JP6678998B2 - 流体デバイス、システム、及び方法 - Google Patents
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Description
本願は、2015年3月24日に、日本に出願された特願2015−61803号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
更に、高価な試薬を使用する場合や少量多検体を検査する場合において、有用性が高い方法として注目されている。
(1)本発明の一実施態様における流体デバイスは、
循環流路と、
前記循環流路に配置された、溶液中の試料物質を捕捉する捕捉部及び/又は溶液中の試料物質を検出する検出部と、を含む。
(2)本発明の一実施態様における流体デバイスは、
第一の循環流路と、第二の循環流路と、前記第一循環流路と前記第二循環流路とを直接又は間接に接続する接続流路と、を含み、
前記第一の循環流路に、溶液中の試料物質を捕捉する捕捉部が配置され、
前記第二の循環流路に、溶液中の試料物質を検出する検出部が配置されている。
(3)本発明の一実施態様におけるシステムは、流体デバイスと、バルブの開閉を制御する制御部と、を備える。
(4)本発明の一実施態様における方法は、
担体粒子に結合した試料物質を捕捉する方法であって、
循環流路と、前記循環流路に配置された、前記担体粒子を捕捉する捕捉部と、を含み、前記循環流路が2以上の循環流路バルブを有する、流体デバイスを用い、
前記循環流路バルブを閉めた状態で、前記循環流路バルブで区切られる区画の少なくとも一つに試料物質を含む溶液を導入し、別の少なくとも一つの区画に前記試料物質と結合する担体粒子を含む溶液を導入する導入工程と、
前記循環流路バルブをすべて開放し、前記循環流路内で溶液を循環させて混合する混合工程と、
前記担体粒子を前記捕捉部に捕捉する捕捉工程と、
を含む。
(5)本発明の一実施態様における方法は、
担体粒子に結合した試料物質を検出する方法であって、
循環流路と、前記循環流路に配置された、前記担体粒子を捕捉する捕捉部と、前記捕捉部に捕捉された担体粒子に結合した試料物質を検出する検出部と、を含み、前記循環流路が2以上の循環流路バルブを有する、流体デバイスを用い、
前記循環流路バルブを閉めた状態で、前記循環流路バルブで区切られる区画の少なくとも一つに試料物質を含む溶液を導入し、別の少なくとも一つの区画に前記試料物質と結合する担体粒子を含む溶液を導入する導入工程と、
前記循環流路バルブをすべて開放し、循環流路内で溶液を循環させて混合する混合工程と、
前記担体粒子を前記捕捉部に捕捉する捕捉工程と、
前記捕捉部に捕捉された前記担体粒子に結合した試料物質を、前記検出部で検出する検出工程と、
を含む。
(6)本発明の一実施態様における方法は、
担体粒子に結合した試料物質を検出する方法であって、
2以上の循環流路バルブを有する第一循環流路と、第二循環流路と、前記第一循環流路と前記第二循環流路とを直接又は間接に接続する接続流路と、を含み
前記第一循環流路には、担体粒子を捕捉する捕捉部が配置され、
前記第二循環流路には、前記担体粒子に結合した試料物質を検出する検出部が配置された流体デバイスを用い、
前記第一の循環流路の循環流路バルブを閉めた状態で、前記第一の循環流路バルブで区切られる区画の少なくとも一つに試料物質を含む溶液を導入し、別の少なくとも一つの区画に前記試料物質と結合する担体粒子を含む溶液を導入する導入工程と、
前記第一の循環流路の循環流路バルブをすべて開放し、前記第一の循環流路内で溶液を循環させて混合する混合工程と、
前記担体粒子を前記捕捉部に捕捉する捕捉工程と、
前記担体粒子を前記捕捉部から解放し、又は、前記試料物質を前記担体粒子から解放し、前記担体粒子に結合した試料物質又は遊離した試料物質を含む溶液を、前記接続流路を通じて前記第二循環流路に移送する移送工程と、
前記試料物質を前記検出部で検出する検出工程と、
を含む。
第1実施形態の流体デバイスは、第1実施形態の循環型混合器を有する。流体デバイスは、試料溶液がその内部を移動する流路が形成された基板である。循環型混合器が含む構成は、流体デバイスにも含まれる。
まず、循環型混合器の第1実施形態について説明する。
図1は、第1実施形態の循環型混合器を模式的に示した平面図である。循環型混合器1aは、循環流路10を含む。循環流路とは、溶液の少なくとも一部を繰り返し循環させることができる流路である。循環流路には、少なくとも1つの導入流路及び排出流路が接続してもよい。第1実施形態の循環型混合器1aに含まれる循環流路10には、排出流路31及び導入流路21が接続している。排出流路31は、循環流路10から液を排出し、導入流路21は、循環流路10に液を導入する。排出流路31は排出流路バルブO1を備えてもよい。
第1実施形態の循環型混合器1aは、循環流路10と、導入流路21と、排出流路31と、排出流路バルブO1と、第一循環流路バルブV1と、第二循環流路バルブV2と、捕捉部40と、を備える。
第一循環流路バルブV1及び第二循環流路バルブV2は、循環流路10を区画する。図1において、第一循環流路バルブV1は、循環流路10における排出流路31との左側近傍に配置され、第二循環流路バルブV2は、循環流路10における導入流路21の左側近傍に配置されている。循環流路バルブが導入流路または排出流路から離れている場合、第一循環流路バルブV1及び第二循環流路バルブV2を閉じた状態で導入流路21から液体を流入させると、導入流路または排出流路と循環流路バルブとの間に、それ以前に入っていた液体や気体が残存してしまうことがある。「近傍」は、例えば、かかえる液体や気体の残存が生じない程度に近い距離を意味する。
