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JP4141494B2 - マイクロ分析測定装置及びそれを用いたマイクロ分析測定方法 - Google Patents
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JP4141494B2 - マイクロ分析測定装置及びそれを用いたマイクロ分析測定方法 - Google Patents

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Description

本発明はマイクロ分析測定装置及びそれを用いたマイクロ分析測定方法、特に、多数の測定を同時並行的に行うことのできるマイクロ分析測定装置及びそれを用いたマイクロ分析測定方法に関する。
近年の半導体産業における微細加工技術の発展に伴い、シリコンやガラスなどの基板上に微小な流路や反応器や、検出のための電極など化学分析に必要な要素を集積化したマイクロチップを用いた分析機器が用いられるようになってきた。DNAやタンパク質の分析のためのマイクロチップを用いた電気泳動装置は既に開発され、市販されている。このようなマイクロチップを用いた分析デバイス(マイクロ分析システム、μ−Total Analysis System;μ−TAS)は、化学分析実験の集積化、ハイスループット、省資源、省スペース、及びローエミッションを可能にするものであり、現在、種々のマイクロチップの開発が世界的規模で行われている。開発が進められている種々のマイクロチップの具体例としては、生化学分析を中心に電気泳動やクロマトグラフィーを行う分離用マイクロチップ、イムノアッセイや酵素分析を行うアッセイ用マイクロチップ、及びポリメラーゼチェーンリアクション(PCR)を行う合成反応用マイクロチップなどが挙げられる。これらのマイクロチップは、持ち運びが容易であるので、これらのマイクロチップを用いることにより、サンプリングしたその場で環境分析を行ったり、高精度な臨床試験をベッドサイドで行うことも可能にし得るものとして期待されている。
このようなマイクロチップを用いた測定装置として、例えば特許文献1には、以下のような装置が開示されている。すなわち、特許文献1に開示の流体試料中の特異的結合物を光学的に測定する装置では、蛍光標識又は光散乱標識が結合された第2の特異的結合メンバーと結合した被測定物質に特異的に結合して前記特異的結合物を構成し得る第1の特異的結合メンバーが、少なくとも一表面に固定されている反応部が備えられている。また、出光側縁面を有する透明な導波路の一面に第一の空間層を介して透明基材層が積層され、他面に第二の空間層を介して光吸収層が積層されている。前記第一の空間層と第二の空間層は連通された、流体試料注入するための層である。ここでは、導波路の屈折率が流体試料の屈折率より大きくされている。
また、特許文献2には、複数の測定を同時に行い得る方法として、以下のオンチップバイオアッセイ方法が開示されている。ここでは、格子状に配列した複数の微細孔が貫通された基板からなる微細孔チップの下面に、細胞導入用微小流体チップが固着されて、微細孔チップと細胞導入用微小流体チップ間に複数の微細な細胞導入用流路が形成されている。該流路を介して懸濁した細胞を微細孔チップの微細孔に流し込む。次いで、微細孔チップの上面に、被検物質導入用微小流体チップを、その複数の微細な被検物質導入用流路が前記複数の微細な細胞導入用流路と交叉するように固着して、微細孔チップと被検物質導入用微小流体チップ間に複数の微細な被検物質導入用流路を形成する。該流路を介して被検物質を流し込み、微細孔チップの微細孔内の細胞と接触させ、所定時間後あるいは所定の時間間隔で、被検物質が細胞に及ぼす影響の程度をインサイチューに検出する。
特開2005−140682号公報 特開2005−46121号公報
しかしながら、特許文献1に記載の光学的測定装置を用いた場合では、一つの装置で一種類の被検体についての測定しかできず、一つの装置で多数の異なる被検体を同時に測定することはできなかった。
また、特許文献2に記載されたオンチップバイオアッセイ方法では、所望の混合比に基づいて正確に混合することは困難であった。また、検体・試薬を導入する際にも、チップに接続された送流ポンプやバルブ操作する必要があった。このため、検体・試薬の導入作業が煩雑であった。従って、特許文献2に記載されたオンチップバイオアッセイ方法を用いる場合、高い再現性で定量的に測定するためには、高度な技術が必要であり、容易且つ安定に測定を行うのは困難であった。
本発明の目的は、上記欠点に鑑み、製造が容易であり、少量の検体で多数の分析測定ができる、特に、多数の濃度の異なる検体や異なるアナライトを同時に容易に分析測定しうるマイクロ分析測定装置及びそれを用いたマイクロ分析測定方法を提供することにある。
本発明に係るマイクロ分析測定装置は、それぞれ廃液用微細流路と連通している、m行、n列の検出部、各検出部に混合流路を介して連通しているm行、n列のチャンバー、各行毎のチャンバーにパッシブバルブを介して連通しているn本の第1の微細流路、各列毎のチャンバーにパッシブバルブを介して連通しているm本の第2の微細流路並びに各チャンバーに連通し、ガス及び/又は洗浄液を供給するための第3の微細流路からなることを特徴とする。
上記検出部において、光学的測定方法または電気化学的測定方法等の適宜の測定方法で測定が行われる。m×n個の検出部が縦横略等間隔にm行、n列設置されている。m及びnは正の整数である。m及びnが小さすぎると一度に分析測定することができる数が少なくなる。一方、m及びnが大きすぎると装置が大型化するという欠点や、製造が困難になるという欠点などがある。従って、m及びnのそれぞれは2〜10であることが好ましく、3〜6であることがより好ましい。チャンバー及び混合流路のそれぞれも、縦横略等間隔にm行、n列設置されている。すなわち、チャンバー及び混合流路は、それぞれ合計m×n個づつ設置されている。
