JP4366327B2 - マイクロコールターカウンタ - Google Patents

Description

本発明は、例えば粒度分布の測定や粒子量の計測、あるいは、血液中の赤血球、白血球、血小板などの血球の個数や容積の検出等に用いられるマイクロコールターカウンタに関する。詳しくは、測定用流路の途中にアパーチャが形成され、このアパーチャの両側流路部にそれぞれ電極が設けられ、一方の流路部側に導入した粒子含有検体液が前記アパーチャを経て他方の流路部側に流動するときで、その検体液が前記アパーチャを通過する際に生じるインピーダンス（電気抵抗）変化を前記両電極によって検出するように構成されているマイクロコールターカウンタに関するものである。

電気抵抗法（コールター法）を利用したこの種のコールターカウンタは、近年においてマイクロ化が進められており、電気抵抗法に則して長さ１０ｍｍ、厚さ１ｍｍ、幅５ｍｍ程度の大きさのチップ状のマイクロコールターカウンタが開発されるに至っている。

ところで、このようなチップ状のマイクロコールターカウンタにおいて、アパーチャの両側流路部に設けられる電極として、従来では、流路部の底面もしくは最上面に薄膜状に形成された平面状電極が用いられていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−２７７３８０号公報

しかし、上記したような平面状電極が用いられていた従来のマイクロコールターカウンタにおいては、検体液に含有されている粒子が流路深さ方向のどこの位置を通過するかによって電流密度が異なり、そのような流路深さ方向での電流密度分布の発生に起因して、同一径の粒子を測定対象とする場合であっても、出力値にばらつき（誤差）が生じて精度の高い測定が望めない。以下、流路深さ方向での粒子の通過位置の違いによる出力値のばらつきについて、図５を参照しながら詳細に説明する。

コールターカウンタにおける出力値は、電流密度と粒子体積とに依存するものであり、同一径の粒子を測定対象とする場合には、電流密度の強さに依存する。この電流密度は、両電極間の距離の２乗に反比例することから、出力値のばらつきを表す電流密度比ΔＪについては、次の（１）式が成り立つ。
ΔＪ＝Ｊ₁ ／Ｊ₂ ＝ｒ₁ ² ／ｒ₂ ² …（１）
ここで、ΔＪ：電流密度比
Ｊ₁：図５のＡ地点の電流密度
Ｊ₂：図５のＢ地点の電流密度
ｒ₁：流路Ｆの上部におけるＡ地点から上流側電極Ｅ１の端部までの距離（ 電極との最短距離）
ｒ₂：流路Ｆの底部におけるＢ地点から上流側電極Ｅ１の端部までの距離（ 電極との最長距離）
ｄ：流路深さ

図６は、流路深さｄが種々異なる流路に検体液を流して、上記（１）式に基づいて検出した電流密度比（ΔＪ）のばらつき（誤差率）と電極距離ｒ₁との相関関係を示す。また、図７は、電極距離ｒ₁と出力値比ΔＶ（ただし、ｒ₁ が２００μｍでの出力値を１とする。）との比較を示すものであり、これら図６，図７からも明らかなように、平面状電極を用いた従来のマイクロコールターカウンタでは、電極距離ｒ₁がある値以下に小さくなると、出力値比ΔＶが指数的に大きくなる反面、出力値のばらつきΔＪも指数的に大きくなる。因みに、電極距離ｒ₁を２００μｍから５０μｍに変化させると、出力値比ΔＶは約１６倍になるが、出力値のばらつきΔＪが約６４％と許容誤差範囲（通常、５％以下、好ましくは、１〜２％程度）を逸脱して非常に大きくなり、コールターカウンタとして要請される測定精度を確保することができないという問題があった。

本発明は上述の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、出力値を大きく確保できるように電極距離を小さくしたとしても、出力値のばらつきを低減して測定精度の著しい向上を実現することができるマイクロコールターカウンタを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係るマイクロコールターカウンタは、測定用流路の途中にアパーチャが形成され、このアパーチャの両側流路部にそれぞれ電極が設けられ、一方の流路部側に導入した粒子含有検体液が前記アパーチャを経て他方の流路部側に流動するときで、その検体液が前記アパーチャを通過する際に生じるインピーダンス変化を前記両電極によって検出するように構成されているマイクロコールターカウンタにおいて、前記両電極が、前記両側流路部の深さ方向を縦断し、かつ、検体液の所定方向への流れを遮断しないような三次元の立体構造に形成されていることを特徴としている。

