CN100545647C - 化学分析装置 - Google Patents

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Abstract

化学分析装置包括：具有开口部的分析部，从该开口部供给试样或试剂的机构，作为液滴对试样和试剂进行合并和混合形成被测定液的机构，及测量反应中或反应结束了的被测定液的物性的测量机构。在分析部相对地配置板状构件，在各板状构件的相对面设置多个电极。对试样和试剂的液滴从多个电极加电压。

Description

化学分析装置
本申请要求申请日为2004年8月17日的日本申请JP 2004-237479的优先权，其内容将在此作为参照被引入到本申请中。
技术领域
本发明涉及一种适合包含于生物中的微量物质的分析的化学分析装置。
背景技术
在美国专利第6565727号说明书中记载了这样一种方法，在该方法中，与一片共用电极板相对地设置具有多个相互绝缘的电极列的板状构件，通过对电极列依次加电压，从而在电极面与液滴之间产生引力，沿电极列输送充满于两片板的间隙的填充液中的微量的液滴。
为了将公开于美国专利第6565727号说明书中的技术适用在分析包含于生物中的微量物质的化学分析装置中，存在以下问题。
第1，微量液(试样或试剂等分析液)的液量范围根据两片板状构件间的间隙和构成电极列时的电极尺寸决定，难以处理较宽流量范围的分析液。
第2，分析液的比重各不相同，随分析液相对填充液的比重的大小，液滴偏往一方的电极板。电极面与液滴间的引力可根据液体的亲水性·疏水性的变化获得，但由于亲水性·疏水性仅可控制两片电极中的单侧，所以，有时难以进行处理。
第3，当对一时保持于分析液的储液槽的液体进行分注时，从储液槽切取液体形成液滴，但液体切取的状态随各种液体的物性不同而不同，所以，液滴的液量的差增大，存在分注精度下降的危险。
第4，试样与试剂的混合仅是移动液滴，使其冲撞、摇动，所以，存在混合效率差的危险。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于，通过化学分析装置可分析液量多样地不同的分析液，可分析相对于填充液比重较小的分析液，实现高精度的分注，提高混合精度。
为了解决该问题，本发明的化学分析装置包括具有开口部的分析部、从该开口部供给试样和试剂的机构、使试样和试剂作为液滴进行合并·混合而形成为被测定液的机构、及对反应中或反应结束后的被测定液的物性进行测量的测量机构。设有与所述分析部相对地配置看的板状构件、设于与所述板状构件相向的面上的多个电极、比所述多个电极的各个电极之间的间隙的一半大并且尺寸比该多个电极的长度尺寸小的台阶部，和对各个所述多个电极施加电压的机构。
试样和试剂成为液滴地被夹于相对地配置的板状构件之间，通过对电极加电场，从而使液滴的接触角变化，可在多个电极上移动。另外，从分析部的开口部供给的试样和试剂可作为比开口部附近的容量小的液滴移动。
另外，具体地说，通过在电极板设置台阶、或使电极为突起状地也接触小容量的液体、或分配点状电极地配置，从而使电极时常接触于液体，使得即使容量小也可控制液体的亲水性·疏水性，所以，可提供即使在液量小时也可进行分析的装置。
另外，通过使接地电极与加电压电极的配置在顶板与底板颠倒，从而可提供对比重相对填充液小的分析液进行分析的装置。另外，可提供这样一种化学分析装置，该化学分析装置通过分割成多个小滴地分多次进行分注、将电极形状形成为液滴形状、由图像处理进行校正、将分注出口形成为电极等方式实现高精度分注。
本发明的化学分析装置可分析液量多变的分析液，分析比重相对填充液小的分析液，实现精度高的分注，及实现混合精度高的化学分析。
附图说明
图1为本发明的化学分析装置的一实施例的透视图，
图2为用于该化学分析装置的分析基板的上面图，
图3～图6为分析基板的各截面图，
图7和图8为用于分析基板的电极的一实施例的上面图，
图9为说明电极列和液滴的变形的图，图10为说明液滴的变形的图。
具体实施方式
下面根据附图说明本发明的实施例。
