流体デバイス
【課題】外部電源を必要としない自立型の流体デバイスを提供する。
【解決手段】基板２に形成された流路３の始端部に、測定対象の試料溶液を流路３に送液するためのポンプ５を設ける。また、流路３の途中には、試料溶液又はその中に含まれている成分を検出するための検出部６を設け、流路３の終端部には、分析後の試料溶液を排出するための排出孔７を設ける。更に、基板２に、ポンプ５及び検出部６を駆動させる動力源として酵素電池４を設け、酵素電池４とポンプ５及び検出部６とを電気的に接続する。
【解決手段】基板２に形成された流路３の始端部に、測定対象の試料溶液を流路３に送液するためのポンプ５を設ける。また、流路３の途中には、試料溶液又はその中に含まれている成分を検出するための検出部６を設け、流路３の終端部には、分析後の試料溶液を排出するための排出孔７を設ける。更に、基板２に、ポンプ５及び検出部６を駆動させる動力源として酵素電池４を設け、酵素電池４とポンプ５及び検出部６とを電気的に接続する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酵素電池を動力源として使用した流体デバイスに関する。より詳しくは、内部電源を備えた自立型の流体デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
ゲノム解析に代表されるように、２１世紀の生命科学や健康医療においては、膨大なゲノム情報を先駆けて獲得することが極めて重要な課題となっている。そこで、これらの分野では、従来の分析方法をより高速化、及びハイスループット化するための技術開発が進められている。近年、その有力な解決方法として、半導体技術を利用したナノ・マイクロ流体デバイスを用いる方法が注目されており、研究開発が盛んに行われている。その結果、ナノ・マイクロ流体デバイスを用いたＤＮＡシークエンサーが実用化され、ゲノム解析のスピードが一変した。更に、このようなナノ・マイクロ流体デバイスを用いた研究開発は、ＤＮＡに代表されるゲノム解析のみならず、生化学、化学合成及び医学等のあらゆる分野で利用され始められている。
【０００３】
例えば、代表的な腫瘍マーカーであるＡＦＰ（α‐fetoprotein）を分析する場合は、通常、血液を採取し、マーカーの分離・定量分析を行う。このとき、マーカーを分離するために、流路に流体サンプルを流す必要がある。また、マーカーの定量分析を行う際は、一般に、レーザ光を照射して、マーカー分子との相互作用により発生する蛍光を検出しているため、マーカー分子にレーザ光を照射するための光源、及び蛍光を検出するためのＰＭＴ（Photo Multiplier Tube：光電子増倍管）が必要となる。このため、従来の流体デバイスを使用して腫瘍マーカーの分析を行う場合は、外部装置が必須であり、装置が大型になるという問題点がある。
【０００４】
そこで、従来、システム全体を小型化するため、デバイス内にポンプ機構を設けた流体デバイスが提案されている（特許文献１〜３参照）。例えば、特許文献１に記載のマイクロ流体デバイスでは、基板内に微小なダイヤフラム式ポンプ機構を形成し、外部から磁力を印加することにより、ダイヤフラムを変形させて、流路内に送液している。
【０００５】
また、特許文献２及び３には、電気浸透流ポンプを備えた流体デバイスが開示されている。図４は特許文献２に記載された流体デバイスを示す斜視図である。図４に示すように、特許文献２に記載された流体デバイス１００においては、マイクロ流体チップ１０１の上面に、電気浸透流ポンプ１０２がその内部に形成された流路とマイクロ流体チップ１０１に設けられた流路１０３とが連通するように取付けている。この流体デバイス１００では、電気浸透流ポンプ１０２に設けられた電極に電圧を印加することにより、液溜部１０４内の液を流路１０３に送液している。
【０００６】
これらの流体デバイスは、基板上に試料溶液を送液するためのポンプを設けているため、外部に送液装置を設ける必要がなくなり、測定装置を小型化することが可能となる。
【０００７】
一方、駆動用電圧を発生させる電源電圧発生部を備えた流体デバイスも提案されている（特許文献４参照）。特許文献４に記載の生体物質の識別システムは、微細な流路が形成されたシリコン半導体チップ上に、アンテナ部及び電源電圧発生部が設けられており、外部から放射された高周波をアンテナ部で受信し、電源電圧部を介して各構成部位に電源電圧として供給している。
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−０８３２５６号公報
【特許文献２】特開２００６−０２２８０７号公報
【特許文献３】特開２００６−３１１７９６号公報
【特許文献４】特開２００４−３２５２４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前述した従来の技術では、外部装置を完全になくすことはできないという問題点がある。例えば、特許文献１〜３記載された流体デバイスの場合、外部ポンプ並びにそれに付随する配管及び配線は不要になるが、デバイス内に設けられたポンプを駆動させるための電力又は磁力を発生させるための装置が別途必要になる。
【００１０】
一方、特許文献４に記載の流体デバイスは、デバイス内に設けられた電源電圧発生部で電力を発生することができるが、発生できる電圧が小さいため、基板に実装されている全ての部品を駆動させることはできない。
【００１１】
そこで、本発明は、外部電源を必要としない自立型の流体デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る流体デバイスは、流路が形成された基板に、前記流路に送液するためのポンプと、少なくとも前記ポンプに電力を供給する酵素電池とが設けられている。
本発明においては、デバイス内に電源を設けているため、外部電源が不要となる。
この流体デバイスにおいては、前記酵素電池に燃料として測定対象の試料溶液が導入され、前記酵素電池で発生した電力に応じて前記ポンプが駆動して、前記流路内の圧力が変化してもよい。
また、前記基板には、更に、前記流路内を通流する試料溶液に光を照射する発光素子と、前記試料溶液から発せられた光を検出する受光素子とを備えた検出部が設けられており、前記検出部にも前記酵素電池から電力が供給されてもよい。
更に、前記ポンプとしては、例えば、電気浸透流ポンプを適用することができる。
更にまた、前記流路内に生体由来物質又は触媒等が固定化されていてもよい。前記生体由来物質としては、例えば核酸及びタンパク質等が挙げられる。
更にまた、前記基板には電気回路が形成されていてもよく、この電気回路を介して前記酵素電池と前記ポンプ及び／又は前記検出部とを電気的に接続することもできる。このような電気回路としては、例えば、昇圧回路、降圧回路及び整流回路等が挙げられる。
更にまた、前記基板上に検出結果を無線信号にして送信するデータ送信部を設けることも可能である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、デバイス内に電力源として酵素電池を設けているため、ポンプ等に駆動電力を供給するための外部電源が不要となり、自立型の流体デバイスを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。
【００１５】
先ず、本発明の第１の実施形態に係る流体デバイスについて説明する。図１は本実施形態の流体デバイスの構成を模式的に示す斜視図である。図１に示すように、本実施形態の流体デバイス１は、基板２に流路３が形成されており、この流路３の始端部には、流路３に測定対象の試料溶液を通流させるためのポンプ５が設けられている。また、流路３の途中には、試料溶液又はその中に含まれている各種成分を検出するための検出部６が設けられている。そして、流路３の終端部には、分析後の試料溶液を排出するための排出孔７が設けられている。
【００１６】
更に、この流体デバイス１には、ポンプ５及び検出部６を駆動させる動力源として酵素電池４が設けられており、この酵素電池４とポンプ５及び検出部６とは電気的に接続されている。酵素電池４は、負極又は正極の少なくとも一方の電極上に触媒として酸化還元酵素を固定した燃料電池であり、例えばグルコース及びエタノール等のように通常の工業触媒では利用できない燃料から、効率よく電子を取り出すことができるため、高容量でかつ安全性が高い電池である。
【００１７】
