(57)【要約】本発明は、液体試料中の特定成分を抽出するために、抽出部の流路中に特定成分と結合する結合部材からなる突起（２３２）を、流路側壁に対向電極（２３０、２３１）を設け、対向電極に交番電場を印加することで、強制的に特定成分を前記突起に接触させることにより、特定成分を前記突起に結合させた後、結合した特定成分を、流路中に溶離液を流すことで突起より分離させることで、効率よく特定成分を抽出できる抽出装置を実現した。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料から特定の化学物質を抽出する抽出部と、抽出部に試料を供給するための試料供給部と、抽出部で抽出した特定の化学物質を取り出すための取り出し部を備えた抽出装置において、
前記抽出部に電場を印加するための対向電極と、特定の化学物質を結合させるための結合部材とを設け、前記結合部材の一部或いは全部を対向する両電極の間に設けたことを特徴とする抽出装置。
【請求項２】
試料から特定の化学物質を抽出する抽出部と、抽出部に試料を供給するための試料供給部と、抽出部で抽出した特定の化学物質を取り出すための取り出し部を備えた抽出装置において、
前記抽出部に試料中の特定の物質と結合させるための結合部材を設け、前記結合部材の一部或いは全部においてその内部を導体で構成し、内部を導体で構成した結合部材を電極として前記抽出部に電場を印加することを特徴とする抽出装置。
【請求項３】
前記結合部材は、前記抽出部の流路中の流れ方向に沿って設けた複数の板状の突起であり、前記流路に連続的に試料を供給しながら化学物質を前記結合部材に結合させることを特徴とする請求の範囲第１項又は、第２項の何れか１項に記載の抽出装置。
【請求項４】
前記抽出部に設けた電極に交番電場を印加することを特徴とする請求の範囲第１項から第３項の何れか１項に記載の抽出装置。
【請求項５】
前記抽出部をガラス或いはシリコン基盤上にエッチングで成形したことを特徴とする請求の範囲第１項から第４項の何れか１項に記載の抽出装置。
【請求項６】
前記抽出部を樹脂成形したことを特徴とする請求の範囲第１項から第４項の何れか１項に記載の抽出装置。
【請求項７】
シリコンに酸化膜を形成することにより前記結合部材を形成したことを特徴とする請求の範囲第１項から第４項の何れか１項に記載の抽出装置。
【請求項８】
試料から特定の化学物質を抽出する抽出部と、抽出部に試料を供給するための試料供給部と、試料と混合する試薬を供給するための試薬供給部と、抽出部から抽出した特定の化学物質を分析するための検出部を備えた化学分析装置において、
前記抽出部に交番電場を印加し、前記抽出部に連続的に試料を供給しながら試料を分離することを特徴とする化学分析装置。
【請求項９】
前記抽出部の流路中に試料から特定の化学物質のみを結合させるための結合部材を設けたことを特徴とする請求の範囲第８項に記載の化学分析装置。
【請求項１０】
前記抽出部に供給する試料の特定成分を予め分離する分離部、或いは特定成分を濃縮する濃縮部を設けたことを特徴とする請求の範囲第８項又は、第９項の何れか１項に記載の化学分析装置。
【請求項１１】
前記抽出部、検出部、分離部、濃縮部を一体で基盤上に成形したことを特徴とする請求の範囲第８項から第１０項の何れか１項に記載の化学分析装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、液体試料中の特定の成分を抽出するための抽出装置、及び抽出した成分を分析するための化学分析装置に関する。
背景技術
複数の化学物質を含む試料から核酸等の特定の化学物質を抽出する抽出装置としては、ＷＯ　９９／０９０４２号公報に、流体試料操作のための微細構造が記載されている。この装置は、基盤上に微細なアレイ状の突起を構成し、供給口と排出口を設けることで試料を連続的に供給し、微細流路であっても大量の試料を処理しようとしている。また、突起の表面積を大きくすることにより、試料の捕捉率を高めようとしている。また流路を微細化することにより溶離液を少なくし、抽出試料を高濃度で回収しようとしている。
