(57)【要約】【課題】植物が水分の吸引を行う毛細管現象に着目した、溶液中に浸漬した極細管から溶液を連続して吸引を行い、マイクロリットルおよびナノリットルオーダの吸引量制御可能である吸引ポンプを提供する。【解決手段】植物中に含まれる水分を植物の葉表面等より大気中に蒸発させて新しい水分を根から吸収された水分を茎を通して吸引を行う毛細管現象に着目し、葉表面等からの水分の蒸発機構を模した、構造、寸法などのバルブ機構を有し、容器に入った溶液中に極細管先端部分を浸漬した極細管から溶液がマイクロリットルおよびナノリットルオーダの制御で連続して吸引可能であることを特徴とする毛細管現象および蒸発作用を用いた吸引ポンプである。【選択図】図１
2005156515.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
植物が保有する水分を、その葉表面等から大気中に蒸発させ、新たに根から水分を吸収し、茎を通ってその水分を吸引する毛細管現象に着目し、葉表面等からの蒸発作用を弁機構とする、溶液中にその先端部分を浸漬した極細管から溶液が連続してマイクロリットルおよびナノリットルオーダで吸引可能であることを特徴とする毛細管現象および蒸発作用を用いた吸引ポンプ。
【請求項２】
請求項１に記載の吸引ポンプのタンク外形寸法、容積、材質、液体排出口の寸法と数量、極細管の内径、長さを制御することにより、バルブとの毛細管現象に起因する表面張力と接触角を制御し、粘性、密度の異なる複数の溶液のマイクロリットルおよびナノリットルオーダでの混合を可能とし、タンク内部に分析用センサを組み込むことで、マイクロリットルおよびナノリットルオーダの単一あるいは混合溶液の分析を可能とすることを特徴とする毛細管現象および蒸発作用を用いた吸引ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、医療関連分野、バイオテクノロジー、有機化学などの研究分野等での血液のような体液の採取および分析、あるいは試薬液混合等の吸引ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】  体液の検査における粘性が高い血液等の採取は、一般医療機関で用いられる注射器等を用いて血液ならびに体液の採取を行っている。一方、各個人が行う血糖値測定のような血液検査では、ばね等により加速されたペン型の針を指先に穿刺して皮膚を切り裂き、血液を毛細血管から採取している。さらには、極細管を皮膚に穿刺し、電気等のエネルギー源を用いてポンピング、すなわち吸引を行う装置も開発されている。【０００３】  しかし、従来の吸引機構において、一般医療機関で用いられる注射器は吸引量の制御が容易ではない。また、マイクロリットルおよびナノリットルオーダでの制御が可能な電気等のエネルギー源を用いた血液等の体液の吸引が可能な場合でも、ポンプ機構および液体排出弁等の駆動装置が必要で、大掛かりな機構とならざるを得ない。【０００４】  また極微量の薬液の混合においても、マイクロリットルおよびナノリットルオーダの制御は容易ではない。さらに、電気泳動等の技術を用いた薬液混合技術を用いるため、液体採取の場合と同様に、大掛かりな機構が必要であるのが現状である。
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  バイオテクノロジーあるいは医療技術の進歩にともなって、小型で、マイクロリットルおよびナノリットルオーダでの薬液の制御が求められるようになっている。現在、医療関連分野、バイオテクノロジー、有機化学などの研究分野等において、小型で簡便なマイクロリットルおよびナノリットルオーダの極微量液体採取方法ならびに複数の種類の液体試薬などの混合などが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  液中に極細管の先端部を浸漬した場合、極細管内の液体表面と気体との界面では、液体内部においてのみ液体分子同士で分子間力が働く。そのため、液体表面に表面張力が生じる。極細管内の液体は、液体分子の自重よりも極細管壁面と液体表面との間に働く表面張力のほうが大きくなると、極細管の壁面に引き寄せられて上昇する。これが毛細管現象である。しかし重力と表面張力が釣り合った時点で、極細管内の液体上昇は停止する。この現象下において、液体とその接触している極細管壁面の界面では一定の角度、すなわち接触角を示す。
