JP2008224499A - 試料用チップ - Google Patents

Abstract

【課題】逆止弁を設ける必要がない簡易な構成で、生体試料用チップの試料経路内に生体試料を移送させることができる押圧手段を有する生体試料用チップを提供することを目的とする。
【解決手段】板状の基板と、生体試料を移送するための試料用経路を構成する経路構成穴が設けられ、前記基板に装着される板状の経路構成部材と、前記経路構成穴を覆うように前記経路構成部材に装着され、弾性を有する天板と、前記天板の前記経路構成穴に対応する部位を押圧する押圧手段と、を備える。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、試料を移送するための微小な流路を備える試料用チップに関し、特に、微小な流路内へ試料を導入するための押圧手段を備える試料用チップに関する。

近年、ＤＮＡ、ＲＮＡ、細胞といった種々の生体試料等に対する生化学的な分析操作を行うにあたり、生体試料用チップが広く利用されている。この生体試料用チップは、ガラス、ポリマー等からなる基板と、基板上に載置され、流路パターンを有する貫通穴が形成されたポリマーからなる流路構成部材と、流路構成部材上に載置される天板と、から構成される生体試料用チップも利用されている。このような生体試料用チップの微細な流路もしくは貫通溝は、半導体集積回路に用いられる微細加工技術等が利用されて形成される。

さらに、上記した生体試料用チップの天板もしくは流路構成部材は、流路に連通する供給口を備え、生体試料を注入するための液送チューブを供給口に直接差し込んで固定したり、基板にチューブを埋設したりしている。生体試料等の測定対象物は、上記供給口を介して流路内へ加圧ポンプなどで圧送され、生体試料の破砕、測定、分離等が行われる。

流路内へ生体試料を移送する手段として、従来から使用されているダイヤフラム式ポンプがある。このダイヤフラム式ポンプを利用する場合には、逆止弁を組み込むことにより生体試料の逆流を防ぎつつ、ダイヤフラムの往復運動させ生体試料を一方向に流す構成である（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１３９０６５

上述した従来の生体試料用チップが備えるダイヤフラム式ポンプは、生体試料が逆流することを防止するための逆止弁を設ける必要があるため、生体試料用チップの構造が複雑となり、小型化が困難である。

そこで、本発明は、逆止弁を設ける必要がない簡易な構成で、試料用チップの試料経路内に試料を移送させることができる押圧手段を有する試料用チップを提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の試料用チップの第１の態様は、板状の基板と、試料を移送するための試料用経路を構成する経路構成穴が設けられ、前記基板に装着される板状の経路構成部材と、前記経路構成穴を覆うように前記経路構成部材に装着され、弾性を有する天板と、前記天板の前記経路構成穴に対応する部位を押圧する押圧手段と、を備える。

また、上記課題を解決するための本発明の試料用チップの第２の態様は、試料用チップであって、板状の基板と、試料を移送するための試料用経路を構成する経路構成溝が設けられ、前記経路構成溝を覆うように前記基板に装着され、弾性を有する経路構成部材と、前記天板の前記経路構成溝に対応する部位を押圧する押圧手段と、を備える。

さらに、本発明の試料用チップの第３の態様によれば、前記試料用経路は、前記試料が導入される投入槽と、前記投入槽とは離間する排出槽と、前記投入槽と前記排出槽とを連通する流路と、を有し、前記押圧手段は、前記投入槽に対応する部位を押圧する。

本発明の試料用チップの第４の態様によれば、前記押圧手段は、圧電素子、電歪素子若しくは磁歪素子を有するアクチュエータである。
本発明の試料用チップの第５の態様によれば、さらに、前記試料用経路内に電気浸透流を生じさせるための手段を備える。

なお、上記押圧手段は、天板若しくは経路構成部材を押圧すると、天板若しく経路構成部材は凹み（撓み）、試料が放射状に進むように、試料用経路内に存在する試料に押圧力が加わる。そして、押圧力の、試料用経路へ向かう成分により試料が試料経路内を進んでいく。換言すると、本発明は、流体である試料の前進接触角と後退接触角との差を利用して流路内で試料を移動させる構成である。

