JP5650599B2 - 流速測定装置および流速測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、微小な流路を流れる試料流体の流速を測定する流速測定装置に関するものである。

従来より、基板表面に設けられた金や銀などの金属薄膜表面から数百［ｎｍ］の範囲における屈折率変化を選択的に検出する表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ：Surface Plasmon Resonance）測定法（以下、「ＳＰＲ法」と言う。）が知られている（例えば、特許文献１参照。）。このＳＰＲ法では、その金属薄膜表面に数百［ｎｍ］分子認識膜があると、その薄膜の屈折率を選択的に測定することができる。また、微小体積の測定でもバルク測定と同じ感度で測定することができる。このため、ＳＰＲ法は、例えば、分子認識分子とこの分子認識分子に特異的に結合する分子（以下、「特異結合分子」と言う。）との反応を測定する際に用いられている。この測定では、マイクロ流路の壁面に分子認識分子を固定しておき、特異結合分子をマイクロ流路の上流側から供給して、特異結合分子が分子認識分子を固定した部分を通過させることによりそれらを反応させて、特異結合分子が分子認識分子に結合する速度、すなわち吸着速度を測定している。

そのようなマイクロ流路内を液体が移動する速度は、その流路の内壁面で、化学反応、電気化学反応、吸着反応、反発反応などが行われる際、その反応速度を左右する重要な制御指標である。特に微小なスケールでの合成や微小なサンプルの体積を測定するためのマイクロ流路では、流路内の単位長さ当りの体積Ｖとその単位長さにおける流路壁面の面積Ｓとの比（Ｓ／Ｖ）が大きいため、壁面の影響が大きく現れるので、流路壁面近傍の流速を測定することが重要である。

上述したような分子認識分子と特異結合分子との反応を測定する場合、一般にマイクロ流路内の流体の流れは層流になるので、分子認識分子が固定された壁面に対して垂直な方向には拡散によって、その流れに平行な方向には流れによって、特異結合分子が供給される。したがって、その反応は、流速が十分に速い場合には結合速度律速になるが、流速が遅い場合には物質供給律速や拡散律速になる。このため、ＳＰＲ法により屈折率の変化として測定される吸着速度がどのような律速過程に支配されているかは、流速に依存することとなる。特に壁面から１［μｍ］以下の範囲では、拡散、物質供給および吸着の全ての反応を考慮する必要があるので、その範囲における流速を測定することは、その分子認識分子と特異吸着分子の反応測定と制御に重要である。

上述したように、マイクロ流路中の流体の流れは層流になるので、一般的には、その流速分布は流路の断面形状から推定することができる（例えば、非特許文献１参照。）。ところが、マイクロ流路の壁面付近では、分子が有限な大きさを有するためにその壁面の平滑性の影響を受けるので、壁面から１［μｍ］以下の流速は連続流体と考えて推定することができない。

そこで、屈折率の異なる２つの液体を順次流路に流して、流路内に屈折率の空間分布を形成することにより、ＳＰＲ法を用いて流速を測定することが提案されている。このようなマイクロ流路を備えたフローセルの一例を図１７に示す。

図１７に示すフローセルは、ＳＰＲ法による測定用の金薄膜を形成した透明基板上に、両面テープを加工して作成した流路パターンを貼り付け、この上にアクリル平板を接着することにより形成されたマイクロ流路１００１を備える。ここで、マイクロ流路１００１の高さを規定する両面テープの厚さは７０［μｍ］である。また、マイクロ流路１００１は、幅１ｍｍ、長さ５ｍｍであり、一端にはチューブが接続される供給部１００２が設けられている。この供給部１００２には、異なる液体を連続して供給できるように、ＦＥＰ（Fluorinated Ethylene Propylene）チューブを介して２台のシリンジポンプ１００３，１００４（ＣＭＡ社 ＣＭＡ−２０）が接続されている。この２台のシリンジポンプ１００３，１００４は、ＲＳ２３２Ｃインターフェースを介して制御装置１００５に接続されており、この制御装置１００５により同期して流量を調整するプログラムで制御されている。

このようなマイクロ流路１００１に対して、まず、図１８に示すように、シリンジポンプ１００３から５［μＬ／ｍｉｎ］の体積流速で免疫実験用ブロッキング剤（ＤＳファーマバイオメディカル株式会社製、濃度１０％のBlockAce溶液）（以下、「ブロッキング剤」と言う。）を送液した。ＳＰＲ法により屈折率を確認した後、シリンジポンプ１００３を停止するとともにシリンジポンプ１００４から送液を開始した。このシリンジポンプ１００４からは、抗原が１［μＬ／ｍｉｎ］溶解している牛乳を送液した。このときの屈折率をＳＰＲ法により測定した結果を図１９に示す。この図１９に示すように、マイクロ流路１００１に沿った方向における屈折率の時間変化は、屈折率、位置および時刻の３軸からなる３次元形状で表される。

この図１９からわかるように、シリンジポンプ１００３からのブロッキング剤を流した後、シリンジポンプ１００４からブロッキング剤よりも屈折率が低い牛乳を流したことにより、図中のａ−ａ’で示すように上流から下流に移動する屈折率の境界を観測することができる。この図１９に示す屈折率を時間で微分すると、図２０に示すように、屈折率の境界で絶対値が大きな値をとり、それ以外の場所と時刻では０に近い値をとる屈折率変化速度の二次元分布図が得られる。この図２０における屈折率変化速度の最大値を結ぶ線分の傾きを測ると、２００［ｐｉｘｅｌ／ｓｅｃ］であった。この実験で用いたＳＰＲ法による測定装置では、１ピクセルが１０［μｍ］に相当するので、線流速は２［ｍｍ／ｓｅｃ］であることが測定された。このような方法により流速を測定すると、シリンジポンプ１００３，１００４の駆動状態など、その流速を実現したときのフローセルの各構成要素の状態を記録しておく。そして、上述したような分子認識分子と特異結合分子との反応を測定する際に、その記録しておいた状態と同じ状態を再現してフローセルに試料溶液を流して特定の流速を実現することにより、その反応測定や制御を実現することができる。

