WO2024253000A1

WO2024253000A1 - 微粒子測定装置

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Publication number: WO2024253000A1
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Inventors: 浩佐藤; 康晴今井; 信栄鷲津
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Publication date: 2024-12-12
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Abstract

微粒子測定装置１は、ポアデバイス１００とともに使用される。ポアデバイス１００は、細孔を有する隔壁により隔てられた第１液室１２２および第２液室１２４を有する。測定器２００は、第１液室１２２に設けられた第１電極Ｅ１と第２液室１２４に設けられた第２電極Ｅ２の間に流れる電流信号を測定する。圧力制御装置４００は、測定中にポアデバイス１００の目詰まりが検出されると、第１液室１２２と第２液室１２４に圧力差を発生させる。

Description

微粒子測定装置

　本開示は、ポアデバイスを用いた計測に関する。

　電気的検知帯法（コールター原理）と呼ばれる粒度分布測定法が知られている。この測定法では、粒子を含む電解液を、ナノポアと称される細孔を通過させる。粒子が細孔を通過するとき、細孔中の電解液は粒子の体積に相当する量だけ減少し、細孔の電気抵抗を増加させる。したがって細孔の電気抵抗を測定することで、粒子の体積（すなわち粒径）を測定することができる。

　図１は、電気的検知帯法を用いた微粒子測定装置１Ｒのブロック図である。微粒子測定装置１Ｒは、ポアデバイス１００Ｒ、測定器２００Ｒおよび処理装置３００を備える。

　ポアデバイス１００Ｒの内部は、検出対象の粒子４を含む電解液２が満たされる。ポアデバイス１００Ｒの内部は、ポアチップ１０２によって２つの空間に隔てられており、２つの空間には電極１０６と電極１０８が設けられる。電極１０６と電極１０８の間に電位差を発生させると、電極間にイオン電流が流れ、また電気泳動によって粒子４が細孔１０４を経由して、一方の空間から他方の空間に移動する。

　測定器２００Ｒは、電極対１０６，１０８の間に電位差を発生させるとともに、電極対の間の抵抗値Ｒｐと相関を有する情報を取得する。測定器２００Ｒは、トランスインピーダンスアンプ２１０、電圧源２２０、デジタイザ２３０を含む。電圧源２２０は電極対１０６，１０８の間に電位差Ｖｂを発生させる。この電位差Ｖｂは、電気泳動の駆動源であるとともに、抵抗値Ｒｐを測定するためのバイアス信号となる。

　電極対１０６，１０８の間には、細孔１０４の抵抗に反比例する微小電流Ｉｓが流れる。
　Ｉｓ＝Ｖｂ／Ｒｐ　　…（１）

　トランスインピーダンスアンプ２１０は、微小電流Ｉｓを電圧信号Ｖｓに変換する。変換ゲインをｒとするとき、以下の式が成り立つ。
　Ｖｓ＝－ｒ×Ｉｓ　　…（２）
　式（１）を式（２）に代入すると、式（３）が得られる。
　Ｖｓ＝－Ｖｂ×ｒ／Ｒｐ　　…（３）
　デジタイザ２３０は、電圧信号ＶｓをデジタルデータＤｓに変換する。このように測定器２００Ｒにより、細孔１０４の抵抗値Ｒｐに反比例する電圧信号Ｖｓを得ることができる。処理装置３００は、デジタルデータＤｓを処理し、電解液２に含まれる粒子４の個数や粒径分布などを解析する。

　図２は、測定器２００Ｒにより測定される例示的な微小電流Ｉｓの波形図である。なお本明細書において参照する波形図やタイムチャートの縦軸および横軸は、理解を容易とするために適宜拡大、縮小したものであり、また示される各波形も、理解の容易のために簡略化され、あるいは誇張もしくは強調されている。

　粒子が通過する短い期間、細孔１０４の抵抗値Ｒｐが増大する。したがって、粒子が通過するごとに電流Ｉｓはパルス状に減少する。個々のパルス電流の振幅は、粒径と相関を有する。

特開２００９－０１４７０２号公報特開２０１７－１２０２５７号公報

　測定中に、検出対象の粒子またはその他含有物質が、ポアを塞いでしまう（ポア詰まり）ことがある。ポア詰まりが発生すると、測定不能となる。ポア詰まりを解消するために、電気泳動の向きを反転させる手法が提案されている。図１の構成では、目詰まりが検出されると、電圧源２２０は、電極１０６，１０８に印加するバイアス電圧の極性を反転させる。これにより、ポアに詰まった物質が、反対側に押し戻され、目詰まりが解消される。

　バイアス電圧の極性反転は簡便に使用できるものの、以下の制約があるため除去能力が低い。

　第１に、電流計測上、流せる電流に上限があるため、強い電気泳動力をかけることができない。一般的な電気泳動では数ｍＡ～数百ｍＡの電流によって電気泳動力を発生させるが、具体的には直径がμｍ～ｎｍオーダーのポアを使用した電流計測では、数十ｎＡ～数十μＡしか流すことができない。

