(57)【要約】【課題】  ＥＷＯＤ方式の化学分析装置に用いる混合装置において、異なる種類の液滴の混合を促進する。【解決手段】  化学分析装置用の混合装置では、表面に共通電極が配置された第１の基板と、表面に駆動電極列２２が配置された第２の電極とを、電極面を内側に互いにほぼ平行に配置している。駆動電極列を構成する電極２３１〜２３３の少なくとも１個に空白領域２４１〜４３を形成する。空白領域が形成された電極２３１〜２３３に、異なる２種の液滴１２１、１２２を供給可能にした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に共通電極が配置された第１の基板と、表面に駆動電極列が配置された第２の電極とを、電極面を内側に互いにほぼ平行に配置したＥＷＯＤ方式の化学分析装置が備える混合装置において、前記駆動電極列を構成する電極の少なくとも１個に空白領域を形成し、この空白領域が形成された電極に異なる２種の液滴を供給可能にしたことを特徴とする混合装置。
【請求項２】
前記駆動電極列は多数の矩形状の電極を有し、この矩形状の電極を互いにわずかな隙間を置いて配置したことを特徴とする請求項１に記載の混合装置。
【請求項３】
前記駆動電極列を構成する電極に形成した空白領域は、電極の配列方向に長い長孔形状であることを特徴とする請求項２に記載の混合装置。
【請求項４】
前記駆動電極列を構成する電極に形成した空白領域は、電極の配列方向に斜めのスリット形状であり、隣り合う電極で斜めの方向を互いに変えていることを特徴とする請求項２に記載の混合装置。
【請求項５】
前記駆動電極列を構成する電極に形成した空白領域は、複数の円孔形状であることを特徴とする請求項２に記載の混合装置。
【請求項６】
２枚の平板と、この２枚の平板のそれぞれの対向する表面に形成した電極列と、この電極列の表面上に形成した絶縁体膜と、前記電極列間に電圧を印加する電圧印加手段と、前記電極列を構成する複数の電極の中から前記電圧印加手段が印加する電極を制御する制御手段とを有し、前記電極列を構成する電極の少なくとも１個の電極は空白領域を有し、この空白領域を有する電極に異なる２種の液滴を供給可能にしたことを特徴とする化学分析装置用の混合装置。
【請求項７】
前記空白領域は、前記電極の内部に形成されていることを特徴とする請求項６に記載の混合装置。
【請求項８】
前記空白領域は、前記電極の外周側の領域に連通することを特徴とする請求項６に記載の混合装置。
【請求項９】
前記空白領域は、液滴の移動方向に延びる形状であることを特徴とする請求項６ないし８のいずれか１項に記載の混合装置。
【請求項１０】
前記空白領域は、液滴の移動方向とは異なる方向に延びる形状であることを特徴とする請求項６ないし８のいずれか１項に記載の混合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学成分を分析する分析装置に係り、特にその分析装置が備える混合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の化学分析装置に用いるＥＷＯＤ（Electrowetting on Dielectric）方式の液滴移送装置の例が、特許文献１に記載されている。この公報に記載の液滴移送装置では、液滴を挟持する２枚の面の一方にだけ電極を配置し、その面上を液滴が移送される。この場合、電極が配置された面と平行に他方の面を配置し、液滴を挟持する。そして面に埋め込まれたまたは含まれる電極が、定められた手順に従って連続的に電圧の印加または停止を繰り返すことにより、ＥＷＯＤ方式による液滴移送が実行される。この公報に記載の方法によれば、種々の液滴移送方法が可能であり、例えば、２つの液滴の結合や混合、複数の液滴への分離、連続的な液のサンプリングが可能になっている。
【０００３】
液滴移送の他の例が、非特許文献１に記載されている。この文献には、μＴＡＳ（マイクロ・トータル・アナリシス）を実行するときに必要なデジタル・マイクロ流体回路を構成するために、不可欠な流体の４種の変化形態が開示されている。それらは、（１）液滴の生成、（２）液滴の移送、（３）液滴の分離、（４）液滴の結合である。これらすべてを、ＥＷＯＤで実行するために、液滴を挟持する並行平板間距離を液滴材料に応じて規定している。
【０００４】
