JPWO2009096527A1 - フローセル - Google Patents

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Abstract

測定流路(17)は、フローセル(1)の略中央に設けられている。通常、測定装置の測定領域は、測定チップの略中央に焦点が合うように設定されている。このため、フローセル(1)は、測定装置に搭載したときに、測定領域の焦点が測定流路(17)にちょうど位置することとなるので、その測定流路(17)を流れる試料溶液をより確実に測定することができる。また、吸引ポンプ(18)を測定流路(17)の周囲の領域に設けることにより、フローセルが同じ平面形状を有する場合、従来のように各構成要素を一直線に並べて形成したときよりも、流すことができる試料溶液の容量を増やすことができる。これにより、流路に試料溶液を流す時間や容量を増加でき、測定時間も増加させることができるので、結果として、流路を流れる試料溶液をより確実に測定することができる。

Description

本発明は、測定装置により測定が行われる所定の流路とこの流路に試料溶液を流すためのポンプとを備えたフローセルに関するものである。
抗原抗体反応やDNA断片(DNAプローブ)とDNAとの結合などの高度な生体分子の識別機能を利用した測定は、臨床検査,生化学分野での測定,および環境汚染物質の測定で重要な技術となっている。この測定としては、例えば、マイクロTAS(Total Analysis Systems),マイクロコンビナトリアルケミストリ,化学IC,化学センサ,バイオセンサ,微量分析,電気化学分析,QCM測定,SPR測定,ATR測定などがあるが、このような測定の分野では、測定対象の試料溶液は微量な場合が多い。
このため、上述したような測定においては、微量な試料溶液をこのまま検出部まで移送することにより、検体の濃度を低下させることなくより高感度,高効率に測定を行うようにしている。微量な試料溶液の移送を実現する技術としては、基板の上に幅が数百μmの流路を作製し、シリンジポンプ等による外部からの圧力で溶液を移送させる方法,静電気力で溶液を移送させる方法,エレクトロウエッティング法,加熱による体積変化や気泡の生成により溶液を移送させる方法,および電気浸透流を利用する方法などがある。
しかしながら、これらの方法で微量な試料溶液を移送するためには、例えば、基板(チップ)の上に微細な溝を流路として形成するとともに、同じ基板の上に他の構成部品を設ける必要があるので、このような構成を作製するのは容易ではない。また、外部からの圧力で試料溶液を移送する場合、流路を構成するチップ以外に、ポンプや配管などの部品が必要となる。この結果、その配管などの移送経路のために試料溶液の無駄が発生することになるので、試料溶液の微量化には限界があった。
また、従来より微量な試料溶液を分析する方法として、濾紙を用いたペーパークロマトグラフィー分析方法が知られている。例えば、生体関連物質の測定としては、簡便で安価な手段として、改良したイムノクロマト法や、イムノコンセントレーション法などが提案されている(特公平7−036017号公報、特開2000−329766号公報)。また、プラスチックの構造体に形成された流路に濾紙を配置した測定チップもある(Amal. Chem. 2005, 77, 7901-7907.)。しかしながら、これらのようなペーパークロマトグラフィー法では、流路の形状などに制限があり、複雑な化学分析が行えないという問題がある。
そこで、近年では、微細加工技術により、基板上または基板内に毛細管現象により試料溶液を移送する流路やポンプとなる領域を形成することが提案されている(Martin Zimmermann, Heinz Schmid, Patrick Hunziker and Emmanuel Delamarche, “Capillary pumps for autonomous capillary systems”, The Royal Society of Chemistry 2007, Lab Chip, 2007, 7, 119-125, First published as an Advance Article on the web 17th October 2006)。この技術により作成された測定チップは、試料溶液が導入される導入口と、その試料溶液を吸引する毛細管ポンプと、導入口と毛細管ポンプとの間に設けられた測定流路とが、基板の平面方向に沿って一直線に並んで形成されている。このような測定チップでは、導入口に試料溶液が導入されると、この導入口から測定流路およびポンプへと順次試料溶液が流出し、毛細管ポンプに試料溶液が到達すると毛細管ポンプに生じる毛細管現象により当該試料溶液が吸引される。これにより、導入口に貯留された試料溶液は、毛細管ポンプの吸引力によって、測定流路を介してポンプへと流れていく。
しかしながら、従来の毛細管ポンプを用いた技術では、測定チップにおいては、各構成要素を一直線に並べて形成していたので、測定が行われる流路(以下、測定流路という)の位置を他の構成要素との兼ね合いによって決定していた一方、測定装置においては、予め測定チップの所定の位置に焦点を合わせて測定機構を配置していたので、測定を行う際には、測定流路の位置に応じて測定装置の測定機構の設定を変更することが必要となり、手間がかかっていた。測定流路の位置によっては、測定機構の設定の大掛かりな変更が必要となったり、場合によっては、測定自体が不可能になったりすることがあった。
また、所定の形状に測定チップを形成しようとすると、毛細管ポンプに割り当てることができる領域が限定されるので、毛細管ポンプの容量も限定されることとなり、流路に試料溶液を流すことができる時間も限られ、結果として十分な測定時間を確保できないことがあった。
そこで、本願発明は、上述したような課題を解決するためになされたものであり、より確実に流路を流れる液体を測定することができるフローセルを提供することを目的とする。
本発明に係るフローセルは、板状部材と、前記板状部材に開口し、液体が供給される導入口と、前記板状部材内に形成され、前記導入口に一端が接続される流路と、前記板状部材に形成され、前記流路の他端が接続され、前記導入口から前記流路を経て流れてきた前記液体を表面張力により吸引するポンプ部とを備え、前記流路は、前記板状部材の平面視略中央に形成され、前記ポンプ部は、前記流路の周囲に形成されることを特徴とするものである。
