WO2014045482A1 - 分析チップ、及び分析装置 - Google Patents

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喜典 三品
靖夫 飯村
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Definitions

  • Patent Document 1 discloses a microchannel structure in which a porous structure portion is provided in a part of a fine channel. A multiphase flow of liquid and gas passes through the porous structure. Furthermore, there is a description that the porous structure portion is subjected to a hydrophilic treatment or a hydrophobic treatment.
  • Patent Document 1 there is a possibility that a liquid sample cannot flow into a flow path such as a fine capillary. When a liquid sample flows into the channel, bubbles in the liquid may be mixed.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a DNA analysis process using the analyzer according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a plan view schematically showing the configuration of the analysis chip.
  • a solution 60 containing DNA as a sample is injected.
  • a cleaning liquid for cleaning the flow path 64 and the like is injected into the cleaning liquid injection tank 62.
  • the solution 60 injected from the sample injection tank 61 is sent to the extraction unit 67 through the flow path 64.
  • the extraction unit 67 is provided with magnetic beads 65 for entanglement of DNA.
  • the surface of the magnetic material bead 65 has a characteristic to be compatible with DNA. Therefore, the magnetic beads 65 are entangled by mixing the magnetic beads 65 with the solution 60 so that the DNA is eluted. Thereafter, the magnetic beads 65 are washed with a washing solution. By using a magnet, the magnetic beads 65 can be easily fixed. Then, only the DNA is transferred to the next PCR reaction tank 68. Unnecessary cleaning liquid or the like is discharged from the discharge port 66.
  • a temperature control element such as a Peltier element is provided.
  • a temperature control element such as a Peltier element.
  • the temperature control element By repeating a predetermined temperature cycle by the temperature control element, only the repeated portion of the gene locus can be amplified. That is, DNA is PCR amplified by the temperature control element repeating heating and cooling.
  • the PCR reagent contains a fluorescent substance that serves as a label.
  • a fluorescent substance for labeling DNA for example, 5-FAM, JOE, NED, ROX and the like can be used. Thereby, a specific base can be labeled.
  • the sample can be guided to the inlet side of the capillary 73 due to the difference in wettability.
  • the bubbles 84 can be prevented from accumulating at the entrance of the capillary 73, and the sample can smoothly flow into the capillary 73.
  • bubbles can be prevented from entering the capillary 73. Therefore, the sample can surely flow into the capillary 73 and can be analyzed accurately.
  • the hydrophobic portion 69 c can be formed by partially applying a hydrophobic organic film or inorganic film to the bottom surface of the migration tank 69.
  • a hydrophobic process may be performed using a mask that covers a portion other than the portion to be the hydrophobized portion 69c.
  • the hydrophilic portion 69a is more hydrophilic than the hydrophobic portion 69c. That is, a hydrophilic distribution is provided on the bottom surface of the migration tank 69. In other words, the hydrophilicity of the bottom surface of the migration tank 69 is not uniform.
  • the liquid sample is a PCR product, but the liquid sample used for the analysis chip according to the present embodiment is not used for the PCR product.
  • the example in which the bottom surface of the electrophoresis tank 69 is made hydrophilic has been described.
  • the side surface of the electrophoresis tank 69 may be made hydrophilic or hydrophobic. That is, it is only necessary to provide a hydrophilic distribution in the migration tank 69 so that the bubbles 84 do not remain on the inlet side of the capillary 73.

