JP6773467B2 - マイクロチップ - Google Patents

Description

本発明は、基板内にマイクロ流路が設けられているマイクロチップに関する。

従来、基板内にマイクロ流路が設けられているマイクロチップが種々提案されている。この種のマイクロチップは、ＤＮＡや酵素などの生体物質の分析や無機イオンの分析等に用いられている。

例えば、下記の特許文献１には、上記マイクロチップの一例が開示されている。特許文献１に記載のマイクロチップでは、マイクロ流路の長手方向の所定位置において、マイクロ流路の全内周面に気泡核導入手段が形成されている。この気泡核導入手段として、具体的には、複数の独立した凹部を内部に設けた構成が開示されている。

特許第４６３７６１０号公報

特許文献１に記載のマイクロチップでは、マイクロ流体中に溶解している気体から気泡核導入手段により気泡を発生させ、該気泡を除去している。そのために、内壁に複数の独立した凹部が設けられている。しかしながら、このような方法では発生する気泡を完全に集めることは困難であった。特に、ＰＣＲのように、加熱工程を含む操作が行われる場合、マイクロ流体が加熱されることにより、溶存気体由来の多くの気泡が生じる。そのため、光学的検出方法によりマイクロ流体中のＤＮＡなどの成分を検出する場合、検出精度が低下したり、検出自体が困難になることがあった。

本発明の目的は、マイクロ流体が加熱されている状態であっても、光学的検出を容易にかつ確実に可能とする、マイクロチップを提供することである。

本発明によれば、基板内にマイクロ流路が設けられているマイクロチップであって、前記基板内の前記マイクロ流路の途中に、加熱されているマイクロ流体中の成分を光学的に検出するための光学的検出部が設けられており、前記光学的検出部が、検出のための光が進行する方向において対向している第１及び第２の内壁と、前記第１の内壁と前記第２の内壁とを結んでいる第３の内壁とを有し、前記第１及び第２の内壁の前記マイクロ流体に対する濡れ性が、前記第３の内壁の前記マイクロ流体に対する濡れ性より高くされているマイクロチップが提供される。

本発明に係るマイクロチップのある特定の局面では、前記基板が、対向しあう第１及び第２の主面を有し、前記第１及び第２の内壁が、前記第１及び第２の主面と平行である。この場合には、複数のプレート状部材の積層体により、第１及び第２の主面を有する光学的検出部を容易に設けることができる。

本発明に係るマイクロチップの他の特定の局面では、前記基板が、複数のプレート状部材を積層してなる積層体である。この場合には、複数のプレート状部材の積層により、マイクロチップを容易にかつ安価に提供することができる。

本発明に係るマイクロチップのさらに他の特定の局面では、前記第１及び第２の内壁が、前記第３の内壁よりも、前記マイクロ流体に対する濡れ性が高い材質からなる。

本発明に係るマイクロチップでは、前記第１及び第２の内壁が、前記マイクロ流体に対する濡れ性を高めるように表面処理されていてもよい。

本発明に係るマイクロチップでは、前記第３の内壁が、前記マイクロ流体に対する濡れ性を低めるように表面処理されていてもよい。

本発明に係るマイクロチップの他の特定の局面では、前記光学的検出部が、蛍光分析用検出部である。

本発明に係るマイクロチップの別の特定の局面では、前記マイクロ流体中の成分が生体物質である。

本発明に係るマイクロチップによれば、光学的検出部において、第１及び第２の内壁のマイクロ流体に対する濡れ性が相対的に高くされているため、加熱下にあるマイクロ流体中において溶存気体による気泡が生成したとしても、該気泡が相対的に濡れ性の低い第３の内壁側に付着することとなる。従って、第１及び第２の内壁に気泡が付着し難いため、光学的検出部において、マイクロ流体中の成分を確実に検出することができる。

(ａ)及び(ｂ)は、本発明の一実施形態に係るマイクロチップの平面図及び正面断面図である。 本発明の一実施形態に係るマイクロチップにおける光学的検出部を拡大して示す部分切欠き拡大正面断面図である。 本発明の一実施形態のマイクロチップにおける気泡付着状態を説明するための模式的平面図である。 本発明の他の実施形態に係るマイクロチップにおける光学的検出部の第１、第２及び第３の内壁の状態を説明するための部分切欠き正面断面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

