JP2014070904A

JP2014070904A - 生化学物質を処理または分析するための生化学反応チップ及びその分析方法

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Publication number: JP2014070904A
Application number: JP2012214522A
Authority: JP
Inventors: Tomoyuki Ozawa; 知之小澤
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2014-04-21
Anticipated expiration: 2032-09-27
Also published as: JP6155589B2

Abstract

【課題】簡易な送液方法により複数の生化学物質を複数同時に処理する事が可能な低コストの試料分析チップを提供すること。
【解決手段】基材は該生化学反応処理構造の形状に沿った左右非対称の非扇形でありながら、該装置処理ステージ上に同心円状に配置した際に円の中心が基材上に存在しない試料分析チップ、及びその処理装置であって、同心円状の試料分析チップの配置によって省スペースで効率よく処理を行うことが可能である事を特徴とした、試料分析チップ及びその処理装置である。
【選択図】図２

Description

本発明は、生化学反応により試料を分析するためのチップ及び、その処理装置に関する。

従来、例えばＤＮＡ反応、たんぱく質反応等の生化学反応の分野において、微量の試料溶液を処理する反応装置として、μ−ＴＡＳ（ＴｏｔａｌＡｎａｌｙｓｉｓＳｙｓｔｅｍ）やＬａｂ−ｏｎ−Ｃｈｉｐと呼ばれる技術が知られている。これは、１個のチップやカートリッジに複数の反応室（以下、ウェル）や流路を供えたものであり、複数の検体の解析、あるいは複数の反応を行うことができる。これらの技術はチップ及びカートリッジを小型化することで扱う薬品を少量にすることが出来、様々なメリットがあるとされてきた。

そのメリットとは例えば従来使用していた強酸や強アルカリ薬品の分量が微量化することで人体への影響や環境への影響が格段に低くなること、また、生化学反応等に用いられる高額な試薬類の消費量が微量化することで分析、反応に費やすコストを低減できること、などが挙げられる。

チップやカートリッジを用いて生化学反応を最も効率よく行うためには、複数のウェルにそれぞれ異なる種類の薬品や検体、酵素を配置し、これら薬品や検体、酵素と反応を起こす試薬を一本ないし数本の主導管からまとめてウェルに流し入れ、異なった複数の反応を生じさせる必要がある。

この手法を用いれば、複数種の検体を同じ試薬で同時に処理をしたり、また逆に一種類の検体に同時に複数の処理を施したりすることが出来、従来かかっていた時間や手間、コストを大幅に減らすことが可能である。

また、この際に反応に用いるサンプルや試薬は危険物や、感染性の生体試料で有る場合、可能な限りこのチップ内に留めておく事が好ましく、また蒸発や揮発によってチップ外に漏れる事も防がねばならない。

この種の手法を用いる際、複数の反応場に等量のサンプルを送液する技術と、各ウェルの中身を混ざり合わないようにする技術が重要となる。このようなウェルへの送液を行うチップについての先行技術としては以下のものが挙げられる。

特許文献１では、遠心力を用いて液をプロセスチャンバに送液する方法を示している。

特許文献２では、サンプル装填領域を持つサンプル分画型の遠心送液システムを示している。

特許文献３では放射状に構造体が構成された遠心送液システムが示されている。

特許第４１８１０４６号特許第４４９９７２０号特表２００４−５２９３３３

しかしながら、特許文献１では、遠心力を用いて液をプロセスチャンバに送液する方法を示しているが、この方法ではプロセスチャンバに液を導入した後、プロセスチャンバに通じる各流路を物理的に潰す等をしてふさぐ必要があり、自動化や小型化に向かず、人の手による煩雑な作業が必要になる。仮に装填口の他端を開放しても、余剰液を廃棄する方法が必要であり、危険な薬品や感染性の生体試料には好ましくない。

また、特許文献２では、サンプル装填領域を持つサンプル分画型の遠心送液システムを示しているが、チャンネルの両端がサンプル装填を目的とした構造のため、加熱処理等のサンプル、試薬の蒸発を防止するためには蓋をする必要があり、実施例でも手技によるフィルムの貼付を必要としている。また、サンプル分画構造が放射状であるため、基材の面積を有効利用できず、大型化してしまう。

