JP4009684B2 - 分析用具における液成分の温調方法、および分析用具 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料の分析を行うために使用される分析用具において、この分析用具に保持された液成分を目的温度に調整する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
試料の分析を行う方法としては、たとえば試料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ある。このような分析は、たとえば光の照射および受光が可能な光学系を構築した分析装置に対して、反応場を提供する分析用具を装着して行われる（たとえば、特許文献1参照）。この場合、分析誤差を小さくし、分析結果の信頼性を高めるためには、分析用具（とくに反応液）の温度調整を行い、各回の測定毎に試料と試薬を略同一温度で反応させるのが好ましい。とくに、酵素反応を利用する系では、反応速度の温度依存性が大きいため、この系の温度は、たとえば目的温度±０．１℃に調整される。
【０００３】
反応液の温度調整を行う方法としては、たとえば図９（ａ）に示したように、分析用具９を反応液９０よりも熱容量の大きなヒートブロック９１上に保持し、このヒートブロック９１の温度を制御して、反応液９０の温度を調整する方法がある（たとえば特許文献２および３参照）。この方法では、たとえばヒートブロック９１に埋設された温度センサ９２により反応液９０の温度をモニタリングし、反応液９０の温度が所定値よりも小さくなった場合に、ヒートブロック９１を加熱・昇温し、このヒートブロック９１を介して反応液９０が昇温される。また、図９（ｂ）に示したように、分析用具９を温度追随性の高い発熱体９３上に保持し、この発熱体９３により反応液９０の温度を直接調整する方法もある（たとえば特許文献４参照）。この方法でも、温度センサ９２によるモニタリング結果に応じて、適宜発熱体９３を駆動し、反応液９０の温調が行われる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−１１４５３９号公報
【特許文献２】
特開平９−１８９７０３号公報
【特許文献３】
特開平１０−２５３５３６号公報
【特許文献４】
特開平９−３０４２６９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
これらの温度調整方法では、反応液９０を昇温する場合にヒートブロック９１を加熱し、あるいは発熱体９３を駆動する必要があるため、消費電力が大きいといったデメリットがある。しかも、ヒートブロック９１や発熱体９３などの加熱媒体では、マイクロデバイスのように反応液９０の液量が小さい場合には、反応液９０が保持された領域のみをピンポイントで加熱するのが困難である。そのため、反応液９０の温度を応答性良く上昇させるためには、昇温させるべき領域（図では反応液９０の直下領域）に比べて、加熱媒体９１，９３を相当に大きくする必要がある。したがって、加熱媒体９１，９３から伝えられる熱量に比べて、反応液９０の昇温に利用される熱量が小さくなってエネルギ利用効率が悪化し、消費電力がさらに大きなものとなってしまう。
【０００６】
このように、従来の温度調整方法では消費電力が大きいといったデメリットがあった。したがって、従来の温度調整方法は、小型電池（たとえば家庭でも汎用されている電池）のような内部電源で駆動する分析装置に適用するのが困難となっており、仮に、先の方法を小型の分析装置に適用するにしても、分析装置の実稼働時間が極端に短くなってしまい、実用的ではない。その一方、実稼働時間の短縮化を改善するためには、内部電源の容量を大きくすればよいが、この場合には、分析装置の小型化が阻害され、可搬性が悪化してしまう。また、外部電源から電力を供給してもよいが、その場合には、分析装置を外部電源と接続するためのアダプタが必要となって携帯性が悪くなる上、出先での使用が困難となる。
【０００７】
本発明は、このような事情のもとに考えだされたものであって、分析装置を大型化することなく、小さい消費電力で、分析用具に保持された液成分を目的温度に調整できるようにすることを課題としている。
【０００８】
【発明の開示】
本発明では、上記した課題を解決するために、次の技術的手段を講じている。
【０００９】
すなわち、本発明の第１の側面により提供される分析用具における液成分の温調方法は、流路が形成された基板上に上記流路を覆うようにカバーが積層され、上記流路の端部に測定部が形成されているとともに、上記カバーにおける上記測定部の直上の表面に、上記測定部と対応する開口をもち、金属薄膜からなる発熱層が設けられた分析用具を用い、上記測定部に保持された液成分を目的温度に調整する方法であって、上記発熱層に磁力線を通過させることにより生じた熱エネルギを、上記液成分に供給することを特徴としている。
【００１０】
本発明の第２の側面においては、試料の分析を行うために使用される分析用具であって、流路が形成された基板上に上記流路を覆うようにカバーが積層され、上記流路の端部に測定部が形成されているとともに、上記カバーにおける上記測定部の直上の表面に、上記測定部と対応する開口をもち、金属薄膜からなる発熱層が設けられ、上記発熱層は、磁力線を通過させることにより発熱することを特徴とする、分析用具が提供される。
【００１１】
この分析用具を用いる場合、液成分の昇温は、発熱層を発熱させたときの熱エネルギを利用して行われる。
【００１２】
発熱層を形成するための材料としては、アルミニウム、ニッケル、銅、鉄、ステンレスを例示することができる。たとえばアルミニウム、ニッケルまたは銅を用いて発熱層を形成する場合には、発熱層を、たとえば厚みが１〜２００μｍの薄膜に形成するのが好ましい。
【００１３】
発熱層は、分析用具の構成要素に直接膜形成し、もしくは材料をシート状に加工した後に上記構成要素にシート材を貼着することにより形成される。発熱層を膜形成する方法としては、たとえば蒸着、スパッタリング、あるいはＣＶＤが挙げられる。これらの手法は、金属材料としてアルミニウム、ニッケルまたは銅を用いる場合に有用である。
【００１４】
