JP4987592B2 - マイクロ流体チップ - Google Patents

Description

本発明は、ＤＮＡ、タンパク質、細胞または血液等の生化学検査に使用するバイオチップや化学合成または環境分析などに使用するμ−ＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）等に適用されるチップなどのマイクロ流体チップに関し、より詳しくは、液体試料導入手段を埋め込むための部位を有するマイクロ流体回路に関する。

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などのマイクロ流体チップが提案されている。

マイクロ流体チップは、その内部に流体回路を有しており、該流体回路は、たとえば検査・分析の対象となる液体試料（たとえば、血液等）を処理する、あるいは該液体試料と反応させるための液体試薬を保持する液体試薬保持室、該液体試料と液体試薬とを混合する混合室、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とから主に構成される。このような流体回路を有するマイクロ流体チップは、実験室で行なっている一連の実験・分析操作を、数ｃｍ角で厚さ数ｍｍ程度のチップ内で行なえることから、液体試料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、液体試料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、たとえば血液検査等の生化学検査用として好適に用いられている。

ここで、従来のマイクロ流体チップの一例を示す。図６は、特許文献１に開示されている試料プロセッサ・カードの上面図である。図６において、血液試料を含むキャピラリーが挿入口５３から挿入され、点Ａを回転中心とする遠心力を印加することにより、キャピラリーから排出された血液試料は、試料保持室３６に保持された後、試料分離室５０に運ばれる。次に、固体粒状物質が分離された血液試料は、点Ｂを回転中心とする遠心力を印加することにより、試料保持室６１に保持された後、試料計量室６３にて計量される。ついで、計量された血液試料は、反応試剤計量室５４で計量された反応試剤と混合室６０にて混合され、該反応液はキュベット室６２に移送されて光源および検出器を用いて分析、検査される。このように、適切な方向の遠心力を印加することにより、液体試料の導入、計量、混合等が流体回路内で行なわれる。

しかしながら、上記特許文献１に開示されるチップは、２中心遠心操作、すなわち、上記点Ａおよび点Ｂのみを回転中心とする操作を前提とするものであり、たとえば図６中の点Ｃを回転中心とする遠心力をチップに印加することはできない。かかる方向の遠心力を印加すると、挿入したキャピラリーが飛び出したり、あるいは導入した液体試料が挿入口から漏出する不具合が生じるからである。一方、マイクロ流体チップには、その内部においてより複雑な工程を行なえることが求められており、そのためには様々な方向の遠心力（たとえば、図６に示されるような点Ａ〜Ｄを回転中心とする遠心力）にも適用可能な構造を有している必要がある。
米国特許第４，８８３，７６３号明細書

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、２中心遠心操作だけでなく、当該２中心と同一平面上の第３、第４またはそれ以上を回転中心とする遠心力にも対応可能なマイクロ流体チップを提供することである。

本発明は、液体試料導入手段を収容するための導入手段収容部を有するマイクロ流体チップであって、該導入手段収容部は、該液体試料導入手段を挿入するための開口部を備えており、該開口部は、マイクロ流体チップの上面または下面に設けられているマイクロ流体チップを提供する。ここで、該開口部は、略長方形の形状を有していることが好ましい。

また、上記開口部の長手方向の長さは、上記液体試料導入手段の長手方向の長さより短いことが好ましい。さらに、上記開口部の長手方向の長さは、液体試料導入手段に対して、下記式（１）を満たすことが好ましい。

開口部の長手方向の長さ＞Ｌ_min （１）
ここで、Ｌ_min＝｛（ｄ／ｃｏｓθ）＋ｔ｝×（１／ｔａｎθ）であり、θは、導入手段収容部下面と液体試料導入手段とがなす角度であって、ｓｉｎθ＝（ｔ＋Ｄ）／ｌを満たす。Ｄは導入手段収容部の深さ、ｔは導入手段収容部の天井面の厚さ、ｌは液体試料導入手段の長手方向の長さ、ｄは液体試料導入手段の短手方向の長さである。

上記開口部の短手方向の長さは、長手方向の全領域にわたって、または長手方向の一部の領域において、上記液体試料導入手段の短手方向の長さ以下であることが好ましい。

本発明によれば、キャピラリー等の液体試料導入手段の挿入口を、遠心力がかからないチップの上面または下面に設けているため、マイクロ流体チップが載置される面上のいずれの場所にも遠心中心を設定できる。これにより、マイクロ流体チップ内で液体試料等をより複雑に操作することができる。

図１は、本発明のマイクロ流体チップの好ましい一例を示す概略図であり、図１（ａ）は、その上面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＩ−Ｉにおける断面図である。図１に示されるマイクロ流体チップ１００は、特に限定されるものではないが、たとえば数ｃｍ角、厚さ数ｍｍ程度の板状である。マイクロ流体チップ１００は、通常、第１の基板１０１と、第２の基板１０２とを貼り合わせてなり、その内部に流体回路を有している（図１において図示せず）。第１の基板１０１および第２の基板１０２はそれぞれ、たとえばポリエチレンテレフタレート等のプラスチック基板とすることができる。

