JPH05240872A - サンプル測定デバイス及びサンプル測定システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 液体試料の流路のデッドスペースを極力小さ
くして必要サンプル量の微量化を達成した小型集約化さ
れたサンプル測定用のカートリッジ及びこれを用いた測
定システムを提供すること。 【構成】 サンプルを注入する注入口５と、注入された
サンプルが蓄積され試薬担体６が封入される蓄積部４
と、蓄積部において試薬６と反応した反応液が流され、
途中の測定位置に受光素子１０、１２を有する流通部７
と、流通部７内の液体の送液作用を有し、流通部７の測
定位置の下流のノズル８付近に設けられた発熱素子であ
るマイクロポンプ９が、カートリッジとして半導体製造
プロセスなどの製法を用いて一体集約的に形成されてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は例えば、サンプル中の成
分を抗原抗体反応や核酸ハイブリダイゼーション反応な
どを利用して測定したり、細胞や微生物、あるいは染色
体などの微小物を測定する技術分野に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の微量成分の検出の技術の進歩は、
臨床検査の分野で各種疾病の早期診断や予後の診断に大
きな役割を演じてきた。１９５８年、Ｓ．Ａ．Ｂｅｒｓ
ｏｎらによって放射線ヨードで標識してインスリンを定
量するという方法を発表して以来、ＩｇＥ、ＩｇＧ、Ｃ
ＲＰ、マイクログロブリン等の血漿蛋白、ＡＦＰ、ＣＥ
Ａ、ＣＡ１９−９等の腫瘍マーカー、ＴＳＨ、Ｔ₃ 等の
ホルモン類、血中薬物、ＨＢＶ、ＨＩＶ等のウイルス及
びその検体、ＤＮＡやＲＮＡ等の核酸が測定可能にな
り、しかも自動化により多数の検体処理が可能になっ
た。

【０００３】これら生体微量成分の多くは、抗原坑体反
応を利用した免疫学的な方法、もしくは核酸−核酸ハイ
ブリダイゼーションを利用した方法が用いられている。
こうした分析方法の例を挙げると、被検出物質と特異的
に結合する抗体又は抗原あるいは一本鎖の核酸をプロー
ブとして微粒子、ビーズ、蓄積部の壁などの固相表面に
固定し、被検出物質と抗原抗体反応もしくは核酸ハイブ
リダイゼーションを行なわせる。そして酵素、蛍光性物
質、発光性物質などの検知感度の高い標識物質を担持し
た特異的な相互作用を持つ標識化物質、例えば標識化抗
体や標識化抗原又は標識化核酸などを用いて、抗原抗体
化合物や二本鎖の核酸を検出して被検物質を定量するも
のである。

【０００４】図２０は上記測定を行なう従来の装置の一
例を示す図である。反応槽２０１には表面に試薬が固定
された不溶性担体２０２が入れられ、ここに検体液を蓄
積して反応させ反応液２０３が作られる。反応液２０３
は送液管２０４、バルブ２０５を通じてシリンジ型ポン
プ２０６に一旦蓄えられる。次にバルブ２０５を切り換
えて、蓄えた反応液を測定位置である光学セル２０７に
送液する。光学セル２０７には光源２０８から光が照射
され、反応液を介した光を受光素子２０９で検出して、
反応液の呈色反応の比色測定又は蛍光測定等が行なわれ
る。測定後の反応液は廃液となって排出される。

【０００５】一方、血液サンプル等の粒子浮遊液中に含
まれる細胞粒子や染色体などの多数の微粒子を１個ずつ
分離して流し、個々の粒子を光学的あるいは電気的手法
を用いて測定する装置がフローサイトメータや粒子カウ
ンタ等として実用化されている。

【０００６】図２１は従来のフローサイトメータの構成
の一例を示す図である。試験管２２０には粒子浮遊液で
あるサンプル液が入れられ、一方、シースボトル２２３
にはＰＨ緩衝液及び生理食塩水等のシース液が入れられ
る。各液体は一旦シリンジ型ポンプ２２２、２２５にそ
れぞれ蓄えられ、次にバルブ２２１、２２４を切り換え
て、蓄えた液体を押圧して送液する。サンプル液はサン
プルノズル２２６に供給され、シース液はサンプルノズ
ルの周囲２２７に供給される。シースフロー原理によっ
てサンプル液はシース液に包まれながら流体力学的に収
斂され、流通部２２８をサンプル液中の微粒子が１個ず
る分離されて流れる。この粒子の流れに対して光源２２
９からの光を照射して、光照射される粒子から発する蛍
光や散乱光を受光素子２３０、２３１で測光する。多数
の粒子に関して順次測定を行ない、それらの出力を基に
統計的手法を用いて粒子の種類や性質など解析を行な
う。なお、明示はされていないが、１つの検体測定する
毎に送液経路に洗浄液を流して経路を洗浄する必要があ
り、このための洗浄機構が設けられている。洗浄機構の
具体例については、例えば特開平１−１１８７４８号公
報などに記載されている。

【０００７】

【発明が解決しようとしている課題】しかしながら上記
従来の装置は、長い送液経路や押圧ポンプなどがあるた
め流路のデッドスペースが避けられず無駄な検体液を必
要としてしまう。多量の検体液の使用に伴って廃液の発
生量も多くなってしまうが、これはバイオハザード等の
環境問題の点で好ましいものではない。

【０００８】又、上記従来の装置では検体液を測定部に
供給するのに各液を加圧供給しているが、そのための配
管及びポンプ等の加圧機構が必要なため、装置が大掛か
りで制御が複雑になり、装置の小型化には限界がある。
更には、測定部にフローを形成するのに、あるいはフロ
ーを止めのにある程度のタイムラグがあり制御応答性が
悪い。

