JP5573335B2 - 磁性体粒子操作デバイス及び磁性体粒子操作方法 - Google Patents

磁性体粒子操作デバイス及び磁性体粒子操作方法 Download PDF

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Description

本発明は、マイクロデバイス及びマイクロデバイス内での液滴操作方法に関する。詳細には、マイクロデバイス内で実施可能な核酸抽出、精製および遺伝子増幅方法に関する。
生体試料からの核酸抽出・精製法においては、旧来からフェノール・クロロホルム法が標準的に使用されている。しかしながら、操作が煩雑で使用する試薬が有害であり、廃液処理にコストがかかるため、基礎研究分野以外ではあまり使用されなくなってきている。例えば、遺伝子検査を目的とした核酸精製法においては、シリカに核酸が特異的に吸着する性質を利用して、有害試薬を用いることなく簡便に核酸を抽出・精製する方法が採用されている。特に、磁性シリカ粒子を用いた精製法は、自動化に有利であり、各社から核酸抽出精製装置として市販されている。このような装置は、薬液によって試料を溶解して核酸を遊離した状態にし、そこに磁性シリカ粒子を添加することでシリカ表面に核酸を特異的に吸着させ、続く洗浄工程を経た後、核酸のみを回収する工程を踏んで核酸精製試料を得ることを可能にする。遺伝子検査では、このような装置から回収された核酸を用い、ＰＣＲ（ポリメラーゼ連鎖反応）に代表される遺伝子増幅法を実施する。
近年では、核酸抽出・精製、及びＰＣＲに代表される遺伝子増幅の全てをチップ上で行うマイクロデバイスの開発が盛んである。一般的には、マイクロデバイス内に核酸抽出精製装置の構造をそのまま縮小化した流路、ポンプ、バルブ等を構築し、微量スケールで核酸・抽出精製を行うものが開発されている。しかしながら、使い捨てが原則である遺伝子検査用マイクロデバイスにおいては、デバイスの製造コストの問題から実用的な遺伝子検査チップの普及には至っていない。
特開２００８−１２４９０号公報（特許文献１）においては、ポンプ、バルブ等をマイクロデバイス内に構築することなくオイル中に封入した液滴を操作することで種々の反応が微量スケールで行われる。液滴には磁性体粒子を含ませることにより、磁場印加手段によって液滴操作を可能にしている。当該公報においては、液滴を封入する媒体として用いられるオイルとして、常温付近（１５℃から２５℃）に融点を持つものが用いられるため、常温以下ではオイルが固化していることにより、デバイスの移動、運搬、保存が可能である。
特開２００８−１２４９０号公報
特開２００８−１２４９０号公報の方法においては、使用時にはデバイスを加熱し、固化したオイルを必ず再溶融させなければならない。また、溶融させたオイル中で液滴移動操作が行われるため、封入された液滴を母液滴として子液滴を分離する場合には、母液滴が液滴移動操作によって動かないように、別途、電場の吸着力を利用して固定する必要がある。このように電場制御が必要となるため、当該公報に記載の方法を行うための装置には、電場発生手段を設けなければならず、装置の構成が複雑になる。
そこで、本発明は、電場操作などの物理的操作を用いなくとも、磁場操作のみで液滴操作を行うことができる液滴操作方法、及び、そのような方法を可能にする液滴操作デバイスを提供することを目的とする。
本発明者は、液滴封入媒体中で行われる液滴操作において、ゲル化した液滴封入媒体を用いることによって上記本発明の目的を達成することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明は、以下の発明を含む。
下記発明は、液滴操作デバイスに向けられる。
（１）
液滴封入媒体中において液滴を搬送するための液滴操作デバイスであって、
前記液滴封入媒体を保持する容器と、
水系液体からなる液滴と、
前記水系液体に不溶性又は難溶性であるゲル状の液滴封入媒体と、
前記水系液体からなる液滴に含まれる磁性体粒子と、
磁場を生じさせることにより前記磁性体粒子と共に液滴を搬送するための磁場印加手段と、
を含む液滴操作デバイス。
水系液体に不溶性又は難溶性であるとは、２５℃における水系液体に対する溶解度が概ね１００ｐｐｍ以下であることを意味する。
上記液滴操作デバイスにおける磁場印加手段は、それ自身が搬送面に略平行に移動できるものであっても良いし、複数が搬送面に略平行に配置したものであっても良い。
下記発明は、上記ゲル状の液滴封入媒体の材料を特定した態様に向けられる。
（２）
前記ゲル状の液滴封入媒体が、非水溶性又は難水溶性である液体物質に、ヒドロキシ脂肪酸、デキストリン脂肪酸エステル、グリセリン脂肪酸エステルからなる群から選ばれるゲル化剤を混合させて調製されるものである、（１）に記載のデバイス。
（３）
前記液滴の搬送経路に別の液滴が配置される、（１）又は（２）に記載のデバイス。
上記方法における別の液滴の態様の例を、図１の（ａ）においてゲル状態の液滴封入媒体に封入されたＰＣＲ反応液からなる液滴、洗浄液からなる液滴、及び核酸抽出液からなる液滴として示す。
（４）
前記液滴の搬送経路に温度勾配が設けられる、（１）〜（３）のいずれかに記載のデバイス。
下記発明は、液滴操作方法に向けられる。
（５）
液滴封入媒体中において液滴を操作する方法であって、
前記液滴封入媒体が容器中に保持され、
前記液滴が磁性体粒子を含む水系液体からなり、
前記液滴封入媒体が、少なくとも液滴操作開始前においてゲル状態であって、ゲル状態及びゾル状態において前記水系液体に不溶性又は難溶性であるものであり、
前記液滴操作において、磁場印加手段によって磁場を生じさせて前記磁性体粒子と共に前記液滴を搬送する工程を含む、液滴操作方法。
上記方法における液滴搬送の態様の一例を、図２の（ｂ）、（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）又は（ｈ）に示す。
上記方法において、液滴操作開始後において移動している液滴が取り囲む液滴封入媒体は、ゲル状態であっても良いし（例えば図２の（ｂ）又は（ｅ））、ゾル状態であっても良い（例えば図２の（ｇ）又は（ｈ））。
下記発明は、液滴の封入方法を特定した態様に向けられる。
（６）
前記液滴操作開始前において、
非水溶性又は難水溶性である液体物質とのゲル化剤との混合物が収容された容器を用意し、前記混合物に液滴を添加し、その後、前記混合物をゲル化させることによって、前記液滴をゲル状の液滴封入媒体中に封入する、（５）に記載の方法。
上記態様以外にも、液滴封入媒体がゲル化した後に、一旦ゾル化させて液滴を添加することによって封入しても良いし、ゲル状態の液滴封入媒体中に穿刺によって直接注入することによって封入しても良い。
（７）
前記液滴が、同一容器内でゲル状態又はゾル状態の前記液滴封入媒体中の前記液滴搬送経路に封入された、磁性体粒子を含む別の液滴に対して前記磁場を生じさせ液滴搬送経路上を移動させることによって、前記別の液滴から分離されて生じたものである、（５）又は（６）に記載の方法。
上記方法における液滴分離の態様の一例を、図２の（ｃ）〜（ｅ）に模式的に示す。
（８）
前記液滴が、同一容器内でゲル状態の前記液滴封入媒体上に配置された、磁性体粒子を含む別の液滴に対して前記磁場を生じさせることによって、前記別の液滴から分離されて生じたものである、（５）又は（６）に記載の方法。
上記方法における液滴封入媒体上に配置された別の液滴の態様の一例を図１の（ａ）及び（ｂ）において網掛けで示した液滴として示す。
上記方法における液滴の分離の態様の一例を図２の（ａ）〜（ｂ）に模式的に示す。
（９）
前記液滴が、ゲル状態又はゾル状態の前記液滴封入媒体中を移動することによって、同一容器内で前記液滴封入媒体中の前記液滴搬送経路に封入された別の液滴と合体する、（５）〜（８）のいずれかに記載の方法。
上記方法における液滴の合体の態様の一例を図２の（ｂ）〜（ｃ）、（ｆ）〜（ｇ）に模式的に示す。
（１０）
前記液滴搬送経路に温度勾配が設けられる、（５）〜（９）のいずれかに記載の方法。
上記方法における温度勾配を生じさせるものの一例として、図１（ｂ）に記載のセラミック板及びその一端に接して備えられたヒーターが挙げられる。
（１１）
前記液滴封入媒体が、前記温度勾配の高温側におけるゾル相と前記温度勾配の低温側におけるゲル相との両方を同一容器内で呈する、（１０）に記載の方法。
上記方法におけるゲル相及びゾル相の共存態様の例を図１（ｂ）及び図２に模式的に示す。図２の（ｆ）において、磁性体粒子を含む移動中の液滴が位置する地点がゾル−ゲル転移点に相当する温度地点であり、当該地点より高温側（ヒーターにより近い側）の搬送面に接する液滴封入媒体はゾル相を呈し、当該地点より低温側（ヒーターからより遠い側）の搬送面に接する液滴封入媒体はゲル相を呈している。
下記発明は、液滴操作によって、磁性体粒子及びその吸着成分を洗浄する態様に向けられる。
（１２）
前記別の液滴が洗浄液からなるものであり、前記合体によって前記磁性体粒子及びその吸着成分が洗浄される、（９）〜（１１）のいずれかに記載の方法。
上記方法における洗浄の態様の一例としては、図２の（ｂ）〜（ｃ）の態様であって（ｃ）において磁性体粒子群が進入した液滴が洗浄液である場合が挙げられる。
下記発明は、液滴操作によって、生体試料由来の核酸を処理する場合に行われる態様に向けられる。
（１３）
前記別の液滴に、細胞溶解液及び生体試料を含ませることによって、前記磁性体粒子に前記生体試料由来の核酸を吸着させる、（８）〜（１２）のいずれかに記載の方法。
下記は、液滴操作によって、核酸増幅反応を行う態様に向けられる。
（１４）
前記別の液滴が核酸増幅反応液からなるものであり、ゾル状態の前記液滴封入媒体中において、前記合体により生じた反応混合物からなる液滴を、前記温度勾配が設けられた液滴搬送経路上の、核酸合成反応の開始及び維持を達成する温度地点に移動させて前記反応混合物の温度制御をする、（１１）〜（１３）のいずれかに記載の方法。
上記方法における温度制御の態様の一例としては、図２の（ｇ）〜（ｈ）が挙げられる。
下記は、液滴操作によって、核酸増幅反応を行うと共に、増幅産物を蛍光検出によって検出態様に向けられる。
（１５）
前記核酸合成反応の開始時において、前記反応混合物からなる液滴及び前記液滴封入媒体のうち少なくとも前記液滴封入媒体に蛍光色素が含まれる、（１４）に記載の方法。
上記方法によってもたらされる効果の一つとして、上記核酸合成反応の終了時点まで増幅産物に基づく蛍光の検出が可能であることが挙げられる。
下記発明は、上記の液滴操作デバイスを作成するためのキットに向けられる。
（１６）
（１）〜（４）のいずれかに記載のデバイスを作成するための、
前記液滴封入媒体を保持する容器と、
前記ゲル状の液滴封入媒体、又は、前記ゲル状の液滴封入媒体を調製する材料となる非水溶性又は難水溶性の液体物質及びゲル化剤と、
磁性体粒子と、
磁場印加手段と、
を含むキット。
上記キットにおいては、上記ゲル状の液滴封入媒体に液滴が封入された状態で提供されてもよい。また、磁性体粒子は、封入された液滴中に含ませた態様で提供されてもよい。
本発明によると、電場操作などの物理的操作を用いなくとも、磁場操作のみで液滴操作を行うことができる液滴操作方法、及び、そのような方法を可能にする液滴操作デバイスを提供することが可能になる。
