JP2015192603A

JP2015192603A - マイクロ流路チップおよびその駆動方法

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Publication number: JP2015192603A
Application number: JP2014071473A
Authority: JP
Inventors: 浩之田中; Hiroyuki Tanaka
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2014-03-31
Publication date: 2015-11-05

Abstract

【課題】迅速及び簡便に、遺伝子を含む検体から複数種の核酸を抽出、増幅、その配列を検出するための機能を集積したマイクロ流路チップに関する。従来のマイクロ流路チップおいてＰＣＲリアクタを複数個集積したとき、集積度を上げることが課題であった。【解決手段】本開示に係るマイクロ流路チップは、逆送ラインを設け、それを利用した送液を行うことによって、各リアクタ間をマイクロ流路が通り抜けないようにし、一度により多くのマルチプレックスＰＣＲ増幅および検出を可能にする高い集積度のマイクロ流路チップを得る。【選択図】図１

Description

本発明は、シリコンおよびプラスチックの積層基板上に形成された少なくとも２以上の複数のリアクタおよび検出器が搭載されたマイクロ流路チップに関する。

近年、遺伝子解析技術の向上により、遺伝子の多様性解析や発現解析の進展が目覚しい。特に医療分野では、遺伝子と疾患の関係が注目されている。例えば、疾患に関連した個々の遺伝子情報（特定の遺伝子配列）を解析することで、患者個人毎に適切な治療や投薬を行うこと（テーラーメイド医療）が可能になってきた。テーラーメイド医療では、その場診断が最も望ましく、ＰＯＣＴ（ＰｏｉｎｔｏｆＣａｒｅＴｅｓｔｉｎｇ）性が高く、迅速、簡便な手法が求められる。そのため、血液など、採取した検体から解析対象の遺伝子のＤＮＡ／ＲＮＡを抽出し、増幅し、その配列や量の検出を迅速・簡便に行えるデバイスの実現が強く求められている。
これらの要求に応える手段の１つとして、近年、マイクロ・トータル・アナリシス・システムズ（μＴＡＳ）（またはラブ・オン・チップ（Ｌａｂ−ｏｎ−Ｃｈｉｐ）と呼ばれる）が注目されている。μＴＡＳやＬａｂ−ｏｎ−ｃｈｉｐは、基板内にマイクロメートルオーダーの微細構造で構成されたマイクロ流路やポートを設け、その構造内で物質の混合、抽出、精製、化学反応及び／または分析など各種の操作を行うシステムで、一部は実用化されている。各種の操作が微細構造内で行われるため、常用サイズの同種の装置に比べて、（１）サンプルおよび試薬の使用量が著しく少ない、（２）分析時間が短い、（３）感度が高い、（４）現場に携帯し、その場で分析できる、及び（５）使い捨てできるなどの特徴を有する。このような目的のために作製された、基板内にマイクロ流路およびポート等の微細構造を有する構造物は総称してマイクロ流路チップ又はマイクロ流体デバイスと呼ばれる。

マイクロ流路チップを用いて短時間で検体中の遺伝子を解析するためには、チップ内に遺伝子抽出・増幅・検出の機能が組み込まれることが望まれる。特に、より多くの情報を短時間で得るために、一度に複数個の検体を検出することや、１検体あたり複数種の遺伝子を検出すること（マルチプレックス増幅および検出）が求められる。これらを実現するために、マイクロ流路チップは、遺伝子中のＤＮＡ／ＲＮＡをＰＣＲ（ポリメラーゼ・チェイン・リアクション）により増幅等の処理を行うための複数個のリアクタと、リアクタで処理されたサンプル中の成分の種類や量（例えば、ＤＮＡ／ＲＮＡの配列や量）を検出するための複数個の検出器を具備し、それらをマイクロ流路で接続したマイクロ流路チップの開発が盛んに行われている。

特許第４２０２４０７号公報欧州特許第１１１８２５３３号明細書

特許文献１から３には、複数のＰＣＲリアクタ及び複数のセンサを用いた時の課題は検討されていなかった。本開示に係るマイクロ流路チップは、逆送ラインを設け、それを利用した送液を行うことによって、各リアクタ間をマイクロ流路が通り抜けないようにし、一度により多くのマルチプレックスＰＣＲ増幅および検出を可能にする高い集積度のマイクロ流路チップを得る。