【０００９】本発明は上記課題に鑑み以下のような目的
を有するものである。 （１）液体試料の流路のデッドスペースを極力小さくし
て、必要検体量の微量化を達成した小型集約化された測
定カートリッジ及びシステムを提供すること。 （２）検体に損傷を与えることなく測定でき、且つバイ
オハザード対策などの環境問題に対処することができる
測定用のカートリッジ及びシステムを提供すること。 （３）性能の安定した測定用カートリッジを低コストに
提供すること。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明のサンプル測定デバイスのある形態は、サンプルを注
入する注入口と、前記注入されたサンプルが流され、途
中に測定位置を含む流通部と、前記流通部内のサンプル
の送り作用を有し、前記流通部の測定位置の下流に設け
られたマイクロポンプとを有することを特徴とする。

【００１１】又、本発明のサンプル測定システムのある
形態は、サンプル測定のためのカートリッジを保持する
保持機構と、該カートリッジのサンプル測定を行う測定
手段を有し、前記カートリッジは、サンプルを注入する
注入口と、前記注入されたサンプルが流され、途中に測
定位置を含む流通部と、前記流通部内のサンプルの送り
作用を有し、前記流通部の測定位置の下流の出口付近に
設けられたマイクロポンプを有することを特徴とする。

【００１２】

【実施例】

＜実施例１＞本発明の最初の実施例として、サンプル検
体を試薬と反応させ、又、必要に応じて洗浄及び反応な
どを繰り返して反応液を得て、この反応液を光学的に測
定してサンプル検体の測定を行なうためのカートリッジ
について説明する。図１は第１の実施例のカートリッジ
の構造を示す側面図、図２は第一基板と第二基板を上方
から見た上面図、図３はカートリッジの組立図である。

【００１３】本実施例のカートリッジは第一基板１と第
二基板２と第三基板３とを接合した構成を有し、第一基
板１はシリコン基板、第二基板２及び第三基板３はガラ
ス基板である。これら基板の接合によってカートリッジ
内部には、反応槽である蓄積部４を成す空間が形成され
る。第三基板３にはサンプル検体液などの液体を注入す
るための孔である注入口５が設けられ、外部から蓄積部
４内にサンプル液を注入することができる。蓄積部４の
内部には球形状で表面に試薬が固定化された不溶性担体
６が封入される。不溶性担体６はガラスなどのセラミッ
ク、高分子化合物により成るプラスチック、磁性体等の
金属などの材料、もしくはそれらの複合材料より成り、
試薬が固定しやすいように共有結合基などを導入した表
面処理がなされている。不溶性担体６の形状は球形状に
は限らず多面体など他の形状でもよく、その個数も一つ
には限らず多数存在してもよい。あるいは不溶性担体を
用いずに蓄積部４の内壁面に直接試薬を固定化するよう
にしても良い。なお、試薬については後に詳述する。

【００１４】蓄積部４には流通部７が接続され、その先
端の出口はノズル開口８となっている。ノズル開口８は
先細の形状を有することによって管路抵抗作用を持たせ
ている。ノズル開口８付近にはマイクロポンプ９が第一
基板１上に形成される。マイクロポンプ９は具体的には
後述の製法によって流通部に発熱素子を取り付けた構成
を有する。この発熱素子にパルス電圧を与えると、発熱
によって加熱されたサンプル液が瞬間的に気化して気泡
が発生し、気泡が膨張収縮する際の衝撃で発生する圧力
によってノズルからサンプル液が液滴となって吐出し、
微量のサンプル液が流通部から排出される。そして排出
された分だけ蓄積部４から流通部のノズル方向にサンプ
ル液が引き込まれて供給される。この吐排出を高い周波
数で連続的に行なうことでサンプル液の送液作用が得ら
れ、流通部６内に流体の流れを作ることができる。

【００１５】図７は気泡が発生して液滴が吐出する具体
的な様子を説明するものである。図の（Ａ）の初期状態
において、発熱素子に瞬間的にパルス電圧を与えて発熱
素子が加熱されると、発熱素子付近の水分が気化して
（Ｂ）のように気泡が発生する。すると気化した分だけ
体積が膨張して（Ｃ）の如くノズルの開口付近の液体が
ノズルの開口から外に押し出される。始め膨張を続けて
いた気泡は冷却されて（Ｄ）のように収縮を始め、体積
の縮小により開口から吐出した液体は（Ｅ）のように液
滴となって空中を飛翔する。液体は吐出した分だけ毛細
管現象によって供給され（Ａ）の初期状態に戻る。な
お、この気泡による液滴吐出の基本原理は米国特許公報
第４７２３１２９号や米国特許公報第４７４０７９６号
に詳細が記載されている。

【００１６】なお、マイクロポンプの別形態として発熱
素子を圧電素子に置き換えて、この圧電素子にパルス状
の電圧を印加し、圧電素子の体積変化の衝撃によって発
生する圧力で液滴を吐出させるようにしても良い。

【００１７】又、第一基板１の表面には上記マイクロポ
ンプと共にサンプル液の測定を行なうための感応素子が
設けられる。具体的には光学的にサンプル液の状態を検
出するために、第１の光検出素子１０、波長選択機能を
持った第１の光学フィルタ１１、第２の光検出素子１
２、第２の光学フィルタ１３が後述の製法よって基板上
に形成される。これらの部材によってサンプル液を介し
て到達する第１、第２の光を選択的に受光するための光
学検出部を構成している。なお本実施例では光学的にサ
ンプル液を測定する例を示したが、これに限らず例えば
サンプル液を電気的あるいは磁気的な手法を用いて測定
するようにしても良い。更にはこれらを複合化して測定
しても良い。この場合、図１の光学検出部と同様に、そ
れぞれの測定に適した感応素子（電極、磁気検出素子な
ど）を基板上に接合するようにする。

【００１８】図２に示すように、第一基板１にはマイク
ロポンプの発熱素子９、及び第１、第２の光検出素子１
０、１２が接合されるが、これらの素子にはそれぞれ導
電パターン１８、１９、２０が接続され、図示するよう
に第一基板１の表面上にパターニングされている。そし
て第一基板１と第二基板２を接合した際には導電パター
ン１８、１９、２０の端部が外部に露出して、外部の端
子と接触導通できるようになっている。

