化学分析装置及び分析デバイス
【課題】 サンプル及び試薬から正確に所定量を分注して、各種の処理を行い、検査装置によって検査を行うことができる装置を提供することにある。
【解決手段】
分析デバイスでは、上側に基板には共通電極が設けられ、下側の基板には複数の電極の列を含む駆動電極が設けられている。２つの基板の間の空間にオイルを充填し、そこにサンプル、試薬等の液滴を生成する。共通電極に負の電圧を印加し又はグランドに接続し、駆動電極側の電極に正の電圧を印加する。それによって、電圧が印加された領域の接触角が減少し、濡れ性が高まり、液滴が移動する。
【解決手段】
分析デバイスでは、上側に基板には共通電極が設けられ、下側の基板には複数の電極の列を含む駆動電極が設けられている。２つの基板の間の空間にオイルを充填し、そこにサンプル、試薬等の液滴を生成する。共通電極に負の電圧を印加し又はグランドに接続し、駆動電極側の電極に正の電圧を印加する。それによって、電圧が印加された領域の接触角が減少し、濡れ性が高まり、液滴が移動する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はサンプルを分析する化学分析装置及び分析デバイスに関し、特に、誘電体上の電気的濡れ性の変化を利用してサンプル及び試薬を処理する化学分析装置及び分析デバイスに関わる。
【背景技術】
【０００２】
現在広く使用されている医用又は実験用の自動分析装置は、多くの機構が混在する複雑なシステムとなっており、装置の小型化、低コスト化には限界がある。
【０００３】
一方、フロー方式のμ−ＴＡＳ分析デバイスでは分析デバイスに設けた複数の入口から試薬をチップ内に供給し、サンプルをチップ内に供給し、おのおの分析デバイス内の流路内に連続して流し、流路途中で混合して吸光度などを検出器で検出する。このため、回転機構、攪拌機構等が不要になり機構が簡素化する。
【０００４】
しかしながら、流路の洗浄が必要で洗浄不良による液間コンタミネーションが大きな問題となる。また、送液や液の切り替えなどでポンプやバルブが各液に対して必要になるため信頼性及びコストの面でかなり実現困難なシステムとなる。従って現状のフロー方式のμ−ＴＡＳでは１チップでは検査の項目数が少なく、ポンプ等の液駆動手段は外部に設置されている。従って、医用分析装置などの低コスト化要求に応えることができない。
【０００５】
特許文献１には、分析デバイス内に設けた電極に電圧を印加することにより、電気的濡れ性ＥＷＯＤ（Electrowetting on dielectric）を変化させ、それによって、液滴を移動させる方法が記載されている。ＥＷＯＤの変化は、表面張力又は界面張力の変化に起因した現象である。このようＥＷＯＤを利用することによって、分析デバイスの構造及び機構を大幅に単純化することができる。
【特許文献１】WO2004/030820 A2
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載された例では、サンプル及び試薬から正確に所定量を分注して、各種の処理を行い、検査装置によって検査することできない。
【０００７】
本発明の目的は、サンプル及び試薬から正確に所定量を分注して、各種の処理を行い、検査装置によって検査を行うことができるシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によると分析デバイスでは、上側に基板には共通電極が設けられ、下側の基板には複数の電極の列を含む駆動電極が設けられている。２つの基板の間の空間にオイルを充填し、そこにサンプル、試薬等の液滴を生成する。共通電極に負の電圧を印加し又はグランドに接続し、駆動電極側の電極に正の電圧を印加する。それによって、電圧が印加された領域の接触角が減少し、濡れ性が高まり、液滴が移動する。
【０００９】
駆動電極は、円形の電極からなり、液滴の経路に沿って配置された電極の列とその両側の電極を含み、隣接する電極は互いに重なり合うように形成されている。従って、サンプル及び試薬の液滴は、所望の分量に分注され、移動され、混合される。反応液は、所定の経路に沿って移動される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によるとサンプル及び試薬から正確に所定量を分注して、各種の処理を行い、検査装置によって検査を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１を参照して、本発明の化学分析装置の実施例を説明する。本例の化学分析装置は、被測定対象であるサンプル１２１を保持する複数のサンプルカップ１２を搭載した回転可能なサンプルディスク１と、サンプル１２１の成分を分析する分析デバイス２と、作動液を貯蔵する作動液貯蔵部３と、試薬を分析デバイス２に供給する試薬分注部４と、使用済みの廃液を分析デバイス２から排出する廃液排出部５と、サンプルカップ１２内のサンプル１２１を分析デバイス２に供給するサンプル分注部６と、オイルを分析デバイス２に供給するオイル供給部７と、廃液からオイルと反応済みの液を分離するオイル分離部８と、を有する。
【００１２】
サンプル分注部６は、鉛直方向に延びるノズル６１、ノズル６１を支持する水平方向に延びるアーム６２、アーム６２を支持する鉛直方向に延びる支柱６３、アーム６２を支柱６３周りに回転させ且つ支柱６３に沿って上下させる駆動機構（図示しない）、及び、ポンプ６５を有する。ノズル６１とポンプ６５を接続するチューブ６６には入口バルブ６４が設けられている。ノズル６１の先端には、液面センサ（図示しない）が設けられている。
【００１３】
作動液貯蔵部３は、作動液３２１を貯蔵する作動液容器３２を有する。ポンプ６５と作動液容器３２を接続するチューブ３７には出口バルブ３６が設けられている。本例の他のポンプ系も本例のポンプ系と同様の構成である。本例では、ポンプ６５はシリンジポンプである。シリンジポンプは、一定容量のポンプ室内にＯリング等によりシールされたシリンジを出し入れすることにより、ポンプ内の空間の体積を変化させてポンプ室に流体を出し入れする。一方向に流体を送る場合、例えば、入口側から出口側に流体を送る場合には、入口側のバルブを開、出口側のバルブを閉としてシリンジをポンプ室内から外部に後退し、入口側から流体を吸引する。次に、入口側のバルブを閉、出口側のバルブを開としてシリンジをポンプ室内に前進すると、出口側から流体が吐出する。これにより、流体は入口側から出口側に移動する。逆方向に流体を送る場合には、前記とは逆のバルブの開閉を行えばよい。以下に、特に述べないが、バルブの操作の記述は省略し、指定の方向に、ポンプ駆動により流体が移動するものとして説明する。
【００１４】
ポンプ計作動液３２１は、サンプル１２１及び試薬に溶けない且つ混じらない液体が用いられる。本例では、作動液３２１は、オイルである。
【００１５】
分析デバイス２は、基板を積層した構造を有し、上側の上部アクセス基板２０１、その下の上部電極基板２３、その下のスペーサ基板２２、更にその下の下部電極基板２１、及び、下側の下部アクセス基板２０２を有する。スペーサ基板２２の所定の領域は除去され、そこに、空間が形成されている。図１の例では、スペーサ基板２２は、周囲部を除いて除去されている。また、説明の都合上、上部アクセス基板２０１と上部電極基板２３は、周囲部を除いて除去されて描かれている。図示のように、下部電極基板２１上には駆動電極２１１が設けられている。
【００１６】
スペーサ基板２２が除去されて形成された空間は、オイルによって充填される。駆動電極２１１は、サンプル１２１及び試薬の液滴をオイル内にて移動させる流路の機能を有する。このような、オイル内におけるサンプル１２１及び試薬の駆動は、ＥＷＯＤを利用して行うが、詳細は、後に説明する。
【００１７】
上部アクセス基板２０１及び下部アクセス基板２０２の一方又は双方には、図示しない制御手段により温度コントロール可能なペルチエ素子、ヒータ等が内蔵されており、分析デバイス２の温度を制御する。
【００１８】
上部アクセス基板２０１には、サンプルポート１１、試薬ポート４１、廃液ポート５１、オイル液面検出ポート７９１、検出器９５、及び、傾斜センサ９１が設けられている。オイル液面検出ポート７９１には、オイル液面センサ７９２が設けられ、オイル液面センサ７９２によって分析デバイス２の空間に保持されているオイルの液面レベルが検出される。オイル液面センサ７９２は、液面に発した光の反射光量から距離を検出する光学式、液面に発した超音波が戻るまでの時間から距離を検出する超音波式、液面に沈めた電線に接触する液の接触長さにより静電容量が増加することを検出する静電式など従来の任意の液面検知技術を適用してよい。検出器９５は、吸光度測定装置、蛍光測定装置等のような光学的特性を計測する装置であってよいが、他の物理量、例えば、電気的又は磁気的量を計測する装置であってよい。ここでは、光学的特性を計測する装置であるとして説明する。
【００１９】
下部アクセス基板２０２には、オイル供給ポート７１、オイルドレインポート８１、及び、傾き調整部９０が設けられている。
【００２０】
これらのポート１１、４１、５１、７９１、７１、８１は円筒形状を有し、円筒内部の空洞は各アクセス基板を貫通し、空間に接続されている。
【００２１】
傾き調節部９０によって、分析デバイス２を水平に保持することも、所望の角度に傾斜させることもできる。傾斜センサ９１によって検出された傾斜角信号は、図示しない姿勢制御機構に供給される。この姿勢制御機構は傾き調節部９０を駆動し、分析デバイス２を水平に保持し又は所望の傾斜角度に傾斜させる。
【００２２】
姿勢制御機構は、例えば、分注や測定などの通常の運転モードでは、分析デバイスを水平に保持する。不測の原因により、化学分析装置が設置されている面が傾斜したときは、それをキャンセルするために分析デバイス２を傾斜させる。また、分析デバイス２の空間に保持された液体中の泡を排除する場合、オイルの交換等のメンテナンスの場合等では、姿勢制御機構によって分析デバイスを傾斜させる。
【００２３】
試薬分注部４は、試薬を貯蔵する試薬容器４２を有し、試薬容器４２の下には、バルブ４４を備えたノズル４３が接続されている。ノズル４３の先端は、試薬ポート４１内に配置されている。尚、試薬分注部４に、ポンプを設けてもよい。廃液排出部５は、廃液を汲み出す廃液ポンプ５５を有し、廃液ポンプ５５の下には、バルブ５４を備えたノズル５３が接続されている。ノズル５３の先端は、廃液ポート５１内に配置されている。廃液ポンプ５５には、バルブ５６を備えたチューブ５７が接続されている。オイル供給部７は、オイル７２１を貯蔵するオイル容器７２を有し、オイル容器７２とオイル供給ポート７１は、バルブ７６を備えたチューブ７７、ポンプ７５、バルブ７４を備えたチューブ７３によって接続されている。オイル分離部８は、廃液よりオイルを分離する分離器８８と廃液を貯蔵する廃液容器８２を有する。分離器８８とオイルドレインポート８１は、バルブ８４を備えたチューブ８３によって接続されている。分離器８８は、バルブ５６を備えたチューブ５７によって廃液ポンプ５５に接続されている。分離器８８は、比重差、遠心分離、フィルタリングなどの従来の技術を利用してオイルを分離する。
【００２４】
オイル７２１は、サンプル１２１及び試薬に溶けない且つ混じらない液体が用いられる。サンプル１２１に混じらない液体として、比重がサンプル１２１の比重より大きいか又は小さい液体がよい。例えば、サンプル１２１が、血液などの水をベースとする溶液の場合には、シリコンオイル、炭化水素系オイルであってよい。サンプル１２１が、フッ素を含むフッ素系の液体以外の場合には、比重が１より大きいパーフルオロカーボンオイル（以下フッ素オイルと称する）が望ましい。尚、作動液３２１はオイル７２１であってよい。以下に、作動液３２１はオイル７２１であるとして説明する。
【００２５】
本例では、オイル７２１及び作動液３２１として、比重が１より大きいフッ素オイルを用いる。
【００２６】
先ず、オイル供給部７によってオイルを分析デバイス２に供給する。オイル供給ポンプ７５を駆動し、オイル７２１を、オイル容器７２からオイル供給ポート７１に供給する。オイル供給ポート７１に供給されたオイルは、分析デバイス２の空間に流入する。空間を満たしていた空気は上部アクセス基板２０１のサンプルポート１１、試薬ポート４１、廃液ポート５１等から外部に排出される。こうして、分析デバイス２の空間はオイル７２１によって置き換わる。空間内のオイル７２１の液面レベルは、オイル液面検出ポート７９１に設けられたオイル液面センサ７９２によって検出される。オイル７２１の液面レベルが、所定の高さになったとき、図示しない制御装置によりオイル供給ポンプ７５を停止する。尚、オイル液面センサ７９２は常時オイル液面検出ポート７９１におけるオイル液面レベルを監視しており、オイル液面レベルの減少を検出したときには、その旨を制御装置に通知する。制御装置はオイル供給ポンプ７５を駆動し、オイルを補充する。従って分析デバイス２の空間に保持されているオイルの液面レベルは常に一定に保持される。
【００２７】
サンプルポート１１の内径はノズル６１の外径より大きい。従って、ノズル６１をサンプルポート１１内に挿入することができる。ノズル６１をサンプルポート１１内に挿入すると、ノズル６１の先端は、分析デバイス２の空間に充填されたオイルに浸かる。それによって、ノズル６１の先端の外面は、オイルによって覆われる。また、ポンプ６５を駆動し、オイル７２１をノズル６１に吸入し、吐出する。それによって、ノズル６１の内面はオイル７２１によって覆われる。これにより、ノズル６１内にサンプル１２１を吸入したときに、オイルがサンプル１２１をはじきノズル６１の表面を汚染しない。サンプル１２１の分注は、このように、ノズル６１の先端をオイル７２１で被覆した後に行う。
【００２８】
次に、サンプル分注部６によってサンプルを分析デバイス２に分注する。駆動機構によりアーム６２を支柱６３周りに回転させ、ノズル６１が所望のサンプルカップ１２の位置に配置されたら、アーム６２を支柱６３に沿って下降させる。ノズル６１に設けられた液面センサによってサンプル１２１の液面を検知し、所定の液面下までノズル６１を沈める。ポンプ６５を駆動し、所定量のサンプル１２１がノズル６１に吸入されたら、ポンプ６５を停止する。駆動機構によりアーム６２を上昇させ、更に回転させる。ノズル６１が分注デバイス２上のサンプルポート１１の位置に配置されたら、アーム６２を支柱６３に沿って下降させる。ノズル６１がサンプルポート１１内に配置されたら、ポンプ６５を駆動しサンプル１２１をサンプルポート１１に吐出する。サンプルポート１１に供給されたサンプル１２１は、オイル上に且つオイルに混じることなく配置される。
【００２９】
次に、試薬分注部４によって試薬を分析デバイス２に分注する。バルブ４４を開にすることによって、試薬は、試薬容器４２から試薬ポート４１に吐出される。試薬ポート４１に供給された試薬は、オイル上に且つオイルに混じることなく配置される。
【００３０】
