JP4700245B2 - プランジャおよびプランジャ上で硬化されたハウジングを備えたサンプリング／ディスペンシング器具 - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、確実送出形（positive displacement type）物質サンプラ／ディスペンサに関する。
【０００２】
（背景技術）
このようなディスペンサ（分配器）の一例として、一般的に使用されているプランジャ形ピペットがある。ピペットは、一般に、プランジャが配置される中央ボアを備えた円筒状の外側ハウジングを有している。プランジャは、ボア内で摺動して、流体または粒状物質等の物質をハウジングの一端のオリフィスから分配でき、或いは、反対方向に摺動する場合には、流体または粒状物質をハウジング内に吸引する。このようなディスペンサは、高精度で物質を吸引しかつ分配できる特別な長所を有している。しかしながら、現在使用されている器具は、それぞれに付随する問題を有している。
【０００３】
第１に、平行なハウジングボアを有する器具を作ることは極めて困難であり、このことは、吸引されまたは分配される物質の体積間の関係がプランジャの変位量に対して線形関係にないことを意味する。このことは、小体積器具について特に云えることである。また、プランジャとボア壁との間に締り嵌めが確保される精度レベルにボアを作ることは極めて困難であり、このことは、流体がプランジャの縁部の周囲を通ることができ、従ってサンプリング（試料採取）／ディスペンシング（分配）精度の低下および漏洩の危険をもたらすことを意味する。
【０００４】
一般にピストンは、シーリングのための締り嵌めを形成するように、ボアに対して僅かに過大の寸法を有している。これに適応しかつボアに抜け勾配を付すことができるようにするため、ピストンまたはボアのいずれかが柔軟材料で作られる。このような例として、剛性ポリスチレンボアとゴムピストンエンドとを備えた医療用注射器、または剛性ポリプロピレンピストンと柔軟薄壁ボアとを備えた医療用注射器がある。他のシーリング構造として、ピストンの端部にリップシールを設けたものがある。これらの構造は多くの欠点、すなわち、耐薬品性が要求される場合には一般に柔軟材料を使用できないこと、直径の小さいボア射出成形は困難性が高いため、ナノリットル（ｎｌ）範囲の正確な分配が可能な器具は不可能であること、抜け勾配および慣用成形技術を必要とすることがピペットの実用長さ、従って動的範囲を制限すること、およびリップシールを備えたピストンの製造は、直径が１ｍｍ以下の場合には困難性が高いこと等の欠点を有している。
【０００５】
かくして、この構成方法は、長ボア、高精度、低コストおよびサブマイクロリットル器具には適していない。
【０００６】
このような器具に付随する他の問題は、これらの器具は自動的な取扱いが困難であること、製造コストが嵩むこと、プランジャおよびハウジングを作る材料を、これらの両部品用の成形工具を変更することなく変えることがしばしば困難なことである。
【０００７】
（発明の開示）
本発明の第１態様によれば、第１材料で形成された中央プランジャと、
第２材料で形成されたプランジャハウジングとを有し、該プランジャハウジングは、プランジャがハウジング内で摺動して物質をハウジング内に吸引できるように、プランジャの表面上で第２材料を成形しかつ硬化することにより形成されていることを特徴とする確実送出形物質サンプリング／ディスペンシング器具が提供される。
【０００８】
第１材料は、金属、プラスチック、セラミックまたは他の適当な材料で形成できる。プランジャは、均一な直径を確保できるように、引抜きワイヤまたは押出し金属で形成される。ハウジングは、射出成形、融着、同時押出し、鋳造およびディップコーティング等によりプランジャ上に成形される。
【０００９】
材料は、ピストンの材料の方がボアの材料よりも剛性が高く、および／または熱膨張係数が小さいものを選択するのが好ましい。溶融プラスチックを使用して金属ワイヤの周囲にボアを形成する場合のように、製造中に熱が加えられる場合には、ボアは、器具が冷却されるにつれて、ピストンの周囲を徐々に締め付け、良好なシールを形成する。成形中に、ピストンがボアの材料の温度よりも低温に維持されるならば、ピストンの膨張量をボアに比べてかなり小さく維持できるため、シーリングが一層改善される。ピストンは能動的に冷却するか、ボアの材料よりも高い熱伝導率または比熱を有する材料を使用することができる。
