JP2010032472A - マイクロ化学チップ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】微粒子と薬剤との反応を即座に観察できるようにする。
【解決手段】図２(a)
に示すように、マイクロ化学チップ装置中の微小流路２０には３つの層流（つまり、微粒子を含有する微粒子含有溶液Ａ_１と、薬剤Ａ_２と、緩衝液Ａ_３）が供給されている。微粒子含有溶液Ａ_１中の微粒子は薬剤Ａ_２に接触することにより反応が開始されるが、図２(a)
に示す状態では緩衝液Ａ_３によって分離されているので、反応は開始されていない。この状態で緩衝液Ａ_３の供給を停止すると、同図(c)
に示すように微粒子含有溶液Ａ_１と薬剤Ａ_２とが接触することとなるが、薬剤Ａ_２は微粒子含有溶液Ａ_１の内部まで入り込むので多くの微粒子に接触することとなり（チューブラピンチ効果によれば、微粒子は層流表面よりも少し内側を流れることとなる）、微粒子と薬剤との反応が即座に観察できることとなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、特定の微粒子が特定の薬剤に反応していく過程を観察することができるマイクロ化学チップ装置に関する。

従来、ある特定の微粒子を特定の薬剤に反応させて、その微粒子の反応の過程を観察することが行われており、その反応を誘起するデバイスとしてマイクロ化学チップ装置が使用されている（例えば、特許文献１参照）。その一つの例としては、血液に凝集惹起剤を加えると、血液中の血小板と凝集惹起剤とが反応して凝集が起きることが知られているが、そのような血小板の凝集反応を観察するためにマイクロ化学チップ装置が利用されている。

図５は、微粒子を反応させるためのマイクロ化学チップ装置の従来構成の一例を示す模式図であり、図６は、その作用を説明するための模式図である。図中の符号Ｂ_１は、そのような微粒子を含有せずに上述の薬剤とも反応しない溶液（以下、“緩衝液”とする）Ｄ_１の流入路を示し、符号Ｐ_１は、該緩衝液Ｄ_１を供給するポンプを示す。また、符号Ｂ_２は、微粒子を含有する溶液（以下、“微粒子含有溶液”とする）Ｄ_２の流入路を示し、符号Ｐ_２は、該溶液Ｄ_２を供給するポンプを示す。これらの流入路Ｂ_１，Ｂ_２は下流側で合流するように配置されており、その合流部Ｃには微小流路Ｂ_３が連通されていて、各流入路Ｂ_１，Ｂ_２からの溶液（つまり、上述の緩衝液Ｄ_１と微粒子含有溶液Ｄ_２）が混ざり合うこと無く２層の層流状態のままで流下されるように構成されている。さらに、この微小流路Ｂ_３の壁面（符号Ｈで示す部分であって、２層の層流の界面が接してなる壁面）には、前記微粒子含有溶液Ｄ_２とのみ反応し前記緩衝液Ｄ_１とは反応しない反応部（図６(a) (b) の符号Ｇ参照）が配置されている。そして、微小流路Ｂ_３における各溶液Ｄ_１，Ｄ_２の層流幅Ｗ_１，Ｗ_２を上述のポンプＰ_１，Ｐ_２によって調整して図６(a)
から同図(b) に示すように界面Ｅを移動し、反応部Ｇを微粒子含有溶液Ｄ_２に接触させて、微粒子の反応を誘起するようにしていた。
特開２００７−３１５７５３号公報

ところで、一般に、微粒子を含有する溶液が層流状態で流下される場合、多くの微粒子は層流表面よりも少し内側を流れることが知られている（チューブラピンチ効果）。図７(a) は、矩形断面の層流での微粒子の流下位置を模式的に示した横断面図であり、同図(b) は、円形断面の層流での微粒子の流下位置を模式的に示した横断面図であり、層流の中心Ｏから層流表面までの距離を１とした場合に、層流表面から約０．４の付近を多くの微粒子が流れることが知られている。

上述の微粒子含有溶液Ｄ_２中の微粒子も該チューブラピンチ効果に従って流れることとなるが、上述の反応部Ｇは、流路壁面に配置されていることから層流の表面にのみ接触することとなるので、該表面から少し内側を流れる多くの微粒子とは直接は接触しないこととなる。したがって、それらの微粒子（つまり、層流の表面から少し内側を流れる微粒子）が反応するには、反応部Ｇの薬剤が層流中を拡散して該微粒子にまで到達する必要があり、層流が反応部Ｇに接触した時点では直ぐには反応が始まらないという問題があった。