【０００７】  毛細管現象は、植物の地中の水分を吸い上げる現象としてもよく知られている。植物は、地中の養分が溶け込んだ水分を根から吸収し、茎を通って吸引する。その場合、植物の葉表面等より大気中にその植物中に含まれる水分を蒸発させて新しい水分の吸引を行う。その結果、植物は液体吸引が連続的に可能である。
【０００８】  課題を解決する手段として、植物の毛細管現象、すなわち葉表面等からの蒸発を促す作用に着目した。この蒸発作用をコントロールできれば極微量の吸引ポンプが可能となる。本発明において、マイクロリットルおよびナノリットルオーダの吸引量制御可能なポンプ機構の主要部は、極細管、タンク、および弁（好ましくは、そして以降「バルブ」と総称されるが、本発明においては、「弁」および「バルブ」という用語は交換可能と考慮される）から構成されている。植物の吸引機構の部位にたとえると、極細管は根、タンクは茎、そしてバルブは葉である。極細管に比べ直径の大きい液体排出口を有する円筒状タンクの側面をバルブで覆い、液体の吸引量を制御する。そのバルブは、幅のある円環状とした。タンク内と管内は溶液で満たすことで、吸引ポンプ内の気体を外部に排出した。円筒状タンクと円環状バルブとの間で毛細管現象が生じ、溶液中に浸漬した極細管の先端部から溶液が吸引され、重力と釣り合った時点で毛細管現象による吸引が停止するが、円環状バルブと円筒状タンクとの間から滲み出した液体が室温で空気中に蒸発するため、植物の液体吸引機構と同様に、溶液中に浸漬した極細管の先端部から溶液が連続的に吸引可能である。
【０００９】  植物が水分の吸引を行う毛細管現象に着目し、葉表面等からの蒸発を促すための機構をバルブとした極微量吸引ポンプは、極微量の液体を連続的に吸引、あるいはマイクロリットルおよびナノリットルオーダの液体の混合を可能にする。
【発明の実施例】
【供試材料】
【００１０】  図１は、マイクロリットルおよびナノリットルオーダの吸引量制御可能な毛細管現象および蒸発作用を用いた吸引ポンプの概略を示す説明図である。極細管材料は、図中１に示した一般に医療用注射器などに使用されているステンレス製の極細管である。図中２は、アクリル樹脂製の円筒状タンクを示す。溶液中に浸漬した極細管の先端部から溶液を吸引するために、円筒状タンク側面には、タンク内の余分な溶液を排出する、図中３に示した液体排出口を有する。図中の４はバルブを示し、図２に示した円環状バルブを用いて、液体の吸引量を制御する。粘性、密度の異なる溶液の吸引量は吸引する溶液の粘性、密度に依存するため、毛細管現象を促す液体面と固体面の間での接触角を制御するために、円環状バルブの材質、直径ならびに幅等は、円筒状タンクの外形寸法、容積、材質、液体排出口の寸法と数量、そして極細管の内径、長さを、吸引する溶液に応じて調整する必要がある。
【吸引量の測定】
【００１１】  吸引量の測定においては、マイクロ天秤を用いる。マイクロ天秤上に吸引する溶液を入れた吸引用液体容器を置き、その変化量を吸引量として時系列測定を行う。図３は、マイクロリットルおよびナノリットルオーダの吸引量制御可能な毛細管現象および蒸発作用を用いた吸引ポンプによる吸引量測定に用いた測定装置を示す。図中５は、そのマイクロ天秤である。マイクロ天秤の周りに図中６に示した支持台を固定し、図中７に示した極細管そして円環状バルブを備えた円筒状タンクを、図中８に示した吸引用液体容器鉛直上の支持台に設置する。
