JP6737184B2 - 分析装置 - Google Patents
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Description
この分析チップは、金属膜が付与されたプリズム(誘電体媒体)と流路を構成する部材のみで形成されることが多い(センシング部材またはセンサーチップ)。このセンシング部材は通常、光源、検出器を含む分析装置に設置され、センシング部材自体に試薬を保持する部分または部材(試薬保持部材)が構成されることは少ない。かかる構成では、試薬保持部材が分析装置そのものにあらかじめ設置されているか、またはユーザが分析装置に別途設置し、そこにセンシング部材が設置されることが多い。このように試薬保持部材とセンシング部材とは別々に扱われるため測定準備や片付けが煩雑になり易い。
POCTでは作業効率化、安全化から測定後に試薬保持部材とセンシング部材とを使い捨てにすることが多い。かかる状況では、試薬保持部材とセンシング部材とを個々に破棄することになるため、前述の通りユーザの作業が煩雑になり、タンパク質やDNAなどの生体物質を検出する測定では、ユーザのバイオハザードに繋がるリスクもある。
近年では、ユーザビリティ(使いやすさ)向上の観点と、試薬とセンシングとの関係性を保ち検出精度を向上させ、試薬保持部材とセンシング部材を合わせてロット管理を行いたい(製品単位ごとに製品を管理する)観点から、試薬保持部材とセンシング部材との両者を一体化したチップとする要求が高まってきている。
特に特許文献1の技術によれば、検出チップ11において断面V字状の検出溝13を形成しその表面に電場増強層14を形成しており、容易に表面プラズモンが励起されうるような提案がなされている(段落0044〜0045、図7(b)、実施例1、2参照)。
SPRを利用した分析装置は励起光を用いた光学検出のため、検出精度に優れる一方で、分析装置におけるセンシング部材の位置決めには高度な精度が要求される。とりわけ、センシング部材の金属膜上にアナライトを固定化した固定化膜を励起光サイズ程度に調整して検出精度を向上させる場合や、高感度検出であるSPFS(Surface Plasmon-field enhanced Fluorescence Spectroscopy;表面プラズモン励起増強蛍光分光法)を利用する場合、分析装置におけるセンシング部材の位置決めには、基準位置に対し±50μm以下程度のきわめて高度な精度が要求される。
仮に、かかる問題を解決するため、PPで形状・寸法精度を向上させようとすれば、成形の困難さから製造コストアップにつながる。POCTでは使い捨てが多いため、製造コストアップは好ましくない。試薬保持部材を、比較的耐試薬性を有しつつも、形状・寸法精度に優れる非晶性樹脂のPS(ポリスチレン)、PC(ポリカーボネート)などで構成した場合も、材料単価から同様に製造コストアップにつながり、好ましくない。
分析チップと、
前記分析チップを設置するためのステージと、
前記分析チップのセンシング部材を位置決めするための位置決め部材と、
を備え、
前記分析チップは、表面プラズモン共鳴原理を用いた試薬保持部材と前記センシング部材とを備える分析チップであって、前記試薬保持部材が、前記センシング部材を収納するための収納部と、前記収納部中で前記センシング部材と係合する係合部とを有し、前記センシング部材が、前記収納部との間に一定の可動域を有する状態で、前記係合部により、前記収納部に収納されており、
前記位置決め部材は、前記分析チップが前記ステージに設置されたとき前記センシング部材に当接して前記センシング部材の前記可動域内での移動を規制することで、前記ステージに対する前記センシング部材の位置を決めることを特徴とする分析装置が提供される。
特にセンシング部材が当該収納部との間に一定の可動域を有するため、センシング部材が試薬保持部材から位置的な制約を受けるのが排除され、分析装置に対するセンシング部材の位置決め精度を向上させることができる。
またかかる構成によれば、試薬保持部材とセンシング部材との両者が一体化されるため、センシング部材とそのセンシング部材に対して使用された試薬保持部材との関係が対応付けられ、ユーザビリティも向上する。
数値範囲を示す「〜」の記載については、その前後に記載される下限値および上限値が当該数値範囲に含まれる。
図1に示すとおり、分析装置1は分析チップ10、ステージ100および押さえ部材200を備えている。
ステージ100には凹状の収納部102が形成されている。
分析装置1では、収納部102に分析チップ10が収納され、ステージ100の上部に押さえ部材200が配置される。
