JP6264595B2 - マイクロ流体デバイス - 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。
マイクロ流体デバイスは、反応溶液が流れる流路を有し、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る。マイクロ流体デバイスとしては、微小反応デバイス（マイクロリアクタ）、集積型ＤＮＡデバイス、又は、微小電気泳動デバイス等がある。
例えば、マイクロ流体デバイスは、流路を流れる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。
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知られているが、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。
例えば、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。
この構成により、反応溶液を蛇行流路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ので、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。
特開２００２−１８２７１号公報
しかしながら、流路を流れる反応溶液の送液速度にばらつきがある。具体的には、反応溶液の送液速度が流路の始点付近と終点付近とで異なる。この結果、反応部における反応溶液の反応時間がばらつくという課題がある。
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、流路を流れる反応溶液の反応時間を一律の長さに近づけることが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。
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と、前記反応溶液を前記流路に導入するための導入部とを有し、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温度領域とを交互に複数回繰り返して通過するように構成されており、前記流路における前記第１温度領域と前記第２温度領域との繰り返し単位部分の長さは、前記反応溶液の送液方向に沿って前記導入部から離れるほど短くなっている。
本発明によれば、流路を流れる反応溶液の反応時間のばらつきを抑制することができ、反応溶液の反応時間を一律の長さに近づけることができる。
図１は、実施の形態１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る。 図２は、実施の形態１に係るマイクロ流体デバイスの分解斜視図である。 図３は、実施の形態１に係るマイクロ流体デバイスの平面図である。 図４は、従来のマイクロ流体デバイスの概略構成を示す斜視図である。 図５は、流路を流れる反応溶液の送液距離と送液時間との関係を示す図である。 図６は、実施の形態１に係るマイクロ流体デバイスにおける温度サイクルを説明するための図である。 図７は、実施の形態１の変形例１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る。 図８は、実施の形態１の変形例２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る。 図９は、実施の形態２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る。 図１０は、実施の形態２の変形例１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る。 図１１は、実施の形態２の変形例２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る。 図１２は、実施の形態２の変形例３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る。
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（工程）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。
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。
（実施の形態１）
［マイクロ流体デバイスの概略構成］
実施の形態１に係るマイクロ流体デバイス１の構成について、図１〜図３を用いて説明する。図１は、実施の形態１に係るマイクロ流体デバイス１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１の分解斜視図であり、図３は、同マイクロ流体デバイス１の平面図である。
マイクロ流体デバイス１は、反応溶液２００が流れる流路１００を有するデバイス（マイクロ流路チップ）であり、流路１００を流れる反応溶液２００を反応させるための反応部１１０と、反応溶液２００を流路１００に導入するための導入部１２０と、反応溶液２００を排出するための排出部１３０とを備える。