特に、ゲル状態の液滴封入媒体中に封入された磁性体粒子を含む液滴から微量の液滴を磁性体粒子に同伴して分離することが非常に容易である。一方、液滴封入媒体をゾル状態にすれば、封入された磁性体粒子を含む液滴自身の移動も容易である。本発明によると、同一容器内においてゲル状態及びゾル状態の液滴封入媒体を共存させることも容易であるため、液滴の分離及び移動を伴う一連の操作を密閉状態で行うことが非常に容易である。例えば、核酸含有試料を扱う一連の操作に本発明を適用する場合、当該核酸含有試料からの核酸抽出・精製及びＰＣＲを一つの簡易なデバイスで行うことが可能になる。
液滴封入媒体３１が充填された容器の斜視図であって、液滴封入媒体３１中に液滴（それぞれ核酸抽出液１４、洗浄液１３及びＰＣＲ反応液１２からなるもの）が封入され、磁性体粒子が分散した核酸含有試料からなる液滴２が液滴封入媒体３１上に載せられているもの（ａ）、及び（ａ）の容器に蓋４５と基板（セラミック板）４３とヒーター５とが設けられ、温度勾配を生じさせたものの断面図（ｂ）である。 図１の容器において、磁石６１による操作によって、磁性体粒子が分散した核酸含有試料からなる液滴２から核酸含有試料を磁性体粒子８とともに採取し（ａ）及び移動させ（ｂ）、核酸抽出を行い（ｃ）、抽出された核酸を含む試料を磁性体粒子とともに移動させ（ｄ）、洗浄したのち、核酸及び磁性体粒子を核酸増幅反応液１２と合体させ（ｅ）（ｆ）、核酸増幅に必要な温度地点へ反応液を動かす（ｇ）ことによって核酸増幅反応を行う態様を模式的に示したものである。 実施例１において、図２のデバイスを用いて操作を行った一連の過程を表す写真である。記号（ａ）〜（ｈ）及び写真中の要素に付された符号は、それぞれ、図２におけるものに相当する。 液滴封入の態様の他の例を示したものである。 実施例１において行われた核酸増幅反応によって得られた増幅産物の電気泳動による検出結果である。 参考例１において、シリコーンオイルに蛍光色素を添加した場合（ａ−１）、と添加しなかった場合（ｂ−１）、のＰＣＲ反応終了後の蛍光を紫外線照射で観察した画像である。 液滴封入媒体３で満たされた容器４内に封入された、磁性粒子８を含んだＰＣＲ反応液からなる液滴１１を磁石６１で移動させることによってＰＣＲを実施し、ＰＣＲ中にリアルタイムでＰＣＲ産物を蛍光検出するための機器構成の概略図である。
１ 封入液滴
３ 液滴封入媒体
４ 容器
４１ 搬送面
５ 加熱源
６１ 磁場印加手段
８ 磁性体粒子
［１．液滴］
本発明にかかる液滴とは、液滴を形成する液体の内外の圧力差と、液滴を構成する液体の分子間力によって発生する表面張力との釣合いで定まる形状（略球状又はその変形形状）を有する液体塊をいう。
［１−１．水系液体］
本発明において液滴を形成する液体としては、後述の液滴封入媒体に不溶性又は難溶性である水系液体であれば良く、水、水溶液又は水懸濁液の態様で提供されうる。水系液体の構成成分としては、本発明に適用することができる反応及び処理に供されるいかなるものも含まれる。
反応としては、化学反応及び生化学反応が挙げられる。化学反応としては、水系で行われる化学変化を伴ういかなる反応も含まれる。物質変化としては、化合、分解、酸化及び還元を問わない。生化学反応としては、生体物質の変化を伴ういかなる反応も含まれる。例えば、核酸、タンパク質、脂質、糖などの生体物質の合成系、代謝系及び免疫系が挙げられる。
処理としては、物質変化を伴うか否かに関わらず、いかなる処理も含まれる。物質変化としても、化学変化及び物理変化を問わない。例えば、前記反応や分析に先立って行われる前処理、分取（分離）処理、溶解処理、混合処理、希釈処理、撹拌処理、温度調節（加熱及び冷却）処理などの処理が挙げられる。
より具体的な例としては、核酸増幅反応を行うための核酸増幅反応液、増幅すべき核酸が含まれる試料、核酸を抽出するための核酸抽出液、核酸を洗浄するための磁性体粒子洗浄液、及び核酸を遊離するための核酸遊離液などが挙げられる。
以下に、上記のより具体的な例として挙げた水系液体及びそれが供される反応及び処理について、以下にさらに説明する。
［１−１−１．核酸増幅反応液］
本発明における核酸増幅反応液には、通常核酸増幅反応に用いられる種々の要素に、少なくとも増幅すべき核酸及び磁性体粒子が含まれる。
後述するように核酸増幅反応は特に限定されるものではないため、核酸増幅反応に用いられる種々の要素は、後述で例示する公知の核酸増幅法などに基づいて、当業者が適宜決定することができる。通常、ＭｇＣｌ2、ＫＣｌ等の塩類、プライマー、デオキシリボヌクレオチド類、核酸合成酵素及びｐＨ緩衝液が含まれる。また、上記の塩類は適宜他の塩類に変更して使用されうる。また、ジメチルスルホキシド等の非特異的なプライミングを減少させるための物質がさらに添加される場合がある。
増幅すべき核酸の由来元は特に限定されない。また、別途用意された核酸を含む試料から適宜前処理を行って調製されることができる。当該前処理としては、例えば核酸を含む試料から核酸の抽出を行う処理、核酸を吸着した磁性体粒子の洗浄を行う処理、及び磁性体粒子からの核酸の遊離を行う処理など、封入媒体に含まれる蛍光色素の影響を受けない処理が挙げられる。
増幅すべき核酸を含む試料としては、特に限定されず、例えば、動植物組織、体液、排泄物等の生体由来試料、細胞、原虫、真菌、細菌、ウィルス等の核酸包含体を挙げることができる。体液には血液、髄液、唾液、乳が含まれ、排泄物には糞便、尿、汗が含まれ、これらの組合せでもよい。細胞には血液中の白血球、血小板や、口腔細胞その他の粘膜細胞の剥離細胞が含まれ、これらの組合せでもよい。また、核酸を含む試料は、例えば細胞懸濁液、ホモジネート、細胞溶解液との混合液などの態様で調製されてもよい。
なお、本発明においては、核酸を含む試料の一態様や、核酸を含む試料が前処理を経て得られた試料を、核酸を含む液体と記載することがある。
本発明における核酸増幅反応液には、上記成分の他に、ブロッキング剤を含ませることができる。ブロッキング剤は、核酸重合酵素の、反応容器の内壁や磁性体粒子表面などへの吸着による失活を防止する目的で用いられうる。
ブロッキング剤の具体例としては、牛血清アルブミン（すなわちＢＳＡ）その他のアルブミン、ゼラチン（すなわち変性コラーゲン）、カゼイン及びポリリジンなどのタンパク質や、ペプチド（いずれも天然及び合成を問わない）が挙げられる。
本発明にかかる核酸増幅反応としては特に限定されず、例えば、ＰＣＲ法（米国特許第４６８３１９５号明細書、同４６８３２０２号公報、同４８００１５９号公報、同４９６５１８８号公報）、ＬＣＲ法（米国特許第５４９４８１０号公報）、Ｑβ法（米国特許第４７８６６００号公報）、ＮＡＳＢＡ法（米国特許第５４０９８１８号公報）ＬＡＭＰ法（米国特許第３３１３３５８号公報）、ＳＤＡ法（米国特許第５４５５１６６号公報）、ＲＣＡ法（米国特許第５３５４６８８号公報）、ＩＣＡＮ法（特許第３４３３９２９号公報）、ＴＡＳ法（特許第２８４３５８６号公報）等を用いることができる。
これらの核酸増幅反応に必要な反応液の組成、並びに反応温度は、当業者が適宜選択することができる。
リアルタイム核酸増幅方法においては、二本鎖ＤＮＡを染色することができる蛍光色素で増幅産物を標識することによって、その二本鎖ＤＮＡを加熱することで蛍光色素の変化を観察することができる。
リアルタイム核酸増幅法における検出法としては、下記の方法が挙げられる。
例えば、特異性の高いプライマーにより目的のターゲットのみを増幅可能である場合には、ＳＹＢＲ（登録商標） ＧＲＥＥＮ Ｉなどを用いるインターカレーター法が用いられる。
二本鎖ＤＮＡに結合することで蛍光を発するインターカレーターは、核酸増幅反応によって合成された二本鎖ＤＮＡに結合し、励起光の照射により蛍光を発する。この蛍光強度を検出することにより、増幅産物の生成量をモニターすることができる。この方法は、ターゲットに特異的な蛍光標識プローブを設計・合成する必要がなく、簡便にさまざまなターゲットの測定に利用できる。
また、よく似た配列を区別して検出する必要がある場合や、ＳＮＰｓのタイピングを行う場合は、プローブ法を用いる。一例として、５´末端を蛍光物質で修飾し、３´末端をクエンチャー物質で修飾したオリゴヌクレオチドをプローブとして用いるＴａｑＭａｎ（登録商標）プローブ法がある。
ＴａｑＭａｎプローブは、アニーリングステップで鋳型ＤＮＡに特異的にハイブリダイズするが、プローブ上にクエンチャーが存在するため、励起光を照射しても蛍光発光は抑制される。伸長反応ステップでは、ＴａｑＤＮＡポリメラーゼのもつ５´→３´エキソヌクレアーゼ活性により、鋳型にハイブリダイズしたＴａｑＭａｎプローブが分解されると、蛍光色素がプローブから遊離し、クエンチャーによる抑制が解除されて蛍光が発光される。この蛍光強度を測定することで、増幅産物の生成量をモニターすることができる。
このような方法によって、ＤＮＡをリアルタイムＰＣＲで定量する原理を以下に述べる。まず、段階希釈した濃度既知の標準サンプルを鋳型として使用してＰＣＲを行う。そして、一定の増幅産物量に達するサイクル数（threshold cycle；Ｃｔ値）を求める。このＣｔ値を横軸に、初発のＤＮＡ量を縦軸にプロットして、検量線を作成する。
未知濃度のサンプルについても、同じ条件下でＰＣＲ反応を行ってＣｔ値を求める。この値と前述した検量線とから、サンプル中の目的のＤＮＡ量が測定できることになる。
さらに、熱変性からアニーリングまで励起光の照射を行うと、増幅産物の融解曲線を得ることもできる。
核酸増幅反応で生じた二本鎖ＤＮＡは、ＤＮＡの長さ及びその塩基配列により固有のＴｍ値を持つ。つまり、蛍光色素が結合したＤＮＡを含む液滴の温度を徐々に上昇させると、急激に蛍光強度が減少する温度が観測される。蛍光強度の変化量を調べると、その温度ピークは塩基配列と長さによって規定されるＴｍ値とほぼ一致している。このことによって、目的遺伝子ではなく例えばプライマーダイマーが生じて観測されたデータなど（すなわち偽陽性データ）を陽性データから除外することができる。遺伝子検査では、試料中の夾雑物により非特異反応が起こることも多いため、このような偽陽性を排除することは重要である。これにより、生成した増幅産物が、標的遺伝子固有のものであるかどうかの判定を行うこともできる。
［１−１−２．核酸抽出液］
核酸の抽出を行うために用いられる核酸抽出用液としては、カオトロピック物質、ＥＤＴＡ、トリス塩酸などを含有する緩衝液が挙げられる。カオトロピック物質としては、グアニジン塩酸塩、グアニジンイソチアン酸塩、ヨウ化カリウム、尿素などが挙げられる。
核酸を含む試料からの核酸抽出の具体的方法は、当業者が適宜決定することができる。本発明においては液滴封入媒体内における核酸の運搬に磁性体粒子を用いるため、核酸抽出方法も磁性体粒子を用いた方法を採用することが好ましい。例えば、特開平２−２８９５９６号公報を参考に、核酸を含む試料からの磁性体粒子を用いた核酸の抽出、精製方法を実施することができる。
［１−１−３．洗浄液］
洗浄用液としては、核酸が磁性体粒子表面に吸着したまま、核酸含有試料に含まれる核酸以外の成分（例えば蛋白質、糖質など）や、核酸抽出など予め行われた他の処理に用いられた試薬その他の成分を融解できる溶液であればよい。具体的には、塩化ナトリウム、塩化カリウム、硫酸アンモニウム等の高塩濃度水溶液、エタノール、イソプロパノール等のアルコール水溶液などが挙げられる。
