特許 6022911 検出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6022911

(24)【登録日】2016年10月14日

(45)【発行日】2016年11月9日

(54)【発明の名称】検出装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 35/08 20060101AFI20161027BHJP

   G01N 5/02 20060101ALI20161027BHJP

   G01N 27/06 20060101ALI20161027BHJP

   G01N 21/27 20060101ALI20161027BHJP

   G01N 21/05 20060101ALI20161027BHJP

   G01N 37/00 20060101ALI20161027BHJP

【ＦＩ】

   G01N35/08 A

   G01N5/02 Z

   G01N27/06 Z

   G01N21/27 Z

   G01N21/05

   G01N37/00 101

【請求項の数】2

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2012-261958(P2012-261958)

(22)【出願日】2012年11月30日

(65)【公開番号】特開2014-106217(P2014-106217A)

(43)【公開日】2014年6月9日

【審査請求日】2015年3月16日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006633

【氏名又は名称】京セラ株式会社

(72)【発明者】

【氏名】永田 優

(72)【発明者】

【氏名】宮本 康治

(72)【発明者】

【氏名】梅村 鉄郎

【審査官】 山口 剛

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−０３０１６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−３２２８２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０６９２０２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ３５／００ − ３７／００

Ｂ８１Ｂ １／００ − ７／０４

Ｂ８１Ｃ １／００ − ９９／００

Ｇ０１Ｖ ９９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板の一主面上に配置された、一端から他端まで前記基板の前記一主面と平行に延びる基板上流路と、
前記基板上流路の内部に配置された、検体溶液中に含まれる検体を検出する検出部と、
前記基板上流路の前記一端に接続される、前記検体溶液を導入する入口流路とを有し、
前記入口流路は、前記基板上流路に接続される側が二重管構造であり、内側の管を流れる前記検体溶液が前記基板上流路に前記一端から導入され、内側の管と外側の管との間を流れる前記検体溶液は前記基板上流路外に送られる、検出装置。

【請求項2】

前記検出部は、前記検体溶液に含まれる標的の吸着または前記標的との反応に応じて質量が変化するものであり、
前記検出部における質量変化を検出する計測部をさらに有する、請求項１記載の検出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、検体溶液中の検体の性質あるいは検体溶液に含まれる標的を測定するための検出装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

血液等の液体試料に含まれる成分の測定を行なう場合には、センサ部に液体試料を連続流として通過させる検出装置が知られている。このような検出装置において、液体試料を連続流として供給するための流路の一部にチューブが用いられている（例えば、特許文献１，２参照）。

【0003】

そして、このような検出装置において、検出精度を高めるために、センサ部において検出する検出信号の立上り及び立下りをシャープにすることが求められている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００２−１７４６１０号公報

【特許文献2】特開２００４−２１９３２５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１，２に記載されているような流路を用いる検出装置では、検出信号の立上り及び立下りがブロードになってしまうという問題があった。

【0006】

そこで、本発明の目的は、検出信号の立上り、立下りをシャープにすることで、検出精度の高い検出装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様に係る検出装置は、基板と、前記基板の前記一主面上に配置された、一端から他端まで前記基板の一主面と平行に延びる基板上流路と、前記基板上流路の内部に配置された、検体溶液中に含まれる検体を検出する検出部と、前記基板上流路の前記一端に接続される、前記検体溶液を導入する入口流路とを有し、前記入口流路は、前記基板上流路に接続される側が二重管構造であり、内側の管を流れる前記検体溶液が前記基板上流路に前記一端から導入され、内側の管と外側の管との間を流れる前記検体溶液は前記基板上流路外に送られるものである。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、検出精度の高い検出装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の実施形態に係る検出装置の模式的な断面図である。

