JP5992872B2 - フローセル - Google Patents

Description

本発明は、試料溶液を移送する流路を備えたフローセルに関する。

近年、食生活の欧米化、運動不足やストレスの蓄積，高齢化の進行などに伴う生活習慣病が、大きな社会問題になってきている。定期的な健康診断の際の血液検査などにおいて、より多項目の検査が、今後ますます重要になる。検査項目が増えても被験者の採血の負担を増やさないためには、各項目の検査に必要な検体量を微量することが重要となる。このためには、小さなチップ内で微量の液体の流れを制御し、高感度に検出する技術、いわゆる、「micro TAS」、「Lab on a Chip」といった技術分野の重要性が、今後ますます高まっていく。

このような技術分野では、検出手段として、蛍光測定、吸光測定、電気化学測定、ＱＣＭ（Quarts Crystal Microbalance）測定、ＡＴＲ（Attenuated Total Reflection）測定、ＳＰＲ（Surface Plasmon Resonance）測定などの簡便な測定法を検出器として採用することが多い。これらの測定法の中で、ＳＰＲ測定は、検出のための検体液のラベル化が不要であり、抗原抗体反応やＤＮＡの結合などを直接検出することができ、また、測定の手順も単純化することができるという特徴を備えている（非特許文献１，特許文献１，特許文献２，特許文献３参照）。

上述したような測定においては、試料溶液を保持可能な試料セルが用いられている。例えば、測定を行う検出部に対面する流路を設け、この流路に試料溶液を保持可能としている。測定時には、試料セルに微量の試料溶液を供給し、上記流路において検出部まで流して移送する。これにより、試料溶液に溶解または分散している検体（ＤＮＡや抗体など）の濃度を低下させることなく、より高感度，高効率に測定を行う。このように試料溶液を測定部分に流す試料セルは、フローセルと呼ばれる。

フローセルで微量な試料溶液の移送を実現する技術としては、例えば、以下のような方法がある。まず、ポンプ等による外部からの圧力を用いて試料溶液を流路で移送する方法がある。また、静電気力を用いて試料溶液を流路で移送する方法がある。また、エレクトロウエッティング法、加熱による体積変化や気泡の生成により試料溶液を流路で移送する方法や、電気浸透流を利用する方法などがある。

分析センター等に多くの検体液を集め大量の分析を行う場合には、電力や水・薬液が充分に利用できる環境にあり、また測定装置に対する大きさの制約も少ない。このため、測定チップ（フローセル）は使いきりでなく、水や洗浄液による再生可能なチップによる繰り返し測定の方が測定コストを低くすることができる。このような測定システムの有望な適用先として、上述した血液検査市場が挙げられる。

一方で、現場で検査を行い、この検査結果に基づいて、治療方法や投薬の判断を行わなければならない場合もある。あるいは、小規模の病院や個人宅での簡便な一次検査が、望まれる場合もある。このようなオンサイトの検査においては、検査装置を大型化・高額化してしまう送液システムや、メンテナンスのための周辺装置の大型化は、できるだけ避けなければならない。

ここで、毛細管力を利用した送液は、非常に簡便な方法である。フローセル中に、試料溶液に対して毛細管現象を発現可能な流路またはポンプとなる領域を形成する技術が提案されている（特許文献２，特許文献３参照）。この技術により作製されたフローセルは、試料溶液が導入される導入口（供給部）と、導入された試料溶液を吸引する毛細管ポンプ（移送部）と、これら導入口と毛細管ポンプとの間に設けられた測定のための流路とが板状のセルの平面方向に沿って直線状に並んで形成されている。

このフローセルの導入口に試料溶液を供給すると、試料溶液は導入口から流路を通って毛細管ポンプへと達し、毛細管ポンプに吸引されて連続的に流路を流れる。また、流路の両端に半径の異なる液滴を形成し、液滴に生じる表面張力の大きさの違いにより、液体を移送する方法も提案されている（非特許文献２参照）

