JP6507957B2 - マイクロチップ電気泳動装置 - Google Patents

Description

本発明は、内部に電気泳動により試料を分離するための分離流路を有し、その分離流路の両端に液を貯留するためのリザーバを有するマイクロチップを用いて電気泳動分析を行なうマイクロチップ電気泳動装置に関するものである。

マイクロチップ電気泳動では、プレートの内部に分離用流路を含む電気泳動流路を有するマイクロチップを使用し、その分離用流路の一端側に導入されたＤＮＡ、ＲＮＡ又はタンパク質などの試料をその分離用流路の両端間に印加した電圧によりその分離用流路の他端方向に電気泳動させることにより分離させて検出する。

上記のマイクロチップ電気泳動を全自動で行なう装置として、分離用流路の一端側に設けられたリザーバに分離媒体などの液を供給するためのニードルや、リザーバに供給された分離媒体を加圧により分離流路内に充填する加圧機構、分離用流路の他端側に設けられたリザーバ側に溢れてきた分離媒体を吸入する吸入ノズルを備えたものがある（特許文献１参照。）。

このようなマイクロチップ電気泳動装置では、分離流路内に分離媒体を充填する際、ニードルからリザーバの一つに分離媒体を吐出した後、そのリザーバの上面を封止した状態でエアを供給して加圧することによって分離媒体を分離流路内に送り込み、分離流路の反対側端部のリザーバでは、分離流路から出てきた分離媒体を吸入ノズルによって吸入する。また、分離流路内の分離媒体を排出する際にも、リザーバの上面を封止した状態でエアを供給して加圧することによって分離媒体を反対側のリザーバへ送り出し、吸入ノズルで吸入する。

特許第４３７５０３１号公報

２枚のプレートを貼り合わせて構成されたマイクロチップでは、リザーバの容量がリザーバ用の貫通穴が設けられたプレートの厚みとその貫通穴の内径によって規定され、その容量はせいぜい２〜３μＬ程度である。かかる微少容量で、例えば５分以上の電気泳動を連続的に行なうためには、マイクロチップを構成するプレートとは別の部材を用いてリザーバ容量を増やすなどの工夫が必要となる。しかし、そうするとマイクロチップの構成が複雑になり、コストアップにつながる上、リザーバ内の自動洗浄が困難になり、マニュアル操作による洗浄が必要となる。

また、リザーバ容量が微小であると、全自動で洗浄を繰り返しながら多検体を分析する場合には、リザーバ容量を超えない程度の微量の分注と吸入を何度も繰り返す必要があり、分析時間が長くなるという問題があった。さらに、分離流路内の残留溶液の排出を加圧によって行なう場合に、洗浄と分析を何度も繰り返すうちに、加圧による残留溶液の排出の際の飛沫がマイクロチップの上面に散らばり、最悪のケースではリザーバ間が短絡するという問題も生じ得る。

そこで、本発明は、上記のようなマイクロチップ電気泳動装置において、マイクロチップの構成を複雑にすることなくリザーバの容量を確保するとともに、マイクロチップの上面への飛沫の堆積を防止することを目的とするものである。

本発明に係るマイクロチップ電気泳動装置の一実施形態は、内部に電気泳動により試料を分離するための分離流路を有するとともにその分離流路の両端に上面側が開口したリザーバを有するマイクロチップを保持しておくマイクロチップ保持部と、マイクロチップ保持部に保持されたマイクロチップの上面を覆うように配置され、リザーバのそれぞれの直上の位置にリザーバをそれぞれ露出させる貫通孔を有するチップカバーと、チップカバーにおける貫通孔の周縁部とマイクロチップのリザーバの周縁部との間に挟み込まれて貫通孔の周縁部とリザーバの周縁部との間を封止するリング状の弾性部材と、チップカバーの貫通孔を介してリザーバに流体を供給し又はリザーバ内の液を吸入するリザーバアクセス機構と、を備えたものである。

