JPH11223596A

JPH11223596A - 試薬混合装置

Info

Publication number: JPH11223596A
Application number: JP2419698A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Tomita; 裕之富田; Yuji Miyahara; 裕二宮原; Tomoharu Kajiyama; 智晴梶山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-02-05
Filing date: 1998-02-05
Publication date: 1999-08-17

Abstract

(57)【要約】【課題】機械動作の複雑な分析装置、特に、並列処理型
分析装置の動作における無駄をなくして、装置動作の安
定性を向上させ、かつ、１サンプル時間を短縮するフロ
ースルーセル及びそれを含む流路系を提供する。【解決手段】試料流路の一部の（１）内径を細くし、そ
の内径の細い部分を（２）枝分かれにし、（３）枝分か
れした一端を混合したい溶液、例えば洗浄液の格納容器
と結合する。この内径を細くする理由は、ベルヌーイの
法則を利用して、混合溶液を、試料流路に導入するため
である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は微細流路中の流体に
他の流体を混合する装置に係り、特に試料溶液中の極微
量物質を定量するためのフロースルーセル、及びこれを
用いた分析装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】免疫分析の分野では、試料中の極微量
（１０^-14mol・dm^-3以下）の測定対象の濃度を、発光ラ
ベルを利用して測定する分析法として、蛍光法，化学発
光法（Chemiluminescence法，ＣＬ法）、及び電気化学
発光法（Electrochemiluminescenc
e法，ＥＣＬ法）があり、広く利用されている。蛍光法
では光励起により試料から発する発光を検出し、ＣＬ法
では酸化剤等の触媒の存在下で試料から発する発光を検
出し、ＥＣＬ法では試料の電圧を印加した時に試料から
発する発光を検出する。これらの各方法では、ホルモ
ン，腫瘍マーカー，薬剤，ＤＮＡ分子等の測定対象物質
に抗原抗体反応により発光試薬を結合して、発光試薬に
由来する発光を定量するが、中でもＥＣＬ法は原理的に
検出感度が高い。ＥＣＬ法では、測定対象試料に電極を
接触させる必要があり、一般にフロースルーセル内に試
料を流しながら測定を行う。本願明細書の以下の記載で
は、このセルをＥＣＬフロースルーセルと呼び、ＥＣＬ
フロースルーセルで測定する試料をＥＣＬサンプルと呼
ぶ。

【０００３】ＥＣＬフロースルーセルに関する公知例
は、例えば特開平7−209189 号，特開平7−248330 号に
記載されている。従来のＥＣＬフロースルーセルでは、
１つのＥＣＬサンプルの測定が終了するまで、次のＥＣ
Ｌサンプルは、測定待ちの状態にある。本願明細書の以
下の記載では１つのＥＣＬサンプルの測定時間を、１サ
イクル時間と呼ぶ。

【０００４】従来技術のフロースルーセル、特に、特開
平7−209189 号，特開平7−248330号に記載されている
ＥＣＬフロースルーセルでは、ＥＣＬフロースルーセル
内に（１）ＥＣＬサンプルを導入し、（２）ＥＣＬサン
プルに電圧印加して発光値を測定し、（３）次の測定に
備えてＥＣＬサンプルを排出しつつ、同時にフロースル
ーセル内部を洗浄している。１サイクル時間は、少なく
とも前述した（１）試料導入、（２）測定、（３）排出
洗浄の３部分よりなる時間を要する。

【０００５】従来のフロースルーセルでは、特開平7−2
48330 号の図１に記載されているように、セルにサンプ
ルを導入する流路は、枝分かれが無い一本のチューブで
構成されている。これは、枝分かれが無い方が、流れが
分岐点において滞ることが無いためである。もし流れに
滞りがあると、サンプル、特に血液を含むサンプルを流
路に導入した際に、血液中に含まれるサイズの大きい不
純物が、分岐点に留まりやすくなり、以後の測定の妨げ
となる可能性があるためである。

【０００６】枝分かれの無いチューブは流路としては最
も単純であり、現在までに広く用いられている。しかし
予め、血清成分のみを分離するなどの前処理をした装置
では、枝分かれチューブを用いている装置もある。別分
野の技術であるが、ＨＰＬＣ（高速液体クロマトグラフ
ィー）では、枝分かれした流路が数多く用いられてい
る。日本分析化学会関東支部編「高速液体クロマトグラ
フ分析」産業図書，1982年参照。そこで免疫分析装置で
も、血清成分を分離したサンプル等では、枝分かれチュ
ーブを用いることが可能である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】代表的な免疫分析装置
では、血清等のサンプルに対し、１種類以上の反応試薬
を混合する必要がある。特にフロースルーセルでは、１
サンプルの測定終了後、次のサンプルを測定する前に、
フロースルーセル内部を洗浄するため、別途、洗浄液を
フロースルーセル内部に導入する必要がある。

