JP4431724B2 - Microchannel bead array device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、マイクロ流路中に配置したビーズを用いる分析装置、及びその作製方法に関するものである。 The present invention relates to an analyzer using beads arranged in a microchannel and a method for producing the same.
生物学的マイクロアレイ分析技術は、遺伝子多型のタイピングなどの網羅的な生物学的検査を行うための手段である。この技術では2次元固相支持体上に多数の異なる生物活性物質(プローブ)を空間的にアドレス指定が可能な形で配置したチップを用いて分析を行うが、単一チップ上に配置される生物活性プローブの数は通常、1000から100000までの数に及ぶため、空間的にアドレス指定が可能な形でプローブを配置したチップは、製造方法に関わらずに本質的に高価なものとなる。これを避ける代替的なアプローチに、蛍光性色素を取り込ませた微小球を用いて生物学的多重化アレイを生成させるという考え方がある。ここでは各微小球のアドレス指定を、各微小球からの蛍光信号を検出することで行う。微小球を二次元状に配置してマイクロアレイとして利用することにより、リソグラフィーのような高価な手法を使うことなく、高密度なアレイを作製することが可能になる。このような高密度ビーズアレイとしては、イメージングファイバーの端面をエッチングすることによって得られるマイクロウェルアレイにビーズをはめ込むことでビーズアレイを形成する手法(Science, 287, 451-452 (2000))などが提案されている。 Biological microarray analysis technology is a means for conducting comprehensive biological tests such as typing of gene polymorphisms. In this technique, analysis is performed using a chip in which a large number of different biologically active substances (probes) are arranged in a spatially addressable form on a two-dimensional solid support, but are arranged on a single chip. Since the number of bioactive probes typically ranges from 1000 to 100,000, a chip with probes arranged in a spatially addressable manner is inherently expensive regardless of the manufacturing method. An alternative approach to avoid this is the idea of generating biologically multiplexed arrays using microspheres incorporating fluorescent dyes. Here, addressing of each microsphere is performed by detecting a fluorescent signal from each microsphere. By arranging microspheres two-dimensionally and using them as a microarray, a high-density array can be manufactured without using an expensive technique such as lithography. As such a high-density bead array, there is a method (Science, 287, 451-452 (2000)) that forms a bead array by inserting beads into a microwell array obtained by etching the end face of an imaging fiber. Proposed.
一般的に、生物学的マイクロアレイ分析技術などの基板表面に固定された生物活性プローブが溶液中の分析対象物質を捕捉する現象を検出する分析装置において、短時間に分析処理を行うことは難しい。この分析時間を短縮する方法として、微小空間において化学反応などを行う技術が発展しつつある。微小空間においては、溶液内に存在する分析対象物質が拡散によって生物活性プローブが固定された表面に到達するために要する時間が圧倒的に短くなる。微小空間中にビーズを配置したものとしては、キャピラリー中にビーズを配置する手法(特開2000-346842号公報)、シリコンの異方性エッチングにより作製したマイクロウェル(貫通孔)アレイにビーズを配置したもの(Analytical Chemistry, 75, 4732-4739 (2003))が提案されている。
現在利用されているバイオアレイ分析用チップは、高価である点、及び分析に時間がかかる点に問題があり、より安価で分析時間の短縮を実現する新たなデバイスに対するニーズが存在する。 Currently used bioarray analysis chips are problematic in that they are expensive and time consuming to analyze, and there is a need for new devices that are less expensive and can reduce analysis time.
マイクロビーズアレイは分析用チップのコストダウンの点から注目される技術であるが、基板表面に作製されたマイクロビーズアレイを利用する場合、分析時間に関しては従来のバイオアレイ分析チップと同様に時間がかかる点が問題である。キャピラリーなどのマイクロ流路にマイクロビーズを充填する方法では、ビーズ同士が互いに接触した状態で固定される。ビーズの集合体の蛍光顕微鏡画像に基づいて各スポットからの信号を解析する場合、マイクロビーズ同士が互いに接触している状態では、各スポットからの信号を分離することが困難であり、分析結果の信頼性を低下させる問題がある。また、ビーズが規則的に配列していない場合には、同一スキームによる反復的な分析作業ができなくなり、分析作業の効率が低下する問題がある。シリコンの異方性エッチングにより作製したマイク
ロウェル(貫通孔)アレイにビーズを配置したものでは、ビーズ同士が互いに非接触の状態で固定されるが、そのサイズはマイクロウェル底面の開口部の大きさにより限定されるため、高密度化は困難である。実際、直径80マイクロメートル以上のビーズのみが使用されている。マイクロウェルを有する基板は、極めて薄い上に多くの貫通孔があいた構造であり強度に問題がある。この基板がマイクロギャップ中に保持される必要があるため、特に、多数のビーズを固定するために基板面積が大きくなった場合、基板が容易に損傷することが予想される。また、マイクロウェルを有する基板だけではなく、マイクロギャップを有する基板2枚を別途形成する必要があり、作成工程が複雑である。
Microbead array is a technology that attracts attention from the viewpoint of cost reduction of analysis chips, but when using microbead arrays fabricated on the substrate surface, analysis time is the same as for conventional bioarray analysis chips. This is a problem. In the method of filling microbeads in microchannels such as capillaries, the beads are fixed in contact with each other. When analyzing signals from each spot based on the fluorescence microscope image of the aggregate of beads, it is difficult to separate the signals from each spot when the microbeads are in contact with each other. There is a problem of lowering reliability. In addition, when the beads are not regularly arranged, it is impossible to perform repetitive analysis work by the same scheme, and there is a problem that efficiency of the analysis work is lowered. In the case where beads are arranged in a microwell (through-hole) array produced by anisotropic etching of silicon, the beads are fixed in a non-contact state, but the size is the size of the opening on the bottom of the microwell. Therefore, it is difficult to increase the density. In fact, only beads with a diameter of 80 micrometers or more are used. A substrate having a microwell has a structure in which a large number of through holes are formed on an extremely thin substrate, and there is a problem in strength. Since this substrate needs to be held in the microgap, it is expected that the substrate will be easily damaged, especially when the substrate area is increased to secure a large number of beads. In addition, it is necessary to separately form not only a substrate having a microwell but also two substrates having a microgap, and the production process is complicated.