国際公開第２００９／０９０９８５号

Kenneth S. Breuer, Microscale Diagnostic Techniques" Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2005, page 81, 93

しかしながら、上述したようなマイクロ流路では、供給部１００２に異なる溶液を順次供給するため、供給部１００２内部で２つの試料溶液が混ざり合うことによりそれらの界面に乱れが生じるので、ＳＰＲ法により測定された屈折率の境界に誤差が生じてしまい、結果として、流速の測定精度を向上させることが困難であった。

そこで、本発明は、流速の測定精度を向上させることができる流速測定装置および流速測定方法を提供することを目的とする。

上述したような課題を解決するために、本発明に係る流速測定装置は、試料溶液が供給される供給部と、この供給部に一端が接続され、供給部に供給された試料溶液が移送される流路と、この流路の途中に設けられた検出領域と、供給部と検出領域との間に設けられ、通過する試料溶液の屈折率を変化させる屈折率変化部と、検出領域における屈折率の分布の時間変化を測定する測定部と、屈折率変化部により屈折率が変化させられた試料溶液の屈折率変化領域に対する測定部による測定結果から、試料溶液の流速を演算する演算部とを備えたことを特徴とするものである。

上記流速測定装置において、屈折率変化部は、供給部に供給される試料溶液と屈折率が異なる他の試料溶液を流路に導入する導入機構から構成されるようにしてもよい。

また、上記流速測定装置において、屈折率変化部は、試料溶液に対して電気化学反応を生じさせる電極から構成されるようにしてもよい。

また、上記流速測定装置において、屈折率変化部は、試料液体の温度を変化させるヒータから構成されるようにしてもよい。

また、上記流速測定装置において、検出領域は、流路中の試料溶液の流れる方向に対して直交する方向に沿って設けられ、演算部は、検出領域の各部において屈折率変化領域が検出領域を通過した時刻に基づいて、試料溶液の流速を演算するようにしてもよい。

また、上記流速測定装置において、演算部は、屈折率変化領域が検出領域を通過した時刻の分布に基づいて流路を流れる試料溶液の相対的な流速分布を演算するようにしてもよい。

また、本発明に係る流速測定方法は、試料溶液が供給される供給部と、この供給部に一端が接続され、供給部に供給された試料溶液が移送される流路と、この流路の途中に設けられた検出領域と、供給部と検出領域との間に設けられ、通過する試料溶液の屈折率を変化させる屈折率変化部とを備えた流速測定装置における流速測定方法であって、検出領域における屈折率の分布の時間変化を測定する測定ステップと、屈折率変化部により屈折率が変化させられた試料溶液の屈折率変化領域に対する測定ステップによる測定結果から、試料溶液の流速を演算する演算ステップとを有することを特徴とするものである。

上記流速測定方法において、検出領域は、流路中の試料溶液の流れる方向に対して直交する方向に沿って設けられ、演算ステップは、検出領域の各部において屈折率変化領域が検出領域を通過した時刻に基づいて、試料溶液の流速を演算するようにしてもよい。

本発明によれば、通過する試料溶液の屈折率を変化させる屈折率変化部を供給部と検出部との間に設けることにより、２つの試料溶液が混ざり合うことによりそれらの界面に乱れが生じるのを防ぎ、試料溶液における屈折率の境界部分に誤差が発生するのを抑制できるので、試料溶液の流速の測定精度を向上させることができる。

図１は、本発明の第１の参考例に係る送液装置の構成を模式的に示す図である。 図２は、図１におけるフローセルのI-I線による断面図である。 図３は、本発明の第１の参考例に係る送液装置の動作を説明するための図である。 図４は、本発明の実施の形態に係る送液装置の構成を模式的に示す図である。 図５は、図４におけるフローセルのII-II線による断面図である。 図６は、作用電極に印加される電圧を説明するための図である。 図７は、本発明の第２の参考例に係る送液装置の構成を模式的に示す図である。 図８は、図７におけるフローセルのIII-III線による断面図である。 図９は、ヒータの構成を説明するための要部拡大図である。 図１０は、ヒータに供給される電流を説明するための図である。 図１１は、本発明の第３の参考例に係る送液装置の構成を模式的に示す図である。 図１２は、図１２におけるフローセルのIV-IV線による断面図である。 図１３は、図１２のフローセルに送液した際のＳＰＲ法による測定結果を示す図である。 図１４は、図１３における屈折率の境界部分のみを抽出した図である。 図１５は、図１３の測定結果に対する時間微分の演算結果を示す図である。 図１６は、図１５における最大時間傾斜をプロットした図である。 図１７は、マイクロ流路を備えたフローセルの構成を模式的に示す図である。 図１８は、図１７のフローセルへの送液動作を説明するための図である。 図１９は、図１７のフローセルに送液した際のＳＰＲ法による測定結果を示す図である。 図２０は、図１９の測定結果に対する時間微分の演算結果を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。

［第１の参考例］
まず、本発明の第１の参考例について説明する。

＜流速測定装置の構成＞
図１，図２に示すように、本参考例に係る流速測定装置１は、試料溶液が移送される流路を備えたフローセル１１と、このフローセル１１に試料溶液を供給する第１供給ポンプ１２および第２供給ポンプ１３と、フローセル１１の流路を移送された試料溶液を吸引する第１吸引ポンプ１４および第２吸引ポンプ１５と、これらのポンプの動作制御およびフローセル１１を流れる試料溶液の流速測定を行う制御装置１６とから構成される。

≪フローセルの構成≫
フローセル１１は、例えばガラスやアクリル樹脂などの光を透過する材料から構成され、上面にＳＰＲ法による測定用の金薄膜が形成された下部基板１１ａと、例えば両面テープなどから構成され、所定のパターンが形成されて下部基板１１ａ上に設けられた中間部材１１ｂと、例えばアクリルなどの板から構成され、中間部材１１ｂ上に設けられた上部基板１１ｃとから構成される。

