JP6860511B2 - 試料処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は試料処理装置に係り,特に弾性膜の変形により液体の流動操作を行う試料処理装置に関する。
マイクロ流動システムおよび方法が特許文献1に記載されている。この特許文献には,マイクロ流動システムは,取り外し可能なマイクロ流動デバイスと制御手段を備え,取り外し可能なマイクロ流動デバイスは,剛体層と弾性体層と両層の間の少なくとも1つの流体室あるいは流路を備え,制御手段は,流体室あるいは流路内の流体を操作することによって弾性体層を変形させる手段を備える,と記載されている。
国際公開公報WO2010/073020
特許文献1には,流体室あるいは流路の流体を操作するための弾性体層を変形させる制御手段を備えたマイクロ流動システムが記載されている。特許文献1に記載されたマイクロ流動デバイスは,弾性体層の変形により,流路が連結されている流体室への流体の流入,あるいは流体室からの流体の流出を実現しているが,マイクロ流動デバイスの密封構造については記載がない。このため,流体の流入側上流あるいは流出側下流が開放状態にある場合は,目的とする流動操作は可能であるが,デバイスを密封状態で使用する場合は流動操作ができない問題があった。
本発明の目的は,上記の課題を解決し,密封状態のデバイス内で,弾性膜の変形により流動操作ができる試料処理装置を提供することにある。
上記目的を達成するため,本発明においては,下面側に液体が流れる第1流路を有する処理部と,空気を制御する駆動部と,処理部と駆動部間に配置された弾性膜と,弾性膜が処理部側へ密着するか駆動部側へ密着するかを切り替える空気圧制御部と,を備え,処理部は,駆動部が配置された側とは反対側に形成された空気が流れる第2流路と,第2流路上に形成された密封膜と,各々が第2流路にて接続され,空気及び液体を貯める複数の容器とを有し,複数の容器内の空気は第2流路を介して流れる構成の試料処理装置を提供する。
本発明によれば,密封状態のデバイス内で,弾性膜の変形により流動操作ができる試料処理装置を提供することができる。なお,上記以外の本発明の課題,構成及び効果は,以下の実施形態の説明により順次明らかにされる。
実施例1に係る分析チップの上面図及び側面断面図。 実施例1に係る試料処理装置の上面図及び側面図。 実施例1に係る試料処理装置の駆動部の圧力を制御するための空気配管系統図。 実施例1に係る試料処理装置の操作フローを示す図。 実施例1に係る試料処理装置の分析動作フローを示す図。 実施例1に係る試料処理装置の試料導入動作フローを示す図。 実施例1に係る試料処理装置の試料導入動作の前半説明図。 実施例1に係る試料処理装置の試料導入動作の後半説明図。 実施例1に係る試料処理装置の試料の保持状態を示す説明図。 実施例1に係る試料処理装置の試料廃棄動作フローを示す図。 実施例1に係る試料処理装置の試料廃棄動作の前半説明図。 実施例1に係る試料処理装置の試料廃棄動作の後半説明図。 実施例1に係る試料処理装置の試料切り出し動作フローを示す図。 実施例1に係る試料処理装置の試料切り出し動作の前半説明図。 実施例1に係る試料処理装置の試料切り出し動作の後半説明図。 実施例1に係る試料処理装置の試薬導入動作フローを示す図。 実施例1に係る試料処理装置の撹拌動作フローを示す図。 実施例1に係る試料処理装置の撹拌動作の前半説明図。 実施例1に係る試料処理装置の撹拌動作の後半説明図。 実施例1に係る試料処理装置の計測動作フローを示す図。
以下,本実施例の試料処理装置の構成を図面に従い順次説明する。なお,複数の図面において,原則的に同一物は同一番号を付した。本明細書において,密封型デバイスとは,内部で処理する液体と空気が外部と接触していない分析チップを意味する。
実施例1は,下面側に液体が流れる第1流路を有する処理部と,空気を制御する駆動部と,処理部と駆動部間に配置された弾性膜と,弾性膜が処理部側へ密着するか駆動部側へ密着するかを切り替える空気圧制御部と,を備え,処理部は,駆動部が配置された側とは反対側に形成された空気が流れる第2流路と,第2流路上に形成された密封膜と,各々が第2流路にて接続され,空気及び液体を貯める複数の容器とを有し,複数の容器内の空気は第2流路を介して流れる構成の試料処理装置の実施例である。
以下,実施例1に係る試料処理装置の基本構成を図1−図3を用いて説明する。本実施例では,試料処理装置内で,血液,尿,スワブ等の液状化したものなどの試料と試薬を流動させて一定の体積比率で混合し,化学物質の同定および定量などの光学計測を行うための試料処理装置を例示して説明する。
図2の(A),(B)は,実施例1に係る試料処理装置の上面図,側面図を示す。同図の試料処理装置では,処理部である分析チップ10及びメンブレン20が,蓋30により駆動部40に押し付けられ,分析チップ10の上面は密封フィルム21で密封されている。本明細書において,このような弾性膜と密封フィルムが密着した分析チップを密封型デバイスと呼ぶ。
蓋30は回転支持部31を中心に回転可能に支持され,図2の(A)では蓋30は開きかけの状態を示しており,2つの分析チップ10が並置されている。図2の(B)では蓋30は完全に閉じ,ロック機構51により,筺体50に対して締め付けられている。蓋30には,分析結果を観測するための観測窓34が設けられている。
筺体50の下には,駆動部40内の空気圧を制御するための空気圧制御部60を設け,空気配管70が駆動部40から空気圧制御部60に繋がっている。空気圧制御部60の動作は,装置外部の操作部61からの信号により制御される。
図1の(A),(B),(C),(D)は,実施例1に係る分析チップ10が,メンブレン20を介して,駆動部に密着している状態の上面図,側面断面図(AA断面),側面断面図(BB断面),側面断面図(CC断面)である。図1では,分析チップ10が図2の試料処理装置に装着され,蓋30により,メンブレン20を介して,駆動部40が押し付けられている状態を示している。
