(57)【要約】【課題】外部に別に設置した濃縮装置を用いることなく、装置内部で液体試料を、不純物による汚染を低減して濃縮することが可能な化学分析方法を提供する。【解決手段】基板上に液槽、流路、流体制御素子および検出素子を有し、前記基板上で液体試料を用いて化学分析および化学合成を行う化学分析方法において、前記液体試料を発熱体素子により加熱して溶媒を蒸発させることにより濃縮する化学分析方法。発熱体素子は液槽内または流路内に設けられている。前記発熱体素子を有する液槽もしくは流路を構成する面の一部もしくは全部が気体成分が透過可能で、液体成分が透過不可能な材質で形成されている。【選択図】　　　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に液槽、流路、流体制御素子および検出素子を有し、前記基板上で液体試料を用いて化学分析および化学合成を行う化学分析方法において、前記液体試料を発熱体素子により加熱して溶媒を蒸発させることにより濃縮することを特徴とする化学分析方法。
【請求項２】
前記液槽内に発熱体素子を有することを特徴とする請求項１に記載の化学分析方法。
【請求項３】
前記流路に形成された全ての弁を閉状態にして前記液槽にて濃縮することを特徴とする請求項１または２記載の化学分析方法。
【請求項４】
前記流路内に発熱体素子を有することを特徴とする請求項１または２記載の化学分析方法。
【請求項５】
前記発熱体素子が薄膜抵抗体であり、前記薄膜抵抗体が流路もしくは液槽を構成する面上に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの項に記載の化学分析方法。
【請求項６】
前記発熱体素子を有する液槽もしくは流路を構成する面の一部もしくは全部が気体成分が透過可能で、液体成分が透過不可能な材質で形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかの項に記載の化学分析方法。
【請求項７】
前記発熱体素子に供給する駆動電圧をパルス状とし、その周波数を制御することで溶媒の濃縮の程度を所望の大きさにすることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかの項に記載の化学分析方法。
【請求項８】
前記発熱体素子に供給する駆動電圧をパルス状とし、そのパルス幅を制御することで溶媒の濃縮の程度を所望の大きさにすることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかの項に記載の化学分析方法。
【請求項９】
基板上に液槽、流路、流体制御素子および検出素子を有し、前記基板上で液体試料を用いて化学分析および化学合成を行う化学分析装置において、前記液体試料を発熱体素子により加熱して溶媒を蒸発させることにより濃縮する濃縮手段を有することを特徴とする化学分析装置。
【請求項１０】
前記液槽内に発熱体素子を有することを特徴とする請求項９に記載の化学分析装置。
【請求項１１】
前記液槽に複数の液体を導入するための流路、および前記液槽で濃縮した液体を液槽から他の槽に導入するための流路を有し、前記流路に液体の流れを制御するための弁を備えていることを特徴とする請求項９または１０記載の化学分析装置。
【請求項１２】
前記流路内に発熱体素子を有することを特徴とする請求項９乃至１１のいずれかの項に記載の化学分析装置。
【請求項１３】
前記発熱体素子が薄膜抵抗体であり、前記薄膜抵抗体が流路もしくは液槽を構成する面上に配置されていることを特徴とする請求項９乃至１２のいずれかの項に記載の化学分析装置。
【請求項１４】