【０００８】従来の方法では、サンプル，反応試薬，洗
浄液といった別々の容器に格納された複数の液を、枝分
かれの無い１本のチューブで吸引することになる。その
ためチューブの吸引口を、それぞれの液を格納した容器
まで機械的に動作させる、吸引口移動機構と呼ばれる、
機構が必要があった。そして、サンプルと反応試薬は、
その混合比を厳密に制御しなくてはならないことが多い
ので、チューブの吸引量を厳密に制御するための分注機
構と呼ばれる機構が必要である。この分注機構とは、例
えば、シリンジ，弁，高精度モーターにより構成され
る。

【０００９】しかし、全ての液を枝分かれの無い１本の
チューブで吸引する従来装置では、例えば洗浄液のよう
な吸引量を厳密に制御する必要の無い液までも、分注機
構を用いて吸引しなくてはならない。洗浄液を吸引する
ために、吸入口動作機構で、吸入口を洗浄液の格納容器
まで移動する動作に例えば１秒かかるとすると、千件の
サンプルを連続して測定する際には、十数分の差となっ
てしまう。この差は装置の高速化をはかる上で支障とな
る。特に、今後開発される、複数のサンプルの同時測定
をするシステム、例えば２個以上の吸入口動作機構を有
し、それらが同時に動作する並列処理型分析装置を実現
するためには、不必要な動作はできる限り避けなければ
ならない。なぜなら並列処理自体が複雑な動作を要求す
るので、不必要な動作を内包しておく余裕が小さくなる
ためである。

【００１０】本発明の目的は、上記従来技術における問
題を解決して、装置の高速化、特に、並列処理型分析装
置の動作における無駄をなくして、装置動作の安定性を
向上させ、かつ、１サンプル時間を短縮するフロースル
ーセル及びそれを含む流路系を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の試薬混合装置
は、試料が流れる試料流路の一部の（１）内径を細く
し、その内径の細い部分を（２）枝分かれにし、（３）
枝分かれした一端を混合したい溶液、例えば洗浄液の格
納容器と結合することに特徴がある。この内径を細くす
る理由は、ベルヌーイの法則を利用して、混合溶液を、
試料流路に導入するためである。ベルヌーイの法則は、
流速をｑ、重力加速度をｇ、圧力をｐ、溶媒の密度を
ρ、位置エネルギーをｚとして、数１で表される。

【００１２】

【数１】ｑ²／２ｇ＋ｐ／ρｇ＋ｚ＝const. …（１）単位時間あたりの全流量が同一の場合、試料流路の一部
の内径を細くすることで、その部分の流速は早くなる
（ｑが増大する）。すると式（１）より、高さが一定
（ｚが一定）であれば、圧力が低下して（ｐが減少し
て）、枝分かれした側道から混合したい溶液、例えば洗
浄液が流入する。この枝分かれの箇所はＥＣＬフロース
ルーセル内部であっても、ＥＣＬフロースルーセルに試
料を導入するチューブの途中であってもよい。不要時に
は枝分かれした側道から溶液が供給されないように、枝
分かれの箇所にはバルブを設置することが必要となる。

【００１３】内径を細くしなくても、流路内の流速を高
めることで、洗浄液の格納容器と流路中の圧力差がで
き、洗浄液は流路内部に導入される。しかし流路内径を
細くしなければ、流路内部の流速が大きくなりすぎ、乱
流の形成が促進されるため、流路内径を細くするデザイ
ンがより優れている。

【００１４】枝分かれの箇所から、洗浄液だけでなく、
気泡を入れることができる。バルブを切り替えて、洗浄
液と空気とを交互に入れることで、気泡入りの洗浄液が
流路内部に導入される。すると（１）気泡が流路内部に
衝突することではじけて、洗浄効率が向上する。（２）
気泡が洗剤を積極的に泡立てるので、泡が早く消える。
（３）使用する液量が少なくても、気泡を入れない場合
と同等の洗浄効果を得ることができる。

