JP2727316B2 - 流体集積素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、細胞融合、細胞穿孔、細胞選択などの細胞
操作、化学反応及び微粒子検出測定操作などを含む流体
を対象とする諸操作を自動的に且つ確実に行う流体集積
素子に関するものである。 従来、先行技術に於ける上記のような流体操作装置を
使用する際に、例えば細胞を操作するには、できるだけ
単一の種類の細胞を、しかも大量に集める必要があり、
又、顕微鏡下でのマイクロピペットによる手作業を必要
とし、能率が非常に悪いという欠点を有していた。又、
生理活性物質などの検出測定操作に於いて、極微量な試
料に対する上記操作を行う際には、試料のロスが大きな
問題となっていた。 このように、流体操作装置は全体的に対象とする粒子
が分子レベル、細胞レベルであるのにもかかわらず、実
際は装置として多数の機能部品から成るためスケールが
大きく、あるいは種々なる装置を組み合わせて作る装置
であり、細胞１個、微粒子単体あるいは微量の化学物質
を取り扱う素子は未だ存在しない。 本発明は上記に鑑み、各種の流体操作素子をできるだ
け小型軽量介し、微量の試料で所望の操作を可能にし、
尚且つ操作の自動化の信頼性を高めることを目的として
いる。 本発明は、流体を入力するための入力部、前記入力部
と流体を介して接続され、前記入力部に入力された流体
中の微粒子を操作する為の操作領域、前記操作領域にお
いて操作された微粒子を出力する為の出力部、 前記流体を振動させる為のポンプ室を備え、当該ポン
プ室における流体の振動により、前記流体中の微粒子を
前記操作領域に移動させるための駆動手段を有し、前記
入力部、前記操作領域、前記出力部及び前記駆動手段
は、基板上に設けられている構成を有する。尚、上記入
力部、出力部及び導通路は基板表面の溝部、凹部により
構成され、この溝部及び凹部中の流体を駆動せしめる駆
動手段は基板に組み込まれるか、又は素子外に構成され
ており、基板に形成される凹部及び溝部は流体が導電可
能な大きさと深さを有し、操作領域はその凹部乃至溝部
の両側あるいは上下部に配置されているものである。 これらの構成をとることにより、微量の流体を所望の
目的に加工及び操作をすることが容易にしかも確実に行
うことができるものである。 以下、本発明流体集積素子の基板についての材質、製
法、及び各部の構造、使用態様乃至各部を基板に一体成
型せしめる方法等につき詳細に分説する。 基板の材質・製法 本発明の流体集積素子の基板の材質には、耐水性、耐
薬品性、弾性に優れたシリコーン樹脂が好例として挙げ
られるが、これに限らずアルミナ、アパタイトセラミッ
クス等のセラミックス部材、及びテフロン等の高分子樹
脂部材やCo-Cr合金等の金属部材を用いてもかまわな
い。又、シリコン、セラミックス、半導体、金属、高分
子などに上記材質の薄膜を形成せしめてもよい。より具
体的にはシリコーン樹脂の薄膜を形成するために、プラ
ズマ重合法を用いた場合、重合装置内を減圧し、オクタ
メチルシクロテトラシロキサンガスを供給し、10〜100P
a程度の圧力にして、電極に高周波電圧を印加するとプ
ラズマ状態が形成され、電極上に設置した基板にシリコ
ーン樹脂の薄膜が数十オングストロームから数十ミクロ
ンの厚さで形成される等の製法を例示し得るものであ
る。 各部の構造乃至使用態様等 １）入力部 本発明に於ける入力部は流体を貯蓄する部分、あるい
は外部より流体を注入する注入口等であり、その形状は
基板に凹部を設けてなるもので、更に外部より流体を注
入する場合、外部へ連絡する注入口を設けてもよい。
又、入力部の形状、大きさは任意であり、流体の量や含
有する粒子等の大きさに応じて適宜選択されるものであ
る。 ２）導通路 本発明に於ける導通路は基板に溝部を設けて成るもの
であり、この中を流体が輸送されるものである。溝部の
大きさ、深さは流体中の粒子の径の大きさよりやや大き
めに形成されるものであるから、基板に溝部を設ける方
