(57)【要約】【課題】試料（１０）中の荷電種の濃度を測定するための装置（１）を提供する。【解決手段】試料（１０）は、複数の種類の荷電種および少なくとも１つの不溶性物質成分を含む。装置（１）は、試料（１０）を保持するチャネル（１２）にそって配列された２つの第１の電極（３０、３０’）に接続可能な電圧制御デバイス（５４）を有する第１の回路およびチャネル（１２）内に配列された２つの第２の電極（５、５’）に接続可能な電気伝導率検出デバイス（５５）を有する第２の回路を備える。第１の回路および第２の回路は、ＤＣとＡＣに関して電気的に互いに絶縁されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料（１０）中の荷電種の濃度を測定するための装置（１）であって、前記試料（１０）は複数の種類の荷電種および少なくとも１つの不溶性物質成分を含み、
前記試料（１０）を保持するチャネル（１２）にそって配列された少なくとも２つの第１の電極（３０、３０’）に接続可能な電圧制御デバイス（５４）を備える第１の回路と、
前記チャネル（１２）内に配列された少なくとも２つの第２の電極（５、５’）に接続可能な電気伝導率検出デバイス（５５）を備える第２の回路とを具備し、前記第１の回路および前記第２の回路は、互いに電気的に絶縁される装置（１）。
【請求項２】
前記電気的絶縁はＤＣ絶縁を含む、請求項１に記載の装置（１）。
【請求項３】
前記電気的絶縁は１つまたは複数のトランス（８０、８１）を含む、請求項１または２に記載の装置（１）。
【請求項４】
前記第１の回路または前記第２の回路のうちの少なくとも１つの回路内に少なくとも１つ以上のさらなるトランスをさらに備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項５】
前記電圧制御デバイス（５４）と前記電気伝導率検出デバイス（５５）との間にキャパシタをさらに備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項６】
装置の全キャパシタンスは１００ｐＦ未満である、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項７】
装置の全キャパシタンスは２０ｐＦ未満である、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項８】
全体の寸法が５０×５０×１０ｃｍ未満である、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項９】
全体の寸法が２０×１０×５ｃｍ未満である、請求項１から８のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項１０】
前記チャネル（１２）は流体を収容し、前記チャネル（１２）内のガスの濃度は所定の限度値より低い値に維持される、請求項１から９のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項１１】
前記チャネルは、幅および深さが１００μｍ未満のマイクロサイズの寸法を有する、請求項１から１０のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項１２】
流体を充填された閉鎖マイクロ流体チャネル（１２）と、
流体（１０２）が充填され、その中に気泡（１０３）を有するエクスパンション・チャンバ（１０４）と、
前記エクスパンション・チャンバ（１０４）を前記閉鎖マイクロ流体チャネル（１２）に流体的に接続するための相互接続部（１０１）とを備える装置。
【請求項１３】
前記相互接続部（１０１）は、前記マイクロ流体チャネル（１２）に比べて実質的に高い流体抵抗を有する、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記気泡（１０３）は不活性ガスを含む、請求項１２から１３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１５】
前記相互接続部（１０１）の入口（９０’）は開口部（２）に近い位置にある、請求項１２から１４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１６】
開口した未充填のマイクロ流体チャネル（１１１）と、
前記開口した未充填のマイクロ流体チャネル（１１１）のところに配置された少なくとも２つの電極（４および４’）と、
試料開口部（１１２）と、
開いている試料リザーバ（１１０）と、
閉鎖蒸発室（１１５）とを備える装置。
【請求項１７】
チャネル平滑化部（１１３）が、前記試料開口部（１１２）と前記開口した未充填のマイクロ流体チャネル（１１１）との間に配置されてなる、請求項１６に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２００６年１１月２１日に出願した国際特許出願第ＰＣＴ／ＥＰ２００６／０１１１４８号、「Ｉｏｎ  Ｓｅｎｓｏｒ  ｆｏｒ  Ｆｌｕｉｄ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｉｔｓ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ」に関連する。
