JP4094634B2 - 試料溶液のｐＨを調節する方法 - Google Patents
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Description
本発明は、電気分解素子を備える微小流体素子を用いて、試料溶液のｐＨを調節する方法に関する。
微小流体素子は、入口、出口、および反応容器などがマイクロチャンネルを介して連結されている装置をいう。かかる装置は、当業界に公知であり、ＬＯＣ（Ｌａｂ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐ）のような微細分析装置に広く利用されている。かかる微小流体素子には、前記マイクロチャンネルが形成されている以外に、一般的に流体の移送のためのマイクロポンプ、流体の混合のためのマイクロミキサ、および移送される流体を濾過するためのマイクロフィルタなどが備わっている。
ＬＯＣのような生物学的分析装置として用いられる微小流体素子は、細胞の溶解、ＰＣＲなどの核酸の増幅および分離、蛋白質の分離および検出などの、一連の生物学的分析工程を行う。かかる生物学的分析工程において、従来のｐＨ調節は、酸性溶液、中性溶液、またはバッファ溶液を添加および／または除去することによって行っていた。
しかし、微小流体素子において、かかるｐＨ調節用の溶液を添加および／または除去する場合、試料の量が少ないために、希釈、混合、およびマイクロチャンネル内への物質移動などの問題が発生しうる。また、このように添加されたｐＨ調節用の溶液に含まれる物質が、その後の生物学的分析工程で阻害物質として作用しうる場合には、使用後に除去しなければならない。
そこで本発明は、ｐＨ調節用の溶液を添加および／または除去する工程なしに、微小流体素子を用いて試料溶液のｐＨを調節する手段を提供することを目的とする。
本発明者らは、前記従来技術の問題点に鑑み、鋭意研究を積み重ねた結果、アノードチャンバおよびカソードチャンバの体積の比率を調節した電気分解素子を備える微小流体素子を用いて電気分解を実施し、その電気分解により得られるアノードチャンバ内の酸性の電気分解された溶液、およびカソードチャンバ内の塩基性の電気分解された溶液を同じ体積で混合することにより、試料溶液のｐＨを調節できるということを見出し、本発明を完成するに至った。
したがって、本発明は、アノードチャンバ、カソードチャンバ、および分割膜を備える電気分解素子を備える微小流体素子であって、前記分割膜は、前記アノードチャンバとカソードチャンバとの間に設置されており、前記アノードチャンバは、アノードチャンバ溶液が流入する流入口、アノードチャンバ溶液が流出する流出口、および電極を備え、前記カソードチャンバは、カソードチャンバ溶液が流入する流入口、カソードチャンバ溶液が流出する流出口、および電極を備える微小流体素子を用いて、カソードチャンバおよび／またはアノードチャンバに流入させた溶液のｐＨを調節する方法であって、（ａ）前記アノードチャンバの流入口を介して、水より標準酸化還元電位が低い化合物を含むアノードチャンバ溶液を前記アノードチャンバに流入させるステップと、（ｂ）前記カソードチャンバの流入口を介して、水より標準酸化還元電位が高い化合物を含むカソードチャンバ溶液を前記カソードチャンバに流入させるステップと、（ｃ）前記アノードチャンバおよび前記カソードチャンバに備わっている前記電極を介して電圧を印加し、前記アノードチャンバおよび前記カソードチャンバで電気分解を行うステップと、（ｄ）前記アノードチャンバ内の酸性の電気分解された溶液および前記カソードチャンバ内の塩基性の電気分解された溶液を同じ体積で混合するステップと、を含み、前記アノードチャンバの体積および前記カソードチャンバの体積は、前記アノードチャンバ内の電気分解された溶液および前記カソードチャンバ内の電気分解された溶液を混合して得られる溶液の、標的となるｐＨに従って所定の比率に調節されていることを特徴とする、カソードチャンバおよび／またはアノードチャンバに流入させた溶液のｐＨを調節する方法を提供する。
本発明のｐＨ調節方法によれば、試料溶液のｐＨは、アノードチャンバ溶液およびカソードチャンバ溶液を電気分解した後、得られた溶液を同じ体積で混合することにより、所望の値に調節可能である。
本発明は、アノードチャンバ、カソードチャンバ、および分割膜を備える電気分解素子を備える微小流体素子であって、前記分割膜は、前記アノードチャンバとカソードチャンバとの間に設置されており、前記アノードチャンバは、アノードチャンバ溶液が流入する流入口、アノードチャンバ溶液が流出する流出口、および電極を備え、前記カソードチャンバは、カソードチャンバ溶液が流入する流入口、カソードチャンバ溶液が流出する流出
