JP5273986B2 - 分析容器と分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、医療分野や環境分野において、試料液の分析に必要な分析容器と分析装置に関するものである。

従来、血液、血漿、尿など体液、あるいは汚水などの試料液中の成分を光学的に分析するために、特許文献１には、図５（ａ）（ｂ）に示すように分析容器を用いた分析装置がある。

この分析容器は、上面および下面に透過面を有している容器本体２００と、試料が入った毛細管ホールダ２０１と、希釈液が入った希釈液容器２０２とで構成されている。なお、２０３は試薬である。

その分析工程は、試料をサンプリングした毛細管ホールダ２０１を図５（ａ）に示すように容器本体２００に差し込み、希釈液容器２０２から容器本体２００へ希釈液２０４を供給する。次に、容器本体２００を、毛細管ホールダ２０１の試料が希釈液２０４に浸かる図５（ａ）の状態から図５（ｂ）のように試料が溶け込んだ希釈液２０４に試薬２０３が浸る状態、図５（ｂ）の状態から図５（ａ）の状態になるように繰り返し揺動させて、試料が溶け込んだ希釈液に試薬を混ぜる。その後に容器本体２００の角部２０５に溜まった混合液に光学的にアクセスして、透過光から成分を読み取るように構成されている。
特開平３−４６５６６号（図１）

しかしながら前記従来の構成では、前記回転もしくは揺動によって重力を用いて試料と希釈液の混合液を移動させて試薬と混合しようとしているにもかかわらず、分析容器中の液量が微量（数十μｌ程度）であるため、分析容器の内壁の表面と前記混合液との間に生ずる表面張力の作用によって、混合液が分析容器の内壁に引き付けられて動きにくい状態になっており、攪拌が不十分であるのが現状である。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、微量の液と試薬を十分に攪拌して混合できる分析容器及び攪拌装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１記載の分析容器は、液体試料が流れ込む操作チャンバーを有し、回転軸心に対して揺動動作中の加速度によって前記操作チャンバー内の前記液体試料を攪拌する分析容器であって、前記操作チャンバーの内周壁が、直線の第１の壁面と直線の第２の壁面で構成され、前記第１の壁面と前記第２の壁面は、前記回転軸心に対して対称で、かつ前記回転軸心から最外周位置に向かって、互いに近付いて底部で交わる壁面で形成するとともに、界面活性剤を含んだ試薬を、前記操作チャンバー内の前記底部の付近に配置したことを特徴とする。

本発明の請求項２記載の分析容器は、請求項１において、前記操作チャンバーの内周壁の前記最外周位置の形状が、円弧形状であることを特徴とする。
本発明の請求項３記載の分析容器は、請求項１において、前記操作チャンバー内の内周面が撥水処理されていることを特徴とする。

本発明の請求項４記載の分析装置は、試料液が採取された請求項１記載の分析容器がセットされる分析装置であって、回転軸心を持ち前記分析容器を保持する回転体と、前記分析容器に遠心力が作用するように前記回転体を回転させる回転駆動部と、前記分析容器の前記操作チャンバー内の液体にアクセスして測定する測定手段とを有することを特徴とする。

本発明の請求項５記載の分析装置は、請求項４において、前記回転駆動部は、前記分析容器に保持された前記試料液に働く表面張力よりも大きい遠心力を発生させることを特徴とする。

本発明の分析容器及び攪拌装置によれば、微量な液体試料と試薬を混合攪拌でき、さらに分析容器を小型化することができる。

以下に、本発明の分析容器と攪拌装置の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。
図１は分析容器を示す。
分析容器１は、図１（ａ）に示すようにベース基板２とこのベース基板２の上面を閉塞するカバー基板３とで構成されている。ベース基板２には、液体収容チャンバー４と、操作チャンバー５と、液体収容チャンバー４と操作チャンバー５とを接続する連結流路６が形成されている。カバー基板３には空気の吸排を行う空気穴７ａ，７ｂが形成されている。

ベース基板２とこのカバー基板３との貼り合わせに際しては、操作チャンバー５に予め試薬８がセットされている。液体収容チャンバー４には液体試料９が注入されている。
この分析容器１は図２に示すように、回転体としての傾斜した回転テーブル１０の上に、液体収容チャンバー４が回転テーブル１０の回転軸心１１の側で、回転テーブル１０の外周側に操作チャンバー５が位置するようにセットされる。回転駆動部１２は、回転軸心１１を中心に回転テーブル１０を回転させて分析容器１に遠心力を作用させる。もしくは所定の角度で反復回転させて揺動動作を行う、例えばモータである。なお、図２ではカバー基板３の表記が省かれている。

