JP4567393B2

JP4567393B2 - マイクロリアクターおよびマイクロリアクターシステム

Info

Publication number: JP4567393B2
Application number: JP2004226410A
Authority: JP
Inventors: 三七男山本; 正隆新荻
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2004-08-03
Filing date: 2004-08-03
Publication date: 2010-10-20
Anticipated expiration: 2024-08-03
Also published as: JP2006047031A

Description

本発明は、生体分子の相互作用等の分析に用いられるマイクロリアクター及びマイクロリアクターシステムマイクロリアクターに関する。特に、水晶等の圧電材料を用いた振動型バイオセンサを搭載したマイクロリアクター及びマイクロリアクターシステムに関する。

マイクロリアクターと呼ばれる微小な流路に反応槽と検出デバイスを搭載した分析チップが、バイオテクノロジーの分野において注目されている。この背景として、マイクロリアクターはコンパクトで安価なため、たとえば健康状態を家庭で検査する、あるいは創薬分野でのハイスピードスクリーニング用に大量に分析チップを消費する用途に適していることがあげられる。

一方、バイオテクノロジーの分野では、蛋白相互作用を検出するセンサデバイスとして従来から振動子センサが良く用いられている。中でもＱＣＭ（ＱｕａｒｔｚＣｒｙｓｔａｌＭｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ）と呼ばれる振動周波数変化によって反応重量を測定する方式のセンサの使用が特に多い。ＱＣＭ方式は、センサ厚みを薄くするほど測定感度が上がる特性をもっており、近年ではバイオセンサの高感度化要求にともない、非常に薄いセンサを使う機会が増えている。

そして、最近では、上述したマイクロリアクター用の検出デバイスとして、このＱＣＭ方式の振動子センサを採用した構成の新しいマイクロリアクターの例が報告されている。ここで、マイクロリアクターの検出系にＱＣＭが用いて構成されたマイクロリアクターの例を説明する。図５（ａ）にマイクロリアクターの上面図を、図５（ｂ）にマイクロリアクターのＡ−Ａ’断面図を示す。マイクロリアクターは、基板３１の上にセンサ１１を固定し、その上から流路２５となる溝を切った流路基板３０を被せて一体化した形に作られている。センサ部の構成は、穴の空いた基板上にセンサ外周が接着固定され、配線はセンサ上下から電極１４、１５をピン端子で挟むようにして取り出す形になっている（ピン端子は図示せず）。

ここで、基板上にセンサを実装した構造を作るときに、センサの取り扱いに細心の注意をはらう必要がある。それは、マイクロリアクターのような非常に微小な流路内にセンサを組み込んだ構造を作製するためには、１０μｍ以下の精度で実装を行なわなければならないが、センサは感度を上げるために非常に薄く製造されているため、機械的強度が弱く少しの応力で破損するからである。例えば、センサのピックアップ時、基板までの搬送時、基板への接着固定時、流路基板を被せた一体成型時などにおいて破損が多々発生し歩留まり低下を引き起こしている。

この問題を解決するために、図６に示すようにセンサ１１を樹脂１３でコーティングすることによって強度補強を行なっている。しかし、センサにコーティングをすることは振動を抑制することになるため、振動強度が小さくなり検出感度の低下を招く。また、センサ部の構成に関しても、図５に示したようにセンサが直接基板に接着固定された状態では、同様にセンサの振動が基板に抑制され検出感度が著しく低下する。(例えば、特許文献１参照)
特開２００３−２２２５８１号公報

背景技術で述べたように、ＱＣＭ方式のセンサを採用したマイクロリアクターを製造するとき、その実装行程において搬送や接着固定時にセンサを破損し、歩留まりが低下する問題を引き起こしていた。さらに、センサの補強方法や基板への固定方法にも問題があり、センサの感度低下を引き起こしていた。

