JPS6370165A

JPS6370165A - 流体集積素子

Info

Publication number: JPS6370165A
Application number: JP61213808A
Authority: JP
Inventors: Senichi Masuda; 増田　閃一; Masao Washizu; 正夫鷲津
Original assignee: Advance Co Ltd
Current assignee: Advance Co Ltd
Priority date: 1986-09-12
Filing date: 1986-09-12
Publication date: 1988-03-30
Anticipated expiration: 2013-03-11
Also published as: JP2727316B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、細胞融合、細胞穿孔、細胞選択などの細胞操
作、化学反応及び微粒子検出測定操作などを含む流体を
対象とする諸操作を自動的に且つ確実に行う流体集積素
子に関するものである。

従来、先行技術に於ける上記のような流体操作装置を使
用する際に、例えば細胞を操作するには、できるだけ単
一の種類の細胞を、しかも大量に集める必要があり、又
、顕微鏡下でのマイクロピペットによる手作業を必要と
し、能率が非常に悪いという欠点を有していた。又、生
理活性物質などの検出測定操作に於いて、極微量な試料
に対する上記操作を行う際には、試料のロスが大きな問
屋となっていた。

このように、流体操作装置は全体的に対象とする粒子が
分子レベル、細胞レベルであるのにもかかわらず、実際
は装置として多数の機能部品から成るためスケールが大
きく、あるいは種々なる装置を組み合わせて作る装置で
あり、細胞１個、微粒子単体あるいは微量の化学物質を
取り扱う素子は未だ存在しない。

本発明は上記に鑑み、各種の流体操作素子をできるだけ
小型軽量化し、微量の試料で所望の操作を可能にし、尚
且つ操作の自動化の信頼性を高めることを目的としてい
る。

本発明は、基板に一体成型された少なくとも１つの入力
部と出力部及び導通路、操作領域から成り、所要の場合
駆動手段が更に設けられていろ。尚、上記入力部、出力
部及び導通路は基板表面の溝部、凹部により構成され、
この溝部及び凹部中の流体を駆動せしめる駆動手段は基
板に組み込まれるが、又は素子外に構成されており、基
板に形成されろ凹部及び溝部は流体が導電可能な大きさ
と深さを有し、操作領域はその凹部乃至溝部の両側ある
いは上下部に配置されている乙のである。

これらの構成をとることにより、微量の流体を所望の目
的に加工及び操作をすることが容易にしかも確実に行う
ことができるものである。

以下、本発明流体集積素子の基板についての材質、製法
、及び各部の構造、使用態様乃至各部を基板に一体成型
せしめる方法等につき詳細に分脱する。

基板の材質・製法本発明の流体集積素子の基板の材質には、耐水性、耐薬
品性、弾性に優れたシリコーン樹脂が好例として挙げら
れるが、これに限らずアルミナ、アパタイトセラミック
ス等のセラミックス部材、及びテフロン等の高分子樹指
部材やＣ。

−Ｃｒ合金等の金属部材を用いてもかまわない。

又、シリコン、セラミックス、半導体、金属、高分子な
どに上記材質の薄膜を形成せしめてもよい。より具体的
にはシリコーン樹脂の薄膜を形成するために、プラズマ
重合法を用い１二場合、重合装置内を減圧し、オクタメ
チルソクロテトラシロキサンガスを供給し、１０〜１（
１０）Ｐａ程度の圧力にして、電極に高周波電圧を印加
するとプラズマ状態が形成され、電極上に設置しｆ二基
仮にシリコーン樹脂の薄膜が数十オングストロームから
数十ミクロンの厚さて形成される等の製法を例示し得る
ものである。

各部の構造乃至使用態様等ｌ）人力部本発明に於ける入力部は流体を貯蓄する部分、あるいは
外部より流体を注入する注入口等であり、その形状は基
板に凹部を設けてなるもので、更に外部より流体を注入
する場合、外部へ連絡する注入口を設けてもよい。又、
入力部の形状、大きさは任意であり、流体の量や含有す
る粒子等の大きさに応じて適宜選択されるものである。