前記発熱体素子を有する液槽もしくは流路を構成する面の一部もしくは全部が気体成分が透過可能で、液体成分が透過不可能な材質で形成されていることを特徴とする請求項９乃至１３のいずれかの項に記載の化学分析装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化学分析方法および装置に関し、特にチップ上で化学分析や化学合成を行う小型化分析システム（μＴＡＳ：Ｍｉｃｒｏ　Ｔｏｔａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　Ｓｙｓｔｅｍ）において、液体試料を濃縮するための化学分析方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、立体微細加工技術の発展に伴い、ガラスやシリコン等の基板上に、微小な流路とポンプ、バルブ等の流体素子およびセンサを集積化し、その基板上で化学分析を行うシステムが注目されている。これらのシステムは、小型化分析システム、μ−ＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｔｏｔａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　Ｓｙｓｔｅｍ）あるいはＬａｂ　ｏｎ　ａ　Ｃｈｉｐと呼ばれている。化学分析システムを小型化することにより、無効体積の減少や試料の分量の大幅な低減が可能となる。また、分析時間の短縮やシステム全体の低消費電力化が可能となる。さらに、小型化によりシステムの低価格を期待することができる。μ−ＴＡＳは、システムの小型化、低価格化および分析時間の大幅な短縮が可能なことから、在宅医療やベッドサイドモニタ等の医療分野、ＤＮＡ解析やプロテオーム解析等のバイオ分野での応用が期待されている。
【０００３】
化学分析においては、試料を分析するための前処理として、試料を一定濃度まで濃縮する必要が生じる場合がある。例えば、液体試料中に含まれる成分を分析するときに、その濃度が極めて低い場合には、そのままでは分析が困難である。このような場合には、液体試料を濃縮し、分析したい成分の濃度を分析可能な濃度まで上げる必要がある。化学分析における試料の濃縮方法としては、例えば、イオン交換樹脂を使用する方法、有機溶媒抽出法、蒸発濃縮法等がある。このうち蒸発濃縮法は、微量成分が含まれた液体試料を蒸発させて、溶剤の量を減少させることによって、溶剤中に含まれた微量成分の濃度を相対的に増加させる方法である。例えば特開平１０−２２２５１号公報や特開２００１−２０５０３１号公報では、化学分析の前処理として試料を加熱、濃縮する装置および方法が開示されている。
【０００４】
μＴＡＳで化学分析を実施する場合でも、当然のことながら試料を濃縮する必要が生じる。上記で述べた従来技術を用いて試料を濃縮した場合は、システム外部で濃縮した試料をμＴＡＳに導入する。この場合、以下に述べる問題が生じる。
【０００５】
システム外部で濃縮作業を実施した場合、高濃度の試料をピペットや注射器を用いてμＴＡＳに導入する。このとき、導入する液体試料の分量にハンドリング等に起因する誤差があると、分析成分の量に及ぼす影響が大きく、最終的な分析データに誤差が生じやすくなる。一方、システム内部で濃縮を実施する場合には、低濃度の試料を導入すれば良いので、導入分量の誤差が最終的な分析結果に及ぼす影響が少なくなり、分析結果の信頼性が向上する。
【０００６】
また、外部で濃縮作業を実施してからμＴＡＳに導入する場合、その手間が煩雑であり、前処理も含めた全体の分析時間が増大し、分析コストが余分にかかってしまう場合がある。また、濃縮およびμＴＡＳへの導入の過程で、試料が不純物に汚染される可能性がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
以上に述べた状況から、μＴＡＳで濃縮を伴う化学分析を実施する場合には、システムの内部に濃縮の役割を果たす機構を備えたシステムが是非とも必要となる。
【０００８】
そこで、本発明の課題は、外部の濃縮装置を用いることなく、化学分析装置の内部で試料を濃縮することが可能な化学分析方法及び装置を提供することである。
