JP4680037B2

JP4680037B2 - 流体取扱装置およびそれに用いる流体取扱ユニット

Info

Publication number: JP4680037B2
Application number: JP2005328427A
Authority: JP
Inventors: 琢人大瀬; 紀之河原; 雅信夏原
Original assignee: Enplas Corp
Current assignee: Enplas Corp
Priority date: 2005-11-14
Filing date: 2005-11-14
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2025-11-14
Also published as: US7749450B2; US20070111304A1; EP1785725A3; EP1785725A2; JP2007132882A

Description

本発明は、流体取扱装置およびそれに用いる流体取扱ユニットに関し、特に、生体物質に代表される機能性物質などの試料を分析する試料分析装置として使用可能な流体取扱装置およびそれに用いる流体取扱ユニットに関する。

従来、タンパク質などの生体物質を特異的に検出する方法として、特定の生体物質に対する抗体を用いて抗原抗体反応を起こさせ、その反応物を視覚的に認識または分光学的に測定することによってその生体物質を検出する様々な方法が知られている。

現在、タンパク質などの生体物質の抗原抗体反応による反応物を定量する方法として、ＥＬＩＳＡ（Ｅｎｚｙｍｅ−ＬｉｎｋｅｄＩｍｍｕｎｏＳｏｒｂｅｎｔＡｓｓａｙ）（酵素結合免疫吸着検定法）などの方法が広く採用されている。これらの方法では、一般にマイクロウェル（以下「ウェル」という）と呼ばれる多数の微小凹部の配列が形成されたマイクロウェルプレートと呼ばれる試料分析装置を使用し、目的物質である特定の生体物質に対する抗体を捕体としてウェルの壁面にコートし、この捕体によって目的物質を捕捉し、目的物質と抗体との間の抗原抗体反応による反応物を蛍光や発光試薬などにより測定することによって目的物質を検出する。

一般に、ＥＬＩＳＡなどのマイクロウェルプレートを用いた方法では、目的物質を含む検体や抗体試薬などの液体を反応液としてウェル内に満たして反応させている。この反応は、ウェル内に満たされた液体中の成分が分子拡散によって移動し、ウェルの底面や内壁に達したときに初めて起こる。そのため、マイクロウェルプレートを静置した場合には、理論的な反応時間は、ウェル内に満たされた液体中の成分の拡散時間に依存している。液体中の分子は、周囲の分子と衝突しながら移動しているため、その拡散の速さは非常に遅く、目的物質が分子量７万程度のタンパク質である場合には、希薄な水溶液の状態（室温）で０．５〜１×１０^−６ｃｍ^２／秒程度である。そのため、ウェル内の液体中において、ウェルの底面や内壁から離れた位置にある目的物質は、実用的な測定時間内ではほとんど反応することができない。また、マイクロウェルプレートでは、反応効率を向上させるために、反応部であるウェル内の底面や壁面を反応液と万遍なく接触させることが有効であるので、反応に必要な量の液体に比べて、より多くの量の液体が必要になる。

このように、ＥＬＩＳＡなどのマイクロウェルプレートを用いた従来の方法では、抗原抗体反応が捕捉用抗体をコートしたウェルの壁面のみで進行するため、ウェルに加えた液体中に含まれる目的物質、抗体、基質などがウェル内で浮遊、還流、沈下してウェルの壁面に到達した後に反応するまで放置しなければならず、反応効率が悪いという問題がある。また、多数のウェルに細分化されているマイクロウェルプレートでは、各々のウェルに加える液体の量が制限されているので、測定感度が低下するという問題もある。

反応効率や測定感度を向上させる方法として、捕体として多孔質体を用いる方法が知られているが、液の流動性を制御するためにポンプなどの外部動力を必要とし、また、多孔質体は詰まり易いので液の流動性を連続的に制御するのは困難である。また、微小空間が形成されたマイクロチップを使用し、微小空間内の液を流動させる方法として、加圧または吸引により液を流動させる方法が知られているが、この方法も外部動力を必要とし、煩雑な装置を必要とする。さらに、微小空間が形成されたマイクロチップを使用し、バルブ構造により微小空間内の液を流動させる方法も知られているが、この方法もバルブを作動させるための動力またはエネルギーを必要とする。

