JP7148366B2 - マイクロ流体デバイス - Google Patents

Description

本発明は、試料中の成分と試薬とを反応させて分析するのに用いられるマイクロ流体デバイスに関する。

従来、生体試料の分析において、小型の分析デバイスが種々提案されている。

流体を用いたマイクロ流体デバイスでは、小型化をより一層進めることができる。また、検体である試料を少なくすることもできる。この種のマイクロ流体デバイスでは、流体である液状の試料と、試薬とを反応させる。それによって、試料に含まれている成分の濃度を測定する。この場合、試料が反応部に流入しなかった場合には、正確な濃度を検出することができない。従って、反応部への試料の流入を検出する必要がある。

下記の特許文献１では、マイクロ流体デバイスではないが、流体の流路内への流入を、圧力センサにより検出する構成が開示されている。また、下記の特許文献２では、流体を用いた流路チップにおいて、電流測定を行うことにより、流路への流体の流入が検出されている。

下記の特許文献３では、発光半導体ナノクリスタルを用いることにより、液体の流入を検出する方法が開示されている。特許文献３では、試薬は、液体の状態で封入されている。

特開２０１０－１７６７０７号公報 特開２０１３－１０８７６９号公報 特開２００５－５３８３５３号公報

特許文献１や特許文献２に記載の流体の流入の検出方法では、圧力センサを設けたり、電流測定に必要な構造を設けたりしなければならなかった。従って、構造が複雑になり、試料中の成分を検出するための反応に不要な材料を設けなければならなかった。また、特許文献１や特許文献２に記載の検出方法では、液体の流入の検出精度を高めるには、流路の大きさをある程度を大きくしなければならない。従って、マイクロ流体デバイスのような流体が送液される流路では、検出精度を高めることが困難であった。

特許文献３に記載の発光半導体ナノクリスタルを用いた方法では、液体の試料と試薬とを混和した後、別の場所に分液し、反応させている。液体の試料の存在のみを直接的に検出するものではないため、液体試料の流入を高精度に検出することはできなかった。

本発明の目的は、流体である試料の流入を高精度に検出することができ、かつ反応に必要でない余分な構造を設ける必要がない、マイクロ流体デバイスを提供することにある。

本発明に係るマイクロ流体デバイスは、流体である試料中の成分を試薬と反応させて分析するためのマイクロ流体デバイスであって、前記流体である試料が送液され、かつ前記試料中の成分と前記試薬とが反応される反応部が設けられている流路構造を有するデバイス本体と、前記流路構造内に設けられており、特定の波長で吸光度を呈する物質を含有している試薬とを備え、前記反応部は、前記試料中の成分と前記試薬との反応の結果を分析するための分析部を有し、前記反応部において、前記吸光度が測定されることにより、前記試料の前記反応部への流入が検出される。

本発明に係るマイクロ流体デバイスでは、前記吸光度を呈する物質を含有している前記試薬が、前記流路構造において、前記分析部または前記分析部とは異なる位置に配置されている。

本発明に係るマイクロ流体デバイスでは、好ましくは、前記吸光度を呈する物質を含有している前記試薬が、前記流路構造において、前記分析部とは異なる場所に配置されている。

本発明に係るマイクロ流体デバイスでは、より好ましくは、前記吸光度を呈する物質を含有している前記試薬が、前記流路構造において前記分析部よりも上流側に配置されている。

本発明に係るマイクロ流体デバイスでは、前記吸光度を呈する物質を含有している前記試薬の一部が、前記流路構造において前記分析部よりも上流側に配置されており、前記試薬の残りの部分が、前記分析部に配置されている。

本発明に係るマイクロ流体デバイスでは、好ましくは、前記吸光度を呈する物質を含有している前記試薬が、乾燥状態で前記流路構造に保持されている。

本発明に係るマイクロ流体デバイスでは、好ましくは、前記試薬が配置されている前記流路構造の深さが２．０ｍｍ以下の浅いものである。その場合、試薬と送液される流体の総接触面積が大きくなるため試薬の溶解性が著しく高くなる。さらに好ましくは１．０ｍｍ以下、より好ましくは０．８ｍｍ以下、特に好ましくは０．５ｍｍ以下である。

本発明に係るマイクロ流体デバイスでは、より好ましくは、前記反応部において、上流側から下流側にかけて、複数の場所に、前記吸光度を呈する物質を含有している前記試薬が配置されている。

