JP4694945B2 - 反応器、マイクロリアクタチップ、及びマイクロリアクタシステム、並びに反応器の製造方法 - Google Patents
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Description
分析システム基材と水晶振動子を接着する場合、水晶振動子もしくはシステム基材に対して塗布した接着剤が、接着時にシステムの流路や反応槽の内壁、センサのセンシング面に流れ込み、接着剤で汚染してしまうため、厳密な塗布量の管理を要するという問題があった。
接合の場合、高温での熱処理を必要とし、水晶振動子とシステム基材の熱膨張率が異なることから、接合処理後、水晶振動子内に残留応力が発生する。このため、水晶振動子が所望の振動状態で振動せず、感度が低下するという問題があった。
また、本発明のマイクロリアクタチップは、前記反応器を備え、前記基板に形成され、且つ前記流路を介して前記被測定試料を前記反応槽に導入する液導入口と、前記基板に形成され、且つ前記流路を介して前記反応槽からの前記被測定試料を排出する液排出口とからなる。
また、本発明のマイクロリアクタチップの製造方法は、基板に凹部を形成する第1の工程と、水晶基板に電極を形成する第2の工程と、前記凹部を覆うように前記基板と前記水晶基板とを重ね合わせ、前記基板と前記水晶基板との化学結合により前記基板と前記水晶基板とを接合させ、反応槽を形成する第3の工程と、からなる。
(実施の形態1)
図1は、本発明の反応器1000の構成を説明する図であり、図1(a)は反応器1000の部品構成を示す分解図、図1(b)は反応器1000の断面図(図1(a)中A面での断面)、図1(c)は反応器1000内に試料を送液する構成を示す説明図である。反応器1000は、蛋白質等の生体分子の相互作用を分析すること、具体的にはリガンドにアナライトを結合させてその結合反応状態(例えば結合強度や結合速度や解離定数等)を検知するためのものである。
この水晶とPDMSとの接合は共有結合であるため、水晶とPDMS板とは高い強度で結合できる。このとき、紫外線を照射するだけであるため、いずれの部材も加熱されることがなく、接合後、水晶に残留応力が発生しない。さらに、PDMS板34は剛性が低いため、接合しても水晶の振動を減衰させることがない。また、本発明の構成では、流路基板に細長い土手構造を設け、この土手構造上面と水晶基板100とを接合し、水晶振動子を保持する構造としている。このように水晶振動子を低剛性の構造で保持するため、接合しても水晶の振動を減衰することがない。そのため、水晶振動子の共振周波数を正確に捉えることができ、水晶振動子に付着した質量を高感度で測定することができる。
(実施の形態2)
図4に本発明のマイクロリアクタチップ2000の分解斜視図が、図5(a)にその模式的平面図、図5(b)にその断面図(図5(a)中B面での断面)がそれぞれ示されている。なお、前述した実施の形態1と同様の記述は省略する。
さらに、コンタクトピン2511、滴下ポート2520、リニアアクチュエータ2530、微量制御ポンプ901、ポンプ902各々に、制御回路2550が接続された構成となっている。
まず、図11(a)は、流路基板220a’に反応槽部となる溝を、流路基板220b’に貫通穴を形成し、流路基板220a’、220b’に水晶基板100を挟んで一体化した構成である。この構成の断面図を図11(b)に示す。水晶基板100上面は幅方向(Y方向)端面と流路基板220a’が、水晶基板100長手方向(X方向)側面と流路基板220b’が接合され、水晶基板100が保持されている。なお、接合面に間隙があると、サンプル液の液漏れもしくはサンプル液中への気泡混入が発生するため、流路基板220b’の貫通穴はX方向の寸法が高精度で要求される。所定の寸法精度が得られない場合は、流路基板220b’と水晶基板100の境界部(D)にモールド剤を塗布して間隙をシーリングすることも可能である。その他にも、図11(c)に示すように、流路基板220b’’にの段付きの貫通穴を形成し、段部に水晶基板100をはめ込む構成とすることで、流路基板220b’’と水晶基板100の接合面積を増やし、反応槽部と外界との気密性を上げることができる。
また、図11に示した構成例では、水晶基板100表面に対して平行にサンプル液が供給されるため、サンプル液の流れによどみが発生しない。そのため、吸着膜609に対して、安定した流速および濃度でサンプル液を供給でき、高精度な検出動作が可能となる。
(実施の形態3)
図12に本発明のマイクロリアクタチップ4000の分解斜視図が、図13(a)にその模式的平面図、図13(b)にその断面図(図13(a)中B−B面での断面)がそれぞれ示されている。なお、前述した実施の形態1及び実施の形態2と同様の記述は省略する。
次に、マイクロリアクタチップ4000を用いたマイクロリアクタシステム4500の構成について、図14の構成図を用いて説明する。まず、マイクロリアクタチップ4000を、実施の形態2と同様に、ステージ2510上に設置する。水晶基板100の検出電極601および対向電極602各々から接続されたリード線により、システムとの電気的導通を得る。
