遠心力基盤の核酸抽出用の微細流動装置及び前記微細流動装置を備えた微細流動システム
【課題】遠心力基盤の核酸抽出用の微細流動装置及び該微細流動装置を備えた微細流動システムを提供する。
【解決手段】回転体１００と、微細流動構造物と、磁性ビードＭ１と、を備える微細流動装置１０１であって、微細流動構造物は、回転体１００に配置され、複数のチャンバー、複数のチャンバーを連結する複数の通路、及び通路に配置されて流体の流れを統制する複数の弁を備え、回転体１００の回転による遠心力を利用して流体を移送し、磁性ビードＭ１は、複数のチャンバーのうち少なくともいずれか一つに収容され、該チャンバーに流入した生体試料から標的物質を選択的に捕集し、微細流動構造物は、標的物質を捕集した磁性ビードＭ１を洗浄及び分離し、磁性ビードＭ１に対し外部から電磁波を照射することにより核酸を分離する。また、本発明の微細流動装置１０１と共に回転駆動部と、外部エネルギー源と、を備える。
【解決手段】回転体１００と、微細流動構造物と、磁性ビードＭ１と、を備える微細流動装置１０１であって、微細流動構造物は、回転体１００に配置され、複数のチャンバー、複数のチャンバーを連結する複数の通路、及び通路に配置されて流体の流れを統制する複数の弁を備え、回転体１００の回転による遠心力を利用して流体を移送し、磁性ビードＭ１は、複数のチャンバーのうち少なくともいずれか一つに収容され、該チャンバーに流入した生体試料から標的物質を選択的に捕集し、微細流動構造物は、標的物質を捕集した磁性ビードＭ１を洗浄及び分離し、磁性ビードＭ１に対し外部から電磁波を照射することにより核酸を分離する。また、本発明の微細流動装置１０１と共に回転駆動部と、外部エネルギー源と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転体に設けられた微細流動構造物において、遠心力により流体の流れを制御する遠心力基盤の微細流動装置に係り、特に生体試料から標的細胞またはウイルスのＤＮＡを抽出可能にする装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、微細流動装置を構成する微細流動構造物には、少量の流体を溜めておくチャンバー、流体が流れるチャンネル（通路）、流体の流れを調節する弁、流体を受けて所定の機能を行う色々な機能性ユニットなどが備えられる。小型のチップ上で生化学的反応を含む試験を行えるように、チップ形態の基板にかかる微細流動構造物を配置した装置をバイオチップといい、特に色々な段階の処理及び操作を一つのチップで行えるように製作された装置をラボオンチップ（ｌａｂ−ｏｎ−ａ ｃｈｉｐ）という。
【０００３】
微細流動構造物内で流体を移送するためには、駆動圧力が必要であるが、駆動圧力として毛細管圧が利用されてもよく、別途のポンプによる圧力が利用されてもよい。最近では、コンパクトディスク形状の回転板に微細流動構造物を配置して遠心力を利用する微細流動装置が提案されている。これをラボオンＣＤ（ｌａｂ−ｏｎ−ａ ＣＤ）あるいはラボＣＤ（Ｌａｂ ＣＤ）ともいい。しかし、この場合は、フレームに固定されずに動く回転体の特性上、その内で流体の流れを制御するか、またはユニットの温度を制御するなどの操作が容易でない。
【特許文献１】米国特許第６，９１９，０５８号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００５／２０２５７２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、遠心力基盤の核酸抽出用の微細流動装置及び前記微細流動装置を備えた微細流動システムに係り、遠心力が作用する回転体上に設けられた微細流動構造物に生体試料を注入すれば、前記微細流動構造物内で行われる一連の過程を通じて前記生体試料から特定の標的物質を分離及び濃縮し、前記分離された標的物質を溶解してＰＣＲ（Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ Ｃｈａｉｎ Ｒｅａｃｔｉｏｎ）の可能な核酸を提供できるように構成された微細流動装置及び前記微細流動装置とそれを駆動する装置とを備える微細流動システムを提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明による遠心力基盤の核酸抽出用の微細流動装置は、回転体と、微細流動構造物と、磁性ビードと、を備え、前記微細流動構造物は、前記回転体に配置され、複数のチャンバーと、前記複数のチャンバーを連結する複数の通路と、前記通路に配置されて流体の流れを統制する複数の弁と、を備え、前記回転体の回転による遠心力を利用して流体を移送し、前記磁性ビードは、前記複数のチャンバーのうち少なくともいずれか一つに収容され、該チャンバーに流入した生体試料から標的物質を選択的に捕集し、前記微細流動構造物は、前記標的物質を捕集した前記磁性ビードを洗浄及び分離し、前記磁性ビードに対し外部から電磁波を照射することにより核酸を分離する。前記標的物質は、細胞及びウイルスを含む生体物質をいう。
【０００６】
ここで、前記複数の弁は、毛細管弁と、疎水性弁と、機械的弁と、相転移弁と、を備える群から選択される。前記相転移弁は、外部から照射される電磁波を吸収する発熱粒子と、前記発熱粒子が放出する熱により溶融される相転移物質と、を含む弁プラグを備え、前記弁プラグを通路に配置し、前記通路を通過する流体の流れを統制するものである。
【０００７】
前記磁性ビードは、その表面が標的細胞またはウイルスに親和性を有する抗体または金属酸化物に改質され、前記金属酸化物は、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４及びＨｆＯ２で構成される群から選択される。また、前記磁性ビードは、強磁性体を有するＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ及びそれらの各酸化物からなる群から選択される一つ以上の物質を含みうる。
【０００８】
本発明の一側面による遠心力基盤の核酸抽出用の微細流動装置は、回転体と、微細流動構造物と、磁性ビードと、を備え、前記微細流動構造物は、前記回転体に配置され、複数のチャンバーと、前記複数のチャンバーを連結する複数の通路と、前記通路に配置されて流体の流れを統制する複数の弁と、を備え、前記回転体の回転による遠心力を利用して流体を移送し、前記磁性ビードは、前記複数のチャンバーのうち少なくともいずれか一つに収容され、該チャンバーに流入した生体試料から標的物質を選択的に捕集し、前記複数のチャンバーは、試料チャンバーと、バッファチャンバーと、混合チャンバーと、廃棄チャンバーと、細胞溶解チャンバーと、を含み、前記試料チャンバーは、試料を収容し、前記バッファチャンバーは、バッファ液を収容し、前記混合チャンバーは、磁性ビードを収容し、前記試料チャンバー及びバッファチャンバーと通路で連結され、前記それぞれの通路に配置される弁の統制によって流入される前記試料と前記バッファ液とを収容し、前記回転体の中心から最も遠い位置に弁を備える出口を有し、前記磁性ビードと前記試料との反応及び前記バッファ液を利用した前記磁性ビードの洗浄を行い、前記廃棄チャンバーは、前記混合チャンバーの出口に隣接して回転体の中心に近い位置と通路で連結され、前記通路に配置された弁の統制によって前記混合チャンバーから排出される流体を収容し、前記細胞溶解チャンバーは、前記混合チャンバーの出口と通路で連結され、前記混合チャンバーの出口から排出される前記磁性ビードを含んだ流体を収容することを特徴とする。
【０００９】
前記混合チャンバーは、前記試料チャンバー及び前記バッファチャンバーよりも回転体の中心から遠い位置に配され、前記廃棄チャンバー及び前記細胞溶解チャンバーよりは回転体の中心に近い位置に配されることが望ましい。前記バッファチャンバーと前記混合チャンバーとを連結する通路は、前記混合チャンバーの出口と隣接した位置に連結される。一方、前記微細流動装置は、前記混合チャンバーより回転体の中心に近い位置に配置され、前記混合チャンバーに連結され、前記混合チャンバーに磁性ビードを供給する磁性ビードチャンバーをさらに備え、この場合、前記磁性ビードチャンバーと前記混合チャンバーとを連結する通路に弁をさらに備える。
【００１０】
前記細胞溶解チャンバーは、前記流入した流体中から磁性ビードを集め、前記細胞溶解チャンバーの出口を通じて残りの流体を排出できる。前記細胞溶解チャンバーの出口は、回転体の中心に向かって延び、流体より密度が高い磁性ビードを遠心力により前記細胞溶解チャンバー内に溜めておく。前記微細流動装置は、前記細胞溶解チャンバーに隣接して配置され、磁力により前記細胞溶解チャンバー内に磁性ビードを集める磁場形成物質をさらに備える。
【００１１】
一方、前記試料チャンバー及び前記混合チャンバーに連結された通路と連結され、前記試料チャンバーに収容される試料を遠心分離してその一部を前記通路に排出する遠心分離ユニットをさらに備える。前記遠心分離ユニットは、例えば全血を血球と血漿とに分離し、上層に分離された血漿のみを試料として前記混合チャンバーに供給できる。
【００１２】
前記微細流動装置において、前記複数の弁は、毛細管弁と、疎水性弁と、機械的弁と、相転移弁と、を備える群から選択される。前記相転移弁は、外部から照射される電磁波を吸収する発熱粒子と、前記発熱粒子が放出する熱により溶融される相転移物質と、を含む弁プラグを備え、前記弁プラグを通路内に配置し、前記通路を通過する流体の流れを統制する。このとき、前記相転移弁は、前記弁プラグに隣接して余裕空間を設け、前記弁プラグが前記通路内に配置され、前記通路が閉じた状態である時に、前記弁プラグが熱により溶融し、前記余裕空間に溶融した前記プラグが移動し、前記通路を開ける開放弁を備える。また、前記相転移弁は、前記通路と連結した弁チャンバーに前記弁プラグを配置し、前記通路が開いた状態である時に、前記弁プラグが熱により溶融及び膨脹し、前記通路に流入されて前記通路を閉める閉鎖弁を備える。
【００１３】
前記磁性ビードは、その表面が標的細胞またはウイルスに親和性を有する抗体または金属酸化物に改質されたものであり、前記金属酸化物は、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４及びＨｆＯ２で構成された群から選択される。また、前記磁性ビードは、強磁性体を有するＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ及びそれらの各酸化物からなる群から選択される一つ以上の物質を含む。
【００１４】
本発明の他の側面による微細流動システムは、回転体と、微細流動装置と、回転駆動部と、外部エネルギー源と、を備え、前記微細流動装置は、前記回転体に配置され、複数のチャンバーと、前記複数のチャンバーを連結する複数の通路と、前記通路に配置されて流体の流れを統制する複数の弁と、前記回転体の回転による遠心力を利用して流体を移送する微細流動構造物と、前記複数のチャンバーのうち少なくともいずれか一つに収容され、該チャンバーに流入した生体試料から標的物質を選択的に捕集する磁性ビードと、を備え、前記回転駆動部は、前記微細流動装置の回転体を駆動し、前記外部エネルギー源は、前記標的物質を捕集した前記磁性ビードに前記電磁波を照射し、前記微細流動装置は、前記標的物質を捕集した前記磁性ビードを洗浄及び分離し、分離された前記磁性ビードに対し外部から電磁波を照射することにより核酸を分離することを特徴とする。
【００１５】
ここで、前記複数の弁は、毛細管弁と、疎水性弁と、機械的弁と、相転移弁と、を備える群から選択される。前記相転移弁は、外部から照射される電磁波を吸収する発熱粒子と、前記発熱粒子が放出する熱により溶融される相転移物質と、を含む弁プラグを備え、前記弁プラグを通路内に配置し、前記通路を通過する流体の流れを統制する。
【００１６】
前記微細流動システムは、外部エネルギー源調整手段をさらに備え、前記複数の弁は、複数の相転移弁を含み、前記相転移弁は、外部から照射される電磁波を吸収する発熱粒子と、前記発熱粒子が放出する熱により溶融される相転移物質と、を含む弁プラグと、を備え、前記弁プラグを通路に配置し、前記通路を通過する流体の流れを統制し、前記外部エネルギー源調整手段は、前記外部エネルギー源の位置または方向を調整し、前記エネルギー源は、前記複数の相転移弁のうち選択された一つの相転移弁を備える領域に電磁波を照射する。前記外部エネルギー源は、レーザービームを照射するレーザー光源を含む。
【００１７】
このとき、前記回転駆動部は、前記回転体を定速または定域回転させるモーターを備える。前記外部エネルギー源調整手段は、前記回転体に向かって設置された前記外部エネルギー源を前記回転体の半径方向に移動させる直線移動手段を備え、固定された外部エネルギー源から放出された電磁波を反射させる少なくとも一つの反射鏡、及び前記反射鏡の角度を調節して電磁波の経路を変更する反射鏡運動部を備えることもある。
【００１８】
前記磁性ビードは、その表面が標的細胞またはウイルスに親和性を有する抗体または金属酸化物に改質されたものであり、前記金属酸化物は、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４及びＨｆＯ２で構成された群から選択される。また、前記磁性ビードは、強磁性体を有するＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ及びそれらの各酸化物からなる群から選択される一つ以上の物質を含む。
【００１９】
本発明のさらに他の側面による微細流動システムは、前述した本発明の一側面による微細流動装置（微細流動装置は、試料チャンバーと、バッファチャンバーと、混合チャンバーと、廃棄チャンバーと、細胞溶解チャンバーと、を備える）と、前記微細流動装置の回転体を駆動する回転駆動部と、前記細胞溶解チャンバーにレーザーアブレーションのための電磁波を照射する外部エネルギー源と、を備える。
【００２０】
ここで、前記微細流動装置の各構成要素は、前述した特徴を有することができる。また、前記微細流動システムは、外部エネルギー源調整手段をさらに備え、前記微細流動装置は、外部から照射される電磁波を吸収する発熱粒子と、前記発熱粒子が放出する熱により溶融される相転移物質と、を含む弁プラグと、前記弁プラグを通路に配置し、前記通路を通過する流体の流れを統制し、前記外部エネルギー源調整手段は、前記外部エネルギー源の位置または方向を調整し、前記外部エネルギー源は、前記複数の相転移弁のうち選択された一つの相転移弁を備える領域に前記電磁波を照射する。
【００２１】
このとき、前記回転駆動部は、前記回転体を定速または定域回転させるモーターを備える。前記外部エネルギー源調整手段は、前記回転体に向かって設置された前記外部エネルギー源を前記回転体の半径方向に移動させる直線移動手段を備える。
【００２２】
前記本発明の多様な実施形態による微細流動システムを利用して試料から標的物質の核酸を抽出する方法は、試料チャンバーに注入された試料を磁性ビードが収容された混合チャンバーに移送する過程と、前記混合チャンバー内で前記磁性ビードと前記試料とを混合して前記磁性ビードの表面に標的細胞またはウイルスを捕集する過程と、前記磁性ビードと前記試料との混合液を遠心分離して上澄み液を廃棄チャンバーに排出する過程と、前記バッファチャンバーに収容されたバッファ液を前記混合チャンバーに移送し、前記磁性ビードを洗浄した後、再び遠心分離して上澄み液を廃棄チャンバーに排出し、前記混合チャンバーの出口部分に集まった磁性ビード混合流体を前記細胞溶解チャンバーに移送し、前記細胞溶解チャンバーに前記磁性ビードを溜めてレーザー（電磁波）を照射して、前記磁性ビードの表面に捕集された細胞またはウイルスを溶解させる過程と、を含む。
【発明の効果】
【００２３】
本発明による核酸抽出用の微細流動装置及び前記微細流動装置を備える微細流動システムは、前記微細流動装置に試料を注入する一回の手作業のみで、前記微細流動構造物内で短時間内に行われる一連の過程を通じて前記生体試料から特定セルを分離及び濃縮し、前記分離されたセルを溶解してＰＣＲの可能なＤＮＡを提供できる。したがって、熟練者の多くの手作業を必要とした従来のＤＮＡ抽出作業を非常に簡素化して手間を大きく省くことができる。また、少量の試料のみで標的物質のＤＮＡ抽出を可能にする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、添付された図面を参照しつつ本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２５】
図１は、本発明による核酸抽出用の微細流動装置の第１実施形態を概略的に示す平面図である。本実施形態による微細流動装置１０１は、対称的形状の一例であって、ディスク状を有する回転体１００を備える。一つの回転体１００には、一つまたは複数の微細流動構造物が設けられる。例えば、前記回転体１００を複数の扇状の領域に分け、各領域に微細流動構造物が設けられる。図１は、複数の微細流動構造物が設けられた回転体１００の一部分を示す図面である。図１では、上方は前記回転体１００の中心部を、下方は前記回転体１００の外郭部を表す。
