JP2011174734A - 検体反応装置及びバイオチップ - Google Patents

Abstract

【課題】バイオチップ内に気泡が存在する場合でも安定したサーマルサイクルを施すことができる検体反応装置及びバイオチップを提供すること。
【解決手段】第１チャンバー５０を有するバイオチップ１（２，３，３ａ）を装着可能に構成された装着部１０と、装着部１０にバイオチップ１（２，３，３ａ）を装着した場合に、非水平かつ非重力方向の直線を回転軸としてバイオチップ１（２，３，３ａ）を回転させる回転部２０と、装着部１０にバイオチップ１（２，３，３ａ）を装着した場合に、回転軸に対して温度分布が軸対称になるように第１チャンバー５０の少なくとも一部を加熱する加熱部３０と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、検体反応装置及びバイオチップに関する。

近年、様々な疾患に関与する遺伝子の存在が明らかになり、遺伝子診断や遺伝子治療など遺伝子を利用した医療が注目されている他、農畜産分野においても品種判別や品種改良に遺伝子を用いた手法が多く開発されてきており、遺伝子の利用技術が拡大している。遺伝子を利用するために核酸増幅技術が広く普及している。この技術としては一般的にＰＣＲ（Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ Ｃｈａｉｎｅ Ｒｅａｃｔｉｏｎ）などが知られており、今日では、ＰＣＲは、生体物質の情報解明において必要不可欠な技術となっている。

ＰＣＲによる検査では、チューブやチップ（バイオチップ）と称する検体反応用容器を用いて反応を行う手法が一般的である。しかしながら従来の手法においては、必要な試薬等の量が多く、また必要な熱サイクルを実現するために装置が複雑化したり、反応に時間がかかったりするという問題があった。そのため微少量の試薬や検体を用いてＰＣＲを精度よく短時間で行うためのバイオチップや反応装置が必要とされていた。

このような問題を解決するために、特許文献１には、反応液と混和せず反応液よりも比重の軽い液体（ミネラルオイル等）を充填したチューブの中で、液滴の状態で含まれる反応液を往復移動させることによってサーマルサイクルをかけて反応を行うバイオチップ及び装置が開示されている。

特開２００９−１３６２５０号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたバイオチップは、オイル及び反応液を充填する操作をおこなう際に、気泡も一緒に充填されてしまう場合があった。また、気泡を混入させずに充填することができても、充填された反応液やオイルに含まれる溶存気体などが原因となり、容器内に気泡を生じてしまう場合があった。

バイオチップ中で反応液を重力によって移動させる方式（以下、本明細書において、これを「昇降型」と称する場合がある。）のサーマルサイクラーによって、反応液のサーマルサイクルを行う場合、バイオチップ内に気泡が存在すると、反応液のみならず気泡も重力の作用に基づいてバイオチップ内を移動することになる。そのため、気泡が反応液の液滴の移動を妨げたり、気泡の移動によりバイオチップ内にオイルの不要な流れを生じさせたりして、バイオチップ内の温度制御が乱される場合があった。すなわち、昇降型の装置でサーマルサイクルを行う場合には、気泡がバイオチップ内に存在すると、反応液に所望のサーマルサイクルを施すことができなくなることがあった。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様によれば、バイオチップ内に気泡が存在する場合でも安定したサーマルサイクルを施すことができる検体反応装置及びバイオチップを提供することができる。

（１）本発明に係る検体反応装置は、
第１チャンバーを有するバイオチップを装着可能に構成された装着部と、
前記装着部に前記バイオチップを装着した場合に、非水平かつ非重力方向の直線を回転軸として前記バイオチップを回転させる回転部と、
前記装着部に前記バイオチップを装着した場合に、前記回転軸に対して温度分布が軸対称になるように前記第１チャンバーの少なくとも一部を加熱する加熱部と、
を含む。

本発明によれば、非水平かつ非重力方向の直線を回転軸としてバイオチップを回転させることができる。これにより、例えば、バイオチップの第１チャンバー内にオイル及びＰＣＲ反応液を充填した場合に、オイルより比重の大きいＰＣＲ反応液と容器内に生じた気泡とが異なる経路を通ることになる。したがって、気泡がＰＣＲ反応液の移動を妨げにくくなり、安定したサーマルサイクルを施すことができる。

（２）本発明に係るバイオチップは、
この検体反応装置に装着するバイオチップであって、
前記装着部に装着した場合に、前記第１チャンバーの前記回転軸の方向における長さが、２ミリメートル以上４ミリメートル以下である。

本発明によれば、例えば、バイオチップの第１チャンバー内にオイル及びＰＣＲ反応液を充填した場合に、オイルより比重の大きいＰＣＲ反応液と第１チャンバー内に生じた気泡とが異なる経路を通ることになる。したがって、気泡がＰＣＲ反応液の移動を妨げにくくなり、安定したサーマルサイクルを施すことができるバイオチップを実現できる。

（３）本発明に係るバイオチップは、
この検体反応装置に装着するバイオチップであって、
前記第１チャンバーの前記回転軸の方向における長さは、
前記第１チャンバーにオイルと反応液とが充填され、前記装着部に装着して回転させた場合に、
気泡と前記反応液の移動する経路が異なるような長さである。

本発明によれば、例えば、バイオチップの第１チャンバー内にオイル及びＰＣＲ反応液を充填した場合に、オイルより比重の大きいＰＣＲ反応液と第１チャンバー内に生じた気泡とが異なる経路を通ることになる。したがって、気泡がＰＣＲ反応液の移動を妨げにくくなり、安定したサーマルサイクルを施すことができるバイオチップを実現できる。