そこで、本発明はセンサ厚みが薄くても、破損することなく取り扱うことができ、且つ、センサの振動が抑制されないマイクロリアクターを実現することを目的としている。

本発明のマイクロリアクターは、上記目的を達成するために、基板上に、圧電振動子からなるセンサと、第一の流路形成基板と、第二の流路形成基板を有し、前記第一の流路形成基板内に反応槽部が設けられている構成とし、さらに、前記センサ上に前記反応槽部が配置するように構成され、前記第一の流路形成基板が前記第二の流路形成基板内部に設置されている構成とした。そして、前記反応槽部内に前記センサの電極が有り、前記第一の流路形成基板の一部と前記センサの一部もしくは全部が接着されている構成とした。

また、前記基板は前記センサが入る空間を有し、前記センサが該空間に入った状態で前記第一の流路基板の一部が前記基板の上面に設置される構成とした。そして、前記第二の流路形成基板は前記第一の流路形成基板が入る空間と前記流路に繋がる流路を有し、前記第一の流路基板に被せるように設置し、前記第一の流路形成基板を前記基板と前記第二の流路形成基板で挟み込んで固定し、前記センサが前記第二の流路形成基板に非接触である構成とした。
また、前記基板と前記センサの接着部は前記第一の流路形成基板に形成された流路の下部のみである構成とした。
また、前記基板と前記センサの接着に用いられた接着剤にはシリコン系接着剤を用いる。
また、前記センサの配線と前記基板に形成された空間に存在する配線が電気伝導性接着剤で接続され、その主剤はシリコン系樹脂を用いる構成とした。
また、前記センサと接着されている前記第一の流路形成基板はやわらかいシリコン系樹脂を用いる構成とした。
また、前記センサと前記第一の流路形成基板の接着は接着剤を用いずに直接接合された構造となっている。
また、前記圧電振動子に水晶振動子をもちいた。
また、前記マイクロリアクターは、分析用サンプルの分離・抽出を行う分析以外の機能を持つ要素と、前記流路を通じて連結されている構成となっている。

そして、前記マイクロリアクターと、前記マイクロリアクターに接続されるポンプ手段と、前記マイクロリアクター内の送液を制御する送液制御手段と、前記マイクロリアクター内のセンサを駆動するセンサ回路手段とを備えた構成を持ち、特定のバイオ分子を検出することができるマイクロリアクターシステムを提供する。

上述の構成により、リアクター内部にセンサを実装するときに、センサに貼りつけた第一の流路形成基板を掴むことにより搬送することができ、基板に空いた空間にセンサに触れることなく実装することができる。そして、第一の流路形成基板が入る空間をもった第二の流路形成基板を第一の流路形成基板に被せて、基板と第二の流路形成基板が第一の流路形成基板を挟み込んた形で固定することにより、上述の最終形態の構成となる。

また、マイクロリアクター構成としては、第一の流路形成基板の流路下部に位置する基板とセンサの隙間をやわらかいシリコン系接着剤で接着した構成とし、配線もまた、導電性のシリコン系接着剤で接続した構成とし、さらに、センサと流路形成基板は非接触となるように構成したため、センサの振動が抑制されることが無くなった。

本発明によれば、ＱＣＭ方式のセンサを採用したマイクロリアクターを製造するときに、センサに流路と反応槽を形成した第一の流路形成基板を貼りつけた構成にすることによって、センサの機械的強度を補強するとともに、第一の流路形成基板部を掴んで搬送できるようになり、センサへの直接的なダメージが回避できる。そして、第一の流路形成基板にやわらかいシリコン系樹脂を用いることによりセンサの振動抑制を防止することができる。

また、基板内の空間にセンサを入れ、その上から第二の流路形成基板を被せて第一の流路形成基盤を挟み込んで固定する実装構成をとることによりセンサにダメージを与えることなく実装ができる。さらに、センサは第一の流路形成基板以外とはほとんど接触部が無く、振動が抑制されることは無い。

すなわち、上記構成を用いることにより、厚みの薄いセンサの実装上の取り扱いが容易となり、センサの実装時の破損が防止でき、歩留まりが向上する。そして、センサに対する振動抑制も極力防止でき、高感度測定が可能なマイクロリアクターを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１（ａ）に、本発明の第１の実施の形態の保護流路基板付きセンサの上面図を、また、図１（ｂ）に下方側面図を、図１（ｃ）に右側面図示す。１２１はＡＴカットの水晶基板を用いたセンサ、１２２と１２３は電極、１２４は第一の流路形成基板、１２５は試料溶液が流れる反応流路であり、試料溶液との反応、及びその反応を測定する反応槽１２６で構成されている。また、センサ配線１２７、１２８が電極から伸びている。