これらの下部基板１１ａ、中間部材１１ｂおよび上部基板１１ｃには、上部基板１１ｃに形成され、試料溶液が供給される第１供給口１１１と、中間部材１１ｂに形成され、第１の方向（以下、「Ｘ方向」と言う。）に延在し第１供給口１１１に一端が接続された第１流路１１２と、上部基板１１ｃに形成され、第１流路１１２の他端が接続された第１排出口１１３と、上部基板１１ｃに形成され、試料溶液が供給される第２供給口１１４と、中間部材１１ｂに形成され、第１の方向に直交する第２の方向（以下、「Ｙ方向」と言う。）に延在し、一端が第２供給口１１４、他端が第１流路１１２に接続された第２流路１１５と、中間部材１１ｂにおける第１流路１１２を挟んで第２流路１１５と反対側に形成され、Ｙ方向に延在して一端が第１流路１１２に接続された第３流路１１６と、上部基板１１ｃに形成され、第３流路１１６の他端が接続された第２排出口１１７とが形成されている。また、第１流路１１２において、第３流路１１６の一端が接続された部分と、第１排出口１１３との間には、ＳＰＲ法による測定が行われる測定領域１１８が設定されている。この測定領域１１８は、検出部として機能する。また、第１流路１１２、第２流路１１５および第３流路１１６は、導入機構として機能する。
便宜上、Ｘ方向において、第１供給口１１１から第１排出口１１３に向かう側を「正」の側とする。また、Ｙ方向において、第２供給口１１４から第１流路１１２に向かう側、言い換えると、第１流路１１２から第２排出口１１７に向かう側を「正」の側とする。さらに、Ｘ方向およびＹ方向に直交する方向、すなわち、下部基板１１ａ、中間部材１１ｂおよび上部基板１１ｃの積層方向をＺ方向とする。このＺ方向において、下部基板１１ａから上部基板１１ｃに向かう側を「正」の側または上とし、逆に上部基板１１ｃから下部基板１１ａに向かう側を「負」の側または下とする。

ここで、第２流路１１５と第３流路１１６は、Ｘ方向およびＹ方向にずれた位置に形成されている。すなわち、第３流路１１６の方が第２流路１１５よりもＸ方向の正の側（下流側）に設けられている。また、第１流路１１２に対して、第２流路１１５がＹ方向の負の側、第３流路１１６がＹ方向の正の側に設けられている。

第１供給口１１１は、上部が上部基板１１ｃから開口する凹部からなる。この第１供給口１１１には、ＦＥＰチューブ等を介して第１供給ポンプ１２が接続されている。

第１流路１１２は、下部基板１１ａの上面、中間部材１１ｂに形成された流路パターンおよび上部基板１１ｃの下面により構成される管状の空間から構成される。この第１流路１１２は、Ｘ方向に延在しており、Ｘ方向における負の側の端部が第１供給口１１１に接続され、Ｘ方向における正の側の端部が第１排出口１１３に接続されている。

第１排出口１１３は、上部が上部基板１１ｃから開口する凹部からなる。この第１排出口１１３には、ＦＥＰチューブ等を介して第１吸引ポンプ１４が接続されている。

第２供給口１１４は、上部が上部基板１１ｃから開口する凹部からなる。この第２供給口１１４には、ＦＥＰチューブ等を介して第２供給ポンプ１３が接続されている。

第２流路１１５は、下部基板１１ａの上面、中間部材１１ｂに形成された流路パターンおよび上部基板１１ｃの下面により構成される管状の空間から構成される。この第２流路１１５は、Ｙ方向に延在しており、Ｙ方向の負の側の端部が第２供給口１１４に接続され、Ｙ方向の正の側の端部が第１流路１１２に接続されている。

第３流路１１６は、下部基板１１ａの上面、中間部材１１ｂに形成された流路パターンおよび上部基板１１ｃの下面により構成される管状の空間から構成される。この第２流路１１５は、Ｙ方向に延在しており、Ｙ方向の負の側の端部が第１流路１１２に接続され、Ｙ方向の正の側の端部が第２排出口１１７に接続されている。

第２排出口１１７は、上部が上部基板１１ｃから開口する凹部からなる。この第２排出口１１７には、第２吸引ポンプ１５が接続されている。

本参考例において、第１流路１１２，第２流路１１５および第３流路１１６の高さを規定する両面テープからなる中間部材１１ｂの厚さは７０［μｍ］とした。また、第１流路１１２，第２流路１１５および第３流路１１６は、幅１ｍｍ、長さ５ｍｍとした。

≪第１，第２供給ポンプおよび第１，第２吸引ポンプの構成≫
第１供給ポンプ１２、第２供給ポンプ１３、第１吸引ポンプ１４および第２吸引ポンプ１５は、それぞれ公知のシリンジポンプ（例えば、ＣＭＡ社 ＣＭＡ−２０）から構成され、制御装置１６からの制御信号に基づいて動作することにより、所定量の試料溶液の供給または吸引を行う。

≪制御装置の構成≫
制御装置１６は、駆動制御部１６ａと、測定部１６ｂと、演算部１６ｃとを備えている。

駆動制御部１６ａは、流速測定装置１の構成要素に対して制御信号を送出することにより、流速測定装置１の駆動を制御する機能部である。具体的には、ＲＳ２３２Ｃインターフェース等を介して接続された第１供給ポンプ１２、第２供給ポンプ１３、第１吸引ポンプ１４および第２吸引ポンプ１５に対して制御信号を送信することにより、それらのポンプを同期させて駆動させる。

測定部１６ｂは、特許文献１に記載されたような公知のＳＰＲ法により、測定領域１１８における屈折率の分布の時間変化を測定する機能部である。本参考例において、測定部１６ｂは、試料流体の流れ方向に沿った測定領域１１８における屈折率を測定する。具体的には、第１流路１１２の延在方向、すなわち、Ｘ軸に沿った中心軸上の所定の区間における屈折率の分布を測定する。この測定を所定時間行うことにより、屈折率の分布の時間変化が測定結果として出力される。