本発明は、上述のような問題を解決するマイクロ化学チップ装置を提供することを目的とするものである。

請求項１に係る発明は、図１及び図２に例示するものであって、供給された溶液が層流状態で流下されるように構成された微小流路（２０）と、
該微小流路（２０）に接続されると共に、微粒子を含有する微粒子含有溶液（Ａ_１）を前記微小流路（２０）に層流状態で供給する第１供給部（２１）と、
該微小流路（２０）に接続されると共に、前記微粒子を反応させるための薬剤（Ａ_２）を該微小流路（２０）の内部位置にまで供給する第２供給部（２２）と、
該微小流路（２０）に接続されると共に、前記微粒子含有溶液（Ａ_１）と前記薬剤（Ａ_２）との間に層流状態の緩衝液（Ａ_３）を供給する第３供給部（２３）と、
前記第３供給部（２３）から前記微小流路（２０）への緩衝液（Ａ_３）の供給量を調整する緩衝液調整手段（Ｐ_３）とを備えたことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記第１供給部（２１）から前記微小流路（２０）への微粒子含有溶液（Ａ_１）の供給量を調整する微粒子含有溶液調整手段（Ｐ_１）、を備えたことを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る発明において、前記薬剤（Ａ_２）は液体であり、
前記第２供給部（２２）から前記微小流路（２０）への薬剤（Ａ_２）の供給量を調整する薬剤調整手段（Ｐ_２）、を備え、
前記薬剤（Ａ_２）の層厚（図２(c) の符号Ｗ_３参照）が前記微小流路（２０）の幅（図２(c) の符号Ｗ_４参照）の０．１乃至０．３倍となるように該薬剤（Ａ_２）が供給されることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１又は２に係る発明において、前記薬剤（Ａ_２）は固体であり、
該薬剤（Ａ_２）の前記微小流路（２０）への突出長（図４(c) の符号Ｗ_５参照）が、該微小流路（２０）の幅（図４(c) の符号Ｗ_４参照）の０．１乃至０．３倍であることを特徴とする。

なお、括弧内の番号などは、図面における対応する要素を示す便宜的なものであり、従って、本記述は図面上の記載に限定拘束されるものではない。

請求項１乃至４に係る発明によれば、緩衝液の供給を停止した状態では、薬剤は微粒子含有溶液の層流内部にまで入り込み、多くの微粒子と接触することとなる。その結果、薬剤による微粒子の反応が即座に開始される。

以下、図１乃至図４に沿って、本発明を実施するための最良の形態について説明する。ここで、図１は、本発明に係るマイクロ化学チップ装置の全体構成の一例を説明するための模式図であり、図２は、本発明に係るマイクロ化学チップ装置の作用の一例を説明するための模式図であり、図３は、反応の様子を説明するための模式図であり、図４は、本発明に係るマイクロ化学チップ装置の作用の他の例を説明するための模式図である。

本発明に係るマイクロ化学チップ装置は、ある特定の微粒子を特定の薬剤に反応させて、その微粒子の反応の過程を観察するためのものである。

本発明に係るマイクロ化学チップ装置は、図１に符号１で例示するものであって、微小断面の流路（以下、“微小流路”とする）２０を備えており、該微小流路２０は、レイノルズ数が非常に低くなるように形成されていて、供給された溶液が層流状態で流下されるようになっている。

この微小流路２０の上流側（図１では右側）には、微粒子含有溶液（つまり、ある特定の微粒子を含有する溶液）Ａ_１を供給する第１供給部２１が接続されており、該第１供給部２１から供給された微粒子含有溶液Ａ_１は微小流路２０中を層流状態のままで流下されるようになっている。また、この微小流路２０（詳しくは、前記第１供給部２１が接続されている箇所よりも下流側）には、前記微粒子を反応させるための薬剤Ａ_２を該微小流路２０の内部位置（好ましくは、前記微小流路の幅の０．１乃至０．３倍の位置、より好ましくは、前記微小流路の幅の約０．２倍の位置である。詳細は後述する。）にまで供給する第２供給部２２が接続されている。さらに、この微小流路２０（詳しくは、前記第２供給部２２が接続されている箇所よりも上流側）には緩衝液（薬剤Ａ_２とは反応しない液）Ａ_３を供給するための第３供給部２３が接続されており、層流状態の緩衝液Ａ_３を前記微粒子含有溶液Ａ_１と前記薬剤Ａ_２との間に流下させることができるようになっている（図２(a) 及び図４(a) 参照）。