　第２に、大きな電流を流すと電極での電気分解が発生する。電気分解が生じると電解質の濃度が変わり測定の前提条件が変わってしまう。

　第３に、極性反転により電極周辺の化学的状態が変化してしまう。サイクリックボルタンメトリーで測定される電極-溶液の電圧-電流曲線は一般的にヒステリシスを持っており、同じ電圧を印加したとしても同じ電流状態とはならない可能性がある。

　かかる理由から、バイアス電圧の極性反転では、目詰まりを解消できないケースも発生する。その場合には、計測を中断してポアデバイスに電解液および検査液を再注入することで解消を試みる。それでも解消できない場合には、そのポアデバイス自体を破棄して、新しいポアデバイスを使用することとなる。

　本開示は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、目詰まりの問題を解決可能な微粒子測定装置の提供にある。

　本開示のある態様の微粒子測定装置は、ポアデバイスとともに使用される。ポアデバイスは、細孔を有する隔壁により隔てられた第１液室および第２液室を有する。微粒子測定装置は、第１液室に設けられた第１電極と第２液室に設けられた第２電極の間に流れる電流信号を測定する測定器と、動作状態において、第１液室と第２液室に圧力差を発生させる圧力制御装置と、電流信号にもとづいて、ポアデバイスの目詰まりを検出可能であり、目詰まりを検出すると圧力制御装置を動作状態とするコントローラと、を備える。

　なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明あるいは本開示の態様として有効である。さらに、この項目（課題を解決するための手段）の記載は、本発明の欠くべからざるすべての特徴を説明するものではなく、したがって、記載されるこれらの特徴のサブコンビネーションも、本発明たり得る。

　本開示のある態様によれば、目詰まりの問題を解決できる。

電気的検知帯法を用いた微粒子測定装置のブロック図である。測定器により測定される例示的な微小電流Ｉｓの波形図である。実施形態に係る微粒子測定装置を示す図である。図３の微粒子測定装置の動作を説明する図である。圧力と通過粒子数の関係を示す図である。目詰まり検出および微粒子測定装置の制御に関するフローチャートである。一実施例に係る測定器のブロック図である。一実施例に係る圧力制御装置の構成例を示す図である。一実施例に係る圧力制御装置の構成例を示す図である。

（実施形態の概要）
　本開示のいくつかの例示的な実施形態の概要を説明する。この概要は、後述する詳細な説明の前置きとして、実施形態の基本的な理解を目的として、１つまたは複数の実施形態のいくつかの概念を簡略化して説明するものであり、発明あるいは開示の広さを限定するものではない。この概要は、考えられるすべての実施形態の包括的な概要ではなく、すべての実施形態の重要な要素を特定することも、一部またはすべての態様の範囲を線引きすることも意図していない。便宜上、「一実施形態」は、本明細書に開示するひとつの実施形態（実施例や変形例）または複数の実施形態（実施例や変形例）を指すものとして用いる場合がある。

　一実施形態に係る微粒子測定装置は、ポアデバイスとともに使用される。ポアデバイスは、細孔を有する隔壁により隔てられた第１液室および第２液室を有する。微粒子測定装置は、第１液室に設けられた第１電極と第２液室に設けられた第２電極の間に流れる電流信号を測定する測定器と、動作状態において、第１液室と第２液室に圧力差を発生させる圧力制御装置と、電流信号にもとづいて、ポアデバイスの目詰まりを検出可能であり、目詰まりを検出すると圧力制御装置を動作状態とするコントローラと、を備える。

　この構成では、目詰まりの解消に圧力を利用することで、強い力で目詰まりを解消できる。また目詰まりを解消するために、大電流を流す必要がなくなるため、電極の電気分解や、極性反転による電極周辺の化学的状態が抑制され、正確な測定が可能となる。なお、「目詰まり」とは、ポアが完全に塞がった状態のみをいうのではなく、部分的に塞がった状態も含むことができ、あるいは目詰まりの予兆が検出される状態も含みうる。

　電流信号は、直流成分（ベース電流）と、それに重畳される交流成分（パルス電流）を含みうる。目詰まりが発生すると、電流信号は特徴的な変化を示す。この変化を検出することで、目詰まりを検出できる。

　一実施形態において、コントローラは、電流信号の交流成分の瞬時値Ｉａｃと、電流信号の直流成分の瞬時値Ｉｄｃと、を取得し、交流成分の所定区間にわたる移動平均値Ｉａｃ＿ｒｍｓと、直流成分の所定区間にわたる移動平均値Ｉｄｃ＿ｒｍｓと、を計算し、Ａを１より小さいパラメータとして、
　｜Ｉａｃ＿ｒｍｓ－Ｉａｃ｜＞Ｉａｃ＿ｒｍｓ×Ａ　　…（１）
　である関係式（１）を評価し、当該関係式（１）が成り立つとき、圧力制御装置を動作状態としてもよい。

