JP2008032584A - マイクロリアクターシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 分析を行う部分のみを使い捨てにし、試料への汚染や気泡混入がなくセンサーへの送液を行い、試料に含有する物質を高精度に分析できるマイクロリアクターシステムを提供する。
【解決手段】 試料の分析を行う分析チップを気密筐体内に設置し、分析チップからの廃液を気密筐体外に流す構成とする。気密筐体内外で差圧を発生させると、この差圧により分析チップ内の試料は気密筐体から外に向かう方向に力が加わり、分析チップ内に流れが発生する。この差圧を管理することにより、分析チップ内の流れを高精度に制御出来ると同時に、分析チップのみを使い捨てにできる構成とした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、極微量の試料に含有する物質を高精度に検出するマイクロリアクターシステムに関する。

近年、Ｌａｂ−ｏｎ−ａ−Ｃｈｉｐと呼ばれる小型分析システムの開発が盛んに行われている。これは、流路や反応槽、バルブ、センサ等の要素構造を小さな基板に集積した構成であり、この内部に流れる気体や液体に対して分析処理を行うものである。その一例として、樹脂製チップ内に設けられた微細な流路に血液を流し、臨床検査を行うバイオチップが挙げられる（例えば、非特許文献１参照。）。このような小型分析システムを用いると、少量の試料で高速に分析を行うことができる。さらに、微細な流路内では見かけの粘度が非常に高くなることから、複数の試料を順々に送液しても試料同士が混ざりにくく、試料を個別に送液制御することができる。このような利点を利用し、少量かつ多種の試料をオートメーションで高速分析する分析システムの実現が可能となる。
このような小型分析システムでごく少量の試料の分析を行うには、まず、高精度な分析が可能なセンサーが必要不可欠となる。現在、液体に含有する物質を高精度に分析するセンサーとして様々な方式が提案されており、一例を挙げると、光を用いて検出する表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ、特許文献１参照。）や二面偏波式干渉計（ＤＰＩ、特許文献２参照。）、水晶振動子の共振特性を利用したＱＣＭ（特許文献３参照。）などが一般的に知られている。しかしながら、いずれの種類のセンサーでも、試料に微細なゴミや気泡が混入すると分析精度が非常に低下することが課題となっていた。この課題を回避するため、センサーを搭載した分析チップ自体を使い捨てにする構成が提案されている。
特表 平４−５０１４６２号公報 特表 ２００１−５０４３２１号公報 特開 ２００３−２４０６９５号公報 Ｐｒｏｃ． μＴＡＳ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ２００２、ｖｏｌ．１、１８７−１８９

しかしながら、センサーを搭載した分析チップを使い捨てにするには、分析チップ内の試料の送液ポンプをどこに設置するかが課題となる。つまり、センサー上流側にポンプを設置して送液を行う構成とすると、ポンプまで使い捨てにせねばならず、非常に高価な構成となり、コスト面で使い捨てにできないという課題がある。また、センサーの下流側に吸引ポンプを設置して送液を行う構成では、試料の切り替え時等の気泡混入や、試料内に溶存していた気体が減圧環境下で試料内に飽和し気泡化するという問題があった。

本発明は、上記課題を達成するためにマイクロリアクターシステムを次のような構成にしたことを特徴とする。すなわち、一端から試料を供給し、他端から前記試料を排出するように設けられた流路内を流れる前記試料に含有する特定物質を捕獲する特定物質捕獲手段を有し、該特定物質捕獲手段により捕獲した質量を測定するマイクロリアクターシステムであって、前記流路と、該流路中に設けられ、前記前記捕獲手段を有するセンサーと、を有する分析用チップと、前記分析用チップを内部に設けた、気密性を有する気密筐体と、
前記気密筐体の外に設けられ、前記流路の前記他端と接続された廃液タンクと、前記気密筐体に接続され、前記流路の前記一端と前記廃液タンクとの間に差圧を発生及び制御することにより、前記流路内の前記試料の流れを制御する圧力制御部と、前記センサーに接続され、前記捕獲手段により捕獲された前記特定物質の前記質量を算出する検出用コントローラーと、を備える構成とした（第一の構成）。

また、第一の構成において、前記圧力制御部は、前記気密筐体に接続され、前記流路の前記一端と前記廃液タンクとの間の前記差圧を制御する圧力制御弁と、前記圧力制御弁に接続されたコンプレッサーと、からなる構成とした（第二の構成）。

