JP5079303B2 - フローインジェクション分析装置 - Google Patents

Description

本発明はフローインジェクション分析装置に関し、特に、内部にマイクロチャンネルをもつマイクロチップを用いたフローインジェクション分析装置に関するものである。

従来のフローインジェクション分析装置では、内径が５００μｍ（マイクロメートル）程度のテフロン（デュポン社（米国）の登録商標）チューブからなる流路を用い、その流路の中へインジェクタを用いてサンプル溶液と試薬溶液を交互に導入する。そしてインジェクタの下流側に設けられた混合コイル等の混合器を用いてサンプル溶液と試薬溶液を混合し、その混合液中の目的成分をさらに下流側に設けられた検出器により検出する（例えば特許文献１や特許文献２を参照。）。また、混合器としてマイクロミキサを用いるものも提案されている（例えば特許文献３を参照。）。

近年、分析化学の分野ではμＴＡＳ（Micro Total Analysis Systems）の研究が盛んになりつつあり、マイクロチップを用いて分析の高速化、省サンプル化、省溶媒化を図ることが期待されている。マイクロチップ内部に形成されたマイクロチャンネルの微小空間中の反応では、従来の化学操作を用いた反応よりも反応効率を向上できる可能性も示されている。μＴＡＳの分野において定量混合を行なう場合、マイクロシリンジに溶液を入れ、シリンジポンプ等でマイクロチップに送り込む手法が取られている。

特開平６−２９４７９７号公報 特開平７−２０１１３号公報 特開２００２−２３４６３５５号公報

従来のフローインジェクション分析装置では、内径が５００μｍ程度のチューブからなる流路にサンプル溶液と試薬溶液が交互に注入され、図７に示すように、インジェクタからの移動距離（横軸）が大きくなるにつれて、サンプルプラグ３１が流れ方向の前後の試薬溶液層３３に拡散してサンプル溶液と試薬溶液が混合される。そのため、サンプル溶液の迅速な拡散が起こりにくいという問題があった。また、インジェクタからの移動距離が大きくなると、検出器の信号強度（縦軸）が小さくなるという問題もあった。

そこで本発明は、サンプル溶液及び試薬溶液を効率良く定量混合することができるフローインジェクション分析装置を提供することを目的とするものである。

本発明にかかるフローインジェクション分析装置は、所定量の第１セグメントを導入するための第１インジェクタ、及び上記第１セグメントをキャリア溶液で送液するための第１ポンプをもつ第１セグメント導入送液部と、所定量の第２セグメントを導入するための第２インジェクタ、及び上記第２セグメントをキャリア溶液で送液するための第２ポンプをもつ第２セグメント導入送液部と、一端に上記第１インジェクタが接続される第１チャンネル、一端に上記第２インジェクタが接続される第２チャンネル、及び一端にドレインが接続される検出チャンネルをもち、上記第１チャンネルの他端、上記第２チャンネルの他端及び上記検出チャンネルの他端が１箇所の合流点で接続されてなるＹ字型マイクロチャンネルを備えたマイクロチップと、上記検出チャンネル内の目的成分を検出するための検出器と、を備えている。
ここで、第１ポンプ及び第２ポンプは１台のポンプにより構成され、ポンプの吐出側の流路を分岐させ、同じキャリア液を用いて第１セグメント及び第２セグメントをそれぞれ送液するようにしてもよい。また、第１ポンプ及び第２ポンプはそれぞれ別々のポンプにより構成されていてもよい。

本発明のフローインジェクション分析装置において、上記第１セグメント及び上記第２セグメントのいずれか一方にジフェニルカルバジドを含む試薬溶液を用い、他方にサンプル溶液を用い、上記検出器として熱レンズ検出器を用い、六価クロムを検出する例を挙げることができる。