　一実施形態において、コントローラは、Ｂを１より小さいパラメータとして、
　｜Ｉｄｃ＿ｒｍｓ－Ｉｄｃ｜＞Ｉｄｃ＿ｒｍｓ×Ｂ　　…（２）
　である関係式（２）を評価し、当該関係式（１）または（２）が成り立つとき、圧力制御装置を動作状態としてもよい。

　一実施形態において、コントローラは、継続して圧力制御装置を動作状態とした回数をカウントし、回数が所定のしきい値を超えると、所定のエラー処理を実行してもよい。

　一実施形態において、コントローラは、圧力制御装置を動作状態としている間、フラグをアサートしてもよい。これにより、当該フラグがアサートされている期間に得られた電流信号を無効なデータとし、微粒子解析から除外できる。

　一実施形態において、コントローラは、圧力情報（圧力値あるいは圧力制御装置の状態）を電流信号の波形データと対応付けてファイルに保存してもよい。計測後の解析時に、このファイルに記録された圧力情報にもとづいて、目詰まり解消を行った区間を判定することができ、この区間に得られた電流信号を無効なデータとし、微粒子解析から除外できる。

　一実施形態において、測定器は、電流信号を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプと、トランスインピーダンスアンプの出力をデジタル信号に変換するデジタイザと、を備えてもよい。

　一実施形態において、コントローラは、電流信号の交流成分にもとづいて、目詰まりを検出してもよい。目詰まりが発生し始めると、パルスの発生頻度が高くなる。したがって、コントローラは、パルスの発生頻度にもとづいて、目詰まりを検出してもよい。

　一実施形態において、コントローラは、電流信号の直流成分にもとづいて、目詰まりを検出してもよい。電流信号の直流成分（ベース電流）は、目詰まりとともに低下していく。したがって、コントローラは、直流成分の低下にもとづいて、目詰まりを検出してもよい。

　一実施形態において、測定器は、第１電極と第２電極に印加する電圧の極性を反転可能であってもよい。圧力制御装置は、目詰まりが検出されると、それまでの電圧の極性に応じた方向の圧力差を発生させてもよい。

　一実施形態において、圧力制御装置は、第２液室を大気に開放した状態で、第１液室側の圧力を大気に対して加圧または減圧することにより、圧力差を発生してもよい。

（実施形態）
　以下、好適な実施の形態について図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

　本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

　同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

　また図面に記載される各部材の寸法（厚み、長さ、幅など）は、理解の容易化のために適宜、拡大縮小されている場合がある。さらには複数の部材の寸法は、必ずしもそれらの大小関係を表しているとは限らず、図面上で、ある部材Ａが、別の部材Ｂよりも厚く描かれていても、部材Ａが部材Ｂよりも薄いこともあり得る。

　図３は、実施形態に係る微粒子測定装置１を示す図である。微粒子測定装置１は、ポアデバイス１００、測定器２００、処理装置３００、圧力制御装置４００を備える。

　ポアデバイス１００は、ポアチップ１１０およびチップケース１２０を備える。ポアチップ１１０にはポア（細孔）１１２が形成されている。ポアチップ１１０は、チップケース１２０の内部に収容され、チップケース１２０の内部空間を、第１液室１２２と第２液室１２４とに区切っている。第１液室１２２と第２液室１２４の間は、ポア１１２を介して連通している。第１液室１２２には第１電極Ｅ１が設けられ、第２液室１２４には第２電極Ｅ２が設けられる。

　測定時には、チップケース１２０の内部空間は、測定対象の粒子４を含む電解液２で満たされる。

　測定器２００は、第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２の間に電圧Ｖを加えて、第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２の間に流れるイオン電流Ｉを測定する。測定器２００は、電圧源２０２、電流検出回路２０４、波形キャプチャモジュール２０６を備える。電圧源２０２は、第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２の間に電位差Ｖを発生する。この電位差Ｖによって、電解液２に含まれる粒子４が電気泳動によって移動する。

　電流検出回路２０４は、第１電極Ｅ１から第２電極Ｅ２に流れるイオン電流Ｉを示す電流検出信号Ｖｃｓを生成する。波形キャプチャモジュール２０６は、電流検出信号Ｖｃｓの波形をキャプチャする。波形キャプチャモジュール２０６が生成した波形データＷＡＶＥは、処理装置３００に送信される。

　処理装置３００は、微粒子測定装置１全体を制御するコントローラ３０２の機能と、波形データＷＡＶＥを処理し、粒子４の粒径などを推定するデータ処理部３０４の機能と、を備える。処理装置３００は、汎用のラップトップコンピュータやデスクトップコンピュータ、ワークステーション、タブレット端末などのハードウェアと、専用のソフトウェアプログラムの組み合わせであってもよい。あるいは処理装置３００は、微粒子測定装置１に専用のハードウェアであってもよい。