上記目的を達成する本発明に係るマイクロ流路チップは、
基板の上に、
核酸の増幅に必要な試薬１、
核酸を増幅するリアクタ、
核酸の増幅に寄与しない部分を捨てるためのマイクロ流路、
核酸の検出に必要な試薬２、
核酸の増幅を検出するセンサ、
前記リアクタは連通するポートＡと、ポートＢを具備したマイクロ流路チップであって、
前記ＰＣＲリアクタはマイクロ流路を具備する基板の端部近くに配置され、
ポートＡには、前記試薬１に通ずるマイクロ流路ならびに前記試薬２ならびに前記センサに通ずるマイクロ流路が接続され、
ポートＢには、前記ドレインに通ずるマイクロ流路が接続され、ポートＡからポートＢに向けて、前記試薬１と混合されたサンプルを、前記ＰＣＲリアクタならびに前記ドレインに輸送する送液ライン１と、ポートＢからポートＡに向けて、ＰＣＲされた核酸増幅産物を、前記試薬２と混合し前記センサに輸送する送液ライン２を具備し、
前記送液ライン１と前記送液ライン２を切り替えることができる送液機構を具備する。

また、基板Ａの平面内に、請求項１記載のマイクロ流路チップが、複数個並列に並べられ、前記ドレインの出口が一つの流路で束ねられていることを特徴とする。そうすることによって、上記リアクタおよびセンサを並列に複数個並べたとしても、各リアクタ間をマイクロ流路が通り抜けないので、高密度にリアクタならびにセンサを配置することができる。

また、前記のマイクロ流路チップにおいて、前記センサの出口側が一つの流路で束ねられていることを特徴とする、マイクロ流路チップ。そうすることでセンサ側に引き回す流路の数を削減することができ、さらなる集積度の向上をもたらす。

さらに、前記、マイクロ流路チップにおいて、前記ＰＣＲリアクタの大部分が、基板をくり抜いたトレンチによって、熱的に分離されていることを特徴とする。そうすることによって、リアクタの熱的な応答性が向上する。

また、前記のマイクロ流路チップにおいて、前記ＰＣＲリアクタが互いに隣り合う部分のトレンチがないことを特徴とする。そうすることによって、リアクタ間のトレンチが無くなるので、各リアクタ個別に処理条件を変えて加熱・冷却することはしづらくなるが、全リアクタでの処理条件が同じであれば問題ないので、この場合のリアクタの集積度はさらに向上する。
マイクロ流路チップにおいて、前記試薬１と前記試薬２が、前記基板Ａの上と異なる基板Ｂに格納されていることを特徴とするマイクロ流路チップ。そうすることによって、試薬の取り換えがしやすくなり、またリアクタで加熱される際の熱の影響を試薬が受けにくい。

本開示のマイクロ流路チップによれば、逆送ライン（送液ライン２）を設けることによって、各リアクタ間をマイクロ流路が通り抜けないようにし、ＰＣＲリアクタやセンサを複数個並べたときでも高い集積度を得られる。また、マイクロ流路チップの駆動方法において、逆送ラインから送液する駆動方法により、複数個の反応及び検出を容易に実現できる。

実施の形態１示す概念図。実施の形態２を示す概念図。実施の形態３を示す概念図。一実施形態を示すフローチャートを示す図。実施例１で得られたチップのレイアウト模式図。実施例１で得られたチップの実際のレイアウト図。特許文献１の構成を示す図。マイクロ流路チップの一例を示す図。特許文献２の構成を示す図。従来例の課題を示す図。

実施形態を説明する前に、本発明者らが見出した特許文献１及び２の課題について詳細に説明する。

図７に示すように、特許文献１では、ＰＣＲを行うリアクタと電気化学センサがマイクロ流路で直列接続された構造が開示されている。この方法によると、リアクタ前後のマイクロ流路中のリアクタで未反応しなかった液体もセンサに混入するため、センサの検出感度の低下をもたらしうることは言うまでもない。

