(57)【要約】【課題】流通する試料溶液に対して所望の計測を精度良く行う。【解決手段】化学分析センサ１ａを、本体部２１と、本体部２１から突出する突出部２２と、突出部２２の先端部に設けられた検出部２３と、先端部に対して所定間隔を置いた位置に配置され、先端部に対する適宜の物質の流通状態を変更可能な緩衝部材２４と、物質の流通方向に対して、先端部と緩衝部材２４との相対的な位置を変更可能な回転駆動部とを備えて構成した。回転駆動部は、検出部２３での物質に係る所定反応の促進時と、検出部２３による検出動作の実行時とにおいて、先端部と緩衝部材２４との相対的な位置を切り換える【選択図】図２
2008203060.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
本体部と、前記本体部から突出する突出部と、
前記突出部の先端部に設けられた検出部と、
前記先端部に対して所定間隔を置いた位置に配置され、前記先端部に対する適宜の物質の流通状態を変更可能な緩衝部材と、
前記物質の流通方向に対して、前記先端部と前記緩衝部材との相対的な位置を変更可能な移動制御手段とを備えることを特徴とする化学分析センサ。
【請求項２】
前記移動制御手段は、前記検出部での前記物質に係る所定反応の促進時と、前記検出部による検出動作の実行時とにおいて、前記先端部と前記緩衝部材との相対的な位置を切り換えることを特徴とする請求項１に記載の化学分析センサ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の化学分析センサと、
前記検出部による検出結果に基づいて、前記物質の状態に係るデータを取得する制御手段とを備え、
前記移動制御手段は、前記物質の状態に係る前記データに基づいて、前記物質の流通方向に対する前記先端部と前記緩衝部材との相対的な位置を変更することを特徴とする化学分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学分析センサ、及び該化学分析センサを有する化学分析装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば微量の溶液を送液することが可能なマイクロ流路を備えるマイクロ流路デバイスが知られている（例えば、特許文献１参照）。
このマイクロ流路デバイスは、例えば試料溶液等を反応槽に供給して化学反応を生じさせるためのマイクロ流路と、ポンプやバルブ等を備えて構成されている。
ところで、このようなマイクロ流路デバイスの各種計測用センサとして、常時、流体に曝されたセンサでは、検出誤差が増大してしまうという問題が生じる。         
このような問題に対して、例えば反応促進時には流路内に試料溶液を流通させ、センサによる計測時には試料溶液の流通を一時的に停止する方法や、例えば極微量の液体を送液する際に脈動の発生を抑制するための特別なポンピングシステム等を備える方法が知られている。
【特許文献１】特開２００５−１４０６６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述した従来技術に係る方法において、試料溶液の流通実行および流通停止を切り換えつつ所望の計測を行う場合には、一連の計測に要する時間を短縮することが困難であるという問題が生じる。
また、特別なポンピングシステム等を備える場合には、装置構成に要する費用が増大してしまうという問題が生じる。
さらに、ポンピングシステムからの脈流による計測誤差なども精度の高い計測の阻害要因となっている。
【０００４】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、流通する試料溶液に対して所望の計測を精度良く行うことが可能な化学分析センサ、及び該化学分析センサを有する化学分析装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明の化学分析センサは、本体部（例えば、実施の形態での本体部２１）と、前記本体部から突出する突出部（例えば、実施の形態での突出部２２）と、前記突出部の先端部に設けられた検出部（例えば、実施の形態での検出部２３）と、前記先端部に対して所定間隔を置いた位置に配置され、前記先端部に対する適宜の物質の流通状態を変更可能な緩衝部材（例えば、実施の形態での緩衝部材２４）と、前記物質の流通方向に対して、前記先端部と前記緩衝部材との相対的な位置を変更可能な移動制御手段（例えば、実施の形態での回転駆動部１５）とを備える。
【０００６】