図1の(A)は分析チップ10の上面側から見た図で,分析チップ上面側の容器としてのウエル及び空気循環流路としての循環溝901などは実線で,分析チップ下面側の溝154などや,駆動部40の凹部を構成する凹みは破線で示している。図1の(B)は,図1の(A)のAA断面,図1の(C)は,図1の(A)のBB断面,図1の(D)は,図1の(A)のCC断面で,分析チップ10と駆動部40がメンブレン20を介して接触している。
分析チップ10の上面側には,複数の容器としての試料用ウエル11,空気とり込み用ウエル12,試料廃棄用ウエル13,攪拌用ウエル14,試薬用ウエル15,混合液廃棄用ウエル16,空気循環流路としての循環溝901,902,903,904,905,及び空気溜め911,912,913,914,915を設けている。一方,下面側には,複数の溝111,112,113,114,115,121,122,123,124,131,132,133,141,142,143,144,145,151,152,153,154,161,162,163,164,165を設けている。後で説明するように,このうち,溝115は定量溝として機能する。
メンブレン20は,ゴムや樹脂などの高分子化合物からなる弾性体で,空気圧で変形することにより流体を移動させるとともに,分析チップ10と駆動部40それぞれの表面に密着することで,流体を封止している。
駆動部40は,メンブレン20に密着する上面側に,複数の凹部を構成する凹み41,42,43,44,45,46,47,48,49,4A,4B,4C,4D,4E,4Fを設け,各凹みから2種類の管,すなわち加圧管411,421,431,441,451,461,471,481,491,4A1,4B1,4C1,4D1,4E1,4F1,及び減圧管412,422,432,442,452,462,472,482,492,4A2,4B2,4C2,4D2,4E2,4F2それぞれが,図2に示した空気配管70に接続されている。
図3は,本実施例の駆動部40の圧力を制御するための空気配管系統図であり,これらは空気圧制御部60内に設置されている。加圧用ポンプ71から15系統に分岐し,加圧用電磁弁711,721,731,741,751,761,771,781,791,7A1,7B1,7C1,7D1,7E1,7F1を経てさらに2系統に分岐し,駆動部40の加圧管に接続している。加圧用電磁弁から2系統に分岐しているのは,本実施例の試料処理装置が図2の(A)に示したように2つの分析チップを搭載しているためである。同様に,減圧用ポンプ72から15系統に分岐し,減圧用電磁弁712,722,732,742,752,762,772,782,792,7A2,7B2,7C2,7D2,7E2,7F2を経てさらに2系統に分岐し,駆動部40の減圧管に接続している。
加圧用電磁弁711等は,通電時にポンプ71から駆動部40までの空気配管が連通し,駆動部40の凹み41等が加圧される。一方非通電時には,ポンプ71側の空気配管が閉じ,駆動部40側の空気配管から外部,すなわち大気側への流出は可能で,外部から空気配管へは流入しないようになっている。
減圧用電磁弁712等は,通電時にポンプ72から駆動部40までの空気配管が連通し,駆動部40の凹み41等が減圧される。一方非通電時には,ポンプ72側の空気配管が閉じ,大気側から駆動部40側の空気配管への流入は可能で,空気配管から外部へは流出しないようになっている。
以下,図4の操作フローを用いて本実施例の試料処理装置の操作を説明する。操作を開始する前の状態として,駆動部40は試料処理装置に設置され,空気配管70が接続されている。操作フロー201〜209の最初の操作である,分析チップ装着201では,操作者は分析チップ10にメンブレン20を貼り付け,試料を試料用ウエル11に,試薬を試薬用ウエル15に投入し,密封フィルム21で分析チップ10の上面を密封し,密封型デバイスを構成し,メンブレン20を下にして駆動部40に装着し,蓋30を閉じる。この状態が図2の(B)である。なお,ここでは,分析チップ10とメンブレン20は別体で,操作者が貼り付ける方式としたが,分析チップ10とメンブレン20が予め一体となってパッケージングされているものを使用してもよい。
次の装置動作開始202において,操作者は,図2の(A)の操作部61により分析内容に応じた制御手順を選択して,装置動作を開始する。試料処理装置は,初期化動作203を開始し,電磁弁の開閉動作やポンプによる加圧及び減圧操作,必要に応じて圧力のチェックなどを行う。
その後,加圧用ポンプ71及び減圧用ポンプ72を動作させた状態で,減圧用電磁弁712等は全て閉じ,少なくとも加圧用電磁弁711と7F1は開いた状態で待機状態204となる。
次に操作者は操作部61から分析動作開始206の指示を出し,試料処理装置は分析動作207を実施する。分析が終了すると,分析結果は試料処理装置内のメモリに格納され,必要に応じて操作部61のディスプレイなどに表示される。
分析動作207が終了すると,分析チップ取外し208で,操作者は分析チップ10及びメンブレン20等を外して保管あるいは廃棄する。次の分析がある場合は,分析チップ装着201に戻って,新しい分析チップを搭載し,分析を実施する。分析がない場合は,操作者は操作部61で終了操作209を行い,装置を停止する。
次に,図5を用いて,本実施例の試料処理装置の分析動作207の一詳細例を説明する。
図5の試料導入212では,試料用ウエル11に保持されている試料を,試料廃棄用ウエル13まで送液することにより,定量溝115に導入する。試料廃棄213では,空気とり込み用ウエル12から空気を導入して,余分な試料を試料廃棄用ウエル13に廃棄する。試料切り出し214では,空気とり込み用ウエル12から空気を導入して,定量溝115に保持された所定量の試料を攪拌用ウエル14に切り出す。以上の試料導入212,試料廃棄213,試料切り出し214の一連の動作が,試料を定量する試料定量211である。
