JP2006010332A - Method for forming sample solution with small capacity - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、微小容量の試料溶液を形成する方法に関する。特に本発明は、細胞のような生体物質が、制御された数、例えば、1つ含まれる微小容量の試料溶液を形成することができる方法に関する。 The present invention relates to a method of forming a microvolume sample solution. In particular, the present invention relates to a method capable of forming a microvolume sample solution containing a controlled number, eg, one, of biological material such as cells.
最近、DNAチップ、プロティンチップに続くバイオチップとして細胞チップが関心を集めている。本発明者らは直径10μmのマイクロウェルを1チップあたり数十万個、アレイ状に配置したマイクロアレイチップを用いて、そこにリンパ細胞を1個ずつ配置し、抗原刺激することで陽性の細胞を1個単位で選び出し、回収し、遺伝子解析などを行うことで、効率的、かつ特異的な抗体医薬の開発につなげる研究を行っている[民谷ら:バイオインダストリー, 20(7), 60-67(2003)](非特許文献1)。 Recently, cell chips are attracting interest as biochips following DNA chips and protein chips. The present inventors used a microarray chip in which hundreds of thousands of microwells with a diameter of 10 μm per chip were arranged in an array, and placed lymphocytes one by one and stimulated antigens to positive cells. We conduct research that leads to the development of efficient and specific antibody drugs by selecting, recovering, and analyzing genes by single unit [Tamiya et al .: Bioindustry, 20 (7), 60-67 (2003)] (Non-Patent Document 1).
また、半導体産業で利用されている微細加工技術を用いて数センチ角のチップに微小な流路を形成し、ここで、混合、反応、検出などを行い、化学分析や合成を行うことが試みられている。このようなシステムではマイクロ流路型チップが用いられ、システム自体は、μTAS(micro total analysis systems)と呼ばれている。このシステムは、例えば、血液検査などの診断に使用され、あるいは細胞の分離(セルソーター)としても用いることが研究されている[高村:バイオインダストリー, 20(12), 52-58(2003)] (非特許文献2)。
マイクロアレイチップを用いて、抗原に特異的なリンパ細胞を選択し、回収する方法は、1つの抗原特異的リンパ細胞に基づいた特異的な抗体医薬の開発には非常に有効である。しかし、対象が直径10μm程度のリンパ細胞であること、マイクロアレイチップとリンパ細胞との相互作用(特に、細胞の粘着)があること、集積度の高いチップであればあるほど、他のリンパ細胞のコンタミの問題があること、などがあり、現状では、マイクロアレイチップのハンドリングは、必ずしも容易ではない。 A method of selecting and recovering lymphocytes specific for an antigen using a microarray chip is very effective for the development of a specific antibody drug based on one antigen-specific lymphocyte. However, the target is a lymphocyte with a diameter of about 10 μm, the interaction between the microarray chip and the lymphocyte (especially cell adhesion), and the more highly integrated the chip, the more the lymphocytes of other lymphocytes. At present, handling of the microarray chip is not always easy.
さらに、マイクロアレイチップでは、細胞のアッセイのように、反応を行うことは難しく、また、細胞を出し入れすることも容易ではない。そこで、マイクロアレイチップに代えて、フロー型のチップの開発が望まれていた。 Furthermore, in a microarray chip, it is difficult to perform a reaction as in a cell assay, and it is not easy to take in and out cells. Therefore, it has been desired to develop a flow type chip in place of the microarray chip.
そこで、本発明の目的は、微小流路型チップを用いて、リンパ細胞のような微小な物質を、微小容量の試料溶液として容易に分離できる方法を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a method capable of easily separating a minute substance such as lymphocytes as a minute volume sample solution using a minute channel type chip.
上記課題を解決する本発明は以下の通りである。
[請求項1]
水に混和若しくは溶解する試料または親水性の試料(対象試料)を含有する独立の分画を連続して形成する、微小容量の試料溶液を形成する方法であって、
前記対象試料を含有する水性溶液を管状の経路1に注入し、
油類を管状の経路2に注入し、
経路1と経路2とは合流して管状の経路3を形成し、
経路1と経路2との合流部において、水性溶液と油類とは、交互に、独立の分画を形成し、経路3中に前記対象試料が含有される水性溶液の独立分画が得られる
前記方法。
[請求項2]
前記水性溶液中に含まれる対象試料の濃度及び水性溶液の独立分画の容量を制御することで、形成される独立分画中に含まれる対象試料の数を制御する請求項1に記載の方法。
[請求項3]
前記油類は、粘度が10〜150cpsの範囲である請求項1または2に記載の方法。
[請求項4]
前記油類は、ミネラルオイル、サラダ油、またはココナッツ油である請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。
[請求項5]
水性溶液の流速は、0.2〜1.5μl/minの範囲であり、
油類の流速は、0.2〜1.5μl/minの範囲である請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。
[請求項6]
経路1〜3の断面形状が矩形であり、
経路1の幅及び深さは独立に30〜500μmの範囲であり、
経路2の幅及び深さは立に30〜500μmの範囲であり、
経路3の幅及び深さは独立に30〜500μmの範囲である請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。
[請求項7]
前記合流部において、
経路1と経路2とがなす角度は60°〜120°の範囲であり、
経路1と経路3とがなす角度は120°〜150°の範囲であり、
経路2と経路3とがなす角度は90°〜150°の範囲である請求項1〜6のいずれか1項に記載の方法。
[請求項8]
水性溶液の各独立分画の容量が1.0 nl〜1.0μlの範囲であり、
油類の各独立分画の容量が1.0 nl〜1.0μlの範囲である請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法。
[請求項9]
経路1、経路2及び経路3の内壁は、PDMS、ガラス、またはPDMS及びガラスの組合せで形成されている請求項1〜8のいずれか1項に記載の方法。
[請求項10]
前記対象試料が、生体物質、有機物または無機物である請求項1〜8のいずれか1項に記載の方法。
[請求項11]
生体物質が、細胞、タンパク質、核酸、または細胞組織である請求項9に記載の方法。
The present invention for solving the above problems is as follows.
