KR20030004356A

KR20030004356A - 혈액 분석방법 및 장치

Info

Publication number: KR20030004356A
Application number: KR1020027012030A
Authority: KR
Inventors: 준 기쿠치; 야스히로 호리이케; 오가와히로키; 다카무라유즈루; 오키아키오; 아다치사쿠이치로; 이치키다카노리; 이시하라가즈히코
Original assignee: 준 기쿠치; 야스히로 호리이케
Priority date: 2000-03-15
Filing date: 2001-03-12
Publication date: 2003-01-14
Also published as: US20030114785A1; WO2001069242A1; AU2001241091A1; JP3847053B2; EP1267166A1; JP2001258868A; EP1267166A4

Abstract

본 발명은 기판에 미세 가공 기술을 사용하여 제조한 마이크로캐필러리를 혈액의 채취, 여과, 분리, 이동에 사용하고, 또한 검출기를 추가하여, 혈액의 채취로부터 분석까지를 일체화된 기판으로 수행하는 혈액 분석 장치에 관한 것이다. 또한, 이 혈액 분석 장치를 사용하여 혈액의 채취로부터 분석까지를 수행하는 혈액 분석방법이다.

Description

혈액 분석방법 및 장치{Blood analyzing method and apparatus}

사람의 건강 상태나 질병을 진단하는 전자적인 장치로서, 체온계, 혈압계, 초음파 진단, X선 CT, MRI 등 이외에, 혈액 자동 분석 장치가 있다. 이것은, 수 밀리리터의 혈액을 채취하고, 원심 분리기를 사용하여, 적혈구, 백혈구, 림프구, 혈소판, 혈액 응고 인자를 분리하여 수득한 혈청을, 다수의 시험관에 나누어, 각 시험관을 일렬로 모두 움직이고, 케미칼 센서에 의해, pH, 산소, 이산화탄소 등의 각 농도를 측정하는 이외에, 각 시험관의 혈청에 효소 등의 시약을 넣고, 혈청 중의 기질과의 발광 반응의 분광이나 흡수 분광을 수행하고, 데이터를 컴퓨터로 처리하여 인체를 진단하는 것에 사용되고 있다.

또한, 혈액 또는 인체 조직의 분석, 측정방법에 관한 기술로서, 이하에 기술하는 개발이 각각 실시되고 있다. 우선, 혈청과 같은 용액 중의 혼입 물질의 측정법으로서는, 모세관 전기영동법이 일반적으로 사용되고 있다. 본 방법을 도 1에 의해 설명한다. (101)은 석영관이고, (102)는 양전극이고, (103)은 음전극이다. 예를 들면, 직경 0.1mm 정도의 모세관이라고 칭하는 가늘고 긴 석영관(101) 속에 전해액을 넣는다. 일반적으로, 석영관의 경우, 이의 내벽 표면에는 음의 전하를 발생시키기 때문에, 전해액 중의 양이온(양전하의 이온)은 음전하와의 쿨롱력에 의해, 석영의 내벽에 모여져, 소위 헬름홀츠의 이중 장벽(104)을 형성한다. 따라서, 이 모세관의 양단에 설치한 전극(102) 및 (103)에 고전압을 인가하면, 우선, 음전압(103) 측으로 내벽의 양이온(105)이 잡아 당겨지고, 이동하면, 점성에 의해 전해액 전체도 음전압(103) 측으로 이동한다. 이 흐름을 전기 침투류(106)라고 한다. 한편, 전해액 중의 양이온은 가장 빨리 음전극(103) 측에 도달하고, 이어서 중성종(中性種)(107)이 전기 침투류(106)에 의해 도달하고, 음이온(108)은 원래 양의 전압측(102)으로 잡아 당겨지지만, 전기 침투류(106)에 의해 음전압(103)측으로 이동하고, 따라서 가장 늦게 도달한다. 이러한 음이온이나 양이온이 전계에 의해 이동하는 흐름을 전기영동류(109)라고 한다.

또한, 최근, DNA의 분석에 관해서, 이하에 기술하는 방법이 연구되어 있다. 즉, 상기한 모세관을 석영판이나 고분자판에 형성하고, 덮개을 덮어, 한변이 수 cm인 사각형의 칩 위에 제작한 마이크로캐필러리라고 칭하는 것이 있다. 예를 들면, DNA 등을 중성 겔 속에 넣고, DNA는 전하를 갖기 때문에 전기영동에 의해 이동시켜분자량의 상위(相違)에 의한 총전하 상위(相違)에 의해 분리한다. 또한, 본 방법은, 마이크로캐필러리 속을 이동하는 물질에 도중에서 다른 시약을 넣고, 그 반응을 검출하는 것과 같은 종래의 시험관 방식과 다른 반응 검출법이 왕성하게 연구되고 있다[예를 들면, 馬場嘉信; 단백질 핵산 효소, 45권, 1호(2000) 76-85페이지]. 이것은, 마이크로 전체 분석 시스템(μ-TAS; total analysis system)이나 칩상 연구실(Lab-on-Chip)이라고 칭하고 있다.