また、ＥＬＩＳＡなどの方法において測定感度の向上や測定時間の短縮を図るために、反応面（捕捉面）となるウェルの底面に微細な凹凸を設けることによって、反応面の表面積を大きくして測定感度を高めることができるマイクロプレートが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、マイクロチップのマイクロチャネル内に反応固相として固体微粒子（ビーズ）を配置させることにより、反応面の表面積を増大して、微小空間における反応効率を高めることができるマイクロチップも提案されている（例えば、特許文献２参照）。さらに、各ウェルの底面部の中央に小径の凹部を設けることにより、反応面の表面積を増大し且つ試料を節約することができるマイクロプレートも提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開平９−１５９６７３号公報（段落番号０００９−００１０）特開２００１−４６２８号公報（段落番号０００５−０００６）特開平９−１０１３０２号公報（段落番号００１０−００１１）

しかし、特許文献１に提案されたマイクロプレートは、測定感度を向上させることができるが、反応効率を向上させることができないという問題がある。また、特許文献２に提案されたマイクロチップは、一般にＥＬＩＳＡなどの方法に使用されるマイクロウェルプレートではなく、マイクロチャネル構造のマイクロチップであるため、反応効率を向上させることができるものの、多検体の測定に適していない。さらに、特許文献３に提案されたマイクロプレートは、ある程度反応面の表面積を増大して反応効率や測定感度を向上させることができるものの、反応効率や測定感度の向上は十分ではない。

したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、多検体の測定を行う試料分析装置として使用した場合に、簡単な構造で反応効率および測定感度を向上させ且つ反応時間および測定時間を短縮することができる、流体取扱装置およびそれに用いる流体取扱ユニットを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明による流体取扱装置は、装置本体と、この装置本体上に配列された複数の流体取扱部とからなり、これらの流体取扱部の各々が、流体を注入するための注入部と、この注入部から導入された流体を連続的に下方に流動させる流動部と、この流動部内の流体が導入される流体収容室と、この流体収容室と流動部との間に設けられて略鉛直方向に延びる壁部と、この壁部に形成されて流動部内の流体を流体収容室内に導入する開口部とを備え、流動部内に導入された流体が流動部内で接触する表面の面積を増大させる表面積増大部材が流動部内に配置されていることを特徴とする。

この流体取扱装置において、開口部の下端が流動部の底面と略等しい高さであるのが好ましい。また、装置本体が、枠体と、この枠体上に互いに略平行に配置された複数の支持体とからなり、これらの支持体の各々に複数の凹部が所定の間隔で一列に配置して形成され、これらの凹部内に前記複数の流体取扱部がそれぞれ取り付けられているのが好ましい。また、流動部が流体収容室を取り囲むように配置されているのが好ましい。また、複数の凹部の各々が、円柱形の上側凹部と、この上側凹部の底面に形成され、上側凹部より小径の円柱形の下側凹部とからなり、流動部が、複数の凹部の各々に挿入された円筒状部材と上側凹部との間に形成され、流体収容室が、円筒状部材内に形成され、注入部が、表面積増大部材の上に形成されていてもよい。この場合、流体の注入を容易にするように上側凹部を略水平方向に拡張する拡張凹部が複数の凹部の各々に形成されているのが好ましい。

また、上記の流体取扱装置において、表面積増大部材は、流動部内に充填された多数の微小粒状物であるのが好ましいが、流動部内に収容された単一の部材でもよい。また、表面積増大部材は、流動部内において流体収容室を取り囲むように巻き付けられたシート状部材でもよく、流動部内において流体収容室を取り囲むように巻き付けられた紐状部材でもよい。また、開口部が、流体が通過可能な網状部材で塞がれているのが好ましい。

また、本発明による流体取扱ユニットは、支持体と、この支持体に所定の間隔で一列に配置された複数の流体取扱部とからなり、これらの流体取扱部の各々が、流体を注入するための注入部と、この注入部から導入された流体を連続的に下方に流動させる流動部と、この流動部に取り囲まれるように形成されて前記流動部内の流体が導入される流体収容室と、この流体収容室と流動部との間に設けられて略鉛直方向に延びる壁部と、この壁部に形成されて流動部内の流体を流体収容室に導入する開口部とを備え、流動部内に導入された流体が流動部内で接触する表面の面積を増大させる表面積増大部材が流動部内に配置されていることを特徴とする。