以下,試料定量211の詳細を説明する。まず,試料導入212について,図6,図7A,図7B,及び図8を用いて説明する。
図6は本実施例の試料処理装置の加圧用電磁弁及び減圧用電磁弁の開閉制御による試料導入動作フローを示す図,図7A,図7Bはその試料導入動作の説明図,図8は試料の保持状態を示す説明図である。なお,図7A,図7Bに示す実線の矢印は各加圧管及び減圧管に対応する電磁弁が開いていることを示しており,上向き実線矢印は加圧用電磁弁が開くことで凹みが加圧されることを,下向き実線矢印は減圧用電磁弁が開くことで凹みが減圧されることを示している。実線矢印をつけていない個所では,電磁弁は閉じているが,参照中の図の説明で特に電磁弁が閉じたことを説明するために,破線矢印を用いた。すなわち,上向き破線矢印は加圧用電磁弁が開から閉に切り替わったことを,下向き破線矢印は減圧用電磁弁が開から閉に切り替わったことを示している。
また,図7A,図7B等は図1の断面AAあるいは断面CCの一部を示しているが,断面BBに示した循環溝901を破線で示すことで,本実施例の動作を説明する。この循環溝における空気の流動方向を横向きの破線矢印で示す。
図6の(A),図7Aの(A)(断面AA)は,上述した分析動作開始時点の状態で,試料用ウエル11に試料80が保持されている。すなわち,図7Aの(A)では,試料封止凹み加圧用電磁弁711が開いているため,試料封止凹み用加圧管411から空気が流入して,試料封止凹み41が加圧され,試料封止凹み用減圧管412側の試料封止凹み減圧用電磁弁712は閉じている。また,図示していないが,試薬用ウエル15には試薬が保持され,同様に試薬封止凹み加圧用電磁弁7F1が開いているため,同じく試薬封止凹み4Fが加圧されている。
次に図6の(B),図7Aの(B)(断面AA)に示すように,試料流動凹み加圧用電磁弁721を開くことで,試料流動凹み用加圧管421から空気を流入させて,試料流動凹み42を加圧し,試料封止凹み加圧用電磁弁711を閉じることで,試料封止凹み用加圧管411からの空気の流入を止め,試料封止凹み減圧用電磁弁712を開くことで,試料封止凹み用減圧管412から空気を流出させ,試料封止凹み41を減圧する。このとき,メンブレン20は試料封止凹み41の底面に引き寄せられるため,メンブレン20と分析チップ10との間に試料封止部隙間413が発生し,試料80を試料用ウエル11から試料封止上流溝111を経て試料封止部隙間413に引き込む。
このとき,試料用ウエル11から試料80が流出するため試料用ウエル11内の空気は膨張し圧力が低下しようとする。しかし,試料用ウエル11は他のウエル12,13,14等と循環溝902,901,903等を通して連結してあるため,図7Aの(B)の破線矢印921に示すように,試料用ウエル11に空気が流入し,試料用ウエル11内の圧力はほとんど低下しない。
厳密には,分析チップ10の上面側に設けたウエルや循環溝内の初期空気が,試料封止凹み41等に吸引された試料に相当する体積だけ膨張することになるが,上記の初期空気の量は膨張量に比べてはるかに大きく,圧力の低下は小さい。さらに,空気溜め911等を設けることで初期空気の体積を大きくすれば,ウエル内の圧力低下は無視できるほど小さくなる。
次に図6の(C),図7Aの(C)(断面AA)に示すように,試料封止凹み減圧用電磁弁712は開いたまま,試料導入凹み加圧用電磁弁731を開くことで,試料導入凹み用加圧管431から空気を流入させて,試料導入凹み43を加圧し,試料流動凹み加圧用電磁弁721を閉じることで,試料流動凹み用加圧管421からの空気の流入を止め,試料流動凹み減圧用電磁弁722を開くことで,試料送液凹み用減圧管422から空気を流出させ,試料流動凹み42を減圧する。このとき,メンブレン20は試料流動凹み42の底面に引き寄せられるため,メンブレン20と分析チップ10との間に試料流動部隙間423が発生し,試料80を試料封止部隙間413から試料流動上流溝112を経て試料流動部隙間423に引き込む。
このとき,試料用ウエル11からさらに試料80が流出するが循環溝901等を通して空気が流入するため(破線矢印922),試料ウエル11の圧力はほとんど低下しない。
次に図6の(D),図7Aの(D)(断面AA)に示すように,試料導入凹み加圧用電磁弁731及び,試料導入凹み減圧用電磁弁722は開いたまま,試料封止凹み減圧用電磁弁712を閉じることで,試料封止凹み用減圧管412からの空気の流出を止め,試料封止凹み加圧用電磁弁711を開くことで,試料封止凹み用加圧管411から空気を流入させ,試料封止凹み41を加圧する。このとき,試料封止凹み41及び試料導入凹み43が加圧されることで,試料流動上流溝112及び試料導入上流溝113は封止され,試料流動部隙間423内に試料80が保持される。
このとき,試料封止部隙間413にあった試料80が試料用ウエル11に戻るため,試料用ウエル11内の空気は圧縮され圧力は上昇しようとするが,循環溝901等を通して空気が流出するため(破線矢印923),試料ウエル11の圧力はほとんど上昇しない。