演算部１６ｃは、測定部１６ｂの測定結果に基づいて、測定領域１１８を通過する試料溶液の流速を演算する機能部である。

このような制御装置１６は、ＣＰＵ等の演算装置と、メモリ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等の記憶装置と、キーボード、マウス、ポインティングデバイス、ボタン、タッチパネル等の外部から情報の入力を検出する入力装置と、インターネット、ＬＡＮ（Local Area Network）、ＷＡＮ（Wide Area Network）等の通信回線を介して各種情報の送受信を行うＩ／Ｆ装置と、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）や有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイ等の表示装置を備えたコンピュータと、このコンピュータにインストールされたプログラムとから構成される。すなわちハードウェア装置とソフトウェアとが協働することによって、上記のハードウェア資源がプログラムによって制御され、駆動制御部１６ａ、測定部１６ｂ、演算部１６ｃが実現される。なお、上記プログラムは、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、メモリカードなどの記録媒体に記録された状態で提供されるようにしてもよい。

＜流速測定装置の動作＞
次に、図３を参照して、本参考例に係る流速測定装置の動作について説明する。

初めに、予め第１流路１１２，第２流路１１５および第３流路１１６の内部を、第１供給ポンプ１２から供給される試料溶液で満たし、その内部に含まれる気泡を取り除いておく。

次に、制御装置１６の駆動制御部１６ａは、第１供給ポンプ１２および第１吸引ポンプ１４を動作させるとともに、第２供給ポンプ１３および第２吸引ポンプ１５を停止させた状態とする（ステップＳ１，Ｓ２）。これにより、第１供給ポンプ１２から供給される試料溶液は、第１供給口１１１から第１流路１１２を通り、第１排出口１１３から第１吸引ポンプ１４に吸引される。本参考例では、第１供給ポンプ１２から供給される試料溶液として牛乳を用い、この牛乳を５［μＬ／ｍｉｎ］の体積流速で送液した。この状態において、測定部１６ｂにより測定を行うと、図１８の時刻１０［ｓｅｃ］以前のように、時間によらず一定の屈折率を示すデータを得ることができた。

次に、駆動制御部１６ａは、第１供給ポンプ１２および第１吸引ポンプ１４を停止させるとともに、第２供給ポンプ１３および第２吸引ポンプ１５を駆動させる（ステップＳ３，Ｓ４）。これにより、第２供給ポンプ１３から供給される試料溶液は、第２供給口１１４から第２流路１１５を通り、第１流路１１２の一部を通過して第３流路１１６を流れ、第２排出口１１７から第２吸引ポンプ１５に吸引される。本参考例においては、第２供給ポンプ１３から供給される試料溶液として免疫実験用ブロッキング剤（ＤＳファーマバイオメディカル株式会社製、濃度１０％のBlockAce溶液）（以下、「ブロッキング剤」と言う。）を用い、このブロッキング剤が第２排出口１１７に到達する時間だけ、第２供給ポンプ１３および第２吸引ポンプ１５を駆動させた。これにより、第１流路１１２は、第２流路１１５が接続された部分と、第３流路１１６が接続された部分との間の領域に、ブロッキング剤が導入された状態となる。すなわち、第１流路１１２において、牛乳の間にブロッキング剤が挟まれた状態となる。このとき、ブロッキング剤は、第２流路１１５から第１流路１１２の一部を通過して第３流路１１６に流れ込んでいるので、第２流路１１５内部の牛乳とほとんど混ざり合っていない状態である。したがって、第２流路１１５内部の牛乳とブロッキング剤とは、その界面にほとんど乱れが生じていない状態となっている。

ブロッキング剤が第２排出口１１７に到達すると、駆動制御部１６ａは、上述した場合と同様に、再び第１供給ポンプ１２および第１吸引ポンプ１４を動作させるとともに、第２供給ポンプ１３および第２吸引ポンプ１５を停止させる（ステップＳ５，Ｓ６）。すると、第１流路１１２の、第２流路１１５が接続された部分と、第３流路１１６が接続された部分との間の領域に位置するブロッキング剤は、屈折率変化領域として機能し、牛乳に挟まれた状態で測定領域１１８を通過する。このとき、測定部１６ｂにより、測定領域１１８の屈折率の時間変化を測定し、演算部１６ｃにより、その測定結果に基づいて測定領域１１８を通過した試料溶液の流速を背景技術の欄において図１９を参照して説明した方法と同様の方法により演算した。すなわち、測定部１６ｂの測定結果における屈折率を時間で微分することにより屈折率変化速度の二次元分布図を取得し、この分布図における屈折率変化速度の最大値を結ぶ線分の傾きを求め、この傾きにその二次元分布図における画素と実際の長さとの比を乗ずることにより、流速を演算した。すると、流速２［ｍｍ／ｓｅｃ］という結果を得ることができた。

このような流速の測定において、図１７に示したフローセルでは、供給部１００２に異なる溶液を順次供給するため、供給部１００２内部で２つの液体が混ざり合うことによりそれらの界面に乱れが生じていた。これに対して、本参考例では、上述したように、第１の流路１０２の途中をブロッキング剤が通過するようにしたので、牛乳とブロッキング剤との界面の乱れが少ないため、測定誤差を小さくすることができた。

以上説明したように、本参考例によれば、第２流路１１５および第３流路１１６から構成される導入機構を設けることにより、２つの試料溶液が混ざり合うことによりそれらの界面に乱れが生じるのを防ぎ、試料溶液における屈折率の境界部分に誤差が発生するのを抑制できるので、試料溶液の流速の測定精度を向上させることができる。

また、本参考例によれば、上述した構成を備えることにより、第１流路１１２中の４００［ｎｍ］壁面近傍の流速の測定を実現することができる。

なお、本参考例では、第２流路１１５と、第３流路１１６とが、第１流路１１２に対してＹ方向の異なる側に設ける場合を例に説明したが、第１流路１１２に対してＹ方向の同じ側に設けるようにしてもよい。