また、上記第１ポンプと上記第２ポンプは別々のポンプにより構成されている例を挙げることができる。ただし、第１ポンプ及び第２ポンプは１台のポンプにより構成され、ポンプの吐出側の流路を分岐させ、同じキャリア液を用いて第１セグメント及び第２セグメントをそれぞれ送液するようにしてもよい。

また、所定量の第３セグメントを導入するための第３インジェクタ、及び上記第３セグメントをキャリア溶液で送液するための第３ポンプをもつ第３セグメント導入送液部をさらに備え、上記マイクロチップは一端に上記第３インジェクタが接続される第３チャンネルをさらに備え、上記第３チャンネルの他端は上記合流点に接続されているようにしてもよい。

さらに、複数組の上記第３セグメント導入送液部及び上記第３チャンネルを備えているようにしてもよい。

また、所定量の第４セグメントを導入するための第４インジェクタ、及び上記第４セグメントをキャリア溶液で送液するための第４ポンプをもつ第４セグメント導入送液部をさらに備え、上記マイクロチップは一端に上記第４インジェクタが接続される第４チャンネルをさらに備え、上記第４チャンネルの他端は上記合流点とは異なる位置で上記検出チャンネルに接続されているようにしてもよい。

さらに、複数組の上記第４セグメント導入送液部及び上記第４チャンネルを備え、上記マイクロチップで複数の上記第４チャンネルは同じ位置又は互いに異なる位置で上記検出チャンネルに接続されているようにしてもよい。

本発明のフローインジェクション分析装置では、所定量の第１セグメントを導入するための第１インジェクタ、及び第１セグメントをキャリア溶液で送液するための第１ポンプをもつ第１セグメント導入送液部と、所定量の第２セグメントを導入するための第２インジェクタ、及び第２セグメントをキャリア溶液で送液するための第２ポンプをもつ第２セグメント導入送液部と、第１インジェクタが接続される第１チャンネル、第２インジェクタが接続される第２チャンネル、及びドレインが接続される検出チャンネルが１箇所の合流点で接続されてなるＹ字型マイクロチャンネルを備えたマイクロチップと、検出チャンネル内の目的成分を検出するための検出器と、を備えているようにした。

これにより、検出チャンネルでは第１チャンネルからの液体と第２チャンネルからの液体が層流を形成する。第１セグメント及び第２セグメントはキャリア液に挟まれてマイクロチップに導入される。そして、例えば、サンプル溶液からなる所定量の第１セグメントと試薬溶液からなる所定量の第２セグメントを検出チャンネルで合流させることができる。検出チャンネル内で第１セグメントと第２セグメントの界面に垂直な方向に第１セグメント及び第２セグメントの拡散が起こり、第１セグメント及び第２セグメントは瞬時に混合され、反応する。これにより、サンプル溶液及び試薬溶液を効率良く定量混合することができる。また、マイクロチップでは配管の膨張及び収縮が起こらないので、安定かつ均一に第１セグメント及び第２セグメントを混合できる。

また、従来のフローインジェクション分析装置では流路に試薬溶液を流し続けて分析を行なうので、試薬溶液を交換する際には時間がかかり、また多量の試薬溶液を必要とする。そのため、容易には試薬溶液の交換ができないという問題もあった。

これに対し、本発明のフローインジェクション分析装置では、サンプル溶液及び試薬溶液をセグメントで導入するので、サンプル溶液や試薬溶液を変更する場合にはインジェクタ内を置換するだけの溶液量だけですみ、サンプル溶液と試薬溶液の組合せの変更を迅速に行なうことができ、容易に連続測定が可能になる。本発明のフローインジェクション分析装置は特に多項目分析に有効である。

本発明のフローインジェクション分析装置において、第１セグメント及び第２セグメントのいずれか一方にジフェニルカルバジドを含む試薬溶液を用い、他方にサンプル溶液を用い、検出器として熱レンズ検出器を用い、六価クロムを検出するようにすれば、少量のサンプル溶液及び試薬溶液でサンプル溶液中の六価クロム濃度を短時間で測定することができる。

