(57)【要約】【課題】コンパクトかつ動作精度の高い液体用分析測定システムを提供する。また、装置本体が試薬や検体試料によって汚染されることがなく、測定の正確さ、装置の保守性が高い液体用分析測定システムを提供する。【解決手段】センサを内蔵し、カートリッジ内部から外部への液体の移動なしに該液体を処理することができるカートリッジを装置本体に装填して用いる。装填にあたり、センサの設置された流路区間の送液方向が鉛直となり、装置本体からのアクセスが上方から行われる。【選択図】図１
2006162592.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カートリッジを装置本体に装填して動作させる液体の分析システムであって、
該カートリッジは、該液体を該カートリッジ内で処理するための流路系と、該流路系の一部分に設置されたセンサと、該センサからの信号を前記装置本体側へ出力するための信号出力部が設けられた天面と、を有し、
前記センサが設置された流路部分は、前記カートリッジが前記装置本体への装填時における鉛直方向への送液を可能とする方向に伸びており、かつ
前記装置本体は、前記天面に設けられた信号出力部に対向配置可能であり、該信号出力部からの信号を受けるための受信部を有する
ことを特徴とする分析システム。
【請求項２】
前記流路系における送液が、前記装置本体から供給される駆動力の伝達手段によって前記流路系内の液体に与えられる加圧または減圧に起因するものであり、該伝達手段がカートリッジ天面において接続される請求項１に記載の分析システム。
【請求項３】
前記伝達手段が送気管であり、前記装置本体に設けたポンプから圧力変化が気体層を介して前記カートリッジ内の液体へ伝達される請求項２に記載の分析システム。
【請求項４】
前記伝達手段が連接棒であり、前記装置本体に設けたモータの機械力をピストン機構を介して前記カートリッジ内の液体へ伝達することを特徴とする請求項２に記載の分析システム。
【請求項５】
前記伝達手段がピンチローラであり、前記装置本体に設けたモータの機械力が、柔軟な弾性体隔壁を介して前記カートリッジ内の液体へ伝達される請求項２に記載の分析システム。
【請求項６】
前記流路系が液体を貯留しておくための複数のタンクを有しており、これらのタンクは前記カートリッジの前記装置本体への装填時における鉛直方向に伸びて配置されている請求項１または２に記載の分析システム。
【請求項７】
前記送気管を接続する構造が、前記カートリッジに設けられた柔軟な弾性体隔壁により閉じられた開口に対して、該送気管の端部に設けた針状管を抜き差しする構造である請求項３に記載の分析システム。
【請求項８】
前記伝達手段の接続が複数あり、これらの接続箇所が互いに近接して配置されている請求項２に記載の分析システム。
【請求項９】
前記センサが光吸収、蛍光、発光のうち少なくともいずれか一つを測定する請求項１に記載の分析システム。
【請求項１０】
前記センサが光導波路である請求項９に記載の分析システム。
【請求項１１】
前記センサが電気的変化または電気的変化に変換された他の物理量変化を測定する請求項１に記載の分析システム。
【請求項１２】
前記センサの表面に前記液体中の特定の測定対象物と選択的に結合する物質が固定されている請求項１に記載の分析システム。
【請求項１３】
前記物質が、抗体、抗原、ＤＮＡ、ＲＮＡ、酵素、レセプター、糖鎖、配位子の少なくもいずれか一つである請求項１２に記載の分析システム。
【請求項１４】
前記カートリッジが、平板形状または直方体であり、最も広い面が前記天面と直交する面である請求項１に記載の分析システム。
【請求項１５】
前記カートリッジの複数を、それぞれ前記天面を前記検出部と対向する第１の方向に向け、且つ前記最も広い面を重ねるように配置する請求項１４に記載の分析システム。
【請求項１６】
前記カートリッジの複数個を装填するための前記装置本体に着脱可能なマガジンラックを有し、前記マガジンラックを前記カートリッジが並ぶ方向に水平に移動させる機構を有している請求項１に記載の分析システム。
【請求項１７】
前記マガジンラックが使用後のカートリッジを一括して自動的に排出する機構を有している請求項１６に記載の分析システム。
【請求項１８】
装置本体に装填して液体の分析を行うためのカートリッジであって、
該液体を該カートリッジ内のみで完結的に処理可能である流路系と、該流路系の一部分に設置されたセンサと、該センサからの信号を前記装置本体側へ出力するための信号出力部が設けられた天面と、を有し、
前記センサが設置された流路部分は、前記カートリッジが前記装置本体への装填時における鉛直方向への送液を可能とする方向に伸びている
ことを特徴とするカートリッジ。
【請求項１９】
前記流路系が液体を貯留しておくための複数のタンクを有しており、これらのタンクは前記カートリッジの前記装置本体への装填時における鉛直方向に伸びて配置されている請求項１８に記載のカートリッジ。
【請求項２０】
前記流路系の全部または一部が装填前に外気に接しないための、除去可能な隔壁またはシールを有する請求項１８に記載のカートリッジ。
【請求項２１】
前記タンクの一つが測定後の廃液を収容可能であり、カートリッジごと廃棄が可能である請求項１８に記載のカートリッジ。
【請求項２２】
前記タンク内に廃液の外部への流失を防止するために多孔性材料またはゲル化材料が予め封入してある請求項２１に記載のカートリッジ。
【請求項２３】
前記タンクの少なくとも一つにタンク内の液体を攪拌するための機構を有している請求項１８に記載のカートリッジ。
【請求項２４】
前記攪拌するための機構が、磁気攪拌子または振動素子である請求項２３に記載のカートリッジ。
【請求項２５】
前記センサが光吸収、蛍光、発光のうち少なくともいずれか一つを測定する請求項１８に記載のカートリッジ。
【請求項２６】
前記センサが光導波路である請求項２５に記載のカートリッジ。
【請求項２７】
前記センサが電気的変化または電気的変化に変換された他の物理量変化を測定する請求項１８に記載のカートリッジ。