上記問題を解決する構成として、本発明者らが想定した構造として、リアクタとセンサの間にドレインラインとして機能するマイクロ流路を設けることが考えられる。このドレインラインは、センサに混入することを防ぎたい液体を排出するラインとして機能する。さらに、この構成は、センサでの検出感度を低下させないように、リアクタの熱制御の機構（例えばヒートシンク）と、他のマイクロ流路部品（センサ等）やマイクロ流路に担持された試薬が熱的に干渉することを防ぐために、マイクロ流路を曲げて、それらを基板の一辺側（ＰＣＲの入力側）に寄せて、隔離する構成が開示されている（図８）。

しかしながら、この方法によると、複数個の検体や複数種の遺伝子を処理するために、リアクタを並列に複数個配置した場合、曲げられたマイクロ流路が各リアクタの間を通り抜けるため、その空間の確保が必要なる。さらに、各リアクタを個別に熱制御する場合、各リアクタ間は熱的に分離されていることが望ましく、トレンチを形成するための十分な幅の空間が必要となり、リアクタの集積度を上げることは困難であった。

上記の問題を解決する構成として、マイクロ流路が各リアクタ間を通り抜けないように、ＰＣＲリアクタの入力するマイクロ流路と出力するマイクロ流路を同じ一辺側に作形成することも考えられるが、それはＰＣＲリアクタの熱応答性能や温度均一性を維持する上で好ましくない。なぜなら、本発明者らが想定する構造において、ＰＣＲリアクタの入力側と出力側のマイクロは対向する位置に配置することが、熱分離の効果を向上させる観点で特に好ましいことが開示されており（図９）、これはＰＣＲリアクタの入力側と出力側のマイクロ流路を近づけるとＰＣＲリアクタの熱応答性能や温度均一性を十分に確保できなくなる、という問題があるために実施されていると考えられる。

すなわち、上記理由により、これまでに開示されている方法では、ＰＣＲリアクタやセンサを複数個並べたときに、センサの検出感度やリアクタの熱応答性能や温度均一性を維持しながら、集積度を上げることが難しいことが非常に大きな課題であった。そのため、一度に並列処理できる数に制限が生じ、限られていた用途での利用にとどまっていた（図１０）。

以下、実施形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図５に、実施の形態１のマイクロ流路チップの全体模式図の一例を示す。

マイクロ流路チップ１００は、第１チップ部２００と、第２チップ部３００と、第３チップ部４００とを備える。第１チップ部２００と、第２チップ部３００と、第３チップ部４００とは、１つの基板上に形成されても良いし、それぞれ他の基板上に形成されても良い。

第１チップ部２００は、少なくとも３個の開口部（２０１、２０２、２０３）と、ポンプとを有する。

第２のチップ部３００は、第１ミキサ３０１と、第１ＰＣＲリアクタ３０２と、フィルタ３０３とを備える。

第３のチップ部４００は、第２ミキサ４０１と、複数のセンサ（１０２１、１０２２、１０２３、１０２４、１０２５）と、
複数の第２ＰＣＲリアクタ（１０１１、１０１２、１０１３、１０１４、１０１５）とを備える。

マイクロ流路チップ１００は、複数の第１マイクロ流路を有する。第１マイクロ流路は、開口部２０１（２０２）、第１ミキサ３０１、第１ＰＣＲリアクタ３０２、フィルタ３０３、第２ミキサ４０１、及び第２ＰＣＲリアクタ１０１１（１０１２、１０１３、１０１４、１０１５）まで連続的に繋がっている。第１マイクロ流路は、少なくとも１つの開口部及び第２ＰＣＲリアクタを連続的に繋がっている。

マイクロ流路チップ１００は、第２マイクロ流路を有する。第２マイクロ流路は、開口部２０３、及び第２ミキサ４０１まで連続的に繋がっている。

第２のチップ部３００において、第１ＰＣＲリアクタ３０２とフィルタ３０３との間における第１マイクロ流路に、第１ドレインが形成され得る。

第３チップ部４００において、第２ミキサ４０１と第２ＰＣＲリアクタ（１０１１、１０１２、１０１３、１０１４、１０１５）との間のマイクロ流路に、第２ドレインが形成される。