首先，根据图1～图7说明实施例。图1为***整体的透视示意图，图2示出分析基板的上面图。图3为试样分注部，示出图2的B～B′截面图。图4为试剂分注部，示出图2的C-B′截面图。图5为检测部，示出图2的D～D′截面图。图6为废液部，示出图2的E～E′截面图。
本化学分析装置由图1所示那样装入血清等生物试样的试样杯101、使试样杯101回转移动的试样盘102、对放到分析盘103上的试样进行分析的分析基板104、从试样杯将试样分注到分析基板的试样分注头105、及吸引分析结束后的液体等并将其抛弃到外部的废液汲器106构成。在分析基板104由带电磁阀的配管连接器111从放到带保冷功能的瓶台107的试剂瓶108和油瓶109通过管110配管到分析基板104。在分析基板104上面设置检测单元114。分析基板104由试样口112和废液口113这样两个开口部向外界开放。
以下，说明分析顺序。从试样杯101由试样分注头105将试样分注到分析基板104，从试剂瓶108通过管110分注试剂。在分析基板104中，混合2种液体，进行吸光度分析等。分析结束了的液体由废液汲器106排出到外界。
分析基板如图2、3所示那样，由上面基板201和下面基板202这样两片的基板构成。在下面基板202的一部分将一边长度为数毫米到数微米左右的多个电极排列为试样电极列115或试剂电极列116等，由疏水·绝缘膜208覆盖。电极分别由开关电路204连接。在这里，作为试样与试剂的混合液量比示出试剂相比试样较大的场合。相应于液量比，电极的大小不同。两个基板的间隙由隔板205限制为一定间隔，根据需要从油口206供给油。疏水·绝缘膜也可分成疏水膜和绝缘膜。
作为下面基板202的制作方法，例如在玻璃或石英等绝缘的基板上由蒸镀、溅镀、CVD等形成Cr或Ti、Al、ITO等具有导电性的薄膜电极，形成为电极。在其上，由蒸镀、溅镀、CVD等形成斯里本德(スリ一ボンド)公司的帕里伦(パリレン)(商品名)等有机绝缘膜或SiO2等无机绝缘膜。通过在该绝缘膜上涂覆形成氟系基的疏水膜，从而进行制作。作为疏水膜的材料，可使用杜邦(デユポン)公司的特氟隆AF1600(商品名)、或旭玻璃公司的Cytop(商品名)等。另外，上面基板201作为成对电极211在一面形成ITO等透明导电膜，在其上通过涂覆生成上述疏水膜。
在分析基板104的基板间，供给例如硅油、风布林(フオンブリン)(商品名)或克拉依托克斯(クライトツクス)油(商品名)等耐药性强的非活性油207。此时，油207形成的膜覆盖上面、下面基板上，试样液滴213等不易接触。应充满油207的分析基板104放置于平板上，所以，油207不自然流出，可由压头差进行比较廉价的供给，不需要对每次分析进行补充。此时，在液体接触的部位不易发生液体残留，所以，可解决在现有的分析装置中成为问题的携带的问题，可进行高精度的分析。
下面，详细说明在分析基板104的动作。首先，由在图2中未示出的试样分注头105分注到试样口112的试样成为储存于试样口112的那样的状态。此时，试样电极A209上的分注试样210由于处于疏水·绝缘膜上，所以，被从上下基板表面排斥，变成圆形。然后，当操作开关电路204，在试样分注电极A209与成对电极211之间加电压时，浸湿的状态变化，展延开来，接触于试样电极B212。然后，当操作开关电路，切断对试样电极A209的电场，对试样电极B212与成对电极211之间加电压时，分注试样210的一部分在适当的位置缩颈，从试样分注电极A209离开，展延到试样分注电极B212。然后，当由开关电路204切断对试样分注电极B212的电场，在试样分注电极C214加电压时，在适当的位置液体被切取，成为试样液滴213，移动到试样分注电极C214上。这样，通过不断地切换开关电路204，沿试样电极列115在分析基板104中输送试样液滴213。另外，不断地从试样口112切出试样液滴213，作为多个试样液滴213分注总的试样。
