(57)【要約】【課題】遠心操作により血球血漿分離、血漿、較正液の搬送を行うことができ、較正液をセンサから確実に排出し高精度の分析を可能にする。血球血漿分離時の強い遠心力によるセンサ損傷を防止する。【解決手段】基板の下端側に血球血漿分離部、上端側には血球血漿分離部と連通するセンサ部、センサ部下方に較正液溜め、上方に較正液廃液溜めを配設する。第１の遠心軸を血球血漿分離部の血球分画収容部より上方で血漿分画収容部上端よりも下方に位置させ、第２の遠心軸をセンサ部の内部または近接した位置にする。較正液の搬送・排出はセンサ部から離れた第１の遠心軸を中心に低回転で遠心することにより、センサに印加される遠心力を小さくできる。血球分離のための高回転の遠心操作では、第２の遠心軸を中心に遠心することによりセンサ部に印加される遠心力を小さくできる。【選択図】      図４
2006052949.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
遠心により全血試料の血漿分離を行い、血液液性成分中の被検成分を分析する血液分析装置において：
(a) 基板の下端側に配設された血球・血漿分離部であって、遠心力を作用させたときに血球分画を沈澱させて収容する血球分画収容部と、血球分画収容部の上方に位置して血漿を収容する血漿分画収容部とを備えた血球・血漿分離部と；
(b) 基板の上端側に配設されたセンサ部であって、被検成分を分析するセンサを収容したセンサ溝を有するセンサ部と；
(c) 血球・血漿分離部とセンサ部とを連通する血漿案内流路と；
(d) 血球・血漿分離部に全血試料を導入する血液導入口と；
(e) センサを較正する較正液を収容する較正液溜めと；
(f) センサ較正後の較正液を収容する較正液廃液溜めと；
(g) 較正液溜めとセンサ溝とを連通する較正液導入流路と；
(h) センサ溝と較正液廃液溜めとを連通する較正液排出流路と：
を備え；
血球分画収容部よりも上方あり、血漿分画収容部上端よりも下方に位置する第１の遠心軸を中心に遠心可能とされる一方；
血球・血漿分離部よりもセンサ部の内部または近接した位置にある第２の遠心軸を中心に遠心可能とされ；
前記較正液溜めは前記センサ部の下方であって前記第１の遠心軸の上方に位置し、前記較正液廃液溜めは前記センサ部の上方に位置することを特徴とする血液分析装置。
【請求項２】
前記血球・血漿分離部はＵ字状流路で形成され、Ｕ字状流路下端の湾曲部に前記血球分画収容部が設けられ、その上部が血漿分画収容部とされていることを特徴とする請求項１の血液分析装置。
【請求項３】
前記血球分画収容部は、Ｕ字状流路最下部から下方に突出して形成され、その容積がＵ字状流路に導入される全血試料中の血球分画量よりも大であることを特徴とする請求項２の血液分析装置。
【請求項４】
前記血液導入口が、血漿分画収容部よりも上方で前記Ｕ字状流路の側壁に設けられていることを特徴とする請求項２の血液分析装置。
【請求項５】
前記Ｕ字状流路には、これと連通する空気抜き流路が設けられていることを特徴とする請求項２の血液分析装置。
【請求項６】
前記センサ部は、それぞれ異なる被検成分を分析するセンサを収容した複数のセンサ溝を有することを特徴とする請求項１〜５の血液分析装置。
【請求項７】
前記複数のセンサ溝は、前記第２の遠心軸を中心にした円周上に配置されていることを特徴とする請求項６の血液分析装置。
【請求項８】
血漿導入口と血球・血漿分離部と血漿案内流路とセンサ溝とが、それぞれ親水化処理されていることを特徴とする請求項１〜７の血液分析装置。
【請求項９】
較正液溜めと較正液廃液溜めと較正液導入流路と較正液排出流路とが、それぞれ親水化処理されていることを特徴とする請求項８の血液分析装置。
【請求項１０】
前記較正液排出流路がキャピラリバルブであることを特徴とする請求項１〜９の血液分析装置。
【請求項１１】
前記センサは電気化学的センサであることを特徴とする請求項１〜１０の血液分析装置。
【請求項１２】
前記血液導入口には、採血された血液を収納した採血機構を取付可能とされていることを特徴とする請求項１〜１１の血液分析装置。
【請求項１３】
以下のステップからなる血液分析方法：
(1) 基板の下端側に配設された血球・血漿分離部であって、遠心力を作用させたときに血球分画を沈澱させて収容する血球分画収容部と、血球分画収容部の上方に位置して血漿を収容する血漿分画収容部とを備えた血球・血漿分離部と；基板の上端側に配設され被検成分を分析するセンサを収容したセンサ溝を有するセンサ部と；血球・血漿分離部とセンサ部とを連通する血漿案内流路と；血球・血漿分離部に全血試料を導入する血液導入口と；センサを較正する較正液を収容する較正液溜めと；センサ較正後の較正液を収容する較正液廃液溜めと；較正液溜めとセンサ溝とを連通する較正液導入流路と；センサ溝と較正液廃液溜めとを連通する較正液排出流路とを備えた血液分析装置を用意し；
(2) 血球分画収容部よりも上方にあり血漿分画収容部上端よりも下方に位置する第１の遠心中心軸を中心に血液分析装置を遠心して、較正液溜め内の較正液をセンサ溝に導入し；
(3) 前記センサの較正を行い；
(4) 前期第１の遠心軸を中心に血液分析装置を遠心して、センサ溝内の較正液を較正液溜めに排出し；