상기한 혈액 자동 분석 장치는, 일반적으로는 혈액 센터나 병원에서 사용되고, 고가이면서 대규모이고, 더구나 전체 진단에 수 시간을 요한다. 통상 이러한 혈액 분석은, 질병의 원인 구명 또는 건강체에 있어서도 1년에 일회 정도 받는 건강 진단 등의 때에 실시되기 때문에, 1회의 분석에 의해서 여러가지의 정보를 각각 정밀하게 수득하는 것을 목적으로 하고 있다. 그러나, 오늘날 대기 온난화나 내분비 교란 물질 등의 환경 악화에 의해 나날이 인간의 건강을 해치고 있어, 보다 높은 빈도로 혈액 검사를 하여 건강 상태의 관리를 실시하는 것이 중대한 질병으로의 진전을 예방하기 위해서 필요하게 된다. 이러한 매일매일의 건강 관리를 목적으로 한 혈액 검사에는, 기껏해야 혈액 중의 pH, 산소, 이산화탄소, 나트륨, 칼륨, 칼슘, 글루코스, 락트산 등의 소위 건강 마커라고 불리는 것의 농도 등을 측정하는 것으로만 충족되는 것이다. 상술한 것과 같은 고가의 대규모 혈액 분석 장치를 사용한 정밀한 검사까지는 필요하지 않고, 분석 항목을 축소한 간소한 장치를 필요로 하고 있었다.

또한, 최근, 거동이 불편한 노인의 증가와 함께, 이의 건강 관리가 과제로되고 있는데, 이러한 사람에게 있어서, 빈번히 병원 등에 내왕 검사를 받는 것은 곤란하고, 재택 상태로 건강 관리를 하는 수단을 필요로 하고 있다. 현재의 혈액 검사 방법으로서는, 채혈은 의사 등 유자격자에게 제한되고 있어, 간호를 요하는 노인의 간호 담당자인 헬퍼로서는 할 수 없는 행위이다. 따라서, 일반인이라도, 채혈을 포함해서 손쉽게 취급할 수 있는 혈액 분석 장치를 필요로 하고 있었다. 또한, 혈액 검사를 빈번하게 실시하기 위해서는, 채혈시 고통이 따르지 않는 것이 바람직하고, 또한, 주사 바늘에 의한 피부의 변색 등 인체에의 영향도 적극적으로 억제되는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명은 이상에서 기술한 것과 같은 종래의 혈액 분석 장치를 사용한 혈액 분석방법에서의 결점이 없는, 가정에서 손쉽게 취급할 수 있는 혈액 분석방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

또한, 본 발명은, 상기한 목적을 실현하기 위해서, 혈액 분석에 필요하게 되는 채혈, 여과, 분리, 분석 등의 기능이 컴팩트하게 일체화되어 있고, 취급에 전문의 의학 지식 및 자격을 필요로 하지 않고, 일반인이 취급할 수 있는 혈액 분석 장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

본 발명은 혈액을 채취하고, 혈액 중의 적혈구, 백혈구, 림프구, 혈소판, 혈액 응고 인자 등을 분리하고, 그 결과 수득한 혈청 등의 pH 값, 산소 또는 이산화탄소 등의 농도를 측정하는 혈액 분석방법 및 장치에 관한 것이다. 특히 상기한 조작에 필요한 기능, 구조의 전부가 하나의 장치 내에 집적되어 있는 것을 특징으로 한다.

도 1은 모세관 전기영동법을 설명하는 도면이고,

도 2는 본 발명에 관계되는 바람직한 장치의 개략을 나타내는 도면이고,

도 3은 마이크로캐필러리의 제조법을 설명하는 도면이고,

도 4는 전기 침투류에 의해 마이크로캐필러리 중의 이온의 이동을 나타내는 도면이고,

도 5는 펌프 작용의 흡인력의 측정방법을 나타내는 도면이고,

도 6은 분리 수단의 구성을 나타내는 도면이고,

도 7은 원심 분리기를 나타내는 도면이고,

도 8은 마이크로캐필러리 내벽에의 MPC 중합체 피복의 효과를 나타내는 도면이고,

도 9는 펌프 작용에 미치는 마이크로캐필러리 길이의 영향를 나타내는 도면이고,

도 10은 케미칼 센서의 구성을 나타내는 도면이고,

도 11은 글루코스 밀도의 측정 결과를 나타내는 도면이고,

도 12는 pH, Na⁺, K⁺각 농도의 측정 결과를 나타내는 도면이고,

도 13은 항응고제의 공급 장치를 구비한 혈액 분석 장치의 구성을 나타내는 도면이고,

도 14는 항응고제의 공급 장치를 구비한 혈액 분석 장치의 구성을 나타내는 도면이다.