【０００２】
本発明は、生体試料、化学的試料、工業試料、または環境試料における荷電種を検知するための装置および方法に関するものである。特に、本発明は、血液などの試料中の、荷電種濃度、特にイオン濃度、例えば、リチウム・イオン濃度を測定するための方法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
無機イオンは、生命にとって本質的に必要なものであり、飲料水、血液、および生物のあらゆる細胞中に、さらには環境内に大量に存在する。例えば、細胞の内外の多くのイオン、すなわち、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、およびカルシウムの濃度は、どのような生命体にとっても不可欠である。したがって、動物および人間の血液や血球中のイオン濃度も、多種多様な身体機能にとって非常に重要である。
【０００４】
通常、リチウムは血漿中に存在する微量元素である。リチウムは、双極性気分障害を治療するための薬剤としても使用される。世界中の１００万を超える人々が毎日リチウムを摂取すると推定される。リチウムを使用する際に不都合な点は、治療指数が非常に低い、すなわち、毒性濃度と治療濃度との比が非常に低いことである。大半の患者は、０．４〜１．２ｍｍｏｌ／Ｌのリチウム血漿濃度によく反応するが、１．６ｍｍｏｌ／Ｌを超えるリチウム濃度では毒作用が生じうる。高い血中リチウム濃度が長く続くと、神経系に永久的な損傷を与え、死亡することすらありうる。したがって、治療中のリチウム濃度の監視が欠かせず、リチウム濃度を所望のレベルに保つために２カ月おきに定期検査が行われる。
【０００５】
オペレータによる長時間の取り扱いを回避するために、イオン選択電極（ＩＳＥ）を日常的に使用して血液パラメータを自動的に測定する。これらのＩＳＥは高速であり、大きなダイナミックレンジを持つ。しかし、その反応は対数的であり、リチウムに必要な高い選択性が問題になる場合がある。それに加えて、リチウム中毒の場合、血液の分析のための高速な処置が要求される。現在、特別に訓練を受けた要員が患者から静脈血試料を採取して中央の研究所に輸送しなければならず、血球を取り除いてから測定を実行する必要がある。この処置に最大４５分かかる可能性がある。試料処理時間を最小にし、その場での測定を可能にするために、イオン感応性電界効果トランジスタを使用する小型化されたデバイスが、全血中のカリウムおよびナトリウムの濃度を測定するために、ハンドヘルド・アナライザとしてさえ使用可能になっている。しかし、このようなアナライザは、はるかに低いリチウム・イオンの濃度に対して、他の荷電種、特にナトリウム・イオンのバックグラウンド濃度が高いため、リチウム測定には使用されない。
【０００６】
全血中のリチウムの直接測定および血漿中の無機陽イオンの測定については、すでに、Ｅ．Ｖｒｏｕｗｅらが、「Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ  ２００４，２５，１６６０−１６６７」および「Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ  ２００５，２６，３０３２−３０４２」において説明し、実証している。マイクロチップ・キャピラリ電気泳動（ＣＥ）を定められている試料装填とともに使用し、カラム・カップリングの原理を適用することで、全血１滴中のアルカリ金属の濃度を測定した。指先から採血した全血を、全血の成分を抽出したり取り除いたりすることなく、マイクロチップ上に移送した。試料の前処理なしでリチウム治療を受けている患者からの血漿中のリチウム濃度を測定することができる。電気伝導率検出でマイクロチップを使用することで、１４０ｍｍｏｌ／Ｌのナトリウム・マトリクス中のリチウムについて０．１ｍｍｏｌ／Ｌの検出限界が得られている。
【０００７】
血液試料中のイオンの濃度を測定するためにいくつかのタイプのマイクロチップを開示する他の従来技術の文献が、当技術分野で知られている。例えば、米国特許出願第２００５／０１５０７６６号（Ｍａｎｚ）が、キャピラリ電気泳動マイクロチップを開示している。
【０００８】
米国特許第５，８８２，４９６号（Ｎｏｒｔｈｒｕｐら）では、いくつかの電気泳動デバイスのうちの１つの電気泳動デバイスの表面積を増やすために多孔質シリコン構造を製作し使用する方法を開示している。
【０００９】
米国特許第７，２５０，０９６号（Ｓｈｏｊｉら、株式会社日立ハイテクノロジーズ（Ｈｉｔａｃｈｉ  Ｈｉｇｈ−Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  Ｃｏｒｐ）に譲渡）では、電流通過経路の状態を検出するために電気泳動法の実行中に電流通過経路を測定するための方法および装置を教示している。
