JPWO2015019521A1

JPWO2015019521A1 - マイクロ流体デバイス

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Abstract

反応溶液が流れる流路（１００）を備えるマイクロ流体デバイス（１）であって、流路（１００）は、所定の異なる温度に設定された第１温度領域Ａ１と第２温度領域Ａ２とを通過するように構成されており、第１温度領域Ａ１と第２温度領域Ａ２との間の中間領域Ａ３における流路（１００）の断面積は、第１温度領域Ａ１及び第２温度領域Ａ２における流路（１００）の断面積よりも小さい。

Description

本発明は、マイクロ流体デバイスに関する。

マイクロ流体デバイスは、極めて少量の試料や試薬を含む反応溶液を反応させることが可能なデバイスであり、微小反応デバイス（マイクロリアクタ）や集積型ＤＮＡデバイス、微小電気泳動デバイス等がある。

マイクロ流体デバイスは、反応溶液に所望の温度変化を与える反応デバイスに用いられる。マイクロ流体デバイスを用いることによって、反応溶液に与える温度変化を高速にすることができる。

従来より、温度変化を繰り返し与えることで標的核酸を増幅させる核酸増幅デバイスがあるが、核酸増幅デバイスとしてマイクロ流体デバイスを用いることにより、標的核酸を高速に増幅させることができる。

例えば、特許文献１及び非特許文献１には、デバイスを複数の異なる温度領域に分割しておき、反応溶液が各温度領域を繰り返して通過するように蛇行した蛇行流路を設けた構成が開示されている。

この構成により、反応溶液を蛇行流路中に進行させるだけで反応溶液に所望の温度変化を高速に与えることができる。これにより、反応溶液として核酸を含む溶液を用いた場合に、高速に核酸増幅を行うことができる。

特開２００２−１８２７１号公報

Ｓｃｉｅｎｃｅ，ｖｏｌ．２８２，ｐｐ．４８４（１９９８）

しかしながら、上記従来のマイクロ流体デバイスでは、複数の温度領域の各領域は分離して存在するので、一方の温度領域と他方の温度領域との間には反応溶液の反応には寄与しない中間領域が存在する。中間領域が存在すると、反応溶液が非特異反応を誘発して、反応溶液の反応効率を低下するおそれがある。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、反応溶液の反応効率の低下を抑制できるマイクロ流体デバイスを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るマイクロ流体デバイスの一態様は、反応溶液が流れる流路を備えるマイクロ流体デバイスであって、前記流路は、所定の異なる温度に設定された第１温度領域と第２温度領域とを通過するように構成されており、前記第１温度領域と前記第２温度領域との間の中間領域における前記流路の断面積は、前記第１温度領域及び前記第２温度領域における前記流路の断面積よりも小さいことを特徴とする。

また、本発明に係るマイクロ流体デバイスの一態様において、前記流路は、前記第１温度領域と前記第２温度領域とを交互に繰り返して通過するように構成された蛇行流路であってもよい。

また、本発明に係るマイクロ流体デバイスの一態様において、前記反応溶液には、標的核酸が含まれており、前記反応溶液が前記蛇行流路を通過することによって、前記標的核酸がポリメラーゼ連鎖反応により核酸増幅してもよい。

また、本発明に係るマイクロ流体デバイスの一態様において、前記反応溶液には、被測定物質として細菌又はウイルスが含まれており、当該マイクロ流体デバイスは、前記反応溶液に含まれる前記被測定物質を検出してもよい。

また、本発明に係るマイクロ流体デバイスの一態様において、前記中間領域における前記流路の幅は、前記第１温度領域及び前記第２温度領域における前記流路の幅よりも小さくてもよい。

また、本発明に係るマイクロ流体デバイスの一態様において、前記流路の前記断面積は、前記流路内に設けられたピラーにより調整されていてもよい。

また、本発明に係るマイクロ流体デバイスの一態様において、前記流路は、前記第１温度領域及び前記第２温度領域が存在する反応部を通過するように構成されており、前記流路は、前記反応部全体として断面積が単調に減少している又は段階的に減少していてもよい。

