JP4672511B2 - Micro reactor - Google Patents

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Description

本発明は、微小な反応室内に保持された固体試料に試薬を作用させるためのマイクロ反応装置に関し、例えば細胞組織等の生体試料の一部分に選択的に薬剤を導入し、その反応を観察することにより、細胞組織の機能や薬剤の効用を解析するためのマイクロ細胞解析装置などのマイクロ反応装置に関するものである。   The present invention relates to a microreaction apparatus for allowing a reagent to act on a solid sample held in a minute reaction chamber, for example, introducing a drug selectively into a part of a biological sample such as a cell tissue and observing the reaction. Thus, the present invention relates to a microreaction apparatus such as a microcell analysis apparatus for analyzing the function of a cell tissue and the utility of a drug.

これまでに、細胞に薬剤を与え、その反応を測定するための、MEMS(Micro Electro Mechanical System:超小型電気的機械的システム)技術等を用いて作製された微小流体デバイスが報告されている(非特許文献1〜4参照。)。
これらのデバイスを用いることで、少量の細胞の分析や、薬剤のハイスループットスクリーニングを実現することができる。
So far, microfluidic devices fabricated using MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology for applying drugs to cells and measuring their reactions have been reported ( (See Non-Patent Documents 1 to 4.)
By using these devices, analysis of a small amount of cells and high-throughput screening of drugs can be realized.

これら従来のデバイスは2つの種類に分類することができる。一方は非特許文献1,2のような、細胞1個ずつの反応を分析することを目的としたデバイス、他方は非特許文献3,4のような複数の細胞、例えば組織としての機能をもった細胞の反応を分析することを目的としたデバイスである。
A. Tixier, et al. Micro Total Analysis Systems 2000, pp123-126 (2000) Kwang-Seok Yun, et al. Micro Total Analysis Systems 2002, pp652-654 (2002) Sensors and Actuators A, Vol.114, pp129_134(2004) Kwang-Seok Yun, et al. Micro Total Analysis Systems 2003, Vol. 1, pp861-864 (2003)
These conventional devices can be classified into two types. One is a device intended to analyze the reaction of each cell, as in Non-Patent Documents 1 and 2, and the other is a function of multiple cells as in Non-Patent Documents 3 and 4, such as tissue. It is a device intended to analyze the reaction of cells.
A. Tixier, et al. Micro Total Analysis Systems 2000, pp123-126 (2000) Kwang-Seok Yun, et al. Micro Total Analysis Systems 2002, pp652-654 (2002) Sensors and Actuators A, Vol.114, pp129_134 (2004) Kwang-Seok Yun, et al. Micro Total Analysis Systems 2003, Vol. 1, pp861-864 (2003)

上に述べた従来の2種類の細胞分析用微小流体デバイスは、それぞれ異なった利点と問題点を有する。
まず、1個の細胞の反応を分析することを目的としたデバイスでは、細胞1個に選択的に薬剤を反応させることができる一方で、細胞組織としての機能を解析することができない。例えば、肝細胞等は細胞1個では本来の機能を発現することができないため、実際に生体内で発現している機能を解析することが困難である。
The two types of conventional microfluidic devices for cell analysis described above have different advantages and problems.
First, in a device intended to analyze the reaction of one cell, a drug can be selectively reacted to one cell, but the function as a cell tissue cannot be analyzed. For example, since a liver cell or the like cannot express its original function with a single cell, it is difficult to analyze the function that is actually expressed in vivo.

一方、複数の細胞の反応を分析することを目的としたデバイスでは、薬剤を特定の細胞や部位に選択的に反応させることが困難である。反応室に薬液を導入した場合、反応室全体に薬液が行き渡るため、組織全体に薬液が反応することになる。組織としての細胞の反応は、ある細胞が試薬に反応し、その細胞が生成する物質が他の細胞に働きかけ、さらにその細胞が新たな物質を生成するといった、細胞の相互作用が重要とされている。そのため、詳細な細胞組織の機能を解析するためには、その相互作用のパス(道筋)を解明することが重要であり、そのためには、細胞組織のある特定の細胞や部位に、選択的に薬剤を反応させることが必要である。   On the other hand, in a device intended to analyze the reaction of a plurality of cells, it is difficult to selectively react a drug with a specific cell or site. When a chemical solution is introduced into the reaction chamber, the chemical solution spreads throughout the reaction chamber, so that the chemical solution reacts with the entire tissue. The interaction of cells as a tissue is considered to be important because one cell reacts with a reagent, the substance produced by that cell acts on another cell, and the cell produces a new substance. Yes. Therefore, in order to analyze the detailed function of cellular tissue, it is important to elucidate the path (path) of the interaction. To that end, it is necessary to selectively apply to specific cells or parts of cellular tissue. It is necessary to react the drug.

このような事情は、測定対象が細胞である場合に限らず、他の固体状の試料を対象とする場合に一般に存在する。
そこで本発明は、反応室内の複数の固体試料の一部分に選択的に薬剤を反応させることができるマイクロ反応装置を提供することを目的としている。
Such a situation is not limited to the case where the measurement target is a cell, but generally exists when another solid sample is the target.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a microreaction apparatus capable of selectively reacting a drug with a part of a plurality of solid samples in a reaction chamber.

本発明のマイクロ反応装置は、上面と底面をもつ筒状に形成され、内部の底部に固体試料を収容するための反応室を基体内に備えたものであり、反応室は、上面に反応室内に試薬を導入する試薬導入口と反応室内にバッファ流体を導入する複数個のバッファ導入口とを備え、底隅部に反応室内の液を外部に排出する複数個の液排出口を備えていることを特徴とするものである。   The microreaction apparatus of the present invention is formed in a cylindrical shape having an upper surface and a bottom surface, and is provided with a reaction chamber for accommodating a solid sample at the bottom inside, and the reaction chamber is formed on the upper surface of the reaction chamber. And a plurality of buffer inlets for introducing a buffer fluid into the reaction chamber, and a plurality of liquid outlets for discharging the liquid in the reaction chamber to the outside at the bottom corner. It is characterized by this.

