JP2006055809A

JP2006055809A - マイクロ化学チップ

Info

Publication number: JP2006055809A
Application number: JP2004242665A
Authority: JP
Inventors: Shin Matsuda; 伸松田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-08-23
Filing date: 2004-08-23
Publication date: 2006-03-02

Abstract

【課題】被処理流体を触媒によって効率的に反応させることのできる小型のマイクロ化学チップを提供すること。
【解決手段】被処理流体をそれぞれ供給する複数の供給部１３ａ，１３ｂと、複数の供給部１３ａ，１３ｂからそれぞれ延びるとともに合流するように形成された流路１２と、流路１２の合流部よりも下流側に形成された被処理流体の処理部１４とを有するマイクロ化学チップにおいて、流路１２の合流部と処理部１４との間の部位および処理部１４の少なくとも一方の内面に、触媒が担持された多孔質体が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、微小な流路を流通する流体や試薬などの被処理流体に対して、化学反応や分析などの予め定める処理を施すことのできるマイクロ化学チップに関し、さらに詳しくは、例えば血液と試薬を混合し反応させる場合のように異なる複数の被処理流体を混合して予め定める処理を施すことができるマイクロ化学チップに関する。

近年、化学技術やバイオ技術の分野では、試料に対する反応や試料の分析などを微小な領域で行なうための研究が行なわれており、所謂マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）技術を用いて化学反応や生化学反応、試料の分析などのシステムを小型化したマイクロ化学システムが研究されている。このマイクロ化学システムは、従来の分析システムに比べ、機器が微細化された化学反応や分析手法を用いることができるので、試料の単位体積あたりの反応面積を増大させ、反応時間を大幅に削減することができる。また、流量の精密な制御が可能であるので、化学反応や分析を効率的に行なうことができる。さらに、化学反応や分析に必要な試薬の量を少なくすることができる。

このような、マイクロ化学システムにおける化学反応等の反応や分析は、マイクロ流路、マイクロポンプおよびマイクロリアクタなどが形成されたマイクロ化学チップと呼ばれる1つのチップを用いて行なわれる。例えば特許文献１のように、シリコン、ガラスまたは樹脂からなる1つの基体に、試料や試薬などの流体を供給するための供給口と、処理後の被処理流体を導出するための採取口とを形成し、供給口と採取口とを断面積が微小なマイクロ流路で接続し、マイクロ流路の適当な位置に送液のためのマイクロポンプを配置した形態が提案されている。

また、特許文献２に示されるような、送液手段としてマイクロポンプに代えて、電気浸透流を利用したキャピラリ泳動型のものも提案されている。

これらのマイクロ化学チップでは、流路は所定の位置で合流しており、合流部で液体の混合が行なわれる。
特許公開２００２−２１４２４１号公報特許公開２００１−１０８６１９号公報

しかしながら、上述した従来のマイクロ化学チップでは、被処理流体が混合することのみによって反応を行なわせるため、例えばカルボニル基への遷移金属の付加反応のように触媒が必要な反応を行なわせることが不可能であった。

そこで、被処理流体を触媒と接触させる方法として、流路の内面に触媒を担持させるという方法が考えられる。しかしながら、被処理流体と触媒を充分に接触させるためには、被処理流体の流量に対する触媒の面積を広くする必要があることから、流路の長さを長くする、あるいは流路の断面積を小さくする必要がある。流路の長さを長くした場合、マイクロ化学チップが大型化するという問題が生じる。また、流路の断面積を小さくした場合、圧力損失が増加し送液が困難になる。

また、触媒を流路の内面に容易に形成する方法としては、例えば流路に触媒となる金属を含有する金属錯体を送液した後に加熱によって触媒となる金属以外の有機成分を分解させ、触媒を流路の内面に析出させる方法がある。十分に被処理流体と触媒を接触させるために、３次元的に流路を形成した場合、有機成分が流路内に残留し触媒機能を低下させるという問題が生じる。

本発明は、上記従来の問題点を解決するために完成されたものであり、その目的は、被処理流体を触媒によって効率的に反応させることのできる小型のマイクロ化学チップを提供することである。

本発明は、被処理流体をそれぞれ供給する複数の供給部と、該複数の供給部からそれぞれ延びるとともに合流するように形成された流路と、該流路の合流部よりも下流側に形成された前記被処理流体の処理部とを有するマイクロ化学チップにおいて、前記流路の前記合流部と前記処理部との間の部位および前記処理部の少なくとも一方の内面に、触媒が担持された多孔質体が設けられていることを特徴とするマイクロ化学チップに関する。

