JP2007038047A - マイクロリアクタ - Google Patents

Abstract

【課題】 検査・反応のための試料・試薬の混合・反応が十分になされ、その結果、検査・反応のための試料・試薬の量をさらに少なくすることができ、さらにコストを低減できるマイクロリアクタを提供する。
【解決手段】 細孔を複数備えるフィルタ２と、フィルタ２によって形成された複数の隔室３ａ，３ｂと、フィルタ２を通して物質を隔室３ａ，３ｂ間で移動可能にする手段とを有し、物質を隔室３ａ，３ｂ間で移動可能にする手段としては、フィルタ２の表面張力を変化させるものが好ましい。隔室３ａ，３ｂ内の物質の体積を変化させるものが挙げられる。フィルタ２の表面張力の変化は、酸化チタン表面を有するフィルタ２を用い、該表面への光の照射と非照射の切替を行う。隔室３ａ，３ｂ内の物質の体積を変化は、光、熱、電気または磁気により行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マイクロリアクタに関し、より詳細には、検査・反応のための試料・試薬の混合・反応が十分になされ、その結果、検査・反応のための試料・試薬の量をさらに少なくすることができ、さらにコストを低減できるマイクロリアクタに関する。

近年、各種研究開発の迅速化、省力化、省資源化、省エネルギ化、省スペース化、さらには、実験廃液、廃棄物の削減、繰り返し実験の合理化等を目的として、マイクロメートル単位の微小空間において化学実験、反応、検出、分析を行うことができる集積化化学実験室、いわゆるマイクロチップ、マイクロＴＡＳ等と称されるものが開示されている。
例えば、特許文献１には、液液界面反応を制御するための平面マイクロチップ流路が開示されている。
また、特許文献２には、単一機能を達成するマイクロチップを構成し、この構成したチップの中から異なる単一機能を有するチップを複数取り出し、これらチップ同士を組み合わせることにより目的とする三次元の化学反応経路を構成することを特徴とするバイオケミカルＩＣが開示されている。

しかし、特許文献１のマイクロチップでは、反応・検出の単位操作ステップ毎に平面流路が必要となり、このマイクロチップを用いた分析装置において一定以上に高集積化する事は困難である。さらに、このマイクロチップは、平面上に配列された流路を有するものであるため、検出感度や速度の向上の点においても一定以上のものにすることは困難である。
また、特許文献２のバイオケミカルＩＣでは、１つの反応系の高さが６ｍｍ以上、幅が５ｍｍ程度と大きく、この大きさではマイクロリットルレベルの微量分析能力が求められる環境分析への対応は困難である。

また、上記特許文献１および２に記載されたマイクロチップは、液体試料・試薬の混合・反応等に、マイクロメートル単位の微小な径の流路を利用するものであるが、十分な混合・反応等にはその流路長は、径に対して極めて長いものが必要となる。また、そのような長い流路を確保する為には、該流路を迂回させたとしても、マイクロチップとしてセンチメートル単位のサイズとなり、更なる小型化が望まれていた。また、マイクロメートル単位の微小な径に対して極めて長い流路長を有する流路に液体を流すには、例えば、１００気圧等の極めて大きな圧力を加える必要があり、圧力損失の大きいものであった。

このような特許文献１および２の技術の問題に対し、本発明者らは、特定のサイズの細孔を複数備えかつ液体中分子ふるいや分離が可能なフィルタと、該フィルタによって、筒状の槽内部を径方向に仕切って複数の反応層を形成したマイクロリアクタを発明した。このマイクロリアクタは、フィルタが有する細孔の微小さにより、液体が該細孔を通過する際に分子拡散による分子同士の衝突頻度が向上でき、かつそのような細孔が多数あるため、結果として、従来のものに比べ、試料・試薬の混合・反応時間を大幅に短縮し、流路を短くすることができ、それによりさらにサイズの小型化ができ、また、検査・反応のための試料・試薬の量が少なくてすむため、コストを低減できる。さらにまた、該細孔が多数あるため、従来の平面流路型のマイクロチップ等に比べ圧力損失も小さいものとすることができた。