第1の微細流路はn本設置されており、パッシブバルブを介して各列のチャンバーにそれぞれ連通されている。このため、第1の微細流路の一端部から供給された液体がパッシブバルブで一定量だけ秤取され、その秤取された液体がチャンバーに供給される。n本の第1の微細流路は独立していることが好ましい。これによれば、濃度や種類の異なるn種類の液体を検出部に供給することが可能となるからである。
第2の微細流路はm本設置されており、パッシブバルブを介して各行のチャンバーに連通されている。このため、第2の微細流路の一端部から供給された液体はパッシブバルブにおいて一定量だけ秤取され、その秤取された液体がチャンバーに供給される。m本の第2の微細流路は独立していることが好ましい。これによれば、濃度や種類の異なるm種類の液体を供給することが可能となるからである。
第1の微細流路及び第2の微細流路は、検体や試薬等の液体をパッシブバルブを介して、マトリクス状に配列された複数のチャンバーのそれぞれに一定量の検体や試薬を分配供給するものである。このため、第1の微細流路の上流側端部及び第2の微細流路の上流側端部それぞれには、ガスポンプ等のガス湧出源が接続されていることが好ましい。ガス湧出源は、直接接続されていてもよく、検体貯留部や試薬留めを介して接続されていてもよい。
チャンバーは混合流路を介して検出部と接続されている。第1の微細流路で秤取された液体と第2の微細流路で秤取された液体とは共にチャンバーに供給され、混合流路で混合されながら検出部に送られる。混合流路の形状は第1の微細流路で秤取された液体と第2の微細流路で秤取された液体とが混合されうる形状であればよく、例えば、流路が屈曲し往復する形状などが挙げられる。混合流路は、一部分において大きく拡径されていてもよい。また、混合流路は、左右非対称な壁面を有していてもよい。
チャンバーの混合流路が連通された側と反対側の上流側には、第3の微細流路が接続されている。第3の微細流路は、チャンバーに供給された液体を検出部に送るため及び/又はチャンバーと検出部とを洗浄するために、ガス及び/又は洗浄液を供給するものであり、ガス及び/又は洗浄液を供給するために、第3の微細流路の上流側の一端部に洗浄液溜およびガスポンプ等のガス湧出源が接続されているのが好ましい。
検出部には廃液用微細通路が接続されている。廃液用微細通路の他端部は大気に連通しており、液体を送る際に系内の気体はこの他端部から排出され、またこの他端部から不要な廃液を排出させることも可能である。なお、「大気に連通している」ことには、大容量容器に接続されていることや、ガス拡散透過膜を有する容器に接続されていることも含まれる。
上記マイクロ分析測定装置はマイクロチップ等に組み込んで少量の検体で分析測定する装置であるから、チャンバー及び検出部の容積はピコリットル〜マイクロリットルオーダーの大きさが好ましく、正確な分析測定を行うためにはチャンバーに供給された液体で検出部が充満されるのが好ましいので、チャンバーの容積が検出部の容積以上であることが好ましい。
廃液用微細流路、検出部、混合流路、チャンバー、パッシブバルブ、第1の微細流路、第2の微細流路及び第3の微細流路は基板内に形成されていることが好ましい。しかし、これら全ての部材を同一の基板内に形成するのは困難であるので、複数の基板に分けて形成した後、複数の基板を積層して貼り合わせるようにしてもよい。例えば、第1の基板の一面に混合流路用凹部、チャンバー用凹部、第1の微細流路用凹部、第1の微細流路用凹部とチャンバー用凹部に連通しているパッシブバルブ用凹部及び第3の微細流路用凹部を形成すると共に、第2の基板の一面に第2の微細流路用凹部、第2の微細流路用凹部に連通しているパッシブバルブ用凹部及び廃液用微細流路用凹部を形成し、第3の基板に検出部用貫通孔及び第2の微細流路に連通しているパッシブバルブとチャンバー用凹部とを連通する貫通孔が形成されており、第1の基板の一面と第2の基板の一面との間に第3の基板を積層することにより検出部、チャンバー、パッシブバルブ、第1の微細流路、第2の微細流路、第3の微細流路及び廃液用微細流路を形成するのが好ましい。
本発明に係る第1のマイクロ分析測定方法は、上記本発明に係るマイクロ分析測定装置の第1の微細流路及び第2の微細流路にそれぞれアナライトを含む検体及びアナライトと特異的に結合する認識分子を含む試薬を供給し、パッシブバルブで秤取してチャンバーに送り混合液とし、チャンバー及び混合流路で混合反応させ、次いで混合液を検出部に送り、混合液中の未反応の認識分子を検出部に固定されている標準物質と結合させて、検出部を洗浄した後、標準物質と結合した認識分子を蛍光、光散乱または吸光をもたらす光学標識により光学的に測定することを特徴とする。
上記アナライトと特異的に結合する認識分子は、典型的には、アナライトと特異的に結合する分子と定量のための標識物質とが結合したものである。標識物質としては、光学標識、酵素標識、金属標識等が好適に用いられる。光学標識は蛍光、光散乱または吸光、化学発光等の光学効果をもたらす光学標識であって、特に、蛍光を発する光学標識を蛍光標識と呼ぶ。蛍光標識は、光線の照射を受けた際に光線を変換することにより蛍光を発生する物質である。蛍光標識の具体例としては、例えば、光線の照射を受けた際に蛍光を発生する化合物、この蛍光を発生する化合物を含有する合成樹脂粒子等が挙げられる。酵素標識、金属標識を用いる場合には、前記第3の微細流路から、これらの標識と相互さようして発光する試薬を導入することにより、光学標識と同様の発光系を構成できる。
