JP2006068699A - フィルタ、マイクロリアクターとその製造方法、マイクロリアクター並設構造体及び分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】非常に短時間で分子のふるいや分子拡散が可能なフィルタと、該フィルタを用いたマイクロリアクターとその製造方法、該マイクロリアクターを用いて、試料の大量分析が可能な並設構造体及び分析装置を提供する。
【解決手段】細孔を複数備え、液体中の分子のふるいや分離に用いられるフィルタであって、前記細孔の直径をＤ_aμｍとしたとき、０．００１μｍ≦Ｄ_aμｍ≦１００μｍの関係を満たすフィルタである。該フィルタを用いたマイクロリアクターと、ＬＩＧＡ製法等を用いたマイクロリアクターの製造方法、該マイクロリアクターを用いて、試料の大量分析が可能な並設構造体及び分析装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、フィルタと、該フィルタを用いたマイクロリアクター及びその製造方法と、該マイクロリアクターを用いたマイクロリアクター並設構造体及び分析装置とに関するものである。

従来から、フィルタやフィルタを用いた分析装置は公知となっている。例えば、下記特許文献１〜３に開示されるものがある。特許文献１には、基板に形成された孔内に電気収縮性のフィルム状の高分子ゲルをその周囲を固定した状態で設け、この高分子ゲルに直流電圧を連続的に変化させて印加し、高分子ゲルを収縮させることにより、前記高分子ゲルに微量の流体を通過させる任意の微孔を形成することを特徴とするイオンまたは分子フィルタが開示されている。
特許文献２には、液液界面反応を制御するための平面マイクロチップ流路が開示されている。
特許文献３には、単一機能を達成するマイクロチップを構成し、この構成したチップの中から異なる単一機能を有するチップを複数取り出し、これらチップ同士を組合わせることにより目的とする三次元の化学反応経路を構成することを特徴とするバイオケミカルＩＣが開示されている。
特開２０００−１８０３１３号公報 特開２００２−３２６９６３号公報 特開２００１−１５８０００号公報

しかし、特許文献１のフィルタは、微孔の孔径に応じたイオンや分子を通過させることができ、試料液体中のイオンや分子を容易に、かつ、従来に比べ短時間でふるいに掛けることができるが、それでも微量の流体しか送液できない。
また、特許文献２のマイクロチップでは、反応・検出の単位操作ステップ毎に平面流路が必要となり、このマイクロチップを用いた分析装置において一定以上に高集積化する事は困難である。さらに、このマイクロチップは、平面上に配列された流路を有するものであるため、検出感度や速度の向上の点においても一定以上のものにすることは困難である。
また、特許文献３のバイオケミカルＩＣでは、1つの反応系の高さが６ｍｍ以上、幅が５ｍｍ程度と大きく、この大きさではマイクロリットルレベルの微量分析能力が求められる環境分析への対応は困難である。

そこで、本発明の目的は、流体を速く送液でき、かつ、分子のふるいや分子拡散が可能なフィルタと、該フィルタを用いたマイクロリアクターとその製造方法、該マイクロリアクターを用いたマイクロリアクター並設構造体及び試料液体の大量分析が可能な分析装置を提供することである。

課題を解決するための手段及び効果

本発明のフィルタは、細孔を複数備え、液体中の分子のふるいや分離に用いられるフィルタであって、前記細孔の直径をＤ_aμｍとしたとき、０．００１μｍ≦Ｄ_aμｍ≦１００μｍの関係を満たすものである。
上記構成により、フィルタ上表面に液体が存在しても、一定の力（圧力等）が加えられない限り、液体の表面張力に対して細孔の大きさを選択する事で液体の表面張力により細孔を通り抜けることを防止することができる。なお、細孔の直径Ｄ_aは、細孔の長さよりも小さいことが好ましい。

本発明のフィルタは、前記分子の拡散速度をＶ_mμｍ／秒、前記液体のフィルタ通過時間をＴ_f秒としたとき、Ｄ_a≦Ｔ_f・Ｖ_mの関係を満たすことが好ましい。
上記構成により、分子拡散による分子同士の衝突頻度を向上できる。その結果として、例えば、液体試薬を用いた場合、従来のものに比べ、試薬の反応時間を大幅に短縮することができる。

本発明のフィルタは、ハニカム形状に並列してなる細孔を複数備え、液体中の分子のふるいや分離に用いられるフィルタであって、前記細孔の一辺をＤ_bμｍとしたとき、０．０００５μｍ≦Ｄ_bμｍ≦５０μｍの関係を満たすものである。
上記構成により、フィルタ上表面に液体が存在しても、一定の力（圧力等）が加えられない限り、液体の表面張力に対して細孔の大きさを選択する事で液体の表面張力により細孔を通り抜けることを防止することができる。なお、Ｄ_bは、細孔の長さよりも小さいことが好ましい。

本発明のフィルタは、前記分子の拡散速度をＶ_mμｍ／秒、前記液体のフィルタ通過時間をＴ_f秒としたとき、２Ｄ_b≦Ｔ_f・Ｖ_mの関係を満たすことが好ましい。
上記構成により、分子拡散による分子同士の衝突頻度を向上できる。その結果として、例えば、液体試薬を用いた場合、従来のものに比べ、試薬の反応時間を大幅に短縮することができる。

本発明のフィルタは、絶縁材、Ｘ線リソグラフィー法で加工された金属、絶縁材の順、絶縁材、ヒーター線、絶縁材の順、絶縁材、Ｘ線リソグラフィー法で加工された金属、絶縁材、Ｘ線リソグラフィー法で加工された金属、絶縁材の順、又は、絶縁材、Ｘ線リソグラフィー法で加工された金属、ヒーター線を絶縁体で挟み込んだヒーター層、Ｘ線リソグラフィー法で加工された金属、絶縁材の順に積層された積層体からなるものであることが好ましい。
絶縁材、金属、絶縁材の積層体とすることにより、中間の金属材のみに電圧印可することができ、金属材に電極の機能を付加することが可能となる。また、金属の層を２つ有するフィルタ上部に電解質の流体が存在する場合、金属の層の間に電圧を印加すれば、電気泳動又は電気浸透流により流体中の特定のイオンのみをフィルタ下部に送り出すことができる。さらに、ヒーター機能を有するフィルタであれば、フィルタ内部を流れる流体を加熱して、常温以上で起こる化学反応を誘起することもできる。