上述した毛細管力や表面張力を利用した送液方法は、外部からの駆動力を必要とせず、パッシブポンプと呼ばれている。パッシブポンプを内蔵するフローセルは、送液のための周辺装置を必要としないため、ポイントオブケアなどのオンサイトでの測定に有利となる。特に、特許文献１に記述のフローセルは、検体液がフローセル外部に流出しないため、容易に使用ができ、測定に伴う廃棄物も少なく抑えることができる。また、測定チップは使いきり（１測定につき１チップ）のため、クロスコンタミネーション等の測定エラーを抑えることが可能になっている。

特許第４９８７０８８号公報 特許第５０４２３７１号公報 ＷＯ／２００９／１４５１７２

T. Horiuchi,T. Miura, Y. Iwasaki, M. Seyama, S. Inoue, J. Takahashi,T. Haga and E. Tamechika, "Passive fluidic chip composed of integrated vertical capillary tubes developed for on-site SPR immunoassay analysis targeting real samples." Sensors 12, no.6, pp. 7095-7108, 2012. G. M. Walker and D. J. Beebe, "A passive pumping method for microfluidic devices", Lab Chip, vol.2, pp.131-134, 2002. Y. Kima, S. Kimb, D. Kima, S. Parka, J. Parkb, "Plasma extraction in a capillary-driven microfluidic device using surfactant-added poly (dimethylsiloxane)", Sens. Actuators B, vo.145, pp.861-868, 2010.

しかしながら、特許文献１に記載のフローセルでは、数回程度のサンプルの導入は可能であるが、総流量は限られている。総量を超える溶液を流すためには、毛細管アレイ部分に収容されている検体を、より密な毛細管媒体（例えば、脱脂綿）で吸収した後、試料導入口から洗浄液を導入し、流路部を洗浄し、毛細管アレイ部から洗浄液を回収する、といった手順を多数回繰り返す必要があり、多くの手間を必要とする。また、検体液がフローセルから毛細管媒体に移動するため、検体液が漏れるなど、使用に困難が伴う場合が発生する。加えて、医療廃棄物の量も増加する。

さらに、このタイプのチップでは、流速は主に毛細管アレイの毛細管半径や流路形状の幾何学的な条件で決定されるため、流速を任意に変えることは難しい。このため、流速を上げることによる効果的な洗浄や、本測定においての異なる流速での検査を行うことができなかった。上述したことにより、上記フローセルを用いる場合、同一サンプルを複数回測定することによる測定精度の向上は困難であった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、フローセルにおいて、繰り返し送液および流速制御を可能にすることを目的とする。

本発明に係るフローセルは、内壁が対象となる液体に対して９０度より小さい接触角を有して毛管力が作用する管径とされた主流路と、主流路の一端に接続され、主流路から大地の側より離れる方向の高い箇所に導入口を備える筒状の試料収容部を備えた試料導入部と、一端が主流路の他端に接続され、内壁が液体に対して９０度より小さい接触角を有して毛管力が作用する管径とされ、他端が主流路より大地の側に配置された排出口となる排出流路とを備える。

上記フローセルにおいて、排出流路の主流路より大地の側に配置された部分の、主流路の位置から排出口の位置までの距離は、主流路から排出流路にかけて液体が導入された状態で、主流路の試料導入部の側に形成されるメニスカスによって生じる負圧の絶対値が、排出流路の主流路より大地の側に配置された部分に存在する液体によって生じる液体を排出口の側に引っ張る力の絶対値より大きい条件が存在する範囲とされていればよい。

