(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクジェット方式によってチャネルとの間で試料を送受液する注入ポートと、前記チャネルを介して前記注入ポートに連通し、化学反応後の試料を回収するための排出ポートと、前記チャネルにおける試料の化学反応を検出する検出器と、前記検出器が検出したデータに基づいて前記注入ポートから前記チャネルへの前記試料の送受液量を調整する制御部とを備えるマイクロリアクタ。
【請求項２】
圧電体素子の駆動によりキャビティの容積を変化させ、チャネルとの間で試料を送受液する注入ポートと、前記チャネルを介して注入ポートに連通し、化学反応後の試料を回収するための排出ポートと、前記チャネルにおける試料の化学反応を検出する検出器と、前記検出器が検出したデータに基づいて圧電体素子の駆動を制御し、前記試料の送受液量を調整する制御部とを備えたマイクロリアクタ。
【請求項３】
前記検出器は、前記試料の化学反応を光学的に検出する請求項１又は請求項２に記載のマイクロリアクタ。
【請求項４】
前記注入ポートは、タンクに貯蔵された試料を前記圧電体素子の駆動によって前記キャビティ内へ導入し、さらに前記チャネルへ送液する請求項２に記載のマイクロリアクタ。
【請求項５】
前記圧電体素子は、０．５ｐｌ乃至６０ｐｌの分解能で前記チャネルとの間で送受液する請求項２に記載のマイクロリアクタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は化学反応を行うためのマイクロリアクタの改良技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平１０−３３７１７３号公報には多数の生化学反応を並列的に行うためにマイクロリアクタを利用する技術が提案されている。マイクロリアクタはマイクロ領域での化学反応実験、薬品の開発、人工臓器開発、ゲノム・ＤＮＡ解析ツール、マイクロ流体工学の基礎解析ツール等に利用されている。このマイクロリアクタを用いる化学反応にはフラスコを用いた通常の化学反応にはない特徴がある。例えば、装置全体が小さいために熱交換率が極めて高く、温度制御が効率良く行える利点がある。この利点を利用すれば、精密な温度制御を必要とする反応や急激な加熱又は冷却を必要とする反応でも、マイクロリアクタを利用すれば容易に行うことが可能となる。
【０００３】
また、微小空間の中で反応を行うため、例えば、有機溶媒と水との液・液界面や、液体と器壁との固・液界面では、いずれの場合も液体の体積に比べて界面の面積の割合が非常に大きい。それ故、分子の移動速度が速く、不均一反応を効率良く行うことができる。さらに、リアクタ（反応槽）の容積は微小であるため、反応に用いる試料（反応試薬、サンプル等）の量及びコストを抑えることができ、生成物の分析能力の限界まで反応スケールを小さくすることで環境への影響を小さくすることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、マイクロリアクタではチャネル（流路）やリアクタの容積が微小であるため、通常の反応容器とは異なる分子のハンドリングが要求される。従来のマイクロリアクタではシリンジポンプ或いはダイアフラム型のマイクロポンプを用いてチャネルやリアクタ内に試料を送液していたが、微小且つ複雑なチャネルをもつマイクロリアクタにおいては上記の送液法（pressure  pumping）では正確な送液制御が困難であった。
【０００５】
このため、電気浸透法による送液法（electroosmotic  pumping）が利用されているが、この方法では界面に電気二重層を形成することが困難な有機溶媒には不向きである。H.SalimiMoosavi,T.Tang,J.Am.Chem.Soc,119,8716(1997)には、有機溶媒に電界質を添加して電気浸透法を用いた実験結果が報告されている。このように、マイクロリアクタにおいては、精密な分子のハンドリングを実現することが重要な技術的課題となっている。
【０００６】
