JP5178224B2 - 分析用デバイスおよびこれを使用する分析装置 - Google Patents

Description

本発明は一般に、種々の生物学的及び化学的組成物の分析に適用されるような多項目生体液分析装置（マルチバイオセンサ）の分野に関する。より具体的には、印加される遠心力および通路の表面特性や液体の表面張力によって生じる毛細管力を利用して液体の計量と移送を行い、分析を実施する分析用デバイスと分析装置に関する。

従来、試料液を内部に収集した分析用デバイスを用い、この分析用デバイスをその軸中心周りに回転させながら、前記試料液の特性を分析する分析装置が実用化されている。
近年、試料液の少量化、装置の小型化、短時間測定、多項目同時測定など、市場からの要求も多く、血液等の試料液をいろいろな分析試薬と反応させ、その混合物を検出し、短時間で各種病気の進行度合いを検査できるより高精度の分析装置が望まれている。

図９は毛細管計量セグメント及び親水性ストッパを含む従来の分析用デバイスである。
この分析用デバイスは、雰囲気中に通じる空気孔Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４と、試料溜めＲ１，Ｒ２，Ｒ３と、毛細管で形成される計量セグメントＬと、親水性ストッパＳ１で構成されている。

計量セグメントＬは、分析精度が改善されるよう正確な量の液体試料が計量分配されることを保証する。試料溜めＲ１に注入された液体試料は、試料溜めＲ１から毛細管力によって計量セグメントＬを流れ、Ｕ字形の計量セグメントＬを満たす。

計量セグメントＬの両端は空気孔Ｖ１，Ｖ２を介して大気雰囲気に通じている。試料液体は、毛細管力によって親水性ストッパＳ１のところまで動くが、計量セグメントＬと親水性ストッパＳ１の接続部で停止する。

これは、計量セグメントＬの幅より親水性ストッパＳ１の幅が広い構造にすることにより、液体試料が親水性ストッパＳ１の壁面に触れることができないことにより、毛細管力が停止してしまうためである。

この分析用デバイスが回転プラットフォームに配置され、親水性ストッパＳ１の抵抗に打ち勝つのに十分な速度で回転させると、計量セグメントＬに含まれた液体はストッパＳ１を通過し、遠心力と毛細管力によって試薬溜めＲ２に入る。試料液体が遠心力によって親水性ストッパＳ１を通過するとき、空気孔Ｖ１，Ｖ２から空気が入り、それにより計量セグメントＬの液柱の長さ、ひいては試薬溜めＲ２に送られる試料の量を決定する。

試料溜めＲ２の下方には、さらなる試薬溜めＲ３があり、ここでは、試料液体と反応したり、後の分析に備えて試料液体を準備するために使用したりすることができる。試料溜めＲ２に注入された液体は遠心力によって試料溜めＲ２から試料溜めＲ３まで移動する。
特表２００５−５１８５３１号公報（図２）

しかしながら、前記従来の構成では、計量セグメントＬの親水面を伝って試料液体が移動する時に、計量セグメントＬと親水性ストッパＳ１の接続部において試料液体が完全に停止しないため、試料液体の一部が親水性ストッパＳ１に溢流してしまい、計量セグメントＬで正確な計量ができないという課題を有している。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、毛細管力による液体の流れを精度よく停止させることのできる分析用デバイスを提供することを目的とする。

本発明の請求項１記載の分析用デバイスは、毛細管流路で構成されて分析する試料液を定量だけ計量する試料計量部と、前記試料計量部に接続され前記試料計量部で計量された定量の試料液を受け入れて試薬と反応させる受容部とを有したマイクロチャネルを設けた分析用デバイスであって、前記試料計量部の前記受容部との接続部の毛細管流路が前記受容部に向かって広くなるよう傾斜面を形成していることを特徴とする。

本発明の請求項２記載の分析用デバイスは、請求項１において、前記試料計量部と前記受容部の接続面における前記試料計量部の高さと前記受容部の高さは、前記試料計量部の高さより前記受容部の高さが高いことを特徴とする。

本発明の請求項３記載の分析用デバイスは、請求項１において、前記試料計量部と前記受容部の壁面の一部或いは全ての壁面に、親水性処理が施されていることを特徴とする。
本発明の請求項４記載の分析用デバイスは、請求項１において、前記マイクロチャネルにおける前記傾斜面と対向する面に前記親水処理を施したことを特徴とする。

