JP5178272B2 - マイクロデバイス - Google Patents

Description

本発明は、生物学的流体を電気化学的、もしくは光学的に分析するマイクロデバイスに関するものである。

従来、マイクロ流路を形成したマイクロデバイスを用いて生物学的流体を電気化学的にあるいは光学的に分析する方法がある。電気化学的に分析する方法としては、試料液中の特定の成分を分析するバイオセンサーとして、例えば、血液中のグルコースとセンサー中に担持したグルコースオキシダーゼ等の試薬との反応により得られる電流値を測定することにより、血糖値などを求めるものがある。

また、マイクロデバイスを用いて分析する方法では、水平軸を有する回転装置を使って流体の制御をすることが可能であり、遠心力を利用して試料液の計量、細胞質材料の分離、分離された流体の移送分配、液体の混合/攪拌等を行うことができるため、種々の生物化学的な分析を行うことが可能である。

マイクロデバイスに試料を導入するための従来の試料液採取方法としては、図７に示す電気化学式バイオセンサーがある。
これは絶縁基板２０５とカバー２０６を間にスペーサー２０７と試薬層２１０を挟んで貼り合わせたもので、試料液は、カバー２０６の吸引口２０８から毛細管現象によりキャビティ２１２内に導入される。絶縁基板２０５の上の作用極２０１、対極２０２と試薬層２１０のある位置まで導かれる。２０９は空気逃げ孔である。

この時、キャビティ２１２の容積で試料の定量採取を行っている。そして作用極２０１、対極２０２での試料液と試薬との反応により生じる電流値は、リード２０３，２０４を通じて図示しない外部の測定装置に接続して読み取られる（例えば特許文献１参照）。

また、図８に示す遠心移送式バイオセンサーでは、試料液は入り口３１３から毛細管現象により第１の毛細管キャビティ３１２内に定量採取され、次に遠心力を作用させることで、毛細管キャビティ３１２内の試料液は濾過材料３１５と第１の流路３１４と第２のキャビティ３１６および芯３１８を介して受入キャビティ３１７に移送され、受入キャビティ３１７で試薬と反応したものを遠心分離させ、第２のキャビティ３１６に溶液成分のみを毛細管力によって採取し、反応状態が光学的に読み取られる（例えば特許文献２参照）。

また、図９に示す遠心移送式バイオセンサー４００では、試料を入口ポート４０９から蛇行した連続微小導管４０１の中を出口ポート４１０まで毛細管力で移送し、各毛細管キャビティ４０４ａ〜４０４ｆを試料液で満たした後、バイオセンサーの回転によって発生する遠心力によって、それぞれの毛細管キャビティ内の試料液を各通気孔４０６ａ〜４０６ｇの位置で分配し、各連結微小導管４０７ａ〜４０７ｆを通って、次の処理室（図示省略）へ移送される（例えば特許文献３参照）。４０８ａ〜４０８ｆはバルブ機能部である。
特開２００１−１５９６１８号公報 特表平４−５０４７５８号公報 特表２００４−５２９３３３号公報

しかしながら、このような従来の構成では、点着部の先端が矩形状であるため、点着した際に試料液が点着部以外のマイクロデバイスの外壁面に付着してしまうという課題を有している。

本発明は前記従来の課題を解決するもので、試料液を点着部のみに付着させることができるマイクロデバイスを提供することを目的とする。

本発明の請求項１記載のマイクロデバイスは、流路となる溝が掘られたベースプレートにカバープレートを重ね合わせて内部に毛細管キャビティを形成するとともに、基端が前記毛細管キャビティに接続され先端がカバープレートから突出した点着部を設け、前記点着部の先端が、前記ベースプレートの流路形成面から離れる方向に突出した半球状に形成されていることを特徴とする。

本発明の請求項２記載のマイクロデバイスは、請求項１において、前記毛細管キャビティの壁面は親水処理が施されていることを特徴とする。
本発明の請求項３記載のマイクロデバイスは、請求項１において、前記点着部より低く、隙間を空けて前記点着部を囲むリブを設けたことを特徴とする。

本発明の請求項４記載のマイクロデバイスは、前記点着部の直径が、測定対象の試料液の液滴と同じかそれよりも僅かに大きいことを特徴とする。

この構成によれば、点着部の先端を半球状に構成することで、試料液を点着部のみに付着させることができる。

以下、本発明の実施の形態のマイクロデバイスを図１〜図６に基づいて説明する。
図１はマイクロデバイス１００の構成について示す。図２はマイクロデバイス１００の分解図を示す。

マイクロデバイス１００は、図１と図２に示すように、カバープレート１１とベースプレート１２との貼り合わせで構成されており、ベースプレート１２のカバープレート１１と対向する面には、微細な凹凸形状をもつマイクロチャネル構造が形成されており、試料液の移送や、所定量の液量を保持するなど、それぞれの機能が働くようになっている。

