JP3995230B2 - 毛細管から液体を導出するための装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、濡らす液体を1つ又は複数の毛細管から導出するための装置に関する。
【0002】
本発明は、毛細管からの液体の導出を容易にし又は可能にし、これにより液体が、自由に流れる液体として保持されるようにすることを目的とする。
【0003】
【従来の技術】
毛細管は狭幅な空間的構造であり、毛細管内では液体の表面効果が生じる。毛細管の横断面形状は任意であり、管及びギャップを含む。横断面の寸法は、少なくとも1つの方向でミリメートル範囲からサブミクロメートル範囲までの領域にある。毛細管の空間的な延びは任意である。
【0004】
毛細管は、比較的薄い壁を有する個々の直線的な又は湾曲した管の形式の別個の構造として存在することができるか、管状に部材を貫通していることができる。さらに、毛細管は、通気孔の多孔性体又は焼結体における通気孔であることも、紙、不織布又はフェルトのような密に詰め込まれた繊維の間の空間であることもできる。さらに、毛細管は、狭幅なギャップの形状を有することができる。
【0005】
堅固な壁部に接した濡らす液体の表面は、0゜から90゜未満までの接触角度を壁と形成する;不完全に濡らす液体は、零よりも大きな接触角度を有する。表面張力により、濡らす液体は、完全に充填されるまで毛細管に引き込まれる。毛細管の出口端部において液体により小さな力が作用するならば、表面張力が液体を毛細管内に保持して流出を妨げることができる。毛細管の端部からの液体の流出は、毛細管入口と毛細管出口との間の液体における十分に大きな圧力差によって強制されることができる。
【0006】
EP0336483号明細書より、最初に導入された液体を分離するための装置が公知であり、この装置は、第1の通気孔膜(分離膜)と第2の通気孔膜(収集膜)とから成っており、収集膜が分離膜の出口側に密接している。分離膜を通過した、分離膜の一方の側に導入された液体の一部は、収集膜に進入し、この収集膜に滞留する。分離膜の上方における収集膜に収集された液体は、収集膜に供給される試薬液と反応させられることができるか、収集された液体は、別の液体によって収集膜から洗い流された後分析されることができる。これにより、分離膜によって分離されかつ収集膜に収集された液体は、別の分析の間収集膜に滞留することができるか洗い流されることができ、この場合、液体は別の液体と混合される。どちらの場合にも、分離膜によって分離された最初に導入された液体の一部のみから成る自由に流れる液体が得られない。
【0007】
毛細管の助成により収集された又は液状媒体から分離された液体の分析又は使用のために、他のいかなる液体とも混合されていない液体を自由に流れる液体として毛細管から得ることは有利又は必要である。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の課題は、装置であって、この装置を用いて1つ又は複数の毛細管から液体が導出されかつ収集室に自由に流れる液体として収集されることができるようなものを提供することである。十分に大きな収集室においては、表面効果は実際にはもはや有効ではない。
【0009】
【課題を解決するための手段】
前記課題は、本発明によれば、以下のような特徴を有する装置によって達成される。すなわち、
−毛細管の出口端部において部材に楔形切欠きが設けられており、この楔形切欠きに少なくとも1つの毛細管が移行しており、
−切欠きの楔エッジの曲率半径が、楔形切欠きに移行した最大の毛細管の最小寸法の半分よりも小さく、
−楔エッジの近傍における切欠きの楔面の間の楔角度が、150゜よりも小さく、
−収集室が楔形切欠きの基部側に隣接している。
【0010】
楔形切欠きは、楔エッジと基部側とを有している。楔エッジの曲率半径は、円形横断面を有する毛細管の曲率半径よりも小さい。しかし互いに垂直な2方向で同一の範囲の寸法を有する任意の横断面を有する毛細管の場合、楔エッジの曲率半径は、非円形の毛細管の相当半径よりも小さい。非円形の横断面を有する毛細管の相当半径は、毛細管の非円形横断面領域と同一の面を有する円の半径である。通気孔体に細孔として存在する毛細管の場合、毛細管の横断面は、横断面領域に亘って分布している。この場合、楔エッジの曲率半径は、最大横断面を有する毛細管の最小寸法の半分よりも小さい。スロット状の毛細管の場合、楔エッジの曲率半径は、スロットの幅の半分よりも小さい。
