JP2007216123A - マイクロチャネルチップ - Google Patents

Abstract

【課題】カラムにかかる圧力をより低下させることが可能な分離用マイクロチャネルチップの提供。従来の細管を巻いたカラムに比べ、リアクタの形状をコンパクトにすることが可能な反応用マイクロチャネルチップ。
【解決手段】所定の形状の溝部が表面に形成された基板１２と、前記溝部を覆うカバープレート１４とを備え、前記溝部の内壁と当該内壁に連続する前記カバープレート１４の裏面とで構成されるマイクロチャネル１６を有し、前記マイクロチャネル１６の内周壁の少なくとも一部は、このマイクロチャネル１６内を流れる移動相が分離又は反応するように寄与するリガンド種、又は両端に堰止構造体２０を備え、微粒子を充填することが可能な充填スペース、の少なくともどちらか一方を有するものとした。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロチャネルチップに関し、より詳しくはチャネル内で溶液を分離又は反応させることが可能な構造を有するマイクロチャネルチップに関する。

昨今より、フォトリソグラフィーの技術による微細加工によって、平板ガラスからなるチップ上にマイクロチャネル（微細流路）が形成されたチップがマイクロリアクタに用いられる場合がある。

例えば、表面に互いに交差する泳動用キャピラリー溝を形成した基材と、その溝に対応する位置に貫通孔を設けた基材とを重ねた電気泳動用チップや、１００μｍから２００μｍの直径を有するガラスキャピラリーの内壁面に分離マトリックスをコートしたキャピラリーカラムや、ステンレス細管に分離ビーズを充填したマイクロカラムを備えたマイクロ高速液体クロマトグラフィー（μＨＰＬＣ）等が挙げられる。

マイクロ高速液体クロマトグラフィー用のカラムとしては、上記のように、マイクロカラム管に分離ビーズを充填したもの、あるいはフューズドシリカの内面を高機能分子からなる配位子によってリガンド修飾したものが用いられている。

更に、このようなカラムのマイクロ化とμＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｉｔｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）の技術とを融合し、接続の問題を解決し得る技術として、下記特許文献１〜４に記載されるように、クレジットカードサイズもしくはＡ５サイズのチップ基板上に、レーザなどでエッチングを施したり、フォトリソ法によって、チップ基板上に流路や液体アクセスポートを作製するとともに、流路にクロマト分離に用いられる種々の充填材を充填した高速液体クロマトグラフィーチップがある。

このような高速液体クロマトグラフィーチップを用いれば、カラムへのインジェクションと分離と検出器への注入もしくは検出自体を、一枚のチップ上で実施でき、ＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質などの分析を高速に行なうことができる。また、これまで複数のモジュールで行なっていた試料の調製や分離を１つのチップ上で行なうことも可能となり、接続のためのバルブやチューブの数を大幅に削減でき、また、作業効率も大きく改善できる。

更に、下記特許文献５には、このようなマイクロチャネル（微細流路）が形成されたチップを反応場とするマイクロリアクタが知られている。
米国特許第６，４８１，６４８号 特公表９−５０８７０６号公報 特開２００２−３１１００８号公報 特開２００１−２０８７３８号公報 特開２００３−２６０３５１号公報

上記のように、マイクロチップの用途は多岐に亘る反面、使用されるマイクロチップの構造は、用途に応じて最適化された設計であって、共通化されたものではなく、開発段階においてその調達に不便であり、コストが嵩むという問題点がある。

本発明は、かかる観点に鑑みてなされた発明であり、マイクロリアクタに共通の構造体を提供することを目的としてなされた発明である。

より具体的には本発明は、以下のようなものを提供する。

（１） 所定の形状の溝部が表面に形成された基板と、前記溝部を覆うカバープレートとを備え、前記溝部の内壁と当該内壁に連続する前記カバープレートの裏面とで構成されるマイクロチャネルを有し、前記マイクロチャネルの内周壁の少なくとも一部は、このマイクロチャネル内を流れる移動相が分離又は反応するように寄与するリガンド種、又は両端に堰止構造体、多孔体を形成することが可能な多孔体形成スペース、のいずれかを有するマイクロチャネルチップ。

