JP7371850B2 - Viscosity measuring device, surface tension measuring device, viscosity measuring method, and surface tension measuring method - Google Patents
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Description
本発明は、微量の液体も採取することができる液体採取装置に関する。また、マイクロ流体チップに関する。また、液体の粘度測定方法に関する。また、液体の表面張力測定方法に関する。 The present invention relates to a liquid sampling device capable of sampling even minute amounts of liquid. It also relates to microfluidic chips. The present invention also relates to a method for measuring the viscosity of a liquid. The present invention also relates to a method for measuring surface tension of a liquid.
生体サンプルやバイオサンプルなどを用いる各種実験等は、サンプルの移動や分注などの作業を行う必要がある。実験の種類によっては、必要サンプル量は極めて微量である。一般的なピペットではその採取量(サンプリング量)が過剰になり、必要量に対して非効率なサンプル移動を行うものとなる。しかし、極めて微量のサンプルを採取するための市販のマイクロピペットは高度なポンプ制御などが行われており、高額なものとなりやすく汎用しにくい場合がある。さらに、生体サンプルやバイオサンプルを用いる場合など、サンプルが直接接触する部分は使い捨て(ディスポーザブル)とすることが好ましい。 Various experiments using biological samples or biosamples require operations such as moving and dispensing the samples. Depending on the type of experiment, the amount of sample required may be extremely small. With a typical pipette, the amount of sample collected (sampling amount) is excessive, resulting in inefficient sample movement relative to the required amount. However, commercially available micropipettes for collecting extremely small amounts of samples have sophisticated pump controls and are often expensive and difficult to use for general use. Further, when using a biological sample or a biological sample, it is preferable that the part that comes into direct contact with the sample is disposable.
特許文献1は、経路端に微小流量ポンプを設置し、該経路にはサンプルインジェクター、検定管及び該検定管の両端に気泡検出部を設置すると共に、該ポンプから一定流量でキャリヤー液を送液させつつ、所望の一定間隔で気泡を連続注入し、気泡と気泡間の一定量を連続的に取り出すことを特徴とする微小流量分配方法(請求項5)を開示している。特許文献2は、双方向の流体の流れを制御する装置に関し、加圧相と減圧相とを有する継続的なポンプサイクルで動作するポンプを有する装置を開示している。 Patent Document 1 discloses that a microflow pump is installed at the end of a path, a sample injector, a test tube, and a bubble detection section are installed at both ends of the test tube, and a carrier liquid is sent from the pump at a constant flow rate. Disclosed is a minute flow rate distributing method (claim 5) characterized in that bubbles are continuously injected at a desired constant interval while a certain amount of air is generated, and a constant amount between the bubbles is continuously taken out. WO 2005/000002 relates to a device for controlling bidirectional fluid flow and discloses a device having a pump operating in a continuous pump cycle having a pressurized phase and a depressurized phase.
微量の液を用いる送液制御は、マイクロ流体チップ内で行うことも求められている。特許文献3は、互いに接着された2つの部材間に毛細管状の流路を形成し、該経路に連絡して減圧室を設け、減圧室を毛細管状の流路を有する部材とは別の部材に形成し、これらの部材を連結・固定する微小ケミカルデバイスを開示している。特許文献4は、負圧を生じるポンプと、フローセルと、これらを接続する管とを備える送液システム等を開示している。 There is also a demand for liquid feeding control using a small amount of liquid to be performed within a microfluidic chip. Patent Document 3 discloses that a capillary-like flow path is formed between two members bonded to each other, a decompression chamber is provided in communication with the path, and the decompression chamber is formed in a separate member from the member having the capillary-like flow path. Discloses a microchemical device that connects and fixes these members. Patent Document 4 discloses a liquid feeding system and the like that includes a pump that generates negative pressure, a flow cell, and a pipe that connects these.
微量なサンプルを用いた粘度測定手法や、表面張力測定手法も求められている。例えば、脱水や出血、あるいは、心筋梗塞、脳梗塞、肝硬変、膜性腎症、ネフローゼ症候群等の様々な疾患によって、血液の粘性が高くなることが知られている。そして、血液の粘性が高いと糖尿病の発生率が上昇することや、腎臓病が重症化する傾向があることが報告されている。
また、唾液腺から口腔内に分泌される唾液は、口腔内を湿らせて発声や食物の嚥下を円滑にする働き、及び、口腔内を清浄に保って虫歯や歯周病を防ぐ働きがある。更に、歯周病に罹患した患者の唾液粘度は健常者の唾液粘度より高いこと、唾液粘度が高いほど歯周病の重症度が増すことが指摘されている。
There is also a need for viscosity measurement methods and surface tension measurement methods that use minute samples. For example, it is known that the viscosity of blood increases due to dehydration, hemorrhage, or various diseases such as myocardial infarction, cerebral infarction, liver cirrhosis, membranous nephropathy, and nephrotic syndrome. It has also been reported that when blood viscosity is high, the incidence of diabetes increases and kidney disease tends to become more severe.
Saliva secreted into the oral cavity from the salivary glands moistens the oral cavity to facilitate speech production and swallowing food, and also serves to keep the oral cavity clean and prevent tooth decay and periodontal disease. Furthermore, it has been pointed out that the saliva viscosity of patients suffering from periodontal disease is higher than that of healthy individuals, and that the higher the saliva viscosity, the more serious the periodontal disease.
従って、血液や唾液等の体液の粘性及びその経時変化を知ることは、様々な疾患の予防や診断、治療にとって極めて重要である。そして、従来、液体の粘性の測定には、毛細管粘度計(特許文献5参照)、回転粘度計(特許文献6参照)、落球粘度計(特許文献7参照)、振動粘度計(特許文献8参照)等が用いられている。 Therefore, knowing the viscosity of body fluids such as blood and saliva and its changes over time is extremely important for the prevention, diagnosis, and treatment of various diseases. Conventionally, the viscosity of a liquid has been measured using a capillary viscometer (see Patent Document 5), a rotational viscometer (see Patent Document 6), a falling ball viscometer (see Patent Document 7), and an oscillatory viscometer (see Patent Document 8). ) etc. are used.
微量なサンプルの採取、送液の手段が種々提案されている。しかし、これらの採取、送液の手段は、特許文献1や2のようにポンプを用いたり、減圧相を用いたりするものであり、ポンプの脈動制御や、使用のたびに減圧の程度の制御を行うなど、制御が難しい要素が含まれていたり高度な制御が必要となるものであった。また、これらの制御に対応する構成とするために、サンプルが直接接触する流路を含む部品も複雑な設計となったり、サンプル量よりも極端に大きい流路となることがあり、取り換えにくいものであった。 Various methods have been proposed for collecting a small amount of sample and for sending the liquid. However, these collection and liquid delivery methods use a pump or a reduced pressure phase as in Patent Documents 1 and 2, and require pulsation control of the pump and control of the degree of pressure reduction each time it is used. These included elements that were difficult to control or required advanced controls. In addition, in order to create a configuration that supports these controls, parts that include flow channels that come into direct contact with the sample may have complex designs, or the flow channels may be extremely large than the sample volume, making them difficult to replace. Met.
また、特許文献3、4のようなマイクロ流体チップ等で利用するための送液システム等が開示されているが、これらも、減圧などを行う必要があり、構造が複雑となる場合があった。また負圧(減圧)の制御による送液の制御は難しく、リアクター内の任意の位置で送液を停止することなどは難しかった。また、ポンプなどを用いても、ポンプの脈動により、マイクロ流体チップの流路内で設定外の領域まで、送液される場合があった。 In addition, liquid delivery systems for use in microfluidic chips, etc., such as Patent Documents 3 and 4, have been disclosed, but these also require depressurization, etc., and the structure may be complicated. . Furthermore, it was difficult to control liquid feeding by controlling negative pressure (reduced pressure), and it was difficult to stop liquid feeding at an arbitrary position within the reactor. Further, even when a pump or the like is used, the pulsation of the pump may cause the liquid to be delivered to an area outside the set range within the flow path of the microfluidic chip.
また、従来の粘度計は、相当量の液体がないと粘度の測定ができない場合が多く、計測対象の液量が微量のとき、如何にして安定的に粘度を計測するかという点で課題があった。 Additionally, conventional viscometers are often unable to measure viscosity without a considerable amount of liquid, and there is a problem in how to stably measure viscosity when the amount of liquid to be measured is minute. there were.
本発明は、微量のサンプルに対してもサンプリング量の調整を行いやすく、サンプルと接触する部位を取り換えしやすい液体採取装置を提供することを目的とする。また、本発明は、流路での液体の流動を制御しやすいマイクロ流体チップを提供することを目的とする。また、本発明は、微量のサンプルでも粘度や表面張力を測定することができる粘度測定方法や表面張力測定方法等を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a liquid sampling device in which the sampling amount can be easily adjusted even for a minute amount of sample, and the parts that come into contact with the sample can be easily replaced. Another object of the present invention is to provide a microfluidic chip in which the flow of liquid in a channel can be easily controlled. Another object of the present invention is to provide a viscosity measuring method, a surface tension measuring method, etc., which can measure the viscosity and surface tension of even a small amount of sample.
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、下記の発明が上記目的に合致することを見出し、本発明に至った。すなわち、本発明は、以下の発明に係るものである。 As a result of extensive research in order to solve the above problems, the present inventors found that the following invention met the above objects, leading to the present invention. That is, the present invention relates to the following inventions.
<1> 第一の開口部及び第二の開口部を有する毛細管状の微細流路を有する本体部と、
前記第一の開口部側に接続された切替弁とを有し、
前記切替弁は、前記本体部と接続された流路と、大気中に開放された流路および/または密閉容器に接続された流路とを有する液体採取装置。
<2> 前記本体部と、前記切替弁との間を接続する疎水性チューブの配管を有する<1>記載の液体採取装置。
<3> 前記切替弁が、電磁弁である<1>または<2>に記載の液体採取装置。
<4> 前記切替弁が、3以上の流路と接続され、かつ、前記微細流路内に向けて気体を送出する前記密閉容器と接続された流路を有する<1>~<3>のいずれかに記載の液体採取装置。
<5> 前記微細流路に含まれる液の位置を検出するセンサーを有する<1>~<4>のいずれかに記載の液体採取装置。
<6> 前記センサーおよび電磁弁である前記切替弁が制御部と接続され、前記制御部に吸液量を設定でき、前記制御部が、吸液のために前記切替弁の開放と、設定された前記吸液量に対応する前記微細流路の位置に取り付けられた前記センサーが液を検出したとき前記切替弁の閉止とを行う<5>記載の液体採取装置。
<7> 前記センサーが前記微細流路に沿って複数設けられた<6>記載の液体採取装置。
<8> 前記微細流路の第二の端部の開口部が接触する被検液を収容する収容部と、前記本体部を載置する載置台とを有する<1>~<7>のいずれかに記載の液体採取装置。
<1> A main body portion having a capillary-like microchannel having a first opening and a second opening;
and a switching valve connected to the first opening side,
The switching valve has a flow path connected to the main body, and a flow path opened to the atmosphere and/or a flow path connected to a closed container.
<2> The liquid sampling device according to <1>, further comprising a hydrophobic tube connecting the main body and the switching valve.
<3> The liquid sampling device according to <1> or <2>, wherein the switching valve is a solenoid valve.
<4> The switching valve according to <1> to <3>, wherein the switching valve has a flow path connected to three or more flow paths and connected to the closed container that sends gas into the micro flow path. The liquid collection device according to any one of the above.
<5> The liquid sampling device according to any one of <1> to <4>, which includes a sensor that detects the position of the liquid contained in the microchannel.
<6> The sensor and the switching valve, which is a solenoid valve, are connected to a control unit, and a liquid suction amount can be set in the control unit, and the control unit is configured to open and set the switching valve for liquid suction. The liquid sampling device according to <5>, wherein the switching valve is closed when the sensor attached to the position of the microchannel corresponding to the liquid absorption amount detects liquid.
<7> The liquid sampling device according to <6>, wherein a plurality of the sensors are provided along the microchannel.