第２ＰＣＲリアクタ（１０１１、１０１２、１０１３、１０１４、１０１５）からマイクロ流路チップ１００の外部に出力するための第３ドレインが形成され得る。

なお、複数の第２ドレインが形成されても良い。第２のドレイン及び第３ドレインは繋がれても良い。

開口部２０１に、検体が注入される。開口部２０２に、第１試薬が注入される。開口部２０３に、第２試薬が注入される。

ポンプが各開口部（２０１、２０２、２０３）と第１ミキサ３０１との間に配置される。ポンプにより、マイクロ流路中における、注入された検体又は試薬の流量を制御できる。

ここで、図１に、第３チップ部４００の拡大模式図を示す。

第３チップ部４００は、複数の第２ＰＣＲリアクタ（１０１１、１０１２、１０１３、１０１４、１０１５）と、複数のセンサ（１０２１、１０２２、１０２３、１０２４）と、第１バルブ１０３と、複数の第２バルブ（１０４１、１０４２、１０４３、１０４４、１０４５）と、制御部１０６を備える。

図１では、ＰＣＲの試薬１０５及びセンサの試薬１０６が配置されている状況を示している。ＰＣＲの試薬１０５は、流路の途中に配置するのが望ましいが、事前に別の場所でサンプルと混合し、インレット側から注入してもよい。センサの試薬１０６も、流路の途中で配置するのが望ましいが、前述と同様の方法で準備してもよい。また、チップ利用の簡便性の観点から、いずれの試薬も乾燥状態でマイクロ流路中に保存されていることが特に望ましい。

なお、複数の第２ＰＣＲリアクタを総称して、第２ＰＣＲリアクタ１０１とも表記する。複数のセンサを総称して、センサ１０２とも表記する。複数の第２バルブを総称して、第２バルブ１０４とも表記する。

第３チップ部４００は、第２ＰＣＲリアクタ１０１、及びセンサ１０２を繋げる第３マイクロ流路を有する。第３マイクロ流路において、センサ１０２から液体が出力される方向に、第２バルブ１０４が位置される。

第２ＰＣＲリアクタ１０１の出力方向（第２ＰＣＲリアクタの出口とも表記する。）に、ドレインに繋がる第４マイクロ流路が形成される。

制御部１０６は、第３マイクロ流路及び第４マイクロ流路に輸送する液体を制御する。制御部１０６は、第１マイクロ流路から流れてくる液体とセンサ１０２の検出に用いられる試薬とが混合された混合物を第３マイクロ流路に流れるように制御する。制御部１０６は、センサ１０２の検出に用いられない液体を第４マイクロ流路に流れるように制御する。

図１に示されるように各第２ＰＣＲリアクタの出口は、一つの第４マイクロ流路で束ねられて、別の送液ライン（逆送ライン）に接続される。

逆送ラインは、ＰＣＲリアクタで反応した液体に含まれる不要な液体をドレインに捨てることを可能にする。また、必要な液体をセンサへ転送することができる。図４に送液のフローを示す。

図５以降に示される、マイクロ流路、ＰＣＲリアクタおよびセンサ１０２は、基板上に形成される。基板の材料の例は、シリコン、ガラス、又はプラスチックである。

第１ＰＣＲリアクタ及び第２ＰＣＲリアクタが高い熱伝導性を有する基板上に形成されることにより、増幅処理の向上させることができるため望ましい。高い熱伝導性を有する基板の例は、シリコン基板である。

また、第１ＰＣＲリアクタ及び第２ＰＣＲリアクタは、ヒートロスを少なくするため、観点から、外周部がトレンチによって熱分離されていることが特に好ましい。

また、センサ１０２は、取り換えの簡便性の観点から、同一基板上に形成されなくてもよい。

第１ＰＣＲリアクタで処理されたサンプルをセンサへ送液する際に、リアクタ部分以外の液体がセンサに混入しないように、ドレインへの送液ラインを設ける。

第１バルブ１０３および第２バルブ１０４により、ドレインへの送液ラインとセンサ１０２への送液ラインとに液体を流す方向を選択できる。

第１バルブ１０３及び第２バルブ１０４の例は、電磁弁、空気圧弁などである。第１バルブ１０３及び第２バルブ１０４として、マイクロ流路中の液体の流れを止めることができる構成が適用されうる。

マイクロ流路チップ１００を検査ごとのなど使い捨てる場合、第１バルブ１０３及び第２バルブ１０４として、ポリマーアクチュエータなどを有するバルブで構成することにより、安価なマイクロ流路チップが形成できる。

