JP5208826B2 - 微細流路装置 - Google Patents

Description

本発明は、流動体を流通させる為の微細な流路が形成されている微細流路装置に関する。

近年の遺伝子工学の発展に伴い、医療分野では、細胞中の核に含まれる遺伝子配列による病気の診断或いは予防が実現されつつある。このような診断は、遺伝子診断と称される。遺伝子診断では、病気の原因となるヒトの遺伝子欠陥或いは変異を検出して病気の発症前若しくは極めて初期の段階で病気を診断する、或いは、病気が発症する時期等を予測することができる。また、ヒトゲノムの解読とともに、遺伝子型と疫病や薬剤応答性等といった体質との関連に関する研究が進み、各個人の遺伝子型に合わせた治療（テーラーメイド医療）が実現されつつある。

また、バイオテロと称されるウイルスや細菌類を使用した犯罪が増加して社会的な脅威になっている。このような犯罪で使用されたウイルスや細菌類の遺伝子配列を特定することは、人命救助の観点から必須である。

サンプル中の核酸を検出するシステムとして、ＤＮＡチップを用いた核酸検出装置の提案がなされている（特許文献１）。特許文献１に記載された核酸検出装置では、溝が設けられた弾性部材が基板に接合されて形成された流路にサンプルが流通され、流路内でＤＮＡチップ上の核酸プローブと試料中の標的核酸とのハイブリダイゼーション反応及びその検出等が実施される。基板と弾性部材との接合では、弾性部材が基板に押付けられ、弾性部材の自己粘着性を利用して接合面におけるシール性が確保されている。しかしながら、このような接合方法では、基板及び弾性部材間の接合部からサンプルが流路外へ漏れ出す可能性がある。これは、サンプルに高い浸透性を有する界面活性剤が含有されている場合には、特に顕著となる。サンプルが外部に漏れ出すと、検出精度が低下する或いは周囲環境が汚染されることにより、その後の検出に対する信頼性を損ねる等の問題が生じる。

基板と弾性部材とを、接着剤で接着して互いに接合する方法も考えられる。しかしながら、接着剤による接合では、サンプルに接着剤の成分が溶出することで核酸の検出を阻害し、精度が低下する問題がある。

また、基板と弾性部材との接合部におけるシール性を向上する為により大きな押付け力で弾性部材を基板に接触させる構造も考えられる。このような構造では、基板の強度を充分に確保する必要があるが、装置の小型化や温度制御の必要性から、基板は、ガラスやシリコン等で薄肉に形成されることが望ましく、この大きな押付け力を与える接合方法でシール性を向上させるのは、困難である。

このような問題は、上記のような核酸検出装置に限らず、溝が設けられた弾性部材が基板に接合されて基板上に形成された微細な流路に流動体を流通させ、流動体、即ち、液体或いは気体を取り扱う微細流路装置全般（特許文献２）に関わることである。

上述のように、微細流路装置においては、流動体、即ち、液体又は気体が装置外に流出することがないように基板と弾性部材とが良好なシール性を備えて接合されることが求められている。

特開２００４−１２５７７７号公報 特許第３８７７５７２

本発明の課題は、流路を流れる流動体、即ち、液体又は気体が装置外に流出することがないように基板と弾性部材とが良好なシール性を備えて接合される微細流路装置を提供することにある。

本発明によれば、
基板と、
第１及び第２の面と、当該第２の面に設けられた第１の溝及び第２の溝と、を有し、かつ、前記第２の面が前記基板上に接触して配置されて、前記第１の溝が前記基板上に物質流通のための流路を形成する弾性部材と、
前記弾性部材を前記基板に固定する固定具と、
を具備し、前記弾性部材は、前記第２の面の外周部の前記第２の溝の周辺領域にシール部が一体形成され、前記基板及び前記弾性部材が固定される際には、前記シール部が前記基板に環状に線接触される、ことを特徴とする微細流路装置が提供される。

本発明によれば、基板と弾性部材との接合におけるシール性を向上し、装置外への流動体の流出を防止することができる。

本発明の実施の形態に係る微細流路装置を模式的に示す断面図である。 図１に示したパッキンを示す斜視図である。 図１に示したパッキンを示す断面図である。 図３Ａに示したパッキンの断面図の一部を拡大して示す拡大断面図である。 図１に示したパッキンを示す底面図である。 図３Ａに示したパッキンにおける第１及び第２の溝の形状を説明する断面図である。 図４Ａに示した基板及びパッキンの断面図の一部を拡大して示す拡大断面図である。 図３Ａから図３Ｃに示したパッキンの変形例を一部拡大して示す拡大断面図である。 本発明の実施の形態の比較例１に係る基板及びパッキンを示す断面図である。 図６Ａに示した基板及びパッキンの断面図の一部を拡大して示す拡大断面図である。 図６Ａに示したパッキンを模式的に示す底面図である。 図６Ａに示した基板とパッキンとの接合面においてサンプルが流出する様子を説明する説明図である。 本発明の実施の形態の比較例２に係る基板及びパッキンを模式的に示す断面図である。 図８Ａに示した基板及びパッキンの断面図の一部を拡大して示す拡大断面図である。 図８Ａに示したパッキンを模式的に示す底面図である。 本発明の実施の形態の比較例３に係る基板及びパッキンを模式的に示す断面図である。 図９Ａに示した基板及びパッキンの断面図の一部を拡大して示す拡大断面図である。 図９Ａに示したパッキンを模式的に示す底面図である。 本発明の実施の形態の比較例４に係る基板及びパッキンを模式的に示す断面図である。 図１０Ａに示した基板及びパッキンの断面図の一部を拡大して示す拡大断面図である。 図１０Ａに示したパッキンを模式的に示す底面図である。 本発明の他の実施の形態に係るパッキンを模式的に示す断面図である。 図１１Ａに示した基板及びパッキンの断面図の一部を拡大して示す拡大断面図である。 図１１Ａに示したパッキンを模式的に示す底面図である。 図１に示した微細流路装置が適用される核酸検出装置を概略的に示すブロック図である。 図１２に示した核酸検出カセットを模式的に示す断面図である。 図１２に示した核酸検出カセットを模式的に示す分解組立図である。 図１２に示した核酸検出カセットを模式的に示す分解組立図である。