図１(ａ)及び(ｂ)は、本発明の一実施形態に係るマイクロチップの平面図及び正面断面図である。また、図２は、本発明の一実施形態に係るマイクロチップにおける光学的検出部を拡大して示す部分切欠き拡大正面断面図であり、図３は、マイクロチップにおける気泡付着状態を説明するための模式的平面図である。

図１(ａ)及び(ｂ)に示すように、マイクロチップ１は、基板２を有する。基板２は、複数のプレート状部材３〜７を積層してなる積層体からなる。もっとも、基板２は、積層体以外の板状材料により構成されていてもよい。

基板２は、対向し合う第１の主面２ａと、第２の主面２ｂとを有する。基板２内には、マイクロ流路１１が設けられている。

マイクロ流路とは、液体の搬送に際し、いわゆるマイクロ効果が生じるような微細な流路をいう。このようなマイクロ流路では、液体は、表面張力と毛細管現象との影響を強く受け、通常の大寸法の流路を流れる液体とは異なる挙動を示す。このようなマイクロ流路の横断面形状は、横断面における小さい方の辺の寸法で５ｍｍ以下、好ましくは５００μｍ以下、さらに好ましくは２００μｍ以下に設定される。マイクロ流路の横断面が円形である場合には、マイクロ流路の直径は、５ｍｍ以下、好ましくは５００μｍ以下、さらに好ましくは２００μｍ以下に設定される。

マイクロ流路１１の一端は、マイクロ流体を導入するための導入口１１ａに連ねられている。マイクロ流路１１の途中には、光学的検出部としての蛍光検出部１２が設けられている。蛍光検出部１２は、プレート状部材４〜６を貫通している。すなわち、マイクロ流路１１が、プレート状部材５に設けられたスロットにより構成されており、蛍光検出部１２では、プレート状部材４，６に貫通孔が設けられている。この貫通孔同士が重なることにより、基板２内に蛍光検出部１２が設けられている。

蛍光検出部１２は、第１の内壁１２ａ、第２の内壁１２ｂと、第１の内壁１２ａと第２の内壁１２ｂとを結んでいる複数の第３の内壁１２ｃ〜１２ｆを有する。第３の内壁は、第１の内壁に対して鋭角であっても鈍角であってもよく、好ましくは、第１の内壁に対して垂直である。第１の内壁１２ａと第２の内壁１２ｂとは、第１の主面２ａ及び第２の主面２ｂと平行に配置されている。第１の内壁と第２の内壁は、平面であり、好ましくは、高さが、５０μｍ以上、２ｍｍ以下であり、より好ましくは、１００μｍ以上、１ｍｍ以下である。従って、上記複数のプレート状部材３〜７の積層体において、上記第１及び第２の内壁１２ａ，１２ｂを有する蛍光検出部１２を容易に形成することができ、コストの低減を果たし得る。

このような蛍光検出部の形状は、直方体、円形、楕円あるいは、非対称な形状でもよい。また、蛍光検出部の体積は、好ましくは、０．１μｌ以上、１００μｌ以下、より好ましくは、１μｌ以上、５０μｌ以下、さらに好ましくは、４μｌ以上、２５μｌ以下である。

ところで、蛍光検出部１２内においては、搬送されてきたマイクロ流体中の成分が蛍光分析により検出される。そのため第１の内壁と第２の内壁を構成する材料は、４００ｎｍ以上、７００ｎｍ以下の波長の光を透過することが望ましい。この場合、本実施形態では、ＰＣＲにより増幅されたＤＮＡの検出が行われる。そのため、蛍光検出部１２においては、搬送されるマイクロ流体は加熱されている。この加熱は、蛍光検出部１２においてマイクロ流体を加熱するように加熱手段を設けることによって達成することができる。あるいは、蛍光検出部１２に至る前のマイクロ流路１１の一部に、加熱手段を設けてもよい。加熱手段は特に限定されず、適宜のヒーターなどを用いることができる。加熱は光学的検出部のみで行われてもよく、マイクロチップ全体で行われてもよい。

また、第１の内壁と第２の内壁を構成する材料が水蒸気透過性を有する場合には、水蒸気透過性の低いシクロオレフィン樹脂で第１の内壁と第２の内壁との最外部を覆ってもよい。

