JP6825889B2

JP6825889B2 - 生化学試料採取用ノズル

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Publication number: JP6825889B2
Application number: JP2016231165A
Authority: JP
Inventors: 飯田　茂; 茂飯田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2016-11-29
Filing date: 2016-11-29
Publication date: 2021-02-03
Anticipated expiration: 2036-11-29
Also published as: JP2018087747A

Description

本開示は、生化学試料採取用ノズルに関する。

液体試料を分析対象とする液体クロマトグラフ等の分析装置では、液体試料を採取して運ぶための試料採取用ノズルが設けられている。このような試料採取用ノズルとしては、鉄を主成分とする合金であるステンレス鋼が主に用いられている。鉄は水酸基を吸着する性質を有しているので、液体試料に水酸基を含んでいる場合、液体試料がノズルの表面に比較的強固に付着する。タンパク質を含む例えば血液等の生化学試料は、タンパク質が水酸基を含むので、ノズル表面に比較的強固に付着し易いため、採取した生化学試料をノズルから吐出しようとしても、吸着した生化学試料がノズル内に残留してしまい、ノズルからの吐出量が不足したり、吐出量にばらつきが生じるおそれがあった。このようなノズル表面の試料吸着を抑制するノズルとして、例えば特許文献１において、先端部付近のノズル表面に貴金属めっき層が設けられたノズルが知られている。

特開２０１３−１３７２２７号公報

特許文献１記載のノズルは、ノズル表面に設けた貴金属めっき層が剥離した場合、剥離によってステンレス鋼が露出し、ステンレス鋼の露出部分に分析対象の試料が強固に付着してしまうおそれがあった。また、ノズルを用いて複数種類の試料を連続して採取および吐出した場合、ノズル表面に残留した試料が、次に採取する他種類の試料と混入してしまう。さらに、ノズル表面に設けた貴金属めっき層が剥離した場合、剥離しためっき層がコンタミネーションとして試料へ混入するおそれがあった。

このように、ノズル表面への試料の付着やノズル表面に設けた貴金属めっき層が剥離は、分析精度の低下につながっていた。

上記課題を解決するために、第１端から第２端にわたる第１貫通孔を備えるとともに、前記第１端に向かって外径が細くなる形状の第１部材を有し、該第１部材は、酸化ジルコニウムを主成分とするセラミックスからなり、前記第１貫通孔は、前記第１端から前記第２端に向かって内径（Ｄ１）が一定の領域を有し、前記内径（Ｄ１）に対する前記第１貫通孔の長さ（Ｌ１）の比（Ｌ１／Ｄ１）は、５０以上であることを特徴とする生化学試料採取用ノズルを提供する。
また、第１端から第２端にわたる第１貫通孔を備えるとともに、前記第１端に向かって外径が細くなる形状の第１部材を有し、該第１部材は、酸化ジルコニウムを主成分とするセラミックスからなり、前記第１貫通孔の前記第２端側に配置された、前記第１貫通孔と連通する第２貫通孔を備える第２部材を有し、前記第１貫通孔の内径は前記第２貫通孔の内径よりも小さく、前記第１部材は、前記第２端側において、前記第２貫通孔に挿入される挿入部を有しており、該挿入部の外周面と前記第２貫通孔の内周面との間に接合層が位置しており、前記接合層は、酸化珪素を主成分とし、酸化バリウム、酸化カルシウムおよび酸化アルミニウムを含むことを特徴とする生化学試料採取用ノズルを提供する。

本開示の生化学試料採取用ノズルによれば、採取する生化学試料のノズル表面への付着を抑制することができる。本開示の生化学試料採取用ノズルを用いることで、生化学試料を必要な量だけ高精度に採取することができ、また複数種類の試料採取においても、混入のおそれを抑制できるため、分析装置における分析精度を比較的高くすることができる。

本実施形態の生化学試料採取用ノズルの一例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は中心軸に沿った断面図であり、（ｃ）は拡径部の拡大図である。本実施形態の生化学試料採取用ノズルの他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は中心軸に沿った断面図である。

以下、図面を参照して、本開示の実施形態について詳細に説明する。図１は、本実施形態の生化学試料採取用ノズルの一例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は中心軸に沿った断面図であり、（ｃ）は（ｂ）の拡大図である。また、図２は、本実施形態の液体試料採取用ノズルの他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は中心軸に沿った断面図である。なお、図２では、図１と同様の構成に関して図１と同じ符号で示している。