【請求項２８】
前記センサの表面に検体中の特定の測定対象物と結合する物質が固定されている請求項１８に記載のカートリッジ。
【請求項２９】
前記物質が、抗体、抗原、ＤＮＡ、ＲＮＡ、酵素、レセプター、糖鎖、配位子の少なくもいずれか一つであるある請求項２６に記載のカートリッジ。
【請求項３０】
カートリッジを装置本体に装填して動作させる液体の分析システムであって、
該カートリッジは、該液体を該カートリッジ内で処理するための流路系と、該流路系の一部分に設置されたセンサと、該センサからの信号を前記装置本体側へ出力するための信号出力部と、前記液体の流れを制御するための駆動力を前記装置本体側から受けるための駆動力入力部と、を有し、
これらの信号出力部と駆動力入力部は前記カートリッジの同一面に設けられており、
前記装置本体は、前記側面に設けられた信号出力部に対向配置可能であり、該信号出力部からの信号を受けるための受信部と、前記側面に設けられた信号出力部に対向配置可能であり、前記駆動力入力部へ前記駆動力を付与するための駆動力伝達手段とを有する
ことを特徴とする分析システム。
【請求項３１】
前記流路系における送液が、前記装置本体から供給される駆動力の伝達手段によって前記流路系内の液体に与えられる加圧または減圧に起因するものであり、該伝達手段がカートリッジ天面において接続される請求項３０に記載の分析システム。
【請求項３２】
前記伝達手段の接続が複数あり、これらの接続箇所が互いに近接して配置されている請求項３０または３１に記載の分析システム。
【請求項３３】
装置本体に装填して液体の分析を行うためのカートリッジであって、
該カートリッジは、該液体を該カートリッジ内で処理するための流路系と、該流路系の一部分に設置されたセンサと、該センサからの信号を前記装置本体側へ出力するための信号出力部と、前記液体の流れを制御するための駆動力を前記装置本体側の伝達手段から受けるための駆動力入力部と、を有し、
これらの信号出力部と駆動力入力部は前記カートリッジの同一面に設けられている
ことを特徴とするカートリッジ。
【請求項３４】
前記流路系における送液が、前記装置本体から供給される駆動力の伝達手段によって前記流路系内の液体に与えられる加圧または減圧に起因するものであり、該伝達手段がカートリッジ天面において接続される請求項３３に記載のカートリッジ。
【請求項３５】
前記伝達手段の接続が複数あり、これらの接続箇所が互いに近接して配置されている請求項３３または３４に記載のカートリッジ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体中の特定対象物を検出するための分析システム及びそれに用いる分析対象、試薬を収容しておくカートリッジに関する。
【背景技術】
【０００２】
試料中の特定の対象物を、光学的手法や電気的手法によって検出することは様々な分野において行われる。光学的手法としては、光吸収、蛍光、発光などの検知による検出手法がある。電気的手法としては、アンペロメトリー、ボルタンメトリー、およびこれらに準じる電極法のほか、電界効果トランジスタ、水晶振動子といった電子部品をセンサとして利用する検出手法に関する試みも多い。
【０００３】
特定の対象物を定性的あるいは定量的に測定する装置では、試料をセンサに接触させるだけのものもある一方、複数段階の反応工程、洗浄工程、前処理工程などを併せて行う必要性に対してこれらの工程動作を自動的に行うものも多い。
【０００４】
特許文献１および２では、独特の形状の光ファイバーがセンサとして用いられ、送液流路が掘り込まれた中に該ファイバーを内蔵したカートリッジが提案されている。測定装置の一部をカートリッジ化することは、検体により汚染を被る部位を使い捨て可能とするために重要である。また、１回の測定に必要な分だけの試薬を供給するための手段としても重要であり、検体や複数の試薬を収容する槽を併せ持つカートリッジが多用される。特許文献３および４では前記のようなカートリッジを用いており、各槽の液体は本体側の機構によって輸送される。
【０００５】
近年では、送液流路、収容槽、反応槽などを一枚のスライドガラスのような板状成形体に一体に形成したものも多い。特許文献５では、複数のリザーバ（液溜め）とキャピラリ（流路）が掘り込まれた板面上に隔膜を介して空気圧送系が接続されるカートリッジが開示されている。特許文献６のマイクロチップでは、基板に形成された流路の一部がそれ自体光導波路となっていて、該流路部分に同軸となるように外部から光ファイバを接続して投受光を行っている。カートリッジ内に送液機構が内蔵されているものもあり、例えば、特許文献７のカートリッジでは、流路に設けた発熱素子により液体を沸騰、発泡させ、これを送液の駆動力としている。
【特許文献１】米国特許６１３６６１１号明細書
【特許文献２】米国特許６０８２１８５号明細書
【特許文献３】特許２０７７３６４号明細書
【特許文献４】特開平１０−０６２４３３号公報
【特許文献５】国際公開第０１／０１３１２７号パンフレット
【特許文献６】特開２００４−７７３０５号公報
【特許文献７】特許２８３２１１７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
流路にセンサ素子を設置する場合、流路の径を過剰に大きくすることなく、より大きな測定表面積を取ろうとすると、流路径に比して長い流路の区間が生じる。カートリッジをよりコンパクトにしたい場合、あるいは製造工程の便宜上、この区間がカートリッジ全体の長手方向を決定することになる。すなわち、カートリッジが直方体であるとすれば、前記区間が最も広い側面に対して平行になるように設計が成される。装置がこのようなカートリッジを複数個扱う場合に、よりコンパクトな状態で装填され、なおかつ、個々のカートリッジに対し装置側から個別にアクセスが可能であることが望まれる。また、前記アクセスは、位置精度が確実であり、カートリッジ側に由来する装置本体の汚損がほとんどないことが望まれる。
