WO2023210332A1 - マイクロ流路デバイス - Google Patents

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WO2023210332A1
WO2023210332A1 PCT/JP2023/014603 JP2023014603W WO2023210332A1 WO 2023210332 A1 WO2023210332 A1 WO 2023210332A1 JP 2023014603 W JP2023014603 W JP 2023014603W WO 2023210332 A1 WO2023210332 A1 WO 2023210332A1
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ion
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base material
working electrode
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淳 三浦
毅 山本
啓司 宮▲崎▼
慎 深津
正典 田中
晴信 前田
風花 榎戸
顕久 松川
靖数 井上
克市 阿部
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キヤノン株式会社
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    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
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    • G—PHYSICS
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    • G—PHYSICS
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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Definitions

  • the present invention relates to a microchannel device in which electrodes are formed using channels in a porous base material.
  • microchannel devices that utilize micro-sized microchannels to efficiently perform biochemical analyzes (small amounts, quickly, and easily) within a single chip has attracted attention in a wide range of fields. ing.
  • the wide range of fields includes not only biochemistry research, but also medicine, drug discovery, healthcare, the environment, and food.
  • paper-based microanalytical chips have many advantages over conventional devices, such as being lightweight, low cost, requiring no power supply, and being easily disposed of. Therefore, it is expected to be used as a testing device for medical activities in developing countries and remote areas where medical facilities are lacking, as well as at disaster sites, as well as at airports and other locations where the spread of infectious diseases must be stopped at the border. Additionally, because it is inexpensive and easy to handle, it is attracting attention as a healthcare device that can be used to manage and monitor one's own health condition.
  • Patent Document 1 discloses that two paper substrates with electrodes printed on their surfaces are used, an ion-selective membrane is sandwiched between them, and a predetermined solution is dispensed onto each paper substrate.
  • the structure is equivalent to that of an ion selective electrode and a reference electrode having an internal liquid.
  • the ion electrode method can be performed and the ion concentration of the specimen can be measured.
  • Non-Patent Document 1 describes a method of forming an ion selection electrode and a reference electrode on one paper base material, and the ion concentration of a sample can be measured using the ion electrode method.
  • Non-Patent Document 1 a sufficient amount of the sample cannot penetrate into the area of the paper base material on which the ion-selective membrane is formed, so that a sufficient contact area between the sample and the ion-selective membrane cannot be obtained. This could result in instability and affect measurement accuracy.
  • the objectives of one aspect of the present disclosure are to stabilize measurement by a configuration in which a working electrode and an ion selective membrane are in contact with each other, to miniaturize by forming all electrodes on one porous substrate, and to expand the electrode area.
  • the objective is to stabilize the measurement by ensuring a sufficient contact area between the ion selective membrane and the sample.
  • a microchannel device using a porous base material has a channel region using porous material, A part of the flow path region has a region A in which a component having ion selectivity exists in the pores in the porous base material, and in the region A, one side of the surface X of the porous base material A component having ion selectivity exists in the pores, and the other side Y side is a flow path in which pores exist, A working electrode is provided on the surface of the area A on the surface X side, A reference electrode is provided in a region B other than the region A of the flow path region, A microchannel device is provided in which the region A and the region B are formed on the same porous base material.
  • FIG. 3 is a top view of the microchannel device M1 after channel walls 11 are formed in Example 1.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a microchannel device M1 after forming various electrodes in Example 1.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a microchannel device M1 after forming various electrodes in Example 1.
  • FIG. 3 is a schematic explanatory diagram of permeation of a specimen in the microchannel device M1 of Example 1.
  • FIG. 3 is a schematic explanatory diagram of permeation of a specimen in the microchannel device M1 of Example 1.
  • FIG. FIG. 3 is a schematic diagram of a microchannel device M2 after formation of channel walls 12 in Example 2.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a microchannel device M2 after formation of channel walls 12 in Example 2.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a microchannel device M2 after forming various electrodes in Example 2.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a microchannel device M2 after forming various electrodes in Example 2.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a conventional configuration example in which a working electrode is surrounded by an ion-selective membrane.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a conventional configuration example in which a working electrode is surrounded by an ion-selective membrane.
  • the microchannel device according to the present invention is a microchannel device using a porous base material, and has a channel region surrounded by channel walls.
  • porous substrates include papers that exhibit appropriate porosity and hydrophilicity, such as filter paper, plain paper, high-quality paper, watercolor paper, Kent paper, and synthetic paper; however, they are not limited to paper, and include synthetic resins. Porous films, fabrics, textile products, etc. may also be used.
  • the flow path area has a working electrode placement area (area A) and a reference electrode placement area (area B). It may have a region connecting the working electrode placement section (area A) and the reference electrode placement section (area B), and may further include a dispensing section.
  • Examples of the material for the channel walls include hydrophobic resins, but the material is not limited to hydrophobic resins.
  • a method for forming the channel wall includes a method of electrophotographic printing using a hydrophobic resin as a toner and heating to melt and permeate the resin, and examples of the resin include thermoplastic resin.
  • thermoplastic resin is not particularly limited, and for example, the following known resins can be used. Polyester resin, vinyl resin, acrylic resin, styrene acrylic resin, polyethylene, polypropylene, polyolefin, ethylene-vinyl acetate copolymer resin, ethylene-acrylic acid copolymer resin, etc. Among the above resins, polyester resins or styrene acrylic resins are preferred, and styrene acrylic resins are more preferred.
  • the method for forming the channel walls is not limited to the method of heating the resin to melt and permeate it, but may also be a method of permeating the wax with a wax printer or a method of permeating the resin with screen printing.
  • the microchannel device has, in a part of the channel region, a working electrode arrangement portion (region A) in which a component having ion selectivity exists in the pores of the porous substrate.
  • a component having ion selectivity exists in the pores on one surface X side of the porous base material, and an ion selective membrane is formed.
  • the other surface Y side of the porous base material is a flow path in which pores are present.
  • a working electrode is provided on the surface of the ion-selective membrane formed in the working electrode arrangement portion (area A) on the surface X side.
