(57)【要約】【課題】振動や脈動が少なく、連続的に試料溶液を輸送させて、小型で分解能が高く、単純な構造のマイクロＴＡＳ用分析チップとハンディで高速かつ低消費電力の分析装置を提供する。【解決手段】同一の基板上に形成した１個のマイクロキャピラリ部に、溶液を駆動する超音波駆動部とイオンを駆動する分割電極を持つ電気的試料駆動部、被検出物質をイオン化する紫外線発光ダイオード、ＩＳＦＥＴをイオン検出部を設ける。基板を酸化亜鉛単結晶にすれば、コンパクトな分析チップと分析装置が提供できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶液中の被検出物質を検出するマイクロキャピラリ型のマイクロＴＡＳ用分析チップにおいて、同一の基板上に形成した１個のマイクロキャピラリ部に、少なくとも、溶液を駆動する超音波駆動部と、電気的試料駆動部の分割電極と、前記被検出物質の検出部とを設けてあることを特徴とするマイクロＴＡＳ用分析チップ。
【請求項２】
基板として酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶を用いた請求項１記載のマイクロＴＡＳ用分析チップ。
【請求項３】
電気的試料駆動部の分割電極に進行波電界が発生するようにした請求項１または２のいずれかに記載のマイクロＴＡＳ用分析チップ。
【請求項４】
検出部をイオン検出部とした請求項１から３のいずれかに記載のマイクロＴＡＳ用分析チップ。
【請求項５】
イオン検出部をＩＳＦＥＴとした請求項４記載のマイクロＴＡＳ用分析チップ。
【請求項６】
試料導入口を超音波駆動部の上流側に設けた請求項１から５のいずれかに記載のマイクロＴＡＳ用分析チップ。
【請求項７】
分割電極を有するマイクロキャピラリ部に、溶液中の物質をイオン化するイオン形成部を設けた請求項１から６のいずれかに記載のマイクロＴＡＳ用分析チップ。
【請求項８】
イオン形成部に紫外線発光ダイオードを用いた請求項７記載のマイクロＴＡＳ用分析チップ。
【請求項９】
請求項１から８のいずれかに記載のマイクロＴＡＳ用分析チップを用い、試料溶液リザーバ、キャリア溶液リザーバ、使用済み溶液リザーバ、電源部、発振回路、信号増幅回路、演算回路、メモリ回路、表示部を内蔵した分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、細胞、ＤＮＡなどの生体高分子、細菌などを分析するマイクロＴＡＳ用分析チップおよびこれを用いた分析装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、細胞、ＤＮＡなどの生体高分子、細菌などの極微量物質の高速分析、かつ簡便なＴＡＳであるマイクロＴＡＳが多く提案されている。
【０００３】
従来のマイクロＴＡＳ用分析チップでは、試料とキャリア溶液の溶液およびこれらの混合溶液である試料溶液の移動に、電気的試料駆動として電気泳動の電気浸透流現象を利用しており、機械的なポンプやバルブが必要なく構造が非常に簡単であるが、電気泳動などの電極に印加する電圧により溶液が電気分解を起こすことによる泡の発生や電気化学反応などによる予期しない物質の生成などの問題が起っていた。
【０００４】
また、従来のマイクロＴＡＳ用分析チップでは、マイクロキャピラリの長さが大きくないと分解能が上がらないと言う問題があった。
【０００５】
また、従来、ＤＮＡ分析に関しては蛍光分析を用いる場合が多く，光源、レンズ、フィルタなどからなる光学式の検出装置が用いられ、どうしても大型化して、消費電力も多く、携帯用になり難いという問題があった。
【０００６】
また、従来、分子量の大きい試料の分析には、分解能が小さく、更に分解能が高い質量分析法と組み合わせる必要があり、更に大型化するという問題があった。
【０００７】
また、従来、電気的試料の駆動方法として、電気泳動の代わりに、不平等電界を櫛状電極で発生させて、細胞などの中性分子をイオン化させずに分極させ、マイクロキャピラリ内の分割電極に捕集させるようにする誘電泳動も提案された。しかし、この場合、外部からマイクロポンプで試料溶液を押し出す必要があり、メカニカルな振動、脈流などの問題、しかし、蛍光標識による検出であること、またその誘電泳動は弱く、検出分子の十分な分解能が得られないなどの問題があった。
【特許文献１】特開２００３−４７０１号公報