（４）このバイオチップは、
前記第１チャンバーと、
前記装着部に装着した場合に、前記第１チャンバーの前記回転軸から最遠端側であって重力と逆向き側で前記第１チャンバーと連通する第２チャンバーとを含んでもよい。

本発明によれば、第１チャンバー内に液体が存在する場合に、第１チャンバー内に生じた気泡を第２チャンバーの内部に回収することができる。これにより、例えば、バイオチップの第１チャンバー内にオイル及びＰＣＲ反応液を充填した場合に、気泡がＰＣＲ反応液の移動を妨げにくくなるとともに、気泡の移動により生じる第１チャンバー内にオイルの不要な流れを抑制することができる。したがって、安定したサーマルサイクルを施すことができるバイオチップを実現できる。

（５）このバイオチップは、
前記第１チャンバーは、狭窄部を介して前記第２チャンバーに連通していてもよい。

これにより、第２チャンバーの内部に回収された気泡が第１チャンバーに戻りにくくなる。

（６）このバイオチップは、
前記第１チャンバーは、前記回転軸と平行な方向において前記第１チャンバー内の経路を周回させるために、前記第１チャンバー内の経路を規定する障壁を有していてもよい。

本発明によれば、例えば、バイオチップの第１チャンバー内にオイル及びＰＣＲ反応液を充填した場合に、オイルより比重の大きいＰＣＲ反応液と容器内に生じた気泡とが、障壁を隔てて互いに異なる経路を通ることになる。これにより、気泡がＰＣＲ反応液の移動を妨げにくくなるとともに、気泡の移動により生じる第１チャンバー内にオイルの不要な流れを抑制することができる。したがって、安定したサーマルサイクルを施すことができるバイオチップを実現できる。

本実施形態に係る検体反応装置を模式的に表した斜視図。 本実施形態に係る検体反応装置の要部を模式的に表した分解斜視図。 本実施形態に係る検体反応装置の要部を模式的に表した斜視図。 図４（Ａ）は、第１実施形態に係るバイオチップの上面図、図４（Ｂ）は、第１実施形態に係るバイオチップの左側面図、図４（Ｃ）は、図４（Ａ）のＡ−Ａにおける断面図である。 第１実施形態に係るバイオチップ１を検体反応装置１００の装着部１０に装着した場合に、バイオチップ１が回転する様子を模式的に表す断面図。 図６（Ａ）は、第２実施形態に係るバイオチップの上面図、図６（Ｂ）は、第２実施形態に係るバイオチップの左側面図、図６（Ｃ）は、図６（Ａ）のＡ−Ａにおける断面図。 第２実施形態に係るバイオチップ２を検体反応装置１００の装着部１０に装着した場合に、バイオチップ２が回転する様子を模式的に表す断面図。 図８（Ａ）は、第３実施形態に係るバイオチップの上面図、図８（Ｂ）は、第３実施形態に係るバイオチップの左側面図、図８（Ｃ）は、図８（Ａ）のＡ−Ａにおける断面図。 図９（Ａ）は、第３実施形態に係るバイオチップの変形例の上面図、図９（Ｂ）は、第３実施形態に係るバイオチップの変形例の左側面図、図９（Ｃ）は、図９（Ａ）のＡ−Ａにおける断面図。 第３実施形態に係るバイオチップ３を検体反応装置１００の装着部１０に装着した場合に、バイオチップ３が回転する様子を模式的に表す断面図。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１．検体反応装置
図１は、本実施形態に係る検体反応装置を模式的に表した斜視図である。図１において、直交するｘ軸とｙ軸とで構成される平面（以下において、「ｘｙ平面」と呼ぶことがある。）を水平な平面とし、ｘ軸及びｙ軸と直交するｚ軸を重力と逆向きとしている。

また、図２は、本実施形態に係る検体反応装置の要部を模式的に表した分解斜視図、図３は、本実施形態に係る検体反応装置の要部を模式的に表した斜視図である。

本実施形態に係る検体反応装置１００は、第１チャンバー５０を有するバイオチップ１（２，３，３ａ）を装着可能に構成された装着部１０と、装着部１０にバイオチップ１（２，３，３ａ）を装着した場合に、非水平かつ非重力方向の直線を回転軸Ｒとしてバイオチップ１（２，３，３ａ）を回転させる回転部２０と、装着部１０にバイオチップ１（２，３，３ａ）を装着した場合に、回転軸Ｒに対して温度分布が軸対称になるように第１チャンバー５０の少なくとも一部を加熱する加熱部３０と、を含む。

バイオチップ１（２，３，３ａ）は、第１チャンバー５０を有する。第１チャンバー５０には、オイル等の液体を充填することができる空洞が設けられている。第１チャンバー５０は、バイオチップ１（２，３，３ａ）の本体そのものであってもよい。第１チャンバー５０を形成するバイオチップ１（２，３，３ａ）の部位には、第１チャンバー５０に液体を注入できるような機構が備えられていてもよい。このような機構としては、例えば、第１チャンバー５０の空洞と外部とを連絡する孔およびこれを塞ぐ部材で構成されることができる。

第１チャンバー５０の機能の一つとしては、液体が充填されたときに、当該液体を用いて所望の反応を行わせる反応室となることが挙げられる。例えば、第１チャンバー５０は、オイルとＰＣＲ反応液とが充填された場合には、ＰＣＲ反応液を反応させる反応室となることができる。

なお、バイオチップ１（２，３，３ａ）の構成の詳細については後述する。

装着部１０は、バイオチップ１（２，３，３ａ）を装着可能に構成されている。図１及び図３に示す例では、装着部１０は、バイオチップ１（２，３，３ａ）を挿入するための挿入孔として構成されている。図１ないし図３に示す例では、装着部１０は、回転部２０の円筒形状の外周面に複数形成されている。なお装着部１０が形成される数は限定されない。