本発明のマイクロリアクターは、筒状の槽と、前記槽内部を径方向に仕切って複数の反応槽を形成する少なくとも1つの上記フィルタのいずれかとを備えるマイクロリアクターであって、前記複数の反応槽のうち最初に液体試料が投入される第１反応槽内を加圧する加圧装置を前記筒状の槽の外部にさらに備えるものであることが好ましい。
上記構成により、上記フィルタを用いているので、液体の表面張力に対して細孔の大きさを選択する事で試薬等の液体の表面張力により液体を槽内に保持することができる。そのため、加圧装置によって表面張力を無効にしてしまう圧力まで反応槽内が加圧されれば、試薬等の液体が細孔を透過して下方の別の反応槽内に送液される。したがって、内部にバルブやポンプ等が必要なく、構造が簡便で微小な多層構造体を提供できる。なお、このとき、分子拡散による分子同士の衝突頻度を向上できるので、以下の効果をも奏する。まず、試料が少なくてすむので、従来のリアクターに比べ、反応所要時間を飛躍的に短縮できる。また、試料を検査するのに用いる場合、検査試薬の量が少なくてすむため、コストを低減できる。

本発明のマイクロリアクターは、筒状の槽と、前記槽内部を径方向に仕切って第１、第２及び第３反応槽を形成する各槽の仕切りに設けられた上記フィルタのいずれかとを備えるマイクロリアクターであって、液体試料が投入される前記第１反応槽内と試薬を反応させる前記第２反応槽と蛍光・吸光分析を行なう前記第３反応槽の検出槽の各々に加圧装置を設けて、前記第１反応槽内から前記第２反応槽へ、前記第２反応槽から前記第３反応槽の検出槽へと液体試料を任意に移動させるものであることが好ましい。
上記構成により、上記フィルタを用いているので、液体の表面張力に対して細孔の大きさを選択する事で試薬等の液体の表面張力により液体を槽内に保持することができる。そのため、加圧装置によって表面張力を無効にしてしまう圧力まで反応槽内が加圧されれば、試薬等の液体が細孔を透過して下方の別の反応槽内に送液される。したがって、内部にバルブやポンプ等が必要なく、構造が簡便で微小な多層構造体を提供できる。なお、このとき、分子拡散による分子同士の衝突頻度を向上できるので、以下の効果をも奏する。まず、試料が少なくてすむので、従来のリアクターに比べ、反応所要時間を飛躍的に短縮できる。また、試料を検査するのに用いる場合、検査試薬の量が少なくてすむため、コストを低減できる。

本発明のマイクロリアクターは、筒状の槽と、前記槽内部を径方向に仕切って複数の反応槽を形成する少なくとも1つの上記の積層体からなるフィルタと、前記筒状の槽の外部に設けられた反応槽内を加圧する加圧装置とを備えるものである。
絶縁材、金属、絶縁材の積層体とすることにより、中間の金属材のみに電圧印可することができ、金属材に電極の機能を付加することが可能となる。また、金属の層を２つ有するフィルタ上部に電解質の流体が存在する場合、金属の層の間に電圧を印加すれば、電気泳動又は電気浸透流により流体中の特定のイオンのみをフィルタ下部に送り出すことができる。さらに、ヒーター機能を有するフィルタによって、加圧装置によりフィルタ内部に流される流体を加熱して、常温以上で起こる化学反応を誘起することもできる。

本発明のマイクロリアクターは、筒状の槽と、前記槽内部を径方向に仕切って複数の反応槽を形成する少なくとも1つの上記の積層体からなるフィルタを備えるマイクロリアクターであって、試料が投入される第１反応槽内と試薬を反応させる第２反応槽と蛍光・吸光分析を行なう第３の槽の検出槽の各々に加圧装置を設けて、第１反応槽内から第２反応槽へ第２反応槽から第３の槽の検出槽へと検体試料液体を任意に移動させるものである。
このとき、液体の表面張力とフィルタの細孔の大きさを選択して組み合わせする必要は無くなり任意の表面張力の液体とフィルタの細孔の大きさの組み合わせが可能と成る。
絶縁材、金属、絶縁材の積層体とすることにより、中間の金属材のみに電圧印可することができ、金属材に電極の機能を付加することが可能となる。また、金属の層を２つ有するフィルタ上部に電解質の流体が存在する場合、金属の層の間に電圧を印加すれば、電気泳動又は電気浸透流により流体中の特定のイオンのみをフィルタ下部に送り出すことができる。さらに、フィルタの孔が微小であるため、フィルタの比表面積は大きいものであるため、フィルタの熱レスポンスが高くなるので、フィルタにヒーターを備えさせて所定温度まで加温すれば、加圧装置によって送り出される流体のフィルタ通過時間が短くても反応を集結させることができる。

本発明のマイクロリアクターは、筒状の槽と、前記槽内部を径方向に仕切って複数の反応槽を形成する少なくとも1つのメソポーラス体とを備えるマイクロリアクターであって、前記複数の反応槽のうち最初に液体試料が投入される第１反応槽内を加圧する加圧装置を前記筒状の槽の外部にさらに備えるものである。
上記構成により、上記メソポーラス体を用いているので、液体の表面張力に対して上記メソポーラス体の細孔の大きさを選択する事で試薬等の液体の表面張力により液体を槽内に保持することができる。そのため、加圧装置によって表面張力を無効にしてしまう圧力まで反応槽内が加圧されれば、試薬等の液体が細孔を透過して下方の別の反応槽内に送液される。したがって、内部にバルブやポンプ等が必要なく、構造が簡便で微小な多層構造体を提供できる。なお、このとき、分子拡散による分子同士の衝突頻度を向上できるので、以下の効果をも奏する。まず、試料が少なくてすむので、従来のリアクターに比べ、反応所要時間を飛躍的に短縮できる。また、試料を検査するのに用いる場合、検査試薬の量が少なくてすむため、コストを低減できる。