また、マイクロ流路１１の下流側には、廃液部１３が設けられている。廃液部１３は、分析後のマイクロ流体を貯留、あるいは排出させるように構成されている。

上記マイクロチップ１においては、蛍光検出部１２において、光としての蛍光を第１の主面２ａ側から第２の主面２ｂ側に向かって照射することにより行う。すなわち、上記第１の内壁１２ａと、第２の内壁１２ｂとは、上記蛍光の進行する方向において、互いに対向するように設けられている。より具体的には、第１の内壁１２ａと第２の内壁１２ｂとは、蛍光の進行方向と直交する方向に延びている。

本実施形態の特徴は、上記第１の内壁１２ａ及び第２の内壁１２ｂの搬送されてくるマイクロ流体に対する濡れ性が、第３の内壁１２ｃ〜１２ｆの該マイクロ流体に対する濡れ性よりも高くされていることにある。

なお、上記第１の内壁１２ａ及び第２の内壁１２ｂのマイクロ流体に対する濡れ性及び第３の内壁１２ｃ〜１２ｆのマイクロ流体に対する濡れ性は、搬送されるマイクロ流体に対する接触角の大小で決定すればよい。すなわち、搬送されるマイクロ流体に対する第１の内壁１２ａ及び第２の内壁１２ｂの接触角が、第３の内壁１２ｃ〜１２ｆのマイクロ流体に対する接触角より小さければよい。接触角が小さいほど、濡れ性は高くなる。接触角の測定にはＪＩＳ Ｒ３２５７に記載の方法を用いる。

マイクロ流体が加熱されると、溶存空気などの溶存気体による気泡が生じ易くなる。この気泡が、蛍光検出部１２内において広い範囲に分散していると、蛍光分析により被検出成分を検出することが困難となり、かつ感度が大幅に低下するおそれがある。これに対して、本実施形態では、第１の内壁１２ａ及び第２の内壁１２ｂのマイクロ流体に対する濡れ性が相対的に高いため、発生した気泡は、相対的に濡れ性が低い第３の内壁１２ｃ〜１２ｆ側に付着することとなる。すなわち、図３に示すように、気泡Ｃが複数生成したとしても、該気泡Ｃはマイクロ流体に対する濡れ性が相対的に高い第１の内壁１２ａ及び第２の内壁１２ｂ側には付着し難く、複数の第３の内壁１２ｃ〜１２ｆ上に付着することとなる。そのため、第１の内壁１２ａ及び第２の内壁１２ｂの中央を含む大きな領域において、気泡Ｃが蛍光の進行方向に存在しないこととなる。従って、蛍光検出部１２内において存在する成分を蛍光分析により確実に検出することができる。

本実施形態では、第３の内壁１２ｃ〜１２ｆの近くで気泡が優先的に発生し、かつ第３の内壁１２ｃ〜１２ｆに付着する。これは、濡れ性が低いほど、濡れ性の低い第３の内壁１２ｃ〜１２ｆの表面において気泡が発生しやすくなり、かつ該表面に付着することによると考えられる。

本実施形態では、第１の内壁１２ａ及び第２の内壁１２ｂの表面にプラズマやコロナ処理などの表面処理が施されている。それによって、第１の内壁１２ａ及び第２の内壁１２ｂのマイクロ流体に対する濡れ性が相対的に高くされている。

逆に、第３の内壁１２ｃ〜１２ｆに、粗化などの表面処理によって、濡れ性を低めてもよい。

また、図４に示すように、第１の内壁１２ａ及び第２の内壁１２ｂに、マイクロ流体に対する濡れ性を高め得るコーティング層２１，２２を設ける表面処理をしてもよい。あるいは、図４に一点鎖線で示すように、第３の内壁１２ｃ，１２ｅ上に、マイクロ流体に対する濡れ性を相対的に低める材料をコーティングし、コーティング層２３，２４を設ける表面処理をしてもよい。あるいは、第１の内壁１２ａ及び第２の内壁１２ｂを構成する材質を、第３の内壁１２ｃ〜１２ｆを構成する材質よりも、マイクロ流体に対する濡れ性が高い材質により構成してもよい。

さらに、プレート状部材３，７の表面が相対的に濡れ性が高く、プレート状部材４〜６の表面が相対的に濡れ性が低い材質となるように、これらのプレート状部材３〜７の材質を選択してもよい。