【００１０】
従来技術の課題の１つは、電解液中の電極のところに気泡が形成されること（米国特許第７，２５０，０９６号に記載）、および／または、装置のマイクロチャネル内の電極のところで電気分解が生じるせいで望ましくないレドックス（酸化還元）反応が引き起こされることである。これは、装置内を通過する電荷輸送が、電気経路内の電子および化学的経路内のイオンによってなされるため生じる。電荷は、電極と電極のところのイオンとの間で交換される。
【００１１】
マイクロチャネル内の電解液は、特定のガス容積を有する。この特定のガス容積の最大量は、ガス限界と称される。気泡は、マイクロチャネル内で局所的にガス限界に達すると形成される。気泡の形成は、測定に直接的に影響を及ぼす。
イオンおよび他の非荷電分子は、レドックス反応による変化を受け、電極のところで濃度が変化する。気泡は、ガス限界を超え、気泡を形成する非荷電分子の形成により形成される。これらの気泡は、デバイスのマイクロチャネル内に閉じ込められ、その結果、測定をゆがめる可能性がある。
【００１２】
気泡の形成は、キャピラリ電気泳動測定用に単一の電気回路があるか、またはイン・コンタクト電気伝導率検出を行うための単一の電気回路があり、電圧および／または電流が適切に制御される場合に従来技術において説明されているように回避されうる。しかし、組み合わせた測定方法に対し２つの電気回路がある場合、両方の電気回路の電気的干渉が状況を複雑にする。
単一の電気回路についてこの問題を解決する従来技術の方法は、電流を制限すること、レドックス反応の種類を制御すること、および電圧をレドックス電位より低くすることによって、電極間に交流を使用することを含む。電流を制限することは、例えば、電流源、小さなチャネル形状、およびチャネル内における低濃度の電解液を使用することによって実現することができる。低濃度のバックグラウンド電解液をチャネル内で使用することも可能である。さらに、電極の設計も重要な役割を果たしうる。表面積の広い電極は、電荷濃度の変化がより広い面積にわたるため気泡の形成の影響を受けにくい。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Ｅ．Ｖｒｏｕｗｅら、Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ  ２００４，２５，１６６０−１６６７
【非特許文献２】Ｅ．Ｖｒｏｕｗｅら、Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ  ２００５，２６，３０３２−３０４２
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】米国特許出願第２００５／０１５０７６６号公報
【特許文献２】米国特許第５，８８２，４９６号明細書
【特許文献３】米国特許第７，２５０，０９６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、試料中の荷電種の濃度を測定するための装置を提供する。試料は、複数の種類の荷電種および少なくとも１つの不溶性物質成分を含む。装置は、試料を保持するチャネルにそって配列された少なくとも２つの第１の電極に接続可能な電圧制御デバイスを有する第１の回路およびチャネル内に配列された少なくとも２つの第２の電極に接続可能な電気伝導率検出デバイスを有する第２の回路を備え、第１の回路および第２の回路は互いに電気的に絶縁されている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
電気的絶縁とは、２つの電気回路が互いに干渉し合わず、したがって測定が正確であることを意味する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
本発明は、図および、例示のみを行い、本発明を制限しない、好ましい実施形態の詳細な説明に関してよく理解することができる。
【図１】図１ａは本発明の一態様による装置の主要コンポーネントを示す図である。図１ｂはマイクロチャネルの周りの電極の配列を示す図である。図１ｃはマイクロチャネルの周りの電極の配列を示す図である。
【図２】図２ａはチャネルの周りの電極のさらなる配列を示す図である。図２ｂはチャネルの周りの電極のさらなる配列を示す図である。
【図３】図３ａは１つの電極のところの可能な電流路を示す図である。図３ｂは電極同士の間の可能な電流路を示す図である。
【図４】図４ａはマイクロチャネルの周りの電極への装置のコンポーネントの接続を示す図である。図４ｂはマイクロチャネルの周りの電極への装置のコンポーネントの接続を示す図である。
【図５】図５ａは絶縁コンポーネントの配列を示す図である。図５ｂは絶縁コンポーネントの配列を示す図である。図５ｃは絶縁コンポーネントの配列を示す図である。図５ｄは絶縁コンポーネントの配列を示す図である。
【図６】測定デバイスの一例を示す図である。