[Claim 1]
A method of forming a microvolume sample solution by continuously forming independent fractions containing a sample mixed with or dissolved in water or a hydrophilic sample (target sample),
Injecting an aqueous solution containing the target sample into the tubular path 1;
Oil is injected into the tubular channel 2;
Path 1 and path 2 join to form a tubular path 3,
In the junction of path 1 and path 2, the aqueous solution and the oil alternately form independent fractions, and the independent fraction of the aqueous solution containing the target sample in path 3 is obtained. Said method.
[Claim 2]
The method according to claim 1, wherein the number of target samples contained in the formed independent fraction is controlled by controlling the concentration of the target sample contained in the aqueous solution and the volume of the independent fraction of the aqueous solution. .
[Claim 3]
The method according to claim 1 or 2, wherein the oil has a viscosity in the range of 10 to 150 cps.
[Claim 4]
The method according to claim 1, wherein the oil is mineral oil, salad oil, or coconut oil.
[Claim 5]
The flow rate of the aqueous solution is in the range of 0.2 to 1.5 μl / min,
The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the flow rate of the oil is in the range of 0.2 to 1.5 µl / min.
[Claim 6]
The cross-sectional shape of the paths 1 to 3 is a rectangle,
The width and depth of path 1 are independently in the range of 30-500 μm,
The width and depth of the path 2 are in the range of 30 to 500 μm,
The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the width and depth of the path 3 are independently in the range of 30 to 500 µm.
[Claim 7]
In the junction,
The angle between path 1 and path 2 is in the range of 60 ° to 120 °,
The angle formed by path 1 and path 3 is in the range of 120 ° to 150 °,
The method according to any one of claims 1 to 6, wherein an angle formed by the path 2 and the path 3 is in a range of 90 ° to 150 °.
[Claim 8]
The volume of each independent fraction of aqueous solution ranges from 1.0 nl to 1.0 μl;
The method according to any one of claims 1 to 7, wherein the volume of each independent fraction of the oil is in the range of 1.0 nl to 1.0 µl.
[Claim 9]
The method according to any one of claims 1 to 8, wherein the inner walls of the path 1, the path 2, and the path 3 are formed of PDMS, glass, or a combination of PDMS and glass.
[Claim 10]
The method according to claim 1, wherein the target sample is a biological material, an organic material, or an inorganic material.
[Claim 11]
The method according to claim 9, wherein the biological material is a cell, protein, nucleic acid, or cellular tissue.
本発明によれば、移動成分を用いず、流体の流速を変化させることで、微小容量の試料溶液を簡単形成することができる。本発明の方法に用いるシステムは組み立て及び操作が容易でありコンパートメント形成現象は連続的で安定なプロセスであり、混合懸濁液から特定の単一細胞の分離、及び特定の単一細胞遺伝物質の分析に用いることができる。 According to the present invention, it is possible to easily form a microvolume sample solution by changing the flow rate of the fluid without using a moving component. The system used in the method of the present invention is easy to assemble and operate, the compartment formation phenomenon is a continuous and stable process, the separation of specific single cells from the mixed suspension, and the specific single cell genetic material. Can be used for analysis.
本発明は、水に混和若しくは溶解する試料または親水性の試料(対象試料)を含有する独立の分画を連続して形成する、微小容量の試料溶液を形成する方法である。各微小容量の試料溶液には、所定量(数)の対象試料が含まれており、水性溶液中に含まれる対象試料の濃度及び水性溶液の独立分画の容量等を制御することで、各微小容量の試料溶液に1つの対象試料が含まれるように制御することも可能である。 The present invention is a method for forming a microvolume sample solution in which independent fractions containing a sample mixed or dissolved in water or a hydrophilic sample (target sample) are successively formed. Each micro-volume sample solution contains a predetermined amount (number) of the target sample, and by controlling the concentration of the target sample contained in the aqueous solution, the volume of the independent fraction of the aqueous solution, etc. It is also possible to control so that one target sample is included in a minute volume sample solution.
本発明の方法では、図1に示すようなマイクロ流路型チップを用いて実施することができる。このマイクロ流路型チップは、それぞれ管状の経路1、経路2及び経路3を有し、この3つの経路は、合流部で合流している。合流部における各経路のなす角度は、経路1と経路2とがなす角度は、例えば、60°〜120°の範囲であり、経路1と経路3とがなす角度は、例えば、120°〜150°の範囲であり、経路2と経路3とがなす角度は、例えば、90°〜150°の範囲である。合流部における各経路のなす角度を上記範囲にすることで、経路1と経路2との合流部において、水性溶液と油類とは、交互に、独立の分画を形成し、経路3中に前記対象試料が含有される水性溶液の独立分画が得られ易くなる。 The method of the present invention can be carried out using a microchannel chip as shown in FIG. The microchannel chip has a tubular path 1, a path 2 and a path 3, respectively, and these three paths merge at the junction. The angle formed by each path in the junction is, for example, an angle formed by the path 1 and the path 2 is in a range of 60 ° to 120 °, and the angle formed by the path 1 and the path 3 is, for example, 120 ° to 150 °. The angle formed by the path 2 and the path 3 is, for example, in the range of 90 ° to 150 °. By setting the angle formed by each path in the merge part to the above range, the aqueous solution and the oil alternately form independent fractions in the merge part of the path 1 and the path 2, and in the path 3 An independent fraction of the aqueous solution containing the target sample is easily obtained.
