JP5831566B2 - 反応デバイス - Google Patents

Description

本発明は、反応デバイス、特に、抗原などの試験物質を含む試験液を微細流路で送液し、試験物質を抗体などの反応物質に反応させるための反応デバイスに関する。

従来、血漿中に含まれる各種抗原を抗体に反応させるための微細流路を備えた試験デバイスは、図９に示すように、微細流路５０の底部に反応物質が固定された反応部５１が設けられ、試験物質Ｔが分散された試験液を微細流路５０の一方から他方に（矢印Ａ参照）送液するように構成されている。反応部５１では試験物質が固相化面の近傍でしか反応しないので、微細流路５０の上部を流れる試験物質Ｔは反応に寄与せず、微細流路５０をそのまま通過してしまうため、反応効率が悪いという問題点を有していた。

その対策として、試験液を微細流路で往復させることで、未反応の試験物質を再度反応部を通過させて反応効率を上げる方法が考えられる。例えば、特許文献１には、ピペットなどの送液手段により試験液を反応部に往復送液することが記載されている。特許文献２には、液体を可逆的かつ制御可能に流すシステム及び方法が記載されている。

しかし、前記往復送液方法を用いても以下のような問題点が残されている。即ち、試験物質を反応部に近付けて反応効率を上げるには、微細流路の深さは送液に支障を及ぼさない範囲でできるだけ浅いことが望ましく、概ね１ｍｍ以下が望ましい。また、試験液の流速は、微細流路内の送液圧力が過度に上昇するのを防ぐために、数十ｍｍ／ｓｅｃ以下に抑えることが好ましい。このような送液系においてはレイノルズ数が低いために流れが層流になり、試験液を往復させても反応物質は試験液中ではほとんど混合されず、微細流路の上部を流れた試験物質は往復させても常に流路上部を繰り返して流れるだけであり、何度往復させても反応に寄与しないのである。

なお、レイノルズ数とは、流体力学の分野で一般的に使われる指標値であり、その値が概ね２０００を超えると乱流となるが、それ以下である場合は層流となることが知られている。溶媒が水系であり、流路の寸法、流速が前記の場合、レイノルズ数は概ね１００以下であり、層流になるので、特別な工夫を講じない限り、反応効率は上昇しないのである。

特開２００６−９０７１７号公報 特表２００２−５４０４０５号公報

そこで、本発明の目的は、微細流路のサイズは従来のままで反応効率を向上させることのできる反応デバイスを提供することにある。

以上の目的を達成するため、本発明の一形態である反応デバイスは、
試験液中に分散された試験物質と反応し得る反応物質が固定化された反応部をその一部に有する微細流路と、
前記微細流路の両側に配置された、試験液の液量以上の容積を有する試験液の貯留部と、
少なくとも一方の前記貯留部に配置された、前記試験液中における試験物質の濃度分布を均一化するように試験液を動作させる均一化手段と、
前記微細流路に前記試験液を複数回繰り返して流通させるための送液手段と、
を備え、
前記送液手段は前記試験液の全液量を前記微細流路で往復送液させるものであること、
を特徴とする。

なお、本発明において、「試験液中における試験物質の濃度分布を均一化するように試験液を動作させる」とは、必ずしも完全に均一化することを意味するのではなく、均一化する方向に試験液を動作させることを意味する。

本発明によれば、微細流路の一方側及び他方側の少なくとも一方において、試験液中での試験物質の濃度分布を均一化させるため、試験液を複数回繰り返して流通させることで試験物質が反応する割合が増加し、反応効率が向上する。

第１実施例である試験デバイスを示す断面図である。 第２実施例である試験デバイスを示す断面図である。 第３実施例である試験デバイスを示す断面図である。 第３実施例に使用されているポンプを示す正面図である。 第４実施例である試験デバイスを示す断面図である。 第４実施例に用いられている螺旋状溝部を示す断面図である。 第５実施例である試験デバイスを示す断面図である。 第６実施例である試験デバイスを示す断面図である。 従来における試験液の送液状態を示す説明図である。

以下、本発明に係る反応デバイスの実施例について、添付図面を参照して説明する。なお、各図面において、同一部材、部分に関しては同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