【０００７】
本発明の目的は、上記の要請を満たし、コンパクトで精度の高い液体の分析システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明にかかる分析システムの一態様は、カートリッジを装置本体に装填して動作させる液体の分析システムであって、
該カートリッジは、該液体を該カートリッジ内のみで完結的に処理可能である流路系と、該流路系の一部分に設置されたセンサと、該センサからの信号を前記装置本体側へ出力するための信号出力部が設けられた天面と、を有し、
前記センサが設置された流路部分は、前記カートリッジが前記装置本体への装填時における鉛直方向への送液を可能とする方向に伸びており、かつ
前記装置本体は、前記天面に設けられた信号出力部に対向配置可能であり、該信号出力部からの信号を受けるための受信部を有する
ことを特徴とする分析システムである。
【０００９】
本発明の液体分析用のカートリッジの一態様は、装置本体に装填して液体の分析を行うためのカートリッジであって、
該液体を該カートリッジ内のみで完結的に処理可能である流路系と、該流路系の一部分に設置されたセンサと、該センサからの信号を前記装置本体側へ出力するための信号出力部が設けられた天面と、を有し、
前記センサが設置された流路部分は、前記カートリッジが前記装置本体への装填時における鉛直方向への送液を可能とする方向に伸びている
ことを特徴とするカートリッジである。
【００１０】
本発明の分析システムの他の態様は、カートリッジを装置本体に装填して動作させる液体の分析システムであって、
該カートリッジは、該液体を該カートリッジ内のみで完結的に処理可能である流路系と、該流路系の一部分に設置されたセンサと、該センサからの信号を前記装置本体側へ出力するための信号出力部と、前記液体の流れを制御するための駆動力を前記装置本体側から受けるための駆動力入力部と、を有し、
これらの信号出力部と駆動力入力部は前記カートリッジの同一側面に設けられており、
前記装置本体は、前記側面に設けられた信号出力部に対向配置可能であり、該信号出力部からの信号を受けるための受信部と、前記側面に設けられた信号出力部に対向配置可能であり、前記駆動力入力部へ前記駆動力を付与するための駆動力伝達手段とを有する
ことを特徴とする分析システムである。
【００１１】
本発明の液体分析用のカートリッジの他の態様は、カートリッジを装置本体に装填して動作させる液体の分析システムであって、
該カートリッジは、該液体を該カートリッジ内のみで完結的に処理可能である流路系と、該流路系の一部分に設置されたセンサと、該センサからの信号を前記装置本体側へ出力するための信号出力部と、前記液体の流れを制御するための駆動力を前記装置本体側から受けるための駆動力入力部と、を有し、
これらの信号出力部と駆動力入力部は前記カートリッジの同一側面に設けられておいる
動力を付与するための駆動力伝達部とを有する
ことを特徴とするカートリッジである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、コンパクトかつ動作精度の高い分析測定システムを提供することができる。また、装置本体が試薬や検体試料によって汚染されることがなく、測定の正確さ、装置の保守性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明が適用される最も好適なシステムとして、流路に沿ってセンサとして光導波路が設置され、その上方において装置本体と光の入出を行うものを例として説明を行う。
【００１４】
図１は、装置に装填されたカートリッジの状態について主要部分の向きに焦点を当てて示している。簡便のためいくつかの部分については省略しており、詳細な構成はこれに限定されるものではない。
【００１５】
図１には直方体の形状を有している４つのカートリッジが、これらの厚さ方向に並列して配置された状態が示されている。カートリッジ１内には、検体タンク３及び廃液タンク６（流路系のうち容積の大きい部分）の２個を有している最も簡単な構成の流路系が示されている。検体となる液体は、検体タンク３に注入され、流路２を通じて送液される。流路２の途中に設置されたセンサである光導波路５の設置位置に液体が供給された状態で光導波路５を用いた測定が行なわれる。液体は光導波路５の設置位置から廃液タンク６に回収される。直方体のカートリッジ１において、タンク３、６を含めた流路系、特に光導波路５の設置された長い流路区間は、直方体の最も大きい面に平行になるよう配置されている。この構成は、流路系の成形が容易で、かつ、カートリッジを最もコンパクトにするものである。
【００１６】
複数個のカートリッジは、最も面積の広い側面同士が対向するようにカートリッジの厚さ方向に並列されている。この並べ方によって、最もコンパクトにカートリッジを分析装置内に収容することができる。光導波路５の設置された長い流路区間が鉛直方向に伸びる向きで各カートリッジが並べられている。すなわち、この流路区間は直線状の流路として鉛直またはほぼ鉛直に伸びており、これにより光導波路への効果的な送液を行いつつ、光導波路と液体との十分な接触面積及び接触時間の確保が可能となる。
【００１７】
一方、光導波路５の入出力可能な端面はカートリッジの上方に向いており、装置本体側の実際に光を観測する光学系５ｂと光導波路５とは前記端面において、接触的にまたは非接触的に接続される。
【００１８】
図１に示したカートリッジの構造及びその複数の収納方法は、次に挙げる３つの特長を有している。
【００１９】
第一に、図１のように複数個のカートリッジを重ね並べた状態においても、個々のカートリッジのセンサに個別に装置本体からアクセスすることができる。これは、カートリッジ格納部分およびアクセス機構周辺のコンパクト化に鑑みて好適である。
【００２０】