蛍光を発生する化合物の具体例としては、例えば、フルオレインイソチオシアネート、フルオレセイン、フルオレセイン−N−ヒドロキシスクシンイミドエステル、6−((4−(4,4−ジフルオロ−5−2−チエニル)4−4−ボラ−3a,4a−ジアザ−5−インダセン−3−イル)フェノキシ)アセチル)アミノ)ヘキサン酸、スクシンイミジルエステル、4−アセトアミド−4’−イソシアナトスチルベン−2,2’−ジスルホン酸、7−アミノ−4−メチルクマリン、7−アミノ−4−トリメチルクマリン、N−4−アニリノ−1−ナフチル)マレイミド、ダンシルクロライド、4’6−ジアミジノ−2−フェニルインドール、5−(4,6−ジクロトリアジン−2−イル)アミノフルオレセイン、4,4’−ジイソチオシアナトスチルベン−2,2’−ジスルホン酸、エオシンイソチオシアネート、エリトロシンB、フルオレサミン、フルオレセイン−5(6)−カルボキシアミドカプロン酸N−ヒドロキシスクシンイミドエステル、5−イソチオシアネート(isothiosyanante)ジアセテート、4−メチルウンベリフェロン、o−フタルジアルデヒド、QFITC、ローダミンBイソチオシアネート、硫酸ローダミン101酸クロライド、テトラメチルローダミンイソチオシアネート、2’,7’−ジフルオロフルオレセイン、シアニン系色素、ローダミン、希土類金属錯体等が挙げられ、発光寿命の長い希土類金属錯体が特に好適である。
光散乱標識は、光線の照射を受けた際に光線を散乱しうる化合物又は微粒子である。光散乱標識の具体例としては、例えば、金,銀など金属のコロイド微粒子凝集体、CdS、CdSeなどのカルコゲナイト微粒子、ポリスチレン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリ(メタ)アクリル樹脂などのポリマー微粒子、シリカゲル、アルミナ、酸化チタンなどの無機酸化物微粒子、これらの2種以上の組合せによるコアシェル微粒子等が挙げられる。上記ポリマー微粒子及び無機酸化物微粒子は、染色されていてもよいし、蛍光分子や金属ナノ粒子が分散されたものであってもよい。光散乱標識は、波長依存性のある光散乱特性を有していてもよい。
上記アナライトと特異的に結合する分子は、被測定物質に特異的に結合しうるものである。
従って、上記アナライトと特異的に結合する分子の種類は、アナライト及び標準物質に対応して異なるが、この分子の具体例としては、例えば、酵素、微生物、抗原、抗体、抗体断片、レクチン、レセプター、イオノフォア、プロトンポンプ、生体膜、人工生体素子、DNAの分子、RNAの分子、PNAの分子、膜タンパク質、核内受容体、アプタマー、糖鎖、糖タンパク質、メタロプロティンよりなる群から選ばれた1種もしくはこれらの混合物等が挙げられる。
上記標準物質は、上記アナライトと特異的に結合する分子に対して、アナライトと同じ振る舞いをする物質である。標準物質はアナライトと全く同一構造の分子または物質であってよく、アナライトと特異的に結合する分子の認識部分に対応する構造をもつ分子または物質であってもよい。標準物質の具体例としては、例えば、酵素、微生物、抗原、抗体、抗体断片、レクチン、レセプター、イオノフォア、プロトンポンプ、生体膜、人工生体素子、DNAの分子、RNAの分子、PNAの分子、タンパク質、アミノ酸、糖鎖、糖タンパク質、メタロプロティン、金属イオン等が挙げられる。
従って、免疫測定方法の場合には、アナライトと標準物質と抗体又は抗原とが使用され、アナライトと特異的に結合する分子としては、それに特異的に反応する抗原又は抗体が使用される。
本発明に係る第2のマイクロ分析測定方法は、本発明に係るマイクロ分析測定装置の第1の微細流路及び第2の微細流路にそれぞれアナライトを含む検体及びアナライトと特異的に結合する認識分子を含む試薬を供給し、パッシブバルブで秤取してチャンバーに送り混合液とし、チャンバー及び混合流路で混合反応させ、次いで混合液を検出部に送り、混合液中の未反応の認識分子を検出部に固定されている標準物質と結合させて、検出部を洗浄した後、標準物質と結合した認識分子を電気化学的に測定することを特徴とする。認識分子は、電気化学的応答が大きな化合物または物質によって標識付けがされていてもよい。
本発明に係る第2のマイクロ分析測定方法は、標準物質と結合した認識分子を電気化学的に測定する以外は本発明に係るマイクロ分析測定方法と同一である。本発明においても従来公知の任意の電気化学測定方法が採用することができ、電気化学測定方法の具体例としては、例えば、ボルタンメトリ法、ストリッピングボルタンメトリ法、アンペロメトリ法、ポテンシオメトリー法、クーロンメトリ法などが挙げられる。これらの電気化学測定方法に際して印加する電圧や電流の波形の具体例としては、例えば、適宜パルス波、微分パルス波、三角波、ステップ波等が挙げられる。
本発明に係る第3のマイクロ分析測定方法は、本発明に係るマイクロ分析測定装置の第1の微細流路及び第2の微細流路のそれぞれに、アナライトを含む検体及びアナライトと特異的に反応して、または第三成分の添加によりあるいはそのまま発色または発光する試薬を供給し、パッシブバルブで秤取してチャンバーに送り混合液とし、チャンバー及び混合流路で混合反応させ、検出部で混合液の発色または発光を測定することを特徴とする。第三成分の添加が必要な場合には、例えば第3の流路から導入することができる。
アナライトと特異的に反応する物質に修飾する化合物の具体例としては、ペルオキシダーゼやアルカリホスファターゼ等の酵素が挙げられ、反応して発色または発光する試薬の具体例としては、Tetra−methyl−benzidine、AMPREX RED、ルミノール等が挙げられる。
本発明に係る第4のマイクロ分析測定方法は、本発明に係るマイクロ分析測定装置の第1の微細流路及び第2の微細流路にそれぞれアナライトを含む検体及びアナライトと特異的に反応して凝集する物質を含む試薬を供給し、パッシブバルブで秤取してチャンバーに送り混合液とし、チャンバー及び混合流路で混合反応させ、検出部で混合液の濁度を測定することを特徴とする。
アナライトと特異的に反応する物質に修飾する化合物の具体例としては、脂質膜、金コロイド、ラテックス粒子等があげられる。