この発明の化学分析センサによれば、移動制御手段は、物質の流通方向に対して、検出部が設けられた突出部の先端部と、緩衝部材との相対的な位置を変更可能であることから、例えば流通する物質に検出部が直接的に曝されている状態と、流通する物質の流体の力が直接的に検出部に作用することを規制する状態とを、適宜に切り換えることができ、物質の流通状態を変更する必要無しに、所望の計測を連続的に適切かつ精度良く行うことができる。
【０００７】
さらに、本発明の化学分析センサでは、前記移動制御手段は、前記検出部での前記物質に係る所定反応の促進時と、前記検出部による検出動作の実行時とにおいて、前記先端部と前記緩衝部材との相対的な位置を切り換える。
【０００８】
この発明の化学分析センサによれば、例えば、検出部での物質に係る所定反応の促進時には、直接的に検出部に向かう物質の流通を妨げないようにして緩衝部材が配置され、例えば検出部による検出動作の実行時には、直接的に検出部に向かう物質の流通を妨げるようにして、緩衝部材は先端部に対して物質の流通方向の略上流側に配置される。
【０００９】
また、本発明の化学分析装置は、上記本発明の何れか１つの化学分析センサと、前記検出部による検出結果に基づいて、前記物質の状態に係るデータを取得する制御手段（例えば、実施の形態での制御部１４）とを備え、前記移動制御手段は、前記物質の状態に係る前記データに基づいて、前記物質の流通方向に対する前記先端部と前記緩衝部材との相対的な位置を変更する。
【００１０】
この発明の化学分析装置によれば、化学分析センサによって、物質の流通状態を変更する必要無しに、所望の計測を連続的に適切かつ精度良く行うことができることから、装置構成が複雑化することを防止しつつ、物質の状態に係るデータを適切かつ精度良く取得することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の化学分析センサによれば、物質の流通状態を変更する必要無しに、所望の計測を連続的に適切かつ精度良く行うことができる。
また、本発明の化学分析装置によれば、装置構成が複雑化することを防止しつつ、測定結果の信頼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】
【００１２】
以下、本発明の化学分析センサ及び化学分析装置の実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
この実施形態による化学分析センサ１ａを有する化学分析装置１は、例えばポンプ（図示略）およびバルブ（図示略）およびマイクロ流路２ａ等が小型化かつ集積化された微小化学分析システム（Micro Total Analysis System：μＴＡＳ）であって、例えば図１に示すように、マイクロ流路デバイス２の内部に形成されたマイクロ流路２ａに保持機構３を介して装着された化学分析センサ１ａと、ブリッジバランス部１１と、信号増幅部１２と、信号処理部１３と、制御部１４と、回転駆動部１５と、センサ駆動部１６とを備えて構成されている。
そして、このマイクロ流路デバイス２では、例えばポンプ（図示略）等によって供給口２ｉｎから供給された反応溶液はマイクロ流路２ａ内を流通して排出口２ｏｕｔから排出される。
【００１３】
化学分析センサ１ａは、例えば図２（ａ），（ｂ）に示すように、本体部２１と、本体部２１から突出する突出部２２と、突出部２２の先端部に設けられた検出部２３と、突出部２２の先端部に対して所定間隔を置いた位置で先端部を取り囲む枠状の緩衝部材２４とを備えて構成されている。
本体部２１および突出部２２および緩衝部材２４は、例えばシリコン支持層および酸化層およびシリコン活性層の３層を熱的に貼り合わせたＳＯＩ基板等から形成されている。
【００１４】
突出部２２は、例えば平板状に形成され、先端部を本体部２１から突出させた状態で自由端とし、基端部が本体部２１に片持ち状態に固定されている。
なお、突出部２２と本体部２１との接合部には、例えば応力が集中する応力集中部として機能するように開口（図示略）が形成され、突出部２２の基端側が、先端側に比べて、より屈曲して撓み易くなっている。そして、この開口の周辺には、突出部２２の撓み量に応じて抵抗値が変化する歪み検出素子であると共に、突出部２２の先端部を所定方向に所定の共振周波数で微小振動させる加振源であるピエゾ抵抗素子（図示略）が設けられている。このピエゾ抵抗素子は、例えばＳＯＩ基板にイオン注入法や拡散法等により不純物が注入されて形成されている。
【００１５】
緩衝部材２４は、例えば平板状の突出部２２の各側面を取り囲む平板枠状に形成され、先端部を本体部２１から突出させた状態で自由端とし、基端部が本体部２１に片持ち状態に固定されている。
