JP5708394B2

JP5708394B2 - 溶液充填機構

Info

Publication number: JP5708394B2
Application number: JP2011200782A
Authority: JP
Inventors: 松本　博幸; 博幸松本
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2011-09-14
Filing date: 2011-09-14
Publication date: 2015-04-30
Anticipated expiration: 2031-09-14
Also published as: WO2013038727A1; JP2013061281A

Description

本発明は、マイクロチップに設けられた流路のほか、内径の小さい毛管に溶液を充填するための溶液充填機構に関するものである。

電気泳動分析装置では、電気泳動を行なうための泳動流路となるキャピラリ内に泳動媒体を充填するための機構が設けられている（特許文献１参照）。泳動流路としては、直径が０．０５ｍｍ程度のキャピラリやガラスキャピラリなどの毛管が使用されることが一般的である。そのような内径の小さいキャピラリ内へ溶液を充填するためには、充填溶液を高圧でキャピラリ内へ押し込まなければならず、キャピラリに充填する溶液が高粘度である場合にはその圧力はさらに高くなる。

図５に電気泳動分析装置の溶液充填機構の例を示す。
まず、最も簡単な構成の溶液充填機構として、同図（Ａ）に示されているものがある。
（Ａ）の溶液充填機構は、泳動流路となるキャピラリの注入口に液を注入するためのノズル１０２が配管１０４を介してシリンジポンプ１１８の吸入・吐出口に接続されている。ノズル１０２は、駆動機構（図示は省略）により水平方向と垂直方向に移動することができる。シリンジポンプ１１８はプランジャ１２０の駆動によりノズル１０２を介して液の吸入と吐出を行なうようになっている。

この溶液充填機構では、キャピラリに充填する溶液をノズルで吸入し、ノズルをキャピラリの注入口の位置まで移動させて溶液を充填する。キャピラリに溶液を充填した後、ノズルを洗浄液の貯留部の位置まで移動させて洗浄液を吸入し廃液ポートに吐出して廃液することで、ノズル１０２内と配管１０４内を洗浄する。

また、（Ｂ）の溶液充填機構は、シリンジポンプ１１８の吸入・吐出口が３方バルブ１１０の共通ポートに接続されている。３方バルブ１１０の残りのポートにノズル１０２に通じる配管１０４と洗浄液を貯留するリザーバ１１２に通じる配管１０５が接続されている。３方バルブ１１０は、シリンジポンプ１１８の吸入・吐出口をノズル１０２とリザーバ１１２のいずれか一方に切り替えて接続する。

この溶液充填機構では、シリンジポンプ１１８をノズル１０２に接続した状態でキャピラリへの溶液の充填動作を行なった後は、３方バルブ１１０を切り替えてシリンジポンプ１１８をリザーバ１１２に接続してシリンジポンプ１１８に洗浄液を吸入し、さらに３方バルブ１１０を切り替えてシリンジポンプ１１８をノズルに接続してノズル１０２の先端から洗浄液を吐出することで、ノズル１０２内と配管１０４内を洗浄する。

特開２０００−９６９０号公報

図５（Ａ）の構成では、ノズル１０２内と配管１０４内の洗浄の際、配管１０４内の壁面に付着した高粘度の溶液が洗浄液の吸入時にシリンジポンプ１１８側へ引き込まれて洗浄後も配管１０４内にその溶液が残ってしまい、クロスコンタミネーションを引き起こす可能性がある。そのような不具合を防止するためには、その影響がなくなるまで洗浄液の吸入と吐出を繰り返して行なう必要があり、洗浄動作に長時間を要する。

図５（Ｂ）は、シリンジポンプ１１８内に配管１０４とは別の経路から洗浄液を吸入することで上記問題を解決したものである。しかし、キャピラリに充填する溶液が１００００ｃＰ程度の高粘性溶液である場合、その溶液を直径が０．０５ｍｍ程度の毛管に短時間で充填するためには数ＭＰａの圧力が必要となり、数ＭＰａの圧力がバルブ１１０にかかることとなるが、現状では、そのような高圧に耐え得る安価で小型のバルブは存在していない。

そこで、本発明は、キャピラリに高粘度の溶液を充填できるとともに、その溶液の送液経路の洗浄を短時間で十分に行なうことができる溶液充填機構を提供することを目的とするものである。