【図2A】従来の検出装置における検体溶液の速度分布及び濃度分布を流体解析した結果を示す図である。

【図2B】図１に示す検出装置における検体溶液の速度分布及び濃度分布を流体解析した結果を示す図である。

【図3】図２Ａ，図２Ｂに示す入口流路を用いたときの検出信号の検出強度の時間的変化を示す線図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明にかかる検出装置の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下に説明する各図面において同じ構成部材には同じ符号を付すものとする。また、各部材の大きさや部材同士の間の距離などは模式的に図示しており、現実のものとは異なる場合がある。また、検出装置１は、いずれの方向が上方または下方とされてもよい。

【0011】

図１は、検出装置１の概略を示す断面図である。検出装置１は、基板１０と、基板上流路２０と、検出部３０と、入口流路４０と、カバー部材５０と、出口流路６０とを有する。

【0012】

検体溶液は入口流路４０から供給され、基板上流路２０を介し出口流路６０へと排出される。一般に、リファレンス溶液を流し、途中から検体を含む検体溶液を流すことにより、検体の検出を行なう。

【0013】

基板１０は、その上に構成される構造物を支持するためのものであり、そのための強度を有するものであれば特に材料は限定されない。例えば、Ｓｉ等の半導体基板、樹脂基板、セラミックス基板、単結晶基板、それらの複合基板等を用いることができる。図１において、基板１０は平板状としたが、一主面１０ａに沿って延びる後述の基板上流路２０を配置することが可能であれば平板状に限定されることはない。この例では、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）単結晶，ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）単結晶、水晶などの圧電性を有する単結晶の基板からなる。基板１０の平面形状及び各種寸法は適宜に設定されてよい。一例として、その厚みは、０．３ｍｍ〜１．０ｍｍである。

【0014】

基板上流路２０は、基板１０の一主面１０ａに沿って延びるように配置される。言い換えると、基板１０の一主面１０ａに平行に延びるように配置される。そして、基板上流路２０は、一端２０ａと他端２０ｂとを有する。この一端２０ａと他端２０ｂとの間は一主面１０ａに沿っていれば、直線状に延びていても、屈曲部を有していてもよい。この例では、一端２０ａから他端２０ｂまで直線状の流路としている。このような構成とすることにより、基板上流路２０内における検体溶液の流れに乱れが生じることを抑制することができる。

【0015】

このような基板上流路２０は、検体溶液が流動することが可能であれば自由な形状とすることができる。例えば、基板１０の一部に凹部を設けて流路としてもよい。この例では、基板１０の一主面１０ａと後述のカバー部材５０とで囲われた空間を基板上流路２０としている。この場合には、基板１０の一主面１０ａ及びカバー部材５０のうち空間を臨む部位は、検体溶液に対して反応性を有さない化学的に安定したものであるとともに、難溶性であり、検体溶液を透過させない材料で構成されることが望ましい。

【0016】

このような基板上流路２０の一部を構成するカバー部材５０は、この例では基板１０上に配置されているが、基板１０の側面及び底面も保護するような構成よしてもよい。また、カバー部材５０の材料は特に限定されない。樹脂材料やセラミック材料、金属材料及びそれらの複合材料等、自由に選択することができる。

【0017】

検出部３０は、基板上流路２０を流れる検体溶液に含まれる検体を検出するものである。例えば、検体溶液中に存在する検体の吸着またはこの検体との反応に応じて、重量が変化し、この変化を検知することにより検体を検出することができる。。この検出部３０は、例えば検体溶液の導電率などの電気的性質の影響を受けないＡｕの膜に、検体に対して特異的に吸着させるような反応性を有する反応基を固定化させることで実現できる。なお、検体自体を吸着させなくてもよい。例えば、Ａｕの膜に、検体に対して反応すると同時
に、検体溶液中に存在する検体以外の物質と反応するような特性を有する反応基を固定化させてもよい。また、検体との反応により、固定化された反応基の一部が分離し、放出するような構成としてもよい。なお、このＡｕ膜は電気的に短絡していることが望ましい。