流路１００は、少なくとも反応部１１０を通過するように設けられている。本実施の形態において、流路１００に導入された反応溶液２００は、流路１００内を毛管力（キャピラリ力）により送液される。例えば、流路１００の内面を、接触角が鋭角である親水性表面とすることによって、反応溶液２００を毛管力によって送液することができる。
また、流路１００は、反応溶液２００が一方通行的を流れる反応流路であり、１本で構成されている。流路１００は、一方の端部が導入部１２０に、他方の端部が排出部１３０にそれぞれ繋がっている。つまり、流路１００の一端が導入部１２０であり、流路１００の他端が排出部１３０である。
流路１００は、反応部１１０を通過するように構成されている。詳細は後述するが、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温度領域とを交互に複数回繰り返して通過するように構成されている。
さらに、流路１００における第１温度領域と第２温度領域との繰り返し単位部分の長さ（温度サイクルの流路長）は、反応溶液２００の送液方向に沿って導入部１２０から離れるほど短くなっている。つまり、流路１００における第１温度領域と第２温度領域との繰り返し単位部分の長さが下流側ほど短くなっている。
図２及び図３に示すように、本実施の形態において、流路１００は、反応部１１０に設けられた流路である主流路１００ａと、反応溶液２００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１００ｂと、反応溶液２００を反応部１１０から排出部１３０までに導くための排出流路１００ｃとを有する。
図３に示すように、主流路１００ａは、蛇行するように形成された蛇行流路であり、屈曲部として複数の折り返し部を有する。主流路１００ａ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。つまり、主流路１００ａは、異なる温度に設定された第１温度領域と第２温度領域とを往復するように複数サイクルで折り返されており、複数の直線部（直線状の部分）と、複数の直線部を接続する複数の屈曲部（折り返し部）とを有する。主流路１００ａの折り返し回数は、例えば２０〜７０サイクル程度である。なお、図３では、１０サイクル回程度しか図示されていない。
反応部１１０は、マイクロ流体デバイス１に導入された反応溶液２００を反応させるための領域である。反応部１１０には、所定の異なる温度に設定された少なくとも２つ以上の温度領域が存在する。
反応溶液２００（反応流体）は、例えば、試料となる標的核酸を含む溶液である。具体的には、反応溶液２００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２００に含まれる標的核酸が増幅する。なお、反応溶液２００には、アルコールや界面活性剤等が含まれていてもよい。
導入部１２０は、試料となる標的核酸を含む反応溶液２００が導入される試料導入口（インレット）である。導入部１２０は、流路１００の始点になっている。つまり、導入部１２０は、反応溶液２００の送液の始点となる。
排出部１３０は、反応部１１０で増幅された標的核酸を含む反応溶液２００を排出するための試料排出口（ドレイン）である。排出部１３０は、流路１００の終点になっている。つまり、排出部１３０は、反応溶液２００の送液の終点となる。なお、反応溶液２００は、排出部１３０から排出しなくてもよい。
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。一例として、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。この場合、反応溶液には、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。本実施の形態では、反応溶液が流路１００を通過することで反応溶液に含まれる標的核酸がＰＣＲにより核酸増幅する。
反応部１１０に設けられた流路１００（主流路１００ａ）は、所定の異なる温度に設定された少なくとも２つ以上の温度領域を複数サイクルで往復して通過するように構成されており、主流路１００ａを流れる反応溶液２００は、ヒータ部１４０によって温度サイクルが付与される。２つ以上の温度領域には、第１温度に設定された領域である第１温度領域（低温領域）と、第１温度よりも高い第２温度に設定された領域である第２温度領域（高温領域）とが含まれている。具体的に、主流路１００ａは、低温領域（第１ヒータブロック１４１）と高温領域（第２ヒータブロック１４２）とを交互に繰り返して通過するように構成されている。
さらに、主流路１００ａでは、第１ヒータブロック１４１に対応する第１温度領域（低温領域）と第２ヒータブロック１４２に対応する第２温度領域（高温領域）との繰り返し単位部分の長さが導入部１２０から離れるほど短くなっている。つまり、第１温度領域（低温領域）と第２温度領域（高温領域）との繰り返し単位は、導入部１２０に近づくほど長くなっており、排出部１３０に近づくほど短くなっている。なお、第１温度領域（低温領域）と第２温度領域（高温領域）との繰り返し単位は、ＰＣＲサイクルに対応した繰り返し単位であり、例えば、図３では、主流路１００ａのＰ１からＰ２までの１サイクル長さ、主流路１００ａのＰ２からＰ３までの１サイクル長さ、・・・、及び、主流路１００ａのＰ９からＰ１０までの１サイクル長さに対応する。