本発明に係るマイクロ流体デバイスでは、前記複数の位置が、前記分析部の上流側の位置と、前記分析部の下流側の位置とを含み、前記分析部に存在していなくともよい。

本発明に係るマイクロ流体デバイスでは、好ましくは、前記吸光度を呈する物質が、色素、酸化還元発色剤及び蛍光物質からなる群から選択された少なくとも１種である。

本発明に係るマイクロ流体デバイスでは、より好ましくは、前記吸光度を呈する物質は、前記試料中の前記成分が前記試薬と反応した後に吸光度が変動する物質である。

本発明に係るマイクロ流体デバイスによれば、流体である試料の反応部への流入を高精度に検出することができ、かつ流入の検出に、余分な構造を必要としない。よって、小型であり、試料の流入の検出精度の高いマイクロ流体デバイス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流体デバイスの外観を示す略図的斜視図である。 本発明の一実施形態に係るマイクロ流体デバイス内の流路構造を説明するための模式的平面図である。 図２に示した流路構造における分岐流路からなる反応セルを説明するための斜視図である。 図３のＡ－Ａ線に沿う部分の断面図である。 流路と試薬との位置関係を示す分岐流路の横断面図である。 実施例１における反応セル内の試薬が設けられている位置と、分析部との関係を示す図である。 実施例２における反応セル内の試薬が設けられている位置と、分析部との関係を示す図である。

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は、本発明の一実施形態に係るマイクロ流体デバイスの外観を示す略図的斜視図であり、図２は、このマイクロ流体デバイス内の流路構造を説明するための模式的平面図である。

図１に示すように、マイクロ流体デバイス１は、デバイス本体２を有する。デバイス本体２は、複数の合成樹脂層を積層した構造を有する。複数の合成樹脂層の一部は、ガラスなどにより構成されていてもよい。いずれにしても、後述する反応部において、吸光度を測定するには、反応部が臨む部分は、透光性を有する樹脂やガラスからなることが望ましい。

マイクロ流体デバイス１では、流路構造３内に、流体である試料が送液される。この流体は、０．５μＬ～５μＬ程度の容積を有する。

図２に示すように、流路構造３は、流入口４及び流出口５を有する。主流路６は、流入口４と流出口５とを結んでいる。主流路６に、反応部を構成している複数の分岐流路７の流入端が接続されている。分岐流路７の流入端とは反対側の端部に、断面積がより小さい流路抵抗部８が連ねられている。流路抵抗部８の下流端が、流路９に接続されている。流路９は、流入もしくは流出口１０，１１に接続されている。

上記流入口４，流出口５，流入もしくは流出口１０，１１には、図示しないバルブが接続されている。これらのバルブを閉じた状態とすることにより、流路構造３内を封止することができる。

複数の分岐流路７は、反応部を構成している。すなわち、分岐流路７は、試料中の成分と、試薬とが反応する反応部すなわち反応セルを構成している。

図３は、図２に示した流路構造における分岐流路からなる反応セルを説明するための斜視図であり、図４は図３のＡ－Ａ線に沿う部分の断面図である。

図３及び図４に示すように、分岐流路７は、平面視において、細長い矩形形状を有し、かつ横断面も矩形とされている。図４に示すように、分岐流路７の底面７ａには、溝７ｂが設けられている。この溝７ｂは、底面７ａの全幅に至るように設けられている。溝７ｂが設けられている部分が、後述する分析部Ｘを構成している。

そして、上記底面７ａにおいて、複数の試薬１２が反応部としての分岐流路７の長さ方向に沿って、分散配置されている。なお、図４では、複数の試薬１２は、分析部Ｘには設けられていない。もっとも、試薬１２は、分析部Ｘにおいて配置されていてもよい。

上記試薬１２は、流体である試料中の成分と反応させるために設けられている。また、マイクロ流体デバイス１では、試薬１２は、乾燥された状態で、分岐流路７の底面７ａ及び／または溝７ｂ内に保持されている。

なお、試薬１２は、分岐流路７内において、流体である試料中の成分と反応し得るように、分岐流路７の他の位置に設けられてもよい。

上記試薬１２は、流体である試料中の成分と反応するものであるが、この試薬は、特定の波長で吸光度を呈する物質を含有している。上記試料中の成分と反応する試薬としては、該成分に応じて、適宜の試薬を用いることができる。

