JP5385149B2 - 流体のイオンセンサー及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は生物、化学、工業、又は環境試料の荷電種のセンサー関する。特に、本発明は荷電種濃度、特にイオン濃度、例えば血液などの試料のリチウム濃度、を測定するための方法及びセンサーに関する。また、本発明はそのようなセンサーの製造方法に関する。

無機イオンは生命にとって必要条件であり、飲料水、血液や生物の一つ一つの細胞と同様に環境中にも大量に見られる。例えば、細胞内外の多数のイオン濃度、すなわち、ナトリウム、カリウム、マグネシウム及びカルシウム濃度は全ての生物にとって必須である。したがって、動物及び人間の血液や血液細胞のイオン濃度も多種の身体機能にとって非常に重要である。

通常、リチウムは血しょう中に存在する微量元素であるが、双極性気分障害の治療薬として使用される。世界規模で100万人以上の人々が毎日リチウムを摂取していると推測されている。リチウムを使用することの欠点は非常に低い治療係数、すなわち毒性濃度と治療濃度の間の比である。たいていの患者は0.4-1.2 mmol/Lリチウムの血しょう濃度によく応答する一方で、1.6 mmol/L以上のリチウム濃度では毒性の影響が起こるかもしれない。長期的に血液中のリチウム濃度が高い場合、神経回路に永久的な損傷を及ぼし死に至ることもある。したがって、治療中にリチウム濃度の目標とするレベルを保つために数ヶ月おきに定期的な検査をするといった監視をすることが不可欠である。

膨大な作業を回避するために自動式の血液パラメーター測定ではイオン選択性電極(ISEs)が日常的に使用されている。これらのISEsは迅速で、様々な分野で使うことが出来る。しかし、それらの応答が対数的で、リチウムについては高い選択性が要求されることが問題である。加えて、リチウムを無毒化する場合、迅速な血液分析の手順が求められる。現在、静脈血試料は特別に訓練を受けた者によって患者から採取され、中央研究室に運搬されなければならず、測定前に血球を取り除く必要がある。この手順は45分程度かかる。試料のスループット時間を最小限にし、その場での測定を可能にするためにイオン感応電界トランジスタを搭載したミニチュア装置を使用して、全血液中のカリウムとナトリウムの濃度を携帯分析器で測定することができる。しかし、そのような分析器はリチウムの濃度測定には使われていない。なぜなら、濃度の非常に低いリチウムイオンに比べて他の荷電種、特にナトリウムイオンのバックグラウンド濃度が高いためである。

E. VrouweらのElectrophoresis 2004, 25, 1660-1667及びElectrophoresis 2005, 26, 3032-3042には全血液中のリチウムの直接測定や血しょう中の無機カチオンの測定が記載され、論証されている。特定のサンプルローディング法を用いたマイクロチップキャピラリー電気泳動（ＣＥ）を使用するとともにカラムカップリングの原理を応用することで、全血液の一滴中のアルカリ金属を測定した。指先から採取された血液は成分の抽出や除去をすることなくチップの上に移動された。試料を予め処理することなくリチウム療法下の患者由来の血しょう中のリチウム濃度を測定することができる。導電率を検出するマイクロチップを使うことにより、140 mmol/Lナトリウムマトリックス中でリチウムについて0.1 mmol/Lの検出限度が得られた。

これらの開示では、血液試料の成分をマイクロ流路の中で電気泳動的に分離する。関心のあるイオン成分を選択しそれらを検出用電極に案内するためにダブルＴインジェクションジオメトリー（Double T injection geometry）を使用している。

これらのシステムでは、上記ダブルＴジオメトリー（double T geometry）で血しょう成分を正確に分離するために試料の添加方法を十分整えておく必要がある。また、上記ダブルＴジオメトリー（double T geometry）は適用が煩雑で、簡便使用の用途にはあまり適していない。

本発明は複数種の荷電種及び少なくとも一つの不溶性成分を有する試料中の荷電種の濃度の測定方法であって：部分透過層の表面に試料を提供すること；試料の成分を部分透過層から流路へ通過させること；成分をセクションに分離して、少なくとも一つのセクションのそれぞれが実質的に上記複数種の荷電種のうちの単一の種を含むようにすること；少なくとも一つのセクションの荷電濃度を測定することからなる方法を提供する。

したがって、本発明は試料を分ける、特に血しょうなどの生物試料をそれぞれのセクションが実質的に荷電種の一つ又は一グループからなるようなセクションに分ける方法、及び、このセクションの荷電種の濃度を測定する方法を提供する。

本発明は複数種の荷電種及び少なくとも一つの不溶性成分からなる試料中の荷電種の濃度を測定する装置であって、その装置は少なくとも一つの流路と少なくとも一つの開口、少なくとも一つの開口を覆っている部分透過層、開口の各側で少なくとも一つの流路に沿って配置された少なくとも二つの電気泳動電極、少なくとも一つの流路で少なくとも一種の荷電種を測定するセンサーからなる装置を提供する。