流体回路は、特に限定されないが、たとえば、液体試料（検体）との反応等に供される液体試薬を貯留する液体試薬保持部、液体試料や液体試薬を計量するための計量部、液体試料と液体試薬との混合および／または反応を行なう混合部、混合液中の対象成分の検出等が行なわれる検出部などの、適切な位置に配置された各部と、これらを連結する流路とから主に構成される。これら各部の位置や数および各部位の必要性は、チップ内で行なわれる所望される操作に応じて決められる。

本発明のマイクロ流体チップにおいては、チップ内処理に供される液体試料（たとえば、血液）の流体回路への導入は、該液体試料を含む液体試料導入手段を、チップ内部にある導入手段収容部１０３内に設置することにより行なわれる。図示されていないが、導入手段収容部１０３は、流体回路と接続されており、適切な方向の遠心力により、液体試料導入手段内の液体試料は、流体回路内へと導入される。液体試料導入手段は、導入手段収容部１０３に設けられた開口部１０４から挿入されて、導入手段収容部１０３内に収容される。導入手段収容部１０３は、第１の基板１０１の貼り合わせ面に設けられた凹部と第２の基板１０２の貼り合わせ面とから形成されている。該凹部は、第２の基板１０２の貼り合わせ面に形成するようにしてもよい。導入手段収容部１０３に設けられた開口部１０４は、導入手段収容部１０３の天井面を構成する第１の基板１０１の一部を除去して形成され、これにより、導入手段収容部１０３は、開口部１０４を介してチップ外部と接続されている。

ここで、開口部１０４は、マイクロ流体チップ１００の上面に設けられている。これにより、マイクロ流体チップ１００が載置される面上である限り、いずれの場所に遠心中心を設定しても、導入手段収容部１０３に置かれた液体試料導入手段が飛び出したり、液体試料が漏れるという問題は生じない。したがって、より複雑な操作をマイクロ流体チップに行なわせることができる。勿論、開口部１０４の位置は、マイクロ流体チップ１００の下面であってもよい。

液体試料導入手段としては、内部に液体試料を取り込むことができ、遠心力の印加により、該液体試料を放出可能なものである限り、特に制限されないが、通常、キャピラリー等を採用することができる。キャピラリーとは、たとえばガラス製の中空管であって、通常、数ｍｍから数ｃｍの長さを有し、その外径は、数百μｍ〜数ｍｍ程度である。

導入手段収容部についてより詳細に説明する。導入手段収容部１０３の形状は、特に制限されるものではなく、液体試料導入手段を収容可能な形状および大きさに設定される。上記のように、液体試料導入手段は、典型的には数ｍｍから数ｃｍ程度の長さを有し、外径数百μｍ〜数ｍｍ程度の円柱状のキャピラリーであるから、導入手段収容部１０３の形状および大きさは、該キャピラリーが収容可能に設定される。具体的には、導入手段収容部１０３の長手方向の長さ、短手方向の長さおよび導入手段収容部１０３の深さ（高さ）は、それぞれ、該キャピラリーの長手方向の長さ、キャピラリーの外径、およびキャピラリーの外径と同じか、またはそれ以上とすることができる。

導入手段収容部１０３に設けられた開口部１０４の形状および大きさは、液体試料導入手段（典型的にはキャピラリー）を、該開口部から挿入して、導入手段収容部１０３内に収容可能である限り特に限定されないが、その形状は、たとえば、上記キャピラリーの縦断面形状と同様の形状である、略長方形状とすることができる。また、開口部１０４の長手方向の長さＬは、液体試料導入手段の長手方向の長さｌより短くすることが好ましい。これにより、たとえばチップを落下したとき等の衝撃で、導入手段収容部１０３内の液体試料導入手段がチップから飛び出すことを防止することができる。

開口部１０４の長手方向の長さを液体試料導入手段の長手方向の長さより短くする場合、液体試料導入手段を該開口部から挿入して、導入手段収容部１０３内に完全に収容できるようにするためには、開口部１０４の長手方向の長さは、該液体試料導入手段に対して、下記式（１）を満たすことが好ましい。

開口部の長手方向の長さ＞Ｌ_min （１）
ここで、Ｌ_min＝｛（ｄ／ｃｏｓθ）＋ｔ｝×（１／ｔａｎθ）である。

図２は、開口部の長手方向の長さＬの好ましい値を説明するための概略断面図である。図２に示されるように、マイクロ流体チップ２００の導入手段収容部２０３内に、その開口部から液体試料導入手段２０５を、ｓｉｎθ＝（ｔ＋Ｄ）／ｌを満たす角度で挿入したとき、上記式（１）を満たすと、液体試料導入手段２０５全体が開口部を通り抜けることができる。θは、導入手段収容部２０３の下面と液体試料導入手段２０５とがなす角度である。Ｄは導入手段収容部２０３の深さ（高さ）、ｔは導入手段収容部２０３の天井面の厚さ、ｌは液体試料導入手段２０５の長手方向の長さ、ｄは液体試料導入手段２０５の短手方向の長さ（キャピラリーの外径）である。