以下、必要に応じて図面を参照しながら、本発明の一実施の形態に係る微細流路装置を説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る微細流路装置の概略構成を示している。この微細流路装置は、基板１００を備え、この基板１００上に弾性部材、例えば、シリコンゴム等で形成されるパッキン２００が載置されている。これら基板１００及びパッキン２００は、互いに対向配置された状態で、カセット上蓋３０２及びカセット下蓋３０４間に狭着固定されている。パッキン２００の裏面、即ち、基板１００に接合される側の面には、第１の溝２０２及び第１の溝２０２に連通されず、第１の溝２０２から独立している第２の溝２０４が形成されている。パッキン２００の裏面が基板１００の表面に気密接合されることにより第１の溝２０２及び基板１００の表面で形成される空間が流路に定められる。第２の溝２０４は、パッキン２００と基板１００との間の接合面、即ち、密着面の面積を低減するために設けられている。パッキン２００には、流動体、即ち、液体又は気体を導入する送入ポート２０８及び導出する送出ポート２１０が設けられている。送入ポート２０８及び送出ポート２１０の各々は、パッキン２００の主面に対して略垂直に延出された形状に形成されている。送入ポート２０８及び送出ポート２１０の各々には、先端に開口部２１６及び２１８が設けられており、開口部２１６及び２１８から第１の溝２０２に連通する貫通孔２１２及び２１４が形成されている。これら第１の溝２０２並びに貫通孔２１２及び２１４は、断面積が略等しくなるように形成されている。

基板１００とパッキン２００との接合は、基板１００及びパッキン２００がカセット上蓋３０２及びカセット下蓋３０４に狭着され、パッキン２００が基板１００に押圧されて実現される。即ち、パッキン２００の裏面と基板１００の主表面とが圧接されて基板１００及びパッキン２００が固定されている。パッキン２００は、弾性部材で形成されており、基板１００とパッキン２００との接合面では、弾性部材の自己粘着性を利用して基板１００の主表面とパッキン２００の裏面とが密着して接合され、流路に流通される流動体、即ち、液体又は気体に対してシール性が確保されている。基板１００とパッキン２００との接合面におけるシール性は、接合面に加わる圧力に応じて定まる。接合面における圧力は、カセット上蓋３０２及びカセット下蓋３０４間に狭着されることによる基板１００及びパッキン２００間に印加される押付け力を接合面の面積で除算することで定められる。図１に示したパッキン２００においては、パッキン２００の裏面に第２の溝２０４が設けられることから、接合面、即ち、密着面の面積が低減されている。従って、基板１００とパッキン２００とは、比較的大きな圧力により密着接合され、接合面には高いシール性を与えることができる。

カセット上蓋３０２及びカセット下蓋３０４からカセット本体３００が構成される。このカセット本体３００は、基板１００とパッキン２００とを接合して固定することができれば、いかなる形状に形成されてもよい。

パッキン２００の裏面であって第１の溝２０２及び第２の溝２０４が形成されている部分以外の他の部分(領域）は、平坦な面に形成され、基板１００の主表面であってパッキンが配置される部分(領域）も平坦な面に形成されている。従って、基板１００及びパッキン２００がカセット本体に狭着固定される際には、基板１００及びパッキン２００は、平面同士が密着した状態で接合される。流路を定める溝は、パッキン２００の裏面のみに形成される場合に限らず、基板１００の主表面にも溝が形成されて流路が形成されてもよい。

流動体、即ち、液体又は気体の流通は、図１に示した流路に送入ポート２０８を通って供給され、送出ポート２１０を通って排出される。このため、ノズル（図示せず）がカセット上蓋３０２に設けられたノズル差込孔３０６及び３０８の夫々に挿着される。これらノズルは、夫々送入ポート２０８及び送出ポート２１０に接合される。これらノズルは、例えば、流動体を供給及び排出するポンプ（図示せず）に接続され、送入ポート２０８を介して流路に流動体が送入され、送出ポートを介して流路から流動体が送出される。

このような微細流路装置は、後に説明するように、例えば、複数のＤＮＡプローブを固定化したＤＮＡチップを用いた核酸検出装置で利用される。しかしながら、溝が設けられた弾性部材が基板に接合されて基板上に形成された微細な流路に流動体を流通させ、流動体、即ち、液体或いは気体を取り扱う微細流路装置全般にて利用可能である。核酸検出装置では、微細流路装置に形成される流路に検査の対象となる核酸を含む試料（検体溶液）が導入され、流路内に配置される作用極に固定化された核酸プローブと試料内の核酸との間において、温度制御下でハイブリダイゼーションを生じさせている。ハイブリダイゼーション後には、流路から試料が排出され、エア及び薬液（緩衝液や純水等）が適切な順序で導入されて流路が洗浄されたり、反応の制御が行われたりされる。その洗浄後に流路に挿入剤溶液が導入されて電気化学反応により生じた電流を検出して核酸検出工程が実施される。但し、基板１００及びパッキン２００は、着脱可能に接合されているため、ハイブリダイゼーション反応や洗浄工程後に基板１００からパッキンを剥離して基板１００が取り出されて外部装置で核酸を検出することもできる。

図２は、パッキン２００の一例を概略的に示している。図２では、流路を構成する第１の溝２０２並びに貫通孔２１２及び２１４が破線で示されている。パッキン２００は、図２に示されるように、パッキン本体２０６並びに送入ポート２０８及び送出ポート２１０から構成される。パッキン本体２０６は、略長方形状の所定の厚さを有するプレートである。送入ポート２０８及び送出ポート２１０の各々は、パッキン２００の主面上であって長手方向の両端付近に配置され、パッキン２００の主面に対して略垂直に延出された略円筒形状に形成されている。送入ポート２０８及び送出ポート２１０の各々の先端は、開口され、各々の軸心には、貫通孔２１２及び２１４が設けられている。パッキン２００の裏面には、送入ポート２０８の他方の開口、即ち、パッキン内の開口から送出ポート２１０の他方の開口、即ち、パッキン内の開口に亘ってジグザグに蛇行して延出されるように第１の溝２０２が形成されている。従って、この第１の溝２０２は、貫通孔２１２及び２１４に連通されている。

