JP2007093374A - Molecular analysis method using microchannel - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method capable of eliminating the need for preliminary preparatory work on a liquid containing specimen molecules to be analyzed and directly analyzing the liquid containing specimen molecules having various variable factors such as concentration, viscosity, and the presence of impurities. <P>SOLUTION: Both a laminar flow of a liquid containing probe molecules and a laminar flow of an adjustment liquid are fed in a microchannel in parallel with each other, and a laminar flow of the liquid containing the specimen molecules is fed in between both laminar flows in such a way as to be sandwiched. Changes in the amount of the probe molecules diffusing into the laminar flow of the liquid containing the specimen molecules or the laminar flow of the adjustment liquid or the amount of remaining probe molecules in the laminar flow of the liquid containing the probe molecules are detected and analyzed to qualitatively or quantitatively analyze the specimen molecules. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、マイクロ流体システムを利用して特定分子の定性又は定量分析を行う方法に関するものである。   The present invention relates to a method for qualitative or quantitative analysis of a specific molecule using a microfluidic system.

遺伝子分野の研究においては、ヒトゲノムの配列解読がほぼ終了し、その成果を基に遺伝子発現、突然変異、一塩基多型などに係わる遺伝子の特定やその機能解析、さらにそれに伴うタンパク質の構造や機能の解析に研究の中心が移りつつある。
他方において、これら一連の研究成果を利用して、医療面、福祉面に役立たせるための技術開発も進められている。
In the research in the genetic field, the sequencing of the human genome is almost complete, and based on the results, the identification and functional analysis of genes related to gene expression, mutation, single nucleotide polymorphism, etc., and the structure and function of the protein associated therewith The center of research is shifting to the analysis.
On the other hand, technology development is being promoted to make use of these series of research results for medical and welfare purposes.

ところで、このような研究に関連して開発された手法の1つに、生体分子のような検体分子をそれと複合体を形成する分子(以下プローブ分子という)との間の相互作用を利用して検出する方法がある。
この方法は、固相担体上に固定化されたプローブ分子が生体分子と特異的な相互作用により形成する複合体を、あらかじめラベル化しておいた蛍光物質や電気化学活性物質の発する信号により検出して生体分子の存在を定性的に検知したり、その定量を行うものである。
By the way, one of the techniques developed in connection with such research is to use the interaction between a sample molecule such as a biomolecule and a molecule that forms a complex (hereinafter referred to as a probe molecule). There is a way to detect.
In this method, a complex formed by a specific interaction between a probe molecule immobilized on a solid phase carrier and a biomolecule is detected by a signal emitted from a fluorescent substance or an electrochemically active substance that has been labeled in advance. Thus, the presence of biomolecules is qualitatively detected and quantified.

そして、この際の生体物質の検出方法としては、これまでに例えば、電気化学反応を利用する方法(非特許文献1参照)、水晶振動子を利用する方法(非特許文献2参照)、表面プラズモン共鳴を利用する方法(非特許文献3参照)などが知られている。   As a method for detecting a biological substance at this time, for example, a method using an electrochemical reaction (see Non-Patent Document 1), a method using a crystal resonator (see Non-Patent Document 2), surface plasmon, etc. A method using resonance (see Non-Patent Document 3) and the like are known.

これらは、いずれも金表面に核酸断片やタンパク質などをプローブ分子として固定し、それと特異的な相互作用をもつ生体物質又はその関連物質を結合させ、その際に生じる電気化学的応答、水晶振動子の振動数変化、表面プラズモンによる屈折率変化を検知し、分析するものである。   These all have a nucleic acid fragment or protein immobilized on the gold surface as a probe molecule, and a biological substance or its related substance that has a specific interaction with it is bound, and the electrochemical response generated at that time, a quartz crystal This is to detect and analyze the change in the frequency of light and the change in the refractive index due to surface plasmon.

しかしながら、これらの方法において高い精度で定量を行うには、固相担体上に固定化するプローブ分子の厳密な制御が必要とされるが、固相担体上へのプローブ分子の固定化効率の不均一性、低再現性、固液界面での物質拡散挙動の複雑性及び検体分子を作用させる際の作業者の熟練度の不足などにより、限界を生じるのを避けられなかった。   However, in order to perform quantification with high accuracy in these methods, it is necessary to strictly control the probe molecules immobilized on the solid phase carrier, but the efficiency of immobilizing the probe molecules on the solid phase carrier is inadequate. Due to the uniformity, low reproducibility, complexity of the substance diffusion behavior at the solid-liquid interface, and lack of skill of the operator when working with the analyte molecules, it was inevitable that the limit was generated.

その他、プローブ分子又は検体分子のいずれも固相担体に固定化しないで行う手法、例えばポリメラーゼ連鎖(PCR)反応を利用する方法(非特許文献4参照)、モレキュラービーコンを利用する方法(非特許文献5参照)などが知られている。   In addition, a method performed without immobilizing any probe molecule or analyte molecule on a solid phase carrier, for example, a method using a polymerase chain (PCR) reaction (see Non-Patent Document 4), a method using a molecular beacon (Non-Patent Document) 5) is known.

しかしながら、PCR反応を利用する方法は、そのPCR反応自体が指数関数的に増幅される反応であるため、精度の高い定量を行うことは原理的に困難である。また、モレキュラービーコンを利用する方法は、蛍光部位と消光部位をプローブDNAの両末端に導入したものが、被検分子との複合体形成前は、自己相補配列をとるために折れ曲がって蛍光が消光するが、複合体形成後はプローブ分子により発光する性質を有することを利用して分析する方法であるが、この方法を行うには、プローブDNAの配列設計に制限がある上に、DNAやその他の核酸の分析にしか適用できないという欠点がある。   However, since a method using a PCR reaction is a reaction in which the PCR reaction itself is exponentially amplified, it is theoretically difficult to perform highly accurate quantification. In addition, a method using a molecular beacon is one in which a fluorescent site and a quenching site are introduced at both ends of the probe DNA, but before forming a complex with a test molecule, it is bent to take a self-complementary sequence and the fluorescence is quenched. However, after the formation of the complex, it is a method of analysis utilizing the property of emitting light by the probe molecule. In order to carry out this method, there are restrictions on the sequence design of the probe DNA, DNA and other However, it can be applied only to the analysis of nucleic acids.

