JP2006030089A

JP2006030089A - 生体物質処理キット

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Publication number: JP2006030089A
Application number: JP2004212223A
Authority: JP
Inventors: Yujiro Naruse; 雄二郎成瀬; Kenichi Kameyama; 研一亀山; Satoshi Ito; 聡伊藤; Kazuhiro Henmi; 和弘逸見; Takahiro Suzuki; 貴博鈴木; Hideyuki Funaki; 英之舟木; Kazuhiro Suzuki; 和拓鈴木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-07-20
Filing date: 2004-07-20
Publication date: 2006-02-02

Abstract

【課題】生体物質の検査等が可能であり、使用後は容易に洗浄あるいは廃棄することが可能な生体物質処理キットを提供する。
【解決手段】筐体30内部に設けられ、基体10の表面において生体物質溶液が流れる反応流路53、及び表面を延伸する入射光伝送線路41を有する生体物質処理チップ5を収納するチップ装着部61、及び入射光伝送線路41を介して反応流路53の生体物質溶液に入射光を照射する発光素子71を有するカセットを備える。
【選択図】図2

Description

本発明は生体物質の検査等を行う生体物質処理キットに関する。

従来、生体物質を検査、若しくは分離等の処理を行う装置はそれぞれ別個に存在していた。例えば、検査対象の生体物質と特異的に反応する抗体に蛍光色素をラベルし、蛍光反応を観察するための検査装置、生体物質を電荷量で分離する電気泳動装置、複数の生体物質を分子量ごとに精製するマイクロアレイ装置等が実用化されている（例えば特許文献1参照。）。

在宅医療システム構築の必要性が求められる現在においては、各家庭においても手軽に生体物質を分離精製、及び検査できる装置の普及が課題となる。しかし、電気泳動装置や検査装置等の生体物質処理装置は非常に高価であり、また取り扱いも専門的知識を有しない者にとっては困難なものがほとんどである。特に生体物質を検査した後、生体物質処理装置は適切に滅菌洗浄処理等を行わなければ、次の検査対象物質とコンタミネーションを起こしたり、他の使用者にウィルス等が感染する危険性がある。
特開2004-141332号公報

本発明は上記問題点を鑑み、生体物質の検査等を行うことが可能であり、使用後は容易に洗浄あるいは廃棄することが可能な生体物質処理キットを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の特徴は、（イ）筐体内部に設けられ、基体の表面において生体物質溶液が流れる流路、及び表面を延伸する入射光伝送線路を有する生体物質処理チップを収納するチップ装着部、及び（ロ）入射光伝送線路を介して流路の生体物質溶液に入射光を照射する発光素子を有するカセットを備える生体物質処理キットであることを要旨とする。

本発明によれば、生体物質の検査等を行うことが可能であり、使用後は容易に洗浄あるいは廃棄することが可能な生体物質処理キットを提供することができる。

次に図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。なお以下の示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は構成部品の配置等を下記のものに特定するものではない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において種々の変更を加えることができる。

（第1の実施の形態）
第1の実施の形態に係る生体物質処理キットは、図1に示す生体物質検査システムのスロット332に接続される。図2及び図2のA-A方向から見た断面図である図3に示すように、生体物質処理キットは、基体10、基体10の表面に設けられた生体物質溶液を流す反応流路53、反応流路53の側面から基体10の外部に向かって表面を延伸する入射光伝送線路41を有する生体物質処理チップ5を備える。さらに生体物質処理キットは、筐体10、筐体10内部に設けられ生体物質処理チップ5を収納するチップ装着部61、及びチップ装着部61に面して設けられ入射光伝送線路41を介して反応流路53の生体物質溶液に入射光を照射する発光素子71を有するカセットを備える。

図2及び図3に示す生体物質処理チップ5は、図4に示す基体10、及び基体10上部に貼り合わされた図10に示す保護板11を備える。基体10及び保護板11のそれぞれは、ガラス等からなる。なお保護板11は、図2の上面図においては透視して示されている。図4、図4のA-A方向、B-B方向、C-C方向、D-D方向、及びE-E方向からそれぞれ見た断面図である図5、図6、図7、図8、及び図9に示す基体10には、生体物質溶液が注入される第1の注入部21、生体物質を検査する検査薬溶液が注入される第2の注入部22がさらに設けられている。また基体10には、入射光の照射により反応流路53から反射される検出光を取り込み外部に伝送する第1の検出光伝送線路42、入射光の照射により反応流路53を透過した検出光を取り込み外部に伝送する第2の検出光伝送線路43が設けられている。入射光伝送線路41、第1の検出光伝送線路42、及び第2の検出光伝送線路43のそれぞれは基体10よりも屈折率の高い高屈折ガラス等の高屈折材料からなる。

