JP3751614B2

JP3751614B2 - 化学分析装置

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Publication number: JP3751614B2
Application number: JP2003202496A
Authority: JP
Inventors: 肇須藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-07-28
Filing date: 2003-07-28
Publication date: 2006-03-01
Anticipated expiration: 2023-07-28
Also published as: JP2005043190A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微量な化学物質の反応や合成分析を行うμ−ＴＡＳなどに用いられる微細流路を有する化学分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
遺伝子解析や血液検査などの生化学分析、あるいは化学反応を効率的に行うために、開口断面の幅、深さが数１０μｍ〜数ｍｍの微細流路を有する化学分析装置を用いることがある。ここでは、蒸留、分離、精製など様々な化学的な基本操作を実現する為の流路形状が構築されるが、試料の混合過程においては以下の２種類が代表的な手法として知られている。
【０００３】
一つは、図１１に示すように、第１試料挿入孔１１１及び第２試料挿入孔１１２から加圧することにより挿入された２種類の試料が、Ｙ字形状の混合部１１０において合流する。合流後は、混合路１１６において、両試料が物理法則に従って徐々に拡散していく。混合路１１６は、流速等を考慮して、その拡散が終了するだけの長さが確保されているので、混合液検出部１１４では、十分に混合された混合液が検出される（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００４】
別の混合過程の例としては、図１２に示すような化学分析装置が挙げられる。第１試料挿入孔１１１から挿入された第１試料は、主流路１１７を通過し、混合部１１０において、第２試料と接触する。図１２（ｂ）に示すように、混合部１１０では、主流路１１７の壁に多数の微細孔１１８が配設されており、第２試料はこの微細孔１１８を通過し、第１試料と接触する。微細孔１１８を通過した第２試料は多数の液滴となるので、結果的に両試料の接触面積が増加し、効果的な拡散混合が実現する（例えば、非特許文献２参照。）。
【０００５】
【非特許文献１】
「生産研究」５２巻７号、２０００年７月、Ｐ３０４−３１１
【０００６】
【非特許文献２】
インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｏｅ．ｗａｓｅｄａ．ａｃ．ｊｐ／ｓｈｏｊｉ／３−ｊ．ｈｔｍｌ＞
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１１に示す混合部１１０では、混合する試料の量に大きな差をつける事が困難であった。この化学分析装置では、基本的に合流時の両試料の流速を同等にする必要があるので、異なる量の試料を混合する場合、両流路の断面積を所望の濃度比に近い値にしなければならない。例えば、１％の混合比の試料を得たい場合、混合部１１０に溶質を誘導する溶質流路は、溶媒流路に対し１／１００の断面積となり、後者が１００μｍの代表寸法（円の場合は直径、正方形の場合は１辺の長さ）であれば、前者は１０μｍとなる。もし、深さを一定にするのであれば、溝幅を１／１００にする必要があり、これは１００μｍに対して１μｍの狭隘溝を作成することとなり、加工上の問題だけでなく、粘性や表面張力の問題などから使用可能な試料にも制限が出てくる。又、微小流路内で大量の混合を行おうとする場合、断面積が微小であるので、混合路１１６の全長を長くする必要があり、微細流路の加工性や圧損の点で必ずしも有利ではない。
【０００８】
又、図１２に示す混合部１１０においては、効果的な拡散混合が実現するのは微細孔１１８付近であるので、混合部１１０における主流路１１７の厚みを薄く設定する必要があるなど、形状および加工上に制約があった。この様な手段を講じなければ、微細孔１１８を通過した第２試料は、主流路１１７の下層の第１試料とのみ混合するだけで、中層や上層の第１試料との混合は、図１１の混合路１１６と同様、暫くフローした後でなければ達成し得なかった。
【０００９】
上記の問題に鑑み、本発明は、混合部において迅速な混合を可能とする化学分析装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第１の特徴は、２つの異なる試料を混合する混合部において、（イ）第１の試料を流す主流路と、（ロ）主流路内で、第１の試料の流れを分断する位置に配置され、第１の試料が流れる方向とは異なる方向に第２の試料を噴出する噴出孔を有する柱状構造体とを備える化学分析装置であることを要旨とする。