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Abstract

試料を確実にキャピラリに流入させることができる分析チップ、及び、その分析チップを用いた分析装置を提供する。 本発明の実施の形態にかかる分析チップ(10)は、気体とともに液体の試料が流れる第1の流路(64)と、第1の流路(64)からの試料が流入される第2の流路と、第1の流路64と第2の流路との間で試料を貯留する泳動槽(69)であって、少なくとも第2の流路側の底面が液体の試料に対する濡れ性が高くなる処理がなされている泳動槽(69)と、を備えたものである。

Description

分析チップ、及び分析装置
 本発明は、分析チップ、及び分析装置に関し、試料が流れる流路を備えた分析チップと分析装置に関する。
 特許文献1には、微細流路チャンネルの一部に多孔質構造部が設けられているマイクロチャンネル構造体が開示されている。液体と気体の混相流が多孔質構造部を通過している。さらに、多孔質構造部が親水化処理、又は疎水化処理されているとの記載がある。
特表2003-508043号公報
 しかしながら、特許文献1では、液体の試料を微細なキャピラリなどの流路に流入することができない恐れがある。液体の試料を流路に流入する際に、液体中の気泡が混入する恐れがある。
 本発明は、液体の試料を確実にキャピラリに流入することができる分析チップ、及び分析装置を提供することを目的とする。
 本願発明の一態様にかかる分析チップは、液体の試料が流れる第1の流路と、前記流路からの前記試料が流入される第2の流路と、前記第1の流路と前記第2の流路との間で試料を貯留する試料槽であって、少なくとも前記第2の流路側の底面に前記液体に対する濡れ性を高くする処理がなされている試料槽と、を備えたものである。
 本発明によれば、液体の試料を確実にキャピラリに流入することができる分析チップ、及び分析装置を提供することができる。
本発明の実施の形態にかかるDNA解析の各工程を模式的に示す図である。 DNA解析に用いられる分析チップの構成を模式的に示す平面図である。 泳動槽に液体の試料を移送する場合の問題点を示す平面図である。 実施の形態1にかかる分析チップに設けられた泳動槽の周辺を示す平面図である。 泳動槽に流入した気泡の挙動を示す平面図である。 実施の形態2にかかる分析チップに設けられた泳動槽の周辺を示す平面図である。 その他の実施の形態にかかる分析チップに設けられた泳動槽の周辺を示す側面図である。
 添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
実施の形態1.
 本実施の形態にかかる分析チップは、電気泳動法によるDNA解析を行うためのチップである。以下、分析チップを用いてDNA解析を行う手法について、図1及び図2を用いて説明する。図1は、本実施の形態にかかる分析装置を用いたDNA解析の工程を模式的に示す図である。図2は、分析チップの構成を模式的に示す平面図である。
 図1に示すように、DNA解析方法は、検体収集工程A、DNA抽出工程B、PCR増幅工程C、電気泳動工程Dを有している。検体収集工程Aが分析チップ10外で実施され、DNA抽出工程B、PCR増幅工程C、及び電気泳動工程Dは、分析チップ10にて実施される。
 図2に示すように、分析チップ10の上流側(図2中の左側)に、DNA抽出工程Bが実施されるDNA抽出領域51が設けられている。そして、DNA抽出領域51の下流側(図2中の右側)には、PCR増幅工程Cが実施されるPCR増幅領域52が設けられている。PCR増幅領域52の下流側には、電気泳動工程Dが実施される電気泳動領域53が設けられている。そして、DNA抽出領域51、PCR増幅領域52、電気泳動領域53の順で試料であるDNAが移送されていく。
 検体収集工程Aでは、まず、ユーザが試料となるDNAを含む細胞を採取する。ユーザは、例えば、口腔内粘膜、血液、体液などを採取する。そして、試薬を用いて、細胞を破砕して、DNAが溶出した溶液を作成する。
