JP5137007B2 - マイクロチップ - Google Patents

Description

本発明は、ＤＮＡ、タンパク質、細胞、免疫および血液等の生化学検査、化学合成ならびに、環境分析などに好適に使用されるμ−ＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）などとして有用なマイクロチップに関する。

近年、医療や健康、食品、創薬などの分野で、ＤＮＡ（Ｄｅｏｘｙｒｉｂｏ Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄ）や酵素、抗原、抗体、タンパク質、ウィルスおよび細胞などの生体物質、ならびに化学物質を検知、検出あるいは定量する重要性が増してきており、それらを簡便に測定できる様々なバイオチップおよびマイクロ化学チップ（以下、これらを総称してマイクロチップと称する。）が提案されている。マイクロチップは、実験室で行なっている一連の実験・分析操作を、数ｃｍ〜１０ｃｍ角で厚さ数ｍｍ〜数ｃｍ程度のチップ内で行なえることから、検体および試薬が微量で済み、コストが安く、反応速度が速く、ハイスループットな検査ができ、検体を採取した現場で直ちに検査結果を得ることができるなど多くの利点を有している。

マイクロチップはその内部に流体回路を有しており、該流体回路は、たとえば検体（その一例として血液が挙げられる）と混合あるいは反応、または該検体を処理するための液体試薬を保持する液体試薬保持部、該検体や液体試薬を計量する計量部、検体と液体試薬とを混合する混合部、混合液について分析および／または検査するための検出部などの各部と、これら各部を適切に接続する微細な流路（たとえば、数百μｍ程度の幅）とから主に構成される。マイクロチップは、典型的には、これに遠心力を印加可能な装置（遠心装置）に載置して使用される。マイクロチップに適切な方向の遠心力を印加することにより、検体および液体試薬の計量、混合、ならびに該混合液の検出部への導入等を行なうことができる（たとえば特許文献１参照）。
特開２００７−１７３４２号公報

上記特許文献１に記載されるように、通常、検体等を計量する計量部の出口には、流路を介して液溜め部（廃液溜め）が接続されており、計量時に溢れ出た検体等の液体を収容できる構成とされている。しかし、特許文献１に記載されるような従来のマイクロチップが有する計量部の構造では、計量部出口とこれに接続される流路との間での、検体等の液切れの状態が悪い場合があり、これにより精密な計量を行なえないことがあった。また、計量後に、表面張力によって液体が計量部出口から流出することがあり、これにより計量された検体等の液量が変動してしまうことがあった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、正確に液体を計量することができるとともに、計量された液体の意図しない流動を防止することができる計量部を有するマイクロチップを提供することである。

すなわち本発明は、基板表面に設けられた溝を備える第１の基板と、第２の基板とを貼り合わせてなる、内部に流体回路を有するマイクロチップであって、該流体回路は、液体を計量するための計量部と、該計量部の一端に接続される流路とを少なくとも有し、該流路と該計量部との接続位置における該計量部断面のマイクロチップ厚み方向の長さは、該流路と該計量部との接続位置における該流路断面のマイクロチップ厚み方向の長さより短いマイクロチップである。

ここで、上記計量部の底面または天井面と、上記流路の底面または天井面とは、マイクロチップ厚み方向に関して同じ位置に形成されてもよいし、または、上記計量部の底面および天井面はそれぞれ、マイクロチップ厚み方向に関して、上記流路の底面および天井面と異なる位置に形成されてもよい。

本発明のマイクロチップにおいて流体回路は、検体を計量するための１以上の検体計量部と、液体試薬を計量するための１以上の液体試薬計量部とを有していてもよい。この場合、上記液体を計量するための計量部は、検体計量部および液体試薬計量部から選択されるいずれか１以上の計量部であることがより好ましく、より好ましくは、すべての計量部およびこれに接続される流路が上記構成を満たす。

本発明のマイクロチップにおいて、上記第１の基板は透明基板であり、上記第２の基板は黒色基板であることが好ましい。

本発明によれば、計量された液体の液切れが良好であるとともに、計量された液体の意図しない流動を防止することができ、もって正確に液体を計量することができるマイクロチップが提供される。

本発明のマイクロチップは、基板表面に溝が形成された第１の基板の溝形成側表面上に、第２の基板を貼り合わせてなる内部に流体回路を有するマイクロチップに関する。該流体回路は、第１の基板表面に形成された溝と第２の基板の貼り合わせ面とによって構成されている。マイクロチップの大きさは、特に限定されないが、たとえば縦横数ｃｍ程度、厚さ数ｍｍ〜１ｃｍ程度とすることができる。

