JP3754939B2

JP3754939B2 - Chemical analysis method and apparatus

Info

Publication number: JP3754939B2
Application number: JP2002210214A
Authority: JP
Inventors: 剛生山崎; 剛士今村; 直人御橋; 聡子大水
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2002-07-18
Filing date: 2002-07-18
Publication date: 2006-03-15
Anticipated expiration: 2022-07-18
Also published as: JP2004053371A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化学分析方法および装置に関し、特にチップ上で化学分析や化学合成を行う小型化分析システム（μＴＡＳ：ＭｉｃｒｏＴｏｔａｌＡｎａｌｙｓｉｓＳｙｓｔｅｍ）において、液体試料を濃縮するための化学分析方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、立体微細加工技術の発展に伴い、ガラスやシリコン等の基板上に、微小な流路とポンプ、バルブ等の流体素子およびセンサを集積化し、その基板上で化学分析を行うシステムが注目されている。これらのシステムは、小型化分析システム、μ−ＴＡＳ（ＭｉｃｒｏＴｏｔａｌＡｎａｌｙｓｉｓＳｙｓｔｅｍ）あるいはＬａｂｏｎａＣｈｉｐと呼ばれている。化学分析システムを小型化することにより、無効体積の減少や試料の分量の大幅な低減が可能となる。また、分析時間の短縮やシステム全体の低消費電力化が可能となる。さらに、小型化によりシステムの低価格を期待することができる。μ−ＴＡＳは、システムの小型化、低価格化および分析時間の大幅な短縮が可能なことから、在宅医療やベッドサイドモニタ等の医療分野、ＤＮＡ解析やプロテオーム解析等のバイオ分野での応用が期待されている。
【０００３】
化学分析においては、試料を分析するための前処理として、試料を一定濃度まで濃縮する必要が生じる場合がある。例えば、液体試料中に含まれる成分を分析するときに、その濃度が極めて低い場合には、そのままでは分析が困難である。このような場合には、液体試料を濃縮し、分析したい成分の濃度を分析可能な濃度まで上げる必要がある。化学分析における試料の濃縮方法としては、例えば、イオン交換樹脂を使用する方法、有機溶媒抽出法、蒸発濃縮法等がある。このうち蒸発濃縮法は、微量成分が含まれた液体試料を蒸発させて、溶剤の量を減少させることによって、溶剤中に含まれた微量成分の濃度を相対的に増加させる方法である。例えば特開平１０−２２２５１号公報や特開２００１−２０５０３１号公報では、化学分析の前処理として試料を加熱、濃縮する装置および方法が開示されている。
【０００４】
μＴＡＳで化学分析を実施する場合でも、当然のことながら試料を濃縮する必要が生じる。上記で述べた従来技術を用いて試料を濃縮した場合は、システム外部で濃縮した試料をμＴＡＳに導入する。この場合、以下に述べる問題が生じる。
【０００５】
システム外部で濃縮作業を実施した場合、高濃度の試料をピペットや注射器を用いてμＴＡＳに導入する。このとき、導入する液体試料の分量にハンドリング等に起因する誤差があると、分析成分の量に及ぼす影響が大きく、最終的な分析データに誤差が生じやすくなる。一方、システム内部で濃縮を実施する場合には、低濃度の試料を導入すれば良いので、導入分量の誤差が最終的な分析結果に及ぼす影響が少なくなり、分析結果の信頼性が向上する。
【０００６】
また、外部で濃縮作業を実施してからμＴＡＳに導入する場合、その手間が煩雑であり、前処理も含めた全体の分析時間が増大し、分析コストが余分にかかってしまう場合がある。また、濃縮およびμＴＡＳへの導入の過程で、試料が不純物に汚染される可能性がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
以上に述べた状況から、μＴＡＳで濃縮を伴う化学分析を実施する場合には、システムの内部に濃縮の役割を果たす機構を備えたシステムが是非とも必要となる。
【０００８】
そこで、本発明の課題は、外部の濃縮装置を用いることなく、化学分析装置の内部で試料を濃縮することが可能な化学分析方法及び装置を提供することである。
また、本発明は、液体試料の濃縮の過程における不純物による汚染を低減することができ、安定した分析データを得ることができる化学分析方法及び装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明の第一の発明は、基板上に形成された液槽、流路、流体制御素子および検出素子を有する装置を利用して、前記基板上で液体試料を用いて化学分析または化学合成を行う化学分析方法において、発熱体素子を前記液槽もしくは流路内に備えると共に、前記液槽もしくは流路を構成する面の一部もしくは全部が気体成分が透過可能で、液体成分が透過不可能な材質で形成された装置を用意し、前記液体試料を前記発熱体素子により加熱して溶媒を蒸発させることにより濃縮することを特徴とする化学分析方法である。
【００１０】
本発明の第二の発明は、基板上に液槽、流路、流体制御素子および検出素子を有し、前記基板上で液体試料を用いて化学分析または化学合成を行う化学分析装置において、発熱体素子を前記液槽もしくは流路内に備えると共に、前記液槽もしくは流路を構成する面の一部もしくは全部が気体成分が透過可能で、液体成分が透過不可能な材質で形成され、前記液体試料を前記発熱体素子により加熱して溶媒を蒸発させることにより濃縮することを特徴とする化学分析装置である。
【００１１】
次に、本発明の化学分析方法及び装置の好ましい実施態様を示す。
前記液槽内に発熱体素子を有することが好ましい。
前記流路内に発熱体素子を有することが好ましい。
