JP4660768B2 - Microanalyzer and method for analyzing microsample - Google Patents

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Description

本発明は微量な試料の分析や検出に用いられる微小分析装置及び微少試料の分析方法に関し、特に酵素活性を用いた測定を行なう微小分析装置及び微少試料の分析方法に関する。 The present invention relates to a microanalyzer used for analysis and detection of a very small amount of sample and a method for analyzing a microsample, and more particularly to a microanalyzer for performing measurement using enzyme activity and a method for analyzing a microsample.

現在、化学センサの分野では、マイクロマシーニングの技術や、フォトリソグラフィーなどの半導体技術を利用して分析システムを微小化、集積化する研究が盛んに行われている。これらは微小化学物質分析システム(Micro Total Analysis System :μTAS)と呼ばれている。μTASの利点としては、装置が小さいため場所をとらずにどこでも測定ができ、検体が微量で済み、迅速な分析が可能であることである。μTASの持つこれらの利点はまさに現在の医療の現場で求められているものであり、医療用としてのμTASの実現に向けた研究の意義は非常に大きい。 At present, in the field of chemical sensors, researches are being actively carried out to miniaturize and integrate analysis systems using micromachining technology and semiconductor technology such as photolithography. These are called Micro Total Analysis System (μTAS). The advantage of μTAS is that it can be measured anywhere without taking up space due to the small size of the device. These advantages of μTAS are exactly what is required in the current medical field, and the significance of research toward the realization of μTAS for medical use is very large.

ところで、医療診断に必要な測定を患者近傍で行なうベッドサイド診断用の分析(POC(point of care)分析)可能なデバイスの一例として、一対の平板状部材間にキャピラリを形成し、該キャピラリ内に液体状の試薬と試料を流し、その混合液体中の所定成分を分析するチップ型の分析装置(例えば特許文献1、特許文献2参照。)が知られている。また、肝臓機能の検査に特化した装置としては、チップ上でサンプルと基質を混合し、センシングを行なうGOT、GPT測定用のバイオセンサアレイも知られており(例えば非特許文献1参照。)、このバイオセンサにおいては、サンプルの入り口、混合のためのミアンダ状に引き回される流路、及びガラス基板に形成されたセンサチップからなり、サンプルの入り口からサンプルと基質を流し、センサチップでGOT、GPTの測定を行なう。 By the way, as an example of a device capable of analyzing for a bedside diagnosis (POC (point of care) analysis) in which a measurement necessary for medical diagnosis is performed in the vicinity of a patient, a capillary is formed between a pair of flat plate members, 2. Description of the Related Art A chip-type analyzer (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2) that analyzes a predetermined component in a mixed liquid by flowing a liquid reagent and a sample is known. In addition, as a device specialized in the examination of liver function, a biosensor array for GOT and GPT measurement in which a sample and a substrate are mixed on a chip and sensing is also known (see, for example, Non-Patent Document 1). This biosensor consists of a sample inlet, a meandering channel for mixing, and a sensor chip formed on a glass substrate. The sample and substrate are flown from the sample inlet, GOT and GPT are measured.

このようなGOT、GPT測定が可能なバイオセンサーとしては、基板上にY字状の基質溶液の流路と試料液の流路が合流される微小流路を形成し、その微小流路の合流部に臨んで形成される複数の電極からなる電極系と、前記電極系の中の1つの電極の近傍に配置され所要の酵素を前記合流部で合流した前記基質溶液及び前記試料液と反応させる酵素供給手段とを設け、前記電極系に生ずる電流値によって前記試料液の酵素活性を検量するデバイスも知られている(例えば、特許文献3参照。)。   As a biosensor capable of such GOT and GPT measurement, a micro flow path is formed on a substrate where a flow path of a Y-shaped substrate solution and a flow path of a sample solution are merged, and the micro flow path is merged An electrode system composed of a plurality of electrodes formed facing the section, and a predetermined enzyme arranged in the vicinity of one electrode in the electrode system to react with the substrate solution and the sample solution joined at the joining section There is also known a device that includes an enzyme supply means and calibrates the enzyme activity of the sample solution based on a current value generated in the electrode system (see, for example, Patent Document 3).

特開2001−165939号公報JP 2001-165939 A 特開2000−2677号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2000-2777 特開2005−351882号公報JP 2005-351882 A I.Moser, G. Jobst, P Svasek, M Varaham, G Urban "Rapid Liver Enzyme Assay with Miniaturized Liquid Handling System Comprising Thin Film Biosensor Array" Sensors and Actuators B, 1997, vol. 44, 377-380I.Moser, G. Jobst, P Svasek, M Varaham, G Urban "Rapid Liver Enzyme Assay with Miniaturized Liquid Handling System Comprising Thin Film Biosensor Array" Sensors and Actuators B, 1997, vol. 44, 377-380

ところで、肝臓機能の検査項目であるγ−GTP、GOT、GPTは、いずれも同じ反応生成物であるL−グルタミン酸を検出することで測定可能となり、グルタミン酸オキシダーゼを使用した酵素センサーを用いれば、これらγ−GTP、GOT、GPTの3項目を1つの分析システムで検出することができる。詳しくは、   By the way, γ-GTP, GOT, and GPT, which are liver function test items, can be measured by detecting L-glutamic acid, which is the same reaction product, and these can be measured by using an enzyme sensor using glutamate oxidase. Three items of γ-GTP, GOT, and GPT can be detected by one analysis system. For more information,

また、L-グルタミン酸オキシダーゼを用いた反応は次のようであり、L−グルタミン酸を酸化的に脱アミノ化する酵素であって、反応生成物としては過酸化水素やアンモニアが生成される。この過酸化水素によって生ずる酸化電流値を測定することでL−グルタミン酸濃度が測定され、この測定からγ−GTP、GOT、GPTの値も検出可能となる。   The reaction using L-glutamate oxidase is as follows, and is an enzyme that oxidatively deaminates L-glutamate, and hydrogen peroxide and ammonia are produced as reaction products. The L-glutamic acid concentration is measured by measuring the oxidation current value generated by the hydrogen peroxide, and the values of γ-GTP, GOT, and GPT can be detected from this measurement.

前述の公知技術では、それぞれ基板やチップ上に微小な流路を形成し、その流路に試料液と基質溶液を合流するように流すことで酵素反応を導くように設計されている。しかしながら、微小な流路に試料液や基質溶液を流すことは容易ではなく、遠心力などによって流体を流動させるシステムや、マイクロポンプやマイクロシリンジポンプなどの流体を流動させるための微小なデバイスを配することが必要であったり、流路を引き回す形状のものでは、酵素反応が発現するまでの時間が長くなってしまい、その結果、測定自体に時間がかかることになる。   The above-mentioned known techniques are designed to induce an enzyme reaction by forming a micro flow channel on each substrate or chip and flowing the sample solution and the substrate solution together in the flow channel. However, it is not easy to flow a sample solution or a substrate solution through a minute flow path, and a system for flowing a fluid by centrifugal force or a minute device for flowing a fluid such as a micropump or a microsyringe pump is arranged. If it is necessary to do so, or if the shape is such that the flow path is routed, the time until the enzyme reaction is developed becomes long, and as a result, the measurement itself takes time.

また、チップなどの形式で測定する場合、供給する液体は試料液だけである方が簡単であり、例えばγ−GTP、GOT、GPTの値を測定する肝機能検査の場合に、血液に加えて基質溶液もチップに供給する場合は、間違った基質溶液を加えてしまうこともあるため、測定データが間違うこともあり、問題となり得る。   In addition, when measuring in the form of a chip or the like, it is easier if the liquid to be supplied is only a sample liquid. For example, in the case of a liver function test for measuring the values of γ-GTP, GOT and GPT, When the substrate solution is also supplied to the chip, the wrong substrate solution may be added, so that the measurement data may be incorrect, which can be a problem.

そこで、本発明は上述の技術的な課題に鑑み、酵素活性を利用して各種の検量を行なう微小分析装置及び微少試料の分析方法において、測定に際しての試料や基質の取り扱い作業を大幅に軽減し、分析データに高い信頼性を付与できるような微小分析装置及び微少試料の分析方法の提供を目的とする。   Therefore, in view of the above technical problems, the present invention greatly reduces the work of handling samples and substrates during measurement in a microanalyzer that performs various calibrations using enzyme activity and a method for analyzing microsamples. An object of the present invention is to provide a microanalyzer and a method for analyzing a microsample that can give high reliability to analysis data.

上述の技術的な課題を解決するため、本発明の微小分析装置は、基板上に、試料液が注入される注入開口部に接続された微小流路を形成し、該微小流路に臨むように酵素を担持させる酵素担持部を形成し、該酵素担持部の近傍の前記注入開口部に隣接する前記微小流路中に凍結乾燥された基質を含み前記試料液に溶解する多孔質担体を配置させ、前記注入開口部を介して前記微小流路に前記試料液を流すことで測定可能な酵素活性を生じさせ、基質に対応する試料液中の酵素活性を分析することを特徴とする。
In order to solve the above technical problem, the microanalyzer of the present invention forms a microchannel connected to an injection opening into which a sample solution is injected on a substrate, and faces the microchannel. the enzyme to form an enzyme-carrying portion for carrying the porous carrier to dissolve the lyophilized substrate in the fine channel adjacent to the injection opening in the vicinity of the enzyme carrier part to unrealized the sample solution It is arranged to cause a measurable enzyme activity by flowing the sample solution through the microchannel through the injection opening, and to analyze the enzyme activity in the sample solution corresponding to the substrate.