【００２６】
前記回転体１００に設けられた微細流動構造物は、複数のチャンバー、それらを連結する複数の通路、及び前記複数の通路を通じた流体の流れを統制する複数の弁を備える。かかる微細流動構造物は、互いに重なって前記ディスク状の回転体１００をなす二つのディスクと、前記二つのディスクが対向する面のうちいずれか一方の面に形成された立体パターンとにより提供される。前記二つのディスクのうち上部ディスクは、流体の移動や反応に対する検知可能な材料であり、特に透明な材料で生成されることが望ましい。かかる微細流動構造物を製造する方法は、本発明の技術分野で周知である。
【００２７】
本実施形態による微細流動装置１０１において、微細流動構造物の構成を説明すれば、次の通りである。前記微細流動構造物は、流体試料を収容する試料チャンバー１１と、バッファ液を収容するバッファチャンバー１２と、を備える。前記試料チャンバー１１及び前記バッファチャンバー１２は、それぞれ注入口（図示せず）を備え、ユーザーは、前記注入口を通じて試料と適切なバッファ液とを注入できる。
【００２８】
前記回転体１００の中心から前記二つの試料チャンバー１１及びバッファチャンバー１２より遠い位置には、混合チャンバー１４が配置され、前記混合チャンバー１４は、前記試料チャンバー１１及び前記バッファチャンバー１２とそれぞれ流体移動通路であるチャンネル２１、２２を通じて連結される。各チャンネル２１、２２には、流体の流れを統制する弁３１、３２が設けられる。前記混合チャンバー１４は、前記回転体１００の中心から最も遠い側に出口を有し、前記混合チャンバー１４の出口には、弁３４が設けられる。前記混合チャンバー１４は、回転体の中心から近い方より遠い方の断面積が狭いことが望ましい。すなわち、前記混合チャンバー１４の出口の弁３４に近い方の断面積が狭いことが望ましい。このために、前記混合チャンバー１４の出口の弁３４の内側の一部分がチャンネル形態に設けられることもある。一方、前記バッファチャンバー１２と前記混合チャンバー１４とを連結するチャンネル２２は、前記混合チャンバー１４の出口に隣接した部分に連結されうる。前記混合チャンバー１４は、あらかじめ注入された磁性ビードＭ１を収容し、前記試料チャンバー１１から試料を、前記バッファチャンバー１２からバッファ液を供給されうる。
【００２９】
前記回転体１００の中心から前記混合チャンバー１４より遠い位置には、廃棄チャンバー１５が配置される。前記廃棄チャンバー１５は、チャンネル２５を通じて前記混合チャンバー１４の出口の弁３４に近い部分、すなわち前述したように断面積が狭い部分に連結される。ただし、前記チャンネル２５が連結された部分と前記混合チャンバー１４の出口の弁３４との間には、前記混合チャンバー１４に収容された磁性ビードＭ１が集まる程度の空間を確保することが望ましい。前記廃棄チャンバー１５に連結されたチャンネル２５にも、流体の流れを統制する弁３５、４５が設けられる。
【００３０】
一方、前記回転体１００の中心から前記混合チャンバー１４の出口の弁３４より遠い位置に、細胞溶解チャンバー１６が配置される。前記細胞溶解チャンバー１６は、その入口がチャンネル２６を通じて前記混合チャンバー１４の出口と連結される。前記細胞溶解チャンバー１６の出口は、回転体１００の中心に向かって延びる。この場合、前記入口を通じて流入された磁性ビードＭ１を遠心力により前記細胞溶解チャンバー１６内に溜めておく。前記細胞溶解チャンバー１６の出口は、チャンネル２７を通じて他の廃棄チャンバー１７に連結される。前記細胞溶解チャンバー１６の入口及び出口と連結されたそれぞれのチャンネル２６、２７には、それぞれ弁４６、４７が設けられて、前記細胞溶解チャンバー１６内に濃縮された磁性ビードＭ１が備えられた流体を溜めることができる。
【００３１】
前述した二つのチャンバー１５、１７には、流体の流入時に排気できる排気口２９がそれぞれ備えられ、かかる排気口２９は、前述した他のチャンバーにも備えられる。
【００３２】
前記細胞溶解チャンバー１６は、表面に標的細胞またはウイルスを捕集した磁性ビードＭ１を溜め、外部からの電磁波の照射を伴う細胞溶解作業、例えばレーザーアブレーションによる細胞溶解作業を行う。電磁波及び磁性ビードを利用した迅速な細胞溶解は、液体培地で加熱及び電磁波によるアブレーションにより行われる。電磁波は、磁性ビードにエネルギーを供給して前記磁性ビードに付着された細胞に熱を供給すると共に、前記磁性ビードに物理的な衝撃および機械的な衝撃を加えることによって細胞を溶解させる。
【００３３】
磁性ビードと電磁波とを利用した細胞溶解の大きい長所のうちの一つは、核酸分離段階を減らすことができるという点であるが、これは、かかる細胞溶解が蛋白質変性を伴うためである。変性された蛋白質及び細胞カスは、磁性ビードに再び付着され、かかる磁性ビードは、重力、遠心力または磁力により核酸抽出溶液から分離されるためである。これは、標的物質を検出する能力を高め、核酸抽出段階を一つ減らすことによって核酸抽出時間を大幅低減し、信号振幅を増大させることによってＰＣＲを通じた分析を顕著に改善する。電磁波及び磁性ビードを利用して細胞を破壊するのに要求される時間は、約３０ないし４０秒である。
【００３４】
レーザーアブレーションとは、レーザービームにより露出された素材に発生する現象を総称する。レーザーアブレーションにより、素材表面の温度は数百から数千℃まで急速に上昇し、素材表面の温度が蒸発点以上に上昇すれば、液体状態の材料の蒸発と共に表面での飽和蒸気圧も急速に上昇する。飽和蒸気圧は、クラウジウス・クラペイロン式により温度の関数で表され、高出力のパルスレーザー加工の場合、通常数十気圧以上まで上昇する。蒸気の噴出と共に蒸気により素材の表面に作用する圧力を反発圧力といい、反発圧力の大きさは、蒸気圧をＰｓａｔとするとき、約０．５６Ｐｓａｔとなる。
【００３５】
衝撃波は、主にパルスレーザーのように瞬間強度が非常に高いレーザー加工で発生する。数ナノ秒または数十ナノ秒間の短時間に温度が蒸発点以上に加熱された材料表面で発生した蒸気は、圧力が数気圧から数十気圧まで上昇し、周辺の大気中に膨脹しつつ衝撃波を放つ。非常に高い圧力により膨脹する蒸気は、素材にも約０．５６Ｐｓ（ここで、Ｐｓは、表面での飽和蒸気圧である）の圧力が作用する。
【００３６】
前記レーザーは、パルスレーザーまたは連続波動レーザーを備える。過度に低いレーザー出力では、効率的にレーザーアブレーション作業を行えず、レーザー出力は、連続波動レーザーの場合、１０ｍＷ以上、パルスレーザーの場合、１ｍＪ／パルス以上を伝達せねばならない。望ましくは、前記パルスレーザーが３ｍＪ／パルス以上であり、連続波動レーザーが１００ｍＷ以上の出力を有する。これは、連続波動レーザーの場合、１０ｍＷ未満であり、パルスレーザーの場合、１ｍＪ／パルス未満であれば、細胞を破壊する十分なエネルギーが伝達されないという問題が発生するためである。
【００３７】
レーザーアブレーションによる細胞溶解を行う場合、前記レーザーは、磁性ビードが吸収する特定の波長帯で発生せねばならない。前記レーザーは、４００ｎｍ以上の波長帯で発生することが望ましく、７５０ｎｍないし１３００ｎｍの波長帯で発生することがさらに望ましい。これは、４００ｎｍ未満の波長では、核酸の変性または損傷の問題が発生するためである。また、前記レーザーは、一つ以上の波長帯で発生しうる。すなわち、レーザーは、前記波長範囲内の一つの波長であってもよく、波長が異なる二つ以上の波長であってもよい。
【００３８】
前記磁性ビードＭ１は、全血、唾液、小便などの生体試料から標的物質（細胞、ウイルスなどを含む）を捕集できるように、前記標的物質との特異的結合が可能な表面を有する。前記磁性ビードＭ１の表面は、標的細胞またはウイルスに親和性を有する抗体または金属酸化物で処理される。
【００３９】
前記抗体は、所望の特定の細胞またはウイルスのみを選択的に捕集できるため、非常に低い濃度の細胞またはウイルスを検出しようとする場合に有効である。細胞またはウイルスに特異的に結合できる抗体が結合された磁性ビードは、Ｉｎｖｉｔｒｏｇｅｎ、Ｑｉａｇｅｎ社などで市販しており、その例は、Ｄｙｎａｂｅａｄｓ（商標登録）Ｇｅｎｏｍｉｃ ＤＮＡ Ｂｌｏｏｄ（Ｉｎｖｉｔｒｏｇｅｎ）、Ｄｙｎａｂｅａｄｓ（商標登録）ａｎｔｉ−Ｅ．ｃｏｌｉ Ｏ１５７（Ｉｎｖｉｔｒｏｇｅｎ）、ＣＥＬＬｅｃｔｉｏｎＴＭ Ｂｉｏｔｉｎ Ｂｉｎｄｅｒ Ｋｉｔ（Ｉｎｖｉｔｒｏｇｅｎ）、ＭａｇＡｔｔｒａｃｔ Ｖｉｒｕｓ Ｍｉｎ Ｍ４８ Ｋｉｔ（Ｑｉａｇｅｎ）などがある。前記特定の抗体が結合された磁性ビードを利用して、ジフテリア毒素、エンテロコッカスフェシウム、ヘリコバクターピロリ、ＨＢＶ、ＨＣＶ、ＨＩＶ、インフルエンザＡ、インフルエンザＢ、リステリア、肺炎マイコプラズマ、シュードモナス種、ルベラウイルス、ロタウイルスなどを分離できる。
【００４０】
前記金属酸化物は、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４またはＨｆＯ２などであるが、これらに限定されない。前記金属酸化物は、望ましくは、Ａｌ２Ｏ３またはＴｉＯ２であり、さらに望ましくは、Ａｌ２Ｏ３である。前記金属酸化物の蒸着は、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ゾルゲル法などにより行われる。磁性ビードの表面に金属酸化物を蒸着する方法は、公知の技術であって、一般的にＰＶＤ、ＡＬＤ、ゾルゲル法などにより行われる。
【００４１】
前記磁性ビードＭ１のサイズは、５０ｎｍないし１，０００μｍであることが望ましく、さらに望ましくは、１μｍないし５０μｍである。また、前記磁性ビードＭ１は、二つ以上のサイズを有するビードで混合されうる。すなわち、前記磁性ビードＭ１は、同じサイズであってもよく、異なるサイズを有する磁性ビードの混合物であってもよい。
【００４２】
前記磁性ビードＭ１の材料としては、磁性を有するものであれば、いずれも可能である。特に、強磁性を有するＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒの金属及びそれらの各酸化物からなる群から選択される一つ以上の物質を含む。
【００４３】
図２は、本発明による核酸抽出用の微細流動装置の第２実施形態を概略的に示す平面図である。本実施形態による微細流動装置１０２は、図１の実施形態による微細流動装置１０１とほぼ同じである。ただし、前記混合チャンバー１４より回転体１００の中心に近い位置に磁性ビードＭ１を収容する別途の磁性ビードチャンバー１３をさらに備え、前記磁性ビードチャンバー１３と前記混合チャンバー１４とを連結するチャンネル２３に設けられた弁３３を開放して、前記磁性ビードＭ１を前記混合チャンバー１４に供給する構成を有するという点で差がある。ここで、前記磁性ビードＭ１は、所定の流体に分散された形態で前記磁性ビードチャンバー１３に注入されることが望ましい。
【００４４】
図３は、本発明による核酸抽出用の微細流動装置の第３実施形態を概略的に示す平面図である。本実施形態による微細流動装置１０３は、図２の実施形態による微細流動装置１０２とほぼ同じである。ただし、前記試料チャンバー１１の出口と前記混合チャンバー１４との間に遠心分離ユニット１８をさらに備える。前記遠心分離ユニット１８は、前記試料チャンバー１１の出口から回転体１００の外側に延びた上澄み液チャンネル１８２と、前記上澄み液チャンネル１８２の端部に幅が拡張された沈殿物収集部１８１と、を備え、前記上澄み液チャンネル１８２の一部分が弁３１及びチャンネル２１を通じて前記混合チャンバー１４に連結される。
【００４５】
例えば、前記試料チャンバー１１に全血を注入し、前記回転体１００を回転させれば、重い血球は、前記沈殿物収集部１８１に収集され、前記上澄み液チャンネル１８２は、ほとんど血漿で満たされる。このとき、前記混合チャンバー１４に連結されたチャンネル２１の弁３１が開放されれば、前記上澄み液チャンネル１８２中で前記チャンネル２１と連結された部分より回転の中心に近い部分に満たされていた血漿が前記混合チャンバー１４に移送される。本実施形態による微細流動装置１０３は、前記遠心分離ユニット１８により最終的な核酸抽出液にＰＣＲ阻害要素が混入される可能性をあらかじめ低減できる。
【００４６】
図４は、本発明による核酸抽出用の微細流動装置の第４実施形態を概略的に示す平面図である。本実施形態による微細流動装置１０４は、図３の実施形態による微細流動装置１０３とほぼ同じである。ただし、前記細胞溶解チャンバー１６に隣接して配置されて、磁力により前記細胞溶解チャンバー１６内に磁性ビードＭ１を集める磁石２３１をさらに備えるという点で差がある。
【００４７】
前記磁石２３１は、前記微細流動装置１０４の回転体１００の底面、上面または両面に配置される。また、前記磁石２３１は、前記回転体１００に対して固定して配置されることもあり、移動可能であるが、必要な時期に前記細胞溶解チャンバー１６に隣接して位置できるように設置されることもある。前記のような条件下で、前記磁石２３１は、前記回転体１００の半径方向に移動でき、速く振動することもできる。レーザーアブレーションによる細胞溶解時に前記磁石２３１が振動することによって、前記細胞溶解チャンバー１６内の磁性ビードＭ１を振動させ、これを通じて細胞溶解作業の効率性をさらに向上させる。
【００４８】
以上の実施形態についての説明で言及されたもしくは以下の説明で言及される複数の弁３０、３１、３２、３３、３４、３５、４０、４５、４６、４７は、毛細管弁、疎水性弁、機械的弁及び相転移弁を備える群から選択される。前記複数の弁は、望ましくは、外部から照射される電磁波を吸収する発熱粒子と、前記発熱粒子が放出する熱により溶融される相転移物質と、を含む弁プラグを備え、前記弁プラグを通路に配置し、前記通路を通過する流体の流れを統制する相転移弁である。
【００４９】
このとき、前記相転移弁は、前記弁プラグに隣接して余裕空間を設け、前記弁プラグが前記通路内に配置され、前記通路が閉じた状態である時に、前記弁プラグが熱により溶融し、前記余裕空間に移動し、前記通路を開ける開放弁を備える。また、前記相転移弁は、前記通路と連結した弁チャンバーに前記プラグを配置し、前記通路が開いた状態である時に、前記弁プラグが熱により溶融及び膨脹し、前記通路に流入し、前記通路を閉める閉鎖弁を備えることもできる。
【００５０】
図５は、本発明による微細流動装置で流体の流れを制御する開放弁の例を示す平面図であり、図６は、図５に示した開放弁の初期及び開けられた状態をそれぞれ示す断面図である。
【００５１】
前述した微細流動装置１０１ないし１０４には、流体の流れを制御する弁ユニットが備えられる。弁ユニットの一例である開放弁３０は、常温で固体状態の弁物質からなる弁プラグ３０１を備える。前記弁物質としては、常温で固体状態の相転移物質である分散媒に発熱粒子が分散されている材料を使用できる。前記固体状態の弁プラグ３０１が配置された初期位置に隣接したチャンネル２０の上流及び下流には、その幅または深さが拡張されて余裕空間を提供する一対のチャンネル拡張部３０２が配置される。
【００５２】
前記弁プラグ３０１は、常温で開口部３０１Ａを中心にチャンネル２０の所定部分を完全に塞いで入口Ｉ側から流入される流体サンプルＦの流れを遮断する。前記弁プラグ３０１は、高温で溶融されて前記チャンネル２０の上下流側に流れ、隣接して配置されたチャンネル拡張部３０２に移動して、流体サンプルＦの流路を開放した状態で再び凝固する。前記開口部３０１Ａは、微細流動装置の製作時に溶融された弁物質を投入して弁プラグ３０１を形成する注入口の役割も担う。
【００５３】
前記弁プラグ３０１に熱を加えるために、前記微細流動装置１０１ないし１０４の外部には、外部エネルギー源６０が配置され、前記外部エネルギー源６０が前記弁プラグ３０１の初期状態、すなわち前記開口部３０１Ａとその周辺とを含む領域に電磁波を照射する。このとき、前記外部エネルギー源６０は、例えばレーザービームを照射するレーザー光源であり、その場合、少なくとも一つのレーザーダイオードを備える。前記レーザー光源は、パルスレーザーを照射する場合、１ｍＪ／ｐｕｌｓｅ以上のエネルギーを有するパルスレーザーを、連続波動レーザーを照射する場合、１０ｍＷ以上の出力を有する連続波動レーザーを照射する。
【００５４】
後ほど図９ないし図１２で示される実験を参照すると、８０８ｎｍ波長のレーザーを照射するレーザー光源を使用したが、必ずしもこの波長のレーザービームを照射するものに限定されるものではなく、４００ないし１３００ｎｍの波長を有するレーザーを照射するレーザー光源であれば、前記微細流動システムの外部エネルギー源６０として採用されうる。
【００５５】