本発明によれば、板状部材の平面視略中央に流路が形成されているので、この流路を流れる液体をより確実に測定することができる。また、流路の周囲にポンプ部が形成されるので、ポンプ部の容量を増やすことができ、液体を大量かつ長時間流すことができるので、結果として、その液体をより確実に測定することができる。
図1は、本発明に係る第1の実施例におけるフローセルの構成例を示す平面図である。 図2は、図1のI-I線断面図である。 図3は、図1のフローセルを下面方向から見た場合の分解斜視図である。 図4は、本発明に係る第2の実施例におけるフローセルの構成例を示す平面図である。 図5は、図4のII-II線断面図である。 図6は、図4のIII-III線断面図である。 図7は、図4のフローセルを下面方向から見た場合の分解斜視図である。 図8は、本発明に係る第3の実施例におけるフローセルの構成を示す平面図である。 図9は、図8のフローセルを下面方向から見た場合の分解斜視図である。 図10は、本発明に係る第4の実施例におけるフローセルの構成を示す平面図である。 図11は、図11のフローセルを上面方向から見た場合の分解斜視図である。 図12は、本発明に係る第5の実施例におけるフローセルの構成を示す斜視図である。 図13は、本発明に係る第5の実施例におけるフローセルの構成を示す斜視図である。 図14は、本発明に係る第5の実施例におけるフローセルの構成を示す平面図である。 図15は、SPR測定装置の構成例を示す構成図である。
[第1の実施例]
以下、図面を参照して、本発明に係る第1の実施例について詳細に説明する。
<フローセルの構成>
図1〜図3に示すように、本実施例に係るフローセル1は、平面視略矩形の第1の基板11と、この第1の基板11上に配設されるシート状部材12と、このシート状部材12上に配設される第2の基板13とから構成されている。これらは積層され、1つの板状部材を形成する。このようなフローセル1には、第2の基板13を貫通し試料溶液が導入される導入口14と、シート状部材12と第2の基板13との間に形成された吸引ポンプ18と、この吸引ポンプ18と導入口14と接続する流路とが設けられている。この流路は、一端が導入口14に接続しシート状部材12と第2の基板13との間に形成された抵抗流路15と、この抵抗流路15の他端に接続し第1の基板11と第2の基板13との間にあるシート状部材12内に形成された空間部16と、一端が空間部16に他端が吸引ポンプ18に接続し空間部16と同様にシート状部材12内に形成され外部装置により測定光等が照射される測定流路17とから構成されている。
≪第1の基板≫
第1の基板11は、例えばBK7などの光学ガラスから構成され、板厚が1mm程度で一辺が16mm程度の平面視略矩形の板状の形状を有している。また、第1の基板11の上面、すなわち第1の基板11のシート状部材12が載置される側の表面には、メッキ加工、蒸着またはスパッタなどによりAu層11aが選択的に設けられている。このような第1の基板11の材料は、測定に用いられる光等の性質に応じて設定される。また、Au層11aは、上記測定流路17に対応する部分のみに形成するようにしてもよいが、全面に形成してもよいことは言うまでもない。
≪シート状部材≫
シート状部材12は、10μm〜150μm程度の厚さを有する例えば公知の粘着テープなどから構成され、第1の基板11に対応した平面形状を有している。このようなシート状部材12には、略中央に設けられた平面視略矩形のスリット121と、このスリット121の一端に接続された平面視略円形の開口部122とが形成されている。ここで、スリット121は、長手方向(Y方向)がシート状部材12の何れかの側部と略平行になるように形成されている。
上述したスリット121は、第1の基板11の上面および第2の基板13の下面とともに、略直方体状の空間からなる測定流路17を形成する。この測定流路17の長手方向に垂直な断面は、水溶液に対して毛細管現象が発現する範囲の寸法とされる。
また、上述した開口部122は、第1の基板11の上面および第2の基板13の下面とともに、略円柱状の空間からなる空間部16を形成する。この空間部16は、水溶液に対して毛細管現象が発現する範囲の断面寸法とされる。
このようなシート状部材12は、例えば、粘着テープをカッターやレーザなどで所望の形状に加工することにより、作製することができる。
≪第2の基板≫
第2の基板13は、0.5〜5mm程度の厚さを有する例えばアクリルなどから構成され、第1の基板11およびシート状部材12に対応した平面形状を有する。このような第2の基板13の一側寄りの略中央には、上記導入口14を形成する貫通孔131が形成されている。また、第2の基板13の下面には、一端がその貫通孔131に接続し上記抵抗流路15を形成する蛇行溝132と、上記一側とは反対側の他側寄りに上記吸引ポンプ18を形成する空洞部133とが設けられている。
蛇行溝132は、複数の屈曲部を有し、両端を結ぶ方向、すなわち導入口14と空間部16とを結ぶ方向に対して垂直な方向に繰り返し折り曲げられたクランク状の平面形状を有している。その屈曲部は、略直角に折り曲げられている。なお、上記両端を結ぶ方向(Y方向)は、第2の基板13の上記一側と上記他側との距離方向と略平行とされている。
空洞部133は、第2の基板13の下面から上面に向けて設けられ、この空洞内にはその天井から下方に向かって突出した略円柱状の複数の突出部133aが設けられている。複数の突出部133aの間隔を毛細管現象が発現する範囲とすることにより、この空洞部133は、吸引ポンプとして作用する。このような空洞部133は、第2の基板13の中央部の周囲を取り囲むように平面視略「コ」の字状に形成され、第2の基板13における上記一側寄りの両端部と上記他側寄りの両角には、第2の基板13を貫通する空気孔133b〜133eが形成されている。
上述した貫通孔131は、シート状部材12の上面を底とする略円柱状の空間からなる導入口14を形成する。
また、上述した蛇行溝132は、第2の基板13とシート状部材12とが接することにより蛇行した抵抗流路15を形成する。この抵抗流路15は、水溶液に対して毛細管現象が発現する範囲の断面寸法とされる。
また、上述した空洞部133における突出部133aの間隔,幅,高さなど、吸引ポンプ18の内部の各寸法は、毛細管現象が発現する範囲の値とされる。
上述したような第2の基板13は、例えば、所定のパターンが形成された金型を用いた射出成形加工、レーザ加工、エンドミル等による切削加工などによって、作製することができる。
<フローセルの製造方法>
