JP2013015498A - 粒子測定装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】粒子測定装置15aは、少なくとも2つの電極1aおよび1bと、試料に含まれる粒子の測定が行われる測定部2と、試料を自装置内に導入するための試料導入部6aと、試料が流れる少なくとも1つの上流流路4aと、を備え、試料導入部6aは、電極1aを含んでいる。
【選択図】図12
Description
本発明の実施の一形態について図1〜図11に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、本発明は、以下の記載に限定されるものではない。
一般に、バルク測定では、バルク(広い空間)に配置された電極間の電気抵抗に対してアパチャーの電気抵抗が支配的であるため、血球がアパチャーを通過した時に大きな抵抗変化率が得られる。しかし、アパチャーに接続された流路がマイクロ化された従来の粒子測定装置(例えば血球計数装置)では、電極間のアパチャー以外の部分(例えば流路)での電気抵抗が無視できないほど大きくなる。これにより、粒子がアパチャーを通過しても、当該部分を含む全体の電気抵抗に対する当該アパチャーでの抵抗変化率が小さくなってしまう。
まず、図2に基づいて、本実施の形態に係る粒子測定装置15の概略構成について説明する。図2は、粒子測定装置15の全体的な概略構成の一例を示す斜視図である。
ここで、図2に基づいて、粒子測定装置15の製造方法の一例について説明する。
次に、図1に基づいて、粒子測定装置15の概略構成をより詳しく説明する。図1は、(a)は、本発明の一実施形態に係る粒子測定装置の概略構成の一例を示す上面図であり、(b)は、その断面図である。
まず、導体3aおよび3bの形状の変形例について、図3(a)〜(g)に基づいて説明する。
次に、上流流路4aおよび下流流路4bの形状の変形例について、図4(a)〜(f)に基づいて説明する。
また、図5〜図8に示すような、導体3a、3b、上流流路4aおよび下流流路4b、試料導入部6aおよび試料導出部6bの形状であってもよい。
次に、図9に基づいて、粒子測定装置15の更なる別例について説明する。図9は、粒子測定装置15の概略構成の更なる別例を示す上面図および断面図である。
以下に、本実施の形態に係る粒子測定装置15を用いた試料中の粒子測定方法について図10および図11を参照して述べる。なお、図10は、粒子の測定が行われるときに用いられる粒子測定装置15の概略構成を示す上面図と、そのときに得られる測定結果を示すグラフである。また、図11は、粒子測定装置15において大きな抵抗変化率が得られることを説明するための図である。なお、図10(a)に示す粒子測定装置15は、図1に示す粒子測定装置15に対応するものである。また、以下の説明において、従来の粒子測定装置(導体3a(3b)を備えない構成)についても、便宜上、図10に示す粒子測定装置15の部材番号を用いる場合がある。
ΔV = I・ΔR …(1)
により、電圧変化として測定することが一般的である。ここで、ΔVは粒子の有無による電圧変化、Iは定電流値、ΔRは粒子の有無による抵抗変化である。実際の測定では、印加電圧の大きさに比例するノイズ(測定電圧値の揺らぎ)が発生するため、電圧変化を測定可能な信号(測定信号)としてとらえるためには、S/N比が重要となり、初期電圧Vと電圧変化量との比であるΔV/V(=ΔR/R、抵抗変化率)が測定信号の検出指標として重要となる。
R = ρ・L/S …(2)
で表される。ここで、ρは試料の電気抵抗率(導電率の逆数)、Lは抵抗の長さ、Sは抵抗の断面積である。
R1 = R16a+R14a+R12+R14b+R16b …(3)
となる。ここで、R16aは試料導入部6aの電気抵抗、R14aは上流流路4aの電気抵抗、R12は測定部2の電気抵抗、R14bは下流流路4bの電気抵抗、R16bは試料導出部6bの電気抵抗である。
R1’ = R16a+R14a+R12’+R14b+R16b …(4)
となる。ここで、R12’は試料中に粒子が存在する場合の測定部2の電気抵抗である。
ΔR1/R1 = (R1’−R1)/R1=(R12’−R12)/R1
…(5)
が検出指標となる。
R2 = R26a+R24a+R22+R24b+R26b …(6)
となる。ここで、R26aは試料導入部6aの電気抵抗、R24aは上流流路4aの電気抵抗、R22は測定部2の電気抵抗、R24bは下流流路4bの電気抵抗、R26bは試料導出部6bの電気抵抗である。
R2 = R26a+R22+R26b …(7)
