JP2006119155A - 電気化学的センサ及びその形成方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 液体サンプルの分析を行う試薬センサにおける、毛細管チャネルの寸法精度が許容誤差を左右するので、毛細管チャネルを精密に製造すること。
【解決手段】 本発明の電気化学的センサは、センサ中に成形された個々の電極又は接点を含む。本発明の電気化学的センサの形成方法は、第一の電極を下型(ベース・モールド)に配置し、犠牲インサートを第一の電極の上の型に配置することを含む。そして、第二の電極をインサートの上で下型に配置する。上型(トップ・モールド)を下型の上に配置し、プラスチック材料を上型及び下型の中に射出する。硬化後、センサを型から取り出し、犠牲インサートを取り出して、チャネル中に2個の接点/電極を有する毛細管チャネルを残すことにより、精密な毛細管チャネルを有する電気化学的センサが得られる。
【選択図】 図11
【解決手段】 本発明の電気化学的センサは、センサ中に成形された個々の電極又は接点を含む。本発明の電気化学的センサの形成方法は、第一の電極を下型(ベース・モールド)に配置し、犠牲インサートを第一の電極の上の型に配置することを含む。そして、第二の電極をインサートの上で下型に配置する。上型(トップ・モールド)を下型の上に配置し、プラスチック材料を上型及び下型の中に射出する。硬化後、センサを型から取り出し、犠牲インサートを取り出して、チャネル中に2個の接点/電極を有する毛細管チャネルを残すことにより、精密な毛細管チャネルを有する電気化学的センサが得られる。
【選択図】 図11
Description
本発明は、センサ用の精密毛細管チャネル及びその製造方法に関する。
流体をサンプリングし、流体を試薬と混合し、混合したサンプルの分析を行うためにはセンサが使用される。センサの一形態は、二つの光路の間の毛細管チャネルと、そのチャネル中の試薬とを含む。もう一つのセンサは、底と蓋との間に毛細管チャネルを有するように射出成形されるものである。電極及び試薬がチャネル中に配置される。試験流体が毛細管作用によってチャネルに引き込まれ、試薬と反応する。第一のセンサ中では、光源が光路の一方に与えられ、光源からの光が流体を透過しながらチャネル中を伝送され、他方の光路に設けられた検出器に送られる。第二のセンサでは、電極間の電流が計測される。
光学的試薬センサの製造における重要な課題は、精密光路長の製造である。これは、一定の深さのキャビティを有する光学的に透明な部品を製造することによって達成されてきた。キャビティは、光学的に透明な蓋によって覆われる。キャビティの精密な深さは、反復的に製造することが困難であるが、たとえ深さを反復的に製造することができるとしても、取り付け方法の許容誤差のせいで、蓋を取り付け、光路長を制御することは非常に困難である。加えて、若しも取り付けに接着剤を使用するならば、接着剤の違いが許容誤差を増大させる。音波溶接のような他のタイプの取り付けは、それ自体がばらつき性を有している。
精密な深さのキャビティを反復的に製造する際の困難さは、透過モードで使用される光学的試薬センサを製造する際に決定的である。透過モードでは、毛細管ギャップにおける光路長は、試験される分析対象物に正比例する。若しも異なる光路長を有する2個のセンサで同一の分析対象物を計測するならば、光路長のせいで計測される結果は異なる。偏差又は許容誤差なしで再現することができる精密毛細管チャネルを有する光学的試薬センサを製造する方法が求められる。
同様に、射出成形されたセンサにおける毛細管チャネルの形成は、製造し難い。このタイプのセンサを製造するための通常の方法は、造形された上蓋によって形成される毛細管区域の中にアクティブな区域を精密スクリーン印刷する方法である。この構造によって求められる費用及びアセンブリを減らすことが望ましい。そのうえ、高さ0.0127cm(0.005インチ)未満の小さな成形毛細管チャネルの中に電極を設けることは困難であり、電気化学的分析に使用することができるよう、成形(モールド)された電極を有するこのサイズのセンサを提供することが望ましい。