また、ビーズをマイクロ流路中で利用する場合、ビーズを配置することで圧力損失が増大し、送液時の液体の内圧が高くなる。その結果、「漏れ」が起こりやすくなるため、マイクロ流路形成に広く利用されるポリジメチルシロキサン(PDMS)の接着性を利用した基板間接合は使用できない。一方、熱的手法による強固な接合方法は、熱に弱い生体活性プローブを破壊するため使用できない。非可逆な基板間接合、あるいは、ビーズの固定を行った場合には、作製したチップが使い捨てになってしまうため、分析コストがかかる。また、チップ上の生物活性プローブのセットを簡単には変更できない問題点も生じる。 Moreover, when using beads in the microchannel, the pressure loss increases by arranging the beads, and the internal pressure of the liquid during liquid feeding increases. As a result, since “leakage” is likely to occur, inter-substrate bonding using the adhesiveness of polydimethylsiloxane (PDMS) widely used for forming microchannels cannot be used. On the other hand, a strong joining method using a thermal technique cannot be used because it destroys a bioactive probe that is weak against heat. When irreversible substrate-to-substrate bonding or bead fixation is performed, the produced chip becomes disposable, which requires analysis costs. There is also a problem that the set of bioactive probes on the chip cannot be easily changed.
本発明は、これらの問題を解決できるマイクロ流路ビーズアレイデバイス及びその作製方法を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the microchannel bead array device which can solve these problems, and its manufacturing method.
基板表面に作製したアレイを利用する場合、溶液中に存在する分析対象物質が基板表面まで拡散現象によって移動して来なければならないため、分析時間がかかる。これを解決するためには、アレイに利用するマイクロビーズをマイクロ流路中に配置することで拡散現象による移動距離を短くすることが有効である。マイクロビーズを配置するマイクロ流路として、ビーズ固定部位をビーズの移動を妨げる微小溝で結合した2次元微細構造パターンを利用することで、マイクロビーズを相互に非接触の状態でビーズを規則的に2次元配列することが可能になる。本発明においてビーズとは微小球に限らない。直径が1〜100マイクロメートルの微小球に相当する大きさであり、ビーズ固定部位に1個づつ配置が可能な物体であれば、多面体状のもの、棒状のもの、または、粉砕により作製される、個々の粒子が不規則な形状を有するものを含む。 When using an array produced on the substrate surface, it takes time to analyze because the substance to be analyzed present in the solution must move to the substrate surface by a diffusion phenomenon. In order to solve this, it is effective to shorten the movement distance due to the diffusion phenomenon by arranging the microbeads used for the array in the microchannel. By using a two-dimensional microstructure pattern in which microbeads are placed in a microchannel that connects bead fixing sites with microgrooves that prevent movement of beads as beads, microbeads are regularly placed in a non-contact state. It becomes possible to arrange in two dimensions. In the present invention, beads are not limited to microspheres. If the object has a size corresponding to a microsphere having a diameter of 1 to 100 micrometers and can be arranged one by one at the bead fixing site, it is produced by polyhedron, rod, or grinding. , Including those in which individual particles have an irregular shape.
微細構造を作製した硬質基板とゴム弾性基板の張り合わせにより、マイクロ流路を形成する。このときに、ゴム弾性基板を硬質基板に押しつける加重を適正に制御することで漏れの起こらないマイクロ流体デバイスを形成する。上記の張り合わせは可逆な基板間接合であるので、容易に分解し、再構成することができる。その際にチップ上のビーズを入れ替えることで、チップ上の生物活性プローブのセットを変更することができる。 A microchannel is formed by bonding a hard substrate with a fine structure and a rubber elastic substrate. At this time, a microfluidic device that does not leak is formed by appropriately controlling the load with which the rubber elastic substrate is pressed against the hard substrate. Since the above bonding is a reversible inter-substrate bonding, it can be easily disassembled and reconfigured. At that time, the set of bioactive probes on the chip can be changed by replacing the beads on the chip.
すなわち、本発明によるマイクロ流路ビーズアレイデバイスは、各々単一のビーズを収容する2次元的に規則的に配列された複数のビーズ固定部位と、ビーズ固定部位同士を結合する微細溝とを有する微細構造パターンが表面に形成された硬質基板と、弾性基板と、硬質基板の微細構造パターンが形成された表面に弾性基板を接触させ加圧するための手段とを備えることを特徴とする。硬質基板としては、石英ガラス、一般ガラス、フッ化カルシウム、シリコンカーバイド、アクリル、PMMA、サファイヤ、アルミナ、水晶、ダイヤモンド等の透明材料、または、各種プラスチック類、シリコンなどの半導体、セラミックス、アルミニウム、ステンレスなどの金属を含む不透明な硬質材料を用いることができる。弾性基板としては、ポリジメチルシロキサン(PDMS)をはじめとするシリコーン樹脂、天然ゴム、ニトリルゴム、フッ素ゴムなどのゴム材料を用いることができる。これらの基板は貼り合わせて使用するため平滑な表面を有する必要があり、顕微鏡による蛍光観察を行うために、硬質基板と弾性基板のうちのすくなくとも一方は透明な基板である必要が
ある。硬質基板と弾性基板は接着することなく張り合わされている。
That is, the microchannel bead array device according to the present invention has a plurality of two-dimensionally regularly arranged bead fixing portions each accommodating a single bead, and a fine groove for connecting the bead fixing portions to each other. A hard substrate having a fine structure pattern formed thereon, an elastic substrate, and means for bringing the elastic substrate into contact with and pressurizing the surface of the hard substrate having the fine structure pattern formed thereon. Hard substrates include quartz glass, general glass, calcium fluoride, silicon carbide, acrylic, PMMA, sapphire, alumina, crystal, diamond, and other transparent materials, various plastics, silicon and other semiconductors, ceramics, aluminum, and stainless steel An opaque hard material including a metal such as can be used. As the elastic substrate, a rubber material such as silicone resin including polydimethylsiloxane (PDMS), natural rubber, nitrile rubber, and fluorine rubber can be used. These substrates need to have a smooth surface in order to be used together, and at least one of a hard substrate and an elastic substrate needs to be a transparent substrate in order to perform fluorescence observation with a microscope. The hard substrate and the elastic substrate are bonded together without bonding.