より詳細には、この第１の溝２０２は、送入ポート２０８の基部側から送出ポート２１０の基部側に向けて延出され、送出ポート２１０の基部付近において所定の曲率で折り返されて再び送出ポート２１０の基部側から送入ポート２０８の基部側に向けて延出される。このように、第１の溝２０２は、送入ポート２０８の基部及び送出ポート２１０の基部間、即ち、パッキン２００の長手方向に複数回蛇行した形状に形成されている。第１の溝２０２の折り返しには、所定の曲率が与えられていることから折り返しの部分或いは領域における流動体、即ち、液体又は気体の滞留を抑制することができる。

図３Ａは、パッキン２００を短手方向に切断した断面を示している。また、図３Ｂは、図３Ａに示される断面図の一部を拡大して示し、図３Ｃは、パッキン２００の裏面を示している。パッキン２００は、図３Ａ及び図３Ｂに示されるように、その断面内において、第１の溝２０２の複数の断面部が所定の間隔だけ離間して配置形成され、隣接する第１の溝２０２の断面部間及び第１の溝２０２の形成領域の周囲には、第２の溝２０４が形成されている。第１の溝２０２は、その断面が略長方形状もしくは略台形状に形成され、第２の溝２０４は、その断面が略台形状に形成されている。図３Ａにおいて、右側に位置する第１の溝２０２Ａの断面では、手前側から奥側に、即ち、送入ポート２０８の形成位置側から送出ポートの形成位置側に向けて薬液が流通される場合、第１の溝２０２Ａの左隣に位置する第１の溝２０２Ｂでは、第１の溝２０２Ａとは逆方向、即ち、奥側から手前側に薬液が流通されることになる。同様に、第１の溝２０２Ｃ及び２０２Ｅでは、手前側から奥側に向けて薬液が流通され、第１の溝２０２Ｄでは、奥側から手前側に薬液が流通される。このように、図３Ａに示したような流路に交差する方向に切断した断面において、隣接する第１の溝２０２同士では、薬液の流通方向は、逆向きになる。薬液の流通方向に対して垂直に切断された断面が流路の折り返し位置においても略一定の断面形状を有するように第１の溝２０２は、形成されている。このように、第１の溝２０２が流路に対して垂直に切断した断面がいずれの流路上でも略一定の断面形状を有するように形成されると、流動体の流通が均一になり、例えば、流路内での電気化学反応によって発生される電流等の検出における信頼性を向上することができる。

第１の溝２０２の側壁は、基板上に形成される流路の流路壁として機能する。以下の説明においては、第１の溝２０２の側壁を流路壁と称する。図３Ａにおいて、ある第１の溝２０２と隣り合う他の第１の溝２０２との間に位置する流路壁の厚さは、第１の溝２０２の溝幅と略同一に形成されている。この流路壁には、第１の溝２０２に連通しない第２の溝２０４が形成されている。第２の溝２０４の深さ(高さ）は、第１の溝２０２の深さに比較して小さく設定されることが望ましい。この第２の溝２０４は、図３Ｂに拡大して示されるように、その内壁がパッキン２００の裏側から主面側にかけて先細りとなるテーパ形状に、第１の溝２０２に沿って延出されて形成されていることが望ましい。また、第２の溝２０４は、図３Ｃに示されるように、蛇行する第１の溝２０２間の領域のみならず、蛇行する第１の溝２０２が形成される領域の周囲に相当するパッキン２００の裏面の周縁部においても第２の溝２０４が形成されていることが望ましい。このように、第２の溝２０４は、第１の溝２０２の周囲を所定の間隔だけ縁取るようにパッキン２００の裏面全体に形成されている。このため、パッキン２００は、その第１の溝２０２に沿って形成される所定の幅を有する平坦部分(図３Ｃにおいて斜線で示す領域）のみが基板１００の主表面に接触されることになる。

パッキン２００の材質は、シリコンゴムのみならず、エラストマー、ウレタンゴム、フッ素系ゴム、その他ゴム・樹脂等でもよい。また、基板１００は、ガラス基板に限らず、シリコン基板、セラミック基板、ガラスエポキシ基板等であってもよい。

図４Ａは、パッキン２００が基板１００に密着して接合された状態を示し、図４Ｂは、図４Ａに示される断面図の一部を拡大して示している。第２の溝２０４は、図４Ａ及び図４Ｂに示されるように、その溝高（溝の深さ）Ｈ２が第１の溝２０２の溝高Ｈ１よりも小さく、即ち、不等式Ｈ１＞Ｈ２を満たすように設定される。流路方向に垂直に切断されたパッキン２００の断面において、流路壁の壁幅Ｌ２は、第１の溝２０２の溝幅Ｌ１と略同一に設定される。第１の溝２０２及び第２の溝２０４間に形成される側壁は、裏面において常に所定の壁幅Ｌ２３を有する。即ち、パッキン１００を流路に対して垂直に切断したいずれの断面でも第１の溝２０２は、第２の溝２０４と所定の間隔だけ離間して形成されている。流路壁内に形成される第２の溝２０４においては、パッキン２００の裏面側の溝幅Ｌ２１は、主面側の溝幅Ｌ２２よりも大きく設定される。第２の溝２０４を、隣接する第１の溝２０２間の中央に、しかも左右対称になるように配置した場合、基板１００の主表面と接触する部分の距離Ｌ２３は、流路壁の壁幅Ｌ２に対して、明らかに不等式Ｌ２＞２×Ｌ２３を満たす。流路壁内に第２の溝２０４が形成されない場合には、パッキン２００と基板１００との接合面の面積は、図４Ａに示した断面付近を局所的に限定して考えた場合、第一次近似的には壁幅Ｌ２に比例した値を有する。一方、図４Ａに示されるような流路壁に第２の溝２０４が形成される場合には、パッキン２００と基板１００との接合面の面積は、図４Ａに示した断面付近を局所的に限定して考えた場合、第一次近似的には距離Ｌ２３の２倍に比例した値を有する。従って、第２の溝２０４が形成される場合には、接合面の面積を大幅に低減することができる。

