JPS59501994A - 化学薬剤滴反応器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 化学薬剤滴反応器 本発明は液体化学反応剤同士を併合させるだめの方法、およびその方法に用いる 装置に関する。

先行技術の記載 流動流の形の液体試料の分析のための自動分析装置は、１９５７年６月２５日発 行の米国特許第２，７９７，１４９号および１９５９年３月２４日発行の米国特 許第２、ｓ　７９，１４１号にスケッグス氏によって開示された。

そのような流動流は、連続する複数の節片を空気で分離することによ９節片とさ れるのが通例でおるが、別法としては、１９６９年１１月１８日にジョン・スマ イセ氏に対して発行された米国特許第８，４７９．１４１号に教示され・るよう に、不活性の非混和性液体で節片とすることもできる。そのような諸方法は、多 数の液体試料ンある特定な化学試験に付すことにより、それらの試料を分析する だめの極めて有効な手段を与える。

発明の概要 連続流動システムとは対照的に、本発明は連続流を用いて実施されない。連続流 の場合に制御はポンプまだは周期的に運転されるピストンを予め定めて速度で稼 動させて各液体についての適切流量を選択することによってなされるが、本発明 における液体諸成分は、閉じられた導管におけるある順序の個別の移動によって 制御され、各移動または一組の移動はその前の移動が完了してから起こるように なっている。例えば、既知容積のある反応剤を開口を介して移動させ、この移動 を停止させ、次いでその移動容積部分を母容積部分から分離させる。化合される べきすべての反応剤の各容積部分は非混和性液体によって収容され限定された後 に化合されること、ならびに個々の単一の反応剤試料は、存在する多量の非混和 性液体および制御方法の故に容易に取シ扱えること、を銘記すべきである。従っ て、各試料は液体諸成分の移動の変更の一連の順序によって処理、され、種々の 反応剤の複数の溜から随意に選択されるーまたは複数の反応剤と化合させられる 。それらの反応剤は従って導管系中で計量される。

また、液体諸成分を含む導管は好ましくは二枚の板を一緒に面対面接触させて保 持することによって構成され、一方または両方の板が、係合されるべき表面に一 組のくぼみまたはチャンネル群を有することも銘記されるべき従って私の発明の いくつかの目的は、 １．１リットル以上から１０ナノリツトル以下までの範囲となシうる容積の反応 剤を用いて化学反応を実施すること、および ２、反復性化学操作を自動的に、かつ匹適しうる装置におけるよシも複雑でない 手段によって実施すること、および ３、反応剤の選択を連続的に与えることによシ、操作中の一層の柔軟性を可能と すること、および４、ラジオアイソトープおよび病原菌等の危険物質から作業者 を隔離すること、２よび ５、反応剤の汚染を低減ないし排除すること、および６、移送中に反応剤が偶発 的に混合漏れや損失するのを防ぐこと、および ７、導管系内で試料および反応剤を計量するための方法および装置を提供するこ と、である。

図面 第１図は反応剤の滴を作るだめの方法によって使用されている二つの導管の平面 図である。点を付けた領域はキャリヤー相を表わしている。

第２図は、反応剤の滴を作るための別の方法によシ使用されている導管の平面図 である。

第３図は、滴同士を合体するための方法により使用されている導管の平面［Ｆ］ である。

第４図は、電気泳動によシ物質を分離するようにした、本発明による装置の一つ の平面図である。

第５図は、本発明による装置の一具体例の分解見取図である。

第６図は、第５図の装置の平面図である。

本発明の説明 本発明の方法および装置は、化学反応を開始および制御するのに、またに反応剤 の混合物を調製するのに用いることかでき、その場合に本発明方法は、工程１： ２またはそれ以上の反応剤を、場合により溶剤相中に溶解させて、一つの導管系 中へ別々の容積部分の形で分配し、その際各容積部分を、不活性かつ非混和性液 体により相互に分離させる工程、および工程２°その非混和性液体およびそれら の別々の容積部分を導管系内に、予め定められた別々の容積部分同士が相互にそ れぞれ合体するような操作順序で、移動させることによシ、それらの反応剤を併 合させる工程、からなる。

