JP5219221B2

JP5219221B2 - 試薬チップ押圧機構を備えた体液分析装置

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Publication number: JP5219221B2
Application number: JP2009161777A
Authority: JP
Inventors: 貞治田中; 大悟高橋; 伸一横山
Original assignee: TTM CO., LTD.; TYA K. K.
Current assignee: TTM CO., LTD.; TYA K. K.
Priority date: 2009-07-08
Filing date: 2009-07-08
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2029-07-08
Also published as: JP2011017589A

Description

この発明は、体液中の測定対象物を分析するための体液分析装置において、試薬チップ内に圧力を加えて体液から分離した試料を微細な流路を通して反応試薬と混和させるための技術に関する。

血液試料に光を照射し、透過光（または反射光、散乱光）を測定して測定対象物の検出を行う方式の血液分析装置が広く知られている。これらの血液分析装置では、赤血球が測定に不都合な影響を与える場合があるため、多くの場合、全血から血漿や血清を分離したものが試料として用いられる。

全血から血漿や血清を分離する手段としては遠心分離機が広く知られているが、医療現場では分析装置を設置するスペースが限られており、かつ、騒音や振動を抑えたいニーズがあるため、遠心分離機を用いるのは適切ではない。

このため、試薬チップ内に設けた血漿分離膜（血球成分除去層）を用いて血漿を血液から分離する構造のものが従来から用いられている（特許文献１の図１、特許文献２の図１）。具体的には、図８に示すような血液分析装置２００であり、試料Ａを試料供給口２１１に滴下して、栓体２０５を手指操作で押圧して試料供給口２１１内の試料Ａを加圧することにより血漿分離膜２０６で分離した血漿を流路２０８に沿って移動させ、反応室２０７において反応した体液の成分が分析される。

特開２００２−２２４０９０号公報特開２００７−２４８１０１号公報

しかしながら、特許文献１、２の技術では、栓体２０５を人間が押圧するため個人差が生じ、試料が流れ込む速度が不均一となって溶解ムラが生じたり、試薬の流れが強すぎて反応室内に気泡が生じたり、押圧不足により試料の移送不全が生じる等の問題があった。また、試料の光量レベルを正確に測定するためには試験チップを所定位置に配置する必要があるが、人間が栓体２０５を押圧している間に試験チップが所定位置から移動してしまい正確な測定を行えない問題もあった。

なお、試料の流れ込む速度は、栓体２０５を手動で押し込むことによる操作上の変動に起因して不均一になるだけでなく、個々の試料が持つ特性に起因して不均一になることがある。生体試料である血液を扱う場合では、試料の蛋白濃度や脂質濃度によって粘性や表面張力が変動するため、特に、ゆっくりとした押し込み操作を行ったときに流れ込み速度に変動が生じやすい。さらに、全血から血漿を分離する工程を伴う場合には、試料のヘマトクリマット値の個体差（３０％〜６０％）により、分離膜上での血球成分の目詰まりによる圧力損失が、分離される血漿量や流入速度に大きな影響を与えることが分かっている。なお、「ヘマトクリット値」とは、血液中にしめる血球部分の容積の割合を示す数値である。

上記では、血液についての問題を示したが、体液を用いた場合にも同様の問題がある。

この発明は、試験チップ内の試料に一定の圧力を所定時間加え続け、かつ、試薬チップを所定位置に確実に位置決めすることが可能な体液分析装置の実現を目的とする。

（１）この発明の体液分析装置は、
体液滴下部から投入した体液を分離膜を介して分離して得た試料を空気圧で流路から反応部に送り込むよう構成した試薬チップを用いて、試料中の測定対象物を分析するための体液分析装置であって、
前記試薬チップを位置決めのために所定方向に係止させる位置決め係止部と、
前記試薬チップを所定位置に載置した状態で、前記試薬チップの体液滴下部を覆うことにより、閉じた空間を前記体液滴下部との間で形成する変形可能な中空キャップと、
前記中空キャップが一端に設けられ、駆動部が他端に接続され、回転中心となる支軸が前記試薬チップを載置する面に対して上方に位置する梃子によって構成される中空キャップ押圧機構であって、前記駆動部が前記梃子の他端を上方向に押し上げることにより、前記梃子の一端に設けられた前記中空キャップが下方向に移動して前記試薬チップの体液滴下部を覆った状態で、前記試薬チップを載置する面に対して垂直方向の成分と、前記試薬チップを係止させた前記所定方向に向かう成分とを合成した力によって前記中空キャップを押圧する中空キャップ押圧機構と、
を備えたことを特徴とする。