この方法と装置は生物試料、例えば血しょうのイオン濃度を測定するのに特に役立つ。測定されるイオンはナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウムなどが挙げられるが、これらに限られない。本発明の一用途では、試料はリチウムも含んでも良い。この場合、測定される好ましいイオンはリチウムであるが、試料中に存在する他のイオンでもよい。本発明は脂質、DNA又は他の高分子電解液もしくは電荷を持つ高分子などの他の荷電種に等しく応用できる。

複数種の荷電種の第一のものの濃度は、複数種の荷電種の第二のものに対して測定できる。第一の種類の荷電種はリチウムイオンであり、第二の種類の荷電種はナトリウムイオンであってよい。このように試料中のリチウムイオンとナトリウムイオンの間の比を測定することができる。

少なくとも一つの流路が部分透過層で覆われた単一の開口を有してよい。試料を適用するために一つの開口を使うと、電気浸透圧又は動水圧及び流路内部のいずれの流体力学的な流れを好都合に回避することができる。このような方法では、拡散が主体又は唯一の移動のメカニズムである。

一つの実施形態では、少なくとも一つの流路が別に密閉された流路システムに二つの開口を有してもよい。動水圧を使用すると、試料注入は一つの開口から他の開口への対流によって行われる。このように特別な場合、一つの開口は試料で覆われる一方で他の開口は覆われない。

部分透過層は少なくとも一つの流路から試料を分離する膜である。この膜はイオン又は他の荷電種を透過できるが、一方で大きな成分は透過しないものであってよい。特に、この膜は不溶性成分を透過しないものとすることができる。この膜は気体を透過するが液体は不透過性であってもよい。部分透過層は第一の被覆層の少なくとも一つの開口の上又は下に置かれた別の層でもよい。

膜を第一の被覆層の上に配置するために膜ホルダーを第一の被覆層の上で使用してもよい。膜ホルダーを取り付ける、すなわち第一の被覆層に接着又は直接第一の被覆層に形成してもよい。

透過層は、部分透過性な第一の被覆層の領域であってもよい。透過層は親水性表面を有する少なくとも一つの領域からなってよい。また、透過層又は第一の被覆層は疎水性表面を有する少なくとも一つの領域を備えてもよい。

透過層は一つ又は一つ以上の穴を持つ流路からなってよい。したがって、試料は流路内の溶液と直接接触することになる。

試料は少なくとも一つの不溶性成分、すなわち血液のような生物試料の場合、通常血液に存在する赤血球、白血球及び血小板などである。したがって、本発明は好都合に前精製又は前処理をしないで全血液中のイオン濃度を測定することができるので、いずれの試料のラボ前処理を回避できる。このように本発明は特に特別に訓練された外科医又は医療ケアワーカーを必要としない患者操作システムでの応用に役立つ。

上記少なくとも一つのセンサーは、複数種の荷電種の単一のの種類から実質的になるセクションの少なくとも一つの荷電濃度を測定するための一つ又は一つ以上の導電性電極の組を含んでなる。例えば、第一の極の荷電種の濃度を測定するために少なくとも一つの開口からある程度の距離の流路の中又は近くに導電性電極の第一の組を配置してもよい。第一の極と逆の極の第二の荷電種の濃度を測定するために、流路の反対側の端に導電性電極の第二の組を配置してもよい。

本発明は試料中の荷電種の濃度を測定するための装置の製造方法であって、基板を設けること、基板の中に流路を形成すること、基板の上に第一の被覆層を配置して、第一の被覆層で流路を覆うとともに、第一の被覆層に流路に通じる少なくとも一つの開口を含ませ、この少なくとも一つの開口の上に部分透過層を配置することを含んでなる方法を提供する。

本発明の装置の製造方法を使用するにあたって、基板の上に第一の被覆層を配置する前、後又は同時に部分透過層を上記少なくとも一つの開口の上に置いてもよい。

装置を使用する前に、少なくとも一つの流路を電解液で満たす。一つの実施形態では、流路の充填は、空気を排出して電解液を流路に吸い込ませることからなる。第二の被覆層で流路を覆う前に少なくとも一つの流路を電解液で満たしてもよい。

本発明は、図面及び好ましい実施形態の詳細な説明によって、よりよく理解できるだろうが、これらは例示に過ぎず、本発明を限定するものではない。

図1aから図1dは上面から見た本発明の装置の主要な部品を示しており、図1eは本発明の装置に図1aから図1dの部品を組み立てて側面からみたものを示している。

図2は図1eのセクションをより詳細に示している。

図3aから図3fは測定する試料をマイクロ流路に提供する主要な工程を図2の拡大詳細図にて示している。

図4a及び図4bはそれぞれ本発明の装置の一例を上面及び側面から示しており、図4c 及び図4dは導電性検出のための電極の相対的配置を示しており、非接触（図4c）及び接触（図4c 及び図4d）の両方の導電性検出が考えられる。図4eは例えば二つの異なる測定温度で可能な二つの背景測定信号を示している。