【0018】

なお、検出部３０は検体との接触により検体を検出可能であれば、Ａｕ等の金属膜に限定されない。例えば、検体溶液が検出部３０において検体量に応じて吸光度、導電性、粘度等が変わり、それを検出させるものであってもよい。

【0019】

この例では、平面視で検出部３０を挟むように基板１０上に不図示の櫛歯状電極（ＩＤＴ電極）が２つ形成されている。これにより、一方のＩＤＴ電極から発生し他方のＩＤＴ電極で受信する弾性表面波の位相が、検体の検出により検出部３０の重量変化に応じて変化する。この信号変化を不図示の計測部で算出することにより、検体の検出量を測定することができる。

【0020】

このような検出部３０は、基板上流路２０の内部に露出するように配置されている。具体的には、検出部３０は基板１０の一主面１０ａ上に形成されており、基板１０の一主面１０ａのうち検出部３０が配置された領域が基板上流路２０の一部を構成する。

【0021】

入口流路４０は、外部から検出装置１に検体溶液を導くためのものであり、基板上流路２０の一端２０ａに接続される。入口流路４０が延びる方向は自由に設定できる。図１に示す例では、基板１０の一主面１０ａの法線方向に延びる例を示している。

【0022】

入口流路４０を構成する材料は、検体溶液に対して化学的に安定している材料であれば特に限定されないが、樹脂材料を採用することができる。その硬度等にも特に限定はなく、図１に示す例では、樹脂材料からなるチューブを用いている。

【0023】

一般に管の直径が大きい程、管内における速度分布の発生を抑制し、かつ速度分布が生じるまでに必要な管の長さが長くなる。このため、入口流路４０の直径は大きいほうが好ましい。

【0024】

この例では入口流路４０の内径は基板上流路の内径よりも大きくなっている。そして、検体溶液に毛細管現象が働かないように十分な太さを有するもとする。

【0025】

そして、この入口流路４０の基板上流路２０に接続される側が二重管構造となっている。具体的には、内側の管４１と外側の管４２とを有している。そして、内側の管４１のみが基板上流路２０に接続され、内側の管４１内を通過する検体溶液のみが基板上流路２０に供給され、基板上流路２０の他端２０ｂに接続された出口流路６０より排出される。外側の管４２と内側の管４１との間を流れる検体溶液は基板上流路２０外に排出される。この例では、外側の管４２と内側の管４１との間を流れる検体溶液は基板上流路２０と隣接して配置された不図示の流路７０を流れ、流路７０から出口流路６０に流れ排出される。

【0026】

内側の管４１の管の直径をＤとすると、内側の管４１内において速度分布が形成されるまでに必要な距離は、層流であれば約１４０Ｄ、乱流であれば約８０Ｄである。このことから、内側の管４１内で新たな速度分布が生じる前に基板上流路２０に接続することを目的として、入口流路４０の内、二重管構造となっている部分の長さは、１４０Ｄ以下とすることが好ましい。より好ましくは８０Ｄ以下とすることが好ましい。

【0027】

また、内側の管４１の直径は外側の管４２の直径の４０％以上７０％以下とすればよい。このような構成とすることにより、外側の管４２の管壁近傍の速度分布の大きい検体溶液を除外しつつ、内側の管４１内における新たな速度分布を生じることを抑制することが
できる。

【0028】

このような構成とすることにより、検出部３０で検出する検出信号の立上り、立下りをシャープにすることができ、検出精度の高い検出装置１を提供することができる。これは、以下のようなメカニズムが推察される。

【0029】

すなわち、従来、チューブ等で形成される入口流路から検出部に向けて検体溶液を供給していた場合には、チューブ内において検体溶液の速度勾配が生じ、この速度勾配に応じて検出部に到着する速さにも分布が生じていた。言い換えると、チューブの中央を流れる検体溶液は速度が速いため検出部に早く到着し排出される。その一方で、チューブの壁側付近を流れる検体溶液は速度が遅いため、検出部に後で到着し排出される。この検出部への到着時間の差と、検出部からの排出時間の差とが、検出信号の立上り及び立下りをブロードにしていたものと推察される。