また、特許文献３では放射状に構造体が構成された遠心送液システムが示されているが、不必要な溶液は開放廃棄ポートから外に放出される構造となっており、生化学反応を行う際には、前後の処理サンプルがコンタミネーションを起こしてしまう可能性があり、危険な薬品を使う事も、感染性の生体試料を用いる処理にも使用することができない。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、簡易な送液方法でかつ各ウェルの液量ばらつきが少なく、加熱冷却や加温による化学反応、酵素反応を複数のサンプルに同時に行なうことができ且つ低コストの試料分析チップを提供することである。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の試料分析チップ、及び装置は、基材上に生化学反応処理構造として複数の反応ウェルと、反応ウェルにサンプルを供給するための主流路と、主流路と反応ウェルを連通させる側路と、主流路にサンプルを供給するためのサンプル送液部と、余剰溶液を保持するための余剰液貯留部と、余剰液貯留部と外部を連通する空気抜き通路を備え、遠心力によってサンプルを反応ウェルに送液する試料分析チップであって、該基材は該生化学反応処理構造の形状に沿った左右非対称の非扇形でありながら、該装置処理ステージ上に同心円状に配置した際に円の中心が基材上に存在しない試料分析チップであって、同心円状の試料分析チップの配置によって省スペースで効率よく処理を行うことが可能である事を特徴とした、試料分析チップである。

また、該ステージ上に複数の試料分析チップを同心円状に配置した際に余剰液貯留部、サンプル送液部、反応ウェルがそれぞれ同心円状に並び、且つ余剰液貯留部、サンプル送液部、反応ウェルの順に同心円の中心から距離が近い事が好ましい。

また、該反応ウェルが基材の最外周部に配置される事で蛍光試料や色素等を基材側面から測光する事が出来る。最外周部とは反応ウェルから基材側面までに測定を阻害する構造物が無い事を言う。

また、該反応ウェルは外周部から３ｍｍ以内に配置される事が好ましい。

また、該主流路が山部と谷部を持つ波型構造でありながら、放射方向に対して傾いた形状に形成する事によって、小さなスペースに流路を効率よく配置できる。

また、該波型主流路が放射方向に対して傾いた形状であり、且つ該側路が該主流路と逆方向に傾いた形状であるように形成する事によって、より小さなスペースに流路を効率よく配置できる。

また、前記主流路の路幅は、相対的に前記山部で小さく、前記谷部で大きいことが好ましい。

また、本発明の試料分析チップは、前記基材を回転させ、遠心力による溶液の送液を行うための担持部が前記基材に設けられていることが好ましい。

また、本発明の試料分析チップは、前記ウェル及び前記主流路が片側に形成された第一基材と、該第一基材と貼り合わせた第二基材とを有することが好ましい。

また、前記サンプル送液部と前記空気抜き通路は、いずれも前記主流路が形成されている側の面とは反対側の面において大気開放されていることが好ましい。

また、前記余剰液貯留部における前記溶液の流通方向に直交する断面の面積は、前記主流路における前記溶液の流通方向に直交する断面の面積よりも大きいことが好ましい。

また、前記余剰液貯留部の容積は、前記主流路の容積よりも大きいことが好ましいが、余剰溶液を保持するための容量が得られれば本発明の効果を活用する事は可能である。

また、前記余剰液貯留部の容積は、前記サンプル送液部の容積よりも大きく、前記サンプル送液部の容積と前記余剰液貯留部の容積との合計は、前記主流路の容積よりも大きいことが好ましいが、前述した事由によりこれに限定される物ではない。

また、前記サンプル送液部の他端及び前記空気抜き通路の他端を囲む壁状であって、前記流路に前記溶液が注入された後、前記サンプル送液部及び前記空気抜き通路の大気開放端を閉塞させることを目的とした、装置もしくは冶具によって変形し前記流路を密閉状態に保つことを可能としたリップ部を有することが好ましい。

また、前記第一基材と前記第二基材との少なくともいずれかは光透過性材料で形成されていることが好ましい。

また、前記第一基材が光透過性の樹脂材料であり、前記第二基材が金属材料であることが好ましい。

本発明の試料分析装置は、本発明の試料分析チップを用いた分析装置であって、前記主流路に前記サンプルを注入する機能と、前記基材を回転させて前記溶液を前記各ウェルに配液する機能と、前記各ウェルを測光する機能を有することを特徴とする試料分析装置である。

