JP3268400B2 - 混合反応装置 - Google Patents

混合反応装置

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JP3268400B2 JP01613593A JP1613593A JP3268400B2 JP 3268400 B2 JP3268400 B2 JP 3268400B2 JP 01613593 A JP01613593 A JP 01613593A JP 1613593 A JP1613593 A JP 1613593A JP 3268400 B2 JP3268400 B2 JP 3268400B2
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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は混合反応装置およびそれ
を用いた化学分析装置に関わり、特に微量の試料液を瞬
時に混合せしめ化学反応させる反応装置および試料や試
薬を混合反応させその性質を分析する化学分析装置に関
する。
【0002】
【従来の技術】従来の混合反応装置としては、特開平3
ー102261号公報に記載の処理容器および撹拌機が
ある。この装置では、ヘラやスクリューを用いて試料を
サンプル流体中に分散せしめ、分子拡散を促進させて混
合反応を行う。あるいは別の混合反応装置としては特開
昭61ー100641号公報に記載の反応コイルがあ
る。この混合手段は、一本の管の中に2種類の液を別々
の管から供給して、検知部までの管内で対流による拡散
を起こして反応させるようになっている。この反応コイ
ルでは、充分な拡散混合を起こすために、反応用の管は
通常、内径1mm以内で1m以上の長さを必要とする。
【0003】また自動化学分析装置では、まず試験管に
採取されたサンプル液の一部をサンプラーにて定量採取
して、その後、それを混合槽に導いて、所定の試薬と混
合させるものがある。サンプル液中に目的とする成分が
あれば、試薬に反応して発色反応を呈し、これを吸光度
計測用セルに導入し、発色度合いを計測して成分の濃度
を定量するようになっている。またフローインジェクシ
ョン装置では反応用の管内で前後の試薬と混合反応した
サンプル流体の発色度合を検知器で計測するものがあ
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記記載の混合反応装
置は、外部からヘラやスクリューなどで作用を加える必
要があり、試料が微量化すると前記機構による試料の飛
散や、機構自体がもつ試料の持ち去りが反応の定量性に
影響を及ぼすようになる。さらに高速に発生する反応に
対しては、不均一な混合状態で反応が始まってしまい、
反応にムラが生じるなどの問題があった。またフローイ
ンジェクション装置の反応用の管では充分な混合状態を
得るためには、上記のように長い管内を流す必要があ
り、測定までに時間を要するという問題があった。
【0005】また従来の化学分析装置やフローインジェ
クション装置では、ヘラ駆動などの混合機構部や長い管
をもつために装置の小形化を阻んでおり、コンパクトで
携帯可能な分析装置の実現に対して問題となっていた。
さらに混合部での持ち去りや飛散による定量性の悪化を
考慮して、一定以上の試料を混合させるため、サンプ
ル、試薬などを測定に必要な以上に消費する必要があ
り、使用液の微量化が課題となっていた。
【0006】本発明の第1の目的は、外部から余分な混
合機構を設けなくても、微量な試料液に対してもムラが
なくしかも瞬時に混合が可能な混合反応装置を提供する
ことである。
【0007】また本発明の第2の目的は、小型化が容易
で、使用液の微量化が可能な化学分析装置を提供するこ
とである。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の混合反応装置は、送液手段を具備した第1
の試料液を流すための第1の流路と、送液手段を具備し
た第2の試料液を流すための第2の流路と、前記第2の
流路に接続して配置された扁平な流路からなる混合室
と、前記扁平な混合室の扁平面の壁面に沿って形成さ
れ、前記第1の流路に接続された流路区画と、前記流路
区画と前記混合室を隔てる壁面に平面状に配置され、前
記流路区画から混合室に向かって開口する複数の微小な
ノズルと、該混合室で混合された試料を排出させるため