本発明のマイクロ化学チップによれば、被処理流体をそれぞれ供給する複数の供給部と、複数の供給部からそれぞれ延びるとともに合流するように形成された流路と、流路の合流部よりも下流側に形成された被処理流体の処理部とを有するマイクロ化学チップにおいて、流路の合流部と処理部との間の部位および処理部の少なくとも一方の内面に、触媒が担持された多孔質体が設けられていることから、被処理流体の触媒反応による処理を可能にするとともに、短い流路長でもって被処理流体と触媒とが接触する面積を充分に確保することができるので、マイクロ化学チップの小型化を達成することができる。

本発明のマイクロ化学チップについて以下に詳細に説明する。図１（ａ）は、本発明のマイクロ化学チップの実施の形態の１例を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のマイクロ化学チップの切断線I−I線、II−II線およびIII−III線における部分断面図である。なお、図１（ｂ）では、I−I線、II−II線およびIII−III線における断面構成を並べて示す。

マイクロ化学チップは、被処理流体を流通させる流路１２と、流路１２に被処理流体をそれぞれ流入させる2つの供給部１３ａ，１３ｂと、処理部１４と、処理後の被処理流体を外部に導出する採取部１５とが設けられた基体１１を有する。基体１１は、表面に溝部３３が形成された基体本体２０と被覆部材である蓋体２１を含み、基体本体２０の溝部３３の形成された表面を蓋体２１で覆うことによって流路１２が形成されている。

本発明のマイクロ化学チップでは、処理部１４の流路１２の内面に多孔質体が設けられており、さらに多孔質体には触媒が担持されている。

供給部１３ａ，１３ｂから供給される被処理液体は、供給部１６ａ，１６ｂからそれぞれ延びた供給流路１７ａ，１７ｂが接続される位置２２で合流され、混合される。混合された被処理流体は、処理部１４の流路１２の内面に設けられた多孔質体に担持された触媒の作用によって予め定められた化学反応等の反応を生じる。

複数の供給部１６ａ，１６ｂから延びた供給流路１７ａ，１７ｂと流路１２との接続については、すべてを流路１２の同じ位置で接続させてもよいし、互いに位置をずらして接続させてもよい。触媒が担持された多孔質体は、被処理流体が合流、混合される部分と処理部１４との間の流路１２の部位に設けられても良く、複数段階に触媒反応を行なう場合、流路１２の内面の複数箇所に触媒が担持された多孔質体があってもよい。

多孔質体の孔径は０．１μｍ〜１μｍが好ましい。多孔質体の孔径が１μｍを超える場合、多孔質体の表面積が十分確保できないため触媒を十分に作用させることができない。また多孔質体の孔径が０．１μｍ未満の場合、被処理液体が多孔質体内に十分に浸透しないために、触媒を十分に作用させることができない。

供給部１３ａは、流路１２に接続される供給流路１７ａと、供給流路１７ａの端部に設けられる供給口１６ａと、流路１２に接続される位置２２よりも被処理流体の流通方向上流側に設けられるマイクロポンプ１８ａとを含む。同様に、供給部１３ｂは、供給路１７ｂと、供給口１６ｂと、マイクロポンプ１８ｂとを含む。供給口１６ａ，１６ｂは、外部から供給流路１７ａ，１７ｂに被処理流体を注入することができるように開口されている。また、採取部１５は、流路１２から被処理流体を外部に取り出すことができるように開口されている。

処理部１４の流路１２の下方には、ヒーター１９が設けられる。処理部１４の流路１２は、ヒーター１９の上方を複数回通過するように例えば葛折り状に屈曲して形成される。基体１１の表面には、ヒーター１９と外部電源とを接続するための図示しない配線がヒーター１９から導出されている。この配線はヒーター１９よりも電気抵抗の低い金属材料で形成されている。

本発明のマイクロ化学チップにおいては、２つの供給部１３ａ，１３ｂから流路１２に２種類の被処理流体を流入させて合流、混合させ、必要に応じて処理部１４においてヒーター１９を用いて流路１２を所定の温度に加熱し、予め処理部１４の流路１２の内面に形成された多孔質体に担持された触媒の作用によって２種類の被処理流体を反応させ、得られた反応性生物を採取部１５から導出させる。

基体本体２０には、セラミック材料，シリコン，ガラスまたは樹脂などから成るものを用いることができ、これらの中でもセラミック材料から成るものを用いることが好ましい。セラミック材料は、樹脂などに比べ、耐薬品性に優れるので、基体本体２０がセラミックス材料から成ることによって、種々の条件で使用することのできるマイクロ化学チップを得ることができる。基体１１を構成するセラミック材料としては、例えば酸化アルミニウム質焼結体（アルミナセラミックス）、ムライト質焼結体またはガラスセラミックス焼結体などを用いることができる。