【００１５】このベルヌーイの法則を利用した混合溶液
の導入方法は、サイズがマイクロメートル程度の微小検
出器（マイクロマシン）においても用いることができ
る。現在のマイクロマシンでは、流路の太さは一定であ
り、反応溶液の混合はダイアフラムバルブを用いてい
る。流路内の混合部の内径を小さくすることで、流路中
の溶液速度を小さくしても反応溶液の混合が行える。そ
のため流路内での乱流の形成を抑えられ、混合の比率を
より高精度に制御できる。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施例のうち、
セル内部に混合点を有するＥＣＬフロースルーセルの構
成を表す一部断面を含む図である。ＥＣＬフロースルー
セルを用いて、ＥＣＬ法によりホルモン，腫瘍マーカ
ー，薬物，酵素，サイトカイン，核酸等の試料を定量で
きる。ＥＣＬフロースルーセル１に試料を流しながら、
作用電極２に試料を接触させ、測定を行う。試料の検出
時には、作用電極２と作用電極２に対向する対向電極３
との間に、ＥＣＬ分析に用いる標識物質の標準電極電位
以上の電位を印加する。

【００１７】ＥＣＬフロースルーセル１は、測定対象物
を含む溶液を導入する試料流入口４と、排出する試料流
出口５を持つ。試料流入口４と作用電極２との間に、混
合液をＥＣＬフロースルーセル１に導入する混合点６を
設ける。混合点６では、混合液流入口７を通じて、洗浄
液等の混合液が導入される。ＥＣＬフロースルーセル１
内部の断面積は、ＥＣＬフロースルーセル１の試料流入
口４から混合点６に向かって連続的に小さくし、かつ混
合点６から試料流出口５に向かって連続的に大きくして
いく。

【００１８】混合点６近傍で断面積を急激に変化させた
場合、すなわち急拡大管，急縮小管を形成させた場合
は、混合点６近傍で乱流が発生して、圧力損失が大きく
なってしまうので、これは避けなくてはならない。

【００１９】従来技術のＥＣＬフロースルーセルでは、
磁性ビーズ表面に、液中に存在する測定対象のホルモン
を抗原抗体反応により固定化し、その磁性ビーズを磁石
９により、作用電極２の表面に保持する。磁石９は本発
明では必須ではないが、磁性ビーズを用いる場合には必
須となる。磁石９は、電磁石または永久磁石である。磁
石の磁力によってＥＣＬフロースルーセル１の作用電極
２上に捕捉されている磁性ビーズは、分析終了後、電磁
石への通電を遮断して、又は永久磁石を機械的にＥＣＬ
フロースルーセル１より遠ざけて磁力を弱めることで、
ＥＣＬフロースルーセル１から排出される。ＥＣＬ反応
により、発光物質から発する光を検知する光検出器８を
作用電極２近傍に設けた。発光物質からの発光は、対向
電極３の間を通過して光検出器８で検出される。

【００２０】図２は、セル内部に混合点を有するＥＣＬ
フロースルーセルに、ＥＣＬサンプルを導入してから排
出するまでの流路系全体を含めた構成図である。

【００２１】この構成では、特にサンプル液２１および
反応試薬２２の２種類の液を吸引口２３より導入し、か
つ１種類の混合液２５をセルに導入する構成となってい
る。サンプル液２１と反応試薬２２の両方を吸引するの
で、吸引口移動機構２４を設けている。混合液、特に洗
浄液を混合液溜２５に入れておく。吸引量の精度を高め
る必要がある場合は、モーターを用いず、シリンジ２６
を用いるとよい。

【００２２】サンプル液２１あるいは反応試薬２２をＥ
ＣＬフロースルーセルに導入する場合は、電磁弁Ａ２７
を開、電磁弁Ｂ２８を閉、電磁弁Ｃ２９を閉にする。更
に混合液溜２５の液をＥＣＬフロースルーセルに導入す
る場合は電磁弁Ａ２７を開、電磁弁Ｂ２８を閉、電磁弁
Ｃ２９において混合液溜２５との流路を開にする。また
気泡をＥＣＬフロースルーセルに導入する場合は電磁弁
Ａ２７を開、電磁弁Ｂ２８を閉、電磁弁Ｃ２９において
空気流入口２０１と接続する。洗浄液を混合液溜２５に
入れてある場合は、吸入口２３は反応試薬２２を吸引す
る位置にしておく。すると反応試薬と洗浄液が混合した
液がＥＣＬフロースルーセル１に導入される。洗浄液の
濃度は、反応試薬２２と混合されるので薄くなるが、混
合液溜２５内の洗浄液の濃度、混合点６での断面積を調
節しておくことで、反応試薬と洗浄液との好適な混合比
を実現し、洗浄能力を維持することができる。