本発明の請求項５記載の分析装置は、請求項１に記載の分析用デバイスがセットされる回転盤と、前記回転盤を回転駆動する回転駆動手段と、前記試料計量部で計量された定量の試料液を前記回転盤の回転によって発生する遠心力により前記受容部に移送するよう前記回転駆動手段を制御する制御手段とを設けたことを特徴とする。

本発明の請求項６記載の分析装置は、請求項５において、前記制御手段を、前記受容部における反応物にアクセスして読み取りを実行するよりも前に前記回転盤を時計方向と反時計方向に交互に揺動して前記受容部に設置される試薬と前記試料液を攪拌するように構成したことを特徴とする。

この構成によれば、流路形状によって毛細管力による液体の流れを精度よく制御することができ、毛細管による正確な計量を行うことができる。

以下に、本発明の各実施の形態を図１〜図８に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１〜図５は本発明の実施の形態１の分析用デバイスを示す。

図１は本発明の分析用デバイス１０４を分解した拡大図で、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）は本発明の分析用デバイス１０４の平面図と断面図および注入口２０６ａからみた正面図である。

分析用デバイス１０４は、凹部が形成された板厚が１ｍｍ〜７ｍｍのベース基板２０３と、ベース基板２０３に張り合わされる板厚が１ｍｍ〜７ｍｍのカバー基板２０４とで構成されている。例えば、ベース基板２０３とカバー基板２０４は何れも透明基材で構成されている。

接着剤で張り合わされたベース基板２０３とカバー基板２０４の間には、マイクロチャネル１０５が形成されている。マイクロチャネル１０５は、毛細管流路で構成されて分析する試料液を定量だけ計量する試料計量部２０１と、試料計量部２０１に接続され試料計量部２０１で計量された定量の試料液を受け入れて試薬と反応させる受容部２０２とを有している。具体的には、受容部２０２に試料液が移動した際に、すぐに反応するように受容部２０２には試薬が収容されている。この試薬は、固形の試薬であったり、壁面に塗布されたものであったりしてもよい。例えば、試薬としては、グルコース測定のためのグルコースオキシターゼ、グルコースデヒドロゲナーゼや、コレステロール測定のためのコレステロールエステラーゼ、コレステロールハイドロゲナーゼなどが用いられる。

試料計量部２０１の一端の試料採取部２０６には注入口２０６ａが形成され、試料計量部２０１の他端が受容部２０２に接続されている。試料採取部２０６の形状は、幅Ｗｃを直径とする円弧状に形成されている。

試料計量部２０１は、試料採取部２０６から受容部２０２に向かう方向（矢印Ｆ方向）に均一な隙間の毛細管流路の主区間２０７ａと、受容部２０２と主区間２０７ａの終端位置Ｐ１との間の接続部２０７ｂとで構成されている。更に詳しくは、試料計量部２０１の前記接続部２０７ｂは、ベース基板２０３の凹部の底面が惰円弧状の傾斜面２０５に成形されており、受容部２０２に向かって毛細管流路が広く構成されている。

図２では、試料計量部２０１の長さがＬｃ、試料計量部２０１の注入口２０６ａの側の隙間がＤｃ１、注入口２０６ａの幅がＷｃ、試料採取部２０６の長さがＲｃ、試料計量部２０１の受容部２０２との接続面（傾斜面２０５の終端位置）Ｐ２の隙間がＤｃ２、接続部２０７ｂの長さがＬとして図示されている。受容部２０２の隙間は、矢印Ｆ方向に一律でＤｐとして図示されている。また、試料計量部２０１と受容部２０２の接続面Ｐ２における試料計量部２０１のカバー基板２０４からの高さ（＝Ｄｃ２）と前記受容部２０２のカバー基板２０４からの高さ（＝Ｄｐ）は、“Ｄｃ２ ＜ Ｄｐ”に成形されている。

ベース基板２０３とカバー基板２０４には、マイクロチャネル１０５内の粘性抵抗を減らし流体移動をしやすくするために壁面の一部あるいは全ての壁面に親水性処理を行っている。具体的には、試料計量部２０１と受容部２０２の底面（ベース基板２０３の側）もしくは天井面の（カバー基板２０４の側）いずれかは親水処理を施した連続面で形成している。

