JP5441035B2 - Sample analyzer - Google Patents

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Description

本発明は、多数の固体試料と液体試料との組み合わせを簡素な構造で解析できる試料解析装置に関し、具体的には、ガス透過性材料からなる基板、圧力調節機構、及び弁機構を利用した構造で解析できる試料解析装置に関する。好適な例示として、PDMS(ポリジメチルシロキサン)等のガス透過性材料からなる基板に、プライマーが予め塗布・乾燥された反応チャンバと、PDMSのガス透過性を利用して溶液を反応チャンバに一定量、導入する機構とが設けられた遺伝子解析用PCRチップに関する。   The present invention relates to a sample analyzer that can analyze a combination of a large number of solid samples and liquid samples with a simple structure, and more specifically, a structure using a substrate made of a gas permeable material, a pressure adjusting mechanism, and a valve mechanism. The present invention relates to a sample analysis apparatus that can be analyzed with the above. As a preferred example, a reaction chamber in which a primer is pre-applied to a substrate made of a gas permeable material such as PDMS (polydimethylsiloxane) and dried, and a certain amount of solution is put into the reaction chamber using the gas permeability of PDMS. The present invention relates to a PCR chip for gene analysis provided with a mechanism for introduction.

ポリメラーゼ・チェイン・リアクション(Polymerase chain reaction、以下、「PCR」と呼ぶ。)は核酸(例えば、DNA、RNA)の増幅に用いられる生体分子操作の一つである。配列に対する特異性と極微量の試料から非常に多くの核酸断片のコピーを得ることが可能であることから、生物、臨床診断、法医学検査等の多岐にわたる分野において、配列解析や遺伝子型解析に用いられている。   Polymerase chain reaction (hereinafter referred to as “PCR”) is one of biomolecule operations used for amplification of nucleic acids (eg, DNA, RNA). Because it is possible to obtain a large number of copies of nucleic acid fragments from the specificity to the sequence and a very small amount of sample, it is used for sequence analysis and genotype analysis in various fields such as biology, clinical diagnosis, forensic examination, etc. It has been.

近年、マイクロ・エレクトロ・メキャニカル・システム(Micro electro mechanical system、MEMS)技術を利用して、従来のPCR装置を小型化することで、数センチ角のチップ上でPCRを行う技術の開発が盛んになってきている。この小型化されたPCRチップは、従来のPCR法に比べて、解析時間の短縮、加熱・冷却サイクル時間の短縮、必要なPCR溶液の量が微量で済む、PCRの対象となるゲノムを含む試料を前処理する機構を集積化できる等の利点を持つ。重要な利点として、チップ内に作製された多数の微小なPCR反応器を使って、極微量の試料に含まれる核酸から、多種の配列を標的として増幅できることが挙げられる。チップ上で流路を用いて定量PCRを並列処理することで、一つの微量な試料に含まれる多数の標的配列を効率良く検出することが期待される。しかし、このPCRチップの開発には、以下に記述するような解決すべき課題がある。   In recent years, development of technology for performing PCR on a chip of several centimeters has been actively performed by downsizing a conventional PCR device by using a micro electro mechanical system (MEMS) technology. It has become to. Compared to the conventional PCR method, this miniaturized PCR chip has a shorter analysis time, shorter heating / cooling cycle time, and requires a small amount of PCR solution. There is an advantage that a mechanism for pre-processing can be integrated. An important advantage is that a large number of minute PCR reactors fabricated in the chip can be used to amplify various sequences as targets from nucleic acids contained in a very small amount of sample. It is expected that a large number of target sequences contained in one minute sample can be efficiently detected by performing parallel processing of quantitative PCR using a channel on the chip. However, the development of this PCR chip has problems to be solved as described below.

(PCRチップの複雑化)
PCRチップでは、プライマーと試料をチップ内で計量し、混合する必要がある。n個の試料に含まれるm種類の標的配列を解析するには、チップの中でm×nのマトリックスを作り、その交点で対応するPCRを行う方法が、大幅に実験の手間を省くことができるため有効である。しかし、これを実現するには、小さなチップ内の各交点でプライマーと試料サンプルを計量し、混合する必要がある。従来の技術では、多数の配管や流路、マイクロバルブやマイクロミキサー等が必要になり、大変複雑な構造になっていた(例えば、非特許文献1〜4を参照)。
(Complicated PCR chip)
In a PCR chip, it is necessary to measure and mix the primer and sample in the chip. In order to analyze m types of target sequences contained in n samples, the method of creating an mxn matrix in the chip and performing the corresponding PCR at the intersection can greatly save the labor of the experiment. It is effective because it can. However, to achieve this, it is necessary to weigh and mix the primer and sample sample at each intersection in a small chip. The conventional technique requires a large number of pipes, flow paths, microvalves, micromixers, and the like, and has a very complicated structure (for example, see Non-Patent Documents 1 to 4).

そのため複雑な配管、マイクロバルブやポンプを集積化する代わりに、マイクロサイズの流路の特性を利用して毛細管現象でPCR試薬の送液を行い、計量した報告もある(例えば、非特許文献5)。この非特許文献5に記載の毛細管現象を利用した方法では、流路壁面とPCR溶液の接触角を最小限にして送液効率を上げるために、PCR反応液に界面活性剤を混ぜている。しかし、界面活性剤がPCR反応を阻害するため、極微量のゲノムを増幅するには向いていない。   Therefore, instead of integrating complicated pipes, microvalves, and pumps, there is also a report in which a PCR reagent is fed by capillary action using the characteristics of micro-sized flow paths and measured (for example, Non-Patent Document 5). ). In the method using the capillary phenomenon described in Non-Patent Document 5, a surfactant is mixed in the PCR reaction solution in order to minimize the contact angle between the flow path wall surface and the PCR solution and increase the liquid feeding efficiency. However, since the surfactant inhibits the PCR reaction, it is not suitable for amplifying a very small amount of genome.

(計量・気泡残留の問題)
また、従来のPCRチップでは、反応器内に気泡が残留してしまうことが多い。気泡の発生要因として、(1)液体試料を最初に導入する際の気体の混入が挙げられる。つまり、流路内での小さなゴミ、埃、突起物が原因となって液体試料中に気体が混入されるのである。これはストレートな流路でも発生する。また、(2)PCR反応工程に伴うチップの昇温中に液体試料内の溶存ガスが気化することでも発生する。これは、温度上昇に伴い、液体中のガスの溶解度が下がり、溶けきれないガスが気体として現われるからである。さらに、(3)チップ昇温中に樹脂基板(例えば、PDMS)内の溶存ガスが気化して流路壁を介して液体試料中に混入されることでも発生する。
(Measurement and bubble remaining problems)
Moreover, in the conventional PCR chip, bubbles often remain in the reactor. As factors for the generation of bubbles, (1) mixing of gas when the liquid sample is first introduced can be cited. That is, gas is mixed into the liquid sample due to small dust, dust, and protrusions in the flow path. This also occurs in straight channels. Further, (2) it is also generated when the dissolved gas in the liquid sample is vaporized during the temperature rise of the chip accompanying the PCR reaction step. This is because as the temperature rises, the solubility of the gas in the liquid decreases, and a gas that cannot be completely dissolved appears as a gas. Furthermore, (3) it also occurs when dissolved gas in the resin substrate (for example, PDMS) is vaporized and mixed into the liquid sample through the channel wall during the temperature rise of the chip.

以上のように、気泡の発生は、液体試料の導入時のみならず、PCR処理中にも確認されるものであり、残留した気泡はPCRによる計量(定量性)を著しく阻害してしまう。また、遺伝子有無の判定では大きな問題にならないが、ダウン症の診断のように定量性が厳密に要求される場合は致命的である。気泡は温度サイクル中に膨張・収縮を繰り返すので更なる計量誤差を生んでしまう。   As described above, the generation of bubbles is confirmed not only during the introduction of the liquid sample but also during the PCR process, and the remaining bubbles significantly hinder measurement (quantitativeness) by PCR. Moreover, the determination of the presence or absence of a gene is not a big problem, but it is fatal when quantitativeness is strictly required as in the diagnosis of Down's syndrome. Bubbles repeat expansion and contraction during the temperature cycle, which causes additional measurement errors.

(試料溶液の蒸発)
また、チップ内の小さい反応器内において極微量の試料を用いてPCRを実行するためには、反応液の蒸発を防ぐ工夫が必要不可欠である。特にDNAの変性には百度近い温度への昇温を必要とするため、溶液の蒸発は速く、標準的な大気圧下では試料は乾燥し、完全に無くなってしまうこともある(例えば、非特許文献6を参照)。
(Evaporation of sample solution)
In addition, in order to perform PCR using a very small amount of sample in a small reactor in the chip, it is indispensable to devise measures for preventing evaporation of the reaction solution. In particular, denaturation of DNA requires heating to a temperature close to one hundred degrees, so the solution evaporates quickly, and the sample may dry out and disappear completely under standard atmospheric pressure (eg, non-patented). Reference 6).