（第１実施例、図１参照）
第１実施例である試験デバイス１０Ａは、図１に示すように、微細流路１１の一方側に第１の貯留部２１を設け、他方側に第２の貯留部２２を設け、第２の貯留部２２の一端に連通する廃液溜め２３と空気注入・排出口２４を設けたものである。空気注入・排出口２４には空気ポンプ３０が接続されている。貯留部２１，２２は送液される試験液（図１でクロスハッチングで示す）の液量以上の容積を有している。本第１実施例において、試験デバイス１０Ａに空気ポンプ３０を加えたものを反応装置と称する。

微細流路１１の一部には、試験液中に分散された試験物質と反応し得る反応物質が固定化された反応部１２が設けられている。第１の貯留部２１の側壁部には振動子２８が貼着されている。この振動子２８は第１の貯留部２１に溜められた試験液を、試験物質の濃度を均一化するように攪拌・混合させるためのものである。例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を材料とした圧電アクチュエータを好適に用いることができる。

試験液としては、例えば、生体から採取された血液を遠心分離して得られた血漿を用いる。この場合、試験液に含まれる試験物質は、血液中に存在する各種抗原である。反応部に固定化された反応物質とは、抗原に対して特異的に反応し得る抗体である。

第１実施例である試験デバイス１０Ａにおいて、試験液はまず貯留部２１に注入され、空気ポンプ３０を駆動することによって、空気圧で図１（Ａ）の状態から図１（Ｂ）に示すように、貯留部２２に向かって送液され、さらに、図１（Ａ）の状態に逆方向に送液される。即ち、試験液は微細流路１１を往復送液されて反応部１２を複数回繰り返して流通され、これにて抗原が抗体と反応する。試験液が貯留部２１に溜められている間に、振動子２８を動作させ、試験液中における抗原の濃度分布を均一化するように試験液を攪拌・混合させる。

本第１実施例によれば、微細流路１１の一方に設けた貯留部２１において試験液中での抗原の濃度分布を均一化させ、試験液を複数回繰り返して流通させることで抗原が反応部１２の抗体に反応する割合が増加し、反応効率が向上する。

また、貯留部２１，２２の容積はいずれも試験液の流量以上に設定されているため、試験液の全量が微細流路１１を流れるように往復送液させても、試験液が貯留部２１，２２から漏れ出るおそれはない。さらに、貯留部２１の底部は「お椀形」とされ、かつ、上部の開口面積は広い目に設定されている。これにて、振動子２８によって振動を与えられた試験液が動きやすくなり、攪拌効率が高くなる。貯留部２１の上部の開口面積は、試験液と同じ体積の球を想定し、該球の平面投影面積を基準として、概ね、該投影面積の１／１０倍以上とすれば、開口面積を広くした効果が現れる。

なお、振動子２８の振動周波数は任意であるが、試験液の共振周波数又はそれに近い周波数であることが攪拌効率化の点で好ましい。試験液の共振周波数は、液量によっても変化することが予測されるため、送液による貯留部２１内の液量の増減に合わせて振動子２８の駆動周波数を変更することが好ましい。あるいは、駆動周波数を任意にスウィープさせることによって、間欠的に共振モードとし、試験液のランダムな動きを誘発して抗原の混合を促進することもできる。

試験液を所定回数だけ往復送液した後は、試験液を空気ポンプ３０で吸引し、廃液溜め２３に捨てる。そして、貯留部２１に洗浄液を滴下し、該洗浄液を空気ポンプ３０で微細流路１１に吸引送液して反応部１２に残った未反応の抗原を除去する。その後、反応部１２の面の光学的特性の変化を図示しない検出器で検出することによって、抗原と抗体の免疫反応を測定する。なお、この種の免疫反応の測定は周知であり、詳細な説明は省略する。

（第２実施例、図２参照）
第２実施例である試験デバイス１０Ｂは、図２に示すように、試験デバイス１０Ｂの一部に貯留部２１に隣接した共鳴エリア（空洞）２５を設けたものである。他の構成は前記第１実施例と同様である。第２実施例の作用効果は第１実施例と同様であり、特に、共鳴エリア２５を設けることで、振動子２８による共振振動を増幅させ、試験液の攪拌混合効率を高めることができる。