ここで、親水とは水との接触角が９０°未満のことをいい、より好ましくは接触角４０°未満である。具体的には、前記親水性処理の方法としては、プラズマ、コロナ、オゾン、フッ素等の活性ガスを用いた表面処理方法や界面活性剤による表面処理が挙げられる。または、ベース基板２０３とカバー基板２０４の少なくとも一方にガラス等の親水性材料を用いたり、ベース基板２０３とカバー基板２０４の少なくとも一方の成形時に界面活性剤、親水性ポリマー、シリカゲルの如き親性粉末などの親水化剤を添加させて材料表面に親水性を付与させたりしてもかまわない。

このように作成された分析用デバイス１０４に試料液を採取して定量を計量する工程を図３（ａ）〜（ｃ）に示す。
図３（ａ）では、まず採血用穿刺器具等を用いて指先５０１に針を穿刺し、血液だまりを作る。そこで試料計量部２０１の先端の試料採取部２０６を血液だまりに触れさせる。一般的に毛細管力は、壁面の一部或いは全部が親水性であり、向かい合う壁面の距離が、１ｍｍ以下のときに働く。さらにその距離が０．３ｍｍ以下であるときに、試料液及び壁面に働く表面エネルギーに対して毛細管力の方が支配的となり、試料液５０２となる血液は、外力を加えることなく試料計量部２０１の毛細管流路への吸上げが開始される。

次に図３（ｂ）に示すように、試料液５０２は、試料計量部２０１に働く毛細管力で吸上げられ、前記傾斜面２０５の始端位置Ｐ１まで満たされて停止する。
これは、試料計量部２０１の試料液５０２の流れる方向に連続していた壁面の一部が傾斜面２０５によって寸断されることにより、試料液５０２が受容部２０２の方向に流れるための濡れの界面張力の成分が小さくなり、これまで支配的であった毛細管力が断たれるためである。さらに図３（ｃ）に示すように、試料液５０２が前記接続部２０７ｂに吸い上げられて試料計量部２０１と受容部２０２の接続面（傾斜面２０５の終端位置）Ｐ２での断面積が最大となり、試料液５０２の界面で働く表面張力により、試料液５０２を試料計量部２０１の内部に向かって戻る力が発生することにより、受容部２０２への試料液５０２の溢流量を抑制できる。

なお、この実施の形態ではマイクロチャネル１０５における傾斜面２０５と対向する面に前記親水性を呈する材料または親水性を付与する親水処理が施されている。
次に具体的な寸法を踏まえて、本発明の実施の形態１の効果について説明する。

この分析用デバイス１０４では、受容部２０２において、この受容部２０２に配置された試薬と反応させて吸光度を測定するために、１０μＬの試料液を試料計量部２０１で採取する必要がある。さらに、測定精度向上のために試料計量部２０１での定量ばらつきは、±５％以内、つまり、試料液は９．５〜１０．５μＬとなるようにしておく必要性がある。ここでは、試料計量部２０１の形状は、Ｌｃ＝９．８ｍｍ、Ｗｃ＝４．０ｍｍ、Ｄｃ＝０．３ｍｍとした。さらに、接続部２０７ｂの傾斜面２０５については、図４（ｂ）に示すようにＬ＝１．０ｍｍ、短径：Ｄｃ２−Ｄｃ１＝０．３ｍｍの楕円弧の一部となるような傾斜を形成した。

その結果、受容部２０２に溢流する試料液５０２の量は、０．１２μＬとなり試料液５０２の定量ばらつきである±５％を十分満たす結果となった。
図５には、試料計量部２０１に配置された傾斜面２０５の楕円弧の形状と、受容部２０２に溢流する試料液５０２の溢流量の関係について示す。

楕円弧の長径：Ｌ＝１．０ｍｍとし、短径：Ｄｃ２−Ｄｃ１の長さを変化させた。例えば、傾斜面２０５がない場合、試料液５０２の受容部２０２への溢流量が０．６８μＬであるのに対し、傾斜面２０５を配置することにより、受容部２０２に溢流する試料液５０２の量は、０．２μＬ以下になっていることがわかる。さらに、楕円弧の短径：Ｄｃ２−Ｄｃ１を大きくしていくことで、受容部２０２への溢流量を抑制することができることがわかる。

この結果から、試料計量部２０１と受容部２０２の接続部２０７ｂに傾斜部２０５を配置させることにより、試料計量部２０１の形状のみで精度よく試料液の計量を行うことが可能となる。その状態で、試料計量部２０１で計量された試料液５０２の採取は完了し、高精度な試料液の分析が可能となる。