液流入口202a、202bに接続された2本のチューブは、チューブを押しつぶして開閉動作を行うバルブ212を介して、サンプル液タンク3810、緩衝液タンク3820がそれぞれ接続されている。また、液流出口203に接続されたチューブ3520には廃液タンク800が接続されている。さらに、サンプル液タンク3810及び緩衝液タンク3820それぞれに、ポンプ902が接続されている。このポンプ902が作動すると、サンプル液タンク3810もしくは緩衝液タンク3820に溜められた流体をマイクロリアクタチップに対して送液することができる。
マイクロリアクタシステム4500の送液について説明する。まず、ポンプ902を作動させ、サンプル液タンク3810および緩衝液タンク3820内を加圧する。タンク内に溜められたサンプル液および緩衝液はチューブを経て、マイクロリアクタチップ内の流路へと流れ込もうとするが、バルブ212が開状態でのみ、マイクロリアクタチップ内に流れが発生する。ここで、緩衝液供給路226に設けられたバルブ212を開状態にすると、緩衝液タンク3820からチューブ、コネクタ3520、緩衝液供給路226を経て、反応槽部223に流れ込む。反応槽部223が緩衝液に満たされた時点で、緩衝液供給路226に接続されたバルブ212を閉、サンプル液供給路225のバルブ212を開にすると、サンプル液がサンプル液タンク3810からサンプル液供給路225を経て反応槽部223に流れ込む。これらの反応槽部223に供給された流体は廃液路227をへて廃液タンク800に蓄積される。このような送液制御と、所定のタイミングでのセンサによる検出動作を制御回路がすべて行う。なお、検出動作については、実施の形態2の記述と同様に行う。
次にマイクロリアクタチップ4000の製造方法について述べる。水晶基板100は、実施の形態1および2と同様、ポリッシング加工したATカット水晶基板100に電極を形成している。水晶保持基板101はガラス板を用い、切削により貫通穴が形成されている。流路基板はポリカーボネート樹脂板を用い、射出成形で微細な凹凸部、貫通穴、ネジ穴を形成している。
(実施の形態4)
図10に本発明の反応器3000を示す。詳しくは図10(a)に反応器3000の分解斜視図を、図10(b)にその断面図(図10(a)中C面での断面)を示す。なお、前述した実施の形態1と同様の記述は省略する。
このセル3001のひとつに分析対象となるサンプル液を滴下すると、サンプル液はセル3001内に溜まり、検出電極601上に設けられた吸着膜609がサンプル液に浸されることになる。この時、水晶基板上の対向する検出電極601と対向電極602との間に交流電圧を印加し、共振周波数変化を測定することで、吸着膜609により固定された物質の質量を測定することが出来る。
なお、貫通穴314は貫通穴324に対して小さくし、セル3001は開口部の狭隘な凹構造とした。これは測定中のサンプル液の蒸発によるサンプル液の濃度変化を防ぐためである。濃度変化が起こると、正確な検出が行えなくなるおそれがある。
また、吸着膜609表面でのみ物質固定の化学反応が起こるため、セル3001内のサンプル液を撹拌する機構(例えば、センサ全体を垂直もしくは水平振動などによる撹拌動作)があるほうが望ましい。
以上により、一つのセンサ上に複数のセルを設けることで、複数種の物質に対して一括の検出を行うことが可能となる。また、簡略な構成および製造方法であると同時に、水晶振動子に残留応力や不要な振動モードが発生せず、高い検出感度を維持することが可能となる。
2000、4000 マイクロリアクタチップ
2500、4500 マイクロリアクタシステム
100 水晶基板
101 水晶保持基板
102 リング膜
200 流路基板
201 溝
202 液導入口
203 液排出口
212 バルブ
223、500 反応槽
300 基板
310、313 保持基板
323 セル基板
400 流路
601 検出電極
602 対向電極
609 吸着膜
701 交流電源
702 電流計
703 周波数カウンタ
800 廃液タンク
901 微量送液ポンプ
902 ポンプ
2510 ステージ
2511 コンタクトピン
2520 滴下ポート
2530 リニアアクチュエータ
2540 吸引ポート
2550 制御回路
3001 セル
3520 コネクタ
3810 サンプル液タンク
3820 緩衝液タンク
Claims (22)
- 被測定試料を流す流路と、該流路に接続され、前記被測定試料に含有する特定物質を捕獲する捕獲手段を有する反応槽と、前記捕獲手段により捕獲した前記被測定試料に含有する特定物質の物理量を測定する液相センサとからなる反応器において、
前記反応槽は、凹部を有し紫外線を利用して珪素含有物と化学結合する材質からなる基板と、該凹部を覆い前記基板と前記化学結合により接合する水晶基板とからなり、
前記液相センサは、前記水晶基板面上に設けられ、前記捕獲手段が形成された電極とからなる水晶振動子と、該電極に接続され前記水晶振動子の周波数変化を測定する周波数測定手段とからなることを特徴とする反応器。 - 前記化学結合は、珪素と酸素が交互に結合するシロキサン結合であることを特徴とする請求項1に記載の反応器。
