JPWO2009125682A1 - 送液制御方法および送液制御システム - Google Patents

送液制御方法および送液制御システム Download PDF

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Abstract

本発明の送液制御方法は、液体8が存在する微細流路3に対して、ポンプ6を用いて液体8を挟んで差圧を発生させることにより、液体8を送液するものであって、微細流路3には、流れ方向において圧力損失が変化する圧力損失変化部31が設けられており、液体8とポンプ6との間における圧力変動を検出することにより、液体8の先端8aが圧力損失変化部31に達したと判断する。このような構成により、微細流路3を形成する構造物の複雑化を招来することなく流体8の先端位置を適切に検出することができる。

Description

本発明は、微細流路内において送液する液体の先端位置を適切に把握可能な送液制御方法および送液制御システムに関する。
微細流路において液体を送液することは、たとえば血液中の特定成分を分析する血液分析装置においてなされている。血液分析装置は、検体である血液をたとえば希釈液によって所定の倍率で薄めた後に、希釈血液を試薬と反応させ、その呈色を検出することにより特定成分の有無や濃度を分析する。また、血液分析装置は、希釈血液が狭小断面を通過するときの電気抵抗の変動によって、赤血球や白血球などの血球計数を行う。これらの分析を行うには、一定量の血液や希釈液、および希釈血液をある位置から他の位置までできる限り正確に送液することが求められる。
図15は、従来の送液制御システムの一例を示している(たとえば、特許文献1参照)。同図に示された送液制御システムは、分析装置91およびカートリッジ92からなる。分析装置91は、カートリッジ92を装填可能とされている。カートリッジ92は、たとえば樹脂製の本体に血液、希釈液などの液体98を送液するための微細流路93や、微細流路93によって連結された起点槽94Aおよび終点槽94Bが形成されている。起点槽94Aには、パイプを介してポンプ96が繋げられている。ポンプ96は、分析装置91に収容されており、液体98の上流側の圧力を高めることにより、液体98の前後に差圧を発生させる。また、分析装置91には、CPU97が備えられている。
図示された送液制御システムにおいては、液体98の先端位置を以下のようにして検出している。カートリッジ92には、電極95A,95B,95Cが設けられている。電極95Aは起点槽94Aに露出しており、電極95Cは終点槽94Bに露出しており、電極95Bは微細流路93の適所に露出している。これらの電極95A,95B,95Cは、カートリッジ92に設けられた配線およびコネクタを介してCPU97に接続されている。ポンプ96によって差圧が発生すると、液体98が起点槽94Aから終点槽94Bに向けて送液される。液体98が電極95Bに到達すると、電極95A,95Bが導通する。これにより、CPU97は、液体98の先端が電極95Bの位置まで達したと判断する。さらに送液を継続すると、液体98が終点槽94Bに到達する。これにより、電極95A,95Cが導通し、CPU97は、液体98が終点槽94Bに達したと判断する。液体98が電極95Bに達したときに送液を一時停止すれば、微細流路93内に一定量の液体98を滞留させることができる。また、液体98が終点槽94Bに達したことが分かれば、それ以降に無用な送液を継続することが避けられる。
液体98の位置検出手法としては、上述した電極95A,95B,95Cの導通の有無を利用する手法のほかに、たとえば、微細流路93の複数箇所に光を反射させる反射膜を設け、これに向けて照射した光が液体98によって遮られるか否かによって検出する手法が提案されている。
しかしながら、電極95A,95B,95Cや、これに繋がる配線およびコネクタを設けることは、カートリッジ92の構造を複雑化してしまう。また、液体98を導電体として利用する場合、液体98に電流が流れる。この電流によって液体98が電気分解されてしまうおそれがある。光を用いて検出する場合では、カートリッジ92に上記反射膜や光を透過させる部分を設けておく必要があり、やはりカートリッジ92の構造が複雑化する。また、分析装置91にLEDモジュールなどの発光手段やフォトダイオードなどの受光手段を備える必要がある。さらに、LEDモジュールなどからの光を反射膜に適切に照射させるように光軸を調整することが強いられる。