また、前記ウェルに前記溶液を配液する工程の後に、ミネラルオイルを前記各ウェルに配液する機能を有することが好ましい。

本発明の試料分析チップは、１枚のチップ内に生化学反応処理構造を折り畳んで形成し、かつ基材を上記生化学反応処理構造に沿って左右非対称に形成する事で、小さなスペースで複数の試料分析チップを配置する事が出来るため、処理装置の小型化、低コスト化、反応の迅速化、複数のサンプル処理の自動化及び試料分析チップの小型化、低コスト化、反応の迅速化を可能にする。

また、本発明の試料分析チップは、送液方法が簡易でかつ各ウェルの液量ばらつきが少なく、加熱冷却や加温による化学反応、酵素反応を好適に行なうことができる。

また、本発明の試料分析チップ及びその処理装置によれば、分析精度及び再現性の高い分析を行なうことができる。

また、本発明の試料分析チップ及びその処理装置によれば、分析間での試料同士のコンタミネーションを防ぐ事が出来る。

また、本発明の試料分析チップ及びその処理装置によれば、危険な薬品や感染性の生体試料を安全に処理、分析する事が出来る。

本発明の一実施形態の試料分析チップを示す第１面の平面図である。本発明の一実施形態の試料分析チップを示す第２面の平面図である。同試料分析チップを円形状に配置した第２面の平面図である。本発明の作成方法の一例であり、第１基材と第２基材の貼り合わせ斜視図である。本発明の別の一実施形態の試料分析チップを示す第１面の平面図である。本発明の別の一実施形態の試料分析チップを示す第２面の平面図である。同試料分析チップを円形状に配置した第２面の平面図である。本発明の更に別の一実施形態の試料分析チップを示す第２面の平面図である。同試料分析チップを円形状に配置した第２面の平面図である。本発明における試料分析チップの分析方法の一例を示す模式図である。本発明における複数の試料分析チップの分析方法の一例を示す模式図である。本発明における試料分析チップの一実施形態の簡略断面図である。

本発明の一実施形態の試料分析チップについて図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態の試料分析チップの一様態を示した第１面の平面図である。本発明の一実施形態では、図のように分析チップの第１面にはサンプル導入用の導入口と余剰液貯留部の空気穴が存在する。図２は、本実施形態の試料分析チップの一様態を示した第２面の平面図である。本発明の一実施形態では、図の様に基材上に生化学反応処理構造を溝状に構成する。

次に本発明の試料分析チップの製造方法について説明する。
まず、図１、図２に示す様に、成形型を使用した成形により、ウェル１０４及び流路（主流路１０６及び側路１０５を含む）を有する基材（第一基材）１０１を形成する。

基材１０１は、厚さ方向の一方の面に、製造後のウェル１０４、主流路１０６、側路１０５、サンプル送液部１０２、空気抜き通路１０３、及び余剰液貯留部１０７なる溝状形状が形成されている。ここで、サンプル送液部１０２、空気抜き通路１０３は、基材１０１の厚さ方向の他方の面にも開口されている。また、前記他方の面に、サンプル送液部１０２、空気抜き通路１０３を囲む壁状形状を有するリップ部（不図示）を一体形成しても良い。

また、図３、図７、は複数のチップを配置した場合の第２面平面図である。使用時には第２の基材４０１によって蓋がされる。

また、基材１０１の厚みが１００μｍ〜３０００μｍの範囲にある場合、基材１０１の熱伝導性及び封止性の双方を好適に満足することができる。基材１０１の厚みが３０００μｍよりも大きいと、熱容量が大きくなり、熱応答性が低下するおそれがある。

基材１０１の材料としては、光透過性を有する樹脂を好適に使用することができる。また、ウェル１０４内における溶液に対して光学的分析（蛍光測定や比色測定など）をする場合には、基材１０１の透明性が高いことが好ましい。例えば、基材１０１の材料は、試料に影響を与えないものであれば特に制限はないが、特にポリプロピレン、ポリカーボネート、アクリルのいずれかを含む樹脂材料を用いれば、良好な可視光透過性を確保することができる。ポリプロピレンとしては、ホモポリプロピレンやポリプロピレンとポリエチレンとのランダム共重合体を使用することができる。また、アクリルとしては、ポリメタクリル酸メチル、または、メタクリル酸メチルとその他のメタクリル酸エステル、アクリル酸エステル、スチレンなどのモノマーとの共重合体を使用することができる。また、これらの樹脂材料を使用する場合、チップの耐熱性や強度を確保することもできる。樹脂材料以外としては、アルミニウム、銅、銀、ニッケル、真鍮、金等の金属材料を挙げることができる。金属材料を用いた場合、加えて熱伝導率及び耐磨耗性能等に優れる。