核酸が吸着した磁性体粒子を洗浄する具体的方法も、当業者が適宜決定することができる。また、核酸が吸着した磁性体粒子の洗浄の回数は、核酸増幅反応の際に不所望の阻害が生じない程度に当業者が適宜選択することができる。また、同様の観点で洗浄工程を省略することも可能である。
洗浄液からなる液滴は、少なくとも洗浄する回数と同じ個数だけ調製することができる。
［１−１−４．核酸遊離液］
核酸遊離液としては、水又は低濃度の塩を含む緩衝液を用いることができる。具体的には、トリス緩衝液、リン酸緩衝液、蒸留水などを用いることができる。
核酸が吸着した磁性体粒子から核酸を遊離させる具体的方法も、当業者が適宜決定することができる。
［１−１−５．その他の水系液体］
上記以外のいかなる反応及び処理についても、それぞれの水系液体の組成は、当業者が容易に決定することができる。
［１−２．液滴の量］
封入媒体に完全に封入される液滴の量としては、例えば０．１μＬ〜１０μＬ程度とすることができる。
［１−３．磁性体粒子］
本発明の方法においては、磁場の変動による液滴の移動を可能にするため、磁性体粒子を液滴に含ませる。磁性体粒子は、通常その表面に親水性基を有する。また、磁性体粒子は、容器中の液滴封入媒体に好ましくは液滴中に含ませた態様で予め封入されていてもよいし、本発明のデバイスを作成するためのキットとして提供される場合に、当該キットに含まれる容器や液滴封入媒体又はその材料とは別に添付されるアイテムの一つであってもよい。
磁性体粒子は、磁気に応答する粒子であれば特に限定されず、例えば、マグネタイト、γ−酸化鉄、マンガン亜鉛フェライト等の磁性体を有する粒子が挙げられる。また、磁性体粒子は、上記の反応又は処理に供される物質と特異的に結合する化学構造、例えばアミノ基、カルボキシル基、エポキシ基、アビジン、ビオチン、ジゴキシゲニン、プロテインＡ、プロテインＧ、錯体化した金属イオン、或いは抗体を備えた表面を有してよく、静電気力、ファンデルワールス力により当該物質と特異的に結合する様態を呈した表面を有してもよい。これによって、反応又は処理に供される物質を選択的に表面へ吸着させることができる。
磁性体粒子が表面に有する親水性基としては、水酸基、アミノ基、カルボキシル基、リン酸基、スルホン酸基等が挙げられる。
磁性体粒子は、上記の他に当業者によって適宜選択される種々の要素をさらに含んで構成されることができる。例えば、表面に親水性基を有する磁性体粒子の具体的な態様として、磁性体とシリカ及び／又は陰イオン交換樹脂との混合物からなる粒子、シリカ及び／又は陰イオン交換樹脂で表面を覆われた磁性体粒子、メルカプト基を介して親水性基を有する金で表面が覆われた磁性体粒子、磁性体を含有し表面にメルカプト基を介して親水性基を持つ金粒子などが好ましく挙げられる。
表面に親水性基を有する磁性体粒子の大きさとしては、平均粒径が０．１μｍ〜５００μｍ程度でありうる。平均粒径が小さいと、磁性体粒子は液滴中に分散した状態で存在しやすくなる。
磁性体粒子として市販されているものの例としては、東洋紡から販売されているPlasmid DNA Purification Kit MagExtractor−Plasmid-の構成試薬であるMagnetic Beadsが挙げられる。このようにキットの構成試薬として販売されている場合、磁性体粒子を含む製品原液を純水（例えば１０倍量程度）で懸濁させることによって洗浄することが好ましい。この洗浄においては、純粋で懸濁した後、遠心操作によって上清を除去することによって行うことができ、また懸濁及び上清除去を繰り返し行うことができる。洗浄した磁性体粒子は、純水に分散させた状態で本発明に使用することができる。
このような磁性体粒子は、液滴内に取り込まれ、さらに磁場を変動させることによって、当該液滴と共に磁場手段の移動方向へ移動することが可能である。これによって、液滴は、液滴状態を保ちながら移動することが可能になる。
［２．液滴封入媒体］
液滴封入媒体としては、液滴を構成する液体に不溶性又は難溶性である化学的に不活性な物質が用いられる。化学的に不活性な物質とは、液滴の分取（分離）、混合、溶解、希釈、撹拌、加熱、冷却などの種々の操作において液滴を構成する液体に化学的な影響を及ぼさない物質を指す。本発明における液滴封入媒体は、より具体的には、少なくとも液滴操作前においてゲル状態であり、当該ゲル状態である場合、及びゲル−ゾル転移点を越えてゾル状態となった場合の両方においても、液滴を構成する核酸増幅反応液に不溶性又は難溶性である。本発明においては通常、非水溶性又は水難溶性である液体物質にゲル化剤を添加してゲル化され得るものが用いられる。
また、液滴封入媒体に後述の蛍光物質を溶解させて使用する場合、当該蛍光物質を溶解することができるものを当業者が適宜選択することができる。例えば、ある程度分子内極性を持つ構成要素としてフェニル基などを有する物質が好ましい場合がある。具体的には、ジフェニルジメチコンなどのフェニル基含有シリコーンオイルを液滴封入媒体の材料として用いることができる。
また、本発明のデバイスを作成するためのキットにおいては、当該液体物質とゲル化剤とが既に混合及びゲル化された状態で提供されてもよいし、ゲル化前の当該液体物質とゲル化剤とが別個のアイテムとして提供されても良い。
［２−１．ゲル−ゾル転移点］
液滴封入媒体をゲル−ゾル転移点より低い温度に供すると、液滴封入媒体に封入された液滴の移動を許す流動性のない状態（すなわちゲル状態）となる。このことによって、液滴を任意の位置に固定し、これによって、封入された液滴が予期せぬ方向へ移動することを防ぐことができる。さらに、封入された液滴をそのように固定しつつ、液滴の中に含まれる磁性体粒子及びその吸着物（具体的には磁性体表面に吸着した、反応又は処理に供される物質や液体）を容易に移動させることができる。従って、互いに近接した位置に封入液滴を配置する場合であっても、封入液滴同士は混ざり合わないため、磁性体粒子及びその吸着物はそれらの封入液滴間を容易に移動することが可能である。
一方、液滴封入媒体をゲル−ゾル転移点より高い温度に供すると、液滴封入媒体自体が流動性のある状態（すなわちゾル状態）となる。このことによって、当該封入された液滴の移動を可能にすることができる。液滴の容積が磁性体粒子全体に比べて比較的大きい場合であってもそのような液滴全体の移動を可能にすることができる。
このような液滴封入媒体は、後述の温度変化領域に晒されることによって、図１（ｂ）に示すように、同一容器内で流動性のないゲル３１の相と流動性のあるゾル３２の相との両方の共存状態を簡単に実現することができる。
ゾル−ゲル転移点は、４０〜５０℃となるように設定することができる。
ゾル−ゲル転移点は、オイルの種類、ゲル化剤の種類、及びゲル化剤の添加量などの条件によって変動しうる。従って、当該各条件は、所望のゾル−ゲル転移点を達成できるよう、当業者によって適宜選択される。
［２−２．非水溶性又は水難溶性である液体物質］
非水溶性又は水難溶性である液体物質としては、２５℃における水に対する溶解度が概ね１００ｐｐｍ以下であり、常温（２０℃±１５℃）において液体状であるオイルが用いられうる。例えば、液体油脂、エステル油、炭化水素油、及びシリコーン油からなる群から１種又は２種以上が組み合わされて用いられうる。
液体油脂としては、アマニ油、ツバキ油、マカデミアナッツ油、トウモロコシ油、ミンク油、オリーブ油、アボカド油、サザンカ油、ヒマシ油、サフラワー油、キョウニン油、シナモン油、ホホバ油、ブドウ油、ヒマワリ油、アルモンド油、ナタネ油、ゴマ油、小麦胚芽油、米胚芽油、米ヌカ油、綿実油、大豆油、落花生油、茶実油、月見草油、卵黄油、肝油、ヤシ油、パーム油、パーム核油等が挙げられる。
エステル油としては、オクタン酸セチル等のオクタン酸エステル、ラウリン酸ヘキシル等のラウリン酸エステル、ミリスチン酸イソプロピル、ミリスチン酸オクチルドデシル等のミリスチン酸エステル、パルミチン酸オクチル等のパルミチン酸エステル、ステアリン酸イソセチル等のステアリン酸エステル、イソステアリン酸イソプロピル等のイソステアリン酸エステル、イソパルミチン酸オクチル等のイソパルミチン酸エステル、オレイン酸イソデシル等のオレイン酸エステル、アジピン酸イソプロピル等のアジピン酸エステル、セバシン酸エチル等のセバシン酸エステル、リンゴ酸イソステアリル等のリンゴ酸エステル、トリオクタン酸グリセリン、トリイソパルミチン酸グリセリン等が挙げられる。
炭化水素油としては、ペンタデカン、ヘキサデカン、オクタデカン、ミネラルオイル、流動パラフィン等が挙げられる。
シリコーン油としては、ジメチルポリシロキサン、メチルフェニルポリシロキサンその他のフェニル基含有シリコーン油、メチルハイドロジェンポリシロキサン等が挙げられる。
［２−３．ゲル化剤］
ゲル化剤としては、ヒドロキシ脂肪酸、デキストリン脂肪酸エステル、及びグリセリン脂肪酸エステルからなる群から選ばれる油ゲル化剤が１種又は２種以上組み合わされて用いられうる。
ヒドロキシ脂肪酸としては、ヒドロキシル基を有する脂肪酸であれば、特に制限はない。具体的には、例えば、ヒドロキシミリスチン酸、ヒドロキシパルミチン酸、ジヒドロキシパルミチン酸、ヒドロキシステアリン酸、ジヒドロキシステアリン酸、ヒドロキシマルガリン酸、リシノレイン酸、リシネライジン酸、リノレン酸等が挙げられる。これらの中でも特に、ヒドロキシステアリン酸、ジヒドロキシステアリン酸、リシノレイン酸が好ましい。これらのヒドロキシ脂肪酸は単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。また、これらの混合物である動植物油脂肪酸（例えば、ヒマシ油脂肪酸、水添ヒマシ油脂肪酸等）も前記ヒドロキシ脂肪酸として使用することができる。
デキストリン脂肪酸エステルとしては、例えば、ミリスチン酸デキストリン〔商品名「レオパールＭＫＬ」、千葉製粉株式会社製〕、パルミチン酸デキストリン〔商品名「レオパールＫＬ」、「レオパールＴＬ」、いずれも千葉製粉株式会社製〕、（パルミチン酸／２−エチルヘキサン酸)デキストリン〔商品名「レオパールＴＴ」、千葉製粉株式会社製〕等が挙げられる。
グリセリン脂肪酸エステルとしては、ベヘン酸グリセリル、オクタステアリン酸グリセリル、エイコサン酸グリセリル等が挙げられ、これらを１種以上組み合わせて使用してもよい。具体的には、２０％ベヘン酸グリセリル、２０％オクタステアリン酸グリセリル及び６０％硬化パーム油を含む商品名「ＴＡＩＳＥＴ ２６」〔太陽化学株式会社製〕、５０％ベヘン酸グリセリル及び５０％オクタステアリン酸グリセリルを含む商品名「ＴＡＩＳＥＴ ５０」〔太陽化学株式会社製〕等を挙げることができる。
非水溶性又は難水溶性である液体物質中に添加されるゲル化剤の含有量は、当該液体物質の全重量の例えば０．１〜０．５重量％、０．５〜２重量％、或いは１〜５重量％に相当する量のゲル化剤を用いることができる。しかしながらこれに限定されることなく、所望のゲル及びゾル状態を達成することができる程度の量を、当業者が適宜決定することができる。