上述の第１供給部２１としては、微粒子含有溶液Ａ_１が層流状態で流れるように構成された微小断面の供給路（流入路）を挙げることができ、上述の第３供給部２３としては、緩衝液Ａ_３が層流状態で流れるように構成された微小断面の供給路（流入路）を挙げることができる。このように第１供給部２１及び第３供給部２３を共に供給路とする場合には、第１供給部２１、第３供給部２３及び微小流路２０を図示のように略Ｙ字状に配置すると良い。なお、これらの第１乃至第３供給部２１，２２，２３や微小流路２０はマイクロ化学チップ本体２に形成しておくと良い。

また、前記第３供給部２３から前記微小流路２０への緩衝液Ａ_３の供給量を調整する緩衝液調整手段Ｐ_３を設けておくと良い。この緩衝液調整手段Ｐ_３としては、圧力で制御するタイプのポンプではなく、電圧で制御するタイプのポンプ（例えば、電気浸透流ポンプ）を用いると良く、該ポンプは上述の第３供給部２３に接続すると良い。前者（つまり、圧力で制御するタイプのポンプ）だと、電圧を僅かに変化させただけでもポンプアクチュエータは大きく変位してしまい流量の細かな制御が困難であるのに対し、後者（つまり、電圧で制御するタイプのポンプ）だと細かな流量制御ができるので緩衝液の供給量調整には適している。

また、前記第１供給部２１から前記微小流路２０への微粒子含有溶液Ａ_１の供給量を調整する微粒子含有溶液調整手段Ｐ_１を設けておくと良い。この微粒子含有溶液調整手段Ｐ_１としては、圧力で制御するタイプのポンプ（例えば、シリンジポンプ等）を挙げることができる。このような圧力で制御するタイプのポンプの場合、流速の分布はポアソン分布となるので、ナビエ・ストークス方程式によって微粒子の移動位置を算出することができ、精度の良い解析が可能となる。

ところで、図１に示す薬剤Ａ_２は液体であり、微小流路２０では層流状態で流下されるように構成されている。また、第２供給部２２は、薬剤Ａ_２が層流状態で流れるように構成された微小断面の供給路（流入路）としている。さらに、薬剤調整手段Ｐ_２を設けておいて、前記第２供給部２２から前記微小流路２０への薬剤Ａ_２の供給量を調整できるようにしている。この薬剤調整手段Ｐ_２としては、緩衝液調整手段Ｐ_３と同様、電圧で制御するタイプのポンプ（例えば、電気浸透流ポンプ）を挙げることができる。

ここで、図２に沿って、本発明の作用について説明する。

微粒子の反応を誘起するには、まず、上述の微粒子含有溶液調整手段Ｐ_１と薬剤調整手段Ｐ_２と緩衝液調整手段Ｐ_３とを適正に調整して、３つの溶液（つまり、微粒子含有溶液Ａ_１と薬剤Ａ_２と緩衝液Ａ_３）がいずれも層流状態で微小流路２０中を流下するようにする（図２(a) 参照）。この状態で、緩衝液調整手段Ｐ_３等を調整して、緩衝液Ａ_３の供給を停止すると共に微粒子含有溶液Ａ_１の層厚を増加させる（図２(b)
(c) 参照）。その結果、微粒子含有溶液Ａ_１は薬剤Ａ_２に接触することとなる。この場合、微粒子含有溶液調整手段Ｐ_１や薬剤調整手段Ｐ_２は操作せずに、緩衝液調整手段Ｐ_３による緩衝液Ａ_３の供給の停止だけを行っても良い。そのようにしても、微粒子含有溶液Ａ_１の層厚が増加して図２(c)
の状態になることを本発明者らは確認している。

ところで、微粒子含有溶液Ａ_１中の多くの微粒子は、上述したように、層流表面よりも少し内側を流れることとなる（チューブラピンチ効果）。しかし、本発明によれば、薬剤Ａ_２は、図６に示す従来装置のように流路壁面に塗布されているのではなく、微小流路２０の内部位置にまで供給されるようになっている。したがって、上述の緩衝液調整手段Ｐ_３によって緩衝液Ａ_３の供給を停止した状態では、薬剤Ａ_２は微粒子含有溶液Ａ_１の層流内部にまで入り込み、多くの微粒子と接触することとなる（図３の符号Ｊ_１参照）。その結果、薬剤Ａ_２による微粒子の反応が即座に開始され、従来装置のような問題が解消される。なお、図３に符号Ｊ_２で示す部分では、微粒子含有溶液Ａ_１の層流状態が安定化され、多くの微粒子はチューブラピンチ効果によって層流表面（つまり、微粒子含有溶液Ａ_１と薬剤Ａ_２との界面）から少し離れた位置を流れることとなるので、未反応の微粒子が反応するには薬剤が微粒子含有溶液Ａ_１中を拡散して該未反応の微粒子に接触する必要がある。