本実施形態の流体デバイス１に設けられる酵素電池４の構造は特に限定されるものではないが、例えば、負極と正極とが、プロトン伝導体を介して対向した構造とすることができる。図２は図１に示す酵素電池４の構造の一例を示す断面図である。図２に示す酵素電池４では、負極４１ａ，４１ｂとプロトン伝導体４３ａ，４３ｂとの間に、負極集電体４４ａ，４４ｂを備えている。なお、これら負極集電体４４ａ，４４ｂの配設箇所は特に限定されるものではなく、負極集電体４４ａ，４４ｂを燃料が透過可能な構造にすれば、負極４１ａ，４１ｂと後述する燃料供給部４６との間に設けることも可能である。
【００１８】
また、図２に示す酵素電池４では、正極４２ａ，４２ｂとプロトン伝導体４３ａ，４３ｂとの間に、正極集電体４５ａ，４５ｂを備えている。これら正極集電体４５ａ，４５ｂの配設箇所も特に限定されるものではなく、正極集電体４５ａ，４５ｂが酸素を含む空気等が透過可能な構造であれば、正極４２ａ，４２ｂの図面向かって上部側に設けることも可能である。
【００１９】
更に、図２に示す酵素電池４では、２つの電極（負極４１ａ，４１ｂ、正極４２ａ，４２ｂ）を直列に接続しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、電極の数及び接続方法は必要な電力量に合わせて、適宜設定することができる。
【００２０】
図２に示す酵素電池４では、負極４１ａ，４１ｂにおいて燃料４７の酸化反応が生じて電子を放出し、この電子が負極集電体４４ａ，４４ｂ及び正極集電体４５ａ，４５ｂを介して正極４２ａ，４２ｂに移動する。そして、正極４２ａ，４２ｂではこの電子と、外部から供給される酸素とにより還元反応が進行する。この一連の反応を進行させることにより、電気エネルギーが発生する。
【００２１】
酵素電池４における負極４１ａ，４１ｂの材料には、公知のあらゆる素材を用いることができ、外部と電気的に接続可能な素材であれば特に限定されるものではないが、例えば、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｉｎ、Ｉｒ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｒｅ、Ｔａ、Ｗ、Ｚｒ、Ｇｅ及びＨｆ等の金属材料、アルメル、真ちゅう、ジュラルミン、青銅、ニッケリン、白金ロジウム、ハイパーコ、パーマロイ、パーメンダー、洋銀及びリン青銅等の合金類、ポリアセチレン類等の導電性高分子、グラファイト及びカーボンブラック等の炭素材、ＨｆＢ２、ＮｂＢ、ＣｒＢ２及びＢ４Ｃ等の硼化物、ＴｉＮ及びＺｒＮ等の窒化物、ＶＳｉ２、ＮｂＳｉ２、ＭｏＳｉ２及びＴａＳｉ２等の珪化物、並びにこれらの複合材料を用いることができる。
【００２２】
また、負極４１ａ，４１ｂには、必要に応じて酵素を固定されるが、燃料として糖類を含む燃料を用いる場合には、糖類を酸化分解する酸化酵素を固定することが望ましい。酸化酵素の一例としては、グルコースデヒドロゲナーゼ、グルコネート５デヒドロゲナーゼ、グルコネート２デヒドロゲナーゼ、アルコールデヒドロゲナーゼ、アルデヒドレダクターゼ、アルデヒドデヒドロゲナーゼ、ラクテートデヒドロゲナーゼ、ヒドロキシパルベートレダクターゼ、グリセレートデヒドロゲナーゼ、フォルメートデヒドロゲナーゼ、フルクトースデヒドロゲナーゼ、ガラクトースデヒドロゲナーゼ等が挙げられる。
【００２３】
また、負極４１ａ，４１ｂには、上述した酸化酵素に加えて、酸化型補酵素及び補酵素酸化酵素を固定してもよい。酸化型補酵素としては、例えば、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（nicotinamide adenine dinucleotide；以下、ＮＡＤ＋と称する。）、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate；以下、ＮＡＤＰ＋と称する。）、フラビンアデニンジヌクレオチド（flavin adenine dinucleotide；以下、ＦＡＤ＋と称する。）、ピロロキノリンキノン（pyrrollo-quinoline quinone；以下、ＰＱＱ２＋と称する。）等が挙げられる。補酵素酸化酵素としては、例えば、ジアホラーゼが挙げられる。
【００２４】
そして、負極４１ａ，４１ｂでは、燃料の酸化分解に伴い、上述した酸化型補酵素が、それぞれの還元型であるＮＡＤＨ、ＮＡＤＰＨ、ＦＡＤＨ及びＰＱＱＨ２に還元され、逆に、補酵素酸化酵素により、還元型補酵素から酸化型補酵素へ戻されるという酸化還元反応が繰り返される。このとき、還元型補酵素から酸化型補酵素へ戻る際に２電子が発生する。
【００２５】
更に、負極４１ａ，４１ｂには、上記の酸化酵素及び酸化型補酵素に加え、電子伝達メディエーターを固定してもよい。上記で発生した電子の電極への受け渡しをスムーズにするためである。電子伝達メディエーターとしては、例えば、２−アミノ−３−カルボキシ−１，４−ナフトキノン（ＡＣＮＱ）、ビタミンＫ３、２−アミノ−１，４−ナフトキノン（ＡＮＱ）、２−アミノ−３−メチル−１，４−ナフトキノン（ＡＭＮＱ）、２、３−ジアミノ−１，４−ナフトキノン、オスミウム（Ｏｓ）、ルテニウム（Ｒｕ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）等の金属錯体、ベンジルビオローゲン等のビオローゲン化合物、キノン骨格を有する化合物、ニコチンアミド構造を有する化合物、リボフラビン構造を有する化合物、ヌクレオチド−リン酸構造を有する化合物等が挙げられる。
【００２６】
正極４２ａ，４２ｂに用いる材料も公知のあらゆる素材を用いることができ、外部と電気的に接続可能な素材であれば特に限定されるものではないが、例えば、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｉｎ、Ｉｒ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｒｅ、Ｔａ、Ｗ、Ｚｒ、Ｇｅ及びＨｆ等の金属材料、アルメル、真ちゅう、ジュラルミン、青銅、ニッケリン、白金ロジウム、ハイパーコ、パーマロイ、パーメンダー、洋銀及びリン青銅等の合金類、ポリアセチレン類等の導電性高分子、グラファイト及びカーボンブラック等の炭素材、ＨｆＢ２、ＮｂＢ、ＣｒＢ２及びＢ４Ｃ等の硼化物、ＴｉＮ及びＺｒＮ等の窒化物、ＶＳｉ２、ＮｂＳｉ２、ＭｏＳｉ２及びＴａＳｉ２等の珪化物、並びにこれらの複合材料を用いることができる。
【００２７】
また、正極４２ａ，４２ｂには、必要に応じて酵素を固定することができる。その際、正極４２ａ，４２ｂに固定し得る酵素としては、酸素を反応基質とするオキシダーゼ活性を有する酵素であれば、その種類は特に限定されず、必要に応じて自由に選択することが可能である。具体的には、ラッカーゼ、ビリルビンオキシダーゼ及びアスコルビン酸オキシダーゼ等を用いることができる。
【００２８】
更に、正極４２ａ，４２ｂには、上述した各酵素に加えて、電子伝達メディエーターを固定してもよい。これにより、負極４１ａ，４１ｂで発生し、負極集電体４４ａ，４４ｂ及び正極集電体４５ａ，４５ｂを介して送り込まれる電子の受け取りを、スムーズにすることができる。なお、正極４２ａ，４２ｂに固定し得る電子伝達メディエーターの種類は特に限定されるものではなく、必要に応じて適宜選択することができるが、例えば、ＡＢＴＳ（2,2'-azinobis (3-ethylbenzoline-6-sulfonate)）及びＫ３［Ｆｅ（ＣＮ）６］等を用いることが可能である。
【００２９】
正極４２ａ，４２ｂにおいては、負極４１ａ，４１ｂから負極集電体４４ａ，４４ｂ及び正極集電体４５ａ，４５ｂを介して送り込まれる電子と、外部から供給される酸素を用いて還元反応が進行する。
【００３０】