特開2007−71655号公報
本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、微細流路を形成する構造物の複雑化を招来することなく液体の先端位置を適切に検出することが可能な送液制御方法および送液制御システムを提供することをその課題とする。
本発明の第1の側面によって提供される送液制御方法は、液体が存在する微細流路に対して、差圧発生源を用いて上記液体を挟んで差圧を発生させることにより、上記液体を送液する送液制御方法であって、上記微細流路には、流れ方向において圧力損失が変化する圧力損失変化部が設けられており、上記液体と上記差圧発生源との間における圧力変動を検出することにより、上記液体の先端が上記圧力損失変化部に達したと判断することを特徴としている。
本発明でいう圧力損失とは、流体が流路を流れるときに流路壁面などから受ける抵抗のことであり、圧力損失変化部とは、流体が単位長さを流れたときに受ける圧力損失が流れ方向において変化している部分を指す。さらに、本発明が意図する流体の先端の位置検出という目的については、この先端が圧力損失変化部を通過するときに表面張力に起因する抵抗力が顕著に変化することを利用するものである。
本発明の好ましい実施の形態においては、上記圧力損失変化部は、流れ方向において断面積が縮小または拡大している部分である。
本発明の好ましい実施の形態においては、上記圧力損失変化部は、これを規定する壁面が、その流れ方向前後部分よりも表面粗さが大であり、または撥水性が高い部分である。
本発明の好ましい実施の形態においては、上記圧力損失変化部は、流れ方向と直角である方向の寸法が、流れ方向において不連続に変化する部分を有する。
本発明の第2の側面によって提供される送液制御システムは、液体を流すための微細流路と、上記微細流路に対して、上記液体を挟んで差圧を発生させる差圧発生源と、を備える送液制御システムであって、上記微細流路には、流れ方向において圧力損失が変化する圧力損失変化部が設けられており、上記液体と上記差圧発生源との間における圧力を測定する圧力測定手段と、上記圧力測定手段によって測定された圧力の変動によって上記液体の先端が上記圧力損失変化部に達したと判断する制御部と、を備えることを特徴としている。
本発明の好ましい実施の形態においては、上記圧力損失変化部は、流れ方向において断面積が縮小または拡大している部分である。
本発明の好ましい実施の形態においては、上記圧力損失変化部は、これを規定する壁面が、その流れ方向前後部分よりも表面粗さが大であり、または撥水性が高い部分である。
本発明の好ましい実施の形態においては、上記圧力損失変化部は、流れ方向と直角である方向の寸法が、流れ方向において不連続に変化する部分を有する。
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
本発明に係る送液制御システムの一例を示すシステム構成図である。 図1に示す送液制御システムに設けられた圧力損失変化部を示す要部拡大平面図である。 図1のIII−III線に沿う断面図を含むシステム構成図である。 図1に示す送液制御システムを用いた送液制御方法における圧力変動を示すグラフである。 図1に示す送液制御システムにおける送液状態を示すシステム構成図である。 図1に示す送液制御システムにおいて液体が圧力損失変化部に到達した状態を示すシステム構成図である。 図1に示す送液制御システムにおいて起点槽から液体を除去した状態を示すシステム構成図である。 図1に示す送液制御システムにおける送液状態を示すシステム構成図である。 図1に示す送液制御システムにおいて液体が終点槽に到達した状態を示すシステム構成図である。 本発明に係る送液制御システムに設けられた圧力損失変化部の他の例を示す要部拡大平面図である。 図10に示す圧力損失変化部を用いた送液制御方法における圧力変動を示すグラフである。 本発明に係る送液制御システムに設けられた圧力損失変化部のさらに他の例を示す要部拡大平面図である。 本発明に係る送液制御システムの他の例を示すシステム構成図である。 図13に示す送液制御システムを用いた送液制御方法における圧力変動を示すグラフである。 従来の送液制御システムの一例を示すシステム構成図である。