次に、第１の実施の形態に示すマイクロリアクター内の第一の流路形成基板とセンサ構成について説明する。センサ１２１はＡＴカットされ２０μｍ厚まで研磨した水晶基板に所定の大きさ、例えば１ｍｍφの金電極１２２、１２３を１０００Åの厚さで蒸着して形成されており、同時に電極への配線１２７、１２８も金を用いて形成されている。また、反応用電極側の配線１２７は、水晶基板側面を経由して裏側の面に回りこむように形成されている。一方、第一の流路形成基板１２４は、反応槽１２６と反応流路１２５が形成されたシリコン樹脂（ＰＤＭＳ）で形成されており、第一の流路形成基板１２４とセンサ１２１を、電極１２２が反応槽１２６に入るように位置を出して、パーマネントボンディングによる直接接合を行い、一体化した形に構成される。このときの接合状態は、センサ１２１と第一の流路形成基板１２４はシロキサン結合により接合された状態に形成されている。

センサ１２１と第一の流路形成基板を、この構成状態に形成した以降は、第一の流路形成基板１２４を掴むことによりセンサ１２１を搬送できる。図２に第一の流路形成基板付きセンサの斜視図を示す。この図では配線１２７、１２８は省略している。図２中に１２９で示す第一の流路形成基板１２４部分をピンセット等で掴むことによりセンサの容易な取り扱いが可能である。

次に、図３（ａ）に本発明の第１の実施の形態のセンサの基板実装時の上面図を、また、図３（ｂ）にＡ−Ａ’断面図を示す。１３０は第二の流路形成基板、１３１は基板、１３２はシリコン接着剤、１３３、１３４は基板の配線、１３５は導電性シリコン接着剤である。

段状に形成された凹部の開いた基板１３１上方に第一の流路形成基板１２４付きセンサ１２１を保持し、センサの配線１２７、１２８と基板配線１３３、１３４を、それぞれシリコン系導電性接着剤で接着する。そして、第一の流路形成基板１２４の反応流路１２５下部にあたる基板空間部に、シリコン系接着剤１３２を塗布する。さらに、第一の流路形成基板１２４と接する基板１３１面上にもシリコン系接着剤を塗布する（図３では省略）。そして、第一の流路形成基板１２４付きセンサ１２１をゆっくりと基板１３１の段状に形成された凹部の段部にはめ込み、センサ１２１が基板１３１に接しない構成を実現する。その後、第二の流路形成基板１３０を上から被せて第一の流路形成基板１２４を挟み込み基板１３１と接着し、本発明の第１の実施の形態のリアクター構成を作製した。ここでの接着剤は室温硬化型のエポキシ系接着剤を用いた。本実施の形態では、基板１３１にプラスチック樹脂を用いている。しかし、基板１３１にガラスを用いても良い。ガラスを用いた場合、第一の流路形成基板１２４とパーマネントボンディングによる直接接合を行っても良い。

本実施の形態に用いた部材でマイクロリアクターを構成した場合、従来の構成時よりもセンサ１２１の破損防止効果が飛躍的に向上し、歩留まりが９５％以上に上昇した。

そして、８０ＭＨｚの共振周波数をもつ高感度なセンサを用いて、電極上に被測定タンパク質の抗原物質を固定し、マイクロリアクターとしての性能評価を行なった結果、その感度は従来の第一の流路形成基板を付けていない水晶振動子を用いた場合の２倍以上向上した。
（第２の実施の形態）
図７（ａ）に、本発明の第２の実施の形態の保護流路基板付きセンサの上面図を、また、図７（ｂ）に下方側面図を、図７（ｃ）に右側面図示す。５２１はＡＴカットの水晶基板を用いたセンサ、５２２と５２３は電極、５２４は第一の流路形成基板、５２５は試料溶液が流れる反応流路であり、試料溶液との反応、及びその反応を測定する反応槽５２６で構成されている。また、センサ配線５２７、５２８が電極から伸びている。

