JP2019163949A - マイクロ流体デバイス及び反応システム - Google Patents

Abstract

【課題】複数の反応チャンバー内における気泡の発生が生じ難い、マイクロ流体デバイス、及び該マイクロ流体デバイスを有する反応システムを提供する。【解決手段】マイクロ流体デバイス１の主流路１１には、複数の分岐流路が接続されている。各々の分岐流路（代表的な分岐流路として分岐流路１２を例示する）において、分注時の反応液を自発的に停止させる流路抵抗部１２ｄが設けられており、流路抵抗部１２ｄの上流側において、第１及び第２の弁２１，２２が設けられており、第１の弁２１と第２の弁２２とで挟まれた部分が反応チャンバー２３とされている。各分岐流路は、第１の弁２１及び第２の弁２２により、個別に開閉でき、反応チャンバー２３における流体の充填量が、反応チャンバー２３の容積の９７％以上である。【選択図】図３

Description

本発明は、流体が送液されるマイクロ流体デバイス及び該マイクロ流体デバイスを用いた反応システムに関する。

従来、流体が送液される流路が設けられたマイクロチップが種々提案されている。例えば下記の特許文献１では、遺伝子増幅反応などを利用した生物学的分析に用いられるマイクロ流体デバイスが開示されている。このマイクロ流体デバイスでは、複数の反応チャンバーにおいてそれぞれ遺伝子増幅反応を生じさせるために主流部に複数の分岐流路の一端が接続されている。各分岐流路内に、反応チャンバーが構成されている。

特開２００８−１３９２３７号公報

ところで、遺伝子増幅反応などを外部から検出器により検出する場合、反応液中に気泡が生じていないことが望ましい。気泡が生じていると反応の程度や反応により生じた物質等を正確に検出することができなくなる。

しかしながら、遺伝子増幅反応などでは、反応チャンバー内の反応液を加熱し、冷却する冷熱サイクル工程を複数回実施する。従って、加熱が繰り返されることにより気泡が生じ易かった。

本発明の目的は、複数の反応チャンバー内における気泡の発生が生じ難い、マイクロ流体デバイス、及び該マイクロ流体デバイスを有する反応システムを提供することにある。

本発明に係るマイクロ流体デバイスは、流体が送液される流路が設けられている基板を含むマイクロチップであって、前記流路は、主流路と、該主流路から分岐している複数の分岐流路とを備え、前記複数の分岐流路の少なくとも１つは、分注時の送液を自発的に停止させる流路抵抗部を有し、前記分岐流路は、前記流路抵抗部よりも上流側において、分岐流路毎に個別に分岐流路を開閉する第１及び第２の弁で挟まれた反応チャンバーを有し、前記反応チャンバーにおける流体の充填量が、前記反応チャンバーの容積の９７％以上である。

本発明に係るマイクロ流体デバイスでは、前記反応チャンバーにおける前記マイクロ流体の充填量が反応チャンバーの容積の９７％以上である。よって、気泡の原因となる蒸気圧よりチャンバー内圧力を高く維持できるため気泡の発生がより一層生じ難い。

本発明に係るマイクロ流体デバイスでは、好ましくは、全ての分岐流路に、前記流路抵抗部及び前記第１及び第２の弁が設けられている。この場合には、全ての分岐流路における反応チャンバーにおいて気泡の発生を効果的に抑制することができる。

本発明に係るマイクロ流体デバイスの他の特定の局面では、前記主流路及び前記複数の分岐流路に前記流体を送液するための送液手段がさらに備えられている。

本発明に係るマイクロ流体デバイスのさらに他の特定の局面では、前記送液手段が、前記主流路の上流側から前記分岐流路に向かって前記流体を押圧するプッシュ式送液手段である。この場合には、送液圧力によりチャンバー内圧力を高めることができるため気泡の発生がより一層生じ難い。

本発明に係るマイクロ流体デバイスのさらに別の特定の局面では、前記送液手段がマイクロポンプである。この場合には、マイクロ流体デバイスにおいて送液手段の小型化を図ることができる。

本発明に係る反応システムでは、前記流体が反応液であって、該反応システムは、本発明に従って構成されているマイクロ流体デバイスと、前記マイクロ流体デバイスの前記反応チャンバー内の反応液の温度を調整するための温度調整装置とを備える。