前記発熱体素子が薄膜抵抗体であり、前記薄膜抵抗体が流路もしくは液槽を構成する面上に配置されていることが好ましい。
前記発熱体素子を有する液槽もしくは流路を構成する面の一部もしくは全部が気体成分が透過可能で、液体成分が透過不可能な材質で形成されていることが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
図１は本発明の化学分析装置の実施形態の一例を示す概念図である。図１（ａ）はＡＡ’線平断面図、図１（ｂ）はＢＢ’線縦断面図を示す。以下、図１を用いて本発明の実施の形態について説明する。
【００１３】
図１に示す化学分析装置は、基板１０１上に、液体試料を収納する液槽１０２〜１０５、液体試料を移動する流路１０６〜１０９、液体試料を加熱する発熱体素子１１０および液体試料を発熱体素子により加熱して溶媒を蒸発させることにより濃縮する濃縮手段１１５を有する。
【００１４】
基板１０１の材質としては、液体試料に対して耐性を有し、かつ発熱体素子の発生する熱に対して耐性がある材料であれば特に制限はない。例えばシリコン等の半導体材料、ガラス材料、金属材料、樹脂材料等が挙げられる。
【００１５】
液体試料としては、例えば水やアルコールを溶媒とした溶液を用いることができる。また、発熱体素子を用いて加熱することにより溶媒を蒸発させることが可能な溶液を液体試料として用いることができる。また本発明の化学分析装置は、例えば酸化還元反応や付加反応のような化学反応のほか、ＤＮＡやタンパク質のような生体成分を用いた生化学反応に用いることができる。
【００１６】
液槽１０５の底面には、発熱体素子１１０が形成されている。発熱体素子１１０は薄膜抵抗体と、該薄膜抵抗体の両端に電圧を印加するための電極（不図示）よりなる。
【００１７】
発熱体素子の構成の具体例を図５に示す。発熱体素子５０１は、基板５０５上に形成されており、薄膜抵抗体５０３の上下両面を絶縁体の保護層５０２で挟んだ構成となっている。薄膜抵抗体５０３の材質としては、金属材料、導電性を持たせたシリコン等の半導体が挙げられる。保護層５０２により、薄膜抵抗体の表面を化学反応から保護することが可能である。保護層５０２の材質としては、薬品耐性が高いものが好ましい。例えば、ＳｉＯ₂やＳｉ₃Ｎ₄等の絶縁材料、Ｔａ等の金属材料が挙げられる。また、薄膜抵抗体の両端は、保護層５０２に形成したコンタクトホールを介して電極５０４に電気的に接続されている。電極５０４を介して薄膜抵抗体の両端に電圧を印加することにより、発熱体素子を加熱することができる。基板５０５と発熱体素子５０１の間には蓄熱層５０６が形成されている。蓄熱層５０６を設けることにより、発熱体素子５０１で発生した熱を、基板５０５側に散逸させることなく、効率良く試料の濃縮に利用することが可能となる。蓄熱層５０６の材質は、熱伝導度が低い材料から選択される。例えば、ＳｉＯ₂やＳｉ₃Ｎ₄等の絶縁体材料が好ましい。
【００１８】
発熱体素子１１０は、試料の濃縮以外にも、化学反応を促進するための試料の加熱にも用いることが可能である。また、発熱体素子１１０は、試料を加熱して脱気する目的にも用いることが可能である。
【００１９】
各液槽および流路は、遮断部１１２により外気から遮断されている。遮断部１１２の材質に関しては、液体試料に対して耐性を有し、かつ発熱体素子の発生する熱に対して耐性がある材料であれば特に制限はない。上面の天板側からの試料の状況の観察や光分析を実施する場合を考えると、ガラス、樹脂等の光透過性の材質を用いることが好ましい。
【００２０】
液槽１０５の上部は気体成分のみが透過可能な材質よりなるシール材１１３でシールされている。シール材１１３は多孔質膜よりなる。多孔質膜を形成する材質としては、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリスルホン、ポリアクリロニトリル、セルロースアセテート等の疎水性高分子が使用可能である。気体成分のみが透過可能な材質を用いることにより、液体試料を外部に漏らすことなく、液槽１０５から蒸発する気体のみを装置外部に除去することが可能となる。また、液槽１０５の上部をシールせず外部に開放する場合と比較して、装置外部からの不純物によりシステム内が汚染する可能性を低くすることが可能となる。
【００２１】
遮断部１１２の液槽１０２〜１０４の上部に対応する部分には、液槽１０２〜１０４に液体試料を導入するための試料導入口１１４が形成されている。
【００２２】
また、図示していないが、液槽１０２〜１０４から液槽１０５に複数の液体を導入するための流路１０６〜１０８、および液槽１０５で濃縮した液体を液槽１０５から他の槽に導入するための流路１０９に液体の流れを制御するための弁を備えていてもよい。流路１０６〜１０９に形成された全ての弁を閉状態にして液槽１０５にて濃縮することにより、濃縮時に液体が液槽１０５の外部への移動がなくなるので、流路に弁が無く開放されている場合と比較して効率よく液体を濃縮することが可能となる。液体の濃縮が十分になされた後、弁を開放することにより、濃縮した液体を反応、分析槽に送液することができる。
【００２３】
次に、本実施形態において液体試料を濃縮する方法を説明する。
まず、試料注入口１１４より液体試料を液槽１０２〜１０４に導入する。各液槽に注入された液体試料は、流路１０６〜１０８を介して液槽１０５に導入される。各液槽に種類の異なる液体試料が導入された場合は、試料同士が液槽１０５において接触し、混合する。その状態で、発熱体素子１１０を加熱することにより、液槽１０５内の液体試料の温度が上昇し、液体試料内の溶媒が蒸発する。それにより、液体試料内の溶質の濃度が相対的に高くなり、液体試料を濃縮することが可能である。蒸発した溶媒は、シール材１１３を介して透過して装置外部に排出される。
【００２４】
液槽１０５で濃縮された液体試料は、流路１０９を介して、化学分析装置の他の部分（例えば、反応・分析部）に送液される。
なお、本実施形態では、液槽１０５内において、濃縮だけでなく、加熱、混合等の処理を行うことも可能である。
【００２５】