一方、プロトン伝導体４３ａ，４３ｂに用いる材料も特に限定されるものではなく、公知のあらゆる材料を用いることができるが、例えば、緩衝物質を含む電解質を用いることができる。緩衝物質としては、リン酸二水素ナトリウム（ＮａＨ２ＰＯ４）やリン酸二水素カリウム（ＫＨ２ＰＯ４）等が生成するリン酸二水素イオン（Ｈ２ＰＯ４−）、２−アミノ−２−ヒドロキシメチル−１，３−プロパンジオール（略称トリス）、２−（Ｎ−モルホリノ）エタンスルホン酸（ＭＥＳ）、カコジル酸、炭酸（Ｈ２ＣＯ３）、クエン酸水素イオン、Ｎ−（２−アセトアミド）イミノ二酢酸（ＡＤＡ）、ピペラジン−Ｎ，Ｎ’−ビス（２−エタンスルホン酸）（ＰＩＰＥＳ）、Ｎ−（２−アセトアミド）−２−アミノエタンスルホン酸（ＡＣＥＳ）、３−（Ｎ−モルホリノ）プロパンスルホン酸（ＭＯＰＳ）、Ｎ−２−ヒドロキシエチルピペラジン−Ｎ’−２−エタンスルホン酸（ＨＥＰＥＳ）、Ｎ−２−ヒドロキシエチルピペラジン−Ｎ’−３−プロパンスルホン酸（ＨＥＰＰＳ）、Ｎ−［トリス（ヒドロキシメチル）メチル］グリシン（略称トリシン）、グリシルグリシン、Ｎ，Ｎ−ビス（２−ヒドロキシエチル）グリシン（略称ビシン）、イミダゾール、トリアゾール、ピリジン誘導体、ビピリジン誘導体、イミダゾール誘導体（ヒスチジン、１−メチルイミダゾール、２−メチルイミダゾール、４−メチルイミダゾール、２−エチルイミダゾール、イミダゾール−２−カルボン酸エチル、イミダゾール−２−カルボキシアルデヒド、イミダゾール−４−カルボン酸、イミダゾール−４，５−ジカルボン酸、イミダゾール−１−イル−酢酸、２−アセチルベンズイミダゾール、１−アセチルイミダゾール、Ｎ−アセチルイミダゾール、２−アミノベンズイミダゾール、Ｎ−（３−アミノプロピル) イミダゾール、５−アミノ−２−（トリフルオロメチル) ベンズイミダゾール、４−アザベンズイミダゾール、４−アザ−２−メルカプトベンズイミダゾール、ベンズイミダゾール、１−ベンジルイミダゾール、１−ブチルイミダゾール）等のイミダゾール環を含む化合物等が挙げられる。
【００３１】
更に、負極集電体４４ａ，４４ｂ及び正極集電体４５ａ，４５ｂに用いる材料も公知のあらゆる素材を用いることができ、外部と電気的に接続可能な素材であれば特に限定されないが、例えば、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｉｎ、Ｉｒ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｒｅ、Ｔａ、Ｗ、Ｚｒ、Ｇｅ及びＨｆ等の金属材料、アルメル、真ちゅう、ジュラルミン、青銅、ニッケリン、白金ロジウム、ハイパーコ、パーマロイ、パーメンダー、洋銀及びリン青銅等の合金類、ポリアセチレン類等の導電性高分子、グラファイト及びカーボンブラック等の炭素材、ＨｆＢ２、ＮｂＢ、ＣｒＢ２及びＢ４Ｃ等の硼化物、ＴｉＮ及びＺｒＮ等の窒化物、ＶＳｉ２、ＮｂＳｉ２、ＭｏＳｉ２及びＴａＳｉ２等の珪化物、並びにこれらの複合材料を用いることができる。
【００３２】
上述した酵素電池４において、燃料にグルコースを使用した場合、酵素電池４においては、負極でグルコース（Glucose）の酸化反応が進行し、正極で大気中の酸素（Ｏ２）の還元反応が進行する。そして、負極では、グルコース（Glucose）、グルコース脱水素酵素（Glucose Dehydrogenase）、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤ＋；Nicotinamide Adenine Dinucleotide）、ジアホラーゼ（Diaphorase）、ミディエーター、電極の順に電子が受け渡される。
【００３３】
本実施形態の流体デバイス１における基板２は、例えば、ポリカーボネート、シクロオレフィンポリマー、ポリプロピレン等の高分子材料、ガラス及びシリコン等により形成することができる。
【００３４】
また、ポンプ５としては、シリンジポンプ、ダイヤフラム式ポンプ、電気浸透流ポンプ等を適用することができるが、これらの中でも、特に、電気浸透流ポンプが好ましい。電気浸透流ポンプは、可動部がなく構造が単純であり、小型で高圧力を実現でき、駆動電圧が小さく、動作音もなく、電圧により容易に制御できるという特徴がある。また、電気浸透流ポンプは、水、エタノール、メタノール、高濃度の塩及び酸、アルカリ、ビーズ、染料並びに細胞等を含む溶液をも流すことが可能で、更に、脈動が少ないため、幅が数〜数百μｍの微細な流路を備えるマイクロ流体デバイスに特に好適である。
【００３５】
また、検出部６としては、例えば、発光素子と受光素子とを備え、発光素子から照射した光により発せられた光を、受光素子で検出する構成とすることができる。その場合、受光素子としては、半導体レーザ及び発光ダイオード等を使用することができるが、半導体レーザは比較的高い電圧を必要とするため、低電圧でも駆動する発光ダイオードを使用することが望ましい。発光ダイオードは、長寿命であることから、計測の分野では頻繁に使用されており、青色（４７０ｎｍ）及び赤色（６４５ｎｍ）等様々な波長の光を発することが可能であり、必要に応じて選択することができる。
【００３６】
一方、受光素子としては、例えば、光電子倍増管及び半導体受光素子等を適用することができる。これらの受光素子のうち、半導体受光素子には、フォトダイオードと光起電素子の２種類があり、計測の分野では一般にフォトダイオードが使用されている。これらの素子は、光の信号を電気信号に変換する素子であり、電源を必要としないものもあるため、外部電源を使用しない本実施形態の流体デバイス１には、特に好適である。
【００３７】
次に、本実施形態の流体デバイス１の動作について説明する。本実施形態の流体デバイス１においては、先ず、酵素電池４にグルコース等の燃料が導入され、それにより発生した電力がポンプ５及び検出部６に供給される。その際、ポンプ５を動作させるために必要な電圧は、通流させる溶液によって変化するが、例えば、ポンプ５が電気浸透流ポンプである場合は、駆動電圧は２〜３Ｖ程度であり、溶液を効率的に通流させるためには５Ｖ程度以上印加することが好ましい。そして、ポンプ５を５Ｖで駆動させた場合は、１ｍＡ程度の電流が必要となるため、消費電力は５ｍＷ程度となる。
【００３８】
また、検出部６を動作させるために必要な電圧は、例えば、発光素子として発光ダイオードを使用した場合、駆動電圧は２〜３Ｖ程度である。そして、発光波長が青色（４７０ｎｍ）である場合は、順電圧が約３．６Ｖ、順電流が約２０ｍＡであり、また、発光波長が赤色（６４５ｎｍ）の場合は、順電圧が約１．６Ｖ、順電流が１ｍＡである。従って、これらの消費電力は１．６〜６０ｍＷ程度となる。なお、受光素子はフォトダイオード又は光起電素子を使用することにより、電源は不要となる。
【００３９】
次に、酵素電池４から供給された電力により、ポンプ５が動作し、試料溶液が流路３に送液される。そして、検出部６では、発光素子により試料溶液に光を照射し、それにより発せられた光を受光素子で検出することにより、試料溶液の分析を行う。その後、試料溶液は排出孔７から排出される。
【００４０】
上述した本実施形態の流体デバイス１を用いて血液を分析する場合は、酵素電池４の燃料導入孔に燃料を導入した後、電気浸透流ポンプ等からなるポンプ５に測定対象の血液サンプルを注入する。これにより、血液サンプルは、例えば電気浸透流等により、マイクロ流体デバイスの流路３に円滑に導入される。その後、血液サンプルは、流体デバイス１内に作製された分離機構により分離され、検出部６において定量的に測定される。
【００４１】
このように、本実施形態の流体デバイス１は、基板２に、ポンプ５及び検出部６、更には、それらを動作させるための動力源となる酵素電池４が設けられているため、外部装置を使用せずに測定対象の試料溶液の分析を行うことができる。即ち、本実施形態の流体デバイス１は、外部装置、特に、外部電源を必要としない自立型の流体デバイスと言える。
【００４２】
また、酵素電池４は小型化が可能であり、例えば、電気浸透流ポンプ等と共にマイクロチップ上に実装し、モジュール化することも可能であるため、本実施形態の流体デバイス１は、微細流路を備えるマイクロ流体デバイスへの適用も可能である。これにより、マイクロチップ状の自立型流体デバイスを実現することができる。
【００４３】
更に、本実施形態の流体デバイス１の動力源である酵素電池４は、グルコース等のより安全な燃料を使用することができるため、場所を問わず使用することが可能である。
【００４４】
なお、図１に示す流体デバイス１では、酵素電池４の数は１個であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、ポンプ５及び検出部６においてより高い電圧を必要とする場合は、複数の酵素電池４を設け、それらを直列に接続してもよい。また、本実施形態の流体デバイス１は、基板２上に各種電気回路を設け、この電気回路を介して酵素電池４とポンプ５及び／又は検出部６とを接続することもできる。例えば、基板２上に昇圧回路を形成し、この昇圧回路を介して接続することで、酵素電池４からポンプ５及び検出部６に供給する電圧を高めることができる。更に、基板２には、前述した昇圧回路以外に、例えば降圧回路及び整流回路等を設けることができる。
【００４５】
次に、本発明の第２の実施形態に係る流体デバイスについて説明する。図３は本実施形態の流体デバイスの構成を模式的に示す斜視図である。なお、図３においては、図１に示す第１の実施形態の流体デバイス１の構成要素と同じものには同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００４６】