【００１０】
自動化された取扱いを容易にするため、器具は、その製造中に、他の器具が取り付けられる可撓性ストリップ装置の他の裏当て材料に取り付けられるか、組み付けられる。
【００１１】
可撓性ストリップには、ピペットを駆動しかつ整合させるためのスプロケット孔を設けることができる。
【００１２】
或いは、器具は、単一の別個のピペットとして製造することもできる。ピペットは、慣用の確実送出形ピペットと同様に、ピペットのプランジャハウジングおよびプランジャの両方をグリップしかつボア内でプランジャを移動させることにより操作される。この操作は、手動によるか、自動装置を用いて行なうこともできる。器具は単一で使用するか、裏当てストリップの使用の如何を問わず多数で使用することができる。
【００１３】
ストリップの材料は、器具のハウジングの一部または全部を形成することができる。
【００１４】
ハウジングは、使用前に器具が汚染されることを防止するため、使用前に除去できる脆弱先端部が器具の一端に設けられるように成形できる。
【００１５】
或いは、器具は、熱シール可能な先端部をもつように形成でき、これにより、器具に物質を充填し、器具の先端部をシーリングすることにより物質を所定箇所に密封することができる。
【００１６】
器具は、「チップベース形（chip-based）」分析器具、化学的合成器およびセンサ等の流体器具内に組み込んで、例えば毛管、弁およびポンプを構成することができる。
【００１７】
器具は、異なる軸線上に配置された複数のプランジャを備え、各プランジャがハウジングの異なる領域内で摺動し、ハウジングの異なる領域が１つの孔に隣接する中央の共通コアで結合されるように構成できる。
【００１８】
プランジャの周囲にハウジングを形成することにより、器具の製造コストをかなり低減できる。また、このような器具は、プランジャとハウジングとの間に高度の有効シールが形成され、非常に少量のサンプルのディスペンシングおよびサンプリングを行なうように構成されている場合でも均一な円筒壁を確保できる。
【００１９】
器具は、吸引ワイヤの周囲にボアを成形することにより形成され、これにより、全長に亘って完全に円筒状のボアを備えたピペットが製造される。使用時に、吸引ワイヤが器具の先端部から突出して、貯蔵容器のシールを穿刺するか、自動レベル検出用の超音波プローブまたは電極として機能する。相手電極として機能する第２導体をピストンと並列に配置することができる。
【００２０】
ボアは、先端部が研摩されて尖っているピストンの周囲に形成することができる。これにより、器具の先端部のボアより小径の孔を形成でき、これは、より大きいボアの器具内に液体を保持するときに重要である。
【００２１】
（発明を実施するための最良の形態）
以下、添付図面を参照して、本発明の一例を説明する。
【００２２】
図１に示すように、従来技術の確実送出形ピペットは外側ハウジング１を有し、該ハウジング１内にはプランジャ２が摺動可能に保持されている。プランジャ２は、孔３を介してハウジング１内にサンプル（試料）を吸引するか、ハウジング１から試料を排出すべく移動される。プランジャ２はヘッド４を有し、該ヘッド４は、比較的硬くて、かつハウジング１内でのプランジャ２の位置に対してハウジング直径の変化を充分に補償できる弾性を有する材料で形成されている。製造の困難性、不正確さおよび漏洩に関するこの器具の欠点は、前述の通りである。
【００２３】
図２は、製造中の本発明による器具１０を示す側断面図である。器具１０は、中央プランジャ１２（この例では、引抜き金属で形成されている）と、外側ハウジング１１とを有している。外側ハウジング１１は、プランジャ１２上に成形される。外側ハウジング１１の形成に熱可塑性プラスチック（例えば、ポリエチレンまたはポリプロピレン）が使用される場合には、プランジャ１２は、ハウジング１１より高い融点と、好ましくは小さい熱膨張係数をもつ材料で形成すべきである。プランジャは、例えば、金属、ガラス、プラスチックまたはセラミックで作ることができる。ハウジングは、熱硬化性材料（例えば、シリコーンゴムまたはポリウレタン樹脂）、または溶媒中に溶解された熱可塑性プラスチック（例えば、溶媒中のポリカーボネートまたはポリ塩化ビニル）で形成することもでき、この場合には、プランジャ材料は、ハウジング材料よりも高い融点をもつ必要はない。硬化時に収縮する熱硬化性材料を使用するのが好ましい。