カバープレート１１は、注入口１、リブ３、大気開放孔１０で構成される。ベースプレート１２は、点着部２、毛細管キャビティ５、保持チャンバー６、流路８、測定チャンバー７、流路９、出口４で構成される。

マイクロデバイス１００は、注入口１に注入された血液などの試料液が毛細管キャビティ５を介して所定量だけ保持チャンバー６に一時的に保持する。保持チャンバー６には、分析試薬(図示せず)が担持されている。そして、試料液と分析試薬とが混合され、この混合液が測定チャンバー７に毛細管キャビティ８を介して移送される。測定チャンバー７は、大気開放孔１０を有する毛細管キャビティ９と連通している。測定チャンバー７に移送された試料液と分析試薬とが混合物は、光学的手法により所定の項目が測定され分析される。

この実施の形態における点着部２の形状は、基端が毛細管キャビティ５に接続され先端がカバープレート１１から突出しており、点着部２の先端形状は、ベースプレート１２の流路形成面から離れる方向に突出した半球状に形成されている。具体的には、図２と図４に示すように、ベースプレート１２の流路形成面に対して垂直に設けられた円柱形状であって、その先端は半球形状である。点着部２はリブ３との間に隙間が形成されており、この点着部２はリブ３との間に隙間が注入口１となっている。

ここでカバープレート１１をベースプレート１２に重ねることで点着部２の先端がカバープレート１１の注入口１より突出し試料液を点着しやすい形状を成す。
また、注入口１および点着部２の直径Ｄは、測定対象の試料液の液滴と同じかそれよりも僅かに大きく設定されており、試料液を点着した際に注入口１のどの部分からでも流入させることができる。このように設定することにより、点着した試料液をすべて毛細管キャビティ内に流入させることが出来る構造となっている。

なお、ここで試料液の液滴径とは、試料液が血液の場合、指先を穿刺器具で刺して指先に現れる血液の量は約１０μリットルであって、この分量の血液の滴の直径は４ｍｍ程度であって、注入口１および点着部２の直径Ｄは、血液の滴の直径の４ｍｍ程度と同じか僅かに大きな５ｍｍ程度に構成することが好ましい。

また、カバープレート１１には点着部２を囲むようにリブ３を設けることで、点着時に点着部２以外の位置に指などが接触して血液が付着するのを防ぐという効果がある。リブ３の高さは点着部２よりも低く設定する。リブ３の高さが点着部２より高いと指先を注入口１に押し当て注入口１を完全に塞いでしまうと試料液が吸い上がらなくなるためである。リブ３はカバープレート１１と一体に樹脂成形されており、合成樹脂材料で成形されたリブ３の表面は、合成樹脂材料自身の撥水性で血液を弾く特性を有している。

試薬と試料液との混合が所定のレベルに到達すると、保持チャンバー６内の試料液は、毛細管力により流路８内を通じて、測定チャンバー７の入口まで運ばれ、マイクロデバイス１００を所定の回転数で回転して発生する遠心力を利用して測定チャンバー７へ移送される。そして移送された試料液は測定チャンバー７にて光学的に所定の項目が測定される。

試料液の測定は、測定チャンバー７に光を照射して、検査すべき液体試料と分析試薬の反応状態を光学的に分析する。試料液と分析試薬との反応の割合で吸光度が変化するため照射する光の吸光度を測定することにより所定の項目が測定され、反応状態を分析することができる。本実施の形態では、試料液が毛細管力を利用して注入口１に通じる毛細管キャビティ５を介して保持チャンバー６に試料液を保持する。

流路８，９の壁面に親水処理を行っており、親水処理方法としては、プラズマ、コロナ、オゾン、フッ素等の活性ガスを用いた表面処理方法や、界面活性剤や親水性ポリマーによる表面処理が挙げられる。ここで親水性とは水との接触角が９０°未満のことをいう。

本実施の形態における効果について説明する。
図４にマイクロデバイス１００の具体的な寸法例について示す。
ここでは、注入口１及び点着部２の直径：Ｄ＝４ｍｍ、点着部２の先端形状は半球形状で、リブ３からの点着部２の突出高さ：Ｗ３＝１ｍｍに形成した。カバープレート１１のリブ３以外の部分の厚みは２ｍｍ、カバープレート１１のリブ３の部分の厚み：Ｗ１＝３ｍｍとしている。マイクロデバイス１００が一体構造となるベースプレート１２の厚み：Ｗ２＝１２ｍｍ、マイクロデバイス１００は略６５ｍｍ角で構成する。