前述したチャンネル２０は、回転体をなす上板１１０または下板１２０の内面に形成された立体パターンにより提供される。前記上板１１０は、外部エネルギー源（図示せず）から照射される電磁波が前記弁プラグ３０１に入射されるように透過させ、外部で流体サンプルＦを観測可能にする光学的に透明な材料で生成されることが望ましい。その例として、ガラスまたは透明なプラスチック素材は、光学的な透明性に優れ、製造コストが安いという点で有利である。
【００５６】
前記チャンネル２０と一対のチャンネル拡張部３０２とは、互いに接合された上板１１０及び下板１２０を備えてなる回転体１００に形成される。上板１１０と下板１２０との接合方法は、接着剤や両面接着テープを利用してもよく、超音波融着を行ってもよい。具体的に、前記下板１２０に前記チャンネル２０及び一対のチャンネル拡張部３０２が陰刻パターンで形成され、前記上板１１０には、前記チャンネル２０中で前記一対のチャンネル拡張部３０２の間に弁物質を注入するための開口部３０１Ａが形成されている。前記チャンネル２０は、幅が約１ｍｍ、深さが約０．１ｍｍである微細チャンネルである。前記チャンネル拡張部３０２は、約３ｍｍの深さを有するように形成される。
【００５７】
前記弁プラグ３０１に分散された発熱粒子は、数千μｍの幅を有するチャンネル２０内で自由に流動可能な１ｎｍないし１００μｍの直径を有しうる。前記発熱粒子は、レーザーが照射されれば、その放射エネルギーにより温度が急激に上昇して発熱する性質を有し、ワックスに均一に分散される性質を有する。かかる性質を有するように、前記発熱粒子は、金属成分を含むコアと、疎水性を有するシェルと、を備える構造を有する。例えば、前記発熱粒子は、強磁性物質であるＦｅからなるコアと、前記Ｆｅに結合されてＦｅを取り囲む複数の界面活性成分からなるシェルと、を備えた構造を有しうる。通常、前記発熱粒子は、キャリアオイルに分散された状態で保管される。疎水性の表面構造を有する前記発熱粒子が均一に分散されるように、キャリアオイルも疎水性であることが望ましい。ワックスに前記発熱粒子が分散されたキャリアオイルを注いで混合することによって、前記弁プラグ３０１の素材を製造できる。前記発熱粒子の粒子形態は、前記例として挙げた形態に限定されるものではなく、重合体ビード、クァンタムドット、金ナノ粒子、銀ナノ粒子、金属化合物ビード、炭素粒子または磁性ビードであってもよい。前記炭素粒子には、黒鉛粒子も含まれる。
【００５８】
前記弁物質をなす相転移物質は、ワックスでありうる。前記発熱粒子が吸収した電磁波のエネルギーを熱エネルギーの形態に周囲に伝達すれば、ワックスは、これにより溶融されて流動性を有し、これにより弁プラグ３０１が崩壊し、流体サンプルＦの流路が開放される。前記弁プラグ３０１を構成するワックスは、適当な溶融点を有することが望ましい。溶融点が高すぎれば、レーザー照射を始めてから溶融されるまで長時間かかってしまい、開放時点の精密な制御が困難になり、逆に溶融点が低すぎれば、レーザーが照射されていない状態でも部分的に溶融されてしまい、流体サンプルＦが漏れることもあるためである。前記ワックスとしては、例えばパラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス、合成ワックスまたは天然ワックスなどが採用される。
【００５９】
一方、前記相転移物質は、ゲルまたは熱可塑性樹脂でありうる。前記ゲルとしては、ポリアクリルアミド、ポリアクリレート、ポリメタクリレートまたはポリビニルアミドなどが採用される。また、前記熱可塑性樹脂としては、ＣＯＣ（ｃｙｃｌｉｃ ｏｌｅｆｉｎ ｃｏｐｏｌｙｍｅｒ）、ＰＭＭＡ（ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）、ＰＣ（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ）、ＰＳ（ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ）、ＰＯＭ（ｐｏｌｙｏｘｙｍｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ＰＦＡ（ｐｅｒｆｌｕｏｒａｌｋｏｘｙ）、ＰＶＣ（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｃｈｌｏｒｉｄｅ）、ＰＰ（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）、ＰＥＴ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）、ＰＥＥＫ（ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｅｔｈｅｒｋｅｔｏｎｅ）、ＰＡ（ｐｏｌｙａｍｉｄｅ）、ＰＳＵ（ｐｏｌｙｓｕｌｆｏｎｅ）、またはＰＶＤＦ（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ ｆｌｕｏｒｉｄｅ）などが採用される。
【００６０】
図７は、本発明による微細流動装置で流体の流れを制御する閉鎖弁の例を示す平面図であり、図８は、図７に示した閉鎖弁の断面図である。
【００６１】
前記弁ユニットの他の例である閉鎖弁４０は、入口Ｉと出口Ｏとを有するチャンネル２０と、前記チャンネル２０の中間に連結された弁チャンバー４０２と、初期状態は、前記弁チャンバー４０２内に常温で固体状態として充填されていて、加熱されれば、溶融及び膨脹され、前記チャンネル２０に流入し、再び凝固し、前記チャンネル２０を通じた流体の流れを遮断する弁物質Ｖと、を備える。ここで、前記閉鎖弁４０は、前述した微細流動装置１０１ないし１０４の微細流動構造物をなす基礎ユニットのうち一つであって、前記入口Ｉと出口Ｏとは、異なる基礎ユニットにそれぞれ連結され、前記チャンネル２０は、前記ユニットの間で流体サンプルＦを移動可能にする通路の役割を行う。
【００６２】
前記閉鎖弁４０の構造物も、前述した開放弁３０と同様に、微細流動装置１０１ないし１０４の回転体１００をなす上板１１０または下板１２０の内面に形成された立体パターンにより提供される。ただし、前記弁チャンバー４０２は、前記チャンネル２０の深さより深く、前記開放弁３０のチャンネル拡張部３０２より浅い深さ、例えば１ｍｍ程度の深さを有するように形成される。前記上板１１０は、外部エネルギー源（図示せず）から照射される電磁波を透過させ、外部で流体サンプルＦを観測可能にするために、光学的に透明な材料で生成されることが望ましい。また、前記上板１１０は、前記電磁波（例えば、レーザービーム）を前記弁プラグにさらに効率よく入射できるように、前記弁チャンバー４０２に対応する開口部４０１Ａを有してもよい。前記開口部４０１Ａは、微細流動装置１０１ないし１０４の製作時に弁物質を投入する注入口の役割も行う。
【００６３】
前記弁物質Ｖをなす相転移物質Ｐと発熱粒子Ｍ２に関する事項は、開放弁３０の例を通じて説明した通りである。また、前記弁物質Ｖに電磁波を提供する外部エネルギー源６０に関する事項も前述した通りである。分散媒である相転移物質Ｐと発熱粒子Ｍ２とを含む弁物質Ｖにレーザービームが照射されれば、前記発熱粒子Ｍ２がエネルギーを吸収して前記相転移物質Ｐを加熱させる。これにより、前記弁物質Ｖは、溶融されつつ体積が膨脹し、連結された通路４０３を通じて前記チャンネル２０に流入される。前記チャンネル２０内で流体サンプルＦと接触しつつ再び凝固された弁物質Ｖは、弁プラグをなし、前記チャンネル２０を通じた流体サンプルＦの流れを遮断する。
【００６４】
前述した弁ユニットの反応時間を測定した実験の結果は、次の通りである。実験のためのテストチップにおいて、作動流体の圧力は４６ｋＰａに維持した。圧力維持のために、シリンジポンプ（Ｈａｖａｒｄ ＰＨＤ２０００，ＵＳＡ）と圧力センサー（ＭＰＸ ５５００ＤＰ，Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｉｎｃ．，ＡＺ，ＵＳＡ）とを使用した。前記弁ユニットに電磁波を照射する外部エネルギー源としては、放出波長が８０８ｎｍであり、出力が１．５Ｗであるレーザー光源を使用した。弁ユニットの反応時間に関するデータは、高速撮影装置（Ｆａｓｔｃａｍ−１０２４，Ｐｈｏｔｒｏｎ，ＣＡ，ＵＳＡ）の結果物分析を通じて得た。前記弁物質としては、発熱粒子である平均直径１０ｎｍの磁性ビードがキャリアオイルに分散された、いわゆる磁性流体とパラフィンワックスとが１対１の割合で混合された、すなわち磁性流体の体積比が５０％である磁性ワックスを使用した。
【００６５】
図９は、前記開放弁の作動形態を示す一連の高速撮影写真である。前記開放弁の弁プラグにレーザービームを照射し始めてから、前記弁プラグが溶融されてチャンネルが開けられるまでの反応時間は０．０１２秒であった。
【００６６】
図１０は、前記閉鎖弁の作動形態を示す一連の高速撮影写真である。前記閉鎖弁の弁物質にレーザービームを照射し始めてから、前記弁物質が溶融及び膨脹し、チャンネルを閉めるまでの反応時間は０．４４４秒であった。従来のワックス弁の反応時間が２ないし１０秒であった点と比較すれば、はるかに速い反応時間であるということが分かる。
【００６７】
図１１は、前記開放弁で弁プラグに含まれる磁性流体の体積比と弁の反応時間との関係を示すグラフである。磁性流体の体積比が大きくなるにつれて、反応時間が短くなる推移を示す。しかし、これと別途に、磁性流体の体積比が０．７（７０％）以上に大きくなれば、弁プラグの最大許容圧力が低くなる傾向がある。したがって、前記弁ユニットで弁物質に含まれる磁性流体の体積比は、反応時間への要求と最大許容圧力への要求との折衝により決まりうる。
【００６８】
図１２は、前記開放弁で外部エネルギー源として使われるレーザー光源の出力と弁の反応時間との関係を示すグラフである。出力が高くなるほど、反応時間が短くなる推移を示す。しかし、レーザー光源の出力が１．５Ｗに近接すれば、反応時間の変化が緩慢になり、（グラフに示していないが）１．５Ｗを超えれば、所定の最小反応に収束する。パラフィンワックスを通した熱伝導率の制約があるためである。前記実験では、かかる理由により、出力が１．５Ｗであるレーザー光源を使用した。しかし、本発明の外部エネルギー源がこれに限定されるものではない。
【００６９】
図１３は、図４の実施形態による微細流動装置の分解斜視図である。本実施形態による微細流動装置１０４は、上部ディスク１１０、下部ディスク１２０、及び上部ディスク１１０と下部ディスク１２０とを互いに付着させる両面接着シート１１５から構成される。上部ディスク１１０及び下部ディスク１２０は、透明なプラスチック板、例えばポリカーボネート板で設けられる。
【００７０】
前記上部ディスク１１０には、その上下面を貫通する複数の注入口１１１と、複数の穿孔部１１０Ａとが設けられる。前記複数の注入口１１１は、前述した試料チャンバー、磁性ビードチャンバー及びバッファチャンバーに対応する位置にそれぞれ設けられ、前記複数の穿孔部１１０Ａは、前述した複数の相転移弁で弁プラグの初期位置に対応して設けられる。
【００７１】
前記下部ディスク１２０には、所定の深さほど掘られて前記上部ディスク１１０と共にチャンバー構造を形成する複数の溝１２７が設けられる。前記所定の深さは、例えば３ｍｍでありうる。また、前記下部ディスク１２０には、上部ディスク１１０と共に前述したチャンネル拡張部３０２及び弁チャンバー４０２をなす陰刻構造物がさらに設けられる。
【００７２】
前記両面接着シート１１５は、従来に知られた商用の両面接着テープで作られる。例えば、Ｆｌｅｘｍｏｕｎｔ ＤＦＭ ２００ Ｃｌｅａｒ Ｖ−９５１５０ ＰＯＬＹ Ｈ−９Ｖ−９６ ４，ＦＬＥＸｃｏｎ Ｉｎｃ．，ＭＡ，ＵＳＡで作られる。両面接着シート１１５には、前記複数の溝１２７に対応する複数のチャンバー輪郭１１７が設けられ、図４で説明されたチャンネルにそれぞれ対応するチャンネル輪郭１１６が設けられる。前記チャンネル輪郭１１６は、その幅が１ｍｍでありうる。前述した商用の両面接着テープの厚さは１００μｍであるので、この場合、前記上部ディスク１１０、下部ディスク１２０及び両面接着シート１１５により形成されたチャンネルの深さは１００μｍである。チャンネルの深さは、前記両面接着シート１１５の厚さ選択によって容易に変更される。
【００７３】
前述した注入口１１１、穿孔部１１０Ａ、溝１２７及びチャンネル輪郭１１６などの構造物は、既存のＣＮＣ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ）加工により前記上部ディスク１１０、下部ディスク１２０及び両面接着シート１１５それぞれに形成される。
【００７４】
前述した微細流動装置の具体的な構造及び規格は、一つの例に過ぎず、本発明がこれに限定されるものではない。例えば、前記上部ディスク１１０と下部ディスク１２０とは、両面接着シート１１５により接合される代わりに、サーマルボンディング、低温ボンディング、化学接着剤によるボンディングまたは超音波ボンディングのように多様なプラスチックボンディング方法により接合される。前記チャンネル及びチャンバーの規格は、微細流動装置１０４の全体のサイズ及び処理しようとするサンプルの容量などによってさらに大きくなるか、または小さくなる。また、前述した実施形態では、微細流動構造物が一つの層に設けられたが、微細流動装置が複数の層から形成され、各層にチャンネル及びチャンバーなどを備える微細流動構造物が設けられることも可能である。
【００７５】
図１４Ａ及び図１４Ｂは、磁石位置制御装置が付加された本発明による核酸抽出用の微細流動装置の第５実施形態を示す図面である。本実施形態によれば、図４に示したような微細流動装置の下で第１磁石２３０の位置を制御することによって、前記微細流動装置内で磁性ビードを移動させるか、またはトラッピング可能にする磁石位置制御装置が備えられる。かかる磁石位置制御装置の一部構成要素は、図１３に示したように組み立てられた微細流動装置で下部ディスク１２０の底層に一体に備えられる。
【００７６】
磁石位置制御装置は、その内部に第１磁石２３０を収容し、前記第１磁石２３０の移動経路を案内するガイドレール２１０、及び前記第１磁石２３０の移動経路中で回転の中心から最も近い位置に対応する前記微細流動装置の外部に配置された第２磁石２３１を備える。微細流動装置が回転するとき、前記ガイドレール２１０内の第１磁石２３０には、半径の外側方向の遠心力と前記第２磁石２３１による磁力（引力）とが作用し、第１磁石２３０は、前記二つの力が平衡をなす位置に移動する。前記第１磁石２３０と第２磁石２３１とは、永久磁石であって、互いに引力が作用するように配置されたものである。前記第１磁石２３０及び第２磁石２３１としては、永久磁石の一例として、いわゆるネオジウム磁石（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ、ＪｕｎｇＷｏｏ、Ｋｏｒｅａ）が採用される。
【００７７】
図１４Ａは、微細流動装置が時計回り方向に回転する場合を示す。微細流動装置が約４８０ｒｐｍの速度で回転すれば、前記第１磁石２３０がＢ位置に移動し、前記微細流動装置が約１８０ｒｐｍの速度で回転すれば、前記第１磁石２３０がＡ位置に移動する。前記第１磁石２３０をＢ位置からＡ位置に移動させることによって、遠心力により混合チャンバー１４内で狭い出口の弁３４の内側に集まっている磁性ビードを再び前記混合チャンバー１４の広い部分に引き上げる（もどす）ことができる。
【００７８】
図１４Ｂは、微細流動装置が逆時計回り方向に回転する場合を示す。微細流動装置が約４８０ｒｐｍの速度で回転すれば、前記第１磁石２３０がＣ位置に移動し、微細流動装置の回転速度が約６００ｒｐｍを超えれば、遠心力が磁力を勝って前記第１磁石２３０をＤ位置まで移動させる。かかる第１磁石２３０の移動を利用して、微細流動装置で遠心力により前記混合チャンバー１４の内部からチャンネル２６を通じて移動してきた磁性ビードを細胞溶解チャンバー１６に集束させる。
【００７９】
以上、ガイドレールの形状は、微細流動装置内でのチャンバー及びチャンネルの配置形態及び磁性ビードを備える流体の移動順序などによって変わりうる。したがって、前記ガイドレールは、回転体の中心からの距離が異なる任意の位置を連結し、前記第１磁石２３０の移動を可能にする通路であれば十分である。
【００８０】
図１５Ａないし図１５Ｋは、図４の実施形態による微細流動装置を利用して血液サンプルからＨＢＶのＤＮＡを抽出する過程を示す図面である。以下の説明を通じて、本発明による微細流動装置の特徴をさらに明確に理解できるであろう。
【００８１】
実験に先立って、磁性ビードＭ１を準備する。
【００８２】
１）磁性ビード及び表面改質のための抗体を準備
ビオチンが付着されたＢ型肝炎ウイルス表面の抗原に特異的親和性を有する二次抗体（Ｖｉｒｏｓｔａｔ、１８１７、ｈｏｓｔ ａｎｉｍａｌ：ｒａｂｂｉｔ）溶液を１０μｌ準備する。
【００８３】
２）磁性ビードの洗浄