この流体取扱ユニットにおいて、開口部の下端が流動部の底面と略等しい高さであるのが好ましい。また、表面積増大部材は、流動部内に充填された多数の微小粒状物であるのが好ましいが、流動部内に収容された単一の部材でもよい。また、表面積増大部材は、流動部内において流体収容室を取り囲むように巻き付けられたシート状部材でもよく、流動部内において流体収容室を取り囲むように巻き付けられた紐状部材でもよい。また、開口部が、流体が通過可能な網状部材で塞がれているのが好ましい。

本発明によれば、多検体の測定を行う試料分析装置として使用した場合に、簡単な構造で反応効率および測定感度を向上させ且つ反応時間および測定時間を短縮することができる、流体取扱装置およびそれに用いる流体取扱ユニットを提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明による流体取扱装置およびそれに用いる流体取扱ユニットの実施の形態について詳細に説明する。

図１〜図７は、本発明による流体取扱装置の実施の形態を示している。本実施の形態の流体取扱装置１０は、例えば、タンパク質などの生体物質に代表される機能性物質などを含む試料を分析する装置として使用することができ、一般にマイクロウェルプレートと呼ばれる多検体の測定を目的とした試料分析装置として使用することができる。図１に示すように、この流体取扱装置１０は、装置本体部１２と、この装置本体部１２に取り付けられた複数（本実施の形態では８×１２の配列の９６個）の流体取扱部１６とから構成されている。

図１および図２に示すように、装置本体部１２は、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）やポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）などの樹脂材料またはガラス材料により形成されており、中央に略矩形の開口部１１ａが形成されて厚さが数ｍｍ程度で一辺の長さが数ｃｍ〜十数ｃｍ程度の大きさの略矩形の枠体１１と、この枠体１１に載置された複数（本実施の形態では１２個）の流体取扱部支持体１３とから構成されている。なお、枠体１１の開口部１１ａは、貫通穴でもよいし、底部を備えた凹部でもよい。また、枠体１１として、例えば、ＳＢＳ（ＳｏｃｉｅｔｙｆｏｒＢｉｏｍｏｌｅｃｕｌａｒＳｃｒｅｅｎｉｎｇ）規格のマイクロプレート用の枠体のような標準的な規格の枠体を使用してもよい。流体取扱部支持体１３は、透明材料により形成してもよいが、本実施の形態の流体取扱装置１０を蛍光測定に使用する場合には、蛍光測定時のバックグラウンドの上昇を抑えるために、流体取扱部支持体１３が光を透過し難い部材（例えば、黒色の部材）からなるのが好ましい。

図２に示すように、流体取扱部支持体１３の各々は、枠体１１の開口部１１ａの幅と略等しい長さの略直方体の細長い支持体本体部１３ａと、この支持体本体部１３ａの上部の長手方向両端から突出して支持体本体部１３ａの上面に沿って延びる略矩形の一対の突出部１３ｂとから構成されている。図１に示すように、流体取扱部支持体１３の各々の支持体本体部１３ａが枠体１１の開口部１１ａに挿入されて、突出部１３ｂが枠体１１の長手方向に延びる一対の上面１１ｂに支持されるように、枠体１１上に流体取扱部支持体１３を互いに略平行に且つ隣接して載置することにより、装置本体部１２が組み立てられる。

図１〜図４に示すように、流体取扱部支持体１３の各々の支持体本体部１３ａの上面には、複数（本実施の形態では８個）の凹部１４（以下、「取付用凹部１４」という）が所定の間隔で一列に配置して形成されている。これらの取付用凹部１４内には、流体取扱部１６が取り付けられるようになっている。これらの取付用凹部１４の各々は、支持体本体部１３ａの上面に形成された略円柱形の大径凹部１４ａと、この大径凹部１４ａに隣接して大径凹部１４ａの上側部分を略水平方向に拡張するように支持体本体部１３の上面に形成され、大径凹部１４ａの略半分の深さの略三角柱形状の拡張凹部１４ｃと、大径凹部１４ａの底面の略中央部に形成された略円柱形の小径凹部１４ｂとから構成されている。拡張凹部１４ｃの大径凹部１４ａから延びる２つの面の一方の面は、流体取扱部支持体１３の支持体本体１３ａの長手方向に延びる側面に沿って延びており（図５参照）、拡張凹部１４ｃの底面は、大径凹部１４ａに向かうにしたがって下方に傾斜している（図６参照）。