試薬導入口は反応室の上面の中央に配置され、バッファ導入口は3個以上が試薬導入口を取り囲むように配置されていることが好ましい。さらに好ましくは、バッファ導入口は試薬導入口を中心とする1つの円周上に等間隔に配置されている。
液排出口も3個以上設けられていることが好ましい。さらに好ましくは、液排出口は反応室底隅部に等間隔に配置されている。
It is preferable that the reagent introduction port is arranged at the center of the upper surface of the reaction chamber, and three or more buffer introduction ports are arranged so as to surround the reagent introduction port. More preferably, the buffer inlets are arranged at equal intervals on one circumference centered on the reagent inlet.
It is preferable that three or more liquid discharge ports are provided. More preferably, the liquid discharge ports are arranged at equal intervals at the bottom corner of the reaction chamber.

反応室の形状の好ましい一例は円筒状である。
反応室の好ましい一例では、底部は底面と、底面から間隔をもって設けられ試料を保持する底板とからなる二重構造になっており、その底板には保持しようとする試料よりも小さい孔が複数あけられ、液排出口が底板よりも下側に設けられているものである。その場合、反応室内に導入された試薬とバッファ流体が底板の孔を通って液排出口から排出されるようになる。
A preferable example of the shape of the reaction chamber is a cylindrical shape.
In a preferred example of the reaction chamber, the bottom has a double structure comprising a bottom surface and a bottom plate that is spaced from the bottom surface and holds the sample, and the bottom plate has a plurality of holes smaller than the sample to be held. The liquid discharge port is provided below the bottom plate. In this case, the reagent and the buffer fluid introduced into the reaction chamber are discharged from the liquid discharge port through the hole in the bottom plate.

本発明のマイクロ反応装置の使用方法では、反応室の底部に複数個の試料が保持され、バッファ導入口のそれぞれから導入されるバッファ流体の流量が調整されることにより試薬導入口から導入される試薬の流れ方向が制御されて複数個の試料の一部に選択的に作用させられる。   In the method of using the microreaction apparatus of the present invention, a plurality of samples are held at the bottom of the reaction chamber, and are introduced from the reagent inlet by adjusting the flow rate of the buffer fluid introduced from each of the buffer inlets. The flow direction of the reagent is controlled to selectively act on a part of the plurality of samples.

本発明のマイクロ反応装置で反応室内に保持される試料は、特に限定されるものではないが、好ましい例は生体細胞である。
本発明のマイクロ反応装置は、バッファ導入口のそれぞれに接続され、導入するバッファ流体の流量を調整することのできるバッファ流体導入機構をさらに備えたものとすることもできる。
The sample held in the reaction chamber by the microreaction apparatus of the present invention is not particularly limited, but a preferred example is a living cell.
The microreaction apparatus of the present invention may further include a buffer fluid introduction mechanism that is connected to each of the buffer introduction ports and can adjust the flow rate of the introduced buffer fluid.

図1に本発明のマイクロ反応装置の構成を概略的に示す。図1(A)は概略的な透視図、図1(B)は(A)A−A線位置での断面図である。
反応室2は基体内に上面4と底面をもつ筒状に形成され、内部の底部6に固体試料8を収容する。上面4には反応室2内に試薬を導入する試薬導入口10と反応室2内にバッファ流体を導入する複数個のバッファ導入口12が設けられている。さらに反応室上部に分析対象となる試料を導入するための、試料導入口13が設けられている。底部6にはその隅部に反応室2内の液を外部に排出する複数個の液排出口14が設けられている。
FIG. 1 schematically shows the configuration of the microreaction apparatus of the present invention. 1A is a schematic perspective view, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line AA.
The reaction chamber 2 is formed in a cylindrical shape having an upper surface 4 and a bottom surface in a substrate, and a solid sample 8 is accommodated in an inner bottom portion 6. The upper surface 4 is provided with a reagent introduction port 10 for introducing a reagent into the reaction chamber 2 and a plurality of buffer introduction ports 12 for introducing a buffer fluid into the reaction chamber 2. Further, a sample inlet 13 is provided in the upper part of the reaction chamber for introducing a sample to be analyzed. The bottom 6 is provided with a plurality of liquid discharge ports 14 at the corners for discharging the liquid in the reaction chamber 2 to the outside.

試薬導入口の数と位置も特に限定されるものではないが、ここでは、上面の中央に1個配置されている。バッファ導入口12の数と位置は特に限定されるものではないが、ここでは上面の中央に配置された試薬導入口10を取り囲むように4つのバッファ導入口12が配置されている。反応室2の底部構造は、これも限定されるものではないが、ここでは底部6は、底面6aと、底面6aから間隔をもって設けられ試料8を保持する底板6bとからなる二重構造になっており、底板6bは保持しようとする試料8よりも小さい孔が複数あけられたメッシュ構造となっており、その上に分析対象となる細胞などの試料8が保持され、反応や培養が行なわれる。液排出口14は底板6bよりも下側に設けられており、反応室2内に導入された試薬とバッファ流体が底板6bの孔を通って液排出口14から排出されるようになっている。   The number and position of the reagent introduction ports are not particularly limited, but here, one is arranged in the center of the upper surface. The number and position of the buffer introduction ports 12 are not particularly limited, but here, four buffer introduction ports 12 are arranged so as to surround the reagent introduction port 10 arranged at the center of the upper surface. The bottom structure of the reaction chamber 2 is not limited to this, but here, the bottom 6 has a double structure comprising a bottom surface 6a and a bottom plate 6b that is spaced from the bottom surface 6a and holds the sample 8. The bottom plate 6b has a mesh structure in which a plurality of holes smaller than the sample 8 to be held are formed, and the sample 8 such as a cell to be analyzed is held on the bottom plate 6b for reaction and culture. . The liquid discharge port 14 is provided below the bottom plate 6b, and the reagent and the buffer fluid introduced into the reaction chamber 2 are discharged from the liquid discharge port 14 through the holes of the bottom plate 6b. .