次に、本実施例に係るフローセル1の製造方法の一例について説明する。まず、第1の基板11上にシート状部材12を載置する。ここで、Au層11aを第1の基板11の一部のみに設けた場合、測定流路17を形成するスリット121が上記Au層11a上に位置するように、第1の基板11上にシート状部材12を載置する。
次に、蛇行溝132の他端がシート状部材12の開口部122内部に位置し、かつ空洞部133内部にシート状部材12のスリット121の他端が位置するように、シート状部材2上に第2の基板13を載置する。
このように第1の基板11,シート状部材12および第2の基板13を積層し、これらを第1の基板11の下面側と第2の基板13の上面側から押圧する。これにより、両面テープなどからなるシート状部材12を介して第1の基板11と第2の基板13が互いに固定され、導入口14,抵抗流路15,空間部16,測定流路17および吸引ポンプ18を備えたフローセル1が完成する。
<フローセルの動作>
次に、本実施例に係るフローセル1の動作について説明する。
まず、導入口14に試料溶液が注入されると、この試料溶液は、毛細管現象により抵抗流路15、空間部16および測定流路17の順で進み、吸引ポンプ18に流入する。この吸引ポンプ18の内部は、複数の突出部133aが形成されているので、この突出部133aが形成されていない場合よりも単位体積当たりの表面積が大きくなっており、毛細管現象が発現する寸法となっている。本実施例においては、吸引ポンプ18内部の試料溶液の液面に作用する表面張力が、導入口14内部の試料溶液の液面に作用する表面張力よりも大きくなるように、突出部133aの形状や間隔等が設定されている。
したがって、導入口14に注入された試料溶液は、抵抗流路15、空間部16および測定流路17を通って吸引ポンプ18に流入し、この吸引ポンプ18内部を進行していく。なお、この進行する速度は、突出部133aの外形や間隔などの空洞部133の形状や試料溶液にかかる抵抗等によって変化する。
ここで、本実施例では、図1に示すように、フローセル1の略中央に測定流路17が設けられている。通常、測定装置の測定領域は、測定チップの略中央に焦点が合うように設定されている。このため、本実施例に係るフローセル1は、測定装置に搭載したときに、測定領域の焦点が測定流路17にちょうど位置することとなり、結果として、その測定流路17を流れる試料溶液をより確実に測定することができる。これにより、従来のように、焦点を再設定する際の手間を省くこともできる。
また、本実施例では、図1に示すように、測定流路17の周囲、すなわち、フローセル1を平面視した状態における測定流路17の一端側(空間部16が接続された側)を除く領域に、測定流路17を取り囲むように略コの字状の平面形状を有する吸引ポンプ18が設けられている。より具体的には、X方向およびY方向に沿った縁部を有するフローセル1において、フローセル1のY方向に沿った縁部と測定流路17との間の領域、および、測定流路17の他端側に位置するフローセル1のX方向に沿った縁部と測定流路17との間の領域に、吸引ポンプ18が設けられている。このように、吸引ポンプ18を測定流路17の周囲の領域に設けることにより、フローセルが同じ平面形状を有する場合、従来のように各構成要素を一直線に並べて形成したときよりも、流すことができる試料溶液の容量を増やすことができる。これにより、流路に試料溶液を流す時間や容量を増加でき、測定時間も増加させることができるので、結果として、流路を流れる試料溶液をより確実に測定することができる。
[第2の実施例]
次に、本発明の第2の実施例について説明する。なお、本実施例は、吸引ポンプを測定流路の両側に設けたものである。したがって、本実施例において、上述した第1の実施例と同等の構成要素については、同じ名称を付し、適宜説明を省略する。
<フローセルの構成>
図4〜図7に示すように、本実施例に係るフローセル2は、平面視略矩形の第1の基板21と、この第1の基板21上に配設されるシート状部材22と、このシート状部材22上に配設される第2の基板23とから構成されている。これらを積層したフローセル2には、第2の基板23を貫通し試料溶液が導入される導入口24と、シート状部材22と第2の基板23との間に形成された2つの吸引ポンプ27と、この吸引ポンプ27と導入口24とを接続する流路とが設けられている。この流路は、一端が導入口24に接続し第1の基板21と第2の基板23との間にあるシート状部材22内に形成された測定流路25と、一端がこの測定流路25の他端に接続しシート状部材22と第2の基板23との間に形成された抵抗流路26とから構成されている。このように本実施例においては、抵抗流路26が測定流路25と吸引ポンプ27との間に設けられている。
≪第1の基板≫
第1の基板21は、上述した第1の実施例の第1の基板11と同等の形状および構成を有し、上面には、Au層21aが選択的に設けられている。
≪シート状部材≫
シート状部材22は、上述した第1の実施例のシート状部材12と同等の材料から構成されるとともに同等の平面形状を有し、略中央に設けられた平面視略矩形のスリット221と、このスリット221の一端に接続された平面視略円形の開口部222とを有している。ここで、スリット221は、長手方向(Y方向)がシート状部材22の何れかの側部と略平行になるように形成されている。
上述したスリット221は、第1の基板21の上面および第2の基板23の下面とともに、略直方体状の空間からなる測定流路25を形成する。この測定流路25の長手方向に垂直な断面は、水溶液に対して毛細管現象が発現する範囲の寸法とされる。
≪第2の基板の構成≫
第2の基板23は、上述した第1の実施例の第2の基板13と同等の形状および構成を有し、一側寄りの略中央には、貫通孔231が形成されている。また、第2の基板23の下面には、略中央から上記一側とは反対側の他側近傍にかけて形成された蛇行溝232と、この蛇行溝232の両側に形成された2つの空洞部233とが設けられている。
貫通孔231は、開口部222と同等の平面形状に形成されている。
蛇行溝232は、複数の屈曲部を有し、上記一側と上記他側との距離方向(Y方向)に対して垂直な方向(X方向)に繰り返し折り曲げられたクランク状の平面形状を有している。その屈曲部は、略円弧状に、すなわち曲線状になだらかに曲げられている。また、蛇行溝232の他端は、第2の基板23の上記他側近傍で分岐しており、それぞれ上記垂直な方向に沿って反対側に延在し隣接する空洞部233に接続している。
