JP4682874B2 - Microreactor - Google Patents
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Description
本発明は、例えば遺伝子増幅反応、抗原抗体反応などによる生体物質の検査・分析、その他の化学物質の検査・分析、有機合成等による目的化合物の化学合成などに用いられるマイクロリアクタに関する。 The present invention relates to a microreactor used for biological substance inspection / analysis by, for example, gene amplification reaction, antigen-antibody reaction, etc., inspection / analysis of other chemical substances, chemical synthesis of a target compound by organic synthesis or the like.
近年、マイクロマシン技術および超微細加工技術を駆使することにより、従来の試料調製、化学分析、化学合成などを行うための装置、手段(例えばポンプ、バルブ、流路、セ
ンサーなど)を微細化して1チップ上に集積化したシステムが開発されており、このよう
な技術が既に特許文献1などによって開示されている。
In recent years, by making full use of micromachine technology and ultrafine processing technology, devices and means (for example, pumps, valves, flow paths, sensors, etc.) for performing conventional sample preparation, chemical analysis, chemical synthesis, etc. have been miniaturized. A system integrated on a chip has been developed, and such a technique has already been disclosed in Patent Document 1 and the like.
このような技術は、μ−TAS(Micro Total Analysis System)、バイオリアクタ、ラブ・オン・チップ(Lab−оn−chips)、バイオチップとも呼ばれ、医療検査・診断分野、環境測定分野、農産製造分野でその応用が期待されている。 Such a technology is also called micro-TAS (Micro Total Analysis System), bioreactor, Lab-on-chip, biochip, medical examination / diagnosis field, environmental measurement field, agricultural production Its application is expected in the field.
現実には遺伝子検査に見られるように、煩雑な工程、熟練した手技、機器類の操作が必要とされる場合には、自動化、高速化および簡便化されたミクロ化分析システムは、コスト、必要試料量、所要時間のみならず、時間および場所を選ばない分析を可能とすることによる恩恵は多大と言える。 In reality, as seen in genetic testing, automated, faster, and simplified microanalysis systems are costly and necessary when complex processes, skilled techniques, and equipment operations are required. It can be said that not only the amount of sample and the time required, but also the benefits of enabling analysis at any time and place are great.
各種の分析、検査では、これらの分析用チップにおける分析の定量性、解析の精度、経済性などが重要視される。そのためにはシンプルな構成で、高い信頼性の送液システムを確立することが課題であり、精度が高く信頼性に優れるマイクロ流体制御素子が求められているが、これに好適なマイクロポンプシステムおよびその制御方法を本発明者らは既に提案している(特許文献2〜4参照)。 In various types of analysis and inspection, importance is attached to the quantitativeness of analysis, the accuracy of analysis, and the economy of these analysis chips. For this purpose, there is a problem to establish a highly reliable liquid feeding system with a simple configuration, and there is a demand for a microfluidic control element that is highly accurate and excellent in reliability. The present inventors have already proposed a control method (see Patent Documents 2 to 4).
ところで、このような分析用チップ(以下、マイクロリアクタという)の流路には、流路の一部にこの流路内の液体の流路抵抗や表面張力などを利用して、液体を所望の位置で停止させ、停止させた位置から再始動させることのできる撥水バルブが設けられている。 By the way, in the flow path of such an analysis chip (hereinafter referred to as a microreactor), the liquid is placed in a desired position by utilizing the flow resistance or surface tension of the liquid in the flow path as a part of the flow path. A water-repellent valve is provided that can be stopped at and restarted from the stopped position.
このような撥水バルブ100は、詳しくは図12(a)、(b)に示したように、上流側の流路102と下流側の流路104との間に、これらの流路102、104よりもその断面積が小さい送液制御流路106が設けられている。 Specifically, as shown in FIGS. 12A and 12B, such a water-repellent valve 100 has a flow path 102 between the upstream flow path 102 and the downstream flow path 104. A liquid feed control flow path 106 having a smaller cross-sectional area than 104 is provided.
例えば、これらの流路102、104の流路壁が、プラスチック樹脂のように疎水性の材質で形成されている場合には、送液制御流路106に接する液体112は、制御流路下流側端部110と下流側の流路104との流路壁の表面張力差によって、下流側の流路104へ通過することが規制される。 For example, when the flow path walls of these flow paths 102 and 104 are formed of a hydrophobic material such as plastic resin, the liquid 112 in contact with the liquid feed control flow path 106 is downstream of the control flow path. The passage to the downstream channel 104 is restricted by the difference in the surface tension of the channel wall between the end 110 and the downstream channel 104.
下流側の流路104へ液体112を流出させる際には、マイクロポンプ(図示せず)によって所定圧以上の送液圧力を加え、これによって表面張力に抗して液体112を送液制御流路106から下流側の流路104へ押し出すようになっている。 When the liquid 112 flows out to the downstream flow path 104, a liquid feed pressure of a predetermined pressure or higher is applied by a micropump (not shown), thereby causing the liquid 112 to flow against the surface tension. It pushes out to the downstream flow path 104 from 106.
なお、液体112が下流側の流路104へ流出した後は、液体112の先端部を下流側の流路104へ押し出すのに要する送液圧力を維持しなくても、液体112が下流側の流路104へ流れていくようになっている。 Note that after the liquid 112 has flowed into the downstream channel 104, the liquid 112 does not have to be maintained on the downstream side without maintaining the liquid feeding pressure required to push the tip of the liquid 112 to the downstream channel 104. It flows to the flow path 104.
すなわち、上流側から下流側への正方向の送液圧力が所定圧力に達するまでは、送液制御流路106から先への液体112の通過が制御流路下流側端部110で遮断され、所定圧以上の送液圧力が加わることにより、液体112は制御流路下流側端部110を通過するようになっている。 That is, until the liquid supply pressure in the positive direction from the upstream side to the downstream side reaches a predetermined pressure, the passage of the liquid 112 from the liquid supply control flow path 106 is blocked at the control flow path downstream end 110, The liquid 112 passes through the end portion 110 on the downstream side of the control flow path by applying a liquid feeding pressure equal to or higher than a predetermined pressure.
このような撥水バルブ100は、図13に示したように、例えばマイクロリアクタにおける試薬収容部114の両端部に設けられている。
このような試薬収容部114内には予め試薬116が封入されており、試薬116は試薬収容部114の両端部に設けられた撥水バルブ100、100によって、試薬収容部114外へと流れ出ないようになっている。
As shown in FIG. 13, such a water repellent valve 100 is provided at both ends of the reagent storage unit 114 in the microreactor, for example.
In such a reagent container 114, the reagent 116 is sealed in advance, and the reagent 116 does not flow out of the reagent container 114 by the water repellent valves 100 and 100 provided at both ends of the reagent container 114. It is like that.
そして図14に示したように、図13の状態からマイクロポンプ(図示せず)によって開口118より流路120へ駆動液122を流し込むと、分岐点124から分岐した分岐流路126に駆動液122が充填されていく。 As shown in FIG. 14, when the driving liquid 122 is poured into the flow path 120 from the opening 118 by a micropump (not shown) from the state of FIG. 13, the driving liquid 122 enters the branch flow path 126 branched from the branch point 124. Will be filled.
このとき、流路120および分岐流路126の中に存在していた空気は、空気抜き用流路128を通過して外部へ放出される。
さらに、空気抜き用流路128から空気を追い出しながら分岐流路126に駆動液122が充填されると、空気抜き用流路128は、撥水性により駆動液122の通過を遮断するか、あるいは高い流路抵抗が負荷された状態で微量の駆動液122を流すようになる。
At this time, the air existing in the channel 120 and the branch channel 126 passes through the air vent channel 128 and is released to the outside.
Further, when the driving liquid 122 is filled in the branch flow path 126 while expelling air from the air vent flow path 128, the air vent flow path 128 blocks the passage of the drive liquid 122 due to water repellency or is a high flow path. A small amount of driving fluid 122 is allowed to flow in a state where the resistance is loaded.
すると、マイクロポンプ(図示せず)による送液圧力が駆動液122を介して試薬116に強く作用するようになり、試薬収容部114の下流側における撥水バルブ100には、その液保持力以上の送液圧力が与えられるようになる。 Then, the liquid feeding pressure by the micropump (not shown) strongly acts on the reagent 116 via the driving liquid 122, and the water repellent valve 100 on the downstream side of the reagent storage unit 114 has a liquid holding force higher than that. The liquid feeding pressure is given.
これにより、試薬116は駆動液122によって試薬収容部114から押し出され、撥水バルブ100を通過してその下流側の流路に送出されるようになっている。
このような撥水バルブ100が設けられたマイクロリアクタは、図15に示したように、金型200を用い射出成形により成形されているが、撥水バルブ100を形成する流路、特にマイクロリアクタの送液制御流路相当部分202が非常に微細形状であるため、この部位において樹脂300が先端部204まで充分に充填されず、所望形状の送液制御流路が得られない場合があった。 A microreactor provided with such a water repellent valve 100 is molded by injection molding using a mold 200 as shown in FIG. Since the liquid control flow path equivalent portion 202 has a very fine shape, the resin 300 is not sufficiently filled up to the tip end portion 204 at this portion, and a liquid feed control flow path having a desired shape may not be obtained.