本発明に係るマイクロチップ電気泳動装置の一実施形態によれば、マイクロチップの上面を覆うようにチップカバーが設けられているので、マイクロチップ表面への埃や微粒子の堆積を防止できる。そして、チップカバーはマイクロチップの分離流路の両端に設けられたリザーバのそれぞれを露出させる貫通孔を有し、貫通孔の周縁部とリザーバの周縁部との間が弾性部材によって封止されているので、分離流路に分離媒体を充填する際や分離流路の分離媒体を加圧により排出する際などに、リザーバからの飛沫がマイクロチップの上面に飛び散ることが防止され、分離流路への分離媒体の充填や分離流路の洗浄を容易に行なうことができる。また、チップカバーの貫通穴の周縁部とリザーバの周縁部との間が弾性部材によって封止されているので、チップカバーの貫通穴がリザーバと連続して１つのリザーバを形成し、リザーバ容量を増大させることとなる。これにより、マイクロチップの構成を複雑にすることなくリザーバの容量を増やすことができる。さらには、チップカバーが弾性部材を介してマイクロチップを押圧するため、マイクロチップの浮き上がりが防止される。

マイクロチップ電気泳動装置の構成を概略的に示す斜視図である。 同実施例における、（Ａ）マイクロチップ保持部、（Ｂ）チップカバーの平面図である。 同実施例において、マイクロチップ上にチップカバーが配置された状態を示す断面図である。 同実施例において、分離媒体充填時の状態を示す断面図である。

本発明に係るマイクロチップ電気泳動装置の一実施形態において、リザーバアクセス機構として、先端部がテーパ形状となっており、その先端部が鉛直下方向を向き、先端から分離媒体を吐出するニードルを含むものがある。その場合、チップカバーの貫通孔のうちマイクロチップの分離流路の一端側のリザーバに対応する貫通孔は、マイクロチップと対向する面側にいくにしたがって内径が小さくなるようにその内側面が傾斜したテーパ形状部を有し、そのテーパ形状部において、マイクロチップと対向する面とは反対側の面側から当該貫通孔に挿入されたニードル先端部の外周面を液密を保って保持するように構成されていることが好ましい。

従来、分離流路への分離媒体の充填は、ニードルによってリザーバに分離媒体を供給した後、リザーバ上面を封止しながらエアを供給する機構を用いて加圧する必要があった。これに対し、チップカバーの貫通孔を上記構造にすることで、分離媒体を供給するニードルをその貫通孔に挿入するだけでリザーバ上面を封止でき、ニードルの先端から分離媒体を吐出するだけで分離流路への分離媒体の充填を行なうことができる。したがって、分離媒体の充填に要する工程数が少なくなり、一連の分析動作に要する時間を短縮することができる。

また、マイクロチップは、リザーバの内側からマイクロチップ上面の弾性部材に囲われた領域の外側へ引き出されたチップ側電極を有し、チップカバーのマイクロチップと対向する面側にカバー側接点を有することが好ましい。そうすれば、マイクロチップの各リザーバへの電気的な接続が容易になる。

以下、図面を用いてマイクロチップ電気泳動装置の一実施例について説明する。まず、図１を用いて、一実施例の全体の構成について説明する。

マイクロチップ４を上面に設置するマイクロチップステージ２（マイクロチップ保持部）が設けられている。この実施例では、マイクロチップステージ２の上面に４枚のマイクロチップ４が設置できるようになっている。図示は省略されているが、マイクロチップステージ２内には、マイクロチップ４の分離流路の所定位置に対して、試料を励起させる励起光を照射する光源や励起光により励起された試料から発せられた蛍光を検出する検出器が設けられている。

マイクロチップステージ２の上面に、マイクロチップ４を覆うチップカバー６がネジ８によって固定されている。チップカバー６は、マイクロチップ４に設けられているリザーバ４２ａ−４２ｄ（図２（Ａ）参照。）に対応する位置に貫通孔５０ａ−５０ｄ（図２（Ｂ）参照。）を有し、それらの貫通孔５０ａ−５０ｄを介してマイクロチップ４のリザーバに対し所定の処理を行なうことができるようになっている。

チップカバー６の端部に端子接続部４８（図２（Ｂ）参照。）が設けられており、マイクロチップ４に設けられている流路３８，４０（図２（Ａ）参照。）の両端間に電圧を印加する電圧印加装置１４の接続端子１２がその端子接続部４８に接続されている。後述するが、チップカバー６は、マイクロチップ４と対向する面にマイクロチップ４のリザーバから引き出された電極４４ａ−４４ｄ（図２（Ａ）参照。）と接触する電極５２ａ−５２ｄ（図２（Ｂ）参照。）が設けられており、その電極５２ａ−５２ｄが配線パターンによって端子接続部４８（図２（Ｂ）参照。）まで引き出されている。