次に図6の(E),図7Bの(E)(断面AA及び断面CC)に示すように,試料封止凹み加圧用電磁弁711は開いたまま,新たに2か所の凹み,すなわち攪拌入口凹み45と空気流動凹み4Aを加圧し,2か所の凹み,すなわち試料排出凹み4Cと試料廃棄凹み4Dを減圧する。すなわち,攪拌入口凹み加圧用電磁弁751を開くことで,攪拌入口凹み用加圧管451から空気を流入させ,攪拌入口凹み45を加圧し,空気流動凹み加圧用電磁弁7A1を開くことで,空気流動凹み用加圧管4A1から空気を流入させ,空気流動凹み4Aを加圧し,試料排出凹み減圧用電磁弁7C2を開くことで,試料排出凹み用減圧管4C2から空気を流出させ,試料排出凹み4Cを減圧し,試料廃棄凹み減圧用電磁弁7D2を開くことで,試料廃棄凹み用減圧管4D2から空気を流出させ,試料廃棄凹み4Dを減圧する。この状態では,定量溝115に接続する4か所の溝,すなわち試料導入下流溝114,試料排出上流溝133,空気分岐溝124,試料分岐溝143のうち,空気分岐溝124はその上流側にある空気とり込み用ウエル12との間にある空気流動凹み4Aが加圧され,メンブレン20が分析チップ10下面側に押し付けられて封止されており,同様に試料分岐溝143もその下流側にある攪拌用ウエル14との間にある攪拌入口凹み45が加圧され,メンブレン20が分析チップ10下面側に押し付けられて封止されている。一方,試料排出上流溝133はその下流側にある試料廃棄用ウエル13との間にある二つの凹み,すなわち試料排出凹み4Cと試料廃棄凹み4Dが両方とも減圧されて,メンブレン20がそれぞれの凹みの底面に引き寄せられて分析チップ10下面とメンブレン20との間に隙間が発生し,試料排出上流溝133と試料廃棄用ウエル13は連通している。
このような状態で,試料導入凹み加圧用電磁弁731を閉じることで,試料導入凹み用加圧管431からの空気の流入を止め,試料流動凹み減圧用電磁弁722を閉じることで,試料流動凹み用減圧管422からの空気の流出を止める。このとき,試料流動凹み42のメンブレン20は弾性力で元の状態に戻ろうとし,試料80を試料流動部隙間423から押し出そうとする。しかし,試料流動上流溝112は,試料封止凹み41の加圧により封止されているため流出できない。また,試料分岐溝143および空気分岐溝124は,切り出し凹み44および空気導入凹み4Bは加圧されていないが,その先の攪拌入口凹み45および空気流動凹み4Aが加圧され封止されているため,試料あるいは空気が試料分岐溝143あるいは空気分岐溝124に流入しようとすると,切り出し凹み44および空気導入凹み4Bのメンブレンを弾性力に逆らって分析チップ10の下面から剥がさなければならない。一方,試料排出上流溝133は,試料排出凹み4Cと試料廃棄凹み4Dが両方とも減圧されて試料廃棄用ウエル13に連通しているため,試料80および空気は流出できる。すなわち,試料80は,試料流動部隙間423から試料導入上流溝113を経て,試料導入凹み43のメンブレン20と分析チップ10との間の試料導入部隙間433に侵入し,試料導入下流溝114から定量溝115へと導入され,さらに試料排出上流溝133から,試料排出凹み4Cのメンブレン20と分析チップ10との間の試料排出部隙間4C3,試料排出下流溝132,試料廃棄凹み4Dのメンブレン20と分析チップ10との間の試料廃棄部隙間4D3,試料廃棄下流溝131を経て試料廃棄用ウエル13に流出する。
最後に,試料流動凹み用加圧管721を開くことで,試料流動凹み42を加圧し,メンブレンを分析チップ10に押し付けることで試料80を完全に押し出す。
このとき,試料80が試料廃棄用ウエル13に流出すると,試料廃棄用ウエル13内の空気は圧縮され圧力は上昇しようとするが,循環溝901等を通して空気が流出するため(破線矢印924),試料廃棄用ウエル13の圧力はほとんど上昇しない。
次に,図6の(F)および図7Bの(F)(断面CC)に示すように,空気導入凹み加圧用電磁弁7A1は開いたまま,試料排出凹み減圧用電磁弁7C2および試料廃棄凹み減圧用電磁弁7D2を閉じることで,試料排出凹み4Cおよび試料廃棄凹み4Dからの空気の流出を止める。なお,このとき,図示はしていないが,試料流動凹み加圧用電磁弁721および攪拌入口凹み加圧用電磁弁751は開いたままである。このようにすることで,試料排出部隙間4C3および試料廃棄部隙間4D3ではメンブレンが弾性力で分析チップ10の下面側に戻り,試料80を試料廃棄用ウエル13に押し出す。
このとき,試料80が試料廃棄用ウエル13にさらに流出するが,循環溝901等を通して空気も流出する(破線矢印925)。この状態では,図7Aの(A)の初期状態において試料用ウエル11内にあった試料80の一部が試料廃棄用ウエル13に移動し,その途中にある溝(111,112,113,114,115,133,132,131)の空気が試料80に置換されただけで,空気と試料80との合計の体積に変化はなく,分析チップ10内の圧力は最初の状態に戻っている。
この状態で,図8の(A)に示すように,試料80は,定量溝115に満たされる。なお,試料80は,試料封止上流溝111,試料流動上流溝112,試料導入上流溝113,試料導入下流溝114,試料排出上流溝133,試料排出下流溝132,試料廃棄下流溝131にも満たされるが,空気分岐溝124とその上流の空気とり込み用ウエル12側の溝,試料分岐溝143とその下流の攪拌用ウエル14側の溝には侵入しない。
ここまでが,図5の試料導入212,すなわち,試料用ウエル11に保持された試料80を,定量溝115に導入する動作である。
なお,本実施例では,試料が定量溝115に導入される以降の,図7Bの(E)および(F)では,定量溝115に最も近い凹み,すなわち試料導入凹み43,切り出し凹み44,空気導入凹み4B,試料排出凹み4Cは加圧をしていない。これは,定量溝115に最も近い凹みを加圧すると,定量溝115でメンブレンが押し上げられ,容積が減少し定量性に影響が出る可能性があるからである。例えば,図7Bの(E)で,空気流動凹み4Aを加圧するのではなく,空気導入凹み4Bを加圧すると,加圧された空気は空気分岐溝124下部のメンブレン20を押し上げ,さらに分岐溝115下部のメンブレン20を押し上げる。そのため,わずかではあるが定量溝115の容積が減少し,保持される液量が少なくなる。定量溝115への試料の導入終了後に空気導入凹み4Bの加圧を停止すれば,定量溝115のメンブレン20は弾性力で元の状態に戻るので,定量溝115の容積は所定の容積に戻る。このとき,定量溝115に液が戻ってくれば定量性は失われないが,空気が侵入するようであれば,液量は減少したままになる。
