JP2007064901A - マイクロチップ並びにそれを用いた分析方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
マイクロチップを用いて複数元素を同時に高感度に分析できるようにする。
【解決手段】
マイクロチップ１は、基板３０と、基板３０の内部に形成された流路２３と、基板３０の平坦な表面の一部からなり、流路２３の出口が開口９ｃとして形成され、その開口９ｃから溢れ出た測定対象液が基板３０の平坦な表面にとどまって分析試料となる分析部１０とを備えている。このマイクロチップ１を使用して、分析部１０に測定対象液を分析試料として溢れ出させ、好ましくは分析試料を乾燥させた後、１次Ｘ線を全反射の条件で入射させて蛍光Ｘ線を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板内に設けられた流路をもつマイクロチップと、それを用いて分析を行う方法と装置に関するものである。

近年、分析化学の分野ではμＴＡＳ（Micro Total Systems）の研究が盛んになりつつある。マイクロチップは、混合、化学反応、分離、抽出といった様々な化学プロセスを小型の、例えば数センチ角のチップ内に作成した微小な流路の中で行うものである。化学プロセスをマイクロサイズで行う場合、マクロサイズで行なう場合に比べて、化学反応が起きる単位体積あたりの界面積が大きいことから、化学装置の小型化、高速処理、試薬量とその廃棄量の低減、測定時間の短縮と高効率化、省エネルギー効果などが期待される。

マイクロチップにより処理された試料溶液は、これまで可視・紫外光の吸収法やレーザー分光法などにより検出されてきた。
しかし、これらの方法は複数の元素を同時に元素定量する方法ではないため、マイクロチップにより複数元素の微量分析を行うことは困難であった。

一方、複数元素を同時に定量する方法として、蛍光Ｘ線分析方法が知られている。その中でも試料に対して１次Ｘ線を全反射の条件で入射させる全反射蛍光Ｘ線分析方法は、試料表面又はその上の不純物からの蛍光Ｘ線を高感度に測定することができる。全反射蛍光Ｘ線分析方法は、１次Ｘ線の入射角が微小であることから、反射Ｘ線や散乱Ｘ線がＸ線検出器に入射しにくく、Ｘ線検出器により検出される蛍光Ｘ線の出力レベルに比べて連続Ｘ線バックグラウンドノイズが小さく、Ｓ／Ｂ（シグナル／バックグラウンド）比を高めることができるという利点がある（特許文献１参照。）。
特開２００３−２０２３０６号公報

しかし、全反射蛍光Ｘ線分析方法は平坦な固体表面で1次Ｘ線を全反射させるものであるため、マイクロ流路中を流れる試料に全反射条件を満たすような微小な入射角度でＸ線を照射することはできず、マイクロチップでの検出において全反射蛍光Ｘ線分析方法を用いるという発想自体がこれまでなされていなかった。
そこで本発明は、複数元素を同時に高感度に分析する方法として、マイクロチップを用いた分析方法と装置を提供することを目的とするものである。

本発明のマイクロチップは、基板と、この基板内部に形成された流路と、この基板の平坦な表面の一部からなり、前記流路の出口が開口として形成され、その開口から溢れ出た測定対象液が該基板の平坦な表面にとどまって分析試料となる分析部とを備えている。
前記分析部の好ましい一例は、全反射の条件で１次Ｘ線が入射され、その分析部にある分析試料から発生する蛍光Ｘ線が別途設けられたＸ線検出器により検出されるものである。

本発明の分析方法は、このマイクロチップを用い、以下の工程（Ａ）から（Ｃ）を備えている。
（Ａ）このマイクロチップを使用して、前記流路から開口を経て前記分析部に測定対象液を分析試料として溢れ出させる工程、
（Ｂ）前記分析部に溢れ出た分析試料に対し１次Ｘ線を全反射の条件で入射させる工程、及び
（Ｃ）前記分析試料から発生する蛍光Ｘ線を検出する工程。

分析試料が水溶液である場合、水はＸ線を吸収することから、Ｘ線が液体試料に吸収されるとＳ／Ｂ比が小さくなってしまうので、工程（Ａ）と（Ｂ）の間に分析部の分析試料を乾燥させる工程を含むことが好ましい。
前記流路は、例えば送液、化学反応又は分離を行なうものである。