次に、第２の実施の形態に示すマイクロリアクター内の第一の流路形成基板とセンサ構成について説明する。センサ５２１はＡＴカットされ２０μｍ厚まで研磨した水晶基板に所定の大きさ、例えば１ｍｍφの金電極５２２、５２３を１０００Åの厚さで蒸着して形成されており、同時に電極への配線５２７、５２８も金を用いて形成されている。また、反応用電極側の配線５２７は、水晶基板側面を経由して裏側の面に回りこむように形成されている。一方、第一の流路形成基板５２４は、反応槽５２６と反応流路５２５および段状に形成された凹部５４１が形成されたシリコン樹脂（ＰＤＭＳ）で形成されており、第一の流路形成基板の凸部５４０とセンサ５２１を、電極５２２が反応槽５２６に入るように位置を出して、パーマネントボンディングによる直接接合を行い、一体化した形に構成される。このときの接合状態は、センサ５２１と第一の流路形成基板の凸部５４０はシロキサン結合により接合された状態に形成されている。

センサ５２１と第一の流路形成基板５２４を、この構成状態に形成した以降は、第一の流路形成基板５２４を掴むことによりセンサ５２１を搬送できる。この状態に形成したセンサ一体流路を第一の実施の形態と同様に基板に実装し、第二の流路形成基板で挟み込む構成とるように固定し、接着剤等により接合することにより本発明の第２の実施の形態のリアクター構成を作製した。

本実施の形態に用いた部材でマイクロリアクターを構成した場合、従来の構成時よりもセンサ５２１の破損防止効果が飛躍的に向上し、歩留まりが９５％以上に上昇した。

そして、８０ＭＨｚの共振周波数をもつ高感度なセンサを用いて、電極上に被測定タンパク質の抗原物質を固定し、マイクロリアクターとしての性能評価を行なった結果、その感度は従来の第一の流路形成基板を付けていない水晶振動子を用いた場合の２倍以上、第一の実施の形態に用いたマイクロリアクターの検出性能のさらに２倍以上の能力を示した。
（第３の実施の形態）
図４は、第１の実施の形態と同様の構成を用いてマイクロリアクター流路を作製した例を示している。この例では、サンプル導入路４３２から分析対象の溶液をマイクロリアクターに入れ、前処理要素４３１においてサンプルの分離、抽出処理を施し、反応槽２２６に導入される。

前処理工程には、その他混合／反応、フィルタ、バルブなどさまざまな機能が必要な場合があるが、ここではそれらの詳細は述べない。さらに、前処理工程に反応など特別な試薬が必要な場合があり、別途その試薬を導入する経路や導入口が必要な場合もある。

一方、サンプル液の移動には、ポンプによる機械的なものや、電気浸透などを利用した電気的なものなどが広く用いられる。反応槽２２６には、本構成のセンサ２２１が配線されて接続されている。検出を終えたあとのサンプル溶液は、排出路４２７より排出される。

このようなマイクロリアクター流路においても、本発明の構成で実装されたセンサは破損することなく組み込むことができ、高感度な検出を行うことができた。
（第４の実施の形態）
図８は、第３の実施の形態と同様のマイクロリアクター流路を用いて、マイクロリアクターシステム６０６を作製した例を示している。この例では、マイクロリアクター流路６０３に送液を行うためのポンプ手段６０２がマイクロリアクター流路６０３とは外付けで接続され、バルブ等を有する送液制御手段６０１をもちいて送液を制御するシステムとなっている。

また、マイクロリアクター流路内にセンサ６０５が搭載され、前期センサ６０５とセンサを駆動するセンサ回路手段６０４とが電極配線により接続されており、センサ６０５の信号変化をセンサ回路手段６０４が検出し、その変化から特定のバイオ分子を検出するシステムとなっている。
このようなマイクロリアクターシステムにおいて、本発明で構成されたセンサを搭載したマイクロリアクター流路は、容易に組み込むことができ、高感度な検出を行うこともできた。