(5) 前記血球・血漿分離部に全血試料を導入して、血球・血漿分離部よりもセンサ部に近い位置にある第２の遠心軸を中心にして血液分析装置を遠心することにより、血球・血漿分離部内で血球・血漿分離を行わせて血球分画を血球分画収容部に沈澱させ；
(6) 前記第１の遠心軸を中心にして血液分析装置を遠心することにより、血漿分画収容部内で分画された血漿をセンサ溝に搬送し；
(7) センサ溝内の血漿中の液性成分の分析をセンサにより行う。
【請求項１４】
ステップ(2)、(4)、(6)において行う遠心で前記センサに印加される重力加速度は500Ｇ以下であることを特徴とする請求項１３の血液分析方法。
【請求項１５】
ステップ(5)において行う遠心で血球・血漿分離部に印加される重力加速度は1000Ｇ以上であり、前記センサに印加される重力加速度は500Ｇ以下であることを特徴とする請求項１３の血液分析方法。
【請求項１６】
以下のステップからなる血液分析方法：
(1) 基板の下端側に配設された血球・血漿分離部であって、遠心力を作用させたときに血球分画を沈澱させて収容する血球分画収容部と、血球分画収容部の上方に位置して血漿を収容する血漿分画収容部と、この血漿分画収容部と連通する空気抜き流路とを備えた血球・血漿分離部と；基板の上端側に配設され被検成分を分析するセンサを収容したセンサ溝を有するセンサ部と；血球・血漿分離部とセンサ部とを連通する血漿案内流路と；血球・血漿分離部に全血試料を導入する血液導入口と；センサを較正する較正液を収容する較正液溜めと；センサ較正後の較正液を収容する較正液廃液溜めと；較正液溜めとセンサ溝とを連通する較正液導入流路と；センサ溝と較正液廃液溜めとを連通する較正液排出流路とを備えた血液分析装置を用意し；
(2) 血球分画収容部よりも上方にあり血漿分画収容部上端よりも下方に位置する第１の遠心中心軸を中心に血液分析装置を遠心して、較正液溜め内の較正液をセンサ溝に導入し；
(3) 前記センサの較正を行い；
(4) 前期第１の遠心軸を中心に血液分析装置を遠心して、センサ溝内の較正液を較正液溜めに排出し；
(5) 前記血球・血漿分離部に全血試料を導入して、血球・血漿分離部よりもセンサ部に近い位置にある第２の遠心軸を中心にして血液分析装置を遠心することにより、血球・血漿分離部内で血球・血漿分離を行わせて血球分画を血球分画収容部に沈澱させ；
(6) 前記空気抜き流路から外気を加圧導入することにより、血漿分画収容部内に分画された血漿をセンサ溝に搬送し；
(7) センサ溝内の血漿中の液性成分の分析をセンサにより行う。
【請求項１７】
ステップ(2)、(4)において行う遠心で前記センサに印加される重力加速度は500Ｇ以下であることを特徴とする請求項１６の血液分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、石英板や高分子樹脂板などの絶縁材基板に作製した超小型の溝流路によって構成された血液分析装置に関する。特に、当該基板上の溝流路に微量（数μＬ以下）の血液を導入して遠心分離を行い、血球成分と血漿成分に分離した後に当該血漿成分中の種々の化学物質濃度を測定する際に、分析センサの較正液や血液等の液体の搬送を遠心力により行うための流路と基板構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の健康診断や疾病状態の診断は、患者から数ｃｃの多量の血液を採取し、その分析に大規模な自動血液分析装置で得た測定値より行われてきた。通常、このような自動分析装置は、病院などの医療機関に設置されており、規模が大きく、また、その操作は専門の資格を有するものに限られるものであった。
【０００３】
しかし、近年、極度に進歩した半導体装置作製に用いられる微細加工技術を応用し、たかだか数mmから数cm四方の基板上に種々のセンサなどの分析装置を配置して、そこに被験者の血液などの体液を導き、被験者の健康状態を瞬時に把握することができる新しいデバイスの開発とその実用化の気運が高まってきている。このような安価なデバイスの出現により、来たるべき高齢化社会において高齢者の日々の健康管理を在宅で可能にすることなどで増加の一途を辿る健康保険給付金の圧縮を図れる。また救急医療の現場においては被験者の感染症（肝炎、後天性免疫不全症など）の有無などを、本デバイスを用いて迅速に判断できれば適切な対応ができるなど、種々の社会的な効果が期待されるために非常に注目されつつある技術分野である。このように従来の自動分析装置に代わって、血液分析を各家庭で自らの手で実施することを目指した小型簡便な血液分析方法ならびに血液分析装置が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２５８８６８号公報
【０００５】
図１は、特許文献１に記載されたマイクロモジュール化された血液分析装置の一例を示す。符号１０１は血液分析装置の下側基板であり、下側基板上にエッチングにより形成した微細な溝流路（マイクロキャピラリ）１０２が設けられている。この下側基板１０１の上には、略同一サイズの上側基板（不図示）が張り合わされ、溝流路１０２を外部から密閉している。
【０００６】