【００１９】以上の部材は全て一体集約化されてカート
リッジを構成している。カートリッジの製造方法につい
ては後述する。一方、流通部７内部のサンプル液に向け
て測定エネルギである照射光を与えてサンプル液の呈色
度合を調べるため、あるいはサンプル液から蛍光や散乱
光を発生させるために、図１のように光源１４、１６、
集光レンズ１５、１７から成る光照射部がカートリッジ
とは別に設けられている。光源１４、１６としては例え
ば半導体レーザ、ＬＥＤ、ハロゲンランプ、タングステ
ンランプ、水銀ランプ等が適している。なお、化学発
光、生物発光など検体自ら発する光を検出して測定を行
なう場合には光照射は不要であるため光照射部を設ける
必要はない。

【００２０】本実施例では測定位置の下流側の出口付近
にマイクロポンプを設けたことによって、以下のような
検体測定に特有の大きな優位性が得られる。

【００２１】仮にマイクロポンプを測定位置よりも上流
側に設けたとすると、ポンプ作用によって発生する変異
圧力や熱によってポンプ付近の検体液や細胞粒子に変成
や損傷などの悪影響を与えて、これを測定してしまう恐
れがある。これに対して下流側にマイクロポンプを設け
たことによって、測定前の検体に悪影響を与えることを
未然に防ぐことができる。更に加えて、下流位置におい
て測定後の廃液に対して圧力及び熱を与えているので、
廃液の殺菌作用や減菌作用が得られバイオハザード対策
にも対処している。

【００２２】又、出口付近にマイクロポンプを設けて、
ノズルから吐出した分だけ流体を引き込むようにして流
通部に流れを作っているので、安定した流体系が得ら
れ、且つ流体制御の制御応答性も高い。更には流体系の
デッドスペースが殆どなくなり使用検体量が非常に微量
で済む。

【００２３】ここで上記カートリッジの変形例をいくつ
か示す。図４は基板上面に集光レンズ部２１、２２を一
体的に形成した例である。集光レンズとしては、球面レ
ンズ、フレネルレンズ、ゾーンプレートなどが使用でき
る。又、図５は照射光の導入を光ファイバー２３、２４
を用いて行った例であり、光源とカートリッジとの光軸
合わせが不要になるという特徴がある。図６は上記形態
を更に発展させたもので、各々が蓄積部、流通部、各素
子などから成る測定モジュールを一枚の基板上に高密度
で並列に配置してアレイ化したカートリッジの例であ
る。

【００２４】次に上記カートリッジの製造方法について
詳細に説明する。本実施例のカートリッジは半導体製造
プロセスを含むマイクロメカニクス技術によって比較的
容易に製造できるため、バッチ処理による大量生産に向
き、又、図６に示すようなアレイ化も容易である。製造
工程は大きくは以下の４工程から成る。

【００２５】（工程１） 第二基板２となるガラス基板
に蓄積部４となる孔を設け、更に流通部７となる溝を形
成する。ガラス基板への溝の形成方法としては、感光性
ガラスを用いフォトリソグラフィにて感光するか、又は
ガラスをフッ酸により所望の深さまでエッチング除去す
ることにより行う。他の方法としては、例えばガラス基
板又はシリコン基板にレジストを塗布しフォトリソプロ
セスにより現像し固化することによりレジスト除去部を
溝として用いても良い。又、蓄積部及び流通部のパター
ンをエッチングして形成したシリコン基板をガラス基板
に陽極接合することによっても溝を形成することができ
る。

【００２６】なお、本実施例ではガラス基板を用いてこ
れを加工して溝を形成したが、透光性の樹脂材料を使用
してモールド製法等による成型によって第二基板を製作
するようにしても良い。

【００２７】（工程２） 第一基板１となるシリコン基
板にマイクロポンプの発熱素子を接合する。図８はシリ
コン基板上に形成されるマイクロポンプの発熱素子の詳
細な構成を示す。この製造工程は以下の通りである。シ
リコン基板３１上にシリコン酸化膜を形成した後、Ｈｆ
Ｂ₂ 層３２とＡｌ層３３を積層し、フォトリソプロセス
を用いてそれぞれ発熱部と電極部として形成する。更
に、絶縁層３４としてＳｉＯ₂ を、保護膜３５としてＴ
ａを、電極部のワイヤーボンディング部を除いた部分に
順次積層し、その後、Ｔａのみをフォトリソプロセスに
より発熱部周辺に帯状にパターン形成する。そしてＴａ
の被覆されていないＳｉＯ₂ 層上に電極と検体である液
体との隔離性を高めるためレジン層３６をパターン形成
し、ポンプ部となる発熱素子を作製する。

【００２８】（工程３） 第一基板１となるシリコン基
板に２つの光学検出部を接合する。図９はシリコン基板
上に形成される光学検出部の詳細な構成を示す。この光
学検出部の製造工程は以下の通りである。ガラス基板４
１上に抵抗加熱法によりＣｒ膜４２を０．１μｍ成膜す
る。基板を３５０℃に加熱し、ＳｉＨ₄ とＮＨ₃ （１０
ＣＣＭ：２０ＣＣＭ）の混合ガスでプラズマＣＶＤ法に
よりＳｉＮ：Ｈ層４３を０．３μｍ成膜する。同一真空
中で、基板を２００℃に加熱し、ＳｉＨ₄ ガスでプラズ
マＣＶＤ法によりα−Ｓｉ：Ｈ層４４を０．６μｍ成膜
する。ＳｉＨ₄ガスにＰＨ₃ ガスを添加してｎ+-α−Ｓ
ｉ：Ｈ層４５を０．２μｍ成膜する。電子ビーム蒸着法
によりＡｌ層を０．１μｍ成膜する。Ａｌ層をフォトリ
ソプロセスによりパターン形成し電極４６を形成する。
ＣＦ₄ ガスを用いＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法
にてｎ+-α−Ｓｉ：Ｈ層５に開口部を設ける。この開口
部にスピンコートの塗布により光学フィルタ４７を形成
した後、レジスト剥離を行ない光学検出部を作製する。
光学フィルタの波長選択特性は測定対象の発光波長又は
蛍光波長に合わせて選ぶようにする。