口、および電極を備える微小流体素子を用いて、カソードチャンバおよび／またはアノードチャンバに流入させた溶液のｐＨを調節する方法であって、（ａ）前記アノードチャンバの流入口を介して、水より標準酸化還元電位が低い化合物を含むアノードチャンバ溶液を前記アノードチャンバに流入させるステップと、（ｂ）前記カソードチャンバの流入口を介して、水より標準酸化還元電位が高い化合物を含むカソードチャンバ溶液を前記カソードチャンバに流入させるステップと、（ｃ）前記アノードチャンバおよび前記カソードチャンバに備わっている前記電極を介して電圧を印加し、前記アノードチャンバおよび前記カソードチャンバで電気分解を行うステップと、（ｄ）前記アノードチャンバ内の酸性の電気分解された溶液および前記カソードチャンバ内の塩基性の電気分解された溶液を同じ体積で混合するステップと、を含み、前記アノードチャンバの体積および前記カソードチャンバの体積は、前記アノードチャンバ内の電気分解された溶液および前記カソードチャンバ内の電気分解された溶液を混合して得られる溶液の、標的となるｐＨに従って所定の比率に調節されていることを特徴とする、カソードチャンバおよび／またはアノードチャンバに流入させた溶液のｐＨを調節する方法を提供する。
口、および電極を備える微小流体素子を用いて、カソードチャンバおよび／またはアノードチャンバに流入させた溶液のｐＨを調節する方法であって、（ａ）前記アノードチャンバの流入口を介して、水より標準酸化還元電位が低い化合物を含むアノードチャンバ溶液を前記アノードチャンバに流入させるステップと、（ｂ）前記カソードチャンバの流入口を介して、水より標準酸化還元電位が高い化合物を含むカソードチャンバ溶液を前記カソードチャンバに流入させるステップと、（ｃ）前記アノードチャンバおよび前記カソードチャンバに備わっている前記電極を介して電圧を印加し、前記アノードチャンバおよび前記カソードチャンバで電気分解を行うステップと、（ｄ）前記アノードチャンバ内の酸性の電気分解された溶液および前記カソードチャンバ内の塩基性の電気分解された溶液を同じ体積で混合するステップと、を含み、前記アノードチャンバの体積および前記カソードチャンバの体積は、前記アノードチャンバ内の電気分解された溶液および前記カソードチャンバ内の電気分解された溶液を混合して得られる溶液の、標的となるｐＨに従って所定の比率に調節されていることを特徴とする、カソードチャンバおよび／またはアノードチャンバに流入させた溶液のｐＨを調節する方法を提供する。
本発明の方法は、まず（ａ）前記アノードチャンバの流入口を介して、水より標準酸化還元電位が低い化合物を含むアノードチャンバ溶液を、前記アノードチャンバに流入させるステップと、（ｂ）前記カソードチャンバの流入口を介して、水より標準酸化還元電位が高い化合物を含むカソードチャンバ溶液を前記カソードチャンバに流入させるステップとを含む。前記カソードチャンバ溶液は、細胞またはウイルスを含みうる。
本発明の方法において、前記水より標準酸化還元電位が低い化合物の例は、ＮＯ３ −、Ｆ−、ＳＯ４ ２−、ＰＯ４ ３−、およびＣＯ３ ２−のような陰イオンを少なくとも一つ含む化合物であるが、これらの例に限定されるものではない。また、前記水より標準酸化還元電位が高い化合物の例は、Ｎａ＋、Ｋ＋、Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋、およびＡｌ３＋のような陽イオンを少なくとも一つ含む化合物であるが、これらの例に限定されるものではない。前記（ａ）および（ｂ）のステップは、同時にまたは順次に行われうる。
本発明の方法に用いられる前記電気分解素子において、前記分割膜は、電流を通過させるが、前記アノードチャンバおよび前記カソードチャンバに含まれている電解液の電気分解により発生するイオンおよび／または気体を通過させない特性を有することが望ましい。さらに望ましくは、前記分割膜は、電流は通過させるが、水素イオン、ならびに水酸化物イオンおよび／または気体は通過させない特性を有する。かかる分割膜の例には、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）（Ｄｕｐｏｎｔ社製）、Ｄｏｗｅｘ（登録商標）（Ａｌｄｒｉｃｈ社製）、およびＤｉａｉｏｎ（登録商標）（三菱化学社製）などが含まれるが、これらの例に限定されるものではない。