また、好ましくは、第１及び第２の内壁１２ａ，１２ｂが第３の内壁１２ｃ〜１２ｆよりも平滑度が高いことが望ましい。それによって、濡れ性を、第１及び第２の内壁１２ａ，１２ｂにおいて容易に高くすることができる。

また、第１及び第２の内壁と第３の内壁の接触角の差は、好ましくは、２０°以上、より好ましくは３０°以上である。

上記プレート状部材３〜７の材料は、特に限定されない。例えば、合成樹脂、合成ゴムなどの無機化合物を用いてもよく、Ｓｉ、ガラスまたはセラミックスのような無機化合物を用いてもよい。合成樹脂としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリメチルメタクリレートなどのアクリレート樹脂、ポリカーボネート、ポリプロピレン、シクロオレフィンなどのポリオレフィン、ポリスチレンなどを挙げることができる。また、合成ゴムとしては、シリコン樹脂系ゴムやＳＥＢＳなどを挙げることができる。また、シリコン樹脂としては、ポリジメチルシロキサンなどを挙げることができる。

上記実施形態では、光学的検出部として蛍光検出部１２を設けたが、蛍光以外の光を用いた光学的検出部を用いてもよい。また、本発明に係るマイクロチップにおいて測定される成分は、ＤＮＡに限らず、他の細胞外物質などの生体物質であってもよい。また、血液中の成分などであってもよい。さらに、無機イオンなどの微量イオンの分析にも本発明に係るマイクロチップを用いることができる。

上記マイクロ流体を構成している液体についても特に限定されず、様々な緩衝液、水溶液、生体抽出液体成分などであってもよい。

なお、マイクロチップ１においては、図１(ａ)に一点鎖線Ａで示すように、マイクロ流体を搬送するためのマイクロポンプ等をマイクロ流路１１に接続してもよい。

以下、実施例及び比較例を挙げることにより、本発明をより詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１〜６）
マイクロ流路及び光学的検出部が設けられているマイクロチップを用意した。ただし、実施例１〜６において、光学的検出部の第１及び第２の内壁は、下記の表１に示す樹脂により形成し、第３の内壁は、下記の表１に示す樹脂により形成した。表１において、第１及び第２の内壁の水に対する接触角及び第３の内壁の水に対する接触角を併せて示す。

（比較例）
比較例として、下記の表１に示すように、第１，第２の内壁がプラズマ処理されたアクリル樹脂からなり、第３の内壁がプラズマ処理されたシクロオレフィン樹脂からなることを除いては、実施例１〜６と同様にしてマイクロチップを得た。なお、比較例においては、第１及び第２の内壁の水に対する接触角は、表１に示すように１０°であり、第３の内壁の水に対する接触角も１０°であった。

なお、実施例１〜６及び比較例で用いた第１及び第２の内壁並びに第３の内壁を構成している樹脂の詳細は以下の通りである。

実施例１：第１及び第２の内壁は、アクリル樹脂（三菱レイヨン社製、商品名：アクリライトＬ）により形成した。第３の内壁は、シクロオレフィン樹脂（日本ゼオン社製、商品名：ＺＥＯＮＯＲ１４２０Ｒ、シクロオレフィンの構造を有する）により形成した。

実施例２：第１及び第２の内壁は、プラズマ処理されたアクリル樹脂（三菱レイヨン社製、商品名：アクリライトＬ）により形成した。プラズマ処理は、小型プラズマ装置（ヤマト科学社製：ＰＭ１００）を用いて行った。その条件は、プラズマ気相中に酸素を流速１００ｍｌ／分で１０分間流入させた。第３の内壁は、実施例１で用いたアクリル樹脂と同一のものを用いた。

実施例３：第１及び第２の内壁は、実施例１の第１及び第２の内壁と同様とした。第３の内壁は、アクリル樹脂（三菱レイヨン社製、商品名：アクリライトＬ）の表面にフッ素コート（ＮＴＴＡＴ社製、商品名：ＨＩＲＥＣ４５０）を行った。

実施例４：第１及び第２の内壁は、実施例１と同じアクリル樹脂により形成した。第３の内壁は、ポリジメチルシロキサン（東レダウコーニング社製、商品名：ＳＩＬＰＯＴ １８４）により形成した。

