特開 2023-172459 ＰＣＲ用マイクロ流体チップおよびＰＣＲ分析装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023172459

(43)【公開日】2023-12-06

(54)【発明の名称】ＰＣＲ用マイクロ流体チップおよびＰＣＲ分析装置

(51)【国際特許分類】

   C12N 15/09 20060101AFI20231129BHJP

   C12Q 1/686 20180101ALI20231129BHJP

   C12M 1/00 20060101ALI20231129BHJP

【ＦＩ】

C12N15/09 Z

C12Q1/686 Z

C12M1/00 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022084273

(22)【出願日】2022-05-24

(71)【出願人】

【識別番号】000004385

【氏名又は名称】ＮＯＫ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100109380

【弁理士】

【氏名又は名称】小西 恵

(74)【代理人】

【識別番号】100109036

【弁理士】

【氏名又は名称】永岡 重幸

(74)【代理人】

【識別番号】100125335

【弁理士】

【氏名又は名称】矢代 仁

(72)【発明者】

【氏名】上田 敬祐

【テーマコード（参考）】

4B029

4B063

【Ｆターム（参考）】

4B029AA23

4B029BB20

4B029FA01

4B029FA15

4B063QA01

4B063QQ42

4B063QR32

4B063QS25

4B063QS39

(57)【要約】

【課題】液体サンプルを液体流路内で流動させる際に、液体サンプルへのコンタミネーションを最小限化し、液体サンプルを所望の位置に容易に停止させることができる技術を提供する。
【解決手段】ＰＣＲ用マイクロ流体チップは、ＰＣＲに使用される液体サンプルが流動する液体流路と、液体流路の一端に接続され、空気で満たされた弾性的に伸縮可能な第１のポンプ室と、液体流路の他端に接続され、空気で満たされた弾性的に伸縮可能な第２のポンプ室と、第１のポンプ室に接続され、空気が流動する第１の空気流路と、第２のポンプ室に接続され、空気が流動する第２の空気流路と、第１の空気流路と第２の空気流路を接続する中間空気流路と、与えられる外力に応じて、中間空気流路を開閉するように構成され、中間空気流路を気密に覆う伸縮可能なカバー部材と、流路を気密に包囲する包囲部材とを有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＰＣＲに使用される液体サンプルが流動する液体流路と、
前記液体流路に前記液体サンプルを導入する導入口と、
前記液体流路の一端に接続され、空気で満たされた弾性的に伸縮可能な第１のポンプ室と、
前記液体流路の他端に接続され、空気で満たされた弾性的に伸縮可能な第２のポンプ室と、
前記第１のポンプ室に接続され、空気が流動する第１の空気流路と、
前記第２のポンプ室に接続され、空気が流動する第２の空気流路と、
前記第１の空気流路と前記第２の空気流路を接続する中間空気流路と、
与えられる外力に応じて、前記中間空気流路を開閉するように構成され、前記中間空気流路を気密に覆う伸縮可能なカバー部材と、
前記液体流路、前記第１のポンプ室、前記第２のポンプ室、前記第１の空気流路、および前記第２の空気流路を気密に包囲し、少なくとも片面に前記液体流路が観察される透明部分が設けられた包囲部材とを
有するＰＣＲ用マイクロ流体チップ。

【請求項2】

請求項１に記載のＰＣＲ用マイクロ流体チップと、
前記第１のポンプ室に外力を与える第１のアクチュエータと、
前記第２のポンプ室に外力を与える第２のアクチュエータと、
前記カバー部材に外力を与える第３のアクチュエータと、
前記液体流路を加熱する加熱装置とを
有するＰＣＲ分析装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＰＣＲ用マイクロ流体チップおよびＰＣＲ分析装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ＰＣＲ（ポリメラーゼ連鎖反応）は、使用される液体サンプルをＰＣＲチューブまたは複数の穴が形成されたマイクロプレート（マイクロウェル）などの反応容器に所定量入れて行うことが一般的であるが、近年、基板に形成された微細な流路を備える反応容器（チップとも呼ばれる）を用いて行うことが実用化されてきている。流路を備えるチップ（マイクロ流路チップ）を用いたＰＣＲを行う場合、流路に高温領域や低温領域などの温度領域を設定し、液体サンプルを流路内で往復式に移動させることにより、液体サンプルにサーマルサイクルを与える。

【0003】

従来のマイクロ流路チップにおける送液方法としては、特許文献１に開示されたように、２つのマイクロブロアもしくはファンを流路の両端部に接続し、送風により加圧することで送液する方法がある。また、特許文献２に開示されたように、複数のポンプと複数の三方弁を用いることで送液する方法が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１９－４７８１２号公報

【特許文献2】特開２０２０－１１０１８６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ＰＣＲにおいては、液体サンプルへのコンタミネーションを最小限化または完全に防止することが重要である。特に液体サンプルを液体流路内で流動させる際には、液体サンプルが不要な物質に接触しないことが望ましい。

【0006】

また、ＰＣＲでは、液体サンプルを高温で加熱するため、液体サンプルの粘性の変化、微小な気泡の発生、予期しない内部気圧の変動などのため、液体サンプルを所望の観察位置に停止させることが困難なことがある。