図1において、第一循環流路バルブV1は排出流路31の右側及び左側のいずれに配置されていてもよく、第二循環流路バルブV2は導入流路21の右側及び左側のいずれに配置されていてもよい。例えば、循環流路10において、時計回りに、第一循環流路バルブV1、導入流路接続部、排出流路接続部、第二循環流路バルブV2と位置していてもよい。あるいは、循環流路10において、時計回りに、導入流路接続部、第一循環流路バルブV1、第二循環流路バルブV2、排出流路接続部、と位置していてもよい。
第一循環流路バルブV1および第二循環流路バルブV2が閉じられると、循環流路10は、それぞれ所定の体積を有する流路10x、10yに区画される。循環流路10のうち、流路10xは排出流路31との接続部及び導入流路21との接続部を含まない流路である。循環流路10のうち、流路10yは排出流路31との接続部及び導入流路21との接続部の双方を含む流路である。第一循環流路バルブV1、第二循環流路バルブV2、及び排出流路バルブO1を開放した状態で、導入流路21から循環流路10内に送液し、第一循環流路バルブV1と第二循環流路バルブV2とを閉じることによって、所定の体積の液体を流路10xに収容することが可能である。
一方、第一循環流路バルブV1および第二循環流路バルブV2が開かれると、区画された循環流路10が連通され、区画された循環流路のそれぞれに収容された液が混合可能となる。
循環流路10内は、予め流路内の体積が定められているので、第一循環流路バルブV1及び第二循環流路バルブV2により区画された流路10x及び流路10yに充填された液の体積が正確に把握された状態で、循環流路10内で液を混合できる。
循環流路10には担体粒子を捕捉する捕捉部40が設けられている。
担体粒子は、一例として、検出の標的となる試料物質と反応可能な粒子である。試料物質は、例えば、核酸、DNA、RNA、ペプチド、タンパク質、細胞外小胞体などの生体分子である。
担体粒子と試料物質との反応は、例えば、担体粒子と試料物質との結合、担体粒子と試料物の吸着、試料物質による担体粒子の修飾、試料物質による担体粒子の化学変化などが挙げられる。
本実施形態において用いられる担体粒子は、試料物質と反応可能であって、捕捉部40に捕捉される粒子である限り特に限定されないが、磁気ビーズ、磁性粒子、金ナノ粒子、アガロースビーズ、プラスチックビーズ等が挙げられる。
試料物質に結合又は吸着可能な物質を表面に備えた担体粒子を用いてもよい。例えば、担体粒子と所定のタンパク質とを結合させる場合、当該タンパク質に結合可能な抗体を表面に備えた担体粒子を用いることができる。試料物質に結合可能な物質は、試料物質の種類に応じて適宜選択すればよい。試料物質に結合又は吸着可能な物質/試料物質又は試料物質に含まれる部位との組み合わせの例としては、アビジン及びストレプトアビジン等のビオチン結合タンパク質/ビオチン、スクシンイミジル基等の活性エステル基/アミノ基、ヨウ化アセチル基/アミノ基、マレイミド基/チオール基(‐SH)、マルトース結合タンパク質/マルトース、Gタンパク質/グアニンヌクレオチド、ポリヒスチジンペプチド/ニッケルあるいはコバルト等の金属イオン、グルタチオン−S−トランスフェラーゼ/グルタチオン、DNA結合タンパク質/DNA、抗体/抗原分子(エピトープ)、カルモジュリン/カルモジュリン結合ペプチド、ATP結合タンパク質/ATP、あるいはエストラジオール受容体タンパク質/エストラジオールなどの、各種受容体タンパク質/そのリガンドなどが挙げられる。
担体粒子と試料物質とは、循環流路10中で反応してもよい。たとえば、担体粒子を含む液と試料物質を含む溶液とを循環流路10に導入して、循環流路中で混合することで、担体粒子と試料物質とが結合した複合体が形成される。例えば、粒子表面に生体分子が固定されており、液中に粒子表面の生体分子と結合する試料物質が存在する場合、混合することで衝突頻度を増し、両者の結合反応速度を向上させることが可能である。この技術は、例えば単一項目の測定が主流である免疫測定に適している。
また、担体粒子と試料物質とを予め反応させ、得られた複合体を循環流路10に導入して、捕捉部40において捕捉してもよい。
捕捉手段は、捕捉部又は後述の流体デバイスに設けられ一体となっていてもよく、捕捉部又は流体デバイスの外部に、別に設けられていてもよい。捕捉手段は、捕捉部又は流体デバイスに対して取り外し可能であってもよい。
捕捉手段と担体粒子は直接接してもよいし、捕捉部に担体粒子を捕捉可能であれば、磁力による捕捉に代表されるように、捕捉手段と担体粒子は直接に接しなくともよい。捕捉手段として、例えば、循環流路10の流路外の流路近傍に磁石が配置されていてもよい。
捕捉部40は循環流路10の一部であってもよい。また、循環流路10全域において捕捉手段設置部を有していてもよい。捕捉部40の大きさはどのような大きさであってもよい。捕捉部40の幅は循環流路10の幅よりも広くてもよい。
捕捉部40は、磁石を設置可能な磁石設置部41を有してもよい。捕捉部40において、磁石設置部41と垂直に交わる方向の流路内の内径は、循環流路10における同方向の流路内の内径よりも小さく形成されていることが好ましい。例えば、捕捉手段が磁石であった場合には、これにより、捕捉手段から流路内の担体粒子までの距離が短くなり、担体粒子の捕捉効率が向上する。
例えば、磁石と循環流路との距離を変えることにより、担体粒子に与えられる磁力を制御してもよい。磁石が磁石設置部41に設置され、磁石を循環流路に近接させることにより、担体粒子が磁力により循環流路10における磁石設置部41の周辺に捕捉される。一方、磁石が磁石設置部41から外されて、循環流路から遠ざけられた状態とされることにより、循環流路10内壁面に捕捉されていた担体粒子の捕捉が解かれる。担体粒子が捕捉状態から自由な状態になることにより、担体粒子は再度溶液中に分散されてもよい。