そして、緩衝部材２４は、例えば上下方向、つまり図２（ａ），（ｂ）に示すＹ方向において、突出部２２および検出部２３近傍での反応溶液の流通を許容し、例えば上下方向に直交する方向、つまり図２（ａ），（ｂ）に示すＸ方向およびＺ方向において、突出部２２および検出部２３近傍での反応溶液の流通を規制する。
【００１６】
化学分析センサ１ａは、いわゆるマイクロカンチレバー等のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）センサであって、例えば図３（ａ），（ｂ）に示すように、マイクロ流路デバイス２の表面２Ａ上に設けられてマイクロ流路デバイス２内部のマイクロ流路２ａに連通する貫通孔２ｂを介して、突出部２２の先端部および検出部２３をマイクロ流路２ａ内に突出させた状態で、マイクロ流路デバイス２の表面２Ａ上に配置された保持機構３により保持されている。
保持機構３は、制御部１４から出力される制御指令に応じて、化学分析センサ１ａを、
本体部２１から突出する突出部２２の突出方向、つまり図２（ａ），（ｂ）に示すＺ方向に平行な回転軸周りに回転可能に保持しており、例えばセンサホルダ３１と、シール部材３２と、ホルダ支持部３３と、位置決め部材３４とを備えて構成されている。
【００１７】
センサホルダ３１は、例えば略円形板状に形成され、中心軸が化学分析センサ１ａの回転軸と同軸になるようにして、化学分析センサ１ａの本体部２１に固定されている。そして、センサホルダ３１の外周面上において周方向の所定位置、例えば中心軸周りの所定角度（例えば、９０°等）毎の位置には、径方向の内方に向かい凹む凹部３１ａが形成されている。
【００１８】
センサホルダ３１は、マイクロ流路デバイス２の表面２Ａ上に設けられた貫通孔２ｂの開口部周辺を取り囲むようにして配置されたＯリング等のシール部材３２を介して、貫通孔２ｂの開口部を液密に閉塞した状態でホルダ支持部３３により回転可能に支持されている。そして、センサホルダ３１は、後述する回転駆動部１５によって中心軸周りの回転方向Ｒに回転駆動される。
ホルダ支持部３３は、例えばマイクロ流路デバイス２の表面２Ａ上に固定され、センサホルダ３１を、シール部材３２を介して貫通孔２ｂの開口部周辺に向かい押圧するようにして支持している。
【００１９】
また、マイクロ流路デバイス２の表面２Ａ上の所定位置には複数の位置決め部材３４，…，３４が固定され、各位置決め部材３４はセンサホルダ３１の外周面上に設けられた各凹部３１ａに対して着脱可能に係合して、中心軸周りのセンサホルダ３１の回転位置、つまり回転軸周りの化学分析センサ１ａの回転位置であって、化学分析センサ１ａの突出部２２に対する緩衝部材２４の相対位置を、所定位置に位置決めした状態で保持可能とされている。
これにより、マイクロ流路２ａ内の流通方向に流通する反応溶液に対して、化学分析センサ１ａの検出部２３に直接的に流体の力が作用することを許容する状態と、緩衝部材２４によって検出部２３を遮蔽するようにして検出部２３に直接的に流体の力が作用することを規制する状態とが適宜に切換可能とされている。
【００２０】
ブリッジバランス部１１は、化学分析センサ１ａに設けられた歪み検出素子としての複数のピエゾ抵抗素子（図示略）をブリッジ接続したブリッジ回路を備え、所定のバイアス電圧が印加されることで、各ピエゾ抵抗素子の抵抗値、つまり化学分析センサ１ａの突出部２２の撓みに伴いピエゾ抵抗素子に生じる歪に応じてレベル変化する電気的信号（出力電圧）を出力する。
【００２１】
信号増幅部１２は、ブリッジバランス部１１から出力された出力電圧に対して、所定のフィルタ処理および増幅処理を行う。
信号処理部１３は、信号増幅部１２から出力される信号に基づいて、例えば化学分析センサ１ａの検出部２３で生じた相互作用反応に起因する力学的状態量（例えば、反応物質の応力変化や重量変化等）を検出する。
【００２２】
制御部１４は、例えば信号処理部１３での力学的状態量の検出結果に基づき、反応物質の構造解析等を行う。
例えば、制御部１４は、化学分析センサ１ａにより静的な状態で検出を行う場合には、化学分析センサ１ａの突出部２２の先端部に所定の反応物質が付着したことによる微小重量の変化を、化学分析センサ１ａの突出部２２の撓みの変化量により検出し、所定の反応物質を識別すると共に、各種の分析や解析等を行う。
また、制御部１４は、化学分析センサ１ａにより動的な状態で検出を行う場合には、化学分析センサ１ａに設けられた加振源としてのピエゾ抵抗素子（図示略）により、化学分析センサ１ａを所定の共振周波数で微小振動させる。そして、化学分析センサ１ａの突出部２２の先端部に所定の反応物質が付着したことによる微小重量の変化に伴う化学分析センサ１ａの振動状態（例えば、共振周波数等）の変化を検出し、より高精度に、所定の反応物質を識別すると共に、各種の分析や解析等を行う。