【特許文献２】特開平９−２８１０７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、振動や脈動が少なく、連続的に試料溶液を輸送させて、小型で分解能が高く、単純な構造のマイクロＴＡＳ用分析チップとハンディで高速かつ低消費電力の分析装置を提供すること目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に係わるは、試料溶液中の被検出物質を検出するマイクロキャピラリ型のマイクロＴＡＳ用分析チップにおいて、同一の基板上に形成した１個のマイクロキャピラリ部に、少なくとも、溶液を駆動する超音波駆動部と、電気的試料駆動部の分割電極と、前記被検出物質の検出部とを設けてあることを特徴とするもので、外部にダイアフラムなどのメカニカルなマイクロポンプが無く、超音波駆動部により連続的に試料溶液の輸送を行わせて、振動や脈動が少なくすると共に、電気的試料駆動部の電極をアレー状に分割して（分割電極）、それぞれの電極間の電圧が試料溶液等の電気分解電圧以下に抑えるようにしながら、試料溶液等のイオンや分極分子に駆動力を与えるようにしている。
【００１０】
本発明の請求項２に係わるマイクロＴＡＳ用分析チップは、基板として酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶を用いた場合であり、少なくとも超音波駆動部、電気的試料駆動部の分割電極と検出部とを酸化亜鉛（ＺｎＯ）結晶上に形成する。酸化亜鉛結晶は、圧電性に優れているので、超音波駆動部が形成できるし、半導体であるのでＩＳＦＥＴの形成もできる。更に、バンドギャップが大きい半導体であるので、可視光に対して透明であり、紫外線発光ダイオードにより紫外線の発光が可能で、イオン形成部にもなり、しかも一体型となり得るので、ハンディなマイクロＴＡＳの分析装置が達成できるという利点がある。
【００１１】
本発明の請求項３に係わるマイクロＴＡＳ用分析チップは、電気的試料駆動部の分割電極に進行波電界が発生するようにしたもので、試料溶液は、超音波駆動部により、一方向に押し出されるが、進行波電界は、試料溶液中の被検出物質であるイオンや分極した分子に更に駆動力を与える。しかし、その進行波電界の進行方向、周期、大きさやマイクロキャピラリ中の分布などとイオンや分極分子の電荷数、質量、形体などとの相対関係で、移動速度が異なるので、この移動速度の違いを利用して、マイクロキャピラリ長が短くとも高分解能が得られるようにしたものである。
【００１２】
進行波電界を形成するための分割電極に印加する電圧をその溶液の電気分解電圧以下に抑えるようにすると、ガスの発生を防ぐことができる。
【００１３】
また、進行波電界をイオンなどの電荷が物理的に移動して応答する時間よりも速くなるように高周波電界が発生するようにすれば、その溶液の電気分解電圧以上の電圧印加でも電気分解によるガスの発生などを無くすことができる。
【００１４】
本発明の請求項４に係わるマイクロＴＡＳ用分析チップは、検出部として、被検出物質のイオン又は分極した電荷を検出するイオン検出部とした場合である。電気的試料駆動部の分割電極に印加された電界により試料溶液中の分子は分極されやすく、イオン検出部では、ほぼ連続するイオン又は分極した電荷を検出するが、被検出物質としてのイオンや分子の分極電荷の変化分を検出するようにすることもできる。
【００１５】
本発明の請求項５に係わるマイクロＴＡＳ用分析チップは、イオン検出部をＩＳＦＥＴとした場合である。基板として半導体基板、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶を用いればＩＳＦＥＴが容易に形成でき、一体化できるという利点がある。
【００１６】
本発明の請求項６に係わるマイクロＴＡＳ用分析チップは、少なくとも試料導入口を超音波駆動部の上流側に設けた場合で、もちろん、キャリア溶液の導入口も超音波駆動部の上流側に設けても良い。ただ、被検試料は、瞬間的に導入するが、キャリア溶液は、初めからマイクロキャピラリ内に導入しておいても良いから、必ずしも、超音波駆動部の上流側に設ける必要もない。被検試料のリザーバとキャリア溶液のリザーバからのマイクロキャピラリを独立に設けておき、これらの混合部となる試料導入口を超音波駆動部の上流側に設けておくことにより、超音波駆動部により駆動された被検試料溶液が、電気泳動などによる被検試料の成分（被検出物質）の分離部および検出部に向かって押し出されるので、超音波駆動部の上流側が負圧になり、被検試料とキャリア溶液とは、混合部を通って超音波駆動部を有する主たるマイクロキャピラリに吸引されることになる。これにより混合部での混合がスムーズになり、かつ微量試料の制御も楽になるという利点がある。
【００１７】
本発明の請求項７に係わるマイクロＴＡＳ用分析チップは、分割電極を有するマイクロキャピラリ部に、溶液中の物質をイオン化するイオン形成部を設けた場合である。溶液中の物質、特に被検出物質をもイオン化することにより、ＩＳＦＥＴなどのイオン検出部で検出しやすくするものである。