  • the entire working electrode is in contact with the ion-selective membrane on the surface facing the surface X side of the porous base material in region A.
  • the working electrode arrangement part (area A) is composed of a part on the surface of plane X that becomes a flow path using porous material (13 in FIG. 5B(b)) and a part that does not function as a flow path because the porous material is filled. (12 in FIG. 5B(b)), a portion that serves as a flow path (13 in FIG. 5B(b)), and a portion that does not function as a flow path (12 in FIG. 5B(b)), It is preferable that a portion having ion selectivity (the ion selective membrane 22 in FIG. 5B(b)) exist across the region. This is to ensure that only ions selected by the ion selection membrane 22 come into contact with the working electrode 31 and other ions do not come into contact with the working electrode 31.
  • a reference electrode is provided in a region B other than region A of the flow path region, that is, in a reference electrode arrangement portion other than the working electrode arrangement portion.
  • FIG. 1 schematically shows a top view of the microchannel device M1 before forming various electrodes.
  • paper was used as the porous base material S1.
  • the material is cellulose, the thickness is 100 ⁇ m, and the porosity is 50%. Capillary action works due to the fine voids between cellulose fibers, and it also has good hydrophilic properties, functioning as a channel through which liquids can penetrate smoothly.
  • a hydrophobic resin was infiltrated into a part of the porous base material S1 to form a channel wall 11 having a height H1 of 10 mm and a width L1 of 22 mm.
  • the channel wall 11 was formed by electrophotographic printing using a hydrophobic resin as a toner, and heating to melt and permeate the resin, according to the method described in JP-A-2021-37612.
  • the flow path includes a working electrode placement portion S1b, a reference electrode placement portion S1c, a dispensing portion S1d, a flow path having a width of 2 mm that connects from the dispensing portion S1d to the working electrode placement portion S1b, and a flow path from the dispensing portion S1d to the reference electrode placement portion. It consists of a flow path with a width of 2 mm that connects to part S1c.
  • a working electrode is arranged in the working electrode arrangement part S1b, and a reference electrode is arranged in the reference electrode arrangement part S1c.
  • the dispensing section S1d is located between the working electrode arrangement section S1b and the reference electrode arrangement section S1c.
  • the working electrode placement section S1b and the reference electrode placement section S1c are squares of 6 mm square, and the dispensing section S1d is a circle with a diameter of 3 mm. Note that although the size, shape, etc. of the flow path in Example 1 are as described above, the size, shape, etc. of the flow path are not limited thereto.
  • FIG. 2A is a top view of the microchannel device M1 after various electrodes and the like have been formed, and FIG. 2B shows a cross section taken along a broken line D1.
  • the ion selective membrane 21 is a membrane that selectively reacts with Na ions and measures the Na ion concentration.
  • the materials listed in Table 1 below are mixed and stirred until completely dissolved, and the working electrode is arranged. It was applied to part S1b. Note that the material types and ratios are not limited to these, as long as the configuration has ion selectivity, and it is possible to appropriately select the ionophore according to the ion type to be measured and the materials and ratios suitable for the configuration. .
  • the ion selective membrane 21 was uniformly applied to the working electrode arrangement portion S1b using a reagent spotting device Biospot manufactured by Microjet Co., Ltd.
  • the discharge pipe diameter was ⁇ 200 ⁇ m
  • the droplet size was 4 nL/drop
  • the discharge frequency was 4 Hz
  • the film thickness was adjusted by overcoating five times at a pitch of 300 ⁇ m.
  • the stage for fixing the porous substrate S1 when applying the ion selective membrane 21 is a heating stage, and the temperature is set to 90°C. By setting the solute concentration of the solution to 10% by mass, the solution viscosity is relatively low and stable discharge can be easily performed.
  • the solvent in the solution applied to the porous substrate S1 smoothly evaporates, and the solution is cured before penetrating into the thickness direction of the porous substrate S1 and filling the channels.
  • a flow path remains on the surface on the Y side, which is the back side with respect to the X side.
  • the sample can permeate the entire working electrode arrangement portion S1b. Note that heating the stage is not essential, and in addition to reducing the droplet size, it is possible to leave a flow path on the Y side surface by increasing the pitch between printed dots, reducing the printing speed, etc.
  • the ion selective membrane 21 was applied by an inkjet method that ejects minute droplets, but the method is not limited to this, and may be performed using a dispenser or screen printing, for example. Dispenser and screen printing can apply even if the solution has a higher viscosity than the inkjet method, so by increasing the viscosity by increasing the solute concentration, etc., the material forming the ion selective membrane 21 is made into a porous base. It can also be made difficult to penetrate in the thickness direction of the material S1.
  • ⁇ Working electrode> Ag was used as the material for the working electrode 31.
  • the material is not limited to this, and any material may be used as long as it can be stably formed on the ion selective membrane 21 and functions as a working electrode.
  • the ion selective membrane 21 was coated on the porous substrate S1, and then printed using a screen printer DP-320 manufactured by New Long Co., Ltd. Printing conditions were #200, and drying was performed at a temperature of 80° C. for 10 minutes.
  • the printed shape is a 4 mm square that fits inside the ion selective membrane 21 (6 mm square), and a rectangle with a width of 1 mm and a length of 5 mm extending from one side of the 4 mm square to the outside of the channel wall 11. It is in a connected form.
  • the working electrode 31 can be connected to a measuring device that measures the electrode potential in a region outside the channel wall 11.
  • ⁇ Reference electrode> As the material of the reference electrode 32, Ag/AgCl was used. By using Ag/AgCl, an equilibrium reaction according to the following formula (1) occurs in an aqueous solution, so that a stable potential can be obtained in a state where the Cl ⁇ concentration around the reference electrode 32 is stable.
  • the reference electrode 32 was applied to the reference electrode placement portion S1c using a screen printer DP-320 manufactured by New Long Co., Ltd. Printing conditions were #200, and drying was performed at a temperature of 80° C. for 10 minutes.
  • the shape of the reference electrode 32 is such that a 6 mm square and a rectangle 1 mm wide and 3 mm long extending from one side of the 6 mm square to the outside of the channel wall 11 are connected. In the area outside the wall 11, a measuring device for measuring the electrode potential can be connected.