一例として、複数のビーズ固定部位には、表面に生物活性プローブ分子を結合した複数のビーズが相互に非接触の状態で収容されている。ビーズは直径が1〜100マイクロメートルであるのが好ましい。より好ましくは、直径66マイクロメートル以下のビーズを使用することによって1ミリメートル角あたり100個以上のビーズを配置する。複数のビーズ固定部位は内部に2個以上のビーズが入ることのできない内容積を有し、微細溝はビーズの直径より小さい幅を有する。弾性基板は、ポリジメチルシロキサンなどのシリコーン樹脂とすることができる。また、硬質基板の表面に、弾性基板を前記硬質基板に押しつける加重を検知するための傾斜構造部位を設けることができる。 As an example, in a plurality of bead fixing sites, a plurality of beads having biologically active probe molecules bound to the surface are accommodated in a non-contact state. The beads are preferably 1-100 micrometers in diameter. More preferably, 100 beads or more per millimeter square are arranged by using beads having a diameter of 66 micrometers or less. The plurality of bead fixing portions have an internal volume in which two or more beads cannot enter, and the fine groove has a width smaller than the bead diameter. The elastic substrate can be a silicone resin such as polydimethylsiloxane. Moreover, the inclined structure site | part for detecting the load which presses an elastic board | substrate to the said hard board | substrate can be provided in the surface of a hard board | substrate.
硬質基板は、微細構造パターンの試料溶液導入端に接続される貫通孔と、微細構造パターンの試料溶液排出端に接続される貫通孔とを有し、試料溶液は硬質基板の微細構造パターンが形成された面と反対側の面から貫通孔を介して微細構造パターンに導入され、微細構造パターンを流通した試料溶液は貫通孔を介して硬質基板の微細構造パターンが形成された面と反対側の面から排出される。このような構造とすることで、弾性基板と硬質基板の張り合わせの圧力と、流体の流出入するためのチューブ接続時に必要な圧力とを独立して制御可能となる。 The hard substrate has a through hole connected to the sample solution introduction end of the fine structure pattern and a through hole connected to the sample solution discharge end of the fine structure pattern. The sample solution forms the fine structure pattern of the hard substrate. The sample solution introduced from the surface opposite to the formed surface into the fine structure pattern through the through hole, and the sample solution flowing through the fine structure pattern is on the opposite side of the surface on which the fine structure pattern of the hard substrate is formed through the through hole. Discharged from the surface. By adopting such a structure, it is possible to independently control the pressure for laminating the elastic substrate and the hard substrate and the pressure required when connecting the tube for flowing in and out of the fluid.
微細構造パターンの一例として、複数のビーズ固定部位が2次元格子状に配置され、2次元格子の各列のビーズ固定部位は前記微細溝によって連通しているパターンがある。微細構造パターンの他の例としては、複数のビーズ固定部位と微細溝によって網状の流路が形成され、流路の合流点にビーズ固定部位が設定され、合流点と合流点を結ぶ流路部分が微細溝となっているパターンがある。 As an example of the fine structure pattern, there is a pattern in which a plurality of bead fixing portions are arranged in a two-dimensional lattice, and the bead fixing portions in each column of the two-dimensional lattice are communicated by the fine grooves. As another example of the fine structure pattern, a reticulated flow path is formed by a plurality of bead fixing portions and fine grooves, a bead fixing portion is set at the confluence of the flow passages, and the flow passage portion connecting the confluence and the confluence There is a pattern in which is a fine groove.
本発明によるマイクロ流路ビーズアレイデバイスの作製方法は、硬質基板上に2次元状に規則的に配列されたビーズ固定部位とそれを結合する微細溝から成る微細構造パターンを形成する工程と、微細構造パターン中のビーズ固定部位にビーズを配置する工程と、硬質基板の微細構造パターン形成面に弾性基板を加圧して張り合わせることでビーズが内部に固定されたマイクロ流路を形成する工程とを含む。硬質基板上の溝構造に設けた傾斜構造部位への弾性基板の侵入程度を観察し、弾性基板を硬質基板に押しつける加重を制御する工程を有していてもよい。 A method of manufacturing a microchannel bead array device according to the present invention includes a step of forming a microstructural pattern composed of bead fixing portions regularly arranged two-dimensionally on a hard substrate and microgrooves that connect the bead fixing portions, A step of placing beads at the bead fixing site in the structure pattern and a step of forming a micro flow path in which the beads are fixed by pressurizing and bonding the elastic substrate to the fine structure pattern forming surface of the hard substrate. Including. A step of observing the degree of penetration of the elastic substrate into the inclined structure portion provided in the groove structure on the hard substrate and controlling the load for pressing the elastic substrate against the hard substrate may be included.
マイクロ流路中に配置したビーズによる(2次元)アレイ構造は、核酸(DNA)をはじめとする生体分子の網羅的検出手法である生物学的マイクロアレイ分析に利用される。また、本デバイスの作製手法は、試料の量を非常に少なくして多くの反応、分離、分析等を行うのに用いるマイクロリアクター、ケミカルチップ、パイオチップ、Lab-on-a-chip、ナノチップ等のマイクロビーズデバイスの製造方法として利用される。 The (two-dimensional) array structure using beads arranged in a microchannel is used for biological microarray analysis, which is a comprehensive detection method for biomolecules including nucleic acids (DNA). In addition, this device is manufactured using a microreactor, chemical chip, piochip, Lab-on-a-chip, nanochip, etc. that are used to perform many reactions, separations, analyzes, etc. with a very small amount of sample. It is used as a method for manufacturing a microbead device.