法はエッチングによる溝製造方法が好ましい。しかしな
がら流体の量がやや多かったり、粒子の径が大きい場合
等は、上記製造方法に限るものではない。更に導通路が
流体により汚れたり、つまりが生ずる際には、その深さ
はテーパーを浅くしたりして、その製法は適宜選択され
るものである。 ３）操作領域 本発明に於ける操作領域は、所望の流体の加工、測定
などの操作を行う領域である。例えば、電気細胞融合装
置、細胞穿孔装置、微生物センサーなどが挙げられる。
即ち電気細胞融合の場合には、基板の操作領域に当たる
箇所に２本の電極を配置し、この電極と外部出力とを導
線を介して接続されるものである。又、操作領域として
電気的、音響的、磁気的、光学的検出手段及びバイオセ
ンサーを上記電極の代わりに配置してもよい。 ４）駆動手段 本発明に於ける駆動手段は、入力部より注入された流
体を操作領域まで輸送せしめるための手段であるが、こ
れは入力手段や操作領域及び出力手段と一体成型されて
もよく、素子内で任意の場所、あるいは素子外に備えつ
けることが可能なものである。 例えば、駆動手段は電気エネルギーを機械振動に変換
する電歪素子あるいは磁歪素子によって構成される場合
や、温度に反応してその形状が変化する形状記憶合金、
又は磁力あるいは空気圧等の流体に圧力を印加するも
の、更に流体を吸引するもの等が利用できる。 ５）出力部 本発明に於ける出力部は基板に設けられた凹部によっ
て構成されるもので、操作領域によって所望の操作を受
けた流体を素子の外部へ取り出す手段、あるいは操作を
受けた流体を一時的に貯蓄する部分である。 この出力部の大きさ、形状は、流体の量、形状、含有
される微粒子の大きさ、基板の形状等に応じ、適宜選択
されるものである。 基板に各部を一体成型する方法 上記基板に入力部、出力部、導通路、操作領域、駆動
手段を一体成型せしめる方法を記述する。 １つは、紫外線硬化性樹脂を利用し、基板に所望の形
状の各部を形成し得るもので、まず紫外線硬化性樹脂上
に、入力部、出力部、操作領域等の凹部及び導通路の溝
部駆動手段の形状の紫外線を吸収するネガを乗せ、その
上から紫外線照射する。ネガの周囲が充分に硬化するの
を待ち、ネガ下部の硬化しなかった樹脂を水洗いなどに
よりきれいに取り除く。この結果、所望の各部を有する
基板の原型ができあがる。この紫外線硬化樹脂の原型に
液状のシリコーン樹脂を流し込み、シリコーン樹脂の型
を造る。又、更にこの型の液状のシリコーン樹脂を流し
込み、硬化するのを待つと、所望の各部を有するシリコ
ーン樹脂の基板ができあがる。 あるいはプラズマ及びフォトエッチングを用い、任意
の基板材料、例えばシリコン、セラッミクス、半導体、
金属、高分子に溝部、凹部を形成せしめてから、プラズ
マ重合によりシリコーン樹脂を被覆する方法も例示し得
る。シリコン基板に溝部、凹部を形成せしめる場合につ
いて述べると、プラズマエッチングでは、４フッ化炭素
ガス中で平行平板電極の陰極に高周波電力を印加し、陽
極を接地すると両極の間にプラズマが発生し、フッ素原
子を生成する。その結果、１個のシリコン原子に２個の
フッ素原子が結合し、２フッ化シリコンのような層が形
成され、ここにイオンを当てると４フッ化シリコンを生
じて気化し、結果としてエッチングされ、溝が生じる。 フォトエッチングでは、塩素ガス中で波長約3000オン
グストロームの紫外線レーザーの光を照射する。光分解
した塩素原子は、同じくシリコン結合が切れて生じたシ
リコン原子と反応し、塩化シリコンとなって気化するこ
とにより、エッチングされ溝が生じる。更に溝部、凹部
を形成せしめたシリコン基板に上記プラズマ重合法によ
り、シリコーン樹脂膜を被膜せしめることにより、基板
に各部を形成し得る。 又、その他の方法として、単にアルミナ・アパタイト
セラッミクス及びテフロン基板などにエッチング方法を
用い、所望の形状の溝を形成せしめても何らかまわな
い。 以上のような方法を利用することにより、所望の形状