ストレプトアビジンでラベリングされた直径１．０μｍのＤｙｎａｂｅａｄｓ（商標登録）Ｓｔｒｅｐｔａｖｉｄｉｎ Ｃ１ １００μｌを混合して、均質溶液を製造した。製造された溶液１００μｌをチューブに入れ、磁石に置いて２分間放置した。ピペットで上澄み液を取って除去した。チューブを磁石から取り出し、緩衝液１（０．１％のＢＳＡを含むＰＢＳ、ｐＨ７．４）を１００μｌ添加して混合した。再び磁石に置いて２分間放置した。ピペットで上澄み液を取って除去した。チューブを磁石から取り出し、緩衝液１（０．１％のＢＳＡを含むＰＢＳ、ｐＨ７．４）を１００μｌ添加して混合した。
【００８４】
３）抗体を利用したビードの予備コーティング
前記のように準備されたビード溶液１００μｌにビオチンが付着されたＨＢＶ二次抗体（Ｖｉｒｏｓｔａｔ、１８１７）８μｇを入れて混合した。数回ひっくり返して混合しつつ室温で３０分間インキュベーションした。磁石を利用して磁性ビードを２分間集め、上澄み液を除去した。洗浄緩衝液（１％のＢＳＡを含むＰＢＳ、ｐＨ７．４）を２ｍｌ添加して数回ひっくり返して混合した。磁石を利用してビードを１分間集め、上澄み液を除去した。緩衝液１（０．１％のＢＳＡを含むＰＢＳ、ｐＨ７．４）を１００μｌ添加し、予備コーティングされた磁性ビードを再懸濁した。
【００８５】
前記のような過程で準備された磁性ビードＭ１と図４の実施形態による微細流動装置１０４とを利用して、血液サンプルからＨＢＶのＤＮＡを抽出する実験を次のように進めた。
【００８６】
まず、試料チャンバー１１にＨＢＶがスパイクされた血液１００μｌを、磁性ビードチャンバー１３には表面に抗体が付着された磁性ビードＭ１溶液１００μｌを、バッファチャンバー１２にはＰＢＳバッファ液１００μｌをそれぞれ注入し（図１５Ａ参照）、回転体１００を回転させつつ遠心分離ユニット１８を利用して前記血液サンプルを遠心分離する（図１５Ｂ参照）。
【００８７】
次いで、前記遠心分離ユニット１８と混合チャンバー１４との間の弁３１を開けて分離された血漿３０μｌを前記混合チャンバー１４に移送する一方（図１５Ｃ参照）、前記磁性ビードチャンバー１３と混合チャンバー１４との間の弁３３を開けて磁性ビードＭ１溶液も前記混合チャンバー１４に移送する（図１５Ｄ参照）。
【００８８】
回転体１００を両方向に交互に５分間回転させつつ、前記磁性ビードＭ１を血漿と混合し、前記磁性ビードＭ１の表面に標的細胞であるＨＢＶを捕集する（図１５Ｅ参照）。次いで、回転体１００を再び一方向に回転させて、磁性ビードＭ１を前記混合チャンバー１４の出口側に集束する（図１５Ｆ参照）。
【００８９】
前記混合チャンバー１４と廃棄チャンバー１５との間の開放弁３５を開けて、上澄み液（ＨＢＶが分離されて残った残余血漿）を前記廃棄チャンバー１５に排出し（図１５Ｇ参照）、前記開放弁３５と同じチャンネル２５に配置された閉鎖弁４５を閉める（図１５Ｈ参照）。次いで、前記バッファチャンバー１２と混合チャンバー１４との間の開放弁３２を開けて、前記バッファ液を前記混合チャンバー１４に移送する（図１５Ｉ参照）。
【００９０】
再び前記回転体１００を両方向に交互に２０秒間回転させつつ、前記バッファ液で前記磁性ビードＭ１を洗浄する。次いで、前記混合チャンバー１４の出口に設けられた開放弁３４を開け、前記混合チャンバー１４内の磁性ビードＭ１を含む流体を細胞溶解チャンバー１６に移送する（図１５Ｊ参照）。前記流体は、前記二つのチャンバー１４、１６の間のチャンネル２６と前記細胞溶解チャンバー１６とを経て他の廃棄チャンバー１７に移送され、その過程で前記表面にＨＢＶを捕集した磁性ビードＭ１は、遠心力及び磁力により前記細胞溶解チャンバー１６内に残される（図１５Ｋ参照）。
【００９１】
次いで、前記細胞溶解チャンバー１６の前後の閉鎖弁４６、４７を閉め、前記細胞溶解チャンバー１６にレーザービームを照射してレーザーアブレーションを行う。このとき、前述したように、前記磁性ビードＭ１の表面に付着されたＨＢＶを破壊し、ＤＮＡを取り出し、ＨＢＶの破壊時に発生した残りカスは、再び磁性ビードＭ１の表面に付着される。したがって、前記細胞溶解を終えた前記細胞溶解チャンバー１６では、直ちにＰＣＲを行える程度のＤＮＡが提供される。
【００９２】
図１６は、図４の実施形態による微細流動装置を利用して、血液サンプルから抽出されたＨＢＶのＤＮＡでリアルタイムＰＣＲを行った結果を示す図面である。図１５Ａないし図１５Ｋで示したような実験を５回行い、それぞれの結果物を用いてリアルタイムＰＣＲを行った結果を示す。結果が安定的であるだけでなく、熟練者の手作業による結果と比較しても遜色ないということを確認できる。
【００９３】
図１７は、本発明による微細流動システムの構成を概略的に示す斜視図である。本発明による微細流動システム１０５は、前記回転体１００上に設けられたものであって、前述した多様な実施形態による微細流動装置、前記回転体１００を回転させる回転駆動部５０、及び前記回転体１００上の選択された領域にレーザービームを照射できるレーザー光源６０を備える。一方、前記微細流動装置でなされる反応の中間産物または結果物を光学的に観測できる光検出部７０をさらに備えることもできる。
【００９４】
前記レーザー光源６０は、前述したレーザーアブレーションに使われるものであって、少なくとも一つのレーザーダイオードを含み、前述した出力、波長などの条件を満足すべきものであれば十分である。また、前記微細流動装置に磁性ビードなどの発熱粒子を含む相転移弁が採用された場合には、前記相転移弁を作動させるためにも使われる。
【００９５】
前記微細流動システム１０５は、前記レーザー光源６０の位置または方向を調整して、これから照射されたレーザービームが前記回転体１００上の所望の領域に、具体的には、前記微細流動装置に備えられた複数の相転移弁３１または細胞溶解チャンバーのうち選択されたものに該当する領域に集中的に達させるレーザー光源調整手段（図示せず）を備える。
【００９６】
図１７のシステム１０５において、外部エネルギー源調整手段（図示せず）は、回転体１００に向かって設置された前記レーザー光源６０をその上に表示された矢印方向、すなわち回転体１００の半径方向に移動できる。前記レーザー光源６０を直線移動させるメカニズムは、多様に提供され、当業者に自明なものであるので、本明細書ではそれについての説明を省略する。
【００９７】
一方、前記微細流動システム１０５は、前記回転体１０１を駆動する回転駆動部５０を備える。図示した回転駆動部５０は、前記回転体１００を載置させ、回転力を伝達するための装置の一部分であり、図示していないが、前記回転体１００を定速または定域回転させるモーター及びそれと関連した部品を備えうる。前記回転駆動部５０についての具体的な構成の例は、本明細書で省略する。図１７のシステム１０５において、前記レーザー光源６０は、前記レーザー光源調整手段（図示せず）と前記回転駆動部５０との助けにより、レーザービームを前記微細流動装置の回転体１００上で選択された領域に集中的に照射できる。
【００９８】
例えば、現時点において作動させたい相転移弁３１が選択された場合、レーザー光源６０を照準し始める現時点における前記相転移弁３１の位置と、現時点のレーザー光源６０の位置との偏差Δ（ｒ、θ）を求める。そして、回転駆動部５０を利用して前記回転体１００をΔθ定域回転させ、前記レーザー光源調整手段（図示せず）を利用して前記レーザー光源６０を前記回転体１００の半径方向にΔｒ移動させる。
【００９９】
前記微細流動装置の回転体１００の下部には、第２磁石２３１が配置されうる。前記第２磁石２３１は、微細流動装置内の磁性ビードに直接的に影響を及ぼすか、または図１４Ａ及び図１４Ｂに示した実施形態のように、微細流動装置の下部に磁石位置制御装置（図示せず）が備えられた場合、第１磁石２３０を通じて磁性ビードに間接的に影響を及ぼす。前記第２磁石２３１は、回転体１００の半径方向に動くように設置される。
【０１００】
以上、本発明による望ましい実施形態が説明されたが、これは、例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解できるであろう。したがって、本発明の保護範囲は、特許請求の範囲により決まらねばならない。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
本発明は、微細流動システム関連の技術分野に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】本発明による核酸抽出用の微細流動装置の第１実施形態を概略的に示す平面図である。
【図２】本発明による核酸抽出用の微細流動装置の第２実施形態を概略的に示す平面図である。
【図３】本発明による核酸抽出用の微細流動装置の第３実施形態を概略的に示す平面図である。
【図４】本発明による核酸抽出用の微細流動装置の第４実施形態を概略的に示す平面図である。
【図５】本発明による微細流動装置で流体の流れを制御する開放弁の例を示す平面図である。
【図６】図５に示した開放弁の初期及び開けられた状態をそれぞれ示す断面図である。
【図７】本発明による微細流動装置で流体の流れを制御する閉鎖弁の例を示す平面図である。
【図８】図７に示した閉鎖弁の断面図である。
【図９】前記開放弁の作動形態を示す一連の高速撮影写真である。
【図１０】前記閉鎖弁の作動形態を示す一連の高速撮影写真である。
【図１１】前記開放弁で弁プラグに含まれた磁性流体の体積比と弁反応時間との関係を示すグラフである。
【図１２】前記開放弁で外部エネルギー源として使われたレーザー光源のパワーと弁反応時間との関係を示すグラフである。
【図１３】図４の実施形態による微細流動装置の分解斜視図である。
【図１４Ａ】磁石位置制御装置が付加された本発明による核酸抽出用の微細流動装置の第５実施形態を示す図面である。
【図１４Ｂ】磁石位置制御装置が付加された本発明による核酸抽出用の微細流動装置の第５実施形態を示す図面である。
【図１５Ａ】図４の実施形態による微細流動装置を利用して血液サンプルからＨＢＶのＤＮＡを抽出する過程を示す図面である。
【図１５Ｂ】図４の実施形態による微細流動装置を利用して血液サンプルからＨＢＶのＤＮＡを抽出する過程を示す図面である。
【図１５Ｃ】図４の実施形態による微細流動装置を利用して血液サンプルからＨＢＶのＤＮＡを抽出する過程を示す図面である。
【図１５Ｄ】図４の実施形態による微細流動装置を利用して血液サンプルからＨＢＶのＤＮＡを抽出する過程を示す図面である。
【図１５Ｅ】図４の実施形態による微細流動装置を利用して血液サンプルからＨＢＶのＤＮＡを抽出する過程を示す図面である。
【図１５Ｆ】図４の実施形態による微細流動装置を利用して血液サンプルからＨＢＶのＤＮＡを抽出する過程を示す図面である。
【図１５Ｇ】図４の実施形態による微細流動装置を利用して血液サンプルからＨＢＶのＤＮＡを抽出する過程を示す図面である。
【図１５Ｈ】図４の実施形態による微細流動装置を利用して血液サンプルからＨＢＶのＤＮＡを抽出する過程を示す図面である。
【図１５Ｉ】図４の実施形態による微細流動装置を利用して血液サンプルからＨＢＶのＤＮＡを抽出する過程を示す図面である。
【図１５Ｊ】図４の実施形態による微細流動装置を利用して血液サンプルからＨＢＶのＤＮＡを抽出する過程を示す図面である。
【図１５Ｋ】図４の実施形態による微細流動装置を利用して血液サンプルからＨＢＶのＤＮＡを抽出する過程を示す図面である。
【図１６】図４の実施形態による微細流動装置を利用して血液サンプルから抽出されたＨＢＶのＤＮＡでリアルタイムＰＣＲを行った結果を示す図面である。
【図１７】本発明による微細流動システムの構成を概略的に示す斜視図である。
【符号の説明】
【０１０３】
１１ 試料チャンバー、
１２ バッファチャンバー、
１３ 磁性ビードチャンバー、
１４ 混合チャンバー、
１５、１７ 廃棄チャンバー、
１６ 細胞溶解チャンバー、
２０、２１、２２、２３、２５、２６、２７ チャンネル、
２９ 排気口、
３０、３１、３２、３３、３４、３５ 開放弁、
４０、４５、４６、４７ 閉鎖弁、
５０ 回転駆動部、
６０ 外部エネルギー源、
７０ 光検出部、
１００ 回転体、
１０１ 微細流動装置、
２３１ 磁石。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転体に設けられた微細流動構造物において、遠心力により流体の流れを制御する遠心力基盤の微細流動装置に係り、特に生体試料から標的細胞またはウイルスのＤＮＡを抽出可能にする装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、微細流動装置を構成する微細流動構造物には、少量の流体を溜めておくチャンバー、流体が流れるチャンネル（通路）、流体の流れを調節する弁、流体を受けて所定の機能を行う色々な機能性ユニットなどが備えられる。小型のチップ上で生化学的反応を含む試験を行えるように、チップ形態の基板にかかる微細流動構造物を配置した装置をバイオチップといい、特に色々な段階の処理及び操作を一つのチップで行えるように製作された装置をラボオンチップ（ｌａｂ−ｏｎ−ａ ｃｈｉｐ）という。
【０００３】
微細流動構造物内で流体を移送するためには、駆動圧力が必要であるが、駆動圧力として毛細管圧が利用されてもよく、別途のポンプによる圧力が利用されてもよい。最近では、コンパクトディスク形状の回転板に微細流動構造物を配置して遠心力を利用する微細流動装置が提案されている。これをラボオンＣＤ（ｌａｂ−ｏｎ−ａ ＣＤ）あるいはラボＣＤ（Ｌａｂ ＣＤ）ともいい。しかし、この場合は、フレームに固定されずに動く回転体の特性上、その内で流体の流れを制御するか、またはユニットの温度を制御するなどの操作が容易でない。
【特許文献１】米国特許第６，９１９，０５８号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００５／２０２５７２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、遠心力基盤の核酸抽出用の微細流動装置及び前記微細流動装置を備えた微細流動システムに係り、遠心力が作用する回転体上に設けられた微細流動構造物に生体試料を注入すれば、前記微細流動構造物内で行われる一連の過程を通じて前記生体試料から特定の標的物質を分離及び濃縮し、前記分離された標的物質を溶解してＰＣＲ（Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ Ｃｈａｉｎ Ｒｅａｃｔｉｏｎ）の可能な核酸を提供できるように構成された微細流動装置及び前記微細流動装置とそれを駆動する装置とを備える微細流動システムを提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明による遠心力基盤の核酸抽出用の微細流動装置は、回転体と、微細流動構造物と、磁性ビードと、を備え、前記微細流動構造物は、前記回転体に配置され、複数のチャンバーと、前記複数のチャンバーを連結する複数の通路と、前記通路に配置されて流体の流れを統制する複数の弁と、を備え、前記回転体の回転による遠心力を利用して流体を移送し、前記磁性ビードは、前記複数のチャンバーのうち少なくともいずれか一つに収容され、該チャンバーに流入した生体試料から標的物質を選択的に捕集し、前記微細流動構造物は、前記標的物質を捕集した前記磁性ビードを洗浄及び分離し、前記磁性ビードに対し外部から電磁波を照射することにより核酸を分離する。前記標的物質は、細胞及びウイルスを含む生体物質をいう。
【０００６】
ここで、前記複数の弁は、毛細管弁と、疎水性弁と、機械的弁と、相転移弁と、を備える群から選択される。前記相転移弁は、外部から照射される電磁波を吸収する発熱粒子と、前記発熱粒子が放出する熱により溶融される相転移物質と、を含む弁プラグを備え、前記弁プラグを通路に配置し、前記通路を通過する流体の流れを統制するものである。
【０００７】
前記磁性ビードは、その表面が標的細胞またはウイルスに親和性を有する抗体または金属酸化物に改質され、前記金属酸化物は、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４及びＨｆＯ２で構成される群から選択される。また、前記磁性ビードは、強磁性体を有するＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ及びそれらの各酸化物からなる群から選択される一つ以上の物質を含みうる。
【０００８】