本発明のマイクロチップ分析装置は、このマイクロチップを測定媒体とするものであり、１次Ｘ線を発生するＸ線源と、このマイクロチップの分析部に対し１次Ｘ線を全反射の条件で入射させる１次Ｘ線入射調整機構と、このマイクロチップの分析部に対向して配置され、その分析部にある分析試料から発生する蛍光Ｘ線を検出するＸ線検出器とを備えている。

これまでマイクロチップを用いて分析において複数元素を同時に検出するものはなかったが、本発明のマイクロチップを用いた分析方法によると、検出に全反射蛍光Ｘ線分析方法を適用することができることから、複数の元素を非破壊的に、しかも大気圧下で、高感度に同時に分析できるようになる。

分析部の分析試料を乾燥させるようにすると、蛍光Ｘ線のＳ／Ｂ比が向上し、測定感度が向上する。
また、全反射蛍光Ｘ線測定装置は小型化が可能であり、元々小型であるマイクロチップとの相性もよいことから、全体として携帯可能な分析システムの構築ができるようになる。

以下に本発明の一実施例を説明する。
図１はマイクロチップの一実施例であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は（Ａ）は液入口９ａから液出口９ｃに至る流路に沿った断面図、（Ｃ）は上面図、（Ｄ）はマイクロ流路の断面図の一例である。

マイクロチップ１は、基板３０と、基板３０の内部に形成された流路２３と、基板３０の平坦な表面の一部からなり、流路２３の出口が開口９ｃとして形成され、その開口９ｃから溢れ出た測定対象液が基板３０の平坦な表面にとどまって分析試料となる分析部１０とを備えている。

基板３０は２枚の平坦な基板３０ａ，３０ｂを張り合わせたものである。一方の基板３０ａに流路となる溝２３が形成され、溝２３を覆うように他方の基板３０ｂが張り合わせられている。基板３０ｂには流路２３の端部の位置に貫通穴９ａ〜９ｃがあけられている。基板３０ａ，３０ｂが張り合わされてマイクロチップ１となったとき、穴９ａ〜９ｃは基板３０ｂの平坦な表面に開口となって現れる。穴９ａ，９ｂは反応液などの液入口、穴９ｃは液出口である。

マイクロチップ１の大きさは、例えば、縦ｘ＝７０ｍｍ、横ｙ＝３０ｍｍ、基板３０ａ，３０ｂの厚さはそれぞれ０．７ｍｍである。流路２３の断面３６は、例えば、深さａ＝４０μｍ、幅ｂ＝１００μｍである。貫通穴９ａと９ｂの内径は０．５ｍｍ、貫通穴９ｃの内径は０．２ｍｍである。しかし、本発明のマイクロチップや流路の形状や大きさは上記のものに限定されるものではない。

図２はこのマイクロチップを用いた分析装置の概略正面図である。
１３はマイクロチップ１を載置する試料台である。試料台１３に載置されたマイクロチップ１の表面の分析部に対し１次Ｘ線を、全反射を起こす入射角で入射させる１次Ｘ線照射部２が設けられている。１次Ｘ線照射部２はＸ線を発生するＸ線源３、そのＸ線を単色化するための多層膜基板５、及び単色化されたＸ線のみを試料に照射するためのスリット７ａ，７ｂを備えている。
マイクロチップ１の分析部の試料から発生する蛍光Ｘ線を検出するために、試料台１３に載置されたマイクロチップ１の分析部に対向してＸ線検出器１１が配置されている。

試料台１３は調整機構１３ａ，１３ｂを備えており、調整機構１３ａ，１３ｂにより試料台１３上に載置されたマイクロチップ１の表面の高さ方向（Ｚ方向）及び入射Ｘ線に対するそのマイクロチップ１の表面の傾き方向（θ）を調整することができる。調整機構１３ａ，１３ｂは、高さ方向の調整を行なうステッピングモータ１３ａと、ステッピングモータ１３ａの下に配置され、マイクロチップ１の表面の傾きを入射Ｘ線に対して調整する傾斜モータ１３ｂとを含んでいる。