所望形状の送液制御流路が得られていない撥水バルブ100では、本来必要とする撥水バルブの寸法より大きな寸法となったり、撥水バルブの角が丸くなったりするため、所望の液保持力が得られず、液体を正確に停止させることができない。 In the water-repellent valve 100 in which a liquid-feeding control flow path having a desired shape is not obtained, the water-repellent valve 100 has a larger dimension than the originally required water-repellent valve or the corner of the water-repellent valve is rounded. The holding force cannot be obtained, and the liquid cannot be stopped accurately.
また、従来の撥水バルブでは、図16に示したように、本来、制御流路下流側端部110で試薬116を停止させるものが、制御流路上流側端部108で停止させてしまう場合が生ずる。 Further, in the conventional water-repellent valve, as shown in FIG. 16, when the reagent 116 is originally stopped at the downstream end portion 110 of the control channel, it is stopped at the upstream end portion 108 of the control channel. Will occur.
このように制御流路上流側端部108で試薬116が停止してしまうと、駆動液122
と試薬116との間の空間130に、小さな気泡132が生じてしまう場合がある。
送液のタイミング制御は、制御流路下流側端部110で試薬116が停止していることを前提になされており、このように本来と異なる箇所で試薬116が停止して気泡132が生ずると、送液のタイミングが遅れてしまい正確な送液が行えない問題が生じてしまう。
When the reagent 116 stops at the upstream end 108 of the control channel in this way, the driving liquid 122 is stopped.
A small bubble 132 may be generated in the space 130 between the reagent 116 and the reagent 116.
The liquid feed timing control is based on the premise that the reagent 116 is stopped at the downstream end portion 110 of the control flow path. When the reagent 116 is stopped at a location different from the original in this way, bubbles 132 are generated. As a result, the timing of liquid feeding is delayed, and there is a problem that accurate liquid feeding cannot be performed.
本発明は、このような現状に鑑み、試薬、検体などの液体を所望位置にて確実に停止させ、停止させた位置から確実に再始動させることができ、さらに送液性が安定した撥水バルブを有するマイクロリアクタを提供することを目的とする。 In view of such a current situation, the present invention can reliably stop a liquid such as a reagent and a specimen at a desired position, and can be surely restarted from the stopped position, and further has a water-repellent property with stable liquid feeding properties. An object is to provide a microreactor having a valve.
また本発明は、射出成形を用いて確実に流路の先端部まで樹脂が充填された、所望の流路形状を有するマイクロリアクタを提供することを目的とする。 Another object of the present invention is to provide a microreactor having a desired flow path shape in which resin is reliably filled up to the tip of the flow path using injection molding.
本発明は、先述したような従来技術における課題および目的を達成するために発明されたものであって、本発明のマイクロリアクタは、
板状のチップの少なくとも一面に流路を設けるとともに、前記流路の一部に、撥水バルブを構成する送液制御部を備え、これにより前記流路内の液体の送液速度及び送液タイミングの制御がなされるマイクロリアクタであって、
前記送液制御部は、
その上流側の前記流路の断面積よりも小さな断面積を有する上流側接続口と、
その下流側の前記流路の断面積よりも小さな断面積を有する下流側接続口と、
前記上流側接続口と前記下流側接続口とを連通する接続口連通部と、を有し、
前記上流側接続口は、前記下流側接続口の断面積よりも大きな断面積となるように構成され、
前記接続口連通部は、断面積が連続的に変化するように構成されていることを特徴とする。
The present invention was invented in order to achieve the problems and objects in the prior art as described above, and the microreactor of the present invention comprises:
A flow path is provided on at least one surface of the plate-shaped chip, and a liquid feed control unit constituting a water repellent valve is provided in a part of the flow path, whereby the liquid feed speed and liquid feed of the liquid in the flow path are provided. A microreactor with timing control,
The liquid feeding control unit is
An upstream connection port having a cross-sectional area smaller than the cross-sectional area of the channel on the upstream side;
A downstream connection port having a cross-sectional area smaller than the cross-sectional area of the flow path on the downstream side;
A connection port communicating portion for communicating the upstream connection port and the downstream connection port,
The upstream connection port is configured to have a cross-sectional area larger than the cross-sectional area of the downstream connection port,
The connection port communication portion is configured so that a cross-sectional area continuously changes.
このように構成することによって、試薬や検体などの液体を所望の位置で停止させ、さらに停止させた位置から再始動することができる。
さらに、接続口連通部の断面積が連続的に変化しているため、液体をスムーズに送液することができ、接続口連通部内で試薬や検体などの液体が停止してしまうことを確実に防止することができる。
また、下流側接続口の断面積よりも上流側接続口の断面積が大きくなるように構成されているので、上流側接続口で液体が停止することなく、確実に下流側接続口で液体を停止させることができる。
さらに、接続口連通部は、下流側接続口から上流側接続口に向かって、広がった形状になるよう構成すれば、マイクロリアクタの射出成形の際に、金型の接続口連通部の相当部分への樹脂充填が確実になされ、マイクロリアクタ成形時の歩留まりを向上させることができる。
By configuring in this way, it is possible to stop the liquid such as the reagent and the specimen at a desired position and restart from the stopped position.
Furthermore, since the cross-sectional area of the connection port communication portion changes continuously, the liquid can be smoothly fed, and it is ensured that the liquid such as the reagent or the sample stops in the connection port communication portion. Can be prevented.
In addition, since the cross-sectional area of the upstream connection port is larger than the cross-sectional area of the downstream connection port, the liquid is reliably stopped at the downstream connection port without stopping the liquid at the upstream connection port. Can be stopped.
Furthermore, if the connection port communication portion is configured so as to expand from the downstream connection port toward the upstream connection port, the injection port communication portion is connected to a corresponding portion of the mold connection port during injection molding of the microreactor. Thus, the resin filling is reliably performed, and the yield at the time of molding the microreactor can be improved.
また、本発明のマイクロリアクタは、
前記マイクロリアクタが、
試薬または検体を貯蔵する貯蔵部を備え、
前記貯蔵部の一方側と他方側のそれぞれに、前記送液制御部が設けられていることを特徴とする。
The microreactor of the present invention is
The microreactor is
Comprising a reservoir for storing reagents or specimens;
The liquid feeding control unit is provided on each of one side and the other side of the storage unit.
このように貯蔵部の一方側と他方側に送液制御部が設けられていれば、マイクロポンプによって駆動液が液送され、この駆動液によって貯蔵部内の試薬を流路の下流側へ押出す際においても、試薬は確実に所望の位置で停止しているため、気泡を生ずることなく、確実に試薬を下流側へ押出すことができる。
また、本発明のマイクロリアクタは、
前記接続口連通部の前記上流側接続口から前記下流側接続口までの幅が40μm〜300μmであることを特徴とする。
Thus, if the liquid feeding control unit is provided on one side and the other side of the storage unit, the driving liquid is fed by the micropump, and the reagent in the storage unit is pushed to the downstream side of the flow path by this driving liquid. Even in this case, since the reagent is surely stopped at a desired position, the reagent can be reliably pushed downstream without generating bubbles.
The microreactor of the present invention is
A width from the upstream connection port to the downstream connection port of the connection port communication portion is 40 μm to 300 μm.
本発明によれば、試薬や検体などの液体を所望位置にて確実に停止させ、停止させた位置から確実に再始動させることができ、さらに送液性が安定した撥水バルブを有するマイクロリアクタを提供することができる。 According to the present invention, a microreactor having a water-repellent valve that can reliably stop a liquid such as a reagent or a specimen at a desired position and can be reliably restarted from the stopped position and has a stable liquid feeding property. Can be provided.
また本発明は、射出成形を用いて確実に流路の先端部まで樹脂が充填された、所望の流路形状を有するマイクロリアクタを提供することができる。 In addition, the present invention can provide a microreactor having a desired flow path shape in which resin is reliably filled up to the tip of the flow path using injection molding.
以下、本発明の実施の形態(実施例)を図面に基づいてより詳細に説明する。
<マイクロリアクタ10>
図1は、本発明の実施例におけるマイクロリアクタの上面図、図2は、本発明の実施例におけるマイクロリアクタのチップ面と垂直な部分断面図である。
Hereinafter, embodiments (examples) of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
<Microreactor 10>
FIG. 1 is a top view of a microreactor in an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a partial sectional view perpendicular to the chip surface of the microreactor in an embodiment of the present invention.
本発明のマイクロリアクタは、板状のチップ内に設けられた微細流路または構造部において、各種の検査、化学分析、化学合成、試料の処理・分離などの目的で試料と試薬との反応を行うものである。 The microreactor according to the present invention performs a reaction between a sample and a reagent for various inspections, chemical analysis, chemical synthesis, sample processing / separation, etc., in a fine channel or structure provided in a plate-shaped chip. Is.
