子を含む分散液を安定的に送液することができる粒子分散液を送液するためのシリンジポンプを提供すること。
【解決手段】粒子分散液を攪拌しながら送液するシリンジポンプであって、ピストンと、攪拌羽根と磁石内蔵部材とが一体化された回転子と、該回転子を回転させる磁力回転手段とを備え、該シリンジ内で前記磁石内蔵部材がピストン先端部に接するように前記回転子を配置することを特徴とするシリンジポンプ。
【選択図】図１

Description

本発明は、粒子分散液を送液するためのシリンジポンプに関する。

特定の物質に対して吸着能を有するような機能性微粒子は、医療、分析、試料前処理などに広く応用されている。
一方、マイクロチップ装置、マイクロリアクター、マイクロELISA装置、マイクロチップ電気泳動装置など、連続流体を使用する技術は、省試薬、化学プロセスの高効率化、ハイスループット化などが可能になることから、近年その利用・応用が期待されている。
従って、機能性微粒子を安定的に連続送液することは、マイクロチップ装置などの連続流体を扱う技術と微粒子による試料前処理や分析技術との組合せにおいて重要である。

斯かる微粒子を上記のような分離デバイスに連続送液する手段としては、現在、液体クロマトグラフィー用カラムに微粒子を高圧下で充填するための装置（特許文献１）や、市販のシリンジポンプや液体クロマトグラフィー用ポンプが用いられている。

しかしながら、液体クロマトグラフィー用カラムに充填剤を充填するための装置は、高流量・高圧下で安定的に送液できるため、分析などの測定のための送液や、特に低流速での送液には不向きであった。
また、市販のシリンジポンプを用いた場合、微粒子を含む液体は、時間が経過すると重力によって微粒子が沈降したり、液体と分離したりするため、時間経過に伴って分散液中の微粒子濃度が変化し、安定的に連続送液することは困難であった。
また、液体クロマトグラフィー用ポンプを用いた場合、チェックバルブ等に微粒子が詰まるので、安定的に連続送液することは困難であった。

特開２００７−２９８４５５号公報

本発明は、機能性微粒子等を含む分散液を安定的にマイクロチップ装置等の分離デバイス等に送液することができるシリンジポンプを提供することに関する。

すなわち、本発明は、以下の〔１〕〜〔４〕に係るものである。
〔１〕粒子分散液を攪拌しながら送液するシリンジポンプであって、ピストンと、攪拌羽根と磁石内蔵部材とが一体化された回転子と、該回転子を回転させる磁力回転手段とを備え、該シリンジ内で前記磁石内蔵部材がピストン先端部に接するように前記回転子を配置することを特徴とするシリンジポンプ。

〔２〕前記回転子が、前記攪拌羽根と前記磁石内蔵部材との間に絶縁部材を備える前記記載のシリンジポンプ。
〔３〕ピストン内部に、磁石付回転台とこれを駆動するモーター有する磁力回転手段を備える前記シリンジポンプ。
〔４〕シリンジの外周に、複数の電磁石を環状に配置する磁力回転手段を備える前記記載のシリンジポンプ。

本発明のシリンジポンプを用いれば、磁性体含有粒子等の微粒子を含む分散液をマイクロチップ装置等の分離デバイス内に安定的に送液することができる。

本発明の第１実施形態の粒子送液用シリンジポンプ１ａを示す側面図である。本発明のシリンジポンプに備えられる回転子の一形態を示す上面図（ａ）、Ａ−Ａ線に沿った断面図（ｂ）、Ｂ−Ｂ線に沿った断面図（ｃ）である。本発明の第２実施形態の粒子送液用シリンジポンプ１ｂを示す側面図である。Ｃ−Ｃ線に沿った磁力回転手段４ｂの断面図である。本発明のシリンジポンプに備えられる磁力回転手段４ｂの一形態を示す側面図である。（ａ）シリンジ２外周に、磁力回転手段４ｂを複数配置したピストンシリンジの側面図である。（ｂ）シリンジ２の外周に、複数の磁力回転手段４ｂを一体化した磁力回転手段４ｂ１を配置したピストンシリンジの側面図である。本発明の第２実施形態の粒子送液用シリンジポンプ１ｂの一形態を示す側面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明するが、以下の実施の形態に限定されるものではない。