ここで、薬剤Ａ_２の層厚Ｗ_３は、微小流路２０の幅Ｗ_４の０．１乃至０．３倍（より好ましくは約０．２倍）になるようにすると良い。そのようにした場合には、微粒子が最も集積する箇所に薬剤Ａ_２が供給されることとなるので、多くの反応を即座に誘起することができる。なお、このような層厚を確保するには、
・ 薬剤調整手段Ｐ_２によって規定される薬剤Ａ_２の供給量
・ 第２供給部２２の開口寸法や形状
等を適宜調整すれば良い。図１及び図２に示す装置では、薬剤の供給路（第２供給部）２２は、微小流路２０に対してほぼ直角に配置されているが、もちろんこれに限られるものではなく、傾斜させても良い。

ところで、上述の薬剤Ａ_２は液体の状態ではなく固体の状態で供給しても良い。その場合、薬剤Ａ_２の突出長（図４(c) の符号Ｗ_５参照）は、前記微小流路２０の幅Ｗ_４の０．１乃至０．３倍（より好ましくは約０．２倍）にすると良い。そのようにした場合には、微粒子が最も集積する箇所に薬剤Ａ_２が供給されることとなるので、多くの反応を即座に誘起することができる。

ところで、図２(a)
及び図４(a) の状態では、薬剤Ａ_２と微粒子含有溶液Ａ_１との間は緩衝液Ａ_３にて遮断されているものの、ある程度の時間が経てば、薬剤が該緩衝液中を拡散して前記微粒子含有溶液Ａ_１にまで到達してしまう。本発明者らが試算したところによると、緩衝液Ａ_３の層厚が７０μｍの場合でも１時間で反応が開始されてしまうことが分かった。そこで、その拡散時間を考慮して緩衝液Ａ_３の層厚を決定してやると良い。

なお、上述の微粒子含有溶液として、血小板が含有された溶液を用い、薬剤にはコラーゲンなどの凝集惹起剤を用いた場合には、血小板の凝集反応を観察することができる。

図１は、本発明に係るマイクロ化学チップ装置の全体構成の一例を説明するための模式図である。 図２は、本発明に係るマイクロ化学チップ装置の作用の一例を説明するための模式図である。 図３は、反応の様子を説明するための模式図である。 図４は、本発明に係るマイクロ化学チップ装置の作用の他の例を説明するための模式図である。 図５は、微粒子を反応させるためのマイクロ化学チップ装置の従来構成の一例を示す模式図である。 図６は、図５に示す装置の作用を説明するための模式図である。 図７(a) は、矩形断面の層流での微粒子の流下位置を模式的に示した横断面図であり、同図(b)は、円形断面の層流での微粒子の流下位置を模式的に示した横断面図である。

符号の説明

２０ 微小流路
２１ 第１供給部
２２ 第２供給部
２３ 第３供給部
Ａ_１ 微粒子含有溶液
Ａ_２ 薬剤
Ａ_３ 緩衝液
Ｐ_１ 微粒子含有溶液調整手段
Ｐ_２ 薬剤調整手段
Ｐ_３ 緩衝液調整手段

Claims (4)

1. 供給された溶液が層流状態で流下されるように構成された微小流路と、
   該微小流路に接続されると共に、微粒子を含有する微粒子含有溶液を前記微小流路に層流状態で供給する第１供給部と、
   該微小流路に接続されると共に、前記微粒子を反応させるための薬剤を該微小流路の内部位置にまで供給する第２供給部と、
   該微小流路に接続されると共に、前記微粒子含有溶液と前記薬剤との間に層流状態の緩衝液を供給する第３供給部と、
   前記第３供給部から前記微小流路への緩衝液の供給量を調整する緩衝液調整手段と、
   を備えたことを特徴とするマイクロ化学チップ装置。
2. 前記第１供給部から前記微小流路への微粒子含有溶液の供給量を調整する微粒子含有溶液調整手段、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ化学チップ装置。
3. 前記薬剤は液体であり、
   前記第２供給部から前記微小流路への薬剤の供給量を調整する薬剤調整手段、を備え、
   前記薬剤の層厚が前記微小流路の幅の０．１乃至０．３倍となるように該薬剤が供給される、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロ化学チップ装置。
4. 前記薬剤は固体であり、
   該薬剤の前記微小流路への突出長が、該微小流路の幅の０．１乃至０．３倍である、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロ化学チップ装置。

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