<8> Any one of <1> to <7>, comprising a storage part that accommodates a test liquid that is in contact with an opening at the second end of the microchannel, and a mounting table on which the main body part is placed. The liquid sampling device described in .
<9> <1>~<8>のいずれかに記載の液体採取装置における前記微細流路が、採取される被検液を処理するためのマイクロ流路であるマイクロ流体チップ。 <9> A microfluidic chip, wherein the microchannel in the liquid collection device according to any one of <1> to <8> is a microchannel for processing a sample liquid to be collected.
<10> 前記微細流路の第二の端部の開口部が接触する被検液を収容する収容部と、前記本体部を載置する載置台とを有し、
前記電磁弁の開放を始めた時間を起点t0とし、前記センサーが検出する位置を液が通過するまでの通過時間txを測定する吸液時間測定手段を有する<6>または<7>に記載の液体採取装置。
<10> The microchannel has a storage section that accommodates the test liquid that is in contact with the opening at the second end of the microchannel, and a mounting table on which the main body section is placed;
The method according to <6> or <7>, further comprising a liquid suction time measuring means for measuring a passage time tx until the liquid passes a position detected by the sensor, with the time when the electromagnetic valve starts opening as a starting point t0. Fluid collection device.
<11> <10>記載の液体採取装置の前記収容部に被検液を収容し、前記吸液時間測定手段により前記txを測定して、測定した前記txに基づいて、標準液を測定したときの吸液時間txaと比較することで、前記被検液の粘度を測定する粘度測定方法。 <11> The test liquid was stored in the storage part of the liquid sampling device described in <10>, the tx was measured by the liquid absorption time measuring means, and the standard solution was measured based on the measured tx. A viscosity measuring method for measuring the viscosity of the test liquid by comparing the viscosity with the liquid absorption time txa.
<12> <8>記載の液体採取装置の前記収容部に被検液を収容し、前記切替弁を前記密閉容器に接続された流路を有するものとし、
前記切替弁を閉じた状態のときの前記微細流路内の前記被検液の液面の位置L0と、前記切替弁を前記密閉容器に接続したときの前記微細流路内の前記被検液の液面の位置L1とを測定し、
前記位置L0および前記位置L1を、標準液を測定したときの位置と比較することで、前記被検液の表面張力を測定する表面張力測定方法。
<13> 前記微細流路の液面の位置を測定する液面位置測定手段により、前記L0と、前記L1とを測定する<12>記載の表面張力測定方法。
<12> The liquid sampling device according to <8> contains a test liquid in the storage part, and the switching valve has a flow path connected to the closed container,
Position L0 of the liquid level of the test liquid in the microchannel when the switching valve is closed, and the test liquid in the microchannel when the switching valve is connected to the airtight container. Measure the liquid level position L1 of
A surface tension measuring method for measuring the surface tension of the test liquid by comparing the position L0 and the position L1 with positions at which a standard liquid is measured.
<13> The surface tension measuring method according to <12>, wherein the L0 and L1 are measured by a liquid level position measuring means that measures the position of the liquid level in the microchannel.
本発明の液体採取装置は、微量のサンプルに対してもサンプリング量の調整を行いやすく、サンプルと接触する部位を容易に取り換えることができる。また、本発明のマイクロ流体チップは、流路での液体の流動を制御しやすい。また、本発明の粘度測定方法や表面張力測定方法等は、微量のサンプルでも粘度や表面張力を測定することができる。 In the liquid sampling device of the present invention, the sampling amount can be easily adjusted even for a minute amount of sample, and the part that comes into contact with the sample can be easily replaced. Furthermore, the microfluidic chip of the present invention allows easy control of the flow of liquid in the channel. Further, the viscosity measuring method, surface tension measuring method, etc. of the present invention can measure the viscosity and surface tension even with a small amount of sample.
以下に本発明の実施の形態を詳細に説明するが、以下に記載する構成要件の説明は、本発明の実施態様の一例(代表例)であり、本発明はその要旨を変更しない限り、以下の内容に限定されない。なお、本明細書において「~」という表現を用いる場合、その前後の数値を含む表現として用いる。 The embodiments of the present invention will be described in detail below, but the explanation of the constituent elements described below is an example (representative example) of the embodiments of the present invention, and the present invention will be described below unless the gist thereof is changed. is not limited to the content. Note that when the expression "~" is used in this specification, it is used as an expression including the numerical values before and after it.
[本発明の液体採取装置]
本発明の液体採取装置は、第一の開口部及び第二の開口部を有する毛細管状の微細流路を有する本体部と、前記第一の開口部側に接続された切替弁とを有し、前記切替弁は、前記本体部と接続された流路と、大気中に開放された流路および/または密閉容器に接続された流路とを有する。
本発明の液体採取装置は、微量のサンプルに対してもサンプリング量の調整を行いやすく、サンプルと接触する部位を容易に取り換えることができる。
[Liquid sampling device of the present invention]
The liquid collection device of the present invention includes a main body portion having a capillary-like microchannel having a first opening and a second opening, and a switching valve connected to the first opening side. , the switching valve has a flow path connected to the main body, and a flow path opened to the atmosphere and/or a flow path connected to a closed container.
In the liquid sampling device of the present invention, the sampling amount can be easily adjusted even for a minute amount of sample, and the part that comes into contact with the sample can be easily replaced.
本発明の液体採取装置は、第一の開口部及び第二の開口部を有する毛細管状の微細流路を有する本体部と、前記第一の開口部側に接続された切替弁とを有する。この本体部は、その微細流路の第二の開口部側に液体を接触させると、毛細管現象により、その微細流路に接触させた液体が吸い込まれる。この微細流路に吸い込まれる液量は、空間内圧力と、毛細管力が釣り合う条件で定まる。この液量は、微量の液体のサンプリングに適した量である。また、重力に対して、鉛直方向上側にも吸い込むことができるため、ピペットなどの液体採取装置として一般的に用いられるような、真上からや斜め方向からの液体採取にも適している。 The liquid sampling device of the present invention includes a main body portion having a capillary-like microchannel having a first opening and a second opening, and a switching valve connected to the first opening side. When a liquid is brought into contact with the second opening side of the microchannel, the main body part sucks the liquid that has been brought into contact with the microchannel due to capillary action. The amount of liquid sucked into this microchannel is determined by the condition in which the pressure in the space and the capillary force are balanced. This amount of liquid is suitable for sampling a small amount of liquid. In addition, since it is possible to suck in vertically upward against gravity, it is also suitable for collecting liquid from directly above or diagonally, as is commonly used as a liquid collecting device such as a pipette.
また、微細流路の第一の開口部には、切替弁が接続されている。この切替弁は、大気中に開放された流路および/または密閉容器に接続された流路を有している。この大気中に開放された流路や、密閉容器に接続された流路により、微細流路の空間内圧力の調整を行うことができる。切替弁を、大気中に開放された流路や、等圧以下の気圧とした密閉容器に接続された流路と接続する状態(弁を開いた状態)とすると、毛細管現象による微細流路内への液の吸い込みが生じる。一方、切替弁を閉じた状態とすると、切替弁までの空間内圧力が毛細管力と速やかに釣り合った状態となり、吸い込みが停止する。 Further, a switching valve is connected to the first opening of the microchannel. This switching valve has a flow path open to the atmosphere and/or a flow path connected to a closed container. The pressure within the space of the microchannel can be adjusted by the channel open to the atmosphere or the channel connected to the closed container. When the switching valve is connected to a flow path open to the atmosphere or a flow path connected to a closed container with an atmospheric pressure equal to or lower than the same pressure (valve open state), capillary phenomenon occurs in the micro flow path. Liquid suction occurs. On the other hand, when the switching valve is closed, the pressure in the space up to the switching valve quickly balances with the capillary force, and suction stops.
すなわち、微細流路に液体を採取するときは、第二の開口部を、採取対象となる被検液に接触させて、切替弁を開いた状態とすることで微細流路の所定の空間まで液体を吸い込むことができる。また、切替弁を閉じた状態とすると、直ちに毛細管現象が停止して、被検液のサンプリングを停止することができる。 In other words, when collecting a liquid into a microchannel, the second opening is brought into contact with the sample liquid to be sampled, and the switching valve is opened to allow the liquid to reach a predetermined space in the microchannel. Can absorb liquid. Further, when the switching valve is closed, capillary action immediately stops, and sampling of the test liquid can be stopped.
また、この液体採取装置においては、第一の開口部及び第二の開口部を有する毛細管状の微細流路を有する本体部が、被検液と接触する。この本体部は、毛細管等を用いることができるので取り換えを行いやすく、この本体部を取り換えることで、清浄な新たな本体部による液体採取を行うことができる。 Further, in this liquid sampling device, a main body portion having a capillary-like microchannel having a first opening and a second opening comes into contact with the test liquid. This main body can be easily replaced because a capillary tube or the like can be used, and by replacing this main body, liquid can be collected using a new clean main body.
また、このような液体採取装置の構造を用いて、この微細流路の形状を、処理用のマイクロ流路とすることで、マイクロ流体チップとすることもできる。この処理は、マイクロ流体チップの種類に応じて適宜選択される処理であり、マイクロ流路内に収容されている成分の反応や分離、測定などの処理が行われる。また、微細流路における被検液の流動性を評価することで微量の液体の粘度を、微細流路における被検液の釣り合いの位置を測定することで微量の液体の表面張力をそれぞれ求めることができる。 Moreover, by using the structure of such a liquid sampling device and making the shape of the microchannel into a microchannel for processing, a microfluidic chip can be formed. This process is appropriately selected depending on the type of microfluidic chip, and processes such as reaction, separation, and measurement of components accommodated in the microchannel are performed. In addition, the viscosity of a small amount of liquid can be determined by evaluating the fluidity of the test liquid in the microchannel, and the surface tension of a small amount of liquid can be determined by measuring the equilibrium position of the test liquid in the microchannel. I can do it.
[第一の実施形態]
図1は、本発明の第一の実施形態に係る液体採取装置を説明するための概要図である。液体採取装置101は、本体部11と、切替弁21とを有する。
[First embodiment]
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a liquid sampling device according to a first embodiment of the present invention. The liquid sampling device 101 includes a main body portion 11 and a switching valve 21 .
[本体部11]
本体部11は、筒状体であり、中央に毛細管状の微細流路110を有する。微細流路110の一方の端部に第一の開口部111と、他方の端部に第二の開口部112を有する。第一の開口部111は、配管211を介して切替弁21の流路に接続されている。本体部11は、例えば、クロマトグラフィーの試料点着用や電気生理学実験電極用などに市販されている毛細管や、親水性のマイクロ流路などを用いることができ、第一の実施形態における本体部11は毛細管である。
[Main body part 11]
The main body part 11 is a cylindrical body and has a capillary-like fine channel 110 in the center. The microchannel 110 has a first opening 111 at one end and a second opening 112 at the other end. The first opening 111 is connected to the flow path of the switching valve 21 via a pipe 211. The main body part 11 can use, for example, a capillary tube commercially available for chromatography sample spotting or electrophysiological experiment electrodes, a hydrophilic microchannel, etc., and the main body part 11 in the first embodiment is a capillary tube.
本体部11は、毛細管状の微細流路110を有し、この微細流路110は、毛細管現象が生じる太さの流路である。微細流路110に入り込む液量は、微細流路空間内圧力と液体の毛細管力(表面張力)とによって決まる。これらには、微細流路の内径、液体の表面張力、切替弁の接続状態(密閉容器の容量や、大気への開放状態等)、微細流路と液体の親和性等が関与する。このような毛細管現象を利用した採取に適した微細流路の内径は、1mm以下程度である。 The main body portion 11 has a capillary-like microchannel 110, and the microchannel 110 has a thickness that allows capillarity to occur. The amount of liquid that enters the microchannel 110 is determined by the pressure within the microchannel space and the capillary force (surface tension) of the liquid. These factors include the inner diameter of the microchannel, the surface tension of the liquid, the connection state of the switching valve (capacity of the sealed container, the state of opening to the atmosphere, etc.), the affinity between the microchannel and the liquid, and the like. The inner diameter of a microchannel suitable for collection using such capillarity is about 1 mm or less.