磁力線発生コイルを利用して対象部位に対して磁力線を通過させた場合、対象部位が導体ないし抵抗体であれば、瞬間的に誘導電流が流れる。このような誘導電流を連続的に流すためには、対象部位を通過する磁力線の向きを繰り返し変える必要がある。そのためには、磁力線発生コイルに対して交流電圧を印加する必要がある。一方、磁力線を通過させたときの発熱量は、対象部位の抵抗値を定数として考えた場合には、磁力線の強さ(交流電圧の実効値)、磁力線の向きを繰り返し変化させるときの周期(印加電圧の周波数)、および磁力線の通過時間(交流電圧の印加時間)に依存する。したがって、磁力線発生コイルに電圧を印加するための交流電圧印加手段を制御することによって、磁力線の発生状態ひいては磁力線を通過させた際の発熱量を制御し、最終的には液成分に伝達させるべき熱エネルギの量を制御することができるようになる。
【００１５】
本発明においては、液成分の温調は、たとえば液成分の温度をモニタリングしつつ、このモニタリング結果をフィードバックして、分析用具の発熱層を通過させる磁力線の状態を繰り返し制御することにより行うことができる。液成分の温調は、液成分の周りの環境温度と、液成分を目的の温度に昇温するために必要な発熱層における磁力線の通過状態と、の関係を予め調べておき、測定された環境温度と上記関係とに基づいて目的とする磁力線の通過状態を達成するために必要な制御量を決定し、この制御量に応じて分析用具における磁力線の通過状態を制御することにより行ってもよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。
【００２０】
図１に示したように、本発明に係る分析装置Ｘは、分析用具１を利用して試料を分析するための分析機能と、分析用具１の測定部１１Ｃｂに保持された液成分１０の温度を調整するための温調機能と、を有している。このような機能を発揮すべく、分析装置Ｘは、装着部２０、温度測定部２１、制御量演算部２２、磁力線発生コイル２３、交流電圧印加部２４、光源部２５、受光部２６、濃度演算部２７、および制御部２８を備えている。
【００２１】
装着部２０は、分析用具１を保持するためのものである。温度測定部２１は、装着部２０に埋設されている。この温度測定部２１は、装着部２０に対して分析用具１を装着した状態において、分析用具１に保持された液成分１０（測定部１１Ｃｂ）の直下領域に位置するように配置されている。これにより、温度測定部２１において測定される温度が、実際の液成分１０の温度により近いものとなる。温度測定部２１としては、たとえばサーミスタや熱伝対を使用することができる。もちろん、放射温度計のように、非接触型の温度計を用いてもよい。
【００２２】
制御量演算部２２は、温度測定部２１での温度測定結果に基づいて、液成分１０に付与すべきエネルギ量を演算するとともに、交流電圧印加部２４に対する制御量を演算するものである。
【００２３】
磁力線発生コイル２３は、分析用具１を通過させるべき磁力線を発生させるためのものである。交流電圧印加部２４は、磁力線発生コイル２３に電圧を印加させるためのものである。交流電圧印加部２４としては、たとえば４０〜２００ｋＨｚの範囲から選択される周波数の交流電圧を印加可能なものが使用される。磁力線発生コイル２３においては、交流電圧印加部２４による電圧印加によって磁力線が発生させられる。磁力線発生コイル２３において発生させる磁力線の状態は、磁力線発生コイル２３に対する電圧の印加状態によって制御することができる。より具体的には、磁力線発生コイル２３に印加すべき交流電圧の実効値、印加電圧の周波数、および交流電圧の印加時間を制御することによって磁力線発生コイル２３での磁力線発生状態を制御することができる。
【００２４】
光源部２５は、液成分１０（測定部１１Ｃｂ）に光を照射するためのものである。これに対して、受光部２６は、液成分１０からの反射光を受光するためのものである。光源部２５は、たとえば水銀ランプや白色ＬＥＤにより構成される。これらの光源を用いる場合には、図面上は省略しているが、光源部２５からの光をフィルタに入射させてから、液成分１０に光が照射される。これは、フィルタにおいて、液成分１０中の分析対象成分の光吸収特性に則した波長の光を選択するためである。一方、受光部２６は、たとえばフォトダイオードにより構成される。
【００２５】
濃度演算部２７は、受光部２６における受光結果に基づいて、試料液の濃度を演算するためのものである。濃度演算は、たとえば受光部２６における受光結果に基づいて反射率を演算し、反射率と濃度との関係を示す検量線に先に演算した反射率を当てはめることにより行われる。
【００２６】
制御部２８は、制御量演算部２２において演算された制御量に応じて交流電圧印加部２４を制御し、磁力線発生コイル２３における磁力線の発生状態を制御するためのものである。制御部２８はさらに、光源部２５における光照射状態および非照射状態を選択し、また制御量演算部２２や濃度演算部２７の動作を制御する。
【００２７】
制御量演算部２２、濃度演算部２７および制御部２８は、たとえばＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭにより構成することができ、この場合には、ＲＯＭに記憶されたプログラムを、ＲＡＭを利用しつつＣＰＵにより実行することにより、交流電圧印加部２４の制御、ひいては磁力線発生コイル２３における磁力線の発生状態の制御が行われる。
【００２８】
分析用具１としては、たとえば図２および図３に示したものを使用することができる。これらの図に示した分析用具１は、いわゆるマイクロデバイスとして構成されたものである。この分析用具１は、反応場を提供するものであり、流路１１が形成された基板１２上に、流路１１を覆うようにしてカバー１３を積層した形態を有している。
【００２９】
流路１１は、試料導入部１１Ａ、試薬導入部１１Ｂおよび反応用流路部１１Ｃを有している。試料導入部１１Ａと試薬導入部１１Ｂとは、反応用流路部１１Ｃの端部１１Ｃａにつながっている。反応用流路部１１Ｃは、全体が蛇腹上にくねっており、流路長が大きくなるように工夫されている。そして、反応用流路部１１Ｃの端部１１Ｃｂは、光源部２５からの光が照射される測定部を構成している(図１参照)。
【００３０】
これに対してカバー１３は、試料導入口１３ａ、試薬導入口１３ｂおよび空気抜き穴１３ｃを有している。試料導入口１３ａは試料導入部１１Ａの端部１１Ａａに、試薬導入部１３ｂは試薬導入部１１Ｂの端部１１Ｂａに、空気抜き穴１３ｃは反応用流路部１１Ｃの端部１１Ｃｂに、それぞれ対応した部位に形成されている。カバー１３には、空気抜き穴１３ｃを囲むようにして発熱層１４が形成されている。