また、第１ポンプと第２ポンプは別々のポンプにより構成されているようにすれば、第１セグメント導入送液部のキャリア溶液の流量と第２セグメント導入送液部のキャリア溶液の流量の比を変更することができ、第１セグメントと第２セグメントの混合比を容易に変えることができる。

また、所定量の第３セグメントを導入するための第３インジェクタ、及び第３セグメントをキャリア溶液で送液するための第３ポンプをもつ第３セグメント導入送液部をさらに備え、マイクロチップは一端に第３インジェクタが接続される第３チャンネルをさらに備え、第３チャンネルの他端は合流点に接続されているようにすれば、３つのセグメントを検出チャンネル内で混合することができる。

さらに、複数組の第３セグメント導入送液部及び第３チャンネルを備えているようにすれば、４つ以上のセグメントを検出チャンネル内で混合することができる。

また、所定量の第４セグメントを導入するための第４インジェクタ、及び第４セグメントをキャリア溶液で送液するための第４ポンプをもつ第４セグメント導入送液部をさらに備え、マイクロチップは一端に第４インジェクタが接続される第４チャンネルをさらに備え、第４チャンネルの他端は合流点とは異なる位置で検出チャンネルに接続されているようにすれば、合流点で混合された複数のセグメントにさらに第４セグメントを混合することができる。

さらに、複数組の第４セグメント導入送液部及び第４チャンネルを備え、マイクロチップで複数の第４チャンネルは同じ位置又は互いに異なる位置で検出チャンネルに接続されているようにすれば、合流点で混合された複数のセグメントにさらに複数の第４セグメントを混合することができる。

図１は一実施例を示す図である。
第１セグメント導入送液部１と第２セグメント導入送液部３を備えている。
第１セグメント導入送液部１は、キャリア液を収容した送液タンク５ａと、第１ポンプ７ａと、所定量の第１セグメントを導入するための第１インジェクタ９ａを備えている。
第２セグメント導入送液部３は、キャリア液を収容した送液タンク５ｂと、第２ポンプ７ｂと、所定量の第２セグメントを導入するための第２インジェクタ９ｂを備えている。
送液タンク５ａ，５ｂに収容されているキャリア液は例えば水である。インジェクタ９ａ，９ｂにより導入されるセグメントの容量は例えば数μＬ（マイクロリットル）、ここでは２μＬである。

セグメント導入送液部１，３の下流側にマイクロチップ１１を備えている。マイクロチップ１１は、第１チャンネル１３ａ、第２チャンネル１３ｂ及び検出チャンネル１５が１箇所の合流点１７で接続されてなるＹ字型マイクロチャンネルを備えている。第１チャンネル１３ａは第１インジェクタ９ａに接続されている。第２チャンネル１３ｂは第２インジェクタ９ｂに接続されている。検出チャンネル１５はドレインに接続されている。第１チャンネル１３ａ、第２チャンネル１３ｂ及び検出チャンネル１５の流路内径は例えば数百μｍ以下である。

検出チャンネル１５の所定位置の上に検出器１９が配置されている。検出器１９は検出チャンネル１５内の目的成分を検出するためのものである。この実施例では検出器１９として熱レンズ検出器を用いた。熱レンズ検出器は、目的成分の濃度に比例して信号強度が変わるため未知濃度サンプル溶液の目的成分濃度を決定することができる。

この実施例の動作について説明する。
ポンプ７ａ，７ｂを駆動させて送液タンク５ａ，５ａからキャリア液としての水を第１チャンネル１３ａ、第２チャンネル１３ｂ及び検出チャンネル１５に流す。検出チャンネル１５では、第１チャンネル１３ａからのキャリア液と第２チャンネル１３ｂからのキャリア液により層流が形成される。ここではポンプ７ａ，７ｂを制御して第１チャンネル１３ａ及び第２チャンネル１３ｂに同じ流量でキャリア液を流した。
例えば、第１インジェクタ９ａに所定量のサンプル溶液を充填し、第２インジェクタ９ｂに所定量の試薬溶液を充填する。