また、微量の液体の採取は、特に血液や唾液などの微量の体液への利用に適しており、これらは水を主たる媒質として含む。このため、本体部11は、親水性のものを用いて、毛細管現象が生じやすいものとすることが好ましい。本体部11は、例えば、ガラス製のものを用いることができる。 In addition, the collection of a small amount of liquid is particularly suitable for use with small amounts of body fluids such as blood and saliva, which contain water as a main medium. For this reason, it is preferable that the main body portion 11 be made of a hydrophilic material to facilitate capillary action. The main body portion 11 may be made of glass, for example.
[切替弁21]
切替弁21は、配管211に接続された流路と、大気中に開放された配管212に接続された流路を有し、開状態のときこれらを接続し、閉状態のときこれらの流路を遮断する。切替弁21は、手動で切り替えるものでもよいし、電磁弁を用いてもよい。毛細管現象は比較的速やかに進行することからも、切替弁21は、電気信号により送液開始や送液停止を瞬時に制御する事ができ、採取量を調整しやすい電磁弁を用いることが好ましい。
[Switching valve 21]
The switching valve 21 has a flow path connected to a pipe 211 and a flow path connected to a pipe 212 opened to the atmosphere, and connects these when in an open state and closes these flow paths when in a closed state. cut off. The switching valve 21 may be manually switched or may be a solenoid valve. Since the capillary phenomenon progresses relatively quickly, it is preferable to use an electromagnetic valve as the switching valve 21, which can instantly control the start and stop of liquid feeding using an electric signal, and which can easily adjust the amount of liquid to be collected. .
[配管211]
本体部11の第一の開口部111と切替弁21とは任意の手段で接続することができる。本体部11は、使用のたびに取り換える場合があるため、この取り換えを行いやすいように、可撓性を有するチューブなどを用いて接続することが好ましい。この配管211は、疎水性のものを用いることが好ましい。一部前述したように、本体部11は親水性のものを用いて、毛細管現象が生じやすいものとすることが好ましい。一方で、微細流路110の第一の開口部111を超えて、切替弁21側まで過剰に液体が入り込まない方が好ましい。配管211を疎水性チューブとすることで、配管211内で毛細管現象が生じにくくなり、第一の開口部111付近で液体が停止する。
[Piping 211]
The first opening 111 of the main body 11 and the switching valve 21 can be connected by any means. Since the main body part 11 may be replaced each time it is used, it is preferable to connect it using a flexible tube or the like to facilitate this replacement. It is preferable to use a hydrophobic pipe for this pipe 211. As described above in part, it is preferable that the main body 11 be made of a hydrophilic material to facilitate capillary action. On the other hand, it is preferable that the liquid does not excessively enter beyond the first opening 111 of the microchannel 110 to the switching valve 21 side. By making the piping 211 a hydrophobic tube, capillarity is less likely to occur within the piping 211, and the liquid stops near the first opening 111.
図2は、液体採取装置101により、液体を採取する作業の一例を説明するための図である。液体採取装置101の第二の開口部112を、容器41に収容された液体51に接触させる(図2(a))。接触と同時に、一部の液が、微細流路110に入り込む。さらに、切替弁21を開状態として、微細流路110の空間と、切替弁21を介した配管212とを接続状態とすると、毛細管現象が継続して、微細流路110内には、液体51が吸い込まれ液面511は次第に第一の開口部111側へと移動する(図2(b))。 FIG. 2 is a diagram for explaining an example of the work of collecting a liquid using the liquid sampling device 101. The second opening 112 of the liquid sampling device 101 is brought into contact with the liquid 51 contained in the container 41 (FIG. 2(a)). At the same time as the contact, a part of the liquid enters the microchannel 110. Further, when the switching valve 21 is opened and the space of the microchannel 110 is connected to the piping 212 via the switching valve 21, the capillary phenomenon continues, and the liquid 51 is in the microchannel 110. is sucked in, and the liquid level 511 gradually moves toward the first opening 111 (FIG. 2(b)).
所定の液面512まで液体を採取した後、切替弁21を閉状態として、微細流路110と、配管212とを遮断し、第二の開口部112を容器41の液体51から取り外すことで微細流路110内に、液面512まで液体を採取することができる(図2(c))。この微細流路110内の液体は、第二の開口部112を親水性や吸水性が高い材質等に接触させて切替弁を開状態として親水性や表面張力を利用して送出したり、配管212側から気体を送り込み送出することができる。 After collecting the liquid up to a predetermined liquid level 512, the switching valve 21 is closed to shut off the microchannel 110 and the piping 212, and the second opening 112 is removed from the liquid 51 in the container 41. Liquid can be collected in the channel 110 up to the liquid level 512 (FIG. 2(c)). The liquid in this microchannel 110 can be sent out using hydrophilicity or surface tension by bringing the second opening 112 into contact with a highly hydrophilic or water-absorbing material, etc., and opening the switching valve. Gas can be sent in and out from the 212 side.
[液体51]
液体51は、毛細管現象が生じる任意の液体を用いることができる。この液体には、種々の成分が溶解や分散したものを用いてもよい。血液や唾液などの生体由来のサンプルを対象とすることもできる。
[Liquid 51]
As the liquid 51, any liquid in which capillarity occurs can be used. This liquid may be one in which various components are dissolved or dispersed. Samples of biological origin such as blood and saliva can also be used.
液体採取装置101が採取する液量は、使用目的や表面張力に影響する諸条件(微細配管の太さ)等により適宜設定できるが、100μL以下や10μL以下、1μL以下、100nL以下のような範囲とすることができ、その下限も、10pL以上や、100pL以上のような極めて微量の液量とすることができる。 The amount of liquid collected by the liquid sampling device 101 can be set as appropriate depending on the purpose of use and various conditions that affect surface tension (thickness of fine piping), etc., but it may be within a range of 100 μL or less, 10 μL or less, 1 μL or less, or 100 nL or less. The lower limit can also be set to an extremely small amount of liquid, such as 10 pL or more, or 100 pL or more.
液体採取装置101によれば、迅速に送液制御することができる。また、本体部11や必要に応じて配管211を取り外して安全に廃棄することができ、微量な体液などの生体試料の送液制御(送液や分注、サンプル移動など)ができる。 According to the liquid sampling device 101, liquid feeding can be quickly controlled. Further, the main body 11 and the piping 211 can be removed and safely disposed of if necessary, and liquid feeding control (liquid feeding, dispensing, sample movement, etc.) of a biological sample such as a trace amount of body fluid can be performed.
[毛細管力と空間内圧力]
本発明に係る液体採取装置は毛細管現象を利用し、毛細管力と毛管内外圧力差による力との釣り合いを利用して液体採取を行う。図3は円筒状の毛細管を例に、この毛細管力と毛管内外圧力差による力とを説明するための図である。
[Capillary force and pressure in space]
The liquid sampling device according to the present invention utilizes capillary phenomenon to collect liquid by utilizing the balance between capillary force and the force due to the pressure difference between the inside and outside of the capillary. FIG. 3 is a diagram for explaining this capillary force and the force due to the pressure difference between the inside and outside of the capillary, using a cylindrical capillary as an example.
毛細管力(Fs)は、表面張力により液体を微細流路内に引き込む力である。この毛細管力(Fs)は、以下の式(A1)から求めることができる。
Fs=2πrσ・cosα 式(A1)
式(A1)において、πは円周率であり、rは毛細管の半径(m)であり、σは表面張力(N/m)であり、αは接触角(rad)である。
Capillary force (Fs) is a force that draws liquid into a microchannel due to surface tension. This capillary force (Fs) can be determined from the following equation (A1).
Fs=2πrσ・cosα Formula (A1)
In equation (A1), π is pi, r is the radius of the capillary (m), σ is the surface tension (N/m), and α is the contact angle (rad).
管から押し出す力(Fp)は、毛管内外圧力差による力である。この管から押し出す力(Fp)は、以下の式(A2)から求めることができる。
Fp=πr2ΔP 式(A2)
式(A2)において、πは円周率であり、rは微細流路の半径(m)であり、ΔPは微細流路内外の圧力差(Pa)である。
The force (Fp) extruded from the tube is due to the difference in pressure between the inside and outside of the capillary. The force (Fp) extruded from this tube can be determined from the following equation (A2).
Fp=πr 2 ΔP Formula (A2)
In formula (A2), π is pi, r is the radius (m) of the microchannel, and ΔP is the pressure difference (Pa) between the inside and outside of the microchannel.
そして、式(A3)に示すように、これらの力が釣り合ったとき、毛細管内で液面が静止する。
Fs=Fp 式(A3)
Then, as shown in equation (A3), when these forces are balanced, the liquid level within the capillary becomes stationary.
Fs=Fp Formula (A3)
この式(A3)の釣り合った状態となる条件は、以下の式(A4)に示す状態のときである。
ΔP=4σ・cosα/D 式(A4)
式(A4)においてσは表面張力(N/m)であり、αは接触角(rad)であり、Dは微細流路の内径2r(m)である。
The condition for the balanced state of this equation (A3) is the state shown in the following equation (A4).
ΔP=4σ・cosα/D Formula (A4)
In formula (A4), σ is the surface tension (N/m), α is the contact angle (rad), and D is the inner diameter 2r (m) of the microchannel.
これらの式により、例えば、水(表面張力σ=72×10-3N/mとして)について、切替弁を閉じた状態で水平に配置した毛細管を用いるものとして計算すると、全容量0.25~1μL、内径0.099~0.20mmの毛細管に、約7~14nL程度の微量の液体を採取することができるものと計算される。 Using these equations, for example, when calculating water (with surface tension σ = 72 x 10 -3 N/m) using a capillary tube arranged horizontally with the switching valve closed, the total capacity is 0.25 ~ It is calculated that a minute amount of liquid, approximately 7 to 14 nL, can be collected into a 1 μL capillary tube with an inner diameter of 0.099 to 0.20 mm.
[第二の実施形態]
図4は、本発明の第二の実施形態に係る液体採取装置と、その使用例を説明するための概要図である。液体採取装置102は、本体部12と、切替弁22と、密閉容器32とを有する。液体採取装置102は、容器42に収容された液体52を採取する場合を例に説明する。
[Second embodiment]
FIG. 4 is a schematic diagram for explaining a liquid sampling device according to a second embodiment of the present invention and an example of its use. The liquid sampling device 102 includes a main body 12 , a switching valve 22 , and a closed container 32 . The liquid sampling device 102 will be described using an example in which the liquid 52 contained in the container 42 is sampled.
液体採取装置102の本体部12は、毛細管状の微細流路120を有し、第一の開口部121と、第二の開口部122を有する。この本体部12は、第一の実施形態の本体部11と同様のものを用いることができる。 The main body 12 of the liquid collection device 102 has a capillary-like microchannel 120, and has a first opening 121 and a second opening 122. This main body section 12 can be the same as the main body section 11 of the first embodiment.
液体採取装置102の切替弁22は、三方弁である。切替弁22の第一の流路は配管221を介して本体部12の第一の開口部121に接続されている。配管221は、第一の実施形態の配管211と同様のものを用いることができる。切替弁22の第二の流路は、配管222に接続され、大気中に開放されている。この配管222は、第一の実施形態の配管212と同様のものとすることができる。切替弁22の第三の流路は、密閉容器32と配管223を介して接続されている。また、切替弁22はこれらの各配管221~223から任意の二つの配管をつなぐ構成とすることもできるし、これらの配管を遮断する閉止弁として用いることもできる。 The switching valve 22 of the liquid sampling device 102 is a three-way valve. A first flow path of the switching valve 22 is connected to a first opening 121 of the main body 12 via a pipe 221. The piping 221 can be the same as the piping 211 of the first embodiment. The second flow path of the switching valve 22 is connected to the piping 222 and is open to the atmosphere. This piping 222 can be similar to the piping 212 of the first embodiment. The third flow path of the switching valve 22 is connected to the closed container 32 via piping 223. Further, the switching valve 22 can be configured to connect any two pipes from each of these pipes 221 to 223, or can be used as a shutoff valve to shut off these pipes.
