JP4424076B2

JP4424076B2 - 脱塩用マイクロチップおよび脱塩装置

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Publication number: JP4424076B2
Application number: JP2004166691A
Authority: JP
Inventors: 功一鈴木
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2004-06-04
Filing date: 2004-06-04
Publication date: 2010-03-03
Anticipated expiration: 2024-06-04
Also published as: JP2005345327A

Description

本発明は、生体高分子含有サンプルの脱塩技術に関し、より詳しくはタンパク質やDNA等の生体高分子を含む溶液から、緩衝剤や塩などの夾雑イオンを除去するためのマイクロチップおよび該チップを用いた脱塩装置に関する。

タンパク質やDNA等の生体高分子を含むサンプル溶液の脱塩には、一般に、逆相系のビーズやカラム等の固体表面と生体高分子間の疎水性相互作用によりサンプルをいったん固体表面に吸着させ、その後、洗浄および有機溶媒での脱離を行うことによって目的分子を回収する方法が用いられている。特に、微量サンプルの脱塩には、先端部にクロマトグラフィー樹脂が固定されており、ピペットにセットすることで使用できるジップチップ（登録商標）が広く用いられてる。

しかし、上記のようなジップチップ等を用いた脱塩方法は、固体表面への吸着・洗浄・脱離といった逐次プロセスからなるため、対象サンプルの吸着効率、洗浄による流出、不可逆な吸着等に依存した各プロセスでの収率が積算され、目的分子の回収率が著しく低下する場合がある。更に、マイクロピペット容量でのサンプル操作が必要となり、サンプルの微量化や前後処理との連続性確保が困難になる。また、大容量のサンプルに対する処理には対応できないといった問題があった。
特開2002-243701号公報

本発明が解決しようとする課題は、処理過程における目的分子のロスが少なく、前後の処理に対して連続性を確保することのできる生体高分子サンプルの脱塩装置を提供することである。

近年、半導体製造分野での微細加工技術の進歩に伴い、生化学・分子生物学研究分野においても微細加工技術によって製造されたマイクロデバイスの応用が進められている。このようなマイクロデバイスとしては、例えば特許文献１に記載のような、基板上に微細流路および電極を形成した電気泳動用のマイクロチップなどが開発されており、解析の自動化・迅速化・微量化に寄与している。そこで、本願発明者らはこのような微細加工技術を用いて基板上に生体高分子サンプルの脱塩システムを構築することに想到し、本願発明に至った。

すなわち、上記課題を解決するために成された本発明に係る脱塩用マイクロチップは、平板状の基板と表面板とを貼り合わせて成るマイクロチップであって、
a)上記基板の接合面に設けられた両端部で統合された第１の溝および第２の溝から成るサンプル流路と、
b)上記表面板の接合面に、上記サンプル流路と略平行且つ、一部が上記サンプル流路の２本の溝の双方と重なるように設けられた溝状の中間流路と、
c)上記表面板の接合面に、少なくとも一部がそれぞれ上記サンプル流路の２本の溝のうち一方と重なるように設けられた溝状の陽極室および陰極室と、
d)上記サンプル流路、陽極室、陰極室、および中間流路の両端に対応する上記表面板上の位置にそれぞれ設けられた貫通孔と、
e)上記基板と表面板の間に挟み込まれ、上記陰極室とサンプル流路の第１の溝との間、およびサンプル流路の第２の溝と中間流路との間に配置された陽イオン交換膜と、上記陽極室とサンプル流路の第２の溝との間、およびサンプル流路の第１の溝と中間流路との間に配置された陰イオン交換膜と、を有することを特徴とする。

なお、上記の脱塩用マイクロチップにおいて、表面板は基板と同程度の厚みを有するものであってもよく、あるいは、表面板としてフィルム状のものを使用し、該フィルム状の表面板によって基板をラミネートした構成としてもよい。

なお、上記の脱塩用マイクロチップは、両電極室に外部から電極を挿入することによって使用されるものであるが、本発明の脱塩用マイクロチップは、電極を基板上に形成した構成としてもよい。

また、本発明に係る脱塩装置は、a)上記いずれかの態様のマイクロチップと、b)該マイクロチップに対して液体を送るための送液手段と、c)上記マイクロチップに対して電圧を印加するための電圧印加手段と、d)上記送液手段および電圧印加手段を制御するための制御手段とを備えることを特徴とするものである。