図２は本発明の化学分析装置の他の実施形態を示す概念図である。図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）はＣＣ’線断面図を示す。図２の実施形態においては、液槽２０２〜２０４と液槽２０５を接続する流路２０６〜２０８中に発熱体素子２０９〜２１１が形成されている。基板上２０１に形成された遮断部２１２のうち、発熱体素子２０９〜２１１に対応する部分は、気体成分のみが透過可能なシール材２１３でシールされている。本実施形態においては、複数の液体試料が混合する前に液体試料を濃縮することが可能であり、濃縮が必要な試料のみを効率良く、濃縮することが可能である。また、流路２０６〜２０８は、液槽２０５と比較して容積が小さいので、液体試料の温度を短時間で上昇させることが可能となる。
【００２６】
なお、液槽２０２〜２０４内に発熱体素子を形成した場合も、本実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
【００２７】
また、発熱体素子に供給する駆動電圧をパルス状とし、その周波数またはパルス幅を制御することができる。それによって、溶媒の濃縮の程度を所望の大きさにすることができる。
【００２８】
図４は、本発明の化学分析装置の一例を示す概略図である。
本発明の化学分析装置は、基板４０１、試料注入槽（液槽）４０２−４０４、流路４０５、液槽４０６、分離部４０７、流体素子である弁４０８−４１０およびポンプ４１１、検出部４１２からなる。液槽４０６の底面には、発熱体素子４１３が形成されている。図４の化学分析装置では、例えば試料注入槽４０２より分析したい試料を導入し、試料注入槽４０３より移動相（キャリア相）を導入する。移動相、キャリア層の流量は、弁４０８および弁４０９を開閉することにより調整しても良い。導入された移動相およびキャリア相は、液槽４０６において混合する。さらに、発熱体素子４１３を駆動して混合液を加熱することにより、溶媒の一部を蒸発させ濃縮する。混合・濃縮した液体は、ポンプ４１１により分離部４０７に送液され、ここで成分ごとに分離される。分離の方法としては、例えば液体クロマトグラフィ法、電気泳動法等が挙げられる。成分ごとに分離された試料は、検出部４１２において検出される。検出の方法としては、例えば電気化学的検出、蛍光を用いた検出が挙げられる。検出された試料は、廃液として基板外に排出される。なお、図４においては、説明の都合上、システムを外気から遮断するための遮断部は省略してある。
【００２９】
【実施例】
以下、実施例を用いて本発明を、より詳細に説明する。なお実施例中における、寸法、形状、材質、作製プロセス条件は、一例であり、本発明の要件を満たす範囲内であれば、設計事項として任意に変更できるものである。
【００３０】
実施例１
本実施例では、図１に示した化学分析装置を作製し、作製した化学分析装置を用いて化学分析を実施した。
本実施例の化学分析装置の作製方法を説明する。図３は、本実施例の化学分析装置の作製工程を示す工程図である。
【００３１】
まず、シリコン基板（たて２５ｍｍ、よこ３０ｍｍ）３０１上に、熱酸化によりＳｉＯ₂ 膜３０２を１．０μｍの厚さに形成した。ＳｉＯ₂ 膜３０２は、発熱体素子３０３で発生した熱が基板３０１側に散逸するのを防ぎ、発熱体素子３０３で発生した熱を、液体試料の濃縮に有効に活用する蓄熱層の役割を果たす。ＳｉＯ₂ 膜３０２の上に、薄膜抵抗体と該薄膜抵抗体にパルス電圧を印加するための電極（不図示）よりなる発熱体素子３０３を形成した。薄膜抵抗体の材質には、Ｐ（リン）イオンをドープして導電性を持たせた多結晶シリコンを用いた。薄膜抵抗体の表面は保護層であるＳｉＮ膜（不図示）で覆われた構造とした（図３（ａ））。
【００３２】
次に、液槽３０４および液槽３０５となる貫通孔、および流路３０６および流路３０７となる溝をドライエッチングによって形成したシリコン基板３０８と、発熱体素子３０３を形成したシリコン基板３０１とを、エポキシ系の接着剤を用いて貼りあわせた。このとき、発熱体素子３０３が液槽３０５内に配置されるように位置合わせを行った（図３（ｂ））。
【００３３】
次に、試料注入口３０９および蒸発した溶剤を外部に逃がすための開口部３１０をエッチングにより形成したガラス基板３１１を、陽極接合を用いてシリコン基板３０８に接合した。このとき、試料注入口３０９が液槽３０４の上に、開口部が液槽３０５の上に配置されるように位置合わせを行った（図３（ｃ））。
次に、開口部３１０を、多孔質ポリプロピレン平膜よりなるシール部３１２を用いてシールした（図３（ｄ））。
以上の作製工程により、本実施例の化学分析装置が完成した。
【００３４】
図１の化学分析システムを用いて、以下の濃縮処理及び分析を実施した。
まず、ジクロロ酢酸分解細菌であるレノバクター・スピーシズＡＣ株（独立行政法人産業総合研究所特許生物寄託センター受託番号：ＦＥＲＭＰ−１４６４１；特開平８−１４０６６５に記載）を以下の組成の培地中で３０℃で４８時間培養し、増殖した。
【００３５】
２．７ｇＮａ₂ ＨＰＯ₄ ・２Ｈ₂ Ｏ
１．４ｇＫＨ₂ ＰＯ₄
０．５ｇ（ＮＨ₄ ）₂ ＳＯ₄
０．２ｇＭｇＳＯ₄ ・７Ｈ₂ Ｏ
１ｍｇＦｅＳＯ₄ ・７Ｈ₂ Ｏ
０．１ｇピルビン酸ナトリウム
（蒸留水１Ｌあたり；混合溶解後滅菌）
【００３６】
増殖後、遠心分離により菌体を集め、菌体質重量１ｇあたり３ｍＬになるように、以下の組成の溶液（溶液Ａとする）に再懸濁した。
【００３７】
溶液Ａ：５０ｍＭグリシン／ＮａＯＨ（ｐＨ９．０）溶液に、エチレンジアミン四酢酸及びβ−メルカプトエタノールを何れも最終濃度５ｍＭになるよう加えた溶液
【００３８】
次に、上記懸濁液をフレンチプレス処理し、菌体を破砕した後、遠心分離を行って、上澄としてデハロゲナーゼを含む菌体抽出液を回収した。この溶液を溶液Ｂとする。
次に、溶液Ａにジクロロ酢酸溶液を溶解した溶液を作成した。この溶液を溶液Ｃとする。
【００３９】
上記の溶液Ｂを液槽１０２に溶液Ｃを液槽１０３に、それぞれ注入した。溶液Ｂおよび溶液Ｃは、それぞれ流路１０６および流路１０７を介して、液槽１０５に到達し接触した。液槽１０５において、溶液Ｃ：溶液Ｂを１９：１の割合で混合し、３０℃で５時間ジクロロ酢酸の酵素分解反応を行った。