＜第一の実施形態＞
図１に、本発明シリンジポンプの一実施形態であるシリンジポンプ１ａの断面図を示す。また、図２に、回転子３の一形態である回転子３ａの上方図（図２（ａ））、図２（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図（図２（ｂ））、図２（ｂ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図（図２（ｃ））をそれぞれ示す。
シリンジポンプ１ａは、シリンジ２と、回転子３と、磁力回転手段４ａと、ピストン５と、ピストン移動手段６ａと、支持体２０ａ，２０ｂ，２０ｃを備えている。

シリンジ２は、図１に示すように、その先端にノズル等が装着される突出口１９を有し、その下方のシリンジ２内には回転子３が配置されている。当該回転子３の下部にはピストン５が配置されている。そして、当該ピストン５が突出口１９方向に進退して充填液（粒子分散液）７を突出口１９から、吐出・吸引する。この際に、充填液７がピストン５の外周面から漏れないよう、パッキン１６がシリンジ２内壁に接するようピストン５に設けられている。当該パッキン１６の形状は、特に制限されず、Ｏリング状、円盤状や板状であってもよい。

また、充填液（粒子分散液）とは、重力によって微粒子が沈降したり、液体から分離したりするものであり、乳液状の分散液も含まれる。
当該微粒子としては、例えば特定の物質に対して吸着能を有するような粒子、例えばオクタデシル基等の疎水性官能基を有しその細孔や表面に特定物質を吸着可能なシリカゲル、ジルコニア、合成ポリマー等の疎水性微細粒子；酸化鉄、酸化ニッケル、酸化コバルト等の磁性体粒子；当該磁性体粒子と特定物質を吸着可能なチタニア、シリカゲル、ヒドロキシアパタイト、ジルコニア等を含有する磁性体含有粒子等が挙げられる。
微粒子の平均粒径は、特に限定されないが、攪拌性能、送液性能の点から、０．０１〜５０μｍが好ましく、０．１〜５μｍがより好ましい。
また、当該微粒子の分散溶媒としては、当該微粒子を混合攪拌した際に分散状態となる様な媒体であれば特に限定されないが、水；メタノール、エタノール等のアルコールや、アセトン、ヘキサン等の有機溶媒等が挙げられ、単独でも２種以上の混合溶媒であってもよい。

回転子３は、図１に示すように、攪拌羽根８と、磁石１１を備えた磁石内蔵部材１０と、を備えて構成され、一体化されている。
当該回転子３は、この磁石内蔵部材１０がピストン５先端部に接するように、シリンジ２内に配置されている。当該回転子３は、この攪拌羽根８によって充填液７を混合攪拌できれば、ピストン５と連結されていてもよいが、部品交換、メンテナンス、洗浄等の取り扱いが容易な点から、ピストン５と非連結状態で配置されているのが好ましい。

攪拌羽根８は、充填液７を混合攪拌できる形状であればよい。また、その素材は、耐液性・耐薬品性に優れたものが好ましく、特に微粒子が磁性体の場合には、絶縁性（非磁性）のものが好ましい。
攪拌羽根の素材として、例えば、ガラス、天然・合成ゴム、セラミック、ポリエチレン、ポリプロピレン、アクリル樹脂、ポリカーボネート、フッ素樹脂等が挙げられる。このうち、耐久性、耐液性・耐薬品性、絶縁性の点から、ポリプロピレン、フッ素樹脂が好ましい。

磁石内蔵部材１０の内部には、磁力回転手段４ａで発生する磁力の影響を受けて回転子３を回転させるための単数又は複数の磁石１１が配置されている。当該磁石１１は、等間隔に磁石内蔵部材１０の外周に沿って配置されていてもよい。この磁石１１の形状は長方形状、円盤状や環状等の形状でもよく、この磁石１１としては、永久磁石、半永久磁石や電磁石等が用いられる。