（１）の発明によれば、マイクロカラム及びマイクロリアクタに共通の構造体を提供する。即ち、マイクロチャネルの内周壁の少なくとも一部を、移動相が分離又は反応するように寄与するリガンド種、又は両端に堰止構造を備えるように処理し、微粒子を充填したり、ゾル−ゲル反応により細孔構造を基板に一体的に形成したりして形成する多孔体形成のスペースとすることによって、マイクロチャネルに分離能を備えることが可能となり、マイクロカラムチップ構造体が実現される。また、マイクロチャネル部分が反応通路として機能し、多孔体形成スペース部分がミキサ部分として機能し得るので、マイクロリアクタチップ構造体が実現され得る。このように、両者に共通の構造体が実現される。

また、移動相の分離は、疎水的モード、親水的モード、イオン的モード、アフィニティモード、サイズ排除モードより選択される１種のモードにより分離することができる。このような、いずれかのモードとなるよう処理を行なうことによって、タンパク質、糖質、核酸液性の溶媒に可溶な物質を分離することが可能となる。また、ダイオキシン、フロン、ポリ塩化ビフェニル、カフェイン、農薬等の不揮発性物質の分析を行うことも可能となる。

ここで、「分離又は反応するように寄与するリガンド種を有する」とは、チャネル内の壁面が、それぞれの分離モードに対応する固定相となるように処理されていることをいう。具体的には、酸処理や、シラン剤、タンパク質、金属酸化物、金属等で被覆処理することが挙げられる。また、「両端に堰止構造体を備え、微粒子を充填することが可能な充填スペースを有する」とは、チャネル内の一部に、微粒子を堰き止めるリブを設けることにより充填スペースを設けることが挙げられる。また、チャネル内にリブを列設することにより、更に、微粒子が堰止構造から通過することを防止することができる。

（２） 前記多孔体形成スペースは、微粒子が充填され所定の化合物を分離及び／又は濃縮する前処理カラムを更に有する（１）に記載のマイクロチャネルチップ。

（２）の発明によれば、前処理カラムを有するため、不純物が混入されている溶液でも、容易に分離することができる。また、濃縮することもできるため、検出感度を向上させることが可能となる。

（３） 前記多孔体形成スペースは、微粒子が充填され少なくとも２種の液体を混合するマイクロミキサを更に有する（１）又は（２）に記載のマイクロチャネルチップ。

（３）の発明によれば、２種の液体を混合するマイクロミキサを有するため、複数の原料液を乱流の発生により均一的に混合させることができる。

（４） 前記溝部は、蛇行状に形成されている（１）から（３）いずれかに記載のマイクロチャネルチップ。

（４）の発明によれば、溝部が蛇行状に形成されているため、マイクロチャネルチップの形状をコンパクトにすることができる。また、溶液の分離に使用する場合には、高い分離能を有し、かつ、適切な長さの反応経路を有するため、コンパクトなチップを提供することができる。

（５） 前記基板は、ポリジメチルシロキサンである（１）から（４）いずれかに記載のマイクロチャネルチップ。

（５）の発明によれば、基板をポリジメチルシロキサンとしたことによって、フォトリソグラフィーの技術による微細加工によって、壁面の平滑性の高いマイクロチャネルが形成されたチップを製造することができるとともに、両基板の気密な張り合わせ工程において、プラズマ接着などの永久接着工程を省力することが可能となるという利点を有する。あるいは、特定の波長の紫外線照射により、張り合わせを行ったり、パターニングも行ったりし得るという加工技術としての利点も有する。さらに、ガラスを素材とした場合と比べて、このチップは従来のカラムよりも小型で軽量であるため、分析システム全体の小型化、軽量化を図ることが可能となる。