  • the role of the electrolyte layer 41 is to stabilize the potential of the reference electrode 32 by dissolving the sample with moisture when the sample permeates the reference electrode arrangement portion S1c and bringing Cl - to a saturation concentration.
  • KCl was used as a material for this purpose. KCl was selected because it dissolves easily in water, the diffusion rates of K ions and Cl ions are almost equal, and liquid junction potential is unlikely to occur.
  • the material of the electrolyte layer 41 is not limited to this, and any material that can stabilize the potential of the reference electrode 32 may be used, for example, NaCl or the like may be used.
  • the electrolyte layer 41 was applied using a reagent spotting device Biospot manufactured by Microjet Co., Ltd.
  • the solution was prepared by dissolving KCl in pure water to a concentration of 16 wt%.
  • the droplet size was 6 nL/droplet, the ejection frequency was 10 Hz, and the entire area of the reference electrode placement area S1c was printed at a pitch of 300 ⁇ m both vertically and horizontally, and the amount of KCl was adjusted by overcoating three times.
  • the potential of the reference electrode 32 can be stabilized by setting the amount of KCl to be a saturated KCl amount with respect to the amount of sample that permeates into the reference electrode arrangement portion S1c. Therefore, the application amount is not limited to this, as long as there is enough KCl to create saturated KCl.
  • FIG. 3A is a top view of the microchannel device M1 including various electrodes
  • FIG. 3B shows a cross section taken along a broken line D2.
  • a sample is dispensed into the dispensing section S1d. Then, the dispensed specimen follows the flow path due to capillary action and permeates in the directions of arrows A1 and A2, respectively. At this time, as shown in FIG. 3B, since the ion selective membrane 21 does not fill the thickness direction of the porous base material S1, the sample can permeate into the working electrode arrangement portion S1b.
  • the reference electrode 32 fills the paper in the thickness direction, and the sample that has permeated to the reference electrode 32 continues to permeate into the reference electrode placement area S1c while dissolving the electrolyte layer 41 applied to the surface of the reference electrode 32, and Cl - It is held around the reference electrode 32 in a saturated concentration state.
  • the reference electrode 32 stably shows the potential in the KCl saturated state regardless of the sample, while the working electrode 31 shows the potential at which the ion selective membrane 21 responds to the Nernst response depending on the Na ion concentration of the sample. show. Therefore, by measuring the potential difference between the reference electrode 32 and the working electrode 31 of the microchannel device M1 and using the following equation (2), the Na ion concentration of the sample can be detected by the ion electrode method.
  • E-E0 2.303 ⁇ (RT/nF) ⁇ log(f ⁇ c)...Formula (2) E: Electrode potential of working electrode E0: Electrode potential of reference electrode R: Gas constant (8.314J K -1 mol -1 ) T: Measurement temperature expressed in absolute temperature n: Valency of the ion to be measured F: Faraday constant (9.649 ⁇ 10 ⁇ 4 C mol ⁇ 1 ) f: Activity coefficient c: Molar concentration of ion
  • FIGS. 6A and 6B show a conventional configuration example in which the working electrode 31 is formed and then covered with an ion selective membrane 21. In the configurations shown in FIGS.
  • the ion-selective membrane 21 fills the entire thickness of the porous substrate S1, so the sample dispensed into S1d only penetrates to the part indicated by arrow A3, and the sample is not mixed with the sample. Since the ion selective membrane 21 contacts only at the interface of S1e, the contact area is small. Therefore, with the configuration of this embodiment, the contact area between the ion selective membrane 21 and the sample can be increased compared to the conventional configuration.
  • the contact between the ion selective membrane 21 and the working electrode 31 is of a solid contact type without using an internal liquid between them, stable measurements can be performed without air bubbles adhering to the surface of the base electrode. Furthermore, since the ion selective membrane 21 and the working electrode 31 are configured on one porous base material, the ion selective membrane is formed on the first porous base material and placed on the ion selective membrane. The thickness of the working electrode can be reduced compared to the case where the working electrode is formed on the second porous substrate.
  • Example 2 Regarding the microchannel device M2 in this example, only the differences from the microchannel device M1 in Example 1 will be described, the same members will be given the same reference numerals, and the description of the similar parts will be omitted.
  • FIG. 4A simply shows a top view of the microchannel device M2 before forming various electrodes
  • FIG. 4B shows a cross section taken along a broken line D3.
  • the microchannel device M2 also forms a channel wall 12 in the working electrode arrangement portion S1b.
  • the channel wall 12 has a checkered pattern of 500 ⁇ m square, and is printed with a hydrophobic resin by electrophotography as in Example 1, and can be easily printed by changing the image pattern. Further, by making the printing density of the hydrophobic resin lower than that of the flow path wall 11, it is possible to adjust the printing density so as not to fill the thickness direction of the porous base material S1. As shown in FIG.
  • the "500 ⁇ m square checkered pattern” refers to a square area with a side of 500 ⁇ m where a channel wall is formed and a square area with a side of 500 ⁇ m where a channel wall is not formed. It means a state in which these are arranged alternately.
  • the printing density on the channel wall 12 was set to 20% of the printing density on the channel wall 11.
  • the X-side surface of the working electrode placement portion S1b is partially covered with resin, and a flow path through which the specimen permeates remains on the Y-side surface on the back side.
  • the hydrophobic resin fills the pores of the porous base material S1, so the capillary phenomenon does not work and the liquid does not penetrate.
  • the portion functions as a channel through which the liquid permeates.
  • the porous base material can be removed from the X side surface.
  • the amount of liquid penetrating into S1 can be controlled.
  • the flow path walls have a checkered pattern and the area ratio of the flow path walls is 50%, but the size and shape of each flow path wall 12 and the area ratio are not limited to this. , can be selected as appropriate according to various configurations.
  • the size and shape of each channel wall may differ depending on the position of the channel wall (for example, the distance from the dispensing section S1d).
  • FIG. 5A is a top view of the microchannel device M2 after forming various electrodes, etc., a cross section taken along the broken line D4 is shown in FIG. 5B(a), and a partially enlarged view of FIG. 5B(a) is shown in FIG. Shown in (b).
