JP2004267097A - Microreactor and method for producing the same - Google Patents

Microreactor and method for producing the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a new microreactor with enzyme molecule detachably bound thereto so as to easily replace a new enzyme when an enzyme bound inside a microchannel declines in potency and efficiency drops. <P>SOLUTION: The microreactor is such that an enzyme molecule is detachably bound via a nickel complex introduced onto the surface of the microchannel. This microreactor is produced by chemically modifying the microchannel of quartz or silica-based ceramic and introducing the nickel complex onto the surface thereof followed by carrying out a reaction by adding the enzyme molecule having a histidine tag to detachably bind the molecule to the surface. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酵素を可逆的に着脱可能に結合したマイクロリアクター及びその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
最近、化学分野、電気機械的分野において、径10〜100μmのキャピラリーやマイクロチャネルを利用して、微量分析、微量合成、微量微生物培養、微量電気泳動、微量電気浸透などの化学的・電気的又は機械的操作を行うことが試みられている(非特許文献1参照)。これらは、少量の試料を用いて、迅速にそれぞれの方法の結果を確認しうるという利点があるため、各方面への応用がはかられている。
【0003】
ところで、これらの中で化学反応を効率的に行うための装置、いわゆるマイクロリアクターについては、流体化学反応の制御性が向上し、反応生成物の収率、純度の改善が予想される上に、リアクターの幅を狭くすることができ、普通サイズのリアクターに比べ、体積当りの表面積の比率を大きくしうるので、化学反応の効率化の手段として注目されている。
【0004】
他方、化学、生化学の分野においては、反応効率を向上させるために触媒を使用する場合が多く、この際触媒効率を向上させることが課題となっている。例えば光学活性化合物の不斉合成に際し、酵素や有機金属錯体などの有機分子を用いる場合、これらは無機触媒に比べコスト高になるのを免れないので、触媒効率を改善し、使用量の減少や再利用をはかることが実用化の上で必要になってくる。
したがって、マイクロリアクターについても触媒反応を効率よく行わせるためのマイクロチャネル構造を組み立てることが、これを実用化するために必要な要件となっている。
【0005】
ところで、マイクロチャネル表面に酵素を固定化したマイクロリアクターにおいては、経時的な触媒能力の低下が避けられないので、効率的にマイクロリアクターを利用するには、能力の低下した酵素を適宜交換することが必要になってくる。しかしながら、従来のマイクロリアクターにおいて、マイクロチャネル内の酵素を交換しようとすれば、能力の低下した酵素を完全に除去したのち、再び煩雑な操作により新らしい酵素を固定させなければならないため、ほとんど実用化は不可能であった。
【0006】
【非特許文献】
「サイエンス(Science)」,第285巻,p83〜85