また、本発明は、液体試料の濃縮の過程における不純物による汚染を低減することができ、安定した分析データを得ることができる化学分析方法及び装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明の第一の発明は、基板上に液槽、流路、流体制御素子および検出素子を有し、前記基板上で液体試料を用いて化学分析および化学合成を行う化学分析方法において、前記液体試料を発熱体素子により加熱して溶媒を蒸発させることにより濃縮することを特徴とする化学分析方法である。
【００１０】
本発明の第二の発明は、基板上に液槽、流路、流体制御素子および検出素子を有し、前記基板上で液体試料を用いて化学分析および化学合成を行う化学分析装置において、前記液体試料を発熱体素子により加熱して溶媒を蒸発させることにより濃縮する濃縮手段を有することを特徴とする化学分析装置である。
【００１１】
次に、本発明の化学分析方法及び装置の好ましい実施態様を示す。
前記液槽内に発熱体素子を有することが好ましい。
前記流路内に発熱体素子を有することが好ましい。
前記発熱体素子が薄膜抵抗体であり、前記薄膜抵抗体が流路もしくは液槽を構成する面上に配置されていることが好ましい。
前記発熱体素子を有する液槽もしくは流路を構成する面の一部もしくは全部が気体成分が透過可能で、液体成分が透過不可能な材質で形成されていることが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
図１は本発明の化学分析装置の実施形態の一例を示す概念図である。図１（ａ）はＡＡ’線平断面図、図１（ｂ）はＢＢ’線縦断面図を示す。以下、図１を用いて本発明の実施の形態について説明する。
【００１３】
図１に示す化学分析装置は、基板１０１上に、液体試料を収納する液槽１０２〜１０５、液体試料を移動する流路１０６〜１０９、液体試料を加熱する発熱体素子１１０および液体試料を発熱体素子により加熱して溶媒を蒸発させることにより濃縮する濃縮手段１１５を有する。
【００１４】
基板１０１の材質としては、液体試料に対して耐性を有し、かつ発熱体素子の発生する熱に対して耐性がある材料であれば特に制限はない。例えばシリコン等の半導体材料、ガラス材料、金属材料、樹脂材料等が挙げられる。
【００１５】
液体試料としては、例えば水やアルコールを溶媒とした溶液を用いることができる。また、発熱体素子を用いて加熱することにより溶媒を蒸発させることが可能な溶液を液体試料として用いることができる。また本発明の化学分析装置は、例えば酸化還元反応や付加反応のような化学反応のほか、ＤＮＡやタンパク質のような生体成分を用いた生化学反応に用いることができる。
【００１６】
液槽１０５の底面には、発熱体素子１１０が形成されている。発熱体素子１１０は薄膜抵抗体と、該薄膜抵抗体の両端に電圧を印加するための電極（不図示）よりなる。
【００１７】
発熱体素子の構成の具体例を図５に示す。発熱体素子５０１は、基板５０５上に形成されており、薄膜抵抗体５０３の上下両面を絶縁体の保護層５０２で挟んだ構成となっている。薄膜抵抗体５０３の材質としては、金属材料、導電性を持たせたシリコン等の半導体が挙げられる。保護層５０２により、薄膜抵抗体の表面を化学反応から保護することが可能である。保護層５０２の材質としては、薬品耐性が高いものが好ましい。例えば、ＳｉＯ２やＳｉ３Ｎ４等の絶縁材料、Ｔａ等の金属材料が挙げられる。また、薄膜抵抗体の両端は、保護層５０２に形成したコンタクトホールを介して電極５０４に電気的に接続されている。電極５０４を介して薄膜抵抗体の両端に電圧を印加することにより、発熱体素子を加熱することができる。基板５０５と発熱体素子５０１の間には蓄熱層５０６が形成されている。蓄熱層５０６を設けることにより、発熱体素子５０１で発生した熱を、基板５０５側に散逸させることなく、効率良く試料の濃縮に利用することが可能となる。蓄熱層５０６の材質は、熱伝導度が低い材料から選択される。例えば、ＳｉＯ２やＳｉ３Ｎ４等の絶縁体材料が好ましい。
【００１８】
発熱体素子１１０は、試料の濃縮以外にも、化学反応を促進するための試料の加熱にも用いることが可能である。また、発熱体素子１１０は、試料を加熱して脱気する目的にも用いることが可能である。
【００１９】