本発明の一側面による遠心力基盤の核酸抽出用の微細流動装置は、回転体と、微細流動構造物と、磁性ビードと、を備え、前記微細流動構造物は、前記回転体に配置され、複数のチャンバーと、前記複数のチャンバーを連結する複数の通路と、前記通路に配置されて流体の流れを統制する複数の弁と、を備え、前記回転体の回転による遠心力を利用して流体を移送し、前記磁性ビードは、前記複数のチャンバーのうち少なくともいずれか一つに収容され、該チャンバーに流入した生体試料から標的物質を選択的に捕集し、前記複数のチャンバーは、試料チャンバーと、バッファチャンバーと、混合チャンバーと、廃棄チャンバーと、細胞溶解チャンバーと、を含み、前記試料チャンバーは、試料を収容し、前記バッファチャンバーは、バッファ液を収容し、前記混合チャンバーは、磁性ビードを収容し、前記試料チャンバー及びバッファチャンバーと通路で連結され、前記それぞれの通路に配置される弁の統制によって流入される前記試料と前記バッファ液とを収容し、前記回転体の中心から最も遠い位置に弁を備える出口を有し、前記磁性ビードと前記試料との反応及び前記バッファ液を利用した前記磁性ビードの洗浄を行い、前記廃棄チャンバーは、前記混合チャンバーの出口に隣接して回転体の中心に近い位置と通路で連結され、前記通路に配置された弁の統制によって前記混合チャンバーから排出される流体を収容し、前記細胞溶解チャンバーは、前記混合チャンバーの出口と通路で連結され、前記混合チャンバーの出口から排出される前記磁性ビードを含んだ流体を収容することを特徴とする。
【０００９】
前記混合チャンバーは、前記試料チャンバー及び前記バッファチャンバーよりも回転体の中心から遠い位置に配され、前記廃棄チャンバー及び前記細胞溶解チャンバーよりは回転体の中心に近い位置に配されることが望ましい。前記バッファチャンバーと前記混合チャンバーとを連結する通路は、前記混合チャンバーの出口と隣接した位置に連結される。一方、前記微細流動装置は、前記混合チャンバーより回転体の中心に近い位置に配置され、前記混合チャンバーに連結され、前記混合チャンバーに磁性ビードを供給する磁性ビードチャンバーをさらに備え、この場合、前記磁性ビードチャンバーと前記混合チャンバーとを連結する通路に弁をさらに備える。
【００１０】
前記細胞溶解チャンバーは、前記流入した流体中から磁性ビードを集め、前記細胞溶解チャンバーの出口を通じて残りの流体を排出できる。前記細胞溶解チャンバーの出口は、回転体の中心に向かって延び、流体より密度が高い磁性ビードを遠心力により前記細胞溶解チャンバー内に溜めておく。前記微細流動装置は、前記細胞溶解チャンバーに隣接して配置され、磁力により前記細胞溶解チャンバー内に磁性ビードを集める磁場形成物質をさらに備える。
【００１１】
一方、前記試料チャンバー及び前記混合チャンバーに連結された通路と連結され、前記試料チャンバーに収容される試料を遠心分離してその一部を前記通路に排出する遠心分離ユニットをさらに備える。前記遠心分離ユニットは、例えば全血を血球と血漿とに分離し、上層に分離された血漿のみを試料として前記混合チャンバーに供給できる。
【００１２】
前記微細流動装置において、前記複数の弁は、毛細管弁と、疎水性弁と、機械的弁と、相転移弁と、を備える群から選択される。前記相転移弁は、外部から照射される電磁波を吸収する発熱粒子と、前記発熱粒子が放出する熱により溶融される相転移物質と、を含む弁プラグを備え、前記弁プラグを通路内に配置し、前記通路を通過する流体の流れを統制する。このとき、前記相転移弁は、前記弁プラグに隣接して余裕空間を設け、前記弁プラグが前記通路内に配置され、前記通路が閉じた状態である時に、前記弁プラグが熱により溶融し、前記余裕空間に溶融した前記プラグが移動し、前記通路を開ける開放弁を備える。また、前記相転移弁は、前記通路と連結した弁チャンバーに前記弁プラグを配置し、前記通路が開いた状態である時に、前記弁プラグが熱により溶融及び膨脹し、前記通路に流入されて前記通路を閉める閉鎖弁を備える。
【００１３】
前記磁性ビードは、その表面が標的細胞またはウイルスに親和性を有する抗体または金属酸化物に改質されたものであり、前記金属酸化物は、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４及びＨｆＯ２で構成された群から選択される。また、前記磁性ビードは、強磁性体を有するＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ及びそれらの各酸化物からなる群から選択される一つ以上の物質を含む。
【００１４】
本発明の他の側面による微細流動システムは、回転体と、微細流動装置と、回転駆動部と、外部エネルギー源と、を備え、前記微細流動装置は、前記回転体に配置され、複数のチャンバーと、前記複数のチャンバーを連結する複数の通路と、前記通路に配置されて流体の流れを統制する複数の弁と、前記回転体の回転による遠心力を利用して流体を移送する微細流動構造物と、前記複数のチャンバーのうち少なくともいずれか一つに収容され、該チャンバーに流入した生体試料から標的物質を選択的に捕集する磁性ビードと、を備え、前記回転駆動部は、前記微細流動装置の回転体を駆動し、前記外部エネルギー源は、前記標的物質を捕集した前記磁性ビードに前記電磁波を照射し、前記微細流動装置は、前記標的物質を捕集した前記磁性ビードを洗浄及び分離し、分離された前記磁性ビードに対し外部から電磁波を照射することにより核酸を分離することを特徴とする。
【００１５】
ここで、前記複数の弁は、毛細管弁と、疎水性弁と、機械的弁と、相転移弁と、を備える群から選択される。前記相転移弁は、外部から照射される電磁波を吸収する発熱粒子と、前記発熱粒子が放出する熱により溶融される相転移物質と、を含む弁プラグを備え、前記弁プラグを通路内に配置し、前記通路を通過する流体の流れを統制する。
【００１６】
前記微細流動システムは、外部エネルギー源調整手段をさらに備え、前記複数の弁は、複数の相転移弁を含み、前記相転移弁は、外部から照射される電磁波を吸収する発熱粒子と、前記発熱粒子が放出する熱により溶融される相転移物質と、を含む弁プラグと、を備え、前記弁プラグを通路に配置し、前記通路を通過する流体の流れを統制し、前記外部エネルギー源調整手段は、前記外部エネルギー源の位置または方向を調整し、前記エネルギー源は、前記複数の相転移弁のうち選択された一つの相転移弁を備える領域に電磁波を照射する。前記外部エネルギー源は、レーザービームを照射するレーザー光源を含む。
【００１７】
このとき、前記回転駆動部は、前記回転体を定速または定域回転させるモーターを備える。前記外部エネルギー源調整手段は、前記回転体に向かって設置された前記外部エネルギー源を前記回転体の半径方向に移動させる直線移動手段を備え、固定された外部エネルギー源から放出された電磁波を反射させる少なくとも一つの反射鏡、及び前記反射鏡の角度を調節して電磁波の経路を変更する反射鏡運動部を備えることもある。
【００１８】
前記磁性ビードは、その表面が標的細胞またはウイルスに親和性を有する抗体または金属酸化物に改質されたものであり、前記金属酸化物は、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４及びＨｆＯ２で構成された群から選択される。また、前記磁性ビードは、強磁性体を有するＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ及びそれらの各酸化物からなる群から選択される一つ以上の物質を含む。
【００１９】
本発明のさらに他の側面による微細流動システムは、前述した本発明の一側面による微細流動装置（微細流動装置は、試料チャンバーと、バッファチャンバーと、混合チャンバーと、廃棄チャンバーと、細胞溶解チャンバーと、を備える）と、前記微細流動装置の回転体を駆動する回転駆動部と、前記細胞溶解チャンバーにレーザーアブレーションのための電磁波を照射する外部エネルギー源と、を備える。
【００２０】
ここで、前記微細流動装置の各構成要素は、前述した特徴を有することができる。また、前記微細流動システムは、外部エネルギー源調整手段をさらに備え、前記微細流動装置は、外部から照射される電磁波を吸収する発熱粒子と、前記発熱粒子が放出する熱により溶融される相転移物質と、を含む弁プラグと、前記弁プラグを通路に配置し、前記通路を通過する流体の流れを統制し、前記外部エネルギー源調整手段は、前記外部エネルギー源の位置または方向を調整し、前記外部エネルギー源は、前記複数の相転移弁のうち選択された一つの相転移弁を備える領域に前記電磁波を照射する。
【００２１】
このとき、前記回転駆動部は、前記回転体を定速または定域回転させるモーターを備える。前記外部エネルギー源調整手段は、前記回転体に向かって設置された前記外部エネルギー源を前記回転体の半径方向に移動させる直線移動手段を備える。
【００２２】
前記本発明の多様な実施形態による微細流動システムを利用して試料から標的物質の核酸を抽出する方法は、試料チャンバーに注入された試料を磁性ビードが収容された混合チャンバーに移送する過程と、前記混合チャンバー内で前記磁性ビードと前記試料とを混合して前記磁性ビードの表面に標的細胞またはウイルスを捕集する過程と、前記磁性ビードと前記試料との混合液を遠心分離して上澄み液を廃棄チャンバーに排出する過程と、前記バッファチャンバーに収容されたバッファ液を前記混合チャンバーに移送し、前記磁性ビードを洗浄した後、再び遠心分離して上澄み液を廃棄チャンバーに排出し、前記混合チャンバーの出口部分に集まった磁性ビード混合流体を前記細胞溶解チャンバーに移送し、前記細胞溶解チャンバーに前記磁性ビードを溜めてレーザー（電磁波）を照射して、前記磁性ビードの表面に捕集された細胞またはウイルスを溶解させる過程と、を含む。
【発明の効果】
【００２３】
本発明による核酸抽出用の微細流動装置及び前記微細流動装置を備える微細流動システムは、前記微細流動装置に試料を注入する一回の手作業のみで、前記微細流動構造物内で短時間内に行われる一連の過程を通じて前記生体試料から特定セルを分離及び濃縮し、前記分離されたセルを溶解してＰＣＲの可能なＤＮＡを提供できる。したがって、熟練者の多くの手作業を必要とした従来のＤＮＡ抽出作業を非常に簡素化して手間を大きく省くことができる。また、少量の試料のみで標的物質のＤＮＡ抽出を可能にする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、添付された図面を参照しつつ本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２５】
図１は、本発明による核酸抽出用の微細流動装置の第１実施形態を概略的に示す平面図である。本実施形態による微細流動装置１０１は、対称的形状の一例であって、ディスク状を有する回転体１００を備える。一つの回転体１００には、一つまたは複数の微細流動構造物が設けられる。例えば、前記回転体１００を複数の扇状の領域に分け、各領域に微細流動構造物が設けられる。図１は、複数の微細流動構造物が設けられた回転体１００の一部分を示す図面である。図１では、上方は前記回転体１００の中心部を、下方は前記回転体１００の外郭部を表す。
【００２６】
前記回転体１００に設けられた微細流動構造物は、複数のチャンバー、それらを連結する複数の通路、及び前記複数の通路を通じた流体の流れを統制する複数の弁を備える。かかる微細流動構造物は、互いに重なって前記ディスク状の回転体１００をなす二つのディスクと、前記二つのディスクが対向する面のうちいずれか一方の面に形成された立体パターンとにより提供される。前記二つのディスクのうち上部ディスクは、流体の移動や反応に対する検知可能な材料であり、特に透明な材料で生成されることが望ましい。かかる微細流動構造物を製造する方法は、本発明の技術分野で周知である。
【００２７】
本実施形態による微細流動装置１０１において、微細流動構造物の構成を説明すれば、次の通りである。前記微細流動構造物は、流体試料を収容する試料チャンバー１１と、バッファ液を収容するバッファチャンバー１２と、を備える。前記試料チャンバー１１及び前記バッファチャンバー１２は、それぞれ注入口（図示せず）を備え、ユーザーは、前記注入口を通じて試料と適切なバッファ液とを注入できる。
【００２８】
前記回転体１００の中心から前記二つの試料チャンバー１１及びバッファチャンバー１２より遠い位置には、混合チャンバー１４が配置され、前記混合チャンバー１４は、前記試料チャンバー１１及び前記バッファチャンバー１２とそれぞれ流体移動通路であるチャンネル２１、２２を通じて連結される。各チャンネル２１、２２には、流体の流れを統制する弁３１、３２が設けられる。前記混合チャンバー１４は、前記回転体１００の中心から最も遠い側に出口を有し、前記混合チャンバー１４の出口には、弁３４が設けられる。前記混合チャンバー１４は、回転体の中心から近い方より遠い方の断面積が狭いことが望ましい。すなわち、前記混合チャンバー１４の出口の弁３４に近い方の断面積が狭いことが望ましい。このために、前記混合チャンバー１４の出口の弁３４の内側の一部分がチャンネル形態に設けられることもある。一方、前記バッファチャンバー１２と前記混合チャンバー１４とを連結するチャンネル２２は、前記混合チャンバー１４の出口に隣接した部分に連結されうる。前記混合チャンバー１４は、あらかじめ注入された磁性ビードＭ１を収容し、前記試料チャンバー１１から試料を、前記バッファチャンバー１２からバッファ液を供給されうる。
【００２９】
前記回転体１００の中心から前記混合チャンバー１４より遠い位置には、廃棄チャンバー１５が配置される。前記廃棄チャンバー１５は、チャンネル２５を通じて前記混合チャンバー１４の出口の弁３４に近い部分、すなわち前述したように断面積が狭い部分に連結される。ただし、前記チャンネル２５が連結された部分と前記混合チャンバー１４の出口の弁３４との間には、前記混合チャンバー１４に収容された磁性ビードＭ１が集まる程度の空間を確保することが望ましい。前記廃棄チャンバー１５に連結されたチャンネル２５にも、流体の流れを統制する弁３５、４５が設けられる。
【００３０】
一方、前記回転体１００の中心から前記混合チャンバー１４の出口の弁３４より遠い位置に、細胞溶解チャンバー１６が配置される。前記細胞溶解チャンバー１６は、その入口がチャンネル２６を通じて前記混合チャンバー１４の出口と連結される。前記細胞溶解チャンバー１６の出口は、回転体１００の中心に向かって延びる。この場合、前記入口を通じて流入された磁性ビードＭ１を遠心力により前記細胞溶解チャンバー１６内に溜めておく。前記細胞溶解チャンバー１６の出口は、チャンネル２７を通じて他の廃棄チャンバー１７に連結される。前記細胞溶解チャンバー１６の入口及び出口と連結されたそれぞれのチャンネル２６、２７には、それぞれ弁４６、４７が設けられて、前記細胞溶解チャンバー１６内に濃縮された磁性ビードＭ１が備えられた流体を溜めることができる。
【００３１】
前述した二つのチャンバー１５、１７には、流体の流入時に排気できる排気口２９がそれぞれ備えられ、かかる排気口２９は、前述した他のチャンバーにも備えられる。
【００３２】
前記細胞溶解チャンバー１６は、表面に標的細胞またはウイルスを捕集した磁性ビードＭ１を溜め、外部からの電磁波の照射を伴う細胞溶解作業、例えばレーザーアブレーションによる細胞溶解作業を行う。電磁波及び磁性ビードを利用した迅速な細胞溶解は、液体培地で加熱及び電磁波によるアブレーションにより行われる。電磁波は、磁性ビードにエネルギーを供給して前記磁性ビードに付着された細胞に熱を供給すると共に、前記磁性ビードに物理的な衝撃および機械的な衝撃を加えることによって細胞を溶解させる。
【００３３】
磁性ビードと電磁波とを利用した細胞溶解の大きい長所のうちの一つは、核酸分離段階を減らすことができるという点であるが、これは、かかる細胞溶解が蛋白質変性を伴うためである。変性された蛋白質及び細胞カスは、磁性ビードに再び付着され、かかる磁性ビードは、重力、遠心力または磁力により核酸抽出溶液から分離されるためである。これは、標的物質を検出する能力を高め、核酸抽出段階を一つ減らすことによって核酸抽出時間を大幅低減し、信号振幅を増大させることによってＰＣＲを通じた分析を顕著に改善する。電磁波及び磁性ビードを利用して細胞を破壊するのに要求される時間は、約３０ないし４０秒である。
【００３４】
レーザーアブレーションとは、レーザービームにより露出された素材に発生する現象を総称する。レーザーアブレーションにより、素材表面の温度は数百から数千℃まで急速に上昇し、素材表面の温度が蒸発点以上に上昇すれば、液体状態の材料の蒸発と共に表面での飽和蒸気圧も急速に上昇する。飽和蒸気圧は、クラウジウス・クラペイロン式により温度の関数で表され、高出力のパルスレーザー加工の場合、通常数十気圧以上まで上昇する。蒸気の噴出と共に蒸気により素材の表面に作用する圧力を反発圧力といい、反発圧力の大きさは、蒸気圧をＰｓａｔとするとき、約０．５６Ｐｓａｔとなる。
【００３５】
衝撃波は、主にパルスレーザーのように瞬間強度が非常に高いレーザー加工で発生する。数ナノ秒または数十ナノ秒間の短時間に温度が蒸発点以上に加熱された材料表面で発生した蒸気は、圧力が数気圧から数十気圧まで上昇し、周辺の大気中に膨脹しつつ衝撃波を放つ。非常に高い圧力により膨脹する蒸気は、素材にも約０．５６Ｐｓ（ここで、Ｐｓは、表面での飽和蒸気圧である）の圧力が作用する。
