CN101263392A

CN101263392A - 微流道芯片

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Publication number: CN101263392A
Application number: CNA2006800336124A
Authority: CN
Inventors: 关泽隆一; 久本秀明
Original assignee: METABOSCREEN CO Ltd
Current assignee: METABOSCREEN CO Ltd
Priority date: 2005-09-13
Filing date: 2006-09-11
Publication date: 2008-09-10
Anticipated expiration: 2026-09-11
Also published as: JP3116709U; US20090215158A1; WO2007032316A1; CN101263392B; EP1936382A1

Abstract

本发明涉及一种微流道芯片，其具有多个凹槽和多个毛细管，该凹槽在基板上形成，其彼此平行或串联地连接，该毛细管以不同于彼此的方式化学修饰，其被放入该多个凹槽中，其中通过将流体提供至放入该多个凹槽的该多个毛细管中，获得检测的数据。该微流道芯片能够同时测定化学和生物化学功能的多个项目。使用在该基板上形成的微流道，该微流道芯片能够同时测定化学和生物化学功能的多个项目。

Description

微流道芯片

技术领域

[0001]本发明涉及一种微流道芯片，当流体流过多个微型毛细管并且在该毛细管中使用化学修饰进行预定功能时，该微流道芯片可以检测数据。

背景技术

[0002]传统上，被称为μTAS(微型全分析系统)的集成芯片已知作为具有微流道的芯片的例子，使用显微机械加工技术，该微流道在玻璃或塑料基板上形成，以进行必要的生物化学/化学操作并检测例如使用固定在该流道的功能化分子的反应和分离。

[0003]作为另一个在该基板上形成的具有该微流道的这样的微流道芯片的例子，已知毛细管凝胶电泳微芯片当分离例如DNA片段的核酸，例如氨基酸，肽，和蛋白质的有机分子，和微量的不同大小的金属离子时使用(见专利参考文献1)。

[0004]此外，传统上，微流道器件已知还具有预定宽度和深度的流道凹槽，该流道凹槽在基板的表面上以网格形式形成，矩形毛细管放入该流道凹槽的一些中，该矩形毛细管与之紧密接触，并且由透明玻璃制成的透明盖子覆盖该流道凹槽侧面的基板表面(见专利参考文献2)。这样的微流道器件的使用是容易又便宜的，并且允许流道形式容易并随意地改变。

[0005]专利参考文献1：日本未经审查的专利申请公开号2001-157855

专利参考文献2：日本未经审查的专利申请公开号2005-140681

发明内容

本发明所要解决的问题

[0006]如上面描述的例如毛细管凝胶电泳微芯片和μTAS的芯片需要例如湿法刻蚀的显微机械加工技术，并且当流道形式一旦形成并且随后该形成的流道形式被改变时可能产生昂贵的成本，从而该流道形式的排列缺乏适应性。

[0007]如上面描述的专利参考文献2中公开的技术可以容易并随意地改变该流道形式，以当必要时允许化学功能被结合，但是它通常期望极大地缩短从收集被检测的数据到同时测定多个项目的时间，例如，在化学领域和生物化学领域应用的病毒检测中。然而，专利参考文献2没有具体地公开该数据收集。

[0008]本发明是考虑到如上面描述的这些技术问题而产生的，并且本发明的目的是提供一种微流道芯片，该微流道芯片可以通过使用在基板上形成的微流道，同时测定多个化学和生物化学功能。

解决该问题的方法

[0009]为了解决上面描述的该问题，本发明的微流道芯片具有多个凹槽和多个毛细管，在基板上形成的该凹槽平行或串联地连接，每个毛细管以不同于彼此的方式被化学修饰，分别放入该多个凹槽中，以在流体被提供到被这样放置的多个毛细管时收集被检测的数据。

[0010]本发明的微流道芯片具有放入在该基板上预制的凹槽中的毛细管，以产生可以更换该毛细管的适应结构，来应付例如更换检测项目时的情况。此外，假如每个毛细管以不同于彼此的方式被化学修饰，并且该微流道芯片可以在不干扰每个毛细管的同时测定多个化学和生物化学功能。