各液槽および流路は、遮断部１１２により外気から遮断されている。遮断部１１２の材質に関しては、液体試料に対して耐性を有し、かつ発熱体素子の発生する熱に対して耐性がある材料であれば特に制限はない。上面の天板側からの試料の状況の観察や光分析を実施する場合を考えると、ガラス、樹脂等の光透過性の材質を用いることが好ましい。
【００２０】
液槽１０５の上部は気体成分のみが透過可能な材質よりなるシール材１１３でシールされている。シール材１１３は多孔質膜よりなる。多孔質膜を形成する材質としては、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリスルホン、ポリアクリロニトリル、セルロースアセテート等の疎水性高分子が使用可能である。気体成分のみが透過可能な材質を用いることにより、液体試料を外部に漏らすことなく、液槽１０５から蒸発する気体のみを装置外部に除去することが可能となる。また、液槽１０５の上部をシールせず外部に開放する場合と比較して、装置外部からの不純物によりシステム内が汚染する可能性を低くすることが可能となる。
【００２１】
遮断部１１２の液槽１０２〜１０４の上部に対応する部分には、液槽１０２〜１０４に液体試料を導入するための試料導入口１１４が形成されている。
【００２２】
また、図示していないが、液槽１０２〜１０４から液槽１０５に複数の液体を導入するための流路１０６〜１０８、および液槽１０５で濃縮した液体を液槽１０５から他の槽に導入するための流路１０９に液体の流れを制御するための弁を備えていてもよい。流路１０６〜１０９に形成された全ての弁を閉状態にして液槽１０５にて濃縮することにより、濃縮時に液体が液槽１０５の外部への移動がなくなるので、流路に弁が無く開放されている場合と比較して効率よく液体を濃縮することが可能となる。液体の濃縮が十分になされた後、弁を開放することにより、濃縮した液体を反応、分析槽に送液することができる。
【００２３】
次に、本実施形態において液体試料を濃縮する方法を説明する。
まず、試料注入口１１４より液体試料を液槽１０２〜１０４に導入する。各液槽に注入された液体試料は、流路１０６〜１０８を介して液槽１０５に導入される。各液槽に種類の異なる液体試料が導入された場合は、試料同士が液槽１０５において接触し、混合する。その状態で、発熱体素子１１０を加熱することにより、液槽１０５内の液体試料の温度が上昇し、液体試料内の溶媒が蒸発する。それにより、液体試料内の溶質の濃度が相対的に高くなり、液体試料を濃縮することが可能である。蒸発した溶媒は、シール材１１３を介して透過して装置外部に排出される。
【００２４】
液槽１０５で濃縮された液体試料は、流路１０９を介して、化学分析装置の他の部分（例えば、反応・分析部）に送液される。
なお、本実施形態では、液槽１０５内において、濃縮だけでなく、加熱、混合等の処理を行うことも可能である。
【００２５】
図２は本発明の化学分析装置の他の実施形態を示す概念図である。図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）はＣＣ’線断面図を示す。図２の実施形態においては、液槽２０２〜２０４と液槽２０５を接続する流路２０６〜２０８中に発熱体素子２０９〜２１１が形成されている。基板上２０１に形成された遮断部２１２のうち、発熱体素子２０９〜２１１に対応する部分は、気体成分のみが透過可能なシール材２１３でシールされている。本実施形態においては、複数の液体試料が混合する前に液体試料を濃縮することが可能であり、濃縮が必要な試料のみを効率良く、濃縮することが可能である。また、流路２０６〜２０８は、液槽２０５と比較して容積が小さいので、液体試料の温度を短時間で上昇させることが可能となる。
【００２６】
なお、液槽２０２〜２０４内に発熱体素子を形成した場合も、本実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
【００２７】
また、発熱体素子に供給する駆動電圧をパルス状とし、その周波数またはパルス幅を制御することができる。それによって、溶媒の濃縮の程度を所望の大きさにすることができる。
【００２８】
