JP5215712B2 - マイクロチップ - Google Patents

Description

本発明は、マイクロチップに関するものである。

マイクロマニシング技術等を用いて、ガラス、シリコン、樹脂等で構成された基板に、試料溶液が流れる流路等を形成してなるマイクロチップ（マイクロチャンネルチップ）が知られている（例えば、特許文献１参照）。

従来のマイクロチップでは、マイクロチップに送液口および排出口を設け、送液口側からポンプ等の駆動源によって試料溶液を送液する。または、マイクロチップに形成されている流路の毛細管力を利用して試料溶液を送液する。

（１）ポンプ等の駆動源によって試料溶液を送液する場合の欠点
使用する際、ポンプ等の駆動源を必要とするので、マイクロチップ毎に、ポンプの接続、ポンプの取り外しや、ポンプの出力の調節等の操作を行なわなければならず、操作に手間がかかる。

（２）流路の毛細管力を利用して試料溶液を送液する場合の欠点
流路の設計が難しく、特に、複雑な流路パターンを有するマイクロチップの製造は、困難である。

特開２００４−７４３３９号公報

本発明の目的は、容易に使用することができ、また、種々のパターンのものを容易に設計（製造）することができるマイクロチップを提供することにある。

このような目的は、下記（１）〜（７）の本発明により達成される。
（１） １以上の試料供給口と、
試薬が塗布された１以上の反応槽と、
前記試料供給口と前記反応槽又は前記反応槽同士を連結する１以上の送液路と、
前記送液路に充填される１以上の閉鎖部と、を有し、
前記閉鎖部によって形成される、前記反応槽を含む空間は閉じられて減圧されており、
前記閉鎖部に光が照射されることで前記閉鎖部が損壊し前記送液路の少なくとも一部が貫通すると、前記空間内外の圧力差に伴い試料が前記反応槽に導入されることを特徴とするマイクロチップ。

（２） １以上の試料供給口と、
試薬が塗布された１以上の反応槽と、
前記反応槽に対応して当該反応槽の下流に設けられた１以上の吸引槽と、
前記試料供給口と前記反応槽、前記反応槽と前記吸引槽を連結する２以上の送液路と、
前記送液路のうち、前記反応槽と対応する前記吸引槽とを連結する送液路に充填される１以上の閉鎖部と、を有し、
前記閉鎖部によって形成される、前記吸引槽を含む空間は閉じられて減圧されており、
前記閉鎖部に光が照射されることで前記閉鎖部が損壊し前記送液路の少なくとも一部が貫通すると、前記空間内外の圧力差に伴い前記閉鎖部の上流に位置する前記反応槽に試料が導入されることを特徴とするマイクロチップ。

（３） 前記閉鎖部は光吸収性のある物質を含むことを特徴とする上記（１）又は（２）に記載のマイクロチップ。

（４） １つの前記閉鎖部が複数の前記空間の形成に与することを特徴とする上記（１）乃至（３）のいずれかに記載のマイクロチップ。

（５） 前記送液路は分岐して複数の前記試料供給口又は複数の前記反応槽と連結することを特徴とする上記（１）乃至（４）のいずれかに記載のマイクロチップ。

（６） 前記試料中の特定成分を捕捉する捕捉手段を前記送液路に設けたことを特徴とする上記（１）乃至（５）のいずれかに記載のマイクロチップ。

（７） 前記試料供給口は、前記反応槽よりも上方に位置することを特徴とする上記（１）乃至（６）のいずれかに記載のマイクロチップ。

本発明によれば、圧力差により試料が移送されるので、ポンプ等の駆動源が不要である。このため、使用する際、操作が容易である。特に、多数（大量）のマイクロチップを、容易かつ迅速に処理（使用）することができる。

また、流路の毛細管力を利用して試料を移送する場合に比べて、流路の設計が容易である。このため、例えば、複雑な流路パターンを有するマイクロチップ等、種々のパターンのマイクロチップを容易に製造することができる。

また、閉鎖部によって形成される反応槽を含む空間や、閉鎖部によって形成される吸引槽を含む空間は、閉じられて減圧されているので、経時変化が生じ難い。

本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。
まず、本発明の実施の形態に係るマイクロチップの構造について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るマイクロチップの構造図であり、図１（ａ）は当該マイクロチップを上方から見た図（上面図）であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示された矢示線ＡＡ’に沿った横断面図である。また、図２は、図１のマイクロチップにおける試料の吸入方法の説明図である。

