JP6195211B2 - Microfluidic device - Google Patents
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Description
本発明は、マイクロ流体デバイスに関する。 The present invention relates to a microfluidic device.
マイクロ流体デバイスは、極めて少量の試料や試薬を含む反応溶液を反応させることが可能なデバイスであり、微小反応デバイス(マイクロリアクタ)や集積型DNAデバイス、微小電気泳動デバイス等がある。 A microfluidic device is a device capable of reacting a reaction solution containing a very small amount of sample or reagent, and includes a microreaction device (microreactor), an integrated DNA device, a microelectrophoresis device, and the like.
マイクロ流体デバイスは、反応溶液に所望の温度変化を与える反応デバイスに用いられる。マイクロ流体デバイスを用いることによって、反応溶液に与える温度変化を高速にすることができる。 The microfluidic device is used in a reaction device that gives a desired temperature change to a reaction solution. By using the microfluidic device, the temperature change applied to the reaction solution can be accelerated.
従来より、温度変化を繰り返し与えることで標的核酸を増幅させる核酸増幅デバイスがあるが、核酸増幅デバイスとしてマイクロ流体デバイスを用いることにより、標的核酸を高速に増幅させることができる。 Conventionally, there is a nucleic acid amplification device that amplifies a target nucleic acid by repeatedly applying a temperature change, but the target nucleic acid can be amplified at high speed by using a microfluidic device as the nucleic acid amplification device.
例えば、特許文献1及び非特許文献1には、デバイスを複数の異なる温度領域に分割しておき、反応溶液が各温度領域を繰り返して通過するように蛇行した蛇行流路を設けた構成が開示されている。
For example,
この構成により、反応溶液を蛇行流路中に進行させるだけで反応溶液に所望の温度変化を高速に与えることができる。これにより、反応溶液として核酸を含む溶液を用いた場合に、高速に核酸増幅を行うことができる。 With this configuration, it is possible to apply a desired temperature change to the reaction solution at high speed only by causing the reaction solution to advance into the meandering flow path. Thereby, nucleic acid amplification can be performed at high speed when a solution containing nucleic acid is used as the reaction solution.
しかしながら、上記従来のマイクロ流体デバイスでは、複数の温度領域の各領域は分離して存在するので、一方の温度領域と他方の温度領域との間には反応溶液の反応には寄与しない中間領域が存在する。中間領域が存在すると、反応溶液が非特異反応を誘発して、反応溶液の反応効率を低下するおそれがある。 However, in the conventional microfluidic device described above, each region of the plurality of temperature regions exists separately, so that there is an intermediate region that does not contribute to the reaction of the reaction solution between one temperature region and the other temperature region. Exists. If the intermediate region is present, the reaction solution may induce a nonspecific reaction, which may reduce the reaction efficiency of the reaction solution.
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、反応溶液の反応効率の低下を抑制できるマイクロ流体デバイスを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to provide a microfluidic device that can suppress a decrease in reaction efficiency of a reaction solution.
上記目的を達成するために、本発明に係るマイクロ流体デバイスの一態様は、反応溶液が流れる流路を備えるマイクロ流体デバイスであって、前記流路は、所定の異なる温度に設定された第1温度領域と第2温度領域とを通過するように構成されており、前記第1温度領域と前記第2温度領域との間の中間領域における前記流路の断面積は、前記第1温度領域及び前記第2温度領域における前記流路の断面積よりも小さいことを特徴とする。 In order to achieve the above object, one aspect of the microfluidic device according to the present invention is a microfluidic device including a flow path through which a reaction solution flows, wherein the flow path is set to a first different temperature. It is configured to pass through a temperature region and a second temperature region, and a cross-sectional area of the flow path in an intermediate region between the first temperature region and the second temperature region is the first temperature region and the second temperature region. It is smaller than the cross-sectional area of the flow path in the second temperature region.
また、本発明に係るマイクロ流体デバイスの一態様において、前記流路は、前記第1温度領域と前記第2温度領域とを交互に繰り返して通過するように構成された蛇行流路であってもよい。 In one aspect of the microfluidic device according to the present invention, the flow path may be a meandering flow path configured to alternately and repeatedly pass through the first temperature region and the second temperature region. Good.
また、本発明に係るマイクロ流体デバイスの一態様において、前記反応溶液には、標的核酸が含まれており、前記反応溶液が前記蛇行流路を通過することによって、前記標的核酸がポリメラーゼ連鎖反応により核酸増幅してもよい。 Further, in one aspect of the microfluidic device according to the present invention, the reaction solution contains a target nucleic acid, and the target nucleic acid is subjected to a polymerase chain reaction by passing through the meandering channel. Nucleic acid amplification may be performed.
また、本発明に係るマイクロ流体デバイスの一態様において、前記反応溶液には、被測定物質として細菌又はウイルスが含まれており、当該マイクロ流体デバイスは、前記反応溶液に含まれる前記被測定物質を検出してもよい。 Further, in one aspect of the microfluidic device according to the present invention, the reaction solution contains bacteria or viruses as the substance to be measured, and the microfluidic device contains the substance to be measured contained in the reaction solution. It may be detected.