本発明において、前記両電極を三次元の立体構造とする手段としては、請求項２に記載のように、両側流路部の深さ方向を縦断する高さを有するとともに、検体液の所定の流れ方向に沿って長く、かつ、流路幅方向に間隔を隔てて互いに平行状に並設された複数の導電性平板の集合により形成する手段、または、請求項３に記載のように、前記両側流路部の深さ方向を縦断する高さを有し、かつ、検体液の所定の流れ方向及び流路幅方向に間隔を隔てて林立された複数本の導電性柱状体の集合により形成する手段の採用が好ましいが、これら以外にも、両側流路部の深さ方向を縦断する高さを有し、かつ、検体液の所定方向への流れを遮断しないような形態、より好ましくは、検体液が所定方向に抵抗少なく流れる形態のものであれば、どのような形状の導電性部材を用いても、それら導電性部材をどのように集合させたものであってもよい。

上記構成を有する本発明に係るマイクロコールターカウンタによれば、両電極が測定用流路の深さ方向を縦断する三次元の立体構造に形成されているために、検体液に含有されている粒子が流路深さ方向のどこの位置を通過したとしても、その深さ方向での電流密度に差を生じることなく、一定またはほぼ一定の電流密度が得られる。つまり、流路深さ方向での粒子の通過位置にかかわらず、電流密度に分布が発生せず、同一径の粒子を測定対象とした場合の出力値のばらつきを無くする、または、非常に小さくすることができる。また、電流密度の強さに依存する出力値の絶対値を大きくするために、両電極間の距離を小さくしても、上述の（１）式からも明らかなように、出力値のばらつきを非常に小さくすることができる。したがって、電極間距離を小さくして出力値を大きく確保することによる検出感度の向上が図れることと、出力値のばらつきが非常に小さいこととの両立を達成でき、所定の測定精度の顕著な向上を実現することができるという効果を奏する。

特に、両電極を三次元の立体構造とする手段として、請求項２または請求項３に記載のような手段を採用する場合は、電極面積の拡大による検出感度の向上も図れて、測定精度をより一層向上することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係るマイクロコールターカウンタの第１実施例を示す縦断側面図、図２は要部の概略斜視図である。このマイクロコールターカウンタ１は、例えば厚さが５００μｍ、長さ１０ｍｍ、幅５ｍｍ程度の大きさのシリコン基板２の上面に、例えばエッチングなどのマイクロマシニング加工技術を用いて適宜深さの測定用流路３が形成されている。

前記測定用流路３の両端近くには、粒子を含有する検体液ａを前記流路３に導入する導入孔４及び測定が完了した検体液ａを外部に排出する導出孔５が形成されているとともに、これら導入孔４と導出孔５とのほぼ中間位置に相当する流路３の途中には流路幅が狭くなった狭隘部６が形成され、この狭隘部６の両側に前記導入孔４に接続された幅広の流路部３Ａと前記導出孔５に接続された幅広の流路部３Ｂとが形成されている。なお、前記導入孔４及び導出孔５は、図示省略するが、検体液導入管及び導出管が着脱自在に接続されるように構成されている。

前記シリコン基板２上には、該シリコン基板２とほぼ同一サイズの透明ガラス板７が、例えば陽極接合等の手段により接合されており、これによって、前記流路３の各部３Ａ，６，３Ｂが外部と遮断された状態に閉塞され、かつ、前記狭隘部６は、ガラス板７の下面と共働してアパーチャ８を構成している。