空洞部233は、第2の基板23の下面から上面に向けて設けられ、この空洞内にはその天井から下方(Z方向の負の向き)に向かって突出した略円柱状の複数の突出部233aが設けられている。この空洞部233は、平面視略矩形に形成され、上記一側寄りの端部および上記他側寄りの蛇行溝132の他端が接続されたのと反対側の角部に、第2の基板23を貫通する空気孔233b〜233eが形成されている。
上述した貫通孔231は、開口部222および第1の基板21の上面とともに、第1の基板21の上面を底とする略円柱状の空間からなる導入口24を形成する。
また、上述した蛇行溝232は、第2の基板23とシート状部材22とが接することにより蛇行した抵抗流路26を形成する。この抵抗流路26は、水溶液に対して毛細管現象が発現する範囲の断面寸法とされる。
また、上述した空洞部233における突出部233aの間隔,幅,高さなど、吸引ポンプ27の内部の各寸法は、毛細管現象が発現する範囲の値とされる。
<フローセルの製造方法>
次に、本実施例に係るフローセル2の製造方法の一例について説明する。まず、第1の基板21上にシート状部材22を載置する。ここで、Au層21aを第1の基板21の一部のみに設けた場合、測定流路25を形成するスリット221が上記Au層21a上に位置するように、第1の基板21上にシート状部材22を載置する。
次に、貫通孔231と開口部222とが連続し、かつ蛇行溝232の一端がスリット221の他端内部に位置するように、シート状部材22上に第2の基板23を載置する。
このように第1の基板21、シート状部材22および第2の基板23を積層し、これらを第1の基板21の下面側と第2の基板23の上面側から押圧する。これにより、両面テープなどからなるシート状部材22を介して第1の基板21と第2の基板23が互いに固定され、導入口24,測定流路25,抵抗流路26および吸引ポンプ27を備えたフローセル2が完成する。
<フローセルの動作>
次に、本実施例に係るフローセル2の動作について説明する。
本実施例においても、上述した第1の実施例と同様、吸引ポンプ27内部に複数の突出部233aが形成されているので、導入口24に注入された試料溶液は、吸引ポンプ27に吸引されて、測定流路25および抵抗流路26を通過し、吸引ポンプ27に到達する。
ここで、本実施例においても、図4に示すように、測定流路2は、フローセル2の略中央に設けられている。上述したように、測定装置の測定領域は、通常、測定チップの略中央に設定されている。このため、本実施例に係るフローセル2は、測定装置に搭載したときに、測定領域の焦点が測定流路25にちょうど位置することとなり、結果として、その測定流路25を流れる試料溶液をより確実に測定することができる。これにより、従来のように、焦点を再設定する際の手間を省くこともできる。
また、本実施例では、図4に示すように、測定流路25の両側にフローセル2の一側近傍から他側近傍にかけて吸引ポンプ27が設けられている。言い換えると、吸引ポンプ27は、フローセル2のY方向に沿った縁部と測定流路25の間の領域に設けられている。このように、吸引ポンプ27を測定流路25の両側の領域に設けることにより、同じ平面形状を有する場合、従来のように各構成要素を一直線に並べて形成したときよりも、流すことができる試料溶液の容量を増やすことができる。これにより、流路に試料溶液を流す時間や容量を増加でき、測定時間も増加させることができるので、結果として、流路を流れる試料溶液をより確実に測定することができる。
[第3の実施例]
次に、本発明に係る第3の実施例について説明する。なお、本実施例は、上述した第2の実施例と吸引ポンプの内部構成が相違するものである。したがって、本実施例において、上述した第1,第2の実施例と同等の構成要素については、同じ名称を付し、適宜説明を省略する。
<フローセルの構成>
図8,図9に示すように、本実施例に係るフローセル3は、平面視略矩形の第1の基板31と、この第1の基板31上に配設されるシート状部材32と、このシート状部材32上に配設される第2の基板33とから構成されている。これらを積層したフローセル3には、第2の基板33を貫通し試料溶液が導入される導入口34と、シート状部材32と第2の基板33との間に形成された2つの吸引ポンプ37と、この吸引ポンプ37と導入口34とを接続する流路とが設けられている。この流路は、一端が導入口34に接続し第1の基板31と第2の基板33との間にあるシート状部材32内に形成された測定流路35と、一端がこの測定流路35の他端に接続しシート状部材32と第2の基板33との間に形成された抵抗流路36とから構成されている。
≪第1の基板≫
第1の基板31は、上述した第1の実施例の第1の基板11と同等の形状および構成を有し、上面には、Au層31aが選択的に設けられている。
≪シート状部材≫
シート状部材32は、上述した第1の実施例のシート状部材12と同等の材料から構成されるとともに同等の平面形状を有し、略中央に設けられた平面視略矩形のスリット321と、このスリット321の一端に接続された平面視略円形の開口部322と、スリット321の両側に形成された平面視略矩形の吸引スリット323と、一端がスリット321の他端に接続され他端が分岐し対応する吸引スリット323に接続された導出スリット324とを有している。ここで、スリット321は、長手方向(Y方向)がシート状部材22の何れかの側部と略平行になるように形成されている。
上述したスリット321は、第1の基板31の上面および第2の基板33の下面とともに、略直方体状の空間からなる測定流路35を形成する。この測定流路35の長手方向に垂直な断面は、水溶液に対して毛細管現象が発現する範囲の寸法とされる。
また、導出スリット324は、第1の基板31の上面および第2の基板33の下面とともに、略直方体状の空間からなる抵抗流路36を形成する。この抵抗流路36の長手方向に垂直な断面は、水溶液に対して毛細管現象が発現する範囲の寸法とされる。
≪第2の基板の構成≫
第2の基板33は、上述した第1の実施例の第2の基板13と同等の形状および構成を有し、一側寄りの略中央には、貫通孔331が形成されている。また、第2の基板33の下面には、略中央および貫通孔331の両側に形成された2つのスリット部332が設けられている。
貫通孔331は、開口部322と同等の平面形状に形成されている。
スリット部332は、第2の基板33の上記一側と他側とを結ぶ方向(Y方向)に沿って延在し、第2の基板33をその厚さ方向に貫通する複数の直線状のスリット332aから構成されている。このスリット332aは、隣り合うスリット332aと所定間隔離間している。このようなスリット部332は、対応する吸引スリット323と略同等な外形を有する。