そのため,本実施例の分析チップ10では,定量溝115に試料を導入する時点以降では,定量溝115に最も近い4か所の凹みを加圧しないようにしている。
次に,図5の試料定量211中の試料廃棄213を,図9及び図10A,図10Bを用いて説明する。
図9は本実施例の試料処理装置の加圧用電磁弁及び減圧用電磁弁の開閉制御による試料廃棄動作フローを示す図,図10A,図10Bはその試料廃棄動作の説明図である。
図9の(A),図10Aの(A)(断面CC)は,図6の(F),図7Bの(F)からの続きの動作で,空気流動凹み加圧用電磁弁7A1は開いたまま,空気封止凹み減圧用電磁弁792を開くことで,空気封止凹み用減圧管492から空気を流出させ,空気封止凹み49を減圧する。このとき,メンブレン20は空気封止凹み49の底面に引き寄せられるため,メンブレン20と分析チップ10との間に空気封止部隙間493が発生し,空気を空気とり込み用ウエル12から空気封止上流溝121を経て空気封止部隙間493に引き込む。
このとき,空気とり込み用ウエル12には循環溝901等を通して空気が流入するため(破線矢印931),空気とり込み用ウエル12の圧力はほとんど低下しない。
次に図9の(B),図10Aの(B)(断面CC)に示すように,空気封止凹み減圧用電磁弁792は開いたまま,空気流動凹み加圧用電磁弁7A1を閉じることで,空気流動凹み用加圧管4A1からの空気の流入を止め,空気流動凹み減圧用電磁弁7A2を開くことで,空気流動凹み用減圧管4A2から空気を流出させ,空気流動凹み4Aを減圧する。このとき,メンブレン20は空気流動凹み4Aの底面に引き寄せられるため,メンブレン20と分析チップ10との間に空気流動部隙間4A3が発生し,空気を空気封止部隙間493から空気流動上流溝122を経て空気流動部隙間4A3に引き込む。
このとき,空気とり込み用ウエル12には循環溝901等を通して空気が流入するため(破線矢印932),空気とり込み用ウエル12の圧力はほとんど低下しない。
次に図9の(C),図10Aの(C)(断面CC)に示すように,空気流動凹み減圧用電磁弁7A2は開いたまま,空気封止凹み減圧用電磁弁792を閉じることで,空気封止凹み用減圧管492からの空気の流出を止め,空気封止凹み加圧用電磁弁791を開くことで,空気封止凹み用加圧管491から空気を流入させ,空気封止凹み49を加圧する。このとき,空気封止凹み49が加圧されることで,空気流動上流溝122は封止され,空気流動部隙間4A3内に空気が保持される。
このとき,空気封止部隙間493にあった空気は空気とり込み用ウエル12に戻るが,循環溝901等を通して空気が流入するため(破線矢印933),空気とり込み用ウエル12の圧力はほとんど低下しない。
次に図9の(D),図10Bの(D)(断面AA及び断面CC)に示すように,空気封止凹み加圧用電磁弁791は開いたまま,空気流動凹み減圧用電磁弁7A2を閉じることで,空気流動凹み用減圧管4A2からの空気の流出を止め,空気流動凹み加圧用電磁弁7A1を開くことで,空気流動凹み用加圧管4A1から空気を流入させ,空気流動凹み4Aを加圧する。このとき,試料流動凹み加圧用電磁弁721と攪拌入口凹み加圧用電磁弁751は開いた状態で,試料流動凹み42と攪拌入口凹み45は加圧されている。このようにすることで,空気流動凹み4Aでは,メンブレン20が空気流動部隙間4A3内の空気を押し出そうとする。しかし,空気封止凹み49,試料流動凹み42及び攪拌入口凹み45は加圧されているため,空気流動部隙間4A3内の空気は,空気封止上流溝122および定量溝115側に移動することができず,試料排出上流溝133から,加圧されていない試料排出凹み4Cのメンブレン20と分析チップ10との間の隙間,試料排出下流溝132,加圧されていない試料廃棄凹み4Dのメンブレン20と分析チップ10との間の隙間,試料廃棄下流溝131へと移動し,試料を試料廃棄用ウエル13へと押し出す。
このとき,試料80および空気が試料廃棄用ウエル13に流出するが,循環溝901等を通して空気も流出する(破線矢印934)。この状態では,図7Bの(F)あるいは図8(A)の状態にあった溝(133,132,131等)の試料80が空気に置換されただけで,その空気は,試料廃棄用ウエル13に試料80が流入したことで追い出された空気と同じ体積の空気が循環して空気とり込み用ウエル12から流入したものであり,空気の体積に変化はなく,分析チップ10内の圧力は最初の状態に戻っている。
この状態で,図8の(B)に示すように,図8の(A)のときに保持された,試料排出上流溝133,試料排出下流溝132,試料廃棄下流溝131内の試料80は,試料廃棄用ウエル13に流出している。
ここまでが,図5の試料廃棄213,すなわち,定量溝115の下流にある試料排出上流溝133,試料排出下流溝132,試料廃棄下流溝131内の試料を,試料廃棄用ウエル13に排出する動作である。
次に,図5の試料定量211中の試料切り出し214を,図11,及び図12A,図12Bを用いて説明する。
図11は本実施例の試料処理装置の加圧用電磁弁及び減圧用電磁弁の開閉制御による試料切り出し動作フローを示す図,図12A,図12Bはその試料切り出し動作の説明図である。
図11の(A),図12Aの(A)(断面CC)は,図9の(D),図10Bの(D)からの続きの動作で,最初に空気封止凹み加圧用電磁弁791を閉じる以外は,(A)から(C)までの動作は全く同じである。すなわち,図12Aの(A)では,空気流動凹み加圧用電磁弁7A1は開いたまま,空気封止凹み加圧用電磁弁791を閉じ,空気封止凹み減圧用電磁弁792を開くことで空気封止凹み49を減圧し,空気を空気封止部隙間493に引き込む。このとき,循環溝901等を通って空気が空気とり込み用ウエル12に流入する(破線矢印941)。同(B)では,空気流動凹み加圧用電磁弁7A1を閉じ,空気流動凹み減圧用電磁弁7A2を開くことで空気流動凹み4Aを減圧し,空気を空気流動部隙間4A3まで引き込む。このときも,循環溝901等を通って空気が空気とり込み用ウエル12に流入する(破線矢印942)。同(C)では,空気封止凹み減圧用電磁弁792を閉じ,空気封止凹み加圧用電磁弁791を開くことで,空気封止凹み49を加圧することで封止し,空気流動部隙間4A3に空気を保持する。このとき,循環溝901等を通って空気が空気とり込み用ウエル12から流出する(破線矢印943)。