（実施の形態２）
実施の形態２について、図２を参照しながら説明する。基本的には実施の形態１と同じであるが、構成をシンプルにするために、アウトレットへ転送するマイクロ流路が束ねられ、共通化されている。これを実現するために、マイクロ流路を２階層にするなどの必要がある。同一基板上で、２階層にしてもよいし、別基板を用いて、流路をまたぐ形を実現しても良い。サンプルとなる液体の転送方法は実施の形態１に従う。

（実施の形態３）
実施の形態３について、図３を参照しながら説明する。基本的には実施の形態２と同じであるが、アウトレットへ転送するマイクロ流路が束ねられ、共通化されていることに加えて、リアクタの占有面積を小さくするため、各ＰＣＲリアクタの熱分離のためのトレンチがない。この場合、各リアクタに加えられる、加熱冷却などの反応条件は基本的に同じである。サンプルとなる液体の転送方法は実施の形態１に従う。

（実施例１）
ＳＮＰを検出するためのチップを設計した。基板はシリコンであり、マイクロ流路およびＰＣＲリアクタ、そのほかに必要なミキサー、マイクロシーブなどはシリコンをＤ−ＲＩＥでドライエッチングすることによって形成した。共通プラットフォームとして機能させる部分として、ＰＣＲ（１）とＰＣＲ（２）の他にミキサーおよびマイクロシーブを図５のように接続した。シリコン基板の厚さは７５０μｍを用いた。ＰＣＲ１の、ＰＣＲ２の周りは、ＲＩＥにより上面および下面の両面からエッチングし、完全に掘り抜かれ、熱的に孤立させた。一方で、ＰＣＲ内の流路、およびマイクロシーブはＲＩＥによって下面より約３００μｍの深さをエッチングして形成し、パイレックス（登録商標）ガラスを陽極酸化接合によりその表面がふさいだ。またセンサや送液を制御するためのポンプ、バルブとの接続部に貫通穴をもうけ、これらもＲＩＥによって上面より約３００μｍの深さをエッチングして形成した。センサは、プラスチック流路を介して接続した。ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル樹脂）で流路を形成し、エラストマーを用いてシリコン層と接続した。試薬は、それぞれのＰＣＲリアクタ反応に用いるプライマーやポリメラーゼなどの試薬の他に、センサに用いる試薬（３）を配置した。センサは本実施例では特許第４２０２４０７などで開示されているピロリン酸検出型のＳＮＰセンサを用いた。図５にしめされているように各ＰＣＲリアクタの出口は、一つのマイクロ流路で束ね、別の送液ライン（逆送ライン）に接続した。この逆送ラインによって、ＰＣＲリアクタで反応した液体を、不要な部分はドレインに捨て、その後必要な部分のみをセンサへ転送した。ＳＮＰセンサでＳＮＰあり、無しの場合を電流検出した結果、十分にＳＮＰ判別が可能なレベルの電流信号比が得られた。

本発明によれば、ＰＣＲの放熱性を高めることで、その昇降温速度を十分に向上させ、ＤＮＡの抽出、増幅、またはその配列の検出を迅速・簡便に行えるマイクロ流路チップを提供することができる。

