JP2008151773A - Method of mixture in microchannel - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、マイクロ流路内で、少なくとも2つの被混合物質を混合するマイクロ流路内混合方法に関する。 The present invention relates to a microchannel mixing method for mixing at least two substances to be mixed in a microchannel.
近年、微量の検体の分析や化学反応処理を安価に、且つ迅速に実現するシステムとして、マイクロ流路チップを使用する方法が提案されている。 In recent years, a method using a micro-channel chip has been proposed as a system that realizes analysis of a small amount of sample and chemical reaction processing inexpensively and quickly.
前記マイクロ流路チップはこのチップへ液体を供給して検査を実行する検査装置に適用される物である。この検査装置として例えば特許文献1に開示される生化学処理装置等があり、チャンバとチャンバ間を連通する流路とを有する生化学反応カートリッジ(マイクロ流路チップ)を載置するステージと、流路を介して液体を移動させるための移動手段と、チャンバ内の液体の有無或いは液量を検出する検出手段と、検出手段により検出されたチャンバ内の液体の情報により液体の移動の結果を判定する判定手段とを設けることにより、前記マイクロ流路内で予備処理した検体を前記チャンバ内に誘導して、チャンバ内の検査試薬と検体との化学反応又は生化学反応から、検体の分析を行う。
The microchannel chip is applied to an inspection apparatus that supplies liquid to the chip to perform inspection. As this inspection apparatus, for example, there is a biochemical processing apparatus disclosed in
前記マイクロ流路内での検体の予備処理とは、例えば、前記チャンバ内に保持した検査試薬と検体とが効率良く反応するように、検体に反応促進物質(試薬)を混合したり、あるいは検体中の特定成分を単離させたり溶解・増幅させるために検体に所定の反応物質を混合する処理である。 The sample pretreatment in the microchannel is, for example, mixing a sample with a reaction promoting substance (reagent) so that the test reagent held in the chamber and the sample react efficiently, or the sample. This is a process of mixing a predetermined reactant with a specimen in order to isolate, dissolve or amplify specific components therein.
このような予備処理や分析用の反応処理に使う物質と検体とを混合させるマイクロ流路内混合方法として、予め、マイクロ流路の内壁面の一部に予備処理や分析用の反応処理に使う物質を乾燥状態で担架させておき、マイクロ流路に検体を流して、マイクロ流路内に担架された物質と検体との接触により、予備処理や分析用の反応処理用の物質を検体中に溶解させて混合させる方法が提案されている(例えば、特許文献2,3参照)。
As a method for mixing in a microchannel to mix a substance used for such a pretreatment or analysis reaction and a sample, it is used in advance on a part of the inner wall surface of the microchannel for a pretreatment or analysis reaction. The substance is suspended in a dry state, the specimen is allowed to flow through the microchannel, and the contact between the substance suspended in the microchannel and the specimen causes the pretreatment or analysis reaction substance to enter the specimen. A method of dissolving and mixing has been proposed (see, for example,
ところが、マイクロ流路内に検体を流して、マイクロ流路内に担架された物質に検体を単純に接触させるというだけでは、予備処理や分析用の反応処理用の物質の検体への溶解が遅く、処理が遅延するという問題があった。
また、溶解した予備処理や分析用の反応処理用の物質が検体内に十分に拡散せず、予備処理や分析用の反応処理用の物質と検体との混合が均質にならないため、分析結果等にばらつきを招く虞があった。
However, simply passing the specimen through the microchannel and simply bringing the specimen into contact with the substance suspended in the microchannel will slow the dissolution of the pretreatment or analysis reaction substance into the specimen. There was a problem that processing was delayed.
In addition, the dissolved pretreatment and analysis reaction materials do not sufficiently diffuse into the sample, and the mixture of the pretreatment and analysis reaction materials and the sample does not become homogeneous. There was a risk of causing variations.
そこで、本発明の目的は上記課題を解消することに係り、検体と予備処理や分析用の反応処理用の物質との少なくとも2つの被混合物質をマイクロ流路内で混合する場合に、これらの被混合物質相互の混合を促進して、より短時間に均質な混合状態を得ることができ、マイクロ流路チップでの混合処理に適用することで、マイクロ流路チップにおける分析処理の迅速化や、分析処理の精度向上を実現することができるマイクロ流路内混合方法を提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to solve the above-described problems, and when mixing at least two substances to be mixed, ie, a specimen and a substance for pretreatment or analysis for reaction, in a microchannel, these The mixing of substances to be mixed is promoted, and a homogeneous mixed state can be obtained in a shorter time. By applying to the mixing process in the microchannel chip, the analysis process in the microchannel chip can be accelerated. Another object of the present invention is to provide a method for mixing in a microchannel that can improve the accuracy of analysis processing.
(1)本発明の上記課題の解決は、マイクロ流路内で少なくとも2つの被混合物質を混合するマイクロ流路内混合方法であって、
前記マイクロ流路内で前記被混合物質相互を重力方向に重なるように接触させ、
これら被混合物質が重なる位置で前記マイクロ流路を加熱するマイクロ流路内混合方法により達成される。
(1) The solution to the above-described problem of the present invention is a microchannel mixing method for mixing at least two substances to be mixed in a microchannel,
In the microchannel, the mixed substances are brought into contact with each other so as to overlap each other in the direction of gravity,
This is achieved by a microchannel mixing method in which the microchannel is heated at a position where these substances to be mixed overlap.
上記構成によれば、マイクロ流路内で重力方向の上層に配置された被混合物質は、その下に配置された被混合物質に溶解した際に、被混合物質が重なる位置で加熱されることによって、マイクロ流路内に対流が発生し、両被混合物質の接触位置付近に滞留せず、この対流による撹拌作用によって、より均質な混合が実現される。
即ち、例えば、検体と予備処理や分析用の反応処理用の物質との少なくとも2つの被混合物質をマイクロ流路内で混合する場合に、これらの被混合物質相互の混合を促進して、より短時間に均質な混合状態を得ることができる。
そして、マイクロ流路チップでの混合処理に適用することで、マイクロ流路チップにおける分析処理の迅速化や、分析処理の精度向上を実現することができる。
According to the above configuration, the substance to be mixed disposed in the upper layer in the gravity direction in the micro flow path is heated at the position where the substance to be mixed overlaps when dissolved in the substance to be mixed disposed below it. As a result, convection is generated in the microchannel and does not stay in the vicinity of the contact position of the substances to be mixed, and more uniform mixing is realized by the stirring action by this convection.