この蒸発の問題を回避するために、沸点が100℃より高く、密度も1.0g/cm以下であるミネラルオイルが、蒸発防止膜として良く用いられる(例えば、特許文献1、非特許文献7,8を参照)。これらの文献に記載の方法は、ピペッティングにより試料の導入を行う開放型のウェル反応器を用いたPCRに適している。しかし、多くの素子を集積化した遺伝子解析用PCRチップでは、密閉した反応器でPCRが行われるため、ミネラルオイル法で蒸発を防ぐのは難しい。 In order to avoid this evaporation problem, mineral oil having a boiling point higher than 100 ° C. and a density of 1.0 g / cm 3 or less is often used as an evaporation preventing film (for example, Patent Document 1, Non-Patent Document 7). , 8). The methods described in these documents are suitable for PCR using an open well reactor in which a sample is introduced by pipetting. However, in a PCR chip for gene analysis in which many elements are integrated, PCR is performed in a sealed reactor, so that it is difficult to prevent evaporation by the mineral oil method.

特開2007−175006号公報JP 2007-175006 A

BioMark Product、「リアルタイムqPCR用ダイナミックアレイ」、[online]、Fluidigm社、[平成21年10月28日検索]、インターネット〈URL:http://www.fluidigm.jp/biomark_qPCR.htm〉BioMark Product, "Dynamic array for real-time qPCR", [online], Fluidigm, [October 28, 2009 search], Internet <URL: http://www.fluidigm.jp/biomark_qPCR.htm> Jian Liu, Carl Hansen,Stephen R. Quake; Solving the “world-to-chip” interface problem with amicrofluidic matrix; Ana.Chem, 75, 4718-4723Jian Liu, Carl Hansen, Stephen R. Quake; Solving the “world-to-chip” interface problem with amicrofluidic matrix; Ana. Chem, 75, 4718-4723 David S.Kong, PeterA.Carr, Lu Chen, Shuguang Zhang, Joseph M. Jacobson; Parallel gene synthesis inthe microfluidic device; Nucleic Acids Research, 2007, Vol.35, No.8David S. Kong, Peter A. Carr, Lu Chen, Shuguang Zhang, Joseph M. Jacobson; Parallel gene synthesis in the microfluidic device; Nucleic Acids Research, 2007, Vol. 35, No. 8 Chunsun Zhang, Da Xing,Yuyuan Li; Micropumps, microvalves, and micromixers within PCR microfluidicchips: Advances and trends; Biotechnology Advances 25 (2007) 483-514Chunsun Zhang, Da Xing, Yuyuan Li; Micropumps, microvalves, and micromixers within PCR microfluidicchips: Advances and trends; Biotechnology Advances 25 (2007) 483-514 N. Ramalingam, Hao-BingLiu, Chang-Chun Dai, Yu Jiang, Hui Wang, Quighui Wang, Kam M Hui, Hai-QingGong; Real-time PCR array chip with capillary-driven sample loading and reactorsealing for point-of-care applications; Biomed Microdevices; Doi 10.1007/s10544-009-9318-4N. Ramalingam, Hao-BingLiu, Chang-Chun Dai, Yu Jiang, Hui Wang, Quighui Wang, Kam M Hui, Hai-QingGong; Real-time PCR array chip with capillary-driven sample loading and reactorsealing for point-of-care applications; Biomed Microdevices; Doi 10.1007 / s10544-009-9318-4 Chunsun Zhang, Da Xing;Miniaturized PCR chips for nucleic acid amplification and analysis: lastestadvances and future trends; Nucleic Acids Research, 2007, Vol.35, No 13(4233-4237)Chunsun Zhang, Da Xing; Miniaturized PCR chips for nucleic acid amplification and analysis: lastestadvances and future trends; Nucleic Acids Research, 2007, Vol.35, No 13 (4233-4237) Neuzil P, Zhang C.Y,Pipper J, Oh S, Zhuo L; Ultra fast miniaturized real-time PCR: 40 cycles inless than six minutes ; Nucleic Acids Research, 2006, Vol.35, No 13 (4233-4237)Neuzil P, Zhang C.Y, Pipper J, Oh S, Zhuo L; Ultra fast miniaturized real-time PCR: 40 cycles inless than six minutes; Nucleic Acids Research, 2006, Vol. 35, No 13 (4233-4237) Xiang Q, Xu B, Fu R, LiD; Real time PCR on disposable PDMS chip with a miniaturized thermal cycler;Biomed. Microdevices, 7, 273-279.Xiang Q, Xu B, Fu R, LiD; Real time PCR on disposable PDMS chip with a miniaturized thermal cycler; Biomed.Microdevices, 7, 273-279.

本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、従来の遺伝子解析装置等が有する欠点(例えば、装置構造の複雑化)を排除した試料解析装置を提供することを目的とする。すなわち、多数の試料と標的との組み合わせを簡素な構造で解析できる試料解析装置を提供することを目的とする。   The present invention has been proposed in view of such conventional circumstances, and an object of the present invention is to provide a sample analyzer that eliminates the disadvantages (eg, complexity of the device structure) of conventional gene analyzers and the like. And That is, an object of the present invention is to provide a sample analyzer that can analyze a combination of a large number of samples and targets with a simple structure.

また、本発明は、従来の遺伝子解析装置等が有する別の欠点(例えば、気泡の残留や試料溶液の蒸発)を排除し、試料溶液の厳密な計量が可能な試料解析装置を提供することを目的とする。   In addition, the present invention provides a sample analysis device that eliminates other drawbacks (for example, residual bubbles and evaporation of sample solution) of a conventional gene analysis device and the like and can accurately measure the sample solution. Objective.

また、本発明は、遺伝子解析分野に限らず、固体試料と液体試料との反応を簡素な構造で解析できる試料解析装置を提供することを目的とする。   Another object of the present invention is to provide a sample analysis apparatus that can analyze the reaction between a solid sample and a liquid sample with a simple structure, not limited to the field of gene analysis.

本願の発明者らは、複数の反応チャンバを備えた基板(またはその一部)にガス透過性材料を選択すれば、圧力増減機構と反応チャンバを直に接続しなくても反応チャンバ内へ試料溶液を導入することができること、反応チャンバの内側に試料溶液の一部(PCR法では、各種プライマー)を予め塗布(スポット)して乾燥させておくようにすれば、貯蔵チャンバから各反応チャンバへの試料溶液の導入が簡素な構造で行うことが出来ること、及び、これらの点を組み合わせれば、従来の遺伝子解析装置での問題が一挙に解消され、信頼性の高い遺伝子解析が達成されることを見出し、本発明を完成するに至った。   If the inventors of the present application select a gas-permeable material for a substrate (or a part thereof) having a plurality of reaction chambers, the sample can be put into the reaction chamber without directly connecting the pressure increasing / decreasing mechanism and the reaction chamber. If a solution can be introduced, and a part of the sample solution (various primers in the PCR method) is applied (spotted) in advance inside the reaction chamber and dried, it is transferred from the storage chamber to each reaction chamber. If the sample solution can be introduced with a simple structure, and these points are combined, problems with conventional gene analyzers can be solved at once, and highly reliable gene analysis can be achieved. As a result, the present invention has been completed.

また、本願発明者は、遺伝子解析に限らず、固体試料と液体試料とを反応させる解析にも上記発案点を応用できることを見出し、本発明を完成するに至った。   The inventors of the present application have found that the above idea can be applied not only to gene analysis but also to analysis in which a solid sample and a liquid sample are reacted, and have completed the present invention.

すなわち、本発明に係る試料解析装置は、
液体試料を収容可能な少なくとも一つ以上の貯蔵チャンバと、
固体試料が収容された少なくとも一つ以上の反応チャンバと、
貯蔵チャンバと反応チャンバとを連通する液体導入流路と、
反応チャンバ近傍に設けられた排出チャンバと、
を備え、かつ、
反応チャンバと排出チャンバとの間にはガス透過材料を含んだ壁が設けられ、
反応チャンバと排出チャンバとの間に生じた圧力差によって、液体導入流路及び反応チャンバ内のガス並びに液体試料中のガスが壁を通して排出チャンバに吸引されるとともに、貯蔵チャンバから反応チャンバに液体試料が導入・充填され
反応チャンバは円筒形を成し、
排出チャンバは反応チャンバを同心円状に囲繞した溝を成し、
壁の壁厚は10μm〜500μmの範囲にあり、
排出チャンバの圧力は、液体試料を反応チャンバへ導入するために、0.2〜0.9気圧に設定されることを特徴とするものである。
That is, the sample analyzer according to the present invention is
At least one storage chamber capable of containing a liquid sample;
At least one reaction chamber containing a solid sample;
A liquid introduction channel communicating the storage chamber and the reaction chamber;
A discharge chamber provided in the vicinity of the reaction chamber;
And having
A wall containing a gas permeable material is provided between the reaction chamber and the discharge chamber,
Due to the pressure difference generated between the reaction chamber and the discharge chamber, the gas in the liquid introduction flow path and the reaction chamber and the gas in the liquid sample are sucked into the discharge chamber through the wall and the liquid sample from the storage chamber to the reaction chamber. Is introduced and filled ,
The reaction chamber has a cylindrical shape,
The discharge chamber forms a groove concentrically surrounding the reaction chamber,
The wall thickness is in the range of 10 μm to 500 μm,
The pressure of the discharge chamber, for introducing a liquid sample into the reaction chamber, is characterized in Rukoto is set to 0.2 to 0.9 atm.