上述した貫通孔331は、開口部322および第1の基板31の上面とともに、第1の基板31の上面を底とする略円柱状の空間からなる導入口34を形成する。
また、上述したスリット部332は、第1の基板31の上面および吸引スリット323とともに、吸引ポンプ37を構成する。スリット部332におけるスリット332aの間隔や幅など、吸引ポンプ37の内部の各寸法は、毛細管現象が発現する範囲の値とされる。
<フローセルの製造方法>
次に、本実施例に係るフローセル3の製造方法の一例について説明する。まず、第1の基板31上にシート状部材32を載置する。ここで、Au層31aを第1の基板31の一部のみに設けた場合、測定流路35を形成するスリット321が上記Au層31a上に位置するように、第1の基板31上にシート状部材32を載置する。
次に、貫通孔331と開口部322とが連続し、かつスリット部332が吸引スリット323内部に位置するように、シート状部材32上に第2の基板33を載置する。
このように第1の基板31、シート状部材32および第2の基板33を積層し、これらを第1の基板31の下面側と第2の基板33の上面側から押圧する。これにより、両面テープなどからなるシート状部材32を介して第1の基板31と第2の基板33が互いに固定され、導入口34,測定流路35,抵抗流路36および吸引ポンプ37を備えたフローセル3が完成する。
<フローセルの動作>
次に、本実施例に係るフローセル3の動作について説明する。
まず、導入口34に試料溶液が注入されると、この試料溶液は、毛細管現象により測定流路35、抵抗流路36の順で進み、吸引ポンプ37に流入する。この吸引ポンプ37の内部は、複数のスリット332aが形成されているので、このスリット332aが形成されていない場合よりも単位体積当たりの表面積が大きくなっており、毛細管現象が発現する寸法となっている。本実施例においては、吸引ポンプ37内部の試料溶液の液面に作用する表面張力が、導入口34内部の試料溶液の液面に作用する表面張力よりも大きくなるように、スリット332aの形状や間隔等が設定されている。
したがって、導入口34に注入された試料溶液は、測定流路35および抵抗流路36を通って吸引ポンプ37に流入し、この吸引ポンプ37を構成するスリット332a内部をその延在方向や高さ方向に沿って進行していく。なお、この進行する速度は、スリット332aの外形や間隔などのスリット部332の形状や試料溶液にかかる抵抗等によって変化する。
本実施例においても、図8に示すように、フローセル3の略中央に測定流路35が設けられている。したがって、本実施例に係るフローセル3は、測定装置に搭載したときに、測定領域の焦点が測定流路35にちょうど位置することとなるので、結果として、その測定流路35を流れる試料溶液をより確実に測定することができる。これにより、従来のように、焦点を再設定する際の手間を省くこともできる。
また、本実施例においても、図8に示すように、測定流路35の両側にフローセル3の一側近傍から他側近傍にかけて吸引ポンプ37が設けられている。言い換えると、吸引ポンプ37は、フローセル3のY方向に沿った縁部と測定流路35の間の領域に設けられている。このように、吸引ポンプ37を測定流路35の両側の領域に設けることにより、同じ平面形状を有する場合、従来のように各構成要素を一直線に並べて形成したときよりも、流すことができる試料溶液の容量を増やすことができる。これにより、流路に試料溶液を流す時間や容量を増加でき、測定時間も増加させることができるので、結果として、流路を流れる試料溶液をより確実に測定することができる。
[第4の実施例]
次に、本発明に係る第4の実施例について説明する。なお、本実施例は、上述した第1〜第3の実施例と吸引ポンプの構成が相違するものである。したがって、本実施例において、上述した第1〜第3の実施例と同等の構成要素については、同じ名称を付し、適宜説明を省略する。
<フローセルの構成>
図10,図11に示すように、本実施例に係るフローセル4は、平面視略矩形の第1の基板41と、この第1の基板41上に配設される第1のシート状部材42と、この第1のシート状部材42上に配設される第2のシート状部材43と、この第2のシート状部材上に配設される第3のシート状部材44と、この第3のシート状部材44上に配設される第4のシート状部材45と、この第4のシート状部材45上に配設される第5のシート状部材46とから構成されている。これらを積層したフローセル4には、第1〜第5のシート状部材42〜46を貫通し試料溶液が導入される導入口47と、第1〜第5のシート状部材42〜46により形成される平面視略凹の字状の形状を有し内部に井桁状に配設された複数の流路を備えた吸引ポンプ48と、一端が導入口47に他端がポンプ48に接続された測定流路49とが設けられている。
なお、本実施例において、第2のシート状部材43と第4のシート状部材45、および、第3のシート状部材44と第5のシート状部材46は、それぞれ同等の構成を有するので、以下において適宜説明を省略する。
≪第1の基板≫
第1の基板41は、上述した第1の実施例の第1の基板11と同等の形状および構成を有し、上面には、Au層41aが選択的に設けられている。
≪第1のシート状部材≫
第1のシート状部材42は、上述した第1の実施例のシート状部材12と同等の材料から構成されるとともに同等の平面形状を有し、略中央に設けられた平面視略矩形の測定スリット421と、この測定スリット421の一端に接続された平面視略円形の開口部422と、測定スリット421および開口部422の周囲に形成された複数のYスリット423とを備えている。ここで、Yスリット423は、測定スリット421と同じ方向(Y方向)に延在し、かつ、隣り合うYスリット423と所定間隔離間して形成されている。このようなYスリット423は、フローセル4を第1の基板41および第1〜第5のシート状部材42〜46の積層方向から見たときに、Au層41aおよびこの近傍に相当する位置を除く位置に形成されている。
上述した測定スリット421は、第1の基板41の上面および第2のシート状部材43の下面とともに、略直方体状の空間からなる測定流路49を形成する。この測定流路49の長手方向に垂直な断面は、水溶液に対して毛細管現象が発現する範囲の寸法とされる。
また、Yスリット423は、第1の基板41の上面および第2のシート状部材43の下面とともに、吸引ポンプ48の一部を構成するY方向に沿った流路を形成する。この流路は、後述する第2のシート状部材43のXスリット432によって形成される流路と、上記積層方向に重なる位置で接続されている。このような流路の寸法は、毛細管現象が発現する範囲の値とされる。