また、マイクロリアクタの用途には、例えば遺伝子増幅反応、抗原抗体反応などによる生体物質の検査・分析、その他の化学物質の検査・分析、有機合成などによる目的化合物の化学合成、薬効スクリーニング、薬品抽出、金属錯体の形成・分離などが含まれる。 Microreactor applications include, for example, biological substance inspection / analysis by gene amplification reaction, antigen-antibody reaction, etc., inspection / analysis of other chemical substances, chemical synthesis of target compounds by organic synthesis, drug efficacy screening, drug extraction, This includes the formation and separation of metal complexes.
図1に概略を示したマイクロリアクタ10は、予め試薬30が封入された貯蔵部29(図1斜線部分)と、これらの貯蔵部29から下流側へ続く流路12を備えている。
なお、試薬30は、試薬供給孔11より供給されたものであり、マイクロリアクタ10内に試薬30を供給すると、試薬30は各々の撥水バルブ21、21の直前まで充填されることとなる。
The microreactor 10 schematically shown in FIG. 1 includes a storage unit 29 (hatched portion in FIG. 1) in which a reagent 30 is preliminarily sealed, and a flow path 12 extending downstream from the storage unit 29.
The reagent 30 is supplied from the reagent supply hole 11. When the reagent 30 is supplied into the microreactor 10, the reagent 30 is filled up to just before each of the water repellent valves 21 and 21.
さらに、これらの貯蔵部29の下流では複数の貯蔵部29が合流部13にて合流し、その先には微細流路15が設けられている。
このような微細流路15の下流には、検体収用部(図示せず)が設けられ、この検体収用部(図示せず)に収用された検体と、微細流路15を通過する複数の試薬30が混合された液体とが、さらに混合されるよう構成されている。
Further, downstream of these storage units 29, a plurality of storage units 29 merge at the merge unit 13, and a fine channel 15 is provided at the end.
A sample collection unit (not shown) is provided downstream of the fine channel 15, and the sample collected in the sample collection unit (not shown) and a plurality of reagents passing through the fine channel 15. The liquid mixed with 30 is further mixed.
また、マイクロリアクタ10の貯蔵部29には、撥水バルブ21、21などの弁部が適宜の位置に配置され、例えば送液量の定量、各液体の混合などの制御がなされている。
そして、マイクロリアクタ10の貯蔵部29の上流には、マイクロポンプユニット50のチップ接続部88と接続するためのポンプ接続部94が設けられている。
Further, in the storage unit 29 of the microreactor 10, valve parts such as water repellent valves 21 and 21 are arranged at appropriate positions, and control of, for example, determination of the amount of liquid fed and mixing of each liquid is performed.
A pump connection portion 94 for connecting to the chip connection portion 88 of the micropump unit 50 is provided upstream of the storage portion 29 of the microreactor 10.
このようなマイクロリアクタ10は、図2に示したように、射出成形により流路となる溝が形成された基材14を作製し、この基材14の両面に被覆基材16、18を重ね合わせて流路12や微細流路15が形成されている。 As shown in FIG. 2, such a microreactor 10 produces a base material 14 in which a groove serving as a flow path is formed by injection molding, and coats base materials 16 and 18 on both sides of the base material 14. Thus, the flow path 12 and the fine flow path 15 are formed.
基材14の樹脂材料としては、目的に応じて各種のものが使用できるが、例えばポリス
チレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネートなどが挙げられる。
Various resin materials can be used as the resin material of the base material 14 according to the purpose. Examples thereof include polystyrene, polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polymethyl methacrylate, and polycarbonate.
マイクロリアクタ10の縦横サイズは、用途等にもよるが典型的には数十mm、その厚みは典型的には数mm程度である。
マイクロリアクタ10は、流路12が両面に設けられ、両面の流路12が基材14に形成され貫通孔20を介して互いに連通されている。
The vertical and horizontal sizes of the microreactor 10 are typically several tens of millimeters depending on the application, and the thickness is typically several millimeters.
In the microreactor 10, the flow channels 12 are provided on both surfaces, and the flow channels 12 on both surfaces are formed in the base material 14 and communicated with each other through the through holes 20.
流路(微細流路)は、その流路幅が200μm以下、好ましくは0.1μm〜50μmの微細流路と、流路幅が50μm以上、好ましくは70μm〜500μmの流路と、流路幅が200μm以上、好ましくは300μm〜5mmの流路と、から構成されている。 The channel (microchannel) has a channel width of 200 μm or less, preferably 0.1 μm to 50 μm, a channel width of 50 μm or more, preferably 70 μm to 500 μm, and a channel width. Is composed of a flow path of 200 μm or more, preferably 300 μm to 5 mm.
ここで、「流路幅」とは、流れ方向と垂直な断面が矩形である場合にはその横幅を表し、断面が矩形に類似した他の形状である場合にはその横幅の平均値を表す。
流路12の高さは、上記の微細流路と、それよりも広幅の流路とに関わらず目的に応じて適宜設定されるが、例えば10μm〜1000μmである。
Here, the “flow path width” represents the horizontal width when the cross section perpendicular to the flow direction is a rectangle, and represents the average value of the horizontal width when the cross section has another shape similar to the rectangle. .
The height of the flow channel 12 is appropriately set according to the purpose regardless of the fine flow channel and the flow channel wider than that, and is, for example, 10 μm to 1000 μm.
典型的には、複数の貯蔵部29に収容された各試薬30が下流側の貯蔵部29で混合され、さらに合流部13にて各貯蔵部29の混合試薬が合流されて下流の微細流路15に送液される。 Typically, each reagent 30 accommodated in the plurality of storage units 29 is mixed in the downstream storage unit 29, and further, the mixed reagent in each storage unit 29 is merged in the merge unit 13, and the downstream microchannel 15 is fed.
微細流路15の下流では、検体と混合試薬とがY字流路などから合流して混合され、昇温などにより反応が開始され、流路に設けられた検出部位において反応が検出されるようになっている。
<撥水バルブ21>
図3は、本発明の実施例における撥水バルブを示した図であり、図3(a)は上面図、図3(b)は図3(a)のX−X線による断面図、図4は、本発明の他の実施例における撥水バルブを示した図であり、図4(a)は上面図、図4(b)は図4(a)のX−X線による断面図、図5は、本発明の実施例におけるマイクロリアクタの貯蔵部および貯蔵部の両端部に設けられた撥水バルブを示した概略上面図である。
Downstream of the fine channel 15, the sample and the mixed reagent are merged and mixed from the Y-shaped channel or the like, and the reaction is started by temperature rise or the like, and the reaction is detected at the detection site provided in the channel. It has become.
<Water repellent valve 21>
3A and 3B are views showing a water-repellent valve according to an embodiment of the present invention. FIG. 3A is a top view, FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line XX in FIG. 4 is a view showing a water-repellent valve in another embodiment of the present invention, FIG. 4 (a) is a top view, FIG. 4 (b) is a cross-sectional view taken along line XX of FIG. 4 (a), FIG. 5 is a schematic top view showing the storage part of the microreactor and the water-repellent valves provided at both ends of the storage part in the embodiment of the present invention.
マイクロリアクタ10の流路12の一部に設けられた撥水バルブ21は図3(a)、図3(b)に示したように、送液制御部22により構成されている。
なお送液制御部22は、上流側の流路23の断面積よりも小さな断面積を有する上流側接続口26と、下流側の流路24の断面積よりも小さな断面積を有する下流側接続口27と、上流側接続口26と下流側接続口27とを連通する接続口連通部25からなるものである。
As shown in FIGS. 3A and 3B, the water repellent valve 21 provided in a part of the flow path 12 of the microreactor 10 is configured by a liquid feeding control unit 22.
The liquid supply control unit 22 includes an upstream connection port 26 having a cross-sectional area smaller than the cross-sectional area of the upstream flow path 23 and a downstream connection having a cross-sectional area smaller than the cross-sectional area of the downstream flow path 24. The port 27 includes a connection port communication portion 25 that communicates the upstream connection port 26 and the downstream connection port 27.
この際、接続口連通部25は、液体28の流れる上流側から下流側に向けて、断面積が連続的に小さくなるように変化するようになっている。
接続口連通部25がこのような形状であれば、上流側の流路23の液体28は、上流側接続口26より接続口連通部25内に流入し易くなるため、液体28を上流側接続口26付近で停止させてしまうことなく、確実に下流側接続口27付近で停止させることができる。
At this time, the connection port communication portion 25 changes from the upstream side through which the liquid 28 flows toward the downstream side so that the cross-sectional area continuously decreases.
If the connection port communication portion 25 has such a shape, the liquid 28 in the upstream flow path 23 is more likely to flow into the connection port communication portion 25 from the upstream connection port 26, so the liquid 28 is connected to the upstream side. Without stopping near the opening 26, it is possible to reliably stop near the downstream connection port 27.