図4及び図5に示す第1の注入部21及び第2の注入部22のそれぞれは、半径数mm〜数十mm、深さ数μm〜数百μmの基体10に設けられた凹部である。第1の注入部21に注入される「生体物質溶液」とは、ホルモン等のペプチドや、グロブリン、核タンパク質、糖タンパク質等のタンパク質、あるいは細胞等の生体物質を含有するリン酸バッファ(PBS)等の緩衝液である。第2の注入部22に注入される「検査薬溶液」とは、生体物質溶液中に含まれる生体物質を同定あるいは定量する、ビウレット反応試薬、ミロン反応試薬、ニンヒドリン等の検査試薬を含む溶液である。

図4に示すように、基体10には第1の注入部21に接続された第1の流路51と、第2の注入部22に接続された第2の流路52のそれぞれが設けられている。第1の流路51及び第2の流路52のそれぞれは、数μm〜数百μmの幅及び数μm〜数十μmの深さを有する。第1の流路51は生体物質溶液を流し、第2の流路52は検査薬溶液を流す。第1の流路51及び第2の流路52は合流し、図4及び図8に示す反応流路53に接続されている。そのため生体物質溶液と検査薬溶液のそれぞれは、第1の流路51、第2の流路52、及び反応流路53の合流ポイントまで図3に示す吸引ポンプで吸引され、反応する。反応流路53も、数μm〜数百μmの幅及び数μm〜数十μmの深さを有する。反応流路53を流れた生体物質溶液と検査薬溶液の反応液は、図4、図7、及び図8に示す基体10を貫通する排出口25に導かれる。なお基体10の裏面には図5乃至図9に示すように裏面保護膜45が貼り付けられている。そのため、生体物質処理チップ5が図2及び図3に示すカセット3に装着される前は、排出口25は外部に対して裏面保護膜45によって封止されている。

図10に示す保護板11には、表面から裏面にまで貫通する第1の注入口121及び第2の注入口122が設けられる。また保護板11の表面には、第1及び第2の注入口121, 122のそれぞれを封止する第1の保護膜46及び第2の保護膜47が貼り付けられている。図11及び図11のA-A方向から見た断面図である図12に示すように、基体10上に保護板11が貼り合わされた生体物質処理チップ5において、第1及び第2の注入口121, 122のそれぞれは、第1及び第2の保護膜46, 47を開口して、基体10の第1及び第2の注入部21, 22のそれぞれに生体物質溶液及び検査薬溶液を注入するために用いられる。

図13及び図13のA-A方向から見た断面図である図14においては、図2及び図3に示した生体物質処理チップ5をチップ装着部61から取り外した状態のカセット3を示している。チップ装着部61の底面には吸引口125が設けられ、筐体30内部に設けられた吸引パイプ126を介して吸引口125は吸引ポンプ191に接続されている。なお図13においては、筐体30内部を透視して示している。チップ装着部61の底面には、吸引口125に接して図13及び図14に示す凸部85が配置されている。凸部85は、図3に示すように、生体物質処理チップ5の裏面保護膜45を突き破り、排出口25と吸引口125を貫通させるために用いられる。

図13に示す筐体30内部には、チップ装着部61に面して第1の受光素子72、第2の受光素子73、及び温度調節部81がさらに配置されている。第1の受光素子72は、チップ装着部61に収納される図11に示した生体物質処理チップ5の第1の検出光伝送線路42が伝送する検出光を受光する。図13に示す第2の受光素子73は、図11に示した第2の検出光伝送線路43が伝送する検出光を受光する。図13に発光素子71には発光ダイオード(LED)等が、第1の受光素子72及び第2の受光素子73のそれぞれにはフォトダイオード等がそれぞれ使用可能である。図13及び図14に示す温度調節部81は、チップ装着部61に収納される図11に示した生体物質処理チップ5の加熱及び冷却を行う。図13及び図14に示す温度調節部81には、ホットプレート等が使用可能である。吸引ポンプ191、発光素子71、第1の受光素子72、第2の受光素子73、及び温度調節部81のそれぞれは、筐体30内部に配置された制御回路65によって電源の供給、及び制御信号の入出力がなされる。制御回路65には電源配線31及び制御配線32が接続されている。電源配線31及び制御配線32のそれぞれは、図1に示すスロット332に図13に示すカセット3が接続された際に、CPU300から電源及び制御信号の供給を受けるために用いられる。

また図14に示すように、カセット3の筐体30上部には紫外線照射部55を内蔵する蓋50が配置される。紫外線照射部55には紫外線LED等が使用可能である。紫外線照射部50も、筐体30内部に配置された制御回路65によって電源の供給、及び制御信号の入出力がなされる。