図1では、ステージ100が直方体状を呈し、収納部102が四角枠状を呈しているが、ステージ100および収納部102の形状は分析チップ10が収納可能であれば限定されない。
分析チップ10は試薬保持部材20およびセンシング部材30を備えている。
試薬保持部材20はほぼ直方体状を呈する試薬保持容器である。試薬保持部材20の外形形状は限定しないが、ステージ100への設置の際の取り回し、持ち易さから直方体状が好ましい。
試薬保持部材20には、試薬を保持、貯留するための凹状のウエル22が形成されている。試薬保持部材20には、四角枠状の収納部24も形成されている。収納部24はセンシング部材30を収納する部位である。
図1、図2Aに示すとおり、ほぼ楕円形状の4つのウエル22が後部から中央部にかけて配置され、収納部24が前部に配置されている。
試薬保持部材20はガラスまたは樹脂で構成されている。
試薬保持部材20は好ましくは樹脂で構成されるのがよい。
試薬保持部材20は結晶性樹脂で構成されてもよいし、非晶性樹脂で構成されてもよいが、製造コスト、耐試薬性の観点から、好ましくは結晶性樹脂で構成されるのがよく、たとえばPPで構成されるのがよい。
なお、PPは比較的形状・寸法精度に劣り、分析装置1におけるステージ100への試薬保持部材20の位置決め精度を向上させるのは困難である。ただし、後述するように、分析装置1における試薬保持部材20の位置決めには高い精度は要求されないため、試薬保持部材20がPPで構成されるのは実用上問題ない。
たとえば、図2Bに示すとおり、円形状の6つのウエル22aを後部に配置するとともに、2つのウエル22を前部に配置し、収納部24を中央部に配置してもよい。図2Cに示すとおり、円形状の6つのウエル22aと逆L字状のウエル22bとを後部から中央部にかけて配置し、収納部24を前部に配置してもよい。図2Dに示すとおり、円形状の多数のウエル22aのみを後部から中央部にかけて配置し、収納部24を前部に配置してもよい。
封止部材26は試薬を回収可能なものであればよい。封止部材26としてPCRシート、Alシートが使用される。封止方法もウエル22中の試薬に影響がなければどのような方法でもよい。封止方法として熱融着、化学接着がある。
図1に示すとおり、センシング部材30は試薬保持部材20の収納部24に収納されている。
図3A、図3Bに示すとおり、センシング部材30は流路部材40およびプリズム部材50を備えている。
流路部材40は試薬導入部42および反応流路44を備えている。試薬導入部42は円形状の貫通孔である。反応流路44は流路部材40とプリズム部材50とが接合された場合に形成される空間部である。試薬導入部42と反応流路44は互いに連結している。
図3Cに示すとおり、プリズム部材50はプリズム52、金属膜54、固定化膜56を備えている。プリズム52上に金属膜54が形成され、金属膜54上に固定化膜56が形成されている。固定化膜56にはアナライトが固定化されている。
流路部材40およびプリズム52はガラスまたは樹脂で構成されている。
流路部材40およびプリズム52は好ましくは試薬保持部材20と異なる材料で構成されるのがよく、より好ましくは形状・寸法精度に優れるガラスで構成されるか、または試薬保持部材20と異なる樹脂であって試薬保持部材20より形状・寸法精度に優れる樹脂で構成されるのがよい。
流路部材40およびプリズム52には光学検出をする原理から透明性も必要なため、流路部材40およびプリズム52は好ましくはガラスまたは非晶性樹脂で構成されるのがよく、たとえば流路部材40はPMMA(ポリメタクリル酸メチルアクリル)で構成され、プリズム52はCOP(シクロオレフィンポリマー)で構成されるのがよい。
PMMA、COPは試薬保持部材20を構成しうるPPよりも形状・寸法精度に優れるため、流路部材40およびプリズム52は試薬保持部材20よりも設計値に近い製品になる。
試薬保持部材20とセンシング部材30はスナップフィット方式で一体化されている。
図4Aに示すとおり、試薬保持部材20の収納部24にはスナップフィット方式の1対の係合部60が形成されている。係合部60は試薬保持部材20と同一材質で構成されてもよいし、別材質で構成されてもよい。係合部60は製造性から試薬保持部材20と同一材質で構成されるのが好ましい。かかる場合、試薬保持部材20がPPで構成されるときは、PPは比較的柔らかい材質なので、係合部60もスナップフィット方式により適したものとなる。
図4Bに示すとおり、係合部60は内壁部62、支持部64、爪部66を備えている。係合部60は左右対称の構造を有している。内壁部62の下部から支持部64が突出している。内壁部62の上部から爪部66が突出している。