本発明に係るマイクロリアクタの第一の流路形成基板付きセンサの構造を示す構造図本発明に係るマイクロリアクタの第一の流路形成基板付きセンサの斜視図本発明の第１の実施形態に係るマイクロリアクタの構成図本発明の第３の実施形態に係るマイクロリアクタ流路の構成図従来のマイクロリアクタの構成を示す説明図図５に示す従来のマイクロリアクタにおいて用いられているセンサ部の構成図本発明の第２の実施形態に係るマイクロリアクタの構成図本発明の第４の実施形態に係るマイクロリアクタシステムの構成図

符号の説明

１１センサ
１２電極
１３樹脂
１４配線
１５配線
２５流路
２６反応槽
３０流路基板
３１基板
１２１センサ
１２２電極
１２３電極
１２４第一の流路形成基板
１２５反応流路
１２６反応槽
１２７配線
１２８配線
１２９取扱い可能部
１３０第二の流路形成基板
１３１基板
１３２接着剤
１３３配線
１３４配線
１３５導電性接着剤
２２１センサ
２２２電極
２２３電極
２２４第一の流路形成基板
２２５反応流路
２２６反応槽
２２７配線
２２８配線
２３０第二の流路形成基板
２３１基板
２３２接着剤
２３３配線
２３４配線
４２７廃液路
４３１前処理要素
４３２サンプル導入路
５２１センサ
５２２電極
５２３電極
５２４第一の流路形成基板
５２５反応流路
５２６反応槽
５２７配線
５２８配線
５４１第一の流路形成基板の凹部
６０１送液制御手段
６０２ポンプ手段
６０３マイクロリアクター流路
６０４センサ回路手段
６０５センサ
６０６マイクロリアクターシステム

Claims

基板上に、圧電振動子からなるセンサと、第一の流路形成基板と、第二の流路形成基板を有し、前記第一の流路形成基板内に反応槽部が設けられているマイクロリアクターにおいて、
前記センサは、前記圧電振動子が前記反応槽部に対向した状態で前記第一の流路形成基板に固定されており、
前記第一の流路形成基板は、前記第二の流路形成基板内部に設置されていることを特徴とするマイクロリアクター。
前記反応槽部内に前記センサの電極が有り、前記第一の流路形成基板の一部と前記センサの一部もしくは全部が接着されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロリアクター。
前記基板は前記センサが入る空間を有し、前記センサが該空間に入った状態で前記第一の流路基板の一部が前記基板の上面に設置されることを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載のマイクロリアクター。
前記第二の流路形成基板は前記第一の流路形成基板が入る空間と前記流路に繋がる流路を有し、前記第一の流路基板に被せるように設置し、前記第一の流路形成基板を前記基板と前記第二の流路形成基板で挟み込んで固定し、前記センサが前記第二の流路形成基板に非接触であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のマイクロリアクター。
前記基板と前記センサの接着部は前記第一の流路形成基板に形成された流路の下部のみであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のマイクロリアクター。
前記基板と前記センサの接着に用いられた接着剤にはシリコン系接着剤が用いられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のマイクロリアクター。
前記センサの配線と前記基板に形成された空間に存在する配線が電気伝導性接着剤で接続されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のマイクロリアクター。
前記センサの配線と前記基板に形成された空間に存在する配線の接着に用いられている前記電気伝導性接着剤の主剤はシリコン系樹脂が用いられていることを特徴とする請求項７に記載のマイクロリアクター。
前記センサと接着されている前記第一の流路形成基板はシリコン系樹脂でできていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のマイクロリアクター。
前記センサと前記第一の流路形成基板の接着は接着剤を用いずに直接接合されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のマイクロリアクター。
前記圧電振動子は、水晶振動子である請求項１に記載のマイクロリアクター。
前記マイクロリアクターは、分析用サンプルの分離・抽出を行う分析以外の機能を持つ要素と、前記流路を通じて連結されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロリアクター。
請求項１から１２のいずれかに記載のマイクロリアクターと、前記マイクロリアクターに接続されるポンプ手段と、前記マイクロリアクター内の送液を制御する送液制御手段と、前記マイクロリアクター内のセンサを駆動するセンサ回路手段とを備え、特定のバイオ分子を検出することを特徴とするマイクロリアクターシステム。