【0011】
楔エッジは、切欠きの2つの楔面に隣接しており、これらの楔面は、互いに150゜よりも小さな、有利には90゜よりも小さな楔角度を形成している。切欠きの楔面は、基部側の領域において凸状に面取りされていることができる。
【0012】
本発明による装置は、一部構造であることも、2つの部材から成っていることもできる。
【0013】
二部構造の場合、少なくとも1つの毛細管が第1の部材に配置されている。第2の部材は、一方の側に有利には複数の突起が設けられた支持プレートから成っている。これらの突起の少なくとも1つには少なくとも1つの楔形切欠きが設けられている。突起には、それぞれが少なくとも1つの毛細管に配属した複数の楔形切欠きが設けられていることができる。少なくとも1つの突起の自由端部は、少なくとも1つの毛細管の出口端部が位置した第1の部材の面と接触している。楔形切欠きの楔エッジの始点は、毛細管の出口領域内に位置している。第1の部材と、第2の部材の突起の自由端部との間に設けられるあらゆる小さな空間は、第1の部材に設けられた毛細管の出口端部に存在する液体が、第2の部材の突起の自由端部と接触する限り、本発明による装置の作用に影響しない。
【0014】
さらに、突起に設けられた楔形切欠きの近傍に収集室が設けられている。この収集室は、主に、突起が設けられた支持プレートの側と、毛細管の出口領域が位置した第1の部材の側とによって仕切られている。
【0015】
二部構造の場合、第1の部材は、単一の毛細管又は複数の個々の毛細管を有していることができる。さらに、第1の部材は、通気孔膜、通気孔焼結体又は、不織布、フェルト又は紙、例えば吸取紙等の繊維から成ることができる。このような部材は、平坦な出口側を有しているので有利である。後者の場合、少なくとも1つの楔形切欠きを有する突起の自由端部を第1の部材に設けられた通気孔の出口側と接触させれば十分である。通常このような部材内で相互結合された、多数の不規則に分布した細孔により、十分に多数の楔形切欠きが設けられる限り、突起の自由端部における楔エッジの始点の位置はほぼ自由に選択することができる。
【0016】
本発明による装置の二部構造では、第2の部材の一方の側における突起に設けられた楔形切欠きの楔エッジは、毛細管の出口端部が位置する第1の部材の側に対し垂直であることも(楔エッジと第1の部材の側との間の角度が90゜に等しい)、この側面に対し少なくとも20゜だけ傾斜させられていることもできる。
【0017】
突起は、島状に配置された円柱、円錐、三角錐又はウェブ状突起の形状を有することができる。ウェブ状突起は、直線的又は湾曲していることができ、片側又は両側に楔形切欠きが設けられていることができる。
【0018】
一部構成は、少なくとも1つの毛細管と、この毛細管が通じた収集室とを有している。毛細管の出口側において、収集室の壁部に楔形切欠きが設けられている。楔形切欠きの楔エッジの始点は、毛細管の出口端部の近傍において毛細管の壁部に位置している。
【0019】
収集室においては毛細管から導出された液体が最初に収集されるが、この収集室において表面効果及び毛管力が有効であるならば、少なくとも1つの毛細管と、少なくとも1つの楔形切欠きと、少なくとも1つの収集室とから成る本発明による装置は、複数の収集室のうちの最後の収集室においてほとんど表面効果が有効でなくなるまで、相前後して配置された多数の楔形切欠き及び収集室を有することができる。液体の流れ方向で見て相前後して配置された複数の収集室の場合、第2の収集室の毛管現象決定寸法は、第1の収集室の毛管現象決定寸法よりも大きく、第3の収集室の毛管現象決定寸法は、第2の収集室の毛管現象決定寸法よりも大きい。
【0020】
本発明による装置の作用は、濡らす液体に対する前記寸法を有しかつ前記配列の楔形切欠きの吸引動作と、収集室における表面効果の低減とに基づく。収集室における表面効果は、場合によっては、本発明による装置の多数配列によって僅かなレベルにまで減じられる。
