(57)【要約】【課題】  複雑な流路構造を必要とせず、且つ製造コストも安価であり、しかも発生する縦波による定在波の発生をなくす構造をもつ分析用マイクロリアクターを提供する。【解決手段】  水晶等の圧電振動子をセンサとして用いた分析用マイクロリアクターにおいて、反応流路にセンサより生じる液相中を伝播する振動（縦波）の進路を変える構造を持つように構成した。【選択図】  図１
2005345183.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に、反応槽と、圧電振動子からなるセンサと、分析用の液体を供給する供給路と、液体を外部へ排出するための廃液路とが設けられている分析用マイクロリアクターであって、前記反応槽内に前記センサが配置され、前記センサによって液相中に生じた縦波が前記センサの共振に影響を与えないように、前記縦波の伝搬方向を制御して縦波による定在波の発生をなくす伝搬方向制御構造を有することを特徴とする分析用マイクロリアクター。
【請求項２】
前記伝搬方向制御構造は、前記センサに形成された電極面と、該電極面が対向する前記反応槽の天井面と、の少なくともいずれかが互いに対して傾斜角度を有するように構成された傾斜構造であることを特徴とする請求項１に記載の分析用マイクロリアクター。
【請求項３】
前記反応槽内部にある前記センサが、前記基板面に対して傾斜して設置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の分析用マイクロリアクター。
【請求項４】
前記傾斜構造は、前記反応槽内部にある前記センサの傾斜面及び前記反応槽の天井面の少なくともいずれかが前記供給路の接続口方向に向いて傾斜面を有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の分析用マイクロリアクター。
【請求項５】
前記伝搬方向制御構造として、前記反応槽内の前記基板と対向する天井面が前記基板面に対して傾斜していることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の分析用マイクロリアクター。
【請求項６】
前記基板面を基準として、前記供給路の高さが前記廃液路の高さよりも高く形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の分析用マイクロリアクター。
【請求項７】
前記圧電振動子は、水晶振動子であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の分析用マイクロリアクター。
【請求項８】
前処理工程を行う前処理工程機能を更に有することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の分析用マイクロリアクター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体分子の相互作用等の分析に用いられる分析用マイクロリアクターに関する。特に、水晶等の圧電材料を用いた振動子の電極表面を液体中に晒し、それに特異的に吸着する酵素、抗体、たんぱく質、ホルモンなどの化学物質を測定するＱＣＭ（Ｑｕａｒｔｚ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ）型バイオセンサ技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電材料に水晶を用いたものはＱＣＭ（Ｑｕａｒｔｚ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｂａｒａｎｃｅ）と呼ばれ、ＡＴカットの水晶板の両面に金属薄膜電極を形成した構造をもつ。この金属薄膜電極対に発振回路を接続し電圧を印加すると水晶板の厚さに反比例した周波数で発振する振動子を構成するができ、この金属薄膜電極上に物質が付加されると振動子全体の固有振動数が変化し、この振動数変化を利用し金属薄膜電極上に付着した物質の質量を検出することにより特異的に吸着したたんぱく質等を分析するＱＣＭ型バイオセンサといったセンサを構成することができる。
【０００３】
また、近年、微小反応装置、またはマイクロリアクターなどと呼ばれるバイオ分析医療分野等で用いられるバイオ分析用チップの開発が盛んになってきている。このようなマイクロリアクターは、コンパクトで安価なため、たとえば人の健康状態を家庭で定期的に検査したり、あるいは創薬のためのたんぱく相互作用を分析したりすることに適しているといわれており、特に、このような目的に用いるマイクロリアクターでは、少量のサンプルで動作することが望ましく、市場からの要求も強い。
