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JP5255628B2 - 微細流路および分析用具 - Google Patents
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Description

本発明は、液体を送液する微細流路および分析用具に関する。
従来より、たとえば検体と試薬を反応させたときの反応液を、光学的手法により分析する方法が行われている。このような方法により検体の分析を行う場合には、反応場を提供する分析用具が利用されている。そして、微量な検体を分析する場合には、分析用具として毛細管現象を利用して検体を送液するための微細流路が形成されたものが利用されている(たとえば特許文献1参照)。
図17は、そのような微細流路の一例を示している。同図に示された微細流路Xは、流入口91、分析室92、排出口93、および開放室94を備えており、たとえば血液などの検体Sを毛細管現象によって送液可能に構成されている。分析室92は、断面円形状であり、検体が充填された状態で光を透過させることにより検体の特定成分の濃度などを光学的に分析するための場である。分析室92は、互いに対向する1対の側面92a,92bと、これらの側面92a,92bと直角であり互いにごくわずかな距離をおいて対向する1対の面(図示略)によって規定されている。開放室94は、排出口93を介して分析室92に繋がっている。開放室94は、図示しない経路によって大気開放されている。
微細流路Xにおける送液は以下の通りである。まず、血液などの検体Sが微細流路Xの上流側に導入される。この検体Sは、毛細管現象によって導入され、図18に示すように流入口91から分析室92へと流入する。側面92a,92bの付近は、上記1対の面と側面92aあるいは側面92bの三面によって囲われた領域となっており、検体Sに対して毛管力が作用しやすく、推進力が大となる。このため、検体Sは、側面92a,92bに沿って進行する傾向を示す。
しかしながら、側面92a,92bを全く同一のものとすることは困難である。たとえば、側面92a,92bと上記1対の面との境界部分には、製作時の加工精度によって微視的な形状がばらつくことが避けられない。あるいは、側面92a,92bの表面に油分などが付着してしまうと、毛管力が大きく異なってしまう。このような事情により、検体Sが側面92aに沿って進行する速度と、側面92bに沿って進行する速度とには、少なからず差異が生じることがある。すると、図19に示すように、たとえば側面92aに沿って検体Sが偏って進行する。この結果、図20に示すように、検体Sは、側面92aのみを経由して排出口93に到達し、排出口93が検体Sによって塞がれてしまう。これにより、側面92b付近には、気泡Blが生じてしまう。このようなことでは、光学的手法による分析を行おうとしても、分析室92に照射された光は、検体Sだけでなく気泡Blを透過してしまう。したがって、検体Sの特定成分を適切に分析することがなしえなかった。
特開2004−150804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、液体を適切に送液することが可能な微細流路および分析用具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微細流路は、流れ方向上流側に位置する流入部と、流れ方向下流側に位置する排出部と、上記流入部および上記排出部に挟まれており、これらよりも断面積が大である拡大部と、を備え、液体が送液される微細流路であって、上記排出部は、上記流入部に対して上記流れ方向において反対側に位置する1対の排出口と、上記1対の排出口の間に位置し、かつ上記流れ方向上流側に向かってテーパ状とされた分離部と、上記1対の排出口の流れ方向下流側に各別に繋がり、かつ上記排出口よりも断面積が大である1対の滞留部と、を含む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、毛細管現象を利用して上記液体が送液される。
本発明の好ましい実施の形態においては、上記滞留部には、上記液体を吸収したときに膨張することにより、上記滞留部より下流側に上記液体が流出することを阻止する膨潤部材が設けられている。