また、第一もしくは第二の構成において、前記センサーが、ＱＣＭ（水晶マイクロバランス）、表面プラズモン共鳴、二面偏波式干渉計、表面弾性波の何れかの方式を用いたセンサーである構成とした（第三の構成）。

また、第一から第三のいずれかの構成において、前記分析用チップは気体透過性樹脂を用いてなるものである構成とした（第四の構成）。

本発明のマイクロリアクターシステムによると、分析を行う部分のみを使い捨てにでき、試料への汚染や気泡混入がなくセンサーへの送液ができるため、試料に含有する物質を高精度に分析することを実現できる。

以下、本発明について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。
図１は、本発明のマイクロリアクターシステム１０００の構成を説明する図である。
マイクロリアクターシステム１０００は、蛋白質等の生体分子の相互作用を分析すること、具体的にはリガンドにアナライトを結合させてその結合反応状態（例えば結合強度や結合速度や解離定数等）を検知するためのものである。

マイクロリアクターシステム１０００は、分析チップ１００、分析チップ１００を内部に設置した気密筐体２００、気密筐体２００に接続された圧力制御部３００、分析チップ１００に接続された廃液タンク５００から構成されている。

まず、分析チップ１００を図２に示す。図２（ａ）は分析チップの構成を、図２（ｂ）は分析チップの内部構造を説明する図である。分析チップ１００には、その内部にマイクロ流路２０ａ、２０ｂ、２０ｃが設けられ、マイクロ流路２０ａ、２０ｂの一端には、滴下部４０ａ、４０ｂが設けられ、マイクロ流路２０ｃの一端は廃液タンク５００に接続されている。また、マイクロ流路２０ａ、２０ｂ、２０ｃ上にはそれぞれ、マイクロバルブ３０ａ、３０ｂ、３０ｃが設けられている。さらに、マイクロ流路２０ｃの一部にＱＣＭセンサー１０が設置されている。このＱＣＭセンサー１０は、水晶基板１の両面に設けられた検出電極２と対向電極３、検出電極２上に設けられた特定物質捕獲手段４から構成されている。検出電極２と対向電極３は検出用コントローラー１０１に接続されている。なお、ここでは、分析チップ１００は、シリコーン樹脂の一種であるポリジメチルシロキサン（以下、ＰＤＭＳと略す）と水晶の複合体で構成し、サイズは、例えば、幅約２０ｍｍ、長さ約５０ｍｍ、厚さ約２ｍｍであり、また、マイクロ流路の幅、深さは共に０．５ｍｍである。

気密筐体２００は蓋付き箱状の筐体であり、開閉できる構造となっている。気密を保つため、開閉部にはパッキン２０４が設けられている。気密筐体２００の内部には、分析チップ１００を載置するとともに分析チップ１００を加熱または冷却可能な温度調整ステージ２０１、この温度調整ステージ２０１の温度を測定する測温センサー２０２、マイクロバルブ３０ａ、３０ｂ、３０ｃを駆動するためのバルブアクチュエーター２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃが設けられている。温度調整ステージ２０１にはペルチエ素子が取り付けられ、温度調整ステージ２０１全体を加熱／冷却することができる。また、温度調整ステージ２０１の背面の気密筐体２００に穴を設け、温度調整ステージ２０１の背面かつ気密筐体２００外部にヒートシンク２０６を設けている。さらに、温度調整ステージ２０１のペルチエ素子、測温センサー２０２各々と温度コントローラー２０３が、また、バルブアクチュエーター２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃと送液コントローラー２０５が接続されている。この温度コントローラー２０３は、側温センサー２０２により測定した温度に基づいて温度調整ステージ２０１を加熱または冷却するように制御する機能を有するものである。なお、気密筐体２００自体は、筐体内外で断熱機能があることが望ましい。

圧力制御部３００は、気密筐体２００に設置された圧力制御弁３０１、圧力制御弁３０１に接続されたコンプレッサー３０２から構成されている。コンプレッサー３０２からの圧縮空気は圧力制御弁３０１を経て、気密筐体２００内に到達する。このとき、圧力制御弁３０１により気密筐体２００内外の差圧を設定することができる。なお、コンプレッサー３０１から圧力制御弁３０２の間に、圧縮空気内の塵埃を除去するフィルターがあることが好ましい。