マイクロチップステージ２の側方にマイクロタイタプレート１６が配置されており、そのマイクロタイタプレート１６の上面に、試料や分離媒体を収容する穴１８が設けられている。

マイクロタイタプレート１６に収容された試料や分離媒体をマイクロチップ４のリザーバに供給するためのリザーバアクセス機構として分注部２０が設けられている。分注部２０はニードル２２、シリンジポンプ２４、切替バルブ２６及び洗浄液ボトル２８を有する。ニードル２２は、先端が鉛直下方向を向いた状態で、マイクロチップステージ２とマイクロタイタプレート１６の上方において水平面内方向（Ｘ、Ｙ方向）と鉛直方向（Ｚ方向）に移動するように構成されている。シリンジポンプ２４はニードル２２の基端に切替バルブ２６を介して接続されている。切替バルブ２６はシリンジポンプ２４をニードル２２側又は洗浄液ボトル２８側のいずれか一方に選択的に接続する。

さらに、マイクロチップ４のリザーバ内の液を吸入する吸入ノズル３２を３つ備えた吸入部３０が設けられている。吸入部３０は、水平面内方向の一方向（Ｘ方向）と鉛直方向（Ｚ方向）へ移動するように構成されている。３つの吸入ノズル３２は、マイクロチップ４の３つのリザーバ４２ｂ−４２ｄに同時に挿入されるようになっている。マイクロチップ４の内部の流路３８及び４０への液の注入や洗浄は、リザーバ４２ａ側からニードル２２によって液を供給すると同時に、流路３８及び４０から流出した液をリザーバ４２ｂ−４２ｄ側で吸入ノズル３２によって吸入することにより行なう。

図２を用いて、マイクロチップステージ２及びチップカバー６について説明する。

図２（Ａ）に示されているように、マイクロチップステージ２の上面の４か所に、マイクロチップ４を保持するチップホルダ３４が設けられている。マイクロチップステージ２の上面の２ヶ所にチップカバー６を固定するためのネジ穴３６が設けられている。チップカバー６にもネジ８を貫通させる穴４６を有する。

マイクロチップステージ２のチップホルダ３４に保持されるマイクロチップ４は、電気泳動によって試料の分離を行なうための分離流路３８と、試料を分離流路３８に電気的に導入するための試料導入流路４０が設けられている。分離流路３８の一端にリザーバ４２ａ、他端にリザーバ４２ｂが設けられ、試料導入流路４０の一端にリザーバ４２ｃ、他端にリザーバ４２ｄが設けられている。マイクロチップ４の上面には、各リザーバ４２ａ，４２ｂ，４２ｃ及び４２ｄの内部からマイクロチップ４の一端側へ引き出された電極パターン４４ａ，４４ｂ，４４ｃ及び４４ｄ（チップ側電極）が設けられている。

チップカバー６は、チップホルダ３４に保持された各マイクロチップ４のリザーバ４２ａ−４２ｄの直上にくる位置に、貫通孔５０ａ−５０ｄを備えている。チップカバー６の下面には、マイクロチップ４の各電極パターン４４ａ−４４ｄと電気的な接触をとるための電極５２ａ−５２ｄ（カバー側接点）が設けられている。各電極５２ａ−５２ｄは配線パターンによってチップカバー６の一端部に設けられた端子接続部４８まで引き出されている。端子接続部４８には、電圧印加装置１４の接続端子１２（図１参照）が接続され、各電極５２ａ−５２ｄを通じてマイクロチップ４の各リザーバ４２ａ−４２ｄへの電圧印加が行われる。

チップカバー６をマイクロチップステージ２上に設置した状態における、マイクロチップ４とチップカバー６の断面を図３に示す。なお、この図では、１枚のマイクロチップ４における分離流路３８の一端側のリザーバ４２ａの部分と他端側のリザーバ４２ｂの部分の構造を示しているが、リザーバ４２ｃ及び４２ｄの部分の構造はリザーバ４２ｂの部分の構造と同じである。