しかしながら、本発明は底板6bがなく、試料8が底面6a上に保持される反応室のものも含んでいる。
またここでは反応室上部に試料導入口13を備えているが、分析対象となる試料が試薬導入口10やバッファ導入口13よりも小さい物体であれば、予めいずれかの導入口から反応室に導入することが可能であるため、必ずしも試料導入口は必要ではない。
However, the present invention includes a reaction chamber having no bottom plate 6b and a sample 8 held on the bottom surface 6a.
Here, the sample introduction port 13 is provided in the upper part of the reaction chamber. However, if the sample to be analyzed is an object smaller than the reagent introduction port 10 or the buffer introduction port 13, the sample is introduced into the reaction chamber from any of the introduction ports in advance. Since it can be introduced, a sample inlet is not necessarily required.

このようなマイクロ反応装置を細胞培養に使用する場合を取り上げると、反応室2内に試料として複数個の細胞8を保持し、試薬導入口10から試薬を、バッファ導入口12からバッファ液を同時に導入する。図1(B)に示されるように、試薬流10aはバッファ流12aに囲まれた状態で反応室底部6、すなわち分析対象となる細胞8に到達する。試薬流10aがバッファ流12aに囲まれた状態で流れるため、試薬は反応室2の全体に広がることなく、反応室底部6の一部、すなわち複数の細胞8の一部にのみ試薬流が到達する。   When the case where such a microreaction apparatus is used for cell culture is taken up, a plurality of cells 8 are held as samples in the reaction chamber 2, and a reagent is supplied from the reagent inlet 10 and a buffer solution is simultaneously supplied from the buffer inlet 12. Introduce. As shown in FIG. 1B, the reagent flow 10a reaches the reaction chamber bottom 6, that is, the cell 8 to be analyzed, in a state surrounded by the buffer flow 12a. Since the reagent flow 10a flows in a state surrounded by the buffer flow 12a, the reagent does not spread over the entire reaction chamber 2, and the reagent flow reaches only a part of the reaction chamber bottom 6, that is, a part of the plurality of cells 8. To do.

試薬流10aの流れの方向は、複数(この場合は4つ)のバッファ導入口12から導入されるバッファ流12aの流量バランスを調節することで制御することができる。
上に述べたように、試薬導入口10の周囲にバッファ導入口12を配置し、試薬流10aを取り囲むように制御された流量でバッファ流12aを流すことで、反応室2内の複数の細胞8のうちの一部分に試薬を反応させることができるようになる。
このような動作は試料が細胞である場合に限らず、他の固体試料である場合でも同様である。
The direction of the flow of the reagent flow 10a can be controlled by adjusting the flow rate balance of the buffer flow 12a introduced from a plurality of (in this case, four) buffer introduction ports 12.
As described above, the buffer inlet 12 is arranged around the reagent inlet 10, and the buffer flow 12a is flowed at a flow rate controlled so as to surround the reagent flow 10a, thereby allowing a plurality of cells in the reaction chamber 2 to flow. The reagent can be reacted with a part of 8.
Such an operation is not limited to the case where the sample is a cell, but is the same when the sample is another solid sample.

本発明のマイクロ反応装置では、反応室の上面に試薬導入口と複数個のバッファ導入口を設け、底隅部に複数個の液排出口を設けたので、反応室内の底部に保持された複数個の固体試料の特定の部位に選択的に試薬を反応させることができるようになる。これにより、例えば細胞組織の特定の部位に薬液を反応させ、その反応を測定することなどができるようになる。   In the microreaction apparatus of the present invention, a reagent introduction port and a plurality of buffer introduction ports are provided on the upper surface of the reaction chamber, and a plurality of liquid discharge ports are provided at the bottom corner, so that a plurality of The reagent can be selectively reacted with a specific part of each solid sample. Thereby, for example, a chemical solution can be reacted with a specific part of a cell tissue, and the reaction can be measured.

試薬導入口を上面の中央に配置し、3個以上のバッファ導入口を試薬導入口を取り囲むように配置することによりバッファ流による試薬流の方向制御を広い範囲で行なうことができるようになる。
さらにバッファ導入口を試薬導入口を中心とする1つの円周上に等間隔に配置するようにすれば、バッファ流による試薬流の方向制御を広い範囲で均等に行なうことができるようになる。
By arranging the reagent introduction port in the center of the upper surface and arranging three or more buffer introduction ports so as to surround the reagent introduction port, the direction control of the reagent flow by the buffer flow can be performed in a wide range.
Furthermore, if the buffer inlets are arranged at equal intervals on one circumference centered on the reagent inlet, the reagent flow direction control by the buffer flow can be performed uniformly over a wide range.

液排出口も3個以上とすることにより、バッファ流による試薬流の方向制御を広い範囲で行なうことができるようになる。
さらに液排出口を底隅部に等間隔に配置するようにすれば、バッファ流による試薬流の方向制御を広い範囲で均等に行なうことができるようになる。
反応室の形状を円筒状とすれば、バッファ流による試薬流の方向制御が容易になる。
By setting the number of the liquid discharge ports to three or more, the direction control of the reagent flow by the buffer flow can be performed in a wide range.
Furthermore, if the liquid discharge ports are arranged at equal intervals in the bottom corner, the reagent flow direction control by the buffer flow can be performed uniformly over a wide range.
If the reaction chamber has a cylindrical shape, the direction control of the reagent flow by the buffer flow becomes easy.