図３に示すように、本実施形態の流体デバイス１１は、基板１２に流路１３が形成されており、その中に液体１６と気体１７とが封入されている。この流路１３の一方の端部には、流路１３内に圧力をかけるためのポンプ１５が設けられている。このポンプ１５としては、例えば、シリンジポンプ、ダイヤフラム式ポンプ又は電気浸透流ポンプ等を適用することができる。また、基板１２には、流路１３に沿って目盛り１４が形成されている。
【００４７】
更に、この流体デバイス１１には、ポンプ１５を駆動させる動力源として酵素電池４が設けられており、酵素電池４はポンプ１５と電気的に接続されている。なお、本実施形態の流体デバイス１１における酵素電池４の構成は、前述した第１の実施形態の流体デバイスと同様である。
【００４８】
次に、上述の如く構成された本実施形態の流体デバイス１１の動作について説明する。本実施形態の流体デバイス１１においては、測定対象の試料溶液はグルコース等の酵素電池の燃料となる成分（燃料成分）を含むものとする。そして、この試料溶液を酵素電池４に導入すると、酵素電池４では燃料成分の量に対応する電流が発生し、その値に応じてポンプ１５が動作する。これにより、流路１３内に液体１６が導入されるため、流路１３内の圧力が高まり、気体１７が圧縮され、液体１６と気体１７との境界の位置が変化する。
【００４９】
その際、液体１６の導入量は酵素電池４で発生した電流値に比例することから、気体１７の圧縮度合いも酵素電池４で発生した電流値に比例する。従って、これらの境界面の位置を目盛り１４で読み取ることにより、試料溶液中の燃料成分の濃度を容易に測定することができる。
【００５０】
このように本実施形態の流体デバイス１１は、例えば、酵素電池４の燃料導入孔に血液サンプルを導入することにより、血液中のグルコース濃度を容易に測定することができるため、血糖値測定装置として使用することができる。
【００５１】
なお、本実施形態の流体デバイス１１においては、液体１６と気体１７との境界を見やすくするため、液体１６を着色してもよい。また、流路１３に封入される物質は、液体と気体の組合せに限定されるものではなく、例えば、混合しない二種類の液体を使用してもよい。
【００５２】
上述の如く、本実施形態の流体デバイス１１では、酵素電池４で発生した電流に応じてポンプ１５を駆動させているため、外部電源を使用せずに、単独で試料溶液を分析することができる。即ち、本実施形態の流体デバイス１１の構成とすることで、外部装置を必要としない自立型の流体デバイスを実現することができる。
【００５３】
なお、本実施形態の流体デバイス１１における上記以外の効果は、前述した第１の実施形態の流体デバイスと同様である。
【００５４】
次に、本発明の第３の実施形態に係る流体デバイスについて説明する。本実施形態の流体デバイスは、発光素子及び受光素子を備える検出部を設けず、その代わりに、流路内に核酸若しくはタンパク質等の生体由来物質又は触媒等が固定化されている。そして、この流体デバイスにおいては、生体由来物質又は触媒等が固定化されている部分が検出部となる。
【００５５】
本実施形態の流体デバイスにおいて、流路内に生体由来物質又は触媒等を固定化する方法としては、例えば、流路内にこれらが固定化された構造物を構築する方法がある。このような構造物は、流路内に生体由来物質又は触媒等が固定化されたポリスチレンビーズと光硬化性樹脂との混合物を導入し、これに所定のパターンが形成されたフォトマスクを通して紫外線を照射した後、未反応の樹脂を洗い流すことにより、構築することができる。そして、このように、流路内にマスクパターンを反映した構造物を形成することで、任意な位置に検出部を形成することができる。
【００５６】
上述の如く構成された本実施形態の流体デバイスを使用して、抗原の測定を行う場合は、例えば流路内に一次抗体が固定化された構造物を形成しておく。そして、先ず、測定対象となる抗原を含む血清等の試料溶液を流路に導入し、一定時間構造物と接触させることにより１次抗体と反応させた後、バッファーで洗浄する。引き続き、流路内に二次抗体（酵素で標識した抗体）の溶液を導入して、一定時間反応させた後、バッファーで洗浄する。その後、流路に発色試薬を導入し、目視により反応状態を確認する。
【００５７】
このように、本実施形態の流体デバイスは、測定対象物を補足する抗体等のタンパク質若しくは核酸等の生体由来物質又は触媒等を固定化し、流路内の任意の場所に任意の形状で高密度に集積化しているため、微量の試料で迅速に分析することができる。また、本実施形態の流体デバイスは、発色試薬を導入することで、分析結果を目視で確認することができるため、発光素子及び受光素子等の検出器が不要となる。これにより、流体デバイス自体をより小型化すると共に、低コスト化することが可能となる。更に、本実施形態の流体デバイスは、流路内に複数の反応領域を設けることで、複数の分析対象物を同時に分析することも可能となる。
【００５８】
なお、本実施形態の流体デバイスにおける上記以外の構成及び効果は、前述した第１の実施形態の流体デバイスと同様である。
【００５９】
次に、本発明の第４の実施形態に係る流体デバイスについて説明する。本実施形態の流体デバイスは、前述した第１〜第３の実施形態の流体デバイスに、更に、検出結果を無線信号にして送信するデータ送信部を設けたものである。このデータ送信部は、無線通信を行うためのアンテナ等を備えている。これにより、測定結果を離れた場所に迅速に伝達することが可能となる。その結果、例えば、健康医療の分野においては、離島・遠隔地等においても的確な医療判断が可能となる。また、複数箇所で測定した結果を一カ所に集めて、蓄積したり、モニターしたりすることが容易になるため、温湿度の管理、大気・水質汚染の測定についても簡便に行うことができるようになる。
【００６０】
なお、本実施形態の流体デバイスにおける上記以外の構成及び効果は、前述した第１〜３の実施形態の流体デバイスと同様である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の第１の実施形態の流体デバイスの構成を模式的に示す斜視図である。
【図２】図１に示す酵素電池４の構造の一例を示す断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態の流体デバイスの構成を模式的に示す斜視図である。
【図４】特許文献２に記載された従来の流体デバイスを示す斜視図である。
【符号の説明】
【００６２】
１、１１、１００ 流体デバイス
２、１２ 基板
３、１３ 流路
４ 酵素電池
５、１５ ポンプ
６ 検出部
７ 排出孔
１４ 目盛り
１６ 液体
１７ 気体
４１ａ、４１ｂ 負極
４２ａ、４２ｂ 正極
４３ａ、４３ｂ プロトン伝導体
４４ａ、４４ｂ 負極集電体
４５ａ、４５ｂ 正極集電体
４６ 燃料供給部
４７ 燃料
１０１ マイクロ流体チップ
１０２ 電気浸透流ポンプ
１０３ 流路
１０４ 液溜部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酵素電池を動力源として使用した流体デバイスに関する。より詳しくは、内部電源を備えた自立型の流体デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
ゲノム解析に代表されるように、２１世紀の生命科学や健康医療においては、膨大なゲノム情報を先駆けて獲得することが極めて重要な課題となっている。そこで、これらの分野では、従来の分析方法をより高速化、及びハイスループット化するための技術開発が進められている。近年、その有力な解決方法として、半導体技術を利用したナノ・マイクロ流体デバイスを用いる方法が注目されており、研究開発が盛んに行われている。その結果、ナノ・マイクロ流体デバイスを用いたＤＮＡシークエンサーが実用化され、ゲノム解析のスピードが一変した。更に、このようなナノ・マイクロ流体デバイスを用いた研究開発は、ＤＮＡに代表されるゲノム解析のみならず、生化学、化学合成及び医学等のあらゆる分野で利用され始められている。
【０００３】
例えば、代表的な腫瘍マーカーであるＡＦＰ（α‐fetoprotein）を分析する場合は、通常、血液を採取し、マーカーの分離・定量分析を行う。このとき、マーカーを分離するために、流路に流体サンプルを流す必要がある。また、マーカーの定量分析を行う際は、一般に、レーザ光を照射して、マーカー分子との相互作用により発生する蛍光を検出しているため、マーカー分子にレーザ光を照射するための光源、及び蛍光を検出するためのＰＭＴ（Photo Multiplier Tube：光電子増倍管）が必要となる。このため、従来の流体デバイスを使用して腫瘍マーカーの分析を行う場合は、外部装置が必須であり、装置が大型になるという問題点がある。