磁石として電磁石を使用する場合、電流のON/OFF及び電流値の制御により、磁力の強さを制御できる。
また、循環流路10に捕捉部40が設けられているため、試料物質を含む液を一方向又は双方向に流動させて、循環流路内を循環又は往復させて、試料物質を捕捉部に捕捉できる。試料物質を含む液を循環可能であることで捕捉部40への捕捉機会が促進され、高効率に試料物質の捕捉が可能である。ループ型流路内で試料物質を循環させることで、何度も試料物質が捕捉エリアを通過し、積算効果により捕捉効率は向上する。また、試料物質を担体粒子と結合させ、担体粒子を捕捉部40に捕捉してもよい。担体粒子と試料物質を捕捉部40に捕捉した後、試料物質と結合した担体粒子を捕捉部40に固定したままで洗浄や溶液交換を行うことが可能となり、未結合の試料物質と分離できる。
第2実施形態の流体デバイスは、第2実施形態の循環型混合器を有する。
まず、循環型混合器の第2実施形態について説明する。
図2は、第2実施形態の循環型混合器を模式的に示した平面図である。第2実施形態では、第1実施形態の構成要素と同一の要素については同一符号を付し、その説明を省略する。
第2実施形態の循環型混合器1bによれば、上記第1実施形態と同様の作用・効果が得られることに加えて、導入流路バルブI1,I2の開閉を操作することで、循環流路バルブV1,V2によって区画された循環流路10内の流路10x、10yに対して第一の液と第二の液とを区画した状態で個別に、液や空気等の充填を制御できる。このことによって、第一の液と第二の液との混合反応を正確に制御することができる。例えば、第一の液に抗体が含まれており、第二の液に抗原が含まれている場合、循環流路バルブV1、V2を開放するまでの間は抗原抗体反応が起こらないようにすることができる。
第3実施形態の流体デバイスは、第3実施形態の循環型混合器を有する。
まず、循環型混合器の第3実施形態について説明する。
図3は、第3実施形態の循環型混合器を模式的に示した平面図である。第3実施形態では、第2実施形態の構成要素と同一の要素については同一符号を付し、その説明を省略する。
検出部60は捕捉部40に捕捉された担体粒子に結合した試料物質を検出可能なよう、捕捉部40に向けて配置される。ここでは、捕捉部40及び検出部60が、循環流路10の同じ位置に配置されている。
検出部60は、試料物質を検出できる限り、どのような構成であってもよいが、例えば、試料物質を光検出するものであってもよい。一例として、対物レンズ、撮像部を備えていてもよく、撮像部は、例えばEMCCD(Electron Multiplying Charge Coupled Device)カメラを備えていてもよい。
或いは、検出部60は、試料物質を電気化学検出するものであってもよく、一例として、電極を備えていてもよい。
試料物質を検出するとは、試料物質を間接的に検出することも含む意味で用いている。試料物質を間接的に検出する例として、試料物質を、試料物質の検出を補助する検出補助物質と結合させてもよい。検出補助物質としては、標識物質が挙げられる。
標識物質としては、例えば、蛍光色素、蛍光ビーズ、蛍光タンパク質、量子ドット、金ナノ粒子、ビオチン、抗体、抗原、エネルギー吸収性物質、ラジオアイソトープ、化学発光体、酵素等が挙げられる。
蛍光色素としては、FAM(カルボキシフルオレセイン)、JOE(6−カルボキシ−4’,5’−ジクロロ2’ ,7’−ジメトキシフルオレセイン)、FITC(フルオレセインイソチオシアネート)、TET(テトラクロロフルオレセイン)、HEX(5'−ヘキサクロロ−フルオレセイン−CEホスホロアミダイト)、Cy3、Cy5、Alexa568、Alexa647等が挙げられる。
酵素としては、アルカリフォスファターゼ、ペルオキシダーゼ等が挙げられる。
これらの標識物質を検出部60によって検出することで試料物質を検出可能である。標識物質として酵素を用いる場合、基質との反応により生成される色素や蛍光等の反応産物を検出部60によって検出することで、試料物質を検出可能である。
第1実施形態の混合方法を、以下、図4A〜Eを参照して説明する。第1実施形態の混合方法は、第1実施形態の循環型混合器1aを用いた混合方法である。まず、循環型混合器1aの、循環流路バルブV1,V2、および排出流路バルブO1が開かれた状態で(図4A参照)、導入流路21から循環流路10内に第一の液91を送液する(図4B参照)。次いで、循環流路バルブV1,V2を閉めて流路10xと流路10yとを区画する(図4C参照)。これにより、流路10xの区画の容積の第一の液91が、流路10xに充填される。そして、導入流路21から循環流路10y内に第二の液92を送液する(図4D参照)。これにより、流路10y内に第二の液92が充填される。排出バルブO1を閉じると、流路10yの容積の第二の液92が、流路10yに充填される(図4D参照)。循環流路バルブV1,V2を開け、第一の液91と第二の液92とを循環流路10内を循環させて混合し、第三の液93を得る(図4E参照)。
第2実施形態の混合方法を、以下、図4F〜Hを参照して説明する。第2実施形態の混合方法は、第3実施形態の循環型混合器1cを用いた混合方法である。本実施形態の混合方法は、導入工程と、混合工程とを含む。
導入工程は、前記2つの循環流路バルブを閉めた状態で、前記循環流路バルブで区切られる区画の一方に試料物質を含む溶液を導入し、もう一方の区画に前記試料物質と結合する担体粒子を含む溶液を導入する工程である。
