JP3135057B2 - 毛管混合装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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。

【０００２】

【従来の技術】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。

【０００３】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。この物理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。

【０００４】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。

【０００５】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
イノルズ数（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
に十分な混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。

【０００６】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に低下したレイノルズ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。

【０００７】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。

【０００８】「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No.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.4,233,029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。

【０００９】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.4,426,451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.5,077,017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。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】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。

【００１１】

【課題を解決するための手段】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。

【００１２】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、気体が装置から排気され得る。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。

【００１３】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。

【００１４】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。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。

【００１５】

【発明の実施の形態】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。

【００１６】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。

【００１７】水溶液の典型的な毛細管寸法は0.01〜2.0m
m 、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20
mm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。）

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】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液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。

【００２２】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(magne
tic susceptibility）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。

【００２３】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。

【００２４】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
しての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：

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】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くずれ、
そして再形成する。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】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、最もしばしば、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。

【００３６】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。

【００３７】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。

【００３８】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.5,039,617を参照の
こと。

【００３９】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、サンプルが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.4,75
3,776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。

【００４０】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
出願No.016,506、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。

【００４１】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。

【００４２】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.4,756,884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。

【００４３】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.4,946,795、並びに1991年３月１日出願の米国特許
出願No. 07／663,217 を参照のこと）。

【００４４】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.5,07
7,017、並びに1989年４月13日出願の米国特許出願No. 0
7／337,286 、及び1991年３月１日出願の米国特許出願N
o. 07／663,217 に記載されている。

【００４５】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る種々の
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なく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。

【００４６】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。

【００４７】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。

【００４８】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 4
00〜3,000rpm、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。

【００４９】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。

【００５０】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。

【００５１】

【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。

【００５２】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。

【００５３】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。

【００５４】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、Ma
gic(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。

【００５５】

【表１】

【００５６】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。

【００５７】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。

【００５８】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 Dia
gnostics #473707）の長円形毛細管試薬チャンバーに、
5.5μｌの 0.5mMクロロフェノールレッド色素(Aldrich
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(Corning, 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。

【００５９】

【表２】

【００６０】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 0.012″
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 #123
74）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：

【００６１】80μｌ LDL沈澱試薬 (Ciba Corning D
iagnostics 236141) 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 #123
74） 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。

【００６２】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３に示す。これは分析対象の濃度と直線的
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。

【００６３】

【表３】

【００６４】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。

【００６５】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４に示す。

【００６６】

【表４】

【００６７】やはり、Ｋ／Ｓと HDL−コレステロールと
の相関（Ｒ＝98）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。

【図面の簡単な説明】

【図１】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】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】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】図４は、系の１つの態様の断面図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジボンス，イアン アメリカ合衆国，カリフォルニア 94028，ポートラバレー，ラ メサ ド ライブ 831 (56)参考文献 特開 昭62−241539（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−28559（ＪＰ，Ａ) 特公 昭57−11414（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B01F 13/08 G01N 33/48 - 33/98

Claims (14)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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。
2. 【請求項２】 実質上すべての前記粒子が、磁気領域よ
   りも小さい、請求項１に記載の装置。
3. 【請求項３】 前記毛細管間隔が0.01〜２mmである、請
   求項１又は２に記載の装置。
4. 【請求項４】 前記粒子が前記チャンバーの容積の１〜
   ５％を占める、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装
   置。
5. 【請求項５】 前記粒子が少なくとも４ｇ／ccの密度を
   有する、請求項１に記載の装置。
6. 【請求項６】 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、請求項１〜５のいずれか１項に記
   載の装置。
7. 【請求項７】 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、請求項１〜５のいずれか１項
   に記載の装置。
8. 【請求項８】 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。
9. 【請求項９】 前記磁界を 400〜3000rpm の角速度で回
   転せしめる、請求項８に記載の方法。
10. 【請求項１０】 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、請求項８又は９に記
    載の方法。
11. 【請求項１１】 前記回転する磁界の軸が前記チャンバ
    ーを通る、８〜10のいずれか１項に記載の方法。
12. 【請求項１２】 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、請求
    項８〜11のいずれか１項に記載の方法。
13. 【請求項１３】 前記粒子が、液体に可溶性又は分散性
    の試薬組成物中に存在する、請求項８〜11のいずれか１
    項に記載の方法。
14. 【請求項１４】 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、請求項８〜11のいずれか１項に記載の方法。