底部構造を、底面と、底面から間隔をもって設けられた孔あき底板とからなる二重構造として試薬とバッファ流体が底板の孔を通って液排出口から排出されるようにすれば、底板上に保持された試料の一部に選択的に試薬を供給するのが容易になり、反応室内での流体試薬の流れの制御性を向上させることができる。
この反応装置にバッファ流体導入機構をさらに備えておけば、この反応装置による反応制御を容易に実施することができるようになる。
If the bottom structure is a dual structure consisting of a bottom surface and a perforated bottom plate spaced from the bottom surface, the reagent and the buffer fluid are discharged from the liquid outlet through the holes in the bottom plate. It becomes easy to selectively supply a reagent to a part of the held sample, and the controllability of the flow of the fluid reagent in the reaction chamber can be improved.
If this reaction apparatus is further provided with a buffer fluid introduction mechanism, reaction control by this reaction apparatus can be easily performed.

本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図2に一実施例のマイクロ反応装置を示す。(A)は概略透視図、(B)は上面図、(C)は下面図である。
ここでは、試料として細胞を測定するものとする。細胞8に試薬を反応させ、分析をおこなう反応室2は細胞培養室であり、円筒状の形状をしている。反応室2の上面4に試薬導入口10及びそれを取り囲むように8つのバッファ導入口12が配置されている。試薬導入口10は上面4の中央に配置され、8つのバッファ導入口12は試薬導入口10を中心とする1つの円周上に等間隔に配置されている。反応室の上部には、分析対象となる試料を導入するための、試料導入口を備えている。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 2 shows a microreactor of one embodiment. (A) is a schematic perspective view, (B) is a top view, and (C) is a bottom view.
Here, a cell is measured as a sample. A reaction chamber 2 in which a reagent is reacted with the cell 8 to perform analysis is a cell culture chamber, and has a cylindrical shape. A reagent inlet 10 and eight buffer inlets 12 are arranged on the upper surface 4 of the reaction chamber 2 so as to surround it. The reagent inlet 10 is arranged at the center of the upper surface 4, and the eight buffer inlets 12 are arranged at equal intervals on one circumference centered on the reagent inlet 10. A sample inlet for introducing a sample to be analyzed is provided in the upper part of the reaction chamber.

一方、反応室2の底部6には、試薬及びバッファを排出するための8つの液排出口14が配置されている。液排出口14は底部6の円形の隅部に沿って等間隔に配置されている。
分析対象となる複数の細胞8は反応室2に導入され、反応室2の底面上に保持されている。
On the other hand, eight liquid outlets 14 for discharging the reagent and the buffer are arranged at the bottom 6 of the reaction chamber 2. The liquid discharge ports 14 are arranged at equal intervals along the circular corner of the bottom 6.
A plurality of cells 8 to be analyzed are introduced into the reaction chamber 2 and held on the bottom surface of the reaction chamber 2.

細胞に反応させるための試薬は試薬導入口10から導入され、同時に各バッファ導入口12からバッファが導入される。このとき各バッファ導入口12から供給するバッファ流量バランスを調整することで、反応室2内での試薬の流れの方向を制御することができる。   Reagents for reacting with cells are introduced from the reagent introduction port 10, and at the same time, buffers are introduced from the respective buffer introduction ports 12. At this time, the flow direction of the reagent in the reaction chamber 2 can be controlled by adjusting the buffer flow rate balance supplied from each buffer inlet 12.

試薬導入口10からの試薬導入とバッファ導入口12からのバッファ導入には、送液ポンプを使用してそれぞれ独立して流量を制御するようにすればよい。また、試薬を収容した容器をチューブを介して試薬導入口10に接続し、バッファを収容した容器をチューブを介してバッファ導入口12に接続し、それらの容器を保持する高さを調整することにより流量を制御するようにしてもよい。   For introduction of the reagent from the reagent introduction port 10 and introduction of the buffer from the buffer introduction port 12, the flow rate may be controlled independently using a liquid feed pump. In addition, the container containing the reagent is connected to the reagent introduction port 10 via a tube, the container containing the buffer is connected to the buffer introduction port 12 via a tube, and the height for holding these containers is adjusted. You may make it control flow volume by.

試薬導入口10から導入された試薬はバッファ流に取り囲まれながら、反応室2底面の一部の細胞8に達する。各バッファ流導入口12からのバッファ流量を制御することで、試薬の流れ方向を制御できるため、結果として、試薬が到達する底面での位置を制御することが可能であり、つまり、ターゲットとする一部の細胞8に選択的に試薬を到達させることができる。   The reagent introduced from the reagent introduction port 10 reaches a part of the cells 8 on the bottom surface of the reaction chamber 2 while being surrounded by the buffer flow. Since the flow direction of the reagent can be controlled by controlling the buffer flow rate from each buffer flow inlet 12, it is possible to control the position on the bottom surface where the reagent reaches, that is, the target. The reagent can selectively reach some cells 8.

このとき、反応室2から排出される試薬とバッファの流れも試薬流の方向を決定する重要な要素となっている。例えば、液排出口14が反応室2の底面に1箇所しかない場合、反応室2に導入されたバッファと試薬は必ずその1箇所の液排出口14へと流れるため、バッファ流量を調整することにより試薬導入口10から導入される試薬の流れを制御したとしても、結局はその一箇所の液排出口14に到達してしまう。結果として、バッファ流による試薬流れの制御性が大きく損なわれてしまう。しかしながら、本実施例では、液排出口14を反応室2の底隅部に放射状に配置することで、このような欠点をなくしている。   At this time, the flow of the reagent and the buffer discharged from the reaction chamber 2 is also an important factor for determining the direction of the reagent flow. For example, when there is only one liquid discharge port 14 on the bottom surface of the reaction chamber 2, the buffer and the reagent introduced into the reaction chamber 2 always flow to the one liquid discharge port 14, so the buffer flow rate should be adjusted. Even if the flow of the reagent introduced from the reagent introduction port 10 is controlled by the above, it eventually reaches the liquid discharge port 14 at one place. As a result, the controllability of the reagent flow by the buffer flow is greatly impaired. However, in this embodiment, the liquid discharge ports 14 are arranged radially at the bottom corners of the reaction chamber 2 to eliminate such drawbacks.

