JP2009063474A - マイクロチップ - Google Patents

Abstract

【課題】試薬を注入して検体と混合して反応させるマイクロチップにおいて、試薬を漏らさずに注入可能なマイクロチップを得る。
【解決手段】注入した試薬を貯留して上面に開口部を有する貯留部と、貯留部からの試薬を搬送する微細流路と、微細流路を搬送させた試薬と検体を混合して反応部で反応させ、反応状態を検出することによって検体中の標的物質を分析するマイクロチップであって、注入する貯留部１６はそれに連通する微細流路１５ｂよりも、高さが高く、かつ、幅が広いマイクロチップとする。
【選択図】図６

Description

本願発明は、試薬を注入するマイクロチップに関し、特に内部で試薬と検体を混合して反応させ、該反応を検出するマイクロチップに関する。

近年、マイクロマシン技術および超微細加工技術を駆使することにより、従来の試料調製、化学分析、化学合成などを行うための装置、手段（例えばポンプ、バルブ、流路、センサーなど）を微細化して１チップ上に集積化したシステムが開発されている（例えば特許文献１）。これは、μ−ＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）とも呼ばれ、マイクロチップといわれる部材に、検体（例えば、検査を受ける被験者の尿、唾液、血液を処理して抽出したＤＮＡ処理した抽出溶液など）と試薬を混合させ、その反応を検出することにより検体の特性を調べる方法である。

マイクロチップは、樹脂材料やガラス材料からなる基体に、フォトリソプロセス（パターン像を薬品によってエッチングして溝を作成する方法）や、レーザ光を利用して溝加工を行い、試薬や検体を流すことができる微細な流路と試薬を蓄える貯留部を設けており、さまざまなパターンが提案されている。

そして、これらマイクロチップを用いて検体の特性を調べる際は、マイクロポンプなどでマイクロチップ内に収容されている試薬や検体を送液することにより、試薬と検体とを反応させて被検出部に導き検出を行う。被検出部では、例えば光学的な検出方法などによって目的物質の検出が行われる。
特開２００４−２８５８９号公報

図１２（ａ）は、マイクロチップ１の貯留部に試薬を注入する際の構成を示す概略図である。３５０はスポイト、ピペットなどの液体注入部材、３６０はガイド部材、１はマイクロチップである。マイクロチップ１の貯留部１６ｂの上面開口部の位置に合わせてガイド部材３６０をマイクロチップ１の表層シート１１０に取り付け、ガイド部材３６０の上方開口部から液体注入部材３５０を挿入した状態を示している。ガイド部材３６０はその下面３６０Ｌが吸着面となっており表層シート１１０に吸着させるようにしている。

図１２（ｂ）は、液体注入部材３５０により試薬ｒを注入させた状態を示している。このような構成において液体を注入させる際には、微細流路１５ｂに試薬ｒを送り込むためには、所定の圧力をかける必要ある。このような場合には図１２（ｂ）に示すように下面３６０Ｌから漏れが生じることがある。

微細流路１５ｂに送り込み、検体と反応させる試薬の量は正確に管理する必要があり、このように注入した試薬ｒの漏れが生じた場合には、試薬ｒが不足することとなり、目的物質の検出という本来の目的が果たせなくなる。

本願発明は上記目的に鑑み、試薬を漏らさずに注入可能なマイクロチップを得ることを目的とする。

上記の目的は、下記に記載する発明により達成される。

（１）注入した試薬を貯留して上面に開口部を有する貯留部と、
貯留部からの試薬を搬送する微細流路と、
微細流路を搬送させた試薬を検体と混合して反応部で反応させ、該反応状態を検出することによって検体中の標的物質を分析するマイクロチップであって、
前記貯留部は前記微細流路よりも、高さが高く、かつ、幅が広いことを特徴とするマイクロチップ。

（２）前記貯留部の開口部を覆う上蓋を有し、
該上蓋には試薬注入孔が設けられており、
前記開口部の内周面が前記試薬注入孔の外周面よりも外側に位置していることを特徴とする（１）に記載のマイクロチップ。

（３）前記貯留部は、上面側に胴部を拡大させた受け部を有していることを特徴とする（１）又は（２）に記載のマイクロチップ。

（４）前記受け部の底面は前記微細流路の底面と同一面であることを特徴とする（３）に記載のマイクロチップ。

（５）前記上蓋は可撓性部材により構成されていることを特徴とする（２）乃至（４）のいずれかに記載のマイクロチップ。

本願発明は上記目的に鑑み、試薬を漏らさずに注入可能なマイクロチップを得ることを目的とする。

本発明を実施の形態に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限られない。

［装置構成］
図１は、本実施形態に係るマイクロチップを用いる検査装置８の外観図である。検査装置８は、マイクロチップ１に予め注入された検体と試薬とを自動的に反応させ、反応結果を自動的に出力する装置である。