図１および図２に示す生化学試料採取用ノズル１０（以降、単にノズル１０ともいう）は、生化学試料を分析対象とする例えば液体クロマトグラフ等の分析装置に用いられる。ノズル１０は、この分析装置において、分析対象試料を採取および搬送に用いられる。ノズル１０は、タンパク質を含む例えば血液等の生化学試料を分析対象試料（以降、分析試料ともいう）としている。具体的には、ノズル１０は、第１端１ａ側の一部が、分析試料に浸漬されることで、第１貫通孔１Ａの分析試料を吸い上げて、第１貫通孔１Ａ内においてこの分析試料を保持する。第１貫通孔１Ａ内への分析試料の吸い上げは、いわゆる毛細管現象による吸い上げの効果だけでもよく、あるいは、第１貫通孔１Ａ内を負圧にしたことによる圧力差の効果を利用することもできる。

本開示のノズル１０は、生化学試料採取用ノズルであって、第１端１ａから第２端１ｂにわたる第１貫通孔１Ａを備えるとともに、第１端１ａに向かって外径が細くなる形状の第１部材１を有し、第１部材１は、酸化ジルコニウムを主成分とするセラミックス（以降、酸化ジルコニム質セラミックスともいう）からなる。

ここでセラミックスの主成分とは、セラミックスを構成する成分の合計１００質量％のうち、７０質量％以上を占める成分のことを言う。セラミックスを構成する成分の合計１００質量％のうち、酸化ジルコニウムの含有量が、７５質量％以上であることが好適である。セラミックスを構成する各成分は、Ｘ線回折装置で同定することができ、その含有量については蛍光Ｘ線分析装置またはＩＣＰ発光分光分析装置により求めることができる。

本実施形態のノズル１０は、第１部材１が酸化ジルコニウム質セラミックスからなることにより、第１貫通孔１Ａの内周面も酸化ジルコニウムからなる。このように、第１貫通孔１Ａの内周面が酸化ジルコニウムからなることにより、ノズル１０は、ステンレス鋼等を内周面とする場合と比較して、第１貫通孔１Ａの内周面へのタンパク質等の付着が抑制される。第１部材１自体が酸化ジルコニウム質セラミックスからなるノズル１０は、表面に例えば貴金属めっき層等を設けなくても分析試料が付着しがたく、剥がれためっき層の分析試料への混入も発生しない。第１部材１は、第１部材１の第１端１ａおよび外周面も酸化ジルコニウム質セラミックスからなるため、第１部材１の表面全体に分析試料が付着し難くなっている。このようなノズル１０を用いることで、採取する分析試料のノズル表面への付着による残留が抑制されるため、分析試料を必要な量だけ高精度に採取することができる。また、複数種類の分析試料を採取する際の混入を抑制することができる。また、酸化ジルコニウム質セラミックスは、比較的高い靭性を有しているため、第１部材１に外力が加わった場合に折損しにくい。

また、ノズル１０は、第１貫通孔１Ａの第２端１ｂ側に、第１貫通孔１Ａと連通する第２貫通孔２Ａを備える第２部材２を有していてもよい。そして、第１貫通孔１Ａの内径が第２貫通孔２Ａの内径よりも小さくてもよい。このような第２部材２を有し、第１貫通孔１Ａの内径が、第２貫通孔２Ａの内径よりも小さいときには、第１部材１の第１貫通孔１Ａの大きさ以上の量の分析試料をノズル１０で保持することができる。

また、ノズル１０において、第１部材１０の第１端１ａの側は、採取する分析試料の導
入口であるとともに、採取した分析試料の吐出口にもなっている。ノズル１０から分析試料を吐出する際、分析試料は液滴となって吐出されるが、この液滴の１つ１つの大きさは第１貫通孔１Ａの内径の大きさに応じて変わり、第１貫通孔１Ａの内径が小さいと１つ１つの液滴は小さくなる。ノズル１０では、第１貫通孔１Ａの内径が第２貫通孔２Ａの内径よりも小さいため、比較的大きな内径を有する第２貫通孔２Ａによって比較的大量の分析試料を保持しつつ、比較的小さな内径を有する第１貫通孔１Ａによって小さい液滴で吐出できるため、大量に保持しつつ、高い吐出精度を有する。

なお、第２部材２の材質は限定されないが、第１部材１と同様の材料、すなわち酸化ジルコニウム質セラミックスからなることが好ましい。第２部材２が酸化ジルコニウム質セラミックスからなることで、第２貫通孔２Ａにおいても、採取する分析試料のノズル表面への付着による残留を抑制することができる。これによってノズル１０は、高い精度で分析試料を定量することができる。また、複数種類の分析試料を採取する際の混入をさらに抑制することができる。