まず、循環型混合器1cの、導入流路バルブI1,I2、排出流路バルブO1,O2が開かれ、循環流路バルブV1,V2が閉じられた状態で、導入流路21から循環流路10x内に試料物質を含む第一の液91を送液する(図4F参照)。排出流路バルブO1と、必要に応じて導入流路バルブI1とを閉じることにより、流路10xの区画の容積の第一の液91が流路10x内に充填される。一方、導入流路22から循環流路10y内に担体粒子を含む第二の液92を送液する。排出流路バルブO2と、必要に応じて導入流路バルブI2とを閉じることにより、流路10yの区画の容積の第二の溶液92が流路10y内に充填される。(図4G参照)。
混合工程は、前記循環流路バルブをすべて開放し、前記循環流路内で溶液を循環させて混合する工程である。すなわち、循環流路バルブV1,V2を開け、第一の液91と第二の液92とを循環流路10内を循環させて混合し、第三の液93を得る(図4H参照)。
実施形態の捕捉方法は、第3実施形態の循環型混合器1cを用いた方法であり、担体粒子に結合した試料物質を捕捉する方法である。本方法は、導入工程と、混合工程と、捕捉工程とを含む。導入工程及び混合工程は、前記(循環型混合器1cを用いた混合方法)で説明したものが挙げられる。
捕捉工程は、前記担体粒子を前記捕捉部に捕捉する工程である。
混合工程で得られた第三の液93には、試料物質と担体粒子の複合体が含まれており、担体粒子を捕捉部40に捕捉することにより試料物質が捕捉部40に捕捉される。
実施形態の検出方法は、第3実施形態の循環型混合器1cを用いた方法であり、担体粒子に結合した試料物質を検出する方法である。本方法は、導入工程と、混合工程と、捕捉工程と、検出工程とを含む。導入工程、混合工程及び捕捉工程は、前記(循環型混合器1cを用いた混合方法)(循環型混合器1cを用いた捕捉方法)で説明したものが挙げられる。
検出工程は、前記捕捉部に捕捉された前記担体粒子に結合した試料物質を、前記検出部で検出する工程である。
捕捉工程で捕捉部40に捕捉された担体粒子に結合した試料物質は、検出部60によって、その存在が検出される。
実施形態の流体デバイスは、第4実施形態の循環型混合器を有する。
まず、循環型混合器の第4実施形態について説明する。本実施形態の循環型混合器は、前記循環流路(第一の循環流路)10とは別の、少なくとも1つのさらなる循環流路(第二の循環流路)50を含む。
第一の循環流路には、溶液中の試料物質を捕捉する捕捉部が配置され、
第二の循環流路には、溶液中の試料物質を検出する検出部が配置される。
循環型混合器は、第一の循環流路と第二の循環流路とを直接又は間接に接続する接続流路を含んでもよい。
図5は、第4実施形態の循環型混合器を模式的に示した平面図である。第4実施形態では、第3実施形態の構成要素と同一の要素については同一符号を付し、その説明を省略する。
第一循環流路10では、試料物質を循環させて検出補助物質と結合させることで、試料物質検出のための前処理が可能である。前処理された試料物質は、第一循環流路10から第二循環流路50に送液される。第二循環流路50では、前処理された試料物質が検出される。前処理された試料物質は第二循環流路50において循環されることで検出部60と繰返し接触し、効率良く検出される。
また、第一循環流路10には、空気を導入する導入流路81が接続し、導入流路81には導入流路を開閉する導入流路バルブA1が設けられている。
第一循環流路10には、排出流路31,32,33が接続する。排出流路31,32,33にはそれぞれ、排出流路を開閉する排出流路バルブO1,O2,O3が設けられている。
循環流路10には、循環流路10を区画する第一循環流路バルブV1、第二循環流路バルブV2、第三循環流路バルブV3が設けられている。第一循環流路バルブV1は排出流路31の近傍に配置される。第二循環流路バルブV2は、導入流路21及び導入流路22の間、且つ両流路の近傍に配置される。第三循環流路バルブV3は、排出流路32及び排出流路33間且つ両流路の近傍に配置される。
このように、循環流路10は、第一循環流路バルブV1、第二循環流路バルブV2、第三循環流路バルブV3が閉じたときに3つの流路10x,10y,10zに区画され、各区画には、少なくとも一つの導入流路及び排出流路が接続する。
また、第二循環流路50には、空気を導入する導入流路82が接続し、導入流路82には導入流路を開閉する導入流路バルブA2が設けられている。
第二循環流路50には、排出流路34が接続する。排出流路34には、排出流路を開閉する排出流路バルブO4が設けられている。
第二循環流路50内の容積が、循環流路10内の容積より小さくされていることで、循環流路10において循環する液よりも第二循環流路50で循環する液の方が少なくなる。そのため、検出に使用される薬剤の使用量を抑えることができる。また、第二循環流路50内の容積が、循環流路10内の容積より小さくされていることで、検出感度の向上が可能となる。例えば、検出対象物が第二循環流路50内の液に分散又は溶解している場合、第二循環流路50内の液量を小さくすることによって検出対象物が濃縮されるので、検出感度を向上可能である。
また、第二循環流路50内の容積は、循環流路10内の容積より大きくてもよい。この場合、循環流路10において循環する液よりも第二循環流路50で循環する液の方が多くなる。この場合、例えば例えば循環流路10で循環した液を第二循環流路50に移送し、更に測定液や基質溶液を追加することができる。
したがって、液の混合、及び試料物質の検出が効率化される。
なお、循環流路10内で混合された後に第二循環流路50に導入された液に、第二循環流路50において、さらに基質溶液や測定液などを添加し、混合してもよい。
図6は、第5実施形態の流体デバイスを模式的に示した平面図である。
第5実施形態の流体デバイス200は、循環型混合器1dを備える。循環型混合器の第4実施形態の構成要素と同一の要素については同一符号を付し、その説明を省略する。