このように、ＰＣＲサイクルに対応した繰り返し単位を導入部１２０から離れるほど短くするために、本実施の形態では、主流路１００ａの蛇行流路における繰り返し単位の長さを変更することで実現している。すなわち、蛇行流路の繰り返し単位部分の長さ（流路長）を、反応溶液２００の送液方向に沿って、導入部１２０に近づくほど長くしており、排出部１３０に近づくほど短くしている。
具体的には、蛇行流路を構成する主流路１００ａでは、第１温度領域（低温領域）及び第２温度領域（高温領域）の一方から他方に向かう主流路１００ａの一部分を繰り返し単位としており、本実施の形態では、図３における主流路１００ａの直線部が繰り返し単位となっている。つまり、本実施の形態では、主流路１００ａにおける第１温度領域と第２温度領域との繰り返し単位部分の長さは、主流路１００ａの連続する２つの折り返し部の間の直線部の長さ（流路長）になっている。したがって、主流路１００ａの直線部の長さ（直線部を介して連続する２つの折り返し部の間の長さ）が、導入部１２０から離れるほど短くなっている。
なお、繰り返し単位部分の主流路１００ａは、第１温度領域部分の長さも第２温度領域部分の長さも導入部１２０から離れるほど短くなっているが、これに限らない。例えば、第１温度領域部分及び第２温度領域部分のいずれか一方が一定の長さであり、かつ、他方の長さが導入部１２０から離れるほど短くなっていてもよい。
また、本実施の形態では、反応部１１０において、主流路１００ａにおける第１温度領域と第２温度領域との繰り返し単位部分の長さは、排出部１３０に近づくに従って漸次短くなっているが、流路１００の途中に、前後２つの繰り返し単位の流路長が同じ又は多少長くなっている箇所があってもよい。つまり、主流路１００ａにおける第１温度領域と第２温度領域との繰り返し単位部分の長さは、主流路１００ａ全体として、排出部１３０に近づくに従って短くなっていればよい。
以下、マイクロ流体デバイス１を構成する具体的な構成部材について、図１〜図３を用いてさらに詳述する。
図１及び図２に示すように、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。なお、マイクロ流体デバイス１は、ヒータ部１４０を含まず、第１基板１０と第２基板２０とで構成されていてもよい。
［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、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＣＯＰ（シクロオレフィンポリマー）又はアクリル等の樹脂基板を用いることができる。
第１凹部１１及び第２凹部１２は、例えば円形開口の凹部である。溝部１３には反応溶液２００が流れる。つまり、溝部１３は、流路１００を構成している。具体的には、溝部１３は、主流路１００ａ、導入流路１００ｂ及び排出流路１００ｃを構成しており、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。これにより、第１凹部１１（導入部１２０）に反応溶液２００が導入されると、反応溶液２００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。
本実施の形態において、主流路１００ａを構成する溝部１３の内面は、親水性となっている。具体的には、主流路１００ａを構成する溝部１３の内面は、界面活性剤による表面処理が施されて親水性となっている。例えば、溝部１３の底面及び側面に界面活性剤をコーティングして親水化処理を施すことで、溝部１３の内面に親水性膜を形成することができる。なお、導入流路１００ｂ及び排出流路１００ｃを構成する溝部１３の内面も主流路１００ａと同様に親水性となっている。
流路１００は、流路幅がマイクロオーダのマイクロ流路である。本実施の形態において、流路１００の流路幅は、一定である。具体的には、主流路１００ａ、導入流路１００ｂ及び排出流路１００ｃを構成する溝部１３は、断面形状が矩形状であって、幅及び深さが一定である。なお、流路１００（溝部１３）の幅及び深さは一定でなくてもよい。
一例として、主流路１００ａ、導入流路１００ｂ及び排出流路１００ｃを構成する溝部１３は、流路幅（溝幅）が５０〜５００μｍであり、深さが５０〜１５０μｍであり、流路長が５００〜３０００ｍｍである。流路１００（溝部１３）の流路幅、深さ、流路長は、上記の範囲に限るものではない。
なお、第１基板１０は、樹脂基板に限らず、ガラス基板又はシリコン基板等であってもよい。第１基板としてシリコン基板を用いることで、主流路１００ａを構成する溝部１３の内面にシリコン酸化膜を容易に形成することができる。シリコン酸化膜は親水性を有するので、主流路１００ａ（溝部１３）の壁面（内面）にシリコン酸化膜を形成することによって、主流路１００ａの内面を親水化することができる。また、第１基板１０は、透明基板等の透光性基板及び不透光性基板のいずれであってもよい。また、溝部１３の断面形状は、矩形に限らず、半円形又は逆三角形であってもよい。
［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、例えば透明樹脂基板又はガラス基板等を用いることができる。
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。