ゲル化の方法は当業者が適宜決定する事ができる。具体的には、非水溶性又は難水溶性である液体物質を加熱し、加熱された当該液体物質にゲル化剤を添加し、ゲル化剤を完全に溶解させた後、冷却することができる。加熱温度としては、用いる液体物質及びゲル化剤の物性を考慮して適宜決定すればよい。例えば、６０〜７０℃程度とすることが好ましい場合がある。ゲル化剤の溶解は、穏やかに混和しながら行うと良い。冷却はゆっくり行うことが好ましい。例えば、１〜２時間程度の時間をかけて冷却することができる。例えば常温（２０℃±１５℃）以下、好ましくは４℃以下まで温度が下がれば冷却を完了することができる。上記ゲル化の方法の好ましい態様が適用される一態様として、例えば上述のＴＡＩＳＥＴ ２６〔太陽化学株式会社製〕を用いる態様が挙げられる。
［２−４．液滴封入媒体の態様］
所望のゲル及びゾル状態の一例として、前述のゾル−ゲル転移点を実現する程度であることが挙げられる。
所望のゲル及びゾル状態の他の一例として、完全に封入された液滴を、好ましく固定することができるゲル状態を実現することができる程度であることが挙げられる。好ましい固定状態としては、少なくとも重力程度の外力により封入液滴が移動しない程度であることが挙げられる。移動しないとは、容器底面における液滴の接触部分の位置がほぼ変化しない程度であることが好ましい。
所望のゲル及びゾル状態の他の一例として、次のものが挙げられる。すなわち、図１（ｂ）に示すように、ゲル状の液滴封入媒体３１の上に、１０〜１０００μｇ程度の磁性体粒子を含む０．０５〜５μＬ程度の液滴２（水溶液又は懸濁液の態様）を載せ、図２（ａ）に示すように、容器底面側から磁石６１によって磁場をかけた場合に、当該液滴２に含まれる磁性体粒子８が磁場に反応して、その吸着物とともに容器底面に沈降していくことができるものであることが挙げられる。
所望のゲル及びゾル状態の他の一例として、ゾル状態の液滴封入媒体が、５ｍｍ２／ｓ〜１００ｍｍ２／ｓ、好ましくは５ｍｍ２／ｓ〜５０ｍｍ２／ｓ、例えば２０ｍｍ２／ｓ程度（５０℃）の動粘度を有する程度であることが挙げられる。特に、１００℃近い高温条件を要する核酸増幅反応を行う場合には、このような動粘度を有するものを用いることが好ましい。５ｍｍ２／ｓを下回ると、高温においても液滴封入媒体が揮発しやすくなる傾向にあり、また、１００ｍｍ２／ｓを上回ると、磁場の変動による液滴の移動が妨げられやすくなる傾向にある。このような液滴封入媒体として好ましい物質の一種として、シリコーンオイルにゲル化剤を添加したものが挙げられる。
ゲル状態の液滴封入媒体の物性は、動的粘弾性のうち貯蔵粘弾性Ｅ’が好ましくは常温（２０℃±１５℃）下で１０〜１００ｋＰａ、より好ましくは２０〜５０ｋＰａである。
［２−５．封入媒体の量］
液滴封入媒体の使用量については、液滴を完全に封入することができる十分量を特に限定することなく決定することができる。本発明においては、従来法（すなわち、核酸増幅反応開始時において、液滴のみに蛍光物質を添加する方法）において増幅産物の十分な検出を不可能にしていた程度の量であっても許容される。
具体的には、液滴の容量の１，０００〜５０，０００倍、或いは２０，０００〜２００，０００倍の液滴封入媒体を用いることができる。上記範囲とすることは、液滴を操作性良く搬送することができる点で好ましい。上記範囲を上回ると、ＰＣＲ開始に適した温度環境を形成させるための時間を多く要し、分析開始までに時間がかかる傾向にある。
例えば、本発明において少なくとも液滴封入媒体に蛍光物質を含ませる態様において、液滴中で核酸増幅反応が行われる場合、核酸増幅反応開始時において液滴のみに蛍光物質を添加していた従来法では増幅産物の十分な検出を不可能にしていた程度の量であっても、本発明では許容される。例えば、液滴の容量の１，０００〜１０，０００倍、或いは５，０００〜１００，０００倍の液滴封入媒体を用いることができる。上記範囲を下回ると、液滴内の蛍光色素が過多となり蛍光検出時のバックグラウンド上昇によるＳ／Ｎ比が低下する傾向にある。上記範囲を上回ると、液滴内から蛍光色素が散逸し、検出感度が低下する傾向にある。
液滴封入媒体は、容器中に保持され、具体的には図１（ｂ）に示すように、搬送面４１に接して充填される。この場合において、容器中の液滴封入媒体の充填高さＨ３（充填厚さ）については、液滴を完全に封入することができる十分量を特に限定することなく決定する事ができる。通常、充填高さＨ３は、封入された液滴の高さＨ１以上とすることができる。
また本発明における液滴封入媒体は液滴の封入性に優れるため、以下のような態様も許容される。すなわち、図４（ａ）に示すように、容器中における液滴１が存在しない領域における充填高さＨ３が、封入された液滴（容器中に封入されている中で最も容積が大きいもの）の高さＨ１より低くなる部分が生じる態様も許容される。
［３．蛍光物質］
蛍光物質は、少なくとも液滴封入媒体に含ませることができる。この態様は、液滴中で核酸増幅反応を行う場合において好ましい。この場合、蛍光物質は、遅くとも核酸増幅反応開始時において、少なくとも液滴封入媒体に含まれるようにする。なお、核酸増幅反応の前処理も同じ液滴封入媒体内の別の液滴内で行われる場合、前処理の段階から当該液滴封入媒体に蛍光物質が含まれていたとしても、蛍光物質が前処理に影響しないことが本発明者によって確認されている。
蛍光物質としては特に限定されず、核酸増幅反応において核酸検出に用いられるものを当業者が適宜決定する事ができる。具体的には、ＳＹＢＲ（登録商標） ＧＲＥＥＮ Ｉ、臭化エチジウム、ＳＹＴＯ（登録商標）−１３、ＳＹＴＯ（登録商標）−１６、ＳＹＴＯ（登録商標）−６０、ＳＹＴＯ（登録商標）−６２、ＳＹＴＯ（登録商標）−６４、ＳＹＴＯ（登録商標）−８２、ＰＯＰＯ（登録商標）−３、ＴＯＴＯ（登録商標）−３、ＢＯＢＯ（登録商標）−３、ＴＯ−ＰＲＯ（登録商標）−３、ＹＯ−ＰＲＯ（登録商標）−１、ＳＹＴＯＸ Ｏｒａｎｇｅ（登録商標）等が挙げられる。
もし、核酸増幅反応の開始時点で、液滴中にのみ蛍光色素分子が含まれていると、液滴から液滴封入媒体へ蛍光色素分子が拡散し、増幅産物の検出が困難となる。本発明においては、拡散すると見込まれる蛍光色素分子を補う目的で、蛍光色素分子を液滴封入媒体側に含ませておく。
蛍光色素分子は、核酸増幅反応開始時に、液滴封入媒体のみに含ませることができる。この場合、最初に液滴封入媒体側に含まれていた蛍光色素分子が、まず液滴内に浸透することによって、核酸検出が可能になる。
また、蛍光色素分子は、核酸合成開始時に、液滴と液滴封入媒体との両方に含ませておくことができる。具体的な液滴中の蛍光分子濃度と液滴封入媒体中の蛍光分子濃度とは特に限定されない。例えば、液滴封入媒体中の蛍光分子濃度より、液滴中の蛍光分子濃度の方が高くなるように濃度を調整することが好ましい場合がある。なぜなら、液滴封入媒体中の蛍光色素の液滴への浸透圧が高いため、液滴封入媒体側の蛍光色素濃度を低めに設定することで液滴内の蛍光色素濃度は一定化するからである。
以上のように、蛍光色素分子を少なくとも液滴封入媒体側に含ませることによって、核酸増幅反応を維持する間に安定して増幅産物の検出を行うことができる程度に液滴内の蛍光色素濃度を保つことが可能になる。このように本発明の方法においては液滴内の蛍光色素濃度を適切に保つことが出来るため、核酸増幅反応の終了時点であっても増幅産物を有効に検出することができる。
具体的には、液滴封入媒体に含まれる蛍光色素の濃度を、０．０１〜０．５μＭとすることができる。当該濃度範囲の上限は、さらに０．２μＭ、０．１μＭ、０．０５μＭ、又は０．０２μＭとすることもできる。また、当該濃度範囲の下限は、さらに０．０２μＭ、０．０５μＭ、０．１μＭ又は０．２μＭとすることもできる。
一方、液滴に含まれる蛍光色素の濃度は、０〜２０μＭとすることができる。当該濃度範囲の上限は、さらに１０μＭ、５μＭ、２μＭ、１μＭまたは０．５μＭとすることもできる。また、当該濃度範囲の下限は、さらに０．５μＭ、１μＭ、２μＭ、５μＭ又は１０μＭとすることもできる。上記範囲とすることは、反応を維持する間に安定して増幅産物の検出を行うことが容易となる点で好ましい。
本発明においては、例えば、液滴封入媒体における蛍光色素の濃度が０．０５〜０．１μＭ、液滴における蛍光色素の濃度が０．５μＭ〜２μＭであることが好ましい場合がある。
［４．容器］
容器は、液滴封入媒体を保持することができるものであればよい。また、容器は、その内壁に液滴を移動させる（すなわち液滴が直接触れる）搬送面を有していればよく、その形状は特に限定されるものではない、例えば、図４（ａ）に示すような搬送面４１を有する基板４３、或いは図１（ｂ）に示すような基板（セラミック板）４３上に接するように設けられた底材４２であって搬送面４１を有する底材４２と、当該搬送面４１を取り囲む壁４４とを有するものが挙げられる。
本発明におけるデバイスを構成する一部として提供される当該容器は、その大きさを極力小型化することにより、液滴操作用マイクロデバイス又は液滴操作用チップとして提供されることができる。
また、図１（ｂ）に示すように、当該壁４４で囲まれた空間を覆う蓋４５をさらに有することによって、当該空間を閉鎖することができるものであっても良い。当該蓋４５は、その全体又は一部が開閉可能となっていて、核酸増幅反応などの処理を行うための試薬や、試料を含む液滴を容器内に投入できるようになっていてもよい。
反応容器は、搬送面を有する基板又は底材と壁、或いは、搬送面を有する基板又は底材と壁と蓋とが一体成型されたものであれば、完全閉鎖系を構築することができる点で好ましい。完全閉鎖系が構築可能であることは、処理中における外部からのコンタミネーションを防ぐことができるため非常に有効である。
［４−１．材質］
基板又は底材であって、搬送面を有するものの材質としては特に限定されないが、液滴の移動の際の移動抵抗を下げるために、搬送面が撥水性であるものが好ましい。そのような性質を与える材質として、例えばポリプロピレン、テフロン（登録商標）、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリカーボネートなどの樹脂素材が挙げられる。一方、基板上に搬送面を有する底材を設けた容器を用いる場合における基板としては、上述の素材のほか、セラミック、ガラス、シリコーン、金属等なども用いられうる。
本発明においては、基板又は底材の素材として、樹脂、特にポリプロピレンを用いることが好ましい。底材として用いる場合には、フィルム状であることが好ましい。具体的には、厚さが例えば３μｍ以下の極薄フィルムとすることができる。さらに、加温条件が必要となる反応又は処理において求められる耐熱性、液滴移動時に求められる撥水性、接着性、加工性、安価性などを鑑みると、極薄ポリプロピレンフィルムを底材として用いることが好ましい。
また、液滴及び液滴封入媒体に接する搬送面は、その一部に、液滴に対して親和的な物性を有する部分を有してもよい。例えば、当該部分において撥水性を相対的に弱めたり、親水性を相対的に高めたり、表面粗さを相対的に高めたりする処理を施しておくことができる。このような部分に液滴が配置されると、液滴封入媒体が流動性を有する場合であっても、封入された液滴の不用意な移動を防ぐことが可能になる。
［４−２．物性］