[0011]在本发明的微流道芯片中，在此使用的“以不同方式的化学修饰”具有广泛的意义，并且在例如生物化学领域，药物领域，环境测定领域，和分子生物学领域的广泛领域中，而不被限制在化学领域中，实现例如混合，反应，和分离的化学操作。例如，本发明的该微流道芯片可以通过将固定在其中的具有不同类型的动物免疫球蛋白G(IgG)的毛细管并排排列，同时检测并且同时定量检测抗原-抗体反应。

[0012]流体被提供到放入该凹槽中的多个毛细管，以使例如反应，分离，和混合的化学操作被同时进行，并且例如，在ELISA方法中，荧光底物的注入可以进行数量确定和定量检测。ELISA(免疫测定或酶联免疫吸附测定)是用于检测受检的物质(受检物质)的浓度的方法，其通过同时将该受检物质和酶标记抗原加入到具有固定在其上的抗体(蛋白质)的多孔板中，抗体与该受检物质特异性地反应，以使得该受检物质和酶标记抗原相互反应，并且使用吸光测定法测定与该多孔板结合的酶标记物质的酶活性，并且该方法是用于定量检测的方法，其通过分析同时或连续地透过并排排列的该多个毛细管传输或由并排排列的该多个毛细管反射的光。在该分析中，本发明的该微流道芯片可以被成形，以通过使用热透镜显微镜，荧光显微镜，CCD照相机等图像处理获得数据。此外，该抗原可以固定在该毛细管上。

本发明的优点

[0013]使用本发明的该微流道芯片，可以随着在该基板上形成的该微流道的使用同时测定多个化学和生物化学功能，并且因此，例如病毒鉴定等原先需要许多化学操作的工作可以在很短时间内进行，并且由于该芯片的结构可以被大量生产，该工作可以十分经济地进行。

附图说明

[0014]图1是根据本发明的实施例的微流道芯片的主要部分的横截面透视图。

图2是使用于根据本发明的实施例的微流道芯片中的毛细管的平面图。

图3是使用于根据本发明的实施例的微流道芯片中的该毛细管的横截面透视图。

图4是使用于根据本发明的实施例的微流道芯片中的基板的示意图。

图5是使用于根据本发明的实施例的微流道芯片中的该基板的示意性透视图。

图6是在该毛细管被放入该凹槽之前，使用于根据本发明的实施例的微流道芯片中的该基板的平面图。

图7是在该毛细管被放入该凹槽之后，使用于根据本发明的实施例的微流道芯片中的该基板的平面图。

图8是在根据本发明的实施例的该微流道芯片中，用于说明使用预定试剂涂覆该毛细管的步骤的示意图。

图9是在根据本发明的实施例的该微流道芯片中的该毛细管中，用于说明使用该预定试剂的反应过程的步骤的示意图。

图10是使用根据本发明的实施例的该微流道芯片，根据ELISA方法，用于说明测定方法的模型的示意图。

图11是当使用图10的该微流道芯片时，显示五个毛细管的信号强度的图表。

图12是使用根据本发明的实施例的该微流道芯片的释放荧光素的毛细管(fluorescein releasing capillary)的模型的示意图。

图13是显示图12的该模型的测定的pH值和荧光强度之间关系的图表。

图14是显示释放底物的毛细管(substrate releasing capillary)可以作为该微流道芯片用于测定酶活性功能的图表，并且该图表是显示使用本发明的实施例的该释放底物的毛细管测定的酶活性数据的图表。

图15是显示释放底物的毛细管可以作为该微流道芯片用于测定酶活性功能的图表，并且该图表是显示使用微量滴定板作为对照的例子的实验数据的图表。

图16是根据本发明实施例的微流道芯片的实验例子，显示该试剂被释放后毛细管中状态的荧光图像，并且是一个显示释放胰岛素底物的毛细管(trypsin substratereleasing capillary)的荧光图像。