図５〜図７は、本実施の形態の流体取扱装置１０の各々の取付用凹部１４内に取り付けられた流体取扱部１６を拡大して示している。図５は、流体取扱装置１０の各々の取付用凹部１４内に取り付けられた流体取扱部１６の平面図であり、図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線断面図である。また、図７は、（ビーズ２２を除いた）流体取扱部１６の分解斜視図である。

図５〜図７に示すように、各々の流体取扱部１６は、直径および高さが数ｍｍ程度の略円筒形の円筒部２０と、微細な略球状の多数のビーズ２２と、環状の略円板状の蓋部２４とから構成されている。

円筒部２０は、図６に示すように、取付用凹部１４の深さ（大径凹部１４ａと小径凹部１４ｂの深さ）と略同一の長さを有するとともに、取付用凹部１４の小径凹部１４ｂの内径と略同一の外径を有し、底部が取付用凹部１４の小径凹部１４ａに嵌合するようになっている。なお、本実施の形態では、拡張凹部１４ｃを設けているので、円筒部２０の外径を大きくして大径凹部１４ａとの間の間隔を狭くしても、後述する注入部２６の入口を十分な大きさに確保することができ、円筒部２０の内径を、例えば４．５ｍｍ程度にすることができる。また、円筒部２０の外周面には、１つまたは複数（本実施の形態では４つであり、図６では２つのみを示す）の開口部２０ａが長手方向に沿って延びるように円筒部２０を貫通して形成されている。これらの開口部２０ａは、円筒部２０の底部を取付用凹部１４の小径凹部１４ｂに嵌合させたときに、下端が大径凹部１４ａの底面と略等しい高さになり、円筒部２０の長さの半分以下程度の長さを有する。この開口部２０ａは、流体を通過させることができ且つビーズ２２を通過させない網状部材（メッシュ構造の部材）２０ｂにより塞がれている。このように開口部２０ａを網状部材で塞ぐ構造にすることにより、小さいビーズを使用することができるとともに、開口部２０ａを流れる流体の流量を十分に確保することができる。

蓋部２４の中央には、円筒部２０が嵌合する略円形の開口部が形成されている。また、この蓋部２４の周縁部には、注入口としての複数（本実施の形態では４つ）の切欠き部２４ａが所定の間隔で周方向に延びるように形成されている。この蓋部２４の外径は、取付用凹部１４の大径凹部１４ａの内径と略同一であり、蓋部２４を取付用凹部１４に挿入した際に取付用凹部１４に嵌合するようになっている。

このような構成の流体取扱部１６を組み立てる際には、まず、円筒部２０の底部を取付用凹部１４の小径凹部１４ｂに嵌合させ、その下端部を取付用凹部１４の小径凹部１４ｂの底面に接着などにより固定する。次に、取付用凹部１４の大径凹部１４ａと円筒部２０の間の円環状の空間に多数のビーズ２２を充填する。次に、蓋部２４を円筒部２０に嵌合させてビーズ２２の上に配置し、接着などにより固定する。

このようにして流体取扱部１６を取付用凹部１４に取り付けると、蓋部２４の上には、円筒部２０と取付用凹部１４の大径凹部１４ａおよび拡張凹部１４ｃとの間に、液体試料などの流体を注入するための注入部２６としての空間が形成される。また、この注入部２６の下側には、取付用凹部１４の大径凹部１４ａと円筒部２０の間に、多数のビーズ２２を充填した反応部として使用可能な略円環状の空間である流動部２８が形成される。この流動部２８は、注入口としての蓋部２４の切欠き部２４ａを介して注入部２６に連通している。さらに、円筒部２０内には、測定部として使用可能な略円筒形の空間である流体収容室３０が形成される。