Ｘ線源３としては市販のＸ線管を用い、Ｘ線源３のＸ線出射窓にはベリリウム、窒化ホウ素、グラファイトなどのＸ線透過材料が用いられている。Ｘ線源３のＸ線出射窓とポリキャピラリＸ線レンズ５の間には、管球由来のＸ線が蛍光Ｘ線測定に影響を与えるのを防ぐために、ジルコニウム、アルミニウム、真鍮など、測定対象元素に応じて適当なフィルタが設けられることがある。
ここでは、Ｘ線源３として、モリブデンをターゲットとし、ベリリウムＸ線出射窓をもつＸ線管を使用し、Ｘ線源３のＸ線出射窓とポリキャピラリＸ線レンズ５との間にジルコニウムフィルタを配置した。

Ｘ線検出器１１には波長分散型分光器を備えたものとエネルギー分散型Ｘ線分光器を備えたものがある。波長分散型分光器は湾曲型の結晶の回折現象を用いる。エネルギー分散型Ｘ線分光器は試料から発生する全てのＸ線を検出器に同時に取り込み、Ｘ線のエネルギー選別を電気的に行うものである。エネルギー分散型Ｘ線分光器は波長分散型分光器に比べてエネルギー分解能が劣るものの測定時間が短くてすみ、全エネルギー範囲を同時に測定することができるという利点をもっている。それに対して波長分散型分光器は、エネルギー分散型Ｘ線分光器よりも測定時間が長くなる反面、エネルギー分解能が優れているという利点をもっている。元素分析では、これらの分解能の異なる２種類の分光器のいずれを使用してもよく、併用することもできる。ここでは、測定時間を短くするためにエネルギー分散型Ｘ線分光器を用いる。

マイクロチップ１の分析部１０に溢れ出した液体試料が水溶液である場合には、水によるＸ線の吸収を避けるために乾燥・濃縮させて固形試料にするのが好ましい。乾燥は自然乾燥によってもよいが、加熱して強制的に乾燥させる方が短時間ですむ。そのために、試料台１３に加熱機構を設けておいてもよい。

次に、マイクロチップ１の製造方法の一例を示す。
基板３０ａ，３０ｂとして石英ガラス基板を使用する。まず、一方のガラス基板３０ａにフォトレジストを塗布してプリベークし、フォトマスクを介してフォトレジストをＵＶ（紫外）光で露光する。その後、フォトレジストを現像してパターニングし、ポストベークした後、フォトレジストパターンをマスクとして基板３０ａをエッチングして流路２３となる溝を形成する。その後、フォトレジストを除去する。エッチングはドライエッチングでもウエットエッチングでもよいが、例えばフッ酸水溶液をエッチング液としてウエットエッチングを行う。

他方の基板３０ｂには貫通穴９ａ〜９ｃをサンドブラスト法などにより開ける。
そのように、流路溝２３と貫通穴９ａ〜９ｃが形成された２枚の基板３０ａ，３０ｂを、基板３０ａの溝２３が形成されている面に基板３０ｂを重ね合わせ、加熱と加圧により液密に接合する。

基板の素材としては石英ガラス基板の他、他のガラス基板やシリコン基板、樹脂基板を用いることもできる。いずれの場合も化学的もしくは機械的な手段により、又はレーザー照射やイオンエッチング等の各種の手段によって流路となる溝と貫通穴を形成することができる。

本実施例では石英ガラス製のマイクロチップを作製したが、石英ガラスは本来疎水性であるので、水溶液試料を扱いやすくするために、２枚の基板を接合する前に、流路の表面が親水性になるような化学処理を施すのが好ましい。

親水処理の一例を以下に工程順に示す。
（１）不純物金属成分を溶解させて除去するために塩酸に浸す。
（２）水洗する。
（３）水性溶媒と有機溶媒をつなぐためにエタノールに浸す。
（４）有機物を除去するためにアセトンに浸す。
（５）再び水性溶媒と有機溶媒をつなぐためにエタノールに浸す。
（６）水洗する。
（７）表面にＯＨ基を修飾するためにＮａＯＨ溶液に３０分間程度浸す。
（８）水洗してＮａＯＨを洗い流す。
このような処理を経ることにより、マイクロチップ１に形成される流路が親水性になる。