回転部２０は、装着部１０にバイオチップ１（２，３，３ａ）を装着した場合に、非水平かつ非重力方向の直線を回転軸Ｒとしてバイオチップ１（２，３，３ａ）を回転させる。図１に示す例では、回転部２０は、ｘｙ平面と平行とならず、ｚ軸とも平行とはならない仮想直線を回転軸Ｒとして、所望の回転方向にバイオチップ１（２，３，３ａ）を回転させる。回転軸Ｒとｘｙ平面とのなす角は、例えば、４５°±１５°程度としてもよい。回転軸Ｒとｘｙ平面とのなす角の大きさがこのような値であれば、例えば、バイオチップ１（２，３，３ａ）の第１チャンバー５０内にオイル及びＰＣＲ反応液を充填した場合に、オイルより比重の大きいＰＣＲ反応液と第１チャンバー５０内に生じた気泡とが異なる経路を通ることになり、かつＰＣＲ反応液の移動がスムーズに行われるので、ＰＣＲ反応がより確実に行える。回転部２０は、例えば、図１に示すモーター２２により回転されるように構成されていてもよい。

図２に示す例では、回転部２０は、回転軸Ｒを中心とする円筒状の形状に、装着部１０となる凹部を備えた形状である。また、回転部２０は、図１に示すモーター２２によって、回転部２０が回転軸Ｒの周りを回転する構造を有している。

加熱部３０は、装着部１０にバイオチップ１（２，３，３ａ）を装着した場合に、回転軸Ｒに対して温度分布が軸対称になるように第１チャンバー５０の少なくとも一部を加熱する。加熱部３０は、複数のヒーターを含んで構成されてもよい。図２に示す例では、加熱部３０は、中心軸Ｒ付近に高温ヒーター３１、円筒状の周辺部に低温ヒーター３２を有している。ヒーター（図２に示す例では、高温ヒーター３１及び低温ヒーター３２）は、適宜円環状に形成されることができる。これにより、回転軸の近傍から外側へ向かうにつれて温度が低くなる温度勾配が形成される。すなわち、図２に示す例では、加熱部３０は、装着部１０にバイオチップ１（２，３，３ａ）を装着した場合に、回転軸に対して温度分布が軸対称になるように第１チャンバー５０の少なくとも一部を加熱する構成となっている。

ヒーターの設けられる数は、特に限定されない。例えば、ヒーターの数に応じて２水準の温度でのサーマルサイクルや、３水準の温度でのサーマルサイクルを実現することができる。また、各ヒーターに設定される温度についても適宜設定されることができる。

加熱部３０は、図１に示す加熱制御部２２０によって制御されるように構成されていてもよい。例えば、検体反応装置２００をリアルタイムＰＣＲに用いる場合には、高温ヒーター３１の温度を９５℃、低温ヒーター３２の温度を６０℃となるように制御してもよい。また、図２に示すように、加熱部３０は、高温ヒーター３１と低温ヒーター３２との間に断熱材３１０を、低温ヒーター３２の外周部に断熱材３２０を有していてもよい。さらに、図２及び図３に示す検体反応装置１００の要部の構成（回転部２０及び加熱部３０の積層構造）を挟むように断熱材が設けられていてもよい。

第１チャンバー５０にオイルとＰＣＲ反応液が供給されたバイオチップ１（２，３，３ａ）を装着部１０に装着した場合、回転部２０がｘｙ平面に対して所定の角度を有しているため、オイルとＰＣＲ反応液との比重差により、オイルよりも重いＰＣＲ反応液は重力方向における第１チャンバー５０内の最下点近傍に移動する。バイオチップ１（２，３，３ａ）の第１チャンバー５０は、加熱部３０により、温度分布が軸対称になるように加熱されているので、回転により重力方向における第１チャンバー５０内の最下点と回転軸との距離が変化すると異なる温度の領域が最下点となる。したがって、回転部２０と加熱部３０を適宜制御することにより、ＰＣＲ反応液を、バイオチップ１（２，３，３ａ）の第１チャンバー５０内の温度の異なる領域間で移動させることができるので、所望のサーマルサイクル中にＰＣＲ反応液をおくことができる。

一方、第１チャンバー５０内に気泡が生じた場合には、オイルと気泡との比重差により、オイルよりも軽い気泡は重力方向における第１チャンバー５０内の最上点近傍に移動する。

本実施形態に係る検体反応装置１００によれば、非水平かつ非重力方向の直線を回転軸としてバイオチップを回転させることができる。これにより、例えば、バイオチップの第１チャンバー５０内にオイル及びＰＣＲ反応液を充填した場合に、オイルより比重の大きいＰＣＲ反応液と容器内に生じた気泡とが異なる経路を通ることになる。したがって、気泡がＰＣＲ反応液の移動を妨げにくくなり、安定したサーマルサイクルを施すことができる。

２．第１実施形態に係るバイオチップ
図４（Ａ）は、第１実施形態に係るバイオチップの上面図、図４（Ｂ）は、第１実施形態に係るバイオチップの左側面図、図４（Ｃ）は、図４（Ａ）のＡ−Ａにおける断面図である。

第１実施形態に係るバイオチップ１は、第１チャンバー５０を有する。第１チャンバー５０は、内部に空洞５００が形成された容器である。第１チャンバー５０は、バイオチップ１（２，３，３ａ）の本体そのものであってもよい。