【００３１】
発熱層１４は、磁力線発生コイル２３(図１参照)において発生した磁力線を通過させることにより発熱するものである。発熱層１４は、測定部１１Ｃｂの直上に設けられており、発熱層１４において生じた熱エネルギが液成分１０に効率よく伝達されるようになされている。発熱層１４は、磁力線を通過させるときの誘導電流によって適切に発熱するように形成されている。発熱層１４は、たとえばアルミニウム、ニッケルまたは銅を、蒸着、スパッタリングまたはメッキなどの手法により膜形成することにより、厚みが１〜２００μｍに形成されている。
【００３２】
発熱層１４は、金属材料により形成されたシート材を、カバー１３の表面に貼着することにより形成することもできる。この場合に使用する金属材料としては、アルミニウム、ニッケルおよび銅の他に、鉄やステンレスを例示することができる。発熱層１４は、導電性樹脂材料により形成することもできる。
【００３３】
図２および図３に示した分析用具１は、試料と試薬との２液を混合して反応させるものがあるが、マイクロデバイスとしては、３液以上を混合するものを使用することができ、もちろん、複数の反応系を構築できるように、複数の流路が形成されたものであってもよい。
【００３４】
試料の分析時には、分析用具１に対して、試料導入口１３ａから試料が、試薬導入口１３ｂから試薬がそれぞれ導入される。これらの試料および試薬は、毛細管現象により試料導入部１１Ａおよび試薬導入部１１Ｂをそれぞれ移動し、反応用流路部１１Ｃにおいて合流する。これにより、試料と試薬が反応を開始する。試料および試薬は、さらに反応を進行しつつも、毛細管現象により、空気抜き穴１３ｃに向けて反応用流路部１１Ｃを移動し、最終的には測定部１１Ｃｂに到達する。
【００３５】
このとき、図１に示した温度測定部２１では、測定部１１Ｃｂに到達した反応液（液成分１０）の温度が経時的に測定される。この測定結果は、制御量演算部２２に送られ、制御量を演算するための基礎とされる。
【００３６】
この制御量演算部２２では、液成分１０の目的温度と、実際の測定温度との比較が行われ、測定温度が目的温度よりも小さい場合には、交流電圧印加部２４に対する制御量が演算される。この演算は、たとえば予め定められた演算式に測定温度（もしくは目的温度と測定温度との差分）を当てはめることにより行われる。この演算結果は、制御部２８に送られる。
【００３７】
これに対して制御部２８は、制御量演算部２２での演算結果に応じて交流電圧印加部２４を制御し、磁力線発生コイル２３での磁力線発生状態を制御する。これにより、発熱層１４に磁力線を通過させて発熱層１４を発熱させ、この熱エネルギによって、測定温度と目的温度の差に応じた分だけ液成分１０が昇温される。一方、制御部２８は、測定温度が目的温度よりも大きい場合には、磁力線発生コイル２３が非印加状態となるように交流電圧印加部２４を制御する。このような交流電圧印加部２４の制御、ひいては磁力線発生コイル２３における磁力線発生状態の制御は、温度測定部２１での測定結果をフィードバックすることにより繰り返し行われ、液成分１０の温度が略一定に維持される。
【００３８】
液成分１０の温調は、液成分１０の周りの環境温度を測定した上で、この環境温度に基づいて行ってもよい。より具体的には、まず、環境温度と、液成分１０を目的の温度に昇温するのに必要な磁力線発生コイル２３（交流電圧印加部２４）に対する制御量と、の関係を予め調べておく。この関係は、たとえばテーブル化した上で制御量演算部２２などにおいて記憶させておく。そして、測定された環境温度と上記関係とに基づいて目的とする磁力線の通過状態を達成するために必要な制御量（交流電圧印加部２４に対する制御量）を決定し、この制御量に応じて発熱層１４における磁力線の通過状態を制御することにより行う。この方法では、たとえば環境温度の測定結果をフィードバックして交流電圧印加部２４を繰り返し制御することなく、一度の制御により対応してもよい。
【００３９】
以上に説明したように、本実施の形態では、発熱層１４において誘導電流を生じさせたときに発生する熱エネルギを利用して、液成分１０の昇温を行うようになされている。したがって、液成分１０をピンポイントで加熱できるため、供給エネルギの利用効率が高くなる。しかも、発熱層１４は、液成分１０に近接して設けることができるため、発熱層１４から液成分１０への熱エネルギの伝達を効率よく行うことができる。この点からも、供給エネルギの利用効率を向上させることができるといえる。そのため、温調に必要な消費電力を小さくすることが可能となる。その結果、交流電圧印加部２４としては、内部電源として使用される小型電池を備えたものとして構成したとしても、電池寿命を著しく短縮化することなく、十分に液成分１０を昇温することができる。したがって、小型の分析装置Ｘにおいても、それを大型化することなく、内部電源を利用して液成分１０の温調を行うことができるようになる。そして、内部電源により対応できるようになれば、外部電源と接続する必要がなくなり、アダプタが必須のアイテムでなくなる。そのため、分析装置Ｘを持ち歩く際に、アダプタを携帯する必要がなくなって、携帯性がよくなる。
【００４０】
本実施形態では、液成分に光を照射したときの反射光に基づいて分析を行うように構成された分析装置を例にとって説明したが、本発明は透過光に基づいて液成分を分析するように構成された分析装置に対しても適用可能である。
【００４１】
図１ないし図３に示した分析用具１では、発熱層１４が測定部１１Ｃｂ（液成分）の直上に位置するようにカバー１３の上面に設けられているが、図４（ａ）に示した参考例では、発熱層１４ａを測定部１１Ｃｂ（液成分）の直下に位置するように基板１２の下面に設けてあり、図４（ｂ）に示した参考例では、発熱層１４ｂをカバー１３の下面における測定部１１Ｃｂを臨む部位に設けてあり、図４（ｃ）に示した参考例では、発熱層１４ｃを基板１２における測定部１１Ｃｂの底面に設けてあり、図４（ｄ）に示した参考例では、発熱層１４ｄをカバー１３に嵌め込むように設けてある。
【００４２】
磁力線発生コイル２３の設置部位は、図１に示した分析用具１の下方に限らず、それ以外の部位に設置することも可能である。たとえば磁力線発生コイル２３を分析用具１の上方に位置するように配置してもよい。また、分析用具１に設けていた発熱層１４を、分析装置Ｘ、たとえば装着部２０に設けてもよい。