본 발명은, 혈액 분석 장치로서, 하나 또는 복수의 기판내에, 생체내에서 혈액을 채취하는 채취 수단과, 적어도 채취한 당해 혈액을 여과하고 혈장을 수득하는 여과 수단 또는 당해 혈액으로부터 혈청을 분리하는 분리 수단 중의 어느 하나의수단과, 당해 혈액 중의 물질을 분석하는 분석 수단과, 당해 채취 수단, 당해 여과 수단, 당해 분리 수단, 당해 분석 수단을 접속하는 유로(流路) 수단과, 당해 채취 수단, 당해 여과 수단, 당해 분리 수단, 당해 분석 수단, 당해 유로 수단 내에 존재하는 당해 혈액의 성분을 이동시키는 이동 수단과, 당해 분석 수단으로부터의 정보를 외부로 인출하기 위한 출력 수단과, 당해 채취 수단, 여과 수단, 분리 수단, 분석 수단, 이동 수단, 출력 수단 중의 하나 이상의 수단의 동작을 제어하기 위한 제어 수단을 구비하고, 또한, 당해 혈액의 성분을 당해 기판내에 유지하여 두기 위한 유지 수단을 구비하고, 또한 당해 기판이 복수인 경우에는 당해 기판이 일체화된 구조이다. 이러한 점에 의해서, 혈액 분석 장치는 소형이고, 일반 가정에 설치하는 것이 적합하다.

또한, 본 발명에 의한 혈액 분석방법은, 혈액의 채취로부터 분석까지 일체화된 혈액 분석 장치로 수행한다. 이것에 의해, 전문의 의학 지식 및 자격을 가지지 않은 일반인이 취급하기에도 적합하다.

본 발명을 보다 상세하게 설명하여 기술하기 위해서, 첨부한 도면에 따라서 이를 설명한다.

도 2에 본 발명에 근거하는 장치의 개략도를 나타낸다. (201)은 기판이고,본 장치의 각 수단은 본 기판을 에칭에 의해 제작된 마이크로캐필러리에 따라 배치된다. 이러한 마이크로캐필러리의 표면에는 MPC 중합체(2-메타크릴로일옥시에틸포스포릴콜린)의 피복이 설치되어 있어, 혈장이나 혈청 중의 단백질의 마이크로캐필러리 표면 위에서의 응고 및 부착을 방지한다. (202)는 혈액의 채취 수단이다. (203)은 중공(中空)의 바늘이고, 채취 수단에 부속한다. 이러한 바늘을 체내에 찔러 기판내로의 혈액의 도입구로 한다. (204) 및 (205)는 전극이고, 이 전극간에 인가한 전압 때문에 생기는 전기 침투류에 의한 흡인력에 의해서, 체내에서 기판내로 혈액을 도입한다. (206)은 혈액의 여과 수단이고, 혈액의 흐름의 상류에서 하류로 향하여, 점차로 간격이 좁게 되는 복수의 슬릿을 갖는다. 이러한 슬릿에 의해, 혈액 중의 적혈구, 백혈구, 림프구, 혈소판을 여과하여 제거하고, 여과 수단의 하류측에서 혈장을 수득한다. (207)은 분리 수단이고, 예를 들면 U자형의 마이크로캐필러리로 이루어진다. 채취한 혈액을 여과하여 수득한 혈장을 이러한 U자형의 마이크로캐필러리로 유도한 후, 본 기판을 원심 분리기에 의해 일정 방향으로 가속도를 가함으로써, U자부에 혈장에서 응고 인자를 분리 제거한 혈청이 수득된다. (208)은 분석 수단이고, 혈액 중의 pH 값, 산소, 이산화탄소, 나트륨, 칼륨, 칼슘, 글루코스, 락트산 등의 각 농도를 측정하기 위한 센서를 갖는다. (209)는 채취 수단, 여과 수단, 분리 수단, 분석 수단의 각각을 접속하는 유로 수단이고, 기판을 에칭하여 제작한 마이크로캐필러리로 이루어진다. (210)은 마이크로캐필러리 속에서 혈액을 전기 침투류에 의해 이동시키기 위한 이동 수단이다. (211)은 분석 수단으로부터 정보를 인출하기 위한 출력 수단이고, 전극 등으로부터 구성된다.(212)는 이상의 채취 수단, 여과 수단, 분리 수단, 분석 수단, 이동 수단, 출력 수단을 필요에 따라서 제어하기 위한 제어 수단이다. 나타내지는 않았지만, 기판 위의 마이크로캐필러리 내에 혈액을 유지하여 두기 위한 판을 갖고, 이 판은 기판(201)에 접착 또는 압착되어 있다.