【０００４】
そこで、従来、システム全体を小型化するため、デバイス内にポンプ機構を設けた流体デバイスが提案されている（特許文献１〜３参照）。例えば、特許文献１に記載のマイクロ流体デバイスでは、基板内に微小なダイヤフラム式ポンプ機構を形成し、外部から磁力を印加することにより、ダイヤフラムを変形させて、流路内に送液している。
【０００５】
また、特許文献２及び３には、電気浸透流ポンプを備えた流体デバイスが開示されている。図４は特許文献２に記載された流体デバイスを示す斜視図である。図４に示すように、特許文献２に記載された流体デバイス１００においては、マイクロ流体チップ１０１の上面に、電気浸透流ポンプ１０２がその内部に形成された流路とマイクロ流体チップ１０１に設けられた流路１０３とが連通するように取付けている。この流体デバイス１００では、電気浸透流ポンプ１０２に設けられた電極に電圧を印加することにより、液溜部１０４内の液を流路１０３に送液している。
【０００６】
これらの流体デバイスは、基板上に試料溶液を送液するためのポンプを設けているため、外部に送液装置を設ける必要がなくなり、測定装置を小型化することが可能となる。
【０００７】
一方、駆動用電圧を発生させる電源電圧発生部を備えた流体デバイスも提案されている（特許文献４参照）。特許文献４に記載の生体物質の識別システムは、微細な流路が形成されたシリコン半導体チップ上に、アンテナ部及び電源電圧発生部が設けられており、外部から放射された高周波をアンテナ部で受信し、電源電圧部を介して各構成部位に電源電圧として供給している。
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−０８３２５６号公報
【特許文献２】特開２００６−０２２８０７号公報
【特許文献３】特開２００６−３１１７９６号公報
【特許文献４】特開２００４−３２５２４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前述した従来の技術では、外部装置を完全になくすことはできないという問題点がある。例えば、特許文献１〜３記載された流体デバイスの場合、外部ポンプ並びにそれに付随する配管及び配線は不要になるが、デバイス内に設けられたポンプを駆動させるための電力又は磁力を発生させるための装置が別途必要になる。
【００１０】
一方、特許文献４に記載の流体デバイスは、デバイス内に設けられた電源電圧発生部で電力を発生することができるが、発生できる電圧が小さいため、基板に実装されている全ての部品を駆動させることはできない。
【００１１】
そこで、本発明は、外部電源を必要としない自立型の流体デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る流体デバイスは、流路が形成された基板に、前記流路に送液するためのポンプと、少なくとも前記ポンプに電力を供給する酵素電池とが設けられている。
本発明においては、デバイス内に電源を設けているため、外部電源が不要となる。
この流体デバイスにおいては、前記酵素電池に燃料として測定対象の試料溶液が導入され、前記酵素電池で発生した電力に応じて前記ポンプが駆動して、前記流路内の圧力が変化してもよい。
また、前記基板には、更に、前記流路内を通流する試料溶液に光を照射する発光素子と、前記試料溶液から発せられた光を検出する受光素子とを備えた検出部が設けられており、前記検出部にも前記酵素電池から電力が供給されてもよい。
更に、前記ポンプとしては、例えば、電気浸透流ポンプを適用することができる。
更にまた、前記流路内に生体由来物質又は触媒等が固定化されていてもよい。前記生体由来物質としては、例えば核酸及びタンパク質等が挙げられる。
更にまた、前記基板には電気回路が形成されていてもよく、この電気回路を介して前記酵素電池と前記ポンプ及び／又は前記検出部とを電気的に接続することもできる。このような電気回路としては、例えば、昇圧回路、降圧回路及び整流回路等が挙げられる。
更にまた、前記基板上に検出結果を無線信号にして送信するデータ送信部を設けることも可能である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、デバイス内に電力源として酵素電池を設けているため、ポンプ等に駆動電力を供給するための外部電源が不要となり、自立型の流体デバイスを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。
【００１５】
先ず、本発明の第１の実施形態に係る流体デバイスについて説明する。図１は本実施形態の流体デバイスの構成を模式的に示す斜視図である。図１に示すように、本実施形態の流体デバイス１は、基板２に流路３が形成されており、この流路３の始端部には、流路３に測定対象の試料溶液を通流させるためのポンプ５が設けられている。また、流路３の途中には、試料溶液又はその中に含まれている各種成分を検出するための検出部６が設けられている。そして、流路３の終端部には、分析後の試料溶液を排出するための排出孔７が設けられている。
【００１６】
更に、この流体デバイス１には、ポンプ５及び検出部６を駆動させる動力源として酵素電池４が設けられており、この酵素電池４とポンプ５及び検出部６とは電気的に接続されている。酵素電池４は、負極又は正極の少なくとも一方の電極上に触媒として酸化還元酵素を固定した燃料電池であり、例えばグルコース及びエタノール等のように通常の工業触媒では利用できない燃料から、効率よく電子を取り出すことができるため、高容量でかつ安全性が高い電池である。
【００１７】
本実施形態の流体デバイス１に設けられる酵素電池４の構造は特に限定されるものではないが、例えば、負極と正極とが、プロトン伝導体を介して対向した構造とすることができる。図２は図１に示す酵素電池４の構造の一例を示す断面図である。図２に示す酵素電池４では、負極４１ａ，４１ｂとプロトン伝導体４３ａ，４３ｂとの間に、負極集電体４４ａ，４４ｂを備えている。なお、これら負極集電体４４ａ，４４ｂの配設箇所は特に限定されるものではなく、負極集電体４４ａ，４４ｂを燃料が透過可能な構造にすれば、負極４１ａ，４１ｂと後述する燃料供給部４６との間に設けることも可能である。
【００１８】
また、図２に示す酵素電池４では、正極４２ａ，４２ｂとプロトン伝導体４３ａ，４３ｂとの間に、正極集電体４５ａ，４５ｂを備えている。これら正極集電体４５ａ，４５ｂの配設箇所も特に限定されるものではなく、正極集電体４５ａ，４５ｂが酸素を含む空気等が透過可能な構造であれば、正極４２ａ，４２ｂの図面向かって上部側に設けることも可能である。
【００１９】
更に、図２に示す酵素電池４では、２つの電極（負極４１ａ，４１ｂ、正極４２ａ，４２ｂ）を直列に接続しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、電極の数及び接続方法は必要な電力量に合わせて、適宜設定することができる。
【００２０】
図２に示す酵素電池４では、負極４１ａ，４１ｂにおいて燃料４７の酸化反応が生じて電子を放出し、この電子が負極集電体４４ａ，４４ｂ及び正極集電体４５ａ，４５ｂを介して正極４２ａ，４２ｂに移動する。そして、正極４２ａ，４２ｂではこの電子と、外部から供給される酸素とにより還元反応が進行する。この一連の反応を進行させることにより、電気エネルギーが発生する。
【００２１】
酵素電池４における負極４１ａ，４１ｂの材料には、公知のあらゆる素材を用いることができ、外部と電気的に接続可能な素材であれば特に限定されるものではないが、例えば、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｉｎ、Ｉｒ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｒｅ、Ｔａ、Ｗ、Ｚｒ、Ｇｅ及びＨｆ等の金属材料、アルメル、真ちゅう、ジュラルミン、青銅、ニッケリン、白金ロジウム、ハイパーコ、パーマロイ、パーメンダー、洋銀及びリン青銅等の合金類、ポリアセチレン類等の導電性高分子、グラファイト及びカーボンブラック等の炭素材、ＨｆＢ２、ＮｂＢ、ＣｒＢ２及びＢ４Ｃ等の硼化物、ＴｉＮ及びＺｒＮ等の窒化物、ＶＳｉ２、ＮｂＳｉ２、ＭｏＳｉ２及びＴａＳｉ２等の珪化物、並びにこれらの複合材料を用いることができる。