そこで、本発明はチャネルへの送受液を精密な精度で可能にした注入ポートを備えるマイクロリアクタを提供することを課題とする。また、注入ポートのキャビティ内への試料の注入を精密な精度で充填する試料充填方法を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明のマイクロリアクタは、インクジェット方式によってチャネルとの間で試料を送受液する注入ポートと、前記チャネルを介して前記注入ポートに連通し、化学反応後の試料を回収するための排出ポートと、前記チャネルにおける試料の化学反応を検出する検出器と、前記検出器が検出したデータに基づいて前記注入ポートから前記チャネルへの前記試料の送受液量を調整する制御部とを備える。インクジェット方式による試料の送受液には、例えば、圧電体素子の機械的変位により注入ポートの内壁に形成されたキャビティの容積を変化させ、キャビティ内の試料を送液するピエゾジェット方式であってもよく、また、熱の印加により急激に蒸気が発生することにより試料を送液するバブルジェット方式であってもよい。検出器が検出したデータに基づいて注入ポートからチャネルへの試料の送受液量を調整する制御部を備えることで、試料の化学反応の状態に応じて送受液量をフィードバック制御することができる。
【０００８】
圧電体素子を駆動源とするピエゾジェット方式であれば、０．５ｐｌ乃至６０ｐｌの分解能でチャネルとの間で送受液することができるため、注入ポートとチャネル間の送受液を精密な精度で実現することができる。
【０００９】
化学反応の検出手段として、光学的に検出する手段が好適である。マイクロ領域での検出に優れているためである。
【００１０】
注入ポートのキャビティ内へ試料を供給するための構成として、タンクに貯蔵された試料を圧電体素子の駆動によってキャビティ内へ導入し、さらにチャネルへ送液するように構成してもよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、各図を参照して本実施の形態について説明する。
【００１３】
図１にマイクロリアクタ１０の模式的な概念図を示す。マイクロリアクタ１０はシリコン基板１１を微細加工することで製造することができ、注入ポート１２、１３、チャネル１４、及び排出ポート１５を備えて構成されている。チャネル１４は注入ポート１２、１３、及び排出ポート１５を相互に連通する流路であり、Ｔ字型リアクタを構成する。注入ポート１２、１３に注入された試料はチャネル１４を介して合流し、当該合流箇所からチャネル１４の下流側がリアクタとして機能する。以下、チャネル１４のうち化学反応が生じている部分をリアクタという。反応後の試料は排出ポート１５から回収される。尚、説明を簡略するため、同図においては、後述する半導体レーザ２２、光センサ２３、及び計測／制御部２４等は図示していない。
【００１４】
図２は図１のＡ−Ａ断面図である。シリコン基板１１の表面に形成されたチャネル１４上には平板１７が貼り合わされており、チャネル１４を密封している。また、注入ポート１２、１３からチャネル１４内へ試料を供給できるように、各ポートに対応する位置には貫通孔（オリフィス）１６が開口している。注入ポート１２，１３は圧電体素子１８、振動板１９、及び側壁２０から構成されている。注入ポート１２，１３の内壁とシリコン基板１１によって、試料を充填するためのキャビティ２１が形成される。圧電体素子１８は電気エネルギーを機械エネルギーに変換する素子であり、逆圧電効果によって変位する圧電性セラミックス、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）を備えている。この圧電セラミックスに電圧を印加すると、圧電体素子１８は膜厚方向に膨張するとともに、幅方向に収縮する。この収縮によって圧電体素子１８と振動板１９の界面に圧縮応力が働き、キャビティ２１の容積が変化する。この結果、キャビティ２１内の試料が貫通孔１６を介してチャネル１４へ送液可能となる。圧電体素子１８は数ＭＨｚの振動周波数で駆動することができるため、精密な送受液制御に好適である。振動板１９はシリコン酸化膜、シリコン窒化膜等の絶縁膜で構成されている。
【００１５】