【００３６】
前記レーザーは、パルスレーザーまたは連続波動レーザーを備える。過度に低いレーザー出力では、効率的にレーザーアブレーション作業を行えず、レーザー出力は、連続波動レーザーの場合、１０ｍＷ以上、パルスレーザーの場合、１ｍＪ／パルス以上を伝達せねばならない。望ましくは、前記パルスレーザーが３ｍＪ／パルス以上であり、連続波動レーザーが１００ｍＷ以上の出力を有する。これは、連続波動レーザーの場合、１０ｍＷ未満であり、パルスレーザーの場合、１ｍＪ／パルス未満であれば、細胞を破壊する十分なエネルギーが伝達されないという問題が発生するためである。
【００３７】
レーザーアブレーションによる細胞溶解を行う場合、前記レーザーは、磁性ビードが吸収する特定の波長帯で発生せねばならない。前記レーザーは、４００ｎｍ以上の波長帯で発生することが望ましく、７５０ｎｍないし１３００ｎｍの波長帯で発生することがさらに望ましい。これは、４００ｎｍ未満の波長では、核酸の変性または損傷の問題が発生するためである。また、前記レーザーは、一つ以上の波長帯で発生しうる。すなわち、レーザーは、前記波長範囲内の一つの波長であってもよく、波長が異なる二つ以上の波長であってもよい。
【００３８】
前記磁性ビードＭ１は、全血、唾液、小便などの生体試料から標的物質（細胞、ウイルスなどを含む）を捕集できるように、前記標的物質との特異的結合が可能な表面を有する。前記磁性ビードＭ１の表面は、標的細胞またはウイルスに親和性を有する抗体または金属酸化物で処理される。
【００３９】
前記抗体は、所望の特定の細胞またはウイルスのみを選択的に捕集できるため、非常に低い濃度の細胞またはウイルスを検出しようとする場合に有効である。細胞またはウイルスに特異的に結合できる抗体が結合された磁性ビードは、Ｉｎｖｉｔｒｏｇｅｎ、Ｑｉａｇｅｎ社などで市販しており、その例は、Ｄｙｎａｂｅａｄｓ（商標登録）Ｇｅｎｏｍｉｃ ＤＮＡ Ｂｌｏｏｄ（Ｉｎｖｉｔｒｏｇｅｎ）、Ｄｙｎａｂｅａｄｓ（商標登録）ａｎｔｉ−Ｅ．ｃｏｌｉ Ｏ１５７（Ｉｎｖｉｔｒｏｇｅｎ）、ＣＥＬＬｅｃｔｉｏｎＴＭ Ｂｉｏｔｉｎ Ｂｉｎｄｅｒ Ｋｉｔ（Ｉｎｖｉｔｒｏｇｅｎ）、ＭａｇＡｔｔｒａｃｔ Ｖｉｒｕｓ Ｍｉｎ Ｍ４８ Ｋｉｔ（Ｑｉａｇｅｎ）などがある。前記特定の抗体が結合された磁性ビードを利用して、ジフテリア毒素、エンテロコッカスフェシウム、ヘリコバクターピロリ、ＨＢＶ、ＨＣＶ、ＨＩＶ、インフルエンザＡ、インフルエンザＢ、リステリア、肺炎マイコプラズマ、シュードモナス種、ルベラウイルス、ロタウイルスなどを分離できる。
【００４０】
前記金属酸化物は、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４またはＨｆＯ２などであるが、これらに限定されない。前記金属酸化物は、望ましくは、Ａｌ２Ｏ３またはＴｉＯ２であり、さらに望ましくは、Ａｌ２Ｏ３である。前記金属酸化物の蒸着は、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ゾルゲル法などにより行われる。磁性ビードの表面に金属酸化物を蒸着する方法は、公知の技術であって、一般的にＰＶＤ、ＡＬＤ、ゾルゲル法などにより行われる。
【００４１】
前記磁性ビードＭ１のサイズは、５０ｎｍないし１，０００μｍであることが望ましく、さらに望ましくは、１μｍないし５０μｍである。また、前記磁性ビードＭ１は、二つ以上のサイズを有するビードで混合されうる。すなわち、前記磁性ビードＭ１は、同じサイズであってもよく、異なるサイズを有する磁性ビードの混合物であってもよい。
【００４２】
前記磁性ビードＭ１の材料としては、磁性を有するものであれば、いずれも可能である。特に、強磁性を有するＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒの金属及びそれらの各酸化物からなる群から選択される一つ以上の物質を含む。
【００４３】
図２は、本発明による核酸抽出用の微細流動装置の第２実施形態を概略的に示す平面図である。本実施形態による微細流動装置１０２は、図１の実施形態による微細流動装置１０１とほぼ同じである。ただし、前記混合チャンバー１４より回転体１００の中心に近い位置に磁性ビードＭ１を収容する別途の磁性ビードチャンバー１３をさらに備え、前記磁性ビードチャンバー１３と前記混合チャンバー１４とを連結するチャンネル２３に設けられた弁３３を開放して、前記磁性ビードＭ１を前記混合チャンバー１４に供給する構成を有するという点で差がある。ここで、前記磁性ビードＭ１は、所定の流体に分散された形態で前記磁性ビードチャンバー１３に注入されることが望ましい。
【００４４】
図３は、本発明による核酸抽出用の微細流動装置の第３実施形態を概略的に示す平面図である。本実施形態による微細流動装置１０３は、図２の実施形態による微細流動装置１０２とほぼ同じである。ただし、前記試料チャンバー１１の出口と前記混合チャンバー１４との間に遠心分離ユニット１８をさらに備える。前記遠心分離ユニット１８は、前記試料チャンバー１１の出口から回転体１００の外側に延びた上澄み液チャンネル１８２と、前記上澄み液チャンネル１８２の端部に幅が拡張された沈殿物収集部１８１と、を備え、前記上澄み液チャンネル１８２の一部分が弁３１及びチャンネル２１を通じて前記混合チャンバー１４に連結される。
【００４５】
例えば、前記試料チャンバー１１に全血を注入し、前記回転体１００を回転させれば、重い血球は、前記沈殿物収集部１８１に収集され、前記上澄み液チャンネル１８２は、ほとんど血漿で満たされる。このとき、前記混合チャンバー１４に連結されたチャンネル２１の弁３１が開放されれば、前記上澄み液チャンネル１８２中で前記チャンネル２１と連結された部分より回転の中心に近い部分に満たされていた血漿が前記混合チャンバー１４に移送される。本実施形態による微細流動装置１０３は、前記遠心分離ユニット１８により最終的な核酸抽出液にＰＣＲ阻害要素が混入される可能性をあらかじめ低減できる。
【００４６】
図４は、本発明による核酸抽出用の微細流動装置の第４実施形態を概略的に示す平面図である。本実施形態による微細流動装置１０４は、図３の実施形態による微細流動装置１０３とほぼ同じである。ただし、前記細胞溶解チャンバー１６に隣接して配置されて、磁力により前記細胞溶解チャンバー１６内に磁性ビードＭ１を集める磁石２３１をさらに備えるという点で差がある。
【００４７】
前記磁石２３１は、前記微細流動装置１０４の回転体１００の底面、上面または両面に配置される。また、前記磁石２３１は、前記回転体１００に対して固定して配置されることもあり、移動可能であるが、必要な時期に前記細胞溶解チャンバー１６に隣接して位置できるように設置されることもある。前記のような条件下で、前記磁石２３１は、前記回転体１００の半径方向に移動でき、速く振動することもできる。レーザーアブレーションによる細胞溶解時に前記磁石２３１が振動することによって、前記細胞溶解チャンバー１６内の磁性ビードＭ１を振動させ、これを通じて細胞溶解作業の効率性をさらに向上させる。
【００４８】
以上の実施形態についての説明で言及されたもしくは以下の説明で言及される複数の弁３０、３１、３２、３３、３４、３５、４０、４５、４６、４７は、毛細管弁、疎水性弁、機械的弁及び相転移弁を備える群から選択される。前記複数の弁は、望ましくは、外部から照射される電磁波を吸収する発熱粒子と、前記発熱粒子が放出する熱により溶融される相転移物質と、を含む弁プラグを備え、前記弁プラグを通路に配置し、前記通路を通過する流体の流れを統制する相転移弁である。
【００４９】
このとき、前記相転移弁は、前記弁プラグに隣接して余裕空間を設け、前記弁プラグが前記通路内に配置され、前記通路が閉じた状態である時に、前記弁プラグが熱により溶融し、前記余裕空間に移動し、前記通路を開ける開放弁を備える。また、前記相転移弁は、前記通路と連結した弁チャンバーに前記プラグを配置し、前記通路が開いた状態である時に、前記弁プラグが熱により溶融及び膨脹し、前記通路に流入し、前記通路を閉める閉鎖弁を備えることもできる。
【００５０】
図５は、本発明による微細流動装置で流体の流れを制御する開放弁の例を示す平面図であり、図６は、図５に示した開放弁の初期及び開けられた状態をそれぞれ示す断面図である。
【００５１】
前述した微細流動装置１０１ないし１０４には、流体の流れを制御する弁ユニットが備えられる。弁ユニットの一例である開放弁３０は、常温で固体状態の弁物質からなる弁プラグ３０１を備える。前記弁物質としては、常温で固体状態の相転移物質である分散媒に発熱粒子が分散されている材料を使用できる。前記固体状態の弁プラグ３０１が配置された初期位置に隣接したチャンネル２０の上流及び下流には、その幅または深さが拡張されて余裕空間を提供する一対のチャンネル拡張部３０２が配置される。
【００５２】
前記弁プラグ３０１は、常温で開口部３０１Ａを中心にチャンネル２０の所定部分を完全に塞いで入口Ｉ側から流入される流体サンプルＦの流れを遮断する。前記弁プラグ３０１は、高温で溶融されて前記チャンネル２０の上下流側に流れ、隣接して配置されたチャンネル拡張部３０２に移動して、流体サンプルＦの流路を開放した状態で再び凝固する。前記開口部３０１Ａは、微細流動装置の製作時に溶融された弁物質を投入して弁プラグ３０１を形成する注入口の役割も担う。
【００５３】
前記弁プラグ３０１に熱を加えるために、前記微細流動装置１０１ないし１０４の外部には、外部エネルギー源６０が配置され、前記外部エネルギー源６０が前記弁プラグ３０１の初期状態、すなわち前記開口部３０１Ａとその周辺とを含む領域に電磁波を照射する。このとき、前記外部エネルギー源６０は、例えばレーザービームを照射するレーザー光源であり、その場合、少なくとも一つのレーザーダイオードを備える。前記レーザー光源は、パルスレーザーを照射する場合、１ｍＪ／ｐｕｌｓｅ以上のエネルギーを有するパルスレーザーを、連続波動レーザーを照射する場合、１０ｍＷ以上の出力を有する連続波動レーザーを照射する。
【００５４】
後ほど図９ないし図１２で示される実験を参照すると、８０８ｎｍ波長のレーザーを照射するレーザー光源を使用したが、必ずしもこの波長のレーザービームを照射するものに限定されるものではなく、４００ないし１３００ｎｍの波長を有するレーザーを照射するレーザー光源であれば、前記微細流動システムの外部エネルギー源６０として採用されうる。
【００５５】
前述したチャンネル２０は、回転体をなす上板１１０または下板１２０の内面に形成された立体パターンにより提供される。前記上板１１０は、外部エネルギー源（図示せず）から照射される電磁波が前記弁プラグ３０１に入射されるように透過させ、外部で流体サンプルＦを観測可能にする光学的に透明な材料で生成されることが望ましい。その例として、ガラスまたは透明なプラスチック素材は、光学的な透明性に優れ、製造コストが安いという点で有利である。
【００５６】
前記チャンネル２０と一対のチャンネル拡張部３０２とは、互いに接合された上板１１０及び下板１２０を備えてなる回転体１００に形成される。上板１１０と下板１２０との接合方法は、接着剤や両面接着テープを利用してもよく、超音波融着を行ってもよい。具体的に、前記下板１２０に前記チャンネル２０及び一対のチャンネル拡張部３０２が陰刻パターンで形成され、前記上板１１０には、前記チャンネル２０中で前記一対のチャンネル拡張部３０２の間に弁物質を注入するための開口部３０１Ａが形成されている。前記チャンネル２０は、幅が約１ｍｍ、深さが約０．１ｍｍである微細チャンネルである。前記チャンネル拡張部３０２は、約３ｍｍの深さを有するように形成される。
【００５７】
前記弁プラグ３０１に分散された発熱粒子は、数千μｍの幅を有するチャンネル２０内で自由に流動可能な１ｎｍないし１００μｍの直径を有しうる。前記発熱粒子は、レーザーが照射されれば、その放射エネルギーにより温度が急激に上昇して発熱する性質を有し、ワックスに均一に分散される性質を有する。かかる性質を有するように、前記発熱粒子は、金属成分を含むコアと、疎水性を有するシェルと、を備える構造を有する。例えば、前記発熱粒子は、強磁性物質であるＦｅからなるコアと、前記Ｆｅに結合されてＦｅを取り囲む複数の界面活性成分からなるシェルと、を備えた構造を有しうる。通常、前記発熱粒子は、キャリアオイルに分散された状態で保管される。疎水性の表面構造を有する前記発熱粒子が均一に分散されるように、キャリアオイルも疎水性であることが望ましい。ワックスに前記発熱粒子が分散されたキャリアオイルを注いで混合することによって、前記弁プラグ３０１の素材を製造できる。前記発熱粒子の粒子形態は、前記例として挙げた形態に限定されるものではなく、重合体ビード、クァンタムドット、金ナノ粒子、銀ナノ粒子、金属化合物ビード、炭素粒子または磁性ビードであってもよい。前記炭素粒子には、黒鉛粒子も含まれる。
【００５８】
前記弁物質をなす相転移物質は、ワックスでありうる。前記発熱粒子が吸収した電磁波のエネルギーを熱エネルギーの形態に周囲に伝達すれば、ワックスは、これにより溶融されて流動性を有し、これにより弁プラグ３０１が崩壊し、流体サンプルＦの流路が開放される。前記弁プラグ３０１を構成するワックスは、適当な溶融点を有することが望ましい。溶融点が高すぎれば、レーザー照射を始めてから溶融されるまで長時間かかってしまい、開放時点の精密な制御が困難になり、逆に溶融点が低すぎれば、レーザーが照射されていない状態でも部分的に溶融されてしまい、流体サンプルＦが漏れることもあるためである。前記ワックスとしては、例えばパラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス、合成ワックスまたは天然ワックスなどが採用される。
【００５９】
一方、前記相転移物質は、ゲルまたは熱可塑性樹脂でありうる。前記ゲルとしては、ポリアクリルアミド、ポリアクリレート、ポリメタクリレートまたはポリビニルアミドなどが採用される。また、前記熱可塑性樹脂としては、ＣＯＣ（ｃｙｃｌｉｃ ｏｌｅｆｉｎ ｃｏｐｏｌｙｍｅｒ）、ＰＭＭＡ（ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）、ＰＣ（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ）、ＰＳ（ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ）、ＰＯＭ（ｐｏｌｙｏｘｙｍｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ＰＦＡ（ｐｅｒｆｌｕｏｒａｌｋｏｘｙ）、ＰＶＣ（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｃｈｌｏｒｉｄｅ）、ＰＰ（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）、ＰＥＴ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）、ＰＥＥＫ（ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｅｔｈｅｒｋｅｔｏｎｅ）、ＰＡ（ｐｏｌｙａｍｉｄｅ）、ＰＳＵ（ｐｏｌｙｓｕｌｆｏｎｅ）、またはＰＶＤＦ（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ ｆｌｕｏｒｉｄｅ）などが採用される。
【００６０】
図７は、本発明による微細流動装置で流体の流れを制御する閉鎖弁の例を示す平面図であり、図８は、図７に示した閉鎖弁の断面図である。
【００６１】
前記弁ユニットの他の例である閉鎖弁４０は、入口Ｉと出口Ｏとを有するチャンネル２０と、前記チャンネル２０の中間に連結された弁チャンバー４０２と、初期状態は、前記弁チャンバー４０２内に常温で固体状態として充填されていて、加熱されれば、溶融及び膨脹され、前記チャンネル２０に流入し、再び凝固し、前記チャンネル２０を通じた流体の流れを遮断する弁物質Ｖと、を備える。ここで、前記閉鎖弁４０は、前述した微細流動装置１０１ないし１０４の微細流動構造物をなす基礎ユニットのうち一つであって、前記入口Ｉと出口Ｏとは、異なる基礎ユニットにそれぞれ連結され、前記チャンネル２０は、前記ユニットの間で流体サンプルＦを移動可能にする通路の役割を行う。
【００６２】
前記閉鎖弁４０の構造物も、前述した開放弁３０と同様に、微細流動装置１０１ないし１０４の回転体１００をなす上板１１０または下板１２０の内面に形成された立体パターンにより提供される。ただし、前記弁チャンバー４０２は、前記チャンネル２０の深さより深く、前記開放弁３０のチャンネル拡張部３０２より浅い深さ、例えば１ｍｍ程度の深さを有するように形成される。前記上板１１０は、外部エネルギー源（図示せず）から照射される電磁波を透過させ、外部で流体サンプルＦを観測可能にするために、光学的に透明な材料で生成されることが望ましい。また、前記上板１１０は、前記電磁波（例えば、レーザービーム）を前記弁プラグにさらに効率よく入射できるように、前記弁チャンバー４０２に対応する開口部４０１Ａを有してもよい。前記開口部４０１Ａは、微細流動装置１０１ないし１０４の製作時に弁物質を投入する注入口の役割も行う。