채취 수단(202)에 의해 채취된 혈액은, 여과 수단(204)에서 여과되어 혈장으로 되고, 또한 분리 수단(205)으로써 응고 인자를 분리 제거하여 혈청을 수득하고, 이를 분석 수단에서 pH 값, 산소, 이산화탄소, 나트륨, 칼륨, 칼슘, 글루코스, 락트산 등의 각 농도에 대해 측정한다. 각 수단간의 혈액의 이동은, 전기영동법을 사용한 이동 수단(210)에 의해 수행된다.

다음에, 기판 내의 각 수단을 형성하는 마이크로캐필러리의 제작방법을, 도 3을 사용하여 설명한다. 예를 들면, 두께 0.5mm에서 한변이 2cm인 사각형의 석영판(301)을 준비하고, 우선, (1) 석영판(301) 위에 크롬(Cr) 막(302)을 약 1㎛의 두께로 스퍼터법으로 퇴적한다. 다음에, (2) Cr 막(302) 위에 포토레지스트(303)를 도포하고, 광 노광으로 약 30㎛ 폭의 누락 패턴을 형성한다. (3) 이러한 Cr 막(302)을 습식 또는 건조법에 의해 에칭한다. 건조법에서는, Cl₂기체를 일권(一卷) 안테나를 사용한 ICP(유도 결합 플라스마)로 방전하고, 안테나에서 18 내지 20cm의 하류 영역(다운 스트림)에서 Cr 막(302)을 에칭한다. 본 에칭법은, 일본 특허원 제(평)11-124709호에 의한 방법을 사용하고 있다. 그리고, (4) 이러한 Cr 막(302)을 마스크로, C₄F₈과 SF₆를 85 대 15의 비로 혼합한 기체를 ICP에 의해 방전하고, 13.56MHz의 고주파 바이어스를 인가한 전극 위에 석영판(301)을 적재하고, 기초의 석영판(301)을 수직의 벽을 갖도록 에칭하여, 모세관 홈을 형성한다. 이 때의 조건은, 안테나에 도입한 13.56MHz의 전력은 500W이고, 고주파 바이어스용의 13.56MHz의 전력은 5W, 압력은 10mTorr로 하였다. 그 후, (5) Cr 막(302)을 습식법으로 제거하고, (6) 혈액이나 완충액의 주입구나 출구용의 구멍을 초음파 가공에 의해 개구시킨 또 한 장의 석영판(304)을 준비하고, 모세관 홈을 설치한 석영판(301)과 함께, 1% HF(플루오르산)에 담근 후, 양쪽 판을 포개고, 1.3MPa의 압력으로 24시간 눌러붙였다. 최후에, (7) 백금 등의 전극(305)을, 상기의 주입구나 출구 등에 증착 등의 방법으로 형성하여, 마이크로캐필러리 칩이 완성된다. (4)의 공정에서 형성된 마이크로캐필러리 홈을 갖는 석영판을 성형형(成形型)으로서 사용하고, 폴리에틸렌 등의 고분자막에 적당한 온도로 몰드 형성하여 마이크로캐필러리 홈을 제작할 수도 있다. 또한, 석영판을 사용하지 않고, 고분자 판에 직접 마이크로캐필러리 홈을 형성하고, 덮개도 고분자로 형성할 수도 있다.

다음에, 혈액의 채취 수단에 있어서 혈액을 마이크로캐필러리 속으로 끌어들이는 방법, 및 이동 수단에 있어서 마이크로캐필러리 속에서 혈액을 이동시키는 방법을 도 4를 사용하여 설명한다. 사용한 마이크로캐필러리를 도 4에 나타낸 그래프 중에 나타낸다. 이것은, 상기한 제조방법에 의해 제작한 석영판 내의 마이크로캐필러리의 일부를 나타낸 것이다. 이 마이크로캐필러리는 폭이 약 30㎛, 깊이가 약 30㎛이다. 이 마이크로캐필러리의 전체 영역을 pH 7.4의 인산 완충액(PBS))으로 채운 후, A-C 사이에 고전압을 인가하고, 이 때의 전압- 전류 특성을 이온 강도를 변경하여 측정한 결과를 도 4의 그래프에 나타낸다. 그래프 중에서 「저속」이란 15초마다 50V를 인가한 결과이고, 「고속」이란 1초 사이에 70V의 전압을 인가한 결과이다. 「저속」의 경우는, 전압 인가와 함께 전류가 급격히 흐르기 시작하고, 특히 고이온 강도의 경우는 심하다. 이것은, 전류가 흐르는 것에 의해 주울 가열이 일어나, 완충액의 이동도가 증가하기 때문이라고 설명되고 있다. 한편, 「고속」으로 전압을 상승시키면 선형 관계를 나타낸다. 따라서, 급격히 전압을 올리면, 완충액의 온도가 상승하지 않고서 양이온이 고속으로 이동하는 것을 의미한다. 즉, 「고속」 모드를 사용하면 전기 침투류에 의해, 액을 움직이는 펌프 작용이 수득되는 것으로 나타나고 있다.