上記フローセルにおいて、排出流路における主流路の位置から排出口までの大地側方向の距離が可変とされているとよい。

以上説明したことにより、本発明によれば、フローセルにおいて、繰り返し送液および流速制御が可能になるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態におけるフローセルの構成を示す構成図である。 図２は、本発明の実施の形態における他のフローセルの構成を示す構成図である。 図３は、本発明の実施の形態における他のフローセルの構成を示す斜視図である。 図４は、本発明の実施の形態における他のフローセルにおける送液の動作を説明するための説明図である。 図５は、本発明の実施の形態における他のフローセルにおける送液の動作をシミュレーションした結果を示す説明図である。 図６は、本発明の実施の形態における他のフローセルにおける送液の動作をシミュレーションした結果を示す説明図である。 図７は、本発明の実施の形態における他のフローセルにおける送液の動作をシミュレーションした結果を示す説明図である。 図８は、本発明の実施の形態における他のフローセルの構成を示す構成図である。 図９は、本発明の実施の形態における他のフローセルの構成を示す構成図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態におけるフローセルの構成を示す構成図である。図１では、断面を模式的に示している。このフローセルは、主流路１０１と、試料導入部１０２と、排出流路１０３とを備える。主流路１０１および排出流路１０３は、例えば高分子材料から構成された管である。また、試料導入部１０２も、例えば高分子材料から構成された筒状構造体である。

主流路１０１は、内壁が対象となる液体に対して９０度より小さい接触角を有して毛管力（毛細管力）が作用する管径とされている。試料導入部１０２は、主流路１０１の一端に、主流路１０１の接続部１０４で接続されている。また、試料導入部１０２は、主流路１０１から大地の側より離れる方向の高い箇所に導入口１２１を備える筒状の試料収容部１２２を備えている。

排出流路１０３は、主流路１０１の他端の接続部１０５に接続されている。また、排出流路１０３は、主流路１０１より大地の側に配置された排出口１３１を備える。排出流路１０３は、少なくとも、主流路１０１より大地の側に配置された吸引部１３２を備える。吸引部１３２は、排出流路１０３の主流路１０１より大地の側における部分であり、詳細化後述する。なお、排出流路１０３も、内壁が液体に対して９０度より小さい接触角を有して毛管力が作用する管径とされている。

このフローセルでは、導入口１２１より試料液を供給して試料収容部１２２に収容すると、接続部１０４で接続している主流路１０１に導入され、主流路１０１および排出流路１０３を毛細管力に従って流れる。流れている試料液の先端部の液面が、排出口１３１に達すると、排出口１３１には抵抗がないので、そのまま流れて排出されていく。この状態における試料液の流れの駆動力（吸引力）は、主に、排出流路１０３における吸引部１３２内の試料液の重力である。従って、試料導入部１０２（試料収容部１２２）に収容されている試料液の液面は徐々に低下していくが、この液面は、いずれは主流路１０１との接続部１０４に達する。

上記液面が接続部１０４に達した時点で主流路１０１の接続部に形成されるメニスカスによる吸引力が、前述した吸引部１３２内の試料液の重力による駆動力より大きい状態では、この段階で試料液は停止する。試料導入部１０２に試料液を再び供給すると、接続部１０４に形成されていたメニスカスは消滅するため、試料液は再び流れ始めるようになる。

ここで、排出口１３１の位置を主流路１０１より大地の側により離して排出流路１０３を長くし、吸引部１３２の容積を大きくすれば、吸引部１３２を流れる試料液の重量を大きくすることができ、上述した駆動力を大きくすることが可能である。このようにして駆動力をメニスカスによる吸引力の絶対値より大きくすると、試料液は主流路１０１との接続部１０４においても停留することができず、主流路１０１内を全て流しきる動作も可能になる。

ところで、排出流路を主流路との接続部より、直ちに大地の側に配設することができない場合がある。例えば、フローセルを用いる測定装置の構成により、主流路の出口部分の近傍に直進することを阻害する構造体が存在する場合がある。例えば、測定装置がＳＰＲ測定装置の場合、フローセルを載置する領域が限定される場合がある。この場合、図２，図３に示すように、一度、大地側より離れるように上昇してから大地側に下降する迂回部２３３を備える排出流路２０３を設けるようにすればよい。迂回路２３３は、逆Ｕ字管である。

図２，図３に示すフローセルは、主流路２０１と、試料導入部２０２と、排出流路２０３とを備える。なお、図２は、フローセルの断面を模式的に示している。また、図３は、斜視図である。

主流路２０１は、内壁が対象となる液体に対して９０度より小さい接触角を有して毛管力が作用する管径とされている。例えば、主流路２０１は、流れる方向に垂直な面での断面が矩形とされている。

