JP2008203003A - マイクロ流路およびマイクロリアクタ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】センサに液体を供給またはセンサへ供給した液体を排出するためのマイクロ流路である。起立状態で使用される流路本体10が、流路中心線Jに平行な分割面Sで分割される、疎水性を示す第1の壁面部11と親水性を示す第2の壁面部12とを有する。第1の壁面部の周長をLa、第1の壁面部と液体との接触角をθa、第2の壁面部の周長をLb、第2の壁面部と液体との接触角をθbとするとき、流路本体が、以下の式で表される条件を満たす。
La・cosθa+Lb・cosθb<0
【選択図】図4
Description
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量を指標として用いるのが一般的である。結合量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ていたが、現在では、標識物質を用いずに測定を行う方法が注目されている。
その方法の一つとして、反応器を用いた測定方法を示す。反応器とは、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反応器において、導入路から化合物を含む被測定試料液をポンプを用いて流し込むと、被測定試料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。
このような反応器に関する技術としては、次のようなものがある。すなわち、センサに圧電振動子(特に水晶振動子)の振動を利用し、圧電振動子表面に接する試料の粘性や振動子に付着した微少な質量を測定する技術である。詳細に説明すると、圧電振動子の両面に形成した電極に交流電圧を印加すると、圧電振動子の材料特性および形状から決定される特定の周波数で共振する。そこで、圧電振動子の電極に物質が付着すると、付着した質量に応じて振動子全体の共振周波数が変化する。この変化を検出することで、電極に付着した物質の質量を測定するという技術である。
しかし、このような質量計測手段では、特定の物質の検出ができない。このため、特定の物質のみを吸着もしくは捕獲する手段を所定位置に固定し、特定の物質のみの質量を測定できる技術が求められる。このような要求に応える技術として、蛋白質の検出に抗原抗体反応を利用する技術が知られている(例えば、特許文献1参照。)。このような構成をセンサに利用すると、ある特定の測定対象物質の微小な質量を測定することが可能となる。また、前述した反応器と同時に、ひとつのチップ基板内にバルブ、送液流路、液体の導入口、排出口を作りこんだものが、マイクロリアクタと呼ばれている。
しかしながら、この種の測定で用いられている従来の送液ポンプは、ダイアフラム式やローラー式のものが主流であり、いずれにしても送液時に脈動が発生してしまう。この脈動は、前述したように測定ノイズとなり精密な測定を妨げる。
この方法を実現するためには、疎水性を示す材料、例えばプラスチックを用いてマイクロ流路を構成するのが好ましい。疎水性の材料であれば、液体を弾くのでマイクロ流路内部に留まることなく、均一に液体を流すことができるからである。
しかしながら、プラスチックには蛋白質が非特異吸着し易いという欠点がある。対して、蛋白質の非特異吸着が起きにくい材料として、ガラスがある。しかしながら、ガラスは親水性のため、ガラスを用いてマイクロ流路を製造すると、マイクロ流路内部に溶液を留めようとする力が働き、重力を利用した送液が行えなくなる。
La・cosθa+Lb・cosθb<0 …(1)
したがって、この請求項1に係るマイクロ流路の場合、流路本体内に存する液体が第1の壁面部との間の表面張力によって受ける鉛直上方への力は、周長がLaであるから、
T・La・cosθaとなる。
同様に、流路本体内に存する液体が第2の壁面部から表面張力によって受ける鉛直上方への力は、周長がLbであるから、T・Lb・cosθbとなる。
T・La・cosθa+T・Lb・cosθb …(2)
(2)式を変形すると、以下の(3)式になる。
T(La・cosθa+Lb・cosθb) …(3)
θa>θb …(4)
θa>90deg …(5)
θb<90deg …(6)
物質が親水性に属するか疎水性に属するか判断がつきにくい場合がある。ここでは、親水性か疎水性かを論じることなく、液体と壁面部との接触角が90degを超えるかそれ未満かで、親水性か疎水性かに代えてそれを判断することができる。したがって、第1の壁面部あるいは第2の壁面部の材料を選択する場合、液体との接触角のみを調べれば足りるので、その選択が容易になる。
