JP2007121246A

JP2007121246A - マイクロ流路

Info

Publication number: JP2007121246A
Application number: JP2005317671A
Authority: JP
Inventors: Arata Doi; 新土井
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2005-10-31
Filing date: 2005-10-31
Publication date: 2007-05-17

Abstract

【課題】微少質量検出チップの凹部に「厚み」を挟んで構築した励振電極上に検出ターゲットを捉えるために適切なリガンドを形成し、その上で起きる結合などにより生じる質量の変化を周波数変化として検出する微少質量検出チップ（集積型ＱＣＭセンサ・チップ）に検体（液）をマイクロ流路を経由して安定に供給する流路構造の実現を目的とする。
【解決手段】課題を解決するために、圧電基板上に形成する凹部と前記凹部を被うことで形成されるマイクロ流路部であって、前記マイクロ流路部の少なくとも一部に一方向性の進行波を発生する励振電極部を形成したマイクロ流路である。また、前述のマイクロ流路は圧電基板に所定の間隔でそれぞれ分離した複数の凹部を備え、前記圧電基板の凹部の表裏に励振電極を形成し、一方面の電極を反応電極とし、それぞれの該反応側電極上に反応状態を捉えるリガンドを形成する微小質量検出チップの前段に配置することで、微小質量の検体を効率よく流通することで目的を達成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、微少質量検出チップの凹部に「厚み」を挟んで構築した励振電極上に検出ターゲットを捉えるために適切なリガンドを形成し、その上で起きる結合などにより生じる質量の変化を周波数変化として検出する微少質量検出チップ（集積型ＱＣＭセンサ・チップ）に検体（液）を安定に供給する流路構造に関するものである。ＱＣＭ：Quartz Crystal Micro-balance の略。

近年、ヒトの遺伝子構造がほぼ解明され、テーラメイド医療、癌特異細胞の解明、予防医療などへの応用のため、多くの遺伝子機能究明に関する研究がなされている。ヒトの遺伝形態を司るとされる核酸は、ヌクレオチドをつなげて出来た紐状の分子で、そのヌクレオチドは糖を中心にしてリン酸（ＰＯ_４）と、4種類の塩基がそれぞれ結合した分子である。糖の形態には、デオキシリボースとリボースの２種類があり、この違いにより「ＤＮＡ（デオキシリボ核酸）」と、「ＲＮＡ（リボ核酸）」に分けられる。

塩基の種類は、ＡＴＵＣＧの５つの種類であり、ＤＮＡはＡＴＣＧの４塩基組合せ、ＲＮＡは、ＡＵＣＧの４塩基組合せであり、２者間における塩基の違いは、ＴとＵが置換された構造となっている。ここに、Ａ（アデニン）、Ｔ（チミン）、Ｃ（シトシン）、Ｇ（グアニン）、Ｕ（ウラシル）である。4種類の塩基は、それぞれ一定の法則をもって結合し2重螺旋を形成するが、相互的に結合するのは、Ａ-Ｔ（Ｕ）、Ｇ-Ｃであり、けっしてＡ-Ｇ、Ａ-Ｃ、Ｔ（Ｕ）-Ｃ、Ｔ（Ｕ）-Ｇとの結合はない。

従来のＤＮＡチップによる核酸の配列検出原理は、この結合の基本的約束のもとに、ガラス基板、或いは、シリコーン基板上に塩基配列の判明している1本鎖のＤＮＡ断片を複数種配列し、これに蛍光処理された検体1本鎖ＤＮＡを溶液中で接触させた後、結合部位にレーザ光を照射して結合の状態を蛍光量の様子として比較測定（定性的測定）することで認知するものである。

則ち、従来のＤＮＡチップを用いた検出方式では、レーザを照射して蛍光の様子を比較測定する蛍光検出方式である。この方式では、検体となるＤＮＡに予め蛍光色素で標識をつけ、ＤＮＡチップ上のＤＮＡ断片に結合した検体ＤＮＡの有無を、レーザ光照射による蛍光色素の発光により検出する方法で、判定までには多くの時間を必要とし、医療現場など緊急判断には問題である。（非特許文献１参照）。

これに対して本願出願人は、リアルタイム計測を目的として既に出願している特許文献１に示す様な水晶基板を用いたＤＮＡチップを提案している。
このＤＮＡチップは水晶基板に形成された各々分離した複数の例えば凸部、凹部ら成る島部（セル）と、その上に構成された電極膜に構築された特有の塩基配列を持つＤＮＡ群から構成され、このＤＮＡチップを溶液中で交流電圧を印加して励振させ、その励振周波数を確認しながら、検体から検出されたＤＮＡを含む溶液を注入するとＤＮＡ相互間の結合の状態により、電極上の質量が微小変化するため、励振周波数が変化する。また、この結合の様子は周波数を繰り返し計測することでリアルタイムに観測することが可能となる。