第二に、センサの有する光学系（光導波路）と装置側の検出手段の有する光学系との接続をカートリッジ上面における鉛直方向で行うことが可能となることにより、光学系が塵埃で汚染されたり、万一の液体漏洩で光学系が汚染される可能性が小さくなる。これに対して、カートリッジを横倒しにした配置や上下逆転した配置にとした際には、塵埃や液体漏洩による汚染の可能性が高くなる。また、光学系の鏡筒がカートリッジに対して移動して嵌合するような場合に、鏡筒の自重がかかる方向と移動方向が同一であるため、上方からアクセスするほうが位置合わせ精度が高い。
【００２１】
第三に、流路の主要部分において送液方向が鉛直となることにより送液効率を挙げることができる。すなわち、検体タンク３では鉛直下向きに、センサ設置部分では鉛直上向きに液体が移動する。この際、タンク内の液体の自重により圧力の印加がより容易であり、タンク出口以降の流れがよりスムーズになる。また、鉛直方向に長いタンクであれば、その長さを利用してより細かく流量を制御することができる。センサ設置部分においては、液体が下から満ちることにより、空気層をスムーズに押し出すことができる。
【００２２】
更に、流路に毛細管よりも径の大きい部分がある場合、鉛直に配置することによって、何らかの原因で生じた気泡を上方空間に抜くことが容易である。
【００２３】
以上の特長は、光学的センサに代えて電気的センサを用いた場合においても同様である。
【００２４】
次に、カートリッジ内の液体の流れを制御する機構について説明する。本発明の分析システムでは、装置本体側からカートリッジ内での液体の流れを制御するための駆動力がカートリッジに付与される。カートリッジ内の液体の流れの制御には、カートリッジに装置本体側から伝達された駆動力を利用して加圧または減圧を生じさせる構造を流路系に設けた形態が好ましい。すなわち、装置本体から伝達された駆動力により流路系内の液体に与えられる圧力または減圧に起因して液体の移動（送液）が行なわれる構造が好ましい。この駆動力伝達手段の好ましい形態としては以下の３つの形態がある。
（１）送気管であり、装置本体に設けたポンプから圧力変化を気体層を介してカートリッジ内の液体へ伝達する。
（２）連接棒であり、装置本体に設けたモータの機械力をピストン機構を介してカートリッジ内の液体へ伝達する。
（３）ピンチローラであり、装置本体に設けたモータの機械力を柔軟な弾性体隔壁を介してカートリッジ内の液体へ伝達する。
【００２５】
カートリッジ周辺のさらに好ましい詳細な構成としては、次のものが挙げられる。
（Ａ）前記流路系が液体を貯留しておくための複数のタンクを有しており、該タンクの長手方向がほぼ鉛直となるように、カートリッジが装置本体に装填される。
（Ｂ）前記送気管を接続する構造が、カートリッジに設けられた柔軟な弾性体隔壁により閉じられた開口に対して、送気管の端部に設けた針状管を抜き差しする構造である。
（Ｃ）前記伝達手段の接続が複数あり、これらの接続箇所が互いに近接して配置されている。
【００２６】
装置本体の好ましい構成としては、カートリッジを複数個装填するための着脱可能なマガジンラックを有し、これをカートリッジが並ぶ方向に水平に移動させる機構を有しているものが挙げられる。前記マガジンラックは使用後のカートリッジを一括して自動的に排出する機構を有していることがより好ましい。
【００２７】
流路系を構成する流路やタンクの流路方向に直交する断面の形状は、円形、楕円形、矩形などカートリッジの構造やその製造工程に応じて適宜選択できる。
【００２８】
図１に示すとおり、本発明にかかるカートリッジでは、分析対象の液体はカートリッジ外に取り出されることはなく分析処理される。すなわち、本発明にかかるカートリッジには液体を完結的に処理可能な流路系を有する。
【００２９】
図２〜４に沿ってカートリッジの内部構造と送液駆動の一例について説明する。これらの図では、タンクの数や流路の連結様式などについて比較的簡単な例を示しており、カートリッジの構造及び駆動力伝達系の構造が、図示したものに限定されるものではない。
【００３０】
図２〜４のカートリッジはいずれも３つのタンクを有している。検体タンク３は、装置本体（不図示）への装填前に外部から検体となる液体を注入して収容するタンクであり、注入口３ｘには液体注入後に注入口３ｘ閉じられる機構が設けられている。この機構は、例えば、手動で、あるいは自動的に閉まる密封用の扉を設けた機構とすることができる。また、注入口３ｘを可撓性のある部材で形成して、液体の注入後に手や器具を用いて潰して注入口３ｘを塞ぐ機構としてもよい。更に、弾性を有する部材などで注入口３ｘを形成して、注入管を通して液体を注入した後に、注入管を引き抜くことで注入口３ｘが自動的に閉じる機構とすることもできる。更には、弾性部材からなる蓋を注入口３ｘ常設しておき、注射針を用いて液体を注入し、注射針を引き抜いた状態で液体が外部へ漏れない機構を採用することもできる。
【００３１】
試薬タンク４は測定に関わる反応を行う試薬を含んだ液体が予め収容されている。廃液タンク６は、操作後の検体および試薬を収容するためのもので、廃液はカートリッジの外部へ輸送されない。検体タンク３および試薬タンク４の液体はそれぞれ、流路２を通って光導波路５に接触した後、廃液タンク６へと移送される。
【００３２】
各タンクは、カートリッジの底面から天面に向かって直線状に伸びた形状を有している。すなわち、各タンクはその幅よりも縦に長い構造を有しており、この長手方向とカートリッジの装置本体装填時における鉛直方向が一致するようにカートリッジが装置本体に装填される。このようなタンクの構造を採用することで、各タンクを流路系に効率よく配置し、カートリッジのコンパクト化が容易となる。
【００３３】
図２のカートリッジでは、空気圧の印加によりタンク間の送液が行なわれる。このカートリッジ１の装置本体（不図示）への装填時には、各タンクに連通する空気流路３ａ、４ａ、６ａに対して装置本体から送気管３ｂ、４ｂ、６ｂがそれぞれ連結される。送気管にはそれぞれバルブが設けられており、それらの開閉と空気ポンプによる加圧または減圧により送液を制御することができる。例えば、３ｂと６ｂを開放、４ｂを閉鎖、３ｂから加圧することにより検体タンク３の液体のみを廃液タンク６に向かって送液することができる。この際、３ｂからの加圧の代わりに、６ｂから減圧しても同様の操作が行える。また、３ｂからの加圧と６ｂでの減圧を併用しても良い。送液量は注入または吸引された空気量で制御される。