［本発明の実施の形態］
次に、本発明の実施の形態について説明する。

＜流速測定装置の構成＞
図４，図５に示すように、本実施の形態に係る流速測定装置２は、試料溶液が移送される流路を備えたフローセル２１と、このフローセル２１に試料溶液を供給する供給ポンプ２２と、フローセル２１の流路を移送された試料溶液を吸引する吸引ポンプ２３と、供給ポンプ２２および吸引ポンプ２３の動作を制御する制御装置２４とから構成される。
≪フローセルの構成≫
フローセル１２１は、例えばガラスやアクリル樹脂などの光を透過する材料から構成され、上面にＳＰＲ法による測定用の金薄膜が形成された下部基板２１ａと、例えば両面テープなどから構成され、所定のパターンが形成されて下部基板２１ａ上に設けられた中間部材２１ｂと、例えばアクリルなどの板から構成され、中間部材２１ｂ上に設けられた上部基板２１ｃとから構成される。

これらの下部基板２１ａ、中間部材２１ｂおよび上部基板２１ｃには、上部基板１１ｃに形成され、試料溶液が供給される供給口２１１と、中間部材２１ｂに形成され、Ｘ方向に延在し供給口２１１に一端が接続された流路２１２と、上部基板２１ｃに形成され、流路２１２の他端が接続された排出口２１３とが形成されている。また、流路２１２内部には、供給口２１１に近傍に設けられた補助電極２１４と、この補助電極２１４に並設された作用電極２１５とがさらに設けられており、この作用電極２１５と排出口２１３との間に測定領域２１６が設定されている。この測定領域２１６は、検出部として機能する。

供給口２１１は、上部が上部基板２１ｃから開口する凹部からなる。この供給口２１１には、ＦＥＰチューブ等を介して供給ポンプ２２が接続されている。

流路２１２は、下部基板２１ａの上面、中間部材２１ｂに形成された流路パターンおよび上部基板２１ｃの下面により構成される管状の空間から構成される。この流路２１２は、Ｘ方向に延在しており、Ｘ方向の負の側の端部が供給口２１１に接続され、Ｘ方向の正の側の端部が排出口２１３に接続されている。

排出口２１３は、上部が上部基板２１ｃから開口する凹部からなる。この排出口２１３には、ＦＥＰチューブ等を介して吸引ポンプ２３が接続されている。

補助電極２１４は、金属からなり、下部基板２１ａ上においてＹ軸方向に延在する矩形の板の形状を有する。このような補助電極２１４には、制御装置２４により電圧が印加される。

作用電極２１５は、金属からなり、下部基板２１ａ上においてＹ軸方向に延在する矩形の板の形状を有する。このような作用電極２１５には、制御装置２４により電圧が印加される。

本実施の形態において、補助電極２１４および作用電極２１５は、スパッタ法およびリフトオフ法によって下部基板２１ａ上面に所定の形状の白金を設けることにより形成されている。補助電極２１４は、Ｘ方向の長さすなわち幅が１［ｍｍ］、作用電極２１５は、幅が１０［μｍ］に形成されている。ここで、補助電極２１４の方が作用電極２１５よりも電流密度が小さい方が望ましい。

≪供給ポンプおよび吸引ポンプの構成≫
供給ポンプ２２および吸引ポンプ２３は、それぞれ公知のシリンジポンプ（例えば、ＣＭＡ社 ＣＭＡ−２０）から構成され、制御装置２４からの制御信号に基づいて動作することにより、所定量の試料溶液の供給または吸引を行う。

≪制御装置の構成≫
制御装置２４は、駆動制御部２４ａと、測定部２４ｂと、演算部２４ｃとを備えている。

駆動制御部２４ａは、流速測定装置２の構成要素に対して制御信号を送出することにより、流速測定装置２の駆動を制御する機能部である。具体的には、ＲＳ２３２Ｃインターフェース等を介して接続された供給ポンプ２２および供給ポンプ２２に対して制御信号を送信することにより、それらのポンプを同期させて動作させる。また、補助電極２１４および作用電極２１５に対して電圧を印加することにより、それらの電極間に電位差を生じさせて、作用電極２１５の周囲に存在する試料溶液に電気化学的作用を与える。

測定部２４ｂは、特許文献１に記載されたような公知のＳＰＲ法により、測定領域２１６における屈折率の分布の時間変化を測定する機能部である。本実施の形態において、測定部２４ｂは、試料溶液の流れ方向に沿った測定領域２１６における屈折率の分布を測定する。具体的には、測定領域２１６における流路２１２の延在方向、すなわち、Ｘ軸に沿った中心軸における所定の区間の屈折率の分布を測定する。この測定を所定時間行うことにより、屈折率の分布の時間変化が測定結果として出力される。

演算部２４ｃは、測定部２４ｂの測定結果に基づいて、測定領域２１６を通過する試料溶液の流速を演算する機能部である。

このような制御装置２４は、上述した第１の実施の形態における制御装置１６と同様、コンピュータと、このコンピュータにインストールされたプログラムとから構成される。

＜流速測定装置の動作＞
次に、本実施の形態に係る流速測定装置の動作について説明する。

まず、制御装置２４の駆動制御部２４ａは、供給ポンプ２２および吸引ポンプ２３を駆動させ、試料溶液を供給口２１１に供給して、その試料溶液を流路２１２内部に流通させる。本実施の形態においては、試料溶液としてブロッキング剤を用い、供給ポンプ２２から１［μＬ／ｍｉｎ］ で供給口２１１に供給した。

次に、図６に示すように、駆動制御部２４ａにより、作用電極２１５に平衡電位から１００［ｍＶ］のパルスを２秒間印加させた。一般に、電気化学反応では、電極の電位に応じて酸化物と還元物の濃度比が決まる。このとき、電荷の中性を保つために、正負のイオン濃度の偏りが生じ、電極近傍のイオン濃度プロファイルが変化する。この濃度変化は、屈折率の変化としてＳＰＲ法により測定される。また、酸化還元反応が起こらない場合でも、電位に応じて電気二重層が形成される。ＳＰＲ法では、その電気二重層が形成される領域に高い感度があり、電極部分で形成されたイオン濃度勾配が電極外部に流れ出てイオンの再配置が起こる間に屈折率の変化として測定することができる。そこで、本実施の形態では、作用電極２１５に電位を与えることによって、試料溶液中に屈折率の変化が生じた領域（以下、「屈折率変化領域」と言う。）に基づいて、試料溶液の線流速を測定する。