なお、第1のシート状部材42および第2〜第5のシート状部材43〜46に形成された測定スリット421等の形状は、レーザ加工機やカッティングプロッタ等を用いて作成することができる。
≪第2,第4のシート状部材≫
第2,第4のシート状部材43,45は、上述した第1の実施例のシート状部材12と同等の材料から構成されるとともに同等の平面形状を有し、第1のシート状部材42の開口部422と同等の位置に形成された開口部431と、この開口部431および第2,第4のシート状部材43,45の略中央部を除く位置に形成された複数のXスリット432とを備えている。このXスリット432は、上述した測定スリット421と直行する方向(X方向)に延在し、かつ、隣り合うXスリット432と所定間隔離間して形成されている。このようなXスリット432は、フローセル4を第1の基板41および第1〜第5のシート状部材42〜46の積層方向から見たときに、Au層41aおよびこの近傍に相当する位置を除く位置に形成されている。
上述したXスリット432は、第1のシート状部材42の上面および第3のシート状部材44の下面、または、第3のシート状部材44の上面および第5のシート状部材46の下面とともに、吸引ポンプ48の一部を構成するX方向に沿った流路を形成する。この流路は、第1のシート状部材42のYスリット423によって形成される流路、または、後述する第3,第5のシート状部材44,46のYスリット442によって形成される流路と、上記積層方向に重なる位置で接続されている。このような流路の寸法は、毛細管現象が発現する範囲の値とされる。
≪第3,第5のシート状部材≫
第3,第5のシート状部材44,46は、上述した第1の実施例のシート状部材12と同等の材料から構成されるとともに同等の平面形状を有し、第1のシート状部材42の開口部422と同等の位置に形成された開口部441と、この開口部441および第3,第5のシート状部材44,46の略中央部を除く位置に形成された複数のYスリット442とを備えている。このYスリット442は、上述した測定スリット421の延在方向と同じ方向(Y方向)に延在し、かつ、隣り合うYスリット442と所定間隔離間して形成されている。このようなYスリット442は、フローセル4を第1の基板41および第1〜第5のシート状部材42〜46の積層方向から見たときに、Au層41aおよびこの近傍に相当する位置を除く位置に形成されている。
上述したYスリット442は、第2のシート状部材43の上面および第4のシート状部材45の下面、または、第4のシート状部材45の上面とともに、吸引ポンプ48の一部を構成するY方向に沿った流路を形成する。この流路は、第2のシート状部材43または第4のシート状部材45のXスリット432によって形成される流路と、上記積層方向に重なる位置で接続されている。このような流路の寸法は、毛細管現象が発現する範囲の値とされる。
<フローセルの製造方法>
次に、本実施例に係るフローセル4の製造方法の一例について説明する。まず、第1の基板41上に第1のシート状部材42を載置する。ここで、Au層41aを第1の基板41の一部のみに設けた場合、測定流路49を形成する測定スリット422が上記Au層41a上に位置するように、第1の基板41上に第1のシート状部材42を載置する。
次に、第1のシート状部材42上に、それぞれの開口部431、441が連続するように、第2〜第5のシート状部材43〜46を順次積層し、これらを第1の基板41の下面側と第5の基板46の上面側から押圧する。これにより、両面テープなどからなる第1〜第5のシート状部材42〜46と第1の基板41とが互いに固定され、導入口47,吸引ポンプ48および測定流路49を備えたフローセル4が完成する。
<フローセルの動作>
次に、本実施例に係るフローセル4の動作について説明する。
まず、導入口47に試料溶液が注入されると、この試料溶液は、毛細管現象により測定流路49を進み、Au層41a上方を通過して、測定流路49の他端側に進む。この他端側の上方には、吸引ポンプ48を構成するXスリット432により形成された流路が接続されている。この流路を含む吸引ポンプ48内部は、複数の流路を井桁状に配設することによって、このような構成を有しない場合よりも単位堆積当たりの表面積が大きくなっており、毛細管現象が発現する寸法となっている。本実施例においては、吸引ポンプ48内部の試料溶液の液面に作用する表面張力が、導入口47内部の試料溶液の液面に作用する表面張力よりも大きくなるように、吸引ポンプ48内部の流路の形状や間隔等が設定されている。
したがって、導入口47に注入された試料溶液は、測定流路49を通って吸引ポンプ48に流入し、この吸引ポンプ48を構成する井桁状に配設された流路内部をその延在方向や高さ方向に沿って進行していく。なお、この進行する速度は、Xスリット432,Yスリット423,442の形状および第1〜第5のシート状部材42〜46の厚さや試料溶液にかかる抵抗等によって変化する。
本実施例においても、図10に示すように、フローセル4の略中央に測定流路49が設けられている。したがって、本実施例に係るフローセル4は、測定装置に搭載したときに、測定領域の焦点が測定流路49にちょうど位置することとなるので、結果として、その測定流路49を流れる試料溶液をより確実に測定することができる。これにより、従来のように、焦点を再設定する際の手間を省くこともできる。
また、本実施例においても、図10に示すように、測定流路49の周囲、すなわち、フローセル4を平面視した状態における測定流路49の一端側(導入口47が接続された側)を除く領域に、測定流路49を取り囲むように略コの字状の平面形状を有する吸引ポンプ48が設けられている。より具体的には、X方向およびY方向に沿った縁部を有するフローセル4において、フローセル4のY方向に沿った縁部と測定流路49との間の領域、および、測定流路49の他端側に位置するフローセル4のX方向に沿った縁部と測定流路49との間の領域に、吸引ポンプ48が設けられている。このように、吸引ポンプ48を測定流路49の周囲の領域に設けることにより、フローセルが同じ平面形状を有する場合、従来のように各構成要素を一直線に並べて形成したときよりも、流すことができる試料溶液の容量を増やすことができる。これにより、流路に試料溶液を流す時間や容量を増加でき、測定時間も増加させることができるので、結果として、流路を流れる試料溶液をより確実に測定することができる。
[第4の実施例]
次に、本発明に係る第4の実施例について説明する。
<フローセルの構成>