（第３実施例、図３及び図４参照）
第３実施例である試験デバイス１０Ｃは、図３に示すように、前記空気ポンプ３０に代えて、蠕動式のチューブポンプ３５を設けたものである。このチューブポンプ３５は、図４に示すように、複数のローラ３６を中央部のローラ３７によって回転（自転）させ、壁部３５ａとローラ３６との間に挟み込まれたチューブ３８内の試験液を回転（自転）方向に送液するものである。

試験デバイス１０Ｃには、振動子２８を設けた貯留部２１と反応部１２を含む微細流路１１が設けられている。チューブ３８の一端は貯留部２１に臨み、他端は微細流路１１の他端開口部２６に接続されている。このチューブポンプ３５によって試験液は、貯留部２１から微細流路１１を繰り返して循環送液され、振動子２８による共振振動で貯留部２１において試験液中での抗原の濃度分布が均一化され、抗原が反応部１２の抗体に反応する割合が増加し、反応効率が向上する。特に、この循環送液方式は、液量が比較的多いときに有効である。

なお、前記チューブポンプ３５は、扱きポンプ、ペリスタルティック（peristaltic）ポンプ、蠕動ポンプなど種々の名称で呼ばれることもある。

（第４実施例、図５及び図６参照）
第４実施例である試験デバイス１０Ｄは、図５に示すように、第１の貯留部２１の内壁面に螺旋状の溝部４１を設けたものである。他の構成は前記第１実施例と同様である。第１実施例で説明したように、試験液は貯留部２１，２２間を往復送液され、貯留部２１の螺旋状の溝部４１を通過することで回転攪拌されて混合され、試験液中での抗原の濃度分布が均一化される。貯留部２１の上部の開口面積は、溝部４１による試験液の攪拌混合が生じやすいように、広い目に設定されることが好ましい。試験液と同じ体積の球を想定し、該球の平面投影面積を基準として、概ね、該投影面積の１／１０倍以上の開口面積とすれば効果的である。

螺旋状溝部４１を構成する板部材は図６に示す形状をなしており、溝部４１の段数は任意である。試験液の回転混合を効率よく行うために、溝部４１の幅寸法Ｄ１、（外径Ｄ２−内径Ｄ３）／２、は溝部４１の高さＨより大きく設定することが好ましい。これにて、試験液が溝部４１より内側の貫通穴部分４２を通過する場合の流路抵抗より、溝部４１を通過する場合の流路抵抗が小さくなるため、試験液が溝部４１を通過しやすくなり、試験液の回転混合効果が向上する。

なお、図６において、溝部４１を構成する板部材の断面形状は矩形形状であるが、下方に傾斜させたり、角部に丸みを付けることにより、試験液の通過後の液残りを低減させることができる。

（第５実施例、図７参照）
第５実施例である試験デバイス１０Ｅは、図７に示すように、第１の貯留部２１の内壁面に設けた螺旋状の溝部４３を構成する板部材の断面形状を、内側に細いテーパ形状としたものである。他の構成や作用効果は、前記第１実施例及び前記第４実施例と同様である。

（第６実施例、図８参照）
第６実施例である試験デバイス１０Ｆは、図８に示すように、第１の貯留部２１の内壁面に螺旋状の階段部４４を設けたものである。他の構成は前記第１実施例と同様である。本第６実施例では、貯留部２１において螺旋状の階段部４４にて試験液が回転攪拌されて混合され、試験液中での抗原の濃度分布が均一化される。

（他の実施例）
なお、本発明に係る反応デバイスは前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更できる。以下に、前記実施例に記載した以外の種々の実施例について説明する。

特に、反応部での反応については、前記抗原と抗体の免疫反応以外に種々の反応であってもよい。但し、抗原と抗体の免疫反応の場合は、抗原の分子サイズが比較的大きくて自発的な拡散をしにくい特性を持っているため、本発明のように、積極的に濃度分布を均一化するように試験液を動作させることは非常に有効である。