上記構成から成る本発明の脱塩用マイクロチップによれば、生体高分子を含むサンプルがサンプル流路を通過する過程で、サンプル溶液に含まれる陽イオンおよび陰イオンがそれぞれ陰極および陽極に引き寄せられて電極室に移動し、各電極室の出口から排出される。従って、サンプル流路出口からは夾雑イオンが除かれた生体高分子サンプルを回収することができる。
以上のように、本発明の脱塩用マイクロチップは、脱塩工程に従来のような固体表面への吸着や脱離を含まないため、目的分子のロスを抑えることができる。また、人手による煩雑なピペット操作等を必要としないため、前後の処理と脱塩処理とをシームレスに結ぶことができ、解析を効率化することができる。また、試料の微量化を実現できると共に、本発明の脱塩用マイクロチップを並列に接続して使用することにより、処理量を増大させることも可能である。

更に、サンプル流路と各電極室との間にイオン交換膜を介在させることにより、電極反応に伴うpH変動がサンプル流路に作用するのを防ぐと共に、電極室に移動した夾雑イオンがサンプルに再混合するのを効果的に抑制することができる。

以下、実施例を用いて本発明の脱塩用マイクロチップおよび脱塩装置について詳細な説明を行う。

［実施例１］
図１(a)は本実施例の脱塩用マイクロチップの斜視図であり、図１(b)は該マイクロチップ内に設けられたサンプル流路および各電極室の構成を示す概略図である。本実施例のマイクロチップ１０は、石英製の基板１１および表面板１２から成り、基板１１の接合面側にはフォトリソグラフィー／ウエットエッチングにより溝状のサンプル流路１３、陰極室１４、および陽極室１５が形成される。また、表面板１２にはサンドブラストによる掘削加工により、上記各流路の端部に対応する位置に各流路の入口および出口として各１対の貫通孔が形成される。上記基板１１および表面板１２はフッ酸接合によって、上記サンプル流路および各電極室が内側になるように貼り合わされ、更に、表面板１２の接合面と反対側の面の陰極室の入口１４aおよび陽極室の入口１５aには、スパッタリングによって電極反応用のPt／Ti電極１６、１７が形成される。

図２に本実施例の脱塩用マイクロチップ１０を用いた脱塩装置２０の概略を示す。該脱塩装置２０は、上記マイクロチップ１０と、該マイクロチップ１０のサンプル流路１３にサンプル溶液を送液するためのポンプ２２と、陰極室１４および陽極室１５に電極液を送液するためのポンプ２３と、上記マイクロチップ１０に設けられた電極１６、１７に対して電圧を印加するための電源装置２４と、上記ポンプおよび電源装置を制御するための制御装置２５とを備えている。

上記脱塩装置２０を用いてサンプルの脱塩を行う際には、サンプル流路の入口１３aにはポンプ２２によってサンプル溶液を、陰極室および陽極室の入口１４a、１５aにはポンプ２３によって電極液を連続導入しながら、電源装置２４によって両電極１６、１７間に電圧を印加する。これにより、サンプル溶液がサンプル流路１３を通過する間に、サンプルに含まれる陽イオンが陰極１６に、陰イオンが陽極１７に引き寄せられて各電極室１４、１５に移動し、各電極室の出口１４b、１５bから排出される。従って、サンプル流路の出口１３bからは夾雑イオンが除かれたサンプル溶液を回収することができる。

上記のように陰極室１４および陽極室１５に電極液を連続送液することにより、両電極室に移動してきた夾雑イオンを効率よく除去することができるだけでなく、電極近傍でのpH変動を抑制する効果も得られる。更に、図１に示すようにサンプル流路１３と両電極室１４、１５とを結ぶ流路を狭くデザインすることにより、電極反応領域へのサンプル流出を抑制することができる。

また、上記サンプル流路１３の入口１３a及び／又は出口１３bを他のサンプル処理装置や分析装置と連結することにより、前後のサンプル処理や分析と脱塩処理をシームレスに連続させることもできる。例えば、上記サンプル流路１３の出口１３bを質量分析装置やシーケンサのサンプル導入部と接続することにより、サンプルの脱塩から分析までの一連の操作を自動的に行うことが可能となり、解析の簡便化・迅速化に寄与することができる。