また、接続口連通部25は、その形状が上流側接続口26から下流側接続口27に至るまで滑らかに連続的に変化するようになっているため、液体28が接続口連通部25の途中で停止してしまうことがない。要は、上流側接続口26から下流側接続口27に至るまでの断面形状が、下流側接続口27に向かうにつれて連続的に小さくなれば、如何なる形状であってもよいものである。 Further, since the shape of the connection port communication portion 25 changes smoothly and continuously from the upstream connection port 26 to the downstream connection port 27, the liquid 28 is in the middle of the connection port communication portion 25. Will never stop. The point is that the cross-sectional shape from the upstream side connection port 26 to the downstream side connection port 27 may be any shape as long as it continuously decreases toward the downstream side connection port 27.
また、図4(a)、図4(b)に示したように、例えば接続口連通部25のX−X方向の断面形状において、上流側接続口26から下流側接続口27に向かうにつれて連続的に小さくなるようにしても良いものである。 Further, as shown in FIGS. 4A and 4B, for example, in the cross-sectional shape of the connection port communication portion 25 in the XX direction, it is continuous from the upstream connection port 26 toward the downstream connection port 27. It may be made smaller.
このような撥水バルブ21は、図5に示したように、例えばマイクロリアクタにおける試薬や検体を貯蔵する貯蔵部29の両端部に設けられており、貯蔵部29内の試薬30や検体が、下流側の流路24、24に流出してしまうことなく、下流側接続口27付近で確実に停止するようになっている。 As shown in FIG. 5, such a water repellent valve 21 is provided, for example, at both ends of a storage unit 29 for storing reagents and samples in a microreactor, and the reagents 30 and samples in the storage unit 29 are disposed downstream. Without stopping to flow into the side flow paths 24, 24, it is surely stopped near the downstream connection port 27.
これにより、マイクロポンプ(図示せず)にて、開口35より駆動液(図示せず)を流路24内に流入させても、駆動液(図示せず)と試薬30との間に空間が生ずることがかいため、気泡の発生も起こらず、確実に試薬30を送液することができる。
<マイクロリアクタ10の製造方法>
図6は、本発明の実施例におけるマイクロリアクタを成形する金型の部分断面図、図7は、本発明の実施例におけるマイクロリアクタを成形する金型の接続口連通部相当部分を示した部分上面図である。
As a result, even if a driving liquid (not shown) flows into the flow path 24 from the opening 35 by a micropump (not shown), a space is left between the driving liquid (not shown) and the reagent 30. Since it does not occur, the generation of bubbles does not occur, and the reagent 30 can be reliably fed.
<Manufacturing method of microreactor 10>
6 is a partial cross-sectional view of a mold for molding a microreactor in an embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a partial top view showing a portion corresponding to a connection port communication portion of a mold for molding a microreactor in an embodiment of the present invention. It is.
マイクロリアクタにおいて、流路が設けられた基材は、一方側の面における流路パターンが形成された金型と、他方側の面における流路パターンが形成された金型とからなる一対の金型を用いた射出成形により作製される。 In a microreactor, a substrate provided with a flow path is a pair of molds composed of a mold having a flow path pattern formed on one surface and a mold formed with a flow path pattern on the other surface. It is manufactured by injection molding using
金型は、微細な流路パターンが形成可能なニッケルやシリコンウエハを主成分とする金型を用いることが好ましい。
このような金型は、例えばフォトリソグラフィ技術を用いた微細加工で作製した流路を母型として、ニッケル電鋳等で作製される。
As the mold, it is preferable to use a mold mainly composed of nickel or a silicon wafer capable of forming a fine flow path pattern.
Such a mold is manufactured, for example, by nickel electroforming or the like using a flow path manufactured by microfabrication using a photolithography technique as a mother mold.
通常、ニッケル電鋳により金型を作成する場合、金型36の各部位においては、成形後における基材の離型性を高めるため1度から3度程度のテーパー(抜き勾配)37が設けられている。 Normally, when a die is produced by nickel electroforming, each portion of the die 36 is provided with a taper (draft angle) 37 of about 1 to 3 degrees in order to improve the releasability of the base material after molding. ing.
しかしながら、撥水バルブ21内を流れる液体の流れ具合は、流路の上部と下部とで異なると不具合が生じ易く、また、微細な流路はテーパーによる形状変化の影響を受け易く、性能の低下を招き易いため、金型36の撥水バルブ相当部分38は、あえてテーパー(抜き勾配)を設けず、ストレート部39とすることが好ましい。 However, if the flow of the liquid flowing in the water repellent valve 21 is different between the upper part and the lower part of the flow path, problems are likely to occur, and the fine flow path is easily affected by the shape change due to the taper, resulting in a decrease in performance. Therefore, it is preferable that the water repellent valve equivalent portion 38 of the mold 36 is not provided with a taper (draft angle) but is a straight portion 39.
また金型36は、撥水バルブ相当部分38以外の例えば流路幅50μm以下、流路深さ50μm以下の流路相当部分についても、テーパー(抜き勾配)37を設けないことが好ましい。 In addition, the mold 36 preferably does not have a taper (draft) 37 other than the water repellent valve corresponding portion 38, for example, a flow channel equivalent portion having a flow channel width of 50 μm or less and a flow channel depth of 50 μm or less.
このようにすれば、成形時における離型性を損なうことなく、確実に金型36から基材を離型させることができる。
また、比較的に流路幅の太い流路パターンは、硬質の金属材料、好ましくは金型鋼を通常の機械加工、例えば数値制御による切削加工などを用いて形成することができる。
In this way, it is possible to reliably release the base material from the mold 36 without impairing the releasability at the time of molding.
Further, the flow path pattern having a relatively large flow path width can be formed by using a hard metal material, preferably a mold steel, by ordinary machining, for example, cutting by numerical control.
このようにして流路パターンが形成された一対の金型36を、射出成形機にセットし、金型36内に樹脂を充填することにより、基材(図示せず)の成形がなされる。
本発明においては、図7に示したように、金型における撥水バルブ21の接続口連通部相当部分34の幅t1が30μm〜1000μm、好ましくは40μm〜300μmであるため、樹脂が接続口連通部相当部分34の端部までしっかりと充填されるようになって
いる。
<マイクロポンプユニット50>
図8は、本発明の実施例におけるマイクロリアクタと接続されるマイクロポンプユニットの一例を示した斜視図、図9は、本発明の実施例におけるマイクロリアクタと接続される図8に示したマイクロポンプユニットの断面図である。
A pair of molds 36 in which the flow path pattern is formed in this way is set in an injection molding machine, and the mold 36 is filled with a resin, whereby a base material (not shown) is molded.
In the present invention, as shown in FIG. 7, the width t1 of the connection port communication portion corresponding portion 34 of the water repellent valve 21 in the mold is 30 μm to 1000 μm, preferably 40 μm to 300 μm. The end portion of the portion equivalent portion 34 is securely filled.
<Micro pump unit 50>
FIG. 8 is a perspective view showing an example of a micropump unit connected to the microreactor in the embodiment of the present invention, and FIG. 9 is a diagram of the micropump unit shown in FIG. 8 connected to the microreactor in the embodiment of the present invention. It is sectional drawing.
マイクロポンプユニット50は、マイクロリアクタ10とは別途の独立したものであることが好ましい。
例えば、マイクロポンプユニット50およびその制御装置、反応検出用の光学検出装置、温度制御装置、駆動液を収容した駆動液タンクなどを備えた装置本体と、予め試薬を封入したマイクロリアクタ10と、から試料検査装置を構成する場合が挙げられる。
The micropump unit 50 is preferably independent from the microreactor 10.
For example, a sample is obtained from a micropump unit 50 and its control device, an optical detection device for reaction detection, a temperature control device, a device main body including a driving liquid tank containing a driving liquid, and a microreactor 10 in which a reagent is sealed in advance. The case where an inspection apparatus is comprised is mentioned.
この場合、マイクロリアクタ10の試料受容部に試料を注入した後、このマイクロリアクタ10を装置本体に装着して、装置本体側の複数のマイクロポンプ58と、これらのマイクロポンプ58に対応するマイクロリアクタ10の各流路とを連通させる。 In this case, after injecting the sample into the sample receiving portion of the microreactor 10, the microreactor 10 is mounted on the apparatus main body, and a plurality of micropumps 58 on the apparatus main body side and each of the microreactors 10 corresponding to these micropumps 58 are installed. Communicate with the flow path.
この状態で、駆動液タンクからの駆動液をマイクロポンプ58によりマイクロリアクタ10の流路へ送り出し、これによって流路内の液体、例えば貯蔵部29の試薬30、試料受容部の試料などを下流側へ押し出して試薬同士の混合、試薬と試料との混合などを行う。 In this state, the driving liquid from the driving liquid tank is sent out to the flow path of the microreactor 10 by the micropump 58, whereby the liquid in the flow path, for example, the reagent 30 in the storage unit 29, the sample in the sample receiving part, etc. is downstream. Extrusion is performed to mix reagents and to mix reagents and samples.