本発明によれば、反応溶液の反応効率の低下を抑制できる。

図１は、本発明の実施の形態に係るマイクロ流体デバイスの概略構成を示す斜視図である。図２は、本発明の実施の形態に係るマイクロ流体デバイスの分解斜視図である。図３は、本発明の実施の形態に係るマイクロ流体デバイスの平面図である。図４は、本発明の実施の形態に係るマイクロ流体デバイスの断面図である。図５は、本発明の実施の形態に係るマイクロ流体デバイスにおける温度サイクルを説明するための図である。図６Ａは、本発明の実施の形態に係るマイクロ流体デバイスにおける流路の要部拡大平面図である。図６Ｂは、図６ＡのＸ−Ｘ’線における本発明の実施の形態に係るマイクロ流体デバイスにおける流路の断面図である。図７は、本発明の実施の形態に係るマイクロ流体デバイスにおける流路の特性を示す図である。図８Ａは、本発明の変形例１に係るマイクロ流体デバイスにおける流路の要部拡大平面図である。図８Ｂは、図８ＡのＸ−Ｘ’線における本発明の変形例１に係るマイクロ流体デバイスにおける流路の断面図である。図９Ａは、本発明の変形例２に係るマイクロ流体デバイスにおける流路の要部拡大平面図である。図９Ｂは、図９ＡのＸ−Ｘ’線における本発明の変形例２に係るマイクロ流体デバイスにおける流路の断面図である。図１０は、本発明の変形例３に係るマイクロ流体デバイスの流路を示す拡大平面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、並びに、ステップ及びステップの順序などは、一例であって本発明を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

なお、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。

（実施の形態）
本発明の実施の形態に係るマイクロ流体デバイス１の構成について、図１〜図４を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るマイクロ流体デバイスの概略構成を示す斜視図であり、図２は、同マイクロ流体デバイスの分解斜視図であり、図３は、同マイクロ流体デバイスの平面図であり、図４は、同マイクロ流体デバイスの断面図である。

図１〜図４に示すように、本実施の形態に係るマイクロ流体デバイス１は、反応溶液が流れる流路１００を備えるデバイス（マイクロチップ）であって、流路１００は、所定の異なる温度に設定された第１温度領域と第２温度領域とを通過するように構成されている。そして、詳細は後述するが、第１温度領域と第２温度領域との間の中間領域における流路１００の断面積は、第１温度領域及び第２温度領域における流路１００の断面積よりも小さくなっている。

流路１００は、反応溶液が一方通行的に流れる反応流路であって、少なくとも反応部１１０を通るように設けられている。反応部１１０は、反応溶液を反応させるための領域である。本実施の形態において、反応溶液は、試料となる標的核酸を含む溶液であり、具体的には、標的核酸と標的核酸を増幅させるための反応試薬とを含む水溶液である。したがって、本実施の形態における反応部１１０は核酸増幅反応部であり、反応部１１０では、反応溶液に含まれる標的核酸が増幅する。なお、反応溶液には、ある種のアルコールや界面活性剤等が含まれていてもよい。

このように、本実施の形態におけるマイクロ流体デバイス１は、試料となる標的核酸を増幅させるための核酸増幅デバイスとして用いられている。以下、マイクロ流体デバイス１を用いてＰＣＲ（ポリメラーゼ連鎖反応：ＰｏｌｙｍｅｒａｓｅＣｈａｉｎＲｅａｃｔｉｏｎ）法を実施する場合について説明する。ＰＣＲ法は、ターゲットＤＮＡを温度サイクルにより増幅させる技術である。反応溶液（反応流体）には、ターゲットＤＮＡの他に、ＰＣＲプライマやポリメラーゼ酵素、バッファー等が含まれている。このような反応溶液に温度サイクルを付与することで、ターゲットＤＮＡを増幅することができる。増幅したＤＮＡの増幅量は、反応検出機構によって検出することができる。

核酸増幅デバイスとしてのマイクロ流体デバイス１は、標的核酸を含む反応溶液が導入される導入部（インレット）１２０と、導入部１２０に導入された反応溶液に含まれる標的核酸を増幅させるための反応部１１０と、反応部１１０で増幅された標的核酸を含む反応溶液を排出するための排出部（ドレイン）１３０と、標的核酸を含む反応溶液を加熱するためのヒータ部１４０とを備える。

具体的には、マイクロ流体デバイス１は、第１基板１０と、第２基板２０と、ヒータ部１４０とによって構成されている。また、ヒータ部１４０は、設定温度が異なる第１ヒータブロック１４１と第２ヒータブロック１４２とを備える。なお、本実施の形態におけるマイクロ流体デバイス１の外形は、例えば縦の長さが４０ｍｍで横の長さが２０ｍｍの略矩形状である。