　コントローラ３０２は、制御信号Ｓ１にもとづいて、測定器２００の測定条件などを設定可能である。コントローラ３０２は、後述する圧力制御装置４００の作動、停止を制御を指示する制御信号Ｓ２を生成する。またコントローラ３０２は、データ処理部３０４の状態を、制御信号Ｓ３にもとづいて制御可能である。

　データ処理部３０４は、波形データＷＡＶＥにもとづいて、粒子径の推定などの処理を行う。

　処理装置３００は、ポアデバイス１００のポア１１２の目詰まりを検出可能に構成されている。圧力制御装置４００は、測定器２００による通常の測定中は停止している。圧力制御装置４００は、測定中にポアデバイス１００の目詰まりが検出されると、第１液室１２２と第２液室１２４に圧力差を発生させる。圧力は、測定中の電気泳動による粒子の移動方向と反対向きに発生することが好ましい。なお、電解液２中の粒子の移動方向は、電界の向きと、分子の電荷（正電荷か負電荷か）によって決まる。多くの場合において測定対象の粒子は溶液中で負に帯電するため、負極から正極に向かって移動する。

　本実施形態において、コントローラ３０２は、目詰まり検出機能を備える。具体的には、コントローラ３０２は、測定器２００からの電流信号Ｉの波形データＷＡＶＥにもとづいて目詰まりを検出する。

　図４は、電流信号Ｉの波形図である。中段に示す電流信号Ｉは、粒子の存在とは無関係に、電気泳動に起因して流れる直流成分（ベース電流）と、粒子がポア１１２を通過することに起因する交流成分（パルス電流）と、を含んでいる。図４の上段は、１個の粒子に対応するパルス電流を示しており、図４の下段は、ベース電流を示す。図４には、目詰まりが発生していない正常状態φ１、目詰まりが進行している状態、いいかえると目詰まりの予兆が発生している状態（予兆状態）φ２ａ、完全な目詰まりが発生している状態（完全目詰まり状態）φ２ｂが示される。予兆状態φ２ａあるいは完全目詰まり状態φ２ｂを、目詰まり状態φ２と総称する。

　一実施例において、コントローラ３０２は、電流信号Ｉの交流成分（パルス電流）にもとづいて、目詰まり状態φ２を検出してもよい。図４に示す様に、正常状態φ１では、粒子が通過するたびにパルス電流が観測される。これに対して、予兆状態φ２ａでは、パルス電流の発生が正常状態φ１に比べて多くなる。また完全目詰まり状態φ２ｂでは、パルス電流の発生頻度はゼロに近づく。したがって、コントローラ３０２は、パルス電流の発生頻度にもとづいて、予兆状態φ２ａあるいは完全目詰まり状態φ２ｂを検出できる。

　一実施例において、コントローラ３０２は、電流信号Ｉの直流成分（ベース電流）にもとづいて、目詰まり状態φ２を検出してもよい。図４に示す様に、正常状態φ１では、相対的に大きなベース電流が観測される。これに対して、予兆状態φ２ａでは、ベース電流は、時間とともに減少していく。また完全目詰まり状態φ２ｂでは、ベース電流は、非常に小さい量を維持する。したがって、コントローラ３０２は、ベース電流にもとづいて、予兆状態φ２ａあるいは完全目詰まり状態φ２ｂを検出できる。

　コントローラ３０２は、パルス電流とベース電流の両方の特徴的な変化を利用して、目詰まり状態φ２を検出してもよく、その場合、検出精度をさらに高めることができる。

　圧力制御装置４００の作動中も、測定器２００による電流測定は継続している。コントローラ３０２は、圧力制御装置４００の作動中、電流信号Ｉを監視し、電流信号Ｉにもとづいて、目詰まり状態φ２が解消したこと、つまり正常状態にφ１に戻ったことを検出可能に構成される。正常状態φ１への復帰も、電流信号Ｉのベース電流、パルス電流の少なくとも一方にもとづいて検出できる。

　コントローラ３０２は、目詰まりの有無に応じて、圧力制御装置４００の状態を制御する制御信号Ｓ２およびデータ処理部３０４の状態を制御する制御信号Ｓ３を生成する。コントローラ３０２は、目詰まり状態を検出すると、圧力制御装置４００が作動させる。圧力制御装置４００の作動中は、測定器２００によって測定される電流信号の精度が低下するため、データ処理部３０４による粒子測定に関する処理を停止させる。