マイクロポンプ58は、フォトリソグラフィ技術などにより作製され、特開2001−322099号公報、特開2004−108285号公報に記載されたピエゾ素子により駆動するマイクロポンプ、アクチュエータを設けた弁室の流出入孔に逆止弁を設けた逆止弁型のマイクロポンプなど各種のものが使用できる。 The micropump 58 is manufactured by a photolithography technique or the like, and is a micropump driven by a piezo element described in Japanese Patent Laid-Open Nos. 2001-322099 and 2004-108285, and an inflow / outlet hole of a valve chamber provided with an actuator Various types such as a check valve type micro pump provided with a check valve can be used.
図8に示したマイクロポンプユニット50は、シリコン製基板52と、その上の第1ガラス製基板54と、その上の第2ガラス製基板56の3つの基板から構成されている。
シリコン製基板52と第1ガラス製基板54、および第1ガラス製基板54と第2ガラス製基板56はそれぞれ、陽極接合、拡散接合、熱溶着、接着などによって接合されている。
The micro pump unit 50 shown in FIG. 8 is composed of three substrates: a silicon substrate 52, a first glass substrate 54 thereon, and a second glass substrate 56 thereon.
The silicon substrate 52 and the first glass substrate 54, and the first glass substrate 54 and the second glass substrate 56 are bonded by anodic bonding, diffusion bonding, thermal welding, adhesion, or the like, respectively.
シリコン製基板52と、その上に陽極接合などによって貼り合わされたガラス製基板54との間の内部空間によってマイクロポンプ58(ピエゾポンプ)が構成されている。
シリコン製基板52は、シリコンウエハをフォトリソグラフィ技術により所定の形状に加工したものである。
A micro pump 58 (piezo pump) is constituted by an internal space between the silicon substrate 52 and the glass substrate 54 bonded thereto by anodic bonding or the like.
The silicon substrate 52 is obtained by processing a silicon wafer into a predetermined shape by a photolithography technique.
例えば、シリコン製基板52面への酸化膜の形成、レジスト塗布、レジストの露光および現像、酸化膜のエッチング、ICP(高周波誘導結合型プラズマ、Inductively Coupled Plasma)などによるシリコンのエッチング等を含む微細加工によって、図9に示したように、加圧室60、第1流路62、第1液室66、第2流路64、および第2液室68が形成されている。 For example, fine processing including formation of an oxide film on the surface of the silicon substrate 52, resist coating, resist exposure and development, etching of the oxide film, etching of silicon by ICP (High Frequency Inductively Coupled Plasma), etc. Thus, as shown in FIG. 9, a pressurizing chamber 60, a first channel 62, a first liquid chamber 66, a second channel 64, and a second liquid chamber 68 are formed.
加圧室60の位置では、シリコン製基板52がダイヤフラムに加工され、その外側表面には、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)セラミックスなどからなる圧電素子70が貼着されている。 At the position of the pressurizing chamber 60, the silicon substrate 52 is processed into a diaphragm, and a piezoelectric element 70 made of lead zirconate titanate (PZT) ceramic or the like is attached to the outer surface thereof.
このマイクロポンプ58は、圧電素子70への制御電圧によって次のように駆動される。
印加された所定波形の電圧により圧電素子70が振動するとともに、加圧室60の位置
におけるシリコンダイヤフラムが振動し、これによって加圧室60の体積が増減する。
The micropump 58 is driven as follows by the control voltage to the piezoelectric element 70.
The piezoelectric element 70 is vibrated by the applied voltage having a predetermined waveform, and the silicon diaphragm at the position of the pressurizing chamber 60 is vibrated, whereby the volume of the pressurizing chamber 60 is increased or decreased.
第1流路62と第2流路64とは、幅および深さが同じで、長さが第1流路62よりも第2流路64の方が長くなっている。第1流路62では、差圧が大きくなると、流路内で乱流が発生し、流路抵抗が増加する。 The first flow path 62 and the second flow path 64 have the same width and depth, and the length of the second flow path 64 is longer than that of the first flow path 62. In the first flow path 62, when the differential pressure increases, turbulent flow is generated in the flow path, and the flow path resistance increases.
一方、第2流路64では、流路幅が長いので差圧が大きくなっても層流になり易く、第1流路62に比べて差圧の変化に対する流路抵抗の変化割合が小さくなる。
例えば、圧電素子70に対する制御電圧を調整することにより、加圧室60の内部へ向かう方向へ素早くシリコンダイヤフラムを変位させて大きい差圧を与えながら加圧室60の体積を減少させ、次いで加圧室60からその外側へ向かう方向へゆっくりシリコンダイヤフラムを変位させて小さい差圧を与えながら加圧室60の体積を増加させると、駆動液は図9において左から右へ向かう方向へ正方向に送液される。
On the other hand, in the second flow path 64, the flow path width is long, so that even if the differential pressure increases, it tends to be a laminar flow, and the rate of change in flow path resistance with respect to the change in differential pressure is smaller than in the first flow path 62. .
For example, by adjusting the control voltage for the piezoelectric element 70, the volume of the pressurizing chamber 60 is decreased while the silicon diaphragm is quickly displaced in the direction toward the inside of the pressurizing chamber 60 to give a large differential pressure, and then pressurization is performed. If the volume of the pressurizing chamber 60 is increased while slowly displacing the silicon diaphragm from the chamber 60 toward the outside to give a small differential pressure, the driving liquid is sent in the forward direction from left to right in FIG. To be liquidated.
これとは反対に、加圧室60からその外側へ向かう方向へ素早くシリコンダイヤフラムを変位させて大きい差圧を与えながら加圧室60の体積を増加させ、次いで加圧室60の内部へ向かう方向へゆっくりシリコンダイヤフラムを変位させて小さい差圧を与えながら加圧室60の体積を減少させると、駆動液は図9の右から左へ逆方向に送液される。 Contrary to this, the volume of the pressurizing chamber 60 is increased while quickly displacing the silicon diaphragm in the direction from the pressurizing chamber 60 toward the outside thereof to give a large differential pressure, and then the direction toward the inside of the pressurizing chamber 60. When the volume of the pressurizing chamber 60 is decreased while slowly displacing the silicon diaphragm to give a small differential pressure, the driving liquid is fed in the reverse direction from right to left in FIG.
なお、第1流路62と第2流路64における、差圧の変化に対する流路抵抗の変化割合の相違は、必ずしも流路の長さの違いによる必要はなく、他の形状的な相違に基づくものであってもよい。 The difference in flow rate resistance change ratio with respect to the change in differential pressure between the first flow channel 62 and the second flow channel 64 is not necessarily due to the difference in the length of the flow channel, but in other geometrical differences. It may be based.
マイクロポンプ58による流量の制御は、圧電素子70に印加する電圧を調整することにより行うことができる。
第2ガラス製基板56には、流路72がパターニングされている。一例として、流路72の寸法および形状は、幅が150μm程度、深さが300μm程度の断面矩形状である。
The flow rate control by the micropump 58 can be performed by adjusting the voltage applied to the piezoelectric element 70.
A flow path 72 is patterned on the second glass substrate 56. As an example, the size and shape of the flow path 72 is a rectangular cross section having a width of about 150 μm and a depth of about 300 μm.
流路72の下流側には、マイクロリアクタ10の開口に位置合わせすることによりマイクロポンプ58をマイクロリアクタ10の流路に連通させるための開口74が設けられている。 On the downstream side of the flow path 72, an opening 74 for allowing the micropump 58 to communicate with the flow path of the microreactor 10 by being aligned with the opening of the microreactor 10 is provided.
マイクロポンプ58によって、流路72、開口74を通じて駆動液を送液して、マイクロリアクタ10の流路内に収容された試薬等の各液体を下流へ押し出す。
流路72の上流側は、第1ガラス製基板54の貫通孔76を介して、シリコン製基板52に設けられた流路を通りマイクロポンプ58に連通されている。
The driving liquid is fed through the flow path 72 and the opening 74 by the micro pump 58, and each liquid such as a reagent accommodated in the flow path of the microreactor 10 is pushed downstream.
The upstream side of the flow path 72 is communicated with the micropump 58 through the flow path provided in the silicon substrate 52 through the through hole 76 of the first glass substrate 54.
また、マイクロポンプ58の上流側は、シリコン製基板52に設けられた流路から第1ガラス製基板54の貫通孔76、78を介して、第2ガラス製基板56に設けられた開口80に連通されている。この開口80は、駆動液タンク(図示せず)に接続されている。 The upstream side of the micropump 58 is connected to the opening 80 provided in the second glass substrate 56 from the flow path provided in the silicon substrate 52 through the through holes 76 and 78 of the first glass substrate 54. It is communicated. The opening 80 is connected to a driving liquid tank (not shown).
開口80は、例えばPDMS(ポリジメチルシロキサン)のパッキンを介して駆動液タンク(図示せず)に接続される。
<マイクロ総合分析システム82>
図10は、本発明の実施例におけるマイクロリアクタを用いたマイクロ総合分析システムの一例を示した斜視図、図11は、図10に示したマイクロ総合分析システムにおけるシステム本体の内部構造図である。
The opening 80 is connected to a driving liquid tank (not shown) through, for example, PDMS (polydimethylsiloxane) packing.