この傾斜部２０５の形状は、図４（ａ）に示すような半径Ｌとなる円弧の一部や、図４（ｂ）に示すような長径Ｌ、短径：Ｄｃ２−Ｄｃ１とするような楕円弧の一部であってもよく、接続部２０７ｂの傾斜面２０５と主区間２０７ａの底面とが連続的に形成されていればよく、楕円弧や円弧に限定する必要が無く、直線の傾斜面であってもよい。

（実施の形態２）
図６〜図８は実施の形態１の分析用デバイス１０４を使用する本発明の分析装置１００を示す。

この分析装置は、図６に示すように構成されている。
モータなどの回転駆動手段１０６で回転中心１０７の回りに回転駆動される円盤状の回転盤１０２には、試料液を採取した分析用デバイス１０４がセットされる凹部１０３が形成されている。凹部１０３には、セットされた分析用デバイス１０４の受容部２０２の位置に対応して貫通した孔１１４が設けられている。

回転盤１０２にセットされた分析用デバイス１０４の受容部２０２にアクセスする光学測定部１０８は、回転盤１０２の孔１１４を通過して受光できるように、回転盤１０２を中央にして配置されたレーザー光源１１２とフォトディテクタ１１３とで構成されている。

制御手段１０９は、回転盤１０２の回転速度や回転方向および光学測定部１０８の測定タイミングなどを制御する。更に詳しくは、制御手段１０９は、回転駆動手段１０６を制御して、回転盤１０２を介して分析用デバイス１０４を回転中心１０７の回りに任意の方向に所定の回転速度で回転させるだけではなく、所定の停止位置で回転中心１０７を中心に所定の振幅範囲、所定周期で左右に往復運動をさせて分析用デバイス１０４を揺動させることができるように構成されている。

レーザー光源１１２から出射された検出光１１５は、回転盤１０２の孔１１４とセットされた分析用デバイス１０４の受容部２０２の反応物を通過して、フォトディテクタ１１３によって受光され、演算部１１０に入力されている。演算部１１０は、吸光度測定の結果から試料液の特性を分析して表示部１１１で表示する。

図７に基づいて、試料計量部２０１で計量された試料液５０２の遠心移送プロセス及び試薬反応プロセスについて説明する。
試料液５０２が試料計量部２０１に充填された分析用デバイス１０４を、回転盤１０２の凹部１０３にセットし固定の後、図７（ａ）に示すように回転盤１０２を矢印方向に回転することにより、分析用デバイス１０４内の試料計量部２０１に充填された試料液５０２に遠心力が発生する。そうすると、接続部２０７ｂで停止していた試料液５０２が受容部２０２に向かって移動し始める。さらに、回転数を一定に保つことによって、図７（ｂ）に示すように、試料計量部２０１で計量された試料液５０２が、受容部２０２へ全て移動する。

試薬との反応を加速するために回転盤１０２を揺動させる。この揺動は、回転盤１０２の回転方向を繰り返し変更することで行われる。具体的には、分析用デバイス１０４のマイクロチャネル１０５が、図７（ｃ）に示すように９時の方向にある状態で、時計回りと反時計回りの方向に±１°ずつ交互に揺動させることで、受容部２０２に移動した試料液５０２と試薬を攪拌し、最終的に受容部２０２の内部で反応液を生成することができる。このときの揺動の角度と、揺動の周波数は、±１°以上、２２Ｈｚ以上であれば良く、この条件を満たす揺動を行うことにより、短時間で確実な試薬との反応を実施することができる。即ち、２２Ｈｚ程度の周波数で微小角度、分析用デバイス１０４を揺動することにより、確実に試料液５０２と試薬を混合させることができる。

分析装置１００は、光学測定部１０８による吸光度測定の結果を演算部１１０で処理して試料液の特性の分析結果を表示部１１１で表示する。
このように、制御手段１０９が回転駆動手段１０６に命令して、回転盤１０２を介して分析用デバイス１０４を揺動させるので、非常に高精度な試料液２０１の分析が可能となる。