これらの構成が一体化し、マイクロリアクターシステム１０００となる。

次に、マイクロリアクターシステム１０００での送液制御について述べる。

まず、滴下部４０ａ、４０ｂに試料をそれぞれ滴下し、気密筐体２００を閉じる。このとき、マイクロバルブ３０ｃが閉状態になるよう送液コントローラー２０５で制御した後、コンプレッサー３０２を作動し、気密筐体２００の内圧と外部の気圧とが所定の差圧となるよう圧力制御弁３０１で制御する。さらに、気密筐体２００内の温度調整ステージ２０１が所定の温度となるよう温度コントローラー２０３で制御する。これらの制御が完了した後、マイクロバルブ３０ｂのみを閉状態にし、他のマイクロバルブを開くと、滴下部４０ａ内の試料がマイクロ流路２０ａ、ＱＣＭセンサー１０、マイクロ流路２０ｃの順に流れ、廃液タンク５００に到達する。

これは、気密筐体２００内外に差圧をつくることで、滴下部から廃液タンクまでの試料の送液経路の両端に差圧が発生し、この差圧により試料を流すことができる。同様に、マイクロバルブ３０ａのみ閉にすれば、滴下部４０ｂの試料が廃液タンク５００まで流れることになる。なお、この時の気密筐体２００内外の差圧を厳格に管理することで、試料の送液速度を制御することができる。ここでは、気密筐体２００内を大気圧より３５ｋＰａ高く設定し、８０μＬ／ｍｉｎの送液量を得る。

なお、マイクロバルブ３０は、マイクロ流路２０の一部を薄くした構成であり、この薄くした部分をバルブアクチュエーター２３０で変形させることで、マイクロ流路２０を閉じる構造である。バルブアクチュエーター２３０が加圧しない状態では、マイクロバルブ３０は変形せず、開いた状態となる。ここではバルブアクチュエーター２３０に、電磁駆動のリニアアクチュエーターを用いたが、電磁モーターに直動機構を接続したアクチュエーターや圧電アクチュエーター等でも同様に機能する。

次にＱＣＭセンサー１０での検出について述べる。ここで述べるＱＣＭセンサー１０は、水晶基板１にＡＴカット水晶板を用いており、ＡＴカット水晶板は、周期的に厚さ方向に電位差を設けると、厚みすべり振動が発生する性質を持っており、厚みすべり振動の共振現象を利用する。

滴下部４０から送液された試料は、マイクロ流路２０ａ、２０ｃを経てＱＣＭセンサー１０の片面を浸す。この試料に浸されたＱＣＭセンサー１０の表面には、検出電極２と特定物質捕獲手段４が設けられており、これらも試料に浸されることになる。試料が検出対象となる物質を含有していれば、この特定物質捕獲手段４に結合し、ＱＣＭセンサー１０には、結合した物質の質量が付加される。このようにＱＣＭセンサー１０に質量が加わると、ＱＣＭセンサー１０の厚みすべり振動の共振周波数が低下する。この共振周波数の変化量を測定することで、結合した物質の質量を検出することが出来る。なお、共振周波数の変化を測定するには、ＱＣＭセンサー１０の検出電極２と対向電極３の間に交流電圧を印加し、交流電圧の周波数とインピーダンスを測定して共振周波数を求める方法と、発振回路を利用してＱＣＭセンサー１０を発振させ、共振周波数の変化を周波数カウンター等で求める方法などがある。

次に、図３を参照しながら分析チップ１００の製造方法について述べる。

まず、ＡＴカットの水晶基板１両面の電極形成領域にクロムもしくはチタンの薄膜を形成した後、金を蒸着させ、もしくはスパッタにより堆積させて、検出電極２、対向電極３および各電極への配線を作成する。
次に、図３（ａ）に示すように、洗浄したシリコンウェハ３１を準備する。その後、洗浄したシリコンウェハ３１上にレジスト３２を形成し（図３（ｂ））、その上から剥離剤３３をコーティングし（図３（ｃ））、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）３４をその上に流して硬化させ（図３（ｄ））、ＰＤＭＳ３４とシリコンウェハ３１とを剥離させる（図３（ｅ））。これによりＰＤＭＳ３４に溝が形成される。水晶基板１とＰＤＭＳ３４とを重ね合わせた後、水晶基板１側から紫外線（光源：ＵＶエキシマランプ、波長１７２ｎｍ）を照射すると、水晶とＰＤＭＳのケイ素と炭素の結合が切れ、水晶とＰＤＭＳとがシロキサン結合（ケイ素と酸素が交互に結合）により、接合する（図３（ｆ））。その後、溝と垂直方向に、溝端部に穴を形成する（図３（ｇ））。