以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。
図1〜図3は、本発明に係る送液制御システムの一例を示している。本実施形態の送液制御システムは、分析装置1およびカートリッジ2からなる。分析装置1およびカートリッジ2は、たとえば血液中のヘモグロビンまたはC反応タンパクなどの特定成分について光学的手法を用いた分析を行い、あるいは赤血球や白血球などの血球計数を行うために、本発明に係る送液制御方法が用いられている。
分析装置1は、カートリッジ2を装填可能とされており、圧力センサ5、ポンプ6、およびCPU7を備えている。分析装置1には、これらの要素以外に、光学的手法による分析のためLEDモジュールなどの発光手段、フォトダイオードなどの受光手段を具備している。
圧力センサ5は、ポンプ6とカートリッジ2とを繋ぐ経路に設置されており、この部分の圧力を読み取るためのものである。圧力センサ5としては、たとえば、半導体ストレインゲージ式、圧電(ピエゾ)式などの比較的小型の圧力センサが用いられる。圧力センサ5からの出力信号は、CPU7に送られる。
ポンプ6は、カートリッジ2内の液体8を送液するために、液体8の前後に差圧を発生させるための差圧発生源である。本実施形態においては、液体8の上流側に正圧を付与することにより差圧を発生させる。
CPU7は、分析装置1の動作を制御する制御手段であり、圧力センサ5、ポンプ6、さらには上述したLEDモジュールやフォトダイオードが接続されている。後述する送液制御方法を実現するために、CPU7は、圧力センサ5からの出力信号を受信し、ポンプ6の動作を制御する。
カートリッジ2は、分析装置1の分析対象である血液を分析に適した状態に希釈し、これを分析するための場となるものであり、分析装置1に装填される。図3に示すように、本実施形態においては、カートリッジ2は、基板21および透明カバー22が互いに張り合わされた構造とされており、1回の分析を終えると廃棄されるいわゆるディスポーザブルタイプとして構成されている。
基板21は、たとえばエポキシなどの樹脂からなり、カートリッジ2の土台となっている。透明カバー22は、たとえばアクリルやシリコンなどの透明な樹脂からなり、上記LEDモジュールからの光を透過可能とされている。透明カバー22のうち基板21と張り合わされる側には、微細な凹凸が形成されている。これにより、カートリッジ2には、微細流路3、起点槽4A、終点槽4Bをはじめとする分析処理に必要な微細流路や複数の槽が形成されている。
起点槽4Aは、血液、希釈液、あるいはこれらが混合された希釈血液などの液体8が導入される槽である。液体8が血液である場合、被験者から採取した血液がスポイトなどによって起点槽4Aに点着される。液体8が希釈液である場合、起点槽8はたとえば希釈液をあらかじめ貯蔵しておく槽であるか、あるいは分析装置1から所定量の希釈液が導入される槽である。液体8が希釈血液である場合、起点槽8は、たとえば血液と希釈液とが混合攪拌される槽である。カートリッジ2が分析装置1に装填された状態においては、起点槽4Aには、ポンプ6が接続される。
終点槽4Bは、起点槽4Aから液体8が送液される槽である。液体8が血液または希釈液である場合、終点槽4Bは、たとえば血液と希釈液とを混合攪拌する槽である。液体8が希釈血液である場合、終点槽4Bは、たとえば希釈血液に対して分析処理を行う場となる槽であり、あるいは分析処理を終えた希釈血液を滞留させておく槽である。本実施形態においては、終点槽4Bは、分析装置1内の経路を介して大気開放されている。