이러한 전기 침투류의 펌프 작용에 의한 흡인력의 측정에 관해서 기술한다. 도 5에 펌프 작용의 흡인력 측정을 실시한 마이크로캐필러리를 나타낸다. 이것은, 먼저 기술한 방법으로 제작한 석영판의 일부를 인출하여 나타낸 것이다. 이 마이크로캐필러리는 폭이 약 30㎛, 깊이가 약 30㎛이다. 우선, 마이크로캐필러리 전체 영역(501)을 pH가 7.4인 인산 완충액(PBS)으로 채웠다. 그리고 전극 A(502)와 전극 B(503)에 고전압을 인가하면, PBS가 전극 A 측으로 전기 침투류에 의해 이동하고, 입구 C(504)로부터 공기(505)가 주입된다. 마이크로캐필러리 중에 침입한 공기(505)의 선단(先端)을 피스톤(506)을 사용하여, 입구 C(504)까지 돌이켰을 때의 압력을 압력계(507)로 측정하였다. 그 결과, 이 때의 전기 침투류의 펌프 작용에 의한 흡인력이 6×10³Pa인 것을 알았다.

이어서, 혈액으로부터 여과 수단을 통해서 수득한 혈장으로부터, 또한 원심 분리에 의해 마이크로캐필러리 내에서 응고 인자를 분리하여 혈청을 수득하는 분리 수단과 분리 방법을, 도 6을 사용하여 설명한다. U자형의 마이크로캐필러리(601)의 한쪽은 바늘을 부속한 주입구(602)와 결합하고 있다. 또한, 전기 침투류 펌프(603)를 갖고, 고전압을 인가하기 위한 전극 A(604)와 전극 B(605)가 설치되어 있다. 전극 A(604)와 전극 B(605)의 사이에 전계 약 1kV/cm를 인가하고, 바늘(602)로부터 U자형의 마이크로캐필러리(601)에 혈액을 도입하였다. 이 때, 감전을 피하기 위해서, 전극 A(604) 측을 접지시켰다. 그리고, 도 7에 나타내는 간이형 원심분리기(701)에, 도 6의 마이크로캐필러리를 포함하는 석영판(702)을, 도 6에 나타낸 화살 표시의 방향에 의해 큰 가속도가 걸리도록 장착시켜 회전시켰다. 5000rpm의 회전 속도로 30분 회전시킨 후에, U자형 모세관(601)의 도 6에 나타낸 화살표의 방향과 반대측의 U자관 부분에 혈청을 수득하였다.

이상 기술한 채취 수단, 여과 수단, 분리 수단, 유로 수단, 분석 수단의 구조를 구성하는 요소인 마이크로캐필러리는 석영으로 제작되어 있다. 이 때문에, 혈액, 혈장 또는 혈청과 같은 생체 물질을 마이크로캐필러리 내에 도입하면, 내벽에 단백질이 응고하거나 흡착하기 때문에, 모세관 유로가 가늘게 되거나, 극단적인 경우는 막히거나 하는 현상이 보인다. 이러한 응고나 부착을 방지하기 위해서, 마이크로캐필러리의 내벽에, MPC 중합체(2-메타크릴로일옥시에틸포스포릴콜린)를 피복하였다. MPC 중합체는, 이시하라 등에 의해 발명되었으며(특허 제2947298호), 우리들 생물의 생체막을 구성하고 있는 재료와 유사한 재료로부터 인공적으로 합성한 고분자이다. 따라서, 단백질 흡착을 억제하고, 생체와의 바람직하지 못한 반응을 저지하는 대단히 우수한 효과를 나타낸다. 도 8의 그래프 중에 나타내는 마이크로캐필러리를 사용하고, MPC 중합체의 마이크로캐필러리 내벽에의 피복의 유무 및 내벽에 피복하는 MPC 중합체의 농도에 대한 단백질 등의 응고, 부착 방지 효과를 나타낸다. 마이크로캐필러리의 폭은 약 30㎛, 깊이는 약 30㎛이다. 우선, 마이크로캐필러리 내를 pH=7.4, 이온 강도 0.16의 인산 완충액으로 채우고, 모세관 말단 A에 소의 혈청을 주입후, 빠르게 A-C 사이에 여러가지의 고전계를 인가하고, 혈청을 모세관 중에 도입하였다. 혈청의 마이크로캐필러리 내의 흐름에 미치는 응고나 부착의 영향은, 도입된 혈청 농도를 모세관 말단 A로부터 4mm 떨어진 점 E에서, 혈청에 대하여 흡수가 강한 220nm의 자외광을 범위를 좁혀서 조사하고, 이의 흡수에 의해 혈청이 점 E에 도달했는지 여부를 판정하였다. 측정은 MPC 중합체 피복 없음, 0.05중량% 농도 피복, 0.3중량% 농도 피복의 각각에 따라 수행하였다. MPC 중합체 피복의 경우는, 석영 표면과 비교하여, MPC 중합체 표면에서는 음전하가 많이 발생하지 않기 때문에, 전기 침투류가 억제되고, 피복 없음이 가장 빠르게 측정점에 도달한다고 예상되지만, 측정의 결과, 피복 없음이 가장 늦었다. 0.05중량%와 0.3중량%의 도착 시간은 큰 차이가 없다. 그러나, 0.3중량%에서는 도달후, 농도가 포화하는데 대하여, 0.05중량%와 피복 없음에서는 분명히 감소한다. 이들에 의해, 피복 없음 및 0.05중량%에서는, MPC 코팅이 불충분하고, 혈청 중의 단백질이 측정점에 도달하기 전에 내벽에 부착하여 손실되었다고 생각된다. 즉, 0.3중량% 농도의 MCP 중합체를 석영의 마이크로캐필러리 표면에 피복함으로써, 마이크로캐필러리 중에서의 혈청 단백질 측정에서의 응고 및 부착의 억제 효과가 나타났다.

