JP4893186B2

JP4893186B2 - マイクロ流体デバイス

Info

Publication number: JP4893186B2
Application number: JP2006257012A
Authority: JP
Inventors: 展雄佐々木
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2006-09-22
Filing date: 2006-09-22
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2026-09-22
Also published as: JP2008076279A

Description

本発明は、マイクロ流体デバイスに係り、特に、液体試料を保持し温度サイクルを加えるマイクロ流体デバイスに関する。

通常の試験管等で扱う液量と比較して、いわゆるマイクロ流体の体積は桁違いに小さい。同じ液体であれば熱容量は体積に比例するので、マイクロ流体の熱容量は桁違いに小さい。そのためマイクロ流体であれば、液体の温度を素早く精密に制御することが可能となる。

また、通常の試験管等で扱う液量の場合と比較して、マイクロ流体は壁面と接触する面積が相対的に大きい。形状が相似で長さが１／１０になったとすると、体積は１／１０００になるが表面積は１／１００にしかならない。温度の異なる固体壁面と液体との熱エネルギの授受は面積が大きいほど促進されるので、この点からもマイクロ流体であれば素早く精密な温度制御が可能になるといえる。

マイクロ流体デバイスの有力なアプリケーションのひとつとしてＰＣＲ増幅がある。ＰＣＲ増幅とは標準的なＤＮＡの増幅方法であり、採取した血液等のサンプルに含まれる微量のＤＮＡをプライマーと酵素の連鎖反応によって選択的に増幅するものである。各反応の起きる温度はそれぞれ決まっており、理想的には温度サイクルを一周する度にＤＮＡが倍になる。それでも検出に充分な量のＤＮＡを得るためには例えば数十周しなければならず、現実的な時間でＰＣＲ増幅をするためには素早く加熱したり冷却したりしなければならない。また、各反応の起きる温度範囲はシビアであり、ＰＣＲ増幅をするためには精密に温度制御しなければならない。これらの理由によってＰＣＲ増幅を行うマイクロ流体デバイスはマイクロ流体の有力なアプリケーションといわれている。

スケールダウンがもたらすものは温度制御性の向上だけでない。精製や検出といったＰＣＲ増幅の前後の工程に用いられる容器の集積化も可能にする。シームレスに繋ぐことによりコンタミネーションや環境への汚染を減らすことができる。特に増幅後のＰＣＲプロダクトは濃度が高く慎重な扱いが必要なため、シームレス化による効果が大きいといわれている。従来、このマイクロ流体デバイスの技術として、特許文献１の技術が知られていた。

以下に公知文献を記す。
特開２００６−８１４０６号公報

しかし、従来の技術のマイクロ流体デバイスでは、ＰＣＲ増幅の温度サイクルをかけると、意図しないマイクロ流体の流動が生じることがあった。すなわちバイオチップの管内にＤＮＡ溶液などのマイクロ流体を吸加熱エリアに設置しＰＣＲ増幅のために温度サイクルを加え、素早く加熱と冷却を繰り返すと、流動中のマイクロ流体は、偶発的にその流動速度が変わり、また、静止させたマイクロ流体は、偶発的に管内を流動し吸加熱エリアから外れてしまう不具合が生じた。

本発明は、バイオチップの管内に設置したマイクロ流体にＰＣＲ増幅などのための温度サイクルを加えるに際し、マイクロ流体がその管内を偶発的に流動した場合に、そのマイ
クロ流体を吸加熱エリアに再び復帰させるマイクロ流体デバイスを提供することを目的とするものである。

本発明者は、上記課題を解決するべき鋭意研究を重ねた結果、マイクロ流体の意図しない流動の原因が以下の現象によることを見出した。すなわち、バイオチップには、その管内のマイクロ流体に複数の自由界面が存在する。その管内のＤＮＡ溶液などのマイクロ流体の送液のためのオイルや蒸発を防ぐためのオイル等の、マイクロ流体とは混合しない液体が用いられるため、液液自由界面が一般的に存在する。また、マイクロ流体と空気との気液自由界面が形成される場合もある。マイクロ流体では相対的に界面張力の影響が大きくなるため、例えば重力に逆らっていわゆる毛管現象が起きる。マイクロ流体をバイオチップの管内の吸加熱エリアに設置しＰＣＲ増幅のための温度サイクルを加え、素早く加熱したり冷却したりすると、偶発的にマイクロ流体の２つの自由界面間に温度差が生じると考える。その温度差による界面張力差によってマイクロ流体の意図しない流動が生じたと考える。なお、ここで述べる温度差はひとつの自由界面内における温度分布のことではなく、複数ある自由界面の温度差、例えば管内にあるマイクロ流体の前後ふたつの自由界面の温度差のことを指している。なお、一般的に温度が上がると界面張力は小さくなる。この裏づけとして、界面張力差によりマイクロ流体が流動させられる現象は、例えば、特開２００５−１９９３９９号公報に記載されている。また、温度差による界面張力差がマイクロ流体５が流動させられることは例えば、Bishop,D.J.,Scientific American,January 2001,pp.88-94に示されている。