また第１部材１は、第２端１ｂ側において、第２貫通孔２Ａに挿入される挿入部１１を有しており、第１貫通孔１は、第２端側１ｂに近づくに従って内径が大きくなる拡径部１２を有していてもよい。第１部材１における挿入部１１が第２貫通孔２Ａに挿入される構成の場合、本実施形態のように接合層３を介して第１部材と第２部材とを接合すると、挿入部１１の外周面と第２貫通孔２Ａの内周面との対向領域全体の広い範囲と接合領域とすることができるので、第２部材２に第１部材１を強固に結合することができる。

加えて、第２端側１ｂに近づくに従って内径が大きくなる拡径部を有しているときには、第２貫通孔２Ａの内部から第１貫通孔１Ａの内部に向けて分析試料がスムーズに流れ込み易くなるため、第２貫通孔２Ａと第１貫通孔１Ａとの境界部分におけるマイクロバブルの発生等を抑制できる。なお、マイクロバブルの発生等の心配がない場合などは、図２に示す他の実施形態のように、拡径部１２を有さない構成であってもよい。拡径部１２の形状は、例えば円錐台状であり、中心軸に沿った断面視におけるその頂角θは、例えば７０°以上１１０°以下であってもよい。

ノズル１０の第１部材１は、第２端１ｂ側において、第２貫通孔２Ａに挿入される挿入部１１を有しているとき、挿入部１１の外周面と第２貫通孔２Ａの内周面との間に接合層１３が位置していてもよい。このような構成を満たすときには、第１部材１と第２部材２とが強固に接合されるため、第２部材２から第１部材１が外れるおそれが少なくなる。

また挿入部１１は、第１端１a側に段差面１４を有しているとき、段差面１４と第２部
材２との間にも接合層１３が位置していてもよい。挿入部１１の外周面と第２貫通孔２Ａの内周面との間に加えて、段差面１４と第２部材２との間にも接合層１３が位置しているときには、第１部材１と第２部材２とがより強固に接合されるため、第２部材２から第１部材１が外れるおそれがより少なくなる。

接合層１３は、酸化珪素を主成分とし、酸化バリウム、酸化カルシウムおよび酸化アルミニウムを含むものであってもよい。酸化珪素を主成分とする接合層１３は、いわゆるガラス接合層である。酸化バリウムを含む接合層１３は、耐水性が比較的高く、また、酸化カルシウムを含むので化学的耐久性を比較的高い。また酸化アルミニウムを含む接合層１３は、ガラスの軟化温度も比較的高く、耐熱性が比較的高い。

なお、接合層１３における主成分とは、接合層１３を構成する成分の合計１００質量％のうち、最も多い成分のことを言う。接合層１３を構成する成分の合計１００質量％のうち、酸化珪素は、５０質量％以上であることが好適である。接合層１３は、例えば、酸化
バリウムの含有量が１５質量％以上３０質量％以下、酸化カルシウムの含有量が５質量％以上２０質量％以下、酸化アルミニウムの含有量が１質量％以上１０質量％以下であり、残部が酸化珪素である。接合層１３を構成する各成分の含有量については、ＩＣＰ発光分光分析装置により求めることができる。

第１貫通孔１Ａは、第１端１ａから第２端１ｂに向かって内径（Ｄ１）が一定の領域を有し、内径（Ｄ１）に対する第１貫通孔１Ａの長さ（Ｌ１）の比（Ｌ１／Ｄ１）が、５０以上であってもよい。図１に示す実施形態のノズル１０では、第１貫通孔１Ａの内径（Ｄ１）は例えば０．２５ｍｍ以上０．３ｍｍ以下である、第１貫通孔１Ａの長さ（Ｌ１）は例えば１２ｍｍ以上１６ｍｍ以下であり、比（Ｌ１／Ｄ１）は４０以上６４以下となっている。

この比（Ｌ１／Ｄ１）が５０以上の場合、第１貫通孔１Ａの内径（Ｄ１）が十分に小さいため、毛細管現象によって分析試料を安定して吸い上げることができる。また、第１貫通孔１Ａが充分に長いため、比較的多くの量の分析試料を保持して搬送させることができる。また、長さＬ１に対して内径Ｄ１が充分に小さい第１貫通孔１Ａ内では、吸い上げられた分析試料に乱流が生じ難い。このため、分析試料の吸引の際に、乱流に起因したマイクロバブルが分析試料に生じることが抑制される。また、液滴の吐出の際に、このような乱流に起因する液滴の大きさのばらつきが抑制される。