[密閉容器32]
密閉容器32は、毛細管状の微細流路120内で生じる毛細管現象による吸い込み量の制御に用いられる容器である。毛細管現象は前述のように、毛細管力と空間内圧力との釣り合いにより、その吸い込む量が決まる。この空間内圧力は、第一の実施形態のように、切替弁22を配管222と接続するものとして、大気中に開放して、重力等とのバランスがとれるところまで毛細管現象により吸い込むものとしてもよい。一方、空間内圧力をあらかじめ調整することで、微細流路120に吸い込まれる液量を設定しておくこともできる。このために、微細流路120に配管223を介して密閉容器32を接続させ、密閉容器32の容量に応じた液量を採取することができる。これは、密閉容器32の容積を変えるだけで微細流路120に吸い込まれる液量を容易に調整することができる利点を有する。
[Airtight container 32]
The airtight container 32 is a container used to control the amount of suction due to the capillary phenomenon occurring within the capillary-like microchannel 120. As mentioned above, the amount of capillary action sucked in is determined by the balance between capillary force and the pressure within the space. As in the first embodiment, the pressure in this space may be released into the atmosphere by connecting the switching valve 22 to the piping 222 and sucked in by capillary action until it is balanced with gravity, etc. good. On the other hand, the amount of liquid sucked into the microchannel 120 can also be set by adjusting the pressure in the space in advance. For this purpose, the closed container 32 is connected to the microchannel 120 via the piping 223, and the amount of liquid corresponding to the capacity of the closed container 32 can be collected. This has the advantage that the amount of liquid sucked into the microchannel 120 can be easily adjusted by simply changing the volume of the closed container 32.
液体採取装置102は、密閉容器32により空間内圧力の制御等を行うが、他の点は第一の実施形態の液体採取装置101に準じた用い方ができる。
例えば、切替弁22は、配管221と、密閉容器32に接続された配管223とが接続された状態として用いる。容器42に収容された液体52に、液体採取装置102の微細流路120の第二の開口部122を接触させると、微細流路120に毛細管現象により液体52が吸い込まれ液面521が第一の端部121側へと移動する(図4(a))。切替弁22をそのまま維持しても、密閉容器32による空間内圧力と釣り合うところで液面522は停止し、所定の液量が微細流路120に吸い込まれた状態となる(図4(b))。この状態のままで、第二の開口部122を液体52から取り外すことで、液体採取を終えてもよいし、切替弁22を閉じた状態として、液体採取装置102を取り上げて移動させても微細流路120内でより安定する状態としてもよい。
The liquid sampling device 102 controls the pressure inside the space using the closed container 32, but can be used in the same manner as the liquid sampling device 101 of the first embodiment in other respects.
For example, the switching valve 22 is used in a state where the pipe 221 and the pipe 223 connected to the closed container 32 are connected. When the second opening 122 of the microchannel 120 of the liquid collection device 102 is brought into contact with the liquid 52 contained in the container 42, the liquid 52 is sucked into the microchannel 120 by capillary action, and the liquid level 521 becomes the first. (FIG. 4(a)). Even if the switching valve 22 is maintained as it is, the liquid level 522 stops when it balances with the internal pressure of the closed container 32, and a predetermined amount of liquid is sucked into the microchannel 120 (FIG. 4(b)). . You can complete the liquid collection by removing the second opening 122 from the liquid 52 in this state, or you can pick up the liquid collection device 102 and move it with the switching valve 22 closed. A more stable state may be created within the flow path 120.
図4(c)、(d)に示すように容器421に液体52を供給する場合、液体採取装置102の第二の開口部122を、容器421の近くに配置した状態で、切替弁22を切り替えて、配管221と、配管222とを接続した状態として、配管222側から微細流路120内に向けて気体を送出することで、容器421内に液滴523を移動させることができる。 When supplying the liquid 52 to the container 421 as shown in FIG. The liquid droplet 523 can be moved into the container 421 by switching to a state where the piping 221 and the piping 222 are connected and sending gas from the piping 222 side toward the inside of the microchannel 120.
[第三の実施形態]
図5は、本発明の第三の実施形態に係る液体採取装置と、その使用例を説明するための概要図である。液体採取装置103は、本体部13と、切替弁23と、密閉容器33とを有する。さらに、本体部13は載置台73上に水平に載置されている。載置台73は、液の収容部43となる溝部を有しており、液体53が収容されている。載置台73には、本体部13の微細流路130内の液面を検出することができるセンサー631~636が取り付けられており、センサー631~636は制御部630に電気信号を通信できるように接続されている。制御部630は、電磁弁である切替弁23とも電気信号を通信できるように接続されている。
[Third embodiment]
FIG. 5 is a schematic diagram for explaining a liquid sampling device according to a third embodiment of the present invention and an example of its use. The liquid sampling device 103 includes a main body 13 , a switching valve 23 , and a closed container 33 . Further, the main body portion 13 is placed horizontally on a mounting table 73. The mounting table 73 has a groove serving as a liquid storage section 43, and a liquid 53 is stored therein. Sensors 631 to 636 capable of detecting the liquid level in the microchannel 130 of the main body section 13 are attached to the mounting table 73, and the sensors 631 to 636 are configured to communicate electrical signals to the control section 630. It is connected. The control unit 630 is also connected to the switching valve 23, which is a solenoid valve, so as to be able to communicate electrical signals.
液体採取装置103の本体部13は、毛細管状の微細流路130を有し、第一の開口部131と、第二の開口部132を有する。この本体部13は、第一の実施形態の本体部11と同様のものを用いることができる。 The main body 13 of the liquid collection device 103 has a capillary-like microchannel 130, and has a first opening 131 and a second opening 132. This main body section 13 can be the same as the main body section 11 of the first embodiment.
液体採取装置103の切替弁23は、電磁弁の三方弁である。切替弁23の第一の流路は配管231を介して本体部13の第一の開口部131に接続されている。配管231は、第一の実施形態の配管211と同様のものを用いることができる。切替弁23の第二の流路は、配管232に接続され、大気中に開放されている。この配管232は、第一の実施形態の配管212と同様のものとすることができる。切替弁の第三の流路は、密閉容器33と配管233を介して接続されている。また、切替弁23はこれらの各配管231~233から任意の二つの配管をつなぐ構成とすることもできるし、これらの配管を遮断する閉止弁として用いることもできる。 The switching valve 23 of the liquid sampling device 103 is a three-way electromagnetic valve. A first flow path of the switching valve 23 is connected to a first opening 131 of the main body 13 via a pipe 231. The piping 231 can be the same as the piping 211 of the first embodiment. The second flow path of the switching valve 23 is connected to the piping 232 and is open to the atmosphere. This piping 232 can be similar to the piping 212 of the first embodiment. The third flow path of the switching valve is connected to the closed container 33 via piping 233. Further, the switching valve 23 can be configured to connect any two pipes from each of these pipes 231 to 233, or can be used as a shutoff valve to shut off these pipes.
[載置台73]
液体採取装置103の本体部13は、載置台73に載置されている。載置台73は、本体部13を載置するための溝部を設けた構造を有する。また、載置台73は、液体の収容部43となる溝部も有している。この収容部43には液体53が収容されている。本体部13を載置台73に載置したとき、第二の開口部132が、収容部43に収容された液体53と接する配置となっている。液体採取装置103は、載置台73を水平な台上に置いたとき、本体部13を水平に配置する構成である。載置台73は、適宜、水平に限らず設定された所定の角度で本体部13を載置することができる構成に代えたものとしてもよい。
[Placement stand 73]
The main body 13 of the liquid sampling device 103 is placed on a mounting table 73. The mounting table 73 has a structure in which a groove portion is provided for placing the main body portion 13 thereon. Further, the mounting table 73 also has a groove portion that serves as the liquid storage portion 43. A liquid 53 is contained in this storage portion 43 . When the main body portion 13 is placed on the mounting table 73, the second opening portion 132 is arranged to be in contact with the liquid 53 contained in the storage portion 43. The liquid sampling device 103 has a configuration in which the main body 13 is arranged horizontally when the mounting table 73 is placed on a horizontal table. The mounting table 73 may be replaced with a structure that allows the main body part 13 to be mounted not only horizontally but also at a predetermined angle, as appropriate.
[センサー631~636]
センサー631~636は、載置台73に取り付けられている。センサー631~636は、本体部13の微細流路130内に並置して、所定の間隔で複数設けられており、それぞれが対応する位置で微細流路130内の変動を検出することができる。例えば、センサー631~636は、光学センサーとして、微細流路130内の液面の変動を検出するものとすることができる。液体53が微細流路130内で吸い込まれるとき、その液面は液と空間中の気体との屈折率差および/または光散乱の差によって光学的手段により顕著に観察しやすい状態となる。この液面の通過の有無を、それぞれのセンサー631~636が検出することができるものとすることができる。
[Sensors 631-636]
The sensors 631 to 636 are attached to a mounting table 73. A plurality of sensors 631 to 636 are provided in parallel in the microchannel 130 of the main body part 13 at predetermined intervals, and each sensor can detect a fluctuation in the microchannel 130 at a corresponding position. For example, the sensors 631 to 636 may be optical sensors that detect changes in the liquid level within the microchannel 130. When the liquid 53 is sucked into the microchannel 130, the liquid surface becomes significantly easier to observe by optical means due to the difference in refractive index and/or the difference in light scattering between the liquid and the gas in the space. Each of the sensors 631 to 636 can detect whether or not this liquid level has passed.
[制御部630]
制御部630は、電磁弁である切替弁23の開閉や接続状態を制御する。制御部630は、はじめ切替弁23を閉状態として、本体部13を載置台73に載置したあと、配管231を、密閉容器33に接続された配管233や、大気中に開放された配管232に接続する時間を制御することができる。また、センサー631~636と電気信号を通信可能な状態で接続され、センサー631~636と対応する位置を液体53の界面が通過した時間を計測することができる。
[Control unit 630]
The control unit 630 controls the opening/closing and connection state of the switching valve 23, which is a solenoid valve. The control unit 630 initially closes the switching valve 23 and places the main body 13 on the mounting table 73, and then connects the pipe 231 to the pipe 233 connected to the closed container 33 or the pipe 232 opened to the atmosphere. You can control the connection time. Further, it is connected to the sensors 631 to 636 so as to be able to communicate electrical signals, and it is possible to measure the time when the interface of the liquid 53 passes through a position corresponding to the sensors 631 to 636.
また、制御部630に予め吸液量を設定し、制御部630が、吸液のために切替弁23を開放し、設定された吸液量に対応する微細流路130の位置に取り付けられたセンサー(631~636)が液面を検出したとき切替弁23を閉止するものとすることができる。これにより、設定した吸液量を微細流路130内に吸液することができる。制御部630と、切替弁23および/またはセンサー631~636との通信は有線や無線など任意の手段で通信できるものとしてよい。また、液体採取装置103は、制御部630の制御を行うための入力手段や、制御部630の制御条件やセンサー631~636が検出した液面通過時間やその変動などの情報を記憶するメモリ部、これらの情報を適宜表示する表示部を有するものとすることができる。 Further, the liquid absorption amount is set in advance in the control unit 630, and the control unit 630 opens the switching valve 23 for liquid absorption, and the control unit 630 opens the switching valve 23 for liquid absorption, and the control unit 630 opens the switching valve 23 for liquid absorption, and the microchannel 130 is attached to the position corresponding to the set liquid absorption amount. The switching valve 23 may be closed when the sensors (631 to 636) detect the liquid level. Thereby, the set amount of liquid can be absorbed into the microchannel 130. Communication between the control unit 630 and the switching valve 23 and/or the sensors 631 to 636 may be performed by any means such as wired or wireless. The liquid sampling device 103 also includes an input means for controlling the control unit 630 and a memory unit that stores information such as the control conditions of the control unit 630 and the liquid level passage time detected by the sensors 631 to 636 and its fluctuations. , it may have a display unit that displays this information as appropriate.