このように、梃子を用いて載置面に対して垂直方向の力だけでなく、試薬チップを係止させた所定方向に向かう力を中空キャップに加えることで、試薬チップを所定位置に正確に位置決めした状態で、測定開始から終了まで試薬チップ内に所望の圧力を与えることができる。また、試料や溶解途上の試薬が逆流することなく確実に測定でき、ヘマトクリット値が高い血液であっても血漿を安定に分離でき、確実に反応室まで送り込むことができる。また、中空キャップ押圧機構は梃子により適切な力で動作されるので、押圧する人間による個人差が排除され、また試料の特性（粘性、表面張力など）を考慮した押圧ができる。

（２）この発明の体液分析装置は、
体液滴下部から投入した体液を血漿分離膜を介して分離して得た血漿を空気圧で流路から反応部に送り込むよう構成した試薬チップを用いて、血漿中の測定対象物を分析するための体液分析装置であって、
前記試薬チップを位置決めのために所定方向に係止させる位置決め係止部と、
前記試薬チップを所定位置に載置した状態で、前記試薬チップの体液滴下部を覆うことにより、閉じた空間を前記体液滴下部との間で形成する変形可能な中空キャップと、
前記中空キャップが前記試薬チップの体液滴下部を覆った状態で、前記試薬チップを載置する面に対して垂直方向の成分と、前記試薬チップを係止させた前記所定方向に向かう成分とを合成した力によって前記中空キャップを押圧する中空キャップ押圧機構と、
を備えたことを特徴とする。

このように、載置面に対して垂直方向の力だけでなく、試薬チップを係止させた所定方向に向かう力を中空キャップに加えることで、試薬チップを所定位置に正確に位置決めした状態で、測定開始から終了まで試薬チップ内に所望の圧力を与えることができる。また、試料や溶解途上の試薬が逆流することなく確実に測定でき、ヘマトクリット値が高い血液であっても血漿を安定に分離でき、確実に反応室まで送り込むことができる。また、中空キャップ押圧機構は適切な力で動作されるので、押圧する人間による個人差が排除され、また試料の特性（粘性、表面張力など）を考慮した押圧ができる。

（３）この発明の体液分析装置は、
前記中空キャップが、試薬チップに接触する押圧面および前記押圧面より垂直方向に延びる側壁を有しており、前記側壁を球状の曲面に成形したこと、
を特徴とする。

これにより、中空キャップを徐々に変形させることが可能となり、中空キャップが一気に変形してしまい内部圧力が急激に変化するのを確実に防止することができる。

本発明の血液分析装置の構成を示す図である。試薬チップの構造を示す図である。試薬チップの反応部の構造を示す図である。中空キャップが試薬チップを覆った状態を示す図である。中空キャップが変形した状態を示す図である。中空キャップの外形を示す図である。他の実施形態の中空キャップの外形を示す図である。従来技術の血液分析装置を示す図である。

[血液分析装置の構成]
本発明の血液分析装置１００の構成について、図１を用いて以下に説明する。なお、図１では、中空キャップ１５が試薬チップ１に接触していない状態の血液分析装置１００を示している。

血液分析装置１００は、図１に示すように、筐体１２と、試料を格納した試薬チップ１を載せるために当該筐体１２に取り付けられた載置台１３と、試薬チップ１の上面を押圧するための中空キャップ１５と、中空キャップ１５の駆動機構である梃子１６および上下方向（図１に矢印Ｄ１、Ｄ２で示す）に軸１８を駆動するモータ１９と、試薬チップ１の所定部分に光を照射して光量レベルを得ることにより測定対象物を分析する測定用光学部品１７とを備えている。また、図１に示す載置台１３には、試薬チップ１を所定方向に係止させて位置決めするための突起１４（位置決め係止部）が設けられている。