図４は、本発明の化学分析装置の一例を示す概略図である。
本発明の化学分析装置は、基板４０１、試料注入槽（液槽）４０２−４０４、流路４０５、液槽４０６、分離部４０７、流体素子である弁４０８−４１０およびポンプ４１１、検出部４１２からなる。液槽４０６の底面には、発熱体素子４１３が形成されている。図４の化学分析装置では、例えば試料注入槽４０２より分析したい試料を導入し、試料注入槽４０３より移動相（キャリア相）を導入する。移動相、キャリア層の流量は、弁４０８および弁４０９を開閉することにより調整しても良い。導入された移動相およびキャリア相は、液槽４０６において混合する。さらに、発熱体素子４１３を駆動して混合液を加熱することにより、溶媒の一部を蒸発させ濃縮する。混合・濃縮した液体は、ポンプ４１１により分離部４０７に送液され、ここで成分ごとに分離される。分離の方法としては、例えば液体クロマトグラフィ法、電気泳動法等が挙げられる。成分ごとに分離された試料は、検出部４１２において検出される。検出の方法としては、例えば電気化学的検出、蛍光を用いた検出が挙げられる。検出された試料は、廃液として基板外に排出される。なお、図４においては、説明の都合上、システムを外気から遮断するための遮断部は省略してある。
【００２９】
【実施例】
以下、実施例を用いて本発明を、より詳細に説明する。なお実施例中における、寸法、形状、材質、作製プロセス条件は、一例であり、本発明の要件を満たす範囲内であれば、設計事項として任意に変更できるものである。
【００３０】
実施例１
本実施例では、図１に示した化学分析装置を作製し、作製した化学分析装置を用いて化学分析を実施した。
本実施例の化学分析装置の作製方法を説明する。図３は、本実施例の化学分析装置の作製工程を示す工程図である。
【００３１】
まず、シリコン基板（たて２５ｍｍ、よこ３０ｍｍ）３０１上に、熱酸化によりＳｉＯ２　膜３０２を１．０μｍの厚さに形成した。ＳｉＯ２　膜３０２は、発熱体素子３０３で発生した熱が基板３０１側に散逸するのを防ぎ、発熱体素子３０３で発生した熱を、液体試料の濃縮に有効に活用する蓄熱層の役割を果たす。ＳｉＯ２　膜３０２の上に、薄膜抵抗体と該薄膜抵抗体にパルス電圧を印加するための電極（不図示）よりなる発熱体素子３０３を形成した。薄膜抵抗体の材質には、Ｐ（リン）イオンをドープして導電性を持たせた多結晶シリコンを用いた。薄膜抵抗体の表面は保護層であるＳｉＮ膜（不図示）で覆われた構造とした（図３（ａ））。
【００３２】
次に、液槽３０４および液槽３０５となる貫通孔、および流路３０６および流路３０７となる溝をドライエッチングによって形成したシリコン基板３０８と、発熱体素子３０３を形成したシリコン基板３０１とを、エポキシ系の接着剤を用いて貼りあわせた。このとき、発熱体素子３０３が液槽３０５内に配置されるように位置合わせを行った（図３（ｂ））。
【００３３】
次に、試料注入口３０９および蒸発した溶剤を外部に逃がすための開口部３１０をエッチングにより形成したガラス基板３１１を、陽極接合を用いてシリコン基板３０８に接合した。このとき、試料注入口３０９が液槽３０４の上に、開口部が液槽３０５の上に配置されるように位置合わせを行った（図３（ｃ））。
次に、開口部３１０を、多孔質ポリプロピレン平膜よりなるシール部３１２を用いてシールした（図３（ｄ））。
以上の作製工程により、本実施例の化学分析装置が完成した。
【００３４】
図１の化学分析システムを用いて、以下の濃縮処理及び分析を実施した。
まず、ジクロロ酢酸分解細菌であるレノバクター・スピーシズＡＣ株（独立行政法人　産業総合研究所　特許生物寄託センター受託番号：ＦＥＲＭ　Ｐ−１４６４１；特開平８−１４０６６５に記載）を以下の組成の培地中で３０℃で４８時間培養し、増殖した。
【００３５】
２．７ｇ　Ｎａ２　ＨＰＯ４　・２Ｈ２　Ｏ
１．４ｇ　ＫＨ２　ＰＯ４
０．５ｇ　（ＮＨ４　）２　ＳＯ４
０．２ｇ　ＭｇＳＯ４　・７Ｈ２　Ｏ
１ｍｇ　ＦｅＳＯ４　・７Ｈ２　Ｏ
０．１ｇ　ピルビン酸ナトリウム
（蒸留水１Ｌあたり；混合溶解後滅菌）
【００３６】
