JP2004053370A - 化学分析方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の液体を混合するために、気泡の膨張と収縮を利用して撹拌して混合することにより、複数の液体を効率良く一様に混合することができる化学分析方法を提供する。
【解決手段】基板上に流路、流体素子および検出素子を有し、前記基板上で複数の液体を用いて化学分析および化学合成を行う化学分析方法において、前記複数の液体を混合するための混合槽を有し、該混合槽に少なくとも１つの発熱体素子が設けられ、該発熱体素子により気泡を発生し、該気泡の膨張と収縮を用いて前記液体を攪拌して混合する化学分析方法。
【選択図】　　　　なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化学分析方法および装置に関し、特にチップ上で化学分析や化学合成を行う小型化分析システム（μＴＡＳ：Ｍｉｃｒｏ　Ｔｏｔａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　Ｓｙｓｔｅｍ）において、複数の液体を効率良く混合するための化学分析方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、立体微細加工技術の発展に伴い、ガラスやシリコン等の基板上に、微小な流路とポンプ、バルブ等の流体素子およびセンサを集積化し、その基板上で化学分析を行うシステムが注目されている。これらのシステムは、小型化分析システム、μ−ＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｔｏｔａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　Ｓｙｓｔｅｍ）あるいはＬａｂ　ｏｎ　ａ　Ｃｈｉｐと呼ばれている。化学分析システムを小型化することにより、無効体積の減少や試料の分量の大幅な低減が可能となる。また、分析時間の短縮やシステム全体の低消費電力化が可能となる。さらに、小型化によりシステムの低価格を期待することができる。μ−ＴＡＳは、システムの小型化、低価格化および分析時間の大幅な短縮が可能なことから、在宅医療やベッドサイドモニタ等の医療分野、ＤＮＡ解析やプロテオーム解析等のバイオ分野での応用が期待されている。
【０００３】
特開平１０−３３７１７３号公報においては、溶液を混合して反応を行った後、定量及び分析をしてから分離するという一連の生化学実験操作をいくつかのセルの組み合わせによって実現可能なマイクロリアクタが開示されている。図６にマイクロリアクタ５０１の概念を模式的に示す。マイクロリアクタ５０１は、シリコン基板上に平板で密閉された独立した反応チャンバを有している。このリアクタは、リザーバセル５０２、混合セル５０３、反応セル５０４、検出セル５０５、分離セル５０６が組み合わされている。このリアクタを基板上に多数個形成することにより、多数の生化学反応を同時に並列的に行うことができる。さらに、単なる分析だけでなく、タンパク質合成などの物質合成反応もセル上で行うことができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上で述べた特開平１０−３３７１７３号公報では、以下に述べる問題点があった。
図６に示したマイクロリアクタ５０１においては、リザーバセル５０２から複数の液体を混合セル５０３に導入する。混合セル５０３において液体どうしを拡散により十分に混合した後、反応セル５０４に導入する。混合セル５０３における液体どうしの混合が不十分であると、反応セル５０４における反応が不安定となり、検出、分離に関して安定した結果を得ることができない場合がある。
【０００５】
拡散により液体どうしを十分に混合するためには、混合セル５０３の流れと平行な方向の長さを長くする必要がある。これにより、マイクロリアクタ５０１を形成するのに必要な面積が大きくなってしまう場合があった。特に、基板上に多数個のマイクロリアクタを形成する場合、一枚の基板あたりに形成可能なマイクロリアクタの数が少なくなってしまう場合があった。これにより、一枚の基板において同時に並列的に実施可能な化学反応の数が少なくなってしまい、化学分析の効率が低下してしまう場合があった。また、液体の流速や粘度等の状況によっては、層流が発生してしまい液体の混合が困難な場合があった。
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、複数の液体を混合するために、気泡の膨張と収縮を利用して撹拌して混合することにより、複数の液体を効率良く一様に混合することができる化学分析方法および装置を提供するものである。