上記流体回路は、検体（または該検体中の特定成分。以下、単に検体とも称する。）や液体試薬等の液体を計量するための計量部を少なくとも有する。計量部は、所定の容量を有しており、当該液体を計量部に導入することにより、所定量の液体を計量することができる。計量部から溢れ出た液体は、流路を介して計量部の一端に接続された廃液溜めに収容される。ここで、液体試薬とは、マイクロチップを用いて行なわれる検査・分析の対象となる検体を処理する、または該検体と混合あるいは反応される試薬であり、通常、マイクロチップ使用前にあらかじめ流体回路の液体試薬保持部に内蔵されている。

上記流体回路は、計量部の他に、他の部位を有していてもよい。他の部位としては、特に限定されるものではないが、液体試薬を保持するための液体試薬保持部、計量された液体試薬と検体とを混合するための混合部、該混合液についての検査・分析（たとえば、混合液中の特定成分の検出）を行なうための検出部などを挙げることができる。必要に応じてさらに別の部位が設けられてもよい。当該検査・分析は、特に限定されないが、たとえば検出部に光を照射して透過する光の強度（透過率）を検出する、検出部に保持された混合液についての吸収スペクトルを測定する等の光学測定により行なうことができる。

上記流体回路内の各部位は、外部からの遠心力の印加により、検体や液体試薬の計量、検体と液体試薬との混合、得られた混合液の検出部への導入および該混合液の検査・分析等を順次行なうことができるように、適切な位置に配置され、かつ微細な流路を介して接続されている。マイクロチップへの遠心力の印加は、典型的には、マイクロチップを、これに遠心力を印加可能な装置（遠心装置）に載置して行なわれる。以下、実施の形態を示して本発明を詳細に説明する。

図１は、本発明のマイクロチップの一例であるマイクロチップ１００を構成する第１の基板１０１の上面図である。ここでいう「上面」とは、流体回路を形成する溝が刻まれている側の面を意味している。また、「下面」とは、流体回路を形成する溝が刻まれていない側の面を意味するものとする。マイクロチップ１００は、図１に示されるような、基板表面に形成された溝および基板の厚み方向に貫通する貫通穴を有する第１の基板１０１の溝形成側表面（上面）上に、第２の基板（図示せず）を貼り合わせてなる。第１の基板１０１表面（上面）に形成された溝と第２の基板の貼り合わせ面とによって流体回路が構成されている。マイクロチップ１００は、全血から血漿成分を取り出し、該血漿成分について検査・分析を行なうマイクロチップとして好適に適用され得る流体回路構造を有している。

図１を参照して、マイクロチップ１００が有する流体回路は、被験者から採取された全血を含むキャピラリー等のサンプル管を組み込むためのサンプル管載置部１０２、サンプル管より導出された全血から血球成分などを除去して血漿成分を得る血漿分離部１０３、分離された血漿成分を計量するための検体計量部１０４、液体試薬を保持するための２つの液体試薬保持部１０５ａおよび１０５ｂ、液体試薬を計量するための液体試薬計量部１０６ａおよび１０６ｂ、血漿成分と液体試薬とを混合するための混合部１０７ａ〜１０７ｄ、ならびに、得られた混合液についての検査・分析が行なわれる検出部１０８から主に構成される。マイクロチップ１００は、あらかじめ流体回路内に液体試薬が内蔵された「液体試薬内蔵型マイクロチップ」であり、該液体試薬は、液体試薬保持部１０５ａおよび１０５ｂに形成された、第１の基板１０１の厚み方向に貫通する貫通穴である液体試薬導入口１７０ａ、１７０ｂを介して、第１の基板１０１の下面（マイクロチップ１００における第１の基板１０１側表面）側から注入される。これら液体試薬導入口の開口部は、第１の基板１０１の下面（マイクロチップ１００における第１の基板１０１側表面）に封止用ラベルなどを貼合することによって封止される。

まず、マイクロチップ１００の動作方法の一例について説明する。なお、以下に説明する動作方法は一例を示したものであり、この方法に限定されるものではない。まず、被験者から採取された全血を含むサンプル管をサンプル管載置部１０２に搭載する。次に、マイクロチップ１００に対して、図１における左向き方向（以下、単に左向きという。他の方向についても以下同様。）に遠心力を印加し、サンプル管内の全血を取り出した後、下向きの遠心力により、全血を血漿分離部１０３に導入して遠心分離を行ない、血漿成分（上層）と血球成分（下層）とに分離する。この際、過剰の全血は、廃液溜め１０９ａに収容される。また、この下向き遠心力により、液体試薬保持部１０５ａ内の液体試薬Ｘは、液体試薬計量部１０６ａに導入され計量される。液体試薬計量部１０６ａから溢れ出た液体試薬Ｘは、液体試薬計量部１０６ａの出口側端部に接続された流路１８１を通って、廃液溜め１０９ａに収容される。