また、本発明に係るマイクロ流体デバイスの一態様において、前記中間領域における前記流路の幅は、前記第1温度領域及び前記第2温度領域における前記流路の幅よりも小さくてもよい。 In one aspect of the microfluidic device according to the present invention, the width of the flow path in the intermediate region may be smaller than the width of the flow path in the first temperature region and the second temperature region.
また、本発明に係るマイクロ流体デバイスの一態様において、前記流路の前記断面積は、前記流路内に設けられたピラーにより調整されていてもよい。 In one aspect of the microfluidic device according to the present invention, the cross-sectional area of the flow path may be adjusted by a pillar provided in the flow path.
また、本発明に係るマイクロ流体デバイスの一態様において、前記流路は、前記第1温度領域及び前記第2温度領域が存在する反応部を通過するように構成されており、前記流路は、前記反応部全体として断面積が単調に減少している又は段階的に減少していてもよい。 Moreover, in one aspect of the microfluidic device according to the present invention, the flow path is configured to pass through a reaction part in which the first temperature region and the second temperature region exist, and the flow path is The cross-sectional area of the reaction part as a whole may decrease monotonously or may decrease stepwise.
本発明によれば、反応溶液の反応効率の低下を抑制できる。 According to the present invention, a decrease in reaction efficiency of a reaction solution can be suppressed.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、並びに、ステップ及びステップの順序などは、一例であって本発明を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that each of the embodiments described below shows a preferred specific example of the present invention. Therefore, numerical values, shapes, materials, components, arrangement positions and connection forms of components, and steps and order of steps shown in the following embodiments are merely examples, and are not intended to limit the present invention. Absent. Therefore, among the constituent elements in the following embodiments, constituent elements that are not described in the independent claims showing the highest concept of the present invention are described as optional constituent elements.
なお、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。 Each figure is a schematic diagram and is not necessarily illustrated strictly. Moreover, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to the substantially same structure, The overlapping description is abbreviate | omitted or simplified.
(実施の形態)
本発明の実施の形態に係るマイクロ流体デバイス1の構成について、図1〜図4を用いて説明する。図1は、本発明の実施の形態に係るマイクロ流体デバイスの概略構成を示す斜視図であり、図2は、同マイクロ流体デバイスの分解斜視図であり、図3は、同マイクロ流体デバイスの平面図であり、図4は、同マイクロ流体デバイスの断面図である。(Embodiment)
The configuration of the
図1〜図4に示すように、本実施の形態に係るマイクロ流体デバイス1は、反応溶液が流れる流路100を備えるデバイス(マイクロチップ)であって、流路100は、所定の異なる温度に設定された第1温度領域と第2温度領域とを通過するように構成されている。そして、詳細は後述するが、第1温度領域と第2温度領域との間の中間領域における流路100の断面積は、第1温度領域及び第2温度領域における流路100の断面積よりも小さくなっている。
As shown in FIGS. 1 to 4, the
流路100は、反応溶液が一方通行的に流れる反応流路であって、少なくとも反応部110を通るように設けられている。反応部110は、反応溶液を反応させるための領域である。本実施の形態において、反応溶液は、試料となる標的核酸を含む溶液であり、具体的には、標的核酸と標的核酸を増幅させるための反応試薬とを含む水溶液である。したがって、本実施の形態における反応部110は核酸増幅反応部であり、反応部110では、反応溶液に含まれる標的核酸が増幅する。なお、反応溶液には、ある種のアルコールや界面活性剤等が含まれていてもよい。
The
このように、本実施の形態におけるマイクロ流体デバイス1は、試料となる標的核酸を増幅させるための核酸増幅デバイスとして用いられている。以下、マイクロ流体デバイス1を用いてPCR(ポリメラーゼ連鎖反応:Polymerase Chain Reaction)法を実施する場合について説明する。PCR法は、ターゲットDNAを温度サイクルにより増幅させる技術である。反応溶液(反応流体)には、ターゲットDNAの他に、PCRプライマやポリメラーゼ酵素、バッファー等が含まれている。このような反応溶液に温度サイクルを付与することで、ターゲットDNAを増幅することができる。増幅したDNAの増幅量は、反応検出機構によって検出することができる。