【０００７】
また、本発明は、従来の混合セルで拡散のみによって液体を混合する場合と比較して、複数の液体を混合する混合槽の大きさを小さくすることが可能となり、デバイスを小型化することが可能な化学分析方法および装置を提供するものである。
さらに、本発明は、一枚の基板で同時に並列的に実施可能な化学反応の数を多くし、化学分析の効率を向上させることができる化学分析方法および装置を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明の第一の発明は、基板上に流路、流体素子および検出素子を有し、前記基板上で複数の液体を用いて化学分析および化学合成を行う化学分析方法において、前記複数の液体を気泡の膨張と収縮を利用して撹拌して混合することを特徴とする化学分析方法である。
【０００９】
本発明の第二の発明は、基板上に流路、流体素子および検出素子を有し、前記基板上で複数の液体を用いて化学分析および化学合成を行う化学分析装置において、前記複数の液体を気泡の膨張と収縮を利用して撹拌して混合する混合手段を有することを特徴とする化学分析装置である。
【００１０】
本発明の化学分析装置は、前記混合手段が複数の液体を混合するための混合槽と、該混合槽に設けられ少なくとも１つの発熱体素子を有し、該発熱体素子により気泡を発生し、該気泡の膨張と収縮を用いて前記液体を攪拌することを特徴とする。
【００１１】
次に、本発明の化学分析方法および装置の好ましい実施態様を示す。
前記複数の液体を混合するための混合槽を有し、該混合槽に少なくとも１つの発熱体素子が設けられ、該発熱体素子により気泡を発生し、該気泡の膨張と収縮を用いて前記液体を攪拌することが好ましい。
【００１２】
前記混合槽を構成する面のうち最も面積が広い面の全領域に発熱体素子が配置されていることが好ましい。
複数の発熱体素子を有し、該複数の発熱体素子を独立に駆動することが可能なことが好ましい。
【００１３】
前記混合槽に複数の液体を導入するための流路、および前記混合槽で混合した液体を混合槽から他の槽に導入するための流路を有し、前記流路に液体の流れを制御するための弁を備えていることが好ましい。
前記流路に形成された全ての弁を閉状態にして、前記混合槽において液体を混合することが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
図１は本発明の化学分析装置の実施形態の一例を示す概念図である。図１に示す化学分析装置は、基板１０１上に設けられた試料注入槽１０２、混合槽１０３、試料注入槽１０２と混合槽１０３を接続する流路１０４および混合槽１０３で混合した液体を、反応・分析を行う槽に導入するための流路１０５を有する。各試料注入槽１０２から注入された複数の液体試料は、流路１０４を流れて混合槽１０３に導入される。複数の液体試料は混合槽１０３において混合され、流路１０５を介して反応、分析槽（不図示）へ送液される。各槽及び流路は、基板上に天板（不図示）を張り合わせることにより密閉されている。天板の試料注入槽上の部分には、試料を注入するための試料注入口（不図示）が形成されている。
【００１５】
本発明の化学分析装置は、複数の液体を混合するための混合槽１０３と、該混合槽１０３に設けられ少なくとも１つの発熱体素子１０６を有する混合手段１０７が設けられている。混合槽１０３の底面には、一様な間隔で複数の発熱体素子１０６が設けられており、それぞれ独立に駆動できるようになっている。
【００１６】
発熱体素子１０６は薄膜抵抗体と該薄膜抵抗体にパルス電圧を印加するための配線（不図示）よりなる。混合槽に液体が導入された状態で、薄膜抵抗体にパルス電圧を印加し、膜沸騰が生じる温度まで温度を急激に上昇させることにより気泡が発生する。発生した気泡は、急激に膨張する。膨張した気泡は、やがて収縮に転じ、さらに時間がたつと消滅する。気泡が発生してから消滅するまでに要する時間は数μｓｅｃ〜２０μｓｅｃ程度であり、最大１０数ｋＨｚ程度の繰り返し周波数で、気泡の膨張と収縮を繰り返すことが可能である。本発明では、従来の液体の拡散に加えて、気泡の膨張と収縮を繰り返すことにより、混合槽内の液体を攪拌し、従来技術と比較して効率良く混合することが可能となる。
【００１７】
また、パルス電圧の大きさまたはパルス幅を制御することによって気泡の大きさを変化させることができる。それによって、例えば液体の種類によって異なる、最適なパルス電圧の大きさまたはパルス幅に設定することが可能であり、また、混合しているときにパルス電圧の大きさまたはパルス幅を変化させることによって、効率よく混合することが可能となる。