なお、基材１０１のウェル１０４の底部、もしくは外周方向の壁部を透明とすることで、蛍光等の検出・分析を外部から行うことができる。なお本発明における「透明」及び「光透過性」とは、形成した際の可視光域（波長３５０〜７８０ｎｍ）の全平均透過率が７０％以上であるものとする。

基材１０１の加工方法としては、樹脂材料の場合には、射出成形、真空成形等の各種樹脂成形法や、機械切削などを用いることができる。金属材料の場合には、厚手の基材を用いた研削加工やエッチング、薄手の金属シートにプレス加工や絞り加工を施すことで形成することができる。

また、基材１０１として特にポリプロピレン、ポリカーボネート、アクリルのいずれかを含む樹脂材料を用いた場合、良好な光透過性、耐熱性、強度を確保することができる。

図５、図６、図７は本発明の別の一形態である。

基材５０２は円形状に配置した時に効率よく複数のチップが並ぶように出来ているが、外周部はなめらかな円弧状ではなく、円周の長さに対して外周の表面積を増大するような形状であっても良く、基材５０２の様に反応ウェルに沿って波型の外形をする事で測光領域や温調領域を増大する事が出来る。

サンプル導入口及び空気穴には図１２（ｂ）、（ｃ）のようにリップ部５０１を設けることが出来る。このリップ部によって装置側に蓋の機構が無くとも、平らな面で押しつぶす事で内容物の外部への漏れを防ぐ事が出来る。

図７は基材５０２を円形状に配置した時の第２面からの平面図である。

本発明の一形態では、３枚の基材を円形状に並べた時に図７の様に効率的に少ないスペースにチップが配置できる。

このとき、基材を通常の扇形にした時よりも全体的に流路が折り畳まれ、少ないスペースに多くの流路を作りこむ事が可能である。

基材内に効率よく流路形状を作り込む事で、熱容量を減らしたり、処理装置のサイズを減少したりする効果が期待できる。

図８、図９は本発明の更に別の一形態である。

図８は本発明の一形態における第２面の平面図になり、本発明の一形態では図９の様に４枚の基材を円形に配置した時に効率良く処理装置のスペースを使用する事が出来る。

また、本発明の一形態によれば図８、図９の様に、本発明のチップ以外の例えば血液処理システム８０２を配置するため効率的な形状を取る事も出来る。

また、本発明の一形態によれば２次元コード８０１の様に、チップや試薬を管理するための２次元コード、バーコード、文字、図、ＲＦＩＤや電子チップを貼付、埋め込みを行う事もできる。

図１０、図１１は本発明の試料分析チップの分析方法の一例である。ステージ１００１には１枚、もしくは複数枚のチップ１０００を搭載し、温調装置１００２によってウェルを温調する。このとき、上下から挟み込んで温調を行えばより熱効率が良い。また、測光装置１００３は側面からウェル内を測定しても良いし、ウェル上部に配置しても良い。

図１０、図１１における温調装置１００２、測光装置１００３は図の様に本発明の試料分析チップ１枚の単位で構成する事ができる。図１０では、温調装置１００２が片側のみ、図１１では温調装置がチップ１０００の表裏に設置された例である。

本発明の分析方法の一例によれば、温調、測光の範囲を、本発明の試料分析チップ１枚の範囲で行えば、温調、測光装置が小型で済むし、また、配置された複数のチップ全てに対して行えば複数のサンプルの処理時間を短くする事が可能である。

図１２（ａ）〜（ｃ）は本発明の一形態における断面図である。

サンプル送液部１０２から主流路に沿って空気穴１０３までを断面図にした際、溝形状を下側に向けた場合、図１２（ｂ）、（ｃ）のような断面形状になる。

サンプル送液口１０２は送液するための部材、例えばピペットにより送液する場合、図１２（ｂ）の様なコーン形状であっても良い。

また、余剰液貯留部１０７は主流路１０６に対して十分に断面積が広く、高さ方向にも広がっている事が望ましい。

サンプル送液部１０２、及び空気穴１０３には蓋をするためのリップ部５０１を作る事で上方への溶液の流出を防ぐ事が出来るし、反応中の内部の液の移動を最小限に抑える事が可能になるが、処理装置や別部材として蓋になるような機構を用意する場合や、反応液以外の溶液の流出が問題にならない場合は作る必要は無い。