また、特開平１０−３１８９８２号公報に記載の電気泳動装置では、電気泳動室内部に緩衝液の流れる方向に沿って細長い棒状の案内部材を設けることで、泳動室内の流れを層流に保つとともに試料の自然拡散を抑えようとしている。
上記、第１の従来技術であるＷＯ９９／０９０４２号公報の構造では、基盤上の微細なアレイ状の突起構造に試料を連続的に供給し、核酸のみを突起に結合させようとしている。しかし、核酸が結合するためには、核酸が突起に接触する必要がある。そのため、突起の表面積を大きくして接触の確率を高めてはいるが、確実に接触するわけではない。一般に突起の表面積を大きくすると、試料液体に対する摩擦抵抗が増加するため、高圧のポンプが必要となり、シール性を向上させなければならない。また、表面積を大きくすると、一旦結合した核酸を溶離しにくくなる。このように第１の従来技術では、核酸の突起への確実な接触・結合と突起からの確実な溶離を行う必要がある。
第２の従来技術である特開平１０−３１８９８２号公報の構成では、隔壁で試料分取口を電界方向に複数に分割し、試料中の成分の電荷量と粒子の大きさによって泳動速度が異なることを利用して、各試料分取口に各試料成分を分離しようとしており、泳動速度の似ている試料成分の混入を完全に回避することは難しい。そのため、泳動速度の似ている或いは等しい試料成分でも、確実に分離できるようにする必要がある。
本発明の目的は、上記課題のうち少なくとも一つを解決することにより、液体試料中の特定の成分を高効率で抽出できる抽出装置、或いは抽出した成分を分析するための化学分析装置を提供することにある。
発明の開示
上記抽出装置に対する課題は、抽出部に電場を印加するための対向電極を備え、化学物質を結合する結合部材の一部或いは全部を対向する両電極の間に設けることにより解決できる。
或いは、結合部材の一部或いは全部においてその内部を導体で構成し、内部を導体で構成した結合部材を電極として抽出部に電場を印加することにより解決できる。
特に連続的に試料を供給しながら化学物質を結合部材に結合させることが望ましい。
或いは抽出部に交番電場を印加することが望ましい。
或いは抽出部をガラス或いはシリコン基盤上にエッチングで成形することが望ましい。
或いは抽出部を樹脂成形することが望ましい。
或いはシリコンに酸化膜を形成することにより結合部材を形成することが望ましい。
上記化学分析装置における課題は、抽出部に交番電場を印加し、抽出部に連続的に試料を供給しながら試料を分離することにより解決できる。
特に抽出部に試料から特定の化学物質のみを結合させるための結合部材を備えることが望ましい。
或いは抽出部に供給する試料の特定成分を予め分離する分離部、或いは特定成分を濃縮する濃縮部を設けることが望ましい。
或いは抽出部、検出部、分離部、濃縮部を一体で基盤上に成形することが望ましい。
発明を実施するための最良の形態
［実施例１］
第１図〜第５図を参照して、本発明による抽出装置を用いた遺伝子分析装置の一実施例を説明する。本実施例では、試料として血清を用いる
第１図は本発明による遺伝子分析装置の全体構成図、第２図は分析チップ、第３図は抽出部のＡ−Ａ断面図、第４図は抽出部の詳細図、第５図はチップ装着部の詳細図である。
第１図において遺伝子分析装置１は、複数の分析チップ２１を装着できるチップ装着部２を備えている。オペレータはカバー３を開け、分析チップ２１をチップ装着部２に装着し、カバー３を閉じる。カバー３には、試料供給ポート３１と試薬供給ポート３２及び内部に試薬供給流路３３を備えている。カバー３を閉じると、各供給ポートは分析チップ２１上の対応する各供給口と接し、液を分析チップ２１に供給することが可能となる。試料は各試料供給ポンプ４から試料毎に各試料供給ポート３１を通して各分析チップ２１に供給する。各試薬は各試薬タンク５から試薬供給ポンプ５１（図示せず）で送液する。各分析チップ２１で共通に使用する試薬はカバー３の一個所から供給し、カバー３の内部で試薬供給流路３３により分岐し、各試薬供給ポート３２を通して各分析チップに供給する。
第２図は分析チップで、第３図に第２図に示した抽出部のＡ−Ａ断面を示す。
