JP4811247B2

JP4811247B2 - マイクロチップ及びそれを用いた分析デバイス

Info

Publication number: JP4811247B2
Application number: JP2006319869A
Authority: JP
Inventors: 知裕来島; 勝中北; 賢治渡部
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-11-28
Filing date: 2006-11-28
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2026-11-28
Also published as: JP2008134126A

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７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８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９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と保持チャンバーとを連結する毛細管キャビティの断面形状を矩形形状とし、毛細管キャビティの出口側の幅が注入口の幅より広くすることで、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、流体を毛細管作用により採取する注入口と、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、前記毛細菅キャビティにて形成される流路の深さを前記保持チャンバの深さより浅くし、且つ、前記毛細管キャビティの出口面積を注入口面積より広く構成して成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と保持チャンバーとを連結する毛細管キャビティの出口側の断面積を注入口側の断面積より大きくすることで、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のマイクロチップ２００における毛細管キャビティ３およびキャビティの断面形状例を示す。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１（ａ）は、上から順に、マイクロチップ２００の正面図、上面図及び背面図を表し、図１（ｂ）は、Ａ−Ａ断面を、図１（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６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１（ａ）、（ｂ）は、分析デバイス１００に示す流路の一部を形成する毛細管キャビティ３を拡大し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、毛細管キャビティ３の注入口幅Ｌ₁を毛細管キャビティ３の出口幅Ｌ₂より小さく設定する。これは、マイクロチップ２００を重力方向に向けた場合においても注入口１に試料液が保持されることが可能となる毛細管力を得るために出口２の幅Ｌ₂を注入口１側より拡大するものである。

一例として、本発明では、毛細管キャビティ３の注入口幅Ｌ₁を２ｍｍとし、毛細管キャビティ３の出口幅Ｌ₂を注入口１側より拡大した１１ｍｍとし、毛細管キャビティ３の長さｈを６ｍｍ、毛細管キャビティ３の厚みｔを０．０２ｍｍに設けている。また、マイクロチップ２００の部分の外形寸法は、図１に示すように１１ｍｍ×６ｍｍで、毛細管キャビティ３の厚みｔは０．０２ｍｍとした。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の厚みは３ｍｍ、上部基板９の厚みは５ｍｍ、キャップを含めた分析デバイス１００の外形寸法は、厚み１０ｍｍ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。

さらに毛細管キャビティ３の壁は、図２に示すように親水性を有する材料で形成し、毛細管キャビティ３の壁面との接触角を所定の角度未満になるようにする。具体的には、毛細管キャビティ３の壁面との接触角を毛細管キャビティ３内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。

次に、毛細管力と重力との関係について説明する。

ここで毛細管力を定義するパラメータとして、注入口１の幅をＬ₁、出口２の幅をＬ₂、試料液の表面張力をγ、接触角をθ、注入口１の断面積をＳ₁、出口２の断面積をＳ₂とするとその毛細管力で液体の進もうとする力Ａは、一般的に（γ×ｃｏｓθ×Ｌ₁／Ｓ₁）−（γ×ｃｏｓθ×Ｌ₂／Ｓ₂）と定義できる。一方、注入口１を上向きにした場合、重力による液体の下向きに進もうとする力Ｂはρｇｈである。ここで密度をρ、重力加速度をｇ、毛細管キャビティ３の長さをｈとする。そして、Ａ＞Ｂと設定することにより、注入口１を上向きにした場合でも液体が上に向かおうとする毛細管力で液体が注入口１部に保持され気泡の進入を防ぐ事が可能となる。

図３は、注入口１の幅Ｌ₁と出口２の幅の拡大率の関係を示した図である。横軸は注入口１の幅Ｌ₁変化、縦軸は出口２の幅の拡大率について示す。パラメータは、毛細管キャビティ３の長さｈで、ｈ＝５ｍｍから、ｈ＝１３ｍｍの場合を示すものである。図中の各実線は毛細管キャビティ３の長さｈの変化を示しており、毛細管力で液体の進もうとする力がＡ＞Ｂとなる形状を算出したもので、注入口１の幅Ｌ₁は最小でも赤血球が通過できる０．０２ｍｍ以上に設定し、また、人の指先から血液を採取する際の注入口として最大２．５ｍｍ以下とするのが適当である。そして、毛細管キャビティ３の長さｈは、５ｍｍから１３ｍｍ程度とすることが分析デバイス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、マイクロチップ２００の長さｈは、５〜１３ｍｍ程度が適当である。

本実施例で示した好ましい形状として、注入口１の幅Ｌ₁を２ｍｍに設定し、毛細管キャビティ３の長さｈは６ｍｍとしている。即ち、注入口の幅Ｌ₁の寸法を２ｍｍにすると、長さｈは、５ｍｍから６ｍｍ程度にすればよく、ｈ＝５ｍｍの場合、倍率が３．１３となり、出口の幅はＬ₂＝２ｍｍ×３．１３＝６．２６ｍｍとなり、ｈ＝６ｍｍの場合、倍率が５．４５となり、出口の幅はＬ₂＝２ｍｍ×５．４５＝１０．９ｍｍとなる。