本発明の第１の溶液充填機構は、ノズルと、ノズルを溶液を充填すべきキャピラリの溶液注入口の位置へ移動させるための駆動部と、洗浄液を貯留するリザーバを備えた貯留ブロック、リザーバに設けられた穴、穴の径よりも小さい径の先端部を有し、その先端側から基端側へ徐々に径が大きくなる円錐形状であり、リザーバ側から前記流路に先端部が挿入されることによって穴を塞ぐシールピン及びそのシールピンを駆動するシールピン駆動機構を備えた洗浄液貯留ユニットと、流体の吸入と吐出を行なうための１つの吸入・吐出口を有するシリンジポンプと、吸入・吐出口と前記ノズルとを接続するための第１流路と、吸入・吐出口と前記穴とを接続するための第２流路と、第１流路の開閉を行なうための第１流路開閉部と、穴が開放されているときに第１流路を閉じた状態にし、穴が封止されているときは第１流路を開放した状態にするようにシールピン駆動機構及び第１流路開閉部を制御する制御部と、を備えたものである。

本発明の第２の溶液充填機構は、ノズルと、ノズルを溶液を充填すべきキャピラリの溶液注入口の位置へ移動させるための駆動部と、洗浄液を貯留するリザーバを備えた貯留ブロック、リザーバに設けられた穴、穴の径よりも小さい径の先端部を有し、その先端側から基端側へ徐々に径が大きくなる円錐形状であり、リザーバ側から流路に先端部が挿入されることによって穴を塞ぐシールピン及びそのシールピンを駆動するシールピン駆動機構を備えた洗浄液貯留ユニットと、流体の吸入と吐出を行なうための２つの吸入・吐出口を有するシリンジポンプと、シリンジポンプの一方の吸入・吐出口とノズルとを接続するための第１流路と、シリンジポンプの他方の吸入・吐出口と穴とを接続するための第２流路と、第１流路の開閉を行なうための第１流路開閉部と、穴が開放されているときに第１流路を閉じた状態にし、穴が封止されているときは第１流路を開放した状態にするようにシールピン駆動機構及び第１流路開閉部を制御する制御部と、を備えたものである。

上記２つの溶液充填機構は洗浄液貯留ユニットを備えており、シリンジポンプで洗浄液貯留ユニットのリザーバから洗浄液を吸入し、ノズルの接続された第１流路へその洗浄液を送ることで、第１流路内及びノズル内の洗浄を行なうことができるようになっている。洗浄液貯留ユニットは、リザーバの底部に設けられた穴に円錐形状のシールピンを挿入することによって穴を封止できるバルブ機構を備えている。このバルブ機構は、リザーバの底部の穴にシールピンを挿入して封止することによって、リザーバとシリンジポンプとの間の接続を遮断するものである。この構造では、リザーバとシリンジポンプとの間の接続の遮断を維持するために必要な力が小さくて済むため、シールピンを駆動するための駆動機構として、例えばソレノイドなど、図５（Ｂ）の３方バルブ１１０に比べ、小型で安価なものを使用することができる。

本発明の溶液充填機構では、シリンジポンプに、第１流路を介してノズルが接続され、第２流路を介して洗浄液貯留ユニットが接続されているので、ノズル及び第１流路を介さずにシリンジポンプに洗浄液を吸入し、その洗浄液をノズル側へ吐出することができる。これにより、キャピラリ内に充填する溶液の送液経路である第１流路内及びノズル内を効率よく洗浄することができ、クロスコンタミネーションを防止できる。
上述のように、洗浄液貯留ユニットは、リザーバの底部に設けられた穴に円錐形状のシールピンを挿入することによって穴を封止できるバルブ機構を備え、リザーバの底部の穴にシールピンを挿入して封止することによって、リザーバとシリンジポンプとの間の接続を遮断する構造であるので、リザーバとシリンジポンプとの間の接続の遮断を維持するために必要な力が小さくて済み、シールピンを駆動するための駆動機構として小型で安価なものを使用することができる。

なお、第１の溶液充填機構は吸入・吐出口を１つのみ備えたシリンジポンプを使用するものであり、第２の溶液充填機構は吸入・吐出口を２つ備えたシリンジポンプを使用するものである。いずれの溶液充填機構においても上記の作用効果を有するが、第２の溶液充填機構では、シリンジポンプの下死点付近から吸入し、上死点から吐出するため、第１の溶液充填機構よりもシリンジポンプ内に気泡が溜まりにくく、吸入・吐出量を安定させることができるとともに送液圧力を安定させることができる。