試薬容器４２の上面にバルブ（図示しない）を設け、試薬容器４２内を大気圧に接続することにより、試薬容器４２内の試薬は、重力により試薬ポート４１に流入する。試薬の流量は、バルブ４４の開時間により調整する。分析デバイス２の空間内に試薬が注入されると、オイル液面検出ポート７９１における液面が変化する。この変化量をオイル液面センサ７９２によって検出し、流入した試薬の量を演算し、所望の試薬量が注入されたとき、バルブ４４を閉じてよい。
【００３１】
サンプルポート１１に供給されたサンプル１２１及び試薬ポート４１に供給された試薬は、ＥＷＯＤを利用して処理される。即ち、液滴となって駆動電極２１１に沿って移動する。サンプル及び試薬は、駆動電極２１１上の所定の領域において混合され、所定の化学反応が行われる。化学反応が終了すると検出器９５に送られる。
【００３２】
検出器９５は反応液の吸光度、蛍光量等の所定の光学的特性を測定する。本例では、検出器９５は、光を検出するため、検出器９５が配置された位置において、上部及び下部アクセス基板２０１、２０２には孔が設けられる。上部、及び、下部電極基板２３、２１の一方または双方は透明な電極材料、例えば、ＩＴＯ（Indium-Zinn-Oxid）によって形成される。
【００３３】
検出器９５によって測定が終了した廃液は駆動電極２１１に沿って移動し、廃液ポート５１に送られる。
【００３４】
次に、廃液排出部５によって廃液を分析デバイス２から排出する。廃液は、廃液ポート５１内にて、オイル７２１との比重差により、上昇し、そこに溜まる。
【００３５】
廃液ポンプ５５を駆動し、廃液を、廃液ポート５１から汲み出し、分離器８８に供給する。分離器８８は、廃液よりオイルを分離する。分離したオイルは、オイル容器７２に回収する。残りの廃液は、廃液容器８２に排出する。
【００３６】
オイル７２１の比重が、廃液の比重より小さい場合には、廃液ポート（図示しない）を下部アクセス基板２０２に設ける。廃液は、廃液ポート５１内にて、オイル７２１の比重差により、下降し、そこに溜まる。廃液は、廃液ポート５１に接続されたチューブ（図示しない）を介して、廃液ポンプ（図示しない）により吸い取られ、オイル分離部８に送られる。
【００３７】
メンテナンス等のように、分析デバイス２内の全てのオイル７２１を排出する場合には、バルブ８４を開にすればよい。分析デバイス２内のオイル７２１は、重力によりオイルドレインポート８１を介して排出され、分離器８８に供給される。分離器８８によってオイルに含まれる廃液が除去され、オイルは、オイル容器７２に回収され、廃液は廃液容器８２に排出される。尚、傾き調節部９０によって、オイルドレインポート８１が最下位置になるように、分析デバイス２を傾斜させる。それにより分析デバイス２内のオイルは完全に排出される。
【００３８】
本例によれば、サンプル分注部６によってサンプルを分析デバイス２に分注する前に、ノズル６１の先端をオイル７２１によって被覆することができる。それによって、ノズル６１へのサンプルの付着を防止することができる。従って、ノズル６１によって吸引したサンプルに、前回測定時に分注したサンプルが混じることが防止され、測定精度が向上する。また、ノズルがサンプルによって汚染されることがないため、ノズルを洗浄する必要がない。そのため洗浄機構が不要となり、化学分析装置を小型化及び低コスト化することができる。
【００３９】
本例によれば、オイル液面検出ポート７９１にオイル液面センサ７９２を設けるため、分析デバイス内へのサンプル、試薬等の溶液の注入量を正確にコントロールすることができる。従って、分析デバイスへの分注精度が向上する。
【００４０】
また、オイル液面センサ７９２によって、オイルの減少又は消耗を検出することができるため、分析デバイス内のオイル量を一定量に保持することができる。従って、本例の分析デバイスを長時間使用しても、分析デバイス内のオイル量が常に一定に保持されるから、気泡の混入を防止することができると同時に、オイルの更新が自動的に行われる。更に、オイル分離部を設けるため、オイルの回収が可能であり、オイルの使用量を低減できる。
【００４１】
本発明の特徴は分析デバイスにあり、それ以外の装置は適宜変更してよい。例えば、サンプル分注部６を除去し、手分注によりサンプルをサンプルポート１１に分注してもよい。試薬分注部４を除去し、手分注により試薬を試薬ポート４１に分注してもよい。また、サンプルディスク１と同様に、複数の試薬容器を搭載した回転可能な試薬ディスクからサンプル分注部６を用いて試薬を分注してもよい。
【００４２】
図２を参照して、分析デバイス２の構造を詳細に説明する。図２は、分析デバイス２の断面構成を示し、上側の上部アクセス基板２０１と下側の下部アクセス基板２０２の図示は省略されている。上部電極基板２３の内面には共通電極２１４が設けられ、下部電極基板２１の内面には、複数の電極２１１ａ、２１１ｂを含む駆動電極２１１が設けられている。駆動電極２１１の表面には、１層以上の絶縁体膜２１２が設けられている。絶縁体膜２１２の上に、撥水性を上げるための撥水膜２１３がコーティングされる。共通電極２１４には、撥水膜２１３のみがコーティングされる。
【００４３】
絶縁体膜２１２は、例えば、Parylen（商品名）やSiO2をＣＶＤ法によって形成した誘電体薄膜であってよい。撥水膜２１３は、例えば、AF1601（商品名）などのフッ素系の撥水剤をコーティングしたものであってよい。
【００４４】
上部電極基板２３と下部電極基板２１の間には、スペーサ基板２２が配置されているが、スペーサ基板２２の所定の領域は除去又は切り取られている。スペーサ基板２２が除去された領域には、空間２４が形成される。図示のように、この空間２４にオイル７２１が満たされ、そのなかにサンプルの液滴１２１１が配置されている。液滴１２１１は、電極２１１ａ上に配置され、更に、その一部が、隣接する電極２１１ｂを覆っている。共通電極２１４には負の電圧が印加されている。電極２１１ａに印加されている正の電圧を切断し、隣接する電極２１１ｂに正の電圧を印加すると、電極２１１ｂ上の絶縁体膜２１２の濡れ性が高くなり接触角が減少する。それによって、液滴１２１１は、正の電圧が印加された電極２１１ｂに引っ張られる。従って、液滴１２１１は、隣接する電極２１１ｂ上に移動する。このような操作を、隣接する電極間で繰り返すことにより、液滴１２１１は順次、駆動電極２１１に沿って移動する。
【００４５】
このような現象を本願明細書では、ＥＷＯＤと称する。ＥＷＯＤは、水などの分極する液体を挟んだ２つの電極間に電圧をかけることにより、電極上の絶縁体膜と液の接触角が減少し、濡れ性が高くなる現象を言う。こうして本例では、ＥＷＯＤ技術によって、サンプル及び試薬を駆動電極２１１に沿って移動させ、所定の領域にて混合させることができる。サンプルと試薬の混合液は、検出器９５の下方に搬送されると、そこで光が検出される。
【００４６】
図３に本発明の化学分析装置の作動液貯蔵部３、サンプル分注部６、及び、オイル供給部７の例を示す。先ず、オイル供給部７の動作を説明する。本例では、オイル７２１としてフッ素オイルを使用し、作動液３２１としてオイル７２１、即ち、フッ素オイルを使用する。シリンジポンプ７５を駆動し、オイル７２１を、オイル容器７２からシリンジポンプ７５を介してオイル供給ポート７１に供給する。オイル供給ポート７１に供給されたオイルは、空間２４に導入される。オイル液面検出ポート７９１におけるオイル液面レベルは、オイル液面センサ７９２によって検出される。オイル液面センサ７９２によって検出されたオイル液面レベルは、制御装置７９３に入力される。オイル液面検出ポート７９１の液面レベルが所定の高さになったとき、ポンプ７５を停止する。
【００４７】
次に、サンプル分注部６の動作を説明する。作動液容器３２にはオイル７２１が貯蔵されている。シリンジポンプ７５を駆動し、オイル７２１をノズル６１の先端付近まで満たす。サンプルディスク１上の任意のサンプルカップ１２にノズル６１を挿入し、シリンジポンプ６５を駆動し、ノズル６１内にサンプル１２１を吸引する。ノズル６１をサンプルポート１１上に移動し、シリンジポンプ６５を駆動し、サンプル１２１を排出する。サンプル１２１の分注量はシリンジポンプ６５のシリンジの移動量によって調整することができる。
【００４８】
フッ素オイルの比重は２程度であり、水を主とするサンプル１２１の比重は略１である。オイル７２１とサンプル１２１は交じり合うことが無いので、サンプルポート１１に導入されたサンプル１２１はオイル７２１の上に浮かぶ。サンプル１２１を分注する前は、サンプルポート１１のオイル液面レベルは、オイル液面検出ポート７９１のオイル液面レベルと同一である。サンプル１２１を分注した後は、サンプルポート１１の液面レベルは、オイル液面検出ポート７９１のオイル液面レベルより高くなる。従って、サンプルポート１１の高さは、サンプル１２１を分注した後に、サンプル１２１がサンプルポート１１から溢れないように、所定の高さに設定する。
【００４９】
次に、オイル供給部７のシリンジポンプ７５を駆動し、分析デバイス２の空間２４内のオイル７２１を吸引し、オイル容器７２に戻す。それによりサンプルポート１１の液面レベルは低下し、サンプルとオイルの界面は上部電極基板２３に達する。オイル液面検出ポート７９１のオイル液面レベルも低下する。サンプルポート１１の液面レベルは、オイル液面検出ポート７９１のオイル液面レベルより上側にあるが、サンプルポート１１のサンプルとオイルの界面は、オイル液面検出ポート７９１のオイル液面レベルより下側にある。
【００５０】
下部電極基板２１が水平であるとし、下部電極基板２１の位置を基準として、各液面の高さを求める。尚、メニスカスの影響を無視し、液面が平面であると仮定する。サンプル１２１の比重をρs、サンプル１２１の液柱の長さをｈs、オイル７２１の比重をρo、オイル７２１とサンプル１２１の界面の高さをｈos、オイル液面検出ポート７９１のオイル液面レベルをｈoとすると、
ρs・ｈs＋ρo・ｈos＝ρo・ｈo （数１）
となる。したがって、オイル７２１とサンプル１２１の界面の高さｈosと、オイル液面検出ポート７９１のオイル液面レベルｈoの差は、次の式によって表される。
ｈo−ｈos＝（ρs／ρo）・ｈs（数２）
【００５１】
即ち、界面の高さｈosとオイル液面レベルｈoの差は、サンプル液柱の長さの半分程度となる。したがって液面レベルがサンプル液柱の半分の長さだけ下降するまで、オイル７２１を吸引することができる。更に、分析デバイス２の空間２４内のオイル７２１を吸引し続けると、サンプル１２１はサンプルポート１１の下端と上部電極基板２３の接続部を越えて分析デバイス２の空間２４内に進入する。サンプルポート１１に供給したサンプル量が十分あれば、オイル液面検出ポート７９１の液面レベルが低下してもそこから空気が分析デバイス２の空間内に入ることはない。分析デバイス２の空間内に入ったサンプル１２１は、下部電極基板２１の駆動電極２１１上に配置されるため、上述のようにＥＷＯＤによって移動可能となる。
【００５２】
こうして、分析デバイス２の空間へ所定量のサンプル１２１が分注される。サンプルの分注が完了すると、オイル供給部７のシリンジポンプ７５を駆動し、オイル供給ポート７１を介してオイル７２１を分析デバイス２の空間内に注入する。それによってサンプルポート１１における液面レベル及びオイル液面検出ポート７９１における液面レベルは上昇する。サンプルポート１１に残っているサンプルは、サンプルポート１１の上端より溢れ出て、上部アクセス基板２０１上に落ちる。サンプルポート１１の高さが、オイル液面検出ポート７９１の高さより低い場合には、サンプルポート１１に残っている全てのサンプルを排出することができる。サンプルポート１１の周囲の上部アクセス基板２０１上に、排出溝を設けてよい。この排出溝に落ちたサンプルとオイルは、オイル分離部８に導かれる。又は、サンプル分注部６のノズル６１によって、サンプルポート１１に残っているサンプルを吸引し、外部の廃液容器に捨ててもよい。
【００５３】
本例によると、サンプルポート１１にてサンプルとオイルは分離した層を形成しており、互いに混ざり合うことない。従って、不要なサンプルを簡単な操作によって廃棄し、又は、回収することができる。ここでは、サンプル１２１の分注操作を説明したが、同様な手法により試薬の分注操作を行うことができる。
【００５４】
図４に本発明のサンプル分注部６の他の例の動作を説明する。ノズル６１の先端付近の液に接する部分にはフッ素系の皮膜（図示しない）をコーティングする。作動液容器３２のオイル７２１をノズル６１の先端付近まで満たす。サンプルディスク１上の任意のサンプルカップ１２にノズル６１を挿入し、シリンジポンプ６５を駆動し、ノズル６１内にサンプル１２１を吸引する。ノズル６１をサンプルポート１１上に移動させる。ノズル６１をサンプルポート１１に挿入し、ノズル６１先端を下部電極基板２１に接近させる。次に、シリンジポンプ６５を駆動し、サンプル１２１を排出する。
【００５５】
図４（ａ）は、ノズル６１からサンプル１２１が吐出された状態を示す。本例では、サンプル分注部６のノズル６１とサンプルポート１１直下の下部電極基板２１上の駆動電極２１１の間に電圧を印加する。本例では、ノズル６１が共通電極の機能を提供する。
【００５６】
下部電極基板２１上の電極に正の電圧を印加し、ノズル６１に負の電圧を印加する。ノズル６１に負の電圧を印加する代わりに、グランドに接続してよい。
【００５７】
これによりサンプル１２１はＥＷＯＤ現象により下部電極基板２１上の駆動電極に引き付けられ、分析デバイス２の空間を駆動電極に沿って進む。
【００５８】
所定量のサンプル１２１が分析デバイス２の空間内に分注されたら、図４（ｂ）に示すように、下部電極基板２１上の駆動電極に負の電圧を印加し、ノズル６１に正の電圧を印加する。下部電極基板２１上の駆動電極に負の電圧を印加する代わりに、グランドに接続してよい。これにより、サンプル１２１はＥＷＯＤ現象によりノズル６１に引き付けられる。次に、シリンジポンプ６５を駆動し、ノズル６１内にサンプル１２１を吸引する。
【００５９】
分析デバイス２の空間内のサンプル１２１は駆動電極側からノズル６１側に引き付けられながら後退し、駆動電極から離脱してノズル６１内に戻る。サンプル１２１が駆動電極から離脱すると、電位または微弱な電流の変化が起きる。従って、電位又は電流の変化を検出することにより、サンプル１２１が駆動電極から離脱したことが判る。サンプル１２１が駆動電極から離脱したら、シリンジポンプ６５を停止し、サンプル１２１の吸引を停止する。
【００６０】
ノズル６１をサンプルポート１１から引き上げ、図示しないサンプル廃棄場所に移動し、シリンジポンプ６５を駆動し、ノズル６１内のサンプル１２１を吐出する。本例では、作動液３２１としてオイル７２１を使用するから、オイル７２１がノズル６１先端から出てくるまでシリンジポンプを駆動することによりノズル６１内のサンプル１２１を完全に除去することができる。
【００６１】
本実施例によれば、サンプル除去時にＥＷＯＤによりノズル表面の濡れ性を向上させることにより、サンプルがノズルに引き付けられスムーズに戻る。従って、分析デバイス内にサンプルが残留することなく他のサンプルの測定に影響を与えることが無くなり測定精度が向上する。