【0007】

そこで、本発明は、液体サンプルを液体流路内で流動させる際に、液体サンプルへのコンタミネーションを最小限化し、液体サンプルを所望の位置に容易に停止させることができる技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明のある態様によれば、ＰＣＲ用マイクロ流体チップが提供される。このＰＣＲ用マイクロ流体チップは、ＰＣＲに使用される液体サンプルが流動する液体流路と、前記液体流路に前記液体サンプルを導入する導入口と、前記液体流路の一端に接続され、空気で満たされた弾性的に伸縮可能な第１のポンプ室と、前記液体流路の他端に接続され、空気で満たされた弾性的に伸縮可能な第２のポンプ室と、前記第１のポンプ室に接続され、空気が流動する第１の空気流路と、前記第２のポンプ室に接続され、空気が流動する第２の空気流路と、前記第１の空気流路と前記第２の空気流路を接続する中間空気流路と、外力が与えられると前記中間空気流路を閉じ、与えられる外力に応じて、前記中間空気流路を開閉するように構成され、前記中間空気流路を気密に覆う伸縮可能なカバー部材と、前記液体流路、前記第１のポンプ室、前記第２のポンプ室、前記第１の空気流路、および前記第２の空気流路を気密に包囲し、少なくとも片面に前記液体流路が観察される透明部分が設けられた包囲部材とを有する。

【0009】

この態様においては、導入口を閉塞すると、液体流路と２つのポンプ室と２つの空気流路と中間空気流路を有する完全に閉鎖された流路系が形成される。この後、中間空気流路を閉じて、第１の空気流路と第２の空気流路の間の空気の流動を遮断した時、液体流路の両端に接続された伸縮可能な２つのポンプ室の一方を圧縮すれば、液体サンプルは圧縮されたポンプ室から他方のポンプ室に向けて液体流路を流れ、下流のポンプ室が弾性的に膨張する。中間空気流路を閉じた時、両方のポンプ室を交互に圧縮することによって、液体サンプルは液体流路を往復移動する。液体流路と２つのポンプ室は、完全に閉鎖されているので、液体サンプルを流路内で流動させる際に、液体サンプルへのコンタミネーションを最小限化することができる。

【0010】

一方、中間空気流路を開けば、第１の空気流路と第２の空気流路の間の空気の流動が可能になり、第１のポンプ室、液体流路、第２のポンプ室、第２の空気流路、中間空気流路、第１の空気流路を有する閉鎖回路ができあがる。この場合、一方のポンプ室を圧縮しても、液体流路における液体サンプルの両側で気圧が平衡し、液体サンプルは停止する。

【0011】

したがって、ポンプ室の作用または予期しない理由で液体サンプルが移動している時、中間空気流路を開くことによって、液体サンプルを停止させることができる。液体サンプルの停止位置が所望の位置でない場合には、中間空気流路を閉じて、所要のポンプ室を圧縮することによって、液体サンプルを移動させることができ、再び中間空気流路を開くことによって、液体サンプルを停止させることができる。このようにして、液体サンプルを所望の位置に容易に停止させることができる。包囲部材の少なくとも片面は透明であるので、液体流路内の液体サンプルを観察することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の実施形態に係るＰＣＲ用マイクロ流体チップの平面図である。

【図2】図１のII-II線矢視断面に相当する実施形態に係るＰＣＲ分析装置の断面図である。

【図3】図１のＰＣＲ用マイクロ流体チップの分解斜視図である。

【図4】中間空気流路を閉じた時のＰＣＲ用マイクロ流体チップの部分斜視図であり、一部を破断して示す。

【図5】中間空気流路を開いた時のＰＣＲ用マイクロ流体チップの部分斜視図であり、一部を破断して示す。

【図6】中間空気流路を閉じた時の空気の流れを示す実施形態に係るＰＣＲ用マイクロ流体チップの平面図である。

【図7】中間空気流路を開いた時の空気の流れを示す実施形態に係るＰＣＲ用マイクロ流体チップの平面図である。

【図8】図１のVIII-VIII線矢視断面に相当する実施形態に係るＰＣＲ分析装置の断面図である。

【図9】図１のII-II線矢視断面に相当する実施形態に係るＰＣＲ分析装置の断面図である。

【図10】液体サンプルの右方向移動時の実施形態に係るＰＣＲ分析装置の断面図である。

【図11】液体サンプルの左方向移動時の実施形態に係るＰＣＲ分析装置の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、添付の図面を参照しながら本発明に係る複数の実施形態を説明する。図面の縮尺は必ずしも正確ではなく、一部の特徴は誇張または省略されることもある。

【0014】

図１に示すように、実施形態に係るＰＣＲ用マイクロ流体チップ１は、線対称な形状を有しており、液体流路２、ポート３，４、第１のポンプ室１０、および第２のポンプ室１２を有する。

【0015】

ＰＣＲに使用される液体サンプルは液体流路２を流動する。液体流路２は、第１の屈曲流路部５、第１の分岐路５１、曲折された第１の蛇行流路部６、第２の屈曲流路部７、第２の分岐路７１、曲折された第２の蛇行流路部８、および直線流路部９を有する。第１の蛇行流路部６の一端は第１の屈曲流路部５に接続され、第１の蛇行流路部６の他端は直線流路部９に接続されている。第２の蛇行流路部８の一端は第２の屈曲流路部７に接続され、第２の蛇行流路部８の他端は直線流路部９に接続されている。したがって、直線流路部９は、第１の蛇行流路部６と第２の蛇行流路部８を接続する。液体流路２の幅は、０．５～１．０ｍｍであるのが好ましい。蛇行流路部６，８の各々の長さは、例えば８０ｍｍであり、直線流路部９の長さは、例えば１５ｍｍである。

【0016】

２つのポンプ室１０，１２は、液体流路２の両端にそれぞれ接続され、弾性的に伸縮可能であり、空気で満たされている。第１のポンプ室１０は第１の屈曲流路部５に連通し、第２のポンプ室１２は第２の屈曲流路部７に連通する。第１のポンプ室１０を画定する部材の材料と構造は、第２のポンプ室１２を画定する部材の材料と構造と同じであることが好ましい。ポンプ室１０，１２は、液体流路２内で液体サンプルを移動させるために使用される。