本発明の反応チップは、例えば核酸等の試料において生化学物質の検出や分析に用いることができる。特にＳＮＰの変異を検出することや、がんなどの遺伝子、生殖細胞や体細胞遺伝子の変異を検出する手法へ利用することができる。また、複数の溶液を混合する容器、反応容器として利用することが可能である。

１０１・・・基材
１０２・・・サンプル送液部
１０３・・・空気抜き通路
１０４・・・ウェル
１０５・・・側路
１０６・・・主流路
１０７・・・余剰液貯留部

Claims

基材上に複数の反応ウェルと、反応ウェルにサンプルを供給するための主流路と、主流路と反応ウェルを連通させる側路と、主流路にサンプルを供給するためのサンプル送液部と、余剰溶液を保持するための余剰液貯留部と、余剰液貯留部と外部を連通する空気抜き通路を備え、遠心力によってサンプルを反応ウェルに送液する試料分析チップであって、該基材は該生化学反応処理構造の形状に沿った左右非対称の非扇形でありながら、装置処理ステージ上に同心円状に配置した際に円の中心が基材上に存在しないことを特徴とした、試料分析チップ。
該ステージ上に複数の試料分析チップを同心円状に配置した際に余剰液貯留部、サンプル送液部、反応ウェルがそれぞれ同心円状に並び、且つ余剰液貯留部、サンプル送液部、反応ウェルの順に同心円の中心から距離が近い事を特徴とする、請求項１に記載の試料分析チップ。
該反応ウェルは外周部から３ｍｍ以内に配置される事を特徴とする、請求項１に記載の試料分析チップ。
該主流路が山部と谷部を持つ波型構造でありながら、放射方向に対して傾いた形状に形成する事によって、小さなスペースに流路を効率よく配置できる事を特徴とする、請求項１に記載の試料分析チップ。
該波型主流路が放射方向に対して傾いた形状であり、且つ該側路が該主流路と逆方向に傾いた形状であるように形成する事を特徴とする、請求項１に記載の試料分析チップ。
前記主流路の路幅は、相対的に前記山部で小さく、前記谷部で大きい事を特徴とする、請求項１に記載の試料分析チップ。
本発明の試料分析チップは、前記基材を回転させ、遠心力による溶液の送液を行うための担持部が前記基材に設けられている事を特徴とする、請求項１に記載の試料分析チップ。
本発明の試料分析チップは、前記ウェル及び前記主流路が片側に形成された第一基材と、該第一基材と貼り合わせた第二基材とを有する事を特徴とする、請求項１に記載の試料分析チップ。
前記サンプル送液部と前記空気抜き通路は、いずれも前記主流路が形成されている側の面とは反対側の面において大気開放されている事を特徴とする、請求項１に記載の試料分析チップ。
前記余剰液貯留部における前記溶液の流通方向に直交する断面の面積は、前記主流路における前記溶液の流通方向に直交する断面の面積よりも大きい事を特徴とする、請求項１に記載の試料分析チップ。
前記サンプル送液部の他端及び前記空気抜き通路の他端を囲む壁状であって、前記流路に前記溶液が注入された後、前記サンプル送液部及び前記空気抜き通路の大気開放端を閉塞させることを目的とした、装置もしくは冶具によって変形し前記流路を密閉状態に保つことを可能としたリップ部を有する事を特徴とする、請求項１に記載の試料分析チップ。
前記第一基材と前記第二基材との少なくともいずれかは光透過性材料で形成されている事を特徴とする、請求項１に記載の試料分析チップ。
また、前記第一基材が光透過性の樹脂材料であり、前記第二基材が金属材料である事を特徴とする、請求項１に記載の試料分析チップ。
また、前記試料分析チップを円形状に配置する際に、前記試料分析チップで分析を行うためのシステムを同円形内に配置する事を特徴とした、請求項１に記載の試料分析チップ。
請求項１〜１４のいずれか１項に記載の試料分析チップを用いた分析装置であって、前記主流路に前記サンプルを注入する機能と、前記基材を回転させて前記溶液を前記各ウェルに配液する機能と、前記各ウェルを測光する機能を有することを特徴とする試料分析装置。