の第3の流路と、を備えてなり、前記流路区画の第1の
試料を、前記複数の微小なノズルから前記扁平な混合室
中の第2の試料中に噴出させて濃度勾配に基づく拡散に
より混合させる反応混合装置において前記微小なノズ
ルは、前記扁平な混合室の扁平面の壁面に、1mm以下
のサイズで1mm以下の間隔で形成されていることと、
前記混合室の扁平面をなす壁面相互の間隔は、前記ノズ
ル相互の間隔以下であることと、を特徴とする。
【0009】
【0010】又、前記混合室が反応検出手段を備えてい
るものである。又、前記ノズルの間隔幅が1mm以下に
設定されているものである。又、前記ノズルが1mm以
下に設定された開口サイズであるものである。又、前記
混合室内の微小なノズルの密度分布が場所によって変更
されているものである。又、前記混合室内の微小なノズ
ルのサイズが場所によって変更されているものである。
【0011】
【0012】
【0013】
【作用】本発明の混合反応装置は、上記のように構成し
ているので、以下のように作用する。第2の送液手段が
動作して、第2の試料液を第2の導入路を経て、混合室
に導入する。その後第1の送液手段が動作して、第1の
試料液を、第1の導入路中を経て、高密度に配置された
多数の微小なノズルから第2の試料液中に分散して噴出
させる。分散して第2の試料液中に導入された第1の試
料液は、第2の試料液に対して単位体積当たりの接触表
面積が著しく増加するため、濃度勾配による拡散が促進
され、瞬時に混合が完了する。特に混合のための機構を
付加する必要がないため、ヘラやスクリューなど動作部
による液の持ち去り等がなく、微量な試料液に対しても
ムラのない混合が可能になる。又、反応室に反応検知手
段を設けているので、反応に伴うイオン濃度などの変化
を直接計測することができる。 本発明の化学分析装置
は、上記のように構成しているので、以下のように作用
する。試薬導入手段が動作して試薬蓄積手段から所定量
の試薬を第1の流路に導入する。次にサンプル採取手段
が動作して、所定量のサンプル液を第2の導入路に導入
し、その後、第2の送液手段が動作して前記サンプル液
を、混合室内を満たすまで送り込む。第1の送液手段が
動作して前記試薬を混合室に設けられた多数のノズルか
らサンプル液中に分散して噴出させる。この状態で濃度
勾配による拡散混合が短時間に起こり、化学反応がムラ
なく促進される。反応検知手段は、化学反応による変化
を混合室で直接検知するので、特に混合のための機構を
設ける必要がないため、装置全体を小さくできる。また
前記混合反応装置では対流を発生させなくても微量の液
を混合することが可能なため、測定に供する試薬、サン
プル液の微量化が図れる。又、反応室に反応検知手段を
設けているので、反応に伴うイオン濃度などの変化を直
接計測することができる。
【0014】
【実施例】本発明の一実施例を図1ないし図4を参照し
て説明する。図1は、本実施例の化学分析装置の構成を
示す図、図2は混合反応装置の縦断面図、図3は図2の
矢視A−Aからみた平面図、図4、図5はそれぞれ検知
機能を付加した混合反応装置を示す縦断面図である。図
1に示すように本実施例の化学分析装置は次のように構
成されている。混合反応装置1の一端には、サンプル2
を導入するためのサンプリングパイプ3が接続されてお
り、混合反応装置1にはこの他、試薬を供給するための
試薬供給路9が接続されている。試薬供給路9には試薬
を送出するための試薬供給手段5が設けられており、試
薬リザーバ4から試薬11を混合反応装置1に供給する
ようになっている。他端には洗浄液あるいは作動液供給
手段6を介して洗浄液あるいは作動液を供給するための
供給経路10が接続されている。又、混合反応装置1に
は検知器7が設けられており、その信号を解析するため
に信号処理器7が繋がれている。図2、図3に示すよう
に、混合反応装置1は、非常に薄い混合室101を有し
ており、その壁面部には高密度に多数の微小ノズル10
2が設けられている。この微小ノズル102は試薬供給
路9へ繋がっている。
【0015】以上のように構成された化学分析装置は以
下のように動作する。まず、試薬供給手段5が動作し
て、試薬蓄積手段である試薬リザーバ4から試薬11を
混合反応装置1に向け送出する。途中の試薬供給路9が
試薬11で満たされた状態で供給を停止する。次に洗浄
液の作動液供給手段6が動作して、サンプル2をサンプ