増殖後、遠心分離により菌体を集め、菌体質重量１ｇあたり３ｍＬになるように、以下の組成の溶液（溶液Ａとする）に再懸濁した。
【００３７】
溶液Ａ：５０ｍＭグリシン／ＮａＯＨ（ｐＨ９．０）溶液に、エチレンジアミン四酢酸及びβ−メルカプトエタノールを何れも最終濃度５ｍＭになるよう加えた溶液
【００３８】
次に、上記懸濁液をフレンチプレス処理し、菌体を破砕した後、遠心分離を行って、上澄としてデハロゲナーゼを含む菌体抽出液を回収した。この溶液を溶液Ｂとする。
次に、溶液Ａにジクロロ酢酸溶液を溶解した溶液を作成した。この溶液を溶液Ｃとする。
【００３９】
上記の溶液Ｂを液槽１０２に溶液Ｃを液槽１０３に、それぞれ注入した。溶液Ｂおよび溶液Ｃは、それぞれ流路１０６および流路１０７を介して、液槽１０５に到達し接触した。液槽１０５において、溶液Ｃ：溶液Ｂを１９：１の割合で混合し、３０℃で５時間ジクロロ酢酸の酵素分解反応を行った。
【００４０】
次に、反応溶液を発熱体素子３０３で１００℃で約３０秒間加熱し、デハロゲナーゼを失活させた後、さらに発熱体素子３０３で加熱して６０℃で反応液の量が当初の１／５になるまで濃縮した。
【００４１】
上で得られた溶液を、流路１０９を介して分析部（不図示）へ送液した。分析部おいて、上記溶液をフィルターでろ過した。さらに、残留ジクロロ酢酸を、イオン交換樹脂充填カラムを設置した高速液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）法（展開溶媒：０．０１Ｎ硫酸水溶液／アセトニトリル＝９５／５、２１０ｎｍの吸光度を検出）により測定した。また、生成塩化物イオンを、電極法により測定した。その結果、残留ジクロロ酢酸濃度は１０．８×１０−３ｍｏｌ／ｌであり、生成塩化物イオン濃度は（ｐｐｍからの換算値）７９．０ｍＭであった。
【００４２】
本実施例では、低濃度の液体試料を化学分析装置（μＴＡＳ）に導入し、装置内で濃縮処理を行った後、分析を実施した。これにより、ハンドリング等に起因する導入量の誤差の影響を低減することができ、安定した分析データを得ることができた。また、濃縮の過程における不純物による汚染の可能性を低減することができた。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、外部に別に設置した濃縮装置を用いることなく、装置内部で試料を濃縮することが可能な化学分析方法および装置を提供することができる。
また、本発明は、液体試料の濃縮の過程における不純物による汚染を低減することができ、安定した分析データを得ることができる化学分析方法及び装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の化学分析装置の実施形態の一例を示す概念図である。
【図２】本発明の化学分析装置の他の実施形態を示す概念図である。
【図３】本発明の化学分析装置の作製方法を示す工程図である。
【図４】本発明の化学分析装置の一例を示す概略図である。
【図５】発熱体素子の構成を示す概略図である。
【符号の説明】
１０１、２０１、４０１、５０５　基板
１０２〜１０５、２０２〜２０５、３０４〜３０５、４０６　液槽
１０６〜１０９、２０６〜２０８、３０６〜３０７、４０５　流路
１１０、２０９〜２１１、３０３、４１３、５０１　発熱体素子
１１１、５０６　蓄熱層
１１２、２１２　遮断部
１１３、２１３　シール材
１１４、３０９　試料注入口
１１５　濃縮手段
３０１、３０８　シリコン基板
３０２　ＳｉＯ２　膜（蓄熱層）
３１０　開口部
３１１　ガラス基板（遮断部）
４０２〜４０４　試料注入槽（液槽）
４０７　分離部
４０８〜４１０　弁
４１１　ポンプ
４１２　検出部
５０２　保護層
５０３　薄膜抵抗体
５０４　電極
【図１】
2004053371.tif 000002
【図２】
2004053371.tif 000003
【図３】
2004053371.tif 000004
【図４】
2004053371.tif 000005
【図５】
2004053371.tif 000006