  • the ion selective membrane 22 is made of the same material as the ion selective membrane 21, and differs only in the base material on which the material forming the ion selective membrane is coated.
  • An ion selective membrane 22 was applied onto the channel wall 12 in the same manner as in Example 1. At this time, since the ion selective membrane 22 permeates into the porous base material S1 only from the part of the channel wall 12 where there is no resin, the amount of ion selective membrane permeated into the porous base material S1 is greater than in Example 1.
  • the ion selective membrane 22 can be formed with a flow path in the thickness direction of the paper remaining. Thereby, after the sample is dispensed into the dispensing section S1d, the rate at which the sample permeates into the working electrode arrangement section S1b becomes faster, so that more rapid measurement can be performed.
  • the microchannel device M2 shown in FIGS. 5A and 5B is obtained. Then, by dispensing the sample into the dispensing section S1d and then measuring the potential difference between the reference electrode 32 and the working electrode 31, the Na ion concentration of the sample can be measured.
  • the porous base material of the ion-selective membrane after being coated in the region can be By controlling the penetration in the thickness direction and leaving a wider flow path, rapid measurements can be performed.
  • the area ratio of the flow path wall 12 is made too large, the contact area between the ion selective membrane 22 and the sample will become small, so the size of the working electrode placement portion S1b, the thickness of the porous base material, and other factors may be determined. Appropriate selection should be made depending on measurement accuracy, speed, etc.
  • the area ratio of the channel wall 12 is not limited to the conditions of this embodiment.

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Abstract

薄くて、かつ安定した測定が可能なマイクロ流路デバイスを提供する。多孔質基材を用いたマイクロ流路デバイスであって、前記マイクロ流路デバイスは、多孔質を用いた流路領域を有し、前記流路領域の一部に、多孔質基材内の孔にイオン選択性を有する成分が存在する領域Ａを有し、前記領域Ａにおいては、前記多孔質基材の一方の面Ｘ側の孔にイオン選択性を有する成分が存在し、他方の面Ｙ側は、空孔が存在する流路となっており、前記領域Ａの前記面Ｘ側の表面には、少なくとも一部がイオン選択性を有する成分と重なるように作用電極が設けられており、前記流路領域の前記領域Ａ以外の領域Ｂに参照電極が設けられており、前記領域Ａと前記領域Ｂとが、同一の前記多孔質基材上に形成されている。

Description

マイクロ流路デバイス
　本発明は、多孔質基材の流路を用いて電極を形成したマイクロ流路デバイスに関するものである。
　近年、マイクロサイズの微細流路を利用して、生化学における分析を１つのチップ内で効率的（微量、迅速、簡便）に行うことができるマイクロ流路デバイスの開発が、幅広い分野で注目されている。幅広い分野には、生化学の研究はもとより医療、創薬、ヘルスケア、環境、食品などが含まれる。その中でも紙をベースとしたペーパーマイクロ分析チップは、従来のデバイスと比べて軽量、低コスト、電源不要、高い廃棄性、といった多くの利点がある。そのため、医療設備の整っていない途上国や僻地ならびに災害現場での医療活動や、感染症の広がりを水際で食い止めなければならない空港等での検査デバイスとして期待されている。また、安価でかつ取り扱いが容易なことから、自身の健康状態を管理・モニタリングできるヘルスケアデバイスとしても注目を集めている。