流路１０２には、最上流部から最下流部にかけて、血液採取手段１０３，血漿分離手段１０４，分析手段１０５，移動手段１０６が順次設けられている。流路最前部の血液採取手段１０３には、中空の採血針１０３ａが取り付けられ、この針１０３ａを体内に刺して基板内への血液の取り入れ口とする。分離手段１０４は、流路１０２の途中を湾曲させたもので例えばＵ字形状のマイクロキャピラリからなる。採取した血液をこのＵ字形状のマイクロキャピラリに導いた後、本基板を遠心分離器により一定方向に加速度を加えることによって、Ｕ字部最下部に血球成分を沈殿させ、上清として血漿を分離する。分析手段１０５は、血液中のｐＨ値、酸素、二酸化炭素、ナトリウム、カリウム、カルシウム、グルコース、乳酸などの各濃度を測定するためのセンサである。
【０００７】
流路最下流部に位置する移動手段１０６は、マイクロキャピラリ中で血液を電気浸透流により移動させるものであり、電極１０７、１０８と、その間をつなぐ流路部分１０９からなる。この電極間に電圧印加して生じる電気浸透流により流路内に予め満たしておいた緩衝液を流路下流側に移動させ、生じる吸引力によって流路１０２最前部の採取手段１０３から基板内に血液を取り入れる。また、遠心分離により得られた血漿を分析手段１０５に導く。
【０００８】
１１０は分析手段から情報を取り出すための出力手段であり、電極などから構成される。１１１は、以上の採取手段、血漿分離手段、分析手段、移動手段、出力手段を必要に応じて制御するための制御手段である。
【０００９】
採取手段１０３より採取された血液は、分離手段１０４にて血漿と血球成分に分離され、この血漿を分析手段１０５に導き、そこで血漿中のｐＨ値、酸素、二酸化炭素、ナトリウム、カリウム、カルシウム、グルコース、尿素窒素、クレアチニン、乳酸などの各濃度を測定する。各手段間の血液の移動は、電気泳動や電気浸透などの現象を用いたものなどポンプ能力を有する移動手段１０６により行う。なお、図１では流路１０２の下流域は５つに分岐し、このそれぞれに分析手段１０５，移動手段１０６が設けられている。
【００１０】
このような血液分析装置の基板には石英などのガラス材料が用いられることが多かったが、装置を大量にまた低コストで製作するのにより適し、また使い捨ての際の廃棄を考慮して近年樹脂素材が用いられるようになってきている。
【００１１】
図１に示した従来の血液分析装置では、血液試料を装置内に導入するときに電気浸透ポンプ１０６のような移動手段が必要である。導入した血液を基板ごと遠心分離して血漿を得た後は、この血漿を分析手段１０５に移動させるため電気浸透ポンプ１０６を再度作動させることが必要となる。また、分析手段が特に電気化学的原理に基づき構成されるセンサである場合には、このセンサを予め較正液を用いて較正する必要がある。すなわち、血漿をセンサに導く前にこのセンサを較正液に浸してセンサの較正を行い、較正後の較正液を分析手段から排出しなければならない。このような較正液の移送にもポンプなどの移動手段が必要となる。
【００１２】
移動手段は、図１のように同一基板内に設けた電気浸透ポンプや、あるいは基板外の設置した負圧ポンプなどを用いることが考えられ、これらの移動手段により血液や血漿、および較正液などを圧送または吸引して移動させることになる。このとき所望の液体を血液分析装置内の所望の位置まで移動させるためには移動手段の吸引力等を的確に制御する必要がある。このためには、液体の位置センサを新たに血液分析装置内またはその外部に設置しなければならず、これらの制御機構や位置センサを付加するために装置が高価になるという問題があった。
【００１３】
分析手段が電気化学的原理に基づき構成されるセンサである場合には、既知濃度の被検成分を含有する較正液（標準液）でセンサを較正した後、この較正液を分析手段から排出しなければならない。しかし、較正液を排出しても、分析手段や流路手段の表面には、表面の濡れ性に応じて若干較正液が残留する。前述したように今対象としている血液分析装置は数マイクロリットル程度の微量血液中に存在する種々の化学物質の濃度を分析するために、流路手段などの装置を構成する手段のサイズは小さくなっている。一般に物体の大きさが小さくなるとその表面積（Ｓ）と体積（Ｖ）の比Ｓ／Ｖは大きくなり、これは表面の効果が顕著に現れてくることを意味している。従って、流路手段や分析手段表面に残留する較正液の量が僅かであっても、導入される血漿量が少ない分析装置では、測定される化学物質濃度に変動を及ぼすという問題があった。このためには較正後の較正液を確実に分析手段より排出してから血漿を分析手段へと導入することが必要である。
【００１４】
本発明者らは、このような事情に鑑み、遠心操作により流路内で血漿分離を行う血液分析装置であって、ポンプなどを用いることなく装置内で血液、血漿、較正液の搬送を行うことができ、さらに較正液をセンサ部分から確実に排出することにより高精度の分析を可能にする血液分析装置を提案している（例えば、特許文献２参照)）。
【００１５】
【特許文献２】特願２００３−０４０４８１
【００１６】