【図７】エクスパンション・チャンバを持つ装置の一例を示す図である。
【図８】試料電気伝導率測定が備えられている装置の一例を示す図である。  図中、同じ参照番号は、同じか、または類似の対象を指し示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
そこで、図および例を参照しつつ、本発明について説明することにする。本発明の一態様の特徴を本発明の他の態様の特徴と組み合わせることができることに留意されたい。
【００１９】
図１ａから１ｃは、本発明の一態様による測定システム１のコンポーネントを示している。
【００２０】
測定システム１は、センサ１８からの電気信号を測定し、処理する測定デバイス１７を備える。センサ１８は、液体試料１０（図１ｂおよび１ｃに示されている）中の荷電種の濃度を測定するが、これは、同時係属国際特許出願ＷＯ２００８／０６１５４２号に詳しく開示されており、この特許出願の教示の全体は本明細書に組み込まれる。液体試料１０は、通常、血液試料である。
【００２１】
センサ１８は、チップ・ホルダ１５および試料デバイス９を有する。チップ・ホルダ１５は、教示が本明細書に完全に組み込まれている、国際特許出願ＰＣＴ／ＥＰ２００７／００４４６８号に詳しく開示されている。試料デバイス９は、図１ｂおよび１ｃに詳しく示されており、これらの図と併せて以下さらに詳しく説明する。
【００２２】
測定デバイス１７は、試料電気伝導率測定デバイス５３、電圧制御および電流検知デバイス５４、ならびに電気伝導率検出およびセル制御デバイス５５を有する。電気伝導率測定デバイス５３は、電気経路を通じて試料デバイス９上の試料電気伝導電極４および４’に接続される。電圧制御および電流検知デバイス５４は、リザーバ電極３０および３０’に、また試料デバイス９上の壁電極３０’’および３０’’’に、それぞれ、電気経路６０から６０’’’を通じて接続される。同様に、電気伝導率検出およびセル制御デバイス５５は、電気経路６５および６５’を通じて試料デバイス９上のチャネル電極５および５’に接続される。
【００２３】
測定デバイス１７内のメインコントロール４３は、計算を実行するためのプロセッサ４４を備える。メインボード４３は、電気経路７５を通じて電気伝導率測定デバイス５３に、電気経路７６を通じて電圧制御および電流検知デバイス５４に、電気経路７７を通じて電気伝導率検出およびセル制御デバイス５５に接続される。
【００２４】
測定デバイス１７は、操作盤６９に接続されているＬＣＤディスプレイおよびボタンを有する。操作盤６９は、電気経路７２を通じてメインボード４３に接続される。測定デバイス１７は、電源７９に接続されている電源６８を通して電力の供給を受ける。シリアルポート６７が電気経路７３を通じてメインボード４３に接続され、また外部接続部７８に接続される。
【００２５】
試料デバイス９は、図１ａに示されているように、また図１ｂおよび１ｃにより明確に示されているように、チャネル１２が形成される基板（図示せず）を備える。基板は、ガラスまたはプラスチック材料から作ることができる。チャネル１２の製作を可能にする他の材料を使用することができる。基板材料としてガラスを使用する場合、チャネル１２を、第１のリザーバ８、第２のリザーバ８’、および第３のリザーバ８’’の間の基板１３内にエッチングする。チャネル１２の側壁をポリマーでコーティングすることができる。チャネル１２は、１センチメートル未満の寸法のものとしてよく、特に、チャネル１２は、幅１ｃｍ未満、深さ１００μｍ未満とすることができる。第１のリザーバ８、第２のリザーバ８’、および第３のリザーバ８’’は、チャネル１２の幅よりかなり大きいサイズであってもよい（例えば、１００μｍから１ｃｍ）。これは、図１ｂおよび１ｃを見るとわかる。さらに、１つまたは複数のリザーバをチャネル１２に含めることができる。
【００２６】
チャネル１２ならびに第１のリザーバ８、第２のリザーバ８’、および第３のリザーバ８’’は、使用前に電解液１１を充填することができる。典型的には、リザーバの容積は約１０μｌである。 
【００２７】
図１ｂおよび１ｃは、試料デバイス９の側面図である。本発明の例示的な一実施形態における試料デバイスは、幅３０ｍｍ、高さ４ｍｍ、および厚さ１．４ｍｍである。チップは、ガラス製とすることができる。
【００２８】
チャネル１２、さらには第１のリザーバ８、第２のリザーバ８’、および第３のリザーバ８’’は、多数の電極を有することがわかる。本発明の例示的な一実施形態におけるチャネル１２は、幅１００μｍ未満、深さ１００μｍ未満、長さ３ｃｍ未満である。さらに、試料デバイス９の上面３とチャネル１２との間に部分１９が接続されることに留意されたい。試料１０を、試料デバイス９の上面３の上に置く。試料１０は、上面３内の開口部２を通るチャネル１２の部分１９と流体的に連通する。開口部２および部分１９は、円形としてよいが、チャネル１２内に液体を注入するのに適した形態であればどのようなものでも使用できる。
【００２９】