バイオチップ１は、検体反応装置１００に用いるバイオチップであって、検体反応装置１００の装着部１０に装着できる外形形状を有する。したがって、バイオチップ１の外形形状は、装着部１０の形状に従って任意の形状を有することができる。バイオチップ１の大きさは、特に限定されないが、充填されるオイル等の液体の量、熱伝導率、内部に形成される第１チャンバー５０の空洞５００の形状、および取り扱いの容易さの少なくとも１種を考慮して選択される。

バイオチップ１の材質としては、特に限定されず、無機材料（例えば単結晶シリコン、パイレックスガラス（パイレックスは登録商標））、および有機材料（例えばポリカーボネート、ポリプロピレン等の樹脂）を挙げることができ、これらの複合材料であってもよい。バイオチップ１を、ＰＣＲの反応容器（反応チップ）として使用する場合など、蛍光測定を伴う用途に使用する場合には、バイオチップ１は、自発蛍光の小さい材質で形成されることが望ましい。このような自発蛍光の小さい材質としては、例えば、ポリカーボネート、ポリプロピレン等が挙げられる。なお、バイオチップ１をＰＣＲの反応容器として用いる場合、バイオチップ１はＰＣＲにおける加熱に耐えられる材質であることが好ましい。

さらに、バイオチップ１の材質には、カーボンブラック、グラファイト、チタンブラック、アニリンブラック、若しくは、Ｒｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、ＣｏまたはＣｕの酸化物、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｔａ、ＺｒまたはＣｒの炭化物などの黒色物質等を配合することができる。バイオチップ１の材質に、このような黒色物質が配合されることにより、樹脂等の有する自発蛍光をさらに抑制することができる。また、バイオチップ１の外部から、内部の第１チャンバー５０内を観察するような用途（例えば、リアルタイムＰＣＲなど）にバイオチップ１を用いる場合には、必要に応じて、バイオチップ１の材質を透明なものとすることができる。またなお、バイオチップ１をＰＣＲの反応チップとして使用する場合には、バイオチップ１の材質は、核酸やタンパク質の吸着が少なく、ポリメラーゼ等の酵素反応を阻害しない材質であることが好ましい。

第１チャンバー５０の空洞５００は、検体反応装置１００の装着部１０に装着した場合に、第１チャンバー５０の空洞５００の回転軸の方向における長さＨは、２ミリメートル以上４ミリメートル以下となっている。

また、第１チャンバー５０の空洞５００の回転軸Ｒの方向における長さＨは、第１チャンバー５０の空洞５００にオイルと反応液とが充填され、検体反応装置１００の装着部１０に装着して回転させた場合に、気泡と反応液の移動する経路が異なるような長さとなっている。

図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示す例では、第１チャンバー５０の空洞５００の側断面形状は、検体反応装置１００の装着部１０にバイオチップ１を装着した場合に、第１チャンバー５０の空洞５００の回転軸Ｒの方向における長さＨが、図４（Ｂ）における幅Ｗよりも長い長方形となっている。幅Ｗは、オイル中に存在する反応液の液滴の直径より大きく、オイルに対流が起きない程度の大きさとすることで、より好適に反応を行うことができる。図４（Ｂ）及び図４（Ｃ）に示す例では、重力方向を下（図の上下と対応する）として、第１チャンバー５０の空洞５００の図における下側の面を下面５１０、上側の面を上面５２０としている。なお、第１チャンバー５０の空洞５００の側断面形状は、長方形には限られない。

第１チャンバー５０の空洞５００の形状は、例えば、図４（Ａ）ないし図４（Ｃ）に示すような細長い形状とすることができる。第１チャンバー５０の空洞５００が、細長い形状であると、例えば、第１チャンバー５０の空洞５００内に温度の異なる領域が設けられるようにバイオチップ１を温度制御する際に、異なる温度となる領域の間の距離を離間させやすくなる。また、第１チャンバー５０の空洞５００が細長い形状を有すると、容器の体積に対して、容器の表面積の割合が大きくなるので、例えば、第１チャンバー５０の空洞５００内にオイル等の液体が充填された場合に、熱の伝導の効率がよくなり、液体の温度調節を容易化することができる。バイオチップ１を、第１チャンバー５０の空洞５００の長手の方向が検体反応装置１００の回転軸Ｒからの放射方向と一致するように装着部１０に装着した場合に、第１チャンバー５０の空洞５００に、異なる温度の領域を設けることが容易となる。バイオチップ１において、第１チャンバー５０の空洞５００が設けられる位置は、特に限定されない。

第１チャンバー５０の空洞５００には、オイル等の液体を充填することができる。第１チャンバー５０の空洞５００を形成するバイオチップ１の部位には、第１チャンバー５０の空洞５００に液体を注入できるような機構が備えられていてもよい。このような機構としては、例えば、第１チャンバー５０の空洞５００と外部とを連絡する孔およびこれを塞ぐ部材で構成されることができる。

第１チャンバー５０の機能の一つとしては、第１チャンバー５０の空洞５００に液体が充填されたときに、当該液体を用いて所望の反応を行わせる反応室となることが挙げられる。例えば、第１チャンバー５０は、第１チャンバー５０の空洞５００にオイルとＰＣＲ反応液とが充填された場合には、ＰＣＲ反応液を反応させる反応室となることができる。そして特に第１チャンバー５０の空洞５００が細長い場合には、第１チャンバー５０の空洞５００の中でＰＣＲ反応液を移動させることにより、ＰＣＲ反応液にサーマルサイクルを施すことが容易となる。