本明細書中の試料用経路とは、試料を移送し検査、分離、破砕等するために試料チップに設けられ、試料が移動する通路である。例えば、試料用チップに試料が投入される投入槽と、試料を排出する廃液槽と、投入槽と廃液槽とを連通する流路と、が形成されている場合には、投入槽、廃液槽、及び流路を含む。

本発明によれば、試料用チップの天板の経路構成溝もしくは流路構成部材の経路構成穴に対応する部位を押圧するという簡易な構成により、試料を試料用経路内を移送することができる。よって、従来の逆止弁を設ける必要のない試料用チップを提供できる。結果的に試料用チップの構成を簡易にできる。

以下、本発明の試料用チップを生体試料用チップに適用した実施形態について図面を参照しつつ説明する。各図面中、同一要素は同一符号で示してある。

（実施形態１）
本発明の実施形態１の生体試料用チップについて、図１Ａ、１Ｂを参照しつつ説明する。図１Ａは生体試料用チップの平面図であり、図１Ｂは図１Ａの線ＩＢ−ＩＢに沿った断面図である。

実施形態１の生体試料用チップ１０３は、略直方体形状の基板１０５と、基板１０５の平坦な上面１０５ａに載置され、生体試料を移送するための試料用経路１１０を構成する経路構成溝（凹部）１１４が刻設された経路構成部材１０９と、を備える。経路構成溝１１４は、その延在する方向に対して垂直方向の断面は、略矩形状である。

経路構成部材１０９は、ＰＤＭＳからなる略矩形状の薄板部材である。また、経路構成部材１０９の経路構成溝１１４は、投入槽１１９及び排出槽１１７を構成し、丸みを帯びた一対の三角形状溝部と、流路１１５を構成し、図中の左右方向に延びる流路溝部と、備える。経路構成部材１０９は、経路構成溝１１５が形成されている面１０９ｂが、基板１０５に接するように装着（積層）される。

また、経路構成部材１０９には、経路構成溝１１４に連通し、経路構成部材１０９の厚さ方向（図１Ｂの上下方向）に貫通する供給口１１１及び生体試料を排出する排出口１１３が設けられている。しがたがって、経路構成溝１１４と基板１０５の上面１０５ａにより画成される試料用経路１１０内への生体試料の導入は、供給口１１１を介して行われ、経路構成溝１１４からの生体試料の排出は、排出口１１３を介して行われる。

上記構成の経路構成部材１０９は、経路構成溝１１４が設けられている下面１０９ｂを下にして基板１０５に貼り付けることにより、生体試料用チップ１０３が完成する。そして、生体試料を貯留している不図示の生体試料貯留部から圧送ポンプにより供給口１１１を介して試料用経路１１０内に生体試料を導入する。

さらに、生体試料用チップ１０３は、押圧手段である圧電素子を用いたアクチュエータ、すなわち公知のピエゾ素子アクチュエータ１２３を備える。ピエゾ素子アクチュエータ１２３は、不図示のピエゾ素子と、ピエゾ素子に連結されたピストンロッド１２５と、を備え、駆動信号を受けたピエゾ素子を駆動すると、ピストンロッド１２５が矢印ｚ方向に往復運動し、経路構成部材１０９の上面１０９ａの所定箇所ｘ１２７に微小振動を付与する。なお、実施形態では所定箇所ｘは、流路１１５と投入槽１１９の連結部と供給口１１１との間に位置する。このように、経路構成部材１０９の上面１０９ａであって、流路１１５の近傍で、かつ、投入槽１１９に対応する領域内の部位ｘ１２７を押圧すると、生体試料が流路１１５内へ押し出される。そして、ピストンロッド１２５が戻る（部位ｘから離間し押圧力が解放される）と、生体試料は投入槽１１９内に戻る。次に、経路構成部材１０９がピストンロッド１２５により押圧される時には、流路１１５内の生体試料が到達した領域（壁面１１５ａ、１１５ｂ等）は生体試料で濡れている。濡れている領域を通過させるために必要なエネルギは、濡れていない領域を進ませるために要するエネルギに比べ非常に少なく、ほとんどエネルギを消費しないとみなせる。結果的に、前回進んだ領域を超えて未だ濡れていない領域へと生体試料が流路内を進んでいく。このようにピストンロッド１２５からの振動を所定部位ｘ１２７に付与することにより、生体試料は投入槽１１９から流路１１５と介して排出槽１１７内へ移送される。