【００１８】
発熱体素子の構成の具体例を図７に示す。発熱体素子７０１は、基板７０５上に形成されており、薄膜抵抗体７０３の上下両面を絶縁体の保護層７０２で挟んだ構成となている。薄膜抵抗体７０３の材質としては、金属材料、導電性を持たせたシリコン等の半導体が挙げられる。保護層７０２により、薄膜抵抗体の表面を化学反応から保護することが可能である。保護層７０２の材質としては、薬品耐性が高いものが好ましい。例えば、ＳｉＯ_２やＳｉ_３Ｎ_４等の絶縁材料、Ｔａ等の金属材料が挙げられる。また、薄膜抵抗体の両端は、保護層７０２に形成したコンタクトホールを介して電極７０４に電気的に接続されている。電極７０４を介して薄膜抵抗体の両端にパルス電圧を印加することにより、気泡を発生させることができる。基板７０２と発熱体素子７０１の間には蓄熱層７０５が形成されており、発熱体素子で発生した熱が基板７０５に散逸するのを防ぐことができる。これにより効率良く気泡を発生させることが可能となる。
【００１９】
発熱体素子は混合槽で液体に接触していればよく、その設置位置に特に制限はないが、例えば混合槽の底面および壁面に設置することが好ましい。攪拌、混合の効率を考慮すると、混合槽を構成する面の全領域にわたって一様に配置することが好ましい。混合槽を構成する面の全領域にわたって発熱体素子を形成することが困難な場合は、該面のうち最も面積の広い面、例えば底面の全領域にわたって配置することが好ましい。
【００２０】
発熱体素子を複数配置する場合は、それぞれの発熱体素子を独立に駆動可能にすることが好ましい。それにより、例えば隣り合った発熱体素子を交互に駆動したり、また混合槽の中心部の発熱体素子と外周部の発熱体素子を交互に駆動する等、混合槽の形状や混合する液体の状況に応じた駆動形態が可能となる。これにより、さらに液体の攪拌、混合の効率を向上させることが可能となる。
【００２１】
図２は本発明の化学分析装置の実施形態の他の例を示す概念図である。図２に示す本発明の別の実施形態においては、試料注入槽２０２と混合槽２０３を連結する流路２０４および混合槽２０３で混合した液体を反応、分析槽に送液する流路２０５中に弁２０７および弁２０８をそれぞれを設けてある。図２に示した化学分析システムにおいては、混合槽２０３の液体を混合する場合、弁２０７および弁２０８を閉状態にし混合槽２０３を完全に孤立させた状態で、気泡の膨張と収縮を繰り返す。これにより、気泡の膨張と収縮に伴う混合槽２０３中の液体の流路２０４および流路２０５への移動が無くなるので、流路に弁が無く開放されている場合と比較して効率良く液体を混合することが可能となる。液体の混合が十分になされた後、弁２０８を開放することにより、混合した液体を反応、分析槽に送液することができる。
【００２２】
図５は、本発明の化学分析装置の一例を示す概略図である。図５は、基板５０１、試料注入槽５０２−５０４、流路５０５、混合槽５０６、分離部５０７、流体素子である弁５０８−５１０およびポンプ５１１、検出部５１２からなる。混合槽５０５の底面には、発熱体素子５１３が形成されている。図５の化学分析装置では、例えば試料注入槽５０２より分析したい試料を導入し、試料注入槽５０３より移動相（キャリア相）を導入する。移動相、キャリア層の流量は、弁５０８および弁５０９を開閉することにより調整しても良い。導入された移動相およびキャリア相は、混合槽５０５において混合する。このとき、発熱体素子５１３を駆動し気泡の膨張と収縮を繰り返すことにより混合する。混合した液体は、ポンプ５１１により分離部に送液され、ここで成分ごとに分離される。分離の方法としては、例えば液体クロマトグラフィ法、電気泳動法等が挙げられる。成分ごとに分離された試料は、検出部５１２において検出される。検出の方法としては、例えば電気化学的検出、蛍光を用いた検出が挙げられる。検出された試料は、廃液として基板外に排出される。なお、図５においてはシステムを外気から遮断するための遮断部は省略してある。
【００２３】
【実施例】
以下、実施例を用いて本発明を、より詳細に説明する。なお実施例中における、寸法、形状、材質、作製プロセス条件は、一例であり、本発明の要件を満たす範囲内であれば、設計事項として任意に変更することができる。
【００２４】
実施例１
本実施例では、化学分析装置を作製し、作製した化学分析装置を用いて液体の混合を行った。