本発明に係る反応システムのある特定の局面では、前記温度調整装置が、加熱及び冷却を繰り返す冷熱サイクル処理を行う装置である。この場合には、加熱の繰り返しにより気泡が生じ易いおそれがあるが、本発明に従って、反応チャンバー内の気泡の発生を確実に抑制することができる。

本発明に係る反応システムのさらに他の特定の局面では、前記反応チャンバーで行われる反応が、遺伝子の増幅反応である。

本発明に係る反応システムのさらに別の特定の局面では、前記反応チャンバーで行われる遺伝子の前記増幅反応を検出する検出器がさらに備えられている。この場合には、マイクロ流体デバイス外に設けられた検出器を用いて、遺伝子の増幅反応を高精度に検出することができる。

本発明に係るマイクロ流体デバイス及び反応システムによれば、複数の反応チャンバー内における反応液中での気泡の発生を効果的に抑制することができる。従って、各反応チャンバーにおける反応の検出に際し、その精度を効果的に高めることができる。

本発明の第１の実施形態に係るマイクロ流体デバイスの外観を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係るマイクロ流体デバイスの要部を示す模式的平面図である。 図２中のＡ−Ａ線に沿う部分の断面図である。 図２中のＢ−Ｂ線に沿う部分の断面図である。 本発明の第２の実施形態としての反応システムであり、実施例１で用いた反応システムを説明するための断面図である。 実施例２で用いた反応システムを説明するための断面図である。 比較例１で用いた反応システムを説明するための断面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

なお、本明細書に記載の各実施形態は、例示的なものであり、異なる実施形態間において、構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることを指摘しておく。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るマイクロ流体デバイスの外観を示す斜視図であり、図２はその要部を示す模式的平面図である。また、図３は、図２中のＡ−Ａ線に沿う部分の断面図であり、図４は、図２中のＢ−Ｂ線に沿う部分の断面図である。

マイクロ流体デバイス１は、液体が送液される基板２を有するマイクロチップである。特に限定されないが、本実施形態では、マイクロ流体デバイス１は、板状の基板２を有する。板状の基板２は、基板本体３と基板本体３の上面を覆うように設けられたカバー層４と、底面側に積層されたベース層５とを有する。なお、積層構造は特に限定されない。

上記マイクロ流体デバイス１内においては、図２に模式的に平面図で示すマイクロ流路が示されている。マイクロ流路とは、流体の搬送に際し、マイクロ効果が生じるような微細な流路をいう。このようなマイクロ流路では、流体は、表面張力の影響を強く受け、通常の大寸法の流路を流れる流体とは異なる挙動を示す。

マイクロ流路の横断面形状及び大きさは、上記のマイクロ効果が生じる流路であれば特に限定はされない。例えば、マイクロ流路に流体を流す際、ポンプや重力を用いる場合には、流路抵抗をより一層低下させる観点から、マイクロ流路の横断面形状がおおむね長方形（正方形を含む）の場合には、小さい方の辺の寸法で、２０μｍ以上が好ましく、５０μｍ以上がより好ましく、１００μｍ以上がさらに好ましい。また、マイクロ流体デバイス１をより一層小型化する観点より、５ｍｍ以下が好ましく、１ｍｍ以下がより好ましく、５００μｍ以下がさらに好ましい。

また、マイクロ流路の横断面形状がおおむね円形の場合には、直径（楕円の場合には、短径）が、２０μｍ以上が好ましく、５０μｍ以上がより好ましく、１００μｍ以上がさらに好ましい。マイクロ流体デバイス１をより一層小型化する観点からは、直径（楕円の場合には、短径）が、５ｍｍ以下が好ましく、１ｍｍ以下がより好ましく、５００μｍ以下がさらに好ましい。

一方、例えば、マイクロ流路に流体を流す際、毛細管現象をより一層有効に活用するときに、マイクロ流路の横断面形状がおおむね長方形（正方形を含む）の場合には、小さい方の辺の寸法で、５μｍ以上であることが好ましく、１０μｍ以上であることがより好ましく、２０μｍ以上であることがさらに好ましい。また、小さい方の辺の寸法で、２００μｍ以下であることが好ましく、１００μｍ以下であることがより好ましい。