本発明の試料解析装置によれば、固体試料と液体試料との反応を簡素な構造で解析できる。   According to the sample analyzer of the present invention, the reaction between a solid sample and a liquid sample can be analyzed with a simple structure.

本発明によれば、特に遺伝子解析分野において従来の装置が有する欠点を排除した試料解析装置(例えば、PCRチップ)を提供することができる。具体的には、多数の試料と標的との組み合わせを簡素な構造で解析できるPCRチップを提供することができる。また、従来の遺伝子解析装置が有する気泡の残留や試料溶液の蒸発等の問題点を排除したPCRチップを提供することができる。さらに、気泡等の残留が発生しないことに加え、反応チャンバの容積一杯に(つまり定量)試料溶液を充填させることができるため、厳密に計量された溶液を用いてPCR処理が可能なPCRチップを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a sample analysis apparatus (for example, a PCR chip) that eliminates the drawbacks of conventional apparatuses, particularly in the field of gene analysis. Specifically, a PCR chip capable of analyzing a combination of a large number of samples and targets with a simple structure can be provided. In addition, it is possible to provide a PCR chip that eliminates problems such as residual bubbles and evaporation of the sample solution of a conventional genetic analyzer. Furthermore, in addition to the absence of residual bubbles and the like, the sample chamber can be filled to the full volume of the reaction chamber (ie, quantitative), so a PCR chip capable of PCR processing using a precisely weighed solution can be provided. Can be provided.

本発明の試料解析装置の発明概念(主な構造)を示した図である。It is the figure which showed the invention concept (main structure) of the sample analyzer of this invention. m種類の液体試料とn種類の固体試料とを含んだ試料解析装置を示した図である。It is the figure which showed the sample analyzer containing m types of liquid samples and n types of solid samples. 本発明の一実施例である遺伝子解析用PCRチップの分解斜視図を示した図である。(実施例1)It is the figure which showed the disassembled perspective view of the PCR chip for gene analysis which is one Example of this invention. Example 1 本発明のPCRチップの分解平面図を示した図である。It is the figure which showed the decomposition | disassembly top view of the PCR chip | tip of this invention. 本発明のPCRチップに設けられた反応チャンバ及び排出チャンバを示した図である。It is the figure which showed the reaction chamber and discharge chamber which were provided in the PCR chip | tip of this invention. 本発明の反応チャンバへ流入する試料溶液を示した図である。It is the figure which showed the sample solution which flows in into the reaction chamber of this invention. 本発明のPCRチップに設けられた弁機構を示した図である。It is the figure which showed the valve mechanism provided in the PCR chip | tip of this invention. 反応チャンバと排出チャンバとを画す壁の壁厚Dと試料溶液導入時間との関係を示したグラフである。It is the graph which showed the relationship between wall thickness D of the wall which demarcates a reaction chamber and a discharge chamber, and sample solution introduction time. 本発明の他の実施例であるPCRチップの断面構造を示した図である。It is the figure which showed the cross-section of the PCR chip | tip which is another Example of this invention. 熱サイクル試験前後のPCRチップの様子を示した図である。It is the figure which showed the mode of the PCR chip | tip before and after a thermal cycle test. 熱サイクル試験前後のPCRチップの反応チャンバを拡大して示した図である。It is the figure which expanded and showed the reaction chamber of the PCR chip | tip before and after a thermal cycle test. PCR実行後のPCRチップの様子を示した図である。It is the figure which showed the mode of the PCR chip after PCR execution. PCR実行後のPCRチップの反応チャンバを示した蛍光画像である。It is the fluorescence image which showed the reaction chamber of the PCR chip after PCR execution.

以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づき説明するが、本発明は、下記の具体的な
実施形態に何等限定されるものではない。
Hereinafter, although the present invention is explained based on an embodiment shown in a drawing, the present invention is not limited to the following concrete embodiment at all.

図1は本発明の試料解析装置1の発明概念(主な構造)を示した図である。試料解析装置1は、液体部分(液体試料)2と固体部分(固体試料)3とからなる試料を利用し、双方2,3を接触させることでその化学反応の評価を行うものである。ここで、液体試料2とは、例えば、PCR用の調整液から解析部位を特定するもの(プライマーやTaqMan(登録商標)プローブ等)を除いたもの(テンプレートDNA、ポリメラーゼ、dNTP等)、遺伝子検査用サンプル、RNA検査用サンプル等が挙げられるが、必ずしもこれに限定されない。一方、固体試料3とは、上記のような解析部位を特定するもの、例えばDNAの標的となるプライマー、TaqManプローブ、基質特異的酵素、抗体等が挙げられるが、必ずしもこれに限定されない。   FIG. 1 is a diagram showing an inventive concept (main structure) of a sample analyzer 1 of the present invention. The sample analysis apparatus 1 uses a sample composed of a liquid part (liquid sample) 2 and a solid part (solid sample) 3 and evaluates the chemical reaction by bringing both parts 2 and 3 into contact with each other. Here, the liquid sample 2 is, for example, a sample (template DNA, polymerase, dNTP, etc.) obtained by excluding those that specify the analysis site (primer, TaqMan (registered trademark) probe, etc.) from the PCR adjustment solution, genetic testing Sample, RNA test sample and the like, but are not necessarily limited thereto. On the other hand, the solid sample 3 includes, but is not necessarily limited to, one that specifies the analysis site as described above, for example, a primer serving as a DNA target, a TaqMan probe, a substrate-specific enzyme, and an antibody.

試料解析装置1は、液体試料2を収容可能な少なくとも一つ以上の貯蔵チャンバ32(図1では一つ)と、固体試料3が収容された少なくとも一つ以上の反応チャンバ(図1では一つ)と、貯蔵チャンバ32と反応チャンバ35とを連通する液体導入流路34と、反応チャンバ35近傍に設けられた排出チャンバ36と、を備える。試料解析装置1には、さらに、反応チャンバ35と排出チャンバ36との間にはガス透過材料を含んだ壁Wが設けられる。そして、試料解析装置1は、反応チャンバ35と排出チャンバ36との間に生じた圧力差によって、液体導入流路34及び反応チャンバ35内のガス並びに液体試料2中のガスが壁Wを通して排出チャンバ36に吸引されるとともに、貯蔵チャンバ32から反応チャンバ35に液体試料2を導入・充填することを特徴とする。 The sample analyzer 1 includes at least one storage chamber 32 (one in FIG. 1) capable of accommodating the liquid sample 2 and at least one reaction chamber (one in FIG. 1) in which the solid sample 3 is accommodated. ), A liquid introduction flow path 34 communicating the storage chamber 32 and the reaction chamber 35, and a discharge chamber 36 provided in the vicinity of the reaction chamber 35. The sample analyzing apparatus 1 further includes a wall W p is provided that includes a gas permeable material between the reaction chamber 35 and the discharge chamber 36. The sample analyzer 1 then discharges the gas in the liquid introduction flow path 34 and the reaction chamber 35 and the gas in the liquid sample 2 through the wall W p due to the pressure difference generated between the reaction chamber 35 and the discharge chamber 36. The liquid sample 2 is introduced into and filled in the reaction chamber 35 from the storage chamber 32 while being sucked into the chamber 36.

また、本発明の試料解析装置1は、反応チャンバ35と排出チャンバ36との間に圧力差を発生させる圧力差発生機構をさらに備えてもよい。この圧力差発生機構は、排出チャンバ36の圧力を減少させる減圧機構であってもよいし、反応チャンバ35の圧力を加圧する加圧機構であってもよい。なお、以下の実施形態及び実施例では、圧力差発生機構が減圧機構である場合について説明している。減圧機構は、図示のように、例えば、排出ポート33と、排出ポート33と排出チャンバ36とに連結された排出流路37と、を含み、排出ポート33から図示しないマイクロポンプ等によって排出チャンバ36内のガスを排出させることで排出チャンバ36の減圧を行う。減圧機構は、排出チャンバ36を減圧することで、壁Wを通して反応チャンバ35内のガスを吸引し、貯蔵チャンバ32から反応チャンバ35に液体試料2を導入・充填する。 Moreover, the sample analyzer 1 of the present invention may further include a pressure difference generating mechanism that generates a pressure difference between the reaction chamber 35 and the discharge chamber 36. This pressure difference generating mechanism may be a pressure reducing mechanism that reduces the pressure in the discharge chamber 36 or a pressure mechanism that pressurizes the pressure in the reaction chamber 35. In the following embodiments and examples, the case where the pressure difference generating mechanism is a pressure reducing mechanism is described. As shown in the figure, the decompression mechanism includes, for example, a discharge port 33 and a discharge flow path 37 connected to the discharge port 33 and the discharge chamber 36, and the discharge chamber 36 is discharged from the discharge port 33 by a micro pump or the like (not shown). The discharge chamber 36 is decompressed by discharging the gas inside. Decompression mechanism, by reducing the pressure of the discharge chamber 36, the gas in the reaction chamber 35 through the wall W p is aspirated and introduced and filled with the liquid sample 2 into the reaction chamber 35 from the storage chamber 32.