マイクロチップ１は、主として、基板２と蓋板３とから構成される。第１のマイクロチップ１において、基板２上には、溝状に送液路６が形成され、送液路６に連結して窪み状の反応槽５が形成される。反応槽５には、試料との反応を検出するための目的に応じた試薬が塗布される。反応槽５には、試薬の他、例えば核酸、抗原、抗体や、試料中の特定の成分を捕捉する物質（例えばビーズ）を塗布することができる。

また、送液路６には、試料の流入を遮るよう送液路６の一部区間を占める形で閉鎖部７が充填して設けられる。蓋板３には試料を注入するための注入口（試料供給口）４が厚さ方向に貫通して形成される。

マイクロチップ１は、蓋板３の注入口４が基板２の送液路６と連結するよう基板２と蓋板３とが密着して貼り合わされた構造となっている。これにより、閉鎖部７は基板２と密着し、注入口４から注入された試料が反応槽５へ流入することを妨げる。

また、閉鎖部７によって閉じられた空間、つまり送液路６の一部及び反応槽５は減圧され、大気よりも低い気圧状態に保たれる。特に当該空間は真空又はそれに近い圧力状態であることが好適である。閉鎖部７は、光吸収性のある物質を含んでおり、外部から照射されるレーザビームを吸収すると、閉鎖部７は融解して損壊する。

次に、マイクロチップ１の製造工程について説明する。まず基板２上に反応槽５と送液路６を形成し、送液路６内の一部区間に閉鎖部７を充填して設ける。反応槽５と送液路６は、例えばエッチングによって形成してもよい。また、反応槽５には前もって試薬を塗布する。

次に注入口４が形成された蓋板３を、注入口４と送液路６とが連結するような位置で基板２に密着して貼り合わせる。閉鎖部７で閉じられた送液路６から反応槽５に至る空間を真空とするため、基板２と蓋板３との貼り合わせの工程は、真空状態又はそれに近い環境に保たれた作業空間、例えば真空チャンバ内において行うことが望ましい。また、貼り合わせの工程には、紫外線硬化型の接着剤等による接着や、熱圧着又は静電接合等の各種の手法を用いることができる。

マイクロチップ１の吸入方法であるが、注入口４から注入した試料を反応槽５へ導入するため、図２に示すように、レーザ照射装置（図示せず）から発せられるレーザビームをレンズ１０で集光し、蓋板３を通して閉鎖部７に向けて照射する。閉鎖部７がレーザビームを吸収して融解し、閉鎖部７によって分断されていた送液路６が一部貫通すると、大気圧との圧力差によって大気が反応槽５に引き込まれ、これに伴い試料も送液路６を通って反応槽５に吸引される。大気と共に吸引された試料は、反応槽５内に塗布された試薬と化学反応を起こし、その結果が試料の成分分析に供される。

本発明のマイクロチップは、反応後の試料の排出口を設けておらず、試料分析を１回行った後に使い捨てることを想定している。本発明のマイクロチップの用途としては、分析対象の物質に応じて、当該物質に反応する試薬があらかじめ反応槽５に塗布されたものを選択して用いる方法が考えられる。

図１のマイクロチップ１によれば、減圧されたチップ内の閉空間と大気との圧力差を利用して試料を吸引する構成としているため、ポンプ等の試料吸引のための駆動源が不要となり、簡易な構成及び操作によって試料分析を行うことができる。

マイクロチップ１において、閉鎖部７に用いられる材料としては、光吸収性があり発熱する物質、例えば顔料性吸収色素（カーボンブラック等）又は顔料性吸収色素と染料系吸収色素とを含ませた樹脂が挙げられる。一方、蓋板３は光透過性のある物質（各種ガラス、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリアミド等）が用いられる。これに対し基板２は、必ずしも光透過性のある物質を用いる必要は無く、従来通りポリイミド等の各種樹脂やシリコン等、幅広い材質を用いることができる。また、蓋板３は、レーザビームを照射する部分のみ光透過性のある物質で構成し、それ以外の部分は従来通りの物質を用いてもよい。