試料導入部２０２は、主流路２０１の一端の接続部２０４に接続されている。また、試料導入部２０２は、主流路２０１から大地の側より離れる方向の高い箇所に導入口２２１を備える筒状の試料収容部２２２を備えている。例えば、試料収容部２２２は、円筒形状とされている。

排出流路２０３は、主流路２０１の他端の接続部２０５で接続されている。また、排出流路２０３は、主流路２０１より大地の側に配置された排出口２３１を備える。この例では、排出流路２０３は、まず、一度、大地側より離れるように上昇してから大地側に下降する迂回部２３３を備える。また、排出流路２０３は、迂回部２３３に連続し、主流路２０１より大地の側に配置された吸引部２３２を備える。なお、排出流路２０３も、内壁が液体に対して９０度より小さい接触角を有して毛管力が作用する管径とされている。

このフローセルは、例えば、セル容器３０１内に配置されて用いられており、セル容器３０１の側壁部を超えるために、排出流路２０３に迂回部２３３を備えるようにしている。

以下、図２に示したフローセルを例に、試料液の流れ（動作）について図４を用いて説明する。以下の説明では、毛細管力，流路抵抗，重量が重要な量となる。また、以下では、主流路２０１は、流路の方向が地平面に平行な状態に配置された場合を例に説明する。また、以下では、地表面から見て、主流路２０１の位置を基準とし、主流路２０１の位置より地表面側から離れる位置を「高い」，「上」とし、主流路２０１の位置より地表面の側に近い位置を「低い」，「下」とする。

毛細管力は、細い管内に形成されるメニスカスの形状で決定され、これは管の断面形状によって異なる。例えば、実施の形態におけるフローセルの主流路の断面形状は、矩形または円である。図２，図３を用いて説明したフローセルでは、主流路２０１が断面矩形であり、試料導入部２０２（試料収容部２２２）および排出流路２０３が断面円形である。

試料導入部２０２や排出流路２０３などの円柱の管内に形成されるメニスカスによって生じる負圧は、円柱の半径をｒ，円柱内壁面との接触角をθ，表面張力係数をγとすると、以下の式（Ａ）により表すことができる。

また、主流路２０１のような断面矩形の管内に形成されるメニスカスによって生じる負圧は、矩形の高さをｄ，幅をω，管内上面での接触角をθ_t，管内下面での接触角をθ_b，管内左面での接触角をθ_l，管内右面での接触角を接触角θ_rとすると、以下の式（Ｂ）により表すことができる。

簡単のため、矩形管内の各面が同じ接触角θを有する場合、断面矩形の管内に形成されるメニスカスによって生じる負圧は、以下の式（Ｃ）により表すことができる。

試料導入部２０２に供給された試料液は、主流路２０１を流れていずれは排出流路２０３の吸引部２３２に達する。この段階の状態では、主流路２０１から吸引部２３２にかけてこれら流路内が試料液で満たされている。このとき、吸引部２３２の試料液で満たされている部分の流路方向の長さをｌとすると、矩形流路である主流路２０１における試料液に作用する圧力（吸引力）Ｐ_gは、以下の式（Ｄ）で示される。なお、ρは、試料液の密度、ｇは、重力加速度である。

また、細い管を地表面に対して鉛直（法線）方向に配置した状態では、毛細管力により液体を吸い上げる高さＨは以下の式（Ｅ）で示すことができる。

また、長さがｌの円管流路の流路抵抗は、以下の式（Ｆ）で示され、長さがｌの矩形流路の流路抵抗は、以下の式（Ｇ）で示される。

ここで、関数Ｆは以下の式（Ｈ）により定義される。

例えば、水の場合、γ＝７２．７５×１０^-3Ｎ／ｓ，ρ＝１０００ｋｇ／ｍ³で接触角を６０ｄｅｇｒｅｅとすると、試料導入部２０２の試料収容部２２２が、半径１．５ｍｍの断面円形の流路とすると、ここに形成されるメニスカスによる圧力は、−４８．５Ｐａと計算される。また、主流路２０１が、高さ０．２５ｍｍ，幅１ｍｍの断面矩形の流路とすると、ここに形成されるメニスカスによる圧力は、−３６３．８Ｐａと計算される。また、排出流路２０３を、半径０．３ｍｍの断面円形の流路とすると、ここに形成されるメニスカスによる圧力は、−２４２．５Ｐａである。