流体デバイス200は、検体試料に含まれる検出対象である抗原(試料物質、生体分子)を免疫反応及び酵素反応により検出するデバイスである。
流体デバイス200は、循環型混合器1dを構成する流路やバルブが形成された基板である。流体デバイス200は、例えば、流路を形成した基板201と、リザーバーを形成した基板とを貼り合わせて形成してもよい。図6には、リザーバーを形成した基板は示されていないが、理解のためリザーバーの位置は示されている。
流体デバイス200は、第一試薬導入用インレット10aと、検体導入用インレット10bと、第二試薬導入用インレット10cと、洗浄液導入用インレット10dと、移送液導入用インレット10eと、空気導入用インレット10fとを備える。
第一試薬導入用インレット10aは、基板201の表面に開口しており、基板201に貼り合わされた基板に形成されたリザーバー11aに接続している。リザーバー11aに収容された第一試薬は、第一試薬導入用インレット10aを介して第一循環流路10へと導入される。
検体導入用インレット10bは、基板201の表面に開口しており、基板201に貼り合わされた基板に形成されたリザーバー11bに接続している。リザーバー11bに収容された検体は、検体導入用インレット10bを介して第一循環流路10へとを導入される。
第二試薬導入用インレット10cは、基板201の表面に開口しており、基板201に貼り合わされた基板に形成されたリザーバー11cに接続している。リザーバー11cに収容された第二試薬は、第二試薬導入用インレット10cを介して第一循環流路10へと導入される。
図6に示すように、第一試薬を導入する導入流路の循環流路10への接続部と、検体を導入する導入流路の循環流路10への接続部同士は、近接して配置される。より詳しくは、第二試薬を導入する導入流路の循環流路10への接続部とよりも、近接して配置される。この構成により、第一試薬と検体との反応が促進される。
移送液導入用インレット10eは、基板201の表面に開口しており、基板201に貼り合わされた基板に形成されたリザーバー11eに接続している。リザーバー11eに収容された移送液は、移送液導入用インレット10eを介して循環流路10へと導入される。
空気導入用インレット10fは、流体デバイスの表面に開口しており、開口を介して循環流路10へと、空気を導入可能である。
基質溶液導入用インレット50aは、基板201の表面に開口しており、基板201に貼り合わされた基板に形成されたリザーバー51aに接続している。リザーバー51aに収容された基質溶液は、基質溶液導入用インレット50aを介して第二循環流路50へと導入される。
測定液導入用インレット50bは、基板201の表面に開口しており、基板201に貼り合わされた基板に形成されたリザーバー51bに接続している。リザーバー51bに収容された測定液は、測定液導入用インレット50bを介し第二循環流路50へと導入される。
空気導入用インレット50cは、流体デバイスの表面に開口しており、開口を介して導入流路82から第二循環流路50へと、空気を導入可能である。
循環流路10の外側には廃液槽70が配置される。廃液槽70を循環流路外側領域に配置することで、廃液の貯留スペースやアウトレット等の排出部の確保が容易となる。また、廃液槽70から液体のみを排出する場合には、廃液槽70を循環流路外側領域に配置することで、廃液処理が容易になる。別法として、廃液槽は基板201とは別の基板に形成してもよく、その場合、廃液槽を第一循環流路の位置と関係なく配置することも可能である。
次に、上記構成の流体デバイス200を用いた混合方法、捕捉方法、及び検出方法について説明する。流体デバイス200は循環型混合器1dを備えるので、以下、循環型混合器1d用いた混合方法、捕捉方法、及び検出方法について説明する。循環型混合器1dにおける循環流路バルブのそれぞれは、前記循環流路バルブで区切られる循環流路の区画のそれぞれが所定の体積となるように配置されている。
本実施形態の捕捉方法は、担体粒子に結合した試料物質を捕捉する。本実施形態の検出方法は、検体試料に含まれる検出対象である抗原(試料物質、生体分子)を免疫反応及び酵素反応により、担体粒子に結合した試料物質を検出する。
本実施形態の方法は、前記第一の循環流路の循環流路バルブを閉めた状態で、前記第一の循環流路バルブで区切られる区画の少なくとも一つに試料物質を含む溶液を導入し、別の少なくとも一つの区画に前記試料物質と結合する担体粒子を含む溶液を導入する導入工程を含む。
前記第一の循環流路が三つの循環流路バルブを有し、前記導入工程において、一つの区画に試料物質を含む溶液を導入し、一つの区画に前記試料物質と結合する担体粒子を含む溶液を導入し、一つの区画に検出補助物質を含む溶液を導入する。
まず、図8に示すように、導入流路バルブII,I2,I3を開き、第一循環流路バルブV1、第二循環流路バルブV2、第三循環流路バルブV3を閉じた状態で、第一試薬導入用インレット10aから第一試薬を、検体導入用インレット10bから検体を、第二試薬導入用インレット10cから第二試薬を導入する。このとき、導入流路バルブI5,I4,A1は閉じられている。
このようにして、第一循環流路バルブV1と第二循環流路バルブV2とで区画化された循環流路10の流路10xに、第一試薬が導入される。第二循環流路バルブV2と第三循環流路バルブV3とで区画化された循環流路10の流路10yに、検体が導入される。第三循環流路バルブV3と第一循環流路バルブV1とで区画化された循環流路10の流路10zに、第二試薬が導入される。
第一試薬は、磁性粒子(担体粒子)を含有する。磁性粒子の表面には、検出対象の抗原(試料物質)に特異的に結合する抗体Aが固定化されている。検体は、検出対象である抗原を含有する。検体としては、血液、尿、唾液、血漿、血清等の体液、細胞抽出物、組織破砕液等が挙げられる。第二試薬は、検出対象の抗原に特異的に結合する抗体Bを含有する。抗体Bには、アルカリフォスファターゼ(検出補助物質、酵素)が固定化され標識されている。