【００６３】
前記弁物質Ｖをなす相転移物質Ｐと発熱粒子Ｍ２に関する事項は、開放弁３０の例を通じて説明した通りである。また、前記弁物質Ｖに電磁波を提供する外部エネルギー源６０に関する事項も前述した通りである。分散媒である相転移物質Ｐと発熱粒子Ｍ２とを含む弁物質Ｖにレーザービームが照射されれば、前記発熱粒子Ｍ２がエネルギーを吸収して前記相転移物質Ｐを加熱させる。これにより、前記弁物質Ｖは、溶融されつつ体積が膨脹し、連結された通路４０３を通じて前記チャンネル２０に流入される。前記チャンネル２０内で流体サンプルＦと接触しつつ再び凝固された弁物質Ｖは、弁プラグをなし、前記チャンネル２０を通じた流体サンプルＦの流れを遮断する。
【００６４】
前述した弁ユニットの反応時間を測定した実験の結果は、次の通りである。実験のためのテストチップにおいて、作動流体の圧力は４６ｋＰａに維持した。圧力維持のために、シリンジポンプ（Ｈａｖａｒｄ ＰＨＤ２０００，ＵＳＡ）と圧力センサー（ＭＰＸ ５５００ＤＰ，Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｉｎｃ．，ＡＺ，ＵＳＡ）とを使用した。前記弁ユニットに電磁波を照射する外部エネルギー源としては、放出波長が８０８ｎｍであり、出力が１．５Ｗであるレーザー光源を使用した。弁ユニットの反応時間に関するデータは、高速撮影装置（Ｆａｓｔｃａｍ−１０２４，Ｐｈｏｔｒｏｎ，ＣＡ，ＵＳＡ）の結果物分析を通じて得た。前記弁物質としては、発熱粒子である平均直径１０ｎｍの磁性ビードがキャリアオイルに分散された、いわゆる磁性流体とパラフィンワックスとが１対１の割合で混合された、すなわち磁性流体の体積比が５０％である磁性ワックスを使用した。
【００６５】
図９は、前記開放弁の作動形態を示す一連の高速撮影写真である。前記開放弁の弁プラグにレーザービームを照射し始めてから、前記弁プラグが溶融されてチャンネルが開けられるまでの反応時間は０．０１２秒であった。
【００６６】
図１０は、前記閉鎖弁の作動形態を示す一連の高速撮影写真である。前記閉鎖弁の弁物質にレーザービームを照射し始めてから、前記弁物質が溶融及び膨脹し、チャンネルを閉めるまでの反応時間は０．４４４秒であった。従来のワックス弁の反応時間が２ないし１０秒であった点と比較すれば、はるかに速い反応時間であるということが分かる。
【００６７】
図１１は、前記開放弁で弁プラグに含まれる磁性流体の体積比と弁の反応時間との関係を示すグラフである。磁性流体の体積比が大きくなるにつれて、反応時間が短くなる推移を示す。しかし、これと別途に、磁性流体の体積比が０．７（７０％）以上に大きくなれば、弁プラグの最大許容圧力が低くなる傾向がある。したがって、前記弁ユニットで弁物質に含まれる磁性流体の体積比は、反応時間への要求と最大許容圧力への要求との折衝により決まりうる。
【００６８】
図１２は、前記開放弁で外部エネルギー源として使われるレーザー光源の出力と弁の反応時間との関係を示すグラフである。出力が高くなるほど、反応時間が短くなる推移を示す。しかし、レーザー光源の出力が１．５Ｗに近接すれば、反応時間の変化が緩慢になり、（グラフに示していないが）１．５Ｗを超えれば、所定の最小反応に収束する。パラフィンワックスを通した熱伝導率の制約があるためである。前記実験では、かかる理由により、出力が１．５Ｗであるレーザー光源を使用した。しかし、本発明の外部エネルギー源がこれに限定されるものではない。
【００６９】
図１３は、図４の実施形態による微細流動装置の分解斜視図である。本実施形態による微細流動装置１０４は、上部ディスク１１０、下部ディスク１２０、及び上部ディスク１１０と下部ディスク１２０とを互いに付着させる両面接着シート１１５から構成される。上部ディスク１１０及び下部ディスク１２０は、透明なプラスチック板、例えばポリカーボネート板で設けられる。
【００７０】
前記上部ディスク１１０には、その上下面を貫通する複数の注入口１１１と、複数の穿孔部１１０Ａとが設けられる。前記複数の注入口１１１は、前述した試料チャンバー、磁性ビードチャンバー及びバッファチャンバーに対応する位置にそれぞれ設けられ、前記複数の穿孔部１１０Ａは、前述した複数の相転移弁で弁プラグの初期位置に対応して設けられる。
【００７１】
前記下部ディスク１２０には、所定の深さほど掘られて前記上部ディスク１１０と共にチャンバー構造を形成する複数の溝１２７が設けられる。前記所定の深さは、例えば３ｍｍでありうる。また、前記下部ディスク１２０には、上部ディスク１１０と共に前述したチャンネル拡張部３０２及び弁チャンバー４０２をなす陰刻構造物がさらに設けられる。
【００７２】
前記両面接着シート１１５は、従来に知られた商用の両面接着テープで作られる。例えば、Ｆｌｅｘｍｏｕｎｔ ＤＦＭ ２００ Ｃｌｅａｒ Ｖ−９５１５０ ＰＯＬＹ Ｈ−９Ｖ−９６ ４，ＦＬＥＸｃｏｎ Ｉｎｃ．，ＭＡ，ＵＳＡで作られる。両面接着シート１１５には、前記複数の溝１２７に対応する複数のチャンバー輪郭１１７が設けられ、図４で説明されたチャンネルにそれぞれ対応するチャンネル輪郭１１６が設けられる。前記チャンネル輪郭１１６は、その幅が１ｍｍでありうる。前述した商用の両面接着テープの厚さは１００μｍであるので、この場合、前記上部ディスク１１０、下部ディスク１２０及び両面接着シート１１５により形成されたチャンネルの深さは１００μｍである。チャンネルの深さは、前記両面接着シート１１５の厚さ選択によって容易に変更される。
【００７３】
前述した注入口１１１、穿孔部１１０Ａ、溝１２７及びチャンネル輪郭１１６などの構造物は、既存のＣＮＣ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ）加工により前記上部ディスク１１０、下部ディスク１２０及び両面接着シート１１５それぞれに形成される。
【００７４】
前述した微細流動装置の具体的な構造及び規格は、一つの例に過ぎず、本発明がこれに限定されるものではない。例えば、前記上部ディスク１１０と下部ディスク１２０とは、両面接着シート１１５により接合される代わりに、サーマルボンディング、低温ボンディング、化学接着剤によるボンディングまたは超音波ボンディングのように多様なプラスチックボンディング方法により接合される。前記チャンネル及びチャンバーの規格は、微細流動装置１０４の全体のサイズ及び処理しようとするサンプルの容量などによってさらに大きくなるか、または小さくなる。また、前述した実施形態では、微細流動構造物が一つの層に設けられたが、微細流動装置が複数の層から形成され、各層にチャンネル及びチャンバーなどを備える微細流動構造物が設けられることも可能である。
【００７５】
図１４Ａ及び図１４Ｂは、磁石位置制御装置が付加された本発明による核酸抽出用の微細流動装置の第５実施形態を示す図面である。本実施形態によれば、図４に示したような微細流動装置の下で第１磁石２３０の位置を制御することによって、前記微細流動装置内で磁性ビードを移動させるか、またはトラッピング可能にする磁石位置制御装置が備えられる。かかる磁石位置制御装置の一部構成要素は、図１３に示したように組み立てられた微細流動装置で下部ディスク１２０の底層に一体に備えられる。
【００７６】
磁石位置制御装置は、その内部に第１磁石２３０を収容し、前記第１磁石２３０の移動経路を案内するガイドレール２１０、及び前記第１磁石２３０の移動経路中で回転の中心から最も近い位置に対応する前記微細流動装置の外部に配置された第２磁石２３１を備える。微細流動装置が回転するとき、前記ガイドレール２１０内の第１磁石２３０には、半径の外側方向の遠心力と前記第２磁石２３１による磁力（引力）とが作用し、第１磁石２３０は、前記二つの力が平衡をなす位置に移動する。前記第１磁石２３０と第２磁石２３１とは、永久磁石であって、互いに引力が作用するように配置されたものである。前記第１磁石２３０及び第２磁石２３１としては、永久磁石の一例として、いわゆるネオジウム磁石（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ、ＪｕｎｇＷｏｏ、Ｋｏｒｅａ）が採用される。
【００７７】
図１４Ａは、微細流動装置が時計回り方向に回転する場合を示す。微細流動装置が約４８０ｒｐｍの速度で回転すれば、前記第１磁石２３０がＢ位置に移動し、前記微細流動装置が約１８０ｒｐｍの速度で回転すれば、前記第１磁石２３０がＡ位置に移動する。前記第１磁石２３０をＢ位置からＡ位置に移動させることによって、遠心力により混合チャンバー１４内で狭い出口の弁３４の内側に集まっている磁性ビードを再び前記混合チャンバー１４の広い部分に引き上げる（もどす）ことができる。
【００７８】
図１４Ｂは、微細流動装置が逆時計回り方向に回転する場合を示す。微細流動装置が約４８０ｒｐｍの速度で回転すれば、前記第１磁石２３０がＣ位置に移動し、微細流動装置の回転速度が約６００ｒｐｍを超えれば、遠心力が磁力を勝って前記第１磁石２３０をＤ位置まで移動させる。かかる第１磁石２３０の移動を利用して、微細流動装置で遠心力により前記混合チャンバー１４の内部からチャンネル２６を通じて移動してきた磁性ビードを細胞溶解チャンバー１６に集束させる。
【００７９】
以上、ガイドレールの形状は、微細流動装置内でのチャンバー及びチャンネルの配置形態及び磁性ビードを備える流体の移動順序などによって変わりうる。したがって、前記ガイドレールは、回転体の中心からの距離が異なる任意の位置を連結し、前記第１磁石２３０の移動を可能にする通路であれば十分である。
【００８０】
図１５Ａないし図１５Ｋは、図４の実施形態による微細流動装置を利用して血液サンプルからＨＢＶのＤＮＡを抽出する過程を示す図面である。以下の説明を通じて、本発明による微細流動装置の特徴をさらに明確に理解できるであろう。
【００８１】
実験に先立って、磁性ビードＭ１を準備する。
【００８２】
１）磁性ビード及び表面改質のための抗体を準備
ビオチンが付着されたＢ型肝炎ウイルス表面の抗原に特異的親和性を有する二次抗体（Ｖｉｒｏｓｔａｔ、１８１７、ｈｏｓｔ ａｎｉｍａｌ：ｒａｂｂｉｔ）溶液を１０μｌ準備する。
【００８３】
２）磁性ビードの洗浄
ストレプトアビジンでラベリングされた直径１．０μｍのＤｙｎａｂｅａｄｓ（商標登録）Ｓｔｒｅｐｔａｖｉｄｉｎ Ｃ１ １００μｌを混合して、均質溶液を製造した。製造された溶液１００μｌをチューブに入れ、磁石に置いて２分間放置した。ピペットで上澄み液を取って除去した。チューブを磁石から取り出し、緩衝液１（０．１％のＢＳＡを含むＰＢＳ、ｐＨ７．４）を１００μｌ添加して混合した。再び磁石に置いて２分間放置した。ピペットで上澄み液を取って除去した。チューブを磁石から取り出し、緩衝液１（０．１％のＢＳＡを含むＰＢＳ、ｐＨ７．４）を１００μｌ添加して混合した。
【００８４】
３）抗体を利用したビードの予備コーティング
前記のように準備されたビード溶液１００μｌにビオチンが付着されたＨＢＶ二次抗体（Ｖｉｒｏｓｔａｔ、１８１７）８μｇを入れて混合した。数回ひっくり返して混合しつつ室温で３０分間インキュベーションした。磁石を利用して磁性ビードを２分間集め、上澄み液を除去した。洗浄緩衝液（１％のＢＳＡを含むＰＢＳ、ｐＨ７．４）を２ｍｌ添加して数回ひっくり返して混合した。磁石を利用してビードを１分間集め、上澄み液を除去した。緩衝液１（０．１％のＢＳＡを含むＰＢＳ、ｐＨ７．４）を１００μｌ添加し、予備コーティングされた磁性ビードを再懸濁した。
【００８５】
前記のような過程で準備された磁性ビードＭ１と図４の実施形態による微細流動装置１０４とを利用して、血液サンプルからＨＢＶのＤＮＡを抽出する実験を次のように進めた。
【００８６】
まず、試料チャンバー１１にＨＢＶがスパイクされた血液１００μｌを、磁性ビードチャンバー１３には表面に抗体が付着された磁性ビードＭ１溶液１００μｌを、バッファチャンバー１２にはＰＢＳバッファ液１００μｌをそれぞれ注入し（図１５Ａ参照）、回転体１００を回転させつつ遠心分離ユニット１８を利用して前記血液サンプルを遠心分離する（図１５Ｂ参照）。
【００８７】
次いで、前記遠心分離ユニット１８と混合チャンバー１４との間の弁３１を開けて分離された血漿３０μｌを前記混合チャンバー１４に移送する一方（図１５Ｃ参照）、前記磁性ビードチャンバー１３と混合チャンバー１４との間の弁３３を開けて磁性ビードＭ１溶液も前記混合チャンバー１４に移送する（図１５Ｄ参照）。
【００８８】
回転体１００を両方向に交互に５分間回転させつつ、前記磁性ビードＭ１を血漿と混合し、前記磁性ビードＭ１の表面に標的細胞であるＨＢＶを捕集する（図１５Ｅ参照）。次いで、回転体１００を再び一方向に回転させて、磁性ビードＭ１を前記混合チャンバー１４の出口側に集束する（図１５Ｆ参照）。
【００８９】
前記混合チャンバー１４と廃棄チャンバー１５との間の開放弁３５を開けて、上澄み液（ＨＢＶが分離されて残った残余血漿）を前記廃棄チャンバー１５に排出し（図１５Ｇ参照）、前記開放弁３５と同じチャンネル２５に配置された閉鎖弁４５を閉める（図１５Ｈ参照）。次いで、前記バッファチャンバー１２と混合チャンバー１４との間の開放弁３２を開けて、前記バッファ液を前記混合チャンバー１４に移送する（図１５Ｉ参照）。
【００９０】
再び前記回転体１００を両方向に交互に２０秒間回転させつつ、前記バッファ液で前記磁性ビードＭ１を洗浄する。次いで、前記混合チャンバー１４の出口に設けられた開放弁３４を開け、前記混合チャンバー１４内の磁性ビードＭ１を含む流体を細胞溶解チャンバー１６に移送する（図１５Ｊ参照）。前記流体は、前記二つのチャンバー１４、１６の間のチャンネル２６と前記細胞溶解チャンバー１６とを経て他の廃棄チャンバー１７に移送され、その過程で前記表面にＨＢＶを捕集した磁性ビードＭ１は、遠心力及び磁力により前記細胞溶解チャンバー１６内に残される（図１５Ｋ参照）。
【００９１】
次いで、前記細胞溶解チャンバー１６の前後の閉鎖弁４６、４７を閉め、前記細胞溶解チャンバー１６にレーザービームを照射してレーザーアブレーションを行う。このとき、前述したように、前記磁性ビードＭ１の表面に付着されたＨＢＶを破壊し、ＤＮＡを取り出し、ＨＢＶの破壊時に発生した残りカスは、再び磁性ビードＭ１の表面に付着される。したがって、前記細胞溶解を終えた前記細胞溶解チャンバー１６では、直ちにＰＣＲを行える程度のＤＮＡが提供される。
【００９２】
図１６は、図４の実施形態による微細流動装置を利用して、血液サンプルから抽出されたＨＢＶのＤＮＡでリアルタイムＰＣＲを行った結果を示す図面である。図１５Ａないし図１５Ｋで示したような実験を５回行い、それぞれの結果物を用いてリアルタイムＰＣＲを行った結果を示す。結果が安定的であるだけでなく、熟練者の手作業による結果と比較しても遜色ないということを確認できる。
【００９３】
図１７は、本発明による微細流動システムの構成を概略的に示す斜視図である。本発明による微細流動システム１０５は、前記回転体１００上に設けられたものであって、前述した多様な実施形態による微細流動装置、前記回転体１００を回転させる回転駆動部５０、及び前記回転体１００上の選択された領域にレーザービームを照射できるレーザー光源６０を備える。一方、前記微細流動装置でなされる反応の中間産物または結果物を光学的に観測できる光検出部７０をさらに備えることもできる。
【００９４】
前記レーザー光源６０は、前述したレーザーアブレーションに使われるものであって、少なくとも一つのレーザーダイオードを含み、前述した出力、波長などの条件を満足すべきものであれば十分である。また、前記微細流動装置に磁性ビードなどの発熱粒子を含む相転移弁が採用された場合には、前記相転移弁を作動させるためにも使われる。
【００９５】
前記微細流動システム１０５は、前記レーザー光源６０の位置または方向を調整して、これから照射されたレーザービームが前記回転体１００上の所望の領域に、具体的には、前記微細流動装置に備えられた複数の相転移弁３１または細胞溶解チャンバーのうち選択されたものに該当する領域に集中的に達させるレーザー光源調整手段（図示せず）を備える。
【００９６】
図１７のシステム１０５において、外部エネルギー源調整手段（図示せず）は、回転体１００に向かって設置された前記レーザー光源６０をその上に表示された矢印方向、すなわち回転体１００の半径方向に移動できる。前記レーザー光源６０を直線移動させるメカニズムは、多様に提供され、当業者に自明なものであるので、本明細書ではそれについての説明を省略する。
【００９７】