【００４０】
次に、反応溶液を発熱体素子３０３で１００℃で約３０秒間加熱し、デハロゲナーゼを失活させた後、さらに発熱体素子３０３で加熱して６０℃で反応液の量が当初の１／５になるまで濃縮した。
【００４１】
上で得られた溶液を、流路１０９を介して分析部（不図示）へ送液した。分析部おいて、上記溶液をフィルターでろ過した。さらに、残留ジクロロ酢酸を、イオン交換樹脂充填カラムを設置した高速液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）法（展開溶媒：０．０１Ｎ硫酸水溶液／アセトニトリル＝９５／５、２１０ｎｍの吸光度を検出）により測定した。また、生成塩化物イオンを、電極法により測定した。その結果、残留ジクロロ酢酸濃度は１０．８×１０^-3ｍｏｌ／ｌであり、生成塩化物イオン濃度は（ｐｐｍからの換算値）７９．０ｍＭであった。
【００４２】
本実施例では、低濃度の液体試料を化学分析装置（μＴＡＳ）に導入し、装置内で濃縮処理を行った後、分析を実施した。これにより、ハンドリング等に起因する導入量の誤差の影響を低減することができ、安定した分析データを得ることができた。また、濃縮の過程における不純物による汚染の可能性を低減することができた。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、外部に別に設置した濃縮装置を用いることなく、装置内部で試料を濃縮することが可能な化学分析方法および装置を提供することができる。
また、本発明は、液体試料の濃縮の過程における不純物による汚染を低減することができ、安定した分析データを得ることができる化学分析方法及び装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の化学分析装置の実施形態の一例を示す概念図である。
【図２】本発明の化学分析装置の他の実施形態を示す概念図である。
【図３】本発明の化学分析装置の作製方法を示す工程図である。
【図４】本発明の化学分析装置の一例を示す概略図である。
【図５】発熱体素子の構成を示す概略図である。
【符号の説明】
１０１、２０１、４０１、５０５基板
１０２〜１０５、２０２〜２０５、３０４〜３０５、４０６液槽
１０６〜１０９、２０６〜２０８、３０６〜３０７、４０５流路
１１０、２０９〜２１１、３０３、４１３、５０１発熱体素子
１１１、５０６蓄熱層
１１２、２１２遮断部
１１３、２１３シール材
１１４、３０９試料注入口
１１５濃縮手段
３０１、３０８シリコン基板
３０２ＳｉＯ₂ 膜（蓄熱層）
３１０開口部
３１１ガラス基板（遮断部）
４０２〜４０４試料注入槽（液槽）
４０７分離部
４０８〜４１０弁
４１１ポンプ
４１２検出部
５０２保護層
５０３薄膜抵抗体
５０４電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a chemical analysis method and apparatus, and more particularly to a chemical analysis method and apparatus for concentrating a liquid sample in a miniaturized analysis system (μTAS: Micro Total Analysis System) that performs chemical analysis and chemical synthesis on a chip.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the development of three-dimensional microfabrication technology, attention has been focused on a system that integrates minute flow paths, fluid elements such as pumps and valves, and sensors on a substrate such as glass or silicon, and performs chemical analysis on the substrate. ing. These systems are called miniaturized analysis systems, μ-TAS (Micro Total Analysis System) or Lab on a Chip. By reducing the size of the chemical analysis system, it is possible to reduce the ineffective volume and greatly reduce the amount of the sample. In addition, the analysis time can be shortened and the power consumption of the entire system can be reduced. Furthermore, the low price of the system can be expected by downsizing. Since μ-TAS can reduce the size and cost of the system and significantly reduce the analysis time, it can be applied in the medical field such as home medical care and bedside monitor, and in the bio field such as DNA analysis and proteome analysis. Expected.