【００２９】なお、Ｃｒ層を裏面遮光部として用いるこ
ともできる。又、Ｃｒ層をゲート電極として用いること
により、電界効果型のセンサとして最適電流値により検
出することも可能である。又、本実施例ではα−Ｓｉ受
光素子の例を示したが、他のｐｎホトダイオードやｐｉ
ｎホトダイオード、ショットキーホトダイオード、ＣＣ
Ｄ等でもかまわない。

【００３０】（工程４） 図３に示すように、前記シリ
コン基板である第一基板１、前記ガラス基板である第二
基板２、注入口の孔が設けられた第三基板３の３枚を接
合する。この時、表面に試薬が固定された不溶性担体６
を蓄積部４内に封入する。基板の接合方法には、接着剤
による貼り合わせや、陽極接合などの方法がある。例え
ばはＣＯ₂ レーザ照射による陽極接合を行えば、接合温
度を低くすることができ、基板への熱の悪影響を抑える
ことができる。

【００３１】次に、本実施例に用いる試薬について詳し
く述べる。試薬は蓄積部の内部に封入される不溶性担体
の表面に固定化されるか、あるいは蓄積部の内部壁面に
直接固定化される。本実施例で使用する試薬は少なくと
も生体関連物質を含有しており、その生体関連物質の選
択は分析すべき物質又は被検体によって決まる。すなわ
ち生体関連物質は被検体に対して生物学的特異性を示す
ものを選択することによって特異的検出が可能となる。

【００３２】ここで云う生体関連物質とは、例えば天然
もしくは合成のぺプチド、蛋白質、酵素、糖類、レクチ
ン、ウイルス、細菌、ＤＮＡやＲＮＡ等の核酸、抗体な
どがある。その中でも臨床的には特に有用な物質として
以下のものが挙げられる。ＩｇＧ、ＩｇＥなどの免疫グ
ロブリン、補体、ＣＲＰ、フェリチン、α₁ 又はβ₂マ
イクログロブリンなどの血漿蛋白及びそれらの抗体、
α−フェトプロテイン、癌胎児性抗原（ＣＥＡ）、ＣＡ
１９−９、ＣＡ−１２５などの腫瘍マーカー及びそれら
の抗体、 黄体化ホルモン（ＬＨ）、卵胞刺激ホルモン
（ＦＳＨ）、ヒト繊毛性ゴナドトロビン（ｈＣＧ）、エ
ストロジェン、インシュリンなどのホルモン類及びそれ
らの抗体、 ウイルス性肝炎関連抗原、ＨＩＶ、ＡＴＬ
などのウイルス感染関連物質及びそれらの抗体、 ジフ
テリア菌、ボツリヌス菌、マイコプラズマ、梅毒トレポ
ネーマなどのバクテリア類及びそれらの抗体、 トキソ
プラズマ、トリコモナス、リーシュマニア、トリパノゾ
ーマ、マラリア原虫などの原虫類及びそれらの抗体、
フェニトイン、フェノバルビタールなどの抗てんかん
薬、キニジン、ジコキシニンなどの心血管薬、テオフィ
リンなどの抗喘息薬、クロラムフェニコール、ゲンタマ
イシンなどの抗生物質などの薬物類及びそれらの抗体、
その他酵素、菌体外毒素（ストレプトリジンＯなど）及
びそれらの抗体などがあり、検体中の被検出物質と抗原
抗体反応を起こす物質が被検出物質の種類に応じて適宣
選択される。又、抗原抗体反応ではなく、核酸ハイブリ
ダイゼーションを利用する場合には、検査対象となる核
酸の塩基配列に対して相補的な塩基配列を持つ核酸プロ
ーブが用いられる。

【００３３】図１０は上記カートリッジを装着して測定
を行なうための全体システムの構成を示す図である。上
記説明したカートリッジ１００はカートリッジホルダ１
０１に装着保持される。なお図では１つのカートリッジ
しか示されていないが、同様のカートリッジを並列に複
数個並べて装着するか、もしくは図６のように測定モジ
ュールをアレイ化したカートリッジを用いることによっ
て、複数の検体を同時あるいは順次に測定することがで
きる。

【００３４】ラック１０３には複数の検体容器１０４が
配列され、それぞれには複数の検体液が収容される。デ
ィスペンサ装置１０２はピペット１０５を用いて、各検
体容器１０４内の検体液をカートリッジ１００に順に供
給する。

【００３５】一方、洗浄液容器１０６はＢ／Ｆ分離のた
めの洗浄液を収容し、試薬液容器１０７は反応試薬液を
収容する。各容器からの流路はバルブ１０８に接続され
バルブ１０８でどちらかを選択切替して、選択された液
体がチューブ１０９を介してカートリッジ１００に供給
される。ディスペンサ装置１０２のピペット１０５及び
チューブ１０９は共にカートリッジ１００の注入口に接
続できるようになっており、所望の液体がカートリッジ
に供給される。

【００３６】カートリッジホルダ１０１上には攪拌機１
１０が取り付けられ、装着保持されたカートリッジ１０
０の蓄積部内の検体液及び試薬を攪拌する作用を有し反
応を促進させる。攪拌は例えばマグネットを利用して磁
性の担体試薬を遠隔運動させたり、超音波によって検体
液に振動を与えることによって行なう。

【００３７】又、測定データの精度を向上させるために
は、カートリッジ内の蓄積部の温度を精度よくコントロ
ールする必要があるが、そのためにカートリッジ全体は
不図示の恒温ボックス中に保持されている。又、必要に
応じて洗浄水や反応試薬、検体も一定温度に保温させる
よう恒温手段を講じることが好ましい。