微細流路3は、起点槽4Aと終点槽4Bとを繋いでおり、起点槽4Aから終点槽4Bへと液体8を送液する経路である。微細流路3には、圧力損失変化部31が形成されている。圧力損失変化部31は、流れ方向において圧力損失が顕著に変化する部分であり、本実施形態においては、図2に示すように、微細流路3の幅を部分的に縮小することにより設けられている。具体的には、圧力損失変化部31以外の微細流路3の幅が200μm程度であるのに対し、圧力損失変化部31の幅は80μm程度とされている。圧力損失変化部31の上流端および下流端には、幅が不連続に変化する不連続部31aが設けられている。不連続部31aにおいては、圧力損失変化部31以外の一定幅部分と、圧力損失変化部31の上流端寄り部分および下流端寄り部分に設けられた円弧状部分とが連結されている。一方、微細流路3の高さは、圧力損失変化部31を含め200μm程度で一定とされている。
次に、分析装置1およびカートリッジ2を用いた送液制御方法について、図1と図4〜図8とを参照しつつ以下に説明する。
図4は、この送液制御方法における圧力センサ5によって検出された圧力Pを示している。圧力Pは大気圧を0とする相対圧であり、液体8の前後における差圧に相当する。横軸は、時間tである。まず、時刻t0において、図1に示すように、起点槽4Aに液体8を導入する。このとき、ポンプ6は動作しておらず、液体8を送液しうる差圧は発生していない。
次いで、CPU7からの指令によりポンプ6が正圧付与を開始する。これにより圧力Pが上昇し、液体8の前後に差圧が生じる。すると、図5に示すように液体8が終点槽4Bに向けて送液され始める。本図は、図4の時刻t1において液体8の先端8aが起点槽4Aと圧力損失変化部31との間に到達した状態を示している。このときの圧力Pは、たとえば1kPa程度の定常圧力Pnである。
さらに送液を継続すると、図6に示すように先端8aが圧力損失変化部31に到達する。特に、先端8aが不連続部31aに接すると、表面張力が作用することにより大きな抵抗力が生じる。このため、図4に示すように、時刻t2において起点槽4Aとポンプ6との間の経路における圧力Pが、ステップ状に上昇する。このときの圧力Pは、たとえば2kPa程度の高圧力Phとなる。CPU7は、圧力センサ5からの出力信号から、圧力Pが定常圧力Pnから高圧力Phになったときに、液体8の先端8aが圧力損失変化部31に到達したと判断する。
CPU7は、分析装置1およびカートリッジ2による分析処理において液体8が圧力損失変化部31に到達したことを、ある処理を開始するトリガとして利用する。たとえば、時刻t2においてポンプ6からの正圧付与をいったん停止し、起点槽4Aに残った液体8を他の槽に送液すれば、図7に示すように、微細流路3に所定量の液体8を滞留させることができる。そして、ポンプ6からの正圧付与を再開すると、時刻t3には、図8に示すように所定量の液体8が微細流路3を移動し始める。そして、時刻t4には、図9に示すように所定量の液体8が終点槽4Bに送液される。この液体8が血液である場合、攪拌槽としての終点槽4Bに所定量の血液を攪拌に備えて滞留させることができる。あるいは、液体8が希釈血液である場合、分析の場としての終点槽4Bに所定量の希釈血液を導入することができる。
次に、本実施形態の送液制御方法および送液制御システムの作用について説明する。
本実施形態によれば、液体8の先端8aが微細流路3の圧力損失変化部31に到達したことを検出するために、カートリッジ2に複数の電極、配線、コネクタ、あるいは反射膜を設けたり、分析装置1に位置検出用の発光手段および受光手段を設けたりする必要がない。本実施形態では、先端8aの位置を検出するために専用で設けられているのは、圧力センサ5のみである。この圧力センサ5は、たとえばカートリッジ2に設ける必要はなく、ポンプ6とカートリッジ2とを繋ぐ経路の適所に設置すればよい。したがって、分析装置1やカートリッジ2の構造を不当に複雑化することなく、液体8の先端8aが圧力損失変化部31に到達したことを適切に検出することができる。
圧力損失変化部31を部分的に断面積が縮小した部分として構成することにより、圧力損失変化部31に先端8aが到達すると、液体8の送液を阻止する抵抗力が作用する。これにより、圧力Pが定常圧力Pnから高圧力Phにステップ的に上昇したタイミングでポンプ6からの加圧を停止すれば、液体8の先端8aを圧力損失変化部31に確実に留まらせることが可能である。これは、所定量の液体8を微細流路3に滞留させるのに適している。