【マイクロリットルおよびナノリットルオーダの吸引】
【吸引時間と吸引量】
【００１２】  液体排出口の穴の径０．５ｍｍを有するマイクロリットルおよびナノリットルオーダの吸引量制御可能な毛細管現象および蒸発作用を用いた吸引ポンプに、内径１００μｍ、長さ３．８ｍｍの極細管と、厚さ５００μｍ、幅２ｍｍのバルブと同等の機能を有する円環状シリコン製ゴムを取り付け、溶液として生理食塩水を室温で吸引した場合の溶液の吸引量ならびに吸引用液体容器からの液体蒸発量とその時間を図４に示す。その際、タンク内と管内は生理食塩水で満たすことで、吸引ポンプ内の気体を外部に排出した。なお測定時間は、図３に示した測定装置の構成を用いたため、極細管の先端部が吸引時間の経過とともに吸引用液体容器の液面に届かなくなるため、８００秒までとした。図中の９に示した液体の蒸発量は、時間に対し直線的に増加する。そのときの蒸発速度は、毎秒０．００４９マイクロリットルであった。一方図中の１０に示したマイクロリットルおよびナノリットルオーダの吸引量制御可能な毛細管現象および蒸発作用を用いた吸引ポンプによる吸引量は、測定時間初期では著しく大きいが、その後一定の吸引速度で吸引した。
【吸引速度と蒸発速度】
【００１３】  図５は、マイクロリットルおよびナノリットルオーダの吸引量制御可能な毛細管現象および蒸発作用を用いた吸引ポンプに内径１００μｍ、長さ３．８ｍｍの極細管と厚さ５００μｍ、幅２ｍｍのバルブと同等の機能を有する円環状シリコン製ゴムを取り付け、溶液として生理食塩水を室温で吸引した場合の、液体の吸引速度ならびに吸引用液体容器からの液体蒸発速度とその時間を示す。図中の１１に示した溶液の蒸発速度は、毎秒０．００４９マイクロリットルであった。一方、図中の１２に示したマイクロリットルおよびナノリットルオーダの吸引量制御可能な毛細管現象および蒸発作用を用いた吸引ポンプによる吸引速度は、測定時間初期で著しく速く、その後飽和し、飽和後の吸引速度は毎秒０．０１マイクロリットルで、蒸発速度のおよそ２倍であった。したがって、円筒状タンクと円環状バルブとの間で毛細管現象が生じて極細管の先端部から溶液が吸引され、重力と釣り合った時点で毛細管現象による吸引が停止して吸引速度の減少が見られるが、円環状バルブと円筒状タンク間から滲み出した液体が室温で空気中に蒸発されるため、溶液中に浸漬した極細管の先端部から溶液が連続的に吸引可能である。
【溶液の混合】
【吸引時間とｐＨ】
【００１４】  溶液の混合には、図６に示す液体排出口の穴の径０．５ｍｍを有し、内径１００μｍ、長さ３．８ｍｍの２本の極細管と厚さ５００μｍ、幅２ｍｍのバルブと同等の機能を有する円環状シリコン製ゴムを取り付けた、毛細管現象および蒸発作用を用いたマイクロリットルおよびナノリットルオーダの吸引量制御可能な吸引ポンプを用いた。図中実験Ａにおいては、図中１３に示した０．０２ｍＭの塩酸を、図中実験Ｂにおいては、図中１４に示した水酸化ナトリウム水溶液を室温で吸引した。その際、タンク内と管内は、実験Ａにおいては塩酸を、実験Ｂにおいては水酸化ナトリウム水溶液を満たすことで、吸引ポンプ内の気体を外部に排出した。その場合のｐＨの変化ならびに吸引量とその時間を図７に示す。初期の塩酸と水酸化ナトリウム水溶液のｐＨはそれぞれ、１．２と１０．６である。塩酸と水酸化ナトリウム水溶液の吸引速度は図中１５より毎秒０．０１３マイクロリットルであった。タンク内と管内に塩酸を満たし３０マイクロリットル吸引後タンク内の溶液のｐＨを測定したところ、図中１６よりｐＨ２．４であった。一方、タンク内と管内に水酸化ナトリウム溶液を満たし３０マイクロリットル吸引後タンク内の溶液のｐＨを測定したところ、図中１７よりｐＨ９．５であった。本発明により作製したマイクロリットルおよびナノリットルオーダの吸引量制御可能な毛細管現象および蒸発作用を用いた吸引ポンプを用いて、異なる溶液の混合が可能である。