[0003]
In chemical analysis, it may be necessary to concentrate a sample to a certain concentration as a pretreatment for analyzing the sample. For example, when a component contained in a liquid sample is analyzed, if the concentration is extremely low, the analysis is difficult as it is. In such a case, it is necessary to concentrate the liquid sample and raise the concentration of the component to be analyzed to an analyzable concentration. Examples of sample concentration methods in chemical analysis include a method using an ion exchange resin, an organic solvent extraction method, and an evaporation concentration method. Among them, the evaporation concentration method is a method of relatively increasing the concentration of the trace component contained in the solvent by evaporating the liquid sample containing the trace component and reducing the amount of the solvent. For example, Japanese Patent Laid-Open Nos. 10-22251 and 2001-205031 disclose an apparatus and method for heating and concentrating a sample as a pretreatment for chemical analysis.
[0004]
Even when chemical analysis is performed with μTAS, it is naturally necessary to concentrate the sample. When the sample is concentrated using the conventional technique described above, the sample concentrated outside the system is introduced into the μTAS. In this case, the following problem occurs.
[0005]
When concentration work is performed outside the system, a high-concentration sample is introduced into μTAS using a pipette or syringe. At this time, if there is an error due to handling or the like in the amount of the liquid sample to be introduced, the influence on the amount of the analysis component is large, and an error tends to occur in the final analysis data. On the other hand, when the concentration is performed inside the system, it is sufficient to introduce a low-concentration sample, so that the influence of the introduced amount error on the final analysis result is reduced, and the reliability of the analysis result is improved.
[0006]
Moreover, when introducing into μTAS after carrying out concentration work externally, the labor is complicated, the entire analysis time including pre-processing increases, and the analysis cost may be excessive. In addition, in the process of concentration and introduction into μTAS, the sample may be contaminated with impurities.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
From the situation described above, when performing chemical analysis with concentration using μTAS, a system having a mechanism that plays a role of concentration inside the system is absolutely necessary.
[0008]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a chemical analysis method and apparatus capable of concentrating a sample inside a chemical analyzer without using an external concentrator.
Another object of the present invention is to provide a chemical analysis method and apparatus that can reduce contamination due to impurities in the process of concentrating a liquid sample and obtain stable analysis data.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
That is, the first invention of the present invention uses a device having a liquid tank, a flow path, a fluid control element and a detection element formed on a substrate, and uses a liquid sample on the substrate to perform chemical analysis or chemical analysis. In the chemical analysis method for synthesis, the heating element is provided in the liquid tank or the flow path, and part or all of the surfaces constituting the liquid tank or the flow path are permeable to the gas component and the liquid component is permeable. providing a device formed by non material, a chemical analysis method characterized by concentrating by evaporation of the solvent the liquid sample is heated by the heating element.
[0010]
The second aspect of the present invention, the liquid tank on the substrate, the flow path includes a fluid control element and a detecting element, the chemical analysis apparatus for performing chemical analysis or chemical synthesis using a liquid sample on said substrate, heating The body element is provided in the liquid tank or the flow path, and part or all of the surface constituting the liquid tank or the flow path is formed of a material that is permeable to a gas component and impermeable to a liquid component, is a chemical analysis apparatus characterized by concentrating by a liquid sample is heated by the heating element to evaporate the solvent.
[0011]
Next, a preferred embodiment of the chemical analysis method and apparatus of the present invention is shown.
It is preferable to have a heating element in the liquid tank.
It is preferable to have a heating element in the flow path.
The heating element is preferably a thin film resistor, and the thin film resistor is preferably disposed on a surface constituting a flow path or a liquid tank.
It is preferable that a part of or all of the surfaces constituting the liquid tank or the flow path having the heating element are formed of a material that allows gas components to pass therethrough and prevents liquid components from passing therethrough.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
FIG. 1 is a conceptual diagram showing an example of an embodiment of a chemical analyzer of the present invention. 1A is a plan sectional view taken along line AA ′, and FIG. 1B is a longitudinal sectional view taken along line BB ′. The embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG.
[0013]
The chemical analysis apparatus shown in FIG. 1 generates liquid tanks 102 to 105 for storing a liquid sample, flow paths 106 to 109 for moving the liquid sample, a heating element 110 for heating the liquid sample, and a liquid sample on the substrate 101. Concentrating means 115 for concentrating by heating the body element and evaporating the solvent is provided.