図２はマイクロチップ１１内でのサンプルセグメントと試薬セグメントの導入状態及び混合状態を説明するための図である。
インジェクタ９ａ，９ｂを切り替えて、第１インジェクタ９ａによりサンプルセグメント２１ａを導入し、第２インジェクタ９ｂにより試薬セグメント２１ｂを導入する。キャリア液２２により送液されて、サンプルセグメント２１ａは第１チャンネル１３ａに導入され、試薬セグメント２１ｂは第２チャンネル１３ｂに導入される。セグメント２１ａ，２１ｂは同時に合流点１７に到達する。

同時に検出チャンネル１５に導入されたセグメント２１ａ，２１ｂは層流で交わり、拡散混合され、混合セグメント２３を形成する。マイクロチップ１１中では、配管の膨張及び収縮がおこらないため安定な均一混合ができる。

また、インジェクタ９ａ，９ｂより切り取れられたセグメント２１ａ，２１ｂは、チャンネル１３ａ，１３ｂ，１５内の内径が数百マイクロメートル以下になっていることから送液用のキャリア液２２に分散しにくい。セグメント２１ａ，２１ｂは、検出チャンネル１５の内径が狭いため、流路方向に対して垂直な領域で瞬時に拡散混合され、反応する。

キャリア液２２によって分散されていない部分のセグメント２１ａ，２１ｂは、第１セグメント導入送液部１からのキャリア溶液２２と第２セグメント導入送液部３からのキャリア溶液２２の流量比によって応じて均一に混合される。これにより、均一に拡散混合された混合セグメント２３を検出チャンネル１５内部に作ることができる。

検出器１９を用いて混合セグメント２３内の目的成分を測定する。図２に示すように、移動距離が大きくなっても信号強度の低下を抑制することができる。
この実施例では、セグメント２１ａ，２１ｂの導入から１分以内に目的成分の測定を行なうことができた。

図３は図１に示した実施例を用いて（ａ）六価クロム、（ｂ）銅、（ｃ）鉄、（ｄ）リン酸について測定した結果を示す図である。（ａ）〜（ｄ）で、縦軸は熱レンズ検出器の信号強度（μＶ（マイクロボルト））、横軸は目的成分の濃度（ｍｇ／Ｌ）を示す。図中の式は検量線の傾き及び切片を示し、Ｒ²は重相関係数を示す。各項目を測定するための試薬として、（ａ）六価クロムでは1, 5-Diphenylcarbono-hydrazide、（ｂ）銅ではBathocuproine、（ｃ）鉄ではBathophenathroline、（ｄ）リン酸ではAmmonium Molybdateを用いた。

各種項目の測定において、数μＬのサンプル溶液と指示薬を用いるだけで、１分以内に一点の測定を行なうことができた。各種濃度を測定すると、図３に示すように高い直線性を示した。この結果は、各種環境基準値を満たしているので各種環境測定への応用が可能である。

上記の実施例では、第１セグメント導入送液部１のキャリア溶液の流量と第２セグメント導入送液部３のキャリア溶液の流量は同じであるが、これらのキャリア液の流量を互いに異ならせるようにして、第１セグメントと第２セグメントの混合比を互いに異ならせるようにしてもよい。

また、上記の実施例では、セグメント導入送液部１，３は別々に送液タンク５ａ，５ｂ及び送液ポンプ７ａ，７ｂを備えているが、図４に示すように、１つの送液タンク５と１台の送液ポンプ７により、インジェクタ９ａ，９ｂへキャリア液を送液するようにしてもよい。

