JP4915690B2

JP4915690B2 - マイクロ化学チップ装置

Info

Publication number: JP4915690B2
Application number: JP2006142214A
Authority: JP
Inventors: 幸生山田; 直人角田; 泰亮廣野
Original assignee: THE UNIVERSITY OF ELECTRO-COMUNICATINS; Kowa Co Ltd
Current assignee: THE UNIVERSITY OF ELECTRO-COMUNICATINS; Kowa Co Ltd
Priority date: 2006-05-23
Filing date: 2006-05-23
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2026-05-23
Also published as: JP2007315753A; US7553454B2; US20080056953A1

Description

本発明は、特定の溶液と薬剤との反応を適切に制御できるマイクロ化学チップ装置に関する。

従来、ある特定の溶液を特定の薬剤に反応させて、未反応の状態と反応後の状態とを比較することが行われている（例えば、特許文献１参照）。

例えば、血液に凝集惹起剤を加えると、血液中の血小板と凝集惹起剤とが反応して凝集が起きることは一般的に知られている。この場合、血小板凝集の程度を定量化するには、凝集惹起剤に反応していない状態の血液を対照として採用し、凝集惹起剤と反応させた凝集を測定し、それを対照と比較することによって、血小板凝集能を評価すべきである。そこで、マイクロ化学チップ上に設けた細流路内で凝集反応を行わせ、上記血小板凝集能を計測するための装置が考案されており、具体的には、血液が流れる流路をマイクロ化学チップに少なくとも２本形成しておいて、一方の流路には惹起剤を塗布しておいて該血液と凝集惹起剤とが反応するように設定しておき、他方の流路には凝集惹起剤を塗布しておかずに未反応状態の血液を観察できるように構成したものを挙げることができる。そして、このような装置においては、２本の流路を同時に観察・比較する必要がある。
特開２００５−０１７２５４号公報

ところで、上述のように２本の流路を有する装置においては、反応状態と未反応状態との比較のため、それぞれの流路の画像あるいは映像（動画像）を撮影したい場合がある。その場合、
・それぞれ流路にカメラを１台ずつ配置するケース
・カメラは１台だけ配置し、カメラかマイクロ化学チップを移動可能に構成するケース
が考えられるが、いずれの場合も構成が複雑になり装置が高価になってしまうという問題があった。特に、２番目のケースの場合、カメラかマイクロ化学チップを移動させるための機構部分を設けなければならず、動作上の不具合が発生する危険性を持つことになる。

一方、薬剤が塗布された方の流路に過量の溶液が流れ込んでしまうと、適正な反応状態が得られない場合がある。例えば、上述のように凝集惹起剤が塗布された方の流路に過量の血液が流れ込んでしまうと、血小板が一気に凝集して流路を閉塞してしまって定量化が困難になってしまう。

本発明は、上述のような問題を解決するマイクロ化学チップ装置を提供することを目的とするものである。

請求項１に係る発明は、図１に例示するものであって、緩衝液（図２の符号Ｄ_１参照）が流れる第１流路（Ｂ_１）と、
血液（図２の符号Ｄ_２参照）が流れる第２流路（Ｂ_２）と、
これら第１及び第２流路（Ｂ_１，Ｂ_２）の下流側に接続されることにより、前記緩衝液（Ｄ_１）及び前記血液（Ｄ_２）が層状に流される第３流路（Ｂ_３）と、
前記緩衝液（Ｄ_１）の供給量を制御する第１溶液供給手段（Ｐ_１）と、
前記血液（Ｄ_２）の供給量を制御する第２溶液供給手段（Ｐ_２）と、
を備え、
前記第１溶液供給手段（Ｐ _１）により前記緩衝液（Ｄ _１）の供給量を調整すると共に前記第２溶液供給手段（Ｐ _２）により前記血液（Ｄ _２）の供給量を調整することに基づいて前記第３流路（Ｂ _３）における前記緩衝液（Ｄ _１）及び前記血液（Ｄ _２）の層流幅（図２(a) (ｂ) の符号Ｗ _１，Ｗ _２参照）を制御して、該緩衝液（Ｄ _１）と該血液（Ｄ _２）との界面（図２(ａ)
(ｂ) の符号Ｅ参照）が移動するように構成され、
前記第３流路（Ｂ _３）の壁面には、前記緩衝液（Ｄ _１）とは反応せず前記血液（Ｄ _２）中の血小板を凝集させる凝集惹起剤が塗布された領域である反応部（図２(ａ) (ｂ) の符号Ｇ参照）が、前記緩衝液（Ｄ _１）と前記血液（Ｄ _２）の供給量が調整されることに基づき移動する前記界面（Ｅ）に接してなるように配置されてなることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、図４に示すように、前記第１乃至前記第３流路（Ｂ_１〜Ｂ_３）の断面は略矩形状であることを特徴とする。