このとき、各セルの励振電極はそれぞれ独立した引き出し電極により外部接続端子に接続されており、各セルが独立して励振できるような配線構造をとっている。以上のように、圧電式微小質量計測センサは、例えば水晶振動子表面に電極を形成し、この膜表面上で物質を脱着することにより質量変化を周波数変化として捉える手法であり、この関係をサブレーの式から算出するものである。

また、微少質量検出チップを含めたＱＣＭセンサーシステムではセンサー部の前段にマイクロ流路を設け、検体はこの流路に例えばマイクロポンプなどにより圧送され、流路内を流れることで温度の均一化、流量の制御、検出センサーの選択がされ所定のＤＮＡなどの検出センサー部に送り込まれる仕組みが取られている。マイクロ流路と呼ばれるものは、図７に示すように一般的には石英硝子などに微細な溝を彫り込み、それを平らな石英硝子でフタをすることで微小な流路が構成されることが多い。
原田学，佐藤高遠，米田英克、「ＤＮＡチップの現状と展望」、応用物理、第６９巻、第１２号（２０００）特開２００３−２８７５３８号公報なお、出願人は前記した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を、本件出願時までに発見するに至らなかった。

上述する従来法では、ＤＮＡへの蛍光処理作業、大掛かりなレーザ光装置が必要で測定には多くの時間と費用が掛かることから、治療現場などで早急に判断を必要とする場合や、更には、蛍光状態を相互比較する定性測定であり、定量的な測定が出来ないという問題があった。

例えばマトリックス状のセルで構成した集積型反応解析では、一方面の電極を反応電極としそれぞれのセルを逆メサ構造で構築することが最も有効な構造と考える。このとき、検体溶液の容量を節約するためのセルを被う板（蓋体）を構築することが必要であり、仮に検体を検体溶液として扱う場合に、微小で細小の流路を検体が通過していく上で、流路は非常に細く液体の流通には抵抗が大きいため、検体を送圧する場合には圧力の高いマイクロポンプが必要であったり、送圧能力と流通抵抗との関係から検体が通過する流路の長さも制限されてしまうなど、十分に均一な検体の流が得られにくいという症状が発生していまう。

また、正確に検体試料の測定を行うには、セル自体の温度管理も徹底することが必要である。特に検体成分によっては、それぞれの反応速度が環境温度によっても左右することになるため、検体試料の反応に相応しい温度管理が必要となってくる。そのためにも、セルに到達するまでの流路を通過するときには確実に安定して検体が流通することが望ましい現状にある。

上述する課題を解決するために本発明は、圧電基板上に形成する凹部と前記凹部を蓋体で被うことで形成されるマイクロ流路部、あるいは石英硝子基板に形成する凹部と前記凹部を圧電体の蓋体で被い構成されるマイクロ流路部であって、前記マイクロ流路部の少なくとも一部に、圧電材料を用い、圧電体に弾性表面波発生用電極を施すことで一方向性の進行波を発生させる構成を持つマイクロ流路である。また、蓋体を石英硝子を用いた場合には、石英硝子基板と石英硝子の蓋体で構成するマイクロ流路部に位置する場所に絶縁された励振電極を配置するマイクロ流路である。そして、前述の励振電極には検体と直接触れることが無いようにＳｉＯ_２などの保護膜が処理されている。

また、前述のマイクロ流路は圧電基板に所定の間隔でそれぞれ分離した複数の凹部を備え、前記圧電基板の凹部の表裏に励振電極を形成し、一方面の電極を反応電極とし、それぞれの該反応側電極上に反応状態を捉えるリガンドを形成する微小質量検出チップの前段に配置することで、微小質量の検体を効率よく流通することが可能となる。

そしてまた、一方向性の進行波を発生する励振電極部は、前進波用、後退波用の励振電極をそれぞれに用意し、外部から各々を制御することで、各々の励振電極から発生する励振波形により、微小質量検出チップ用マイクロ流路を流通する検体の流れを進める、遅らせるなどを正確に制御することができる。

上述により、例えばマトリックス状のセルで構成した集積型反応解析をＱＣＭセンサシステムで実現した場合に、検出箇所までに至るマイクロ流路内を検体が移動、流通する場合に確実に安定してマイクロ流路内を流通させるためにマイクロ流路部の少なくとも一部に一方向性の進行波を発生する励振電極部を設けることで検体の流通を制御することにより課題を解決するものである。