検査装置８の筐体８２には、マイクロチップ１を装置内部に挿入するための挿入口８３、表示部８４、メモリカードスロット８５、プリント出力口８６、操作パネル８７、外部入出力端子８８が設けられている。

検査担当者は、図１の矢印方向にマイクロチップ１を挿入し、操作パネル８７を操作して検査を開始させる。検査装置８の内部では、マイクロチップ１内の反応の検査が自動的に行われ、検査が終了すると表示部８４に結果が表示される。検査結果は操作パネル８７の操作により、プリント出力口８６よりプリントを出力したり、メモリカードスロット８５に挿入されたメモリカードに記憶したりすることができる。また、外部入出力端子８８から例えばＬＡＮケーブルを使って、パソコンなどにデータを保存することができる。検査終了後、検査担当者はマイクロチップ１を挿入口８３から取り出す。

図２は、本実施形態に係るマイクロチップを用いる検査装置８の概略斜視図であり、図３は構成図である。図２及び図３においては、マイクロチップが図１に示す挿入口８３から挿入され、セットが完了している状態を示している。

検査装置８は、マイクロチップ１に予め注入された検体及び試薬を送液するための駆動液１１を貯留する駆動液タンク１０、マイクロチップ１に駆動液１１を供給するためのマイクロポンプ５、マイクロポンプ５とマイクロチップ１とを駆動液１１が漏れないように接続するポンプ接続部６、マイクロチップ１の必要部分を温調する温度調節ユニット３、マイクロチップ１をずれないように温度調節ユニット３及びポンプ接続部６に密着させるためのチップ押圧板２、チップ押圧板２を昇降させるための押圧板駆動部２１、マイクロチップ１をマイクロポンプ５に対して精度良く位置決めする規制部材２２、マイクロチップ１内の検体と試薬との反応状態等を検出する光検出部４（４ａ及び４ｂ）、等を備えている。

チップ押圧板２は、初期状態においては、図３に示す位置より上方に退避している。これにより、マイクロチップ１は矢印Ｘ方向に挿抜可能であり、検査担当者は挿入口８３（図１参照）から規制部材２２に当接するまでマイクロチップ１を挿入する。その後、チップ押圧板２は、押圧板駆動部２１により下降してマイクロチップ１に当接し、マイクロチップ１の下面が温度調節ユニット３及びポンプ接続部６に密着される。

温度調節ユニット３は、マイクロチップ１と対向する面にペルチェ素子３１及びヒータ３２を備え、マイクロチップ１が検査装置８にセットされたときに、ペルチェ素子３１及びヒータ３２がマイクロチップ１に密着するようになっている。試薬が収容されている部分をペルチェ素子３１で冷却して試薬が変性しないようにしたり、検体と試薬とが反応する反応部１３９をヒータ３２で加熱して反応を促進させたりする。

発光部４ａ及び受光部４ｂから構成される光検出部４では、発光部４ａからの光をマイクロチップ１に照射し、マイクロチップ１を透過した光を受光部４ｂにより検出する。受光部４ｂはチップ押圧板２の内部に一体的に設けられている。発光部４ａ及び受光部４ｂは、図３に示すマイクロチップ１の被検出部１４８に対向するように設けられている。

マイクロポンプ５は、ポンプ室５２、ポンプ室５２の容積を変化させる圧電素子５１、ポンプ室５２のマイクロチップ１側に位置する第１絞り流路５３、ポンプ室の駆動液タンク１０側に位置する第２絞り流路５４、等から構成されている。第１絞り流路５３及び第２絞り流路５４は絞られた狭い流路となっており、また、第１絞り流路５３は第２絞り流路５４よりも長い流路となっている。

駆動液１１を順方向（マイクロチップ１に向かう方向）に送液する場合には、まず、ポンプ室５２の容積を急激に減少させるように圧電素子５１を駆動する。そうすると、短い絞り流路である第２絞り流路５４において乱流が発生し、第２絞り流路５４における流路抵抗が長い絞り流路である第１絞り流路５３に比べて相対的に大きくなる。これにより、ポンプ室５２内の駆動液１１は、第１絞り流路５３の方に支配的に押し出され送液される。次に、ポンプ室５２の容積を緩やかに増加させるように圧電素子５１を駆動する。そうすると、ポンプ室５２内の容積増加に伴って駆動液１１が第１絞り流路５３及び第２絞り流路５４から流れ込む。このとき、第２絞り流路５４の方が第１絞り流路５３と比べて長さが短いので、第２絞り流路５４の方が第１絞り流路５３と比べて流路抵抗が小さくなり、ポンプ室５２内には第２絞り流路５４の方から支配的に駆動液１１が流入する。以上の動作を圧電素子５１が繰り返すことにより、駆動液１１が順方向に送液されることになる。

