JP7040934B2

JP7040934B2 - マイクロチップ

Info

Publication number: JP7040934B2
Application number: JP2017245156A
Authority: JP
Inventors: 隆昌河野; 延彦乾; 良輔高橋; 一彦今村; 辰典 ▲高▼松
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2017-12-21
Filing date: 2017-12-21
Publication date: 2022-03-23
Anticipated expiration: 2037-12-21
Also published as: JP2019110779A

Description

本発明は、流体が送液されるマイクロ流路が設けられたマイクロチップに関する。

従来、流体が送液されるマイクロ流路が設けられた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、核酸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。下記の特許文献１及び非特許文献１には、このような化学的及び生物学的分析に用いられる核酸を担持体に担持することによって分離して回収する方法が開示されている。

マイクロ流路内へ担持体を固定する場合、例えば、シリカビーズのような粒子状担持体が送液時に流出してしまうことがある。この点に関し、特許文献１では、磁性を帯びた粒子をマイクロチップ外の磁石により固定する方法が提案されている。また、非特許文献１では、担持体であるシリカビーズを固定材としてのガラス繊維で挟み込んで固定させる構造が提案されている。

国際公開第２０１４／０７３６３８号

ＡｎａｌＢｉｏｃｈｅｍ，２００８Ｆｅｂｒｕａｒｙ１５；３７３（２）：２５３－２６２

しかしながら、特許文献１のように、磁力などの外力を利用する方法においては、コストが増大し、しかも担持体を均一かつ高密度に充填することが難しい場合がある。一方、非特許文献１の方法においても、コストが増大したり、流路抵抗が大きくなったりする場合がある。また、固定材に目的物以外の物質が吸着する場合がある。さらに、特許文献１及び非特許文献１のいずれの方法を用いた場合においても、装置が大掛かりになるという問題がある。

本発明の目的は、大掛かりな装置を用いずとも、担持体を容易に固定することを可能とする、マイクロチップを提供することにある。

本発明に係るマイクロチップは、流体が送液されるマイクロ流路と、前記マイクロ流路の途中に設けられており、核酸を担持するための担持体が充填された担持体充填部と、を備え、前記担持体充填部において、前記担持体が圧縮されて固定されており、前記担持体の圧縮弾性率が、５０ｋＰａ以下である。

本発明に係るマイクロチップのある特定の局面では、前記担持体充填部における前記担持体の充填率が、８％以上、２０％以下である。

本発明に係るマイクロチップの他の特定の局面では、前記マイクロ流路が延びる方向及び前記担持体充填部の深さ方向に直交する方向における前記担持体の幅の最大値が、１ｍｍ以上、４ｍｍ以下である。

本発明に係るマイクロチップの別の特定の局面では、前記担持体の平均孔径が、１．５μｍ以上、５．０μｍ以下である。

本発明によれば、大掛かりな装置を用いずとも、担持体を容易に固定することを可能とする、マイクロチップを提供することができる。

本発明の一実施形態に係るマイクロチップを示す模式的平面図である。図１中のＡ－Ａ線に沿う部分の模式的断面図である。本発明の一実施形態に係るマイクロチップにおいて、マイクロ流路が設けられている部分を拡大して示す模式的平面図である。本発明の一実施形態に係るマイクロチップにおいて、マイクロ流路が設けられている部分を拡大して示す模式的断面図である。実施例における流路抵抗の測定方法を説明するための模式図である。

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。

なお、本明細書に記載の各実施形態は、例示的なものであり、異なる実施形態間において、構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることを指摘しておく。

図１は、本発明の一実施形態に係るマイクロチップを示す模式的平面図である。図２は、図１中のＡ－Ａ線に沿う部分の模式的断面図である。

図１に示すように、マイクロチップ１内には、流体が送液されるマイクロ流路２が設けられている。マイクロ流路２の途中には、担持体充填部３が設けられている。担持体充填部３は、担持体６を充填するための空間である。