【００６２】
図５〜図９を参照して本発明による試薬分注部４の構成及び動作を説明する。分析デバイス２の構造は図２を参照して説明したものと同一である。上側の上部アクセス基板２０１と下側の下部アクセス基板２０２の図示は省略されている。上部電極基板２３の内面には共通電極２１４が設けられ、下部電極基板２１の内面には、複数の電極２１１１、２１１２を含む駆動電極が設けられている。駆動電極上には、絶縁体膜２１２が設けられている。絶縁体膜２１２の上に、撥水膜２１３がコーティングされている。共通電極２１４には、撥水膜２１３のみがコーティングされている。
【００６３】
試薬容器４２の下端のノズル４３は、ノズル４３の先端が下部電極基板２１に近接するように、試薬ポート４１に挿入されている。
【００６４】
ノズル４３の上端面、内面、及び、下端面は、誘電体薄膜からなる絶縁体膜４３１によってコーティングされている。更に、ノズル４３の絶縁体膜４３１上及びノズル４３の外面には、フッ素系の撥水膜４３２がコーティングされている。こうして、絶縁体膜４３１及び撥水膜４３２が塗布されたノズル４３は、接着などにより試薬容器４２の下端に取り付けられている。
【００６５】
ノズル４３及び試薬容器４２は、ステンレスなどの導電性材料によって形成されるが、両者は、絶縁体膜４３１によって電気的に遮断されている。ノズル４３は絶縁体膜４３１によって共通電極２１４から電気的に遮断されている。
【００６６】
試薬容器４２の上面には、バルブ（図示しない）が設けられ、このバルブは通常閉じている。このバルブを開くと、試薬容器４２は大気圧又は圧力源（図示しない）に接続される。
【００６７】
本例では、試薬容器４２が共通電極の機能を有し、ノズル４３が駆動電極の機能を有する。従って、試薬容器４２はスイッチ４６１を介して電源の負極に接続されている。ノズル４３は、スイッチ４６２を介して、電源の正極に接続されている。各電極２１１１、２１１２は、スイッチ４６３、４６４をそれぞれ介して、電源の正極に接続されている。上部電極基板２３の内面の共通電極２１４は、電源の負極に接続されている。
【００６８】
試薬容器４２が、非導電性材料によって形成されている場合には、試薬容器４２の内部に試薬４２１に接する端子（図示しない）を設け、この端子を、外部に導線を引き出し、スイッチ４６１を介して電源の負極に接続する。
【００６９】
図５は、初期状態を示す。初期状態では、全てのスイッチはオフである。また、ノズル４３には、フッ素系の撥水膜４３２がコーティングされているから、分析デバイス２の空間内のオイル７２１がノズル４３内に進入する。
【００７０】
図６に示すように、最初に、試薬容器４２に接続されたスイッチ４６１をＯＮ、ノズル４３に接続されたスイッチ４６２をＯＮにする。それにより試薬容器４２内の試薬４２１は、負電位、即ち、グランドレベルになり、ノズル４３は正電位になる。これにより、試薬４２１に対するノズル４３内面の濡れ性が増加する。試薬４２１はノズル４３内を下降し、分析デバイス２の空間内に入り、ノズル４３直下の下部電極基板２１上の駆動電極２１１１上に配置される。試薬４２１は、ノズル４３の下端から分析デバイス２の空間内に出ると広がり、試薬４２１とオイル７２１の界面張力が反力となり試薬４２１の吐出が止まる。
【００７１】
次に、図７に示すように、ノズル４３の直下の電極２１１１のスイッチ４６３をオンにする。電極２１１１には正の電圧が印加され、電極２１１１の領域において試薬４２１に対する濡れ性が増加する。従って、電極２１１１上にて、試薬４２１は広がる。
【００７２】
図８に示すように隣接するスイッチ４６４もＯＮとする。それにより、隣接する電極２１１２には正の電圧が印加され、電極２１１２の領域において濡れ性が増加する。従って、電極２１１２上に、試薬４２１は伸展する。
【００７３】
次に図９に示すようにノズル４３の直下のスイッチ４６３をＯＦＦとし、ノズル４３の直下の電極２１１１への電圧を切断する。それによって、電極２１１１の領域における濡れ性が低下する。隣接する電極２１１２の領域の濡れ性は、依然として高いから試薬４２１は電極２１１２の方へ引っ張られている。そこで、試薬は分離し、試薬液滴４２１１となる。さらに、スイッチ４６１、４６２をＯＦＦとしノズル４３への電圧印加を停止すると、ノズル４３の直下に残留した試薬４２１はノズル４３を上昇して試薬容器４２内に戻る。
【００７４】
本例では、水圧と表面張力のコントロールが重要である。まず、ノズル４３内の液体の移動について考える。ノズル４３の内径をｒ、試薬４２１とオイル７２１の界面張力をσ、接触角をθ、試薬４２１とオイル７２１の界面での水圧をＰとすると、界面張力の鉛直成分Ｐσと水圧による垂直方向の力Ｐｈの比Ｐσ／Ｐｈは、次のようになる。
Ｐσ／Ｐｈ＝２πｒσcosθ／πｒ2Ｐ＝２σcosθ／ｒＰ （数３）
【００７５】
この比が１より大きく且つ界面張力が上方向に作用する場合、試薬４２１はノズル４３内を上昇する。試薬容器４２の内径はノズル４３の内径よりも十分大きく、試薬４２１の上昇による試薬容器４２内の液面レベルの上昇は無視できる。従って、試薬４２１がノズル４３内を上昇した距離に対応して、試薬４２１とオイル７２１の界面における水圧（水頭差）が小さくなる。界面の水圧（水頭差）が小さくなると、数３の式の比は更に小さくなり、ノズル４３内の試薬４２１は試薬容器４２内に戻る。ノズル４３から試薬容器４２へ遷移する継ぎ目では、径が急拡大し、数３の式の比は１以下に急減するから、オイル７２１がノズル４３から試薬容器４２へ移動することはない。
【００７６】
また、数３の式の比が１より小さいと、試薬４２１はノズル４３内を下降する。試薬４２１の下降による試薬容器４２内の液面レベルの下降は無視できる。従って試薬４２１が下降した距離に対応して界面の水圧（水頭差）は大きくなる。界面の水圧（水頭差）が大きくなると数３の式の比は更に小さく。従って、試薬４２１はノズル４３内を下降しノズル４３の下端に達する。ノズル４３の下端での水圧上昇はノズル４３内の試薬の液柱の長さＬに比例する。界面における水圧をＰ0とし、比例定数をｋとすると、ノズル４３の下端での水圧はＰ0＋ｋＬとなる。
【００７７】
接触角θは電圧を印加しない場合１３０〜１４０°である。試薬とオイルの界面がノズル４３の上端の入口にあり、且つ、ノズル４３に電圧が印加されていない場合には、数３の式の比、即ち、界面張力の鉛直成分／水圧（ノズル）は１以上である。ノズル４３に正の電圧を印加すると、接触角θが低下し、界面張力の鉛直成分Ｐσが小さくなる。接触角θが、所定の値より小さくなると、数３の式の比は１より小さくなる。数３の式の比が１より小さくなるような接触角θをθ0とすると、接触角θ＝θ0、は、次の数４の式を満たす。
θ＝θ0＜Cos−１(ｒＰ0／２σ) （数４）
【００７８】
従って、接触角θがθ0となるように、ノズル４３に電圧を印加すればよい。それにより、試薬は、ノズル４３を下降し、分析デバイス２の空間内に入り、円形状に広がる。この円の半径をＲ、上部の共通電極２１４と下部の駆動電極２１１間のギャップ（高さ）をＨとすると、分析デバイス２の空間内に円形に広がった試薬４２１における界面張力Ｈσと水圧Ｐｈの比は、次のようになる。但し、ギャップＨは、水頭差に比べ十分小さく、分析デバイス２の空間における水圧は一様であると仮定する。
Ｈσ／Ｐｈ＝２×２πＲσcosθ／２πＲＨＰ＝２σcosθ／ＨＰ （数５）
【００７９】
この比の値が１より大きい場合は、試薬４２１は分析デバイス２の空間内に広がることができない。この比の値が１より小さい場合には、試薬４２１は分析デバイス２の空間内に広がる。この比の値を１より大きくするには、接触角θを、所定の値より大きくすればよい。結局、試薬がノズル４３を下降するが、分析デバイス２の空間内にて広がらない条件は、接触角θが、次の数６の式を満たす必要がある。尚、分析デバイス２の空間における水圧をＰ0＋ｋＬとする。
Cos-1{Ｈ(Ｐ0＋ｋＬ)／２σ}＜θ＜Cos-1(ｒＰ0／２σ) （数６）
【００８０】
図６は、試薬がノズル４３を下降し、分析デバイス２の空間内に入るが、そこで広がらない状態を示す。次に、図７に示したように、試薬４２１を更に分析デバイス２の空間内に供給する場合には、試薬ポート４１直下の下部電極基板２１の電極２１１１に電圧を印加し、電極２１１１の濡れ性を高くする。電極２１１１に正の電圧を印加することによって、接触角θが小さくなり、数５の式の比、即ち、界面張力／水圧（デバイス）が１より小さくなる。それによって、試薬４２１は分析デバイス２の空間内にて広がる。
【００８１】
試薬４２１と電極２１１間の電圧、電気容量等の変化を検出することによって、試薬４２１が分析デバイス２の空間内へ進入したことが検知される。図８に示したように、試薬４２１が、隣接する電極２１１２の全体を覆ったとき、電極２１１１への電圧印加を停止する。それによって、電圧が印加されている電極２１１２以外の領域では、濡れ性が低下する。従って、図９に示したように、電極２１１２の周囲の試薬４２１は、ノズル側に引き戻される。この引き戻しを確実にするため、試薬容器４２内を図示しない負圧源に接続してよい。それによって、試薬４２１は、確実に、試薬容器４２に引き戻される。
【００８２】
こうして、試薬４２１は分断され、電極２１１２上に、試薬の液滴４２１１が生成される。この試薬の液滴を更に、ＥＷＯＤの分注動作によって、所定の量の液滴に分離することができる。
【００８３】
例えば、ノズル４３の内径ｒを0.2mm、界面張力σを水程度の0.07N/m、水頭Ｐを10mmH2Oとする。ノズル４３に電圧を印加していないとして、接触角θ＝140°とすると、数３の式の比、即ち、界面張力の鉛直成分／水圧（ノズル）＝5.3 となる。従って、試薬４２１はノズル４３内を下降しない。
【００８４】
次にノズル４３に電圧を印加し、接触角をθ＜99°とする。界面張力に水圧が勝って、数５の式の比、即ち、界面張力の鉛直成分／水圧（ノズル）＜１となる。従って、試薬４２１はノズル４３内を流下する。
【００８５】
さらに上部の共通電極２１４と下部の駆動電極２１１間のギャップＨ＝0.3mmとし、ノズル４３の長さＬ＝10mmとする。下部電極基板２１の駆動電極２１１３に電圧を印加していない場合、接触角θ＝140°であるから界面張力／水圧（デバイス）＝1.8となり試薬４２１は分析デバイス２の空間内に入っていかない。
【００８６】
駆動電極２１１３に電圧を印加し、接触角θ＜116°とすると、界面張力／水圧（デバイス）＜１となり、試薬４２１は分析デバイス２に入る。
【００８７】
本例によれば、試薬を分注する機構に電極を用い、電極に印加する電圧により電極の濡れ性を制御する。それによって、試薬等を所望の量に分注することができる。そのため可動部が無く機構が簡素化し装置が小型化する。
【００８８】
図１０を参照して本発明の化学分析装置の試薬分注部４の構成及び動作を説明する。本例の試薬分注部４は、図３に示したサンプル分注部６と同様に、オイル供給部７を利用して試薬４２１の分注を行う。尚、本例で利用するオイル供給部７は、図３に示したオイル供給部７と同一であり、その詳細な説明は省略する。
【００８９】
本例の試薬分注部４は、試薬を貯蔵する試薬容器４２を有し、試薬容器４２の下には、バルブ４４を備えたノズル４３が接続されている。ノズル４３の先端は、試薬ポート４１内に配置されている。
【００９０】
試薬容器４２は、試薬ポート４１毎に設ける。試薬４２１の注入は、バルブ４４の開閉によりを行う。試薬４２１の注入量の調整は、オイル液面検出ポート７９１に設置したオイル液面センサ７９２によって液面レベルの変動量を検出することにより行ってよい。尚、予め、バルブ４４の開時間と注入量の関係を求めておき、そのデータに基づいて、バルブ４４の開閉時間を設定してもよい。更に、分析デバイス２の空間内の電極２１１１と試薬４２１間の電位または電流を計測し、試薬４２１の流下量を検出してもよい。更に、試薬容器４２の下部に特開平11-082309に記載のようなマイクロポンプを設け、試薬４２１を空中吐出してから供給してもよい。
【００９１】
図３の例では、サンプル分注部６によるサンプル分注にてオイル供給部７を利用するが、本例では、更に、試薬分注部４による試薬分注にも、オイル供給部７を利用することができるから、オイル供給部７の利用効率が高まり、装置構成が簡単で低コストになる。
【００９２】
次に、図１１を参照して、本発明の駆動電極２１１のパターンを説明する。駆動電極２１１は、サンプルポート１１、試薬ポート４１Ａ、４１Ｂ、及び、廃液ポート５１を接続するように形成されている。サンプルポート１１を始点とする１列の円形の電極の列２１１Ａが設けられ、試薬ポート４１Ａ、４１Ｂをそれぞれ始点とする１列の円形の電極の列２１１Ｂ、２１１Ｃが設けられ、廃液ポート５１を始点とする１列の円形の電極の列２１１Ｄが設けられている。
【００９３】
ここでは、液の流れの概略を説明する。詳細は、後に、図１３を参照して説明する。サンプルポート１１に設けられた電極上のサンプルの液滴は、電極の列２１１Ａに沿って移動し、分離し、小さな液滴となって交差点の電極２１１ａに運ばれる。同様に、試薬ポート４１Ａに設けられた電極上の第１の試薬の液滴は、電極の列２１１Ｂに沿って移動し、分離し、小さな液滴となって交差点の電極２１１ａに運ばれる。従って、サンプルと第１の試薬は電極２１１ａ上にて混合する。混合液は、電極の列に沿って移動し、交差点の電極２１１ｂ上に運ばれる。一方、試薬ポート４１Ｂに設けられた電極上の第２の試薬の液滴は、電極の列２１１Ｃに沿って移動し、分離し、小さな液滴となって交差点の電極２１１ｂに運ばれる。交差点の電極２１１ｂにて混合液と第２の試薬は混合される。この混合液は、検出器９５によって光学量が検出される。検出後に、混合液は、電極の列に沿って移動し、廃液ポート５１に設けられた電極上に運ばれる。この電極上の混合液は、廃液ポート５１を経由して排出される。
【００９４】
電極の大きさは、電極にて保持する液滴の量に対応している。従って、ポート上の電極は大きい。また、交差点の電極は２つの液滴の混合液を保持するため比較的大きい。
【００９５】
各電極列において、ポート上の電極を除いて、奇数番目の電極の両側に電極が設けられている。この両側の電極は液滴を分離する機能を有するが、詳細は、後に説明する。更に、隣接する２つの電極は、接合部において、互いに入れ子状態となるくし型に形成されているが、これについては図１４を参照して説明する。
【００９６】
図１２を参照して、本発明による駆動電極を従来の駆動電極と比較して説明する。図１２ａに示すように、従来の駆動電極は、例えば、WO2004/030820 A2に示されているように、四角形の電極からなる。図１２ａの例では、３つの連続する同一面積の正方形の電極１２３１〜１２３３からなる。
【００９７】
図１２ｂに示すように、本発明の駆動電極は、円形の電極からなる。図１２ｂの例では、３つの連続する同一面積の円形の電極１２３４〜１２３６からなる。また、液が電極から次の電極に安定的に移動するように、２つの隣接する電極は、互いに、重複するように、形成されている。電極に電圧を印加すると、そこに液が保持される。液は電極の外形、即ち、外接円に対応して、円形に配置される。