以下、マイクロ流体デバイス１の各構成部材の詳細構成について、図１〜図４を用いて詳述する。

［第１基板］
図２に示すように、第１基板１０は、導入部１２０の一部を構成する第１凹部１１と、排出部１３０の一部を構成する第２凹部１２と、流路１００を構成する溝部１３とを備える。第１基板１０としては、例えばシリコン基板を用いることができる。

溝部１３（流路１００）は、第１凹部１１と第２凹部１２とをつなぐように形成されている。溝部１３（流路１００）には反応溶液が流れる。具体的には、第１凹部１１（導入部１２０）に反応溶液が導入されると、当該反応溶液は、第２凹部１２（排出部１３０）に向かって溝部１３（流路１００）内を進行する。

図３に示すように、流路１００は、蛇行するように形成された蛇行流路であり、第１ヒータブロック１４１（第１温度領域）と第２ヒータブロック１４２（第２温度領域）とを交互に繰り返して通過するように構成されている。

具体的に、反応部１１０における流路１００は、ライン状の流路を所定間隔毎に折り曲げながら連続的に折り返すように（往復するように）形成されている。反応部１１０における流路１００の折り返し回数は、例えば２０〜７０サイクル程度である。なお、一例として、１サイクルあたりの流路１００（主流路１００ａ）の長さは３２ｍｍとすることができる。

本実施の形態における流路１００は、所定長さのライン状の複数の主流路１００ａと、対向する各行の主流路１００ａの端部同士を接続する副流路１００ｂとを有する。主流路１００ａ及び副流路１００ｂは、反応部１１０に設けられる。

主流路１００ａは、第１ヒータブロック１４１と第２ヒータブロック１４２とを跨ぐように、第１ヒータブロック１４１及び第２ヒータブロック１４２の長手方向に略直交させて設けられている。副流路１００ｂは、第１ヒータブロック１４１及び第２ヒータブロック１４２の長手方向に略平行するように設けられている。

なお、流路１００は、さらに、反応溶液を導入部１２０から反応部１１０に導くための流路である導入流路１００ｃと、反応溶液を反応部１１０から排出部１３０までに導くための排出流路１００ｄとを有する。

導入流路１００ｃの始端は、流路１００全体としての入口であり、導入流路１００ｃの終端は、反応部における流路１００の入り口である。また、排出流路１００ｄの始端は、反応部における流路１００の出口であり、排出流路１００ｄの終端は、流路１００全体としての出口である。

なお、本実施の形態において、流路１００を構成する溝部１３の内表面には、シリコン酸化膜が形成されている。シリコン酸化膜を形成することによって、流路１００（溝部１３）の壁面を親水化することができる。本実施の形態では、主流路１００ａ、副流路１００ｂ、導入流路１００ｃ及び排出流路１００ｄの全てにシリコン酸化膜が形成されている。

このように構成される流路１００はマイクロ流路であり、例えば断面形状は矩形状である。この場合、流路１００を構成する溝部１３の流路幅（溝幅）は、例えば５０μｍであり、溝部１３の深さは５０μｍである。

なお、溝部１３の断面形状は、矩形に限らず、半円形又は逆三角形とすることができる。また、第１凹部１１及び第２凹部１２は、例えば円形開口の凹部とすることができる。また、第１基板１０の材料はシリコンに限らず、樹脂又はガラスであってもよい。

［第２基板］
図１に示すように、第２基板２０は、第１基板１０を覆う蓋部であり、第１基板１０上に配置される。第２基板２０としては、例えばガラス基板を用いることができる。

図２に示すように、第２基板２０には、導入部１２０の一部として、第２基板２０を貫通する第１貫通孔２１が設けられている。また、第２基板２０には、排出部１３０の一部として、第２基板２０を貫通する第２貫通孔２２が設けられている。第１貫通孔２１及び第２貫通孔２２は、例えば円形開口を有する貫通孔である。

第１基板１０上に第２基板２０を載置することによって、溝部１３の開口部分が塞がれて全方位が密閉された流路１００が構成される。これにより、流路１００は、反応溶液の送液方向（進行方向）に垂直な断面における壁面全周が閉じられた構成となり、かつ、導入部１２０及び排出部１３０においてのみ外部空間と繋がる構成となる。このように、流路１００の全方位を閉じることによって、送液中に反応溶液が揮発することを抑制できる。