本発明の装置は、１０ナノリツトル以下の容積の微視的量の反応剤の操作に特に 適しているが、１リットル以上の一層大きな量も使用しうる。この装置は単一の 容積量の反応剤を個々に処理することができる。

個々の容積部分は、溜から小容積の反応剤をくびれ部分を介して、そしてその溜 に直角に付いた導管中へ、移動させることによシ、それらの潔白の母容積部分か ら分離されうる。かくして個々の容積部分はその導管に沿ってキャリヤー相を通 過させることによシその潔白の母容積部分から分離される。

個々の容積の反応剤同士は、それらの容積部分を一緒に重力により通過させるこ とによ勺：あるいは複数の個々の容積部分の間からキャリヤー相を除去して、そ れらの容積部分が衝突するまで一緒に移動させることにより：あるいは一つの容 積部分がある位置に第２の容積部分の通路を部分的に塞ぐようにさせておき、次 いでそのようにして作られた未閉塞開口部分を介して第２の容積部分を移動させ 、両方の容積部分を一緒に通過させ合体させることによシニ相互に合体できる。

反応剤は、液体、または装置内で凝縮されうる気体、またけ適当な溶剤中に溶解 された固体または気体、であってよい。このような反応剤液体（以下、反応剤と 称する）は、別の非混和性液体（以下、キャリヤー相と称する）によって、担持 され、限定され、また移動されることになる。適当なキャリヤー相には、鉱物油 類、軽質シリコーン油類、水および弗素化炭化水素類が包含される。

キャリヤー相はいくつかの物質の混合物であってもよく、そして反応剤とほぼ同 じ密度を有するのが好ましい。表面活性剤乞キャリヤーおよび／または反応剤相 に含ませて適当な表面性を生じさせること、例えば効果的な併合をさせること、 ができる。適当な表面活性剤には、コレステロール、ゼラチン、ナトリウムジオ キシノへティポール（Ｔｅｅｐｏｌ）こはく酸塩、８よびトリ）　７　（Ｔｒｉ ｔｏｎ）−Ｘ−１００が包含される。

導管の横断面は、導管内で使用されるべき滴の横断面と一般に同じ程度の大きさ であるが、それよりも小さな導管、またはそれよりも大きな滴（すなわち個々の 容積）を用いて滴が細長くなるようにしてもよい。

キャリヤー相は、適宜な手段、例えば、フレキシブル管、フレキシブル板、口に ょる吹込または吸引、ポンプ類あるいはピストン類、にょって移動され・うる。

ピストンは電気モータによって回転されるスクリュウねじによって運動させるこ とができる（それは随意に、マイクロプロセッサ法を用いて電子工学的に制御さ れうる）。

添付図面の第１図は、反応剤の大きな溜から予め定められた容積の滴を分離する 一方法を例示する。反応剤は、キャリヤー相１を含む導管中へ、サイドアーム２ から、小さな開口３を介して、吸引または押圧によって導入される。適正な容積 が導管中へ移行し終ったときに、キャリヤー相の流れが、その容積部分を潔白の 反応剤から分離し、そしてその容積部分を導管に沿って運ぶ。作られる滴の容積 は、少なくとも下記の３方法によって決定できる。

１、開口を介して反応剤を押圧するだめのピストンを、移転される反応剤の容積 に対応する既知の距離だけ動かす。このピストンの動きが終了したときに、キャ リヤー相の相対的に速い短時間の流動によってその滴を切シ離す。

２、多数個の滴が必要とされる場合には、キャリヤー相の連続流を導管に沿って 流がす。反応剤をそのとき同時に開口３を介して送ると、一連の複数の滴が形成 されることになり、各部はそれが導管に広がる直前に切り離される。このように 形成される滴の正確な寸法は二つの流れの強さに依存することになる。