【００９８】
円形の周囲長は、他の形状の周囲長と比較して、最短である。そのため同一体積の液では、円形の液滴が最も表面エネルギーが小さくなり安定である。従って、本例では、液を電極上に安定的に保持することができる。
【００９９】
液滴を分割する場合を考える。両端の電極に電圧を印加し、中央の電極には電圧を印加しないとき、両端の電極の濡れ性が向上するため液滴（図のハッチングの部分）は図のように両端の電極に引っ張られ、分離する。図１２は、中央の電極上にて、液滴が分離する瞬間を模式的に示している。
【０１００】
電極面積が同一の場合、図１２ｂの液滴の周囲長は図１２ａの液滴の周囲長の約８６％（隣接する電極の外形をなす円の中心間が円の半径の１．５倍の場合）であり、従って、図１２ｂの液滴の表面エネルギーは、図１２ａの液滴よりが小さく、安定である。図１２ａの電極の場合、角部にて曲率の変化が生じる。従って、この部分において、液を電極の外形に対応した形状に保持するのが困難となり、液の形状が不安定となる。液を導入または分割する場合、液の形状が不定形となり、分割された液の液量がばらつき、分注精度が悪くなる。
【０１０１】
分離時には、図示のように、液が、中央の電極に残る。図１２ｂの場合にて、中央の電極に残った液は、図１２ａの場合にて、中央の電極に残った液の約２７％である。即ち、図１２ｂの例では、中央の電極に残った液の量は少ないから、両側の電極に引き付けられる液量のばらつきも小さくなる。従って、本例では、所望の量の液を正確に電極に保持することができる。本発明では、電極に正確な量の液を保持することができるため、このように、液を分注する場合ばかりでなく、液の混合を正確に実行することができるから、正確に反応を制御することができ、測定誤差が減少する。
【０１０２】
図１３を参照して、本発明により試薬を分注する方法を詳細に説明する。図１３は、試薬ポート４１に接続して設けられた駆動電極を示す。図示のように、駆動電極は、試薬ポート４１に配置された第１の電極２１１１、それに続いて１列状に設けられた、電極２１１２、２１１３、２１１４、２１１５、２１１６、２１１７、２１１８、更に、電極２１１３の両側に且つ電極列に直交するように設けられた２個の電極２１１９、２１１９、電極２１１５の両側に且つ電極列に直交するように設けられた２個の電極２１２０、２１２０を含む。
【０１０３】
図１３ａは、試薬ポート４１から試薬が導入され、第１の電極２１１１上に円形の液滴が生成された状態を示す。第１の電極２１１１には正の電圧が印加されている。次に、図１３ｂに示すように、隣接する５個の電極２１１２、２１１３、２１１４、２１１５、２１１６に順に正の電圧を印加する。それによって、５個の電極２１１２、２１１３、２１１４、２１１５、２１１６の濡れ性が次々に増加し、液は、５個の電極を順に進む。
【０１０４】
次に、図１３ｃに示すように、両側の電極２１１９、２１２０と第７の電極２１１７に正の電圧を印加する。それによって、電極２１１９、２１２０、２１１７の濡れ性は増加する。第１及び第２の電極２１１１、２１１２に正の電圧を印加したまま、４個の電極２１１３、２１１４、２１１５、２１１６に印加されている電圧を切断する。図示の矢印にて示すように、電圧の印加が切断された第６の電極２１１６上の液の大部分は、隣接する第７の電極２１１７に引っ張られる。電圧の印加が切断された第５の電極２１１５上の液は、両側の電極２１２０、２１２０に引っ張られる。このとき、第６の電極２１１６上に残った液は、第５の電極２１１５上の液と合流し、両側の電極２１２０、２１２０に引っ張られる。
【０１０５】
電圧の印加が切断された第３の電極２１１３上の液は、隣接する第２の電極２１１２及び両側の電極２１１９、２１１９に引っ張られる。電圧の印加が切断された第４の電極２１１４上の液の大部分は、隣接する第３の電極２１１３を経由して両側の電極２１１９、２１１９に引っ張られる。第４の電極２１１４上に残った液は、第５の電極２１１５上の液と合流し、両側の電極２１２０、２１２０に引っ張られる。
【０１０６】
最後に、図１３ｄに示すように、第７の電極２１１７に正の電圧を印加したまま、第５の電極２１１５に正の電圧を印加し、その両側の電極２１２０、２１２０に印加されている電圧を切断する。それによって、第５の電極２１１５の濡れ性は増加する。両側の電極２１２０、２１２０上の液は、第５の電極２１１５上に集まる。
【０１０７】
次に、第３の電極２１１３に正の電圧を印加し、両側の電極２１１９、２１１９に印加されている電圧を切断する。それによって、電極２１１９、２１１９上の液は、第３の電極２１１３上に移動する。次に、第３の電極２１１３、及び、第２の電極２１１２に印加されている電圧を順に切断する。それによって、第３の電極２１１３、及び、第２の電極２１１２上の液は第１の電極２１１１に引っ張られる。こうして、第５の電極２１１５と第７の電極２１１７上に液を残したまま、全ての液は、第１の電極２１１１上に集められる。
【０１０８】
次に、第７の電極２１１７上の液を第８の電極２１１８上に移動させる処理を行う。第８の電極２１１８に正の電圧を印加し、第７の電極２１１７に印加されている電圧を切断する。それによって、第８の電極２１１８の濡れ性が増加し、第７の電極２１１７の濡れ性が減少する。従って、第７の電極２１１７上の液は、第８の電極２１１８上に移動する。
【０１０９】
最後に、第５の電極２１１５上の液を第１の電極２１１１上の大きな液滴に集める処理を行う。隣接する第４の電極２１１４に正の電圧を印加し、第５の電極２１１５に印加されている電圧を切断する。それによって、第４の電極２１１４の濡れ性が増加し、第５の電極２１１５の濡れ性が減少する。従って、第５の電極２１１５上の液は、第４の電極２１１４上に移動する。このような操作を、第３の電極２１１３、第２の電極２１１２、及び、第１の電極２１１１に対して繰り返せばよい。
【０１１０】
ここでは、試薬を分注する処理を説明したが、サンプルの分注も同様な方法により行うことができる。更に、このような操作を利用することにより、図１１を参照して説明したように、サンプルに試薬を混合させることができる。
【０１１１】
図１４を参照して隣接する２つの電極の接合部の形状を説明する。液滴は、電極が描く外接円の形状に対応する形状に形成され、また、電極が描く外接円の形状に沿って移動する。従って、隣接する電極の外接円は分離しないように１つの滑らかな曲線を描く必要がある。本例では、２つの電極の外接円の一部は互いに重なるように形成される。こうして、重なり合う領域を設けることによって、一方の電極上の液滴は他方の電極上にスムーズに移動する。
【０１１２】
図１４ａに示す例では、この重なり合った領域がくし型の形状を有する。即ち、一方の電極のくし型部に他方の電極のくし型部が入れ子状に挿入されている。図１４ｂに示す例では、両側の電極は円形であるが、中央の電極は両側の円によって切り取られた形状を有する。図１４ｃに示す例では、２つの円の交点を結ぶ直線によって、各円は切り取られた形状を有する。
【０１１３】
こうして、本例では、２つの隣接する電極は、重なりあう領域を有するため、液滴がスムーズに移動することができる。
【０１１４】
以上、本発明の例を説明したが、本発明は上述の例に限定されるものではなく特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは当業者に容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】本発明による化学分析装置の構成を示す図である。
【図２】分析デバイスの断面構成を示す図である。
【図３】本発明の化学分析装置の作動液貯蔵部、サンプル分注部、及び、オイル供給部の例を示す図である。
【図４】本発明のサンプル分注部の他の例を示す図である。
【図５】試薬を分注する操作を説明ための説明図である。
【図６】試薬を分注する操作を説明ための説明図である。
【図７】試薬を分注する操作を説明ための説明図である。
【図８】試薬を分注する操作を説明ための説明図である。
【図９】試薬を分注する操作を説明ための説明図である。
【図１０】本発明の化学分析装置の試薬分注部の例を示す図である。
【図１１】本発明の化学分析装置の分析デバイスの電極の構成を示す図である。
【図１２】円形電極の利点を説明するための説明図である。
【図１３】電極による分注方法を説明するための説明図である。
【図１４】隣接する電極の形状を示す図である。
【符号の説明】
【０１１６】
１…サンプルディスク、２…分析デバイス、３…作動液貯蔵部、４…試薬分注部、５…廃液排出部、６…サンプル分注部、７…オイル供給部、８…オイル分離部、１１…サンプルポート、１２…サンプルカップ、２１…下部電極基板、２２…スペーサ基板、２３…上部電極基板、２４…空間、３２…作動液容器、３６…バルブ、３７…チューブ、４１、４１Ａ、４１Ｂ…試薬ポート、４２…試薬容器、４３…ノズル、４４…バルブ、４２１…試薬、５１…廃液ポート、５３…ノズル、５４…バルブ、５５…ポンプ、５６…バルブ、５７…チューブ、６１…ノズル、６２…アーム、６３…支柱、６４…バルブ、６５…ポンプ、６６…チューブ、７１…オイル供給ポート、７２…オイル容器、７３…チューブ、７４…バルブ、７５…ポンプ、７６…バルブ、７７…チューブ、８１…オイルドレインポート、８２…廃液容器、８３…チューブ、８４…バルブ、８８…分離器、９０…傾き調整部、９１…傾斜センサ、９５…検出器、１２１…サンプル、１２１１…液滴、２０１…上部アクセス基板、２０２…下部アクセス基板、２１１…駆動電極、２１１Ａ、２１１Ｂ、２１１Ｃ、２１１Ｄ…駆動電極列、２１２…誘電体薄膜、２１３…撥水膜、２１４…共通電極、３２１…作動液、４３１…誘電体薄膜、４３２…撥水膜、４２１…試薬、４６１、４６２、４６３、４６４…スイッチ、７２１…オイル、７９１…オイル液面検出ポート、７９２…オイル液面センサ、１２１１…小液滴、２１１ａ、２１１ｂ、２１１１〜２１１８、２１１９、２１２０…電極
【技術分野】
【０００１】
本発明はサンプルを分析する化学分析装置及び分析デバイスに関し、特に、誘電体上の電気的濡れ性の変化を利用してサンプル及び試薬を処理する化学分析装置及び分析デバイスに関わる。
【背景技術】
【０００２】
現在広く使用されている医用又は実験用の自動分析装置は、多くの機構が混在する複雑なシステムとなっており、装置の小型化、低コスト化には限界がある。
【０００３】
一方、フロー方式のμ−ＴＡＳ分析デバイスでは分析デバイスに設けた複数の入口から試薬をチップ内に供給し、サンプルをチップ内に供給し、おのおの分析デバイス内の流路内に連続して流し、流路途中で混合して吸光度などを検出器で検出する。このため、回転機構、攪拌機構等が不要になり機構が簡素化する。
【０００４】
しかしながら、流路の洗浄が必要で洗浄不良による液間コンタミネーションが大きな問題となる。また、送液や液の切り替えなどでポンプやバルブが各液に対して必要になるため信頼性及びコストの面でかなり実現困難なシステムとなる。従って現状のフロー方式のμ−ＴＡＳでは１チップでは検査の項目数が少なく、ポンプ等の液駆動手段は外部に設置されている。従って、医用分析装置などの低コスト化要求に応えることができない。
【０００５】
特許文献１には、分析デバイス内に設けた電極に電圧を印加することにより、電気的濡れ性ＥＷＯＤ（Electrowetting on dielectric）を変化させ、それによって、液滴を移動させる方法が記載されている。ＥＷＯＤの変化は、表面張力又は界面張力の変化に起因した現象である。このようＥＷＯＤを利用することによって、分析デバイスの構造及び機構を大幅に単純化することができる。
【特許文献１】WO2004/030820 A2
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載された例では、サンプル及び試薬から正確に所定量を分注して、各種の処理を行い、検査装置によって検査することできない。
【０００７】
本発明の目的は、サンプル及び試薬から正確に所定量を分注して、各種の処理を行い、検査装置によって検査を行うことができるシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によると分析デバイスでは、上側に基板には共通電極が設けられ、下側の基板には複数の電極の列を含む駆動電極が設けられている。２つの基板の間の空間にオイルを充填し、そこにサンプル、試薬等の液滴を生成する。共通電極に負の電圧を印加し又はグランドに接続し、駆動電極側の電極に正の電圧を印加する。それによって、電圧が印加された領域の接触角が減少し、濡れ性が高まり、液滴が移動する。
【０００９】
駆動電極は、円形の電極からなり、液滴の経路に沿って配置された電極の列とその両側の電極を含み、隣接する電極は互いに重なり合うように形成されている。従って、サンプル及び試薬の液滴は、所望の分量に分注され、移動され、混合される。反応液は、所定の経路に沿って移動される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によるとサンプル及び試薬から正確に所定量を分注して、各種の処理を行い、検査装置によって検査を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１を参照して、本発明の化学分析装置の実施例を説明する。本例の化学分析装置は、被測定対象であるサンプル１２１を保持する複数のサンプルカップ１２を搭載した回転可能なサンプルディスク１と、サンプル１２１の成分を分析する分析デバイス２と、作動液を貯蔵する作動液貯蔵部３と、試薬を分析デバイス２に供給する試薬分注部４と、使用済みの廃液を分析デバイス２から排出する廃液排出部５と、サンプルカップ１２内のサンプル１２１を分析デバイス２に供給するサンプル分注部６と、オイルを分析デバイス２に供給するオイル供給部７と、廃液からオイルと反応済みの液を分離するオイル分離部８と、を有する。
【００１２】
サンプル分注部６は、鉛直方向に延びるノズル６１、ノズル６１を支持する水平方向に延びるアーム６２、アーム６２を支持する鉛直方向に延びる支柱６３、アーム６２を支柱６３周りに回転させ且つ支柱６３に沿って上下させる駆動機構（図示しない）、及び、ポンプ６５を有する。ノズル６１とポンプ６５を接続するチューブ６６には入口バルブ６４が設けられている。ノズル６１の先端には、液面センサ（図示しない）が設けられている。
【００１３】
作動液貯蔵部３は、作動液３２１を貯蔵する作動液容器３２を有する。ポンプ６５と作動液容器３２を接続するチューブ３７には出口バルブ３６が設けられている。本例の他のポンプ系も本例のポンプ系と同様の構成である。本例では、ポンプ６５はシリンジポンプである。シリンジポンプは、一定容量のポンプ室内にＯリング等によりシールされたシリンジを出し入れすることにより、ポンプ内の空間の体積を変化させてポンプ室に流体を出し入れする。一方向に流体を送る場合、例えば、入口側から出口側に流体を送る場合には、入口側のバルブを開、出口側のバルブを閉としてシリンジをポンプ室内から外部に後退し、入口側から流体を吸引する。次に、入口側のバルブを閉、出口側のバルブを開としてシリンジをポンプ室内に前進すると、出口側から流体が吐出する。これにより、流体は入口側から出口側に移動する。逆方向に流体を送る場合には、前記とは逆のバルブの開閉を行えばよい。以下に、特に述べないが、バルブの操作の記述は省略し、指定の方向に、ポンプ駆動により流体が移動するものとして説明する。