なお、括弧内の番号などは、図面における対応する要素を示す便宜的なものであり、従って、本記述は図面上の記載に限定拘束されるものではない。

請求項１及び２に係る発明によれば、血小板の未凝集状態、及び凝集される様子を観察することができ、詳細な分析（例えば、凝集塊の大きさや面積や体積が時間と共にどのように変化するかの分析）を行うことができる。また、未凝集状態と凝集状態との比較のために画像、あるいは動画像を撮らなければならない場合においても、“凝集惹起剤が塗布された箇所（つまり、反応部）”を撮影するだけで足り、カメラを２台配置したり、カメラ又はマイクロ化学チップの移動機構を設けたりする必要が無く、動作の安定性を向上させることができ、また、構成を簡素化できる分、装置を安価にすることができる。

本発明は、マイクロ化学チップの微小流路中を流れる流体の特性（つまり、微小断面の流路に２種類以上の溶液を流すと、レイノルズ数が非常に低いために層流状態で混ざり合うことなく流れるという特性）を利用したものである。具体的には、微小流路中に第１溶液及び第２溶液を層状に流れるようにし、第２溶液とのみ反応する反応部を所定のエリアに配置しておき、前記第１及び第２溶液の層流幅を変化させることにより、該反応部が配置されたエリアにおいて、前記第２溶液と前記反応部との反応状態を微細に制御することを可能とするものである。

以下、図１乃至図４に沿って、本発明を実施するための最良の形態について説明する。ここで、図１は、本発明に係るマイクロ化学チップ装置の全体構成の一例を説明するための平面図であり、図２は、図１の合流部付近の状態を示す拡大図である。また、図３は、図１のＨ部分を示す拡大平面図であり、図４は、図１のＩ−Ｉ断面図である。

本発明に係るマイクロ化学チップ装置Ａ_１は、図１及び図２に示すように、第１溶液（図２の符号Ｄ_１参照）が流れる第１流路Ｂ_１と、第２溶液（図２の符号Ｄ_２参照）が流れる第２流路Ｂ_２とからなるチップ本体Ｍ_１を備えている。これらの流路Ｂ_１，Ｂ_２は、その下流側（符号Ｃで示す部分であって、以下、“合流部”とする）で合流するように配置されており、これらの流路Ｂ_１，Ｂ_２の下流側には第３流路Ｂ_３が接続されている。これらの流路Ｂ_１，Ｂ_２，Ｂ_３の断面は微小であるため、前記第１流路Ｂ_１から前記第３流路Ｂ_３に供給される第１溶液Ｄ_１、及び前記第２流路Ｂ_２から前記第３流路Ｂ_３に供給される第２溶液Ｄ_２は、混ざり合うことなく層状のままで流れることとなる。そして、前記第３流路Ｂ_３には、前記第２溶液Ｄ_２とのみ反応し前記第１溶液Ｄ_１とは反応しない反応部が配置されている（図２(a) (b) の符号Ｇ参照）。