図5a及び図5bは本発明の別の実施形態を表しており、図5cはこれらに相当する測定信号の例を示している。

図6aは実質的にU型の流路を有する装置の別の実施形態を示している。

図6bは一つの流路に二つの開口を有する更なる実施形態を示している。

図7は膜の支持体を有する本発明の更なる実施形態を示している。

図8a及び図8bは余分な電極を有する本発明の実施形態を示している。

図9aから図9dは流体が減圧によって流路に挿入される本発明の方法を示している。

図10は流体が流路の第二の開口の使用により流路に挿入される本発明の更なる実施形態を示している。

図における同じ参照番号は同じ又は同様のものを示している。
発明の詳細な説明

図1aから図1dは本発明の装置の構成部分を上面図にて示している。

この装置は図1aに示されているように流路12が中に形成された基板10を備えてなる。基板10はガラス又はプラスチック素材で出来ていてよい。流路12を製作できるなら他のいずれの素材を使用してもよい。基板素材がガラスの場合、第一のリザーバー14と第二のリザーバー16の間の基板10に流路12がエッチングされ、流路12の側壁は高分子でコーティングされている。流路12の寸法はサブセンチメーターでよく、特に流路12は1 cm未満の幅及び100μm未満の深さでよい。第一のリザーバー14及び第二のリザーバー16は流路12の幅よりもかなり大きいサイズでよいが（e.g. 100μmから1 cm）、実質的に同じ深さでよい。流路12、第一のリザーバー14及び第二のリザーバー16を使用する前に電解液で満たす。これは、例えば流路12、第一のリザーバー14及び第二のリザーバー16を空にした後、電解液を流路12、第一のリザーバー14及び第二のリザーバー16に吸い込ませることによって行うことができる。第一のリザーバー14及び第二のリザーバー16は、例えば流路12が常に電解液で満たされていることを確かにするために圧力の差を平衡化させるのに役に立つ。

流路12は1から500 nmの間の幅を有する複数のナノ流路から出来ていてもよい。小さいサイズのナノ流路は流路12内の動水圧及び電気浸透圧を抑制する。

更に、この装置は使用時に基板10を覆い、かつ使用時に流路12の中の電解液や試料のような流体が流路12から蒸発する又は漏れるのを防ぐために流路12を閉じる被覆層として図1bに示されている第一の層20を備えてなる。第一の層20は、例えばガラス、ポリプロピレンフィルム、又はPall Corporation社のSuper Membrane Disk Fillers (疎水性ポリエーテルスルホン)又はMillipore Durapor（ポリビニリデン-PVDE）などの疎水性の膜で作ることができ、1 mm未満の厚さ、特に1μm未満の厚さを備えることができる。第一の層20は非透過性である。第一の層20は試料の流路12へのアクセスを提供するために、流路12の上側に配置される第一の開口22を提供する。

アクセス開口22は円形でもよいが、流路の中に液体を挿入するのに適しているどんな形も使用してよい。

また、本発明によると、図3cに示されている膜30が提供される。この中で示されている例では、膜30を使用時に第一の層20の開口22の上又は下に配置する。膜30は1から100μmの厚さの半透性である透過親水性及び／又は生体適合高分子、例えばニトロセルロースで作成できる。第一の層20より先に流路12の上に膜30を置くことが可能である。したがって、膜30を第一の層20と基板10との間に配置してもよい。膜30は第一の層20と一体化してもよい。いずれの場合でも、膜30は親水性で例えばニトロセルロースから作ることができる。

膜30の大きさ及び物性は、対比可能な測定を行えるように、荷電種の拡散又は特定量の試料の試料側から流路12内への移動を許容するように適合させることができる。

本発明の一つの側面によると、膜30は試料中の血しょう及びその成分を透過できるが、試料などの中の細胞物質などの大きな不溶性成分を取り除くものである。このようにして、赤血球、白血球及び血小板などの細胞物質が取り除かれ、血しょうのみ更なる検査のために流路12に入る。他の成分を取り除いてもよい。

本発明の他の一面によると、膜30は血しょう中の荷電種を透過でき、膜30に覆われた第一の開口22は流路12への唯一の開口である。それは流路12への対流を可能にする唯一の開口であったもよい。このようにして、対流が抑制され、少なくとも血しょう及び全ての細胞物質が流路に入るのを防止される一方で荷電種のみ、特にイオンのみを更なる検査のために流路12に拡散させる。

本発明の更なる実施形態では、膜30と第一の層20は一つの工程で作られ、第一の層20は局部的に膜として作用するように作られた高分子フィルム、又は全体的に疎水性を変化させた膜からなる高分子フィルムである。後者の場合、試料が注入される位置でフィルムが親水性となるようにフィルムの疎水性が変えられる。

一つよりも多くのアクセス開口22を第一の層20に設けてもよい。これは、例えば試料が多数の入口から流路12へ入ること可能にするのに役立つ。これは多数の測定を行い平均を取ることを可能にする。一つよりも多くのアクセス開口22の更なる利点の一つは、一つの開口から別の開口へ向かって対流が出来るので、開口22から流路12への別の輸送メカニズムが提供されることである。