【００３８】カートリッジホルダ１０１には電極が設け
られ、カートリッジ装着の際にカートリッジ１００の露
出導電パターンと接続される。この電極は駆動／検出回
路１１１と電気的に接続されており、駆動／検出回路１
１１は測定用の光源１４、１６の駆動、攪拌機１１０の
駆動、ディスペンサ装置１０２の駆動、バルブ１０８の
駆動、カートリッジ内のマイクロポンプの駆動、カート
リッジ内の２つの光学検出素子からの出力の検出を行な
う。コンピュータ１１２はシステム全体のコントロール
並びに検出結果を基にした検体測定を行なう。抗原抗体
反応や核酸ハイブリダイゼーション反応等を利用して、
呈色反応あるいは蛍光や散乱光などは、レートアッセイ
法やエンドポイント法等の公知の手法で検出及びデータ
処理される。又、予め用意しておいた検量線データと比
較処理も行なわれる。この解析結果はコンピュータ１５
６に付属のディスプレイやプリンタ等に出力する。

【００３９】マイクロポンプを駆動して測定する際には
カートリッジ１００のノズルから廃液が吐出されるが、
これは廃液容器１１３で受けて容器内に廃液を収容す
る。本実施例ではマイクロポンプとして発熱素子を用い
ているので、発熱作用及び気泡発生の圧力作用によって
吐出する廃液は殺菌もしくは減菌されるが、廃液容器１
１３内でも熱や紫外線あるいは薬剤などの手段を用いて
廃液に殺菌作用を施せば更に好ましい。

【００４０】このように本システムはカートリッジ１０
０をディスポザブルとして、１検体の測定毎に新しいも
のに交換するため、システムが簡略化され小型低コスト
の検体測定システムとなっている。又、ディスポザブル
化することでマイクロポンプや感応素子にさほど耐久性
が要求されず、より低コストでカートリッジを供給する
ことができる。

【００４１】以下に上記測定システムによる測定例とし
て、サンプル検体中の特定ＤＮＡを検出する工程を示
す。

【００４２】（工程１） 目的とする特定ＤＮＡ（一本
鎖）と特異的にハイブリダイゼーション反応を行う一本
鎖ＤＮＡプローブが試薬として蓄積部に固定されるカー
トリッジを用意する。このカートリッジを測定システム
のカートリッジホルダに装着すると、ディスペンサ装置
のピペットが、予め前処理によって一本鎖に編成された
多数のＤＮＡを含む検体液をカートリッジの蓄積部内に
自動的に注入する。

【００４３】（工程２） 測定システムに設けられる攪
拌手段によってカートリッジの蓄積部中のサンプル液を
撹拌して反応を促進させる。もし検体液中に目的とする
一本鎖ＤＮＡが存在すれば、蓄積部に固定化されたＤＮ
Ａプローブと特異的にハイブリダイゼーション反応を起
こし２本鎖ＤＮＡを生成する。

【００４４】（工程３） ハイブリダイゼーション反応
しなかった一本鎖ＤＮＡを除去するために、洗浄液の注
入・排出を行なってＢ／Ｆ分離を行う。

【００４５】（工程４） 次いで酵素標識プローブを蓄
積部に注入し、前記ハイブリダイゼーション反応によっ
て生成された二本鎖ＤＮＡを特異的に酵素標識する。

【００４６】（工程５） 再度、洗浄によってＢ／Ｆ分
離を行ない過剰の酵素標識プローブを洗い流す。

【００４７】（工程６） 前記酵素標識と反応して呈色
反応、あるいは蛍光発光や化学発光を示す基質を含む試
薬液を蓄積部に注入して反応させる。

【００４８】（工程７） カートリッジのマイクロポン
プを作動させて、（工程６）の反応液を流通部に流す。
そして呈色反応あるいは蛍光や化学発光の光を受光素子
で検出して、検出光量から目的のＤＮＡ量を定量するこ
とができる。又、レートアッセイ法を用いて検出光量の
時間的変化を測定することにより、より正確に定量でき
る。

【００４９】上記説明した検体測定カートリッジ及びシ
ステムによれば以下の効果が得られる。 （１） 測定位置の下流側にマイクロポンプを設けたた
め、検体液に対して変成や損傷を与えることなく測定を
行なうことができ、且つ測定後の廃液に変異圧力や加熱
を与えることによって殺菌作用もしくは減菌作用が得ら
れる。 （２） 安定した流体系が得られ、更には流体制御の制
御応答性も高い。更には流路のデッドスペースが殆ど無
いため使用する検体液が微量で済む。 （３） 廃液の発生量が少なく、且つそれも殺菌又は減
菌されたものであるのでバイオハザード対策等の環境問
題の観点からも好ましい。 （４）半導体製造プロセスを利用してバッチ生産が可能
となり、品質の安定したカートリッジを安価に大量生産
することができる。 （５）受光素子を一体化することにより、光学系のアラ
イメント調整が不要となる。 （６）検体測定機能を集約したカートリッジを安価に供
給して、１検体測定する毎にカートリッジを交換するた
めに流体系の構成が簡略になり、測定システム全体が非
常にコンパクトで信頼性の高いものとなる。

【００５０】＜実施例２＞次に本発明の別の実施例とし
て、サンプル液とシース液によって流通部内にシースフ
ローを生成してサンプル中の個々の微粒子（例えば血球
細胞や染色体など）を順次測定する粒子測定用のカート
リッジの例を説明する。図１１はカートリッジの構造を
示す側面図、図１２は上方から見た上面図である。

【００５１】本実施例のカートリッジも上記実施例と同
様の半導体製造プロセスを含むマイクロメカニクス技術
によって製造される。カートリッジは第一基板５１と第
二基板５２とを接合した構成を有し、第一基板５１はシ
リコン基板、第二基板５２ガラス基板である。第二基板
５２の上面には測定する微粒子が浮遊するサンプル液を
受けるサンプル受容部５３が形成され、そこにサンプル
管５４が接続されている。サンプル管５４の先端は流通
部５６内に突出している。又、生理食塩水や蒸留水等の
シース液を供給するためにシース液供給口５５が設けら
れ流通部５６に繋っている。流通部５６の先端の出口に
はノズル開口５７が形成されるが、先細の形状を有する
ことによって管路抵抗作用を持たせている。ノズル開口
５７付近にはマイクロポンプ５８が第一基板５１上に形
成される。マイクロポンプ５８は具体的には先の実施例
と同様の製法によって流通部に発熱素子（あるいは圧電
素子）を取り付けた構成を有し、吐排出を高い周波数で
連続的に行なうことでサンプル液の送液作用が得られ
る。更にマイクロポンプの発熱素子によるサンプル液の
加熱及び加圧を利用して、測定の済んだサンプル液の殺
菌作用もしくは減菌作用を得ており、バイオハザード対
策の観点からも好ましいものとなっている。