As described above, the
核酸増幅デバイスとしてのマイクロ流体デバイス1は、標的核酸を含む反応溶液が導入される導入部(インレット)120と、導入部120に導入された反応溶液に含まれる標的核酸を増幅させるための反応部110と、反応部110で増幅された標的核酸を含む反応溶液を排出するための排出部(ドレイン)130と、標的核酸を含む反応溶液を加熱するためのヒータ部140とを備える。
The
具体的には、マイクロ流体デバイス1は、第1基板10と、第2基板20と、ヒータ部140とによって構成されている。また、ヒータ部140は、設定温度が異なる第1ヒータブロック141と第2ヒータブロック142とを備える。なお、本実施の形態におけるマイクロ流体デバイス1の外形は、例えば縦の長さが40mmで横の長さが20mmの略矩形状である。
Specifically, the
以下、マイクロ流体デバイス1の各構成部材の詳細構成について、図1〜図4を用いて詳述する。
Hereinafter, the detailed configuration of each component of the
[第1基板]
図2に示すように、第1基板10は、導入部120の一部を構成する第1凹部11と、排出部130の一部を構成する第2凹部12と、流路100を構成する溝部13とを備える。第1基板10としては、例えばシリコン基板を用いることができる。[First substrate]
As shown in FIG. 2, the
溝部13(流路100)は、第1凹部11と第2凹部12とをつなぐように形成されている。溝部13(流路100)には反応溶液が流れる。具体的には、第1凹部11(導入部120)に反応溶液が導入されると、当該反応溶液は、第2凹部12(排出部130)に向かって溝部13(流路100)内を進行する。
The groove 13 (flow channel 100) is formed so as to connect the
図3に示すように、流路100は、蛇行するように形成された蛇行流路であり、第1ヒータブロック141(第1温度領域)と第2ヒータブロック142(第2温度領域)とを交互に繰り返して通過するように構成されている。
As shown in FIG. 3, the
具体的に、反応部110における流路100は、ライン状の流路を所定間隔毎に折り曲げながら連続的に折り返すように(往復するように)形成されている。反応部110における流路100の折り返し回数は、例えば20〜70サイクル程度である。なお、一例として、1サイクルあたりの流路100(主流路100a)の長さは32mmとすることができる。
Specifically, the
本実施の形態における流路100は、所定長さのライン状の複数の主流路100aと、対向する各行の主流路100aの端部同士を接続する副流路100bとを有する。主流路100a及び副流路100bは、反応部110に設けられる。
The
主流路100aは、第1ヒータブロック141と第2ヒータブロック142とを跨ぐように、第1ヒータブロック141及び第2ヒータブロック142の長手方向に略直交させて設けられている。副流路100bは、第1ヒータブロック141及び第2ヒータブロック142の長手方向に略平行するように設けられている。
The
なお、流路100は、さらに、反応溶液を導入部120から反応部110に導くための流路である導入流路100cと、反応溶液を反応部110から排出部130までに導くための排出流路100dとを有する。
The
導入流路100cの始端は、流路100全体としての入口であり、導入流路100cの終端は、反応部における流路100の入り口である。また、排出流路100dの始端は、反応部における流路100の出口であり、排出流路100dの終端は、流路100全体としての出口である。
The starting end of the
なお、本実施の形態において、流路100を構成する溝部13の内表面には、シリコン酸化膜が形成されている。シリコン酸化膜を形成することによって、流路100(溝部13)の壁面を親水化することができる。本実施の形態では、主流路100a、副流路100b、導入流路100c及び排出流路100dの全てにシリコン酸化膜が形成されている。
In the present embodiment, a silicon oxide film is formed on the inner surface of the
このように構成される流路100はマイクロ流路であり、例えば断面形状は矩形状である。この場合、流路100を構成する溝部13の流路幅(溝幅)は、例えば50μmであり、溝部13の深さは50μmである。
The
なお、溝部13の断面形状は、矩形に限らず、半円形又は逆三角形とすることができる。また、第1凹部11及び第2凹部12は、例えば円形開口の凹部とすることができる。また、第1基板10の材料はシリコンに限らず、樹脂又はガラスであってもよい。
In addition, the cross-sectional shape of the
[第2基板]
図1に示すように、第2基板20は、第1基板10を覆う蓋部であり、第1基板10上に配置される。第2基板20としては、例えばガラス基板を用いることができる。[Second board]
As shown in FIG. 1, the
図2に示すように、第2基板20には、導入部120の一部として、第2基板20を貫通する第1貫通孔21が設けられている。また、第2基板20には、排出部130の一部として、第2基板20を貫通する第2貫通孔22が設けられている。第1貫通孔21及び第2貫通孔22は、例えば円形開口を有する貫通孔である。
As shown in FIG. 2, the
第1基板10上に第2基板20を載置することによって、溝部13の開口部分が塞がれて全方位が密閉された流路100が構成される。これにより、流路100は、反応溶液の送液方向(進行方向)に垂直な断面における壁面全周が閉じられた構成となり、かつ、導入部120及び排出部130においてのみ外部空間と繋がる構成となる。このように、流路100の全方位を閉じることによって、送液中に反応溶液が揮発することを抑制できる。
By placing the
なお、第2基板20の材料はガラスに限らず、樹脂又はシリコンであってもよい。
The material of the
[ヒータ部]
図1〜図3に示すように、ヒータ部140は少なくとも反応部110に配置されており、反応部110の流路100に送液される反応溶液は、ヒータ部140によって所定の温度が付与される。[Heater part]
As shown in FIGS. 1 to 3, the
本実施の形態において、反応部110には、ヒータ部140として、所定の異なる温度に設定された第1ヒータブロック141及び第2ヒータブロック142が配置される。つまり、反応部110には、第1ヒータブロック141及び第2ヒータブロック142の2つのヒータブロックによって所定の異なる温度に設定された2つの温度領域が存在する。
In the present embodiment, the