[0014]
The material of the substrate 101 is not particularly limited as long as it is resistant to the liquid sample and resistant to the heat generated by the heating element. For example, semiconductor materials such as silicon, glass materials, metal materials, resin materials, and the like can be given.
[0015]
As the liquid sample, for example, a solution using water or alcohol as a solvent can be used. In addition, a solution capable of evaporating the solvent by heating using the heating element can be used as the liquid sample. The chemical analysis apparatus of the present invention can be used not only for chemical reactions such as oxidation-reduction reactions and addition reactions, but also for biochemical reactions using biological components such as DNA and proteins.
[0016]
A heating element 110 is formed on the bottom surface of the liquid tank 105. The heating element 110 includes a thin film resistor and electrodes (not shown) for applying a voltage to both ends of the thin film resistor.
[0017]
A specific example of the configuration of the heating element is shown in FIG. The heating element 501 is formed on a substrate 505, and has a configuration in which the upper and lower surfaces of the thin film resistor 503 are sandwiched between protective layers 502 made of an insulator. Examples of the material of the thin film resistor 503 include a metal material and a semiconductor such as silicon having conductivity. The protective layer 502 can protect the surface of the thin film resistor from a chemical reaction. As a material of the protective layer 502, a material having high chemical resistance is preferable. For example, an insulating material such as SiO ₂ or Si ₃ N ₄ and a metal material such as Ta can be used. In addition, both ends of the thin film resistor are electrically connected to the electrode 504 through contact holes formed in the protective layer 502. By applying a voltage across the thin film resistor via the electrode 504, the heating element can be heated. A heat storage layer 506 is formed between the substrate 505 and the heating element 501. By providing the heat storage layer 506, the heat generated in the heating element 501 can be efficiently used for concentration of the sample without being dissipated to the substrate 505 side. The material of the heat storage layer 506 is selected from materials having low thermal conductivity. For example, an insulator material such as SiO ₂ or Si ₃ N ₄ is preferable.
[0018]
The heating element 110 can be used not only for concentration of the sample but also for heating the sample for promoting a chemical reaction. The heating element 110 can also be used for the purpose of heating and deaerating the sample.
[0019]
Each liquid tank and the flow path are blocked from outside air by the blocking section 112. The material of the blocking part 112 is not particularly limited as long as it is resistant to the liquid sample and resistant to the heat generated by the heating element. Considering the case of observing the state of the sample from the top side of the top surface or performing optical analysis, it is preferable to use a light transmissive material such as glass or resin.
[0020]
The upper part of the liquid tank 105 is sealed with a sealing material 113 made of a material that allows only gas components to pass therethrough. The sealing material 113 is made of a porous film. As a material for forming the porous film, hydrophobic polymers such as polypropylene, polyethylene, polytetrafluoroethylene, polysulfone, polyacrylonitrile, cellulose acetate and the like can be used. By using a material that allows only gas components to pass through, it is possible to remove only the gas that evaporates from the liquid tank 105 to the outside without leaking the liquid sample to the outside. Further, as compared with the case where the upper part of the liquid tank 105 is not sealed and opened to the outside, the possibility that the inside of the system is contaminated by impurities from the outside of the apparatus can be reduced.
[0021]
A sample introduction port 114 for introducing a liquid sample into the liquid tanks 102 to 104 is formed in a portion corresponding to the upper part of the liquid tanks 102 to 104 of the blocking unit 112.
[0022]
In addition, although not illustrated, the flow paths 106 to 108 for introducing a plurality of liquids from the liquid tanks 102 to 104 to the liquid tank 105 and the liquid concentrated in the liquid tank 105 are introduced from the liquid tank 105 to other tanks. The flow path 109 may be provided with a valve for controlling the flow of the liquid. By closing all the valves formed in the flow paths 106 to 109 and concentrating them in the liquid tank 105, the liquid does not move to the outside of the liquid tank 105 at the time of concentration. It is possible to concentrate the liquid more efficiently than in the case where it is used. After the liquid is sufficiently concentrated, the concentrated liquid can be sent to the reaction / analysis tank by opening the valve.
[0023]
Next, a method for concentrating a liquid sample in this embodiment will be described.
First, a liquid sample is introduced into the liquid tanks 102 to 104 from the sample injection port 114. The liquid sample injected into each liquid tank is introduced into the liquid tank 105 via the flow paths 106 to 108. When different types of liquid samples are introduced into each liquid tank, the samples come into contact with each other in the liquid tank 105 and are mixed. In this state, by heating the heating element 110, the temperature of the liquid sample in the liquid tank 105 rises, and the solvent in the liquid sample evaporates. Thereby, the concentration of the solute in the liquid sample becomes relatively high, and the liquid sample can be concentrated. The evaporated solvent passes through the sealing material 113 and is discharged outside the apparatus.
[0024]
The liquid sample concentrated in the liquid tank 105 is sent to another part (for example, a reaction / analysis unit) of the chemical analyzer via the flow path 109.
In the present embodiment, not only concentration but also processing such as heating and mixing can be performed in the liquid tank 105.