図1に示す生体物質検査システムは、さらに中央演算処理装置(CPU)300、及びデータ記憶装置335を備える。またCPU300は、カセット制御部305と、情報処理部306を有する。カセット制御部305は、図13及び図14に示すカセット3の制御回路65に制御信号を与え、温度調節部81の温度を設定し、発光素子71に検査光照射の指示、紫外線照射部55に紫外線照射の指示、吸引ポンプ191に稼働開始等の指示を与える。また図1に示すCPU300の情報処理部306は、図13に示す発光素子71から照射された検査光と、第1の受光素子72及び第2の受光素子73のそれぞれが受光した検査光を比較し、図2及び図3に示す反応流路53における呈色反応に関する情報を取得、あるいは反応液の吸光度の算出等を行う。図1に示す情報処理部306が取得した情報は、CPU300に接続されたデータ記憶装置335に保存される。

CPU300には、入力装置312、出力装置313、プログラム記憶装置330、及び一時記憶装置331がさらに接続される。入力装置312としては、例えばキーボード、及びマウス等のポインティングデバイス等が使用可能である。出力装置313には液晶ディスプレイ、モニタ等の画像表示装置、及びプリンタ等が使用可能である。プログラム記憶装置330は、CPU300を制御するオペレーティングシステム等を保存する。一時記憶装置331は、CPU300による演算結果を逐次格納する。プログラム記憶装置330及びデータ記憶装置331としては、例えば半導体メモリ、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスクや磁気テープなどのプログラムを記録する記録媒体等が使用可能である。

次に、図2及び図3に示す第1の実施の形態に係る生体物質処理キットの使用方法を図15のフローチャートを用いて説明する。

(a) ステップS101で、図10及び図12に示す第1及び第2の保護膜46, 47のそれぞれを注射針等で穿孔し、生体物質処理チップ5内部の排出口25、反応流路53、第1及び第2の流路51, 52、及び第1及び第2の注入部21, 22のそれぞれに緩衝液を充填する。

(b) ステップS102で、生体物質処理チップ5を図2及び図3に示すようにカセット3のチップ装着部61に装着する。この際、チップ装着部61底面の凸部85が生体物質処理チップ5底面の裏面保護膜45を穿孔し、排出口25とカセット3の吸引口125が貫通する。必要に応じて、第1及び第2の注入口121, 122のそれぞれから緩衝液を第1及び第2の注入部21, 22のそれぞれに補充する。補充後、筐体30上に図3に示す蓋50を配置する。

(c) ステップS103で、カセット3を図1に示す生体物質検査システムのスロット332に接続する。さらにステップS104で、入力装置312等からの入力に応じて、カセット制御部305はスロット332、図13に示す制御回路65を介して温度調節部81に制御信号を送り、図3に示す生体物質処理チップ5を生化学反応に適する温度に加熱あるいは冷却する。温度調節部81は、生体物質処理チップ5を適切な温度に設定した後、温度設定が終了した旨の情報を出力し、図1のカセット制御部305は、出力装置313に温度設定が終了した旨を出力させる。

(d) ステップS105で、蓋50を開き、注射器等で生体物質溶液を図2に示す第1の注入部21に充填されている緩衝液に滴下する。さらに検査薬溶液を第2の注入部22に充填されている緩衝液に滴下し、図3に示す蓋50を閉じる。その後、処理開始の指示を図1に示す生体物質検査システムに与え、図3に示す吸引ポンプによって生体物質溶液と検査薬溶液が反応流路53まで吸引され、ステップS106で生体物質溶液と検査薬溶液の反応が反応流路53で進む。

(e) 例えば検査薬溶液としてニンヒドリン含有液が滴下された場合、生体物質溶液に含まれる生体物質中のアミノ酸とニンヒドリンが反応流路53内部で反応し、赤紫色のジケトヒドリンジリデン-ジケトヒドリンダミンが生成する。一定の反応時間経過後、ステップS107で図13に示す発光素子71より波長570nmの入射光を図2に示す入射光伝送線路41に照射し、第2の検出光伝送線路43が伝送する検出光の光量を図13に示す第2の受光素子73で測定する。図1の情報処理部306は反応液の吸光度から生体物質溶液に含まれるアミノ酸量を算出し、データ記憶装置335に保存する。