攪拌羽根８と磁石内蔵部材１０とを一体とするには、これらを接合後、この表面を、例えば、上記合成樹脂、特にフッ素樹脂等の耐液性・耐薬品性に優れたもので被覆しても良く、また、これらに単数又は複数の貫通孔を形成し、この孔に連結部材１２を挿入し固定しても良い（図２参照）。更に、連結部材１２で固定後、表面を被覆するのが好ましい。このときの連結部材１２は上記と同様に耐液性・耐薬品性、更に絶縁性に優れたものが好ましい。
更に充填液７に含まれる微粒子が磁性を帯びた粒子の場合には、図２に示すように、充填液に接する攪拌羽根８に当該粒子が付着しないよう、攪拌羽根８と磁石内蔵部材１０との間に絶縁（非磁性）部材９を配置することが好ましい。絶縁部材９の素材は、上記の絶縁性のもの、ガラス、天然・合成ゴム、セラミック、ポリエチレン、ポリプロピレン、アクリル樹脂、フッ素樹脂、ポリカーボネート等が挙げられ、このうち耐液性・耐薬品性、絶縁性の点から、ガラス、ポリプロピレン、フッ素樹脂が好ましい。

磁力回転手段４ａは、単数又は複数の磁石１３が配置された磁石付回転台１４と、これを駆動させるモーター１５と、この回転速度や回転時間等を制御して回転子３の回転を制御する回転駆動制御部（図示せず）と、を備えて構成されている。
当該磁力回転手段４ａは、ピストン５内部に配置されており、ピストン５の先端方向に配置されることが望ましく、更に回転子３に隣接する位置に配置されることが望ましい。
磁石１１としては、永久磁石、半永久磁石や電磁石などを用いればよく、磁石１３と引き合うものが望ましい。
そして、モーター１５が駆動することによって磁石付回転台１４が回転し、これに備えられた磁石１３の磁力によって回転子３の磁石１１が影響を受けて回転子３が回転する。この回転によって充填液７が混合攪拌される。回転子３の回転数は、充填液に含まれる微粒子の種類によっても異なるが、５００〜５０００ｒｐｍが好ましい。
これによって、充填液７の微粒子を含む分散液を、安定的に、特に時間経過に伴って粒子分散液中の微粒子濃度が変化することなくシリンジ内から移送先に送液（吐出）することが可能である。

ピストン移動手段６ａは、ピストン駆動部１７と、ピストン５及びピストン駆動部１７を接続しているドライブシャフト１８と、これらの動作を制御するピストン駆動制御部（図示せず）と、を備えて構成されている。当該ピストン駆動制御部は、支持体２０ａ，２０ｂ，２０ｃに格納されていてもよい。
当該ピストン駆動制御部は、ピストン駆動部１７を駆動させ、これによってドライブシャフト１８が順逆回転し、当該回転によってピストン５が突出口１９方向に進退し、充填液７の吐出・吸引が行なわれる。このようなシリンジポンプの形態を採用することにより、当該ピストン５の動作を制御することによって、微量の吐出、特に低流速（μＬ／ｍｉｎオーダー）の分散液の吐出も可能となる。マイクロチップ装置等に送液する場合、プロセス効率の点から、流量を、０．１〜５００μＬ／ｍｉｎとすることが好ましく、更に、１０〜２００μＬ／ｍｉｎとすることが好ましい。
なお、ピストン移動手段６ａには、ピストン５とドライブシャフト１８との間にビストンロッドが備えられていてもよい。

支持体２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、シリンジポンプ全体を支持固定すると共に、回転駆動制御部やピストン駆動制御部等、シリンジポンプの各種駆動を制御するコントローラを備えていてもよい。

なお、ピストン移動手段は、手動であってもよいが、安定的に粒子分散液を送液できる点から、ピストンの進退が可能な機構を有していることが望ましい。
また、突出口１９に自動３方バルブを接続し、当該ピストン駆動制御部で制御することによって、連続的に充填液の吸引・吐出を繰り返すことも可能である。