この後、図３（ａ）〜（ｅ）の工程を繰り返し、溝構造のあるＰＤＭＳ板を形成し、ＰＤＭＳ板同士を接合することで、マイクロ流路を形成することできる。
この水晶とＰＤＭＳ、ＰＤＭＳ同士の接合は共有結合であるため、水晶とＰＤＭＳ、ＰＤＭＳ同士は高い強度で結合できる。接合には、紫外線を照射するだけであるため、いずれの部材も加熱されることがなく、接合後、水晶に残留応力が発生しない。さらに、ＰＤＭＳ板３４は剛性が低いため、接合しても水晶の振動を減衰させることがない。

なお、上記の製造方法では、ＰＤＭＳとの接合時に紫外線を照射したが、接合面が十分に清浄であれば、両者を加圧接触させるだけで接合が可能である。ただし、両者を位置決めする際に、所定の位置関係ではない位置に接合されてしまうことがある。そのため、一方の接合面にエタノールを塗布した後、両者の位置合わせを行う。このとき、接合面はエタノールの層があるため、ＰＤＭＳが接合されることはない。所定の位置に位置決めできた時点で、両者を加圧接触させると、エタノールが押し流され、接合予定面が加圧接触して接合することが可能となる。

さらに、ＰＤＭＳの接合予定面に対し、酸素による反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を行い、接合予定面を活性化させる。その後、ＰＤＭＳ板を位置決めし、紫外線を照射して、接合することも可能である。また、接合面にシリコーンオイルを塗布した後、ＰＤＭＳを重ね合わせ、紫外線を照射することで、接合することも可能である。これらの方法を用いると、接合予定面に汚染や微細な凹凸が存在する場合でも、接合強度を高く維持することができる。

さらに、流路基板の形成にあたり、流動性シリコーン樹脂を型表面に流し、型の凹凸を転写する方法を用いるので、流路基板を簡易に製造することができる。また、シリコンウェハ上にレジストを形成した型は何度も使用できるため、流路基板の量産が容易である。

また、ここでは製造過程の一例を挙げたが、分析チップ基材として他のシリコーン樹脂や、ケイ素を含有しない樹脂表面に酸化ケイ素を塗布もしくはスパッタを施したものを用いても同様に実施可能である。

次に、検出電極２上に設置する特定物質捕獲手段４の形成方法について述べる。ここでは、一例として、自己組織化膜（Ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｅｄ ｍｏｎｏｌａｙｅｒ、以下ＳＡＭ）に抗体を固定した特定物質捕獲手段４の作成方法を示す。まずマイクロ流路内を洗浄するために純水を流した後、ＳＡＭ試薬（カルボキシル基末端ジスルフィド型）を流し、検出電極２上にＳＡＭを形成し、リン酸バッファで洗浄する。次に、ヒドロキシこはく酸イミドを流し、ＳＡＭを活性化し、再びリン酸バッファで洗浄する。その後、リン酸バッファに固定化する抗体を混合して流し、ＳＡＭに抗体を固定化する。ここでは、２枚の基板を接着もしくは接合した後、特定物質捕獲手段４を形成する方法を述べたが、水晶ウェハの段階で特定物質捕獲手段４を形成した後、接着もしくは接合工程を行っても製造可能である。