【００１４】
ポンプ計作動液３２１は、サンプル１２１及び試薬に溶けない且つ混じらない液体が用いられる。本例では、作動液３２１は、オイルである。
【００１５】
分析デバイス２は、基板を積層した構造を有し、上側の上部アクセス基板２０１、その下の上部電極基板２３、その下のスペーサ基板２２、更にその下の下部電極基板２１、及び、下側の下部アクセス基板２０２を有する。スペーサ基板２２の所定の領域は除去され、そこに、空間が形成されている。図１の例では、スペーサ基板２２は、周囲部を除いて除去されている。また、説明の都合上、上部アクセス基板２０１と上部電極基板２３は、周囲部を除いて除去されて描かれている。図示のように、下部電極基板２１上には駆動電極２１１が設けられている。
【００１６】
スペーサ基板２２が除去されて形成された空間は、オイルによって充填される。駆動電極２１１は、サンプル１２１及び試薬の液滴をオイル内にて移動させる流路の機能を有する。このような、オイル内におけるサンプル１２１及び試薬の駆動は、ＥＷＯＤを利用して行うが、詳細は、後に説明する。
【００１７】
上部アクセス基板２０１及び下部アクセス基板２０２の一方又は双方には、図示しない制御手段により温度コントロール可能なペルチエ素子、ヒータ等が内蔵されており、分析デバイス２の温度を制御する。
【００１８】
上部アクセス基板２０１には、サンプルポート１１、試薬ポート４１、廃液ポート５１、オイル液面検出ポート７９１、検出器９５、及び、傾斜センサ９１が設けられている。オイル液面検出ポート７９１には、オイル液面センサ７９２が設けられ、オイル液面センサ７９２によって分析デバイス２の空間に保持されているオイルの液面レベルが検出される。オイル液面センサ７９２は、液面に発した光の反射光量から距離を検出する光学式、液面に発した超音波が戻るまでの時間から距離を検出する超音波式、液面に沈めた電線に接触する液の接触長さにより静電容量が増加することを検出する静電式など従来の任意の液面検知技術を適用してよい。検出器９５は、吸光度測定装置、蛍光測定装置等のような光学的特性を計測する装置であってよいが、他の物理量、例えば、電気的又は磁気的量を計測する装置であってよい。ここでは、光学的特性を計測する装置であるとして説明する。
【００１９】
下部アクセス基板２０２には、オイル供給ポート７１、オイルドレインポート８１、及び、傾き調整部９０が設けられている。
【００２０】
これらのポート１１、４１、５１、７９１、７１、８１は円筒形状を有し、円筒内部の空洞は各アクセス基板を貫通し、空間に接続されている。
【００２１】
傾き調節部９０によって、分析デバイス２を水平に保持することも、所望の角度に傾斜させることもできる。傾斜センサ９１によって検出された傾斜角信号は、図示しない姿勢制御機構に供給される。この姿勢制御機構は傾き調節部９０を駆動し、分析デバイス２を水平に保持し又は所望の傾斜角度に傾斜させる。
【００２２】
姿勢制御機構は、例えば、分注や測定などの通常の運転モードでは、分析デバイスを水平に保持する。不測の原因により、化学分析装置が設置されている面が傾斜したときは、それをキャンセルするために分析デバイス２を傾斜させる。また、分析デバイス２の空間に保持された液体中の泡を排除する場合、オイルの交換等のメンテナンスの場合等では、姿勢制御機構によって分析デバイスを傾斜させる。
【００２３】
試薬分注部４は、試薬を貯蔵する試薬容器４２を有し、試薬容器４２の下には、バルブ４４を備えたノズル４３が接続されている。ノズル４３の先端は、試薬ポート４１内に配置されている。尚、試薬分注部４に、ポンプを設けてもよい。廃液排出部５は、廃液を汲み出す廃液ポンプ５５を有し、廃液ポンプ５５の下には、バルブ５４を備えたノズル５３が接続されている。ノズル５３の先端は、廃液ポート５１内に配置されている。廃液ポンプ５５には、バルブ５６を備えたチューブ５７が接続されている。オイル供給部７は、オイル７２１を貯蔵するオイル容器７２を有し、オイル容器７２とオイル供給ポート７１は、バルブ７６を備えたチューブ７７、ポンプ７５、バルブ７４を備えたチューブ７３によって接続されている。オイル分離部８は、廃液よりオイルを分離する分離器８８と廃液を貯蔵する廃液容器８２を有する。分離器８８とオイルドレインポート８１は、バルブ８４を備えたチューブ８３によって接続されている。分離器８８は、バルブ５６を備えたチューブ５７によって廃液ポンプ５５に接続されている。分離器８８は、比重差、遠心分離、フィルタリングなどの従来の技術を利用してオイルを分離する。
【００２４】
オイル７２１は、サンプル１２１及び試薬に溶けない且つ混じらない液体が用いられる。サンプル１２１に混じらない液体として、比重がサンプル１２１の比重より大きいか又は小さい液体がよい。例えば、サンプル１２１が、血液などの水をベースとする溶液の場合には、シリコンオイル、炭化水素系オイルであってよい。サンプル１２１が、フッ素を含むフッ素系の液体以外の場合には、比重が１より大きいパーフルオロカーボンオイル（以下フッ素オイルと称する）が望ましい。尚、作動液３２１はオイル７２１であってよい。以下に、作動液３２１はオイル７２１であるとして説明する。
【００２５】
本例では、オイル７２１及び作動液３２１として、比重が１より大きいフッ素オイルを用いる。
【００２６】
先ず、オイル供給部７によってオイルを分析デバイス２に供給する。オイル供給ポンプ７５を駆動し、オイル７２１を、オイル容器７２からオイル供給ポート７１に供給する。オイル供給ポート７１に供給されたオイルは、分析デバイス２の空間に流入する。空間を満たしていた空気は上部アクセス基板２０１のサンプルポート１１、試薬ポート４１、廃液ポート５１等から外部に排出される。こうして、分析デバイス２の空間はオイル７２１によって置き換わる。空間内のオイル７２１の液面レベルは、オイル液面検出ポート７９１に設けられたオイル液面センサ７９２によって検出される。オイル７２１の液面レベルが、所定の高さになったとき、図示しない制御装置によりオイル供給ポンプ７５を停止する。尚、オイル液面センサ７９２は常時オイル液面検出ポート７９１におけるオイル液面レベルを監視しており、オイル液面レベルの減少を検出したときには、その旨を制御装置に通知する。制御装置はオイル供給ポンプ７５を駆動し、オイルを補充する。従って分析デバイス２の空間に保持されているオイルの液面レベルは常に一定に保持される。
【００２７】
サンプルポート１１の内径はノズル６１の外径より大きい。従って、ノズル６１をサンプルポート１１内に挿入することができる。ノズル６１をサンプルポート１１内に挿入すると、ノズル６１の先端は、分析デバイス２の空間に充填されたオイルに浸かる。それによって、ノズル６１の先端の外面は、オイルによって覆われる。また、ポンプ６５を駆動し、オイル７２１をノズル６１に吸入し、吐出する。それによって、ノズル６１の内面はオイル７２１によって覆われる。これにより、ノズル６１内にサンプル１２１を吸入したときに、オイルがサンプル１２１をはじきノズル６１の表面を汚染しない。サンプル１２１の分注は、このように、ノズル６１の先端をオイル７２１で被覆した後に行う。
【００２８】
次に、サンプル分注部６によってサンプルを分析デバイス２に分注する。駆動機構によりアーム６２を支柱６３周りに回転させ、ノズル６１が所望のサンプルカップ１２の位置に配置されたら、アーム６２を支柱６３に沿って下降させる。ノズル６１に設けられた液面センサによってサンプル１２１の液面を検知し、所定の液面下までノズル６１を沈める。ポンプ６５を駆動し、所定量のサンプル１２１がノズル６１に吸入されたら、ポンプ６５を停止する。駆動機構によりアーム６２を上昇させ、更に回転させる。ノズル６１が分注デバイス２上のサンプルポート１１の位置に配置されたら、アーム６２を支柱６３に沿って下降させる。ノズル６１がサンプルポート１１内に配置されたら、ポンプ６５を駆動しサンプル１２１をサンプルポート１１に吐出する。サンプルポート１１に供給されたサンプル１２１は、オイル上に且つオイルに混じることなく配置される。
【００２９】
次に、試薬分注部４によって試薬を分析デバイス２に分注する。バルブ４４を開にすることによって、試薬は、試薬容器４２から試薬ポート４１に吐出される。試薬ポート４１に供給された試薬は、オイル上に且つオイルに混じることなく配置される。
【００３０】
試薬容器４２の上面にバルブ（図示しない）を設け、試薬容器４２内を大気圧に接続することにより、試薬容器４２内の試薬は、重力により試薬ポート４１に流入する。試薬の流量は、バルブ４４の開時間により調整する。分析デバイス２の空間内に試薬が注入されると、オイル液面検出ポート７９１における液面が変化する。この変化量をオイル液面センサ７９２によって検出し、流入した試薬の量を演算し、所望の試薬量が注入されたとき、バルブ４４を閉じてよい。
【００３１】
サンプルポート１１に供給されたサンプル１２１及び試薬ポート４１に供給された試薬は、ＥＷＯＤを利用して処理される。即ち、液滴となって駆動電極２１１に沿って移動する。サンプル及び試薬は、駆動電極２１１上の所定の領域において混合され、所定の化学反応が行われる。化学反応が終了すると検出器９５に送られる。
【００３２】
検出器９５は反応液の吸光度、蛍光量等の所定の光学的特性を測定する。本例では、検出器９５は、光を検出するため、検出器９５が配置された位置において、上部及び下部アクセス基板２０１、２０２には孔が設けられる。上部、及び、下部電極基板２３、２１の一方または双方は透明な電極材料、例えば、ＩＴＯ（Indium-Zinn-Oxid）によって形成される。
【００３３】
検出器９５によって測定が終了した廃液は駆動電極２１１に沿って移動し、廃液ポート５１に送られる。
【００３４】
次に、廃液排出部５によって廃液を分析デバイス２から排出する。廃液は、廃液ポート５１内にて、オイル７２１との比重差により、上昇し、そこに溜まる。
【００３５】
廃液ポンプ５５を駆動し、廃液を、廃液ポート５１から汲み出し、分離器８８に供給する。分離器８８は、廃液よりオイルを分離する。分離したオイルは、オイル容器７２に回収する。残りの廃液は、廃液容器８２に排出する。
【００３６】
オイル７２１の比重が、廃液の比重より小さい場合には、廃液ポート（図示しない）を下部アクセス基板２０２に設ける。廃液は、廃液ポート５１内にて、オイル７２１の比重差により、下降し、そこに溜まる。廃液は、廃液ポート５１に接続されたチューブ（図示しない）を介して、廃液ポンプ（図示しない）により吸い取られ、オイル分離部８に送られる。
【００３７】
メンテナンス等のように、分析デバイス２内の全てのオイル７２１を排出する場合には、バルブ８４を開にすればよい。分析デバイス２内のオイル７２１は、重力によりオイルドレインポート８１を介して排出され、分離器８８に供給される。分離器８８によってオイルに含まれる廃液が除去され、オイルは、オイル容器７２に回収され、廃液は廃液容器８２に排出される。尚、傾き調節部９０によって、オイルドレインポート８１が最下位置になるように、分析デバイス２を傾斜させる。それにより分析デバイス２内のオイルは完全に排出される。
【００３８】
本例によれば、サンプル分注部６によってサンプルを分析デバイス２に分注する前に、ノズル６１の先端をオイル７２１によって被覆することができる。それによって、ノズル６１へのサンプルの付着を防止することができる。従って、ノズル６１によって吸引したサンプルに、前回測定時に分注したサンプルが混じることが防止され、測定精度が向上する。また、ノズルがサンプルによって汚染されることがないため、ノズルを洗浄する必要がない。そのため洗浄機構が不要となり、化学分析装置を小型化及び低コスト化することができる。
【００３９】
本例によれば、オイル液面検出ポート７９１にオイル液面センサ７９２を設けるため、分析デバイス内へのサンプル、試薬等の溶液の注入量を正確にコントロールすることができる。従って、分析デバイスへの分注精度が向上する。
【００４０】
また、オイル液面センサ７９２によって、オイルの減少又は消耗を検出することができるため、分析デバイス内のオイル量を一定量に保持することができる。従って、本例の分析デバイスを長時間使用しても、分析デバイス内のオイル量が常に一定に保持されるから、気泡の混入を防止することができると同時に、オイルの更新が自動的に行われる。更に、オイル分離部を設けるため、オイルの回収が可能であり、オイルの使用量を低減できる。
【００４１】
本発明の特徴は分析デバイスにあり、それ以外の装置は適宜変更してよい。例えば、サンプル分注部６を除去し、手分注によりサンプルをサンプルポート１１に分注してもよい。試薬分注部４を除去し、手分注により試薬を試薬ポート４１に分注してもよい。また、サンプルディスク１と同様に、複数の試薬容器を搭載した回転可能な試薬ディスクからサンプル分注部６を用いて試薬を分注してもよい。
【００４２】
図２を参照して、分析デバイス２の構造を詳細に説明する。図２は、分析デバイス２の断面構成を示し、上側の上部アクセス基板２０１と下側の下部アクセス基板２０２の図示は省略されている。上部電極基板２３の内面には共通電極２１４が設けられ、下部電極基板２１の内面には、複数の電極２１１ａ、２１１ｂを含む駆動電極２１１が設けられている。駆動電極２１１の表面には、１層以上の絶縁体膜２１２が設けられている。絶縁体膜２１２の上に、撥水性を上げるための撥水膜２１３がコーティングされる。共通電極２１４には、撥水膜２１３のみがコーティングされる。
【００４３】
絶縁体膜２１２は、例えば、Parylen（商品名）やSiO2をＣＶＤ法によって形成した誘電体薄膜であってよい。撥水膜２１３は、例えば、AF1601（商品名）などのフッ素系の撥水剤をコーティングしたものであってよい。
【００４４】
上部電極基板２３と下部電極基板２１の間には、スペーサ基板２２が配置されているが、スペーサ基板２２の所定の領域は除去又は切り取られている。スペーサ基板２２が除去された領域には、空間２４が形成される。図示のように、この空間２４にオイル７２１が満たされ、そのなかにサンプルの液滴１２１１が配置されている。液滴１２１１は、電極２１１ａ上に配置され、更に、その一部が、隣接する電極２１１ｂを覆っている。共通電極２１４には負の電圧が印加されている。電極２１１ａに印加されている正の電圧を切断し、隣接する電極２１１ｂに正の電圧を印加すると、電極２１１ｂ上の絶縁体膜２１２の濡れ性が高くなり接触角が減少する。それによって、液滴１２１１は、正の電圧が印加された電極２１１ｂに引っ張られる。従って、液滴１２１１は、隣接する電極２１１ｂ上に移動する。このような操作を、隣接する電極間で繰り返すことにより、液滴１２１１は順次、駆動電極２１１に沿って移動する。
