JP4344859B2 - 液体供給モジュール及びこれを用いた分析装置 - Google Patents
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例えば、免疫反応や酵素反応を利用して分析対象物質を固定層に固定化し、さらに、発色試薬を作用させることによって、ダイオキシン類を分析するバイオMEMS分析装置が提案されている(例えば、非特許文献1参照。)。
かかるバイオMEMS分析装置によれば、微量の分析対象成分を、高感度で簡易、迅速、かつ安価に測定することができる。
従来、このような要求を満たすために、プランジャー式ポンプを複数台使用することが行われていた。また、高圧に耐えるデッドボリュームの少ない切替えバルブを組み合わせて、プランジャー式ポンプの数量を少なくすることも行われていた。
「BioMEMSを利用した煙道中のダイオキシン測定システムの開発、成果報告書(初年度)」、新エネルギー・産業技術総合開発機構、平成14年3月
一方、小型で低コストの高圧定流量ポンプの開発も試みられているが、マイクロチップと同等のサイズでこれらの性能を実現した例は報告されていない。
[1]キャリア液が導入され排出される入口と出口との間に3箇所以上の流入及び/又は流出ポイントを有し、何れか1の流入及び/又は流出ポイントと他の流入及び/又は流出ポイントで区切られる各々の区間が、各々所定容積の定量部とされている主流路と、前記何れかの流入及び/又は流出ポイントにおいて前記主流路と連通し、何れかの定量部で定量すべき液体を該定量部に流入させるための2以上の流入路と、前記何れかの流入及び/又は流出ポイントにおいて前記主流路と連通し、何れかの定量部で定量すべき液体の余剰分を流出させるための1以上の流出路と、前記主流路の前記3箇所以上の流入及び/又は流出ポイントよりも上流側に介装された主流路用の入口側開閉弁及びポンプと、前記主流路の前記3箇所以上の流入及び/又は流出ポイントよりも下流側に介装された主流路用の出口側開閉弁と、前記流入路の各々に介装された流入路用の入口側開閉弁及びポンプと、前記流出路の各々に介装された排出路用の出口側開閉弁とを備え、前記主流路、流入路及び流出路の流入及び/又は流出ポイントを含む部分、並びに前記流入路の各々に介装された流入路用のポンプが基板上に形成されており、前記何れか1以上の流入路から何れか1の流出路に定量すべき液体を送液することにより、何れかの1の定量部に当該液体を充填した後、前記主流路の入口から出口にキャリア液を送液することにより、前記定量部に充填された当該液体をキャリア液と共に主流路の出口から排出できるように構成されていることを特徴とする液体供給モジュール。
[3]前記流入路の何れか2以上が、前記流入及び/又は流出ポイントよりも上流側で互いに合流している[1]又は[2]に記載の液体供給モジュール。
[4][1]から[3]の何れかに記載の液体供給モジュールと、該液体供給モジュールの主流路の出口から定量された液体がキャリア液と共に供給される反応部とを備える分析装置。
ここで、流入及び/又は流出ポイントは3箇所以上存在するので、いずれの流入及び/又は流出ポイントに連通する流入路と流出路とを選択するかにより、種々の容積を選択して計量することが可能である。
また、流入路から流出路へは、高圧、かつ一定速度で送液する必要がないので、突出圧や定量性に劣るポンプの使用も可能である。その結果、反応部の流路抵抗等を考慮した高圧定流量ポンプは、主流路の送液のためにのみ必要とされることとなり、小型で、かつ低コストの液体供給モジュールとすることができる。
[2]の態様の発明によれば、流入路から流出路への送液に圧電振動子により駆動されるポンプを使用することにより、小型で、かつ低コストの液体供給モジュールとすることができる。
[3]の態様の発明によれば、流入路を、前記流入及び/又は流出ポイントよりも上流側で互いに合流した構成とすることにより、複数の液体を予め混合して供給することができる。
[4]の態様の発明によれば、上記各態様の液体供給モジュールから反応部に液体を供給することにより、小型で、かつ低コストの分析装置とすることができる。
図1は、本発明の第1実施形態に係る液体供給モジュール及び分析装置の概略構成図である。本実施形態の液体供給モジュールは、マイクロチップ10と、開閉弁V0〜V9と、ポンプP0とから概略構成されている。本実施形態の分析装置は、この液体供給モジュールに反応部20を加えて、概略構成されている。