また、第２の溝２０４の溝高Ｈ２は、比較的小さく設定されることが好ましい。流路壁の自立性は、第１の溝２０２及び第２の溝２０４間の壁幅Ｌ２３並びに溝高Ｈ２の比、即ち、アスペクト比Ｈ２／Ｌ２３に依存する。このアスペクト比は、値が小さいほど流路壁の自立性が高いことを示している。即ち、溝高Ｈ２が小さく設定されるほど流路壁の自立性が高くなる。従って、基板１００とパッキン２００との接合面の面積を低減しながら流路壁の自立性を保持するには、壁幅Ｌ２３に応じて溝高Ｈ２を小さく設定すればよい。但し、この溝高Ｈ２は、基板１００とパッキン２００とが狭着固定された際にパッキン２００が変形されて第２の溝２０４の上面が基板１００に接触することがないように設定される必要がある。

第１の溝２０２側の流路壁面が基板１００の主表面（又は、パッキン２００の裏面）となす角度θ１は、図４Ｂに示されるように、第２の溝２０４側の流路壁面が基板１００の主表面（又は、パッキン２００の裏面）となす角度θ２に対して、不等式θ１＞θ２を満たすように設定されることが好ましい。この不等式を満たすように第１の溝２０２及び第２の溝２０４が形成されると、カセット上蓋３０２及びカセット下蓋３０４間に狭着固定される際に、流路壁が流路側に湾曲するように変形されるのを防止することができる。即ち、パッキン２００が基板１００に対して押圧された際に、流路壁は、角度θ１が減少する方向に変形されにくくなる。例えば、θ１＝９０°に設定した状態で、パッキン２００を基板１００に押付ける場合、θ１が減少される方向に流路壁が変形されると、流路壁が基板１００と接触する接触部の付近には、非常に小さい空間が形成される。このため、流路に試料及び薬液等の溶液が流通される際にエアがこの空間に滞留する、或いは、この微小空間に毛細管現象による不本意な溶液の移動が発生する等の現象が生じ、微細流路装置における核酸等の検出における検出の精度が低下される虞がある。このため、流路に垂直な断面における流路の断面形状が単純な形状に保持されるように、第１の溝２０２側の流路壁面が基板１００の主表面となす角度θ１が第２の溝２０４側の流路壁が基板となす角度θ２よりも大きく設定される。

図５には、図３Ａから図３Ｃに示されるパッキン２００の変形例として、第１の溝２３２及び第２の溝２３４の断面が、台形状ではなく、湾曲した形状に形成されるパッキン２３０が一部拡大されて示されている。このパッキン２３０では、流路壁の壁面が曲面状に形成されている。この場合、図５に示されるように、第１の溝２３２側の壁面が基板１００の主表面となす角度θ１は、第１の溝２３２の壁面が基板１００の主表面に接する部分における仮想的な接面２３６と基板１００の主表面とがなす角度を示す。また、同様に、第２の溝２３２側の流路壁が基板１００となす角度θ２は、第２の溝２３４の壁面が基板１００の主表面に接する部分における仮想的な接面２３８と基板１００の主表面とがなす角度を示す。このようなパッキン２３０においても、θ１＞θ２の関係が保持される。

図１から図３Ｃに示したパッキン１００は、例えば、パッキン寸法として第１の溝２０２の溝高Ｈ１を０．７ｍｍ、第２の溝２０４の溝高Ｈ２を０．２ｍｍ、第１の溝２０２の溝幅Ｌ１を１ｍｍ、第１の溝２０２間の流路壁の壁幅Ｌ２を１ｍｍ、基板１００の主表面と接触する部分の距離Ｌ２３を０．３ｍｍ、第１の溝２０２側の流路壁が基板１００となす角度θ１を９０°、第２の溝２０４側の流路壁が基板１００となす角度θ２を６０°に設定し、硬度７０°のシリコンゴムで作製される。但し、このパッキン寸法は、一例であり、パッキン２００は、この寸法に限定されず、上記の各種条件を満たせばいかなる寸法に形成されてもよい。但し、角度θ１は、４５°から９０°の範囲で設定されるのが好ましいが、必ずしも限定される訳ではない。

次に、本発明の実施の形態の比較例としていくつかのパッキンを例示して以下に説明する。図６Ａから図１１Ｃにおいて、図１から図３Ｃに示した符号と同一符号は、同一箇所或いは同一構成を示すものとして、その詳細な説明は省略する。

図６Ａは、比較例１として、従来から知られているパッキン２５０の断面を示している。また、図６Ｂは、図６Ａのパッキン２５０の断面図の一部を拡大して示し、図６Ｃは、このパッキン２５０の裏面を示している。このパッキン２５０は、図６Ａから図６Ｃに示されるように、第２の溝２０４が形成されないこと以外は、図３Ａから図３Ｃに示したパッキン２００と同一に構成されている。比較例１に係るパッキン２５０の典型的な断面寸法は、図６Ｂに示されるように、第１の溝高ｈ１は０．７ｍｍに、第１の溝の溝幅ｗ１並びに流路壁の壁幅ｌ１は１ｍｍに設定される。このパッキン２５０は、平坦に形成される裏面が基板１００の表面にある押付け力を印加されて接合される。前述したように、パッキン２５０と基板１００との接合面に加わる圧力は、パッキン２５０が基板１００に押付けられる押付け力を接合面の面積で除算して定められることから、図６Ａに示したパッキン２５０は、図３Ａに示したパッキン２００に比較してシール性が弱い。このようなパッキン２５０では、流路内に溶液等が充填され、加熱保持されると、図７に示されるように、パッキン２５０と基板１００との接合部分から矢印方向に薬液等の溶液が漏れ出す虞がある。特に、高い浸透性を有する界面活性剤を含有する溶液が流路に流通される場合には、溶液が漏れ出しやすくなる。