膜30は試料をより簡単に得るために、その表面に肌に穴を開けるマイクロ針を備えてもよい。更に、膜30自体に穴を開けて、その多孔率を現実、変更又は改善してもよい。

図1dに示されている第二の高分子フィルム40は、第一の層20及び半透膜30を覆って第一の層20及び半透膜30を不純物から保護し、使用前に無菌及び／又は清潔に保ち、流路からの漏れを防ぐために提供される。半透膜30がマイクロ針を有するならば、これらのマイクロ針も第二の高分子フィルム40で保護される。第二の高分子フィルム40は、例えばポリプロピレンから作られる。第二の高分子フィルム40は使用前に即座に取り除かれ、血液試料、すなわち使用時に全血液の一滴が半透膜30の上に置かれる。第二の高分子フィルム40は装置2を使用する前に簡単に掴んで取り除けるように端が緩くなっていてもよい。

図1eは本発明の装置2として図1aから図1dの構成部分を組み立てた側面図を示している。第一の層20は基板10の上に置かれるので流路12の上面を覆っている。第一の層20は流路12の上に開口22を有する。開口22は膜30で覆われている。図1dに示されている場合では、装置2の全部又は部分的な表面を覆っている第二の高分子層40が装置2を覆っているので、装置2は衝撃、埃や蒸発などから保護される。

第一の層20は気体に透過性である疎水性の膜も含んでよい。気体透過性疎水性膜の機能は、後で説明されるように、流路12の中で生じるであろう過度の圧力を防ぐことである。気体透過性疎水性膜を別体として適用してもよいが、第一の層20に埋め込んでもよい。

図2は図1eの丸で囲んだ部分のより詳しい拡大図である。膜30は第一の層20の中の開口22の上に置かれる。第一の層20は開口22を介した流路12へのアクセスを残して基板10の中の流路12を覆っている。開口22は膜30で覆われているので、使用時には膜30を通って拡散又は通過できる成分のみが流路12にアクセスすることができる。膜30への不必要なアクセスや不純物から保護及び防御するために、膜30は第二の高分子フィルム40で覆われている。この膜を第一の層20の下又は中に接着又は固定してよい。膜30をホルダーに取り付け、このホルダーを第一の層20の開口22に挿入するようにしてもよい。ホルダーの例は図7に関して下記に説明してある。

当事者に知られているように、電気浸透の流れを抑制するために流路12を高分子でコーティングしてよい。

図3aから図3fは、測定される試料を流路12へ提供する主要な工程を図2の拡大及び詳細図で示したものである。

図3aは図2の装置の詳細図を示しており、流路12、開口22及び膜30はバックグラウンド溶液（図の灰色の部分で示されている）で満たされている。リチウムの検出において、バックグランド溶液は例えばpH 6.1の50 mmol/L 2-(N-モルフォリノ)エタンスルホン酸及び50 mmol/Lヒスチジンを含むバックグラウンド電解液(BGE)とすることが出来る。グルコースを添加してよく、例えばバックグラウンド溶液の浸透圧を調整するために約200 mmol/Lのグルコースを添加してよい。他のバックグラウンド溶液を荷電種、すなわち測定されるイオンに応じて使うことができる。第二の高分子フィルム40は装置2及び溶液を保護し、使用前の溶液への不純物混入を防いでくれる。図3aはユーザーへ出荷される時の装置2の形態を例示している。

図3bは装置2を使用する前に第二の高分子フィルム40を取り除くことを示している。第二の高分子フィルム40は装置2の出荷及び保管中に膜30及び第一の高分子層20を保護する保護層としての役目を果たす。図3bに示されているように、第二の高分子フィルム40を試料が膜30にアクセス出来るように装置2から取り除く。第二の高分子フィルム40は、第二の高分子フィルム40の少なくとも一部を簡単に取り除くためにプルタブなどのクイックリリースメカニズムとともに提供される。

図3cに例示してあるように試料を膜の上に置く前に、電解液の導電性又は温度のような一つ以上の装置のパラメーターなどをキャリブレーション又はシステムチェックのために測定してもよい。純粋な電解液の導電性測定も、システムチェックとして、すなわち、電解液が流路に存在し、測定システムが正確に動作しているかをチェックするために行ってもよい。測定を行う前に、流路12を動電学的に洗浄することが賢明である。これは、始めに拡散された試料部分を流路12から取り除くことである。導電性測定は温度測定に使用してもよい。導電性測定は装置2の状態の内部チェックとしても使われる。後者の測定は装置2の中又は周辺のどこかで実施される別の温度測定方法によって実現されてもよい。

流路12の中の液体の温度を変更するために、加熱要素を、流路12内もしくは周辺又は装置の周辺に配置してもよい。温度機能としての導電性の変化は制御又はキャリブレーションのために用いることができる。

図3cでは試料50、すなわち未処理の全血液試料を膜30の表面の上側に置く。膜30は疎水性で透過性である。したがって、試料50は図3dに示されているように膜30に吸収されて通過し、赤血球や白血球などの細胞物質が取り除かれる。これは細胞物質が流路12内で分解して流路12内の濃度を変えてしまうかもしれないので行われる。膜30の孔の大きさも流路12を電解液のみが通過するように、例えば脂質又は他のより大きな成分を取り除くために調整できる。膜30を通って拡散すると、濾過された試料50は第一の層20と接触することになり、開口22へ入る。

図3d及び図3eに例示されているように、濾過された試料50は開口22を通って基板10の流路12へ拡散する。流路12に到達した濾過された試料50の量は開口22の大きさ、膜30の物性、試料50及び流路12に存在する電解液の物性によって決定される。