【００２２】
また、負極４１ａ，４１ｂには、必要に応じて酵素を固定されるが、燃料として糖類を含む燃料を用いる場合には、糖類を酸化分解する酸化酵素を固定することが望ましい。酸化酵素の一例としては、グルコースデヒドロゲナーゼ、グルコネート５デヒドロゲナーゼ、グルコネート２デヒドロゲナーゼ、アルコールデヒドロゲナーゼ、アルデヒドレダクターゼ、アルデヒドデヒドロゲナーゼ、ラクテートデヒドロゲナーゼ、ヒドロキシパルベートレダクターゼ、グリセレートデヒドロゲナーゼ、フォルメートデヒドロゲナーゼ、フルクトースデヒドロゲナーゼ、ガラクトースデヒドロゲナーゼ等が挙げられる。
【００２３】
また、負極４１ａ，４１ｂには、上述した酸化酵素に加えて、酸化型補酵素及び補酵素酸化酵素を固定してもよい。酸化型補酵素としては、例えば、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（nicotinamide adenine dinucleotide；以下、ＮＡＤ＋と称する。）、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate；以下、ＮＡＤＰ＋と称する。）、フラビンアデニンジヌクレオチド（flavin adenine dinucleotide；以下、ＦＡＤ＋と称する。）、ピロロキノリンキノン（pyrrollo-quinoline quinone；以下、ＰＱＱ２＋と称する。）等が挙げられる。補酵素酸化酵素としては、例えば、ジアホラーゼが挙げられる。
【００２４】
そして、負極４１ａ，４１ｂでは、燃料の酸化分解に伴い、上述した酸化型補酵素が、それぞれの還元型であるＮＡＤＨ、ＮＡＤＰＨ、ＦＡＤＨ及びＰＱＱＨ２に還元され、逆に、補酵素酸化酵素により、還元型補酵素から酸化型補酵素へ戻されるという酸化還元反応が繰り返される。このとき、還元型補酵素から酸化型補酵素へ戻る際に２電子が発生する。
【００２５】
更に、負極４１ａ，４１ｂには、上記の酸化酵素及び酸化型補酵素に加え、電子伝達メディエーターを固定してもよい。上記で発生した電子の電極への受け渡しをスムーズにするためである。電子伝達メディエーターとしては、例えば、２−アミノ−３−カルボキシ−１，４−ナフトキノン（ＡＣＮＱ）、ビタミンＫ３、２−アミノ−１，４−ナフトキノン（ＡＮＱ）、２−アミノ−３−メチル−１，４−ナフトキノン（ＡＭＮＱ）、２、３−ジアミノ−１，４−ナフトキノン、オスミウム（Ｏｓ）、ルテニウム（Ｒｕ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）等の金属錯体、ベンジルビオローゲン等のビオローゲン化合物、キノン骨格を有する化合物、ニコチンアミド構造を有する化合物、リボフラビン構造を有する化合物、ヌクレオチド−リン酸構造を有する化合物等が挙げられる。
【００２６】
正極４２ａ，４２ｂに用いる材料も公知のあらゆる素材を用いることができ、外部と電気的に接続可能な素材であれば特に限定されるものではないが、例えば、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｉｎ、Ｉｒ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｒｅ、Ｔａ、Ｗ、Ｚｒ、Ｇｅ及びＨｆ等の金属材料、アルメル、真ちゅう、ジュラルミン、青銅、ニッケリン、白金ロジウム、ハイパーコ、パーマロイ、パーメンダー、洋銀及びリン青銅等の合金類、ポリアセチレン類等の導電性高分子、グラファイト及びカーボンブラック等の炭素材、ＨｆＢ２、ＮｂＢ、ＣｒＢ２及びＢ４Ｃ等の硼化物、ＴｉＮ及びＺｒＮ等の窒化物、ＶＳｉ２、ＮｂＳｉ２、ＭｏＳｉ２及びＴａＳｉ２等の珪化物、並びにこれらの複合材料を用いることができる。
【００２７】
また、正極４２ａ，４２ｂには、必要に応じて酵素を固定することができる。その際、正極４２ａ，４２ｂに固定し得る酵素としては、酸素を反応基質とするオキシダーゼ活性を有する酵素であれば、その種類は特に限定されず、必要に応じて自由に選択することが可能である。具体的には、ラッカーゼ、ビリルビンオキシダーゼ及びアスコルビン酸オキシダーゼ等を用いることができる。
【００２８】
更に、正極４２ａ，４２ｂには、上述した各酵素に加えて、電子伝達メディエーターを固定してもよい。これにより、負極４１ａ，４１ｂで発生し、負極集電体４４ａ，４４ｂ及び正極集電体４５ａ，４５ｂを介して送り込まれる電子の受け取りを、スムーズにすることができる。なお、正極４２ａ，４２ｂに固定し得る電子伝達メディエーターの種類は特に限定されるものではなく、必要に応じて適宜選択することができるが、例えば、ＡＢＴＳ（2,2'-azinobis (3-ethylbenzoline-6-sulfonate)）及びＫ３［Ｆｅ（ＣＮ）６］等を用いることが可能である。
【００２９】
正極４２ａ，４２ｂにおいては、負極４１ａ，４１ｂから負極集電体４４ａ，４４ｂ及び正極集電体４５ａ，４５ｂを介して送り込まれる電子と、外部から供給される酸素を用いて還元反応が進行する。
【００３０】
一方、プロトン伝導体４３ａ，４３ｂに用いる材料も特に限定されるものではなく、公知のあらゆる材料を用いることができるが、例えば、緩衝物質を含む電解質を用いることができる。緩衝物質としては、リン酸二水素ナトリウム（ＮａＨ２ＰＯ４）やリン酸二水素カリウム（ＫＨ２ＰＯ４）等が生成するリン酸二水素イオン（Ｈ２ＰＯ４−）、２−アミノ−２−ヒドロキシメチル−１，３−プロパンジオール（略称トリス）、２−（Ｎ−モルホリノ）エタンスルホン酸（ＭＥＳ）、カコジル酸、炭酸（Ｈ２ＣＯ３）、クエン酸水素イオン、Ｎ−（２−アセトアミド）イミノ二酢酸（ＡＤＡ）、ピペラジン−Ｎ，Ｎ’−ビス（２−エタンスルホン酸）（ＰＩＰＥＳ）、Ｎ−（２−アセトアミド）−２−アミノエタンスルホン酸（ＡＣＥＳ）、３−（Ｎ−モルホリノ）プロパンスルホン酸（ＭＯＰＳ）、Ｎ−２−ヒドロキシエチルピペラジン−Ｎ’−２−エタンスルホン酸（ＨＥＰＥＳ）、Ｎ−２−ヒドロキシエチルピペラジン−Ｎ’−３−プロパンスルホン酸（ＨＥＰＰＳ）、Ｎ−［トリス（ヒドロキシメチル）メチル］グリシン（略称トリシン）、グリシルグリシン、Ｎ，Ｎ−ビス（２−ヒドロキシエチル）グリシン（略称ビシン）、イミダゾール、トリアゾール、ピリジン誘導体、ビピリジン誘導体、イミダゾール誘導体（ヒスチジン、１−メチルイミダゾール、２−メチルイミダゾール、４−メチルイミダゾール、２−エチルイミダゾール、イミダゾール−２−カルボン酸エチル、イミダゾール−２−カルボキシアルデヒド、イミダゾール−４−カルボン酸、イミダゾール−４，５−ジカルボン酸、イミダゾール−１−イル−酢酸、２−アセチルベンズイミダゾール、１−アセチルイミダゾール、Ｎ−アセチルイミダゾール、２−アミノベンズイミダゾール、Ｎ−（３−アミノプロピル) イミダゾール、５−アミノ−２−（トリフルオロメチル) ベンズイミダゾール、４−アザベンズイミダゾール、４−アザ−２−メルカプトベンズイミダゾール、ベンズイミダゾール、１−ベンジルイミダゾール、１−ブチルイミダゾール）等のイミダゾール環を含む化合物等が挙げられる。
【００３１】
更に、負極集電体４４ａ，４４ｂ及び正極集電体４５ａ，４５ｂに用いる材料も公知のあらゆる素材を用いることができ、外部と電気的に接続可能な素材であれば特に限定されないが、例えば、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｉｎ、Ｉｒ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｒｅ、Ｔａ、Ｗ、Ｚｒ、Ｇｅ及びＨｆ等の金属材料、アルメル、真ちゅう、ジュラルミン、青銅、ニッケリン、白金ロジウム、ハイパーコ、パーマロイ、パーメンダー、洋銀及びリン青銅等の合金類、ポリアセチレン類等の導電性高分子、グラファイト及びカーボンブラック等の炭素材、ＨｆＢ２、ＮｂＢ、ＣｒＢ２及びＢ４Ｃ等の硼化物、ＴｉＮ及びＺｒＮ等の窒化物、ＶＳｉ２、ＮｂＳｉ２、ＭｏＳｉ２及びＴａＳｉ２等の珪化物、並びにこれらの複合材料を用いることができる。
【００３２】
上述した酵素電池４において、燃料にグルコースを使用した場合、酵素電池４においては、負極でグルコース（Glucose）の酸化反応が進行し、正極で大気中の酸素（Ｏ２）の還元反応が進行する。そして、負極では、グルコース（Glucose）、グルコース脱水素酵素（Glucose Dehydrogenase）、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤ＋；Nicotinamide Adenine Dinucleotide）、ジアホラーゼ（Diaphorase）、ミディエーター、電極の順に電子が受け渡される。