チップカバー６の貫通孔５０ａが設けられている部分の下面側に、マイクロチップ４側へ隆起した隆起部５４ａが設けられている。貫通孔５０ａはチップカバー６の上面から隆起部５４ａの端面まで貫通するように設けられている。隆起部５４ａの端面の開口の縁に凹部５５ａが設けられており、その凹部５５ａによって弾力性を有する樹脂からなる円環状のＯリング５６ａ（弾性部材）が支持されている。Ｏリング５６ａは隆起部５４ａの端面とマイクロチップ４の上面におけるリザーバ４２ａの開口の周囲との間に挟み込まれ、リザーバ４２ａと貫通孔５０ａとの間を、液密を保って封止する。

貫通孔５０ａは、下面側に内径の小さい小径部５８を有する。Ｏリング５６ａによってリザーバ４２ａと小径部５８は互いに連続した空間となるため、必要に応じて、リザーバ４２ａ及び小径部５８からなる空間を大容量のリザーバとして使用することができる。

電極パターン４４ａはリザーバ４２ａ内からマイクロチップ４の上面における隆起部５４ａ直下の領域よりも外側にまで引き出されている。チップカバー６側の電極５２ａは、その端部が確実に電極パターン４４ａと接するように、板バネ状に設けられている。

チップカバー６の貫通孔５０ｂが設けられている部分の下面側にも、マイクロチップ４側へ隆起した隆起部５４ｂが設けられている。貫通孔５０ｂはチップカバー６の上面から隆起部５４ｂの端面までを貫通するように設けられている。隆起部５４ｂの端面の開口の縁に凹部５５ｂが設けられており、その凹部５５ｂによってＯリング５６ｂが支持されている。Ｏリング５６ｂは隆起部５４ｂの端面とマイクロチップ４の上面におけるリザーバ４２ｂの開口の周囲との間に挟み込まれ、リザーバ４２ｂと貫通孔５０ｂとの間を、液密を保って封止する。Ｏリング５６ａによってリザーバ４２ｂと貫通孔５０ａは互いに連続した空間となるため、必要に応じて、リザーバ４２ｂ及び貫通孔５０ａからなる空間を大容量のリザーバとして使用することができる。

電極パターン４４ｂはリザーバ４２ｂ内からマイクロチップ４の上面における隆起部５４ｂ直下の領域よりも外側にまで引き出されている。チップカバー６側の電極５２ｂは、その端部が確実に電極パターン４４ｂと接するように、板バネ状に設けられている。

図４に示されているように、貫通孔５２ａの小径部５８は、ニードル２２の先端部のみが挿入可能な内径を有し、小径部５８の上方に、上面側へ行くにしたがって内径が大きくなるように傾斜したテーパ形状部６０が設けられている。貫通孔５０ａの小径部５８にニードル２２の先端が挿入されると、ニードル２２の先端部の外周面と小径部５８とテーパ形状部５０との境界部分とが線接触して封止され、小径部５８よりも下方側の空間の液密が保たれる。貫通孔５０ｂは、液を吸入するためのノズル３２の外径よりも大きい内径を有する。

これにより、ニードル２２を貫通孔５０ａに挿入して接続し、ニードル２２の先端から液を吐出することで、リザーバ４２ａの上面を封止しつつエアによる加圧を行なう加圧機構を用いることなく、分離流路３８内や試料導入流路４０内に液を導入することができる。これにより、分離流路３８や試料導入流路４０への分離媒体の導入を短時間で行なうことができる。

また、従来、分離流路３８や試料導入流路４０の内部の洗浄は、リザーバ４２ａに洗浄液を供給した後、加圧機構によってリザーバ４２ａ側を加圧して洗浄液を分離流路３８や試料導入流路４０の内部に送り込み、リザーバ４２ｂ−４２ｄ側でそれらの流路３８，４０から流出した液を吸入するという動作を繰り返すことによって行なっていたため、長時間を要していた。

これに対し、この実施例の構成では、ニードル２２を貫通孔５０ａに挿入するだけでリザーバ４２ａ側の液密が保たれるため、加圧機構を用いることなく、ニードル２２から連続的に液を吐出して洗浄を行なうことができる。これにより、各流路３８，４０の洗浄に要する時間を短縮することができる。