特開２００２−３２６９６３号公報 特開２００１−１５８０００号公報

しかしながら、上記のマイクロリアクタは、検査・反応のための試料・試薬等を１つの反応層からフィルタの細孔を通して別の反応層へ一方通行に移動させるものである。この場合、検査・反応のための試料・試薬の混合・反応が必ずしも十分でなく、より多くの試料・試薬の使用が必要であったり、十分な検査・反応を行なうためには長時間の処理が必要である等の問題が生じることがあった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、検査・反応のための試料・試薬の混合・反応が十分になされ、その結果、検査・反応のための試料・試薬の量をさらに少なくすることができ、また検査時間短縮によりコストを低減できるマイクロリアクタを提供することである。

本発明者らは鋭意検討の結果、以下の通りの技術的構成を見出し、本発明を完成したものである。
即ち、本発明は以下の通りである。

（１）細孔を複数備えるフィルタと、該フィルタによって仕切られた複数の隔室と、該細孔を通して物質を該隔室間で移動可能にする手段とを有するマイクロリアクタ。
（２）前記液状物質を該隔室間で移動可能にする手段として、前記フィルタと前記液状物質の接触面における前記液状物質の表面張力を変化させる手段を有する前記（１）のマイクロリアクタ。
（３）前記液状物質の表面張力を変化させる手段として、前記フィルタと前記液状物質の接触面に形成された酸化チタン層と前記酸化チタン層に光を照射する手段を有する前記（２）のマイクロリアクタ。
（４）前記液状物質を該隔室間で移動可能にする手段として、フィルタによって仕切られた互いに隣接する隔室間で圧力差を生じさせる手段を有する前記（１）から（３）のいずれか１つのマイクロリアクタ。
（５）前記圧力差を生じさせる手段として、前記隔室内の体積を変化させる手段を有する前記（４）のマイクロリアクタ。
（６）前記隔室の体積を変化させる手段として、与えられた光、熱、電気または磁気エネルギに応じて体積が変化する部材を前記隔室内に有する前記（５）のマイクロリアクタ。

本発明のマイクロリアクタは、細孔を複数備えるフィルタによって仕切られた複数の隔室間で、該細孔を通して物質を移動可能にする手段を有することにより、検査・反応のための試料・試薬を、該細孔を通して隔室間で往復移動ができ、反応機能、ミキシング機能に優れ、それにより、該フィルタによる攪拌、混合、反応、フィルタへの被検物質の吸着・結合の効果がさらに向上し、その結果、検査・反応のための試料・試薬の量をさらに少なくすることができ、また検査時間の短縮も図れるためコストを低減できる。

本発明のマイクロリアクタは、細孔を複数備えるフィルタと、該フィルタによって仕切られた複数の隔室と、該細孔を通して液状物質を該隔室間で移動可能にする手段とを有するものであるが、具体例としては図１に示すものが挙げられる。
図１に示すマイクロリアクタ１は、筒状の槽４と、前記槽４内部を径方向に仕切って複数の隔室（反応槽）３ａ，３ｂを形成する少なくとも１つのフィルタ２とを備えるものである。
本発明のマイクロリアクタに用いられるフィルタは、細孔を複数備え、マイクロリアクタの複数の隔室を仕切るものである。また、本発明のマイクロリアクタに用いられるフィルタは、該マイクロリアクタを鉛直方向に設置した場合、フィルタ／液体の接触面における液体の表面張力に対して細孔の大きさを選択する事で該フィルタ上表面に液体が存在しても、細孔を通り抜ける液体量を調整（制限）することができる。あるいはフィルタ上表面に液体が存在しても、一定の力（圧力等）が加えられない限り、液体が細孔を通り抜けることを防止することができるものである。なお、このフィルタについては後に詳述する。