如试样液体的粘度大，或表面张力小，则电场切换对浸湿性变化的影响小，所以，液体不易展延到下一电极，不易发生液体的缩颈(中间细)，难以从分注试样切出试样液滴。此时，液体的切取部位在每次切取时变化，所以，试样液滴的大小不同，因此，存在试样分注精度下降的危险。因此，如图7(A)那样，通过将液体缩颈的部位221的电极例如试样电极B212形成为具有与液体的缩颈部221对应的凹部的形状，从而可增大液体的缩颈部221，易于将液体切取。或者如图7(B)那样，将形成试样液滴213的电极例如试样电极C214形成为与液滴的大小对应的形状，从而可促进试样液滴213的形成。这样，容易从分注试样210切取液体，所以，可提高试样分注精度。该液滴形状的电极的曲线部分，在例如曲率半径的尺寸比最接近该开口部的电极即电极112具有的曲率半径小的场合，最好可沿液体的缩颈部的曲线形成。相反，当过小时，超过液滴的变形度的余量，所以，最好成为具有比其邻接的电极的尺寸大的曲率半径的曲线部。
在本发明中，这样地将来自试样分注头的分注试样细分地进行分注。一般细分地分注时，分注精度提高。例如，按照非专利文献1，当按相同分注精度分注相同容量时，如分成N次分注，则精度与N的平方根成反比例地提高。在现有的分析装置的分注中，由于1μL左右为最小分注量，所以，不可能细分到1μL或更少地进行分注。然而，在本发明中通过减小电极尺寸，可作为更小的液滴进行分注，可细分地分注，提高分注精度。
如上述那样，在图3中，对于试样分注头105，也与基板同样形成疏水·绝缘膜208，获得疏水性。另外，通过开关电路204加电场，可控制浸湿性。首先，从试样分注头105将分注试样210分注到分析基板104的基板间。然后，提起试样分注头105。在现有的分析装置的场合，当提起试样分注头时，将试样液210一起带走，所以，必须进行考虑了该带走的液体的分注，存在使用容量增大的问题。另外，带走量也不稳定，所以，存在分析精度下降的问题。然而，通过形成图3那样的构成，当提起试样分注头105时，可在试样分注头105的成对电极211与试样电极A之间控制电压，可获得与上面基板201的成对电极211同等的作用。因此，分注试样液体的浸湿性得到控制，液体切取变得良好，所以，没有附着于试样分注出口的试样液体，解决了带走的问题，可减少使用容量，提高分析精度。另外，当在试样分注头105与试样分注电极A209之间设置图中未示出的电流计监控电流时，在存在液滴的场合，电流非常小地流动，所以，可确认是否附着有液滴，有利于分注精度的提高。
上面基板201的材质采用玻璃等，成对电极211为ITO等透明电极，在分析基板104的上侧设置图中未示出的照相机，从而监控从试样口112分注的试样液滴213的形状，可获得二维地展开的试样液滴的图像。此时，夹于板状构件间的液滴的截面变得均匀，所以，将根据获得的图像求出的液滴像的面积看成截面积，乘上板状构件间的距离，从而可容易且高精度地求出液滴体积。因此，可解决在现有的分析装置的监控中成为问题的、由于三维地获得液滴的图像而恶化的监控精度下降的问题，可进行高精度的分注，高精度的分析成为可能。另外，通过使试样分注电极形成为数μm，从而可使试样液滴的容积成为毫微升级别(ナノリツトルオ一ダ)。因此，可进行监控，当发生过或不足时，可进行高精度的调整。
另一方面，试剂如图4所示那样，由管110配管于上面基板201。如图1所示那样，试剂瓶108设置于分析基板104的上侧，所以，可由压头差进行供给，通过连接器组件111内的电磁阀由疏水性的配管连接器219连接于试剂口121。由电磁阀的开闭的间隔将必要量供给到分析基板。试剂口121与试样口112同样，设置有从开关电路204(在图1、4中未示出)连接的试剂电极列116，从分注试剂190多次切出试剂液滴122进行输送。此后，在混合电极A216合并，获得必要量。
试样液体与试剂的混合如以下那样进行。首先，在这里，试剂液滴122预先被输送到混合电极A。然后，将试样液滴213输送到在混合电极上等候的试剂液滴122或已进行了某种程度的混合的混合液滴123，在混合电极A216使其冲撞。另外，将开关电路204切换到混合电极B217、混合电极C218，朝与分析基板104平行的水平方向往复输送混合液滴123，在液滴内产生流动，促进混合。冲撞的试样液滴的量，即从试样口切取试样液体的次数根据由分析协议确定的混合比决定。