【0017】

ポート３は第１の分岐路５１に接続され、第１の分岐路５１は第１の蛇行流路部６と第１のポンプ室１０の間の第１の屈曲流路部５に接続されている。ポート４は第２の分岐路７１に接続され、第２の分岐路７１は第２の蛇行流路部８と第２のポンプ室１２の間の第２の屈曲流路部７に接続されている。ポート３，４の一方は、液体流路２に液体サンプルを導入する導入口として使用され、他方は、液体流路２に液体サンプルを導入する時、液体流路２から液体サンプルに押された空気が排出される空気排出口として使用される。以下の説明では、ポート３を導入口と想定し、ポート４を空気排出口と想定するが、ポート３が空気排出口として使用され、ポート４が導入口として使用されてもよい。

【0018】

図１および図２に示すように、マイクロ流体チップ１は、さらに第１の空気流路１４、第２の空気流路１５、中間空気流路１６、およびカバー部材１７を有する。

【0019】

第１の空気流路１４は、第１のポンプ室１０に接続され、空気が流動する。第２の空気流路１５は、第２のポンプ室１２に接続され、空気が流動する。中間空気流路１６は、第１の空気流路１４と第２の空気流路１５を接続する。

【0020】

カバー部材１７は、伸縮可能であって、中間空気流路１６を気密に覆う。カバー部材１７は、外力（押圧力）が与えられると中間空気流路１６を閉じ、外力が与えられない通常時に中間空気流路１６を開くように構成されている。

【0021】

図３に示すように、マイクロ流体チップ１は、樹脂製の下基板２０、樹脂製の流路基板２１、樹脂製の上基板２２、樹脂またはゴム製の中空板２３，２５，２７、ゴム製の弾性膜２４，２６、およびゴム製のカバー部材１７を有する。基板２０，２１，２２、中空板２３，２５および弾性膜２４，２６は、液体流路２、ポンプ室１０，１２および空気流路１４，１５を気密に包囲する包囲部材を構成する。

【0022】

基板２０，２１，２２は、例えばアクリル、ポリプロピレンといった透明樹脂から形成されている。基板２０，２１，２２は、例えばシリコーンゴムのような透明ゴムから形成してもよい。したがって、液体流路２、空気流路１４，１５は、マイクロ流体チップ１の上からも下からも見ることができ、液体流路２内の液体サンプルもマイクロ流体チップ１の上からも下からも観察可能である。

【0023】

弾性膜２４，２６およびカバー部材１７は、例えばシリコーンゴムから形成されている。カバー部材１７も弾性膜である。中空板２３，２５，２７は、樹脂またはゴムから形成されている。弾性膜２４，２６、カバー部材１７、中空板２３，２５，２７も透明材料から形成することが好ましい。この場合、液体サンプルが液体流路２以外の位置にある異常な状況でも、簡単に液体サンプルを見つけ出すことができる。

【0024】

下基板２０は、溝または孔が形成されていない矩形の平板であり、例えばその厚さは０．２ｍｍである。

【0025】

流路基板２１は、貫通溝５ａ，５１ａ，６ａ，９ａ，８ａ，７１ａ，７ａ，１５ａ，１４ａが形成された矩形の基板である。これらの貫通溝は、例えばレーザー加工によって形成することができる。

【0026】

流路基板２１を下基板２０と上基板２２に接合すると、貫通溝５ａ，５１ａ，６ａ，９ａは、それぞれ第１の屈曲流路部５、第１の分岐路５１、第１の蛇行流路部６、および直線流路部９を形成する（図１参照）。流路基板２１を下基板２０と上基板２２に接合すると、貫通孔８ａ，７１ａ，７ａは、それぞれ第２の蛇行流路部８、第２の分岐路７１、および第２の屈曲流路部７を形成する。流路基板２１を下基板２０と上基板２２に接合すると、貫通溝１４ａ，１５ａは、第１の空気流路１４と第２の空気流路１５を形成する。

【0027】

貫通溝１４ａと貫通溝１５ａの間には、隔壁２１Ｄが設けられており、流路基板２１に形成された溝は、完全なループを形成せず、貫通溝１４ａと貫通溝１５ａの間の隔壁２１Ｄで終端する。

【0028】

流路基板２１の厚さは例えば０．５ｍｍである。したがって、液体流路２の高さは例えば０．５ｍｍであり、第１の空気流路１４と第２の空気流路１５の高さも例えば０．５ｍｍである。

【0029】

上基板２２は、貫通孔２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅ，２２ｆが形成された矩形の基板であり、例えばその厚さは１．０ｍｍである。これらの貫通孔は、例えばレーザー加工によって形成することができる。

【0030】

貫通孔２２ａ，２２ｂは、それぞれ流路基板２１の貫通溝５１ａ，７１ａに接続されて、マイクロ流体チップ１におけるポート３，４を形成する（図１参照）。貫通孔２２ｃは、流路基板２１の貫通溝５ａ，１４ａの連結部分に接続されて、マイクロ流体チップ１における第１のポンプ室１０の下方に配置されて、第１のポンプ室１０に連通する。貫通孔２２ｄは、流路基板２１の貫通溝７ａ，１５ａの連結部分に接続されて、マイクロ流体チップ１における第２のポンプ室１２の下方に配置されて、第２のポンプ室１２に連通する。貫通孔２２ｅは、流路基板２１の貫通溝１４ａの端部に接続され、マイクロ流体チップ１における中間空気流路１６の下方に配置されて、中間空気流路１６に連通する。貫通孔２２ｆは、流路基板２１の貫通溝１５ａの端部に接続され、マイクロ流体チップ１における中間空気流路１６の下方に配置されて、中間空気流路１６に連通する。