３、分離前の滴５の容積は、場合により目盛り付きアイピースを備えた望遠鏡ま たは顕微鏡を用いて、視覚的に推定される。適正な容積になったときに、その容 積部分をキャリヤー相の流動により分離する。

第２図は滴を形成するだめの別の方法を例示する。この場合、反応剤１６は、形 成されるべき滴よシも可成り狭い巾の導管１１中へ送られる。この導管はサイド アーム１３の開口１２と関連させて目盛シが付けられている。

反応剤をその狭い導管中へある目盛１４まで送り込み、次いでキャリヤー相をサ イドアームから導入し、かくして所要寸法の滴１５を分離させる。

第３図は、滴同士（これらは異なる寸法のものであってもよい）を合体する方法 を例示する。合体は、第３図の二つの導管２３および２５が合流して単一の導管 ２４乞、好ましくは図示のように１字形に、形成する部位で行われる。導管２３ から導管２４への流れが作られ、それは滴２１を合体のための部位へ運ぶ。この 滴の表面が、導管２８ｊ６よび２５の合流するスペース中へ突き出るときに、導 管２３への供給弁が閉められる。今度は導管２５から導管２４への流れが、第２ の滴を上記の第１の滴をかすめて運び、そうすることによって、二つの滴が一緒 に押され、合体して単一の滴を形成する。

いずれかの滴が他のものよシも小さいならば、その小さい滴が流れる導管もそれ に応じて狭くすべきである。

すべでの導管はそれぞれの導管中で使用されるべき滴とほぼ同じ直径を有すべき である。

流体のいろいろな動きは、導管を、ピストン類、ポンプ類、あるいは圧縮ガスを 含むか減圧された溜へ接続することにより作られる。ソリッドステートのヒート ポンプを用いて、低温度での保持のためおよび不安定反応剤の貯留を可能とする ために、導管を冷却できる。加熱はそのヒートポンプを反転することによって達 成できる。

加熱および冷却は、別異のダクト内に流体を循環させることによっても達成でき る。

合体後の反応剤は、その滴を導管に沿って上下に移動させることによって、ある いは必要ならば滴をくびれ部分に数回通すことによシ、完全に混合されうる。

滴を注射針で取出しまたけ導入しうるように出入口を設けることができる。

滴を管中へ移行させ、そして化学または生化学分析の何らかの標準器機へ移送す ることができる。あるいは、装置自体のパーツを、そのような器機の試料室をな すようにすることもできる。例えば導管を二枚の平らな透明壁で形成して分光計 の試料室をなすようにてきる。単一の透明壁を反射性表面と対向させたものも、 使用できる。

導管に電気泳動およびクロマトグラフィ用の物質を充填してもよい。

第４図は電気泳動に適用の導管を示す。電気泳動導管３１に電気泳動物質を充填 する。電気泳動により分離されるべき試料を導管３２から滴の形で導入する。こ の滴は一方の側で電気泳動物質（例えば、アガロース、ポリアクリルアミドまた はセルロースの界面と、そして他方の側で半透膜と、接合している。電極３４を 含み、緩衝液で満たされそして必要によりガス排気口３５を設けられた室を、こ の半透膜３３は包んでいる。もう一つの滴３６は、電気泳動物質の他端部と、お よびもう一つの半透膜および電極アッセンブリ３７と、接合している。電流を両 電極間に流すと、諸成分が種々な速度で移動する。