本発明のマイクロリアクタに用いられる、液状物質を隔室間で移動可能にする手段・手法としては、フィルタと液状物質の接触面における該液状物質の表面張力を変化させるものを採ることができる。
例えば、フィルタ表面や細孔内面に、コーティング等により酸化チタン等の光触媒を付与した構成とすることができる。
この場合、図１に示すように、本発明のマイクロリアクタ１を鉛直方向に配置し、上側の隔室３ａに液体５を投入した場合、当初は、酸化チタン等の光触媒表面を有するフィルタ２では、該液体５と該フィルタ２の接触面において該液体５の表面張力が高い状態にあり、該液体５を上側の隔室３ａに保持している。しかし、図２に示すように、フィルタ２に光照射を行うと、フィルタ２表面の表面状態が変化し、該液体５の表面張力が低くなり、上側の隔室３ａに保持されていた液体５が、自身の重量によりフィルタ２内部に浸透し、下側の隔室３ｂに移動する。このようにフィルタ上面に形成された光触媒表面への光照射量や時間を適宜変えることで、フィルタ２内部を浸透し、下側の隔室３ｂに移動する液体量を調整（制限）することができる。さらには液体５が、下側の隔室３ｂに移動した後のマイクロリアクタ１を上下反転させて、再度、上記の光照射を繰り返すことにより、フィルタ２で隔てられた隔室３ａ，３ｂ間に、液体５を複数回移動させることができる。即ち、液体をフィルタで隔てられた隔室間で移動させるためのバブル機能を有するものとすることができる。また、フィルタ２上下面での光照射量や時間を変えるなどにより、液体５がフィルタを通過する時間や方向も調整可能になる。

また、フィルタを挟んで隣接する隔室間で圧力差を生じさせる構成とすることができる。
例えば、本発明のマイクロリアクタの隔室内壁部分に光熱変換物質をコーティング等により付与したものとする。そして、図１のように該マイクロリアクタ１を鉛直方向に配置し、上側の隔室３ａに液体５を投入し、当初は、表面張力が高いフィルタによって該液体５が上側の隔室３ａに保持している状態で、図２に示すように、上側の隔室３ａに選択的に光照射を行う。すると、前記光熱変換物質が作用し、上側の隔室３ａの温度が高くなり、それに伴い該隔室３ａ内の物質の体積が膨張・増加して該隔室３ａ内の圧力が高くなり、該隔室３ａに保持されていた液体５が、フィルタ２内部に浸透し、下側の隔室３ｂに移動する。さらに下側の隔室３ｂに選択的に光照射を行う。すると、前記光熱変換物質が作用し、下側の隔室３ａの温度が高くなり、それに伴い該隔室３ｂ内の物質の体積が膨張・増加して該隔室３ｂ内の圧力が高くなり、該隔室３ｂに保持されていた液体５が、フィルタ２内部に浸透し、上側の隔室３ａに移動する。これを繰り返すことで隔室３ａ，３ｂ間に、液体５を複数回移動させることができる。
なお、隔壁間で圧力差を生じさせるためには、検査・反応のための試料・試薬である液体の体積を膨張・増加させてもよく、あるいは該液体と共に容器内に存在する空気等の雰囲気気体の体積を膨張・増加させたり、逆に該液体を移動させたい側の容器内に存在する空気等の雰囲気気体の体積を収縮・減少させたりしてもよい。

また、隣接する隔室間で圧力差を生じさせる構成として隔室内の体積を変化させる構成とすることができる。例えば、本発明のマイクロリアクタの隔室内壁部分に圧電素子を付与したものとする。そして、図１のように該マイクロリアクタ１を鉛直方向に配置し、上側の隔室３ａに液体５を投入し、当初は、表面張力が高いフィルタによって該液体５が上側の隔室３ａに保持している状態で、上側の隔室３ａ内に付与した圧電素子に通電する。すると、前記圧電素子の効果で該隔室３ａ内の圧力が高くなり、該隔室３ａに保持されていた液体５が、フィルタ２内部に浸透し、下側の隔室３ｂに移動する。ついで下側の隔室３ｂ内に付与した圧電素子に通電する。すると、前記圧電素子の効果で該隔室３ｂ内の圧力が高くなり、該隔室３ｂに保持されていた液体５が、フィルタ２内部に浸透し、上側の隔室３ａに移動する。これを繰り返すことで隔室３ａ，３ｂ間に、液体５を複数回移動させることができる。