(f) なお、キサントプロテイン反応のような呈色反応を行う際には、第1の受光素子72で検出光の呈色反応を観察しても良い。情報収集後、ステップS108で図3に示す吸引ポンプ191で生体物質処理チップ5内部の溶液を総て吸引する。次に、紫外線照射部55から生体物質処理チップ5に紫外線を照射し、生体物質処理チップ5を滅菌処理する。紫外線照射後、生体物質処理チップ5をカセット3から取り外す。必要に応じて生体物質処理チップ5をさらに滅菌洗浄処理した後、生体物質処理チップ5を再利用あるいは廃棄する。

従来の生体物質処理装置は、基板上に流路と反応液を制御、分析するマイクロ機械素子が集積化されていた。そのため、非常に高価であるにもかかわらず、滅菌洗浄後の再利用が不可能であった。これに対し、図2乃至図14に示した第1の実施の形態に係る生体物質処理キットは、生体物質処理チップ5を吸引ポンプ191、発光素子71、及び温度調節部81等の電装品を格納したカセット3から取り外すことが可能である。そのため、生体物質処理チップ5は加圧滅菌やアルカリ洗浄液処理等が容易に行え、また滅菌洗浄後は安全に廃棄することも可能である。例えば図16に示すように、第1及び第2の注入口121, 122のそれぞれを栓146, 147で密封し、さらに粘着性プラスチックシート149を貼り付けることにより、安全に廃棄することも可能となる。さらに図11及び図12に示した第1及び第2の保護膜46, 47及び裏面保護膜45のそれぞれを保護板11及び基体10に貼り直せば、生体物質処理チップ5をコンタミネーションのおそれなく、再利用することも可能となる。

（第2の実施の形態）
図17に示す第2の実施の形態に係る基体10は図4と異なり、反応流路53が第1の分離流路151及び第2の分離流路152のそれぞれに分岐する。さらに図17及び図17のA-A方向から見た断面図である図18に示すように、反応流路53から第1の分離流路151に連なる側壁には第1の電極75が埋め込まれ、反応流路53から第2の分離流路152に連なる側壁には第2の電極76が埋め込まれている。また図17及び図17のB-B方向から見た断面図である図19に示すように、第1及び第2の分離流路151, 152のそれぞれの第1及び第2の電極75, 76が埋め込まれた側壁と対向する側壁には、第3の電極77が埋め込まれている。第1、第2及び第3の電極75, 76, 77のそれぞれは金(Au)等の金属からなる。第1及び第2の分離流路151, 152のそれぞれは排出口25に接続されている。なお図20に示すように、第2の実施の形態においては保護板11に第1の入射光伝送線路141、第1の検出光伝送線路142、第2の入射光伝送線路143、及び第2の検出光伝送線路144が設けられているため、図17に示す基体10には図4に示した入射光伝送線路41、第1の検出光伝送線路42、及び第2の検出光伝送線路43は設けられていない。図17に示す基体10の材料にはシリコン(Si)等が使用可能である。また、反応流路53等は、基体10を水酸化カリウム(KOH)溶液又は水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH)溶液等で異方性エッチングすることにより形成可能である。

図20に示す第2の実施の形態に係るシリコン(Si)等からなる保護板11が図10と異なるのは、第1の配線175、第2の配線176、第3の配線177、第1の入射光伝送線路141、第1の検出光伝送線路142、第2の入射光伝送線路143、第2の検出光伝送線路144のそれぞれが設けられている点である。

図21、図21のA-A方向、B-B方向、及びC-C方向からそれぞれ見た断面図である図22、図23、及び図24に示すように、基体10と保護板11が貼り合わされた生体物質処理チップ6において、第1の配線175は第1の電極75に電気的に接続し、保護板11外部に向かって延伸する。第2の配線176は第2の電極76に電気的に接続し、保護板12の外部に向かって延伸する。第3の配線177は第3の電極77と電気的に接続し、保護板12の外部に向かって延伸する。第1、第2及び第3の配線175, 176, 177のそれぞれは金(Au)等の金属からなる。

また図21及び図23に示すように、第1の入射光伝送線路141及び第1の検出光伝送線路142のそれぞれは第1の分離流路151上部から外部に向かって延伸する。第2の入射光伝送線路143及び第2の検出光伝送線路144のそれぞれは第2の分離流路152上部から外部に向かって延伸する。第1の入射光伝送線路141、第1の検出光伝送線路142、第2の入射光伝送線路143、及び第2の検出光伝送線路144のそれぞれはガラス等の透明材料からなる。

図25及び図25のA-A方向から見た断面図である図26に示すカセット103が図13及び図14に示したカセット3と異なるのは、筐体30内部にチップ装着部61に面して第1の印加部95、第2の印加部96、第3の印加部97、第1の発光素子171、第1の受光素子172、第2の発光素子74、及び第2の受光素子73が配置されている点である。