図12〜図14に示すように、本実施例におけるフローセル5は、まず、ガラスなどの光を透過する下部基板(第1基板)51と、下部基板51の上に配置される上部基板(第2基板)52と、上部基板52に形成された試料溶液が導入される導入口53と、下部基板51および上部基板52の対向する面の間に配置されて導入口53に一端が接続して試料溶液が移送される流路54とを備える。流路54は、フローセル5の中央部を横切るように配置されている。上部基板52は、板厚3mm程度に形成され、下部基板51は、板厚1mm程度に形成されている。流路54は、幅1mm、高さ10〜100μm程度に形成されている。
また、本実施例のフローセル5は、流路54の途中に設けられた検出部55と、下部基板51および上部基板52の対向する面の間に配置され、流路54の他端に接続する吸引流路56と、上部基板52を貫通して吸引流路56に到達する複数の貫通孔57とを備える。貫通孔57は、例えば円筒形状(円管)である。また、貫通孔57が形成されている領域(吸引流路56の領域)に対応する上部基板52の外部側表面には、凹部が形成されて排出部58を構成している。また、流路54の検出部55においては、下部基板51の流路に露出する面にAuからなる金属薄膜59が形成されている。
ここで、流路54は、液体に対して毛細管現象が発現する範囲の断面寸法とされ、同様に、貫通孔57は、液体に対して毛細管現象が発現する範囲の管径とされている。また、吸引流路56の下部基板51および上部基板52の対向する方向(上下方向)の間隔は、流路54より液体が浸入したときに、この浸入した液体が吸引流路56の上下の両面に同時に接触可能な状態とされていればよい。言い換えると、その間隔は、吸引流路56に液体が侵入したときに、吸引流路の上下方向に隙間が形成されない範囲に設定されている。
また、本実施例のフローセル5は、例えば図13に示すように、下部基板51が、下地基板51aとスペーサ部51bとから構成され、スペーサ部51bをくり貫くように形成した開口部により、流路54および吸引流路56が形成され、検出部55となる領域に対応する下地基板51aの上に、金属薄膜59が形成されている。この場合、下地基板51aは、ガラスから構成され、スペーサ部51bは、樹脂のフィルムから構成されている。
また、本実施例では、図14にも示すように、吸引流路56は、フローセル5の流路54の両脇に展開して配置され、流路54の両脇の各々において、流路54に接続する連結部56aおよび主吸引部56bを備える。連結部56aにおいては、連結部56aの幅方向には1つの貫通孔57が配置され、主吸引部56bにおいては、下部基板51(上部基板52)の平面方向に、複数の貫通孔57が2次元的に配列されている。なお、連結部56aにおいて、幅方向に2つ以上の貫通孔57が配置されていてもよい。また、吸引流路56は、下部基板51と上部基板52の上下方向および流路54内部の液体の流れる方向(流路54の延在方向)それぞれに対して垂直な方向の長さ(幅)が、流路54より広く形成されており、この幅方向に、複数の貫通孔57の列が配置され、この列が、幅方向に垂直な流路方向に配列されている。
<フローセルの動作>
上述した本実施例のフローセル5によれば、導入口53より導入された試料溶液は、毛細管現象により流路54を流れて吸引流路56に浸入する。吸引流路56に到達した試料溶液は、いわゆる毛細管現象により貫通孔57に吸い上げられる。導入口53に導入された試料溶液は、吸引流路56における複数の貫通孔57に吸い上げられることで、流路54を所定の流速で吸引流路56の方向に流れていくことになる。
このように、本実施例におけるフローセル5によれば、複数の貫通孔57が設けられている吸引流路56が、導入口53より導入される試料溶液を、所定の流速(流量)で流路54に流すための吸引ポンプとして機能する。
また、本実施例においても、図14に示すように、フローセル5の略中央に流路54が設けられている。したがって、本実施例に係るフローセル5は、測定装置に搭載したときに、測定領域の焦点が流路54にちょうど位置することとなるので、結果として、その流路54を流れる試料溶液をより確実に測定することができる。これにより、従来のように、焦点を再設定する際の手間を省くこともできる。
また、本実施例におけるフローセル5によれば、図14に示すように、流路54の側方(両側)に、吸引流路56(主吸引部56b)が展開して配置されているようにしたので、フローセル5全体の面積を大きく広げることなく、吸引流路56の領域を拡大することができる。したがって、同じ平面形状を有する場合、従来のように各構成要素を一直線に並べて形成したときよりも、流すことができる試料溶液の容量を増やすことができる。これにより、流路に試料溶液を流す時間や容量を増加でき、測定時間も増加させることができるので、結果として、流路を流れる試料溶液をより確実に測定することができる。
[フローセルの適用例]
ここで、上述した第1〜第5の実施例に例示したフローセルの適用例について簡単に説明する。上述したフローセルは、よく知られた表面プラズモン共鳴現象を利用した測定に用いられる(特開2001−194298号公報、特開2002−214131号公報)。表面プラズモン共鳴現象を利用した測定は、測定対象の検体が接触した金属の表面における、エバネッセント波と表面プラズモン波との共鳴を用いるものである。
この測定では、図15に示すように、光源1001から出射された光を入射側レンズ1002で集光してプリズム1003に入射させ、プリズム1003の上面部1004に密着させているフローセル1005の測定部として機能するAu膜に照射する。フローセル1005にはAuの薄膜が形成されており、このAuの薄膜の表面に検体が接触して配置され、Auの薄膜の裏面に、フローセル1005を透過してきた集光光が照射される。このようにして照射された集光光は、Auの薄膜の裏面で反射し、いわゆるCCDイメージセンサなどの撮像素子よりなる光検出部1006で強度(光強度)が測定され、上記共鳴が起こる角度で反射率が低くなる谷が観測される。
このような測定では、Au膜の表面(検出部側)に固定された抗体やDNA断片に、選択的に結合する検体の有無を検出するものであるが、検出部に試料溶液を配置した状態では、対象となる検体と抗体とが反応したことによる変化と、検出部に異物が沈降して堆積した状態による変化との区別がない。これに対し、検出部において試料溶液が流れているようにすることで、異物の沈降が抑制されるようになり、上述した反応による変化を選択的に検出できるようになる。