　ペーパーマイクロ分析チップの一例として、特許文献１では、電極を表面に印刷した紙基材を２枚用いて、その間にイオン選択膜を挟み、各紙基材に所定の溶液を分注することで、内部液を有するイオン選択電極および参照電極と同等の構成を形成している。この構成によって、イオン電極法を行うことができ、検体のイオン濃度を測定することができる。また、非特許文献１では、一つの紙基材上にイオン選択電極と参照電極を形成する方法が記載されており、イオン電極法を用いて検体のイオン濃度を測定することができる。
米国特許出願公開第２０１６／０３３４３８号明細書
Ｎｉｐａｐａｎ　Ｒｕｅｃｈａ，　Ｏｒａｗｏｎ　Ｃｈａｉｌａｐａｋｕｌ，　Ｋｏｊｉ　Ｓｕｚｕｋｉ　ａｎｄ　Ｄａｎｉｅｌ　Ｃｈｉｔｔｅｒｉｏ『Ｆｕｌｌｙ　Ｉｎｋｊｅｔ－Ｐｒｉｎｔｅｄ　Ｐａｐｅｒ－Ｂａｓｅｄ　Ｐｏｔｅｎｔｉｏｍｅｔｒｉｃ　Ｉｏｎ－Ｓｅｎｓｉｎｇ　Ｄｅｖｉｃｅｓ』Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ　ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　Ａｕｇｕｓｔ　２９，　２０１７　Ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ，　８９，　ｐｐ．１０６０８－１０６１６
　しかしながら特許文献１に記載の方法では、作用電極とイオン選択膜との間に多孔質基材の層があり、内部液の代わりとなる液を充填させる際に電極界面に気泡を形成することで測定値が不安定となる可能性がある。さらに２枚の紙基材でイオン選択膜を挟んだ構成であるため、分析チップの厚みとしては、電極やイオン選択膜以外に多孔質基材２枚分の厚みが必要となる。
　また、非特許文献１に記載の方法では、イオン選択膜が形成された紙基材の領域には十分な量の検体が浸透できないことにより、検体とイオン選択膜との接触面積が十分取れず不安定となり、測定精度に影響を与える可能性があった。
　本開示の一態様の目的は、作用電極とイオン選択膜とを接触させた構成による測定安定化、１枚の多孔質基材上に全電極を形成することによる小型化、電極面積を拡大せずにイオン選択膜と検体との接触面積を十分確保することによる測定安定化を図ることである。
　本発明の一態様によれば、多孔質基材を用いたマイクロ流路デバイスであって、
　前記マイクロ流路デバイスは、多孔質を用いた流路領域を有し、
　前記流路領域の一部に、多孔質基材内の孔にイオン選択性を有する成分が存在する領域Ａを有し、前記領域Ａにおいては、前記多孔質基材の一方の面Ｘ側の孔にイオン選択性を有する成分が存在し、他方の面Ｙ側は、空孔が存在する流路となっており、
　前記領域Ａの前記面Ｘ側の表面には、作用電極が設けられており、
　前記流路領域の前記領域Ａ以外の領域Ｂに参照電極が設けられており、
　前記領域Ａと前記領域Ｂとが、同一の前記多孔質基材上に形成されているマイクロ流路デバイスが提供される。
　本開示の一態様によれば、小型かつ測定安定性の高いマイクロ流路デバイスを提供することができる。
実施例１における流路壁１１形成後のマイクロ流路デバイスＭ１の上面図である。 実施例１における各種電極形成後のマイクロ流路デバイスＭ１の概略図である。 実施例１における各種電極形成後のマイクロ流路デバイスＭ１の概略図である。 実施例１のマイクロ流路デバイスＭ１における検体の浸透の概略説明図である。 実施例１のマイクロ流路デバイスＭ１における検体の浸透の概略説明図である。 実施例２における流路壁１２形成後のマイクロ流路デバイスＭ２の概略図である。 実施例２における流路壁１２形成後のマイクロ流路デバイスＭ２の概略図である。 実施例２における各種電極形成後のマイクロ流路デバイスＭ２の概略図である。 実施例２における各種電極形成後のマイクロ流路デバイスＭ２の概略図である。 作用電極の周囲をイオン選択膜で覆う従来の構成例の概略図である。 作用電極の周囲をイオン選択膜で覆う従来の構成例の概略図である。
　以下、本発明の例示的な実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態は例示であり、本発明を実施形態の内容に限定するものではない。また、以下の各図においては、実施形態の説明に必要ではない構成要素については図から省略する。
　本発明に係るマイクロ流路デバイスは、多孔質基材を用いたマイクロ流路デバイスであって、流路壁で囲まれた流路領域を有する。
　多孔質基材としては、適度な空隙率と親水性を示す濾紙、普通紙、上質紙、水彩紙、ケント紙、合成紙などの紙が挙げられるが、紙に限定されるものではなく、合成樹脂多孔質フィルムや布地、繊維製品などでも良い。
　流路領域は、作用電極配置部（領域Ａ）、参照電極配置部（領域Ｂ）を有する。作用電極配置部（領域Ａ）と参照電極配置部（領域Ｂ）とをつなぐ領域を有していてもよく、さらに分注部を有していてもよい。
　流路壁の材料としては、疎水性の樹脂が挙げられるが、疎水性の樹脂に限定されるものではない。
　流路壁を形成する方法としては、疎水性の樹脂をトナーとして電子写真方式によって印刷し、加熱することで樹脂を溶融・浸透させる方法が挙げられ、樹脂としては熱可塑性樹脂が挙げられる。
　熱可塑性樹脂としては、特に限定されることはなく、例えば以下の公知の樹脂を用いることができる。ポリエステル樹脂、ビニル系樹脂、アクリル系樹脂、スチレンアクリル系樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリオレフィン、エチレン－酢酸ビニル共重合樹脂、エチレン－アクリル酸共重合樹脂など。上記樹脂の中でも、ポリエステル樹脂またはスチレンアクリル系樹脂が好ましく、スチレンアクリル系樹脂がより好ましい。
　なお、流路壁を形成する方法は、樹脂を加熱して溶融・浸透させる方法に限定されるものではなく、ワックスプリンターでワックスを浸透させる方法や、スクリーン印刷で樹脂を浸透させる方法でも良い。