図3に、本実施例における試薬導入の様子について、コンピュータ解析を行った結果を示す。コンピュータ解析にはCoventor社の解析ツール、Coventor Wareを用いた。
解析条件として、試薬にはローダミンB水溶液、バッファには純水の物性値を用いた。
FIG. 3 shows the result of computer analysis of the reagent introduction in this example. Coventor's analysis tool, Coventor Ware, was used for computer analysis.
As analysis conditions, rhodamine B aqueous solution was used as a reagent, and physical properties of pure water were used as a buffer.

(A)は反応室2の外形を示したものであり、各部の寸法の一例を示すと、反応室2は直径が1000μm、高さが140μmの円筒状であり、試薬導入口10は半径20μm、バッファ導入口12は半径50μm、試薬導入口10とバッファ導入口12の距離は150μmである。
その場合の解析結果を(B),(C)に示す。(B)は反応室2の底面での試薬濃度分布、(C)は反応室2の断面での試薬濃度分布を示している。
(A) shows the outer shape of the reaction chamber 2. An example of the dimensions of each part is shown. The reaction chamber 2 is cylindrical with a diameter of 1000 μm and a height of 140 μm, and the reagent inlet 10 has a radius of 20 μm. The buffer inlet 12 has a radius of 50 μm, and the distance between the reagent inlet 10 and the buffer inlet 12 is 150 μm.
The analysis results in that case are shown in (B) and (C). (B) shows the reagent concentration distribution on the bottom surface of the reaction chamber 2, and (C) shows the reagent concentration distribution on the cross section of the reaction chamber 2.

(B)の結果から、反応室2の底面の一部の領域にのみ試薬が到達していることが分かる。また(C)の結果から、バッファ流の流量差により試薬流量の流れの方向が反応室2の中央から図で右側に偏っていることが分かる。
これらの結果から、本実施例の反応装置を用いることにより、反応室2の底面の一部分に選択的に試薬を到達させることが可能であることが分かる。
From the result of (B), it can be seen that the reagent reaches only a part of the bottom surface of the reaction chamber 2. From the result of (C), it can be seen that the flow direction of the reagent flow rate is biased from the center of the reaction chamber 2 to the right side in the figure due to the flow rate difference of the buffer flow.
From these results, it can be seen that the reagent can selectively reach a part of the bottom surface of the reaction chamber 2 by using the reaction apparatus of this example.

本実施例の反応装置を上に示した寸法で作製し、底面を透明ガラス製として、図4のように、底面側から蛍光顕微鏡(及び共焦点蛍光顕微鏡)20により観察した。試薬にはローダミンB水溶液、バッファには純水を用いた。   The reaction apparatus of this example was produced with the dimensions shown above, and the bottom surface was made of transparent glass, and the bottom surface was observed with a fluorescence microscope (and confocal fluorescence microscope) 20 as shown in FIG. Rhodamine B aqueous solution was used as a reagent, and pure water was used as a buffer.

底面上における試薬の流れは、図5に示されるようにバッファ流の流量調整により任意の方向に制御することができる。また、深さ方向の試薬の流れも図6に示されるように一方に偏っている。このように、実際に反応装置を作製した結果と図3に示したコンピュータ解析によりシミュレーション結果はよい一致を示している。   The flow of the reagent on the bottom surface can be controlled in an arbitrary direction by adjusting the flow rate of the buffer flow as shown in FIG. Further, the flow of the reagent in the depth direction is also biased to one side as shown in FIG. Thus, the simulation results are in good agreement with the results of actually producing the reactor and the computer analysis shown in FIG.

図4のような観察系は、例えば細胞によるタンパク質産生の様子を、蛍光異方性を利用して、例えば蛍光共鳴エネルギー移動(FRET)法や蛍光異方性分析(Fluorescent Anisotropy Analysis)法を利用して、共焦点蛍光顕微鏡によりリアルタイムで観察できる測定装置として利用することができる。   The observation system as shown in FIG. 4 uses, for example, fluorescence anisotropy, eg, fluorescence resonance energy transfer (FRET) or fluorescence anisotropy analysis, to show how proteins are produced by cells. Thus, it can be used as a measuring device that can be observed in real time by a confocal fluorescence microscope.

本発明の他の実施例として、上述した構造とは異なった、図7に示すような構造をあげることができる。図7の実施例は、本発明を概略的に示すものとして説明した図1の反応装置の構造である。
図2の実施例と異なる点は、反応室2の底部6が底面6aと、底面6aから間隔をもって設けられ細胞などの試料8を保持する底板6bとからなる二重構造になっており、底板6bは保持しようとする試料8よりも小さい多数の細孔をもつメッシュ構造となっている点である。液排出口14は底板6bの下側に形成されている。
As another embodiment of the present invention, a structure as shown in FIG. 7, which is different from the structure described above, can be given. The embodiment of FIG. 7 is the structure of the reactor of FIG. 1 described as schematically illustrating the present invention.
2 is different from the embodiment of FIG. 2 in that the bottom 6 of the reaction chamber 2 has a bottom structure 6a and a bottom plate 6b that is spaced from the bottom 6a and holds a sample 8 such as a cell. 6b is a mesh structure having a large number of pores smaller than the sample 8 to be held. The liquid discharge port 14 is formed below the bottom plate 6b.

上述した構造は1個の試薬導入口10を備えているが、さらに他の実施例としては、試薬導入口10を複数備えることで、複種類の試薬を反応室2に導入することができる。さらには、それぞれの試薬導入口10の周囲にバッファ導入口12を配置することで、おのおのの試薬の流れの方向を制御することが可能となる。   Although the structure described above includes one reagent introduction port 10, as another embodiment, a plurality of types of reagent introduction ports 10 can be provided to introduce a plurality of types of reagents into the reaction chamber 2. Furthermore, by arranging the buffer inlets 12 around each reagent inlet 10, it is possible to control the direction of each reagent flow.