注入口としての蓋部２４の切欠き部２４ａから流動部２８に注入された流体は、多数のビーズ２２を充填した流動部２８内を下方に流れ、円筒部２０の開口部２０ａを介して円筒部２０の内部（流体収容室３０）に導入される。

このように流動部２８内に多数のビーズ２２を充填することにより、流動部２８内の流路の内面の表面積を増大し、流体取扱装置１０を試料分析装置として使用した場合に、ビーズ２２の表面を捕体の支持面（反応面）として利用すれば、捕体の支持面（反応面）の表面積を増大して、流体との接触面積を増大することができる。また、大きな反応面上で連続的に液を流動させることによって、反応効率が高まり、反応時間の短縮と測定感度の向上を図ることができる。

また、本実施の形態では、装置本体部１２の流体取扱部支持体１３に流体取扱部１６を取り付けることにより、複数の流体取扱部１６が所定の間隔で一列に配置された流体取扱ユニットとして、装置本体部１２の枠体１１に取り付けることができる。このように、一列毎に流体取扱ユニットを枠体１１に取り付けることができるので、その取り扱いが容易になる。

また、本実施の形態では、円筒部２０の開口部２０ａを網状部材２０ｂで塞いでいるので、円筒部２０の開口部２０ａを大きくしても、十分に微細なビーズ２２を流動部２８内に保持することができるため、反応効率を一層向上させることができるとともに、円筒部２０の開口部２０ａを大きくすることにより、開口部２０ａを通過する流体の流量を増大させることができる。しかし、十分に微細なビーズ２２を流動部２８内に保持することができ且つ開口部２０ａを通過する流体の流量を増大することができれば、網状部材２０ｂを設けないで、ビーズ２２の直径より細い多数のスリットにより開口部２０ａを形成してもよい。

なお、上述した実施の形態では、蓋部２４を円筒部２０に嵌合させたが、図８に示すように、円筒部２０と蓋部２４を一体に形成してもよい。また、取付用凹部１４の表面を親水化するのが好ましい。さらに、流動部２８内の洗浄を容易にするために、流動部２８の底面となる取付用凹部１４の大径凹部１４ａの底面の外周部（大径凹部１４ａの底面と外周面との間の角部）をＲ形状に面取りするのが好ましい。

また、ビーズ２２の代わりに、流動部２８内に収容可能な形状の一体構造の多孔質体のような流動性が高い単一の部材を流動部２８内に収容してもよい。また、図９に示すように、メッシュ構造、繊維構造、多孔質構造などのシート状部材を円筒部２０の下側部分に巻き付けてもよく、図１０に示すように、紐状部材を円筒部２０の下側部分に巻き付けてもよい。さらに、ビーズ２２、図９に示すシート状部材または図１０に示す紐状部材を流動部２８内に収容可能な形状の一体構造の部材に形成して流動部２８内に収容してもよい。

本発明による流体取扱装置の実施の形態を示す斜視図である。図１の流体取扱装置の装置本体の枠体と流体取扱部支持体を示す斜視図である。図２の流体取扱部支持体を拡大して示す平面図である。図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。図１の流体取扱装置の流体取扱部を示す平面図である。図５のＶＩ−ＶＩ線断面図である。図１の流体取扱装置の流体取扱部のビーズを除いた分解斜視図である。図７の流体取扱部の円筒部の変形例を示す斜視図である。本発明による流体取扱装置の実施の形態の流体取扱部の変形例としてビーズの代わりにシート状部材を円筒部に巻き付けた状態を示す斜視図である。本発明による流体取扱装置の実施の形態の流体取扱部の変形例としてビーズの代わりに紐状部材を円筒部に巻き付けた状態を示す斜視図である。

符号の説明

１０流体取扱装置
１１枠体
１１ａ開口部
１１ｂ上面
１２装置本体部
１３流体取扱部支持体
１３ａ支持体本体部
１３ｂ突出部
１４取付用凹部
１４ａ大径凹部
１４ｂ小径凹部
１４ｃ拡張凹部
１６流体取扱部
２０円筒部
２０ａ開口部
２０ｂ網状部材
２２ビーズ
２４蓋部
２４ａ切欠き部（注入口）
２６注入部
２８流動部（反応部）
３０流体収容室（測定部）
３２シート状部材
３４紐状部材