作用電極２１５にパルスが印加されることにより生じた屈折率変化領域は、供給ポンプ２２から供給されるブロッキング剤の流れにより、作用電極２１５近傍から測定領域２１６へと流れてゆく。測定部２４ｂは、ＳＰＲ法により、その測定領域２１６における屈折率を測定する。この測定結果に基づいて、演算部２４ｃは、その測定領域２１６を通過した試料溶液の流速を、上述した第１の参考例における演算部１６ｃと同様の方法により演算する。すると、上述した第１の参考例と同様の測定データを得ることができた。この測定において、図１７に示したフローセルでは、供給部１００２に異なる溶液を順次供給するため、供給部１００２内部で２つの液体が混ざり合うことによりそれらの界面に乱れが生じていた。これに対して、本実施の形態では、屈折率変化領域を１つの試料溶液で形成できるので、そのような界面の乱れが生じないため、測定誤差が小さくすることができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、作用電極２１５を設けることにより、２つの試料溶液が混ざり合うことによりそれらの界面に乱れが生じるのを防ぎ、試料溶液における屈折率の境界部分に誤差が発生するのを抑制できるので、試料溶液の流速の測定精度を向上させることができる。また、屈折率が異なる部分を有する空間分布を１種類の試料溶液で形成することもできる。

［第２の参考例］
次に、本発明の第２の参考例について説明する。なお、本参考例は、上述した本実施の形態における補助電極２１４および作用電極２１５の代わりにヒータを設けたものである。したがって、本参考例において、本発明の実施の形態と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付して適宜説明を省略する。

＜流速測定装置の構成＞
図７〜図９に示すように、本参考例に係る流速測定装置３は、試料溶液が移送される流路を備えたフローセル２１’と、このフローセル２１’に試料溶液を供給する供給ポンプ２２と、フローセル２１の流路を移送された試料溶液を吸引する吸引ポンプ２３と、供給ポンプ２２および吸引ポンプ２３の動作を制御する制御装置２４’とから構成される。

ここで、流路２１２内部には、供給口２１１と測定領域２１６との間にヒータ３１が設けられている。このヒータ３１の平面形状は、図９に示すように、流路２１２内部の方が流路２１２外部よりもＸ方向の幅が細く形成されている。これにより、ヒータ３１の流路２１２内部の方が抵抗が高くなるように設定されている。本参考例において、ヒータ３１は、スパッタ法およびリフトオフ法によって下部基板２１ａ上面に所定の形状の白金を設けることにより形成されている。このヒータ３１を構成する白金は、水溶液による劣化が小さいので、ヒータ材料として好ましい。なお、ヒータ３１の材料としては、白金に限定されず、例えば、金などの貴金属やカーボンを用いるようにしてもよい。

また、制御装置２４’は、駆動制御部２４ａ’と、測定部２４ｂと、演算部２４ｃとを備えている。

駆動制御部２４ａ’は、流速測定装置３の構成要素に対して制御信号を送出することにより、流速測定装置３の駆動を制御する機能部である。具体的には、ＲＳ２３２Ｃインターフェース等を介して接続された供給ポンプ２２および供給ポンプ２２に対して制御信号を送信することにより、それらのポンプを同期させて動作させる。また、ヒータ３１に対して電圧を印加することにより、そのヒータ３１周囲の試料溶液の温度を変化させる。

＜流速測定装置の動作＞
次に、本参考例に係る流速測定装置の動作について説明する。

まず、制御装置２４’の駆動制御部２４ａ’は、供給ポンプ２２および吸引ポンプ２３を駆動させ、試料溶液を供給口２１１に供給して、その試料溶液を流路２１２内部に流通させる。本参考例においては、試料溶液としてブロッキング剤を用い、供給ポンプ２２から１［μＬ／ｍｉｎ］ で供給口２１１に供給した。

次に、図１０に示すように、駆動制御部２４ａ’により、ヒータ３１に１０［ｍＡ］のパルスを２秒間印加した。水溶液の屈折率は温度依存性があるので、ヒータ３１に電流を流すことにより加熱して、そのヒータ３１周囲の試料溶液の温度を上昇させることにより、この温度変化より試料溶液中に屈折率の変化が生じた領域（以下、「屈折率変化領域」と言う。）を形成することができる。なお、試料溶液に加える温度変化は、ＳＰＲ方により屈折率の変化を検出できるのであれば、小さな方が望ましい。

ヒータ３１にパルス電流が印加されることにより生じた屈折率変化領域は、供給ポンプ２２から供給されるブロッキング剤の流れにより、ヒータ３１近傍から測定領域２１６へと流れてゆく。測定部２４ｂは、ＳＰＲ法により、その測定領域２１６における屈折率を測定する。この測定結果に基づいて、演算部２４ｃは、その測定領域２１６を通過した試料溶液の流速を、上述した第１の参考例における演算部１６ｃと同様の方法により演算する。すると、上述した第１の参考例と同様の測定データを得ることができた。この測定において、図１７に示したフローセルでは、供給部１００２に異なる溶液を順次供給するため、供給部１００２内部で２つの液体が混ざり合うことによりそれらの界面に乱れが生じていた。これに対して、本参考例では、屈折率変化領域を１つの試料溶液で形成できるので、そのような界面の乱れが生じないため、測定誤差が小さくすることができる。

以上説明したように、本参考例によれば、ヒータ３１を設けることにより、２つの試料溶液が混ざり合うことによりそれらの界面に乱れが生じるのを防ぎ、試料溶液における屈折率の境界部分に誤差が発生するのを抑制できるので、試料溶液の流速の測定精度を向上させることができる。また、屈折率が異なる部分を有する空間分布を１種類の試料溶液で形成することもできる。