この反応装置を細胞培養室として使用すると、反応室2に供給された試薬とバッファは底板6bの細孔を通り抜けて、底板6bから下側に排出される。分析対象となる試料の細胞8は、培養室底部でメッシュ構造の底板6b上で培養される。この構造を用いることで、試薬とバッファの流れが培養室底面6aによる影響を受けにくいので、試薬の流れの制御性をより向上させることが可能となる。   When this reaction apparatus is used as a cell culture chamber, the reagent and the buffer supplied to the reaction chamber 2 pass through the pores of the bottom plate 6b and are discharged downward from the bottom plate 6b. The sample cells 8 to be analyzed are cultured on the bottom plate 6b having a mesh structure at the bottom of the culture chamber. By using this structure, the flow of the reagent and the buffer is not easily affected by the culture chamber bottom surface 6a, so that the controllability of the flow of the reagent can be further improved.

次に、図8により図2の実施例の製造方法を説明する。
反応室2、その上面に設けられる試薬導入口10及びバッファ導入口12、並びに反応室2の底部に設けられる液排出口14はシリコン基板にフォトリソグラフイーとICP−RIE(誘導結合プラズマ型反応性イオンエッチング)により形成する。
(A)厚さが200μmのシリコン基板30を用い、その両面にドライエッチング時のマスクとなるシリコン酸化膜32を熱酸化により1μmの厚さに形成する。
Next, the manufacturing method of the embodiment of FIG. 2 will be described with reference to FIG.
The reaction chamber 2, the reagent inlet 10 and the buffer inlet 12 provided on the upper surface thereof, and the liquid outlet 14 provided at the bottom of the reaction chamber 2 are formed on the silicon substrate by photolithography and ICP-RIE (inductively coupled plasma type reactivity). (Ion etching).
(A) A silicon substrate 30 having a thickness of 200 μm is used, and a silicon oxide film 32 serving as a mask for dry etching is formed on both surfaces thereof to a thickness of 1 μm by thermal oxidation.

(B)シリコン酸化膜32上に両面アライナーを用いたフォトリソグラフイーによりレジストパターンを形成し、そのレジストパターンをマスクとしてフッ酸を用いた酸化膜エッチングにより、シリコン酸化膜32をパターニングする。これにより、シリコン基板30の上面では試薬導入口及びバッファ導入口形状を決定する酸化膜パターン32a(平面図は図(B−1)参照。)を形成し、シリコン基板30の下面では反応室形状及び液排出口14とそれにつながる流路を形成するための酸化膜パターン32b(平面図は図(B−2)参照。)を形成する。
(C)シリコン基板の下面に両面アライナーを用いたフォトリソグラフイーにより、反応室形状を形成するためのレジストパターン34(平面図は図(C−1)参照。)を形成する。
(B) A resist pattern is formed on the silicon oxide film 32 by photolithography using a double-sided aligner, and the silicon oxide film 32 is patterned by oxide film etching using hydrofluoric acid using the resist pattern as a mask. As a result, an oxide film pattern 32a (see FIG. (B-1) for a plan view) that determines the shape of the reagent inlet and the buffer inlet is formed on the upper surface of the silicon substrate 30, and the reaction chamber shape is formed on the lower surface of the silicon substrate 30. Then, an oxide film pattern 32b (see FIG. (B-2) for a plan view) for forming the liquid discharge port 14 and a flow path connected thereto is formed.
(C) A resist pattern 34 (see FIG. (C-1) for a plan view) for forming a reaction chamber shape is formed on the lower surface of the silicon substrate by photolithography using a double-sided aligner.

(D)シリコン基板30の下面側のフォトレジストパターン34をマスクにしてシリコン基板30をICP−RIEを用いて50μmの深さにドライエッチングを行ない、反応室2の一部を形成する。   (D) Using the photoresist pattern 34 on the lower surface side of the silicon substrate 30 as a mask, the silicon substrate 30 is dry-etched to a depth of 50 μm using ICP-RIE to form a part of the reaction chamber 2.

(E)シリコン基板下面のフォトレジスト34を、硫酸と過酸化水の混合液で除去したのち、シリコン基板30の上面及び下面の側の酸化膜パターン32aをマスクにして、シリコン基板30をICP−RIEを用いてドライエッチングし、基板上面には試薬導入口10及びバッファ導入口12を、基板下面には液排出口14を形成する。エッチング深さはそれぞれ50μmである。   (E) After removing the photoresist 34 on the lower surface of the silicon substrate with a mixed solution of sulfuric acid and peroxygenated water, the silicon substrate 30 is made to be ICP− using the oxide film pattern 32a on the upper and lower surfaces of the silicon substrate 30 as a mask. Dry etching is performed using RIE, and a reagent inlet 10 and a buffer inlet 12 are formed on the upper surface of the substrate, and a liquid outlet 14 is formed on the lower surface of the substrate. The etching depth is 50 μm.

(F)シリコン基板30の両面のシリコン酸化膜32を除去する。
(G)このように形成されたシリコン基板30の下面にガラス基板36を陽極接合する。シリコン基板と陽極接合するガラス基板としては、パイレックスガラス(登録商標)などのホウケイ酸ガラスが好ましい。
(F) The silicon oxide films 32 on both sides of the silicon substrate 30 are removed.
(G) A glass substrate 36 is anodically bonded to the lower surface of the silicon substrate 30 thus formed. As the glass substrate to be anodically bonded to the silicon substrate, borosilicate glass such as Pyrex glass (registered trademark) is preferable.

シリコン基板とガラス基板の接合は上の方法に限らない。シリコン基板30の両面にシリコン酸化膜32が残っている状態で、又は再度シリコン酸化膜を形成した後に、フッ酸による接合を行うこともできる。この場合のガラス基板は特に種類を限定されるものではなく、石英ガラスなど、種々のガラスを使用することができる。
さらに、接着剤を使用してシリコン基板とガラス基板を接合してもよい。
The bonding of the silicon substrate and the glass substrate is not limited to the above method. Bonding with hydrofluoric acid may be performed in a state where the silicon oxide film 32 remains on both surfaces of the silicon substrate 30 or after the silicon oxide film is formed again. The type of glass substrate in this case is not particularly limited, and various types of glass such as quartz glass can be used.
Furthermore, you may join a silicon substrate and a glass substrate using an adhesive agent.