【００３４】
図３に他の態様のカートリッジの構造を示す。このカートリッジでは、ピストン機構の機械的圧力によりタンク間の送液が行なわれる。
【００３５】
廃液タンク６以外のタンクはピストン−シリンダ構造となっており、上方にプランジャ７ａを有する。空気流路６ａは大気へ連通している。このカートリッジ１の装置本体（不図示）への装填時には、プランジャ７aの上方に装置本体の機械的機構に連動する連接棒７が位置するようになっている。任意のタンクのプランジャを相応する連接棒で押し込むことにより、そのタンク内の液体のみを廃液タンク６に向かって送液することができる。送液量は連接棒の移動長で制御される。別の形態として、例えば、廃液タンクがピストン−シリンダ構造でそこに設置されたプランジャを引き抜くことで他のタンクの液体を吸引する、という方式も可能である。この場合は、他のタンクにそれぞれ空気流路とそれを開閉制御する機構、また、連接棒にはプランジャを引き上げるためのフック機構が必要である。これらの押し出し及び吸引の動作の両方を組み合わせて送液する機構を採用することも可能である。
【００３６】
図４に他の態様のカートリッジの構造を示す。このカートリッジでは、ピンチローラ機構によりタンク間の送液が行なわれる。ここでいうピンチローラ機構とは、凹凸のあるローラでゴムのような柔軟な弾性体を断続的にしごく機構である。流路の一区間の壁面を柔軟な弾性体としておき、これに外部から該ローラを押し付けた状態で回転させると、ローラの凸部分を以って弾性体で区切られた空間内の充填物がローラの回転方向に移送される。このカートリッジ１の装置本体（不図示）への装填時に、弾性体隔壁８に対してピンチローラ８が、空気流路３ａ、４ａに対して送気管３ｂ、４ｂがそれぞれ押し付けられた状態で配置される。ここでの送気管での送気制御はバルブ開閉のみにより行われる。空気流路６ａは大気へ連通している。任意のタンクのダンパを開放し、ピンチローラを回転させることにより、そのタンク内の液体のみを廃液タンク６に向かって送液することができる。送液量はピンチローラの回転数で制御される。
【００３７】
以上の送液駆動においては、その駆動力はカートリッジの上面に接続された装置本体側の駆動力伝達手段から付与される。この場合、カートリッジ上面に設けられた空気流路３ａ、４ａ、プランジャ７ｂ、弾性体隔壁８ａなどが設けられた部分が装置本体側からの駆動力を受けるカートリッジ側の駆動力入力部となっている。
【００３８】
図２〜４に図示した構成では、センサ信号出力部と駆動力入力部とをカートリッジの上面に集合させて配置されている。このように、同一側面にセンサ信号出力部と駆動力入力部を集合配置した構成とすることで、装置本体側のカートリッジへのアクセス方向が統一され、特に、複数個の同一構造のカートリッジを装置本体に後述する図６に示す用に並列装填した際に、カートリッジへの装置本体側の効率良いアクセスが可能となる。更に、かかるセンサ信号出力部と駆動力入力部の同一側面への集合配置を採用することで、分析システムのコンパクト化が容易となる。
【００３９】
また、前記のコンパクト化に限れば、図１を９０度横倒しした構成も選択可能である。例えば、センサが電気的センサであり、カートリッジとのアクセスにおいて高い位置合わせ精度が必要ない場合には有効である。
【００４０】
本発明で言う天面とは、カートリッジを装置本体に装填した際に上方に向く面を指しており、平面には限定されない。平面以外の面形状が利用でき、例えば、強度保持や装置本体との嵌め合いのために複雑な形状を利用することができる。また、駆動力入力部の構造や、天面上の各部位の配置具合に応じて最適化すればよい。
【００４１】
図中および上記の説明で省略されている構成のうち、重要なものとして空気流路が大気連通している箇所のシールが挙げられる。検体を注入してから注入口を閉じるまでの間、検体が自重で移動してしまってはならない。また、カートリッジが液体試薬を予め収容している場合、使用前（装填前）には試薬タンクが開放系とならないようにすることが重要である。外気に対し開放されていることは、振動による液漏れ、溶媒の蒸発による試薬濃度変化、不純物の混入などを引き起こす惧れがある。空気流路の大気連通部を予めシールしておくことでこれらの問題は解決される。シール部材としては樹脂／アルミのラミネート材など従来公知のものを用いることができる。シールは装填時に自動的に破壊されることが望ましく、例えば、図２や図４の方式では装置本体からの送気管がシールを突き破る方式が望ましい。
【００４２】
また、試薬保護のより確実な手法としては、例えば、試薬タンクと流路の連結部分に外部からの突き押しで破壊可能な隔壁を設けておく方法が挙げられる。
【００４３】
なお、送液方法については、上記のような駆動力を装置本体側から供給する形態のほか、駆動素子が内蔵された形態でもよい。例えば、発熱素子やピエゾ素子を流路壁の一部に設ける方法が挙げられる。これらはカートリッジ内の液量が少ない場合に向いている。
【００４４】
図２の方式における送気管接続の形態としては、空気流路の開口部をゴムシート等の柔軟な弾性体隔壁（図５の１２）により閉じた状態に対し、送気管末端に設けた細い針状管を抜き差しする方法がある。この場合、針状管を刺した時は装置本体に対して開放、針状管を抜いた後は密閉となり、装置本体側のバルブを省略し構造を簡素化することもできる。また、該弾性体隔壁は前述のシールとしても機能する。
【００４５】
図２および４において送気管等の接続部位は便宜上各タンクの直上に描かれているが、複数の空気配管をカートリッジ上部で引き回して、互いに近接した一箇所に集結させることが望ましい（図５（ｂ）参照）。これにより、装置本体側の構成を簡潔にすることができる。
【００４６】