図25に示す第1の印加部95は、チップ装着部61に着脱可能に収納される図21及び図22に示す生体物質処理チップ6の第1の配線175と電気的に接続し、第1の電極75に第1の電圧V₁を印加する。図25に示す第2の印加部96は、図21及び図22に示す生体物質処理チップ6の第2の配線176と電気的に接続し、第2の電極76に第2の電圧V₂を印加する。図25に示す第3の印加部97は、図21及び図24に示す生体物質処理チップ6の第3の配線177と電気的に接続し、第3の電極77に第3の電圧V₃を印加する。

また図25に示す第1の発光素子171は図21に示す生体物質処理チップ6の第1の入射光伝送線路141に入射光を照射する。入射光は第1の分離流路151内の反応液に照射され、反応液から反射される検出光は第1の検出光伝送線路142によって伝送される。図25に示す第1の受光素子172は図21に示す第1の検出光伝送線路142によって伝送される検出光を検出する。図25に示す第2の発光素子74は図21に示す生体物質処理チップ6の第2の入射光伝送線路143に入射光を照射する。入射光は第2の分離流路152内の反応液に照射され、反応液から反射される検出光は第2の検出光伝送線路144によって伝送される。図25に示す第2の受光素子73は図21に示す第2の検出光伝送線路144によって伝送される検出光を検出する。

図25に示す第1の印加部95、第2の印加部96、第3の印加部97、第1の発光素子171、第1の受光素子172、第2の発光素子74、及び第2の受光素子73のそれぞれは制御回路65から制御信号及び電源の供給を受ける。なおカセット103が接続される生体物質検査システムは図1と同様であるので説明は省略する。

次に、図21乃至図24に示す生体物質処理チップ6と図25及び図26に示すカセット103を備える第2の実施の形態に係る生体物質処理キットの使用方法を図27のフローチャートを用いて説明する。

(a) ステップS201で、図21に示す第1及び第2の保護膜46, 47のそれぞれを注射針等で穿孔し、生体物質処理チップ6内部の排出口25、第1及び第2の分離流路151, 152、反応流路53、第1及び第2の流路51, 52、及び第1及び第2の注入部21, 22のそれぞれに緩衝液を充填する。さらにステップS202からステップS206を、図15のステップS102からステップS106と同様に実施する。

(b) ステップS207で、図25に示す第1の印加部95に一例として10Vの第1の電圧V₁、第2の印加部96に0Vの第2の電圧V₂、第3の印加部97に5Vの第3の電圧V₃をそれぞれ印可する。ここで生体物質は各々特有の等電点を示し、等電点より高いpHでは負に荷電し、低いpHでは正に荷電する。したがって図21に示す反応流路53に達した生体物質のうち、負に荷電した生体物質は第1の電極75に引き寄せられ、第1の分離流路151に導かれる。一方正に荷電した生体物質は、第2の電極76側に引き寄せられ、第2の分離流路152に導かれる。

(c) ステップS208で、図25に示す第1の発光素子171から入射光を図21に示す第1の入射光伝送線路141に照射し、第1の検出光伝送線路142が伝送する検出光を第1の受光素子172で検出する。同時に、図25に示す第2の発光素子74から入射光を図21に示す第2の入射光伝送線路143に照射し、第2の検出光伝送線路144が伝送する検出光を第2の受光素子73で検出する。図1の情報処理部306は第1の受光素子172が検出した検出光の光量と、第2の受光素子73が検出した検出光の光量を比較し、正に荷電した生体物質と負に荷電した生体物質の比を算出し、データ記憶装置335に保存する。

(d) 情報収集後、ステップS209で図26に示す吸引ポンプ191で図21に示す生体物質処理チップ6内部の溶液を総て吸引する。次に、図26に示す紫外線照射部55から生体物質処理チップ6に紫外線を照射し、生体物質処理チップ6を滅菌処理する。紫外線照射後、生体物質処理チップ6をカセット103から取り外す。必要に応じて生体物質処理チップ6をさらに滅菌洗浄処理して、生体物質処理チップ6を再利用あるいは廃棄する。

以上示したように、図21乃至図24に示す生体物質処理チップ6と図25及び図26に示すカセット103を備える第2の実施の形態に係る生体物質処理キットは等電点電気泳動を行うことが可能である。また第1乃至第3の印加部95, 96, 97等の電装品はカセット103に配置されていることから、生体物質処理チップ6は容易に滅菌洗浄処理することが可能である。さらに図25及び図26に示すカセット103は、第1の発光素子171、第1及び第2の受光素子172, 73、及び吸引口125の配置が図13及び図14に示したカセット3の発光素子71、第1及び第2の受光素子72, 73、及び吸引口125と同じである。そのため、図25及び図26に示すカセット103は図11及び図12に示した生体物質処理チップ5も収納できる。よって、等電点電気泳動が不要な際は生体物質処理チップ5を使用することによって、検査コストを下げることも可能となる。