空気穴７ａ，７ｂは液体収容チャンバー４から操作チャンバー５へ遠心力により液体試料６を移送できるように空気の取り込みまたは排出を行う。これは、液体試料９が移動するには移動先から移動元に空気が流れ込む必要があるが、連結流路６は液体試料９で満たされており、空気穴７ａがないと空気が移動できないためである。

また、液体試料９が空気穴７ａを通過して外に飛散することを防ぐために、空気穴７ａ，７ｂは操作チャンバー５よりも回転軸心１１寄りに配置されている。
前記操作チャンバー５の形状は、連結流路６とは反対側の奥側（後述の外周）の幅が次第に狭くなる形状で、回転テーブル１０の回転方向と交差する方向の第１の壁面としての直線の壁面５ａと、第２の壁面としての直線の壁面５ｂとが、分析容器１の外周部分で交わって操作チャンバー５の先端部５ｃが構成されている。

分析装置に上記の分析容器１をセットした分析工程に従って構成を説明する。
初めに、液体試料９は液体収容チャンバー４に保持されている。回転駆動部１２が回転テーブル１０を回転させると遠心力が生じ、連結流路６によって液体試料９が液体収容チャンバー４から操作チャンバー５へ移送される。移送された液体試料９は操作チャンバー５の先端部５ｃに流入し試薬８を浸す。回転駆動部１２は揺動動作を行い、操作チャンバー５内で液体試料９と試薬８が混合される。

ここで、揺動動作時に操作チャンバー５の混合液にかかる力を説明する。
図３はカバー基板３の表記を省いて揺動動作中の分析容器と操作チャンバー５に流入した液体試料９の液面１３を表示した平面図、図４は図３における操作チャンバー５の壁面５ａ，５ｂを示したもので、操作チャンバー５の液体試料９には壁面５ｂから次のような力が作用する。壁面５ａの場合も同様である。

揺動動作時の壁面５ｂに接触している液体試料９には、回転の加減速時に起こる加速度Ａと遠心力Ｂがかかっている。この二つの力を斜面上の力に置き換えると、加速度の分力Ｃと遠心力の分力Ｄに置き換わる。さらに、液体試料９には表面張力Ｅが加わり、このときの液体試料９にかかる力は、加速度の分力Ｃと表面張力Ｅと遠心力の分力Ｄの和になる。

図４では表面張力Ｅと遠心力の分力Ｄの和よりも、加速度の分力Ｃの方が大きいため、液体試料９は加速度の分力Ｃの方向に動く。
したがって、傾斜した壁面５ａ，５ｂの条件としては、傾斜した壁面５ａ，５ｂの間（先端部５ｃ）に溜まった液体試料９の液面１３と傾斜した壁面５ａ，５ｂで形成される液面−壁面角θを、加速度の分力Ｃが遠心力の分力Ｄと表面張力Ｅの和より大きく、かつ内周方向を向くように設定することである。

具体的には、液面−壁面角θが９０°の場合、加速度の分力Ｃはゼロになり、遠心力の分力Ｄは遠心力Ｂと等しくなる。そして、液体試料９は外周方向に移動しようとするが、先端部５ｃに溜まっているため、液体試料９は動かない。また、液面−壁面角θが９０°より小さい場合、加速度の分力Ｃと遠心力の分力Ｄは外周方向を向く。そして、液体試料９は外周方向に移動しようとするが、先端部５ｃに溜まっているため、液体試料９は動かない。

これに対してこの実施の形態では、液面−壁面角θが９０°より大きく形成されているため、表面張力Ｅと遠心力の分力Ｄの和よりも加速度の分力Ｃの方が大きい場合に、液体試料９は加速度の分力Ｃの方向に動くことができる。なお、液面−壁面角θの角度が９０°より大きくなるほど、小さな加速度で攪拌できる。

さらに、傾斜した壁面５ａ，５ｂの長さは液体試料９が揺動動作時に十分に動けるために、液面１３よりも内周方向に延びている必要がある。
このように本実施の形態においては、操作チャンバー５の外周方向に先端部５ｃが形成されるように所定の角度で広がる傾斜した壁面５ａ，５ｂを形成することにより、回転方向に揺動動作時に液体試料９が操作チャンバー５内で十分に動くことができ、かつ少ない液量でも液体試料９に試薬８が十分に浸かる構成をとることができるため、液体試料９が微量であっても試薬８を十分に溶解し混合することができる。

