JP5331798B2 - 検査対象受体及び当該検査対象受体を備えた検査装置 - Google Patents
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Description
次に、突起の形状を従来の横断面が円形の円柱形状(突起26)のものから、本開示のように横断面が楕円の楕円柱形状(突起27)のものにした場合の効果を確認を確認するために、コンピュータによる流動解析を行った結果を説明する。この流動解析を実施するための試作形状案に従った数値計算用の計算格子計算コードを作成し、いくつかの計算機シミュレーションを実施した。 そのシミュレーション結果から流路内の流動観察および流動場解析を行い、異なる条件下で流動場の比較検討を行い、試作形状案の検討を実施し、その知見をもとに、検査パターン構成部(流路)25、検査部25h等の形状、形態の最適設計化を検討した。流路内流動観察のための数値計算プログラムの開発、特に、反応領域の突起(円柱列)部分に対し、異なる流速に対する流動場の数値シミュレーションを実行した。
通常の流体の支配方程式は非圧縮性Navier−Stokes方程式
また、圧力のポアソン方程式の解法とNavier−Stokes方程式の陰解法には、擬似SOR法を用いた。
本計算に境界適合格子を用いると円柱の配置を変更するたびに格子を生成せねばならず、効率的ではない。本研究で対象とするのは、低レイノルズ数の流れであり、これらの流れでは柱状物体の形状の変化が、抗力の計算結果にあまり影響を与えないため、計算格子には直交格子を用い、円柱は多角形で近似する。
4.1 上下壁の影響の調査
円柱上面下面の壁の影響を見るため、図13のような測定部中央に存在する4列の3次元円柱列を考え、測定時の流速を仮定して計算を行った。図13は三次元円柱列を過ぎる流れを示す模式図である。結果は、以下の様に上下壁の影響は少ないといえる。図13の計算領域は、流れ方向、横方向、上下方向(x,y,z方向とする)に900x66x20点の計算格子に区切られ差分法を用いて計算を行っている。装置の回転数が一定の時、現在の速度では流路内の流れは定常になる。計算でも流入流速一定として計算を実行し、定常な流れ場を得ている。横方向には、円柱が多く並んでいるため、周期性を課している。また、遅い流れでは物体の細かい形状は流れに大きな影響を与えないという流体力学の知識を使用して、円柱は直径の1/60の大きさの正方形を水平面にもつ直方体の集合として表現している。図13の中央の面には、その面を流れている流体の流線(あるいは流れの軌跡)を描いている。各線上の色は流速を示し、隙間を通るとき、速くなっており、円柱前後の領域を通過するとき、断面方向の隙間が大きくなるため、流速が遅くなっている。流れは左側から右側に流れている。しかし、流速が遅く、流体の粘性の影響が強いため、円柱列の前後でほぼ対称な流れとなっており、図13の流線を見ても、流れの方向を推測するのは難しくなっている。円柱の間の流れを見ると、流れは円柱に沿った流れ場となっており、円柱の前後でも左右でも対称な流速を持っているのが分かる。
4.1.の三次元のシミュレーションより、上下壁の影響は少ないため、z方向の大部分では、z方向の変化の少ない2次元流れであることが占めるほぼ一様な流れの中にある多数の円柱列周りの流れ場の様子を2次元流の数値解析により調べた。このとき、流速は(A)反応時、(B)洗浄時の2ケースのシミュレーションを行った。(B)は(A)に対して約10倍の圧力差をかけてある。流速場、および円柱に掛かる力を比較、検討した。計算領域を図16に示す。図16は、計算領域の形状を示す模式図である。流れ方向に11列、流路を横ぎる方向に18列並んだ円柱列を考える。流れ方向の円柱列の端の影響はあまり強くないと考えられるため、実際の実験装置よりは円柱列の数は少なくしてある。また、流路は狭く、回転のコリオリ力の影響は無視できると考えられ、流路中心で流れを対称と考えられるため、壁y=0より、流路の中心面までの領域の計算を行う。ただし、計算の効率化のため、流れ方向の円柱列の数は実際の1/3程度に減らしてある。このため、流れを誘起するための回転による遠心力も小さくてよく、現実の回転数の約1/2−1/3の回転数で生じる遠心力による圧力差を与えた。
反応時の流速にあわせた計算結果を図17に示す。図17は、流速の速い場合の円柱列に当たる流れを示した流線図である。円柱の大きさ、および配置の様子は現在の試作システムのものに合わせてある。検査対象受体3(イムノディスク)形状により両端の圧力差を換算すると対応する回転数は約400rpmであり、現実の回転数1000rpm程度に対応すると考えられる。図17の中には図13で示したように、適当な上流位置からの流線群が各点での流速の大きさによって色を付けられて示してある。流れは左から右に流れ、下面が壁であり、上面が流路の中心面であり、現実の流路全体の流れ場は上面で折り返した図とは2倍の大きさになっている。このため、上面近くの流れは緑色に近く速いのに対して、下面付近の流れは青で、流速が0近くになっている。図18で示すように、流入流出する流れは、Iの数値シミュレーションと同様に、ポアズイユ流であり、上面で最大速度となるような壁からの距離の2乗に比例した速度の大きさを持つ。レイノルズ数はRe=4程度である。尚、図18は、流入、流出の速度分布を示すグラフである。一方、図17に見るように円柱列近くでは、壁近くを除いて、ほぼ一定の流速となっていることがわかる。円柱列への流入する流線と流出する流線を比較すると、完全に対称ではなく、少し流線の傾きが変化しているが、基本的にはほぼ同じような流れとなっている。
