JPH07232056A

JPH07232056A - 微量反応装置

Info

Publication number: JPH07232056A
Application number: JP6025070A
Authority: JP
Inventors: Masao Kamahori; 政男釜堀
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-02-23
Filing date: 1994-02-23
Publication date: 1995-09-05

Abstract

(57)【要約】【目的】微量サンプルを希釈しないように微小領域で
効率良く反応させる装置を提供すること。【構成】同一平面上に配置された流路内に高電圧を印
加する電源部１、２、電源部１、２の高電圧印加により
電気浸透流が発生する流路７ａ−ｆ、反応試薬槽３、廃
液槽４、５、サンプル槽６、反応試薬とサンプルの導入
を切り替える流路切り替え装置９、１０、１１、１２、
１３、１４、及び流路切り替え装置の働きを制御するコ
ントローラ部２０から構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】微量サンプルによる微量反応装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】フロー式にサンプルと反応試薬を反応さ
せる方式としては、送液中にサンプル及び反応試薬を導
入し反応させて吸光度等の光学的検出法で濃度測定を行
なうフローインジェクション分析法が一般的である。ま
た、高速液体クロマトグラフィーにおいては、サンプル
を分離カラムで分離後、分離されたサンプルと反応試薬
を反応させるポストカラム法等の反応液クロが良く知ら
れており、特にアミノ酸分析装置が広く使用されてい
る。このいずれの方式でもサンプル及び反応試薬の送液
方法としては、溶液をポンプ内に吸引しプランジャを介
してシリンダーを押出し連続加圧して送液を行なう機械
駆動式送液ポンプを使用していた。なお、フローインジ
ェクション分析法については、例えば、ぶんせき１１
卷（１９８１年）第７８５頁から第７９１頁、またはぶ
んせき７卷（１９８４年）第５１３頁から第５２２
頁、ポストカラム法の反応液クロについては、例えば、
高速液体クロマトグラフ分析、日本分析化学会関東支部
編、産業図書、（昭和６０年）第２３０頁から第２５４
頁に記載されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記フローインジェク
ション分析法やポストカラム法等の反応液クロに用いら
れる機械駆動式送液ポンプを使用した場合の流路内の流
れは、図２に示すようなフローパターン２１を持つ層流
である。その際、両端では壁２２、２３の抵抗のため速
度は０になり、中心部では最大速度になような速度分布
をとる。そのため、流路内の流速の違いにより、注入さ
れたサンプルがそのままの形で流れていくことはなく、
前後の溶液と混合してしだいに広がりサンプルの濃度低
下及び体積の増大等を引き起こす問題があった。さら
に、フロー式の分析法は、バッチ法と異なり化学平衡に
達した反応ではなく、過渡的な反応を測定しているた
め、流速の厳密なコントロ−ルが必要であるが、機械駆
動式送液ポンプを用いて１０μｌ／ｍｉｎ以下の微量流
量域で定量性を向上させることは非常に困難であった。

【０００４】また、その際の圧力降下Δｐはハーゲン・
ポアズイユの式として以下のように表される。

【０００５】Δｐ＝８μｌＱ／πｒ^４ここで、μ；液体の粘度ｌ；流路の長さＱ；流量ｒ；流路の半径すなわち、圧力降下は流路の半径の４乗に反比例して大
きくなる。そのため、ナノリッターレベルの極微量サン
プルを取り扱うために内径１００μｍ以下の流路を使用
する場合には圧力降下が大きくなるため、装置内の耐圧
性の問題、すなわち流路材質の耐圧性や流路間の結合部
に耐圧性を持たせる特別な対策が必要になる問題があっ
た。また、従来の装置は装置構成が複雑で大型装置であ
った。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に、本発明では、サンプル及び反応試薬の送液方法とし
て電気浸透流を用い、さらに、微細溝を有する平面基板
上で反応させるように流路を同一平面上に形成した。

【０００７】

【作用】電気浸透流は、図３に示すようにキャピラリー
管の両端に電圧を印加することにより、管内表面に生じ
た電気二重層３１、３２が電場の向きと同じ方向に移動
することにより生じる。その際のフローパターン３３は
図３に示すように栓流である。そのため、サンプルの拡
散は層流の場合に比べて数十分の一程度である。また、
電気浸透流の流速ｕ_ｏｓｍは、以下の式で表される。

【０００８】ｕ_osm＝ｋｅＥ／ｚη√ｃここで、ｋ；定数ｅ；キャピラリ−管の単位表面あたりの電荷量Ｅ；印加電圧ｚ；電解質の電荷数 η；溶液の粘度ｃ；電解質の濃度そのため、電気浸透流は、印加電圧、溶液中の電解質濃
度、キャピラリ−管の表面電荷の正負及びその量に依存
するため、送液量の制御は容易である。さらに、送液に
よる圧力降下はほとんどない。

【０００９】また、流路を同一平面上に形成しているた
め、流路と同一平面上に切り替えバルブ等を設置でき装
置を小型化できる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の一実施例をブロック図で示す
図１により説明する。