測定の内容によっては、２種類以上の液体を混合する必要性がある場合がある。測定に先立って検体と試薬を混合する場合や、検体を予め希釈する場合などが挙げられる。また、センサに検体や試薬を通過させた後、洗浄工程（すすぎ）を加えたい場合がある。このような要請に対しては、適宜、タンクの数を増やことで対応できる。このような要請に対応したカートリッジの構造の一例を図５に示す。
【００４７】
図５のカートリッジは検体タンク３とセンサが配置された流路部分との間に混合タンク１０を有しており、この構造により、予め混合タンク１０に収容された試薬に検体タンク３からの検体を混合してからセンサ５が配置された流路分部に混合液を送ることができる。また、このカートリッジは、洗浄液タンク１１を有しており、例えば、１工程ごとにセンサの洗浄を行うことができ、複数回にわたるセンサによる検出操作をより正確に行うことが可能となる。すなわち、センサ５による混合タンクに残留する混合液のみを対象とする検出処理を常に行うことができる。
【００４８】
混合タンク１０での混合において、混合タンク１０内の液体を攪拌するための機構を設けることは有用である。送液流路がタンクへ繋がる部分にノズル状の構造を設けることや、タンク内壁に適当な突部を設けることで、送液時に噴流を起こしタンク内の液体を攪拌することができる。但し、これらの構造は液体の粘度が高い場合や懸濁している場合には不確実性が予想される。より確実に攪拌を行う方法としては、タンク内に磁気攪拌子を予め収容しておき、これを装置本体に設けた回転磁石により非接触的に回転させる方法が挙げられる。この撹拌方法としては、タンク外壁に、もしくは装填時にタンク近傍に接触する装置本体側の適当な箇所に振動素子を設け、該素子の振動をタンク内の液体に伝達させる方法が更に挙げられる。振動素子としては、変芯モータによる機械的機構、ピエゾ素子などが挙げられる。
【００４９】
廃液タンク６には液体を吸収する材料を予め充填しておくことが好ましい。本発明においては、カートリッジは使用後に内容物とともに丸ごと廃棄することが意図されている。吸収材があることで廃液の外部への漏洩を阻止することができる。また、吸収材が液体を引き込む作用により、使用中の送液をスムーズにする効果もある。吸収材としては、公知の多孔性材料やゲル化材料を用いることができる。多孔性材料としては、紙繊維やポリプロピレン繊維を間隙を持たせて結着したものや、多孔質セラミックのビーズなどが挙げられる。ゲル化材料としては、ポリアクリルアミドなどの親水性高分子架橋体や自己組織性の低分子ゲル化剤が挙げられる。
【００５０】
測定対象物を測定するための測定手段としては、固体センサを用いる公知の手段を利用することができる。装置本体とカートリッジとの間の測定信号のやりとりを考慮すると、光学的または電気的な信号を出力するセンサが好ましい。
【００５１】
光学的信号を利用する場合の測定手段は、測定対象物質の量あるいはその量の変化に応じた光学的信号を出力可能なセンサと、センサからの光学的信号を受信し、測定対象物質の有無やその量の測定を行なうためのデータを得る検出手段と、を有して構成される。更に、この測定手段はこのデータに基づいて測定対象物質の種類や量を予め用意されたプログラムに従って特定するためのデータ処理手段を有することもできる。光学的信号としては、センサ表面近傍の測定対象物の量に応じて変化する光の強度または光強度の空間分布などで、装置本体側に設けられた検出手段に向けて送信可能な信号を挙げることができる。汎用性が高い光学的信号としては、光学的吸収、蛍光、発光などに基づく光学的信号が挙げられる。ここでいう光学的吸収とは、いわゆる色素や発色団などによる特定波長の光の吸収のみならず、プラズモン共鳴、ナノ粒子の存在等による物理的な波長の変化（変調）なども含む。発光としては、化学発光、燐光、輝尽発光などが含まれる。これらの光学的信号を利用する測定手段を有する装置としては種々の方式のものがすでに提供されており、それらの中から発明の目的に応じたものを選択して用いることができる。
【００５２】
光学的信号を出力可能なセンサとしては、光の出力、または入力と出力ができる光透過性固体であり、好適なものは内部全反射を伴う光伝播を行う光導波路である。光導波路はその先端面のみならず側面を有効な作用面として用いることができる。
【００５３】
光導波路の形状については特に限定されないが、本発明のカートリッジの構造に好適な光導波路の形状としては、板状、ファイバー状、薄膜状のものが挙げられる。細長い形状の光導波路は単位体積あたりの内部全反射回数をより多く取ることができ、入射光の利用効率を高めることができるので好ましい。
【００５４】
例えば、測定対象物質が特定の波長を吸収するものであれば、検体としての液体の測定用の光を照射して得られる反射光や透過光を、センサとしての光導波路からこれらに接続されている装置本体側の検出手段、例えば分光光度計へ入力してこの液体の光吸収スペクトルを得る。得られた光吸収スペクトルに基づいて、液体中での測定対象物質の有無やその量を測定することができる。その際、先に述べたとおり、装置本体側の検出手段にデータ処理手段を設けておき、得られた光吸収スペクトルを予め設けてプログラムに基づいて解析し、必要に応じて演算して、測定対象物質の有無やその量を自動的に得るようにしてもよい。光学的信号が蛍光の場合は、励起光を検体としての液体に照射し、それによって得られる蛍光を光導波路を介して装置本体側の検出手段に取り出し、所定の波長の蛍光の有無あるいはその強度を蛍光測定装置を用いて測定することで、液体中での測定対象物質の有無やその量を測定するこが可能となる。この場合においても、装置本体側の検出手段にデータ処理手段を設けておき、得られた光吸収スペクトルを予め設けてプログラムに基づいて解析し、必要に応じて演算して、測定対象物質の有無やその量を自動的に得るようにしてもよい。また、プラズモン共鳴を利用する場合についても、プラズモン共鳴を計測できる測定手段を装置本体側の検出手段に装填しておき、プラズモン共鳴を得るための光を検体としての液体に照射し、光導波路を介して装置本体側の検出手段においてプラズモン共鳴の有無やその強度を計測する。この場合においても、装置本体側の検出手段にデータ処理手段を設けておき、得られた光吸収スペクトルを予め設けてプログラムに基づいて解析し、必要に応じて演算して、測定対象物質の有無やその量を自動的に得るようにしてもよい。