図３に本実施例の化学分析装置を示す。図３（ａ）は化学分析装置の平面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）におけるＡ−Ａ’線断面図である。本実施例の化学分析装置は、図３に示したように、表面にＳｉＯ_２　膜３０９を形成したシリコン基板（たて２５ｍｍ、よこ３０ｍｍ）３０１上に、試料注入槽３０２および混合槽３０３および試料注入槽３０２と混合槽３０３を接続する流路３０４および混合槽で混合した液体を反応・分析槽に導入するための流路３０５より構成される。混合槽３０３の底面には、発熱体素子３０６が形成されている。各槽は、ガラス基板３０７により密閉されており、ガラス基板３０７には、試料注入槽３０２に試料を注入するための試料注入口３０８が設けられている。
【００２５】
次に、本実施例の化学分析装置の作製方法を説明する。図４は本実施例の化学分析装置の作製工程を示す工程図である。
まず、シリコン基板４０１上に、熱酸化によりＳｉＯ_２　膜４０２を１．０μｍの厚さに形成した。ＳｉＯ_２　膜４０２は、発熱体素子４０３で発生した熱が基板４０１側に散逸するのを防ぎ、発熱体素子４０３で発生した熱を、気泡の形成に有効に活用する役割をする。ＳｉＯ_２　膜４０２の上に、薄膜抵抗体と保護層と該薄膜抵抗体にパルス電圧を印加するための電極よりなる発熱体素子４０３を形成した。薄膜抵抗体の材質には、Ｐ（リン）イオンをドープして導電性を持たせた多結晶シリコンを用いた。薄膜抵抗体の表面は保護層であるＳｉＮ膜（不図示）で覆われた構造となっている（図４（ａ））。
【００２６】
次に、試料注入槽４０４および混合槽４０５となる貫通孔および流路４０６および流路４０７となる溝をドライエッチングによって形成したシリコン基板４０８と、発熱体素子４０３を形成したシリコン基板４０１とを、エポキシ系の接着剤を用いて貼りあわせた。このとき、発熱体素子４０３が混合槽４０５内に配置されるように位置合わせを行った（図４（ｂ））。
【００２７】
次に、試料注入口４０９をエッチングにより形成したガラス基板４１０を、陽極接合を用いてシリコン基板４０８に接合した。このとき、試料注入口４０９が試料注入槽４０４の上に配置されるように位置合わせを行った（図４（ｃ））。
以上の作製工程により、本実施例の化学分析装置が完成した。
【００２８】
図３の化学分析装置を用いて、液体Ａ（濃度１０％のアンモニア水溶液）と液体Ｂ（エタノールおよび水にフェノールフタレインを溶解した溶液（５０ｍｌのエタノールおよび５０ｍｌの水に０．５ｇのフェノールフタレインを溶解することにより調製。））の二液を混合する実験を実施した。上記溶液Ａと溶液Ｂは、混合前は透明だが、混合することによりピンク色に変色する。試料注入口３０８にシリコンチューブを接続し、該シリコンチューブを介してポンプを用いて、各液体を試料注入槽３０２に注入した。各液体は、流路３０４を介して混合槽３０３に導入され、混合槽３０３において接触した。この状態で発熱体素子３０６を駆動し、混合槽３０３内で気泡の膨張と収縮を繰り返し行うことにより、液体を攪拌、混合した。これにより透明だった液体は、ピンク色に変色した。比較のため、同様の混合を発熱体素子３０６を駆動せずに実施したところ、発熱体素子を駆動した場合と比較して、混合溶液がピンク色に変色するまでに長い時間を要した。
【００２９】
液体としては、上記の他にも水やアルコールを溶媒とした溶液を用いることができる。また、温度を急速に上昇させることにより、膜沸騰を生じさせることが可能な溶液であれば液体試料として用いることができる。本実施例の化学分析装置は、例えば酸化還元反応や付加反応のような化学反応のほか、ＤＮＡやタンパク質のような生体成分を用いた生化学反応にも用いることができる。
【００３０】
本実施例では、混合槽内において気泡の膨張と収縮を利用して液体を混合した。これにより、気泡を利用しないで拡散のみで混合する場合と比較して、液体を効率よく一様に混合することができた。また、従来技術の化学分析システムと比較して、混合槽の大きさを小さくすることができた。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明の化学分析方法および装置では、混合槽中に発熱体素子を配置し、該発熱体素子の膨張と収縮により液体を攪拌、混合することにより、複数の液体を効率良く一様に混合することが可能となった。また、拡散のみによって液体を混合する場合と比較して、混合槽の大きさを小さくすることが可能となり、デバイスを小型化することが可能となった。これにより、一枚の基板中に形成可能なデバイスの数が多くなり、一枚の基板で同時に並列して実施可能な化学反応の数が増え、分析、実験を効率良く実施することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の化学分析装置の実施形態の一例を示す概念図である。
