JP2007121058A - マイクロリアクタおよび該マイクロリアクタを用いた測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 反応条件を一定にし、高精度に解離定数を測定できるようにすること。
【解決手段】 質量センサの近傍に熱源、質量センサの上流および下流側に温度センサを備え、これにより質量センサ近傍のサンプル液の流速を知ることが出来る。測定した流速をもとに、サンプル液を送液するポンプの出力を制御し、質量センサ近傍でのサンプル液の流速を一定に保つことができる。さらに、熱源からの発熱で質量センサの温度を一定にでき、アナライトとリガンドの反応条件を一定にすることができる。なお、質量センサは水晶振動子の共振周波数を出力し、測定装置はこの周波数の遷移から質量を算出することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、基板に微細な流路（マイクロ流路）を形成したマイクロリアクタおよびそれを用いた測定装置に関し、例えば、異常蛋白質と結合する化合物の探索に用いるものに関する。

近年、ヒトゲノム（ヒトの遺伝子情報）の解析が終了し、異常な遺伝子構造が生成する異常蛋白質と病気との関係解明が進められつつある。

この関係の解明により、新薬の開発手法が、開発者の薬剤や化合物に対する経験と勘を頼りに行う既存手法から、異常蛋白質に直接作用する化合物を探索して新薬とする手法へと変化している。この手法の採用により、２０年近く必要としていた新薬開発の期間が、今後５年程度に短縮すると見込まれている。

新薬候補の化合物の探索には、異常蛋白質と新薬候補の化合物との物理的な結合力を表す定数である解離定数を指標として用いるのが一般的である。

解離定数の測定方法としては、以前は、酵素、発光物質、放射性同位元素などの標識物質を結合させた化合物を用い、この化合物と異常蛋白を結合させた後、標識物質の量を測定することで、結合した化合物を定量し、解離定数の算出を行っていたが、現在では、標識物質を用いずにマイクロリアクタで行う測定が注目されている。

マイクロリアクタとは、半導体やガラス、樹脂などで構成されたチップの中に導入路と廃液路を形成し、その間に反応槽を設けたデバイスである。反応槽には、予め異常蛋白質を固定したセンサが設置される。

このように構成されたマイクロリアクタにおいて、導入路から化合物を含むサンプル液を流し込むと、サンプル液中の化合物が反応槽に予め設置された異常蛋白質と反応し、反応後の廃液が廃液路から排出される。

なお、反応槽で予め固定されている物質はリガンドと呼ばれ、溶液として供給される物質はアナライトと呼ばれるため、以下ではこの用語を用いる。

反応槽においては、サンプル液中のアナライトのうちあるものはリガンドと結合してセンサに固定される。一方、センサに固定されていたアナライトのうち、リガンドから離れてサンプル液中に放出されるものもある。

アナライトとリガンドの反応が平衡状態に達すると（即ち、センサに固定されるアナライトの量と、センサから離れるアナライトの量が等しくなると）、リガンドに固定されているアナライトの量が一定量となる。このとき計測されるアナライトとリガンドとが結合した化合物、結合していないリガンド、結合していないアナライトの個数（モル濃度）から解離定数が算出され、この解離定数が新薬の探索で必要なデータとなる。

しかし、リガンドとアナライトの反応量は周囲の環境によって変化するため、解離定数を正確に求めるには、反応槽での温度や圧力、アナライト溶液の流速等を一定に保つ必要がある。中でも、アナライト溶液の流速は、マイクロ流路壁近傍の非常に遅い流速をセンシングし、一定流速となるよう制御するため、高精度な流速センサが必要となる。

従来、マイクロ流路内での流速を測定するための手段としては、たとえば以下のものが知られている。
（１）マイクロ流路から排出される単位時間あたりの流体の容積を測定し、流速を算出する方法。
（２）マイクロ流路内に蛍光粒子を導入して、粒子の流れを画像化する方法（非特許文献１など）。
（３）マイクロ流路内に設けた熱源からの熱伝導を利用し、温度分布から流速を算出する方法（熱流速計）。
（４）マイクロ流路内の流体にレーザー光を照射して、流体の屈折率を変化させ、照射時と下流での屈折率変化検出時との時間差から流体流速を計測する方法（特許文献１）。
特開２００５−１４０７５６号公報 Ｐａｕｌ， ｅｔ．ａｌ， Ｉｍａｇｉｎｇ ｏｆ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ− ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｋｉｎｅｔｉｃａｌｌｙ Ｄｒｉｖｅｎ Ｆｌｏｗｓ ｔｈｒｏｕｇｈ Ｏｐｅｎ Ｃａｐｉｌｌａｒｉｅｓ， Ａｎａｌ． Ｃｈｅｍ． ７０， ｐ．２４５９ （１９９８年）