<Micro total analysis system 82>
FIG. 10 is a perspective view showing an example of a micro total analysis system using a microreactor in an embodiment of the present invention, and FIG. 11 is an internal structure diagram of a system main body in the micro total analysis system shown in FIG.
マイクロリアクタ10は、例えば別途のシステム本体84に装着することにより、反応
と分析が行われる。このシステム本体84とマイクロリアクタ10とによりマイクロ総合分析システム82が構成される。
For example, the microreactor 10 is attached to a separate system main body 84 to perform reaction and analysis. The system main body 84 and the microreactor 10 constitute a micro total analysis system 82.
図10に示したマイクロ総合分析システム82のシステム本体84は、分析のための各装置を収納する筺体状の収納体86を備えている。
この収納体86の内部には、図11に示したように、マイクロリアクタ10に連通させるための流路開口を有するチップ接続部88と、複数のマイクロポンプ(図示せず)とが設けられたマイクロポンプユニット50が配置されている。
The system main body 84 of the micro comprehensive analysis system 82 shown in FIG. 10 includes a housing 86 that houses each device for analysis.
Inside the housing 86, as shown in FIG. 11, a microchip provided with a chip connection portion 88 having a channel opening for communicating with the microreactor 10 and a plurality of micropumps (not shown). A pump unit 50 is arranged.
さらに収納体86の内部には、マイクロリアクタ10における反応を検出するための検出処理装置(LED、レーザー等の光源90および、可視分光法、蛍光測光法などによる光学的な検出を行う検出器92と、この検出器92とマイクロポンプユニット50とを制御する制御装置(図示せず)とが設けられている。 Further, inside the housing 86, there are a detection processing device for detecting a reaction in the microreactor 10 (a light source 90 such as an LED and a laser, and a detector 92 that performs optical detection by visible spectroscopy, fluorescence photometry, and the like. A control device (not shown) for controlling the detector 92 and the micropump unit 50 is provided.
この制御装置(図示せず)によって、マイクロポンプによる送液の制御、光学的手段等によりマイクロリアクタ10における反応を検出する検出処理装置の制御の他、後述する加熱・冷却ユニットによるマイクロリアクタ10の温度制御、マイクロリアクタ10における反応の制御、データの収集(測定)および処理等を行う。 With this control device (not shown), in addition to control of liquid feeding by a micropump, control of a detection processing device that detects a reaction in the microreactor 10 by optical means, etc., temperature control of the microreactor 10 by a heating / cooling unit described later. Control of reaction in the microreactor 10, data collection (measurement), processing, and the like are performed.
マイクロポンプの制御は、予め送液順序、流量、タイミングなどに関する諸条件が設定されたプログラムに従って、それに応じた駆動電圧をマイクロポンプに印加することによって行う。 Control of the micropump is performed by applying a driving voltage corresponding to the program according to a program in which various conditions relating to the liquid feeding sequence, flow rate, timing, and the like are set in advance.
このマイクロ総合分析システム82では、マイクロリアクタ10の微細流路の上流側(例えば貯蔵部、試料受容部などの上流側)に設けられた流路開口、およびその周囲のチップ面からなるポンプ接続部94と、マイクロポンプユニット50のチップ接続部88とを液密に密着させた状態でマイクロリアクタ10を収納体86の内部に装着した後、マイクロリアクタ10において検体中の標的物質が分析される。 In the micro integrated analysis system 82, a pump connection portion 94 including a flow channel opening provided on the upstream side of the micro flow channel of the microreactor 10 (for example, upstream of a storage unit, a sample receiving unit, etc.) and a chip surface around the channel opening. After the microreactor 10 is mounted inside the storage body 86 in a state where the chip connection portion 88 of the micropump unit 50 is in liquid-tight contact, the target substance in the specimen is analyzed in the microreactor 10.
マイクロリアクタ10は、搬送トレイ85に載置されて挿入口87から収納体86の内部に導入される。
収納体86の内部には、所定位置に装着されたマイクロリアクタ10を局所的に加熱もしくは冷却するための加熱・冷却ユニット(ペルチェ素子96、ヒーター98)が設けられている。
The microreactor 10 is placed on the transport tray 85 and introduced into the storage body 86 from the insertion port 87.
Inside the storage body 86, a heating / cooling unit (Peltier element 96, heater 98) for locally heating or cooling the microreactor 10 mounted at a predetermined position is provided.
例えば、マイクロリアクタ10における貯蔵部の領域にペルチェ素子96を圧接することにより貯蔵部を選択的に冷却し、これによって試薬の変質等を防止するとともに、反応部を構成する流路の領域にヒーター98を圧接することにより反応部を選択的に加熱し、これによって反応部を反応に適した温度にする。 For example, the Peltier element 96 is pressed against the region of the storage unit in the microreactor 10 to selectively cool the storage unit, thereby preventing alteration of the reagent and the like, and the heater 98 in the channel region constituting the reaction unit. The reaction part is selectively heated by pressure welding, thereby bringing the reaction part to a temperature suitable for the reaction.
マイクロポンプユニット50は1つの駆動液タンク99に接続され、マイクロポンプ58の上流側はこの駆動液タンク99に連通している。一方、マイクロポンプ58の下流側は、マイクロポンプユニット50の片面に設けられた流路開口に連通されており、それぞれのマイクロポンプ58に連通したそれぞれの流路開口と、マイクロリアクタ10のポンプ接続部94に設けられたそれぞれの流路開口とが連結するようにマイクロリアクタ10がマイクロポンプユニット50に対して接続される。 The micro pump unit 50 is connected to one driving liquid tank 99, and the upstream side of the micro pump 58 communicates with the driving liquid tank 99. On the other hand, the downstream side of the micropump 58 communicates with a channel opening provided on one side of the micropump unit 50, and each channel opening communicated with each micropump 58 and a pump connection part of the microreactor 10. The microreactor 10 is connected to the micropump unit 50 so that the respective channel openings provided in 94 are connected.
マイクロポンプ58によって、駆動液タンク99に収容された水系の駆動液97を、ポンプ接続部94を経由してマイクロリアクタ10における各液の収容部に送り出し、駆動液97によって各収容部の液体をマイクロリアクタ10の下流側へ押し出して送液する。 The water-based driving liquid 97 stored in the driving liquid tank 99 is sent out by the micropump 58 to the liquid storage section in the microreactor 10 via the pump connection portion 94, and the liquid in each storage section is sent to the microreactor by the driving liquid 97. 10 is pushed out and sent to the downstream side.
測定試料である検体の前処理、反応および検出の一連の分析工程は、マイクロポンプ58、検出処理装置および制御装置が一体化されたシステム本体84に、マイクロリアクタ10を装着した状態で行なわれる。 A series of analysis steps of pretreatment, reaction, and detection of a sample that is a measurement sample is performed in a state where the microreactor 10 is mounted on a system main body 84 in which a micropump 58, a detection processing device, and a control device are integrated.
好ましくは、試料および試薬の送液、前処理、混合に基づく所定の反応および光学的測定が、一連の連続的工程として自動的に実施され、測定データが、必要な条件、記録事項とともにファイル内に格納される。そして、分析の結果が収納体86の表示部83に表示されるようになっている。 Preferably, predetermined reactions and optical measurements based on sample and reagent delivery, pretreatment, and mixing are automatically performed as a series of continuous steps, and the measurement data is stored in a file along with the necessary conditions and recorded items. Stored in Then, the analysis result is displayed on the display unit 83 of the storage body 86.
以下に、本発明のマイクロリアクタ10を用いた試料(検体)と試薬との反応およびその検出の具体的な例を示す。
マイクロリアクタ10の好ましい一態様では、一つのチップ内において、
・検体もしくは検体から抽出したアナライト(例えば、DNA、RNA、遺伝子)が注入される試料受容部
・検体の前処理を行う検体前処理部
・プローブ結合反応、検出反応(遺伝子増幅反応または抗原抗体反応なども含む)などに用いる試薬が収容される試薬収容部(貯蔵部)
・ポジティブコントロールが収容されるポジティブコントロール収容部
・ネガティブコントロールが収容されるネガティブコントロール収容部
・プローブ(例えば、遺伝子増幅反応により増幅された検出対象の遺伝子にハイブリダイズさせるプローブ)が収容されるプローブ収容部
・各収容部に連通する微細流路
・各収容部および流路内の液体を送液する別途のマイクロポンプに接続可能なポンプ接続部
が設けられている。
Hereinafter, specific examples of the reaction between the sample (specimen) and the reagent using the microreactor 10 of the present invention and the detection thereof will be shown.
In a preferred embodiment of the microreactor 10, in one chip,
・ Sample or specimen receiving part into which analyte (ex. DNA, RNA, gene) extracted from specimen is injected ・ Sample pretreatment part for pretreatment of specimen ・ Probe binding reaction, detection reaction (gene amplification reaction or antigen antibody) Reagent storage unit (storage unit) that stores reagents used for reactions, etc.)