また、上記のようにマイクロリアクタの隔室壁部分に光熱変換物質を付与せずに、それぞれの隔室に個別の加熱手段を設けることや、隔室内壁を熱膨張係数の大きな部材を設置するなどにより上記と同様の作用効果を得ることもできる。
さらに、電気又は磁気等を用いて、当業者が実施可能な態様で、上記と同様に、隔室内の体積を変化できる構成を採り、上記と同様の作用効果を得ることは、本発明の範疇に含まれるものである。もちろん、隔室間で圧力差を生じさせる構成として、各隔室に対応して設けられたポンプ等の外部加圧（減圧）手段を併用することも可能である。

本発明のマイクロリアクタについて、以下、詳細に説明する。
先ず、本発明のマイクロリアクタに用いられるフィルタ（以下、単に本発明のフィルタとも称する）について、詳細に説明する。
本発明のフィルタは、前述の通り、細孔を複数備え、マイクロリアクタの複数の隔室を形成し、本発明のマイクロリアクタを鉛直方向に設置した場合、該フィルタ上表面に液体が存在しても、細孔を通り抜ける液体量を調整（制限）することができる。あるいはフィルタ上表面に液体が存在しても、一定の力（圧力等）が加えられない限り、液体が細孔を通り抜けることを防止することができるものであり、液体中の分子のふるいや分離などに用いられるものである。

このようなフィルタは、その細孔の直径をＤ_ａμｍとしたとき、０．００１μｍ≦Ｄ_ａμｍ≦１００μｍの関係を満たすものであることが好ましい。また、細孔の直径Ｄ_ａは、細孔の長さよりも小さいことが好ましい。
該フィルタにおける、ふるいや分離を行う液体中の分子の拡散速度をＶ_ｍμｍ／秒、前記液体のフィルタ通過時間をＴ_ｆ秒としたとき、Ｄ_ａ≦Ｔ_ｆ・Ｖ_ｍの関係を満たすことが好ましい。
上記構成により、分子拡散による分子同士の衝突頻度を向上でき、その結果として、例えば、液体試薬を用いた場合、その他のものに比べ、試薬の反応時間を大幅に短縮することができる。

また、本発明のフィルタにおいて、複数の細孔は、ハニカム形状に並列してなる形態であってもよい。この場合、前記細孔の一辺をＤ_ｂμｍとしたとき、０．０００５μｍ≦Ｄ_ｂμｍ≦５０μｍの関係を満たすものであることが好ましい。また、細孔の一辺Ｄ_ｂは、細孔の長さよりも小さいことが好ましい。
またこの場合、ふるいや分離を行う液体中の分子の拡散速度をＶ_ｍμｍ／秒、前記液体のフィルタ通過時間をＴ_ｆ秒としたとき、２Ｄ_ｂ≦Ｔ_ｆ・Ｖ_ｍの関係を満たすことが好ましい。
上記構成により、分子拡散による分子同士の衝突頻度を向上できる。その結果として、例えば、液体試薬を用いた場合、他のものに比べ、試薬の反応時間を大幅に短縮することができる。

本発明のフィルタは、絶縁材、Ｘ線リソグラフィー法を用いるＬＩＧＡ（Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｔｅ Ｇａｌｖａｎｏｆｏｒｍｕｎｇ ａｎｄ Ａｂｆｏｒｍｕｎｇ）プロセスで加工された金属、絶縁材の順、絶縁材、ヒーター線、絶縁材の順、絶縁材、Ｘ線リソグラフィー法で加工された金属、絶縁材、Ｘ線リソグラフィー法で加工された金属、絶縁材の順、又は、絶縁材、Ｘ線リソグラフィー法で加工された金属、ヒーター線を絶縁体で挟み込んだヒーター層、Ｘ線リソグラフィー法で加工された金属、絶縁材の順に積層された積層体からなるものであることが好ましい。
絶縁材、金属、絶縁材の積層体とすることにより、中間の金属材のみに電圧印可することができ、金属材に電極の機能を付加することが可能となる。また、金属の層を２つ有するフィルタ上部に電解質の流体が存在する場合、金属の層の間に電圧を印加すれば、電気泳動又は電気浸透流により流体中の特定のイオンのみをフィルタ下部に送り出すことができる。さらに、ヒーター機能を有するフィルタであれば、フィルタ内部を流れる流体を加熱して、常温以上で起こる化学反応を誘起することもできる。

