小型フローセンサーのおかげで生まれる診断における新たな可能性

執筆者:Susanne Jungmann(Sensirion AG 液体フロー製品部門キーアカウントマネージャー)

医療診断では、患者に身近な検査診断(臨床現場即時検査、POCT)の傾向が進んでいます。これは、検査は可能な限り迅速に、理想的には患者のベッドの隣で直接行われるべきであるという考え方です。より複雑な検査を実施する場合は、正確なマイクロ流体システムが必要です。

紙片を使用した尿検査は、POCTのよく知られた例の1つです。これらの検査では、尿のさまざまな成分(赤血球、白血球、ブドウ糖、pH値など)に試験紙が反応し、反応表面の色が変化します。看護師は、カラーパターンを参照スケールと比較することにより、サンプリングされた尿中のさまざまな物質の濃度に関する定性的な情報を確認できます。さらに単純な例示的手順では、血液の酸素飽和度は、光学センサーを患者の指先にクリップ留めすることによって、皮膚を通して非侵襲的に判定することができます。これらのパルスオキシメータが登場する以前は、血液サンプルを採取して中央研究所に送って検査する必要がありました。

特定のウイルスやバクテリアを検出するためのより複雑な検査は、依然として中央ラボの精巧なインフラストラクチャと専門家に依存しています。このような検査では、サンプルの準備や前処理、特別な温度条件、または分析用の複雑なデバイスに関して、追加の手順が必要になることがよくあります。病院の患者のベッドの隣でこれらの検査を直接実行するには、検査手順を簡素化し、ユーザーとのやり取りを最小限に抑える必要があります。理想的なケースは、検査全体が単一のマイクロ流体システムで独立して実行されるものです。つまり、「ラボ」全体がチップに統合され、「チップの中のラボ」になることです。

マイクロ流体POCT

ここ数十年で、マイクロ流体力学の分野、特にバイオサイエンスにおいて、実験室での実験、診断テスト、および(生)化学プロセスの小型化と自動化を目的として、多くの研究が行われてきました。今日のマイクロ流体システム内の液体は、ある容器から別の容器に個別の量の液体をピペッティングする代わりに、マニホールドの小さなチャネルを通って流れます。これらのチャネル内の液体は通常、流体チップが接続されている外部ポンプまたは圧力源によって移動されます。加わる圧力を制御したり、ポンプが作った流れを安定させるために、流量はフローセンサーを使用して測定されます。非常に小さな流量でも感度が優れているため、センシリオン製の液体用マイクロサーマルマスフローメーターは、マイクロ流体システム内の液体フローを正確にモニタリングするための業界基準を確立しました。

流体システムのチャネルの寸法はマイクロメートルの範囲まで大幅に縮小されており、液体の量はマイクロリットルまたはナノリットルの範囲になっています。これにより、マイクロ流体はサンプルと試薬の量を大幅に削減し、反応を高速化してスループットを向上させることができます。また、流体システムのサイズが小さいということは、コストが低く、デバイスが小さいことも意味します。どちらも、治療現場(ベッドサイド、同じ病院のフロア、または診療所など)で直接分散型の方法でテストを実施するために必要な条件です。この条件が満たされると、ロジスティクスがシンプル化され、より迅速な結果が得られ、より適切で的を絞った患者の治療が可能になります。

医療技術やその他の分野での可能なアプリ

市販のマイクロ流体POCTデバイスは、心臓発作の診断でバイオマーカーとして使用されるタンパク質を測定する等に使用できます。他のデバイスは、血液サンプルを分析して、赤血球と白血球の組成、およびそれらのサブタイプを決定します。医療技術のもう1つの用途は、HIV/AIDS患者の免疫系を監視する際のヘルパーT細胞の濃度を測定するサイトメトリーです。最後に、例えば抗生物質耐性菌をDNAを介して検出するための分子生物学的手法をポイントオブケアシステムに移行する取り組みも進行中です。法医学目的の遺伝子指紋でさえ、POCTデバイスを使用して作成できます。

一方で、マイクロ流体は、研究開発や工業プロセスの監視など、臨床分野以外の分野でますます重要な役割を果たしています。特に、微生物学は今日の食品および飲料製造部門において絶対的に重要です。麦芽をビールに発酵させる酵母細胞の品質、および特定の閾値を超えてはならない牛乳中の細菌集団をモニタリングするために使用されます。これまでは、個別のサンプルが製造プロセスから抜き取られ、検査のために研究所に送られてきました。現在では、新しいタイプの小型フローサイトメーターにより、個々の生産ロットを直接検証したり、生産ラインで継続的に監視したりすることができます。

正確なフローモニタリングによるパフォー

マイクロ流体分野はその起源から、バイオサイエンスおよび細胞選別、細胞操作、DNA分析などの関連技術と密接に関連しています。マイクロ流体は、携帯型エネルギー生成用の微視的化学反応器やマイクロ燃料電池など、液体を使用する他の小型システムにも関連しています。

これらすべての新しいアプリケーション分野では、液体の流れを正確に監視および制御することが、それぞれのデバイスの信頼性の高い動作に不可欠です。フォームファクタがわずか10 x 10 mm2のセンシリオン製LPG10フローセンサーは、非常に低い流量でも卓越した精度と速度で測定します。このセンサーは平面状のマイクロ流体ガラス基板で構成されており、あらゆる流体システムに非常にコンパクトに統合できます。革新的な設計、その精度が実証済みのマイクロサーマル測定方法により、わずか数ミリリットルから1分あたり1マイクロリットル、またはそれ以下の流量測定が可能になります。ガラスを唯一の接液面材質として採用し、生物学的および製薬的プロセスとの最適な適合性を保証します。センサーは、流体システムの関連するすべてのポイントでの流量の直接かつ高精度の測定を提供します。目詰まり、気泡、漏れなどの一般的なエラーの信頼性の高い検出ももちろん組み込まれています。

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