図5(a)は、収容部43に液体53を収容させ、本体部13を載置した状態である。制御部630により、電磁弁である切替弁23を例えば密閉容器33と接続する開状態とすると微細流路130内に液体が吸い込まれる。例えば、液面533まで液体が吸い込まれると、センサー633が液面533を検出して、その検出結果は制御部630に伝達される(図5(b))。また、液面535まで液体が吸い込まれると、センサー635が液面535を検出して、その検出結果は制御部630に伝達される(図5(c))。 FIG. 5A shows a state in which the liquid 53 is contained in the storage portion 43 and the main body portion 13 is placed. When the control unit 630 opens the switching valve 23, which is an electromagnetic valve, to connect it to the closed container 33, for example, liquid is sucked into the microchannel 130. For example, when the liquid is sucked up to the liquid level 533, the sensor 633 detects the liquid level 533, and the detection result is transmitted to the control unit 630 (FIG. 5(b)). Further, when the liquid is sucked up to the liquid level 535, the sensor 635 detects the liquid level 535, and the detection result is transmitted to the control unit 630 (FIG. 5(c)).
ここで、例えば、液面533までの量を採取量として設定しておいた場合、液面533をセンサー633が検出すると、制御部630は、センサー633の検出結果を受けて、直ちに切替弁23を閉状態とする電気信号を伝達させて、切替弁23を閉じる。これにより、液面533までの量の採取を行うことができる。 Here, for example, if the amount up to the liquid level 533 is set as the sampling amount, when the sensor 633 detects the liquid level 533, the control unit 630 immediately controls the switching valve 23 in response to the detection result of the sensor 633. The switching valve 23 is closed by transmitting an electric signal to close the switching valve 23. Thereby, the amount up to the liquid level 533 can be collected.
なお、配管232には、他の密閉容器(図示せず)を取り付け、この密閉容器は、陽圧のものとしたり、可撓性を有する容器としておき、配管222に接続することで密閉容器の陽圧により微細流路130内に吸い込まれた液体53を送出したり、可撓性を有する容器を押すことで微細流路130内に向けて気体を送出することで微細流路130内に吸い込まれた液体53を送出するものとしてもよい。 Note that another sealed container (not shown) is attached to the piping 232 , and this sealed container has a positive pressure or a flexible container, and by connecting it to the piping 222, the sealed container can be closed. The liquid 53 sucked into the microchannel 130 is pumped out by positive pressure, or the gas is pumped into the microchannel 130 by pushing a flexible container. The liquid 53 may be sent out.
この実施形態の液体採取装置103は、電磁弁である切替弁23の開放を始めた時間を起点t0とし、センサー631~636が検出する位置を液が通過するまでの通過時間tx1~tx6を測定する吸液時間測定手段を有するものとすることができる。センサー631を通過したときの時間をtx1とし、センサー632を時間tx2、センサー633を時間tx3、センサー634を時間tx4、センサー635を時間tx5、センサー636を時間tx6として、それぞれを通過するまでの時間を測定する。そして、各センサー間の距離や、通過時間から、吸液速度を求めることもできる。
また、この液体採取装置103は、切替弁23を閉じた状態のとき、吸液がごく少ない状態で表面張力が釣り合い、液面の位置は定まる。また、切替弁23を開いたとき、吸液が始まる。このため、通過時間を測定するタイミングの制御が行いやすい。例えば、液体採取装置103を複数並置することで、複数の被験液の通過時間を同時に評価することもできる。
The liquid sampling device 103 of this embodiment takes the time when the switching valve 23, which is a solenoid valve, starts to open as a starting point t0, and measures the passage time tx1 to tx6 until the liquid passes the position detected by the sensors 631 to 636. The liquid absorption time measuring means may be provided. The time when passing the sensor 631 is tx1, the sensor 632 is the time tx2, the sensor 633 is the time tx3, the sensor 634 is the time tx4, the sensor 635 is the time tx5, and the sensor 636 is the time tx6. Measure. The liquid absorption speed can also be determined from the distance between each sensor and the passage time.
Further, in this liquid sampling device 103, when the switching valve 23 is in a closed state, the surface tension is balanced with very little liquid being absorbed, and the position of the liquid level is determined. Moreover, when the switching valve 23 is opened, liquid suction starts. Therefore, it is easy to control the timing of measuring the passing time. For example, by arranging a plurality of liquid sampling devices 103 in parallel, the passage times of a plurality of test liquids can be evaluated simultaneously.
また、センサー631~636は、さらに多くのセンサーを配置してもよいし、それぞれ広範な範囲を検出するものとして、液面の位置を検出するものとしてもよい。このような位置を測定するものとして、切替弁23を閉じた状態の液面の位置L0を測定し、さらに、切替弁23を密閉容器33と接続したときの液面の位置L1を測定する液面位置測定手段とすることもできる。 Further, the sensors 631 to 636 may include more sensors, or may each detect the position of the liquid level over a wider range. As a device for measuring such positions, the liquid level position L0 with the switching valve 23 closed is measured, and the liquid level position L1 is further measured when the switching valve 23 is connected to the closed container 33. It can also be used as surface position measuring means.
[第四の実施形態]
図6は、本発明の第四の実施形態に係る液体採取装置を用いたマイクロ流体チップを説明するための概要図である。マイクロ流体チップ104は、本体部14と、切替弁24と、密閉容器34とを有する。さらに、本体部14はその底面を台上等に置くことで水平に載置することができる。本体部14は、微細流路1401、1402内の液面を検出することができるセンサー641、642が取り付けられており、センサー641、642は制御部640に電気信号を通信できるように接続されている。制御部640は、電磁弁である切替弁24とも電気信号を通信できるように接続されている。
[Fourth embodiment]
FIG. 6 is a schematic diagram for explaining a microfluidic chip using a liquid sampling device according to a fourth embodiment of the present invention. The microfluidic chip 104 includes a main body 14 , a switching valve 24 , and a closed container 34 . Furthermore, the main body portion 14 can be placed horizontally by placing its bottom surface on a table or the like. Sensors 641 and 642 capable of detecting the liquid level in the microchannels 1401 and 1402 are attached to the main body part 14, and the sensors 641 and 642 are connected to the control part 640 so as to be able to communicate electrical signals. There is. The control unit 640 is also connected to the switching valve 24, which is a solenoid valve, so as to be able to communicate electrical signals.
[微細流路1401、1402]
マイクロ流体チップ104の本体部14は、毛細管状の微細流路1401、1402を有し、第一の開口部141と、第二の開口部142を有する。この微細流路1401、1402は、毛細管現象が起こる内径の流路である。また、微細流路1401、1402は、採取される被検液を反応させるためのマイクロ流路である。本体部14は、第二の開口部142が接する部分に液の収容部143が有し、収容部143に収容された液は、第二の開口部142から毛細管現象により吸い込まれ、微細流路1401、微細流路1402を経て、第一の開口部141まで吸い込まれる。この微細流路1401、1402において、所定の反応が行われる。
[Microchannels 1401, 1402]
The main body 14 of the microfluidic chip 104 has capillary microchannels 1401 and 1402, and has a first opening 141 and a second opening 142. The fine flow channels 1401 and 1402 are inner diameter flow channels in which capillarity occurs. Further, the microchannels 1401 and 1402 are microchannels for reacting the sample liquid to be collected. The main body part 14 has a liquid storage part 143 in a part that contacts the second opening 142, and the liquid stored in the storage part 143 is sucked in from the second opening 142 by capillary action and becomes a fine stream. The liquid is sucked into the first opening 141 through the channel 1401 and the fine channel 1402. A predetermined reaction is performed in these microchannels 1401 and 1402.
微細流路1401は、第二の開口部142から、センサー641が設けられた位置までの微細流路である。微細流路1402は、微細流路1401と連続した流路であり、センサー641が設けられた位置から、第一の開口部141までの流路である。微細流路1402は、センサー641直後の楕円状の流路に試薬8が配置されており、吸い込まれた液はこの試薬8と混合・撹拌されながら、第一の開口部141に向かって吸い込まれる。 The fine channel 1401 is a fine channel from the second opening 142 to the position where the sensor 641 is provided. The fine flow path 1402 is a flow path continuous with the fine flow path 1401, and is a flow path from the position where the sensor 641 is provided to the first opening 141. In the fine channel 1402, a reagent 8 is arranged in an elliptical channel immediately after the sensor 641, and the sucked liquid is mixed and stirred with the reagent 8 and sucked toward the first opening 141. .
このマイクロ流路は、マイクロ流体チップ104を用いる目的に応じて、直線や、分岐、くし形、曲線、渦、屈曲、楕円など、任意の形状を適宜組み合わせた流路を設けることができる。また、任意の試薬等をその流路に適宜配置してもよいし、さらに他の開口部を設けて複数の液体を通液するものとしてもよい。 Depending on the purpose of using the microfluidic chip 104, this microchannel can be a channel that is an appropriate combination of any shape, such as a straight line, a branch, a comb shape, a curved line, a vortex, a bend, or an ellipse. Furthermore, any reagent or the like may be appropriately placed in the channel, or other openings may be provided to allow a plurality of liquids to pass through.
マイクロ流体チップ104の切替弁24は、電磁弁の三方弁である。切替弁24の第一の流路は配管241を介して本体部14の第一の開口部141に接続されている。配管241は、第一の実施形態の配管241と同様のものを用いることができ、配管241と接続するために本体部14の第一の開口部141は、凸状部である。切替弁24の第二の流路は、配管242に接続され、大気中に開放されている。この配管242は、第一の実施形態の配管212と同様のものとすることができる。切替弁24の第三の流路は、密閉容器34と配管243を介して接続されている。また、切替弁24はこれらの各配管241~243から任意の二つの配管をつなぐ構成とすることもできるし、これらの配管を遮断する閉止弁として用いることもできる。 The switching valve 24 of the microfluidic chip 104 is a three-way electromagnetic valve. A first flow path of the switching valve 24 is connected to a first opening 141 of the main body 14 via a pipe 241. The piping 241 may be the same as the piping 241 of the first embodiment, and the first opening 141 of the main body 14 for connection to the piping 241 is a convex portion. The second flow path of the switching valve 24 is connected to the piping 242 and is open to the atmosphere. This piping 242 can be similar to the piping 212 of the first embodiment. The third flow path of the switching valve 24 is connected to the closed container 34 via piping 243. Further, the switching valve 24 can be configured to connect any two pipes from each of these pipes 241 to 243, or can be used as a shutoff valve to shut off these pipes.
本体部14は、センサー641、642が取り付けられている。これらは、マイクロ流体チップ104内での反応時間の制御などに用いることができる。例えば、第二の開口部142から微細流路1401を通って吸い込まれた液体がセンサー641を通過した時間から、試薬8と混合撹拌されながらセンサー642に到達するまでの時間を計測する。さらに、センサー642で液面の通過を確認次第、切替弁24を閉状態として、液の進行を停止する。この停止した状態で所定の反応時間経過させてから、切替弁24を開状態として、液を進行させる。本発明に係るマイクロ流体チップ104は、毛細管現象による送液を行うため、ポンプなどを用いる場合の脈動などの影響がなく、適宜センサーを配置して制御することで、高い応答性で任意の位置まで送液できる。これにより、高度な送液制御を行うマイクロ流体チップを達成することができる。 Sensors 641 and 642 are attached to the main body part 14. These can be used to control reaction time within the microfluidic chip 104, etc. For example, the time from when the liquid sucked from the second opening 142 through the microchannel 1401 passes through the sensor 641 to when it reaches the sensor 642 while being mixed with the reagent 8 and being stirred is measured. Further, as soon as the sensor 642 confirms that the liquid level has passed, the switching valve 24 is closed to stop the liquid from flowing. After a predetermined reaction time has elapsed in this stopped state, the switching valve 24 is opened to allow the liquid to proceed. Since the microfluidic chip 104 according to the present invention performs liquid delivery by capillary phenomenon, there is no effect of pulsation when using a pump, etc., and by appropriately arranging and controlling sensors, it can be moved to any position with high responsiveness. It is possible to send liquid up to This makes it possible to achieve a microfluidic chip that performs advanced liquid feeding control.