本実施例では、第３図に示すように、分析チップ２１は２枚の基板を貼り合わせて構成されている。試薬供給口３１１、溶離液供給口３２３、洗浄液供給口３２２、溶解・結合液供給口３２１は、チップ上部基板２２側に設けある。また、流路３３、洗浄液廃棄口３２４、試料廃棄口３１３及び、検査部２４０は、チップ下部基板２３側に形成してある。図３には溶離液供給口３２３と、洗浄液廃棄口３２４と流路が示してある。このような流路構造は、切削加工だけでなく、ガラスやシリコン基盤にエッチング加工してもよく、或いは樹脂成形してもよい。
第２図において、試料供給口３１１から供給された試料は、溶解・結合液供給口３２１から供給された溶解・結合液と混合され、抽出部２２０へと送液される。溶解・結合液は、血清中のウイルスや細菌等からその膜を溶解して核酸を溶出させ結合部材に結合させるための試薬で、ＤＮＡの抽出には塩酸グアニジンを，ＲＮＡの抽出にはグアニジンチオシアネートを使用すればよい。また結合部材にはシリカを用いればよい。
試料液を溶解・結合液と混合することで、試料中の蛋白質は変性し、ウイルスや細菌は溶解して核酸が溶出してくる。また、溶解・結合液は、核酸がシリカと接触すると、例えば２０℃程度の常温で核酸をシリカに結合させる作用を併せ持つ。従って抽出部２２０に流れ込んだ試料は、核酸と蛋白質及びその他の微量な成分が水の中にばらばらに存在する。そのため、核酸のみがシリカと接触したときシリカと結合する状態になっている。
第４図にチップ下部基板２３に形成した抽出部２２０の詳細を示す。試料供給口３１１から供給された試料液は、試料供給流路３３途中に設けた溶解・結合液流路との交差部で、核酸等に分離される。核酸が溶出した試料は、試料導入流路３２９から洗浄液廃棄流路３２５及び溶離液供給流路３２６の交差部を経て抽出部２２０に供給される。抽出部２２０では、試料が突起２３２と接触したとき、核酸のみが突起２３２に結合する。突起２３２は板状で、流路の深さと同じ高さで複数枚備えてある。この突起２３２は核酸を結合できるようシリカ製で、例えばシリコンに酸化膜を形成すればよい。
なお、詳細は後述するが突起２３２を挟んだ流路壁には、核酸が突起２３２に付着（又は離脱）することを促進するため、交番電位を付加する電極２３０、２３１が設けられている。抽出部の先には、核酸を突起部に付着させた後の試料液を廃棄する試料廃棄流路３２４から試料廃棄口３１３へ導かれる。突起部２３２に付着した核酸は、溶離液供給口３２３から溶離液供給流路３２６を経て供給された溶離液で離脱させた後、核酸の多く含まれる液は、核酸流路２４１を経て検査部２４０に導かれる。抽出部２２０と核酸流路２４１の間には試料廃棄流路３１３と洗浄液供給流路３２７との交差部がある。
第５図に突起部の構造を示す。突起２３２はチップ下部基板２３に形成する。チップ下部基板２３は、例えばシリコン層である基盤層２４の上に例えば熱酸化膜の絶縁層２５、さらにその上にシリコン層２６の３層構造をしたウエハ（以下ＳＯＩウエハと呼ぶ）で形成されている。突起部２６ａは一番上のシリコン層２６をエッチングして形成する。両側に残ったシリコン層２６には白金等の電極２３０及び２３１を蒸着し、突起部２６ａには酸化膜２７を形成する。
突起２３２へ核酸を結合させるため、突起２３２を挟む形で設けてある交番電極２３０及び２３１に交番電圧を印可する。
この様子を第１２図に示す。交番電極２３１を正極に２３０を負極にした場合、核酸は各突起間を下流側に移動しながら正極　（交番電極２３１）側に泳動し、突起２３２の側面に接触する。同様に負の電荷を持つ蛋白質も正極側に泳動し突起２３２の側面に接触する。次に、交番電極２３１および２３０の正負を逆転し、交番電極２３１を負極に２３０を正極にすると、核酸は突起２３２に結合して離れないが、蛋白質は結合していないため突起２３２を離れて下流側に移動しながら正極（交番電極２３０）側に泳動する。このように交番電極２３１及び２３０に交番電圧を印加することで、蛋白質は下流側に流し去る事ができ、核酸のみを突起２３２に結合することができる。
このように蛋白質などの核酸以外の成分は抽出部２２０を通過して、試料廃棄流路３２８を経て、試料廃棄口３１３から廃棄される。
上記試料の供給から核酸の突起２３２への結合は、試料を連続的に供給しながら実行し、所定の量の試料を処理するまで行う。所定の量の試料を供給し終えると、洗浄液供給口３２２から洗浄液供給流路３２７を経て洗浄液を供給し、突起２３２に結合した核酸以外の成分を抽出部２２０から除去し、試料・洗浄液廃棄流路３２５を経て試料・洗浄液廃棄口３２４から廃棄する。洗浄液としては例えばエタノール等を用い、さらに純水等で洗浄してエタノール成分を除去すればよい。