【００２３】
回転駆動部１５は、例えば制御部１４から出力される制御指令により駆動される電動モータを備え、化学分析センサ１ａが固定されたセンサホルダ３１を中心軸周りの回転方向Ｒに回転駆動させることで、回転軸周りの化学分析センサ１ａの回転位置、つまり化学分析センサ１ａの突出部２２に対する緩衝部材２４の相対位置を変更する。
【００２４】
センサ駆動部１６は、例えば制御部１４から出力される制御指令により化学分析センサ１ａに設けられた加振源としてのピエゾ抵抗素子（図示略）を所定方向に所定の共振周波数で微小振動させる。
【００２５】
本実施の形態による化学分析センサ１ａを有する化学分析装置１は上記構成を備えており、次に、この化学分析装置１の動作、例えば化学分析センサ１ａによりマイクロ流路２ａ内を流通する反応溶液に起因する相互作用等を計測する動作について説明する。
【００２６】
先ず、ステップＳ０１においては、マイクロ流路デバイス２においてマイクロ流路２ａ内での反応溶液の流通を開始する。
次に、ステップＳ０２においては、回転駆動部１５によってセンサホルダ３１を中心軸周りの回転方向Ｒに回転駆動させ、反応溶液の流通に対して化学分析センサ１ａの検出部２３が暴露される状態となるようにして、化学分析センサ１ａの突出部２２に対する緩衝部材２４の相対位置を位置決めした状態で保持する。これにより、化学分析センサ１ａの検出部２３に反応溶液が直接的に接触する状態となる。
【００２７】
次に、ステップＳ０３においては、所望の相互作用等に応じた所定時間の経過後に、マイクロ流路２ａ内での反応溶液の流通状態は維持しつつ、回転駆動部１５によってセンサホルダ３１を中心軸周りの回転方向Ｒに回転駆動させ、反応溶液の流通に対して化学分析センサ１ａの検出部２３が緩衝部材２４によって遮蔽される状態となるようにして、化学分析センサ１ａの突出部２２に対する緩衝部材２４の相対位置を位置決めした状態で保持する。これにより、化学分析センサ１ａの検出部２３に反応溶液が直接的に接触することが規制された状態となる。
【００２８】
次に、ステップＳ０４においては、例えば化学分析センサ１ａの突出部２２の所定の反応部位に所望の反応物質が付着したことによる微小重量の変化を、化学分析センサ１ａの突出部２２の撓みの変化量により検出する処理等の各種の検出処理と、各種の分析や解析等を行い、一連の処理を終了する。
【００２９】
上述したように、この実施の形態に係る化学分析センサ１ａによれば、反応溶液の流通方向に対して、検出部２３が設けられた突出部２２の先端部と、緩衝部材２４との相対的な位置を変更可能であることから、例えば流通する反応溶液に検出部２３が直接的に曝されている状態と、流通する反応溶液の流体の力が直接的に検出部２３に作用することを規制する状態とを、適宜に切り換えることができ、反応溶液の流通状態を変更する必要無しに、所望の計測を連続的に適切かつ精度良く行うことができる。
さらに、この実施の形態に係る化学分析センサ１ａを有する化学分析装置１によれば、化学分析センサ１ａによって、反応溶液の流通状態を変更する必要無しに、所望の計測を連続的に適切かつ精度良く行うことができることから、装置構成が複雑化することを防止しつつ、物質の状態に係るデータを適切かつ精度良く取得することができる。
【００３０】
なお、上述した実施の形態においては、化学分析センサ１ａの緩衝部材２４は、所定の直進方向での反応溶液の流通を許容するようにして、例えば上下方向、つまり図２（ａ），（ｂ）に示すＹ方向に対して開放状態となるように形成されたが、これに限定されず、例えば図５に示す上述した実施形態の第１変形例に係る化学分析センサ１ａのように、適宜に湾曲あるいは屈曲する方向での反応溶液の流通を許容するように形成されてもよい。
例えば図５に示す化学分析センサ１ａの緩衝部材２４は、突出部２２をＺ方向において遮蔽する第１遮蔽壁２４ａと、突出部２２をＹ方向の一方側で遮蔽する第２遮蔽壁２４ｂと、突出部２２をＸ方向の一方側で遮蔽する第３遮蔽壁２４ｃとを備えて構成され、例えばＹ方向の他方側とＸ方向の他方側との間で流通する反応溶液の流通の許容と規制とを、回転軸周りの化学分析センサ１ａの回転によって切り換えるようになっている。
【００３１】
なお、上述した実施の形態において、化学分析センサ１ａは単一の突出部２２を備えるとしたが、これに限定されず、例えば図６（ａ），（ｂ）に示す上述した実施形態の第２変形例に係る化学分析センサ１ａのように、本体部２１から突出する複数の突出部２２，…，２２と、各突出部２２の先端部に設けられた検出部２３と、各突出部２２の先端部に対して所定間隔を置いた位置で先端部を取り囲む緩衝部材２４とを備えて構成されてもよい。