　＜作用電極配置部＞
　マイクロ流路デバイスは、流路領域の一部に、多孔質基材内の孔にイオン選択性を有する成分が存在する作用電極配置部（領域Ａ）を有する。作用電極配置部（領域Ａ）には、多孔質基材の一方の面Ｘ側の孔にイオン選択性を有する成分が存在し、イオン選択膜が形成されている。多孔質基材の他方の面Ｙ側は、空孔が存在する流路となっている。
　作用電極配置部（領域Ａ）に形成されたイオン選択膜の前記面Ｘ側の表面には、作用電極が設けられている。
　作用電極は、領域Ａ内の多孔質基材の面Ｘ側に対向する面において全域がイオン選択膜と接触していることが好ましい。このような構成とすることによって、流路に浸透した液体が、イオン選択膜を通過することなく作用電極と直接接触することを抑制でき、イオン選択膜によって選択されたイオンのみが作用電極に接触でき、他のイオンが作用電極に接触することを抑制できる。
　作用電極配置部（領域Ａ）は、面Ｘの表面において、多孔質を用いた流路となる部分（図５Ｂ（ｂ）中の１３）と、多孔質が埋まることで流路として機能しない部分（図５Ｂ（ｂ）中の１２）とを有し、流路となる部分（図５Ｂ（ｂ）中の１３）と、流路として機能しない部分（図５Ｂ（ｂ）中の１２）と、に跨ってイオン選択性を有する部分（図５Ｂ（ｂ）中のイオン選択膜２２）が存在することが好ましい。イオン選択膜２２によって選択されたイオンのみが作用電極３１に接触し、他のイオンが作用電極３１に接触しないようにするためである。
　＜参照電極配置部＞
　流路領域の領域Ａ以外の領域Ｂ、すなわち作用電極配置部以外の参照電極配置部には、参照電極が設けられている。
　［実施例１］
　＜基材／流路＞
　図１を用いて、マイクロ流路デバイスＭ１の基材について説明する。図１は各種電極を形成する前のマイクロ流路デバイスＭ１の上面図を簡略的に示したものである。
　本実施例においては、多孔質基材Ｓ１として紙を用いた。材質はセルロースであり、厚み１００μｍ、空隙率５０％である。セルロース繊維間の微細な空隙によって毛細管現象が働き、良好な親水性も持ち合わせており、液体がスムーズに浸透する流路として機能する。この多孔質基材Ｓ１の一部の領域に疎水性の樹脂を浸透させ、高さＨ１＝１０ｍｍ、幅Ｌ１＝２２ｍｍとなる流路壁１１を形成した。流路壁１１は、特開２０２１－３７６１２号公報に記載の方法により、疎水性の樹脂をトナーとして電子写真方式によって印刷し、加熱することで樹脂を溶融・浸透させることにより形成した。
　また、流路壁１１の内側の領域には、流路壁となる疎水性樹脂を浸透させていない領域もあり、この領域は多孔質基材Ｓ１の多孔質を用いた流路となる。前記流路は、作用電極配置部Ｓ１ｂ、参照電極配置部Ｓ１ｃ、および分注部Ｓ１ｄ、ならびに分注部Ｓ１ｄから作用電極配置部Ｓ１ｂへ繋がる幅２ｍｍの流路および分注部Ｓ１ｄから参照電極配置部Ｓ１ｃへ繋がる幅２ｍｍの流路からなる。作用電極配置部Ｓ１ｂには作用電極を配置し、参照電極配置部Ｓ１ｃには参照電極を配置する。分注部Ｓ１ｄは、作用電極配置部Ｓ１ｂと参照電極配置部Ｓ１ｃとの間に位置する。作用電極配置部Ｓ１ｂおよび参照電極配置部Ｓ１ｃは６ｍｍ四方の正方形、分注部Ｓ１ｄは直径３ｍｍの円である。なお、実施例１における流路のサイズ、形状等は上記のとおりであるが、流路のサイズ、形状等はこれに限定するものではない。
　以下、図２Ａ、図２Ｂを用いてマイクロ流路デバイスＭ１の各種構成の形成について説明する。図２Ａは各種電極などを形成した後のマイクロ流路デバイスＭ１の上面図であり、破線部Ｄ１の断面を図２Ｂに示す。
　＜イオン選択膜＞
　イオン選択膜２１としては、Ｎａイオンに選択的に反応し、Ｎａイオン濃度を測定するための膜として、下記の表１に記載の材料を混合して完全に溶解するまで撹拌し、作用電極配置部Ｓ１ｂへ塗布した。なお、材料種や比率はこれに限らず、イオンの選択性を有する構成であれば良く、測定するイオン種に応じたイオノフォアや、構成に適した材料・比率を適宜選択することが可能である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　イオン選択膜２１は、株式会社マイクロジェット社製試薬スポッティング装置Ｂｉｏｓｐｏｔを用いて、作用電極配置部Ｓ１ｂに均一に塗布した。吐出パイプ径はΦ２００μｍ、液滴サイズは４ｎＬ／滴、吐出周波数は４Ｈｚであり、３００μｍピッチで５回重ね塗りを行うことで膜厚を調整した。また、イオン選択膜２１を塗布する際に多孔質基材Ｓ１を固定するステージは加熱ステージとなっており、温度９０℃に設定している。溶液の溶質濃度を１０質量％とすることで溶液粘度は比較的低く、安定した吐出が容易に行える。一方、ステージを加熱することで多孔質基材Ｓ１へ塗布された溶液は溶媒がスムーズに揮発することで、多孔質基材Ｓ１の厚み方向に浸透して流路を埋める前に硬化する。これにより、図２Ｂ記載のＸ側の面にイオン選択膜２１を塗布しても、Ｘ側に対して裏側となるＹ側の面には流路が残るため、分注部Ｓ１ｄに分注された検体は作用電極配置部Ｓ１ｂ全域に浸透することができる。なお、ステージの加熱は必須ではなく、液滴サイズを小さくする他、印刷ドット間ピッチの拡張、印刷速度低減、等によってもＹ側の面の流路を残すことが可能である。
　また、本実施例においては微小な液滴を吐出するインクジェット方式によってイオン選択膜２１の塗布を行ったが、方法はこれに限るものではなく、例えばディスペンサーやスクリーン印刷で行っても良い。ディスペンサーやスクリーン印刷は、インクジェット方式に比べて溶液の粘度が高くても塗布することができるため、溶質濃度を上げる等により高粘度化することで、イオン選択膜２１を形成する材料を多孔質基材Ｓ１の厚さ方向に浸透しにくくすることもできる。
　＜作用電極＞
　作用電極３１の材料としてはＡｇを用いた。Ａｇを疎水性溶媒に分散したペーストは、同じく疎水性を有するイオン選択膜２１上に塗布する際に弾かれることが無く良好に電極が形成できる。但し材料はこれに限るものではなく、イオン選択膜２１上に安定して形成でき、作用電極として機能する材料であれば良い。