ついで、分離された、血漿分離部１０３内の血漿成分を、右向き遠心力により検体計量部１０４に導入し、計量する。検体計量部１０４から溢れ出た血漿成分は、検体計量部１０４の出口側端部に接続された流路１８０を通って、廃液溜め１０９ｂに収容される。また、計量された液体試薬Ｘは、混合部１０７ｂに移動するとともに、液体試薬保持部１０５ｂ内の液体試薬Ｙは、液体試薬保持部１０５ｂから排出される。

次に、下向き遠心力により、計量された血漿成分および計量された液体試薬Ｘは、混合部１０７ａに移動するとともに、混合される。また、液体試薬Ｙは、液体試薬計量部１０６ｂに導入され、計量される。液体試薬計量部１０６ｂから溢れ出た液体試薬Ｙは、液体試薬計量部１０６ｂの出口側端部に接続された流路１８２を通って、廃液溜め１０９ｃに収容される。ついで、右向き、下向き、右向き遠心力を順次印加して、血漿成分と液体試薬Ｘとの混合液を混合部１０７ａおよび１０７ｂ間で行き来させることにより、混合液の十分な混合を行なう。次に、上向き遠心力により、血漿成分と液体試薬Ｘとの混合液と計量された液体試薬Ｙとを混合部１０７ｃにて混合させる。ついで、左向き、上向き、左向き、上向き遠心力を順次印加して、混合液を混合部１０７ｃおよび１０７ｄ間で行き来させることにより、混合液の十分な混合を行なう。最後に、右向き遠心力により、混合部１０７ｃ内の混合液を検出部１０８に導入する。検出部１０８内に収容された混合液は、たとえば上記したような光学測定に供され、検査・分析が行なわれる。

図２は、マイクロチップ１００に用いられる第１の基板１０１の検体計量部１０４領域周辺を示す拡大図であり、図２（ａ）はその上面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＩＩ−ＩＩ線における断面図である。図２（ｂ）に示されるように、検体計量部１０４と流路１８０との接続位置において、検体計量部１０４断面のマイクロチップ厚み方向の長さ（深さ）は、当該接続位置における流路１８０断面のマイクロチップ厚み方向の長さ（深さ）より短くなっている。具体的には、この例においては、検体計量部の厚み方向の長さ（深さ）は０．５ｍｍ程度であり、流路１８０の厚み方向の長さ（深さ）は２．５ｍｍ程度である。

このように、検体計量部１０４とこれに接続される流路１８０の深さを違えて、検体計量部１０４の出口領域（検体計量部１０４と流路１８０との接続位置）に段差を設けることにより、検体が有する表面張力によって、当該接続位置における検体の液切れが向上する。これにより、検体計量部１０４の容量に従う正確な計量を行なうことができる。また、計量後においても、検体の表面張力により、検体が流路１８０側へ流出することが防止されるため、意図しない検体の流出により計量された検体の量が変動してしまうことを防ぐことができる。このような流路１８０の深さをより大きくして段差を形成することにより得られる上記効果は、計量される液体が親水性の液体である場合に顕著である。

ここで、上記例においては、検体計量部の深さを０．５ｍｍ程度、これに接続される流路の深さを２．５ｍｍ程度としているが、検体の表面張力により、十分に液切れが向上され、流路側への流出が有効に防止される限りにおいて、これらの値に限定されるものではない。具体的には、かかる効果を得るために、検体計量部の深さに対する流路の深さの比は、１．５〜１０程度とすることが好ましく、２．０〜５．０程度とすることがより好ましい。

また、上記図２に示される例においては、検体計量部１０４の天井面と流路１８０の天井面（これら両天井面は、図２において図示されていない第２の基板表面によって構成されている。）とは、マイクロチップ厚み方向に関して同じ位置に形成されており、該天井面から各底面までの距離を違えることにより、検体計量部１０４と流路１８０との接続位置に段差を設けている。段差を設ける手段としては、このような手段のほかに、たとえば、（１）図３（ａ）に示されるように、検体計量部１０４の底面と流路１８０の底面とをマイクロチップ厚み方向に関して同じ位置に形成し、該底面から各天井面までの距離を違える、（２）図３（ｂ）に示されるように、検体計量部１０４の底面および天井面をそれぞれ、マイクロチップ厚み方向に関して、流路１８０の底面および天井面と異なる位置に形成し、各底面−天井面間の距離を違える、等を挙げることができる。ただし、上記（１）および（２）の場合、第２の基板３０２の表面にも溝を形成する必要があることから、マイクロチップの製造のし易さ、効率性を考慮すると、図２（ｂ）に示されるような構成により段差を形成することが好ましい。かかる構成によれば、第２の基板に溝を形成することなく、段差を設けることができる。