【００２４】
ハウジング１１は、射出成形、押出し成形、または良く知られた他の任意の鋳造技術、超音波技術、融着技術、ディップコーティング技術、同時押出し技術、粉末コーティング技術、熱成形技術、スプレー成形技術により成形できる。ハウジング１１が冷却されかつ硬化されたならば、器具は所定長さに切断される。使用に際し、プランジャ１２がハウジング１１内に引っ込められると、孔１３と、内部コア１４（使用時に、このコア１４内にサンプルが吸引される）とが残される。内部コア１４は、プランジャ１２の外表面に一致する均一円筒である。また、内部コア１４は、使用される成形技術のため、プランジャ１２と極めて緊密に係合する。
【００２５】
図４は、本発明の器具１０を、取扱いを容易にする１つ以上の可撓性ストリップ１５に取り付ける方法を示す。より詳しくは、このような構造は自動機械により非常に容易に取り扱われる。実際に、器具１０は極めて低コストで製造できるため、使い捨て物品として取り扱うことができる。
【００２６】
器具１０の構造は変更できる。第１に、ハウジング１１をプランジャ１２の端部上に形成し、かつプランジャ端部の汚染を防止するため、器具使用の直前にパチンと切断できる脆弱領域を備えた構造に構成できる。また、孔１３に隣接して、器具１０に熱シール可能領域を設け、物質が器具１０のコア１４内に配置されかつコア１４内にシールされるように構成できる。これにより、ひとたび端部を切除すると、内容物を損失することなく内容物を定量しかつ供給できる密封器具が提供される。
【００２７】
図５には、更に別の構成が示されている。この実施形態では、複数のプランジャ１２が、これらの上に形成された外側ハウジング１１を有している。全てのプランジャ１２は、共通のコア１４および先端部１３にアクセスできる。ピストンを引き出すことにより、器具内に毛管経路が形成される。液体は、ピストンを移動させることにより、システムを通って非常に正確に吸引されかつ移動される。毛管が交差する箇所で、ピストンは、流れを停止させまたは調整する能動弁として操作される。器具には、内容物を検出器により分析できるようにする覗き窓（図示せず）を組み込むことができる。このような構造により、サンプリング／ディスペンシング精度が高くかつ漏洩が極めて少ない、極めてコスト有効性に優れた多サンプル吸引および分配構造が提供される。
【００２８】
この構造形式は、図示の簡単な例に限定されるものではない。本発明の方法を使用して、「チップベース形」分析器具、化学的合成器およびセンサ等の３次元流体器具に多数のポンプ、毛管および弁を組み込むことができる。
【００２９】
特に優れた長所を有する３つの例について、以下に説明する。
【００３０】
例１
図４には、本発明に従って構成された器具が示されている。内径０．４３ｍｍおよび外径０．６６ｍｍの高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）チューブ内に、直径０．４０ｍｍの硬質引抜き／磨きステンレス鋼ワイヤ（英国標準規格２０５６ ３０２Ｓ２６）が挿入される。このチューブは、厚さ０．１７５ｍｍのポリプロピレンフィルムで作られた幅３０ｍｍのテープを横切って置かれる。次に、ワイヤインサートを備えたチューブが、プラスチックチューブの長さに沿って半円筒状超音波融着ホーンを用いて、裏当てテープ上に融着される。これにより、チューブ材料がワイヤの周囲に流れるように、プラスチックチューブが加圧されかつ溶融される。これにより、ワイヤとチューブ素材との間の０．０３ｍｍの間隙がなくなる。かくしてピペットが形成され、かつ同時に１作業で裏当てフィルムに融着される。連続ステップアンドリピート法により多数のピペットを形成できる。
【００３１】
次に、テープ打ち抜くことによりチューブおよびワイヤを切断し、１作業でピペット形状およびスプロケット孔１６を形成する。
裏当てテープが切断され、細いピペットが形成される。
【００３２】
ピペットは、裏当てテープから切断して単独で使用することができ、或いは裏当てテープ上に保持して、多数の形態で使用できる。裏当てテープのピッチは、標準規格９６、３８４、１５３６−凹状微滴定プレート（well microtitre plates）のピッチに一致するように、２．２５ｍｍの倍数（この場合には、４．５ｍｍ）となるように選択された。
【００３３】