即ち、本発明は、この課題を解決するために、マイクロ流体を収納する吸加熱エリアを有する管を形成したバイオチップと、前記管の前記吸加熱エリアに設置された主たる温度制御素子と、前記管の前記吸加熱エリアの外の位置に設置された従たる温度制御素子とを有し、前記管の壁面を親水性にし、前記従たる温度制御素子が前記管を前記吸加熱エリアより高い温度に加熱し、前記従たる温度制御素子の位置における前記マイクロ流体の界面張力を前記吸加熱エリアよりも小さくすることにより、温度サイクルを加えた際に前記マイクロ流体が偶発的に流動した場合に、前記主たる温度制御素子の温度サイクルに連動して前記従たる温度制御素子が前記管を前記吸加熱エリアより一定の温度差で高い温度に加熱することで、前記マイクロ流体を前記吸加熱エリアに押し戻すようにしたことを特徴とするマイクロ流体デバイスである。

また、本発明は、マイクロ流体を収納する吸加熱エリアを有する管を形成したバイオチップと、前記管の前記吸加熱エリアに設置された主たる温度制御素子と、前記管の前記吸加熱エリアの外の位置に設置された従たる温度制御素子とを有し、前記管の壁面を疎水性にし、前記従たる温度制御素子が前記管を前記吸加熱エリアより低い温度に冷却し、前記従たる温度制御素子の位置における前記マイクロ流体の界面張力を前記吸加熱エリアよりも大きくすることにより、温度サイクルを加えた際に前記マイクロ流体が偶発的に流動した場合に、前記主たる温度制御素子の温度サイクルに連動して前記従たる温度制御素子が前記管を前記吸加熱エリアより一定の温度差で低い温度に冷却することで、前記マイクロ流体を前記吸加熱エリアに押し戻すようにしたことを特徴とするマイクロ流体デバイスである。

本発明のマイクロ流体デバイスによれば、バイオチップの管内の吸加熱エリアに設置し
たマイクロ流体が偶発的に流動した場合に、そのマイクロ流体を自動的に吸加熱エリアに復帰させることができる効果がある。

次に、図１を参照して本発明を説明する。
図１に本発明のマイクロ流体デバイスを示し、被温度制御対象であるバイオチップ４の上下面に３つの温度制御素子を配置したマイクロ流体デバイスの断面図を示す。本発明のマイクロ流体デバイスは、バイオチップ４と、その上下面に配置された、主たる温度制御素子と２つの従たる温度制御素子と、そして、それらに接続された図示しない制御回路から構成されている。バイオチップ４は、プラスチック等の熱伝導性のあまり高くない材料に、ＤＮＡ溶液などのマイクロ流体５を収納する管を形成したものである。バイオチップ４にはプラスチック等の熱伝導性のあまり高くない材料を用いるが、その管の外側のバイオチップ４の厚さを充分に薄く形成することで、その管に収納したマイクロ流体の温度をＰＣＲ増幅の温度サイクルで制御できるようにする。また、バイオチップ４の管の壁面を親水性あるいは疎水性に加工をする。

本発明ではこのマイクロ流体デバイスの温度を次のように制御する。すなわち、第１に、主たる温度制御素子１を用いてＤＮＡ溶液のマイクロ流体５にＰＣＲ増幅の温度サイクルをかける。第２に、マイクロ流体５が流動する前方すなわち吸加熱エリアの外側のバイオチップ４の領域を従たる温度制御素子２と１３を用いて、主たる温度制御素子１より高い温度に加熱または低い温度に冷却する。すなわち、バイオチップ４の管の壁面が親水性でありマイクロ流体の自由界面が外側に凹の場合は、主たる温度制御素子１より高い温度に加熱し、従たる温度制御素子の位置におけるマイクロ流体の界面張力を吸加熱エリアよりも小さくする。バイオチップ４の管の壁面が疎水性でありマイクロ流体の自由界面が外側に凸の場合は、低い温度に冷却することで、マイクロ流体の界面張力を吸加熱エリアよりも大きくする。それにより、偶発的にＤＮＡ溶液などのマイクロ流体５が流動して主たる温度制御素子の吸加熱エリアから外れて、従たる温度制御素子の位置にマイクロ流体の自由界面が流動して来た場合に、そのマイクロ流体５を吸加熱エリアに押し戻す復元力が働くようにする。