第１基板１０上に第２基板２０を載置することによって、第１基板１０の溝部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２００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（四方が壁で覆われた構成）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の全方位を封止することによって、流路１００における毛管力を増強させることができるとともに、送液中に反応溶液２００が揮発することを抑制できる。
なお、第２基板２０は、樹脂基板又はガラス基板に限らず、シリコン基板等であってもよい。また、第２基板２０は、透明基板でなくてもよい。
［ヒータ部］
ヒータ部１４０は、流路１００を流れる反応溶液２００を加熱するための加熱装置である。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（主流路１００ａ）に送液される反応溶液２００は、ヒータ部１４０によって所定の温度が付与される。
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とを備えている。したがって、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。
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。
本実施の形態では、第２ヒータブロック１４２の温度（第２温度）が第１ヒータブロック１４１の温度（第１温度）よりも高くなるように設定されている。つまり、第２ヒータブロック１４２が配置された領域が高温領域であり、第１ヒータブロック１４１が配置された領域が低温領域である。
低温領域に対応する第１ヒータブロック１４１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。一方、高温領域に対応する第２ヒータブロック１４２の温度は、例えば９３℃〜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。
ヒータ部１４０は、温度制御部（不図示）に接続される。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、温度制御部によって制御することができる。
第１ヒータブロック１４１と第２ヒータブロック１４２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とを交互に跨ぐようにして第１基板１０がヒータ部１４０に載置される。これにより、主流路１００ａ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。つまり、主流路１００ａは、第１ヒータブロック１４１（低温領域）と第２ヒータブロック１４２（高温領域）とを交互に繰り返して通過する。
［マイクロ流体デバイスの特徴］
次に、マイクロ流体デバイス１の特徴について、本発明に至った経緯も含めて説明する。
図４は、従来のマイクロ流体デバイス１０００の概略構成を示す斜視図である。
図４に示すように、従来のマイクロ流体デバイス１０００の流路１１００は、上記実施の形態１におけるマイクロ流体デバイス１の流路１００と同様に、異なる温度に設定された第１温度領域と第２温度領域とを交互に複数回繰り返して通過する蛇行流路となっているが、上記実施の形態１におけるマイクロ流体デバイス１の流路１００と異なり、流路１００における第１温度領域と第２温度領域との繰り返し単位部分の長さ（温度サイクルの流路長）が一定になっている。
また、従来のマイクロ流体デバイス１０００は、上記実施の形態１におけるマイクロ流体デバイス１と同様に、毛管力によって反応溶液を送液する。
この場合、図５に示すように、流路１１００を流れる反応溶液の送液距離と送液時間とは、送液距離が長くなるほど送液時間が長くなる。しかしながら、反応溶液と送液距離と送液時間とは比例せずに、送液距離が長くなるにしたがって、単位送液距離あたりの送液時間が徐々に長くなっている。言い換えると、送液距離が長くなるにしたがって、単位送液時間あたりの送液距離が短くなっている。つまり、送液距離が長くなるにつれて、送液速度が徐々に遅くなっていることが分かる。これは、流路１１００の内壁の抵抗が増加して、徐々に速度が遅くなるからであると考えられる。
この結果、流路１００では、送液の始点付近（導入部１２０付近）においては、送液速度が速いために反応溶液は速く流れることになるが、送液の終点（排出部１３０）に近づくにつれて送液速度が徐々に遅くなっていき、反応溶液の流れが遅くなる。
このように、マイクロ流体デバイス１０００では、流路１１００を流れる反応溶液の送液速度にばらつきがある。具体的には、反応溶液の送液速度が流路１１００の始点付近と終点付近とで異なる。
この結果、流路１１００の始点付近と終点付近とで反応時間が異なり、流路全域の反応溶液に対して均一な反応を行うことができないという問題が生じる。あるいは、核酸増幅の反応を十分に行うために始点付近の反応時間を十分に確保した場合には、終点付近の反応時間が必要以上に長くなってしまい、送液完了までの時間が長くなるという問題が生じる。
そこで、本発明者らは、反応溶液の送液速度のばらつきを抑制できる方法を鋭意検討した結果、流路における第１温度領域と第２温度領域との繰り返し単位部分の長さを調整することによって送液の始点付近と終点付近との反応速度を近づけることができることを見出した。