吸引／分配ヘッドは、裏当てテープまたはバレルおよびピストンを独立してグリップし、使用者が手動でまたは自動制御によりピストンを上下させて、定量を行なうように構成できる（図示せず）。筆記用インキの１００、２００、３００、４００および５００ｎｌサンプルを吸引しかつ該サンプルを滴下により受容器内に分配することにより、プロトタイプ器具を用いて体積精度試験を行なった。結果は重力滴定により測定され、図７に示されている。図７は、本発明に従って最適化されていない器具でも、１００ｎｌほど小さいサンプルの正確な吸引および分配が可能であることを示している。
【００３４】
貯蔵器具としての性能を試験すべく、上記構造のプロトタイプ器具の試験を行なった。各器具内に１００ｎｌの空気を吸引し、その後に１００ｎｌの水およびを吸引し、最後に１００ｎｌの空気を吸引した。開端部をもつ器具およびシール端部をもつ器具が試験された。端部は、ホットワックスまたはホット溶融接着剤中に浸漬するか、端部を熱融着することによりシールされた。サンプルは、室温、−２０℃および−７４℃の温度で３０日間貯蔵された。開端形ピペットは、室温で急速に重量が低下し、６時間で全てのサンプルが喪失された。他の全てのサンプルは、試験中にいかなる重量の損失も検出されなかった。
【００３５】
貯蔵についてのこのアプローチの長所は、貯蔵される全ての材料を回収できること、および貯蔵されたサンプルの定量および分配にもこの貯蔵器具を使用できることである。
【００３６】
図８は、例１の方法により作られたピペットの断面を示す顕微鏡写真である。円形から外れた歪みは、切断に使用した切刃により生じたものである。ワイヤプランジャの再挿入時に、器具は円形断面を呈する。
【００３７】
上記方法により、裏当てテープにポリエチレン被覆ＰＥＴフィルムを用いた他の器具を製造した。ＰＥＴ層は、機械的供給に適した剛性の高い裏当てテープを形成する。
【００３８】
例２
金型製造用シリコーンゴム内に、直径０．５ｍｍのステンレス鋼ワイヤをインサート成形することにより、本発明による器具を製造した。長さ１００ｍｍ、高さ２０ｍｍおよび厚さ３ｍｍの空隙が形成されるように、厚さ１ｍｍの２枚のガラスシートの間にサンドイッチされた厚さ３ｍｍの３枚のアルミニウムシートから金型を製造した。この組立体をばねクリップを用いて一体に保持し、空隙の頂部を開いて樹脂を充填できるようにした。この金型の上方からステンレス鋼ワイヤの一配列を吊り下げ、ワイヤの端部を金型の底部から突出させた。シリコーン樹脂を金型内に注入して硬化させた。硬化後に、クリップを解放しかつガラス面を金型から引き離して、器具を取り出すことができるようにした。ピペットの成形後にナイフを用いてワイヤを所定長さに切断し、ピストンを形成した。得られたプロトタイプは、ピペットとして適した機能を有することが実証された。
【００３９】
例３
厚さ０．２ｍｍ、幅３０ｍｍ、長さ３００ｍｍのポリプロピレンテープの間にステンレス鋼の昆虫ピン（直径０．３８ｍｍ、長さ３８ｍｍ、サイズ００）をサンドイッチすることにより、本発明による器具を製造した。ピンは一方のプラスチック材料を横切って置かれ、第２プラスチックテープをその上に置いてサンドイッチを形成した。プラスチックシートが一体に結合され、かつ加熱された２つの半円筒状フォーマの間で個々のピンに沿ってこれらのピンの回りに熱融着される。これにより、ピンの回りにポリプロピレンが流動され、かつ各ピストンの回りにバレルが形成される。次に、テープが切断され、例１の方法に従ってピペットの配列が形成される。
【００４０】
例４
直径０．４ｍｍの剛性ステンレス鋼ワイヤ（ＥＮ３０４、ＢＳ１５５４およびこれらの均等物）を押出し成形されたポリエチレン（ＰＥ）シースで被覆し、０．８０ｍｍの全直径を得た。
【００４１】
絶縁電線を製造する慣用設備を使用して被覆ワイヤを製造したが、方法およびセッティングは、ワイヤ硬度およびポリエチレン被覆材料に適合するように修正した。この被覆ワイヤは、真直にされかつ長さ２０ｍｍのピペットに切断された。各ピペットの一端から被覆を剥ぎ取り、長さ４ｍｍのシャンクを得た。このシャンクをグリップして、ピペットのバレル内でプランジャを移動させた。本発明の器具は慣用の電線を使用して製造できるが、性能は劣ったものとなる。なぜならば、ワイヤの剛性は強固なシールに抗して作業できるためには不充分であり、かつ化学的サンプルおよび生物学的サンプルと接触する材料として銅は好ましくなく、かつＰＶＣ被覆が好ましい特性を有していないからである。このようにして形成されるピペットは、単一で使用でき、好ましくは裏当てストリップに対して横方向に接合される。