マイクロチップ10は、図2に示すように、互いに接合された基板1と振動板2と、振動板2上に設けられた圧電振動子P1〜P5とを備えている。振動板2には、図2(b)上方左側から順に入口S1〜S5が穿設されている。また、図2(b)下方左側から順に主流路入口M1、主流路出口M2、逃口T3、T2、T1が穿設されている。また、基板1には、入口S1〜S5、主流路入口M1、主流路出口M2、逃口T1〜T3の各々と連通する流路Rが形成されている。
また、ポイントA〜Eは本発明の流入及び/又は流出ポイントであり、ポイントA、Bは流入ポイント、ポイントCは流入及び流出ポイント、ポイントD、Eは流出ポイントとなっている。
なお、本実施形態において、流出ポイントは、流入ポイントよりも下流側、又は同じ位置とされている。しかし、本発明の流出ポイントと流入ポイントとの位置関係に特に限定はなく、流出ポイントが流入ポイントよりも上流側であってもよい。
また、開閉弁V0と開閉弁V1〜V5とが本発明の入口側開閉弁に、開閉弁V6〜V9が本発明の出口側開閉弁に各々相当する。
振動板2は、基板1との接合が可能であり、圧電振動子により振動するものであれば、材質に特に限定はないが、例えば、シリコン、石英、ガラス、ポリジメチルシロキサン樹脂等の樹脂、ステンレス等の金属の板が使用できる。この内、接合が容易であること、透明で流路内の観察が可能であることから、ガラス板が好ましい。特に基板1をシリコン基板とし、振動板2をガラス板とすると、陽極接合により接合できるので好ましい。
圧電振動子P1〜P5としては、BaTiO3、PZT(55%PbZrO3,45%PbTiO3)などの強誘電体磁器からなる電歪振動子が好ましく、特にPZTが好ましい。
表1に示すように、特定の入口と逃口とを適宜選択することにより、対応する容積の液体を、主流路R0内にはさみ込めるようになっている。
すなわち、圧電振動子に駆動回路(図示せず)より電圧を印加すると、振動板が流路側へ変位し、対応する流路の体積が減少し、その体積に相当する液体が、流路の両側へ押し出される。一方、電圧の印加を取除くと、振動板は元の位置に戻り、体積も元に戻り、その体積に相当する液体が、逆に流路Rの両側から流入する。
このとき、狭い方から広い方へ流れる流量の方が、広い方から狭い方へ流れる流量より大きくなるので、圧電振動子を往復変位させると、この差分に相当する流量が、流路の狭い方から広い方への一定方向へ流れることになり、この動作を繰り返すことで、上流側から下流側に流すポンプとして機能するようになっている。
ポンプP0に特に限定はないが、高い吐出圧と定量性が得られることから、プランジャー式ポンプが好ましい。
しかしながら、開閉弁V0〜V9が、各々の流路に介装される位置に特に限定はなく、例えば、開閉弁V1を圧電振動子P1に対応する位置と、ポイントXとの間に介装してもよい。
反応部20は、液体供給モジュールから流入する試料液や試薬が反応する場所である。反応部20の具体的構成に特に限定はないが、分析対象成分又は分析対象成分と試薬とが複合化した複合体を固定する固定層を備えたものが好ましい。特に、非特許文献1に記載されているように、流路中に、固定層であるビーズを収納した構成のものが好ましい。
なお、反応部20における反応の検出は、反応部20において行ってもよいし、反応部20の下流側に検出部を設け、反応部20から流出した反応液について行ってもよい。
(液体タンクL1、L2内の液体の混合液の供給)
液体タンクL1、L2内の液体を混合し、この混合液を反応部20に供給するためには、まず、準備段階として、主流路R0内全体に液体タンクL0内のキャリア液を充填しておく。
次に第1段階として、開閉弁V1とV2、及び開閉弁V6〜V8の何れか一つを開き、その他の弁は閉じておく。そして、その状態で、圧電振動子P1、P2を作動させる。
例えば、開閉弁V1とV2、及び開閉弁V8のみを開いた状態で、圧電振動子P1、P2を作動させた場合、液体タンクL1、L2の液体は、流路R1、R2から導入され、ポイントXで合流した後、主流路R0のポイントAからポイントE、並びに排出路R8を介して排出される。これにより、主流路R0のポイントAとポイントEとの間に、液体タンクL1、L2内の液体の混合液が充填される。