最も速い部分が受容筒中へ最初に移入する。この滴はある時間後に別の滴３８に 交換し、このようにして種々の泳動分離部分を含む一連の複数の滴を捕集しうる 。

非常に少量の試料を取り扱うことができることによって、本発明の装置は高性能 液体クロマトグラフィと共に使用するのが適当となる。

本発明の装置は、細孔管によって慣用の高性能液体クロマトグラフィ（Ｈ，Ｐ、 Ｌ、Ｃ，）装置に、そして質量分析装置に接続しうる。

滴の進行は、滴が通過するとき導管を通して伝えられる光の変動を検出すること により自動的に監視できる。

同様に、二つの滴が合体するときには、両方の滴を介して通過している一つのビ ームから散乱される光が急に低減する。導管の不透明被覆に開けた窓を用いるこ とができ、そして多くの部位の監視が必要とされる場合には、光学繊維を用いて 、中央発光器からまだは中央検出器へ光を伝達できる。滴の位置も、滴を赤外線 発光器と検出器との間を通過させることによシ、または滴を誘導セルＯ のプレートの間を通過させることによシ、または導管の内容物の屈折率にもたら される変化により、検出できる。

本発明装置のいずれの自動式態様例においても、すべての圧力発生および監視手 段はマイクロプロセッサ捷たはコンピュータで制御できる。

本発明装置の好ましい構成方法は、一枚の板の表面に適切な形状の凹部（くぼみ ）またはチャンネル群を作り、この板を別の板と合せて締結または保持して閉じ たダクト捷たは導管を形成させることである。その第２の板は平らな面を有して いても、あるいは第１の板よシも軽度に刻んだ印象のくぼみ、または異なる形状 のくぼみを有していてもよい。三枚またはそれ以上の板を用いることによシ、導 管同士が相互にクロスオーバーする三次元の形態のものを作ることも可能である 。好捷しくけ、少なくとも１枚の板を透明、例えばガラスまたは有機ガラス、と して、操作進行を眼で観られるようにする。その他の板は、ケル（Ｋｅｌ）−Ｆ またはテフロン（水性反応剤について使用するのに適当な材料）、またはガラス 、有機ガラス、金属、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン等であってよい。

ガラスのくぼみはエツチングで付けることができる。

プラスチックおよび金属はエツチング、モールド成形、または機械加工できる。

電気接点は、いずれかの板に所望の形の金属層を析出させることによシ作ること がてきる。

１ 微生物は、適切な栄養を含む筒中て珊養し、また適正な温度で培養できる。

滴の代シに、導管の可成シの長さ部分を占める一層大きな液セグメントを、滴を 同様にして、反応剤溜から分離して、他のセグメントと合体させてもよい。

壁の汚染は下記のようにして低減できる：１、高度研磨した壁をもつ導管を構成 する：２、反応剤相をはじくがキャリヤー相を引き付ける材料で被覆するか１だ け作った壁をもつ導管を構成する＝３、反応剤の各容積部分の通過前に少量の洗 浄液で導管を洗浄する： ４、キャリヤー相の流れを振動させて反応剤の滴またはセグメントが静止しない ようにして、それにより反応剤の周囲にキャリヤー相の膜が保持されるようにす る。

管やパイプを所望の形状に接合して本発明方法に従う装置を構成できる。

本発明は、医薬品、化学、生化学、地質学等の多くの分野において、注目すべき は、法医学および分子生物学研究のような極めて少量の容積を用いる操作におい て、応用されうる。本発明は精製操作中のサブサンプルの生物学的または化学的 分析の実施に、壕だクロマトグラフィまたは質量分析法による分析の前のサンプ ルの化学誘導体を作るのに、使用できよう。また非常に低い重力および圧力の条 件下の宇宙での化学分析または合成のためにも使用できよう。

第５図は本発明の方法に従う装置の一具体例の分解見取図である。この具体例は 、予め定めた容積の二つの水性反応剤を滅菌条件下に混合しうる。

この装置は、図示の形状のＵ字断面くぼみ４３を機械加工で付けたテフロンブロ ック４２を支持する鋼製底板４１を有する。硅素ガラス板４４をこのブロックに 対してクランプ４５によって押しつけてあシ、クランプ４５はナツト４６および ボルト４７によって締緊されている。

