JP2801403B2 - 毛細管混合装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 導 入 技術分野 本発明は、粘性力が支配列であり慣性効果が最小であ
るような、容器中の流れが層状に限定されるために十分
に小さい容器中に制限された小体積の液体の混合に向け
られる。

背 景 ２種の液体の混合速度、液体中の溶質の拡散速度又は
液体中に溶解した溶質の均一化は、比較的不変的な成分
の拡散係数、及び流体が経験する流れの場に基く。従っ
て、混合が必要な系においては、混合過程の最適化は流
体流れ条件の適切な選択を要求する。最も効率的な混合
条件は、不均一流体要素を引っ張りそして非常に短い距
離にわたっての拡散を可能にし、これによって均一化を
もたらす不規則なうずの形をとる高度の乱流が存在する
状態である。しかしながら、幾つかの装置、特に小体積
の、非常に近く配置された複数の壁を有する、そして／
又は毛細管空間を有する装置においては、得られる流体
流れ条件の範囲が流体の粘度により又は系の寸法により
非常に限定され、その結果乱流は容易には達成され得な
い。

大きな容器においては、動く混合棒又は羽根が液体の
全体の動きを誘導し、これが容器の全容の混合をもたら
す。この物利的現象のよく知られた例は、フラスコ又は
ビーカーの底での撹拌棒の磁気的に誘導された動きの結
果として起こるバルク混合（bulk mixing）において見
られる。これに対して、短い距離を置いて配置された２
つの表面により形成された毛細管空間内で回転する小混
合棒は、液／壁接触に関連する引きずりが液体の慣性に
よる流体を通しての動きの伝達を妨げるため、その棒が
押し流す体積のみを混合するであろう。

試薬との混合のために装置の内部に血液を輸送し、そ
して該血液の成分又は性質の分析をもたらすために毛管
流を用いる診断装置は、困難な条件下での良好な混合を
必要とする小容器の例である。例えば、良好な混合は、
血液と水性又は乾燥試薬とが迅速に且つ効率的に一緒に
混合されなければならない測定装置の小さい長方形のチ
ャンバー中で望ましい。155マイクロリッターのチャン
バー容積が幾つかのこの様な測定において典型的であ
り、この場合チャンバーの寸法は深さ0.14インチ、長さ
0.39インチ及び高さ0.175インチである。この場合、磁
界の影響下での急速な前後運動によって流体を撹拌する
ために約0.1インチの直径を有する鋼球を用いることが
できる。球の周囲の流れのレイノズル数（慣性力と粘性
力との比に関連する）はこれらの状況下で約600であ
り、これは球が動く際にその後に十分な嵌合うずが存在
する状態を示す。この場合、球はチャンバー容積の約５
％を占めるが、しかしそれでも、球の複数回の通過の後
流体の全体が混合作用を経験している。従ってこれは、
伝統的な混合技法が使用されるのに十分に大きな小容積
の例である。例えば、米国特許No.5,028,143を参照のこ
と。

前記の例とは対照的に、本発明者の注目を要求したも
う一つのより極端な測定状況は、頂部と底部が平らで、
深さが0.012インチで且つ直径が0.28インチ（体積＝12
マイクロリッター）の円筒状毛細管空間を含んでいた。
このチャンバー中の乾燥した試薬は、血液が毛管作用に
よりチャンバーに流れ込んだ後、全血と混合される必要
があった。0.006インチ（すなわち、チャンバーの高さ
の半分）の直径を有しそして前記の例におけるのと同じ
速度で動く鋼球により磁気的混合が試みられれば、次に
多くの理由により混合は非効率であろう：（１）ここで
は球はチャンバー容積のわずか５％であり；（２）より
小さい球及び流体のより高い粘度のために10に低下した
レイノズル数がうず混合の低下を有意なものとし；そし
て（３）球が振動するのがより困難であろう。この理由
は、それを駆動する磁気力はその質量に従って低下し
（前記の例に比べて駆動力は4600倍小さくなる）、ここ
で動きに抵抗する摩擦力が球の直径に比例して減少しそ
してより粘稠な流体のために増加する（前記の例に比べ
てわずか４倍小さい摩擦力をもたらす）ためである。小
混合系に存在する力に対するこのような物理的束縛が、
毛細管空間のごとき小空間での磁気材料又は磁気的に誘
導され得る材料による混合を思いとどまらせる。

従って、毛細管空間中での混合のための新しい技術が
望まれる。

関連文献 「ペテント−サイド」に適合する分析装置及び使い捨
てカートリッジを使用して小体積のサンプル中の分析対
象を測定するための多数の装置が存在する。米国特許N
o.4,756,884は、分析対象の存在又はサンプルの性質、
例えば血液サンプルの凝固速度を分析するための毛細管
流路を用いる方法及び装置を記載している。１個の使い
捨てカートリッジ中で１より多くの分析を行うことがで
きる分析カートリッジが、1988年５月８日出願の米国特
許出願No.348,519に記載されている。米国特許No.4,23
3,029は、毛管流の速度を制御するためのなんらの手段
も用いることなく液体の毛管流を提供するために有効な
距離を置いて配置された対向する表面により形成される
流体輸送装置を記載している。米国特許No.4,618,476及
びNo.4,233,029は、速度及びメニスカス調節手段を有す
る類似の毛管輸送装置を記載している。米国特許No.4,4
26,451は、２領域間で流れを停止させるための手段を含
む類似の毛管輸送装置を記載しており、流れは外的に生
ずる圧力の適用により再開する。米国特許No.3,799,742
は、親水性から疎水性への表面特性の変化を用いて小サ
ンプルの流れを停止させ、それによって存在するサンプ
ルを計量する装置を記載している。米国特許No.5,077,0
17及び米国特許No.4,946,795は、小毛細管空間及び非−
毛細管空間において混合が行われる多数の希釈及び混合
カートリッジを記載している。記載されている混合空間
においては、、チャンバーに密接に適合するように設計
された単一混合棒を用いて混合が達成される。