一方、排出流路２０３における吸引部２３２の長さを４ｍｍとすると、吸引部２３２に水が流れているときの吸引力は−４４．３Ｐａであり、吸引部２３２の長さが４０ｍｍの時の吸引力は−４４３．３Ｐａである。また、半径０．３ｍｍの断面円形の流路である迂回部２３３における吸い上げ高さは、２４．７ｍｍである。また、試料導入部２０２に高さ２．５ｍｍの位置まで水を入れると（おおよそ１８マイクロリットル）、これによる静水圧は２４．５Ｐａである。

また、主流路２０１の流路抵抗は２．２８×１０¹²ｍ^-3、吸引部２３２の長さが４ｍｍの時の排出流路２０３における流路抵抗は４．８３×１０¹²ｍ^-3、吸引部２３２の長さが４０ｍｍの時の排出流路２０３における流路抵抗は１．６２×１０¹³ｍ^-3と計算される。

上述した各条件の下に、まず、試料収容部２２２に試料液を供給した直後は、図４の（ａ）に示すように、試料収容部２２２の壁面でのメニスカスにより上向きに４８．５Ｐａの力が働き、収容した試料液の静水圧により下向きに２４．５Ｐａの力が加わるが、主流路２０１内では、排出流路２０３の側に３６３．８Ｐａの力が加わるため、試料液は、主流路２０１内を排出流路２０３の側に進行する。

試料液が主流路２０１から排出流路２０３に進行すると、ここで作用する毛細管力は２４２．５Ｐａとなり、若干弱くなるが、試料導入部２０２からの吸引力よりは圧倒的に大きいので、迂回部２３３を上昇し始める。迂回部２３３の最高点は、迂回路２３３と同じ毛細管の吸い上げ高さ（２４．７ｍｍ）よりは充分小さい。このため、流れる液体の進行方向先端部のメニスカスは、迂回路２３３の最高点を超えた後、下降する。

図４の（ｂ）に示すように、メニスカス４０２の位置が、主流路２０１の位置より低くなると、主流路２０１から排出流路２０３に流れる試料液の吸引部２３２における自重による吸引力が発生し始める。さらにメニスカス４０２が下降して排出口２３１に達すると、毛細管力が無くなる。この状態が、図４の（ｃ）に示されている。この状態では、長さ４ｍｍの吸引部２３２の部分の試料液の自重による吸引力（４４．３Ｐａ）が、送液の主たる駆動力となる。この状態で送液が続くと試料導入部２０２内の試料液が尽き、図４の（ｄ）に示すように、主流路２０１との接続部２０４にメニスカス４０３が形成される。このメニスカス４０３による試料導入部２０２の側に作用する圧力は、３６３．８Ｐａと大きいため、この状態で送液は停止する。

上述した状態に対し、図４の（ｅ）に示すように吸引部２３２の長さを４０ｍｍと長くすると、吸引部２３２の部分の試料液の自重による吸引力は４４３．３Ｐａとなり、上述した主流路２０１の毛細管力より強い力で吸引するため、主流路２０１内も試料が流れるようになる。この結果、主流路２０１内の試料は全て流れきることになる。なお、迂回部２３３がない場合であっても、同様である。

また、排出口２３１（排出口１３１）は抵抗無く、試料液を排出するものである。例えば、排出口より排出される廃液を収容する廃液溜めの壁面に、排出口を接触させ、また廃液溜めの廃液の液面下に排出口を配置するなどにより、排出口での液滴形成による圧力変動を避けることが、流速変動を小さく抑えるために有効である。

次に、図２，図３を用いて説明した形状のフローセルについて数値流体力学計算を行い、流れのシミュレーションを行った計算結果について説明する。このシミュレーションでは、空気と水の混相をＶＯＦ（Volume of fluid）法により界面追跡した。試料導入部２０２の高さは３ｍｍ、試料導入部２０２（試料収容部２２２）の半径は１．５ｍｍとする。また、主流路２０１は、幅１ｍｍ，高さ０．２５ｍｍ、長さ２．５ｍｍとする。また、排出流路２０３は、半径０．３ｍｍの断面円形の流路であり、全長１５．４ｍｍとする。また、吸引部２３２長さは４ｍｍとする。