　作用電極３１の塗布工程としては、多孔質基材Ｓ１にイオン選択膜２１を塗布した後、ニューロング株式会社製のスクリーン印刷機ＤＰ－３２０を用いて印刷した。印刷条件は＃２００、乾燥は温度８０℃で１０分間行った。印刷形状は、イオン選択膜２１（６ｍｍ四方の正方形）の中に収まる４ｍｍ四方の正方形と、４ｍｍ四方の正方形の一辺から流路壁１１の外側まで伸びた幅１ｍｍ・長さ５ｍｍの長方形とが接続された形となっている。そして、作用電極３１は、流路壁１１の外側の領域にて、電極電位の測定を行う測定機と接続できる。
　イオン選択膜２１の上に作用電極３１を直接印刷することで、固体接触型のイオン選択電極を形成しており、電極界面に気泡が付着することがなく、安定して測定が行える。
　＜参照電極＞
　参照電極３２の材料としては、Ａｇ／ＡｇＣｌを用いた。Ａｇ／ＡｇＣｌを用いることで、水溶液中で下記の式（１）による平衡反応が起こるため、参照電極３２周囲のＣｌ－濃度が安定した状態において安定した電位を得ることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　参照電極３２は、ニューロング株式会社製のスクリーン印刷機ＤＰ－３２０を用いて参照電極配置部Ｓ１ｃへ塗布した。印刷条件は＃２００、乾燥は温度８０℃で１０分間行った。参照電極３２の形状は、６ｍｍ四方の正方形と、６ｍｍ四方の正方形の一辺から流路壁１１の外側まで伸びた幅１ｍｍ・長さ３ｍｍの長方形とが接続された形となっており、流路壁１１の外側の領域にて、電極電位の測定を行う測定機と接続できる。
　＜電解質層＞
　電解質層４１の役割は、検体が参照電極配置部Ｓ１ｃに浸透してきた際に検体の水分で溶解し、Ｃｌ－を飽和濃度とすることで参照電極３２の電位を安定させることである。そのための材料としてＫＣｌを用いた。ＫＣｌは水に容易に溶解し、ＫイオンとＣｌイオンの拡散速度がほぼ等しく液間電位が生じにくいことから選定した。当然ながら電解質層４１の材料はこれに限るものではなく、参照電極３２の電位を安定させることができれば良く、例えばＮａＣｌ等を用いても良い。
　電解質層４１の塗布は、株式会社マイクロジェット社製試薬スポッティング装置Ｂｉｏｓｐｏｔを用いて行った。溶液は、ＫＣｌを１６ｗｔ％となる様に純水に溶解して作成した。液滴サイズは６ｎＬ／滴、吐出周波数は１０Ｈｚ、縦横共に３００μｍピッチで参照電極配置部Ｓ１ｃの全域に印刷し、３回重ね塗りを行うことでＫＣｌ量を調整した。ＫＣｌ量は、参照電極配置部Ｓ１ｃに浸透する検体量に対し、飽和ＫＣｌとなる量にすることで参照電極３２の電位を安定させることができる。そのため、飽和ＫＣｌが作成できるだけのＫＣｌ量があれば、塗布量はこれに限るものではない。
　＜検体の浸透＞
　図３Ａ、図３Ｂを用いて、マイクロ流路デバイスＭ１における検体の浸透について説明する。図３Ａは各種電極を構成したマイクロ流路デバイスＭ１の上面図であり、破線部Ｄ２の断面を図３Ｂに示す。
　マイクロ流路デバイスＭ１を用いる際は、検体を分注部Ｓ１ｄへ分注する。すると分注された検体は毛細管現象によって流路に従い、矢印Ａ１および矢印Ａ２の方向へそれぞれ浸透する。このとき、図３Ｂに示す様に、イオン選択膜２１が多孔質基材Ｓ１の厚み方向を埋めていないことで、検体は作用電極配置部Ｓ１ｂへ浸透することができる。また、参照電極３２は紙の厚み方向を埋めており、参照電極３２まで浸透した検体は参照電極３２の表面に塗布した電解質層４１を溶かしながら参照電極配置部Ｓ１ｃへ浸透を続け、Ｃｌ－が飽和濃度化した状態で参照電極３２の周りに保持される。
　これにより、前述した通り参照電極３２は検体に依らずにＫＣｌの飽和状態における電位を安定して示す一方、作用電極３１は検体のＮａイオン濃度に応じてイオン選択膜２１がネルンスト応答した電位を示す。よって、マイクロ流路デバイスＭ１の参照電極３２と作用電極３１との電位差を測定し、下記式（２）を用いることで、検体のＮａイオン濃度をイオン電極法により検知することができる。
　Ｅ－Ｅ０＝２．３０３×（ＲＴ／ｎＦ）×ｌｏｇ（ｆ×ｃ）・・・式（２）
　Ｅ：作用電極の電極電位
　Ｅ０：参照電極の電極電位
　Ｒ：気体定数（８．３１４Ｊ　Ｋ－１　ｍｏｌ－１）
　Ｔ：絶対温度で表した測定温度
　ｎ：測定対象イオンの価数
　Ｆ：ファラデー定数（９．６４９×１０－４Ｃ　ｍｏｌ－１）
　ｆ：活量係数
　ｃ：イオンのモル濃度
　以上説明した様に、多孔質基材Ｓ１の厚み方向を完全に埋めない様にイオン選択膜２１を塗布した後、その上に作用電極３１を塗布することで、イオン選択膜２１の面積や周長を大きくせずにイオン選択膜２１と検体との接触面積を大きく取れ、測定が安定する。比較として、図６Ａと図６Ｂに、作用電極３１の形成後にその周囲をイオン選択膜２１で覆う従来の構成例を示す。図６Ａと図６Ｂの構成においてはイオン選択膜２１は多孔質基材Ｓ１の厚み方向を全て埋めているため、Ｓ１ｄに分注した検体は矢印Ａ３に示した部分までしか浸透せず、検体とイオン選択膜２１はＳ１ｅの界面でしか接触しないため接触面積は小さい。故に、本実施例の構成とすることで、従来の構成と比べてイオン選択膜２１と検体との接触面積を大きくすることができる。
　また、イオン選択膜２１と作用電極３１との接触は、間に内部液を用いない固体接触型であるため、ベース電極の表面に気泡が付着することが無く安定して測定が行える。さらに、１枚の多孔質基材上にイオン選択膜２１および作用電極３１を構成しているため、第１の多孔質基材上にイオン選択膜を形成し、そのイオン選択膜の上に配置する第２の多孔質基材上に作用電極を形成する場合に比べて、薄型化することが可能である。
　［実施例２］
　本実施例におけるマイクロ流路デバイスＭ２については、実施例１のマイクロ流路デバイスＭ１と異なる点のみ述べ、同一部材には同一符号を付し、同様の部分は説明を省略する。
　＜流路＞
　図４Ａ、図４Ｂを用いて、マイクロ流路デバイスＭ２の流路について説明する。図４Ａは各種電極を形成する前のマイクロ流路デバイスＭ２の上面図を簡略的に示したものであり、破線部Ｄ３の断面を図４Ｂに示す。