具体的には、図１及び図３に示すように、所定の異なる温度に設定された第１温度領域と第２温度領域とを交互に複数回繰り返して通過するように構成された流路１００に対して、第１温度領域と第２温度領域との繰り返し単位部分の長さ（流路長）を、反応溶液２００の送液方向に沿って導入部１２０から離れるほど短くした。
ここで、本実施の形態におけるマイクロ流体デバイス１の特徴について、図１〜図３を参照しながら、図６を用いて説明する。図６は、実施の形態１に係るマイクロ流体デバイス１における温度サイクルを説明するための図である。なお、本実施の形態では、マイクロ流体デバイス１を核酸増幅デバイスとして用いた場合について説明する。
まず、試料となる標的核酸とこの標的核酸を増幅させるための反応試薬とをマイクロ流体デバイス１の導入部１２０に導入する。例えば、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２００として、図１に示すように、この反応溶液２００を、ピペットを用いて導入部１２０に注入する。
導入部１２０に導入された反応溶液２００は、流路１００を通って導入部１２０から反応部１１０に送液される。具体的には、反応溶液２００は、導入流路１００ｂを流れて反応部１１０の主流路１００ａに送液される。
反応部１１０では、反応溶液２００に周期的な温度変化が与えられて反応溶液２００に含まれる標的核酸が増幅する。
具体的には、反応部１１０に到達した反応溶液２００は、図６に示すように、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流路１００（主流路１００ａ）を通ることになる。つまり、反応溶液２００は、反応部１１０における低温領域（第１ヒータブロック１４１）と高温領域（第２ヒータブロック１４２）との２つの温度領域を交互に繰り返して順次通過するように送液されるので、加熱と冷却とが交互に繰り返して付与されることになる。これにより、流路１００（主流路１００ａ）を流れる反応溶液２００に対してヒートサイクルを付与することができるので、反応溶液２００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２００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２００に含まれる標的核酸を高速に増幅させることができる。
この場合、本実施の形態では、図３に示すように、設定温度の異なる第１温度領域と第２温度領域との繰り返し単位部分の流路１００の長さが反応溶液２００の送液方向に沿って導入部１２０から離れるほど短くなっている。
つまり、図６に示すように、第１温度領域（第１ヒータブロック１４１に対応する領域）と第２温度領域（第２ヒータブロック１４２に対応する領域）との繰り返し単位部分の流路１００の長さは、送液速度が速い送液の始点付近（導入部１２０付近）ほど長くなっており、送液速度が遅い送液の終点付近（排出部１３０付近）に近づくにつれて徐々に短くなっている。
これにより、反応部１１０において、第１温度領域と第２温度領域との繰り返し単位部分の流路１００において反応溶液２００が存在する時間のばらつきが、各繰り返し単位部分においてより小さくなる。したがって、反応部１１０の全域において反応溶液２００の反応時間を一律の長さに近づけることができる。
この結果、流路全域の反応溶液２００に対して均一な反応を与えることができる。また、核酸増幅の反応を十分に行うために始点付近の反応時間を十分に確保した場合であっても、終点付近での必要以上な過剰な反応時間を削減することができるので、送液完了までの時間を短くすることができる。
なお、図６に示される第１ヒータブロック１４１及び第２ヒータブロック１４２の領域は、各ヒータブロックそのものの大きさ（幅）を表したものではなく、各ヒータブロックを通過する流路１００（主流路１００ａ）の流路長を模式的に表したものである。
本実施の形態におけるマイクロ流体デバイス１では、以上のようにして反応溶液２００が導入部１２０から排出部１３０へと送液される。
なお、反応溶液２００の先頭が排出部１３０に到達したときに、反応溶液２００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の全体に反応溶液２００が行き渡って流路１００内に反応溶液２００が充填されることになる。
また、本実施の形態において、反応溶液２００は、流路１００内を進行する際、上述のとおり、流路１００内を毛管力により送液される。例えば、流路１００（主流路１００ａ、導入流路１００ｂ、排出流路１００ｃ）の内面を親水性表面にすることで、反応溶液２００を毛管力によって送液することができる。このように、反応溶液２００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内を自動的に進行する。
したがって、反応部１１０では、反応溶液２００が流路１００（主流路１００ａ）内を毛管力により送液されながら反応溶液２００に含まれる標的核酸が増幅する。つまり、反応溶液２００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て、標的核酸が増幅する。