このようにして形成されたＵ字断面導管の５つの分岐は、５つのストップコック 弁４８に通じている。これらの導管の中間および外部対はテフロン管４９によっ てキャリヤー相溜に接続されている。−キャリヤー相はミネラルスピリットであ る。残シの二つの分岐は、混合されるべき二つの反応剤のうちの一方をそれぞれ が含んでいるガラス注射器に接続されている。

第６図は第５図の装置の平面図であシ、第５図と同じ符号数字が用いられている 。溜５５および５８はミネラルスピリットで半分溝たされており、管５６の端部 はミネラルスプリットの表面より下で開口しており、他方空気排気口５７の端部 はそれぞれの液表面よシも上で開口している。空気を含む注射器６０はミネラル スピリットの表面よシも上で溜５６に接続されている。

弁５１および５３の出入口は、二つの反応剤を含む二つの注射器６１および６２ へそれぞれ通じている。それらの導管は最初ホワイトスピリットで満たされる。

一つのサイクルについての操作順序は下記の通シである。

１、弁４８．５１および５２を開ける。弁５３および５４は閉じる。

２、注射器６１を、反応剤がくびれ３に達するまで、移動し押し込む。

３、注射器６１をさらに所要だけ移動させて、既知容積の反応剤をくびれ３を介 して押し込む。

４、弁５１を閉じる。

５、注射器６０を、〈ぼみ３を介して突き出ている容積の反応剤が切シ離され、 そして得られる滴がＹ形接合部６４の方へ動くまで、引き出す。弁４８を閉じる 。

６、弁５３８よび５４を開き、そして同様な操作順序で注射器６２からの反応剤 の滴を作る。

７、注射器６０を、注射器６２から生じた滴がＹ形接合部の中へ突出するまで、 引き出す。弁５３′Ｓよび５４を閉じる。この段階における両方の滴の位置が第 ６図に示されている。

８、弁４８を開き、そして注射器６１からの反応剤の滴がＹ形接合部６４中へ動 くまで注射器６０も引き出す。

この接合部でその滴は他の滴に押し付けられ、雨滴が合体する。

９、もし変色反応が起こる場合には、そのような変色は即ち記録することができ 、あるいは恒温制御されたコ４ イル６７を用いである時間保持した後記録することができる。滴は、それをミネ ラルスピリットの溜５９へ移すことにより、廃棄できる。

滴を外部装置を用いて分析する場合には、滴を孔６５０反対の部位へ移行させ、 すべての弁を閉じ、栓６６を除き、その滴を針付き注射器で取９出し、外部装置 へ移すことができる。次いて栓を元の位置に戻す。

■、注射器６０を取シ外し、空気を除去し、そして再び接続し、かくして装置を 別の操作サイクルのために準備しておく。

第５図は本発明の極めて単純な具体例を示すことを強調する。２０以上の異なる 反応剤を導入するための溜を再する具体例が意図されている。弁を自動的に操作 すること、反応混合物をある期間保持するための導管の加熱および冷却領域およ び長期間にわたる反応剤の貯蔵も提案されている。

上記の説明は多くの特定事項を含むけれども、これらは本発明の範囲に対する限 定であると解釈されるべきものでなく、むしろ、本発明のうちのわずかの好まし い具体例の例示として解釈されるべきである。他の多くの変更が可能であり、例 えば滴同士を重力によって押し付は合体させること、および油溶性反応剤につい ては水をキャリヤー相として使用すること、が可能である。従って本発明の詳細 な説明された具体例によって決定されるべきではなく、以下の請求の範囲および それらの法律的に認められる均等範囲によって決定されるべきである。