【0031】

基板２０，２１，２２は、例えば１８０℃に加熱し、熱溶着により貼り合わせることができる。

【0032】

中空板２３，２５は、正方形の平板であり、例えばその厚さは１．０ｍｍである。中空板２３の中央には、円柱形の貫通孔２３ａが形成されており、貫通孔２３ａは第１のポンプ室１０を形成する。中空板２５の中央には、円柱形の貫通孔２５ａが形成されており、貫通孔２５ａは第２のポンプ室１２を形成する。貫通孔２３ａと貫通孔２５ａは、例えばレーザー加工によって形成することができる。

【0033】

弾性膜２４，２６は、溝または孔が形成されていない正方形の平板であり、中空板２３，２５の輪郭と同形同大の輪郭を有する。弾性膜２４，２６の厚さは例えば０．３ｍｍである。

【0034】

中空板２３と弾性膜２４は、真空紫外線または酸素プラズマ照射を用いて接合することができる。中空板２５と弾性膜２６も、真空紫外線または酸素プラズマ照射を用いて接合することができる。但し、中空板２３と弾性膜２４の接合、および中空板２５と弾性膜２６の接合に両面接着テープが使用されてもよい。

【0035】

中空板２３，２５は、図２に示すように、両面接着テープ２８によって、樹脂製の上基板２２に接合することができる。但し、液体流路２およびポンプ室１０，１２への有機物の望ましくない流入を防止または低減するため、真空紫外線または酸素プラズマ照射を用いて、中空板２３，２５を上基板２２に接合することが好ましい。

【0036】

中空板２７は、矩形の平板であり、例えばその厚さは０．５ｍｍである。中空板２３の中央には、楕円柱形の貫通孔２７ａが形成されており、貫通孔２７ａは中間空気流路１６を形成する。貫通孔２７ａは、例えばレーザー加工によって形成することができる。

【0037】

カバー部材１７、すなわち弾性膜は、溝または孔が形成されていない矩形の平板であり、中空板２７の輪郭と同形同大の輪郭を有する。カバー部材１７の厚さは例えば０．３ｍｍである。

【0038】

中空板２７とカバー部材１７も、真空紫外線または酸素プラズマ照射を用いて接合することができる。但し、中空板２７とカバー部材１７の接合に両面接着テープが使用されてもよい。

【0039】

中空板２７は、図２に示すように、両面接着テープ２８によって、樹脂製の上基板２２に接合することができる。但し、空気流路１４または１５を通じた液体流路２およびポンプ室１０，１２への有機物の望ましくない流入を防止または低減するため、真空紫外線または酸素プラズマ照射を用いて、中空板２７を上基板２２に接合することが好ましい。

【0040】

以上のように、基板２０，２１，２２、中空板２３，２５、弾性膜２４，２６、中空板２７およびカバー部材１７を接合することによって、液体流路２、ポート３，４、ポンプ室１０，１２、空気流路１４，１５、および中間空気流路１６を有するマイクロ流体チップ１が完成する。

【0041】

円柱形の第１のポンプ室１０は、弾性膜２４で覆われた中空板２３の貫通孔２３ａによって形成され、上基板２２の貫通孔２２ａを通じて第１の屈曲流路部５と第１の空気流路１４に連通する。弾性膜２４が高弾性のゴムで形成されているため、第１のポンプ室１０は、弾性的に伸縮可能であり、ダイアフラムポンプまたは伸縮可能なアキュムレータとして使用することができる。

【0042】

円柱形の第２のポンプ室１２は、弾性膜２６で覆われた中空板２５の貫通孔２５ａによって形成され、上基板２２の貫通孔２２ｂを通じて第２の屈曲流路部７と第２の空気流路１５に連通する。弾性膜２６が高弾性のゴムで形成されているため、第２のポンプ室１２も、弾性的に伸縮可能であり、ダイアフラムポンプまたは伸縮可能なアキュムレータとして使用することができる。

【0043】

楕円柱形の中間空気流路１６は、カバー部材１７で覆われた中空板２７の貫通孔２７ａによって形成され、上基板２２の貫通孔２２ｅを通じて第１の空気流路１４に連通し、上基板２２の貫通孔２２ｆを通じて第２の空気流路１５に連通する。カバー部材１７は高弾性のゴムで形成されているため、カバー部材１７に外力が与えられると、図４に示すように、カバー部材１７は弾性変形して中間空気流路１６を閉じ、第１の空気流路１４と第２の空気流路１５の間の空気の流動を遮断する。カバー部材１７に外力が与えられないと、図５に示すように、カバー部材１７は弾性的に復元して中間空気流路１６を開き、第１の空気流路１４と第２の空気流路１５の間の空気の流動を可能にする。

【0044】

マイクロ流体チップ１において、ポート３，４を閉塞すると、液体流路２、２つのポンプ室１０，１２、２つの空気流路１４，１５および中間空気流路１６を有する完全に閉鎖された流路系が形成される。この後、図４に示すように、中間空気流路１６を閉じて、第１の空気流路１４と第２の空気流路１５の間の空気の流動を遮断した時、液体流路２の両端に接続された伸縮可能な２つのポンプ室１０，１２の一方を圧縮すれば、液体サンプルは圧縮されたポンプ室から他方のポンプ室に向けて液体流路２を流れ、下流のポンプ室が弾性的に膨張する。

【0045】

図６は、中間空気流路１６を閉じて、第１のポンプ室１０を圧縮した場合の空気の流れを矢印で示す。この場合、中間空気流路１６が閉じて第１の空気流路１４から第２の空気流路１５への空気の流動が遮断されているので、第１のポンプ室１０から押し出された空気は、第１の屈曲流路部５を流動し、第１の屈曲流路部５、第１の蛇行流路部６、直線流路部９、第２の蛇行流路部８、および第２の屈曲流路部７のいずれかの位置にある液体サンプル４０を第２のポンプ室１２へ向けて移動させる。このように移動する液体サンプル４０は、第２のポンプ室１２側の空気を押して第２のポンプ室１２に向けて移動させる。