That is, for example, when mixing at least two substances to be mixed, that is, a specimen and a reaction processing substance for pretreatment or analysis, in the microchannel, the mixing of these substances to be mixed is promoted. A homogeneous mixed state can be obtained in a short time.
And by applying to the mixing process in a microchannel chip, it is possible to realize a rapid analysis process in the microchannel chip and an improvement in the accuracy of the analysis process.
(2)なお、好ましくは、上記(1)に記載のマイクロ流路内混合方法において、前記マイクロ流路内で密度のより大きい被混合物質を重力方向上側に配置する構成とすると良い。
このような構成にすると、対流作用と密度の違いによる沈降作用によって上層の被混合物質が下層の被混合物質中に拡散し易くなり、混合を促進するために特にマイクロ流路の構造に工夫をせずとも、被混合物質相互の均質な混合を効率よく実現できる。
(2) Preferably, in the in-microchannel mixing method according to (1) above, the substance to be mixed having a higher density in the microchannel may be arranged on the upper side in the gravity direction.
In such a configuration, the mixed material in the upper layer easily diffuses into the mixed material in the lower layer due to the sedimentation effect due to the difference between the convection action and the density, and in order to promote the mixing, the structure of the microchannel is particularly devised. Even without this, it is possible to efficiently achieve homogeneous mixing between the substances to be mixed.
(3)また、好ましくは、上記(1)又は(2)に記載のマイクロ流路内混合方法において、前記被混合物質の一つが固形物であり、被混合物質が重なる位置の前記マイクロ流路内上部に固着装備して、その下方を流れる液状被混合物質に接触させる構成とすると良い。
このような構成にすると、例えば、検体である液状の被混合物質に、固化されている予備処理や分析用の反応処理用の被混合物質を溶解させて、被混合物質相互の混合物を生成する場合、固化された被混合物質は、予めマイクロ流路内上部に固着装備しておくことで、混合のための操作は、マイクロ流路に検体である液状の被混合物質を注入するだけで良く、被混合物質相互を混合させるための作業を単純にできる。
(3) Preferably, in the microchannel mixing method according to (1) or (2) above, one of the substances to be mixed is a solid substance, and the microchannel at a position where the substances to be mixed overlap each other. It is good to set it as the structure fixed to an inner upper part, and making it contact with the liquid to-be-mixed substance which flows under it.
With such a configuration, for example, the solid material to be mixed for preliminary treatment or analysis for reaction treatment is dissolved in the liquid material to be mixed as a specimen to generate a mixture of the materials to be mixed. In this case, the solidified substance to be mixed is fixed in advance in the upper part of the microchannel, and the mixing operation may be performed simply by injecting the liquid substance to be mixed as a specimen into the microchannel. The work for mixing the mixed substances can be simplified.
また、検体である液状の被混合物質よりも固化された被混合物質の方が密度が高い場合、固化されている被混合物質をマイクロ流路内上部に固着装備することによって、密度のより大きい被混合物質を重力方向上側に配置して被混合物質相互を接触させるという上記(2)に記載の混合条件が確保されて、混合の促進を担保することができる。 In addition, if the density of the solidified substance to be mixed is higher than that of the liquid substance to be mixed, which is the specimen, the solidified substance to be mixed is fixed to the upper part of the microchannel to increase the density. The mixing condition described in (2) above, in which the substances to be mixed are arranged on the upper side in the direction of gravity and the substances to be mixed are brought into contact with each other, is ensured, and the promotion of mixing can be ensured.
(4)また、好ましくは、上記(1)乃至(3)のいずれか一つに記載のマイクロ流路内混合方法において、前記マイクロ流路の加熱がこのマイクロ流路の底面からである構成とすると良い。
このような構成にすると、加熱によってマイクロ流路内に発生する対流は、上昇流となり、密度の高い方の被混合物質の重力による沈降作用との相乗で、被混合物質相互の撹拌・混合を効果的に促進することができ、被混合物質相互の均質な混合が容易になる。
(4) Preferably, in the mixing method in the microchannel according to any one of (1) to (3), the heating of the microchannel is from the bottom surface of the microchannel. Good.
With such a configuration, the convection generated in the micro-channel by heating becomes an upward flow, and the mixing and mixing of the mixed substances is performed in synergy with the sedimentation action by gravity of the mixed substance having a higher density. It can be effectively promoted, and homogenous mixing of the mixed materials becomes easy.
(5)また、好ましくは、上記(1)乃至(4)のいずれか一つに記載のマイクロ流路内混合方法において、前記被混合物質の一つにプライマー及び/又は酵素が含まれている構成とすると良い。
このような構成にすると、試薬の担架位置での試薬の溶解開始が、核酸増幅反応の開始とすることが可能となるため、反応時間の管理等が容易になり、核酸増幅反応を容易に制御・進行させることができる。
(5) Preferably, in the microchannel mixing method according to any one of (1) to (4) above, one of the substances to be mixed includes a primer and / or an enzyme. A configuration is good.
With such a configuration, it is possible to start the dissolution of the reagent at the position where the reagent is stretched, so that the nucleic acid amplification reaction can be started. Therefore, the reaction time can be easily managed and the nucleic acid amplification reaction can be easily controlled.・ Can be advanced.
(6)また、好ましくは、上記(1)乃至(5)のいずれか一つに記載のマイクロ流路内混合方法において、前記被混合物質に熱溶解性結合剤が混合されている構成とすると良い。 (6) Preferably, in the microchannel mixing method according to any one of (1) to (5) above, a heat-soluble binder is mixed with the substance to be mixed. good.
上記構成によればマイクロ流路内の所定位置に担架された試薬は、混合される熱溶解性結合剤として、付着性(接着性)を有したものを採用しておくことで、流路壁面との間の接着強度を大幅に向上させることができる。 According to the above-described configuration, the reagent suspended at a predetermined position in the micro flow channel employs an adhesive (adhesive) adhesive as the heat-soluble binder to be mixed. The adhesive strength between the two can be greatly improved.