一方、駆動液１１を逆方向（駆動液タンク１０に向かう方向）に送液する場合には、まず、ポンプ室５２の容積を緩やかに減少させるように圧電素子５１を駆動する。そうすると、第２絞り流路５４の方が第１絞り流路５３と比べて長さが短いので、第２絞り流路５４の方が第１絞り流路５３と比べて流路抵抗が小さくなる。これにより、ポンプ室５２内の駆動液１１は、第２絞り流路５４の方に支配的に押し出され送液される。次に、ポンプ室５２の容積を急激に増加させるように圧電素子５１を駆動する。そうすると、ポンプ室５２内の容積増加に伴って駆動液１１が第１絞り流路５３及び第２絞り流路５４から流れ込む。このとき、短い絞り流路である第２絞り流路５４において乱流が発生し、第２絞り流路５４における流路抵抗が長い絞り流路である第１絞り流路５３に比べて相対的に大きくなる。これにより、ポンプ室５２内には第１絞り流路５３の方から支配的に駆動液１１が流入する。以上の動作を圧電素子５１が繰り返すことにより、駆動液１１が逆方向に送液されることになる。

ポンプ接続部６は、必要なシール性を確保して駆動液の漏出を防止するために、ポリテトラフルオロエチレン、シリコーン樹脂などの柔軟性（弾性、形状追随性）をもつ樹脂によって密着面が形成されることが好ましい。このような柔軟性を有する密着面は、例えばマイクロチップの構成基材自体によるものであってもよく、また、ポンプ接続部６における流路開口の周囲に貼着された柔軟性を有する別途の部材によるものであってもよい。

［マイクロチップ１の構成］
図４は、本実施形態に係るマイクロチップ１の一例を示すものである。マイクロチップ１は、溝形成基板１００と当該溝形成基板を覆う表層シート１１０とから構成されているが、図４では表層シート１１０を取り外した状態での微細流路及び流路エレメントの配置を模式的に示している。更に図４において矢印Ｘは、検査装置８にマイクロチップ１を挿入する挿入方向を示している。

マイクロチップ１には、疎水性の基材を用いて、液状の試薬と同じく液状の検体（試料）をマイクロチップ１上で混合・反応させるための微細流路及び流路エレメントが配設されている。微細流路１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅはマイクロメーターオーダーで形成されており、例えぱ幅ｗは数十〜数百μｍ、好ましくは５０〜３００μｍで、高さｈは２５〜１０００μｍ程度、好ましくは５０〜３００μｍである。

これらの微細流路および流路エレメントによってマイクロチップ１内で行われる処理の一例について説明する。図中１３２は、マイクロチップ１の一方の面から外部へ解放された開口である。これらの開口１３２は、ポンプ接続部６を介してマイクロチップ１をマイクロポンプ５に重ね合わせて接続した際に、マイクロポンプ５の接続面に設けられた流路開口と位置合わせされてマイクロポンプ５に連通される。１６は試薬を蓄える試薬貯留部（以下、単に貯留部ともいう）であり、マイクロチップ１の上方の面から外部へ解放された開口となっている。また、１４７は、検体（試料）を注入する検体注入部であり、試薬貯留部１６と同様にマイクロチップ１の上方の面から外部へ解放された開口となっている。貯留部１６から押し出された試薬及び検体注入部から押し出された検体は、それぞれ閉鎖路の貯留部１６から微細流路１５ｂを経由して微細流路１５ａに送られる。

試薬の注入は、後述の液体注入部材３５０により試薬注入孔１１０ａから貯留部１６へ行う。試薬注入時には、開口１３２及び試薬注入孔１１０ａのみが開いており、試薬注入後に試薬注入孔１１０ａのみをを封止する。

微細流路１５ａに収容された試薬は、開口１３２に連通するマイクロポンプ５から送り込まれる駆動液１１により、空気を間に介して反応部１３９へ流れ込む。他方の微細流路１５ａに収容された検体も同様に、開口１３２に連通する別途のマイクロポンプ５から送り込まれる駆動液１１により、空気を間に介して反応部１３９へ流れ込む。これにより、反応部１３９において、試薬収容部１３３から送り込まれた試薬と試料収容部１３７から送り込まれた試料とが混合される。