リングパイプ3を経由させて混合室101内部を満たす
まで吸引する。さらに試薬供給手段5を動作させて所定
の混合比になる量の試薬11を混合室101に吹き出
す。混合室101は、非常に薄いのでこの噴流は厚さ方
向にくまなく広がり、さらに横方向には分子拡散が速や
かに起こり、混合室101内では均一な混合がすばやく
達成される。例えば、半導体製造で用いられるエッチン
グ加工などの微細加工技術を利用すると、1μm程度の
サイズのノズル102を10μm間隔で並べ、混合室の
サイズを10μm×1mm×1mm程度に作ることが可
能で、その底面に1万個のノズル102を配置すること
が可能である。Fickの法則によると一般に分子拡散
の速さは次の式で見積もることができる。
【0016】 (距離)2/{(拡散係数)×(所要時間)}= 1 (1) 水中における分子の拡散係数は概ね1.0×10ー
3(mm2/s)なので、10μmの距離では0.1秒程
度で拡散が終り、素早く混合させることが可能である。
しかも混合に要する液量は僅か10nlオーダーであ
り、微量のサンプルを分析したい場合や試薬が高価で大
量に使用できない場合などに対して著しく有効である。
【0017】さらに0.1μmサイズのノズル102を
1μmの間隔で作ると、およそ1ミリ秒の短時間で均一
な混合が達成される。従来、混合の途中で発生してしま
うような速い反応に対しては測定が不可能であったが、
上記の装置を用いると数ミリ秒の間で起こる反応過程も
均一な濃度条件のもとで計測が可能になる。
【0018】サンプルと試薬の混合比を変更した場合
に、反応状態がどのように変化するかを詳細に調べたい
場合には図3にある混合反応装置1の底面にある微小ノ
ズル102の密度分布を変更するか、その開口サイズを
変更する。これによって一つの混合反応行程で複数の混
合比による反応測定が可能になる。
【0019】混合反応装置は、図4に示すように、吸収
スペクトルの検知機能を付加してもよく、混合室101
の上面にはフォトダイオード103又はレーザーダイオ
ード103が取り付けられており、そのダイオードには
発光を制御するコントローラ104が接続されている。
また、混合室101の上面にはフォトデテクタ105
が、内部を経たダイオードからの光を検出できる位置に
取り付けられており、信号処理器106は、フォトデテ
クタ105と接続されている。サンプル内を通過してき
た光の吸収スペクトルを計測することにより、サンプル
内の成分濃度を測定する。フォトダイオード103を用
いた場合には試薬の発色の周波数に適合したバンドパス
光学フィルター或は分光手段107をフォトデテクタの
前方に設ける。本発明の混合反応装置1では瞬時に混合
が終了するため、その後一定の濃度の下での化学反応の
変化を計測することができる。本検知器の代わりに蛍光
発色反応を発生させて、蛍光度合を測定するセンサを付
加することも可能である。
【0020】混合反応装置は、図5に示すように、イオ
ン濃度の検知機能を付加してもよく、混合反応装置の壁
面にはイオン感応膜を通して所定イオンの濃度を直接計
測するトランジスター素子108が混合反応装置1と一
体で成形されており、反応に伴うイオン濃度の変化を直
接計測することができる。本検知器の代わりに例えば酵
素の濃度を直接計測できるバイオセンサを搭載すること
も可能である。
【0021】本発明の他の実施例を図6により説明す
る。図6は、本発明の他の実施例である化学分析装置の
構成図である。図1で示す化学分析装置と同様の構成で
あるが、検知器7が洗浄液、作動液供給経路10の途中
に設けられている。混合反応装置1で混合反応が終了し
た混合サンプル12は上記洗浄液、作動液供給経路10
へ、洗浄液、作動液供給手段6によって吸引される。供
給経路10には検知器7が取り付けられており、送られ
てきた混合サンプル9の濃度などを検出する。フローイ
ンジェクション装置では、検知器に至るまでの細い管の
中での対流を利用して混合を行うため、長い管が必要
で、計測までに時間がかかったが、本装置では予め、充
分な混合が成されているので、検知器7に至るまでの管
は短くてすみ、迅速な計測が可能となる。また装置全体
も小形化できる。
【0022】以上の混合反応装置や化学分析装置は手動
によって各動作を順次行っても可能であるし、各手段を
コントローラによって自動化して、動作させても良い。
【0023】
【発明の効果】本発明の混合反応装置によれば、外部か