このような試薬としては、例えば、緩衝剤、酵素、有機塩などが挙げられる。

また、上記特定の波長で吸光度を呈する物質としては、特に限定されないが、色素、酸化還元発色剤及び蛍光物質からなる群から選択された少なくとも１種が好適に用いられる。

このような色素としては、特に限定されないが、食用青色１号、食用赤色３号、タートラジンなどが挙げられる。酸化還元発色剤についても特に限定されないが、フェノール、３，３’，５，５’－Ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌｂｅｎｚｉｄｉｎｅ、２－（４－Ｉｏｄｏｐｈｅｎｙｌ）－３－（４－ｎｉｔｒｏｐｈｅｎｙｌ）－５－ｐｈｅｎｙｌ－２Ｈ－ｔｅｔｒａｚｏｌｉｕｍ ｃｈｌｏｒｉｄｅ、Ｎ－Ｅｔｈｙｌ－Ｎ－（２－ｈｙｄｒｏｘｙ－３－ｓｕｌｆｏｐｒｏｐｙｌ）－３，５－ｄｉｍｅｔｈｏｘｙａｎｉｌｉｎｅ ｓｏｄｉｕｍ ｓａｌｔなどが挙げられる。蛍光物質についても、特に限定されないが、６－Ｃａｒｂｏｘｙｒｈｏｄａｍｉｎｅ ６Ｇ、Ｃｉｔｒｉｎｅ、５－Ｃａｒｂｏｘｙｆｌｕｏｒｅｓｃｅｉｎ、ＮｉｒＦＰ、Ｒｅｓｏｒｕｆｉｎなどを挙げることができる。

また、吸光度を呈する物質が、試料中の成分が試薬と反応した後に吸光度が変動する物質であることが好ましい。その場合、吸光度の変化により、試料中の成分と試薬との反応の有無をも検出することができる。

上述したように、試薬１２は、乾燥された状態で、流路構造３内に保持されている。この場合、流体である試料と接触した場合、試薬が溶解する。従って、吸光度を速やかに測定することができる。よって、流体である試料が反応部としての分岐流路７に流入してきたことを確実に検出することができる。

なお、複数の試薬１２は、分析部Ｘと異なる位置に配置されているが、分析部Ｘに配置されていてもよい。

好ましくは、試薬１２の少なくとも１つが、分析部Ｘよりも流路構造において上流側に配置されていることが望ましい。その場合には、試料が分析部Ｘに至る前に吸光度を呈する物質による吸光度を測定し得る。よって、流路構造３内に、特に分岐流路７内に試料が流入してきたことを速やかに検出することができる。従って、試料の流入を確認した上で、分析部Ｘにおける反応結果に基づき、試料中の成分の濃度の測定などを行うことができる。

また、図４に示すように、反応セルとしての分岐流路７において、上流側から下流側にかけて、複数の場所に、試薬１２が配置されていることが望ましい。それによって、試料の流入をより確実に検出することができる。

上記複数の場所に試薬１２を配置する場合、図４に示したように、分析部Ｘの上流側の位置と、分析部Ｘの下流側の位置の双方に設けられていることが望ましい。

より好ましくは、図４に示すように、分析部Ｘに、試薬１２が設けられていないことが望ましい。それによって、同じ大きさであれば、分析部の面積を十分大きくすることができ、試料中の成分の分析をより高精度に行い得る。これを、以下の実施例１及び実施例２を説明することにより明らかにする。

上記試薬１２が配置される流路構造の深さは、２．０ｍｍ以下であることが望ましい。その場合、試薬１２と、送液される流体との総接触面積が大きくなる。したがって、試薬の溶解性を効果的に高めることができる。上記流路構造の深さは、さらに好ましくは１．０ｍｍ以下、より好ましくは０．８ｍｍ以下、特に好ましくは０．５ｍｍ以下である。

また、図５に示すように、上記試薬１２が配置される分岐流路７の幅方向両端７ａ１，７ａ２に、試薬１２が接触しないことが望ましい。分岐流路７の幅方向寸法を１とした場合、幅方向に沿う試薬１２の寸法は０．９５以下が好ましく、０．９以下がより好ましく、０．８以下がさらに好ましく、０．７以下が特に好ましい。流路構造の幅方向両端では、流体が滞留しやすい。したがって、試薬が溶けにくくなることがある。これに対して、試薬１２が分岐流路７の幅方向の両端７ａ１，７ａ２に接触していない場合には、試薬１２が流体に確実に溶解することとなる。