図２は、特許文献２（未公開）に記載された血液分析装置の一例を示す。符号２０１は流路が形成された上側基板であり、２０２にはセンサ電極２０３やセンサ信号を外部に取り出す電極端子２０４が形成された下側基板である。上側基板２０１には採血針２０５が取り付けられ、採取された血液は案内流路２０６を介して血液溜め２０７に吸引・圧送口２０８から外部ポンプ（不図示）によって移動させる。流路２０９と流路２１０はこの上側基板２０１の側壁の設けられた開口孔２１１、２１２にそれぞれ接続されているが、血液を吸引するときは血液分析基板を取り付けるホルダー（不図示）によって開口孔２１１、２１２は閉じられる。同様に、較正液溜め２１３は、吸引・圧送口２０８か注入された較正液を収容する。
【００１７】
この既提案の血液分析装置基板の動作の一例を次に述べる。まず、第１の遠心力中心軸２１４を中心として血液分析装置基板を遠心すると、較正液溜め２１３中の較正液は、案内流路２１５、２１６を経由して、複数のセンサ２０３を収容した複数のセンサ溝２１７に搬入される。センサ２０３の較正後、血液分析装置基板を時計方向に９０度回して遠心機に載置する。すなわち、図２上の左側に位置する第２の遠心力中心軸２１８を中心として基板を遠心すると、センサ溝２１７を満たしている較正液は案内流路２１６、２１９を経由して較正液廃液溜め２２０に収容される。
【００１８】
この後、血液分析装置基板を反時計方向に９０度回し戻して遠心機に載置する。すなわち、第１の遠心力中心軸２１４を中心として基板を遠心すると、血液溜め２０７から血液が案内流路２２１を経由してセンサ溝２１７に搬送される。この状態で遠心力を掛け続けると、血液中の血球成分は重力の印加される方向、即ちセンサ溝２１７の下方に分画され、血漿成分はセンサ溝２１７の上方に上清として分離される。その領域にセンサ群２０３が配置されているので、血液中のｐＨ値、酸素、二酸化炭素、ナトリウム、カリウム、カルシウム、グルコース、乳酸などの各濃度が各センサに接続した複数の電極端子２０４を介して外部の計測器によって測定される。
【００１９】
この既提案の血液分析装置は異なる２方向への遠心操作を可能にしたものであり、第１の遠心方向への遠心操作により較正液溜め内の較正液をセンサ部へ搬送し、センサ較正後には、第２の遠心方向に遠心することにより、センサ部から較正液を確実に排出できるようにしたものである。較正液排出後は、第１の遠心方向に遠心することにより、血液溜め内の血液をセンサ部に搬送すると共に、血球と血漿に分離することができる。
【００２０】
然るに、これらの利点を有しながらも、遠心力を用いる故に短時間に血液分析を行うためには無視できない問題が判明した。
【００２１】
血液分析装置チップによる測定時間は極力短いことが大切であることは云うまでも無い。この血液分析装置においては、遠心中心軸からチップ中心までの距離は５ｃｍであり、通常、較正液の注入や排出に要する時間は３０００ｒｐｍ以下の低遠心力のもとでも一秒程度である。しかし、血液中の血球と血漿を数秒〜数分で分離するには血球分離領域において少なくとも４０００ｒｐｍ以上の遠心力を必要とする。図１０は、このときの回転数(rpm)と加速度（Ｇ）の関係を示したもので、３０００ｒｐｍでは５００Ｇの重力加速度、４０００ｒｐｍでは１０００Ｇの重力加速度を印加したことに相当する。
【００２２】
血球・血漿分離時の遠心操作によって、センサの出力が低下することが判明した。例えば、較正液（137ｍＭナトリウムイオン含有）をナトリウムイオンセンサで測定したときの出力電圧を見ると、図３に示すように遠心回転数（ｒｐｍ）により影響を受けていた。回転数３０００ｒｐｍ程度までは、センサ出力は約２００ｍＶの安定した値を示すが、それ以上の回転数では、センサ出力が減少傾向を示すと共に、値の分散が増大した。本測定では、１０００ｒｐｍまでは約２００ｍＶの安定した値を示すセンサを各回転実験に対して用意して置き、それを用いた。特に示さないがカリウムイオン測定でも同傾向が見出された。
【００２３】
ナトリウムイオン濃度測定センサでは、ナトリウムイオンを捕獲するイオン感応膜のBis(12-crown-4)と、その感応膜中に血漿中のアニオン(陰イオン)が侵入することを防止する役目を果たすアニオン排除剤をＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）に混ぜ、これをカーボン電極上に固定化してセンサとしている。その際、ナトリウムイオンが感応膜中に取り込み易くするため、大量の可塑剤をＰＶＣに混ぜる。センサ１個当たりの重量から、7000ｒｐｍ時の遠心力を見積もると、センサにかかる力はピコニュートン程度である。しかし、この高回転数でのセンサ出力の低下の原因は、このイオン感応膜などを含有した可塑剤入りＰＶＣ膜が、強い遠心力によってカーボン電極上で変形し、ＰＶＣ膜の一部がカーボン電極から剥れ、水が浸入したためではないかと推察している。膜の組成を変えて膜を硬化し膜のカーボン電極への固定化を強化することも考えられるが、膜を硬化することは本来の電気化学的センサの特性を失うことになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、遠心操作により血漿分離を行う血液分析装置であって、ポンプなどを用いることなく装置内で血漿、較正液の搬送を行うことができ、較正液をセンサ部分から確実に排出し、さらに血漿分離時の遠心操作によってセンサが損傷を受けることが無くより高精度の分析を可能にする血液分析装置を提供することを第１の目的とする。