マイクロ流路型チップは、各経路に相当する溝を1つの主表面に成形した基板とこの溝を多い各経路を形成するようにもう一方の基板を張り合わせて形成することができる。いずれの基板もPDMS(ポリジメチルシロキサン)のような樹脂やガラス等で形成することができ、両方の基板をPDMSのような樹脂またはガラスで形成することも、一方の基板をPDMSのような樹脂で形成し、他方の基板をガラス形成することもできる。従って、経路1、経路2及び経路3の内壁は、PDMSのような樹脂、ガラス、またはPDMSのような樹脂及びガラスの組合せで形成されていることができる。尚、PDMSの経路(流路)内壁は、例えば、酸素プラズマイオンェッチング等で親水性にすることができる。 The microchannel chip can be formed by bonding a substrate in which grooves corresponding to each path are formed on one main surface and the other substrate so as to form each path having many grooves. Both substrates can be made of resin such as PDMS (polydimethylsiloxane) or glass, and both substrates can be made of resin such as PDMS or glass, or one substrate can be made of resin such as PDMS. It is also possible to form the other substrate by glass. Therefore, the inner walls of the path 1, the path 2 and the path 3 can be formed of a resin such as PDMS, glass, or a combination of a resin such as PDMS and glass. The inner wall of the PDMS path (flow path) can be made hydrophilic by, for example, oxygen plasma ion etching.
経路1〜3の断面形状は、特に制限されないが、例えば、矩形や円形または半円形等であることができる。各経路の断面積は、1つの経路の中では一定していることが、経路3において安定して分画を形成し、維持するために好ましい。また、経路1〜3の断面積は、同一であることが適当であるが、同一である場合に限られない。 The cross-sectional shape of the paths 1 to 3 is not particularly limited, but may be, for example, a rectangle, a circle, or a semicircle. The cross-sectional area of each path is preferably constant in one path in order to stably form and maintain a fraction in the path 3. Moreover, although it is appropriate that the cross-sectional areas of the paths 1 to 3 are the same, it is not limited to the case where they are the same.
経路1〜3の断面形状が矩形である場合、経路1の幅及び深さは独立に、例えば、30〜500μmの範囲であり、経路2の幅及び深さは立に、例えば、30〜500μmの範囲であり、経路3の幅及び深さは独立に、例えば、30〜500μmの範囲であることができる。経路1は、好ましくは、幅及び深さが独立に30〜200μmの範囲であり、経路2は、好ましくは、幅及び深さが独立に30〜200μmの範囲であり、経路3は、好ましくは、幅及び深さが独立に30〜200μmの範囲であることができる。経路1〜3の断面形状が、矩形以外である場合は、上記矩形の断面積とほぼ同様の範囲であることが適当である。円形または半円形の場合、直径は例えば、30〜500μmの範囲であることが適当である。 When the cross-sectional shapes of the paths 1 to 3 are rectangular, the width and depth of the path 1 are independently in the range of, for example, 30 to 500 μm, and the width and depth of the path 2 are standing, for example, 30 to 500 μm. The width and depth of the path 3 can be independently in the range of 30 to 500 μm, for example. Path 1 preferably has a width and depth independently in the range of 30-200 μm, path 2 preferably has a width and depth independently in the range of 30-200 μm, and path 3 preferably The width and depth can independently be in the range of 30-200 μm. When the cross-sectional shapes of the paths 1 to 3 are other than a rectangle, it is appropriate that the cross-sectional area of the rectangle is substantially in the same range. In the case of a circular or semicircular shape, the diameter is suitably in the range of 30 to 500 μm, for example.
上記マイクロ流路型チップを用い、対象試料を含有する水性溶液を経路1に注入し、油類を経路2に注入する。対象試料を含有する水性溶液及び油類の注入は、マイクロシリンジポンプ等のポンプを用いて、流速を所定の値に制御しながら行うことが適当である。そして、経路1と経路2との合流部において、水性溶液と油類とは、交互に、独立の分画を形成し、経路3中に前記対象試料が含有される水性溶液の独立分画が得られる。 Using the microchannel chip, an aqueous solution containing the target sample is injected into the path 1 and oils are injected into the path 2. It is appropriate to inject the aqueous solution and oil containing the target sample while controlling the flow rate to a predetermined value using a pump such as a micro syringe pump. And in the confluence | merging part of the path | route 1 and the path | route 2, an aqueous solution and oil form an independent fraction by turns, and the independent fraction of the aqueous solution containing the said target sample in the path | route 3 is formed. can get.
水性溶液の各独立分画の容量は、例えば、1.0 nl〜1.0μlの範囲であり、油類の各独立分画の容量は、例えば、1.0 nl〜1.0μlの範囲である。水性溶液の各独立分画の容量及び油類の各独立分画の容量は、2種類の溶液の流速等を変化させることで、適宜制御することができる。 The volume of each independent fraction of the aqueous solution is, for example, in the range of 1.0 nl to 1.0 μl, and the volume of each independent fraction of the oil is, for example, in the range of 1.0 nl to 1.0 μl. The volume of each independent fraction of the aqueous solution and the volume of each independent fraction of the oils can be appropriately controlled by changing the flow rates of the two types of solutions.