Claims

装置本体と、この装置本体上に配列された複数の流体取扱部とからなり、これらの流体取扱部の各々が、流体を注入するための注入部と、この注入部の下側に形成されて注入部から導入された流体を連続的に下方に流動させる流動部と、この流動部に取り囲まれるように配置されて流動部内の流体が導入される流体収容室と、この流体収容室と前記流動部との間に設けられて略鉛直方向に延びる壁部と、下端が前記流動部の底面と略等しい高さになるように前記壁部に形成されて前記流動部内の流体を前記流体収容室内に導入する開口部とを備え、前記流動部内に導入された流体が前記流動部内で接触する表面の面積を増大させる表面積増大部材が前記流動部内に配置されていることを特徴とする、流体取扱装置。
前記装置本体が、枠体と、この枠体上に互いに略平行に配置された複数の支持体とからなり、これらの支持体の各々に複数の凹部が所定の間隔で一列に配置して形成され、これらの凹部内に前記複数の流体取扱部がそれぞれ取り付けられていることを特徴とする、請求項１に記載の流体取扱装置。
前記複数の凹部の各々が、円柱形の上側凹部と、この上側凹部の底面に形成され、前記上側凹部より小径の円柱形の下側凹部とからなり、前記流動部が、前記複数の凹部の各々に挿入された円筒状部材と前記上側凹部との間に形成され、前記流体収容室が、前記円筒状部材内に形成され、前記注入部が、前記表面積増大部材の上に形成されていることを特徴とする、請求項２に記載の流体取扱装置。
前記流体の注入を容易にするように前記上側凹部を略水平方向に拡張する拡張凹部が前記複数の凹部の各々に形成されていることを特徴とする、請求項３に記載の流体取扱装置。
前記表面積増大部材が、前記流動部内に充填された多数の微小粒状物であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の流体取扱装置。
前記表面積増大部材が、前記流動部内に収容された単一の部材からなることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の流体取扱装置。
前記表面積増大部材が、前記流動部内において前記流体収容室を取り囲むように巻き付けられたシート状部材であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の流体取扱装置。
前記表面積増大部材が、前記流動部内において前記流体収容室を取り囲むように巻き付けられた紐状部材であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の流体取扱装置。
前記開口部が、前記流体が通過可能な網状部材で塞がれていることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれかに記載の流体取扱装置。
支持体と、この支持体に所定の間隔で一列に配置された複数の流体取扱部とからなり、これらの流体取扱部の各々が、流体を注入するための注入部と、この注入部の下側に形成されて注入部から導入された流体を連続的に下方に流動させる流動部と、この流動部に取り囲まれるように形成されて前記流動部内の流体が導入される流体収容室と、この流体収容室と前記流動部との間に設けられて略鉛直方向に延びる壁部と、下端が前記流動部の底面と略等しい高さになるように前記壁部に形成されて前記流動部内の流体を前記流体収容室に導入する開口部とを備え、前記流動部内に導入された流体が前記流動部内で接触する表面の面積を増大させる表面積増大部材が前記流動部内に配置されていることを特徴とする、流体取扱ユニット。
前記表面積増大部材が、前記流動部内に充填された多数の微小粒状物であることを特徴とする、請求項１０に記載の流体取扱ユニット。
前記表面積増大部材が、前記流動部内に収容された単一の部材からなることを特徴とする、請求項１１に記載の流体取扱ユニット。
前記表面積増大部材が、前記流動部内において前記流体収容室を取り囲むように巻き付けられたシート状部材であることを特徴とする、請求項１１に記載の流体取扱ユニット。
前記表面積増大部材が、前記流動部内において前記流体収容室を取り囲むように巻き付けられた紐状部材であることを特徴とする、請求項１１に記載の流体取扱ユニット。
前記開口部が、前記流体が通過可能な網状部材で塞がれていることを特徴とする、請求項１０乃至１４のいずれかに記載の流体取扱ユニット。