本発明は、光学的試薬センサ及び電気化学的センサならびに光学的試薬センサ及び電気化学的センサを製造する方法に関する。光学的試薬センサは、入口及び出口を有する精密毛細管チャネルを含む。このようなセンサを製造するためには、化学的エッチング、押し抜き、打ち抜き(ダイ・カット)又は他の方法で所定の形状に形成される材料でできた精密な厚さの支持体が、インサートとして提供される。光学的センサを支持体上に成形し、ひとたび成形材料が硬化したならば、インサートを支持体から切り離し、センサから取り出して、センサ中に精密な毛細管チャネルを残す。試験される特定の分析対象物のために、そのチャネルに試薬を被着させることができる。センサは、試験流体を毛細管チャネルに引き込むことによって使用される。
本発明の電気化学的センサは、センサ中に成形された個々の電極又は接点を含む。この方法は、第一の電極を下型(ベース・モールド)に配置し、犠牲インサートを第一の電極の上の型に配置することを含む。そして、第二の電極をインサートの上で下型に配置する。上型(トップ・モールド)を下型の上に配置し、プラスチック材料を上型及び下型の中に射出する。硬化後、センサを型から取り出し、犠牲インサートを取り出して、チャネル中に2個の接点/電極を有する毛細管チャネルを残す。
製造したセンサからインサートを取り出すのに要する力はかなり大きくなるため、センサに力を加える間、インサートを定位置にしっかりと締め付けるツールを使用することが望ましい。このツールは、インサートを静止位置に締め付けるためのクランプと、センサが固着される可動ブロックとを含む。ブロックをクランプに対して動かし、それにより、インサートをセンサから抜き取るために、駆動機構がブロックに結合されている。
本発明の他の目的及び利点は、以下の詳細な説明を読み、図面を参照することによって理解されよう。
本発明は、多様な変形及び代替形態を受けることができるが、その具体的な実施態様を図面に例として示し、本明細書で詳細に説明する。しかし、本発明を、開示される具体的な形態に限定することを意図せず、それどころか、請求の範囲によって定義される本発明の本質及び範囲に該当するすべての変形、等価物及び代替を包含することを意図することが理解されるべきである。
図1〜4を参照すると、本発明のセンサフォーマット10が例示されている。フォーマット10は、光透過材料で形成された光学管である。光源がフォーマット10の第一の脚部14の端部12に被着される。光源からの光は、第一の脚部14の長手に沿って移動して、第一の脚部14の縦軸に対して45°になっている第一の端面16に当たる。光は、端面16によって反射されて毛細管ギャップ18を透過する。ギャップ18の材料によって吸収されない光は、フォーマット10の第二の脚部22の縦軸に対して45°になっている第二の端面20に当たる。この光は、第二の脚部22の長手に沿って反射されて、第二の脚部22の端部24に配置された検出器に達する。
フォーマット10は透過モードで使用され、ギャップ18中の光路長は、試験される分析対象物に正比例する。若しも異なる光路長を有する2個の異なるフォーマットで同じ分析対象物が計測されるならば、計測結果は、異なる光路長のせいで異なるであろう。本発明のフォーマット10は、フォーマット10ごとに精密な厚さの毛細管ギャップ18を保証して、ギャップ18中の異なる光路長のせいで計測差違を最小限にするか、なくすようなやり方で製造される。
フォーマット10は、1個のインサート28を含む単一支持体26又は多数のインサート32を含む多重支持体30に射出成形することによって形成される。単一支持体26及び多重支持体30は、化学的エッチング、レーザ切断、機械的押し抜き、打ち抜き(ダイ・カット)又は同様な加工方法により、精密毛細管ギャップ18を形成するために必要な既知の精密な厚さ及び形状にすることができる、金属のような材料でできている。支持体26及び30の厚さは、ギャップ18の所望の光路長に依存する。支持体26及び30は、融解温度がフォーマット材料の融解温度よりも高い材料で形成することができ、支持体材料は、フォーマット10を成形したのちインサート28及び32をフォーマット10から取り出すことを可能にするのに十分な引張り強さを有しなければならない。