しかし、これらの流速測定技術では、アナライト溶液に対して、反応に不要な粒子を混入したり、熱などを加えたりすることで、リガンドとアナライトの反応条件が変化してしまい、アナライトの反応量が変化するという問題があった。

また、容積などから算出する方法では、流路中央での最大流速はある程度の精度で算出できるが、流路壁近傍での流速を正確に算出できないという問題があった。

そこで、本発明の目的は、リガンドが固定された反応槽壁面近傍のアナライト溶液や緩衝液の流速を正確に測定し、リガンドとアナライトの反応条件を一定に制御することで、正確な解離定数を測定できるようにすることである。

本発明は、前記目的を達成するために、試料を含む溶液を流す流路と、流路上に設けられた獲得物質によって獲得された記溶液中の試料の質量を表す質量情報を取得する質量取得手段と、質量取得手段近傍における、溶液の流速を表す流速情報を取得する流速取得手段とを具備したことを特徴とするマイクロリアクタを提供する（第一の構成）。

第一の構成において、前記質量取得手段は、前記獲得物質を固定する共振部材の共振周波数を質量情報として取得することを特徴とするマイクロリアクタを提供する（第二の構成）。

第一の構成において、前記質量取得手段は、前記獲得物質の上を流れる溶液を伝播する弾性波の速度を質量情報として取得することを特徴とするマイクロリアクタを提供する（第三の構成）。

第一の構成、第二の構成、又は第三の構成において、前記流速取得手段は、質量取得手段近傍の温度分布情報を流速情報として取得することを特徴とするマイクロリアクタを提供する（第四の構成）。

また、本発明は、第一の構成から第四の構成までのうちの何れか１の構成のマイクロリアクタを用いた測定装置であって、前記取得した質量情報を用いて、前記試料と前記獲得物質の解離定数を算出する解離定数算出手段を具備したことを特徴とするマイクロリアクタを用いた測定装置を提供する（第五の構成）。

また、本発明は、第一の構成から第四の構成までのうちの何れか１の構成のマイクロリアクタを用いた測定装置であって、前記取得した流速情報を用いて、前記試料を含む溶液の流量を制御する送液制御手段を具備したことを特徴とするマイクロリアクタを用いた測定装置を提供する（第六の構成）。

本発明によると、リガンドとアナライトの反応条件を一定に制御でき、正確な解離定数を測定することができる。

（実施の形態の概要）
アナライトを獲得する質量センサが設けられた基板に流速センサを備える。これにより質量センサでのアナライト溶液や緩衝液の流速を測定することができるので、質量センサでの流速をほぼ一定に保つことができる。

流速センサは、熱源と温度センサで構成する。熱源からの熱は基板内を伝導し、基板に温度分布を生じる。基板表面をアナライト溶液や緩衝液が流れると温度分布も下流側に移動するため、アナライト溶液や緩衝液の流速を測定することができる。

また、熱源を質量センサ近傍に配置するため、アナライト溶液や緩衝液の流れの有無に関わらず、質量センサでの温度を一定に保つことが出来る。
（実施の形態の詳細）
図１は、本実施の形態のマイクロリアクタの構造を模式的に表した平面図である。

マイクロリアクタ１は、例えばガラスなどで構成された筐体部材により構成されており、この筐体部材内に各種の構成要素が形成されている。

マイクロリアクタ１の外寸は、長さ（導入路３の方向）が５０〜１００［ｍｍ］程度、幅が１０〜２０［ｍｍ］程度、厚さが数［ｍｍ］程度である。

マイクロリアクタ１には、導入路３、反応槽４、廃液路５などが形成されている。そして、反応槽４には質量センサ７が設置され、質量センサ７の導入路３側および廃液路５側に温度センサ８ａ、８ｂが、質量センサ７の背面に熱源９が設けられている。これら温度センサ８ａ、８ｂおよび熱源９から、流速センサ１０が構成されている。