図7の実施例の反応装置を製造する方法を図9により説明する。
(A)図8の製造方法と同様に、厚さがシリコン基板30を用い、その両面にドライエッチング時のマスクとなるシリコン酸化膜32を熱酸化により形成する。
A method for producing the reactor of the embodiment of FIG. 7 will be described with reference to FIG.
(A) Similar to the manufacturing method of FIG. 8, a silicon substrate 30 is used, and a silicon oxide film 32 serving as a mask for dry etching is formed on both surfaces by thermal oxidation.

(B)シリコン酸化膜32上に両面アライナーを用いたフォトリソグラフイーによりレジストパターンを形成し、そのレジストパターンをマスクとしてフッ酸を用いた酸化膜エッチングにより、シリコン酸化膜32をパターニングする。これにより、シリコン基板30の上面では試薬導入口及びバッファ導入口形状を決定する酸化膜パターン32a(平面図は図(B−1)参照。)を形成し、シリコン基板30の下面では反応室形状を決定する酸化膜パターン32b(平面図は図(B−2)参照。)を形成する。   (B) A resist pattern is formed on the silicon oxide film 32 by photolithography using a double-sided aligner, and the silicon oxide film 32 is patterned by oxide film etching using hydrofluoric acid using the resist pattern as a mask. As a result, an oxide film pattern 32a (see FIG. (B-1) for a plan view) that determines the shape of the reagent inlet and the buffer inlet is formed on the upper surface of the silicon substrate 30, and the reaction chamber shape is formed on the lower surface of the silicon substrate 30. An oxide film pattern 32b (see FIG. 2B-2 for a plan view) is formed.

(C)上面側及び下面側のシリコン基板30の酸化膜パターン32aをマスクにしてシリコン基板30をICP(誘導結合プラズマ)−RIEを用いてドライエッチングし、基板上面側には試薬導入口10及びバッファ導入口12となる貫通孔を、基板下面側には反応室2を形成する。   (C) The silicon substrate 30 is dry-etched using ICP (Inductively Coupled Plasma) -RIE using the oxide film pattern 32a of the silicon substrate 30 on the upper surface side and the lower surface side as a mask. The reaction chamber 2 is formed on the lower surface side of the substrate with a through hole serving as the buffer inlet 12.

(D)シリコン基板30の両面のシリコン酸化膜32を除去する。
(E)メッシュ構造の底板6bと、平坦なガラス基板36aを用意しておく。底板6bとしては、例えば厚さが100μm程度のガラス基板にドライエッチングにより多数の細孔を形成してメッシュ構造としたものを使用することができる。ガラス基板36aにはドライエッチング法により底部となる円形の凹部と、その凹部の周囲に液排出口14となる溝を形成しておく。その凹部の底面が反応室の底面6aとなる。
そして、シリコン基板30の下面に底板6bを上に記載した方法により接合する。その後、底板6b上にガラス基板36aをその凹部が内側になるように接合する。底板6bとガラス基板36aの接合は例えばフッ酸を用いて行うことができる。
(D) The silicon oxide films 32 on both sides of the silicon substrate 30 are removed.
(E) A bottom plate 6b having a mesh structure and a flat glass substrate 36a are prepared. As the bottom plate 6b, for example, a glass substrate having a mesh structure in which a large number of pores are formed by dry etching on a glass substrate having a thickness of about 100 μm can be used. In the glass substrate 36a, a circular recess serving as a bottom is formed by dry etching, and a groove serving as the liquid discharge port 14 is formed around the recess. The bottom surface of the recess becomes the bottom surface 6a of the reaction chamber.
Then, the bottom plate 6b is bonded to the lower surface of the silicon substrate 30 by the method described above. Thereafter, the glass substrate 36a is bonded onto the bottom plate 6b so that the concave portion is on the inside. The bottom plate 6b and the glass substrate 36a can be joined using, for example, hydrofluoric acid.

製造方法で示した寸法や材質は一例であり、これに限定されるものではない。
また上述した実施例では、細胞を分析対象としているが、応用用途としては細胞分析に限ったものではなく、ある特定の部位にのみ流体試薬を反応させることを目的とした用途であれば応用可能である。
The dimensions and materials shown in the manufacturing method are examples, and the present invention is not limited to these.
In the above-described embodiments, cells are the target of analysis, but the application is not limited to cell analysis, but can be applied if the purpose is to allow a fluid reagent to react only at a specific site. It is.

本発明は細胞を初めとする種々の固体試料の一部に選択的に試薬を作用させて反応を生じさせる微小な反応装置として利用することができ、例えば細胞培養装置などとして利用することができる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used as a minute reaction apparatus that causes a reaction by selectively reacting a part of various solid samples including cells, and can be used as, for example, a cell culture apparatus. .

