JP4844379B2 - 物質捕集装置 - Google Patents

Description

本発明は流体中に含まれる所定サイズの物質を捕集する物質捕集装置であって、特にＤＮＡやタンパクなどの生体高分子を捕集するのに好適な物質捕集装置に関するものである。

溶液中から物質を捕集するための技術としては、例えば特許文献１に、粒子を含む液体から液体成分を分離するための微細構造を有する分離装置として、当該微細構造が段部であるもの、微細構造が互いに離れた柱体であるものなどが示されている。また、特許文献２には、液体試料中の核酸のような所望の物質をその他の物質から分離するための微小流体装置として、柱状のコラムの配列を備えた装置が開示されている。また、特許文献３には、非磁性及び磁性ビーズを捕捉する微小流体装置として、ビーズ径よりも小さな径の貫通孔を複数形成したフィルタを、流路上に配置したものが開示されている。

また、特許文献４、特許文献５などには、リソグラフィの技術を用いて、上記構造を構成する方法が記載されている。
特開２００４−２８３８２８号公報 特表２００１−５１５２１６号公報 特表２００３−５３２４００号公報 特開２００３−１７５４９９号公報 特表２００６−５０７１０５号公報

しかしながら、これらの構造体は、それぞれ構造が複雑で精度良く製造することが困難であった。たとえば、上記特許文献１や２に示す柱状構造やコラム構造を多数、等間隔で配置することは難しく、分離精度向上の障害となっていた。同様に、特許文献３に示すフィルタの孔径や配置間隔を精度良く作製することも困難である。また、これらの構造は、微小な隙間(穴やキャップ幅など)を利用して流体中の物質を捕獲するため、目的物質よりも大きい物質全てを捕獲することになってしまい、微小空間がこれら巨大異物によって目詰まりすると、流体の流れが妨げられるほか、使用後に洗浄してもこれらは除去しにくいため再利用できないという問題点もあった。
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、より簡便な構造で、かつ、分離精度の高い物質捕集装置を提供することをその目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１による物質捕集装置は、表面に沿って延びる凹状の流路を形成した流路基板と、前記流路基板に重ねられ、前記流路の流路方向の一部を覆う面を有する板と、を備え、前記流路は、前記流路の底面が前記板の面に対し傾斜面として形成され、下流側に向うに従って浅くなって、前記板との間に前記流路中を流れる物質の捕集空間を形成しており、前記板の下流側端部の位置によって、捕集する物質のサイズを設定可能になっていることを特徴とする。
本発明の請求項２による物質捕集装置は、前記板は、透明材料で構成されていることを特徴とする。

本発明の請求項３による物質捕集装置は、請求項１又は２において、前記板の下流側端部と前記流路の底面との間隔を、捕集対象とする細胞径以下としたことを特徴とする。
本発明の請求項４による物質捕集装置は、中空部に流路を形成し、開口端面が流路方向に対して傾斜した管状部材と、前記管状部材の開口端面に重ねられ、当該開口端面の上流側を塞ぐ板と、を備え、前記管状部材と前記板との間に前記流路中を流れる物質の捕集空間を形成しており、前記板の下流側端部の位置によって、捕集する物質のサイズを設定可能になっていることを特徴とする。

本発明の物質捕集装置は、分離能に優れ、かつ、簡便に作製することができる。

次に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
（構成例）
図１（ａ）は本実施形態の物質捕集装置Ａの側面図、（ｂ）は平面図であり、図２は物質捕集装置Ａに流路を形成する方法を示す図、図３は流路２の構造を説明するための図である。
図１に示す物質捕集装置Ａは、流路２を形成したガラス板（１０×２０ｍｍ、厚さ１ｍｍ）１に、カバーガラス３を重ねて形成した。このガラス板１が本発明の流路基板に相当し、カバーガラス３が本発明の板に相当する。

流路２は、図２に示すようにして作製した。まず、ガラス板１の長手方向片側端部の裏面側に厚さ５００μｍのＳｉウエハを敷き、ガラス板１を水平面に対して傾斜させた状態で固定した。このとき、ガラス板１は約１．４３°（＝Ｔａｎ（０．５／２０））の傾斜勾配で固定されていることになる。この後、ダイシングソーを用いて、Ｓｉウエハを敷いた側から３００μｍの切り込み量でガラスの長手方向へ幅１００μｍの直線の溝を形成した。これにより、ガラス板１表面に、底面が流路方向に沿って約１．４３°傾斜した直線溝状の流路２が約１２ｍｍの長さで形成される。なお、ガラス板１の表面のうち、流路２を形成していない部分が本発明の基板面に相当する。