次に本実施例の動作を説明する。
図３はマイクロチップ１に試料溶液を注入して分析するときの実験操作の概略図である。マイクロシリンジ２１を用いて反応液をマイクロチップ１の液入口９ａに注入する。同様に液入口９ｂには他方の反応液を注入する。
両反応液は流路２３中で反応し、流路２３から液出口９ｃを経て基板３０ｂ上の分析部に溢れだして広がる。

図４は流れ出した溶液が液出口９ｃの周囲に広がった状態を示した画像であり、符合２５で示されたほぼ円形の領域が分析部に広がった溶液である。
この溶液試料の溶媒を乾燥させて除去し、その後、１次Ｘ線を全反射条件で照射することによって全反射蛍光Ｘ線分析法により試料の元素分析を行う。

図５に、この実施例のマイクロチップを用いて測定した蛍光Ｘ線スペクトルの一例を示す。この場合、流路２３は反応には使用せず、単に試料溶液の流通にのみ使用した。そのため、一方の液入口９ｂは閉じた状態で使用した。試料溶液としてＺｎ標準溶液（１．０１７ｍｇ／ｍＬ）を測定した。その試料溶液の０．０８ｍＬをシリンジ２１により流速０．２ｍＬ／ｈで液入口９ａから供給し、液出口９ｃの周囲の分析部に溢れ出させて展開させた。その展開された試料溶液を乾燥させた後、全反射蛍光Ｘ線分析を行った。

測定には、Ｘ線源３のＭｏターゲットを３０ＫｅＶ、２０ｍＡで動作させ、蛍光Ｘ線はエネルギー分散型検出器で６０秒間検出した。
図５の蛍光Ｘ線スペクトルで、横軸はエネルギー、縦軸は蛍光Ｘ線強度（カウント／秒）である。エネルギー１〜２０ｋｅＶの範囲の蛍光Ｘ線スペクトルのうち、１０〜１５ｋｅＶの枠で囲まれた部分を右上に拡大して示している。１．８ｋｅＶ付近にあるピークはマイクロチップの基板である石英ガラス中のＳｉから発生した蛍光Ｘ線、８．５ｋｅＶと９．５ｋｅＶ付近のピークはＺｎ標準試料中のＺｎから発生した蛍光Ｘ線、１０．５ｋｅＶ付近にあるピークはＰｂから発生した蛍光Ｘ線であり、Ｘ線の遮蔽に利用している鉛板が発生源と考えられる。１７．４ｋｅＶ付近のピークは励起Ｘ線であるＭｏＫａ線である。
この結果から、シグナル全体としてノイズが小さく、本発明のマイクロチップを用いた分析方法はＳ／Ｂ比が良いことが観測された。

図６はＺｎイオンの濃度を０〜１０００ｐｐｍの範囲で４種類に変化させて調製したＺｎ標準試料についてのＺｎ濃度（ｐｐｍ）とＺｎＫα線の蛍光Ｘ線スペクトルピークの強度（６０秒間の計数値の積分値を蛍光Ｘ線強度とした。）との関係を示したものである。重相関係数Ｒ²が０．９９５９となって、良好な直線性を示しており、このデータが未知試料の濃度を測定する際の検量線となりうることを示している。

図７は、複数成分の同時検出が可能であることを示すために、Ｆｅ、Ｃｕ及びＺｎを含む試料溶液を上記のマイクロチップを用いて図５に示した蛍光Ｘ線スペクトルを測定したのと同じ条件で測定したときの蛍光Ｘ線スペクトルである。横軸はエネルギー、縦軸は検出Ｘ線強度（カウント／秒）である。試料溶液はＦｅが３３０ｐｐｍ、Ｃｕが５００ｐｐｍ、Ｚｎが１６７ｐｐｍで、組成比はＦｅ：Ｃｕ：Ｚｎ＝２：３：１である。