图17是根据本发明实施例的微流道芯片的实验例子，显示该试剂被释放后毛细管中状态的荧光图像，并且是一个显示释放荧光素的毛细管的荧光图像。

图18是使用图10的该模型，不但显示人类IgG的抗原浓度，而且显示鸡IgG和山羊IgG的抗原浓度的校准曲线的图表。

具体实施方式

[0015]参看这些附图描述根据本发明的实施例的该微流道芯片。图1是根据本发明的实施例的微流道芯片的主要部分的横截面图。该微流道芯片使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制作的基板10，基板10是一种聚合材料基板，并且该基板具有以矩形柱子形式的毛细管21至24，以矩形柱子形式的毛细管21至24分别放入在如图1所示的该基板10的表面11上形成的四个凹槽13至16中。四个毛细管21至24中的每个的一个端面向一个流道12。

[0016]该基板10可以具有如上面描述的专利参考文献2中公开的以格子形式排列的凹槽，或者作为选择，和毛细管一样多的凹槽可以在该基板10上形成，以适应放入该凹槽中的多个毛细管类型。虽然在本实施例中，该基板10是表格式的，但是该基板10可以是以其它可以固定该毛细管的形式。由聚合材料制作的该基板10在一定程度上是能变形的。因此，当毛细管放入凹槽时，通过容纳毛细管插入其中的凹槽的一定程度上的膨胀，该毛细管可以被插入该毛细管，并且在该毛细管放入该凹槽中以后，该毛细管可以没有任何缝隙的被固定在该凹槽中。例如，该基板可以由例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚二苯基硅氧烷(polydiphenylsiloxane)的硅橡胶，玻璃，或其它聚合材料组成。

[0017]在这里，该凹槽可以具有例如大约300微米宽度和300微米深度的尺寸，具有非常小的正方形形式的横截面，并且因此，由于该正方形的横截面，该毛细管具有该相同尺寸的侧面和底面，因此，由于该侧面和底面的相同，该毛细管可以没有方向问题的被放入该凹槽中。另一方面，在该毛细管中的流道是100微米×100微米的，而该毛细管的外径是300微米×300微米的，与该凹槽具有相同的尺寸。

[0018]如上面描述的，放入该凹槽13至16中的矩形柱子形式的四个毛细管21至24是由石英玻璃制成的柔性微型矩形柱子，其被以不同方式化学修饰以获得不同的化学功能，并且该四个毛细管21至24在其矩形柱子形式中具有流道25至28。例如抗体和酶的引起反应的物质被固定在该流道25至28的内壁。

[0019]例如，在一个例子中，通过该流道的流体流是人血，用于AIDS检查的试剂被固定在第一个毛细管中，用于肝炎检查的试剂被固定在下一个毛细管中，并且其它的毛细管可以用于例如癌症和性病的检查。如上面描述的，本发明的微流道芯片通过四个不同的毛细管具有相同的血流，并因此对于四种疾病中的每一种可以独立检查，就是说，该检查仅进行一次，来确定是否是阳性或阴性，并且因此，本发明的微流道芯片特别是在需要紧急治疗的情况下非常有效。该毛细管结合的例子中，该毛细管可以被结合用于同时检查多种类型的肝炎，并且例如病毒的多种类型疾病存在的情况下，该毛细管可以被结合用于检查该疾病，以确定每次的疾病类型。使用血液的例子中，每个毛细管可以被排列，以同时进行例如高脂血，糖尿病，和脂肪肝的检查。例如尿液和血液的体液可以在多个毛细管中使用，来同时进行例如膀胱癌，前列腺癌，子宫癌，或药检(doping test)的多种检查。本发明的微流道芯片可以适用于细胞因子，激素，环境激素等的定性和定量检测。应用于食品领域的例子中，可以使用本发明的微流道芯片来检测食品中的农药和细菌，并且来检测其数量，并且可以鉴别毒性物质。在生物化学领域中，本发明的微流道芯片可以实现在细胞中例如不同蛋白质，核酸，和生理活性物质的不同分子的组分分析，并且同样可以实现细胞中的不同酶活性的检测并检测其数量。此外，该毛细管可以结合用于检测包括在例如温泉的泉水中的多种金属离子的数量。