本発明の好ましい実施の形態においては、上記滞留部は、上記流れ方向と直角である方向において互いに離間対向する天井面および底面を有しており、上記底面は、上記天井面および上記底面が離間対向する方向視において中央寄りに位置する島部と、上記離間対向する方向視において上記島部を囲み、かつ上記島部よりも上記天井面に対して離間する包囲部と、を有する。
本発明の好ましい実施の形態においては、上記滞留部は、疎水領域を有している
本発明の好ましい実施の形態においては、上記滞留部の上記流れ方向下流側に位置する追加の拡大部と、上記滞留部からの液体を上記追加の拡大部へと導く追加の流入部と、上記追加の拡大部から液体が排出され、かつ上記追加の流入部に対して上記流れ方向反対側に位置する1対の追加の排出口を含む追加の排出部と、をさらに備える。
本発明の好ましい実施の形態においては、上記滞留部と上記追加の流入部との間には、大気開放状態とすることが可能な開放室が設けられている。
本発明の好ましい実施の形態においては、上記開放室が、上記開放室内の圧力を減圧させることが可能な減圧手段に繋げられている。
本発明の第2の側面によって提供される分析用具は、本発明の第1の側面によって提供される微細流路を備え、上記拡大部が、分析の場として用いられることを特徴としている。
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。
本発明に係る分析用具の一例を示す斜視図である。 図1に示す分析用具を示す要部平面図である。 本発明に係る微細流路の一例を示す要部平面図である。 図3のIV−IV線に沿う要部断面図である。 図3に示す微細流路における送液を示す要部平面図である。 図3に示す微細流路における送液を示す要部平面図である。 図3に示す微細流路における送液を示す要部平面図である。 図3に示す微細流路における送液を示す要部平面図である。 図8のIX−IX線に沿う要部断面図である。 図3に示す微細流路における送液を示す要部平面図である。 図3に示す微細流路における送液を示す要部平面図である。 滞留部の他の例を示す要部平面図である。 図12のXIII−XIII線に沿う要部断面図である。 図12に示す滞留部における液体の流動を示す要部平面図である。 滞留部のさらに他の例を示す要部平面図である。 本発明に係る微細流路の他の例を示す要部平面図である。 従来の微細流路の一例を示す要部平面図である。 図1に示す微細流路における送液を示す要部平面図である。 図1に示す微細流路における送液を示す要部平面図である。 図1に示す微細流路における送液を示す要部平面図である。
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および図2は、本発明に係る分析用具の一例を示している。本実施形態の分析用具Aは、たとえば血液などの検体Sを対象として、光学的手法により特定成分に関する分析を行うためのものである。分析用具Aは、分析装置(図示略)に装填可能に構成されている。なお、図2においては、理解の便宜上、後述するカバー2を省略している。分析用具Aは、上記分析装置に備えられた支持台83に支持される。支持台83には、回転軸84が連結されており、分析用具Aを回転自在となっている。発光モジュール81は、たとえばLEDチップを有しており、光学的分析に用いる光を発する発光源である。受光モジュール82は、たとえばシリコンフォトダイオードを内蔵しており、分析用具Aを透し発光モジュール81からの光を受光する。上記分析装置は、受光モジュール82の受光状態によって検体Sの特定成分を分析可能に構成されている。
分析用具Aは、全体が略円板状とされており、図1に示すように、ベース1、カバー2、によって構成されており、導入室3および複数の微細流路4が形成されている。
ベース1は、たとえばポリスチレン(PS)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、あるいはポリジメチルシロキサン(PDMS)といった透明な樹脂材料からなり、円板状とされている。ベース1には、導入室3および複数の微細流路4を構成する凹部が形成されている。カバー2は、ベース1に貼り付けられており、たとえばポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリスチレン(PS)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、あるいはポリジメチルシロキサン(PDMS)といった透明な樹脂材料からなる円形フィルム状または円板状とされている。