図3fは電場が流路12に沿って適用される時に、どのようにして濾過された試料50の一部が流路へ拡散され、流路12で電気泳動的に分離されるかを例示している。電場は濾過された試料中の全ての荷電種を分離し、流路12の端のリザーバー14，16へ向かって荷電種を移動させるだろう。

流路12に沿って電場を提供するための電極は、第一のリザーバー14及び第二のリザーバー16の中に埋め込まれるか、または挿入される。一つの場所から別の場所へ電場を切り替えることで、イオンの分離が必要な場所で特に強い電場が創られるように複数の電極を流路12に沿って置くことも可能である。上記のように、気体の過度な圧力を防ぐために、気体透過性疎水性膜を該装置中に使用する。この過度な圧力は電気分解により電極で起こる場合がある。

測定は繰り返し行ってよい。

図4a及び図4bはそれぞれ本発明の装置2の一例の上面図及び側面図を示しており、第一のリザーバー14は第一の電気泳動電極64を含み、第二のリザーバー16は第二の電気泳動電極66を含む。電気泳動電極64，66に電圧を加えることによって、流路12の中の荷電種を流路12に沿って分離又は移動させることができる。電気泳動電極64，66はどの導電性素材からも作ることが出来る。使用される電極としては、例えばクロム層を備えたチタン電極又は銀／塩化銀電極が挙げられるがこれらに限られない。電気泳動電極64，66は基板10中に一体化でき、またはリザーバー14，16又は流路12の中の他の場所に装備できる。

別の実施形態では、電気泳動電極64，66及び／又は導電性電極72，74を、装置2を測定のために搭載することが出来る測定装置に搭載できる。

電極72，74は単独の二方向電極配列に限らず、多数の電極配列で存在することが出来る。

電圧は、電源又は当業者に公知のいずれの手段によって電気泳動電極64，66に加えてもよい。

図4cは図4a中の丸で記されている所の分解図であり、図4dは図4b中の丸で記されているのと同じ場所の側面から見た分解図を示している。この場所では、導電性電極72，74の位置で流路12を横切った流体の導電性を測定するために二つの導電性電極72，74が流路12の近く又は内部に設けられている。導電性電極72，74は基板10に一体化してもよく、流路12に少なくとも部分的に延長される。図4dに示すように、導電性電極72，74は流路12の底に配置してもよいが、流路12のどこでも可能である。導電性電極72，74は当業者に公知の導電性測定に関する。

本発明の実施形態では、二組の導電性電極72，74を使用する。一組の導電性電極は陽イオンを、その他の組の導電性電極は陰イオンを流路12の中で測定する。二組の導電性電極72，74は、流路12に試料を入れる開口22の何れか一方の側に置く。

導電性電極72，74及び電気泳動電極64，66の配置は、装置2の製造中又は後に行うことができる。例えば、導電性電極72，74及び電気泳動電極64、66を押圧して、高分子被覆20の表面又は基板10を通過させ、流路12へ到達させることにより、チップの中への導電性電極72，74及び電気泳動電極64，66の高価な実装を避けることが出来る。

導電性電極72，74の間の流路12の中の導電性は経時的に監視できる。流路の中に荷電成分が存在しないか、例えばBGE溶液などのように荷電粒子が等しい分布で存在する場合、図4eに例示されているように一定又は比較的ゆっくりとした変化の導電性が測定及び監視される。

イオンなどの荷電種を、図3に説明されている方法を用いて流路12に挿入する場合、荷電種は電気泳動電極64，66の間に適用した電場によって流路12に沿って移動する。荷電種は、流路12を移動しながら電気泳動的に分離される。例えば、血液試料50のナトリウムイオンは血液試料50に存在するかもしれないリチウムイオンよりも速く動く。したがって、導電性電極72，74によって二つのピークが連続的に測定されるだろう。第一のピークは、導電性電極72，74を通る動きの速いナトリウムイオンを表しており、第二のピークは、導電性電極72，74を通る動きの遅いリチウムイオンを表している。当業者にとって、二つよりも多くのイオンの種類を測定でき、電気泳動的な方法により分離されるどの荷電成分もそのようにして監視できることは明らかである。

本発明はイオン絶対濃度又はイオン相対濃度の測定、すなわちナトリウム／リチウム濃度比の測定のために適用できる。

さらに別の測定電極又は他の型のセンサー、すなわち当業者に公知の蛍光センサーなどの光学センサーを、試料中の他の種の濃度又は存在を同時に測定するために加えてもよい。容量性センサーも使用できる。

イオンなどの荷電種濃度の測定の前に、装置が正確に動作していることを確かめるために、電解液の導電性とともに装置の温度の測定をすると有益である。

図5a及び図5bは本発明の別の実施形態を示している。これらの実施形態は例えばキャリブレーションの目的で使用することができる。

図5aは本発明の装置102を示しており、上記の装置2に基づいている。本発明の実施形態では第一のリザーバー114と第二のリザーバー116の間の流路112は第一の流路分岐111と第二の流路分岐113に分岐している。流路112の第一の流路分岐111も第二の流路分岐113も第二のリザーバー116の前で再結合する。第一の流路分岐111は第二の流路分岐113よりもかなり長い。第一の流路分岐111も第二の流路分岐113もそれぞれ開口122，123を有する。各開口122，123はそれぞれ膜130，131に覆われている。