の入力部、出力部、導通路、操作領域及び駆動手段を基
板に形成し得るものである。 以下、微小基板に形成せしめた少なくとも上記入力
部、操作領域、導通路、駆動手段及び出力部から構成さ
れる本発明を、実施例により詳細に説明する。 ［実施例１］ 第１〜第３図に本発明に基づく実施例の拡大図を示し
たが、これは上記操作領域に１対の微小電極が組み込ま
れ、全体として細胞融合素子を形造る。 基板１はシリコーン樹脂で形成され、このシリコーン
樹脂基板に、入力部としての注入口１、駆動手段に於け
るポンプ室５、導通路７、出力部９及び電極８が組み込
まれる溝部及び凹部を形成せしめるために、上記の紫外
線硬化樹脂を利用する方法を用いた。この素子の寸法は
縦20mm、横32mm、厚さ1.5mmである。 又、駆動手段の断面図を第２図に示した。上記駆動手
段は圧電層４、導電部材３及びバルブ2,6、ポンプ室５
より構成されている。ポンプ室５は圧電層の振動により
収縮する箇所で形状は半径4mmの円状であり、バルブ2,6
は電磁的あるいは圧電的なアクチュエータにより開閉さ
れる。 駆動手段の構成方法は、シリコーン樹脂基板に所望の
形状の圧電材料であるチタン酸バリウム、タンタル酸リ
チウム、ニオブ酸リチウム、亜鉛酸鉛、チタン酸鉛、及
び酸化亜鉛などの単結晶、焼結体、及び薄膜を被膜し、
圧電層４を形成せしめ、その両端に金属などの導電部材
３の薄膜を形成せしめ、更に緩衝部16として弾力性部材
を配置せしめる。 又、第２図に於いて、流体が上記駆動手段によって注
入口１から導通路７に輸送される様子を詳細に述べる。
上記圧電層４によるポンプ室５の収縮によって、注入口
１からバルブ２を通じポンプ室に流体が吸い込まれ、更
に又、この収縮によってポンプ室からバルブ６を通じ導
通路７に流体が押し出されるが、この時バルブ2,6の開
閉は次のように説明される。つまり、バルブ２が開いて
注入口１からポンプ室５内に流体が吸い込まれる時には
バルブ６は閉じ、ポンプ室５内から押し出される時には
バルブ２は閉じ、バルブ６は開くものである。 圧電層４の振動の度合は可変であり、よって、これと
バルブの開閉のタイミングをうまく調整することによ
り、導通路中の流体の流速を止めたり、ゆっくりも速く
も調節することが可能である。 次に第１図に於いて、その構成及び細胞が操作領域で
融合される過程を述べる。 １は細胞注入口であり、ここから細胞懸濁液を注射器
などで注入する。注入された細胞は、上記のようにポン
プ室５の収縮とバルブ2,6の開閉を調整することによ
り、操作領域である微小電極８まで一定の流速で供給さ
れるものである。微小電極８は矩形波パルス電源11と誘
導パルス電源12とに接続され、導通路を一定速度で流れ
てきた異なった種類A,Bの細胞に約50〜150V/cmの矩形波
パルスを印加することによって、電極間に配置された隣
接する１対の細胞の隣接部分に於ける細胞膜を破壊し、
１ケの雑種細胞を生成する。第３図に上記のように一定
の流速で導通路７を通過してきたA,Bの細胞が微小電極
８から印加される矩形波パルスにより融合される様子の
模式図を示した。 以上のように、融合された雑種細胞は誘導パルスを停
止した時電極から脱離し、出力部９から取り出せるもの
である。 以上述べた如く、本実施例によれば、対象となる細胞
を注入口に導入し、ポンプ室に埋設された圧電層の収縮
とバルブの開閉のタイミングをうまく調節することによ
り、確実に一定流速で微小電極までチャンネルを通じ供
給できるものであり、所望の細胞A,Bを各々の入力部に
注入するだけで確実に細胞が融合され、しかも融合後、
出力部に於いて自動的に融合細胞ABが取り出せるもので
ある。 ［実施例２］ 第４図は本発明の実施例として、上記操作領域にレー
ザー光源とレンズを有する細胞及び微粒子穿孔素子の拡
大図である。基板IIはシリコンで形成され、シリコン基
板にプラズマエッチングにより入力部としての注入口1
7、駆動手段に於けるポンプ室25、導通路21、出力部2
7、及び操作領域としてレーザー光源22、レンズ23が組