【0021】
本発明による装置は、液体が楔エッジの始点に存在し、かつ、楔形切欠きの近傍において収集室が、底部のみ液体層で被覆されていて、楔形切欠きの楔エッジの始点の高さまでは液体が存在しない限りは、連続的に有効である。
【0022】
本発明による装置は以下の利点を有する;
−装置使用時に、収集室に位置しかつ収集膜に保持されない自由に流れる液体が得られる
−自由に流れる液体が他の液体と混合されない
−このことは、マイクロリットル領域にまで、自由に流れる液体の収集を可能にする
−このことは、重力とは無関係に有効であり、楔エッジの空間的な方向は任意である。
【0023】
本発明による装置は、プラスチック、例えばポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリカーボネート(PC)、ポリスチレン(PS)又は同様のもの、又は金属、例えばニッケル、胴、コバルト、鉄鋼及び鋼合金又は半導体、例えばシリコン又はゲルマニウムより成ることができる。
【0024】
幾何学的な微細構造は、例えば深いX線リソグラフィ、UVリソグラフィ、精密機械的な精密加工、レーザ加工、ドライエッチング又はウエットエッチングによって製造することができる。
【0025】
幾何学的な微細構造は、まずプラスチックに製造され、金属の電着によって相補的な金属構造に転換される。この相補的な構造は、型挿入体として使用することができ、この型挿入体によって、多くの所望のプラスチック製微細構造が射出成形によって成形される。
【0026】
さらに、所望の微細構造と相補的な微細構造がプラスチックに形成されることができ、この微細構造から、所望の金属製の微細構造が金属の電着によって成形される。
【0027】
本発明による装置は、特に、フィルタ膜によって固体含有媒体から液体を分離させるために、分離膜によって全血から血漿を分離させるために、又は毛細管を介してマイクロタイタープレートのウェルを充填するために使用することができる。
【0028】
【発明の実施の形態】
以下に本発明による装置を図面を参照にさらに詳しく説明する。図1〜図4は、2つの部材から成る2片装置に関しているのに対し、図5は、1片装置に関する。図7及び図8には、2片装置が示されており、この場合、配属した楔形切欠きを備えた3つの収集室が相前後して配置されている。
【0029】
図1aには、支持プレート8に設けられた、円形の横断面と4つの楔形切欠き1とを有する柱状突起2が示されている。図1bには、変形三角形の横断面と4つの楔形切欠き1とを有する柱状突起3が示されている。図1cには、一方の側に複数の楔形切欠き1を備えたウェブ状突起4の区分が示されている。
【0030】
図2aには、矩形横断面と2つの楔形切欠き1とを有する柱状突起5が示されている。図2bには、楔形切欠き1の詳細、具体的には楔エッジの曲率半径(r)と、切欠きの楔面の間の楔角度(α)と、楔形切欠きの基部側(b)とが示されている。
【0031】
図3aには、複数の毛細管7を有するプレート状の第1の部材6が示されている。図3bには、第2の部材として、2つの柱状突起9,10を有する支持プレート8が示されている。突起9は、円筒面に3つの楔形切欠き1を有しており、突起10は、4つの楔形切欠き1を有している。2つの部材が互いに対して配置されると、各楔形切欠き1の自由端部が、それぞれ1つの毛細管7の出口領域において突起9及び10に当て付けられる。突起9は、3つの毛細管に配属させられており、突起10は4つの毛細管に配属させられている。
【0032】
支持プレート8の上側と第1の部材6の下側とによって仕切られかつ突起9及び10の近傍に位置する空間は、収集室であり、この収集室は、楔形切欠きの基部側に隣接している。
【0033】
図4には、3つのほぼ円形の毛細管12の出口端部を備えた第1の部材6の下側の部分図が示されている。横断面で示された柱状突起11は、3つの楔形切欠き1を有しており、各楔形切欠きが1つの毛細管に配属させられている。各楔形切欠き1の楔エッジの自由端部は、それぞれ1つの毛細管12の出口領域内に位置している。
【0034】