複数の開口部２を上面３内に形成することができる。これは、例えば、試料１０を複数の入口点からチャネル１２内に入れるのに有用である。これにより、測定を複数回実行して平均を取ることができる。複数の開口部２があることのさらなる利点の１つは、一方の開口部から他方の開口部への対流を引き起こし、したがって開口部２を通りチャネル１２内に入る代替的輸送機構を形成できることである。複数の開口部２があることのさらなる利点の１つは、国際特許出願ＰＣＴ／ＥＰ２００７／００４４６８号で開示されているように、チャネル１２内での蒸発を阻止することである。
【００３０】
チャネル１２は、電流の集中を回避するために一般的に丸い隅部を有する多数の電極を備える。リザーバ電極３０および３０’は、第１のリザーバ８および第３のリザーバ８’’内に備えられる。リザーバ電極３０および３０’を使用することで、チャネル１２にそって電圧をかけることができる。リザーバ電極３０および３０’は、上で説明されているように電気経路を通じて電圧制御および電流検知デバイス５４に接続される。リザーバ電極３０および３０’、さらには後述のウェル電極は、典型的には、白金製であり、平坦で薄く、典型的には幅２ｍｍ、長さ２ｍｍ未満であるが、高さは１００ｎｍ程度である。
【００３１】
上面３および他のリザーバ８’は、チャネル１２に電圧をかけることを可能にするウェル電極３０’’および３０’を備える。これは、開口部２を通して試料１０からキャビティ１９内に、次いで、チャネル１２内に荷電イオンを引き込むのに役立つ。ウェル電極３０’’および３０’’’は、上で説明されているように電気経路を通じて電圧制御および電流検知デバイス５４に接続される。使用される典型的な電圧は、１２００Ｖであり、電流は、１０μＡ未満となる。
【００３２】
チャネル１２は、互いに実質的に対向する位置に置かれ、チャネル１２間の電気伝導率を測定する２つのチャネル電極５および５’を有する。電気伝導電極５および５’は、上で説明されているように電気経路を通じて電気伝導率検出および制御デバイス５５に接続される。これら２つのチャネル電極５および５’は、１００μｍほど離れており、これもまた白金製である。その幅は、１００μｍ未満、例えば、４０μｍであり、これら２つのチャネル電極５および５’は、控えめな丸さを持つ隅部を有する。チャネル上に印加される信号は、典型的にはＡＣであり、１００Ｈｚから１００ｋＨｚまでの範囲であり、また頂点間の振幅が１から１０Ｖまでの範囲内である。
【００３３】
これら２つのチャネル電極５および５’では、装置１内へのイン・コンタクト・イオン検出（ＩＣＣＤと略記）機構を使用することができる。ＩＣＣＤ機構は、チャネル電極５および５’がチャネル１２内の流体との直接的電気化学的界面を有する検出方法である。
【００３４】
図１ｃは、上面３上の試料電気伝導電極４および４’のうちの２つを示している。試料電気伝導電極４および４’は、試料１０によって覆われ、荷電種がマイクロチャネルの部分１９内に引き込まれる前に、引き込まれている最中に、および／または引き込まれた後に、試料１０中の荷電種の電気伝導率を測定する。試料電気伝導電極４および４’は、上で説明されているように試料電気伝導率測定デバイス５３に接続される。試料電気伝導電極４および４’は、一般に、試料電気伝導電極４および４’の先端部のところの電流密度を下げる一般的に丸形の形態を有する。
【００３５】
図２ａおよび２ｂは、チャネル１２内の電極の配列の詳細を示している。簡単のため、第１のリザーバ８、第２のリザーバ８’および第３のリザーバ８’’は、詳しく図示されていない。電極３０から３０’’’のみが図示されている。図２ａでは、チャネル電極５および５’は、チャネル１２の内側に置かれず、チャネル壁７および７’の外側にある。言い換えると、チャネル電極５および５’のいずれも、チャネル１２内の流体１１と直接的に接触しないということである。図２ｂを見ると、チャネル電極５および５’が側壁７および７’を貫通し、チャネル１２内の流体１１と流体的に（および直接電気的に）接触することがわかる。図２ａに示されているセットアップの態様は、２つのチャネル電極５および５’のいずれも、流体１１と直接的に接触しないという利点を有する。その結果、気泡が２つのチャネル電極５および５’の表面上に形成される可能性はない。
【００３６】
図２ｂに示されている本発明の態様では、電圧および／またはレドックス反応の種類および／または電流を、２つのチャネル電極５および５’のところで制御して、ガス形成がガス限界より低いままの態様に収まることを確実にする必要がある。本発明の代替的態様では、２つのチャネル電極５と５’に交流を通すことができる。
【００３７】
図３ａおよび３ｂは、さまざまな電極３０および３０’上の電流路を示しており、電極３０’’および３０’’’上の電流路は、わかりやすくするため図示されていないが、存在している。図３ａは、チャネル１２内の例示的な１つのチャネル電極５（または５’）を示している（すなわち、図２ｂに示されている本発明の態様）。電流路４０ａおよび４０ｄは、チャネル１２にそってリザーバ電極３０および３０’に向かう形で存在する。電流路４０、４０ｃ、および４０ｂは、チャネル１２を横切るようにして作用する。