まず、図１に示す試薬チップ１の構造について、図２などを用いて説明する。なお、図２Ａは、試薬チップ１の平面図であり、図２Ｂは、図２Ａに示す試薬チップ１のＹ−Ｙ断面図であり、図２Ｃは、図２Ａに示す試薬チップ１のα矢視図である。

図２Ａに示すように、試薬チップ１は、血液受け２と反応部３を組み合わせて構成される。なお、血液受け２の下面には、反応部３の切り欠き３９に嵌め込むための結合部２５が設けられており、これにより血液受け２と反応部３とが一体的に固定される。

図２Ｂに示すように、血液受け２の上面には、凹状の血液滴下口２１および環状の隆起部２３が設けられている。血液滴下口２１の底部には貫通孔２２が設けられる。なお、血液滴下口２１および隆起部２３により血液滴下部が構成される。また、血液受け２には、試薬チップ１を持ち運ぶための取手部分２０が設けられている。突起２４は、指に針などで傷を付けて血を垂らした場合に指を拭うために用いられる。

反応部３には、図２Ａに示すように、複数個（例えば、図２に示す８個）の反応室３３、および試薬チップ１の位置決めのための切り欠き３４が設けられている。なお、この切り欠き３４は、図２Ａに破線で示す載置台１３の突起１４に係止される。

図３Ａに示すように、反応部３は、上から上層フイルム３８、中層フイルム３６、下層フイルム３７の順に積層した構造となっており、各フイルムを接着剤で貼り付けて形成される。図３Ｂ〜Ｄは、試薬チップ１の反応部３を構成する各フイルム（中層フイルム３６、下層フイルム３７、上層フイルム３８）の詳細を示す図である。

図３Ｂに示す中層フイルム３６は、貫通孔３１ａと、複数の反応室３３の側壁を構成する反応孔３３ａと、貫通孔３１ａから各反応孔３３ａへ分岐する流路３５とを打ち抜いた空気透過性の多孔膜（例えば、厚み０．１ｍｍ）によって成形される。なお、図２Ａに示す反応室３３は、反応孔３３ａの下面を下層フイルム３７で、上面を上層フイルム３８で覆うことにより形成される空間である。

また、流路３５は、幅が０．３ｍｍ程度と細いものであり（中層フイルム３６の厚みが０．１ｍｍのとき、断面積は０．０３ｍ^２）、流路３５より分岐した各反応室３３に約４０μＬの血漿が充填されれば容量が満杯になるようになっているため、各反応室３３には適度な量の血漿を供給する必要がある。また、図２Ａに示す各反応室３３には、総コレステロール、グルコース、中性脂肪などの測定対象物を分析するための試薬がそれぞれ封入されている。なお、測定項目は必要に応じて増減し設定することができ、測定対象の変更も可能である。

図３Ｃに示す下層フイルム３７には、反応室３３の下面を構成する部分３３ｂを除いて不透明印刷した樹脂材料（スチレン・アクリロニトリル樹脂など）が用いられる。

図３Ｄに示す上層フイルム３８には、反応室３３の上面を構成する部分３３ｃを除いて不透明印刷するとともに、貫通孔３１ｂを設けた樹脂材料（スチレン・アクリロニトリル樹脂など）が用いられる。中層フイルム３６の貫通孔３１ａおよび上層フイルム３８の貫通孔３１ｂが、図２Ａに示す反応部３の貫通孔３１を構成する。また、上層フイルム３８の枠体４０に血漿分離膜３２が嵌め込まれる。なお、これら上層フイルム３７、下層フイルム３８の厚みは、例えば１００〜１５０μｍである。

さらに、血液分析装置１００の各部について、以下に詳細に説明する。

図１に示す筐体１２の上部には、試薬チップ１の血液滴下部（図２に示す血液滴下口２１および環状の隆起部２３）を覆う中空キャップ１５と、中空キャップ１５を押圧して空気圧で血漿を反応室３３に送り込むための中空キャップ押圧機構１６が設けられている。

