JP2009271031A - 生体物質検出チップ、生体物質検出装置、および生体物質検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な機構で流路内の往復送液を行うことが可能な、生体物質検出装置を得る。
【解決手段】ＤＮＡチップ２０は、検体中の特定の生体物質を検出するためのプローブが固定された反応領域Ｒを有し、両端に液溜２０４，２０５を備えた流路２０３と、液溜２０５の開口部を密閉する、弾性を有する密閉膜２０６を備える。ＤＮＡチップ２０を回転させることにより、遠心力を利用して検体液を２０４液溜から液溜２０５に移動させると共に、密閉膜２０６に弾性エネルギーを蓄える。遠心力と密閉膜２０６の弾性力が釣り合ったところで回転の速度を低下させ、蓄えられた弾性エネルギーによって検体液を液溜２０５から液溜２０４に移動させる。これを繰り返すことにより往復送液を行う。
【選択図】図４

Description

本発明は、特定の塩基配列を有する核酸分子などの生体物質を検出するための、生体物質検出チップ、生体物質検出装置、および生体物質検出方法に関するものである。

血液や組織細胞などの検体中に、疾患に由来する特定の遺伝子が存在するか否かを検査する手法の一つにＤＮＡマイクロアレイがある。ＤＮＡマイクロアレイは、基板上に固定化されたプローブ遺伝子と検体中の遺伝子とを反応（ハイブリダイゼーション）させることにより、目標の遺伝子の有無を検出する。
ガラス基板等に微細流路が設けられたマイクロ流体デバイス中でハイブリダイゼーションを行う方法は、特に試料や試薬の量が少なくてすむため、広い分野での利用が期待されている。

マイクロ流体デバイスを用いてハイブリダイゼーションを行う方法の例として、特許文献１には、第１の液溜と第２の液溜と、第１の液溜と第２の液溜とを結ぶ流路を有する化学反応デバイスの前記第１の液溜に溶液を導入し、前記化学反応デバイスを設置した回転基盤を回転させ、当該回転基盤の回転による遠心力によって前記第１の液溜中の溶液を前記流路を通して前記第２の液溜に送液し、前記化学反応デバイスを前記流路の向きが実質的に逆向きになるように再配置し、前記回転基盤の回転による遠心力によって前記第２の液溜中の溶液を前記流路を逆向きに通して送液する方法が開示されている。

特開２００６−１１０５２３号公報

しかし、特許文献１に開示された装置では、回転基盤を回転させる機構と、化学反応デバイスを流路の向きが逆向きになるように再配置するための機構の両方を設ける必要があり、装置の構造が複雑であった。

そこで、本発明の目的は、簡易な機構で流路内の往復送液を行うことが可能な、生体物質検出チップ、生体物質検出装置、および生体物質検出方法を得ることである。

本発明に係る生体物質検出チップは、検体中の特定の生体物質を検出するためのプローブが固定された複数の反応領域を備え、両端に液溜を有する流路と、前記両端の液溜の少なくとも一方の開口部を密閉する、弾性を有する密閉手段と、を備えたものである。

本発明によれば、遠心力を利用して検体液を一方の液溜から他方の液溜に移動させると共に、前記密閉手段に弾性エネルギーを蓄える工程と、回転の速度を低下させ、蓄えられた前記弾性エネルギーによって検体液を他方の液溜から一方の液溜に移動させる工程とを繰り返すことにより、回転速度の制御のみの簡易な機構で流路内の検体液を往復送液することができる。

また、各々の前記反応領域には、検体中の特定の生体物質を検出するための異なる１種類のプローブが固定されていることが望ましい。
これにより、１度に複数種類の生体物質の検出が可能であり、反応効率が向上する。

また、前記密閉手段は、有機高分子を含む弾性材料で形成することが望ましい。特に、密着性に優れ、耐熱、耐水、耐薬品性が高いシリコンゴムを用いることが望ましい。

また、前記流路を複数備えることが望ましい。これにより、一度に複数の検体の処理を行うことができる。

本発明に係る生体物質検出装置は、上記の生体物質検出チップを用いて生体物質検出処理を行うための生体物質検出装置であって、回転基板と、前記回転基板の回転の方向及び速度を制御する回転制御部と、前記回転基板上の、回転中心と重ならない位置に設けられ、前記生体物質検出チップを固定することが可能なチップ固定部と、を備えたものである。