・ Positive control housing for housing positive controls ・ Negative control housing for housing negative controls ・ Probe housing for storing probes (for example, probes that hybridize to a gene to be detected amplified by a gene amplification reaction) There are provided a micro-channel that communicates with each part and each accommodating part, and a pump connecting part that can be connected to each accommodating part and a separate micropump for feeding the liquid in the channel.
このマイクロリアクタ10には、ポンプ接続部94を介して上述したマイクロポンプユニット50が接続され、試料受容部に注入された検体もしくは検体から抽出した生体物質(例えばDNAまたはそれ以外の生体物質)と、試薬収容部に収容された試薬とを下流の流路へ送液し、微細流路の反応部、例えば遺伝子増幅反応(タンパク質の場合、抗原抗体反応など)を行う反応部で混合して反応させる。 The microreactor 10 is connected to the micropump unit 50 described above via a pump connection unit 94, and a specimen injected into the sample receiving part or a biological substance extracted from the specimen (for example, DNA or other biological substance), The reagent contained in the reagent container is fed to the downstream channel, and mixed and reacted in the reaction part of the fine channel, for example, the reaction part that performs gene amplification reaction (in the case of protein, antigen-antibody reaction, etc.). .
次いで、その下流側流路にある検出部へ、この反応液を処理した処理液と、プローブ収容部に収容されたプローブとを送液し、流路内で混合してプローブと結合(またはハイブリダイゼーション)させ、この反応生成物に基づいて生体物質の検出を行う。 Next, the processing solution obtained by treating this reaction solution and the probe accommodated in the probe accommodating portion are sent to the detection portion in the downstream flow channel, mixed in the flow channel, and combined with the probe (or high). A biological substance is detected based on the reaction product.
また、ポジティブコントロール収容部に収容されたポジティブコントロールおよびネガティブコントロール収容部に収容されたネガティブコントロールについても同様に上記反応および検出を行う。 In addition, the above reaction and detection are performed in the same manner for the positive control housed in the positive control housing section and the negative control housed in the negative control housing section .
試料受容部に注入された検体は、必要に応じて、試薬との混合前に予め流路に設けられた検体前処理部にて、例えば検体と処理液とを混合することによって前処理される。この検体前処理部は、分離フィルター、吸着用樹脂、ビーズなどを含んでいてもよい。好ましい検体前処理としては、アナライトの分離または濃縮、除タンパクなどが挙げられる。 The sample injected into the sample receiving unit is pretreated as necessary, for example, by mixing the sample and the treatment liquid in the sample pretreatment unit provided in the flow path in advance before mixing with the reagent. . The specimen pretreatment unit may include a separation filter, an adsorption resin, beads, and the like. Preferable sample pretreatment includes separation or concentration of analyte, deproteinization, and the like.
例えば、1%SDS混合液などの溶菌剤を用いて溶菌処理・DNA抽出処理を行なう。この過程では、細胞内部からDNAが放出され、ビーズまたはフィルターの膜面に吸着する。 For example, lysis treatment and DNA extraction treatment are performed using a lysis agent such as a 1% SDS mixed solution. In this process, DNA is released from the inside of the cell and adsorbed on the membrane surface of the bead or filter.
マイクロリアクタ10の試薬収容部には、必要な試薬が予め所定の量だけ封入されている。したがって使用時にその都度試薬を必要量充填する必要はなく、即使用可能の状態になっている。 A predetermined amount of necessary reagents are sealed in the reagent storage portion of the microreactor 10 in advance. Therefore, it is not necessary to fill a necessary amount of the reagent each time it is used, and it is ready for use.
検体中の生体物質を分析する場合、測定に必要な試薬類は、通常それぞれ公知である。例えば、検体に存在する抗原を分析する場合、それに対する抗体、好ましくはモノクローナル抗体を含有する試薬が使用される。抗体は、好ましくはビオチンおよびFITCで標識されている。 When analyzing a biological substance in a specimen, reagents necessary for the measurement are generally known. For example, when analyzing an antigen present in a specimen, a reagent containing an antibody against it, preferably a monoclonal antibody, is used. The antibody is preferably labeled with biotin and FITC.
遺伝子検査用のマイクロリアクタ10に予め収容される試薬類には、遺伝子増幅に用いられる各種試薬の他、検出に使用されるプローブ類、発色試薬、前記の検体前処理に使用する前処理試薬などがある。 Reagents stored in advance in the microreactor 10 for genetic testing include various reagents used for gene amplification, probes used for detection, coloring reagents, pretreatment reagents used for the sample pretreatment, and the like. is there.
マイクロポンプ58から駆動液97を供給することにより、各試薬収容部から試薬を押し出してこれらを合流させることによって、混合試薬を生成する。その後、マイクロポンプ58から駆動液97を供給することにより、試料受容部から検体を押し出し、混合比率が安定した混合試薬と合流させることによって、反応部にて、遺伝子増幅反応、アナライトのトラップまたは抗原抗体反応といった分析に必要な反応が開始される。 By supplying the driving liquid 97 from the micropump 58, the reagent is pushed out from each reagent storage unit and merged to generate a mixed reagent. Thereafter, by supplying the driving liquid 97 from the micropump 58, the specimen is pushed out from the sample receiving part and joined with a mixed reagent having a stable mixing ratio, so that in the reaction part, gene amplification reaction, analyte trap or Reactions required for analysis such as antigen-antibody reaction are initiated.
DNA増幅方法としては、改良点も含めて各種文献などに記載され、多方面で盛んに利用されているPCR増幅法を使用することができる。
PCR増幅法においては、3つの温度間で昇降させる温度管理が必要になるが、マイクロリアクタに好適な温度制御を可能とする流路デバイスが、すでに本発明者らにより提案されている(特開2004−108285号)。
As a DNA amplification method, a PCR amplification method described in various documents including improvements and actively used in various fields can be used.
In the PCR amplification method, it is necessary to manage the temperature by raising and lowering between three temperatures. However, a flow channel device that enables temperature control suitable for a microreactor has already been proposed by the present inventors (Japanese Patent Laid-Open No. 2004-2004). -108285).
このデバイスシステムを本発明のチップの増幅用流路に適用すればよい。
これにより、熱サイクルが高速に切り替えられ、微細流路を熱容量の小さいマイクロ反応セルとしているため、DNA増幅は、手作業で行う従来の方式よりはるかに短時間で行うことができる。
This device system may be applied to the amplification channel of the chip of the present invention.
As a result, the heat cycle can be switched at high speed, and the micro flow path is a micro reaction cell with a small heat capacity. Therefore, DNA amplification can be performed in a much shorter time than the conventional method that is performed manually.
最近開発されたICAN(Isothermal chimera primer initiated nucleic acid Amplification)法は、50〜65℃における任意の一定温度の下にDNA増幅を短時間で実施できるため、本発明システムにおいても好適な増幅技術である。 The recently developed ICAN (Isomeric chimera primed nucleic acid amplification) method is a suitable amplification technique even in the system of the present invention because DNA amplification can be performed in a short time at an arbitrary constant temperature of 50 to 65 ° C. .
手作業では、1時間かかる本法は、本発明のシステムにおいては、10〜20分、好ましくは15分で解析まで終わる。
マイクロリアクタ10の微細流路における反応部よりも下流側には、アナライト、例えば増幅された遺伝子を検出するための検出部が設けられている。少なくともその検出部分は、光学的測定を可能とするために透明な材質、好ましくは透明なプラスチックとなっている。
By hand, the method, which takes one hour, ends in 10-20 minutes, preferably 15 minutes, in the system of the present invention.
A detection unit for detecting an analyte, for example, an amplified gene, is provided downstream of the reaction unit in the microchannel of the microreactor 10. At least the detection part is made of a transparent material, preferably a transparent plastic, in order to enable optical measurement.
微細流路上の検出部に吸着されたビオチン親和性タンパク質(アビジン、ストレプトアビジン)は、プローブ物質に標識されたビオチン、または遺伝子増幅反応に使用されるプライマーの5’末端に標識されたビオチンと特異的に結合する。これにより、ビオチンで標識されたプローブまたは増幅された遺伝子が本検出部位でトラップされる。 The biotin-affinity protein (avidin, streptavidin) adsorbed on the detection section on the microchannel is specific to biotin labeled on the probe substance or biotin labeled on the 5 'end of the primer used in the gene amplification reaction. Join. Thereby, the probe labeled with biotin or the amplified gene is trapped at the detection site.
分離されたアナライトまたは増幅された目的遺伝子のDNAを検出する方法は特に限定されないが、好ましい態様として基本的には以下の工程で行われる。
(1a) 検体もしくは検体から抽出したDNA、あるいは検体もしくは検体から抽出し
たRNAから逆転写反応により合成したcDNAと、5’位置でビオチン修飾したプライマーとを、これらの収容部から下流の微細流路へ送液する。
A method for detecting the separated analyte or the amplified DNA of the target gene is not particularly limited, but as a preferred embodiment, it is basically performed in the following steps.
