JP7111037B2 - 反応装置及び反応方法 - Google Patents

Description

本発明は、反応装置及び反応方法に関する。

タンパク質やＤＮＡなどの微量の被検出物質を高感度かつ定量的に検出するために、被検出物質が含まれる液体、標識液などの微量な液体を操作して攪拌することが行われる。
従来、モーターによって回転する撹拌羽根を混合液に浸漬させることによる２液の撹拌、混合方法が知られているが、１～１００マイクロリットル程度の微量液体の撹拌では複雑な機構によるコスト増加や、技術的に作製が不可能であるとの問題が生じる。
そこでピペットチップなどの先細なノズルによる混合液の吐出・吸引を行うことで、微量な２液の混合を行う方法が一般的である。特に反応槽の内面が混合液体との反応場を有する場合に、特許文献１ではピペットチップによる液の撹拌を行うと同時に、反応槽内面の反応場での反応を行う。

国際公開第２０１７／０８２０６９号

１～１００マイクロリットル程度の微量液体を撹拌混合するのみであれば、ピペットチップなどの先細ノズルによる吐出・吸引での撹拌で可能である。
しかし、反応槽内面に液体との反応場があり、その反応効率が反応場上での液体流量と正に相関していて、注入された液体単体、あるいは反応槽にあらかじめ存在していた液体と混合された液体を反応場に流して２物質以上を化学反応させる系において、挿入されたノズルによる液の吐出あるいは吸引を行う際に、従来のピペットチップのような先細ノズルでは、ノズル直下の反応場でのみ液体流量が集中的に増加してしまい、反応場での化学反応にムラが出来てしまう問題があった。

そこで、本発明は、ノズルによる吐出又は吸引によって送液される液体を、反応場に、より均一に多くの流量で流すことで、撹拌しつつ反応場全体での均一かつ効率的な反応を促進することができる反応装置及び反応方法を提供することを課題とする。

本発明の一形態の反応装置は、ノズルの吐出口及びその周囲の当該ノズルの外面である先端面と、反応槽内の反応場とを一定のギャップで対向させてあり、前記吐出口の中心軸を含む一断面において、前記反応場の外径の３分の２以上に亘り前記一定のギャップを保持可能とされ、前記ノズルによる液体の吐出又は／及び吸引を実行することで前記反応槽内の液体を攪拌して前記反応場で物質を反応させることが可能にされている。

また、本発明の一形態の反応方法は、ノズルの吐出口及びその周囲の当該ノズルの外面である先端面と、反応槽内の反応場とを一定のギャップで対向させ、前記吐出口の中心軸を含む一断面において、前記反応場の外径の３分の２以上に亘り前記一定のギャップを保持した状態で、前記ノズルによる液体の吐出又は／及び吸引を実行することで前記反応槽内の液体を攪拌して前記反応場で物質を反応させる。

本発明によれば、ノズルの吐出口及びその周囲の当該ノズルの外面（先端面）と、反応場とを一定のギャップで対向させ、当該ギャップを反応場上の長い範囲に亘って保持することができるので、このギャップにより形成された流路に強制的に液体を流すことによって、反応場に流れる液体を反応場の面内で均一にし、かつ流量を積極的に増加させることができ、従って反応場全体での均一かつ効率的な反応を促進することができる。

本発明の第１実施形態の反応装置を示す断面模式図である。 本発明の第１実施形態の反応装置を示す断面模式図であり、液吐出時の様子を示す。 本発明の第１実施形態の反応装置を示す断面模式図であり、液吸引時の様子を示す。 ノズル先端径の変化に対する反応場の外周縁の通過流量和の変化を示すグラフである。 反応場中心からの距離に応じた通過流量和の分布を示すグラフである。 本発明の第２実施形態の反応装置を示す断面模式図である。 本発明の第２実施形態の反応装置を示す断面模式図であり、液吐出時の様子を示す。 本発明の第２実施形態の反応装置を示す断面模式図であり、液吸引時の様子を示す。 本発明の第３実施形態の反応装置を示す断面模式図である。 本発明の第３実施形態の反応装置を示す断面模式図であり、液吐出時の様子を示す。 本発明の第３実施形態の反応装置を示す断面模式図であり、液吸引時の様子を示す。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
まず、本発明の第１実施形態に係る送液ノズル、反応装置及び反応方法につき図１から図３を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る反応装置１Ａは、液体の吐出及び吸引が可能なポンプなどの送液手段２と、送液手段２に接続され液体を吐出及び吸引する送液ノズル３Ａと、反応容器４Ａとを備える。

