JP4811267B2 - マイクロチップ及びそれを用いた分析デバイス - 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チップ及びそれを用いた分析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チップ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、マイクロチップ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。

マイクロチップ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８に示す電気化学式バイオセンサーがあり、試料液は吸引口２０８から毛細管現象によりキャビティ２１２内に導入され、作用極２０１、対極２０２と試薬層２１０のある位置まで導かれる。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（特許文献１）。

また、図９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内の試料液は第１の流路３１４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、光学的に反応状態を読み取られる（特許文献２）。

また、図１０に示す遠心移送式バイオセンサーでは、試料を入口ポート４０９から出口ポート４１０まで毛細管力で移送し、各毛細管キャビティ４０４ａ−ｆ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−ｇの位置で分配し、各連結微小導管４０７ａ−ｆを通って、次の処理室（図示省略）へ移送される（特許文献３）。
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、前記従来の構成では、毛細管キャビティの充填前に試料液が無くなったり、試料採取中に試料液を入口から離してしまった場合に、入口付近の表面張力の影響による気泡が混入したり、取り扱い時にデバイスの向きを変えてしまうことで、毛細管キャビティ内の試料が動いてしまって気泡が混入したりする可能性があり、気泡が混入すると不足している試料液を後から追加して吸引させようとしても毛細管キャビティ内の気泡を外部に逃がすことができないため、気泡部分を充填することができず一定量の試料液を採取できないという課題を有していた。

本発明は、マイクロチップの注入口の形状として中央が凹となるようにし、試料液を点着の際流路の端から流入させることにより記従来の課題を解決するもので、毛細管キャビティ内への気泡の混入を防ぐことができ、試料液の採取が毛細管キャビティを満たすまで何度でもできるマイクロチップを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の分析デバイスは、流体の液滴を毛細管作用により採取するマイクロチップにおいて、前記流体の液滴径より大きい注入幅を有し前記マイクロチップが装着される本体部より突起する突起部に凹部を有する注入口と、前記注入口に通じ採取された流体を保持する保持チャンバーに連結される毛細管キャビティと、を備え、前記注入口に連通する毛細管キャビティは、前記突起部の側部も開口して外気に接することを特徴とするマイクロチップを備える分析デバイスであって、前記マイクロチップの前記注入口に注入された前記流体を前記マイクロチップの前記毛細管キャビティを介して所定量だけ一時的に保持する前記保持チャンバーに移送し、前記保持チャンバーが必要な流体の量になるまで気泡を発生することなく複数回の点着を可能として前記保持チャンバーに蓄積し、前記保持チャンバーから蓄積した前記流体を毛細管流路を介して前記流体を光学的に測定するための測定チャンバーに移送して前記流体を測定し分析することを特徴としたものである。

本発明は、マイクロチップの注入口の形状を試料液の進入方向に対して凹形状を構成する事で、従来の課題を解決するもので、毛細管キャビティ内への気泡の混入を防ぐことができ、試料液の採取が毛細管キャビティを満たすまで何度でもでき、所定量の試料液を確実に採取できるマイクロチップを提供することを目的とする。

以下に、本発明のマイクロチップの実施の形態を図面とともに詳細に説明する。
(実施の形態１)
図１に本発明の実施の形態１における注入口形状の斜視図について示す。（ａ）は本実施例の気泡対策を施した注入口形状、（ｂ）は、注入口を単に突起させる形状で気泡の混入を十分に防ぐことができない場合を示すものである。また図２に本発明の実施の形態１のマイクロチップ２００における注入口および注入口の形状を示す。実施の形態１では、一例として断面形状が矩形の場合を示すもので、図２（ａ）は、上から順に、マイクロチップ２００の上面図、正面図を示し、図２（ｂ）は、Ａ−Ａ断面を、図２（ｃ）は、マイクロチップ２００を含む分析デバイス１００の下部基板を示すものである。