カバーガラス３には、市販のカバーガラス（８×１２ｍｍ、厚さ０．１２〜０．１７ｍｍ）を用い、流路２の流路終端２ａ（流路２の底が浅くなる方の端部）から流路方向に０．２ｍｍの位置で固定した。このとき、流路２底面とカバーガラス３端部間のギャップＧは、約５μｍ（＝０．２×（Ｔａｎ１．４３°））となる（図３参照）。
流路始端２ｂ側へ、サンプル溶液を導入するためのチューブ５（外径約３００μｍ）を固定し、サンプル溶液が漏れない様、チューブ５の周辺をＰＤＭＳ（ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）でシールした。また、ガラス板１上の流路終端２ａ側に、流路終端２ａをＰＤＭＳで作製した側壁４ａで取り囲み、廃液を回収する廃液回収用チャンバ４を形成した。

（作用及び効果）
次に、上記構成の物質捕集装置Ａの使用方法や作用効果について説明する。
物質捕集装置Ａの使用時には、流路始端２ｂからポンプによってサンプル溶液を送り出す。前記のように流路２は底面が傾斜し、次第に浅くなるように形成されているため、サンプル溶液に含まれる物質のうち、前記ギャップＧよりも外径が大きな物質ｓは、流路２の途中で底面とカバーガラス３との間に挟まれる。一方、前記ギャップＧよりも外径が小さな物質は、流路終端２ａまで流されて、廃液回収用チャンバ４内に回収される。

以上により、目的の物質を流路２の底面とカバーガラス３との間に捕集したり、目的外の物質を流路２の底面とカバーガラス３との間に捕集し、廃液回収用チャンバ４から目的物質を回収したりすることが可能になる。
本発明を用いると、流路２が流路方向に徐々に狭くなっているので、大きな物質から順次捕集される。このため、目詰まりによってサンプル溶液が流路２に滞留したり、ギャップＧより小さな物質の進路が塞がれたりするのを防止できる。従って、シンプルな構造でありながら、優れた分離能を発揮する。さらに、カバーガラス３を取り外せば、容易に捕集物を開放(リリース)することができるので、異物が挟まったときでも開放することで継続して使用でき、さらに使用後に洗浄することで再利用することもできる。

また、流路方向へ傾斜を有する流路と板を組み合わせるだけのシンプルな構造なので、リソグラフィ技術などを用いなくても単時間、低コストで作製が可能である。特に、流路２の傾斜は、あらかじめガラス板１を傾斜させて固定することにより、平面研磨（単純な機械加工）により作製することができる。また、ギャップＧは、顕微鏡などで観察しながらカバーガラス３を固定することで精度良く作製することが可能である。

（変形例）
なお、流路基板や板の材料は、ガラスである必要はなく、各種の樹脂材料や金属、無機材料など、使用するサンプルの特性に合わせて選定できる。また、カバーガラス３は、捕集サンプルの観察のため、波長１８０ｎｍ以上の光を透過する透明材料であることが望ましいが、これもデバイスの用途によって自由に選択することができる。

さらに、物質捕集装置Ａの構成は、図１に示すものに限られず、例えば図４に示すようなものであってもよい。図４に示す物質捕集装置Ａでは、ガラス板１の表側にカバーガラス３を案内するリブ６が形成され、カバーガラス３が流路方向に沿って移動自在に配されている。また、カバーガラス３は、圧電素子からなる圧電アクチュエータに駆動可能に結合されている。このように、カバーガラス３を流路方向に沿って移動させることで、前記ギャップＧの大きさをコントロールでき、捕集物質ｓの大きさを自由に設定することができる（図３参照）。また、上述のように異物が挟まったときなどは、カバーガラス３を移動させることで異物を容易に開放できる。なお、リブ６は、流路終端２ａ側では当該流路終端２ａを取り囲む形状となっており、廃液回収用チャンバ４を形成している。このリブ６は、例えば、樹脂材料、金属材料やガラスで形成できる。

なお、カバーガラス３を移動させる代わりに、サイズの異なるカバーガラス３を用い、下流側端部の位置を調整することで、ギャップＧの大きさを調整してもよい。
また、本発明の適用において、流路２の底面の傾斜角（流路２の底面が基板面に対してなす角）は特に限定されず、捕集対象の物質に応じて最適な傾斜角が設定できる。例えば、図４に示すようにカバーガラス３を移動させることでギャップＧを調整する構成にした場合、傾斜角を小さくしておくと、ギャップＧの調整量に対するカバーガラス３の移動量を大きくできるので分離精度を高めることができ、またサイズの差が小さな物質同士の分離が可能になる。一方、広範な範囲のサイズの物質がサンプル溶液中に含まれる場合には、傾斜角を大きくすることが好ましい。

また、上記のように流路２の底面を傾斜させることで、流路方向に沿って流路２の深さを変化させる代わりに、図５に示すように、流路基板１′の基板面１′ａを流路２′の底面に対して傾斜させることで、下流側に向かうに従って流路２′が浅くなるようにしてもよい。なお、図５中、符号３′はカバーガラスである。