本発明の好適な一例によれば、前記酵素担持部には電極が形成され、酵素は該電極の表面若しくは近傍に配される。電極によって電気化学反応を測定することができ、例えば、2電極、より好ましくは3電極を以って構成される。3電極方式の場合、作用電極、参照電極、及び対極で電極系が形成され、例えば、板状部材上に所要のパターンで薄膜の金属膜を形成し、その金属薄膜の一部を微小流路に臨ませることで、電流を流しての測定が可能となる。金属薄膜を形成する場合の金属材料としては種々のものを用いることが可能であるが、白金や銀などの材料を用いることができ、更には使い捨て用途ではカーボン系の導電ペーストなどを利用して電極とすることも可能である。3電極方式の場合、作用電極近傍に酵素担持部を形成することができる。 According to a preferred example of the present invention, an electrode is formed on the enzyme carrying part, and the enzyme is disposed on or near the surface of the electrode. The electrochemical reaction can be measured by the electrode, and for example, it is configured with two electrodes, more preferably three electrodes. In the case of the three-electrode system, an electrode system is formed by a working electrode, a reference electrode, and a counter electrode. For example, a thin metal film is formed in a required pattern on a plate-like member, and a part of the metal thin film is passed through a microchannel. It is possible to measure with current flowing. Various materials can be used as the metal material for forming the metal thin film, but materials such as platinum and silver can be used. Furthermore, for disposable applications, a carbon-based conductive paste is used. It is also possible to use an electrode. In the case of the three-electrode system, the enzyme supporting part can be formed in the vicinity of the working electrode.

担持させる酵素としては、過酸化水素等の電極にて測定可能な反応生成物を生成するものであればよく、例えば、グルタミン酸オキシダーゼ等の酸化還元酵素を使用すればよい。   Any enzyme may be used as long as it produces a reaction product that can be measured with an electrode such as hydrogen peroxide. For example, an oxidoreductase such as glutamate oxidase may be used.

このような酵素を担持させる方法としては、担体結合法、架橋法、包括法或いはこれらの組み合わせからなる方法で電極近傍に酵素を固定する方法や、透過膜などを流路に臨むように形成して、該透過膜を介して酵素を供給する方法などが挙げられる。担体結合法は酵素を水不溶性の担体に固定する方法であり、その結合様式によって、物理吸着法、イオン結合法、共有結合法などが知られている。架橋法は、2個以上の官能基を持つ試薬を用いて酵素を架橋することで固定する方法である。架橋法では、温和な条件で簡単に固定できるため、酵素の失活も少なく、適切な担体を用いることで酵素の安定性を上昇させることもできる。一例として、L−グルタミン酸を対象とし、酵素としてL−グルタミン酸オキシダーゼが用いられる場合では、ウシ血清アルブミン(BSA)を高分子担体とし、二官能性試薬グルタルアルデヒドを用いて酵素を架橋し、膜状に成形したものを電極に被着して酵素担持部を構成しても良い。包括法は酵素を高分子ゲルの細かい格子の中に取り込む格子型と、半透膜の高分子膜によって被覆するマイクロカプセル型に分けることができ、酵素自体は結合反応を起こしていないため、多くの酵素固定に利用できる。 As a method of supporting such an enzyme, a method of immobilizing an enzyme in the vicinity of an electrode by a method comprising a carrier binding method, a crosslinking method, a comprehensive method or a combination thereof, or a permeable membrane or the like is formed so as to face a flow path. And a method of supplying an enzyme through the permeable membrane. The carrier binding method is a method of immobilizing an enzyme on a water-insoluble carrier, and a physical adsorption method, an ionic bond method, a covalent bond method, or the like is known depending on the binding mode. The cross-linking method is a method of fixing by cross-linking an enzyme using a reagent having two or more functional groups. In the cross-linking method, the enzyme can be easily fixed under mild conditions, so that the enzyme is hardly deactivated, and the stability of the enzyme can be increased by using an appropriate carrier. As an example, when L-glutamate oxidase is used as a target and L-glutamate oxidase is used as an enzyme, bovine serum albumin (BSA) is used as a polymer carrier, the enzyme is cross-linked using glutaraldehyde, and the membrane is formed. The enzyme carrier may be configured by adhering a molded product to the electrode. The inclusion method can be divided into a lattice type in which the enzyme is incorporated into a fine lattice of the polymer gel and a microcapsule type in which the enzyme is covered with a semipermeable polymer film. It can be used for enzyme immobilization.

前記基板としては、ガラス、合成樹脂、セラミック、金属、木材、紙、これらの複合材など種々の材料を用いることが可能であり、所要の形状で微小流路を形成し、試料液を流して当該基板に形成される微小流路に電極などを保持できる機能を有していれば良い。本発明の一例によれば、ガラス基板上にフォトレジストで流路パターンを形成し、その上にPDMS(ポリジメチルシロキサン)などの透明樹脂層からなる流路形成層を形成し、パターン化されたフォトレジストを除去して流路を形成することもできる。基板自体は使用者の取扱いの便宜性から、所要の剛性を有していても良く、可とう性を有していても良い。このような基板上には、任意の形状を有する微小流路が形成されるが、酵素担持部の周囲で流路形成層を開口するようにすることで前記微小流路を形成しても良い。   As the substrate, various materials such as glass, synthetic resin, ceramic, metal, wood, paper, and composite materials thereof can be used. A microchannel is formed in a required shape, and a sample solution is allowed to flow. It is only necessary to have a function of holding an electrode or the like in the microchannel formed in the substrate. According to an example of the present invention, a flow path pattern is formed of a photoresist on a glass substrate, and a flow path forming layer made of a transparent resin layer such as PDMS (polydimethylsiloxane) is formed on the glass substrate. It is also possible to form the flow path by removing the photoresist. The substrate itself may have a required rigidity or flexibility for the convenience of handling by the user. A microchannel having an arbitrary shape is formed on such a substrate. However, the microchannel may be formed by opening a channel forming layer around the enzyme carrying part. .

本発明の微小分析装置では、試料中の測定対象の酵素に対応した基質が凍結乾燥されて配設されており、試料液によって溶解して酵素反応が開始する構造とされ、基質が従来のように液体で供給されるものではない。凍結乾燥は、基質溶液を微小流路に充填し、その微小流路中の基質溶液の凍結後、真空凍結乾燥を行なうことができる。より好ましくは、前記基質は、牛血清アルブミン等タンパク質及びグルタルアルデヒド等の架橋剤を混ぜた媒体により前記微小流路に臨むように配置される。このような凍結乾燥法を用いて基質溶液を処理した場合では、より多孔質の状態となり、液体に対しては毛細管現象によって溶解や混合を早く、より均一に進行させることができる。   In the microanalyzer according to the present invention, a substrate corresponding to the enzyme to be measured in the sample is lyophilized and disposed, and is dissolved by the sample solution to start the enzyme reaction. It is not supplied as a liquid. In lyophilization, the substrate solution is filled in a microchannel, and after freeze-up of the substrate solution in the microchannel, vacuum lyophilization can be performed. More preferably, the substrate is arranged so as to face the microchannel with a medium mixed with a protein such as bovine serum albumin and a cross-linking agent such as glutaraldehyde. When the substrate solution is processed using such a lyophilization method, the substrate solution becomes more porous, and the liquid can be dissolved and mixed faster and more uniformly by capillary action.

また、本発明の微小分析装置の測定対象の酵素としては、種々の酵素を対象とすることができる。測定対象の酵素、凍結乾燥基質、及び担持酵素をまとめると、たとえば以下の通りであり、これらの基質を選んで微小流路内に導入し、凍結乾燥させたものを配置することで、被験者の血液などの試料液を導入した際に、極めて短い時間での測定が実現されることになる。 Moreover, various enzymes can be targeted as the measurement target enzyme of the microanalyzer of the present invention. The enzyme to be measured, the lyophilized substrate, and the supported enzyme are summarized as follows.For example, these substrates are selected and introduced into the microchannel, and the lyophilized one is arranged. When a sample solution such as blood is introduced, measurement in a very short time is realized.