【０００４】
このＱＣＭを用いた測定において、測定に必要な振動モードは厚み滑り振動であるが、実際には振動子からは、この厚み滑り振動とは直行する縦方向の振動、即ち縦波も発生している。液相中における測定においては、この縦方向の振動により発生した縦波が、サンプル溶液の流れる流路の天井面や側壁などの界面で反射するため、測定に用いる共振周波数が特に天井面の高さに依存することが報告されている（例えば、非特許文献１参照。）。そして、この縦方向振動が天井面で反射し振動子に戻ってくることによって生じる定在波が測定のノイズ源として問題となっている。
【０００５】
これを解決するために、振動子により液相中に生じた縦波を反射拡散させる構造が既に提案されており、図５（ａ）に、その構造の上面図を、また、図５（ｂ）にＡ−Ａ断面図を示す。１１はＡＴカットの振動子基板、１２、１３は電極、１４は流路形成基板、１５は試料溶液が流れる流路、１６は反射拡散構造、１７、１８は電極への配線である。ＱＣＭ測定時に電極１２、１３から生じた縦波が、その直上の流路１５の天井に形成した反射拡散構造１６によって反射拡散する構造を採用している（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００３−２４０６９５号公報
【非特許文献１】Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．  Ｖｏｌ６７，Ｎｏ４．，１９９５，Ｐ６８５−６９３、Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．Ｖｏｌ６７，Ｎｏ１８．，１９９５，Ｐ３３２４−３３３５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
マイクロリアクターでの分析においては、振動子センサの電極上に生化学物質を固定化し、それに特異的に吸着する酵素、抗体、たんぱく質、ホルモンなどの化学物質をｎｇ（ナノグラム）レベル以下の質量変化を読み取ることが必要である。ｎｇ（ナノグラム）レベル以下の測定に対して、振動子から液中にもれ出た縦波による定在波の影響は大きく、定在波が存在するとｎｇ（ナノグラム）レベル以下の測定は全くできない。
【０００７】
上述したように、この縦波による定在波の影響を軽減するために、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示されるように、流路の天井面に反射拡散構造を設ける方法もあるが、反射拡散構造を一様に取り付けただけでは、拡散した縦波が必ずしも振動子センサ面に戻らないとは断言できない。しかも、流路形状が複雑になるため、高い加工精度が要求され、製造コストも高価となる。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、複雑な流路構造を必要とせず、且つ製造コストも安価であり、しかも発生する縦波による定在波の発生をなくす構造をもつ分析用マイクロリアクターを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、分析用マイクロリアクターにおいて、振動子センサによって液相中に生じた縦波がセンサである振動子面の共振に影響を与えないように、縦波の伝搬方向を制御して縦波による定在波の発生をなくす伝搬方向制御構造を採用したものである。
【００１０】
具体的には、振動子センサによって液相中に生じた縦波が対向する直上の天井面に対して垂直に当たり、そのまま振動子センサに跳ね返ってこないように、振動子センサ電極面と、この振動子センサ電極面が対向する反応槽部の天井面との少なくともいずれかが互いに対して傾斜角度を有するように構成された伝搬方向制御構造である。更に、より具体的には、振動子センサによって液相中に生じた縦波が反応槽部の天井面に対して垂直に当たらないように、基板及び天井面に対して角度を付けて振動子センサを固定している。