ここで、壁W に使用可能なガス透過材料には、例えば、ポリジメチルシロキサン(PDMS)、アクリル系ポリマー、シリコーンゴム、各種エラストマー等が挙げられる。ここで、PDMSは、透明性に優れた材料であるため光学解析手法による検知に適しており、生体適合性があるため生体試料分析にも適しており、また、柔軟性に富むことはもちろん、自己吸着性があるので特殊な接合プロセスが不要であり、優れた形状転写性を有し、さらには低価格でもあるため、PCRチップの構造、作製方法を低コストでより簡単・簡素にすることが可能である。また、耐熱性に優れるために多様な表面改質が可能である。また、反応チャンバ35、排出チャンバ36、壁Wが一枚の基板31に設けられ、この基板31自体がガス透過材料からなるものであってもよい(図3、図4を参照)。 Here, the gas permeable material which can be used in wall W p, for example, polydimethylsiloxane (PDMS), an acrylic polymer, silicone rubber, various elastomers, and the like. Here, PDMS is suitable for detection by an optical analysis method because it is a material having excellent transparency, and is suitable for biological sample analysis because of its biocompatibility. Since it has self-adsorbing properties, no special bonding process is required, it has excellent shape transferability, and it is also inexpensive, making the PCR chip structure and manufacturing method simpler and simpler at a lower cost. Is possible. Moreover, since it is excellent in heat resistance, various surface modifications are possible. Further, the reaction chamber 35, the discharge chamber 36, and the wall Wp may be provided on one substrate 31, and the substrate 31 itself may be made of a gas permeable material (see FIGS. 3 and 4).

図1では本発明の概念を説明するための便宜上、貯蔵チャンバ32と反応チャンバ35とを1つのみ示したが、図2に示すように、複数(図2ではm個)の貯蔵チャンバ32と、複数(図2ではn個)の反応チャンバ35とが試料解析装置1に設置されることが好ましく、液体導入流路34は、一つの貯蔵チャンバ32から複数の反応チャンバ35に分岐させる分岐流路34aを備えていることが好ましい。   1 shows only one storage chamber 32 and one reaction chamber 35 for convenience of explaining the concept of the present invention, but as shown in FIG. 2, a plurality (m in FIG. 2) of storage chambers 32 A plurality (n in FIG. 2) of reaction chambers 35 are preferably installed in the sample analyzer 1, and the liquid introduction flow path 34 is branched from one storage chamber 32 to the plurality of reaction chambers 35. It is preferable to provide the path 34a.

このような構成にすることにより、固体試料(例えば、標的となるn種類のプライマー)3をn個の反応チャンバ35に一種類ずつ塗布させておき、m種類の液体試料(細胞や核酸を含んだ溶液)2を貯蔵チャンバ32に一種類ずつ収容しておけば、一つの試料解析装置1において、m種類×n種類の液体試料2と固体試料3との組み合わせ・反応の評価を簡素な流路構造で達成することが可能になる。   With this configuration, a solid sample (for example, n types of target primers) 3 is applied to n reaction chambers 35 one by one, and m types of liquid samples (including cells and nucleic acids) are applied. 1 type of solution 2 is stored in the storage chamber 32 one by one, the combination of the m types × n types of liquid samples 2 and the solid samples 3 and the evaluation of the reaction can be performed in a single sample analysis apparatus 1 with a simple flow. This can be achieved with a road structure.

例えば、液体試料2に細胞を含んだ溶液を用いて解析する場合、貯蔵チャンバ32と反応チャンバ35との間を連通する液体導入流路34上に細胞培養チャンバを設けてもよく、これにより、全ての反応チャンバ35に塗布された固体試料3に対応する数以上の細胞を培養して、反応チャンバ35の各々に液体試料2を導入することが可能になる。   For example, when analysis is performed using a solution containing cells in the liquid sample 2, a cell culture chamber may be provided on the liquid introduction channel 34 that communicates between the storage chamber 32 and the reaction chamber 35. The number of cells corresponding to the solid sample 3 applied to all the reaction chambers 35 can be cultured, and the liquid sample 2 can be introduced into each of the reaction chambers 35.

液体導入流路34には、流路を開閉する弁機構5が設けられることが好ましく、図2に示すように、それぞれの分岐流路34a上に弁機構5が設けられることが好ましい。このような構成を採用することにより、反応チャンバ35に一旦導入された液体試料2が、貯蔵チャンバ32や隣接した反応チャンバ35へ逆流したり、流出したりする危険性を排除することができる。また、PCR解析で必要な熱サイクルにおいて各々の反応チャンバ35の反応の独立性を担保することが可能になる。   The liquid introduction channel 34 is preferably provided with a valve mechanism 5 for opening and closing the channel, and as shown in FIG. 2, the valve mechanism 5 is preferably provided on each branch channel 34a. By adopting such a configuration, it is possible to eliminate the risk that the liquid sample 2 once introduced into the reaction chamber 35 flows back to or flows out of the storage chamber 32 or the adjacent reaction chamber 35. In addition, it is possible to ensure the independence of the reaction in each reaction chamber 35 in the thermal cycle necessary for PCR analysis.

(実施例1)
次に、実際に作製された本発明の試料解析装置1として、遺伝子解析用PCRチップを例示して説明する。図3はPCRチップ1の分解斜視図を示す。図示のように、PCRチップ1は、少なくとも一層の弁制御層10と、少なくとも一層の流路層30と、これらの間に挟持された薄膜層20と、を備える。以下に、各々層の構成・機能について詳述する。
Example 1
Next, a PCR chip for gene analysis will be described as an example of the sample analysis apparatus 1 of the present invention actually produced. FIG. 3 shows an exploded perspective view of the PCR chip 1. As illustrated, the PCR chip 1 includes at least one valve control layer 10, at least one channel layer 30, and a thin film layer 20 sandwiched therebetween. Hereinafter, the configuration and function of each layer will be described in detail.

(試料解析装置の構成)
図4(a)は、弁制御層10の平面図を示す。弁制御層10は、例えば、ポリジメチルシロキサン(PDMS)からなる平板状の基板11上に、ガス量調節ポート12と、複数(図4(a)では5個)の弁開口部14と、ガス量調節ポート12と各々の弁開口部14とを連通するガス量調節流路13と、が設けられている。
(Configuration of sample analyzer)
FIG. 4A shows a plan view of the valve control layer 10. The valve control layer 10 includes, for example, a gas amount adjusting port 12, a plurality (five in FIG. 4A) of valve openings 14, and a gas on a flat substrate 11 made of polydimethylsiloxane (PDMS). A gas amount adjusting flow path 13 that communicates the amount adjusting port 12 and each valve opening 14 is provided.

図4(b)は、流路層30の平面図を示す。流路層30は、例えば、ポリジメチルシロキサン(PDMS)からなる平板状の基板31上に、液体試料2が一時的に保管される貯蔵チャンバ32(又は、貯蔵チャンバ32に連結される液体試料供給ポート)と、液体導入流路34と、複数(図4(b)では5個)の反応チャンバ35と、複数(反応チャンバ35の数に対応した数、つまり5個)の排出チャンバ36と、排出流路37と、排出ポート33と、が設けられている。液体導入流路34は、貯蔵チャンバ32から反応チャンバ35へ液体試料2が供給されるように複数(図4(b)では5本)の分岐流路34aに分岐される。反応チャンバ35は、分岐流路34aの突き当たりにある空洞であり、この空洞の内側表面の一部には、液体試料2の標的となるプライマー3が予めスポットされ、乾燥処理されている(つまり、固体試料3が塗布されている)。PDMS基板31の一部である壁Wを介して反応チャンバ35を囲繞するように、排出チャンバ36が夫々、基板31上に設けられている。排出チャンバ36は排出流路37aに連結され、排出チャンバ36で取得されたガスが排出流路37a,37を介して排出ポート33から排出される。 FIG. 4B shows a plan view of the flow path layer 30. The flow path layer 30 is, for example, a storage chamber 32 in which the liquid sample 2 is temporarily stored on a flat substrate 31 made of polydimethylsiloxane (PDMS) (or a liquid sample supply connected to the storage chamber 32). Port), liquid introduction flow paths 34, a plurality (five in FIG. 4B) of reaction chambers 35, a plurality (a number corresponding to the number of reaction chambers 35, that is, five) of discharge chambers 36, A discharge channel 37 and a discharge port 33 are provided. The liquid introduction channel 34 is branched into a plurality of (five in FIG. 4B) branch channels 34a so that the liquid sample 2 is supplied from the storage chamber 32 to the reaction chamber 35. The reaction chamber 35 is thrust per Riniaru cavity branch channel 34a, to the portion of the inner surface of the cavity, the primer 3 to be targeted of the liquid sample 2 are pre spots are dried (In other words, the solid sample 3 is applied). As through the wall W p that is part of the PDMS substrate 31 surrounding the reaction chamber 35, discharge chamber 36 is respectively provided on the substrate 31. The discharge chamber 36 is connected to a discharge flow path 37a, and the gas acquired in the discharge chamber 36 is discharged from the discharge port 33 through the discharge flow paths 37a and 37.