【００１１】本実施例による微量反応装置は、電源部
１、２、反応試薬槽３、廃液槽４、５、サンプル槽６、
流路７ａ−ｆ、流路切り替え装置８、９、１０、１１、
１２、１３、１４、測定部１５、光源部１６、検出部１
７、コントローラ部１８から構成されている。電源部１
は、出力電圧０−３０ｋＶの高電圧電源を使用し、反応
試薬槽３と廃液槽４の間に高電圧を印加することができ
る。また、電源部２は、サンプル槽６と廃液槽５の間に
高電圧を印加することができる。反応試薬槽３内の反応
試薬液は、反応試薬槽３と廃液槽４の間に高電圧を印加
することにより発生する電気浸透流により、流路７ａ、
７ｂ、７ｃの間を順次流れる。同様に、サンプル槽６内
のサンプルは、サンプル槽６と廃液槽５の間に高電圧を
印加することにより発生する電気浸透流により、流路７
ｄ、７ｅ、７ｂ、７ｆの間を順次流れる。上記反応試薬
液及びサンプルの流れは、流路切り替え装置８、９、１
０、１１を用いることにより制御することができる。な
お、流量は印加電圧を制御することにより容易に設定す
ることができる。

【００１２】本実施例の微量反応装置を用いた反応は、
以下の順序で行なう。まず最初に、流路７ａ、７ｂ、７
ｃへの反応試薬の導入を行なう。その際、流路切り替え
装置１０、１１を用いて流路を閉じサンプルの流れを止
める。次に、反応試薬槽３と廃液槽４の間に高電圧を印
加することにより発生する電気浸透流により、反応試薬
槽３中の反応試薬を流路７ａ、７ｂ、７ｃ間を順次導入
する。その後、流路切り替え装置８、９を用いて流路を
閉じ反応試薬の流れを止める。次に、サンプル計量部を
兼ねた流路７ｂへのサンプルの導入は、サンプル注入の
ための電源部２を用いて、サンプル槽６と廃液槽５の間
に高電圧を印加することにより行なう。まず最初に、流
路切り替え装置１０、１１を用いて流路を開く。その
後、サンプル槽６と廃液槽５の間に高電圧を印加するこ
とにより発生する電気浸透流により、サンプル槽６内の
サンプルは、流路７ｄ、７ｅ、７ｂ、７ｆ間を順次流れ
る。その際の導入されるサンプル量は、サンプル計量部
を兼ねた流路７ｂの容量により設定できる。導入された
サンプルと反応試薬は、流路切り替え装置１０、１１を
用いて流路を閉じることによりサンプルの流れを止め、
次に流路切り替え装置８、９を用いて反応試薬が流れる
流路を開き、反応試薬槽３と廃液槽４の間に高電圧を印
加することにより発生する電気浸透流により、流路７
ｂ、７ｃ中を流れながら反応する。すなわち、流路７ｂ
に導入されたサンプルの前後には反応試薬があり、サン
プルが反応試薬にサンドイッチに挾まれている。

【００１３】その後、電気浸透流を用いた送液により、
流れながらサンプルと反応試薬との反応が行なわれる。
その際、サンプルは反応試薬にサンドイッチに挾まれて
いるため、サンプルは前後の反応試薬と拡散により効率
良く混合され、反応は効率良く行なわれる。なお、反応
の至適反応温度が高い場合には、流路７ｂ、７ｃ中を任
意の温度に設定して反応を行なえば問題ない。その後、
測定部１５において、反応したサンプルに光源部１６か
ら光を入射する。反応したサンプルにより変化した光量
を検出器１７で検出することによりサンプル量を計測す
る。

【００１４】なお、光量変化は、吸光度、蛍光量等であ
る。そのため、測定部１５は光透過性が良く、特に吸光
度変化を測定する場合には光路長を長くするために流路
表面に光反射層を有している。また、多数のサンプルを
計測するときは、上記した同様な手順で流路切り替え装
置１１、１２、１３、１４を順次用いることにより容易
に行なうことができる。

【００１５】以上の操作はコントローラ部１８により制
御されており、印加電圧及び時間、流路切り替えタイミ
ング等をプログラム化することによりスイッチ一つで行
なうことができる。

【００１６】微量反応装置の流路構成を表わす他の実施
例を図４により説明する。

【００１７】図４（ａ）は、微量反応装置の流路構成を
示している。微量反応装置の流路の作製は、先ず最初、
ガラスやシリコン等の平面基板に微細溝、及び貫通細穴
を形成し、その表面に別の平面基板を重ね合わせて融着
等で接合させる。その結果、微細溝及び貫通細穴は、そ
れぞれ流路４１ａ−ｈ及び反応試薬槽４２、廃液槽４
３、４４、サンプル槽４５ａ−ｄに対応して形成され
る。なお、微細溝及び貫通細穴の作製は、ドリル等の機
械加工やエッチング等で行なうことができる。また、流
路切り替え装置４６ａ−ｇは、流路切り替え用に形成し
た貫通細穴を開閉する方法や流路４１ａ−ｈ上の一部を
冷凍、解凍することに電気浸透流を開閉制御することが
できる。