中空キャップ１５は、図１に示すように、試薬チップ１に接触する押圧面１５ａ、および前記押圧面１５ａより垂直方向に延びる側壁１５ｂを有している。中空キャップ１５は、ブチルゴムなどの弾性部材により、側壁１５ｂが球状の曲面に成形されており、押圧面１５ａが試薬チップ１の隆起部２３（図２）と合致するようにその外形および内径が設計される。なお、中空キャップ１５の押圧面１５ａの外形は、例えば１７ｍｍ、内径は１４ｍｍ程度で、中空キャップ１５の厚みはほぼ均一に成形している。

また、図１に示すように中空キャップ押圧機構である梃子１６は、中空キャップ１５が梃子の一端１６ａの凹部に嵌め込んで設けられ、梃子の他端１６ｃには上下移動な軸１８を介して駆動部であるモータ１９が接続される。梃子１６の回転中心となる支軸１６ｂは、図１に示すように、試薬チップ１を押圧する面に対して上方に位置するように筐体１２の上部に固着される。

図１に示す中空キャップ１５が試薬チップ１に接触していない状態で、モータ１９が梃子１６の他端１６ｃを上方向（図１に矢印Ｄ１で示す）に押し上げると、まず、図４に示すように中空キャップ１５が下方向（図１に矢印Ｄ２で示す）に移動して試薬チップ１の血液滴下部を覆った状態になる。図４は、中空キャップ１５が試薬チップ１を覆った状態を示す図である。このとき、中空キャップ１５が試薬チップを押圧する力Ｆ１は、図４に示すように鉛直下方向（つまり載置面１３に対して垂直方向）に向かう。

このように、中空キャップ１５は、試薬チップ１を位置決め係止部である突起１４に対して所定方向（図１に矢印Ｄ３で示す）に係止させて載置台１３の所定位置に載置した状態で、試薬チップ１の血液滴下部（図２の血液滴下口２１および環状の隆起部２３）を覆うことにより、閉じた空間を試薬チップ１の血液滴下部との間で形成する。

さらに、モータ１９の駆動により中空キャップ１５が下方向に移動すると、図５に示すように中空キャップ１５が変形した状態になる。このとき、中空キャップ押圧機構１６は、図５において梃子１６の一端１６ａが支軸１６ｂを中心として回転する力（図５のＦ１）の方向に中空キャップ１５を押圧する。この力Ｆ１は、鉛直下方向（つまり載置面１３に対して垂直方向）の成分（図５のＦ１’）と試薬チップ１が係止させられている所定方向（図５のＤ３）に向かう成分（図５のＦ２）とを合成した力である。このように鉛直下方向の力Ｆ１’だけでなく、所定方向（図５のＤ３）に向かう力Ｆ２が中空キャップ１５に加わるのは、梃子１６の一端１６ａが支軸１６ｂを含む水平面（図５に点線で示す）より下方向に移動したためである。さらに、中空キャップ１５が変形することにより生じた空気圧によって、血漿が試薬チップ１の反応部３３（図２）に送り込まれるとともに、試薬チップ１が所定位置に保持される。

なお、図５に示す所定方向（図５のＤ３）に向かう力Ｆ２は、試薬チップ１の反応部３が変形しない程度の大きさになるように設計する。例えば、梃子１６の一端１６ａから支軸１６ｂまでの長さや、試薬チップ１を押圧する面に対する支軸１６ｂの相対的な位置を変更する等により、試薬チップ１を係止させる力Ｆ２の大きさを調節することができる。

中空キャップ押圧機構１６は、筐体１２に固定されたモータ１９により、測定を開始してから測定を終了するまで所定時間（例えば、５分間）だけ駆動するよう制御され、その間、中空キャップ１５が試薬チップ１を押圧し続ける。

以上のように、中空キャップ１５の押圧面１５ａが試薬チップ１の上面を押下し、試薬チップ１の内部において空気が圧縮されて圧力が上昇することで、血液から血漿が分離され、流路を通って反応室３３に送り込まれることになる。

図１に示す載置面１３には、本実施形態では、透過光量を測定するために、各反応室３３に対応する位置に孔が開けられている。

さらに、載置した試薬チップ１の反応室３３を走査するための測定用光学部品１７は、透過光量測定のために必要な光源１７ａを載置台１３の下側に、受光器１７ｂを載置台１３の上側に備える。

