底面に突出物が形成された微細チャネルを具備する微細流体装置
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。
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。
【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】
【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】
【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。
【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】
【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】
【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。
【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。
【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。
【図1a】
【図1b】
【図2a】
【図2b】
【図2c】
【図2d】
【図2e】
【図3a】
【図3b】
【図3c】
【図3d】
【図3e】
【図3f】
【図3g】
【図3h】
【図3i】
【図4a】
【図4b】
【図5a】
【図5b】
【図6】
【図7】
【図8a】
【図8b】
【図9a】
【図9b】
【図9c】
【図9d】
【図9e】
【図11】
【図10】
【図1b】
【図2a】
【図2b】
【図2c】
【図2d】
【図2e】
【図3a】
【図3b】
【図3c】
【図3d】
【図3e】
【図3f】
【図3g】
【図3h】
【図3i】
【図4a】
【図4b】
【図5a】
【図5b】
【図6】
【図7】
【図8a】
【図8b】
【図9a】
【図9b】
【図9c】
【図9d】
【図9e】
【図11】
【図10】
【公表番号】特表2013−513795(P2013−513795A)
【公表日】平成25年4月22日(2013.4.22)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−543013(P2012−543013)
【出願日】平成22年11月26日(2010.11.26)
【国際出願番号】PCT/KR2010/008448
【国際公開番号】WO2011/071262
【国際公開日】平成23年6月16日(2011.6.16)
【出願人】(510146632)ナノエンテク・インコーポレーテッド (1)
【氏名又は名称原語表記】NanoEnTek,Inc.
【Fターム(参考)】
【公表日】平成25年4月22日(2013.4.22)
【国際特許分類】
【出願日】平成22年11月26日(2010.11.26)
【国際出願番号】PCT/KR2010/008448
【国際公開番号】WO2011/071262
【国際公開日】平成23年6月16日(2011.6.16)
【出願人】(510146632)ナノエンテク・インコーポレーテッド (1)
【氏名又は名称原語表記】NanoEnTek,Inc.
【Fターム(参考)】
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