本発明によると、安価で分析時間が短く、かつ分析精度の高いデバイスを提供することができる。 According to the present invention, an inexpensive device with a short analysis time and a high analysis accuracy can be provided.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
本発明のマイクロ流路ビーズアレイデバイスは、次の4段階の工程を経て作製した。(1)硬質基板上へのマイクロ流路の作製(ビーズ固定用微細構造パターン、送液用幅広流路、及び、貫通孔の作製を含む)、(2)マイクロ流路中のビーズ固定部位へのビーズの充填、(3)硬質基板とゴム弾性基板の加重を制御した状態での張り合わせ、(4)試料溶液の導入及び排出のための送液用チューブの接合。以下、上記4段階の工程について説明する。
(1) 硬質基板上へのマイクロ流路の作製(ビーズ固定用微細構造パターン、送液用幅広流路、及び、貫通孔の作製を含む)
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
The microchannel bead array device of the present invention was manufactured through the following four steps. (1) Fabrication of micro-channel on hard substrate (including micro-pattern for immobilizing beads, wide channel for liquid feeding, and fabrication of through-hole), (2) To bead-fixed site in micro-channel (3) Bonding in a state in which the load of the hard substrate and the rubber elastic substrate is controlled, and (4) bonding of a liquid feeding tube for introducing and discharging the sample solution. Hereinafter, the above four-step process will be described.
(1) Fabrication of micro-channels on a hard substrate (including fabrication of bead-fixed microstructure pattern, liquid-feeding wide channel, and through-hole)
硬質基板としては、化学的安定性及び透明性に優れた石英基板を使用した。石英基板は一辺2センチメートルの正方形、厚さ2ミリメートルのものを用いた。石英基板表面へのビーズ固定用微細構造パターンの作成は、レーザー誘起背面湿式加工法(LIBWE法)(特許3012926号及びJ. Wang, H. Niino, A. Yabe, Appl. Phys. A, 68, (1999), pp 111-113.参照)によって行った。本加工法により、マスクを通してパターン化したレーザー光を1/8倍の縮小露光することで、石英基板の中央部の1ミリメートル角の領域に微細構造パターンを一括形成した。 As the hard substrate, a quartz substrate having excellent chemical stability and transparency was used. A quartz substrate having a square with a side of 2 cm and a thickness of 2 mm was used. Microstructure pattern for immobilizing beads on the quartz substrate surface is prepared by laser induced back surface wet processing (LIBWE method) (Patent No. 3012926 and J. Wang, H. Niino, A. Yabe, Appl. Phys. A, 68, (1999), pp 111-113. With this processing method, a fine structure pattern was formed in a lmm square area at the center of the quartz substrate by reducing the exposure of the laser beam patterned through the mask to 1/8 times.
図1は、ビーズ固定用微細構造パターンの例を示す平面図である。図1(a)から図1(c)は、ビーズ固定部位を直線的に連結した構造が平行に設置されている構造例を示し、図1(d)は、ビーズ固定部位が2次元的に連結された平面状の構造例を示している。作製したビーズ固定用微細構造パターンは、2次元的に規則的に配置されたビーズ固定部位1を断面積が小さくビーズが移動できない微小溝2で結合した構造を有する。図1(a)に示した微細構造パターンは、格子状に配列された複数のビーズ固定部位1の各列を、それぞれ試料溶液の流路となる直線状の微小溝2によって連結したものである。図1(b)に示した微細構造パターンは、格子状に配列された複数のビーズ固定部位1の各列を、ビーズ固定部位を含む流路がジグザグ形状となるように微小溝2によって連結したものである。図1(c)に示した微細構造パターンは、試料溶液の流路となる直線状の微小溝2を複数本平行に設け、各微小溝2に対して平面形状が台形のビーズ固定部位1を複数配置したものである。図1(d)に示した微細構造パターンは、網状に流路を形成し、流路の合流点をビーズ固定部位1とし、合流点と合流点を結ぶ流路を断面積が小さくビーズが移動できない微小溝2としたものである。
FIG. 1 is a plan view showing an example of a fine structure pattern for fixing beads. 1 (a) to 1 (c) show an example of a structure in which bead fixing parts are linearly connected in parallel, and FIG. 1 (d) shows the bead fixing part two-dimensionally. The example of the planar structure connected is shown. The produced bead-fixing fine structure pattern has a structure in which the bead-fixing
これらの微細構造パターンの形状は、加工時に使用するマスクを交換することで自由に選択することが可能である。図示したビーズ固定用微細構造パターンの左右の端の部分は、複数のビーズ固定用微細構造パターンを並べて作製するときの結合部位、あるいは、送液用の幅の広い流路への結合部位として使用する。 The shape of these fine structure patterns can be freely selected by exchanging masks used during processing. The left and right ends of the bead-fixing fine structure pattern shown in the figure are used as a binding site when a plurality of bead-fixing micro-patterns are arranged side by side or as a binding site to a wide flow channel for liquid feeding To do.