(1a) Fine flow channel downstream from the containing portion of a sample or DNA extracted from the sample or cDNA synthesized by reverse transcription reaction from RNA extracted from the sample or sample and a biotin-modified primer at the 5 ′ position To liquid.
反応部の微細流路内で遺伝子増幅反応を行った後、微細流路内で増幅された遺伝子を含む増幅反応液と変性液とを混合して、増幅された遺伝子を変性処理により一本鎖にし、これと末端をFITC(fluorescein isothiocyanate)で蛍光標識したプローブDNAとをハイブリダイズさせる。 After performing the gene amplification reaction in the microchannel of the reaction section, the amplification reaction solution containing the gene amplified in the microchannel and the denaturing solution are mixed, and the amplified gene is single-stranded by denaturation treatment. This is hybridized with the probe DNA fluorescently labeled with FITC (fluorescein isothiocyanate).
次いで、ビオチン親和性タンパク質を吸着させた微細流路内の検出部位に送液し、増幅遺伝子を微細流路内の検出部位にトラップする(増幅遺伝子を検出部位でトラップした後に蛍光標識したプローブDNAとをハイブリダイズさせてもよい。)。
(1b) 検体に存在する抗原、代謝物質、ホルモンなどのアナライトに対する特異的な抗体、好ましくはモノクローナル抗体を含有する試薬を検体と混合する。その場合、抗体は、ビオチンおよびFITCで標識されている。したがって抗原抗体反応により得られる生成物は、ビオチンおよびFITCを有する。
Next, the solution is sent to the detection site in the microchannel to which the biotin affinity protein is adsorbed, and the amplified gene is trapped in the detection site in the microchannel (the amplified DNA is trapped at the detection site and then fluorescently labeled probe DNA And may be hybridized.)
(1b) A reagent containing an antibody, preferably a monoclonal antibody, specific to an analyte such as an antigen, metabolite or hormone present in the sample is mixed with the sample. In that case, the antibody is labeled with biotin and FITC. Therefore, the product obtained by the antigen-antibody reaction has biotin and FITC.
これをビオチン親和性タンパク質(好ましくはストレプトアビジン)を吸着させた微細流路内の検出部位に送液し、ビオチン親和性タンパク質とビオチンとの結合を介して該検出部位に固定化する。
(2) 上記微細流路内にFITCに特異的に結合する抗FITC抗体で表面を修飾した金コロイド液を流し、これにより固定化したアナライト・抗体反応物のFITCに、あるいは遺伝子にハイブリダイズしたFITC修飾プローブに、その金コロイドを吸着させる。
(3) 上記微細流路の金コロイドの濃度を光学的に測定する。
This is sent to a detection site in a microchannel to which a biotin affinity protein (preferably streptavidin) is adsorbed, and is immobilized on the detection site through the binding of biotin affinity protein and biotin.
(2) A colloidal gold solution whose surface has been modified with an anti-FITC antibody that specifically binds to FITC flows through the fine channel, and this hybridizes to the immobilized FITC of the analyte / antibody reaction product or to the gene. The gold colloid is adsorbed to the FITC-modified probe.
(3) Optically measure the concentration of colloidal gold in the fine channel.
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において各種の変形、変更が可能である。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to these embodiment, In the range which does not deviate from the summary, various deformation | transformation and change are possible.
10・・・マイクロリアクタ
11・・・試薬供給孔
12・・・流路
13・・・合流部
14・・・基材
15・・・微細流路
16・・・被覆基材
18・・・被覆基材
20・・・貫通孔
21・・・撥水バルブ
22・・・送液制御部
23・・・上流側の流路
24・・・下流側の流路
25・・・接続口連通部
26・・・上流側接続口
27・・・下流側接続口
28・・・液体
29・・・貯蔵部
30・・・試薬
34・・・接続口連通部相当部分
50・・・マイクロポンプユニット
52・・・シリコン製基板
54・・・第1ガラス製基板
56・・・第2ガラス製基板
58・・・マイクロポンプ
60・・・加圧室
62・・・第1流路
64・・・第2流路
66・・・第1液室
68・・・第2液室
70・・・圧電素子
72・・・流路
74・・・開口
76・・・貫通孔
80・・・開口
82・・・マイクロ総合分析システム
83・・・表示部
84・・・システム本体
85・・・搬送トレイ
86・・・収納体
87・・・挿入口
88・・・チップ接続部
90・・・光源
92・・・検出器
94・・・ポンプ接続部
96・・・ペルチェ素子
97・・・駆動液
98・・・ヒーター
99・・・駆動液タンク
t1・・・接続口連通部相当部分の幅
100・・・撥水バルブ
102・・・上流側の流路
104・・・下流側の流路
106・・・送液制御流路
108・・・制御流路上流側端部
110・・・制御流路下流側端部
112・・・液体
114・・・試薬収容部
116・・・試薬
118・・・開口
120・・・流路
122・・・駆動液
124・・・分岐点
126・・・分岐流路
128・・・空気抜き用流路
130・・・空間
132・・・気泡
200・・・金型
202・・・送液制御流路相当部分
204・・・先端部
300・・・樹脂
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Microreactor 11 ... Reagent supply hole 12 ... Flow path 13 ... Merge part 14 ... Base material 15 ... Fine flow path 16 ... Coated base material 18 ... Coating base Material 20 ... Through hole 21 ... Water repellent valve 22 ... Liquid feeding control part 23 ... Upstream side flow path 24 ... Downstream side flow path 25 ... Connection port communication part 26.・ ・ Upstream side connection port 27 ・ ・ ・ Downstream side connection port 28 ・ ・ ・ Liquid 29 ・ ・ ・ Storage unit 30 ・ ・ ・ Reagent 34 ・ ・ ・ Equivalent part of the connection port communication unit 50 ・ ・ ・ Micro pump unit 52 ・ ・ ・-Silicon substrate 54 ... First glass substrate 56 ... Second glass substrate 58 ... Micro pump 60 ... Pressurizing chamber 62 ... First flow path 64 ... Second flow Path 66 ... First liquid chamber 68 ... Second liquid chamber 70 ... Piezoelectric element 72 ... Channel 74 ... Opening 76 ... Through hole 80 ... Opening 82 ... Micro total analysis system 83 ... Display unit 84 ... System main body 85 ... Conveying tray 86 ... Storage body 87 ... Insertion port DESCRIPTION OF SYMBOLS 88 ... Chip connection part 90 ... Light source 92 ... Detector 94 ... Pump connection part 96 ... Peltier element 97 ... Drive liquid 98 ... Heater 99 ... Drive liquid tank t1・ ・ ・ Width 100 of connection port communication portion equivalent part ・ ・ ・ Water repellent valve 102 ・ ・ ・ Upstream channel 104 ・ ・ ・ Downstream channel 106 ・ ・ ・ Liquid feed control channel 108 ・ ・ ・ Control Channel upstream end 110 ... Control channel downstream end 112 ... Liquid 114 ... Reagent storage unit 116 ... Reagent 118 ... Opening 120 ... Channel 122 ... Drive Liquid 124 ... Branch point 126 ... Branch channel 128 ... Empty Vent passage 130 ... space 132 · bubble 200 ... die 202 ... feeding control channel corresponding portions 204 ... tip 300 ... resin
Claims (3)
前記送液制御部は、
その上流側の前記流路の断面積よりも小さな断面積を有する上流側接続口と、
その下流側の前記流路の断面積よりも小さな断面積を有する下流側接続口と、
前記上流側接続口と前記下流側接続口とを連通する接続口連通部と、を有し、
前記上流側接続口は、前記下流側接続口の断面積よりも大きな断面積となるように構成され、
前記接続口連通部は、断面積が連続的に変化するように構成されていることを特徴とするマイクロリアクタ。 A flow path is provided on at least one surface of the plate-shaped chip, and a liquid feed control unit constituting a water repellent valve is provided in a part of the flow path, whereby the liquid feed speed and liquid feed of the liquid in the flow path are provided. A microreactor with timing control,
The liquid feeding control unit is
An upstream connection port having a cross-sectional area smaller than the cross-sectional area of the channel on the upstream side;
A downstream connection port having a cross-sectional area smaller than the cross-sectional area of the flow path on the downstream side;
A connection port communicating portion for communicating the upstream connection port and the downstream connection port,
The upstream connection port is configured to have a cross-sectional area larger than the cross-sectional area of the downstream connection port,
The microreactor is characterized in that the connection port communication portion is configured such that a cross-sectional area continuously changes.
試薬または検体を貯蔵する貯蔵部を備え、
前記貯蔵部の一方側と他方側のそれぞれに、前記送液制御部が設けられていることを特徴とする請求項1に記載のマイクロリアクタ。 The microreactor is
Comprising a reservoir for storing reagents or specimens;
Microreactor according to claim 1, wherein each of the one side and the other side of the reservoir, wherein the liquid feed control section is provided.
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