（６） 前記マイクロチャネルの内周壁は、分析対象物と相互作用をする被覆剤で被覆処理されている（１）から（５）いずれかに記載のマイクロチャネルチップ。

（６）の発明によれば、様々な分離モードのキャピラリーカラムチップとすることが可能となる。また、壁面に触媒を保持させて反応を実行させることもできるし、壁面へのものの吸着を防止すること、及び濡れ性を制御することなどのように、壁面の物性を所望の形態に制御されたチップが提供される。ここで、「分析対象物と相互作用をする被覆剤」とは、例えばシラン剤（逆相、順相、イオン交換、アフィニティモードなど様々なクロマトモードのリガントを含む）、抗体、その他のタンパク質、金属酸化物、金属等が挙げられる。

（７） 前記マイクロチャネルの内周壁は、実質的に分離に寄与する凹凸部を有している（１）から（６）いずれかに記載のマイクロチャネルチップ。

（７）の発明によれば、チャネルの内周壁に凹凸部を設けたことによって、比表面積の向上を図ることで、分離能や反応性又は、濡れ性等を向上させることが可能となる。また、サイズ排除モードを実現することが可能となる。ここで、「実質的に分離に寄与する」とは、この凹凸部が固定相として機能することをいう。凹凸部は、任意のパターンで形成されていても、不規則に形成されていてもよい。

（８） 前記マイクロチャネルの内周壁は、実質的に反応に寄与する微粒子が充填されている（１）から（７）いずれかに記載のマイクロチャネルチップ。

（８）の発明によれば、マイクロチャネルの内周壁に、微粒子が充填されているため、更に、比表面積の増大を図ることができ、分離能や反応性又は、攪拌性等を向上させることが可能となる。

本発明に係るマイクロチャネルチップによれば、タンパク質など物質の分離を、前処理カラムで濃縮した後、中空状のマイクロチャネル内で行なうことも可能となるため、チップにかかる圧力を抑制した状態で分離し、高感度で検出することが可能となる。また、充填剤がトラップされて形成されたマイクロミキサにより複数液を混合して中空状の反応空間に通液させて反応を実行させることができるため、通常のＹ字合流、Ｔ字合流などによるいわゆる層流による攪拌混合と比べ、均一に反応させることができるチップ型のリアクタが提供されることになる。また、マイクロチャネルチップの形状をコンパクトにすることができる。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明に係るマイクロチャネルチップを示した図である。このマイクロチャネルチップ１０は、ポリジメチルシロキサンにより形成された平板状の基板１２と、この基板１２の上面に配設されるガラス又はポリジメチルシロキサンにより形成された平板状のカバープレート１４とを有して構成されている。そして、基板１２には、液体の流路としてマイクロチャネル１６が形成されている。なお、カバープレート１４によって、基板１２の上面に形成されたマイクロチャネル１６は封止（シール）されている。また、カバープレート１４には、その上面１４ａから下面１４ｂへ貫通するようにして形成されたサンプル導入ならびに電極装着のための２つのポート１８ａ、１８ｂが穿設されている。

ここで、基板１２の具体的な大きさとしては、長手方向が５０ｍｍから１００ｍｍであることが好ましく、７０ｍｍから９０ｍｍであることがより好ましい。短手方向は５０ｍｍから１００ｍｍであることが好ましく、６０ｍｍから８０ｍｍであることがより好ましい。また、厚さは０．１ｍｍから１０ｍｍであることが好ましく、０．３ｍｍから１ｍｍであることがより好ましいが、これに限られるものではない。なお、本実施形態においては基板１２及びカバープレート１４の材質をポリジメチルシロキサンとしているが、ポリメチルメタクリレート又は、ガラスを用いてもよい。カバープレート１４は接着剤や、放電プラズマ溶着等、公知の方法を用いて基板１２に封着させてもよい。