ここで用いられる金属としては、銅、アルミニウム、白金、金等が挙げられる。絶縁材としては、電気・熱を絶縁するガラス、ポリジメチルシロキサン、アクリル樹脂等が挙げられる。ヒーター線としては、チタン、金、白金、タングステン、モリブデン等が挙げられる。
なお、ヒーターは、孔と重ならないように配線され、外部電源から導かれたヒーター線を絶縁体で挟み込んだものとしてもよい。また、ヒーター線の代わりに中空のパイプを用い、その中に熱媒体を流すことによって、加温・冷却も可能となる。

また、本発明のフィルタとして、シリカ多孔体等のメソポーラス体を用いてもよい。そしてこのメソポーラス体においても、メソポーラス体を加熱するヒーターを備えることもできる。加熱ヒーターは、一例として、メソポーラス体フィルタ上面にタングステン等の高抵抗発熱体薄膜をメッキ法やＣＶＤ法等で貼り付け、電流を制御して通電することで所定の温度に調整する。なお、ＵＶフォトプロセスを用いて、金や白金、チタンの厚めの蒸着薄膜をパターニングしてヒーターパターンとすることとしてもよい。

本発明のマイクロリアクタは、図１および２に示すように、筒状の槽４内部を１つのフィルタ２のみで径方向に仕切って、２つの隔室（反応槽）３ａ，３ｂを形成したものでもよいが、フィルタ２を２つ以上用いて３つの隔室（反応槽）を形成したものであってもよい。図３は、フィルタ２を２つ用いて３つの隔室（反応槽）を形成した態様のマイクロフィルタ１の１例を示すものである。
この場合、２つのフィルタ２に挟まれた真中の隔室（第２反応槽）３ｃには、表面に所定の抗体又は酵素が固定された多数の微粒子６が封入されていてもよい。表面に所定の抗体又は酵素が固定された微粒子６により、生化学反応の効率と選択性とを向上させることができる。

上記微粒子の表面に固定される抗体としては、アルキルフェノール（ａｌｋｙｌｐｈｅｎｏｌ）、アルキルフェノールエトキシレート（ａｌｋｙｌｐｈｅｎｏｌ ｅｔｈｏｘｙｌａｔｅ）、ビスフェノールＡ（ｂｉｓｐｈｅｎｏｌ Ａ）、エストラジオール（ｅｓｔｒａｄｉｏｌ）、有機スズなどの内分泌撹乱物質に対する抗体、ＰＣＢ、ダイオキシン等の環境汚染物質に対する抗体、ＣＥＡ、ＡＦＰ等の腫瘍マーカーに対する抗体、ＨＢＶ、ＨＣＶ、ＨＩＶ等の抗ウイルス抗体、臨床検査における疾患特異的マーカーに対する抗体、抗細菌抗体（ヘリコバクターピロリ、レジオネラ等に対する抗体）および、ポストゲノム解析で明らかにされた各種新規生体物質に対する抗体等が挙げられる。さらに、抗体が固定される微粒子としては、ポリスチレンラテックスやゼラチン粒子等が挙げられる。