そのため、マイクロ流路内に送給される被検査液の接触だけで担架位置から剥離して流されることがない。しかも、被検査液の温度が熱溶解性結合剤の溶解促進温度である規定温度まで昇温されていないときには、熱溶解性結合剤の溶解が促進されないため、試薬の溶解も促進されない。そして、試薬の担架位置に導入される被検査液の温度を規定温度に昇温させれば、その被検査液に接触した熱溶解性結合剤の溶解促進が溶解促進温度に達して直ぐに始まり、試薬の溶解・混合の促進が始まり、当初の担架位置で溶解・混合処理が開始・継続されることが担保されるため、例えば、試薬の担架位置を挟む一定区間に一定時間被検査液を滞留させたり、あるいは試薬の担架位置を挟む一定区間で被検査液を往復させることで、被検査液に確実に溶解・混合させて、溶解・混合処理の精度を向上させることができる。 Therefore, it is not peeled away from the stretcher position only by contact with the liquid to be inspected fed into the microchannel. In addition, when the temperature of the liquid to be inspected is not raised to the specified temperature, which is the dissolution promoting temperature of the hot-soluble binder, the dissolution of the hot-soluble binder is not promoted, so that the dissolution of the reagent is not promoted. Then, if the temperature of the test liquid introduced into the reagent stretcher position is raised to a specified temperature, the dissolution promotion of the heat-soluble binder that has contacted the test liquid reaches the dissolution acceleration temperature and begins immediately. Since the dissolution / mixing of the reagent starts and it is ensured that the dissolution / mixing process starts and continues at the initial stretcher position, for example, the liquid to be inspected stays in a certain section across the stretcher position of the reagent. Or by reciprocating the liquid to be inspected in a certain section sandwiching the position of the reagent stretcher, the liquid to be inspected can be surely dissolved and mixed to improve the accuracy of the dissolution / mixing process.
(7)また、好ましくは、上記(6)に記載のマイクロ流路内混合方法において、前記熱溶解性結合剤がゼラチンまたはヒドロキシプロピルセルロースの少なくとも一方である構成とすると良い。
このような構成にすると、ゼラチンやヒドロキシプロピルセルロースは、上記(6)を満足する熱溶解性を有すると同時に、付着性(接着性)も強いので、マイクロ流路上の所定位置への試薬の担架が容易になり、上記(6)に記載の作用・効果を容易に実現することができる。
(7) Preferably, in the microchannel mixing method described in (6) above, the heat-soluble binder is at least one of gelatin and hydroxypropylcellulose.
With such a structure, gelatin and hydroxypropylcellulose have a heat solubility satisfying the above (6) and at the same time have strong adhesion (adhesiveness), so that the reagent can be stretched to a predetermined position on the microchannel. Thus, the operation / effect described in (6) above can be easily realized.
(8)また、好ましくは、上記(1)乃至(7)のいずれか一つに記載のマイクロ流路内混合方法において、前記マイクロ流路の加熱温度が35℃〜60℃である構成とすると良い。
このような構成にすると、溶解開始促進温度を常温からずらして溶解促進開始のタイミングを管理できる同時に、例えば、試薬が血液中の標的核酸の増幅及び検出を目的として使用される乾燥プライマーである場合に、この乾燥プライマーの反応温度を維持して、反応促進を図ることもできる。
(8) Preferably, in the microchannel mixing method according to any one of the above (1) to (7), the heating temperature of the microchannel is 35 ° C. to 60 ° C. good.
With such a configuration, the dissolution start acceleration temperature can be shifted from room temperature to control the timing of dissolution start, and at the same time, for example, when the reagent is a dry primer used for the purpose of amplification and detection of target nucleic acids in blood Furthermore, the reaction temperature of the dry primer can be maintained to promote the reaction.
本発明に係るマイクロ流路内混合方法では、マイクロ流路内で重力方向の上層に配置された被混合物質は、その下に配置された被混合物質に溶解した際に、両被混合物質の接触位置付近に滞留せず、重力による沈降作用により下層の被混合物質内に拡散するため、接触している被混合物質相互の混合が促進される。
更に、被混合物質が重なる位置で加熱されることによって、マイクロ流路内に対流が発生し、この対流による撹拌作用によって、より均質な混合が実現される。
即ち、例えば、検体と予備処理や分析用の反応処理用の物質との少なくとも2つの被混合物質をマイクロ流路内で混合する場合に、これらの被混合物質相互の混合を促進して、より短時間に均質な混合状態を得ることができる。
そして、マイクロ流路チップでの混合処理に適用することで、マイクロ流路チップにおける分析処理の迅速化や、分析処理の精度向上を実現することができる。
In the mixing method in the microchannel according to the present invention, when the substance to be mixed disposed in the upper layer in the gravity direction in the microchannel is dissolved in the substance to be mixed disposed below, Since it does not stay in the vicinity of the contact position and diffuses into the mixed material in the lower layer by the sedimentation action due to gravity, mixing between the mixed materials in contact with each other is promoted.
Furthermore, convection is generated in the micro flow path by heating at the position where the materials to be mixed overlap, and more homogeneous mixing is realized by the stirring action by this convection.
That is, for example, when mixing at least two substances to be mixed, that is, a specimen and a reaction processing substance for pretreatment or analysis, in the microchannel, the mixing of these substances to be mixed is promoted. A homogeneous mixed state can be obtained in a short time.
And by applying to the mixing process in a microchannel chip, it is possible to realize a rapid analysis process in the microchannel chip and an improvement in the accuracy of the analysis process.
以下、本発明に係るマイクロ流路内混合方法の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図1は本発明に係るマイクロ流路内混合方法により少なくとも2つの被混合物質を混合するマイクロ流路を具備したマイクロ流路チップの一実施の形態の分解斜視図、図2は図1に示したマイクロ流路チップを構成する流路基板の構成の説明図で、図2(a)は前記流路基板の平面図、図2(b)は図2(a)のM矢視図、図2(c)は図2(b)のN矢視図、図3は図2(c)に示したマイクロ流路のC−C断面図である。
Hereinafter, a preferred embodiment of a mixing method in a microchannel according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is an exploded perspective view of an embodiment of a micro-channel chip having a micro-channel that mixes at least two substances to be mixed by the micro-channel mixing method according to the present invention, and FIG. FIG. 2A is a plan view of the flow path substrate, FIG. 2B is a view in the direction of arrow M in FIG. 2A, and FIG. 2 (c) is a view taken along the arrow N in FIG. 2 (b), and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line CC of the microchannel shown in FIG. 2 (c).