次に溶離液供給口３２３から溶離液供給流路３２６を経て溶離液を供給する。溶離液としては６０℃程度の純水や緩衝液が望ましい。溶離液の作用で核酸は突起２３２との結合力を失うので、突起２３２から核酸は溶離し核酸流路２４１を経て検出部２４０へ移動する。しかし、核酸と突起との結合力がなくなっても、強く付着している場合には溶離しにくい。そこで再び交番電極２３１及び２３０に交番電圧を印加し、溶離し易くする。
この様子を第１３図に示す。交番電極２３１を正極に２３０を負極にした場合、突起２３２の側面に付着した核酸は、突起２３２との結合力がないため、正極（交番電極２３１）側に強制的に泳動し、さらに下流側に流される。同様に交番電極２３１及び２３０に交番電圧を印加することで、核酸を突起２３２から強制的に溶離し、下流側に運ぶことができる。
第６図に分析チップ２１を装着していない状態でのチップ装着部２の構造を示す。試料・洗浄液廃棄ポート６２，試料廃棄ポート６３は、それぞれ分析チップ２１の試料・洗浄液廃棄口３２４，試料廃棄口３１３に対応し、各廃液をチップ装着部２の内部に廃棄する。電極接点２５１及び２５２は、分析チップ２１の電極２３０及び２３１に対応し、電気泳動時の電圧を印加する。検知器２４２は検出部２４０で発生した信号を検出する。
本発明の実施例では、電気泳動により核酸を強制的に突起２３２に接触させるため、核酸の突起２３２に対する結合率が高く、核酸の溶離時においても核酸を強制的に突起２３２から溶離するので溶離効率が高い。従って、従来の装置より核酸の抽出効率が高くなる。
尚、本実施例は試料中の核酸を抽出し分析する装置であり、核酸を結合する部材としてシリカを用いたが、結合部材を変えることにより核酸以外の化学物質も同様に抽出可能である。例えば結合部材としてアルミナを使用した場合には芳香族置換異性体の分離に、ニトロフェニルを使用した場合には二重結合を持つ化合物の分離に適用できる。
［実施例２］
本発明における抽出部の別の実施例を第７図に示す。第４図の構成と異なる点は、第４図の突起２３２を第７図の突起６１のように流れ方向に細分割すると共に、流路幅方向に向き合った分割面が千鳥状になるように配置した点である。突起６１はアレイ状に配置してあり、流路の両側には突起６１を挟むように交番電極２３０及び２３１を備えてある。交番電圧を交番電極２３０及び２３１に印加すると、図１２及び図１３と同様に核酸は電気泳動し突起６１への結合率及び突起６１からの溶離効率は高まる。
本実施例では、突起６１をアレイ状にして隙間を設けることにより、突起６１を絶縁材で形成しても突起の間に形成される隙間の効果により電場を形成できるので、突起間の電気泳動を実現できる。
［実施例３］
本発明における抽出部の別の実施例を第８図に示す。先の実施例との相違点は、チップ下部基板２３に形成した流路８０の下面に、流路面側を酸化膜処理したシリコン電極７２と、チップ上部基板２２の対向する位置に、同様に流路面側を酸化膜処理したシリコン電極７１とを設けた点である。交番電圧をシリコン電極７１及び７２に印加すると、核酸は両電極間を電気泳動し両電極への結合率及び両電極からの溶離効率は高まる。
本発明の実施例では、流路壁のシリコンを電極として使用し酸化膜処理することで、電極に核酸を結合可能にしている。そのため、突起構造が不要となり抽出部を容易に製作できる。
［実施例４］
本発明における分析チップの別の実施例を第９図に示す。本実施例では、試料として血液を用いる。第９図において、試料は試料供給口３１１から供給し、分離部２１０で血球成分を分離し血球廃棄口３１２から廃棄する。
第３図の実施例同様、各供給口はチップ上部２２に、流路及び各廃棄口はチップ下部２３に形成する。
第１０図にチップ下部２３に形成した分離部２１０の詳細を示す。試料は供給口３１１から血球流路２１１に供給し、血球槽２１２へ送液される。血球流路２１１の両側には微小な溝２１３が設けられており、この溝２１３がフィルタの働きをして、血球以外の成分を血清流路２１４に流すことができる。従って、血球流路の最小断面は、血球が通過できるように２０μｍ以上が望ましく、一方溝２１３は２μｍ以下が望ましい。血球槽２１２に分離された血球成分は、血球廃棄口３１２から廃棄される。