本発明によれば、生体物質検出チップを回転させることにより、遠心力を利用して検体液を一方の液溜から他方の液溜に移動させると共に、前記密閉手段に弾性エネルギーを蓄える工程と、回転の速度を低下させ、蓄えられた前記弾性エネルギーによって検体液を他方の液溜から一方の液溜に移動させる工程とを繰り返すことにより、回転速度の制御のみの簡易な機構で流路内の検体液を往復送液することができる。

また、前記生体物質検出チップの温度調節機構を備えていることが望ましい。これにより、温度設定が必要な反応処理に利用することができる。

本発明に係る生体物質検出方法は、上記の生体物質検出チップを用いた生体物質検出方法であって、前記生体物質検出チップに検体液を供給する工程と、前記生体物質検出チップを回転させることにより、遠心力を利用して前記検体液を一方の液溜から他方の液溜に移動させると共に、前記密閉手段に弾性エネルギーを蓄える工程と、前記回転の速度を低下させ、蓄えられた前記弾性エネルギーによって前記検体液を前記他方の液溜から前記一方の液溜に移動させる工程と、を備えている。

本発明によれば、生体物質検出チップを回転させることにより、遠心力を利用して検体液を一方の液溜から他方の液溜に移動させると共に、前記密閉手段に弾性エネルギーを蓄える工程と、回転の速度を低下させ、蓄えられた前記弾性エネルギーによって検体液を他方の液溜から一方の液溜に移動させる工程とを繰り返すことにより、回転速度の制御のみの簡易な機構で流路内の検体液を往復送液することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による核酸検出装置（生体物質検出装置）１０の概略構成を示す上面図である。また、図２は核酸検出装置１０の概略構成を示す側面図である。核酸検出装置１０は、回転基板１０１、ＤＮＡチップ固定部１０２、回転軸１０３、回転モーター（回転制御部）１０４、モーター制御装置（回転制御部）１０５、ヒータ（温度調節機構）１０６、及びヒータ制御装置（温度調節機構）１０７を備えている。ヒータ１０６は、ヒータ制御装置１０７によって制御され、反応処理中にプローブと検体液との反応効率を高めるために、ＤＮＡチップ（生体物質検出チップ）２０を反応に適した一定温度に保つために用いられる。加熱方法としては、図２に示すように、回転基板１０１上の雰囲気の温度を制御する構成としてもよいし、回転基板１０１自体を加熱する構成としてもよい。

図１に示すように、ＤＮＡチップ固定部１０２は、正６角形の頂点に対応する位置に配置されている。なお、ＤＮＡチップ固定部１０２の配置は図１に示すものに限られず、回転軸を重心とする正ｎ角形（ｎは３以上の整数）の頂点に対応する位置にＤＮＡチップ固定部１０２を設ける構成にしてもよい。このような構成にすることで、回転中のＤＮＡチップ２０の位置は、回転基板１０１上で等間隔になり、回転バランスを保つことができる。

図３（Ａ）はＤＮＡチップ（生体物質検出チップ）２０の上面図、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示すＣ−Ｃ断面図である。ＤＮＡチップ２０は、透明基板２０１，２０２、流路２０３、液溜２０４，２０５、密閉膜（密閉手段）２０６、蓋２０７、Ｏリング２０８、及びカバー２０９を備えている。

流路２０３は透明基板２０２に形成されており、液溜２０４，２０５は透明基板２０１に形成されている。透明基板２０１，２０２は例えばガラス基板とすることができ、この場合には、流路２０３、液溜２０４，２０５は、サンドブラスト法等を用いて形成することができる。透明基板２０１と透明基板２０２は、液溜２０４，２０５が流路２０３の両端に接続されるように貼り合わされている。液溜２０４は、液溜２０５よりも容積が大きくなるように形成されている。後述するように、液溜２０５内に充填される検体液は、プローブとのハイブリダイゼーション反応に寄与しないため、液溜２０５の体積はできるだけ小さい方が望ましい。