なお、投入槽１１９と排出槽１１７とが生体試料により短絡した後は、他の手段により生体試料を移送する構成とすることも可能である。例えば、投入槽１１９及び排出槽１１７のそれぞれに、生体試料に接すように電極を配置し、電気浸透流若しくは電気泳動を起こし貯留槽１１９と廃液槽１１７との間で生体試料の移送を行う。

（経路構成部材の製造方法の一例）
経路構成部材の製造方法について簡単に説明する。まず、縦２６ｍｍ、横７６ｍｍで所定厚さを有する、表面がほぼ平坦のガラス板を用意する。次に、ガラス板上に、縦１０ｍｍ、横２０ｍｍ、厚さ１ｍｍの矩形状のガラスチップを載置する。そして、厚さ１．５ｍｍのシリコンゴムを、ガラスチップの周囲を囲むようにガラス板上に載置する。なお、ガラスチップ上には、ネガレジスト（化薬マイクロケム株式会社製のＳＵ−８）によって試料用経路とは逆パターン（流路、投入槽、排出槽を構成する凸状部を有する部分）が形成されている。

そして、シリコンゴムで囲まれた領域内にポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）を流し込む。その後、６０°Ｃに調整されたオーブンで約６０分間焼成し、ガラスチップを剥がし、ＰＤＭＳシートを得る。このように、試料用経路のパターンが転写された、厚さ約０．５ｍｍのＰＤＭＳシートを得る。そして、酸素プラズマを用いて、ＰＤＭＳシートのガラス基板に接する面にプラズマ処理を行い親水性を持たせる。
このように作製されたＰＤＭＳシートを洗浄したのち、試料用経路が形成された面側がガラス基板等に接するように貼り付け、生体試料用チップが完成する。

（実施形態２）
本発明の実施形態２である生体試料用チップについて、図２Ａ〜２Ｂを参照しつつ説明する。図２Ａは、生体試料用チップの平面図であり、図２Ｂは図２Ａの線ＩＩＢ−ＩＩＢに沿った断面図である。

本実施形態の生体試料用チップ２０３は、略矩形状の薄板部材である基板２０５と、生体用経路を構成する所定パターンの貫通口である経路構成穴２１２が設けられ、基板２０５の上に配置される経路構成部材２０７と、経路構成部材２０７に形成された経路構成穴２１２を閉じるように配置される略矩形状の薄板である弾性の天板２０９と、を備える。

天板２０９は、経路構成部材２０７の経路構成穴２１２に連通し、生体試料を試料用経路２１０内に供給するための生体試料供給部材２２５、例えばチューブを収容し係止する供給口２１１、排出口２１３を有する。供給口２１１、排出口２１３は、天板２０９の左右方向に離間して設けられ、両開口の形状及び寸法は同一である。

経路構成部材２０７の経路構成穴２１２は、図中横方向に延びる流路２１５を構成する流路構成穴部と、流路２１５の長手方向両端部にそれぞれ接続する平面視略三角状の投入槽２１９、排出槽２１７を構成する槽構成穴と、から構成される。投入槽２１９から投入された生体試料は、流路２１５を通り排出槽２１７に移動し生体試料が排出される。