【００５２】この送液作用によって流通部５６内には流
体の流れが形成されるが、その際、シースフロー原理に
よってサンプル液がシース的に包まれるようにして細い
流れとなって、サンプル液中の微粒子が流通部内を１個
ずつ順に流れる。

【００５３】第一基板５１の表面には上記マイクロポン
プ５８と共にサンプル液中の微粒子の測定を行なうため
の感応素子が設けられる。具体的には光学的に微粒子を
測定するために、第１の光検出素子５９、波長選択機能
を持った第１の光学フィルタ６０、第２の光検出素子６
１、第２の光学フィルタ６２が上記実施例と同様の製法
で形成され、微粒子からの蛍光や散乱光を検出する。光
検出素子には光源より入射する直接光を遮るための光ス
トッパが設けることが好ましい。更には電気的に微粒子
を測定するために、２つの電極６３、６４が基板上に形
成され両者間の電気インピーダンスを測定するようにな
っている。電気インピーダンスの測定値には主に粒子の
体積情報が含まれている。以上の部材によってサンプル
液中の微粒子を測定する測定部を構成している。なお本
実施例では光学的及び電気的に微粒子を測定する例を示
したが、これに限らず例えば磁気的な手法を用いて測定
するようにしても良い。

【００５４】図１２に示すように、第一基板５１にはマ
イクロポンプの発熱素子５８、第１、第２の光検出素子
５９、６１、電極６３、６４が接合されるが、これらの
素子には先の実施例と同様にそれぞれ導電パターンが接
続され、この導電パターンの端部７４が外部に露出し
て、外部の端子と接触導通できるようになっている。

【００５５】以上の部材は全て一体化されてカートリッ
ジとなってカートリッジを構成している。一方、流通部
７内部を流れる微粒子に向けて測定エネルギである照射
光を与えるための光源ととして、図１１のように光源６
５、６７がカートリッジとは別に設けられている。光源
１４、１６は蛍光励起に適した波長の光を生成するもの
が使用され、例えば半導体レーザ等が適している。光源
からの光束を集光するレンズ部６６、６８は第２の基板
上面に一体的に形成されている。なお光照射部の形態は
これに限らず、先の実施例のように色々なバリエーショ
ンが考えられる。又、図６のような測定モジュールのア
レイ化も容易である。

【００５６】図１３、図１４は上記カートリッジの変形
例を示し、それぞれ側面図、上面図である。この例では
シース液と共にサンプル液も外部から供給され、サンプ
ル管７０の一方の端部はカートリッジ外部に露出し、外
部のサンプル供給機構と接続される。又、２つの光学検
出部の両側面には、微粒子への光照射によって側方に発
散する蛍光や散乱光を受光するために光ファイバ７０、
７１、７２、７３が埋め込まれ、フォトマルチプライヤ
等の不図示の検出素子に導かれる。又、ノズル開口５７
は上方に向けて液滴を吐出するよう上面基板に孔を開け
た構成となっている。その他の構成は上記実施例と同様
である。

【００５７】図１５は上記カートリッジを装着して測定
を行なうための全体システムの構成を示す図である。上
記説明したカートリッジ１００はカートリッジホルダ１
０１に装着保持される。なお図では１つのカートリッジ
しか示されていないが、同様のカートリッジを並列に複
数個並べて装着するか、もしくは図６のようにアレイ化
したカートリッジを用いることによって、複数の検体を
同時あるいは順次に測定することができる。

【００５８】ラック１０３には複数の検体容器１０４が
配列され、それぞれには予め前処理（精製処理や試薬と
の反応など）の済んだ複数のサンプル液が収容される。
ディスペンサ装置１０２はピペット１０５を用いて、各
検体容器１０４内の検体液をカートリッジ１００に順に
供給する。

【００５９】一方、ＰＨ緩衝液／生理食塩水や蒸留水等
のシース液を内部に収容するシース液容器１１４には、
流量を制御するレギュレータ１１５を介してチューブ１
０９が接続され、チューブ１０９の先端部はホルダ１０
１に装着されたカートリッジ１００のシース液供給口に
接続される。レギュレータ１１５の調整によりシースフ
ローの状態が制御される。

【００６０】カートリッジホルダ１０１には電極が設け
られ、カートリッジ装着の際にカートリッジ１００の露
出導電パターンと接続される。この電極は駆動／検出回
路１１１と電気的に接続されており、駆動／検出回路１
１１は光源６５、６７の駆動、ディスペンサ装置１０２
の駆動、レギュレータ１１５の駆動、カートリッジ内の
マイクロポンプの駆動、カートリッジ内の２つの光学検
出素子からの出力の検出、及び２つの電極間の電気イン
ピーダンスの検出を行なう。コンピュータ１１２はシス
テム全体のコントロール並びに検出結果を基にした粒子
解析を行なう。個々の粒子の測定によって多数の検出デ
ータが得られるが、このデータを用いた粒子の解析方法
として、例えばヒストグラムやサイトグラム等の統計的
手法を用いた様々な解析方法が公知である。解析結果は
コンピュータ１１２に付属のディスプレイやプリンタ等
に出力する。

【００６１】マイクロポンプを駆動して測定する際には
カートリッジ１００のノズルから廃液が吐出されるが、
これは廃液容器１１３で受けて容器内に廃液を収容す
る。本実施例ではマイクロポンプとして発熱素子を用い
ているので、発熱作用及び気泡発生の圧力作用によって
吐出する廃液は殺菌もしくは減菌されるが、廃液容器１
１３内でも熱や紫外線あるいは薬剤などの手段を用いて
廃液に殺菌作用を施せば更に好ましい。