図５は、上述したシミュレーションで得られた液体の位置を特徴的な時間で抽出した結果を示す斜視図である。図５において、より暗い色の部分が試料液が存在する部分である。なお、図５の（４）は、裏面から見た状態を示している。

１７．６μＬの試料液（水）を試料導入部より導入した後、試料液が上述したメカニズムにより流れ始め（１）、おおよそ０．００９秒後に、排出流路に達し（２）、０．１２秒後に排出口にメニスカスが達する（３）。試料導入後、おおよそ１．４秒後に試料導入部では底部にメニスカスが到達する（４）。この後、試料導入部の底面に残留している試料液を吸引し続け、おおよそ２．３８秒後に、試料導入部と主流路と接続部にメニスカスが形成されたが、このメニスカスは接続部に留まり続けた（５）。

次にこの状態のまま、同３．００秒まで待機した後（６）、試料導入部に再び同量の試料液を導入したところ、再び流れ始めた（７）。この後、試料導入部の水（試料液）が流れきり、継ぎ目部分に再びメニスカスが形成され、流れが停止したのは、最初の試料導入後おおよそ５．８９秒であった（８）。

以上述べたように、本実施形態におけるフローセルでは、主流路の部分に常に液体が存在し、フロー・ストップ・フローの動作を繰り返すことが可能であることが示された。これは、主流路２０１から排出流路２０３にかけて試料液（液体）が導入された状態で、主流路２０１の試料導入部２０２の側に形成されるメニスカス４０３によって生じる負圧の絶対値が、排出流路２０３の主流路２０１より大地の側に配置された部分である吸引部２３２に存在する試料液によって生じる試料液を排出口２３１の側に引っ張る力の絶対値より大きい条件が存在する範囲に、吸引部２３２の長さが設定されていれば、実現できる。

例えば、ＳＰＲ測定では、液体（試料）の屈折率の微少な差を高感度に検出する方法であるが、主流路の部分をＳＰＲのセンシング領域に配置すると、上述のフローの特性はＳＰＲ測定において非常に好都合となる。

本実施形態におけるフローセルを用いて送液すれば、第１液と第２液を連続して流すことができ、第１液と第２液との間に空気の層を挟むことが無い。空気の屈折率は、液体に比べ非常に小さくＳＰＲ測定においては非常に大きなノイズ源となってしまうので、２液を直列に流すときに、空気の層を挟まない状態は、ＳＰＲ測定においては非常に好都合である。

さらに、第１液と第２液が化学反応を起こすような性質のものであれば、第１液の次に第２液を導入した後に、第１液との接触界面が直ちにＳＰＲ観測領域を流れるようになるため、接触界面で起こる化学変化に起因する屈折率変化をリアルタイムにとらえることができ、多くの情報を得ることができる。

上述した２つの液の接触界面の状態を測定する具体的な応用例として、血液凝固に関するプロトロンビン時間の測定がある。血液の止血作用を担う凝固因子にプロトロンビンがあり、このプロトロンビンによる凝固能の評価にプロトロンビン時間が用いられる。プロトロンビン時間の測定は、肝機能検査（肝硬変、肝臓がん）や、心筋梗塞や脳梗塞等の手術の際の抗凝固剤投与量を決定する際の指標として利用される。実際の測定では、血漿が試薬により凝固するまでの時間を測定するが、従来のように、血漿と試薬とを混合する測定法でフローセル内で凝固測定を行うと流路が目詰まりしてしまい、繰り返し測定はできない。