また、天井面に対して反射する縦波の伝搬方向が直下の振動子センサの電極が付いた振動部方向へ向かわないように、基板面に対して天井面が角度をもった構造である。また、好ましくは、これらの両方の構造を同時にあわせ持った構造、即ち、振動子センサの電極面も、また対向する反応槽の天井面も反応槽に連接する流路側を向いて傾斜面を有し、振動子センサから生じる縦波が該流路方向に伝搬し易いように構成した伝搬方向制御構造である。またさらに好ましくは、振動子センサの電極面は、反応槽に接続されている供給路方向に向くように傾斜して設置し、反応槽の天井面で反射した縦波は供給路方向へ伝搬するような構造である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば簡単な傾斜構造である伝搬方向制御構造を用いるだけで、振動子センサから液中に漏れ出た縦波の進路を変えることができる。そして、この傾斜構造によって縦波の進路を流路方向に向けるため、縦波はセンサ面に戻ることなく定在波は発生しない。ゆえに高精度なバイオセンサを実現でき、それを搭載した分析用マイクロリアクターを安価に提供できる。さらに、振動子センサの傾斜面は供給路方向を向いているため、供給路より進入したサンプル液は生化学物質を固定化している電極面に直接当たり、センサ上での反応効率も向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１（ａ）に、本発明の第１の実施の形態の分析用マイクロリアクターの上面図を、また、図１（ｂ）にＡ−Ａ’断面図を示す。１２１はＡＴカットの水晶基板を用いた振動子センサ、１２２と１２３は電極、１２４は流路形成基板、１３０は基板である。１２５は試料溶液が流れる反応流路であり、試料溶液との反応、及びその反応を測定する反応槽１２８と、試料溶液を反応槽１２８に供給する供給路１２６と、反応槽１２８において測定した後の試料溶液を反応槽１２８から排出する廃液路１２７とからなり、事前に流路形成基板１２４内に所望の反応流路１２５用溝を形成し、溝が形成された流路形成基板１２４と基板１３０を重ね合わせることにより、この溝が反応流路１２５となるように構成されている。
【００１３】
次に、第１の実施の形態に示す分析用マイクロリアクターの細部構成について説明する。振動子センサ１２１は、ＡＴカットされた水晶基板に所定の大きさ、例えば１ｍｍφの金電極１２２、１２３を１０００Åの厚さで蒸着して形成されており、図１（ｂ）に示すように電極１２２面が供給路１２６を向くように所定の傾斜角をもって基板１３０上に設置されている。具体的には、反応槽１２８が形成される部分の基板１３０面上に振動子センサ１２１の長さよりも狭い凹状の穴を設ける。この基板１３０はガラスまたは樹脂が好ましい。この穴のサイズはセンサ１２１を図１の（ｂ）のように取り付けたとき、傾斜角が０．５〜２度の範囲になるようなサイズである。この穴に振動子センサ１２１を図１（ｂ）のように取り付け、反応流路１２５との隙間に接着剤１２９を充填することにより固定する。接着剤１２９振動を閉じ込める為にシリコン系接着剤が好ましい。
そして、流路形状に加工した流路形成基板１２４をかぶせて、基板１３０と接着する。流路形成基板１２４もガラスまたは樹脂で形成し、接着には接着剤を用いる。また、基板材質がガラスとシリコン樹脂ならばパーマネントボンディングを行っても良い。ここで流路の高さは、サンプル溶液の粘度などを考慮し、流れが阻害されないように５０μｍから数百μｍで選択すればよい。また、図示しないが、電極１２２、１２３には外部へ伸びる配線が接続されている。そして、電極１２２上に、たとえばタンパク質の検出であれば、被測定タンパク質の抗原物質を、またＤＮＡ等の検出には、ｃＤＮＡ等を受容体として固定すればよい。なお、金電極とｃＤＮＡとの間はチオール結合を利用すると強固な結合を得ることができる。
【００１４】
以上のように構成した分析用マイクロリアクターに、サンプル溶液を反応流路１２５に流しながら、所定の発振回路より配線を通して電極１２２、１２３に電流を供給すると、電極１２２、１２３に挟まれた部分が共振振動数にて振動する。このとき電極１２２上に固定した受容体に被測定物質が結合すると電極１２２上の質量が増加し、その増加量に比例して振動数が減少する。例えば、２７ＭＨｚの共振周波数を持つ水晶振動子を用いたＱＣＭ測定においては、およそ３０ｐｇ／Ｈｚ程度の振動数の減少となる。
【００１５】
ここで、電極１２２から生じた縦波が、その直上の反応流路１２５の天井面に当たり、図１（ｂ）内に矢印で示した方向に反射することにより、縦波は供給路１２６方向に進み、電極１２２のところの振動部に戻ってこないので、定在波が発生せずに正確な測定が可能となる。
【００１６】
以上のように、本実施の形態は、振動子センサによって液相中に生じた縦波がセンサである振動子面の共振に影響を与えないように、縦波の伝搬方向を制御して縦波による定在波の発生をなくす伝搬方向制御構造として、振動子センサ電極面が対向する反応槽部の天井面に対して傾斜面を有するように構成された振動子センサ傾斜構造を採用したものである。