　マイクロ流路デバイスＭ２は、マイクロ流路デバイスＭ１と同様の流路壁１１に加えて、作用電極配置部Ｓ１ｂにも流路壁１２を形成している。流路壁１２は、５００μｍ角の市松模様であり、実施例１同様に電子写真により疎水性樹脂を印刷しており、画像パターンを変更することで容易に印刷できる。また、疎水性樹脂の印刷濃度を流路壁１１に比べて少なくすることで、多孔質基材Ｓ１の厚み方向を埋めない様に調整できる。なお、「５００μｍ角の市松模様」とは、図４Ａに示すように、流路壁が形成された一辺が５００μｍの四角形の箇所と、流路壁が形成されていない一辺が５００μｍの四角形の箇所とを交互に配した状態を意味する。
　本実施例では、流路壁１２の印刷濃度は、流路壁１１の印刷濃度の２０％とした。これにより、作用電極配置部Ｓ１ｂのＸ側の面は一部が樹脂で覆われ、その裏側のＹ側の面には検体が浸透する流路が残る。そして、Ｘ側の面の流路壁１２が形成された箇所は、多孔質基材Ｓ１の孔を疎水性樹脂が埋めるため、毛細管現象が働かず液が浸透しない。一方でＸ側の面でも疎水性樹脂が無い箇所（流路壁１２が形成されていない箇所）は多孔質基材Ｓ１の孔が残っているため、液が浸透する流路として機能する。作用電極配置部Ｓ１ｂの面積に対する、流路壁１２の面積（各流路壁１２の面積の合計）の比率（以下、面積比率ともいう）を変えることで、Ｘ側の面から多孔質基材Ｓ１内に浸透してくる液の量を制御することができる。本実施例においては、図４Ａに示すように、市松模様であり流路壁の面積比率は５０％であるが、各流路壁１２のサイズ及び形状、並びに面積比率ともにこれに限るものではなく、各種構成に合わせて適宜選択可能である。また、各流路壁のサイズ、形状は、流路壁の位置（例えば、分注部Ｓ１ｄからの距離）に応じて異なっていてもよい。
　以下、図５Ａ、図５Ｂを用いてイオン選択膜２２の形成について説明する。図５Ａは各種電極などを形成した後のマイクロ流路デバイスＭ２の上面図であり、破線部Ｄ４の断面を図５Ｂ（ａ）に示し、図５Ｂ（ａ）中の一部拡大図を図５Ｂ（ｂ）に示す。
　＜イオン選択膜＞
　イオン選択膜２２は、イオン選択膜２１と同様の材料であり、イオン選択膜を形成する材料が塗布される基材のみが異なる。前記流路壁１２の上へ、実施例１と同様の方法でイオン選択膜２２を塗布した。このとき、流路壁１２の樹脂が無い部分からのみ多孔質基材Ｓ１へイオン選択膜２２が浸透するため、実施例１と比較して、多孔質基材Ｓ１は浸透するイオン選択膜の量は低減し、より紙の厚み方向の流路を残した状態でイオン選択膜２２を形成することができる。これにより、分注部Ｓ１ｄに検体を分注した後、作用電極配置部Ｓ１ｂに検体が浸透する速度が速くなるため、より迅速な測定を行うことができる。
　その他、作用電極３１、参照電極３２、電解質層４１を実施例１と同様に形成することで、図５Ａ、図５Ｂに示すマイクロ流路デバイスＭ２となる。そして、検体を分注部Ｓ１ｄに分注した後に参照電極３２と作用電極３１の電位差を測定することで検体のＮａイオン濃度を測定することができる。
　以上説明した様に、イオン選択膜を形成する領域内の流路の一部に予め流路壁を形成しておくことで、当該領域内に塗布された後のイオン選択膜の多孔質基材の厚み方向への浸透を制御でき、流路をより広く残すことで、迅速な測定を行うことができる。
　但し、流路壁１２の面積比率は、大きくし過ぎるとイオン選択膜２２と検体との接触面積が小さくなってしまうので、作用電極配置部Ｓ１ｂの大きさや多孔質基材の厚み、その他、求める測定精度や速度等によって適切に選択するべきある。流路壁１２の面積比率は、本実施例の条件に限るものではない。
　本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために、以下の請求項を添付する。
　本願は、２０２２年４月２８日提出の日本国特許出願特願２０２２－０７４９１８を基礎として優先権を主張するものであり、その記載内容の全てを、ここに援用する。
　Ｍ１　マイクロ流路デバイス
　Ｓ１　多孔質基材
　Ｓ１ｂ　作用電極配置部（領域Ａ）
　Ｓ１ｃ　参照電極配置部（領域Ｂ）
　Ｓ１ｄ　分注部
　１１　流路壁
　１２　流路壁
　２１、２２　イオン選択膜
　３１　作用電極
　３２　参照電極
　４１　電解質層

Claims (5)

  1. 　多孔質基材を用いたマイクロ流路デバイスであって、
    　前記マイクロ流路デバイスは、多孔質を用いた流路領域を有し、
    　前記流路領域の一部に、多孔質基材内の孔にイオン選択性を有する成分が存在する領域Ａを有し、前記領域Ａにおいては、前記多孔質基材の一方の面Ｘ側の孔にイオン選択性を有する成分が存在し、他方の面Ｙ側は、空孔が存在する流路となっており、
    　前記領域Ａの前記面Ｘ側の表面には、少なくとも一部がイオン選択性を有する成分と重なるように作用電極が設けられており、
    　前記流路領域の前記領域Ａ以外の領域Ｂに参照電極が設けられており、
    　前記領域Ａと前記領域Ｂとが、同一の前記多孔質基材上に形成されている、
    　ことを特徴とするマイクロ流路デバイス。
  2. 　前記作用電極は、前記領域Ａ内の前記多孔質基材の面Ｘ側に対向する面において全域が前記イオン選択膜と接触している、請求項１に記載のマイクロ流路デバイス。
  3. 　前記領域Ａは、前記面Ｘの表面において、多孔質を用いた流路となる部分と、多孔質が埋まることで流路として機能しない部分とを有し、
    　前記流路となる部分と、前記流路として機能しない部分と、に跨ってイオン選択性を有する成分が存在する請求項１または２に記載のマイクロ流路デバイス。
  4. 　前記の多孔質が埋まることで流路として機能しない部分が、多孔質が疎水性樹脂によって埋まることで流路として機能しない部分である請求項３に記載のマイクロ流路デバイス。
  5. 　前記領域Ａと前記領域Ｂとが流路で繋がっている、ことを特徴とする請求項１または２
    　に記載のマイクロ流路デバイス。
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