み込まれる溝部及び凹部を形成せしめ、次にプラズマ重
合により基板に於ける溝部、並びに凹部にシリコーン樹
脂膜を被膜せしめた。この素子の寸法は縦20mm、横45m
m、厚さ1.5mmである。 又、上記駆動手段の構成方法は、シリコーン樹脂上に
圧電材料であるチタン酸バリウム、タンタル酸リチウ
ム、ニオブ酸リチウム、亜鉛酸鉛、あるいは酸化亜鉛な
どの単結晶、焼結体、及び薄膜を被膜し、圧電層24を形
成せしめ、その両端に金属などの導電部材26の薄膜を形
成せしめ、更に緩衝部として弾力性部材を配置せしめ
る。 注入口17に対象となる細胞又は微粒子を注射器などで
注入し、バルブ18,19,20の開閉と上記圧電層24の振動に
よるポンプ室25の収縮のタイミングを調節することによ
り、流体を導通路21を経由して一定流速で操作領域29に
供給できるものである。 操作領域にはレーザー光源22とレンズ23が存在する。
このレーザー光源として種々が考えられるが、本実施例
では355nm、パルス幅数nsec、出力数mJ/パルスのYAGレ
ーザー光の第３高周波を用いたが、これは焦点での径を
１μｍ以下にでい、又、細胞への損傷も少なくすること
ができるものである。 よって、操作領域に輸送されてきた細胞又は微粒子
に、レーザー光源22からパルスレーザー光をレンズ23で
１μｍ程度の径に絞って照射することにより、孔をあけ
ることが可能になる。 第５図に第４図に於ける細胞又は微粒子へのレーザー
光照射の拡大模式図を示した。 この方法では、１パルスで細胞や微粒子に孔をあける
ことができるため、細胞に対する損傷が少なく、細胞自
身の修理機構により膜を修復させることができるもので
ある。 上記の様にして、孔のあけられた細胞や微粒子はバル
ブ20を開いて出力部27により外部へ取り出される。 ［実施例３］ 第６図は本発明の実施例として、上記操作領域に微生
物センサーを設けた酢酸センサー素子の拡大図を示す。 本実施例の基板IIIに耐食性のあるアルミ合金等を用
い、所望の入力部である注入口32、導通路38、39、46、
駆動手段としてのポンプ室35、操作領域としての計測室
40、センサー部42を形成する溝を上記プラズマエッチン
グにより形成せしめた。素子の寸法は縦40mm、横40mm、
厚さ2.0mmである。又、ポンプ室35には形状記憶合金で
あるNi-Ti形状記憶合金層36と、それを加熱する素子34
が埋め込まれているが、ポンプ室35のNi-Ti形状記憶合
金層36による収縮の模式図を第７図（ａ），（ｂ）に示
した。形状記憶層の加熱を予め設定したタイミングサイ
クルで、加熱制御装置47でパルス的に行うと、（ａ），
（ｂ）の様にポンプ室は収縮を繰り返すものであり、こ
れとバルブ33,37の開閉のタイミングを調節することに
より、試料溶液を導通路を通じて一定流速で計測室40に
供給できるものである。 計測室40には弱酸性溶液41（pH約3.4）が存在し、こ
の溶液に酢酸センサー42を浸してある。又、弱酸性溶液
41には素子外部から導通路39を通じ空気が移送されてい
る。 酢酸センサーの断面の拡大図を第８図に示したが、こ
れは酵母のTrichosporon brassicaeが酢酸を資化するこ
とを利用したもので、T.brassicaeを多孔性アセチルセ
ルロース膜49に吸着固化し、これを酸素電極上に装着
し、更にこれを酸素ガス透過層48で被覆してある。 よって、操作領域に輸送されてきた酢酸を含む試料が
上記酢酸センサーに触れた時、酢酸が微生物膜によって
資化された微生物の呼吸活性が盛んになり、この呼吸に
よる酸素ガスの濃度の変化は酸素電極に流れる極小電流
値によって測定され、記録計44に記録される。即ちこの
極小電流値と酢酸濃度との間には直線関係が認められる
ので、この関係を用いて酢酸を簡単に計測することがで
きる。計測が終了したら、溶液はバルブ45を開き廃液と
して外部へ廃棄される。 計測室40内の溶液をpH3.4ぐらいの弱酸性溶液にした