分析デバイス１００の構造は、図５で説明するが、マイクロチップ２００は、分析デバイス１００の下部基板と一体的に成形して形成される。ここで図２（ａ）、（ｂ）は、分析デバイス１００に示す流路の一部を形成する当該注入口１を含む毛細管キャビティ３を模式的に表示したものである。マイクロチップ２００は、分析デバイス１００の流路形成の際に一体的に成形されて流路が連結され形成される。本実施の形態１に示すマイクロチップ２００は、毛細管キャビティ３、注入口１、出口２で構成される。本実施例では、マイクロチップ２００の毛細管キャビティ３の断面形状が矩形状であり、注入口１の形状は、図２（ａ）に示すように、上からみてＶ字状であり、試料液を点着する側、すなわち、正面からみると矩形状をなす。また、注入口１の幅Ｌは、試料液の液滴径より大きく設定し、試料液を点着した際に注入口１の左右端同時もしくは片側一方から流入させるためである。このように設定することにより、マイクロチップ２００を重力方向に向けた場合においても毛細管キャビティ３内に気泡ができない構造となっている。

一例として、本発明では、注入口１の幅Ｌを４ｍｍとし、分析デバイス１００より突起する部分ｈをｈ＝１．８ｍｍとしている。注入口１の厚みｔは毛細管キャビティ３と同様にｔ＝０．０２ｍｍに設けている。注入口１の中央部は凹形状となっており、突起部の側部も開口して外気に接しているため、どこからでも点着できるようになっている。このマイクロチップ２００の大きさは、分析デバイス１００の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。マイクロチップ２００が一体構造となる下部基板１０の厚みｗは３ｍｍ、上部基板９の厚みは５ｍｍで、略６５ｍｍ角で構成する。試料液の流路を形成する毛細管キャビティ３の厚さ、即ち、流路の深さは、０．０２ｍｍである。

一方、毛細菅キャビティ３と連結され分析デバイス１００の下部基板に形成される保持チャンバー４の深さは、０．３ｍｍ〜０．５ｍｍと毛細菅キャビティ３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３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４に進まず、分析デバイス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３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。

さらに注入口１を構成する壁面は、図３に示すように親水性を有する材料で形成し、接触角を所定の角度未満になるようにする。具体的には、注入口１の壁面との接触角を一般的に親水性を言われる９０度未満となるように設ける。この接触角が小さくなるほど流路内を試料液が進みやすくなることは当然であり、即ち毛細管力が強く働く事を意味する。

図４は、注入口形状の差による流れパターンの違いについて示す。
図４（ａ）は、分析デバイス１００より突出した注入口１の中央部が凹んでＶ字状をし、幅Ｌ＝４ｍｍ、突出高さｈ＝１．８ｍｍのもの、（ｂ）は（ａ）と同形状で幅Ｌ＝２ｍｍ、突出高さｈ＝０．８ｍｍのもの、（ｃ）は分析デバイス１００より突出した注入口１が半径Ｒ＝２ｍｍの円弧状に突起した場合、（ｄ）は（ｃ）と同形状で半径Ｒ＝１ｍｍの円弧状に突起した場合のものを示す。また図にそれぞれの２度付け、３度付けを行った時の動きについて示す。

図４（ｃ）に関しては、最初に注入口１を介して流入した試料液が毛細管キャビティ３内に流れ込み、注入口１に近い試料液の界面と注入口１が離れて距離ができた場合、２度付けを行うと液と液との間に気泡を含んだ状態で毛細管キャビティ３に流入してしまう。これは注入口１にこのような突出した形状を設けない場合も同様で、一度点着した液体を再度、注入口１の中央部から点着する場合、注入口１の点着部に生じた気泡の逃げ道がなくなってしまうためである。

即ち、２度付けを行った場合、２度目の点着時に空気層を介して試料液が流入するが、注入口１が凸上に形成される場合には、注入口１の点着部に生じたすべての空気がキャビティから出て行かず、注入口１の付近に気泡となって試料液中に残ってしまうからである。従って、気泡を残さないためには、注入口１の２度目の点着の際に、空気の逃げ道を形成する必要がある。