センシング部材30は、支持部64と爪部66との間に挟持され、収納部24に収納されている。
可動域は左右方向、上下方向、前後方向のいずれにも形成されている。
左右方向の可動域は内壁部62と流路部材40との間に形成されている。
上下方向の可動域は爪部66と流路部材40との間に形成されている。
前後方向の可動域は収納部24の前後の内壁部と流路部材40との間に形成されている(図11B参照)。
0.01≦Sk≦0.58mm … (1)
0.03≦Sk≦0.58mm … (1a)
式(1)中、下限値は試薬保持部材20の加工精度の限界値である。上限値は下記の理由から導出される。
図5Aに示すとおり、流路部材40を爪部66間の中央部に配置した場合、係合部60とセンシング部材30との間で係合状態が維持されるためには、爪部66と流路部材40との間の係合距離Aは0.7mm以下にする必要がある。他方、図5Bに示すとおり、流路部材40の一端部が内壁部62に片寄った場合、爪部66と流路部材40の他端部との間の最小係合距離Amin(=A−Sk)は0.12mm以上にする必要がある。
これらの両方の場合を想定すると、可動域Skの上限値は0.7mm−0.12mm=0.58mmと導出される。
0.01≦Tk≦1mm … (2)
0.03≦Tk≦1mm … (2a)
式(2)中、下限値は試薬保持部材20の加工精度の限界値である。上限値は、流路部材40の一端部を内壁部62に片寄らせて持ち上げた場合に、係合部60とセンシング部材30との係合状態が解除されずに維持される限界値である。
たとえば、図6Aに示すとおり、収納部24の前後左右の4カ所に対し平面視して矩形状の係合部60aを形成してもよい。図6Bに示すとおり、収納部24の角部に対し平面視してL字状の係合部60bを形成してもよい。図6Cに示すとおり、収納部24の前後左右の4カ所に対し平面視してほぼ半円状の係合部60cを形成してもよい。
かかる場合、図7Aに示すとおり、内壁部62とは別体の支持部70、爪部72を内壁部62に設けてその間に流路部材40を挟持させる。図7Bに示すとおり、内壁部62とは別体のコ字状の保持部74を設けてその間に流路部材40を挟持させてもよい。支持部70、爪部72、保持部74は好ましくはゴム、スポンジなどの弾性体で構成してもよい。
かかる場合、図8Bに示すとおり、流路部材40を押圧する方向に付勢するバネ76を内壁部62に設けてその間に流路部材40を挟持させる。バネ76は樹脂製のバネでもよいし、金属製のバネでもよいし、セラミック製のバネでもよい。
図9Aに示すとおり、プレスフィット方式の係合部60eを形成してもよい。係合部60eも試薬保持部材20と同一材質で構成されてもよいし、別材質で構成されてもよい。係合部60eも製造性から試薬保持部材20と同一材質で構成されるのが好ましい。
かかる場合、図9Bに示すとおり、内壁部62と一体のフック部78を内壁部62に設けてそこに流路部材40を挿通させる。
図10Aに示すとおり、ステージ100の収納部102には平面視してL字状の突起104、106が形成されている。前部の突起104と後部の突起106との間にはプリズム部材50が収納可能な隙間が形成されている。
突起104、106の後方にはプランジャー108が設けられている。プランジャー108はステージ100の筐体の内部に設けられている。
かかる場合、図11Bに示すとおり、プランジャー108の押圧力が試薬保持部材20を介してセンシング部材30に伝達され、プリズム部材50の左右端部が突起104に当接する。その結果、センシング部材30の前後方向の移動が規制され、センシング部材30の前後方向が位置決めされる。
かかる構成によれば、突起104、プランジャー108がセンシング部材30の前後方向の位置決め部材を構成する。
図11Bに示すとおり、試薬保持部材20の内部に押圧源を配置し、ウエル22の外壁部を押圧してもよい。また検出に支障が無ければ、センシング部材30側のステージ100の筐体内部に押圧源を配置し、試薬保持部材20を押圧し、プリズム部材50の端部を突起106に当接させ、センシング部材30の前後方向が位置決めされてもよい。
押圧源も変更可能である。
押圧源として、ソレノイド、アクチュエーター、エアシリンダーが用いられてもよい。押圧源はセンシング部材30を可動域の前後方向の距離より長く押圧しうるものであればよい。
図10B、図10Cに示すとおり、押さえ部材200は一定の厚さを有する金属板である。押さえ部材200の中央部には凹部が形成され、押さえ部材200は底部202と天板部204とが連結した構成を有している。