図５は、第１実施形態に係るバイオチップ１を検体反応装置１００の装着部１０に装着した場合に、バイオチップ１が回転する様子を模式的に表す断面図である。図５は、図１におけるｙ軸方向から見た断面図である。以下の説明における上下は、図５における上下方向と一致するものとする。

以下では、バイオチップ１の第１チャンバー５０の空洞５００にオイルおよびＰＣＲ反応液ｗが充填され、第１チャンバー５０の空洞５００内に気泡ｖが存在する場合について述べる。オイルの種類としては、ＰＣＲ反応液ｗよりも比重が小さく、ＰＣＲ反応液ｗと相溶しないものが用いられる。ＰＣＲ反応液ｗは、例えば、標的核酸（増幅させたい核酸）、標的核酸を増幅するためのプライマー（核酸）、核酸増幅反応を行う酵素、増幅産物量を測定するための蛍光試薬（例えばＳＹＢＲ ＧＲＥＥＮ（商標））、および、必要な場合には他の核酸などを含む液体である。そして、バイオチップ１の第１チャンバー５０の空洞５００内では、オイル中にＰＣＲ反応液ｗが液滴となる形態で液液相分離し、さらに、液体（オイルおよびＰＣＲ反応液ｗ）と、気泡ｖとが気液相分離しているものとする。また、図５に示す例では、ＰＣＲ反応液ｗ及び気泡ｖは、直径１ｍｍから１．５ｍｍ以下程度の略球形状でオイル中に存在しているものとする。

また、バイオチップ１の状態について、第１チャンバー５０の空洞５００の回転軸Ｒに近い側が下となっている状態を状態Ａ、第１チャンバー５０の空洞５００の回転軸Ｒに近い側が上となっている状態を状態Ｂと呼ぶ。

まず、バイオチップ１が状態Ａにある場合について説明する。状態Ａにおいて、オイルよりも比重の大きいＰＣＲ反応液ｗは、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち回転軸Ｒに近い側の下面５１０側に存在する。一方、オイルよりも比重の小さい気泡ｖは、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち回転軸Ｒから遠い側の上面５２０側に存在する。

検体反応装置１００の回転部２０が回転して、バイオチップ１が状態Ａから状態Ｂに遷移すると、オイルよりも比重の大きいＰＣＲ反応液ｗは、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち回転軸Ｒに近い側の下面５１０側から、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち下面５１０側を移動して、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち回転軸Ｒから遠い側の下面５１０側へと達する。一方、オイルよりも比重の小さい気泡ｖは、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち回転軸Ｒから遠い側の上面５２０側から、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち上面５２０側を移動して、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち回転軸Ｒに近い側の上面５２０側へと達する。

検体反応装置１００の回転部２０がさらに回転して、バイオチップ１が状態Ｂから状態Ａに遷移すると、オイルよりも比重の大きいＰＣＲ反応液ｗは、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち回転軸Ｒから遠い側の下面５１０側から、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち下面５１０側を移動して、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち回転軸Ｒに近い側の下面５１０側へと達する。一方、オイルよりも比重の小さい気泡ｖは、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち回転軸Ｒに近い側の上面５２０側から、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち上面５２０側を移動して、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち回転軸Ｒから遠い側の上面５２０側へと達する。

すなわち、オイルよりも比重の大きいＰＣＲ反応液ｗは、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち下面５１０側を移動し、オイルよりも比重の小さい気泡ｖは、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち上面５２０側を移動することになる。

このように、第１実施形態に係るバイオチップ１によれば、第１チャンバー５０の空洞５００の回転軸の方向における長さＨが、２ミリメートル以上４ミリメートル以下であるため、ＰＣＲ反応液ｗと気泡ｖとの衝突を抑制することができる。

また、第１実施形態に係るバイオチップ１によれば、第１チャンバー５０の空洞５００の回転軸Ｒの方向における長さＨが、第１チャンバー５０の空洞５００にオイルとＰＣＲ反応液ｗとが充填され、バイオチップ１を検体反応装置１００の装着部１０に装着して回転させた場合に、気泡とＰＣＲ反応液ｗの移動する経路が異なるような長さであるため、ＰＣＲ反応液ｗと気泡ｖとの衝突を抑制することができる。

したがって、気泡がＰＣＲ反応液の移動を妨げにくくなり、安定したサーマルサイクルを施すことができるバイオチップを実現できる。

３．第２実施形態に係るバイオチップ
図６（Ａ）は、第２実施形態に係るバイオチップの上面図、図６（Ｂ）は、第２実施形態に係るバイオチップの左側面図、図６（Ｃ）は、図６（Ａ）のＡ−Ａにおける断面図である。図４（Ａ）ないし図４（Ｃ）及び図５を用いて説明した第１実施形態に係るバイオチップ１と同一の構成には同一の符号を付し、以下では主に第１実施形態に係るバイオチップ１との相違点を中心として説明する。

第２実施形態に係るバイオチップ２は、第１チャンバー５０と、第２チャンバー６０とを有する。第２チャンバー６０は、内部に空洞６００が形成された容器である。第１チャンバー５０と第２チャンバー６０とは、ともにバイオチップ２の本体そのものであってもよい。

図６（Ａ）ないし図６（Ｃ）に示すように、第２チャンバー６０の空洞６００は、検体反応装置１００の装着部１０に装着した場合に、第１チャンバー５０の空洞５００の回転軸Ｒから最遠端側であって重力と逆向き側で第１チャンバー５０の空洞５００と連通している。

第２チャンバー６０の空洞６００は、第１チャンバー５０の空洞５００に隣り合って設けられる。第２チャンバー６０の空洞６００の形状は、特に限定されず、例えば、直方体状、球状、円柱状などとすることができる。