本発明のマイクロリアクターは、筒状の槽と、前記槽内部を径方向に仕切って第１、第２及び第３反応槽を形成する少なくとも１つのメソポーラス体とを備えるマイクロリアクターであって、試料が投入される前記第１反応槽内と試薬を反応させる前記第２反応槽と蛍光・吸光分析を行なう前記第３反応槽の検出槽の各々に加圧装置を設けて、前記第１反応槽内から前記第２反応槽へ、前記第２反応槽から前記第３反応槽の検出槽へと液体試料を任意に移動させるものである。このとき、液体の表面張力とメソポーラス体の細孔の大きさを選択して組み合わせする必要は無くなり、任意の表面張力の液体とメソポーラス体の細孔の大きさの組み合わせが可能と成る。なお、このとき、分子拡散による分子同士の衝突頻度を向上できるので、以下の効果をも奏する。まず、試料が少なくてすむので、従来のリアクターに比べ、反応所要時間を飛躍的に短縮できる。また、試料を検査するのに用いる場合、検査試薬の量が少なくてすむため、コストを低減できる。

本発明のマイクロリアクターは、前記フィルタの温度を検出する温度センサをさらに備えるものであることが好ましい。
上記構成により、フィルタの温度を測定しながら所望する温度まで加温することが可能となる。

本発明のマイクロリアクターは、前記複数の反応槽と前記フィルタとの接合部分に、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂、又は金属薄膜を備えるものであることが好ましい。
上記構成により、反応槽とフィルタとの接合を強固にするため、機械的強度に優れたマイクロリアクターとすることができる。

本発明のマイクロリアクターは、前記メソポーラス体がヒーターを備えるものであることが好ましい。また、前記メソポーラス体の温度を検出する温度センサをさらに備えるものであることが好ましい。
メソポーラス体の孔が微小であるため、メソポーラス体の比表面積は大きいものである。そのため、メソポーラス体の熱レスポンスが高くなるので、メソポーラス体にヒーターを備えさせて所定温度まで加温すれば、メソポーラス体を通過する時間が短くても反応を集結させることができる。

本発明のマイクロリアクターは、前記複数の反応槽それぞれの内部圧力を検出する圧力センサをさらに備えるものであることが好ましい。
上記構成により、複数の反応槽内の圧力を測定しながら、所望する圧力まで加圧することが可能となる。

本発明のマイクロリアクターは、前記第１反応槽の下流側に形成された反応槽の少なくとも１つに、表面に所定の抗体又は酵素が固定された多数の微粒子が封入されているものであることが好ましい。
上記構成の表面に所定の抗体又は酵素が固定された微粒子により、生化学反応の効率と選択性とを向上させることができる。

本発明のマイクロリアクターは、前記反応槽内を攪拌する攪拌型アクチュエーターをさらに備えるものであることが好ましい。
上記構成により、例えば、試料液体、試薬、及び、抗体又は酵素が固定された多数の微粒子を均一に分散できるので、部分的な試薬や微粒子の偏在を防止することができる。

本発明のマイクロリアクターは、前記筒状の槽の外部に設けられ、所定の前記反応槽とそれぞれ管を介して連通している複数の液体貯溜槽と、それぞれの前記液体貯溜槽から所定の前記反応槽内部に液体を送液するポンプとをさらに備えるものであることが好ましい。
上記構成により、精度よく所定量の液体を送液できる。

本発明のマイクロリアクターは、前記フィルタが前記筒状の槽に複数設けられている際、前記フィルタ間に電位を印加するための導線が外部電源から前記フィルタそれぞれに設けられているものであることが好ましい。
上記構成により、電気泳動を行うことができるので、反応を促進させたり、目的物のみを下流の反応槽へ流下させたりすることが可能となる。

本発明のマイクロリアクター並設構造体は、複数の上記のいずれかに記載のマイクロリアクターが、前記筒状の槽の中心軸を平行にして並設されるものであることが好ましい。
上記構成により、一度に様々な試料の分析が可能となる。

本発明の分析装置は、複数の上記のいずれかに記載のマイクロリアクターが、前記筒状の槽の中心軸を平行にして、円盤に円状、径の異なる複数の円状（同心円上）、又は螺旋状に並設され、前記円盤が中心を軸として回転自在であり、各マイクロリアクターで反応が終了した試料に対し、前記円盤の任意の位置で、蛍光分析及び吸光分析が可能なものであることが好ましい。また、発光分光（赤外・可視・紫外・Ｘ線など）、ラマン分光、円偏光二色性・旋光分散、光音響分光、磁気共鳴、近接場分光、非線形レーザー分光、Ｘ線分光、光電子分光、光イオン化分光、質量分析、表面プラズモン共鳴などの他の機器分析も適宜装置に組み込めば可能である。
上記構成により、一度に様々な試料の分析（多検体分析）が可能となるのみならず、一度に２種類の分析方法（多項目分析）の実施が可能となるので、飛躍的に分析速度を向上できる装置を提供できる。

本発明のマイクロリアクターの製造方法は、精密機械加工、Ｘ線、紫外線又は電子線を用いた電磁波加工、若しくは成形加工によって筒状の槽を作製する工程と、前記精密機械加工、Ｘ線、紫外光又は電子線を用いた前記電磁波加工、若しくは前記成形加工によって上記フィルタを作製する工程と、筒状の槽と上記フィルタとを熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂、又は金属薄膜によって接合する工程とを含むものであることが好ましい。
上記構成により、液体の表面張力に対して細孔の大きさを選択する事でフィルタ上表面に液体が存在しても、一定の力（圧力等）が加えられない限り、表面張力により細孔を通り抜けることを防止することができ、分子拡散による分子同士の衝突頻度を向上できるフィルタを有するマイクロリアクターを提供できる。したがって、例えば、液体試薬を用いた場合、従来のものに比べ、試薬の反応時間を大幅に短縮することができる。

次に、図を参照しながら、本発明の実施形態に係るフィルタ及びマイクロリアクターについて説明する。まず、マイクロリアクターの全体構成を述べ、その中でフィルタについても説明していくことにする。図１は、本発明の実施形態に係るフィルタを用いたマイクロリアクターの模式構成図である。