なお、流路１００（主流路１００ａ、導入流路１００ｂ及び排出流路１００ｃ）は、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２００に対する毛管力を大きくすることができる。
また、反応溶液２００が流路１００の全域に行き渡った後は、反応溶液２００に含まれる標的核酸の増幅量を検出する。この場合、例えば、光学検出装置によって非接触で標的核酸の増幅量を検出する。具体的には、反応部１１０における主流路１００ａの直線部と交差する方向にレーザ光をスキャンするとともに反射光を受光する。そして、受光した反射光に基づいて主流路１００ａ内の反応溶液中における標的核酸の増幅量を算出する。
これにより、第１ヒータブロック１４１と第２ヒータブロック１４２とを往復する主流路１００ａのサイクルに応じた核酸の増幅曲線を取得することができる。つまり、主流路１００ａ上をレーザ光でスキャンすることによって、主流路１００ａのサイクル毎の核酸の増幅量を、増幅曲線として検出することができる。具体的には、ＰＣＲサイクルの増加に従って核酸の増幅量が増加する増幅曲線が得られる。
一例として、青色光のレーザ光を反応溶液に照射することによって、青色光を励起光として蛍光発光した緑色光が反射光として戻るように構成することができる。この緑色光（反射光）の蛍光量は、核酸の増幅量に応じて変化する。したがって、緑色光の蛍光量を測定することで核酸の増幅量を算出することができる。
［まとめ］
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、所定の異なる温度に設定された第１温度領域と第２温度領域との繰り返し単位部分の流路１００の長さが反応溶液２００の送液方向に沿って導入部１２０から離れるほど短くなっている。
これにより、流路１００を流れる反応溶液２００の反応時間のばらつきを抑制することができるので、反応部１１０における反応溶液２００の反応時間を一律の長さに近づけることができる。したがって、反応部１１０の流路１００の全域において、反応溶液２００の反応時間の均一化を図ることができる。
また、本実施の形態において、反応溶液２００は、流路１００内を毛管力によって送液される。
毛管力によって反応溶液２００を送液すると、反応溶液２００の送液速度が流路１００の始点付近と終点付近とで異なるが、本実施の形態のように、第１温度領域と第２温度領域との繰り返し単位部分の流路１００の長さを導入部１２０から離れるほど短くすることで、始点付近と終点付近との送液速度の違いを吸収することができる。つまり、始点付近と終点付近とで送液速度が異なっていても、反応部１１０における反応溶液２００の反応時間を一律の長さに近づけることができる。
なお、本実施の形態では、導入部１２０と排出部１３０とをマイクロ流体デバイス１の一方の端部にまとめて配置したが、導入部１２０（始点）と排出部１３０（終点）とを異なる位置に配置してもよい。例えば、図７に示すように、マイクロ流体デバイス１Ａの一方の端部に導入部１２０を配置し、マイクロ流体デバイス１Ａの他方の端部に排出部１３０を配置してもよい。
また、本実施の形態では、主流路１００ａを蛇行流路としたが、これに限るものではない。例えば、図８に示すマイクロ流体デバイス１Ｂのように、主流路１００ａを直線状の直線流路にしてもよい。この場合、第１温度領域と第２温度領域との繰り返し単位部分の主流路１００ａの長さを導入部１２０から離れるほど短くするために、複数の第１ヒータブロック１４１（第１温度領域）及び複数の第２ヒータブロック１４２（第２温度領域）の送液方向の長さ（幅）を、導入部１２０から離れるほど小さくするとよい。
ただし、図３のように主流路１００ａを蛇行流路とする方が、より小さなスペースでより長い流路長を確保することができるので、より小型のマイクロ流体デバイスを実現することができる。また、主流路１００ａを蛇行流路にすることで、１つの第１ヒータブロック１４１と１つの第２ヒータブロック１４２との間を繰り返して往復させるだけで、主流路１００ａにおける第１温度領域と第２温度領域との繰り返し単位部分を複数回にすることができる。これにより、ヒータ部１４０の構造を簡便にすることができる。
なお、図８には、第２基板２０が図示されていないが、第１基板１０の上に第２基板２０を配置してもよい。
（実施の形態２）
次に、実施の形態２に係るマイクロ流体デバイス２の概略構成について、図９を用いて説明する。図９は、実施の形態２に係るマイクロ流体デバイス２の概略構成を示す斜視図である。なお、図９には、第２基板２０が図示されていないが、実施の形態１と同様に、第１基板１０の上に第２基板２０を配置してもよい。また、図９には、ヒータ部１４０が図示されていないが、第１基板１０の裏側には所定形状のヒータ部１４０（第１ヒータブロック１４１、第２ヒータブロック１４２）が配置される。
図９に示すように、マイクロ流体デバイス２では、流路１００の平面視形状が渦巻き状になっている。本実施の形態において、流路１００の平面視形状は、略円形の渦巻き状である。具体的には、流路１００は、径の異なる複数の円弧をつなぎ合わせた形状となっている。なお、円弧には、真円の円弧及び楕円の円弧が含まれる。
流路１００（主流路１００ａ）の一端に設けられた導入部１２０は、渦巻き状の最も外側に位置している。また、流路１００（主流路１００ａ）の他端に設けられた排出部１３０は、渦巻き状の最も内側に位置している。本実施の形態において、排出部１３０は、渦巻きの中心に設けられている。