液溜２０４，２０５は、流路２０３との接続部の反対側に開口部を有し、液溜２０５の開口部は、密閉膜２０６によって覆われている。密閉膜２０６は、厚さ０．１ｍｍのシリコンゴムで形成されている。シリコンゴムの他に、天然ゴム、エチレンプロピレンゴム、クロロプレンゴムなどの合成ゴムを用いても良いが、耐熱・耐水・耐薬品性が高く、自己吸着性により密着性にも優れたシリコンゴムを用いることが望ましい。

液溜２０５を覆う密閉膜２０６は、蓋２０７によって押さえられており、さらに蓋２０７はカバー２０９で覆われている。液溜２０４は蓋２０７で覆われており、透明基板２０１と液溜２０４を覆う蓋２０７の間にはＯリング２０８が設けられている。これにより、蓋２０７を透明基板２０１に密着させている。

流路２０３の形状は、例えば検体が流れる方向に垂直な断面が幅１００μｍ、深さ４０μｍとすることができる。流路２０３の内壁には、検体が流れる方向に間隔をおいてプローブが塗布された領域Ｒが形成されている。

プローブには、例えば血液、尿、唾液、髄液のような検体試料に含まれる標的物質（ターゲット）を捕捉し得る物質を用いることができる。例えば、ターゲットがＤＮＡやＲＮＡのような核酸である場合には、プローブとしては、これらの核酸とハイブリダイゼーション（相補的に結合）する核酸やヌクレオチド（オリゴヌクレオチド）等を用いることができる。このような核酸としては、例えばｃＤＮＡやＰＣＲ産物等が用いられる。なお、ターゲットは核酸に限られず、例えば特定のタンパク質であってもよい。この場合には、プローブとしては、このタンパク質を特異的に捕捉（例えば、吸着、結合等）するもの等が用いられる。具体的には、抗原、抗体、レセプター、酵素等のタンパク質、ペプチド（オリゴペプチド）等である。なお、各々の領域Ｒには、それぞれ異なる１種類のプローブが固定されている。これにより、１度に複数種類のターゲットの検出が可能である。

なお、流路２０３の内壁にプローブが塗布された領域Ｒを形成するかわりに、流路２０３内に予めプローブが表面に固定されたビーズを導入するようにしてもよい。また、流路２０３の内壁にプローブが塗布された領域Ｒを形成したうえで、流路２０３内に、表面にプローブを固定していないビーズを導入するようにしてもよい。これにより、流路２０３内に導入したビーズにより乱流が起こり、検体液が撹拌されて反応効率を上げることができる。

次に、図４を用いて、本実施形態による核酸検出装置１０及びＤＮＡチップ２０を用いた、ターゲット（核酸）とプローブとのハイブリダイゼーション処理について説明する。

まず、図４（Ａ）に示すように、液溜２０４からピペット等を用いて流路１０３の容積以上の検体液を供給する。この時、流路２０３内への気泡の混入を防ぐため、液溜２０５が検体液で満たされるようにする。検体液は、例えば血液、尿、唾液、髄液のような生体サンプルを含む。
検体液を供給した後、液溜２０５を密閉膜２０６で覆い、蓋２０７、カバー２０９を取り付けて図３（Ｂ）に示す状態にしたら、ＤＮＡチップ２０を核酸検出装置１０のＤＮＡチップ固定部１０２に取り付ける。この時、液溜２０５が液溜２０４よりも回転軸１０３からの距離が遠くなるように固定する。

次に、図４（Ｂ）に示すように、回転モーター１０４により回転基板１０１を回転させて、遠心力によりＤＮＡチップ２０の流路２０３内の検体液を液溜２０４から液溜２０５に向かって移動させる。図４（Ｂ）に示すように、液溜２０５内に検体液が充填され、さらに遠心力によって検体液が移動することにより、密閉膜２０６が押し上げられて、液溜２０５と密閉膜２０６との間に検体液が充填される。さらに、遠心力をかけると、図４（Ｃ）に示すように、遠心力と密閉膜２０６の弾性力が釣り合ったところで検体液の移動が止まる。