に書き換えられる。ここで、試料導入部6aおよび試料導出部6bは測定部2に比して断面積が大きいため、電気抵抗R26aおよびR26bは測定部2の電気抵抗R22に比べて無視できるほど小さい値となる(実質、R2≒R22となる)。
R2’ = R26a+R22’+R26b …(8)
となる。ここで、R22’は粒子が存在する場合の測定部2の電気抵抗である。
ΔR2/R2=(R2’−R2)/R2=(R22’−R22)/R2 …(9)
が検出指標となる。
粒子測定装置15の全体(系全体)の印加電圧をVINとすると、上流流路4aおよび下流流路4bでの電圧降下が実質無いため、粒子の測定に関与する電圧(測定部2での電位差V22)が大きくなる(V22>V12)。よって、粒子の有無による測定部2での電圧変化は測定部2での電位差内の値となるため、測定信号の検出指標であるΔV/V(≦V22/VIN)は、上流流路4aおよび下流流路4bのそれぞれに導体3aおよび3bが無い場合と比べ大きくなる。よって、本実施の形態に係る粒子測定装置15(当該装置を用いた粒子測定方法)では、必要試料量の増加を招くことなく、極微量の試料で電気抵抗法による粒子の測定を高い信号強度(S/N比)で得ることが可能となる。
R3 = R36a+R3a+R32+R3b+R36b …(10)
となる。ここで、R36aは試料導入部6aの電気抵抗、R3aは上流流路4aおよび分岐路24aからなる電気抵抗(合成抵抗)、R32は測定部2の電気抵抗、R3bは下流流路4bおよび分岐路24bからなる電気抵抗(合成抵抗)、R36bは試料導出部6bの電気抵抗である。
1/R3a = 1/R34a+1/R324a …(11)
となる。ここで、R34aは上流流路4aの電気抵抗、R324aは分岐路24aの電気抵抗である。(11)式を変形することで、合成抵抗R3aは、次式(12)に示すように、
R3a = (R34a・R324a)/(R34a+R324a) …(12)
となる。分岐路24aに導電性の高い(電気抵抗の低い)導体3aを配置することで、R34a≫R324aとなり、R3aは、実質、
R3a = (R34a・R324a)/(R34a) = R324a …(13)
となる。
また、本実施の形態では、基板8aまたは8bの加工精度や材料などを問わず、大きな抵抗変化率を得ることが可能である。その理由について、図11に基づいて説明する。なお、説明を簡略化するために、図11に示すように、測定部2の断面は矩形であり、測定部2を通過する粒子は一辺aの立方体であるとする。また、図10と同様、図11に示す粒子測定装置15は図1に示す粒子測定装置15に対応するものである。
R = ρ・D/(H・W) …(14)
と表される。ここで、ρは試料の電気抵抗率である。
R’ = ρ・a/(H・W−a2)+ρ・(D−a)/(H・W) …(15)
と表される。よって、抵抗変化ΔRは、
ΔR = R’−R = ρ・a/(H・W−a2)−ρ・a/(H・W)
…(16)
と表される。
ΔR/R = (1/D)・{(1/(H・W−a2))−1/(H・W)}・a・H・W …(17)
と表される。
次に、上述した粒子測定装置15の具体的な実施例について、例えば図1を用いて説明する。なお、以下に示す実施例はあくまで一例である。
・定電流30μA(このとき電圧は約5V)
・測定温度20℃
・ポンプ流量1uL/min(このとき粒子速度(測定部2の通過時)は40mm/s)。
・印加電圧:試料が液体の場合、1〜100V(交流のときは±50V)、好ましくは1〜10V(交流のときは±5V)。試料が気体の場合、0.1k〜100kV、好ましくは1k〜10kV。定電流の場合、0.1μA〜10mA、好ましくは1μA〜1mA。(なお、電圧−電流の関係は、粒子測定装置15の寸法と試料の導電率とで決まる。)
・電圧周波数:0.1Hz〜100MHz、好ましくは1Hz〜10MHz。
・測定温度:5〜90℃、好ましくは10〜30℃。
・ポンプ流量:1nL/min〜1mL/min、好ましくは1nL/min〜10uL/min。
・印加圧力(ゲージ圧):1k〜1MPa、好ましくは1k〜100kPa。(なお、実際の実験では、主としてシリンジポンプによる流量制御で行う。この場合、圧力設定は行われない。)
・粒子の速度:1μm/s〜10m/s、好ましくは10μm/s〜1m/s。(なお、粒子が試料の流れと同速度で動くと仮定した場合、粒子の速度は、設定流量もしくは印加圧力と粒子測定装置15の寸法とで決まる。)