エネルギー１〜２０ｋｅＶの範囲の全蛍光Ｘ線スペクトルのうち、６〜１１ｋｅＶの枠で囲まれた部分を右上に拡大して示している。６．５ｋｅＶ付近にあるピークはＦｅの蛍光Ｘ線、８ｋｅＶ付近にあるピークはＣｕの蛍光Ｘ線、９ｋｅＶ付近にあるピークはＺｎの蛍光Ｘ線である。
これらのピークは互いに明瞭に分離されていることから、複数の元素を同時に定量できることが確認された。

本発明は上記の記載の実施例のみに限定されるものではなく、請求項に記載の範囲内において実施可能である。例えば、上記の実施例では１次Ｘ線の入射角を調整する調整機構としてステッピングモータ１３ａ及び傾斜モータ１３ｂを用いたが、Ｘ線照射部２を調整することによってマイクロチップ上で１次Ｘ線が全反射条件を満たすように調整してもよく、Ｘ線照射部２とステッピングモータ１３ａ及び傾斜モータ１３ｂの両方によってマイクロチップ上で１次Ｘ線が全反射条件を満たすように調整してもよい。

本発明は、マイクロチップを用いて微量の溶液の反応や分離などを扱い、その結果を検出する機器分析装置に利用することができる。

マイクロチップの一実施例を示す図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は（Ａ）の液入口９ａから液出口９ｂに至る流路に沿った断面図、（Ｃ）は上面図、（Ｄ）はマイクロ流路の断面図である。 分析装置の一実施例を示す概略正面図である。 マイクロチップに試料溶液を注入して分析するときの実験操作の概略斜視図である。 分析部に流れ出した試料用液が展開された状態を示す画像である。 Ｚｎ標準試料を測定したときの蛍光Ｘ線スペクトルである。 標準試料についての蛍光Ｘ線スペクトルピーク強度と濃度との関係を示すグラフである。 Ｆｅ、Ｃｕ及びＺｎを含む試料溶液を測定したときの蛍光Ｘ線スペクトルである。

符号の説明

１ マイクロチップ
２ Ｘ線照射部
３ Ｘ線源
５ 反射板
７ａ，７ｂ スリット
９ａ，９ｂ， 液入口
９ｃ 液出口
１０ 分析部
１１ 検出器
１３ 試料台
１３ａ ステッピングモータ
１３ｂ 傾斜モータ
２１ マイクロシリンジ
２３ 流路
３０ａ，３０ｂ 基板
３６ 流路断面

Claims (6)

1. 基板と、
   該基板内部に形成された流路と、
   該基板の平坦な表面の一部からなり、前記流路の出口が開口として形成され、その開口から溢れ出た測定対象液が該基板の平坦な表面にとどまって分析試料となる分析部と、
   を備えたマイクロチップ。
2. 前記分析部は全反射の条件で１次Ｘ線が入射され、その分析部にある分析試料から発生する蛍光Ｘ線が別途設けられたＸ線検出器により検出されるものである請求項１に記載のマイクロチップ。
3. 請求項１又は２に記載のマイクロチップを用い、以下の工程（Ａ）から（Ｃ）を備えた分析方法。
   （Ａ）前記マイクロチップを使用して、前記流路から開口を経て前記分析部に測定対象液を分析試料として溢れ出させる工程、
   （Ｂ）前記分析部に溢れ出た分析試料に対し１次Ｘ線を全反射の条件で入射させる工程、及び
   （Ｃ）前記分析試料から発生する蛍光Ｘ線を検出する工程。
4. 前記工程（Ａ）と（Ｂ）の間に前記分析部の分析試料を乾燥させる工程を含む請求項３に記載の分析方法。
5. 前記流路では送液、化学反応及び分離のうちの少なくとも１つを行なう請求項３又は４に記載の分析方法。
6. 請求項１又は２に記載のマイクロチップを測定媒体とするものであり、
   １次Ｘ線を発生するＸ線源と、
   前記マイクロチップの前記分析部に対し前記１次Ｘ線を全反射の条件で入射させる１次Ｘ線入射調整機構と、
   前記マイクロチップの前記分析部に対向して配置され、前記分析部にある分析試料から発生する蛍光Ｘ線を検出するＸ線検出器と、
   を備えたマイクロチップ分析装置。