ビーズのサイズが小さくなると、その移動を妨げる微小溝2の幅が著しく小さくなり、その結果、溶液の流通が著しく困難になるため、ビーズは直径が1マイクロメートル以上のものを利用するのが好ましい。また、スポッティングによるDNAアレイよりも高密度のアレイを作製するという観点から、ビーズの直径は100マイクロメートル以下であることが好ましい。このサイズのビーズを、それぞれのビーズからの信号を容易に分離できるよう、直径の1.5倍以上の間隔で配置することが好ましい。これらの条件のもとでは、1ミリメートル角あたりの最大ビーズ配置密度は、直径1マイクロメートルの場合には443556個、直径100マイクロメートルの場合には36個である。また、1ミリメートル角あたり100個以上のビーズを配置するにはビーズの直径が66マイクロメートル以下であることが必要である。
When the bead size is reduced, the width of the
実施例として作製した構造は、直径10マイクロメートルのビーズを配置するためのものであり、例えば、図1(a),(b)の構造において、ビーズ固定部位1は一辺15マイクロメートルの正方形で深さが15マイクロメートルであり、この固定部位を幅が5マイクロメートルの微小溝2が結合している。
The structure produced as an example is for arranging beads having a diameter of 10 micrometers. For example, in the structure shown in FIGS. 1A and 1B, the
図2に、図1に示した各微細構造パターンにビーズを配置した様子を示した。石英基板21の表面に形成した微細構造のビーズ固定部位1にビーズ3を配置した後に、PDMS板25と張り合わせることにより流路が形成される。図2(a),(b),(c)は、図
1(a)に対応する。図2(b)及び図2(c)は、石英基板21にPDMS板25を張り付けた後の、ビーズ固定部位の断面図及び微小溝の断面図である。図2(b)は図2(a)のAA′断面に相当し、図2(c)は図2(a)のBB′断面に相当する。また、図2(d),(e),(f)は、それぞれ図1(b),(c),(d)に対応する。
FIG. 2 shows a state in which beads are arranged in each fine structure pattern shown in FIG. A flow path is formed by placing the
実際作製した図2(a)のパターンでは、1ミリメートル角の領域に30個のビーズを配置できる流路が32本並んでおり、1mm2あたり960個のビーズが配置できる。図2(a)のパターンでは試料溶液が主としてビーズの片側の側面を流通するのに対し、図2(d)のパターンでは、試料溶液がビーズの両側面を流通する。図2(e)のパターンでは、ビーズを固定する部分の壁を斜めにすることで、試料溶液がビーズの側面(図で下側に描かれている側面)に回り込みやすい構造になっている。このパターンでは、1列当たりのビーズが50個であり、1mm2あたり1600個のビーズを配置できる。図2(f)のパターンでは、各ビーズ固定部位が幅6.2マイクロメートルの4本の微細溝で2次元的に網状に結合されており、流路全体としての断面積が大きく溶液の流通が容易になる。1mm2あたり2709個のビーズが配置できる。 In the actually produced pattern of FIG. 2 (a), 32 flow paths capable of arranging 30 beads are arranged in a 1 mm square area, and 960 beads can be arranged per 1 mm 2 . In the pattern of FIG. 2 (a), the sample solution mainly circulates on one side surface of the bead, whereas in the pattern of FIG. 2 (d), the sample solution circulates on both side surfaces of the bead. In the pattern of FIG. 2E, the wall of the portion where the beads are fixed is slanted, so that the sample solution can easily go around the side surface of the bead (the side surface drawn in the lower side in the figure). In this pattern, there are 50 beads per row, and 1600 beads can be arranged per 1 mm 2 . In the pattern of FIG. 2 (f), each bead fixing site is two-dimensionally connected by four fine grooves with a width of 6.2 micrometers, and the cross-sectional area of the entire flow path is large, so that the solution flows. Becomes easier. 2709 beads can be arranged per 1 mm 2 .
レーザー誘起背面湿式加工法(LIBWE法)においては、1ミリメートル角の領域にこのような微細構造パターンを一括加工により造り込むことができる。必要に応じて1ミリメートル角の微細構造パターンを並べることで、固定できるビーズの数を増やすことが可能である。後述する図3の例では、1ミリメートル角のビーズ固定用微細構造パターンを2x2=4個配置した。なお、ここではビーズ固定用微細構造パターンの作製をレーザー誘起背面湿式加工法(LIBWE法)によって実施したが、反応性イオンエッチング等の他の微細加工法を用いてもよい。また、作製された微細構造を鋳型とする熱エンボス法などにより作製することも可能である。 In the laser induced back surface wet processing method (LIBWE method), such a fine structure pattern can be formed in a 1 mm square region by batch processing. It is possible to increase the number of beads that can be fixed by arranging 1 mm square fine structure patterns as necessary. In the example of FIG. 3 to be described later, 2 × 2 = 4 1 mm square bead fixing fine structure patterns are arranged. Here, the fabrication of the fine structure pattern for fixing beads is carried out by a laser induced back surface wet processing method (LIBWE method), but other fine processing methods such as reactive ion etching may be used. Moreover, it is also possible to produce by a hot embossing method using the produced fine structure as a mold.
図3は、ビーズ固定用微細構造パターンを形成した石英基板の全体図である。図3(a)は基板表面の平面図、図3(b)は図3(a)のAA′断面図、図3(c)は図3(a)のBB′断面図である。 FIG. 3 is an overall view of a quartz substrate on which a fine structure pattern for fixing beads is formed. 3A is a plan view of the substrate surface, FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line AA ′ in FIG. 3A, and FIG. 3C is a cross-sectional view taken along line BB ′ in FIG.