なお、第２基板２０の材料はガラスに限らず、樹脂又はシリコンであってもよい。

［ヒータ部］
図１〜図３に示すように、ヒータ部１４０は少なくとも反応部１１０に配置されており、反応部１１０の流路１００に送液される反応溶液は、ヒータ部１４０によって所定の温度が付与される。

本実施の形態において、反応部１１０には、ヒータ部１４０として、所定の異なる温度に設定された第１ヒータブロック１４１及び第２ヒータブロック１４２が配置される。つまり、反応部１１０には、第１ヒータブロック１４１及び第２ヒータブロック１４２の２つのヒータブロックによって所定の異なる温度に設定された２つの温度領域が存在する。

なお、第１ヒータブロック１４１及び第２ヒータブロック１４２は、例えば直方体のアルミニウムやステンレス等の金属からなる金属ブロックを用いたヒータである。ヒータ部１４０としては、ヒータブロック以外に、ガラス基板上に金属薄膜を印刷等により形成した金属薄膜ヒータ等を用いることもできる。

第１温度に設定された第１ヒータブロック１４１が配置された領域は、第１温度領域である。また、第２温度に設定された第２ヒータブロック１４２が配置された領域は、第１温度領域とは異なる温度領域である第２温度領域である。

本実施の形態では、第１ヒータブロック１４１の温度が第２ヒータブロック１４２の温度よりも高くなるように設定されている。つまり、第１ヒータブロック１４１が配置された領域は高温領域であり、第２ヒータブロック１４２が配置された領域は低温領域である。

高温領域である第１ヒータブロック１４１の温度は、反応溶液が蒸発しない温度である９０℃〜９８℃であり、本実施の形態では、核酸増幅反応の変性反応温度である約９５℃としている。一方、低温領域である第２ヒータブロック１４２の温度は、例えば５０℃〜７５℃であり、本実施の形態では、アニール・伸長反応温度である約６０℃としている。

図３に示すように、ヒータ部１４０は温度制御部２１０に接続されている。これにより、第１ヒータブロック１４１及び第２ヒータブロック１４２の各温度は、温度制御部２１０によって制御することができる。

第１ヒータブロック１４１と第２ヒータブロック１４２とは所定の隙間をあけて並べられている。第１ヒータブロック１４１及び第２ヒータブロック１４２の上には第１基板１０が配置される。具体的には、流路１００における主流路１００ａが第１ヒータブロック１４１と第２ヒータブロック１４２とを跨ぐようにして第１基板１０がヒータ部１４０に載置される。これにより、流路１００は、２つの温度領域を複数サイクルで往復するように構成される。

この構成により、図５に示すように、導入部１２０から反応溶液３００を導入したときに、反応溶液３００は、反応部１１０における２つの温度領域（第１ヒータブロック１４１及び第２ヒータブロック１４２）を交互に繰り返して通過するように排出部１３０に送液される。つまり、流路１００を流れる反応溶液３００に対してヒートサイクルを付与することができる。

ここで、本発明の実施の形態に係るマイクロ流体デバイス１を用いた核酸増幅方法について、図１〜図４を参照しながら説明する。

まず、図４に示すように、ピペットを用いて反応溶液３００を導入部１２０に注入する。本実施の形態では、標的核酸を含む反応溶液と反応試薬とを予め混合しておいた溶液を反応溶液としてマイクロ流体デバイス１の導入部１２０に導入している。

導入部１２０に導入された反応溶液３００は、流路１００（導入流路１００ｃ）を通って導入部１２０から反応部１１０に送液される。

反応部１１０に到達した反応溶液は、第１ヒータブロック１４１と第２ヒータブロック１４２とを繰り返して往復するように主流路１００ａ及び副流路１００ｂを通ることになる。つまり、反応溶液は、ヒータ部１４０の高温領域（第１ヒータブロック１４１）と低温領域（第２ヒータブロック１４２）とを往復しながら送液されるので、加熱と冷却とが交互に繰り返されることになる。これにより、反応溶液に含まれる標的核酸は、高温領域での変性反応と低温領域でのアニール・伸長反応との繰り返しにより増幅する。このように、送液しながら反応溶液を昇降温させることができるので、非常に高速なフローＰＣＲを実現することができる。したがって、反応溶液に含まれる標的核酸を高速に増幅させることができる。

その後、反応溶液は、排出流路１００ｄを通って反応部１１０から排出部１３０へと送液される。本実施の形態では、導入部１２０に導入された反応溶液の先端が排出部１３０に到達したときに、標的核酸を含む溶液（本実施形態では反応溶液）の導入部１２０への導入を停止させており、このときに流路１００内に反応溶液が充填されることになる。なお、排出部１３０に到達した反応溶液は排出部１３０から随時排出される。