２）導通路本発明に於ける導通路は基板に溝部を設けて成るもので
あり、この中を流体が輸送されるものである。溝部の大
きさ、深さは流体中の粒子の径の大きさよりやや大きめ
に形成されるものであるから、基板に溝部を設ける方法
はエツチングによる溝製造方法が好ましい。

しかしながら流体の量がやや多かったり、粒子の径が大
きい場合等は、上記製造方法に限るものではない。更に
導通路が流体により汚れたり、っまりが生ずる際には、
その深さはテーパーを浅くしたりして、その製法は適宜
選択されるものである。

３）操作領域本発明に於ける操作領域は、所望の流体の加工、測定な
どの操作を行う領域である。例えば、電気細胞融合装置
、細胞穿孔装置、微生物センサーなどが挙げられる。即
ち電気細胞融合の場合には、基板の操作領域に当たる箇
所にン本の電極を配置し、この電極と外部出力とを導線
を介して接続されろものである。

又、操作領域として電気的、音響的、磁気的、光学的検
出手段及びバイオセンサーを上記電極の代わりに配置し
てもよい。

４）駆動手段本発明に於ける駆動手段は、入力部より注入された流体
を操作領域まで輸送せしめるための手段であるが、これ
は入力手段や操作領域及び出力手段と一体成型されても
よく、素子内で任意の場所、あるいは素子外に備えつけ
ることが可能なものである。

例えば、駆動手段は電気エネルギーを［１１振動に変換
する電歪素子あるいは磁歪素子によって構成される場合
や、温間に反応してその形状か変化する形状記憶合金、
又は磁力あるいは空気圧等の流体に圧力を印加するもの
、更に流体を吸引するもの等が利用できる。

又、流体中の微粒子が誘電体である場合は、交流電界を
微粒子に印加することによって生ずる誘電泳動力を利用
することも可能である。

５）出力部本発明に於ける出力部は基板に設けられた凹部によって
構成されるもので、操作領域によって所望の操作を受け
た流体を素子の外部へ取り出す手段、あるいは操作を受
けた流体を一時的に貯蓄する部分である。

この出力部の大きさ、形状は、流体の量、形状、含有さ
れる微粒子の大きさ、基板の形状等に応じ、適宜選択さ
れるものである。

基板に各部を一体成型する方法上記基板に入力部、出力部、導通路、操作領域、駆動手
段を一体成型せしめる方法を記述する。

１つは、紫外線硬化性樹脂を利用し、基板に外線硬化性
樹脂上に、入力部、出力部、操作領域等の凹部及び導通
路の溝部駆動手段の形状の紫外線を吸収するネガを乗せ
、その上から紫外線照射する。ネガの周囲が充分に硬化
するのを待ち、ネガ下部の硬化しなかった樹脂を水洗い
などによりきれいに取り除く。この結果、所望の各部を
有する基板の原型が゛できあがる。この紫外線硬化樹脂
の原型に液状のシリコーン樹脂を流し込み、シリコーン
樹脂の型を造る。又、更にこの型に液状のシリコーン樹
脂を流し込み、硬化するのを待つと、所望の各部を有す
るノリコーン樹脂の基板ができあがる。

あるいはプラズマ及びフォトエツチングを用い、任意の
基板材料、例えばノリコン、セラミックス、半導体、金
属、高分子に溝部、凹部を形成仕しめてから、プラズマ
重合によりシリコーン樹脂を被膜する方法も例示し得る
。シリコン基板に溝部、凹部を形成仕しめる場合につい
て述べると、プラズマエツチングでは、４フッ化を印加
し、陽極を接地すると両極の間にプラズマが発生し、フ
ッ素原子を生成する。その結果、１個のノリコン原子に
２個のフッ素原子が結合し、２フツ化シリコンのような
層が形成され、ここにイオンを当てると４フツ化シリコ
ンを生じて気化し、結果としてエツチングされ、溝が生
じる。