図2に関連した図5には、1片構成が示されており、この場合、毛細管から比較的大きな収集室への移行領域が、斜視図において切り取られた区分として示されている。毛細管14と、楔形の切欠き13と、矩形横断面を有する収集室15とが、一片から成る部材16に配置されている。楔形の切欠き13は、矩形横断面を有する毛細管14の出口端部に継目なく隣接している。楔形切欠き13の楔エッジは、毛細管14の壁部に対し垂直であり、収集室の底面にまで下方へ延びている。図5に示した構成では、場合によってはカバープレート(図示せず)が一片の部材16の上側に設けられていてよい。
【0035】
図6には、1片から成る構成の別の形式が斜視図で示されている。毛細管14と、楔形切欠き17と、円形横断面を有する収集室15とが、一片から成る部材16に配置されている。楔形切欠き17は、矩形横断面を有する毛細管14の出口端部に継目なく隣接している。楔形切欠き17の楔エッジは、毛細管14の壁部に対し傾斜させられており、収集室15の底部の上方においてこの収集室15の壁部に衝突する。図6に示した構成では、カバープレート(図示せず)が一片部材16の上側に設けられていてよい。
【0036】
図7aにはプレート20が示されており、このプレート20の一方の側には本発明による3つの装置が示されている。第1の収集室の底部21には、複数の柱状突起22と、複数のウェブ状突起23とが設けられている。各柱状突起には3つの楔形切欠き24が設けられており、柱状突起の1つが図7bに拡大して示されている。ウェブ状突起としての突起のそれぞれには、複数の楔形切欠き25が設けられており、ウェブ状突起のうちの1つの区分が図7cに拡大して示されている。柱状突起22とウェブ状突起23との間の自由容積は、第1の収集室の容積を形成している。
【0037】
第1の収集室の底部21のエッジ26は、底部27を備えた第2の収集室に隣接している。第1の収集室の端部における段部には複数の楔形切欠き28が設けられており、この楔形切欠き28の幾つかが図7eに拡大して示されている。切欠き28は、第1の収集室の底部21から第2の収集室の底部27にまで延びている。底部27の上側の自由容積は、第2の収集室の容積を形成している。
【0038】
底部29を備えた円形の凹所としての第3の収集室が、第2の収集室の底部27に設けられている。この凹所の縁部30には複数の楔形切欠き31が設けられており、この楔形切欠き31の幾つかが図7fに拡大して示されている。楔形の切欠き31は、第2の収集室の底部27から第3の収集室の底部29にまで延びている。底部29の上側の自由容積は、第3の収集室の容積を形成している。
【0039】
図7bには、収集室のカバーが示されている。第1の収集室のためのカバー32は、毛細管が設けられた分離膜であり、カバー32の下側は、柱状突起22の端部と、ウェブ状突起23の長手方向側部と、縁部33との上に支持される。カバー32は、上側において第1の収集室を仕切っている。分離させたい液体が、この分離膜に提供される。カバー34は、プレートであり、このプレートの下側は縁部35上に支持され、このプレートは、上側において第2及び第3の収集室を仕切っている。プレート34には通気開口36が設けられており、分離膜から導出された液体が収集室に進入するやいなや前記通気開口を通って収集室から空気が流出する。除去された液体は、光学分析のためにカバー34の下側と第3の収集室の底部29との間に所定の層厚さで存在することが有利又は必要である。伝導される光による光学分析のために、プレート20は透明な材料から成っている。
【0040】
図8は、A−A線に沿って図7aを見た横断面図を示している。柱状突起22と、第1の収集室の底部21と、第2の収集室の底部27と、第3の収集室の底部29とを備えたプレート20が示されている。第2の収集室の縁部に楔形切欠き28が設けられている。第3の収集室の縁部に楔形切欠き31が設けられている。
【0041】
第1の収集室37は、突起22と、底部21と、分離膜32の下側との間に位置している。第2の収集室38は、底部27とカバー34の下側との間に位置している。第3の収集室39は、底部29とカバー34の下側との間に位置している。
【0042】
図7a及び図8に示された収集室の毛管現象は、高さ(カバーの下側と個々の収集室の底部との間の間隔)によって決定される。第2の収集室38の高さは、第1の収集室37の高さよりも大きい。第3の収集室39の高さは、第2の収集室の高さよりも大きい。