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような事情に鑑み、マイクロチャネル内に結合している酵素が能力低下して効率が悪くなったとき、容易に新らしい酵素と交換することができるように、酵素分子を着脱自在に結合した新規なマイクロリアクターを提供することを目的としてなされたものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、触媒を固定化したマイクロリアクターについて種々研究を重ねた結果、ガラス、石英又はシリカ系セラミックスで構成されたマイクロチャネル表面には、化学修飾によりニッケル錯体を導入することができ、このニッケル錯体を利用すれば酵素分子を着脱可能に結合しうることを見出し、この知見に基づいて本発明をなすに至った。
【0009】
すなわち、本発明は、マイクロチャネル表面に導入されたニッケル錯体を介して、酵素分子が着脱可能に結合されていることを特徴とするマイクロリアクター、及びガラス、石英又はシリカ系セラミックスで構成されたマイクロチャネルを化学修飾してその表面にニッケル錯体を導入し、次いでこれにヒスチジンタグをもつ酵素分子を加えて反応させ、着脱可能に結合させることを特徴とするマイクロリアクターの製造方法を提供するものである。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明のマイクロリアクターの基材としては、触媒反応において、触媒、反応体、溶媒及び反応生成物に対し、不活性な材料を用いることが必要である。本発明においては、このような材料として、ガラス、石英又はシリカ系セラミックス、例えばシリカやSi/SiOの焼結体を用いる。この基材の形状は、板状体が普通であるが、所望ならば円弧状表面体、球体、粒体であってもよい。
【0011】
これらの基材に設けるマイクロチャネルはマイクロドリルやレーザを用いる加工やエッチング処理により簡単に刻設することができる。このマイクロチャネルは幅10〜500μm、好ましくは50〜400μm、深さ10〜500μm、好ましくは50〜400μmのサイズで刻設される。このマイクロチャネルの長さには特に制限はなく、使用される基材のサイズに依存するが、通常100〜300mmの範囲で選ばれる。
【0012】
次に、本発明においては、このように刻設されたマイクロチャネル表面に化学修飾により導入されたニッケル錯体を介して酵素分子を結合させることが必要である。
チャネル表面にニッケル錯体を導入するには、まずアミノアルキルトリアルコキシシランとアルキルトリアルコキシシランの混合物を用いて、チャネル表面を化学修飾する。
【0013】
この際用いるアミノアルキルトリアルコキシシランやアルキルトリアルコキシシランとしては、その中のアルキル基が炭素数1〜4のアルキル基であるもの、例えばアミノエチルトリエトキシシラン、アミノプロピルトリエトキシシラン、アミノプロピルトリメトキシシラン、アミノブチルトリエトキシシランのようなアミノアルキルトリアルコキシシランやメチルトリエトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、プロピルエトキシシランのようなアルキルトリアルコキシシランが好ましい。また、アミノアルキルトリアルコキシシランとアルキルトリアルコキシシランとの混合比としては、質量比で1:9ないし5:5の範囲が好ましい。
【0014】
この化学修飾は、アミノアルキルトリアルコキシシランとアルキルトリアルコキシシランとの混合物を適当な溶剤に溶解した溶液に、チャネル表面を接触させることにより行われる。この際用いる溶剤としては、メチルアルコール、エチルアルコール、酢酸エチル、アセトン、エチルセロソルブなどがある。そして、アミノアルキルトリアルコキシシランとアルキルトリアルコキシシランとの混合物は、この溶剤中に1〜5体積%の濃度で溶解して用いられる。
この場合、所望ならば、この化学修飾に先立ってチャネル内を、例えば濃硫酸と過酸化水素水との混合物のような強酸化剤を用いて洗浄し、汚染物を除去しておくこともできる。
【0015】
このようにして化学修飾したのち、さらにジカルボン酸無水物、例えば無水コハク酸で処理し、次いで1‐エチル‐3‐アミノプロピルカルボジイミドとN‐ヒドロキシスクシンイミドとの混合物を反応させることにより、N‐ヒドロキシスクシンイミド活性エステルを形成させる。
【0016】