【００４５】
このような現象を本願明細書では、ＥＷＯＤと称する。ＥＷＯＤは、水などの分極する液体を挟んだ２つの電極間に電圧をかけることにより、電極上の絶縁体膜と液の接触角が減少し、濡れ性が高くなる現象を言う。こうして本例では、ＥＷＯＤ技術によって、サンプル及び試薬を駆動電極２１１に沿って移動させ、所定の領域にて混合させることができる。サンプルと試薬の混合液は、検出器９５の下方に搬送されると、そこで光が検出される。
【００４６】
図３に本発明の化学分析装置の作動液貯蔵部３、サンプル分注部６、及び、オイル供給部７の例を示す。先ず、オイル供給部７の動作を説明する。本例では、オイル７２１としてフッ素オイルを使用し、作動液３２１としてオイル７２１、即ち、フッ素オイルを使用する。シリンジポンプ７５を駆動し、オイル７２１を、オイル容器７２からシリンジポンプ７５を介してオイル供給ポート７１に供給する。オイル供給ポート７１に供給されたオイルは、空間２４に導入される。オイル液面検出ポート７９１におけるオイル液面レベルは、オイル液面センサ７９２によって検出される。オイル液面センサ７９２によって検出されたオイル液面レベルは、制御装置７９３に入力される。オイル液面検出ポート７９１の液面レベルが所定の高さになったとき、ポンプ７５を停止する。
【００４７】
次に、サンプル分注部６の動作を説明する。作動液容器３２にはオイル７２１が貯蔵されている。シリンジポンプ７５を駆動し、オイル７２１をノズル６１の先端付近まで満たす。サンプルディスク１上の任意のサンプルカップ１２にノズル６１を挿入し、シリンジポンプ６５を駆動し、ノズル６１内にサンプル１２１を吸引する。ノズル６１をサンプルポート１１上に移動し、シリンジポンプ６５を駆動し、サンプル１２１を排出する。サンプル１２１の分注量はシリンジポンプ６５のシリンジの移動量によって調整することができる。
【００４８】
フッ素オイルの比重は２程度であり、水を主とするサンプル１２１の比重は略１である。オイル７２１とサンプル１２１は交じり合うことが無いので、サンプルポート１１に導入されたサンプル１２１はオイル７２１の上に浮かぶ。サンプル１２１を分注する前は、サンプルポート１１のオイル液面レベルは、オイル液面検出ポート７９１のオイル液面レベルと同一である。サンプル１２１を分注した後は、サンプルポート１１の液面レベルは、オイル液面検出ポート７９１のオイル液面レベルより高くなる。従って、サンプルポート１１の高さは、サンプル１２１を分注した後に、サンプル１２１がサンプルポート１１から溢れないように、所定の高さに設定する。
【００４９】
次に、オイル供給部７のシリンジポンプ７５を駆動し、分析デバイス２の空間２４内のオイル７２１を吸引し、オイル容器７２に戻す。それによりサンプルポート１１の液面レベルは低下し、サンプルとオイルの界面は上部電極基板２３に達する。オイル液面検出ポート７９１のオイル液面レベルも低下する。サンプルポート１１の液面レベルは、オイル液面検出ポート７９１のオイル液面レベルより上側にあるが、サンプルポート１１のサンプルとオイルの界面は、オイル液面検出ポート７９１のオイル液面レベルより下側にある。
【００５０】
下部電極基板２１が水平であるとし、下部電極基板２１の位置を基準として、各液面の高さを求める。尚、メニスカスの影響を無視し、液面が平面であると仮定する。サンプル１２１の比重をρs、サンプル１２１の液柱の長さをｈs、オイル７２１の比重をρo、オイル７２１とサンプル１２１の界面の高さをｈos、オイル液面検出ポート７９１のオイル液面レベルをｈoとすると、
ρs・ｈs＋ρo・ｈos＝ρo・ｈo （数１）
となる。したがって、オイル７２１とサンプル１２１の界面の高さｈosと、オイル液面検出ポート７９１のオイル液面レベルｈoの差は、次の式によって表される。
ｈo−ｈos＝（ρs／ρo）・ｈs（数２）
【００５１】
即ち、界面の高さｈosとオイル液面レベルｈoの差は、サンプル液柱の長さの半分程度となる。したがって液面レベルがサンプル液柱の半分の長さだけ下降するまで、オイル７２１を吸引することができる。更に、分析デバイス２の空間２４内のオイル７２１を吸引し続けると、サンプル１２１はサンプルポート１１の下端と上部電極基板２３の接続部を越えて分析デバイス２の空間２４内に進入する。サンプルポート１１に供給したサンプル量が十分あれば、オイル液面検出ポート７９１の液面レベルが低下してもそこから空気が分析デバイス２の空間内に入ることはない。分析デバイス２の空間内に入ったサンプル１２１は、下部電極基板２１の駆動電極２１１上に配置されるため、上述のようにＥＷＯＤによって移動可能となる。
【００５２】
こうして、分析デバイス２の空間へ所定量のサンプル１２１が分注される。サンプルの分注が完了すると、オイル供給部７のシリンジポンプ７５を駆動し、オイル供給ポート７１を介してオイル７２１を分析デバイス２の空間内に注入する。それによってサンプルポート１１における液面レベル及びオイル液面検出ポート７９１における液面レベルは上昇する。サンプルポート１１に残っているサンプルは、サンプルポート１１の上端より溢れ出て、上部アクセス基板２０１上に落ちる。サンプルポート１１の高さが、オイル液面検出ポート７９１の高さより低い場合には、サンプルポート１１に残っている全てのサンプルを排出することができる。サンプルポート１１の周囲の上部アクセス基板２０１上に、排出溝を設けてよい。この排出溝に落ちたサンプルとオイルは、オイル分離部８に導かれる。又は、サンプル分注部６のノズル６１によって、サンプルポート１１に残っているサンプルを吸引し、外部の廃液容器に捨ててもよい。
【００５３】
本例によると、サンプルポート１１にてサンプルとオイルは分離した層を形成しており、互いに混ざり合うことない。従って、不要なサンプルを簡単な操作によって廃棄し、又は、回収することができる。ここでは、サンプル１２１の分注操作を説明したが、同様な手法により試薬の分注操作を行うことができる。
【００５４】
図４に本発明のサンプル分注部６の他の例の動作を説明する。ノズル６１の先端付近の液に接する部分にはフッ素系の皮膜（図示しない）をコーティングする。作動液容器３２のオイル７２１をノズル６１の先端付近まで満たす。サンプルディスク１上の任意のサンプルカップ１２にノズル６１を挿入し、シリンジポンプ６５を駆動し、ノズル６１内にサンプル１２１を吸引する。ノズル６１をサンプルポート１１上に移動させる。ノズル６１をサンプルポート１１に挿入し、ノズル６１先端を下部電極基板２１に接近させる。次に、シリンジポンプ６５を駆動し、サンプル１２１を排出する。
【００５５】
図４（ａ）は、ノズル６１からサンプル１２１が吐出された状態を示す。本例では、サンプル分注部６のノズル６１とサンプルポート１１直下の下部電極基板２１上の駆動電極２１１の間に電圧を印加する。本例では、ノズル６１が共通電極の機能を提供する。
【００５６】
下部電極基板２１上の電極に正の電圧を印加し、ノズル６１に負の電圧を印加する。ノズル６１に負の電圧を印加する代わりに、グランドに接続してよい。
【００５７】
これによりサンプル１２１はＥＷＯＤ現象により下部電極基板２１上の駆動電極に引き付けられ、分析デバイス２の空間を駆動電極に沿って進む。
【００５８】
所定量のサンプル１２１が分析デバイス２の空間内に分注されたら、図４（ｂ）に示すように、下部電極基板２１上の駆動電極に負の電圧を印加し、ノズル６１に正の電圧を印加する。下部電極基板２１上の駆動電極に負の電圧を印加する代わりに、グランドに接続してよい。これにより、サンプル１２１はＥＷＯＤ現象によりノズル６１に引き付けられる。次に、シリンジポンプ６５を駆動し、ノズル６１内にサンプル１２１を吸引する。
【００５９】
分析デバイス２の空間内のサンプル１２１は駆動電極側からノズル６１側に引き付けられながら後退し、駆動電極から離脱してノズル６１内に戻る。サンプル１２１が駆動電極から離脱すると、電位または微弱な電流の変化が起きる。従って、電位又は電流の変化を検出することにより、サンプル１２１が駆動電極から離脱したことが判る。サンプル１２１が駆動電極から離脱したら、シリンジポンプ６５を停止し、サンプル１２１の吸引を停止する。
【００６０】
ノズル６１をサンプルポート１１から引き上げ、図示しないサンプル廃棄場所に移動し、シリンジポンプ６５を駆動し、ノズル６１内のサンプル１２１を吐出する。本例では、作動液３２１としてオイル７２１を使用するから、オイル７２１がノズル６１先端から出てくるまでシリンジポンプを駆動することによりノズル６１内のサンプル１２１を完全に除去することができる。
【００６１】
本実施例によれば、サンプル除去時にＥＷＯＤによりノズル表面の濡れ性を向上させることにより、サンプルがノズルに引き付けられスムーズに戻る。従って、分析デバイス内にサンプルが残留することなく他のサンプルの測定に影響を与えることが無くなり測定精度が向上する。
【００６２】
図５〜図９を参照して本発明による試薬分注部４の構成及び動作を説明する。分析デバイス２の構造は図２を参照して説明したものと同一である。上側の上部アクセス基板２０１と下側の下部アクセス基板２０２の図示は省略されている。上部電極基板２３の内面には共通電極２１４が設けられ、下部電極基板２１の内面には、複数の電極２１１１、２１１２を含む駆動電極が設けられている。駆動電極上には、絶縁体膜２１２が設けられている。絶縁体膜２１２の上に、撥水膜２１３がコーティングされている。共通電極２１４には、撥水膜２１３のみがコーティングされている。
【００６３】
試薬容器４２の下端のノズル４３は、ノズル４３の先端が下部電極基板２１に近接するように、試薬ポート４１に挿入されている。
【００６４】
ノズル４３の上端面、内面、及び、下端面は、誘電体薄膜からなる絶縁体膜４３１によってコーティングされている。更に、ノズル４３の絶縁体膜４３１上及びノズル４３の外面には、フッ素系の撥水膜４３２がコーティングされている。こうして、絶縁体膜４３１及び撥水膜４３２が塗布されたノズル４３は、接着などにより試薬容器４２の下端に取り付けられている。
【００６５】
ノズル４３及び試薬容器４２は、ステンレスなどの導電性材料によって形成されるが、両者は、絶縁体膜４３１によって電気的に遮断されている。ノズル４３は絶縁体膜４３１によって共通電極２１４から電気的に遮断されている。
【００６６】
試薬容器４２の上面には、バルブ（図示しない）が設けられ、このバルブは通常閉じている。このバルブを開くと、試薬容器４２は大気圧又は圧力源（図示しない）に接続される。
【００６７】
本例では、試薬容器４２が共通電極の機能を有し、ノズル４３が駆動電極の機能を有する。従って、試薬容器４２はスイッチ４６１を介して電源の負極に接続されている。ノズル４３は、スイッチ４６２を介して、電源の正極に接続されている。各電極２１１１、２１１２は、スイッチ４６３、４６４をそれぞれ介して、電源の正極に接続されている。上部電極基板２３の内面の共通電極２１４は、電源の負極に接続されている。
【００６８】
試薬容器４２が、非導電性材料によって形成されている場合には、試薬容器４２の内部に試薬４２１に接する端子（図示しない）を設け、この端子を、外部に導線を引き出し、スイッチ４６１を介して電源の負極に接続する。
【００６９】
図５は、初期状態を示す。初期状態では、全てのスイッチはオフである。また、ノズル４３には、フッ素系の撥水膜４３２がコーティングされているから、分析デバイス２の空間内のオイル７２１がノズル４３内に進入する。
【００７０】
図６に示すように、最初に、試薬容器４２に接続されたスイッチ４６１をＯＮ、ノズル４３に接続されたスイッチ４６２をＯＮにする。それにより試薬容器４２内の試薬４２１は、負電位、即ち、グランドレベルになり、ノズル４３は正電位になる。これにより、試薬４２１に対するノズル４３内面の濡れ性が増加する。試薬４２１はノズル４３内を下降し、分析デバイス２の空間内に入り、ノズル４３直下の下部電極基板２１上の駆動電極２１１１上に配置される。試薬４２１は、ノズル４３の下端から分析デバイス２の空間内に出ると広がり、試薬４２１とオイル７２１の界面張力が反力となり試薬４２１の吐出が止まる。
【００７１】
次に、図７に示すように、ノズル４３の直下の電極２１１１のスイッチ４６３をオンにする。電極２１１１には正の電圧が印加され、電極２１１１の領域において試薬４２１に対する濡れ性が増加する。従って、電極２１１１上にて、試薬４２１は広がる。
【００７２】
図８に示すように隣接するスイッチ４６４もＯＮとする。それにより、隣接する電極２１１２には正の電圧が印加され、電極２１１２の領域において濡れ性が増加する。従って、電極２１１２上に、試薬４２１は伸展する。
【００７３】
次に図９に示すようにノズル４３の直下のスイッチ４６３をＯＦＦとし、ノズル４３の直下の電極２１１１への電圧を切断する。それによって、電極２１１１の領域における濡れ性が低下する。隣接する電極２１１２の領域の濡れ性は、依然として高いから試薬４２１は電極２１１２の方へ引っ張られている。そこで、試薬は分離し、試薬液滴４２１１となる。さらに、スイッチ４６１、４６２をＯＦＦとしノズル４３への電圧印加を停止すると、ノズル４３の直下に残留した試薬４２１はノズル４３を上昇して試薬容器４２内に戻る。
【００７４】
本例では、水圧と表面張力のコントロールが重要である。まず、ノズル４３内の液体の移動について考える。ノズル４３の内径をｒ、試薬４２１とオイル７２１の界面張力をσ、接触角をθ、試薬４２１とオイル７２１の界面での水圧をＰとすると、界面張力の鉛直成分Ｐσと水圧による垂直方向の力Ｐｈの比Ｐσ／Ｐｈは、次のようになる。
Ｐσ／Ｐｈ＝２πｒσcosθ／πｒ2Ｐ＝２σcosθ／ｒＰ （数３）
【００７５】
この比が１より大きく且つ界面張力が上方向に作用する場合、試薬４２１はノズル４３内を上昇する。試薬容器４２の内径はノズル４３の内径よりも十分大きく、試薬４２１の上昇による試薬容器４２内の液面レベルの上昇は無視できる。従って、試薬４２１がノズル４３内を上昇した距離に対応して、試薬４２１とオイル７２１の界面における水圧（水頭差）が小さくなる。界面の水圧（水頭差）が小さくなると、数３の式の比は更に小さくなり、ノズル４３内の試薬４２１は試薬容器４２内に戻る。ノズル４３から試薬容器４２へ遷移する継ぎ目では、径が急拡大し、数３の式の比は１以下に急減するから、オイル７２１がノズル４３から試薬容器４２へ移動することはない。
【００７６】
また、数３の式の比が１より小さいと、試薬４２１はノズル４３内を下降する。試薬４２１の下降による試薬容器４２内の液面レベルの下降は無視できる。従って試薬４２１が下降した距離に対応して界面の水圧（水頭差）は大きくなる。界面の水圧（水頭差）が大きくなると数３の式の比は更に小さく。従って、試薬４２１はノズル４３内を下降しノズル４３の下端に達する。ノズル４３の下端での水圧上昇はノズル４３内の試薬の液柱の長さＬに比例する。界面における水圧をＰ0とし、比例定数をｋとすると、ノズル４３の下端での水圧はＰ0＋ｋＬとなる。
【００７７】