一方、本実施形態のフローセルを用いることで、次に示すような測定が可能となる。まず、第１液として凝固活性化剤を主流路に停留させておく。次に、第２液として血漿サンプルを導入し、同時にＳＰＲ測定を開始する。血漿サンプル（第２液）と流路中の凝固活性化剤（第１液）の界面（試料導入部と主流路との接続部）において凝固反応が開始するが、この界面部分は、血漿サンプルの導入と共に主流路中を流れ始めるために、主流路が目詰まりすることはない。ＳＰＲ装置では、凝固活性化剤と血漿サンプルとの界面の屈折率変化を測定することができる。測定後、流路洗浄液を同様な方法で流し、主流路を洗浄した後、同じ手順を繰り返すことで、次の血漿サンプルの測定を行うことができる。この間、送液のために外部の駆動力は一切用いる必要がない。

上述した測定では、凝固によって主流路が完全に目詰まりする前にプロトロンビン時間に関する指標を得ることができ、パッシブポンプによる繰り返し測定が凝固測定においても有効であることが分かる。以上述べたように、実施の形態におけるフローセルによれば、繰り返し測定が可能であることを示すことができた。

次に、吸引部の長さを１２ｍｍと、上述した例より長くした場合の、上述同様のシミュレーション結果について図６を用いて説明する。図６の（１），（２）に示すように、排出流路にメニスカスが達するまでは、図５を用いて説明した場合と同様にメニスカスは進行する。しかしながら、排出流路の吸引部がより長い（１２ｍｍ）ので、試料導入後おおよそ０．１９８秒後に排出口にメニスカスが達する（３）。また、試料導入後、おおよそ１．０５秒後に、試料導入部の底面にメニスカスが達する（４）。

この後、試料導入部の底面に残留している試料液を吸引し続け、同おおよそ１．９秒後に試料導入部と主流路との接続部にメニスカスができたが（５）、このメニスカスは接続部に留まり続けた（６）。

前述した吸引部の長さを４ｍｍとした場合に比較し、長さを１２ｍｍとした場合、吸引部が全て満ちてから、試料導入部の底面にメニスカスが到達する時間はおよそ６６％になった。吸引部の長さが３倍になったのに対して流速が１．５倍になったことになる。また、試料導入部の底面に残留している試料液を吸引し、試料導入部と主流路との接続部にメニスカスができるまでの時間から換算した流速は１．２倍程度になった。

また、吸引部の長さを４ｍｍとした場合と同様に、２回目の試料導入を行い、主流路および排出流路に試料液が満ちた状態からの流速を比較すると、初期の段階において、吸引部の長さを１２ｍｍとしたフローセルは、吸引部の長さを４ｍｍとしたフローセルのおおよそ１．３倍程度の流速であった。

流速が増加したのは、吸引部の長さが３倍になって吸引力が増加したことと、式（Ｆ）による流路抵抗が増加したことによって流れにくくなったこととが重畳した結果である。また、各段階において速度の増加率が異なる原因として、排出流路内を毛細管力で流れる時間が異なること、試料導入部の液面高さが低下し静水圧が低下すること、試料導入部の底面でメニスカス形状が大きく変化することなどが、上述した差の原因として挙げられる。いずれにしろ、以上述べたように、吸引部の長さを１２ｍｍとした構成においても、流速を制御できることが明らかになった。

次に、吸引部の長さを４０ｍｍと、上述した例よりさらに長くした場合の、上述同様のシミュレーション結果について図７を用いて説明する。図７の（１）に示すように、試料導入後おおよそ０．４２秒後に、試料導入部の底面にメニスカスが達するが、吸引部の下方部分はまだ試料液で満ちていない。同おおよそ０．４４４秒後に、吸引部の全てが試料液で満たされる（２）。

この後、試料導入部２底面に残留している試料を吸引し続け、同おおよそ１．８９秒後に試料導入部と主流路との接続部にメニスカスができる（３）。このメニスカスは、接続部に留まらず、主流路を進行し、同おおよそ２．１秒後に排出流路に入り全ての試料液が主流路を流れきる（４）。

以上に説明したように、吸引部の長さを４０ｍｍとすることで、主流路内の試料溶液を全て流すことができ、フローセル内の洗浄に有効であることが明らかになった。

ところで、排出流路における主流路の位置から排出口までの大地側方向の距離、言い換えると、吸引部の長さが可変とされていると、上述した３つのシミュレーションによる状態を、１つのフローセルで実現するとができる。