フォトエツチングでは、塩素ガス中で波長約３（１０）
０オングストロームの紫外線レーザーの光を照射する。

光分解した塩素県子は、同じくシリコン結合が切れて生
じたシリコン原子と反応し、塩化ノリコンとなって気化
することにより、エツチングされ溝か生じる。更に溝部
、凹部を形成仕しめたソリコン基板に上記プラズマ重合
法により、シリコーン樹脂膜を被膜せしめることにより
、基板に各部を形成し得る。

又、その池の方法として、単にアルミナ、アパタイトセ
ラミックス及びテフロン基板などにエツチング方法を用
い、所望の形状の溝を形成せしめても何らかまわない。

以上のような方法を利用することにより、所望の形状の
人力部、出力部、導通路、操作領域及び駆動手段を基板
に形成し得るものである。

以下、微小基板に形成せしめた少なくとも」二記入力部
、操作領域、導通路、駆動手段及び出力部から構成され
る本発明を、実施例により詳細に説明する。

［実施例Ｉコ第１〜３図に本発明に基づ〈実施例の拡大図を示したが
、これは上記操作領域に１対の微小電極が組み込まれ、
全体として細胞融合素子を形造る。

基板Ｉはシリコーン樹脂で形成され、このノリコーン樹
脂基板に、人力部としての注入口ｌ、駆動手段に於ける
ポンプ室５、導通路７、出ツノ部９及び電極８が組み込
まれる溝部及び凹部を形成せしめるために、上記の紫外
線硬化樹脂を利用する方法を用いた。この素子の寸法は
縦２０ｍｍ、横３２　ｍ　ｍ　Ｎ厚さ１　、５ｍｍであ
る。

又、駆動手段の断面図を第２図に示しｆコ。上記駆動手
段は圧電層４、導電部材３及びバルブ２．６、ポンプ室
５より構成されている。ポンプ室５は圧電層の振動によ
り収縮する箇所で形状は半径４　ｍｍの円状であり、バ
ルブ２．６は電磁的あるいはｌｆ電的なアクチュエータ
により開閉される。

駆動手段の構成方法は、シリコーン樹脂基板に所望の形
状の圧電材料であるチタン酸バリウム、タンタル酸リチ
ウム、ニオブ酸リチウム、亜鉛酸鉛、チタン酸鉛、及び
酸化亜鉛などの単結晶、焼結体、及び薄膜を被膜し、圧
電層４を形成せしめ、その両端に金属などの導電部材３
の薄膜を形成せしめ、更に緩衝部１６として弾力性部材
を配置せしめる。

又、第２図に於いて、流体が上記駆動手段によって注入
口１から導通路７に輸送される様子を詳細に述べる。上
記圧電層４によるポンプ室５の収縮によって、注入口１
からバルブ２を通じポンプ室に流体が吸い込まれ、更に
又、この路７に流体が押し出されるが、この時バルブ２
゜６の開閉は次のように説明される。つまり、バルブ２
が開いて注入口ｌからポンプ室５内に流体が吸い込まれ
る時にはバルブ６は閉じ、ポンプ室５内から押し出され
ろ時にはバルブ２は閉じ、バルブ６は開くものである。

圧電層、１の振動の度合は可変であり、よって、これと
バルブの開閉のタイミングをうまく調整することにより
、導通路中の流体の流速を止めたり、ゆっくりも速くも
調節することが可能である。

次に第１図に於いて、その構成及び細胞が操作領域で融
合される過程を述べろ。

１は細胞注入口であり、ここから細胞懸蜀液を注射器な
どで注入する。注入された細胞は、上記にようにポンプ
室５の収縮とバルブ２，６の開閉を調整することにより
、操作領域である微小電極８まで一定の流速で供給され
るものである。微小電極８は矩形波パルス電源１１と誘
導パ　）し　又　１倉　Ｆｊｌ　９　＞　　ｌｊ、　　
ｊか　滓　六　か　−道　涌　路　ル　−　宝　；束　
Ｗで流れてきた異なった種類Ａ、Ｈの細胞に約５０〜１
５０　Ｖ　／　ｃ　ｖ、の矩形波パルスを印加すること
によって、電極間に配置された隣接する１対の細胞の隣
接部分に於ける細胞膜を破壊し、１ケの雑種細胞を生成
する。第３図に上記のように一定の流速で導通路７を通
過してきたＡ、Ｈの細胞が微小電極８から印加される矩
形波パルスにより融合される様子の模式図を示した。