一方、本形態においては、第１溶液Ｄ_１の供給量の調整は第１溶液供給手段により行われ、第２溶液Ｄ_２の供給量の調整は第２溶液供給手段により行われるようになっている。ここで、前記第３流路Ｂ_３における各溶液Ｄ_１，Ｄ_２の層流幅（図２(a) の符号Ｗ_１，Ｗ_２参照）は、それぞれの溶液の流量やポンプ圧、あるいは粘性に応じたものとなるが、前記第１溶液供給手段により前記第１溶液Ｄ_１の供給量が調整され、前記第２溶液供給手段により前記第２溶液Ｄ_２の供給量が調整されることに基づいて制御され、それに伴い、前記第３流路Ｂ_３における、前記第１溶液Ｄ_１と前記第２溶液Ｄ_２との界面（図２(a)
(b) の符号Ｅ参照）が移動することとなる。同図(a) は、界面Ｅがほぼ中央にある状態を示し、同図(b) は、界面Ｅが上方に移動した状態を示す。このような界面Ｅの移動に伴い、
・前記反応部Ｇが前記第１溶液Ｄ_１とのみ接触していて、前記第２溶液Ｄ_２とは接触していない状態（図３(a) に示す状態）、
・前記第２溶液Ｄ_２が前記反応部Ｇに接触し始める状態（図３(b) に示す状態）
・前記反応部Ｇの全てが前記第２溶液Ｄ_２と接触している状態（図３(c) に示す状態）
を作り出すことができる。

ところで、上述のように第１溶液Ｄ_１及び第２溶液Ｄ_２の層流幅Ｗ_１，Ｗ_２を制御する溶液供給手段としては、第１流路Ｂ_１に配置される押出ポンプ（図１の符号Ｐ_１参照）及び第２流路Ｂ_２に配置される押出ポンプ（図１の符号Ｐ_２参照）を挙げることができるが、図６に示すようにしても良い。すなわち、第３流路Ｂ_３の下流側を、第１溶液Ｄ_１が流れる側に配置される第４流路Ｂ_４と、第２溶液Ｄ_２が流れる側に配置される第５流路Ｂ_５に分岐しておいて、第１流路Ｂ_１には第１溶液供給手段としての押出ポンプＰ_１を配置し、第５流路Ｂ_５には第２溶液供給手段としての第１吸引ポンプＰ_３を配置するようにしても良い。さらには、第２流路Ｂ_２には第２溶液供給手段としての押出ポンプを配置し（図１の符号Ｐ_２参照）、前記第４流路Ｂ_４に第１溶液供給手段としての第２吸引ポンプ（不図示）を配置するようにしても良い。また、図７に示すように、第１流路Ｂ_１には第１溶液供給手段としての押出ポンプＰ_１を配置し、第５流路Ｂ_５には第２溶液供給手段としての第１吸引ポンプＰ_３を配置し、第４流路Ｂ_４には第１溶液供給手段としての第２吸引ポンプＰ_４を配置するようにしても良い。

本発明によれば、前記第２溶液Ｄ_２が前記反応部Ｇと反応していない状態（図３(a) に示す状態）と、前記第２溶液Ｄ_２が前記反応部Ｇと反応していく状態（図３(b) (c) に示す状態）とを、同じ箇所にて観察することができるので、別々の箇所にて観察しなければならない場合に比べて、詳細な分析を行うことができる。また、未反応状態と反応状態との比較のために画像、あるいは動画像を撮らなければならない場合においても、反応部Ｇを撮影するだけで足り、カメラを２台配置したり、カメラ又はマイクロ化学チップ（つまり、上述のチップ本体）の移動機構を設けたりする必要が無く、動作の安定性を向上させることができ、また、構成を簡素化できる分、装置を安価にすることができる。

前記反応部Ｇは、前記移動する界面Ｅが接してなる壁面に配置すると良い。

ところで、前記第１乃至前記第３流路Ｂ_１〜Ｂ_３の断面は、図４に示すような、略矩形状（幅や高さは数十〜数百μｍ程度）にすると良く、前記反応部Ｇは、前記第３流路Ｂ_３の壁面（好ましくは、界面Ｅが接しながら移動する壁面であって、観察者Ｋに近い側の壁面Ｂａ、及び観察者Ｋから離れた方の壁面Ｂｄの両方を含む）に配置しておくと良い。

また、前記反応部Ｇは、前記第２溶液Ｄ_２とのみ反応し前記第１溶液Ｄ_１とは反応しない薬剤が塗布された領域であるようにすると良い。

前記第１溶液Ｄ_１としては緩衝液を挙げることができ、前記第２溶液Ｄ_２としては血液を挙げることができ、前記薬剤としては、前記血液中の血小板を凝集させる凝集惹起剤を挙げることができる。これにより、血小板の未凝集状態、及び凝集される様子を観察することができ、詳細な分析（例えば、凝集塊の大きさや面積や体積が時間と共にどのように変化するかの分析）を行うことができる。また、未凝集状態と凝集状態との比較のために画像、あるいは動画像を撮らなければならない場合においても、“凝集惹起剤が塗布された箇所（つまり、反応部Ｇ）”を撮影するだけで足り、カメラを２台配置したり、カメラ又はマイクロ化学チップの移動機構を設けたりする必要が無く、動作の安定性を向上させることができ、また、構成を簡素化できる分、装置を安価にすることができる。