図４（ａ）に示す場合には、気泡を含むことなく毛細管キャビティ３内に流入させることができる。これは点着した液滴が、液滴よりも大きい注入口１の中央部に点着する前に左右のＶ字状の注入端から同時もしくはＶ字状の注入端の片側一方から流入し、注入口１の中央部分のＶ字状の谷間または点着していないもう一方の片側壁面部から空気を逃がす事ができるため気泡を含まず点着させることが可能となる。

すなわち、２度目の点着の際には、図４（ａ）（１）に示すように、注入口１に空気を挟んで試料液を点着することになるが、凹状に形成された注入口１には、傾斜をもったキャビティが注入口１の側壁部のトップからボトムまで繋がっており、この注入口１の側壁部のトップからボトムまでのキャビティが空気の逃げ道となるからである。

ここで図４（ｂ）では、（ａ）と同形状であるが注入口１の幅Ｌが２ｍｍと狭く点着する液摘径よりも小さくて、突出高さｈも０．８ｍｍと低い。この場合、図４（ｂ）（１）に示すように液滴が注入口１全体を覆うように流入するため２度点着する場合において、生じた気泡の逃げ道がなく気泡が発生し試料液中に残る可能性がある。図４（ｄ）についても同様である。すなわち、図４（ｃ）に比べ注入口形状は同じで、注入口の幅の円弧状の半径をＲ＝１と狭く設定した場合、２度点着する場合において、生じた気泡の逃げ道がなく試料液中に残る可能性がある。

図５に寸法変更による可否について示す。図１に示す（ａ）と（ｂ）においてそれぞれ注入口幅１を２〜４ｍｍ、突出高さを０．８〜１．８ｍｍまで変更した場合について示す。図１（ａ）のような本実施例の形状でも、点着する液量に対し狭い注入口１の幅２ｍｍでは気泡を含んだ状態で流入させてしまうため注入口１の幅は２ｍｍより大きく設定する事が望ましい。ただし一度に点着する液滴の大きさから幅、突出高さとも１０ｍｍ以下に設計する事が分析デバイス１００を設計する際に占有面積上望ましい。もちろん、分析デバイス１００の大きさに応じて他の値をとることができる。本実施の形態では、分析デバイス１００の大きさは、６５ｍｍ×５４ｍｍ×１０ｍｍであり、注入口の幅は４ｍｍ、突出高さは２ｍｍ以下程度が適当である。またこのような効果が得られる凹形状であればこれに限定されるものではない。

図６に本発明の実施の形態１におけるその他の注入口形状の例についてマイクロチップの上面図の形状を示す。本実施例では突出した２箇所の注入口１において着滴した液滴を先にどちらか一方に導入するか、中央から導入しても左右の端から空気が逃げられる構造を有していれば良い。よって（ａ）〜（ｅ）に示す構造で、注入口１の幅を３ｍｍ以上、突出高さを１．２ｍｍ以上にすることで気泡が入ることなく２度付け、３度付けさせることができる。図６（ａ）は、注入口１の上面形状が凹状、（ｂ）は、Ｕ字状の場合、（ｃ）は、片側三角形状に突起する場合、（ｄ）は、片側矩形状に突起する場合、（ｅ）は、両側三角形状に突起する場合を示す。いずれの場合も生じた気泡の逃げ道を考慮した注入口１の形状である。
（実施の形態２）
図７に、マイクロチップ２００を装着した分析デバイス１００を示す。

図７（ａ）は、分析デバイス１００の上部基板９を示し、図７（ｂ）は、分析デバイス１００の下部基板１０を示す。

図７（ｂ）において、分析デバイス１００は、実施の形態１に示したマイクロチップ２００の注入口１に注入された血液などの試料液を毛細管キャビティ３を介して所定量だけ保持チャンバー４に一時的に保持する。保持チャンバー４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、当該混合液が測定チャンバー５に毛細管流路６を介して移送される。測定チャンバー５は、大気開放孔８を有する毛細管流路７と連通している。測定チャンバー５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。

試料液の測定は、測定チャンバ５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。

ここで、本発明では、毛細管キャビティ３、流路６、流路７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４、測定チャンバー５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。そして測定テャンバー５に移送された試料液を光学的に測定する。