発明の要約 本発明の目的は、密接に適合する全体積混合棒により
もたらされる設計的束縛を回避しながら、完全な混合が
毛細管空間中で生ずることを可能にする装置及び系を提
供することである。本発明のこれらの及び他の目的は、
後程明らかなになるように、液体不透性ハウジング、一
つの次元に毛細管空間を有しそして他の次元に非−毛細
管空間を有する該ハウジング中の内部空間（チャンバ
ー）、及び該チャンバー中の複数の磁気粒子又は磁気的
に誘導され得る粒子を含んで成る毛細管混合装置により
達成された。チャンバーは１個又は複数個の毛細管通路
を通してハウジングの表面に通じており、液体が入るこ
とができそして、気体が装置から排出され得る。このチ
ャンバー含有装置は、動く、好ましくは回転する磁界を
発生させるための手段、及び混合チャンバー中の粒子に
動きを付与するために方向付けられた磁界ベクターを動
く磁界が有するように一定の方向にチャンバー装置を保
持するための手段を有する磁気装置により保持されるよ
うされている。実際は、磁性粒子の動きのために必要な
条件は磁気勾配の存在であるが、これは磁石又は類似の
磁界発生器の動きにより最も一般的に生ずるので、ここ
で「動く磁界」なる用語は、いかにしてでも発生する所
望の状態を示すために用いられる。

前記の動きは、粒子と共に混合されるべき液体の置き
換え的（translational）動きを提供しなければならな
いから、粒子の磁気的に誘導された動きは、電磁石又は
類似の装置のオン／オフ装置により生ずる粒子の単なる
配列／非−配列以上のものである。従って、粒子はそれ
自身の長さの数倍〜多数倍、一般にそれら自身の長さの
数百倍又は数千倍動く。

磁気装置に種々の器機系を導入することにより、磁気
装置は毛細管混合装置中で行われる反応のモニターとし
て機能することもできる。驚くべきことに、導入の部で
前に記載したように、有する磁気的動きのために利用可
能な力が寸法と共に低下するという周知の観点から、回
転する磁界の影響力のもとに混合過程が続く際に、回転
し、こわれ、そして再形成する撹拌棒に似た粒子のかた
まりを生ずるように個々の粒子が凝集する場合に効率的
な混合が得られる。

図面の簡単な説明 この明細書の部分を構成する図面に照らして考える場
合、後記の発明の詳細な説明に言及することにより本発
明がよりよく理解されよう。

図１は、本発明の実施において有用な毛細管混合カー
トリッジの一態様の平面図である。

図２は、図１に示す態様の線Ａ−Ａにそって見た断面
図である。

図３（パネルＡ−Ｃ）は、図１の態様の混合カートリ
ッジ及びモニターを用いた本発明の系の一連の３つの図
であり、ここでパネルＡ及びＢは混合操作の間の瞬間的
な図を示し、そしてパネルＣは混合後の直線状磁界によ
りチャンバーのII領域に引かれた粒子を示す。

図４は、系の１つの態様の断面図である。

特定の態様の記載 本発明は、毛細管空間中で液体の機械的撹拌を行うた
めの方法及び装置を提供する。驚くべきことに、粒子の
動きを妨害する摩擦力に対して小粒子を駆動するために
用いることができる力の急速な低下の観察において、複
数の磁気粒子又は磁気的に誘導され得る粒子及び動く磁
界を用いて混合を行うことができる。粒子は、より大き
な混合棒のごとく作用する一時的な凝集体を形成し、回
転する磁界にかけられた場合、粒子は多数の小棒状凝集
体を形成し、この凝集体は同位相で回転する。この棒状
凝集体は生成し、抵抗に合えばくずれ、そして再形成さ
れて、毛細管空間のための予想外に柔軟な且つ効率的な
混合系を提供する。

ここで、毛細管空間は、空間を通して毛細管流を許容
する一定の距離を置いて２つの表面が配置されているあ
る種の物理的装置のチャンバーと考えられる。３つの直
角次元の１つのみが必然的にこの毛細管間隔を有し、残
りの次元は典型的には毛細管間隔より大きい（２つの直
角毛細管次元を有するチャンバーは毛細管チューブであ
ろう）。毛細管空間の最も典型的な例は、適切な距離を
置いて配置された２つの平らな板により形成され、液体
を制限し且つ前記２つの表面のスペーサーとして機能す
る側壁を有する。しかしながら、所望により、空間は単
純な平らな形からずれてもよく、そして有意に波打って
もよく、底表面が近くの上表面より上に見えてもよい。
このようなチャンバー形は、本発明のためには適当で有
るが、撹拌棒又は類似の微細混合子による通常の混合を
許容しないであろう。

水溶液の典型的な毛細管寸法は0.01〜2.0mm、好まし
くは0.05〜1.0mmであり、典型的な非毛管寸法は2mmより
大である。チャンバーの幅及び長さは最大が存在しない
が、それらは典型的には小さい。この様な装置の目的は
通常小容量の液体を混合することだからである。従っ
て、幅は一般に30mm未満であり、しばしば20mm未満であ
り、そして混合チャンバーの長さは類似の寸法である
（しかし、同一の寸法である必要はない。すなわち長円
形又は長方形の形が認められ、そして幾つかの態様にお
いてはむしろ好ましい。） チャンバーに又はそれから導く通路は任意の便利な寸
法であることができ、下に詳細に記載する。ほとんどの
場合、装置への又は装置からの液体のアクセルを可能に
するために、及び流体の流れを得るために毛細管力及び
重力のみに頼りながら、混合チャンバー以外の位置で装
置中の液の追加の取扱を得るために、毛細管通路が設け
られる。この様な通路は、一般にチャンバーと組合わせ
て毛細管通路を形成するが、チャンバーの一部であると
は考えられない。

