JPH046905B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、毛管作用による異なる区間への液体
の供給のための装置に関する。 米国特許第427119号は、ある量の液体を受入れ
るための第１の毛管作用区間と、この第１の毛管
作用区間の壁面部材における分路開口から延在す
る第２の毛管作用区間とを含む液体伝達装置に関
するものである。前記の分路開口は、この開口が
包囲される前に液体が第２の区間内に流れること
ができないと第２の区間内に空気を捕捉する結果
となるため、第１の区間の液体の流れが完全に分
路開口を包囲する前に第１の区間から第２の区間
に向けて液体を転送するような形状を呈する。こ
のような装置は、電位差試験素子のためのイオン
ブリツジとして非常に有効であることが証明され
てきた。 前述の装置においては、分路開口は約0.2mm²よ
りも大きな流通断面積を有し、かつ分路開口の形
状は厳密である。この開口はその長さが巾よりも
かなり長くなければならず、長さ対巾の比率が約
2.5乃至10.0の範囲内にある。換言すると、この
巾の寸法は長さの寸法の0.4倍以上あつてはなら
ない。このような巾員対長さの関係は円形の開口
を排除するものである。前述の制約内の開口は良
好に作用するが、所要寸法の開口を有するこのよ
うな形式の装置の製造においては問題がある。分
路開口の形状が例えば円形であり約0.2mm²より大
きな流通断面積を有するこのような装置を提供す
ることが望ましいと考えられていた。 本発明は、前述の諸問題を克服するものであ
る。本発明では、第１の区間の液体を導入する注
入装置から分路開口に向かう液体の流れの方向を
横切る方向に測つた分路開口の寸法D1が第１の
区間を流れる液体の巾Ｗに対する関係、及び第１
の区間を形成する対向面間の距離ｈが第２の区間
の長さt_pに対する関係を、第１の区間の液体が分
路開口を取り巻く前に該開口に入り第２の区間の
終端面に接するように選んで上述の問題を解決し
た。 上述の構成により、第２の区間の通気口を設け
ることを必要とすることなく第２の区間の全長に
わたり流れるように毛管作用による流れが第１の
区間から充分に供給されることが本発明の利点で
ある。本発明の更に別の利点は、このような流れ
が液体の伝達装置の製造過程において容易に形成
することができる円形の開口を含む種々の形状の
開口を用いて達成されることである。 本発明の実施態様については、例示として図面
に関して以下に記述することにする。 以下に記述する望ましい実施態様では、特に、
イオン分析の電位差検出用素子における使用につ
いて述べる。更に、本発明は他の形式の液体伝達
装置においても有効である。 望ましい実態態様により検出可能な一般に電解
質と呼ばれるイオン性の被分析物質は、生物の液
体または工業的液体である。本発明の装置は、特
に表面張力が約25乃至75ダイン／cm（0.025乃至
0.075Nm^-1）の範囲内にある血清、尿および脊髄
液の如き生物の液体に対して良好に作用するもの
である。 第１図においては、１対の略々平坦な固体のイ
オン選択電極１４（以下においては、「ISE」と
呼ぶ）が示されており、そしてこれらを受入れる
ための電気的に絶縁性を有するフレーム１２を含
む液体伝達装置１０が示されている。ISE１４
は、層１５（第２図）を成している接着剤により
装置１０の外表面１３に対して接着されることが
望ましい。米国特許第4053381号明細書において
記載の如く、各ISE１４は略々平坦であり、隣接
する層１６〜２０を含んでいる（この層の肉厚は
明瞭化のため第２図において誇張されている）。
各々のISEの層１６はイオノフオアおよび溶媒を
含むイオン選択隔膜である。被検査液又は基準液
の液滴が接触すると、イオン性の被分析物質は前
記層１６にり保持され、あるいはまた他の状態で
有効にこの層を経て下側の層１７〜１８に透過す
る。層１７〜１８においては、イオン性の被分析
物質の活動度に比例して電位差が生じる。例え
ば、層１７はＸ Ｚ で表わされる塩（但し、Ｘ
は測定すべき被分析物質）を含む乾燥した親水