図６には、図５と同様の原理でギャップＧを形成した物質捕集装置Ａの例を示す。図６の物質捕集装置Ａは、角型のキャピラリ（毛細管）７と、平板（例えば、カバーガラス）９と、を備えて構成される。キャピラリ７の端面は、中空のキャピラリ７を平面カットすることで流路方向に対し傾斜した傾斜面として形成されており、平板９はキャピラリ７の開口端部７ａの上流側を塞ぐように端面に重ねられている。これにより、平板９の下流側端部と、これに対向するキャピラリ７の内壁面７ｂとの間に、ギャップＧが形成され、このギャップＧよりも径の大きな物質が平板９とキャピラリ７との間に捕集される。ギャップＧは、平板９をキャピラリ７の端面に沿って流路方向上流側又は下流側に移動させることで調整できる。このように、本発明の物質捕集装置は、基板のみでなく、管状部材でも構成できる。

また、本発明の物質捕集装置Ａは、物質捕集用に単体で用いるのみでなく、例えば、微小流路を形成した流体チップの一部に組み込んで利用してもよい。図７に、このような流体チップ８の一例を示す（（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ線断面図である）。図７の流体チップ８は、ガラスなどの基板８ａに感光性樹脂層８ｂを積層し、リソグラフィ技術によって感光性樹脂層８ｂを一部除去することで、１対の溶液槽８１，８２及びこれらを連通する流路８３を形成したものである。また、この流路８３に沿って、上流側の溶液槽８１（紙面左側）から中央付近まで、基板８ａが凹溝状に切削されている。そして、その凹溝の底面は、流路８３の途中で平坦面８３ｂから傾斜面８３ａになっており、このため、当該傾斜面８３ａの部分では上流側から下流側に向かって流路８３が徐々に浅くなっている。また、流路８３中央では、基板８ａの凹溝を覆うカバーガラス８ｃが基板８ａ上に固定され、流路８３や基板８ａの凹溝と共に物質捕集装置Ａを構成している。つまり、流路８３を流れる物質のうち、基板８ａ及びカバーガラス８ｃの下流側端部間のギャップＧよりも外径の大きな物質は、当該カバーガラス８ｃ下に捕集され、小さな物質が下流側の溶液槽８２まで運ばれる。なお、図７の流体チップ８には溶液槽８１，８２及び流路８３が形成されているのみであるが、流体駆動用の膜状電極を積層させたり、さらに異なる機能部分を流路８３の途中に追加したりしてもよい。また、溶液槽８１，８２などについても、リソグラフィ技術を用いずに、基板８ａを切削することで形成してもよい。

（ａ）は本実施形態の物質捕集装置の側面図、（ｂ）は平面図である。 物質捕集装置に流路を形成する方法を示す図である。 流路の構造を説明するための図である。 本発明の他の構成例を説明する図である。 本発明の他の構成例を説明する図である。 図５に示す原理でギャップを形成した構成例を示す図である。 流体チップに物質捕集装置を組み込んだ例を説明する図である。

符号の説明

Ａ 物質捕集装置
１ ガラス板
１′ 流路基板
１′ａ 基板面
２，２′ 流路
２ａ 流路終端
２ｂ 流路始端
３，３′ カバーガラス
４ 廃液回収用チャンバ
４ａ 側壁
５ チューブ
６ リブ
７ キャピラリ
７ａ 開口端部
７ｂ 内壁面
９ 平板
８ 流体チップ
８ａ 基板
８ｂ 感光性樹脂層
８ｃ カバーガラス
８１，８２ 溶液槽
８３ 流路
８３ａ 傾斜面（基板の凹溝）
８３ｂ 平坦面（基板の凹溝）
Ｇ ギャップ
ｓ 物質

Claims (4)

1. 表面に沿って延びる凹状の流路を形成した流路基板と、
   前記流路基板に重ねられ、前記流路の流路方向の一部を覆う面を有する板と、を備え、
   前記流路は、前記流路の底面が前記板の面に対し傾斜面として形成され、下流側に向うに従って浅くなって、前記板との間に前記流路中を流れる物質の捕集空間を形成しており、前記板の下流側端部の位置によって、捕集する物質のサイズを設定可能になっていることを特徴とする物質捕集装置。
2. 前記板は、透明材料で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の物質捕集装置。
3. 前記板の下流側端部と前記流路の底面との間隔を、捕集対象とする細胞径以下としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の物質捕集装置。
4. 中空部に流路を形成し、開口端面が流路方向に対して傾斜した管状部材と、
   前記管状部材の開口端面に重ねられ、当該開口端面の上流側を塞ぐ板と、を備え、
   前記管状部材と前記板との間に前記流路中を流れる物質の捕集空間を形成しており、
   前記板の下流側端部の位置によって、捕集する物質のサイズを設定可能になっていることを特徴とする物質捕集装置。

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