(PCRチップの作製方法)
以上のような構成のPCRチップ1の作製方法の一例を示す。まず、シリコン基板にSU8−2100(MICRO CHEM社製)をスピンコート、ソフトベーク、及び露光等して、各層の所望形状に対応したモールドを作成する。その次に、PDMSをモールドに流し込み、75℃及び90分の条件でベークすると、弁制御層10、流路層30がそれぞれ完成する。PDMSは自己吸着性があるので、これを利用して、PDMSからなる各層10、20、30を結合してPCRチップ1を完成させることができる。なお、弁制御層10と薄膜層20との間は、単に物理的に接触させただけでは結合力が弱いため、表面の濡れ性を改質し、化学的に修飾を加えることができるOプラズマ処理をさらに追加して結合力を向上することが好ましい。
(Production method of PCR chip)
An example of a method for producing the PCR chip 1 having the above configuration will be described. First, SU8-2100 (manufactured by MICRO CHEM) is spin coated, soft baked, exposed, and the like on a silicon substrate to create a mold corresponding to the desired shape of each layer. Next, when PDMS is poured into a mold and baked under conditions of 75 ° C. and 90 minutes, the valve control layer 10 and the flow path layer 30 are completed. Since PDMS is self-adsorbing, the PCR chip 1 can be completed by combining the layers 10, 20, and 30 made of PDMS. Since the bonding force between the valve control layer 10 and the thin film layer 20 is weak when simply brought into physical contact with each other, the surface wettability is improved, and O 2 can be chemically modified. It is preferable to further add a plasma treatment to improve the bonding force.

(反応チャンバの構造及びガス透過性を利用した液体試料の導入方法)
次に、一例として、PCRチップ1内の反応チャンバ35及びその周辺部の具体的な構造を、図5を参照しながら説明する。図5(a)は反応チャンバ35及びその周辺部の斜視図を示し、図5(b)は反応チャンバ35及びその周辺部の平面図を示す。
(Liquid sample introduction method utilizing reaction chamber structure and gas permeability)
Next, as an example, a specific structure of the reaction chamber 35 in the PCR chip 1 and its peripheral part will be described with reference to FIG. 5A shows a perspective view of the reaction chamber 35 and its peripheral part, and FIG. 5B shows a plan view of the reaction chamber 35 and its peripheral part.

図示の反応チャンバ35は、基板31上に設けられ、底の有る円筒状を成している。また、液体試料2を各々の反応チャンバ35に運搬する分岐流路34aは矩形断面を有した溝形状をなし、反応チャンバ35の円筒中心に向かって延びている。また、排出チャンバ36は、円筒状の反応チャンバ35を同心円状に囲繞するように反応チャンバ35の外側に設けられ、矩形断面を有した溝形状を成している。反応チャンバ35と排出チャンバ36との間は、壁厚Dを有した壁Wによって区画されている。なお、排出チャンバ36に連結された排出流路37aは矩形断面を有した溝であり、反応チャンバ35から離れるように延びている。 The illustrated reaction chamber 35 is provided on the substrate 31 and has a cylindrical shape with a bottom. The branch flow path 34 a for transporting the liquid sample 2 to each reaction chamber 35 has a groove shape having a rectangular cross section and extends toward the center of the cylinder of the reaction chamber 35. The discharge chamber 36 is provided outside the reaction chamber 35 so as to concentrically surround the cylindrical reaction chamber 35 and has a groove shape having a rectangular cross section. Between the reaction chamber 35 and the discharge chamber 36 is partitioned by a wall W p having a wall thickness D. The discharge flow path 37 a connected to the discharge chamber 36 is a groove having a rectangular cross section, and extends away from the reaction chamber 35.

なお、本実施例で説明した流路層30の基板31に形成された各要素(反応チャンバ35、排出チャンバ36、分岐流路34a等)の上側は、薄膜層20によって覆われ、密閉される。   The upper side of each element (the reaction chamber 35, the discharge chamber 36, the branch flow path 34a, etc.) formed on the substrate 31 of the flow path layer 30 described in the present embodiment is covered with the thin film layer 20 and sealed. .

排出チャンバ36は、通常、ガス(例えば空気)で満たされており、解析時には、排出ポート33に接続された図示しないマイクロポンプが排出チャンバ36内の空気を吸引することで、排出チャンバ36が減圧される。そうすると、壁Wはガス透過性があるため、反応チャンバ35及び分岐流路34a内のガス(例えば空気)を壁W、排出チャンバ36、排出流路37a、及び排出ポート33を介して、PCRチップ1の外側に排出される。これにより、内側表面の一部にプライマー3が予め塗布された反応チャンバ35に液体試料2が導入され、液体試料2内の気泡は除去され、液体試料2のみが反応チャンバ35に充填されることになり、より厳密に計量された極微量の液体試料2を反応チャンバ35に導入することができる。なお、図6は、実物の反応チャンバ35にメチルグリーンで染色した液体試料2が導入・充填されていく様子を示した画像である。 The discharge chamber 36 is normally filled with a gas (for example, air). At the time of analysis, a micropump (not shown) connected to the discharge port 33 sucks air in the discharge chamber 36, thereby reducing the pressure of the discharge chamber 36. Is done. Then, since the wall W p is gas permeable, the gas (for example, air) in the reaction chamber 35 and the branch flow path 34a is passed through the wall W p , the discharge chamber 36, the discharge flow path 37a, and the discharge port 33. It is discharged outside the PCR chip 1. Thereby, the liquid sample 2 is introduced into the reaction chamber 35 in which the primer 3 is preliminarily applied to a part of the inner surface, bubbles in the liquid sample 2 are removed, and only the liquid sample 2 is filled in the reaction chamber 35. Thus, a very small amount of the liquid sample 2 weighed more precisely can be introduced into the reaction chamber 35. FIG. 6 is an image showing a state in which the liquid sample 2 stained with methyl green is introduced and filled into the actual reaction chamber 35.

図8は、反応チャンバ35と排出チャンバ36との間の壁Wの壁厚D(単位:mm)と、液体試料2が反応チャンバ35へ完全に導入されるまでの時間(単位:秒)と、の関係を示した図である。ここで、壁Wに生じる差圧ΔPは約0.5気圧に設定した。この図から分かるように、壁厚Dを大きくする程、導入時間が長くなり、D=0.6mmのときには約1400秒(約23分)程度が要することがわかる。なお、差圧ΔPの値を大きく取れば導入時間は減り(図示のプロットラインは全体的に下がり)、差圧ΔPの値を小さく取れば導入時間はさらに要する(図示のプロットラインは全体的に上がる)傾向となる。なお、現時点でPCRチップ1に通常使用されるマイクロポンプの吸引圧力は0.2〜0.9気圧であるため、壁厚Dは10μm〜500μmの範囲に設定することが好ましい。10μm未満にすると、減圧によって壊れやすくなる。 8, the wall thickness D (unit: mm) of the wall W p between the reaction chamber 35 and the discharge chamber 36 and the time until the liquid sample 2 is completely introduced into the reaction chamber 35 (in seconds) FIG. Here, the differential pressure ΔP caused to the wall W p was set at about 0.5 atmospheres. As can be seen from this figure, the larger the wall thickness D, the longer the introduction time. When D = 0.6 mm, it takes about 1400 seconds (about 23 minutes). If the value of the differential pressure ΔP is increased, the introduction time is reduced (the plot line shown in the figure decreases overall), and if the value of the differential pressure ΔP is reduced, the introduction time is further increased (the plot line shown is overall. Going up). In addition, since the suction pressure of the micropump normally used for the PCR chip 1 at present is 0.2 to 0.9 atm, the wall thickness D is preferably set in the range of 10 μm to 500 μm. If it is less than 10 μm, it is easily broken by reduced pressure.

なお、実施例1の円筒状の反応チャンバ35の好適な直径φは、φ=20μm〜5mmの範囲が好ましい。直径φを下限未満にすると、液体試料2の蒸発の影響が顕著になるとともに蛍光等の信号が十分に検知されなくなり、直径φを上限より大きくすると、マイクロ流体用PCRチップにおいて多数の反応チャンバ35を搭載できなくなってしまう。   The preferred diameter φ of the cylindrical reaction chamber 35 of Example 1 is preferably in the range of φ = 20 μm to 5 mm. When the diameter φ is less than the lower limit, the influence of the evaporation of the liquid sample 2 becomes significant, and signals such as fluorescence are not sufficiently detected. When the diameter φ is larger than the upper limit, a large number of reaction chambers 35 are included in the microfluidic PCR chip. Can no longer be installed.