また、先端部５ｃは尖っていると液体試料９が先端にいくらか付着し、揺動動作を行っても動かないため、角を取り除き、先端部５ｃを曲面とするとなお良い。具体的には、操作チャンバー５の先端部５ｃのＲ寸法は、深さ１２の３ｍｍに対して、Ｒ半径が１ｍｍ〜３ｍｍが良好であった。なお、これは液量やチャンバーの深さや形状や表面状態に応じて任意に変更が可能である。

さらに効率よく攪拌を行うためには、操作チャンバー５の壁面５ａ，５ｂに撥水処理を行う。撥水処理の方法として、操作チャンバー５内に撥水剤をコーティング、蒸着させる方法がある。また、撥水効果を得る方法として、ベース基板３の材質にポリプロピレン、ポリエチレン、フッ素樹脂等の撥水性材料を用いることが有効である。

特に、傾斜した壁面５ａ，５ｂとその近辺に撥水処理を行うことで、操作チャンバー５の壁面と液体試料９の表面張力Ｅが下がり、より少ない加速度Ａで攪拌を行うことができる。

さらに、試薬８内に界面活性剤を含めていることで、操作チャンバー５の壁面と液体試料９の表面張力Ｅが下がり、より少ない力で攪拌できる。
さらに、液体試料９内に界面活性剤を含めていることで、操作チャンバー５の壁面と液体試料９の表面張力Ｅが下がり、より小さな加速度Ａで攪拌できる。

図２において分析装置１００は、次のように構成されている。
この分析装置１００は、回転テーブル１０を駆動する回転駆動部１２と、分析容器１内の溶液を光学的に測定するための光学測定手段１４と、回転テーブル１０の回転速度や回転方向および光学測定手段の測定タイミングなどを制御する制御手段１５と、光学測定手段１４によって得られた信号を処理し測定結果を演算するための演算部１６と、演算部１６で得られた結果を表示する表示部１７とで構成されている。光学測定手段１４には、操作チャンバー５の先端部５ｃにレーザー光を照射するためのレーザー光源１８と、レーザー光源１８から照射されたレーザー光のうち、分析容器１を通過した透過光の光量を検出するフォトディテクタ１９とを備えている。

本発明にかかる分析容器は、微量な液体試料を分析する際に必要な分析試薬との混合攪拌ができる方法を有し、分析機器のなかでも、微量な液体試料を分析する装置に有用である。

本発明の実施の形態１における分析容器の正面図 本発明の実施の形態１における攪拌装置の構成図 本発明の実施の形態１における操作チャンバーの斜視図 本発明の実施の形態１における揺動動作時の液体試薬にかかる力を示した図 従来例の説明図

符号の説明

１ 分析容器
２ ベース基板
３ カバー基板
４ 液体収容チャンバー
５ 操作チャンバー
５ａ，５ｂ 壁面
５ｃ 操作チャンバー５の先端部
６ 連結流路
７ａ，７ｂ 空気穴
８ 試薬
９ 液体試料
１０ 回転テーブル（回転体）
１１ 回転軸心
１２ 回転駆動部
１３ 液面
１４ 光学測定手段
１５ 制御手段
１６ 演算部
１７ 表示部
１８ レーザー光源
１９ フォトディテクタ
Ａ 加速度
Ｂ 遠心力
Ｃ，Ｄ 分力
Ｅ 表面張力
θ 液面−壁面角
１００ 分析装置

Claims (5)

1. 液体試料が流れ込む操作チャンバーを有し、回転軸心に対して揺動動作中の加速度によって前記操作チャンバー内の前記液体試料を攪拌する分析容器であって、
   前記操作チャンバーの内周壁が、直線の第１の壁面と直線の第２の壁面で構成され、前記第１の壁面と前記第２の壁面は、前記回転軸心に対して対称で、かつ前記回転軸心から最外周位置に向かって、互いに近付いて底部で交わる壁面で形成するとともに、界面活性剤を含んだ試薬を、前記操作チャンバー内の前記底部の付近に配置した
   分析容器。
2. 前記操作チャンバーの内周壁の前記最外周位置の形状が、円弧形状である
   請求項１に記載の分析容器。
3. 前記操作チャンバー内の内周面が撥水処理されている
   請求項１記載の分析容器。
4. 試料液が採取された請求項１記載の分析容器がセットされる分析装置であって、
   回転軸心を持ち前記分析容器を保持する回転体と、
   前記分析容器に遠心力が作用するように前記回転体を回転させる回転駆動部と、
   前記分析容器の前記操作チャンバー内の液体にアクセスして測定する測定手段と
   を有する分析装置。
5. 前記回転駆動部は、前記分析容器に保持された前記試料液に働く表面張力よりも大きい遠心力を発生させることを特徴とする
   請求項４記載の分析装置。

Images