以上説明したように本発明によれば、マイクロ流路形状や寸法の自由度を増大させるためにマイクロ流路の一部を圧電体の水晶を用い、流路途中に適宜振動箇所を付加することで検体の流れをスムーズにし長距離化した流路を実現し、あるいは検体の流通速度を制御することにより安定した検体の流通を実現することにより、検体の測定精度の向上と、測定時間の短縮を可能にする。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。まず図１に示すのはＱＣＭセンサの一例である微小質量検出チップ（ＤＮＡチップ）の構成を示す斜視図（ａ）である。このＤＮＡチップは、ＡＴカットの水晶基板１上に、１ｍｍ程度の間隔で，凹部の励振周波数が所定値になるように複数の凹部をマトリクス状に形成し、これら複数の凹部２上に形成された金薄膜３上の表面に、リガンド（ＤＮＡ断片）が各々固定されているものである。

凹部２の上へのＤＮＡ断片の固定は、つぎに示すようにする。まず、反応面側電極を親水処理しておく、所望とするＤＮＡ断片の一端がＳＨ基で置換された状態とする。次いで、ＳＨ基で一端が置換されたＤＮＡ断片が分散している溶媒を反応膜に接触させると、金薄膜３の上にＳＨ基が引き寄せられて固着する。この結果、金薄膜３の表面にＳＨ基を介してＤＮＡ断片が固定された状態となる。この後、水晶基板１は、ＰＢＳ（リン酸緩衝生理食塩水）で洗浄して溶媒を純水置換する。以上の流れで検体を測定するものである。

ここで本発明は、上述する微小質量検出チップに供給する前段でのマイクロ流路２を主眼とするもので、圧電基板１上に形成する凹部と前記凹部を被うことで形成されるマイクロ流路２部であって、前記マイクロ流路２部の少なくとも一部に一方向性の進行波を発生する励振電極３部を形成したマイクロ流路２を特徴とする。

また、上述のマイクロ流路２と一体的に組み合わせた思想としては、マイクロ流路２を、圧電基板に所定の間隔でそれぞれ分離した複数の凹部を備え、前記圧電基板の凹部の表裏に励振電極３を形成し、一方面の電極を反応電極とし、それぞれの該反応側電極上に反応状態を捉えるリガンドを形成する微小質量検出チップの前段に配置することでもマイクロ流路２としての存在と機能を発揮するものである。

そこで、本発明のマイクロ流路２について概念図を図２に示す。なお、説明上図中では凹部を被う蓋体４は描画していないが、マイクロ流路２の中で検体が流通し、マイクロ流路２から溢れないように例えば圧電体材料などにより被うものである。図２は圧電体を材料にして、一例としては水晶材料を用いたブロック状に検体を流通させるマイクロ流路２を形成しもので、マイクロ流路２の長さや形状について問うものでは無い。なお、マイクロ流路２は機械的な加工（例えばサンドブラスト）や化学的な加工（例えばエッチング処理）により形成する、マイクロ流路２と称する溝部を意味するもので、従来では例えば石英硝子材料で構成され検体を供給する側（一方の溝端部）に送圧するポンプ機構により、検体をマイクロ流路２上に送り出し流通する構造であったものを、本発明の圧電体と励振電極３により安定して流通させることを特徴とするものである。

図２のマイクロ流路２の一部を拡大した図を図３に示す。図３では便宜上直線としてマイクロ流路２を描画している。マイクロ流路２内を検体が円滑に流通できるように、マイクロ流路２を形成するブロック全体を圧電体（水晶材料）を用いて構成し、流路途中に圧電振動を励起するための電極を付加し流路に沿ったレーリー波などの進行波を発生させる。

励振電極３に周波数帯域を持たせることで流路を流れる検体の量を周波数を変えることで制御することができるように制御回路と接続することで、外部より流通量の制御が可能となると共に、流路上に適宜電極を置くことで流通抵抗による流通路の流通具合を改善するすることができる。

なお、ここでは図３に示す励振電極構造を配置するが、ここに描画する励振電極はアルミや金材料を用い、太い電極指の中心から見て左右対称となり、この部分を音響反射中心として、例えば反射率の位相が−π／２の場合は音響反射中心と励起中心の差の±３λ／８ずらすことで、±ｘ方向へ伝搬する波は同相となることから、図中−ｘ方向へ伝搬する逆相方向の全ての反射が相加され、強い一方向性の特性を発揮する電極構造となる。（ＥＷＣ電極構造）

また、他の実施例として図４に示すように、一方向励振電極３を進行方向の振動と、戻り方向の振動を発生させる両方の励振電極３を流路周辺に形成することで、検体の流通速度の緩急を自由に制御することができる（図４（ａ））。なお、図中に示す矢印は、流通方向を示すものであるが、便宜上矢印の大きさを変えて描画しているが、励振電極３から発生する波の発生力は、進行方向、戻り方向共に同等の励振を行えるものである。また、励振の大きさは外部制御により変化させることは言うまでも無い。