【0046】

図示しないが、中間空気流路１６を閉じて、第２のポンプ室１２を圧縮した場合には、第２のポンプ室１２から押し出された空気は、第２の屈曲流路部７を流動し、液体流路２のいずれかの位置にある液体サンプル４０を第１のポンプ室１０へ向けて移動させる。このように移動する液体サンプル４０は、第１のポンプ室１０側の空気を押して第１のポンプ室１０に向けて移動させる。

【0047】

中間空気流路１６を閉じた時、両方のポンプ室を交互に圧縮することによって、液体サンプル４０は液体流路２を往復移動する。液体流路２と２つのポンプ室１０，１２は、完全に閉鎖されているので、液体サンプル４０を流路内で流動させる際に、液体サンプルへのコンタミネーションを最小限化することができる。

【0048】

一方、中間空気流路１６を開けば、第１の空気流路１４と第２の空気流路１５の間の空気の流動が可能になり、第１のポンプ室１０、液体流路２、第２のポンプ室１２、第２の空気流路１５、中間空気流路１６、第１の空気流路１４を有する閉鎖回路ができあがる。この場合、一方のポンプ室を圧縮しても、液体流路２における液体サンプルの両側で気圧が平衡し、液体サンプルは停止する。

【0049】

図７は、中間空気流路１６を開いて、第１のポンプ室１０を圧縮した場合の空気の流れを矢印で示す。この場合、中間空気流路１６が開いて第１の空気流路１４から第２の空気流路１５への空気の流動が可能であるので、第１のポンプ室１０から押し出された空気は、第１の屈曲流路部５に流入すると同時に、第２の空気流路１５から第２の屈曲流路部７へ流入する。したがって、液体流路２における液体サンプル４０の両側で気圧が平衡し、液体サンプル４０は停止する。図示しないが、第２のポンプ室１２を圧縮した場合にも、液体流路２における液体サンプル４０の両側で気圧が平衡し、液体サンプル４０は停止する。

【0050】

したがって、ポンプ室１０または１２の作用または予期しない理由で液体サンプル４０が移動している時、中間空気流路１６を開くことによって、液体サンプル４０を停止させることができる。液体サンプル４０の停止位置が所望の位置でない場合には、中間空気流路１６を閉じて、所要のポンプ室１０または１２を圧縮することによって、液体サンプル４０を移動させることができ、再び中間空気流路１６を開くことによって、液体サンプル４０を停止させることができる。このようにして、液体サンプル４０を所望の位置に容易に停止させることができる。上記の通り、基板２０，２１，２２は、透明樹脂から形成されているので、液体流路２内の液体サンプル４０を観察することができる。ＰＣＲでは、液体サンプルを高温で加熱するため、液体サンプルの粘性の変化、微小な気泡の発生、予期しない内部気圧の変動などのため、液体サンプルの停止位置の予測が困難であるが、上記のように中間空気流路１６を開閉しながら、ポンプ室１０および／または１２を圧縮することによって、液体サンプルを所望の観察位置に停止させることが容易である。

【0051】

図８は、実施形態に係るＰＣＲ分析装置３０の断面図である。図８、図１０、図１１においては、ＰＣＲ用マイクロ流体チップ１の図１のVIII-VIII線矢視断面を示す。図９は、マイクロ流体チップ１の図１のII-II線矢視断面に相当する断面図である。

【0052】

図８に示すように、ＰＣＲ分析装置３０は、ＰＣＲ用マイクロ流体チップ１、第１のアクチュエータ３１、第２のアクチュエータ３２、加熱装置３３、および観察分析装置３４を有する。また、図９に示すように、ＰＣＲ分析装置３０は、第３のアクチュエータ３５を有する。

【0053】

アクチュエータ３１，３２，３５は、例えば、手動レバー式アクチュエータ、電動リニアアクチュエータ、油圧リニアアクチュエータ、またはモータの回転を直進運動に変換する機構を有するアクチュエータであり、それぞれ押圧部３１ａ，３２ａ，３５ａを有する。各アクチュエータは、自動制御されてもよいが、好ましくは手動制御される。自動制御される場合でも、各アクチュエータを自動制御中に強制的に手動制御できることが好ましい。

【0054】

第１のアクチュエータ３１は第１のポンプ室１０の上方に配置され、図８に示すように、アクチュエータ３１の非駆動時には、押圧部３１ａは第１のポンプ室１０を画定する弾性膜２４とは間隔をおいて配置されている。アクチュエータ３１を駆動すると、図１０に示すように、押圧部３１ａは下降して弾性膜２４を押し下げ、第１のポンプ室１０を圧縮することができる。

【0055】

第２のアクチュエータ３２は第２のポンプ室１２の上方に配置され、図８に示すように、アクチュエータ３２の非駆動時には、押圧部３２ａは第２のポンプ室１２を画定する弾性膜２６とは間隔をおいて配置されている。アクチュエータ３２を駆動すると、図１１に示すように、押圧部３２ａは下降して弾性膜２６を押し下げ、第２のポンプ室１２を圧縮することができる。

【0056】

第３のアクチュエータ３５は中間空気流路１６の上方に配置され、図９に示すように、アクチュエータ３５の非駆動時には、押圧部３２ａは中間空気流路１６を画定するカバー部材１７とは間隔をおいて配置されており、中間空気流路１６は開放されている。アクチュエータ３５を駆動すると、押圧部３５ａは下降してカバー部材１７を押し下げ、中間空気流路１６を閉じることができる。