供給口２１１は、生体試料を貯留する生体試料貯留部（不図示）に連通しており、不図示の圧送ポンプにより、生体試料が供給口２１１を介して投入槽２１２内に導入される。
上記のように構成された基板２０５、経路構成部材２０７、天板２０９を、その順に積み重ねて（積層して）固定する。さらに、天板２０９の押圧箇所ｘ２２７にピストンロッド２２５が押圧できるように、押圧手段であるピエゾ素子アクチュエータ２２３を配置する。ピエゾ素子アクチュエータ２２３は、不図示のピエゾ素子及びピエゾ素子に連結され往復運動するピストンロッド２２５を備える。ピエゾ素子アクチュエータ２２３を駆動すると、ピストンロッド２２５が、天板２０９の上面２０９ａに対してほぼ垂直方向に上下動し、振動を天板２０９に付与する。

なお、基板２０５をガラスから作製し、経路構成部材２０７天板２０９を、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）から作製し、ＰＤＭＳの自己吸着力を利用して接着剤無しで互いに貼り付ける構成とする。

上記構成において、圧送ポンプ等により投入槽２１３内に供給口２１１を介して生体試料が供給される。生体試料を排出槽２１７内に移送するために、ピエゾ素子アクチュエータ２２３により押圧位置ｘ２２７に振動を与える。実施形態１と同様に、徐々に流路２１５を進んで行き最終的に排出槽２１７に到達する。
なお、実施形態２については、専ら実施形態１と異なる構成について説明した。従って、特に明記しない部分については実施形態１と同様の構成及び作用である。

上記本実施形態１、２において、流路１１５、２１５の途中に、平面視で略三角形状の破砕構造体（すなわち略三角柱形状）を配置する構成の生体試料チップとし、生体試料の破砕装置として使用することも可能である。破砕構造体は、流路１１５、２１５の底面を構成する基板１０５、２０５の上面１０５ａ、２０５ａに対して鉛直方向上方に延び、かつ、鋭角の頂部が流路１１５、２１５の投入槽側を向いて配置される。また、破砕構造体と流路１１５、２１５の側壁１１５ａ、１１５ｂ、２１５ａ、２１５ｂとの間隔は、破砕する対象である生体試料の寸法（例えば外径）より小さく寸法付けされている。破砕構造体は、経路構成部材１０９、２０７と共に感光性樹脂材料から形成されることが好ましい。従って、投入槽１１９、２１９から流路１１５、２１５内に導入された生体試料は破砕構造体により破砕され、下流側の排出槽１１７、２１７にて回収される。

（押圧手段の他の態様）
図３Ａは、圧電性薄膜構造のアクチュエータを適用し生体試料用チップの模式図であり、図３Ｂは、バイメタル構造のアクチュエータを適用した生体試料用チップの模式図である。
実施形態１、２で用いたピエゾ素子アクチュエータ以外にも、種々の押圧手段を利用することができる。例えば、図３Ａに示すように、圧電性薄膜３２３が経路構成部材３０９に形成される構成である。圧電性薄膜３２３に電圧を加えるとｚ方向に伸縮し、圧電性薄膜３２３が振動する。

また、図３Ｂに示したバイメタル構造のアクチュエータは、熱膨張係数の異なる２種の部材４２６、４２８を貼り合わせたバイメタル部４２３と、バイメタル部４２３の一端および経路構成部材４０９を連結する連結部４２５と、を備える。バイメタル部４２３を加熱すると、２種の部材の熱膨張係数の違いから経路構成部材４０９に近づくように（矢印ｙ方向に）撓み、押圧部材を押圧する。

なお、図３Ａ、３Ｂの押圧手段は、実施形態１に適用した例であるが、実施形態２の生体試料用チップにも適用できることは言うまでもない。
さらに、磁場を掛けることにより変形する部材からなる磁歪素子を用いたアクチュエータを用いることも可能である。このように、押圧手段は、生体試料用チップの天板や経路構成部材を押圧できる構成であれば適宜変更できることは言うまでもない。

なお、実施形態１の天板を有する構成としたが、実施形態２のように天板を有さない構成とすることもでき、また、実施形態２の生体試料用チップを天板を有する構成とすることができることは言うまでもない。

また、経路構成部材及び天板は弾性を有する材料で種々のものが適用できる。また、経路構成部材及び天板を押圧する構成としたが、基板に弾性を有する部材を用い、基板を押圧する構成として経路内の生体試料を移送する構成とすることができることは言うまでもない。