また、図６（Ａ）ないし図６（Ｃ）に示すように、第１チャンバー５０の空洞５００は、狭窄部６１０を介して第２チャンバー６０の空洞６００に連通していてもよい。狭窄部６１０における連通部分は、第１チャンバー５０の空洞５００の回転軸Ｒから最遠端側とすることが好ましい。

さらに、図６（Ａ）ないし図６（Ｃ）に示すように、第１チャンバー５０の空洞５００は、検体反応装置１００の装着部１０に装着した場合に、第１チャンバー５０の空洞５００の回転軸Ｒの方向における長さＨが、回転の接線方向における長さＷよりも長く構成されていてもよい。

第２チャンバー６０の空洞６００には、オイル等の液体を充填することができる。第２チャンバー６０の空洞６００を形成するバイオチップ２の部位には、第２チャンバー６０の空洞６００に液体を注入できるような機構が備えられていてもよい。このような機構としては、例えば、第２チャンバー６０の空洞６００と外部とを連絡する孔およびこれを塞ぐ部材で構成されることができる。

第２チャンバー６０の機能の一つとしては、オイル等の液体が充填されたときに、第１チャンバー５０の空洞５００に存在する気泡を、第２チャンバー６０の空洞６００内に回収することが挙げられる。例えば、第１チャンバー５０の空洞５００内にオイルとＰＣＲ反応液の液滴とが、第２チャンバー６０の空洞６００内にオイルが充填され、かつ、気泡が混入している場合に、気泡を第２チャンバー６０の空洞６００内に回収し、回収された気泡が第１チャンバー５０の空洞５００に戻らないようにすることができる。換言すると、第２チャンバー６０の空洞６００に充填された液体（オイル）が、気泡と入れ替わりに第１チャンバー５０の空洞５００に移動することで、ＰＣＲ反応液の移動の妨げとなる気泡を第１チャンバー５０の空洞５００から除去し、ＰＣＲ反応液の液滴に良好なサーマルサイクルを施すことができる。

図７は、第２実施形態に係るバイオチップ２を検体反応装置１００の装着部１０に装着した場合に、バイオチップ２が回転する様子を模式的に表す断面図である。図７は、図１におけるｙ軸方向から見た断面図である。以下の説明における上下は、図７における上下方向と一致するものとする。

以下では、バイオチップ２の第１チャンバー５０の空洞５００にオイルおよびＰＣＲ反応液ｗが、第２チャンバー６０の空洞６００にオイルが充填され、第１チャンバー５０の空洞５００内で気泡ｖが生じた場合について述べる。オイルの種類としては、ＰＣＲ反応液ｗよりも比重が小さく、ＰＣＲ反応液ｗと相溶しないものが用いられる。そして、バイオチップ２の第１チャンバー５０の空洞５００内では、オイル中にＰＣＲ反応液ｗが液滴となる形態で液液相分離し、さらに、液体（オイルおよびＰＣＲ反応液ｗ）と、気泡ｖとが気液相分離しているものとする。

また、バイオチップ２の状態について、第１チャンバー５０の空洞５００の回転軸Ｒに近い側が下となっている状態を状態Ａ、第１チャンバー５０の空洞５００の回転軸Ｒに近い側が上となっている状態を状態Ｂと呼ぶ。

まず、バイオチップ２が状態Ａにある場合について説明する。状態Ａにおいて、オイルよりも比重の大きいＰＣＲ反応液ｗは、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち回転軸Ｒに近い側の下面５１０側に存在する。一方、オイルよりも比重の小さい気泡ｖが生じると、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち回転軸Ｒから遠い側の上面５２０側を移動して、狭窄部６１０から第２チャンバー６０の空洞６００内へと移動し、最終的には第２チャンバー６０の空洞６００のうち最も高い位置（重力による位置エネルギーが最大となる位置）である、第２チャンバー６０の空洞６００の上面の回転軸Ｒから遠い側の近傍に達する。

検体反応装置１００の回転部２０が回転して、バイオチップ２が状態Ａから状態Ｂに遷移すると、オイルよりも比重の大きいＰＣＲ反応液ｗは、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち回転軸Ｒに近い側の下面５１０側から、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち下面５１０側を移動して、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち回転軸Ｒから遠い側の下面５１０側へと達する。一方、オイルよりも比重の小さい気泡ｖは、第２チャンバー６０の空洞６００の上面に沿って移動して、第２チャンバー６０の空洞６００の上面の回転軸Ｒに近い側の近傍に達する。

また、状態Ｂにおいて気泡が生じた場合には、オイルよりも比重の小さい気泡ｖは、第１チャンバー５０の空洞５００内の気泡ｖが生じた地点から、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち上面５２０側を移動して、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち回転軸Ｒに近い側の上面５２０側へと達する。

検体反応装置１００の回転部２０がさらに回転して、バイオチップ２が状態Ｂから状態Ａに遷移すると、オイルよりも比重の大きいＰＣＲ反応液ｗは、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち回転軸Ｒから遠い側の下面５１０側から、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち下面５１０側を移動して、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち回転軸Ｒに近い側の下面５１０側へと達する。一方、オイルよりも比重の小さい気泡ｖは、第２チャンバー６０の空洞６００内を移動し、第２チャンバー６０の空洞６００のうち最も高い位置（重力による位置エネルギーが最大となる位置）である、第２チャンバー６０の空洞６００の上面の回転軸Ｒから遠い側の近傍に達する。