洗浄時の流速にあわせた計算結果を図23に示す。図23は、流速の速い場合の円柱列に当たる流れの流線図である。図23に示す例では、円柱の大きさ、および配置の様子は現在の試作システムに合わせた(A)と同様である。流入流出間の圧力差は10倍であり、対応する回転数は約1200rpmであり、現実には約3000rpmの回転数に対応すると考えられる。流入時の流れの平均速度は(A)の約25倍となっている。図23には、適当な上流位置からの流線群が各点での流速の大きさによって色を付けられて示してある。(A)と同様に、流れは左から右に流れ、下面が壁であり、上面が流路の中心面であり、現実の流路全体の流れ場は上面で折り返した図とは2倍の大きさになっている。このため、上面近くの流れは緑色に近く速いのに対して、下面付近の流れは青で、流速が0近くになっている。図24及び図25で示すように、流入流出する流れは、ポアズイユ流であるが、図25で示すように流出部では流れはポアズイユ流には戻っていない。このことは、図23で、円柱列に入り込む左側の流線は(A)とほぼ同じなのに、円流列から出て行く右側の流線は円柱後方で大きく円柱から離れた後流領域を形成しているためである。尚、図24は、流入場所での速度分布のグラフであり、図25は、流出場所での速度分布のグラフである。
図26〜図29で示した様な(B)の場合の円柱後方に形成される双子渦内部の流線は局所的に閉じた曲線となる。このため、図26での円柱後方の青色領域に接する部分では、流入部から流れは当たらず、たとえば、円柱列の洗浄を行う場合などではシステムの回転速度を上げると、流れは速くなり、円柱前面と側面の洗浄は効率よく行われるが、円柱後方の洗浄は、洗浄時間の多くの時間でできない状態を引き起こすことが予想される。
次に、本実施の形態の突起27のように楕円柱列を使用した場合をシミュレーションした。図32は、洗浄時での円柱後方の双子渦領域をなくすため、円柱の代わりに楕円柱列を使用した場合の計算結果の流線図である。図32に示す楕円柱列を使用した場合では、流れの計算条件は(B)と同じであり、楕円柱の中心と対応する円柱の中心は位置しており、短径は(B)の円柱の径、長径は(B)の径の1.7倍に取っている。流れは前後非対称であるが、後流双子渦領域は最後尾の円柱列を除き、小さくなっている。
各検査パターン構成部25のそれぞれについて、検査部25hにGoat由来のトランスフェリン抗体の炭酸ナトリウム緩衝溶液希釈液(0.05M NaHCO3、pH9.6、10μg/ml、以下一次抗体溶液とする)を15μLずつ流す。
各検査パターン構成部25のそれぞれについて、検査部25hにブロッキング溶液(50mM Tris、0.14M NaCl 1%BSA、pH8.0)15μLを流す。
ここでは、検査対象をトランスフェリンとする。トランスフェリンのトリス緩衝食塩水(50mM Tris、0.14M NaCl、1% BSA、0.05 Tween20、pH8.0)で濃度を125ng/mlに調製した溶液(以下、抗原溶液とする)を1μLずつ各検査パターン構成部25に流す。
使用者は、各検査パターン構成部25のそれぞれについて、検査部25hに、HRP標識されたGoat由来のトランスフェリン抗体をトリス緩衝食塩水(50mM Tris、0.14M NaCl、1%BSA、0.05Tween20、pH8.0)で濃度10ng/mlに調製した溶液(以下、二次抗体溶液)を10μLずつ流す。
使用者は、各検査パターン構成部25のそれぞれについて、検査部25hに、基質溶液としての、ABTSのリン酸−クエン酸溶液(0.05M リン酸ナトリウム、0.05M クエン酸)と過酸化水素水(以下、発色溶液とする)を流し、検査対象であるトランスフェリンを発色させる。
Claims (6)
- 液状の検査対象を検査する用途に用いられる検査対象受体であって、
前記検査対象を一定の経路を経て移動させる流路と、
前記検査対象の検査を行う検査部と、
複数の突起を、前記流路の前記検査部に配置した突起形成部とを備え、
前記流路の延設方向と直交する方向における前記突起の長さは、前記流路の延設方向における前記突起の長さよりも短く、
前記突起の横断面は、前記流路の延設方向の下流側の端部が上流側の端部よりもすぼまった紡錘形になっており、
前記流路において、前記複数の突起は千鳥配置になっており、
上流側に配置された前記突起の紡錘形のすぼまった端部が、下流側に配置された左右一対の突起の上流側の端部の間に向いていることを特徴とする検査対象受体。 - 前記流路において、前記検査部の上流側に前記検査対象の所定量を計り取る計量部を設け、
前記計量部にも複数の突起を形成した突起形成部を備え、
前記流路の延設方向と直交する方向における前記計量部の突起形成部の突起の長さは、前記流路の延設方向における前記突起の長さよりも短いことを特徴とする請求項1に記載の検査対象受体。 - 前記検査対象受体は、所定の中心部を軸として回転するものであるとともに、
前記流路の延設方向は、前記検査対象受体を回転させた場合の遠心力の方向であることを特徴とする請求項1又は2に記載の検査対象受体。 - 前記突起形成部は、少なくとも、複数の突起を当該突起の間に前記検査対象が毛細管現象により広がる間隔にて配置していることを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載の検査対象受体。
- 前記流路のうち、前記計量部と前記検査部との間に、試薬を導入するための試薬導入部を少なくとも1つ備えることを特徴とする請求項4に記載の検査対象受体。
- 請求項1乃至5の何れかに記載の検査対象受体と、
前記検査対象が遠心力により前記流路に沿って流れるように、前記検査対象受体を回転させる回転部と、
前記回転部の動作を制御する制御部と
を備えたことを特徴とする検査装置。
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