なお、上述した第1〜5の実施例で示したフローセルでは、シート状部材を設けるようにしたが、これを設けずに第1の基板および第2の基板から構成するようにしてもよい。この場合、シート状部材に形成された各スリットを第1の基板または第2の基板に形成し、これらの側部に係着する部材を設けて互いを接合したり、接着剤などにより互いを接着したりすることにより実現することができる。
また、上述した第1〜5の実施例では、フローセルが全体として平面視略矩形の形状を有する場合を例に説明したが、フローセルの平面形状はこれに限定されず、フローセルを搭載する測定装置等の形状に応じて、適宜自由に設定することができる。
また、第1の実施例では、抵抗流路15を形成する蛇行溝132の屈曲部は、略直角に折り曲げられているが、第2の実施例と同様に、略円弧状に、すなわち曲線状になだらかに曲げられるようにしてもよい。同様に、第2の実施例では、抵抗流路26を構成する蛇行溝232の屈曲部は、略円弧状に曲げられているが、第1の実施例と同様に、略直角に曲げられるようにしてもよい。
また、第1,第2の実施例では、何れも抵抗流路を設ける場合を例に説明したが、この抵抗流路は設けないようにしてもよい。また、抵抗流路15の形状、すなわち蛇行溝132の形状についても、上述したクランク状の形状に限定されず、適宜自由に設定することができる。
また、第1,第2の実施例では、空洞部133,233の内部に形成された突出部133a,233aの端部が、シート状部材12,22と接触する場合を例に説明したが、その端部はシート状部材と接触しないようにしてもよい。これにより、突出部133aを短くした分だけ吸引ポンプ18,27内部の容積が大きくなるので、吸引ポンプ18,27の容量を大きくすることができる。また、突出部133a,233aの端部およびこの端部と当接していたシート状部材12,22の部分が露出することとなるので、大きな表面積を保つのみならず、場合によっては表面積をさらに大きくすることが可能となり、この場合には吸引力をさらに大きくすることができる。また、例えば飲食物や体液などの夾雑物を含む試料溶液をフローセルに注入する場合、従来では、その夾雑物が吸引ポンプ18,27内部に詰まってしまうことがあった。しかしながら、上述したように突出部133a,233aの端部がシート状部材12,22に接触しないようにすることにより、これらの間に空隙が形成されるので、この空隙を夾雑物が通過することが可能となり、結果として、その夾雑物が吸引ポンプ18,27内部に詰まるのを防ぐことができる。
また、上述した第1〜第3の実施例では、スリット121,221,321が平面視略矩形の形状を有し、かつシート状部材12,22,32の略中央部に設けた場合を例に説明したが、スリット121,221,321がAu層11a,21a,31a上を通過するのであれば、スリット121,221,321の形状および設ける位置については上述した場合に限定されず、適宜自由に設定することができる。したがって、スリット121,221,321により構成される測定流路17,25,35の形状および位置についても、適宜自由に設定することができる。
また、上述した第1〜第3の実施例では、開口部122,222,322が平面視略円形の形状を有する場合を例に説明したが、開口部122,222,322が第2の基板12,23,33の貫通孔131,231,331と連続する位置に存在するのであれば、開口部122,222,322の形状は平面視略円形に限定されず、適宜自由に設定することができる。
また、上述した第1の実施例では、空洞部133が平面視略コの字状の形状を有する場合を例に説明したが、空洞部133の平面形状はコの字状に限定されず、適宜自由に設定することができる。同様に、上述した第2,第3の実施例では、空洞部233が平面視略矩形の形状を有する場合を例に説明したが、空洞部233の平面形状は略矩形に限定されず、適宜自由に設定することができる。さらに、空洞部133,233内部に形成された突出部133a,233aの形状についても、空洞部133,233内部の表面積が増加するのであれば略円柱状の形状に限定されず、適宜自由に設定することができる。
さらに、上述した第1〜第5の実施例において、吸引ポンプは、空洞部の内部に突出部や溝を設けた構成や複数の貫通孔を設けた構成を有する場合を例に説明したが、表面張力により液体を吸引する構成であれば、各種構成を適用することができる。例えば、上記空洞部内部に脱脂綿を配設して、この脱脂綿による毛細管力により液体を吸引する構成を採るようにしてもよい。また、上記空洞部内部にマイクロビーズやゼオライトなどの微粒子を詰め込み、隣接する微粒子の間の空間で生じる毛細管力により液体を吸引する構成を採るようにしてもよい。さらには、第3の実施例で示したスリット332aの内部や第5の実施例で示した貫通孔57の内部に、脱脂綿を詰め込んだ構成を採るようにしてもよい。
例えば、マイクロTAS、Lab on a chip、マイクロコンビナトリアルケミストリ、化学IC、化学センサ、バイオセンサ、微量分析、電気化学分析、クロマトグラフィー、QCM測定、SPR測定、ATR測定など、試料溶液をハンドリングする分野において適用することができる。

Claims (5)

  1. 板状部材と、
    前記板状部材に開口し、液体が供給される導入口と、
    前記板状部材内に形成され、前記導入口に一端が接続される流路と、
    前記板状部材に形成され、前記流路の他端が接続され、前記導入口から前記流路を経て流れてきた前記液体を表面張力により吸引するポンプ部と
    を備え、
    前記流路は、前記板状部材の平面視略中央に形成され、
    前記ポンプ部は、前記流路の周囲に形成される
    ことを特徴とするフローセル。
  2. 前記ポンプ部は、前記導入口が設けられた前記一端側を除く前記流路の周囲に形成されることを特徴とする請求項1記載のフローセル。
  3. 前記ポンプ部は、前記流路の前記延在方向と垂直な方向に前記流路を挟んだ両側に設けられることを特徴とする請求項1記載のフローセル。
  4. 前記ポンプ部は、前記板状部材内に形成された空洞と、前記空洞内に前記流路と垂直方向に形成された複数の柱状部材とを備えることを特徴とする請求項1記載のフローセル。
  5. 前記ポンプ部は、
    前記板状部材内に形成され、前記流路の他端に接続する吸引流路と、
    前記板状部材に形成され、前記吸引流路と外部とを連通する複数の連通孔と
    を備えることを特徴とする請求項1記載のフローセル。
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