のは、酢酸のPkaは4.75であり、中性領域ではイオンと
して水溶液中に存在するので酸素ガス透過膜を通過でき
ないためであるが、この素子の計測室40内の溶液を中性
溶液に交換した場合、T.brassicaeはアルコールをも資
化するため、アルコールセンサー素子にもなり得る。 本実施例によれば、試料が微量でも確実に検出するこ
とが可能である。 ［本発明の効果］ 本発明の流体集積素子は、基板上に入力部、操作領
域、出力部及びポンプ室を備えた駆動手段を形成するこ
とにより、所望の操作を可能とし、軽量小型化すること
ができ、又、操作が簡単で費用を節約することも可能で
ある。更に、対象となる流体が極小量で所望の操作を確
実にするなどの利点を持つ。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明に於ける実施例の細胞融合素子の上視
図、第２図は駆動手段の断面の拡大図、第３図は細胞の
移動過程と微小電極による細胞の融合を示す模式図、第
４図は細胞及び微粒子穿孔素子の上視図、第５図は微粒
子へのレーザー照射の拡大模式図、第６図は微生物酢酸
センサー素子の上視図、第７図は微生物酢酸センサー素
子、ポンプ室の収縮の模式図、第８図は酢酸センサーの
断面図である。 1,17,32……注入口 2,6,18,19,20,33,37,45……バルブ 3,26……導電部 4,24……圧電層 5,25,35……ポンプ室 7,21,38,39,46……導通路 ８……電極 9,27……出力部 10,28……電源 11……矩形波パルス電源 12……誘導パルス電源 13,14……シリコーン樹脂 15……連結部 16……緩衝部 22……レーザー光源 23……レンズ 29……操作領域 30……微粒子 31……レーザー光 34……加熱素子 36……形状記憶合金 40……計測室 41……弱酸性溶液 42……酢酸センサー 43……リード線 44……計測器 47……加熱制御装置 48……酸素ガス透過層 49……微生物を吸着固化せしめた多孔性膜 50……Pt陰極 51……Pb陽極

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．流体を入力するための入力部、前記入力部と流体を
   介して接続され、前記入力部に入力された流体中の微粒
   子を操作する為の操作領域、前記操作領域において操作
   された微粒子を出力する為の出力部、 前記流体を振動させる為のポンプ室を備え、当該ポンプ
   室における流体の振動により、前記流体中の微粒子を前
   記操作領域に移動させるための駆動手段を有し、前記入
   力部、前記操作領域、前記出力部及び前記駆動手段は、
   基板上に設けられている流体集積素子。 ２．前記流体が動植物あるいは微生物細胞懸濁液あるい
   はコロイド溶液であることを特徴とする特許請求の範囲
   第（１）項記載の流体集積素子。 ３．前記基板が金属、半導体、セラミックス、高分子樹
   脂の内一つ以上で構成されることを特徴とする特許請求
   の範囲第（１）項記載の流体集積素子。 ４．前記入力部、及び前記出力部が前記基板に設けられ
   た凹部であることを特徴とする特許請求の範囲第（１）
   項記載の流体集積素子。 ５．前記操作領域が前記基板凹部に設けられた機械的又
   はレーザによる穿孔装置、電気的刺激装置、加熱装置、
   化学反応装置などの操作装置より成る特許請求の範囲第
   （１）項記載の流体集積素子。 ６．前記操作領域が前記凹部に設けられた電気的、磁気
   的、音響振動的、光学的などの物理的な検出・測定手段
   あるいは生物的検出測定手段（バイオセンサ）である特
   許請求の範囲第（１）項記載の流体集積素子。 ７．前記駆動手段の駆動力が圧電体、電磁アクチュエー
   タ、又は形状記憶合金等の機械的変動を生ずるものより
   なる特許請求の範囲第（１）項記載の流体集積素子。 ８．前記導通路が前記基板に設けた溝である特許請求の
   範囲第（１）項記載の流体集積素子。