本実施例においては、図１に示すマイクロ化学チップ装置Ａ_１を作製した。図中の符号Ｂ_１は、緩衝液（第１溶液であり、図２の符号Ｄ_１参照）が流される第１流路を示し、符号Ｂ_２は、血液（第２溶液であり、図２の符号Ｄ_２参照）が流される第２流路を示し、符号Ｂ_３は、これらの流路の下流側に接続された第３流路を示す。これら３本の流路Ｂ_１，Ｂ_２，Ｂ_３はＹ字状に配置した。そして、第１流路Ｂ_１の上流側には、緩衝液Ｄ_１を供給するための第１押出ポンプ（第１溶液供給手段）Ｐ_１を接続し、第２流路Ｂ_２の上流側には、血液Ｄ_２を供給するための第２押出ポンプ（第２溶液供給手段）Ｐ_２を接続した。

ところで、これら３本の流路Ｂ_１，Ｂ_２，Ｂ_３は、断面を図４に示すような矩形状とし、第１及び第２流路Ｂ_１，Ｂ_２は、幅（符号Ｗａ参照）１００μｍ及び高さ（符号ｈ参照）５０μｍの寸法とし、第３流路Ｂ_３は、幅（符号Ｗａ参照）２００μｍ及び高さ（符号ｈ参照）５０μｍの寸法とした。各流路の上壁面Ｂａ及び側壁面Ｂｂ，Ｂｃには、タンパク質が吸着しないような非吸着性物質（商品名：ＰＣ−ｍｏｄｉｆｅｒ−ＰＤＭＳ、株式会社ＡＩバイオチップス製）を塗布しておき、下壁面Ｂｄには、同じく非吸着性物質である（商品名：ＰＣ−ｍｏｄｉｆｅｒ−Ｃ、株式会社ＡＩバイオチップス製）を塗布しておいた。本実施例においては、前記第１流路Ｂ_１から前記第３流路Ｂ_３に供給される血液Ｄ_２、及び前記第２流路Ｂ_２から前記第３流路Ｂ_３に供給される緩衝液Ｄ_１は、混ざり合うことなく層状のままで流れることとなる。

そして、第３流路Ｂ_３の中央部の下壁面Ｂｄには、図５に符号Ｇで示すように、側壁面Ｂｃから２０μｍ離れた５０μｍ×５０μｍの正方形領域に、あらかじめ生体親和性物質を塗布した後、その上に凝集惹起剤を塗布した。

いま、第１押出ポンプＰ_１及び第２押出ポンプＰ_２を調整して、血液Ｄ_２の供給量と緩衝液Ｄ_１の供給量とをほぼ等しくしておくと、図２(a) 及び図３(a) に示すように、第３流路Ｂ_３における血液Ｄ_２の層流幅Ｗ_１と緩衝液Ｄ_１の層流幅Ｗ_２とはほぼ等しくなり、凝集惹起剤Ｇは、緩衝液Ｄ_１とのみ接触し、血液Ｄ_２とは接触していない。したがって、血液Ｄ_２と凝集惹起剤Ｇとの反応は生じない。但し、流速は壁面から離れるほど大きくなっているので、血液試料にはシェアストレスがかかるため、試料の性状によっては凝集惹起剤を添加しない状態でも血小板が凝集する、いわゆる、自然凝集を観察することもできる。

この状態で、緩衝液Ｄ_１の供給量を減らすと共に血液Ｄ_２の供給量を増やして行くと、図３(b) に示すように界面Ｅが上昇し、凝集惹起剤Ｇの一部は血液Ｄ_２と接触することとなり、若干量の凝集反応が起き始める。