また、第１基板１０の裏側に設けられた第１ヒータブロック１４１及び第２ヒータブロック１４２は、いずれも平面視形状が扇形形状である。本実施の形態において、第１ヒータブロック１４１及び第２ヒータブロック１４２は、円中心を中心として円を４分割にした形状であり、各々２つずつ設けられている。また、第１ヒータブロック１４１と第２ヒータブロック１４２とは渦巻きの周方向に沿って交互に設けられている。
このように、本実施の形態では、流路１００を渦巻き状とし、導入部１２０を渦巻きの最も外側に設けるとともに排出部１３０を渦巻き状の最も内側に設けている。渦巻き状の流路１００は、外側部分ほど流路長（円弧）が長くなり、内側部分ほど流路長（円弧）が短くなる。
これにより、本実施の形態でも、所定の異なる温度に設定された第１温度領域（第１ヒータブロック１４１に対応する領域）と第２温度領域（第２ヒータブロック１４２に対応する領域）との繰り返し単位部分の流路１００の長さを導入部１２０から離れるほど短くすることができる。
この結果、第１温度領域（第１ヒータブロック１４１に対応する領域）と第２温度領域（第２ヒータブロック１４２に対応する領域）との繰り返し単位部分の流路１００の長さを、送液速度が速い送液の始点付近（導入部１２０付近）ほど長くし、送液速度が遅い送液の終点付近（排出部１３０付近）ほど短くすることができる。
したがって、流路１００を流れる反応溶液の反応時間を一律の長さに近づけることができる。これにより、流路全域の反応溶液に対して、均一な反応を与えることができる。また、送液速度が遅い終点付近での送液を速く完了することができる。
また、上記実施の形態１のマイクロ流体デバイス１のように流路１００が蛇行流路である場合、折り返し部での屈曲が急峻となって反応溶液が折り返し部で減速して均一な速度で送液することができなくなる。これに対して、本実施の形態のように流路１００を渦巻き状にすることで、急峻な折り返し部をなくすことができるので、反応溶液を均一な速度で送液することができる。
なお、本実施の形態におけるマイクロ流体デバイス２も、毛管力によって反応溶液を送液する構造を有しているが、これに限るものではない。
また、本実施の形態におけるマイクロ流体デバイス２では、流路１００の形状を略円形の渦巻き状としたが、これに限るものではない。
例えば、図１０に示すマイクロ流体デバイス２Ａのように、流路１００の平面視形状を略四角形の渦巻き状としてもよい。つまり、長さの異なる複数の直線状の流路を、なす角が９０度となるように順次接続した形状の渦巻き状であってもよい。この場合も、実施の形態２におけるマイクロ流体デバイス２と同様に、流路１００を流れる反応溶液の反応時間を一律の長さに近づけることができる。
また、図１０に示すマイクロ流体デバイス２Ａでは、流路１００の折り返し部が略９０度であるので、流路１００を折り返し部が急峻な蛇行流路にする場合と比べて、折り返し部で反応溶液が減速してしまうことを緩和できる。
しかも、第１温度領域（第１ヒータブロック１４１）及び第２温度領域（第２ヒータブロック１４２）では流路１００が直線状になっているので、図９のように流路１００が円形の渦巻き状である場合と比べて、反応溶液に対して所望の反応を与えることができる。
さらに、流路１００を略四角形の渦巻き状にすることで、流路１００が略円形の渦巻き状である場合と比べて、第１基板１０内に流路１００を効率よく配置することができるので、デバイス面積を小さくすることができる。
また、図１０に示すマイクロ流体デバイス２Ａにおいて、第１ヒータブロック１４１及び第２ヒータブロック１４２は、排出部１３０を中心に四角形を４分割にした形状であったが、これに限るものではない。
例えば、図１１に示すマイクロ流体デバイス２Ｂのように、第１ヒータブロック１４１及び第２ヒータブロック１４２は、四角形を対角線に沿って２分割した形状であってもよいし、排出部１３０を中心に６分割又は８分割等の複数に分割した形状であってもよい。この場合も、実施の形態２におけるマイクロ流体デバイス２と同様に、流路１００を流れる反応溶液の反応時間を一律の長さに近づけることができる。
また、図１０及び図１１に示すマイクロ流体デバイス２Ａ及び２Ｂでは、流路１００は、平面視略正方形の渦巻き状であったが、これに限るものではない。
例えば、図１２に示すマイクロ流体デバイス２Ｃのように、流路１００は、平面視略長方形の渦巻き状であってもよい。この場合も、実施の形態２におけるマイクロ流体デバイス２と同様に、流路１００を流れる反応溶液の反応時間を一律の長さに近づけることができる。
さらに、図１２に示すマイクロ流体デバイス２Ｃでは、略長方形の長辺における流路１００が、低温領域である第１温度領域（第１ヒータブロック１４１に対応する領域）を通過するように構成し、略長方形の短辺における流路１００が、高温領域である第２温度領域（第２ヒータブロック１４２に対応する領域）を通過するように構成している。
この場合も、実施の形態２におけるマイクロ流体デバイス２と同様に、流路１００を流れる反応溶液の反応時間を一律の長さに近づけることができる。
また、図１０及び図１１と同様に、流路１００を略四角形の渦巻き状にすることによって、流路１００を効率よく配置することができる。また、反応溶液の反応は、高温領域よりも低温領域の方が時間を要する。したがって、図１２に示すように、長辺部分の流路１００を低温領域に対応させることによって、さらに効率よく流路を配置することができる。
（変形例）