パッキン２５０と基板１００との接合部分からの溶液の漏れを回避する為のいくつかの対策を説明する。第１の対策としては、パッキン２５０と基板１００とを接着剤等にて接着する方法が考えられる。しかしながら、接着剤を構成する成分が溶液中に溶出する虞がある。例えば、核酸検出装置では、正確な核酸検出の為には、厳密な試料及び試薬の組成管理が必須となる。従って、この方法は、検出精度の観点から好ましくない。

また、第２の対策としては、パッキン２５０を基板１００に押付ける力を増加させる方法が挙げられる。核酸検出カセットように、図１に示した微細流路装置を使い捨てにする必要がある場合には、コストを抑える為に、カセット上蓋３０２及びカセット下蓋３０４は、プラスチック材料で形成され、基板１００は、ガラス基板が使用される。基板１００及びパッキン２５０に印加される押付け力は、カセット上蓋３０２及びカセット下蓋３０４が係合されてパッキン２５０及びガラス基板１００を挟み込むことによって生じる。従って、押付け力を増加させるには、カセット上蓋３０２、カセット下蓋３０４及びガラス基板１００に充分に高い強度を確保する必要がある。これは、カセット上蓋３０２及びカセット下蓋３０４の構造を強固する、及び、ガラス基板１００を厚肉に形成することで実現されることができる。しかしながら、核酸検出装置のように、流路内の液体を充填し、この液体の温度を制御するような場合、ガラス基板１００を厚肉に形成すると、温度制御の精度が低下する虞がある。即ち、温度制御の観点から、基板１００は、薄肉に形成されることが好ましく、温度制御の精度を維持したまま基板１００の充分な強度を確保することは困難である。

さらに、第３の対策としては、カセット上蓋３０２とカセット下蓋３０４との止着による押付け力を変えることなく、パッキン２５０及び基板１００の接合面における圧力を増加させる方法が挙げられる。この方法では、上述したように、パッキン２５０及び基板１００の接合面における圧力を増加する為に接合面の面積を縮小すればよい。図８Ａから図８Ｃには、本発明の比較例２に係るパッキン２６０が示されている。このパッキン２６０では、図８Ａから図８Ｃに示されるように、比較例１と比較して、流路壁の壁幅ｌ２が縮小され、第１の溝の溝高ｈ２及び溝幅ｗ２が同一に保たれている。パッキン２６０は、図６Ａから図６Ｃに示したパッキン２５０と比較して細長く、即ち、パッキン２６０の短手方向の幅が狭く形成されている。流路壁の壁幅ｌ２が低減されると、パッキン２６０と基板１００との接合面の面積が縮小され、この面積に反比例して接合面における圧力が増加される。従って、シール性を向上することができる。しかしながら、パッキン２６０は、シリコンゴム等の弾性部材で形成されることから、流路壁の壁幅が小さく設定されると、流路壁が自立することが困難である。従って、流路壁の壁幅が単純に縮小されたパッキン２６０では、流路壁が変形されて流路の断面形状を略一定の形状に保持することができない。その場合、上記に記述したように、パッキン２６０が基板１００に対して押圧された際に、θ１が減少される方向に流路壁が変形されると、流路壁が基板１００と接触する接触部の付近には、非常に小さい空間が形成される。このため、流路に試料及び薬液等の溶液が流通される際にエアがこの空間に滞留する、或いは、この微小空間に毛細管現象による不本意な溶液の移動が発生する等の現象が生じ、微細流路装置における核酸等の検出における検出の精度が低下される虞がある。

さらにまた、第４の対策として、溝間の壁部分の自立性を確保する為に、比較例２に係るパッキン２６０における溝高ｈ２を小さくする方法が挙げられる。図９Ａから図９Ｃには、本発明の実施の形態の比較例３に係るパッキン２７０が示されている。比較例３では、図９Ａから図９Ｃに示されるように、比較例２に係るパッキン２６０と比較して、溝高ｈ３が縮小され、第１の溝２０２の溝幅ｗ３及び流路壁の壁幅ｌ３が同一に保たれている。流路壁のアスペクト比が低減され、流路壁の強度が増加されている。これにより、パッキン２７０と基板１００との接合面の面積を低減し、流路を形成する壁部分の強度が充分に保持されたパッキン２７０が実現される。しかしながら、このような構成では、流路を定める溝の断面積が低減され、流路内に流通される試料中の核酸濃度又は試薬中の成分濃度の濃度分布に影響が顕著に現れ、検出精度（検出信号の均一性）が低下する。

また、第５の対策としては、パッキンと基板１００との接触を面接触から線接触に変更する方法が考えられる。この方法は、比較例１に係るパッキン２５０の裏面に凸形状（略半円形状）のシール部２８２が設けられて実現される。図１０Ａから図１０Ｃには、比較例４として、第１の溝２０２の側壁における基板１００との接合面の両端部に小型のシール部２８２が形成されたパッキン２８０が示されている。シール部２８２は、図１０Ａから図１０Ｃに示されるように、第２の溝２０４を定め、パッキン２８０に一体形成されている。このような構成では、パッキン２８０は、基板１００に線接触されることからシール性が向上される。しかしながら、流路であってシール部２８２及び基板１００の主表面で定められる領域２８４に非常に小さい空間が形成される。これにより、流路に溶液が流通される際に、この微小空間部分に微細な気泡が滞留し、流路内に満たされた溶液の温度制御が実施され、流路内の温度が上昇されると、このような気泡が集合して大きな気泡になり、この気泡により検出精度が低下される虞がある。もしくは、毛細管現象による不本意な溶液の移動が発生する虞もある。このように、基板１００とパッキン２００との接合面におけるシール性能を向上させる為であっても、流路の断面形状に微小領域が形成されることは、検出精度の観点から好ましくない。

本発明の実施の形態に係る微細流路装置では、上述した比較例１から比較例４に示した問題を回避することができ、基板１００とパッキン２００との接合に接着剤を不使用で、且つ、カセット上蓋３０２及びカセット下蓋３０４による押付け力を増加させることなく、流路を形成する基板１００及びパッキン２００間においてシール性の高い接合が実現されている。本発明の実施の形態に係るパッキン２００は、図３Ａから図３Ｃに示されるように、パッキン２００の裏面に流路を定める第１の溝２０２の周囲にこの第１の溝２０２から所定の幅だけ残して第２の溝２０４が形成される。パッキン２００が基板１００に押付け固定された際に、基板１００及びパッキン２００の接合面でのシールが確保される。また、流路に沿って垂直な断面において、流路が単純な断面形状に保持され、断面形状が常に略一定に保持される。