Ｆｉｇｕｒｅ　１゜ Ｆｉｇｕｒｅ　２゜ Ｆｉｇｕｒｅ　３　。

Ｆｉｇｕｒｅ　ｌ＋。

Ｆｉｇｕｒｅ　５　。

Ｆｉｇｕｒｅ　６　。

国際謔杏＠牛

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　一つの導管系中へ２種またはそれ以上の反応剤を別々の容積の液体の形で 分配し、その際に各々の容積の液体は他のものおよび未分配の反応剤から不活性 の非混和比液体により分離されるようにし、かくニーで導管系内のそれらの反応 剤を計量し、そして 前記導管系内の非混和１生液体および別々の容積の液体反応剤の流動を、予め定 められた別々の容、積の液体が互に個々別々（（合体するような正確な順序で変 え、かくしてそれらの反応剤同士を併合させる： 工程からなる化学反応剤の併合方法。 ２　前記別々の容積の化学反応剤は、前記導管との関係において、導管よりも小 さい直径をもつ実質的に球状の滴を形成することができる程、少ない、請求の範 囲第１項に請求の方法。　− ａ　前記別々の容積の化学反応剤は、前記導管との関係において、導管により細 長くされうる程多い、請求の範囲第１項に請求の方法。 生　前記別々の容積の反応剤の否々は、各化学反応剤を溜から開口を介して、最 初から前記キャリヤー相を含んでいる導管中へ送り、次いでそのキャリヤー相を 移動させである容積の反応剤を溜中の反応剤から分離させることにより形成させ 、そして前記開口を随意−絞ってそれにより導管系内の反応剤を計量する請求の 範囲第１項に請求の方法。 ７ 五　溜から送り出される反応剤の容積をそれが原形であると仮定し、その球体の 直径全測定することにより推定し、しかる後前記容積を調節し、そして分離する 請求の範囲第４項に請求の方法。 Ｇ　溜から送り出される反応剤の容積を、分離前に、反応剤が占める導管の長さ を測定することにより推定し、しかる後に前記容積を調節し、そして分離する請 求の範囲第４項に請求の方法。 ７　溜から送り出される反応剤の容積ヲ、既仰距離にわたってピストンを動かす ことによってその容積を転置することにより、あるいは精密に検量較正されたポ ンプによって測定し、その後にその容積を分離する請求の範囲第４項に請求の方 法。 ＆　非混和性液体を、ろる別個の容積の反応剤が導管の開口を部分的にふさぐ１ で、移動させ、そのときにもう一つの別個の容積の反応剤をその開口から移動し て出させるがま、たはその開口中へ移動して入れるかして、それらの二つの別個 の容積が一緒に押圧され、かくして両者が合体するようにさせる請求の範囲第１ 項に請求の方法。 ９、　前記個々の容積の反応剤は懸濁状の微生物を含む請求の範囲第１項に請求 の方法。 １０人面活性化学剤が前記化学反応剤中、または非混和性液体中、またはそれら の両者中に溶解されている請求の範囲第１項に請求の方法。 ＩＬ　二枚またはそれ以上の板を面対面で接触保持してなｌａ る、化学反応剤同士を併合させるための装置であって、一枚またはそれ以上の板 が、他の板と係合されるべきその界面に一組のくぼみまたはチャンネル群を有し て複数の閉じだ導管が形成されるようにし、それらの導管は二またはそれ以上の 反応剤および不活性非混和性液体を含む複数の溜、ならびにそれら液体成分の移 動を生じさせ制御するための手段と連通し、それらの板は使用されるべき反応剤 に対して低親和性を示す表面を有し、かつそつの帯域を有し、そのような帯域は 化学反応剤の容積形成および合体を生じさせるものである、上記化学反応剤同志 を併合させるための装置。 １２、前記導管は適当な形状に一組の管状要素を結合することにより構成される 請求の範囲第８項に請求の装置。 ｌａ　Ｔ形またはＹ形に接合する三つの導管′（ｉ−有し、これらの三つの導管 は非混和性液体のための複数の溜に結ばれており、６溜はその非混和性液体を移 動させるための手段を有し、かつそれらの導管のうちの−まだはそれ以上が複数 の反応剤のための溜と連通している請求の範囲第１１または１２項に請求の装置 。