これらの従来方法における欠点を克服するために、本発明者らは、先にプローブ分子と検体分子との複合化を利用して、検体分子の定性、定量分析を行う方法、すなわちプローブ分子含有溶液と検体分子含有溶液とをマイクロ流路に流した場合、その両者が層流を形成し、たがいに混ざり合わない性質を有するので、両者の選択的相互作用の強弱によって、拡散度の差異を検出することにより固相担体への固定化なしに、しかも高い精度で生体分子のような検体分子を分析する方法を提案した(特許文献1参照)。   In order to overcome these drawbacks in the conventional method, the present inventors previously used a method of performing qualitative and quantitative analysis of a sample molecule using a complex of a probe molecule and a sample molecule, that is, a probe molecule-containing solution. When a sample molecule-containing solution is flowed through a microchannel, both of them form a laminar flow and do not mix with each other, so the difference in diffusivity is detected by the strength of selective interaction between the two. Thus, there has been proposed a method for analyzing a sample molecule such as a biomolecule with high accuracy without being immobilized on a solid phase carrier (see Patent Document 1).

しかしながら、この方法では、分析対象である検体分子含有溶液は、精製や濃度、溶液の物理的性質の制御調製などの事前作業が必要であるという問題が残されていた。   However, in this method, there remains a problem that the sample molecule-containing solution to be analyzed requires prior work such as purification, concentration, and controlled preparation of the physical properties of the solution.

特開2004−53417号公報(特許請求の範囲その他)JP 2004-53417 A (Claims and others) 「アナリティカル・ケミストリー(Anal.Chem.)」、2000年、第72巻、p.1334−1341“Anal. Chem.”, 2000, Vol. 72, p. 1334-1341 「ジャーナル・オブ・ジ・アメリカン・ケミカル・ソサエティ(J.Am.Chem.Soc.)」、1992年、第114巻、p.8299−8300“Journal of the American Chemical Society” (J. Am. Chem. Soc.), 1992, 114, p. 8299-8300 永田,半田共著、「生体物質相互作用のリアルタイム解析実験法」、シュプリンガー・フェアラーク東京株式会社、1998年Nagata and Handa, “Real-time analysis experiment of biological material interaction”, Springer Fairlark Tokyo, 1998 「プロシーディングズ・オブ・ザ・ナショナル・アカデミー・オブ・サイエンシズ・オブ・ザ・ユナイテッド・ステイツ・オブ・アメリカ(Proc.Natl.Acad.Sci.USA)」、1997年、第94巻、p.10756“Procedures of the National Academy of Sciences of the United States of America” (Proc. Natl. Acad. Sci. USA), 1997, Vol. 94, p. 10756 「アナリティカル・ケミストリー(Anal.Chem.)」、2000年、第72巻、p.747A−753A“Anal. Chem.”, 2000, Vol. 72, p. 747A-753A

本発明は、このような事情のもとで、分析対象である検体分子含有液の事前調製作業を不要とし、濃度・粘性・夾雑物の存在など種々の変動ファクターをもつ検体含有液を直接的に分析し得る方法を提供することを目的としてなされたものである。   Under such circumstances, the present invention eliminates the need for the preliminary preparation of the analyte molecule-containing liquid to be analyzed, and directly applies the analyte-containing liquid having various variation factors such as concentration, viscosity, and the presence of impurities. It was made for the purpose of providing a method that can be analyzed.

本発明者らは、マイクロ流路を使った分析方法において、検体含有液の事前調製作業を不要にし、濃度・粘性・密度・夾雑物など多様な性質をもつ検体含有液を直接的に分析する方法を開発するために鋭意研究を重ねた結果、プローブ分子含有液とさらに別に用意された調整液とを層流を形成させながらマイクロ流路に送入し、さらに、その2つの液の層流の間に挟み込むように検体分子含有液を送入することにより、必要最低限の検体含有液量だけで、当該分析方法がもつ簡易な操作性ならびに高い精度を維持しつつ、多様な性質をもつ検体含有液を直接的に分析できることを見出し、この知見に基づいて本発明をなすに至った。   In the analysis method using a microchannel, the present inventors do not need a preparatory work of a specimen-containing liquid and directly analyze a specimen-containing liquid having various properties such as concentration, viscosity, density, and impurities. As a result of diligent research to develop a method, a probe molecule-containing liquid and a separately prepared adjustment liquid are fed into a microchannel while forming a laminar flow, and the laminar flow of the two liquids By supplying the sample molecule-containing liquid so as to be sandwiched between the two, it has various properties while maintaining the simple operability and high accuracy of the analytical method with only the minimum required amount of sample-containing liquid. The inventors have found that the specimen-containing liquid can be directly analyzed, and have reached the present invention based on this finding.

すなわち、本発明は、プローブ分子含有液層流と調整液層流とをマイクロ流路に並行して送入するとともに、両層流の間に検体分子含有液層流を挟み込むように送入し、検体分子含有液層流又は調整液層流中へ拡散するプローブ分子の量あるいはプローブ分子含有液層流中の残存プローブ分子の量の変化を検出し、解析することを特徴とする検体分子の定性又は定量分析方法を提供するものである。   That is, the present invention sends the probe molecule-containing liquid laminar flow and the adjustment liquid laminar flow in parallel to the microchannel, and sends the sample molecule-containing liquid laminar flow between the two laminar flows. A sample molecule characterized by detecting and analyzing a change in the amount of probe molecules diffusing into the sample molecule-containing liquid laminar flow or the regulated liquid laminar flow or the amount of remaining probe molecules in the probe molecule-containing liquid laminar flow A qualitative or quantitative analysis method is provided.