[粘度の測定]
本発明の粘度測定方法は、本発明の液体採取装置を用いて、収容部に被検液を収容し、吸液時間測定手段によりtxを測定して、測定したtxに基づいて、標準液を測定したときの吸液時間txaと比較することで、被検液の粘度を測定するものとすることができる。
このような粘度測定方法とすることで、微量な被検液の粘度も測定することができる。この吸液時間txに基づいて、所定の距離を被検液が通過するのに要する時間を求めることができる。例えば、複数のセンサーを配置した液体採取装置を用いて、電磁弁を開放後に吸液された被検液が液面の位置Lp1を検出する第一のセンサーを通過したときの時間がtx1であり、位置Lp1よりもさらに電磁弁寄りの液面の位置Lp2を検出する第二のセンサーを通過したときの時間がtx2の場合を例に説明する。この場合、第一のセンサーの位置Lp1と第二のセンサーの位置Lp2との距離Lp21(=Lp2-Lp1)を、時間tx21(=tx2-tx1)で被検液は吸液され通過している。これを同様に標準液で測定したときの時間をtxa1、txa2とすると、この標準液のときの時間txa21(=txa2-txa1)と比較することで、被検液の標準液等に対する相対的な粘度を測定することができる。また、標準液の条件を十分に評価しておくことで、被検液の絶対的な粘度を測定することもできる。
[Measurement of viscosity]
The viscosity measurement method of the present invention uses the liquid sampling device of the present invention to store a test liquid in a storage part, measure tx with a liquid absorption time measuring means, and prepare a standard solution based on the measured tx. The viscosity of the test liquid can be measured by comparing it with the measured liquid absorption time txa.
By using such a viscosity measuring method, it is possible to measure the viscosity of even a small amount of the test liquid. Based on this liquid absorption time tx, the time required for the test liquid to pass a predetermined distance can be determined. For example, when using a liquid sampling device with multiple sensors, the time tx1 is the time when the sample liquid sucked after opening the solenoid valve passes the first sensor that detects the liquid level position Lp1. , a case where the time when the liquid passes the second sensor that detects the liquid level position Lp2, which is closer to the electromagnetic valve than the position Lp1, is tx2 will be explained as an example. In this case, the test liquid is absorbed and passes through the distance Lp21 (=Lp2-Lp1) between the first sensor position Lp1 and the second sensor position Lp2 at time tx21 (=tx2-tx1). . If this is similarly measured using a standard solution, let txa1 and txa2 be the times, then by comparing with the time txa21 (=txa2-txa1) when using this standard solution, you can determine the relative value of the test solution to the standard solution, etc. Viscosity can be measured. Furthermore, by sufficiently evaluating the conditions of the standard solution, it is also possible to measure the absolute viscosity of the test solution.
この粘度の測定は、毛細管現象による力の作用によって前記体液が流れる流路と、前記体液が前記流路に沿って移動した移動距離及び該移動距離の移動に要した移動時間に基づいて回帰分析し、前記体液の粘度を導出する演算手段とを備え測定装置により行うことができる。この演算手段は、前記移動距離の二乗を説明変数とし、前記移動時間を目標変数として回帰分析するのが好ましい。 This viscosity measurement is performed by regression analysis based on the flow path through which the body fluid flows due to the action of force due to capillarity, the distance traveled by the body fluid along the flow path, and the travel time required to travel the distance. However, the measurement can be carried out by a measuring device including a calculating means for deriving the viscosity of the body fluid. Preferably, this calculation means performs a regression analysis using the square of the travel distance as an explanatory variable and the travel time as a target variable.
回帰分析によってどのように被検液の粘度を計測するかについて、以下に説明する。水平配置された断面円形(半径r)の管内を、以下の条件下で液体が流れる状況を検討する。
管内の液体には、表面張力による引力Fsが被験液の収容部と接する一端の他端に向かって作用する。
収容部の容積は管内の容積に比べて大きく、管の一端から管内に浸入した液体が他端に到達するまで、管の一端は収容部内の液体に浸漬されている。
How to measure the viscosity of a test liquid by regression analysis will be explained below. Consider a situation in which a liquid flows in a horizontally arranged pipe with a circular cross section (radius r) under the following conditions.
An attractive force F s due to surface tension acts on the liquid in the tube toward one end that is in contact with the test liquid storage portion and the other end.
The volume of the accommodating part is larger than the volume inside the tube, and one end of the tube is immersed in the liquid in the accommodating part until the liquid that has entered the tube from one end of the tube reaches the other end.
ここで、液体の表面張力をσ、液体の管の内壁に対する接触角をα、管内の液体からなる液柱の長さをl、液体の粘度をη、液体が管内を移動する速度をvとして、引力Fs及び管内の液柱に働く摩擦力Ffは以下の式1、式2でそれぞれ表わされる。 Here, the surface tension of the liquid is σ, the contact angle of the liquid with the inner wall of the tube is α, the length of the liquid column consisting of the liquid in the tube is l, the viscosity of the liquid is η, and the speed at which the liquid moves inside the tube is v. , the attractive force F s and the frictional force F f acting on the liquid column in the pipe are expressed by the following equations 1 and 2, respectively.
液体の密度をρとし、引力Fs及び摩擦力Ffを考慮して、管内を移動する液体の運動方程式を表すと、当該運動方程式は以下の式3に示すようになる。 When the density of the liquid is ρ and the equation of motion of the liquid moving in the pipe is expressed by taking into account the attractive force F s and the frictional force F f , the equation of motion becomes as shown in the following equation 3.
lv=qとして、式3を整理することで、以下の式4が得られる。 By rearranging Equation 3 with lv=q, the following Equation 4 can be obtained.
管内を移動する液体が定常状態、即ち、以下の式5が成立する状態について検討すると、qは以下の式6で表わすことができる。 When the liquid moving in the pipe is in a steady state, that is, the state where Equation 5 below holds true, q can be expressed by Equation 6 below.
式6を時刻ゼロのときにl=0の条件で積分すると、以下の式7を得ることができる。なお、tは時刻ゼロからの経過時間を意味する。 If Equation 6 is integrated under the condition of l=0 at time zero, the following Equation 7 can be obtained. Note that t means the elapsed time from time zero.
式7は、管が水平に配置されており、液体が管に沿って移動するに当たり液体に作用する駆動力が表面張力であるという条件下でのLucas-Washburnの式である。 Equation 7 is the Lucas-Washburn equation under the condition that the tube is arranged horizontally and the driving force acting on the liquid as it moves along the tube is surface tension.
式7は、以下の式8で示すAを用いると、以下の式9のように簡易的に表すことができる。 Equation 7 can be simply expressed as Equation 9 below by using A shown in Equation 8 below.
なお、式9において、D(=2r)は管の内径である。式9から管内の液体の移動時間が移動距離の二乗に比例し、その比例係数が液体の粘度に比例することが分かる。
ここで、粘度を計測する液体の種類が決まっていれば(例えば、人の唾液)、液体ごとの表面張力及び接触角の個体差は、液体ごとの粘度の個体差に比べて無視できる大きさの場合がある。これらを無視できる条件の場合、x=l2、y=tとするxy座標系において、y=bx+aで表わされる直線の傾き、即ち傾きbの値(以下、単に「傾きb」とも言う)と液体の粘度とは、図1に示すように、比例関係にあることが分かる。
Note that in Equation 9, D (=2r) is the inner diameter of the tube. From Equation 9, it can be seen that the moving time of the liquid in the pipe is proportional to the square of the moving distance, and the proportionality coefficient is proportional to the viscosity of the liquid.
Here, if the type of liquid whose viscosity is to be measured is determined (for example, human saliva), individual differences in surface tension and contact angle between liquids are negligible compared to individual differences in viscosity between liquids. There are cases where In the case of conditions where these can be ignored, in the xy coordinate system where x = l 2 and y = t, the slope of the straight line represented by y = bx + a, that is, the value of slope b (hereinafter also simply referred to as "slope b"). It can be seen that there is a proportional relationship between the viscosity of the liquid and the viscosity of the liquid, as shown in FIG.
よって、例えば、傾きbを求めることができれば、粘度が判明している標準液となる液体の粘度とその傾きbとの1つの関係に基づいて、求めたbから液体の粘度の絶対値(例えば、単位がmPasの値)を導出可能である。すなわち、標準液を測定したときの吸液時間txaに基づく粘度と比較して、被検液についても吸液時間測定手段によりtxを測定して、測定したtxに基づいて、粘度を測定することができる。
また、傾きbと液体の粘度とは一対一の関係にあることから、傾きbを液体の粘度の相対値として扱っても良い。傾きbを液体の粘度の相対値と扱うことの活用例として、ある人の特定の体液について異なる時刻で傾きbを求め、その傾きbの変化を調べることで、その人の該当の体液の粘度の相対的な変化(例えば朝食前に比べ朝食後に唾液の粘度が1.3倍になった等)を知ることが挙げられる。
Therefore, for example, if the slope b can be determined, based on a relationship between the viscosity of a standard liquid whose viscosity is known and the slope b, the absolute value of the viscosity of the liquid (for example, , the unit is mPas) can be derived. That is, in comparison with the viscosity based on the absorption time txa when measuring the standard solution, tx of the test liquid is also measured by the absorption time measuring means, and the viscosity is measured based on the measured tx. I can do it.
Furthermore, since there is a one-to-one relationship between the slope b and the viscosity of the liquid, the slope b may be treated as a relative value of the viscosity of the liquid. As an example of using the slope b as a relative value of the viscosity of a liquid, by calculating the slope b of a specific body fluid of a person at different times and examining the change in slope b, the viscosity of the body fluid of that person can be determined. (For example, the viscosity of saliva became 1.3 times more viscous after breakfast compared to before breakfast.)
そして、液体が管に沿って移動した移動距離及びその移動距離の移動に要した移動時間に基づいて(例えば、液体の移動距離の二乗を説明変数とし、その移動時間を目標変数として)回帰分析することで、y=bx+aのbを導出可能である。 Then, perform a regression analysis based on the distance traveled by the liquid along the pipe and the travel time required to travel that distance (for example, the square of the distance traveled by the liquid is used as the explanatory variable, and the travel time is used as the target variable). By doing so, b of y=bx+a can be derived.
・管の両端に圧力差がある場合
ここまで、管の両端において液体に作用する圧力が等しいことを前提に説明したが、管の両端に圧力差が存在する場合について検討すると、管の両端の圧力差がΔP´の場合(例えば、管の一端が大気圧であり、管の他端が陰圧である場合)、A1が以下の式10で表わされる値として、式9は以下の式11となる。
・When there is a pressure difference between both ends of the pipe Up to this point, the explanation has been based on the assumption that the pressure acting on the liquid at both ends of the pipe is equal, but if we consider the case where there is a pressure difference between both ends of the pipe, When the pressure difference is ΔP' (for example, when one end of the pipe is at atmospheric pressure and the other end of the pipe is at negative pressure), where A 1 is the value expressed by the following equation 10, equation 9 is expressed as the following equation: It becomes 11.
式11において、管の両端の圧力差ΔP´が不変であれば、式9から回帰分析を経て液体の粘度を導出するのと同様の考えによって、式11から回帰分析を経て液体の粘度を求めることが可能であることが分かる。 In Equation 11, if the pressure difference ΔP' between both ends of the pipe remains unchanged, the viscosity of the liquid is determined from Equation 11 through regression analysis using the same idea as deriving the viscosity of the liquid from Equation 9 through regression analysis. It turns out that it is possible.
・管を鉛直方向に配置する場合
また、管を鉛直に配置し、管の下端(一端)を収容部内の液体に浸漬する場合について検討すると、管内の液柱には表面張力に加えて重力が働くので、式3における右辺の第1項目が以下の式12となる。
・When the pipe is arranged vertically Also, if we consider the case where the pipe is arranged vertically and the lower end (one end) of the pipe is immersed in the liquid in the container, the liquid column inside the pipe will be affected by gravity in addition to surface tension. Therefore, the first item on the right side of Equation 3 becomes Equation 12 below.
但し、上向きを正とした。 However, upward direction is considered positive.