さらに、圧力損失変化部31の上流端に設けられた不連続部31aは、先端8aが接したときに表面張力による顕著に大きな抵抗力を生じさせる。この抵抗力により、先端8aを圧力損失変化部31の上流端に留まりやすくすることができる。これは、所定量の液体8を微細流路3に滞留させるのに好適である。
図10〜図14は、本発明の他の実施形態を示している。なお、これらの図において、上記実施形態と同一または類似の要素には、上記実施形態と同一の符号を付している。
図10は、本発明に係る送液制御システムの圧力損失変化部の他の例を示している。同図に示された圧力損失変化部31は、その前後部分よりも幅が拡大した部分として構成されている。圧力損失変化部31とその前後部分との連結部分は、不連続部31aとなっている。
図11は、このような圧力損失変化部31を備えた送液制御システムを用いた送液制御方法における圧力Pを示している。時刻t0に送液が開始され、時刻t2に液体8の先端8aが圧力損失変化部31に到達している。この時刻t2においては、断面積が急拡大している部分に液体8が入り込むため、圧力Pが定常圧力Pnから低圧力Plに急激に低下する。この圧力変動を圧力センサ5が検出すると、CPU7は、先端8aが圧力損失変化部31に到達したと判断する。このような実施形態によっても、分析装置1およびカートリッジ2の構造を不当に複雑化することなく、液体8の先端8aが圧力損失変化部31に到達したことを適切に検出することができる。
図12は、本発明に係る送液制御システムの圧力損失変化部のさらに他の例を示している。本実施形態においては、微細流路3内面を比較的撥水しやすい部分と比較的親水性である部分とに区別することにより、圧力損失変化部31を形成している。微細流路3は、一様な断面積とされている。微細流路3の内面には、親水処理剤32が塗布されている。ただし、微細流路3の内面には、部分的にこの親水処理剤32が施されていない部分がある。この部分はそれ以外の部分に対して、液体を撥水しやすい部分となっており、これが圧力損失変化部31とされている。
微細流路3を送液されてきた液体8の先端8aが圧力損失変化部31に到達すると、表面張力が急激に大きくなる。これによって生じる抵抗力によって、圧力Pが急激に上昇する。この圧力変動を圧力センサ5を介してCPU7に伝達されることにより、CPU7は、液体8の先端8aが圧力損失変化部31に到達したことを検出できる。
このような実施形態によっても、分析装置1およびカートリッジ2の構造を不当に複雑化することなく、液体8の先端8aが圧力損失変化部31に到達したことを適切に検出することができる。また、微細流路3の断面積を拡大もしくは縮小することなく圧力損失変化部31を形成することが可能である。なお、圧力損失変化部31にあたる部分に、撥水性を高める表面処理を施せば、圧力Pの変動をさらに大きくすることができる。
さらに、微細流路3の一部の内面をその流れ方向前後部分よりも表面粗さが大となるように表面処理を施すことにより、圧力損失変化部31を設けてもよい。内面の表面粗さが大であるほど、液体8の先端8aに対して大きな抵抗力が付与される。これにより、圧力Pを急激に上昇させることが可能であり、先端8aが圧力損失変化部に到達したことを検出することができる。
図13は、本発明に係る送液制御システムの他の例を示している。本実施形態の送液制御システムは、微細流路3に3つの圧力損失変化部31a,31b,31cが設けられている点が、図1に示した送液制御システムと異なっている。これらの圧力損失変化部31a,31b,31cは、流れ方向において互いに間隔をおいて直列に配置されている。圧力損失変化部31a,31b,31cのそれぞれの構成は、図2に示した圧力損失変化部31と同様である。
図14は、本実施形態の送液制御システムを用いた送液制御方法における圧力Pを示している。時刻t0において起点槽4Aから液体8が送り出され、時刻t1において先端8aが圧力損失変化部31aに到達する。このとき、圧力Pが定常圧力Pn1から高圧力Phへと上昇する。これにより、CPU7は、先端8aが圧力損失変化部31aに到達したことを検出できる。時刻t1以降に、先端8aが圧力損失変化部31aを超えると、液体8を送液するためには、圧力Pが定常圧力Pn2となる。定常圧力Pn2は、定常圧力Pn1よりも若干高い。これは、断面積が小とされた圧力損失変化部31aを液体8が通過するときに生じる圧力損失が加えられるからである。以降、定常圧力Pn3,Pn4が徐々に高くなる理由も同様である。