なお、第1ヒータブロック141及び第2ヒータブロック142は、例えば直方体のアルミニウムやステンレス等の金属からなる金属ブロックを用いたヒータである。ヒータ部140としては、ヒータブロック以外に、ガラス基板上に金属薄膜を印刷等により形成した金属薄膜ヒータ等を用いることもできる。
The
第1温度に設定された第1ヒータブロック141が配置された領域は、第1温度領域である。また、第2温度に設定された第2ヒータブロック142が配置された領域は、第1温度領域とは異なる温度領域である第2温度領域である。
The region where the
本実施の形態では、第1ヒータブロック141の温度が第2ヒータブロック142の温度よりも高くなるように設定されている。つまり、第1ヒータブロック141が配置された領域は高温領域であり、第2ヒータブロック142が配置された領域は低温領域である。
In the present embodiment, the temperature of the
高温領域である第1ヒータブロック141の温度は、反応溶液が蒸発しない温度である90℃〜98℃であり、本実施の形態では、核酸増幅反応の変性反応温度である約95℃としている。一方、低温領域である第2ヒータブロック142の温度は、例えば50℃〜75℃であり、本実施の形態では、アニール・伸長反応温度である約60℃としている。
The temperature of the
図3に示すように、ヒータ部140は温度制御部210に接続されている。これにより、第1ヒータブロック141及び第2ヒータブロック142の各温度は、温度制御部210によって制御することができる。
As shown in FIG. 3, the
第1ヒータブロック141と第2ヒータブロック142とは所定の隙間をあけて並べられている。第1ヒータブロック141及び第2ヒータブロック142の上には第1基板10が配置される。具体的には、流路100における主流路100aが第1ヒータブロック141と第2ヒータブロック142とを跨ぐようにして第1基板10がヒータ部140に載置される。これにより、流路100は、2つの温度領域を複数サイクルで往復するように構成される。
The
この構成により、図5に示すように、導入部120から反応溶液300を導入したときに、反応溶液300は、反応部110における2つの温度領域(第1ヒータブロック141及び第2ヒータブロック142)を交互に繰り返して通過するように排出部130に送液される。つまり、流路100を流れる反応溶液300に対してヒートサイクルを付与することができる。
With this configuration, as shown in FIG. 5, when the
ここで、本発明の実施の形態に係るマイクロ流体デバイス1を用いた核酸増幅方法について、図1〜図4を参照しながら説明する。
Here, a nucleic acid amplification method using the
まず、図4に示すように、ピペットを用いて反応溶液300を導入部120に注入する。本実施の形態では、標的核酸を含む反応溶液と反応試薬とを予め混合しておいた溶液を反応溶液としてマイクロ流体デバイス1の導入部120に導入している。
First, as shown in FIG. 4, the
導入部120に導入された反応溶液300は、流路100(導入流路100c)を通って導入部120から反応部110に送液される。
The
反応部110に到達した反応溶液は、第1ヒータブロック141と第2ヒータブロック142とを繰り返して往復するように主流路100a及び副流路100bを通ることになる。つまり、反応溶液は、ヒータ部140の高温領域(第1ヒータブロック141)と低温領域(第2ヒータブロック142)とを往復しながら送液されるので、加熱と冷却とが交互に繰り返されることになる。これにより、反応溶液に含まれる標的核酸は、高温領域での変性反応と低温領域でのアニール・伸長反応との繰り返しにより増幅する。このように、送液しながら反応溶液を昇降温させることができるので、非常に高速なフローPCRを実現することができる。したがって、反応溶液に含まれる標的核酸を高速に増幅させることができる。
The reaction solution that has reached the
その後、反応溶液は、排出流路100dを通って反応部110から排出部130へと送液される。本実施の形態では、導入部120に導入された反応溶液の先端が排出部130に到達したときに、標的核酸を含む溶液(本実施形態では反応溶液)の導入部120への導入を停止させており、このときに流路100内に反応溶液が充填されることになる。なお、排出部130に到達した反応溶液は排出部130から随時排出される。
Thereafter, the reaction solution is sent from the
このようにして反応溶液は流路100内を進行する。なお、本実施の形態では、流路100は、反応溶液を毛管力(キャピラリ力)により送液する毛管力運搬機構として、接触角θが鋭角である親水性表面の壁面を有する。具体的には、反応溶液300の送液方向に垂直な断面における溝部13の底部及び両側部の3つの壁面にシリコン酸化膜が形成されている。シリコン酸化膜を形成することによって溝部13の表面を親水化することができ、流路100の内壁面を親水性表面とすることができる。
In this way, the reaction solution proceeds in the
これにより、反応溶液は、気液界面に生じる毛管力によって流路100内を自送液(Self−propelled flow)されるので、流路100内の自動的に進行する。つまり、反応溶液は、自動搬送によって流路100内に送液されながら反応部110において周期的な温度変化が与えられる。
As a result, the reaction solution is self-propelled (Self-propelled flow) in the
なお、流路100の壁面の一部が親水性表面であればよいが、送液方向に垂直な断面における流路100の壁面全周が親水性表面である方がよい。この場合、第1基板10の溝部13の表面だけでなく、第2基板20の表面(内面)も親水性表面にすればよい。流路100の断面における壁面の親水性表面の割合が大きいほど、反応溶液に対する毛管力を大きくすることができる。
Note that a part of the wall surface of the
[特徴構成及び作用効果]
次に、本発明の実施の形態に係るマイクロ流体デバイス1の特徴構成及び作用効果について、図6A、図6B及び図7を用いて説明する。図6Aは、本発明の実施の形態に係るマイクロ流体デバイスにおける流路の要部拡大平面図であり、図3における実線で囲まれる部分Pの拡大図である。図6Bは、図6AのX−X’線における本発明の実施の形態に係るマイクロ流体デバイスにおける流路の断面図である。図7は、本発明の実施の形態に係るマイクロ流体デバイスにおける流路の特性を示す図である。[Characteristic configuration and effects]
Next, the characteristic configuration and operational effects of the