従って、毛細管キャビティ３の長さｈを６ｍｍに設定した場合、出口２の幅Ｌ₂は注入口１の幅Ｌ₁の５．４５倍、即ち１０．９ｍｍに、また、注入口１の幅Ｌ₁を１．５ｍｍに設定すると、毛細管キャビティ３の長さｈは、倍率が２．５８となり出口２の幅Ｌ₂＝１．５ｍｍ×２．５８＝３．８７ｍｍとなる。図３では、Ｌ₁＝２ｍｍに設定した場合、気泡が発生しない状態を得るには、毛細管キャビティ３の長さｈ＝５ｍｍ、ｈ＝６ｍｍの場合に限定される。即ち、毛細管キャビティ３の長さｈを７ｍｍ以上（ｈ＝７〜１３の場合）に設定した場合、注入口１側に向く毛細管力に対して出口２側に向く重力が勝り、注入口１に保持された試料液が出口２側へと移送され、２度付け、３度付けした場合に、気泡が発生する可能性がある。

また図４に示すように注入口１の幅Ｌ₁を最小の０．０２ｍｍに設定した場合、出口２の幅Ｌ₂が注入口１の幅Ｌ₁より広く設定されることで、毛細管力で液体の進もうとする力がＡ＞Ｂとなることがわかる。ここで分析デバイス１００に設置するのに適当な長さであるｈ＝５〜１３ｍｍ全てを満たすには出口２の幅Ｌ₂を２％以上に設定する事が好ましい。注入口１の幅Ｌ₁を１ｍｍに設定した場合は、図３より出口２の幅Ｌ₂の拡大率を９倍にとれば、毛細管キャビティの長さｈ＝５〜１３ｍｍに対応することができることが分る。

一方出口２の幅Ｌ₂を注入口の幅Ｌ₁に対応する図３中に示す拡大率で設計する事により、注入口１の方が高い力を得る事ができ、点着させた試料液が毛細管キャビティ３の充填途中で不足したり、試料液を充填途中で注入口１から離してしまったりした場合でも、再度、注入口１から点着することで、試料液は毛細管キャビティ３内の注入口１で保持されていた試料液と接触し、気泡が発生せず、それぞれの毛細管キャビティ３が所定量の試料液を保持できるまで、何度でも点着することが可能となる。

次に毛細管キャビティ３の長さｈの最適構成範囲について図５に示す。横軸ｘは毛細管キャビティ３の長さを示し、縦軸ｙは毛細管キャビティ３の注入口１の幅を示す。

この図５の曲線は、図３において、注入口Ｌ₁と出口側の拡大率（即ち、出口側の幅Ｌ₂が定まる。）との関係を毛細管キャビティ３の長さｈをパラメータとして示したもの、即ち、気泡が発生しない状態を得るため、毛細菅力と重力とが等しくなる条件より求めるものである。

図３に示すように毛細管キャビティ３の注入口１の幅と出口２の幅の拡大率の関係は重力の影響を受けても注入口１に試料液を保持する事が可能となる、即ち注入口１と出口２の毛細管力の差において、注入口１が常に正である状態を保持する事が可能となる毛細管キャビティ３の長さの適用範囲を算出している。図には注入口の幅Ｌ₁の範囲０．０２〜２．５ｍｍにおいて、各出口の幅の拡大率が最大となる時（毛細管キャビティの長さが最長となる時）をプロットしている。例えば注入口の幅Ｌ₁を２ｍｍとした時、出口の幅の拡大率が最大となるのは５．４５倍であり、毛細管キャビティ３の長さｈは６ｍｍとなる。この結果を、累次曲線の一般式であるｙ＝ａｘⁿに代入して、ａ、ｎの係数を求めると、ｙ＝１２．１９６ｘ^-0.9698で表すことができる。この曲線以下の領域に収まるよう設定することで、注入口１の方が出口２より高い毛細管力を維持するため、注入口１で試料液を保持する事が可能になり２度付け、３度付けの際に気泡を発生することなく点着する事が可能となる。またマイクロチップ１００の出口２を重力方向に向けた場合においても、注入口１の毛細管力を高く維持することが可能な注入口１の幅と毛細管キャビティ３の長さで設計する事で、重力の影響で試料液が出口２へ移動することなく注入口１で試料液を保持する事が可能となる。また図３の傾向から、注入口１の幅が狭くなればなるほど毛細管キャビティ３の長さを長く設定することが必要となる。
（実施の形態２）
図６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６（ａ）は、分析デバイス１００の上部基板９を示し、図６（ｂ）は、分析デバイス１００の下部基板１０を示す。

図６（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。そして測定チャンバー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を介して保持チャンバー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６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。

（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、正面図及び背面図（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幅と出口幅の関係を示す図注入口の幅０．０２ｍｍにおける毛細管キャビティ長さ変化による毛細管力の傾向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毛細管キャビティの注入口幅と毛細管キャビティの長さの関係を説明するための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

流体を毛細管作用により採取する注入口と、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、前記毛細菅キャビティにて形成される流路の深さを前記保持チャンバーの深さより浅くし、且つ、前記毛細管キャビティの出口面積を注入口面積より広く構成して成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前記注入口に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。
前記マイクロチップの注入口は、前記分析デバイス本体の側面より突出して構成されることを特徴とする請求項１に記載の分析デバイス。
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。