【００３８】
図３ｂは、リザーバ電極３０および３０’、さらにはチャネル電極５および５’に作用する電流路を示している。リザーバ電極３０は、チャネル電極５の方向に電流路５１ａを、チャネル電極５’の方向に電流路５１ｃを、さらには他のリザーバ電極３０’の方向に電流路５１ｂを有することに留意されたい。同様に、リザーバ電極３０’は、チャネル電極５の方向に電流路５１ｄを、チャネル電極５’の方向に電流路５１ｆを、さらには他のリザーバ電極３０の方向に電流路５１ｅを有する。
【００３９】
チャネル電極５は、リザーバ電極３０の方向に電流路５０ａを、リザーバ電極３０’の方向に電流路５０ｃを、さらにはチャネル電極５’の方向に電流路５０ｂを有する。チャネル電極５’は、リザーバ電極３０の方向に電流路５０ｄを、リザーバ電極３０’の方向に電流路５０ｆを、さらにはチャネル電極５の方向に電流路５０ｅを有する。
【００４０】
図３ａおよび３ｂは、イオンを分離するためのキャピラリ電気泳動法とイン・コンタクト電気伝導率検出とを組み合わせた場合のいくつかの問題点のうちの１つを例示している。チャネル電極５と５’との間、およびリザーバ電極３０と３０’との間の電位が関連しているだけでなく、参照番号５０ａ、５０ｃ、５０ｄ、５０ｆ、および５１ａ、５１ｃ、５１ｄ、５１ｆによって与えられる「交差電極」または「交差機構」電流路を考える必要もある。チャネル電極５および５’を含む回路とリザーバ電極３０および３０’を含む回路から形成される回路との間の絶縁も必要である。この問題は、本発明の装置などの、小規模装置においてより重大である。
【００４１】
これは、電子機器を通る共通のＤＣまたはＡＣ接続がない、または低いことを電気的に保証することによって行うことができる。これは、図４ａおよび４ｂに例示されており、上半分では、電圧制御用の回路５４の近くに電気絶縁装置８０として、下半分では、電気伝導率検出用の回路５５の近くに電気絶縁装置８０’として示す。
【００４２】
リザーバ電極３０から３０’’’は、電気経路６０から６０’’’によって電圧制御および電流検知デバイス５４に接続される。ウェル電極５および５’は、電気経路６５および６５’を通じて電気伝導率検出およびセル制御デバイス５５に接続される。
【００４３】
図４ａでは、電圧制御および電流検知デバイス５４は、電気絶縁装置８０を通じてメインボードに接続される。図４ｂでは、電気伝導率検出およびセル制御デバイス５５は、絶縁装置８０’を通じてメインボード４３に接続される。電気絶縁装置８０および８０’の目的は、さまざまな電極同士を互いに絶縁することである。電気絶縁装置８０および８０’は、図４ａおよび４ｂ内では例示的な位置に示されているが、これらは他の位置に置くこともできることに留意されたい。複数の電気絶縁装置８０および８０’を含めることができることにも留意されたい。一般に、低キャパシタンスの電気絶縁装置８２は、電極３０から３０’’’および５から５’’と組み合わせて電圧制御回路５４と電気伝導率検出回路５５との間に実現されなければならないと言うことができる。
【００４４】
電気絶縁装置８０および８０’は、図５ａから５ｄに示されているようなさまざまな構成を取りうる。図５ａでは、２つの電気経路９０および９１のそれぞれの入力が、キャパシタ９５および９５ａによって２つの電気経路９０’および９１’の出力から絶縁されている。同様に、図５ｂでは、２つの電気経路９０および９１のそれぞれの入力が、インダクタ９６によって２つの電気経路９０’および９１’の出力から絶縁されている。図５ｃでは、インダクタ９７は、中央タップ９２、９２’を有している。図５ｄでは、圧電素子９８により、電気経路９０および９１の入力を電気経路９０’および９１’の出力から絶縁する。
【００４５】
絶縁装置８０および８１は、キャピラリ電気泳動回路とＩＣＣＤ回路との間のＤＣ電流を実質的に低減する効果を有する。起きる可能性のあるさらなる問題の１つは、キャピラリ電気泳動回路とＩＣＣＤ回路との間のＡＣ電流の存在である。これは、電気絶縁装置８０および８０’使用しても低減することができる。
【００４６】
キャパシタンス８２の低減は、装置でＤＣおよびＡＣ効果を低減するうえで有利であることに留意されたい。チャネル１２内のイオンを正確に測定できるようにするために、１００ｐＦ未満、例えば２０ｐＦのキャパシタンスが最適であると考えられる。
【００４７】
図６は、ディスプレイ６９を備える測定デバイスの一例を示している。幅１６’’は、一般に、５０ｃｍ未満であり、例示的な一実施形態では、１０ｃｍである。高さ１６’’’は、１０ｃｍ未満であり、例示的な一実施形態では、５ｃｍである。深さ１６’は、５０ｃｍ未満であり、例示的な一実施形態では、２０ｃｍである。
【００４８】