マイクロチップ１は、特に限定されないが、本実施形態では、図２に示すように、板状の基板４と、カバー部材５とを有する。基板４は、対向し合う第１の主面４ａ及び第２の主面４ｂを有する。基板４の第１の主面４ａ側には、凹部４ｃが設けられている。凹部４ｃは、第１の主面４ａ側に開口するように設けられている。

基板４を構成する材料は、特に限定されず、例えば、合成樹脂、ゴム、金属などを用いることができる。なかでも、基板４は、合成樹脂の成形体からなることが好ましい。より好ましくは、合成樹脂の射出成形体からなることが望ましい。もっとも、基板４は、複数枚の合成樹脂のシートを積層することにより形成されていてもよい。また、基板４は、ベースシートと、ベースシート上に設けられた貫通孔を有する基材本体とにより構成されていてもよい。

合成樹脂としては、特に限定されないが、熱可塑性樹脂であることが好ましい。なかでも、合成樹脂としては、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリジメチルシロキサン、シクロオレフィンポリマー、環状オレフィンコポリマー、ポリメタクリル酸メチル、ポリエチレンテレフタレート、又はアモルファスポリオレフィンであることがより好ましい。これらは、単独で用いてもよく、複数を併用してもよい。

基板４の第１の主面４ａ上には、カバー部材５が設けられている。カバー部材５は、基板４の凹部４ｃを閉成するように設けられている。カバー部材５が、基板４の凹部４ｃを閉成することにより、担持体充填部３が構成されている。

カバー部材５は、例えば、弾性部材により構成されていることが好ましい。弾性部材としては、特に限定されないが、エラストマーであることが好ましい。なお、カバー部材５は、樹脂フィルムであってもよい。また、本発明において、基板４とカバー部材５とは、一体的に構成されていてもよい。

基板４内には、流体が送液されるマイクロ流路２が設けられている。マイクロ流路２とは、流体の搬送に際し、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２では、液体は、表面張力の影響を強く受け、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。

マイクロ流路２の横断面形状及び大きさは、上記のマイクロ効果が生じる流路であれば特に限定はされない。例えば、マイクロ流路２に流体を流す際、ポンプや重力を用いる場合には、流路抵抗を低下させる観点から、マイクロ流路２の横断面形状がおおむね長方形（正方形を含む）の場合には、小さい方の辺の寸法で、２０μｍ以上が好ましく、５０μｍ以上がより好ましく、１００μｍ以上がさらに好ましい。マイクロチップ１を用いたマイクロ流体デバイスのより一層の小型化の観点より、小さい方の辺の寸法で、５ｍｍ以下が好ましく、１ｍｍ以下がより好ましく、５００μｍ以下がさらに好ましい。

また、マイクロ流路２の横断面形状がおおむね円形の場合には、直径（楕円の場合には、短径）が、２０μｍ以上が好ましく、５０μｍ以上がより好ましく、１００μｍ以上がさらに好ましい。上記マイクロ流体デバイスのより一層の小型化の観点より、直径（楕円の場合には、短径）は、５ｍｍ以下が好ましく、１ｍｍ以下がより好ましく、５００μｍ以下がさらに好ましい。

一方、例えば、マイクロ流路２に流体を流す際、毛細管現象を有効に活用する場合には、マイクロ流路２の横断面形状がおおむね長方形（正方形を含む）の場合には、小さい方の辺の寸法で、５μｍ以上であることが好ましく、１０μｍ以上であることがより好ましく、２０μｍ以上であることがさらに好ましい。また、小さい方の辺の寸法で、２００μｍ以下であることが好ましく、１００μｍ以下であることがさらに好ましい。

マイクロ流路２の途中に、上述の担持体充填部３が設けられている。マイクロ流路２は、入口側流路２ａと、出口側流路２ｂとを有する。なお、本明細書において、流体は、液体である。

入口側流路２ａは、担持体充填部３より、上流側に設けられている上流側マイクロ流路である。入口側流路２ａの一端は、担持体充填部３に接続されている。一方、入口側流路２ａの他端が設けられている入口側から、流体やガスを流入させることができる。なお、複数の流体やガスを担持体充填部３に流入させる場合は、全て同じ入口から流入してもよく、流入する流体やガスごとに個別の入口や入口側流路２ａが設けられていてもよい。