マイクロリアクター１は、筒状の槽２と、槽２内部を径方向に仕切って第１反応槽３、第２反応槽４及び第３反応槽５を形成する各槽の仕切りに設けられたフィルタ６ａ、６ｂ（図１における斜線部）と、液体試料が投入される第１反応槽３内と試薬を反応させる第２反応槽４と蛍光・吸光分析を行なう第３反応槽５（検出槽）の各々に接続して設けられた加圧装置７ａ、７ｂ、７ｃ及び圧力センサ８ａ、８ｂ、８ｃと、圧力センサ８ａ、８ｂ、８ｃからの信号を受けて加圧装置７ａ、７ｂ、７ｃを制御する圧力制御装置９とを備えるものである。さらに、マイクロリアクター１は、試料液体を一時的に溜めて第１反応槽３に適時送液可能な試料液体貯溜槽１０と、試薬Ａ、Ｂを一時的に溜めて第１反応槽３に適時送液可能な試薬貯溜槽１１ａ、１１ｂと、試薬Ｃ、Ｄを一時的に溜めて第２反応槽４に適時送液可能な試薬貯溜槽１２ａ、１２ｂと、試薬Ｅ、Ｆを一時的に溜めて第３反応槽５に適時送液可能な試薬貯溜槽１３ａ、１３ｂと、各槽で不要となった廃液を溜める廃液貯溜槽１４とを備えてなる。

第１反応槽３は、試料液体貯溜槽１０と管１５を介して接続されている。また、試薬貯溜槽１１ａ、１１ｂとも管１６ａ、１６ｂを介して接続されている。なお、図示しないが、試料液体貯溜槽１０や試薬貯溜槽１１ａ、１１ｂ内にポンプを設けて、所定量の送液ができるように構成してもよい。以下で説明する各試薬貯溜槽においても同様である。このような構成を有するため、第１反応槽３は、試薬を混合したり、複数の試薬を反応させて別の試薬を調合したりできるものである。以下で説明する第２反応槽４及び第３反応槽５でも同様である。

第２反応槽４は、試薬貯溜槽１２ａ、１２ｂと管１７ａ、１７ｂを介して接続されている。この第２反応槽４は、分析したい検体を反応させたり吸着させたりするものであり、第２反応槽４の中には、表面に所定の抗体又は酵素が固定された多数の微粒子２０が封入されている。なお、抗体としては、アルキルフェノール（alkylphenol）、アルキルフェノールエトキシレート（alkylphenol ethoxylate）、ビスフェノールＡ（bisphenol A）、エストラジオール（estradiol）、有機スズなどの内分泌攪乱物質に対する抗体、ＰＣＢ、ダイオキシン等の環境汚染物質に対する抗体、ＣＥＡ、ＡＦＰ等の腫瘍マーカーに対する抗体、ＨＢＶ、ＨＣＶ、ＨＩＶ等の抗ウイルス抗体、臨床検査における疾患特異的マーカーに対する抗体、抗細菌抗体（ヘリコバクターピロリ、レジオネラ等に対する抗体）および、ポストゲノム解析で明らかにされた各種新規生体物質に対する抗体等が挙げられる。さらに、抗体が固定される微粒子としては、ポリスチレンラテックスやゼラチン粒子等が挙げられる。また、酵素としては、有用物質生産（アミノ酸、ヌクレオチド、アクリルアミドなどのアミド化合物、ステロイド、フェノール化合物、アルカロイド、色素、油脂、モノクローナル抗体の生産など）、医薬品（抗生物質、ホルモン類、抗がん剤、インターロイキン、エリスロポエチン、Ｌ−ドーパ、ビタミンなどの生理活性物質の生産）、各種分析（臨床分析、環境分析など）、環境保全（フェノール、シアン、内分泌攪乱物質などの分解）、およびエネルギ生成（アルコール、メタン、水素生産など）に関係する各種酵素が挙げられる。さらに、酵素が固定される微粒子としては、ｐ−アミノベンジルセルロース等の多糖類誘導体、ポリアクリルアミド誘導体、多孔質ガラスのアミノシラン誘導体、ＤＥＡＥ−セルロース、ＴＥＡＥ−セルロース、ＤＥＡＥ−セファデックス、ＣＭ−セファデックス、ＤＥＡＥ−セファロース等に代表されるイオン交換基を持つ担体などが挙げられる。

第３反応槽５は、試薬貯溜槽１３ａ、１３ｂと管１８ａ、１８ｂを介して接続されている。この第３反応槽５は、検出槽であり、第２反応槽４で反応等させた試料液体を貯溜し、必要に応じてさらに反応を行った上で、下部からレーザー光を受けての蛍光・吸光分析が可能な部分である。

なお、図示しないが、第１反応槽３、第２反応槽４、第３反応槽５は、反応槽内を攪拌するための攪拌型アクチュエーターを備えるものであってもよい。

フィルタ６ａ、６ｂは、図２に示す走査型電子顕微鏡で撮った写真のように、複数の細孔がハニカム形状に並列してなるものであり、細孔の一辺をＤ_bμｍとしたとき、０．０００５μｍ≦Ｄ_bμｍ≦５０μｍの関係を満たすものである。また、分子の拡散速度をＶ_mμｍ／秒、液体のフィルタ通過時間をＴ_f秒としたとき、２Ｄ_b≦Ｔ_f・Ｖ_mの関係を満たすものであることが好ましい。
なお、細孔の形状はハニカム形状に限られるものではなく、ハニカム形状のものと同様の効果を得ることができるフィルタであれば、断面が円形、楕円形、三角形、四角形等でもよい。例えば、円形であれば、直径をＤ_aとしたとき、０．００１μｍ≦Ｄ_aμｍ≦１００μｍの関係を満たすものであればよい。また、分子の拡散速度をＶ_mμｍ／秒、液体のフィルタ通過時間をＴ_f秒としたとき、Ｄ_a≦Ｔ_f・Ｖ_mの関係を満たすものであることが好ましい。

また、フィルタ６ａは、第１反応槽３及び第２反応槽４との接合部において、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂又は金属薄膜によってシールされている。フィルタ６ｂにおいても同様に、第２反応槽４及び第３反応槽５との接合部において、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂、又は金属薄膜によってシールされている。