（第3の実施の形態）
図28に示す第3の実施の形態に係るカセット13が、図25に示したカセット103と異なるのは、チップ装着部61に面して振動印加素子35及び振動検出素子36がさらに筐体30内部に配置されている点である。振動印加素子35は、チップ装着部61に収納される図11及び図12に示した生体物質処理チップ5、あるいは図21乃至図24に示す生体物質処理チップ6に振動を加える。振動検出素子36は、生体物質処理チップ5あるいは生体物質処理チップ6に加えられた振動の強度を計測し、振動印加素子35を駆動する制御回路65の出力をフィードバック制御する。

振動印加素子35には、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、硫化カドミウム(CdS)、酸化亜鉛(ZnO)、硫化亜鉛(ZnS)、リチウムナイオベイト(LiNbO₃)、ビスマスゲルマニウムオキサイド(Bi₁₂GeO₂₀)等の圧電結晶が使用可能である。振動検出素子36にはGaAsバルク超音波検出素子等が使用可能である。なおカセット13が接続される生体物質検査システムは図1と同様であるので説明は省略する。

図28に示すカセット13を備える生体物質処理キットの使用方法を説明する前に、まず細胞表面の「振動子」と、振動の基本方程式について説明する。図29に示すように、細胞膜95には、細胞膜95上で自由にランダムウォークする可動タンパク質91、細胞骨格等にトラップされて細胞膜95上で自由に動けない固定タンパク質92が存在している。ここで、可動タンパク質91が「振動子」として機能する。

k_Bをボルツマン定数、Tを絶対温度とすると、振動子の減衰摩擦係数C_xは下記(1)式で表される。

C_x= k_B T / D …(1)
ここでDは拡散定数であり、典型的な値として10^-8[cm²/s]を仮定することができる。

図29において可動タンパク質91の位置xと細胞膜95の位置yを同一の絶対観測軸からの変位とすると、質量Mの振動子である可動タンパク質91の運動方程式は(2)式で与えられる。

M・x"= - C_x(x' - y') …(2)
ここで、x'及びy'はそれぞれ可動タンパク質91の位置x及び細胞膜95の位置yの1次の時間微分、x"はxの2次の時間微分である。可動タンパク質91の細胞膜95上の相対位置パラメータΔxは(3)式で表される。

Δx = x - y …(3)
したがって、(2)式及び(3)式から下記(4)式が導かれる。

M・Δx" + C_x・Δx' = - M・y" …(4)
ここでy"は細胞膜95の位置ｙの2次の時間微分である。(4)式を解くために、振動子である可動タンパク質91の変動振幅Δx及び細胞の強制振動振幅yを、可動タンパク質91の振動数ω、複素振幅A及びBを用いて、(5)及び(6)式で定義する。

Δx = A・exp(iωt) …(5)
y = B・exp(iωt) …(6)
ここで、振動子である可動タンパク質91以外は図29の系では細胞膜95に固定されており、可動タンパク質91の復元力に関係するバネ定数kは、極めて小さく、k〜0とみなせると仮定する。ただし、長鎖のタンパク質や、細胞内の細胞骨格に結合している場合は、バネ定数ｋは有限の値を取る。(4)式に(5)式及び(6)式を代入し、複素振幅Aと複素振幅Bとの絶対値の比を励振効率ηを(7)式で定義すると、(8)式が導かれる。、
η=|A / B| …(7)
{C_x / (M・ω)}² = η^-2 - 1 …(8)
ここで、励振効率ηが(9)式の関係を満たす場合、(8)式より(10)式が近似される。

η^-2 >> 1 …(9)
η〜M・ω / C_x …(10)
またfを周波数(Hz)として、振動数ωは(11)式で表される。

ω= 2πf …(11)
したがって(10)及び(11)式より、図30に示すの質量Mと周波数fの関係が得られる。ただし、図30では質量Mは、分子量(kDa)で表示されている。図30は、典型的な値としてD = 10^-8 [cm² / s]、絶対温度T = 310Kの場合について、励振効率ηをパラメータとして示す計算値である。前述のように励振効率ηは、(7)式で定義しているので、(10)式から振動子である可動タンパク質91の特有の振動数ωを表す(12)式が得られる。