かかる場合、押さえ部材200の押圧力が底部202を介してセンシング部材30に伝達され、流路部材40の下面が突起104、106の上面に当接する。その結果、センシング部材30の上下方向の移動が規制され、センシング部材30の上下方向が位置決めされる。
かかる構成によれば、突起104、106、突起112、押さえ部材200がセンシング部材30の上下方向の位置決め部材を構成する。
センシング部材30と押さえ部材200との間に弾性体を介在させ、間接的に押圧してもよい。
押圧源も磁力に限定されず変更可能である。
押圧源として、プランジャー、ソレノイド、アクチュエーター、エアシリンダーが用いられてもよい。押圧源はセンシング部材30を可動域の上下方向の距離より長く押圧しうるものであればよい。
その他、突起104、106に吸引機構を設けて流路部材40を吸着し、センシング部材30の上下方向を位置決めしてもよい。
かかる場合、試薬保持部材20とセンシング部材30とが分離することなく一体化するため、両者の関係性を維持しながらこれら部材をロット管理することができる。また両者が一体化しているため、ユーザ作業性・ハンドリング・バイオセーフティー性を向上させることができる。
一体化する場合も、流路部材40を支持部64と爪部66との間に挟持するだけでよいため、分析チップ10の組立てが容易である。
試薬保持部材20とセンシング部材30とを製造する場合も、これら部材を別体として製造可能であるため、両者の構成を加味した複雑な機構(成形)が不要であり、部品製造が容易でコストアップを抑制しうるし、各部材の加工精度を向上させることもできる。
とりわけ、固定化膜56を励起光サイズ程度に調整して検出精度を向上させる場合や、SPFSを利用する場合でも、分析装置1におけるセンシング部材30の前後方向および高さ方向の位置決めについて、基準位置に対し±50μm以下程度のきわめて高度な位置決めも実現することができる。
また、センシング部材30は分析装置1における位置決め精度が高く要求されるため、好ましくは形状・寸法精度に優れるガラスまたは非晶性樹脂で構成される。一方、試薬保持部材20は比較的大型であり分析装置1における位置決め精度も高くは要求されないし、耐試薬性とコストとの観点からも、好ましくは結晶性樹脂で構成される。かかる場合も製造コストアップを抑制することができる。
(1.1)サンプル1
[試薬保持部材]
図1、図2Aと同様の構成を有する試薬保持部材を製造した。
試薬保持部材の材質は耐試薬性が求められるため、結晶性樹脂が好ましい。
ここでは、PPを射出成形し、図12Aのサイズの試薬保持部材を製造した。試薬保持部材の厚さは15mmとし、ウエルの深さは10mmとした。
その後、試薬をウエルに分注し、試薬漏れを防止するためにウエルをAlシートで封止した。封止は熱融着で行った。
図12Bに示すとおり、封止後の試薬保持部材の反りは0.5〜1mmであった。
図3A〜図3Dと同様の構成を有するセンシング部材を製造した。
センシング部材の材質は透明性が求められるため非晶性樹脂が好ましい。
ここでは、PMMA(ポリメタクリル酸メチルアクリル)を射出成形し、図13A〜図13Cのサイズの流路部材を製造した。COP(シクロオレフィンポリマー、日本ゼオン社製E48R)を射出成形し、図13A、図13D、図13Eのサイズのプリズムを製造した。
その後、プリズムの上面全域に厚さ50nmのAu膜をスパッタリングで形成し、Au膜の上面に円形の固定化膜(抗体タンパク)を形成し、プリズム部材を製造した。固定化膜の形成範囲は直径φ5mmとした。
その後、流路部材とプリズム部材とを接合して反応流路を形成し、センシング部材を製造した。
センシング部材と試薬保持部材とをスナップフィット方式で一体化した。
図5A、図5Bを用いて説明した可動域、係合距離はSk=0.05mm、A=0.4mm、Tk=0.6mmであった。
サンプル1の作製において、可動域、係合距離を表1のとおり変更した。
サンプル1の作製において、意図的に試薬保持部材の爪部を形成しなかった。分析チップを組み立てる際には、図14に示すとおり、流路部材を試薬保持部材の支持部に熱接着し、可動域をなくした。
(2.1)一体化の評価
サンプルをあらゆる方向に360°回転させ、試薬保持部材とセンシング部材とが分離せずに一体化しているかどうかを確認した。
確認結果を表1に示す。評価基準は下記のとおりである。
○;分離せずに一体化している
×;分離した
図10A〜図10Cと同様の構成を有するステージおよび押さえ部材を準備した。