2部材の合わせ面に流路本体を形成する場合、両部材の少なくともいずれか一方の合わせ面に予め溝を形成しておき、それら両部材を接合する方法がある。この場合、部材の合わせ面に形成する溝は、断面円弧状のものよりも断面多角形状(例えば角状)のものを形成する方が、精度が出易くかつ加工が容易である。このため、2部材の合わせ面に断面多角状の流路本体を形成する場合には、他の断面形状の流路本体を形成するよりも、精度が出易くかつ加工が容易になる。
液体を流す場合、角部があるとそこによどみが生じ、均一に流すことが難しくなる。ここでは、流路本体の断面形状を円状としているので、よどみを生じさせることなく、流路本体内にある液体を、均一に流すことができる。
ここでは、プラスチックとガラスという一般的に使用されている材料によって流路本体を構成しているので、容易に製造でき、かつ、コストも低減できる。
この場合、マイクロリアクタは前述したマイクロ流路の利点を備えることとなる。
<第1実施形態>
以下、本発明の第1実施形態における、マイクロ流路を備えるマイクロリアクタについて、図面を参照して説明する。
図1はマイクロリアクタの断面図、図2は図1のII−II線に沿う断面図、図3はプラスチック板の正面図である。
ガラス板2とプラスチック板3との合わせ部分には、前記圧電振動子センサ4に液体を導く導入路5が上端部から中央部にかけて形成され、同合わせ部分には、前記圧電振動子センサ4に送液した前記液体を外部へ排出する廃液路6が中央部から下端に達するように形成されている。なお、導入路5の上端は液体導入口5aとされ、廃液路6の下端は液体排出口6aとされている。
また、導入路5または連通路9には、図示せぬバルブが介装され、導入路5を流れる液体の送液・停止を制御できるようになっている。
導入路5は前記圧電振動子センサ4に微量の液体を送液するためのマイクロ流路を構成するものである。導入路5は図4に示すように起立状態で使用される流路本体10を備える。流路本体10は、流路中心線Jに直交する断面形状が4角形状に形成されている。また、流路本体10は、流路中心線Jに平行な分割面Sで分割される、第1の壁面部11と第2の壁面部12とを有する。
第1の壁面部11は、前記プラスチック板3の表面の一部がコ字状に削られた溝の表面により形成されるものであって、疎水性を有する。第2の壁面部12は、前記ガラス板2の表面により形成されるものであって、親水性を有する。
さらに、前記両接触角θa、θbは、前述した(4)〜(6)式で表される条件を満たすものとする。
まず、液体導入口5aから例えば水(真水)を供給し、導入路5、反応槽8および廃液路6内に満たす。この場合、後述するように、重力や表面張力を利用することにより、水を満たしても良いが、これに限られることなく、ポンプを用いて水を満たしても良い。というのは、このとき、圧電振動子センサ4による計測は行わず、単に、マイクロリアクタの流路に水を満たすだけだからである。
ここで、導入路5内に水が供給される場合を考察する。
導入路5は、図4に示すように奥行きt、幅w、高さhの直方体形状である。したがって、この導入路5内に水が充たされた場合、比重をρとすると、この導入路5内に満たされる水に加わる重力Wは、以下の(7)式で表される(gは重力加速度)。
ρ・g・t・w・h …(7)
一方、導入路5内の水と壁面部との間の表面張力Tによる鉛直上方への力は、以下の
(8)式で表される。
T・w・cosθa+T・2t・cosθa+T・w・cosθb …(8)
ρ・g・t・w・h=T・w・cosθa+T・2t・cosθa+T・w・cosθb …(9)
上記(9)式を変形すると、
h=(T/(ρ・g))((cosθa)/t+2(cosθa)/w+(cosθb)/t) …(10)
となる。
例えば、接触角θa=112(deg)、接触角θb=30(deg)、
ρ=998.2(kg/m2)、g=9.8(m/s2)、
T=0.00728(N/m)、w=0.5(mm)、t=0.08(mm)を、それぞれ代入してみる。
すると、
h=0.03456(m)
が得られる。
一方、導入路5の高さhが0.03456(m)を越えると、導入路5内の水は表面張力よりも、重力の影響を強く受けて下降する。逆に、導入路5の高さhが0.03456(m)に満たないと、導入路5内の水は表面張力の方が強くなって上昇することとなって、導入路5内に水を流すことはできない。
上記(8)式は以下の(11)式に変形できる。
T((w+2t)・cosθa+w・cosθb) …(11)
ここで、図4にも示すように、w+2tは第1の壁面部11の液面に沿った周長Laに他ならず、また、wは第2の壁面部12の液面に沿った周長Lbに他ならない。したがって、(11)式は、以下の(12)式に変形できる。
T(La・cosθa+Lb・cosθb) …(12)
(w+2t)・cosθa+w・cosθb<0 …(13)