このようにして反応溶液は流路１００内を進行する。なお、本実施の形態では、流路１００は、反応溶液を毛管力（キャピラリ力）により送液する毛管力運搬機構として、接触角θが鋭角である親水性表面の壁面を有する。具体的には、反応溶液３００の送液方向に垂直な断面における溝部１３の底部及び両側部の３つの壁面にシリコン酸化膜が形成されている。シリコン酸化膜を形成することによって溝部１３の表面を親水化することができ、流路１００の内壁面を親水性表面とすることができる。

これにより、反応溶液は、気液界面に生じる毛管力によって流路１００内を自送液（Ｓｅｌｆ−ｐｒｏｐｅｌｌｅｄｆｌｏｗ）されるので、流路１００内の自動的に進行する。つまり、反応溶液は、自動搬送によって流路１００内に送液されながら反応部１１０において周期的な温度変化が与えられる。

なお、流路１００の壁面の一部が親水性表面であればよいが、送液方向に垂直な断面における流路１００の壁面全周が親水性表面である方がよい。この場合、第１基板１０の溝部１３の表面だけでなく、第２基板２０の表面（内面）も親水性表面にすればよい。流路１００の断面における壁面の親水性表面の割合が大きいほど、反応溶液に対する毛管力を大きくすることができる。

［特徴構成及び作用効果］
次に、本発明の実施の形態に係るマイクロ流体デバイス１の特徴構成及び作用効果について、図６Ａ、図６Ｂ及び図７を用いて説明する。図６Ａは、本発明の実施の形態に係るマイクロ流体デバイスにおける流路の要部拡大平面図であり、図３における実線で囲まれる部分Ｐの拡大図である。図６Ｂは、図６ＡのＸ−Ｘ’線における本発明の実施の形態に係るマイクロ流体デバイスにおける流路の断面図である。図７は、本発明の実施の形態に係るマイクロ流体デバイスにおける流路の特性を示す図である。

図６Ａ及び図６Ｂに示すように、本実施の形態におけるマイクロ流体デバイス１では、第１温度領域Ａ１と第２温度領域Ａ２との間の中間領域Ａ３における流路１００（主流路１００ａ）の断面積が、第１温度領域Ａ１及び第２温度領域Ａ２における流路１００（主流路１００ａ）の断面積よりも小さくなっている。

具体的には、中間領域Ａ３における流路１００の幅Ｗ_３が、第１温度領域Ａ１における流路１００の幅Ｗ_１及び第２温度領域Ａ２における流路１００の幅Ｗ_２よりも小さくなっている（Ｗ_３＜Ｗ_１，Ｗ_２）。つまり、流路１００（主流路１００ａ）が中間領域Ａ３においてくびれた構造となっている。

なお、本実施の形態において、第１温度領域Ａ１における流路の幅Ｗ_１と第２温度領域Ａ２における流路１００の幅Ｗ_２とは同じである（Ｗ_１＝Ｗ_２）。

また、第１温度領域Ａ１における流路１００の深さＤ_１と、第２温度領域Ａ２における流路１００の深さＤ_２と、中間領域Ａ３における流路１００の深さＤ_３とは、いずれも同じである（Ｄ_１＝Ｄ_２＝Ｄ_３）。つまり、第１温度領域Ａ１、第２温度領域Ａ２及び中間領域Ａ３において、流路１００の深さは送液方向に沿って一定である。

第１温度領域Ａ１は、第１ヒータブロック１４１が配置された領域である。したがって、第１温度領域Ａ１の温度は、第１ヒータブロック１４１によって設定された温度である。

第２温度領域Ａ２は、第２ヒータブロック１４２が配置された領域である。したがって、第２温度領域Ａ２の温度は、第２ヒータブロック１４２によって設定された温度である。

中間領域Ａ３は、第１ヒータブロック１４１と第２ヒータブロック１４２との間の領域である。つまり、中間領域Ａ３は、第１ヒータブロック１４１も第２ヒータブロック１４２も存在しない領域である。中間領域Ａ３の温度は、第１ヒータブロック１４１によって設定された温度と第２ヒータブロック１４２によって設定された温度との中間の温度となる。すなわち、中間領域Ａ３は、中間温度領域である。