　コントローラ３０２は、目詰まり状態の解消を検出すると、圧力制御装置４００を停止する。またデータ処理部３０４による粒子測定に関する処理を再開する。

　図５は、図３のポアデバイス１００微粒子測定装置１の動作を説明する図である。ここでは、コントローラ３０２は、予兆状態φ２ａを検出するものとする。

　時刻ｔ_０より前は、微粒子測定装置１は正常に動作している。時刻ｔ_０に目詰まりが始まり、電流信号Ｉに、短い時間間隔のパルスが発生し始める。時刻ｔ_１に、コントローラ３０２は、圧力制御装置４００を作動状態に切り替える。圧力制御装置４００が動作すると、ポア１１２に詰まっている粒子が、液体の圧力によって元の液室に向かって押し戻される。これにより、目詰まりが解消する。圧力制御装置４００の作動中、データ処理部３０４による粒子測定処理は中断する。

　コントローラ３０２は、時刻ｔ_２に目詰まりが解消したと判定すると、圧力制御装置４００を停止する。そして、時刻ｔ_３に、データ処理部３０４による粒子測定処理を再開する。

　以上が微粒子測定装置１の動作である。この微粒子測定装置１によれば、測定中の粒子４の移動には電気泳動を利用する一方、目詰まりの解消には、圧力を利用することで、強い力で目詰まりを解消できる。また目詰まりを解消するために、大電流を流す必要がなくなるため、電極の電気分解や、極性反転による電極周辺の化学的状態が抑制され、正確な測定が可能となる。

　続いて、コントローラ３０２よる目詰まり検出について説明する。

　コントローラ３０２は、電流信号の交流成分（パルス電流）Ｉａｃと直流成分（ベース電流）Ｉｄｃを検出する。たとえば、コントローラ３２０は波形データＷＡＶＥにフィルタ処理をかけることにより、電流信号の交流成分（パルス電流）Ｉａｃと直流成分（ベース電流）Ｉｄｃを分離する。

　コントローラ３０２は、電流信号の交流成分の瞬時値Ｉａｃと直流成分の瞬時値Ｉｄｃとを取得する。そして、交流成分Ｉａｃの直近の所定区間にわたる移動平均値Ｉａｃ＿ｒｍｓと、直流成分Ｉｄｃの所定区間にわたる移動平均値Ｉｄｃ＿ｒｍｓと、を計算する。

　コントローラ３０２は、２つの関係式を評価する。
　｜Ｉａｃ＿ｒｍｓ－Ｉａｃ｜＞Ｉａｃ＿ｒｍｓ×Ａ　　…（１）
　｜Ｉｄｃ＿ｒｍｓ－Ｉｄｃ｜＞Ｉｄｃ＿ｒｍｓ×Ｂ　　…（２）
　Ａ，ＢはＡ＜１，Ｂ＜１である所定値を有するパラメータである。

　コントローラ３０２は、２つの関係式（１），（２）の少なくとも一方が成り立つとき（真であるとき）、目詰まりが発生しているものと判定する。

　図６は、目詰まり検出および微粒子測定装置１の制御に関するフローチャートである。はじめに、初期化処理Ｓ１００を行う。具体的にはカウント値Ｅｘｅｃ＿Ｃｏｕｎｔが初期化される。カウント値Ｅｘｅｃ＿Ｃｏｕｎｔは、目詰まり解消のために圧力制御装置４００を連続で作動させた回数を表す。

　計測終了の条件が成り立っているとき（Ｓ１０２のＹ）、処理を終了する（Ｓ１０４）。

　計測終了の条件が成り立っていないとき（Ｓ１０２のＮ）、電流信号を検出する（Ｓ１０６）。そして、電流信号を、直流成分Ｉｄｃと交流成分Ｉａｃに分離する（Ｓ１０８）。続いて、直流成分Ｉｄｃと交流成分Ｉａｃの区間平均値Ｉｄｃ＿ｒｍｓとＩａｃ＿ｒｍｓを算出する（Ｓ１１０）。

　続いて、関係式（１）および（２）を評価する（Ｓ１１２，Ｓ１１４）。関係式（１）、（２）の両方が成り立たない場合、目詰まりは発生していないものとして処理Ｓ１１６に進む。処理Ｓ１１６では、実行フラグＥｘｅｃ＿ｆｌａｇが０とされ、処理Ｓ１０２に戻る。実行フラグＥｘｅｃ＿ｆｌａｇは、現在、目詰まり解消のための処理を行っていることを示すフラグである。