ところで、液体試料2の導入を促進するため、図4(b)に示すように、液体導入流路34に一端が連結された分岐流路34b、分岐流路34bの他端が連結された分岐チャンバ34c、分岐チャンバ34cを囲繞する排出チャンバ36b、排出チャンバ36bと排出流路37とを連通する排出流路37bをさらに設けるようにしてもよい。これにより、反応チャンバ35へ連結する分岐流路34aの夫々の入口まで、液体試料2をより早く、より均一に牽引することが可能になる。   By the way, in order to promote introduction of the liquid sample 2, as shown in FIG. 4B, a branch channel 34b having one end connected to the liquid introduction channel 34, and a branch having the other end connected to the branch channel 34b. The chamber 34c, the discharge chamber 36b surrounding the branch chamber 34c, and the discharge flow path 37b communicating the discharge chamber 36b and the discharge flow path 37 may be further provided. As a result, the liquid sample 2 can be pulled more quickly and more uniformly to the respective inlets of the branch flow paths 34 a connected to the reaction chamber 35.

(弁機構の構成・動作)
次に、本発明のPCRチップ1の弁機構5の一例を具体的に説明する。弁機構5は、弁制御層10と、薄膜層20と、流路層30と、に設けられた構造によって所望の機能が達成される(図3、図4(a)、図7を参照)。図7に示すように、例えば立方空間を成す弁開口部14が弁制御層10に形成されており、この弁開口部14の下方には、薄膜層20及び分岐流路34aが敷設されている。分岐流路34a上には、弁開口部14の対応位置に、弁開口部14より面積が小さい中実立体状の突起34が設けられている。
(Configuration and operation of valve mechanism)
Next, an example of the valve mechanism 5 of the PCR chip 1 of the present invention will be specifically described. The valve mechanism 5 achieves a desired function by the structure provided in the valve control layer 10, the thin film layer 20, and the flow path layer 30 (see FIGS. 3, 4A, and 7). . As shown in FIG. 7, for example, a valve opening 14 that forms a cubic space is formed in the valve control layer 10, and a thin film layer 20 and a branch channel 34 a are laid below the valve opening 14. . The branch channel on 34a, the corresponding positions of the valve opening 14, an area is smaller than the valve opening 14 solid cubic body-shaped projections 34 v are provided.

例えば、PCR解析前、反応チャンバ35への液体試料2の導入・充填後、又はPCR熱サイクルの時点では、図示しない流量調節手段によって、ガス量調節ポート12及びガス量調節流路13を通って弁開口部14内へガス(例えば空気)が流入され、薄膜層20で蓋をされた弁開口部14は加圧される。これによって、図7(b)に示すように、薄膜層20は流路層30側に撓んで突起34の上面で固定され、ひいては、分岐流路34aを突起34の位置にて閉じることになる。 For example, before PCR analysis, after introduction / filling of the liquid sample 2 into the reaction chamber 35, or at the time of PCR thermal cycle, the flow rate adjustment means (not shown) passes through the gas amount adjustment port 12 and the gas amount adjustment flow path 13. Gas (for example, air) flows into the valve opening 14 and the valve opening 14 covered with the thin film layer 20 is pressurized. Thus, as shown in FIG. 7 (b), the thin film layer 20 is fixed on the upper surface of the protrusion 34 v deflect the flow channel layer 30 side, and thus, to close the branch passage 34a at the position of the protrusion 34 v become.

一方、液体試料2を反応チャンバ35へ導入する際には、図示しない流量調節手段によって、弁開口部14内のガスを、ガス量調節流路13及びガス量調節ポート12を介して、PCRチップ1から排出され、薄膜層20で蓋をされた弁開口部14は減圧される。これによって、図7(a)に示すように、薄膜層20は弁制御層10側に撓んで弁開口部14の内側上面で固定され、ひいては、分岐流路34aを開放することになる。   On the other hand, when the liquid sample 2 is introduced into the reaction chamber 35, the gas in the valve opening 14 is passed through the gas amount adjusting flow path 13 and the gas amount adjusting port 12 by a flow rate adjusting means (not shown). The valve opening 14 discharged from 1 and covered with the thin film layer 20 is decompressed. As a result, as shown in FIG. 7A, the thin film layer 20 is bent to the valve control layer 10 side and fixed on the inner upper surface of the valve opening 14, and as a result, the branch flow path 34a is opened.

なお、弁制御層10、薄膜層20、流路層30を例えば図4に示すように平面が同寸法の基板を用いれば、容易に弁開口部14と分岐流路34との位置合わせが行え、弁機構5を形成することが可能になる(図4(c)を参照)。   For example, if the valve control layer 10, the thin film layer 20, and the flow path layer 30 are made of a substrate having the same plane as shown in FIG. 4, the valve opening 14 and the branch flow path 34 can be easily aligned. The valve mechanism 5 can be formed (see FIG. 4C).

以上、具体的な構成を示しながらガス透過性を利用した反応チャンバ35への液体試料2の導入方法を説明したが、反応チャンバ35、排出チャンバ36、弁開口部14等の要素の形状や構造は上記例示に限定されるものではない。例えば、排出チャンバ36は、反応チャンバ35を同心円状に囲繞する溝形状に限定されず、反応チャンバ35を上下に所定距離だけ離れた空間であってもよい。   Although the method for introducing the liquid sample 2 into the reaction chamber 35 using gas permeability has been described with a specific configuration, the shape and structure of elements such as the reaction chamber 35, the discharge chamber 36, the valve opening 14 and the like have been described. Is not limited to the above examples. For example, the discharge chamber 36 is not limited to a groove shape that concentrically surrounds the reaction chamber 35, and may be a space that is vertically separated from the reaction chamber 35 by a predetermined distance.

(実施例2)
次に本発明の他の実施例を説明する。図9(a)は実施例1のPCRチップ1の断面構造を示し、図9(b)は実施例2のPCRチップ1の断面構造を示す。弁制御層10と流路層30がそれぞれ二層に分かれていること、及び、ガスバリア層40a,40b,40c,40d,40e,40fが層間に挿入されている以外の構成は実施例1と同様であり、その他の構成の説明は省略する。
(Example 2)
Next, another embodiment of the present invention will be described. FIG. 9A shows a cross-sectional structure of the PCR chip 1 of Example 1, and FIG. 9B shows a cross-sectional structure of the PCR chip 1 of Example 2. The configuration is the same as that of the first embodiment except that the valve control layer 10 and the flow path layer 30 are each divided into two layers and the gas barrier layers 40a, 40b, 40c, 40d, 40e, and 40f are inserted between the layers. Therefore, the description of other configurations is omitted.

実施例1の各層10,20,30は上述の通りPDMSからなりガスを透過させるものであるが、例えば弁機構5によって圧縮されたガスが基板11や薄膜層20を透過して、分岐流路34a、反応チャンバ35等を流れる液体試料2に気泡を混入させる場合や、PCR熱サイクル時に液体試料2が蒸発し、反応チャンバ35に導入される前に上下の基板11,31からガスがリークしてしまう場合がある。従って、ガスバリア層40(図では40a,40b,40c,40d,40e,40f)のいずれかを図示のような各層間の位置に敷設している。ガスバリア層40の材料として、例えば、パリレン、PVA、不飽和ポリエステル、HDPE、ガラス等が挙げられる。図9の符号40fに示すように、PCRチップ1の外側にガスバリア層40を設ける場合には硬いガラスを使用するのが好ましい。なお、PVAは柔らかい材料であるためPVAをガスバリア層40として用いる場合は、弁制御層10の基板11a,11b間や流路層30の基板31a,31b間に配置することが好ましい(図の符号40a、40e)。なお、ガスバリア層40を他の層10、20、30に結合させる際には、Oプラズマ処理を施すことが好ましい。 Each layer 10, 20, 30 of the first embodiment is made of PDMS as described above and allows gas to pass therethrough. For example, the gas compressed by the valve mechanism 5 passes through the substrate 11 and the thin film layer 20, and branches. 34a, when bubbles are mixed into the liquid sample 2 flowing through the reaction chamber 35 or the like, or when the liquid sample 2 evaporates during the PCR thermal cycle, the gas leaks from the upper and lower substrates 11 and 31 before being introduced into the reaction chamber 35. May end up. Accordingly, any one of the gas barrier layers 40 (40a, 40b, 40c, 40d, 40e, and 40f in the figure) is laid at a position between the respective layers as shown. Examples of the material of the gas barrier layer 40 include parylene, PVA, unsaturated polyester, HDPE, and glass. As shown by reference numeral 40f in FIG. 9, when the gas barrier layer 40 is provided outside the PCR chip 1, it is preferable to use hard glass. In addition, since PVA is a soft material, when using PVA as the gas barrier layer 40, it is preferable to arrange | position between the board | substrates 11a and 11b of the valve control layer 10, or between the board | substrates 31a and 31b of the flow-path layer 30 (code | symbol of a figure). 40a, 40e). When the gas barrier layer 40 is bonded to the other layers 10, 20, and 30, it is preferable to perform O 2 plasma treatment.