本発明において、独立分画を形成する対象である「水に混和若しくは溶解する試料または親水性の試料」(対象試料)は、水に混和するか、若しくは溶解する試料である、または親水性の試料であれば特に制限されない。対象試料は、例えば、例えば、生体物質、有機物または無機物であることができ、さらに、生体物質は、細胞、タンパク質、核酸、細胞組織、または菌体などであることができる。本発明の方法の目的の1つが、物質または物質の集合体として、単一物(例えば、単一粒子)を、1つの独立分画に格納した、独立分画を形成することである。例えば、対象試料が、本発明によれば、細胞の場合、1つの独立分画に1つの細胞を格納した分画を連続的に形成することができる。 In the present invention, a “sample mixed with or dissolved in water or a hydrophilic sample” (target sample) that is an object for forming an independent fraction is a sample that is mixed or dissolved in water, or is hydrophilic. If it is a sample, it will not restrict | limit in particular. The target sample can be, for example, a biological material, an organic material, or an inorganic material, and further, the biological material can be a cell, a protein, a nucleic acid, a cell tissue, or a fungus body. One of the purposes of the method of the present invention is to form independent fractions in which a single entity (eg, a single particle) is stored as a single fraction, as a substance or collection of substances. For example, when the target sample is a cell according to the present invention, a fraction in which one cell is stored in one independent fraction can be continuously formed.
油類は、粘度が10〜150cpsの範囲であるものが好ましく、15〜100 cpsの範囲であることがより好ましく、この範囲の粘度を有する油類としては、例えば、ミネラルオイル、シリコンオイル、サラダ油、ココナッツ油等を挙げることができる。さらに、前記油類は、比較的粘度が低いとうい観点から、ミネラルオイル、サラダ油、ココナッツ油であることが好ましい。 Oils preferably have a viscosity in the range of 10 to 150 cps, more preferably in the range of 15 to 100 cps. Examples of oils having a viscosity in this range include mineral oil, silicone oil, and salad oil. And coconut oil. Further, the oils are preferably mineral oil, salad oil, and coconut oil from the viewpoint of relatively low viscosity.
対象試料を含有する水性溶液の流速は、例えば、0.2〜1.5μl/minの範囲とし、油類の流速は、0.2〜1.5μl/minの範囲とすることが適当である。この範囲に対象試料を含有する水性溶液及び油類の流速を制御することが、よりきれいな独立分画(コンパートメント)を形成するという観点から好ましい。 The flow rate of the aqueous solution containing the target sample is suitably in the range of 0.2 to 1.5 μl / min, for example, and the flow rate of the oils is suitably in the range of 0.2 to 1.5 μl / min. Controlling the flow rate of the aqueous solution and oil containing the target sample in this range is preferable from the viewpoint of forming a cleaner independent fraction (compartment).
対象試料を含有する水性溶液中に含まれる対象試料の濃度及び水性溶液の独立分画の容量を制御することで、形成される独立分画中に含まれる対象試料の数を制御することができる。例えば、図1に、対象試料が蛍光標識されたリンパ球であり、水性溶液の独立分画中にこのリンパ球を1つずつ格納する様子を示す。水性溶液の独立分画中に格納されるリンパ球の数は、リンパ球を含有する水性溶液中に含まれるリンパ球の濃度及び水性溶液の独立分画の容量を制御することで、適宜制御できる。 By controlling the concentration of the target sample contained in the aqueous solution containing the target sample and the volume of the independent fraction of the aqueous solution, the number of target samples contained in the formed independent fraction can be controlled. . For example, FIG. 1 shows a state in which the target sample is lymphocytes labeled with fluorescence, and the lymphocytes are stored one by one in an independent fraction of an aqueous solution. The number of lymphocytes stored in the independent fraction of the aqueous solution can be appropriately controlled by controlling the concentration of lymphocytes contained in the aqueous solution containing lymphocytes and the volume of the independent fraction of the aqueous solution. .
本発明の方法により形成された微小容量の試料溶液は、経路3の延長上で、各微小容量の独立分画について、各分画に含まれる試料についての分析等を行うことができる。例えば、図1には、1つのリンパ球(蛍光標識された)を格納した分画について、抗原を作用させ、リンパ球の抗原に対する反応性を、リンパ球から発せられる蛍光を検出することにより判定し、抗原に対する反応性を有するリンパ球を分取する方法を示す。この方法は、具体的には以下のように行うことができる。経路3の途中の流路において、独立分画になった細胞溶液に対して抗原溶液を導入し、蛍光顕微鏡下で、例えば、細胞内カルシウム濃度に依存する蛍光色素を刺激前後で検出し、蛍光強度が大きく、抗原に対する反応性を示すリンパ球を含む独立分画を分取する。 The microvolume sample solution formed by the method of the present invention can be subjected to analysis of the sample contained in each fraction with respect to the independent fraction of each microvolume on the extension of the path 3. For example, Fig. 1 shows that a fraction containing a single lymphocyte (fluorescently labeled) is subjected to an antigen, and the reactivity of the lymphocyte to the antigen is determined by detecting the fluorescence emitted from the lymphocyte. And a method for sorting lymphocytes having reactivity to an antigen. Specifically, this method can be performed as follows. In the flow path in the middle of the path 3, the antigen solution is introduced into the cell solution that has become an independent fraction, and, for example, a fluorescent dye that depends on the intracellular calcium concentration is detected before and after stimulation under a fluorescence microscope. An independent fraction containing lymphocytes with high intensity and responsiveness to the antigen is collected.