以上のように、融合された雑種細胞は誘導パルスを停止
した時電極から脱離し、出力部９から取り出せるもので
ある。

以上述べた如く、本実施例によれば、対象となる細胞を
注入口に導入し、ポンプ室に埋設された圧電層の収縮と
バルブの開閉のタイミングをうまく調節することにより
、確実に一定流速で微小電極までチャンネルを通じ供給
できるものであり、所望の細胞Ａ、Ｂを各々の入力部に
注入するだけで確実に細胞が融合され、しかも融合後、
出力部に於いて自動的に融合細胞ＡＢが取り出せるもの
である。

［実施例２］第４図は本発明の実施例として、上記操作領域にレーザ
ー光源とレンズを有する細胞膜び微粒子穿孔素子の拡大
図である。基板■はシリコンで形成され、シリコン基板
にプラズマエツチングにより入力部としての注入口１７
、駆動手段に於けるポンプ室２５、導通路２１、出力部
２７、及び操作領域としてレーザー光源２２、レンズ２
３が組み込まれる溝部及び凹部を形成せしめ、次にプラ
ズマ重合により基板に於ける溝部、並びに凹部にシリコ
ーン樹脂膜を被膜せしめた。この素子の寸法は縦２０ｍ
ｍｑ横４５ｍｍ、厚さ１．５ｍｍである。

又、上記駆動手段の構成方法は、シリコーン樹脂上に圧
電材料であるチタン酸バリウム、タンタル酸リチウム、
ニオブ酸リチウム、亜鉛酸鉛、あるいは酸化亜鉛などの
単結晶、焼結体、及び薄膜を被膜し、圧電Ｒ２４を形成
せしめ、その両端に金属などの導電部材２６の薄膜を形
成せしめ、更に緩衝部として弾力性部材を配置せしめる
。

注入口１７に対象となる細胞又は微粒子を注射器などで
注入し、バルブ１８．１９．２０の開閉と上記圧電層２
４の振動によるポンプ室２５の収縮のタイミングを調節
することにより、流体を導通路２１を経由して一定流速
で操作領域２９に供給できるものである。

操作領域にはレーザー光源２２とレンズ２３が存在する
。このレーザー光源として種々が考えられるが、本実施
例では３５５１ｍ、パルス幅数ｎ５ｅｃ。

出力数ｍＪ／パルスのＹＡＧレーザー光の第３高調波を
用いたが、これは焦点での径を１μｍ以下にでき、又、
細胞への損傷も少なくすることができるものである。

よって、操作領域に輸送されてきた細胞又は微粒子に、
レーザー光源２２からパルスレーザ−先をレンズ２３で
１μｍ程度の径に絞って照射することにより、孔をあけ
ることが可能になる。

第５図に第４図に於ける細胞又は微粒子へのｌ　　　　
　　　ｕｊ　　　　　、Ｉ＋ｆｆ７ｆｆ　　６１　Ｍ　
　←ム　↓　＋六−奢１ｂｌ’１ｉ７１　　？−二　１
　−一この方法では、ｌパルスで細胞や微粒子に孔をあ
けることができるため、細胞に対する損傷が少なく、細
胞自身の修理機構により膜を修復さけることかできるも
のである。