実施例５：第１及び第２の内壁は、プラズマ処理されたポリジメチルシロキサンより形成した。ポリジメチルシロキサンとしては、実施例４の第３の内壁で用いたものと同じものを用い、酸素プラズマにより親水化の処理を施した。第３の内壁は、実施例４の第３の内壁と同じ材料により形成した。

実施例６：第１及び第２の内壁は、実施例１で第３の内壁を形成するのに用いたシクロオレフィン樹脂を用いた。第３の内壁は、実施例３で第３の内壁を形成するのに用いたフッ素処理アクリル樹脂を用いた。

比較例：第１及び第２の内壁は、実施例２で第１及び第２の内壁を形成するのに用いたプラズマ処理したアクリル樹脂により形成した。第３の内壁は、日本ゼオン社製シクロオレフィン樹脂、商品名：ＺＥＯＮＯＲ１４２０Ｒを、プラズマにより親水処理したものを用いた。

実施例１〜６及び比較例の評価結果を表１において併せて示す。

（実施例１〜６及び比較例の評価）
実施例１〜６及び比較例の各マイクロチップにおいて、マイクロ流路にＰＣＲ反応溶液（ＴａＫａＲａ Ｔａｑ^ＴＭ ＨＳ Ｆａｓｔ Ｄｅｔｅｃｔ（タカラバイオ社製）を、光学検出部を満たすように送液した。光学検出部の形状は、平面形状が矩形であり、３ｍｍ×５ｍｍの寸法を有し、その深さは０．８ｍｍとした。従って、第１の内壁、第２の内壁及び第３の内壁の寸法は、横３ｍｍ×高さ０．８ｍｍとなる。

光学検出部をマイクロ流体が満たした状態で、光学検出部を平面視した。このとき、気泡が生じているか否かを平面視により観察した。評価結果を上記の表１に示す。評価記号の意味は以下の通りである。

◎：第３の内壁に気泡が付着していたが、第１，第２の内壁には気泡が付着していなかった。

○：第３の内壁にほとんどの気泡が付着しており、第１，第２の内壁に若干の気泡が付着していた。

×：第１，第２の内壁及び第３の内壁のいずれにも、気泡が多数付着していた。

１…マイクロチップ
２…基板
２ａ…第１の主面
２ｂ…第２の主面
３〜７…プレート状部材
１１…マイクロ流路
１１ａ…導入口
１２…蛍光検出部
１２ａ…第１の内壁
１２ｂ…第２の内壁
１２ｃ〜１２ｆ…第３の内壁
１３…廃液部
２１〜２４…コーティング層

Claims (9)

1. 基板内にマイクロ流路が設けられているマイクロチップであって、
   前記基板内の前記マイクロ流路の途中に、加熱されているマイクロ流体中の成分を光学的に検出するための光学的検出部が設けられており、
   前記光学的検出部が、検出のための光が進行する方向において対向している第１及び第２の内壁と、前記第１の内壁と前記第２の内壁とを結んでいる第３の内壁とを有し、
   前記第１及び第２の内壁の前記マイクロ流体に対する濡れ性が、前記第３の内壁の前記マイクロ流体に対する濡れ性より高くされている、マイクロチップ。
2. 前記基板が、対向しあう第１及び第２の主面を有し、前記第１及び第２の内壁が、前記第１及び第２の主面と平行である、請求項１に記載のマイクロチップ。
3. 前記基板が、複数のプレート状部材を積層してなる積層体である、請求項１または２に記載のマイクロチップ。
4. 前記第１及び第２の内壁が、前記第３の内壁よりも、前記マイクロ流体に対する濡れ性が高い材質からなる、請求項１〜３のいずれか１項に記載のマイクロチップ。
5. 前記第１及び第２の内壁が、前記マイクロ流体に対する濡れ性を高めるように表面処理されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のマイクロチップ。
6. 前記第３の内壁が、前記マイクロ流体に対する濡れ性を低めるように表面処理されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のマイクロチップ。
7. 前記光学的検出部が、蛍光分析用検出部である、請求項１〜６のいずれか１項に記載のマイクロチップ。
8. 前記マイクロ流体中の成分が生体物質である、請求項１〜７のいずれか１項に記載のマイクロチップ。
9. 前記第１及び第２の内壁の水に対する接触角が、前記第３の内壁の水に対する接触角より１０°以上小さい、請求項１〜８のいずれか１項に記載のマイクロチップ。

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