ここで、２つのポート１８ａ、１８ｂとマイクロチャネル１６とは、２つのポート１８ａ、１８ｂの一部にマイクロチャネル１６の両方の端部１６ａ、１６ｂとがそれぞれ位置するように寸法設定されて配置されており、ポート１８ａと端部１６ａとが連通し、ポート１８ｂと端部１６ｂとが連通するようになされている。

また、マイクロチャネル１６の長さは、例えば、２４０ｍｍに設定され、マイクロチャネル１６の幅は、例えば、２００μｍに設定され、マイクロチャネル１６の深さは、例えば、数十μｍに設定されている。なお、マイクロチャネル１６の長さや形状、幅等は特に限定されるものではなく、分子の拡散による対向する壁面への到達時間や分離能を考慮して決定する。これらを考慮すると、内径が１μｍから５００μｍ、長さ２０ｃｍから数ｍとすることが好ましい。本実施形態では、限られた面積の数センチ角のチップ上に２０ｃｍから３０ｃｍのカラムを形成するため、図のように複数の直線部分をと複数のコーナー部分で連結して平面視で曲線状のカラム形状とし、カラム長を長く設定している。なお、一つの基板で数メートルを設定できない場合には、複数の基板を連結してもよい。

図２は、本発明に係るマイクロチャネルチップのＸ−Ｘ´断面の拡大図である。マイクロチャネル１６内には凸部１６１が設けられている。この凸部１６１の間隔Ｗ１は特に限定されるものではないが、分子の移動度を異なるものとすることができる程度の間隔を有していればよい。具体的には１０ｎｍから１００ｎｍであることが好ましい。また、凸部１６１は、マイクロチャネル１６内の全部に形成されていても一部であってもよい。また、凸部１６１は、例えば金型パターンを転写して形成するような公知の方法を用いて形成してよい。更にマイクロチャネル１６と同時に形成してもよい。また、凸部１６１の高さは、チャネル高さと同等であることが望ましい。これは、凸部がない部分（中空部分）を移動する物質が凸部１６１に接触しない可能性を低減して、分離を効率的に行わせるためである。

また、マイクロチャネル１６の壁面を分析対象物と相互作用をする被覆剤で被覆処理する方法は、表面加工として公知の手法を適用することができる。例えば、ＰＤＭＳの表面部分を加水分解させたのち、シラン剤を被覆させる方法や、シリカを被覆させた後、シラン剤で再度被覆処理をする方法、抗体や様々なタンパク質をコートする方法等が挙げられる。

また、図３は本発明に係る他のマイクロチャネルチップ内を上面から見た拡大断面図である。マイクロチャネル１６内には、微粒子２２が充填されており、この微粒子２２を堰き止めるための堰止構造体２０を有している。この堰止構造体２０は、図１中の両方の端部１６ａ、又は１６ｂに設けることができ、また、マイクロチャネル１６内の複数の箇所に設けてもよい。堰止構造体２０を複数個所に設けた場合には、サンプル導入のためのポート１８ａを、マイクロチャネル１６内の端部１６ａと連通させることなく、任意にポート１８ａの位置を設定することができ、分析、反応に用いるカラムの長さを調節することができる。

また、堰止構造体２０は、図４に示すように、複数個交互に列設してもよい。複数個列設することにより、マイクロチャネル１６内に充填されている微粒子２２をより堰き止めることができる。

本発明に用いられる微粒子としては、シリカをベースとした充填剤、ポリマーをベースとした充填剤、ガラスビーズ、金属ビーズ等、高速液体クロマトグラフィー、ミキサの用途に使用される粉体、ビーズを挙げることができる。