 DNA抽出工程Bでは、DNAが溶出した溶液60が分析チップ10に注入される。分析チップ10は、サンプル注入槽61、洗浄液注入槽62、PCR試薬注入槽63、流路64、磁性体ビーズ65、排出口66、反応槽68、泳動槽69、泳動槽71を有している。サンプル注入槽61、洗浄液注入槽62、PCR試薬注入槽63、磁性体ビーズ65、排出口66、反応槽68、泳動槽69、及び泳動槽71は流路64を介して連通している。すなわち、溶液60は、流路64を通って、各槽に順次移送されていく。流路64は、各槽よりも狭くなっている。
 サンプル注入槽61は、サンプルであるDNAを含む溶液60が注入される。洗浄液注入槽62は、流路64などを洗浄するための洗浄液が注入される。サンプル注入槽61から注入された溶液60は、流路64を通って、抽出部67に送出される。抽出部67は、DNAを絡み取るための磁性体ビーズ65が設けられている。磁性体ビーズ65の表面は、DNAとなじむ特性を有している。したがって、DNAが溶出したよう溶液60に磁性体ビーズ65を混合することによって、DNAが磁性体ビーズ65に絡み取られる。その後、磁性体ビーズ65を洗浄液で洗浄する。磁石を用いることで磁性体ビーズ65を容易に固定化することができる。そして、DNAのみを次のPCR反応槽68に移送する。不要となった洗浄液等は、排出口66から排出される。
 PCR試薬注入槽63には、特定の遺伝子座を増幅するPCR試薬が注入される。PCR試薬注入槽63に注入されたPCR試薬は、PCR反応槽68に送出される。PCR反応槽68では、ポリメラーゼ連鎖反応(PCR)によって、DNAを増幅する。ここでは、図2に示すように、8つのPCR反応槽68が設けられている。そして、DNAがPCR試薬とともに8つのPCR反応槽68に分注される。2種類のPCR試薬を用いることで、一度に、16(2×8)の遺伝子座を解析することができる。
 PCR反応槽68の直下には、例えば、ペルチェ素子などの温度制御素子(不図示)が設けられている。温度制御素子によって、所定の温度サイクルを繰り返すことによって、遺伝子座の繰り返し部分のみを増幅することができる。すなわち、温度制御素子が、加熱、降温を繰りかえることで、DNAがPCR増幅される。さらに、PCR試薬には、標識となる蛍光物質が含まれている。DNAを標識するための蛍光物質としては、例えば、5-FAM、JOE、NED、ROX等を用いることができる。これにより、特定の塩基を標識することができる。
 PCR反応槽68で増幅されたPCR産物は、泳動槽69に送出される。泳動槽69は、流路64を介して、泳動槽71に接続されている。すなわち、泳動槽69に移送されたPCR産物は、流路64を通って、泳動槽71に泳動する。泳動槽69と泳動槽71との間には、電圧が印加される。DNAは負に帯電しているため、正極側の泳動槽71に泳動する。泳動槽69と泳動槽71との間の流路64は、100μm程度の非常に細いキャピラリ73になっている。
 このように、泳動槽69と泳動槽71との間に電圧が印加されている。蛍光標識ラベルされたPCR産物をキャピラリに供給して、ゲル内で電気泳動する。電気泳動によって電圧が印加された状態では、DNA断片のサイズによって、移動速度が異なる。塩基数が小さい程、泳動距離が長くなるため、DNA断片をサイズ分離することができる。泳動槽69と泳動槽71の間にある検出位置70で、キャピラリ内のPCR産物に光源からの励起光を照射すると、蛍光物質から蛍光が発生する。そして、蛍光物質から発生した蛍光を分光測定して、観測スペクトルデータを取得する。サイズ毎、すなわち移動速度毎に観測スペクトルデータは取得することができる。そして、これらの観測スペクトルデータを解析することで、特定の配列のDNAを定量することができ、DNA鑑定を行うことができる。
 また、本実施の形態では、分析チップがDNA鑑定に用いられるものとして説明したが、本実施の形態に係る分析チップの用途はDNA鑑定に限られるものでない。本実施の形態の分析チップは、種々の分析装置に適用可能である。例えば、核酸、たんぱく質、化合物などを分析することも可能である。さらに、蛍光物質以外の標識物質で試料に含まれる物質を標識してもよい。また、分光方法以外の方法を用いて分析を行うようにしてもよい。
 ここで、泳動槽69とキャピラリ73との接続部分で生じる問題点について、図3を用いて説明する。図3は、泳動槽69の周辺の構成を示す平面図である。泳動槽69には幅の異なるキャピラリ73と流路64が接続されている。ここで、流路64にある試料を気体とともに移送した場合の問題点について説明する。なお、以下の説明では、PCR産物を含む親水性の液体を試料としている。そして、液体の試料を気体とともに泳動槽69に移送している。