このマイクロデバイス１００の大きさは、試料液採取部として適当な大きさとするため、適宜変更することができる。また試料液の流路を形成する毛細管キャビティ５の厚さ、即ち、流路の深さは０．１ｍｍである。一方、毛細菅キャビティ５と連結されマイクロデバイス１００のベースプレート１２に形成される保持チャンバー６の深さは、０．３ｍｍ〜０．５ｍｍと毛細菅キャビティ５の厚み（即ち、流路となる深さ）より深く形成する。このように設定することにより、毛細管キャビティ５内に注入された試料液は、毛細管力だけでは、保持チャンバー６に進まず、マイクロデバイス１００を回転して得られる遠心力を利用して、試料液を移送するためである。もちろん、毛細管キャビティ５の断面形状が矩形状以外でも毛細管力が作用する形状であれば、円形、楕円形状などいかなる形状でも同様の効果が得られることは当然である。

ここで、本発明では、毛細管キャビティ５、流路８，９の深さは０．０２ｍｍから０．３ｍｍ未満で形成されているが、毛細管力で試料液が流れるのであれば、この寸法に限定されるものではない。一般的には、血液などの液体を測定し分析するので、０．０２ｍｍから０．３ｍｍ未満が望ましい。また、保持チャンバー６、測定チャンバー７の深さは、０.３ｍｍ〜０．５ｍｍで形成しているが、これは、サンプル溶液の量や、吸光度を測定するための条件（光路長、測定波長、サンプル溶液の反応濃度、試薬の種類等）によって調整可能である。そして測定チャンバー７に移送された試料液を光学的に測定する。

図５に点着時の様子について示す。
図５（ａ−１）（ａ−２）は本実施の形態、図５（ｂ−１）（ｂ−２）は従来例について示す。

図５（ａ−１）（ｂ−１）は点着前の図、図５（ａ−２）（ｂ−２）は点着中の図を示す。また斜線は試料液であり、試料液を点着部２に近づけているのは指先を示している。
図５（ａ−１）では指先を点着部２に点着した場合、点着部２の先端を半球状に構成しているため、試料液が半球状の点着部２を伝い流れ、マイクロデバイス１００の外壁に試料液が付着することなく点着することが出来る。しかし図５（ｂ−１）では点着部２に指先をつけた場合、試料液が毛細管キャビティ５に導入される以外にマイクロデバイス１００の外壁に試料液が付着してしまう様子が確認できる。よって本実施の形態の形状にすることでその効果を確認することができた。

図６に点着部２の類似形状について示す。
図６（ａ）〜（ｄ）に示すように、点着部２の先端の形状は何れも滑らかな曲線で構成していることがわかる。これは試料液がなじみやすくするためである。これらの形状であれば図１〜図４で示したような点着部２と同様の効果として、点着の際、試料液を点着部のみに付着させることが出来る。

これらのことから点着部の先端を半球状に構成することで、試料液を点着部のみに付着させることが出来ることを確認した。

本発明のマイクロデバイスは、電気化学式センサーや光学式センサーで生物学的流体の成分測定に使用する分析デバイス等として有用である。

本発明の実施の形態におけるマイクロデバイスの斜視図 同実施の形態のマイクロデバイスの分解斜視図 同実施の形態のマイクロデバイスの正面図 図３のＡ−ＡＡ断面図 同実施の形態における点着時の様子と従来例の点着時の様子の説明図 本発明の実施の形態１における点着部の類似形状を示す図 従来例の電気化学式バイオセンサーの分解斜視図 従来例の遠心移送式バイオセンサーの構成を説明するための図 従来例の遠心移送式バイオセンサーの試料液分配構成を説明するための図

符号の説明

１ 注入口
２ 点着部
３ リブ
４ 出口
５ 毛細管キャビティ
６ 保持チャンバー
７ 測定チャンバー
８，９ 流路
１０ 大気開放孔
１１ カバープレート
１２ ベースプレート
１００ マイクロデバイス

Claims (4)

1. 流路となる溝が掘られたベースプレートにカバープレートを重ね合わせて内部に毛細管キャビティを形成するとともに、基端が前記毛細管キャビティに接続され先端がカバープレートから突出した点着部を設け、
   前記点着部の先端が、前記ベースプレートの流路形成面から離れる方向に突出した半球状に形成されている
   マイクロデバイス。
2. 前記毛細管キャビティの壁面は親水処理が施されていることを特徴とする
   請求項１に記載のマイクロデバイス。
3. 前記点着部より低く、隙間を空けて前記点着部を囲むリブを設けたことを特徴とする
   請求項１に記載のマイクロデバイス。
4. 前記点着部の直径が、測定対象の試料液の液滴と同じかそれよりも僅かに大きいことを特徴とする
   請求項１に記載のマイクロデバイス。

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