次に第2段階として、開閉弁V0とV9を開き、その他の弁は閉じておく。そして、その状態で、ポンプP0を作動させて、主流路R0のポイントAとポイントE(第1段階で開閉弁V8を開いた場合)との間に充填された液体タンクL1、L2内の液体の混合液を、液体タンクL0のキャリア液によって押し流し、主流路出口M2から排出する。これにより、液体タンクL1、L2内の液体の混合液が、一定量反応部20に送出される。また、第2段階におけるキャリア液の送液を充分に行うことによって、主流路R0内全体にキャリア液が充填される。
液体タンクL1内の液体と液体タンクL2内の液体とは、第1段階の間は層流状態で流れるため充分に混合していない。しかし、第1段階から第2段階へ切り替える際に、一時的に流れがとまり、この間に層流状態が解除される。その結果、両者は、充分に混合された状態で、反応部20に送出される。
次に、液体タンクL3内の液体を反応部20に供給するためには、まず、第1段階として、開閉弁V3、及び開閉弁V6〜V8の何れか一つを開き、その他の弁は閉じておく。そして、その状態で、圧電振動子P3を作動させる。
例えば、開閉弁V3及び開閉弁V6のみを開いた状態で、圧電振動子P3を作動させた場合、液体タンクL3内の液体は、流路R3から導入され、主流路R0のポイントBからポイントC、並びに排出路R6を介して排出される。これにより、主流路R0のポイントBとポイントCとの間に、液体タンクL3内の液体が充填される。
次に第2段階として、開閉弁V0とV9を開き、その他の弁は閉じておく。そして、その状態で、ポンプP0を作動させて、主流路R0のポイントBとポイントC(第1段階で開閉弁V6を開いた場合)との間に充填された液体タンクL3内の液体を、液体タンクL0のキャリア液によって押し流し、主流路出口M2から排出する。これにより、液体タンクL3内の液体が、一定量反応部20に送出される。また、第2段階におけるキャリア液の送液を充分に行うことによって、主流路R0内全体にキャリア液が充填される。
次に、液体タンクL4内の液体を反応部20に供給するためには、まず、第1段階として、開閉弁V4、及び開閉弁V6〜V8の何れか一つを開き、その他の弁は閉じておく。そして、その状態で、圧電振動子P4を作動させる。
例えば、開閉弁V4及び開閉弁V6のみを開いた状態で、圧電振動子P4を作動させた場合、液体タンクL4内の液体は、流路R4から導入され、主流路R0のポイントBからポイントC、並びに排出路R6を介して排出される。これにより、主流路R0のポイントBとポイントCとの間に、液体タンクL4内の液体が充填される。
次に第2段階として、開閉弁V0とV9を開き、その他の弁は閉じておく。そして、その状態で、ポンプP0を作動させて、主流路R0のポイントBとポイントC(第1段階で開閉弁V6を開いた場合)との間に充填された液体タンクL4内の液体を、液体タンクL0のキャリア液によって押し流し、主流路出口M2から排出する。これにより、液体タンクL4内の液体が、一定量反応部20に送出される。また、第2段階におけるキャリア液の送液を充分に行うことによって、主流路R0内全体にキャリア液が充填される。
次に、液体タンクL5内の液体を反応部20に供給するためには、まず、第1段階として、開閉弁V5、及び開閉弁V7又は開閉弁V8の何れか一つを開き、その他の弁は閉じておく。そして、その状態で、圧電振動子P5を作動させる。
例えば、開閉弁V5及び開閉弁V7のみを開いた状態で、圧電振動子P5を作動させた場合、液体タンクL5内の液体は、流路R5から導入され、主流路R0のポイントCからポイントD、並びに排出路R7を介して排出される。これにより、主流路R0のポイントCとポイントDとの間に、液体タンクL5内の液体が充填される。
次に第2段階として、開閉弁V0とV9を開き、その他の弁は閉じておく。そして、その状態で、ポンプP0を作動させて、主流路R0のポイントCとポイントD(第1段階で開閉弁V7を開いた場合)との間に充填された液体タンクL5内の液体を、液体タンクL0のキャリア液によって押し流し、主流路出口M2から排出する。これにより、液体タンクL5内の液体が、一定量反応部20に送出される。また、第2段階におけるキャリア液の送液を充分に行うことによって、主流路R0内全体にキャリア液が充填される。