一般情况下希望混合的两液体的容量增大时内部的流动不易产生，难以混合。例如在现有的分析装置中，希望通过延长混合时间来解决，或者这样也仅能进行不充分的混合，所以，存在分析精度下降的问题。然而，如上述那样，在本发明中，由于按液滴级别充分地混合，所以，混合非常容易。因此，混合效率提高，为此，可缩短分析时间，提高分析精度。
在液体的比重比充满于分析基板内的非活性油207轻的场合，液滴浮起附着于上面基板侧。此时，如图3的试样电极A等那样，即使在液滴的下面基板202侧设置电极进行开关，也不发生大的浸湿性的变化。因此，通过相反地在上面基板201侧设置隔开的电极，使下面基板202侧成为成对电极，从而可进行与上述同样的高精度的液滴处理。另外，当液滴体积增加时，分析基板截面的水平方向与深度方向的宽深比(アスペクト比)增大，所以，移动时的阻力增加，为此，仅由外加电场进行的表面张力控制难以进行处理。另外，如图3、4那样设置台阶部215，改变深度方向，减小宽深比，从而使移动的阻力减少，所以，表面张力的变化产生的影响增大，可处理较大容量的混合液滴123。该深度方向的变化在例如比电极尺寸大的场合，液滴难以接触于顶板和底面双方，所以，难以在液滴间加电场。相反，当与电极间相比小于一半左右时，台阶部的效果基本上没有。
混合液滴123被输送到设置于混合电极列118的检测部。例如在由吸光度分析进行检测的场合，由于分析基板的深度方向非常狭小，所以，通过液滴地照射光线很难。另外，由于液滴的水平方向也较短，所以，光程较短，分析精度下降。分析基板垂直方向难以存在电极，另外，深度方向较浅，所以，光程较短，分析精度下降。因此，在本发明中，如图5所示那样，通过朝斜向照射LED等光源119，从而在上面基板201的混合电极列118与下面基板202的的成对电极211间反射多次，延长光程，防止分析精度下降。最好分析部的电极为作为不透明、反射性良好的材质的Cr或Au。另外，由于光源119与受光部120设置于分析基板的相同上面侧，所以，可容易地进行光学的对准。
一般情况下，在吸光度分析的场合，液滴的容量多时由于光程变长，所以，检测精度提高。因此，在本发明中，使液滴在混合电极118上汇合，增大容量后输送到检测部。在该场合，事前，小液滴、微级的混合都可适当地没有偏差地完成，所以，最后的该微级的混合也较容易。另外，在由表面张力的控制处理容量大的液滴的场合，输送速度变慢。然而，在本发明的场合，除必要的场所以外按小液滴处理，所以，可防止分析时间的下降。
如图6所示那样，检测结束后的液滴125通过混合电极列118的切换输送到废液口113，由废液头220排出到分析基板104外。在充满于间隙间的非活性油207的比重比分析液大的场合，液滴125上浮，仅通过在废液口113上部静置废液头的前端即可容易地吸引。或者如图所示那样在液滴滞留于间隙间，通过使废液头220弯曲成L字形也可吸出。在该场合，通过将疏水·绝缘膜和电极设置于废液头220，从而可从分析电极将液滴输送到废液头。另外，如与分注时同样地监控电流，则当废液头前端处于非活性油中时，电流不流动，但如接触到液滴，则电流产生微小流动，所以，可以其作为触发信号开始吸引。虽然分析液和非活性油都包含在废液中，但它们可从废液头的配管在后面容易地分离。这些可缩短总分析时间。
(实施例2)
根据图8～图10说明实施例2。图8、9为分析基板的放大上面图，图10为放大侧面图。混合试样与试剂时的分配率随分析协议而不同，所以，混合液滴的大小可能随分析协议差别很大。此时，如排列相同大小的电极，则液滴过小，接触不到相邻的液滴，或者过大，横跨多个电极，不能加电场，表面张力的控制不能进行，难以进行液体的处理。因此，如图8所示那样，使电极更小，例如形成一片为数纳米到数微米左右的点状的微小电极300并配置多个，这样，小尺寸的小容量混合液303和大的尺寸的大容量混合液304都可时常接触电极。对于应切换到哪个电极，如预先决定了量的话，则只要批准确认即可，也可采用在实施例1中说明了方法那样的图像监控、电流监控。应加电场的电极群302为液滴下面和其周围的电极，通过对其加电场，从而可控制表面张力，不论为什么样的小液滴，都可接触于电极。小液滴可有效地控制液滴的表面张力，可使液滴的输送容易，缩短分析时间。作为该点状电极的尺寸，为了使其具有液滴的浸湿性变化的程度的形状，最好例如为这些多个电极间的间隙程度。