また、ノズル１０の第１部材１および第２部材２を構成するセラミックスは、イットリウムを酸化物に換算して２ｍｏｌ％以上４ｍｏｌ％以下含むものであってもよい。セラミックスがイットリウムを酸化物に換算して上記範囲で含んでいる場合、このセラミックスからなる第１部材１および第２部材２は、比較的高い機械的強度を有する。

また、ノズル１０の第１部材１および第２部材２を構成するセラミックスは、マグネシウムおよびカルシウムの少なくともいずれかを酸化物に換算して８ｍｏｌ％以上１２ｍｏｌ％以下含むものであってもよい。このようなセラミックスは、耐熱衝撃性が比較的高い。

次に、液体試料採取用ノズルの製造方法の一例について説明する。まず、酸化ジルコニウムを主成分とするセラミック原料の粉末およびバインダーを含む坏土を押出成形機に投入して、加圧して押し出し、第１貫通孔を有する筒状の第１成形体を得る。

上述した方法と同様の方法を用いて、第２貫通孔を有する筒状の第２成形体を得る。なお、イットリウムを酸化物に換算して２ｍｏｌ％以上４ｍｏｌ％以下含むセラミックスからなるノズルを得るには、上記セラミック原料の粉末および酸化イットリウムの粉末の合計１００ｍｏｌ％中、酸化イットリウムの粉末が２ｍｏｌ％以上４ｍｏｌ％以下となるように調合すればよい。

また、マグネシウムおよびカルシウムの少なくともいずれかを酸化物に換算して８ｍｏｌ％以上１２ｍｏｌ％以下含むセラミックスからなる液体試料採取用ノズルを得るには、上記セラミック原料の粉末および上記第２族元素の酸化物の粉末の合計１００ｍｏｌ％中、第２族元素の酸化物の粉末が８ｍｏｌ％以上１２ｍｏｌ％以下となるように調合すればよい。

次に、第１成形体および第２成形体を焼成炉内に配置し、大気雰囲気中、例えば、１３００℃以上１７００℃以下で焼成することで、それぞれ第１焼成体、第２焼成体とすることができる。

次に、第１焼成体および第２焼成体それぞれの表面を機械的に加工して、第１部材１および第２部材２を得る。この際、第１焼成体の第１端１ａ側の外周面を先端に向かって狭くなるように研磨を施し、第２端１ｂの側を研削して挿入部１１を形成すればよい。また、第１貫通孔１Ａの第２端１ｂ側の開口端の一部を加工して、拡径部１２を形成すればよい。

次に、第１部材１の貫通孔１Ａの中心軸と、第２部材２の貫通孔２Ａの中心軸とを合わせ、第１部材１の挿入部１１を、第２部材２の第２貫通孔２Ａに挿入し、第１部材１と第２部材２とを接合層１３となるペーストを介して接合する。この際、まず、第1部材１の
挿入部１１の外周面および貫通孔２Ａの内周面の少なくともいずれかに、酸化珪素、酸化バリウム、酸化カルシウムおよび酸化アルミニウムの各粉末と、セルロース系樹脂ならびにターピネオール等の有機溶剤とを含むペーストを塗布する。なお、ペースト１００質量％における酸化物の各粉末の含有量の合計は７２質量％以上７８質量％以下とする。また、酸化物の各粉末の含有量の合計１００質量％における、酸化バリウムの粉末の含有量は１５質量％以上３０質量％以下、酸化カルシウムの粉末の含有量は５質量％以上２０質量％以下、酸化アルミニウムの粉末の含有量は１質量％以上１０質量％以下とし、残部を酸化珪素とすればよい。

この状態で、第１部材１の挿入部１１を、第２部材２の第２貫通孔２Ａに挿入すると、挿入部１１の外周面と第２貫通孔２Ａの内周面との間と、段差面１４と第２部材２との間にペーストが拡がる。この状態で、例えば、８５０℃以上９５０℃以下まで昇温させて熱処理し、その後に常温まで降温させる。これにより、接合層１３を介して第１部材１と第２部材２とが接合された、ノズル１０が得られる。

本実施形態では上述のように、押出成形機を用いた押出成形法によって第１部材１と第２部材２とを製造している。このため、例えばドリル等の工具で貫通孔を機械的に形成する加工方法の場合と異なり、第１貫通孔１Ａや第２貫通孔２Ａの内周面に配置された結晶粒子に生じている微小クラック等が少ないので、第１貫通孔１Ａや第２貫通孔２Ａの内周面から、結晶粒子の欠片等が脱離することが少ない。また、第１貫通孔１Ａや第２貫通孔２Ａの内周面に露出した結晶粒子径のばらつきも小さく、局所的な大きな凹凸の発生も抑制されている。このため本実施形態の製造方法で製造されたノズル１０では、大きな凹凸がある場合に生じやすい、内面における分析試料の残留がより抑制される。第１部材１と第２部材２の製造方法には、特に限定はないが、第１貫通孔１Ａおよび第２貫通孔２Ａの内面からの結晶粒子の脱離を抑制する観点、および分析試料の残留をより抑制する観点で、押出成形法を用いることが好ましい。