この(13)式に、具体的な接触角θa=112(deg)、接触角θb=30(deg)をそれぞれ代入すれば、
w<1.5246t
が得られる。
つまり、接触角θa、θbがそれぞれ上記値であることを条件に、導入路5の奥行きtと幅wとが、w<1.5246tの関係を満たせば、流路本体10内に存する液体は、重力の影響を受けることなく、表面表力のみの力によって、下方へ流れることとなる。
つまり、脈動の発生を抑えることで、特定物質の質量測定を行う場合にその精度を向上させることができる。しかも、流路本体10は、疎水性を示す第1の壁面部11と親水性を示す第2の壁面部12とを有しているので、例えばプラスチック等からなる、疎水性を示す壁面部のみによって流路本体を構成する場合に比べて、親水性を示す壁面部を有する分、非特異吸着を抑えることができる。
なお、反応槽8で反応後の廃液は、連通路9及び廃液路6を介して外部へ排出される。
図6は、本発明の第2実施形態を示す。この第2実施形態では、マイクロリアクタの全体構成については、前述の第1実施形態と略同様であるので省略し、ここでは、マイクロ流路のみを示す。
ここで示すマイクロ流路が前記第1実施形態のそれと異なるところは、マイクロ流路の流路本体の断面形状が異なる点である。
すなわち、前記第1実施形態では、流路本体の流路中心線Jに直交する断面形状が4角形状に形成されていたが、この第2実施形態では、流路本体21の流路中心線Jに直交する断面形状が円状に形成されている。
そして、この実施形態においても、第1の壁面部22の流路中心線に直交する面に沿った周長をLa、第1の壁面部22と液体との接触角をθa、第2の壁面部23の流路中心線に直交する面に沿った周長をLb、第2の壁面部と23液体との接触角をθbとするとき、前記(1)式で示す条件を満たす。
例えば、前記第1実施形態では、流路本体の流路中心線に直交する断面形状を4角形状に形成したが、これに限られることなく、3角形あるいは5以上の多角形状にしても良い。 また、前記第1実施形態では、流路本体を形成するにあたり、プラスチック板3のガラス板2との合わせ面のうちプラスチック板3の合わせ面にのみ、コ字状の溝を形成しているが、これに限られることなく、双方の板2,3のそれぞれの対向面にコ字状の溝を形成してもよい。
また、前記実施形態では、流路本体に、疎水性を示す第1の壁面部と親水性を示す第2の壁面部とを形成するにあたり、流路本体の周壁を周方向に2分割することで形成しているが、これに限られることなく、流路本体の周壁を周方向に4以上の複数個に分割し、疎水性を示す第1の壁面部と親水性を示す第2の壁面部とを交互に配置する構成にしてもよい。
2ガラス板
3プラスチック板
4圧電振動子センサ
5導入路(マイクロ流路)
6廃液路(マイクロ流路)
8反応槽
9連通路
10、21流路本体
11、22第1の壁面部
12、23第2の壁面部
Claims (6)
- センサに液体を供給またはセンサへ供給した液体を排出するためのマイクロ流路であって、
起立状態で使用される流路本体が、流路中心線に平行な分割面で分割される、疎水性を示す第1の壁面部と親水性を示す第2の壁面部とを有し、
前記第1の壁面部の前記流路中心線に直交する面に沿った周長をLa、前記第1の壁面部と前記液体との接触角をθa、前記第2の壁面部の前記流路中心線に直交する面に沿った周長をLb、前記第2の壁面部と前記液体との接触角をθbとするとき、
前記流路本体が、以下の式で表される条件を満たすことを特徴とするマイクロ流路。
La・cosθa+Lb・cosθb<0 - 前記両接触角θa、θbが、以下の式で表される条件を満たすことを特徴とする請求項1記載のマイクロ流路。
θa>θb
θa>90deg
θb<90deg - 前記流路本体は、流路中心線に直交する断面形状が多角形状に形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載のマイクロ流路。
- 前記流路本体は、流路中心線に直交する断面形状が円状に形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載のマイクロ流路。
- 前記第1の壁面部はプラスチックにより構成され、前記第2の壁面部はガラスにより構成されていること特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のマイクロ流路。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載のマイクロ流路を導入路及び廃液路として用いられ、前記導入路と前記廃液路との間に、前記液体中に含まれる物質と反応するセンサを有する反応槽が介在されていることを特徴とするマイクロリアクタ。
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