図８は回転盤１０２に２つの分析用デバイス１０４をセットして運転中の分析装置を示す。
なお、上記の各実施の形態において、ベース基板２０３とカバー基板２０４は１ｍｍ〜７ｍｍ板厚で形成しているが、マイクロチャネル１０５を形成可能な厚みであれば特に制限は無い。ベース基板２０３とカバー基板２０４の形状についても特に限定する必要が無く、用途目的に応じた形状、例えば、扇状、円盤状、板状、その他複雑な形状の成形物などの形状が可能である。

また、上記の各実施の形態において、 ベース基板２０３，カバー基板２０４の材料として、易成形性、高生産性、低価格の面からプラスチックを使用しているが、ガラス、シリコンウェハー、金属、セラミックなど接合できる材料であれば特に制限はない。

上記の実施の形態ではカバー基板２０４とベース基板２０３を接着剤を用いて接合したが、使用する材料に応じて溶融接合や陽極接合やレーザー接合などの接合方法で接合してもかまわない。

本発明は、血液、唾液、尿などの生体液の成分分析を行う医療分析検査装置等に適用できる。

本発明の分析用デバイスの分解斜視図 同実施の形態の平面図と断面図および正面図 同実施の形態の試料液採取プロセスの説明図 同実施の形態におけるマイクロチャネルの接続部の拡大断面図 同実施の形態における受容部に溢流する試料液と傾斜面形状との関係図 本発明の分析装置の構成図 同実施の形態における試料液移送プロセスの説明図 回転盤に２つの分析用デバイスをセットした場合の平面図 従来の分析用デバイスの試料の制御及び計量の説明図

符号の説明

１００ 分析装置
１０２ 回転盤
１０３ 回転盤１０２の凹部
１０４ 分析用デバイス
１０５ マイクロチャネル
１０６ 回転駆動手段
１０７ 回転中心
１０８ 光学測定部
１０９ 制御手段
１１０ 演算部
１１１ 表示部
１１２ レーザー光源
１１３ フォトディテクタ
１１４ 回転盤１０２の孔
１１５ 検出光
２０１ 試料計量部
２０２ 受容部
２０３ ベース基板
２０４ カバー基板
２０５ 傾斜面
２０６ 試料採取部
２０６ａ 注入口
２０７ａ 主区間
２０７ｂ 接続部
５０２ 試料液（血液）
Ｆ 試料採取部２０６から受容部２０２に向かう方向
Ｐ１ 主区間２０７ａの終端位置
Ｌｃ 試料計量部２０１の長さ
Ｄｃ１ 試料計量部２０１の注入口２０６ａの側の隙間
Ｗｃ 注入口２０６ａの幅
Ｒｃ 試料採取部２０６の長さ
Ｐ２ 試料計量部２０１の受容部２０２との接続面（傾斜面２０５の終端位置）
Ｌ 接続部２０７ｂの長さ
Ｄｃ２ 試料計量部２０１のカバー基板２０４からの高さ
Ｄｐ 受容部２０２のカバー基板２０４からの高さ

Claims (6)

1. 毛細管流路で構成されて分析する試料液を定量だけ計量する試料計量部と、前記試料計量部に接続され前記試料計量部で計量された定量の試料液を受け入れて試薬と反応させる受容部とを有したマイクロチャネルを設けた分析用デバイスであって、
   前記試料計量部の前記受容部との接続部の毛細管流路が前記受容部に向かって広くなるよう傾斜面を形成した
   分析用デバイス。
2. 前記試料計量部と前記受容部の接続面における前記試料計量部の高さと前記受容部の高さは、前記試料計量部の高さより前記受容部の高さが高い
   請求項１に記載の分析用デバイス。
3. 前記試料計量部と前記受容部の壁面の一部或いは全ての壁面に、親水性処理が施されている
   請求項１に記載の分析用デバイス。
4. 前記マイクロチャネルにおける前記傾斜面と対向する面に前記親水処理を施した請求項１に記載の分析用デバイス。
5. 請求項１に記載の分析用デバイスがセットされる回転盤と、
   前記回転盤を回転駆動する回転駆動手段と、
   前記試料計量部で計量された定量の試料液を前記回転盤の回転によって発生する遠心力により前記受容部に移送するよう前記回転駆動手段を制御する制御手段と
   を設けた分析装置。
6. 前記制御手段を、
   前記受容部における反応物にアクセスして読み取りを実行するよりも前に前記回転盤を時計方向と反時計方向に交互に揺動して前記受容部に設置される試薬と前記試料液を攪拌するように構成した
   請求項５に記載の分析装置。

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