次に図11の(D),図12Bの(D)(断面AA及び断面CC)に示すように,攪拌出口凹み加圧用電磁弁761と試料廃棄凹み加圧用電磁弁7D1を開くことで,攪拌出口凹み46と試料廃棄凹み4Dを加圧して封止する。このとき,試料流動凹み加圧用電磁弁721も開いて試料流動凹み42も加圧,封止している。この状態で,空気流動凹み減圧用電磁弁7A2を閉じ,空気流動凹み加圧用電磁弁7A1を開くと,空気流動凹み4Aでは,メンブレン20が空気流動部隙間4A3内の空気を押し出そうとするが,空気流動凹み49及び試料廃棄凹み4Dは加圧されているため,空気流動部隙間4A3内の空気は,空気導入上流溝122および試料排出上流溝133側に移動することができず,定量溝115へと移動し定量溝115内の試料を押し出す。しかし,試料流動凹み42は封止されているので,試料は,試料導入下流溝114側に移動することができず,試料分岐溝143から,加圧されていない切り出し凹み44のメンブレン20と分析チップ10との間の隙間,切り出し下流溝142,加圧されていない攪拌入口凹み45のメンブレン20と分析チップ10との間の隙間,攪拌入口下流溝141へと移動し,攪拌用ウエル14へ押し出される。
このとき,試料80および空気が攪拌用ウエル14に流出するが,循環溝901等を通して空気も流出する(破線矢印944)。この状態では,図10Bの(D)あるいは図8(B)の状態にあった溝155の試料80が空気に置換されただけで,その空気は,攪拌用ウエル14に試料80が流入したことで追い出された空気と同じ体積の空気が循環して空気とり込み用ウエル12から流入したものであり,空気の体積に変化はなく,分析チップ10内の圧力は最初の状態に戻っている。
この状態で,図8の(C)に示すように,図8の(A)及び(B)のときに定量溝115に保持された試料が,攪拌用ウエル14に流出している。
ここまでが,図5の試料切り出し214,すなわち,定量溝115にある試料を攪拌用ウエル14に切り出す動作である。
以上の,図5の試料導入212,試料廃棄213及び試料切り出し214の動作が試料定量211である。すなわち,試料用ウエル11内の試料を,一端試料廃棄用ウエル13に流すことで,定量溝115に試料を保持し,定量溝115に保持された試料のみを攪拌用ウエル14に空気で追い出すことにより,攪拌用ウエル14内に一定量,すなわち定量溝115の容積と同じ液量の試料が保持される。
なお,本実施例では試料導入212の次に試料廃棄213を実施し,試料切り出し214を実施したが,試料廃棄213の動作は省略することができ,試料導入212に続いて試料切り出し214を実施してもよい。
なお,図8から明らかなように,分析チップ10に形成される定量流路としての定量溝115は,当該定量溝から分岐した少なくとも4つの分岐流路を構成する分岐溝を備え,その下部に設置される駆動部40は,これら4つの分岐溝における定量溝115側でない端部のそれぞれの下方に試料導入凹み43,切り出し凹み44,空気導入凹み4B,試料排出凹み4Cを有している。
すなわち,これら4つの分岐溝の2つは液体を送液する送液流路であり,残りの2つは空気を送る送気流路である。そして,送液流路の上流側または下流側には,更に一組あるいは二組の流路及び凹みを有し,且つ送気流路の上流側または下流側には,更に一組あるいは二組の流路及び凹みを有し,これらの凹みも空気圧制御部60に連通している。空気圧制御部60によって,弾性膜であるメンブレン20の動きを制御し,送液流路を用いて定量溝115に液体を満たし,その後,送気流路を用いて,定量溝115内の液体を下流側に流す。
図5の試料定量211が終了すると,次に試薬導入215が実施される。この動作は,図1において,試薬用ウエル15内の試薬を攪拌用ウエル14に移動するもので,試料導入212と同様の動作になるので,電磁弁制御による試薬導入の動作フローを図13に示し,図1と図3の符号を参照して,動作を説明する。
図13の(A)は初期状態で,試薬封止凹み加圧用電磁弁7F1が開いており,試薬封止凹み4Fが加圧されているため封止され,試薬用ウエル15内の試薬は流出しない。
図13の(B)で,試薬封止凹み加圧用電磁弁7F1を閉じ,試薬封止凹み減圧用電磁弁7F2を開くことで試薬封止凹み4Fを減圧し,メンブレン20と分析チップ10下面との間に発生する隙間に,試薬用ウエル15から試薬を引き込む。このとき,循環溝901等を通って空気が試薬用ウエル15に流入する。
図13の(C)で,試薬流動凹み減圧用電磁弁7E2を開くことで試薬流動凹み4Eを減圧し,メンブレン20と分析チップ10下面との間に発生する隙間に,さらに試薬を引き込む。このときも,循環溝901等を通って空気が試薬用ウエル15に流入する。
図13の(D)で,検出部導入凹み加圧用電磁弁771を開くことで検出部導入凹み47を加圧して封止し,さらに,試薬封止凹み減圧用電磁弁7F2を閉じ,試薬封止凹み加圧用電磁弁7F1を開くことで,空気封止凹み4Fを加圧することで封止する。このときも,循環溝901等を通って空気が試薬用ウエル15から流出する。
図13の(E)で,試薬流動凹み減圧用電磁弁7E2を閉じ,試薬流動凹み加圧用電磁弁7E1を開くことで試薬流動凹み4Eを加圧し,試薬を押し出す。このとき,試薬封止凹み4Fは封止されているため試薬流動下流溝152側に試薬は移動できず,試薬流動上流溝153から合流溝154へと移動する。さらに,検出部導入凹み47が封止されているため,検出部導入上流溝165側に試薬は移動できず,攪拌出口下流溝145から,加圧されていない攪拌出口凹み46のメンブレン20と分析チップ10との間の隙間,攪拌出口上流溝144へと移動し,攪拌用ウエル14へ押し出される。このとき,攪拌用ウエル14から循環溝901等へ空気が流出し,圧力が初期状態に戻る。