さらに、血液Ｄ_２の供給量を増やしていくと、図３(c) に示すようになって、凝集惹起剤Ｇの全面が血液Ｄ_２と接触することとなり、凝集反応が激しくなる。

本実施例においては、図６に示すマイクロ化学チップ装置Ａ_２を作製した。図中の符号Ｍ_２はチップ本体を示し、符号Ｂ_１は、緩衝液（第１溶液であり、図２の符号Ｄ_１参照）が流される第１流路を示し、符号Ｂ_２は、血液（第２溶液であり、図２の符号Ｄ_２参照）が流される第２流路を示し、符号Ｂ_３は、これらの流路の下流側に接続された第３流路を示す。そして、第３流路Ｂ_３の下流側を、緩衝液Ｄ_１が流れる側（図示上側）に配置される第４流路Ｂ_４と、血液Ｄ_２が流れる側（図示下側）に配置される第５流路Ｂ_５に分岐しておいて、第１流路Ｂ_１には第１溶液供給手段としての押出ポンプＰ_１を配置し、第５流路Ｂ_５には密閉容器Ｌ_１を介して第２溶液供給手段としての第１吸引ポンプＰ_３を接続した。該第１吸引ポンプＰ_３により密閉容器Ｌ_１内の空気を吸引すると、第５流路Ｂ_５から溶液が密閉容器内に流れ込んで該容器内に溜められることとなる。このように構成することにより、血液Ｄ_２自体は第１吸引ポンプＰ_３の内部を流れることはないので、ポンプ内の可動部に血液細胞が詰まったりするおそれが無く、その不具合、およびポンプの損傷・破壊を回避することができる。

ところで、これらの流路Ｂ_１〜Ｂ_５は、断面を図４に示すような矩形状とし、第３流路Ｂ_３は、幅（符号Ｗａ参照）２００μｍ及び高さ（符号ｈ参照）５０μｍの寸法とし、その他の流路は、幅（符号Ｗａ参照）１００μｍ及び高さ（符号ｈ参照）５０μｍの寸法とした。各流路の上壁面Ｂａ及び側壁面Ｂｂ，Ｂｃには、タンパク質が吸着しないような非吸着性物質（商品名：ＰＣ−ｍｏｄｉｆｅｒ−ＰＤＭＳ、株式会社ＡＩバイオチップス製）を塗布しておき、下壁面Ｂｄには、同じく非吸着性物質である（商品名：ＰＣ−ｍｏｄｉｆｅｒ−Ｃ、株式会社ＡＩバイオチップス製）を塗布しておいた。

このような装置において押出ポンプＰ_１を最初に稼動させると、第１流路Ｂ_１、第３流路Ｂ_３、第４流路Ｂ_４及び第５流路Ｂ_５が緩衝液Ｄ_１により満たされることとなる。この状態で第１吸引ポンプＰ_３を稼動させると、その吸引力は、密閉容器Ｌ_１内の空気→第５流路Ｂ_５中の緩衝液Ｄ_１→第３流路Ｂ_３中の緩衝液Ｄ_１を介して第２流路Ｂ_２中の血液Ｄ_２にまで及ぶこととなり、その結果、第５流路Ｂ_５中の緩衝液Ｄ_１及び第３流路Ｂ_３中の緩衝液Ｄ_１が該容器Ｌ_１内に排出され、それに伴って、血液Ｄ_２が第２流路Ｂ_２から第３流路Ｂ_３に供給されて層流状態で流れ、その後、第５流路Ｂ_５から前記容器Ｌ_１内に排出される。押出ポンプＰ_１による緩衝液Ｄ_１の押出量と、第１吸引ポンプＰ_３による血液Ｄ_２の吸引量とを調整することにより、緩衝液Ｄ_１の層流幅Ｗ_１と血液Ｄ_２の層流幅Ｗ_２とを変化させることができる。例えば、第１吸引ポンプＰ_３の吸引量を一定にしておいて、押出ポンプＰ_１の押出量を徐々に少なくしていくと良い。

本実施例においては、図７に示すマイクロ化学チップ装置Ａ_３を作製した。すなわち、実施例２と同じチップ本体Ｍ_２を用い、第２流路Ｂ_２には血液の供給を制御するためのバルブＶを配置し、第４流路Ｂ_４には密閉容器Ｌ_２を介して第１溶液供給手段としての第２吸引ポンプＰ_４を接続した。なお、実施例２と同様に、第１流路Ｂ_１には押出ポンプ（第１溶液供給手段）Ｐ_１を接続し、第５流路Ｂ_５には密閉容器Ｌ_１及び第１吸引ポンプ（第２溶液供給手段）Ｐ_３を接続した。