【0030】

これに対して、検出装置１は、基板上流路２０に到達する直前に、速度分布の大きく異なる内側（中央部）と外側とを流れる検体溶液を分離して、比較的均一な速度分布を有する中央部を流れる検体溶液のみを内側の管４１に導く。これにより、入口流路４０の直径方向における断面でみたときに、速度分布もそれに伴う検体の濃度分布も少なくすることができ、その結果、検出信号の立上り及び立下りをシャープにすることができるものと推察する。

【0031】

以上のメカニズムを検証するために、入口流路内における検体溶液の速度分布及び濃度分布をシミュレーションした。具体的には、入口流路に水、ＮａＣｌ溶液、水をこの順に連続的に注入したときのＮａＣｌの入口流路内における速度分布及び濃度分布をシミュレーションした。シミュレーション条件は、以下の通りとした。
入口流路の管の半径：０．１２７ｍｍ
入口流路の長さ：５３０ｍｍ
二重管構造となっている部位の内側の管４１の半径：０．０８５ｍｍ
検体溶液の粘度：８．９×１０^−４Ｐａ／ｓ
検体溶液の密度：９９７Ｋｇ／ｍ^３
その結果を図２に示す。図２Ａは従来の一重管の入口流路を用いた例であり、図２Ｂは検出装置１の入口流路４０を用いた例である。なお、いずれも入口流路において太さ方向（直径方向）と直交する方向の断面を示しており、左端が入口流路の中央部分を示している。

【0032】

図２からも明らかなように、入口流路４０を用いた場合には速度分布及び濃度分布が大きく改善できていることが確認できた。これにより、図３に示すように、検出信号の立上り及び立下りをシャープにすることができる。

【0033】

なお、入口流路４０と基板上流路２０との接合部において流路は屈曲することとなり、流路の断面積も変化するが、このような形状による流れの澱みの影響よりも入口流路４０の二重管構造以外の部位における速度分布が検出信号の立上り及び立下りに影響を与えることも確認している。

【0034】

ここで、基板上流路２０の管壁は入口流路４０の管壁に比べ、検体溶液に対する濡れ性が高い材料で構成することが好ましい。このような構成とすることにより、入口流路４０の内側の管４１から基板上流路２０の検出部３０に到達するまでの間に、基板上流路２０の管壁の影響により新たな濃度分布が生じることを抑制することができる。

【0035】

このように、本発明の検出装置１によれば、検体溶液が検出部３０に到達する前にその
濃度分布を緩和する機構を追加することで、検出信号の立上り及び立下りをシャープにすることができる。

【0036】

このような、濃度分布の緩和機構は、上述のような入口流路４０の二重管構造に限定されない。例えば、入口流路４０の基板上流路２０に接続される側の領域において、外側から振動を加え検体溶液が入口流路の管壁から離すようにしてもよい。このような振動は、超音波を印加してもよいし、流路の外側から圧電体で振動を印加してもよい。

【0037】

また、入口流路４０と基板上流路２０との接続部に弁を設け、基板上流路２０へ検体溶液が流入する前に検体溶液をせき止め、一度濃度分布を均一にさせた後に弁を開くようにしてもよい。同様に弁で検体溶液をせき止めた後に、外部から強制的に圧力を加えた状態で弁を開放してもよい。

【0038】

本発明は、以上の実施形態に限定されず、種々の態様で実施されてよい。例えば、上述した検出装置１では、内側の管４１と外側の管４２との間を流れる検体溶液は流路７０へと導かれたが、そのまま排出してもよい。

【符号の説明】

【0039】

１・・・検出装置
１０・・・基板
２０・・・基板上流路
３０・・・検出部
４０・・・入口流路
４１・・・内側の管
４２・・・外側の管

【図1】

【図3】

【図2A】

【図2B】