JP6547252B2 - 紙基材デバイス及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、各種の化学分析や化学反応等に用いられる紙基材デバイス（「紙基板マイクロ流体デバイス」（microfluidic paper-based analytical devices、μPADs)、「紙ベース反応用チップ」等とも呼ばれる）及びその製造方法に関する。

紙基材デバイスは、紙上で流路を用いて分析や化学反応等を行うデバイスであり、紙基材であるため持ち運びや廃棄が簡単で、少量のサンプルで分析を行うことが可能なために近年注目を浴びている。現在までに開発された紙基材デバイスとしては、(1)ろ紙にインクジェットプリンタを用いてUV照射により硬化するインクを流路の形に印刷し、UVを照射し、これを表・裏に施すことにより、印刷したところのみ疎水性の壁を構築して流路を形成する方法（特許文献１、非特許文献１）、(2)トリメトキシオクタデシルシランと熱を用いて疎水性の壁をつくり流路を作製する方法（非特許文献２）、(3)二酸化チタン粒子を紙基板に吹きつけて基板を全体的に疎水化させ、紫外線を選択的に照射して親水化することにより流路やスポットの部分を作製する方法（非特許文献３）等が知られている。

特許文献１記載の方法は、インクジェットプリンタにより任意の形状の流路を簡便に作製できるという利点があるが、UV照射が必要であり、また、試料液は、ろ紙中を毛管現象で移動するため、移動速度が低く、移動中に試料液の蒸発が起きたり、ろ紙内部への試料液の浸潤のため、比較的多量の試料液が必要になるという欠点を有する。非特許文献２記載の方法では、加熱が必要であり、また、ろ紙基板を用いるため、特許文献１記載の方法と同様な問題がある。非特許文献３記載の方法は、試料液の移動に毛管現象を利用しないため、多量の試料液が必要ではないという利点を有するが、二酸化チタン粒子を吹き付ける必要があり、UV照射も必要である。

WO 2012/160857 A1

Kento Maejimaet.al., RSC Adv., 2013,3, 9258-9263 Longfei Cai et.al., Analyst, 2014, 139, 4593-4598 Aritra Ghosh et.al., Lab Chip, 2014, 14, 1538

本発明の目的は、多量の試料液を必要とすることなく分析や反応を行うことができ、UV照射や加熱、二酸化チタン粒子等を用いることなく簡便に作製することができる新規な紙基材デバイス及びその製造方法を提供することである。

本願発明者らは、鋭意研究の結果、基材表面に疎水性のシランカップリング剤をコーティングし、その上に親水性のシランカップリング剤を選択的に重ねてコーティングして流路を形成することにより、紙基材中での毛管現象を利用することなく試料液を迅速に移動させることができ、これにより試料液の必要量を減少させることができ、また、流路はインクジェットプリンタにより容易に描画でき、UV照射、加熱、二酸化チタン粒子などを必要とすることなく簡便にデバイスを作製可能であることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、
紙基材と、
該紙基材上にコーティングされた一般式[I]：

（式[I]中、R¹は疎水性側鎖の炭素数６以上のアルキル基若しくは炭素数６以上のアルケニル基又はアリール基若しくはアルキルアリール基、R²、R³及びR⁴は互いに独立して炭素数１〜４のアルキル基を表す）
で示される化合物と、
該化合物がコーティングされた領域内にコーティングされた一般式[II]：

（式[II]中、R⁵、R⁶、R⁷及びR⁸は互いに独立して炭素数１又は２のアルキル基を表す）
で示される化合物から形成された、所望の形状の流路とを具備する紙基材デバイスを提供する。

また、本発明は、紙基材に、前記一般式[I]で示される化合物の溶液をコーティングし乾燥させる工程と、コーティングされた領域内に、前記一般式[II]で示される化合物の溶液を所望の形状にコーティングして乾燥させる工程とを含む、上記本発明の紙基材デバイスの製造方法を提供する。

本発明により、試料液の移動に毛管現象を利用することがなく、このため多量の試料液を必要とすることなく分析や反応を行うことができ、UV照射や加熱、二酸化チタン粒子等を用いることなく簡便に作製することができる新規な紙基材デバイス及びその製造方法が初めて提供された。本発明の紙基材デバイスを用いれば、毛管現象を利用する公知の紙基材デバイスを用いる場合に比べて貴重な試料液の必要量を少なくすることができる。また、本発明の紙基材デバイスは簡便に安価に製造することが可能であり、市販の安価なコピー用紙等を基材として利用すれば製造コストを大きく低減させることができる。

下記実施例で作製した紙基材デバイスの流路の形状及び寸法を示す図である。 下記実施例で測定した、試料中の第一鉄イオン濃度とGreen強度の差との関係を示す図である。