次には、前記第一の循環流路の循環流路バルブをすべて開放し、前記第一の循環流路内で溶液を循環させて混合する。この工程について説明する。
まず、図9に示すように、導入流路バルブII,I2,I3を閉じる。また、接続流路バルブV9は閉じられている。これにより、第一循環流路10に接続する流路との連通が遮断され、第一循環流路10が孤立する。そして、第一循環流路バルブV1、第二循環流路バルブV2、及び第三循環流路バルブV3を開け、ポンプバルブV3,V4,V5を作動させて、第一試薬、検体、及び第二試薬を循環流路10内で循環させて混合し、これらの混合液を得る。第一試薬、検体、及び第二試薬の混合により、担体粒子に固定化された抗体Aに抗原が結合し、該抗原に酵素が固定化された抗体Bが結合する。これにより、混合工程において担体粒子−抗原−酵素複合体が形成される。このようにして、混合工程において、担体粒子−試料物質−検出補助物質複合体を得る。
次に、前記担体粒子を前記捕捉部に捕捉する捕捉工程について説明する。
捕捉部40は磁性粒子を捕捉する磁石を設置可能な磁石設置部41を備える。磁石設置部41は、磁石の磁力を制御可能に構成されている。磁石設置部の磁石の磁力を高めて溶液を循環させると、前記担体粒子が前記捕捉部に捕捉される。例えば、磁石を磁石設置部41に設置し、磁石が循環流路に近接した捕捉可能状態とする。この状態で、ポンプバルブV3,V4,V5を作動させて、担体粒子−抗原−酵素複合体を含む液を循環流路10内で循環させ、捕捉部40に担体粒子−抗原−酵素複合体を捕捉する。担体粒子−抗原−酵素複合体は、循環流路内を一方向又は双方向に流動し、循環流路内を循環する又は往復する。図9では、担体粒子−抗原−酵素複合体が一方向に循環する様子を示している。複合体は、捕捉部における循環流路10内壁面上に捕捉され、液成分から分離される。
次に、捕捉部に捕捉された担体粒子を洗浄する工程について説明する。
導入流路バルブA1及び排出流路バルブO2を開け、第三循環流路バルブV3を閉じ、アウトレット70aから負圧吸引し、空気導入用インレット10fから循環流路10内へと空気を導入する。これにより、担体粒子−抗原−酵素複合体と分離された液成分(廃液)を、排出流路32を介して第一循環流路10から排出する。廃液は廃液槽70に貯留される。第三循環流路バルブV3を閉じることで、循環流路10全体へと効率よく空気が導入される。
その後、排出流路バルブO2及び第三循環流路バルブV3を閉じ、導入流路バルブI4及び排出流路バルブO3を開け、アウトレット70aから負圧吸引し、洗浄液導入用インレット10dから、第一循環流路10内へと洗浄液を導入する。第三循環流路バルブV3を閉じることで、第一循環流路10を満たすように洗浄液が導入される。
第三循環流路バルブV3を開け、導入流路バルブI4及び排出流路バルブO2を閉めて、循環流路10を閉鎖し、ポンプバルブV3,V4,V5を作動させて、洗浄液を循環流路10内で循環させ、担体粒子を洗浄する。
続いて、導入流路バルブA1及び排出流路バルブO2を開け、第三循環流路バルブV3を閉じ、アウトレット70aから負圧吸引し、空気導入用インレット10fから循環流路10内へと空気を導入する。これにより、洗浄液を循環流路10から排出し、担体粒子−抗原−酵素複合体を形成しなかった抗体Bを循環流路10内から排出する。
なお、洗浄液の導入と排出は複数回行われてもよい。繰返し、洗浄液を導入し、洗浄し、洗浄後の液を排出することによって、不要物の除去効率が高まる。
次に、前記担体粒子を前記捕捉部から解放し、前記担体粒子に結合した又は遊離した試料物質を含む溶液を、前記接続流路を通じて前記第二循環流路に移送する移送工程について説明する。
導入流路バルブI5及び排出流路バルブO3を開け、排出流路バルブO2及び第三循環流路バルブV3を閉じ、アウトレット70aから負圧吸引し、移送液導入用インレット10eから循環流路10内へと移送液を導入する。
また、導入流路バルブI5及び排出流路バルブO2を開け、排出流路バルブO3及び第三循環流路バルブV3を閉じ、アウトレット70aから負圧吸引し、移送液導入用インレット10eから循環流路10内へと移送液を導入する。
続いて、第三循環流路バルブV3を開け、導入流路バルブI5及び排出流路バルブO2,O3を閉め、循環流路10を閉鎖する。そして、磁石を磁石設置部41から外し、循環流路から遠ざけて、循環流路10内壁面上に捕捉されていた担体粒子−抗原−酵素複合体の捕捉を解く。ポンプバルブV3,V4,V5を作動させて、移送液を循環流路10内で循環させ、担体粒子−抗原−酵素複合体を移送液中に分散させる。このようにして、移送工程において、担体粒子−試料物質−検出補助物質複合体を含む溶液を第二の循環流路に移送する。
なお、本実施形態では、試料物質を担体粒子ごと捕捉部40から解放したが、担体粒子を捕捉したまま試料物質を担体粒子から解放して、試料物質を移送液中に含有させ、後の検出工程で試料物質を検出部で検出してもよい、
なお、第二循環流路50の循環流路バルブ(ポンプバルブ)の少なくとも2つを閉じて2以上の区画に分け、移送液の少なくとも一部を、少なくとも1つの前記区画に導入してもよい。その場合、他の区画に検出に必要な試薬を予め充填しておき、循環流路バルブを開放して移送液と試薬を混合した後、検出することができる。
なお、本実施形態では、移送工程において、接続流路バルブV9を解放したが、前記移送工程に先立って前記接続流路バルブを開放してもよい。