分析チップ１００内を流れる試料に対して、特定の物質のみを検出する過程について述べる。ここでは、一例として生体高分子、特に蛋白質の検出について述べる。

分析チップ１００の滴下部４０ａに試料を、滴下部４０ｂに緩衝液を滴下する。まず、マイクロバルブ３０ｂ、３０ｃを開き、滴下部４０ｂからマイクロ流路２０ｂを経て、ＱＣＭセンサー１０、マイクロ流路２０ｃに流れ、緩衝液でＱＣＭセンサー１０の片面を浸す。その後、マイクロバルブ３０ｂを閉じ、マイクロバルブ３０ａを開くと、試料が滴下部４０ａからマイクロ流路２０ａを経て、ＱＣＭセンサー１０に到達する。ＱＣＭセンサー１０の片面が試料に浸されると、検出電極２表面に設けられた特定物質捕獲手段４が試料で浸される。この時、特定物質捕獲手段４である抗体が、試料に含有する特定の抗原を捕獲固定し、検出電極２に付着する質量が増加する。このため、ＱＣＭセンサー１０の共振周波数が変化し、検出用コントローラー１０１がこのときの共振周波端数の変化量を測定し、検出電極２に付加した質量を算出する。このようにして、試料に含有する特定の抗原の有無とその含有量を測定することが可能となる。
以上により、分析を行う部分のみを使い捨てにでき、試料への汚染や気泡混入がなくセンサーへの送液ができ、試料に含有する物質を高精度に分析することが可能となる。

本発明の一実施形態に係るマイクロリアクターシステムの構造を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る分析チップの構造を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る分析チップの製造工程を示す図である。

符号の説明

１０００ マイクロリアクターシステム
１ 水晶基板
２ 検出電極
３ 対向電極
４ 特定物質捕獲手段
１０ ＱＣＭセンサー
２０ マイクロ流路
３０ マイクロバルブ
３１ シリコンウェハ
３２ レジスト
３３ 剥離剤
３４ ポリジメチルシロキサン
４０ 滴下部
１００ 分析チップ
１０１ 検出用コントローラー
２００ 気密筐体
２０４ パッキン
２０１ 温度調整ステージ
２０２ 測温センサー
２０３ 温度コントローラー
２０５ 送液コントローラー
２０６ ヒートシンク
２３０ バルブアクチュエーター
３００ 圧力制御部
３０１ 圧力制御弁
３０２ コンプレッサー
５００ 廃液タンク

Claims (7)

1. 一端から試料を供給し、他端から前記試料を排出するように設けられた流路内を流れる前記試料に含有する特定物質を捕獲する特定物質捕獲手段を有し、該特定物質捕獲手段により捕獲した質量を測定するマイクロリアクターシステムであって、
   前記流路と、該流路中に設けられ、前記特定物質捕獲手段を有するセンサーと、を有する分析用チップと、
   前記分析用チップを内部に設けた、気密性を有する気密筐体と、
   前記気密筐体の外に設けられ、前記流路の前記他端と接続された廃液タンクと、
   前記気密筐体に接続され、前記流路の前記一端と前記廃液タンクとの間に差圧を発生及び制御することにより、前記流路内の前記試料の流れを制御する圧力制御部と、
   前記センサーに接続され、前記特定物質捕獲手段により捕獲された前記特定物質の質量を算出する検出用コントローラーと、
   を備えることを特徴とするマイクロリアクターシステム。
2. 前記圧力制御部は、
   前記気密筐体に接続され、前記流路の前記一端と前記廃液タンクとの間の前記差圧を制御する圧力制御弁と、
   前記圧力制御弁に接続されたコンプレッサーと、
   からな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ーシステム。
3. 前記センサーが、ＱＣＭ（水晶マイクロバランス）、表面プラズモン共鳴、二面偏波式干渉計、表面弾性波の何れかの方式を用いたセンサーであることを特徴とする請求項１もしくは２に記載のマイクロリアクターシステム。
4. 前記分析用チップが気体透過性樹脂により形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のマイクロリアクターシステム。
5. 前記分析用チップ内に設けられ、前記流路を開閉するマイクロバルブと、
   前記マイクロバルブに接続され、該マイクロバルブの開閉を制御する送液コントローラーと、
   を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のマイクロリアクターシステム。
6. 前記気密筐体内に設けられ、前記分析用チップを載置して前記分析用チップを加熱または冷却する、ペルチエ素子からなる温度調整ステージと、
   前記温度調整ステージに接続され、前記温度調整ステージの前記加熱または冷却を制御する温度コントローラーと、
   を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のマイクロリアクターシステム。
7. 前記温度調整ステージに付加され、前記温度調整ステージの温度を前記温度コントローラーに出力する測温センサーを備えることを特徴とする請求項６に記載のマイクロリアクターシステム。

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