【0057】

加熱装置３３は、第１の蛇行流路部６を加熱する第１の加熱部３７と、第２の蛇行流路部８を加熱する第２の加熱部３８を有する。第１の加熱部３７は、加熱素子としてのペルチェ素子３７ａと、伝熱素子としての金属板３７ｂを有する。第２の加熱部３８は、加熱素子としてのペルチェ素子３８ａと、伝熱素子としての金属板３８ｂを有する。

【0058】

金属板３７ｂは、マイクロ流体チップ１の下基板２０における第１の蛇行流路部６の直下の位置に接合されており、金属板３７ｂにはペルチェ素子３７ａが接合されている。金属板３８ｂは、マイクロ流体チップ１の下基板２０における第２の蛇行流路部８の直下の位置に接合されており、金属板３８ｂにはペルチェ素子３８ａが接合されている。

【0059】

ペルチェ素子３７ａ，３７ｂは、それぞれ加熱回路３７ｃ，３８ｃによって駆動される。この実施形態では、局所的な加熱を行うため、ペルチェ素子３７ａ，３７ｂが使用されるが、他の加熱要素が使用されてもよい。

【0060】

観察分析装置３４は、マイクロ流体チップ１の透明な下基板２０を通じて液体流路２の直線流路部９内の液体サンプルを観察する。観察分析装置３４の光学ヘッド３４ａは、下基板２０における直線流路部９の真下に配置されている。観察分析装置３４は、励起光（紫外線）の照射に応答して、液体サンプル中の増幅産物が発する蛍光を計測する蛍光プローブであってよい。あるいは、観察分析装置３４は、液体サンプル中の増幅副産物であるピロリン酸マグネシウムによる白濁を検知する光学プローブであってよい。

【0061】

次に、ＰＣＲ分析装置３０の使用方法を説明する。まず、アクチュエータ３１，３２，３５の押圧部３１ａ，３２ａ，３５ａがマイクロ流体チップ１の上方に離れた状態（押圧部３１ａ，３２ａ，３５ａが初期位置にある状態）、すなわちポンプ室１０，１２と中間空気流路１６が圧縮されていない状態で、導入装置（図示せず）によって液体サンプル４０をポート３を通じて液体流路２に導入すなわち注入する。導入装置は、マイクロピペットまたはシリンジであってよい。液体流路２およびポンプ室１０，１２を液体サンプル４０で満たす必要はなく、液体サンプル４０の量は、わずかであってよく、例えば、１５～２０μｌでよい。液体流路２の幅と高さは小さく、液体サンプル４０は界面張力によって棒状に凝集し、液体流路２の断面を閉塞する。液体流路２が、幅０．５ｍｍ、高さ０．５ｍｍの矩形断面であり、液体サンプル４０の量を１５μｌであると仮定すると、液体流路２内の液体サンプル４０の長さは６０ｍｍである。したがって、液体サンプル４０は液体流路２とポンプ室１０，１２内の空間を左側空間と右側空間に分断する。左側空間は第１のポンプ室１０の内部空間を含み、右側空間は第２のポンプ室１２の内部空間を含む。図示しないが、ポート４を通じて空気をわずかに排出して、液体流路２内での液体サンプル４０の位置を調整してもよい。

【0062】

この後、液体サンプル４０からの気泡の抜けを待ち、ポート３，４を接着テープで閉塞して封止する。接着テープはセロハンテープでもよいしポリイミドテープでもよい。接着テープの代わりに、樹脂またはゴム製の栓をポート３，４に挿入して、ポート３，４を閉塞して封止してもよい。こうして、液体流路２、２つのポンプ室１０，１２、２つの空気流路１４，１５および中間空気流路１６を有する完全に閉鎖された流路系が形成される。

【0063】

次に、第３のアクチュエータ３５の押圧部３５ａを下降させ、カバー部材１７を押し下げて中間空気流路１６を閉じる。これにより、ポンプ室１０，１２の圧縮に応じて、液体サンプル４０が移動可能になる。

【0064】

次に、第１のアクチュエータ３１を駆動する。すると、図１０に示すように、アクチュエータ３１の押圧部３１ａが下降して弾性膜２４を押し下げ、第１のポンプ室１０を圧縮する。したがって、矢印に示すように、液体サンプル４０は液体流路２内を右方に向けて移動する。但し、押圧部３１ａは、図示より大きい下端を有して、弾性膜２４とともに中空板２３を押し下げるようにしてもよい。液体サンプル４０は、第１の蛇行流路部６と直線流路部９を通過し、さらに第２の蛇行流路部８まで移動する。液体サンプル４０に押されて、右側空間の圧力が高まり、第２のポンプ室１２は弾性的に膨張する。

【0065】

次に、図１１に示すように、アクチュエータ３１の押圧部３１ａを初期位置に上昇させるとともに、アクチュエータ３２を駆動する。すると、アクチュエータ３２の押圧部３２ａが下降して弾性膜２６を押し下げ、第２のポンプ室１２を圧縮する。したがって、矢印に示すように、液体サンプル４０は液体流路２内を左方に向けて移動する。但し、押圧部３２ａは、図示より大きい下端を有して、弾性膜２６とともに中空板２５を押し下げるようにしてもよい。液体サンプル４０は、第２の蛇行流路部８と直線流路部９を通過し、さらに第１の蛇行流路部６まで移動する。液体サンプル４０に押されて、左側空間の圧力が高まり、第１のポンプ室１０は弾性的に膨張する。

【0066】

再度、アクチュエータ３２の押圧部３２ａを初期位置に上昇させてアクチュエータ３１の押圧部３１ａを下降させると、液体サンプル４０は液体流路２内を右方に向けて移動する。再度、アクチュエータ３１の押圧部３１ａを初期位置に上昇させてアクチュエータ３２の押圧部３２ａを下降させると、液体サンプル４０は液体流路２内を左方に向けて移動する。