なお、緩衝液とサンプル液の流れを制御するバルブや、質量センサ７、濃度センサ９を構成する配線などは図示していない。

導入路３は、マイクロリアクタ１の外部から反応槽４に溶液を導く流路であり、緩衝液、及びアナライトを含んだサンプル液はこの管を通って反応槽４に導かれる。

一方、廃液路５は、反応槽４から排出される溶液をマイクロリアクタ１の外部に導く流路であり、反応槽４で反応を終えたサンプル液はこの管を通って排出される。

本実施の形態では、廃液路５の側から溶液を吸引することにより、導入路３から溶液が供給されるように構成した。

導入路３の側にポンプを設置して、溶液をマイクロリアクタ１に供給することも可能であるが、この場合、ポンプなどに前の実験で使用したアナライトが残留し、今回の測定に混入してしまうことで、測定精度に影響する場合があり（コンタミネーション）、本実施の形態では、溶液を吸引してマイクロリアクタ１に供給することにより、このような問題を防止した。

質量センサ７（質量取得手段）は、表面にリガンドが固定してあり、着脱可能に構成されている。以下に図２を用いて質量センサ７の構造について説明する。

図２は反応槽４の断面を表している。質量センサ７は、金薄膜１３、リガンド１１、水晶振動子１４などから構成されている。

金薄膜１３の上には、図示しない自己組織化膜を介してリガンド１１が予め固定されている。また、金薄膜１３の下面には水晶振動子１４が設けられている。水晶振動子１４は、コルピッツ発信回路の一部を成しており、水晶振動子１４を厚みすべり振動モードで共振させ、金薄膜１３をサンプルの流れと平行な面内で振動させるようになっている。ここで、金薄膜１３、リガンド１１、水晶振動子１４は共振部材を構成している。

質量センサ７の上を流れるアナライト１６のうち、あるものはリガンド１１と結合して（例えば、アナライト１６ａ）質量センサ７に固定される。

また、一旦質量センサ７に固定されたアナライトであっても、アナライト１６ｂのように、リガンドとの結合が切れて再びサンプル液中に放出されるものもある。

このように、リガンド１１は、試料（アナライト１６）を含む溶液から試料を獲得する獲得物質を構成している。

質量センサ７にアナライトが固定されると質量センサ７の質量が増すため、質量センサ７の共振周波数がｆｒからｆｒ＋Δｆへシフトする。このシフト量Δｆに次の式（１）を適用することにより質量センサ７に固定されたアナライトの質量Δｍを計算することができる。ここで、Ａは金薄膜１３の面積であり、ρｑは水晶の密度であり、μｑは水晶の剪断応力である。

なお、共振周波数は質量センサ７に固定されたアナライトの質量を表す質量情報を構成している。

次に、流速センサ１０（流速取得手段）について説明する。

流速センサ１０は、図３（ａ）に示したように、ともに蛇行した細線状の電極である熱源９と温度センサ８ａ、８ｂにより構成されている。図３（ｂ）は、熱源９と温度センサの断面を示している。

熱源９は質量センサ７の背面に、温度センサ８ａ、８ｂは質量センサ７と同一平面上に近接して配置されている。流体の流速は流路の高さ方向で異なるので、質量センサ７と同一平面に温度センサ８ａ、８ｂを設けることで、流路壁面近傍の流速測定が可能となる。

熱源９は、質量センサ７を構成する金薄膜１３の設置面と対向した面に配置されており、細線状の熱源９と金薄膜１３、及び細線状の熱源９と金薄膜１３との間に配置された水晶基板とで水晶振動子を構成している。そのため、熱源９は水晶振動子としての片側電極を構成すると共に発熱体としての機能も有しており、この熱源９は発熱し、その熱は水晶振動子１４を伝導して、水晶振動子１４内で熱源９を中心とした温度分布が発生する。ここで、流速センサ１０の上をサンプル液が通過すると、この温度分布の中心がサンプル液の下流側に移動する（図３（ｃ）参照。）。

温度分布の移動はサンプル液の流速と対応させることができるため、温度センサ８ａ、８ｂの電気抵抗値の差により、サンプル液の流速を測定することができる。ここで、電気抵抗値は温度情報、および流速情報を構成している。

また、本実施の形態では、熱源９、温度センサ８ａ、８ｂの形状を蛇行した細線状とすることにより、小さい設置領域面積で大きな熱の発生および大きな抵抗値変化を得ることが出来るようにしてある。

さらに、質量センサ７の熱源９設置面に対する投影面積より熱源９の設置面積を大きくすることで、サンプル液の流れによる質量センサ７の温度変動を小さくすることが出来る。

このように質量センサ７の温度をほぼ一定に保ちながら、流路壁面近傍の流速を測定できることから、質量センサ７近傍でのアナライトとリガンドの反応条件を一定に制御することが可能となる。