上記の様にして、孔のあけられた細胞や微粒子はバルブ
２０を開いて出力部２７により外部へ取り出される。

［実施例３］第６図は本発明の実施例として、上記操作領域に微生物
センサーを設けた酢酸センサー素子の拡大図を示す。

本実施例の基板■に耐食性のあるアルミ合金等を用い、
所望の入力部である注入口３２、導通路３８．３９．４
６、駆動手段としてのポンプ室３５、操作領域としての
計測室４０、センザ一部４２を形成する溝を上記プラズ
マエツチングにより形成せしめた。素子の寸法は縦４０
ｍｍ、横４０ｍｍ、厚さ２．０ｍｍである。又、ポンプ
室３５には形状記憶合金であるＮｉ−Ｔｉ形状記憶合金
層３６と、それを加魅オＡ立吊３４が理め１人オλ１、
ているが、ポンプ室３５のＮｉ−Ｔｉ形状記憶合金層３
６による収縮の模式図を第７図（ａ）、　（ｂ）に示し
た。形状記憶層の加熱を予め設定したタイミングサイク
ルで、加熱制御装置４７でパルス的に行うと、（ａ）、
　（ｂ）の様にポンプ室は収縮を繰り返すものであり、
これとバルブ３３．３７の開閉のタイミングを調節する
ことにより、試料溶液を導通路を通じて一定流速で計測
室４０に供給できるものである。

計測室４０には弱酸性溶液４１　（ｐＨ約３．４）が存
在し、この溶液に酢酸センサー４２を浸しである。

又、弱酸性溶液４１には素子外部から導通路３９を通じ
空気が移送されている。

酢酸センサーの断面の拡大図を第８図に示したが、これ
は酵母のＴｒｉｃｈｏｓｐｏｒｏｎ　ｂｒａｓｓｉｃａ
ｅが酢酸を資化することを利用したもので、Ｔ、　ｂｒ
ａｓｓｉｃａｅを多孔性アセチルセルロース膜４９に吸
着固化し、これを酸素電極上に装着し、更にこれを酸素
ガス透過層４８で被覆しである。

よって、操作領域に輸送されてきた酢酸を含む試料が上
記酢酸センサーに触れた時、酢酸が微生物膜によって資
化され微生物の呼吸活性が盛んになり、この呼吸による
酸素ガスのａ度の変化は酸素電極に流れる極小電流値に
よって測定され、記録計４４に記録される。即ちこの極
小電流値と酢酸濃度との間には直線関係が認められるの
で、この関係を用いて酢酸を簡単に計測することができ
る。計測が終了したら、溶液はバルブ４５を開き廃液と
して外部へ破棄される。

計測室４０内の溶液をｐＨ３，４ぐらいの弱酸性溶液に
したのは、酢酸のＰｋａは４．７５であり、中性領域で
はイオンとして水溶液中に存在するので酸素ガス透過膜
を通過できないためであるが、この素子の計測室４０内
の溶液を中性溶液に交換した場合、Ｔ、　ｂｒａｓｓｉ
ｃａｅはアルコールをも資化するため、アルコールセン
サー素子にもなり得る。