基板及び底材は、反応容器外部又は反応基板裏面等から液滴の吸光度、蛍光、化学発光、生物発光、屈折率の変化等の測定を行う場合に、光学的な検出などができるようにするために光透過性を有するものであることが好ましい。
また、加温条件が必要となる反応又は処理においても液滴との高い接触角を保つことのできる表面を有するものを用いることが好ましい。具体的には、ポリプロピレン又はポリプロピレンやそれ以上の接触角を有する樹脂を用いることが好ましい。基板表面上における液滴の接触角は、９５°〜１３５°程度（２５℃）であることが好ましい。
液滴及び液滴封入媒体に接する搬送面は、液滴を移動させるため、平滑面であることが好ましく、特に、表面粗さが、Ｒａ＝０．１μｍ以下であることが好ましい。例えば、永久磁石を容器の底側から基板に近づけ磁場の変動により液滴が移動する際に、磁性体粒子が基板表面に押し付けられながら移動するが、Ｒａ＝０．１μｍ以下の表面粗さを有することで、永久磁石の移動への磁性体粒子の追従性を十分備えることができる。
［４−３．温度変化領域］
液滴を移動させる搬送面には、温度変化領域が設けられる。温度変化領域は、搬送面上の液滴搬送経路に沿って連続して温度が変化するように、温度勾配が設けられたものである。温度勾配は、例えば容器の底面又は図１（ｂ）に記載するような容器の底面に接する基板４３の一部に加熱源５を接触させ、一定温度で発熱させることによって形成する。これによって、基板表面又は底材表面上に、熱源真上の地点が最も高温であり熱源から離れるに従って温度が下降するといった温度勾配を有した温度変化領域を形成することができる。
磁場を変動させることによって、当該温度変化領域内の、実施する反応又は処理に必要な温度地点に、液滴を移動・配置することができる。また、液滴を移動させるだけで、液滴中の液体の温度を、その地点での温度に速やかに調節することが可能となる。このため、実施する反応又は処理が温度変化を必要とする場合（例えば核酸増幅反応を行う場合）であっても、液滴の移動のみで液滴の温度を迅速且つ容易に昇温及び降温することができる。
加熱源は、実施する反応又は処理に必要な温度のうち最高温度以上に設定する。また、加熱源が接触している側を高温側として形成される温度勾配の低温側には、放熱板、あるいは冷却ファン等の冷却源を設けてもよい。冷却源を設けることによって、温度変化領域内で形成される温度勾配を大きくすることが可能となる。
また、基板又は底材の素材として樹脂のように熱伝導性が低いものを用いることによっても、同様に温度変化領域内に形成される温度勾配を大きくすることができるため、狭い領域での局所的な温度調節が可能になる。
このように温度勾配を大きくすると、実施する処理に、二種以上の比較的差が大きい温度条件が求められる場合であっても、液滴の移動距離が短くて済む。このことは、効率のよい処理を可能にし、また、反応容器の小型化も可能にする。
［５．磁場印加手段］
液滴を移動させるための磁場の変動をもたらす磁場印加手段や磁場移動機構については特に限定されない。磁場印加手段としては、永久磁石（例えばフェライト磁石やネオジム磁石）や電磁石などの磁力源を用いることができる。磁力源は、容器内に存在する液滴中に分散していた磁性体粒子を搬送面側で凝集させることができる状態で、容器の外側に配置することができる。これによって、磁力源が容器の搬送面を介して磁性体粒子に対して磁場を生じさせ、磁性体粒子群及びそれが含まれる液滴を捕捉することができる。
磁場移動機構としては、例えば、磁性体粒子の凝集形態を保つことができる状態で、磁場を搬送面方向に移動させることができる機構を用いることができる。
例えば、図７に示すように、磁力源（例えば磁石６１）自体を搬送面４１に略平行に機械的移動させることのできる機構６２を用いることができる。磁力源６１によって容器の底面を介して捕捉された磁性体粒子群８及びそれが含まれる液滴１１は、磁力源の移動に追随して搬送面４１上を移動することができる。これによって、封入液滴の移動、封入液滴を母液滴とした子液滴の分離、及び封入液滴と封入液滴との合体を可能にする。
また、磁場移動機構として、磁性体粒子への磁場を遮断又は減弱することができる機構も備えていることが好ましい。磁場の遮断又は減弱の程度は、凝集していた磁性体粒子群が液滴中で分散することができる程度でよい。
例えば、通電制御手段を用いることができる。また例えば、搬送面を介して容器の外側に配置した磁石を、当該搬送面に略垂直方向に移動することができる機構を用いることができる。この磁石を搬送面から遠ざけることによって、磁場を遮断又は減弱することができる。これによって、封入液滴中において磁性体粒子群を分散させ、磁性体粒子に吸着した成分を、封入液滴を構成する液体に十分に晒すことが可能になる。
さらに、磁場の変動を制御することができる手段も備えてよい。例えば磁力源を振幅運動させることができる機能を備えることによって、スターラーの代用とすることができる。これによって、液滴同士の混合や撹拌が容易になる。
また、磁場を搬送面方向に移動させることができる機構であって上記のような磁力源自体の機械的移動を伴わない例として、搬送面に略平行に１次元又は２次元で配置された電磁石アレイ及び通電制御手段を用いてもよい。電磁石へ通電すれば液滴の捕捉が可能であり、電磁石への通電を止めれば磁場の遮断により液滴の移動や磁性体粒子の分散が可能であり、電磁石への通電制御によって磁場の変動制御が可能である。このような磁力源の機械的移動を伴わない態様は、特開２００８−１２４９０号公報を参照して当業者が適宜実施することが可能である。
［６．蛍光検出手段］
蛍光検出手段は特に限定されるものではなく、当業者であれば容易に選択可能である。一例を挙げると、図７に示すように、光発生部７３、カメラ（ＣＣＤカメラ）７２、同軸落射系７５及びパーソナルコンピューター（ＰＣ）７１で構成された手段を用い、光発生部７３から光ケーブル７４によってＣＣＤカメラ７２に取り付けた同軸落射系７５への入射を行い、同軸落射系７５のレンズ群を通して反応容器内４の液滴１１への照射を行うことができる。ＣＣＤカメラによって検出された電気的シグナルをＰＣにリアルタイムで送信し、液滴の蛍光強度の変化を追尾することができる。これは、本発明がリアルタイム核酸増幅反応などの変化しうる蛍光強度の検出が行われる反応又は処理が行われる場合に好適である。
光発生部としてはＬＥＤ、レーザー、ランプ等を用いることができる。また検出においては安価なフォトダイオードから、より高感度を目指した光電子倍増管などまで、種々の受光素子を特に限定することなく利用することができる。
リアルタイム核酸増幅反応などの核酸関連反応や核酸関連処理が行われる場合を例に挙げると、例えばＳＹＢＲ（登録商標） ＧＲＥＥＮ Ｉを例に挙げると当該色素は二本鎖ＤＮＡに特異的に結合し５２５ｎｍ付近に蛍光を生じるため、ＣＣＤカメラは目的波長以外の光をフィルターでカットし、ＣＣＤ素子受光面で光を検出することができる。
また、核酸増幅反応が行われる場合を例に挙げると、核酸増幅反応に供される液滴の蛍光観測は、ＤＮＡポリメラーゼによる伸長反応（通常６８〜７４℃程度）を行う温度地点に励起光を照射し、当該地点に液滴を停止させた状態で暗室内にて行うことができる。さらに、励起光の照射範囲を、熱変性を行う温度地点からアニーリングを行う温度地点まで拡大すると、液滴を移動させると共に増幅産物の融解曲線を得ることもできる。
［７．液滴及び磁性体粒子の操作］
液滴封入媒体は、液滴が液体封入媒体中に存在できるよう反応容器内に保持される。完全に液滴封入媒体中に存在せしめた液滴を、封入液滴と記載する場合がある。
本発明における液滴操作においては、液滴封入媒体中への液滴の封入（７−１）、封入液滴の移動（７−２）、封入された母液滴から子液滴の分離（７−３）、及び封入液滴同士の合体（７−４）を行うことができる。
なお、本発明においては、適用される反応系又は処理系を構築するために必要な要素を別々に用意することができる。このような態様が行われる場合としては、当該反応又は処理に供される酵素、触媒や特定の試薬を、その反応又は処理直前まで他の要素と隔離しておくことによって、活性の低下を防止することが好ましい場合が挙げられる。例えば、核酸増幅反応液を構成するために必要な要素を別々に用意する場合が挙げられる。この場合、核酸ポリメラーゼ（例えばホットスタート方式で実施するために用いられる耐熱性ポリメラーゼなど）などの酵素や特定の核酸増幅用試薬を、反応開始直前まで他の核酸増幅用試薬と隔離しておくことができる。
当該態様の他の例としては、反応又は処理に供される試料を、反応又は処理開始直前まで隔離しておく場合が挙げられる。当該試料は、当該隔離の間に前処理が行われるものであってよい。例えば、増幅反応に供される核酸が、核酸を含む生体試料として提供される場合が挙げられる。
これらの場合、反応系又は処理系を構築するために必要な要素の一方を含む水系液体を上記方法により搬送経路上に配置し、当該他方を含む水系液体を上記方法により前記搬送経路上の別の位置に配置することができる。この場合、隔離された一方の要素と他方の要素とは、封入液滴の移動及び封入液滴同士の合体、或いは封入された母液滴から子液滴の分離が可能であれば当該分離及び封入液滴同士の合体によって混合させることができる。
また、上記態様とは別に、反応系又は処理系を構築するために必要な要素の一方を含む水系液体を上記方法により搬送経路上に配置し、当該他方を含む水系液体を液滴の中に封入せずに、ゲル化した状態の液滴封入媒体上に液滴状態で載せておくこともできる。この場合、隔離された一方の要素と他方の要素とは、７−１−２の封入法を用いることによって混合させることができる。
［７−１．液滴の封入］
［７−１−１．液滴の添加による封入法］
液滴の封入は、液滴操作開始前において、容器に収容された液体物質にゲル化剤を溶解させた混合液を調製した後、液滴を形成すべき溶液を滴下などによって添加し、その後、当該混合液を冷却してゲル化させることによって行うことができる。
液滴の封入は、液滴操作開始前において、ゾル状の液滴封入媒体中に液滴を滴下した後、ゾル−ゲル転移点以下の温度に供することによって液滴封入媒体をゲル化させることによって行うこともできる。また、ゲル状態の液滴封入媒体中に穿刺によって水系液体を直接注入することによって行うこともできる。
以上の方法によって、液滴封入媒体中での液滴の完全封入や固定化が行われ、また、固定化された場合には保存も容易になる。例えば図１（ａ）に示すように、封入された液滴１２、１３及び１４は搬送経路上に位置しており、容器４の内壁の搬送面４１に接するように配置されうる。
液滴の封入においては、次の工夫をしてもよい。例えば図４（ｂ）に示すように、多穴ウェルなどの多穴デバイス９の上に薄い底材４２を敷き、液滴封入媒体３を充填すると、封入媒体３の重さによって当該穴の上に敷かれた底材が下にたわみ、窪んだ部分ができる。この窪んだ部分に液滴１を配置することによって、未だ液滴封入媒体３が流動性を有している場合であっても、滴下された液滴１が不用意に動くことを阻止することができる。さらに、複数の液滴を封入する場合には、液滴同士の間隔を狭めることができるため、容器を小型化することも可能になる。
［７−１−２．封入媒体上の液滴と封入液滴との合体による封入法］