また、本発明の方法に使われる電気分解素子のアノードチャンバおよびカソードチャンバが備える電極の材料は、白金、金、銅、およびパラジウムからなる群より選択されうる。アノードチャンバに白金を含む電極を使用する場合、電極への蛋白質およびＤＮＡの吸着が防止されうる。銅電極を使用する場合、アノードチャンバ溶液に含まれる、ＮａＣｌなどに由来する塩化物イオンと反応してＣｕＣｌ２を形成し、それによって毒性のある塩素ガスの発生を減らすことができる。また、パラジウム電極を使用する場合、カソードチャンバで発生した水素ガスを吸収するので、ガス除去工程が不要である。
本発明の方法は、また、（ｃ）前記アノードチャンバおよび前記カソードチャンバに備わっている前記電極を介して電圧を印加し、前記アノードチャンバおよび前記カソードチャンバで電気分解を行うステップを含む。本発明の方法において、前記カソードチャンバでは、水より標準酸化還元電位が低い化合物を含むカソードチャンバ溶液が含まれているために、水が電気分解され、水素ガスおよび水酸化物イオンが発生する。また、前記アノードチャンバでは、水より標準酸化還元電位が低い化合物を含むアノードチャンバ溶液が含まれているために、水が電気分解され、酸素ガスおよび水素イオンが発生する。結果的に、前記カソードチャンバ溶液のｐＨは塩基性側に変化し、前記アノードチャンバ溶液のｐＨは酸性側に変化する。
一般的に、ＬＯＣのような生物分析用の微小流体素子では、細胞の溶解、ＰＣＲ、核酸分離、または蛋白質分離などの様々な追加の生物学的分析工程を経る。かかる生物学的分析工程は、核酸または蛋白質のような生物学的分子が一般的に中性で安定であるために、ほとんど中性でなされる。特に、微小流体素子内での細胞の溶解、核酸の分離、核酸の増幅、蛋白質の分離および検出工程などが連続的な系列で行われうる。この場合、各ステップで行われる反応の結果として得られる溶液は、その後のステップで起こる反応に影響を与えうる物質が含まれていないことが望ましい。これらの溶液は、中性、またはその後の反応に適したｐＨを有することが望ましい。
したがって、本発明のｐＨ調節方法は、（ｄ）電気分解の結果として得られたアノードチャンバ内の酸性の電気分解された溶液およびカソードチャンバ内の塩基性の電気分解された溶液を同じ体積で混合するステップをさらに含む。同じ体積で混合する手段としては、例えば、前記アノードチャンバの流出口のマイクロチャンネル、および前記カソードチャンバの流出口のマイクロチャンネルが連結して形成されたマイクロチャンネルに設置された１つのポンプが用いられうる。この場合、前記各流出口から流出する溶液の量を測定せずに、同じ体積で混合できるため、流量測定器を必要としない。また、本発明のｐＨ調節方法は、前記アノードチャンバの流出口のマイクロチャンネルから流出する溶液の量および前記カソードチャンバの流出口のマイクロチャンネルから流出する溶液の量を測定し、同じ量を混合することによってもなされうる。しかし、本発明に用いられる混合方法は、前述の例に限定されるものではない。
本発明の方法に用いられる微小流体素子が備える電気分解素子の望ましい一実施形態は、前記アノードチャンバの流出口のマイクロチャンネルおよび前記カソードチャンバの流出口のマイクロチャンネルが連結して形成されたマイクロチャンネルに設置された１つのポンプをさらに備える。
本発明の方法に用いられる電気分解素子のアノードチャンバの体積およびカソードチャンバの体積は、前記アノードチャンバ内の電気分解された溶液および前記カソードチャンバ内の電気分解された溶液を混合して得られる試料溶液の、標的となるｐＨに従って、所定の比率に調節されていることを特徴とする。本発明の方法において、前記アノードチャンバおよび前記カソードチャンバで発生する水素イオンおよび水酸化物イオンの当量は同じである。それゆえ、アノードチャンバ溶液の総量およびカソードチャンバ溶液の総量を混合すれば、試料溶液は所望のｐＨを有することになる。すなわち、様々な工程において、追加的な試料のｐＨの調節工程を必要としない。本発明によるｐＨ調節方法において、前記アノードチャンバおよび前記カソードチャンバの体積は、前記アノードチャンバ内および前記カソードチャンバ内の異なるイオン濃度を有する電気分解された溶液を、同じ体積で混合して標的となるｐＨを有する溶液が得られるように、所定の比率で変わりうる。
以下、添付した図面を参照しつつ、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。