【００２５】
また本発明は、遠心操作により血漿分離を行う血液分析装置を使用する際に、遠心操作だけで装置内で血漿、較正液の搬送を行うことができ、較正液をセンサ部分から確実に排出すると共に、血漿分離時の遠心操作によってセンサが損傷を受けることが無くより高精度の分析を可能にする血液分析方法を提供することを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明によれば、第１の目的は、遠心により全血試料の血漿分離を行い、血液液性成分中の被検成分を分析する血液分析装置において：
(a) 基板の下端側に配設された血球・血漿分離部であって、遠心力を作用させたときに血球分画を沈澱させて収容する血球分画収容部と、血球分画収容部の上方に位置して血漿を収容する血漿分画収容部とを備えた血球・血漿分離部と；
(b) 基板の上端側に配設されたセンサ部であって、被検成分を分析するセンサを収容したセンサ溝を有するセンサ部と；
(c) 血球・血漿分離部とセンサ部とを連通する血漿案内流路と；
(d) 血球・血漿分離部に全血試料を導入する血液導入口と；
(e) センサを較正する較正液を収容する較正液溜めと；
(f) センサ較正後の較正液を収容する較正液廃液溜めと；
(g) 較正液溜めとセンサ溝とを連通する較正液導入流路と；
(h) センサ溝と較正液廃液溜めとを連通する較正液排出流路とを備え；
【００２７】
血球分画収容部よりも上方で血漿分画収容部上端よりも下方に位置する第１の遠心軸を中心に遠心可能とされる一方；血球・血漿分離部よりもセンサ部の内部または近接した位置にある第２の遠心軸を中心に遠心可能とされ；前記較正液溜めは前記センサ部の下方であって前記第１の遠心軸の上方に位置し、前記較正液廃液溜めは前記センサ部の上方に位置することを特徴とする血液分析装置、により達成される。
【００２８】
すなわち、本発明の血液分析装置は、異なる２つの遠心軸を中心に遠心可能としたものであり、較正液の搬送・廃液はセンサ部から離れた第１の遠心軸を中心にして、遠心半径は大きくなるものの低回転で遠心することにより、センサに印加される重力加速度を小さくできるようにしたものである。一方血球分離のための大きな重力加速度を与える遠心操作では、センサ部に印加される重力加速度が小さくなるように、このときの遠心軸（第２の遠心軸）をセンサ部の内部または近接位置にすることにより、血球・血漿分離部に大きな重力加速度かかかる遠心でも、センサ部には大きな重力加速度が印加されないようにした。これによりセンサに過大な遠心力がかかって損傷することを防止できる。
【００２９】
ここで血球・血漿分離部をＵ字状流路で形成し、その最下端の湾曲部に血球分画収容部を設け、その上部を血漿分画収容部とするのが好ましい態様である。血球分画収容部はＵ字状流路最下端から下方に突出するようにして設けてもよく、その場合には、その容積をＵ字状流路に導入される全血試料中の血球分画量よりも大とするのが好ましい。血液導入口は、血漿分画収容部よりも上方でＵ字状流路側壁に設けることが出来る。
【００３０】
また、Ｕ字状流路には、Ｕ字状流路最下端までに全血試料が円滑に導入するようにするため空気抜き流路を設けるのが好ましく、この空気抜き流路がＵ字状流路最下端と連通しているのがもっとも好ましい態様である。
【００３１】
センサ部に複数のセンサ溝を設けて、各センサ溝に異なる被検成分を分析するための複数のセンサを収容してもよい。この場合、センサ溝を円周上に配置して、その中心を第２の遠心軸とすれば、すなわち第２の遠心軸を中心に放射状に配列すれば、第２の遠心軸を中心にした遠心操作により血球・血漿分離を行う際にはセンサと遠心中心との距離が最も短くなりセンサに負荷される重力加速度を最小にすることができる。
【００３２】
血液導入口には、既に採血された血液を収納した採血機構を血液導入口に取付可能としてもよい。血漿導入口や血球・血漿分離部を親水化処理しておくことにより血液試料の導入、血漿の搬送を円滑に行うことができる。同様に、血漿案内流路、センサ溝、さらに較正液溜め、較正液廃液溜め、較正液導入流路及び較正液排出流路をそれぞれ親水化処理しておけば、較正液搬送、血漿の搬送より円滑になる。
【００３３】
本発明の第２の目的は、以下のステップからなる血液分析方法：
(1) 基板の下端側に配設された血球・血漿分離部であって、遠心力を作用させたときに血球分画を沈澱させて収容する血球分画収容部と、血球分画収容部の上方に位置して血漿を収容する血漿分画収容部とを備えた血球・血漿分離部と；基板の上端側に配設され被検成分を分析するセンサを収容したセンサ溝を有するセンサ部と；血球・血漿分離部とセンサ部とを連通する血漿案内流路と；血球・血漿分離部に全血試料を導入する血液導入口と；センサを較正する較正液を収容する較正液溜めと；センサ較正後の較正液を収容する較正液廃液溜めと；較正液溜めとセンサ溝とを連通する較正液導入流路と；センサ溝と較正液廃液溜めとを連通する較正液排出流路とを備えた血液分析装置を用意し；
(2) 血球分画収容部よりも上方にあり血漿分画収容部上端よりも下方に位置する第１の遠心中心軸を中心に血液分析装置を遠心して、較正液溜め内の較正液をセンサ溝に導入し；
(3) 前記センサの較正を行い；