反応系又は処理系を構築するために必要な要素の一方を含む水系液体を上記方法により搬送経路上に配置し、当該他方を含む水系液体をゲル化した状態の液滴封入媒体上に液滴状態で載せておく場合、以下のようにして両要素を混合させる。
流動性を有しないゲル状の液滴封入媒体上に、液体を液滴状態で載せる際、例えば図１（ｂ）に示すように、液滴封入媒体３１の上面の一部に押圧や削去などによりくぼみを設け、そのくぼみに液体２を載せることができる。このようなくぼみを形成することによって、液滴封入媒体３１に載せる液体２が不用意に広がることや移動することを防ぐことができる。くぼみの深さＤ２は特に限定されない。例えば、くぼみの最も深いところが搬送面４１に到達しない程度の浅さであることが好ましい。或いは、既に搬送面に接して封入されている液滴の高さに到達しない程度の浅さであってよい。具体的には、くぼみの深さＤ２は、約１ｍｍ前後であれば十分である場合がある。
液滴封入媒体をゾル−ゲル転移点以上の温度に供することによって、液滴封入媒体がゾル化して流動性を呈し、当該他方の要素を含む液滴は、液滴封入媒体の中を容器底面まで沈降する。沈降した液滴は、既に封入されていた一方の要素を含む液滴と合体することによって、一方の要素と他方の要素とが混合され、一つの封入液滴中に共存することによって、反応又は処理に供することができる状態となる。
他方の要素を含む液滴と、一方の要素を含む液滴とを合体させるには、一方の要素を含む液滴が封入されていた位置の真上に、他方の要素を含む液滴を載せることができる。或いは、一方の要素を含む液滴と他方の要素を含む液滴とのうち少なくともいずれかに磁性体粒子が含まれていれば、容器底面における、一方の要素を含む液滴が封入されていた位置と異なる位置に他方の要素を含む液滴を沈降させ、磁場の変動を与えて磁性体粒子を含む液滴を移動させることによって両液滴を合体させることができる。
また、液滴封入媒体がゲル状態のまま、図２（ａ）に示すように、液滴封入媒体３１がゲル状態のまま、磁力源（磁石）６１を容器４に近づけ、搬送面４１側から液滴封入媒体３１上の液滴２の方向へ磁場を発生させることによって、当該液滴２を液滴封入媒体３１の上に載せたまま磁性体粒子８を搬送面４１方向へ分離することができる。このとき、分離される磁性体粒子８は磁力により集合体となり、集合体となった磁性体粒子群は、それに吸着した物質及び若干の液体をその周囲に引き連れる。言い換えれば、図２（ａ）に示す液滴２を母液滴として、図２（ｂ）に示す磁性体粒子を含む子液滴１１ｂが分離される。分離された子液滴１１ｂは、磁場の誘導に従い、ゲルの三次構造を崩しながら液滴封入媒体３１の中を通り、容器搬送面４１まで沈降させることができる（図２（ｂ））。
この態様の具体例として、液滴封入媒体の上に載せられる液滴が、磁性体粒子とともに増幅すべき核酸を含む試料からなる液体であってよい。この場合、子液滴は、磁性体粒子及びそれに吸着した核酸を含む試料からなる液体を含んだ状態で得られる。
沈降した子液滴１１ｂは、既に封入されていた一方の要素を含む液滴１４と合体することによって、一方の要素と他方の要素とが混合され、一つの封入液滴１１ｃ中に共存することによって、核酸増幅反応又はその前処理に供することができる状態となる。
［７−２．封入された液滴の移動］
［７−２−１．ゾル状態の液滴封入媒体中における液滴の移動］
流動性を有するゾル状態の液滴封入媒体中に封入された磁性体粒子含有液滴が、液滴搬送経路を移動する原理は、以下のとおりである。すなわち、図２（ｇ）及び（ｈ）に示すように、磁性体粒子を含む液滴１１ｇは、容器の搬送面４１から容器内部の方向へ磁石６１を近づけるなどして磁場を生じさせ、磁場を容器の搬送面４１に略平行に移動させることによって磁場を変動させると、液滴内で磁性体粒子が移動方向の側に集中し、液滴全体を当該移動方向へ動かそうとする力が働く。本発明で用いられる磁性体粒子表面の親水性により、磁性体粒子が液滴搬送経路を移動する際に、液滴を形成する水に牽引力が伝達し、且つ、基板上の液滴の接触角が十分に大きく、搬送面の表面粗さが十分に小さく、液滴封入媒体の動粘度が十分に低く、磁場の移動の初速度が十分に遅ければ、磁性体粒子が液滴の表面張力に打ち勝って、液滴から飛び出すことなく液滴全体を移動させることができる。
例えば、搬送面上の液滴の接触角が１０５°（２５℃）、搬送面の表面粗さＲａ＝０．１μｍ、液滴封入媒体の動粘度が１５ｍｍ２／ｓ（２５℃）である場合、例えば粒径３ μｍ、５００μｇの量の磁性体粒子を水中に含む磁性体粒子分散液３μＬを液滴封入媒体中に封入し、フェライト製永久磁石を容器外側から近づけた場合、１０ｃｍ／秒以下の初速度で磁石を移動させれば、磁性体粒子が液滴の表面張力に打ち勝って、液滴から飛び出すことなく液滴全体を移動させることができる。この場合、最高速度１００ｃｍ／秒で液滴全体を移動させることができる。
磁性体粒子を含む液滴を移動させる条件は、液滴を形成する水系液体の組成、磁性体粒子の粒子径や使用量、搬送面上の液滴の接触角、搬送面の表面粗さ、液滴封入媒体の動粘度、磁場の強度、磁場の変動速度などのパラメータを設定することによって再現性よく実施することができる。当業者であれば液滴に含まれる磁性体粒子の挙動を確認しながら、各パラメータを調整し実施することができる。
なお、この態様において移動させることができる液滴の容積は、当業者が適宜決定する事ができるが、例えば磁性体粒子を１０〜１０００μｇ用いる場合、０．０５μＬ〜５μＬとすることができる。
［７−２−２．ゲル状態の液滴封入媒体中における液滴の移動］
ゲル状態の液滴封入媒体は、ゲル独特の特性を有するため、それ自身は流動性を有しない状態のまま、封入する液滴を移動させることができる。ゲル状態の液滴封入媒体中に封入された磁性体粒子含有液滴は、液滴封入媒体であるゲルの三次構造を崩しながら液滴搬送経路を移動することができる。
例えば、ゾル状態における搬送面上の液滴の接触角が１０５°（２５℃）、搬送面の表面粗さＲａ＝０．１μｍ、ゲル状の液滴封入媒体の動粘度が１５ｍｍ２／ｓ（２５℃）である場合、例えば粒径３μｍ、５００μｇの量の磁性体粒子を水中に含む磁性体粒子分散液３μＬを液滴封入媒体中に封入し、フェライト製永久磁石を容器外側から近づけた場合、１０ｃｍ／秒以下の初速度で磁石を移動させれば、磁性体粒子が液滴から飛び出すことなく液滴全体を移動させることができる。この場合、最高速度１００ｃｍ／秒で液滴全体を移動させることができる。
ゲル状態の液滴封入媒体中で液滴を移動させる態様においては、磁性体粒子が運ぶ液滴の容積は、磁性体粒子の周囲に付着する程度のわずかな量である場合が多い。例えば、磁性体粒子を１００〜５００μｇ用いる場合、１μＬ〜５μＬ程度に過ぎない。この態様は、磁性体粒子によって運ばれることを目的とする成分が、磁性体粒子表面に吸着する成分のみである場合など、磁性体粒子が引き連れる液滴量が少ないほど好ましい場合に好適である。
［７−２−３．温度変化領域上を移動する場合］
このように封入液滴自体を移動させる態様は、封入液滴の液温を変化させる必要がある場合に好ましく用いられる。液滴搬送経路に温度勾配が設けられることによって搬送面が温度変化領域を有する場合、封入液滴を構成する溶液内で行われうる処理に必要な温度地点へ封入液滴自身を移動させることによって、液温を迅速且つ容易に調整することが可能である。
従って本発明は、例えば、二種以上の比較的差が大きい温度条件が求められる核酸増幅反応を行う場合に有用である。例えば、上述の核酸増幅反応のうち、ＰＣＲ法、ＬＣＲ法、ＴＡＳ法等においては、二から三の比較的差が大きい温度条件からなる温度サイクルを複数回繰り返す必要がある。本発明の方法を用いると、図２（ｇ）及び（ｈ）に示すように、上述した親水性表面を有する磁性体粒子、増幅の目的とする核酸、蛍光色素、核酸増幅反応に必要な物質を含む核酸増幅反応液からなる封入液滴１１ｇに、磁場の変動を与え、核酸増幅反応の各工程に必要な温度地点へ液滴を移動し、それぞれの温度地点で必要な時間配置することにより、核酸増幅反応の複雑な温度条件を簡単に実現することができる。また、蛍光色素を少なくとも液滴封入媒体に含ませれば増幅産物を良好に検出することができるため、液滴内での核酸増幅反応をリアルタイムで観測すること（リアルタイム核酸増幅）も可能である。
また、本発明は、ユーザーが採用する可能性のある反応又は処理に必要とされる温度が多岐にわたるものであっても、柔軟に対応することができる、例えば、ＳＤＡ法、Ｑβ法、ＮＡＳＢＡ法、ＩＣＡＮ法、ＩＣＡＴ法、ＲＣＡ法等は、３７度から６５度程度の範囲内にある一の温度条件で行われる等温増幅反応であるが、増幅対象によって至適温度が異なる。本発明の方法においてこれらの核酸増幅方法を用いる場合、増幅対象に応じた至適温度に液滴の温度が制御される地点に液滴を配置することのみの簡単な操作によって、いずれの方法を用いた場合であっても好ましい増幅効率を実現することができる。
［７−３．封入された母液滴からの磁性体粒子及びそれに付随する子液滴の分離］
［７−３−１．ゾル状態の液滴封入媒体中における子液滴の分離］
ゾル状態の液滴封入媒体中の上記移動態様の変形態様として、移動する封入液滴が、別の液滴を母液滴として分離された子液滴である態様が挙げられる。
当該別の液滴は、同一容器内で液滴封入媒体中に封入されているものである。この態様においては、封入された当該別の液滴に含まれる磁性体粒子に対して磁場をかけ、搬送経路を移動させることによって、封入された母液滴全体を移動させることなく、磁性体粒子群が引き抜かれて分離される。このとき、分離される磁性体粒子群は、それに吸着した物質及び多少の液滴由来の液体（子液滴）をその周囲に引き連れる。
例えば、上記移動を可能にする諸条件に比べて、磁性体粒子の含有量が母液滴に対し相対的に少ない、搬送面上の液滴の接触角が相対的に小さい、搬送面の表面粗さが相対的に大きい、液滴封入媒体の動粘度が相対的に高い、或いは磁場の変動の初速度が相対的に速いなどの条件の変動によって、磁性体粒子を含む母液滴から、磁性体粒子及びそれに付随する子液滴の分離が可能になる。上記例示の条件の変動の幅を大きくすることなどによって、磁性体粒子に付随する子液滴の容積を大きくすることができる。子液滴の分離に関しても、上述の液滴の移動と同様、当業者であれば液滴に含まれる磁性体粒子の挙動を確認しながら、各パラメータを調整し実施することができる。
この態様においては、液滴封入媒体がゾル状で流動性を有しているため、封入された母液滴自体は固定されていない。このため、上記諸条件が、液滴自体の移動の条件に近いほど、液滴封入媒体の中を動きやすく、母液滴から磁性体粒子及びそれに付随する子液滴の分離が困難になる傾向がある。このような場合は、例えば、搬送面上の搬送経路の一部に、液滴に対して親和的な物性を有するスポットを設けることができる。例えば、当該スポットにおいて撥水性を相対的に弱めたり、親水性を相対的に高めたり、表面粗さを相対的に高めたりする処理を施しておくことによって、そのスポット上に配置された母液滴が不用意に動くことを防ぐことができる。また、基板上の所望の場所において、封入された母液滴に対して下から動かない磁場を別途与えるなどの電場制御を行うことによっても、同様の効果を得ることができる。
［７−３−２．ゲル状態の液滴封入媒体中における子液滴の分離］