上記測定条件による測定の結果、粒子が測定部2を通過するのと同期する形で、高いS/N比をもって、粒子による抵抗変化に起因する電圧信号(測定信号)を確認した。また、電極1aおよび1bにおいて電気分解によって発生した気泡は、試料導入部6aおよび試料導出部6bの上方に排出され、気泡が上流流路4a、下流流路4bおよび電極1a、1bの表面を塞ぐこと、および気泡が測定部2を通過することなく、精度の高い粒子の測定が確認された。気泡が及ぼす粒子測定への影響については、実施の形態2で説明する。
・粒子による電圧変化100mV。
・ノイズレベル1mV(なお、シールド等により改善される余地がある)。
・S/N比は100。
本発明の実施の一形態について図12〜図17に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、実施の形態1と同様の部材に関しては、同じ符号を付し、その説明を省略する。
一般に、試料が液体である場合、試料への電圧印加に伴い、電極では、試料に対する電気分解による気泡が発生する。従来では、マイクロ化された流路を用いる系において、血球のアパチャー通過に伴う抵抗変化率を大きくするためには、測定用の電極をアパチャー近傍(即ち、アパチャー両端の当該流路内)に形成する必要があった。しかし、この場合、電圧印加に伴う電気分解による気泡の影響(発生した気泡が流路を塞ぐ、測定に関わる電極の表面を覆う、気泡がアパチャーを通過し抵抗変化を起こすことによる誤カウントが生じる、など)に起因して測定精度が低下するという問題が生じていた。
まず、図12に基づいて、本実施の形態に係る粒子測定装置15aの概略構成と、当該構成がもたらす、気泡が及ぼす粒子測定への影響抑制とについて説明する。図12(a)は、本発明の一実施形態に係る粒子測定装置の概略構成の一例を示す上面図であり、(b)は、その断面図である。
次に、図14および図15に基づいて、粒子測定装置15aの更なる別例について説明する。図14は、粒子測定装置15aの概略構成の更なる別例を示す上面図および断面図である。図14に示す粒子測定装置15aは、試料導入口9aおよび試料導出口9bに加え、開口部10aおよび10bを備えている。
次に、図16および図17に基づいて、粒子測定装置15aの変形例について説明する。図16は、図12に示す粒子測定装置15aが導体3aおよび3bを備えた構成の一例を示し、図17は、図14に示す粒子測定装置15aが導体3aおよび3bを備えた構成の一例を示す。いずれの場合も、上述のように粒子測定における気泡の影響を抑制するとともに、実施の形態1で述べたように、導体3aおよび3bにより、強度の強い測定信号を得ることができるので、高精度な粒子の測定を行うことができる。
本発明の実施の一形態について図18〜図20に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、実施の形態1または2と同様の部材に関しては、同じ符号を付し、その説明を省略する。
実施の形態2で述べたように、従来では、電極にて発生する気泡の影響により測定精度が低下するという問題が生じていた。
次に、図18に基づいて、本実施の形態に係る粒子測定装置15bの概略構成と、当該構成がもたらす、気泡が及ぼす粒子測定への影響抑制とについて説明する。図18(a)は本発明の一実施形態に係る粒子測定装置の概略構成の一例を示す上面図であり、(b)は(a)のA−A’線に沿った概略断面図、(c)はB−B’線に沿った概略断面図である。
上記では、上述した特定領域の一部にリザーバ23aおよび23bが備えられ、リザーバ23aおよび23bに電極1aおよび1bがそれぞれ備えられている構成について説明したが、これに限られない。例えば、電極1aおよび1bが、上記特定領域の一部に備えられた導通路22aおよび22bにそれぞれ備えられていてもよい。すなわち、導通路22aおよび22bの少なくとも一部に電極1aおよび1bがそれぞれ配置されていてもよい。この場合、リザーバ23aおよび23bは必ずしも必要ではない。
また、粒子測定装置15bでは、リザーバ23aおよび23bに充填した電解液(電解質)は、導通路22aおよび22bと接続された方向に加圧される構成となっている。
ΔP = 32・μ・L・v/D2 …(18)
により見積もることが可能である。ここで、μは試料の粘度、Lは流路長さ、vは試料流れの速度、Dは流路の直径(幅および/または深さ)である。上記加圧の大きさは、試料の流れによる圧力より大きくなるよう、粒子測定装置の構造、印加圧力、および測定に用いる試料の性質に応じて適宜設定される。
ΔPHD = ρ・g・h …(19)