混合操作を行う多くの小さい磁気的粒子又は磁気的に
誘導され得る粒子が、混合の時に混合チャンバー内に存
在する。粒子は、混合されるべき液体のいずれか中の懸
濁物としてチャンバー中に添加されてもよく、又は液体
が導入されるときにチャンバー内に存在してもよい。好
ましい態様においては、粒子は、混合されるべき１又は
複数の液体中のいずれかの成分と反応する試薬組成物と
一緒に存在する。試薬組成物は、混合チャンバー中に形
成される混合物中に溶解するか又は懸濁されるものであ
る。

粒子の最大長は、混合が行われるチャンバーの長さ及
び幅よりも実質的に短い。典型的には、0.2mm未満の最
大長さを有し、そして必然的に、チャンバーの毛細管間
隔より小さい少なくとも１つの寸法を有する。粒子の最
小長さ又は好ましい形状は存在しないようである。単一
の磁気ドメインより小さい粒子が本発明の混合器内で働
くであろう。典型的な混合粒子の例にはマグネタイト、
ベリウムフェライト、及びポリマーコートに覆われた酸
化鉄流粒子であるいわゆる「マジック粒子」（商標）が
含まれる。他の例示的な粒子には、鉄及び鋼の充填剤が
含まれる。

幾つかのタイプの磁化性粒子が他の目的のために商業
的に入手可能であり、そしてそれらがもともと意図され
た用途ではない本発明の目的のために、それらを単に購
入して使用すればよい。例えば「Magic（商標）」試薬
系は、イムノアッセイのための支持体表面として機能す
るために粒子を使用する測定系であり、この場合は測定
混合物の流体部分から粒子を分離する段階において磁気
特性が使用される。それにも拘らず、それらはここに記
載する混合を提供するためにも使用することができる。
他の材料、例えば鉄充填剤、マグネタイト及びバリウム
フェライトは、磁界の存在を視覚的に示すために適用さ
れる多くの科学供給所から入手することができる。

粒子が永久に磁化されておらず、しかし磁界勾配の影
響のもとに磁気的に誘導される場合に、粒子は最もよく
働くことが見出された。この性質は、粒子が貯蔵され又
は分配される時に粒子の不所望の塊の困難性を克服す
る。好ましい粒子は、＞０の磁気感受性（magneticsusc
eptibility）及び＞１の相対透過性を有する材料として
定義される常磁性体である。粒子は好ましくは、該粒子
が永久に磁性であるために必要な臨界サイズ（これは、
特定の誘導され得る組成物により異る）より小さい。

混合チャンバー中で使用される磁気粒子の体積は好ま
しい混合速度、流体の粘度、及びチャンバーの容積と共
に異るであろう。磁気粒子により占められる典型的な容
積はチャンバーの容積の0.1〜20％、好ましくはチャン
バーの容積の0.5〜10％、そしてさらに好ましくは１〜
４％である。粒子は好ましくは、混合チャンバー中の液
体の密度よりも大きい密度を有する。ほとんどの溶液が
水性であり、そして約1g/mlの密度を有するので、2g/ml
の密度を有する粒子が好ましく、4g/ml以上がさらに好
ましい。粒子が金属であるか又は金属を含有するので、
この様な密度は容易に実現される。１未満の比密度を有
するプラスチック（ポリマー）材料によりコートされた
粒子でも、示された密度をもたらすために適当な厚さと
なるようにそのコートが選択されれば、前記のサイズ範
囲の全体密度を有するであろう。

液体試薬と懸濁した磁性混合粒子との配合物中に、該
試薬の性質を目的の用途に適合するように試薬添加剤を
含めることができる。例えば、赤血球の細胞溶解が望ま
しくない測定のための毛細管チャンバーを通してその通
過の間に全血が試薬と混合されるべき場合には、配合物
のために幾つかの性質が望ましい： 1.試薬の溶解又は混合のいずれか間にも、配合物は血球
を溶解すべきでない。

2.溶解が起こることが可能なように、乾燥配合物は易溶
性であるべきである。

3.配合物は好ましくは、血漿の浸透圧を有意に上昇させ
るべきでない。浸透圧の上昇は赤血球の収縮及びそれに
つづく測定されるべき血漿成分の希釈を生じさせるであ
ろう。

4.添加物は好ましくは、行われるべき化学反応を妨害す
べきでない。

例えば、ウシ血清アルブミンは、試薬組成物に添加さ
れた場合、流れを遅らし、そして再懸濁を増強すること
が示された。ポリエチレングリコール及びシュークロー
スは血液溶解を妨害しそして湿潤性を増強することが示
された。しかしながら、各混合用途はその特定の要求の
ために最適化され得ること、及び配合物の好ましい特性
は分析ごとに異ることが当業者にとって明らかであろ
う。例えば、ヘモグロビンが測定されるべき場合、前記
の例とは逆に、血液溶解は好ましい特性である。いずれ
にしても、特定の試薬配合物の調製は、混合操作自体に
向けられた本発明を修正しないであろう。

本発明の混合装置の作用は、本発明において使用され
る代表的なカートリッジの基本的な構造及び作用を示す
図１〜３に言及することにより容易に理解することがで
きる。図１は典型的な装置の平面図であり、液体不透過
性ハウジング10を示しており、その中に装置の内部チャ
ンバーのすべてが形成されている。この態様において、
ハウジング10中の中央チャンバー20は多数の磁性粒子25
を含有している。装置中に２つの毛細管通路、すなわち
入口通路30及び出口通路40が存在する。ハウジング10の
表面内の入口（50）孔及び出口（60）孔は、液体の流入
及び気体、例えば空気の流出を可能にするために設けら
れており、これがなければ毛細管流れがトラップされそ
して妨害されるであろう。