図1及び図2に示したマイクロ流路チップ(以下、単に「チップ」とも称す。)1は、検査装置(図示せず)にセットされて使用され、一回の使用後に廃棄される。本実施の形態は、検体である血液(全血)がマイクロ流体チップ1に注入される。マイクロ流体チップ1は、検査装置にセットされることで、チップ外部からの物理的作用力によって検体液がハンドリングされ、例えば一塩基多型の複数ターゲット遺伝子が検査されるものであり、特開2005−160387に示されているような、ターゲット配列の核酸を等温で特異的に増幅するための反応とその検出をチップ1上で実現可能とするものである。これにより、例えば、標的核酸を増幅してこれを検出することで、感染症の原因となる病原体に特異的な標的核酸の増幅及び検出が可能となり、検体中の該病原体の存否等が判定可能となる。
The microchannel chip (hereinafter simply referred to as “chip”) 1 shown in FIGS. 1 and 2 is set and used in an inspection apparatus (not shown), and is discarded after one use. In the present embodiment, blood (whole blood) that is a specimen is injected into the
本実施の形態において、物理的作用力は、液流路の始点と終点に設けたポート部PTからエア供給又はエア吸引することにより発生する空気圧作用力(空圧駆動力)である。したがって、液流路内に供給された液体が、液流路の始点と終点とに作用されるエア供給又はエア吸引により、液流路内の所望位置へ移動制御可能となる。この際、液体は、始点と先端部、後端部と終点との間に介在する気体に挟持された状態で保持され、引っ張り力の作用により途中で分断されることがない。 In the present embodiment, the physical acting force is a pneumatic acting force (pneumatic driving force) generated by air supply or air suction from the port part PT provided at the start point and end point of the liquid flow path. Accordingly, the liquid supplied into the liquid flow path can be controlled to move to a desired position in the liquid flow path by air supply or air suction applied to the start point and end point of the liquid flow path. At this time, the liquid is held in a state of being sandwiched by the gas interposed between the start point and the front end portion and between the rear end portion and the end point, and is not divided in the middle by the action of the pulling force.
なお、DNA増幅反応は、等温増幅反応により、使用する酵素の活性が一定に維持できる温度に保たれる。ここで、「等温」とは、酵素およびプライマーが実質的に機能しうるような、ほぼ一定の温度をいう。さらに、「ほぼ一定の温度」とは、酵素及びプライマーの実質的な機能を損なわない程度の温度変化であれば許容されることを意味する。 The DNA amplification reaction is maintained at a temperature at which the activity of the enzyme used can be maintained constant by an isothermal amplification reaction. Here, “isothermal” refers to a substantially constant temperature at which the enzyme and primer can substantially function. Furthermore, “substantially constant temperature” means that any temperature change that does not impair the substantial functions of the enzyme and the primer is acceptable.
また、マイクロ流体チップ1は熱可塑性の高分子ポリマーの射出成形により製作される。使用する高分子ポリマーは、特に限定されないが、光学的に透明であり、耐熱性が高く、化学的に安定であり、射出成形が容易なものが望ましく、COP、COC、PMMA等が好適である。光学的に透明とは、検出に用いる励起光や蛍光の波長において透過性が高く、散乱が小さく、自家蛍光が少ないことである。チップ1は、蛍光を検出可能とする透光性を有していることで、検出試薬に例えばサイバーグリーンが用いられ、反応によって増幅された2本鎖DNAにインターカレートすることで発する蛍光が測定可能となる。これにより、ターゲットとする遺伝子配列の存在の有無が検出可能となる。
The
図1及び図2(a)において、流路基板3は、その厚さ寸法t、幅寸法W、長さ寸法Lが、省スペースで持ち運び可能な適度の大きさに設定されている。そして、流路基板3の表面には、外部の加熱手段を装備するための凹みである掘り込み11,12と、後述するマイクロ流路14の一端に連通して設けられた検体投入用のポートP1と、マイクロ流路14に連通して設けられてマイクロ流路14内における検体の移動を制御する制御用ポートP2,P3と、マイクロ流路14の途中に連通して設けられてマイクロ流路14内に予備処理用の試薬等の被混合物質を投入する試薬投入用のポートP4とが形成されている。
流路基板3は、外形が例えば縦横W,Lが55×91mmであり、厚さtが2mm程度で形成される。
In FIG. 1 and FIG. 2A, the
The
流路基板3の各ポートの役割を説明すると、生体細胞を含む検体液と前処理試薬(第1液)とを投入する第1ポートP1と、反応増幅試薬(第2液)を投入する第4ポートP4と、流路内に空気圧を供給する第2ポートP2と、減圧される流路終端の第3ポートP3とからなる。
そして、流路基板3は、第1ポートP1から投入された検体液と前処理試薬とを混合して第1混合液を生成する第1の流路(検体混合部)Aと、第1混合液を加熱して生体細胞よりDNAを抽出し1本鎖に分解する第2の流路(被加熱部)Bと、被加熱部Bで処理された第1混合液に反応増幅試薬を合流させる第3の流路(試薬合流部)Cと、試薬合流部Cで合流された第2混合液が通過することにより溶解が進む酵素(第1固体)を固化実装した第4の流路(酵素保持部)Dと、酵素保持部Dで処理される第2混合液への酵素の混合を助長する第5の流路(酵素混合部)Eと、酵素混合部Eに接続され、流路内に固化実装されたプライマー(第2固体)の溶解、加熱によるDNA増幅、DNA増幅の検出を同一位置で行う複数の第6の流路(反応部)Fと、反応部Fの流路に接続され酵素混合部Eで処理された第2混合液を反応部Fの複数の反応検出セル27それぞれに定量分注するための第7の流路(定量分注流路)Gとに区分分けできる。
Explaining the role of each port of the
The flow path substrate 3 includes a first flow path (specimen mixing unit) A that mixes the sample liquid input from the first port P1 and the pretreatment reagent to generate a first mixed liquid, and a first mixing The reaction amplification reagent is joined to the second flow path (heated part) B that heats the liquid to extract DNA from living cells and decomposes it into single strands, and the first mixed solution treated in the heated part B The fourth channel (enzyme) solidified and mounted on the third channel (reagent merging portion) C and the enzyme (first solid) whose dissolution progresses when the second mixed solution merged at the reagent merging portion C passes through Holding part) D, a fifth flow path (enzyme mixing part) E for promoting the mixing of the enzyme into the second mixed solution treated in the enzyme holding part D, and the enzyme mixing part E, A plurality of sixth flow paths that perform dissolution of the primer (second solid) solidified on the substrate, DNA amplification by heating, and detection of DNA amplification at the same position Reaction unit F) and a seventh flow for quantitatively dispensing the second mixed solution connected to the flow path of reaction unit F and processed by enzyme mixing unit E into each of a plurality of reaction detection cells 27 of reaction unit F It can be divided into a channel (quantitative dispensing channel) G.