ω=(C_x / M)(Δx / y) …(12)
ここで、図29に示した固定タンパク質92に可動タンパク質91を反復衝突させて、細胞膜95を破壊させたい場合に、図28に示した振動印加素子35から加えるべき周波数fを(11)式及び(12)式から算出することができる。例えば減衰摩擦係数C_xはTを310Kとして(1)式から算出される値を用い、さらに図29に示した可動タンパク質91の質量Mを100kDa、可動タンパク質91の変動振幅Δxを固定タンパク質92と可動タンパク質91が衝突するために必要な平均移動距離である10nm、細胞の強制振動振幅yを100μmとすると、周波数fは410MHzと算出される。

次に、図11及び図12に示す生体物質処理チップ5と図28に示すカセット13を備える第3の実施の形態に係る生体物質処理キットの使用方法を図31のフローチャートを用いて説明する。

(a) 生体物質溶液として細胞を含む溶液を用いて、ステップS301からステップS305を、図15のステップS101からステップS105と同様に実施する。ステップS306で、図28に示す振動印加素子35から図11に示す反応流路53内の図29に示す可動タンパク質91に周波数410MHzの超音波を加え、細胞膜195を破壊する。

(b) ステップS308で検査薬溶液としてシッフ試薬を用い、破壊された細胞膜195から放出されるデオキシリボースをフォイルゲン反応により赤色に呈色させる。なお、ジフェニルアミン反応、システイン硫酸反応、及びインドール反応等のデオキシリボースの呈色反応を用いてもよい。呈色反応による検出光を図28に示す第1の受光素子172で観察することにより、図1の情報処理部306は細胞に含まれるDNAを定量し、データ記憶装置335に保存する。

(c) 情報収集後、ステップS309を図15のステップS109と同様に実施し、生体物質処理チップ5を滅菌洗浄処理する。

以上示した図28に示すカセット13を備える第3の実施の形態に係る生体物質処理キットを用いれば、細胞内部に含まれるDNA等の生体物質の定量を行うことも可能である。またカセット13のチップ装着部61には、図11及び図12に示す生体物質処理チップ5のみならず図21乃至図24に示した生体物質処理チップ6の収納可能である。この場合、図31のステップS306の後、図27のステップS207を実施することにより、細胞質内部に含まれる生体物質の等電点電気泳動を行うことも可能となる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、図32に示すシリコン(Si)等からなる基体10には第1及び第2の注入部21, 22、第1及び第2の流路51, 52、反応流路53、及び排出口25が設けられている。また図33に示すシリコン(Si)等からなる保護板11は第1及び第2の注入口121, 122、第1及び第2の保護膜46, 47、入射光伝送線路241、検出光伝送線路242、及び反応光伝送線路261が設けられている。図34及び図34のA-A方向から見た断面図である図35に示すように、基体10上に保護板11が貼り合わされた生体物質処理チップ7において、反応光伝送線路264は反応流路53上部から保護板10の外側まで延伸する。

図34及び図35に示す生体物質処理チップ7を、図25に示したカセット103に収納すれば、第2の発光素子74から図34及び図35に示した反応光伝送線路261に、生体物質溶液と検査薬溶液の反応を促進する光を反応流路53に照射することが可能となる。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明の第1の実施の形態に係る生体物質検査システムのブロック図である。本発明の第1の実施の形態に係る生体物質処理キットの上面図である。本発明の第1の実施の形態に係る生体物質処理キットの図２のA-A方向から見た断面図である。本発明の第1の実施の形態に係る生体物質処理チップの基体の上面図である。本発明の第1の実施の形態に係る生体物質処理チップの基体の図４のA-A方向から見た断面図である。本発明の第1の実施の形態に係る生体物質処理チップの基体の図４のB-B方向から見た断面図である。本発明の第1の実施の形態に係る生体物質処理チップの基体の図４のC-C方向から見た断面図である。本発明の第1の実施の形態に係る生体物質処理チップの基体の図４のD-D方向から見た断面図である。本発明の第1の実施の形態に係る生体物質処理チップの基体の図４のE-E方向から見た断面図である。本発明の第1の実施の形態に係る生体物質処理チップの保護板の上面図である。本発明の第1の実施の形態に係る生体物質処理チップの上面図である。本発明の第1の実施の形態に係る生体物質処理チップの図１１のA-A方向から見た断面図である（その１）。本発明の第1の実施の形態に係るカセットの上面図である。本発明の第1の実施の形態に係るカセットの図１３のA-A方向から見た断面図である。本発明の第1の実施の形態に係る生体物質処理キットの使用方法を示すフローチャートである。本発明の第1の実施の形態に係る生体物質処理チップの図１１のA-A方向から見た断面図である（その２）。本発明の第２の実施の形態に係る生体物質処理チップの基体の上面図である。本発明の第２の実施の形態に係る生体物質処理チップの基体の図１７のA-A方向から見た断面図である。本発明の第２の実施の形態に係る生体物質処理チップの基体の図１７のB-B方向から見た断面図である。本発明の第２の実施の形態に係る生体物質処理チップの保護板の上面図である。本発明の第２の実施の形態に係る生体物質処理チップの上面図である。本発明の第２の実施の形態に係る生体物質処理チップの図２１のA-A方向から見た断面図である。本発明の第２の実施の形態に係る生体物質処理チップの図２１のB-B方向から見た断面図である。本発明の第２の実施の形態に係る生体物質処理チップの図２１のC-C方向から見た断面図である。本発明の第２の実施の形態に係るカセットの上面図である。本発明の第２の実施の形態に係るカセットの図２５のA-A方向から見た断面図である。本発明の第２の実施の形態に係る生体物質処理キットの使用方法を示すフローチャートである。本発明の第３の実施の形態に係るカセットの上面図である。本発明の第３の実施の形態に係る可動タンパク質を示す模式図である。本発明の第３の実施の形態に係る振動子の特性を示すグラフである。本発明の第３の実施の形態に係る生体物質処理キットの使用方法を示すフローチャートである。本発明のその他の実施の形態に係る生体物質処理チップの基体の上面図である。本発明のその他の実施の形態に係る生体物質処理チップの保護板の上面図である。本発明のその他の実施の形態に係る生体物質処理チップの上面図である。本発明のその他の実施の形態に係る生体物質処理チップの図３４のA-A方向から見た断面図である。