二つの異なる試料150，151をそれぞれ別々の膜130，131に置き、流路112に沿って電場を適用したら、各試料のイオンは分離し流路112に沿って移動するだろう。第一の流路分岐111は第二の流路分岐113よりも長いため、第二の試料151の荷電種、すなわちイオンが流路112に始めに到達する一方で第一の試料150の荷電種は多少長くかかる。したがって、両方の荷電種を同じ組の導電性電極(図示せず)で独立して次々に測定でき、結果として図5cの上線に例示されたような信号となる。

この実施形態も既知試料150を膜130に提供することでキャリブレーションに使用でき、キャリブレーションに使用できる第一の信号に相当するものとなる。膜131に提供された未知試料151からの第二の信号は流路分岐111が長いため時間的に遅れて到達する。第二の信号の強度を第一のキャリブレーション信号と比較して、未知試料中の荷電種の濃度を当業者に公知のようにして測定できる。

この実施形態は膜130，131に同じ試料を提供して使用し、例えば平均をとることによって、より高い精度を実現できる。

図5bは本発明の別の実施形態を示しており、二つの流路212，213が平行して配置されている。各流路212，213は基本的に図1-4の実施形態と同一で、二つの試料250，251が膜230，231にそれぞれ平行に置かれているから両方の試料を並行して測定することができるという点で有利である。流路212，213は同一であるので測定を比較できる。例を図5cの下線に示した。

キャリブレーションをするために一つの試料、例えば第一の試料250を既知イオン濃度の既知試料とすることができる。したがって、第一の試料250の信号をキャリブレーションに使うことができ、第二の試料251及び第二の流路213からの信号と比較することが出来る。荷電粒子の濃度を当業者に知られている方法で測定することができる。

複数の流路を、例えば多項目測定の実行、処理量の加速、又は測定統計の増加のため並列に配置することが出来ることは明らかである。

図6aは、試料中のイオン濃度を測定するための装置のさらに別の実施形態を示しており、流路312は実質的に曲がっていて、第一の電気泳動電極364を含む第一のリザーバー314を、第二の電気泳動電極366を含む第二のリザーバー316と同じ基板の側に配置している。電気泳動電極364，366の両方の接点を装置の上記側に配置することで装置の上記側で容易に接触できる。また、導電性電極372，374が第二のリザーバー366の付近で流路312のその位置における荷電種の導電性を測定するために設けられている。導電性電極372，374を、導電性電極の接点のように装置又は基板の同じ側で配列された接点を介して接続してもよい。このように、接点を備えた装置の一部分のみが測定装置と接触するように配置すればよく、開口322に置かれた膜330への自由なアクセスを保証することが出来る。そのような装置では、装置を測定及び／又は制御装置に挿入又は接触させておく一方で、例えば指先で膜330に触れることで、容易にアクセスすることが可能であ。流路312は開口322及び電極372，374の間で直線であるため、試料を含む流路312を曲げる必要がないので、これにより測定の正確性に影響したり、又は測定を難航させたりすることもない。

図6bは図6aに示されている実施形態を改変したものを示しており、第一の開口422と同じ膜430で覆われている第二の開口423を流路412の中に備える。したがって、膜430の上の試料は実質的に同時に流路412の開口422，423の両方を通して拡散されるだろう。電場を電気泳動電極464，466へ適用することにより、電圧の極性により、例えば陽性荷電種又はイオンは第二の電気泳動電極466へ向かって第一の流路セクション411に移動させられる。同様に、陰性荷電種は第一の電気泳動電極464へ向かって流路セクション412に移動する。導電性電極472，474及び471，473は陽性荷電種及び陰性荷電種の両方の測定を可能にする。したがって、両方の電荷の荷電種を並行して測定することができる。

図7は図2に示されている本発明の装置を改変したものを示している。膜ホルダー32を第二の層20の上に載せる。膜30を、例えば膜ホルダー32の上又は中に接着して取り付ける。したがって、膜ホルダーを装置の上に載せる前に、膜を膜ホルダーに組み立てることが出来る。

膜ホルダー32はプラスチック素材から作ることができる。

この実施形態では、膜ホルダー32が膜30の受容セクションを提供する“コップ”状又はリング状の構造を形成する。膜の上側の表面は膜ホルダーの“コップ”状構造の上側の縁と実質的に面一である。膜ホルダーは、したがって膜30のフレームとともに、試料と接触するために残された膜のはっきりと画定された表面領域を提供する。このようにして、膜と接触する試料の量は、試料が膜よりかなり大きくても、容易及び効率的に制御することができる。

膜ホルダーの壁を膜の厚さよりも高くして、“コップ”の底に膜を備えた “コップ”状又はリング状構造(図示せず) を試料のために提供することができる。このコップは膜の上に試料を収集するのに使用できる。