以上のように、本発明の実施の形態に係る微細流路装置においては、基板１００とパッキン２００との接合におけるシール性能が良く、試料及び薬液等が装置外への漏れ出しを防止することができる。

尚、パッキン２００に設けられる第１の溝２０２は、基板１００上に蛇行して１つの流路を定めるように形成される場合に限らず、複数の流路を定めるように複数個形成されてもよい。また、第１の溝２０２は、流路を分岐するように、或いは、流路が循環するように形成されてもよく、用途に応じてその形状を適切に変更することができる。これらの場合にも、第２の溝２０４は、第１の溝２０２及び第２の溝２０４間の流路壁が自立性を有するように形成される。

また、貫通孔２１２及び２１４並びに第１の溝２０２は、断面形状、断面積が略等しい場合を説明したがこれに限定されない。例えば、核酸検出装置では、貫通孔２１２及び２１４並びに第１の溝２０２にかけて最も細い部分の断面積に対して最も太い部分の断面積が約２倍程度以内に形成されることが好ましい。

また、送入ポート２０８及び送出ポート２１０は、必ずしもパッキン本体２０６の主面に対して垂直に形成されている必要はなく、例えば、主面に対して所定の角度だけ傾斜させて形成されていてもよい。また、パッキン本体２０６主表面に対して垂直に設けられ、その形成位置途中で折れ曲がり、パッキン本体２０６主表面に対して垂直でない方向に延出されて形成されてもよい。

図１１Ａから図１１Ｃには、本発明の他の実施の形態に係るパッキン２２０が示されている。このパッキン２２０には、図３Ａから図３Ｃに示したパッキン２００の裏面の外周部に土手状のシール部２２２がさらに設けられている。シール部２２２は、図１１Ａ及び図１１Ｂに示されるように、パッキン２２０の裏面の外周部に形成された第２の溝２０４から基板１００側に向かって凸形状に、流路壁と同一の高さに形成されている。即ち、図１１Ａ及び図１１Ｂに示した断面においては、シール部２２２は、第２の溝２０４から基板１００側に向けて湾曲した形状に形成され、基板１００に点接触される。また、シール部２２２は、図１１Ｃに示されるように、パッキン２２０の裏面の外周部に環状に形成されている。従って、基板１００及び弾性部材２２０が接合される際には、シール部２２２が基板１００の主表面に環状に線接触される。パッキン２２０がこのような形状に形成されると、流路は、流路壁による面シールに加え、基板１００に形成される流路の周囲において線シールで封止される。これにより、第２の溝２０４及びパッキン１００の表面で規定される空間は、閉空間となる。この場合、万一溶液が流路壁と基板１００との接合部からリークしたとしても、溶液を閉空間内に留めることができる。従って、基板１００とパッキン２２０との接合におけるシール性能をさらに向上することができる。

また、このシール部２２２は、微細流路装置を組み立てる際に、基板１００に対するパッキン２２０の傾きを補正するガイドとして機能し、従って、組み立てを容易にすることができる。

図１に示した微細流路装置は、例えば、核酸検出装置に装着される核酸検出カセットに適用される。以下に、本発明の実施の形態に係る微細流路装置の一例として、図１２から図１４Ｂを参照して核酸検出装置を説明する。図１２から図１４Ｂにおいて、図１から図３Ｃに示した符号と同様の符号を同一部分、同一箇所に付してその説明を省略する。

図１２は、本発明の実施の形態に係る核酸検出カセット（微細流路装置）１１を装着した核酸検出装置の概略構成を示している。この核酸検出装置は、図１２に示されるように、核酸を検出するセンサ領域としての流路が形成される核酸検出カセット１１を装着して使用される。また、この核酸検出装置は、核酸検出カセット１１に電気的に接続される測定部１２、核酸検出カセット１１に設けられた流路に物理的に接続される送液部１３、及び核酸検出カセット１１の温度を制御する温度制御部１４を備えている。

これら測定部１２、送液部１３及び温度調整部１４は、制御部１５により制御される。制御部１５は、コンピュータ１６に電気的に接続され、コンピュータ１６に格納されたプログラムに従って制御される。

送液部１３は、核酸検出カセット１１に供給する緩衝液、純水及び挿入剤溶液等の薬液を保持する複数の供給源、エアを供給するエア供給源を備える。さらに、核酸検出カセットから排出される試料及び薬液等を保持する廃液チャンバを備えている。また、エアや溶液を核酸検出カセット１１に供給し、試料及び溶液、エアを核酸検出カセット１１から排出するためのポンプ、複数の溶液やエアを切り替えるためのバルブ等も備えている。

図１２に示した核酸検出装置は、核酸検出カセット１１において、試料（液体検体）に含まれる核酸をハイブリダイゼーションさせ、この反応の有無を緩衝液及び挿入剤溶液導入後にモニタリングすることにより、試料中に検出の対象となる標的核酸が含まれているか否かを判断する。

この核酸検出カセットは、図１３に示されるように、基板１００及びパッキン２００を備え、基板１００及びパッキン２００が接合されて基板上に流路が形成される。図１３に示されるパッキン２００は、図１から図３Ｃに示したパッキン２００と同一の構成に形成されている。基板１００上には、パッキン２００に設けられた第１の溝２０２及び基板１００の主表面で流路が定められ、パッキン２００に第２の溝２０４が設けられ、基板１００とパッキン２００との接合面の面積が低減されている。標的核酸を含む試料は、ピペット等の器具を用いて、手動で核酸検出カセットに注入する。その際、試料は、開口部２１８にピペット等を装着し、貫通孔２１４を通して第１の溝２０２に注入する。薬液の送液は、次の手順により、核酸検出装置内で自動的に行う。送入ポート２０８は、ノズル４００を介して送液部１３の上流側に接続され、送出ポート２１０は、ノズル４０２を介して送液部１３の下流側に接続されている。送液部１３の上流側から薬液及びエア等がパッキン２００内に送入される。薬液は、開口部２１６、貫通孔２１２、第１の溝２０２、貫通孔２１４、開口部２１８の順に流通されて送液部１３の下流側に送出される。