平板１７は耐熱ガラスのような透明基板から構成されており、リアクタにおける化学反応を光学的に検出することができる。リアクタにおける化学反応の光学的検出手段として、例えば、分光法を利用することができる。同図において、半導体レーザ２２から射出した入射光は平板１７及びリアクタ内の反応生成物を透過し、リアクタの壁面で反射した後に光センサ２３によって検出される。計測／制御部２４は入射光の強度と反射光の強度を測定して、リアクタ内の反応生成物量を定量する。計測／制御部２４は注入ポート１２，１３における圧電体素子１８の駆動制御回路を備えており、リアクタ内の反応生成物量を参照して注入ポート１２，１３における試料の送受液量を０．５ｐｌ〜６０ｐｌの範囲で調整可能に構成されている。
【００１６】
尚、リアクタにおける化学反応の検出方法として、上記の他にレーザ蛍光検出器を用いてもよい。レーザは対物レンズを用いることで効率良く集光することができ、高感度の検出を行うことができる。また、マイクロリアクタの全面にレーザ光を照射し、試料の注入、化学反応、分離の様子を高感度カメラで撮影することもできる。電気化学検出器や質量分析装置では出口における試料の分析しか行えないが、このような方式ではマイクロリアクタ全体の現象を観察することができる。また、試料の検出に蛍光法や吸光法を利用する場合にはアダマール変換電気泳動分析を併用すると効果的である。
【００１７】
また、反応条件が異なるマイクロリアクタ１０を多数配置し、高感度フィルムやＣＣＤカメラを用いて多数のリアクタ内での反応を同時に観察することで、画像処理等によって最適条件のマイクロリアクタ１０を容易に検出することもできる。
【００１８】
次に、図３を参照してマイクロリアクタの製造工程を説明する。直径４インチ、厚さ０．７ｍｍのシリコン基板１１を用意し、表面を酸化してエッチングマスクを形成した後、フォトレジストを表面に塗布して、チャネルのパターンに合わせて露光／現像処理をした。そして、水酸化カリウム若しくはエチレンジアミン水溶液をエッチング液とした結晶方位依存性エッチング（異方性エッチング）によって、チャネル幅７０μｍ、深さ１μｍのチャネル１４を形成した（図３（Ａ））。異方性エッチングにより、アスペクト比の高い溝（チャネル）を形成することができる。
【００１９】
次いで、注入ポート１２、１３が取りつけられるべき位置に合わせて、集束イオンビーム加工（ＦＩＢ加工）を利用してチャネル１４に貫通孔１６を穿設した（同図（Ｂ））。同図に図示していなが、排出ポート１５に連通する貫通孔も同時に穿設した。平板１７として、耐熱ガラス（商標名：パイレックス）を用い、３５０℃〜４００℃に加熱した状態でシリコン基板１１と平板１７間に５００Ｖ〜１０００Ｖの電圧を印加して陽極接合をした（同図（Ｃ））。
【００２０】
最後に、貫通孔１６の開口位置に合わせて注入ポート１２、１３を取りつければ、マイクロリアクタ１０が完成する（同図（Ｄ））。注入ポート１２，１３は、振動板１９を取りつけた圧電体素子１８を耐溶剤性のエポキシ系接着剤エコボンド（日本エイブルスティック社製）を用いてシリコン基板１１に接着することで形成できる。この接着剤が硬化することで、側壁２０が形成される。また、同図に図示していないが、排出ポート１５についても同様に取り付ける。さらに、半導体レーザ２２、光センサ２３、及び計測／制御部２４等の各種計測機器をマイクロリアクタ１０に取り付ければ、所望の化学反応実験に用いることができる。
【００２１】
尚、注入ポート１２，１３への試料の注入法として、例えば、図４に示すように、タンク３２内に充填した試料４０をシリコンチューブ３１を介してキャビティ２１内へ供給するように構成してもよい。圧電体素子はマイクロポンプ、インクジェット式記録ヘッドのインク吐出駆動源等の電気機械変換素子として利用されているため、圧電体素子１８の駆動力を利用することで、タンク３２内に充填された試料４０をチャネル１４内へ供給することができる。
【００２２】
また、図５に示すように、注入ポート１２，１３を構成する振動板１９をヒンジ２５を介して側壁２０に取り付けることで、振動板１９を開閉可能に構成することもできる。このような構成により、振動板１９を開いた状態で液体吐出ヘッド３０を用いて試料４０をキャビティ２１に充填することができる（液剤配置）。液体吐出ヘッド３０としては、例えば、インクジェットプリンタに用いられるインクジェット式記録ヘッドを利用することができる。当該ヘッドは圧電体素子の体積変化により所望の液体を吐出させるピエゾジェット方式であってもよく、また、熱の印加により急激に蒸気が発生することにより液体を吐出させるバブルジェット方式であってもよい。キャビティ２１に試料４０を充填した後、振動板１９を閉じて圧電体素子１８を駆動すれば、チャネル１４内への試料４０の送受液が可能になる。また、注入ポート１２，１３をシリコン基板１１から脱着可能に構成し、液体吐出ヘッド３０を用いてキャビティ２１内へ直接試料４０を吐出するように構成してもよい。