本発明方法においては、マイクロ流路にプローブ分子含有液と調整液とを層流を形成させながら送入するとともに、その2つの層流の間に挟み込むように検体分子含有液を層流として送入することにより、これらの層流が流れる間にプローブ分子と検体分子の間の特異的相互作用により形成される複合体の各層流への拡散度が、その複合化の量ならびに強弱によって変化するのを、プローブ分子の発する信号により検知し、その結果を解析することにより検体の分析を行うものである。   In the method of the present invention, the probe molecule-containing liquid and the adjustment liquid are fed into the microchannel while forming a laminar flow, and the sample molecule-containing liquid is sent as a laminar flow so as to be sandwiched between the two laminar flows. As a result, the diffusion degree of the complex formed by the specific interaction between the probe molecule and the analyte molecule into each laminar flow changes depending on the amount and strength of the complexation. This is detected by a signal emitted from the probe molecule, and the sample is analyzed by analyzing the result.

従来の方法においては、検体分子含有液の粘性や密度などの性質を考慮の上、前もっての調製作業を行なわなければ、この検体分子が重力の作用により、マイクロ流路内下部に沈下するなどの現象を生じ、正しい分析を行うことができなかった。
これに対し、本発明方法による、プローブ分子含有液と調整液の間に挟み込むように送入することにより、粘性や密度などの性質を調整しなくても、正しく分析することが可能となった。
In the conventional method, considering the properties such as viscosity and density of the sample molecule-containing liquid, if the preparation work is not performed in advance, this sample molecule will sink to the lower part of the microchannel due to the action of gravity. The phenomenon occurred and the correct analysis could not be performed.
On the other hand, by feeding the probe molecule-containing liquid and the adjustment liquid so as to be sandwiched by the method of the present invention, it is possible to perform a correct analysis without adjusting properties such as viscosity and density. .

本発明方法で用いるマイクロ流路は、不活性材料基板上に設けられていることが必要である。この不活性材料とは、プローブ分子や検体分子や使用される溶媒及び生成する複合体に対し、反応性を示さない材料のことであり、例えばガラス、石英、又はシリカ、Si/SiO2、マグネシア、ジルコニア、アルミナ、アパタイト、窒化ケイ素、及びチタン、アルミニウム、イットリウム、タングステンのような金属の酸化物、炭化物、窒化物、ホウ化物、ケイ化物などのセラミックスを挙げることができる。
このほか上記の要件を満たすものである限り、金属、プラスチックなども用いることができる。このベースの形状としては、板状体が普通であるが、所望ならば弧状体、球体、粒体などのものを用いることができる。
The microchannel used in the method of the present invention needs to be provided on an inert material substrate. This inert material is a material that does not react with probe molecules, analyte molecules, the solvent used, and the resulting complex. For example, glass, quartz, or silica, Si / SiO 2 , magnesia. , Zirconia, alumina, apatite, silicon nitride, and ceramics such as oxides, carbides, nitrides, borides, and silicides of metals such as titanium, aluminum, yttrium, and tungsten.
In addition, metals and plastics can be used as long as they satisfy the above requirements. As the shape of this base, a plate-like body is common, but if desired, an arc-like body, a sphere, a grain or the like can be used.

これらの材料は、選択する手段、検体及びプローブ分子の種類、溶媒に応じて適宜選択されるが、光学的手段で検出する場合は、少なくとも検出部位においては使用する光の波長に対し、十分な透明性を示すものを用いる必要がある。   These materials are appropriately selected according to the means to be selected, the type of analyte and probe molecules, and the solvent. However, when detecting by optical means, at least at the detection site, sufficient for the wavelength of light to be used. It is necessary to use a material that exhibits transparency.

本発明におけるマイクロ流路は、流体工学的に、層流を形成する範囲の大きさ・形状である必要がある。すなわち、不活性材料基板に、幅10〜500μm、好ましくは50〜400μm、深さ10〜500μm、好ましくは50〜400μmの大きさで刻設される。このマイクロ流路の長さには特に制限はなく、滞留時間を考慮の上、適宜選ばれる。具体的には、使用される不活性材料の大きさに依存するが、通常100〜300mmの範囲で選ばれる。
また、流路に送入する複数の液が合流する以前の導入用流路の大きさは同一であっても異なっても差しつかえない。特に、検体分子含有液用流路は、他に比べて細い方が有利である。合流後の流路についても、常に一定の大きさの流路である必要はなく、例えば先細り型流路構造を設けることにより、反応の種類によってはその反応を促進することも可能である。
The microchannel in the present invention needs to have a size and shape in a range in which a laminar flow is formed in terms of fluid engineering. That is, it is engraved on the inert material substrate with a width of 10 to 500 μm, preferably 50 to 400 μm, and a depth of 10 to 500 μm, preferably 50 to 400 μm. The length of the microchannel is not particularly limited and is appropriately selected in consideration of the residence time. Specifically, although it depends on the size of the inert material used, it is usually selected in the range of 100 to 300 mm.
In addition, the size of the introduction flow channel before the plurality of liquids fed into the flow channel join may be the same or different. In particular, it is advantageous that the channel for the analyte molecule-containing liquid is narrower than others. The flow path after the merge does not always need to be a fixed flow path. For example, by providing a tapered flow path structure, the reaction can be promoted depending on the type of reaction.