【００１１】
第１の特徴に係る化学分析装置によると、主流路を流れる試料に対し、第２の試料を効率的に接触させることができるので、拡散時間を短くし、迅速な混合を行うことができる。又、混合部において混合を完了させることができるため、拡散させるための混合路が必要なく、大量な混合試料を得ることができる。更に、柱状構造体の内部に設けられた流路は、主流路に比べて明らかに細く出来るので、第２の試料を、第１の試料に対して微小量とした混合比を実現することが可能となる。
【００１２】
本発明の第２の特徴は、２つの異なる試料を混合する混合部において、（イ）第１の試料を流す主流路と、（ロ）主流路内で、回転しながら第１の試料の流れる方向と異なる方向に移動し、第２の試料を噴出する噴出孔を有する柱状構造体とを備える化学分析装置であることを要旨とする。
【００１３】
第２の特徴に係る化学分析装置によると、主流路を流れる試料に対し、第２の試料を効率的に接触させることができるので、拡散時間を短くし、迅速な混合を行うことができる。又、混合部において混合を完了させることができるため、拡散させるための混合路が必要なく、大量な混合試料を得ることができる。更に、柱状構造体の内部に設けられた流路は、主流路に比べて明らかに細く出来るので、第２の試料を、第１の試料に対して微小量とした混合比を実現することが可能となる。
【００１４】
又、第２の特徴に係る化学分析装置は、（ハ）主流路内で、第１の試料が流れる方向に、第１の試料と第２の試料との混合試料を押し出す加圧手段と、（ニ）加圧手段によって押し出された混合試料が通過する透過手段とを更に備えても良い。ここで、「加圧手段」とは、具体的には、ピストン等の手段を指し、「透過手段」とは、具体的には、フルイ等の手段を指す。この化学分析装置によると、主流路内を流れる試料の流速が緩やかであったり、滞留的であったりする場合に、より拡散された混合状態を得ることができる。
【００１５】
更に、第１及び第２の特徴に係る化学分析装置の柱状構造体は、主流路から脱着可能であっても良い。この化学分析装置によると、至便性の向上が期待できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して、本発明の第１〜第３の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１９】
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態に係る化学分析装置は、図１に示すように、第１試料挿入孔１１と、第２試料挿入孔１２と、第３試料挿入孔１３と、第１試料と第２試料を混合する混合部１０と、それらの混合試料と第３試料を混合する混合部１０と、混合液検出部１４と、抜気孔１５とを備える。
【００２０】
基板となる化学分析装置の材質としては、石英等のガラス材料やポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）等のシリコンゴムあるいはポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）等のアクリル樹脂などが考えられる。更に、ガラスエポキシ樹脂、ポリプロピレン（ＰＰ）やポリテトラフロロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂、シリコン等の半導体材料、金属等でも構わない。
【００２１】
図１では、試料挿入孔は３個所設けてあり、第１試料挿入孔１１、第２試料挿入孔１２、第３試料挿入孔１３にそれぞれ第１試料、第２試料、第３試料がポンプ等の適当な手段（図示せず）で挿入される。これらの試料は混合部１０で相互に混合される。混合された後の試料は、混合液検出部１４において検出され、計測器により適当な計測作業が実施される。抜気孔１５は流路内の過大な圧力を放出するものである。各孔には適当なバルブ等が装備されているが、図１では省略されている。化学分析装置の試料流路の開口断面は、幅、深さが数１０μｍ〜数ｍｍ程度である。
【００２２】
混合部１０は、図２に示すように、第１試料を流す主流路１７と、主流路１７内で、第１試料の流れを分断する位置に配置され、第１試料が流れる方向とは異なる方向に第２試料を噴出する噴出孔２１を有する柱状構造体２０とを備える。図２では、主流路１７内に、３本の柱状構造体２０が配設され、第１試料は、これらの柱状構造体２０同士の間隙、あるいは柱状構造体２０と主流路１７の側壁が作る間隙を通過する際に層状に分断される。又、柱状構造体２０は、内部に第２試料挿入孔１２から挿入された第２試料が流れる流路が設けられている。柱状構造体２０の側周面には、複数の噴出孔２１が設けられており、柱状構造体２０内部を流れる第２試料は、噴出孔２１を通り、主流路１７に噴出される。第２試料をポンプ等で加圧することにより、第２試料は柱状構造体２０で分断された第１試料の層毎に、同時に複数の液滴として吐出される。