次いで、この活性エステルに、錯化合物形成剤、例えばN‐(5‐アミノ‐1‐カルボキシペンチル)イミノジ酢酸を反応させたのち、可溶性ニッケル塩、例えば硫酸ニッケルの溶液を反応させて、ニッケル錯体を形成させることにより、チャネル表面にニッケル錯体を固定化することができる。
【0017】
上記の活性エステルは、またω‐ヒドロキシアルキルトリアルコキシシランとアルキルトリアルコキシシランとの混合物を有機溶媒、例えばエチルアルコールに溶かした溶液にマイクロチャネルを浸し、室温で30〜120分間反応させたのち、これを取り出し、洗浄後不活性雰囲気中で乾燥させることにより、化学修飾してマイクロチャネルの表面にω‐ヒドロキシアルキル基を導入し、次いで、無水コハク酸を有機溶媒、例えばN,N‐ジメチルホルムアミドに溶かした溶液に前記の処理物を浸して20〜60分間反応させたのち、縮合剤例えば1‐エチル‐3‐(3‐アミノプロピル)カルボジイミドとN‐ヒドロキシスクシンイミドを有機溶媒例えばN,N‐ジメチルホルムアミドに溶かした溶液を反応させることにより、形成させることもできる。
【0018】
このようにして得られるニッケル錯体を表面に結合したマイクロチャネルに、ヒスチジンタグ、すなわちアミノ末端又はカルボキシル末端に連続したヒスチジン残基をもつ酵素を接触させると、この酵素は、ニッケル錯体を介して簡単にマイクロチャネル表面に固定化される。
【0019】
このようなヒスチジンタグをもつ酵素としては、例えばカゼインキナーゼ、アルカリ性ホスファターゼ、乳酸脱水素酵素など、遺伝子組み換えを用いて発現系を構築することにより調製可能な酵素がある。
【0020】
本発明のマイクロチャネル表面にニッケル錯体を介して固定化された酵素分子は、還元処理するか、あるいはイミダゾールやEDTAのようなキレート剤で処理することにより、容易に脱離させることができ、固定化及び脱離反応は可逆的であるので、触媒能が低下した場合には、簡単に新らしい酵素分子と交換することができる。したがって、本発明のマイクロリアクターは長期間にわたって連続的な運転が可能である。
このようにして、酵素分子を固定したマイクロチャネルを設けられた基板は、必要に応じ透明板で被覆し、マイクロリアクターとして用いる。
【0021】
図1は、このようにして得た本発明のマイクロリアクターの平面図、図2はマイクロチャネルの断面図であって、不活性材料からなる基板1にマイクロチャネル2が蛇行して刻設され、このマイクロチャネル2の壁面3には、酵素分子が固定されている。
【0022】
このような構造のマイクロリアクターを用いて酵素反応を行えば、マイクロチャネルのもつ体積に対する表面積の比率の大きさにより、著しく反応効率を高めることができ、しかもマイクロチャネル表面に酵素分子が可逆的に固定化しているため、反応終了後、反応液から酵素分子を分離、回収することなく、マイクロチャネルに基質分子を継続的に導入し、連続的に反応させることができるという利点がある。そして、酵素能力が低下した場合は、還元剤又はキレート化剤をマイクロチャネル内に流すことにより、酵素を脱離させ、新らしい酵素と簡単に交換しうるという利点もある。
【0023】
【実施例】
次に、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例により何ら限定されるものではない。
【0024】
実施例1
Si/SiOウエハー基板(30×30×5mm)上に、マイクロドリルを用いて、幅400μm、深さ400μm、長さ200mmのチャネルを8回屈曲蛇行させて刻設し、このチャネル上をガラス板で被覆することにより、マイクロチャネル構造をもつマイクロリアクター基板を製造した。
次に、これを濃硫酸と30%過酸化水素水との混合物(体積比7:3)1リットル中に12時間浸漬してチャネル内を洗浄し、壁面に付着した有機物を分解、除去したのち、超純水で洗浄した。
【0025】
次いで、3‐アミノプロピルトリエトキシシランとメチルトリエトキシシランを2:8の割合で混合したものを95%エチルアルコールに溶解させて調製した3体積%溶液で処理した。1時間後エチルアルコールで洗浄し、窒素ガスを通したのち乾燥器内で115℃で1時間乾燥し、表面修飾を行った。
【0026】