一方、マイクロ流路２から複数の微小質量検出チップに接続する場合を考えて、マイクロ流路２の途中からブランチ（枝）を経由して、マイクロ流路２内の検体の流通経路を決定するために、切換え動作を行えるような振動を発生する励振電極３を形成することも考えられる。上述のように励振電極３はマイクロ流路の中を効率良く検体を流通させるために、マイクロ流路周辺のあらゆる場所に配置、形成することもできる。

なお、上記の実施例では圧電材料として水晶材料を用いて説明しているが、圧電セラミックなど電気機械結合係数の大きな材料を用いることにより流通効果を高めることは言うまでも無い。

なお、マイクロ流路周辺に配置する励振電極３については、図５に示す様な形態も考えられる。この場合、特に曲率を持つマイクロ流路部分に対して流通効果を高めることができ、曲率部分を流通するときの流通抵抗を解消することができる。

上述のように、マイクロ流路２の自由度を増大させるためにマイクロ流路２の一部を圧電体の水晶材料を用い、流路途中に適宜圧電振動を付加することで検体の流れをスムーズにかつ、長距離間で行ったり、速度を調整したり、複数のブランチがある場合の切り替えなどを外部から電気的に制御することが可能となる。なお、マイクロ流路２を形成する圧電体ブロックに加熱冷却機能を付加することにより、マイクロ流路２を流通する検体に対する温度制御や温度補償を行うことができる。

また、図６に示すように石英硝子に溝を掘りマイクロ流路として、溝部を被う蓋体４に圧電体を用いて、この蓋体に上述するような励振電極を形成することでも同様の効果を奏することができる。なお、蓋体に励振電極を形成する場合には、マイクロ流路に被さる位置の形成も実現できる。なお、前述の励振電極３には検体と直接触れることが無いようにＳｉＯ_２などの保護膜が処理されている。この状態は図中では、丸部で囲まれたところを蓋体４を被せた状態の概念として拡大して描画している。なおこの場合、励振電極３と保護膜は蓋体４側に形成されたものである。

上述する構成を持つマイクロ流路であるが、特に図示しないが石英硝子基板に形成する凹部と前記凹部を蓋体で被い構成されるマイクロ流路部の場合には、前記石英硝子基板または、前記石英硝子の蓋体少なくとも一方にマイクロ流路部に位置する場所に絶縁された圧電性励振電極を配置することにより、マイクロ流路部が全く圧電材料でなくても、部分的に進行波や戻り波を発生させることができ、本発明の主旨を逸脱しない範囲の効果を奏することができる。その場合も励振電極の励振は外部より制御されるものである。

本発明を説明するための、微小質量検出チップの一例を示した図である。本発明のマイクロ流路の概念を説明する概念図である。図２で説明するマイクロ流路の部分拡大図で、本発明の要部を説明する図である。本発明の他の実施例を説明する図である。本発明の励振電極を形成する一例で、マイクロ流路に曲率がある場合の形成例を示した図である。本発明の他の実施例で、圧電体の蓋体を用いたマイクロ流路の概念を示す概念図である。従来例として示すマイクロ流路の概念図である。

符号の説明

１圧電基板
２マイクロ流路
３励振電極
４蓋体

Claims

圧電基板上に形成する凹部と前記凹部を蓋体で被うことで形成されるマイクロ流路部であって、前記マイクロ流路部の少なくとも一部に一方向性の進行波を発生する励振電極部を形成したことを特徴とするマイクロ流路。
石英硝子基板に形成する凹部と前記凹部を蓋体で被い構成されるマイクロ流路部において、
前記蓋体を圧電基板で構成し、前記マイクロ流路部に位置する前記蓋体の少なくとも一部に一方向性の進行波を発生する励振電極部を形成したことを特徴とするマイクロ流路。
石英硝子基板に形成する凹部と前記凹部を蓋体で被い構成されるマイクロ流路部において、
前記石英硝子基板または、前記石英硝子の蓋体少なくとも一方にマイクロ流路部に位置する場所に絶縁された圧電性励振電極を配置することを特徴とするマイクロ流路。
請求項１ないし請求項３に記載のマイクロ流路を、圧電基板に所定の間隔でそれぞれ分離した複数の凹部を備え、前記圧電基板の凹部の表裏に励振電極を形成し、一方面の電極を反応電極とし、それぞれの該反応側電極上に反応状態を捉えるリガンドを形成する微小質量検出チップの前段に配置することを特徴とするマイクロ流路。
請求項１ないし請求項４に記載の一方向性の進行波を発生する励振電極部は、外部から制御することにより、少なくとも進行波の励振波形と少なくとも戻り波の励振波形を発生することを特徴とするマイクロ流路。
請求項１ないし請求項２に記載の励振電極部には、保護膜を形成することを特徴とするマイクロ流路。