(4) 前記第１の遠心軸を中心に血液分析装置を遠心して、センサ溝内の較正液を較正液溜めに排出し；
(5) 前記血球・血漿分離部に全血試料を導入して、血球・血漿分離部よりもセンサ部に近い位置にある第２の遠心軸を中心にして血液分析装置を遠心することにより、血球・血漿分離部内で血球・血漿分離を行わせて血球分画を血球分画収容部に沈澱させ；
(6) 前記第１の遠心中心軸を中心にして血液分析装置を遠心することにより、血漿分画収容部内で分画された血漿をセンサ溝に搬送し；
(7) センサ溝内の血漿中の液性成分の分析をセンサにより行う;
により達成される。
【００３４】
第１の遠心軸を中心にする遠心を行うステップ(2)の較正液導入工程、ステップ(4)の較正液排出工程及びステップ(6)の血漿搬送工程では、センサに印加される重力加速度が500Ｇ以下であることが好ましい。また、第１の遠心軸を中心にする遠心を行うステップ(5)の血球・血漿分離工程では、血漿分離部に印加される重力加速度が1000Ｇ以上にする一方、センサに印加される重力加速度を500Ｇ以下にすることが好ましい。
【００３５】
なお、血液分析装置の血漿分画収容部に空気抜き流路を設けてある場合には、ステップ(6)の血漿搬送工程では、遠心操作を行わずに、この空気抜き流路から外気を加圧導入して血漿をセンサ部に搬送するようにしてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
図４は本発明の一実施態様による血液分析装置の平面模式図である。符号１０は図上縦長に形成した血液分析装置の基板であり、流路形成された基板とセンサ電極や配線を形成したに基板とを重ね合わせたものであり、図では内部流路構造を示す。上下基板は例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）やポリカーボネート（ＰＣ）などの樹脂で作られる。基板１０内部には、その下端側にＵ字状流路からなる血球・血漿分離部１２が配設され、その最下端の湾曲部には、血球分画収容部としての血球溜め１４が設けられる。血球溜め１４の上部は遠心時に血漿が上清として分画される血漿分画収容部１６となる。１５は血球溜め（血球分画収容部）１４内に沈澱した血球が、基板取扱時に、逆流するのを防止するための逆流止めである。図４は血球・血漿分離操作後の状態を示し、血球溜め１４内の黒く塗り潰した部分は分画された血球を示す。血漿分画収容部の斜線部は分画された血漿を示す。
【００３７】
Ｕ字状流路１２側壁には血漿分画収容部１６より上部に全血試料を導入する血液導入口１８が設けられ、ここに採血血液を収納した採血機構２０が装着可能となっている。採血機構２０はステンレス無痛針２２と、その補強用ステンレス管２４，採血後の血液を収納する一次血液溜め２６とが一体に成形され、センサ較正作業を終えた基板１０の血液導入口１６に挿入される。２８はＵ字状流路最下端と連通する空気抜き流路であり、血液導入口２０から全血試料が導入されるのを円滑にする。
【００３８】
第１の遠心軸Ｃ１は、血球分画収容部１４の上方であって、血漿分画収容部１６上端よりも下方に位置する。この遠心軸Ｃ１より上方にある血漿分画が遠心操作により、後述のセンサ部３０に搬送される。従って、この第１の遠心軸Ｃ１の位置は搬送する血漿分画量に応じて定められる。
【００３９】
センサ部３０は基板１０上端側に配設され、第２の遠心軸Ｃ２を中心に放射状に配設された複数のセンサ溝３２を有する。各センサ溝３２内にはそれぞれセンサ３４が収容され、その各センサの出力はそれぞれの配線３６を介して基板外部に露出した各電極端子３８に導かれる。センサ３４は、例えば銀/塩化銀、カーボンなどの電極、および銀/塩化銀の参照電極から構成されている。配線３６（一部のみ図示）は例えば銀含有カーボン製であり、外部電極３８は例えば銀製である。これらの銀/塩化銀、カーボン電極、銀/塩化銀の参照電極、銀含有カーボン配線、銀電極などは例えばスクリーン印刷で形成される。
【００４０】
４０はＵ字状流路１２の上部を集合してセンサ部３０に連通する血漿案内流路であり、血球・血漿分離操作後に血漿分画収容部１６に分画された血漿をセンサ部３０に搬送する。４２はセンサを較正するための較正液を収容した較正液溜めであり、センサ部３０とは較正液導入流路４４により連通されている。較正液溜め４２はセンサ部３０よりも下方に位置し、第１の遠心軸Ｃ１よりも上方に位置する。従って、第１の遠心軸Ｃ１を中心に基板１０を遠心すると較正液溜め４２内の較正液はセンサ部３０に搬送される。
【００４１】
センサ部３０の上方には較正液廃液溜め４６が設けられ、センサ部３０とは較正液排出流路４８（後述するキャピラリバルブ）を介して連通している。なお図４では、較正液廃液溜め４６がセンサ部３０を囲むように配設されているが、少なくともセンサ部３０よりも上方部分の容積が、ここに排出される較正液量よりも大きい容積であればよい。なお、５０，５２は空気抜き流路である。
【００４２】