このようにして得たマイクロリアクターのチャネル内に無水コハク酸をN,N‐ジメチルホルムアミドに1ミリモル/リットルの濃度で溶かした溶液を注入し、30分反応させたのち、N,N‐ジメチルホルムアミドで洗浄した。次に1‐エチル‐3(3‐アミノプロピル)カルボジイミドとN‐ヒドロキシスクシンイミドを各々1ミリモル/リットルになるように混合した溶液をチャネル内に流してN‐ヒドロキシスクシンイミド活性エステルを形成させた。
【0027】
このマイクロチャネルにN‐(5‐アミノ‐1‐カルボキシペンチル)イミノジ酢酸をリン酸緩衝液(pH7.4)で希釈した溶液を送液して固定化した。これをリン酸緩衝液で洗浄したのち、硫酸ニッケル水溶液を流通させてニッケル錯体を形成させた。
【0028】
上記マイクロチャネルに、アミノ末端に6個の連続したヒスチジン残基、いわゆるヒスチジンタグをもつ酵素カゼインキナーゼのリン酸緩衝液溶液を流通させ、固定化を行った。得られたカゼインキナーゼを固定化したマイクロリアクターを用いて、基質であるカゼインのリン酸化反応を行った。100マイクロモル/リットルの濃度に調製した基質のトリス緩衝溶液をシリンジポンプでマイクロチャネル内に注入し、得られた反応生成物を高速液体クロマトグラフで分析し反応を評価した。反応時間はチャネル内の滞留時間として評価した。シリンジポンプによる送液速度を変化させて、滞留時間を変化させていったところ、図3に示すような反応収率を得た。
【0029】
このマイクロリアクターをEDTA溶液で処理したのち、再度硫酸ニッケル溶液を流通させてニッケル錯体を形成させてカゼインキナーゼを固定化し、基質のリン酸化反応を行った。この操作を再度繰り返して反応を行ったところ、図3に示すように初回と同等の反応効率を得ることができた。
【0030】
実施例2
3‐アミノプロピルトリエトキシシランの代りにヒドロキシプロピルシランを用いて、実施例1と同様にしてマイクロチャネル内を表面処理し、次いでピリジン中で無水コハク酸を反応させてエステル結合を形成させたのち、N‐ヒドロキシコハク酸イミドを用いて活性エステル化し、N‐(5‐アミノ‐1‐カルボキシペンチル)イミノジ酢酸を導入した。得られたマイクロリアクターにヒスチジンタグをアミノ末端側に持つアルカリ性ホスファターゼの溶液を注入し、2時間循環流通させ、アルカリ性ホスファターゼの固定を行った。
上記の操作で得られたアルカリ性ホスファターゼを固定化したマイクロリアクターを用いて、基質であるリン酸化クマリンの加水分解反応を行ったところ、実施例1及び2と同等の結果を得た。
【0031】
実施例3
3‐アミノプロピルトリエトキシシランの代りに、ヒドロキシプロピルシランを用いて、実施例1と同様の方法でマイクロチャネル内を表面処理し、次いでピリジン中で無水コハク酸と反応させてエステル結合を形成させたのち、N‐ヒドロキシコハク酸イミドを用いて活性エステル化し、N‐(5‐アミノ‐1‐カルボキシペンチル)イミノジ酢酸を導入した。得られたマイクロリアクターにヒスチジンタグをアミノ末端側に持つ乳酸脱水素酵素の溶液を注入し、2時間循環流通させ、乳酸脱水素酵素の固定を行った。
上記の操作で得られた乳酸脱水素酵素を固定化したマイクロリアクターを用いて、基質であるピルビン酸の還元反応による乳酸の合成を行ったところ、このマイクロリアクターにより、実施例1及び2と同等の反応収率で、乳酸を製造することができた。
【0032】
【発明の効果】
本発明によると、マイクロチャネル壁面に触媒を可逆的に固定化したマイクロリアクターを用いることにより、化学産業で重要な技術である酵素触媒反応を容易に効率化することができる。また酵素の性能低下の問題を克服した次世代型のマイクロリアクターを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1及び実施例2において使用したマイクロリアクターの平面図。
【図2】同じマイクロリアクターのマイクロチャネルの横断面図。
【図3】実施例1により得られた反応収率の時間変化及び酵素の連続脱離・固定化反応による性能の変化を示す棒グラフ。
【符号の説明】
1 基板
2 マイクロチャネル
3 壁面
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a microreactor in which an enzyme is reversibly removably connected, and a method for producing the same.