カセット下蓋３０４には、その外表面から内表面にかけて温度調整用窓部３１０が貫通して形成されている。温度調整用窓部３１０には、そのカセット下蓋３０４の内表面側に基板１００が配置されている。この温度調整用窓部３１０を介して温度制御部１６が基板１００裏面に接して配置され、流路内の試料が基板１００を介してカセット下蓋３０４側から温度調整される。流路内に満たされる試料が温度制御部１６によって温度制御されるため、基板１００は、例えば、ガラス等の材料で薄肉に形成される。

図１４Ａ及び図１４Ｂは、夫々カセット上蓋３０２側及びカセット下蓋３０４側から見た核酸検出カセット１１を分解して示している。カセット上蓋３０２及びカセット下蓋３０４は、図１４Ａ及び図１４Ｂに示されるように、互いの内表面を対向し、且つ、カセット上蓋３０２及びカセット下蓋３０４間に基板１００及びパッキン２００を挟んだ状態で固定される。

カセット上蓋３０２には、外表面から内表面にかけて断面が略円形のノズル差込孔３０６及び３０８が貫通して形成されている。このノズル差込孔３０６及び３０８は、パッキン２００の送入ポート２０８及び送出ポート２１０の外径よりも若干大きく設定されている。また、カセット上蓋３０２には、外表面から内表面にかけて断面が略長方形の電気コネクタ用ポート３１２及び３１４が貫通して形成されている。この電気コネクタ用ポート３１２及び３１４の各々には、電気コネクタ（図示せず）が装着されて測定部１２に接続される。

カセット上蓋３０２の内表面側には、図１４Ｂに示されるように、所定の深さで且つ基板１００の断面形状と略同一の断面形状を有する基板位置決め溝３１６が設けられている。この基板位置決め溝３１６の周囲は、内表面で囲まれている。また、この基板位置決め溝３１６は、ノズル差込孔３０６及び３０８、並びに電気コネクタ用ポート３１２及び３１４にオーバーラップして形成されている。基板１００は、基板位置決め溝３１６に合わせて嵌め込まれ、カセット上蓋３０２に位置決め配置される。基板位置決め溝３１６の深さは、基板１００の厚さと略同一となるように形成されている。

また、カセット上蓋３０２の内表面側には、基板位置決め溝３１６にオーバーラップして、基板位置決め溝３１６よりもさらに深いパッキン位置決め溝３１８が設けられている。このパッキン位置決め溝３１８の周囲は、基板位置決め溝３１６で囲まれている。パッキン位置決め溝３１８は、ノズル差込孔３０６及び３０８にオーバーラップして形成されている。パッキン２００は、パッキン位置決め溝３１８に合わせて嵌め込まれ、カセット上蓋３０２に位置決め配置される。パッキン位置決め溝３１８の基板位置決め溝３１６に対する深さは、カセット係合後、パッキン２００と基板１００とが密着接合される際のパッキンの「潰し代」を勘案した上で、パッキン本体２０６の厚さと略同一にもしくは若干浅くなるように形成されている。従って、パッキン位置決め溝３１８の内表面に対する深さは、パッキン本体２０６の厚さに基板１００の厚さを加算した厚さと略同一にもしくは若干浅くなるように形成されている。

カセット上蓋３０２には、その両側部にその内壁から外壁にかけて３つずつ計６つ係着用孔３２０が貫通形成されている。一方、カセット下蓋３０４には、その両側部の内表面上に爪状の係着用部材３２２が３つずつ計６つ突設されている。基板１００及びパッキン２００がカセット上蓋３０２及びカセット下蓋３０４の所定位置に配置された状態で係着用部材３２２は、係着用孔３２０に係着される。カセット上蓋３０２及びカセット下蓋３０４が係止されると、パッキン２００及び基板１００が所定位置に位置決め配置された状態で固定される。これにより、基板１００及びパッキン２００は、適切な押付け力で接合され、基板１００とパッキン２００との接合面においてシールされる。

尚、確実に係止することが出来れば、係着用部材の個数は６つに限定されることはない。また、カセット上蓋３０２及びカセット下蓋３０４の止着方法は、パッキン２００を基板１００に圧接固定することができれば、図１に示したようなカセット下蓋３０４に形成された係着用部材がカセット上蓋３０２に形成された係着用孔に係着される場合に限定されない。例えば、カセット上蓋３０２の周縁部に複数のねじ孔が設けられ、これらカセット上蓋３０２のねじ孔に対応してカセット下蓋３０４に複数のねじ孔が設けられ、カセット上蓋３０２及びカセット下蓋３０４が重ね合わさった状態でこれらねじ孔にねじが螺挿されてカセット上蓋３０２及びカセット下蓋３０４が止着されてもよい。

基板１００の主表面上には、核酸プローブが固定化される作用極を含む電極系１０２がマトリックス状に配置されている。作用極には、検出の目的とする核酸と選択的に反応する相補核酸を含む核酸プローブが固定化される。また、電極系１０２は、基板１００とパッキン２００とが接合された際に基板１００上に定められる流路に沿って配列されている。これにより、基板１００及びパッキン２００がカセット上蓋３０２及びカセット下蓋３０４に位置決めされた状態で狭着固定された際には、第１の溝２０２及び基板１００主表面により流路が形成され、且つその流路表面には、電極系１０２が露出した構成となる。

電極系１０２は、作用極に固定化された核酸プローブに相補的に結合した核酸を電気化学反応により生じる電流を検出できるように構成される。基板１００上に電極系１０２を設けずに核酸プローブが基板上に固定されてもよい。この場合、例えば、ハイブリダイゼーション等の工程の後に核酸検出カセットから基板１００を取り出し、核酸プローブに結合した蛍光標識された核酸を光学的に検出することができる。