性の結合剤である。本例における層１８は導電性
を有する金属Ｍの陽イオンＭ と前出の陰イオン
Ｚ との塩であり、金属Ｍはまた層１９を形成す
る。層２０は絶縁性を有する支持体である。層１
８と１９は導電性を有する層であり、従つてプロ
ーブ（図示ぜず）をフレーム１２（第１図）にお
ける窓部２２を介して挿入しかつ層１８をつき抜
け層１９と接触させることによつて電位計（図示
せず）により電位差の検出が可能である。即ち、
一方の窓部２２に挿入されたプローブと他方の窓
部２２に挿入されたプローブとの間にブリツジが
形成されこのブリツジ中に配置された電位差計に
よつて２つのISE間の電位差が検出されるのであ
る。これまで述べたISEの構造及び電位差の検出
は公知の技術である。被検査液体および基準液体
中のイオン性の被分析物質の活動度の差異は電位
差計（図示せず）における電位差として記録され
る。この時の読みは被分析物質の濃度の測定値に
変換される。 有効な実施態様には、１つ以上の層１６〜１９
が変更され、あるいは省略され、あるいは付加さ
れたものが含まれている。例えば、ISEをＣ
を試験するため構成することができ（このISEは
図示していない）、この場合最上層は表面活性剤
および米国特許第4199411号に記載の如く臭化物
の干渉を除去する目的のためポリエチレングリコ
ールを含むセルロースアセテートである。 フレーム１２は、毛管作用を有する第１の伝達
区間４０（第２図）を画成するように構成されか
つ対向する内表面３４，３６及び外表面４６を有
する１対の部材３０，３２により形成される。面
３４と３６は米国特許第4302313号に記載された
方法で区間４０内に導入された液体に対して毛管
作用により流れを生じるのに有効な距離ｈだけ離
間されている。表面３４と３６の間隔は約600μ
より大きくないことが望ましい。 対向する面３４と３６に加えて、区間４０は更
に、区間４０の巾を決定する距離Ｗだけ離間され
た１対の側壁面４１と４３（第１図）とを有す
る。即ちこれら側壁面により区間４０を流れる液
体の巾Ｗが決定される。あるいはまた、米国特許
第4254083号に記載の如く露出された縁部（図示
せず）を流れを止める装置として使用できる。 区間４０に対して被検査液体および基準液体を
流入させるため、注入口４４（第１図乃至第３
図）が部材３０に形成されている。注入口４４
は、計量装置により外表面４６（第２図）上で注
入口４４のところに落した液滴が注入口４４に入
り、このため区間４０に流入することを確保する
ため、少なくとも１つの隅部４２を含む形状を呈
することが望ましい。注入口４４はこの目的のた
めには米国特許第4254083号において記載される
形状を呈することが最も望ましい。第１図に示さ
れるように、注入口４４の特に有効な形状は六角
形である。 被検査液体および基準液体が相互に向つて移動
する時区間４０から捕捉された空気を通気させる
ためには１つ以上の開口５０（第１図および第３
図）が部材３０の注入口４４間の部分（以下ブリ
ツジ部分と称す）５２に形成される。開口５０
は、注入口４４程の流通の容易性を必要としない
ため注入口４４よりも遥かに小さい。液体が開口
５０の付近において相互に接触する時イオン導通
を形成し、この導通部分は電位差計（図示せず）
によるイオンの測定のために必要なイオン回路の
一部である。即ち、１つのISEとそれに接続する
区間４０内の液体と、ブリツジ部分５２を介する
イオン導通と他方の区間４０内の液体と、それに
接する他方のISEと、さらにISE同志を接続させ
るプローブ（図示せず）及びプローブ間の電位差
計（図示せず）で１つの回路が形成される。 区間４０のアーム部分５４はプリツジ部分５２
から延在し、これにより区間４０を略々Ｕ字形と
する。被検査液体および基準液体はアーム部分５
４を介してISE１４に向かう。アーム部分５４に
沿つて進行する液体の前方に捕捉された空気の通
気を行なうため、通気口５６（第２図）が区間４
０のアーム部分５４の各々に設けられている。各
通気口５６は、検査の対象となる液体における気
液交換を最小限度に抑えるため、例えば75μ以下