[0002]
[Prior art]
Recently, in the chemical field and the electromechanical field, using a capillary or a microchannel having a diameter of 10 to 100 μm, chemical / electrical or microanalysis, microsynthesis, microbial culture, microelectrophoresis, microelectroosmosis, etc. Attempts have been made to perform mechanical operations (see Non-Patent Document 1). These methods have the advantage that the results of the respective methods can be quickly confirmed using a small amount of sample, and thus have been applied to various fields.
[0003]
By the way, among these, the device for efficiently performing the chemical reaction, the so-called microreactor, improves the controllability of the fluid chemical reaction, and is expected to improve the yield and purity of the reaction product, Since the width of the reactor can be reduced and the ratio of the surface area per volume can be increased as compared with a normal-sized reactor, it has been attracting attention as a means for improving the efficiency of a chemical reaction.
[0004]
On the other hand, in the fields of chemistry and biochemistry, a catalyst is often used in order to improve the reaction efficiency, and at this time, improving the catalyst efficiency has been an issue. For example, when using an organic molecule such as an enzyme or an organometallic complex for the asymmetric synthesis of an optically active compound, these are inevitably higher in cost than an inorganic catalyst, so that the catalyst efficiency is improved and the amount used is reduced. Reuse is necessary for practical use.
Therefore, as for a microreactor, assembling a microchannel structure for efficiently performing a catalytic reaction is a necessary requirement for practical use of the microchannel structure.
[0005]
By the way, in a microreactor in which an enzyme is immobilized on the surface of a microchannel, it is inevitable that the catalytic ability decreases over time, so in order to use the microreactor efficiently, the enzyme with the reduced ability must be appropriately replaced. Is needed. However, in conventional microreactors, if the enzyme in the microchannel is to be exchanged, the enzyme with reduced capacity must be completely removed, and then the new enzyme must be immobilized again by a complicated operation. Conversion was impossible.
[0006]
[Non-patent literature]
"Science", Volume 285, pp. 83-85
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of such circumstances, and when an enzyme bound in a microchannel is reduced in efficiency due to a decrease in efficiency, the enzyme molecule is easily attached and detached so that the enzyme molecule can be easily replaced with a new enzyme. The purpose of the present invention is to provide a novel microreactor which is freely connected.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have conducted various studies on a microreactor on which a catalyst is immobilized, and as a result, a nickel complex can be introduced into a microchannel surface composed of glass, quartz, or silica-based ceramics by chemical modification, It has been found that the use of this nickel complex allows the enzyme molecule to be removably bound, and the present invention has been made based on this finding.
[0009]
That is, the present invention provides a microreactor characterized in that an enzyme molecule is detachably bound via a nickel complex introduced on the surface of a microchannel, and a microreactor made of glass, quartz or silica-based ceramics. The present invention provides a method for producing a microreactor, which comprises chemically modifying a channel to introduce a nickel complex on the surface thereof, and then reacting the resultant with an enzyme molecule having a histidine tag and detachably binding the enzyme. is there.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
As the base material of the microreactor of the present invention, it is necessary to use a material that is inert to the catalyst, the reactants, the solvent, and the reaction product in the catalytic reaction. In the present invention, glass, quartz, or a silica-based ceramic, for example, a sintered body of silica or Si / SiO 2 is used as such a material. The shape of the substrate is usually a plate, but may be an arc-shaped surface, a sphere, or a particle if desired.
[0011]
Microchannels provided on these base materials can be easily formed by processing using a microdrill or a laser or etching. The microchannel is engraved with a size of 10 to 500 μm in width, preferably 50 to 400 μm, and a depth of 10 to 500 μm, preferably 50 to 400 μm. The length of the microchannel is not particularly limited and depends on the size of the substrate to be used, but is usually selected in the range of 100 to 300 mm.