フォーマット10を成形するためには、単一支持体26及び多重支持体30がトラクタフィード又はピン位置穴34によって成形ツールに配置されて固着される。プラスチック材料を成形ツールの中に射出し、単一支持体26及び多重支持体30の上にフォーマット10を形成する。ひとたびプラスチック材料が硬化し、支持体26及び30を成形ツールから取り外したならば、インサート28及び32をぞれぞれ支持体26及び30から切り離し、フォーマット10から取り出して、精密毛細管ギャップ18を残す。各ギャップ18は、インサート28及び32の精密な厚さ及び寸法のおかげで、同じサイズ及び厚さである。試薬を各ギャップ18中に吸い上げさせ、乾燥させることができる。若しもギャップ18を側辺でシールしなければならないならば、蓋(図示せず)を、光路の一部にすることなく、フォーマット10の側辺に固着させることができる。
各支持体26及び30の延長部36が各フォーマット10の第一の脚部14と第二の脚部22との間に延び、脚部14と脚部22との間、すなわち光路間に不透明な遮光壁を提供している(図3)。延長部36はまた、脚部14及び22ならびにフォーマット10に対して構造的完全性を提供する。遮光壁又は構造的完全性が必要ないならば、延長部36を脚部14及び22から除くこともできる(図4)。
側辺をシールすることを要し、直接的な光学的読み取りを提供するフォーマット110が図5及び6に示されている。フォーマット110は、図1〜4の試薬フォーマット10の成形と同様な方法で、支持体112に対して射出成形される。支持体112は、支持体26及び30と同じ材料であり、同じ方法で既知の精密な厚さに製造されて、精密毛細管ギャップ114を形成する。ギャップ114は、支持体112の一部であるインサート116によって形成される。
支持体112は、トラクタフィード又はピン位置穴118によって成形ツールに配置され、注型材料が成形ツールの中に射出されてフォーマット110を形成する。注型材料が硬化したのち、支持体112が成形ツールから取り出され、インサート116がフォーマット110から抜き取られて、ミクロンサイズの精密毛細管ギャップ114が残る。各ギャップ114に対する入口117があり、入口117とは反対側に、支持体112上の延長部119によって形成される出口がある。ギャップ114は、側辺114A及び114Bで囲い込まれ、ギャップ114を形成するために蓋は不要である。
フォーマット110は、ギャップ114の上の第一の錐体120と、ギャップの下の第二の錐体122とを含む。錐体120及び122の形状は、正方形のようないかなる形であってもよく、図示するような切頭円錐形である必要はない。光源が第一の錐体120の端部124に配置され、光又は光学検出器が第二の錐体122の端部126に配置される。光源からの光は第一の錐体120の中を移動してギャップ114中の分析対象物に達し、ギャップ114及び分析対象物を透過した光は、第二の錐体122に沿って通過して、分析対象物又は他の試料の計測のための光学検出器に達する。錐体120及び122は、光学部品(光源及び検出器)をギャップ114及びギャップ中の試料から隔離して汚染を防ぐ。若しも汚染が問題ではないならば、錐体120及び122を除くこともできる。
図7〜11を参照すると、電気化学的センサ210が例示されている。センサ210は、センサ210の中に成形された第一の電極212及び第二の電極214を含む(図11)。センサ210はまた、犠牲インサート216によって形成される精密小型毛細管チャネルを含む。
センサ210は、下型220及び上型222を有する成形ツール218(図10)の中で射出成形される。下型220(図7〜9)は、センサ210の形のキャビティ224を含む。第一及び第二の電極212及び215ならびに犠牲インサート216を正しく位置づけるため、複数のロケータピン226、228、230、232、234、236、238及び240が下型に設けられている。