の非常に小さな流動径を有することが望ましい。
例えば、もしISE１４がCO₂（または、HCO₃ ）
についての試験のため選択される場合は、液体の
大きな表面積が空気に曝されることは望ましくな
い。このため、区間４０は縁部に沿つて封止され
開口５０、通気口５６および注入口４４のみにお
いて「通気」が行なわれるのである。 毛管作用による第２の伝達区間５９（第２図）
が、部材３２の表面３６から外表面１３まで延在
する側壁面６１により形成される。第２の伝達区
間５９の一部を形成する分路開口６０は部在３２
に形成され、第１の寸法Ｄ１と第２の寸法Ｄ２と
を有し、第１の寸法Ｄ１は注入口４４から開口６
０に向う液体の流れの方向を略々横切る方向に測
つたもので従つてアーム部分５４の巾Ｗの方向と
平行に測つたもので、またＤ２は液体の流れの方
向と略々平行に測つたものである。図示された実
施態様においては、寸法Ｄ１およびＤ２は等し
く、開口６０の直径をなしている。分路開口６０
は側壁面４１と４３との間の中央にあることが最
も望ましく、接着剤層１５中に形成されかつこの
層により包囲された開口６２と連通状態に接続さ
れ、層１６が第２の区間５９の終端面６３を提供
する。第２の区間５９は、液体が区間５９内を流
れる距離でありかつ面３６との側壁面６１の交点
から終端面６３まで延在する長さt₀を有する。長
さt₀は分路開口６０における部材３２の肉厚であ
るt₁と開口６２における接着剤層１５の肉厚であ
るt₂の和に等しい。層１６におけるISE１４との
充分な接触を確保するため、開口６０と６２の流
動面積は約0.2mm²よりも大きくなつている。 第２の区間５９は通気が施されない。区間５９
における通気はいくつかの理由から望ましくな
い。第１に、通気は第２の区間５９の終端面６３
における液体の接触面積を変動させる傾向を有
し、面６３における変動する接触面積は一定した
信号を維持することに対する妨げとなる。第２
に、区間５９における通気は、HCO₃ の如きあ
るイオンの濃度の変化を生じ、また液体の漏洩を
生じて汚染を生じる傾向を有する。第３に、通気
は設計および組立てを不当に複雑にすることにな
る。 本発明の１つの特質によれば、層１６の終端面
６３に向けて液体が適正に流れるようにすること
は、液体のヘツド値ｈをt₀の値に対して正しく選
定しまた巾員Ｗを開口６０の寸法Ｄ１に対して正
しく選定すれば可能である。即ち、ある条件の組
合せにおいて、液体のヘツドの値ｈはt₀の実験的
に決定できる関数である。この関数は、装置１０
に流れる液体の表面張力、液体が第１の区間４０
の面３４に対して形成する接触角、および分路開
口６０における第１の区間４０の流動巾Ｗとの比
較としての開口６０の寸法Ｄ１により変化するも
のと考えられる。ある特定の実施態様について以
下に記述するが、前記関数の正確な数式およびこ
れを生じる機構については全ての条件に対して完
全には理解されるものではない。この機構は、第
４図に示される如きものと考えられる。本文に示
す実施例においては、部材３０は、血清の場合
に、約60乃至80°の範囲内の接触角を呈するぬれ
性がよい材料の表面３４を有するものとして選ば
れているが、この材料は接触角が0°に近いような
低い値を有するものでも使用可能である。一方、
部材３２は接触角が85°より大きいかあるいはこ
れと等しい比較的ぬれ難い材料の表面３６を有す
る。このような場合には、メニスカスＭは区間４
０において破線で示されたその位置から開口６０
にぶつかるまで略々図示の形状で前進する。もし
値ｈがt₀に対して充分に大きく、かつＤ１および
Ｗの値が以下に述べる如く適正に選択されるなら
ば、液体は前進して実線で示したメニスカス
M′を形成する。この段階において、液体は開口
６０を完全に包囲する前に層１６の終端面６３と
例えば点Ｐにおいて接触する。もし他の全てのフ
アクターが一定に保持されるならば、距離t₀が大
きくなればなる程、区間４０における液体の流れ
が開口６０を包囲する前に面６３とのこの接触が
生じることを確保するエネルギーを提供するため
に値ｈは大きくなければならない。既に述べた如
く、層１６の終端面６３との液体の接触が生じる
