(57)【要約】  流体が流れることのできる空間である微細チャネルを具備した微細流体装置を開示する。前記微細チャネルの底面には、突出物が形成されている。  前記微細流体装置は、光学特性を向上させて検出感度を高め、微細チャネル内を流れる流体の速度を遅くして、生化学反応の反応性を向上させる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が流れることのできる空間である微細チャネルを具備した微細流体装置であって、
前記微細チャネルの底面には、突出物が形成されていることを特徴とする微細流体装置。
【請求項２】
前記突出物は、半球形、円錐形、切頭円錐形、角錐形、切頭角錐形、円柱形、角柱形、又は角面体形状であることを特徴とする、請求項１に記載の微細流体装置。
【請求項３】
前記突出物の横断面は、円形状、多角形状、クローバー形状、又は凹んだ部分のある閉曲面であることを特徴とする、請求項１に記載の微細流体装置。
【請求項４】
前記突出物の縦横比は、２：１〜４：１であることを特徴とする、請求項２に記載の微細流体装置。
【請求項５】
前記突出物の側面の傾斜角は、５０°〜８０°であることを特徴とする、請求項２に記載の微細流体装置。
【請求項６】
前記突出物の側面の傾斜角は、前記突出物をなす材質が水溶液、有機溶液又は空気に対して全反射を引き起こす臨界角以上の角度であることを特徴とする、請求項５に記載の微細流体装置。
【請求項７】
前記突出物の側面の傾斜角は、前記突出物をなす材質が水溶液、有機溶液又は空気に対して全反射を引き起こす臨界角以上の角度であることを特徴とする、請求項２に記載の微細流体装置。
【請求項８】
前記突出物の高さは、２μｍ〜１９０μｍであることを特徴とする、請求項２に記載の微細流体装置。
【請求項９】
前記微細チャネルの高さは、５μｍ〜２００μｍであることを特徴とする、請求項６に記載の微細流体装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載の微細流体装置内の微細チャネル内に試料を注入するステップ；
前記微細チャネルの下側から光を照射するステップ；及び
前記試料から発生する光を測定して、試料を分析するステップを含むことを特徴とする試料分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体が流れることのできる空間である微細チャネルを具備した微細流体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、バイオ産業において現場診療機器（Ｐｏｉｎｔ  ｏｆ  Ｃａｒｅ，  ＰＯＣ）及びラボオンチップ（Ｌａｂ‐ｏｎ‐ａ‐ｃｈｉｐ，  ＬＯＣ）に対する研究や製品化が多く行われている。前記ＬＯＣは、生物学、医学及び薬理学等、多様な分野の実験を遂行することのできる実験装置を一つのプラスチック微細流体（ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ）装置に具現したものである。
【０００３】
前記微細流体装置の微細チャネル内に血液等のような試料を注入したり、チャネル内を流れるようにしたりしながら生化学的反応を引き起こさせ、その反応結果物を分析装備によって光学的又は分光学的方法等により分析する。したがって、前記試料から簡単に病気を診断したり、疾病の進行経過をモニタリングしたりすることができる。
【０００４】
図１ａ及び図１ｂは、従来の微細チャネルが具備された微細流体装置の斜視図及び断面図である。前記微細流体装置は、上部基板１６０及び下部基板１８０からなり、内部に微細チャネル１００、流入口１２０、及び流出口１４０を具備する。前記流入口１２０を介して流入される流体は、微細チャネル１００を介して流れることになる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、底面に突出物が形成されている微細チャネルを具備した微細流体装置を提供するためのものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、流体が流れることのできる空間である微細チャネルを具備した微細流体装置に関し、前記微細チャネルの底面には突出物が形成されている。