このような装置において、バルブＶを閉じると共に各吸引ポンプＰ_３，Ｐ_４を停止状態として押出ポンプＰ_１だけを稼動させると、実施例２と同様に第１流路Ｂ_１、第３流路Ｂ_３、第４流路Ｂ_４及び第５流路Ｂ_５が緩衝液Ｄ_１により満たされることとなる。この状態で両方の吸引ポンプＰ_３及びＰ_４を稼動させると、その吸引力は、密閉容器Ｌ_１及びＬ_２内の空気→第５流路Ｂ_５及び第４流路Ｂ_４中の緩衝液Ｄ_１→第３流路Ｂ_３中の緩衝液Ｄ_１を介して第２流路Ｂ_２中の血液Ｄ_２にまで及ぶこととなる。このとき、バルブＶを開けていくと同時に押出ポンプＰ_１の押出量をある一定のところまで低下させると、各流路Ｂ_４，Ｂ_５中の緩衝液Ｄ_１及び第３流路Ｂ_３中の緩衝液Ｄ_１が該容器Ｌ_１及びＬ_２内に排出され、それに伴って、血液Ｄ_２が第２流路Ｂ_２から第３流路Ｂ_３に供給されて層流状態で流れ、その後、第５流路Ｂ_５から前記容器Ｌ_１内に排出される。第１吸引ポンプＰ_３による血液Ｄ_２の吸引量と、第２吸引ポンプＰ_４による緩衝液Ｄ_１の吸引量とを調整することにより、緩衝液Ｄ_１の層流幅Ｗ_１と血液Ｄ_２の層流幅Ｗ_２とを変化させることができる。あるいは、吸引ポンプＰ_３及びＰ_４とともに、押出ポンプＰ_１も同時に稼動させ、吸引ポンプＰ_３と押出ポンプＰ_１の両方によって、第１流路Ｂ_１、第３流路Ｂ_３、第４流路Ｂ_４を流れる緩衝液Ｄ_１の流路幅を調整してもよい。

図１は、本発明に係るマイクロ化学チップ装置の全体構成の一例を説明するための平面図である。図２は、図１の合流部付近の状態を示す拡大図である。図３は、図１のＨ部分を示す拡大平面図である。図４は、図１のＩ−Ｉ断面図である。図５は、反応部Ｇの配置箇所の一例を示す断面図である。図６は、本発明に係るマイクロ化学チップ装置の全体構成の他の例を説明するための平面図である。図７は、本発明に係るマイクロ化学チップ装置の全体構成のさらに他の例を説明するための平面図である。

符号の説明

Ｂ_１第１流路
Ｂ_２第２流路
Ｂ_３第３流路
Ｂ_４第４流路
Ｂ_５第５流路
Ｄ_１第１溶液（緩衝液）
Ｄ_２第２溶液（血液）
Ｅ界面
Ｇ反応部
Ｐ_１第１溶液供給手段（第１押出ポンプ）
Ｐ_２第２溶液供給手段（第２押出ポンプ）
Ｐ_３第２溶液供給手段（吸引ポンプ）

Claims

緩衝液が流れる第１流路と、
血液が流れる第２流路と、
これら第１及び第２流路の下流側に接続されることにより、前記緩衝液及び前記血液が層状に流される第３流路と、
前記緩衝液の供給量を制御する第１溶液供給手段と、
前記血液の供給量を制御する第２溶液供給手段と、
を備え、
前記第１溶液供給手段により前記緩衝液の供給量を調整すると共に前記第２溶液供給手段により前記血液の供給量を調整することに基づいて前記第３流路における前記緩衝液及び前記血液の層流幅を制御して、該緩衝液と該血液との界面が移動するように構成され、
前記第３流路の壁面には、前記緩衝液とは反応せず前記血液中の血小板を凝集させる凝集惹起剤が塗布された領域である反応部が、前記緩衝液と前記血液の供給量が調整されることに基づき移動する前記界面に接してなるように配置されてなる、
ことを特徴とするマイクロ化学チップ装置。
前記第１乃至前記第３流路の断面は略矩形状である、
ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ化学チップ装置。