ここまでが,図5の試薬導入215,すなわち,試薬用ウエル15内の試薬を攪拌用ウエル14に移動する動作である。
このようにして,試料定量211で試料が,試薬導入215で試薬が攪拌用ウエル14に保持されたことになる。なお,試料と試薬が攪拌用ウエル14に保持されればよいので,試薬導入215の後に試料定量211を実施してもよい。
試料は定量溝の容積で定量されるが,試薬は試薬流動凹み4Eの容積,正確にはメンブレン20の厚み分を差し引いた容積で定量される。あるいは,試薬は,試薬用ウエル15への注入量で定量される。すなわち,試薬流動凹み4Eで定量する場合は,定量したい液量より多めの試薬を試薬用ウエル15に注入し,試薬導入215の動作を実施することで,所定の液量を攪拌用ウエル14に移動することができる。あるいは,試薬用ウエル15への注入量で定量する場合は,試薬流動凹み4Eの容積より少ない量を試薬用ウエル15に注入すればよい。大きな液量を定量したい場合は,試薬導入215の動作を複数回実施すればよい。
なお,メンブレン20を変形させることで液体を流動させるため,変形量があまり小さいと定量性が得にくくなる。そのため,微量液を定量する場合,試薬導入215では試薬流動凹みを小さくしてメンブレン20の変形量を小さくする必要があるのに対して,試料定量211で用いた定量溝115の方式は,試料流動凹み42を小さくする必要はなく,微量液の定量に向いている。したがって,試料定量211と試薬導入215のどちらを使用するかは,液量と定量再現性の仕様に依存する。
本実施例では,試料の定量に定量溝115を使用し,試薬の定量には試薬流動凹みの容積を使用したが,試薬の定量にも定量溝を使用,すなわち試料用と試薬用の二つの定量溝,あるいは一本の定量溝を順番に使用する,などの方法が考えられる。また,定量溝は一つ或いは二つに限らず三つ以上設置しても良い。
次に,図5の攪拌216を,図14及び図15A,図15Bを用いて説明する。
図14は本実施例の試料処理装置の加圧用電磁弁及び減圧用電磁弁の開閉制御による撹拌動作フローを示す図,図15A,図15Bはその撹拌動作の説明図である。
図14の(A),図15Aの(A)(断面AA)は,攪拌用ウエル14で合流された複数の液体である試料と試薬が保持されている状態で,空気圧制御部60の制御により,駆動部40は,切り出し凹み加圧用電磁弁741と検出導入凹み加圧用電磁弁771を開くことで,切り出し凹み44と検出導入凹み47を加圧し,封止している。
図14の(B),図15Aの(B)(断面AA)では,駆動部40は,攪拌入口凹み減圧用電磁弁752を開くことで攪拌入口凹み45を減圧し,メンブレン20と分析チップ10との間に発生する隙間である攪拌入口部隙間453に液を引き込む。このとき,循環溝901等を通って空気が攪拌用ウエル14に流入する(破線矢印951,952)。
図14の(C),図15Aの(C)(断面AA)では,駆動部40は,図14の(B)の後,攪拌出口凹み減圧用電磁弁762を開くことで攪拌出口凹み46を減圧し,メンブレン20と分析チップ10との間に発生する隙間である攪拌出口部隙間463に液を引き込む。このとき,循環溝901等を通って空気が攪拌用ウエル14に流入する(破線矢印953,954)。
図14の(D),図15Aの(D)(断面AA)では,駆動部40は,図14の(C)の後,攪拌入口凹み減圧用電磁弁752を閉じ,攪拌入口凹み加圧用電磁弁751を開くことで攪拌入口凹み45を加圧し,攪拌入口部隙間453の液体を攪拌用ウエル14に戻して,攪拌入口凹み加圧用電磁弁751を閉じる。このとき,循環溝901等を通って空気が攪拌用ウエル14から流出する(破線矢印955,956)。
図14の(E),図15Bの(E)(断面AA)では,駆動部40は,図14の(D)の後,攪拌出口凹み減圧用電磁弁762を閉じ,攪拌出口凹み加圧用電磁弁761を開くことで,攪拌出口部隙間463の液を攪拌用ウエル14に戻して,攪拌出口凹み加圧用電磁弁761を閉じる。このとき,循環溝901等を通って空気が攪拌用ウエル14から流出する(破線矢印957,958)。
以上の(B)から(E)までの操作を駆動部40が繰り返すことで,攪拌用ウエル14内の液は,攪拌入口凹み45と攪拌出口凹み46へ移動し,再び戻ってくる度に攪拌される。ここまでが,図5の攪拌216の動作である。
次に,図5の計測217を,図16と図1,図3を用いて説明する。図16は本実施例の試料処理装置の加圧用電磁弁及び減圧用電磁弁の開閉制御による計測動作フローを示す図である。
図16の(A)では,攪拌出口凹み減圧用電磁弁762を開くことで,攪拌出口凹み46を減圧し,攪拌終了後の攪拌用ウエル14に保持された混合液を攪拌出口上流溝144から吸引する。このとき,循環溝901等を通って空気が攪拌用ウエル14に流入する。
次に,図16の(B)では,検出導入部凹み減圧用電磁弁772を開くことで,検出部導入凹み47を減圧し,混合液を攪拌出口下流溝145および検出部上流溝から吸引する。このときも,循環溝901等を通って空気が攪拌用ウエル14に流入する。
次に,図16の(C)では,試薬流動凹み加圧用電磁弁7E1を開くことで,試薬流動凹み4Eを加圧,封止し,攪拌出口凹み減圧用電磁弁762を閉じ,攪拌出口凹み加圧用電磁弁761を開くことで,攪拌出口凹み46を加圧する。このとき,循環溝901等を通って空気が攪拌用ウエル14から流出する。
次に,図16の(D)で,検出部導入凹み減圧用電磁弁772を閉じる。このとき,検出部導入凹み47のメンブレン20は弾性力により分析チップ10の下面側に戻ろうとし,混合液を押し出す。攪拌出口凹み46及び試薬流動凹み4Eは封止されているので,混合液は,混合液を検出部下流溝164,検出溝163,混合液廃棄上流溝162を満たしながら,加圧されていない混合液廃棄凹み48のメンブレン20と分析チップ10との間の隙間,混合液廃棄下流溝161へと移動し,余分な混合液は混合液廃棄用ウエル16へ押し出される。このとき,循環溝901等を通って空気が混合液廃棄用ウエル16からに流出する。