符号の説明

3, 13, 103…カセット
5, 6…生体物質処理チップ
10…基体
11…保護板
21…第1の注入部
22…第2の注入部
25…排出口
30…筐体
31…電源配線
32…制御配線
35…振動印加素子
36…振動検出素子
41…入射光伝送線路
42, 142…第1の検出光伝送線路
43, 144…第2の検出光伝送線路
45…裏面保護膜
46…第1の保護膜
47…第2の保護膜
50…紫外線照射部
50…蓋
51…第1の流路
52…第2の流路
53…反応流路
55…紫外線照射部
61…チップ装着部
65…制御回路
71…発光素子
72, 172…第1の受光素子
73…第2の受光素子
74…第2の発光素子
75…第1の電極
76…第2の電極
77…第3の電極
81…温度調節部
85…凸部
91…可動タンパク質
92…固定タンパク質
95…第1の印加部
96…第2の印加部
97…第3の印加部
121…第1の注入口
121…第2の注入口
122…第2の注入口
125…吸引口
126…吸引パイプ
141…第1の入射光伝送線路
143…第2の入射光伝送線路
146, 147…栓
151…第1の分離流路
152…第2の分離流路
171…第1の発光素子
175…第1の配線
176…第2の配線
177…第3の配線
191…吸引ポンプ
195…細胞膜
300…CPU
305…カセット制御部
306…情報処理部
312…入力装置
313…出力装置
330…プログラム記憶装置
331…データ記憶装置
331…一時記憶装置
332…スロット
335…データ記憶装置

Claims

筐体内部に設けられ、基体の表面において生体物質溶液が流れる流路、及び前記表面を延伸する入射光伝送線路を有する生体物質処理チップを収納するチップ装着部、及び前記入射光伝送線路を介して前記流路の前記生体物質溶液に入射光を照射する発光素子を有するカセット
を備えることを特徴とする生体物質処理キット。
前記生体物質処理チップは、前記入射光の照射により前記生体物質溶液が発する検出光を取り込み外部に伝送する検出光伝送線路を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の生体物質処理キット。
前記カセットは、前記検出光を検出する受光素子を更に備えることを特徴とする請求項２に記載の生体物質処理キット。
前記カセットは、前記生体物質処理チップの温度調節をする温度調節部を更に備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか1項に記載の生体物質処理キット。
前記生体物質処理チップは、前記流路に接する電極を更に備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の生体物質処理キット。
前記生体物質処理チップは、前記電極に電気的に接続され、外部に向かって前記表面を延伸する配線を更に備えることを特徴とする請求項５に記載の生体物質処理キット。
前記カセットは、前記配線に電圧を印可する印加部を更に備えることを特徴とする請求項６に記載の生体物質処理キット。
前記カセットは、前記生体物質処理チップに振動を加える振動印加素子を更に備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか1項に記載の生体物質処理キット。
前記カセットは、前記生体物質処理チップを収納した前記チップ装着部の上部を覆う蓋を更に備えることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか1項に記載の生体物質処理キット。
前記蓋は、前記生体物質処理チップに紫外線を照射する紫外線照射部を備えることを特徴とする請求項９に記載の生体物質処理キット。