上記の通り、本発明の紙基材デバイスは、紙基材を具備する。紙基材としては、いずれの紙をも用いることができ、コピー用紙やろ紙等を用いることができる。従来技術と同様、ろ紙を用いることも可能であるが、ろ紙よりも安価なコピー用紙を用いることがコスト的に有利であり、下記実施例でもコピー用紙を用いている。

紙基材上には、上記一般式[I]で示される化合物がコーティングされている。上記一般式[I]中、R¹は疎水性側鎖の炭素数６以上のアルキル基若しくは炭素数６以上のアルケニル基、又はアリール基若しくはアルキルアリール基である。これらは、疎水性を与えるものであり、アルキル基又はアルケニル基の炭素数の上限は特にないが、炭素数の上限は通常、３０程度である。アルキル基又はアルケニル基の場合、炭素数は好ましくは１５〜２５であり、特には１６〜２０である。下記実施例では炭素数１８のオクタデシル基を用いている。アリール基としては、ベンゼン及びナフタレンを好ましい例として挙げることができる。アルキルアリール基中のアリール基は、好ましくはベンゼン又はナフタレンであり、アルキルアリール基中のアルキル部分の炭素数は特に限定されず、通常、１〜３０である。

上記一般式[I]中、R²、R³及びR⁴は互いに独立して炭素数１〜４のアルキル基であり、好ましくは全てエチル基である。

上記一般式[I]で示される化合物のコーティングは、該化合物の溶液を紙基材にコーティングし、乾燥させることにより行うことができる。溶媒としては、該化合物を溶解できるものであれば特に限定されず、入手が容易で人体への悪影響が比較的少ないイソプロパノールのような低級アルコール（好ましくは炭素数１〜４）を好ましく用いることができる。溶液は、紙基材の全面にコーティングしてもよいし、一部領域のみにコーティングしてもよいが、全面にコーティングすることが簡便である。コーティングは、浸漬、スプレーコーティング、ロールコーティング等のいずれの方法によってもよいが、操作が簡便で、同じ溶液を用いた場合に紙基材の疎水性がより大きくなる浸漬が好ましい。紙基材全体を溶液中に浸漬することにより、紙基材の両面の全面がコーティングされる。コーティング後、溶液を乾燥させて溶媒を蒸発させることにより、上記一般式[I]で示される化合物が紙基材上にコーティングされる。乾燥は室温下で放置することにより容易に行うことができる。乾燥時間は通常１２時間〜４８時間程度、好ましくは１８時間〜３０時間程度でよく、４８時間よりも長く乾燥してもよい。上記一般式[I]で示される化合物をコーティングすることにより、紙基材は疎水化される。

コーティングされた一般式[I]で示される化合物の層上の一部領域には、流路を構成する上記一般式[II]で示される化合物が選択的にコーティングされる。上記一般式[II]中、R⁵、R⁶、R⁷及びR⁸は互いに独立して炭素数１又は２のアルキル基であり、Si原子に結合している炭素数１又は２の低級アルコキシル基により親水性が付与される。

上記一般式[II]で示される化合物のコーティングは、該化合物の溶液を上記一般式[I]で示される化合物の層の上に、一般式[II]で示される化合物の溶液を選択的にコーティングし、乾燥させることにより行うことができる。溶液の溶媒としては、一般式[II]で示される化合物を溶解できるものであれば特に限定されないが、好ましくは、水又は弱酸や弱塩基の水溶液が用いられ、例えば、pH３〜５程度の酢酸水溶液を用いることができる。インクジェットプリンタでインクを吐出させやすくするために、微量の界面活性剤を含ませてもよい。界面活性剤としては、例えば、Triton X-100（商品名）のような非イオン界面活性剤を好ましく用いることができるが、これらに限定されるものではない。界面活性剤の濃度は適宜設定することができ、通常、0.01重量％〜0.05重量％程度である。溶液中の該化合物の濃度は特に限定されないが、通常、0.1〜10v/v％程度、好ましくは0.5〜2v/v%程度である。

一般式[II]で示される化合物の溶液のコーティング方法は特に限定されないが、インクジェットプリンタのインクとして該溶液を用い、パソコンソフトを駆使して作製した流路を印刷することが最も簡便であり、複雑な形状の流路も容易に描画できるので好ましい。ここで、「流路」は、試料液等が流通する通路のみならず、試料液等の液に濡れることを意図する全ての領域を包含する意味で用いており、例えば、試料液を貼着したり、所望の化学反応を起こさせたりする、通路よりも幅広のスポット部等をも包含する意味で用いている。例えば、下記実施例では図１に示す形状をインクジェットプリンタにより描画したが、図１における両端の正方形部分も本発明で言う「流路」に包含される。もっとも、流路の一部のみを一般式[II]で示される化合物で形成することも可能である。インクジェットプリンタで流路を印刷後、乾燥させることにより本発明の紙基材デバイスを得ることができる。乾燥は、室温下で放置することにより容易に行うことができる。乾燥時間は通常５〜１２０分程度、好ましくは２０分〜６０分程度でよく、１２０分よりも長く乾燥してもよい。