다음에, 분석 수단으로서 혈청 농도를 케미칼 센서로 측정할 때, 특히 이의 측정에 ISFET(ion sensitive field effect transistor)를 사용하는 경우의 문제점과 실시한 대책예에 관해서 기술한다. ISFET는 MOS(metal-oxide-semiconductor) 구조를 갖는다. 따라서, 도 8의 그래프내에 도시한 것같이 마이크로캐필러리 말단 A로부터 혈청을 도입하고, A-C 사이에 고전압을 인가하고, A-C 사이를 이동하는 혈청 중의 이온 농도를 예를 들면 점 E에서 측정하기 위해서, ISFET의 측정 영역면을 A-C 사이에 두면, 고전압이 직접 MOS 구조에 인가되어, 예를 들면 FET를 부유 상태로 하여도 질화실리콘과 산화실리콘막의 적층으로 이루어지는 ISFET의 절연막이 절연파괴한다. 이의 대책으로서, 마이크로캐필러리의 하류측에 고전압을 인가하는 전기 침투류 펌프를 설치하고, 이 펌프의 흡인 작용에 의해, 펌프로부터 상류에 위치하는 마이크로캐필러리에 혈청 등을 유도하고, 이 마이크로캐필러리가 위치한 곳에 ISFET와 같은 케미칼 센서를 설치하였다. 도 9는, (a)와 같이 하류에 11cm 길이의 마이크로캐필러리의 펌프 영역을 설치한 경우와, (b)와 같이 0.8cm의 극히 짧은 펌프 영역을 설치한 경우에 관해서, 전기 침투류의 작용에 의한 혈청의 이동 상황을 비교하였다. 마이크로캐필러리의 폭은 약 30㎛, 깊이는 약 30㎛이다. 우선, PBS에서 전체 마이크로캐필러리 유로를 채운 후, 어느 쪽의 마이크로캐필러리에서도, B-C 사이에 2kV의 전압을 인가하였다. 그 후, 입구 A에서 소의 혈청을 주입하고, 점 E에서 220nm의 자외광을 범위를 좁혀서 조사한 때의 흡광도의 시간 변화를 나타낸다. 그 결과, 전압을 동일하게 한 때, (a)의 마이크로캐필러리 형상의 쪽이(b)의 것보다도 빠르게 혈청이 입구 A로부터 4mm의 위치에 도달하고, B-C 사이의 마이크로캐필러리를 길게 취함으로써 높은 펌프 능력이 수득되는 점에서, ISFET 등의 케미칼 센서의 하류측에 혈청 등의 이동 수단을 설치한 경우에도, 케미칼 센서에 혈청을 유도할 수 있는 것을 알고, ISFET의 절연 파괴를 방지할 수 있는 것으로 나타났다.

이하, 본 장치를 사용한 혈액 분석과 이의 결과를 설명한다. 도 10은, 본 장치의 분석 수단 근방의 구성을 나타낸다. (1001) 및 (1002)는 ISFET 센서이고, (1003)과 (1004)는 글루코스 센서와 Ag/AgCl 전극이고, (1005)은 이동 수단인 전기 침투류 펌프를 나타낸다. ISFET 센서의 측정 면적은 15㎛×150㎛이고, 30㎛ 폭의 마이크로캐필러리의 유로에 따라, 그 아래에 배치하고, 백금 직경 20㎛의 백금선 글루코스 센서는 마이크로캐필러리 유로의 측벽에 수직으로 삽입하였다.