[0025]
FIG. 2 is a conceptual diagram showing another embodiment of the chemical analyzer of the present invention. 2A is a plan view, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line CC ′. In the embodiment of FIG. 2, heating element elements 209 to 211 are formed in flow paths 206 to 208 connecting the liquid tanks 202 to 204 and the liquid tank 205. Of the blocking part 212 formed on the substrate 201, the part corresponding to the heating element 209 to 211 is sealed with a sealing material 213 that allows only gas components to pass therethrough. In this embodiment, it is possible to concentrate a liquid sample before mixing a plurality of liquid samples, and it is possible to efficiently concentrate only a sample that needs to be concentrated. Further, since the channels 206 to 208 have a smaller volume than the liquid tank 205, the temperature of the liquid sample can be raised in a short time.
[0026]
In addition, also when a heat generating element is formed in the liquid tanks 202 to 204, it is possible to obtain the same effect as the present embodiment.
[0027]
In addition, the driving voltage supplied to the heating element can be pulsed and its frequency or pulse width can be controlled. Thereby, the degree of concentration of the solvent can be set to a desired level.
[0028]
FIG. 4 is a schematic view showing an example of the chemical analysis apparatus of the present invention.
The chemical analyzer of the present invention includes a substrate 401, a sample injection tank (liquid tank) 402-404, a flow path 405, a liquid tank 406, a separation unit 407, a valve 408-410 which is a fluid element, a pump 411, and a detection unit 412. Become. A heating element 413 is formed on the bottom surface of the liquid tank 406. In the chemical analyzer of FIG. 4, for example, a sample to be analyzed is introduced from the sample injection tank 402, and a mobile phase (carrier phase) is introduced from the sample injection tank 403. The flow rate of the mobile phase and the carrier layer may be adjusted by opening and closing the valves 408 and 409. The introduced mobile phase and carrier phase are mixed in the liquid tank 406. Further, the heating element 413 is driven to heat the liquid mixture, whereby a part of the solvent is evaporated and concentrated. The mixed / concentrated liquid is sent to the separation unit 407 by the pump 411, where it is separated for each component. Examples of the separation method include liquid chromatography and electrophoresis. The sample separated for each component is detected by the detection unit 412. Examples of the detection method include electrochemical detection and detection using fluorescence. The detected sample is discharged out of the substrate as a waste liquid. In FIG. 4, for convenience of explanation, a blocking unit for blocking the system from outside air is omitted.
[0029]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. The dimensions, shapes, materials, and fabrication process conditions in the examples are only examples, and can be arbitrarily changed as design matters as long as they satisfy the requirements of the present invention.
[0030]
Example 1
In this example, the chemical analysis apparatus shown in FIG. 1 was produced, and chemical analysis was performed using the produced chemical analysis apparatus.
A method for manufacturing the chemical analyzer of this example will be described. FIG. 3 is a process diagram showing a manufacturing process of the chemical analyzer of this example.
[0031]
First, an SiO ₂ film 302 having a thickness of 1.0 μm was formed on a silicon substrate (length: 25 mm, width: 30 mm) 301 by thermal oxidation. The SiO ₂ film 302 serves as a heat storage layer that prevents the heat generated in the heat generating element 303 from being dissipated to the substrate 301 side, and effectively uses the heat generated in the heat generating element 303 for concentration of the liquid sample. . On the SiO ₂ film 302, a heating element 303 comprising a thin film resistor and an electrode (not shown) for applying a pulse voltage to the thin film resistor was formed. As the material of the thin film resistor, polycrystalline silicon doped with P (phosphorus) ions to have conductivity was used. The surface of the thin film resistor was covered with a SiN film (not shown) as a protective layer (FIG. 3A).
[0032]
Next, a silicon substrate 308 in which through holes to be the liquid tank 304 and the liquid tank 305 and grooves to be the flow paths 306 and 307 are formed by dry etching, and a silicon substrate 301 in which the heating element 303 is formed, Bonding was performed using an epoxy adhesive. At this time, alignment was performed so that the heating element 303 was disposed in the liquid tank 305 (FIG. 3B).
[0033]
Next, the glass substrate 311 formed by etching the sample injection port 309 and the opening 310 for allowing the evaporated solvent to escape to the outside was bonded to the silicon substrate 308 by anodic bonding. At this time, alignment was performed so that the sample injection port 309 was disposed on the liquid tank 304 and the opening was disposed on the liquid tank 305 (FIG. 3C).
Next, the opening 310 was sealed using a sealing portion 312 made of a porous polypropylene flat membrane (FIG. 3D).
The chemical analysis apparatus of this example was completed through the above manufacturing steps.
[0034]
The following concentration process and analysis were performed using the chemical analysis system of FIG.
First, a dichloroacetic acid degrading bacterium, Renovacter sp. Cultivated at 48 ° C. for 48 hours to grow.
[0035]
2.7 g Na ₂ HPO ₄ · 2H ₂ O
1.4g KH ₂ PO ₄
0.5 g (NH ₄ ) ₂ SO ₄
0.2g MgSO ₄ · 7H ₂ O
1mg FeSO ₄ · 7H ₂ O
0.1 g Sodium pyruvate (per liter of distilled water; sterilized after mixing)
[0036]
After the growth, the cells were collected by centrifugation and resuspended in a solution (hereinafter referred to as solution A) having the following composition so that the amount was 3 mL per 1 g of the cell mass.
[0037]
Solution A: a solution obtained by adding ethylenediaminetetraacetic acid and β-mercaptoethanol to a 50 mM glycine / NaOH (pH 9.0) solution to a final concentration of 5 mM.