導入室3は、血液などの検体Sをスポイトなどを用いて導入するための部位であり、カバー2に形成された貫通孔およびベース1に形成された円形凹部によって構成されている。導入室3には、分離膜(図示略)が設けられている。この分離膜は、たとえばベース1とカバー2との間に介在しており、血液中の血球成分を分離するためのものである。このような分離膜としては、たとえば紙状物、フォーム(発泡体)、織布状物、不織布状物、編物状物、メンブレンフィルター、ガラスフィルター、あるいはゲル状物質などの多孔質物質を使用することができる。
複数の微細流路4は、導入室3から導入された検体Sが毛細管現象によって送液されるものであり、その一部が光学的手法を用いた分析の場として利用される。本実施形態においては、複数の微細流路4は、導入室3から放射状に延びている。図3に示すように、微細流路4は、流入口5、分析室6、および排出部7を有している。
流入口5は、導入室3に導入された検体Sが分析室6に流入する部位である。本実施形態においては、流入口5は、その幅が0.1mm程度、深さが0.1mm程度とされている。
分析室6は、検体Sに対する光学的手法を用いた分析を行うための場であり、その流れ方向前後部分よりも断面積が大であるたとえば円形状部分である。分析室6は、本発明で言う拡大部の一例に相当する。図3および図4に示すように、分析室6は、天面61、底面62、および1対の側面63a,63bによって規定されている。天面61および底面62は、流れ方向に対して垂直である図4の上下方向において離間対向しており、1対の側面63a,63bは、この上下方向に対して垂直である幅方向において離間対向している。本実施形態においては、天面61および底面62の距離、すなわち分析室6の深さが、0.1mm程度とされている。また、1対の側面63a,63bの曲率半径が0.6mm程度とされており、これにより分析室6の概略直径が1.2mm程度とされている。
本実施形態においては、分析室6に、試薬(図示略)が塗布されている。この試薬は、検体Sが供給されたときに溶解する乾燥固体状とされており、検体S中の特定成分と反応して発色するものである。分析用具Aにおいては、複数の項目を測定できるように、たとえば成分または組成の異なる複数種類の試薬が準備されている。ただし、上記試薬は、必ずしも全ての分析室6に設ける必要はなく、たとえば検体の色味による影響を補正するために利用される分析室6については試薬の塗布が省略される。また、分析室6以外の適所に試薬を塗布しておいてもよい。
排出部7は、分析室6から検体Sを排出する部位であり、1対の排出口71a,71b、分離部72、1対の連結流路73a,73b、1対の滞留部74a,74b、1対の連結流路76a,76b、および開放室77を有している。1対の排出口71a,71bは、流入口5に対して流れ方向反対側において並列配置されている。排出口71aは、側面63aに繋がっており、排出口71bは、側面63bに繋がっている。分離部72は、1対の排出口71a,71bを区画しており、流れ方向上流に向かうテーパ状とされている。1対の連結流路73a,73bは、1対の排出口71a,71bに各別に繋がっており、たとえばその幅が0.05mm程度、その深さが0.05mm程度とされている。
1対の滞留部74a,74bは、排出された検体Sを滞留させるための円形状部分であり、1対の連結流路73a,73bに各別に繋がっている。本実施形態においては、滞留部74a,74bには、それぞれ膨潤部材75a,75bが設けられている。膨潤部材75a,75bは、検体Sを吸収することにより、その体積が数倍から数百倍に膨潤する材料からなる。このような材料としては、たとえばアクアコーク(住友精化製)、ワンダーゲル(花王製)、サンウェット(三洋化成製)、アクアリザーブGP(日本合成化学製)を用いればよい。膨潤部材75a,75bは、滞留部74a,74bの上側部分が空洞となる厚さで塗布されている。1対の滞留部74a,74bは、1対の連結流路76a,76bを介して開放室77に繋がっている。開放室77は、図示しない経路を介して大気開放されている。
次に、微細流路4における送液について、図5〜図11を参照しつつ、以下に説明する。