本実施の形態では、試料液を毛細管力を利用してマイクロチップ２００の注入口１に通じる毛細管キャビティ３を介して保持テャンバー４に試料液を保持する。流路６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度未満のことをいう。

また、分析デバイス１００は、図７に示すように、上部基板９と下部基板１０との貼り合わせで構成されており、下部基板１０の上部基板９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。注入口１は、分析デバイス１００本体の一側面より突出した形状にすることにより、指先などによる点着がしやすくなり、点着時に注入口１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。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４内の試料液は、毛細管力により流路６内を通じて、測定チャンバー５の入口まで運ばれ、分析デバイス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５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５にて光学的に所定の項目が測定される。

本発明にかかるマイクロチップ２００は、試料液を採取するための毛細管キャビティ３に気泡が混入するのを防ぎ、毛細管キャビティ３を満たすまで何度でも試料液を採取することができるという効果や、試料液の分配精度を向上させることができるという効果を有し、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１００における試料液の採取方法、分配移送方法等として有用である。

本発明の実施の形態１におけるマイクロチップの注入口形状の斜視図 （ａ）本発明の実施の形態１におけるマイクロチップの上面図及び正面図（ｂ）本発明の実施の形態１におけるマイクロチップのＡ−Ａ断面図（ｃ）本発明の実施の形態１における分析デバイスの下部基板の斜視図 表面張力の接触角を説明するための図 本発明の実施の形態１におけるマイクロチップの注入口形状の差による流れパターンを示す図 本発明の実施の形態１におけるマイクロチップの寸法変更による可否を示す図 本発明の実施の形態１のおけるマイクロチップのその他の注入口形状を示す図 本発明の実施の形態１における分析デバイスの分解斜視図 従来例の電気化学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 出口
３ 毛細管キャビティ
４ 保持チャンバー
５ 測定チャンバー
６、７ 流路
８ 大気開放孔
９ 上部基板
１０ 下部基板
１００ 分析デバイス
２００ マイクロチップ
２０１ 作用極
２０２ 対極
２０３、２０４ リード
２０５ 絶縁基板
２０６ カバー
２０７ スペーサー
２０８ 吸引口
２０９ 空気逃げ孔
２１０ 試薬層
２１２ キャビティ
３１０ 壁
３１２ 第１のキャビティ
３１３ 入り口
３１４ 流路
３１５ 濾過材料
３１６ 上区画
３１７ 低区画
３１８ 芯
４０１ 連続微小導管
４０２、４０３ 上部部分
４０４ａ-ｆ 毛細管キャビティ
４０５ａ-ｅ 導管部分
４０６ａ-ｇ 頂部通気孔
４０７ａ-ｆ 連結微小導管
４０８ａ-ｆ バルブ機能
４０９ 入口ポート
４１０ 出口ポート

Claims (3)

1. 流体の液滴を毛細管作用により採取するマイクロチップにおいて、前記流体の液滴径より大きい注入幅を有し前記マイクロチップが装着される本体部より突起する突起部に凹部を有する注入口と、前記注入口に通じ採取された流体を保持する保持チャンバーに連結される毛細管キャビティと、を備え、前記注入口に連通する毛細管キャビティは、前記突起部の側部も開口して外気に接することを特徴とするマイクロチップを備える分析デバイスであって、前記マイクロチップの前記注入口に注入された前記流体を前記マイクロチップの前記毛細管キャビティを介して所定量だけ一時的に保持する前記保持チャンバーに移送し、前記保持チャンバーが必要な流体の量になるまで気泡を発生することなく複数回の点着を可能として前記保持チャンバーに蓄積し、前記保持チャンバーから蓄積した前記流体を毛細管流路を介して前記流体を光学的に測定するための測定チャンバーに移送して前記流体を測定し分析することを特徴とする分析デバイス。
2. 前記分析デバイスを回転して発生する遠心力により、前記マイクロチップの注入口より注入された流体を前記マイクロチップの出口より前記保持チャンバーに移送することを特徴とする請求項１に記載の分析デバイス。
3. 前記注入口形状は、Ｖ字状、凹形状、Ｕ字状又は三角形状のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の分析デバイス。

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