光源１７ａは、測定項目に応じて波長の異なる複数のチップＬＥＤや、チップＬＥＤの光量を保証するフォトダイオードで構成される。例えば、波長がそれぞれ４０５ｎｍ、６３０ｎｍ、８１０ｎｍの３種類のチップＬＥＤを用いることができ、８１０ｎｍのチップＬＥＤは、試薬の発色に対して吸収の無い波長であるため、吸収のバックグラウンド影響を除去する目的で使用される。また、受光器１７ｂにはフォトダイオードを使用し、電流−電圧変換回路からＡ／Ｄ変換回路を介して光量レベルを得ることができる。

[血液分析装置１００による測定の手順]
図１に示す血液分析装置１００によって行われる血液分析の手順を以下に示す。

まず、図３に示す試薬チップ１の血液滴下部に１滴（約５０μＬ）の血液を指または注射器の針からたらす。さらに、試薬チップ１の取手部分２０を持った作業者は、試薬チップ１を載置台１３にセットする。このとき、図２Ａに示すように、試薬チップ１の位置決めのための切り欠き３４が載置台１３の突起１４に係止されるまで所定方向に押し込む。

さらに、入力操作（スタートボタンを押下する等）に応じて、モータ１９が中空キャップ押圧機構１６を始動させ、ネジ機構により軸１６ｂが回転してレバー１６ｃを押し上げ、梃子１６の支軸１６ｂを中心として中空キャップ１５が押し下げられ、中空キャップ１５が試薬チップ１の血液滴下部に接触する（図４）。

さらに中空キャップ１５が下方向に押圧され変形すると（図５）、鉛直下方向（つまり載置面１３に対して垂直方向）の成分（図５のＦ１’）と試薬チップ１が係止させられている所定方向（図５のＤ３）に向かう成分（図５のＦ２）とを合成した力Ｆ１が加わり中空キャップ１５に加わり、試薬チップ１の血漿が流路３５を通して各反応室３３に押し込まれ試薬との反応が開始する。

このときモータ１９は、中空キャップ１５内の圧力を数秒以内にピーク圧力に到達させるよう駆動され、測定開始から測定終了まで中空キャップ１５を押し込んだ状態を保持して加圧状態を維持する。本実施形態では、試薬チップへの加圧条件は、加圧操作開始からピーク圧力に達するまでの時間を３秒以内とし、到達させるピーク圧力は4kPa以上、26.6kPa以下としたが、これに限定されるものではない。

各反応室３３の反応時間が経過するまで、測定用光学部品１７が各反応室３３を一定時間間隔（例えば、１０秒間隔）で走査して、透過光量を測定する。

試薬チップ１の測定が終わると、検出されたデータが出力されるとともに、モータ１９が逆転して軸１８が押し下げられて中空キャップ１５による押圧が解除され、測定済みの試薬チップ１が取り出せる状態になる。なお、測定の終了を、ブザー等で知らせるようにしてもよい。

[その他の実施形態]
なお、上記実施形態では、図１に示すように、中空キャップ１５の側壁１５ｂを球状の曲面に成形したが、その他の形状に成形することも可能である。例えば、図６に示す中空キャップ１５’のように、側壁１５ｂ’を平面に成形することも可能である。ただし、図１に示す中空キャップ１５の方が、より押圧方向に変形し易い構造であり、所望の圧力を得るのに適している。

なお、上記実施形態では、梃子１６を用いて中空キャップ１５を円軌道上に移動させて、試薬チップ１の上面を押圧することとしたが、その他の機構を採用することもできる。例えば、一端に中空キャップ１５を設けたＬ字形のリンクを用いて当該リンクを回転させるよう力を加えたり、ギアなどの機構を介して支持を駆動させて回転させる等により、少なくとも中空キャップ１５が設けられ、回転中心が前記試薬チップ１を押圧する面に対して上方に位置するリンク（連結部材）を備えた機構によって実現することができる。

また、例えば、図１に示す梃子１６の代わりに、中空キャップの真上にモータを配置し、モータにより先端に中空キャップ１５を備えた軸を直線上に移動させて、試薬チップ１の上面を直接押し込むように構成しても良い。この場合、モータが軸に加える力が、試薬チップ１を位置決めのために係止する方向（図１の矢印Ｄ３の向き）にも加わるように、モータの軸を傾けて設置すればよい。