反応容器４Ａは、底面に反応場４１が設置された反応槽４２を形成する。
送液ノズル３Ａは、内部に収容した液体Ｌ１を吐出する吐出口３１を有した先端面３２が吐出口３１の中心軸３１ｃに垂直な平面に形成されている。
さらに送液ノズル３Ａは、中心軸３１ｃを含む一断面（図１）において先端面３２の外径ｄ２が吐出口３１の内径ｄ１の２倍を超えている。この条件は、中心軸３１ｃ回りの３６０度のいずれの断面でも成り立つことが好ましい。
吐出口３１及び先端面３２が中心軸３１ｃに垂直な平面上に配置されており、これに一定ギャップで対向できるように反応場４１も平面で形成されている。

反応装置１Ａは、送液ノズル３Ａの吐出口３１及びその周囲の当該ノズルの外面である先端面３２と、反応槽４２内の反応場４１とを一定のギャップｇで対向させたとき、中心軸３１ｃを含む一断面（図１）において、反応場４１の外径ｄ３の３分の２以上に亘りギャップｇを保持可能とされている。ここでも、この条件は中心軸３１ｃ回りの３６０度のいずれの断面でも成り立つことが好ましい。なお、反応槽４２の内径は、反応場４１の外径ｄ３と等しいか、大きくされる。図示例に拘わらず、反応場４１が反応槽４２の底面の一部に形成されているものでもよい。

反応装置１Ａを用いた反応方法としては、次の通りである。
図１～図３に示すように、送液ノズル３Ａの吐出口３１及び先端面３２と、反応場４１とを一定のギャップｇで対向させ、中心軸３１ｃを含む一断面において、反応場４１の外径ｄ３の３分の２以上に亘りギャップｇを保持した状態で、送液ノズル３Ａによる液体の吐出又は／及び吸引を実行する。これにより、反応槽４２内の液体Ｌ２を攪拌して反応場４１で物質を反応させる。液体Ｌ２に含まれる物質と反応場４１に固定されている物質とを反応させる。
吐出時には図２に示す吐出流ｆ１、吸引時には図３に示す吸引流ｆ２が、ギャップｇを保持した流路空間に流れる。このようにギャップｇを保持した流路空間に液体を強制的に流動させることで、反応場４１に流れる液体を反応場４１の面内で均一にし、かつ流量を積極的に増加させることができる。従って反応場４１全体での均一かつ効率的な反応を促進することができる。

図４に、反応装置１Ａについて、ｇ、ｄ１、ｄ３を一定にし、ｄ２を変化させたときの反応場４１の外周縁の通過流量和を示す。
ｇ＝０．２ｍｍ、ｄ１＝０．６ｍｍ、ｄ３＝２．４ｍｍ、反応槽４２の内径を３．６ｍｍをとした。
ｄ２を、１．２ｍｍ～２．４ｍｍの範囲で変化させた。吐出口３１及び先端面３２が円形である送液ノズル３Ａを用いた。
反応場４１から０．２ｍｍの高さにある吐出口３１より１６マイクロリットルの水を０．５秒かけて吸引・吐出した際に、反応場４１の中心から直径２．４ｍｍの円周で反応場上０．１ｍｍまでの高さを流れた流量の３６０度の総和を、コンピューター・シミュレーションにより算出した。異なるｄ２ごとにそれぞれ算出し、その結果は図４に示した通りである。なお、反応場４１の中心は、吐出口３１の中心軸３１ｃと反応場４１との交点に相当する。