以上のようにマイクロリアクタ１は、質量センサ７の近傍に流速センサ１０を設けたため、一定反応条件下で反応したアナライト量を、質量センサ７で検出することができる。

なお、マイクロリアクタ１では、質量センサ７の背面に熱源９を設けたが、質量センサ７と熱源９を同一平面に設けることも可能である。

また、図４は質量センサ７と熱源９を同一平面に設けたマイクロリアクタ１ａの構成を模式的に示した図である。

質量センサ７ａは、水晶振動子１４上に設けた細線状の熱源９ａ表面に固定したリガンド１１と、その対向面に設置した電極２０から構成している。質量センサ７ａは、リガンド１１と反応したアナライト１６の質量を共振周波数の変動から測定し、同時に、リガンド１１が固定された熱源９ａは一定温度となるよう発熱する。この発熱は、水晶振動子１４内に温度分布を形成し、熱源９ａの上流および下流に設けられた温度センサ８ａ、８ｂで温度分布の移動量を検出し、壁面近傍の流速を測定することができる。

なお、熱源上にリガンドを固定したマイクロリアクタの場合、質量を検出するための領域（質量センサ７ａ）が直接発熱するため、アナライトとリガンドの反応条件の温度を高速かつ正確に制御することができるという利点もある。

次に、マイクロリアクタ１を用いた流速制御について述べる。

サンプリング周期ｄＴでマイクロリアクタ１から質量センサ７の共振周波数と流速センサ１０の電気抵抗値を取得し、これらを解析して質量センサ７に固定されたアナライトの質量Δｍと、その時のサンプル液の流速Ｖｓを算出する。算出した流速Ｖｓをもとに、マイクロリアクタ１に接続されたポンプの出力を調節し、流速Ｖｓが常に一定になるよう制御する。これにより、質量センサ７近傍の反応条件を一定に保つことができ、高精度の解離定数を測定することが可能となる。

図５は、本実施の形態に係るマイクロリアクタを用いた測定装置のハードウェア的な構成の一例を示したブロック図である。

測定装置１００は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）５１、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）５２、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）５３、入力装置５４、表示装置５５、印刷装置５６、電子回路５７、記憶装置５８、記憶媒体駆動装置５９、入出力Ｉ／Ｆ（インターフェース）６０などの各機能部がバスライン５０で接続されて構成されている。

ＣＰＵ５１は、所定のプログラムに従って、各種の演算処理、情報処理、及び測定装置１００を構成する各構成要素の制御を行ったりする中央処理装置である。

ＣＰＵ５１は、電子回路５７を介してマイクロリアクタ１から出力される共振周波数及び電気抵抗値をサンプリングしたり、サンプリングしたこれらの値を用いて質量センサ７で固定されたアナライトの質量Δｍやサンプリング液の流速Ｖｓを算出するほか、これらの値を用いて解離定数の計算も行う。

ＲＯＭ５３は、測定装置１００を動作させるための基本的なプログラムやデータなどを記憶した読み出し専用の記憶装置である。

ＲＡＭ５２は、ＣＰＵ５１が動作するためのワーキングエリアを提供する読み書き可能な記憶装置である。ＲＡＭ５２は、質量センサ７の共振周波数、温度センサ８ａ、８ｂの抵抗値、ＣＰＵ５１が算出したΔｍやＶｓ等を記憶する。

入力装置５４は、例えば、キーボードやマウスなどの入力装置を備えており、ユーザが測定装置１００を使用するのに必要な情報を入力できるようになっている。

表示装置５５は、文字情報や画像情報を表示する表示デバイスを備えており、ユーザが測定装置１００を使用するのに必要なメニュー画面などが表示されるようになっている。また、固定されたアナライトの質量や算出した解離定数も表示装置５５に表示することができる。

表示デバイスは、例えば、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ、その他のディスプレイ装置で構成することができる。

電子回路５７は、マイクロリアクタ１に電力を供給して駆動すると共に、マイクロリアクタ１から出力される質量センサ７の共振周波数や流速センサ１０の電気抵抗を検出する。

更に、電子回路５７は、マイクロリアクタ１の出力データ（アナログデータ）を時間間隔ｄＴにてサンプリングしてデジタルデータに変換し、ＣＰＵ５１に提供する。

印刷装置５６は、例えば、レーザプリンタやインクジェットプリンタなどの印刷装置であり、実験データを印刷できるようになっている。

記憶媒体駆動装置５９は、装着された着脱可能な記憶媒体を駆動し、データの読み書きを行う機能部である。

読み書き可能な記憶媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、半導体記憶装置、磁気テープ、紙テープがある。