[0012]
Next, in the present invention, it is necessary to bond an enzyme molecule to the surface of the microchannel engraved as described above via a nickel complex introduced by chemical modification.
To introduce a nickel complex on the channel surface, first, the channel surface is chemically modified using a mixture of aminoalkyl trialkoxysilane and alkyl trialkoxysilane.
[0013]
As the aminoalkyl trialkoxysilane or alkyltrialkoxysilane used in this case, those in which the alkyl group is an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, such as aminoethyltriethoxysilane, aminopropyltriethoxysilane, and aminopropyltrialkoxysilane Preferred are aminoalkyl trialkoxysilanes such as methoxysilane and aminobutyltriethoxysilane, and alkyltrialkoxysilanes such as methyltriethoxysilane, ethyltriethoxysilane and propylethoxysilane. The mixing ratio of the aminoalkyl trialkoxy silane and the alkyl trialkoxy silane is preferably in the range of 1: 9 to 5: 5 by mass.
[0014]
This chemical modification is performed by bringing the channel surface into contact with a solution of a mixture of aminoalkyl trialkoxysilane and alkyl trialkoxysilane dissolved in a suitable solvent. Examples of the solvent used in this case include methyl alcohol, ethyl alcohol, ethyl acetate, acetone, and ethyl cellosolve. The mixture of the aminoalkyl trialkoxysilane and the alkyl trialkoxysilane is used by dissolving it in this solvent at a concentration of 1 to 5% by volume.
In this case, if desired, prior to the chemical modification, the inside of the channel can be washed with a strong oxidizing agent such as a mixture of concentrated sulfuric acid and hydrogen peroxide to remove contaminants. .
[0015]
After the chemical modification in this manner, the N-hydroxy acid is further treated with a dicarboxylic anhydride, for example, succinic anhydride, and then reacted with a mixture of 1-ethyl-3-aminopropylcarbodiimide and N-hydroxysuccinimide to give N-hydroxy A succinimide active ester is formed.
[0016]
Next, a complex compound forming agent such as N- (5-amino-1-carboxypentyl) iminodiacetic acid is reacted with the active ester, and then a solution of a soluble nickel salt such as nickel sulfate is reacted to form a nickel complex. The formation allows the nickel complex to be immobilized on the channel surface.
[0017]
The above active ester is also obtained by immersing the microchannel in a solution of a mixture of ω-hydroxyalkyl trialkoxysilane and alkyl trialkoxysilane in an organic solvent, for example, ethyl alcohol, and reacting the mixture at room temperature for 30 to 120 minutes. This is taken out, washed, and dried in an inert atmosphere to chemically modify the surface of the microchannel to introduce an ω-hydroxyalkyl group. Then, succinic anhydride is converted into an organic solvent such as N, N-dimethylformamide. The treated material is immersed in the solution dissolved in the above and reacted for 20 to 60 minutes, and then a condensing agent such as 1-ethyl-3- (3-aminopropyl) carbodiimide and N-hydroxysuccinimide are mixed with an organic solvent such as N, N- Formed by reacting a solution dissolved in dimethylformamide You can also.
[0018]
When the microchannel having the nickel complex thus obtained bound to the surface is contacted with a histidine tag, that is, an enzyme having a continuous histidine residue at the amino or carboxyl terminus, the enzyme can be easily converted via the nickel complex. Is immobilized on the surface of the microchannel.
[0019]
Examples of such an enzyme having a histidine tag include enzymes that can be prepared by constructing an expression system using gene recombination, such as casein kinase, alkaline phosphatase, and lactate dehydrogenase.
[0020]
The enzyme molecule immobilized on the surface of the microchannel of the present invention via a nickel complex can be easily detached by reduction treatment or treatment with a chelating agent such as imidazole or EDTA. Since the elimination and elimination reactions are reversible, when the catalytic activity decreases, it can be easily exchanged for a new enzyme molecule. Therefore, the microreactor of the present invention can be operated continuously for a long period of time.