また、本発明に係るマイクロチャネルチップを、クロマトグラフィーの装置に用いる場合は、以下のような構成で用いる。それぞれポートは、ポンプと検出器にそれぞれ連結されている配管に連結されている。試料の抽出の際は、一方のポートに試料用ポンプから試料が注入される。注入された試料は、マイクロカラムを通って排出される。この試料を検出する場合、例えば、光源からの光を分析流路に入射させ、分析流路内での光の吸収を検出することができるものや、また流路に電極を挿入して電気化学変化量を測定するものなどを用いることができるが、特にこれらに限定されない。光源としては、紫外・可視域の光源、例えばＨｅ−Ｃｄ半導体レーザ、発光ダイオード、重水素ランプ、タングステンランプを用いることができ、これらの光は光ファイバーにより導いてもよい。また、検出器としては、例えば光電子増倍管、ＰＩＮダイオード、ＣＣＤカメラ、ＳＰＲ測定装置などを用いることができるが、これらに限定されない。

上記では、微粒子を充填して、マイクロチャネル空間に多孔体を形成したが、ゾルーゲル反応により基板に一体的に形成することもできる。この場合、貫通孔（μサイズ）と美細孔（数ｎｍから数百ｎｍ）の２つの径の二重細孔構造体とすることが望ましい。圧力を下げつつ、溶媒との接触面積（比表面積）増やすことができるからである。

ここで、上記多孔体部分（微粒子、一体形成双方の場合）に触媒、酵素などを担持させて攪拌と同時に反応をさせるようにすることもできる。

そして、この構造体において、複数の反応部をひとつの基板上に形成して、並列的に反応系のスクリーニングをするシステムと応用することもできる。

＜第２実施形態＞
図５は、本発明に係るマイクロチャネルチップの第２実施形態を示した図である。このマイクロチャネルチップ積層体１００は、第１実施形態と同様のマイクロチャネルチップ１０´と、熱媒体流通プレート層２４を積層させて構成されている。このように、積層させることで、マイクロチャネル１６´内の反応経路を増大することができるため、反応量を増やすことができる。また、それぞれのマイクロチャネルチップ１０´の間に、熱媒体流通プレート層２４を設けることにより、マイクロチャネル１６´内の温度を一定に保つことができる。

また、図６は、第２実施形態におけるマイクロチャネルチップ積層体１００のＸ１−Ｘ１´断面を示す。マイクロチャネル１６´は、サンプル導入のためのポート１８ａ´が上部に設けられており、蛇行上に、マイクロチャネル１６´が形成された後、下部に、下段のマイクロチャネルチップ１０´に流れるためのポート１８ｂ´が設けられている。

マイクロチャネルチップ積層体１００は、第１実施形態と同様のマイクロチャネルチップ１０´と熱媒体流通プレート層２４を複数層積層させて形成されるが、その積層数は、反応量、反応条件等により、適宜選択可能である。

本発明に係るマイクロチャネルチップの第１実施形態を示した斜視図である。 第１実施形態のマイクロチャネルチップのＸ−Ｘ´断面付近を示した拡大断面図である。 第１実施形態のマイクロチャネルチップ内を上面からみた拡大断面図である。 第１実施形態のマイクロチャネルチップ内の他の例を示した拡大断面図である。 マイクロチャネルチップの第２実施形態を示した斜視図である。 第２実施形態のマイクロチャネルチップのＸ１−Ｘ１´断面付近を示した断面図である。

符号の説明

１０ マイクロチャネルチップ
１２ 基板
１４ カバープレート
１６ マイクロチャネル
１６１ 凸部
１８ ポート
２０ 堰止構造体
２２ 微粒子
２４ 熱媒体流通プレート層
１００ マイクロチャネルチップ積層体

Claims (1)

1. 所定の形状の溝部が表面に形成された基板と、前記溝部を覆うカバープレートとを備え、前記溝部の内壁と当該内壁に連続する前記カバープレートの裏面とで構成されるマイクロチャネルを有し、前記マイクロチャネルの内周壁の少なくとも一部は、このマイクロチャネル内を流れる移動相が分離又は反応するように寄与するリガンド種、及び両端に堰止構造体、多孔体を形成することが可能な多孔体形成スペース、のいずれかを有するマイクロチャネルチップ。

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