一方、図２（ｃ）〜（ｅ）に示すように、ゲル状の液滴封入媒体３１中に封入された、磁性体粒子を含む母液滴１１ｃからも、液滴封入媒体３１が流動性を有しないゲル状態のまま、磁性体粒子及びそれに付随する子液滴１１ｅを分離することができる。この態様は、図２（ａ）〜（ｂ）に示す、液滴封入媒体３１の上に載せられた磁性体粒子を含む母液滴２から磁性体粒子及びそれに付随する子液滴１１ｂを分離する態様と同様の原理による。
すなわち、分離される磁性体粒子は磁力により集合体となり、集合体となった磁性体粒子群は、それに吸着した物質及び若干の液体を引き連れる（図２（ｅ））。言い換えれば、封入された液滴１１ｃを母液滴として、磁性体粒子を含む子液滴１１ｅが分離される。分離された子液滴１１ｅは、磁場の誘導に従い液滴封入媒体３１であるゲルの三次構造を崩しながら搬送経路を移動することができる。一方、磁性体粒子群に比べてある程度容量の大きな封入液滴（すなわち母液滴１１ｃ）は、ゲル状封入媒体により固定されるため磁性体粒子群と共に移動することができない。このため、磁性体粒子８はそれに付随する子液滴１１ｅとともに分離され、母液滴は元の位置にとどまる（図２（ｄ）、（ｅ））。従って、上述の流動性を有する液滴封入媒体を用いた場合に行われうるような、封入液滴が不用意に動くことを防ぐための方法（電場制御など）を採用することなく、母液滴から磁性体粒子を含む子液滴を非常に容易に分離することが可能になる。このため、ゲル状態の液滴封入媒体は、液滴を配置する自由度が非常に高い。それに伴って、液滴搬送経路も自由度高く決定することができる。
また、既に述べたように、ゲル状態の液滴封入媒体中で液滴を移動させる態様においては、磁性体粒子が運ぶ液滴の容積は、磁性体粒子の周囲に付着する程度のわずかな量である場合が多い。このため、磁性体粒子によって運ばれることを目的とする成分が、磁性体粒子表面に吸着する成分のみである場合、ゲル状態の液滴封入媒体中で母液滴から子液滴を分離する態様は、余分な液体成分の追随を最小限にとどめ、磁性体粒子に吸着する成分の分離を精度よく行うことができる点で好ましい。
［７−４．封入液滴と磁性体粒子を含む封入液滴との合体］
磁性体粒子を含む液滴は、同一容器内の別の封入液滴からなる液体に供されることにより、封入液滴同士が合体することができる。当該別の封入液滴を封入している液滴封入媒体は、ゲル状及びゾル状を問わない。液滴同士の合体によって、液滴を構成する成分の混合、溶解、希釈などを行うことができる。
本発明が複数の試薬の混合によって行われる反応に適用される場合を挙げると、当該複数の試薬のうち一方の試薬と磁性体粒子とを含む封入液滴を移動させ、他方の試薬を含む封入液滴と合体させることによって（或いは、搬送面が温度変化領域を有する場合は、さらに当該反応に適した温度地点へ移動させることによって）、反応を遂行することができる。同様に、得られた反応生成物をさらに他の試薬と反応させることもできる。
また、本発明が核酸に関連する処理や反応に適用される場合を以下に挙げる。核酸と磁性体粒子とを含む液体からなる封入液滴を母液滴として、磁場の変動を与えることによって分離した子液滴を、核酸増幅反応をはじめとする処理が行われる液体からなる別の封入液滴と合体させることができる。別の封入液滴としては、核酸抽出処理液からなる液体、洗浄液からなる液体、核酸遊離処理液からなる液体などが挙げられる。
核酸抽出処理を行う場合を例に挙げると、図２（ｂ）に示すように、液滴封入媒体３１中、磁性体粒子及びそれに付随する核酸及びその他の成分を含む小液滴１１ｂを移動させ、核酸抽出液からなる別の封入液滴１４と合体させる（図２（ｃ））ことによって、小液滴１１ｂに含まれていた核酸成分の抽出を行うことができる。さらに磁場の変動を与えることによって、図２（ｄ）及び（ｅ）に示すように、小液滴１１ｂと合体した核酸抽出液からなる封入液滴１１ｃ中から、抽出された核酸が小液滴１１ｅとともに磁性体粒子に付随して分離し、液滴封入媒体３１中へ移動する。
洗浄処理を行う場合も同様に、封入媒体中、磁性体粒子及びそれに付随する核酸を含む別の小液滴を移動させ、洗浄液からなる別の封入液滴と合体させることによって、磁性体粒子の洗浄を行うことができる。磁性体粒子の洗浄を行うことによって、磁性体粒子に吸着する核酸の洗浄を行うことができる。さらに磁場の変動を与えることによって、洗浄液からなる封入液滴中から、洗浄された核酸が、小液滴とともに磁性体粒子に付随して分離し、封入媒体中へ移動する。核酸遊離処理を行う場合も同様である。
核酸含有試料、又は必要に応じて上記核酸抽出処理、洗浄処理及び／又は核酸遊離処理を経た小液滴は、核酸増幅反応液からなる液滴と合体させる（図２（ｆ）、（ｇ））。これによって、増幅すべき核酸と磁性体粒子とを含む核酸増幅反応液からなる液滴１１ｇを得ることができる。得られた液滴１１ｇを、温度変化領域における核酸増幅反応開始温度の地点に移動させる（図２（ｈ））ことによって、核酸増幅反応を開始することができる。
上述のように、核酸増幅反応及びそれに関わる前処理を含む一連の処理が、完全密閉系で行なわれる。さらに、磁性体粒子を、封入液滴内に含ませて分散させることと、移動のために凝集させることと、ゲル内における各液滴間及び所望の温度地点間を移動させることとによって、これらの処理を簡便に行うことができる。
以下に実施例を挙げて本発明をより詳細に説明する。
［実施例１］
核酸含有試料としては、口腔スワブ液及び細胞溶解液の混合液を用いた。口腔スワブ液は、綿棒を用い口腔粘膜細胞を擦過採取し、１ｍＬの蒸留水に懸濁して調製した。口腔スワブ液２５μＬと、グアニジンチオシアネートを終濃度２Ｍで含む細胞溶解液とを混合することにより、５０μＬの混合液を調製した。
洗浄液は、２００ｍＭ塩化カリウム及び５０ｍＭトリス−塩酸（ｐＨ８．０）の混合溶液として調製した。
ＰＣＲ反応液は、０．１２５ＵのＴａｑＤＮＡポリメラーゼ（タカラバイオ製）、各５００ｎＭ濃度のβアクチン検出用プライマー、５００μＭ濃度のｄＮＴＰ、１０ｍＭ濃度の塩化マグネシウム、１０ｍＭ濃度のトリス−塩酸緩衝液（ｐＨ９．２）、及び０．２％（重量比）牛血清アルブミン（ＳＩＧＭＡ製）を含む混合液として調製した。なお、βアクチン検出用プライマーの配列は、5’-TGGCATCGTGATGGACTCCGGTGA-3’（配列番号１）及び5’-GCTGTAGCCGCGCTCGGTGAGGAT-3’（配列番号２）である。
容器には、ポリカーボネート製枠に厚さ２．８μｍのポリプロピレン膜を底材として張ったものを用いた。
液滴封入材の調製のため、シリコーンオイル（信越シリコーンKF-56）に、１２−ヒドロキシステアリン酸（和光純薬）を１％（重量比）となるように添加し、９０℃に加熱して、完全にシリコーンオイルと混和させた。混和したオイルを、オイル層の厚さ（充填高さ）が３ｍｍとなるように容器に投入した。その後、オイル温度を約６０℃まで下げ、洗浄液２０μＬの液滴３個、ＰＣＲ反応液１μＬ１個を、図１（ａ）及び（ｂ）に示すようにオイル中に置いた。オイルが室温になるまで放置することによって、オイル全体をゲル化させた。
図１（ｂ）に示すように、ゲル化したオイル表面の一部に１ｍｍ程度の窪みを形成し、この窪みに、磁性シリカ粒子（東洋紡製磁性ビーズMagExtractor -genome-）１００μｇを含んだ細胞溶解液及び口腔スワブ液５０μＬを添加した。容器に厚さ３ｍｍのポリカーボネート板で蓋をした。
図１（ｂ）に示すように、厚さ１ｍｍのアルミナセラミック板の端を電熱ヒーターで加熱し、セラミック板表面に温度勾配が安定して形成された時点で容器を置き、容器内のオイルにも同様の温度勾配を形成させるため、さらに１０分間放置した。放置後、容器中のオイルはセラミック板上に形成された温度勾配によりゾル化した部分とゲル化したままの部分との両方が共存した。ＰＣＲ反応液を取り囲むオイル領域及びそれより高温側はゾル状態であり、低温側の洗浄液を取り囲むオイル領域はゲル状態であった。本実施例でのオイルのゲル−ゾル転移温度は約５０℃であった。
図２（ａ）〜（ｈ）に示すように磁石による液滴操作を行った。本実施例においては、シリカ粒子とカオトロピック塩を用いた核酸の単離方法（特開平２−２８９５９６号公報）を用いた。
まず、磁石を垂直に２ｍｍ／秒の速度で上方移動させ、セラミック板に近づけることで、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、磁性シリカ粒子を含んだ細胞溶解液及び口腔スワブ液の混合液から成る液滴から、磁性粒子集合体を下方オイル層中へと分離させた。この混合液に添加されているグアニジンチオシアネートは、口腔スワブに含まれる口腔粘膜細胞を溶解させ、遊離した核酸を磁性粒子の表面に吸着させた。
図２（ｂ）及び（ｃ）に示すように、磁石を高温側に移動させて、磁性シリカ粒子を最初の洗浄液で洗浄した。洗浄操作は、磁性シリカ粒子の集合体からＰＣＲ反応を阻害する核酸以外の試料由来成分とグアニジンチオシアネートとを除去するために行った。さらに図２（ｃ）から（ｆ）に示すように、磁石を高温側に磁性シリカ粒子を移動させて、３つの洗浄液から成る液滴を通過させた。その後、磁性シリカ粒子集合体は図２（ｇ）に示すように、ＰＣＲ反応液から成る液滴と合体させた。ＰＣＲ反応液から成る液滴を取り囲むオイルはヒーターに近いため温度が高くゾル化しており、磁性粒子を含むＰＣＲ反応液自体が磁性粒子とともに磁石の操作によって移動できる。最後の洗浄液から分離された磁性シリカ粒子集合体は、洗浄液の塩化カリウムとトリス−塩酸緩衝液（ｐＨ８．０）を少量伴っているが、それら成分は酵素反応を大きく阻害することはない。
図２（ｇ）で得られた液滴を、図２（ｈ）に示すように、温度勾配（具体的には９４℃から６０℃）がかかったセラミック板上に磁石で移動させた。この際、９４℃、２秒、６０℃１秒、７２℃５秒の温度プログラムに基づいて、磁石移動により液滴を往復運動（４０サイクル）させることによってＰＣＲ反応を完結させた。
本実施例で行った上記の一連の操作の過程を表す写真を図３に示す。図３における記号（ａ）〜（ｈ）及び写真中の要素に付された符号は、それぞれ、図２におけるものに相当する。
反応が終了した液滴をアガロースゲル電気泳動に供し、βアクチン遺伝子からの増幅産物（１５１塩基）を確認した（図５）。
このように、磁石により搬送面上（底材面上）で磁性粒子およびＰＣＲ反応液からなる液滴を移動させる簡便な操作により、容器内に物理的な流体制御機構を設けることなく、一の容器における一の搬送面上で、磁性体粒子による検体の分離、洗浄、検体からの核酸抽出、及びＰＣＲによる目的遺伝子の増幅を一貫して行うことができた。
下記参考例１及び２は、少なくとも液滴封入媒体に蛍光色素を含ませて核酸増幅反応を行ったものである。液滴封入媒体には、非ゲル状のもの（すなわちゲル化剤が含まれていないもの）を使用した。本発明のゲル状液滴封入媒体を用いた場合にも下記参考例と同様の結果が得られたことが本発明者によって確認されている。
[参考例１]
親水性表面を持つ磁性体粒子として、東洋紡から販売されているPlasmid DNA Purification Kit MagExtractor-Genome-キットの構成試薬であるMagnetic Beads（以下、単に、磁性シリカビーズという）を使用した。上記キット内の磁性シリカビーズは、予め、原液を１０倍容量の純水に懸濁させ、500×g、１分間の遠心操作により上清を除去する操作を５回繰り返すことによって洗浄した。そして、磁性シリカビーズを純粋中に懸濁させ、純粋中の磁性シリカビーズの含有量が、同ビーズ乾燥重量換算で100mg（dry）/mLとなるように調整した。