(a)測定酵素:ガンマ・グルタミルトランスペプチダーゼ(γ‐GTP)
凍結乾燥基質:L−γ−グルタミル−L−グルタミン酸とグリシル−グリシン
担持酵素:グルタミン酸オキシダーゼ
(b)測定酵素:グルタミック・オキサロアセテック・トランスアミナーゼ(GOT)
凍結乾燥基質:L−アスパラギン酸とα−ケトグルタル酸
担持酵素:グルタミン酸オキシダーゼ
(c)測定酵素:グルタミック・ピルビック・トランスアミナーゼ(GPT)
凍結乾燥基質:L−アラニンとα−ケトグルタル酸
担持酵素:グルタミン酸オキシダーゼ
(d)測定酵素:ロイシンアミノペプチダーゼ
凍結乾燥基質:ロイシルグルタミン酸
担持酵素:グルタミン酸オキシダーゼ
(e)測定酵素:グルタミナーゼ
凍結乾燥基質:グルタミン
担持酵素:グルタミン酸オキシダーゼ
(A) Measurement enzyme: gamma glutamyl transpeptidase (γ-GTP)
Lyophilized substrate: L-γ-glutamyl-L-glutamic acid and glycyl-glycine Carrying enzyme: glutamate oxidase (b) Measuring enzyme: glutamic oxaloacetec transaminase (GOT)
Lyophilized substrate: L-aspartic acid and α-ketoglutaric acid Supported enzyme: glutamate oxidase (c) Measuring enzyme: glutamic pyruvic transaminase (GPT)
Lyophilized substrate: L-alanine and α-ketoglutarate Carrying enzyme: Glutamate oxidase (d) Measuring enzyme: Leucine aminopeptidase Lyophilizing substrate: Leucylglutamate Carrying enzyme: Glutamate oxidase (e) Measuring enzyme: Glutaminase Lyophilized substrate: Glutamine Supported enzyme: glutamate oxidase

例えば、肝臓機能の検査項目であるガンマ・グルタミルトランスペプチダーゼ(γ‐GTP)、グルタミック・オキサロアセテック・トランスアミナーゼ(GOT)、グルタミック・ピルビック・トランスアミナーゼ(GPT)は、いずれも同じ反応生成物であるL−グルタミン酸を検出することで測定可能となり、担持させる酵素としてグルタミン酸オキシダーゼを用いれば、これらγ−GTP、GOT、GPTの3項目を1つの分析システムで検出することができる。この場合において、作用極若しくはその近傍に固定される酵素は、例えば、牛血清アルブミン(BSA)にL−グルタミン酸オキシターゼ及びグルタルアルデヒドを混ぜた媒体により前記微小流路に臨むようにすれば良い。   For example, gamma-glutamyl transpeptidase (γ-GTP), glutamic oxaloacetec transaminase (GOT) and glutamic pyruvic transaminase (GPT), which are liver function test items, are all the same reaction product L -It becomes measurable by detecting glutamic acid, and if glutamate oxidase is used as the enzyme to be supported, these three items of γ-GTP, GOT, and GPT can be detected by one analysis system. In this case, the enzyme fixed at or near the working electrode may be made to face the microchannel with a medium in which bovine serum albumin (BSA) is mixed with L-glutamate oxidase and glutaraldehyde, for example.

また、本発明の微小試料の分析方法は、試料液が注入される注入開口部に接続された微小流路を形成すると共に該微小流路に臨むように酵素を担持させる酵素担持部を形成する工程と、該酵素担持部の近傍の前記注入開口部に隣接する前記微小流路中に凍結乾燥された基質を含み前記試料液に溶解する多孔質担体を配置させる工程と、前記注入開口部を介して前記微小流路から前記凍結乾燥された基質に試料液を供給する工程とを有し、基質に対する試料液の酵素活性を分析することを特徴とする。
In addition, the microsample analysis method of the present invention forms a microchannel connected to an injection opening into which a sample solution is injected, and forms an enzyme carrying section for carrying an enzyme so as to face the microchannel. a step, a step of placing a porous carrier that dissolves the lyophilized substrate in the fine channel adjacent to the injection opening in the vicinity of the enzyme carrier part to unrealized the sample solution, the injection opening And supplying the sample solution from the microchannel to the freeze-dried substrate, and analyzing the enzyme activity of the sample solution with respect to the substrate.

さらに、本発明の微小分析装置は、基板上に微小流路を形成し、該微小流路に臨むように酵素Aを担持させる酵素A担持部を形成し、該酵素担持部の近傍の前記微小流路中に凍結乾燥された酵素Bを配置させ、前記微小流路に試料液を流すことで試料液中の酵素Bに対応する基質を分析することを特徴とする。   Furthermore, the microanalyzer according to the present invention forms a microchannel on a substrate, forms an enzyme A supporting portion for supporting enzyme A so as to face the microchannel, and the microchannel in the vicinity of the enzyme supporting portion. The enzyme B that has been freeze-dried is placed in the flow path, and the substrate corresponding to the enzyme B in the sample liquid is analyzed by flowing the sample liquid through the micro flow path.

本発明の好適な一例によれば、前記酵素A担持部には電極が形成され、酵素Aは該電極の表面若しくは近傍に配される。電極によって電気化学反応を測定することができ、例えば、2電極、より好ましくは3電極を以って構成される。3電極方式の場合、作用電極、参照電極、及び対極で電極系が形成され、例えば、板状部材上に所要のパターンで薄膜の金属膜を形成し、その金属薄膜の一部を微小流路に臨ませることで、電流を流しての測定が可能となる。金属薄膜を形成する場合の金属材料としては種々のものを用いることが可能であるが、白金や銀などの材料を用いることができ、更には使い捨て用途ではカーボン系の導電ペーストなどを利用して電極とすることも可能である。3電極方式の場合、作用電極近傍に酵素A担持部を形成することができる。 According to a preferred example of the present invention, an electrode is formed on the enzyme A carrying portion, and the enzyme A is disposed on or near the surface of the electrode. The electrochemical reaction can be measured by the electrode, and for example, it is configured with two electrodes, more preferably three electrodes. In the case of the three-electrode system, an electrode system is formed by a working electrode, a reference electrode, and a counter electrode. It is possible to measure with current flowing. Various materials can be used as the metal material for forming the metal thin film, but materials such as platinum and silver can be used. Furthermore, for disposable applications, a carbon-based conductive paste is used. It is also possible to use an electrode. In the case of the three-electrode system, the enzyme A carrying part can be formed in the vicinity of the working electrode.

担持させる酵素Aとしては、過酸化水素等の電極にて測定可能な反応生成物を生成するものであればよく、例えば、グルタミン酸オキシダーゼ、コレステロールオキシダーゼ、グリセロリン酸オキシダーゼ、ザルコシンオキシダーゼ等の酸化還元酵素を使用すればよい。   The enzyme A to be supported may be any enzyme that produces a reaction product that can be measured with an electrode such as hydrogen peroxide. For example, an oxidoreductase such as glutamate oxidase, cholesterol oxidase, glycerophosphate oxidase, and sarcosine oxidase. Can be used.

酵素Aを担持させる方法としては、前記と同様に、担体結合法、架橋法、包括法或いはこれらの組み合わせからなる方法で電極近傍に酵素Aを固定する方法や、透過膜などを流路に臨むように形成して、該透過膜を介して酵素Aを供給する方法などが挙げられる。 As the method for supporting enzyme A, as described above, a method of immobilizing enzyme A in the vicinity of the electrode by a method comprising a carrier binding method, a crosslinking method, a comprehensive method, or a combination thereof, or a permeable membrane or the like is exposed to the flow path. And a method of supplying enzyme A through the permeable membrane.

前記基板も、前記と同様に、ガラス、合成樹脂、セラミック、金属、木材、紙、これらの複合材など種々の材料を用いることが可能であり、所要の形状で微小流路を形成し、試料液を流して当該基板に形成される微小流路に電極などを保持できる機能を有していれば良い。   Similarly to the above, the substrate can be made of various materials such as glass, synthetic resin, ceramic, metal, wood, paper, and composite materials thereof. It is only necessary to have a function of holding an electrode or the like in a microchannel formed on the substrate by flowing a liquid.

本発明の微小分析装置では、酵素Bが凍結乾燥されて配設されており、試料液によって溶解して酵素反応が開始する構造となっている。配置する酵素Bとしては、酵素Aの基質を誘導するものであればよく、具体的には、リポプロティンリパーゼ、コルステロールエステラーゼ、グルセロールキナーゼ、クレアチニナーゼ、クレアチナーゼ、グルタミナーゼ等の加水分解酵素、グルタミン酸脱水素酵素等の脱水素酵素又はリン酸化酵素を1種若しくは複数種用いればよい。なお、アンモニアあるいは尿素を測定する場合には、グルタミン酸脱水素酵素が酵素Bであり、その基質の一つであるα―ケトグルタル酸を酵素Bと共に凍結乾燥する必要がある。   In the microanalyzer of the present invention, the enzyme B is lyophilized and disposed, and has a structure in which the enzyme reaction starts by being dissolved by the sample solution. As the enzyme B to be arranged, any enzyme may be used as long as it induces a substrate of the enzyme A. Specifically, hydrolyzing enzymes such as lipoprotein lipase, corsterol esterase, glycerol role kinase, creatininase, creatinase, glutaminase, One or a plurality of dehydrogenases such as glutamate dehydrogenase or phosphorylase may be used. When measuring ammonia or urea, glutamate dehydrogenase is enzyme B, and α-ketoglutarate, which is one of its substrates, needs to be lyophilized together with enzyme B.