フィルタ６ａ、６ｂは、（１）絶縁材、後述するＸ線リソグラフィー法を用いるＬＩＧＡ（Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｔｅ Ｇａｌｖａｎｏｆｏｒｍｕｎｇ ａｎｄ Ａｂｆｏｒｍｕｎｇ）プロセスで加工された金属、絶縁材の順、（２）絶縁材、孔と重ならないように配線され、外部電源から導かれたヒーター線、絶縁材の順、（３）絶縁材、Ｘ線リソグラフィー法を用いるＬＩＧＡプロセスで加工された金属、絶縁材、Ｘ線リソグラフィー法を用いるＬＩＧＡプロセスで加工された金属、絶縁材の順、又は、（４）図６に示すように、絶縁材２３、Ｘ線リソグラフィー法を用いるＬＩＧＡプロセスで加工された金属電極２４、ヒーター層２５、Ｘ線リソグラフィー法を用いるＬＩＧＡプロセスで加工された金属電極２４、絶縁材２３の順、に積層された積層体のいずれかからなる。ここで用いられる金属としては、銅、アルミニウム、白金、金等が挙げられる。絶縁材としては、電気・熱を絶縁するガラス、ポリジメチルシロキサン、アクリル樹脂等が挙げられる。ヒーター線としては、チタン、金、白金、タングステン、モリブデン等が挙げられる。
なお、ヒーターは、孔と重ならないように配線され、外部電源から導かれたヒーター線を絶縁体２３で挟み込んだものとしてもよい。また、ヒーター線の代わりに中空のパイプを用い、その中に熱媒体を流すことによって、加温・冷却も可能となる。

また、フィルタ６ａ、６ｂの温度を検出する温度センサが、フィルタ６ａ、６ｂの表面に設けられている。この温度センサは、一例として、チタンなどの金属線をフィルタ６ａ、６ｂの表面に形成もしくは全面に接触させて接合することによって形成できる。この金属線の抵抗変化の温度特性から温度を見積もることができる。

上述したヒーター及び温度センサは、圧力制御装置９に接続され、温度センサの信号を受けてヒーターの加熱量が制御されるようになっている。

さらに、図示しないが、フィルタ６ａ、６ｂそれぞれが上述した金属の層を２層有するものである場合には、フィルタ６ａ、６ｂそれぞれに電位を印加して電気泳動を行う又は電気浸透流を作り出すための導線が、外部電源からフィルタ６ａ、６ｂのそれぞれに設けられている。

なお、フィルタ６ａ、６ｂの代わりに、シリカ多孔体等のメソポーラス体をフィルタとして用いてもよい。このメソポーラス体においても、メソポーラス体を加熱するヒーターやメソポーラス体の温度を検出する温度センサを備えるものであることが好ましい。加熱ヒーターは、一例として、メソポーラス体フィルタ上面にタングステン等の高抵抗発熱体薄膜をメッキ法やＣＶＤ法等で貼り付け、電流を制御して通電することで所定の温度に調整する。なお、ＵＶフォトプロセスを用いて、金や白金、チタンの厚めの蒸着薄膜をパターニングしてヒーターパターンとすることとしてもよい。温度センサは、一例として、チタンなどの金属線をフィルタ６ａ、６ｂの表面に形成もしくは全面に接触させて接合することによって形成できる。この金属線の抵抗変化の温度特性から温度を見積もることができる。

加圧装置７ａ、７ｂ、７ｃはそれぞれ、第１反応槽３、第２反応槽４、第３反応槽５内を加圧するものである。加圧装置７ａ、７ｂは、圧力を負荷することにより、下流側にある反応槽にフィルタを通過させて送液したり、廃液貯溜槽１４に廃液したりするのに使用され、加圧装置７ｃは、廃液貯溜槽１４に廃液することにのみ使用される。

廃液貯溜槽１４は、管１９を介して第１反応槽３、第２反応槽４、第３反応槽５と接続されていて、各反応槽の廃液を回収できるようになっている。なお、管１９と第１反応槽３、第２反応槽４、第３反応槽５との接続部付近には図示しない自動弁が設けられており、下流側の反応槽に試料液体を送液中は閉じられている。この自動弁は、圧力制御装置９に接続され、制御できるようになっている。

次に、マイクロリアクター１の動作について説明する。まず、第１反応槽３に、試料液体貯溜槽１０から試料液体、試薬貯溜槽１３ａ、１３ｂからそれぞれ試薬Ａ、Ｂを投入し、攪拌型アクチュエーターを用いて混合する。このとき、試薬Ａ、Ｂが混合されると反応するものであるとき、試薬貯溜槽１３ａ、１３ｂからそれぞれ試薬Ａ、Ｂのみを投入し、攪拌型アクチュエーターで混合させながら、反応させ、その後試料液体を投入することとしてもよい。
次に、圧力制御装置９によって、圧力センサ８ａで測定した圧力値をもとに、第１反応槽３内が所定圧力となるよう自動的に加圧装置７ａを制御し、第１反応槽３内の試薬が混合された試料液体を第２反応槽４内に送液する。ここで、フィルタ６ａを通過できなかった液体は、廃液貯溜槽１４へと送液・回収される。
第２反応槽４内に送液された試料液体は、第２反応槽４内の微粒子２０とともに攪拌型アクチュエーターで攪拌され、微粒子２０の表面に存在する抗体又は酵素との反応が促進される。このとき、必要に応じて試薬Ｃ、Ｄをさらに投入してもよい。
そして、圧力制御装置９によって、圧力センサ８ｂで測定した圧力値をもとに、第２反応槽４内が所定圧力となるよう自動的に加圧装置７ｂを制御し、抗体又は酵素と反応した試料液体を第３反応槽５内に送液する。ここで、フィルタ６ｂを通過できなかった液体は、廃液貯溜槽１４へと送液・回収される。
第３反応槽５内に送液された試料液体に、必要に応じて試薬Ｅ、Ｆを投入した後、レーザーを照射し、蛍光分析又は吸光分析を行う。分析後、試料液体は、廃液貯溜槽１４へと送液・回収される。