図示するように、石英基板の中央部には、LIBWE法で作製された1ミリメートル角のビーズ固定用微細構造パターン15が4個配置されている。ビーズ固定用微細構造パターン15の両端には、外部との接続を容易にするために幅の広い流路12,13を形成した。流路12,13は、レーザー誘起背面湿式加工法(LIBWE法)による加工と超音波加工機による加工を併用して形成した。ビーズ固定用微細構造パターン15は、幅1ミリメートル、深さ40マイクロメートルのLIBWE法によって作製した幅広流路13に結合した。この流路13は1ミリメートル角の加工領域を、レーザーを照射しながら移動させることで形成しており、幅広流路13の末端には傾斜構造部位14が存在する。この傾斜構造部位14は、ゴム弾性基板を石英基板に張り合わせるときの適正な加重の検出に利用できる。流路13は、超音波加工機で作製した幅1ミリメートル、深さ200マイクロメートルの流路12を通じて直径1ミリメートルの貫通孔11につながっている。流路12,13は、貫通孔11から導入された試料溶液をビーズ配列部位15に導くものであり、幅および深さは10マイクロメートル〜1ミリメートルの範囲で自由に選ぶことができ、他の加工法を利用することも可能である。また、必要に応じて溶液の導入口を2個以上に増やしてもよい。
As shown in the figure, four 1 mm-square bead fixing
(2) ビーズの充填
表面にカルボキシル基を有するサイズの均一なビーズは、バングズラボラトリーズ社、ポリサイエンス社などから購入可能である。蛍光標識ビーズは水に不溶性の蛍光色素によって調製される。例えば、Eu錯体のテトラヒドロフラン溶液の濃度が0.001Mから1Mまでのもののそれぞれに、ビーズを懸濁して、2時間程度、撹拌することで色素をビ
ーズに含浸する。この方法は、Analytical Chemistry, 22, 5618-5624 (2000)に開示されている。2またはそれ以上の色素を異なる濃度比率で含浸させることで、多数のビーズの識別が可能になる。この方法については、特表平10-500951号公報及び特表2002-524739号公報に述べられている。また、色素分子の代わりに蛍光性半導体ナノ粒子(Nature Biotechnology, 19, 631-635 (2001))を用いることも可能である。
(2) Filling of beads Uniform beads having a carboxyl group on the surface can be purchased from Bangs Laboratories, Polysciences, etc. Fluorescently labeled beads are prepared with a fluorescent dye that is insoluble in water. For example, the beads are suspended in each of the Eu complex having a tetrahydrofuran solution concentration of 0.001 M to 1 M, and the dye is impregnated into the beads by stirring for about 2 hours. This method is disclosed in Analytical Chemistry, 22, 5618-5624 (2000). By impregnating two or more dyes at different concentration ratios, a large number of beads can be identified. This method is described in Japanese Patent Publication No. 10-500951 and Japanese Patent Publication No. 2002-524739. Also, fluorescent semiconductor nanoparticles (Nature Biotechnology, 19, 631-635 (2001)) can be used instead of the dye molecules.
蛍光標識を行った後、ビーズに、以下に記述する方法でオリゴヌクレオチドなどの生物活性プローブの表面固定化反応を行った。この工程は、本技術分野において公知の手順(バングズラボラトリーズ社TechNOTE #205及びバングズラボラトリーズ社TechNOTE #302)に基づき実施可能である。 After fluorescent labeling, surface immobilization reaction of biologically active probes such as oligonucleotides was performed on the beads by the method described below. This step can be performed based on procedures known in the art (Bangs Laboratories TechNOTE # 205 and Bangs Laboratories TechNOTE # 302).
ビーズをpH7.0、濃度100mMのイミダゾールバッファーで2回洗浄した。1ミリグラムのビーズに対して、20マイクログラムの5’末端をアミノ基で修飾したオリゴヌクレオチドを加えて、50℃で3時間、撹拌しつつインキュベートした。反応後、集めたビーズを0.5%のSDSを含有するSSCバッファーで室温において3回、RNA分解酵素を含有しない水で2回洗浄した。以上の手順により得られたビーズを、0.2%のNaN3を含有するPBSバッファーに再懸濁して4℃で保存した。また、ビーズ表面にあらかじめアビジンあるいはストレプトアビジンを固定しておき、5’末端をビオチン基で修飾したオリゴヌクレオチドをアビジン−ビオチン法により固定することもできる。 The beads were washed twice with imidazole buffer having a pH of 7.0 and a concentration of 100 mM. To 1 milligram of beads, 20 micrograms of an oligonucleotide whose 5 ′ end was modified with an amino group was added and incubated at 50 ° C. for 3 hours with stirring. After the reaction, the collected beads were washed three times with SSC buffer containing 0.5% SDS at room temperature and twice with water containing no RNase. The beads obtained by the above procedure were resuspended in PBS buffer containing 0.2% NaN 3 and stored at 4 ° C. Alternatively, avidin or streptavidin may be immobilized in advance on the bead surface, and an oligonucleotide whose 5 ′ end is modified with a biotin group may be immobilized by the avidin-biotin method.
石英基板のビーズ固定用微細構造パターン15上に直径10マイクロメートルのビーズを含有した水溶液を滴下した後、カバーグラスで溶液を覆い、カバーガラスを軽く押しつけた状態で前後左右に動かすことにより、液体中のビーズをビーズ固定用微細構造パターン内部のビーズ固定部位に配置した。ビーズの配置は、粉末状のビーズを微細構造パターン上に降りかけ、布などでこすることでビーズ固定部位に配置することも可能である。J.
A. Ferguson, J. Steemers, D. R. Walt, Analytical Chemistry, 72, (2000) pp 5618-5624.には、ビーズの水溶液を滴下し、溶媒の蒸発を待った後で、静電気防止処理のされた綿棒で余分なビーズをふき取る方法が開示されている。
After dropping an aqueous solution containing beads having a diameter of 10 micrometers onto the
In A. Ferguson, J. Steemers, DR Walt, Analytical Chemistry, 72, (2000) pp 5618-5624., An aqueous solution of beads is added dropwise, the solvent is allowed to evaporate, and then an antistatic swab is used. A method of wiping off excess beads is disclosed.
表面など固定部位以外の部分に残ったビーズは、リークの原因になるので、弾性基板を貼り付ける前に完全に取り除く必要がある。ビーズの除去には、接着性を有するポリジメチルシロキサン(PDMS)(ダウコーニング社製、シルポッド184)の平板を用いた。石英ガラス基板より大きなPDMS板の表面をエタノールによって洗浄した後、ビーズを配置した微細構造パターンのある面全体に押しつけた。5秒程度、押しつけた後にPDMS板をはがすと、石英ガラス基板の表面に残留していたビーズはすべてPDMS板表面に貼り付いた形で除かれた。ビーズ固定部位に配置されたビーズはこの処理によって除去されない。PDMS板表面に写し取られたビーズはエタノールによる洗浄で取り除かれる。 Since beads remaining on the surface other than the fixed part such as the surface cause leakage, it is necessary to completely remove the beads before attaching the elastic substrate. For removal of the beads, a flat plate of polydimethylsiloxane (PDMS) having an adhesive property (manufactured by Dow Corning, Sylpod 184) was used. After the surface of the PDMS plate larger than the quartz glass substrate was washed with ethanol, it was pressed against the entire surface having the fine structure pattern on which the beads were arranged. When the PDMS plate was peeled off after pressing for about 5 seconds, all the beads remaining on the surface of the quartz glass substrate were removed in a form adhered to the surface of the PDMS plate. Beads placed at the bead fixing site are not removed by this treatment. The beads copied on the surface of the PDMS plate are removed by washing with ethanol.