各リザーバ４２ａ−４２ｄの上面の開口の周囲が、チップカバー６との間に挟み込まれたＯリングによって封止されているため、各リザーバ４２ａ−４２ｄから液が飛散してマイクロチップ４の上面に付着することが防止される。

また、マイクロチップ４のリザーバ４２ａの容量はマイクロチップ４を構成するプレートの厚みと穴の内径で決まり、例えば２−３μＬ程度である。これを用いて、例えば５分以上の電気泳動を連続的に行なおうとすると、リザーバの容量が不足するため、別の部材を用いてリザーバの容量を増やすなどの工夫が必要となる。これに対し、この実施例では、チップカバー６の貫通孔５０ａ−５０ｄがリザーバ４２ａ−４２ｄと連続した空間を構成することによって大容量のリザーバとして用いることができるため、別の部材を用いるなどの工夫は不要である。

以上において説明した実施例は、マイクロチップステージ２の上面に設置された複数のマイクロチップ４の上面を共通のチップカバー６で覆うものであるが、各マイクロチップ４の上面を個別に覆うものであってもよい。

２ マイクロチップステージ
４ マイクロチップ
６ チップカバー
８ ネジ
１２ 接続端子
１４ 電圧印加装置
１６ マイクロタイタプレート
１８ 穴
２０ 分注部
２２ ニードル
２４ シリンジポンプ
２６ 切替バルブ
２８ 洗浄液
３０ 吸入部
３２ 吸入ノズル
３４ チップホルダ
３６，４６ ネジ穴
３８ 分離流路
４０ 試料導入流路
４２ａ−４２ｄ リザーバ
４４ａ−４４ｄ 電極パターン（チップ側電極）
４８ 端子接続部
５０ａ−５０ｄ 貫通孔
５２ａ−５２ｄ 電極（カバー側接点）
５４ａ，５４ｂ 隆起部
５５ａ，５５ｂ 凹部
５６ａ，５６ｂ Ｏリング
５８ 小径部
６０ テーパ形状部

Claims (4)

1. 内部に電気泳動により試料を分離するための分離流路を有するとともにその分離流路の両端に上面側が開口したリザーバを有するマイクロチップを保持しておくマイクロチップ保持部と、
   前記マイクロチップ保持部に保持されたマイクロチップの上面を覆うように前記マイクロチップ保持部に取り付けられ、前記リザーバのそれぞれの直上の位置に前記リザーバをそれぞれ露出させる貫通孔を有するチップカバーと、
   前記チップカバーの前記貫通孔の周縁部と前記マイクロチップの前記リザーバの周縁部との間に挟み込まれて前記貫通孔の周縁部と前記リザーバの周縁部との間を封止する弾性部材と、
   前記チップカバーの前記貫通孔を介して前記リザーバに流体を供給し又は前記リザーバ内の液を吸入するリザーバアクセス機構と、を備えたマイクロチップ電気泳動装置。
2. 前記リザーバアクセス機構は、先端部がテーパ形状となっており、その先端部が鉛直下方向を向き、先端から分離媒体を吐出するニードルを含み、
   前記チップカバーの前記貫通孔のうち前記マイクロチップの前記分離流路の一端側のリザーバに対応する貫通孔は、前記マイクロチップと対向する面側にいくにしたがって内径が小さくなるようにその内側面が傾斜したテーパ形状部を有し、そのテーパ形状部において、前記マイクロチップと対向する面とは反対側の面側から当該貫通孔に挿入された前記ニードル先端部の外周面を液密を保って保持するように構成されている請求項１に記載のマイクロチップ電気泳動装置。
3. 前記マイクロチップは、前記リザーバの内側から前記マイクロチップ上面の前記弾性部材に囲われた領域の外側へ引き出されたチップ側電極を有し、
   前記チップカバーの前記マイクロチップと対向する面側に、前記チップ側電極と接するカバー側接点を有する請求項１又は２に記載のマイクロチップ電気泳動装置。
4. 前記マイクロチップ保持部は、複数の前記マイクロチップを同一平面内において保持するものであり、
   前記チップカバーは、前記マイクロチップ保持部に保持された複数の前記マイクロチップの上面を同時に覆うものである、請求項１から３のいずれか一項に記載のマイクロチップ電気泳動装置。
   

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