【０００７】
ここで、前記突出物は、半球形、円錐形、切頭円錐形、角錐形（底面が多角形の角状）、切頭角錐形、円柱形、角柱形（底面が多角形の柱状）、又は角面体（たとえば、正六面体などの正多面体）の形状であってよい。好ましくは、前記突出物は、切頭円錐形、又は半球形である。また、本発明において、前記突出物の横断面は、円、多角形、又はクローバー形状のであることが好ましい。
【０００８】
本発明において、突出物の縦横比は、２：１〜４：１であることが好ましい。また、前記突出物の高さは、５μｍ以上であることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、タンパク質又はＤＮＡを分析するための抗原抗体反応又は酵素反応等の生化学的反応実験の際、反応結果物の光学特性を向上させて検出感度を高めることができる。また、反応部位における流動速度を遅くして生化学反応の反応性を向上させる。すなわち、突出物により流動を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１ａ】図１ａ及び図１ｂは、それぞれ従来の微細チャネルが具備された微細流体装置の斜視図及び断面図である。
【図１ｂ】図１ａ及び図１ｂは、それぞれ従来の微細チャネルが具備された微細流体装置の斜視図及び断面図である。
【図２ａ】図２ａは、本発明により突出物が形成されている微細チャネルの断面及び前記微細チャネルの底面の下側から光を照射する様子を示したものである。
【図２ｂ】図２ｂは、図２ａに示されているように光を照射して微細チャネルの底面を撮影した写真である。
【図２ｃ】図２ｃ及び図２ｄは、直径がそれぞれ２μｍ及び８μｍの突出物が形成されている底面の下側から光を照射して撮影した写真である。
【図２ｄ】図２ｃ及び図２ｄは、直径がそれぞれ２μｍ及び８μｍの突出物が形成されている底面の下側から光を照射して撮影した写真である。
【図２ｅ】図２ｅは、高さがそれぞれ２μｍ及び８μｍの突出物が形成されている底面の下側から光照射した場合の、光の強さを比較したグラフである。
【図３ａ】図３ａは、本発明により突出物が形成されている微細チャネルの底面の上側から光を照射する様子を図示したものである。
【図３ｂ】図３ｂは、図３ａに示されているように光を照射して微細チャネルの底面を撮影した写真である。
【図３ｃ】図３ｃ及び図３ｄは、直径がそれぞれ２μｍ及び８μｍの突出物が形成されている底面の上側から光を照射して撮影した写真である。
【図３ｄ】図３ｃ及び図３ｄは、直径がそれぞれ２μｍ及び８μｍの突出物が形成されている底面の上側から光を照射して撮影した写真である。
【図３ｅ】図３ｅは、突出物が形成されている底面の下側から光を照射した場合と上側から光を照射した場合の光の強さを比較したグラフである。
【図３ｆ】図３ｆ〜図３ｉは、８μｍの高さの突出物が形成されている微細流体装置における、試料の濃度別に底面の下側から光を照射した場合と上側から光を照射した場合の蛍光の強さを比較したグラフである。
【図３ｇ】図３ｆ〜図３ｉは、８μｍの高さの突出物が形成されている微細流体装置における、試料の濃度別に底面の下側から光を照射した場合と上側から光を照射した場合の蛍光の強さを比較したグラフである。
【図３ｈ】図３ｆ〜図３ｉは、８μｍの高さの突出物が形成されている微細流体装置における、試料の濃度別に底面の下側から光を照射した場合と上側から光を照射した場合の蛍光の強さを比較したグラフである。
【図３ｉ】図３ｆ〜図３ｉは、８μｍの高さの突出物が形成されている微細流体装置における、試料の濃度別に底面の下側から光を照射した場合と上側から光を照射した場合の蛍光の強さを比較したグラフである。
【図４ａ】図４ａは、円錐形の突出物の断面図である。
【図４ｂ】図４ｂは、円錐形の突出物が形成されている底面を撮影した写真である。
【図５ａ】図５ａは、半球形の突出物の断面図である。
【図５ｂ】図５ｂは、半球形の突出物が形成されている底面を撮影した写真である。
【図６】互いに異なる媒質における臨界角を説明するための図面である。