このような酵素Bの凍結乾燥は、酵素溶液を微小流路に充填し、その微小流路中の酵素B溶液の凍結後、真空凍結乾燥を図ることで行なうことができる。より好ましくは、前記酵素Bは、牛血清アルブミン等タンパク質及びグルタルアルデヒド等の架橋剤を混ぜた媒体により前記微小流路に臨むように配置される。一般に、このような凍結乾燥法を用いて酵素溶液を処理した場合、より多孔質の状態となり、液体に対しては毛細管現象によって溶解や混合を早く、より均一に進行させることができる。さらに、凍結乾燥による酵素Bの安定性低下を防ぐために、ガンマ−ポリ−L−グルタミン酸のごとき新酵素安定化剤を酵素B溶液に0.001%から0.1%、好ましくは0.01%程度加えて凍結乾燥するとよい。   Such freeze-drying of the enzyme B can be performed by filling the enzyme solution into a microchannel and freezing the enzyme B solution in the microchannel, followed by vacuum freeze-drying. More preferably, the enzyme B is arranged so as to face the microchannel with a medium mixed with a protein such as bovine serum albumin and a cross-linking agent such as glutaraldehyde. In general, when the enzyme solution is treated using such a freeze-drying method, the enzyme solution becomes more porous, and the liquid can be dissolved and mixed faster and more uniformly by capillary action. Furthermore, in order to prevent a decrease in the stability of enzyme B due to lyophilization, a new enzyme stabilizer such as gamma-poly-L-glutamic acid is added to the enzyme B solution from 0.001% to 0.1%, preferably 0.01%. Add to a certain degree and freeze-dry.

本発明の微小分析装置の測定対象の物質としては、酵素Aの基質を生成する酵素Bの基質又は複数の酵素Bによって最終的に酵素Aの基質に導かれる酵素Bの基質であればよく、種々の基質を対象とすることができる。たとえば、以下に示したような酵素A及びBを用いることで、被験者の血液などの試料液を導入した際に、極めて短い時間で、測定対象の基質の測定が実現されることになる。 The substance to be measured in the microanalyzer of the present invention may be any enzyme B substrate that produces a substrate for enzyme A or a substrate for enzyme B that is finally led to a substrate for enzyme A by a plurality of enzymes B. A variety of substrates can be targeted. For example, by using the enzymes A and B as shown below, measurement of the substrate to be measured can be realized in a very short time when a sample solution such as blood of a subject is introduced.

(i)測定基質:コレステロール
酵素A: コルステロールオキシダーゼ
酵素B: リポプロティンリパーゼ及びコルステロールエステラーゼ
(ii)測定基質:中性脂肪
酵素A:グリセロリン酸オキシダーゼ
酵素B:リポプロティンリパーゼ及び/叉はグリセロールキナーゼ
(iii)測定基質:クレアチニン
酵素A:サルコシンオキシダーゼ
酵素B:クレアチニナーゼ及び/叉はクレアチナーゼ
(I) Measurement substrate: cholesterol Enzyme A: Corsterol oxidase Enzyme B: Lipoprotein lipase and cholesterol sterase (ii) Measurement substrate: Neutral fat Enzyme A: Glycerophosphate oxidase Enzyme B: Lipoprotein lipase and / or glycerol kinase (iii) ) Measurement substrate: creatinine enzyme A: sarcosine oxidase enzyme B: creatininase and / or creatinase

さらにまた、本発明の微少試料の分析方法は、微小流路を形成すると共に該微小流路に臨むように酵素Aを担持させる酵素A担持部を形成する工程と、該酵素A担持部の近傍の前記微小流路中に凍結乾燥された酵素Bを配置させる工程と、前記微小流路から前記乾燥された酵素Bに酵素Bに対応する基質を含む試料液を供給する工程とを有し、試料中の基質を分析することを特徴とする。   Furthermore, the method for analyzing a micro sample according to the present invention comprises a step of forming an enzyme A carrying part for forming an enzyme A so as to face the minute channel, and the vicinity of the enzyme A carrying part. Placing the freeze-dried enzyme B in the microchannel, and supplying a sample solution containing a substrate corresponding to the enzyme B from the microchannel to the dried enzyme B, It is characterized by analyzing a substrate in a sample.

本発明の微小分析装置では、極めて空間的に狭い領域である微小流路に凍結乾燥された基質叉は酵素が配設されるため、そこに試料液が導入された場合には、素早く混合することになり、酵素反応の立ち上がりも早く、微小流路での毛細管現象と、凍結乾燥された基質叉は酵素材料の多孔質による毛細管現象との相乗効果が得られることになり、特に電気化学的な測定法によれば2、3分程度の時間で酵素反応による検量ができることになり、例えば医療現場での迅速な測定結果の提供もできることになる。   In the microanalyzer of the present invention, a freeze-dried substrate or enzyme is disposed in a microchannel that is a very narrow area, so that when a sample solution is introduced therein, it is quickly mixed. As a result, the start-up of the enzyme reaction is fast, and a synergistic effect between the capillary phenomenon in the microchannel and the capillary phenomenon due to the lyophilized substrate or the porous material of the enzyme material can be obtained. According to such a measuring method, calibration by an enzyme reaction can be performed in a time of about 2 or 3 minutes, and for example, a quick measurement result can be provided at a medical site.

以下、本発明の好適な実施の形態について図面を参照しながら説明する。本実施形態の微小分析装置10は、小さな扇状の平板ガラス基板11上に電極群を形成し、微小流路26が形成されるポリイミド絶縁層12とPDMS(ポリジメチルシロキサン)基板13とが積層される構造を有しており、特に肝臓機能の検査項目であるガンマ・グルタミルトランスペプチダーゼ(γ‐GTP)、グルタミック・オキサロアセテック・トランスアミナーゼ(GOT)、グルタミック・ピルビック・トランスアミナーゼ(GPT)に対して短い時間で酵素活性に基づく検量が可能となる。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the microanalyzer 10 of this embodiment, an electrode group is formed on a small fan-shaped flat glass substrate 11, and a polyimide insulating layer 12 in which a microchannel 26 is formed and a PDMS (polydimethylsiloxane) substrate 13 are laminated. In particular, it is shorter than gamma-glutamyl transpeptidase (γ-GTP), glutamic oxaloacetec transaminase (GOT), and glutamic pyruvic transaminase (GPT), which are test items for liver function. Calibration based on enzyme activity over time is possible.

ガラス基板11は、後述するように例えば3インチの直径、厚み500μmのガラスウエハを半径方向を分割線とするように分割して形成されたものであり、このガラス基板11上には、電極群を構成する作用極16、参照極18、及び対極19が流路内の領域で直線状に点在して形成された構造を有している。これら作用極16、参照極18、及び対極19はガラス電極基板11上にスパッタ法などにより形成される金属薄膜からなり、作用極16と参照極18は、クロム・白金系の金属薄膜からなるが、対極19は銀・塩化銀層34が積層する構造とされる。   As will be described later, the glass substrate 11 is formed by dividing a glass wafer having a diameter of 3 inches and a thickness of 500 μm so that the radial direction is a dividing line, and an electrode group is formed on the glass substrate 11. The working electrode 16, the reference electrode 18, and the counter electrode 19 constituting the structure are formed in a linearly dotted manner in a region in the flow path. The working electrode 16, the reference electrode 18, and the counter electrode 19 are made of a metal thin film formed on the glass electrode substrate 11 by sputtering, and the working electrode 16 and the reference electrode 18 are made of a chromium / platinum-based metal thin film. The counter electrode 19 has a structure in which a silver / silver chloride layer 34 is laminated.

作用極16は、微小流路26への試料液の導入部となる注入開口部24に最も近い位置に配され、ガラス基板11の表面を作用極16からL字状に引き出された配線を介して作用極パッド部21まで延在され、その作用極パッド部21で電流計に接続される。参照極18は作用極16の直ぐ下流に形成されており、ガラス基板11の表面を参照極18からL字状に引き出された配線を介して参照極パッド部23まで延在され、その参照極パッド部23で電流計に接続される。対極19は、参照極18の更に下流側に形成され、ガラス基板11の表面を対極19から略直線状に引き出された配線を介して対極パッド部22まで延在され、その対極パッド部22で電流計に接続される。 The working electrode 16 is disposed at a position closest to the injection opening 24 that serves as an introduction portion of the sample liquid into the microchannel 26, and the surface of the glass substrate 11 is connected to the working electrode 16 through a wire that is led out in an L shape. The working electrode pad 21 is connected to the ammeter at the working electrode pad 21. The reference electrode 18 is formed immediately downstream of the working electrode 16, and the surface of the glass substrate 11 is extended to the reference electrode pad portion 23 through a wiring drawn out in an L shape from the reference electrode 18. The pad unit 23 is connected to an ammeter. The counter electrode 19 is formed further downstream of the reference electrode 18, and extends to the counter electrode pad portion 22 through the wiring that is substantially linearly drawn from the counter electrode 19. The counter electrode pad portion 22 Connected to ammeter.