【００２３】
噴出孔２１は、第１試料の流れとは異なる方向に設けられている必要がある。特に、第１試料の流れと直交する方向に設けられると、第１試料の層化および第２試料の液化による表面積の増加に加え、拡散距離の縮減による混合効率の増加に寄与する。
【００２４】
又、柱状構造体２０は、図２では略円筒状であるが、形状的に回転対称である必要はなく、非対称を含む任意の形態で構わない。柱状構造体２０の本数の制約もない。又、噴出孔２１は、図２では柱状構造体２０の一側周面上に４つ開口しているが、複数の測周面に開口していても構わず、その数も問わない。噴出孔２１が一列に並ぶなどの位置的な制約もない。柱状構造体２０の形状、本数や噴出孔２１の位置、個数などは、本方式を適用する試料の混合仕様に応じて、適宜定めれば良い。
【００２５】
又、柱状構造体の形態は、様々なものが考えられる。その一例として、図３及び図４に示すように、第１試料の流れる主流路１７に対して、第２試料を挿入して混合する部分１０ａでは、０．１〜０．３ｍｍ程度の細径の柱状構造体を第１試料の流れに対して並列に複数配置している。細径では、噴出孔の数に制限があるが、複数の柱状構造体を並べることにより、第１試料との接触領域を拡大できる。又、第３試料を挿入して混合する部分１０ｂでは、０．３〜１ｍｍ程度の太径の柱状構造体を配置している。太径では、噴出孔を多数配置することが可能となるので、噴出孔の数を増加し、第１試料との接触領域を拡大できる。又、図３及び図４に示す柱状構造体は、０．１ｍｍ程度の間隙をおいて配置される。このような狭隘間隙において第１試料と第２試料は混合されるので、拡散効率の高い、迅速な混合が実現される。
【００２６】
更に、柱状構造体２０として、シリンジ針先端などを用いる構成にすると、主流路１７に対して柱状構造体２０を脱着可能にすることができ、至便性の向上が期待できる。
【００２７】
第１の実施の形態に係る化学分析装置の混合部１０によると、主流路１７を流れる第１試料に対し、別の試料を効率的に接触させることができるので、拡散時間を短くし、迅速な混合を行うことができる。又、混合部１０において混合を完了させることができるため、拡散させるための混合路が必要なく、大量な混合試料を得ることができる。
【００２８】
更に、柱状構造体の内部に設けられた流路は、第１試料が流れる主流路１７に比べて明らかに細く出来るので、第２試料あるいは第３試料を、第１試料に対して微小量とした混合比を実現することが可能となる。従来、試料を挿入するときは、それぞれの試料ごとに設けられたポンプなどの加圧手段を制御し、混合比に合わせた試料量を挿入するが、第１の実施の形態では、柱状構造体内部の流路径が主流路に対して微小であるため、すべての試料用のピストンを同一距離だけ動かせば、同一時間に混合する試料の量は両流路の径の比で規定される。
【００２９】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係る化学分析装置の混合部は、図５に示すように、第１試料を流す主流路１７と、主流路１７内で、回転しながら第１試料の流れる方向と異なる方向に移動し、第２試料を噴出する噴出孔２１を有する柱状構造体２０とを備える。化学分析装置の材質等は、第１の実施の形態と同様であるので、ここでは説明を省略する。
【００３０】
第２の実施の形態では、第１試料挿入孔１１から挿入された第１試料が流れる主流路１７の流れと同一の方向に柱状構造体２０が配設されている。この柱状構造体２０の内部に、第２試料挿入孔１２から挿入された第２試料用の流路が構築され、第２試料は、柱状構造体２０の側周面上に設けられた噴出孔２１から主流路１７に噴出される。第２試料は、図示されないポンプ等の加圧手段により液滴となって第１試料中に吐出される。吐出圧を高めたいときには、噴出孔２１を柱状構造体２０の端部付近に設けると良い。柱状構造体２０は、主流路１７内に固定されていても構わないが、柱状構造体２０を動かしながら、第２試料を滴下することにより、広範囲の第１試料と接触することができる。このとき、図５に示すように、柱状構造体２０を第１試料の流れとは逆方向に動かし、かつ回転させると第２試料がより拡散し、効果的な混合が実現する。
【００３１】
主流路１７が柱状構造体２０よりも比較的太い場合には、この柱状構造体２０を複数基配設することにより、第２試料が第１試料の中で拡散すべき距離を縮減することができ、混合効率の向上が達成される。又、図５では、噴出孔２１が一つ設けられているが複数設けられていても良いことは勿論である。
【００３２】