接触角θは電圧を印加しない場合１３０〜１４０°である。試薬とオイルの界面がノズル４３の上端の入口にあり、且つ、ノズル４３に電圧が印加されていない場合には、数３の式の比、即ち、界面張力の鉛直成分／水圧（ノズル）は１以上である。ノズル４３に正の電圧を印加すると、接触角θが低下し、界面張力の鉛直成分Ｐσが小さくなる。接触角θが、所定の値より小さくなると、数３の式の比は１より小さくなる。数３の式の比が１より小さくなるような接触角θをθ0とすると、接触角θ＝θ0、は、次の数４の式を満たす。
θ＝θ0＜Cos−１(ｒＰ0／２σ) （数４）
【００７８】
従って、接触角θがθ0となるように、ノズル４３に電圧を印加すればよい。それにより、試薬は、ノズル４３を下降し、分析デバイス２の空間内に入り、円形状に広がる。この円の半径をＲ、上部の共通電極２１４と下部の駆動電極２１１間のギャップ（高さ）をＨとすると、分析デバイス２の空間内に円形に広がった試薬４２１における界面張力Ｈσと水圧Ｐｈの比は、次のようになる。但し、ギャップＨは、水頭差に比べ十分小さく、分析デバイス２の空間における水圧は一様であると仮定する。
Ｈσ／Ｐｈ＝２×２πＲσcosθ／２πＲＨＰ＝２σcosθ／ＨＰ （数５）
【００７９】
この比の値が１より大きい場合は、試薬４２１は分析デバイス２の空間内に広がることができない。この比の値が１より小さい場合には、試薬４２１は分析デバイス２の空間内に広がる。この比の値を１より大きくするには、接触角θを、所定の値より大きくすればよい。結局、試薬がノズル４３を下降するが、分析デバイス２の空間内にて広がらない条件は、接触角θが、次の数６の式を満たす必要がある。尚、分析デバイス２の空間における水圧をＰ0＋ｋＬとする。
Cos-1{Ｈ(Ｐ0＋ｋＬ)／２σ}＜θ＜Cos-1(ｒＰ0／２σ) （数６）
【００８０】
図６は、試薬がノズル４３を下降し、分析デバイス２の空間内に入るが、そこで広がらない状態を示す。次に、図７に示したように、試薬４２１を更に分析デバイス２の空間内に供給する場合には、試薬ポート４１直下の下部電極基板２１の電極２１１１に電圧を印加し、電極２１１１の濡れ性を高くする。電極２１１１に正の電圧を印加することによって、接触角θが小さくなり、数５の式の比、即ち、界面張力／水圧（デバイス）が１より小さくなる。それによって、試薬４２１は分析デバイス２の空間内にて広がる。
【００８１】
試薬４２１と電極２１１間の電圧、電気容量等の変化を検出することによって、試薬４２１が分析デバイス２の空間内へ進入したことが検知される。図８に示したように、試薬４２１が、隣接する電極２１１２の全体を覆ったとき、電極２１１１への電圧印加を停止する。それによって、電圧が印加されている電極２１１２以外の領域では、濡れ性が低下する。従って、図９に示したように、電極２１１２の周囲の試薬４２１は、ノズル側に引き戻される。この引き戻しを確実にするため、試薬容器４２内を図示しない負圧源に接続してよい。それによって、試薬４２１は、確実に、試薬容器４２に引き戻される。
【００８２】
こうして、試薬４２１は分断され、電極２１１２上に、試薬の液滴４２１１が生成される。この試薬の液滴を更に、ＥＷＯＤの分注動作によって、所定の量の液滴に分離することができる。
【００８３】
例えば、ノズル４３の内径ｒを0.2mm、界面張力σを水程度の0.07N/m、水頭Ｐを10mmH2Oとする。ノズル４３に電圧を印加していないとして、接触角θ＝140°とすると、数３の式の比、即ち、界面張力の鉛直成分／水圧（ノズル）＝5.3 となる。従って、試薬４２１はノズル４３内を下降しない。
【００８４】
次にノズル４３に電圧を印加し、接触角をθ＜99°とする。界面張力に水圧が勝って、数５の式の比、即ち、界面張力の鉛直成分／水圧（ノズル）＜１となる。従って、試薬４２１はノズル４３内を流下する。
【００８５】
さらに上部の共通電極２１４と下部の駆動電極２１１間のギャップＨ＝0.3mmとし、ノズル４３の長さＬ＝10mmとする。下部電極基板２１の駆動電極２１１３に電圧を印加していない場合、接触角θ＝140°であるから界面張力／水圧（デバイス）＝1.8となり試薬４２１は分析デバイス２の空間内に入っていかない。
【００８６】
駆動電極２１１３に電圧を印加し、接触角θ＜116°とすると、界面張力／水圧（デバイス）＜１となり、試薬４２１は分析デバイス２に入る。
【００８７】
本例によれば、試薬を分注する機構に電極を用い、電極に印加する電圧により電極の濡れ性を制御する。それによって、試薬等を所望の量に分注することができる。そのため可動部が無く機構が簡素化し装置が小型化する。
【００８８】
図１０を参照して本発明の化学分析装置の試薬分注部４の構成及び動作を説明する。本例の試薬分注部４は、図３に示したサンプル分注部６と同様に、オイル供給部７を利用して試薬４２１の分注を行う。尚、本例で利用するオイル供給部７は、図３に示したオイル供給部７と同一であり、その詳細な説明は省略する。
【００８９】
本例の試薬分注部４は、試薬を貯蔵する試薬容器４２を有し、試薬容器４２の下には、バルブ４４を備えたノズル４３が接続されている。ノズル４３の先端は、試薬ポート４１内に配置されている。
【００９０】
試薬容器４２は、試薬ポート４１毎に設ける。試薬４２１の注入は、バルブ４４の開閉によりを行う。試薬４２１の注入量の調整は、オイル液面検出ポート７９１に設置したオイル液面センサ７９２によって液面レベルの変動量を検出することにより行ってよい。尚、予め、バルブ４４の開時間と注入量の関係を求めておき、そのデータに基づいて、バルブ４４の開閉時間を設定してもよい。更に、分析デバイス２の空間内の電極２１１１と試薬４２１間の電位または電流を計測し、試薬４２１の流下量を検出してもよい。更に、試薬容器４２の下部に特開平11-082309に記載のようなマイクロポンプを設け、試薬４２１を空中吐出してから供給してもよい。
【００９１】
図３の例では、サンプル分注部６によるサンプル分注にてオイル供給部７を利用するが、本例では、更に、試薬分注部４による試薬分注にも、オイル供給部７を利用することができるから、オイル供給部７の利用効率が高まり、装置構成が簡単で低コストになる。
【００９２】
次に、図１１を参照して、本発明の駆動電極２１１のパターンを説明する。駆動電極２１１は、サンプルポート１１、試薬ポート４１Ａ、４１Ｂ、及び、廃液ポート５１を接続するように形成されている。サンプルポート１１を始点とする１列の円形の電極の列２１１Ａが設けられ、試薬ポート４１Ａ、４１Ｂをそれぞれ始点とする１列の円形の電極の列２１１Ｂ、２１１Ｃが設けられ、廃液ポート５１を始点とする１列の円形の電極の列２１１Ｄが設けられている。
【００９３】
ここでは、液の流れの概略を説明する。詳細は、後に、図１３を参照して説明する。サンプルポート１１に設けられた電極上のサンプルの液滴は、電極の列２１１Ａに沿って移動し、分離し、小さな液滴となって交差点の電極２１１ａに運ばれる。同様に、試薬ポート４１Ａに設けられた電極上の第１の試薬の液滴は、電極の列２１１Ｂに沿って移動し、分離し、小さな液滴となって交差点の電極２１１ａに運ばれる。従って、サンプルと第１の試薬は電極２１１ａ上にて混合する。混合液は、電極の列に沿って移動し、交差点の電極２１１ｂ上に運ばれる。一方、試薬ポート４１Ｂに設けられた電極上の第２の試薬の液滴は、電極の列２１１Ｃに沿って移動し、分離し、小さな液滴となって交差点の電極２１１ｂに運ばれる。交差点の電極２１１ｂにて混合液と第２の試薬は混合される。この混合液は、検出器９５によって光学量が検出される。検出後に、混合液は、電極の列に沿って移動し、廃液ポート５１に設けられた電極上に運ばれる。この電極上の混合液は、廃液ポート５１を経由して排出される。
【００９４】
電極の大きさは、電極にて保持する液滴の量に対応している。従って、ポート上の電極は大きい。また、交差点の電極は２つの液滴の混合液を保持するため比較的大きい。
【００９５】
各電極列において、ポート上の電極を除いて、奇数番目の電極の両側に電極が設けられている。この両側の電極は液滴を分離する機能を有するが、詳細は、後に説明する。更に、隣接する２つの電極は、接合部において、互いに入れ子状態となるくし型に形成されているが、これについては図１４を参照して説明する。
【００９６】
図１２を参照して、本発明による駆動電極を従来の駆動電極と比較して説明する。図１２ａに示すように、従来の駆動電極は、例えば、WO2004/030820 A2に示されているように、四角形の電極からなる。図１２ａの例では、３つの連続する同一面積の正方形の電極１２３１〜１２３３からなる。
【００９７】
図１２ｂに示すように、本発明の駆動電極は、円形の電極からなる。図１２ｂの例では、３つの連続する同一面積の円形の電極１２３４〜１２３６からなる。また、液が電極から次の電極に安定的に移動するように、２つの隣接する電極は、互いに、重複するように、形成されている。電極に電圧を印加すると、そこに液が保持される。液は電極の外形、即ち、外接円に対応して、円形に配置される。
【００９８】
円形の周囲長は、他の形状の周囲長と比較して、最短である。そのため同一体積の液では、円形の液滴が最も表面エネルギーが小さくなり安定である。従って、本例では、液を電極上に安定的に保持することができる。
【００９９】
液滴を分割する場合を考える。両端の電極に電圧を印加し、中央の電極には電圧を印加しないとき、両端の電極の濡れ性が向上するため液滴（図のハッチングの部分）は図のように両端の電極に引っ張られ、分離する。図１２は、中央の電極上にて、液滴が分離する瞬間を模式的に示している。
【０１００】
電極面積が同一の場合、図１２ｂの液滴の周囲長は図１２ａの液滴の周囲長の約８６％（隣接する電極の外形をなす円の中心間が円の半径の１．５倍の場合）であり、従って、図１２ｂの液滴の表面エネルギーは、図１２ａの液滴よりが小さく、安定である。図１２ａの電極の場合、角部にて曲率の変化が生じる。従って、この部分において、液を電極の外形に対応した形状に保持するのが困難となり、液の形状が不安定となる。液を導入または分割する場合、液の形状が不定形となり、分割された液の液量がばらつき、分注精度が悪くなる。
【０１０１】
分離時には、図示のように、液が、中央の電極に残る。図１２ｂの場合にて、中央の電極に残った液は、図１２ａの場合にて、中央の電極に残った液の約２７％である。即ち、図１２ｂの例では、中央の電極に残った液の量は少ないから、両側の電極に引き付けられる液量のばらつきも小さくなる。従って、本例では、所望の量の液を正確に電極に保持することができる。本発明では、電極に正確な量の液を保持することができるため、このように、液を分注する場合ばかりでなく、液の混合を正確に実行することができるから、正確に反応を制御することができ、測定誤差が減少する。
【０１０２】
図１３を参照して、本発明により試薬を分注する方法を詳細に説明する。図１３は、試薬ポート４１に接続して設けられた駆動電極を示す。図示のように、駆動電極は、試薬ポート４１に配置された第１の電極２１１１、それに続いて１列状に設けられた、電極２１１２、２１１３、２１１４、２１１５、２１１６、２１１７、２１１８、更に、電極２１１３の両側に且つ電極列に直交するように設けられた２個の電極２１１９、２１１９、電極２１１５の両側に且つ電極列に直交するように設けられた２個の電極２１２０、２１２０を含む。
【０１０３】
図１３ａは、試薬ポート４１から試薬が導入され、第１の電極２１１１上に円形の液滴が生成された状態を示す。第１の電極２１１１には正の電圧が印加されている。次に、図１３ｂに示すように、隣接する５個の電極２１１２、２１１３、２１１４、２１１５、２１１６に順に正の電圧を印加する。それによって、５個の電極２１１２、２１１３、２１１４、２１１５、２１１６の濡れ性が次々に増加し、液は、５個の電極を順に進む。
【０１０４】
次に、図１３ｃに示すように、両側の電極２１１９、２１２０と第７の電極２１１７に正の電圧を印加する。それによって、電極２１１９、２１２０、２１１７の濡れ性は増加する。第１及び第２の電極２１１１、２１１２に正の電圧を印加したまま、４個の電極２１１３、２１１４、２１１５、２１１６に印加されている電圧を切断する。図示の矢印にて示すように、電圧の印加が切断された第６の電極２１１６上の液の大部分は、隣接する第７の電極２１１７に引っ張られる。電圧の印加が切断された第５の電極２１１５上の液は、両側の電極２１２０、２１２０に引っ張られる。このとき、第６の電極２１１６上に残った液は、第５の電極２１１５上の液と合流し、両側の電極２１２０、２１２０に引っ張られる。
【０１０５】
電圧の印加が切断された第３の電極２１１３上の液は、隣接する第２の電極２１１２及び両側の電極２１１９、２１１９に引っ張られる。電圧の印加が切断された第４の電極２１１４上の液の大部分は、隣接する第３の電極２１１３を経由して両側の電極２１１９、２１１９に引っ張られる。第４の電極２１１４上に残った液は、第５の電極２１１５上の液と合流し、両側の電極２１２０、２１２０に引っ張られる。
【０１０６】
最後に、図１３ｄに示すように、第７の電極２１１７に正の電圧を印加したまま、第５の電極２１１５に正の電圧を印加し、その両側の電極２１２０、２１２０に印加されている電圧を切断する。それによって、第５の電極２１１５の濡れ性は増加する。両側の電極２１２０、２１２０上の液は、第５の電極２１１５上に集まる。
【０１０７】
次に、第３の電極２１１３に正の電圧を印加し、両側の電極２１１９、２１１９に印加されている電圧を切断する。それによって、電極２１１９、２１１９上の液は、第３の電極２１１３上に移動する。次に、第３の電極２１１３、及び、第２の電極２１１２に印加されている電圧を順に切断する。それによって、第３の電極２１１３、及び、第２の電極２１１２上の液は第１の電極２１１１に引っ張られる。こうして、第５の電極２１１５と第７の電極２１１７上に液を残したまま、全ての液は、第１の電極２１１１上に集められる。
【０１０８】
次に、第７の電極２１１７上の液を第８の電極２１１８上に移動させる処理を行う。第８の電極２１１８に正の電圧を印加し、第７の電極２１１７に印加されている電圧を切断する。それによって、第８の電極２１１８の濡れ性が増加し、第７の電極２１１７の濡れ性が減少する。従って、第７の電極２１１７上の液は、第８の電極２１１８上に移動する。
【０１０９】
最後に、第５の電極２１１５上の液を第１の電極２１１１上の大きな液滴に集める処理を行う。隣接する第４の電極２１１４に正の電圧を印加し、第５の電極２１１５に印加されている電圧を切断する。それによって、第４の電極２１１４の濡れ性が増加し、第５の電極２１１５の濡れ性が減少する。従って、第５の電極２１１５上の液は、第４の電極２１１４上に移動する。このような操作を、第３の電極２１１３、第２の電極２１１２、及び、第１の電極２１１１に対して繰り返せばよい。
【０１１０】
ここでは、試薬を分注する処理を説明したが、サンプルの分注も同様な方法により行うことができる。更に、このような操作を利用することにより、図１１を参照して説明したように、サンプルに試薬を混合させることができる。
【０１１１】