次に、図４（Ｄ）に示すように、モーター制御装置１０５によって回転基板１０１の回転速度を徐々に減速していくことにより、遠心力よりも密閉膜２０６の弾性力の方が大きくなり、液溜２０５と密閉膜２０６の間に充填されている検体液が液溜２０４に向かって移動する。回転基板の回転が止まると、図４（Ｅ）に示すように密閉膜２０６が元の状態に戻って弾性力がゼロになり、検体液の移動が止まる。以上のように、回転基板１０１の回転速度の加速と減速を繰り返すことにより、流路２０３内の検体液の往復送液を行い、領域Ｒに塗布されたプローブとのハイブリダイゼーション反応を行う。

次に、図５，６を用いて、回転基板１０１の回転速度制御の具体例について説明する。ここでは、図５に示すように、流路２０３の長さを３０ｍｍ、回転軸１０３からＤＮＡチップ２０の中心までの距離を５０ｍｍ、回転軸１０３から液溜２０５の中心までの距離を６５．６ｍｍとする。また、液溜２０５の容積を１ｍｍ^３、密閉膜２０６で覆われる面の半径を０．５６ｍｍとする。また、密閉膜２０６は上述のように厚さ０．１ｍｍのシリコンゴムとし、その弾性限界圧力を０．２気圧とする。

流路２０３内の検体液にかかる遠心力と密閉膜２０６の弾性力が釣り合っているとき、下記の式（１）が成り立つ。
ｍｒω^２＝ＰＡ （１）
左辺は遠心力、右辺は密閉膜２０６の弾性力を表している。ｍは液溜２０５内に充填される検体液の質量であり、ここでは１ｍｇである。ｒは回転軸１０３から液溜２０５の中心までの距離（６５．６ｍｍ）、ωは回転基板１０１の回転角速度（rad/sec）である。Ｐは密閉膜２０６の変形に必要な圧力であり、密閉膜２０６の弾性限界圧力の２分の１の０．１気圧（＝１０１３２．５Ｎ／ｍ^２）程度と考えられる。Ａは液溜２０５の、密閉膜２０６で覆われる面の面積であり１ｍｍ^２である。これらの値を式１に代入すると、ω＝１２５π（rad/sec）＝３７５５ｒｐｍとなる。従って、回転基板１０１を３７５５ｒｐｍで回転させたとき、遠心力と密閉膜２０６の弾性力が釣り合って、検体液の移動が停止する。

なお、ここでは流路２０３における圧力損失の影響については考慮していない。上記の条件において、流路２０３の圧力損失は送液速度１８μｌ／ｍｉｎのとき０．４５気圧となり、流路２０３の断面積との積より、送液に必要な遠心力は４．０５ｅ^−４（Ｎ）となる。これは、密閉膜２０６の変形に要する遠心力（＝１．０１ｅ^−２Ｎ）よりも非常に小さいため、ここでは考慮していない。

上記の計算結果を元にした、回転基板１０１の回転速度制御の例を図６に示す。図に示すように、一定の角加速度１２．５πrad/s²で加速していくと、検体液が液溜２０４から液溜２０５に向かって移動し、１０秒間続けるとω＝１２５π（rad/sec）となり、検体液の移動が停止する。次に−１２．５πrad/s²で減速していくと、検体液が液溜２０５から液溜２０４に向かって移動し、１０秒間続けるとω＝０となり、検体液の移動が停止する。この加速・減速を繰り返し行うことにより、流路２０３内の往復送液を行うことができる。

以上のように、実施の形態１によれば、モーター制御装置１０５によって回転基板１０１の回転速度を制御するだけで、ＤＮＡチップ２０内の検体液を往復送液することができる。このように、回転基板１０１上のＤＮＡチップ２０を移動させるための駆動機構が不要なので、簡易な機構で流路２０３内の検体液の往復送液を行うことができる。