本発明における第5のマイクロ分析測定方法は、本発明に係るマイクロ分析測定装置の第1の微細流路及び第2の微細流路にそれぞれアナライトを含む検体及びアナライトと特異的に結合する認識分子を含む試薬を供給し、パッシブバルブで秤取してチャンバーに送り混合溶液とし、チャンバー内に固定された別のアナライト認識分子と、アナライトと、試薬由来の認識分子とをサンドイッチ状に結合させ、続いて、第3の流路から認識分子の標識酵素により消化される物質の溶液を導入してチャンバー内の混合溶液を置換し、標識酵素により消化された生成物を検出部へ導いて検出部にトラップし、検出部にトラップされた標識酵素により消化された生成物の濃度を検出部で測定することで間接的に検体中のアナライト濃度を求めることを特徴とする。
具体的には、標識酵素としてチオコリンエステラーゼ、標識酵素により消化される物質としてチオコリン、標識酵素により消化された生成物としてチオールを用い、検出部に金または銀などの貴金属を含ませる構成としてもよい。その場合、チオールなどの標識酵素により消化された生成物が検出部においてトラップされる。貴金属膜上のチオールは、表面プラズモン吸収計測または電気化学的計測により定量することができる。
また、標識酵素としてアルコール酸化酵素、標識酵素により消化される物質として低分子アルコール、標識酵素により消化された生成物としてアルデヒドを用いてもよい。その場合、低分子アルコールの酸化物に対応するアルデヒドが検出部においてトラップされる。このため、検出部に、例えば低分子アルデヒドをトラップするためのアミン類等のアルカリ官能基をもつ分子修飾を含ませてもよい。
(発明の効果)
本発明によれば、製造が容易であり、少量の検体で多数の分析測定ができる、特に、多数の濃度の異なる検体や異なるアナライトを同時並行的に容易に分析測定しうるマイクロ分析測定方法を提供することができる。
図1は、基板1aの平面図である。 図2は、基板1bの平面図である。 図3は、基板1bの要部を示す拡大平面図である。 図4は、基板2aの平面図である。 図5は、基板2aの要部を示す拡大平面図である。 図6は、基板2bの平面図である。 図7は、第3の基板の平面図である。 図8は、マイクロ分析測定装置の図2に示すA−A断面図である。 図9は、マイクロ分析測定装置の図2に示すB−B断面図である。 図10は、パッシブバルブの原理を説明するための概念的な説明図である。 図11は、パッシブバルブの原理を説明するための概念的な説明図である。 図12は、パッシブバルブの原理を説明するための概念的な説明図である。 図13は、第4の実施形態に係るマイクロ分析測定装置における基板1aの平面図である。
符号の説明
1…第1の基板
1a…基板
1b…基板
2…第2の基板
2a…基板
2b…基板
3…第3の基板
4…第1の微細流路
5…第2の微細流路
6…第3の微細流路
7…廃液用微細流路
8、9…パッシブバルブ
10…チャンバー
11…検出部
12…混合流路
(第1の実施形態)
まず、パッシブバルブの原理を図面を参照して説明する。図10〜12はパッシブバルブの原理を説明するための概念的説明図である。
流路Cと流路Dとの間には、流路Eと流路Fとが配置されている。流路Eは流路Cに接続されている。流路Eの先端部と流路Dとは流路Fによって接続されている。
図10に示すように、流路Cに液体13を導入すると、液体13は流路Eに引き込まれる。流路Eが比較的太い場合は流路Cに液体を導入する圧力で液体13は流路Eに引き込まれる。流路Eが比較的細い場合において、流路Eが濡れやすい流路壁を有するときは、毛管引力によって液体13は流路Eに容易に引き込まれる。一方、流路Eが比較的細い場合において、流路Eが濡れにくい流路壁を有するときは、流路C側から適度な圧力を加えることにより流路Eに液体13を圧入することができる。なお、「濡れにくい流路壁」とは、「毛管引力が働きにくい流路壁」と言い換えることができる。
流路C及び流路Eが濡れやすい性質の流路壁を有する場合は、流路Cより流路Eを細くしておけば、液体13はより強い毛管引力により流路C流路Eに自発的に引き込まれる。流路Cおよび流路Eが濡れにくい性質の流路壁を有する場合は、流路C側から液体13に適当な圧力を付与することにより液体13を流路Eに導入することができる。
流路Fは流路C、流路D及び流路Eより細いため、流路Fの入口境界面又は出口境界面で液体13は停止する。
具体的には、流路Fの流路E側の端面まで到達した液体13は、流路Fが濡れにくい流路壁を有する場合は、図10及び11に示したように、流路Fの毛管斥力によって液体13がせき止められ、流路Fには入り込まない。流路Eが濡れにくい流路壁の場合にも、流路Eの毛管斥力よりも流路Fの毛管斥力の方が強いため、流路Fに液体13が入り込むことはない。
一方、流路Fが濡れやすい流路壁を有する場合は、図12に示すように、流路Fの流路D側の端面まで到達した液体13は、流路Fの毛管引力によって流路に引き込まれる。但し、流路Fは流路Dより細いので、毛管引力により流路Fの出口境界面で液体13は停止し、流路Dには液体13は入り込まない。
尚、流路Fの出口における流路壁と流路Dにおける流路壁とが直角ではなく、なだらかな曲面を構成している場合には、流路下の出口における毛管引力が小さくなり液体が少しずつ流路Dに漏れるおそれがある。また、流路Fの出口境界面を直角に成形することは困難である。従って、流路Fは濡れにくい性質を有する流路壁により形成されていることが好ましい。
尚、「濡れにくい性質」とは、液体が流路Cに引き込まれたときに、そのままの圧力では流路を通過することができず、流路内で液体が停止する場合の流路壁の性質をいい、一般に液体と流路壁との接触角が90度以上であることをいう。
流路Eに流体を導入後、流路C内に残留する液体13を、例えば、流路Cの両端部に適当な圧力差を生じさせるなどして、流路C内の流路Eと接触しない部分にまで液体13を移動させる。流路C内から液体13を取り除いてもよい。この際、流路E内の液体13は、通常、流路C内には戻らない。このため、流路Eの容積又は流路Eの容積と流路Fの容積との総容積に応じた体積の液体の秤取が可能となる。