(3) ゴム弾性基板との加重を制御した張り合わせ
ビーズを配置した石英基板をゴム弾性基板と貼りあわせることでデバイスを組み立てた。ゴム弾性基板としては、接着性があり、透明性に優れたポリジメチルシロキサン(PDMS)(ダウコーニング社製、シルポッド184)の板を利用した。アクリル板で作製した1ミリメートル、又は、2ミリメートルのギャップの間でシルポッド184を硬化させることによって厚さ1ミリメートル及び2ミリメートルのPDMS板を作製し、適当な形状に切断して使用した。
(3) Bonding with controlled load on rubber elastic substrate A device was assembled by bonding a quartz substrate with beads on the rubber elastic substrate. As the rubber elastic substrate, a plate of polydimethylsiloxane (PDMS) (manufactured by Dow Corning, Sylpod 184) having adhesiveness and excellent transparency was used. PDMS plates with thicknesses of 1 and 2 millimeters were made by curing the Sylpod 184 between a 1 millimeter or 2 millimeter gap made of an acrylic plate and cut into suitable shapes for use.
デバイスの組み立てについて、図4を用いて説明する。図4(a)は、石英基板21とPDMS板25の張り付けによる流路の形成を説明する図、図4(b)はPDMS板25への加重を制御する機構、および、溶液の入出力口の取り付けの説明図である。
Device assembly will be described with reference to FIG. 4A is a diagram for explaining the formation of the flow path by attaching the
図4(a)に示すように、ビーズを配置した石英基板21をアルミ又はステンレス製の基板保持具22にのせ、厚さ5ミリメートルアクリル製の押さえ板23で挟み込み、ねじ24(4本)で締め付けることにより完全に固定した。基板保持具22の下面開口部から、開口部のサイズ(16ミリメートル角)に合わせた大きさの2ミリメートル厚のPDMS板25を石英基板21の表面に、気泡が入らないように注意して貼りあわせた。さらに、PDMS板25の下に2センチメートル角、厚さ3ミリメートルのアクリル製スペーサー26を設置した。
As shown in FIG. 4 (a), a
図4(b)に示すように、PDMS板25の下面は基板保持具22の石英基板保持部分の下面よりも下にあり、スペーサー26の上面は、基板保持具22とは接しておらず、PDMS板25のみと接している。組み立て後、スペーサー26の下面は、基板保持具22から下に出る形になる。次に、3ミリメートル厚のアクリル製押さえ板27を、ばね28を通したねじ29(4本)で固定した。押さえ板27は、基板保持具22とは接しておらず、スペーサー26のみと接しており、押さえ板27がスペーサー26を介してPDMS板25を石英基板21に押しつける形になる。ねじ29のねじ込み量を調節することで、PDMS板25を石英基板21に押しつける加重が制御される。
As shown in FIG. 4B, the lower surface of the
(4) 試料溶液の導入及び排出のための送液用チューブの接合
図4(b)に示すように、石英基板21の微細構造パターン形成面と反対側の面上の貫通孔11の上に円環状に切断したPDMS板30をおき、シール材として使用した。このシール材を介してチューブコネクタ31を接続し、外径1/32インチのPEEKチューブを接続した。これらのチューブにより液体の導入及び排出を行うことが可能になる。このチューブを通してシリンジポンプによる送液を行った。
(4) Joining of liquid feeding tube for introduction and discharge of sample solution As shown in FIG. 4B, on the through
作製したデバイスにおいて、PDMS板25を石英基板21に押しつける加重が大きすぎるとマイクロ流路部分にPDMSが入り込んでふさいでしまうのに対して、加重が弱すぎるとマイクロ流路の液圧が高くなったときに漏れを起こす。シリンジポンプとマイクロ流通デバイスの間に液圧を測定する圧力計を設置して液圧をモニターし、加重をかけない状態で送液を行った場合、液圧が14kPaに達した時にリークが発生した。PDMS板に適正な加重をかけることによって流路をふさぐことなく、リークのないマイクロ流路を形成することが可能になる。
In the manufactured device, when the load for pressing the
本発明では、石英基板上の幅広流路中の傾斜構造部位14の流路中に侵入したPDMSとの接触状態を観察することで適正な加重を検出できる。図5を参照して説明する。図5は、溝構造を有する石英基板21とPDMS板25を張り合わせて形成された流路の形成状体を示す断面模式図である。図5(a)はPDMS板25に加重をかけない場合、図5(b)はPDMS板25に適正な加重をかけた場合、図5(c)はPDMS板25に過大な加重をかけた場合を示している。PDMS板25に加重をかけない場合には、石英基板上に形成された溝構造13へのPDMSの入り込みはないが、溝構造13を流れる液体のリークが生じる。一方、PDMS板25に過大な加重をかけると、溝構造13に入り込んだPDMS32が流路をふさいでしまう。
In the present invention, an appropriate weight can be detected by observing the contact state with PDMS that has entered the channel of the
図5(d)は石英基板21上の幅広流路中の傾斜構造部位14を上面(または下面)から観察した図、図5(e)はそのAA′断面図、図5(f)はBB′断面図である。加重によるPDMSの流路への侵入の程度は、図5(d)中のL1,L2の長さとして観測され、これらの値は加重の大きさに比例する。ここで、L1は加重により流路内に侵入したPDMSと傾斜構造部位14との接触部分33が傾斜構造部位14の全幅をふさいでいる長さ、L2は接触部分33の先端までの長さである。加重が13kPaの状態では、L2の値から、流路中央部分で10マイクロメートル程度のPDMSの侵入があることが示さ
れた。このデバイスでは、毎時0.03mLの送液を行った場合に、液圧が25kPa程度で安定な流通状態が得られた。この液圧は、加重をかけない状態でリークが起こった液圧を11kPa超過している。PDMSの流路への侵入を最小とするために、加重はできるだけ小さいことが望ましい。このデバイスにおいては、適正な加重は12kPaから16kPaまでの範囲にするのが好ましい。適正な加重の値は、デバイスの中で連続する微細構造パターンの数、流路の長さなどの条件によって変化し得る。
5D is a view of the
図6は、組み立てられた本発明のマイクロ流路ビーズアレイデバイスを用いた分析操作の説明図である。 FIG. 6 is an explanatory diagram of an analysis operation using the assembled microchannel bead array device of the present invention.