【図２】本発明の化学分析装置の実施形態の他の例を示す概念図である。
【図３】本発明の実施例の化学分析装置を示す概念図である。
【図４】本実施例の化学分析装置の作製工程を示す工程図である。
【図５】本発明の化学分析装置の一例を示す概略図である。
【図６】従来技術の化学分析システム（マイクロリアクタ）を示す概略図である。
【図７】発熱体素子の構成を示す概略図である。
【符号の説明】
１０１，５０１，７０５　基板
１０２，２０２，３０２，４０４，５０２，５０３，５０４　試料注入槽
１０３，２０３，３０３，４０５，５０６　混合槽
１０４，１０５，２０４，２０５，３０４，３０５，４０６，４０７，５０５流路
１０６，２０６，３０６，４０３，５１３，７０１　発熱体素子
１０７　混合手段
２０７，２０８，５０８，５０９，５１０　弁
３０１，４０１，４０８　シリコン基板
３０７，４１０　ガラス基板
３０８，４０９　試料注入口
３０９，４０２　ＳｉＯ_２　膜
５０７　分離部
５１１　ポンプ
５１２　検出部
７０２　保護層
７０３　薄膜抵抗体
７０４　電極

Claims (15)

1. 基板上に流路、流体素子および検出素子を有し、前記基板上で複数の液体を用いて化学分析および化学合成を行う化学分析方法において、前記複数の液体を気泡の膨張と収縮を利用して撹拌して混合することを特徴とする化学分析方法。
2. 前記複数の液体を混合するための混合槽を有し、該混合槽に少なくとも１つの発熱体素子が設けられ、該発熱体素子により気泡を発生し、該気泡の膨張と収縮を用いて前記液体を攪拌することを特徴とする請求項１に記載の化学分析方法。
3. 前記混合槽を構成する面のうち最も面積が広い面の全領域に発熱体素子が配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の化学分析方法。
4. 複数の発熱体素子を有し、該複数の発熱体素子を独立に駆動することが可能なことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかの項に記載の化学分析方法。
5. 前記混合槽に複数の液体を導入するための流路、および前記混合槽で混合した液体を混合槽から他の槽に導入するための流路を有し、前記流路に液体の流れを制御するための弁を備えていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの項に記載の化学分析方法。
6. 前記流路に形成された全ての弁を閉状態にして、前記混合槽において液体を混合することを特徴とする請求項５に記載の化学分析方法。
7. 前記発熱体素子にパルス電圧をかけることで前記気泡を発生させることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の化学分析方法。
8. 前記パルス電圧の大きさを制御することにより、前記気泡の大きさを変化させることを特徴とする請求項７記載の化学分析方法。
9. 前記パルス電圧のパルス幅を制御することにより前記気泡の大きさを変化させることを特徴とする請求項７記載の化学分析方法。
10. 基板上に流路、流体素子および検出素子を有し、前記基板上で複数の液体を用いて化学分析および化学合成を行う化学分析装置において、前記複数の液体を気泡の膨張と収縮を利用して撹拌して混合する混合手段を有することを特徴とする化学分析装置。
11. 前記混合手段が複数の液体を混合するための混合槽と、該混合槽に設けられ少なくとも１つの発熱体素子を有し、該発熱体素子により気泡を発生し、該気泡の膨張と収縮を用いて前記液体を攪拌することを特徴とする請求項１０に記載の化学分析装置。
12. 前記混合槽を構成する面のうち最も面積が広い面の全領域に発熱体素子が配置されていることを特徴とする請求項１０または１１に記載の化学分析装置。
13. 複数の発熱体素子を有し、該複数の発熱体素子を独立に駆動することが可能なことを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれかの項に記載の化学分析装置。
14. 前記混合槽に複数の液体を導入するための流路、および前記混合槽で混合した液体を混合槽から他の槽に導入するための流路を有し、前記流路に液体の流れを制御するための弁を備えていることを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれかの項に記載の化学分析装置。
15. 前記流路に形成された全ての弁を閉状態にして、前記混合槽において液体を混合することを特徴とする請求項１４に記載の化学分析装置。

Images