処理部１４の流路１２の内面に形成される多孔質体は、例えばアルミニウム（Ａｌ）やチタン（Ｔｉ）を陽極酸化によってアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）や酸化チタン（ＴｉＯ_２）にすることによって形成される。セラミック材料は、陽極酸化によって形成される多孔質アルミナや多孔質酸化チタンとの接合強度が高いため、基体本体２０を繰り返し使用する場合、より多く繰り返し使用することが可能となる。なお、マイクロ化学チップを使用後に再使用する際は、使用後に供給部１３ａ，１３ｂから洗浄液を流入させて洗浄する、または基体本体２０を加熱することによって残留物を分解しておく。

次に、図１に示すマイクロ化学チップの製造方法を説明する。本実施の形態では、基体本体２０がセラミック材料から成る場合について説明する。図２は、セラミックグリーンシート３１，３２の加工状態を示す平面図である。図３は、セラミックシート３１，３２の積層後の図２（ａ）に示すマイクロ化学チップのIV−IV線、V−V線およびVI−VI線における断面構成を示す部分断面図である。

まず、原料粉末に適当な有機バインダおよび溶剤を混合し、必要に応じて可塑剤または分散剤などを添加して泥奨にして、これをドクターブレード法またはカレンダーロール法などによってシート状に成形することによって、セラミックグリーンシートを形成する。原料粉末としては、例えば、基体本体２０が酸化アルミニウム質焼結体からなる場合、酸化アルミニウム，酸化珪素，酸化マグネシウム，酸化カルシウムなどを用いる。

本実施の形態では、このようにして形成されたセラミックグリーンシートを２枚用いて基体本体２０を形成する。まず、図２（ａ）に示すように、セラミックグリーンシート３１の表面に型を押圧し、溝部３３を形成する。このとき、型には所望の溝部３３の形状が転写された形状の型を用いる。また、型を押圧する際の押圧力は、セラミックグリーンシートに形成される前の泥奨の粘度に応じて調整される。例えば、泥奨の粘度が１〜４Pａ・ｓである場合、２．５〜７ＭＰａの押圧力で押圧する。なお、型の材質は特に制限されるものではなく、金型であっても木型であってもよい。

また、図２（ｂ）に示すように、セラミックグリーンシート３２の表面に、導電性ペーストをスクリーン印刷法などによって所定の形状に塗布することによって、ヒーター１９および外部電源用の配線となる配線パターン３４を形成する。導電性ペーストは、タングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ），マンガン（Ｍｎ），銅（Ｃｕ），銀（Ａｇ），ニッケル（Ｎｉ），パラジウム（Ｐｄ）または金（Ａｕ）などの金属材料の粉末に、適当な有機バインダおよび溶剤を混合して得られる。なお、ヒーター１９となる配線パターン３４を形成する導電性ペーストには、焼結後に所定の電気抵抗になるように、上述の金属材料の粉末にセラミック粉末を５〜３０重量％添加したものを用いてもよい。

次に、図３に示すように、ヒーター１９となる配線パターン３４が形成されたセラミックグリーンシート３２の表面に、溝部３３の形成されたセラミックグリーンシート３１を積層する。積層されたセラミックグリーンシート３１，３２を温度１６００℃で焼結させる。以上のようにして、流路１２となる溝部３３が形成された図１に示す基体本体２０を形成する。

次に、溝部３３の所定部分に蒸着法またはスパッタ法によって厚み５〜３０μｍのアルミニウムまたはチタンの金属膜を形成する。その後、その金属膜をシュウ酸溶液中で陽極酸化することで金属膜を酸化物の多孔質体に変質させる。例えば、５〜３０℃に保持された５重量％のシュウ酸溶液中でスパッタ法によって所定の流路１２部に形成された厚み約１０μｍのアルミニウム膜を陽極側とし、陰極に白金を用いて５０Ａ／ｍ^２で陽極酸化を行なった場合、孔径が約０．２μｍの多孔質アルミナ膜が形成される。さらに、多孔質アルミナ膜を白金錯体中に浸漬させた後に、約３５０℃で乾燥させることによって多孔質アルミナ膜に白金触媒を担持させることができる。

図４は、蓋体２１の構成を簡略化して示す平面図である。図４に示すように、例えばガラスまたはセラミック材料からなる基板４１に、供給口１６ａ，１６ｂおよび採取部１５となるべく定められる位置には、図２（a）に示すセラミックグリーンシート３１の溝部３３に連通する貫通孔４２ａ，４２ｂ，４３を形成することによって蓋体２１を得る。