【００２３】またＥＣＬフロースルーセルから液を排出
する場合は、排出液を電磁弁Ａ２７と電磁弁Ｂ２８との
間に移動させて、電磁弁Ａ２７を閉、電磁弁Ｂ２８を開
として、シリンジ動作を行う。特に、洗浄液をフロース
ルーセル１に導入する場合、混合液溜２５と電磁弁Ｃ２
９との間に更に弁を設けて、混合液を吸引する以外に、
外界から空気流入口２０１より空気を吸引することがで
きるようにし、混合液吸引と空気吸引とを切り替えるこ
とができるようにすれば、空気と洗浄液とが適度に混合
するので洗浄効率を更に向上させることができる。

【００２４】図３は、ＥＣＬフロースルーセル上流に混
合点を有する流路系の構成図である。混合点３１をＥＣ
Ｌフロースルーセルの上流に設けた以外は図２と同じ構
成である。この図３の混合点３１での断面積を調節する
ことができれば、混合液溜２５からの混合液の流入量を
能動的に制御することが可能である。

【００２５】図４は、図３の実施例において、混合点３
１の流路断面積を能動的に制御する機構の概念図であ
る。太さ数mm以下のチューブの一断面図である。試料は
流入部４１から混合点３１に流入し、流出部４２から排
出される。図４の（Ａ）は流路断面積を大きくしたまま
にして、混合液流入４４の量を小さくした様子である。
一方、図４の（Ｂ）は流路断面積を小さくして、混合液
流入４４の量を大きくした様子である。

【００２６】混合点３１での流路断面積が小さくなるこ
とで、液の流速が増大する。するとベルヌーイの法則よ
り混合点３１での圧力が小さくなり、混合液流入４４量
が大きくなる。この流路断面積の能動的制御は、混合点
３１に設けた空胞４３内に、外部から、空気あるいは
油，水等の液体を注入することで行う。空胞４３を形成
する材料は伸び率の大きいポリウレタン繊維またはゴム
を用いる。ポリウレタン繊維は伸び率４５０〜８００
％，強酸・アルカリ下で強度低下がほとんど見られない
ので材料として優れている。

【００２７】またゴムとしてはクロロプレンゴム，ブチ
ルゴム，アクリルゴム，クロロスルホン化ポリエチレン
ゴム，シリコーンゴム，フッ素ゴム等が使用できる。空
胞４３内に空気を注入する場合は、特に、空気保持力の
大きいブチルゴムを用いるのが望ましい。空胞４３内に
油を注入する場合は、特に、耐油性のよいアクリルゴ
ム，フッ素ゴムを用いるのが望ましい。空胞４３と、流
路とを隔てる壁材料は、流路の他の部分を形成している
テフロン等でよい。壁材料に伸縮性を持たせるために、
壁の厚さは流路の他の部分と比較して薄くするとよい。
この方法により、流路内の流速を乱流が形成されない速
度に保ちつつ、混合溶液の流入量を調節することができ
る。

【００２８】前述のように、本方法を用いることで吸入
口動作機構の不必要な動作を減らすことができ、測定の
高速化に貢献できる。特に、並列処理型分析装置を実現
するためには、不必要な動作はできる限り避けなければ
ならないので有益である。

【００２９】図５は、図１から図４までに示した例を、
微小流路系に実施した場合の概念図である。すなわち測
定対象サンプルに対し、複数の液を混合して生じる呈色
反応や、抗原抗体反応等の化学反応の結果を、検出器で
測定する分析装置を微小流路系で実現した場合の実施例
である。流路の太さはマイクロメートルから、ミリメー
トルのオーダーとする。この微小流路系は、例えば、シ
リコンを材料として、現在の半導体加工技術を用いて形
成することができる。１回の測定ごとに使い捨てる形式
のセンサーに適用することが多いと考えられる。

【００３０】図５（Ａ）は、微小流路系のうち、混合液
を導入する混合点５２を含む一部を抜き出した流路形状
図である。図５（Ｂ）は図５（Ａ）の点線で囲まれた四
角形の部分のみを拡大して、３次元的に示した図であ
る。測定試料は、試料流入５１から、混合点５２を通過
して、試料流出口５４から排出される。測定試料の流入
５１の際の速度を決めて、混合点５２と混合液流入路５
３の太さを調節しておくことで、混合液溜Ａ５５，混合
液溜Ｂ５６，混合液溜Ｃ５７の混合比をあらかじめ定め
た比率とすることができる。混合液流入後、混合液溜Ａ
５５，混合液溜Ｂ５６，混合液溜Ｃ５７からの更なる流
入を停止させるために、バルブ５８を備える。この図５
の混合点５２での断面積を調節することができれば、微
小流路系においても混合液溜５５，５６，５７からの混
合液の流入量を能動的に制御することが可能である。