［実施例２］
本実施例の脱塩用マイクロチップは、上記実施例１のマイクロチップを改良したものであり、サンプル流路と各電極室との間にイオン交換膜を介在させたものである。
図３に本実施例の脱塩用マイクロチップ３０の概略構成図を示す。図３(a)は斜視図であり、図３(b)は図３(a)のA-A'矢視断面図である。上記実施例１と同様の構成については同一符号を付与した。
基板１１には、接合面側にフォトリソグラフィー／ウエットエッチングによりサンプル流路１３を形成する。表面板１２の接合面側には、上記基板１１のサンプル流路１３と略直行する向きに陰極室１４および陽極室１５をサンドブラスト加工によって形成すると共に、サンプル流路１３および各電極室１４、１５の出口および入口として、それぞれの端部に相当する位置に超音波加工によって貫通孔を形成する。更に表面板１２の他方の面には、電極反応用のPt／Ti電極１６、１７をスパッタリングにより形成する。基板１１と表面板１２の間には、サンプル流路１３と陰極室１４の隔絶膜として陽イオン交換膜３１を、サンプル流路１３と陽極室１５との隔絶膜として陰イオン交換膜３２を配置する。上記基板１１、イオン交換膜３１、３２、および表面板１２の接合にはフッ酸接合を用いる。

本実施例の脱塩用マイクロチップ３０を用いて脱塩を行う際には、上記実施例１と同様に、サンプル流路の入口１３aにはサンプル溶液を、両電極室の入口１４a、１５aには電極液を連続導入しながら、両電極１６、１７間に電圧を印加する。本実施例では、サンプル流路１３と両電極室１４、１５との間にイオン交換膜３１、３２が設けられているため、陰極室１４には陽イオンのみが、陽極室１５には陰イオンのみが移動することができ、電極反応領域へのサンプル流出を抑制すると共に、夾雑イオンのサンプルへの再混入を防止することができる。

［実施例３］
図４に本実施例の脱塩用マイクロチップの概略構成図を示す。図４(a)は斜視図であり、図４(b)は図４(a)のB-B'矢視断面図である。本実施例のマイクロチップ４０は、上記実施例２の変形例であり、上記のサンプル流路、陰極室、陽極室に加えて、夾雑イオン回収用の中間流路を設けたものである。

基板１１の接合面側にはフォトリソグラフィー／ウエットエッチングによりサンプル流路１３を形成する。サンプル流路１３は図４(a)のように中間部分が分岐した形状とし、一方を第１の溝１３c、他方を第２の溝１３dとよぶ。表面板１２の接合面側には、フォトリソグラフィー／ウエットエッチングにより電極室１４、１５および中間流路４１を形成すると共に、サンプル流路１３、各電極室１４、１５、中間流路４１の出口および入口として、それぞれの端部に相当する位置に超音波加工によって貫通孔を形成する。上記基板１１と表面板１２の間には、各流路の方向に沿って各２枚の陽イオン交換膜３１と陰イオン交換膜３２を交互に配置し、基板１１、イオン交換膜３１、３２、表面板１２をフッ酸接合によって接合し、表面板１２の他方の面に、電極反応用のPt／Ti電極１６、１７をスパッタリングにより形成する。
このとき、図４(b)に示すようにサンプル流路の一方の溝１３cまたは１３dと各電極室１４、１５、および中間流路４１とサンプル流路の２本の溝１３c、１３dとは互いに一部が重なるように配置されると共に、陰極室１４とサンプル流路の第１の溝１３cとの間、および中間流路４１とサンプル流路の第２の溝１３dとの間が陽イオン交換膜３１によって隔絶され、陽極室１５とサンプル流路の第２の溝１３dとの間、および中間流路４１とサンプル流路の第１の溝１３cとの間が陰イオン交換膜３２によって隔絶された構成となっている。

脱塩に際しては、サンプル流路の入口１３aにはサンプル溶液を、両電極室の入口１４a、１５aには電極液を、中間流路の入口４１aには緩衝液を連続導入しながら、両電極１６、１７間に電圧を印加する。これにより、サンプル中の陽イオンは陰極側へ、陰イオンは陽極側へと引き寄せられるが、陽イオン交換膜３１を通って中間流路４１に入った陽イオンは陰極に引きつけられるものの、陰イオン交換膜３２を通ることができないため、中間流路４１内に留まる。同様に陰イオン交換膜３２を通って中間流路４１に入った陰イオンも中間流路４１に留まる。従って、中間流路４１内には夾雑イオンが濃縮されるため、より効率よく夾雑イオンを除去することができる。また、サンプル流路１３を分岐させたことによりサンプルの処理量を増やすことができる。