膜ホルダー32は、膜30の迅速で容易な交換又は代替を可能にする。膜30を交換することにより、装置を簡単に別の測定に適合させることができ、例えば異なる孔の大きさの膜を用いると、濾過された又は流路に入った成分の大きさを特別な測定の必要性に合わせて調整できる。

膜ホルダー32はさらに、例えばクリック一つで即座に固定する方法で第一の被覆層の上に膜30を簡単に固定することを可能にする。

膜ホルダー32は漏れや蒸発などを防ぐためにその上に第二の被覆層40を有することが出来る。

図8a及び図8bは、流路12の中の試料又は成分のテーリングを防ぐ追加のアンチテーリング電極65を備えた本発明の実施形態を示している。アンチテーリング電極65は第一の被覆層20と膜30との間に示されている。しかし、アンチテーリング電極65は別のやり方で第一の被覆層20の上側又は開口22に配置してもよい。図8aは、図3eに示され説明されている装置と同じ状態でアンチテーリング電極65を備えた装置を示している。図1-3に説明されている装置や方法がそのとおり当てはまり、濾過された試料は、したがって上記のように膜30や第一の開口22を通って流路12に拡散することができる。

図3fに例示され説明されているように濾過された試料の一部を電気泳動的に分離するために、流路12に沿って電場を適用する前又は同時に、アンチテーリング電極65に電圧が追加的にかけられる。したがって、試料成分の一部も図8bの矢印800に示されているように第一の開口22から膜30に向かって逆流する。電場は、濾過された試料の荷電種を分離し、流路12の端のリザーバー14，16及び膜30に向かって荷電種を移動させる。したがって、分離を開始した後に試料成分は流路に入らない。この結果、測定の正確性が高まる。

追加の電極65も複数の電極からなってよく、測定前又は測定中のパラメーター検出に使ってもよい。

図9aから図9dは、流路12の中の唯一の開口22を使って、どのようにバックグラウンド電解液（BGE）又はその他の溶液などの流体を図1‐3について説明されている装置の流路12に挿入できるのかを示している。図9aはいずれの流体を挿入する前の図2の装置を例示している。流体14の一滴を図9bに示されているように膜30に置く。流体14はその後、流路12の開口22を覆うまで膜30に流れ込む。このとき、図9cに例示しているように、流体そのものはさらに流路12に入ることはない。なぜなら、流路12には空気又は気体があるからである。流路12の中の空気又は気体は、流体14に覆われた唯一の開口22を通らないと流路12から出ることができない。図9dは、バキュームを適用する(矢印900で示されている)ことにより流路12内の空気又は気体が吸い上げられるので、流体14が流路12に入ることを示している。

図10は、血液やその他の試料などの流体をマイクロ流路12にサンプリングする別の方法を示している。第二の開口23は第一の開口22から少し離れたところに設けることができる。両方の開口22，23は、流路12によって繋がっている。流路12は前記開口22，23以外に開口を有さず、それ以外は密閉されていることが好ましい。しかし、第二の開口23は膜で覆われていない。試料が第一の開口22へ適用されたとき、流路12の中の流体は第二の開口23を通って出てることができる。

流体の蒸発を防ぐために、流体が流路12に満たされた後、第二の開口23はポリマー層で覆うか、又は閉止してもよい。サンプリングの間は、第二の開口23はとにかく空気に連通している必要があり、試料によって直接覆われてはいけない。

電極への接続部を装置の一つの側に配置して、測定装置への容易な取り付け及び接続を可能にすることもできる。装置が、患者によって操作可能な測定装置に一回の測定のために挿入される使い捨てチップの形態であるときに、容易なアクセスは特に重要である。

装置2は、測定や制御、コミュニケーションインターフェイス、ディスプレイインターフェイスのための電子機器や電源電子機器への接続を可能にする適当なインターフェイスを備えた容器内に包入してもよい。

開口22は基板10の上側の表面に形成されると説明した。しかし、開口22は装置2の他のいずれの場所、例えば側面に作ることが出来る。

患者は、血液のイオン濃度を測るために装置2を簡単に使用できる。例えば、双極性気分障害で苦しむ患者らは定期的に血液のリチウムイオン濃度を測定できる。濃度が危機的レベル（e.g. 0.4 mmol/L）を下回ったら患者は余分なリチウムを摂取することが出来る。濃度が危機的レベル（e.g. 0.1 mmol/L）を上回ったら患者は治療を止めるか減らすことができ、必要ならば入院をすることも可能である。

リチウムイオンの測定に関して装置2の使用を説明してきた。この装置2は、腎臓の機能を観察するためにカリウム及び／又はリン酸イオンの測定に使用したり、脱水症状を測るためにナトリウム及び／又はカリウムイオンの測定に使用することが出来る。

本発明の装置は医療分野以外でも応用できる。例えば、環境分野や他の分野で装置を使う際には、同装置を経時的に使えるようにすることが望ましい。この場合、本装置はそれぞれが被覆を有する複数の開口22を備えてもよい。自身の被覆を定期的に複数の開口22の異なるものから取り除くことにより、繰り返し測定できるようにすることも可能である。

本発明をいくつかの実施形態に関して説明してきた。しかし、本発明がこれに限らないことは当業者にとって明らかである。本発明の範囲は下記の請求の範囲によって解釈されるべきである。