【００２３】
尚、上記の説明においては、圧電体素子１８の駆動によりキャビティ２１内の試料を送受液するピエゾジェット方式を例に説明したが、熱の印加により急激に蒸気が発生することにより試料を送液するバブルジェット方式を採用してもよい。本方式による場合、抵抗ヒータを含んで構成されるサーマル・エネルギー・ジェネレータに電気パルスを与えることで、試料の液相／気相間の相転移を利用してキャビティ２１内に充填された試料をチャネル１４へ送液する。
（実施例）
上記の構成において、注入ポート１２にＡＴＰ（アデノシン三リン酸）溶液を注入し、注入ポート１３にルシフェリンとルシフェラーゼの混合溶液を注入してリアクタにおけるホタルルシフェラーゼ反応を光学的に観察した。ホタルルシフェラーゼ反応は、酵素ルシフェラーゼがルシフェリン及びＡＴＰを基質として反応が進行する発光反応で、ルシフェリンの酸化に伴って光が発せられるため、リアクタ部分での発光強度をモニタすることにより、反応のアクティビティを知ることができる。ＡＴＰ溶液の濃度をａ、ルシフェリンとルシフェラーゼの混合溶液の濃度をｂとし、注入ポート１２，１３のそれぞれの送液量をドットあたり１０ｐｌ／secの割合に設定し、各注入ポート１２，１３での供給量（ドット数）を変化させ、反応における濃度を変化させたところ、発光強度Ｉは図６のようになった。また、計測／制御部２４において、検出した発光強度に応じて注入ポート１２の送液量を０．１ｐｌ／secの割合に変更し、注入ポート１３の送液量を２０ｐｌ／secの割合に変更したところ、図７のように発光強度が変化した。
【００２４】
以上の実験結果から、圧電体素子１８の駆動周波数を制御することで、チャネル１４への送受液量を微妙に調整し、所望の反応の進行を得る（反応を自在に操作する）ことができることを確認できた。このように、チャネル１４への送受液手段として圧電体素子１８を用いることで、シリンジポンプ或いはダイアフラム型のマイクロポンプでは実現できなかった精度で送受液をすることができ、分子のハンドリングに優れたマイクロリアクタを提供することができる。特に、圧電体素子１８を用いる場合は、圧電セラミックスの組成を選択することで多種類の駆動波形を得ることができるため、マイクロリアクタにおける送受液手段として好適である。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、注入ポートとチャネル間の送受液を精密な精度で実現するマイクロリアクタを提供することができる。また、注入ポートのキャビティ内への試料の注入を精密な精度で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】マイクロリアクタの平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】マイクロリアクタの製造工程断面図である。
【図４】注入ポートへの試料供給を説明する図である。。
【図５】注入ポートへの試料供給を説明する図である。
【図６】ホタルルシフェラーゼ反応の実験結果である。
【図７】ホタルルシフェラーゼ反応の実験結果である。
【符号の説明】
１０…マイクロリアクタ、１１…シリコン基板、１２…注入ポート、１３…注入ポート、１４…チャネル、１５…排出ポート、１６…貫通孔、１７…平板、１８…圧電体素子、１９…振動板、２０…側壁、２１…キャビティ、２２…半導体レーザ、２３…光センサ、２４…計測／制御部、２５…ヒンジ、３０…液体吐出ヘッド、３１…シリコンチューブ、３２…タンク、４０…試料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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