第１温度領域Ａ１及び第２温度領域Ａ２は、マイクロ流体デバイス１に導入される反応溶液の反応には寄与する領域である。例えば、マイクロ流体デバイス１によってフローＰＣＲを実現する場合、第１温度領域Ａ１及び第２温度領域Ａ２によって核酸に対して温度サイクルを付与する。一方、中間領域Ａ３は、当該反応溶液の反応に寄与しない領域である。

このように構成される流路１００は、図７に示すような特性となっている。なお、図７において、第１温度領域Ａ１、第２温度領域Ａ２及び中間領域Ａ３における反応溶液３００の流速をそれぞれ、ｖ_１、ｖ_２及びｖ_３とし、第１温度領域Ａ１、第２温度領域Ａ２及び中間領域Ａ３における流路１００の断面積をそれぞれ、Ｓ_１、Ｓ_２及びＳ_３としている。

図７に示すように、Ｓ_１／Ｓ_３（Ｓ_２／Ｓ_３）とｖ_３／ｖ_１（ｖ_３／ｖ_２）とは、正比例の正の相関関係を有する。本実施の形態では、Ｓ_１／Ｓ_３（Ｓ_２／Ｓ_３）＝ｖ_３／ｖ_１（ｖ_３／ｖ_２）である。

したがって、例えば、第１温度領域Ａ１における流路１００の断面積Ｓ_１が中間領域Ａ３における流路１００の断面積Ｓ_３の２倍になると、第１温度領域Ａ１における反応溶液３００の速度ｖ_１は、中間領域Ａ３における反応溶液３００の速度ｖ_３の１／２倍となる。

以上、本実施の形態におけるマイクロ流体デバイス１によれば、中間領域Ａ３における流路１００の断面積が第１温度領域Ａ１及び第２温度領域Ａ２における流路１００の断面積よりも小さくなっている。

これにより、反応溶液３００が流路１００（主流路１００ａ）を上流から下流に流れる際に、反応溶液３００が中間領域Ａ３に存在する時間を短くすることができる。この結果、不要な中間領域Ａ３の存在する場合であっても、中間領域Ａ３において反応溶液３００が非特異反応を誘発するおそれを抑制できる。したがって、非特異反応による反応効率の低下を抑制できる。

また、本実施の形態では、反応溶液として標的核酸を含む溶液を用いており、流路１００が第１温度領域Ａ１と第２温度領域Ａ２とを交互に繰り返して通過するように構成されている。したがって、非特異反応による核酸増幅の増幅効率の低下を抑制できるので、高効率のフローＰＣＲを実現することができる。つまり、高効率の核酸増幅を実現できる。

また、本実施の形態では、第１温度領域Ａ１、第２温度領域Ａ２及び中間領域Ａ３における流路１００の深さを送液方向に沿って一定とし、流路１００の幅を調整することで中間領域Ａ３における流路１００の断面積を他の部分よりも小さくしている。これにより、エッチング等によって流路１００を容易に作製することができる。

さらに、流路１００の深さを一定にすることによって、流路１００の上方からレーザ光をスキャンして光学測定を行う際に測定光の光路長を一定に保つことができる。これにより、測定精度を向上させることができる。例えば、核酸の増幅量を精度よく算出することができる。

（変形例）
以下、上記実施の形態におけるマイクロ流体デバイスの変形例について説明する。

（変形例１）
図８Ａは、本発明の変形例１に係るマイクロ流体デバイスにおける流路の要部拡大平面図であり、図８Ｂは、図８ＡのＸ−Ｘ’線における本発明の変形例１に係るマイクロ流体デバイスにおける流路の断面図である。

本変形例におけるマイクロ流体デバイスでは、上記実施の形態におけるマイクロ流体デバイス１と同様に、中間領域Ａ３における流路１００（主流路１００ａ）の断面積が、第１温度領域Ａ１及び第２温度領域Ａ２における流路１００（主流路１００ａ）の断面積よりも小さくなっている。

本変形例におけるマイクロ流体デバイスが上記実施の形態におけるマイクロ流体デバイス１と異なる点は、上記実施の形態では、流路１００の断面積が流路１００の幅によって調整されていたのに対して、本変形例では、流路１００の断面積が流路１００の深さによって調整されている。