[0020]如下面描述的，本发明的微流道芯片根据ELISA方法可以进行检测，并且其具有这样一种结构，其中抗体固定在以矩形柱子形式的四个毛细管21至24的内表面并且提供抗原溶液，以发生抗原-抗体反应，以实现定量检测，因此其在疾病检测和病毒检测的情况中特别有效。

[0021]图2和图3是平面图和横截面图，并且该毛细管21和22在其矩形柱子形式内部具有流道25和26，其被不同的化学修饰。在本发明中，该毛细管21和22由石英玻璃制成，但其可以由其它玻璃和合成树脂材料制成。在本实施例中，该内壁在矩形柱子形式中具有空腔，但是该空腔可以是圆柱体的形式或其它的形式。该毛细管的内壁可以被化学修饰以被制成用于离子传感，分子传感，pH传感，过滤，浓缩，抗原-抗体反应，酶反应，催化反应，免疫反应，油水分离，或流量控制的化学修饰部分。在这些情况中，例如分子识别，反应，分离，和检测的多个类型的化学功能可以随意地结合至一片微流道芯片中。例如，该毛细管由玻璃或塑料制成。作为一个模型的例子，使用由石英玻璃制成的，购买自Polymicro技术有限责任公司的正方形柔性熔融石英毛细管(squareflexible fused silica capillary tubing)，并且其具有正方形的外横截面。由于如上面描述的，以矩形形式的该毛细管具有该正方形的外横截面，具有该正方形的横截面并且与该毛细管的外形具有相同的尺寸的凹槽被排列在该基板上，切割出预定长度的预定数量的毛细管被放入该凹槽的一些部分中，并且因此，该微流道被容易并随意地制成所需要的形式。

[0022]优选地，本发明的微流道芯片的毛细管在其中具有至少一个透明表面。通过该透明表面，在该微流道中的化学操作的进行和结果可以被容易地看到，并且该透明表面优选的用于根据如下面描述的ELISA方法的定量检测。应该注意的是，该毛细管内壁的横截面形状不限于特定形状，但是如上面描述的，考虑确保化学功能，其优选是基本矩形的形状。

[0023]随后，下面通过参考图4至7描述根据本发明的实施例的微流道芯片的装配。图4和图5是显示基板10和作为流道的凹槽19之间关系的图示，并且图4是省略一些部分的平面图，而图5是立体图。如图4和图5中所示，由例如玻璃和聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成的基板10具有凹槽19和被该凹槽环绕着的表面，该凹槽19以格子形式纵向和横向形成，并且该表面以正方形矩阵形式从凹槽底部突出。由于该凹槽19在格子形式中纵向和横向地形成，在横向上横越一个凹槽之间的距离和在纵向上横越一个凹槽之间的距离基本相同，但是在横向上和纵向上横越之间的距离可以是不同的。

[0024]使用如上面描述的基板10，如图6所示，准备四种类型的毛细管21至24，并且该四种类型的毛细管21至24中的每个被以纵向放入该凹槽的一部分中，以彼此平行。用于关闭该流道的盲毛细管18(dummy capillaries)被放入需要被封闭的该凹槽的一部分中。例如，预定数量的柔性矩形毛细管被切割成预定长度并且在其中具有流道，该流道用聚二甲基硅氧烷等填充，以作为盲毛细管18。如上面描述的，放入该流道中的该盲毛细管封闭该流道的特定部分，并且从而，该微流道芯片的流道被制成预定的形式。

[0025]如图7所示的流动型态中，四种类型的毛细管21至24被横向地平行排列，并且从由该凹槽形成的该流道12a的入口侧注入的流体流过每个毛细管21至24，并且通过该流道12b的出口侧排出。在此，可以注入两种或多种不同类型的流体，该流道12a可以在两位位置或多个位置打开以注入该流体。

[0026]虽然在图中省略了，在该毛细管被放入该凹槽之后，预定的盖子可以附在该基板上。由玻璃或塑料制成的透明片或透明薄膜可以作为盖子，并且在这种例子中，该微流道的内部状态可以从外面观察到。