流路Cの圧力が流路Dの圧力より僅かに大きくなるように、両流路間に適当な圧力差を生じさせるなどして、流路E又は流路Eと流路F内に秤取された液体13を流路Dに移送することができる。
次に、図1〜図9を参照して、本実施形態のマイクロ分析測定装置について説明する。図1は基板1aを示す平面図であり、図2は基板1bを示す平面図である。図8に示すように基板1aと基板1bを積層することにより第1の基板1が形成される。図3は基板1bの要部を示す拡大平面図である。図4は基板2aを示す平面図であり、図6は基板2bを示す平面図である。図8に示すように基板2aと基板2bとを積層することにより第2の基板2が形成される。図5は基板2aの要部を示す拡大平面図である。図7は第3の基板3を示す平面図である。図8はマイクロ分析測定装置のA−A断面図であり、図9はB−B断面図である。尚、このマイクロ分析測定装置においてはm=n=4である。
図2に示すように、マイクロ分析測定装置には、第1の微細流路用貫通孔4、4、4及び4と、第3の微細流路用貫通孔6、6、6及び6が形成されている。第3の微細流路用貫通孔6、6、6、6は等間隔に平行に形成されている。第3の微細流路用貫通孔6、6、6、6のそれぞれは一端部において第3の微細流路用貫通孔6に接続されている。
細長い形状の16個のチャンバー用貫通孔1011、1012、1013、1014・・・1043、1044は4行、4列に等間隔に形成されている。1列目のチャンバー用貫通孔1011・・・1041は上流側において第3の微細流路用貫通孔6に連通されている。2列目のチャンバー用貫通孔1012、・・・1042は上流側において第3の微細流路用貫通孔6に接続されている。3列目のチャンバー用貫通孔1013、・・・1043は上流側において第3の微細流路用貫通孔6に接続され、4列目のチャンバー用貫通孔1014、・・・1044は上流側において第3の微細流路用貫通孔6に接続されている。
第1の微細流路用貫通孔4には等間隔にパッシブバルブ用貫通孔811、・・・841が接続されている。第1の微細流路用貫通孔4には等間隔にパッシブバルブ用貫通孔812、・・・842が接続されている。第1の微細流路用貫通孔4には等間隔にパッシブバルブ用貫通孔813、・・・843が接続されている。第1の微細流路用貫通孔4には等間隔にパッシブバルブ用貫通孔814、・・・844が設けられている。図3に示すように、各パッシブバルブ8はバルブ81と秤量部82とを備え、秤量部82は第1の微細流路4より細い微細流路により構成されている。バルブ81は秤量部82及びチャンバー10のいずれよりも細く形成されており、対応するチャンバー10に接続されている。
各チャンバー用貫通孔1011、1012、1013、1014・・・1043、1044の下流側には、混合流路用貫通孔1211、1212、1213、1214・・・1243、1244が接続されている。混合流路用貫通孔12は微細流路であり、直角に屈曲され往復する形状に形成されている。換言すれば、混合流路用貫通孔12は、途中部において複数回屈曲されて、両端が同方向を向いた形状に形成されている。混合流路用貫通孔12の下流側は第3の基板3と積層した際に形成される検出部11と接続されている。尚、図2に示す符号1111、1112、1113、1114・・・1143、1144は、図7に示す第3の基板3と積層した際に形成される検出部11の位置を示している。
基板1aと基板1bとにより形成された第1の基板1には、を積層することにより、一面に混合流路12用凹部、チャンバー10用凹部、第1の微細流路5用凹部、第1の微細流路用凹部とチャンバー用凹部に連通しているパッシブバルブ8用凹部及び第3の微細流路6用凹部が形成されている。
図4に示すように、基板2aには、等間隔に平行に配置された第2の微細流路用貫通孔51、52、53及び54と、等間隔に平行に配置された廃液用微細流路用貫通孔71、72、73及び74とが形成されている。廃液用微細流路用貫通孔71 、72、73及び74はそれぞれ一端部において廃液用微細流路用貫通孔7に接続されている。
第2の微細流路用貫通孔5にはパッシブバルブ用貫通孔911、912、913、914が接続されている。第2の微細流路用貫通孔5にはパッシブバルブ用貫通孔921、・・・924が接続されている。第2の微細流路用貫通孔5にはパッシブバルブ用貫通孔931、・・・934が接続されている。第2の微細流路用貫通孔5にはパッシブバルブ用貫通孔941、・・・944が接続されている。図5に示すように、各パッシブバルブ9はバルブ91と秤量部92とを備えている。秤量部92は第2の微細流路5より細く形成されている。バルブ91は秤量部92及びチャンバー10のいずれよりも細く形成されている。尚、図5に示すバルブ91の先端91aは、図3に示すようにチャンバー10に繋がっている。
図7において、第3の基板3には16個のバルブ用貫通孔9311、9312、9313、9314・・・9343、9344が4行、4列に等間隔に形成されている。バルブ用貫通孔93の太さ、形状はバルブ91と同一である。第3の基板3と基板2aを積層した際に対応するバルブ用貫通孔93とバルブ91とが接続されると共に、第3の基板3と基板1bを積層した際に対応するバルブ用貫通孔93とチャンバー10とが接続されている。
図5に示すように、廃液用微細流路用貫通孔7、7、7及び7には、それぞれ4個、合計16個の突起貫通孔71が接続されている。廃液用微細流路用貫通孔7、7、7、7は、検出部11と連通するように形成されている。