ＰＣＲ反応液の組成は、５０mＭ塩化カリウム、１０mＭトリス塩酸緩衝液（ｐＨ９．５）、５ｍＭ塩化マグネシウム、0.6μＭベータアクチン検出用ＰＣＲプライマー(Forward)（アプライドバイオシステムズ社製）、0.6μＭベータアクチン検出用ＰＣＲプライマー(Reverse)（アプライドバイオシステムズ社製）、及び0.75U 耐熱性DNAポリメラーゼ（宝酒造製Ex Taq DNA Polymerase）である。さらにＤＮＡポリメラーゼの基板表面、磁性体粒子、オイル界面等への吸着による失活を防止するため、０．１（wt）％牛血清アルブミンを添加した。当該ＰＣＲ反応液に、３ｎｇヒト標準ゲノムＤＮＡ精製品（ロシュ社製）、及び、磁性シリカビーズを乾燥重量換算で10μg/μＬの濃度となるようにＰＣＲ反応液に含ませた。
反応容器の底材には厚さ２．８μｍのポリプロピレンフィルム（王子特殊紙アルファンＥＭ−５０１Ｋ）を用い、シリコーンオイル（信越化学性ＫＦ−５６）を充填した。
インビトロジェン社製ＳＹＢＲ（登録商標）ＧＲＥＥＮ Ｉを、ＰＣＲ反応溶液からなる液滴に、製品原液の一万倍希釈濃度となるように添加した。また、ＳＹＢＲ（登録商標）ＧＲＥＥＮ Ｉを、シリコーンオイルに、製品原液に対し５万倍希釈濃度となるように添加した。
遺伝子増幅産物が生成すると、それに伴って蛍光色素が二本鎖ＤＮＡに結合した時に生じる蛍光が観察されることになる。本参考例によってＰＣＲ反応を行った結果を図６に示す。図６の（ａ−１）はシリコーンオイルに蛍光色素を添加した場合、（ｂ−１）はシリコーンオイルに蛍光色素を添加しなかった場合のＰＣＲ終了後のＳＹＢＲ（登録商標）ＧＲＥＥＮ Ｉの蛍光を紫外線照射で観察した画像である。ポリプロピレン製チューブに回収した液滴は、紫外線照射により、シリコーンオイルに蛍光色素を添加した場合（ａ−１）のみにおいてシグナルが観察された。このシグナルは、ＳＹＢＲ（登録商標）ＧＲＥＥＮ Ｉに由来する波長４７２ｎｍの黄緑色蛍光として観察された。一方（ｂ−１）でも遺伝子増幅が起こったが、蛍光がほとんど観察されなかった。
なお、（ａ−１）及び（ｂ−１）それぞれの場合における遺伝子増幅物のアガロースゲル電気泳動結果を（ａ−２）及び（ｂ−２）に示す。（ａ−２）及び（ｂ−２）が示すように、いずれの場合においても、遺伝子増幅は正常に反応が完結していた。
［参考例２］
SYBR-Green I、YO PRO-1及びSYTO-13(いずれもInvitrogen社製)の蛍光色素をそれぞれ用い、蛍光色素の液滴側濃度とオイル側濃度とをそれぞれ変えてＰＣＲを行ったことを除いては、上記参考例１と同様の操作を行った。液滴をＰＣＲ開始に供する前の蛍光強度と、ＰＣＲ開始に供した後の蛍光強度との差を表１〜３に表す。表１はSYBR-Green Iを用いた場合、表２はYO PRO-1を用いた場合、及び表３はSYTO-13を用いた場合の結果を示す。
なお、液滴容量はすべて3μLとし、反応液組成は25mM Tris-HCl（pH8.3）、8 mM MgCl2、0.2%(w/v)牛血清アルブミン、0.125U/μL Ex Taq DNAポリメラーゼ（タカラバイオ製）、250μM dNTP、各1μM ヒトβ-アクチン遺伝子検出用プライマーである。
ヒトβ-アクチン遺伝子検出用プライマーの配列は、5’-CATCGAGCACGGCATCGTCACCAA-3’（配列番号３）及び5’-GCGGGCCACTCACCTGGGTCATCT-3’（配列番号４）である。
。磁気ビーズ（東洋紡MagExtractor (R) -Plasmid-）５１０μgを液滴３μLに添加した。液滴封入媒体としては、信越化学製シリコーンオイルKF-56を用いた。ＰＣＲ反応工程は、T. Ohashi, H. Kuyama, N. Hanafusa and Y. Togawa : Biomed. Microdevices, 9, 695 (2007)に記載された条件に従って行った。すなわち、ＰＣＲサイクルは熱変性（９５℃、０．５秒）、アニーリング（６０℃、１秒）及び伸長反応（７２℃、５秒）を１サイクルとし、計40サイクル行った。磁気ビーズを含む上記反応液からなる液滴を、当該液滴の真下、容器外に設置した磁石を毎秒１．１ｃｍの速度で、温度勾配による９５℃から６０℃の地点間を移動させることによって、上記ＰＣＲサイクルを実現した。
液滴の蛍光強度測定は、冷却CCDカメラ（SBIG社製 ST-402ME）を用い、オイル中の液滴の真上から最高感度で5秒間露光撮影することにより行った。励起光源は470nm青色LED、励起光側バンドパスフィルターは475nm/40nm、及び検出側バンドパスフィルターは535nm/45nmを使用した。データは画像解析ソフト ImageJを使用し、液滴全体の蛍光量を相対蛍光強度として算出し、ＰＣＲ後の蛍光強度からＰＣＲ前の蛍光強度（すなわちバックグラウンド分）を差し引いた値をデータ値とした。本実施例においては、各色素とも、液滴側濃度は0.5〜2μM、オイル側濃度は0.05〜0.1μM付近に至適条件があることが分かった。また、予めオイル側に色素を添加しなかった場合、有意な蛍光強度の上昇はみられなかった。一方、予め少なくともオイル側に色素が存在すれば、液滴側に蛍光色素を添加しなくとも増幅核酸の蛍光検出が可能であることが分かった。
上記のように、本発明の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものであり、実施段階においては、その要旨を逸脱しない範囲で変形して具体化できる。
配列番号１は、合成プライマーである。
配列番号２は、合成プライマーである。

Claims (14)

  1. 水系液体と、
    前記水系液体に不溶性又は難溶性であって、前記水系液体を封入するゲル状封入媒体と、
    前記水系液体及び前記ゲル状封入媒体を保持する容器と、
    前記容器内において移動されるべき磁性体粒子とを有し、
    磁場によって、前記容器内で前記磁性体粒子を移動させるための磁性体粒子操作デバイスであって、
    前記磁性体粒子が前記水系液体から前記ゲル状封入媒体へと搬送される際、前記磁性体粒子が前記水系液体から分離されると共に、当該水系液体が前記ゲル状封入媒体によって封入及び固定された状態が、前記ゲル状封入媒体自体によって維持される、磁性体粒子操作デバイス。
  2. 前記磁性体粒子の搬送経路に温度勾配が設けられる、請求項１に記載の磁性体粒子操作デバイス。
  3. 前記封入媒体が、前記温度勾配の高温側におけるゾル相と前記温度勾配の低温側におけるゲル相との両方を同一容器内で呈する、請求項２に記載の磁性体粒子操作デバイス。
  4. 水系液体と、
    前記水系液体に不溶性又は難溶性であって、前記水系液体を封入する封入媒体と、
    前記水系液体及び前記封入媒体を保持する容器と、
    前記容器内において移動されるべき磁性体粒子とを有し、
    磁場によって、前記容器内で前記磁性体粒子を移動させるための磁性体粒子操作デバイスであって、
    前記磁性体粒子が前記水系液体から前記封入媒体へと搬送される際、前記磁性体粒子が前記水系液体から分離されると共に、当該水系液体が前記封入媒体によって封入された状態が維持され、
    前記磁性体粒子の搬送経路に温度勾配が設けられ、
    前記封入媒体が、前記温度勾配の高温側におけるゾル相と前記温度勾配の低温側におけるゲル相との両方を同一容器内で呈する、磁性体粒子操作デバイス。
  5. 前記封入媒体が、非水溶性又は難水溶性である液体物質に、ヒドロキシ脂肪酸、デキストリン脂肪酸エステル、グリセリン脂肪酸エステルからなる群から選ばれるゲル化剤を混合させて調製されるものである、請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁性体粒子操作デバイス。
  6. 前記磁性体粒子の搬送経路に前記封入された水系液体が複数配置される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の磁性体粒子操作デバイス。
  7. 水系液体及びゲル状封入媒体中において磁性体粒子を操作する方法であって、
    前記水系液体及び前記ゲル状封入媒体が容器中に保持され、
    前記ゲル状封入媒体が、前記水系液体に不溶性又は難溶性であるものであり、
    前記磁性体粒子操作において、磁場によって前記水系液体及び前記ゲル状封入媒体を含む搬送経路上で前記磁性体粒子を搬送する工程を含み、
    前記磁性体粒子を搬送する工程において、前記磁性体粒子が前記水系液体から前記ゲル状封入媒体へと搬送される際、前記磁性体粒子が前記水系液体から分離されると共に、当該水系液体が前記ゲル状封入媒体によって封入及び固定された状態が、前記ゲル状封入媒体自体によって維持される、磁性体粒子操作方法。
  8. 前記搬送経路に温度勾配が設けられる、請求項７に記載の磁性体粒子操作方法。
  9. 前記封入媒体が、前記温度勾配の高温側におけるゾル相と前記温度勾配の低温側におけるゲル相との両方を同一容器内で呈する、請求項８に記載の磁性体粒子操作方法。
  10. 水系液体及び封入媒体中において磁性体粒子を操作する方法であって、
    前記封入媒体が容器中に保持され、
    前記封入媒体が、少なくとも磁性体粒子操作開始前においてゲル状態であって、ゲル状態及びゾル状態において前記水系液体に不溶性又は難溶性であるものであり、
    前記磁性体粒子操作において、磁場によって前記水系液体及び前記封入媒体を含む搬送経路上で前記磁性体粒子を搬送する工程を含み、
    前記搬送経路に温度勾配が設けられ、
    前記封入媒体が、前記温度勾配の高温側におけるゾル相と前記温度勾配の低温側におけるゲル相との両方を同一容器内で呈する、磁性体粒子操作方法。
  11. 前記磁性体粒子を、同一容器内でゲル状態又はゾル状態の前記封入媒体中の前記搬送経路に封入された複数の水系液体同士の間で移動させる、請求項７〜１０のいずれか１項に記載の磁性体粒子操作方法。
  12. 前記水系液体が洗浄液からなるものであり、前記搬送中に前記磁性体粒子表面の付着成分が洗浄される、請求項７〜１１のいずれか１項に記載の磁性体粒子操作方法。
  13. 前記水系液体に、細胞溶解液及び生体試料を含ませることによって、前記磁性体粒子に前記生体試料由来の核酸を吸着させる、請求項７〜１２のいずれか１項に記載の磁性体粒子操作方法。
  14. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の磁性体粒子操作デバイスの製造方法であって、
    非水溶性又は難水溶性である液体物質とゲル化剤との混合物が収容された容器を用意し、前記混合物に水系液体を添加し、その後、前記混合物をゲル化させることによって、前記水系液体をゲル状の封入媒体中に封入する工程を含む、磁性体粒子操作デバイスの製造方法。
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