流路基板3の表面に開口する各ポートP1〜P4の周囲は、流路基板3の他の部分より隆起したリング状の隆起部18a,18b,18c,18dとなっており(図2(b)参照)、この隆起部18a,18b,18c,18dには、ポートパッドを介して配管が接続され、各配管にはバルブを介して、検査装置による送液駆動(マイクロ流路14内での検体の移動操作)のためのポンプが接続される。
The periphery of each of the ports P1 to P4 opened on the surface of the
各ポートP1〜P4は、流路基板3を貫通する貫通孔として形成され、流路基板3の裏面に形成されたマイクロ流路14に連通している。マイクロ流路14は、流路基板3に溝として形成され、その開放面が蓋材5によって封止されることで流路となる。このマイクロ流路14は、第1のマイクロ流路用溝21と、この第1のマイクロ流路用溝21に複数の分岐流路23を介して連通した第2のマイクロ流路用溝22とで構成されている。
Each port P <b> 1 to P <b> 4 is formed as a through-hole penetrating the
蓋材5と流路基板3は接着剤や粘着剤により接合される。蓋材5としては、流路基板同様、光学的に透明であり、耐熱性が高く、化学的に安定であるシート状の高分子ポリマーを用いる。本実施の形態では、100μmの厚みのPCR用プレートシールを用いた(プラスチックフィルムに粘着剤が塗布されている)。
The
第1のマイクロ流路用溝21は、基端が検体投入用のポートP1に連通し、前述のA〜Eの区分を通って終端が制御用ポートP2に連通していている。第2のマイクロ流路用溝22は、基端側が複数の分岐流路23(前述のFの区分)を介して第1のマイクロ流路用溝21の途中に接続されており、終端が制御用ポートP3に連通している。
The
第1のマイクロ流路用溝21の基端であるポートP1寄りの位置には、第1の混合部24(前述のAの区分)が設けられ、更に、試薬投入用のポートP4が第1のマイクロ流路用溝21に連通する合流部25(前述のCの区分)と前述の第1の混合部24との間の第1のマイクロ流路用溝21には、加熱部26(前述のBの区分)が設定されている。
A first mixing portion 24 (section A described above) is provided at a position near the port P1, which is the base end of the
第1の混合部24は、第1のマイクロ流路用溝21の溝幅を広げた複数個の亀甲型の混合セル24aを流れ方向に沿って所定の間隔で直列に配置している。
そして、マイクロ流路14の底面を提供する蓋材5の下方には、外部(検査装置)の加熱手段が配置され、マイクロ流路14の底面から加熱可能にされている。
In the
An external (inspection apparatus) heating unit is disposed below the
加熱部26は、流路基板3の表面側に配置した掘り込み12位置の底面側である蓋材5に装着した加熱手段により、マイクロ流路14内を流れる被混合物質を所定の温度に昇温させる部位である。
The
前述の区分Eである酵素混合部は、第4ポートP4から順に第1混合部E1と、酵素保持部(前述の区分D)と、第2混合部E2とが配置されてなる。
第1混合部E1は、液体が流動する方向の垂直断面積が他の流路における垂直断面積に比して大きい第1流路部111A,111Bと、第1流路部111A,111Bより垂直断面積が小さい第2流路部113,115とが交互に形成されている。すなわち、上流側から前段の第1流路部111A、前段の第2流路部113、後段の第1流路部111B、後段の第2流路部115の順で配設されている。
The enzyme mixing unit which is the above-described section E includes a first mixing section E1, an enzyme holding section (the above-described section D), and a second mixing section E2 in order from the fourth port P4.
The first mixing part E1 is perpendicular to the first
また、第2混合部E2は、液体が流動する方向の垂直断面積が他の流路における垂直断面積に比して大きい第1流路部111C,111Dと、第1流路部111C,111Dより垂直断面積が小さい第2流路部117,119とが交互に形成されている。すなわち、上流側から前段の第1流路部111C、前段の第2流路部117、後段の第1流路部111D、後段の第2流路部119の順で配設されている。
In addition, the second mixing unit E2 includes the first
第1混合部E1における第1流路部111A,111Bの垂直断面積は、第2混合部E2における第1流路部111C,111Dの垂直断面積より小さく形成されている。本実施の形態では、各混合部内の深さ(図2の紙面垂直方向深さ)を同一とし、第1流路部111A,111Bの幅を、第1流路部111C,111Dの幅より小さく形成している。また、第1混合部E1における第1流路部111A,111Bの流路方向長さは、第2混合部E2における第1流路部111C,111Dの流路方向長さより長く形成している。本実施の形態では、第1流路部111A,111B,111C,111Dが互いに平行に形成され、第2流路部113,115,117,119が上記第1流路部を連結するように形成されているが、これに限らず、任意の配置であって構わない。
The vertical cross-sectional areas of the first
このように、本実施の形態による酵素混合部Eは、第2混合部E2の前段に第1混合部E1が設けられている。本構成によれば、メニスカス曲面液端の進行度合いに差異の生じ難い第1混合部E1にて複数種の液体が予備混合される。これにより、混合性能の高い第2混合部E2において、異なる濡れ性の液体が流路面に接触することにより生じる、メニスカス曲面液端の進行度合いの差異が抑制されるようになっている。 As described above, the enzyme mixing unit E according to the present embodiment is provided with the first mixing unit E1 before the second mixing unit E2. According to this configuration, a plurality of types of liquids are premixed in the first mixing unit E1 in which the difference in progress of the liquid end of the meniscus curved surface is unlikely to occur. Thereby, in the 2nd mixing part E2 with high mixing performance, the difference in the advancing degree of the meniscus curved-surface liquid edge which arises when a different wettability liquid contacts a flow-path surface is suppressed.