【００１８】
本発明の請求項８に係わるマイクロＴＡＳ用分析チップは、イオン形成部に紫外線発光ダイオードを用いた場合で、コンパクトで単純な構造で紫外線を放射させて、マイクロキャピラリ中の被検試料の成分をイオン化させるものである。
【００１９】
本発明の請求項９に係わる分析装置は、請求項１から８のいずれかに記載のマイクロＴＡＳ用分析チップを用い、試料溶液リザーバ、キャリア溶液リザーバ、使用済み溶液リザーバ、バッテリなどの電源部、進行波電界発生や超音波駆動部用の発振回路、ＩＳＦＥＴからの信号の信号増幅回路、分析のための演算回路、分析結果やデータのメモリ回路、分析結果などの表示部を内蔵したものであって、本発明のマイクロＴＡＳ用分析チップ以外は、従来の技術で達成できるものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明のマイクロＴＡＳ用分析チップは、少なくとも、溶液を駆動する超音波駆動部と、電気的試料駆動部の分割電極と、前記被検出物質の検出部とを設けてあり、外部にメカニカルなマイクロポンプが無く、超音波駆動部により連続的な試料溶液の輸送をさせて、振動や脈動が少なく、電気的試料駆動部に分割電極をアレー状に配置して、それぞれの電極間の電圧が試料溶液等の電気分解電圧以下に抑えるようにしてあるから、試料溶液等のイオンや分極分子に容易に、かつ低消費電力で駆動力を与えることができるという利点がある。
【００２１】
少なくとも超音波駆動部、分割電極と検出部とを酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶上に形成できるので、一体型になり、コンパクトなマイクロＴＡＳの分析装置が実現できるという利点がある。
【００２２】
電気的試料駆動部の分割電極に進行波電界が発生するようにしてあるから、その進行波電界の進行方向、周期、大きさやマイクロキャピラリ中の分布などとイオンや分極分子の電荷数、質量、形体などとの相対関係を利用し、マイクロキャピラリ長が短くとも高分解能が達せられるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
超音波駆動部、電気的試料駆動部の分割電極と検出部とを半導体材料である酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶上に形成し、酸化亜鉛の圧電性を利用して超音波駆動部を形成し、分割電極に水溶液の電気分解以下の電圧である２．１Ｖ以下の進行波電界電圧が印加されるようにし、さらに、酸化亜鉛の半導体的性質を利用して検出部をＩＳＦＥＴとして、被検出物質のイオンもしくは分極電荷を検出するようにして実現した。また、被検出物質のイオン化には、やはり酸化亜鉛の半導体的性質を利用して、紫外線発光ダイオードを形成してイオン形成部として実現した。
【実施例１】
【００２４】
図１は、本発明のマイクロＴＡＳ用分析チップの一実施例の断面概略図であって、透明で、圧電性材料で、かつ半導体材料である酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶を基板１にして本装置を構成した場合である。基板１上に、例えば、石英ガラス板からなるマイクロキャピラリ１０のカバー５を貼り付けて置き、ここに形成してあるキャリア溶液導入口１２から緩衝液などのキャリア溶液をマイクロキャピラリ１０に導入しておき、更に被検試料溶液を試料導入口１１からマイクロキャピラリ１０に注入し、マイクロキャピラリ１０の途中に形成されてある超音波駆動部でキャリア溶液と被検試料溶液の混合溶液をマイクロキャピラリ１０に吸い込み、イオン化部３０、電気的試料駆動部４０、及びイオン検出部５０を経てマイクロキャピラリ１０の他端にある試料・キャリア流出口１５から使用済みの試料溶液とキャリア溶液の混合液を流出させるものである。
【００２５】
マイクロキャピラリ１０途中に設けられた各部について説明すると、被検試料溶液をマイクロキャピラリ１０内で物理的に駆動するためのＳＡＷ素子を持つ超音波駆動部２０、紫外線発光ダイオードなどで被検出物質をイオン化させるためのイオン化部３０、分割電極４５を利用して進行波電界を発生させて、電気泳動の電気浸透流による被検試料溶液の駆動とイオン化した被検出物質の駆動とを同時にさせる電気的試料駆動部４０、更にＩＳＦＥＴを用いた被検出物質のイオン検出部５０を有している場合である。
【００２６】