本発明のさらなる実施形態が図７に示されており、そこでは、エクスパンション・チャンバ１０４が開口部１００’および相互接続部１０１を通じて入口１００’のところでマイクロチャネル１９の部分１９に接続される。相互接続部１０１は、チャネル１２の断面より小さい断面を有することに留意されたい。使用する空間が最小となるように相互接続部は長く、前後に曲がっていることにさらに留意されたい。これは、チャネル１２および他のリザーバに関してエクスパンション・チャンバ１０４への相互接続部１０１の空力抗力を増大するために有用である。
【００４９】
エクスパンション・チャンバ１０４には、電解液１１などの流体１０２が充填される。流体１０２の内側に、気泡１０３が存在する。気泡１０３は、好ましくは、不活性ガス、例えば、ヘリウム、アルゴンなどの気体からなる。
【００５０】
気泡１０３が入っているエクスパンション・チャンバ１０４では、チップを破壊することなく温度差によりマイクロチャネル１２内の流体が膨張収縮を行うことができる。数度の温度差、例えば、５０度の温度差も、この方法で対処できる。これは、装置の効率的な動作を行うことができるようにするために必要である。例えば、マイクロチャネル１２内の流体が、チップから流体が漏出するほど膨張した場合、冷却後に、マイクロチャネル１２はもはや流体が完全に充填されず、その結果、測定結果が変化する。エクスパンション・チャンバ１０４は、リザーバ８から８’’およびチャネル１２の容積と比較してかなりの容積を有する、そのため、発生する気泡１０３が温度差に抵抗し、漏出を防ぐことができることに留意されたい。
【００５１】
気泡１０３は、試料デバイス９から空気を排出し、次いで、エクスパンション・チャンバ１０４内に漏出する不活性ガスをマイクロチャネル１２に追加することによって発生する。次いで、試料デバイス９の排気を再度行い、流体を試料デバイス９に入れる。次いで、試料デバイス９を大気圧にすると、流体が試料デバイス９内に入る。エクスパンション・チャンバ１０４内にガスが残留しているため、気泡１０３が生じる。他の方法では、気泡１０３は、水の電気分解によって形成されうる。これは、もちろん、エクスパンション・チャンバ１０４内に電極が存在していることを必要とする。エクスパンション・チャンバ１０４の排出量が、気泡１０２の形成を左右する。相互接続部１０１の空力抗力が高ければ高いほど、例えば、ガスはチャネル１２に比べてエクスパンション・チャンバ１０４からゆっくりと漏出することを意味する。このことは、チャネル１２から実質的にガスを排出することが可能であるが、それでもエクスパンション・チャンバ１０４内にガスが一部残留することを意味する。試料デバイスに流体を充填したとき、エクスパンション・チャンバ１０４内に残る残留ガスは気泡を形成する。
【００５２】
エクスパンション・チャンバ１０４の使用は、説明されている試料デバイス９に比べて実質的に大きいことに留意されたい。例えば、エクスパンション・チャンバ１０４を他のマイクロ流体デバイス内で使用し、マイクロ流体デバイスのマイクロチャネル内に組み込まれる流体の膨張／収縮を補償することができる。
【００５３】
試料電気伝導率は、他の試料システム１２０を使用して測定することもできる。図８では、この試料システム１２０の典型的な態様が示されている。本発明のこの態様では、試料入口１１２は、チャネル平滑化部１１３と試料チャネル１１１とによって試料リザーバ１１０に接続されて実装される。試料リザーバ１１０は、典型的には、外気に開かれている。本発明のこの態様に関して、典型的には、チャネル・システム１２への直接的な接続はない。
【００５４】
試料システム１２０は、典型的には、使用前に乾燥している。試料１０を表面頂部上に施した後に試料システム１２０を充填することは、試料入口１１２およびチャネル平滑化部１１３を通して達成される。これにより、気泡の形成を阻止し、電極４および４’の周りの試料チャネル１１１の適切な充填を行うようにできる。充填は、例えば、試料リザーバ１１０内を外気に開くことによって可能となる動圧によって達成される。
【００５５】
充填されたチャネル・システム１２と併用するので、試料システム１２０の正しい充填が行われるよう注意する必要がある。試料システム１２０は、生産時に、電解液１１が充填される。電解液１１は、試料システム１２０から取り除かれなければならない。この取り除く作業は、電解液１１を空気に曝して乾燥させるために使用される、開口の試料リザーバ１１０を通じて行われる。この態様では、電解液１１を蒸発させるときに試料システム１２０内に沈降が生じないよう注意を払う必要があるが、それは、これが後からの試料充填に影響を及ぼすからである。蒸発室１１５は、蒸発チャネル１１６によって試料システム１２０に接続されて実装される。蒸発チャネル１１６の入口は試料入口１１２の近くに配置される。蒸発室１１５は、典型的には、密閉された室である。蒸発室１１５および蒸発チャネル１１６により、電解液１１の蒸発は、蒸発室１１５で終わり、したがって、種の沈殿が、試料チャネル・システム１２０の内側ではなく蒸発室の内側で発生する。
【００５６】