また、前段の第1流路部111Aおよび後段の第1流路部111Bの各容積は、第4ポートP4から送液される1回分の液体全体を収容可能な容積とすることが好ましく、送液される液体全体の容積の80%以上であることが好ましい。これにより、第1混合部E1において、前段の第1流路部111Aに液体全体が収容された後、前段の第2混合部113を通過して後段の第1流路部111Bへ収容され、広幅流路部と狭幅流路部とを交互に通過することで、オリフィス作用による撹拌が複数回行われ、複数種の液体同士の混合を促進させることができる。
Further, it is preferable that the volumes of the first
第1流路部111Aと111Bとの間の第2流路部113には、酵素保持部Dが配置される。酵素保持部Dは、混合部Aと同様に、液体が流動する方向に沿って広幅流路部115Aと狭幅流路部115Bとが交互に形成された流路で構成される。広幅流路部115Aの一部は試薬保持用のセルとなり、水溶解液状態の試薬を点着後、凍結乾燥により乾燥、固化した試薬47、49がそれぞれ保持される。
酵素混合部Eでは、血液、前処理試薬、反応増幅試薬の合流液を第1混合部E1の第1流路部111A,111Bの間を往復させることにより、第1の酵素である試薬47、第2の酵素である試薬49を溶解し、前記合流液を混合する。
なお、図示例では各混合部E1,E2で第1流路部がそれぞれ2つずつ設けてあるが、これに限らず、さらに複数の第1流路部が第2流路部と交互に形成されていてもよい。
The enzyme holding part D is arranged in the second
In the enzyme mixing part E, the reagent 47, which is the first enzyme, is reciprocated between the first
In the illustrated example, each of the mixing portions E1 and E2 has two first flow path portions. However, the present invention is not limited to this, and a plurality of first flow path portions are alternately formed with the second flow path portions. May be.
酵素保持部Dの試薬47,49が保持された広幅流路部115Aの上流と下流の流路は、その保持部より細くなっており、乾燥固化した試薬47,49の流路への密着力が無い場合でも、チップ1の保存、運搬等の振動により固化試薬47,49が剥がれ落ちて前後の流路へ流出してしまうことを防いでいる。
The upstream and downstream channels of the
分注部28(前述のGの区分)を構成している複数本の分岐流路23は、第1のマイクロ流路用溝21と第2のマイクロ流路用溝22に並列に接続されていて、その途中に、亀甲型に流路を拡幅した複数の反応検出セル37を有している。各反応検出セル37は、その内部の重力方向の最上位置となる上面部に、検出用の固化試薬39としてのプライマーが担架されており、予備処理を終えた検体が流入すると、検体と固化試薬の反応により、検体を分析する。
A plurality of
各分岐流路23の反応検出セル37には、互いに成分の異なる固化試薬39を担架させておくことで、検体に対する多種の分析を一度に実施することができる。その際、セル内で反応、検出が完了することが必要となるが、プライマーにゼラチン又はヒドロキシプロピルセルロースを含有させることにより常温の液体が流入した際もプライマーが流れ方向下流に流されることは無く、プライマー反応温度である60℃に昇温させることにより本実施の形態を利用することで固化試薬39を素早く溶解させることができる。なお、プライマー(本実施形態では固化試薬39)とは検体である血液に拡散増幅反応を起こす起点を決定する試薬である。
By allowing the
以上のマイクロ流路チップ1は、制御用ポートP2,P3に接続された検査装置配管のバルブの開閉、又はバルブに接続されたポンプによる加圧、又は吸引を適宜に制御することで、検体投入用のポートP1からマイクロ流路14に投入された検体の位置を、マイクロ流路14の任意位置に移動させることができ、各混合部24,31,32等での予備処理用の混合処理を済ませた検体を、各反応検出セル37に分注することで、検体に対する多種の分析を行う。
The
分注部28は、流路基板3の表面側に形成された掘り込み11位置の底面側である蓋材5に当接する検査装置の加熱手段によって加熱可能になっていて、分析用の固化試薬の反応促進に適した温度に、加熱される。
The dispensing
次に、各分岐流路23の反応検出セル37において実施する場合のマイクロ流路内混合方法について、説明する。
各分岐流路23の反応検出セル37では、図3に示したように、重力方向上面に担架(固着装備)された固化試薬39(プライマー)と被混合物質とを、重力方向に重なるように接触させ、更に、これら被混合物質が重なる位置である掘り込み11では、蓋材5の外側に配置した不図示の加熱手段によって、前記マイクロ流路を加熱している。
Next, a method for mixing in the micro flow channel when performed in the
In the
各分岐流路23の反応検出セル37内では、密度のより大きい被混合物質を重力方向上側に配置するようにしており、本実施の形態では、検体である被混合物質(予備処理後の血液)よりも密度の高い固化試薬39(プライマー)を、各反応検出セル37の上面に固着装備している。
In the
また、各分岐流路23におけるマイクロ流路の加熱は、このマイクロ流路の底面からとなるように配慮している。
Further, consideration is given to heating the micro flow channel in each
以上に説明した各分岐流路23の反応検出セル37において実施されるマイクロ流路内混合方法では、各反応検出セル37内で重力方向の上層に配置された被混合物質(固化試薬39としてのプライマー)は、その下に配置された被混合物質(検体)に溶解した際に、両被混合物質の接触位置付近に滞留せず、重力による沈降作用により下層の被混合物質内に拡散するため、接触している被混合物質相互の混合が促進される。
In the micro-channel mixing method implemented in the
更に、複数の被混合物質が重なる位置で加熱されることによって、各反応検出セル37内に対流が発生し、この対流による撹拌作用によって、より均質な混合が実現される。
即ち、例えば、検体としての血液と固化試薬39(プライマー)との少なくとも2つの被混合物質を反応検出セル37内で混合する場合に、これらの被混合物質相互の混合を促進して、より短時間に均質な混合状態を得ることができる。
そして、マイクロ流路チップ1での混合処理に適用することで、マイクロ流路チップ1における分析処理の迅速化や、分析処理の精度向上を実現することができる。
Furthermore, convection is generated in each
That is, for example, when mixing at least two substances to be mixed, ie, blood as a specimen and the solidifying reagent 39 (primer), in the
And by applying to the mixing process in the
更に、上記実施の形態では、各分岐流路23の反応検出セル37内では、密度のより大きい被混合物質を重力方向上側に配置しているため、重力による沈降作用によって上層の被混合物質が下層の被混合物質中に拡散し易くなり、混合を促進するために特に各反応検出セル37の構造に工夫をせずとも、被混合物質相互の均質な混合を効率よく実現できる。従って、マイクロ流路チップ1において、各反応検出セル37の構造の複雑化を招かず、安価に、混合の促進を達成することができる。