作用極16の表面には、グルタルアルデヒドを用いて架橋して固定されたL−グルタミン酸オキシダーゼを膜状に形成し、微小流路26に臨むように酵素を担持させる酵素担持膜17が形成されている。詳しくは、例えば0.1mgのL−グルタミン酸オキシダーゼがマトリクスとしての10重量%の牛血清アルブミンに混合され、同じく10重量%のグルタルアルデヒドをそれぞれ2μL(リットル)混合して架橋したものである。従って、作用極16の周囲をL−グルタミン酸が通過する場合、前述の化2の式の反応が生じ、そのL−グルタミン酸にL−グルタミン酸オキシダーゼが作用して過酸化水素が生成され、その過酸化水素濃度に応じた電流が流れることになる。   On the surface of the working electrode 16, an enzyme-carrying film 17 is formed in which L-glutamate oxidase, which is cross-linked and fixed using glutaraldehyde, is formed in a film shape and the enzyme is supported so as to face the microchannel 26. Yes. Specifically, for example, 0.1 mg of L-glutamate oxidase is mixed with 10% by weight of bovine serum albumin as a matrix, and 10% by weight of glutaraldehyde is mixed and crosslinked by 2 μL (liter) of each. Therefore, when L-glutamic acid passes around the working electrode 16, the reaction of the above formula 2 occurs, and L-glutamic acid oxidase acts on the L-glutamic acid to produce hydrogen peroxide, which is peroxidized. A current corresponding to the hydrogen concentration flows.

ガラス基板11上に形成された作用極16、参照極18、及び対極19からの配線を電気的に互いに絶縁するように、ポリイミド絶縁層12がガラス基板11上に形成される。ポリイミド絶縁層12は、ガラス基板11の扇形状に沿った外形形状を有しており、作用極16、参照極18、及び対極19が臨む微小流路26で注入開口部24と排出開口部25の間を略直線的に連絡するパターンで切り抜かれた形状を有し、そのポリイミド絶縁層12の切り抜かれた部分が微小流路26として機能することになる。   A polyimide insulating layer 12 is formed on the glass substrate 11 so as to electrically insulate the wirings from the working electrode 16, the reference electrode 18 and the counter electrode 19 formed on the glass substrate 11 from each other. The polyimide insulating layer 12 has an outer shape that follows the fan shape of the glass substrate 11, and the injection opening 24 and the discharge opening 25 are formed in the minute flow channel 26 facing the working electrode 16, the reference electrode 18, and the counter electrode 19. The portion of the polyimide insulating layer 12 that has been cut out functions as the microchannel 26.

このようなガラス基板11側の構成を有する本実施形態の微小分析装置10では、流路形成層として機能するPDMS基板13がその微小流路26に凍結乾燥された基質材料部15を配置しながら張り合わされる。PDMS基板13は、厚膜のフォトレジストを利用してテンプレート上に形成されたものであり、このテンプレートに微小流路26と、注入開口部24と排出開口部25の型を作り込むことで、これらの型を反映して微小流路26、注入開口部24、および排出開口部25が形成される。微小流路26の形状の一例としては、単純な矩形状に延長される流路であって、例えば長さ、高さ、幅がそれぞれ15mm、800μm、1mmとされる。注入開口部24は微小流路26の幅よりやや直径が大きい円形に開口した略円筒状であり、この部分に試料液を容易に導入するためにシリコーンゴム部材を設けることも可能である。   In the microanalyzer 10 of the present embodiment having such a configuration on the glass substrate 11 side, the PDMS substrate 13 functioning as a flow path forming layer is disposed with the substrate material portion 15 lyophilized in the micro flow path 26. It is pasted together. The PDMS substrate 13 is formed on a template using a thick film photoresist, and by forming a mold of a micro flow channel 26, an injection opening 24 and a discharge opening 25 in the template, Reflecting these types, the microchannel 26, the injection opening 24, and the discharge opening 25 are formed. An example of the shape of the microchannel 26 is a channel extending in a simple rectangular shape, and the length, height, and width are, for example, 15 mm, 800 μm, and 1 mm, respectively. The injection opening 24 has a substantially cylindrical shape opened in a circular shape having a diameter slightly larger than the width of the microchannel 26, and a silicone rubber member can be provided in this portion in order to easily introduce the sample liquid.

注入開口部24が微小流路26に接続する部分の近傍の微小流路26内に、凍結乾燥された基質材料部15が配置される。このような凍結乾燥による基質材料部15の形成法の一例について説明すると、初めに、適量の基質を含む溶液を準備し、この基質溶液と牛血清アルブミン溶液とグルタルアルデヒドを用いて混合し、ガラス基板11を張り合わせていないPDMS基板13の微小流路26に直ぐに注入し、微小流路26内で架橋による固定化を図る。このような数分の固定化の後、PDMS基板13ごと冷凍機に入れて1時間ほど−25℃に保って架橋反応を更に進行させた後、続いて真空凍結乾燥を約30分ほど施して、凍結乾燥による基質材料部15を得ることができる。 The lyophilized substrate material portion 15 is disposed in the microchannel 26 near the portion where the injection opening 24 is connected to the microchannel 26. An example of the method of forming the substrate material part 15 by lyophilization will be described. First, a solution containing an appropriate amount of substrate is prepared, mixed using the substrate solution, bovine serum albumin solution, and glutaraldehyde, and glass Immediately injecting into the microchannel 26 of the PDMS substrate 13 to which the substrate 11 is not bonded, and fixing in the microchannel 26 by crosslinking. After such immobilization for several minutes, the PDMS substrate 13 is placed in a refrigerator and kept at -25 ° C. for about 1 hour to further advance the crosslinking reaction, followed by vacuum lyophilization for about 30 minutes. The substrate material part 15 can be obtained by freeze-drying.

なお、本実施形態では、PDMS基板13の微小流路26に基質溶液を注いで真空凍結乾燥させる例を説明したが、本発明はこれに限定されず、基質溶液を真空凍結乾燥させた状態の断片を配するような構造であっても良く、微小なストローの如き流路に基質溶液を凍結乾燥させたもの固定し、それを各チップごとに切断して実装するような構造であっても良く、最終的に基質溶液を真空凍結乾燥させた状態の断片が電極近傍に配置されるような構造であれば、他の構造であっても良い。   In this embodiment, the example in which the substrate solution is poured into the microchannel 26 of the PDMS substrate 13 and vacuum freeze-dried has been described. However, the present invention is not limited to this, and the substrate solution is in a state of being freeze-dried in vacuum. A structure in which fragments are arranged may be used. A structure in which a substrate solution is freeze-dried in a flow path such as a fine straw and fixed and then cut and mounted for each chip. Any other structure may be used as long as it is a structure in which a fragment in a state where the substrate solution is finally lyophilized in vacuum is disposed in the vicinity of the electrode.

凍結乾燥させる基質溶液は、活性を測定する酵素によって替えることができるものである。例えば、前述の化1に示すように、ガンマ・グルタミルトランスペプチダーゼ(γ‐GTP)について測定する場合では、L−γ−グルタミル−L−グルタミン酸とグリシル‐グリシンとを含んだ基質を用いことができ、グルタミック・オキサロアセテック・トランスアミナーゼ(GOT)について測定する場合では、L−アスパラギン酸とα−ケトグルタル酸を含んだ基質を用いることができ、グルタミック・ピルビック・トランスアミナーゼ(GPT)について測定する場合では、L−アラニンとα−ケトグルタル酸を含んだ基質を用いることができる。   The substrate solution to be lyophilized can be replaced by an enzyme whose activity is to be measured. For example, as shown in Chemical Formula 1 above, when gamma-glutamyl transpeptidase (γ-GTP) is measured, a substrate containing L-γ-glutamyl-L-glutamic acid and glycyl-glycine can be used. In the case of measuring glutamic oxaloacetec transaminase (GOT), a substrate containing L-aspartic acid and α-ketoglutaric acid can be used, and in the case of measuring glutamic pilvic transaminase (GPT), A substrate containing L-alanine and α-ketoglutarate can be used.

また、本実施形態では、肝臓機能の検査項目に好適なように設計された微小分析装置10を提供するが、本発明にかかる微小分析装置は、肝臓機能の検査に限らず、他の酵素活性を利用するセンサーにも適用可能であり、さらには抗体・抗原反応を用いるものなどにも適用可能である。例えば、ELISA法による検出が可能な微小流路装置を得るためには、凍結乾燥した基質を予め微小流路に配置し、抗体を微小流路の内壁に固定化した上で、抗原、酵素標識抗体を順次供給することで、ELISA法による識別も実現されることになる。また、生活習慣病を検知できるセンサーの応用としては、ウリカーゼを用いて尿酸値を検量する方法にも、本発明にかかる微小分析装置を適用することができ、さらには肝臓機能の検査と同時に尿酸値検査も実現できる単一のバイオセンサチップも可能である。 In the present embodiment, the microanalyzer 10 designed to be suitable for the liver function test item is provided. However, the microanalyzer according to the present invention is not limited to the liver function test, and other enzyme activities. The present invention can be applied to a sensor that uses an antibody, and further can be applied to a sensor using an antibody / antigen reaction. For example, in order to obtain a microchannel device that can be detected by the ELISA method, a freeze-dried substrate is placed in advance in the microchannel, the antibody is immobilized on the inner wall of the microchannel, and then the antigen and enzyme label By sequentially supplying the antibodies, discrimination by the ELISA method is also realized. In addition, as an application of a sensor capable of detecting lifestyle-related diseases, the microanalyzer according to the present invention can be applied to a method for calibrating uric acid levels using uricase. A single biosensor chip that can also perform value testing is possible.