【００３３】
本実施形態の流体デバイス１における基板２は、例えば、ポリカーボネート、シクロオレフィンポリマー、ポリプロピレン等の高分子材料、ガラス及びシリコン等により形成することができる。
【００３４】
また、ポンプ５としては、シリンジポンプ、ダイヤフラム式ポンプ、電気浸透流ポンプ等を適用することができるが、これらの中でも、特に、電気浸透流ポンプが好ましい。電気浸透流ポンプは、可動部がなく構造が単純であり、小型で高圧力を実現でき、駆動電圧が小さく、動作音もなく、電圧により容易に制御できるという特徴がある。また、電気浸透流ポンプは、水、エタノール、メタノール、高濃度の塩及び酸、アルカリ、ビーズ、染料並びに細胞等を含む溶液をも流すことが可能で、更に、脈動が少ないため、幅が数〜数百μｍの微細な流路を備えるマイクロ流体デバイスに特に好適である。
【００３５】
また、検出部６としては、例えば、発光素子と受光素子とを備え、発光素子から照射した光により発せられた光を、受光素子で検出する構成とすることができる。その場合、受光素子としては、半導体レーザ及び発光ダイオード等を使用することができるが、半導体レーザは比較的高い電圧を必要とするため、低電圧でも駆動する発光ダイオードを使用することが望ましい。発光ダイオードは、長寿命であることから、計測の分野では頻繁に使用されており、青色（４７０ｎｍ）及び赤色（６４５ｎｍ）等様々な波長の光を発することが可能であり、必要に応じて選択することができる。
【００３６】
一方、受光素子としては、例えば、光電子倍増管及び半導体受光素子等を適用することができる。これらの受光素子のうち、半導体受光素子には、フォトダイオードと光起電素子の２種類があり、計測の分野では一般にフォトダイオードが使用されている。これらの素子は、光の信号を電気信号に変換する素子であり、電源を必要としないものもあるため、外部電源を使用しない本実施形態の流体デバイス１には、特に好適である。
【００３７】
次に、本実施形態の流体デバイス１の動作について説明する。本実施形態の流体デバイス１においては、先ず、酵素電池４にグルコース等の燃料が導入され、それにより発生した電力がポンプ５及び検出部６に供給される。その際、ポンプ５を動作させるために必要な電圧は、通流させる溶液によって変化するが、例えば、ポンプ５が電気浸透流ポンプである場合は、駆動電圧は２〜３Ｖ程度であり、溶液を効率的に通流させるためには５Ｖ程度以上印加することが好ましい。そして、ポンプ５を５Ｖで駆動させた場合は、１ｍＡ程度の電流が必要となるため、消費電力は５ｍＷ程度となる。
【００３８】
また、検出部６を動作させるために必要な電圧は、例えば、発光素子として発光ダイオードを使用した場合、駆動電圧は２〜３Ｖ程度である。そして、発光波長が青色（４７０ｎｍ）である場合は、順電圧が約３．６Ｖ、順電流が約２０ｍＡであり、また、発光波長が赤色（６４５ｎｍ）の場合は、順電圧が約１．６Ｖ、順電流が１ｍＡである。従って、これらの消費電力は１．６〜６０ｍＷ程度となる。なお、受光素子はフォトダイオード又は光起電素子を使用することにより、電源は不要となる。
【００３９】
次に、酵素電池４から供給された電力により、ポンプ５が動作し、試料溶液が流路３に送液される。そして、検出部６では、発光素子により試料溶液に光を照射し、それにより発せられた光を受光素子で検出することにより、試料溶液の分析を行う。その後、試料溶液は排出孔７から排出される。
【００４０】
上述した本実施形態の流体デバイス１を用いて血液を分析する場合は、酵素電池４の燃料導入孔に燃料を導入した後、電気浸透流ポンプ等からなるポンプ５に測定対象の血液サンプルを注入する。これにより、血液サンプルは、例えば電気浸透流等により、マイクロ流体デバイスの流路３に円滑に導入される。その後、血液サンプルは、流体デバイス１内に作製された分離機構により分離され、検出部６において定量的に測定される。
【００４１】
このように、本実施形態の流体デバイス１は、基板２に、ポンプ５及び検出部６、更には、それらを動作させるための動力源となる酵素電池４が設けられているため、外部装置を使用せずに測定対象の試料溶液の分析を行うことができる。即ち、本実施形態の流体デバイス１は、外部装置、特に、外部電源を必要としない自立型の流体デバイスと言える。
【００４２】
また、酵素電池４は小型化が可能であり、例えば、電気浸透流ポンプ等と共にマイクロチップ上に実装し、モジュール化することも可能であるため、本実施形態の流体デバイス１は、微細流路を備えるマイクロ流体デバイスへの適用も可能である。これにより、マイクロチップ状の自立型流体デバイスを実現することができる。
【００４３】
更に、本実施形態の流体デバイス１の動力源である酵素電池４は、グルコース等のより安全な燃料を使用することができるため、場所を問わず使用することが可能である。
【００４４】
なお、図１に示す流体デバイス１では、酵素電池４の数は１個であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、ポンプ５及び検出部６においてより高い電圧を必要とする場合は、複数の酵素電池４を設け、それらを直列に接続してもよい。また、本実施形態の流体デバイス１は、基板２上に各種電気回路を設け、この電気回路を介して酵素電池４とポンプ５及び／又は検出部６とを接続することもできる。例えば、基板２上に昇圧回路を形成し、この昇圧回路を介して接続することで、酵素電池４からポンプ５及び検出部６に供給する電圧を高めることができる。更に、基板２には、前述した昇圧回路以外に、例えば降圧回路及び整流回路等を設けることができる。
【００４５】
次に、本発明の第２の実施形態に係る流体デバイスについて説明する。図３は本実施形態の流体デバイスの構成を模式的に示す斜視図である。なお、図３においては、図１に示す第１の実施形態の流体デバイス１の構成要素と同じものには同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００４６】
図３に示すように、本実施形態の流体デバイス１１は、基板１２に流路１３が形成されており、その中に液体１６と気体１７とが封入されている。この流路１３の一方の端部には、流路１３内に圧力をかけるためのポンプ１５が設けられている。このポンプ１５としては、例えば、シリンジポンプ、ダイヤフラム式ポンプ又は電気浸透流ポンプ等を適用することができる。また、基板１２には、流路１３に沿って目盛り１４が形成されている。
【００４７】
更に、この流体デバイス１１には、ポンプ１５を駆動させる動力源として酵素電池４が設けられており、酵素電池４はポンプ１５と電気的に接続されている。なお、本実施形態の流体デバイス１１における酵素電池４の構成は、前述した第１の実施形態の流体デバイスと同様である。
【００４８】
次に、上述の如く構成された本実施形態の流体デバイス１１の動作について説明する。本実施形態の流体デバイス１１においては、測定対象の試料溶液はグルコース等の酵素電池の燃料となる成分（燃料成分）を含むものとする。そして、この試料溶液を酵素電池４に導入すると、酵素電池４では燃料成分の量に対応する電流が発生し、その値に応じてポンプ１５が動作する。これにより、流路１３内に液体１６が導入されるため、流路１３内の圧力が高まり、気体１７が圧縮され、液体１６と気体１７との境界の位置が変化する。
【００４９】
その際、液体１６の導入量は酵素電池４で発生した電流値に比例することから、気体１７の圧縮度合いも酵素電池４で発生した電流値に比例する。従って、これらの境界面の位置を目盛り１４で読み取ることにより、試料溶液中の燃料成分の濃度を容易に測定することができる。
【００５０】
このように本実施形態の流体デバイス１１は、例えば、酵素電池４の燃料導入孔に血液サンプルを導入することにより、血液中のグルコース濃度を容易に測定することができるため、血糖値測定装置として使用することができる。
【００５１】
なお、本実施形態の流体デバイス１１においては、液体１６と気体１７との境界を見やすくするため、液体１６を着色してもよい。また、流路１３に封入される物質は、液体と気体の組合せに限定されるものではなく、例えば、混合しない二種類の液体を使用してもよい。
【００５２】
上述の如く、本実施形態の流体デバイス１１では、酵素電池４で発生した電流に応じてポンプ１５を駆動させているため、外部電源を使用せずに、単独で試料溶液を分析することができる。即ち、本実施形態の流体デバイス１１の構成とすることで、外部装置を必要としない自立型の流体デバイスを実現することができる。
