JP2011056489A

JP2011056489A - 感熱応答性ポリマーのゾル−ゲル相変化時の体積変化を用いた溶液噴出・吸引用プローブ型装置及び技術

Info

Publication number: JP2011056489A
Application number: JP2009235711A
Authority: JP
Inventors: Toshio Fukuda; 敏男福田; Masahiro Nakajima; 正博中島; Masaru Takeuchi; 大竹内
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-09-14
Filing date: 2009-09-14
Publication date: 2011-03-24

Abstract

【目的】感熱応答性ポリマー溶液の体積変化を駆動源として用いることにより、作製が容易でディスポーザブルに使用でき、微少量の溶液の噴出及び吸引が可能であるプローブ型装置を提供する。
【構成】温度応答性のゾル−ゲル相変化を示す感熱応答性ポリマー溶液をマイクロピペット内に封入し、ヒータによる温度制御を用いることにより、感熱応答性ポリマー溶液の相変化時に伴う体積変化を駆動源として、マイクロピペット先端部分に封入した液体の微少量の噴出及び吸引を行うことができる技術及び装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロピペットによる微少量溶液の噴出及び吸引を行う技術及び装置に関する。この装置は感熱応答性ポリマー溶液を用いるものであり，感熱応答性ポリマー溶液のゾル−ゲル相変化時に伴う体積変化を駆動源として用いることで、微少量の溶液を駆動させるために用いられる。

特許文献１では、少量の液体をピペット採取できるマイクロメカニカルピペット装置が提案された。この発明ではシリコンウエーハ上に構成されたピペットモジュール内の膜の変位によって空気または液体を吸引または排出することを特徴とする。
マイクロピペット内の溶液を駆動させる方法は、その他にも圧電素子を用いた方法が提案されている（特許文献２、３参照）。特許文献２では、圧電素子の駆動によりマイクロピペット内の流体を駆動するようにしたものである。特許文献３では、複数の圧電素子を用いてサブｐｌ〜ｆｌオーダーの微少量の溶液の吐出する手法を提案した。
また、特許文献４では、シリンジを用いてマイクロピペット内部に正圧及び負圧与え、ミクロンサイズ以下の液滴を形成する手法を提案した。
特許文献５では、熱膨張部材を用いてダイヤフラムを駆動させ、その駆動量分だけ液体を吐き出させるように構成したマイクロピペットを提案した。

特開平１０−３１８１５０号公報特開平８−２９０３７７号公報特開２００７−２０９８８８号公報特開平１０−３１４６５４号公報特開平９−１０８５７９号公報

細胞操作・解析におけるマイクロピペットによる溶液噴出・吸引は、細胞の大きさから考え、ピコリットルからナノリットルオーダーの微少量の溶液を噴出及び吸引できることが必要である。また、培地へのコンタミネーションを防ぐために、通常マイクロピペットは使い捨てであり、そのためより容易に、かつ低コストで作製及び使用できるマイクロピペットを必要とした。

本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねてきた結果、次なる構成の本発明に想到した。
即ち、温度応答性のゾル−ゲル相変化を示す感熱応答性ポリマー溶液が相変化する際に発生する微小体積変化を駆動源とすることにより、ピコリットルからナノリットルオーダーの液体を噴出または吸引させることを特徴とする技術。

上記のように作製されたマイクロピペットによれば、ヒータの電源操作のみで微少量の溶液を容易に噴出または吸引することができる。また、通常のマイクロピペットを用いて容易に、かつ低コストでの作製が可能であり、ディスポーザブルに使用が可能である。
また、マイクロピペット内に封入する感熱応答性ポリマー溶液の量を制御することにより、溶液の噴出または吸引量を制御することが可能である。

この発明の感熱応答性ポリマー溶液の体積変化を利用した溶液噴出・吸引用プローブ型装置の構成を図１に示す。駆動源となる感熱応答性ポリマー溶液は濃度の変化を避けるため、プローブ先端の溶液と油によって仕切られている。