【００４３】
図５は、分析用具の参考例を示す。図示した分析用具３では、流路３１の途中に反応部３２が設けられ、この反応部３２に試薬３０が保持されており、反応部３２の直上に位置するように発熱層３３が設けられている。この分析用具３では、試料導入口３４から導入された試料が、毛細管現象により空気抜き穴３５に向けて移動し、試料が反応部３２に供給されるように構成されている。反応部３２では、試料の供給により試薬３０が溶解し、液相反応系が構築される。この反応部３２に保持された液成分（液相反応系）に対しては、発熱層３３に磁力線を通過させることにより、発熱層３３において発生した熱エネルギを供給することができる。
【００４４】
図６（ａ）（ｂ）は、分析用具の他の参考例を示す。図６（ａ）に示した例は、電気泳動により試料や試薬を移動させるもの、あるいは図６（ｂ）に示した例は、外部ポンプの動力により、試料や試薬を移動させるものである。
【００４５】
図６（ａ）に示した分析用具４では、２つの流路４０，４１が交差して設けられており、この流路４０、４１を覆うようにフィルム４５が貼り付けられている。各々の流路４０，４１には泳動バッファが充填されており、分析時には各流路４０，４１の両端部に電位差が与えられて、導入口４２から導入された試料が流路４１で反応しつつ測定部４３に向けて流路４１を移動する。測定部４３の直上には、発熱層４４が設けられている。この分析用具４においても、磁力線を利用して発熱層４４を発熱させることにより、測定部４３に保持された液成分を昇温することができる。
【００４６】
一方、図６（ｂ）に示した分析用具５は、試料導入部５０、反応部（測定部）５１、廃液貯留部５２および吸引部５３が並んで形成されたものである。この分析用具５では、反応部（測定部）５１の直上に位置するように発熱層５４が設けられている。この分析用具５では、吸引部５３が外部ポンプに接続されて、ポンプの動力により試料が移動させられる。もちろん、圧電素子などを利用したマイクロポンプを内蔵することにより、このマイクロポンプにより試料などを移動させるように構成された分析用具であってもよい。
【００４７】
図６（ａ）および（ｂ）に示した分析用具４，５においては、発熱層４４，５４を測定部４３，５１の直上に限らず、液成分が保持される部分の全体を覆うようにして形成してもよい。
【００４８】
図７および図８は、電気化学的手法により分析を行うように構成された装置に対して装着する、分析用具の他の参考例を示す。
【００４９】
図示した分析用具６は、基板６０上にキャピラリ６０ａが設けられたものである。キャピラリ６０ａは、基板６０上に、スリット６１ａが設けられたスペーサ６１を介して、開口部６２ａが形成されたカバー６２を積層することにより形成されている。このカバー６２には、キャピラリ６０ａの直上に位置するように発熱層６８が設けられている。キャピラリ６０ａには、端部に試料液導入口６３が設定されており、その内部には固体状の試薬６７が保持されている。試料液導入口６３から導入された試料液は、試薬６７を溶解しつつ、毛細管現象により開口部６２ａに向けてキャピラリ６０ａ内を進行する。
【００５０】
基板６０上には、測定用電極としての作用極６４と、対極６５と、一対の検知電極６６とが設けられている。これに対して分析装置は、各電極６４〜６６にそれぞれ接触させるための測定用端子７ａ、７ｄおよび検知用端子７ｂ、７ｃを有している。端子７ｂ、７ｄは、グランドに接続されているのに対して、端子７ａ、７ｃは、電源７０に接続可能とされている。そして、スイッチＳを切り替えることにより、電源７０が作用極６４と対極６５との間に電位差を付与する状態と、一対の検知用電極６６の間に電位差を付与する状態とを選択することができる。
【００５１】
この分析装置では、たとえば試料と試薬６７との反応液に対して電圧を印加することにより、反応生成物と電極との間で電子授受が行われ、その量に応じた応答電流が測定されるように構成されている。このような分析用具６においても、キャピラリ６０ａに反応系が構築されるが、発熱層６８に対して磁力線を通過させることにより生じた熱エネルギを反応系に供給することによって、反応系の昇温ひいては反応系の温調を行うことができる。
【００５２】
分析用具６は、各電極６４〜６６が導体により形成されているため、各電極６４〜６６に対して誘導電流を生じさせることができる。したがって、発熱層６８を省略し、各電極６４〜６６に磁力線を通過させることによって各電極６４〜６６を発熱させ、液成分を昇温させることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る分析装置の一例の概略構成を示す模式図である。
【図２】 本発明に係る分析用具の一例を示す全体斜視図である。
【図３】 図２のIII−III線に沿う断面図である。
【図４】 分析装置の参考例を示す要部断面図である。
【図５】 分析用具の参考例を示す全体斜視図である。
【図６】 分析用具の参考例を示す全体斜視図である。
【図７】 分析用具の参考例を示す全体斜視図である。
【図８】 図７のVIII−VIII線に沿う断面図である。
【図９】 従来の温調方法を説明するための分析装置の要部を示す断面図である。
【符号の説明】
Ｘ 分析装置
１，３，４，５，６ 分析用具
10 液成分
14,14ａ〜14ｄ,33,44,54，68 発熱層
21 温度測定部
23 磁力線発生コイル
28 制御部
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料の分析を行うために使用される分析用具において、この分析用具に保持された液成分を目的温度に調整する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
試料の分析を行う方法としては、たとえば試料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ある。このような分析は、たとえば光の照射および受光が可能な光学系を構築した分析装置に対して、反応場を提供する分析用具を装着して行われる（たとえば、特許文献1参照）。この場合、分析誤差を小さくし、分析結果の信頼性を高めるためには、分析用具（とくに反応液）の温度調整を行い、各回の測定毎に試料と試薬を略同一温度で反応させるのが好ましい。とくに、酵素反応を利用する系では、反応速度の温度依存性が大きいため、この系の温度は、たとえば目的温度±０．１℃に調整される。