このようなマイクロ流路は、例えばマイクロドリルのような工作機械を用いる機械的手段により基板上に刻設するか、あるいは半導体集積回路製造などに用いられる光リソグラフィー技術により溝を形成させた後、別の基板を接着することにより製造することができる。もしくは、このようにマイクロ流路を刻設した基板を鋳型として、別の基板に転写することにより作製することもできる。   Such a micro flow path is engraved on a substrate by mechanical means using a machine tool such as a micro drill, for example, or after forming a groove by a photolithographic technique used for manufacturing a semiconductor integrated circuit, etc. It can be manufactured by bonding another substrate. Alternatively, it can also be produced by transferring a substrate on which a microchannel is engraved in this way as a mold to another substrate.

このような極細の流路を流れる流体は、たがいに可溶な溶媒であっても混ざり合うことなく、層流を形成したまま流れていく。そして、このような極細の流路は、物質の拡散距離が短いという特徴を有している。   The fluid flowing through such an extremely thin flow path flows while forming a laminar flow without being mixed even if it is a soluble solvent. And such an ultra-fine flow path has the characteristic that the diffusion distance of a substance is short.

次に、本発明方法においては、上記のマイクロ流路に送入し、層流を形成させるために3種の流体、すなわち検体分子含有液、プローブ分子含有液及び調整液が用いられる。この中の検体分子含有液は、分析の対象となる検体を溶解又は懸濁した液であり、担持媒体としては、水、生理的緩衝液、もしくはエタノール、プロパノールなどの有機溶剤が用いられる。
また、プローブ分子含有液は、上記の検体分子と複合体を形成する分子、すなわちプローブ分子を溶解又は懸濁した液であり、担持媒体としては検体分子含有液の担持媒体の例として挙げたものと同じものが用いられる。
Next, in the method of the present invention, three kinds of fluids, that is, a specimen molecule-containing liquid, a probe molecule-containing liquid, and an adjustment liquid are used for feeding into the microchannel and forming a laminar flow. The sample molecule-containing liquid is a solution in which a sample to be analyzed is dissolved or suspended, and water, a physiological buffer solution, or an organic solvent such as ethanol or propanol is used as the carrier medium.
The probe molecule-containing liquid is a molecule that forms a complex with the above-described analyte molecule, that is, a liquid in which the probe molecule is dissolved or suspended, and the support medium is an example of the support medium for the sample molecule-containing liquid. The same is used.

他方、本発明方法の第三番目の層流を形成させるための調整液は、拡散度調整のための液であって、検体分子やプローブ分子あるいはこれらと反応するような分子を含まない限り、特に制限はないが、通常は純水もしくは緩衝液が用いられる。しかしながら、塩や酸や塩基その他の物質を添加して拡散度の調整を容易にすることもできる。   On the other hand, the adjustment liquid for forming the third laminar flow of the method of the present invention is a liquid for adjusting the diffusivity, as long as it does not contain analyte molecules, probe molecules, or molecules that react with them. Although there is no particular limitation, pure water or a buffer solution is usually used. However, it is also possible to easily adjust the diffusivity by adding a salt, acid, base or other substance.

本発明方法においては、検体含有液を高濃度でマイクロ流路に送入することができ、プローブ分子含有液層流との界面付近で、複合体形成反応が促進されるという利点がある。   The method of the present invention has the advantage that the analyte-containing liquid can be fed into the microchannel at a high concentration, and the complex formation reaction is promoted near the interface with the probe molecule-containing liquid laminar flow.

また、本発明方法におけるマイクロ流路への送入による層流形成は、プローブ分子含有液、調整液ならびに検体含有液の3層流形式のみに限定されるものではなく、例えば、同一若しくは異なる別のプローブ分子含有液、調整液、検体分子含有液を追加することによる多層流形式であってもよい。さらに、多数の液の層を並べる順序も限定されるものではなく、分析の目的によって適宜選ぶことができるが、検体分子含有液をその他の液で挟むような状態に配置するのが特に望ましい。   In addition, the laminar flow formation by feeding into the microchannel in the method of the present invention is not limited to the three-layer flow format of the probe molecule-containing liquid, the adjustment liquid, and the specimen-containing liquid. A multilayer flow format by adding the probe molecule-containing liquid, the adjustment liquid, and the specimen molecule-containing liquid may be used. Furthermore, the order in which the layers of the large number of liquids are arranged is not limited, and can be selected as appropriate depending on the purpose of the analysis.

その多層流の形成のさせ方は、単に横に並べるように形成させる方法のほか、上下方向に形成させることができ、どのように並べるかは、分析の目的に応じ適宜選択される。   The method of forming the multi-layer flow can be formed in the vertical direction in addition to the method of forming the multi-layer flow simply in the horizontal direction, and how to arrange the multi-layer flow is appropriately selected according to the purpose of the analysis.

本発明方法では、プローブ分子含有液、調整液、検体含有液それぞれの送入速度は、同一であっても異なっても差しつかえない。これは分析の目的によって適宜選ぶことができるが、特に、プローブ分子含有液、調整液に対して、検体含有液を遅い流速で送入するのが有利である。   In the method of the present invention, the feeding speeds of the probe molecule-containing liquid, the adjustment liquid, and the specimen-containing liquid may be the same or different. This can be appropriately selected depending on the purpose of analysis, but it is particularly advantageous to feed the sample-containing solution at a low flow rate with respect to the probe molecule-containing solution and the adjustment solution.

このように、検体含有液を遅い流速で送入することにより、分析に必要な液の必要量を少なく抑えることができる。   In this way, by feeding the specimen-containing liquid at a slow flow rate, the necessary amount of liquid necessary for analysis can be reduced.

一般にマイクロ流路を流れる複数の層流の界面では、溶質は、溶媒に可溶であれば、もう一方の液の方へ自然に拡散していくが、プローブ分子と検体分子との間に特別な相互作用がある際には、その界面近傍でのみ複合体が発生し、その発生した複合体を流体操作により、所望の場所や方向に移動拡散させることができる。   In general, at the interface of multiple laminar flows that flow through a microchannel, the solute diffuses naturally toward the other liquid if it is soluble in the solvent, but there is a special gap between the probe molecule and the analyte molecule. When there is such an interaction, a complex is generated only in the vicinity of the interface, and the generated complex can be moved and diffused in a desired place and direction by fluid operation.