又、主流路１７内を流れる第１試料の流速が緩やかであったり、滞留的であったりする場合には、第２試料の滴下後に、ピストン２４などで加圧し、混合液を押し出す構成にしても良い。この時、押圧方向にフルイ２３を備えると、第１試料と第２試料の混合液は、このフルイを通過することにより、より拡散された混合状態を得ることができる。
【００３３】
更に、柱状構造体２０として、シリンジ針先端などを用いる構成にすると、主流路１７に対して柱状構造体２０を脱着可能にすることができ、至便性の向上が期待できる。
【００３４】
第２の実施の形態に係る化学分析装置の混合部１０によると、主流路１７を流れる第１試料に対し、第２試料を効率的に接触させることができるので、拡散時間を短くし、迅速な混合を行うことができる。又、混合部１０において混合を完了させることができるため、拡散させるための混合路が必要なく、大量な混合試料を得ることができる。更に、柱状構造体２０の内部に設けられた流路は、第１試料が流れる主流路１７に比べて明らかに細く出来るので、第２試料を第１試料に対して微小量とした混合比を実現することが可能となる。
【００３５】
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態に係る化学分析装置は、特に、混合される試料がフロー状態ではなく、予め貯蔵されており、限定された空間内で混合する場合に適したものである。化学分析装置の材質等は、第１の実施の形態と同様であるので、ここでは説明を省略する。
【００３６】
第３の実施の形態に係る、異なる試料の混合手順について、図６及び図８を参照し、説明する。
【００３７】
（イ）まず、図６（ａ）に示すように、第１試料３１は、片方の側面を第１試料容器４１、底面を第２試料容器で遮断された第１試料充填部７１に充填されている。第１試料容器４１の内側には、第１ピストン５１が備えられており、第１ピストン５１の右端は、第１試料容器４１の右端と同じ位置にある。一方、第１試料３１に比べ微小な量の第２試料３２は、第２試料容器４２内に充填されている。まず、この充填された第１試料３１と第２試料３２を高い拡散効率で、迅速に混合する。
【００３８】
（ロ）次に、図６（ｂ）に示すように、第１試料容器４１を第１ピストン５１と共に、右方向に移動させる。一方、第２試料容器４２も右方向に移動させる。このとき、第１試料容器４１と第２試料容器４２は同速度で移動させるが、第２試料容器４２を先に一定距離ａ移動させてから、第１試料容器４１を移動させる。即ち、第１試料容器４１と第２試料容器４２は、一定距離ａを保った状態で、移動することとなる。又、第２試料容器４２を移動する際、第２ピストン５２の位置は移動させないので、第２試料容器４２内に充填されている第２試料３２が左側に排出され、第１試料充填部７１から流れ込んだ第１試料３１と混合する。図７は、Ａ−Ａの断面図であるが、第１試料３１の一定距離ａ分の体積と第２試料３２の一定距離ａ分の体積が絶えず混合されることとなる。一定距離ａを縮めるほど、容積に対する表面積が大きくなり、拡散効率の高い混合を実現することができる。図７では、第１試料が充填されている部分を矩形形状、第２試料が充填されている部分を略円形状としているが、この形状に限らないことは勿論である。
【００３９】
（ハ）第１試料容器４１と第２試料容器４２を右方向に移動させると、図６（ｃ）に示すように、第１試料３１と第２試料３２が混合され、第１混合試料３５となる。この混合は、第１試料容器４１と第２試料容器４２が最右側のストッパ位置に来るまで継続するので、移動停止と同時に混合が終了した状態を実現できる。
【００４０】
（ニ）図８（ａ）は、第１試料３１と第２試料３２の混合が終了した状態の図である。第２試料容器４２に占められていた部分は、第１混合試料３５が充填された第１混合試料充填部７２となる。即ち、第１混合試料３５は、片方の側面を第２試料容器４２、底面を第３試料容器４３で遮断された第１混合試料充填部７２に充填されている。次に、この第１混合試料３５と第３試料３３を高い拡散効率で、迅速に混合する。
【００４１】
（ホ）次に、図８（ｂ）に示すように、第３ピストン５３を右側に移動させることにより、第３試料貯蔵部６０から第３試料３３を第３試料容器４３内に充填する。このとき、第３試料容器４３は、移動させない。
【００４２】
（へ）次に、図８（ｃ）に示すように、第２試料容器４２を第２ピストン５２と共に、左方向に移動させる。一方、第３試料容器４３も左方向に移動させる。このとき、図６（ｂ）と同様に、第２試料容器４２と第３試料容器４３は同速度で移動させるが、第３試料容器４３を先に一定距離ｂ移動させてから、第２試料容器４２を移動させる。即ち、第２試料容器４２と第３試料容器４３は、一定距離ｂを保った状態で、移動することとなる。又、第３試料容器４３を移動する際、第３ピストン５３の位置は移動させないので、第３試料容器４３内に充填されている第３試料３３が右側に排出され、第１混合試料充填部７２から流れ込んだ第１混合試料３５と混合する。第１混合試料３５と第３試料３３が混合したものは、第２混合試料３６として、充填される。