図5に示すように、導入室3から導入された検体Sは、毛細管現象により流入口5を通して分析室6に流入する。流入した検体Sは、1対の側面63a,63bに沿って進行する傾向を示す。なぜなら、1対の側面63a,64bの付近は、天面61および底面62と側面63aまたは側面63bによって三方が囲われた空間となっている。このような空間は、たとえば分析室6の中央部分のように、天面61および底面62の二面のみによって囲われた空間と比べて毛管力が強く作用する。このため、検体Sがより強く推進することとなるのである。
しかしながら、側面63aと側面63bとは、全く同一のものであることは稀であり、種々の差異を有することがほとんどである。たとえば1対の側面63a,側面63bと天面61あるいは底面62との境界部分は、所定の曲率半径を有するごく微小なR形状として形成される。このような境界部分の加工精度には限界があるため、R形状に若干の誤差が生じる。あるいは、毛管力の均一化を意図して天面61および底面62などに表面処理を施す場合、この処理にも場所によってばらつきが生じうる。このような事情から、検体Sが側面63aに沿って進行する速度と、側面63bに沿って進行する速度とには、少なからぬ差異が生じてしまうことがある。本実施形態では、図6に示すように、側面63aに沿って進行する速度が相対的に速いと仮定する。このような場合、検体Sは、図7に示すように、側面63aに沿って進行し、側面63bに沿ってはほとんど進行しない。
さらに検体Sが側面63aに沿って進行すると、図8に示すように、検体Sが排出口71aに到達する。このとき、検体Sは、排出口71aから排出口71bへも伝わろうとする。しかしながら、分離部72の頂部は、鋭利な角部となっているため、これを超えようとする検体Sに対して顕著に大な抵抗力を発揮する。このため、検体Sは、分離部72を超えて排出口71bへは進行しない。したがって、検体Sは、排出口71aから連結流路73aへと進行する。このときも、検体Sは、側面63bに対してはほとんど進行しない。
検体Sが連結流路73aを超えて滞留部74aに到達すると、検体Sは、膨潤部材75aによって吸収される。すると、図9に示すように膨潤した膨潤部材75aが滞留部74aを完全に塞ぐ格好となる。これにより、検体Sを排出口71a、連結流路73a、および滞留部74aを経由して進行させる力が作用しないこととなる。このため、検体Sには、図10に示すように、排出口71b、連結流路73b、および滞留部74bへと向かわせる力が作用する。検体Sは、側面63bに沿って進行し、図11に示すように排出口71bへと到達する。そして、検体Sが連結流路73bを介して滞留部74bに到達すると、膨潤部材75bの膨潤により滞留部74bが塞がれる。以上により、図示した微細流路4における検体Sの送液が終了する。この後は、発光モジュール81からの光を検体Sが充填された分析室6に照射することにより、光学的手法による分析を行う。
次に、分析用具Aおよび微細流路4の作用について説明する。
本実施形態によれば、分析室6に流入した検体Sは、1対の排出口71a,71bの双方から排出される。このため、排出口71a,71bのいずれかに検体Sが先行して到達しても、排出口71a,71bの他方から残りの検体Sや分析室6にあった気体を排出することが可能である。したがって、分析室6に大きな気泡が残存してしまうことを回避することが可能であり、光学的手法による分析を適切に行うことができる。
検体Sは、毛管力がより強く作用する1対の側面63a,63bに沿って進行しやすい。1対の排出口71a,71bがこれらの側面63a,63bに繋げられているため、進行してきた検体Sを排出口71a,71bから確実に排出することができる。また、1対の排出口71a,71bのいずれかに進行してきた検体Sは、分離部72によってせき止められる格好となる。このため、1対の側面63a,63bのいずれかに沿って進行してきた検体Sによって排出口71a,71bの双方が塞がれてしまうおそれが少ない。これは、分析室6内に気泡が残存することを回避するのに適している。
1対の滞留部74a,74bは、検体Sが流入すると、膨潤部材75a,75bによって完全に塞がれる。このため、1対の排出口71a,71bの一方から排出された検体Sが1対の排出口71a,71bの他方から分析室6に逆流することを回避することができる。これは、分析室6に気泡が残存することを防止するのに好適である。なお、本実施形態と異なり、膨潤部材75a,75bを備えない構成であっても、滞留部74a,74bには相当量の検体を滞留させることが可能である。このため、1対の排出口71a,71bの一方から他方へと検体Sが逆流することを相当時間遅らせることが可能であり、このようなことによっても気泡の残存を回避することができる。