内部空間の形成は、図２から明らかであり、ここでは
図１の線Ａ−Ａから見た断面図において図１と同じ参照
番号が使用されている。図２において、各内部チャンバ
ーの垂直高さは、装置の内部を通しての毛細管流を提供
するように、毛細管寸法であると見られる。入口通路50
及び出口通路60はハウジング10の上面に現われる。

図４は、その中にチャンバー装置10が挿入される装置
70が配置される、動く磁界を発生されるための手段（電
気モーター100の回転シャフト90に磁石80が取り付けら
れている）を含む本発明の系を示す。チャンバー後通路
（post−chamber passageway）においてチャンバー装置
を観察するように向けられた光学検出装置110が示され
る。図４において、矢印120で示されるように混合装置
の移動により収集が提供される。装置のスロットへのチ
ャンバー装置の挿入が、チャンバー装置を適当な方向に
維持するための手段を提供する。

図３は混合操作を示す。混合が行われる前に粒子が存
在する場合、これらは典型的には図１に示すようにチャ
ンバー20にわたって不規則に分布している。あるいは、
混合されるべき成分の１つと共に粒子を導入することも
できる。磁界が存在する場合、粒子は磁界ベクターにそ
って配列する。しかしながら、磁界の動きが無い限り粒
子の動き又は凝集は存在しない。図３のパネルＡ及びＢ
は回転する磁界を用いての混合操作の中間における瞬間
的な状態を示し、ここでは25′に示されるように凝集ク
ラスターが形成されて線状凝集となる。凝集体のそれぞ
れは、回転する磁界の存在下でそれ自体の中心軸に対し
て回転し、そしてパネルＡ及びＢ中の凝集体の数及びサ
イズを比較することによってわかる通り（パネルＢにお
いて少数のしかし大きなクラスターが存在し、混合の時
間と共にこうなる傾向がある）、凝集体は混合操作の過
程で自由にぐずれ、そして再形成する。さらに、凝集体
は混合チャンバーを運行し、それらの回転中心は時間と
共に動く。従って、回転する凝集体は、それらが回転す
る際にチャンバーを廻って「歩き」、チャンバーの全領
域を掃きそして完全な混合を保証する。従って、混合チ
ャンバー中又は混合されるべき液体もしくは試薬中の不
規則性の存在は適当な混合を妨害しない。なぜなら、凝
集体はいかなる特定の位置においても抵抗に遭遇した際
にくずれそして再形成し、均一な混合物が得られるまで
不規則性のふちにおいてそれらの回転を維持するからで
ある。

形成する凝集体は必ずしも直線状ではないことに注目
すべきである。他の形、例えば曲ったもの及び渦も生ず
る。凝集体の形状は回転速度、及び混合されるべき液体
の粘度により決定されるようである。

パネルＣは凝集体の有用な特徴を示す。なぜなら、回
転する磁界が止まり、そして線状勾配磁界が粒子に適用
されるときそれらはくずれ、そして個々の粒子は集めら
れるからである。例えば、この性質を用いて磁性粒子を
集め、混合された液体が出口毛細管通路を横切ってハウ
ジング中の他の場所に行くことができ、粒子はその位置
に運ばれないからである。集められた粒子の動きの他の
有用な観点を下に検討する。

この発明の系例えば液体サンプルを輸送しそして分析
するために毛細管通路を用いる装置において使用される
多数の個々の成分は本発明の承継人の研究室において開
発されており、そして他の米国特許及び現在係属中の出
願の対象となっている。すでに知られている系の成分
を、当業者が本発明を実施することができるように十分
に詳細に下に説明する。背景情報及び多くの追加の詳細
が前記の特許及び特許出願に記載されており、これらは
系のこれらの個々の観点を記載しており、引用によりこ
の明細書に組み入れる。

この系は典型的には一回使用の使い捨ての分析カート
リッジを含んで成り、最もししば、これらは、種々のチ
ャンネル又はチャンバーを含む２個以上のプラスチック
片（通常、射出成形により製造される）を溶接すること
により作られ、サンプルの動きは必然的ではないが典型
的には毛細管力によって提供される。カートリッジは、
複数の毛細管通路中でサンプルを混合することができる
複数のチャンバー、単一通路中の複数のチャンバー、又
は単一の毛細管通路中の唯１つのチャンバーを含むこと
ができる。毛細管通路は（混合チャンバーに加えて）通
路にサンプルを入れるためのサンプル入口、サンプルの
流れと含有を提供するための毛細管セクション、及び毛
細管流が行われるようにトラップされた空気がにげるこ
とを可能にするための排気口を含んで成る。幾つかの場
合、複数の毛細管通路は共通のサンプル入口を用い、他
の場合には別々の入口を有する完全に別々の通路が提供
される。

毛細管セクションは一般に、異る機能、例えばサンプ
ルの流れ、試薬の溶解、結果の分析、適切な作動の確
認、又は空気の排気、を提供する幾つかのサブセクショ
ンに分けられる。これらのセクションの幾何形状はそれ
らの目的により異る。例えば、試薬の溶解及び／又は混
合は一般に、大きな表面を提供する広い毛細管チャンバ
ー中で行われ、この大きな表面に試薬を適用することが
でき、そしてサンプルによる接触の際にその表面から急
速に再懸濁又は溶解する。本発明において、少なくとも
１つの、必然的ではないがすべての混合チャンバーは、
磁性粒子を含有し、そしてこの明細書に記載されるよう
にして使用されるであろう。サンプルの流れは通常、毛
細管チャンネルの寸法及び所与のカートリッジ中での使
用が意図されるサンプルの物理的性質により制御され
る。毛細管通路の分析サブセクション及び証明サブセク
ション並びに種々のチャンバーは、使用される検出系と
協働する形状、例えば目的とする結果に依存して光が分
散され、集中され、又は影響を受けないように毛細管通
路の壁を通る光と協働する平らな又は曲った表面を有す
る。これらの要素を有する毛細管流れ装置の追加の記載
については、米国特許No.4,756,884及び1987年２月17日
出願の米国特許出願No.016,506、並びに米国特許No.5,0
39,617を参照のこと。