[0027]随后，用于制备具有固定在其中的试剂的毛细管的步骤通过参考图8简要地描述。在图8的例子中，作为该试剂功能的物质被溶解于甲醇(MeOH)溶液中，并且这个溶液被注入到具有正方形横截面的该毛细管30的流道31中。在空气被注满后，被注入到具有该正方形横截面的流道31中的该溶液在其中间保存空气，并且在24小时的空气干燥后，该溶液被固定在该毛细管30的内壁。作为一个释放试剂的毛细管的例子，荧光检测胰岛素底物(苯甲酰-L-精氨酸-4-甲基-香豆酰-7-酰胺(benzoyl-L-arginine-4-methyl-coumaryl-7-amide)；Bz-Arg-MCA)或pH检测试剂(荧光素)和聚乙二醇溶解于甲醇(MeOH)溶液中，并且该溶液被注入该毛细管30的流道31，在24小时的空气干燥后，以使该溶液可以被固定在该毛细管30的内壁上。

[0028]例如，为了使毛细管30可以获得进行根据ELISA方法的检测，抗体优选先被固定在具有该正方形横截面的流道31的内壁，并且根据ELISA方法的诊断可以通过随后提供的如下面描述的抗原，酶标记抗体，和底物完成。

[0029]图9显示在检测操作中，该毛细管32的状态。在该毛细管32中，通过固定试剂制成的薄膜在具有正方形横截面的流道33的内壁上根据例如在图8中描述的步骤中的步骤形成，并且特别是在干燥后，该试剂的成分就像是残留物存在该毛细管32的四个角落部分。在这个状态，作为样品的溶液通过毛细管作用被注入该毛细管32。该样品被注入具有该正方形横截面的毛细管32的流道33中，以使该试剂从具有固定该试剂在其中的薄膜中释放，从而产生例如显色，荧光等等预定反应的现象。

[0030]图9显示一个实施例，其中该试剂从在内壁形成的薄膜中释放，并且是由化学反应产生的显色反应和由从具有该正方形横截面的毛细管3的流道33的内壁释放的底物产生的例如酶反应的显色反应的例子。在酶反应的情况中，可以使用该释放底物的毛细管和酶本身。

[0031]下面，本发明的微流道芯片将基于本发明的发明人进行的实验的例子被进一步详细地描述。

[0032]图10显示根据ELISA方法用于测定方法的模型，并且是其中使用人类IgG反应系统分析酶反应的一个例子。首先，凹槽以格子形式在基板40上形成，并且五个矩形毛细管43a至43d和43e平行地放入其上。不能作为流道的盲毛细管42安装在该凹槽中。由聚(N-异丙基丙烯酰胺)，一种温度敏感的聚合物制成的球形毛细管(bulbcapillary)41在五个平行的矩形毛细管43a至43d和43e的入口形成。该球形毛细管42可以根据温度控制该流道的打开和关闭。

[0033]在如上面描述的微流道芯片结构上，具有固定其上的人类IgG抗体的五个矩形毛细管43a至43d和43e被平行放入制成该芯片。为了测试，在球形毛细管41被操作打开后，抗原溶液被从入口44注入来填充每个矩形毛细管43a至43d和43e本身，而允许该抗原溶液通过出口45排出，并且随后，关闭该球形毛细管41以进行反应。随后，酶标记抗体溶液(辣根过氧化物酶标记抗IgG(Anti-IgG-HRP))和底物溶液(N-乙基-N-(2-羟基-3-磺丙基)-3-甲基苯胺(TOSS)，4-乙酰氧基氮杂环丁酮(4-AA))反应后产生红色颜料并且使用热透镜显微镜观察(激发波长532nm，检测波长658nm)。

[0034]随着该抗原和酶抗体溶液与底物溶液的注入，酶反应使热透镜显微镜信号强度在大约60秒后达到恒定值。随后，测定在此系统中足够完成抗原-抗体反应的时间。结果，此处抗原-抗体反应进行12分钟或更久，该热透镜信号强度变得恒定。因此，在固定有抗体的毛细管中的总反应时间大约是30分钟，并且这表明其可以进行快速免疫测定。