【００５５】
光学的な信号をセンサから得るために液体への光照射が必要とされる場合には、上述した光導波路から測定に必要な光を液体に照射することができる。液体への光照射を光導波路及びそれに接続された光学系とは別の光学系を用いて行なうこともできる。しかし、上述のように光導波路及びこれに接続された光学系において、光照射及び測定用の光の取り出しの両方が可能となる構成は、検出システムの構成の簡易化及びコンパクト化の上でより好ましい。
【００５６】
光学的信号を出力するセンサのカートリッジ天面に設けた出力端子または出入力端子と、装置本体側の検出手段を接続する光学系との接続には、光導波路と光ファイバーケーブルとの接続に通常使用されている接触型もしくは非接触型のコネクターを適宜選択して用いることができる。
【００５７】
電気的信号としては、電流または電位差を挙げることができる。電気的信号を出力するセンサとしては、センサとして利用されている一般的な電極のほか、電界効果トランジスタ、電荷結合素子、水晶振動子などが挙げられる。また、例えば、直接的には光学的手段を用いていても受光素子がそのままセンサになっていて装置本体とのやりとりは電気系で行う、といった形態もあり得る。
【００５８】
電気的信号を出力するセンサのカートリッジ天面に設けた出力端子または出入力端子と、装置本体側の検出手段を接続する配線との接続には、通常使用されているコネクターを適宜選択して用いることができる。
【００５９】
センサ表面には、検体となる液体中の特定の測定対象物と選択的に結合する物質を予め固定しておくことが有用である。この測定対象物と選択的に結合する物質としては、抗体、抗原、ＤＮＡ（デオキシリボ核酸）、ＲＮＡ（リボ核酸）、酵素、レセプター、糖鎖、配位子などが挙げられる。センサの種類、センサ表面に固定する物質を選ぶことで、医療、食品、環境、化学品を始めとする様々な分野の分析測定に用いることができる。
【００６０】
カートリッジを構成する材料は、金属、樹脂、セラミックなどを用いることができ、分析対象や内部構成に応じて選択される。例えば、医療、食品といった分野であれば付着性の少ないポリプロピレン等が好ましい。電気的センサとカートリッジ全体を一括して製造したい場合、ガラスやシリコンを用いることができる。光学的手段に基くシステムで迷光が問題になる場合や、収容される試薬が光で劣化する場合には、不透明な材料が好ましい。
【００６１】
光導波路用の材料としては、用いる光の波長に応じた適当な屈折率を有する透明材料が好ましい。例えば、取り扱う液体が水であれば、ポリスチレンのような樹脂材料や、ガラスのような無機材料を用いるができる。
【００６２】
カートリッジと装置本体の間でやり取りされるものとして、信号以外には、カートリッジ装填の有無、カートリッジ内の試薬等の内容、カートリッジ内の送液状況といった情報が挙げられる。必要に応じ、これらの情報を検出するためのマーカー類や追加のセンサ類をカートリッジに設けてもよい。
【００６３】
以上説明したカートリッジは、鉛直方向（図の上下方向）に長手方向を有する直方体の形状を有する。カートリッジの形状は図示した直方体形状に限定されず目的用途に応じた形状とすることができる。直方体形状のほかには、薄厚の平板形状としてもよい。図１及び６に示すように、複数のカートリッジを並べた際に、隣同士のカートリッジの互いに向き合う側面が鉛直方向に長い長方形であり、これらの面に対して複数のカートリッジの配列方向の厚さを形成する側面が十分に狭い形状がコンパクト化に都合がよい。すなわち、カートリッジが平板形状または直方体であり、最も広い面が前記天面と直交する面である形状を有することが好ましい。更に、複数のカートリッジを並列させる際に、カートリッジの複数を、それぞれの天面を検出部と対向する第１の方向に向け、且つ前記した最も広い面を重ねるように配置するようにすることが好ましい。
【００６４】
図６に、装置本体の一例を示す。この装置本体は、主要構成要素として、水平移動可能なステージ２１、該ステージに固定されたバルブユニット２２、上下に移動可能な光学系ユニット２４及び光学系２４を有している。バルブユニット２２では空気ポンプ２３から導入された配管（不図示）が分岐し、それぞれの分岐管（不図示）が電磁バルブを経て、上下に移動可能な針状管（不図示）に連結されている。この針状管は図２で示した３ｂ及４ｂと同様の機能を有するものである。
【００６５】
ステージ２１の上にはトレイ２５があり、ステージ２１が最も手前に来た位置からさらに手前に引き出せるようになっている。複数のカートリッジ１は図１と同様な配置でマガジンラック２６に装填され、さらにマガジンラック２６は引き出されたトレイ２５に設置される。トレイ２５を押し込むと装置本体に設けたトレイ確認用のセンサ（不図示）がこれを検知し、自動的にバルブユニット２２から針状管（不図示）が降下しカートリッジ１の所定された接続部に連結（刺通）される。この装置では、カートリッジ１の有する光導波路からの光学的信号を受ける光学系２４は、装置本体のカートリッジ１の並列方向におけるほぼ中央に固定された支柱２８に設置されている。光学系２４は支柱２８をガイドとして上下方向に移動自在に設置されている。ステージ２１を水平に移動させることで所望のカートリッジが光学系２４の直下に来るようになっている。測光が行われる際、光学系２４は支柱２８をガイドとして下方に移動してそこに配置されたカートリッジに接続される。逆に、ステージが固定され光学系が水平移動する形態としてもよく、光学系及び／または検出手段を複数配置してもよい。
【００６６】