また、図５に示すように、キャリア液を収容した送液タンク５ｃと、第３ポンプ７ｃと、所定量の第３セグメントを導入するための第３インジェクタ９ｃを備えた第３セグメント導入送液部２５をさらに備え、マイクロチップ１１は一端に第３インジェクタ９ｃが接続される第３チャンネル１３ｃをさらに備え、第３チャンネル１３ｃの他端は合流点１７に接続されているようにしてもよい。これにより、３つのセグメントを検出チャンネル１５内で混合することができる。

さらに、複数組の第３セグメント導入送液部２５及び第３チャンネル１３ｃを備えているようにすれば、４つ以上のセグメントを検出チャンネル内で混合することができる。
第３セグメント導入送液部２５を１つ又は複数備えている場合、図４に示した場合と同様に、セグメント導入送液部１，３，２５の２つ又は３つ以上で送液タンク及び送液ポンプを共通にすることもできる。

また、図６に示すように、キャリア液を収容した送液タンク５ｄと、第４ポンプ７ｄと、所定量の第４セグメントを導入するための第３インジェクタ９ｄを備えた第４セグメント導入送液部２７をさらに備え、マイクロチップ１１は一端に第４インジェクタ９ｄが接続される第４チャンネル１３ｄをさらに備え、第４チャンネル１３ｄの他端は合流点１７とは異なる位置の接続点２９で検出チャンネル１５に接続されているようにしてもよい。これにより合流点１７で混合された複数のセグメントの混合セグメントにさらに第４セグメントを混合することができる。

さらに、複数組の第４セグメント導入送液部２７及び第４チャンネル１３ｄを備え、マイクロチップ１１で複数の第４チャンネル１３ｄは同じ位置で又は互いに異なる位置で検出チャンネル１５に接続されているようにすれば、合流点１７で混合された複数のセグメントの混合セグメントにさらに複数の第４セグメントを混合することができる。

第４セグメント導入送液部２７を１つ又は複数備えている場合、図４に示した場合と同様に、セグメント導入送液部１，３，２７の２つ又は３つ以上で送液タンク及び送液ポンプを共通にすることもできる。
また、１つの装置に第３セグメント導入部２５、第４セグメント導入送液部２７、第３チャンネル１３ｃ及び第４チャンネル１３ｄを組み合わせて備えているようにしてもよい。

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、形状、材料、配置、個数などは一例であり、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変更が可能である。

例えば、上記実施例ではインジェクタはマイクロチップ外に設けられているが、インジェクタをマイクロチップ上に設けてもよい。
また、検出チャンネル内の目的成分を検出するための検出器は熱レンズ検出器に限定されるものではなく、検出チャンネル内の目的成分を検出することができる検出器であればどのような検出器であってもよい。

また、上記実施例では、第１セグメントとしてサンプル溶液を導入し、第２セグメントとして試薬溶液を導入しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、第１セグメントとして試薬溶液を導入し、第２セグメントとしてサンプル溶液を導入してもよい。
また、第３セグメント及び第４セグメントとして導入される溶液として、例えば試薬溶液、緩衝液、希釈液、サンプル溶液など、任意の溶液を用いることができる。

本発明は例えば種々の各種比色分析や製薬等の合成などに利用することができる。

一実施例を示す図である。 同実施例のマイクロチップ内でのサンプルセグメントと試薬セグメントの導入状態及び混合状態を説明するための図である。 同実施例を用いて（ａ）六価クロム、（ｂ）銅、（ｃ）鉄、（ｄ）リン酸について測定した結果を示す図である。 他の実施例を示す図である。 さらに他の実施例を示す図である。 さらに他の実施例を示す図である。 従来のフローインジェクション装置の流路内でのサンプル溶液の導入状態とサンプル溶液及び試薬溶液の混合状態を説明するための図である。