前記アパーチャ８両側の幅広流路部３Ａ，３Ｂには、検体液ａが該アパーチャ８を通過する際に生じるインピーダンス変化を検出する電極９Ａ，９Ｂが設けられている。これら電極９Ａ，９Ｂは、図２に明示するように、両側の幅広流路部３Ａ，３Ｂの深さ方向を縦断する高さｔを有するとともに、検体液ａの所定の流れ方向に沿って長く、かつ、流路幅方向に適宜間隔を隔てて互いに平行状に並設された複数の導電性平板９ａ，９ｂの集合により、検体液ａの所定方向への流れを遮断せず、かつ、所定方向へ抵抗少なく流れるような三次元の立体構造に形成されている。

前記三次元立体構造の電極９Ａ，９Ｂを形成するところの、各導電性平板９ａ，９ｂは、図３に明示するように、前記シリコン基板２に、例えばエッチングなどのマイクロマシニング加工技術を用いて流路３を形成するとき、その流路３の深さｄよりも僅かに小さい高さｔ１を有するとともに、検体液ａの流れ方向に沿って長い複数のシリコン製の平板部２ａ，２ｂを残存させ、これら複数のシリコン製平板部２ａ，２ｂの全外表面に白金（Ｐｔ）等の貴金属膜１０ａ，１０ｂを被覆させて導電性を付与するとともに、前記ガラス板７の下面には複数の貴金属膜１０ａ，１０ｂの上面に当接する状態で白金等の偏平な貴金属薄膜１１ａ，１１ｂを一体に形成してなる。

そして、上記のような導電性平板９ａ，９ｂの集合により三次元立体構造に形成されている電極９Ａ，９Ｂにおける貴金属薄膜１１ａ，１１ｂから側方へ引き出されたリード線１２Ａ，１２Ｂの端部には、図２に示すように、電圧計を含むカウンタ本体（図示省略する。）に対して接続及び接続解除可能とするコネクタ１３が装備されている。

上記のように構成されたマイクロコールターカウンタ１においては、粒子を含有する検体液ａが、導入孔４を通して測定用流路３の一方の幅広流路部３Ａに導入される。この導入された検体液ａはアパーチャ８を経て他方の幅広流路部３Ｂ側に流動したのち、導出孔５から排出されていくが、この過程のうち、検体液ａがアパーチャ８を通過する際、インピーダンス変化が生じる。このようなインピーダンス変化は、アパーチヤ８の両側流路部３Ａ，３Ｂに設けられた電極９Ａ，９Ｂによって検出されて、その検出信号がリード線１２Ａ，１２Ｂ、コネクタ１３を経てカウンタ本体に入力され、インピーダンス変化に対応して生ずるパルス数を計数することにより、粒子の個数が測定し、また、パルスの高さを検出することにより、粒子径を測定する。

上述のような測定が行われるマイクロコールターカウンタ１において、前記両電極９Ａ，９Ｂが複数の導電性平板９ａ，９ｂの集合により三次元の立体構造に形成されているために、検体液ａに含有されている粒子が流路深さ方向のどこの位置を通過したとしても、その深さ方向での電流密度は一定またはほぼ一定であって、電流密度分布が発生しない。それゆえに、同一径の粒子を含有する検体液ａを測定対象とした場合、流路深さに関係なく、その出力値にはほとんどばらつきを生じることが無い。

また、図７に示すように、電極距離、つまりは、両電極９Ａ，９Ｂ間の距離を小さくして電流密度の強さに依存する出力値の絶対値を大きくしたとしても、上述の（１）式からも明らかなように、出力値のばらつきは非常に小さく抑えることが可能である。

因みに、上述したように両電極９Ａ，９Ｂが三次元の立体構造に形成されている第１実施例のマイクロコールターカウンタ１によると、図６の太実線でも明らかなように、従来のマイクロコールターカウンタが約６４％であった出力値のばらつきΔＪを許容誤差範囲の１％程度に低減することが可能である。

したがって、電極９Ａ，９Ｂ間距離を小さくして出力値を大きく確保するとともに、各電極９Ａ，９Ｂの面積が大きくなることによる検出感度の向上と、出力値のばらつきが非常に小さいことの相乗によって、所定の測定精度を顕著に向上することができる