【図７】傾斜角がαである側壁を有する突出物の底面から光が入射される様子を示したものである。
【図８ａ】図８ａ及び図８ｂは、互いに異なる傾斜角を有する突出物について光の経路を示したものである。
【図８ｂ】図８ａ及び図８ｂは、互いに異なる傾斜角を有する突出物について光の経路を示したものである。
【図９ａ】図９ａ〜図９ｅは、多様な傾斜角の角度における光の集光効果を示したものである。
【図９ｂ】図９ａ〜図９ｅは、多様な傾斜角の角度における光の集光効果を示したものである。
【図９ｃ】図９ａ〜図９ｅは、多様な傾斜角の角度における光の集光効果を示したものである。
【図９ｄ】図９ａ〜図９ｅは、多様な傾斜角の角度における光の集光効果を示したものである。
【図９ｅ】図９ａ〜図９ｅは、多様な傾斜角の角度における光の集光効果を示したものである。
【図１０】多様な形の横断面を有する突出物について実験結果を撮影した写真である。
【図１１】本発明に係る微細流体チップを使用して試料を分析するために微細流体チップの下側から光を照射するための分析装置を示したものである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下では、図面を参照しつつ、本発明の実施例について具体的に説明する。しかし、本発明が下記実施例によって制限されるものではない。
【００１２】
図２ａは、本発明により突出物が形成されている微細チャネル５０の断面と前記微細チャネル５０の底面の下側から光を照射する様子を概略的に示したものである。
【００１３】
前記微細チャネル５０は、上部基板４０及び下部基板１０の間の空間に形成される。ここで、前記微細チャネル５０の底面をなす下部基板１０上には、突出物２０が形成されている。本実施例において、前記突出物２０は、切頭円錐形である。
【００１４】
以下では、前記のような微細チャネル５０を具備した微細流体装置を利用して生化学試料を分析する方法を説明する。まず、前記微細チャネル５０の底面に、たとえば、１次捕獲抗体を均等に塗布した後、微細チャネルを介して血液等の試料を流れるようにする。このとき、前記試料中の抗原が、前記捕獲抗体と結合することになる。抗体により捕獲された抗原を、さらに蛍光物質が標識された２次抗体と反応させて、抗原と２次抗体を結合させる。ここで、前記突出物２０は、抗原抗体反応を引き起こさせる表面積を増加させる。
【００１５】
その後、前記微細チャネルの底面の下側において光源３０から光を照射すると、前記１次捕獲抗体、抗原及び２次抗体が結合した物質は、２次抗体に標識された蛍光物質により蛍光を示す。したがって、前記２次抗体の蛍光物質を検出することにより、試料中の抗原を定量的及び定性的に分析することができる。
【００１６】
本実施例においては、蛍光物質が標識された２次抗体として、蛍光を帯びるナノ粒子が標識された抗体を０．００１％濃度の溶液として使用して、感度を測定した。図２ｂは、底面の下側から光を照射して撮影した写真である。図２ｂに示されているように、前記蛍光物質は、前記円錐形の突出物２０の側壁に位置する蛍光物質から放出される蛍光の強さが非常に大きい。これは、前記突出物２０の側壁が傾斜した形態であって、集光効果を示すためである。したがって、蛍光物質を光学的に検出することが容易である。前記集光効果については後述する。
【００１７】
図２ｃ及び図２ｄは、高さがそれぞれ２μｍ及び８μｍの突出物が形成されている底面の下側から光を照射して撮影した写真である。図２ｃ及び図２ｄに示されているように、高さが８μｍの突出物が形成されている場合（図２ｄ）の蛍光の強さがより大きいことを知ることができる。実験の結果、突出物の高さが２μｍ〜２０μｍの範囲において、光の強さが向上した。
【００１８】
図２ｅは、高さがそれぞれ２μｍ及び８μｍの突出物が形成されている底面の下側から光を照射した場合の蛍光の強さ（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）（無次元）を比較したグラフである。横軸は、任意の基準点からの相対的な距離を示す。
【００１９】