[0035]图11显示当使用图10中的微流道芯片时，五个毛细管的信号强度。在该信号强度中，观察到大约19％的误差，但是同样表明出可以获得有用的数据。

[0036]图12是使用释放荧光素的毛细管模型的实验的例子的图表。基板50上的中心凹槽被构造成具有样品溶液，其pH值可以被测定，并且排列在该中心凹槽两侧的释放荧光素的毛细管51和52的中心侧的端部是打开的，以允许该样品溶液通过该开口被注入该释放荧光素的毛细管51和52中。

[0037]图12中的照片部分显示随着时间变化的实际荧光，并且图13显示荧光强度ΔF和pH值之间的关系。使用该释放荧光素的毛细管，强度变化在pH值4至8之间充分出现，并且因此，可以表明被检测的数据是有用的。

[0038]图14和15是显示可以作为微流道芯片用于测定酶活性功能的释放底物的毛细管的图示，并且图14是根据本发明的实验的例子，通过该释放底物的毛细管测定的酶活性的数据，而图15是使用微量滴定板作为对照的例子通过实验测定的数据。在使用该释放底物的毛细管的实验中，信号是弱的，但是对于该胰岛素浓度，所获得的数据与使用该通用的微量滴定板相对于反应速度和反应温度的实验具有充分相同的数量级，并且使用该释放底物的毛细管的实验可以比使用该微量滴定板的实验进行的稍少，以使得进行的操作非常便宜。

[0039]图16和17分别是酶活性实验和pH敏感的荧光显微照片，并且该酶活性实验使用该释放胰岛素底物的毛细管，而该pH敏感是使用该释放荧光素的毛细管模型的例子。在两个例子中，观察到的荧光在大约100微米的宽度中，该宽度与基本上矩形毛细管的该流道的内壁的宽度具有相同的宽度，并且从而，实现有效的测定。

[0040]图18是使用图10所示的该模型，不但显示人类IgG的抗原浓度，而且显示鸡IgG和山羊IgG的抗原浓度的校准曲线的图表。在这些免疫测定中，在与如上面描述的人类IgG反应系统的相同方式中，发生抗原-抗体反应，并且其表明，获得了测定数量的相同结果。因此，排列了不同类型毛细管的本发明的微流道芯片甚至用于不同的酶反应和抗原-抗体反应，以表明进行同时测定是有效的。

[0041]虽然，在上面的实施例中，描述了对应不同酶反应和抗原-抗体反应的不同类型毛细管被平行排列的例子，提供到每个毛细管中的流体必须具有一些共性，并且每个毛细管可以彼此串联地连接。

Claims

1.一种微流道芯片，包括：

在基板上形成的多个凹槽，所述凹槽彼此平行或串联地连接；和

以不同于彼此的方式化学修饰的多个毛细管，并且所述毛细管被分别放入所述多个凹槽中，

其中通过将流体提供至放入所述多个凹槽的所述多个毛细管中，获得检测的数据。

2.根据权利要求1所述的微流道芯片，其中所述多个毛细管中的任意一个是固定有抗体的毛细管，所述抗体固定在所述毛细管的内壁上。

3.根据权利要求1所述的微流道芯片，其中所述多个毛细管中的任意一个是固定有抗原的毛细管，所述抗原固定在所述毛细管的内壁上。

4.根据权利要求1所述的微流道芯片，其中在所述流体被注入所述多个毛细管中的任意一个之后，所述多个毛细管中的任意一个的两端用硅油密封。

5.一种微流道芯片，包括：

有固定在其上的抗体的多个毛细管，并且所述毛细管被分别放入所述多个凹槽中，

其中通过将抗原溶液提供至放入所述多个凹槽的所述多个毛细管中，获得检测的数据。

6.一种微流道芯片，包括：

有固定在其上的抗原的多个毛细管，并且所述毛细管被分别放入所述多个凹槽中，

其中通过将抗体溶液提供至放入所述多个凹槽的所述多个毛细管中，获得检测的数据。

7.根据权利要求1，5，或6中任意一项所述的微流道芯片，其中根据ELISA方法，使显色反应在所述多个毛细管的任意一个中发生，并且其中通过其显色浓度获得所述检测的数据。