そして、この現象を利用すれば、プローブ分子に導入した官能基の発する信号、もしくはプローブ分子自体のもつ特異的な特性(特定波長の光の吸収など)、若しくは形成された複合体に選択的に結合する物質の発する信号や特性を検出することができるので、自然拡散に上乗せされた余分の拡散量を知ることができ、その量により、検体の分析を行うことができる。   If this phenomenon is used, the signal emitted from the functional group introduced into the probe molecule, the specific characteristics of the probe molecule itself (absorption of light of a specific wavelength, etc.), or the formed complex can be selectively used. Since it is possible to detect signals and characteristics emitted by the substance to be bound, it is possible to know the amount of extra diffusion added to the natural diffusion, and the sample can be analyzed based on the amount.

したがって、本発明方法は、プローブ分子と検体分子との間に特異的な相互作用が生じるような場合においては、一般的に利用可能である。すなわち、プローブとして核酸断片を用いれば、特異的配列をもつ核酸断片の検出や分析を行うことができる。また、プローブとして抗原もしくは抗体を用いれば、特定の抗体もしくは抗原などを検出することができるし、タンパク質をプローブとして用いれば、特定のタンパク質・酵素・核酸等を検出できるし、プロテアーゼ阻害活性を有するような各種ペプチドをプローブとして用いれば、特定の酵素の検出やその活性の評価を行うことができる。さらに、各種糖をプローブとして用いれば、それを特異的に認識する核酸やタンパク質を検出、定量することができるし、各種細胞をプローブとして用いれば、種々の天然又は人工薬剤、環境物質などの生体への影響をスクリーニングすることができる。   Therefore, the method of the present invention can be generally used in the case where a specific interaction occurs between the probe molecule and the analyte molecule. That is, when a nucleic acid fragment is used as a probe, a nucleic acid fragment having a specific sequence can be detected and analyzed. In addition, when an antigen or antibody is used as a probe, a specific antibody or antigen can be detected. When a protein is used as a probe, a specific protein, enzyme, nucleic acid, or the like can be detected, and it has protease inhibitory activity. If such various peptides are used as probes, it is possible to detect a specific enzyme and evaluate its activity. Furthermore, if various sugars are used as probes, nucleic acids and proteins that specifically recognize them can be detected and quantified. If various cells are used as probes, living bodies such as various natural or artificial drugs and environmental substances can be detected. Can be screened for effects.

本発明方法においては、これらに限らず、プローブ分子と検体分子との間に特異的相互作用を生じるような組合せを選択すれば、あらゆる化合物の検出に利用することができる。また、上記の例では、化学的な意味での単一分子が用いられているが、これ以外にも細胞などやその他の物質一般への展開が可能である。   In the method of the present invention, the present invention is not limited to these, and any combination can be used for detecting any compound if a combination that causes a specific interaction between the probe molecule and the analyte molecule is selected. In the above example, a single molecule in the chemical sense is used, but other than this, it can be applied to cells and other substances in general.

さらに、本発明方法において、一連の作業において、従来の方法のように作業者の熟練を必要とすることはなく、作業者の熟練度の差による分析結果の不確実性を排することができる。従来法では、例えば核酸断片検出の際のハイブリダイゼーション操作のような、プローブ分子と検体分子の複合体形成のための実験操作が必要となり、この実験操作における作業者の熟練度の差によってもたらされる分析結果の不確実性が問題となっていたが、本発明方法では、注射器などで液を流路内に流し込むだけであるため、熟練度は無関係であり、シリンジポンプなどの器具を用いれば、さらに作業者の熟練度の差を排することができる。   Furthermore, in the method of the present invention, the skill of the operator is not required in the series of operations unlike the conventional method, and the uncertainty of the analysis result due to the difference in the skill level of the operator can be eliminated. . The conventional method requires an experimental operation for forming a complex of a probe molecule and an analyte molecule, such as a hybridization operation in detecting a nucleic acid fragment, and is caused by a difference in skill level of workers in this experimental operation. Uncertainty of the analysis result has been a problem, but in the method of the present invention, since the liquid is simply poured into the flow path with a syringe or the like, the skill level is irrelevant, and if an instrument such as a syringe pump is used, Furthermore, the difference in the skill level of the operator can be eliminated.

本発明方法における検出に要する時間は、マイクロ流路に送入した液が流路を流れるのに要する時間に相当するが、数百μm程度の大きさの極細の流路を流れるのに要する時間は、たとえその送液量が少なくとも短いものであり、そのため本発明方法における検出に要する時間は当然短くなる。この時間は、使用するマイクロ流路の寸法などに左右されるが、通常数秒から数十秒以内である。   The time required for detection in the method of the present invention corresponds to the time required for the liquid sent to the micro flow path to flow through the flow path, but the time required to flow through an extremely thin flow path having a size of about several hundred μm. Even if the amount of liquid fed is at least short, the time required for detection in the method of the present invention is naturally shortened. This time depends on the size of the microchannel to be used, but is usually within a few seconds to a few tens of seconds.

本発明方法は、層流中における検体分子とプローブ分子との間で形成される複合体の拡散度の変化に基づいて検体分子の定性的又は定量的な分析を行うものである。すなわち、検体分子とプローブ分子との間の親和性がない場合には、両者は単に通常の混合挙動に基づく層流間の拡散度が検出されるだけであるが、両者の間で親和性を有する場合には、複合体が形成され、さらには流体操作により、それを所望の場所や方向へ移動拡散させることができ、増大された拡散度として検出することができる。したがって、このような拡散度の差異を対比することによって、プローブ分子に対する検体分子の作用を定量的に知ることが可能である。   The method of the present invention performs qualitative or quantitative analysis of a sample molecule based on a change in the diffusion degree of a complex formed between the sample molecule and the probe molecule in a laminar flow. In other words, when there is no affinity between the analyte molecule and the probe molecule, both simply detect the diffusivity between the laminar flows based on the normal mixing behavior, but there is no affinity between them. If so, a complex is formed, which can be moved and diffused to the desired location and orientation by fluid manipulation and detected as an increased diffusivity. Therefore, by comparing such a difference in diffusivity, it is possible to quantitatively know the action of the analyte molecule on the probe molecule.