図12および図13は、本発明でいう滞留部の他の例を示している。同図に示された滞留部74cは、平面視円形状であり、図13に示すように天井面741および底面742を有する。天井面741は、段差が無い平面であり、連結流路73a,76aの上側の面と面一となっている。底面742は、全体として天井面741に対して離間対向しており、島部742aおよび包囲部742bからなる。図12に示すように、島部742aは、底面742の中央寄りの部分であり、本実施形態においては、平面視円形状である。包囲部742bは、平面視において島部742aを囲んでおり、本実施形態においては平面視ドーナツ状である。図13に示すように、島部742aは、天井面741に対して比較的接近している。一方、包囲部742bは、島部742aと比較して天井面741に対して離間している。
図14に示すように、連結流路73aから滞留部74cへと体Sが流入してくると、体Sは、包囲部742bと天井面741との間に滞留していくこととなり、島部742aと天井面741との間には浸入しない。さらに、体Sの流入が進行すると、体Sは、包囲部742bの形状に沿って二手に分かれて滞留部74c内を進行する。微細流路4内の空気が体Sの流入に伴って流動しようとすると、この空気は、島部742aと天井面741との間を通って連結流路76aへと排出される。包囲部742bのすべてが体Sによって覆われると、それ以降は体Sが連結流路76aへと流出していく。このような構成によっても、図3に示すような1対の排出口71a,71bの一方から他方へと検体Sが逆流することを相当時間遅らせることが可能であり、気泡の残存を回避することができる。
図15は、本発明で言う滞留部のさらに他の例を示している。同図に示された滞留部74dは、その内面が疎水性処理を施された疎水領域を有しており、本実施形態においては、天井面および底面がこの疎水領域とされている。この場合、連結流路73aから流入した液体Sには、上記疎水領域によって進行を妨げられる抵抗力が付与される。これにより、滞留部74は、その下流側に位置する連結流路76aへと液体Sが流出することを遅延させることが可能である。このような構成によっても、図3に示すような1対の排出口71a,71bの一方から他方へと検体Sが逆流することを相当時間遅らせることが可能であり、気泡の残存を回避することができる。
図16は、本発明に係る微細流路の他の例を示している。同図に示された微細流路4は、3つの分析室6A,6B,6Cが連結された構造とされている。この微細流路4を用いた送液を以下に説明する。まず、図5〜図11を参照して説明した送液と同じ手法によって、流入口5Aから分析室6Aを経て排出部7Aの滞留部74a,74bに体Sを送液する。分析室6Aにおいてはたとえばあらかじめ塗布された試薬と体Sとが反応する。なお、本実施形態の滞留部74a,74bは、上述した膨潤部材75a,75bを内包していない、比較的大容量の液槽によって構成されている。また、滞留部74a,74bに代えて、上述した滞留部74c,74dを採用してもよい。本実施形態においては、排出部7Aの開放室77Aに減圧手段としての減圧ポンプPAが繋げられている。滞留部74a,74bへの送液が完了した後に、減圧ポンプPAによって開放室77Aの内圧を減じると、体Sが開放室77Aへと流入する。
次いで、分析室6Bの下流側にある排出部7Bの開放室77Bを大気開放する。すると、図5〜図11を参照して説明した送液と同様に、流入口5Bから分析室6Bを経て排出部7Bの滞留部74a,74bに体Sが送られる。分析室6Bにおいては、たとえば分析室6Aの試薬とは異なる試薬との反応が行われる。あるいは、分析室6Bに、試薬を塗布しない構成の場合、分析室6Bを検体の色味による影響を補正するために利用してもよい。開放室77Bには、減圧ポンプPBが繋げられている。減圧ポンプPBによって開放室77Bの内圧を減じると、体Sが開放室77Bへと流入する。
さらに、分析室6Cの下流側にある排出部7Cの開放室77Cを大気開放すると、流入口5Cから分析室6Cを経て排出部7Cの滞留部74a,74bに体Sが送られる。分析室6Cにおいては、たとえばさらに異なる種類の試薬との反応が行われる。開放室77Cには、減圧ポンプPCが繋げられている。減圧ポンプPCによって開放室77Cの内圧を減じると、液体Sが開放室77Cへと流入する。