反応部１３９で混合された試薬と検体は、検査装置８に設けられたヒータ３２からの加熱によって反応が促進される。反応後の混合液は、微細流路１５ｄを経由して被検出部１４８へ送液される。また、被検出部１４８には副流路からの試薬が送液される。これにより、被検出部１４８において、固定化されている反応物質に目的物質が補足された後、前記試薬により検出のための反応が行われる。光検出部４により当該反応の検出を行う。

［貯留部１６］
貯留部１６の構造について、図５、図６に基づいて説明する。図５は貯留部１６周辺のマイクロチップ１の斜視図であり、図６（ａ）は図５に示すｘ方向から見た断面図である。図６（ｂ）は上面図である。なお図６（ａ）では表層シート１１０を取り外した状態を示している。

図６（ａ）、（ｂ）に示すように、貯留部１６の胴体部１６１の高さｈ１は微細流路１５ｂの高さｈよりも高さが高く、かつ、胴体部１６１の幅（直径）ｗ１は微細流路１５ｂの幅ｗよりも幅広くなるような構成としている。

また図５及び図６（ａ）に示す表層シート１１０は、ポリオレフィン類等の可撓性材料から構成されており、貯留部１６の開口部１６０を覆う上蓋として機能している。ポリオレフィン類としては例えば、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエチレン、シクロオレフィンポリマーがある。また表層シート１１０（上蓋）には試薬注入孔１１０ａを設けている。そして、開口部１６０の内周面１６０ｃは試薬注入孔１１０ａの外周面１１０ｃよりも外側に位置させている。なお、試薬注入孔１１０ａの直径は液体注入部材３５０の先端部と合わせた大きさとしており、２００μｍ以上の大きさが好ましく、例えば８００μｍとしている。また微細流路１５ｂの幅ｗの５０〜２００μｍに対して胴体部１６１の幅ｗ１は１ｍｍとしている。

このようにすることで、溝形成基板１００への貼り合わせる際に表層シート１１０の位置がずれた場合であっても、試薬注入孔１１０ａの穴は確保できるので後述の液体注入部材３５０が、溝形成基板１００に直接接触することなく試薬の注入を行うことができる。また、表層シート１１０を可撓性部材で、かつ試薬注入孔１１０ａと開口部１６０の大きさが同じ構成とした場合には、液体注入部材３５０を挿入する際に表層シート１１０を押し下げることにより微細流路１５ｂを塞いでしまうという問題が生じていた。しかし、本実施形態のように、「開口部１６０の内周面１６０ｃは試薬注入孔１１０ａの外周面１１０ｃよりも外側に位置させる」ようにすることにより、液体注入部材３５０が表層シート１１０を押し下げても流路を塞ぐという問題は生じない。

図７は、貯留部１６に液体注入部材３５０により試薬を注入した状態を示している。同図においては貯留部１６の高さｈが確保できているためにガイド部材３６０を用いずに直に液体注入部材３５０を試薬注入孔１１０ａから挿入することができる。またｗ１＞ｗ、かつ、ｈ１＞ｈの構成としていることから、試薬を試薬注入孔１１０ａから所定の圧力で注入しても、圧力は貯留部１６の内部で分散させることができるので試薬注入孔１１０ａの外周面１１０ｃから外部への試薬ｒの漏れは生じさせない。つまり試薬ｒを漏らさずに注入可能なマイクロチップ１を得ることが可能となる。

［第２実施形態］
第２の実施形態について、図８、図９に基づいて説明する。図８は、他の実施形態におけるマイクロチップ１の貯留部１６周辺の斜視図である。図９は図８に示すｘ方向から見た貯留部１６周辺の断面図である。図９（ｂ）は同上面図である。なお同図に示した構成以外に関しては、図２乃至図４に示したマイクロチップ１と同様であるので記載は省略する。

同図に示す貯留部１６においては、上面側に胴部の直径を拡大させた受け部１６２を設けている。また、受け部１６２の底面１６２Ｌは微細流路１５ｂの底面１５ｂＬと同一面（同じ深さ）としている。また同図においては、胴体部１６１の高さｈ２は微細流路１５ｂの高さｈよりも高く、幅（直径）ｗ２は微細流路１５ｂの幅ｗよりも広くなるような構成としている。