また、微粒子の表面に固定される酵素としては、有用物質生産（アミノ酸、ヌクレオチド、アクリルアミドなどのアミド化合物、ステロイド、フェノール化合物、アルカロイド、色素、油脂、モノクローナル抗体の生産など）、医薬品（抗生物質、ホルモン類、抗がん剤、インターロイキン、エリスロポエチン、Ｌ−ドーパ、ビタミンなどの生理活性物質の生産）、各種分析（臨床分析、環境分析など）、環境保全（フェノール、シアン、内分泌撹乱物質などの分解）、およびエネルギ生成（アルコール、メタン、水素生産など）に関係する各種酵素が挙げられる。さらに、酵素が固定される微粒子としては、ｐ−アミノベンジルセルロース等の多糖類誘導体、ポリアクリルアミド誘導体、多孔質ガラスのアミノシラン誘導体、ＤＥＡＥ−セルロース、ＴＥＡＥ−セルロース、ＤＥＡＥ−セファデックス、ＣＭ−セファデックス、ＤＥＡＥ−セファロース等に代表されるイオン交換基を持つ担体などが挙げられる。

次に、本発明のマイクロリアクタ１の本体（槽４とフィルタ２）の製造方法について説明する。マイクロリアクタ１の本体は、槽４の部分と、フィルタ２とが別々に作製される。また、筒状の槽４は、さらに各隔室（反応槽）３ａ，３ｂ，３ｃの円筒部分に分けて作製される。その場合、各隔室（反応槽）３ａ，３ｂ，３ｃとフィルタ２とは、精密機械加工、Ｘ線、紫外線又は電子線を用いた電磁波加工、若しくは成形加工によって作製される。これら作製されたものを用いて、各隔室（反応槽）３ａ，３ｂ，３ｃ部分の間にフィルタ２が挟まれるように、熱硬化性樹脂又は光硬化性樹脂によって接合、又は、金属表面を活性化処理することによって、金属表面の原子の未結合手が表面に露出するので、この未結合手と接着しようとする各槽を構成する原子が結合するという表面活性化接合がなされ、マイクロリアクタ１が形成される。熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、シリコン樹脂、アクリル変性シリコン樹脂などが挙げられる。紫外線硬化性樹脂としては、例えば、エポキシアクリレート樹脂、ポリエステルアクリレート樹脂、及びそれらのメタクリレート変性品などが挙げられる。なお、硬化形態としては、熱硬化、紫外線硬化、電子線硬化などどれでもよく、硬化するものであればよい。

本発明は、アミノ酸等や抗体等の有用な物質の生産や、食品工業、医薬、医療品、分析、分離・精製、環境保全、エネルギ生成等の分野においての利用が期待できる。

本発明のマイクロリアクタの一形態を示す図である。 図１のマイクロリアクタにおける液体の移動の概略を示す図である。 本発明のマイクロリアクタのその他の一形態を示す図である。

符号の説明

１ マイクロリアクタ
２ フィルタ
３ａ，３ｂ，３ｃ 隔室
４ 槽
５ 液体
６ 微粒子

Claims (6)

1. 細孔を複数備えるフィルタと、該フィルタによって仕切られた複数の隔室と、該細孔を通して液状物質を該隔室間で移動可能にする手段とを有するマイクロリアクタ。
2. 前記液状物質を該隔室間で移動可能にする手段として、前記フィルタと前記液状物質の接触面における前記液状物質の表面張力を変化させる手段を有する請求項１記載のマイクロリアクタ。
3. 前記液状物質の表面張力を変化させる手段として、前記フィルタと前記液状物質の接触面に形成された酸化チタン層と前記酸化チタン層に光を照射する手段を有する請求項２記載のマイクロリアクタ。
4. 前記液状物質を該隔室間で移動可能にする手段として、フィルタによって仕切られた互いに隣接する隔室間で圧力差を生じさせる手段を有する請求項１から３のいずれか１項に記載のマイクロリアクタ。
5. 前記圧力差を生じさせる手段として、前記隔室内の体積を変化させる手段を有する請求項４記載のマイクロリアクタ。
6. 前記隔室の体積を変化させる手段として、与えられた光、熱、電気または磁気エネルギに応じて体積が変化する部材を前記隔室内に有する請求項５記載のマイクロリアクタ。

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