【００６２】このように本システムはカートリッジ１０
０をディスポザブルとして、１検体の測定毎に新しいも
のに交換するため、システムが簡略化され小型低コスト
の検体測定システムとなっている。又、ディスポザブル
化することでマイクロポンプや感応素子にさほど耐久性
が要求されず、より低コストでカートリッジを供給する
ことができる。本実施例のカートリッジ及びシステムで
も、先の実施例と同様にさまざまな効果が得られる。

【００６３】＜実施例３＞図１６は更なる実施例の測定
システムの構成を示す。同図において、１５０はフレー
ム、１５１はホルダであり、図面はカートリッジ１００
がホルダ１５１に装着された状態を示しており、１検体
測定毎にカートリッジは交換される。カートリッジ１０
０は上記説明したいずれかのものとほぼ同様の構造であ
るが、上面に集光レンズ１２０が形成されている。この
集光レンズ１２０は球面レンズやフレネルレンズ、ゾー
ンプレートなどが利用できる。１５２は半導体レーザや
ランプ等の光源、１５３は光源１５２からの光を平行光
束に変換するためのレンズ、１５４はハーフミラー、１
５５は集光レンズ、１５６は受光素子である。

【００６４】この構成において、光源１５２から出射し
た光はレンズ１５３で平行光に変換される。この光はハ
ーフミラー１５４を透過し、カートリッジ１００の集光
レンズ１２０に達する。平行光は集光レンズ１２０によ
って流路１２１に集光され、流路のサンプルに集光光が
光照射される。ここで照射によってサンプルから全方位
に発する散乱光や蛍光の内、再び集光レンズ１２０で集
光されて平行光になりハーフミラー１５４で反射した成
分はレンズ１５５で集光され、受光素子１５６で光電変
換され測定データを得る。受光素子１５６の手前には不
図示の波長フィルタが配され、目的とする蛍光や散乱光
成分のみを抽出するようになっている。なお、ハーフミ
ラー１５４の代わりに、照射光波長を透過、目的蛍光波
長を反射するような特性のダイクロイックミラーに置き
換えても良い。

【００６５】ここで本実施例の特徴を説明する。本実施
例のシステムを実用化するにあたって、カートリッジを
ホルダ１５１に装着した際のメカ的な装着位置精度は、
一般には水平方向に数１０μｍ〜数１００μｍ程度であ
る。すると光源１５２から照射される光束の光軸と、ホ
ルダに装着されたカートリッジの流路１２１の中心軸と
は前述のメカ的精度分だけ相対的なずれを生じる可能性
がある。この時、仮に照射光が平行光ではないとする
と、図１７（ｂ）のようにカートリッジと照射光との相
対ずれに応じて照射光の集光位置が変化してしまう。こ
こでカートリッジの流路１２１の幅を例えば１０μｍと
すると、場合によっては集光位置が流路１２１から外れ
る可能性もあり、集光位置の変化が測定精度に大きく影
響を及ぼすことになる。

【００６６】これに対して本実施例では、カートリッジ
に入射する光が平行光であることを特徴とし、この光が
集光レンズ１２０により流路１２１の中心位置に集光す
るようになっている。これによって、図１７（ａ）のよ
うに照射光は常に流路１２１の一定位置に集光されるこ
とになり、カートリッジの装着位置精度に影響を受けな
い。

【００６７】図１８は図１６の変形例の測定システム構
成を示す。これは先の図１６のシステムと類似するが受
光系が異なり、より詳細な測定データを得るようになっ
ている。図１６と同一の符号は同一部材を表わし、同一
部材についての説明は省略する。図１８において、１６
０はグレーティングやプリズム等の分光素子、１６１は
レンズ、１６２は分光された各波長成分を個別に受光す
るためのアレイ型受光素子である。先の実施例と同様に
カートリッジのサンプルに光が集光照射されると、サン
プルから蛍光や散乱光が発生する。この内、再び集光レ
ンズ１２０で集光されて平行光になりハーフミラー１５
４で反射した成分は分光素子１６０で分光され、レンズ
１６１を介して各波長成分毎に受光素子１６２で個別に
検出される。こうして得られたデータを基に、より詳細
な解析が可能となる。

【００６８】図１９は図１８の変形例の測定システム構
成を示す図である。本実施例では、カートリッジ自体に
集光機能と分光機能を持たせたことを特徴とする。図１
９において１７０は照射光を生成するための光源で、発
光素子やレンズ等を含んでいる。１７１は光源１７０か
らの照射光を、ホルダ１５１に装着されたカートリッジ
１００の測定位置に指向するための反射ミラーである。
これら光源１７０、ミラー１７１からなる照射系はフレ
ーム１５０の下部に内蔵されている。又、フレーム１５
０の上部にはレンズ１６１、アレイ型受光素子１６２か
らなる受光系が設けられている。一方、カートリッジ１
００には屈折率分布型レンズ１７５、更にその上にはグ
レーティングやプリズム等の分光素子１７６が設けられ
ている。なお、レンズ１７５と分光素子１７６の組を集
光機能と分光機能を兼ね備えるゾーンプレートに置き換
えることもできる。

【００６９】この構成では、装着したカートリッジ１０
０のサンプルに対して下方から光照射される。そして発
生する蛍光は屈折率分布型レンズ１７５で集光され平行
光になり、分光素子１７６で分光される。この光はカー
トリッジ１００の上方のアレイ型受光素子１６２で各波
長成分毎に受光される。

【００７０】

【発明の効果】測定位置の下流側にマイクロポンプを設
けたため、検体液に対して変成や損傷を与えることなく
測定を行なうことができ、且つ測定後の検体液に圧力や
加熱を与えることによって殺菌作用もしくは減菌作用が
得られる。

【００７１】又、安定した流体系が得られ、更には流体
制御の制御応答性も高い。更には流路のデッドスペース
が殆ど無いため使用する検体液が微量で済む。

【００７２】よって廃液の発生量が少なく、且つそれも
殺菌又は減菌されたものであるのでバイオハザード対策
等の環境問題の観点からも本発明の効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例のカートリッジの構成を示す側面図であ
る。