（第２の実施の形態）
図２（ａ）に、本発明の第２の実施の形態の分析用マイクロリアクターの上面図を、図２（ｂ）にＡ−Ａ’断面図を示す。２２１はＡＴカットの水晶基板を用いたセンサ、２２２、２２３は電極、２２４は流路形成基板、２２５は試料溶液が流れる反応流路、２２６は供給路、２２７は廃液路、２２８は反応槽、２３０は基板である。反応槽２２８とその天井部の構成を除き、前述の第１の実施の形態と同様の機能を有し、本実施の形態は反応槽２２８の天井面が流路方向に対して傾斜する傾斜面を更に有している点で第１の実施の形態と相違する。
【００１７】
本実施の形態では、図２に示す反応流路２２５の天井面が傾斜しており、前記基板面を基準として、前記供給路の高さが前記廃液路の高さよりも高く形成されている。傾斜角度は０．５〜５度の範囲となるようにする。ここで電極２２２から生じた縦波が、その直上の反応流路２２５の天井面当たり、図２（ｂ）内に矢印で示した方向に反射することにより、縦波は供給路２２６方向に進み、電極２２２のところの振動部に戻ってこないので、定在波が発生せずに正確な測定が可能となる。
【００１８】
本実施の形態の傾斜した天井面を持つ構造は、水晶子センサ２２１の傾斜角度が０．５度以下になってしまうような余り角度が取れない場合に有効である。
【００１９】
このように、本実施の形態は、振動子センサによって液相中に生じた縦波がセンサである振動子面の共振に影響を与えないように、縦波の伝搬方向を制御して縦波による定在波の発生をなくす伝搬方向制御構造として、振動子センサ電極面が対向する反応槽部の天井面に対して傾斜面を有するように構成された振動子センサ傾斜構造と、反応槽部の天井面が対向する振動子センサ電極面に対して傾斜面を有するように構成された天井面傾斜構造とをあわせ持った複合型傾斜構造を採用したものである。
（第３の実施の形態）
図３（ａ）に、本発明の第３の実施の形態の分析用マイクロリアクターの上面図を、図３（ｂ）にＡ−Ａ’断面図を示す。３２１はＡＴカットの水晶基板を用いたセンサ、３２２、３２３は電極、３２４は流路形成基板、３２５は試料溶液が流れる反応流路、３２６は供給路、３２７は廃液路、３２８は反応槽、３３０は基板である。反応槽３２８とその天井部の構成を除き、前述の第１または第２の実施の形態と同様の機能を有し、本実施の形態は反応槽３２８の天井面のみが流路方向に対して傾斜する傾斜面を有している点で第２の実施の形態と相違する。
【００２０】
以下、第３の実施の形態に示す分析用マイクロリアクターの細部構成について説明する。振動子センサ３２１は、ＡＴカットされた水晶基板に所定の大きさ、例えば１ｍｍφの金電極３２２、３２３を１０００Åの厚さで蒸着して形成されており、図３（ｂ）に示すように電極３２２面が反応流路３２５を形成する基板３３０面と面一になるように基板３３０上に設置されている。具体的には、反応槽３２８が形成される部分の基板面上に振動子センサ３２１の長さより少し大きい凹状の穴を段状に設ける。この基板３３０はガラスまたは樹脂を用いる。穴は段差を持っており、センサ３２１を図３の（ｂ）のように取り付けることが好ましい。この穴に水晶振動子センサ３２１を取り付け、反応流路３２５との隙間に接着剤３２９を充填することにより固定する。接着剤は３２９には振動を閉じ込める為にシリコン系接着剤を用いる。
そして、流路形状に加工した流路形成基板３２４をかぶせて、基板３３０と接着する。流路形成基板３２４もガラスまたは樹脂で形成し、接着には接着剤を用いる。また、基板材質がガラスとシリコン樹脂ならばパーマネントボンディングを行っても良い。ここで流路の高さは、第１の実施の形態と同様である。また、図示しないが、電極３２２、３２３には外部へ伸びる配線が接続されている。また、使用方法は前述の第１の実施の形態、または第２の実施の形態と同様である。
【００２１】
本実施の形態では、図３に示す反応槽３２８の天井面が傾斜しており、前記基板面を基準として、前記供給路の高さが前記廃液路の高さよりも高く形成されている。傾斜角度は０．５〜５度の範囲となるようにする。ここで電極３２２から生じた縦波が、その直上の反応槽３２８の天井面に当たり、図３（ｂ）内に矢印で示した方向に反射することにより、縦波は供給路３２６方向に進み、電極３２２のところの振動部に戻ってこないので、定在波が発生せずに正確な測定が可能となる。
【００２２】