さらに、液滴の混合について、非特許文献２、３に混合モデルが開示されている。これらの文献では、矩形状に形成された電極上を液滴が進行する際に、液滴の進行方向に対して左右両側の部分は進行方向（電極の駆動方向）に進もうとするのに対し、液滴の中心部分が進行方向と逆に進もうとすることが記載されている。
【０００５】
【特許文献１】国際公開２００４／０３０８２０号パンフレット
【非特許文献１】Chuo et al, “Creating, Transporting, Cutting, and Merging Liquid Droplets by Electrowetting-Based Actuation for Digital Microfluidic Circuits”, JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS, VOL. 12, NO. 1, pp70-80, FEBRUARY 2003
【非特許文献２】Paik, et al, “Rapid droplet mixers for digital microfluidic systems”, Lab on a Chip 2003, vol.3, pp. 253-259., The royal Society of Chemistry 2003
【非特許文献３】Fowler, et al, “Enhancement of Mixing by Droplet-Based Microfluidics”, Proc. of IEEE Conf. MEMS, Las Vegas, NV, Jan. 2002, pp. 97-100.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１および非特許文献1に記載のＥＷＯＤ方式による液滴移送装置では、並行平板内に設けた電極列上で液滴を移動させるので、液の移動にポンプなどの機械要素を必要とせず、機構が簡素化する。しかしながらＥＷＯＤ方式では、対向する基板間、つまり電極間の隙間が狭く、１μＬ程度の液滴で混合に数秒を要する。そのため、反応の時間経過を計測する酵素に関連する分析や、短時間で混合を要求される化学発光分析などへの適用が困難であった。
【０００７】
本発明は、上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、ＥＷＯＤ方式を用いた化学分析装置において、液滴の混合を促進することにある。本発明の他の目的は、サンプル液滴と試薬液滴が混合した後に、化学分析装置の洗浄等を不要にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明の特徴は、表面に共通電極が配置された第１の基板と、表面に駆動電極列が配置された第２の電極とを電極面を内側に互いにほぼ平行に配置したＥＷＯＤ方式の化学分析装置が備える混合装置において、駆動電極列を構成する電極の少なくとも１個に空白領域を形成し、この空白領域が形成された電極に異なる２種の液滴を供給可能にしたものである。
【０００９】
そしてこの特徴において、駆動電極列は多数の矩形状の電極を有し、この矩形状の電極を互いにわずかな隙間を置いて配置するのがよく、さらに、駆動電極列を構成する電極に形成した空白領域は、電極の配列方向に長い長孔形状、電極の配列方向に斜めのスリット形状であり、隣り合う電極で斜めの方向を互いに変えたもの、または複数の円孔形状のいずれかであることが望ましい。
【００１０】
上記目的を達成する本発明の他の特徴は、化学分析装置用の混合装置が、２枚の平板と、この２枚の平板のそれぞれの対向する表面に形成した電極列と、この電極列の表面上に形成した絶縁体膜と、前記電極列間に電圧を印加する電圧印加手段と、前記電極列を構成する複数の電極の中から前記電圧印加手段が印加する電極を制御する制御手段とを有し、前記電極列を構成する電極の少なくとも１個の電極は空白領域を有し、この空白領域を有する電極に異なる２種の液滴を供給可能にしたものである。
【００１１】