また、読み取り専用の記憶媒体としては、例えば、ＣＤ−ＲＯＭなどの光ディスク類がある。

測定装置１００は、記憶媒体駆動装置５９に装着した記憶媒体からプログラムのインストールなどを行うことができるほか、実験データを記憶媒体に書き込むこともできる。

記憶装置５８は、例えば、ハードディスクなどで構成された大容量で読み書き可能な記憶装置である。

記憶装置５８には、プログラム類を格納したプログラム格納部６１とデータ類を記憶したデータ格納部６２が形成されている。

プログラム格納部６１には、ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）、マイクロリアクタ実験プログラムなどの各種プログラムがＣＰＵ５１で実行可能に記憶されている。

ＯＳは、ファイル入出力の管理や各種機能部を制御するなど、測定装置１００を運営する基本的な機能をＣＰＵ５１に発揮させるためのプログラムである。

マイクロリアクタ実験プログラムは、マイクロリアクタ１から出力されるデータを電子回路５７から取得して解離定数を算出したりなどするプログラムである。

データ格納部６２には、マイクロリアクタ１による実験データなどが記憶される。

以上、本実施の形態について説明したが、これによって次のような効果が得られる。
（１）マイクロリアクタ１内に流速センサ１０を備えることができる。
（２）流速センサ１０で、質量センサ７近傍のサンプル液の微速な流速を検出することができる。
（３）検出したサンプル液の流速をもとにフィードバック制御することで、質量センサ７近傍のサンプル液の流速を一定にできる。
（４）質量センサ７近傍の温度や流速等の反応条件を一定にでき、高精度に解離定数の測定ができる。
（５）サンプル液を廃液路５側から吸引してマイクロリアクタ１に供給し、マイクロリアクタ１を使い捨て方式とすることにより、コンタミネーションを防止することができる。

なお、本実施の形態では、リガンドを異常蛋白質とし、アナライトを新薬候補の化合物としたが、逆にリガンドを新薬候補とし、アナライトを異常蛋白質としてもよい。

また、質量センサ７に固定されたアナライトの量を求める方法は、共振周波数を用いたものに限定せず、弾性波の速度を用いたセンサ（ＳＡＷセンサ）を用いることもできる。

本実施の形態のマイクロリアクタの構造を模式的に表した平面図である。 質量センサの構造について説明するための図である。 流速センサの構造について説明するための図である。 本実施の形態のマイクロリアクタの構成を模式的に示した図である。 本実施の形態に係る測定装置のハードウェア的な構成の一例を示したブロック図である。

符号の説明

１ マイクロリアクタ
３ 導入路
４ 反応槽
５ 廃液路
７ 質量センサ
８ 温度センサ
９ 熱源
１０ 流速センサ
１１ リガンド
１３ 金薄膜
１４ 水晶振動子
１６ アナライト
２０ 電極
１００ 測定装置

Claims (6)

1. 試料を含む溶液を流す流路と、
   前記流路上に設けられた獲得物質によって獲得された前記溶液中の試料の質量を表す質量情報を取得する質量取得手段と、
   前記質量取得手段近傍における、前記溶液の流速を表す流速情報を取得する流速取得手段と、
   を具備したことを特徴とするマイクロリアクタ。
2. 前記質量取得手段は、前記獲得物質を固定する共振部材の共振周波数を質量情報として取得することを特徴とする請求項１に記載のマイクロリアクタ。
3. 前記質量取得手段は、前記獲得物質の上を流れる溶液を伝播する弾性波の速度を質量情報として取得することを特徴とする請求項１に記載のマイクロリアクタ。
4. 前記流速取得手段は、質量取得手段近傍の温度分布情報を流速情報として取得することを特徴とする請求項１、請求項２、又は請求項３に記載のマイクロリアクタ。
5. 請求項１から請求項４までのうちの何れか１の請求項に記載のマイクロリアクタを用いた測定装置であって、
   前記取得した質量情報を用いて、前記試料と前記獲得物質の解離定数を算出する解離定数算出手段を具備したことを特徴とするマイクロリアクタを用いた測定装置。
6. 請求項１から請求項４までのうちの何れか１の請求項に記載のマイクロリアクタを用いた測定装置であって、
   前記取得した流速情報を用いて、前記試料を含む溶液の流量を制御する送液制御手段を具備したことを特徴とするマイクロリアクタを用いた測定装置。

Images