図２に示すように、このマイクロ流路は、上流側に位置している主流路１１を有する。主流路１１に、複数の分岐流路１２〜１６及び廃液流路１７が接続されている。

本実施形態では、分岐流路１３〜１６及び廃液流路１７は、接続流路１８を介して主流路１１に接続されている。もっとも、分岐流路１２も、接続流路１８を介して主流路１１に接続されていてもよい。

上記分岐流路１２〜１６のうち、分岐流路１２〜１５が、それぞれ、反応チャンバーを構成している。マイクロ流体デバイス１は、遺伝子増幅反応（ＰＣＲ）による反応を検出するのに用いられる。もっとも、マイクロ流体デバイス１の用途は特に限定されるものではない。

分岐流路１２を代表して、分岐流路１２〜１５の構造を説明する。

図３に示すように、主流路１１は、基板本体３内においてカバー層４側の高さ位置に設けられている。他方、分岐流路１２は第１の分岐流路部１２ａ、第２の分岐流路部１２ｂ及び第３の分岐流路部１２ｃを有する。第２の分岐流路部１２ｂは、基板２において、ベース層５側に設けられている。第１の分岐流路部１２ａ及び第３の分岐流路部１２ｃは、基板２の厚み方向に延びている。

第１の分岐流路部１２ａの上端が主流路１１に接続されており、下端が第２の分岐流路部１２ｂに接続されている。

第２の分岐流路部１２ｂでは、下流側端部に流路の横断面積が小さい流路抵抗部１２ｄが設けられている。この流路抵抗部１２ｄは、第２の分岐流路部１２ｂに送液されてきた流体としての反応液が流路抵抗により自発的に停止する横断面積を有するように構成されている。なお、流路抵抗部は、分注時の反応液の送液を自発的に停止させる流路抵抗を有する限り、構造は特に限定されない。すなわち、流路の横断面積が急激に拡大するようにして、反応液の流路抵抗を高めた流路抵抗部であってもよい。

第２の分岐流路部１２ｂにおいては、流路抵抗部１２ｄよりも上流側に、第１の弁２１及び第２の弁２２が設けられている。第１の弁２１と第２の弁２２とで挟まれた部分が反応チャンバー２３である。第１，第２の弁２１，２２は、反応チャンバー２３内に反応液を封止するために設けられている。

第１の弁２１は、反応液を第２の分岐流路部１２ｂに移動させる際に開状態とされている。第２の弁２２も反応液が流路抵抗部１２ｄ側に向かう場合に開状態とされている。他方、反応チャンバー２３内に反応液を封止する際には、第１の弁２１，第２の弁２２は閉状態とされる。上記第１の弁２１，第２の弁２２は逆止弁などの反応液の通過を許容する開状態と、通過を禁止する閉状態との間で切り替えられ得る限り特に限定されない。従って、逆止弁のほか、流路上を覆うように柔軟性を有する材料が設けられており、押圧等により流路を開閉する弁であってもよい。また、光学的に開状態と閉状態とを切り替えられる弁構造を有する弁であってもよい。また第２の弁が流路抵抗部として機能し、送液を自発的に停止させる役割を兼ねても良い。

本実施形態では、ＰＣＲ反応を反応チャンバー２３内で行うため、温度調整装置２４がマイクロ流体デバイス１の下面側に配置される。なお、温度調整装置２４は、加熱及び冷却を繰り返す冷熱サイクル処理を可能とする適宜の温度調整装置により構成することができる。また、温度調整装置２４は、マイクロ流体デバイス１のベース層５の下面に接触されている必要は必ずしもなく、隔てられていてもよい。好ましくは、温度調整装置２４は、ベース層５の下面に接触されるように設けられる。

図４に示すように、接続流路１８においては、分岐流路１３〜１５の第１〜第３の分岐流路部１３ａ〜１５ａの上端が接続されている。また、図２に示すように、接続流路１８には廃液流路１７も接続されている。