マイクロ流路自体は周知であり、任意の形状の流路を描画して、任意の分析や反応を行うことができる。分析や反応のための化合物を流路のスポット部等に固定化することができる。分析や反応に必要な試薬類は、一般式[II]で示される化合物で流路を形成した後、インクジェットプリンタによりさらに流路上に印刷することができる。この場合、一般式[II]で示される化合物と試薬の親和性が低くて固定化が困難な場合には、一般式[II]で示される化合物と親和性の高い、好ましくは一般式[II]の化合物とシランカップリングする物質と試薬とを結合させたものをインクジェットプリンタにより印刷することができる。試薬との結合に適し、一般式[II]で示される化合物と親和性の高い物質としては、例えば、上記一般式[II]中のR⁵、R⁶、R⁷及びR⁸のいずれかにアミノ基やカルボキシル基等の官能基を導入したものを挙げることができる。下記実施例では、3-アミノプロピルトリエトキシシラン(APTES)と、Fe²⁺の検出試薬であるフェロジンとを溶液中でイオン結合させたものをインクジェットプリンタにより流路のスポット部に重ねて印刷することにより、フェロジンを固定化している。

以下、本発明を実施例に基づき具体的に説明する。もっとも、本発明は下記実施例に限定されるものではない。

実施例１ 紙基材デバイスの作製
１．OTES(オクタデシルトリエトキシシラン)溶液
上記一般式[I]で示される化合物として、オクタデシルトリエトキシシラン（OTES、一般式[I]中、R¹がオクタデシル基（炭素数１８）、R²、R³及びR⁴が全てエチル基）を用いた。OTESの1v/v%イソプロパノール溶液を調製した。

２．TMOS(テトラメチルオルトケイ酸)インク
上記一般式[II]で示される化合物として、テトラメチルオルトケイ酸（TMOS, 一般式[I]中、R⁵、R⁶、R⁷及びR⁸が全てメチル基）を用いた。以下の手順でTMOSインクを作製した。

(1)0.02 wt% TritonX-100(商品名、界面活性剤)水溶液を水(milli-Q（商品名）)を溶媒として作製した。これをピペットマン（商品名）で50mLとり、2μLの酢酸を加えた酢酸溶液を今回用いたインクの溶媒とした。pH3.92であった。
(2)スクリュー管にピペットマン（商品名）を用いて4.5 mLの酢酸-TritonX-100（商品名）水溶液をとった。
(3) (2)をマグネティックスターラーで撹拌しながら、同じくピペットマン（商品名）で取った0.5mLのTMOSを1滴ずつ滴下し、TMOS10%(v/v)のインクを作った。
以後、ここで作製したインクをTMOSインクとする。

３．流路作製
１で調製したOTES溶液中にコピー用紙を浸漬し、２４時間室温で乾燥させた。コピー用紙の水に対する接触角は７７°であり、親水性であった（水に対する接触角が９０°未満）が、OTESコーティング後は、１２０°となり疎水性となった。

次に、市販のインクジェットプリンタ（FUJIFILM Dimatix社の DMP-2831。インクカートリッジは液滴量が10pLのDMC-11610）を用いて、２で調製したTMOSインクをOTESコーティングを行ったコピー用紙上に印刷した。印刷した流路は図１に示す形状及び寸法のものであり、同じ場所に２回印刷を行った。室温で２０分乾燥し、本発明の紙基材デバイスを得た。

実施例２ 流速の測定
実施例１で作製したデバイスの流路に色素水溶液を流した際の流速を測定した。食紅水溶液５μLを、図１に示す流路の一端の正方形部分に滴下し、他端の正方形部分に到達するまでの時間を目視により測定した。測定は３５回行った。一方、比較のため、同じ形状、寸法の流路を特許文献１記載の方法によりろ紙基板上に作製し、同様にして流速を測定した。

その結果、実施例１で作製した本発明のデバイスの流路では、平均流速が1.1mm/sであったのに対し、特許文献１記載のデバイスの流路では0.2mm/sであり、本発明のデバイスを用いた場合には５倍以上の流速が観察された。なお、観察の結果、滴下した水溶液は、滴下の際の運動量を駆動力として親水性の流路に沿って進むように思われ、水溶液はコピー用紙に全く染みこまないので毛管現象により移動するものではない。