さらに、図1には、抗原特異性を判定したリンパ球について、分画毎に、その遺伝子をPCRにより増幅する方法も示している。この方法は、具体的には以下のように行うことができる。抗原特異的なリンパ球細胞を検出した後、独立分画になった細胞容液が流れる流路中に、界面活性剤およびPCR反応溶液を導入し、細胞破砕およびPCR反応を行う。なおPCRはカートリッジヒーターなどを用いて流路中の温度をコントロールして行うことができる。 Further, FIG. 1 also shows a method for amplifying the gene for each fraction of lymphocytes whose antigen specificity has been determined by PCR. Specifically, this method can be performed as follows. After detection of antigen-specific lymphocyte cells, a surfactant and a PCR reaction solution are introduced into the flow path through which the cell volume of the independent fraction flows, and cell disruption and PCR reaction are performed. PCR can be performed by controlling the temperature in the flow path using a cartridge heater or the like.
以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。
PDMSチップは、フォトリソグラフィー技術を用いて作製した(Whitesides et al., 2001)。PDMS マイクロ流路型チップ作製の第一段階は、 PDMSデバイスの鋳型の作製である。この鋳型は、直径4インチのシリコン ウエハー から4 cmの断片を切り出し、水中で10 min、次いで沸騰アセトン中で約10 min洗浄し、窒素ブロアーで乾燥した。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
PDMS chips were fabricated using photolithography technology (Whitesides et al., 2001). The first step in PDMS microchannel chip fabrication is the fabrication of a PDMS device template. This mold was cut from a 4 cm diameter silicon wafer, cut 4 cm, washed in water for 10 min, then in boiling acetone for about 10 min, and dried with a nitrogen blower.
フォトレジストであるSU-8 50 (Microchem, USA)をシリコン基板上に2 ml載せ、スピンコータにより2000 rpm、10 秒間コーティングした。95oCで20 minソフトベーキングして、フォトレジストから溶媒を除去した。流路1と流路2の間の接触角度として60、90 又は120o を有するY-字型にデザインされたフォトマスク(50μm x 50μm 又は100μm x 100μm(幅及び深さ))を用いてフォトリソグラフィーを行った。フォトリソグラフィーは、マスクアライナーを用いて約380 mJ/cm2、30 秒間紫外線を照射し、その後、現像液を用いて未重合のフォトレジストを除き、SU-8の鋳型とした。 2 ml of a photoresist, SU-8 50 (Microchem, USA), was placed on a silicon substrate and coated with a spin coater at 2000 rpm for 10 seconds. The solvent was removed from the photoresist by soft baking at 95 ° C. for 20 min. Photo using the channel 1 and the contact angle between the flow path 2 having a 60, 90 or 120 o Y- shaped in design photomask (50 [mu] m x 50 [mu] m or 100 [mu] m x 100 [mu] m (width and depth)) Lithography was performed. Photolithography was performed by irradiating with UV rays at about 380 mJ / cm 2 for 30 seconds using a mask aligner, and then removing unpolymerized photoresist using a developer to form a template for SU-8.
次に、PDMSのモノマー及び その架橋剤を体積比10:1 で充分に混合し、かつ真空下で、混合中に発生した空気の泡を除去し、混合物はSU-8鋳型に注入し、80oC で60 min.硬化させた。 PDMS チップはSU-8鋳型から剥がし、2つの注入口及び排出口をニードル形状のもので形成し、チューブを取り付け、PDMS混合物(10:1)でシールして再度120oCで10 min硬化させた。得られたPDMSマイクロ流路型チップ表面を酸素プラズマイオンェッチングで親水性にし、ガラス 基板に接着した。流路1と2との接触角度が60、90 及び120oであり、寸法(幅及び深さ)が50μm x 50 μm 及び100μm x 100 μmのY字型 マイクロ 流路を有するPDMS/ガラスチップ デバイスを、蛍光単一微粒子の分離及び単一B-細胞の分析及び選別に用いた(図1)。
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Next, the PDMS monomer and its cross-linking agent were mixed thoroughly at a volume ratio of 10: 1, and the air bubbles generated during the mixing were removed under vacuum, and the mixture was poured into a SU-8 mold, 80 o Cured at C for 60 min. The PDMS tip is peeled off from the SU-8 mold, the two inlets and outlets are formed in needle shape, the tube is attached, sealed with PDMS mixture (10: 1) and again cured at 120 ° C for 10 min. It was. The surface of the obtained PDMS microchannel chip was made hydrophilic by oxygen plasma ion etching and adhered to a glass substrate. Contact angles between channels 1 and 2 are 60, 90 and 120 o , and dimensions (width and depth) are 50 μm x 50 μm And PDMS / glass chip devices with 100 μm × 100 μm Y-shaped microchannels were used for fluorescent single particle separation and single B-cell analysis and sorting (FIG. 1).
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マイクロ流路型チップデバイスを、蛍光顕微鏡に設置した。画像作製(イメージング)は、CCDカメラによって行った。これはリアルタイムイメージングが容易であり、コンピューターで制御された。水性及び非水性ミネラルオイル溶液は、100 μl のマイクロシリンジを用いてポンプ送液された。 The microchannel chip device was placed in a fluorescence microscope. Image production (imaging) was performed with a CCD camera. This was easy for real-time imaging and was controlled by a computer. Aqueous and non-aqueous mineral oil solutions were pumped using 100 μl microsyringes.