すなわち、オイルよりも比重の大きいＰＣＲ反応液ｗは、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち下面５１０側を移動し、オイルよりも比重の小さい気泡ｖは、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち上面５２０側を移動して第２チャンバー６０の空洞６００内に達した後は、気泡ｖの容積が第２チャンバー６０の空洞６００の容積を超えない限り、第２チャンバー６０の空洞６００内に存在し続けることになる。

このように、第２実施形態に係るバイオチップ２によれば、第１チャンバー５０の空洞５００内に液体が存在する場合に、第１チャンバー５０の空洞５００内に生じた気泡を第２チャンバー６０の空洞６００の内部に回収することができる。これにより、例えば、バイオチップ２の第１チャンバー５０の空洞５００内にオイル及びＰＣＲ反応液を充填した場合に、気泡がＰＣＲ反応液の移動を妨げにくくなるとともに、気泡の移動により生じる第１チャンバー５０の空洞５００内でのオイルの不要な流れを抑制することができる。したがって、安定したサーマルサイクルを施すことができるバイオチップを実現できる。

また、第２実施形態に係るバイオチップ２においては、第１チャンバー５０の空洞５００は、狭窄部６１０を介して第２チャンバー６０の空洞６００に連通している。このため、狭窄部６１０により第２チャンバー６０の空洞６００内に回収された気泡が再び第１チャンバー５０の空洞５００内に戻ることを抑制することができる。これにより、さらに安定したサーマルサイクルを施すことができるバイオチップを実現できる。

４．第３実施形態に係るバイオチップ
図８（Ａ）は、第３実施形態に係るバイオチップの上面図、図８（Ｂ）は、第３実施形態に係るバイオチップの左側面図、図８（Ｃ）は、図８（Ａ）のＡ−Ａにおける断面図である。図４（Ａ）ないし図４（Ｃ）及び図５を用いて説明した第１実施形態に係るバイオチップ１と同一の構成には同一の符号を付し、以下では主に第１実施形態に係るバイオチップ１との相違点を中心として説明する。

第３実施形態に係るバイオチップ３は、第１チャンバー５０を含む。第１チャンバー５０は、内部に空洞５００が形成された容器である。第１チャンバー５０は、バイオチップ３の本体そのものであってもよい。

第１チャンバー５０は、回転軸Ｒと平行な方向において第１チャンバー５０の空洞５００内の経路を周回させるために、第１チャンバー５０の空洞５００内の経路を規定する障壁５３０を有するように構成されている。

障壁５３０は、第１チャンバー５０の内壁の離間した２箇所を接続するように形成される。すなわち、障壁５３０は、第１チャンバー５０の内壁の一部と、当該内壁の一部と離間した他の一部とを繋ぐように形成される。したがって、第１チャンバー５０の空洞５００は、障壁５３０によって、ループ状の空洞となることができる。すなわち、障壁５３０が形成された第１チャンバー５０の空洞５００には、障壁５３０を周回する経路が形成される。障壁５３０は、バイオチップ３と同一の材質で形成されることができる。

なお、このような周回する経路を複数有するように第１チャンバー５０を構成してもよい。図９（Ａ）は、第３実施形態に係るバイオチップの変形例の上面図、図９（Ｂ）は、第３実施形態に係るバイオチップの変形例の左側面図、図９（Ｃ）は、図９（Ａ）のＡ−Ａにおける断面図である。図９（Ａ）ないし図９（Ｃ）に示すように、第３実施形態に係るバイオチップの変形例となるバイオチップ３ａの第１チャンバー５０は、複数の障壁５３０によって、ループ状となる経路を複数有する空洞５００が形成された容器となることができる。

図１０は、第３実施形態に係るバイオチップ３を検体反応装置１００の装着部１０に装着した場合に、バイオチップ３が回転する様子を模式的に表す断面図である。図１０は、図１におけるｙ軸方向から見た断面図である。以下の説明における上下は、図１０における上下方向と一致するものとする。

以下では、バイオチップ３の第１チャンバー５０の空洞５００にオイルおよびＰＣＲ反応液ｗが充填され、第１チャンバー５０の空洞５００内に気泡ｖが存在する場合について述べる。オイルの種類としては、ＰＣＲ反応液ｗよりも比重が小さく、ＰＣＲ反応液ｗと相溶しないものが用いられる。そして、バイオチップ３の第１チャンバー５０の空洞５００内では、オイル中にＰＣＲ反応液ｗが液滴となる形態で液液相分離し、さらに、液体（オイルおよびＰＣＲ反応液ｗ）と、気泡ｖとが気液相分離しているものとする。

また、バイオチップ３の状態について、第１チャンバー５０の空洞５００の回転軸Ｒに近い側が下となっている状態を状態Ａ、第１チャンバー５０の空洞５００の回転軸Ｒに近い側が上となっている状態を状態Ｂと呼ぶ。

まず、バイオチップ３が状態Ａにある場合について説明する。状態Ａにおいて、オイルよりも比重の大きいＰＣＲ反応液ｗは、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち回転軸Ｒに近い側の下面５１０側に存在する。一方、オイルよりも比重の小さい気泡ｖは、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち回転軸Ｒから遠い側の上面５２０側に存在する。

検体反応装置１００の回転部２０が回転して、バイオチップ３が状態Ａから状態Ｂに遷移すると、オイルよりも比重の大きいＰＣＲ反応液ｗは、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち回転軸Ｒに近い側の下面５１０側から、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち障壁５３０に対して下側となる下面５１０側を移動して、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち回転軸Ｒから遠い側の下面５１０側へと達する。一方、オイルよりも比重の小さい気泡ｖは、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち回転軸Ｒから遠い側の上面５２０側から、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち障壁５３０に対して上側となる上面５２０側を移動して、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち回転軸Ｒに近い側の上面５２０側へと達する。