また、上述した実施の形態において、化学分析センサ１ａは、例えば図７（ａ），（ｂ）に示す上述した実施形態の第３変形例に係る化学分析センサ１ａのように、本体部２１から突出する複数の突出部２２，…，２２と、各突出部２２の先端部に設けられた検出部２３と、各突出部２２の先端部を取り囲む単一の緩衝部材２４とを備えて構成されてもよい。
【００３２】
また、上述した実施の形態において、化学分析装置１は、単一の化学分析センサ１ａを有するとしたが、これに限定されず、例えば図８に示す上述した実施形態の変形例に係る化学分析装置１のように、複数の化学分析センサ１ａ，…，１ａを備えてもよい。
【００３３】
また、上述した実施の形態において、化学分析センサ１ａは、検出部２３周辺あるいは緩衝部材２４に他の物理量（例えば、温度、反応溶液の流通状態、酸素量等）を計測可能な適宜のセンサを備えてもよいし、検出部２３周辺の温度状態を制御可能な素子等を備えてもよい。
例えば、反応溶液の流通状態を検出可能なセンサを備えた場合には、この竜津状態の検出結果に応じて化学分析センサ１ａの姿勢（つまり、化学分析センサ１ａの突出部２２に対する緩衝部材２４の相対位置を位置決め）を適切に制御することができる。
また、例えば検出部２３周辺あるいは緩衝部材２４に加熱可能な素子を配置することによって、計測時に検出部２３の周辺温度を可変させ、所望の化学反応を促進させたり、活性度を上昇させる等の積極的環境可変による検出感度の向上や、通常の計測状態を脱した新たな条件下での計測結果を瞬時に得ることが可能になる。また、検出部２３近傍に温度可変な構造を有することにより、例えばマイクロ流路２ａの複数個所に温度計測可能なセンサを配置して、各センサの計測結果と、検出部２３近傍での計測結果とを照合しながら温度勾配を所定値（例えば、ゼロ等）に制御したり、所望の温度勾配を印加する等の動作が可能になる。
【００３４】
なお、上述した実施の形態においては、マイクロ流路２ａを反応容器としたが、これに限定されず、他の反応容器であってもよい。
また、上述した実施の形態においては、反応容器（例えば、マイクロ流路２ａ）内での反応溶液の流通方向に対して、化学分析センサ１ａの突出部２２と緩衝部材２４との相対位置を変更するとしたが、これに限定されず、例えば反応容器内で温度を上昇あるいは下降させることによって所望の反応を促進させる際の熱勾配による反応物質の流動または伝熱状態の変化を、許容または規制するために化学分析センサ１ａの突出部２２と緩衝部材２４との相対位置を変更してもよい。
また、上述した実施の形態においては、反応容器（例えば、マイクロ流路２ａ）内で反応溶液を流通させるとしたが、これに限定されず、例えば気体状の物質を流通させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施形態に係る化学分析センサを有する化学分析装置の構成図である。
【図２】図２（ａ）および図２（ｂ）は、本発明の実施形態に係る化学分析センサの構成を示す平面図および側面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る化学分析装置の保持機構を示す平面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る化学分析装置の保持機構を示す側断面図である。
【図５】本発明の実施形態の第１変形例に係る化学分析センサの斜視図である。
【図６】図６（ａ）および図６（ｂ）は、本発明の実施形態の第２変形例に係る化学分析センサの構成を示す平面図および側面図である。
【図７】図７（ａ）および７（ｂ）は、本発明の実施形態の第３変形例に係る化学分析センサの構成を示す平面図および側面図である。
【図８】本発明の実施形態の変形例に係る化学分析装置の構成図である。
【符号の説明】
【００３６】
１４制御部（制御手段）  １５回転駆動部（移動制御手段）  ２１本体部  ２２突出部  ２３検出部  ２４緩衝部材
【図１】
2008203060.tif 000003
【図２】
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【図３】
2008203060.tif 000005
【図４】
2008203060.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2008203060.tif 000009
【図８】
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