また、図７に示すように、１つのＤＮＡチップ２０に複数の流路２０３を設けるようにしてもよい。このような構成とすることにより、一つのＤＮＡチップ２０で複数の検体液を同時に処理することが可能となる。また、流路２０３間で検体液の移動時間に差があっても、液溜２０５と密閉膜２０６の間に検体液を留めておくことで、移動時間の差を吸収することができ、全ての流路２０３で攪拌の回数を一定にすることができる。よって、流路２０３によって検体間の感度ばらつきのない信頼性の高い検査結果を得ることができる。

（変形例）
図８は、実施の形態１の変形例によるＤＮＡチップ２０を用いた、ターゲット（核酸）とプローブとのハイブリダイゼーション処理を説明する図である。変形例によるＤＮＡチップ２０は、液溜２０４の開口部も密閉膜２０６で覆われている。図に示すように、検体液が移動して液溜２０５と密閉膜２０６の間に検体液が充填されると、液溜２０４を覆う密閉膜２０６は内側へ窪むように変形するため、液溜２０４の容積が減少し、液溜２０４と液溜２０５の間で検体液の往復送液を行うことができる。

この変形例によれば、送液中に、検体液が液溜２０４から漏れ出ることがないという利点がある。

本発明の実施の形態１による核酸検出装置（生体物質検出装置）の概略構成を示す上面図である。 本発明の実施の形態１による核酸検出装置の概略構成を示す側面図である。 図３（Ａ）はＤＮＡチップ（生体物質検出チップ）の上面図、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示すＣ−Ｃ断面図である。 本実施形態による核酸検出装置及びＤＮＡチップを用いた、ハイブリダイゼーション処理について説明する図である。 回転基板の回転速度制御の具体例について説明する図である。 回転基板の回転速度制御の具体例を示す図である。 ＤＮＡチップの他の例の上面図である。 本発明の実施の形態１の変形例によるＤＮＡチップを用いた、ハイブリダイゼーション処理について説明する図である。

符号の説明

１０ 核酸検出装置、１０１ 回転基板、１０２ ＤＮＡチップ固定部、１０３ 回転軸、１０４ 回転モーター、１０５ モーター制御装置、１０６ ヒータ、１０７ ヒータ制御装置、２０ ＤＮＡチップ、２０１，２０２ 透明基板、２０３ 流路、２０４，２０５ 液溜、２０６ 密閉膜、２０７ 蓋、２０８ Ｏリング、２０９ カバー

Claims (7)

1. 検体中の特定の生体物質を検出するためのプローブが固定された複数の反応領域を備え、両端に液溜を有する流路と、
   前記両端の液溜の少なくとも一方の開口部を密閉する、弾性を有する密閉手段と、を備えた生体物質検出チップ。
2. 各々の前記反応領域には、検体中の特定の生体物質を検出するための異なる１種類のプローブが固定されていることを特徴とする請求項１に記載の生体物質検出チップ。
3. 前記密閉手段は、有機高分子を含む弾性材料で形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の生体物質検出チップ。
4. 前記流路を複数備えていることを特徴とする請求項１から請求項３に記載の生体物質検出チップ。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の生体物質検出チップを用いて生体物質検出処理を行うための生体物質検出装置であって、
   回転基板と、
   前記回転基板の回転の方向及び速度を制御する回転制御部と、
   前記回転基板上の、回転中心と重ならない位置に設けられ、前記生体物質検出チップを固定することが可能なチップ固定部と、を備えたことを特徴とする生体物質検出装置。
6. 前記生体物質検出チップの温度調節機構を備えていることを特徴とする請求項５に記載の生体物質検出装置。
7. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の生体物質検出チップを用いた生体物質検出方法であって、
   前記生体物質検出チップに検体液を供給する工程と、
   前記生体物質検出チップを回転させることにより、遠心力を利用して前記検体液を一方の液溜から他方の液溜に移動させると共に、前記密閉手段に弾性エネルギーを蓄える工程と、
   前記回転の速度を低下させ、蓄えられた前記弾性エネルギーによって前記検体液を前記他方の液溜から前記一方の液溜に移動させる工程と、を備えていることを特徴とする生体物質検出方法。

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