また、レーザビームには、例えばＹＡＧ（Yttrium Aluminium Garnet）レーザやレーザダイオードを用いることができる。

また、図２では蓋板３側から閉鎖部７に向けてレーザビームを照射しているが、レーザビームの照射方向は他の方向、例えば基板２側から照射してもよく、側面方向（紙面に垂直な方向）から照射してもよい。この場合、少なくともレーザビームが通過する部分の材質は、光透過性のある物質で構成されることが望ましい。

さらに、試料の注入を円滑に行うため、基板２における注入口４と連結する位置では送液路６を注入口４の形状に合わせるように形成してもよい。

また、本発明の実施の形態に係るマイクロチップ１において、試薬の代わりに試料中の特定物質を捕捉できる手段（捕捉手段）、例えばビーズを送液路６に充填するようにしてもよい。ビーズは試料中における特定成分の検出に用いられる粒子であり、周囲に当該特定成分と結合する物質を塗布できる構造となっている。試料が注入された後に閉鎖部７が融解すると、ビーズは流れ込んだ試料中の特定成分と結合して送液路６内を通過する。ビーズを堰き止める部材を送液路６内に設けておけば、特定成分と結合したビーズが上記部材によって溜まるので、着色物質を用いた反応処理等によって試料に特定物質が含まれているか否かを判定することができる。

次に、本発明の実施の形態に係るマイクロチップの変形例について説明する。図３は、本発明の実施の形態に係るマイクロチップの第１の変形例の上面図である。以下、後述する複数種の変形例のマイクロチップについては、図１のマイクロチップと異なる点を主に説明し、図１のマイクロチップ１と同一又は対応する部分については同一の符号を付して説明を省略する。

図３のマイクロチップ１は、試料の反応検出を２段階で行えるものであり、１つの試料に対し連続して物質反応処理を行える構成となっている。

図３のマイクロチップ１は、反応槽が２つ設けられており、第１の反応槽５１は第１の送液路６１によって注入口４と連結し、第２の反応槽５２は第２の送液路６２によって第１の反応槽５１と連結する。第１の反応槽５１と第２の反応槽５２にはそれぞれ、試料との反応検出のための試薬が塗布される。

また、第１の送液路６１には第１の閉鎖部７１が、第２の送液路６２には第２の閉鎖部７２が、それぞれの送液路の一部区間に充填される形で設けられている。そして、閉鎖部７１と閉鎖部７２によって閉じられた空間（第１の送液路６１の一部、第１の反応槽５１、第２の送液路６２の一部）と、第２の閉鎖部７２によって閉じられた空間（第２の送液路６２の一部、第２の反応槽５２）は、それぞれ大気よりも低い圧力に減圧されている。

図３のマイクロチップ１の吸入方法であるが、まず注入口４から注入した試料を反応槽５へ導入するため、レーザビームを集光して蓋板を通して第１の閉鎖部７１に向けて照射する。第１の閉鎖部７１がレーザビームを吸収して融解し、第１の送液路６１が一部貫通すると、第１の閉鎖部７１から第１の反応槽５１に至る空間に大気が引き込まれ、これに伴い試料も第１の送液路６１を通って第１の反応槽５１に吸引される。第１の反応槽５１に導入された試料は、第１の反応槽５１内に塗布された試薬と化学反応を起こす。

第１の反応槽５１での反応検出後、試料を第２の反応槽５２に導入するため、レーザビームを集光して蓋板を通して第２の閉鎖部７２に向けて照射する。第２の閉鎖部７２が融解して第２の送液路６２が一部貫通すると、第１の反応槽５１に導入された試料は、大気と共に第２の送液路６２を通って第２の反応槽５２に吸引され、第２の反応槽５２内に塗布された試薬と化学反応を起こす。

図３のマイクロチップ１は、当然のことながら、３つ以上の反応槽を送液路で直列に連結した構成とすることができる。この場合にも、各反応槽には分析目的に応じた試薬が塗布され、各反応槽に至る送液路には閉鎖部が充填され、各閉鎖部によって閉じられた空間は大気よりも低い圧力に減圧される。試料分析の際には、注入口４に近い順に各閉鎖部にレーザを照射して融解させ、試料を各反応槽に導入させて試薬と反応させる操作を繰り返し行う。