【0067】

このようにして、左右のアクチュエータ３１，３２を交互に駆動して、左右のダイアフラムポンプ、すなわちポンプ室１０，１２を交互に圧縮する。第１のポンプ室１０が収縮して左側空間の圧力が上昇する時、右側空間の圧力も上昇するが、第２のポンプ室１２が膨張するので、右側空間の圧力は急激には上昇しない。逆に第２のポンプ室１２が収縮して右側空間の圧力が上昇する時、左側空間の圧力も上昇するが、第１のポンプ室１０が膨張するので、左側空間の圧力は急激には上昇しない。このように、液体流路２内の圧力が急変しないため、液体サンプル４０内の気泡の発生が低減され、棒状の液体サンプル４０が大きな気泡の発生のために分断することも抑制される。

【0068】

加熱装置３３は、液体流路２内の液体サンプル４０の往復移動の間にサーマルサイクルを行うことが可能である。ある例では、液体サンプル４０が液体流路２内で往復移動する間、左側の第１の加熱部３７を液体サンプル４０内のＤＮＡ（デオキシリボ核酸）の変性のためかなり高い温度（例えば９５℃）に固定し、右側の第２の加熱部３８をプライマーのアニーリングのため高い温度（例えば６０℃）に固定してもよい。アクチュエータ３１が駆動されて液体サンプル４０が液体流路２内を右方に向けて移動する間、液体サンプル４０は、第１の蛇行流路部６を通過する間に変性温度になり、第２の蛇行流路部８を通過する間にプライマーのアニーリング温度になる。アニーリング温度でもＤＮＡの伸長は進行しうる。この場合には、アニーリング温度を「伸長・アニーリング温度」と呼ぶことができる。直線流路部９は加熱されていないが、直線流路部９は短いので、そこを通過する間の液体サンプル４０の温度降下は少ない。

【0069】

他方、アクチュエータ３２が駆動されて液体サンプル４０が液体流路２内を左方に向けて移動する間、液体サンプル４０は第２の蛇行流路部８を通過する間に伸長・アニーリング温度のままであり、第１の蛇行流路部６を通過する間に変性温度になる。次にアクチュエータ３１が駆動されて液体サンプル４０が液体流路２内を右方に向けて移動する間、液体サンプル４０は、第１の蛇行流路部６を通過する間に変性温度のままであり、第２の蛇行流路部８を通過する間に伸長・アニーリング温度になる。この例では、液体サンプル４０の液体流路２内での１往復が１サイクルに相当する。

【0070】

逆に、液体サンプル４０が液体流路２内で往復移動する間、左側の第１の加熱部３７を液体サンプル４０内のＤＮＡの伸長とプライマーのアニーリングのため高い温度（例えば６０℃）に固定し、右側の第２の加熱部３８をＤＮＡの変性のためかなり高い温度（例えば９５℃）に固定してもよい。

【0071】

アクチュエータ３１，３２の両方の駆動を停止した後、左側空間と右側空間の圧力（２つのポンプ室１０，１２の圧力）が平衡すると、液体サンプル４０は移動を停止する。あるいは、第３のアクチュエータ３５の押圧部３５ａを上昇させカバー部材１７を初期位置に上昇させ、中間空気流路１６を開放することにより、強制的に液体サンプル４０の移動を停止させてもよい。透明な上基板２２を通じて、液体サンプル４０の位置は上方から視認可能である。

【0072】

液体サンプル４０の停止位置が所望の位置でない場合には、第３のアクチュエータ３５の押圧部３５ａを下降させカバー部材１７を押し下げて中間空気流路１６を閉じた状態で、所要のポンプ室１０または１２を圧縮することによって、液体サンプル４０を移動させることができる。そして、第３のアクチュエータ３５の押圧部３５ａを初期位置に上昇させカバー部材１７を弾性的に復元させて、中間空気流路１６を開くことによって、液体サンプル４０を停止させることができる。

【0073】

移動を停止した液体サンプル４０は、透明な下基板２０を通じて観察分析装置３４によって観察される。

【0074】

出願人は、アクチュエータ３１，３２の交互駆動を繰り返し、液体流路２内で液体サンプル４０を５０回往復させた。液体サンプル４０内の気泡の発生は観察されず、棒状の液体サンプル４０の分断も観察されなかった。

【0075】

この実施形態では、液体流路２、２つのポンプ室１０，１２、２つの空気流路１４，１５および中間空気流路１６は、基板２０，２１，２２、中空板２３，２５，２７、弾性膜２４，２６、およびカバー部材１７で完全に閉鎖されるので、液体サンプルを液体流路２内で流動させる際に、液体サンプルへのコンタミネーションを最小限化することができる。マイクロ流体チップ１は、ゴムと樹脂から構成されており、金属やセラミックスさらに電子部品等を含まないため、安価であり気軽に廃棄することができる。左右のアクチュエータ３１，３２と左右のダイアフラムポンプを有する液体サンプル４０の輸送機構は、単純であるにも関わらず、安定して連続した送液が可能である。また、第３のアクチュエータ３５とカバー部材１７を有する中間空気流路１６の開閉機構は、単純であるにも関わらず、液体サンプル４０の移動と停止を確実に制御することができる。以上、本発明の好ましい実施形態を参照しながら本発明を図示して説明したが、当業者にとって特許請求の範囲に記載された発明の範囲から逸脱することなく、形式および詳細の変更が可能であることが理解されるであろう。このような変更、改変および修正は本発明の範囲に包含されるはずである。例えば、上記の実施形態においては、ポンプ室１０，１２を画定する中空板２３，２５が設けられている。しかし、中空板２３，２５の代わりに、蛇腹を用いてもよい。この場合、蛇腹は、弾性膜２４と上基板２２を気密に連結し、弾性膜２６と上基板２２を気密に連結する。