上記実施形態のマイクロリアクターによれば、化学的操作が同一の反応容器内で短時間に精度よく行うことができるので、試料分析工程の短縮化が可能となる。

次に、マイクロリアクター１の本体（槽２とフィルタ６ａ、６ｂ）の製造方法について説明する。マイクロリアクター１の本体は、槽２の部分と、フィルタ６ａ、６ｂとが別々に作製される。また、筒状の槽２は、さらに第１反応槽３の円筒部分と、第２反応槽４の円筒部分と、第３反応槽５の円筒部分とに分けて作製される。その場合、各反応槽とフィルタ６ａ、６ｂとは、後述する精密機械加工、Ｘ線、紫外線又は電子線を用いた電磁波加工、若しくは成形加工によって作製される。これら作製されたものを用いて、第１反応槽３の部分と第２反応槽４の部分との間にフィルタ６ａが挟まれるように、また、第２反応槽４の部分と第３反応槽５の部分との間にフィルタ６ｂが挟まれるように、熱硬化性樹脂又は光硬化性樹脂によって接合、又は、金属表面を活性化処理することによって、金属表面の原子の未結合手が表面に露出するので、この未結合手と接着しようとする各槽を構成する原子が結合するという表面活性化接合がなされ、マイクロリアクター１が形成される。熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、シリコン樹脂、アクリル変性シリコン樹脂などが挙げられる。紫外線硬化性樹脂としては、例えば、エポキシアクリレート樹脂、ポリエステルアクリレート樹脂、及びそれらのメタクリレート変性品などが挙げられる。なお、硬化形態としては、熱硬化、紫外線硬化、電子線硬化などどれでもよく、硬化するものであればよい。以下に、上述の精密機械加工、Ｘ線、紫外線又は電子線を用いた電磁波加工、成形加工について具体的に説明する。

精密機械加工は、種にＮＣ精密機械加工（数値制御精密機械加工）を用いて、コンピュータによって数値制御された切削刃物を用いて所望の円筒形状（槽２の円筒部分）に加工する。また、槽２の上下の面の蓋部分も別に加工し、その後にそれぞれを接合する。接合には、上述の熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂を用いる。

フィルタ６ａ、６ｂの加工は、Ｘ線リソグラフィー法を用いるＬＩＧＡプロセスにより行う。図４は、フィルタを作成するＬＩＧＡプロセスの第一工程に必要なＸ線マスクの製造工程の断面模式図を示す。Ｘ線透過部分の形状が所望形状であるＸ線マスクの作製手順を各工程別に図示している。以下、具体的に説明する。
まず、銅基板４１に感光剤４２（フォトレジスト）を塗布する（図４（ａ））。
次に、感光剤４２の所望位置を感光させるために、紫外線を所望部分で吸収する紫外線リソグラフィーパターンマスク４３を紫外線（ＵＶ）照射側に配置する。なお、図示しないが、本発明においては、紫外線リソグラフィーパターンマスク４３の紫外線の透過部分が、細孔の直径をＤ_aμｍとしたとき、０．００１μｍ≦Ｄ_aμｍ≦１００μｍの円形状、又は、細孔の一辺をＤ_bμｍとしたとき、０．０００５μｍ≦Ｄ_bμｍ≦５０μｍのハニカム形状に形成するものである。そして、紫外線を紫外線リソグラフィーパターンマスク４３側から銅基板４１側に照射し、感光剤４２を感光させる（図４（ｂ））。
そして、紫外線照射後の銅基板４１及び感光剤４２をリソグラフィー用現像液に浸漬することによって、感光剤４２の感光部位を溶解させ、凹形状部分４４ａを有するフォトレジストパターン４４を作製する（図４（ｃ））。なお、リソグラフィー用現像液としては、ＴＭＡＨ（Ｔｅｔｒａ Ｍｅｔｈｙｌ Ａｍｍｏｎｉｕｍ Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）系、ＨＭＤＳ（１，１，１，３，３，３−ｈｅｘａｍｅｔｈｙｌｄｉｓｉｌａｚａｎｅ）系、無機系のもの等が挙げられる。
次に、フォトレジストパターン４４の凹形状部分４４ａのみを例えば金でメッキ処理し、Ｘ線吸収体４４ｂを設ける（図４（ｄ））。
次に、フォトレジストパターン４４に残っていた感光剤４２を有機溶媒等で除去する（図４（ｅ））。その後、Ｘ線吸収体４４ｂを被覆するように基板４１の上にポリイミド等からなるＸ線透過材層４５を形成する（図４（ｆ））。
そして、基板４１をエッチングで除去することにより、細孔の直径をＤ_aμｍとしたとき、０．００１μｍ≦Ｄ_aμｍ≦１００μｍの円形状、又は、細孔の一辺をＤ_bμｍとしたとき、０．０００５μｍ≦Ｄ_bμｍ≦５０μｍのハニカム形状のＸ線吸収体４４ｂを有するＸ線マスク４６が完成する（図４（ｇ））。

次に、図５に、Ｘ線マスク４６を使ってＬＩＧＡプロセスでフィルタ作製用の金型を作り、この金型を使ってエンボス成形加工法で製造する工程の断面模式図を示す。以下、Ｘ線リソグラフィー法を用いるＬＩＧＡプロセスを具体的に説明する。
まず、Ｘ線マスク４６を介して放射光（Ｘ線と同様の波長を有する）を樹脂層５１（感光性樹脂であるポリメタアクリル酸メチル）に露光する（図５（ａ））。
次に、例えば、現像液であるジエチレングリコール、モルフォリン、エタノールアミン、純水の混合液で、感光された部分を溶解させることで、所望する形状５１ａ（細孔の直径をＤ_aμｍとしたとき、０．００１μｍ≦Ｄ_aμｍ≦１００μｍの円形状、又は、細孔の一辺をＤ_bμｍとしたとき、０．０００５μｍ≦Ｄ_bμｍ≦５０μｍのハニカム形状）を有する樹脂５１を成形（現像）する（図５（ｂ））。
この成形された樹脂層５１の一端の面に金属基板５２を貼り付ける（図５（ｃ））。
その後、図５（ｃ）の形成物を電鋳し、金属を所定量堆積させ、金属製の所望する形状を有する金属微細構造金型５３を形成する（図５（ｄ））。
次に、金属基板５２をエッチングで除去し、感光されなかった部分の樹脂層５１をアセトン等の有機溶媒で溶解させることにより、金属微細構造金型５３が完成する（図５（ｅ））。
そして、この金属微細構造金型５３を用いて樹脂層５４のエンボス成形加工を行い（図５（ｆ）、（ｇ））、所望する大きさ、形状（細孔の直径をＤ_aμｍとしたとき、０．００１μｍ≦Ｄ_aμｍ≦１００μｍの円形状、又は、細孔の一辺をＤ_bμｍとしたとき、０．０００５μｍ≦Ｄ_bμｍ≦５０μｍのハニカム形状）のフィルタ成形品５５を量産する（図５（ｈ））。