図6A及び図6Bに示すように、本実施の形態におけるマイクロ流体デバイス1では、第1温度領域A1と第2温度領域A2との間の中間領域A3における流路100(主流路100a)の断面積が、第1温度領域A1及び第2温度領域A2における流路100(主流路100a)の断面積よりも小さくなっている。
As shown in FIGS. 6A and 6B, in the
具体的には、中間領域A3における流路100の幅W3が、第1温度領域A1における流路100の幅W1及び第2温度領域A2における流路100の幅W2よりも小さくなっている(W3<W1,W2)。つまり、流路100(主流路100a)が中間領域A3においてくびれた構造となっている。Specifically, the width W 3 of the
なお、本実施の形態において、第1温度領域A1における流路の幅W1と第2温度領域A2における流路100の幅W2とは同じである(W1=W2)。In the present embodiment, the width W 1 of the flow path in the first
また、第1温度領域A1における流路100の深さD1と、第2温度領域A2における流路100の深さD2と、中間領域A3における流路100の深さD3とは、いずれも同じである(D1=D2=D3)。つまり、第1温度領域A1、第2温度領域A2及び中間領域A3において、流路100の深さは送液方向に沿って一定である。Further, the depth D 1 of the
第1温度領域A1は、第1ヒータブロック141が配置された領域である。したがって、第1温度領域A1の温度は、第1ヒータブロック141によって設定された温度である。
The first temperature region A1 is a region where the
第2温度領域A2は、第2ヒータブロック142が配置された領域である。したがって、第2温度領域A2の温度は、第2ヒータブロック142によって設定された温度である。
The second temperature region A2 is a region where the
中間領域A3は、第1ヒータブロック141と第2ヒータブロック142との間の領域である。つまり、中間領域A3は、第1ヒータブロック141も第2ヒータブロック142も存在しない領域である。中間領域A3の温度は、第1ヒータブロック141によって設定された温度と第2ヒータブロック142によって設定された温度との中間の温度となる。すなわち、中間領域A3は、中間温度領域である。
The intermediate area A3 is an area between the
第1温度領域A1及び第2温度領域A2は、マイクロ流体デバイス1に導入される反応溶液の反応には寄与する領域である。例えば、マイクロ流体デバイス1によってフローPCRを実現する場合、第1温度領域A1及び第2温度領域A2によって核酸に対して温度サイクルを付与する。一方、中間領域A3は、当該反応溶液の反応に寄与しない領域である。
The first temperature region A1 and the second temperature region A2 are regions that contribute to the reaction of the reaction solution introduced into the
このように構成される流路100は、図7に示すような特性となっている。なお、図7において、第1温度領域A1、第2温度領域A2及び中間領域A3における反応溶液300の流速をそれぞれ、v1、v2及びv3とし、第1温度領域A1、第2温度領域A2及び中間領域A3における流路100の断面積をそれぞれ、S1、S2及びS3としている。The
図7に示すように、S1/S3(S2/S3)とv3/v1(v3/v2)とは、正比例の正の相関関係を有する。本実施の形態では、S1/S3(S2/S3)=v3/v1(v3/v2)である。As shown in FIG. 7, S 1 / S 3 (S 2 / S 3 ) and v 3 / v 1 (v 3 / v 2 ) have a positive correlation that is directly proportional. In the present embodiment, S 1 / S 3 (S 2 / S 3 ) = v 3 / v 1 (v 3 / v 2 ).
したがって、例えば、第1温度領域A1における流路100の断面積S1が中間領域A3における流路100の断面積S3の2倍になると、第1温度領域A1における反応溶液300の速度v1は、中間領域A3における反応溶液300の速度v3の1/2倍となる。Thus, for example, the cross-sectional area S 1 of the
以上、本実施の形態におけるマイクロ流体デバイス1によれば、中間領域A3における流路100の断面積が第1温度領域A1及び第2温度領域A2における流路100の断面積よりも小さくなっている。
As described above, according to the
これにより、反応溶液300が流路100(主流路100a)を上流から下流に流れる際に、反応溶液300が中間領域A3に存在する時間を短くすることができる。この結果、不要な中間領域A3の存在する場合であっても、中間領域A3において反応溶液300が非特異反応を誘発するおそれを抑制できる。したがって、非特異反応による反応効率の低下を抑制できる。
Thereby, when the
また、本実施の形態では、反応溶液として標的核酸を含む溶液を用いており、流路100が第1温度領域A1と第2温度領域A2とを交互に繰り返して通過するように構成されている。したがって、非特異反応による核酸増幅の増幅効率の低下を抑制できるので、高効率のフローPCRを実現することができる。つまり、高効率の核酸増幅を実現できる。
In the present embodiment, a solution containing the target nucleic acid is used as the reaction solution, and the
また、本実施の形態では、第1温度領域A1、第2温度領域A2及び中間領域A3における流路100の深さを送液方向に沿って一定とし、流路100の幅を調整することで中間領域A3における流路100の断面積を他の部分よりも小さくしている。これにより、エッチング等によって流路100を容易に作製することができる。
In the present embodiment, the depth of the
さらに、流路100の深さを一定にすることによって、流路100の上方からレーザ光をスキャンして光学測定を行う際に測定光の光路長を一定に保つことができる。これにより、測定精度を向上させることができる。例えば、核酸の増幅量を精度よく算出することができる。
Furthermore, by making the depth of the
(変形例)
以下、上記実施の形態におけるマイクロ流体デバイスの変形例について説明する。(Modification)
Hereinafter, modifications of the microfluidic device in the above embodiment will be described.