作製したデバイス43は、シリンジポンプ46に接続した状態で顕微鏡41のステージ42上にセットし、顕微鏡のステージ42上で試料溶液の導入、反応処理などを行う。このすべての過程を蛍光顕微鏡画像により観察することができる。シリンジポンプ46とデバイス43を結ぶPEEKチューブの途中には液圧測定用圧力計が設置されている。画像はフィルターシステムを備えるCCDカメラ44で記録され、コンピューターによる画像処理を行うことで、直ちに数値データを取り出すことができる。蛍光観察用の励起光、観察光の光路中には干渉フィルターがそれぞれ4種類セットされており、適時切り換えて使用することにより、異なる蛍光色素からの蛍光信号を識別することができる。画像観察は1ミリメートル角の微細構造パターンに対して一括で行うことができ、必要に応じてステージを移動させることですべてのビーズからの信号を検出できる。これらのステージ、フィルター、CCDカメラの動作をすべてコンピューターにより制御可能することにより、分析操作を自動化できる。
The manufactured
図1(c)のパターンに直径10マイクロメートルの蛍光色素含有ビーズを配置したものの蛍光顕微鏡像を図7に示す。個々のビーズが非接触の状態で規則的に配列されていることがわかる。このビーズアレイは、1ミリメートル角あたり1600個のビーズが配置した高密度アレイであり、それぞれのビーズが独立した状態で固定されているため、それぞれのビーズからの信号を分離して検出する分析操作の自動化が容易になる。 FIG. 7 shows a fluorescence microscope image of the fluorescent dye-containing beads having a diameter of 10 micrometers arranged in the pattern of FIG. It can be seen that the individual beads are regularly arranged in a non-contact state. This bead array is a high-density array in which 1600 beads per millimeter square are arranged, and each bead is fixed in an independent state. Therefore, an analysis operation for separating and detecting signals from each bead. It becomes easy to automate.
ビーズ固定部位に入ったビーズは、ビーズを配置した石英基板を超音波洗浄機で洗浄することで除去が可能である。ビーズを除去した石英基板に別のビーズ群を配置し、再び、デバイスとして組み立てて分析操作に用いることができるので、本発明によると、微細構造を作製した基板を使い捨てにすることなく、再利用が可能である。 The beads entering the bead fixing site can be removed by washing the quartz substrate on which the beads are placed with an ultrasonic washing machine. Since another group of beads can be placed on the quartz substrate from which the beads have been removed and assembled again as a device and used for analysis operations, according to the present invention, the substrate on which the microstructure has been fabricated can be reused without being disposable. Is possible.
1:ビーズ固定部位、2:微小溝、3:ビーズ、11:貫通孔、12:流路、13:流路、14:傾斜構造部位、15:ビーズ配置用微細構造パターン、21:石英基板、22:基板保持具、23:押さえ板、24:ねじ、25:PDMS板、26:スペーサー、27:押さえ板、28:ばね、29:ねじ、30:PDMS製Oリング、31:チューブコネクタ、32:流路内に入り込んだPDMS、33:流路内に入り込んだPDMSと傾斜構造部位との接触部分、41:顕微鏡、42:XYステージ、43:マイクロビーズアレイ
デバイス、44:CCDカメラ、45:液圧測定用圧力計、46:シリンジポンプ
1: bead fixing part, 2: fine groove, 3: bead, 11: through hole, 12: flow path, 13: flow path, 14: inclined structure part, 15: fine structure pattern for arranging beads, 21: quartz substrate, 22: Substrate holder, 23: Presser plate, 24: Screw, 25: PDMS plate, 26: Spacer, 27: Presser plate, 28: Spring, 29: Screw, 30: O-ring made of PDMS, 31: Tube connector, 32 : PDMS entering the flow path, 33: Contact portion between the PDMS entering the flow path and the inclined structure part, 41: Microscope, 42: XY stage, 43: Microbead array device, 44: CCD camera, 45: Pressure gauge for liquid pressure measurement, 46: Syringe pump
Claims (10)
弾性基板と、
前記硬質基板の前記微細構造パターンが形成された表面に前記弾性基板を接触させ加圧するための手段と
を備えることを特徴とするマイクロ流路ビーズアレイデバイス。 A hard substrate having a fine structure pattern formed on the surface thereof, each of which has a plurality of two-dimensionally regularly arranged bead fixing portions each accommodating a single bead and a fine groove for connecting the bead fixing portions to each other; ,
An elastic substrate;
A microchannel bead array device, comprising: means for bringing the elastic substrate into contact with and pressurizing the surface of the hard substrate on which the microstructure pattern is formed.
前記微細構造パターン中のビーズ固定部位にビーズを配置する工程と、
前記硬質基板の前記微細構造パターン形成面に透明な弾性基板を加圧して張り合わせることでビーズが内部に固定されたマイクロ流路を形成する工程と
を含むことを特徴とするマイクロ流路ビーズアレイデバイスの作製方法。 Forming a fine structure pattern composed of bead fixing portions regularly arranged two-dimensionally on a hard substrate and fine grooves connecting the same;
Placing beads at a bead fixing site in the microstructure pattern;
Forming a microchannel having beads fixed therein by pressurizing and bonding a transparent elastic substrate to the surface of the hard substrate on which the fine structure pattern is formed. Device fabrication method.
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