感熱応答性ポリマー溶液のゾル−ゲル相変化を発生させるため、感熱応答性ポリマー溶液が封入されたプローブはヒータと接続されている。

感熱応答性ポリマー溶液への熱伝導率を高めるため、プローブ後端から同線が感熱応答性ポリマー溶液内へ挿入されている。

プローブの後端部分をシーリングすることにより、感熱応答性ポリマー溶液の体積変化をプローブ先端部分へと伝える。

次に、上記の感熱応答性ポリマー溶液の体積変化を利用したプローブ型装置による溶液噴出を確認するための実施例について説明する。
感熱応答性ポリマー溶液として、実験対象物は１０ｗｔ％Ｎ−イソプロピルアクリルアミド（ＰＮＩＰＡＡｍ）を用いた。この溶液は３２℃以上でゲル化、３２℃以下でゾル化する可逆性のゾル−ゲル相変化を示す感熱応答性ポリマー溶液である。

マイクロピペットは内径約３μｍのものを使用し、マイクロピペットには約２μｌのＰＮＩＰＡＡｍ溶液を封入した。また、溶液の噴出を確認し易くするため、マイクロピペット先端部にはコンゴーレッドにより赤色に染色した水を封入した。

上記のように作製したプローブ型装置を液槽内に挿入し、マイクロピペット内の感熱応答性ポリマー溶液をゲル化させるため、マイクロピペットに接続したセラミックヒータには直流電圧２０Ｖを印加した。

上記のプローブ型装置を液槽内に挿入したときの顕微鏡写真を図２（ａ）に示す。さらに、ヒータに電圧を印加した後の顕微鏡写真を図２（ｂ）に示す。このように、液槽内に挿入したプローブ型装置から溶液が噴出された。

感熱応答性ポリマー溶液の体積変化を利用した溶液噴出・吸引用プローブ型装置を用いた溶液噴出量の計測を実施した例を説明する。

マイクロピペットは内径約５μｍのものを３本使用し、各マイクロピペットにはそれぞれ約１．４μ、２．０μｌ、２．８μｌのＰＮＩＰＡＡｍ溶液を封入した。また、溶液の噴出速度を計測するため、マイクロピペット先端部には直径約１．５μｍのマイクロビーズを混入した溶液を封入した。

上記のように作製したプローブ型装置を液槽に挿入し、感熱応答性ポリマー溶液をゲル化させるため、セラミックヒータに直流電圧１５Ｖプローブを印加した。

上記のプローブ型装置について先端から噴出してくるマイクロビーズの速度を計測し、噴出量を算出した。その結果を図３に示す。

温度応答性ポリマー溶液の体積変化を用いたプローブ型装置における温度応答性ポリマーの体積変化の計測を実施した例を示す。

内径約５μｍのマイクロピペットを用い、水約９μｌ、流動パラフィン約０．８μｌ、温度応答性ポリマー溶液ＰＮＩＰＡＡｍ約２．０μｌを封入し、温度応答性ポリマー溶液の体積変化を用いたプローブ型装置を作製した。

上記のプローブ型装置について、ヒータに直流電圧１５Ｖを１８０秒間印加し温度応答性ポリマー溶液ＰＮＩＰＡＡｍをゲル化させ、その後印加電圧を切り１８０秒間自然冷却を行い、ゲル化している温度応答性ポリマーをゾル化させる過程を３回繰り返した。温度応答性ポリマーの封入量の増加にほぼ比例して上記プローブ装置からの噴出量も増加しており、プローブ装置内に封入する温度応答性ポリマーの量を制御することにより、溶液の噴出及び吸引量の制御が可能である。

上記の過程において、先端部分の水と流動パラフィンの境界面を顕微鏡下で観察し、図４に示すように、その境界面の変位量を計測した。

計測した上記境界面の変位量から、温度応答性ポリマーＰＮＩＰＡＡｍの体積変化量を計算した。その結果を図５に示す。最初の１８０秒間の加熱における体積変化量は後の２回の１８０秒間の加熱と比べ、変位量が大きいが、これは最初の加熱のみが室温からの加熱であるためである。また、加熱時に体積が増加した後減少しており、冷却時には体積が減少した後増加しているが、これはマイクロピペットの材料であるガラスの熱変形による影響である。これより、上記のプローブ型装置を用いて安定した溶液量の噴出及び吸引を行うためには、予熱を行い、６０秒程度でヒータの電源を操作することが望ましい。