図7において、第3の基板3には16個の検出部用貫通孔1111、1112、1113、1114・・・1143、1144が4行、4列に等間隔に形成されている。検出部用貫通孔1111、1112、1113、1114は、第3の基板と基板2aを積層した際に、廃液用微細流路用貫通孔7 の各突起貫通孔71と検出部用貫通孔1111、1112、1113、1114とが接続され、廃液用微細流路用貫通孔7の各突起貫通孔71と検出部用貫通孔1121、・・・、1124とが接続され、廃液用微細流路用貫通孔7の各突起貫通孔71と検出部用貫通孔1131、・・・、1134とが接続され、廃液用微細流路用貫通孔7の各突起貫通孔71と検出部用貫通孔1141、1142、1143、1144とが接続されるように形成されている。
基板2aと基板2bとを積層することにより、一面に第2の微細流路用凹部、第2の微細流路用凹部に接続されたパッシブバルブ用凹部9及び廃液用微細流路用凹部7が形成された第2の基板2が形成される。
基板2a、基板2b及び第3の基板3には、貫通孔41〜41、42〜42、43〜43、44〜44、45〜45及び46〜46が形成されている。貫通孔41〜41、42〜42、43〜43、44〜44、45〜45、46〜46は、基板1b、第3の基板3、基板2a及び基板2bが順次積層された際に、貫通孔41、42及び43が第1の微細流路用貫通孔4の一端部に接続されるように形成されている。同様に、貫通孔41〜41、42〜42、43〜43は、それぞれ第1の微細流路用貫通孔4〜4の一端部(図2において上側端部)に接続されるように形成されている。貫通孔44〜44、45〜45、46〜46は、それぞれ第1の微細流路用貫通孔4〜4の他端部に接続されるように形成されている。従って、貫通孔43から液体が供給されると、液体は貫通孔42、貫通孔41、第1の微細流路4、貫通孔44、貫通孔45を経由して貫通孔46から排出される。
基板2a、基板2b及び第3の基板3には、貫通孔51〜51、52〜52、53〜53、54〜54、55〜55、56〜56が形成されている。貫通孔51〜51、52〜52、53〜53、54〜54、55〜55、56〜56は、基板1b、第3の基板3、基板2a及び基板2bが順次積層された際に、貫通孔51、52及び53が第2の微細流路用貫通孔5の一端部に接続されるように形成されている。同様に、貫通孔51〜51、52〜52、53〜53はそれぞれ第2の微細流路用貫通孔5〜5の一端部に接続されるように形成されている。貫通孔54〜54、55〜55、56〜56はそれぞれ第2の微細流路用貫通孔5〜5の他端部に接続されるように形成されている。従って、貫通孔53から液体が供給されると、液体は貫通孔42、貫通孔41、第2の微細流路5、貫通孔54、貫通孔55を経由して貫通孔56から排出される。
第3の基板3、基板2a及び基板2bには、貫通孔61、62及び63が形成されている。貫通孔61、62、63は、基板1b、第3の基板3、基板2a及び基板2bを順次積層した際に、第3の微細流路用貫通孔6の一端部に接続されるように形成されている。従って、第3の微細流路6から排出された廃液及びガスは貫通孔61及び貫通孔62を経由して貫通孔63から排出される。
検出部11、チャンバー10、パッシブバルブ8、9、第1の微細流路4、第2の微細流路5、第3の微細流路6及び廃液用微細流路7は、第1の基板1と第2の基板2と第3の基板3とにより構成されている。第1の微細流路4、第2の微細流路5及び第3の微細流路6への液体の注入口並びに第1の微細流路4、第2の微細流路5、第3の微細流路6及び廃液用微細流路7からの排出口は全て第2の基板2具体的には基板2bに開口している。
尚、本実施形態のマイクロ分析測定装置は、光学的測定方法、電気化学的測定方法等の測定方法で測定が実施されるため、検出部の上下の少なくとも一方の基材は透明であることが好ましい。特に、第1の基板1の検出部に対応する表面に、アナライトと同等の標準物質を固定して測定する際には、少なくとも第2の基板2の検出部に対応する部分は透明であることが好ましい。
基板の材料としては、例えば、ポリジメチルシロキサン(PDMS)、ガラス、シリコン、光反応性樹脂やその他の樹脂、金属、セラミック、ダイヤモンドライクカーボンおよびそれらの組み合わせなどが挙げられる。
基板の作成法としては、例えば、機械加工、射出成型や圧縮成型に代表される転写技術、ドライエッチング(RIE、IE、IBE、プラズマエッチング、レーザーエッチング、反応性イオンエッチング、レーザーアブレーション、ブラスト加工、放電加工、LIGA、電子ビームエッチング、FAB)、ウエットエッチング(化学浸食)、光造形やセラミックス敷詰等の一体成型、各種物質を層状にコート、蒸着、スパッタリング、堆積し、部分的に除去することにより微細構造物を形成するSurface Micro−machining、フィルムテープなどの1枚以上のシート状物質により開口部分を形成して溝を形成する方法、インクジェットやディスペンサーにより流路構成材料を滴下、注入して形成させる方法等が挙げられる。
各基板の貼り合わせ法としては、例えば、接着剤による接着、プライマーによる樹脂接合、拡散接合、陽極接合、共晶接合、熱融着、超音波接合、レーザー溶融、溶剤・溶解溶媒による貼り合わせ、粘着テープ、接着テープ、表面官能基架橋、圧着、自己吸着剤による結合、物理的な保持、凹凸による組み合わせが挙げられる。
本実施形態では、5枚の基板を張り合わせたマイクロ分析測定装置を説明するが、基板1aと基板1bが積層された形状の第1の基板及び基板2aと基板2bが積層された形状の第2の基板をそれぞれ一体的に製造して、第1の基板、第3の基板及び第2の基板の3枚の基板によりマイクロ分析測定装置を構成してもよい。
本実施形態のマイクロ分析測定装置の構成は上述の通りであり、本実施形態のマイクロ分析測定装置は製造が容易であり、検体や試薬のデッドボリュームを減らすことができるとともに、装置全体の省スペース化と低コスト化とを実現することができる。