図４は、本発明に係るマイクロコールターカウンタの第２実施例を示す要部の概略斜視図であり、この第２実施例では、アパーチャ８両側の幅広流路部３Ａ，３Ｂに設けられている電極９Ａ，９Ｂが、両側の幅広流路部３Ａ，３Ｂの深さ方向を縦断する高さｔを有し、かつ、検体液ａの所定の流れ方向及び流路幅方向に適宜間隔を隔てて林立された複数本の導電性柱状体９ａ１，９ｂ１の集合により、検体液ａの所定方向への流れを遮断せず、かつ、所定方向へ抵抗少なく流れるような三次元の立体構造に形成されたものであり、その他の構造は、第１実施例で説明したものと同一であるため、同一の部材、部位に第１実施例と同一の符号を付して、それらの詳しい説明を省略する。

なお、この第２実施例において、前記三次元立体構造の電極９Ａ，９Ｂを形成するところの、各導電性柱状体９ａ１，９ｂ１は、上記第１実施例で説明したと同様に、例えばエッチングなどのマイクロマシニング加工技術を用いて流路３を形成するとき、その流路３の深さｄよりも僅かに小さい高さｔ１を有する状態で残存させた複数本のシリコン製の柱状部の全外表面に白金（Ｐｔ）等の貴金属膜を被覆させて導電性を付与するとともに、前記ガラス板７の下面には複数本の貴金属膜の上面に当接する状態で白金等の偏平な貴金属薄膜を一体に形成することで作製される。

また、上記第２実施例では、電極９Ａ，９Ｂを形成する導電性柱状体９ａ１，９ｂ１が円柱状に形成されているもので図示したが、角柱状に形成されたものであってもよく、さらに、その柱状体９ａ１，９ｂ１の林立数は図示したものに限らず、検体液ａの所定方向への流れを遮断しない、または、検体液ａの所定方向への流れを遮断せず、かつ、所定方向へ抵抗少なく流れるようなピッチ間隔で林立させたものであればよい。

さらに、上記第１実施例における導電性平板９ａ，９ｂ及び第２実施例における導電性柱状体９ａ１，９ｂ１の作製手段として、電鋳メッキ法を用いてもよい。

本発明に係るマイクロコールターカウンタの第１実施例を示す縦断側面図である。 要部の概略斜視図である。 電極を構成する導電性平板の作製手段を説明するための要部の拡大断面図である。 本発明に係るマイクロコールターカウンタの第２実施例を示す要部の概略斜視図である。 従来のマイクロコールターカウンタにおける流路深さ方向での粒子の通過位置の違いによる出力値のばらつきを説明するための図である。 電極距離と電流密度のばらつきとの相関関係を説明する図である。 電極距離と出力値との相関関係を説明する図である。

符号の説明

１ マイクロコールターカウンタ
３ 測定用流路
３Ａ，３Ｂ アパーチャ両側の幅広流路部
８ アパーチャ
９Ａ，９Ｂ 電極
９ａ，９ｂ 導電性平板
９ａ１，９ｂ１ 導電性柱状体
ａ 粒子含有検体液

Claims (3)

1. 測定用流路の途中にアパーチャが形成され、このアパーチャの両側流路部にそれぞれ電極が設けられ、一方の流路部側に導入した粒子含有検体液が前記アパーチャを経て他方の流路部側に流動するときで、その検体液が前記アパーチャを通過する際に生じるインピーダンス変化を前記両電極によって検出するように構成されているマイクロコールターカウンタにおいて、
   前記両電極が、前記両側流路部の深さ方向を縦断し、かつ、検体液の所定方向への流れを遮断しないような三次元の立体構造に形成されていることを特徴とするマイクロコールターカウンタ。
2. 前記両電極が、両側流路部の深さ方向を縦断する高さを有するとともに、検体液の所定の流れ方向に沿って長く、かつ、流路幅方向に間隔を隔てて互いに平行状に並設された複数の導電性平板の集合により三次元の立体構造に形成されている請求項１に記載のマイクロコールターカウンタ。
3. 前記両電極が、前記両側流路部の深さ方向を縦断する高さを有し、かつ、検体液の所定の流れ方向及び流路幅方向に間隔を隔てて林立された複数本の導電性柱状体の集合により三次元の立体構造に形成されている請求項１に記載のマイクロコールターカウンタ。
   
   

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