水性(ニュートラルレッドを溶解したもの)及び非水性溶液、例えば、ミネラルオイル及び市販のサラダ油及びココナッツ油のコンパートメント形成の視覚化を、50μm x 50μm及び100μm x 100μmマイクロ流路型流路を用いて、0.2-1.5 μl/minの範囲の流速で、CCDカメラ装着蛍光立体写真顕微鏡で行った。ニュートラルレッド 0.1% (w/v) 水溶液は、蒸留水で調製し、未溶解ニュートラルレッドの粒子をフィルターで除去した。ミネラルオイルはそのまま使用した。それらを流路同志の接触角度60o デバイスの2つの異なる注入口にポンプで、種々の流速で送液して、光顕微鏡により、ニュートラルレッド水溶液及びミネラルオイルの視覚化を行った。水性相として0.1% (w/v) FITC 溶液、非水性相としてミネラルオイルを用い、0.2-2.0 μl/minの流速で、60、90または120oの角度のPDMS/ガラスマイクロ流路型デバイスで、同様の試験を行った。 Visualization of compartment formation of aqueous (dissolved neutral red) and non-aqueous solutions, such as mineral oil and commercial salad oil and coconut oil, using 50 μm × 50 μm and 100 μm × 100 μm microchannel channels The measurement was carried out with a fluorescence stereographic microscope equipped with a CCD camera at a flow rate in the range of 0.2-1.5 μl / min. A neutral red 0.1% (w / v) aqueous solution was prepared with distilled water, and undissolved neutral red particles were removed by a filter. Mineral oil was used as it was. They were pumped to two different inlets of a device with a contact angle of 60 ° between the flow channels at various flow rates, and the neutral red aqueous solution and mineral oil were visualized by light microscopy. 0.1% (w / v) FITC solution as the aqueous phase, mineral oil as the non-aqueous phase, at a flow rate of 0.2-2.0 μl / min, in a PDMS / glass microchannel device at an angle of 60, 90 or 120 o A similar test was conducted.
60oの角度のPDMS/ガラスマイクロ流路型デバイスを用いた系は図2及び5に示す。図2のAは、マイクロ流路型デバイスの全体の写真であり、Bは、を独立分画にした様子を示す。図5はココナッツ油とエオシン水溶液を用いた系であり、Aは光学顕微鏡を用いて観察した画像であり、Bは蛍光顕微鏡を用いて観察した画像である。 A system using a 60 ° angle PDMS / glass microchannel device is shown in FIGS. A in FIG. 2 is a photograph of the whole microchannel device, and B shows a state in which is independently fractionated. FIG. 5 is a system using coconut oil and eosin aqueous solution, A is an image observed using an optical microscope, and B is an image observed using a fluorescence microscope.
90oの角度のPDMS/ガラスマイクロ流路型デバイスを用いた系は図7に示す。Aは、マイクロ流路型デバイスの全体の写真であり、Bは、FITC水溶液及びミネラルオイルを独立分画にした様子を示す。 A system using a 90 ° angle PDMS / glass microchannel device is shown in FIG. A is a photograph of the entire microchannel device, and B shows a state in which an aqueous FITC solution and mineral oil are separated into independent fractions.
120oの角度のPDMS/ガラスマイクロ流路型デバイスを用いた系は図3、4、6に示す。図3はミネラルオイルとFITC水溶液を用いた系であり、Aは、マイクロ流路型デバイスの全体の写真であり、Bは、FITC水溶液及びミネラルオイルを独立分画にした様子を示す。図4はサラダ油とエオシン水溶液を用いた系であり、Aは光学顕微鏡を用いて観察した画像であり、Bは蛍光顕微鏡を用いて観察した画像である。図6はミネラルオイルを用い蛍光ビーズを分離した系である。Aは光学顕微鏡を用いて観察した画像であり、Bは蛍光顕微鏡を用いて観察した画像である。 Systems using a 120 ° angle PDMS / glass microchannel device are shown in FIGS. FIG. 3 is a system using mineral oil and FITC aqueous solution, A is a photograph of the whole micro-channel type device, and B shows a state where FITC aqueous solution and mineral oil are separated into independent fractions. FIG. 4 shows a system using salad oil and an eosin aqueous solution. A is an image observed using an optical microscope, and B is an image observed using a fluorescence microscope. FIG. 6 shows a system in which fluorescent beads are separated using mineral oil. A is an image observed using an optical microscope, and B is an image observed using a fluorescence microscope.
図2〜7の各マイクロ流路型デバイスを用いた系における実験条件を以下の表1にまとめる。 Table 1 below summarizes the experimental conditions in the system using each microchannel device of FIGS.
デバイスの出口から廃液を回収した。 液体溶液の流速は、マイクロシリンジポンプにより制御できた。また、コンパートメントの容量も流速をコントロールすることによって制御可能である。 Waste liquid was collected from the outlet of the device. The flow rate of the liquid solution could be controlled by a micro syringe pump. The compartment volume can also be controlled by controlling the flow rate.
2-相液体を用いるマイクロ流路型デバイスを、単一微粒子を各コンパートメント中に分離するために用いた。これは、単一細胞分析の一例である。用いた微粒子であるポリスチレンビーズ(直径4.5μm)の大きさは、ターゲットとするB-細胞 (6-8 μm 直径)より多少小さく選択した。蛍光標識ポリスチレンビーズ溶液(105 ビーズper ml) を蒸留水中で調製して水性相とし、ミネラルオイルを対向する相として、マイクロ流路型デバイスの注入口に、100μlマイクロシリンジを用いて、それぞれ流速0.2, 0.5 及び1.0 μl/minで供給した。単一微粒子の各水性コンパートメントへの分離が観察された。 A microchannel device using a two-phase liquid was used to separate single particulates into each compartment. This is an example of a single cell analysis. The size of the used polystyrene beads (diameter 4.5 μm) was selected to be slightly smaller than the target B-cell (6-8 μm diameter). Prepare a fluorescent-labeled polystyrene bead solution (10 5 beads per ml) in distilled water to make an aqueous phase, and use a 100 μl microsyringe at the inlet of the microchannel device as the opposite phase with mineral oil. Feeds were 0.2, 0.5 and 1.0 μl / min. A separation of single particulates into each aqueous compartment was observed.