【００３１】図６は、図５の実施例において、混合点５
２の流路断面積を能動的に制御する機構の概念図であ
る。混合点５２の壁の一部をピエゾ素子６２で構成すれ
ば、電圧を配線６３より印加することで、ピエゾ素子６
２が変形して混合点での断面積を変化させることができ
る。

【００３２】

【発明の効果】本発明の試薬混合装置では、試料が流れ
る試料流路の一部の（１）内径を細くし、その内径の細
い部分を（２）枝分かれにし、（３）枝分かれした一端
を混合したい溶液、例えば洗浄液の格納容器と結合す
る。試料流路の一部の内径を細くすることで、ベルヌー
イの法則を利用して、混合溶液を、試料流路に導入す
る。特に、複雑な機械動作を必要とする並列処理型分析
装置において、不必要な動作を少なくできるので、装置
動作の安定性を向上させ、かつ、１サンプル時間を短縮
するフロースルーセル及びそれを含む流路系を実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の電気化学発光フロースルーセ
ルの部分断面図。

【図２】本発明の実施例の電気化学発光フロースルーセ
ルの流路系の全体構成図。

【図３】本発明の実施例の電気化学発光フロースルーセ
ル流路系の全体構成図。

【図４】本発明の実施例において、混合点の流路断面積
を制御する機構の概念図。

【図５】本発明を微小流路系に実施した場合の概念図。

【図６】本発明を微小流路系に実施した場合の流路断面
積を制御する機構の概念図。

【符号の説明】

１…電気化学発光フロースルーセル、２…作用電極、３
…対向電極、４…試料流入口、５…試料流出口、６…混
合点（セル内部）、７…混合液流入口、８…光検出器
（フォトマル，フォトダイオード等）、９…磁石、２１
…サンプル液、２２…反応試薬、２３…サンプル吸引
口、２４…吸引口移動機構、２５…混合液溜、２６…シ
リンジ、２７…電磁弁Ａ、２８…電磁弁Ｂ、２９…電磁
弁Ｃ、３０…液排出口、３１…混合点（セル上流）、４
１…試料流入、４２…試料流出、４３…空胞、４４…混
合液流入、５１…試料流入（微小流路）、５２…混合点
（微小流路）、５３…混合液流入路（微小流路）、５４
…試料流出(微小流路)、５５…混合液溜Ａ、５６…混合
液溜Ｂ、５７…混合液溜Ｃ、５８…バルブ、６１…試料
流入（微小流路）、６２…圧電素子（ピエゾ素子）、６
３…配線、６４…試料流出（微小流路）、２０１…バル
ブ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料を吸引してから排出するまでの間に、
試料が流れる試料流路の一部の(１)内径を細くし、その
内径の細い部分を（２）分岐させ、（３）分岐させた一
端を混合したい溶液に結合し、ベルヌーイの法則を利用
して上記混合したい溶液を、試料流路に導入する試薬混
合装置。
【請求項２】上記混合したい溶液と空気とを上記試料流
路に交互に導入する切り替え弁を備えた請求項１記載の
試薬混合装置。
【請求項３】請求項１記載の試薬混合装置をフロースル
ーセル内に設け、フロースルーセルの断面積を、フロー
スルーセルの試料流入口から、請求項１記載の分岐点に
向かって連続的に小さくし、かつ請求項１記載の分岐点
からフロースルーセルの試料流出口に向かって連続的に
大きくしていく流路形状を有することを特徴とするフロ
ースルーセル。
【請求項４】試料吸引口からフロースルーセルに至る途
中の流路内部に請求項１記載の試薬混合装置を設け、試
料吸引口から請求項１記載の分岐点に向かって流路断面
積を連続的に小さくし、かつ請求項１記載の分岐点から
フロースルーセルに向かって流路断面積を連続的に大き
くしていく流路形状を有することを特徴とする分析装
置。
【請求項５】分岐点の流路断面積を能動的に制御する手
段を設けたことを特徴とする請求項１記載の試薬混合装
置。
【請求項６】上記流路断面積の能動的制御を上記分岐部
に形成した空胞内に、外部から空気，油，水等の流体を
注入することで行う請求項５記載の試薬混合装置。
【請求項７】請求項１記載の試薬混合装置を、シリコン
等で作成した幅数マイクロメートルの微小流路内に設
け、請求項１記載の分岐点の断面積を圧電素子を用い
て、外部からの電圧印加により制御する請求項１記載の
試薬混合装置。