図４より、ｄ２が１．２ｍｍから２．４ｍｍまで拡大するにつれ、より多くの流量を反応場上に流せることが分かる。ｄ２＝１．６ｍｍのとき、ｄ２がｄ３の３分の２である。ｄ２がｄ３の３分の２以上であることにより、反応場４１上の流量を、反応場４１の外周縁までに亘り大きく維持することができる。
また、図５に、図４と同条件の下、ｄ２＝１．０ｍｍとｄ２＝２．４ｍｍとしたときの反応場中心からの各距離での通過流量和を示した。
図５からわかるように、ｄ２がｄ１の２倍未満であるｄ２＝１．０ｍｍの場合に比較して、ｄ２＝２．４ｍｍとしたｄ２が大きい送液ノズル３Ａで、反応場４１の端部まで多くの流量を維持し、反応場面内で、より均一で多くの流体を流すことができる。

なお、先端面３２の外径ｄ２が吐出口３１の内径ｄ１の６倍以下であることが好ましい。ｄ２がｄ１に対して大きすぎると、反応場上の流量も不均一化しやすい。ｄ２の上限をｄ１を基準に制限することで、反応場上の均一な流れを確保できる。
また、先端面３２の外径ｄ２が５ｍｍ以下とされていることが好ましい。液体の流れる範囲を微少な領域に制限することで、反応場４１での反応の均一性及び効率をより高めることができる。
また、反応場４１の外径ｄ３が５ｍｍ以下とされている。反応に寄与する範囲を微少な領域に制限することで、反応の均一性及び効率をより高めることができる。
また、ギャップｇを先端面３２の外径ｄ２以下とすることが好ましい。ギャップｇを狭くすることで、より多くの流量を反応場４１の全体に流すことができる。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係る送液ノズル、反応装置及び反応方法につき図６から図８を参照して説明する。
本実施形態に係る反応装置１Ｂは、送液ノズル３Ｂ及び反応容器４Ｂの形状が上記第１実施形態と異なり、その他は同様である。反応方法も上記第１実施形態と同様に実施される。

送液ノズル３Ｂは、先端面３２Ｂをテーパー状にしたものである。
反応容器４Ｂは、反応槽４２の底面及びそこに設置される反応場４１Ｂを、反応場４１が先端面３２Ｂと対向して一定のギャップｇを形成できるように凹なテーパー状にしたものである。
ｇ、ｄ１、ｄ２、ｄ３の相対条件は上記第１実施形態と同様に実施する。

本実施形態のように、先端面３２Ｂ及び反応場４１Ｂを平面にせず、ギャップｇを形成する流路空間を平板状にしなくとも、上記第１実施形態と同様に、反応場４１Ｂに流れる液体を反応場４１Ｂの面内で均一にし、かつ流量を積極的に増加させることができる。従って反応場４１Ｂ全体での均一かつ効率的な反応を促進することができる。

〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態に係る送液ノズル、反応装置及び反応方法につき図９から図１１を参照して説明する。
本実施形態に係る反応装置１Ｃは、送液ノズル３Ｃの形状が上記第１実施形態と異なり、その他は同様である。反応方法も上記第１実施形態と同様に実施される。

送液ノズル３Ｃは、一断面（図９）においてそのノズル外径が、中心軸３１ｃに沿って先端面３２より基端側の位置において先端面３２の外径ｄ２より小径（ｄ４）となるノズル外形形状とされたものである。ここでも、この条件は中心軸３１ｃ回りの３６０度のいずれの断面でも成り立つことが好ましい。
また送液ノズル３Ｃのノズル外形形状は、先端面３２の外径ｄ２と等しい外径から前記小径ｄ４に至る部位に、円錐の周面形状３３を有する。ここで、円錐の周面形状３３は中心軸３１ｃ回りの３６０度の全範囲に亘っていることが好ましい。
ｇ、ｄ１、ｄ２、ｄ３の相対条件は上記第１実施形態と同様に実施する。

本実施形態の反応装置１Ｃによっても、上記第１実施形態と同様に、反応場４１に流れる液体を反応場４１の面内で均一にし、かつ流量を積極的に増加させることができる。従って反応場４１全体での均一かつ効率的な反応を促進することができる。