毛細管通路にサンプルが入るのに先立って、カートリ
ッジに入る液体を毛細管通路中で又は入口において修飾
して、サンプル特定の分析のためによりよく適合するよ
うにすることができる。例えば、血漿を提供するために
血液を濾過し、又は均一な溶解した媒体を提供するため
に血液を溶解（lysis）することができる。毛細管通路
中での赤血球の濾過は米国特許No.4,753,776に記載され
ている。赤血球を溶解する薬剤（後で詳細に検討する）
を含有する多孔性ディスクを通すことによりサンプルを
細胞溶解することができる。次に「細胞溶解物」（ライ
セート）を、個々の分析のために１又は複数の毛細管通
路に分配する。

測定系はまた、少なくとも１つの、そして通常はより
多くの測定を同時に読み取ることができるモニター（分
析装置）を含んで成る。従って、モニターは検出系を含
んで成り、そしてさらに系のいかなる不調も検出するた
めの検証系（そのそれぞれは、検出器中の異るソフトウ
エアーもしくはハードウエアーを用いて使用される検出
系であることができ、又はモニター中の種々の位置にお
ける別個の系であることもできる）をさらに含むことが
できる。単一の分析を行うためのモニターが、米国特許
No.4,756,884、1987年２月17日出願の米国特許No.016,5
06,及び1989年４月20日出願の米国特許出願No.341,079
に記載されている。さらに、毛細管通路中の粒子の凝集
を検出するためのモニターにおいて使用することができ
る検出系については、米国特許No.4,829,011を参照のこ
と。これらのモニターは、単純な機械的な永久磁石又は
機械的にもしくは電気的に生ずる電磁石であることがで
きる磁界発生器を単に含めることにより、本発明におけ
る使用のために容易に適合させることができる。動きは
通常、磁石を動かすことにより提供されるが、しかし動
く電磁界を電気機械的に（例えば電気モーターにおける
ように）、又は複数の電磁要素の電気的もしくは電子的
スイッチングにより発生させることもできる。

混合されたサンプル中の特定の分析対称の存在、不存
在又は量を検出するために使用される場合、適当な分析
系及び検証系を有するモニターが提供される。装置に挿
入されたカートリッジ中で分析が正しく行われたか否か
を決定するために使用することができる多数の系につい
ては、1989年４月13日出願の米国特許出願No.337,286を
参照のこと。

１又は複数の分析対称のために使用することができる
他のモニター系及び多数のタイプの使い捨てカートリッ
ジが、米出願の出願人に承継された米国特許No.4,756,8
84に開示されている。他の装置及び技法は米国特許No.
4,946,795、No.5,077,017、及びNo.4,820,647に記載さ
れている。

所望により、あらかじめ定められた位置（そこで流れ
が停止し、次にさらなる分析のために他のチャンバーに
流れる）において混合が起こることを可能にする流れ停
止接合部を含む毛細管通路中で混合操作を行うことがで
きる。「流れ停止接合部」なる用語は、本発明者の研究
室から出た従来の多くの発明において、又は他の研究室
において使用されている、毛細管通路中の制御領域を意
味する（例えば、米国特許No.3,799,742及びNo.4,946,7
65、並びに1991年３月１日出願の米国特許出願No.07/66
3,217を参照のこと）。流れ停止点は、毛細管作用（及
び場合によっては重力）によってサンプルが流れる流路
の先の部分と、外力、例えば使用者の動きにより流れが
開始されるまで通常はサンプルが流れない流路中の後の
部分との間の連結部を示す流路中の領域である。例え
ば、混合操作を行いながら流れを停止するために流れ停
止接合部を使用することができる。十分な混合が生じた
時、流れが開始され、装置の内部毛細管通路にさらにそ
った位置で、他の操作、例えば測定操作を行うことがで
きる。多くの流れ停止接合部が、米国特許No.4,868,129
及びNo.5,077,017、並びに1989年４月13日出願の米国特
許出願No.07/337,286、及び1991年３月１日出願の米国
特許出願No.07/663,217に記載されている。

本発明のすべての装置が流れ停止接合部を必要とする
わけではない。例えば、毛細管通路の最後のチャンバー
中で混合を行うことができる。磁性粒子の非存在下でサ
ンプルを光学的に試験する必要がある場合、混合の後、
磁界により付与される直線的な動きを用いて粒子をチャ
ンバーの１つの側部に引きよせることができる。あるい
は、すでに引用した特許及び特許出願（特に、米国特許
No.4,233,029及びNo.4,618,476）に記載されているよう
に、流れ障害を提供することにより種々に毛細管流路の
適切なサイズ調節により、装置を通っての毛細管流れを
停止させるのではむしろ遅くすることができる。さら
に、毛細管流路表面の表面エネルギー特性を用いて流れ
を遅くすることができる。例えばサンプルが水性である
場合、表面をより疎水性にすることにより流速が低下す
るであろう。