図11A〜図11Cを用いて説明したとおり、サンプルをステージに設置し、その上方から押さえ部材をステージに設置した。かかる状態で、センシング部材の高さ方向および前後方向の位置が基準位置からどの程度ずれているかを確認した。
確認結果を表1に示す。評価基準は下記のとおりである。
○;±50μm以内である
×;±50μmを超える
これに対し、サンプル2では、可動域Skが過小のためセンシング部材が可動せず高さ位置を微調整できずに位置ずれが大きかった。サンプル3では、可動域Skが過剰でセンシング部材が試薬保持部材から外れてしまい、一体化と位置決めができなかった。
サンプル6では係合距離Aが過剰で試薬保持部材の係合部が破損してしまい、一体化と位置決めができなかった。サンプル7では係合距離Aが過小なためセンシング部材が試薬保持部材から外れてしまい、一体化と位置決めができなかった。
サンプル10では、可動域Tkが過小なため、センシング部材が可動せず高さ位置のずれが大きかった。サンプル11では、可動域Tkが過剰で試薬保持部材とセンシング部材とが分離し、一体化と位置決めができなかった。
サンプル14では、試薬保持部材の反りの影響が大きく、前後、高さ方向に位置ずれが大きかった。
以上から、試薬保持部材とセンシング部材との分離を防止し、センシング部材の位置決め精度を±50μm以内に抑えるには、スナップフィット方式を採用し、可動域Sk、Tkについて式(1)、(2)の条件を充足させることが有用であることがわかる。
10 分析チップ
20 試薬保持部材
22 ウエル
24 収納部
26 封止部材
30 センシング部材
40 流路部材
42 試薬導入部
44 反応流路
50 プリズム部材
52 プリズム
54 金属膜
56 固定化膜
60 係合部
62 内壁部
64 支持部
66 爪部
100 ステージ
102 収納部
104、106 突起
108 プランジャー
112 突起
200 押さえ部材
202 底部
204 天板部
Claims (10)
- 分析チップと、
前記分析チップを設置するためのステージと、
前記分析チップのセンシング部材を位置決めするための位置決め部材と、
を備え、
前記分析チップは、表面プラズモン共鳴原理を用いた試薬保持部材と前記センシング部材とを備える分析チップであって、前記試薬保持部材が、前記センシング部材を収納するための収納部と、前記収納部中で前記センシング部材と係合する係合部とを有し、前記センシング部材が、前記収納部との間に一定の可動域を有する状態で、前記係合部により、前記収納部に収納されており、
前記位置決め部材は、前記分析チップが前記ステージに設置されたとき前記センシング部材に当接して前記センシング部材の前記可動域内での移動を規制することで、前記ステージに対する前記センシング部材の位置を決めることを特徴とする分析装置。 - 請求項1に記載の分析装置において、
前記試薬保持部材と前記センシング部材とが異なる材料で構成されていることを特徴とする分析装置。 - 請求項2に記載の分析装置において、
前記試薬保持部材と前記センシング部材とが異なる樹脂で構成され、
前記センシング部材が前記試薬保持部材より形状・寸法精度に優れる樹脂で構成されていることを特徴とする分析装置。 - 請求項3に記載の分析装置において、
前記試薬保持部材が結晶性樹脂で構成され、
前記センシング部材が非晶性樹脂で構成されていることを特徴とする分析装置。 - 請求項1〜4のいずれか一項に記載の分析装置において、
前記収納部と前記センシング部材との幅方向の可動域Skが式(1)の条件を満たしていることを特徴とする分析装置。
0.01≦Sk≦0.58mm … (1) - 請求項1〜5のいずれか一項に記載の分析装置において、
前記収納部と前記センシング部材との間の高さ方向の可動域Tkが式(2)の条件を満たしていることを特徴とする分析装置。
0.01≦Tk≦1mm … (2) - 請求項1〜6のいずれか一項に記載の分析装置において、
前記係合部がスナップフィット方式の係合部であることを特徴とする分析装置。 - 請求項7に記載の分析装置において、
前記係合部が弾性体で構成されていることを特徴とする分析装置。 - 請求項1〜6のいずれか一項に記載の分析装置において、
前記係合部がバネ式の係合部であって、樹脂、金属またはセラミックのいずれか1種類から構成されていることを特徴とする分析装置。 - 請求項1〜6のいずれか一項に記載の分析装置において、
前記係合部がプレスフィット方式の係合部であることを特徴とする分析装置。
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