出口側流路２ｂは、担持体充填部３より、下流側に設けられている下流側マイクロ流路である。出口側流路２ｂの一端は、担持体充填部３に接続されている。出口側流路２ｂの下流側に設けられている他端から、流体やガスを他の部位に送り出すことができる。なお、入口側流路２ａと、出口側流路２ｂ以外に必要に応じてその他の流路が接続されていてもよい。また、マイクロ流路２の形状としては、特に限定されず、目的の検査、反応に合わせて流路、混合・反応部等を配置することができる。

担持体充填部３には、核酸を担持するための担持体６が充填されている。担持体充填部３において、担持体６は、圧縮されて固定されている。担持体６としては、圧縮弾性率が５０ｋＰａ以下の担持体が用いられている。圧縮弾性率が上記上限以下の担持体６を用いることにより、担持体６を圧縮させ、担持体充填部３内に容易に固定することができる。また、シリカモノリスのような硬質素材とは異なり、担持体充填部３の隙間を少なくすることができ、担持体６の充填率を高めることができる。

担持体充填部３内に担持体６をより一層容易に固定する観点から、担持体６の圧縮弾性率は、好ましくは８０ｋＰａ以下、より好ましくは６０ｋＰａ以下である。また、担持体６の圧縮弾性率の下限は、特に限定されないが、材料の性質上、例えば、２０ｋＰａ以上とすることができる。

なお、圧縮弾性率は、担持体６を、圧縮速度０．０１６６７ｍｍ／ｓで圧縮したときの弾性率であり、ＪＩＳＫ７１８１：２０１１記載の方法により測定することができる。

圧縮弾性率が５０ｋＰａ以下の担持体６としては、例えば、ガラス、セルロース混合エステル、セルロースアセテート、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリカーボネート（ＰＣ）製のフィルターを用いることができる。

上記のように、本実施形態のマイクロチップ１では、担持体６の圧縮弾性率が５０ｋＰａ以下であり、大掛かりな装置を用いずとも、担持体充填部３に容易に担持体６を固定することができる。核酸を担持体６に担持することにより、核酸を分離して洗浄や回収をすることができる。

また、本実施形態では、担持体充填部３における担持体６の充填率が、８％以上、２０％以下であることが好ましい。担持体充填部３における担持体６の充填率を８％以上とすることにより、核酸の回収率をより一層高めることができる。また、担持体充填部３における担持体６の充填率を２０％以下とすることにより、流路抵抗をよい一層小さくすることができ、より一層効率よく核酸を担持体に担持することができる。

核酸の回収率をより一層高める観点から、担持体６の充填率は、より好ましくは１０％以上である。また、流路抵抗をより一層小さくする観点から、担持体６の充填率は、より好ましくは１５％以下である。

なお、担持体充填部３における担持体６の充填率は、以下の式を用いて測定することができる。

充填率（％）＝［（担持体６の重量／担持体６の比重）／（担持体充填部３の体積）］×１００…（式）

図３は、本発明の一実施形態に係るマイクロチップにおいて、マイクロ流路が設けられている部分を拡大して示す模式的平面図である。また、図４は、本発明の一実施形態に係るマイクロチップにおいて、マイクロ流路が設けられている部分を拡大して示す模式的断面図である。なお、図３及び図４においては、マイクロ流路２が延びる方向を長さ方向ｘとする。図３において、長さ方向ｘに直交する方向を幅方向ｙとする。また、図４において、長さ方向ｘに直交する方向を深さ方向ｚとする。なお、幅方向ｙと深さ方向ｚも直交するものとする。

本発明においては、幅方向ｙにおいて、担持体６の幅ｙ１の最大値が、担持体充填部３の幅ｙ２に対し、－０．２ｍｍ以上、＋０．２ｍｍ以下であることが好ましい。また、幅方向ｙにおいて、担持体６の幅ｙ１の最大値が、担持体充填部３と接するマイクロ流路２の幅ｙ３に対し、１ｍｍ以上、２ｍｍ以下であることが好ましい。なお、担持体６の幅ｙ１の最大値は、１ｍｍ以上、４ｍｍ以下であることが好ましい。