前に分路開口６０が液によつて包囲されてしまう
状態を生じる結果をもたらすような第１の区間４
０における流れは避けなければならない。一旦開
口６０が区間５９内に空気が捕捉されたが故に液
によつて包囲されると、第２の区間５９を充填す
ることが難しいことが判つた。 一旦層１６の終端面６３との間に接触状態が得
られると、液体は前進してメニスカスM″を形成
し、ついで第２の区間５９を充填するのである。 もし面３４と３６における液体の接触角が前述
の構成の反対であつても、略々同じ結果を得るこ
とができる。このような場合（図示せず）におい
ては、メニスカスＭは、開口６０に達するまで面
３４上の液体の部分に先立つて面３６上の液体の
部分が前進する。開口６０があるために液が進行
しにくい状態はメニスカスの底縁部（図示せず）
を「拘束」するよう作用しその間頂縁部（図示せ
ず）は略々M′で示されるようにメニスカスが形
成されるまで前方に移動する。然る後、第２の区
間５９の充填が前述の実施例における如く行なわ
れる。しかし、部材３０および３２として選定さ
れた特定の材料をぬらす液体の能力は、液体の表
面張力の場合と同様に、ある厚さt₀に対し必要な
液体のヘツド値ｈを変化させる傾向を有する。例
えば、面３６との比較において面３４のぬれ性の
度合が大きくなればなる程、面３４上の液体が面
３６上の液体より「前に進む」。この差異が大き
い程、液体のヘツドｈが生じる圧力が大きくな
り、値t₀として使用可能な距離が大きくなる。更
に、ある値t₀に対し必要とされる値ｈもまた、分
路開口６０により与えられる流れに対する抵抗に
より変わる。もしアーム部分５４（第１図）の巾
Ｗが開口６０の寸法Ｄ１よりも遥かに大きけれ
ば、液体は開口６０が存在しないかの如くに挙動
し、終端面６３に接触する前に開口６０を包囲す
ることになる。一方、もし流動巾Ｗが開口６０の
寸法Ｄ１と等しければ、開口６０への流入抵抗は
本装置が作用不能になる点まで増加する。更に、
もし開口６０が例えば巾Ｗの方向に平行に延在し
かつこの巾Ｗと等しい流動長を有する矩形状（図
示せず）であれば、区間４０における液体の流れ
は開口６０に対しては容易に進入することはな
い。従つて、分路開口６０により生じる区間４０
内の流動抵抗、面３４，３６に用いられた材料に
対し液が前進するときこれら面に対し液が有する
接触角、および液体の表面張力は、ある値t₀に対
するｈの値の決定に際して考慮しなければならな
い。 本発明の望ましい一実施態様においては、部材
３０の内表面３４は、第４図に関して前に述べた
如く使用される液体に対して約60乃至80°の範囲
の接触角を生じる材料から選択される。開口60の
寸法Ｄ１に対する区間４０の巾Ｗの比率は約1.1
対１乃至1.5対１の範囲内にある。逆に言えば、
分路開口６０の寸法Ｄ１は巾Ｗの約0.65乃至0.9
の範囲内にある。開口６０は側壁面４１と４３の
中間になるように注意し、さもなければ寸法Ｄ１
および巾Ｗについて前に述べた比率範囲は適正な
流れに対して必要な条件を正確に反映するもので
はない。より詳しくは、側壁面４１，４３の一方
に沿つた開口６０との間〓が不充分であり、他方
の側壁面４１，４３に対する間〓が大きければ、
液体は大きな方の間〓を経て開口６０を流過する
ことができ、開口６０は液体により包囲された状
態となる。最後に、層１６の終端面６３は、点Ｐ
において液体がぬれない状態にならないように、
十分小さな接触角とする。これは液滴をある面に
おいて液を追加し液滴を大きくしていつたときそ
の縁部で測つた状態で約85°よりも小さくなるよ
うに、また逆に液滴から液を吸出して液滴を小さ
くしていつたときその縁部で測つた状態で約30°
よりも大きくならないように選択される。点Ｐに
おける加湿の低下は液体を開口６０を包囲させる
傾向をもたらし、そのため第１の区間５９に空気
を捕捉する結果となる。 このように、特に望ましい装置においては、部
材３０の少なくとも内表面３４がトリアセテート
であり、部材３２の少なくとも面３６がポリスチ
レンであり、開口６０が円形状であり、開口６０
の寸法Ｄ１に対する巾Ｗの比率が約1.28乃至1.0