Next, the suspension was subjected to French press treatment, and the cells were crushed and then centrifuged, and a cell extract containing dehalogenase was recovered as a supernatant. This solution is designated as Solution B.
Next, a solution in which a dichloroacetic acid solution was dissolved in solution A was prepared. This solution is designated as Solution C.
[0039]
The solution B was injected into the liquid tank 102 and the solution C was injected into the liquid tank 103, respectively. The solution B and the solution C reached and contacted the liquid tank 105 through the channel 106 and the channel 107, respectively. In the liquid tank 105, the solution C: solution B was mixed at a ratio of 19: 1, and the enzymatic decomposition reaction of dichloroacetic acid was performed at 30 ° C. for 5 hours.
[0040]
Next, the reaction solution was heated with the heating element 303 at 100 ° C. for about 30 seconds to deactivate the dehalogenase, and then further heated with the heating element 303 and the amount of the reaction solution was reduced to 1/5 of the initial amount at 60 ° C. Concentrated to.
[0041]
The solution obtained above was sent to the analysis unit (not shown) via the channel 109. In the analysis part, the solution was filtered with a filter. Furthermore, residual dichloroacetic acid was measured by a high performance liquid chromatography (HPLC) method (developing solvent: 0.01 N sulfuric acid aqueous solution / acetonitrile = 95/5, detecting absorbance at 210 nm) equipped with an ion exchange resin packed column. Further, the generated chloride ion was measured by an electrode method. As a result, the residual dichloroacetic acid concentration was 10.8 × 10 ⁻³ mol / l, and the product chloride ion concentration (converted from ppm) was 79.0 mM.
[0042]
In this example, a liquid sample having a low concentration was introduced into a chemical analyzer (μTAS), the concentration treatment was performed in the device, and then the analysis was performed. Thereby, the influence of the error of the introduction amount resulting from handling etc. can be reduced, and stable analysis data can be obtained. In addition, the possibility of contamination by impurities during the concentration process could be reduced.
[0043]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a chemical analysis method and apparatus capable of concentrating a sample inside the apparatus without using a concentration apparatus separately provided outside.
In addition, the present invention can provide a chemical analysis method and apparatus that can reduce contamination by impurities in the process of concentrating a liquid sample and can obtain stable analysis data.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram showing an example of an embodiment of a chemical analyzer of the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram showing another embodiment of the chemical analysis apparatus of the present invention.
FIG. 3 is a process diagram showing a method for producing a chemical analyzer of the present invention.
FIG. 4 is a schematic view showing an example of a chemical analyzer of the present invention.
FIG. 5 is a schematic view showing a configuration of a heating element.
[Explanation of symbols]
101, 201, 401, 505 Substrate 102-105, 202-205, 304-305, 406 Liquid tank 106-109, 206-208, 306-307, 405 Channel 110, 209-211, 303, 413, 501 Heat generation Body element 111, 506 Heat storage layer 112, 212 Blocking portion 113, 213 Sealing material 114, 309 Sample inlet 115 Concentration means 301, 308 Silicon substrate 302 SiO ₂ film (heat storage layer)
310 opening 311 glass substrate (blocking part)
402 to 404 Sample injection tank (liquid tank)
407 Separator 408 to 410 Valve 411 Pump 412 Detector 502 Protective layer 503 Thin film resistor 504 Electrode

Claims

In a chemical analysis method for performing chemical analysis or chemical synthesis using a liquid sample on the substrate using an apparatus having a liquid tank, a flow path, a fluid control element and a detection element formed on the substrate, a heating element Is prepared in the liquid tank or the flow path, and a part or all of the surface constituting the liquid tank or the flow path is made of a material that can transmit a gas component and cannot transmit a liquid component. and chemical analysis method characterized by concentrating by evaporation of the solvent the liquid sample is heated by the heating element.

Methods for chemical analysis according to claim 1, wherein the concentrating all valves formed in the flow path in said tank in the closed state.

The chemical analysis method according to claim 1 or 2 , wherein the heating element is a thin film resistor, and the thin film resistor is disposed on a surface constituting a flow path or a liquid tank.

Wherein the drive voltage supplied to the heating element as a pulsed, according to any of claims 1 to 3, characterized in that to the extent the desired size of the concentration of the solvent by controlling the frequency Chemical analysis method.

Wherein the drive voltage supplied to the heating element and the pulse shape, to any one of claims 1 to 4, characterized in that the degree of concentration of the solvent by controlling the pulse width to a desired size The chemical analysis method described.

In a chemical analyzer having a liquid tank , a flow path, a fluid control element and a detection element on a substrate, and performing chemical analysis or chemical synthesis using a liquid sample on the substrate, the heating element is connected to the liquid tank or flow path. together provided within heating, the liquid tank or a flow path part or all of the surface constituting the gaseous component capable of transmitting, the liquid component is formed in a non-transparent material, the liquid sample by the heating element Then, the chemical analyzer is concentrated by evaporating the solvent.

A flow path for introducing a plurality of liquids into the liquid tank and a flow path for introducing the liquid concentrated in the liquid tank from the liquid tank to another tank, and controlling the flow of the liquid in the flow path The chemical analyzer according to claim 6, further comprising a valve for performing the operation.

The chemical analysis apparatus according to claim 6 or 7, wherein the heating element is a thin film resistor, and the thin film resistor is disposed on a surface constituting a flow path or a liquid tank.