たとえば、外径ｄ１．５ｍｍ、長手方向の長さ３５．０ｍｍのキャピラリーを、深さＤが２．０ｍｍであり、天井面の厚さｔが０．５ｍｍの導入手段収容部に収容しようとする場合、開口部の長手方向の長さＬは２８．０ｍｍより長くすることが好ましい。

開口部１０４の短手方向の長さ（幅）Ｗは、特に制限されず、液体試料導入手段の幅（キャピラリーの外径）以上とすることができる。また、開口部１０４の短手方向の長さ（幅）Ｗの上限に特に限定はないが、液体試料導入手段の長手方向の長さｌ未満とすることが好ましく、下記式（２）を満たすことがより好ましい。

Ｗ＜（ｌ²−Ｌ_min ²）^1/2 （２）
より具体的には、長手方向の長さ３５．０ｍｍのキャピラリーを用い、開口部の長手方向の長さを２８ｍｍ程度とした場合、開口部１０４の短手方向の長さ（幅）は、２１ｍｍ未満とすることが好ましい。

また、開口部の短手方向の長さ（幅）は、図１（ａ）に示されるように、長手方向の全領域にわたって、同じであってもよいし、長手方向の全領域にわたって、あるいは長手方向の一部の領域において、液体試料導入手段の長手方向の長さｌより短い幅狭部を有していてもよい。図３は、開口部に幅狭部３０１を有するマイクロ流体チップの一例を示す概略図である。このような幅狭部３０１は、ストッパーとしての役割を果たし、液体試料導入手段を導入手段収容部に収容した後にチップを落下した場合であっても、液体試料導入手段がチップから飛び出すことを防止することができる。

また本発明のマイクロ流体チップは、液体試料導入手段を導入手段収容部に収容する際に、該液体試料導入手段の先端がチップ表面に接触しにくいように、好ましくは開口部の端部に、幅広部を有していることが好ましい。液体試料導入手段の先端には、検体である液体試料が付着している場合が多いからである。幅広部４０１の形状は、特に制限されるものではなく、たとえば図４に示されるように、円形状（もしくは略円形状）、長方形状などとすることができる。

開口部の位置は、チップ表面上（上面または下面）のいずれの位置であってもよく、流体回路の構成等に応じて適宜選択される。図５（ａ）および（ｂ）に示されるように、開口部の位置は、中央部付近とすることも可能である。また、開口部の向きもマイクロ流体チップの辺と平行である必要はなく、たとえば図５（ｃ）のような向きとすることも可能である。

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。

本発明のマイクロ流体チップの好ましい一例を示す概略図である。 開口部の長手方向の長さＬの好ましい値を説明するための概略断面図である。 本発明のマイクロ流体チップの好ましい一例を示す概略図である。 本発明のマイクロ流体チップにおける開口部形状の別の例を示す概略図である。 本発明のマイクロ流体チップの好ましい別の例を示す概略図である。 従来のマイクロ流体チップの一例を示す上面図である。

符号の説明

１００，２００ マイクロ流体チップ、１０１ 第１の基板、１０２ 第２の基板、１０３，２０３ 導入手段収容部、１０４ 開口部、２０５ 液体試料導入手段。

Claims (3)

1. 液体試料導入手段を収容するための導入手段収容部を有するマイクロ流体チップであって、
   前記導入手段収容部は、前記液体試料導入手段を挿入するための開口部を備えており、
   前記開口部は、マイクロ流体チップの上面または下面に設けられており、
   前記開口部は、略長方形の形状を有し、
   前記開口部の長手方向の長さは、前記液体試料導入手段の長手方向の長さより短いマイクロ流体チップ。
2. 前記開口部の長手方向の長さは、液体試料導入手段に対して、下記式（１）を満たす請求項１に記載のマイクロ流体チップ。
   開口部の長手方向の長さ＞Ｌ_min （１）
   ここで、Ｌ_min＝｛（ｄ／ｃｏｓθ）＋ｔ｝×（１／ｔａｎθ）であり、θは、導入手段収容部下面と液体試料導入手段とがなす角度であって、ｓｉｎθ＝（ｔ＋Ｄ）／ｌを満たす。Ｄは導入手段収容部の深さ、ｔは導入手段収容部の天井面の厚さ、ｌは液体試料導入手段の長手方向の長さ、ｄは液体試料導入手段の短手方向の長さである。
3. 前記開口部の短手方向の長さは、長手方向の全領域にわたって、または長手方向の一部の領域において、前記液体試料導入手段の短手方向の長さ未満である請求項１または２に記載のマイクロ流体チップ。

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