次に、基体本体２０の溝部３３が露出した表面に、蓋体２１を接着する。蓋体２１と基体本体２０とは、例えば蓋体２１がガラスからなる場合には加熱および加圧によって接着され、蓋体２１がセラミック材料からなる場合にはガラス接着剤などによって接着される。

蓋体２１の表面の予め定められる位置に、例えばチタン酸ジルコン酸塩（ＰＺＴ；組成式：Ｐｂ（Ｚｒ,Ｔｉ）O_３）などの圧電材料４４ａ，４４ｂを貼り付けるとともに、圧電材料４４ａ，４４ｂに電圧を印加するための図示しない配線を形成する。圧電材料４４ａ，４４ｂは、印加された電圧に応じて伸縮することによって供給路１７ａ，１７ｂの上方の蓋体２１を振動させることができるので、圧電材料４４ａ，４４ｂを供給路１７ａ，１７ｂの上方の蓋体２１に貼り付けることによって、送液を行なうマイクロポンプ１８ａ，１８ｂを形成することができる。以上のようにして、図１に示す基体１１を形成することができ、その基体１１を有するマイクロ化学チップを得ることができる。

基体本体２０としては、セラミック材料，シリコン，ガラスまたは樹脂などからなるものを用いることができ、これらの中でもセラミック材料からなるものを用いることが好ましい。例えば、上記の多孔質体として酸化アルミニウムまたは酸化チタンを使用した場合、セラミック材料は、シリコンやガラスに比べて酸化アルミニウムまたは酸化チタンとの接合性がよいので、種々の使用条件で使用することのできるマイクロ化学チップを得ることができる。

基体本体２０を構成するセラミック材料としては、例えば酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体またはガラスセラミクス焼結体などを用いることができる。

蓋体２１として、ガラス，セラミック材料，透光性樹脂（シリコーン樹脂等）からなるものを用いることができるが、蓋体２１がガラスまたは透光性樹脂からなる場合、被処理流体の混合状態や反応状態を確認できるため好ましい。

本発明のマイクロ化学チップは、多孔質体を設けた流路１２の部位とそれ以外の流路１２とで幅は同じであるが、多孔質体を設けた流路１２の部位の幅をそれ以外の流路１２の幅よりも広くしてもよい。

また、マイクロ化学チップの外形寸法は、例えば、幅が約４０ｍｍ、奥行きが約７０ｍｍ、高さ（厚さ）が１〜２ｍｍであるが、これにかかわらず、必要に応じて適切な外形寸法とすればよい。

本発明のマイクロ化学チップは、血液、唾液、尿等の体液中のウイルス、細菌、または体液成分の試薬による検査、ウイルス、細菌や薬液と体細胞との生体反応実験、ウイルス、細菌と薬液の反応実験、ウイルス、細菌と他のウイルス、細菌との反応実験、血液鑑定、遺伝子の薬液による分離抽出や分解、複数の薬液の混合等に用いることができ、他の生体反応や化学反応等の目的のために使用することができる。

以上のように本発明によれば、触媒反応のような被処理流体を混合するだけでは反応させることのできない反応を行なわせることができる。加えて、流路に設けた多孔質体に触媒を担時させることによって、短い区間で被処理流体と触媒を十分に接触させることができるので、流路の内面に触媒を直接担持させる場合よりも小型のマイクロ化学チップでもって予め定める反応処理を行なうことができる。

（ａ）は本発明のマイクロ化学チップの実施の形態の１例を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のマイクロ科学チップ１のＩ−Ｉ線、II−II線およびIII−III線における断面構成を示す部分断面図である。（ａ），（ｂ）はセラミックグリーンシートの加工状態をそれぞれ示す平面図である。セラミックグリーンシートの積層後の図２（ａ）のマイクロ化学チップのIV−IV線、V−V線およびVI−VI線における断面構成を示す部分断面図である。本発明のマイクロ化学チップに用いられる蓋体の構成を簡略化して示す平面図である。

符号の説明

１１・・・基体
１２・・・流路
１３ａ，１３ｂ・・・供給部
１４・・・処理部
１５・・・採取部

Claims

被処理流体をそれぞれ供給する複数の供給部と、該複数の供給部からそれぞれ延びるとともに合流するように形成された流路と、該流路の合流部よりも下流側に形成された前記被処理流体の処理部とを有するマイクロ化学チップにおいて、前記流路の前記合流部と前記処理部との間の部位および前記処理部の少なくとも一方の内面に、触媒が担持された多孔質体が設けられていることを特徴とするマイクロ化学チップ。