以上の如き、微小流路26に基質溶液を注いで真空凍結乾燥させた基質材料部15を有するPDMS基板13と、ポリイミド絶縁層12に保護された作用極16、対極18、及び参照極19が形成されたガラス基板11とを張り合わせることで、微小分析装置10が作成される。ポリイミド絶縁層12をPDMS基板13の裏面側に形成し、その後に張り合わせるようにすることも可能である。   As described above, the PDMS substrate 13 having the substrate material portion 15 obtained by pouring the substrate solution into the microchannel 26 and lyophilized in vacuum, the working electrode 16, the counter electrode 18 and the reference electrode 19 protected by the polyimide insulating layer 12 are provided. The microanalyzer 10 is created by bonding the formed glass substrate 11 together. It is also possible to form the polyimide insulating layer 12 on the back surface side of the PDMS substrate 13 and bond it thereafter.

次に、図2、図3を参照して、本実施形態の微小流路装置10の動作について説明する。例えば、ガンマ・グルタミルトランスペプチダーゼ(γ‐GTP)について測定する場合では、PDMS基板13の微小流路26に配置されるのは、L−γ−グルタミル−L−グルタミン酸とグリシル‐グリシンとを含んだ基質を凍結乾燥させた基質材料部15であり、一方、作用極16の表面に形成される膜は、グルタルアルデヒドを用いて架橋して固定されたL−グルタミン酸オキシダーゼを微小流路26に臨むように形成した酵素担持膜17である。   Next, with reference to FIG. 2, FIG. 3, operation | movement of the microchannel apparatus 10 of this embodiment is demonstrated. For example, in the case of measuring for gamma glutamyl transpeptidase (γ-GTP), L-γ-glutamyl-L-glutamic acid and glycyl-glycine are arranged in the microchannel 26 of the PDMS substrate 13. The substrate material portion 15 is obtained by freeze-drying the substrate. On the other hand, the film formed on the surface of the working electrode 16 faces the microchannel 26 with L-glutamate oxidase immobilized by crosslinking with glutaraldehyde. It is the enzyme carrying | support film | membrane 17 formed in this.

この状態で、PDMS基板13に開口された注入開口部24より、試料液30が微小流路26に導入され、図2に示すように、試料液30は円筒状の注入開口部24の部分に溜まる。すると、試料液30は隣接する凍結乾燥された基質材料部15の表面に到達し、試料液30は更にその基質材料部15の綿のような多孔質の表面を毛細管現象によって急速に下流側に進行して行くことになる。この試料液30の下流側への流れは毛細管現象により自動的に生ずるものであり、特にマイクロポンプやマイクロシリンジポンプの如き機構部を要せずに、下流への流れが形成されるものである。   In this state, the sample liquid 30 is introduced into the microchannel 26 from the injection opening 24 opened in the PDMS substrate 13, and the sample liquid 30 enters the cylindrical injection opening 24 as shown in FIG. Accumulate. Then, the sample solution 30 reaches the surface of the adjacent lyophilized substrate material portion 15, and the sample solution 30 further rapidly moves the porous surface such as cotton of the substrate material portion 15 to the downstream side by capillary action. It will go on. The downstream flow of the sample solution 30 is automatically generated by capillary action, and in particular, a downstream flow is formed without requiring a mechanism such as a micropump or a microsyringe pump. .

このように凍結乾燥された基質材料部15に誘導される試料液30の下流側への流れは、図3に示すように作用極16の表面に固定された酵素担持膜17にも到達する。試料液30が凍結乾燥された基質材料部15を溶解させることで、試料液30に含まれる検量すべき酵素であるガンマ・グルタミルトランスペプチダーゼ(γ‐GTP)が、L−γ−グルタミル−L−グルタミン酸とグリシル‐グリシンの基質によって活性となり、L−グルタミン酸を生成する。この生成されたL−グルタミン酸は、直ちに作用極16の表面に固定された酵素担持膜17にも到達することになり、ここで固定されていたL−グルタミン酸オキシダーゼと生成されたL−グルタミン酸の反応によって過酸化水素が発生し、その過酸化水素による電流値の変化がセンサー出力として得られることになる。   The downstream flow of the sample solution 30 guided to the lyophilized substrate material part 15 reaches the enzyme-supporting film 17 fixed on the surface of the working electrode 16 as shown in FIG. By dissolving the substrate material part 15 in which the sample solution 30 is lyophilized, gamma glutamyl transpeptidase (γ-GTP), which is an enzyme to be calibrated, contained in the sample solution 30 is converted into L-γ-glutamyl-L-. It becomes active by the substrate of glutamic acid and glycyl-glycine to produce L-glutamic acid. The generated L-glutamic acid immediately reaches the enzyme-supporting film 17 fixed on the surface of the working electrode 16, and the reaction between the L-glutamic acid oxidase fixed here and the generated L-glutamic acid. As a result, hydrogen peroxide is generated, and a change in current value due to the hydrogen peroxide is obtained as a sensor output.

前述の如き本実施形態の微小分析装置の作用極16、対極19、及び参照極18は、それぞれポテンシオスタットに接続することで測定が可能であり、作用極パッド部21が電流計を介して、参照極パッド部23がポテンシオスタットに接続される。   The working electrode 16, the counter electrode 19 and the reference electrode 18 of the microanalyzer according to the present embodiment as described above can be measured by being connected to a potentiostat, and the working electrode pad portion 21 is connected via an ammeter. The reference electrode pad portion 23 is connected to the potentiostat.

このような構造を有する本実施形態の微小分析装置10は、極めて空間的に狭い領域である微小流路26に凍結乾燥された基質材料部15が配設されるため、そこに試料液30が導入された場合には、試料液10は基質材料部による毛細管現象を利用して素早く混合することになり、酵素反応の立ち上がりも早いものとなる。微小流路26内に凍結乾燥された基質材料部15を配することで、微小流路26に試料液30を供給した場合には、微小流路26での毛細管現象と、凍結乾燥された基質材料部15の多孔質による毛細管現象との相乗効果が得られることになり、特に電気化学的な測定法によれば1分以内の時間で酵素反応による検量ができることになり、例えば医療現場での迅速な測定結果の利用もできることになる。   In the microanalyzer 10 of this embodiment having such a structure, since the lyophilized substrate material portion 15 is disposed in the microchannel 26 that is a very narrow area, the sample solution 30 is placed there. When introduced, the sample solution 10 is quickly mixed by utilizing the capillary phenomenon due to the substrate material portion, and the rise of the enzyme reaction is quick. When the sample liquid 30 is supplied to the microchannel 26 by arranging the freeze-dried substrate material portion 15 in the microchannel 26, the capillary phenomenon in the microchannel 26 and the freeze-dried substrate A synergistic effect with the capillary phenomenon due to the porosity of the material part 15 can be obtained. In particular, according to an electrochemical measurement method, calibration by an enzymatic reaction can be performed in a time of less than 1 minute. A quick measurement result can be used.

次に、図4、図5を参照して、本実施形態の微小分析装置10の組み立て方法についてさらに説明すると、図4のように、本実施形態の微小分析装置10では、円盤状のガラスウエハ31に前述の如き電極群を順次並べて形成し、その電極群が形成されたガラスウエハ31をそれぞれ扇状に分割することで、個々のガラス基板11を形成することができ、同様に、円盤状のPDMS基板32に複数の微小流路パターン33を有するように形成し、このPDMS基板32をそれぞれ扇状に分割することで、個々のPDMS基板13を形成することができる。それぞれ扇状に分割する工程は、円盤状のPDMS基板32と円盤状のガラスウエハ31を張り合わせた後で行なうこともでき、円盤状のPDMS円盤基板32と円盤状のガラスウエハ31をそれぞれ扇状に分割して、それぞれ張り合わせるようにしても良い。   Next, the assembly method of the microanalyzer 10 of the present embodiment will be further described with reference to FIGS. 4 and 5. As shown in FIG. 4, the microanalyzer 10 of the present embodiment has a disk-shaped glass wafer. The electrode groups as described above are sequentially arranged on 31 and the glass wafers 31 on which the electrode groups are formed are divided into fan shapes, whereby individual glass substrates 11 can be formed. Each PDMS substrate 13 can be formed by forming the PDMS substrate 32 so as to have a plurality of micro flow path patterns 33 and dividing the PDMS substrate 32 in a fan shape. Each of the fan-shaped division processes can be performed after the disk-shaped PDMS substrate 32 and the disk-shaped glass wafer 31 are bonded to each other, and the disk-shaped PDMS disk substrate 32 and the disk-shaped glass wafer 31 are respectively divided into fan-shaped sections. And you may make it stick together, respectively.

図5は本実施形態の微小分析装置10の分解斜視図であり、特に層間絶縁膜として機能するポリイミド絶縁層12にも流路パターンが形成されるが、そのパターンは円盤状のPDMS円盤基板32に形成される複数の微小流路パターン33と同じであり、同じマスクを使用した加工で良い。   FIG. 5 is an exploded perspective view of the microanalyzer 10 of the present embodiment. In particular, a flow path pattern is also formed in the polyimide insulating layer 12 functioning as an interlayer insulating film, and the pattern is a disc-shaped PDMS disk substrate 32. It is the same as the plurality of micro flow path patterns 33 formed in the above, and processing using the same mask may be used.