剩余的液体由连接于分注口的剩余液体排出电极列301输送到设于图中未示出的分析基板的剩余液体排出口，排出到外部。这样，在本发明的实施例中，容易排出分析所不需要的液体，即使如上述那样利用压头差那样的送液量的精度较差，也可选择较廉价的送液方法。
当液滴在配置了多个的微小电极300上移动时，通常如不对液体接触的多个电极加电压的话，则不能发生液体整体移动程度的表面张力的变化。然而，如图9(A)那样，当仅对液滴接触的电极的一部分例如图面上下各一个的纵向变形电极305加电场时，仅该部分的表面张力变化，液滴的一部分变形，朝纵向延伸。然后，当仅切换到左右各一个的横向变形电极306时，朝横向延伸。当发生这样的液滴的伸缩运动时，流动可在液滴内部发生，所以，可使液滴内部变得均匀，大幅度地促进混合。该运动即使在停止液滴时也可进行。或者也可如图9(B)那样，在液滴输送中对横向变形电极加电场，一边朝横向变形一边发生混合流动。这样，可获得高混合效率，所以，可缩短分析时间，提高分析精度。
根据由于分析协议的不同产生的液滴的大小不同，有时不仅在分析基板水平方向不同，而且在深度方向也不同。此时，小容量混合液滴303不接触于一方的基板，所以，不能加电场。因此，如图10所示那样，将微小电极加工成相对基板垂直立起的形状的突起状微小电极307。图10(A)为从液滴输送方向观看到的纵向截面图，图10(B)为从液滴输送垂直方向观看到的横向截面图。作为该突起的大小，最好例如按比设于该多个电极间的间隙大、不接触所有对置的板状构件的较小程度比其周围突出。这样，突起状微小电极307对小容量混合液滴303也可产生接触而加电场。该突起状微小电极307在构造上也接触于大容量混合液304，所以，相对大的液滴也可没有问题地加电场。这样，可进行小液滴的处理，可提高分析精度，缩短分析时间。

Claims (9)

1.一种化学分析装置，包括：具有开口部的分析部、从该开口部供给试样或试剂的机构、使试样和试剂作为液滴进行合并及混合而形成为被测定液的机构、及对反应中或反应结束后的被测定液的物性进行测量的测量机构；其特征在于：设有与所述分析部相对地配置着的板状构件、设于与所述板状构件相向的面上的多个电极、比所述多个电极的各个电极之间的间隙的一半大并且尺寸比该多个电极的长度尺寸小的台阶部，和对各个所述多个电极施加电压的机构。
2.根据权利要求1所述的化学分析装置，其特征在于：所述分析部在各所述板状构件相向的面上的多个电极的上面设有具有绝缘效果和/或疏水效果的膜。
3.根据权利要求1所述的化学分析装置，其特征在于：在相对地配置于所述分析部的板状构件的双方设置了多个电极。
4.根据权利要求1所述的化学分析装置，其特征在于：所述分析部的多个电极，在开口部附近和设置有测量机构的部位附近具有不同的电极形状。
5.根据权利要求1所述的化学分析装置，其特征在于：所述分析部的多个电极比电极之间的间隙大、与任何相对配置的板状构件都不接触地从周围突出。
6.根据权利要求1所述的化学分析装置，其特征在于：所述分析部的多个电极为长度尺寸与电极之间的间隙相同的点状电极。
7.根据权利要求1所述的化学分析装置，其特征在于：配置于所述分析部的多个电极，接地电极与加电压电极的配置在分析部中的顶板与底板处颠倒。
8.根据权利要求1所述的化学分析装置，其特征在于：所述分析部的电极为具有曲率半径比最接近开口部的电极的曲率半径小、比邻接的电极大的曲线部的电极。
9.根据权利要求1所述的化学分析装置，其特征在于：具有对由试样和试剂形成的液滴进行图像处理的图像处理机构，该图像处理机构求出液滴的体积，在液滴测量时进行校正。
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