試料採取チャネル・システム１２０、蒸発チャネル１１６、および蒸発室１１５の使用は、図１ａ〜１ｃに開示されている試料デバイス９で使用するのと比べて実質的に大きな用途であることに留意されたい。例えば、蒸発チャネル１１６および蒸発室１１５を備える試料採取室１２０を他のマイクロ流体デバイス内で使用し、例えば試料電気伝導率および血漿電気伝導率を測定することができる。例として、ヘモグロビン濃度の測定が挙げられる。
【００５７】
以上、本発明を、いくつかの実施形態に関して説明した。しかし、本発明がそれに限定されないことは当業者にとっては明らかなことであろう。むしろ、本発明の範囲は、以下の請求項と併せて解釈されるべきである。
【図１】
2014160095.tif 000003
【図２】
2014160095.tif 000004
【図３】
2014160095.tif 000005
【図４】
2014160095.tif 000006
【図５】
2014160095.tif 000007
【図６】
2014160095.tif 000008
【図７】
2014160095.tif 000009
【図８】
2014160095.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成26年7月1日(2014.7.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が充填された閉鎖マイクロ流体チャネル・システムと、
流体が充填され、その中に気泡を有するエクスパンション・チャンバと、
前記エクスパンション・チャンバを前記閉鎖マイクロ流体チャネル・システムに流体的に接続するための相互接続部と、
を備える装置。
【請求項２】
前記相互接続部は、前記マイクロ流体チャネルに比べて実質的に高い流体抵抗を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記気泡は不活性ガスを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記閉鎖マイクロ流体チャネル・システムは、装置の上面に接続する部分を備え、該部分は、前記閉鎖マイクロ流体チャネル・システムに試料流体を導入するために、前記上面に少なくとも１つの開口部を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記相互接続部の入口は前記開口部に近い位置にある、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記相互接続部は、前記マイクロ流体チャネルの断面よりも小さい断面を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記相互接続部は、前記マイクロ流体チャネルの入口と前記エクスパンション・チャンバとの間で、長く、前後に曲がっている、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
マイクロ流体チャネル・システムをエクスパンション・チャンバと相互接続することにより、前記エクスパンション・チャンバを前記マイクロ流体チャネルと流体的に接続させる工程と、
マイクロ流体チャネルを流体で充填する工程と、
前記エクスパンション・チャンバを流体で少なくとも部分的に充填する工程と、
前記エクスパンション・チャンバ内に存在する流体に気泡を形成する工程と、
前記チャネル・システムを閉じることにより、閉鎖マイクロ流体チャネル・システムを得る工程と、
を含む、装置の製作方法。
【請求項９】
前記気泡を形成する工程は、
試料デバイスから気体を部分的に排出する工程と、
前記試料デバイスを流体で覆う工程と、
前記試料デバイスを大気圧にすることにより、前記流体で前記試料デバイスを部分的に充填させる工程と、
残留ガスを集めることにより、前記気泡を形成させる工程と、
を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記エクスパンション・チャンバ内に漏出する不活性ガスを前記マイクロ流体チャネルに追加する工程を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
試料デバイスから不活性ガスを部分的に排出する工程を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記気体が空気である、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
前記気泡を形成する工程は、水の電気分解の工程を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
開口した未充填のマイクロ流体チャネルと、
前記開口した未充填のマイクロ流体チャネルのところに配置された少なくとも２つの電極と、
試料開口部と、
開いている試料リザーバと、
閉鎖蒸発室と、
を備える装置。
【請求項１５】
チャネル平滑化部が、前記試料開口部と前記開口した未充填のマイクロ流体チャネルとの間に配置されてなる、請求項１４に記載の装置。