そして、上記の検出は、測定しやすいということから、通常検体分子含有液若しくは調整液側へ拡散するプローブ分子の量を直接測定するか、あるいはプローブ分子液側のプローブ分子の量を測定することにより行われる。そして、この測定は、プローブ分子に付した特徴的な信号をセンサーで検出することにより行われるが、特にプローブ分子として蛍光性官能基を導入して蛍光性を付与したものを用い、その蛍光度の強弱を追跡して生成する複合体の拡散度の変化を求めるのが有利である。   And since the above detection is easy to measure, usually the amount of probe molecules diffusing to the specimen molecule-containing liquid or adjustment liquid side is measured directly, or the amount of probe molecules on the probe molecule liquid side is measured. Is done. This measurement is performed by detecting a characteristic signal attached to the probe molecule with a sensor, and in particular, using a fluorescent molecule imparted with fluorescence by introducing a fluorescent functional group as the probe molecule, its fluorescence It is advantageous to determine the change in the diffusivity of the complex formed by tracking the strength of the complex.

そのほか、プローブ分子として、電気化学活性官能基を導入したものを用い、その電流量の変化を求める方法や、プローブ分子のもつ特異的な紫外光、可視光又は赤外光に対する吸収強度を測定する方法なども利用可能である。このようにして、プローブ分子に特異的な信号を得るための化学修飾を施すことなく、検体分子の分析を行うことができる。   In addition, using a probe molecule into which an electrochemically active functional group has been introduced, a method for determining the change in the amount of current, and measuring the absorption intensity of the probe molecule for specific ultraviolet light, visible light, or infrared light Methods are also available. In this way, the analyte molecule can be analyzed without chemical modification for obtaining a signal specific to the probe molecule.

また、複合体の拡散度の測定に先立って、あらかじめ知られた量について検量線を作成しておき、次いで検出結果をこれと対比すれば検体分子の濃度の定量分析をすることもできる。   Prior to measurement of the diffusivity of the complex, a calibration curve can be created for a known amount, and then the detection result can be compared with this to quantitatively analyze the concentration of the analyte molecule.

以上は、検体分子含有液側へ拡散したプローブ分子の量を測定する場合であるが、所望ならばプローブ分子含有液側へ拡散した検体分子とプローブ分子との複合体を測定して、検体分子の量を検出することもできる。このように、本発明方法における検出手段には、特に制限はなく、プローブ分子と検体分子との複合体の拡散状況が分るものであればどのような手段でもよい。   The above is a case where the amount of the probe molecule diffused to the sample molecule-containing liquid side is measured. If desired, the complex of the sample molecule and the probe molecule diffused to the probe molecule-containing liquid side is measured to obtain the sample molecule. The amount of can also be detected. Thus, the detection means in the method of the present invention is not particularly limited, and any means may be used as long as the diffusion state of the complex of the probe molecule and the analyte molecule is known.

次に、本発明方法において、マイクロ流路に各液を送入するには、例えば注射器を接続し、手動で行うことも可能であるが、シリンジポンプなどの機械的手段により送液速度、送液圧力などを制御しながら行うのが有利である。   Next, in the method of the present invention, in order to send each liquid into the microchannel, for example, a syringe can be connected and manually performed, but the liquid feeding speed and the feeding speed can be increased by mechanical means such as a syringe pump. It is advantageous to carry out while controlling the liquid pressure and the like.

例えば、マイクロ流路に検体分子含有液とプローブ分子含有液、調整液を同時に送入し、ある一定距離流路を通過した後、検出操作を行う。ここでは、検体分子含有液とプローブ分子含有液とは少なくとも1種類ずつ必要であるが、複数の液を同時に流すことにより、複数の情報を同時に得ることも可能である。
この際の検出は、例えば蛍光法で行う場合、検出部位にレーザー光又はその他の励起光源からの光を照射し、そこから発せられる蛍光の強度を測定する。検体含有液側から出る蛍光が強いほどプローブ分子の存在量が多いということであり、すなわちプローブ分子と検体との相互作用の強さならびに量を反映したものとなる。このようにして、目的の検体の有無や存在量を知ることができる。
For example, the specimen molecule-containing liquid, the probe molecule-containing liquid, and the adjustment liquid are simultaneously fed into the microchannel, and after passing through the channel for a certain distance, the detection operation is performed. Here, at least one kind of specimen molecule-containing liquid and probe molecule-containing liquid are required, but a plurality of pieces of information can be obtained simultaneously by flowing a plurality of liquids simultaneously.
For example, when the detection at this time is performed by a fluorescence method, the detection site is irradiated with light from a laser beam or other excitation light source, and the intensity of the fluorescence emitted therefrom is measured. The stronger the fluorescence emitted from the specimen-containing liquid side, the greater the amount of probe molecules present, that is, the intensity and amount of interaction between the probe molecules and the specimen. In this way, it is possible to know the presence / absence and the amount of the target sample.