溶液充填機構の一実施例を示す図であり、（Ａ）は概略構成図、（Ｂ）は洗浄液貯留ユニットのリザーバの穴を封止した状態の断面図、（Ｃ）は洗浄液貯留ユニットのリザーバの穴を開放した状態の断面図である。同実施例の駆動機構の構成の一例を示す概略構成図であり、（Ａ）は洗浄液貯留ユニットのリザーバの穴を封止した状態、（Ｂ）は洗浄液貯留ユニットのリザーバの穴を開放した状態の図である。溶液充填機構の他の実施例を示す概略構成図である。溶液充填機構のさらに他の実施例を示す概略構成図である。溶液充填機構の一例を示す概略構成図であり、（Ａ）は洗浄液のリザーバを備えていない例であり、（Ｂ）は洗浄液のリザーバを備えている例である。

本発明の溶液充填機構の好ましい実施形態では、リザーバの底面にシールピンを挿入するための穴が設けられている。これにより、シールピンを上下方向に駆動するだけで穴の開閉が可能になり、シールピン駆動機構の構成を簡単にすることができる。

さらに、シールピンが挿入されるリザーバの穴の縁がテーパ形状となっていることが好ましい。これにより、シールピンを挿入したときの封止力を向上させることができる。

シールピン駆動機構の好ましい一例としてソレノイドを備えたものが挙げられる。

また、第１流路開閉部は、駆動部及びノズルの先端を挿入することによりノズルの先端を封止する封止ポートにより構成されるようにしてもよい。これにより、第１流路上にバルブ機構を組み込むことなく第１流路を開閉することができるので、装置コストの低減を図ることができる。

上記封止ポートは貯留ブロックに形成されているようにしてもよい。そうすれば、当該溶液充填機構を構成する部品点数を減らすことができ、コストの低減を図ることができる。

また、貯留ブロックは、リザーバの穴に通じるとともに第１流路又は第２流路の一部をなす内部流路と、内部流路内の圧力を検知する圧力センサを備えていることが好ましい。そうすれば、キャピラリに溶液を充填する際の流路内の圧力を検知することができる。

以下、本発明の溶液充填機構の一実施例について図１を参照して説明する。
この溶液充填機構は、ノズル２、洗浄液貯留ユニット３及びシリンジポンプ１８を備えている。図示は省略されているが、ノズル２を水平方向と垂直方向へ駆動するための駆動部が設けられており、ノズル２を所定の位置へ移動させることができる。ノズル２の移動可能範囲内に封止ポート１７が設けられている。ノズル２の先端部が封止ポート１７に挿入されることで、ノズル２の吸入・吐出口が封止される。

図示は省略されているが、この溶液充填機構はノズル２から吐出される洗浄液を廃液するための廃液ポートを備えている。なお、廃液ポートは封止ポート１７と共通のポートで実現することもできる。具体的には、１つのポートを切替バルブによってドレインに接続した状態又はいずれの接続先にも接続しない状態にできるように構成し、廃液ポートとして使用するときはそのポートをドレインに接続し、封止ポート１７として使用するときはいずれの接続先にも接続しないようにすることで実現する。

ノズル２は配管４（第１流路）の一端に接続されている。配管４の他端は洗浄液貯留ユニット３の貯留ブロック６の配管接続部８ａに接続されている。シリンジポンプ１８の吸入・吐出口は洗浄液貯留ユニット３の貯留ブロック６の配管接続部８ｂに接続されている。

洗浄液ユニット３は、貯留ブロック６のほか、シールピン１４とシールピン１４を上下方向に駆動するための駆動機構１６を備えている。貯留ブロック６は洗浄液を貯留するためのリザーバ１２を備えており、リザーバ１２の底面に穴１３が設けられている。貯留ブロック６のリザーバ１２の下部に穴１３と配管接続部８ｂとを接続する流路１０ｂ（第２流路）が設けられている。流路１０ｂの途中に配管接続部８ａに通じる流路１０ａが合流している。

シールピン１４はリザーバ１２内に下端部から一定の高さの位置までが挿入されており、下端部から上にいくに従って徐々に太くなる円錐形状のステンレス製の部材である。シールピン１４の下端部の直径はリザーバ１２の底部の穴１３に通じる流路１０ｂの内径よりも小さくなっている。シールピン１４の水平方向の位置はシールピン１４の下端部がリザーバ１２の底部の穴１３に挿入され得る位置に固定されている。シールピン１４は駆動機構１６により上下方向に駆動される。

この洗浄液貯留ユニット３において、リザーバ１２の底部の穴１３を封止する際は、図１（Ｂ）に示されているように、シールピン１４が下降して先端部が穴１３に挿入される。逆に、リザーバ１２の底部の穴１３を開放する際は、同図（Ｃ）に示されているように、シールピン１４が上昇して先端部が穴１３から抜き出される。穴１３が封止された状態では、リザーバ１２と流路１０ｂとの間の接続が遮断される。穴１３が開放された状態では、リザーバ１２と流路１０ｂとの間が接続される。