なお、基板、経路構成部材、天板等の材料は、上記実施形態で採用したものに限らず種々のものが使用でき、例えば樹脂材料、金属材料、無機材料（ガラス）等など、生体物質の特性に合わせて選定することができる。但し、生体物質が滑らかに移動できる程度に、流路底板及び流路天板の流路を構成する面の表面粗さを加工できる材料とする必要がある。

また、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）の他に、メタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）等のポリマ使用できる。なお、基板をガラス部材から作製した場合には、ガラス基板等に対する優れた自己吸着性を有する材料であるＰＤＭＳを持ちいて経路構成部材や天板を作製することが好ましい。実施形態１の天板もしくは実施形態２の経路構成部材にＰＤＭＳを使用した場合には、ＰＤＭＳの自己吸着力を利用して接着剤なしで天板もしくは経路構成部材をガラス製の基板に固定することができる。

実施形態１、２では、投入槽と廃液槽とを略三角形状としたが、本発明はこの構成に限定されず、丸形状、角形状、楕円形状等の種々の形状を採用できることは言うまでもない。
実施形態１、２において、押圧手段により、天板もしくは経路構成部材の上面に対してほぼ垂直な方向から押圧する構成とした。本発明は、この構成に限定されず、投入槽内の生体試料に対して、流路方向成分の力が掛かる方向への押圧力であれば押圧力の方向は適宜変更できる。

本発明の試料用チップで移送する対象は、実施形態で示した生体試料に限定されるものではなく、生体試料以外の種々の試料を移送するための試料用チップとして利用できる。
この発明は、その本質的特性から逸脱することなく数多くの形式のものとして具体化することができる。よって、上述した実施形態は専ら説明上のものであり、本発明を制限するものではないことは言うまでもない。

実施形態１の生体試料用チップの平面図である。 図１Ａの線ＩＢ−ＩＢに沿った断面図である。 実施形態２の生体試料用チップの平面図である。 図２Ａの線ＩＩＢ−ＩＩＢに沿った断面図である。 圧電性薄膜構造のアクチュエータを適用し生体試料用チップの模式図である。 バイメタル構造のアクチュエータを適用した生体試料用チップの模式図である。

符号の説明

１０３、２０３ 生体試料用チップ
１０５、２０５ 基板
１０９、２０７ 経路構成部材
２０９ 天板
１１１、２１１ 供給口
１１３、２１３ 排出口
１１０、２１０ 試料用経路
１１５、２１５ 流路
１２３、２２３ ピエゾ素子アクチュエータ
１２７、２２７ 押圧箇所

Claims (5)

1. 試料用チップであって、
   板状の基板と、
   試料を移送するための試料用経路を構成する経路構成穴が設けられ、前記基板に装着される板状の経路構成部材と、
   前記経路構成穴を覆うように前記経路構成部材に装着され、弾性を有する天板と、
   前記天板の前記経路構成穴に対応する部位を押圧する押圧手段と、を備える試料用チップ。
2. 試料用チップであって、
   板状の基板と、
   試料を移送するための試料用経路を構成する経路構成溝が設けられ、前記経路構成溝を覆うように前記基板に装着され、弾性を有する経路構成部材と、
   前記天板の前記経路構成溝に対応する部位を押圧する押圧手段と、を備える試料用チップ。
3. 前記試料用経路は、前記試料が導入される投入槽と、前記投入槽とは離間する排出槽と、前記投入槽と前記排出槽とを連通する流路と、を有し、前記押圧手段は、前記投入槽に対応する部位を押圧する請求項１又は２に記載の試料用チップ。
4. 前記押圧手段は、圧電素子、電歪素子若しくは磁歪素子を有するアクチュエータである請求項１〜３のいずれか一項に記載の試料用チップ。
5. さらに、前記試料用経路内に電気浸透流を生じさせるための手段を備える請求項１〜４のいずれか一項に記載の試料用チップ。

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