図３ａは、本発明により突出物が形成されている微細チャネル５０の底面の上側から光を照射する様子を図示したものである。このときは、蛍光が、図３ｂに示されているように、蛍光物質から検出される光の強さが非常に弱く、蛍光物質を光学的に検出することが困難である。
【００２０】
図３ｃ及び図３ｄは、高さがそれぞれ２μｍ及び８μｍの突出物が形成されている底面の上側から光を照射して撮影した写真である。図３ｃ及び図３ｄに示されているように、高さが２μｍの突出物及び高さが８μｍの突出物ともに光の強さが弱く、蛍光物質を検出することが困難である。これは、本発明により突出物が形成されている微細チャネルの底面の上側から光を照射する場合、突出物の集光効果がないためである。
【００２１】
図３ｅは、８μｍの高さの突出物が形成されている底面の下側から光を照射した場合と上側から光を照射した場合の蛍光の強さを比較したグラフである。図３ｅから分かるように、突出物が形成されている微細チャネルの底面の下側から光を照射する場合に、光の強さが強いことを知ることができる。
【００２２】
図３ｆ〜図３ｉは、８μｍの高さの突出物が形成されている微細流体装置における、試料の濃度別に底面の下側から光を照射した場合と上側から光を照射した場合の蛍光の強さを比較したグラフである。
【００２３】
図３ｆ〜図３ｉは、実際の分析体（ａｎａｌｙｔｅ）であるＴｎＩを適用して試料の流動反応を測定する方式であるサンドイッチ（ｓａｎｄｗｉｃｈ）方式でＦｒｅｎｄＴＭ（ＮａｎｏＥｎＴｅｋ（株）製の微細流体装置）にかけて実験を行った結果を示したものである。実験方法として、１次捕獲抗体が含まれた微細流体装置に試料を注入後に、サンドイッチ方式により抗原抗体反応した値を、光学機器を活用して蛍光信号の強さを測定した。
【００２４】
図３ｆ〜図３ｈにおいて、各横軸は、任意の基準点からの相対的な距離を示し、縦軸は、蛍光の強さ（無次元）を示す。
【００２５】
試料の種類は、分析体（ＴｎＩ）の濃度別に、２４ｎｇ／ｍＬ、１２ｎｇ／ｍＬ、６ｎｇ／ｍＬの濃度に区分され、それぞれ図３ｆ、図３ｇ、図３ｈに該当する。
【００２６】
図３ｆ〜図３ｈにおいて、突出物が形成されている微細チャネルの底面の下側から光を照射する場合、底面の上側から光を照射する場合よりも光の強さが強いことを知ることができる。図３ｆの場合、底面の下側から光を照射する場合には、上側から光を照射する場合よりも約２１％光の強さが向上し、図３ｇの場合は約２２％向上し、図３ｈの場合は約２０％向上する。したがって、底面の下側から光を照射する場合には、上側から光を照射する場合よりも平均２１％程度光の強さが向上する。
【００２７】
一方、分析体（ＴｎＩ）の濃度による平均的な蛍光の強度は、図３ｉのとおり、２４ｎｇ／ｍＬの濃度のときに最も大きいということを確認することができる。
【００２８】
図４ａは、本発明の一実施例により微細チャネルの底面に形成される、切頭円錐形の突出物の断面を図示したものである。本発明の一実施例においては、前記円錐形の下端の直径ａは、４μｍ〜８０μｍであることが好ましい。また、前記円錐形の縦横比（すなわち、ａ：ｃ）は、約２：１〜４：１であることが好ましい。また、前記円錐形の側面の傾斜角αは、約５０°〜８０°であることが好ましい。このような設計を通じ、前記円錐面の上面の直径ｂを決定することができる。前記円錐形の上面は、切断された平面形態であってもよく、凸平面形態であってもよい。
【００２９】
また、前記突出物の高さｃは、２μｍ〜２００μｍ、好ましくは２μｍ〜１９０μｍ、より好ましくは５μｍ〜２０μｍの範囲である。また、微細チャネル（図２ａの５０）の高さは、５μｍ以上、好ましくは１０μｍ〜２００μｍである。
【００３０】
前記突出物は、微細チャネルの底面をなすことになる下部基板（図２ａの１０）上に、半導体工程に基づくＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）工程、微細加工技術又はモールディング技術を使用して形成させることができる。
【００３１】
図４ｂは、図４ａに示されているような円錐形の突出物が格子状に配置されて形成されている微細チャネルの底面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で撮影した写真である。前記円錐形の下面の直径は２５μｍであり、高さは８μｍとなるように形成した。