感熱応答性ポリマー溶液の体積変化を用いたプローブ型装置によるマイクロビーズの操作を実施した例を示す。

内径約２３μｍのマイクロピペットを用い、水約９μｌ、流動パラフィン約０．８μｌ、感熱応答性ポリマー溶液ＰＮＩＰＡＡｍ約２μｌを封入し、感熱応答性ポリマー溶液の体積変化を用いたプローブ型装置を作製した。

直径約１０μｍのマイクロビーズを純水中に分散させ、このビーズが分散した溶液を液槽内に入れた。

液槽内に上記のプローブ型装置を挿入し、マイクロマニピュレータによって操作した。図６に実験装置の構成を示す。

マイクロビーズにプローブを接近させたら予め直流電圧１５Ｖを印加していたヒータの電源を切り、マイクロビーズの吸引を行った。図７（ａ）はプローブをマイクロビーズに接近させた時の顕微鏡写真、図７（ｂ）はマイクロビーズを吸引した後の顕微鏡写真である。

マイクロビーズの吸引後、マイクロマニピュレータによってプローブを移動させ、吸引したマイクロビーズを噴出するためにヒータに直流電圧１５Ｖを印加した。図７（ｃ）はマイクロピペットを移動させた後の顕微鏡写真、図７（ｄ）はマイクロビーズ噴出後の顕微鏡写真である。

図１は感熱応答性ポリマー溶液の体積変化を利用した溶液噴出・吸引用プローブ型装置の構成の例である。図２は上記のプローブ型装置を用いて溶液を噴出したときの実験結果を示す。図３は感熱応答性ポリマー溶液封入量に対する溶液噴出量の評価実験の実験結果を示す。図４は感熱応答性ポリマーの体積変化量の評価実験の構成の例を示す。図５は感熱応答性ポリマーの体積変化量の評価実験の実験結果を示す。図６はマイクロビーズの操作実験を行う実験装置の構成の例を示す。図７はマイクロビーズ操作実験の実験結果を示す。

１マイクロピペット
２液体
３油
４感熱応答性ポリマー溶液
５接着剤
６銅線
７ヒータ
８感熱応答性ポリマー溶液の体積変化を利用した溶液噴出・吸引用プローブ型装置
９噴出溶液
１０境界面の変位
１１マイクロビーズ
１２液槽
１３マイクロマニピュレータ

Claims

マイクロピペット内に、温度応答性のゾル−ゲル相変化を示す感熱応答性ポリマー溶液を入れ、ヒータを用いて感熱応答性ポリマー溶液のゾル−ゲル相変化を起こし、マイクロピペット内の溶液の噴出及び溶液の吸引を行う装置。
マイクロピペット内に、温度応答性のゾル−ゲル相変化を示す感熱応答性ポリマー溶液を入れ、ヒータを用いて感熱応答性ポリマー溶液のゾル−ゲル相変化を起こし、マイクロピペット内の溶液の噴出及び溶液の吸引を行う技術。
プローブ型装置とは、マイクロピペット、マイクロピペット内に封入した感熱応答性ポリマー溶液及びヒータにより構成される、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
プローブ型装置とは、マイクロピペット、マイクロピペット内に封入した感熱応答性ポリマー溶液及びヒータにより構成される、ことを特徴とする請求項２に記載の装置。
請求項１に記載されたプローブ型装置であって、プローブ先端部分の溶液と感熱応答性ポリマー溶液とを油により仕切り、感熱応答性ポリマー溶液の濃度を保持することを特徴とする装置。
請求項１に記載されたプローブ型装置であって、プローブ先端部分から溶液、油、感熱応答性ポリマー溶液の順に溶液が封入されることを特徴とする装置。
感熱応答性ポリマー溶液とは、ある温度を境界としてゾルからゲル、またはゲルからゾルへと可逆性の相変化を示す材料である、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
感熱応答性ポリマー溶液とは、ある温度を境界としてゾルからゲル、またはゲルからゾルへと可逆性の相変化を示す材料である、ことを特徴とする請求項２に記載の装置。