上記したような段差構造は、検体計量部１０４だけでなく、他の部位にも適用することができる。たとえば、液体試薬計量部１０６ａと、該計量部の出口側に接続された流路１８１との接続位置、および液体試薬計量部１０６ｂと、該計量部の出口側に接続された流路１８２との接続位置などに同様の段差を設けることにより、当該部位についても上記した効果を得ることができる。液体試薬計量部の深さに対する流路の深さの比は、１．５〜１０程度とすることが好ましく、２．０〜５．０程度とすることがより好ましい。

なお、図２（ａ）を参照して、検体計量部１０４と流路１８０との接続位置（検体計量部１０４の出口末端）における、検体計量部１０４の流路幅は、当該接続位置以外の部分の流路幅と比較して広くなっている。同様に、図１を参照して、液体試薬計量部１０６ａと流路１８１との接続位置および液体試薬計量部１０６ｂと流路１８２との接続位置における、液体試薬計量部の流路幅は、当該接続位置以外の部分の流路幅と比較して広くなっている。このように、計量部出口における流路幅をより広くすることにより、当該接続位置における液切れをさらに向上させることができる。

本発明のマイクロチップを構成する第１の基板および第２の基板の材質は特に制限されないが、加工性を考慮すると、樹脂を用いることが好ましい。樹脂のなかでも、ポリスチレン、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、アクリル樹脂などが好ましく用いられ、なかでも、耐湿性、加工性（射出成形のし易さなど）が良好であることから、ポリスチレンがより好ましい。ポリスチレンは、蛍光を発しないという点でもマイクロチップを構成する樹脂として好適である。

第１の基板は、上記したように、表面に流体回路を構成する溝が形成される基板である。このような第１の基板は、光学測定の際、検出光が照射させる部位を含んでいることから、透明基板とすることが好ましく、少なくとも検出部における検出光が通過する領域は透明樹脂から構成する必要がある。また、第２の基板は、透明基板であっても不透明基板であってもよい。第１の基板と第２の基板との貼合は、たとえばレーザ溶着、熱溶着、超音波溶着等の溶着法；接着剤による接着などに行なうことができ、溶着法が好ましく用いられる。たとえばレーザ溶着法においては、第１の基板、第２の基板の少なくとも一方の貼り合わせ面にレーザを照射し、該貼り合わせ面を融解させることにより接着を行なうが、この際、基板に不透明基板（好ましくは黒色基板）を用いることにより、光吸収率が増大し、効率的にレーザ溶着を行なうことができる。したがって、第１の基板を透明基板とする場合には、第２の基板を不透明基板とすることが好ましく、黒色基板とすることがより好ましい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明のマイクロチップを構成する第１の基板の一例を示す上面図である。 図１に示される第１の基板の検体計量部領域周辺を示す拡大図である。 第１の基板の検体計量部領域周辺の別の例を示す断面図である。

符号の説明

１００ マイクロチップ、１０１ 第１の基板、１０２ サンプル管載置部、１０３ 血漿分離部、１０４ 検体計量部、１０５ａ，１０５ｂ 液体試薬保持部、１０６ａ，３０６，１０６ｂ 液体試薬計量部、１０７ａ，１０７ｂ，１０７ｃ，１０７ｄ 混合部、１０８ 検出部、１０９ａ，１０９ｂ，１０９ｃ 廃液溜め部、１７０ａ，１７０ｂ 液体試薬導入口、１８０，１８１，１８２ 流路、３０２ 第２の基板。

Claims (5)

1. 基板表面に設けられた溝を備える第１の基板と、第２の基板とを貼り合わせてなる、内部に流体回路を有するマイクロチップであって、
   前記流体回路は、液体を計量するための計量部と、前記計量部の一端に接続される流路とを少なくとも有し、
   前記流路と前記計量部との接続位置における前記計量部断面のマイクロチップ厚み方向の長さは、前記流路と前記計量部との接続位置における前記流路断面のマイクロチップ厚み方向の長さより短く、かつ
   前記流路と前記計量部との接続位置における前記計量部の幅は、前記接続位置以外の部分における前記計量部の幅よりも広いマイクロチップ。
2. 前記計量部の底面または天井面と、前記流路の底面または天井面とは、マイクロチップ厚み方向に関して同じ位置に形成される請求項１に記載のマイクロチップ。
3. 前記計量部の底面および天井面はそれぞれ、マイクロチップ厚み方向に関して、前記流路の底面および天井面と異なる位置に形成される請求項１に記載のマイクロチップ。
4. 前記流体回路は、検体を計量するための１以上の検体計量部と、液体試薬を計量するための１以上の液体試薬計量部とを有し、
   前記液体を計量するための計量部は、前記検体計量部および前記液体試薬計量部から選択されるいずれか１以上の計量部である請求項１〜３のいずれかに記載のマイクロチップ。
5. 前記第１の基板は透明基板であり、前記第２の基板は黒色基板である請求項１〜４のいずれかに記載のマイクロチップ。

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