更に詳細に説明すると次のようである。基板であるｎ型のＺｎＯ単結晶は、バンドギャップの大きく可視光線に対して透明な半導体である。ｎ型に対してｐ型の導電領域が形成され難いが、ＺｎＯ単結晶の亜鉛（Ｚｎ）の代わりに、銅（Ｃｕ）を置換型で形成することによりｐ型半導体的になるので、ほぼｐｎ接合的な接合形成が可能である。また、ショットキ接合は容易に形成できる。このようにして、ｎ型ＺｎＯ単結晶のマイクロキャピラリ１０に対応する領域の一部に、イオン化部３０としてのＺｎＯ単結晶のｐｎ接合もしくはショットキ接合への正孔注入による紫外線の発光ダイオードを形成、更に、イオン検出部５０として、ソースとドレインとをｐ型的領域としたｐチャンネンル型のＩＳＦＥＴを形成している。ゲートには、例えば、酸化タンタル膜を形成して、イオン感応膜として作用させている。また、参照ゲート電極５５は、マイクロキャピラリ１０を挟んでゲートに対向する位置のカバー５の表面で被検試料溶液に接触するように形成してある。もちろん、イオン感応膜として酸化タンタル膜以外に、被検出物質のイオン選択性をもつ感応する薄膜を形成しても良い。
【００２７】
また、ＺｎＯ単結晶は圧電性材料であるので、その表面に櫛状電極形成して交流信号を印加することにより、既知のＳＡＷデバイスとして進行波の表面弾性波を発生させて、そこに接しているキャリア溶液を一方向に駆動させるようにしている。
【００２８】
マイクロキャピラリ形成用のカバー５は、例えば、ガラス板やプラスチック板、または、感光性プラスチック層に、幅１００ミクロンメートル（mm）、深さ５０mm、長さ３ｍｍ程度のマイクロキャピラリ（チャンネル）１０を１本または複数本形成し、更に、キャリア溶液導入口１２、試料導入口１１及び試料・キャリア流出口１５をマイクロキャピラリ１０に届くように形成してある。
【００２９】
ここには図示してい無いが、実際には、上述のキャリア溶液導入口１２、試料導入口１１及び試料・キャリア流出口１５には、各溶液のリザーバが取り付けられる。これらのリザーバは、厚めのカバー５内に直接形成しても良い。
【００３０】
本発明のマイクロＴＡＳ用分析チップは、従来と同様、被検試料溶液と緩衝液のキャリアを、それぞれの導入口である試料導入口１１とキャリア溶液導入口１２から注入し、試料・キャリア流出口１５から排出するものであるが、次のような特徴がある。
ＺｎＯ単結晶上にマイクロキャピラリ１０を形成してあるので、その圧電性を利用した超音波駆動部２０のポンプ作用でキャリア溶液と被検試料溶液との混合液を連続的にマイクロキャピラリ１０内に流入させる。
【００３１】
その下流側に、イオン化部３０として紫外線発光ダイオードを形成して、被検出物質がイオン化していない場合は、強制的にイオン化させるようにする。
また、マイクロキャピラリ１０の途中に電気的試料駆動部４０としての、例えば、電気泳動用の分割電極４５を形成して、進行波電界を作り、イオン又は分極電荷を一方向に加速又は減速させて、マイクロキャピラリ１０内のイオン移動を変化させる。更に、途中にメッシュのような物理フィルタリングと組み合わせることにより、被検試料溶液内のイオンや分子の移動速度に差を付ける事もできる。
【００３２】
また、イオンや分極電荷の分析は、基板１の材料であるＺｎＯ単結晶を用いたＩＳＦＥＴを形成して行う。
【００３３】
更に、ここでは図示してい無いが、分析装置を構成する駆動用発振回路や増幅回路などの周辺回路は、基板１のＺｎＯ単結晶に形成したＦＥＴにより行うこともできる。このようにして、オンチップマイクロＴＡＳ用分析チップと分析装置と更に小型に実現できので、ハンディな分析装置が達成される。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
半導体であり、バンドギャップが広く透明であり、しかも圧電性に優れた単結晶のＺｎＯ基板が容易に手に入るようになった。一つのＺｎＯ単結晶基板に、被検試料溶液をマイクロキャピラリ内を駆動させる超音波駆動部と、被検出物質のイオン化用の紫外線発光ダイオードからなるイオン化部、電気泳動などの電気的試料駆動部の分割電極と、被検出物質のイオンまたは分極電荷を検出するためのＩＳＦＥＴからなるイオン検出部とを形成し、そのカバーにマイクロキャピラリや各種溶液の導入口や流出口を設けるようにする。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明のマイクロＴＡＳ用分析チップの一実施例の断面概略図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  基板
５  カバー
１０  マイクロキャピラリ
１１  試料導入口
１２  キャリア溶液導入口
１５  試料・キャリア流出口
２０  超音波駆動部
３０  イオン化部
４０  電気的試料駆動部
４５  分割電極
５０  イオン検出部
５５  参照ゲート電極
【図１】
2005283173.tif 000003