図１４を参照して隣接する２つの電極の接合部の形状を説明する。液滴は、電極が描く外接円の形状に対応する形状に形成され、また、電極が描く外接円の形状に沿って移動する。従って、隣接する電極の外接円は分離しないように１つの滑らかな曲線を描く必要がある。本例では、２つの電極の外接円の一部は互いに重なるように形成される。こうして、重なり合う領域を設けることによって、一方の電極上の液滴は他方の電極上にスムーズに移動する。
【０１１２】
図１４ａに示す例では、この重なり合った領域がくし型の形状を有する。即ち、一方の電極のくし型部に他方の電極のくし型部が入れ子状に挿入されている。図１４ｂに示す例では、両側の電極は円形であるが、中央の電極は両側の円によって切り取られた形状を有する。図１４ｃに示す例では、２つの円の交点を結ぶ直線によって、各円は切り取られた形状を有する。
【０１１３】
こうして、本例では、２つの隣接する電極は、重なりあう領域を有するため、液滴がスムーズに移動することができる。
【０１１４】
以上、本発明の例を説明したが、本発明は上述の例に限定されるものではなく特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは当業者に容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】本発明による化学分析装置の構成を示す図である。
【図２】分析デバイスの断面構成を示す図である。
【図３】本発明の化学分析装置の作動液貯蔵部、サンプル分注部、及び、オイル供給部の例を示す図である。
【図４】本発明のサンプル分注部の他の例を示す図である。
【図５】試薬を分注する操作を説明ための説明図である。
【図６】試薬を分注する操作を説明ための説明図である。
【図７】試薬を分注する操作を説明ための説明図である。
【図８】試薬を分注する操作を説明ための説明図である。
【図９】試薬を分注する操作を説明ための説明図である。
【図１０】本発明の化学分析装置の試薬分注部の例を示す図である。
【図１１】本発明の化学分析装置の分析デバイスの電極の構成を示す図である。
【図１２】円形電極の利点を説明するための説明図である。
【図１３】電極による分注方法を説明するための説明図である。
【図１４】隣接する電極の形状を示す図である。
【符号の説明】
【０１１６】
１…サンプルディスク、２…分析デバイス、３…作動液貯蔵部、４…試薬分注部、５…廃液排出部、６…サンプル分注部、７…オイル供給部、８…オイル分離部、１１…サンプルポート、１２…サンプルカップ、２１…下部電極基板、２２…スペーサ基板、２３…上部電極基板、２４…空間、３２…作動液容器、３６…バルブ、３７…チューブ、４１、４１Ａ、４１Ｂ…試薬ポート、４２…試薬容器、４３…ノズル、４４…バルブ、４２１…試薬、５１…廃液ポート、５３…ノズル、５４…バルブ、５５…ポンプ、５６…バルブ、５７…チューブ、６１…ノズル、６２…アーム、６３…支柱、６４…バルブ、６５…ポンプ、６６…チューブ、７１…オイル供給ポート、７２…オイル容器、７３…チューブ、７４…バルブ、７５…ポンプ、７６…バルブ、７７…チューブ、８１…オイルドレインポート、８２…廃液容器、８３…チューブ、８４…バルブ、８８…分離器、９０…傾き調整部、９１…傾斜センサ、９５…検出器、１２１…サンプル、１２１１…液滴、２０１…上部アクセス基板、２０２…下部アクセス基板、２１１…駆動電極、２１１Ａ、２１１Ｂ、２１１Ｃ、２１１Ｄ…駆動電極列、２１２…誘電体薄膜、２１３…撥水膜、２１４…共通電極、３２１…作動液、４３１…誘電体薄膜、４３２…撥水膜、４２１…試薬、４６１、４６２、４６３、４６４…スイッチ、７２１…オイル、７９１…オイル液面検出ポート、７９２…オイル液面センサ、１２１１…小液滴、２１１ａ、２１１ｂ、２１１１〜２１１８、２１１９、２１２０…電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共通電極を供えた第１の電極基板と複数の電極の列を含む駆動電極が設けられた第２の電極基板と上記２つの電極基板の間に空間を形成するように上記２つの電極基板の間に設けられたスペーサ基板とを有する分析デバイスと、オイルを上記分析デバイスの空間に供給するオイル供給部と、サンプルを上記分析デバイスの空間に供給するサンプル分注部と、試薬を上記分析デバイスの空間に供給する試薬分注部と、を有し、上記共通電極と上記複数の電極の間に順次電圧を印加することによって上記空間内のオイル内にてサンプル及び試薬の液滴を移動させ、混合させ、反応させるように構成されている化学分析装置。
【請求項２】
請求項１に記載の化学分析装置において、上記分析デバイスには上記空間にサンプルを導入するためのサンプルポート、上記空間に試薬を導入するための試薬ポート、上記空間から上記サンプル、試薬及びオイルを排出するための排出ポート、及び、上記サンプルと上記試薬の反応液の光学的特性を検出する検出部が設けられ、上記駆動電極は、上記サンプルポートに供給されたサンプルを所定の位置に導き、上記試薬ポートに供給された試薬を上記サンプルが配置された所定の位置に導いて両者を混合させ、両者の反応液を上記検出部が配置されている位置に導き、検出後の反応液を上記排出ポートに導くように構成されている化学分析装置。
【請求項３】
請求項２記載の化学分析装置において、試薬を供給するためのノズルが上記試薬ポートに挿入されたとき、該ノズルと上記駆動電極の複数の電極の１つに電圧を印加させることができるように構成されていることを特徴とする化学分析装置。
【請求項４】
請求項２記載の化学分析装置において、試薬を貯蔵する試薬容器と該試薬容器に設けられたノズルとが設けられ、上記ノズルが上記試薬ポートに挿入されたとき、上記試薬容器と上記ノズルの間に電圧を印加させることができるように構成されていることを特徴とする化学分析装置。
【請求項５】
請求項２記載の化学分析装置において、上記排出ポートより排出された上記所定の溶液より不純物を除去する分離する分離器が設けられていることを特徴とする化学分析装置。
【請求項６】
請求項２記載の化学分析装置において、上記空間に接続されるように上記２つの基板の一方に、液面検出ポートが設けられ該液面検出ポート内の上記所定の溶液の液面レベルを検出するための液面センサが設けられていることを特徴とする化学分析装置。
【請求項７】
請求項１記載の化学分析装置において、上記第１の基板の内面には上記共通電極を覆うように撥水膜が設けられ、上記第２の基板の内面には上記駆動電極を覆うように絶縁膜が設けられ更にその上に撥水膜が設けられていることを特徴とする化学分析装置。
【請求項８】
請求項１記載の化学分析装置において、上記基板の水平面に対する傾斜を検出する傾斜センサと上記基板を水平面に対して所定の角度にて傾斜させる傾き調整部とを有し、上記傾斜センサによって検出された傾斜は上記傾き調整部に供給されることを特徴とする化学分析装置。
【請求項９】
互いに向き合いその間に空間を形成するように配置された第１及び第２の基板と、上記第１の基板に設けられた共通電極と、上記第２の基板に設けられた複数の円形の電極の列を含む駆動電極と、を有し、上記空間にサンプル及び試薬と混ざらない所定の溶液を充填し上記共通電極と上記複数の電極の間に順次電圧を印加することによって上記空間内の所定の溶液内にてサンプル及び試薬の液滴を上記駆動電極に沿って移動させ、混合させ、更に、反応させるように構成された分析デバイス。
【請求項１０】
請求項９記載の分析デバイスにおいて、上記円形の電極は、互いに隣接する電極同士が重複する領域を有するように形成されていることを特徴とする分析デバイス。
【請求項１１】
請求項１０記載の分析デバイスにおいて、上記重複する領域は、一方の円形電極のくし型部と他方の円形電極のくし型部が互いに入れ子状に配置されていることを特徴とする分析デバイス。
【請求項１２】
請求項１０記載の分析デバイスにおいて、上記重複する領域は、一方の円形が他方の円形によって切り取られている形状を有することを特徴とする分析デバイス。
【請求項１３】
請求項１０記載の分析デバイスにおいて、上記重複する領域は、２つの円の交点を結ぶ線分によって円が切り取られている形状を有することを特徴とする分析デバイス。
【請求項１４】
請求項９記載の分析デバイスにおいて、上記駆動電極は上記サンプル及び試薬の液滴を移動させるための経路に沿って形成された円形の主電極と該電極の両側に形成された円形の側部電極とを有し、上記主電極に順次電圧を印加し、次に、上記側部電極に電圧を印加し且つ上記主電極の電圧を切断し、次に、上記側部電極に挟まれた上記円形の電極に電圧を印加し且つ上記円形の電極の電圧を切断するように構成されていることを特徴とする分析デバイス。
【請求項１５】
請求項９〜１４のいずれか１項記載の分析デバイスと、サンプルを保持する複数のサンプルカップを搭載した回転可能なサンプルディスクと、サンプルを上記分析デバイスの空間内に供給するサンプル分注部と、試薬を上記分析デバイスの空間内に供給する試薬分注部と、を有する化学分析装置。
【請求項１】
共通電極を供えた第１の電極基板と複数の電極の列を含む駆動電極が設けられた第２の電極基板と上記２つの電極基板の間に空間を形成するように上記２つの電極基板の間に設けられたスペーサ基板とを有する分析デバイスと、オイルを上記分析デバイスの空間に供給するオイル供給部と、サンプルを上記分析デバイスの空間に供給するサンプル分注部と、試薬を上記分析デバイスの空間に供給する試薬分注部と、を有し、上記共通電極と上記複数の電極の間に順次電圧を印加することによって上記空間内のオイル内にてサンプル及び試薬の液滴を移動させ、混合させ、反応させるように構成されている化学分析装置。
【請求項２】
請求項１に記載の化学分析装置において、上記分析デバイスには上記空間にサンプルを導入するためのサンプルポート、上記空間に試薬を導入するための試薬ポート、上記空間から上記サンプル、試薬及びオイルを排出するための排出ポート、及び、上記サンプルと上記試薬の反応液の光学的特性を検出する検出部が設けられ、上記駆動電極は、上記サンプルポートに供給されたサンプルを所定の位置に導き、上記試薬ポートに供給された試薬を上記サンプルが配置された所定の位置に導いて両者を混合させ、両者の反応液を上記検出部が配置されている位置に導き、検出後の反応液を上記排出ポートに導くように構成されている化学分析装置。
【請求項３】
請求項２記載の化学分析装置において、試薬を供給するためのノズルが上記試薬ポートに挿入されたとき、該ノズルと上記駆動電極の複数の電極の１つに電圧を印加させることができるように構成されていることを特徴とする化学分析装置。
【請求項４】
請求項２記載の化学分析装置において、試薬を貯蔵する試薬容器と該試薬容器に設けられたノズルとが設けられ、上記ノズルが上記試薬ポートに挿入されたとき、上記試薬容器と上記ノズルの間に電圧を印加させることができるように構成されていることを特徴とする化学分析装置。
【請求項５】
請求項２記載の化学分析装置において、上記排出ポートより排出された上記所定の溶液より不純物を除去する分離する分離器が設けられていることを特徴とする化学分析装置。
【請求項６】
請求項２記載の化学分析装置において、上記空間に接続されるように上記２つの基板の一方に、液面検出ポートが設けられ該液面検出ポート内の上記所定の溶液の液面レベルを検出するための液面センサが設けられていることを特徴とする化学分析装置。
【請求項７】
請求項１記載の化学分析装置において、上記第１の基板の内面には上記共通電極を覆うように撥水膜が設けられ、上記第２の基板の内面には上記駆動電極を覆うように絶縁膜が設けられ更にその上に撥水膜が設けられていることを特徴とする化学分析装置。
【請求項８】
請求項１記載の化学分析装置において、上記基板の水平面に対する傾斜を検出する傾斜センサと上記基板を水平面に対して所定の角度にて傾斜させる傾き調整部とを有し、上記傾斜センサによって検出された傾斜は上記傾き調整部に供給されることを特徴とする化学分析装置。
【請求項９】
互いに向き合いその間に空間を形成するように配置された第１及び第２の基板と、上記第１の基板に設けられた共通電極と、上記第２の基板に設けられた複数の円形の電極の列を含む駆動電極と、を有し、上記空間にサンプル及び試薬と混ざらない所定の溶液を充填し上記共通電極と上記複数の電極の間に順次電圧を印加することによって上記空間内の所定の溶液内にてサンプル及び試薬の液滴を上記駆動電極に沿って移動させ、混合させ、更に、反応させるように構成された分析デバイス。
【請求項１０】
請求項９記載の分析デバイスにおいて、上記円形の電極は、互いに隣接する電極同士が重複する領域を有するように形成されていることを特徴とする分析デバイス。
【請求項１１】
請求項１０記載の分析デバイスにおいて、上記重複する領域は、一方の円形電極のくし型部と他方の円形電極のくし型部が互いに入れ子状に配置されていることを特徴とする分析デバイス。
【請求項１２】
請求項１０記載の分析デバイスにおいて、上記重複する領域は、一方の円形が他方の円形によって切り取られている形状を有することを特徴とする分析デバイス。
【請求項１３】
請求項１０記載の分析デバイスにおいて、上記重複する領域は、２つの円の交点を結ぶ線分によって円が切り取られている形状を有することを特徴とする分析デバイス。
【請求項１４】
請求項９記載の分析デバイスにおいて、上記駆動電極は上記サンプル及び試薬の液滴を移動させるための経路に沿って形成された円形の主電極と該電極の両側に形成された円形の側部電極とを有し、上記主電極に順次電圧を印加し、次に、上記側部電極に電圧を印加し且つ上記主電極の電圧を切断し、次に、上記側部電極に挟まれた上記円形の電極に電圧を印加し且つ上記円形の電極の電圧を切断するように構成されていることを特徴とする分析デバイス。
【請求項１５】
請求項９〜１４のいずれか１項記載の分析デバイスと、サンプルを保持する複数のサンプルカップを搭載した回転可能なサンプルディスクと、サンプルを上記分析デバイスの空間内に供給するサンプル分注部と、試薬を上記分析デバイスの空間内に供給する試薬分注部と、を有する化学分析装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２００６−２０１０８３（Ｐ２００６−２０１０８３Ａ）
【公開日】平成１８年８月３日（２００６．８．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１４４９３（Ｐ２００５−１４４９３）
【出願日】平成１７年１月２１日（２００５．１．２１）
【出願人】（５０１３８７８３９）株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年８月３日（２００６．８．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１月２１日（２００５．１．２１）
【出願人】（５０１３８７８３９）株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【Ｆターム（参考）】
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