試験液に振動を与える振動子は、試験デバイス自体に貼着したものではなく、外部から圧電アクチュエータ、電磁アクチュエータなどを押し付ける形態であってもよい。また、振動子は第２の貯留部に設けてもよく、第１及び第２の貯留部の両方に設けてもよい。振動子は、部分的に振動を与えるのではなく、試験デバイスを全体的に振動させるものであってもよい。

反応の検出方法についても、光学的特性の検出以外に、電気的特性などの検出や、着色状態を目視で検出する方法であってもよい。検出手段は反応装置に含まれていてもよく、反応装置とは別の装置として構成されていてもよい。光学的な検出を補助するために、レンズ、導波路、プリズムなどが試験デバイスに組み込まれていてもよい。

また、検出効率を上げるために、蛍光体などの標識物質を用いてもよい。即ち、固定化された抗体（固相抗体）と抗原の免疫反応の場合、別途、抗原に対して特異的に反応し得る標識用の抗体（標識抗体）を蛍光体で予め修飾しておいたものを用いてもよい。

固相抗体と反応して反応部に捕捉された抗原に対して、さらに、前記標識抗体が含まれる溶液を送液することによって、反応部に捕捉された抗原に対して蛍光体を標識させることもできる。あるいは、予め蛍光体を修飾させた標識抗体を抗原と反応させて蛍光標識させた複合体を生成させ、該複合体を反応部に送液することによって固相抗体と抗原との反応を検出しやすくすることもできる。これらの標識抗体、あるいは、抗原と標識抗体とが反応した複合体を微細流路に送液する場合においても、複数回の送液途中に濃度を均一化することで反応効率の向上が期待できる。

濃度分布を均一化するように試験液を動作させる手段としては、以下の態様を採用してもよい。例えば、反応部を含む微細流路の上流側又は下流側の少なくとも一方にスターラー（磁気回転子）を入れておき、試験デバイスの外部で磁石を回転させたり、電磁石をオン／オフさせるなどの方法で磁場を変化させ、スターラーを回転させて試験液を攪拌してもよい。スターラーに代えて磁気ビーズを用いることもできる。

あるいは、反応部を含む微細流路の上流側又は下流側の少なくとも一方に、試験液よりも比重の大きいセラミック微粒子を入れておき、試験デバイスの外部から振動を与えることで試験液中で該微粒子を振動させてもよい。あるいは、反応部を含む微細流路の上流側又は下流側の少なくとも一方に電極を配置し、該電極に交流電圧を印加することで試験液中のイオン、その他の電気的特性を有する物質を振動させてもよい。該電極に交流電圧を印加したときに、抗原などの試験物質そのものが電気的な力によって試験液中を移動する現象を利用してもよい。

以上のように、本発明は、微細流路を有する反応デバイスに有用であり、特に、反応効率が向上する点で優れている。

１０Ａ〜１０Ｆ…試験デバイス
１１…微細流路
１２…反応部
２１，２２…貯留部
２８…振動子
３０…空気ポンプ
３５…チューブポンプ
４１，４３…螺旋状溝部
４４…螺旋状階段部

Claims (6)

1. 試験液中に分散された試験物質と反応し得る反応物質が固定化された反応部をその一部に有する微細流路と、
   前記微細流路の両側に配置された、試験液の液量以上の容積を有する試験液の貯留部と、
   少なくとも一方の前記貯留部に配置された、前記試験液中における試験物質の濃度分布を均一化するように試験液を動作させる均一化手段と、
   前記微細流路に前記試験液を複数回繰り返して流通させるための送液手段と、
   を備え、
   前記送液手段は前記試験液の全液量を前記微細流路で往復送液させるものであること、
   を特徴とする反応デバイス。
2. 前記均一化手段は、少なくとも一度前記反応部を通過して前記貯留部に送液された試験液を攪拌する手段であることを特徴とする請求項１に記載の反応デバイス。
3. 前記均一化手段は振動子であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の反応デバイス。
4. 前記均一化手段は螺旋状の溝部であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の反応デバイス。
5. 前記均一化手段は螺旋状の階段部であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の反応デバイス。
6. 前記反応部での反応が抗原と抗体との免疫反応であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の反応デバイス。

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