【０００３】
反応液の温度調整を行う方法としては、たとえば図９（ａ）に示したように、分析用具９を反応液９０よりも熱容量の大きなヒートブロック９１上に保持し、このヒートブロック９１の温度を制御して、反応液９０の温度を調整する方法がある（たとえば特許文献２および３参照）。この方法では、たとえばヒートブロック９１に埋設された温度センサ９２により反応液９０の温度をモニタリングし、反応液９０の温度が所定値よりも小さくなった場合に、ヒートブロック９１を加熱・昇温し、このヒートブロック９１を介して反応液９０が昇温される。また、図９（ｂ）に示したように、分析用具９を温度追随性の高い発熱体９３上に保持し、この発熱体９３により反応液９０の温度を直接調整する方法もある（たとえば特許文献４参照）。この方法でも、温度センサ９２によるモニタリング結果に応じて、適宜発熱体９３を駆動し、反応液９０の温調が行われる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−１１４５３９号公報
【特許文献２】
特開平９−１８９７０３号公報
【特許文献３】
特開平１０−２５３５３６号公報
【特許文献４】
特開平９−３０４２６９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
これらの温度調整方法では、反応液９０を昇温する場合にヒートブロック９１を加熱し、あるいは発熱体９３を駆動する必要があるため、消費電力が大きいといったデメリットがある。しかも、ヒートブロック９１や発熱体９３などの加熱媒体では、マイクロデバイスのように反応液９０の液量が小さい場合には、反応液９０が保持された領域のみをピンポイントで加熱するのが困難である。そのため、反応液９０の温度を応答性良く上昇させるためには、昇温させるべき領域（図では反応液９０の直下領域）に比べて、加熱媒体９１，９３を相当に大きくする必要がある。したがって、加熱媒体９１，９３から伝えられる熱量に比べて、反応液９０の昇温に利用される熱量が小さくなってエネルギ利用効率が悪化し、消費電力がさらに大きなものとなってしまう。
【０００６】
このように、従来の温度調整方法では消費電力が大きいといったデメリットがあった。したがって、従来の温度調整方法は、小型電池（たとえば家庭でも汎用されている電池）のような内部電源で駆動する分析装置に適用するのが困難となっており、仮に、先の方法を小型の分析装置に適用するにしても、分析装置の実稼働時間が極端に短くなってしまい、実用的ではない。その一方、実稼働時間の短縮化を改善するためには、内部電源の容量を大きくすればよいが、この場合には、分析装置の小型化が阻害され、可搬性が悪化してしまう。また、外部電源から電力を供給してもよいが、その場合には、分析装置を外部電源と接続するためのアダプタが必要となって携帯性が悪くなる上、出先での使用が困難となる。
【０００７】
本発明は、このような事情のもとに考えだされたものであって、分析装置を大型化することなく、小さい消費電力で、分析用具に保持された液成分を目的温度に調整できるようにすることを課題としている。
【０００８】
【発明の開示】
本発明では、上記した課題を解決するために、次の技術的手段を講じている。
【０００９】
すなわち、本発明の第１の側面により提供される分析用具における液成分の温調方法は、流路が形成された基板上に上記流路を覆うようにカバーが積層され、上記流路の端部に測定部が形成されているとともに、上記カバーにおける上記測定部の直上の表面に、上記測定部と対応する開口をもち、金属薄膜からなる発熱層が設けられた分析用具を用い、上記測定部に保持された液成分を目的温度に調整する方法であって、上記発熱層に磁力線を通過させることにより生じた熱エネルギを、上記液成分に供給することを特徴としている。
【００１０】
本発明の第２の側面においては、試料の分析を行うために使用される分析用具であって、流路が形成された基板上に上記流路を覆うようにカバーが積層され、上記流路の端部に測定部が形成されているとともに、上記カバーにおける上記測定部の直上の表面に、上記測定部と対応する開口をもち、金属薄膜からなる発熱層が設けられ、上記発熱層は、磁力線を通過させることにより発熱することを特徴とする、分析用具が提供される。
【００１１】
この分析用具を用いる場合、液成分の昇温は、発熱層を発熱させたときの熱エネルギを利用して行われる。
【００１２】
発熱層を形成するための材料としては、アルミニウム、ニッケル、銅、鉄、ステンレスを例示することができる。たとえばアルミニウム、ニッケルまたは銅を用いて発熱層を形成する場合には、発熱層を、たとえば厚みが１〜２００μｍの薄膜に形成するのが好ましい。
【００１３】
発熱層は、分析用具の構成要素に直接膜形成し、もしくは材料をシート状に加工した後に上記構成要素にシート材を貼着することにより形成される。発熱層を膜形成する方法としては、たとえば蒸着、スパッタリング、あるいはＣＶＤが挙げられる。これらの手法は、金属材料としてアルミニウム、ニッケルまたは銅を用いる場合に有用である。
【００１４】
磁力線発生コイルを利用して対象部位に対して磁力線を通過させた場合、対象部位が導体ないし抵抗体であれば、瞬間的に誘導電流が流れる。このような誘導電流を連続的に流すためには、対象部位を通過する磁力線の向きを繰り返し変える必要がある。そのためには、磁力線発生コイルに対して交流電圧を印加する必要がある。一方、磁力線を通過させたときの発熱量は、対象部位の抵抗値を定数として考えた場合には、磁力線の強さ(交流電圧の実効値)、磁力線の向きを繰り返し変化させるときの周期(印加電圧の周波数)、および磁力線の通過時間(交流電圧の印加時間)に依存する。したがって、磁力線発生コイルに電圧を印加するための交流電圧印加手段を制御することによって、磁力線の発生状態ひいては磁力線を通過させた際の発熱量を制御し、最終的には液成分に伝達させるべき熱エネルギの量を制御することができるようになる。
【００１５】
本発明においては、液成分の温調は、たとえば液成分の温度をモニタリングしつつ、このモニタリング結果をフィードバックして、分析用具の発熱層を通過させる磁力線の状態を繰り返し制御することにより行うことができる。液成分の温調は、液成分の周りの環境温度と、液成分を目的の温度に昇温するために必要な発熱層における磁力線の通過状態と、の関係を予め調べておき、測定された環境温度と上記関係とに基づいて目的とする磁力線の通過状態を達成するために必要な制御量を決定し、この制御量に応じて分析用具における磁力線の通過状態を制御することにより行ってもよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。