　関係式（１），（２）の少なくとも一方が成り立つとき、目詰まりが発生しているものと判定し、処理Ｓ１１８に進む。処理Ｓ１１８では、実行フラグＥｘｅｃ＿ｆｌａｇが０とされ、圧力制御装置４００のポンプが作動する（Ｓ１２０）。そして、カウント値Ｅｘｅｃ＿Ｃｏｕｎｔがインクリメントされる（Ｓ１２２）。そして、カウント値Ｅｘｅｃ＿Ｃｏｕｎｔが所定のしきい値Ｚと比較される。目詰まり解消のための処理が継続した回数Ｅｘｅｃ＿Ｃｏｕｎｔがしきい値Ｚより小さいとき（Ｓ１２４のＮ）、処理Ｓ１０２に戻る。回数Ｅｘｅｃ＿Ｃｏｕｎｔがしきい値Ｚを超えると（Ｓ１２４のＹ）、目詰まりの解消に失敗したと考えられるから、フラグＥｘｅｃ＿Ｆｌａｇを０として（Ｓ１２６）、測定を終了する（Ｓ１２８）。Ｓ１０４が正常終了であるのに対して、Ｓ１２８は異常終了である。

　フラグＥｘｅｃ＿ｆｌａｇがアサート（＝１）されている間、計測データは正しい結果を示していない。したがって、Ｅｘｅｃ＿ｆｌａｇ＝１である区間については、波形データＷＡＶＥは保存しないこととしてもよい。あるいは波形データＷＡＶＥに、Ｅｘｅｃ＿ｆｌａｇ＝１であった区間を示すデータを付加して保存してもよい。これにより、目詰まりが発生していた区間に得られた電流信号については、無効なデータとして扱い、粒子解析から除外できる。

　コントローラ３０２は、圧力情報（圧力値あるいは圧力制御装置の状態）を波形データＷＡＶＥと対応付けてファイルに記録しておいてもよい。計測後の解析時に、このファイルに記録された圧力情報にもとづいて、目詰まり解消を行った区間を判定することができる。そして、この区間に得られた電流信号を無効なデータとして扱ってもよい。

　図７は、一実施例に係る測定器２００Ａのブロック図である。測定器２００Ａは、トランスインピーダンスアンプ２１０、電圧源２２０、デジタイザ２３０を含む。電圧源２２０は、上述の電圧源２０２に対応する。またトランスインピーダンスアンプ２１０は、上述の電流検出回路２０４に対応する。またデジタイザ２３０は上述の波形キャプチャモジュール２０６に対応する。

　トランスインピーダンスアンプ２１０は、オペアンプＯＡ１および抵抗Ｒ１を含む。オペアンプＯＡ１の反転入力端子は、第１電極Ｅ１と接続され、非反転入力端子は接地される。抵抗Ｒ１は、オペアンプＯＡ１の反転入力端子と出力端子の間に接続される。

　電圧源２２０は、第１電極Ｅ１に電圧Ｖを印加する。オペアンプＯＡ１の仮想接地により、反転入力端子、すなわち第１電極Ｅ１の電位は、接地（０Ｖ）となる。したがって、第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２間には、電圧Ｖが印加される。

　第１電極Ｅ１から第２電極Ｅ２に流れるイオン電流Ｉは、トランスインピーダンスアンプ２１０に流れ込む。トランスインピーダンスアンプ２１０の電圧Ｖｃｓは、
　Ｖｃｓ＝－Ｉ×Ｒ１
となり、イオン電流Ｉに比例した電圧となる。したがって、イオン電流Ｉは、
　Ｉ＝Ｖｃｓ／Ｒ１
として求めることができる。

　デジタイザ２３０は、Ａ／Ｄコンバータ２３２、メモリ２３４、インタフェース回路２３６を含む。Ａ／Ｄコンバータ２３２は、電流検出信号Ｖｃｓを所定のサンプリング周期で、デジタル信号に変換する。メモリ２３４は波形データを格納する。インタフェース回路２３６は、メモリ２３４に格納された波形データを、処理装置３００に送信する。

　図８は、一実施例に係る圧力制御装置４００Ａを示す図である。圧力制御装置４００Ａは、圧力源４１０Ａおよび制御弁４２０Ａを備える。圧力源４１０Ａは、空気圧ポンプ４１２を含む。

　制御弁４２０Ａは、バルブＶ１、Ｖ２を備える。圧力を急激に切り替えるとポアチップ１１０が破損するおそれがあるため、緩衝用のエアベントを設けることが好ましい。制御弁４２０Ａの状態は、コントローラ３０２が生成する制御信号Ｓ２に応じて制御される。

　圧力制御装置４００Ａの停止状態では、バルブＶ１が遮断状態となるバルブＶ２は導通状態とすることができる。なお、圧力制御装置４００Ａの停止中に、空気圧ポンプ４１２は停止してもよい。

　バルブＶ１が導通状態、バルブＶ２が遮断状態となると、圧力制御装置４００Ａが作動状態となる。これにより第１液室１２２と第２液室１２４の間に圧力差を発生させることができる。第１液室１２２は大気圧に開放されるから、正圧の空気圧ポンプ４１２を用いる場合には、第２液室１２４から第１液室１２２に向かう圧力を発生できる。反対に、負圧の空気圧ポンプ４１２を用いる場合には、第１液室１２２から第２液室１２４に向かう圧力を発生できる。