なお、上記実施形態では、図１に示す載置面１３を水平に配置することとしたがこれに限定されるものではなく、載置面１３を傾けて設け、中空キャップ１５から当該載置面に対して垂直方向の力と、前記試薬チップを係止させた前記所定方向に向かう載置面に対して平行の力とを試薬チップ１に同時に加えるようにしてもよい。

なお、上記実施形態では、中空キャップ１５の厚みを一定としているが、中空キャップ１５の硬さや容積に応じて部分的に厚みを変える等により、中空キャップ１５を変形させ易くすることも可能である。

また、上記実施形態では、試中空キャップの押圧面１５ａを平面に形成しているが、図７に示すように、中空キャップの押圧面１５ａに環状の突起１５ｃを複数設けて境界面における吸着性（密着性）を増すような構成を採用しても良い。図７は、中空キャップ１５の押圧面１５ａを拡大した図である。

なお、上記実施形態では、試料を血液としたが、これに限られるものではなく、血液以外の体液、例えば、唾液、尿、リンパ液、汗、細胞間液など、含まれる物質を分離した状態で分析を行う必要がある他の液体を試料として用いることもできる。

Claims

体液滴下部から投入した体液を分離膜を介して分離して得た試料を空気圧で流路から反応部に送り込むよう構成した試薬チップを用いて、試料中の測定対象物を分析するための体液分析装置であって、
前記試薬チップを位置決めのために所定方向に係止させる位置決め係止部と、
前記試薬チップを所定位置に載置した状態で、前記試薬チップの体液滴下部を覆うことにより、閉じた空間を前記体液滴下部との間で形成する変形可能な中空キャップと、
前記中空キャップが一端に設けられ、駆動部が他端に接続され、回転中心となる支軸が前記試薬チップを載置する面に対して上方に位置する梃子によって構成される中空キャップ押圧機構であって、前記駆動部が前記梃子の他端を上方向に押し上げることにより、前記梃子の一端に設けられた前記中空キャップが下方向に移動して前記試薬チップの体液滴下部を覆った状態で、前記試薬チップを載置する面に対して垂直方向の成分と、前記試薬チップを係止させた前記所定方向に向かう成分とを合成した力によって前記中空キャップを押圧する中空キャップ押圧機構と、
を備えたことを特徴とする体液分析装置。
体液滴下部から投入した体液を血漿分離膜を介して分離して得た血漿を空気圧で流路から反応部に送り込むよう構成した試薬チップを用いて、血漿中の測定対象物を分析するための体液分析装置であって、
前記試薬チップを位置決めのために所定方向に係止させる位置決め係止部と、
前記試薬チップを所定位置に載置した状態で、前記試薬チップの体液滴下部を覆うことにより、閉じた空間を前記体液滴下部との間で形成する変形可能な中空キャップと、
前記中空キャップが前記試薬チップの体液滴下部を覆った状態で、前記試薬チップを載置する面に対して垂直方向の成分と、前記試薬チップを係止させた前記所定方向に向かう成分とを合成した力によって前記中空キャップを押圧する中空キャップ押圧機構と、
を備えたことを特徴とする体液分析装置。
請求項１または２の体液分析装置において、
前記中空キャップが、試薬チップに接触する押圧面および前記押圧面より垂直方向に延びる側壁を有しており、前記側壁を球状の曲面に成形したこと、
を特徴とする体液分析装置。
体液滴下部から投入した体液を分離膜を介して分離して得た試料を空気圧で流路から反応部に送り込むよう構成した試薬チップを用いて、血漿中の測定対象物を分析するための体液分析方法であって、
前記試薬チップを位置決めのために所定方向に係止させ、
前記試薬チップを前記位置決め係止部に係止させて所定位置に載置した状態で、前記試薬チップの体液滴下部を梃子の一端に設けられた変形可能な中空キャップで覆うことにより、閉じた空間を前記体液滴下部との間で形成し、
前記試薬チップの体液滴下部を覆った状態で、前記試薬チップを載置する面に対して垂直方向の成分と、前記試薬チップを係止させた前記所定方向に向かう成分とを合成した力によって前記中空キャップを押圧する、
ことを特徴とする体液分析方法。