次に、捕捉部に捕捉された前記担体粒子に結合した試料物質を、前記検出部で検出する検出工程について説明する。移送液の第二循環流路50への移送が完了した後、図11に示すように、接続流路バルブV9、排出流路バルブO4を閉めて、第二循環流路50を閉鎖し、ポンプバルブV6,V7,V8を作動させて、移送液を第二循環流路50内で循環させ、担体粒子−抗原−酵素複合体を捕捉部42に捕捉する。
導入流路バルブA2、排出流路バルブO4を開け、アウトレット70aから負圧吸引し、空気導入用インレット50cから導入流路82を介して、第二循環流路50内へと空気を導入する。これにより、担体粒子−抗原−酵素複合体と分離された移送液の液成分(廃液)を、排出流路34を介して第二循環流路50から排出する。廃液は廃液槽70に貯留される。このときバルブV6又はV7を閉じることで第二循環流路50全体へと効率よく空気が導入される。
検出に先立って、別の少なくとも1つの前記区画に、検出補助物質を含む溶液を導入してもよい。導入流路バルブI6及び排出流路バルブO4を開け、バルブV7を閉じ、アウトレット70aから負圧吸引し、基質溶液導入用インレット50aから導入流路26を介して、第二循環流路50内へと基質溶液を導入する。基質溶液は、アルカリフォスファターゼ(酵素)の基質となる3-(2'-spiroadamantane)-4-methoxy-4-(3''-phosphoryloxy)phenyl-. 1, 2-dioxetane (AMPPD)、あるいは4-Aminophenyl Phosphate (pAPP)等が含有されている。
排出流路バルブO4及び導入流路バルブI6を閉めて、第二循環流路50を閉鎖し、ポンプバルブV6,V7,V8を作動させて、基質溶液を第二循環流路50内で循環させ、担体粒子−抗原−酵素複合体の酵素と反応させる。検出は、循環させながらおこなってもよい。
上記操作により、検体に含まれる検出対象の抗原を化学発光シグナルあるいは電気化学シグナル等として、検出部60において検出できる。このようにして、検出工程で、担体粒子−試料物質−検出補助物質複合体を検出する。
本実施形態では、第二循環流路に検出部60が配置された場合を示した。この場合のように、検出部と捕捉部とを組み合わせて用いられずともよく、第二循環流路50に捕捉部が設けられることは必須ではない。なお、検出部と捕捉部とが第二循環流と50の同じ位置に配置され、検出部及び捕捉部を組み合わせ、検出部60は、捕捉部42に捕捉された物質を検出してもよい。
或いは、アルカリフォスファターゼ(酵素)の基質となるpAPPと不溶化反応により金属として析出する金属イオンを第二循環流路50内へと導入する。排出流路バルブO4及び導入流路バルブI6を閉めて、第二循環流路50を閉鎖し、ポンプバルブV6,V7,V8を作動させて、基質溶液を第二循環流路50内で循環させ、担体粒子−抗原−酵素複合体の酵素と反応させて金属を検出部に沈着させる。前記と同様に、空気導入用インレット50cから空気を導入し、基質溶液(廃液)を、排出流路34を介して第二循環流路50から排出する。
導入流路バルブI7及び排出流路バルブO4を開け、バルブV6を閉じ、アウトレット70aから負圧吸引し、測定液導入用インレット50bから導入流路27を介して、第二循環流路50内へと測定液を導入する。測定液は、シグナルを増強させる役割を持つ物質として強電解溶液等が含有されている。
排出流路バルブO4及び導入流路バルブI7を閉めて、第二循環流路50を閉鎖し、ポンプバルブV6,V7,V8を作動させて、測定液を第二循環流路50内で循環させ、沈着した金属量を電気的に分析する。
本実施形態の検出方法は、生体試料の分析や、体外診断等に適用することも可能である。
また、捕捉部42を備える第二循環流路50内において担体粒子を含む液を混合することで、捕捉部42と担体粒子との接触機会が促進され、効率よく担体粒子を捕捉できる。
本発明の一実施態様におけるシステムは、循環型混合器におけるバルブの開閉を制御する制御部を備える。本発明の一実施形態におけるシステムは、流体デバイスと、前記流体デバイスのバルブの開閉を制御する制御部と、を備える。バルブの開閉の手順については、循環型混合器1aを用いた混合方法、並びに循環型混合器1d用いた混合方法、捕捉方法、及び検出方法に示す手順に代表される。
本実施形態のシステムによれば、一例として、循環型混合器における混合方法、捕捉方法、及び検出方法を行うことができる。
図12に示す流体デバイスを作製した。図12に示す流体デバイスは、循環流路と、捕捉部と、磁石設置部と、導入流路と、循環流路に配置されたポンプバルブとを備える。磁石配置部には磁石を配置可能である。
図12に示すように、導入流路から循環流路へと磁性粒子分散液を導入し、ポンプバルブを作動させ、循環流路内で磁性粒子分散液を循環させた(磁石配置前)。分散液の循環を継続させながら、同時に磁石設置部へ磁石を設置し、磁性粒子捕捉可能状態とした。磁石設置から1秒後、5秒後、10秒後、30秒後、120秒後の流体デバイスの様子を図12に示す。
また、この際の磁性粒子の捕捉状態を定量した。図13に示す写真中、捕捉部を含む囲み線内のエリアの画像を取得し、画像処理装置によりエリア内の8bit-gray valueのヒストグラムを取得し、閾値130以上の画素数[ピクセル]の数を求めた。結果を図13に示す。磁石配置後の送液時間の経過に伴う画素数の値の上昇が確認され、磁性粒子分散液の循環により、捕捉部における磁性粒子の捕捉量が徐々に増加していくことが示された。
このことから、磁性粒子分散液を循環させることで、磁性粒子の捕捉効率を向上可能であることが明らかとなった。
図14に示すように、実施例1において磁性粒子を捕捉した状態の流体デバイスの循環流路から液を排出した。次いで、捕捉部の磁石設置部から磁石を外し、磁石を循環流路から遠ざけた解放状態とさせた(送液開始前)。その後、循環流路に磁性粒子を含まない液を循環流路へと送液した。送液開始から10秒後、20秒後、30秒後、60秒後、90秒後の流体デバイスの様子を図14に示す。