上記接続流路１８は主流路１１と同じ高さ位置に設けられている。分岐流路１６及び廃液流路１７も同じ高さ位置に設けられている。他方、分岐流路１３〜１５は、分岐流路１２と同様に構成されている。従って、全ての分岐流路１２〜１５に第１，第２の弁１１，１２が設けられている。すなわち、第１の分岐流路部１３ａ，１４ａ，１５ａの上端が接続流路１８に接続されている。第１の分岐流路部１３ａ，１４ａ，１５ａの下端が第２の分岐流路部１３ｂ，１４ｂ，１５ｂに接続されている。第３の分岐流路部１３ｃ，１４ｃ，１５ｃの下端が、第２の分岐流路部１３ｂ，１４ｂ，１５ｂに接続されている。第２の分岐流路部１３ｂ，１４ｂ，１５ｂにおいても、第２の分岐流路部１２ｂと同様に、流路抵抗部１３ｄ，１４ｄ，１５ｄが設けられている。また、第１の弁２１及び第２の弁２２が、各第２の分岐流路部１３ｂ，１４ｂ，１５ｂに設けられている。

上記分岐流路１２〜１５では、分岐流路毎に個別に第１及び第２の弁２１，２２を用いて、各分岐流路１２〜１５を開閉することができる。

もっとも、各流路抵抗部１２ｄの流路抵抗については、主流路１１から反応液を供給した場合、分岐流路１２〜１５の第２の分岐流路部１２ｂ，１３ｂ，１４ｂ，１５ｂに同時に反応液が満たされるように調整されていることが望ましい。

分岐流路１２〜１５の第３の分岐流路部１２ｃ〜１５ｃが、接続流路１９に接続されている。他方、分岐流路１６の上流側端部が接続流路１８に接続されており、下流側端部は接続流路１９に接続されている。図４に示すように、分岐流路１６は、接続流路１８と同じ高さ位置に設けられている。接続流路１９も、接続流路１８と同じ高さ位置に設けられている。

マイクロ流体デバイス１を構成する材料は特に限定されない。例えば、基板２を構成している基板本体３、カバー層４及びベース層５は、合成樹脂の成形体の積層構造であってもよい。また、基板本体３が、射出成形品からなり、カバー層４及びベース層５が射出成形品の上面または下面に貼り付けられた合成樹脂フィルムであってもよい。

好ましくは、上記反応チャンバー２３における反応を外部から検出器により光学的に検出する場合、反応チャンバー２３の上部及び／または下部が透光性であることが望ましい。

図５は、上記マイクロ流体デバイス１を有する第２の実施形態としての反応システムを示す断面図である。反応システム３１は、マイクロ流体デバイス１と温度調整装置２４と、検出器３２とを有する。

検出器３２は、前述した反応チャンバー２３内のＰＣＲ反応を検出するために設けられている。検出器３２は、光学的検出装置など様々な測定原理による検出装置で構成することができる。

検出器３２は、非接触式に反応チャンバー２３内のＰＣＲ反応を測定し得るものが望ましい。従って、本実施形態では、検出器３２は、マイクロ流体デバイス１から隔てられて設けられている。

もっとも、検出器３２は、マイクロ流体デバイス１のカバー層４側の表面やベース層５側の表面に接触されていてもよい。

なお、マイクロ流体デバイス１及び反応システム３１の用途は、ＰＣＲ反応を利用して核酸などを検出する用途に限定されるものではない。もっとも、ＰＣＲ反応では、反応液を加熱し冷却する工程を繰り返すことにより遺伝子を増幅させる。従って、このような加熱及び冷却の繰り返しにより、反応液中の溶存酸素等が気泡となって生じるおそれがある。よって、このような気泡が生じ易い反応に用いた場合に、本発明は効果的である。