図１Ａないし図１Ｃは、本発明のｐＨ調節方法を模式的に説明する図である。図１Ａのように、アノードチャンバ２０およびカソードチャンバ３０の体積が同じである場合、電極１０に電圧を印加して電気分解を行った後、アノードチャンバ２０およびカソードチャンバ３０で発生する水素イオンの当量と水酸化物イオンの当量は、同じである。それゆえ、それらの溶液を同じ体積で混合する場合、得られる溶液は中性のｐＨを有する。一方、図１Ｂのように、アノードチャンバ２０の体積がカソードチャンバ３０の体積より大きい場合には、アノードチャンバ２０内の水素イオン濃度はカソードチャンバ３０内の水酸化物イオン濃度に比べて低い。そのため、それらの溶液を同じ体積で混合する場合、得られる溶液は塩基性のｐＨを有する。さらに、図１Ｃのように、カソードチャンバ３０の体積がアノードチャンバ２０の体積より大きい場合には、カソードチャンバ３０内の水酸化物イオン濃度はアノードチャンバ２０内の水素イオン濃度に比べて低い。そのため、それらの溶液を同じ体積で混合する場合、得られる溶液は酸性のｐＨを有する。
最終的に得られる溶液の標的となるｐＨは、本発明の方法に用いられる前記微小流体素子中の、前記アノードチャンバおよび前記カソードチャンバに含まれる電気分解された溶液の標準酸化還元電位、および前記アノードチャンバおよび前記カソードチャンバの体積を参照して、発生する水素イオンおよび水酸化物イオンの濃度を計算することによって決定されうる。また、最終的に得られる溶液の標的となるｐＨは、実験的には、様々な前記アノードチャンバおよびカソードチャンバの体積比を有する、アノードチャンバおよびカソードチャンバを有する電気分解素子を備える本発明の方法に用いられる微小流体素子を製造するステップと、前記アノードチャンバの流入口を介して水より標準酸化還元電位が低い化合物を含むアノードチャンバ溶液を、前記アノードチャンバに流入させるステップと、前記カソードチャンバの流入口を介して水より標準酸化還元電位が高い化合物を含むカソードチャンバ溶液を、前記カソードチャンバに流入させるステップと、前記アノードチャンバおよび前記カソードチャンバに備わっている電極を介して電圧を印加し、前記アノードチャンバおよび前記カソードチャンバで電気分解を行うステップと、アノードチャンバ内の酸性の電気分解された溶液およびカソードチャンバ内の塩基性の電気分解された溶液を同じ体積で混合するステップと、混合された最終溶液のｐＨを測定するステップとを含む方法によって決定されうる。かかる標的となるｐＨは、選択される電解液に従って、当業者によって容易に決定されうる。このような方法で、標的となるｐＨおよび試料溶液に従って、アノードチャンバおよびカソードチャンバの体積比が決定されうる。上述のように決定されたアノードチャンバおよびカソードチャンバの体積比は、アノードチャンバ内の電気分解された溶液およびカソードチャンバ内の電気分解された溶液を同じ体積で混合することにより標的とするｐＨが得られる、本発明による方法に用いられる電気分解素子を製造するために用いられうる。
以下、本発明を、実施例を介してさらに詳細に説明する。しかし、これらの実施例は、本発明を例示的に説明するためのものであり、本発明の範囲がこれら実施例に限定されるものではない。
実施例：アノードチャンバおよびカソードチャンバの体積比によるｐＨ調節
本実施例では、電気分解はアノードチャンバ、カソードチャンバ、および前記アノードチャンバとカソードチャンバとの間に設置されている分割膜を有する電気分解素子を用いて試料溶液のｐＨ調節を行った。電気分解を行った後で得られたアノードチャンバ溶液およびカソードチャンバ溶液を、ポンプを用いて同じ体積で混合した。その混合溶液のｐＨを測定した。
本実施例では、電気分解はアノードチャンバ、カソードチャンバ、および前記アノードチャンバとカソードチャンバとの間に設置されている分割膜を有する電気分解素子を用いて試料溶液のｐＨ調節を行った。電気分解を行った後で得られたアノードチャンバ溶液およびカソードチャンバ溶液を、ポンプを用いて同じ体積で混合した。その混合溶液のｐＨを測定した。
図２は、本実施例に用いた電気分解素子の構造を表した模式図である。アノードチャンバ２０およびカソードチャンバ３０には、それぞれ白金電極１０ａおよび金電極１０ｃが備わっており、前記アノードチャンバ２０および前記カソードチャンバ３０は、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）（米国、Ｄｕｐｏｎｔ社製）膜によって分割されている。本実施例では、図２の電気分解素子で、アノードチャンバ２０およびカソードチャンバ３０の総体積を１０ｍｌとし、体積比を変化させて電気分解素子を製造した。アノードチャンバには１００ｍＭのＮａ２ＳＯ４を満たし、カソードチャンバには１００ｍＭのＮａＣｌを満たし、電極（１０ａ、１０ｃ）を介して５Ｖの直流電圧を１分間印加して電気分解を行った。その後に得られた電気分解された溶液について、マイクロポンプ４０を通して混合した。前記マイクロポンプ４０は、前記アノードチャンバ２０の流出口のマイクロチャンネルおよび前記カソードチャンバ３０の流出口のマイクロチャンネルの連結によって形成されたマイクロチャンネルに設置されている。混合溶液のｐＨを測定した。