具体的には、図８Ｂに示すように、中間領域Ａ３における流路１００の深さＤ_３が、第１温度領域Ａ１における流路１００の深さＤ_１及び第２温度領域Ａ２における流路１００の深さＤ_２よりも浅くなっている（Ｄ_３＜Ｄ_１，Ｄ_２）。なお、本実施の形態において、第１温度領域Ａ１における流路の深さＤと第２温度領域Ａ２における流路１００の深さＤ_２とは同じである（Ｄ_１＝Ｄ_２）。

また、図８Ａに示すように、第１温度領域Ａ１、第２温度領域Ａ２及び中間領域Ａ３において流路１００の幅は一定であり、第１温度領域Ａ１における流路１００の幅Ｗ_１と、第２温度領域Ａ２における流路１００の幅Ｗ_２と、中間領域Ａ３における流路１００の幅Ｗ_３とはいずれも同じである（Ｗ_１＝Ｗ_２＝Ｗ_３）。

以上、本変形例におけるマイクロ流体デバイスによれば、上記実施の形態におけるマイクロ流体デバイス１と同様に、中間領域Ａ３における流路１００の断面積が第１温度領域Ａ１及び第２温度領域Ａ２における流路１００の断面積よりも小さくなっている。

これにより、上記実施の形態と同様に、反応溶液３００が中間領域Ａ３に存在する時間を低減することができるので、反応溶液３００の非特異反応による反応効率の低下を抑制できる。

（変形例２）
図９Ａは、本発明の変形例２に係るマイクロ流体デバイスにおける流路の要部拡大平面図であり、図９Ｂは、図９ＡのＸ−Ｘ’線における本発明の変形例２に係るマイクロ流体デバイスにおける流路の断面図である。

本変形例におけるマイクロ流体デバイスが上記実施の形態におけるマイクロ流体デバイス１と異なる点は、上記実施の形態では、流路１００の断面積が流路１００の幅によって調整されていたのに対して、本変形例では、流路１００の断面積がピラー１６０によって調整されている。

具体的には、図９Ａ及び図９Ｂに示すように、中間領域Ａ３の流路１００内に円柱状のピラー１６０を複数本立てている。これにより、ピラー１６０が存在する分だけ、第１温度領域Ａ１及び第２温度領域Ａ２よりも中間領域Ａ３の流路１００の断面積を小さくすることができる。

なお、第１温度領域Ａ１、第２温度領域Ａ２及び中間領域Ａ３における流路１００の深さは送液方向に沿って一定である。

また、本変形例のようにピラー１６０を設けることによって、反応溶液３００中の試料及び試薬の拡散性を向上させることもできる。

（変形例３）
図１０は、本発明の変形例３に係るマイクロ流体デバイスの流路を示す拡大平面図である。

本変形例におけるマイクロ流体デバイスでは、反応部１１０における流路１００に、送液方向に沿って断面積が減少する領域が含まれている。具体的には、図１０に示すように、反応部１１０における流路１００の断面積を段階的に減少させている。図１０では、流路１００における複数のライン状の主流路１００ａの幅を反応溶液３００の送液方向に沿ってラインごとに細くしている。なお、各ラインにおける主流路１００ａの幅及び深さは一定である。

この構成により、流路１００内に流れる反応溶液３００の送液速度を一定に保つことができる。したがって、第１温度領域及び第２温度領域の各温度領域における反応溶液の存在時間を一定に保つことができるので、反応溶液の反応効率をさらに向上させることができる。また、流路１００を直線状としているので、流路１００の設計及び作製が容易である。

さらに、流路１００の深さを一定にすることによって、エッチング等によって流路１００を一括して容易に作製することができるとともに、流路１００の上方からレーザ光をスキャンして光学測定を行う際に測定光の光路長を一定に保つことができるので、測定精度を向上させることができる。

なお、図示しないが、反応部１１０における流路１００の断面積を単調減少させてもよい。この場合、流路１００を、深さが送液方向に沿って一定で、かつ幅が漸次減少するような先細りテーパ構造とすることが考えられる。

この構成により、圧力損失及びキャピラリ力を連続的に変化させることができるので、反応溶液の送液速度をより一定に保つことができる。したがって、反応溶液の反応効率を一層向上させることができる。

（その他）
以上、本発明に係るマイクロ流体デバイスについて、実施の形態及び変形例に基づいて説明したが、本発明は、上記実施の形態及び変形例に限定されるものではない。