であり、層１６は前掲の米国特許第4199411号に
記載の如き塩化物の電極にセルロースアセテート
をコーテイングしたものである。このような実施
例における開口６０の望ましい寸法Ｄ１，Ｄ２
は、伝達区間４０の巾Ｗが前述の比率1.28対１と
なるように調整されることを前提として、約2.0
乃至5.0mmの範囲内にある。このような実施例に
おいては、以下の事例において示されるように、
ISEの充分なぬれが生じるような値ｈとt₀の間の
関係はμ単位で測定した値についてはｈ＝150＋
0.87t₀となる。毛管作用による良好な流れを得る
ためには、値ｈは約600μを超えてはならず、従
つてこのような実施例におけるt₀は約515を越え
ることはない。 このように、本発明は、第２の区間における通
気がない場合に、前掲の米国特許第4271119号の
装置において使用するように提起されたものより
も長い距離にわたつて更に信頼性の高い流れを提
供するものである。 第２の区間は、分路開口６０が前述の如く機能
するために部材３２に対して直接接着した層１６
の面６３で終る必要はない。即ち、有効な実施例
においては、例えば、米国特許第4271119号の第
２図に示される如く、第２の区間５９の終端面６
３は介在する壁面部材（図示せず）により開口を
設けた部材３２から短い距離だけ離間されてい
る。 開口６０における伝達区間４０の液体のヘツド
の値ｈは伝達区間４０における有効な毛管作用を
有する間〓である。しかし、伝達区間４０の充填
のため必要な液体の量を少くするため、開口６０
から離間された伝達区間４０の部分はその毛管作
用を有する間〓が小さいことが望ましい。このよ
うな構造の更なる利点は、開口６０からはなれた
部分において部材３２を肉厚にし、これは製造を
容易にする。面３４と３６間の間〓は傾斜部によ
り部分５２における比較的狭い間隔から増加し
て、前進する液体が開口６０に接近するに伴なつ
て値ｈが最大値に達するまで傾斜部が30°より小
さな角度α（第２図）で傾斜することが望ましい。
角度αは、液体の流れに対して100で示した部分
における液体の進行を妨げる作用の形成を避ける
ため小さくなるように選定される。 本発明については、円形状の分路開口６０に関
して記述した。本発明によれば、円形状でない開
口もまた有効なことが容易に理解されよう。前掲
の米国特許第4271119号に記載された形状と同様
に、四角い流路形状（図示せず）もまた有効であ
る。 例 １〜３ 第１の毛管作用による供給区間が２つの離間さ
れた部材により提供され、これにおいては底部材
は直径が約2.5mmの円形状のパンチにより穿孔さ
れたポリスチレンのシートであつた。頂部材はト
リアセテートであり、分路開口における第１の区
間の巾Ｗは約3.2mmであつた。この穿孔された部
材は、第２の区間の形成のため、厚さが約25.4μ
である接着剤GELVA層を用いて、開口の部分に
おいてＣ のISEに対して接着された。前記開
口上方の液体の高さおよび第２の区間の厚さを変
化させるため、(a)第１の区間の対向面を分離する
スペーサ、および(b)底部材の肉厚は下表Ｉに示さ
れる如く変更された。即ち、

【表】 したものをメートル系に換算して丸
めたものである。
液体が穿孔された開口に流入するかどうかを判
定するため、液体として人間の血清または水を５
ml用いて、視覚による観察が容易になるようにス
チレンアクリルアミドーメタクリ酸ラテツクス中
に吸収されたユーロピウムを含む螢光成分を
100μ加えた。（他の螢光材料もまた使用可能で
ある。）更に、10KΩに設定した電圧計に対して
一方のISEが、第２図の窓部２２に露出した面の
部分において接続された。電圧計の他のプローブ
が他方のISEに接触された。液体を充填して、円
形状の開口を有する第２の区間を充填した時にの
み、電圧計は目盛から外れた。その結果を下の表
に示した。

【表】 例 ４〜５ 例１の手順が、値ｈがそれぞれ約305μおよび
約330μと等しくなるように選択された点を除い
て反復された。全厚t₀は、約102μの厚さの底部材
と両面に接着材を有する約25.4μのテープを用い