【００３２】
図５ａは、本発明の他の実施例により微細チャネルの底面に形成される半球形の突出物の断面を示したものである。本発明の実施例において、前記半球形の下端の直径は、１０μｍ〜５０μｍであることが好ましい。また、前記半球形の縦横比（すなわち、ａ：ｃ）は、約２：１〜４：１であることが好ましい。このとき、前記半球形の側面が底面に対して接している傾斜角αは、約５０°〜８０°であることが好ましい。
【００３３】
図５ｂは、図５ａに示されているような半球形の突出物が格子状に配置されて形成されている微細チャネルの底面をＳＥＭで撮影した写真である。前記半球形の下面の直径は２５μｍであり、高さは８μｍとなるように形成した。
【００３４】
以下では、本発明において微細チャネルの底面に形成された突出物により示される集光現象について説明する。
【００３５】
光は、互いに異なる媒質の境界面で屈折することになる。また、光は、屈折率の大きい媒質（媒質１）から屈折率の小さい媒質（媒質２）へ入射する場合に、特定の入射角から全反射が起こり始める。かかる入射角を臨界角（ｃｒｉｔｉｃａｌ  ａｎｇｌｅ）といい、下記数式１のように与えられる：
【００３６】
【数１】
2013513795.tif 000003
【００３７】
図６に示されているように、屈折率がｎ１の媒質から屈折率がｎ２の媒質に入射する光の入射角がθｃよりも大きい場合に、光は全反射する。たとえば、媒質１は屈折率が１．４９のＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート、ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌ  ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）であり、媒質２は屈折率が１．３３の水である場合、臨界角θｃは約６７°である。すなわち、６７°以上の入射角θで媒質１（ＰＭＭＡ）から媒質２（水）へ入射した場合、全反射するようになる。
【００３８】
下記表１は、多様な材質の屈折率及び水（屈折率１．３３）に対する臨界角を計算したものである：
【００３９】
【表１】
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【００４０】
図７は、傾斜角αの側壁を有する突出物の底面から光が入射される様子を図示したものである。前記傾斜角αが臨界角θｃよりも大きい場合、突出物の底面から入射される光が側壁で全反射されて、突出物の反対側の側壁へ進むことになる。したがって、突出物の側壁の面に固定されている蛍光粒子を励起させることが容易である。
【００４１】
図８ａ及び図８ｂは、互いに異なる傾斜角αを有する突出物について蛍光粒子１から放射される光の経路を示したものである。図８ａの場合、蛍光粒子１から放射される光が臨界角θｃ以上の角度θで突出物の側壁に入射され、全反射されて、突起部の底面方向に集光される。特に、突出物の傾斜角αが材質の臨界角よりも大きい場合、突出物に入射された光が全反射されて光の集光効果を大きくする。しかし、図８ｂのように、傾斜角αが低すぎる場合には、光が散乱して集光が困難であることを知ることができる。
【００４２】
図９ａ〜図９ｅは、多様な傾斜角の角度における光の集光効果を示したものである。前記図面に示されているように、傾斜角５０°以上の範囲、好ましくは５０°〜８０°の範囲において、蛍光粒子１の光が全反射されて光が突出物の底面側に集光されることを知ることができる。
【００４３】
一般的に、生化学的試料（たとえば、血液、体液又は尿等）又は実験時に使用される試料は、分散媒が水である分散系、又は溶媒が水である水溶液であると言える。したがって、本発明においては、突出物の屈折率と水の屈折率とを比較して計算した臨界角を考慮した。しかし、本発明においては、前記水溶液等以外にも、溶媒がアルコールのような有機溶媒である有機溶液等も、実験時に使用していてもよい。したがって、本発明においては、実験に使用される生化学的試料、分散媒が水である分散系、水溶液、又は有機溶液等の具体的な屈折率を考慮して臨界角を計算し、これを微細チャネル内部の突出物の設計に反映することができる。また、本発明に係る実験の際、微細チャネル内部の試料又は溶液を除去した後、反応された結果（すなわち、抗原抗体反応によりチャネル内部に固定された抗原）に対して実験することができる。したがって、本発明においては、突出物の屈折率と空気の屈折率とを比較して臨界角を計算し、これを反映して微細チャネル内部の突出物の設計に反映することもできる。