第一及び第二の電極212及び214は、犠牲インサート216がそれらの間に延びるように重ねることによって下型220内に装填される。まず、第一の電極212の穴をロケータピン226、228及び230にはめることによって第一の電極212を装填する(図7)。次に、インサートの穴をロケータピン238及び240にはめることによって犠牲インサート216を装填する(図8)。犠牲インサート216は、キャビティ224の中に延び、第一の電極の前端に載って接する。第二の電極214は、ロケータピン232、234及び236にはめられて下型220に装填され、その前端が、犠牲インサート216に載って接し、第一の電極212の前端の上に位置する(図9)。そして、上型222が下型220の上に配置され、犠牲インサート216の両側で圧縮装填を提供するように圧縮される。この圧縮装填は、上型222を下型220に取り付けたとき、それらの間で犠牲インサート216と係合する、下型220及び上型222の***部分によって提供することができる。
ひとたび成形ツール218が組み立てられたならば(図10)、プラスチック材料がツール218の中に射出される。圧縮装填のおかげで、キャビティ224はプラスチック材料で充填されるが、プラスチックは、第一及び第二の電極212及び214の前端とインサート216との積層部に流れ込むことはできないため、プラスチック材料が、電極212及び214の前端とインサート216との間に流れることはない。
ひとたびプラスチック材料が硬化したならば、成形ツール218を開いて、第一の電極212及び第二の電極214ならびにインサート216を含むセンサ210を取り出す。そして、インサート216がセンサ210から取り除かれて、チャネル242の頂上に第一の電極212を、チャネル242の底に第二の電極214を有する精密小型毛細管チャネル242(図11)を残す。
電気化学的センサ210の光学バージョンが図13〜15に例示されている。これらの図13〜15には、光学的センサ410が例示されている。光学的センサ410は、光学的センサ410が、電極212、214の代わりとして、光源光学系のためのアクセス窓412及びアクセス窓412のすぐ下にある検出光学系のためのアクセス窓を含むことを除き、センサ210の場合と同様な方法及びツールで成形される。毛細管キャビティ又はチャネル414が、光学的センサ410中の両アクセス窓の間に形成されて、アクセス窓412に送り込まれた光源光学系からの光が毛細管キャビティ又はチャネル414中の試料を透過し、低い方のアクセス窓に配置された検出光学系によって読み取られるようになっている。
光学的センサ410を形成する型又はツールは、高度に研磨され型の中に延びるインサートを含む。プラスチック材料が型の中に射出されると、プラスチック材料は、インサートの周囲に流れてアクセス窓を形成する。インサートは高度に研磨されているため、アクセス窓は、ゆがみがほとんどなく透明である。
毛細管キャビティ又はチャネル414は、ステンレス鋼又は同様な材料製でもよいインサート416によって形成される。インサート416は、図7〜11のインサートに類似しており、型(図8)のロケータピン238及び240に類似したロケータピンにはまる装着穴438及び440を含む。
インサート416は非常に薄く、光学的センサ410の成形中に型の中で大きな圧力が発生するため、プラスチック材料がインサート416の周囲を流れるときインサート416を把持し、それを安定に保持する型の一部により、光学的センサ410中にアクセス穴418が形成される。光学的センサ410はまた、センサ210中の穴346に類似した穴446を含む。
上記実施態様のそれぞれにおいて、インサート28又は216は、ぞれぞれセンサ14又は210から取り出されなければならず、それを実施するのに要する力はかなり大きくなる。したがって、センサ14又は210を定位置にしっかりと保持し、センサ14又は210からインサート28又は216を抜き取るのに十分な力をインサート28又は216に対して直列的に供給するツールを使うことが望ましい。これらの目的を達成するためのインサート取り出しツール、すなわちエクストラクタ300が図12に例示されている。エクストラクタ300は、台312に固着され、クランプ314を含む。クランプ314は、取っ手316がスタンド318に回動可能に取り付けられているDeStacaクランプであってもよい。スタンド318は台312に固着されている。取っ手316は、取っ手316を回動させることがクランプヘッド320を台312に近づけたり台から離したりするよう、連結具322によってクランプヘッド320に連結されている。