本実施態様では、センサ部３０内のセンサ溝３２を放射状に配列したが、図５に示すように、第２の遠心軸Ｃ２を中心にセンサ溝３２Ａを横に並べてセンサ部３０Ａを形成してもよい。また図６に示すようにセンサ部３０Ｂの外壁を矩形上にして、その内部にセンサ溝３２Ｂを放射状に配列してもよい。図４，５，６では、第２の遠心軸Ｃ２をセンサ部３０，３０Ａ，３０Ｂの内部に配置したが、これはセンサに印加される重力加速度ができるだけ小さくするのに便宜な配置であるからである。第２の遠心軸Ｃ２は、必ずしもセンサ部３０内部にを配置しなくても、センサ部３０に近接した位置であれば、センサに印加される重力加速度を小さくすることができる。
【００４３】
この血液分析装置の使用方法を図７Ａ〜７Ｃにより説明する。まず血液分析の前にセンサの較正を行う。図７Ａに示すように、血液分析装置の基板１０を回転器６０の上に直径方向に設けられた案内溝６２の中に入れ上方に載置して、回転器６０の回転軸Ｃ０の位置に基板１０の第１の遠心軸Ｃ１が一致するように固定する。この状態で基板１０を遠心すると、較正液溜め４２内の較正液がセンサ部３０に搬送される。その際、センサ部３０内の空気は空気抜き流路５２から排気される。このときの遠心の回転数は、較正液がキャピラリバルブ４８を通過してしまわない程度の回転数で行う。遠心を止めて、回転器６０の上で各センサの較正が行われる。
【００４４】
センサの較正を行った後にセンサ溝３２の較正液を排出する。センサ較正後、基板１０の位置をそのままにして、再度回転器６０を回転し基板１０を遠心し、センサ部３０内の較正液を較正液廃液溜め４６に排出する。この遠心操作により、センサ上を覆っている較正液を除去することができ、残留較正液による分析値の誤差が生じることが無くなる。なお、この較正液排出工程では、較正液がキャピラリバルブ４８を通過するように、先に行った較正液搬送工程での遠心よりも高回転で行う。但し、その場合でもセンサが遠心力により損傷しない程度の重力加速度とするのが好ましく、センサ部３０に印加される遠心力は５００Ｇ以下とすることが好ましい。
【００４５】
次に、全血試料の導入と血球・血漿分離を遠心操作により行う。基板１０の血液導入口１８に採血機構２０を挿入し、この状態の基板１０を案内溝６２内で下方に移動し、第２の遠心軸Ｃ２が回転器６０の回転軸Ｃ０の位置に一致するように固定する（図７Ｂ）。この状態で基板１０を遠心すると、全血試料がＵ字状流路１２内に搬送され、さらに血漿と血球に分離される。血球分画は血球溜め１４に、血漿分画は、Ｕ字状流路１２の上部（血漿分画収容部１６）に上清として分画される。このときの遠心操作は、血球を完全に分離するために行うためのものであり、Ｕ字状流路最下部に１０００Ｇ以上の遠心力が印加されるようにするのが好ましい。
【００４６】
血球分離後、基板１０を再度案内溝６２内の上方に移動し、第１の遠心軸Ｃ１が回転器６０の回転軸Ｃ０の位置に一致するように固定する（図７Ｃ）。この状態で基板１０を遠心すると、図７Ｃに示された遠心軸Ｃ０，Ｃ１より上方にある血漿は、遠心力によりセンサ部３０に搬送される。血球溜め１４は遠心軸Ｃ０，Ｃ１より下方にあり、ここに分画された血球がセンサ部３０に移行することはない。このときの遠心操作は、センサが損傷しない程度の重力加速度とするのが好ましく、センサ部３０に印加される遠心力は５００Ｇ以下とすることが好ましい。最後に、血漿中の各被検成分を各センサにより計測する。
【００４７】
本実施態様の重要な点は、較正液の導入工程で用いる遠心軸と、較正液の排出工程で用い遠心軸が、いずれも第１の遠心軸Ｃ１である点である（図７Ａ）。較正液を較正液溜め４２からセンサ部３０に導入する場合には、センサ部３０に搬送された較正液がさらに較正液廃液溜めに移行しないようにしなければならない。すなわち、較正液導入工程で用いる比較的弱い遠心力と較正液導入流路４４の流路径とキャピラリバルブ（較正液排出流路）４８の流路径を見積り、さらに較正後の較正液をキャピラリバルブ４８を介して較正液廃液溜め４６に搬送させる比較的強い遠心力の見積もりが必要である。
【００４８】
キャピラリバルブに関しては、Nam-Trung Nguyen とSteven T. Wereleyの著作による「Fundamentals and Applications of Microfludics」(発行所:Artech House (Boston・London) 2002)の315ページに述べられている。図８に示すように、細管に溶液が遠心中心から半径Ｒ1と半径Ｒ2の間に存在し、溶液が細管から吐出する時の溶液の細管に対する接触角をθ、表面張力をγ、細管の半径をＲ、溶液の密度をρとすると、遠心力によって溶液が細管から突出しようとする最小の回転数ｆｍの間には以下の関係にある。
【００４９】
ｆｍ2 ≧ γcosθ／Ｒ・ρ・π2・(Ｒ2−Ｒ1)(Ｒ2＋Ｒ1)
図９に示すように、第１遠心軸Ｃ１と第２遠心軸Ｃ２の距離を５ｃｍとし、較正液溜め４２から流路を経てセンサを収容する溝までの流路（すなわち較正液導入流路４４）の流路長(Ｒ2−Ｒ1)を１ｃｍとし、第１の遠心軸Ｃ１から較正液溜め４２のセンサ部３０側端部までの距離(Ｒ1)を３．５ｃｍとする。25℃の水の表面張力（γ）は72×10-3[N/m]であり、基板１０の材料としてポリエチレンテレフタレート樹脂を用いた場合、水との接触角θは80度である。水の密度（ρ）は１×103[kg/m3]である。これらの値を用いると、最小回転数（ｆｍ）を１００ｒｐｍとしても、較正液排出流路４４の直径（２Ｒ）は約３μｍ以上で十分である。すなわち、較正導入流路は流路長１ｃｍの場合、直径を３μｍ以上とすれば、第１遠心軸Ｃ１を中心とする１００ｒｐｍの遠心により、較正液溜め４２からセンサ部３０への較正液搬送が可能である。