 流路64に気体を供給することで、流路64にある液体を泳動槽69に移送させる。ここで、気体とともに気泡84が第1の流路である流路64を流れてしまう。この気泡84が、第2の流路であるキャピラリ73の入り口側に溜まってしまうことがある。特にキャピラリ73が流路64に比べて細い場合、気泡84によってキャピラリ73の入り口が塞がれてしまう。このため、電圧を印加しても、試料であるPCR産物がキャピラリ73内に移動しなくなってしまい、正確に分析することができなくなってしまう。さらに、気泡84が試料と共にキャピラリ73内に流入してしまう恐れもある。微細なキャピラリ73内に気泡84と試料が混在すると、正確に分析することができなくなってしまう。
 そこで、本実施の形態では、泳動槽69を下記に示す構成とすることで、キャピラリ73に試料を確実に流入させている。以下、泳動槽69とその周辺の構成について図4を用いて説明する。図4は、泳動槽69の周辺の構成を示す平面図である。
 泳動槽69は、流路64とキャピラリ73とに接続されている。すなわち、泳動槽69は、流路64とキャピラリ73との間で、試料を貯留する。キャピラリ73は、流路64よりも細くなっている。流路64には、PCR反応槽68によって生成されたPCR産物が流れる。具体的には、気体を流路64に供給することで、その気体とともにPCR産物を含む試料が流路64を流れていく。そして、流路64を流れてきた試料は、泳動槽69に到達する。なお、キャピラリ73は、液体の試料が流れる流路であれば、流路64よりも細くなっている必要はない。
 泳動槽69は、上記のように電気泳動の上流側に配置されており、電気泳動のための電圧が印加される。さらに、泳動槽69の流路64と反対側には、キャピラリ73が設けられている。すなわち、流路64とキャピラリ73とは、泳動槽69を介して対向配置されている。したがって、流路64から泳動槽69に流れてきた試料が、キャピラリ73に流入する。
 さらに、本実施の形態では、泳動槽69が親水化部69aと非親水化部69bを有している。親水化部69aは、泳動槽69のキャピラリ73側の底面を親水処理することで形成されている。すなわち、泳動槽69の底面の一部を親水化することで、親水性の高い親水化部69aが形成されている。例えば、RIE(Reactive Ion Etching)によるプラズマ処理などを用いて、親水処理を行うことができる。あるいは、親水性のある有機膜、又は無機膜を底面に塗布することで、親水処理を行ってもよい。親水処理を行うことで、試料に対する濡れ性が高くなり、親水化部69aに対する試料の接触角が小さくなる。換言すると、親水化部69aでは、キャピラリ73や流路64を含むその他の部分よりも濡れ性が高く、試料の接触角が小さくなる。
 さらに、泳動槽69において、親水処理が行われた親水化部69a以外の底面が非親水化部69bとなっている。親水化部69aは、非親水化部69bよりも親水性が高くなっている。すなわち、泳動槽69の底面に、親水性の分布を設けている。換言すると、泳動槽69の底面の親水性が均一となっていいない。なお、泳動槽69の底面を一様に親水化するようにしてもよい。
 非親水化部69bでは、親水化部69aよりも試料に対する濡れ性が低く、試料の接触角が大きくなる。非親水化部69bでの濡れ性、及び接触角は、キャピラリ73が流路64を含むその他の部分と同じとなっている。換言すると、親水化処理がなされた親水化部69aのみが、分析チップ10のその他の箇所よりに、親水性の液体に対する濡れ性が高くなっている。なお、泳動槽69の底面を部分的に親水化する場合、親水化しない領域をマスクした状態で親水処理を行えばよい。
 したがって、濡れ性の違いによって、試料をキャピラリ73の入り口側に誘導することができる。これにより、図5に示すように、気泡84がキャピラリ73の入り口に溜まるのを防ぐことができ、試料をスムーズにキャピラリ73に流入することができる。また、気泡がキャピラリ73に混入するのを防ぐことができる。よって、確実に試料をキャピラリ73に流入することができ、正確に分析することができる。
実施の形態2.