ニュートラルレッド水溶液及びミネラルオイルを用い、60o の流路同志の接触角度でデザインされたチップを用いて行った実験を図2に示す。ニュートラルレッド水溶液及びミネラルオイルは、独立流路のウエルに入り、マイクロ流路に沿って移送され、Y字型マイクロ流路の交差点で互いに混合され、ミネラルオイル及びニュートラルレッドのコンパートメントの自発的な形成が、観察された。デバイス流路中での、ニュートラルレッド水溶液及び非水性(ミネラルオイル)相のコンパートメントを提供するナノリッター容量の安定でかつ均一な寸法の形成は、マイクロシリンジポンプからの 圧力流のみにより視覚化された(図2)。 Figure 2 shows an experiment conducted using a neutral red aqueous solution and mineral oil and a chip designed with a contact angle of 60 ° between the channels. Neutral red aqueous solution and mineral oil enter the wells of the independent channels, transport along the microchannels, mix with each other at the intersection of the Y-shaped microchannels, spontaneous formation of mineral oil and neutral red compartments Was observed. The formation of stable and uniform dimensions of nanoliter capacity providing compartments for neutral red aqueous and non-aqueous (mineral oil) phases in the device flow path was only visualized by pressure flow from the microsyringe pump (Figure 2).
ナノリッター及びサブナノリッター容量を有するコンパートメント形成は、デバイスの流路同志の接触角度や流路の形状(デザイン)等に影響された。調べた接触角度の異なる3つのデバイスのいずれにおいてもコンパートメント形成が比較的容易であった。また安定な水性溶液及びミネラルオイル溶液のコンパートメントを示し、2相のコンパートメント形成は等分配であった。 The formation of compartments with nanoliter and sub-nanoliter capacities was affected by the contact angle between the device channels and the shape (design) of the channels. Compartment formation was relatively easy in all three devices with different contact angles examined. It also showed stable aqueous and mineral oil solution compartments, and the two-phase compartment formation was equally distributed.
コンパートメント形成は、マイクロ流路型デバイスに用いられた液体の粘度に大きく依存する。ミネラルオイル(粘度20cps)に代えて、ココナッツ油(粘度31cps)及びサラダ油(カノーラ油)(粘度60cps)を用い、コンパートメント形成における液体の粘度の影響を調べた。その結果、ココナッツ油及びカノーラ油のいずれを使用した場合にも、ミネラルオイルを用いた場合と同様に、コンパートメントが形成された。 Compartment formation is highly dependent on the viscosity of the liquid used in the microchannel device. Instead of mineral oil (viscosity 20 cps), coconut oil (viscosity 31 cps) and salad oil (canola oil) (viscosity 60 cps) were used to examine the effect of the viscosity of the liquid on the compartment formation. As a result, when either coconut oil or canola oil was used, a compartment was formed as in the case of using mineral oil.
これらの結果は、非水性液体の粘度は、マイクロ 流路中の液体のコンパートメント形成において、大きな役割を果たすことを示した。コンパートメント形成には、非水性液体としては、油類中では、ミネラルオイル(粘度20cps)が最も適している。流路形状のデザイン、特に流路同志の接触角度、液体の流速、液体の表面張力、流路表面の表面特性及び液体の粘度は、マイクロ流路における非水性及び水性溶液のコンパートメント形成における主な決定要因である。水性及び非水性 (ミネラルオイル) 溶液のナノリッター容量を提供する、安定で、均一な寸法のコンパートメントは、混合細胞 懸濁液からの迅速に単一細胞分離を可能にし、特定のターゲットの単一細胞の検出を可能にする。 These results indicated that the viscosity of the non-aqueous liquid played a major role in forming the liquid compartment in the microchannel. For the formation of compartments, mineral oil (viscosity 20 cps) is most suitable as the non-aqueous liquid among oils. The design of the channel shape, particularly the contact angle between the channels, the liquid flow rate, the liquid surface tension, the surface characteristics of the channel surface and the viscosity of the liquid, are the key factors in the formation of non-aqueous and aqueous solution compartments in the microchannel. It is a determinant. A stable, uniformly sized compartment that provides nanoliter volumes of aqueous and non-aqueous (mineral oil) solutions allows for rapid single cell separation from mixed cell suspensions and allows for single target specific targets. Allows detection of cells.