【００５０】
一方、キャピラリバルブ４８の流路長(Ｒ2−Ｒ1)を０．５ｃｍ、直径（２Ｒ）を１００μｍ程度に形成すれば、ｆｍが約１０００ｒｐｍ以上の時にセンサ部（センサ溝）の較正液は廃液溜め４６に流れ込む。ここでセンサに印加される重力加速度は、センサまでの遠心半径が約５．５ｃｍであるので、図１０から約６０Ｇである。実際、このような流路寸法で製作した血液分析装置基板では較正液と血漿の流れが共に正常に動作した。
【００５１】
この血液分析基板の利点は、センサが第２遠心軸Ｃ２から約５ｍｍ程度離れて放射上の位置に配置されている点である。第１の遠心軸Ｃ１からの距離約５ｃｍに較べ１／１０の距離である。第１遠心軸Ｃ１を中心にして遠心した場合に較べ、第２遠心軸Ｃ２を中心に遠心した場合には、１／１０程度の遠心力しか受けない。従って、図７Ｂに示す血球分離工程での遠心操作で、第２遠心軸を中心に７０００ｒｐｍで遠心しても、センサにはいかなる損傷が見られなかった。
【００５２】
また、血漿搬送工程では、図７Ｃに示すように、血球溜め１４は遠心軸Ｃ０（第１の遠心軸Ｃ１）を挟んで血漿案内流路４０の反対側に位置し、血球が血漿案内流路４０に逆流することなく血漿のみをセンサ部に搬送することができた。なお、本実施態様では、血球分離後の血漿搬送のため基板１０を図７Ａの位置から図７Ｃの位置に移動したが、血球分離後、空気抜き流路２８の空気抜き孔２８ａから空気を入れて加圧すれば、血漿を血漿案内流路４０、センサ部３０に搬送することができる（図４参照）。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
以上のように、本発明の血液分析装置は異なる２つの遠心軸を中心に遠心可能としたものであり、較正液のセンサ溝への搬入、及びその排出、血球分離と血漿のセンサ部への導入をポンプを一切使わずに遠心力で行うことが可能である。従来のような負圧ポンプを使用する必要が無くなり、安価・簡便な血液分析装置を実現できる。較正液の搬送・廃液はセンサ部から離れた第１の遠心軸を中心にして低回転で遠心することにより、センサに印加される重力加速度を小さくできる。一方血球分離のための大きな重力加速度を与える遠心操作では、第２の遠心軸を中心に遠心することによりセンサ部に印加される重力加速度が小さくできる。従って、多層で異種成分からなるセンサが、血球分離時の強い遠心力によって損傷を受けることがなくなり、より高精度な分析が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】従来のマイクロモジュール化された血液分析装置の一例を示す概念図である。
【図２】発明者らが提案した血液分析装置（未公知）の全体斜視図である。
【図３】較正液（137ｍＭナトリウムイオン含有）をナトリウムイオンセンサで測定したときの出力電圧が遠心回転数（ｒｐｍ）により変化するのを示す図である。
【図４】本発明の一実施態様による血液分析装置の模式平面図である。
【図５】センサ溝の他の配設例を示す模式図である。
【図６】センサ溝のさらに他の配設例を示す模式図である。
【図７Ａ】本発明の血液分析方法の一実施態様において、較正液導入工程、較正液排出工程における回転器上の血液分析装置の状態の示す図である。
【図７Ｂ】同じく、血球・血漿分離工程における回転器上の血液分析装置の状態の示す図である。
【図７Ｃ】同じく、血漿搬送工程における回転器上の血液分析装置の状態の示す図である。
【図８】細管から溶液が遠心力で吐出する時の回転数を求めるためのパラメータを示す図である。
【図９】本発明の血液分析装置において、遠心力による較正液を導入するための回転数と、キャピラリバルブを介して較正液を排出するための回転数を算出するための諸パラメータを示す図である。
【図１０】半径50mmの回転体を回転したときに生じる重力加速度(G)と回転数(rpm)との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０  血液分析装置（基板）
１２  Ｕ字状流路（血球・血漿分離部）
１４  血球溜め（血球分画収容部）
１６  血漿分画収容部
１８  血液導入口
２０  採血機構
２８  空気抜き流路
３０、３０Ａ、３０Ｂ  センサ部
３２、３２Ａ、３２Ｂ  センサ溝
３４  センサ
３６  配線
３８  外部電極端子
４０  血漿案内流路
４２  較正液溜め
４４  較正液導入流路
４６  較正液廃液溜め
４８  キャピラリバルブ（較正液排出流路）
５０、５２  空気逃がし用流路
６０  回転器
６２  基板案内溝
Ｃ０  回転器の回転中心軸
Ｃ１  第１の遠心軸（遠心力中心）
Ｃ２  第２の遠心軸（遠心力中心）
【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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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