【００４３】
図６及び図８では３段の試料容器を有する混合部を例にとり、説明を行ったが、これらの試料容器を多段に設けることにより、複数の試料の混合が可能となる。
【００４４】
図６及び図８における試料容器から試料を排出する部分は、図９及び図１０に示す構造としても良い。図９では、試料排出口５５に複数の孔を設け、試料容器４０を左側に移動させるか試料ピストン５０を右側に移動させることにより、複数の孔から試料を排出する。複数の孔（図９では４箇所）から試料３０を排出することにより、試料３０の平面拡散が実現できる。又、図１０に示すように、試料容器４０内に二重円筒５６を設け、これを回転させながら試料３０を排出しても良い。二重円筒５６内の試料３０は、ピストン５０を右側に移動させることにより、排出される。試料排出口５５において孔が一つしか設けられていなくとも、二重円筒５６を回転させながら、試料３０を半径方向に排出するので、平面拡散が実現する。
【００４５】
第３の実施の形態に係る化学分析装置によると、充填された第１試料に対し、第２試料を略平面内で効率的に接触させることができるので、拡散時間を短くし、迅速な混合を行うことができる。
【００４６】
（その他の実施の形態）
本発明は上記の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００４７】
例えば、本発明の第１〜第３の実施の形態において、それぞれ異なる仕様の混合部１０について説明したが、一つの化学分析装置に、複数の異なる仕様の混合部１０を備えて良いことは勿論である。
【００４８】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。従って、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によると、混合部において迅速な混合を可能とする化学分析装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る化学分析装置の斜視図である。
【図２】図１の混合部を拡大した斜視図である。
【図３】第１の実施の形態に係る別の混合部である。
【図４】図３を上から見た図である。
【図５】第２の実施の形態に係る化学分析装置の混合部の斜視図である。
【図６】第３の実施の形態に係る化学分析装置の混合部の断面図である（その１）。
【図７】図６のＡ−Ａ断面図である。
【図８】第３の実施の形態に係る化学分析装置の混合部の断面図である（その２）。
【図９】（ａ）は、図６及び図８のピストンの試料排出口の拡大図であり、（ｂ）は、（ａ）の試料排出口を横から見た図である。
【図１０】（ａ）は、図６及び図８のピストンの別の試料排出口の拡大図であり、（ｂ）は、（ａ）の試料排出口を横から見た図である。
【図１１】従来の化学分析装置の斜視図である。
【図１２】（ａ）は、別の従来の化学分析装置の断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す混合部の拡大図である。
【符号の説明】
１０、１１０混合部
１０ａ第２試料混合部
１０ｂ第３試料混合部
１１、１１１第１試料挿入孔
１２、１１２第２試料挿入孔
１３第３試料挿入孔
１４、１１４混合液検出部
１５抜気孔
１７、１１７主流路
２０柱状構造体
２１噴出孔
２３フルイ
２４ピストン
３０試料
３１第１試料
３２第２試料
３３第３試料
３５第１混合試料
３６第２混合試料
４０試料容器
４１第１試料容器
４２第２試料容器
４３第３試料容器
５０ピストン
５１第１ピストン
５２第２ピストン
５３第３ピストン
５５試料排出口
５６二重円筒
６０第３試料貯蔵部
７１第１試料充填部
７２第１混合試料充填部
１１６混合路
１１８微細孔

Claims

２つの異なる試料を混合する混合部において、
第１の試料を流す主流路と、
該主流路内で、前記第１の試料の流れを分断する位置に配置され、前記第１の試料が流れる方向とは異なる方向に第２の試料を噴出する噴出孔を有する柱状構造体と
を備えることを特徴とする化学分析装置。
２つの異なる試料を混合する混合部において、
第１の試料を流す主流路と、
該主流路内で、回転しながら前記第１の試料の流れる方向と異なる方向に移動し、第２の試料を噴出する噴出孔を有する柱状構造体と
を備えることを特徴とする化学分析装置。
前記主流路内で、前記第１の試料が流れる方向に、前記第１の試料と前記第２の試料との混合試料を押し出す加圧手段と、
該加圧手段によって押し出された前記混合試料が通過する透過手段と
を更に備えることを特徴とする請求項２に記載の化学分析装置。
前記柱状構造体は、前記主流路から脱着可能であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の化学分析装置。