ることにより、両方の場合とも178μに等しかつ
た。両面における接着剤の厚さは約25.4μであつ
た。例４および５の両方において、第２の区間に
対する充分な血清の流入および電極のしめりが観
察された。 例 ６ 添加物を入れられた血清を用いて例１〜３の手
順が反復され、第２の区間に対する終端面（円形
状の開口の下方）はＣ 用ISEの代りにガラス
とした。電圧計を用いずに流れの分路状態を判定
した。変数はｈ＝229μ、t₀＝127μとなるように選
択した。流れの分路は視覚的に判定した限りは生
じなかつた。しかし、この実験を厚さt₀＝76とし
てくり返したところ（例６）毛管作用の流れの分
路が生じた。 例１〜６において使用された値ｈおよびt₀を第
５図のグラフにプロツトした。第２の区間の終端
面に対して良好な流れを生じた値は丸で囲んで示
し、失敗した比較例には「×印」を付した。明ら
かなように、データは成功例の流れと不成功例の
流れの間の直線的な分離を提示したが、この分離
の状態は下式に従う。即ち、 １）ｈ＝150＋0.87t₀（測定単位μ） このように、例１に記述した装置の場合は、値ｈ
が式(1)により得られる値と等しいかあるいはこれ
を越えると、第１の区間に導入された液体は通気
を必要とすることなく第２の区間にも流入して
ISEをしめらす。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明により構成された装置を示す平
面図、第２図は第１図の線−に関する部分断
面図、第３図は第１図の線−に関する断面
図、第４図は液体の流れを示す第２図の一部と類
似する部分拡大断面図、および第５図は毛管作用
による第２の伝達区域の長さに対する分路の開口
における液体のヘツドの関係を示すグラフであ
る。 １０……液体伝達装置、１２……フレーム、１
３……外表面、１４……イオン選択電極（ISE）、
１５〜２０……層、２２……窓部、３０，３２…
…部材、３４，３６……内表面、４０……第１の
毛管作用伝達区間、４１，４３……側壁面、４４
……液体注入口、４６……外表面、５０……開
口、５２……ブリツジ部分、５４……アーム部
分、５６……通気口、５９……第２の毛管作用伝
達区間、６０……分路開口、６１……側壁面、６
２……開口、６３……終端面。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１の毛管作用伝達区間４０を画成するよう
   配置された部材３０，３２および側壁面４１，４
   ３を含み、前記部材３０，３２は前記区間４０内
   に導入される液体に毛管作用による流れを生じる
   上で有効な距離ｈだけ離間された第１の組の対向
   面３４，３６を有し、前記側壁面４１，４３間の
   間隔が前記区間４０を流れる液体の巾Ｗを決定し
   ており、さらに 前記区間４０内に液体を導入するための液体注
   入装置４４と、 前記区間４０内から空気を通気する通気口５６
   と、 前記第１の毛管作用伝達区間４０に隣接して設
   けられた第２の毛管作用伝達区間５９と、を備
   え、 前記第２の区間は通気口を有さないもので、前
   記部材３０，３２の一方に設けられた分路開口６
   ０により一部が形成され、該分路開口は0.2mm²よ
   り大きな流通断面積を有し液体を前記第１の区間
   ４０から第２の区間５９に向けるものであり、 さらに、前記注入装置から前記分路開口６０に
   向かう液体の流れの方向を横切る方向に測つた分
   路開口の寸法D1が前記巾Ｗに対する関係、及び
   前記距離ｈが前記第２の区間の終端面６３により
   決定される第２の区間５９の長さt₀に対する関係
   は、前記第１の区間の液体が前記分路開口６０を
   取り巻く前に該開口に入り前記終端面６３に接す
   るごとく選ばれており、さらに前記距離ｈは、 ｈ＝（150＋0.87t₀）（ミクロン） で表される値に等しいかそれより大きいことを特
   徴とする液体伝達装置。 ２ 特許請求の範囲第１項の装置において、前記
   終端面６３がイオン選択電極１４の外表面である
   ことを特徴とする液体伝達装置。