【００１８】図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａの位置
で矢印方向に見た微量反応装置の流路の側面断面図を表
わしている。図において４６ａ’、４６ｃ’は、流路切
り替え用の止め栓を示し、これは図示を省略した装置
（例えば電磁石とプランジャーの形の装置）で貫通細穴
を開閉する為に使用される。反応試薬槽４２、廃液槽４
３、４４、サンプル槽４５ａ−ｄは、同一平面基板上に
形成されているため、従来のようにコネクタを介して反
応試薬槽、廃液槽、サンプル槽と流路を結合する必要が
無く、微少領域での結合や漏れの問題は無い。さらに、
外部の装置は高電圧電源及び光検出装置のみで装置全体
の小型化が容易である。また、反応試薬槽４２、廃液槽
４３、４４、サンプル槽４５ａ−ｄは、外部に面してい
るため反応試薬、サンプルの導入、交換洗浄や廃液処理
が容易に行なうことができる。その際の反応試薬及びサ
ンプルの使用量は、反応試薬槽及びサンプル槽の大きさ
に依存している。そのため、反応試薬槽及びサンプル槽
用の貫通細穴を５００μｍ以下とすることにより、マイ
クロリットル以下の微量サンプルを損失無しに取り扱え
ることが可能になる。なお、測定部４７は、光透過性の
良い石英ガラスからなる光透過部４８、及び光反射層４
９からなっている。光反射層４９は、光反射率の優れた
白金、ロジウム等であれば問題ない。

【００１９】流路切り替え装置の構成を表わす他の実施
例を図５により説明する。

【００２０】図５（ａ）は、サンプル用流路５１ａ、５
１ｂ、及び反応試薬液用流路５２ａ−ｃ、及び流路切り
替え装置５３、５４からなる流路切り替え装置の一部を
表わしている。なお、流路５２ｂは、サンプル計量部を
兼ねている。サンプル計量及び反応は、流路切り替え装
置５３、５４を閉じることによりサンプルをサンプル計
量部を兼ねた流路５２ｂに導入することにより行なうこ
とができる。図５（ｂ）は、流路切り替え装置の一部の
側面断面を表わしている。流路切り替え装置は、流路５
５に面した平面基板５６、５７上に設置したペルテェ素
子５８、５９、６０、６１から構成されている。流路切
り替えは、ペルテェ素子５８、５９、６０、６１を−１
５℃以下に冷却することにより流路中の溶液を凍結させ
流路５５を閉じることが行なう。本実施例では、冷凍、
解凍により流路を開閉するため、単純な構成で微少領域
での流路の切り替えを容易に行なうことができる。

【００２１】

【発明の効果】本発明では、サンプル及び反応試薬の送
液方法として電気浸透流を用いているため、サンプル及
び反応試薬の拡散は層流の場合に比べて数十分の一程度
と非常に小さい。さらに、送液による圧力降下はほとん
どなく、内径１００μｍ以下の流路中で微量のサンプル
と反応試薬を効率良く反応させることができる。また、
流路を同一平面上に形成しているため、装置の小型化が
容易に行なえる。

【図面の簡単な説明】

【図１】微量反応装置の構成を示すブロック図。

【図２】層流のフローパターンを示す図。

【図３】電気浸透流のフローパターンを示す図。

【図４】微量反応装置の流路構成を示すブロック図。

【図５】流路切り替え装置の構成を示す図。

【符号の説明】

１、２：電源部、３、４２：反応試薬槽、４、５、４
３、４４：廃液槽、６、４５ａ−ｄ：サンプル槽、７ａ
−ｆ、４１ａ−ｈ、５１ａ、ｂ、５２ａ−ｃ、５５：流
路、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、４６ａ−
ｇ、５３、５４：流路切り替え装置、１５、４７：測定
部、１６：光源部、１７：検出部、１８：コントローラ
部、２１：層流のフローパターン、２２、２３：壁、３
１、３２：電気二重層、３３：電気浸透流のフローパタ
ーン、４８：光透過部、４９：光反射層４９、５６、５
７：平面基板、５８、５９、６０、６１：ペルテェ素
子。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】同一平面上に内径１００μｍ以下の微細溝
を有し、サンプルと反応試薬を反応させる装置におい
て、送液手段として該微細溝の一部に電圧を印加するこ
とにより発生する電気浸透流を用いて、サンプルまたは
反応試薬を送液することを特徴とする微量反応装置。
【請求項２】少なくとも一方の表面に１００μｍ以下の
微細溝を形成した平面基板と、この表面を覆う他の平面
基板とにより上記微細溝を形成することを特徴とする請
求項１記載の微量反応装置。
【請求項３】少なくとも２本以上の上記微細溝、該微細
溝の一部に電圧を印加させる電源、該電源を切り替える
電源切り替えスイッチ、該微細溝の一部に電圧を印加さ
せることにより発生する電気浸透流の流路を切り替える
流路切り替え装置、及び、該流路切り替え装置を制御す
るコントローラからなることを特徴とする請求項１記載
の微量反応装置。
【請求項４】上記流路切り替え装置が、上記微細溝の一
部または一方を冷凍、他方を解凍することにより電気浸
透流を開閉制御することを特徴とする請求項１記載の微
量反応装置。