【００５３】
なお、本実施形態の流体デバイス１１における上記以外の効果は、前述した第１の実施形態の流体デバイスと同様である。
【００５４】
次に、本発明の第３の実施形態に係る流体デバイスについて説明する。本実施形態の流体デバイスは、発光素子及び受光素子を備える検出部を設けず、その代わりに、流路内に核酸若しくはタンパク質等の生体由来物質又は触媒等が固定化されている。そして、この流体デバイスにおいては、生体由来物質又は触媒等が固定化されている部分が検出部となる。
【００５５】
本実施形態の流体デバイスにおいて、流路内に生体由来物質又は触媒等を固定化する方法としては、例えば、流路内にこれらが固定化された構造物を構築する方法がある。このような構造物は、流路内に生体由来物質又は触媒等が固定化されたポリスチレンビーズと光硬化性樹脂との混合物を導入し、これに所定のパターンが形成されたフォトマスクを通して紫外線を照射した後、未反応の樹脂を洗い流すことにより、構築することができる。そして、このように、流路内にマスクパターンを反映した構造物を形成することで、任意な位置に検出部を形成することができる。
【００５６】
上述の如く構成された本実施形態の流体デバイスを使用して、抗原の測定を行う場合は、例えば流路内に一次抗体が固定化された構造物を形成しておく。そして、先ず、測定対象となる抗原を含む血清等の試料溶液を流路に導入し、一定時間構造物と接触させることにより１次抗体と反応させた後、バッファーで洗浄する。引き続き、流路内に二次抗体（酵素で標識した抗体）の溶液を導入して、一定時間反応させた後、バッファーで洗浄する。その後、流路に発色試薬を導入し、目視により反応状態を確認する。
【００５７】
このように、本実施形態の流体デバイスは、測定対象物を補足する抗体等のタンパク質若しくは核酸等の生体由来物質又は触媒等を固定化し、流路内の任意の場所に任意の形状で高密度に集積化しているため、微量の試料で迅速に分析することができる。また、本実施形態の流体デバイスは、発色試薬を導入することで、分析結果を目視で確認することができるため、発光素子及び受光素子等の検出器が不要となる。これにより、流体デバイス自体をより小型化すると共に、低コスト化することが可能となる。更に、本実施形態の流体デバイスは、流路内に複数の反応領域を設けることで、複数の分析対象物を同時に分析することも可能となる。
【００５８】
なお、本実施形態の流体デバイスにおける上記以外の構成及び効果は、前述した第１の実施形態の流体デバイスと同様である。
【００５９】
次に、本発明の第４の実施形態に係る流体デバイスについて説明する。本実施形態の流体デバイスは、前述した第１〜第３の実施形態の流体デバイスに、更に、検出結果を無線信号にして送信するデータ送信部を設けたものである。このデータ送信部は、無線通信を行うためのアンテナ等を備えている。これにより、測定結果を離れた場所に迅速に伝達することが可能となる。その結果、例えば、健康医療の分野においては、離島・遠隔地等においても的確な医療判断が可能となる。また、複数箇所で測定した結果を一カ所に集めて、蓄積したり、モニターしたりすることが容易になるため、温湿度の管理、大気・水質汚染の測定についても簡便に行うことができるようになる。
【００６０】
なお、本実施形態の流体デバイスにおける上記以外の構成及び効果は、前述した第１〜３の実施形態の流体デバイスと同様である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の第１の実施形態の流体デバイスの構成を模式的に示す斜視図である。
【図２】図１に示す酵素電池４の構造の一例を示す断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態の流体デバイスの構成を模式的に示す斜視図である。
【図４】特許文献２に記載された従来の流体デバイスを示す斜視図である。
【符号の説明】
【００６２】
１、１１、１００ 流体デバイス
２、１２ 基板
３、１３ 流路
４ 酵素電池
５、１５ ポンプ
６ 検出部
７ 排出孔
１４ 目盛り
１６ 液体
１７ 気体
４１ａ、４１ｂ 負極
４２ａ、４２ｂ 正極
４３ａ、４３ｂ プロトン伝導体
４４ａ、４４ｂ 負極集電体
４５ａ、４５ｂ 正極集電体
４６ 燃料供給部
４７ 燃料
１０１ マイクロ流体チップ
１０２ 電気浸透流ポンプ
１０３ 流路
１０４ 液溜部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路が形成された基板に、前記流路に送液するためのポンプと、少なくとも前記ポンプに電力を供給する酵素電池とが設けられている流体デバイス。
【請求項２】
前記酵素電池には燃料として測定対象の試料溶液が導入され、前記酵素電池で発生した電力に応じて前記ポンプが駆動し、前記流路内の圧力が変化することを特徴とする請求項１に記載の流体デバイス。
【請求項３】
前記基板には、更に、前記流路内を通流する試料溶液に光を照射する発光素子と、前記試料溶液から発せられた光を検出する受光素子とを備えた検出部が設けられており、前記検出部にも前記酵素電池から電力が供給されることを特徴とする請求項１に記載の流体デバイス。
【請求項４】
前記ポンプが電気浸透流ポンプであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の流体デバイス。
【請求項５】
前記流路内に生体由来物質又は触媒が固定化されていることを特徴とする請求項１又は３に記載の流体デバイス。
【請求項６】
前記基板には電気回路が形成されており、前記酵素電池と前記ポンプ及び／又は前記検出部とが前記電気回路を介して電気的に接続されていることを特徴とする請求項１又は３に記載の流体デバイス。
【請求項７】
更に、前記基板上に検出結果を無線信号にして送信するデータ送信部が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の流体デバイス。
【請求項１】
流路が形成された基板に、前記流路に送液するためのポンプと、少なくとも前記ポンプに電力を供給する酵素電池とが設けられている流体デバイス。
【請求項２】
前記酵素電池には燃料として測定対象の試料溶液が導入され、前記酵素電池で発生した電力に応じて前記ポンプが駆動し、前記流路内の圧力が変化することを特徴とする請求項１に記載の流体デバイス。
【請求項３】
前記基板には、更に、前記流路内を通流する試料溶液に光を照射する発光素子と、前記試料溶液から発せられた光を検出する受光素子とを備えた検出部が設けられており、前記検出部にも前記酵素電池から電力が供給されることを特徴とする請求項１に記載の流体デバイス。
【請求項４】
前記ポンプが電気浸透流ポンプであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の流体デバイス。
【請求項５】
前記流路内に生体由来物質又は触媒が固定化されていることを特徴とする請求項１又は３に記載の流体デバイス。
【請求項６】
前記基板には電気回路が形成されており、前記酵素電池と前記ポンプ及び／又は前記検出部とが前記電気回路を介して電気的に接続されていることを特徴とする請求項１又は３に記載の流体デバイス。
【請求項７】
更に、前記基板上に検出結果を無線信号にして送信するデータ送信部が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の流体デバイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００９−１３９２５１（Ｐ２００９−１３９２５１Ａ）
【公開日】平成２１年６月２５日（２００９．６．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３１６６１７（Ｐ２００７−３１６６１７）
【出願日】平成１９年１２月７日（２００７．１２．７）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年６月２５日（２００９．６．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月７日（２００７．１２．７）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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