反応装置１Ｃにあっては、上記第１、２実施形態と同様に先端面３２が大きくされる一方、上記第１、２実施形態とは異なり、径ｄ４の小径部分を基端側に有する。図９に示すように先端面３２と反応場４１とがギャップｇを保持して対向するとき、径ｄ４の小径部分の先端側の一部が反応槽４２内に挿入され、円錐の周面形状３３は反応槽４２内に配置される。
したがって、径ｄ４の小径部分と反応槽４２の内壁との間、円錐の周面形状３３と反応槽４２の内壁との間に、液の受容空間４２ａを形成することができる。
したがって、先端面３２を大面積にしても、吐出・吸引する液体容量を上記第１、２実施形態に比較して増加させることができる。
また、図１０に示すように送液ノズル３Ｃから液を吐出するとき、受容空間４２ａに流出する液流ｆ３が渦を形成して攪拌するので、攪拌効率が向上する。
このような効果を得るためには、ｄ２より内径が小径の受容空間４２ａを形成可能にする。したがって、送液ノズル３Ｃの先端面３２より基端側のｄ２より小径な部位（例えば円錐の周面形状３３の先端側の一部）を反応槽４２内に配置可能にし、反応方法を実施する際には同配置にする。

以上説明した第１～３実施形態において、吐出口３１、先端面３２及び反応場４１の形状は、円形のほか、任意の形状で実施することができる。また、吐出口３１と先端面３２とが相似形である必要もない。先端面３２と反応場４１とが相似形である必要もない。吐出口３１、先端面３２及び反応場４１の形状の例としては、円形、楕円形、円形の一部が欠けた形状、多角形、多角形の角を丸めたもの、星（十字星、五芒星、六芒星・・・）形、Ｌ字形、Ｄ字形、十字形、ハート形、雲形、以上のうち２つ以上を重ねたり繋げたりしてできる形状などを挙げることができるが、これらの例に限られない。

１Ａ 反応装置
１Ｂ 反応装置
１Ｃ 反応装置
２ 送液手段
３Ａ 送液ノズル
３Ｂ 送液ノズル
３Ｃ 送液ノズル
４Ａ 反応容器
４Ｂ 反応容器
３１ 吐出口
３１ｃ 吐出口の中心軸
３２ 先端面
３２Ｂ 先端面
４１ 反応場
４１Ｂ 反応場
４２ 反応槽
Ｌ１ 液体
Ｌ２ 液体
ｄ１ 吐出口の内径
ｄ２ 先端面の外径
ｄ３ 反応場の外径
ｇ ギャップ

Claims (6)

1. ノズルの吐出口及びその周囲の当該ノズルの外面である先端面と、反応槽内の反応場とを一定のギャップで対向させてあり、
   前記吐出口の中心軸を含む一断面において、前記反応場の外径の３分の２以上に亘り前記一定のギャップを保持可能とされ、前記ノズルによる液体の吐出又は／及び吸引を実行することで前記反応槽内の液体を攪拌して前記反応場で物質を反応させることが可能にされた反応装置。
2. 前記一断面において、前記ギャップを、前記ノズルの先端面の外径以下に保持可能とされた請求項１に記載の反応装置。
3. 前記一断面において、前記反応場の外径が５ｍｍ以下とされた請求項１又は請求項２に記載の反応装置。
4. ノズルの吐出口及びその周囲の当該ノズルの外面である先端面と、反応槽内の反応場とを一定のギャップで対向させ、
   前記吐出口の中心軸を含む一断面において、前記反応場の外径の３分の２以上に亘り前記一定のギャップを保持した状態で、前記ノズルによる液体の吐出又は／及び吸引を実行することで前記反応槽内の液体を攪拌して前記反応場で物質を反応させる反応方法。
5. 前記一断面において、前記ギャップを、前記ノズルの先端面の外径以下とする請求項４に記載の反応方法。
6. 前記一断面において、前記反応場の外径が５ｍｍ以下である請求項４又は請求項５に記載の反応方法。

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