図４は、本発明の実施の形態に係るマイクロチップの第２の変形例の上面図である。図４のマイクロチップ１では、送液路が２つの支流に分岐し、各支流が対応する反応槽に連結した構造となっている。具体的には、送液路６は、注入口４とは本流６０で連結し、さらに支流６２ａ、６２ｂに分岐して、反応槽５１、５２にそれぞれ連結する。また、閉鎖部７は送液路６の本流６０の一部区間に充填されるよう設けられており、閉鎖部７によって閉じられた空間（本流６０の一部から反応槽５１、５２に至る空間）は大気よりも低い圧力に減圧されている。

図４のマイクロチップ１は、閉鎖部７にレーザ照射して融解させ、送液路６の本流６０が一部貫通すると、注入口４からの試料が大気と共に本流６０を通って支流６２ａ、６２ｂに分岐して流れ込んで反応槽５１、５２にそれぞれ到達し、それぞれの反応槽５１、５２に塗布された試薬と反応する。

図４のマイクロチップ１は、注入された試料に対し２種の成分分析を同時に行う場合に適しており、例えば反応槽５１、５２に異なる種類の試薬を塗布することが考えられる。また、当然であるが、反応槽を３つ以上設け、反応槽の数に応じて送液路６を分岐させるようにしてもよい。

図４のマイクロチップの送液路６は、１つの注入口から注入された試料を２つの反応槽に分岐して流入させるものであるが、試料分析の現場では、複数の注入口からそれぞれ異なる種類の試料を注入し、１又は複数の反応槽に一度に流入させて反応を見る分析も行われる。この分析の場合にも、複数の注入口と連結できるよう注入口側に向かって分岐した送液路を用い、更に分岐点よりも上流に閉鎖部を設けることで、本発明を適用することができる。

図５は、本発明の実施の形態に係るマイクロチップの第３の変形例の上面図である。図５のマイクロチップ１は、反応槽５の他に、反応槽５に対応して吸引槽８が設けられており、反応槽５は第１の送液路６１によって注入口４と連結し、吸引槽８は第２の送液路６２によって反応槽５と連結する。

図５のマイクロチップ１では、閉鎖部７が第２の送液路６２の一部区間に充填させる形で設けられており、閉鎖部７で閉じられた空間（第２の送液路６２の一部、吸引槽８）が大気よりも低い圧力に減圧される。反応槽５には、試料との反応検出のための試薬が塗布される。

図５のマイクロチップ１は、閉鎖部７にレーザ照射して融解させ、第２の送液路６２が一部貫通すると、注入口４からの試料が大気と共に吸引され、第１の送液路６１を通過して反応槽５に到達し、反応槽５に塗布された試薬と反応する。さらに試薬は第２の送液路６２を通過して最終的には吸引槽８に到達する。

図５のマイクロチップ１は、反応槽５が減圧された空間よりも注入口４側に設けられており、試料が吸引槽８に吸引される過程で反応槽５に流れ込み、反応槽５に塗布された試薬との反応が起きる。閉鎖部７へのレーザ照射を行うと、閉鎖部７の融解に伴い不純物が生成され、試料に混入するおそれがあるが、図５のマイクロチップ１では不純物は送液路６２で生成され吸引槽８に流れ込む。このため、反応槽５において不純物を含まない状態の試料で反応検出を実現でき、精度の高い試料分析を行うことができる。

図６は、本発明の実施の形態に係るマイクロチップの第４の変形例の構造図である。図６のマイクロチップ１は直方体の形状をしており、上面に試料の注入口４が開口し、送液路６を介してマイクロチップ１の内部に形成された反応槽５と連結している。反応槽５は注入口４に対し鉛直下方に位置している。

また、閉鎖部７は送液路６の一部区間に充填される形で設けられており、閉鎖部７で閉じられた空間（送液路６の一部、反応槽５）は大気よりも低い圧力に減圧される。反応槽５には、試料との反応検出のための試薬が塗布される。

図６のマイクロチップ１は、閉鎖部７にレーザ照射して融解させると、注入口４からの試料が、重力及び圧力差に伴う吸引力により送液路６を通過して反応槽５に到達し、反応槽５に塗布された試薬と反応する。

図６のマイクロチップは、注入口４が反応槽５よりも上方に位置する構成となっているため、閉鎖部７が融解して送液路６が一部貫通すると、圧力差による吸引力の他に試料自体にかかる重力が作用して試料が反応槽５に流れ込む。したがって、圧力差による吸引力だけの場合よりも迅速に試料を反応槽５に導入することができ、分析処理の高速化を実現できる。