１０１第２ＰＣＲリアクタ
１０２センサ
１０３第１バルブ
１０４第２バルブ
３０１第１ミキサ
３０２第１ＰＣＲリアクタ
３０３フィルタ
４０１第２ミキサ

Claims

基板上に配置され、かつ、第１チップ部と、第２チップ部と、第３チップ部とを備えるマイクロ流路チップであって、
前記第１チップ部は、少なくとも３つの開口部と、複数のポンプとを有し、
前記第２チップ部は、第１ミキサと、第１ＰＣＲリアクタと、フィルタとを有し、
前記第３チップ部は、第２ミキサと、複数のセンサと、複数の第２ＰＣＲリアクタとを有し、
少なくとも１つの前記開口部と、前記第１ミキサと、前記第１ＰＣＲリアクタと、前記フィルタと、前記第２ミキサと、少なくとも１つの前記第２ＰＣＲリアクタとを連続的に繋ぐ第１マイクロ流路と、
少なくとも１つの開口部と、前記第２ミキサ４０１とを連続的に繋ぐ第２マイクロ流路と、
前記第１マイクロ流路における前記第１ＰＣＲリアクタ及び前記フィルタの間に位置する第１ドレインと、
前記第１マイクロ流路における前記第２ミキサと第２ＰＣＲリアクタとの間に位置する第２ドレインと、
前記第２ＰＣＲリアクタと前記センサとを繋ぐ第３マイクロ流路と、
前記第２ＰＣＲリアクタと外部に液体を出力する第３ドレインとの間を繋ぐ第４マイクロ流路とをさらに備える、
マイクロ流路チップ。
前記マイクロ流路チップは、第１マイクロ流路及び第２マイクロ流路から流れてくる液体を、第３マイクロ流路又は第４マイクロ流路を切り替える制御部をさらに備える、請求項１に記載のマイクロ流路チップ。
前記制御部は、
前記第１マイクロ流路から流れてくる液体とセンサによる検出に用いられる試薬とが混合された混合物を第３マイクロ流路に流すように制御する、
請求項２に記載のマイクロ流路チップ。
基板の上に、前記リアクタは連通するポートＡと、ポートＢを具備したマイクロ流路チップであって、
前記ＰＣＲリアクタはマイクロ流路を具備する基板の端部近くに配置され、
善意ポートＡには、試薬１に通ずるマイクロ流路ならびに前記試薬２ならびに前記センサに通ずるマイクロ流路が接続され、
前記ポートＢには、前記ドレインに通ずるマイクロ流路が接続され、
前記ポートＡから前記ポートＢに向けて、前記試薬と混合されたサンプルを、前記ＰＣＲリアクタならびに前記ドレインに輸送する第１送液ラインと、
前記ポートＢから前記ポートＡに向けて、ＰＣＲされた核酸増幅産物を前記試薬２と混合し前記センサに輸送する送液ライン２と、
前記送液ライン１と前記送液ライン２を切り替える制御部とを具備する、
マイクロ流路チップ。
前記基板の平面内に、請求項４記載のマイクロ流路チップが、複数個並列に並べられ、前記ドレインの出口が一つの流路で束ねられている、
マイクロ流路チップ。
請求項５記載のマイクロ流路チップにおいて、
前記センサの出口側が一つの流路で束ねられている、マイクロ流路チップ。
請求項５又は６記載のマイクロ流路チップにおいて、
前記ＰＣＲリアクタの大部分が、前記基板をくり抜いたトレンチによって、熱的に分離されている、
マイクロ流路チップ。
請求項６記載のマイクロ流路チップにおいて、前記ＰＣＲリアクタが互いに隣り合う部分のトレンチがない、マイクロ流路チップ。
請求項４記載のマイクロ流路チップにおいて、
第１試薬と第２試薬とが、前記基板の上と異なる第２基板に格納されている、
マイクロ流路チップ。
前記基板の材質がシリコンである、
マイクロ流路チップ。
前記第２基板の材質が、プラスチックである、
マイクロ流路チップ。
基板上に、
核酸の増幅に用いられる第１試薬、
核酸を増幅するＰＣＲチャンバー、
核酸の増幅に寄与しない部分を捨てるためのドレイン、
核酸の検出に用いられる第２試薬、
核酸の増幅を検出するセンサ、
前記ＰＣＲリアクタは連通するポートＡと、ポートＢを具備し、
前記ＰＣＲチャンバーは中心部より端部近くに配置され、
ポートＡには、前記試薬１に通ずる流路ならびに前記試薬２に通ずる流路が接続され、
ポートＢには、前記ドレインに通ずる流路が接続されたＤＮＡ解析マイクロ流路チップを準備する第１工程と、
前記ポートＡから前記ポートＢに向けて、前記試薬１と混合されたサンプルを、前記ＰＣＲリアクタ、前記ドレインの順に輸送する第２工程と、
前記増幅に不要な部分をドレイン側に輸送した後、前記ＰＣＲリアクタでＰＣＲを行う第３工程と、
前記ポートＢから前記ポートＡに向けて、ＰＣＲされた核酸増幅産物を、前記第２試薬、前記センサの順に輸送する第４工程と、
前記輸送された核酸増幅産物をセンサで検出する第５工程と、
を含むマイクロ流路チップの駆動方法。