なお、本実施形態の微小分析装置10では、その基板形状を扇型として説明したが、この形状に限定されず、他の円盤形状や矩形状、円筒状、角柱状など種々の形状にすることが可能である。また、電極配線の引き回しパターンも任意であり、パッド部に片側だけではなく、例えば両端部や両面に設けるようにすることも可能である。   In the microanalyzer 10 of the present embodiment, the substrate shape has been described as a fan shape. However, the substrate shape is not limited to this shape, and may be various shapes such as other disk shapes, rectangular shapes, cylindrical shapes, prismatic shapes, and the like. Is possible. Also, the wiring pattern of the electrode wiring is arbitrary, and the pad portion can be provided not only on one side but also on both ends and both sides, for example.

次に図6乃至図11を参照しながら、本件発明者らが行なった実験例に基づき、本実施形態の利点について説明する。初めに、凍結乾燥による基質材料部が、通常の乾燥による固定化をしたもの、従来のY字状流路を用いたものに対して優位であることについて検証した。図6は、これら3つの乾燥法と流路構造の組み合わせを対比した図である。図6に示すように、凍結乾燥による基質材料部が微小流路に形成される例(a)が最も曲線の立ち上がりが早く、次いで、室温で基質を乾燥させたものが微小流路に形成される例(b)の立ち上がりが早く、最も遅いものはY字状の流路に試料液と基質溶液を流したもの(c)となった。   Next, the advantages of the present embodiment will be described based on experimental examples conducted by the inventors with reference to FIGS. First, it was verified that the substrate material part by freeze-drying was superior to those fixed by ordinary drying and those using a conventional Y-shaped channel. FIG. 6 is a diagram comparing the combinations of these three drying methods and the channel structure. As shown in FIG. 6, the example (a) in which the substrate material portion by freeze-drying is formed in the microchannel has the fastest rise of the curve, and then the substrate dried at room temperature is formed in the microchannel. In Example (b), the rise was fast and the slowest was (c) in which the sample solution and the substrate solution were passed through the Y-shaped channel.

特に、凍結乾燥による基質材料部が微小流路に形成される例では、10秒若しくはそれ以下程度で曲線の立ち上がりが得られ、4、5分程度で安定するという曲線が得られている。また、この実験では、牛血清アルブミンやグルタルアルデヒドの濃度も重要であることが分かり、それぞれ牛血清アルブミンの濃度が10重量%以上で、グルタルアルデヒドの濃度が2重量%以上であると、支持層が膨らみ粘っこくなってしまって反応が鈍くなることも分かった。   In particular, in the example in which the substrate material portion by lyophilization is formed in a microchannel, a curve rises in about 10 seconds or less and is stable in about 4 or 5 minutes. In this experiment, it was also found that the concentrations of bovine serum albumin and glutaraldehyde were important. When the concentration of bovine serum albumin was 10% by weight or more and the concentration of glutaraldehyde was 2% by weight or more, the support layer It was also found that the swelled and became sticky and the reaction became dull.

次に、微小流路のサイズについても実験を行なった。ここでは次の表1のようなサイズの微小流路を形成して実験を行なった。   Next, an experiment was conducted on the size of the microchannel. Here, an experiment was performed by forming a microchannel having a size as shown in Table 1 below.

このような各サイズの流路を形成して、凍結乾燥による基質材料部が微小流路に形成される例(a)、室温で基質を乾燥させたものが微小流路に形成される例(b)、Y字状の流路に試料液と基質溶液を流した例(c)のそれぞれについてデータを取得した。図7の(a)は、凍結乾燥による基質材料部が微小流路に形成される例について、表1の流路を調べたものであり、最も顕著に流路断面積が大きい番号1のものが、素早い反応曲線を示していることが分かる。図7の(b)は、室温で基質を乾燥させたものが微小流路に形成される例(b)についてデータを取ったものであり、凍結乾燥による基質材料部が微小流路に形成される例(a)と同様の傾向が得られているが、その曲線の立ち上がりは鈍いものとなり、Y字状の流路に試料液と基質溶液を流した例(c)では更に立ち上がりが鈍くなっていることが分かった。   Example (a) in which a substrate material portion formed by freeze drying is formed in a micro channel by forming channels of such sizes, and an example in which a substrate dried at room temperature is formed in a micro channel ( b) Data was obtained for each of the examples (c) in which the sample solution and the substrate solution were passed through the Y-shaped channel. (A) of FIG. 7 is the result of examining the flow paths in Table 1 for an example in which the substrate material portion by lyophilization is formed in a micro flow path. However, it can be seen that it shows a quick response curve. FIG. 7 (b) shows data taken for an example (b) in which a substrate dried at room temperature is formed in a microchannel, and the substrate material portion formed by freeze drying is formed in the microchannel. The same tendency as in Example (a) is obtained, but the rise of the curve is dull, and in Example (c) where the sample solution and the substrate solution are passed through the Y-shaped channel, the rise is further dull. I found out.

次に、微小流路と試料液の粘度についても実験を行なった。ここではグルタミック・オキサロアセテック・トランスアミナーゼ(GOT)が試料水溶液に含まれる例と、GOTがヒト血清試料に含まれる例を、それぞれ前述の3つの流路、すなわち凍結乾燥による基質材料部が微小流路に形成される例(a)、室温で基質を乾燥させたものが微小流路に形成される例(b)、Y字状の流路に試料液と基質溶液を流した例(c)のそれぞれについて調べた。   Next, experiments were also conducted on the viscosity of the microchannel and the sample solution. In this example, glutamic oxaloacetec transaminase (GOT) is contained in the sample aqueous solution, and GOT is contained in the human serum sample. Example (a) formed in a channel, Example (b) in which a substrate dried at room temperature is formed in a microchannel, Example (c) in which a sample solution and a substrate solution are passed through a Y-shaped channel We examined each of the above.

この微小流路と試料液の粘度の関係を図8に示す。凍結乾燥による基質材料部が微小流路に形成される例(a)では、GOTが試料水溶液に含まれる例と、GOTがヒト血清試料に含まれる例で異なる結果が得られ、GOTがヒト血清試料に含まれる例の方が試料水溶液に含まれる例に比べて曲線の立ち上がりが鈍く、粘度の点で毛細管現象がやや妨げられていると思われる現象が観察された。これは次の室温で基質を乾燥させたものが微小流路に形成される例(b)と好対照であり、例(b)では差は少なくなっていることが明らかであるものの、全体としては凍結乾燥による基質材料部が微小流路に形成される例(a)の方が反応速度が速いことも分かる。また、Y字状の流路に試料液と基質溶液を流した例(c)では全体的に立ち上がりが緩やかであり、粘度の高い方が反応が鈍いことも示されている。   FIG. 8 shows the relationship between the microchannel and the viscosity of the sample liquid. In the example (a) in which the substrate material part is formed in the microchannel by freeze-drying, different results are obtained between the example in which GOT is contained in the sample aqueous solution and the example in which GOT is contained in the human serum sample. The sample included in the sample had a slower rise of the curve than the example included in the sample aqueous solution, and a phenomenon that the capillary phenomenon seems to be somewhat disturbed in terms of viscosity was observed. This is in good contrast to the example (b) in which the substrate dried at room temperature is formed in the microchannel, and the difference in the example (b) is clear, but overall It can also be seen that the example (a) in which the substrate material part by freeze-drying is formed in the microchannel has a higher reaction rate. In addition, in the example (c) in which the sample solution and the substrate solution are flowed through the Y-shaped channel, the overall rise is gentle, and it is also shown that the higher the viscosity, the slower the reaction.

次に、L−アスコルビン酸、尿酸、アセトアミノフェンなどの電極活性の干渉物質についても実験を行なった。図9はその実験結果を示す図であり、本実施形態の微小分析装置を用い、干渉物質だけのもの、グルタミック・オキサロアセテック・トランスアミナーゼ(GOT)45U/Lと干渉物質を混合したもの、GOTを45U/Lだけのものの3通りについて反応曲線を調べた。結果は、干渉物質だけのものの場合、電流値が定常的な値となり時間変化の極めて少ないデータとなった。これに対して反応すべき酵素が含まれた場合には確実に反応曲線が描かれており、多少の干渉物質を仮に含んでいてもセンサーとして十分に機能することが分かった。   Next, experiments were also conducted on electrode active interference substances such as L-ascorbic acid, uric acid, and acetaminophen. FIG. 9 is a diagram showing the experimental results, using the microanalyzer of the present embodiment, only the interference substance, a mixture of glutamic oxaloacetec transaminase (GOT) 45 U / L and the interference substance, GOT The reaction curves were examined for 3 types of those with only 45 U / L. As a result, in the case of only the interference substance, the current value became a steady value, and the data showed very little time change. On the other hand, when an enzyme to be reacted is included, a reaction curve is surely drawn, and it has been found that even if some interference substances are included, the sensor functions sufficiently.