本実施例で用いたアノードチャンバおよびカソードチャンバの体積比、アノードチャンバ溶液のｐＨ、カソードチャンバ溶液のｐＨ、ならびに混合溶液のｐＨは、表１および図３の通りである。
表１および図３に示されているように、アノードチャンバおよびカソードチャンバの体積比を調節し、電気分解後のアノードチャンバ溶液およびカソードチャンバ溶液を同じ体積で混合することにより、混合溶液のｐＨが調節できる。
本発明の電気分解素子を備える微小流体素子を用いたｐＨ調節方法は、例えば試料分析に関連した技術分野に効果的に適用可能である。
１０ 電極、
１０ａ 白金電極、
１０ｃ 金電極、
２０ アノードチャンバ、
３０ カソードチャンバ、
４０ マイクロポンプ。
１０ａ 白金電極、
１０ｃ 金電極、
２０ アノードチャンバ、
３０ カソードチャンバ、
４０ マイクロポンプ。
Claims (7)
- アノードチャンバ、カソードチャンバ、および分割膜を備える電気分解素子を備える微小流体素子であって、前記分割膜は、前記アノードチャンバとカソードチャンバとの間に設置されており、前記アノードチャンバは、アノードチャンバ溶液が流入する流入口、アノードチャンバ溶液が流出する流出口、および電極を備え、前記カソードチャンバは、カソードチャンバ溶液が流入する流入口、カソードチャンバ溶液が流出する流出口、および電極を備える微小流体素子を用いて、カソードチャンバおよび／またはアノードチャンバに流入させた溶液のｐＨを調節する方法であって、
（ａ）前記アノードチャンバの流入口を介して、水より標準酸化還元電位が低い化合物を含むアノードチャンバ溶液を前記アノードチャンバに流入させるステップと、
（ｂ）前記カソードチャンバの流入口を介して、水より標準酸化還元電位が高い化合物を含むカソードチャンバ溶液を前記カソードチャンバに流入させるステップと、
（ｃ）前記アノードチャンバおよび前記カソードチャンバに備わっている前記電極を介して電圧を印加し、前記アノードチャンバおよび前記カソードチャンバで電気分解を行うステップと、
（ｄ）前記アノードチャンバ内の酸性の電気分解された溶液および前記カソードチャンバ内の塩基性の電気分解された溶液を同じ体積で混合するステップと、を含み、
前記アノードチャンバの体積および前記カソードチャンバの体積は、前記アノードチャンバ内の電気分解された溶液および前記カソードチャンバ内の電気分解された溶液を混合して得られる溶液の、標的となるｐＨに従って所定の比率に調節されていることを特徴とする、カソードチャンバおよび／またはアノードチャンバに流入させた溶液のｐＨを調節する方法。 - 前記水より標準酸化還元電位が低い化合物は、ＮＯ３ −、Ｆ−、ＳＯ４ ２−、ＰＯ４ ３−、およびＣＯ３ ２−からなる群より選択される少なくとも一つのイオンを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
- 前記水より標準酸化還元電位が高い化合物は、Ｎａ＋、Ｋ＋、Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋、およびＡｌ３＋からなる群より選択される少なくとも一つのイオンを含むことを特徴とする
、請求項１に記載の方法。 - 前記分割膜は、電流を通過させるが、前記アノードチャンバおよび前記カソードチャンバで電気分解によって発生したイオンおよび／または気体を通過させない特性を有することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
- 前記電極は、白金、金、銅、およびパラジウムからなる群より選択される金属を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
- 前記電気分解素子は、前記アノードチャンバの流出口のマイクロチャンネル、および前記カソードチャンバの流出口のマイクロチャンネルが連結して形成されたマイクロチャンネルに設置されたポンプをさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
- 前記カソードチャンバ溶液が細胞またはウイルスを含む、請求項１に記載の方法。
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