【００２０】
図１に示したように、本発明に係る分析装置Ｘは、分析用具１を利用して試料を分析するための分析機能と、分析用具１の測定部１１Ｃｂに保持された液成分１０の温度を調整するための温調機能と、を有している。このような機能を発揮すべく、分析装置Ｘは、装着部２０、温度測定部２１、制御量演算部２２、磁力線発生コイル２３、交流電圧印加部２４、光源部２５、受光部２６、濃度演算部２７、および制御部２８を備えている。
【００２１】
装着部２０は、分析用具１を保持するためのものである。温度測定部２１は、装着部２０に埋設されている。この温度測定部２１は、装着部２０に対して分析用具１を装着した状態において、分析用具１に保持された液成分１０（測定部１１Ｃｂ）の直下領域に位置するように配置されている。これにより、温度測定部２１において測定される温度が、実際の液成分１０の温度により近いものとなる。温度測定部２１としては、たとえばサーミスタや熱伝対を使用することができる。もちろん、放射温度計のように、非接触型の温度計を用いてもよい。
【００２２】
制御量演算部２２は、温度測定部２１での温度測定結果に基づいて、液成分１０に付与すべきエネルギ量を演算するとともに、交流電圧印加部２４に対する制御量を演算するものである。
【００２３】
磁力線発生コイル２３は、分析用具１を通過させるべき磁力線を発生させるためのものである。交流電圧印加部２４は、磁力線発生コイル２３に電圧を印加させるためのものである。交流電圧印加部２４としては、たとえば４０〜２００ｋＨｚの範囲から選択される周波数の交流電圧を印加可能なものが使用される。磁力線発生コイル２３においては、交流電圧印加部２４による電圧印加によって磁力線が発生させられる。磁力線発生コイル２３において発生させる磁力線の状態は、磁力線発生コイル２３に対する電圧の印加状態によって制御することができる。より具体的には、磁力線発生コイル２３に印加すべき交流電圧の実効値、印加電圧の周波数、および交流電圧の印加時間を制御することによって磁力線発生コイル２３での磁力線発生状態を制御することができる。
【００２４】
光源部２５は、液成分１０（測定部１１Ｃｂ）に光を照射するためのものである。これに対して、受光部２６は、液成分１０からの反射光を受光するためのものである。光源部２５は、たとえば水銀ランプや白色ＬＥＤにより構成される。これらの光源を用いる場合には、図面上は省略しているが、光源部２５からの光をフィルタに入射させてから、液成分１０に光が照射される。これは、フィルタにおいて、液成分１０中の分析対象成分の光吸収特性に則した波長の光を選択するためである。一方、受光部２６は、たとえばフォトダイオードにより構成される。
【００２５】
濃度演算部２７は、受光部２６における受光結果に基づいて、試料液の濃度を演算するためのものである。濃度演算は、たとえば受光部２６における受光結果に基づいて反射率を演算し、反射率と濃度との関係を示す検量線に先に演算した反射率を当てはめることにより行われる。
【００２６】
制御部２８は、制御量演算部２２において演算された制御量に応じて交流電圧印加部２４を制御し、磁力線発生コイル２３における磁力線の発生状態を制御するためのものである。制御部２８はさらに、光源部２５における光照射状態および非照射状態を選択し、また制御量演算部２２や濃度演算部２７の動作を制御する。
【００２７】
制御量演算部２２、濃度演算部２７および制御部２８は、たとえばＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭにより構成することができ、この場合には、ＲＯＭに記憶されたプログラムを、ＲＡＭを利用しつつＣＰＵにより実行することにより、交流電圧印加部２４の制御、ひいては磁力線発生コイル２３における磁力線の発生状態の制御が行われる。
【００２８】
分析用具１としては、たとえば図２および図３に示したものを使用することができる。これらの図に示した分析用具１は、いわゆるマイクロデバイスとして構成されたものである。この分析用具１は、反応場を提供するものであり、流路１１が形成された基板１２上に、流路１１を覆うようにしてカバー１３を積層した形態を有している。
【００２９】
流路１１は、試料導入部１１Ａ、試薬導入部１１Ｂおよび反応用流路部１１Ｃを有している。試料導入部１１Ａと試薬導入部１１Ｂとは、反応用流路部１１Ｃの端部１１Ｃａにつながっている。反応用流路部１１Ｃは、全体が蛇腹上にくねっており、流路長が大きくなるように工夫されている。そして、反応用流路部１１Ｃの端部１１Ｃｂは、光源部２５からの光が照射される測定部を構成している(図１参照)。
【００３０】
これに対してカバー１３は、試料導入口１３ａ、試薬導入口１３ｂおよび空気抜き穴１３ｃを有している。試料導入口１３ａは試料導入部１１Ａの端部１１Ａａに、試薬導入部１３ｂは試薬導入部１１Ｂの端部１１Ｂａに、空気抜き穴１３ｃは反応用流路部１１Ｃの端部１１Ｃｂに、それぞれ対応した部位に形成されている。カバー１３には、空気抜き穴１３ｃを囲むようにして発熱層１４が形成されている。
【００３１】
発熱層１４は、磁力線発生コイル２３(図１参照)において発生した磁力線を通過させることにより発熱するものである。発熱層１４は、測定部１１Ｃｂの直上に設けられており、発熱層１４において生じた熱エネルギが液成分１０に効率よく伝達されるようになされている。発熱層１４は、磁力線を通過させるときの誘導電流によって適切に発熱するように形成されている。発熱層１４は、たとえばアルミニウム、ニッケルまたは銅を、蒸着、スパッタリングまたはメッキなどの手法により膜形成することにより、厚みが１〜２００μｍに形成されている。
【００３２】
発熱層１４は、金属材料により形成されたシート材を、カバー１３の表面に貼着することにより形成することもできる。この場合に使用する金属材料としては、アルミニウム、ニッケルおよび銅の他に、鉄やステンレスを例示することができる。発熱層１４は、導電性樹脂材料により形成することもできる。
【００３３】