In this way, the substrate provided with the microchannel on which the enzyme molecule is immobilized is covered with a transparent plate as necessary, and used as a microreactor.
[0021]
FIG. 1 is a plan view of the microreactor of the present invention obtained in this manner, and FIG. 2 is a cross-sectional view of the microchannel. The microchannel 2 is formed in a meandering manner on a substrate 1 made of an inert material. Enzyme molecules are fixed on the wall surface 3 of the microchannel 2.
[0022]
When an enzymatic reaction is carried out using a microreactor having such a structure, the reaction efficiency can be significantly increased due to the large ratio of the surface area to the volume of the microchannel, and the enzyme molecules are reversibly formed on the microchannel surface. The immobilization has the advantage that the substrate molecules can be continuously introduced into the microchannel and reacted continuously without separating and collecting enzyme molecules from the reaction solution after completion of the reaction. When the enzyme ability is reduced, there is also an advantage that the enzyme can be desorbed by flowing a reducing agent or a chelating agent into the microchannel, and the enzyme can be easily replaced with a new enzyme.
[0023]
【Example】
Next, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
[0024]
Example 1
Using a micro drill, a channel having a width of 400 μm, a depth of 400 μm, and a length of 200 mm is formed on a Si / SiO 2 wafer substrate (30 × 30 × 5 mm) by bending and meandering eight times, and a glass is formed on the channel. By coating with a plate, a microreactor substrate having a microchannel structure was manufactured.
Next, this was immersed in 1 liter of a mixture of concentrated sulfuric acid and 30% hydrogen peroxide solution (volume ratio 7: 3) for 12 hours to wash the inside of the channel, and after decomposing and removing the organic substances attached to the wall surface, And washed with ultrapure water.
[0025]
Next, the mixture was treated with a 3% by volume solution prepared by dissolving a mixture of 3-aminopropyltriethoxysilane and methyltriethoxysilane at a ratio of 2: 8 in 95% ethyl alcohol. After 1 hour, the resultant was washed with ethyl alcohol, passed through nitrogen gas, and then dried in a dryer at 115 ° C. for 1 hour to perform surface modification.
[0026]
A solution obtained by dissolving succinic anhydride in N, N-dimethylformamide at a concentration of 1 mmol / L was injected into the channel of the microreactor thus obtained, and allowed to react for 30 minutes, followed by N, N-dimethylformamide. And washed. Next, a solution in which 1-ethyl-3 (3-aminopropyl) carbodiimide and N-hydroxysuccinimide were each mixed at a concentration of 1 mmol / L was passed through the channel to form an N-hydroxysuccinimide active ester.
[0027]
A solution prepared by diluting N- (5-amino-1-carboxypentyl) iminodiacetic acid with a phosphate buffer (pH 7.4) was supplied to the microchannel to be immobilized. After washing this with a phosphate buffer, an aqueous solution of nickel sulfate was allowed to flow to form a nickel complex.
[0028]
A phosphate buffer solution of the enzyme casein kinase having six consecutive histidine residues at the amino terminus, a so-called histidine tag, was passed through the microchannel to perform immobilization. Using a microreactor on which the obtained casein kinase was immobilized, casein as a substrate was phosphorylated. A Tris buffer solution of the substrate prepared at a concentration of 100 μmol / liter was injected into the microchannel with a syringe pump, and the resulting reaction product was analyzed by high performance liquid chromatography to evaluate the reaction. The reaction time was evaluated as the residence time in the channel. When the residence time was changed by changing the liquid sending speed by the syringe pump, a reaction yield as shown in FIG. 3 was obtained.
[0029]
After treating this microreactor with an EDTA solution, a nickel sulfate solution was passed again to form a nickel complex to immobilize casein kinase, and phosphorylate the substrate. When this operation was repeated again to carry out the reaction, as shown in FIG. 3, the same reaction efficiency as the first time could be obtained.