도 11에, 소의 혈청 중에 농도가 상이한 글루코스를 혼입시켜, 이의 농도 변화에 대한 센서 전류를 나타낸다. 여기서, 글루코스 센서로서는, 직경 20㎛의 Pt선상에, 아세트산셀룰로스, 글루코스 산화 효소, 페로센카복시알데히드를 순차로 코팅한 것을 사용하고, 이들의 표면은 MPC 중합체로 코팅하였다. 도 11에서, 글루코스 농도가 O인 때에 흐르고 있는 전류는 암전류(暗電流)인데, 글루코스 농도의 변화에 대하여 거의 선형으로 응답하고 있는 것이 나타난다.

도 12는, ISFET 센서를 사용한 소의 혈청 중의 pH, Na⁺및 K⁺각 농도의 측정 결과를 나타낸다. pH의 측정에는 Si₃N₄, Na⁺에는 PVC, THF, BIS(12-크라운-4),NPOE, K-TCPG의 혼합막, K⁺의 측정에는 PVC, THF, BIS(벤조-15-크라운-5), NPOE, K-TCPG의 혼합막을 감응막으로 하였다. 어느 쪽의 경우라도, 광범위하게 선형적으로 응답하고 있는 것을 알았다.

도 13에, 도 2에 설명한 본 발명의 혈액 분석 장치에, 혈액의 항응고제의 공급 장치를 장착시킨 혈액 분석 장치의 구성을 나타낸다. 본 장치는 도 2의 예와 같이 (1301)의 석영 기판 위에, 우선 (1302)의 혈액 채취를 위한 바늘을 통하여 혈액을 (1303)의 마이크로캐필러리에 도입한다. 이 때 모세관 속에서 혈액이 응고하지 않도록 (1304)에 저장하여 둔 항응고제(시트르산 나트륨, EDTA, 헤파린)를 (1305)의 고무 마개를 누르는 것으로 적절하게 모세관 내에 공급할 수 있도록 되어 있다. 그리고 (1306)의 분리 수단에서 도 7에 나타낸 원심 분리기를 사용하여, 혈청과 혈구를 분리한다. 그리고 이 혈청을 (1307)의 분석 수단으로 (1308)와 (1309)의 전극 사이에 전장을 인가함으로써 발생하는 전기 침투류에 의해 인도하여, 혈청 중의 pH, 나트륨 이온 농도, 칼륨 이온 농도, 글루코스 농도 등을 검출한다. 본 실시예에서는 이러한 분석 수단을 복수 설치하고 있고, 이들의 농도를 한번에 분석하는 것이 가능하다. 실제로 혈청 중의 이들의 농도를 조사한 바, 상기한 측정 결과와 동등한 정밀도로 농도를 측정할 수 있었다.

도 14에, 도 2에서 설명한 본 발명의 혈액 분석 장치에, 혈액의 항응고제의 공급 장치를 장착시킨 혈액 분석 장치의 구성을 나타낸다. 본 장치는 도 2의 예와 같이 (1401)의 석영 기판 위에, 우선 (1402)의 혈액 채취를 위한 바늘을 통하여 혈액을 (1403)의 마이크로캐필러리에 도입한다. 이 때 모세관속에서 혈액이 응고하지 않도록 (1404)에 저장하여 둔 항응고제(시트르산 나트륨, EDTA, 헤파린)를 (1405)의 고무 마개를 누르는 것으로 적절하게 모세관 내에 공급할 수도 있다. 그리고 (1406)의 여과 수단에서 혈장과 혈구를 분리한다. 그리고 이 혈장을 (1407)의 분석 수단으로 (1408)과 (1409)의 전극 사이에 전장을 인가함으로써 생기는 전기 침투류에 의해 인도하여, 혈장 중의 pH, 나트륨 이온 농도, 칼륨 이온 농도, 글루코스 농도 등을 검출한다. 본 실시예에서는 이러한 분석 수단을 복수 설치하고 있어, 이들의 농도를 한번에 분석하는 것이 가능하다. 실제로 (1406)에서 여과한 혈장 중의 이들의 농도를 조사한 바, 상기한 측정 결과와 동등한 정밀도로 농도를 측정할 수가 있었다.

이상과 같이, 본 발명에 관계되는 혈액 분석 장치는 소형이고, 일반 가정에 설치하기에 적합하다. 또한, 본 발명에 의한 혈액 분석방법은, 혈액의 채취로부터 분석까지 일체화되어 있고, 전문 의학 지식 및 자격을 가지지 않은 일반인이 취급하기에도 적합하다.