磁性粒子の単純な移動以外の目的で直線磁界勾配を用
いることができる。例えば、磁界勾配の発生及び動き並
びにその結果としての磁性粒子の動きを用いて、適当な
方向を選択することにより、流れ停止障害を克服しそし
て装置の他の部分への毛細管流の継続を可能にする開始
刺激を提供することができる。この様な操作において
は、粒子は典型的には混合チャンバーへの入口近くに集
まり、そして次に流れ停止接合部を含む出口通路の方向
に急速に動くであろう。流体に付与される圧力が毛細管
流れを再開し、そして粒子は、それらが混合チャンバー
への出口に達する前に止められ、こうして粒子が通路に
そってさらに通過するのが防止されるであろう。

装置の作動のために必要な磁界は、磁界を発生させる
ために今日使用されている任意の方法によって発生させ
ることができる（前記参照のこと）。回転する際、磁界
は理想的には混合チャンバー全体にわたるべきである
が、しかし磁界は粒子を動かすために十分な強さと勾配
を有すること以外に特別な限定を有しない。十分な作動
をもたらす磁界の強さは経験的に容易に決定することが
でき、そして一般に粒子から0.01〜10cm、好ましくは0.
3〜4cmに位置する永久磁石により与えられるオーダーの
ものである。所望の速度の混合をもたらすこと以外に、
連動速度の下限に限界は存在しないようである。非常に
遅い動きでも最終的には完全な混合をもたらす。ほとん
どの診断系のために有用な時間内に混合を確実にするで
あろう回転する磁界の好ましい回転速度は、10〜5,000
回／分（rpm）、さらに好ましくは400〜3,000rpm、そし
て最も好ましくは約1,000rpmである。回転する磁界の軸
が、混合が行われているチャンバーの幾何学中心を通る
必要はない。回転する磁界の軸が混合チャンバーを通っ
ていない場合でも満足すべき混合が生じ得る。しかしな
がら、好ましい態様においては、回転する磁界の軸は混
合チャンバーを通る。好ましい回転の動きを提供するた
めに、回転する永久磁石、電磁石、又は電子的に発生さ
せた回転磁界を用いることができる。

粒子に直線的動きを付与する直線磁界勾配を発生させ
るため、回転操作のために使用されるのと同じタイプの
磁界発生器を用いることができる。例えば、機械的操作
により永久磁石を規則的に又は不規則的に直線的に動か
すことができる。あるいは、粒子の直線的動きのため
に、混合チャンバーの近くの一連の隣接する位置におい
て発生した電磁石を用いることができる。

本発明の典型的な混合系は少なくとも、チャンバー装
置であってその種々の毛細管通路、チャンバー及び磁性
粒子を有するもの、並びに回転する磁界を発生させる装
置を含む磁気装置を有する。これら２つの部分は、チャ
ンバー装置が、チャンバーに対して適切に方向付けられ
た任意の分析検出器及び磁界を有する磁気装置に保持さ
れるように設計される。チャンバー装置及び電磁装置の
形状について全体として特別の制限は存在せず、そして
磁界発生器の適当な設計は、チャンバー装置及びモニタ
ーの全体の設計の中で比較的ささいなことである。

本発明がここに一般的に記載されたが、これは次の詳
細な実施例によりより十分に記載されよう。これは説明
のためのものであり、本発明を限定するものと考えては
ならない。

実施例 実施例1.カートリッジの調製 深さ0.012″及び直径0.28″の円形の試薬混合チャン
バーを0.06″の厚さのABCプラスチックに作り込んだ。
幅0.06″及び深さ0.012″の毛細管通路を、直径0.18″
を有する円形適用部位から前記チャンバーに導いた。前
記チャンバーの反対側の幅及び深さがともに0.01″の第
二の毛細管通路が、チャンバーを出る流体の流路を提供
した。第二の0.06″の厚さのABCプラスチックの平らな
片を前記第一の片に超音波溶接して装置を完成させた。

実施例2.混合装置 ２個の小さい永久磁石を小形の電気モーターの軸に取
り付けた。磁石は0.2×0.2×0.25インチであり、長軸に
平行に磁化されており、ネオダイミウム／鉄／珪素から
作られており、35M Gauss−Oerstedのピークエネルギー
を有していた。これらを0.6インチ離して対称的に取り
付け（中心−中心）、これらの磁軸を回転軸と平行に
し、そしてそれらの極を反対に向けた。この装置をカー
トリッジの下0.06インチに置き、回転軸を混合チャンバ
ーの中心に向けた。回転速度は1200rpmであった。混合
実験において、カートリッジを、混合機に記録した平ら
な段階においた。

実施例3.磁気的に誘導され得る粒子型 選択規準は次の通りであった。

１）入手可能な磁石を用いて、１分間以内に、毛細管空
間中で血液を試薬と混合する能力。

２）均一な分散体として動かされる能力。

３）血液溶解活性を有しないこと。

表１は、評価された材料の性質及び上記規準による試
験結果を記載する。表１からわかるように、マグネタイ
トがすべての予備的選択規準を満足させ、Magic（商
標）粒子より強力に混合することができ、そしてバリウ
ムフェライトより血液溶解性が低かった。Magic粒子
（比密度2.5）のわずかな部分のみが酸化鉄であり、残
りは磁気的に不活性なポリマー被覆であったので、混合
効率は粒子の磁性材料の含量に関連した。これに対し
て、マグネタイトは5.2の比密度を有し、そしてバリウ
ムフェライトは5.4の比密度を有していた。

実施例4.マグネタイトを用いた混合 マグネタイトを毛細管空間中の水性媒体に懸濁し、近
くにおいた（＜2mm）強力な永久磁石からの磁界に暴露
した場合、粒子はクラスターを形成して長さ数mm以下の
凝集体となった。前記のようにして回転装置上に磁石を
取り付けた時のように磁界を動かした時、マグネタイト
粒子は凝集し、そして磁石の動きに従って多cm/分まで
の速度で動いた。この動きは、チャンバーの容積の数％
に相当する量のマグネタイトが使用された場合、懸濁媒
体の混合を生じさせるのに全く十分であった。凝集体
は、それらが抵抗に遭遇すればくずれ、そして再形成す
る。従って、それらは不規則な形状の空間においても使
用することができる。粒子が一旦動きを止めれば、毛細
管空間中に連続する動きは存在しない（撹拌されたビー
カー内で生ずることと異る）ことが確認された。従っ
て、粒子の動きにより直接掃かれる領域のみが混合され
る。