深さ方向ｚにおいて、担持体６の厚みｚ１の最大値は、担持体充填部３の深さｚ２に対し、－０．３ｍｍ以上、＋０．３ｍｍ以下であることが好ましい。深さ方向ｚにおいて、担持体充填部３の深さｚ２が、担持体充填部３と接するマイクロ流路２の深さｚ３に対し、０ｍｍ以上、０．２ｍｍ以下であることが好ましい。深さ方向ｚにおいて、担持体６の厚みｚ１の最大値は、担持体充填部３と接するマイクロ流路２の深さｚ３に対し、０ｍｍ以上、０．８ｍｍ以下であることが好ましい。なお、担持体６の厚みｚ１の最大値は、０．３ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下であることが好ましい。

また、長さ方向ｘにおいて、担持体６の長さｘ１の最大値は、担持体充填部３の長さｘ２に対し、－０．３ｍｍ以上、＋０．３ｍｍ以下であることが好ましい。

マイクロ流路２、担持体６、及び担持体充填部３の寸法が、上記範囲内にある場合、担持体充填部３により一層容易に担持体６を固定することができる。

なお、本実施形態において、上述の担持体６の充填率を求める際の担持体充填部３の体積は、担持体充填部３における長さｘ２×幅ｙ２×深さｚ２により求めることができる。

本発明において、担持体６の孔径は、特に限定されないが、平均孔径が、好ましくは１．５μｍ以上、より好ましくは２．０μｍ以上、好ましくは５．０μｍ以下、より好ましくは４．０μｍ以下である。担持体６の平均孔径が上記下限以上である場合、流路抵抗をより一層小さくすることができる。また、担持体６の平均孔径が上記上限以下である場合、核酸の回収率をより一層高めることができる。なお、担持体６の平均孔径は、例えば、マイクロトラック・ベル社製、品番「Ｐｏｒｏｌｕｘ１００ＮＷ」を用いて測定することができる。

また、本発明において、例えば、担持体充填部３に送液される核酸を含む液体は、マイクロチップ１の内部又は外部に設けられた送液手段により送液することができる。送液手段としては、特に限定されず、例えば、マイクロポンプが挙げられる。具体的には、マイクロポンプを用いて、入口側流路２ａに液体や空気、又は所定のガスを送り込むことにより、担持体充填部３側へ液体試薬を送液する手段が挙げられる。この場合、マイクロポンプは、マイクロチップ１の内部に設けられていてもよいし、マイクロチップ１の外部に設けられていてもよい。このような手段により、核酸を含む液体が図１に示すＡ方向に送液され、担持体充填部３に送液される。

また、他の送液手段としては、入口側流路２ａより上流側に連結された空間に配置されたガス発生部材が挙げられる。ガス発生部材とは、光や熱等の外力によりガスを発生する部材である。ガス発生部材に所定のタイミングで外力を加えることによりガスを発生させ、入口側流路２ａにガスを送り込むことができる。それによって、入口側流路２ａから担持体充填部３側へ液体試薬を送液することができる。ガス発生部材としては、例えば、ガス発生テープが挙げられる。

以下、本発明の具体的な実施例及び比較例を挙げることにより、本発明を明らかにする。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）
実施例１では、以下のようにして図１及び図２に示すマイクロチップ１を作製した。

具体的には、基板４を構成する材料として、シクロオレフィンポリマー（日本ゼオン社製、商品名「ゼオノア１４２０Ｒ」）を用い、これを射出成形することにより、凹部４ｃを有する基板４を作製した。また、カバー部材５には、封止テープ（３Ｍ社製、商品名「ポリオレフィンテープ９７９５Ｒ」）を用い、封止テープで基板４の凹部４ｃを閉成することによりマイクロチップ１を作製した。なお、作製したマイクロチップ１の担持体充填部３の幅（充填部幅）、マイクロ流路２の幅（流路幅）、及び担持体充填部３の深さ（充填部深さ）は、下記の表１に示す通りである。