次に、反応システム３１を用いた検出方法の操作を説明する。

まず、マイクロ流体デバイス１内の送液手段としてプッシュ式送液手段であるマイクロポンプを駆動する。なお、送液手段としては、プッシュ式送液手段に限定されない。そして、主流路１１の上流側から供給されたマイクロ流体としての反応液を主流路１１から、分岐流路１２〜１５に送液する。この場合に、例えば分岐流路１２では、第１の分岐流路部１２ａを介して、第２の分岐流路部１２ｂに反応液が流れる。この場合、第１の弁２１及び第２の弁２２は開状態とされている。そのため、反応液が流路抵抗部１２ｄに至る。分岐流路１３〜１５においても、同様に流路抵抗部１３ｄ，１４ｄ，１５ｄの手前まで反応液が流れ込むことになる。そして、分岐流路１２〜１５は接続流路１９、分岐流路１６により接続流路１８と接続されている。このため上流側の接続流路１８内の圧力と、下流側の接続流路１９内の圧力に大きな差が生じにくくなり、送液の安定性が高まることで第２の分岐流路部１２ｂ〜１５ｂがほぼ同じタイミングで、反応液で満たされることになる。この状態で、第１の弁２１及び第２の弁２２を閉状態とする。それによって、反応チャンバー２３内に反応液が閉じ込められる。

好ましくは、第１の弁２１及び第２の弁２２が閉状態とされているときに、反応液の充填量が反応チャンバー２３の容積の９７％以上を占めるように、第１，第２の弁２１，２２及び反応チャンバー２３の容積が定めされていることが望ましい。その場合には、気泡がより一層生じ難い。よって、加熱及び冷却を後程繰り返したとしても検出精度の低下がより一層生じ難い。

また、好ましくは、上記送液手段として、主流路１１の上流側に設けられたマイクロポンプのように送液する反応液を押圧するプッシュ式の送液手段が望ましい。それによって、第２の分岐流路部１２ｂ内において気泡がより一層生じ難い。

なお、流路抵抗部１２ｄ，１３ｄ，１４ｄ，１５ｄが機能すれば、弁を閉じなくとも余った反応液は廃液流路１７に流れる。

上記のように、第１，第２の弁２１，２２を閉状態とし、その状態で温度調整装置２４を用いて加熱及び冷却を繰り返し、ＰＣＲ反応を進める。設定温度については特に限定されず、ＰＣＲ反応に必要な高温状態と低温状態とを繰り返せばよい。

次に、検出器３２を用いて各反応チャンバー２３内において増幅された核酸などの濃度を光学的に検出する。この場合、反応チャンバー２３内において気泡が生じ難いため、核酸やＤＮＡなどを高精度に検出することができる。

また、上記実施形態では、同時に第１の弁２１及び第２の弁２２を閉状態としたが、本実施形態のマイクロ流体デバイス１では、分岐流路１２〜１５において個別に第１の弁２１及び第２の弁２２を閉状態とすることができる。すなわち、各分岐流路１２〜１５のそれぞれにおいて、気泡が生じ難いタイミングで第１の弁２１及び第２の弁２２を閉状態とすればよい。従って、複数の反応チャンバー２３を有するマイクロ流体デバイス１において、各反応チャンバー間の測定精度のばらつきも生じ難い。

以下、本発明の具体的な実施例及び比較例を挙げることにより、本発明を明らかにする。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
実施例１では、図５に示す反応システム３１を作製した。

具体的には、基板本体３が射出成形品からなる。カバー層４及びベース層５が、射出成形品の上面または下面に貼り付けられた合成樹脂フィルムからなる。ベース層５の下面に温度調整装置２４を設けた。また、カバー層４の上側にカバー層４と隔てて検出器３２を配置した。次に、マイクロ流体デバイス１内の送液手段として第１の弁２１より上流側に設けられた、図示しないマイクロポンプを駆動した。そして、主流路１１の上流側から供給された流体としての反応液を主流路１１から、分岐流路１２〜１５に送液した。それによって、分岐流路１２〜１５を反応液で満たした。この状態で、第１，第２の押圧部材２１ａ，２２ａを用いて第１及び第２の弁２１，２２を閉状態とした。このとき第１及び第２の弁２１，２２に挟まれた反応チャンバー２３の反応液の充填率は１００％であった。第１，第２の弁２１，２２を閉状態とし、その状態で温度調整装置２４を用いて加熱及び冷却を繰り返し、ＰＣＲ反応を行なった。その結果、実施例１では、反応チャンバー２３内にほぼ気泡が生じていなかった。