(実施例3)
液体試料2に蒸発抑制剤4を添加させた以外の点は、実施例1の構成と同様である。蒸発抑制剤4としてグリセロール、エチレングリコール、ショ糖、トレハロースが挙げられる。PCRにおける熱サイクルでは、95℃前後に過熱するステップが存在し、このとき、液体試料2が蒸発してしまい、PCR検知に必須の量の液体試料2が得られない場合がある。しかしながら、上記のような蒸発抑制剤4を液体試料2に添加させておくことで液体試料2の沸点を数℃上げることが可能になり、熱サイクルを終えても十分な量の液体試料2を反応チャンバ35内に残留させることができる。
(Example 3)
Except for adding the evaporation inhibitor 4 to the liquid sample 2, the configuration is the same as that of the first embodiment. Examples of the evaporation inhibitor 4 include glycerol, ethylene glycol, sucrose, and trehalose. In the thermal cycle in PCR, there is a step of heating to around 95 ° C., and at this time, the liquid sample 2 evaporates, and the amount of the liquid sample 2 essential for PCR detection may not be obtained. However, by adding the evaporation inhibitor 4 as described above to the liquid sample 2, it becomes possible to raise the boiling point of the liquid sample 2 by several degrees Celsius, and a sufficient amount of the liquid sample 2 can be obtained even after the thermal cycle is completed. It can remain in the reaction chamber 35.

(実施例4)
実施例2のガスバリア層40を実施例1の装置構成に追加するとともに、実施例3の蒸発抑制剤4を液体試料2に添加したものである。
Example 4
The gas barrier layer 40 of Example 2 is added to the apparatus configuration of Example 1, and the evaporation inhibitor 4 of Example 3 is added to the liquid sample 2.

(熱サイクル試験結果)
図10に実施例1のPCRチップ1を用いた熱サイクル試験結果を示す。図10(a)は熱サイクル試験前のPCRチップ1の反応チャンバ35の画像を示す。液体試料2には、着色されていない水を用いた。この図から明らかなように、液体試料2が反応チャンバ35に夫々、完全に満たされていることがわかる。図10(b)は熱サイクル試験後の反応チャンバ35の画像を示す。ここで、熱サイクル試験とは、PCRチップ1を95℃で10分間保持するステップ1と、PCRチップ1を95℃で15秒間保持した後、65℃で60秒間保持するステップ2と、4℃で維持するステップ3からなり、ステップ2を30回繰り返す試験である。図10(b)の画像から、液体試料2は反応チャンバ35に残留するものの、半分近い量の液体試料2が無くなっていることが確認できる。
(Thermal cycle test results)
FIG. 10 shows the results of a thermal cycle test using the PCR chip 1 of Example 1. FIG. 10A shows an image of the reaction chamber 35 of the PCR chip 1 before the thermal cycle test. For the liquid sample 2, uncolored water was used. As is apparent from this figure, it can be seen that the liquid sample 2 is completely filled in the reaction chamber 35, respectively. FIG. 10B shows an image of the reaction chamber 35 after the thermal cycle test. Here, the thermal cycle test includes step 1 in which the PCR chip 1 is held at 95 ° C. for 10 minutes, step 2 in which the PCR chip 1 is held at 95 ° C. for 15 seconds and then held at 65 ° C. for 60 seconds, and 4 ° C. This is a test consisting of step 3 maintained in step 3, and repeating step 2 30 times. From the image of FIG. 10B, it can be confirmed that although the liquid sample 2 remains in the reaction chamber 35, the amount of the liquid sample 2 is almost half.

図11は、実施例4のPCRチップ1を用いた熱サイクル試験結果を示す。図11(a)及び(b)は、熱サイクル試験前及び試験後のPCRチップ1の反応チャンバ35の画像を示す。熱サイクル試験の内容は上述した実施例1の試験内容と同様である。なお、液体試料2にはメチルグリーンで着色された水を用いた。これらの図を比較して明らかなように、熱サイクル試験を終えても液体試料2は蒸発しておらず、気泡も確認されなかった。   FIG. 11 shows the results of a thermal cycle test using the PCR chip 1 of Example 4. FIGS. 11A and 11B show images of the reaction chamber 35 of the PCR chip 1 before and after the thermal cycle test. The content of the thermal cycle test is the same as the test content of Example 1 described above. The liquid sample 2 was water colored with methyl green. As is clear from comparison of these figures, the liquid sample 2 was not evaporated even after the thermal cycle test was completed, and bubbles were not confirmed.

(PCR試験結果)
図12は、実施例2のPCRチップ1を用いたPCR試験後の反応チャンバ35の
画像を示す。液体試料2として、10xBuffer(5μl)、各2mM(なお、M=mol/l)のdNTP(5μl)、25mMのMgCl(7μl)、5U/μl(なお、U=units)のDNAポリメラーゼ(Ampli Taq Gold(登録商標))(1.25μl)、10ng/μlのヒト遺伝子DNA(1μl)、及び水(30.75μl)を含んだ溶液を用意し、PCRチップ1に供給した。このPCRチップ1の反応チャンバ35には、固体試料3として、3μMのフォワードプライマー、3μMのリバースプライマー、及び2μMのTaqManプローブ(Beta Actin Probe)とを含んだ溶液が予めスポットされている。(実施例2に係る液体試料2の各成分についての詳細は以下の表1を参照)。このPCRチップ1に以下のPCR処理を行った。PCR処理は、具体的には、95℃で10分間保持するステップ1と、PCRチップ1を95℃で15秒間保持した後、60℃で60秒間保持するステップ2と、25℃で維持するステップ3からなり、ステップ2を30回繰り返す試験である。図12の画像から明らかなように、PCR処理後に液体試料2が反応チャンバ35内に残留するもののPCR処理中に多少蒸発していることがわかる。
(PCR test results)
FIG. 12 shows an image of the reaction chamber 35 after the PCR test using the PCR chip 1 of Example 2. As a liquid sample 2, 10 × Buffer (5 μl), 2 mM each (M = mol / l) dNTP (5 μl), 25 mM MgCl 2 (7 μl), 5 U / μl (U = units) DNA polymerase (Ampli) A solution containing Taq Gold (registered trademark) (1.25 μl), 10 ng / μl human gene DNA (1 μl), and water (30.75 μl) was prepared and supplied to the PCR chip 1. In the reaction chamber 35 of the PCR chip 1, a solution containing 3 μM forward primer, 3 μM reverse primer, and 2 μM TaqMan probe (Beta Actin Probe) is spotted in advance as the solid sample 3. (See Table 1 below for details on each component of the liquid sample 2 according to Example 2). This PCR chip 1 was subjected to the following PCR treatment. Specifically, the PCR process includes step 1 of holding at 95 ° C. for 10 minutes, step 2 of holding the PCR chip 1 at 95 ° C. for 15 seconds, then holding 60 ° C. for 60 seconds, and step of maintaining at 25 ° C. This test consists of 3 and repeats step 2 30 times. As is apparent from the image of FIG. 12, it can be seen that the liquid sample 2 remains in the reaction chamber 35 after the PCR process, but is somewhat evaporated during the PCR process.

図13は、実施例4に係るPCRチップ1を用いてPCR試験を行った後の反応チャンバ35の蛍光画像を示す。なお、実施例4に係る液体試料2として、図13(b)の液体試料2には、実施例2で説明した液体試料2とほぼ同様の成分であるが、実施例2に係る液体試料2において添加されていた水(30.75μl)に替えて、グリセロール(つまり蒸発抑制剤4)と水とを含んだ溶液(水:15μl、グリセロール:15.75μl、計30.75μl)が添加されている点のみ異なる。一方、図13(a)の液体試料2は、図13(b)との比較のため実施例2に係る液体試料2(表1参照)に含まれていたヒト遺伝子DNA(1μl)を除去し、その除去した分量も水に置換したものである(従って、実施例2における水との比較において、図13(a)では、水:16μl、グリセロール:15.75μl、計31.75μl)。なお、PCR処理は図12で説明した内容と同様である。図13(a)(b)ともに、PCR処理後も反応チャンバ35がその容積全体に液体試料2で満たされていることがわかる。なお、図13(a)は液体試料2が蛍光発光していないが、図13(b)は液体試料2が蛍光発光している。これは、図13(a)に示した反応チャンバ35には、ベータアクチン遺伝子を含むヒト遺伝子DNAが存在していなかった為にPCRが行われず、図13(b)に示した反応チャンバ35には、ベータアクチン遺伝子を含むヒト遺伝子DNAが存在し、PCR反応が起こって特定の遺伝子領域が増幅され、その結果としてTaqmanプローブにより蛍光物質の反応が蛍光画像に現われたのである。これにより、特定の遺伝子配列の有無を本発明の試料解析装置1を用いて解析できることが分かる。 FIG. 13 shows a fluorescence image of the reaction chamber 35 after performing a PCR test using the PCR chip 1 according to Example 4. As the liquid sample 2 according to Example 4, the liquid sample 2 in FIG. 13B has almost the same components as the liquid sample 2 described in Example 2, but the liquid sample 2 according to Example 2 In place of the water (30.75 μl) added in step 1, a solution containing glycerol (that is, the evaporation inhibitor 4) and water (water: 15 μl, glycerol: 15.75 μl, 30.75 μl in total) was added. The only difference is that On the other hand, the liquid sample 2 in FIG. 13A removes the human gene DNA (1 μl) contained in the liquid sample 2 according to Example 2 (see Table 1) for comparison with FIG. 13B. The removed amount was also replaced with water (thus, in comparison with the water in Example 2, in FIG. 13A, water: 16 μl, glycerol: 15.75 μl, 31.75 μl in total). The PCR process is the same as that described in FIG. 13A and 13B, it can be seen that the reaction chamber 35 is filled with the liquid sample 2 in its entire volume even after the PCR process. In FIG. 13A, the liquid sample 2 does not emit fluorescence, but in FIG. 13B, the liquid sample 2 emits fluorescence. This is because PCR was not performed in the reaction chamber 35 shown in FIG. 13 (a) because no human gene DNA containing the beta actin gene was present, and the reaction chamber 35 shown in FIG. The human gene DNA containing the beta-actin gene exists, a PCR reaction occurs, a specific gene region is amplified, and as a result, the reaction of the fluorescent substance appears in the fluorescence image by the Taqman probe. Thereby, it turns out that the presence or absence of a specific gene arrangement | sequence can be analyzed using the sample analyzer 1 of this invention.