血清流路２１４に導かれた血球以外の成分は、第９図に示す溶解・結合液供給口３２１から供給した溶解・結合液と混合し、抽出部２２０へと送液される。溶解・結合液としては、ＤＮＡの抽出には塩酸グアニジンを，ＲＮＡの抽出にはグアニジンチオシアネートを使用すればよい。また結合部材にはシリカを用いればよい。このように、血清のみを分離することができるため、予め前処理して血球を分離する手間が省ける。
第１１図にチップ下部基板２３に形成した抽出部２２０の他の実施例を示す。試料はまず濃縮流路２２１に流れ込む。濃縮流路２２１の両側壁は負電極２２２及び正電極２２３を備えている。負電極２２２を負極に正電極２２３を正極にして電圧を印加すると、核酸は負電荷を持つため正極側に電気泳動する。
この様子を第１４図に示す。検査したい核酸は予め電気泳動時の移動度を調べておけば、濃縮流路内での核酸の移動経路を予測することが可能で、適当な位置に濃縮核酸流路２２４を設けておけば、殆どの核酸は濃縮核酸流路２２４へと移動し、負極流路２２５や正極流路２２６へは殆ど移動しない。その結果核酸を濃縮することができる。一方蛋白質は種々の電荷を持っているため、濃縮核酸流路２２４だけでなく負極流路２２５や正極流路２２６へも移動し、濃縮核酸流路２２４に移動する蛋白質量は減る。
濃縮核酸流路２２４に移動した試料は、その下流に設けた複数の電極２２７〜２２９の作用で流路中央部に集められる。即ち中央電極２２７を正極にし側壁電極２２８及び２２９を負極にすると、核酸は負電荷を持つため中央電極２２７に引き寄せられ、中央部に集まる。
この核酸はさらに第４図に示した抽出部に導入され、第４図で説明したのと同様の工程で核酸のみが抽出され、検出部２４０で検出される。
なお、以上の実施例では、流路中に設ける突起は流れ方向に沿うように形成しているが、流れを、多少遮るように所定の角度θを持たせて形成してもよい。角度θを設けることで、乱流が発生し、核酸が付着しやすくなる。
本発明の構成とすることで、電気泳動により核酸を強制的に突起に接触させるため、核酸の突起に対する結合率が高く、核酸の溶離時においても核酸を強制的に突起から溶離するので溶離効率が高い。従って、従来の装置より核酸の抽出効率が高くなる。
特に試料中の核酸を濃縮するので、核酸が突起に結合するのを妨害する蛋白質等を低減でき、従来の装置より核酸の抽出効率が高くなる。また、核酸を突起の存在する流路中央部に集めるので、突起に核酸が結合し易くなり、従来の装置より核酸の抽出効率が高くなる。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明にかかる抽出装置は、血液の検査のみならずその他の成分分析装置にも適用可能であり、特に試料中から特定の成分を抽出するための分析装置に適している。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の抽出装置を適用した遺伝子分析装置の全体構成図である。
第２図は、本発明による分析チップの構成図である。
第３図は、本発明による抽出部の断面図である。
第４図は、本発明による抽出部の詳細図である。
第５図は、本発明による突起構造の詳細図である。
第６図は、本発明によるチップ装着部の詳細図である。
第７図は、本発明による抽出部の詳細図である。
第８図は、本発明による抽出部の詳細図である。
第９図は、本発明による分析チップの構成図である。
第１０図は、本発明による分離部の構成図である。
第１１図は、本発明による抽出部の断面図である。
第１２図は、本発明による核酸結合の説明図である。
第１３図は、本発明による核酸溶離の説明図である。
第１４図は、本発明による核酸濃縮の説明図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
2002023180.tif 000017
2002023180.tif 000018
2002023180.tif 000019
2002023180.tif 000020