【００４４】
図１０は、多様な形の横断面を有する突出物について実験を行い、その実験結果を撮影した写真である。図示されているように、突出物の横断面がクローバー形の場合に蛍光の強さが最も強く、その次に円形が強く、六角形の蛍光の強さが最も弱いということを知ることができる。これは、突出物の横断面の平面の形の周囲の長さが長いほど、光の集光面積が増えるためであるものと判断される。また、突出物の断面がクローバー形のように凹んだ部分が含まれている閉曲面又は凹んだ部分を含む凹多角形の場合、前記凹んでいる部分で反射された光が重畳されるため、光の集光効果がさらに大きいものと判断される。
【００４５】
図１１は、本発明に係る微細流体チップを使用して試料を分析するために微細流体チップの下側から光を照射するための分析装置の一例を示したものである。前記分析装置においては、光源３０から放射される光がダイクロイックミラー２２０により反射されて微細流体チップの下側に照射され、微細流体チップの試料から放射される蛍光は、ダイクロイックミラー２２０を通過して画像処理読取部２３０において読み取られる。
【００４６】
本発明に係る実施例は、上述したものに限定されず、本発明と関連して通常の知識を有する者にとって自明な範囲内において、様々な代案、修正及び変更を行って実施することができる。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
2013513795.tif 000006
【図２ａ】
2013513795.tif 000007
【図２ｂ】
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【図２ｃ】
2013513795.tif 000009
【図２ｄ】
2013513795.tif 000010
【図２ｅ】
2013513795.tif 000011
【図３ａ】
2013513795.tif 000012
【図３ｂ】
2013513795.tif 000013
【図３ｃ】
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【図３ｄ】
2013513795.tif 000015
【図３ｅ】
2013513795.tif 000016
【図３ｆ】
2013513795.tif 000017
【図３ｇ】
2013513795.tif 000018
【図３ｈ】
2013513795.tif 000019
【図３ｉ】
2013513795.tif 000020
【図４ａ】
2013513795.tif 000021
【図４ｂ】
2013513795.tif 000022
【図５ａ】
2013513795.tif 000023
【図５ｂ】
2013513795.tif 000024
【図６】
2013513795.tif 000025
【図７】
2013513795.tif 000026
【図８ａ】
2013513795.tif 000027
【図８ｂ】
2013513795.tif 000028
【図９ａ】
2013513795.tif 000029
【図９ｂ】
2013513795.tif 000030
【図９ｃ】
2013513795.tif 000031
【図９ｄ】
2013513795.tif 000032
【図９ｅ】
2013513795.tif 000033
【図１１】
2013513795.tif 000034
【図１０】
2013513795.tif 000035
【国際調査報告】
2013513795.tif 000036
2013513795.tif 000037
2013513795.tif 000038
2013513795.tif 000039