以上、実施例を用いて本発明の脱塩用マイクロチップおよびそれを用いた脱塩装置について詳細な説明を行ったが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変更が許容されるものである。例えば、本発明のマイクロチップに用いる基板および表面板の材質は微細加工可能なものであれば特に限定せず、上記の石英の他、パイレックス（登録商標）ガラス、各種セラミックス、シリコン、PDMS（ポリジメチルシロキサン）等の樹脂などを用いることができる。上記基板および表面板には必要に応じて、電圧印加時の基板および表面板への電流リークを防止するための絶縁加工や、サンプルの吸着を防止するための各種コーティング加工などを施してもよい。また、本発明のマイクロチップの製造方法は特に限定するものではなく、機械加工、フォトリソグラフィー／エッチング等に代表される各種微細加工技術を利用することができる。
基板および表面板とイオン交換膜の接合手段も任意であり、機械的なシール等による膜保持も可能であるが、接合時のイオン交換膜の劣化を抑制するために、フッ酸接合などの低温で接合できる方法を用いることが望ましい。
また、本発明の脱塩装置における送液方法としては、上記実施例のようなポンプや、シリンジ等を用いた各種圧送送液の他、電気浸透流を利用した送液などを用いることができる。前者を用いる場合にはチップの接合強度や膜の耐圧性に応じて送液圧力を適宜設定する。

本発明の脱塩用マイクロチップの第１実施例を示す図であり、(a)は斜視図、(b)はマイクロチップ内部の構成を示す模式図である。同実施例のマイクロチップを用いた脱塩装置の概略構成図。本発明の脱塩用マイクロチップの第２実施例を示す図であり、(a)は斜視図、(b)は(a)のA-A'矢視断面図である。本発明の脱塩用マイクロチップの第３実施例を示す図であり、(a)は斜視図、(b)は(a)のB-B'矢視断面図である。

符号の説明

１０，３０，４０…マイクロチップ
１１…基板
１２…表面板
１３…サンプル流路
１４…陰極室
１５…陽極室
１６…陰極
１７…陽極
２０…脱塩装置
２２，２３…ポンプ
２４…電源装置
２５…制御装置
３１…陽イオン交換膜
３２…陰イオン交換膜
４１…中間流路

Claims

平板状の基板と表面板とを貼り合わせて成るマイクロチップであって、
a)上記基板の接合面に設けられた両端部で統合された第１の溝および第２の溝から成るサンプル流路と、
b)上記表面板の接合面に、上記サンプル流路と略平行且つ、一部が上記サンプル流路の２本の溝の双方と重なるように設けられた溝状の中間流路と、
c)上記表面板の接合面に、少なくとも一部がそれぞれ上記サンプル流路の２本の溝のうち一方と重なるように設けられた溝状の陽極室および陰極室と、
d)上記サンプル流路、陽極室、陰極室、および中間流路の両端に対応する上記表面板上の位置にそれぞれ設けられた貫通孔と、
e)上記基板と表面板の間に挟み込まれ、上記陰極室とサンプル流路の第１の溝との間、およびサンプル流路の第２の溝と中間流路との間に配置された陽イオン交換膜と、上記陽極室とサンプル流路の第２の溝との間、およびサンプル流路の第１の溝と中間流路との間に配置された陰イオン交換膜と、
を有することを特徴とする脱塩用マイクロチップ。
更に、上記表面板の接合面とは反対の面において、上記陰極室の両端部に設けられた貫通孔のいずれか一方の周辺部と、上記陽極室の両端部に設けられた貫通孔のいずれか一方の周辺部とに形成された一対の電極を有することを特徴とする請求項１に記載の脱塩用マイクロチップ。
a)請求項１又は２に記載のマイクロチップと、
b)該マイクロチップに対して液体を送るための送液手段と、
c)上記マイクロチップに対して電圧を印加するための電圧印加手段と、
d)上記送液手段および電圧印加手段を制御するための制御手段と、
を備えることを特徴とする脱塩装置。