＜第二の実施形態＞
図３に、本発明シリンジポンプの一実施形態であるシリンジポンプ１ｂの断面図を示す。また、図４に、図３のＣ−Ｃ線に沿った断面図を示す。
シリンジポンプ１ｂは、シリンジ２と、回転子３と、磁力回転手段４ｂと、ピストン５と、ピストン移動手段６ｂと、支持体２７ａ，ｂ，ｃと、を備えて構成されている。上記第一の実施形態と同様の構成や作用である場合には、説明を省略する。
磁力回転手段４ｂは、シリンジ２の外周に沿って配置されている。更に、磁力回転手段４ｂは、回転子３の回転を良好にするため、回転子３の磁石内蔵部材１０の側方で配置することが好ましい。
磁力回転手段４ｂの一形態として、当該磁力回転手段４ｂは、図４に示すように、シリンジ２の外周部に取り付け可能な部材２２と、この内部にシリンジ２の外周に沿って環状に配置された複数の電磁石２３と、この各電磁石２３に順次電流を流し磁力を発生させることを制御して回転子３の回転を制御する回転駆動制御部（図示せず）を備えて構成されている。
そして、電磁石２３に順次電流を流し、発生した磁力の影響を回転子３の磁石１１が受けて回転子３が回転し、充填液７を混合攪拌する。
支持体２７ａ，２７ｂ，２７ｃは、シリンジポンプ全体を支持固定すると共に、回転駆動制御部やピストン駆動制御部等、シリンジポンプの各種駆動を制御するコントローラを備えていてもよい。

なお、図５に、磁力回転手段４ｂの一形態の例示を示す。
図５（ａ）は、シリンジ２外周に、磁力回転手段４ｂを複数配置したピストンシリンジの側面図である。
図５（ｂ）は、シリンジ２の外周に、複数の磁力回転手段４ｂを一体化した磁力回転手段４ｂ１を配置したピストンシリンジの側面図である。当該磁力回転手段４ｂ１は、回転子３の回転を制御できるような構成であれば特に限定されず、例えば、磁力回転手段４ｂが複数接合されたものでもよいし、環状の部材２２ａ内に、シリンジ２の外周に沿って環状に配置した複数の磁石２３を層状に配置したものでもよい。

ピストン移動手段６ｂは、手動でもよいが、図６に示すように、ラック２５とピニオン２６を備えるラックアンドピニオン機構のピストン駆動部２４と、これらの駆動を制御するピストン駆動制御部（図示せず）と、を備えて構成されていてもよい。
また、磁力回転手段４ｂと支持体２７ｂとが連結するようにガイドロッド２８が配置されていてもよい。
そして、ラップアンドピニオン機構によって支持体２７ｂが突出口１９方向に進退すると共に、ピストン５及びガイドロッド２８が進退するのに伴って、回転子３及び磁力回転手段４ｂも進退し、充填液７の吐出・吸引が行なわれる。

本発明のシリンジポンプを用いれば、回転子が回転しながら微粒子を含む充填液を混合撹拌し、ピストンが突出口方向に進行することによって充填液を微粒子が沈降していない状態で移送することができる。また、シリンジ突出口方向に自動三方向バルブ等の流路を調整する手段を設け、ロッドが退行することによってシリンジ内に新たな粒子分散液を吸引（充填）することができ、連続的に混合攪拌された微粒子分散液を移送先に移送することができる。
そして、本発明の送液装置を使用して微粒子分散液の移送先としては、マイクロチップ装置、マイクロチップ電気泳動装置、マイクロELISA等の分析分離装置や、マイクロリアクター等が挙げられる。このうち、本装置は低流速で安定的に送液することもできるので分析装置、特にマイクロチップ装置、マイクロチップ電気泳動装置等の分離デバイスが好ましい。

１ａ，１ｂピストンシリンジ
２シリンジ
３，３ａ回転子
４ａ，４ｂ磁力回転手段
８攪拌羽根
９絶縁部材
１０磁石内蔵部材
１１，１３磁石
１４磁石付回転台
１５モーター
２２部材
２３電磁石

Claims

粒子分散液を攪拌しながら送液するシリンジポンプであって、ピストンと、攪拌羽根と磁石内蔵部材とが一体化された回転子と、該回転子を回転させる磁力回転手段とを備え、該シリンジ内で前記磁石内蔵部材がピストン先端部に接するように前記回転子を配置することを特徴とするシリンジポンプ。
前記回転子が、前記攪拌羽根と前記磁石内蔵部材との間に絶縁部材を備える請求項１記載のシリンジポンプ。
ピストン内部に、磁石付回転台とこれを駆動するモーターを有する磁力回転手段を備える請求項１又は２のシリンジポンプ。
シリンジの外周に、複数の電磁石を環状に配置する磁力回転手段を備える請求項１又は２のシリンジポンプ。