【発明の効果】
【００１５】  バイオテクノロジーあるいは医療技術の進歩により、小型で簡便なマイクロリットルおよびナノリットルオーダの吸引量制御や、粘性、密度の異なる複数の溶液の混合を可能とする吸引ポンプが求められるようになっている。しかし従来の液体吸引ポンプは、ポンプ機構および液体排出弁等の駆動機構に電気等のエネルギー源が必要で、大掛かりな機構とならざるを得ない。上記目的を解決するために、植物が、地中の養分が溶け込んだ水分を根から吸収し、それを茎から吸引する際、植物の葉表面等より大気中にその植物中に含まれる水分を蒸発させて新しい水分の吸引を行う毛細管現象に着目した。本発明は、葉表面等からの蒸発を促すための機構をバルブとした。本発明の吸引ポンプは、バルブとタンクとの間で毛細管現象が生じ、その間から滲み出した液体が室温で空気中に蒸発するため、溶液中に浸漬した極細管の先端部から連続的にマイクロリットルおよびナノリットルオーダの吸引量制御を可能とする毛細管現象および蒸発作用を用いた吸引ポンプである。その吸引ポンプは、従来の吸引ポンプのような駆動装置を必要とせず、吸引装置の小型化が可能である。またエネルギー源を必要としないため、経済的かつ場所を選ばず使用可能である。さらに、タンク外形寸法、容積、材質、液体排出口の寸法と数量、極細管の内径、長さを制御することにより、バルブとの毛細管現象に起因する表面張力と接触角を制御し、マイクロリットルおよびナノリットルオーダで粘性、密度の異なる複数の溶液の混合を可能とし、タンク内部に分析用センサを組み込むことでマイクロリットルおよびナノリットルオーダの単一あるいは混合溶液の分析が可能なため、医療関連分野、バイオテクノロジー、有機化学などの研究分野等で簡便に使用可能である。バルブの表面積の変化や、円環状バルブや円筒状タンクの円周に温度を制御する機構を備えることで、吸引ポンプの吸引速度の上昇と吸引量制御も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明により作製したマイクロリットルおよびナノリットルオーダの吸引量制御が可能な毛細管現象および蒸発作用を用いた吸引ポンプの概略を示す説明図である。
【図２】  本発明により作製したマイクロリットルおよびナノリットルオーダの吸引量制御が可能な毛細管現象および蒸発作用を用いた吸引ポンプを用い、実施例として生理食塩水の吸引を行った、吸引ポンプ用バルブを示す写真である。
【図３】  本発明により作製したマイクロリットルおよびナノリットルオーダの吸引量制御が可能な毛細管現象および蒸発作用を用いた吸引ポンプによる吸引量測定に用いたマイクロ天秤とその測定装置を示す写真である。
【図４】  本発明により作製したマイクロリットルおよびナノリットルオーダの吸引量制御が可能な毛細管現象および蒸発作用を用いた吸引ポンプによる、生理食塩水の吸引量および蒸発量とその時間を示す図である。
【図５】  本発明により作製したマイクロリットルおよびナノリットルオーダの吸引量制御が可能な毛細管現象および蒸発作用を用いた吸引ポンプによる、生理食塩水の吸引速度および蒸発速度とその時間を示す図である。
【図６】  本発明により作製したマイクロリットルおよびナノリットルオーダの吸引量制御が可能な毛細管現象および蒸発作用を用いたマイクロリットルおよびナノリットルオーダの異種溶液混合用吸引ポンプの概略を示す説明図である。
【図７】  本発明により作製したマイクロリットルおよびナノリットルオーダの吸引量制御が可能な毛細管現象および蒸発作用を用いたマイクロリットルおよびナノリットルオーダの異種溶液混合用吸引ポンプによる吸引量および混合溶液のｐＨ変化とその吸引時間を示す図である。
【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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