［第３の参考例］
次に、本発明に係る第３の参考例について説明する。

図１１，図１２に示すように、本参考例に係る流速測定装置４は、試料溶液が移送される流路を備えたフローセル４１と、このフローセル４１に試料溶液を供給する第１供給ポンプ４２および第２供給ポンプ４３と、これらのポンプの動作制御およびフローセル４１を流れる試料溶液の流速測定を行う制御装置４４とから構成される。

≪フローセルの構成≫
フローセル４１は、例えばガラスやアクリル樹脂などの光を透過する材料から構成され、上面にＳＰＲ法による測定用の金薄膜が形成された下部基板４１ａと、例えば両面テープなどから構成され、所定のパターンが形成されて下部基板４１ａ上に設けられた中間部材４１ｂと、例えばアクリルなどの板から構成され、中間部材４１ｂ上に設けられた上部基板４１ｃとから構成される。

これらの下部基板４１ａ、中間部材４１ｂおよび上部基板４１ｃには、上部基板４１ｃに形成され、試料溶液が供給される第１供給口４１１および第２供給口４１２と、中間部材１１ｂに形成され、Ｘ方向に延在し第１供給口４１１および第２供給口４１２に一端が接続された接続流路４１３と、中間部材１１ｂに形成され、一方の対角線がＸ方向、他方の対角線がＹ方向に沿った平面視略矩形に形成され、その一方の対角線の一端部が接続流路４１３に接続された流路４１４と、上部基板１１ｃに形成され、流路４１４のその一方の対角線の他端部が接続された排出口４１５とが形成されている。また、流路４１４において、Ｙ方向に沿った他方の対角線上に、ＳＰＲ法による測定が行われる測定領域４１６が設定されている。この測定領域４１６は、検出部として機能する。

第１供給口４１１は、上部が上部基板４１ｃから開口する凹部からなる。この第１供給口４１１には、ＦＥＰチューブ等を介して第１供給ポンプ４２が接続されている。

第２供給口４１２は、上部が上部基板４１ｃから開口する凹部からなる。この第２供給口１１４には、ＦＥＰチューブ等を介して第２供給ポンプ４３が接続されている。

接続流路４１３は、下部基板４１ａの上面、中間部材４１ｂに形成された流路パターンおよび上部基板４１ｃの下面により構成される管状の空間から構成される。この接続流路４１３は、Ｘ方向に延在しており、Ｘ方向の負の側の端部が第１供給口４１１および第２供給口４１２に接続され、Ｘ方向の正の側の端部が流路４１４に接続されている。

流路４１４は、下部基板４１ａの上面、中間部材４１ｂに形成された流路パターンおよび上部基板４１ｃの下面により構成される平面視略矩形の空間から構成される。この流路４１４は、一方の対角線がＸ方向、他方の対角線がＹ方向に沿うように形成されている。また、Ｘ方向に沿った対角線におけるＸ方向の負の側の端部が接続流路４１３に接続され、Ｘ方向の正の側の端部が排出口４１５に接続されている。

排出口４１５は、上部が上部基板４１ｃから開口する凹部からなる。この第１排出口１１３には、ＦＥＰチューブ等を介して吸引ポンプ（図示せず）が接続されるようにしてもよい。

なお、本参考例において、接続流路４１３および流路４１４の高さを規定する両面テープからなる中間部材４１ｂの厚さは７０［μｍ］とした。また、平面視略矩形の流路４１４における対角線の長さを５００［μｍ］とした。

≪第１，第２供給ポンプの構成≫
第１供給ポンプ４２および第２供給ポンプ４３は、それぞれ公知のシリンジポンプ（例えば、ＣＭＡ社 ＣＭＡ−２０）から構成され、制御装置４４からの制御信号に基づいて動作することにより、所定量の試料溶液の供給または吸引を行う。本参考例においては、第１供給ポンプ４２はブロッキング剤を供給し、第２供給ポンプ４３は牛乳を供給する。

≪制御装置の構成≫
制御装置４４は、駆動制御部４４ａと、測定部４４ｂと、演算部４４ｃとを備えている。

駆動制御部４４ａは、流速測定装置４の構成要素に対して制御信号を送出することにより、流速測定装置１の駆動を制御する機能部である。具体的には、ＲＳ２３２Ｃインターフェース等を介して接続された第１供給ポンプ４２および第２供給ポンプ４３に対して制御信号を送信することにより、それらのポンプを同期させて駆動させる。

測定部４４ｂは、特許文献１に記載されたような公知のＳＰＲ法により、測定領域４１６における屈折率の分布の時間変化を測定する機能部である。本参考例において、測定部４４ｂは、試料流体の流れ方向に対して垂直な方向に延在する測定領域４１６における屈折率の分布を測定する。この測定を所定時間行うことにより、屈折率の分布の時間変化が測定結果として出力される。また、本参考例において、測定領域４１６は、流路４１４の幅全体、すなわち、Ｙ方向に沿った流路４１４の対角線全体に亘って設定される。これにより、後述するように、測定した流速を積分して体積流速に換算することが可能となる。