ら余分な混合機構を設けず、微量な試料液に対してもム
ラがなくしかも瞬時に混合が可能な混合反応装置を提供
することができる。
【0024】また、小型化が容易で、使用液の微量化が
可能な化学分析装置を提供することができる。微量のサ
ンプルを分析したい場合や試薬が高価で大量に使用でき
ない場合などに適用して効果があるし、請求項2に係る
発明によれば、一つの混合反応工程で複数の混合比によ
る反応測定が可能になる。また、請求項3に係る発明に
よれば、化学反応による変化を混合室で直接検知するこ
とが可能になり、装置全体を小さくできる、混合が瞬時
に終了するので、一定の濃度の下での化学反応の変化を
計測できる、などの効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す化学分析装置の構成図
である。
【図2】混合反応装置の縦断面図である。
【図3】図2の矢視A−Aからみた平断面図である。
【図4】混合反応の検知機能を付加した混合反応装置の
例を示す縦断面図である。
【図5】混合反応の検知機能を付加した混合反応装置の
別の例を示す縦断面図である。
【図6】本発明の他の実施例を示す化学分析装置の構成
図である。
【符号の説明】
1…混合反応装置、2…サンプル、5…試薬供給手段、
6…洗浄液、作動液供給手段、7…検知器、101…混
合室、102…微小ノズル。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マイコ エルベンスポエク オランダ国エンスヘデ市7500番地 ユニ バーシティオブトウエンテ ミーザリサ ーチインスティテュート内 (72)発明者 ヤン フルイトマン オランダ国エンスヘデ市7500番地 ユニ バーシティオブトウエンテ ミーザリサ ーチインスティテュート内 (56)参考文献 特開 平4−45832(JP,A) 実開 昭63−50046(JP,U) 実開 昭62−90734(JP,U) 実開 平2−95537(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B01F 5/06 B01F 3/08 B01J 19/00 G01N 1/36

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 送液手段を具備した第1の試料液を流す
    ための第1の流路と、送液手段を具備した第2の試料液
    を流すための第2の流路と、前記第2の流路に接続して配置された扁平な流路からな
    る混合室と、 前記扁平な混合室の扁平面の壁面に沿って形成され、前
    記第1の流路に接続された流路区画と、 前記流路区画と前記混合室を隔てる壁面に平面状に配置
    され、前記流路区画から混合室に向かって開口する複数
    の微小なノズルと 、 該混合室で混合された試料を排出させるための第3の流
    路と、 を備えてなり、前記流路区画の第1の試料を、前記複数
    の微小なノズルから前記扁平な混合室中の第2の試料中
    に噴出させて濃度勾配に基づく拡散により混合させる反
    応混合装置において前記微小なノズルは、前記扁平な混合室の扁平面の壁面
    に、1mm以下のサイズで1mm以下の間隔で形成され
    ていることと、 前記混合室の扁平面をなす壁面相互の間隔は、前記ノズ
    ル相互の間隔以下であることと、 を特徴とする混合反応装置。
  2. 【請求項2】 前記微小なノズルの密度分布が場所によ
    って変更され、前記混合室の扁平面をなす壁面相互の間
    隔は、ノズル相互の最も小さい間隔以下に設定されてい
    ることを特徴とする請求項1に記載の混合反応装置。
  3. 【請求項3】 前記混合室に反応検出手段を設けたこと
    を特徴とする請求項1に記載の混合反応装置。
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KR20030033087A (ko) * 2001-07-26 2003-04-26 마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤 용액농도 계측방법, 이것에 사용하는 샘플 셀 및 용액농도계측장치
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