　測定器２００は、第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２に印加する電圧Ｖの極性、すなわち電気泳動の向きを反転可能である。圧力制御装置４００は、目詰まりが検出されると、測定器２００が発生する電圧Ｖの極性、すなわち電気泳動の向きに応じて、圧力の方向を切り替える。具体的には、電気泳動による粒子の移動方向と反対に粒子を押し戻すように、圧力差を発生する。

　図９は、一実施例に係る圧力制御装置４００Ｂを示す図である。圧力制御装置４００Ｂは、主として、目詰まり除去ポンプ４１２Ａ，４１２Ｂ、バルブＶ１～Ｖ５、内部電源４０２、メインポンプ４４２、バッファタンク４４４、圧力センサ４４６，４４８を備える。

　内部電源４０２は、外部電源であるＡＣアダプタから、直流の電源電圧を受け、昇圧、または降圧して、所定の電圧レベルに安定化された内部電源電圧を生成する。

　バッファタンク４４４は、メインポンプ４４２と接続され、蓄圧する。圧力センサ４４６，４４８は、バッファタンク４４４の内部の、あるいは出力側の圧力を検出する。

　目詰まり除去ポンプ４１２Ａは、ポートＡを介して、空気の吸引あるいは吐き出しを行う。目詰まり除去ポンプ４１２Ｂは、ポートＢを介して、空気の吸引あるいは吐き出しを行う。

　コントローラ４３０には、外部のＤＳＰ（Digital Signal Processor）４からの制御信号が入力されている。ＤＳＰ４は処理装置３００の一部でありうる。コントローラ４３０は、ＤＳＰ４からの制御信号に応じて、バルブＶ１～Ｖ５および目詰まり除去ポンプ４１２Ａ，４１２Ｂ、メインポンプ４４２の状態を制御し、圧力制御装置４００Ｂの動作モードを切り替える。またコントローラ４３０は、メインポンプ４４２を動作させる際には、圧力センサ４４６，４４８の出力にもとづいて、バッファタンク４４４の圧力が一定になるように、メインポンプ４４２を制御する。

　図９の圧力制御装置４００Ｂの動作を説明する。この圧力制御装置４００Ｂは、６個の動作モードが切りかえ可能である。

　第１モードおよび第２モードは、上述した目詰まり除去に関連するモードである。

・第１モード
　バルブＶ１，Ｖ３，Ｖ４が閉状態（オフ）、Ｖ５が開状態（オン）、Ｖ２は冗長（ＤＣ：Don't care）である。空気圧ポンプ４１２、目詰まり除去ポンプ４１２Ｂが停止状態とされ、目詰まり除去ポンプ４１２Ａが動作状態とされる。第１モードでは、ポートＡを介して圧力を制御し、ポアデバイス１００の目詰まり解消を行うことができる。

・第２モード
　バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ５が閉状態（オフ）、Ｖ３が開状態（オン）、Ｖ４はＤＣである。メインポンプ４４２、目詰まり除去ポンプ４１２Ａが停止状態とされ、目詰まり除去ポンプ４１２Ｂが動作状態とされる。第２モードでは、ポートＢを介して圧力を制御し、ポアデバイス１００の目詰まり解消を行うことができる。

・第３モード
　バルブＶ１が閉状態（オフ）、Ｖ３，Ｖ５が開状態（オン）、Ｖ２，Ｖ４は開、閉を問わない冗長（ＤＣ：Don't care）である。メインポンプ４４２、目詰まり除去ポンプ４１２Ａ，４１２Ｂが停止状態とされる。ポアデバイス１００の交換を行う際の待機状態において第３モードを選択することができる。

・第４モード
　バルブＶ１が閉状態（オフ）、Ｖ２～Ｖ５は冗長（ＤＣ：Don't care）である。メインポンプ４４２が動作状態とされ、目詰まり除去ポンプ４１２Ａ，４１２Ｂが停止状態とされる。第４モードでは、バッファタンク４４４に蓄圧することができる。

・第５モード
　バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ５が開状態（オン）、Ｖ３，Ｖ４は閉状態（オフ）である。メインポンプ４４２および目詰まり除去ポンプ４１２Ａ，４１２Ｂが停止状態とされる。第５モードは、第４モードにおいてバッファタンク４４４に蓄圧した後に選択することができ、バッファタンク４４４の圧力を利用して、ポートＡ経由でポアデバイス１００に圧力を印加することができる。なお、第５モードにおいて空気圧ポンプ４１２は動作させておいてもよい。

・第６モード
　バルブＶ１，Ｖ３，Ｖ４が開状態（オン）、Ｖ２，Ｖ５は閉状態（オフ）である。メインポンプ４４２および目詰まり除去ポンプ４１２Ａ，４１２Ｂが停止状態とされる。第６モードは、第４モードにおいてバッファタンク４４４に蓄圧した後に選択することができ、バッファタンク４４４の圧力を利用して、ポートＢ経由でポアデバイス１００に圧力を印加することができる。