 本実施の形態にかかる分析チップ10の構成について、図6を用いて説明する。図6は泳動槽69の周辺の構成を示す平面図である。実施の形態2では、泳動槽69の構成が実施の形態と異なっている。なお、泳動槽69以外の構成については、実施の形態と同様であるため、説明を省略する。
 本実施の形態では、泳動槽69が親水化部69aと疎水化部69cとを備えている。すなわち、泳動槽69には、非親水化部69bの代わりに、疎水化部69cが設けられている。泳動槽69の底面のうち、キャピラリ73の入り口側が、親水化部69aとなっており、流路64の出口側が疎水化部69cとなっている。親水化部69aは、実施の形態1と同様である。疎水化部69cでは、疎水処理が行われている。例えば、泳動槽69の底面に、疎水性を有する有機膜、又は無機膜を部分的に塗布することで、疎水化部69cを形成することができる。泳動槽69の底面を部分的に疎水化する場合、疎水化部69cにしたい部分以外を覆うマスクを用いて、疎水処理を行えばよい。
 親水化部69aは、疎水化部69cよりも親水性が高くなっている。すなわち、泳動槽69の底面に、親水性の分布を設けている。換言すると、泳動槽69の底面の親水性が均一となっていない。
 疎水化された疎水化部69cでは、試料に対する濡れ性が低くなり、試料の接触角が大きくなる。疎水化部69cの濡れ性は、キャピラリ73が流路64を含むその他の部分よりも低くなっている。換言すると、疎水化部69cでの試料の接触角は、キャピラリ73が流路64を含むその他の部分よりも大きくなっている。これにより、気泡84が疎水化部69cにより留まりやすくなるため、気泡84の位置を制御することができる。したがって、キャピラリ73の入り口近傍に気泡84が留まるのを防ぐことができ、確実にキャピラリ73に試料を流入することができる。さらに、細かな気泡84がキャピラリ73に混入するのを防ぐことができる。これにより、正確な分析を行うことができる。
その他の実施の形態.
 実施の形態1、2では、液体の試料がPCR産物であったが、本実施の形態にかかる分析チップに利用される液体の試料はPCR産物に利用されるものでない。なお、上記の説明では、泳動槽69の底面を親水化する例を説明したが、泳動槽69の側面を親水化、あるいは疎水化するようにしてもよい。すなわち、キャピラリ73の入り口側に気泡84が留まらないように、泳動槽69に親水性の分布を設ければよい。
 例えば、図7の側面断面図に示すように、泳動槽69の底面全体に対して親水化処理を行うことで親水化部69aを設け、泳動槽69の側面に疎水化処理を行うことで、疎水化部69cを設けるようにしてもよい。この構成を採用することで、よって。気泡84が泳動槽69の上方に誘導され、キャピラリ73の入り口近傍に留まるのを防ぐことができる。試料を確実にキャピラリ73に流入させることができる。また、側面を疎水化する場合においても、泳動槽69の底面に親水性の分布を設けてもよい。さらに、泳動槽69の側面の一部のみ疎水化するようにしてもよい。
 例えば、泳動槽69の流路64側の側面、すなわち、図7の左側の側面を疎水化することが好ましい。この構成によって、流路64の流路64側に気泡84を移動することができ、キャピラリ73への気泡84の混入を防ぐことができる。また、泳動槽69のキャピラリ73側の側面、すなわち、図7の右側の側面を疎水化しなくてもよい。さらには、泳動槽69のキャピラリ73側の側面、すなわち、図7の右側の側面を親水化して、親水化部69aとするようにしてもよい。このように、泳動槽69のキャピラリ73側の側面に親水性を持たせ、流路64側の側面に疎水性を持たせる。これにより、液体の試料をキャピラリ73側に誘導することができるため、確実に試料をキャピラリ73に流入させることができる。
 上記の説明では、電気泳動領域53の泳動槽69に対して、親水性の分布を設けたが、泳動槽69以外の槽に親水性の分布を設けてもよい。例えば、流路64とキャピラリ73との間で試料を貯留する試料槽に対して、上記の構成を採用することができる。すなわち、気体とともに液体の試料が流れる流路に接続され、かつキャピラリ73に接続された試料槽であえば、上記と同様の効果を得ることができる。分析装置は、上記の分析チップを備えている。そして、分析装置は、上記の分析チップのキャピラリに試料を泳動することで分析を行う。こうすることで、正確に資料を分析することができる。よって、DNA鑑定の精度を向上することができる。