図２および図３に示した分析用具１は、試料と試薬との２液を混合して反応させるものがあるが、マイクロデバイスとしては、３液以上を混合するものを使用することができ、もちろん、複数の反応系を構築できるように、複数の流路が形成されたものであってもよい。
【００３４】
試料の分析時には、分析用具１に対して、試料導入口１３ａから試料が、試薬導入口１３ｂから試薬がそれぞれ導入される。これらの試料および試薬は、毛細管現象により試料導入部１１Ａおよび試薬導入部１１Ｂをそれぞれ移動し、反応用流路部１１Ｃにおいて合流する。これにより、試料と試薬が反応を開始する。試料および試薬は、さらに反応を進行しつつも、毛細管現象により、空気抜き穴１３ｃに向けて反応用流路部１１Ｃを移動し、最終的には測定部１１Ｃｂに到達する。
【００３５】
このとき、図１に示した温度測定部２１では、測定部１１Ｃｂに到達した反応液（液成分１０）の温度が経時的に測定される。この測定結果は、制御量演算部２２に送られ、制御量を演算するための基礎とされる。
【００３６】
この制御量演算部２２では、液成分１０の目的温度と、実際の測定温度との比較が行われ、測定温度が目的温度よりも小さい場合には、交流電圧印加部２４に対する制御量が演算される。この演算は、たとえば予め定められた演算式に測定温度（もしくは目的温度と測定温度との差分）を当てはめることにより行われる。この演算結果は、制御部２８に送られる。
【００３７】
これに対して制御部２８は、制御量演算部２２での演算結果に応じて交流電圧印加部２４を制御し、磁力線発生コイル２３での磁力線発生状態を制御する。これにより、発熱層１４に磁力線を通過させて発熱層１４を発熱させ、この熱エネルギによって、測定温度と目的温度の差に応じた分だけ液成分１０が昇温される。一方、制御部２８は、測定温度が目的温度よりも大きい場合には、磁力線発生コイル２３が非印加状態となるように交流電圧印加部２４を制御する。このような交流電圧印加部２４の制御、ひいては磁力線発生コイル２３における磁力線発生状態の制御は、温度測定部２１での測定結果をフィードバックすることにより繰り返し行われ、液成分１０の温度が略一定に維持される。
【００３８】
液成分１０の温調は、液成分１０の周りの環境温度を測定した上で、この環境温度に基づいて行ってもよい。より具体的には、まず、環境温度と、液成分１０を目的の温度に昇温するのに必要な磁力線発生コイル２３（交流電圧印加部２４）に対する制御量と、の関係を予め調べておく。この関係は、たとえばテーブル化した上で制御量演算部２２などにおいて記憶させておく。そして、測定された環境温度と上記関係とに基づいて目的とする磁力線の通過状態を達成するために必要な制御量（交流電圧印加部２４に対する制御量）を決定し、この制御量に応じて発熱層１４における磁力線の通過状態を制御することにより行う。この方法では、たとえば環境温度の測定結果をフィードバックして交流電圧印加部２４を繰り返し制御することなく、一度の制御により対応してもよい。
【００３９】
以上に説明したように、本実施の形態では、発熱層１４において誘導電流を生じさせたときに発生する熱エネルギを利用して、液成分１０の昇温を行うようになされている。したがって、液成分１０をピンポイントで加熱できるため、供給エネルギの利用効率が高くなる。しかも、発熱層１４は、液成分１０に近接して設けることができるため、発熱層１４から液成分１０への熱エネルギの伝達を効率よく行うことができる。この点からも、供給エネルギの利用効率を向上させることができるといえる。そのため、温調に必要な消費電力を小さくすることが可能となる。その結果、交流電圧印加部２４としては、内部電源として使用される小型電池を備えたものとして構成したとしても、電池寿命を著しく短縮化することなく、十分に液成分１０を昇温することができる。したがって、小型の分析装置Ｘにおいても、それを大型化することなく、内部電源を利用して液成分１０の温調を行うことができるようになる。そして、内部電源により対応できるようになれば、外部電源と接続する必要がなくなり、アダプタが必須のアイテムでなくなる。そのため、分析装置Ｘを持ち歩く際に、アダプタを携帯する必要がなくなって、携帯性がよくなる。
【００４０】
本実施形態では、液成分に光を照射したときの反射光に基づいて分析を行うように構成された分析装置を例にとって説明したが、本発明は透過光に基づいて液成分を分析するように構成された分析装置に対しても適用可能である。
【００４１】
図１ないし図３に示した分析用具１では、発熱層１４が測定部１１Ｃｂ（液成分）の直上に位置するようにカバー１３の上面に設けられているが、図４（ａ）に示した参考例では、発熱層１４ａを測定部１１Ｃｂ（液成分）の直下に位置するように基板１２の下面に設けてあり、図４（ｂ）に示した参考例では、発熱層１４ｂをカバー１３の下面における測定部１１Ｃｂを臨む部位に設けてあり、図４（ｃ）に示した参考例では、発熱層１４ｃを基板１２における測定部１１Ｃｂの底面に設けてあり、図４（ｄ）に示した参考例では、発熱層１４ｄをカバー１３に嵌め込むように設けてある。
【００４２】
磁力線発生コイル２３の設置部位は、図１に示した分析用具１の下方に限らず、それ以外の部位に設置することも可能である。たとえば磁力線発生コイル２３を分析用具１の上方に位置するように配置してもよい。また、分析用具１に設けていた発熱層１４を、分析装置Ｘ、たとえば装着部２０に設けてもよい。
【００４３】
図５は、分析用具の参考例を示す。図示した分析用具３では、流路３１の途中に反応部３２が設けられ、この反応部３２に試薬３０が保持されており、反応部３２の直上に位置するように発熱層３３が設けられている。この分析用具３では、試料導入口３４から導入された試料が、毛細管現象により空気抜き穴３５に向けて移動し、試料が反応部３２に供給されるように構成されている。反応部３２では、試料の供給により試薬３０が溶解し、液相反応系が構築される。この反応部３２に保持された液成分（液相反応系）に対しては、発熱層３３に磁力線を通過させることにより、発熱層３３において発生した熱エネルギを供給することができる。
【００４４】
図６（ａ）（ｂ）は、分析用具の他の参考例を示す。図６（ａ）に示した例は、電気泳動により試料や試薬を移動させるもの、あるいは図６（ｂ）に示した例は、外部ポンプの動力により、試料や試薬を移動させるものである。
【００４５】