この状態で,図2の観測窓34から観測光を検出溝163に照射し,データを取得する。
ここまでが,図5の計測217の動作であり,これで図4の分析動作207が終了する。
なお,検出溝163は,液を密閉空間に保持する機能を持ち,以上詳述した実施例1では,観測窓34から観測光を検出溝164に照射し,データを取得する分析動作を示したが,本実施例の処理用溝における処理は分析・検出に限定されるものではない。例えば,図5の攪拌216で2液を攪拌した後,検出溝163に保持することで反応させ,その後混合液廃棄用ウエル16から回収してもよく,あるいは検出溝163に液を保持して温度を制御するなど光学的な計測以外の処理を行ってもよい。
上記した実施例は本発明のより良い理解のために詳細に説明したのであり,必ずしも説明の全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また,実施例の構成の一部について,他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。例えば,密封型デバイスは,その内部で液体と空気を処理するものとして説明したが,液体と空気以外の気体を処理するものであっても良い。
本発明によれば,メンブレン20を空気圧で変形させることで,送液,定量,攪拌などの操作を行う際に,循環溝を通して空気が循環するため,ウエル内の空気圧の変化が緩和され,安定した流動操作が可能となる。
10 分析チップ
11 試料用ウエル
12 空気とり込み用ウエル
13 試料廃棄用ウエル
14 攪拌用ウエル
15 試薬用ウエル
16 混合液廃棄用ウエル
111,112,113,114,121,122,123,131,132,141,142,144,145,151,152,153,154,161,162,164,165 溝
115 定量溝
124,143 分岐溝
163 検出溝
20 メンブレン
21 密封フィルム
30 蓋
31 回転支持部
34 観測窓
40 駆動部
41,42,43,44,45,46,47,48,49,4A,4B,4C,4D,4E,4F 凹み
411,421,431,441,451,461,471,481,491,4A1,4B1,4C1,4D1,4E1,4F1 加圧管
412,422,432,442,452,462,472,482,492,4A2,4B2,4C2,4D2,4E2,4F2 減圧管
50 筺体
51 ロック機構
60 空気圧制御部
61 操作部
70 空気配管
71 加圧用ポンプ
711,721,731,741,751,761,771,781,791,7A1,7B1,7C1,7D1,7E1,7F1 加圧用電磁弁
72 減圧用ポンプ
712,722,732,742,752,762,772,782,792,7A2,7B2,7C2,7D2,7E2,7F2 減圧用電磁弁
901,902,903,904,905 循環溝
911,912,913,914,915 空気溜め

Claims (7)

  1. 下面側に液体が流れる第1流路を有する処理部と,空気を制御する駆動部と,前記処理部と前記駆動部間に配置された弾性膜と,前記弾性膜が前記処理部側へ密着するか前記駆動部側へ密着するかを切り替える空気圧制御部と,を備え,
    前記処理部は,前記駆動部が配置された側とは反対側に形成された空気が流れる第2流路と,前記第2流路上に形成された密封膜と,各々が前記第2流路にて接続され,空気及び液体を貯める複数の容器とを有し,
    複数の前記容器内の空気は前記第2流路を介して流れ,
    前記処理部は,液体の定量のための定量流路と,当該定量流路から分岐した少なくとも4つの分岐流路を備え,
    前記駆動部は,4つの前記分岐流路における前記定量流路側でない端部のそれぞれの下方に凹部を有し,
    4つの当該凹部は,前記空気圧制御部に連通している
    ことを特徴とする試料処理装置。
  2. 請求項1記載の試料処理装置であって,
    前記駆動部は,前記処理部が配置された側に凹部を有する,
    ことを特徴とする試料処理装置。
  3. 請求項2記載の試料処理装置であって,
    前記空気圧制御部は,前記凹部内の空気の加圧及び減圧制御と連動して,前記第1流路内と前記第2流路内の空気圧を制御する,
    ことを特徴とする試料処理装置。
  4. 請求項記載の試料処理装置であって,
    4つの前記分岐流路の2つは液体を送液する送液流路であり,残りの2つは空気を送る送気流路である,
    ことを特徴とする試料処理装置。
  5. 請求項記載の試料処理装置であって,
    前記送液流路の上流側または下流側には,更に一組の流路及び凹部を有し,且つ前記送気流路の上流側または下流側には,更に一組の流路及び凹部を有し,当該凹部は前記空気圧制御部に連通している,
    ことを特徴とする試料処理装置。
  6. 請求項記載の試料処理装置であって,
    前記送液流路の上流側または下流側には,更に二組の流路及び凹部を有し,且つ前記送気流路の上流側または下流側には,更に二組の流路及び凹部を有し,当該凹部は前記空気圧制御部に連通している,
    ことを特徴とする試料処理装置。
  7. 請求項又は記載の試料処理装置であって,
    前記空気圧制御部によって,前記弾性膜の動きを制御し,前記送液流路を用いて前記定量流路に液体を満たし,その後,前記送気流路を用いて,定量流路内の液体を下流側に流す,
    ことを特徴とする試料処理装置。
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