次に、所定の配列のDNAの検出を、蛍光性官能基を導入したプローブ分子を用いて行った場合を例として、具体的に説明する。すなわち、検体DNA断片溶液と、プローブである蛍光性官能基導入DNA断片溶液を、マイクロ流路に送入する。ある一定距離流路を流れた後、サンプル溶液側にレーザー光などの励起光を照射する。そこから発せられる蛍光がないか弱いものであれば、プローブDNA断片と検体DNA断片の配列相補性はないものと判断される。逆にそこで検出される蛍光が強ければ、プローブDNA断片と検体DNA断片の配列相補性があると判断される。   Next, a specific description will be given by taking as an example a case where detection of DNA having a predetermined sequence is performed using a probe molecule into which a fluorescent functional group is introduced. That is, the sample DNA fragment solution and the fluorescent functional group-introduced DNA fragment solution as a probe are fed into the microchannel. After flowing through the channel for a certain distance, the sample solution side is irradiated with excitation light such as laser light. If there is no or weak fluorescence emitted therefrom, it is judged that there is no sequence complementarity between the probe DNA fragment and the sample DNA fragment. Conversely, if the fluorescence detected there is strong, it is determined that there is sequence complementarity between the probe DNA fragment and the sample DNA fragment.

この際、未知試料を検定する前に、既知試料について蛍光強度と相補性の度合いを調べておくことでより正確に分析することができると同時に、相補配列をもつDNA断片の量を定量することができる。   In this case, before examining the unknown sample, it is possible to analyze the fluorescence intensity and the degree of complementarity of the known sample more accurately, and at the same time to quantify the amount of the DNA fragment having the complementary sequence. Can do.

この場合、プローブ分子としてのDNAに代えて、DNA結合性ペプチド(DNAに類似した構造を持つペプチドで、DNAよりも配列認識能が高い)又はLNA(DNAのリボース環2´位と5´位を連結したもので配列認識能が高い)を使用することにより、さらに精度の高い分析を行うことが可能となる。また、PNAはDNAとは異なり、水以外の有機溶媒にも可溶であり、検体を水溶液とし、プローブPNAを有機溶媒に溶かして使用することにより、検体のプローブ溶液側への拡散を抑えることができ、さらに精度の高い分析を行うことが可能となる。   In this case, instead of DNA as a probe molecule, a DNA-binding peptide (a peptide having a structure similar to DNA and having a higher sequence recognition ability than DNA) or LNA (the 2 ′ and 5 ′ positions of the ribose ring of DNA) Can be used to perform analysis with higher accuracy. Also, unlike DNA, PNA is soluble in organic solvents other than water. By using the sample as an aqueous solution and the probe PNA dissolved in an organic solvent, the diffusion of the sample to the probe solution side is suppressed. It is possible to perform analysis with higher accuracy.

本発明によると、固相担体に固定することなしに、単にプローブ含有液と検体含有液、調整液を層流としてマイクロ流路に送入し、所定の位置でプローブ分子と検体分子との複合体の濃度を反映する拡散度を測定するだけで、高い精度により検体の定性及び定量分析を行うことができる。しかも、単純な操作で行われるため、作業者の熟練度の差による分析結果の誤差を最小限に抑制することができる上、適用しうる検体の分子種に制限がなく、さらに試料調製という事前作業が必要なく、広い範囲に応用することができるという利点がある。   According to the present invention, the probe-containing liquid, the specimen-containing liquid, and the adjustment liquid are simply fed into the microchannel as a laminar flow without being fixed to the solid phase carrier, and the probe molecule and the specimen molecule are combined at a predetermined position. Qualitative and quantitative analysis of specimens can be performed with high accuracy simply by measuring the diffusivity that reflects the concentration of the body. In addition, since it is performed by a simple operation, errors in analysis results due to differences in the skill level of workers can be suppressed to a minimum, and there are no restrictions on the molecular species of the sample that can be applied. There is an advantage that it can be applied to a wide range without requiring work.

次に、実施例により本発明を実施するための最良の形態を説明するが、本発明はこれらの例によりなんら限定されるものではない。   Next, the best mode for carrying out the present invention will be described by way of examples, but the present invention is not limited to these examples.

実施例
図1に示すとおり、シリコンウェハー上に、ドライエッチング法によりマイクロ流路を刻設し、それを第一母型として、ポリジメチルシロキサン樹脂を流し込み、固めることにより第二母型とした。すなわち、この状態では、マイクロ流路となる部分は凸型形状をもつ。さらにこの第二母型にポリジメチルシロキサン樹脂を流し込み、固めることにより、マイクロ流路を作製した。この上に、別のポリジメチルシロキサン樹脂板を貼り付けることで、目的のポリジメチルシロキサン樹脂製マイクロ流路刻設マイクロリアクターを作製した。これは、横70mm、縦30mmの大きさをもつ板状であって、刻設されたマイクロ流路の大きさは、深さ200μm、幅300μmである。
Example As shown in FIG. 1, a micro flow path was engraved on a silicon wafer by a dry etching method, and this was used as a first master mold, and a polydimethylsiloxane resin was poured and hardened to form a second master mold. That is, in this state, the portion that becomes the microchannel has a convex shape. Further, a polydimethylsiloxane resin was poured into the second matrix and hardened to produce a microchannel. A target polydimethylsiloxane resin microchannel engraved microreactor was fabricated by affixing another polydimethylsiloxane resin plate thereon. This is a plate having a size of 70 mm in width and 30 mm in length, and the size of the engraved microchannel is 200 μm in depth and 300 μm in width.

次に、プローブ分子として、F−O−(N末端)−ATGCACGGC−Lys−(C末端)の構造をもつペプチド拡散(PNA)を使用して分析を行った。ここで、Fは蛍光物質のフルオレセイン、Oはリンカーとしてのエチレングリコール、Lysは水溶性確保のためのアミノ酸であるリジンを示す。   Next, analysis was performed using peptide diffusion (PNA) having a structure of FO- (N-terminal) -ATGCACGCGC-Lys- (C-terminal) as a probe molecule. Here, F represents a fluorescent substance, fluorescein, O represents ethylene glycol as a linker, and Lys represents lysine, which is an amino acid for ensuring water solubility.