本実施形態で製造したノズル１０では、第１部材１の第１貫通孔１Ａの表面に露出した、酸化ジルコニウムを主成分とする結晶粒子の平均粒径は、例えば、０．２μｍ以上０．４μｍ以下となっている。また結晶粒子の平均粒径は、セラミックスの破断面を走査型電子顕微鏡によって１００００倍に拡大した７．８μｍ×５．８μｍの範囲で、同じ長さの直線を４本引き、この４本の直線上に存在する結晶粒子の個数をこれら直線の合計長さで除すことで求めることができる。

以上、本実施形態について説明したが、本開示は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。

１第１部材
１ａ第１端
１ｂ第２端
１Ａ第１貫通孔
２第２部材
２Ａ第２貫通孔
１０生化学試料採取用ノズル（ノズル）
１１挿入部
１３接合層
１４段差面

Claims

生化学試料採取用ノズルであって、
第１端から第２端にわたる第１貫通孔を備えるとともに、前記第１端に向かって外径が細くなる形状の第１部材を有し、
該第１部材は、酸化ジルコニウムを主成分とするセラミックスからなり、
前記第１貫通孔は、前記第１端から前記第２端に向かって内径（Ｄ１）が一定の領域を有し、前記内径（Ｄ１）に対する前記第１貫通孔の長さ（Ｌ１）の比（Ｌ１／Ｄ１）は、５０以上であることを特徴とする生化学試料採取用ノズル。
前記第１貫通孔の前記第２端側に配置された、前記第１貫通孔と連通する第２貫通孔を備える第２部材を有し、
前記第１貫通孔の内径は前記第２貫通孔の内径よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の生化学試料採取用ノズル。
前記第１部材は、前記第２端側において、前記第２貫通孔に挿入される挿入部を有しており、
前記第１貫通孔は、記第２端側に近づくに従って内径が大きくなる拡径部を有することを特徴とする請求項２に記載の生化学試料採取用ノズル。
前記第１部材は、前記第２端側において、前記第２貫通孔に挿入される挿入部を有しており、
該挿入部の外周面と前記第２貫通孔の内周面との間に接合層が位置していることを特徴とする請求項２または３記載の生化学試料採取用ノズル。
前記挿入部は、前記第１端側に段差面を有し、該段差面と前記第２部材との間にも前記接合層が位置していることを特徴とする請求項４記載の生化学試料採取用ノズル。
前記接合層は、酸化珪素を主成分とし、酸化バリウム、酸化カルシウムおよび酸化アルミニウムを含むことを特徴とする請求項４また５に記載の生化学試料採取用ノズル。
生化学試料採取用ノズルであって、
第１端から第２端にわたる第１貫通孔を備えるとともに、前記第１端に向かって外径が細くなる形状の第１部材を有し、該第１部材は、酸化ジルコニウムを主成分とするセラミッ
クスからなり、
前記第１貫通孔の前記第２端側に配置された、前記第１貫通孔と連通する第２貫通孔を備える第２部材を有し、前記第１貫通孔の内径は前記第２貫通孔の内径よりも小さく、
前記第１部材は、前記第２端側において、前記第２貫通孔に挿入される挿入部を有しており、
該挿入部の外周面と前記第２貫通孔の内周面との間に接合層が位置しており、
前記接合層は、酸化珪素を主成分とし、酸化バリウム、酸化カルシウムおよび酸化アルミニウムを含むことを特徴とする生化学試料採取用ノズル。
前記第１貫通孔は、記第２端側に近づくに従って内径が大きくなる拡径部を有することを特徴とする請求項７に記載の生化学試料採取用ノズル。
前記挿入部は、前記第１端側に段差面を有し、該段差面と前記第２部材との間にも前記接合層が位置していることを特徴とする請求項７または８記載の生化学試料採取用ノズル。
前記セラミックスは、イットリウムを酸化物に換算して２ｍｏｌ％以上４ｍｏｌ％以下含むことを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の生化学試料採取用ノズル。
前記セラミックスは、マグネシウムおよびカルシウムの少なくともいずれかを酸化物に換算して８ｍｏｌ％以上１２ｍｏｌ％以下含むことを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の生化学試料採取用ノズル。