そしてこの特徴において、空白領域は、電極の内部に形成されている、電極の外周側の領域に連通する、液滴の移動方向に延びる形状である、液滴の移動方向とは異なる方向に延びる形状であるのいずれかであることが望ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、混合装置の電極を表面の周縁部にのみ設け、表面中間部を非電極領域にしたので、この非電極領域で液滴が変形し、異なる２液滴の混合が促進される。また、平行に配置した基板の対向する面を、サンプル液滴や試薬液滴に混じらない物質で覆ったので、混合後の洗浄が不要になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図２に、本発明に係る化学分析装置１００の一実施例の主要部を、斜視図で示す。本化学分析装置１００は、ＥＷＯＤ方式の医用自動分析装置である。ＥＷＯＤ方式では、矩形状の下部電極基板２１にほぼ平行に上部電極基板２３を配置し、下部電極基板２１と上部電極基板２３の間にわずかな隙間を形成する。そして、この隙間に導入した液滴を、電極列２１１、２１５〜２１７を駆動して移動させ、各種分析を実行する。下部電極基板２１には、矩形状の電極からなる駆動電極列２１１、２１５〜２１７が形成されている。下部電極基板２１及び上部電極基板２３は、分析デバイス２を構成する。
【００１４】
分析対象のサンプル１１を収容するサンプル収容部１５は、複数のサンプルカップ１０を有している。サンプルカップ１０は、円板状のホルダ１の外周付近に保持される。サンプルカップ１０内には、サンプル１１が収容されている。サンプル１１は、たとえば血清である。
【００１５】
サンプルホルダ１を回転駆動して、サンプル収容部１５の近傍に設けた回転ロッド３８２とアーム３８１を有するサンプル分注部１６に、分析対象のサンプル１１が含まれたサンプルカップ１０を位置決めする。アーム３８１の先端には、ノズル３１が取り付けられており、回転ロッド３８２の回転と上下動とにより、ノズル３１がサンプルカップ１０内に入り、ノズル３１に接続した図示しないポンプによりサンプル１１を吸引する。
【００１６】
サンプル１１を吸引し終えたら、回転ロッド３８２を回転させて、サンプル分注用電極２１５１上にノズル３１を位置決めし、サンプル１１を基板２１、２３間の隙間に分注する。サンプルを１回の分析に必要な量よりも多くノズル３１から吸引したとき等のために、サンプル１１注入用の電極２１５１からまっすぐに延びる搬送用の駆動電極列２１５と、この搬送用の駆動電極列２１５にほぼ平行に設けた保管用の駆動電極列２１６とが下部電極基板２１に形成されている。
【００１７】
矩形状の下部電極基板２１の一辺に沿って複数の密閉型の試薬タンク４２が配置されている。各試薬タンク４２の上部には、バルブ４４が取り付けられており、下部にはノズル４３が取り付けられている。ノズル４３は、試薬４５搬送用の駆動電極列２１７付近に位置決めされている。ノズル４３から分注されて液滴４５１となった試薬４５は、駆動電極列２１７上を移動して、電極２６１に到達する。
【００１８】
一方、ノズル３１から分注されたサンプル１１の液滴は、駆動電極列２１１上を移動して、これも電極２６１上に到達する。これら２種の液滴は、電極２６１部で混合し、混合液滴４５２となって、図示しない検査部に送られる。検査部で所定の計測及び分析をした後、混合液滴４５１は排出部から廃棄される。なお、下部電極基板２１は、スペーサ２２２により複数の部分に区画され、各区画には同一の駆動電極パターンが形成されている。これにより、１対の電極基板２１、２３を使いながら、複数個のサンプルの計測及び分析が可能になる。スペーサは、電極基板２１、２３間の隙間を、所定隙間に保持するのにも使用される。また、各駆動電極列２１１、２１５〜２１７を構成する各電極には、図示しない電源から、電圧が個別に選択的に印加可能になっている。
【００１９】
このように構成した分析デバイス２の詳細を、図４に、縦断面で示す。上述したように、分析デバイス２は、２枚の光を透過する石英やガラスなどの電極基板２１、２３を有する。上側の電極基板２３には共通電極２１４が設けられており、下側の電極基板２１には、液滴駆動用の駆動電極列２１１が設けられている。駆動電極列２１１側には、絶縁薄膜としてParylen（商品名）やＳｉＯ２などの誘電体薄膜２１２を、ＣＶＤなどで形成する。この誘電体薄膜２１２の上にさらに撥水性を向上させるために、AF1601（商品名）などのフッ素系の撥水膜２１３をコーティングする。共通電極２１４側には、撥水膜２１３のみコーティングする。
【００２０】
本実施例の化学分析装置１００は、水などの誘電率の高い物質を主成分とする、たとえば血清のような液滴１２を取り扱う。この場合、液滴１２が接する駆動電極２１１１に隣り合う駆動電極２１１２に正の電圧を印加すると、液滴１２の一部がこの駆動電極２１１２上にあれば、隣の駆動電極２１１２上の液滴１２の接触角が減少する。そして、駆動電極２１１２側に液滴１２が引っ張られ、最終的に駆動電極２１１２上に液滴１２が移動する。