【0076】

中間空気流路１６を画定する中空板２７も、カバー部材１７と上基板２２を気密に連結する蛇腹に置き換えることができる。

【0077】

上記の実施形態においては、ＰＣＲ分析装置３０が観察分析装置３４を有する。しかし、サーマルサイクルが終了した後、液体サンプル４０をマイクロ流体チップ１からマイクロピペットまたはシリンジによって取り出し、取り出した液体サンプル４０を電気泳動でフィルタリングし、液体サンプル４０中の増幅産物のサイズを計測してもよい。したがって、観察分析装置３４は不可欠ではない。

【0078】

上記の実施形態では、下基板２０と上基板２２の両方が透明であるが、下基板２０と上基板２２のいずれかは不透明であってもよい。また、基板２０，２２において、液体流路２または空気流路が重ならない部分は不透明であってもよい。

【0079】

上記の実施形態では、液体流路２の１つの領域でプライマーのアニーリングとＤＮＡの伸長を促進し、液体流路２の他の１つの領域でＤＮＡの変性を促進する。しかし、液体流路２の１つの領域でプライマーのアニーリングを促進し、液体流路２の他の１つの領域でＤＮＡの伸長を促進し、液体流路２の他の１つの領域でＤＮＡの変性を促進してもよい。例えば、加熱部３７，３８の一方をＤＮＡの変性に適した温度（例えば９５℃）に固定し、加熱部３７，３８の他方をＤＮＡの伸長に適した温度（例えば７０℃）に固定し、加熱されない直線流路部９で液体サンプル４０がプライマーのアニーリングに適した温度（例えば５５℃）になるようにしてもよい。中間空気流路１６の開閉により、液体サンプル４０の移動と停止を制御することによって、液体サンプル４０が各温度領域に滞在する時間を調節することができる。

【0080】

上記の実施形態では、カバー部材１７は、外力（押圧力）が与えられると中間空気流路１６を閉じ、外力が与えられない通常時に中間空気流路１６を開くように構成されている。しかし、カバー部材１７は、外力が与えられない通常時に中間空気流路１６を閉じ、外力（引張力）が与えられると中間空気流路１６を開くように構成されていてもよい。この場合、第３のアクチュエータ３５はカバー部材１７を引っ張って中間空気流路１６を開く。

【0081】

第１のポンプ室１０は、弾性膜２４を第１のアクチュエータ３１が引っ張ることにより、膨張するよう構成されていてもよい。第２のポンプ室１２も、弾性膜２６を第２のアクチュエータ３２が引っ張ることにより、膨張するよう構成されていてもよい。

【0082】

本発明の態様は、下記の番号付けされた条項にも記載される。

【0083】

条項１． ＰＣＲに使用される液体サンプルが流動する液体流路と、
前記液体流路に前記液体サンプルを導入する導入口と、
前記液体流路の一端に接続され、空気で満たされた弾性的に伸縮可能な第１のポンプ室と、
前記液体流路の他端に接続され、空気で満たされた弾性的に伸縮可能な第２のポンプ室と、
前記第１のポンプ室に接続され、空気が流動する第１の空気流路と、
前記第２のポンプ室に接続され、空気が流動する第２の空気流路と、
前記第１の空気流路と前記第２の空気流路を接続する中間空気流路と、
与えられる外力に応じて、前記中間空気流路を開閉するように構成され、前記中間空気流路を気密に覆う伸縮可能なカバー部材と、
前記液体流路、前記第１のポンプ室、前記第２のポンプ室、前記第１の空気流路、および前記第２の空気流路を気密に包囲し、少なくとも片面に前記液体流路が観察される透明部分が設けられた包囲部材とを
有するＰＣＲ用マイクロ流体チップ。

【0084】

条項２． 条項１に記載のＰＣＲ用マイクロ流体チップと、
前記第１のポンプ室に外力を与える第１のアクチュエータと、
前記第２のポンプ室に外力を与える第２のアクチュエータと、
前記カバー部材に外力を与える第３のアクチュエータと、
前記液体流路を加熱する加熱装置とを
有するＰＣＲ分析装置。

【0085】

この条項によれば、第１のアクチュエータと第２のアクチュエータが液体流路の両端に接続された第１のポンプ室と第２のポンプ室にそれぞれ外力を与えるので、液体サンプルの往復移動を促進することができる。往復移動の間に液体流路を加熱する加熱装置によって、液体サンプルはサーマルサイクルの対象となる。また、第３のアクチュエータがカバー部材に外力を与えるので、中間空気流路を開閉することができる。

【符号の説明】

【0086】

１ ＰＣＲ用マイクロ流体チップ
２ 流路
３ ポート（導入口）
４ ポート
５ 第１の屈曲流路部
５１ 第１の分岐路
６ 第１の蛇行流路部
７ 第２の屈曲流路部
７１ 第２の分岐路
８ 第２の蛇行流路部
９ 直線流路部
１０ 第１のポンプ室
１２ 第２のポンプ室
１４ 第１の空気流路
１５ 第２の空気流路
１６ 中間空気流路
１７ カバー部材
２０ 下基板（包囲部材）
２１ 流路基板（包囲部材）
２２ 上基板（包囲部材）
２３，２５ 中空板（包囲部材）
２４，２６ 弾性膜（包囲部材）
３０ ＰＣＲ分析装置
３１ 第１のアクチュエータ
３２ 第２のアクチュエータ
３５ 第３のアクチュエータ
３３ 加熱装置
３４ 観察分析装置
３７ 第１の加熱部
３８ 第２の加熱部
３７ａ，３８ａ ペルチェ素子
３７ｂ，３８ｂ 金属板
４０ 液体サンプル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】