紫外線又は電磁線を用いた加工では、紫外線硬化性樹脂又は電子線硬化性樹脂に、紫外線又は電磁線の照射方向等をコンピュータ制御で調整することで、所望する大きさ、形状に硬化させた成形品を作製することができる。

成形加工では、常温の金型に２００度から５００度に加熱溶解した樹脂を注入して凝固させる射出成形方法や、常温の樹脂基板に１００度から４００度に加熱した金型を一定圧力で押し込んで成形するホットエンボッシング法等を用いる。絶縁材はフィルタの反転パターンを有する金属微細構造金型を用いて成形し、孔を開ける。このようにすることにより、金属微細構造金型と同じ孔の位置・形状の絶縁材の積層体を形成することができる。一方、金属電極となるフィルタと絶縁材からなるフィルタとの積層体は孔の位置・形状が同じであるため、アライメント用の穴や、アライメントマークを付与し、これを利用することで、積層してもお互いの孔の位置がずれることはない。なお、絶縁材からなるフィルタの上面にメッキ法やＣＶＤ法等で金属薄膜を形成して電極を形成してもよい。また、フィルタのヒーターも同様に、絶縁物からなるフィルタの上面にメッキ法やＣＶＤ法等でタングステン等の高抵抗金属薄膜を形成することで、板状ヒーターを形成できるので、この場合は、フィルタの孔の位置合わせや形状の微調整は必要ない。

このような加工方法を用いることにより、細孔がハニカム形状である場合の１辺が０．０００５μｍ≦Ｄ_bμｍ≦５０μｍ、細孔が円形状である場合の直径が０．００１μｍ≦Ｄ_aμｍ≦１００μｍのフィルタ６ａ、６ｂと、大きさが１５ｍｍ×１５ｍｍ×５０ｍｍ以下の微細構造体であるマイクロリアクター１の本体とを作製することができる。

次に、マイクロリアクター１の製造方法について説明する。
上述したマイクロリアクター１の本体の各槽に各管の取付けを行う。なお、上述したマイクロリアクター１の本体の各槽の円筒部分を作製する際に、あらかじめ送液用、加圧用、センサ用の配管の一部分を作り込んでおき、槽外部の各配管と連通させる。

このようにして作製されたマイクロリアクター１であれば、筒状の槽２の中心軸を平行にして平面上に複数並設して集積化した図３に示すようなマイクロリアクター並設構造体の実現も可能となり、一度に多数の試料液体を分析することも可能となる。

特に、図３に示す模式構成図のように、各反応検出槽が円盤３０に同心円状または螺旋状に並設され、円盤３０が中心を軸として回転自在な装置（装置全体は図示せず）を作製すれば、各マイクロリアクター１で反応が終了した試料に対し、円盤３０の任意の位置で、円盤の下部または上部から光を当てての蛍光分析及び吸光分析が可能となり、一度に様々な試料の分析（多検体分析）が可能となるのみならず、様々な機器を取り付けることにより、一度に２種類以上の項目の同時分析すなわち発光分光（赤外・可視・紫外・Ｘ線など）、ラマン分光、円偏光二色性・旋光分散、光音響分光、磁気共鳴、近接場分光、非線形レーザー分光、Ｘ線分光、光電子分光、光イオン化分光、質量分析、表面プラズモン共鳴などの多項目分析の実施が可能となるので、飛躍的に分析速度を向上できる。なお、例えば、試料の位置をパルス的に回転させて、短時間静止させ、試料分析を行うとともに、蛍光・吸光分析位置に対して相対的位置関係が明らかな部位において、別途、レーザー光等を用いた試料の識別を行い、常に分析位置にある試料を照合させることとしてもよい。このとき、各分析装置や位置識別装置は、各マイクロリアクター１の配列に応じて移動できるように設けられている。

なお、本発明は、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で設計変更できるものであり、上記実施形態に限定されるものではない。

本発明は、アミノ酸等や抗体等の有用な物質の生産や、食品工業、医療、医薬品、分析、分離・精製、環境保全、エネルギ生成等の分野においての利用が期待できる。

本発明の実施形態に係る流体フィルタを用いたマイクロリアクターの模式構成図である。 本発明の実施形態に係る流体フィルタを示す走査型電子顕微鏡写真である。 本発明の実施形態に係る多検体・多項目同時分析システムの模式構成図である。 本発明の実施形態に係るフィルタをＬＩＧＡプロセスで成形するための金型を作成するのに用いるＸ線マスクの作製工程を示す説明図である。 本発明の実施形態に係るフィルタを図４のＸ線マスクを用いたＬＩＧＡプロセスで作製する工程を示す説明図である。 本発明の実施形態に係る積層体からなるフィルタの一例を示す分解図である。

符号の説明

１ マイクロリアクター
２ 槽
３、４、５ 反応槽
６ａ、６ｂ フィルタ
７ａ、７ｂ、７ｃ 加圧装置
８ａ、８ｂ、８ｃ 圧力センサ
９ 圧力制御装置
１０ 試料液体貯溜槽
１１ａ、１２ａ、１３ａ 試薬貯溜槽
１４ 廃液貯溜槽
１５、１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１９ 管
２０ 微粒子
２３ 絶縁材（フィルタ）
２４ 金属電極（フィルタ）
２５ ヒーター（フィルタ）
３０ 円盤

Claims (23)