この電極系１０２は、図示しない配線によりパッド１０４及び１０６の夫々に接続されている。このパッド１０４及び１０６は、基板１００及びパッキン２００がカセット上蓋３０２及びカセット下蓋３０４に狭着固定された際に、電気コネクタ用ポート３１２及び３１４の位置に配置されるように基板１００の主表面上に設けられている。パッド１０４及び１０６には、電気コネクタ用ポートを介して電気コネクタ（図示せず）が接触配置される。これにより、電極系１０２は、パッド１０４及び１０６を介して電気コネクタに接続される。

基板１００において、電極系１０２が配列される領域は、電気化学反応によりハイブリダイゼーションの有無を検出するセンサ領域として機能し、パッド１０４及び１０６が配置される領域は、基板１００から核酸検出カセット１１外部に電気信号を取り出す為の電気的接触領域として機能する。これらセンサ領域及び電気的接触領域は、離間して配置されている。

上述した核酸検出装置における核酸検出工程は、例えば、以下のように実施される。先ず、ピペット等の器具を用いて手動で、核酸検出カセット１１に形成される流路に検査の対象となる核酸を含む試料が導入される。流路内において、作用極上に固定化された核酸プローブと試料中の標的核酸とがハイブリダイゼーションされる。ハイブリダイゼーション反応は、例えば、基板１００の底面が５０℃程度になるように温度制御部１４が制御され、この状態を３０分間保持されて実行される。ハイブリダイゼーション後には、基板の温度が２５℃程度に保持され、試料が流路から導出され、エア、純水及び緩衝液を適宜切換ながら導入し、最終的には流路内を緩衝液にて充填した状態で、例えば、４５℃程度で１０分間放置されて核酸プローブに非特異的に吸着した不要な標的核酸の洗浄が実施される。流路から緩衝液が導出され、再度エア、純水、緩衝液及び挿入剤溶液を適宜切換ながら導入された後に、流路に挿入剤溶液が充填されて測定が実施される。

このように、核酸検出カセット１１には、試料、エア及び薬液の置換が次々に実施される。この際に、基板１００及びパッキン２００との接合部におけるシール性が悪い場合には、カセット内の送液精度が低下する。不要な試料が洗浄後にも接合部に残り、検出に悪影響を与え、また、薬液等が漏れ出して電気コネクタを短絡させ、装置が破壊される。さらに、サンプルが装置外に流出して周囲環境が汚染される。

図１３に示した核酸検出カセット１１では、パッキン２００に第２の溝２０４が設けられることから、基板１００とパッキン２００との接合において充分なシール性を保持することができる。

また、本発明に係る微細流路装置は、上記構成例に限定されず、基板に弾性部材を接合して流路を形成するいかなる装置にも適応されることができる。また、特願２００７−７７９１５に開示されるように、核酸検出の前処理工程、例えば、抽出及び増幅工程からデータ解析までを一貫して実施する核酸検出装置等に適用することができる。この場合には、増幅後の核酸の流出を抑止する効果があるため、更に効果が顕著である。

１１…核酸検出カセット、１２…測定部、１３…送液部、１４…温度調整部、１５…制御部、１６…コンピュータ、１００…基板、１０２…電極系、１０４，１０６…パッド、２００，２２０，２３０…パッキン、２２２…シール部、２０２，２３２…第１の溝、２０４，２３４…第２の溝、２０６…パッキン本体、２０８…送入ポート、２１０…送出ポート、２１２，２１４…貫通孔、２１６，２１８…開口部、３００…カセット本体、３０２…カセット上蓋、３０４…カセット下蓋、３０６，３０８…ノズル差込孔、３１０…温度調整用窓部、３１２，３１４…コネクタ用ポート、３１６…基板位置決め溝、３１８…パッキン位置決め溝、３２０…係着用孔、３２２…係着用部材、４００，４０２…ノズル

Claims (9)

1. 基板と、
   第１及び第２の面と、当該第２の面に設けられた第１の溝及び第２の溝と、を有し、かつ、前記第２の面が前記基板上に接触して配置されて、前記第１の溝が前記基板上に物質流通のための流路を形成する弾性部材と、
   前記弾性部材を前記基板に固定する固定具と、
   を具備し、前記弾性部材は、前記第２の面の外周部の前記第２の溝の周辺領域にシール部が一体形成され、前記基板及び前記弾性部材が固定される際には、前記シール部が前記基板に環状に線接触される、ことを特徴とする微細流路装置。
2. 前記第２の面が前記基板上に接触して配置されて、前記第２の溝が前記基板上に前記流路とは連通しない空間を形成することを特徴とする請求項１に記載の微細流路装置。
3. 前記弾性部材は、前記第１の面と第２の面と貫通する第1の貫通孔及び第２の貫通孔を有し、前記第１及び第２の貫通孔は各々前記流路に連通し、物質の出口及び／又は入口として機能することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の微細流路装置。
4. 前記第１の溝は、前記第２の面から第１の面に向かう第１の溝高を有し、前記第２の溝は、前記第２の面から第１の面に向かう第２の溝高を有し、前記第２の溝高が前記第１の溝高より小さいことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の微細流路装置。
5. 前記第１の溝は、第１の壁面を有し、前記第２の溝は、第２の壁面を有し、前記第１の壁面と前記第２の面とがなす前記第１の溝側の第１の傾斜角度が前記第２の側壁と前記第２の面とがなす前記第２の溝側の第２の傾斜角度より大きいことを特徴とする請求項２に記載の微細流路装置。
6. 前記弾性部材を前記流路に交差する方向に切断した断面内における隣接する前記流路では互いに逆方向に流動体が流通されることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の微細流路装置。
7. 前記第１の溝は、前記流路に対して垂直に切断した断面がいずれの前記流路上でも略同一の断面形状に形成されることを特徴とする請求項４乃至請求項６のいずれか１項に記載の微細流路装置。
8. 前記断面形状は、略台形状であることを特徴とする請求項７に記載の微細流路装置。
9. 前記第２の溝は、前記第１の溝と所定間隔だけ離間して形成されることを特徴とする請求項１に記載の微細流路装置。

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