（実施例１）
図６は、実施例１における反応セル内の試薬が設けられている位置と、分析部との関係を示す図である。分析部Ｘの上流側に、試薬１２ａ～１２ｄが、下流側に試薬１２ｅ、１２ｆが配置されている。なお、図６の分岐流路７の右側に示す数値は各部分の長さ（ｍｍ）の数値である。すなわち、隣り合う試薬間の中心間距離は、０．９ｍｍとした。また、分析部Ｘの長さ方向寸法は、０．６７ｍｍとした。分岐流路７の幅は１．２ｍｍとした。

実施例１では、試薬１２ｄ，１２ｅの一部が、底面７ａから溝７ｂに至るように設けられている。すなわち、試薬１２ｄ，１２ｅは、溝７ｂ内にも位置している。

（実施例２）
図７は、実施例２における反応セル内の試薬が設けられている位置と、分析部との関係を示す図である。

実施例２では、溝７ｂの長さ方向寸法は２．０ｍｍとした。すなわち、分析部Ｘの上流側及び下流側にも溝７ｂが至るように溝７ｂを設けた。

試薬１２ａ～１２ｃ，１２ｄは、分析部Ｘの上流側に位置している。試薬１２ａ～１２ｃの試薬中心間距離は、０．７５ｍｍとした。溝７ｂ内に試薬１２ｄ，１２ｅが保持されている。なお、試薬１２ｃの中心と、溝７ｂの上流側端部との間の長さ方向寸法は０．７５ｍｍとした。試薬１２ｄの中心は、溝７ｂの上流側端部から０．２５ｍｍ隔てられており、分析部Ｘの上流側端部と０．４０ｍｍ隔てられている。同様に、試薬１２ｅの中心は、分析部Ｘの下流側端部との長さ方向寸法は０．４０ｍｍ、試薬１２ｅの中心と、溝７ｂの下流側端部との間の長さ方向寸法は０．２５ｍｍとした。試薬１２ｆは、溝７ｂよりも下流側において、底面７ａ上に設けられている。

実施例２では、溝７ｂ内に試薬１２ｄ，１２ｅが配置されているが、試薬１２ｄ，１２ｅは分析部Ｘには位置していない。

実施例１及び実施例２において、試薬１２ａ～１２ｆは以下のようにして、反応セルとしての分岐流路７内に保持させた。

各成分の濃度が下記の表１に示す組成のプライマープローブ混合溶液を調製した。

上記プライマープローブ混合溶液を、ＰＣＲ反応を行うための反応セルとしての各分岐流路７内にディスペンサーを用いて、０．１μＬずつ分注した。次に、モレキュラーシーブスにおいて４日間乾燥させた。このようにして、試薬１２ａ～１２ｆが乾燥状態で保持されている分岐流路７を得た。

ＴａｑＭａｎ Ｆａｓｔ Ｖｉｒｕｓ １－Ｓｔｅｐ Ｍａｓｔｅｒ Ｍｉｘ（Ｔｈｅｒｍｏ Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社製）を５μＬ、精製水を１２μＬ及びウィルスＲＮＡを１μＬ混和し、試料を得た。この試料をマイクロ流体デバイス１において、反応セルとしての分岐流路７に送液し、直後の分析部Ｘにおける蛍光強度を測定した。

実施例１及び実施例２のいずれにおいても、並列に配置された第１～第３の分岐流路７において、上記吸光度の測定を行った。なお、試料流入前の吸光度と、試料流入直後の吸光度を測定した。実施例１の結果を下記の表２に、実施例２の結果を下記の表３に示す。

また、実施例１及び実施例２のマイクロ流体デバイスを用いた場合の試料流入検出結果を以下の観点で評価した。まず、検出（１）として、複数のポイントにおける吸光度を測定し、流入後の吸光度が０．１を超えるものがあれば、試料が流入したと判断した。この場合には、下記の表４において、○を付した。０．１以下であれば、検出できずとして、×を付した。

検出（２）として、複数のポイントで吸光度を測定し、マイナスの吸光度が存在しなければ、流入を検出したとして、下記の表４において、○を付した。また、マイナスの吸光度がある場合には、×を付した。

また、実施例１及び実施例２のマイクロ流体デバイスにおける試料中の成分と試薬との反応が十分に進行したか否かを、蛍光分析装置により確認した。反応が進行した場合には、下記の表４において○を付した。