台312は、スライドブロック326が配置されるキャビティ324を含む。カバープレート328がキャビティ324の一部の上で台312に固着されている。カバープレート328は溝穴330を有し、この溝穴の中を、スライドブロック326に取り付けられた駆動ピン及び軸受け332が延びている。抜き取り駆動レバー334が、ピン336によって台312上に回動可能に取り付けられ、駆動ピン及びベアリング332に当接して、抜き取り駆動レバー334がピン336を中心に図12で見て右回り方向に回動すると、駆動ピン及び軸受け332が溝穴330中を移動して、スライドブロック326をキャビティ324の端部から外に出すようになっている。
インサート28、216又は416を取り出すには、センサ14、210又は410(図12にはセンサ210が例示されている)をキャビティ324に配置し、同時に、センサ216の穴238及び240(図11)を、台312に強固に取り付けられたピン342及び344にはめる。センサ210の穴346(図11)をスライドブロック326のセンサピン上に配置する。したがって、センサ210はスライドブロック326に固着され、インサート216は台312に固着される。力分与ブロック340をピン342及び344の上に配置し、クランプ314によってインサート216に締め付ける。
抜き取り駆動レバー334を回動させてキャビティ324中でスライドブロック326を動かすことにより、センサ210及びインサート216に対して直列的な力によってインサート216をセンサ210から抜き取る。この作用がセンサ210をインサート216から引き離して、インサートをきれいに抜き取る。
一つ以上の具体的な実施態様を参照しながら本発明を説明したが、当業者は、本発明の本質及び範囲を逸することなく、本発明に対して多くの変更を加えうることを認識するであろう。これらの各実施態様及びその自明な変形は、請求の範囲に記載する、請求項に係わる発明の本質及び範囲に入ると考えられる。
10 センサフォーマット
12 端部
14 第一の脚部
16 端面
18 毛細管ギャップ
20 第二の端面
22 第二の脚部
26、30 支持体
32 インサート
210 センサ
212 第一の電極
214 第二の電極
216 犠牲インサート
218 成形ツール
220 下型
222 上型
12 端部
14 第一の脚部
16 端面
18 毛細管ギャップ
20 第二の端面
22 第二の脚部
26、30 支持体
32 インサート
210 センサ
212 第一の電極
214 第二の電極
216 犠牲インサート
218 成形ツール
220 下型
222 上型
Claims (5)
- 犠牲インサートを使用して電気化学的センサを成形する方法であって、
第一の型を設ける工程と、
該第一の型に第一の電気接点を挿入する工程と、
該第一の型に第二の電気接点を挿入する工程と、
該第一の型を第二の型で閉じる工程と、
センサを形成するための材料を該閉じた第一及び第二の型の中に射出する工程と、
該材料を硬化させる工程と、
該犠牲インサートを該センサから抜き取る工程と、
を含む電気化学的センサを形成する方法。 - 該犠牲インサートを抜き取る工程が、該インサートを締め付け、該センサを該インサートに対して動かすことを含む、請求項1記載の電気化学的センサを成形する方法。
- センサベースと、
該センサベース上の犠牲インサートと、
該犠牲インサートが間に配置される第一の電気接点及び第二の電気接点と、
該センサベース上にあり且つ該犠牲インサートを覆うプラスチック材料であって、その組成は該犠牲インサートを該プラスチック材料から取り出すことを可能にして該材料中に毛細管チャネルを残しうるプラスチック材料と、
を含む電気化学的センサ。 - 電気化学的センサから犠牲インサートを抜き取るためのツールであって、
犠牲インサートを静止位置で締め付けるためのクランプと、
該クランプに対して動くことができる第一のブロックと、
該ブロックを該クランプに対して動かすための駆動部材と、
犠牲インサートを含むセンサを該ブロックに取り付けるための、該ブロック上の取り付け部材と、
を含むツール。 - 台をさらに含み、該クランプが、該台に固着された第二のブロックを含む、請求項4記載のツール。
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