 上記の説明では、気体を供給して液体の試料を移送したが、疎水性の液体を供給して、液体の試料を移送してもよい。例えば、試料を含む液体と濡れ性の異なる油などの流体を輸送用に供給することができる。油は疎水性であり、親水性の液体と異なる性質を有している。上記のように、流路64に液体の試料とともに油を供給することで、泳動槽69に液体の試料を移送する。このとき、試料の液体よりも疎水性の高い油は親水化部69aに留まらない。すなわち、油は非親水化部69bや疎水化部69cに誘導されるため、キャピラリ73の入り口側には誘導されず、キャピラリ73に油が流入するのを防ぐことができる。よって、液体の試料のみを確実にキャピラリ73に流入することができる。このように、気体や油などの流体を液体の試料とともに供給すれば、上記の効果を得ることができる。
 さらに、試料を含む液体として親水性の液体を用いたが、試料を含む液体が疎水性の液体であってもよい。この場合、キャピラリ側の泳動槽69の底面を疎水化すれば、少なくとも親水化部69aでは試料に対する濡れ性が高くなるため、同様の効果を得ることができる。すなわち、少なくともキャピラリ73側の泳動槽69の底面に、液体の試料に対する濡れ性が高くなる処理を施す。親水化部69aに対応する箇所では、分析チップ10の他の箇所よりも試料の液体に対する濡れ性が高くなる。これにより、親水化部69aに対応する箇所に、液体の試料を誘導することができ、試料と性質の異なる流体が、親水化部69aに留まることがない。さらに、疎水化部69cに対応する個所に、濡れ性が低くなる処理を施すようにしてもよい。また、泳動槽69の側面に濡れ性を低くする処理がなされていてもよい。
 また、液体とともに流れる移送用の流体は、液体、及び気体のいずれであってもよく、移送用の流体は、親水性、非親水性のいずれであってもよい。さらに、移送用の流体を用いずに、液体の試料のみを移送させるようにしてもよい。この場合、泳動槽69に存在していた気体が、気泡84となってキャピラリ73側に留まったり、キャピラリ73に混入することを防ぐことができる。
 上記したように、プラズマ処理や塗布処理等によって、泳動槽69の表面の濡れ性を変化させることができる。また、泳動槽69の表面を微細に加工することで、泳動槽69の濡れ性を変化させてもよい。あるいは、電界を印加するelectrowettingを用いることで、濡れ性を変化させてもよい。
 以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
 この出願は、2012年9月19日に出願された日本出願特願2012-206024を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
 本発明に係る分析チップは、DNA、核酸、たんぱく質、化合物などの分析に適用することが可能である。
 10 分析チップ
 51 DNA抽出領域
 52 PCR増幅領域
 53 電気泳動領域
 60 溶液
 61 サンプル注入槽
 62 洗浄液注入槽
 63 PCR試薬注入槽
 64 流路
 65 磁性体ビーズ
 66 排出口
 67 抽出部
 68 PCR反応槽
 69 泳動槽
 69a 親水化部
 69b 非親水化部
 69c 疎水化部
 70 検出位置
 71 泳動槽
 73 キャピラリ

Claims (5)

  1.  液体の試料が流れる第1の流路と、
     前記第1の流路からの前記試料が流入される第2の流路と、
     前記第1の流路と前記第2の流路との間で試料を貯留する試料槽であって、少なくとも前記第2の流路側の底面に前記液体に対する濡れ性を高くする処理がなされている試料槽と、を備えた分析チップ。
  2.  前記試料槽の底面に濡れ性の分布が設けられている請求項1に記載の分析チップ。
  3.  前記試料槽の前記第1の流路側の底面に、前記液体に対する濡れ性を低くする処理がなされている請求項1、又は2に記載の分析チップ。
  4.  前記試料槽の前記第2の流路側の側面に前記濡れ性を高くする処理がなされている請求項1~3のいずれか1項に記載の分析チップ。
  5.  請求項1~4のいずれか1項に記載の分析チップを備え、
     前記第2の流路に前記試料を泳動することで、分析を行う分析装置。
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