上記の通り、実施例１及び実施例２のいずれにおいても、流体である試料の反応セルとしての分岐流路７への流入を確実に検出し得ることがわかる。特に、実施例２のように、試薬１２ａ～１２ｆが分析部Ｘに位置していない場合には、より効果的に試薬の流入を検出し得ることがわかる。

１…マイクロ流体デバイス
２…デバイス本体
３…流路構造
４…流入口
５…流出口
６…主流路
７…分岐流路
７ａ…底面
７ａ１，７ａ２…両端
７ｂ…溝
８…流路抵抗部
９…流路
１０，１１…流入もしくは流出口
１２，１２ａ～１２ｆ…試薬

Claims (10)

1. 流体である試料中の成分を試薬と反応させて分析するためのマイクロ流体デバイスであって、
   前記流体である試料が送液され、かつ前記試料中の成分と前記試薬とが反応される反応部が設けられている流路構造を有するデバイス本体と、
   前記流路構造内に設けられており、特定の波長で吸光度を呈する物質を含有している試薬とを備え、前記反応部は、前記試料中の成分と前記試薬との反応の結果を分析するための分析部を有し、
   前記吸光度を呈する物質を含有している前記試薬が、前記流路構造において、前記分析部または前記分析部とは異なる位置に配置されており、
   前記反応部において、前記吸光度が測定されることにより、前記試料の前記反応部への流入が検出される、マイクロ流体デバイス。
2. 前記吸光度を呈する物質を含有している前記試薬が、前記流路構造において、前記分析部とは異なる場所に配置されている、請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
3. 前記吸光度を呈する物質を含有している前記試薬が、前記流路構造において前記分析部よりも上流側に配置されている、請求項２に記載のマイクロ流体デバイス。
4. 前記吸光度を呈する物質を含有している前記試薬の一部が、前記流路構造において前記分析部よりも上流側に配置されており、前記試薬の残りの部分が、前記分析部に配置されている、請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
5. 流体である試料中の成分を試薬と反応させて分析するためのマイクロ流体デバイスであって、
   前記流体である試料が送液され、かつ前記試料中の成分と前記試薬とが反応される反応部が設けられている流路構造を有するデバイス本体と、
   前記流路構造内に設けられており、特定の波長で吸光度を呈する物質を含有している試薬とを備え、前記反応部は、前記試料中の成分と前記試薬との反応の結果を分析するための分析部を有し、
   前記吸光度を呈する物質を含有している前記試薬が、乾燥状態で前記流路構造に保持されており、
   前記反応部において、前記吸光度が測定されることにより、前記試料の前記反応部への流入が検出される、マイクロ流体デバイス。
6. 流体である試料中の成分を試薬と反応させて分析するためのマイクロ流体デバイスであって、
   前記流体である試料が送液され、かつ前記試料中の成分と前記試薬とが反応される反応部が設けられている流路構造を有するデバイス本体と、
   前記流路構造内に設けられており、特定の波長で吸光度を呈する物質を含有している試薬とを備え、前記反応部は、前記試料中の成分と前記試薬との反応の結果を分析するための分析部を有し、
   前記試薬が配置されている前記流路構造の深さが２．０ｍｍ以下であり、
   前記反応部において、前記吸光度が測定されることにより、前記試料の前記反応部への流入が検出される、マイクロ流体デバイス。
7. 流体である試料中の成分を試薬と反応させて分析するためのマイクロ流体デバイスであって、
   前記流体である試料が送液され、かつ前記試料中の成分と前記試薬とが反応される反応部が設けられている流路構造を有するデバイス本体と、
   前記流路構造内に設けられており、特定の波長で吸光度を呈する物質を含有している試薬とを備え、前記反応部は、前記試料中の成分と前記試薬との反応の結果を分析するための分析部を有し、
   前記反応部において、上流側から下流側にかけて、複数の場所に、前記吸光度を呈する物質を含有している前記試薬が配置されており、
   前記反応部において、前記吸光度が測定されることにより、前記試料の前記反応部への流入が検出される、マイクロ流体デバイス。
8. 前記複数の場所の位置が、前記分析部の上流側の位置と、前記分析部の下流側の位置とを含み、前記分析部に存在していなくともよい、請求項７に記載のマイクロ流体デバイス。
9. 前記吸光度を呈する物質が、色素、酸化還元発色剤及び蛍光物質からなる群から選択された少なくとも１種である、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. 前記吸光度を呈する物質は、前記試料中の前記成分が前記試薬と反応した後に吸光度が変動する物質である、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。

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