例えば、上記実施の形態及び変形例では、反応部１１０における流路１００を蛇行流路として標的核酸を含む反応溶液に温度変化を繰り返し与えるフローＰＣＲとしたが、フローＰＣＲとせずに標的核酸を含む反応溶液に温度変化を繰り返し与えるようなＰＣＲとしてもよい。但し、上記実施の形態のようにフローとした方が効率良くＰＣＲを実施することができる。

また、上記実施の形態及び変形例では、流路１００を蛇行流路としたが、これに限らない。例えば、複数の高温領域（９５℃）と複数の低温領域（６０℃）とを交互にライン状に配列して、その上に直線状の流路が形成された基板を配置することによって、流路が高温領域と低温領域とを交互に通過するように構成してもよい。

また、上記実施の形態及び変形例では、ヒータ部１４０は２つの温度領域としたが、互いに温度領域が異なる３つ以上の温度領域としてもよい。この場合、流路は、反応溶液が異なる複数の温度領域を周期的に通過するように構成されていればよい。

また、上記実施の形態及び変形例では、複数の温度領域の各温度の設定は、ヒータブロックで行ったが、ペルチェ素子等の他の温度制御部材を用いて温度設定してもよい。

また、上記実施の形態及び変形例では、反応溶液は毛管力によって流路１００を送液したが、これに限らない。例えば、流路１００にシリンジポンプをつないで、反応溶液を送液してもよい。但し、毛管力によって反応溶液を送液する方が、低コストかつ簡便に反応溶液を送液することができる。

また、上記実施の形態及び変形例では、マイクロ流体デバイスを、ＰＣＲ法を実施するための核酸増幅デバイスに適用する例について説明したが、上記実施の形態及び変形例におけるマイクロ流体デバイスを、被測定物質を検出するためのセンサデバイスに適用しても構わない。例えば、マイクロ流体デバイスを、イムノクロマト法を実施するためのセンサデバイスに適用することができる。

この場合、マイクロ流体デバイスに導入する反応溶液には、被測定物質として細菌又はウイルスが含まれており、当該マイクロ流体デバイスは、反応溶液に含まれる被測定物質を検出する。細菌やウイルスは、それぞれ特徴あるＤＮＡを持っている。したがって、その特徴あるＤＮＡをターゲットとしたプライマを設計することにより、マイクロ流体デバイスを、細菌やウイルスの種類や量を検出するセンサとして用いることができる。例えば、導入された反応溶液中の抗原は抗体と免疫複合体を形成しながら流路１００を移動し、流路１００に予め用意されたキャプチャー抗体上に免疫複合体がトラップされる。これにより、反応溶液中の抗原を検出することができる。

その他、各実施の形態及び変形例に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。

１マイクロ流体デバイス
１０第１基板
１１第１凹部
１２第２凹部
１３溝部
２０第２基板
２１第１貫通孔
２２第２貫通孔
１００流路
１００ａ主流路
１００ｂ副流路
１００ｃ導入流路
１００ｄ排出流路
１１０反応部
１２０導入部
１３０排出部
１４０ヒータ部
１４１第１ヒータブロック
１４２第２ヒータブロック
１６０ピラー
２１０温度制御部
３００反応溶液

Claims

反応溶液が流れる流路を備えるマイクロ流体デバイスであって、
前記流路は、所定の異なる温度に設定された第１温度領域と第２温度領域とを通過するように構成されており、
前記第１温度領域と前記第２温度領域との間の中間領域における前記流路の断面積は、前記第１温度領域及び前記第２温度領域における前記流路の断面積よりも小さい
マイクロ流体デバイス。
前記流路は、前記第１温度領域と前記第２温度領域とを交互に繰り返して通過するように構成された蛇行流路である
請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
前記反応溶液には、標的核酸が含まれており、
前記反応溶液が前記蛇行流路を通過することによって、前記標的核酸がポリメラーゼ連鎖反応により核酸増幅する
請求項２に記載のマイクロ流体デバイス。
前記反応溶液には、被測定物質として細菌又はウイルスが含まれており、
当該マイクロ流体デバイスは、前記反応溶液に含まれる前記被測定物質を検出する
請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
前記中間領域における前記流路の幅は、前記第１温度領域及び前記第２温度領域における前記流路の幅よりも小さい
請求項１〜４のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
前記流路の断面積は、前記流路内に設けられたピラーにより調整されている
請求項１〜４のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
前記流路は、前記第１温度領域及び前記第２温度領域が存在する反応部を通過するように構成されており、
前記流路は、前記反応部全体として断面積が単調に減少している又は段階的に減少している
請求項１〜６のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。