1. 細孔を複数備え、液体中の分子のふるいや分離に用いられるフィルタであって、前記細孔の直径をＤ_aμｍとしたとき、０．００１μｍ≦Ｄ_aμｍ≦１００μｍの関係を満たすフィルタ。
2. 前記分子の拡散速度をＶ_mμｍ／秒、前記液体のフィルタ通過時間をＴ_f秒としたとき、Ｄ_a≦Ｔ_f・Ｖ_mの関係を満たす請求項１に記載のフィルタ。
3. ハニカム形状に並列してなる細孔を複数備え、液体中の分子のふるいや分離に用いられるフィルタであって、前記細孔の一辺をＤ_bμｍとしたとき、０．０００５μｍ≦Ｄ_bμｍ≦５０μｍの関係を満たすフィルタ。
4. 前記分子の拡散速度をＶ_mμｍ／秒、前記液体のフィルタ通過時間をＴ_f秒としたとき、２Ｄ_b≦Ｔ_f・Ｖ_mの関係を満たす請求項３に記載のフィルタ。
5. 絶縁材、Ｘ線リソグラフィー法を用いるＬＩＧＡプロセスで加工された金属、絶縁材の順、絶縁材、ヒーター線、絶縁材の順、絶縁材、Ｘ線リソグラフィー法を用いるＬＩＧＡプロセスで加工された金属、絶縁材、Ｘ線リソグラフィー法を用いるＬＩＧＡプロセスで加工された金属、絶縁材の順、又は、絶縁材、Ｘ線リソグラフィー法を用いるＬＩＧＡプロセスで加工された金属、ヒーター線を絶縁体で挟み込んだヒーター層、Ｘ線リソグラフィー法を用いるＬＩＧＡプロセスで加工された金属、絶縁材の順に積層された積層体からなる請求項１〜４のいずれかに記載のフィルタ。
6. 筒状の槽と、前記槽内部を径方向に仕切って複数の反応槽を形成する少なくとも1つの請求項１〜５のいずれかに記載のフィルタとを備えるマイクロリアクターであって、
   前記複数の反応槽を加圧する加圧装置を前記筒状の槽の外部にさらに備えるマイクロリアクター。
7. 筒状の槽と、前記槽内部を径方向に仕切って第１、第２及び第３反応槽を形成する各槽の仕切りに設けられた請求項１〜５のいずれかに記載のフィルタとを備えるマイクロリアクターであって、
   液体試料が投入される前記第１反応槽内と試薬を反応させる前記第２反応槽と蛍光・吸光分析を行なう前記第３反応槽の検出槽の各々に加圧装置を設けて、前記第１反応槽内から前記第２反応槽へ、前記第２反応槽から前記第３反応槽の検出槽へと液体試料を任意に移動させるマイクロリアクター。
8. 筒状の槽と、前記槽内部を径方向に仕切って複数の反応槽を形成する少なくとも1つの請求項５記載のフィルタと、前記筒状の槽の外部に設けられた反応槽内を加圧する加圧装置を備えるマイクロリアクター。
9. 筒状の槽と、前記槽内部を径方向に仕切って複数の反応槽を形成する少なくとも１つの請求項５記載のフィルタを備えるマイクロリアクターであって、試料が投入される第１反応槽内と試薬を反応させる第２反応槽と蛍光・吸光分析を行なう第３の槽の検出槽の各々に加圧装置を設けて、第１反応槽内から第２反応槽へ第２反応槽から第３の槽の検出槽へと検体試料液体を任意に移動させるマイクロリアクター。
10. 筒状の槽と、前記槽内部を径方向に仕切って複数の反応槽を形成する少なくとも1つのメソポーラス体とを備えるマイクロリアクターであって、前記複数の反応槽のうち最初に液体試料が投入される第１反応槽内を加圧する加圧装置を前記筒状の槽の外部にさらに備えるマイクロリアクター。
11. 筒状の槽と、前記槽内部を径方向に仕切って第１、第２及び第３反応槽を形成する少なくとも１つのメソポーラス体とを備えるマイクロリアクターであって、試料が投入される前記第１反応槽内と試薬を反応させる前記第２反応槽と蛍光・吸光分析を行なう前記第３反応槽の検出槽の各々に加圧装置を設けて、前記第１反応槽内から前記第２反応槽へ、前記第２反応槽から前記第３反応槽の検出槽へと液体試料を任意に移動させるマイクロリアクター。
12. 前記メソポーラス体がヒーターを備えるものである請求項１０又は１１に記載のマイクロリアクター。
13. 前記フィルタの温度を検出する温度センサをさらに備える請求項６〜９のいずれかに記載のマイクロリアクター。
14. 前記メソポーラス体の温度を検出する温度センサをさらに備える請求項１２に記載のマイクロリアクター。
15. 前記複数の反応槽と前記フィルタとの接合部分に、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂、又は金属薄膜を備える請求項６〜１１、１３のいずれかに記載のマイクロリアクター。
16. 前記複数の反応槽それぞれの内部圧力を検出する圧力センサをさらに備える請求項６〜１５のいずれかに記載のマイクロリアクター。
17. 前記第１反応槽の下流側に形成された反応槽の少なくとも１つに、表面に所定の抗体又は酵素が固定された多数の微粒子が封入されている請求項６〜１６のいずれかに記載のマイクロリアクター。
18. 前記反応槽内を攪拌する攪拌型アクチュエーターをさらに備える請求項６〜１７のいずれかに記載のマイクロリアクター。
19. 前記筒状の槽の外部に設けられ、所定の前記反応槽とそれぞれ管を介して連通している複数の液体貯溜槽と、それぞれの前記液体貯溜槽から所定の前記反応槽内部に液体を送液するポンプとをさらに備える請求項６〜１８のいずれかに記載のマイクロリアクター。
20. 前記フィルタが前記筒状の槽に複数設けられている際、前記フィルタ間に電位を印加するための導線が外部電源から前記フィルタそれぞれに設けられている請求項６〜１９のいずれかに記載のマイクロリアクター。
21. 複数の請求項６〜２０のいずれかに記載のマイクロリアクターが、前記筒状の槽の中心軸を平行にして並設されるマイクロリアクター並設構造体。
22. 複数の請求項６〜２０のいずれかに記載のマイクロリアクターが、前記筒状の槽の中心軸を平行にして円盤に円状、径の異なる複数の同心円状、又は螺旋状に並設され、前記円盤が中心を軸として回転自在であり、各マイクロリアクターで反応が終了した試料に対し、前記円盤の任意の位置で、複数の機器分析が可能な分析装置。
23. 精密機械加工、Ｘ線、紫外線又は電子線を用いた電磁波加工、若しくは成形加工によって筒状の槽を作製する工程と、前記精密機械加工、Ｘ線、紫外光又は電子線を用いた前記電磁波加工、若しくは前記成形加工によって請求項１〜５のいずれかに記載のフィルタを作製する工程と、筒状の槽と請求項１〜５のいずれかに記載のフィルタとを、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂、又は金属薄膜によって接合する工程とを含むマイクロリアクターの製造方法。