上記各第1段階における送液速度、送液時間に特に限定はないが、計量する量以上の量を送液する必要がある。また、上記各第2段階における送液速度、送液時間にも特に限定はないが、反応部20の容積や、反応部20に至るまでのデッドボリューム等を考慮して送液量を決める必要がある。
なお、各段階の送液速度は、特に一定でなくともよく、途中で変化しても差し支えない。
本発明の第2実施形態に係る液体供給モジュール及び分析装置は、第1実施形態のマイクロチップ10を、図3に示すものに置き換えたものである。図3のマイクロチップ10は、主流路R0のポイントA、B、C、D、Eの各ポイント間の長さが異なるのみで、その他は図2のマイクロチップ10と同じである。そのため、図3には、図2と同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
表2に示すように、特定の入口と逃口とを適宜選択することにより、対応する容積の液体を、主流路R0内にはさみ込めるようになっている。
図4は、本発明の第3実施形態に係る液体供給モジュール及び分析装置の概略構成図である。本実施形態の液体供給モジュールは、マイクロチップ30と、開閉弁V01、V02、V1〜V7と、ポンプP01、P02とから概略構成されている。本実施形態の分析装置は、この液体供給モジュールに反応部20を加えて、概略構成されている。
マイクロチップ30は、図5に示すように、互いに接合された基板1と振動板2と、振動板2上に設けられた圧電振動子P1〜P4とを備えている。振動板2には、図5(b)上方左側から順に入口S1、S2、S4、S3が穿設されている。また、図5(b)下方左側から順に第1主流路入口M11、逃口T1、主流路出口M2、逃口T2、第2主流路入口M12が穿設されている。また、基板1には、入口S1〜S4、第1主流路入口M11、第2主流路入口M12、主流路出口M2、逃口T1、T2の各々と連通する流路Rが形成されている。
また、逃口T1、T2の下流側には、各々開閉弁V5、V6が介装されている。主流路出口M2の下流側は反応部20に接続され、主流路出口M2と反応部20との間には、開閉弁V7が介装されている。
また、ポイントA〜Fは本発明の流入及び/又は流出ポイントであり、ポイントA、B、D、Eは流入ポイント、ポイントC、Fは流出ポイントとなっている。
また、開閉弁V01、V02と開閉弁V1〜V4とが本発明の入口側開閉弁に、開閉弁V5〜V7が本発明の出口側開閉弁に各々相当する。
また、第1実施形態と同様に、流路R1〜R4は、各々圧電振動子P1〜P4の前後で、圧電振動子P1〜P4に向けて拡径するテーパ状となっている。また、各々圧電振動子P1〜P4の下流側のテーパ状流路が、上流側のテーパ状流路よりも広い流路となっている。そのため、各々圧電振動子P1〜P4との組み合わせにより、上流側から下流側に送液するポンプを構成している。
しかしながら、開閉弁V01、V02、V1〜V7が、各々の流路に介装される位置に特に限定はなく、例えば、開閉弁V1を圧電振動子P1に対応する位置と、ポイントAとの間に介装してもよい。
反応部20及び検出手段は、第1実施形態と同じであるので説明を省略する。
まず、準備段階として、主流路R01、R02内全体に液体タンクL0内のキャリア液を充填しておく。
次に第1段階として、開閉弁V1とV3、及び開閉弁V5、V6を開き、その他の弁は閉じておく。そして、その状態で、圧電振動子P1、P3を作動させる。これにより、液体タンクL1内の液体は、流路R1から導入され、主流路R01のポイントAからポイントC、並びに排出路R5を介して排出される。これにより、主流路R01のポイントAとポイントCとの間に、液体タンクL1内の液体が充填される。また、液体タンクL2内の液体は、流路R3から導入され、主流路R02のポイントDからポイントF、並びに排出路R6を介して排出される。これにより、主流路R02のポイントDとポイントFとの間に、液体タンクL2内の液体が充填される。
次に第2段階として、開閉弁V01、V02とV7を開き、その他の弁は閉じておく。そして、その状態で、ポンプP01、P02を作動させて、主流路R01のポイントAとポイントCとの間に充填された液体タンクL1内の液体、及び主流路R02のポイントDとポイントFとの間に充填された液体タンクL2内の液体を、液体タンクL0内のキャリア液によって各々押し流し、主流路出口M2から排出する。これにより、液体タンクL1、L2内の液体が、ポイントYで合流して、一定量反応部20に送出される。