【0043】
図7aには、第1の収集室に設けられた2つの突起形式、すなわち柱状突起22とウェブ状突起33とが示されている。これに対し、第1の収集室には、ほぼ任意の空間的配列で柱状突起のみが、又はウェブ状突起23のみが設けられていることができる。
【0044】
楔形切欠き(24;25;28;31)は鋸歯状に互いに直接に隣接していることも、互いに間隔を置いて設けられていることもできる。両変化実施例は図7a,図7c,図7d,図7e及び図7fに示されている。
【0045】
【実施例】
1.マイクロチェンバの充填
約1.5mmの厚さを有するPMMAプレートに深いX線リソグラフィによって直径1mm、深さ500μmの2つの円形の室が形成される。2つの室の間には、これらの2つの室を接続するチャネルが延びている。チャネルは、100μmの幅と、100μmの深さと、約5mmの長さを有している。2つの室のうちの一方へのチャネルの出口に楔形切欠きが設けられ、この楔形切欠きは、室の底部にまで延びている(図5参照)。楔形切欠きは100μmの楔高さを有しており、底部側は50μmの長さを有しており、楔エッジの曲率半径は1μmである。
【0046】
他方の室におけるチャネルの出口には楔形切欠きは設けられない。
【0047】
2つの室の間のチャネルが液体、例えばインクの液滴で充填されると、この液体は、チャネルの出口に楔形切欠きが設けられた室にのみ流入する。チャネルの出口に楔形切欠きが設けられていない他方の室は、濡れないままである。
【0048】
2.全血から血漿を分離するための装置
射出成形により製造されたPMMAから成る約1.5mmの厚さを備えたプレートにグラスファイバ/セルロース膜が載置される。プレートの上側にはウェブ状突起が設けられる(図1c参照)。ウェブ状突起は、500μmの幅と、120μmの高さと、400μmの間隔を互いに有している。ウェブ状突起内に300μm突入した、25゜の楔角度を有する楔形切欠きが、各ウェブ状突起の長手方向側部に設けられている。楔エッジの曲率半径は2μmである。切欠きの互いの間隔は600μmに達する。400μmの幅と120μmの深さを備えたチャネルが、膜の下側とプレートの上側との間において、各2つのウェブ状突起の間に設けられている。全てのチャネルは相俟って収集室を形成している。収集室の容積は、平方センチメートルプレート平面当たり5.4マイクロリットルである。
【0049】
全血が膜に滴ると、膜において血漿から血液細胞が分離される。ウェブ状突起の側部に設けられた楔形切欠きにより、血漿は、膜から収集室へ導かれ、この収集室へ集められる。血漿は、不変の状態で、すなわち他の液体と混合されずに滞留し、後の分析のために直接に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】aは円形横断面と楔形切欠きとを備えた柱状突起を示す図であり、bは不規則な三角形の横断面と4つの楔形切欠きとを備えた柱状突起を示す図であり、cは一方の側に複数の楔形切欠きを備えたウェブ状の突起の区分を示す図である。
【図2】aは矩形横断面と2つの楔形切欠きを備えた柱状突起を示す図であり、bは楔形切欠きの詳細を示す図である。
【図3】aは複数の毛細管を備えた板状の第1の部材を示す図であり、bは2つの柱状突起を備えた第2の部材として支持プレートを示す図である。
【図4】ほぼ円形の3つの毛細管の出口端部を備えた第1の部材の下側の一部を示す図である。
【図5】1片実施例を示す斜視図である。
【図6】1片実施例の別の形式を示す斜視図である。
【図7】aは本発明による装置が3段配列で示されたプレートを示す図であり、bは収集室のカバーを示す図であり、cはウェブ状突起の区分を拡大して示す図であり、dは柱状突起の1つを拡大して示す図であり、eは幾つかの楔形切欠きを拡大して示す図であり、fは幾つかの楔形切欠きを拡大して示す図である。
【図8】図7aのA−A線に沿って見た横断面図である。
【符号の説明】