Claims

생체내에서 혈액을 채취하는 채취 수단, 적어도 채취한 당해 혈액을 여과하여 혈장을 수득하는 여과 수단 및 당해 혈액으로부터 혈청을 분리하는 분리 수단 중의 어느 하나의 수단, 당해 혈액 중의 물질을 분석하는 분석 수단, 당해 채취 수단, 당해 여과 수단, 당해 분리 수단 및 당해 분석 수단을 접속하는 유로 수단, 당해 채취 수단, 당해 여과 수단, 당해 분리 수단, 당해 분석 수단, 당해 유로 수단 내에 존재하는 당해 혈액의 성분을 이동시키는 이동 수단, 당해 분석 수단으로부터의 정보를 외부로 인출하기 위한 출력 수단, 및 당해 채취 수단, 여과 수단, 분리 수단, 분석 수단, 이동 수단 및 출력 수단 중의 하나 이상의 수단의 동작을 제어하기 위한 제어 수단을 하나 또는 복수의 기판내에 구비하고, 또한 당해 기판은 당해 혈액의 성분을 당해 기판 내에 유지하여 두기 위한 유지 수단을 구비하고, 또한 당해 기판이 복수인 경우에는 당해 기판이 일체화된 구조임을 특징으로 하는 장치에서의 혈액의 채취, 여과, 분리 및 분석을 수행하는 방법.
생체내에서 혈액을 채취하는 채취 수단, 적어도 채취한 당해 혈액을 여과하여 혈장을 수득하는 여과 수단 및 당해 혈액으로부터 혈청을 분리하는 분리 수단 중의 어느 하나의 수단, 당해 혈액 중의 물질을 분석하는 분석 수단, 당해 채취 수단, 당해 여과 수단, 당해 분리 수단, 당해 분석 수단을 접속하는 유로 수단, 당해 채취 수단, 당해 여과 수단, 당해 분리 수단, 당해 분석 수단, 당해 유로 수단 내에 존재하는 당해 혈액의 성분을 이동시키는 이동 수단, 당해 분석 수단으로부터의 정보를 외부로 인출하기 위한 출력 수단 및 당해 채취 수단, 여과 수단, 분리 수단, 분석 수단, 이동 수단 및 출력 수단의 하나 이상의 수단의 동작을 제어하기 위한 제어 수단을 하나 또는 복수의 기판내에 구비하고, 또한 당해 기판은 당해 혈액의 성분을 당해 기판내에 유지하여 두기 위한 유지 수단을 구비하고, 또한 당해 기판이 복수인 경우에는 당해 기판이 일체화된 구조임을 특징으로 하는 혈액 분석 장치.
제1항에 있어서, 혈액의 채취에 앞서서, 채취 수단, 여과 수단, 분리 수단, 분석 수단, 이동 수단 및 유로 수단 안을 완충액으로 채움을 특징으로 하는 혈액 분석방법.
제2항에 기재된 분리 수단 내에 존재하는 혈액 또는 혈액 추출물을, 제2항에 기재된 혈액 분석 장치 본체를 회전시켜, 비중이 상이한 당해 혈액 중의 성분에 작용하는 원심력의 크기의 차이에 의해, 당해 혈액 중의 성분을 당해 분리 수단 내에서 분리하는 방법.
제2항에 기재된 분석 수단에 혈액 성분을 도입하기 위한 이동 수단이 당해 분석 수단보다 하류측에 설치되어 있음을 특징으로 하는 혈액 분석 장치.
제2항에 기재된 혈액 분석 장치로서, 제2항에 기재된 이동 수단을 구성하는 2개의 전극 중, 유로를 찾아가는 거리에 있어서 채취 수단에 가까운 측의 전극을 접지시킴을 특징으로 하는 혈액 분석 장치.
제2항에 기재된 분석 수단이 혈청 중의 pH 값, 산소 농도, 이산화탄소 농도, 나트륨 농도, 칼륨 농도, 칼슘 농도, 글루코스 농도 및 락트산 농도의 측정 수단임을 특징으로 하는 혈액 분석 장치.
폭이 10㎛ 이상 150㎛ 이하이고 깊이가 10㎛ 이상 150㎛ 이하인 홈 형상 구조물과 당해 홈 형상 구조물의 홈 속에 적어도 액체를 포함하는 물질을 유지하기 위한 덮개로 구성되는 마이크로캐필러리에 있어서, 적어도 마이크로캐필러리 내벽에 0.25중량% 이상 1.0중량% 이하의 농도의 MPC 중합체(2-메타크릴로일옥시에틸포스포릴콜린)가 도포되어 있음을 특징으로 하는 장치.