・管を鉛直方向から傾けて配置する場合
管が鉛直から角度θ傾いている場合、式12のg(重力)をgcosθに置き変えればよいことから、管内を移動する液体の運動方程式は以下の式13で表わすことができる。
・When placing a pipe tilted from the vertical direction If the pipe is tilted at an angle θ from the vertical direction, g (gravity) in Equation 12 can be replaced with g cos θ, so the equation of motion of the liquid moving inside the pipe is as follows. It can be expressed by Equation 13.
管内を斜め上向きに移動する液体が定常状態になると、式13の左辺、即ち慣性項が消えるため、定常状態での運動方程式は、以下の式14となり、式14を整理すると式15となる。 When the liquid moving obliquely upward in the tube reaches a steady state, the left side of Equation 13, that is, the inertia term disappears, so the equation of motion in the steady state becomes Equation 14 below, and rearranging Equation 14 gives Equation 15.
管内で液体が移動して、管内の液柱の長さが以下の式16に示すlcの長さに達すると、表面張力による上向きの力と重力による下向きの力がつり合って液柱の長さが変わらなくなる。 When the liquid moves in the pipe and the length of the liquid column in the pipe reaches the length l c shown in Equation 16 below, the upward force due to surface tension and the downward force due to gravity are balanced, and the liquid column becomes The length will not change.
式15をlcを用いて整理すると、以下の式17となる。 When formula 15 is rearranged using l c , the following formula 17 is obtained.
式17を時間tについて解くと、以下の式18を得ることができる。 By solving Equation 17 for time t, the following Equation 18 can be obtained.
但し、式18において、F(lc、l)及びBはそれぞれ以下の式19、20で表わされる。 However, in Equation 18, F(l c , l) and B are expressed by Equations 19 and 20 below, respectively.
式18は、管を水平に配置した場合の式7に比べて複雑であるが、関数F(lc、l)及びBは粘度ηを含まないので、液体が管に沿って上昇する時間tが液体の粘度ηに比例することを明瞭に見てとることができる。
式18をl≪lcの条件のもとで展開して、近似式を導く。まず、x=l/lcとおき、対数項のx2の項まで残すと、式21に示すように近似できる。
Equation 18 is more complicated than Equation 7 when the tube is placed horizontally, but since the functions F(l c , l) and B do not include the viscosity η, the time t for the liquid to rise along the tube It can be clearly seen that is proportional to the liquid viscosity η.
Expression 18 is expanded under the condition of l<<l c to derive an approximate expression. First, by setting x=l/l c and leaving out the logarithmic term x 2 , it can be approximated as shown in Equation 21.
式21を式18に代入すると、以下の式22となり、式18は式9に帰着する。 Substituting Equation 21 into Equation 18 results in Equation 22 below, and Equation 18 reduces to Equation 9.
よって、l≪lcの条件下では、管が水平でなくとも、管内の液体の移動時間が移動距離の二乗に比例し、その比例係数が粘度に比例するという結果となる。従って、管が鉛直又は水平に対して斜めに配置されている場合でも、回帰解析によって、液体の粘度を導出可能であることが分かる。 Therefore, under the condition l<<l c , even if the pipe is not horizontal, the moving time of the liquid in the pipe is proportional to the square of the moving distance, and the proportionality coefficient is proportional to the viscosity. Therefore, it can be seen that even if the pipe is arranged vertically or obliquely to the horizontal, the viscosity of the liquid can be derived by regression analysis.
また、管が鉛直又は水平に対して斜めに配置され、更に、管の両端に圧力差ΔP´がある場合(例えば、管の一端が大気圧であり、管の他端が陰圧である場合)は、式14で、
2πrσ・cosαを、2πrσ・cosα+πr2ΔP´に置き変えればよい。このとき、lcを以下の式23で示す。
In addition, when the pipe is arranged diagonally to the vertical or horizontal, and there is a pressure difference ΔP' between both ends of the pipe (for example, when one end of the pipe is at atmospheric pressure and the other end is under negative pressure) ) is Equation 14,
2πrσ·cos α may be replaced with 2πrσ·cos α+πr 2 ΔP′. At this time, l c is expressed by the following equation 23.
そうすれば、式18と同様の以下の式24を得ることができる。 In this way, the following equation 24, which is similar to equation 18, can be obtained.
式24においても、l≪lcの条件下では、以下の簡易式(式25)が成り立つ。 Also in Equation 24, the following simplified equation (Equation 25) holds true under the condition l<<l c .
式25は式10と同じ式であり、式25において、A1は式10と同じように、以下の式26によって表される。 Equation 25 is the same equation as Equation 10, and in Equation 25, A 1 is expressed by the following Equation 26 as in Equation 10.
従って、管が鉛直又は水平に対して斜めに配置され、管の両端に圧力差ΔP´がある場合でも、回帰解析によって、液体の粘度を導出できることが分かる。 Therefore, it can be seen that even if the pipe is arranged vertically or obliquely to the horizontal and there is a pressure difference ΔP' between both ends of the pipe, the viscosity of the liquid can be derived by regression analysis.
[表面張力の測定] [Measurement of surface tension]
本発明の表面張力測定方法は、本発明の液体採取装置を用いて、収容部に被検液を収容し、切替弁を密閉容器に接続された流路を有するものとし、切替弁を閉じた状態のときの微細流路内の被検液の液面の位置L0と、切替弁を密閉容器に接続したときの微細流路内の被検液の液面の位置L1とを測定し、位置L0および位置L1を、標準液を測定したときの位置と比較することで、被検液の表面張力を測定するものとすることができる。
このような表面張力測定方法とすることで、微量の被検液の表面張力も測定することができる。この液面の位置L0と、液面の位置L1とは、毛細管の流路に合わせて配置した目盛りを読み取った値を用いてもよい。また、液面の位置を、センサーにより検出して検出された位置を用いてもよい。
The surface tension measurement method of the present invention uses the liquid sampling device of the present invention, in which a test liquid is stored in a storage part, a switching valve has a flow path connected to a closed container, and the switching valve is closed. Measure the position L0 of the liquid level of the test liquid in the microchannel in the state and the position L1 of the liquid level of the test liquid in the microchannel when the switching valve is connected to the airtight container. By comparing L0 and position L1 with the position when measuring the standard solution, the surface tension of the test liquid can be measured.
By using such a surface tension measurement method, it is possible to measure the surface tension of even a small amount of the test liquid. For the liquid level position L0 and the liquid level position L1, values obtained by reading scales arranged in accordance with the flow path of the capillary tube may be used. Alternatively, the position of the liquid level may be detected by a sensor and the detected position may be used.
表面張力は、次の考え方から求めることができる。毛細管内で、試料に働く表面張力と毛管内圧力による力とが釣り合うと、試料の運動が停止する。力の釣り合いの条件は、ΔP=4σcosα/Dである。状態方程式から(温度一定のもとで)ΔV/V+ΔP/P=0となる。これらより以下の式(a1)が求められる。 Surface tension can be calculated from the following concept. When the surface tension acting on the sample in the capillary tube and the force due to the pressure inside the capillary tube are balanced, the sample stops moving. The force balance condition is ΔP=4σcosα/D. From the equation of state (under constant temperature), ΔV/V+ΔP/P=0. From these, the following equation (a1) is obtained.
ここで、P(大気圧)、D(毛管内径)、V(総容積)は一定とする。また、侵入(吸い込まれる)容積ΔVは毛管断面積に侵入距離ΔLを乗じたものであるから、侵入容積ΔVは侵入距離ΔLに比例する。したがって、ΔLを測定することで、表面張力σを求めることができる。このΔLは、位置L1-位置L0から求められる。 Here, P (atmospheric pressure), D (capillary inner diameter), and V (total volume) are constant. Further, since the intrusion (suction) volume ΔV is the capillary cross-sectional area multiplied by the intrusion distance ΔL, the intrusion volume ΔV is proportional to the penetration distance ΔL. Therefore, by measuring ΔL, the surface tension σ can be determined. This ΔL is determined from the position L1−position L0.
標準試料(例:純水)のΔLを測定し、被験試料(例:唾液)のΔLを測定すれば試料の表面張力の値を相対的に評価することができる。 By measuring ΔL of a standard sample (eg, pure water) and measuring ΔL of a test sample (eg, saliva), it is possible to relatively evaluate the surface tension value of the sample.
また、距離ΔLは総容積Vに比例する。このため、順次総容積Vを変えてΔLを記録し回帰分析することによって、表面張力の値をより精密に決定することができる。この総容積Vは、例えば第三の実施形態における密閉容器33の容積を変更することで調整することができる。また、切替弁23を複数設けて、接続する密閉容器を複数選択できる状態とすることで、その接続している密閉容器の数や容積の和から、同一の系として載置した状態でのΔLを求めることもできる。 Further, the distance ΔL is proportional to the total volume V. Therefore, by sequentially changing the total volume V, recording ΔL, and performing regression analysis, the value of surface tension can be determined more precisely. This total volume V can be adjusted, for example, by changing the volume of the closed container 33 in the third embodiment. In addition, by providing a plurality of switching valves 23 and making it possible to select a plurality of closed containers to be connected, it is possible to calculate the You can also ask for
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明は、その要旨を変更しない限り以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be explained in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to the following Examples unless the gist thereof is changed.
[粘度測定例]
光学センサーを取り付けた載置台上に本体部を載置する構成の液体採取装置(第三の実施形態参照)により、液体の通液速度から粘度を測定した。
[Viscosity measurement example]
The viscosity was measured from the flow rate of the liquid using a liquid sampling device (see the third embodiment) in which the main body was placed on a mounting table equipped with an optical sensor.
水平に設置した毛細管(長さ100mm、内径0.68mm)にシリコンチューブ(内径1mm)と注射針(18G:外径1.2mm)を介して点滴用エクステンションチューブ(公称0.7mL)を接続し、その末端に電磁弁を設置した。電磁弁の他端は大気中に開放状態として、電磁弁ははじめ閉じた状態とした。
この電磁弁を閉じた状態で、載置台に水平に配置した毛細管の解放端に十分な量の試料(純水、あるいは唾液)を接触させると、毛細管内に約10mm侵入して静止した。この状態で電磁弁を開くと毛細管内で流動が開始し、所定の位置の通液時間を測定することで、粘度を測定することができる。
Connect a drip extension tube (nominal 0.7 mL) to a horizontally installed capillary tube (length 100 mm, inner diameter 0.68 mm) via a silicone tube (inner diameter 1 mm) and a syringe needle (18G: outer diameter 1.2 mm). A solenoid valve was installed at the end. The other end of the solenoid valve was opened to the atmosphere, and the solenoid valve was initially closed.
With this electromagnetic valve closed, when a sufficient amount of sample (pure water or saliva) was brought into contact with the open end of a capillary tube placed horizontally on a mounting table, it penetrated approximately 10 mm into the capillary tube and came to rest. When the electromagnetic valve is opened in this state, flow starts within the capillary tube, and the viscosity can be measured by measuring the time during which the liquid passes through a predetermined position.
測定試料として「純水」と、「唾液」を測定した測定例を、図7に示す。図7は5点の等間隔に配置したセンサーにより液面の通過時間を測定したものである。純水よりも唾液の方が粘度が高く、各点のセンサーの通液時間が遅いものとなった。この5点に配置したセンサーの検出ピークの通液時間を適宜回帰分析等して比較することで、純水と唾液の粘度の値の大きさの比を求めることができる。 FIG. 7 shows a measurement example in which "pure water" and "saliva" were measured as measurement samples. FIG. 7 shows the measurement of the passage time of the liquid surface using five sensors arranged at equal intervals. Saliva has a higher viscosity than pure water, and the time taken to pass the liquid through the sensor at each point was slower. The ratio of the viscosity values of pure water and saliva can be determined by appropriately performing regression analysis or the like and comparing the liquid passage times of the detection peaks of the sensors arranged at these five points.
また、複数の電磁弁を用いることで、複数の試料を独立の毛細管内に停止状態で保持することができる。それら複数の電磁弁を同時に開放することによって通液速度をモニタリングし、複数の試料の粘度の大きさを同時に測定・比較することができる。 Furthermore, by using a plurality of electromagnetic valves, a plurality of samples can be held stationary in independent capillary tubes. By simultaneously opening these multiple electromagnetic valves, the liquid flow rate can be monitored and the viscosity of multiple samples can be measured and compared at the same time.