図６のマイクロチップ１の製造工程は、図１〜図５のマイクロチップの場合と同様、２枚の板状の部材を密閉して貼り合わせるようにしてもよく、又は減圧された空間内で直方形状の単一部材の内部を切削する等して、注入口４、反応槽５及び送液路６を形成するようにしてもよい。後者の製造工程の場合には、注入口４、反応槽５及び送液路６の形成後に、閉鎖部７を注入口４から押し込んで送液路６に密着させて嵌め込むことが好適である。

図６のマイクロチップ１において、レーザはチップの側面から閉鎖部７に照射するため、少なくとも側面におけるレーザビームが通過する部分の材質は、光透過性のある物質であることが望ましい。

また、図６のマイクロチップ１に、図３乃至図５のマイクロチップの構成を適用してもよい。特に図５のマイクロチップの構成を適用すると、反応槽５の下方に吸引槽とこれらに連結する第２の送液路が設けられ、閉鎖部７が第２の送液路の一部空間に充填されるよう設けられた構成となる。この構成によれば、閉鎖部７へのレーザ照射で生成される不純物が反応槽５に混入されることなく、試料との反応が高速且つ高精度で行われる。

以上、本発明の実施の形態に係るマイクロチップについて説明したが、上述した実施形態は単なる例示に過ぎず、本発明の範囲はこれに限定されるものではない。例えば、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができ、また、他の任意の構成物が付加されていてもよい。

また、本発明は、前記実施形態およびその各変形例のうちの、任意の２以上の構成（特徴）を組み合わせたものであってもよい。

本発明の実施の形態に係るマイクロチップの構造図である。 図１のマイクロチップにおける試料の吸入方法の説明図である。 本発明の実施の形態に係るマイクロチップの第１の変形例の上面図である。 本発明の実施の形態に係るマイクロチップの第２の変形例の上面図である。 本発明の実施の形態に係るマイクロチップの第３の変形例の上面図である。 本発明の実施の形態に係るマイクロチップの第４の変形例の構造図である。

符号の説明

１ マイクロチップ
２ 基板
３ 蓋板
４ 注入口
５ 反応槽
５１ 第１の反応槽
５２ 第２の反応槽
６ 送液路
６０ 本流
６１ 第１の送液路
６２ 第２の送液路
６２ａ、６２ｂ 支流
７ 閉鎖部
７１ 第１の閉鎖部
７２ 第２の閉鎖部
８ 吸引槽
１０ レンズ

Claims (7)

1. １以上の試料供給口と、
   試薬が塗布された１以上の反応槽と、
   前記試料供給口と前記反応槽又は前記反応槽同士を連結する１以上の送液路と、
   前記送液路に充填される１以上の閉鎖部と、を有し、
   前記閉鎖部によって形成される、前記反応槽を含む空間は閉じられて減圧されており、
   前記閉鎖部に光が照射されることで前記閉鎖部が損壊し前記送液路の少なくとも一部が貫通すると、前記空間内外の圧力差に伴い試料が前記反応槽に導入されることを特徴とするマイクロチップ。
2. １以上の試料供給口と、
   試薬が塗布された１以上の反応槽と、
   前記反応槽に対応して当該反応槽の下流に設けられた１以上の吸引槽と、
   前記試料供給口と前記反応槽、前記反応槽と前記吸引槽を連結する２以上の送液路と、
   前記送液路のうち、前記反応槽と対応する前記吸引槽とを連結する送液路に充填される１以上の閉鎖部と、を有し、
   前記閉鎖部によって形成される、前記吸引槽を含む空間は閉じられて減圧されており、
   前記閉鎖部に光が照射されることで前記閉鎖部が損壊し前記送液路の少なくとも一部が貫通すると、前記空間内外の圧力差に伴い前記閉鎖部の上流に位置する前記反応槽に試料が導入されることを特徴とするマイクロチップ。
3. 前記閉鎖部は光吸収性のある物質を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロチップ。
4. １つの前記閉鎖部が複数の前記空間の形成に与することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のマイクロチップ。
5. 前記送液路は分岐して複数の前記試料供給口又は複数の前記反応槽と連結することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のマイクロチップ。
6. 前記試料中の特定成分を捕捉する捕捉手段を前記送液路に設けたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のマイクロチップ。
7. 前記試料供給口は、前記反応槽よりも上方に位置することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のマイクロチップ。

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