（実施例２）
実施例２では、図６に示す反応システム３１Ｂを作製した。

第１及び第２の弁２１，２２として、第１，第２の磁石２１ｂ，２２ｂ、および第１，第２の磁性金属球２１ｃ，２２ｃを用いたこと以外は、実施例１と同様とした。反応チャンバー２３の反応液の充填率は１００％であった。第１，第２の弁２１，２２を閉状態とし、その状態で温度調整装置２４を用いて加熱及び冷却を繰り返し、ＰＣＲ反応を行なった。その結果、実施例２では、反応チャンバー２３内にほぼ気泡が生じていなかった。

（比較例１）
比較例１では、図７に示す反応システム３１Ｃを作製した。

比較例１では流路抵抗部１２ｄの下流に第２の弁２２を配置した。実施例１と同様に主流路１１の上流側から供給された流体としての反応液を、主流路１１から、分岐流路１２〜１５に送液した。それによって、分岐流路１２〜１５を反応液で満たした。この状態で、第１，第２の押圧部材２１ａ，２２ａを用いて第１及び第２の弁２１，２２を閉状態とした。このとき第１及び第２の弁２１，２２に挟まれた反応チャンバー２３の反応液の充填率は９５％であった。第１，第２の弁２１，２２を閉状態とし、その状態で温度調整装置２４を用いて加熱及び冷却を繰り返し、ＰＣＲ反応を行なった。その結果、比較例１では反応チャンバー２３内に多くの気泡が発生した結果、検出器３２を用いた検出が困難であった。

１…マイクロ流体デバイス
２…基板
３…基板本体
４…カバー層
５…ベース層
１１…主流路
１２〜１６…分岐流路
１２ａ，１３ａ，１４ａ，１５ａ…第１の分岐流路部
１２ｂ，１３ｂ，１４ｂ，１５ｂ…第２の分岐流路部
１２ｃ，１３ｃ，１４ｃ，１５ｃ…第３の分岐流路部
１２ｄ，１３ｄ，１４ｄ，１５ｄ…流路抵抗部
１７…廃液流路
１８，１９…接続流路
２１，２２…第１，第２の弁
２１ａ，２２ａ…第１，第２の押圧部材
２１ｂ，２２ｂ…第１，第２の磁石
２１ｃ，２２ｃ…第１，第２の磁性金属球
２３…反応チャンバー
２４…温度調整装置
３１，３１Ｂ，３１Ｃ…反応システム
３２…検出器

Claims (9)

1. 流体が送液される流路が設けられている基板を含むマイクロチップであって、
   前記流路は、
   主流路と、
   該主流路から分岐している複数の分岐流路とを備え、
   前記複数の分岐流路の少なくとも１つは、分注時の送液を自発的に停止させる流路抵抗部を有し、前記分岐流路は、前記流路抵抗部よりも上流側において、分岐流路毎に個別に分岐流路を開閉する第１及び第２の弁で挟まれた反応チャンバーを有し、
   前記反応チャンバーにおける流体の充填量が、前記反応チャンバーの容積の９７％以上である、マイクロ流体デバイス。
2. 全ての分岐流路に、前記流路抵抗部及び前記第１及び第２の弁が設けられている、請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
3. 前記主流路及び前記複数の分岐流路に前記流体を送液するための送液手段をさらに備える、請求項１または２に記載のマイクロ流体デバイス。
4. 前記送液手段が、前記主流路の上流側から前記分岐流路に向かって前記流体を押圧するプッシュ式送液手段である、請求項３に記載のマイクロ流体デバイス。
5. 前記送液手段がマイクロポンプである、請求項４に記載のマイクロ流体デバイス。
6. 前記流体が反応液であって、
   請求項１〜５のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイスと、
   前記マイクロ流体デバイスの前記反応チャンバー内の反応液の温度を調整するための温度調整装置とを備える、反応システム。
7. 前記温度調整装置が、加熱及び冷却を繰り返す冷熱サイクル処理を行う装置である、請求項６に記載の反応システム。
8. 前記反応チャンバーで行われる反応が、遺伝子の増幅反応である、請求項７に記載の反応システム。
9. 前記反応チャンバーで行われる遺伝子の前記増幅反応を検出する検出器をさらに備える、請求項８に記載の反応システム。

Images