また、本実施形態のマイクロ分析測定装置では、複数の検出部11が設けられており、かつ検出部11ごとにその検出部11に専用のパッシブバルブ8及び9と、チャンバー10が設けられている。このため、各検出部11での測定は、実質的に同時並列的に実行される。各パッシブバルブ8,9における秤取量を異ならしめることで、複数の検出部11に検体とアナライトを検出するための試薬との混合比率が異なる混合液を導入することができる。従って、一種類の検体に対して、検体とアナライトを検出するための試薬との混合比率が異なる複数種類の混合液について、同一のマイクロ分析測定装置で、同時並列的に測定することが可能となる。
また、各パッシブバルブにおける秤取量を同じにすることで、複数の検出部11に供給する検体や試薬を列もしくは行毎に変更することも可能である。従って、異なる複数種類の検体について、同一のマイクロ分析測定装置で、同時に測定することが可能となるし、異なる複数種類の試薬を用いた同一検体に対する複数アナライトの測定についても、同一のマイクロ分析測定装置で、同時並列的に測定することが可能となる。
このように、本実施形態のマイクロ分析測定装置によれば、複数種類の測定を同時並列的に行うことができる。具体的に、本実施形態では、検出部11が合計16個設けられているため、一つのマクロ分析測定装置で最大16種類の測定を同時に行うことができる。
次に、本実施形態に係るマイクロ分析測定装置を用いたマイクロ分析測定方法について説明する。まず、検出部11における第1の基板1の表面にアナライトと同等の標準物質を固定しておく。次に、第1の微細流路4にアナライトを含む検体を供給し、パッシブバルブ8においてアナライトを含む検体を秤取する。一方、第2の微細流路5からは、アナライトと特異的に結合する認識分子を含む試薬を供給し、アナライトと特異的に結合する認識分子を含む試薬をパッシブバルブ9において秤取する。
パッシブバルブ8に秤取された所定量のアナライトを含む検体を、例えば、第1の微細流路4にガス湧出源からガスを供給することにより加圧し、秤量部82からバルブ81を経由させてチャンバー10に送る。パッシブバルブ9に秤取された所定量のアナライトと特異的に結合する認識分子を含む試薬を、例えば、第2の微細流路5にガス湧出源からガスを供給することにより加圧し、秤量部92からバルブ91及びバルブ用貫通孔93を経由させてチャンバー10に送る。チャンバー10内でアナライトを含む検体及びアナライトと特異的に結合する認識分子を含む試薬が混合され混合液が調整される。
第3の微細流路6側にガス湧出源からガスを供給することにより加圧し、チャンバー10内の混合液を混合流路12を通過して検出部11に送る。混合液は混合流路12においてさらに均一に混合されて、混合液内のアナライトと、アナライトと特異的に結合する認識分子が反応する。検出部11内においては、検出部11の第1の基板面11aに固定されているアナライトと同等の標準物質と混合液中の未反応の認識分子が結合する。その後、検出部11を洗浄し、第1の基板面11aに固定された標準物質と結合した認識分子を蛍光、光散乱または吸光をもたらす光学標識により光学的に測定する。
(第2の実施形態)
上記第1の実施形態では、アナライトと特異的に結合する認識分子を含む試薬を用いたマイクロ分析測定方法について説明したが、アナライトと特異的に結合する認識分子を含む試薬に替えてアナライトと特異的に反応して発色または発光する試薬を用いてもよい。この場合、検出部11では、上記試薬の発色または発光を検出する。
(第3の実施形態)
上記第1の実施形態のアナライトと特異的に結合する認識分子を含む試薬に替えてアナライトと特異的に反応して凝集する物質を含む試薬を用いてもよい。この場合、検出部11は、混合液の濁度を検出する。
(第4の実施形態)
図13は第4の実施形態に係るマイクロ分析測定装置における基板1aの平面図である。本第4の実施形態に係るマイクロ分析測定装置は、ストップバルブ20a、20b、20c、20dと、試薬溜め21a、21b、21c、21dと、ガス湧出源としてのポンプ22a、22b、22c、22dとを有する点で上記第1の実施形態に係るマイクロ分析測定装置とは異なる。具体的には、本実施形態では、各第1の微細流路用貫通孔4,4,4,4の図13において上側に位置する下流側端部には、ストップバルブ20a、20b、20c、20dが設けられている。一方、各第1の微細流路用貫通孔4,4,4,4の図13において下側に位置する上流側端部は、試薬溜め21a、21b、21c、21dを介して、ポンプ22a、22b、22c、22dが接続されている。
このため、パッシブバルブ8において秤量する液体をあらかじめ試薬溜め21a、21b、21c、21dに溜めておくことで、ポンプ22a、22b、22c、22dを作動させることにより液体をパッシブバルブ8に容易に供給することができる。また、ストップバルブ20a、20b、20c、20dを設けておくことで、パッシブバルブ8に供給されずに第1の微細流路用貫通孔4,4,4,4に残存した液体を第1の微細流路用貫通孔4,4,4,4のパッシブバルブ8と接続された接続部から容易に除去することも可能となる。よって、本第4の実施形態に係るマイクロ分析測定装置によれば、パッシブバルブ8において液体を容易に秤量することができる。
ストップバルブ20a、20b、20c、20dを設けない場合は、第1の微細流路用貫通孔4,4,4,4に残存した液体を第1の微細流路用貫通孔4,4,4,4のパッシブバルブ8と接続された部分から除去するために、第1の微細流路用貫通孔4,4,4,4の下流側端部を複雑な構造にする必要がある。このため、第1の微細流路用貫通孔4,4,4,4の下流側端部は交錯した複雑な構造となるのが通常であった。それに対して、本実施形態のように、ストップバルブ20a、20b、20c、20dを設けることで、従来必要であった第1の微細流路用貫通孔4,4,4,4の下流側端部の複雑な構造は不要となり、第1の微細流路用貫通孔4,4,4,4の下流側端部を交錯しないようにすることができる。すなわち、ストップバルブ20a、20b、20c、20dを設けることで、マイクロ分析測定装置の構成をシンプルにすることができる。