実施例３ Fe²⁺の検出
実施例１で作製したデバイスを用いて、Fe²⁺の検出試験を行った。Fe²⁺の検出試薬として、フェロジン（3-(2-ピリジル)-5,6-ビス(4-スルフォフェニル)-1,2,4-トリアジン二ナトリウム塩、PTDS)(pKa:3.2)を用いた。PTDSは、pH 3〜10でFe²⁺と反応して赤紫色キレートを形成する。検出試薬は、インクジェットプリンタで印刷することにより、流路の一端の正方形部の中に一辺1mmの正方形の形状に積層した。PTDS単独では、親水性の流路に固定化しにくいので、TMOSとシランカップリングする3-アミノプロピルトリエトキシシラン（APTES, pKb:3.6）をPTDSと溶液中で接触させてイオン結合させ、この溶液をインクジェットプリンタで印刷することにより固定化した。PTDSとAPTESは、溶液中で次のようにイオン結合していると考えられる。

すなわち、1mM PDTS溶液をpH3.2バッファー(クエン酸 0.1 M・アスコルビン酸 25 mM/TMAOH 0.1M)を溶媒として作製した。一方、APTESの3mMイソプロパノール溶液を調製した。それぞれ調製したAPTES溶液とPDTS溶液を体積比1:1（モル比3:1)で混合し、この混合溶液を上記したインクジェットプリンタにより流路一端の正方形の中央部に1mm四方の正方形状に印刷した。これにより、PDTSが流路の正方形部に固定化された。

次に、濃度0、100、250、500、1000μMの硫酸アンモニウム第一鉄（(NH₄)₂Fe(SO₄)₂）水溶液を調製し、各３μLを、流路の一端の正方形部（PTDSを固定化した正方形部ではない方の正方形部）にそれぞれ滴下し、固定化PTDSと発色反応させた。反応後、PTDSを固定化した正方形部の色解析をImage J（商品名）で行い、Greenの強度を測定した。色解析は、試料の滴下前後で行い、その差を計算した。結果を図２に示す。

図２に示すように、試料溶液中のFe²⁺濃度に依存してGreen強度の差が変化しており、この方法でFe²⁺濃度の定量が可能であることがわかる。なお、特許文献１記載のデバイスを用いて同様な検出を行う場合、試料溶液は２０〜５０μL必要であった。このことから、本願発明のデバイスを用いれば、試料溶液の必要量を大きく低減させることができる。

Claims (10)

1. 紙基材と、
   該紙基材上にコーティングされた一般式[I]：
   （式[I]中、R¹は疎水性側鎖として炭素数６以上のアルキル基若しくは炭素数６以上のアルケニル基、又はアリール基若しくはアルキルアリール基、R²、R³及びR⁴は互いに独立して炭素数１〜４のアルキル基を表す）
   で示される化合物と、
   該化合物がコーティングされた領域内にコーティングされた一般式[II]：
   （式[II]中、R⁵、R⁶、R⁷及びR⁸は互いに独立して炭素数１又は２のアルキル基を表す）
   で示される化合物から形成された、所望の形状の流路とを具備する紙基材デバイス。
2. 前記一般式[I]中、R¹が炭素数６以上のアルキル基である請求項１記載の紙基材デバイス。
3. 前記一般式[I]中、R¹が炭素数１５〜２５のアルキル基である請求項２記載の紙基材デバイス。
4. 前記一般式[I]で示される化合物がオクタデシルトリエトキシシランである請求項１又は３記載の紙基材デバイス。
5. 前記一般式[II]中、R⁵、R⁶、R⁷及びR⁸がメチル基である請求項１〜４のいずれか１項に記載の紙基材デバイス。
6. 前記紙基材がコピー用紙から成る請求項１〜５のいずれか１項に記載の紙基材デバイス。
7. 前記一般式[I]で示される化合物が、前記紙基材の表面全面にコーティングされている請求項１〜６のいずれか１項に記載の紙基材デバイス。
8. 紙基材に、前記一般式[I]で示される化合物の溶液をコーティングし乾燥させる工程と、コーティングされた領域内に、前記一般式[II]で示される化合物の溶液を所望の形状にコーティングして乾燥させる工程とを含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の紙基材デバイスの製造方法。
9. 前記一般式[I]で示される化合物は、該化合物の溶液中に前記紙基材を浸漬することによりコーティングされる請求項８記載の方法。
10. 前記一般式[II]で示される化合物の溶液は、インクジェットプリンタにより所望の形状に描画される請求項７又は８記載の方法。