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１、２に基づいて説明したが、本発明は、上記実施の形態１、２に限定されるものではない。
例えば、上記実施の形態１、２では、反応部１１０における流路１００（主流路１００ａ）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、これに限らない。つまり、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。ただし、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。
また、上記実施の形態１、２では、ヒータ部１４０は、設定温度が２種類の温度領域となるように構成したが、設定温度が互いに異なる３つ以上の温度領域となるように構成してもよい。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。
また、上記実施の形態１、２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。
また、上記実施の形態１、２では、毛管力によって反応溶液を送液したが、これに限るものではない。例えば、流路にシリンジポンプ等の送液ポンプをつないで反応溶液を送液してもよいし、毛管力以外の方法で反応溶液を自送液させてもよい。なお、反応溶液を毛管力で送液する場合ほどではないが、シリンジポンプ等の送液ポンプで反応溶液を送液する場合においても、送液距離が長くなるにつれて送液速度が徐々に遅くなる。
また、上記実施の形態２では、流路１００を略円形又は略四角形の渦巻き状としたが、これに限るものではない。例えば、流路１００を三角形又は六角形等の他の多角形の渦巻き状、あるいは、任意に湾曲する渦巻き状であってもよい。
また、上記実施の形態２において、流路１００は、右巻きの渦巻き状としたが、左巻きの渦巻き状であってもよい。
その他、各実施の形態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。
１、１Ａ、１Ｂ、２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ マイクロ流体デバイス
１００ 流路
１００ａ 主流路
１２０ 導入部
２００ 反応溶液

Claims (10)

  1. 反応溶液が流れる流路と、
    前記反応溶液を前記流路に導入するための導入部とを有し、
    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温度領域とを交互に複数回繰り返して通過するように構成されており、
    前記流路における前記第１温度領域と前記第２温度領域との繰り返し単位部分の長さは、前記反応溶液の送液方向に沿って前記導入部から離れるほど短くなっている
    マイクロ流体デバイス。
  2. 前記流路の前記繰り返し単位部分における前記第１温度領域部分の長さは、前記反応溶液の送液方向に沿って前記導入部から離れるほど短くなっている
    請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
  3. 前記流路の前記繰り返し単位部分における前記第２温度領域部分の長さは、前記反応溶液の送液方向に沿って前記導入部から離れるほど短くなっている
    請求項２に記載のマイクロ流体デバイス。
  4. 前記流路は、複数の直線部と、前記複数の直線部を接続する複数の折り返し部とを有する蛇行流路であり、
    前記流路における前記第１温度領域と前記第２温度領域との前記繰り返し単位部分は、前記直線部である
    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。
  5. 前記流路は、渦巻き状であって、
    前記導入部は、前記渦巻き状の最も外側に位置する
    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。
  6. 前記流路の平面視形状は、略円形の渦巻き状である
    請求項５に記載のマイクロ流体デバイス。
  7. 前記流路の平面視形状は、略四角形の渦巻き状である
    請求項５に記載のマイクロ流体デバイス。
  8. 前記流路の平面視形状は、略長方形の渦巻き状であり、
    前記略長方形の長辺における前記流路は、前記第１温度領域を通過し、
    前記略長方形の短辺における前記流路は、前記第２温度領域を通過し、
    前記第１温度領域に設定された温度は、前記第２温度領域に設定された温度よりも低い
    請求項５に記載のマイクロ流体デバイス。
  9. 前記反応溶液は、標的核酸を含む溶液であり、
    前記標的核酸は、前記反応溶液が前記流路を通過することでポリメラーゼ連鎖反応により核酸増幅する
    請求項１〜８のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
  10. 前記反応溶液は、前記流路内を毛管力によって送液される
    請求項１〜９のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
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