パッシブバルブ9における液体の秤量を容易にする観点から、パッシブバルブ9側においても同様に、ストップバルブと、試薬溜めと、ポンプを設けることが好ましい。
なお、本実施形態では、マイクロ分析測定装置内にポンプ22a、22b、22c、22dが配置される構成について説明したが、ポンプ22a、22b、22c、22dはマイクロ分析測定装置外に配置してもよい。

Claims (13)

  1. それぞれ廃液用微細流路と連通している、m行、n列の検出部、各検出部に混合流路を介して連通しているm行、n列のチャンバー、各行毎のチャンバーにパッシブバルブを介して連通しているn本の第1の微細流路、各列毎のチャンバーにパッシブバルブを介して連通しているm本の第2の微細流路並びに各チャンバーに連通し、ガス及び/又は洗浄液を供給するための第3の微細流路からなることを特徴とするマイクロ分析測定装置。
  2. 第1の微細流路、第2の微細流路及び第3の微細流路がガス湧出源に接続されていることを特徴とする請求項1に記載のマイクロ分析測定装置。
  3. n本の第1の微細流路がそれぞれ独立していることを特徴とする請求項1又は2に記載のマイクロ分析測定装置。
  4. m本の第2の微細流路がそれぞれ独立していることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のマイクロ分析測定装置。
  5. チャンバー及び検出部の容積が、ピコリットル〜マイクロリットルオーダーの大きさであり、チャンバーの容積が検出部の容積と同一又は検出部の容積より大きいことを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載のマイクロ分析測定装置。
  6. 第1の基板の一面に混合流路用凹部、チャンバー用凹部、第1の微細流路用凹部、第1の微細流路用凹部とチャンバー用凹部に連通しているパッシブバルブ用凹部及び第3の微細流路用凹部が形成され、第2の基板の一面に第2の微細流路用凹部、第2の微細流路用凹部に連通しているパッシブバルブ用凹部及び廃液用微細流路用凹部が形成され、第3の基板に検出部用貫通孔及び第2の微細流路に連通しているパッシブバルブとチャンバー用凹部とを連通する貫通孔が形成されており、第1の基板の一面と第2の基板の一面の間に第3の基板を積層することにより検出部、チャンバー、パッシブバルブ、第1の微細流路、第2の微細流路、第3の微細流路及び廃液用微細流路が形成されていることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載のマイクロ分析測定装置。
  7. 第2の基板又は第2の基板の検出部に対応する部分が透明であることを特徴とする請求項に記載のマイクロ分析測定装置。
  8. 第1の基板の検出部に対応する表面に、アナライトと同等の標準物質が固定されていることを特徴とする請求項6又は7に記載のマイクロ分析測定装置。
  9. 請求項1〜8のいずれか1項に記載のマイクロ分析測定装置の第1の微細流路及び第2の微細流路にそれぞれアナライトを含む検体及びアナライトと特異的に結合する認識分子を含む試薬を供給し、パッシブバルブで秤取してチャンバーに送り混合液とし、チャンバー及び混合流路で混合反応させ、次いで混合液を検出部に送り、混合液中の未反応の認識分子を検出部に固定されている標準物質と結合させて、検出部を洗浄した後、標準物質と結合した認識分子を蛍光、光散乱または吸光をもたらす光学標識により光学的に測定することを特徴とするマイクロ分析測定方法。
  10. 請求項1〜8のいずれか1項に記載のマイクロ分析測定装置の第1の微細流路及び第2の微細流路にそれぞれアナライトを含む検体及びアナライトと特異的に結合する認識分子を含む試薬を供給し、パッシブバルブで秤取してチャンバーに送り混合液とし、チャンバー及び混合流路で混合反応させ、次いで混合液を検出部に送り、混合液中の未反応の認識分子を検出部に固定されている標準物質と結合させて、検出部を洗浄した後、標準物質と結合した認識分子を電気化学的に測定することを特徴とするマイクロ分析測定方法。
  11. 請求項1〜7のいずれか1項に記載のマイクロ分析測定装置の第1の微細流路及び第2の微細流路にそれぞれアナライトを含む検体及びアナライトと特異的に反応して発色または発光する試薬を供給し、パッシブバルブで秤取してチャンバーに送り混合液とし、チャンバー及び混合流路で混合反応させ、検出部で混合液の発色または発光を測定することを特徴とするマイクロ分析測定方法。
  12. 請求項1〜7のいずれか1項に記載のマイクロ分析測定装置の第1の微細流路及び第2の微細流路にそれぞれアナライトを含む検体及びアナライトと特異的に反応して凝集する試薬を供給し、パッシブバルブで秤取してチャンバーに送り混合液とし、チャンバー及び混合流路で混合反応させ、検出部で混合液の濁度を測定することを特徴とするマイクロ分析測定方法。
  13. 請求項1〜7のいずれか1項に記載のマイクロ分析測定装置の第1の微細流路及び第2の微細流路にそれぞれアナライトを含む検体及びアナライトと特異的に結合する認識分子を含む試薬を供給し、パッシブバルブで秤取してチャンバーに送り混合溶液とし、チャンバー内に固定された別のアナライト認識分子と、アナライトと、試薬由来の認識分子とをサンドイッチ状に接合させ、続いて、第3の微細流路から認識分子の標識酵素により消化される物質の溶液を導入してチャンバー内の混合溶液を置換し、標識酵素により消化された生成物を検出部へ導いて検出部においてトラップし、標識酵素により消化された生成物の濃度を検出部で測定することで間接的に検体中のアナライト濃度を求めることを特徴とするマイクロ分析測定方法。
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