このような構成とすることで、液体注入部材３５０により試薬を所定の圧力で注入しても、試薬注入孔１１０ａの外周面１１０ｃから外部への試薬の漏れは生じない。また図５等に示す実施形態に比べて貯留部１６の体積を少なくすることができるので、試薬の注入量を少なくすることができるというメリットがある。

［他の実施形態］
図１０（ａ）は第３の実施形態におけるマイクロチップ１の貯留部１６周辺の断面図であり、図１０（ｂ）は同上面図である。同図に示す例では、貯留部１６を溝形成基板１００に貫通させており、表層シート１１０とともに、反対側にも表層シート１１１を貼り付けている。このような構成としていることから同図において上面に位置する試薬注入孔に対して微細流路１５ｂは反対側に位置している。なお同図に示した構成以外に関しては、図２乃至図４に示したマイクロチップ１と同様であるので記載は省略する。

図１０（ａ）、（ｂ）に示したマイクロチップにおいては、貯留部１６は微細流路１５ｂよりも、高さが高く、かつ、幅を広くしている。更に貯留部１６の開口部の内周面が、表層シート１１０の試薬注入孔の外周面よりも外側に位置させている。

図１１（ａ）は第４の実施形態におけるマイクロチップ１の貯留部１６周辺の断面図であり、図１１（ｂ）は同上面図である。同図に示す例では、第３の実施形態に対し上面側に胴部を拡大させた受け部１６２を設けている。

このような構成とすることで、第３、第４の実施形態においても、液体注入部材３５０により試薬を所定の圧力で注入しても、試薬注入孔の外周面から外部への試薬の漏れは生じない。つまり試薬を漏らさずに注入可能なマイクロチップを得ることが可能となる。

なお、図１乃至図１１の実施形態においては、貯留部１６の胴体部１６１及び受け部１６２を円形形状とした例について説明したが、これに限られず、楕円形状あるいは、矩形において四隅を丸めた形状であってもよい。

本実施形態に係るマイクロチップを用いる検査装置８の外観図である。 検査装置８の概略斜視図である。 本実施形態に係るマイクロチップを用いる検査装置８の構成図である。 本実施形態に係るマイクロチップ１の一例を示すものである。 本実施形態におけるマイクロチップ１の貯留部１６周辺の斜視図である。 図６（ａ）は図５に示すｘ方向から見た貯留部１６周辺の断面図である。図６（ｂ）は同上面図である。 貯留部１６に液体注入部材３５０により試薬を注入した状態を示している。 第２の実施形態におけるマイクロチップ１の貯留部１６周辺の斜視図である。 図９（ａ）は図８に示すｘ方向から見た貯留部１６周辺の断面図である。図９（ｂ）は同上面図である。 図１０（ａ）は第３の実施形態におけるマイクロチップ１の貯留部１６周辺の断面図であり、図１０（ｂ）は同上面図である。 図１１（ａ）は第４の実施形態におけるマイクロチップ１の貯留部１６周辺の断面図であり、図１１（ｂ）は同上面図である。 図１２（ａ）は、マイクロチップ１の貯留部に試薬を注入する際の構成を示す概略図である。図１２（ｂ）は、液体注入部材３５０により試薬ｒを注入させた状態を示している。

符号の説明

１ マイクロチップ
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ 微細流路
１６ 貯留部
１６０ 開口部
１６０ｃ 開口部の内周面
１６１ 胴体部
１６２ 受け部
１００ 溝形成基板
１１０ 表層シート（上蓋）
１１１ 表層シート
１１０ａ 試薬注入孔
１１０ｃ 試薬注入孔の外周面
３５０ 液体注入部材
８ 検査装置

Claims (5)

1. 注入した試薬を貯留して上面に開口部を有する貯留部と、
   貯留部からの試薬を搬送する微細流路と、
   微細流路を搬送させた試薬を検体と混合して反応部で反応させ、該反応状態を検出することによって検体中の標的物質を分析するマイクロチップであって、
   前記貯留部は前記微細流路よりも、高さが高く、かつ、幅が広いことを特徴とするマイクロチップ。
2. 前記貯留部の開口部を覆う上蓋を有し、
   該上蓋には試薬注入孔が設けられており、
   前記開口部の内周面が前記試薬注入孔の外周面よりも外側に位置していることを特徴とする請求項１に記載のマイクロチップ。
3. 前記貯留部は、上面側に胴部を拡大させた受け部を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロチップ。
4. 前記受け部の底面は前記微細流路の底面と同一面であることを特徴とする請求項３に記載のマイクロチップ。
5. 前記上蓋は可撓性部材により構成されていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載のマイクロチップ。

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