【００２１】
この過程を、順次隣り合う駆動電極２１１３、…で繰り返すと、液滴１２は図で左方にどんどん移動する。すなわち、液滴１２を移動させるには、各電極２１１１、２１１２、…のＯＮ／ＯＦＦを切り換えればよい。ここで、駆動電極２１１及び共通電極２１４の表面を、液滴１２の流れを円滑にするとともに、液滴１２に含まれる成分により分析デバイス２の内部が汚染されるのを防止するために、水と混じらないシリコンオイルなどのオイルで覆う。
【００２２】
上述したように非特許文献１及び２には、２種の液滴１２１，１２２を進行方向に並べて配置して液滴１２を形成すると、液滴１２１，１２２の進行方向に向かって左右両端部にある液滴部分は進行方向に向かうものの、液滴内部の中央付近に進行方向と逆の流れが生じることが記載されている。この現象により、進行方向前側に配置した液滴１２１の中央部が、液滴１２２の中央部に入り込み、液滴１２２が液滴１２１の外側を覆う。その結果、液滴１２１と液滴１２２の界面が２倍程度に増える。さらに、液滴１２の進行方向を直角に変えると、界面も直角方向に形成され、さらに界面が倍増する。液滴１２の進行方向が屈曲した回数をＮとすれば、Ｎ回の屈曲により２のＮ乗の界面が形成される。それとともに、界面間の距離が１／２Ｎになり、拡散により混合が促進され、混合時間が短縮される。
【００２３】
そこで本発明では、界面の増加が混合の促進に関連する点に着目し、電極１個分だけ液滴１２を移動させたときに２倍を越えた界面を形成すれば、液滴１２の進行方向を変えるだけで、指数関数的に界面が増加するから、攪拌効率が促進される。そこで、本実施例では、図１に示す様に電極列２２を構成した。すなわち、電極列２２を構成する電極２３０、…の少なくとも１個の電極内に、電極ではない空白領域を形成する。
【００２４】
各電極２３１〜２３３の中央部に、液滴１２の進行方向に延びる長穴状の空白領域２４１〜２４３を形成した。電極２３１〜２３３に電圧を印加しても、空白領域２４１〜２４３では濡れ性が変化しない。したがって、液滴１２ａの進行方向先端部は電圧により進行方向に引かれず、進行が遅れ、図1に示すように窪みを生じる。そして中央部を境に、液滴１２ａの流れが分裂し、最終的に液滴１２ｂが形成される。このように、液滴１２が１単位進行すると、液滴１２には４倍の界面が形成される。
【００２５】
液滴１２が電極列を通過する際に遭遇する屈曲部の回数と、この屈曲部を経過した結果生じた界面数の関係を、図３に示す。この図３から明らかなように、本実施例の電極構造とすると、液滴の流路が屈曲すれば界面数が指数関数的に増加するとともにその指数関数の底が４であるから、混合時間を大幅に短縮できる。
【００２６】
例えば図２に示すように、直線状の電極列２１１の途中に、四角枠形の電極ループ２１０を形成する。液滴１２は、電極列２１１の一方からこの電極ループ２１０に進入し、四角枠を１回転して電極列２１１の反対側に進行する。この場合、液滴１２は電極ループ２１０で４回屈曲する。液滴が４回屈曲すると、従来は界面数が１６になるが、本実施例では６４倍の１０２４個の界面が形成される。その結果、従来に比較して電極ループ２１０を経過後の混合時間を、１／６４にできる。なお、本実施例では空白領域を進行方向に延びる長穴形状としたが、空白領域を空洞にしてもよいし、電極２１１の外縁に接続する形状としてもよい。
【００２７】
四角枠形の電極ループ２６を有する電極列２０９の詳細を、図５に上面図で示す。電極列２０９は右方に延びる電極列２５２、下方に延びる電極列２５１、左方に延びる電極列２５３および電極ループ２１０とから構成されている。右方に延びる電極列２５２を移動してきた液滴１２３と、下方に延びる電極列２５１を移動してきた液滴１２４とが、電極ループ２６を構成する電極２６１で一緒になる。
【００２８】
ここで、右方に延びる電極列２５２は、電極ループ２６の下辺を構成する電極列の中心よりも上側に中心を持つように偏心配置されている。また、下方に延びる電極列２５１は、電極ループ２６の右辺を構成する電極列の中心よりも左側に中心を持つように偏心配置されている。これにより、右方に延びる電極２５２を移動してきた液滴１２３は電極２６１の上半分に、下方に延びる電極２５１を移動してきた液滴１２４は電極２６１の下半分に、それぞれ容易に位置できる。そして電極２６１で合体して、液滴１２５となる。この合体した液滴１２５を電極ループ２６に沿って回転させ、元の電極２６１位置まで戻す。必要に応じてこの電極ループ２６上の回転を繰り返す。