例えば、図８に示すように、主流路１０１の接続部１０５に接続される排出流路８０３の固定管８３３に、上下方向に可動する外側管８３４を設け、これらで吸引部８３２を構成する。外側管８３４の大地側の下端が、排出口８３１となる。例えば、固定管８３３の外側側面と、外側管８３４の内側側面とが摺接し、外側管８３４が、固定管８３３を案内部として摺動する。外側管８３４を、摺動（移動）させることで、吸引部８３２の長さを変更できる。なお、この例では、吸引部８３２を２重管としたが、３重管，４重管としてもよい。

また、図９に示すように、異なる管長の複数の吸引管９３４ａ，吸引管９３４ｂ，吸引管９３４ｃ，吸引管９３４ｄを用いることで、吸引部９３２の長さを可変としてもよい。いずれかの吸引管９３４ａ，吸引管９３４ｂ，吸引管９３４ｃ，吸引管９３４ｄを、接続部９３３に接続することで、吸引部９３２を備える排出流路９０３とする。この例では、例えば、接続部９３３に、吸引管９３４ａを接続すれば、吸引部９３２の長さが最も長くなり、接続部９３３に、吸引管９３４ｄを接続すれば、吸引部９３２の長さが最も短くなる。なお、吸引管は、４本に限らず、より多くの各々異なる長さの吸引管を用いるようにしてもよい。吸引管を選択することにより、設定された流速を選ぶことができるようになる。

以上に説明したように、本発明によれば、主流路の一端に試料導入部を接続し、主流路の他端に主流路より大地の側に配置された排出口を接続するようにしたので、フローセルにおいて、繰り返し送液および流速制御が可能になる。本発明によれば、フローセルにおいて繰り返し測定が簡便に行えるようになり、フロー分析，ケミカルセンサ，バイオセンサなどに適用すれば、測定精度，確度，測定コスト，利便性を著しく向上させることができる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、排出流路の主流路より大地の側に配置された部分の、主流路の位置から排出口の位置までの吸引部を、地表面の法線に対して斜めに配置し、この角度調整によって、吸引部における吸引力を制御し、主流路における流速を制御するようにしてもよい。

また、吸引部を塑性変形する材料などから構成した変形自在な管より構成し、主流路と排出口との位置関係（排出口の高さ）を変えることによって、主流路における流速を制御することも可能である。また、分岐構造を有する吸引管を用いることで、主流路における流速を変化させるようにしてもよい。また、排出口は、主流路より大地の側に配置されていればよく、排出口の開口が大地の側を向いている必要はない。

１０１…主流路、１０２…試料導入部、１０３…排出流路、１０４…接続部、１０５…接続部、１２１…導入口、１２２…試料収容部、１３１…排出口、１３２…吸引部。

Claims (3)

1. 内壁が対象となる液体に対して９０度より小さい接触角を有して毛管力が作用する管径とされた主流路と、
   前記主流路の一端に接続され、前記主流路から大地の側より離れる方向の高い箇所に導入口を備える筒状の試料収容部を備えた試料導入部と、
   一端が前記主流路の他端に接続され、内壁が前記液体に対して９０度より小さい接触角を有して毛管力が作用する管径とされ、他端が前記主流路より大地の側に配置された排出口となる排出流路と
   を備えることを特徴とするフローセル。
2. 請求項１記載のフローセルにおいて、
   前記排出流路の前記主流路より大地の側に配置された部分の、前記主流路の位置から前記排出口の位置までの距離は、
   前記主流路から前記排出流路にかけて前記液体が導入された状態で、前記主流路の前記試料導入部の側に形成されるメニスカスによって生じる負圧の絶対値が、前記排出流路の前記主流路より大地の側に配置された部分に存在する前記液体によって生じる前記液体を前記排出口の側に引っ張る力の絶対値より大きい条件が存在する範囲とされていることを特徴とするフローセル。
3. 請求項１または２記載のフローセルにおいて、
   前記排出流路における前記主流路の位置から前記排出口までの大地側方向の距離が可変とされていることを特徴とするフローセル。