図６（ａ）に示した分析用具４では、２つの流路４０，４１が交差して設けられており、この流路４０、４１を覆うようにフィルム４５が貼り付けられている。各々の流路４０，４１には泳動バッファが充填されており、分析時には各流路４０，４１の両端部に電位差が与えられて、導入口４２から導入された試料が流路４１で反応しつつ測定部４３に向けて流路４１を移動する。測定部４３の直上には、発熱層４４が設けられている。この分析用具４においても、磁力線を利用して発熱層４４を発熱させることにより、測定部４３に保持された液成分を昇温することができる。
【００４６】
一方、図６（ｂ）に示した分析用具５は、試料導入部５０、反応部（測定部）５１、廃液貯留部５２および吸引部５３が並んで形成されたものである。この分析用具５では、反応部（測定部）５１の直上に位置するように発熱層５４が設けられている。この分析用具５では、吸引部５３が外部ポンプに接続されて、ポンプの動力により試料が移動させられる。もちろん、圧電素子などを利用したマイクロポンプを内蔵することにより、このマイクロポンプにより試料などを移動させるように構成された分析用具であってもよい。
【００４７】
図６（ａ）および（ｂ）に示した分析用具４，５においては、発熱層４４，５４を測定部４３，５１の直上に限らず、液成分が保持される部分の全体を覆うようにして形成してもよい。
【００４８】
図７および図８は、電気化学的手法により分析を行うように構成された装置に対して装着する、分析用具の他の参考例を示す。
【００４９】
図示した分析用具６は、基板６０上にキャピラリ６０ａが設けられたものである。キャピラリ６０ａは、基板６０上に、スリット６１ａが設けられたスペーサ６１を介して、開口部６２ａが形成されたカバー６２を積層することにより形成されている。このカバー６２には、キャピラリ６０ａの直上に位置するように発熱層６８が設けられている。キャピラリ６０ａには、端部に試料液導入口６３が設定されており、その内部には固体状の試薬６７が保持されている。試料液導入口６３から導入された試料液は、試薬６７を溶解しつつ、毛細管現象により開口部６２ａに向けてキャピラリ６０ａ内を進行する。
【００５０】
基板６０上には、測定用電極としての作用極６４と、対極６５と、一対の検知電極６６とが設けられている。これに対して分析装置は、各電極６４〜６６にそれぞれ接触させるための測定用端子７ａ、７ｄおよび検知用端子７ｂ、７ｃを有している。端子７ｂ、７ｄは、グランドに接続されているのに対して、端子７ａ、７ｃは、電源７０に接続可能とされている。そして、スイッチＳを切り替えることにより、電源７０が作用極６４と対極６５との間に電位差を付与する状態と、一対の検知用電極６６の間に電位差を付与する状態とを選択することができる。
【００５１】
この分析装置では、たとえば試料と試薬６７との反応液に対して電圧を印加することにより、反応生成物と電極との間で電子授受が行われ、その量に応じた応答電流が測定されるように構成されている。このような分析用具６においても、キャピラリ６０ａに反応系が構築されるが、発熱層６８に対して磁力線を通過させることにより生じた熱エネルギを反応系に供給することによって、反応系の昇温ひいては反応系の温調を行うことができる。
【００５２】
分析用具６は、各電極６４〜６６が導体により形成されているため、各電極６４〜６６に対して誘導電流を生じさせることができる。したがって、発熱層６８を省略し、各電極６４〜６６に磁力線を通過させることによって各電極６４〜６６を発熱させ、液成分を昇温させることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る分析装置の一例の概略構成を示す模式図である。
【図２】 本発明に係る分析用具の一例を示す全体斜視図である。
【図３】 図２のIII−III線に沿う断面図である。
【図４】 分析装置の参考例を示す要部断面図である。
【図５】 分析用具の参考例を示す全体斜視図である。
【図６】 分析用具の参考例を示す全体斜視図である。
【図７】 分析用具の参考例を示す全体斜視図である。
【図８】 図７のVIII−VIII線に沿う断面図である。
【図９】 従来の温調方法を説明するための分析装置の要部を示す断面図である。
【符号の説明】
Ｘ 分析装置
１，３，４，５，６ 分析用具
10 液成分
14,14ａ〜14ｄ,33,44,54，68 発熱層
21 温度測定部
23 磁力線発生コイル
28 制御部
Claims (6)
- 流路が形成された基板上に上記流路を覆うようにカバーが積層され、上記流路の端部に測定部が形成されているとともに、上記カバーにおける上記測定部の直上の表面に、上記測定部と対応する開口をもち、かつ金属薄膜からなる発熱層が設けられた分析用具を用い、上記測定部に保持された液成分を目的温度に調整する方法であって、
上記発熱層に磁力線を通過させることにより生じた熱エネルギを、上記液成分に供給することを特徴とする、分析用具における液成分の温調方法。 - 上記金属薄膜は、アルミニウム、ニッケルまたは銅により形成されている、請求項１に記載の分析用具における液成分の温調方法。
- 上記金属薄膜は、厚さが１〜２００μｍに形成されている、請求項１または２に記載の分析用具における液成分の温調方法。
- 上記液成分の温調は、上記液成分の温度をモニタリングしつつ、このモニタリング結果をフィードバックして、上記分析用具における磁力線の通過状態を繰り返し制御することにより行う、請求項１ないし３のいずれかに記載の分析用具における液成分の温調方法。
- 上記液成分の温調は、上記液成分の周りの環境温度と、上記液成分を目的の温度に昇温するために必要な上記発熱層における磁力線の通過状態と、の関係を予め調べておき、
測定された環境温度と上記関係とに基づいて目的とする磁力線の通過状態を達成するために必要な制御量を決定し、この制御量に応じて上記分析用具における磁力線の通過状態を制御することにより行う、請求項１ないし４のいずれかに記載の分析用具における液成分の温調方法。 - 試料の分析を行うために使用される分析用具であって、
流路が形成された基板上に上記流路を覆うようにカバーが積層され、上記流路の端部に測定部が形成されているとともに、上記カバーにおける上記測定部の直上の表面に、上記測定部と対応する開口をもち、金属薄膜からなる発熱層が設けられ、上記発熱層は、磁力線を通過させることにより発熱することを特徴とする、分析用具。
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