次に、時刻t2において先端8aが圧力損失変化部31bに到達すると、圧力Pが定常圧力Pn2から高圧力Phへと再び上昇する。これにより、CPU7は先端8aが圧力損失変化部31bに到達したことを検出できる。そして、定常圧力Pn2よりも若干高い定常圧力Pn3で送液された後に、時刻T3において先端8aが圧力損失変化部31cに到達する。すると、圧力Pが定常圧力Pn3から高圧力Phへと上昇し、CPU7は先端8aが圧力損失変化部31cに到達したことを検出できる。この後は、定常圧力Pn3よりも若干高い定常圧力Pn4で送液された後に、時刻t4において先端8aが終点槽4Bに到達する。
このように、1つの微細流路3に複数の圧力損失変化部31a,31b,31cを設けることにより、圧力Pは、圧力損失変化部31a,31b,31cの個数と同じ回数だけ高圧力Phへと上昇する。この圧力上昇は、同時に発生することがないため、圧力センサ5およびCPU7によって個別に検出することが可能である。したがって、先端8aが流れ方向における複数の位置に到達したことを順次検出することができる。
本発明に係る送液制御方法および送液制御システムは、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る送液制御方法および送液制御システムの具体的な構成は、種々に設計変更自在である。
圧力損失変化部31を形成する手段として断面積を部分的に変化させる場合、幅を部分的に異ならせるほかに、たとえば高さを部分的に異ならせてもよい。液体8の前後に差圧を発生させるために、液体8の上流側に正圧を付与するほかに、液体8の下流側に負圧を付与してもよい。本発明に係る送液制御方法および送液制御システムの具体的構成としては、上述した血液検査用の分析装置およびカートリッジに限定されず、たとえば微細な流路内において液体を定量的に送液する、あるいは送液のタイミングをより正確に行うといった用途に用いることができる。

Claims (8)

  1. 液体が存在する微細流路に対して、差圧発生源を用いて上記液体を挟んで差圧を発生させることにより、上記液体を送液する送液制御方法であって、
    上記微細流路には、流れ方向において圧力損失が変化する圧力損失変化部が設けられており、
    上記液体と上記差圧発生源との間における圧力変動を検出することにより、上記液体の先端が上記圧力損失変化部に達したと判断することを特徴とする、送液制御方法。
  2. 上記圧力損失変化部は、流れ方向において断面積が縮小または拡大している部分である、請求項1に記載の送液制御方法。
  3. 上記圧力損失変化部は、これを規定する壁面が、その流れ方向前後部分よりも表面粗さが大であり、または撥水性が高い部分である、請求項1に記載の送液制御方法。
  4. 上記圧力損失変化部は、流れ方向と直角である方向の寸法が、流れ方向において不連続に変化する部分を有する、請求項2に記載の送液制御方法。
  5. 液体を流すための微細流路と、
    上記微細流路に対して、上記液体を挟んで差圧を発生させる差圧発生源と、
    を備える送液制御システムであって、
    上記微細流路には、流れ方向において圧力損失が変化する圧力損失変化部が設けられており、
    上記液体と上記差圧発生源との間における圧力を測定する圧力測定手段と、
    上記圧力測定手段によって測定された圧力の変動によって上記液体の先端が上記圧力損失変化部に達したと判断する制御部と、
    を備えることを特徴とする、送液制御システム。
  6. 上記圧力損失変化部は、流れ方向において断面積が縮小または拡大している部分である、請求項5に記載の送液制御システム。
  7. 上記圧力損失変化部は、これを規定する壁面が、その流れ方向前後部分よりも表面粗さが大であり、または撥水性が高い部分である、請求項5に記載の送液制御システム。
  8. 上記圧力損失変化部は、流れ方向と直角である方向の寸法が、流れ方向において不連続に変化する部分を有する、請求項6に記載の送液制御システム。
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