以上説明したように、本発明の試料解析装置によれば、固体試料と液体試料との反応を簡素な構造で解析できる。   As described above, according to the sample analyzer of the present invention, the reaction between the solid sample and the liquid sample can be analyzed with a simple structure.

本発明によれば、特に遺伝子解析分野において従来の装置が有する欠点を排除した試料解析装置(例えば、PCRチップ)を提供することができる。具体的には、多数の試料と標的との組み合わせを簡素な構造で解析できるPCRチップを提供することができる。また、従来の遺伝子解析装置が有する気泡の残留や試料溶液の蒸発等の問題点を排除したPCRチップを提供することができる。さらに、気泡等の残留が発生しないことに加え、反応チャンバの容積一杯に(つまり定量)試料溶液を充填させることができるため、厳密に計量された溶液を用いてPCR処理が可能なPCRチップを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a sample analysis apparatus (for example, a PCR chip) that eliminates the drawbacks of conventional apparatuses, particularly in the field of gene analysis. Specifically, a PCR chip capable of analyzing a combination of a large number of samples and targets with a simple structure can be provided. In addition, it is possible to provide a PCR chip that eliminates problems such as residual bubbles and evaporation of the sample solution of a conventional genetic analyzer. Furthermore, in addition to the absence of residual bubbles and the like, the sample chamber can be filled to the full volume of the reaction chamber (ie, quantitative), so a PCR chip capable of PCR processing using a precisely weighed solution can be provided. Can be provided.

本発明は、固体試料と液体試料とを反応させる種々の化学反応の解析の他、マイクロ流体チップ、例えばPCRチップ、を用いた遺伝子解析の研究や臨床診断分野において利用することができる。特に、有核赤血球を用いた胎児診断への適用が期待される。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used in gene analysis research and clinical diagnostic fields using a microfluidic chip, such as a PCR chip, in addition to analysis of various chemical reactions in which a solid sample and a liquid sample are reacted. In particular, application to fetal diagnosis using nucleated red blood cells is expected.

1 試料解析装置(遺伝子解析装置、PCRチップ)
2 液体試料
3 固体試料(プライマー)
4 蒸発抑制剤
5 弁機構
10 弁制御層
11 基板
12 ガス量調節ポート
13 ガス量調節流路
14 弁開口部
20 薄膜層
30 流路層
31 基板
32 貯蔵チャンバ
33 排出ポート
34 液体導入流路
34a 分岐流路
34 分岐流路上の突起
35 反応チャンバ
36 排出チャンバ
37 排出流路
40(40a,40b,40c,40d,40e,40f) ガスバリア層

1 Sample analyzer (gene analyzer, PCR chip)
2 Liquid sample 3 Solid sample (primer)
4 Evaporation inhibitor 5 Valve mechanism 10 Valve control layer 11 Substrate 12 Gas amount adjusting port 13 Gas amount adjusting channel 14 Valve opening 20 Thin film layer 30 Channel layer 31 Substrate 32 Storage chamber 33 Discharge port 34 Liquid introduction channel 34a Branch passage 34 v branched flow projections path 35 reaction chamber 36 exhaust chamber 37 discharge channel 40 (40a, 40b, 40c, 40d, 40e, 40f) gas barrier layer W p wall

Claims (8)

液体試料を収容可能な少なくとも一つ以上の貯蔵チャンバと、
固体試料が収容された少なくとも一つ以上の反応チャンバと、
前記貯蔵チャンバと前記反応チャンバとを連通する液体導入流路と、
前記反応チャンバ近傍に設けられた排出チャンバと、
を備え、かつ、
前記反応チャンバと前記排出チャンバとの間にはガス透過材料を含んだ壁が設けられ、
前記反応チャンバと前記排出チャンバとの間に生じた圧力差によって、前記液体導入流路及び前記反応チャンバ内のガス並びに前記液体試料中のガスが前記壁を通して前記排出チャンバに吸引されるとともに、前記貯蔵チャンバから前記反応チャンバに前記液体試料が導入・充填され
前記反応チャンバは円筒形を成し、
前記排出チャンバは反応チャンバを同心円状に囲繞した溝を成し、
前記壁の壁厚は10μm〜500μmの範囲にあり、
前記排出チャンバの圧力は、前記液体試料を前記反応チャンバへ導入するために、0.2〜0.9気圧に設定されることを特徴とする試料解析装置。
At least one storage chamber capable of containing a liquid sample;
At least one reaction chamber containing a solid sample;
A liquid introduction channel communicating the storage chamber and the reaction chamber;
A discharge chamber provided in the vicinity of the reaction chamber;
And having
A wall containing a gas permeable material is provided between the reaction chamber and the discharge chamber,
Due to the pressure difference generated between the reaction chamber and the discharge chamber, the gas in the liquid introduction channel and the reaction chamber and the gas in the liquid sample are sucked into the discharge chamber through the wall, and The liquid sample is introduced and filled from the storage chamber to the reaction chamber ,
The reaction chamber has a cylindrical shape,
The discharge chamber has a groove concentrically surrounding the reaction chamber;
The wall thickness is in the range of 10 μm to 500 μm,
The pressure of the discharge chamber, for introducing the liquid sample into the reaction chamber, the sample analyzing apparatus according to claim Rukoto is set to 0.2 to 0.9 atm.
前記反応チャンバと前記排出チャンバとの間に圧力差を発生させる圧力差発生機構をさらに備え、前記圧力差発生機構は、前記排出チャンバの圧力を減少させる減圧機構であることを特徴とする請求項1に記載の試料解析装置。   The pressure difference generating mechanism for generating a pressure difference between the reaction chamber and the discharge chamber is further provided, and the pressure difference generating mechanism is a pressure reducing mechanism for decreasing the pressure of the discharge chamber. 2. The sample analysis apparatus according to 1. 前記液体導入流路は、一つの前記貯蔵チャンバから複数の前記反応チャンバに分岐させる分岐流路を備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の試料解析装置。   The sample analysis apparatus according to claim 1, wherein the liquid introduction flow path includes a branch flow path that branches from one storage chamber to a plurality of the reaction chambers. 前記液体導入流路は、流路を開閉する弁機構を備えることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の試料解析装置。   The sample analysis apparatus according to claim 1, wherein the liquid introduction channel includes a valve mechanism that opens and closes the channel. 前記液体試料には、蒸発抑制剤が添加され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試料解析装置。   The sample analysis apparatus according to claim 1, wherein an evaporation inhibitor is added to the liquid sample. 前記液体導入流路と前記反応チャンバの近傍にガスバリア層が設けられ、前記壁にはガスバリア層が設けられていないことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の試料解析装置。   The sample analysis apparatus according to claim 1, wherein a gas barrier layer is provided in the vicinity of the liquid introduction channel and the reaction chamber, and no gas barrier layer is provided on the wall. 前記ガス透過性材料がポリジメチルシロキサンであることを特徴する請求項1〜6のいずれかに記載の試料解析装置。 The sample analysis apparatus according to claim 1, wherein the gas permeable material is polydimethylsiloxane. 前記液体試料は、核酸溶液を含み、
前記固体試料は、前記反応チャンバに予め塗布・乾燥されたプライマーを含み、
PCR解析に用いられることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の試料解析装置。
The liquid sample includes a nucleic acid solution,
The solid sample includes a primer pre-applied to the reaction chamber and dried,
The sample analysis apparatus according to claim 1, wherein the sample analysis apparatus is used for PCR analysis.
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