により見積もることが可能である。ここで、ρは電解液の密度、gは重力加速度、hはリザーバ23aおよび23bの深さである。粒子測定装置15bにおいて、リザーバ23aおよび23bの深さが、導通路22aおよび22bの深さよりも長いことが好ましい。この構成において、リザーバ23aおよび23bに保持されている電解液の深さ(液面の高さ)が導通路22aおよび22bの深さより長い場合、電解液に対して重力(水頭圧)を効果的に作用させることができ、当該重力の作用により当該電解液を導通路22aおよび22b側に確実に加圧できる。
ΔPLP = −2・γ・cosθ/R …(20)
により見積もることが可能である。ここで、γは電解液の表面張力、θは電解液の接触角、Rはリザーバ23aおよび23bの半径(深さ方向と垂直な面の半径)(導通路22aおよび22bにおいてはリザーバ23aおよび23bとの接続領域断面の半径)である。粒子測定装置15bにおいて、リザーバ23aおよび23bの材質が疎水性を有することが好ましい。特に、リザーバ23aおよび23bに充填された電解液に対して疎水性が高い(電解液の接触角が90度以上)ことが好ましい。この場合、電解液に対して毛細管力を効果的に作用させることができ、当該毛細管力の作用により当該電解液を導通路22aおよび22b側に確実に加圧できる。
次に、図19に基づいて、粒子測定装置15bの種々の構成について説明する。図19(a)〜(c)は、粒子測定装置15bの概略構成の別例を示す上面図である。
次に、図20に基づいて、粒子測定装置15bの変形例について説明する。図20(a)は、図18に示す粒子測定装置15bが導体3aおよび3bを備えた構成の一例を示し、図20(b)〜(d)は、図19に示す粒子測定装置15bが導体3aおよび3bを備えた構成の一例を示す。図20では、電極1aおよび1b間に備えられた上流流路21a、下流流路21b、導通路22a、および/または導通路22bに配置されている。
本発明は、以下のようにも表現できる。
1b 電極
2 測定部
3a、3b 導体
4a、21a 上流流路(流路)
4b、21b 下流流路(流路)
5 導線
6a 試料導入部(特定領域)
6b 試料導出部(特定領域)
7 コネクタ
8a、8b 基板
9a 試料導入口
9b 試料導出口
10a 開口部
10b 開口部
11 気泡
12 気体層
15、15a、15b 粒子測定装置
22a、22b 導通路(特定領域)
23a、23b リザーバ(特定領域)
24a、24b 分岐路
241 第1分岐点
242 第2分岐点
251、252 接続領域
Claims (7)
- 試料に電圧を印加することにより、前記試料に含まれる粒子の測定を行うことが可能な粒子測定装置であって、
前記試料に電圧を印加するための少なくとも2つの電極と、
前記試料に電圧が印加されたときの電気抵抗またはインピーダンスが検出されることにより、前記試料に含まれる粒子の測定が行われる測定部と、
前記試料を自装置内に導入するための試料導入部と、
前記測定部と前記試料導入部とに接続された、前記試料が流れる少なくとも1つの流路と、を備え、
前記試料導入部は、前記電極のうち何れか1つの電極である特定電極を含むことを特徴とする粒子測定装置。 - 前記試料導入部は、前記試料を前記試料導入部の内部に導入することが可能な試料導入口を備え、
前記試料導入口は、前記特定電極と、前記試料導入部と前記流路とが接続された接続領域と、の間に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の粒子測定装置。 - 前記流路の底部を基準とした、前記底部に対向する前記流路の上部へ向かう垂直方向の距離を、前記試料導入部および前記流路の深さとしたとき、
前記試料導入部の深さが前記流路の深さよりも長いことを特徴とする請求項1または2に記載の粒子測定装置。 - 前記試料導入部の容積に対する、前記試料導入部に前記試料が導入されているときの前記試料導入部内の試料量の割合が、1/50000以上0.9以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の粒子測定装置。
- 前記試料導入部の上面には、前記特定電極から発生した気泡を大気中に開放する開口部が備えられていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の粒子測定装置。
- 前記開口部は、前記特定電極の鉛直線上に配置されていることを特徴とする請求項5に記載の粒子測定装置。
- 前記電極に接続された電圧印加手段を備えることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の粒子測定装置。
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