Furthermore, in the above-described embodiment, in the
更に、本実施の形態では、固化されている被混合物質である固化試薬39(プライマー)は、被混合物質相互が重なる位置の各反応検出セル37内上部に固着装備して、その下方を流れる他の被混合物質である検体に接触させている。
そのため、例えば、検体である液状の被混合物質に、固化されている予備処理や分析用の反応処理用の被混合物質を溶解させて、被混合物質相互の混合物を生成する場合、固化された被混合物質は、予め各反応検出セル37内上部に固着装備しておくことで、混合のための操作は、各反応検出セル37に検体である液状の被混合物質を注入するだけで良く、被混合物質相互を混合させるための作業を単純にできる。
また、検体である液状の被混合物質よりも固化された被混合物質の方が密度が高い場合、固化されている被混合物質を各反応検出セル37内上部に固着装備することによって、密度のより大きい被混合物質を重力方向上側に配置して被混合物質相互を接触させるという理想的な混合条件が確保されて、混合の促進を担保することができる。
Furthermore, in this embodiment, the solidification reagent 39 (primer), which is a solidified substance to be mixed, is fixedly mounted on the upper part of each
Therefore, for example, in the case where a mixed substance for pretreatment or analysis reaction treatment that has been solidified is dissolved in a liquid mixed substance that is a specimen to produce a mixture of mixed substances, the solidified substance By mixing the substances to be mixed in advance in the upper part of each
In addition, when the density of the solidified substance to be mixed is higher than that of the liquid substance to be mixed as the specimen, the solidified substance to be mixed is fixedly installed in the upper part of each
更に、本実施の形態では、各分岐流路23の反応検出セル37での加熱がこの各反応検出セル37の底面からであるため、加熱によって各反応検出セル37内に発生する対流は、上昇流となり、密度の高い方の被混合物質の重力による沈降作用との相乗で、被混合物質相互の撹拌・混合を効果的に促進することができ、被混合物質相互の均質な混合が更に容易になる。
Furthermore, in this embodiment, since the heating in the
本発明の発明者は、上記実施の形態のマイクロ流路内混合方法における各反応検出セル37の底面からの加熱と、密度の高い方の被混合物質の重力による沈降作用との相乗効果を確認するために実験を行った。
The inventor of the present invention has confirmed a synergistic effect between the heating from the bottom surface of each
図4(a),(b),(c),(d)、図5に実験に用いたマイクロ流路チップ50の構造を示す。実験に用いたマイクロ流路チップ50は図2(c)に示した反応検出セル37を模した構造となっている。図4(a)はマイクロ流路チップ50の全体形状を示す図、図4(b)は(a)のY−Y断面を示す断面図、図4(c)は固化試薬が担架されたマイクロ流路チップ50の全体形状を示す図、図4(d)は(c)のY−Y断面を示す断面図である。図5はY−Y断面を拡大した断面図である。
4 (a), (b), (c), (d), and FIG. 5 show the structure of the
マイクロ流路チップ50の中央には反応検出セル52が配置され、両端位置に配置された貫通の送液ポート58が連通されている。マイクロ流路チップ50の側面60の少なくとも反応検出セル52位置は鏡面仕上げなっており、反応検出セル52内が検出できるようになっている。更に、反応検出セル52の開口側は底面となる蓋56により、閉ざす構造となっている。反応検出セル52の大きさとしては、幅2.0mm,深さ1.0mmに設定されている。この寸法は実際の反応検出セル37を模したものであるが、適宜に設計変更可能で、これに限定されるものではない。
A
次に、固化試薬39を反応検出セル52に担架させる手順を示す。
反応検出セル52に担架させる試薬39として液体状の合成プライマー(OPERON社製)を用い、溶解・混合特性を定量化するために蛍光標識されたプライマーであるPanomerTM 9 ランダムオリゴデオキシヌクレオチド、Alexa FluorR 488 Conjugate(インビトロジェン社製)を100μMとなるように滅菌水で溶解したものを体積比で5%混合して、プライマー溶液を作製した。
Next, a procedure for suspending the solidifying
A liquid synthetic primer (manufactured by OPERON) is used as the
更に前記プライマー溶液とゼラチン溶液[牛骨ゼラチン(新田ゼラチン社製)を2.5%(Weight / Volume)となるように10mM Trisバッファー{トリス-塩酸、pH 7.5 (1M)(インビトロジェン社製)を滅菌水で100倍希釈に溶解}で溶解したもの]を体積比で4:1に混合して、熱溶解性結合剤であるゼラチンを含有した液体状プライマー溶液を作製した。なお、前記ゼラチン溶液は常温では固化してしまうため、45℃に加熱してゲル化した後、前記プライマー溶液と混合した。混合後の溶液はゼラチン濃度が0.5%(Weight / Volume)となっているため、常温で固化することはない。
続いて、熱溶解性結合剤であるゼラチンを混合した前記液体状プライマー溶液1.0μLを反応検出セル内壁面54にピペットにて点着させた後、シリカゲル入りデシケータ内で2時間乾燥させることにより、固化試薬39である合成プライマーを反応検出セル52に担架させた。(図4(c),(d)参照)
Further, sterilize 10 mM Tris buffer (Tris-hydrochloric acid, pH 7.5 (1M) (Invitrogen) so that the primer solution and gelatin solution [cow bone gelatin (Nitta Gelatin)) becomes 2.5% (Weight / Volume). Dissolved in 100-fold dilution with water} was mixed at a volume ratio of 4: 1 to prepare a liquid primer solution containing gelatin as a heat-soluble binder. Since the gelatin solution solidifies at room temperature, it was gelled by heating to 45 ° C. and then mixed with the primer solution. Since the solution after mixing has a gelatin concentration of 0.5% (Weight / Volume), it does not solidify at room temperature.