[表面張力測定例] [Surface tension measurement example]
載置台上に本体部を載置する構成の液体採取装置(第三の実施形態参照)により、液面の変化から表面張力を測定した。水平に設置した毛細管(長さ100mm、内径0.68mm)にシリコンチューブ(内径1mm)と注射針(18G:外径1.2mm)を介して点滴用エクステンションチューブ(公称0.7mL)を接続し、その末端に電磁弁を設置した。電磁弁の他端にチューブ(容量 4mL:末端は閉じてある)を接続した。測定開始時、この電磁弁は閉じた状態とする。 Surface tension was measured from changes in the liquid level using a liquid sampling device (see the third embodiment) configured to place the main body on a mounting table. Connect a drip extension tube (nominal 0.7 mL) to a horizontally installed capillary tube (length 100 mm, inner diameter 0.68 mm) via a silicone tube (inner diameter 1 mm) and a syringe needle (18G: outer diameter 1.2 mm). A solenoid valve was installed at the end. A tube (capacity: 4 mL; end closed) was connected to the other end of the solenoid valve. At the start of measurement, this solenoid valve is closed.
この電磁弁を閉じた状態で、載置台に水平に配置した毛細管の解放端に十分な量の試料(純水、あるいは唾液)を接触させると、毛細管内に約10mm侵入して静止した(L0)。ここでL0は、毛細管解放端から電磁弁入り口までの体積を式(a1)におけるVとしたときの釣り合いの位置である。この状態で電磁弁を開くと毛細管内で流動が開始し、新たな侵入距離L1の位置で毛細管力と毛管内圧力とが釣り合う。L0とL1の差ΔLを測定することで、表面張力を求めることができる。 When a sufficient amount of sample (pure water or saliva) is brought into contact with the open end of a capillary tube placed horizontally on a mounting table with this solenoid valve closed, it penetrates approximately 10 mm into the capillary tube and comes to rest (L0 ). Here, L0 is the position of equilibrium when the volume from the open end of the capillary tube to the inlet of the electromagnetic valve is V in equation (a1). When the electromagnetic valve is opened in this state, flow starts within the capillary tube, and the capillary force and the pressure within the capillary tube are balanced at the position of the new penetration distance L1. Surface tension can be determined by measuring the difference ΔL between L0 and L1.
ΔL(=L1-L0)は、σcosαに比例する。純水の表面張力σは、72×10-3N/mであり、清浄なガラス面に対する接触角はほぼゼロである。このことから、純水を基準にして、試料(唾液)のσcosαを求めることができる。 ΔL (=L1−L0) is proportional to σcosα. The surface tension σ of pure water is 72×10 −3 N/m, and the contact angle with respect to a clean glass surface is almost zero. From this, σcosα of the sample (saliva) can be determined using pure water as a reference.
純水のΔLは3回測定の平均として63.6mmであった。一方、唾液のΔLは3回測定の平均として51.75mmであった。この結果から、この試験に用いた唾液の表面張力は、「ΔL(唾液)/ΔL(純水)×純水の表面張力」の計算から求められ、約58.6×10-3N/mであった。なお前述のように、電磁弁に接続する密閉容器(チューブ)の容積Vを段階的に変更してそれぞれΔLを測定することで、回帰分析を行うこともできる。 The ΔL of pure water was 63.6 mm as the average of three measurements. On the other hand, the ΔL of saliva was 51.75 mm as the average of three measurements. From this result, the surface tension of the saliva used in this test was determined from the calculation of "ΔL (saliva) / ΔL (pure water) x surface tension of pure water", and was approximately 58.6 × 10 -3 N/m. Met. Note that, as described above, regression analysis can also be performed by changing the volume V of the closed container (tube) connected to the solenoid valve stepwise and measuring ΔL for each step.
この表面張力の測定方法は、従来の毛細管法(毛管上昇法)と異なり、表面張力の値の算出に試料密度(単位体積あたりの質量)の情報を必要とせず、微量の試料で測定可能である。測定後は、被検液の収容部、載置台ならびに毛細管を一体として安全に廃棄することができるので、生体試料の測定にも適している。さらに、回帰分析に必要な複数の測定値を得ることも容易である。したがって、簡単な操作で信頼性の高い測定を行うことができる。 Unlike the conventional capillary method (capillary rise method), this surface tension measurement method does not require information on sample density (mass per unit volume) to calculate the surface tension value, and can be measured with a minute amount of sample. be. After measurement, the test liquid storage section, mounting table, and capillary tube can be safely disposed of as one unit, making it suitable for measuring biological samples. Furthermore, it is easy to obtain multiple measurements necessary for regression analysis. Therefore, highly reliable measurements can be performed with simple operations.
本発明は、微量な液体の採取やマイクロ流体チップ、液体の粘度測定や表面張力測定に利用することができ、産業上有用である。 INDUSTRIAL APPLICATION This invention can be utilized for collection of a trace amount of liquid, a microfluidic chip, viscosity measurement, and surface tension measurement of a liquid, and is industrially useful.
101、102、103 液体採取装置
104 マイクロ流体チップ
11、12、13、14 本体部
110、120、130、1401、1402 微細流路
111、121、131、141 第一の開口部
112、122、132、142 第二の開口部
143、43 収容部
21、22、23、24 切替弁
211、212、221、222、223、231、232、233、241、242、243 配管
32、33、34 密閉容器
41、42、421 容器
51、52、53 液
511、512、521、522、533、535 液面
630、640 制御部
631~636、641~642 センサー
73 載置台
8 試薬
101, 102, 103 Liquid collection device 104 Microfluid chip 11, 12, 13, 14 Main body 110, 120, 130, 1401, 1402 Microchannel 111, 121, 131, 141 First opening 112, 122, 132 , 142 Second opening 143, 43 Storage part 21, 22, 23, 24 Switching valve 211, 212, 221, 222, 223, 231, 232, 233, 241, 242, 243 Piping 32, 33, 34 Sealed container 41, 42, 421 Container 51, 52, 53 Liquid 511, 512, 521, 522, 533, 535 Liquid level 630, 640 Control section 631-636, 641-642 Sensor 73 Mounting table 8 Reagent
Claims (7)
前記第一の開口部側に接続され、前記本体部と接続された流路と、大気中に開放された流路に接続された流路とを有する切替弁と、
前記微細流路に含まれる液の位置を検出するセンサーと、
前記微細流路の第二の端部の開口部が接触する被検液を収容し大気中に開放された収容部と、前記本体部を載置する載置台と、
前記被検液が前記毛細管状の微細流路内の所定位置を移動する移動時間を測定する吸液時間測定手段、および、前記被検液の粘度を導出する演算手段を備えた制御部と、
を有する粘度測定装置。 a main body having a capillary-like microchannel having a first opening and a second opening;
a switching valve connected to the first opening side and having a flow path connected to the main body portion and a flow path connected to a flow path open to the atmosphere ;
a sensor that detects the position of the liquid contained in the microchannel;
a storage part that contains a test liquid that is in contact with an opening at a second end of the microchannel and is open to the atmosphere; a mounting table on which the main body part is placed;
a control unit comprising a liquid absorption time measuring means for measuring the travel time for the test liquid to move through a predetermined position in the capillary microchannel, and a calculation means for deriving the viscosity of the test liquid;
A viscosity measuring device with
毛細管現象の表面張力による力の作用によって前記被検液が前記毛細管状の微細流路内の所定位置を移動した移動距離及び移動に要した移動時間に基づいて回帰分析し、前記被検液の粘度を前記演算手段により導出することを特徴とする粘度測定方法。 A regression analysis is performed based on the travel distance and travel time required for the movement of the test liquid at a predetermined position in the capillary-like microchannel by the action of force due to surface tension of capillary phenomenon, and A viscosity measuring method characterized in that the viscosity is derived by the calculation means.
前記切替弁を閉じた状態で前記第二の開口部の端部の開口部を被検液に接触させ、 Bringing an opening at the end of the second opening into contact with the test liquid while the switching valve is closed;
毛細管現象の表面張力による力の作用によって前記被検液が前記毛細管状の微細流路内に流入し停止した状態で、 In a state where the test liquid flows into the capillary-like microchannel and is stopped by the action of force due to surface tension of capillary phenomenon,
前記切替弁を切替て大気中に開放された流路に接続した状態とし、 Switching the switching valve to connect it to a flow path open to the atmosphere,
前記切替弁を切替て大気中に開放された流路に接続した時点を時間計測開始時点とし、 The time when the switching valve is switched and connected to the flow path open to the atmosphere is the time measurement start point,
所定位置に設置されたセンサーが検出する位置を被検液が通過するまでの通過時間を前記吸液時間測定手段にて測定し、 Measuring the passage time until the test liquid passes a position detected by a sensor installed at a predetermined position with the liquid absorption time measuring means,
前記演算手段により被検液の粘度を導出することを特徴とする粘度測定方法。 A viscosity measuring method characterized in that the viscosity of the test liquid is derived by the calculation means.
前記第一の開口部側に接続された切替弁とを有し、
前記切替弁は、前記本体部と接続された流路と、大気中に開放された流路および/また
は密閉容器に接続された流路とを有し、
かつ、前記微細流路の第二の端部の開口部が接触する被検液を収容する収容部と、前記本体部を載置する載置台とを有する液体採取装置の前記収容部に被検液を収容し、前記切替弁を前記密閉容器に接続された流路を有するものとし、
前記切替弁を閉じた状態のときの前記微細流路内の前記被検液の液面の位置L0と、前記切替弁を前記密閉容器に接続したときの前記微細流路内の前記被検液の液面の位置L1とを測定し、
前記位置L0および前記位置L1を、標準液を測定したときの位置と比較することで、前記被検液の表面張力を測定する表面張力測定方法。 a main body having a capillary-like microchannel having a first opening and a second opening;
and a switching valve connected to the first opening side,
The switching valve has a flow path connected to the main body, a flow path open to the atmosphere, and/or a flow path connected to the main body.
has a flow path connected to a closed container,
The sample is placed in the storage part of the liquid sampling device, which has a storage part that stores the test liquid that is in contact with the opening at the second end of the microchannel, and a mounting table on which the main body part is placed. containing a liquid and having a flow path connecting the switching valve to the sealed container,
Position L0 of the liquid level of the test liquid in the microchannel when the switching valve is closed, and the test liquid in the microchannel when the switching valve is connected to the airtight container. Measure the liquid level position L1 of
A surface tension measuring method for measuring the surface tension of the test liquid by comparing the position L0 and the position L1 with positions at which a standard liquid is measured.
前記第一の開口部側に接続された切替弁とを有し、 and a switching valve connected to the first opening side,
前記切替弁は、前記本体部と接続された流路と、大気中に開放された流路および/また The switching valve has a flow path connected to the main body, a flow path open to the atmosphere, and/or a flow path connected to the main body.
は密閉容器に接続された流路とを有し、has a flow path connected to a closed container,
かつ、前記微細流路の第二の端部の開口部が接触する被検液を収容する収容部と、前記本体部を載置する載置台とを有する液体採取装置の前記収容部に被検液を収容し、前記切替弁を前記密閉容器に接続された流路を有するものとし、 The sample is placed in the storage part of the liquid sampling device, which has a storage part that stores the test liquid that is in contact with the opening at the second end of the microchannel, and a mounting table on which the main body part is placed. containing a liquid and having a flow path connecting the switching valve to the sealed container,
前記切替弁を閉じた状態のときの前記微細流路内の前記被検液の液面の位置L0と、前記切替弁を前記密閉容器に接続したときの前記微細流路内の前記被検液の液面の位置L1とを測定し、 Position L0 of the liquid level of the test liquid in the microchannel when the switching valve is closed, and the test liquid in the microchannel when the switching valve is connected to the airtight container. Measure the liquid level position L1 of
前記位置L0および前記位置L1を、標準液を測定したときの位置と比較することで、前記被検液の表面張力を測定する表面張力測定装置。 A surface tension measuring device that measures the surface tension of the test liquid by comparing the position L0 and the position L1 with a position when measuring a standard liquid.
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