図10、図11は、表1の微小流路番号1の流路を用い各試料液濃度のグルタミック・オキサロアセテック・トランスアミナーゼ(GOT)(図10、図11の各(a))、グルタミック・ピルビック・トランスアミナーゼ(GPT)(図10、図11の各(b))、ガンマ・グルタミルトランスペプチダーゼ(γ−GTP)(図10、図11の各(c))についてそれぞれ反応を調べてまとめたものである。これら図10より、GOT、GPT、γ−GTPのそれぞれについて、濃度に応じた検量線が示されていることが分かり、これらの図10のデータにより作成された図11からはそれぞれ直線的な傾きが得られることが示されているため、本実施形態の微小分析装置を用いてセンサーとして感度の良いものが期待できることが裏づけられた。   FIG. 10 and FIG. 11 show glutamic oxaloacetec transaminase (GOT) at each sample solution concentration (channel (a) in FIG. 10 and FIG. 11), Results obtained by investigating the reactions for pyruvic transaminase (GPT) (FIGS. 10 and 11 (b)) and gamma-glutamyl transpeptidase (γ-GTP) (FIGS. 10 and 11 (c)), respectively. It is. From these FIG. 10, it can be seen that a calibration curve corresponding to the concentration is shown for each of GOT, GPT, and γ-GTP. From FIG. 11 created from the data of FIG. Therefore, it was confirmed that a sensor with high sensitivity can be expected by using the microanalyzer of this embodiment.

本発明の微小分析装置の一例の上面および断面を示す図である。It is a figure which shows the upper surface and cross section of an example of the microanalysis apparatus of this invention. 本発明の微小分析装置の一例の断面図であって、試料液を注入したところを示す図である。It is sectional drawing of an example of the microanalysis apparatus of this invention, Comprising: It is a figure which shows the place which inject | poured the sample liquid. 本発明の微小分析装置の一例の断面図であって、試料液により基質材料部が溶解したところを示す図である。It is sectional drawing of an example of the microanalysis apparatus of this invention, Comprising: It is a figure which shows the place which the substrate material part melt | dissolved with the sample solution. 本発明の微小分析装置の一例を組み立てる際に用いられる円盤状基板を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the disk shaped board | substrate used when assembling an example of the microanalysis apparatus of this invention. 本発明の微小分析装置の一例の分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of an example of the microanalyzer of the present invention. 本発明の微小分析装置の一例を対比して説明するための図であって、流路と基質の乾燥方法の違いに応じた酵素反応の時間変化を示す図である。It is a figure for contrasting and explaining an example of the microanalyzer of the present invention, and is a figure showing time change of an enzyme reaction according to a difference in a drying method of a channel and a substrate. 本発明の微小分析装置の一例を対比して説明するための図であって、各サイズの流路を形成して、凍結乾燥による基質材料部が微小流路に形成される例(a)、室温で基質を乾燥させたものが微小流路に形成される例(b)、Y字状の流路に試料液と基質溶液を流した例(c)のそれぞれについての酵素反応の時間変化を示した図である。It is a figure for contrasting and explaining an example of the microanalysis device of the present invention, and forms a channel of each size, and an example (a) in which a substrate material part by freeze drying is formed in a microchannel, Changes in time of enzyme reaction for each of the example (b) in which the substrate is dried at room temperature in the microchannel and the example (c) in which the sample solution and the substrate solution are passed through the Y-shaped channel FIG. 本発明の微小分析装置の一例を対比して説明するための図であって、試料の粘度を変えて、凍結乾燥による基質材料部が微小流路に形成される例(a)、室温で基質を乾燥させたものが微小流路に形成される例(b)、Y字状の流路に試料液と基質溶液を流した例(c)のそれぞれについての酵素反応の時間変化を示した図である。It is a figure for contrasting and explaining an example of the microanalysis device of the present invention, Comprising: Example (a) in which substrate material part is formed in microchannel by changing the viscosity of sample and freeze-drying, substrate at room temperature The figure which showed the time change of the enzyme reaction about each of the example (b) which dried what was formed in the microchannel, and the example (c) which flowed the sample solution and the substrate solution in the Y-shaped channel It is. 本発明の微小分析装置の一例について干渉物質の影響を検証したものであって、酵素反応の時間変化を示した図である。It is the figure which verified the influence of the interference substance about an example of the microanalysis apparatus of this invention, Comprising: It is the figure which showed the time change of the enzyme reaction. 本発明の微小分析装置の一例について各試料液濃度での酵素反応の時間変化を示した図であり、(a)はGOT、(b)はGPT、(c)はγ‐GTPの図である。It is the figure which showed the time change of the enzyme reaction in each sample liquid density | concentration about an example of the microanalyzer of this invention, (a) is GOT, (b) is GPT, (c) is a figure of (gamma) -GTP. . 本発明の微小分析装置の一例について図10の結果に基づき得られた反応曲線の傾きの図であり、(a)はGOT、(b)はGPT、(c)はγ‐GTPの図である。It is a figure of the inclination of the reaction curve obtained based on the result of FIG. 10 about an example of the microanalyzer of this invention, (a) is GOT, (b) is GPT, (c) is a figure of (gamma) -GTP. .

符号の説明Explanation of symbols

10 微小分析装置
11 ガラス基板
12 ポリイミド絶縁層
13 PDMS基板
16 作用極
17 酵素担持膜
18 参照極
19 対極
21 作用極パッド部
22 対極パッド部
23 参照極パッド部
24 注入開口部
25 排出開口部
26 微小流路
30 試料液
31 ガラスウエハ
32 PDMS円盤基板
33 微小流路パターン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Microanalyzer 11 Glass substrate 12 Polyimide insulating layer 13 PDMS substrate 16 Working electrode 17 Enzyme carrying film 18 Reference electrode 19 Counter electrode 21 Working electrode pad portion 22 Counter electrode pad portion 23 Reference electrode pad portion 24 Injection opening portion 25 Discharge opening portion 26 Minute Channel 30 Sample solution 31 Glass wafer 32 PDMS disk substrate 33 Microchannel pattern

Claims (6)

基板上に、試料液が注入される注入開口部に接続された微小流路を形成し、該微小流路に臨むように酵素を担持させる酵素担持部を形成し、該酵素担持部の近傍の前記注入開口部に隣接する前記微小流路中に凍結乾燥された基質を含み前記試料液に溶解する多孔質担体を配置させ、前記注入開口部を介して前記微小流路に前記試料液を流すことで測定可能な酵素活性を生じさせ、基質に対応する試料液中の酵素活性を分析する微小分析装置。 On the substrate, a micro flow channel connected to the injection opening into which the sample liquid is injected is formed, an enzyme carrying unit for carrying the enzyme so as to face the micro flow channel is formed, and the vicinity of the enzyme carrying unit is formed. the lyophilized substrate in the fine channel adjacent to the injection opening is disposed a porous carrier which is soluble in unrealized said sample liquid, the sample liquid to the fine channel through said injection opening A microanalyzer that generates measurable enzyme activity by flowing and analyzes the enzyme activity in the sample solution corresponding to the substrate. 前記酵素担持部には電極が形成され、酵素は該電極の表面若しくは近傍に配置されていることを特徴とする請求項1記載の微小分析装置。   2. The microanalyzer according to claim 1, wherein an electrode is formed on the enzyme carrying portion, and the enzyme is disposed on or near the surface of the electrode. 前記基板上には流路形成層が形成され、前記基板上の前記酵素担持部の周囲で該流路形成層を開口して前記微小流路を形成することを特徴とする請求項1記載の微小分析装置。   The flow path forming layer is formed on the substrate, and the micro flow path is formed by opening the flow path forming layer around the enzyme supporting part on the substrate. Micro analyzer. 前記担持させる酵素は酸化還元酵素であり、前記試料液中のガンマ・グルタミルトランスペプチダーゼ(γ−GTP)、グルタミック・オキサロアセテック・トランスアミナーゼ(GOT)、又はグルタミック・ピルビック・トランスアミナーゼ(GPT)のいずれかを分析することを特徴とする請求項1記載の微小分析装置。   The enzyme to be supported is an oxidoreductase, and any one of gamma glutamyl transpeptidase (γ-GTP), glutamic oxaloacetic transaminase (GOT), or glutamic pilvic transaminase (GPT) in the sample solution. The microanalyzer according to claim 1, wherein 前記基質は、タンパク質及び架橋剤を混ぜた媒体により前記微小流路に臨むように配置されることを特徴とする請求項1記載の微小分析装置。   The microanalyzer according to claim 1, wherein the substrate is disposed so as to face the microchannel with a medium in which a protein and a crosslinking agent are mixed. 試料液が注入される注入開口部に接続された微小流路を形成すると共に該微小流路に臨むように酵素を担持させる酵素担持部を形成する工程と、該酵素担持部の近傍の前記注入開口部に隣接する前記微小流路中に凍結乾燥された基質を含み前記試料液に溶解する多孔質担体を配置させる工程と、前記注入開口部を介して前記微小流路から前記凍結乾燥された基質に試料液を供給する工程とを有し、基質に対する試料液の酵素活性を分析することを特徴とする微小試料の分析方法。 Forming a microchannel connected to an injection opening into which a sample solution is injected and forming an enzyme-carrying part for supporting an enzyme so as to face the microchannel, and the injection in the vicinity of the enzyme-carrying part a step of lyophilized substrate in the fine channel adjacent to the opening is arranged a porous carrier which is soluble in unrealized the sample solution, the said freeze-dried from the fine channel through said injection opening And supplying the sample solution to the substrate, and analyzing the enzyme activity of the sample solution with respect to the substrate.
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