図１に示すマイクロ流体デバイスにより、室温中において、以下のようにバイオチップ４の温度制御を行った。主たる温度制御素子１の設定値はＰＣＲサイクルにおける温度のひとつである３２０Ｋ、従たる温度制御素子２、１３の設定値はそれより６０Ｋ高い３８０Ｋとした。バイオチップ４の管の内径は１ｍｍφとし、管内にＤＮＡ溶液のマイクロ流体５を設置し、その周囲に空気６を設置した。バイオチップはポリプロピレンで形成し、壁面は親水性で接触角６０°とした。これにより、マイクロ流体５の自由界面は外側に凹になった。なお、このマイクロ流体５の表面張力は３２０Ｋのとき６８ｍＮ／ｍ、３８０Ｋのとき５８ｍＮ／ｍである。

図２で、本実施例のマイクロ流体５の流動を説明する。図１で、時間が０秒の時にマイクロ流体５が主たる温度制御素子１の直下の領域である吸加熱エリアにある。そのマイクロ流体５が偶発的に５ｍｍ／秒で流動し始めると、０．１秒後から０．４秒後までは吸加熱エリア内で流動し続ける。０．５秒後には、マイクロ流体５の自由界面が主たる温度制御素子１の有効エリアである吸加熱エリアと従たる温度制御素子３の有効エリアの境界領域に達する。そして、０．６秒後に、マイクロ流体５が従たる温度制御素子３の有効エリアに入る。すると、マイクロ流体５の自由界面がその領域で加熱されその位置におけるマイクロ流体の界面張力を吸加熱エリアの自由界面の界面張力よりも小さくする。その結果、マイクロ流体５が減速され、０．７秒後も０．６秒後の位置と同じ位置に留まる。そして、０．８秒後に、マイクロ流体５が吸加熱エリアに押し戻され、０．９秒後に、マイク
ロ流体５が０秒時点の吸加熱エリアの位置にまで戻された。その後はマイクロ流体５は粘性のために減速し吸加熱エリア内で静止した。

このようにして、マイクロ流体５の前後ふたつの自由界面がそれぞれ従たる温度制御素子３の有効エリアと主たる温度制御素子１の有効エリアに跨るところで、マイクロ流体５が流動の向きを変え、主たる温度制御素子１の有効エリアすなわち本来の吸加熱エリアに戻された。このマイクロ流体５の突発的な流動は、その流動開始から０．９秒の短時間で復帰処理が実現できたので、数分間かかるＰＣＲ増幅の温度サイクルにおいては、ＰＣＲ増幅反応にほとんど影響を及ぼさないで反応を安定して進めさせることができる効果がある。

本実施例によれば、吸加熱エリア外側の自由界面は従たる温度制御素子によって加熱されるため、偶発的にマイクロ流体５が流動し吸加熱エリアから外れてしまった際、マイクロ流体５が流動する前方、すなわち吸加熱エリア外側の自由界面は従たる温度制御素子によって加熱されるため、前方の自由界面における界面張力が小さくなる。マイクロ流体５の自由界面は外側に凹であり、後方の界面張力が前方の界面張力より大きいため、マイクロ流体５には後方に復元する力が働き、マイクロ流体５は後方に引き戻される効果がある。結局、吸加熱エリアの外側に流動するマイクロ流体５は温度の壁に当たって後方に跳ね返される。その後は粘性のために減速し吸加熱エリア内で静止する。ＰＣＲ増幅の用途として一般的なものは、ＤＮＡを増殖させて得られたＤＮＡが特定の塩基配列に対して結合するか否かの二択の判定をするＤＮＡ検出が主なものであるので、検出可能な分量以上のＤＮＡがＰＣＲ増幅で得られれば良く、ＤＮＡの絶対量は問題とならない。そのため、マイクロ流体５が偶発的に流動し吸加熱エリアから外れ、そして再び吸加熱エリアに戻された場合は、吸加熱エリアから外れた期間は、ＰＣＲ増幅のための温度サイクルが加わらないので、加わる温度サイクルの総数は減ることになるが、その影響は小さい。