- 前記物理量は、質量であることを特徴とする請求項1または2に記載の反応器。
- 前記捕獲手段が形成された電極を、前記水晶基板上に互いに独立して複数個有することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の反応器。
- 前記水晶基板は、前記電極の領域が溝部の底面となるメサ構造を有することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の反応器。
- 前記周波数測定手段は、前記水晶振動子の前記電極に直列に接続された周波数可変型交流電源と電流計とからなることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の反応器。
- 前記周波数測定手段は、前記水晶振動子を回路内に組み込んだ発信回路の発振周波数を測定する周波数計であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の反応器。
- 前記基板は、該基板と前記水晶基板とが接合する領域に土手形状の凸部を有することを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の反応器。
- 前記流路は、前記基板を貫通し、前記反応槽に対して前記被測定試料を導入、排出する1または複数の貫通穴であることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の反応器。
- 被測定試料を流す流路と、該流路に接続された凹部を有する反応槽と、前記流路を介して前記被測定試料を前記反応槽に導入する液導入口と、前記流路を介して前記反応槽から前記被測定試料を排出する液排出口と、を有する基板と、
水晶基板と該水晶基板上に形成された電極とからなり、紫外線を利用して前記基板と化学結合して前記凹部を覆うことにより前記反応槽を形成する水晶振動子と、
前記反応槽内に位置する前記電極上に形成され、前記被測定試料に含有する特定物質を捕獲する捕獲手段と、
からなることを特徴とするマイクロリアクタチップ。 - 前記化学結合は、珪素と酸素が交互に結合するシロキサン結合であることを特徴とする請求項10に記載のマイクロリアクタチップ。
- 前記基板は、前記流路の遮断または開通を行うバルブ機構を前記流路中に有することを特徴とする請求項10または11に記載のマイクロリアクタチップ。
- 前記基板は、前記凹部、溝及び貫通穴のうち、少なくともいずれかが形成された複数の基板部材を積層することにより形成されていることを特徴とする請求項10〜12のいずれかに記載のマイクロリアクタチップ。
- 前記水晶振動子は、前記電極を含む所定の領域の厚さが薄くなったメサ構造の前記水晶基板からなることを特徴とする請求項10〜13のいずれかに記載のマイクロリアクタチップ。
- 前記基板は、前記化学結合により前記水晶基板と接合する所定の領域に前記水晶基板を保持する段部を有する請求項10〜14のいずれかに記載のマイクロリアクタチップ。
- 請求項10〜15のいずれかに記載のマイクロリアクタチップと、前記捕獲手段が形成された前記電極に接続されて前記水晶振動子の周波数変化を測定する周波数測定手段と、前記液導入口または前記液排出口と接続されて前記被測定試料を送液するポンプ手段と、前記バルブ機構の開閉を制御する送液制御手段と、前記ポンプ手段と前記周波数測定手段と前記送液制御手段とを制御する制御手段と、からなることを特徴とするマイクロリアクタシステム。
- 基板に凹部を形成する第1の工程と、水晶基板に電極を形成する第2の工程と、前記凹部を覆うように前記基板と前記水晶基板とを重ね合わせ、紫外線を利用して前記基板と前記水晶基板との化学結合により前記基板と前記水晶基板とを接合させて反応槽を形成する第3の工程と、からなることを特徴とする反応器の製造方法。
- 前記第1の工程は、樹脂基板上に前記凹部と同じ大きさの凸部を有する型基板を作製する型基板作製工程と、前記型基板を用いて前記基板に前記凹部を形成する凹部形成工程とからなることを特徴とする請求項17に記載の反応器の製造方法。
- 前記第3の工程における化学結合により接合させる工程は、前記基板と前記水晶基板との接合面に紫外線を照射してシロキサン結合により前記基板と前記水晶基板とを接合させる工程であることを特徴とする請求項17または18に記載の反応器の製造方法。
- 前記第3の工程において、更に、前記基板および前記水晶基板の接合予定面にプラズマを照射する工程、または前記水晶基板の表面を平坦化処理する工程を有することを特徴とする請求項17〜19のいずれかに記載の反応器の製造方法。
- 前記第2の工程の後に、前記電極上に被測定試料に含有する特定物質を捕獲する捕獲手段を形成する第4の工程を有することを特徴とする請求項17〜20のいずれかに記載の反応器の製造方法。
- 前記第3の工程の後に、前記反応槽内に試薬を流し、前記電極上に被測定試料に含有する特定物質を捕獲する捕獲手段を形成する第5の工程を有することを特徴とする請求項17〜20のいずれかに記載の反応器の製造方法。
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