Claims (19)

1. 複数種の荷電種及び少なくとも一つの不溶性成分を有する試料中の荷電種の濃度の測定方法であって：
   −試料(50)の成分を通過させて流路(12)に導く部分透過層(30)が配置された一つ又はそれ以上の開口(22)を備えるとともに前記流路(12)を被覆する層(20)と、前記開口(22)を覆う保護カバー(40)とを備え、前記流路(12)が流体で予め満たされて前記開口(22)以外で密閉されている装置を用意し、
   −保護カバー(40)を取り除き、
   −前記部分透過層(30)の表面に試料(50)を提供して、試料(50)の成分を前記層(20)の開口(22)から流路(12)へ通過させ、
   −流路(12)中の成分をセクションに分離して、これらのセクションの少なくとも一つのセクションのそれぞれが実質的に複数種の荷電種のうちの単一の種を含むようにし、
   −セクション中の種の濃度を測定する、
   ことを特徴とする測定方法。
2. 更に、少なくとも一つのセクションの導電性を測定することを含む請求項1に記載の方法。
3. 複数種のうちの第一の種の荷電種の濃度を複数種の荷電種のうちの第二の種との対比で測定する請求項1又は2に記載の方法。
4. 成分をセクションに分離することはキャピラリー電気泳動に基づいている請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記部分透過層(30)は実質的に細胞物質を透過できないものである請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
6. 試料(50)の成分が前記層(20)の開口(22)から流路(12)へ通過することは、流路(12)の第二の開口(23)によってもたらされる対流に基づく請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
7. 更に、試料(50)の成分を前記層(20)の開口(22)から流路(12)へ通過させる前に、装置のキャリブレーション又はシステムチェックのための少なくとも一つのパラメーターを測定することを含む請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記層(20)が局部的に前記部分透過層(30)として作用するように作られた高分子フィルムである請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
9. 複数種の荷電種及び少なくとも一つの不溶性成分を有する試料中の荷電種の濃度の測定装置であって：
   −少なくとも一つの流路(12)と、
   −試料(50)の成分を通過させて流路(12)に導く部分透過層(30)が配置された少なくとも一つの開口(22)を備えるとともに前記流路(12)を被覆する層(20)と、
   −該開口(22)を覆う保護カバー(40)と、
   −前記少なくとも一つの開口(22)を間に挟むようにして、前記流路(12)に沿って配置された少なくとも二つの電極(64，66)と、
   −前記流路(12)中の少なくとも一つの種類の荷電種を測定する少なくとも一つのセンサーからなり、
   前記少なくとも一つの流路(12)は予め流体で充填されて前記少なくとも一つの開口(22)以外で密閉されている装置。
10. 前記部分透過層(30)は細胞物質を透過できないものである請求項９に記載の装置。
11. 少なくとも一つの流路(12)の幅又は高さが100μm又はそれ以下である請求項９または１０に記載の装置。
12. 少なくとも一つのセンサーには導電性電極が含まれる請求項９乃至１１のいずれか一項に記載の装置。
13. 更に、少なくとも一つの電極(65)を前記層(20)の上側又は少なくとも一つの開口(22)に配置することからなる請求項９乃至１２のいずれか一項に記載の装置。
14. 少なくとも一つの流路(12)は、少なくとも一つの流路(12)の第一の端の第一のリザーバー(14)と第二の端の第二のリザーバー(16)を含み、第一のリザーバー(12)と第二のリザーバー(14)がそれぞれ一つの電気泳動電極を備えてなる請求項９乃至１３のいずれか一項に記載の装置。
15. 少なくとも一つの流路(12)、電気泳動電極(64，66)、少なくとも一つのセンサー、及び前記層(20)が装置(2)に一体化されている請求項９乃至１４のいずれか一項に記載の装置。
16. 前記層(20)は少なくとも一つの流路(12)に向かう一つの第一の開口(22)及び少なくとも一つの第二の開口(23)を有し、この少なくとも一つの流路(12)が当該開口(22, 23)以外では密閉されている請求項９乃至１５のいずれか一項に記載の装置。
17. 複数種の荷電種及び少なくとも一つの不溶性成分を有する試料中の荷電種の濃度の測定装置(2)の製造方法であって、
    −基板(10)を設け、
    −第一の被覆層(20)を設け、
    −基板(10)又は第一の被覆層(20)の中に流路(12)を形成し、
    −試料(50)の成分を通過させて流路(12)に導く部分透過層(30)が配置された少なくとも一つの開口(22)を前記層(20)に設けるとともに、第一の被覆層(20)と基板(10)とで流路(12)を閉鎖することにより、第一の被覆層(20)と基板(10)との両者によって流路(12)を少なくとも一つの開口(22)に連通させ、
    −流路(12)を流体で予め満たした後、前記流路(12)を前記少なくとも一つの開口(22)以外で密閉し、
    −前記層(20)の上に保護カバー(40)を置くことからなる製造方法。
18. 前記流体は電解液である請求項１７に記載の製造方法。
19. 流路(12)を満たすことは、空気を排出し、電解液を流路(12)へ吸い上げることで行われる請求項１８に記載の製造方法。

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