【００４２】
裏当てストリップは、ポリエステル／Ｓｕｒｌｙｎ^TM／ＥＶＡフィルム（全厚１２５μｍ）を切断して、一縁部に沿うタブおよび搬送用スプロケット孔（図４）を備えたキャリヤテープを形成することにより製造した。ピペットは、４．５ｍｍ間隔でこのキャリヤテープに超音波融着された。ピペットのストリップまたは個々のピペットは、その後の使用のためにこのキャリヤテープから切断できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 既知のサンプリング／ディスペンシング器具を示す概略断面図である。
【図２】 第１製造段階中の本発明による器具を示す側断面図である。
【図３】 製造後の本発明による器具を示す側断面図である。
【図４】 取扱いを容易にするため可撓性ストリップに取り付けられる本発明による多数の器具を示す側面図である。
【図５】 本発明の他の実施形態を示す側断面図である。
【図６】 可撓性ストリップに取り付けられた本発明による多数の装置を示す斜視図である。
【図７】 本発明の一例について行なった体積精度試験の結果を示すグラフである。
【図８】 例１の方法で作られたピペットの断面を示す顕微鏡写真である。

Claims (12)

1. 第１圧伸成形材料で形成された中央プランジャ（１２）の周囲に第２材料を、該第２材料が前記中央プランジャの外側表面に対応するハウジング（１１）を形成するように成形しかつ硬化させることを特徴とする確実送出形物質サンプリングおよびディスペンシング器具（１０）を製造する方法。
2. 前記第１圧伸成形材料が、引き抜きワイヤまたは押し出し金属であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記第１圧伸成形材料が、金属、プラスチック、およびセラミックのうちの１つであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記第２材料が、プラスチック材料であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記第１圧伸材料を能動的に冷却することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記第１圧伸成形材料が、第２材料よりも高い熱伝導率および／または比熱を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記第２材料を成形することが、射出成形、融着、同時押し出し成形、鋳造、およびディップコーティングのうちの１つであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記ハウジングを、均一な筒となるように形成することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 第１圧伸成形材料で形成された中央プランジャ（１２）と、
   前記中央プランジャの周囲において第２材料を成形しかつ硬化させることにより形成され、前記中央プランジャの周囲に配置されたハウジング（１１）と、を含み、
   前記ハウジングが内側コア（１４）を有し、前記中央プランジャが外側表面を有し、前記内側コアおよび外側表面の各々が均一な筒であり、前記内側コアはその長さ全体に沿って前記外側表面に対応していることを特徴とする確実送出形物質サンプリングおよびディスペンシング器具（１０）。
10. 可撓性ストリップに取り付けられており、使用中、該可撓性ストリップにさらに別の器具（１０）が取り付けられる請求項９に記載の器具（１０）。
11. 前記可撓性ストリップは、該可撓性ストリップに取り付けられている器具（１０）を駆動および整合させるスプロケット孔を有することを特徴とする請求項１０に記載の器具（１０）。
12. 前記器具（１０）は、熱シール可能な先端部を有するように形成されていることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載の器具（１０）。

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