本実施例によれば、試料が微量でも確実に検出すること
が可能である。

［本発明の効果］本発明の流体集積素子は、単一基板に苛を形成せしめる
だけで所望の操作が可能なので軽量小型化することがで
き、又、製作が簡単で費用を節約することも可能である
。更に、対象となる流体が極少量で所望の操作を確実に
するなどの利点を持つ。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に於ける実施例の細胞融合素子の主視図
、第２図は駆動手段の断面の拡大図、第３図は細胞の移
動過程と微小電極による細胞の融合を示す模式図、第４
図は細胞及び微粒子穿孔素子の主視図、第５図は微粒子
へのレーザー照射の拡大模式図、第６図は微生物酢酸セ
ンサー素子の主視図、第７図は微生物酢酸センサー素子
、ポンプ室の収縮の模式図、第８図は酢酸センサーの断
面図である。１　、１７．３２・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・注入口２　、６　、１ｇ、　１９．２０．３３．３
７．４５・・・・・・バルブ３．２６・・・・・・導電
部４．２４・・・・・・圧電層７　、２１．３８．３９．４６・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・導通路８　・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・電極９．２７・・・・・・出力部１０、２８・・・・・・電源１１・・・・・・・・・・・・・・・・・・・矩形波パ
ルス電源１２・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
誘導パルス電源１３、１４・・・・・・シリコーン樹脂
１５・・・・・・・・・・・・・・・・・・・連結部１
６・・・・・・・・・・・・・・・・・・・緩衝部２２
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・レーザー光源
２３・・・・・・・・・・・・・・・・・・・レンズ２
９・・・・・・・・・・・・・・・・・・・操作領域３
０・・・・・・・・・・・・・・・・・・・微粒子３１
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・レーザー光３
４・・・・・・・・・・・・・・・・・・・加熱素子３
６・・・・・・・・・・・・・・・・・・・形状記憶合
金４０・・・・・・・・・・・・・・・・・・・計測室
４１・・・・・・・・・・・・・・・・・・・弱酸性溶
液４２・・・・・・・・・・・・・・・・・・・酢酸セ
ンサーＪ　ｆｌ、、、、、、、、、、、、、、、、、、
、　　ＩＩ　　−ｖ　　匁４４・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・計測器４７・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・加熱制御装置４８・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・酸素ガス透過層４９・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・微生物を吸着固化せしめた多
孔性膜５０　・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
ｐｔ陰極５１　・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・Ｐｂ陽極特許出願人　株式会社アドバンス開発研究所
第１図 ′ｔ４２図第３図第４図第５図第６図（α）（ｂ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）微小な基板に流体に対する少なくとも１つの入力
部と出力部及びその間で流体を操作する操作領域を有し
、上記入力部と出力部及び操作領域を結ぶ少なくとも１
つの導通路とから成り、所要の場合流体を輸送せしめる
ための駆動手段が更に設けられていることを特徴とする
流体集積素子。
（２）前記流体が動植物あるいは微生物細胞懸濁液ある
いは無生物微粒子懸濁液あるいは化学物質溶液あるいは
コロイド溶液であることを特徴とする前記特許請求の範
囲第（１）項記載の流体集積素子。
（３）前記基板が金属、半導体、セラミックス、高分子
樹脂の内１つ以上で構成されることを特徴とする前記特
許請求の範囲第（１）乃至２項記載の流体集積素子。
（４）前記入力部、及び前記出力部が前記基板に設けた
凹部であることを特徴とする前記特許請求の範囲第（１
）乃至（３）項記載の流体集積素子。
（５）前記操作領域が、前記基板凹部に設けられた機械
的又はレーザーによる穿孔装置、電気的刺激装置、加熱
装置、化学反応装置などの操作装置より成ることを特徴
とする前記特許請求の範囲第（１）乃至（４）項記載の
流体集積素子。
（６）前記操作領域が、前記基板凹部に設けられた電気
的、磁気的、音響振動的、光学的などの物理的な検出・
測定手段あるいは生物的検出測定手段（バイオセンサー
）より成ることを特徴とする前記特許請求の範囲第（１
）乃至（５）項記載の流体集積素子。
（７）前記駆動手段の駆動力が圧電体、電磁アクチュエ
ータ又は形状記憶合金等の機械的変動を生ずるものより
成ることを特徴とする前記特許請求の範囲第（１）乃至
（６）項記載の流体集積素子。
（８）前記駆動手段の駆動力が電気的誘導力より成るこ
とを特徴とする前記特許請求の範囲第（１）乃至（７）
項記載の流体集積素子。
（９）前記駆動手段が、前記入力部、又は前記出力部あ
るいは前記操作領域に併せて設けられていることを特徴
とする前記特許請求の範囲第（１）乃至（８）項記載の
流体集積素子。
（１０）前記駆動手段が、前記素子外部に設けられてい
ることを特徴とする前記特許請求の範囲第（１）乃至（
９）項記載の流体集積素子。
（１１）前記導通路が、前記基板に設けた溝であること
を特徴とする前記特許請求の範囲第（１）乃至（１０）
項記載の流体集積素子。