1 楔形切欠き、 2,3 柱状突起、 4 ウェブ状突起、 5 柱状突起、 6 部材、 7 毛細管、 8 支持プレート、 9,10,11 柱状突起、 12 毛細管、 13 楔形切欠き、 14 毛細管、 15 収集室、16 1片部材、 17 楔形切欠き、 20 プレート、 21 底部、 22 柱状突起、 23 ウェブ状突起、 24,25 楔形切欠き、 26 エッジ、 26 底部、 28 楔形切欠き、 29 底部、 30 縁部、 31 楔形切欠き、 32 カバー、 33 縁部、 34 プレート、 35縁部、 36 排気開口、 37,38,39 収集室
Claims (12)
- 少なくとも1つの毛細管(7;12;14)から収集室に液体を導出するための装置において、
少なくとも1つの毛細管が移行した毛細管の出口端部において部材にそれぞれ楔形切欠き(1;13;17)が設けられており、
前記切欠きの楔エッジの曲率半径(r)が、楔形切欠きに移行した、最大横断面を備えた毛細管の最小寸法の半分よりも小さく、
楔エッジの近傍における切欠きの楔面の間の楔角度(α)が150゜よりも小さく、
収集室が、楔形切欠きの基部側(b)に隣接していることを特徴とする、液体を導出するための装置。 - 楔エッジ近傍における切欠きの楔面の間の楔角度(α)が、90゜よりも小さい、請求項1記載の装置。
- 第1の部材(6)を貫通して、第2の部材(8)に設けられた収集室内へ移行した少なくとも1つの毛細管(7;12)から液体を導出するために2片で構成されており、
少なくとも1つの毛細管(7;12)が該毛細管の出口において移行した少なくとも1つの楔形切欠き(1)が、第2の部材としての支持プレート(8)上に配置された少なくとも1つの突起(2;3;4;5;9;10;11)に設けられており、
少なくとも1つの突起(2;3;4;5;9;10;11)の自由端部が、少なくとも1つの毛細管(7;12)の出口端部が配置された第1の部材(6)の面と接触しており、
楔形切欠き(1)の楔エッジの始点が、少なくとも1つの毛細管(7;12)の出口端部に位置している、請求項1又は2記載の装置。 - 前記少なくとも1つの毛細管が、
第1の部材に唯一の毛細管として構成されているか、
複数の別個の毛細管(7;12)又は複数の別個のギャップとして第1の部材(6)を貫通しているか、
第1の部材に細孔又はギャップとして設けられており、この場合第1の部材が、通気孔膜、通気孔焼結体又は不織布、フェルト又は紙である、請求項3記載の装置。 - 楔形切欠き(1)の楔エッジが、毛細管(7;12)の出口端部が位置した第1の部材(6)の面に対して垂直であるか、この面に対して少なくとも20゜だけ傾斜させられている、請求項3又は4記載の装置。
- 前記楔形切欠き(1)が、柱(2;3;5;9;10;11)、円錐、三角錐又はウェブ(4)の形状を有する突起に設けられている、請求項3から5までのいずれか1項記載の装置。
- それぞれの単一の楔形切欠き(13;17)が、少なくとも1つの毛細管内に該毛細管の出口端部において継目なく延びている、請求項1又は2記載の装置。
- 前記楔形切欠き(13;17)が、収集室(15)の壁部に設けられており、前記収集室に少なくとも1つの毛細管(14)が移行しており、前記楔形切欠き(13;17)の楔エッジの始点が、毛細管の出口端部の近傍の毛細管の壁部に位置している、請求項7記載の装置。
- 前記楔形切欠き(13)の楔エッジが、毛細管(14)の壁部に対して垂直であるか、
楔形切欠き(17)の楔エッジが、毛細管(14)の壁部に対して少なくとも20゜だけ傾斜させられている、請求項7又は8記載の装置。 - それぞれが少なくとも1つの楔形切欠きと収集室とから成る複数のグループが、相前後して配置されており(24;25及び21),(28及び27),(31及び29)、収集室の毛管現象を決定する寸法が、上流に配置された個々の収集室の毛管現象決定寸法よりも大きい、請求項1から9までのいずれか1項記載の装置。
- 液体媒体から液体を分離するための請求項1から10までに記載の装置の使用。
- 分離膜によって固体含有媒体から液体を分離するための、又は分離膜によって全血から血漿を分離するための、又は毛細管からマイクロタイタープレートのウェルを充填するための、請求項1から10までに記載の装置の使用。
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