また、この際の磁性粒子の再分散状態を定量した。図15に示す写真中、捕捉部下流の流路を含む囲み線内のエリアの画像を取得し、画像処理装置によりエリア内の各画素間の輝度のばらつき(分散)を算出した。結果を図15に示す。送液時間の経過に伴うエリア内の分散の値の上昇とその後の低下が確認され、磁性粒子分散液の循環により、捕捉部に捕捉されていた磁性粒子が徐々に液中に分散していくことが示された。このことから、循環流路内で液を循環させることで、磁性粒子の再分散効率を向上可能であることが明らかとなった。
図16に示す流体デバイスを作製した。図16に示す流体デバイスは、第一循環流路と、捕捉部と、磁石設置部と、導入流路と、循環流路に配置されたポンプバルブとを備えるとともに、第二循環流路と、捕捉部と、磁石設置部と、循環流路に配置されたポンプバルブとを備える。磁石配置部には磁石を配置可能である。循環流路と第二循環流路は、接続流路により接続されている。
図16に示すように、循環流路内の磁性粒子分散液を、接続流路を介して第二循環流路へと導入した(移送中・移送後)。図16中、移送後の下段の写真は、第二循環流路に設けられた捕捉部において磁性粒子を捕捉した様子を示す写真である。このことから、第一循環流路から第二循環流路へと磁性粒子分散液の移送が可能であることが示された。第一循環流路から第二循環流路に磁性粒子を導入可能であることから、図16に示す流体デバイスを、例えば、化学発光検出や一般的な電気化学検出に適用可能である。また、第二循環流路にて磁性粒子を捕捉可能であることから、図16に示す流体デバイスを、例えば、磁性粒子上の蛍光検出や、金属イオンなどの可溶性物質を不溶性物質に変換する不溶化反応(例えば銀の沈着)を伴う電気化学検出などの、試料物質の分析方法に適用可能である。
Claims (11)
- 循環流路と、
前記循環流路に配置された、溶液中の試料物質を捕捉する捕捉部及び/又は溶液中の試料物質を検出する検出部と、を含み、
前記循環流路は2以上の循環流路バルブを有し、前記循環流路バルブのそれぞれは、前記循環流路バルブで区切られる前記循環流路の区画のそれぞれが所定の体積となるように配置されており、
第一導入流路が、前記循環流路の第一の区画と接続され、
第二導入流路が、前記循環流路の第二の区画と接続され、
排出流路は前記循環流路と接続され、
前記第一導入流路は第一導入流路バルブを有し、
前記第二導入流路は第二導入流路バルブを有し、
前記排出流路は排出流路バルブを有する、
流体デバイス。 - 前記捕捉部又は検出部は、担体粒子に結合した試料物質を捕捉又は検出する、請求項1に記載の流体デバイス。
- 前記捕捉部は、前記担体粒子に対する親和性を制御可能に構成されている、請求項2に記載の流体デバイス。
- 前記導入流路及び排出流路の少なくとも1つは、前記循環流路バルブの近傍に配置されている、請求項1から3のいずれか一項に記載の流体デバイス。
- 前記循環流路は、溶液を循環させるためのポンプを有する、請求項1から4のいずれか一項に記載の流体デバイス。
- 前記捕捉部及び前記検出部が、前記循環流路の同じ位置に配置されている、請求項1から5のいずれか一項に記載の流体デバイス。
- 少なくとも1つのさらなる循環流路を含み、当該循環流路は溶液中の試料物質を検出する検出部が配置され、循環流路同士が接続流路によって接続されている、請求項1から6のいずれか一項に記載の流体デバイス。
- 担体粒子に結合した試料物質を捕捉する方法であって、
第一循環流路と、前記第一循環流路に配置された、前記担体粒子を捕捉する捕捉部と、を含み、前記第一循環流路が2以上の循環流路バルブを有する流体デバイスを用い、
前記循環流路バルブを閉めた状態で、前記循環流路バルブで区切られる区画のうち、少なくとも一つの区画に、試料物質を含む溶液を、第一導入バルブを有する第一導入流路を通じて導入し、別の少なくとも一つの区画に、前記試料物質と結合する担体粒子を含む溶液を、第二導入バルブを有する第二導入流路を通じて導入する導入工程と、
前記循環流路バルブをすべて開放し、前記第一循環流路内で溶液を循環させて混合する混合工程と、
前記担体粒子を前記捕捉部に捕捉する捕捉工程と、
を含む方法。 - 前記流体デバイスは、さらに、前記捕捉部に捕捉された担体粒子に結合した試料物質を検出する検出部を含み、
前記捕捉工程の後、前記捕捉部に捕捉された前記担体粒子に結合した試料物質を、前記検出部で検出する検出工程を含む請求項8に記載の方法。 - 前記流体デバイスは、更に、前記担体粒子に結合した試料物質を検出する検出部が配置された第二循環流路を含み、
前記捕捉工程の後、前記担体粒子を前記捕捉部から解放し、又は、前記試料物質を前記担体粒子から解放し、前記担体粒子に結合した試料物質又は遊離した試料物質を含む溶液を、接続流路を通じて前記第二循環流路に移送する移送工程と、
前記試料物質を前記検出部で検出する検出工程と、
を含む請求項8に記載の方法。 - 前記第一循環流路が三つの循環流路バルブを有し、
前記導入工程において、一つの区画に試料物質を含む溶液を導入し、一つの区画に前記試料物質と結合する担体粒子を含む溶液を導入し、一つの区画に検出補助物質を含む溶液を導入し、
前記混合工程において、担体粒子−試料物質−検出補助物質複合体を得て、
前記移送工程において、前記担体粒子−試料物質−検出補助物質複合体を含む溶液を前記第二循環流路に移送し、
前記検出工程で、前記担体粒子−試料物質−検出補助物質複合体を検出する、請求項10に記載の方法。
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