本実施の形態の傾斜した天井面を持つ構造は、反応槽３２８の流路高さが余りにも低い場合や第１、第２の実施の形態に示したように基板３３０上にセンサ３２１を載せることによって生じる排水路３２７が接続されている側の急激な流路高さ変化がサンプルの流動に悪影響を及ぼす場合に有効な構造である。
【００２３】
このように、本実施の形態は、振動子センサによって液相中に生じた縦波がセンサである振動子面の共振に影響を与えないように、縦波の伝搬方向を制御して縦波による定在波の発生をなくす伝搬方向制御構造として、反応槽部の天井面が対向する振動子センサ電極面に対して傾斜面を有するように構成された天井面傾斜構造のみを採用したものである。
（第４の実施の形態）
本実施の形態は、第１〜第３の実施の形態において示した水晶基板を用いたセンサ、電極、流路形成基板、試料溶液が流れる反応流路、供給路、廃液路、反応槽、基板の他に、更に前処理工程を行う前処理要素を追加して構成した点で、第１〜第３の実施の形態と相違する。以下、図４を用いて説明する。
図４に示す分析用マイクロリアクターの例では、サンプル導入路４３２から分析対象の溶液を分析用マイクロリアクターに入れ、前処理要素（前処理工程部）４３１においてサンプル（試料溶液）の分離、抽出処理を施し、反応槽４２８に導入される。
【００２４】
前処理工程には、その他混合／反応、フィルタ、バルブなどさまざまな機能が必要な場合があるが、ここではそれらの詳細は述べない。また前処理工程に、反応など特別な試薬が必要な場合があり、別途その試薬を導入する経路や導入口が必要な場合もある。
【００２５】
一方、サンプル液の移動には、ポンプによる機械的なものや、電気浸透などを利用した電気的なものなどが広く用いられる。反応槽４２８には、振動子（ＱＣＭ）センサ４２１が配線されて接続されている（図４では、裏面側の配線等は示していない）。検出を終えたあとのサンプル溶液は、排出路４２７より排出される。
【００２６】
ここで電極４２２から生じた縦波が、その直上の反応流路４２５の天井面当たり供給路４２６方向に反射することにより、電極４２２のところの振動部に戻ってこないので、定在波が発生せずに正確な測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１の実施の形態の分析用マイクロリアクターの上面図及び断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態の分析用マイクロリアクターの上面図及び断面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態の分析用マイクロリアクターの上面図及び断面図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態の分析用マイクロリアクターの上面図及び断面図である。
【図５】従来の分析用マイクロリアクターの上面図及び断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１１      振動子基板
１２      電極
１３      電極
１４      流路形成基板
１５      流路
１６      反射拡散構造
１７      配線
１８      配線
１２１    振動子センサ
１２２    電極
１２３    電極
１２４    流路形成基板
１２５    反応流路
１２６    供給路
１２７    廃液路
１２８    反応槽
１２９    接着剤
１３０    基板
２２１    振動子センサ
２２２    電極
２２３    電極
２２４    流路形成基板
２２５    反応流路
２２６    供給路
２２７    廃液路
２２８    反応槽
２２９    接着剤
２３０    基板
３２１    振動子センサ
３２２    電極
３２３    電極
３２４    流路形成基板
３２５    反応流路
３２６    供給路
３２７    廃液路
３２８    反応槽
３２９    接着剤
３３０    基板
４２１    振動子センサ
４２２    電極
４２３    電極
４２４    流路形成基板
４２５    反応流路
４２６    供給路
４２７    廃液路
４２８    反応槽
４３０    基板
４３１    前処理要素
４３２    サンプル導入路
【図１】
2005345183.tif 000003
【図２】
2005345183.tif 000004
【図３】
2005345183.tif 000005
【図４】
2005345183.tif 000006
【図５】
2005345183.tif 000007