【００２９】
電極２６１で合体した液滴１２５は、電極ループ２６を所定回数だけ回転移動した後、左方に延びる電極列２５３から、分析位置等に送られる。または、電極ループ２６内に留まり、この電極ループ２６に隣り合う図示しない検出器を用いて所定の検査や測定をした後に、外部に排出される。
【００３０】
本実施例によれば、電極ループ上の電極に空白領域を形成したので、液滴内部の流れがさらに分割され、混合の効率が向上する。なお、本実施例では、電極ループ２６を構成する電極２６１で、合体液滴１２５を生成している。しかしながら、電極ループ２６を構成する電極とは別に液滴合体用の電極を設け、その電極上で電極列２５１、２５２からそれぞれ供給された液滴１２３，１２４を合体させ、その後、電極ループを構成する電極２６１まで合体液滴１２５を移動させてもよい。また、空白領域を各電極あたり１箇所だけ形成したが、ここの数は電極あたり２個以上あってもよい。
【００３１】
本発明に係る化学分析装置に用いる混合装置の他の実施例を、図６に上面図で示す。上記実施例では、各電極に形成した空白領域を、液滴の進行方向に延びる長穴形状としていた。本実施例では、各電極２７１〜２７３において合体液滴１２５の進行方向に対して斜めに空白領域を形成している。そして斜めの方向を、隣り合う電極２７１、２７２；２７２、２７３とで異ならせている。
【００３２】
具体的には、液滴１２５の進行方向に対して４５°になるように空白領域を形成した。また、隣り合う電極２７１、２７２；２７２、２７３間では、空白領域のなす角度を相対的にほぼ９０°とした。上方に延びる電極列２５０を移動してきた液滴１２３と、下方に延びる電極列２５１から移動してきた液滴１２４が、合体用電極２７に至る。この合体用電極２７で合体した液滴１２５は、電極列２７を構成する電極２７１、２７２、２７３を順に移動し、空白領域の無い電極２８に導かれる。この空白領域が形成されていない電極２８で、液滴１２５を停止させる。その後、電極２７３〜２７１の順に電圧を印加して、液滴１２５進行方向を右向きに変化させる。
【００３３】
このとき、隣り合う電極２７１、２７２；２７２、２７３の空白領域の方向がほぼ直交しているので、液滴１２５内の流れは９０°方向を変える。これにより液滴１２５を直進させるにもかかわらず、液滴１２５が屈曲したのと同じ混合効果が得られる。本実施例によれば、電極列を直線状にしても液滴を混合でき、電極の数を低減でき、分析デバイスを小型化できる。
【００３４】
図７に、本発明に係る化学分析装置に用いる混合装置のさらに他の実施例を、上面図で示す。上記各実施例では電極に長穴状の空白領域を形成しているが、本実施例では、多数の円孔２４５を１個の電極に形成している。電極列２７を構成する各電極２７４〜２７７に、多数の円孔２４５を形成したので、液滴１２５内に流れの擾乱が引き起こされる。それとともに、円孔２４５には電圧が印加されないので、液滴１２５中のイオンが引き寄せられない。したがって、円孔１２５が杭の様な作用をしてイオンはこの円孔１２５を避けて流れる。これにより、イオンの攪拌効果が生じ、結果的に液滴１２５内の物質の混合効率が向上する。空白領域の形状やサイズ、配置は上記各実施例に記載のものには限らず、攪拌機能が生じるものであれば、本発明に含まれる。また、上記実施例では上側の基板に共通電極を、下側の基板に駆動電極を形成したが、電極の配置はその逆でも、本実施例と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係る混合装置における液滴混合を説明する図。
【図２】本発明に係る化学分析装置の一実施例の斜視図。
【図３】混合装置における液滴混合を説明する図。
【図４】本発明に係る混合装置の一実施例の縦断面図。
【図５】本発明に係る混合装置の一実施例の上面図。
【図６】本発明に係る混合装置の他の実施例の上面図。
【図７】本発明に係る混合装置のさらに他の実施例の上面図。
【符号の説明】
【００３６】
１２…液滴、１３…界面、２１…下部電極基板、２３…上部電極基板、２６…電極ループ、２７…電極、２３１…電極、２４１…空白領域。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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