各コンパートメント中の単一粒子はマイクロ流路中で早く動くことも観察された。使用したCCD カメラのスピードが不十分であるため、粒子が線状に見える。各 コンパートメント中の単一微粒子または単一細胞 の分離は、流路の形状に大きく依存した。なぜなら、50 x 50 μm2の寸法を有する流路は、100 x 100 μm2 の寸法を有するデバイスよりより適当であったからである。これは、生じる表面張力が、50 x 50 μm2流路でより高いためと思われる。各コンパートメント中での単一微粒子の分離は、水性 及び非水性液体単独のコンパートメントの形成とは多少異なる。各水性コンパートメントへの単一微粒子の分離は、低流速ミネラルオイル(0.2 μl/min)が行うことができ, 高流速では、単一粒子状態の観察は難しく、水性及び非水性のコンパートメント形成が崩壊することもあった。重要なパラメーターの特定は困難であるが、コンパートメント形成及び粒子または細胞の分離において、1つ以上のパラメーターが重大な役割を果たしているものと思われる。上記結果からは、重要なパラメーターの選択は、システムによって異なり、粒子または細胞及びときには細胞の型も考慮する必要があることもある。 It was also observed that single particles in each compartment move quickly in the microchannel. Particles appear to be linear due to insufficient speed of the CCD camera used. The separation of single particulates or single cells in each compartment was highly dependent on the channel geometry. This is because a channel having a dimension of 50 × 50 μm 2 was more suitable than a device having a dimension of 100 × 100 μm 2 . This appears to be due to the higher surface tension that occurs in the 50 × 50 μm 2 channel. The separation of single particulates in each compartment is somewhat different from the formation of compartments with aqueous and non-aqueous liquids alone. Single particulate separation into each aqueous compartment can be done with low flow mineral oil (0.2 μl / min), at high flow rates it is difficult to observe the single particle state and the formation of aqueous and non-aqueous compartments is disrupted There was also. Although identifying important parameters is difficult, one or more parameters appear to play a critical role in compartment formation and particle or cell separation. From the above results, the selection of important parameters varies from system to system and may also require consideration of particles or cells and sometimes cell types.
上記システムは組み立て及び操作が容易であり、移動成分を用いず、流体の流速を変化させることで簡単に制御できる。 コンパートメント形成現象は連続的で安定なプロセスであり、混合懸濁液から特定の単一細胞の分離、及び特定の単一細胞遺伝物質の分析に用いることができる。 The system is easy to assemble and operate, and can be easily controlled by changing the fluid flow rate without using moving components. The compartment formation phenomenon is a continuous and stable process that can be used to separate specific single cells from a mixed suspension and to analyze specific single cell genetic material.
本発明によれば、例えば、抗原特異的なリンパ球細胞のスクリーニングおよびそれらの細胞から高いアフィニティーを有するモノクローナル抗体を作製することが可能である。そのため、抗体医薬を作製する新規システム(新規デバイス)になり得ると考えられる。各コンパートメント中での種々のバイオアッセイを行うことの他に、多様なアッセイを、単一プラットフォーム中で1回の実験操作で、非水性相により相互汚染なしに行うことができる。微量液体試薬を用いた多数のアッセイフォーマットを可能にし、魅力的なμTAS(マイクロ全分析システム)となり得る。 According to the present invention, for example, it is possible to screen for antigen-specific lymphocyte cells and to produce monoclonal antibodies having high affinity from these cells. Therefore, it is considered that it can be a new system (new device) for producing an antibody drug. In addition to performing various bioassays in each compartment, a variety of assays can be performed in a single experimental operation in a single platform without cross-contamination by the non-aqueous phase. It enables numerous assay formats using trace liquid reagents and can be an attractive μTAS (micro total analysis system).
Claims (11)
前記対象試料を含有する水性溶液を管状の経路1に注入し、
油類を管状の経路2に注入し、
経路1と状経路2とは合流して管状の経路3を形成し、
経路1と経路2との合流部において、水性溶液と油類とは、交互に、独立の分画を形成し、経路3中に前記対象試料が含有される水性溶液の独立分画が得られる
前記方法。 A method of forming a microvolume sample solution by continuously forming independent fractions containing a sample mixed with or dissolved in water or a hydrophilic sample (hereinafter referred to as a target sample),
Injecting an aqueous solution containing the target sample into the tubular path 1;
Oil is injected into the tubular channel 2;
Path 1 and path 2 merge to form a tubular path 3;
In the junction of path 1 and path 2, the aqueous solution and the oil alternately form independent fractions, and the independent fraction of the aqueous solution containing the target sample in path 3 is obtained. Said method.
油類の流速は、0.2〜1.5μl/minの範囲である請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。 The flow rate of the aqueous solution is in the range of 0.2 to 1.5 μl / min,
The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the flow rate of the oil is in the range of 0.2 to 1.5 µl / min.
経路1の幅及び深さは独立に30〜500μmの範囲であり、
経路2の幅及び深さは立に30〜500μmの範囲であり、
経路3の幅及び深さは独立に30〜500μmの範囲である請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。 The cross-sectional shape of the paths 1 to 3 is a rectangle,
The width and depth of path 1 are independently in the range of 30-500 μm,
The width and depth of the path 2 are in the range of 30 to 500 μm,
The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the width and depth of the path 3 are independently in the range of 30 to 500 µm.
経路1と経路2とがなす角度は60°〜120°の範囲であり、
経路1と経路3とがなす角度は120°〜150°の範囲であり、
経路2と経路3とがなす角度は90°〜150°の範囲である請求項1〜6のいずれか1項に記載の方法。 In the junction,
The angle between path 1 and path 2 is in the range of 60 ° to 120 °,
The angle formed by path 1 and path 3 is in the range of 120 ° to 150 °,
The method according to any one of claims 1 to 6, wherein an angle formed by the path 2 and the path 3 is in a range of 90 ° to 150 °.
油類の各独立分画の容量が1.0 nl〜1.0μlの範囲である請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法。 The volume of each independent fraction of aqueous solution ranges from 1.0 nl to 1.0 μl;
8. The method according to any one of claims 1 to 7, wherein the volume of each independent fraction of oil is in the range of 1.0 nl to 1.0 [mu] l.
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