一般に、他のサンプルは異る最適特性を要求するであ
ろう（例えば非−血液サンプルは血球溶解性に対して無
関心である）から、本発明において有用な粒子のタイプ
に限定が設けられるべきではない。

実施例5.混合の証明１ 試薬チャンバーの寸法が深さ0.003″で長円が0.12″
×0.24×である空の測定カートリッジ（Ciba Corning D
iagnostics ＃473707）の長円形毛細管試薬チャンバー
に、5.5μｌの0.5mMのクロロフェノールレッド色素（Al
drich 19,952−４）を1.25容量％のマグネタイト粒子
（Johnson Matthey,Electronics ＃12374）と共に導入
し、次に5.5μｌの水を導入した。色素の分布を、カー
トリッジに対して動かされる小読窓（0.125″直径）を
有する黒色マスクを通して吸光値を読み取ることにより
決定した。最初に、ほとんどすべての色素溶液はチャン
バーの一端にあった。マグネチックスターラー（Cornin
g,PC−353）により30秒間マグネタイトを動かすことに
より色素と水を混合した。再び吸光度により測定された
色素の分布は、長円形の全体にわたって完全に均一であ
った。

吸光度（580nm−520nm）×1000 セクション 混合前 混合後 １ 291 58 ２ 140 156 ３ 183 156 ４ 221 155 ５ 244 155 ６ 251 157 実施例6.混合の証明２ 血液サンプルを適用するための孔を有し、深さ0.01
2″で直径0.28″を有し、深さ0.012″で幅0.06″の毛細
管通路により伸ばされた毛細管カートリッジを調製し
た。マグネタイト粒子（Johnson Matthey Electronics
＃12374）の懸濁液を、血漿からLDL−コレステロールを
沈澱せしめるための成分を含んで成る試薬中に調製し
た： 80μｌ LDL沈澱試薬（Ciba Corning Diagnostics 2
36141） 520μｌ 水 6mg ウシ血清アルブミン（シグマＡ−7030） 48mg プロピレングリコール（Baker U221−８） 82mg 酸化鉄（Johnson Matthey Electronics ＃1
2374） マグネタイトの最終濃度は2.7容量％であった。この
懸濁液４μｌをチャンバーの上表面にぬり付け、そして
乾燥した。

既知濃度の全コレステロール及びHDL−コレステロー
ルを含有する血液サンプルを被験サンプルとして用い
た。サンプルを、混合が行われる混合部位に流した。次
に血液を測定部位に続け、そこでHDL−コレステロール
を測定した。残ったHDL−コレステロールを下流で、乾
燥化学反射系において測定した。貧弱な混合により生ず
る沈澱した試薬の正しくない濃度がLDLの下沈澱及びHDL
の部分的沈澱をもたらした。測定結果をK/S値として表
２に示す。これは分析対称の濃度と直線的に関連する。
K/Sが（１−R²）2Rとして定義されるとき、K/Sは、測定
反応が行われる膜の反射率Ｒから計算される。

K/SとHDL−コレステロールとの相関（Ｒ＝0.99）、及
びもとのサンプルにおける測定されたK/S値と全コレス
テロールとの相関の不存在（Ｒ＝0.18）は、沈澱試薬が
血液サンプルとよく混合されることを示している。

実施例7.混合の証明３ 証明２におけるようにしたが、混合チャンバーの出口
における毛細管表面をひっかくことによりカートリッジ
を変えた。血液が毛細管混合チャンバーに入るとすぐに
混合が始まった。サンプルがひっかきを横ぎって混合さ
れた時流れが遅くなり、混合のための十分な時間が与え
られた。結果を表３に示す。

やはり、K/SとHDL−コレステロールとの相関（Ｒ＝9
8）は、沈澱試薬が血液サンプルとよく混合されたこと
を示した。

この明細書において引用されたすべての公表及び特許
出願は、各個々の公表又は特許出願が特定的に且つ個々
に引用により組み入れられるごとく、引用によりこの明
細書に組み入れられる。

前記の発明は理解を明確にする目的で説明及び実施例
により幾分詳細に記載したが、本発明の教示に照らし
て、添付された請求の範囲の本質又は範囲を逸脱するこ
となく幾らかの変更を行うことができることは、当業者
にとって明らかであろう。

本発明を要約すれば次の通りである。

1.毛細管チャンバー中で混合を行うことができる装置で
あって、 a.i.液体不浸透性ハウジング、 ii.1つの次元において毛細管間隔を有しそして他の次
元において非−毛細管間隔を有する、前記ハウジング中
のチャンバー、 iii.前記チャンバー中の、複数の磁性粒子又は磁気的
に誘導され得る粒子を含んで成るチャンバー装置；並び
に b.i.動く磁界を発生させるための手段、及び ii.前記動く磁界が、混合を行うのに十分な距離にわ
たって前記チャンバー中で前記粒子を動かすような方向
で、前記装置を保持するための手段、 を含んで成る磁気装置； を有する系。

2.前記チャンバー装置において、前記チャンバーが毛細
管通路の一部分であり、該毛細管通路が、前記ハウジン
グの表面にある入口、該入口から前記毛細管チャンバー
に導く前チャンバー通路、及び排気口であって、前記チ
ャンバーに位置するか又は該ベントを前記チャンバーに
連結するチャンバー後通路に位置するもの、を含んで成
る、１項に記載の系。