(変形例1)
図8Aは、本発明の変形例1に係るマイクロ流体デバイスにおける流路の要部拡大平面図であり、図8Bは、図8AのX−X’線における本発明の変形例1に係るマイクロ流体デバイスにおける流路の断面図である。(Modification 1)
8A is an enlarged plan view of the main part of the flow path in the microfluidic device according to the first modification of the present invention, and FIG. 8B is a microfluidic according to the first modification of the present invention along the line XX ′ in FIG. 8A. It is sectional drawing of the flow path in a device.
本変形例におけるマイクロ流体デバイスでは、上記実施の形態におけるマイクロ流体デバイス1と同様に、中間領域A3における流路100(主流路100a)の断面積が、第1温度領域A1及び第2温度領域A2における流路100(主流路100a)の断面積よりも小さくなっている。
In the microfluidic device in the present modification, as in the
本変形例におけるマイクロ流体デバイスが上記実施の形態におけるマイクロ流体デバイス1と異なる点は、上記実施の形態では、流路100の断面積が流路100の幅によって調整されていたのに対して、本変形例では、流路100の断面積が流路100の深さによって調整されている。
The microfluidic device in this modification differs from the
具体的には、図8Bに示すように、中間領域A3における流路100の深さD3が、第1温度領域A1における流路100の深さD1及び第2温度領域A2における流路100の深さD2よりも浅くなっている(D3<D1,D2)。なお、本実施の形態において、第1温度領域A1における流路の深さDと第2温度領域A2における流路100の深さD2とは同じである(D1=D2)。Specifically, as shown in FIG. 8B, the depth D 3 of the
また、図8Aに示すように、第1温度領域A1、第2温度領域A2及び中間領域A3において流路100の幅は一定であり、第1温度領域A1における流路100の幅W1と、第2温度領域A2における流路100の幅W2と、中間領域A3における流路100の幅W3とはいずれも同じである(W1=W2=W3)。Further, as shown in FIG. 8A, the width of the
以上、本変形例におけるマイクロ流体デバイスによれば、上記実施の形態におけるマイクロ流体デバイス1と同様に、中間領域A3における流路100の断面積が第1温度領域A1及び第2温度領域A2における流路100の断面積よりも小さくなっている。
As described above, according to the microfluidic device in the present modification, the cross-sectional area of the
これにより、上記実施の形態と同様に、反応溶液300が中間領域A3に存在する時間を低減することができるので、反応溶液300の非特異反応による反応効率の低下を抑制できる。
Thereby, since the time for which the
(変形例2)
図9Aは、本発明の変形例2に係るマイクロ流体デバイスにおける流路の要部拡大平面図であり、図9Bは、図9AのX−X’線における本発明の変形例2に係るマイクロ流体デバイスにおける流路の断面図である。(Modification 2)
9A is an enlarged plan view of the main part of the flow path in the microfluidic device according to the second modification of the present invention, and FIG. 9B is a microfluidic according to the second modification of the present invention along the line XX ′ in FIG. 9A. It is sectional drawing of the flow path in a device.
本変形例におけるマイクロ流体デバイスでは、上記実施の形態におけるマイクロ流体デバイス1と同様に、中間領域A3における流路100(主流路100a)の断面積が、第1温度領域A1及び第2温度領域A2における流路100(主流路100a)の断面積よりも小さくなっている。
In the microfluidic device in the present modification, as in the
本変形例におけるマイクロ流体デバイスが上記実施の形態におけるマイクロ流体デバイス1と異なる点は、上記実施の形態では、流路100の断面積が流路100の幅によって調整されていたのに対して、本変形例では、流路100の断面積がピラー160によって調整されている。
The microfluidic device in this modification differs from the
具体的には、図9A及び図9Bに示すように、中間領域A3の流路100内に円柱状のピラー160を複数本立てている。これにより、ピラー160が存在する分だけ、第1温度領域A1及び第2温度領域A2よりも中間領域A3の流路100の断面積を小さくすることができる。
Specifically, as shown in FIGS. 9A and 9B, a plurality of
なお、第1温度領域A1、第2温度領域A2及び中間領域A3における流路100の深さは送液方向に沿って一定である。
In addition, the depth of the
以上、本変形例におけるマイクロ流体デバイスによれば、上記実施の形態におけるマイクロ流体デバイス1と同様に、中間領域A3における流路100の断面積が第1温度領域A1及び第2温度領域A2における流路100の断面積よりも小さくなっている。
As described above, according to the microfluidic device in the present modification, the cross-sectional area of the
これにより、上記実施の形態と同様に、反応溶液300が中間領域A3に存在する時間を低減することができるので、反応溶液300の非特異反応による反応効率の低下を抑制できる。
Thereby, since the time for which the
また、本変形例のようにピラー160を設けることによって、反応溶液300中の試料及び試薬の拡散性を向上させることもできる。
Further, by providing the
(変形例3)
図10は、本発明の変形例3に係るマイクロ流体デバイスの流路を示す拡大平面図である。(Modification 3)
FIG. 10 is an enlarged plan view showing the flow path of the microfluidic device according to the third modification of the present invention.