　なお、図９の圧力制御装置４００Ｂにおいて、目詰まり除去ポンプ４１２Ａと４１２Ｂの一方を省略することが可能である。またメインポンプ４４２、バッファタンク４４４、圧力センサ４４６，４４８は目詰まり除去には寄与していないので、目詰まり除去機能だけが必要な場合には、それらの一部あるいは全部を省略してもよい。

　以上、実施の形態について説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

　本明細書では微粒子測定器について説明したが本発明の用途はそれに限定されず、ＤＮＡシーケンサをはじめとするポアデバイスとともに使用される微小電流計測を伴う計測器に広く用いることができる。

　実施形態では、電気泳動によって粒子を駆動したが、本開示の適用はそれに限定されず、濃度勾配を利用した液中拡散する駆動方式や、圧力差を利用した駆動方式にも本開示は適用可能である。

　特に圧力差を利用した駆動方式には、図８の圧力制御装置４００Ｂを利用することが可能であり、具体的には、第５モード、第６モードを利用すると、液体の駆動中はポンプを停止することができるため、ポンプの脈動の影響を受けずに、高精度な微粒子測定が可能となる。

　実施の形態にもとづき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

本開示は、ポアデバイスを用いた計測に関する。

１…微粒子測定装置、２…電解液、４…粒子、１００…ポアデバイス、１１０…ポアチップ、１１２…ポア、１２０…チップケース、１２２…第１液室、１２４…第２液室、Ｅ１…第１電極、Ｅ２…第２電極、２００…測定器、２０２…電圧源、２０４…電流検出回路、２０６…波形キャプチャモジュール、２１０…トランスインピーダンスアンプ、２２０…電圧源、２３０…デジタイザ、２３２…Ａ／Ｄコンバータ、２３４…メモリ、２３６…インタフェース回路、３００…処理装置、３０２…コントローラ、３０４…データ処理部、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５…バルブ、４００…圧力制御装置、４１０…圧力源、４１２…空気圧ポンプ、４１２Ａ，４１２Ｂ…目詰まり除去ポンプ、４２０…制御弁、４３０…コントローラ、４４２…メインポンプ、４４４…バッファタンク、４４６，４４８…圧力センサ。

Claims

　ポアデバイスとともに使用される微粒子測定装置であって、
　前記ポアデバイスは、細孔を有する隔壁により隔てられた第１液室および第２液室を有し、
　前記微粒子測定装置は、
　前記第１液室に設けられた第１電極と前記第２液室に設けられた第２電極の間に流れる電流信号を測定する測定器と、
　動作状態において、前記第１液室と前記第２液室に圧力差を発生させる圧力制御装置と、
　前記電流信号にもとづいて、前記ポアデバイスの目詰まりを検出可能であり、前記目詰まりを検出すると前記圧力制御装置を前記動作状態とするコントローラと、
　を備えることを特徴とする微粒子測定装置。
　前記コントローラは、
　前記電流信号の交流成分の瞬時値Ｉａｃと、前記電流信号の直流成分の瞬時値Ｉｄｃと、を取得し、
　前記交流成分の所定区間にわたる移動平均値Ｉａｃ＿ｒｍｓと、前記直流成分の前記所定区間にわたる移動平均値Ｉｄｃ＿ｒｍｓと、を計算し、Ａを１より小さいパラメータとして、
　｜Ｉａｃ＿ｒｍｓ－Ｉａｃ｜＞Ｉａｃ＿ｒｍｓ×Ａ　　…（１）
である関係式（１）を評価し、関係式（１）が成り立つとき、前記圧力制御装置を前記動作状態とすることを特徴とする請求項１に記載の微粒子測定装置。
　前記コントローラは、Ｂを１より小さいパラメータとして、
　｜Ｉｄｃ＿ｒｍｓ－Ｉｄｃ｜＞Ｉｄｃ＿ｒｍｓ×Ｂ　　…（２）
である関係式（２）を評価し、関係式（１）または（２）が成り立つとき、前記圧力制御装置を前記動作状態とすることを特徴とする請求項２に記載の微粒子測定装置。
　前記コントローラは、前記圧力制御装置を継続して前記動作状態とした回数をカウントし、前記回数が所定のしきい値を超えると、所定のエラー処理を実行することを特徴とする請求項２または３に記載の微粒子測定装置。
　前記コントローラは、前記圧力制御装置を前記動作状態としている間、フラグをアサートすることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の微粒子測定装置。
　前記コントローラは、圧力情報を前記電流信号の波形データと対応付けてファイルに保存することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の微粒子測定装置。
　前記測定器は、
　前記電流信号を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプと、
　前記トランスインピーダンスアンプの出力をデジタル信号に変換するデジタイザと、
　を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の微粒子測定装置。