符号の説明

１ 第１セグメント導入送液部
３ 第２セグメント導入送液部
５，５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ 送液タンク
７，７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ 送液ポンプ
９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ インジェクタ
１１ マイクロチップ
１３ａ 第１チャンネル
１３ｂ 第２チャンネル
１３ｃ 第３チャンネル
１３ｄ 第４チャンネル
１５ 検出チャンネル
１７ 合流点
１９ 検出器
２１ａ サンプルセグメント（第１セグメント）
２１ｂ 試薬セグメント（第２セグメント）
２２ キャリア液
２５ 第３セグメント導入送液部
２７ 第４セグメント導入送液部

Claims (7)

1. 所定量の第１セグメントを導入するための第１インジェクタ、及び前記第１セグメントをキャリア溶液で送液するための第１ポンプをもつ第１セグメント導入送液部と、
   所定量の第２セグメントを導入するための第２インジェクタ、及び前記第２セグメントをキャリア溶液で送液するための第２ポンプをもつ第２セグメント導入送液部と、
   一端に前記第１インジェクタが接続される第１チャンネル、一端に前記第２インジェクタが接続される第２チャンネル、及び一端にドレインが接続される検出チャンネルをもち、前記第１チャンネルの他端、前記第２チャンネルの他端及び前記検出チャンネルの他端が１箇所の合流点で接続されてなるＹ字型マイクロチャンネルを備えたマイクロチップと、
   前記検出チャンネル内の目的成分を検出するための検出器と、を備え、
   前記検出チャンネルでは前記第１ポンプ及び第２ポンプから供給される液により層流が形成され、
   前記第１インジェクタ及び第２インジェクタは、それぞれから導入されるセグメントが前記合流点において接触してセグメント間に流れの方向に平行な界面を形成するように、前記合流点に同時に到達するようにそれぞれのセグメントの導入タイミングが制御されるものであるフローインジェクション分析装置。
2. 前記第１セグメント及び前記第２セグメントのいずれか一方にジフェニルカルバジドを含む試薬溶液を用い、他方にサンプル溶液を用い、
   前記検出器として熱レンズ検出器を用いた、六価クロムを検出するための請求項１に記載のフローインジェクション分析装置。
3. 前記第１ポンプと前記第２ポンプは別々のポンプにより構成されている請求項１又は２に記載のフローインジェクション分析装置。
4. 所定量の第３セグメントを導入するための第３インジェクタ、及び前記第３セグメントをキャリア溶液で送液するための第３ポンプをもつ第３セグメント導入送液部をさらに備え、
   前記マイクロチップは一端に前記第３インジェクタが接続される第３チャンネルをさらに備え、前記第３チャンネルの他端は前記合流点に接続されており、
   前記第３インジェクタは、該第３インジェクタから導入されるセグメントが第１インジェクタ及び第２インジェクタからそれぞれ導入されるセグメントと同時に前記合流点に到達するようにセグメントの導入タイミングが制御されるものである請求項１、２又は３のいずれか一項に記載のフローインジェクション分析装置。
5. 複数組の前記第３セグメント導入送液部及び前記第３チャンネルを備えている請求項４に記載のフローインジェクション分析装置。
6. 所定量の第４セグメントを導入するための第４インジェクタ、及び前記第４セグメントをキャリア溶液で送液するための第４ポンプをもつ第４セグメント導入送液部をさらに備え、
   前記マイクロチップは一端に前記第４インジェクタが接続される第４チャンネルをさらに備え、前記第４チャンネルの他端は前記合流点とは異なる位置で前記検出チャンネルに接続されており、
   前記第４インジェクタは、該第４インジェクタから導入されるセグメントが第１インジェクタ及び第２インジェクタからそれぞれ導入されるセグメントと合流するようにセグメントの導入タイミングが制御されるものである請求項１から５のいずれか一項に記載のフローインジェクション分析装置。
7. 複数組の前記第４セグメント導入送液部及び前記第４チャンネルを備え、前記マイクロチップで複数の前記第４チャンネルは同じ位置又は互いに異なる位置で前記検出チャンネルに接続されている請求項６に記載のフローインジェクション分析装置。