ポイントAとポイントCとの間の容積とポイントDとポイントFとの間の容積が同じであれば、ポンプP01、P02によって送液される速度を同一とすることにより、液体タンクL1、L2内の液体の混合比を1:1に保って送液できる。
液体タンクL1内の液体の送液量と、液体タンクL2内の液体の送液量とが異なる場合であっても、ポンプP01、P02によって送液される速度を調整することにより、液体タンクL1、L2内の液体の混合比を一定に保って送液できる。
本実施例では、第1実施形態の分析装置を用いて、ダイオキシン類の測定を行った。測定方法としては、免疫定量法の一種であるAhイムノアッセイを採用した。実施例の説明に先立ち、Ahイムノアッセイの概略を記載する。
イオキシン類の量に応じた発色が起きるので、その発色を光分析する。
液体タンクL2には、Ah受容体と、ARNTと、DREとの混合試薬(クボタ社製、商品名:cytosol)を収納した。液体タンクL3には、1次抗体としてAB1抗体(クボタ社製、商品名:Ahイムノアッセイキット)の10μg/mlを収納した。液体タンクL4には、二次抗体としてペルオキシダーゼ(以下、HRPと記載する。)(クボタ社製、商品名:Ahイムノアッセイキット)の10μg/mlを収納した。液体タンクL5には、発色試薬としてチラミド(Tyramid)(モレキュラープローブ社製、商品名:アンプレックスレッド)の10−7Mを収納した。
反応部20としては、表面にアビジンをコートした固体粒子(昭和電工社製、粒子径:40μm、材質:ポリスチレン)を5000個導入したものを用いた。
また、表3に示すように、計量のために要する時間は各々数秒から十数秒であり、全体の所要時間を特に長くすることなく計量、送液が可能であった。
V0〜V9・・・・開閉弁、P0・・・・ポンプ、P1〜P5・・・・圧電振動子、
S1〜S5・・・・入口、T1〜T3・・・・逃口、M1・・・・主流路入口、M2・・・・主流路出口、
L0〜L5・・・・液体タンク、R0・・・・主流路、R1〜R8・・・・流路、
A〜E、X・・・・ポイント
Claims (4)
- キャリア液が導入され排出される入口と出口との間に3箇所以上の流入及び/又は流出ポイントを有し、何れか1の流入及び/又は流出ポイントと他の流入及び/又は流出ポイントで区切られる各々の区間が、各々所定容積の定量部とされている主流路と、
前記何れかの流入及び/又は流出ポイントにおいて前記主流路と連通し、何れかの定量部で定量すべき液体を該定量部に流入させるための2以上の流入路と、
前記何れかの流入及び/又は流出ポイントにおいて前記主流路と連通し、何れかの定量部で定量すべき液体の余剰分を流出させるための1以上の流出路と、
前記主流路の前記3箇所以上の流入及び/又は流出ポイントよりも上流側に介装された主流路用の入口側開閉弁及びポンプと、
前記主流路の前記3箇所以上の流入及び/又は流出ポイントよりも下流側に介装された主流路用の出口側開閉弁と、
前記流入路の各々に介装された流入路用の入口側開閉弁及びポンプと、
前記流出路の各々に介装された排出路用の出口側開閉弁とを備え、
前記主流路、流入路及び流出路の流入及び/又は流出ポイントを含む部分、並びに前記流入路の各々に介装された流入路用のポンプが基板上に形成されており、
前記何れか1以上の流入路から何れか1の流出路に定量すべき液体を送液することにより、何れかの1の定量部に当該液体を充填した後、前記主流路の入口から出口にキャリア液を送液することにより、前記定量部に充填された当該液体をキャリア液と共に主流路の出口から排出できるように構成されていることを特徴とする液体供給モジュール。 - 前記流入路の各々に介装された流入路用のポンプが、圧電振動子により駆動されるポンプである請求項1に記載の液体供給モジュール。
- 前記流入路の何れか2以上が、前記流入及び/又は流出ポイントよりも上流側で互いに合流している請求項1または請求項2に記載の液体供給モジュール。
- 請求項1から請求項3の何れかに記載の液体供給モジュールと、該液体供給モジュールの主流路の出口から定量された液体がキャリア液と共に供給される反応部とを備える分析装置。
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