この実施例では、リザーバ１２の底部の穴１３の縁がテーパ形状に形成されており、穴１３にシールピン１４が挿入されたときの封止性能を高めている。シールピン１４の外周面の傾きはシールピン１４の軸に対して例えば１５°程度であり、穴１３の縁のテーパ角は例えば６０°程度である。

同実施例の動作について説明する。
まず、シールピン１４をリザーバ１２の底部の穴１３に挿入して穴１３を封止し、シリンジポンプ１８がノズル２にのみ接続された状態にする。ノズル２の先端からシリンジポンプ１８を吸入側へ駆動することでキャピラリに充填すべき溶液を所定量吸入した後、ノズル２をキャピラリの注入口の位置へ移動させ、シリンジポンプ１８を吐出側へ駆動することでキャピラリに溶液を充填する。

次に、ノズル２の先端を封止ポート１７に挿入してノズル２の吸入・吐出口を封止する。そして、シールピン１４を穴１３から引き抜いてシリンジポンプ１８とリザーバ１２との間を接続する。シリンジポンプ１８でリザーバ１２内の洗浄液を吸入した後、シールピン１４により穴１３を封止する。ノズル２を廃液ポート（図示は省略）に移動させてシリンジポンプ１８を吐出側へ駆動することで、洗浄液をノズル２の先端から廃液ポートに吐出して廃液し、配管４内やノズル２内の洗浄を行なう。この洗浄動作は１回のみ行なうようになっていてもよいし、複数回繰り返し行なうようになっていてもよい。

図２を用いて図１の実施例をより具体的に説明する。
シールピン１４を上下方向へ駆動するための駆動機構として、ソレノイド２２、梁２４、支点２６及び弾性体２７が設けられている。ソレノイド２２は電圧が印加されることによって一方向に駆動される駆動部を備えた機構である。梁２４の一端はソレノイド２２の駆動軸に取り付けられている。梁２４は端部でない位置において支点２６により該支点２６を中心に傾斜可能に支持されている。梁２４の他端は上方から弾性体であるバネ２７によって付勢されている。梁２４の他端と支点２６との間にシールピン１４が取り付けられている。また、この例では、流路１０ａの近傍に圧力センサ１１が設けられており、溶液をキャピラリに充填する際に流路にかかる圧力をモニタできるようになっている。

この例では、図２（Ａ）に示されているように、ソレノイド２２はオフの状態のときにその駆動部が最大限突出するようになっている。このとき、シールピン１４はテコの原理によって下方へ押され、先端部がリザーバ１２の底部の穴１３に挿入される。ソレノイド２２をオンにすると、（Ｂ）に示されているように、ソレノイド２２の駆動部が本体の内部に引き込まれ、それによって梁２４が傾斜してシールピン１４が上方へ引き上げられ、先端部が穴１３から引き抜かれる。

なお、上記の実施例では、ポート（吸入・吐出口）が１つのみのシリンジポンプ１８を用いる場合について説明したが、２つのポートを備えたシリンジポンプを使用して溶液充填機構を構成することも可能である。その一例を図３に示す。なお、シールピン１４を駆動するための駆動機構の構成については図２の例と同じであるので、ここでの説明は省略する。

シリンジポンプ２８は２つのポート２９ａ、２９ｂを備えている。洗浄液貯留ユニット３の貯留ブロック３６はリザーバ１２の底部の穴１３に通じる流路として１つの流路３６ａのみを備えている。流路３６ａは配管を介してシリンジポンプ２８のポート２８ｂに接続されている。シリンジポンプ２８のポート２９ａは配管４を介してノズル２に接続されている。

このように構成することで、シリンジポンプ２８の下死点のポート２９ｂから洗浄液を吸入し、上死点のポート２９ａから吐出するため、シリンジポンプ内に気泡が溜まりにくく、吸入・吐出量を安定させることができるとともに送液圧力を安定させることができる。

また、シールピン１４の駆動をノズル２の上下動を利用して行なうことも可能である。そのように構成した一例を図４に示す。
リザーバ１２は貯留ブロック３７に設けられている。貯留ブロック３７の上面に封止ポート３８も設けられてリザーバ１２と一体化されており、溶液充填機構の構成コストの低減が図られている。２つのポートを有するシリンジポンプ２８のポート２９ｂがリザーバ１２の底部の穴１３に通じる流路３７ａに接続されている。流路３７ａの内圧を計測する圧力センサ１１が設けられている。