このように、本実施形態によれば、複数の分析室6A,6B,6Cにおける処理を連続して行うことが可能である。これは、同一の検体に対して異なる種類の検査を短時間で行うのに適している。また、開放室77Cに体Sを流入させた状態は、これより下流側に体Sをさらに送液するための準備が完了した状態である。したがって、分析室6A,6B,6Cに追加してさらに別の分析室に体Sを送液し、別の検査を行うことも可能である。
本発明に係る微細流路および分析用具は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る微細流路および分析用具の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。
本発明で言う拡大部に相当する分析室6は、円形状のものに限定されず、検体Sを毛細管現象によって送液しつつ、光学的手法による送液を適切に実現可能な形状であればよい。1対の排出口71a,71bは、分離部72によって区画されていることが好ましいが、本発明はこれに限定されない。1対の滞留部74a,74bおよびこれらに設けられた膨潤部材75a,75bは、検体Sの逆流防止に好ましいが、微細流路4のうち排出部7よりもさらに下流側において検体Sが逆流しにくい機構を採用するなどすれば、これらを備えない構成であってもよい。
分析用具Aは、微細流路4を用いた送液を行うものの一例であり、たとえば光学的手法を用いた分析以外の分析を行うものであってもよい。また、検体Sとして血液を用いるものに限定されないことはもちろんである。本発明に係る微細流路は、微量な血液に対する分析に用いるのに好適であるが、これに限定されず、拡大部を経由して液体を送液するという部分を有する様々な用途に用いることができる。さらに、本発明に係る微細流路は、送液の駆動力として毛細管現象を利用するものに限定されず、たとえば、流れ方向前後において生じさせた比較的小さな圧力差によって流体が送液される構成であっても、拡大部における気泡の残存を抑制し、スムーズに送液するという効果が期待できる。

Claims (9)

  1. 流れ方向上流側に位置する流入部と、
    流れ方向下流側に位置する排出部と、
    上記流入部および上記排出部に挟まれており、これらよりも断面積が大である拡大部と、
    を備え、液体が送液される微細流路であって、
    上記排出部は、上記流入部に対して上記流れ方向において反対側に位置する1対の排出口と、上記1対の排出口の間に位置し、かつ上記流れ方向上流側に向かってテーパ状とされた分離部と、上記1対の排出口の流れ方向下流側に各別に繋がり、かつ上記排出口よりも断面積が大である1対の滞留部と、を含むことを特徴とする、微細流路。
  2. 毛細管現象を利用して上記液体が送液される、請求項1に記載の微細流路。
  3. 上記滞留部には、上記液体を吸収したときに膨張することにより、上記滞留部より下流側に上記液体が流出することを阻止する膨潤部材が設けられている、請求項に記載の微細流路。
  4. 上記滞留部は、上記流れ方向と直角である方向において互いに離間対向する天井面および底面を有しており、
    上記底面は、上記天井面および上記底面が離間対向する方向視において中央寄りに位置する島部と、上記離間対向する方向視において上記島部を囲み、かつ上記島部よりも上記天井面に対して離間する包囲部と、を有する、請求項に記載の微細流路。
  5. 上記滞留部は、疎水領域を有している、請求項に記載の微細流路。
  6. 上記滞留部の上記流れ方向下流側に位置する追加の拡大部と、 上記滞留部からの液体を上記追加の拡大部へと導く追加の流入部と、
    上記追加の拡大部から液体が排出され、かつ上記追加の流入部に対して上記流れ方向反対側に位置する1対の追加の排出口を含む追加の排出部と、をさらに備える、請求項に記載の微細流路。
  7. 上記滞留部と上記追加の流入部との間には、大気開放状態とすることが可能な開放室が設けられている、請求項に記載の微細流路。
  8. 上記開放室が、上記開放室内の圧力を減圧させることが可能な減圧手段に繋げられている、請求項に記載の微細流路。
  9. 請求項1に記載の微細流路を備え、
    上記拡大部が、分析の場として用いられることを特徴とする、分析用具。
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