【図２】カートリッジを構成する第二基板と第一基板の
それぞれの上面図である。

【図３】カートリッジの組立図である。

【図４】実施例の第１の変形例を示す図である。

【図５】実施例の第２の変形例を示す図である。

【図６】実施例の第３の変形例を示す図である。

【図７】マイクロポンプの作用を説明するための図であ
る。

【図８】マイクロポンプの発熱素子の構造を示す図であ
る。

【図９】光学検出部の構造を示す図である。

【図１０】実施例の測定システムの全体を示す図であ
る。

【図１１】第２の実施例のカートリッジの構成を示す側
面図である。

【図１２】第２の実施例の上面図である。

【図１３】第２の実施例の変形例の側面図である。

【図１４】第２の実施例の変形例の上面図である。

【図１５】第２の実施例の測定システムの全体を示す図
である。

【図１６】第３の実施例の測定システムの構成を示す図
である。

【図１７】図１６のシステムの特徴を説明するための図
である。

【図１８】図１６の変形例の測定システムの構成を示す
図である。

【図１９】別の変型例の測定システムの構成を示す図で
ある。

【図２０】従来例の装置の構成図である。

【図２１】別の従来例の装置の構成図である。

【符号の説明】

１ 第一基板（シリコン基板） ２ 第二基板（ガラス基板） ３ 第三基板（ガラス基板） ４ 蓄積部 ５ 注入口 ６ 不溶性担体試薬 ７ 流通部 ８ ノズル開口 ９ マイクロポンプの発熱素子 １０ １２ 受光素子 １１ １３ 光学フィルタ １４ １６ 光源 １５ １７ 集光レンズ ２１ ２２ 集光レンズ部 ２３ ２４ 光ファイバ ５１ 第一基板（シリコン基板） ５２ 第二基板（ガラス基板） ５３ サンプル液受容部 ５４ サンプル管 ５５ シース液供給口 ５６ 流通部 ５７ ノズル開口 ５８ マイクロポンプの発熱素子 ５９ ６１ 受光素子 ６０ ６２ 光学フィルタ ６３ ６４ 電極 ６５ ６７ 光源 ６６ ６８ 集光レンズ部 ７０ ７１ ７２ ７３ 光ファイバ ７４ 導電パターン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０１Ｎ 21/75 Ｚ 7906−2Ｊ 33/543 Ｓ 7906−2Ｊ (72)発明者 大西 敏一 東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノ ン株式会社内 (72)発明者 田中 和實 東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノ ン株式会社内 (72)発明者 桜永 昌徳 東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノ ン株式会社内 (72)発明者 八木 隆行 東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノ ン株式会社内 (72)発明者 米山 好人 東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノ ン株式会社内 (72)発明者 井阪 和夫 東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノ ン株式会社内

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 サンプルを注入する注入口、 前記注入されたサンプルが流され、途中に測定位置を含
   む流通部、 前記流通部内のサンプルの送り作用を有し、前記流通部
   の測定位置の下流に設けられたマイクロポンプ、を有す
   ることを特徴とするサンプル測定デバイス。
2. 【請求項２】 前記マイクロポンプは流通部に設けられ
   た発熱素子を有する請求項１のデバイス。
3. 【請求項３】 前記測定位置近傍に感応素子が設けられ
   ている請求項１のデバイス。
4. 【請求項４】 前記感応素子は流通部の流れ方向に沿っ
   て複数個設けられる請求項３のデバイス。
5. 【請求項５】 前記感応素子は受光素子であり、該受光
   素子に手前に光学フィルタが設けられる請求項４のデバ
   イス。
6. 【請求項６】 前記測定位置の上に集光作用を有する光
   学機能部が形成されている請求項１のデバイス。
7. 【請求項７】 前記光学機能部は外部から与えられた平
   行光束を、流通部の測定位置に集光する作用を有する請
   求項６のデバイス。
8. 【請求項８】 前記注入されたサンプルを蓄積する蓄積
   部を更に有し、該蓄積部には試薬が封入されている請求
   項１のデバイス。
9. 【請求項９】 前記試薬は生体関連物質を含む請求項８
   のデバイス。
10. 【請求項１０】 前記サンプルと共にシース液を導入す
    る導入口を有し、前記流通部でシースフローを形成する
    請求項１のデバイス。
11. 【請求項１１】 前記流通部が複数並列にアレイ化して
    形成されている請求項１のデバイス。
12. 【請求項１２】 請求項１のデバイスを半導体製造プロ
    セスを含む工程によって作成したことを特徴とするサン
    プル測定デバイスの製造方法。
13. 【請求項１３】 前記半導体製造プロセスは、リソグラ
    フィを含む方法により基板上にパターンを形成する工程
    と、該基板を別の基板と接合する工程を含む請求項１２
    の製造方法。
14. 【請求項１４】サンプル測定のためのカートリッジを保
    持する保持機構、 該カートリッジのサンプル測定を行う測定手段、 を有し、前記カートリッジは、 サンプルを注入する注入口、 前記注入されたサンプルが流され、途中に測定位置を含
    む流通部、 前記流通部内のサンプルの送り作用を有し、前記流通部
    の測定位置の下流の出口付近に設けられたマイクロポン
    プ、を有することを特徴とするサンプル測定システム。
15. 【請求項１５】 前記測定手段は、前記測定位置に測定
    エネルギを与える手段を有する請求項１４のシステム。
16. 【請求項１６】 前記測定エネルギは光エネルギを有す
    る請求項１５のシステム。
17. 【請求項１７】 前記測定手段は、分光素子と受光素子
    を有する請求項１６のシステム。
18. 【請求項１８】 前記測定位置から発する光を受ける受
    光素子がカートリッジ内部に設けられる請求項１６のシ
    ステム。
19. 【請求項１９】 前記測定位置から発する光を受ける受
    光素子がカートリッジ外部に設けられる請求項１６のシ
    ステム。
20. 【請求項２０】 前記カートリッジに測定用の平行光束
    を与える手段を有し、前記カートリッジには該平行光束
    を前記測定位置に集光する光学機能部が設けられる請求
    項１６のシステム。