3.前記磁気装置が、前記チャンバー後通路中の位置にお
いて前記チャンバー装置を観察するように方向付けられ
た光学検出系をさらに含んで成る、１項に記載の系。

4.前記磁気装置が、前記粒子に回転の動きを付与する磁
界を発生させるための手段を含んで成る、１項に記載の
系。

5.前記磁気装置が、前記粒子に直線的な動きを付与する
磁界を発生させるための手段を含んで成る、１項に記載
の系。

6.前記磁気装置が、前記粒子を前記毛細管チャンバーの
サブ−領域に、前記磁界をして集めさせるための収集手
段を含んで成る、５項に記載の系。

7.前記チャンバー装置が流れ停止接合部をさらに含んで
成り、該流れ停止接合部は、前記チャンバー中の液体が
毛細管力及び重力のみを影響下にあるときに該流れ停止
接合部の後で該液体の流れを止め、そして該流れ停止接
合部の後で前記毛細管通路中で液体を流すように前記直
線的動きが選択される、６項に記載の系。

8.毛細管混合装置であって、 a.液体不透過性ハウジング； b.i.1つの次元において毛細管間隔を有し、そして他の
次元において非−毛細管間隔を有する、前記ハウジング
中のチャンバー、及び ii.前記チャンバーに連結された、前記ハウジング中
の第一及び第二毛細管通路；並びに c.前記チャンバー中の複数の磁性粒子又は磁気的に誘導
され得る粒子； を有する装置。

9.実質上すべての前記粒子が、磁気領域よりも小さい、
８項に記載の装置。

10.前記毛細管間隔が0.01〜2mmである、８項に記載の装
置。

11.前記粒子が前記チャンバーの容積の１〜５％を占め
る、８項に記載の装置。

12.前記粒子が少なくとも4g/ccの密度を有する、８項に
記載の装置。

13.前記粒子が、ポリマーコート中にマグネタイトを含
んで成る、８項に記載の装置。

14.前記粒子がマグネタイト又はバリウムフェライトか
ら実質上成る、８項に記載の装置。

15.毛細管チャンバー中での混合方法であって、 a.i.液体不浸透性ハウジング、 ii.1つの次元において毛細管間隔を有し、そして他の
次元において非−毛細管間隔を有する、前記ハウジング
中のチャンバー、 iii.前記チャンバー中の複数の磁性粒子又は磁気的に
誘導され得る粒子、を含んで成る混合装置、混合される
べき液体を加え；そして b.前記チャンバー中に回転する磁界を発生せしめる； ことを含んで成る方法。

16.前記磁界を400〜3000rpmの角速度で回転せしめる、1
5項に記載の方法。

17.永久磁石を物理的に回転せしめることにより、前記
磁界を発生せしめる、15項に記載の方法。

18.前記回転する磁界の軸が前記チャンバーを通る、15
項に記載の方法。

19.前記粒子が、混合されるべき液体の添加に先立って
前記毛細管チャンバー内に存在する、15項に記載の方
法。

20.前記粒子が、前記液体に可溶性又は分散性の試薬組
成物中に存在する、19項に記載の方法。

21.前記粒子を、前記毛細管チャンバー中で混合される
べき液体と同時に前記チャンバー中に導入する、15項に
記載の方法。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−241539（ＪＰ，Ａ) 特公 昭57−11414（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B01F 13/08 G01N 1/38 G01N 33/48 - 33/98

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】毛細管チャンバー中で混合を行うことがで
   きる装置であって、 a.i.液体不浸透性ハウジング、 ii.1つの次元において毛細管間隔を有しそして他の次元
   において非−毛細管間隔を有する、前記ハウジング中の
   チャンバー、 iii.前記チャンバー中の、複数の磁性粒子又は磁気的に
   誘導され得る粒子を含んで成るチャンバー装置；並びに b.i.動く磁界を発生させるための手段、及び ii.前記動く磁界が、混合を行うのに十分な距離にわた
   って前記チャンバー中で動く一時的凝集体を前記粒子が
   形成するような方向で、前記装置を保持するための手
   段、 を含んで成る磁気装置； を有する装置。
2. 【請求項２】前記チャンバー装置において、前記チャン
   バーが毛細管通路の一部分であり、該毛細管通路が、前
   記ハウジングの表面にある入口、該入口から前記毛細管
   チャンバーに導く前チャンバー通路、及び排気口であっ
   て、前記チャンバーに位置するか又は該ベントを前記チ
   ャンバーに連結するチャンバー後通路に位置するもの、
   を含んで成る、１項に記載の装置。
3. 【請求項３】前記磁気装置が、前記チャンバー後通路中
   の位置において前記チャンバー装置を観察するように方
   向付けられた光学検出系をさらに含んで成る、１項に記
   載の装置。
4. 【請求項４】前記磁気装置が、前記粒子に回転の動きを
   付与する磁界を発生させるための手段を含んで成る、１
   項に記載の装置。
5. 【請求項５】前記磁気装置が、前記粒子に直線的な動き
   を付与する磁界を発生させるための手段を含んで成る、
   １項に記載の装置。
6. 【請求項６】前記磁気装置が、前記粒子を前記毛細管チ
   ャンバーのサブ−領域に、前記磁界をして集めさせるた
   めの収集手段を含んで成る、５項に記載の装置。
7. 【請求項７】前記チャンバー装置が流れ停止接合部をさ
   らに含んで成り、該流れ停止接合部は、前記チャンバー
   中の液体が毛細管力及び重力のみの影響下にあるときに
   該流れ停止接合部の後で該液体の流れを止め、そして該
   流れ停止接合部の後で前記毛細管通路中で液体を流すよ
   うに前記直線的動きが選択される、６項に記載の装置。