光学系２４でカートリッジ１の光導波路（不図示）から受けた光学的信号は、検出手段（不図示）に光学系を介して送信され、検出対象物質の検出や定量に利用される。検出手段は、光学系２４と一体化して設けてもよいし、装置本体の別の場所に設置してもよいし、装置本体と接続可能な別装置として配置してもよい。
【００６７】
マガジンラック２６はトレイに固定されていてもよく、着脱可能としてもよい。着脱可能であれば、装置本体から離れた場所でもカートリッジ１の架台として利用でき、便利である。また、使用後のカートリッジは一つずつ手で取り出して廃棄してもよいが、検体からの汚染等を考慮すると、直接触れることなく廃棄できる機構があればより好ましい。例えば、マガジンラックの側面に取り付けられたレバーを操作すると閉じられていた底面が開き、カートリッジが下方に一括して脱離する機構が挙げられる。
【実施例】
【００６８】
図２の構成のカートリッジをエバネッセント波励起によるサンドイッチ蛍光免疫法に適用し、ＰＳＡ（前立腺特異抗原）を測定した例を示す。装置本体は空気流路（3a、4a）に送気するための送気系（送気管3b、4bを含む）と光学系（5a）を有する。送気系は、空気ポンプからの送気（加圧）をバルブを介して針状管へ送る経路が２系統あり、それぞれＯ−リングを介して空気流路に接続された。廃液タンクのみ常時開放とした。光学系は、励起光として半導体レーザ光（650nm）を光学系（5a）から光導波路（５）に投光可能な構成とした。また、光学系（5a）には光導波路端面から出射された光を分離する光学フィルター付きのフォトダイオード（検出手段）により670〜900nmの蛍光を検出できる構成とした。カートリッジ（１）の筐体はポリメチルメタクリレートのブロックに掘り込みで流路を形成してある。光導波路（５）はポリスチレン製で、励起光導入と蛍光集光を同軸で行うための構成を有する。
【００６９】
光導波路（５）の表面には抗ＰＳＡモノクローナル抗体を固定した。
【００７０】
Cy5 bisfunctional reactive dye（アマシャムバイオサイエンス社製）で標識した抗ＰＳＡモノクローナル抗体（2μg／ml）を、ポリオキシエチレン（２０）ソルビタンモノラウレート（0.1質量％）を含むリン酸緩衝液（pH7.4）に溶解して試薬（200μl）を調製した。
【００７１】
４個のカートリッジを用意し、各カートリッジの試薬タンクに試薬を試薬タンクを充填した。更に、検体のモデルとして、0.01、0.1、1、10ng/mlのＰＳＡをそれぞれ含むリン酸緩衝液溶液100μlを各カートリッジの検体タンクに注入した。光導波路近傍の流路の体積は約100μlであり、流路部分のデッドボリュームを考慮し、１回のポンプ動作で150μl（以下、１体積と呼称）送液する設定とした。各カートリッジでの測定の手順を以下に示す。
（１）検体タンクに１体積通気し、光導波路部分に充填した状態で５分間待機。
（２）検体タンクに２体積通気し、検体を廃液タンクへ排出。
（３）試薬タンクに１体積通気し、光導波路部分に充填した状態で５分間待機。
（４）前記待機中の間、光導波路にレーザ光を導入し、帰還する光量の経時変化を観測。
（５）試薬タンクに２体積通気し、標識抗体溶液を廃液タンクへ排出。
【００７２】
操作（４）における光量増加分を光導波路表面のサンドイッチ免疫複合体からの蛍光量とみなした。光量測定を行った光学系を含む光学ユニットの概要を図７に示す。このユニットでは、半導体レーザー３３からの光を光路からカートリッジ側の光導波路に照射し、光導波路からの蛍光をフォトダイオード３５で検出するための光学系を、レンズ２９、３０、３１及びダイクロイックミラー３２、色素フィルター３４から構成している。
【００７３】
以上の操作を４濃度の検体について行った結果、ＰＳＡ濃度に比例した蛍光信号強度を得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の分析システムにおけるカートリッジの装填状態を示す概略図である。
【図２】カートリッジおよび周辺機構の一構成を示す概略断面図である。
【図３】カートリッジおよび周辺機構の他の一構成を示す概略断面図である。
【図４】カートリッジおよび周辺機構の他の一構成を示す概略断面図である。
【図５】カートリッジの一構成を示す概略図であり、（ａ）は垂直断面図を、（ｂ）は天面付近の水平断面図を、（ｃ）は底面付近の水平断面図をそれぞれ示す。
【図６】（ａ）は装置本体の一構成を示す概略図であり、（ｂ）はマガジンラックの一部にカートリッジを装填した状態を示す図である。
【図７】実施例における光学系の内部構成を示す図である。
【符号の説明】
【００７５】
１    カートリッジ
２    流路
３    検体タンク
３ａ  空気流路（検体タンク用）
３ｂ  送気管（検体タンク用）
３ｃ  検体注入口
４    試薬タンク
４ａ  空気流路（試薬タンク用）
４ｂ  送気管（試薬タンク用）
５    光導波路（センサ）
５ａ  光学系連結部
５ｂ  光学系
６    廃液タンク
６ａ  空気流路（廃液タンク用）
６ｂ  送気管（廃液タンク用）
７    連接棒
７ｂ  プランジャ
８    ピンチローラ
８ａ  弾性体隔壁
８ｂ  ダンパ
１０  混合タンク
１０ａ  空気流路（混合タンク用）
１１    洗浄液タンク
１１ａ  空気流路（洗浄液タンク用）
１２  ゴム製隔壁
２０  装置本体
２１  ステージ
２２  バルブユニット
２３  空気ポンプ
２４  光学系ユニット
２５  トレイ
２６  マガジンラック
２７  搬送ユニット
２８  光学系固定支柱
２９、３０、３１  レンズ
３２  ダイクロイックミラー
３３  半導体レーザ
３４  色素フィルタ
３５  フォトダイオード
３６  光路
【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】
2006162592.tif 000008
【図７】
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