[0030]
Example 2
Using hydroxypropylsilane instead of 3-aminopropyltriethoxysilane, the inside of the microchannel was surface-treated in the same manner as in Example 1, and then succinic anhydride was reacted in pyridine to form an ester bond. And active esterification with N-hydroxysuccinimide, and N- (5-amino-1-carboxypentyl) iminodiacetic acid was introduced. A solution of alkaline phosphatase having a histidine tag on the amino terminal side was injected into the obtained microreactor, and circulated for 2 hours to fix the alkaline phosphatase.
Using a microreactor on which the alkaline phosphatase obtained by the above operation was immobilized, a hydrolysis reaction of phosphorylated coumarin as a substrate was performed, and the same results as in Examples 1 and 2 were obtained.
[0031]
Example 3
Instead of 3-aminopropyltriethoxysilane, hydroxypropylsilane was used to surface-treat the inside of the microchannel in the same manner as in Example 1, and then reacted with succinic anhydride in pyridine to form an ester bond. Thereafter, active esterification was performed using N-hydroxysuccinimide, and N- (5-amino-1-carboxypentyl) iminodiacetic acid was introduced. A solution of lactate dehydrogenase having a histidine tag on the amino terminal side was injected into the obtained microreactor, and circulated for 2 hours to fix lactate dehydrogenase.
Using a microreactor on which lactate dehydrogenase obtained by the above operation was immobilized, lactic acid was synthesized by a reduction reaction of pyruvate as a substrate, and this microreactor produced the same results as in Examples 1 and 2. Lactic acid could be produced with the reaction yield of
[0032]
【The invention's effect】
According to the present invention, by using a microreactor in which a catalyst is reversibly immobilized on the microchannel wall surface, the efficiency of an enzyme-catalyzed reaction, which is an important technology in the chemical industry, can be easily increased. In addition, it is possible to provide a next-generation microreactor overcoming the problem of degradation in enzyme performance.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view of a microreactor used in Examples 1 and 2.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a microchannel of the same microreactor.
FIG. 3 is a bar graph showing the change over time in the reaction yield obtained in Example 1 and the change in performance due to the continuous desorption / immobilization reaction of the enzyme.
[Explanation of symbols]
1 Substrate 2 Micro channel 3 Wall

Claims (5)

マイクロチャネル表面に導入されたニッケル錯体を介して、酵素分子が着脱可能に結合されていることを特徴とするマイクロリアクター。A microreactor, wherein an enzyme molecule is detachably bound via a nickel complex introduced to the surface of the microchannel. 酵素分子がヒスチジンタグをもつ請求項1記載のマイクロリアクター。The microreactor according to claim 1, wherein the enzyme molecule has a histidine tag. マイクロチャネルの基材が、ガラス、石英又はシリカ系セラミックスである請求項1又は2記載のマイクロリアクター。3. The microreactor according to claim 1, wherein the base material of the microchannel is glass, quartz or silica-based ceramic. ガラス、石英又はシリカ系セラミックスで構成されたマイクロチャネルを化学修飾してその表面にニッケル錯体を導入し、次いでこれにヒスチジンタグをもつ酵素分子を加えて反応させ、着脱可能に結合させることを特徴とするマイクロリアクターの製造方法。A microchannel composed of glass, quartz, or silica-based ceramics is chemically modified to introduce a nickel complex on its surface, and then an enzyme molecule having a histidine tag is added to the mixture to cause a reaction, and the detachable bond is established. A method for producing a microreactor. マイクロチャネルの化学修飾をアミノアルキルトリアルコキシシラン及びアルキルトリアルコキシシランの混合物を用いて行う請求項4記載のマイクロリアクターの製造方法。The method for producing a microreactor according to claim 4, wherein the chemical modification of the microchannel is performed using a mixture of aminoalkyl trialkoxy silane and alkyl trialkoxy silane.
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