演算部４４ｃは、測定部４４ｂの測定結果に基づいて、測定領域４１６を通過する試料溶液の流速を演算する機能部である。

このような制御装置４４は、上述した第１の参考例における制御装置１６と同様、コンピュータと、このコンピュータにインストールされたプログラムとから構成される。

＜流速測定装置の動作＞
次に、本参考例に係る流速測定装置の動作について説明する。

まず、制御装置４４の駆動制御部４４ａは、第２供給ポンプ４３を停止させた状態で第１供給ポンプ４２を動作させ、５［μＬ／ｍｉｎ］の体積流速でブロッキング剤を送液させる。続いて、駆動制御部４４ａは、第１供給ポンプ４２を停止させるとともに、第２供給ポンプ４３を駆動させ、５［μＬ／ｍｉｎ］の体積流速で牛乳を送液した。この状態において、測定部４４ｂにより測定領域４１６に対してＳＰＲ法により測定を行うと、図１３に示すように、流路４１４の幅方向の各部での屈折率の時間変化を得ることができた。この図１３から屈折率の分布の境界部分（屈折率変化領域）を示す放物線の領域のみを抽出した状態を図１４に示す。図１３，図１４からわかるように、流路４１４を流れる試料溶液は、流路４１４の中央部付近が最も流速が速く、この中央部から離れた部分よりも先に屈折率の境界が測定領域４１６に到達している。このように、流路４１４では、屈折率の境界が測定領域４１６を通過した時刻が場所によって異なるので、図１３，図１４に示すように、流路４１４の中央部付近が凸になる放物線状のプロファイルが得られる。この放物線状の部分は、屈折率の時間変化が速い部分に相当する。

測定部４４ｂにより図１３に示すような、屈折率変化領域が測定領域４１６を通過した時刻の分布が測定されると、演算部４４ｃは、まず、その屈折率の境界部分を時間で微分することにより、図１５に示すような屈折率の最大時間傾斜（変化）を取得する。この図１５において、時刻２００〜２５０［ｓｅｃ］に示される曲線が、最大時間傾斜を表している。なお、時刻２００［ｓｅｃ］付近の水平な線は、第１供給ポンプ４２と第２供給ポンプ４３との試料溶液の切替に伴うインジェクションショックである。

測定領域４１６を通過した屈折率変化領域の空間形状（以下、「空間パターン」と言う。）は、この空間パターンが形成された後に流路４１４を進行する距離が短ければ、流速によらず一定と考えられる。そこで、本参考例では、空間パターンの特徴点として、屈折率の境界部分のうち最も速く測定領域４１６に到達した位置、すなわち最大傾斜点を採用した。この空間的な最大傾斜点は、屈折率の境界部分に対して時間微分を行った図１５においても最大値をとる。さらに、図１５におけるその最大値は、最大傾斜点が測定領域４１６を通過する速度に比例する。したがって、演算部４４ｃは、図１５における最大時間傾斜を、その最大値（＝１とする）と測定領域４１６上の位置とに沿ってプロットする。これにより、図１６に示すような測定領域４１６を通過した屈折率変化領域の相対的な流速分布を得ることができる。

図１６に示される流速は、屈折率の境界が測定領域４１６を通過する時間の平均値となる。図１６では測定領域４１６上の相対流速であるが、マイクロ流路に流れる体積流速がわかっている場合には、全ての流速を積分することにより、絶対流速に換算することができる。

従来では、マイクロ流路内を流れる試料溶液の流れに対して垂直な方向の流速分布を測定することが困難であった。これに対して、本参考例では、測定領域４１６を通過する試料溶液の時間分布を求めることにより、その垂直な方向の流速分布を容易に測定することができる。このとき、空間分布の特徴点が時間微分と一致していると仮定するので、上述した第１，第２の参考例および本発明の実施の形態で説明した第２流路１１５および第３流路１１６からなる導入機構、ヒータ３１、作用電極２１５などの屈折率変化部として機能する構成を用いることにより、試料溶液の界面が乱れることを防ぐことができるので、空間分布の特徴点が時間微分と一致することとなり、結果として、測定精度を向上させることができる。

なお、本参考例において、流路４１４が平面視略矩形に形成される場合を例に説明したが、測定領域４１６が試料溶液の流れ方向に対して垂直な方向に設けられるのであれば流路４１４の形状は平面視略矩形に限定されず、適宜自由に設定できる。したがって、本参考例は、上述した第１，第２の参考例および本発明の実施の形態に適用することもできることは言うまでもない。すなわち、それぞれのフローセルにおいて、測定領域を試料溶液の流れ方向に対して垂直な方向に設定し、演算部において上述したような演算を行うようにすればよい。このようにすることにより、本参考例と同等の作用効果を実現することができる。

また、本参考例では、第１供給口４１１および第２供給部４１２という２つの供給口を設ける場合を例に説明したが、供給口の数量は１つにしてもよい。

本発明は、マイクロ流路を用いた各種装置に適用することができる。

１〜３…流速測定装置、１１，２１，２１’…フローセル、１１ａ，２１ａ，４１ａ…下部基板、１１ｂ，２１ｂ，４１ｂ…中間部材、１１ｃ，２１ｃ，４１ｃ…上部基板、１２，４１…第１供給ポンプ、１３，４２…第２供給ポンプ、１４…第１吸引ポンプ、１５…第２吸引ポンプ、１６，２４，２４’，４４…制御装置、１６ａ，２４ａ，２４ａ’，４４ａ…駆動制御部、１６ｂ，２４ｂ、４４ｂ…測定部、１６ｃ，２４ｃ、４４ｃ…演算部、２２…供給ポンプ、２３…吸引ポンプ、３１…ヒータ、１１１，４１１…第１供給口、１１２…第１流路、１１３…第１排出口、１１４，４１２…第２供給口、１１５…第２流路、１１６…第３流路、１１７…第２排出口、１１８…測定領域、２１１…供給口、２１２…流路、２１３…排出口、２１４…補助電極、２１５…作用電極、２１６…測定領域、４１５…排出口、４１６…測定領域。

Claims (1)

1. 試料溶液が供給される供給部と、
   この供給部に一端が接続され、前記供給部に供給された前記試料溶液が移送される流路と、
   この流路の途中に設けられた検出領域と、
   前記供給部と前記検出領域との間に設けられ、通過する前記試料溶液の屈折率を変化させる屈折率変化部と、
   前記検出領域における屈折率の分布の時間変化を測定する測定部と、
   前記屈折率変化部により屈折率が変化させられた前記試料溶液の屈折率変化領域に対する前記測定部による測定結果から、前記試料溶液の流速を演算する演算部と
   を備え、
   前記屈折率変化部は、前記試料溶液に対して電気化学反応を生じさせる電極から構成される
   ことを特徴とする流速測定装置。