シールピン１４を駆動するための駆動機構として、図２の例と同様に梁２４、支点２６及びバネ２７を備えているが、ソレノイド２２が設けられていない。ノズル２の先端を封止するための封止ポート３８が梁２４の一端の下方の位置に設けられており、ノズル２の先端部を封止ポート３８に挿入する際にノズル２が梁２４の一端を押し下げながら下降するようになっている。

梁２４の一端にノズル２の先端部を貫通させるための穴が設けられており、ノズル２の先端がその穴を貫通することで、ノズル２の外周面と梁２４の一端とが係合し、ノズル２の下降動作に応じて梁２４が駆動される。これにより、ノズル２を封止ポート２８に挿入する際の下降動作を利用して梁２４の一端を押し下げ、それによってシールピン１４が上方へ引き抜かれる。

このように、ノズル２の下降動作を利用してシールピン１４を駆動するように構成することで、ソレノイドなどシールピン１４を駆動するための専用の機構を不要にし、コストの低減を図ることができる。

２ノズル
３洗浄液貯留ユニット
４配管
６貯留ブロック
８ａ、８ｂ配管接続部
１０ａ、１０ｂ流路
１１圧力センサ
１２リザーバ
１３リザーバ底部の穴
１４シールピン
１６駆動機構
１７封止ポート
１８シリンジポンプ
２０プランジャ
２２ソレノイド
２４梁
２６支点
２７バネ

Claims

ノズルと、
前記ノズルを溶液を充填すべきキャピラリの溶液注入口の位置へ移動させるための駆動部と、
洗浄液を貯留するリザーバを備えた貯留ブロック、前記リザーバに設けられた穴、前記穴の径よりも小さい径の先端部を有し、その先端側から基端側へ徐々に径が大きくなる円錐形状であり、前記リザーバ側から前記流路に先端部が挿入されることによって前記穴を塞ぐシールピン及びそのシールピンを駆動するシールピン駆動機構を備えた洗浄液貯留ユニットと、
流体の吸入と吐出を行なうための１つの吸入・吐出口を有するシリンジポンプと、
前記吸入・吐出口と前記ノズルとを接続するための第１流路と、
前記吸入・吐出口と前記穴とを接続するための第２流路と、
前記第１流路の開閉を行なうための第１流路開閉部と、
前記穴が開放されているときに前記第１流路を閉じた状態にし、前記穴が封止されているときは前記第１流路を開放した状態にするように前記シールピン駆動機構及び第１流路開閉部を制御する制御部と、を備えた溶液充填機構。
ノズルと、
前記ノズルを溶液を充填すべきキャピラリの溶液注入口の位置へ移動させるための駆動部と、
洗浄液を貯留するリザーバを備えた貯留ブロック、前記リザーバに設けられた穴、前記穴の径よりも小さい径の先端部を有し、その先端側から基端側へ徐々に径が大きくなる円錐形状であり、前記リザーバ側から前記流路に先端部が挿入されることによって前記穴を塞ぐシールピン及びそのシールピンを駆動するシールピン駆動機構を備えた洗浄液貯留ユニットと、
流体の吸入と吐出を行なうための２つの吸入・吐出口を有するシリンジポンプと、
前記シリンジポンプの一方の前記吸入・吐出口と前記ノズルとを接続するための第１流路と、
前記シリンジポンプの他方の前記吸入・吐出口と前記穴とを接続するための第２流路と、
前記第１流路の開閉を行なうための第１流路開閉部と、
前記穴が開放されているときに前記第１流路を閉じた状態にし、前記穴が封止されているときは前記第１流路を開放した状態にするように前記シールピン駆動機構及び第１流路開閉部を制御する制御部と、を備えた溶液充填機構。
前記穴は前記リザーバの底面に設けられており、
前記シールピン駆動機構は前記シールピンを上下方向に駆動するものである請求項１又は２に記載の溶液充填機構。
前記シールピン駆動機構はソレノイドを備えたものである請求項３に記載の溶液充填機構。
前記穴の縁はテーパ形状である請求項１から４のいずれか一項に記載の溶液充填機構。
前記第１流路開閉部は、前記ノズルの先端を挿入することにより前記ノズルの先端を封止する封止ポートにより構成される請求項１から５のいずれか一項に記載の溶液充填機構。
前記封止ポートは前記貯留ブロックに形成されている請求項６に記載の溶液充填機構。
前記貯留ブロックは、前記穴に通じるとともに前記第１流路又は前記第２流路の一部をなす内部流路と、前記内部流路内の圧力を検知する圧力センサを備えている請求項１から７のいずれか一項に記載の溶液充填機構。