Subsequently, 1.0 μL of the liquid primer solution mixed with gelatin, which is a heat-soluble binder, was pipetted onto the
次に、底面からの加熱と、密度の高い方の被混合物質の重力による沈降作用との相乗効果を確認するために実験方法を示す。
上記の固化試薬39を担架させたマイクロ流路チップ50に粘着シールであるseal-TSRT2(Excel Scientific社製)を用いて蓋56をした。蓋56側を下にして送液ポート58からピペットで0.2%Tween20水溶液{10%Tween20(和光純薬社製)を滅菌水で50倍希釈}を送液して検出セル52内を満たした後、底面(蓋56側)から不図示のプレートヒーターでプライマーの反応温度である60℃に加熱(図5参照)して、重力方向の蛍光輝度分布を測定した。なお、測定は実体蛍光顕微鏡システムVB-G25(KEYENCE社製)を用いて鏡面加工を施した検出セル側面60側から測定を行った。
Next, an experimental method will be shown in order to confirm a synergistic effect between heating from the bottom surface and sedimentation by gravity of the mixed material having a higher density.
A
図6は,本発明のマイクロ流路内混合方法で,反応検出セル52の底面側からプライマーの反応温度である60℃に加熱した場合に,反応検出セル52の底面からの離間距離を変えて,反応検出セル52内の各所の重力方向輝度分布を測定したもので,反応検出セル52内の各所の輝度分布ばらつきが,加熱時間の経過と共に低減し,120秒経過後には,輝度のばらつきが±20%以内に収束していて,反応検出セルの略全域に渡って,固化試薬(プライマー)39の成分が略均等に拡散し,被混合物質相互が良好に混合していることが確認できた。
FIG. 6 shows the mixing method in the microchannel according to the present invention, in which the separation distance from the bottom surface of the
次に、本発明の発明者は固化試薬39を反応検出セル37に担架させた上記実施の形態における試薬の反応性を確認するための実験を行った。
熱溶解性結合剤としてゼラチンおよびヒドロキシプロピルセルロース(HPC)を混合して乾燥固化させたプライマーを用いた場合の核酸増幅反応を図7、図8に、液体プライマーを用いた場合の核酸増幅反応を図9にそれぞれ示す。なお、反応検出セル52に担架させる試薬39として液体状の合成プライマー(OPERON社製)を用い、ゼラチン溶液[牛骨ゼラチン(新田ゼラチン社製)を2.5%(Weight / Volume)となるように10mM Trisバッファー{トリス-塩酸、pH 7.5 (1M)(インビトロジェン社製)を滅菌水で100倍希釈に溶解}で溶解したもの]およびヒドロキシプロピルセルロース溶液[ヒドロキシプロピルセルロース(日本槽達社製)を2.5%(Weight / Volume)となるように10mM Trisバッファー{トリス-塩酸、pH 7.5 (1M)(インビトロジェン社製)を滅菌水で100倍希釈に溶解}で溶解したもの]を前記プライマー溶液に体積比で4:1混合して、熱溶解性結合剤であるゼラチンおよびヒドロキシルプロピルセルロース(HPC)を含有した液体状プライマー溶液を作製し、反応検出セル52内壁面54にピペットにて点着させた後、シリカゲル入りデシケータ内で2時間乾燥させることにより、固化試薬39である合成プライマーを反応検出セル72に担架させた。
熱溶解性結合剤としてゼラチンおよびヒドロキシプロピルセルロース(HPC)を用いた場合はいずれも液体プライマーを用いた場合と同様に反応開始から18min程度で蛍光強度の立ち上がりが認められ、核酸増幅反応が液体プライマーと同様に進行することが分かった。
Next, the inventor of the present invention conducted an experiment for confirming the reactivity of the reagent in the above-described embodiment in which the
The nucleic acid amplification reaction using a primer obtained by mixing gelatin and hydroxypropylcellulose (HPC) as a heat-soluble binder and then drying and solidifying is shown in FIGS. 7 and 8, and the nucleic acid amplification reaction when a liquid primer is used. Each is shown in FIG. In addition, a liquid synthetic primer (manufactured by OPERON) is used as the
When gelatin and hydroxypropylcellulose (HPC) are used as the heat-soluble binder, the fluorescence intensity rises in about 18 minutes from the start of the reaction, as in the case of using the liquid primer, and the nucleic acid amplification reaction is performed with the liquid primer. It turns out that it progresses similarly.
なお、本発明に係るマイクロ流路内混合方法の適用は、上記実施の形態に示したマイクロ流路チップ1の反応検出セル37における被混合物質相互の混合に限らない。毛細管状の所謂マイクロ流路内で2種又はそれ以上の複数種の被混合物質相互を混合する状況であれば、同様に適用することが可能である。
The application of the in-microchannel mixing method according to the present invention is not limited to the mixing of the substances to be mixed in the
1 マイクロ流路チップ
3 流路基板
5 蓋材
11,12 掘り込み
14 マイクロ流路
18 隆起部
21 第1のマイクロ流路用溝
22 第2のマイクロ流路用溝
23 分岐流路
24 第1の混合部
24a 混合セル
26 加熱部
31 第2の混合部
32 第3の混合部
37 反応検出セル
P1〜P4 ポート
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記マイクロ流路内で前記被混合物質相互を重力方向に重なるように接触させ、
これら被混合物質が重なる位置で前記マイクロ流路を加熱するマイクロ流路内混合方法。 A microchannel mixing method for mixing at least two substances to be mixed in a microchannel,
In the microchannel, the mixed substances are brought into contact with each other so as to overlap each other in the direction of gravity,
A microchannel mixing method in which the microchannel is heated at a position where the substances to be mixed overlap.
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