本発明のマイクロ反応装置の構成を概略的に示す図であり、(A)は透視図、(B)は(A)A−A線位置での断面図である。It is a figure which shows roughly the structure of the micro reaction apparatus of this invention, (A) is a perspective view, (B) is sectional drawing in the (A) AA line position. 一実施例のマイクロ反応装置を示す図であり、(A)は概略透視図、(B)は上面図、(C)は下面図である。It is a figure which shows the micro reaction apparatus of one Example, (A) is a schematic perspective view, (B) is a top view, (C) is a bottom view. 同実施例における試薬導入の様子のコンピュータ解析を示す図であり、(A)は反応室の外形を示す斜視図、(B)は反応室の底面での試薬濃度分布、(C)は反応室の断面での試薬濃度分布を示している。It is a figure which shows the computer analysis of the mode of reagent introduction | transduction in the Example, (A) is a perspective view which shows the external shape of a reaction chamber, (B) is a reagent concentration distribution in the bottom face of a reaction chamber, (C) is a reaction chamber. The reagent concentration distribution in the cross section is shown. 同実施例における蛍光顕微鏡及び共焦点蛍光顕微鏡による観察方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the observation method by the fluorescence microscope and the confocal fluorescence microscope in the Example. 蛍光顕微鏡により底面上における試薬の流れを観察した結果を示す画像である。It is an image which shows the result of having observed the flow of the reagent on a bottom surface with a fluorescence microscope. 共焦点蛍光顕微鏡により深さ方向の試薬の流れを観察した結果を示す画像である。It is an image which shows the result of having observed the flow of the reagent of the depth direction with the confocal fluorescence microscope. 他の実施例のマイクロ反応装置を示す図であり、(A)は概略透視図、(B)は断面図である。It is a figure which shows the micro reaction apparatus of another Example, (A) is a schematic perspective view, (B) is sectional drawing. 図2の実施例のマイクロ反応装置を製造する方法を示す工程端面図である。FIG. 3 is a process end view showing a method for manufacturing the microreaction apparatus of the embodiment of FIG. 2. 図7の実施例のマイクロ反応装置を製造する方法を示す工程端面図である。FIG. 8 is a process end view showing a method for manufacturing the microreaction apparatus of the embodiment of FIG. 7.

符号の説明Explanation of symbols

2 反応室
4 上面
6 底部
6a 底面
6b 底板
8 試料
10 試薬導入口
10a 試薬流
12 バッファ導入口
12a バッファ流
14 液排出口
2 Reaction chamber 4 Upper surface 6 Bottom 6a Bottom surface 6b Bottom plate 8 Sample 10 Reagent introduction port 10a Reagent flow 12 Buffer introduction port 12a Buffer flow 14 Liquid discharge port

Claims (9)

上面と底面をもつ筒状に形成され、内部の底部に固体試料を収容するための反応室を基体内に備えたマイクロ反応装置において、
前記反応室は、
前記上面に配置されて前記反応室内に試薬を導入する少なくとも1個の試薬導入口と、
前記反応室内にバッファ流体を導入する3個以上のバッファ導入口であって、該バッファ導入口は前記上面で前記試薬導入口を取り囲むように配置されているバッファ導入口と
底隅部に配置されて前記反応室内の液を外部に排出する複数個の液排出口と、
を備えていることを特徴とするマイクロ反応装置。
In a microreaction apparatus that is formed in a cylindrical shape having an upper surface and a bottom surface, and that has a reaction chamber for containing a solid sample at the bottom inside, in a substrate,
The reaction chamber is
At least one reagent introduction port disposed on the upper surface and introducing a reagent into the reaction chamber;
A three or more buffers inlet for introducing a buffer fluid into the reaction chamber, the buffer inlet the buffer inlet port is disposed so as to surround the reagent inlet in said top surface,
A plurality of liquid outlets arranged at the bottom corner to discharge the liquid in the reaction chamber to the outside ;
A microreaction apparatus comprising:
バッファ導入口は試薬導入口を中心とする1つの円周上に等間隔に配置されている請求項に記載のマイクロ反応装置。 The microreaction apparatus according to claim 1 , wherein the buffer inlets are arranged at equal intervals on one circumference centered on the reagent inlet. 液排出口は3個以上設けられている請求項1又は2に記載のマイクロ反応装置。 The microreaction apparatus according to claim 1 or 2 , wherein three or more liquid discharge ports are provided. 液排出口は前記底隅部に等間隔に配置されている請求項に記載のマイクロ反応装置。 The microreaction apparatus according to claim 3 , wherein the liquid discharge ports are arranged at equal intervals in the bottom corner. 反応室は円筒状である請求項1からのいずれか一項に記載のマイクロ反応装置。 The microreaction apparatus according to any one of claims 1 to 4 , wherein the reaction chamber is cylindrical. 反応室の底部は、底面と、底面から間隔をもって設けられ試料を保持する底板とからなる二重構造になっており、
前記底板には保持しようとする試料よりも小さい孔が複数あけられ、液排出口が前記底板よりも下側に設けられており、反応室内に導入された試薬とバッファ流体が前記底板の孔を通って液排出口から排出される請求項1からのいずれか一項に記載のマイクロ反応装置。
The bottom of the reaction chamber has a double structure consisting of a bottom surface and a bottom plate that is spaced from the bottom surface and holds the sample,
The bottom plate has a plurality of holes smaller than the sample to be held, a liquid discharge port is provided below the bottom plate, and the reagent and buffer fluid introduced into the reaction chamber pass through the holes in the bottom plate. The microreaction apparatus according to any one of claims 1 to 5 , wherein the microreaction apparatus is discharged from a liquid discharge port.
反応室の底部に複数個の試料が保持され、バッファ導入口のそれぞれから導入されるバッファ流体の流量が調整されることにより試薬導入口から導入される試薬の流れ方向が制御されて複数個の試料の一部に選択的に作用させられる請求項1からのいずれか一項に記載のマイクロ反応装置。 A plurality of samples are held at the bottom of the reaction chamber, and the flow direction of the reagent introduced from the reagent inlet is controlled by adjusting the flow rate of the buffer fluid introduced from each of the buffer inlets. The microreaction apparatus according to any one of claims 1 to 6 , wherein the microreaction apparatus is selectively acted on a part of a sample. 反応室内に保持される試料は生体細胞である請求項1からのいずれか一項に記載のマイクロ反応装置。 The microreaction apparatus according to any one of claims 1 to 7 , wherein the sample held in the reaction chamber is a living cell. バッファ導入口のそれぞれに接続され、導入するバッファ流体の流量を調整することのできるバッファ流体導入機構をさらに備えた請求項1からのいずれか一項に記載のマイクロ反応装置。 The microreaction apparatus according to any one of claims 1 to 8 , further comprising a buffer fluid introduction mechanism connected to each of the buffer introduction ports and capable of adjusting a flow rate of the introduced buffer fluid.
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