検体反応装置１００の回転部２０がさらに回転して、バイオチップ３が状態Ｂから状態Ａに遷移すると、オイルよりも比重の大きいＰＣＲ反応液ｗは、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち回転軸Ｒから遠い側の下面５１０側から、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち障壁５３０の下側となる下面５１０側を移動して、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち回転軸Ｒに近い側の下面５１０側へと達する。一方、オイルよりも比重の小さい気泡ｖは、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち回転軸Ｒに近い側の上面５２０側から、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち障壁５３０の上側となる上面５２０側を移動して、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち回転軸Ｒから遠い側の上面５２０側へと達する。

なお、バイオチップ３が状態Ｂにある場合において、障壁５３０と下面５１０に挟まれた領域で気泡ｖが発生した場合には、気泡ｖは障壁５３０に沿って第１チャンバー５０の空洞５００内の回転軸Ｒに近い側まで移動し、第１チャンバー５０の上面５２０の近傍へと移動する。検体反応装置１００の回転部２０の回転に伴うその後の気泡ｖ及びＰＣＲ反応液ｗの振る舞いは、上述した振る舞いと同様である。

すなわち、オイルよりも比重の大きいＰＣＲ反応液ｗは、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち下面５１０側を移動し、オイルよりも比重の小さい気泡ｖは、第１チャンバー５０の空洞５００内のうち上面５２０側を移動することになる。第３実施形態に係るバイオチップ３においては、第１チャンバー５０は、回転軸Ｒと平行な方向において第１チャンバー５０の空洞５００内の経路を周回させるために、第１チャンバー５０の空洞５００内の経路を規定する障壁５３０を有するように構成されているため、ＰＣＲ反応液ｗと気泡ｖとの衝突を抑制することができる。

このように、第３実施形態に係るバイオチップ３によれば、例えば、バイオチップの第１チャンバー５０の空洞５００内にオイル及びＰＣＲ反応液を充填した場合に、オイルより比重の大きいＰＣＲ反応液と第１チャンバー５０の空洞５００内に生じた気泡とが異なる経路を通ることになる。これにより、気泡がＰＣＲ反応液の移動を妨げにくくなるとともに、気泡の移動により生じる第１チャンバー５０の空洞５００内でのオイルの不要な流れを抑制することができる。したがって、安定したサーマルサイクルを施すことができるバイオチップを実現できる。

なお、図９（Ａ）ないし図９（Ｃ）を用いて説明した第３実施形態に係るバイオチップの変形例となるバイオチップ３ａにおいても、上記第３実施形態に係るバイオチップ３と同様の効果を奏する。さらに、バイオチップ３ａが状態Ｂにある場合において、障壁５３０と下面５１０に挟まれた領域で気泡ｖが発生した場合には、気泡ｖは障壁５３０の間を通って上面５２０側に移動することができる。これにより、速やかにＰＣＲ反応液ｗと気泡ｖとを分離することができる。したがって、バイオチップ３よりもさらに効果的にＰＣＲ反応液ｗと気泡ｖとの衝突を抑制することができる。

なお、上述した実施形態及び変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば各実施形態及び各変形例は、複数を適宜組み合わせることが可能である。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

例えば、本発明は、ＰＣＲ以外にも、サーマルサイクルを繰り返して行う様々な反応に利用することができる。

１，２，３，３ａ バイオチップ、１０ 装着部、２０ 回転部、２２ モーター、３０ 加熱部、３１ 高温ヒーター、３２ 低温ヒーター、５０ 第１チャンバー、６０ 第２チャンバー、１００ 検体反応装置、２２０ 加熱制御部、３１０，３２０ 断熱材、５００ 空洞、５１０ 下面、５２０ 上面、５３０ 障壁、６００ 空洞、６１０ 狭窄部

Claims (6)

1. 第１チャンバーを有するバイオチップを装着可能に構成された装着部と、
   前記装着部に前記バイオチップを装着した場合に、非水平かつ非重力方向の直線を回転軸として前記バイオチップを回転させる回転部と、
   前記装着部に前記バイオチップを装着した場合に、前記回転軸に対して温度分布が軸対称になるように前記第１チャンバーの少なくとも一部を加熱する加熱部と、
   を含む、検体反応装置。
2. 請求項１に記載の検体反応装置に装着するバイオチップであって、
   前記装着部に装着した場合に、前記第１チャンバーの前記回転軸の方向における長さが、２ミリメートル以上４ミリメートル以下である、バイオチップ。
3. 請求項１に記載の検体反応装置に装着するバイオチップであって、
   前記第１チャンバーの前記回転軸の方向における長さは、
   前記第１チャンバーにオイルと反応液とが充填され、前記装着部に装着して回転させた場合に、
   気泡と前記反応液の移動する経路が異なるような長さである、バイオチップ。
4. 請求項２又は請求項３に記載の検体反応装置に装着するバイオチップにおいて、
   前記第１チャンバーと、
   前記装着部に装着した場合に、前記第１チャンバーの前記回転軸から最遠端側であって重力と逆向き側で前記第１チャンバーと連通する第２チャンバーとを含む、バイオチップ。
5. 請求項４に記載のバイオチップにおいて、
   前記第１チャンバーは、狭窄部を介して前記第２チャンバーに連通する、バイオチップ。
6. 請求項２ないし請求項５のいずれか１項に記載の検体反応装置に装着するバイオチップであって、
   前記第１チャンバーは、前記回転軸と平行な方向において前記第１チャンバー内の経路を周回させるために、前記第１チャンバー内の経路を規定する障壁を有する、バイオチップ。

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