担持体６としては、ガラスフィルタ（ＧＥヘルスケア社製、ガラス繊維ろ紙、グレード「ＧＦ／Ｄ」、粒子保持能２．７μｍ）を用いた。担持体６は圧縮することにより、マイクロ流路２を介して担持体充填部３に充填した。担持体６の圧縮弾性率、幅、厚み、及び平均孔径を下記の表１に示す。

なお、担持体６の圧縮弾性率は、サーモフィッシャー社製、品番「マーズワン３７９０３００」を用いて、ＪＩＳＫ７１８１：２０１１記載の方法により測定した。担持体６の平均孔径は、マイクロトラック・ベル社製、品番「Ｐｏｒｏｌｕｘ１００ＮＷ」を用いてＪＩＳＫ３８３２の方法により測定した。また、担持体６の充填率は、以下の式を用いて測定した。

（実施例２～３）
担持体充填部３の深さ（充填部深さ）を、下記の表１に示すように変更したこと以外は、実施例１と同様にしてマイクロチップを作製した。

（実施例４～５）
担持体充填部３の幅（充填部幅）、マイクロ流路２の幅（流路幅）及び担持体充填部３の深さ（充填部深さ）を、下記の表１に示すように変更したこと以外は、実施例１と同様にしてマイクロチップを作製した。

（比較例１）
担持体６として、ガラスフィルタの代わりにシリカモノリス（ジーエルサイエンス社製、品番「ＭｏｎｏＴｒａｐ」）を用いたこと以外は、実施例１と同様にしてマイクロチップを作製した。

［評価］
実施例１～５及び比較例１で作製したマイクロチップについて、以下の評価を行なった。結果を下記の表１に示す。

担持体固定の評価；
担持体固定できているか否かについて、以下の判定基準で評価を行なった。

［判定基準］
○…目視で担持体充填部３に担持体６を固定できているかを確認し、固定できている
×…担持体６を担持体充填部３に押し込めず固定できない

核酸回収率の評価；
担持体充填部３に核酸を含む液体を送液し、核酸回収率を以下の式を用いて求め、以下の判定基準で評価を行なった。

核酸回収率（％）＝（担持体６で担持し回収できた核酸の量／担持体充填部３に入る前のもとの核酸の量）×１００

［判定基準］
○…核酸回収率が５０％以上
×…核酸回収率が５０％未満

流路抵抗の評価；
図５に示すようにマイクロ流路２の途中に予め分岐流路７を作製し、担持体充填部３に送液された核酸を含む流体が分岐流路７に混入するか否かを下記の判定基準で判定した。

［判定基準］
○…分岐流路７に核酸を含む流体が混入しない
×…分岐流路７に核酸を含む流体が混入

表１より、実施例１～５では、大掛かりな装置を用いずとも、担持体６を容易に固定できることが確認できた。一方、比較例１では、担持体を固定できず、核酸の担持ができなかった。

１…マイクロチップ
２…マイクロ流路
２ａ…入口側流路
２ｂ…出口側流路
３…担持体充填部
４…基板
４ａ，４ｂ…第１，第２の主面
４ｃ…凹部
５…カバー部材
６…担持体
７…分岐流路

Claims

流体が送液されるマイクロ流路と、
前記マイクロ流路の途中に設けられており、核酸を担持するための担持体が充填された担持体充填部と、
を備え、
前記担持体充填部において、前記担持体が圧縮されて固定されており、
前記担持体の圧縮弾性率が、５０ｋＰａ以下であり、
前記担持体充填部における前記担持体の充填率が、８％以上、２０％以下であり、
前記担持体が、ガラスフィルタである、マイクロチップ。
前記マイクロ流路が延びる方向及び前記担持体充填部の深さ方向に直交する方向における前記担持体の幅の最大値が、１ｍｍ以上、４ｍｍ以下である、請求項１に記載のマイクロチップ。
前記担持体の平均孔径が、１．５μｍ以上、５．０μｍ以下である、請求項１又は２に記載のマイクロチップ。
前記担持体充填部における前記担持体の充填率が、８％以上、１３．５４％以下である、請求項１～３のいずれか１項に記載のマイクロチップ。