本変形例におけるマイクロ流体デバイスでは、反応部110における流路100に、送液方向に沿って断面積が減少する領域が含まれている。具体的には、図10に示すように、反応部110における流路100の断面積を段階的に減少させている。図10では、流路100における複数のライン状の主流路100aの幅を反応溶液300の送液方向に沿ってラインごとに細くしている。なお、各ラインにおける主流路100aの幅及び深さは一定である。
In the microfluidic device in this modification, the
この構成により、流路100内に流れる反応溶液300の送液速度を一定に保つことができる。したがって、第1温度領域及び第2温度領域の各温度領域における反応溶液の存在時間を一定に保つことができるので、反応溶液の反応効率をさらに向上させることができる。また、流路100を直線状としているので、流路100の設計及び作製が容易である。
With this configuration, the liquid feeding speed of the
さらに、流路100の深さを一定にすることによって、エッチング等によって流路100を一括して容易に作製することができるとともに、流路100の上方からレーザ光をスキャンして光学測定を行う際に測定光の光路長を一定に保つことができるので、測定精度を向上させることができる。
Furthermore, by making the depth of the
なお、図示しないが、反応部110における流路100の断面積を単調減少させてもよい。この場合、流路100を、深さが送液方向に沿って一定で、かつ幅が漸次減少するような先細りテーパ構造とすることが考えられる。
Although not shown, the cross-sectional area of the
この構成により、圧力損失及びキャピラリ力を連続的に変化させることができるので、反応溶液の送液速度をより一定に保つことができる。したがって、反応溶液の反応効率を一層向上させることができる。 With this configuration, the pressure loss and the capillary force can be continuously changed, so that the liquid feeding speed of the reaction solution can be kept more constant. Therefore, the reaction efficiency of the reaction solution can be further improved.
(その他)
以上、本発明に係るマイクロ流体デバイスについて、実施の形態及び変形例に基づいて説明したが、本発明は、上記実施の形態及び変形例に限定されるものではない。(Other)
As described above, the microfluidic device according to the present invention has been described based on the embodiment and the modification. However, the present invention is not limited to the embodiment and the modification.
例えば、上記実施の形態及び変形例では、反応部110における流路100を蛇行流路として標的核酸を含む反応溶液に温度変化を繰り返し与えるフローPCRとしたが、フローPCRとせずに標的核酸を含む反応溶液に温度変化を繰り返し与えるようなPCRとしてもよい。但し、上記実施の形態のようにフローとした方が効率良くPCRを実施することができる。
For example, in the above-described embodiment and modification, the flow PCR in the
また、上記実施の形態及び変形例では、流路100を蛇行流路としたが、これに限らない。例えば、複数の高温領域(95℃)と複数の低温領域(60℃)とを交互にライン状に配列して、その上に直線状の流路が形成された基板を配置することによって、流路が高温領域と低温領域とを交互に通過するように構成してもよい。
Moreover, in the said embodiment and modification, although the
また、上記実施の形態及び変形例では、ヒータ部140は2つの温度領域としたが、互いに温度領域が異なる3つ以上の温度領域としてもよい。この場合、流路は、反応溶液が異なる複数の温度領域を周期的に通過するように構成されていればよい。
Moreover, in the said embodiment and modification, although the
また、上記実施の形態及び変形例では、複数の温度領域の各温度の設定は、ヒータブロックで行ったが、ペルチェ素子等の他の温度制御部材を用いて温度設定してもよい。 Moreover, in the said embodiment and modification, although the setting of each temperature of a several temperature area was performed with the heater block, you may set temperature using other temperature control members, such as a Peltier device.
また、上記実施の形態及び変形例では、反応溶液は毛管力によって流路100を送液したが、これに限らない。例えば、流路100にシリンジポンプをつないで、反応溶液を送液してもよい。但し、毛管力によって反応溶液を送液する方が、低コストかつ簡便に反応溶液を送液することができる。
Moreover, in the said embodiment and modification, although the reaction solution sent the
また、上記実施の形態及び変形例では、マイクロ流体デバイスを、PCR法を実施するための核酸増幅デバイスに適用する例について説明したが、上記実施の形態及び変形例におけるマイクロ流体デバイスを、被測定物質を検出するためのセンサデバイスに適用しても構わない。例えば、マイクロ流体デバイスを、イムノクロマト法を実施するためのセンサデバイスに適用することができる。 Further, in the above embodiment and the modification, the example in which the microfluidic device is applied to the nucleic acid amplification device for performing the PCR method has been described, but the microfluidic device in the above embodiment and the modification is measured. You may apply to the sensor device for detecting a substance. For example, the microfluidic device can be applied to a sensor device for performing an immunochromatography method.