図１に示すマイクロ流体デバイスにより、室温中において、以下のようにバイオチップ４の温度制御を行った。主たる温度制御素子１の設定値を３２０Ｋと３４０Ｋのサイクルとし、従たる温度制御素子２、１３の設定値はそれに連動して常に６０Ｋの一定の温度差で温度が高い３８０Ｋと４００Ｋのサイクルとした。バイオチップ４の管の内径は１ｍｍφとし、管内にＤＮＡ溶液のマイクロ流体５を設置し、その周囲に空気６を設置した。バイオチップ４はポリプロピレンで形成し、壁面は親水性で接触角６０°とした。これにより、マイクロ流体５の自由界面は外側に凹になった。なお、このマイクロ流体５の表面張力は３２０Ｋのとき６８ｍＮ／ｍ、３４０Ｋのとき６５ｍＮ／ｍ、３８０Ｋのとき５８ｍＮ／ｍ、４００Ｋのとき５４ｍＮ／ｍである。

偶発的にマイクロ流体５が５ｍｍ／秒で流動したところ、前後ふたつの自由界面がそれぞれ従たる温度制御素子３の有効エリアと主たる温度制御素子１の有効エリアに跨るところで流動の向きを変え、主たる温度制御素子１の有効エリアすなわち本来の吸加熱エリアに戻った。

図１に示すマイクロ流体デバイスにより、室温中において、以下のようにバイオチップ４の温度制御を行った。主たる温度制御素子１の設定値を３２０Ｋと３４０Ｋのサイクルとし、従たる温度制御素子２、１３の設定値はそれに連動して常に４０Ｋ低い２８０Ｋと３００Ｋのサイクルとした。バイオチップ４の管の内径は１ｍｍφにし、管内にＤＮＡ溶液のマイクロ流体５を設置し、その周囲に空気６を設置した。バイオチップ４はポリプロピレンで形成し、壁面は疎水性で接触角１５０°とした。これにより、マイクロ流体５の自由界面は外側に凸になった。なお、このマイクロ流体５の表面張力は２８０Ｋのとき７
５ｍＮ／ｍ、３００Ｋのとき７２ｍＮ／ｍ、３２０Ｋのとき６８ｍＮ／ｍ、３４０Ｋのとき６５ｍＮ／ｍである。

本実施例によれば、吸加熱エリアの外側の自由界面は従たる温度制御素子によって加熱されるため、偶発的にマイクロ流体５が流動し吸加熱エリアから外れてしまった際、マイクロ流体５が流動する前方、すなわち吸加熱エリアの外側の自由界面は従たる温度制御素子によって冷却されるため、前方の自由界面における界面張力が大きくなる。マイクロ流体５の自由界面は外側に凸であり、後方の界面張力が前方の界面張力より小さいため、マイクロ流体５には後方に引き戻す力が働き位置が復元される効果がある。結局、吸加熱エリアの外側に流動するマイクロ流体５は温度の壁に当たって後方に跳ね返され、粘性のために減速し吸加熱エリア内で静止する効果がある。

本発明のマイクロ流体デバイスの断面図である。本発明のバイオチップ内のマイクロ流体の位置の時間変化を示す図である。

符号の説明

１・・・主たる温度制御素子
２，３・・・従たる温度制御素子
４・・・バイオチップ
５・・・マイクロ流体
６・・・空気

Claims

マイクロ流体を収納する吸加熱エリアを有する管を形成したバイオチップと、前記管の前記吸加熱エリアに設置された主たる温度制御素子と、前記管の前記吸加熱エリアの外の位置に設置された従たる温度制御素子とを有し、前記管の壁面を親水性にし、前記従たる温度制御素子が前記管を前記吸加熱エリアより高い温度に加熱し、前記従たる温度制御素子の位置における前記マイクロ流体の界面張力を前記吸加熱エリアよりも小さくすることにより、温度サイクルを加えた際に前記マイクロ流体が偶発的に流動した場合に、前記主たる温度制御素子の温度サイクルに連動して前記従たる温度制御素子が前記管を前記吸加熱エリアより一定の温度差で高い温度に加熱することで、前記マイクロ流体を前記吸加熱エリアに押し戻すようにしたことを特徴とするマイクロ流体デバイス。
マイクロ流体を収納する吸加熱エリアを有する管を形成したバイオチップと、前記管の前記吸加熱エリアに設置された主たる温度制御素子と、前記管の前記吸加熱エリアの外の位置に設置された従たる温度制御素子とを有し、前記管の壁面を疎水性にし、前記従たる温度制御素子が前記管を前記吸加熱エリアより低い温度に冷却し、前記従たる温度制御素子の位置における前記マイクロ流体の界面張力を前記吸加熱エリアよりも大きくすることにより、温度サイクルを加えた際に前記マイクロ流体が偶発的に流動した場合に、前記主たる温度制御素子の温度サイクルに連動して前記従たる温度制御素子が前記管を前記吸加熱エリアより一定の温度差で低い温度に冷却することで、前記マイクロ流体を前記吸加熱エリアに押し戻すようにしたことを特徴とするマイクロ流体デバイス。