検体試料としては、195塩基対をもつPCR産物を用いた。そのDNA鎖の中央付近にプローブ分子と相補的配列をもつ野生型(WT)、ならびに、そのうちの塩基のひとつがグアニン(G)からアデニン(A)に変異した変異型のものを2例(MT1とMT2)の計3種類を用意した。   As a specimen sample, a PCR product having 195 base pairs was used. Two cases (MT1) of wild type (WT) having a sequence complementary to the probe molecule near the center of the DNA strand, and a mutant type in which one of the bases is mutated from guanine (G) to adenine (A) And MT2) were prepared in total.

マイクロ流路への送入は、図1に示したa,b,cの個所からそれぞれプローブ分子含有液、検体分子含有液、調整液をシリンジポンプを用いて行った。その送液速度は、プローブ分子含有液と調整液が40μl/min、検体分子含有液が1μl/minであった。この実施例では、調整液として純水を使用した。プローブ分子含有液は、200fmol/μlの濃度の水溶液であった。   The feeding into the microchannel was performed using a syringe pump from the a, b, and c positions shown in FIG. The liquid feeding speed was 40 μl / min for the probe molecule-containing liquid and the adjustment liquid, and 1 μl / min for the sample molecule-containing liquid. In this example, pure water was used as the adjustment liquid. The probe molecule-containing solution was an aqueous solution having a concentration of 200 fmol / μl.

次に、図1中のAの場所におけるプローブ分子含有液流路側と調整液流路側にアルゴンガスレーザーの発する488nmの光を照射することにより蛍光を発生させ、その強度の比(調整液流路側/プローブ分子含有液流路側)を比較した。このように、比で評価するのは、レーザー強度の変動や機械設定により受ける分析値の影響を補正するためである。その結果を棒グラフとして図2に示す。このグラフは、10回測定した上記比の平均値であり、標準偏差の範囲をエラーバーにて示した。プローブPNA断片と相補的な塩基配列をもつWTのみが、ほかの2つの変異型配列試料よりも大きな値を得た。また、この分析に必要なPCR産物試料量は2〜3μl程度であった。この結果から、特別な相互作用を有するものが、分析可能であることが分かる。また、その測定結果は、変動係数にして2%程度であり、極めて高い再現性を示した。   Next, fluorescence is generated by irradiating light of 488 nm emitted from an argon gas laser to the probe molecule-containing liquid flow channel side and the adjustment liquid flow channel side at the position A in FIG. 1, and the intensity ratio (adjustment liquid flow channel side) / Probe molecule-containing liquid channel side). As described above, the evaluation is performed in order to correct the influence of the analysis value due to the fluctuation of the laser intensity or the machine setting. The results are shown in FIG. 2 as a bar graph. This graph is an average value of the above ratios measured 10 times, and the range of standard deviation is indicated by error bars. Only WT having a base sequence complementary to the probe PNA fragment obtained a larger value than the other two mutant sequence samples. The amount of PCR product sample required for this analysis was about 2 to 3 μl. From this result, it is understood that those having a special interaction can be analyzed. The measurement result was about 2% in terms of the coefficient of variation, and showed extremely high reproducibility.

本発明は、DNAやLNAのような微小試料を簡単に定性、定量分析しうるので、各種生体物質の解析に好適である。   The present invention is suitable for analysis of various biological materials because it can easily qualitatively and quantitatively analyze a micro sample such as DNA or LNA.

本発明方法で用いるマイクロ流路の1例を示す平面図。The top view which shows an example of the microchannel used by the method of this invention. 実施例の結果を示す棒グラフ。The bar graph which shows the result of an Example.

Claims (6)

プローブ分子含有液層流と調整液層流とをマイクロ流路に並行して送入するとともに、両層流の間に検体分子含有液層流を挟み込むように送入し、検体分子含有液層流又は調整液層流中へ拡散するプローブ分子の量あるいはプローブ分子含有液層流中の残存プローブ分子の量の変化を検出し、解析することを特徴とする検体分子の定性又は定量分析方法。   The probe molecule-containing liquid laminar flow and the adjustment liquid laminar flow are sent in parallel to the microchannel, and the sample molecule-containing liquid laminar flow is sandwiched between the two laminar flows. A method for qualitative or quantitative analysis of analyte molecules, characterized by detecting and analyzing a change in the amount of probe molecules diffusing into a flow or adjusted liquid laminar flow or the amount of remaining probe molecules in a probe molecule-containing liquid laminar flow. プローブ分子含有液層流と調整液層流の流速を、検体分子含有液層流の流速よりも大きくする請求項1記載の定性又は定量分析方法。   The qualitative or quantitative analysis method according to claim 1, wherein the flow rates of the probe molecule-containing liquid laminar flow and the adjustment liquid laminar flow are made larger than the flow rates of the sample molecule-containing liquid laminar flow. プローブ分子と検体分子との間で形成される複合体の量の変化をプローブ分子の量の変化で検出する請求項1又は2記載の定性又は定量分析方法。   The qualitative or quantitative analysis method according to claim 1 or 2, wherein a change in the amount of the complex formed between the probe molecule and the analyte molecule is detected by a change in the amount of the probe molecule. プローブ分子が蛍光性を有する請求項1、2又は3記載の定性又は定量分析方法。   The qualitative or quantitative analysis method according to claim 1, 2 or 3, wherein the probe molecule has fluorescence. 複合体の拡散度をあらかじめ形成された検量線と対比することにより検体分子の濃度を求める請求項3記載の定性又は定量分析方法。   The qualitative or quantitative analysis method according to claim 3, wherein the concentration of the analyte molecule is determined by comparing the diffusion degree of the complex with a calibration curve formed in advance. 検体分子が特定配列をもつDNA断片である請求項1ないし5のいずれかに記載の定性又は定量分析方法。
6. The qualitative or quantitative analysis method according to claim 1, wherein the sample molecule is a DNA fragment having a specific sequence.
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