この場合、マイクロ流体デバイスに導入する反応溶液には、被測定物質として細菌又はウイルスが含まれており、当該マイクロ流体デバイスは、反応溶液に含まれる被測定物質を検出する。細菌やウイルスは、それぞれ特徴あるDNAを持っている。したがって、その特徴あるDNAをターゲットとしたプライマを設計することにより、マイクロ流体デバイスを、細菌やウイルスの種類や量を検出するセンサとして用いることができる。例えば、導入された反応溶液中の抗原は抗体と免疫複合体を形成しながら流路100を移動し、流路100に予め用意されたキャプチャー抗体上に免疫複合体がトラップされる。これにより、反応溶液中の抗原を検出することができる。
In this case, the reaction solution introduced into the microfluidic device contains bacteria or viruses as the substance to be measured, and the microfluidic device detects the substance to be measured contained in the reaction solution. Bacteria and viruses each have characteristic DNA. Therefore, by designing a primer targeting the characteristic DNA, the microfluidic device can be used as a sensor for detecting the type and amount of bacteria and viruses. For example, the antigen in the introduced reaction solution moves through the
その他、各実施の形態及び変形例に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。 In addition, a form obtained by making various modifications conceived by those skilled in the art with respect to each embodiment and modification, and any combination of components and functions in the embodiment without departing from the spirit of the present invention Forms to be made are also included in the present invention.
1 マイクロ流体デバイス
10 第1基板
11 第1凹部
12 第2凹部
13 溝部
20 第2基板
21 第1貫通孔
22 第2貫通孔
100 流路
100a 主流路
100b 副流路
100c 導入流路
100d 排出流路
110 反応部
120 導入部
130 排出部
140 ヒータ部
141 第1ヒータブロック
142 第2ヒータブロック
160 ピラー
210 温度制御部
300 反応溶液DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記流路は、第1温度領域と中間領域と第2温度領域とを交互に繰り返して通過するように構成された蛇行流路であり、
前記第1温度領域と前記第2温度領域とは、温度制御部材によって所定の異なる温度に設定された領域であり、
前記第1温度領域と前記第2温度領域との間に位置する領域が前記中間領域であり、
前記中間領域は、温度制御部材による温度設定がされていない領域であり、
前記中間領域における前記流路の断面積は、前記第1温度領域及び前記第2温度領域における前記流路の断面積よりも小さい
マイクロ流体デバイス。 A microfluidic device comprising a flow path through which a reaction solution flows,
The flow path is a meandering flow path configured to alternately and repeatedly pass through the first temperature region, the intermediate region, and the second temperature region,
The first temperature region and the second temperature region are regions set to predetermined different temperatures by a temperature control member,
Region located between the first temperature region and the second temperature region is the middle region,
The intermediate region is a region where the temperature is not set by the temperature control member,
The microfluidic device, wherein a cross-sectional area of the channel in the intermediate region is smaller than a cross-sectional area of the channel in the first temperature region and the second temperature region.
前記反応溶液が前記蛇行流路を通過することによって、前記標的核酸がポリメラーゼ連鎖反応により核酸増幅する
請求項1に記載のマイクロ流体デバイス。 The reaction solution contains a target nucleic acid,
The microfluidic device according to claim 1, wherein the target nucleic acid is amplified by a polymerase chain reaction when the reaction solution passes through the meandering flow path.
当該マイクロ流体デバイスは、前記反応溶液に含まれる前記被測定物質を検出する
請求項1に記載のマイクロ流体デバイス。 The reaction solution contains bacteria or viruses as substances to be measured,
The microfluidic device according to claim 1, wherein the microfluidic device detects the substance to be measured contained in the reaction solution.
請求項1〜3のいずれか1項に記載のマイクロ流体デバイス。 The microfluidic device according to any one of claims 1 to 3 , wherein a width of the channel in the intermediate region is smaller than a width of the channel in the first temperature region and the second temperature region.
請求項1〜3のいずれか1項に記載のマイクロ流体デバイス。 The microfluidic device according to any one of claims 1 to 3 , wherein a cross-sectional area of the flow path is adjusted by a pillar provided in the flow path.
前記第1温度領域及び前記第2温度領域の各々における前記流路では、前記ライン状の主流路ごとに断面積が単調に減少している又は段階的に減少している
請求項1〜5のいずれか1項に記載のマイクロ流体デバイス。 The flow path is constituted by a plurality of line-shaped main flow paths formed so as to be continuously folded,
Wherein in the said flow path in each of the first temperature region and second temperature region, the line-shaped claim sectional area for each main channel are decreased and or stepwise decreased monotonically 1-5 The microfluidic device according to any one of the above.
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