一方、前記微細流動システム１０５は、前記回転体１０１を駆動する回転駆動部５０を備える。図示した回転駆動部５０は、前記回転体１００を載置させ、回転力を伝達するための装置の一部分であり、図示していないが、前記回転体１００を定速または定域回転させるモーター及びそれと関連した部品を備えうる。前記回転駆動部５０についての具体的な構成の例は、本明細書で省略する。図１７のシステム１０５において、前記レーザー光源６０は、前記レーザー光源調整手段（図示せず）と前記回転駆動部５０との助けにより、レーザービームを前記微細流動装置の回転体１００上で選択された領域に集中的に照射できる。
【００９８】
例えば、現時点において作動させたい相転移弁３１が選択された場合、レーザー光源６０を照準し始める現時点における前記相転移弁３１の位置と、現時点のレーザー光源６０の位置との偏差Δ（ｒ、θ）を求める。そして、回転駆動部５０を利用して前記回転体１００をΔθ定域回転させ、前記レーザー光源調整手段（図示せず）を利用して前記レーザー光源６０を前記回転体１００の半径方向にΔｒ移動させる。
【００９９】
前記微細流動装置の回転体１００の下部には、第２磁石２３１が配置されうる。前記第２磁石２３１は、微細流動装置内の磁性ビードに直接的に影響を及ぼすか、または図１４Ａ及び図１４Ｂに示した実施形態のように、微細流動装置の下部に磁石位置制御装置（図示せず）が備えられた場合、第１磁石２３０を通じて磁性ビードに間接的に影響を及ぼす。前記第２磁石２３１は、回転体１００の半径方向に動くように設置される。
【０１００】
以上、本発明による望ましい実施形態が説明されたが、これは、例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解できるであろう。したがって、本発明の保護範囲は、特許請求の範囲により決まらねばならない。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
本発明は、微細流動システム関連の技術分野に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】本発明による核酸抽出用の微細流動装置の第１実施形態を概略的に示す平面図である。
【図２】本発明による核酸抽出用の微細流動装置の第２実施形態を概略的に示す平面図である。
【図３】本発明による核酸抽出用の微細流動装置の第３実施形態を概略的に示す平面図である。
【図４】本発明による核酸抽出用の微細流動装置の第４実施形態を概略的に示す平面図である。
【図５】本発明による微細流動装置で流体の流れを制御する開放弁の例を示す平面図である。
【図６】図５に示した開放弁の初期及び開けられた状態をそれぞれ示す断面図である。
【図７】本発明による微細流動装置で流体の流れを制御する閉鎖弁の例を示す平面図である。
【図８】図７に示した閉鎖弁の断面図である。
【図９】前記開放弁の作動形態を示す一連の高速撮影写真である。
【図１０】前記閉鎖弁の作動形態を示す一連の高速撮影写真である。
【図１１】前記開放弁で弁プラグに含まれた磁性流体の体積比と弁反応時間との関係を示すグラフである。
【図１２】前記開放弁で外部エネルギー源として使われたレーザー光源のパワーと弁反応時間との関係を示すグラフである。
【図１３】図４の実施形態による微細流動装置の分解斜視図である。
【図１４Ａ】磁石位置制御装置が付加された本発明による核酸抽出用の微細流動装置の第５実施形態を示す図面である。
【図１４Ｂ】磁石位置制御装置が付加された本発明による核酸抽出用の微細流動装置の第５実施形態を示す図面である。
【図１５Ａ】図４の実施形態による微細流動装置を利用して血液サンプルからＨＢＶのＤＮＡを抽出する過程を示す図面である。
【図１５Ｂ】図４の実施形態による微細流動装置を利用して血液サンプルからＨＢＶのＤＮＡを抽出する過程を示す図面である。
【図１５Ｃ】図４の実施形態による微細流動装置を利用して血液サンプルからＨＢＶのＤＮＡを抽出する過程を示す図面である。
【図１５Ｄ】図４の実施形態による微細流動装置を利用して血液サンプルからＨＢＶのＤＮＡを抽出する過程を示す図面である。
【図１５Ｅ】図４の実施形態による微細流動装置を利用して血液サンプルからＨＢＶのＤＮＡを抽出する過程を示す図面である。
【図１５Ｆ】図４の実施形態による微細流動装置を利用して血液サンプルからＨＢＶのＤＮＡを抽出する過程を示す図面である。
【図１５Ｇ】図４の実施形態による微細流動装置を利用して血液サンプルからＨＢＶのＤＮＡを抽出する過程を示す図面である。
【図１５Ｈ】図４の実施形態による微細流動装置を利用して血液サンプルからＨＢＶのＤＮＡを抽出する過程を示す図面である。
【図１５Ｉ】図４の実施形態による微細流動装置を利用して血液サンプルからＨＢＶのＤＮＡを抽出する過程を示す図面である。
【図１５Ｊ】図４の実施形態による微細流動装置を利用して血液サンプルからＨＢＶのＤＮＡを抽出する過程を示す図面である。
【図１５Ｋ】図４の実施形態による微細流動装置を利用して血液サンプルからＨＢＶのＤＮＡを抽出する過程を示す図面である。
【図１６】図４の実施形態による微細流動装置を利用して血液サンプルから抽出されたＨＢＶのＤＮＡでリアルタイムＰＣＲを行った結果を示す図面である。
【図１７】本発明による微細流動システムの構成を概略的に示す斜視図である。
【符号の説明】
【０１０３】
１１ 試料チャンバー、
１２ バッファチャンバー、
１３ 磁性ビードチャンバー、
１４ 混合チャンバー、
１５、１７ 廃棄チャンバー、
１６ 細胞溶解チャンバー、
２０、２１、２２、２３、２５、２６、２７ チャンネル、
２９ 排気口、
３０、３１、３２、３３、３４、３５ 開放弁、
４０、４５、４６、４７ 閉鎖弁、
５０ 回転駆動部、
６０ 外部エネルギー源、
７０ 光検出部、
１００ 回転体、
１０１ 微細流動装置、
２３１ 磁石。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体と、
微細流動構造物と、
磁性ビードと、
を備える微細流動装置であって、
前記微細流動構造物は、
前記回転体に配置され、
複数のチャンバーと、前記複数のチャンバーを連結する複数の通路と、前記通路に配置されて流体の流れを統制する複数の弁と、を備え、
前記回転体の回転による遠心力を利用して流体を移送し、
前記磁性ビードは、
前記複数のチャンバーのうち少なくともいずれか一つに収容され、
該チャンバーに流入した生体試料から標的物質を選択的に捕集し、
前記微細流動構造物は、
前記標的物質を捕集した前記磁性ビードを洗浄及び分離し、
前記磁性ビードに対し外部から電磁波を照射することにより核酸を分離することを特徴とする遠心力基盤の微細流動装置。
【請求項２】
前記複数の弁は、毛細管弁と、疎水性弁と、機械的弁と、相転移弁と、を含む群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の微細流動装置。
【請求項３】
前記相転移弁は、
外部から照射される電磁波を吸収する発熱粒子と、前記発熱粒子が放出する熱により溶融される相転移物質と、を含む弁プラグを備え、
前記弁プラグを通路に配置し、前記通路を通過する流体の流れを統制することを特徴とする請求項２に記載の微細流動装置。
【請求項４】
前記標的物質は、細胞と、ウイルスと、細胞やウイルスから抽出される少なくとも一つの生体分子からなる生体物質と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の微細流動装置。
【請求項５】
前記生体物質は、核酸であることを特徴とする請求項４に記載の微細流動装置。
【請求項６】
前記磁性ビードは、その表面が標的細胞またはウイルスに親和性を有する抗体または金属酸化物に改質されることを特徴とする請求項１に記載の微細流動装置。
【請求項７】
前記金属酸化物は、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４及びＨｆＯ２で構成される群から選択されることを特徴とする請求項６に記載の微細流動装置。
【請求項８】
前記磁性ビードは、強磁性体を有するＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ及びそれらの各酸化物からなる群から選択される一つ以上の物質を含むことを特徴とする請求項１に記載の微細流動装置。
【請求項９】
前記回転体は、二枚のディスクを備え、前記二枚のディスクは互いに重ねる構造をしており、
前記微細流動構造物は、前記二枚のディスク間に配置されることを特徴とする請求項１に記載の微細流動装置。
【請求項１０】
回転体と、
微細流動構造物と、
磁性ビードと、
を備える微細流動装置であって、
前記微細流動構造物は、
前記回転体に配置され、
複数のチャンバーと、前記複数のチャンバーを連結する複数の通路と、前記通路に配置されて流体の流れを統制する複数の弁と、を備え、
前記回転体の回転による遠心力を利用して流体を移送し、
前記磁性ビードは、
前記複数のチャンバーのうち少なくともいずれか一つに収容され、
該チャンバーに流入した生体試料から標的物質を選択的に捕集し、
前記複数のチャンバーは、試料チャンバーと、バッファチャンバーと、混合チャンバーと、廃棄チャンバーと、細胞溶解チャンバーと、を含み、
前記試料チャンバーは、試料を収容し、
前記バッファチャンバーは、バッファ液を収容し、
前記混合チャンバーは、磁性ビードを収容し、前記試料チャンバー及びバッファチャンバーと通路で連結され、前記それぞれの通路に配置される弁の統制によって流入される前記試料と前記バッファ液とを収容し、前記回転体の中心から最も遠い位置に弁を備える出口を有し、前記磁性ビードと前記試料との反応及び前記バッファ液を利用した前記磁性ビードの洗浄を行い、
前記廃棄チャンバーは、前記混合チャンバーの出口に隣接して回転体の中心に近い位置と通路で連結され、前記通路に配置された弁の統制によって前記混合チャンバーから排出される流体を収容し、
前記細胞溶解チャンバーは、前記混合チャンバーの出口と通路で連結され、前記混合チャンバーの出口から排出される前記磁性ビードを含んだ流体を収容することを特徴とする微細流動装置。
【請求項１１】
前記混合チャンバーは、
前記試料チャンバー及び前記バッファチャンバーよりも回転体の中心から遠い位置に配され、
前記廃棄チャンバー及び前記細胞溶解チャンバーよりは回転体の中心に近い位置に配されることを特徴とする請求項１０に記載の微細流動装置。
【請求項１２】
前記バッファチャンバーと前記混合チャンバーとを連結する通路は、前記混合チャンバーの出口と隣接した位置に連結されることを特徴とする請求項１０に記載の微細流動装置。
【請求項１３】
前記混合チャンバーより回転体の中心に近い位置に配され、前記混合チャンバーに連結され、前記混合チャンバーに磁性ビードを供給する磁性ビードチャンバーをさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載の微細流動装置。
【請求項１４】
前記磁性ビードチャンバーと前記混合チャンバーとを連結する通路に弁をさらに備えることを特徴とする請求項１３に記載の微細流動装置。
【請求項１５】
前記細胞溶解チャンバーは、
前記流入した流体中から磁性ビードを集め、
前記細胞溶解チャンバーの出口を通じて残りの流体を排出することを特徴とする請求項１０に記載の微細流動装置。
【請求項１６】
前記細胞溶解チャンバーの出口は、
回転体の中心に向かって延び、
流体より密度が高い磁性ビードを遠心力により前記細胞溶解チャンバー内に溜めることを特徴とする請求項１５に記載の微細流動装置。
【請求項１７】
前記細胞溶解チャンバーに隣接して配置され、磁力により前記細胞溶解チャンバー内に磁性ビードを集める磁場形成物質をさらに備えることを特徴とする請求項１５に記載の微細流動装置。
【請求項１８】
前記試料チャンバー及び前記混合チャンバーに連結される通路と連結され、前記試料チャンバーに収容される試料を遠心分離してその一部を前記通路に排出する遠心分離ユニットをさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載の微細流動装置。
【請求項１９】
前記複数の弁は、毛細管弁と、疎水性弁と、機械的弁と、相転移弁と、を備える群から選択されたことを特徴とする請求項１０に記載の微細流動装置。
【請求項２０】
前記相転移弁は、
外部から照射される電磁波を吸収する発熱粒子と、前記発熱粒子が放出する熱により溶融される相転移物質と、を含む弁プラグを備え、
前記弁プラグを通路内に配置し、前記通路を通過する流体の流れを統制することを特徴とする請求項１９に記載の微細流動装置。
【請求項２１】
前記相転移弁は、
前記弁プラグに隣接して余裕空間を設け、
前記弁プラグが前記通路内に配置され、前記通路が閉じた状態である時に、
前記弁プラグが熱により溶融し、前記余裕空間に溶融した前記プラグが移動し、前記通路を開ける開放弁を備えることを特徴とする請求項２０に記載の微細流動装置。
【請求項２２】
前記相転移弁は、
前記通路と連結した弁チャンバーに前記弁プラグを配置し、前記通路が開いた状態である時に、
前記弁プラグが熱により溶融及び膨脹し、前記通路に流入し、前記通路を閉める閉鎖弁を備えることを特徴とする請求項２０に記載の微細流動装置。
【請求項２３】
前記磁性ビードは、その表面が標的細胞またはウイルスに親和性を有する抗体または金属酸化物に改質されたことを特徴とする請求項１０に記載の微細流動装置。
【請求項２４】
前記金属酸化物は、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４及びＨｆＯ２で構成された群から選択されることを特徴とする請求項２３に記載の微細流動装置。
【請求項２５】
前記磁性ビードは、強磁性体を有するＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ及びそれらの各酸化物からなる群から選択される一つ以上の物質を含むことを特徴とする請求項１０に記載の微細流動装置。
【請求項２６】
ガイドレールと、
第１磁石と、
第２磁石と、
を更に備える微細流動装置であって、
前記ガイドレールは、
前記回転体の前記微細流動構造物が設けられたディスクと他のディスクとに一体に形成され、
回転軸からの距離が異なる任意の位置を連結する通路形態を有し、
前記第１磁石は、前記ガイドレールの前記通路形態が形成する領域の内部を移動することが可能であり、
前記第２磁石は、
前記回転体の外部に配置され、
前記ガイドレールの前記通路形態が形成する領域の内部の前記回転体の中心に最も近い位置に少なくとも一時的に固定して配置されることを特徴とする請求項１０に記載の微細流動装置。
【請求項２７】
前記第１磁石及び前記第２磁石は、互いに引力が作用するように配置されることを特徴とする請求項２６に記載の微細流動装置。
【請求項２８】
前記ガイドレールは、前記回転体の中心からから離れた二つの領域を繋ぐ通路形状を含むことを特徴とする請求項２６に記載の微細流動装置。
【請求項２９】
前記ガイドレールは、前記混合チャンバーの出口と前記細胞溶解チャンバーとにそれぞれ対応する位置を連結する二つの領域を形成する通路形状を有することを特徴とする請求項２６に記載の微細流動装置。
【請求項３０】
回転体と、
微細流動装置と、
回転駆動部と、
外部エネルギー源と、
を備える微細流動システムであって、
前記微細流動装置は、
前記回転体に配置され、
複数のチャンバーと、前記複数のチャンバーを連結する複数の通路と、前記通路に配置されて流体の流れを統制する複数の弁と、
前記回転体の回転による遠心力を利用して流体を移送する微細流動構造物と、
前記複数のチャンバーのうち少なくともいずれか一つに収容され、該チャンバーに流入した生体試料から標的物質を選択的に捕集する磁性ビードと、を備え、
前記回転駆動部は、前記微細流動装置の回転体を駆動し、
前記外部エネルギー源は、前記標的物質を捕集した前記磁性ビードに電磁波を照射し、
前記微細流動装置は、
前記標的物質を捕集した前記磁性ビードを洗浄及び分離し、
分離された前記磁性ビードに対し外部から電磁波を照射することにより核酸を分離することを特徴とする微細流動システム。
【請求項３１】
外部エネルギー源調整手段をさらに備える微細流動システムであって、
前記複数の弁は、複数の相転移弁を含み、
前記相転移弁は、
外部から照射される電磁波を吸収する発熱粒子と、前記発熱粒子が放出する熱により溶融される相転移物質と、を含む弁プラグを備え、
前記弁プラグを通路内に配置し、前記通路を通過する流体の流れを統制し、
前記外部エネルギー源調整手段は、前記外部エネルギー源の位置または方向を調整し、
前記外部エネルギー源は、前記複数の相転移弁のうち選択された一つの相転移弁を備える領域に電磁波を照射することを特徴とする請求項３０に記載の微細流動システム。
【請求項３２】
前記回転駆動部は、前記回転体を定速または定域回転させるモーターを備えることを特徴とする請求項３０に記載の微細流動システム。
【請求項３３】
前記外部エネルギー源調整手段は、前記回転体に向かって設置された前記外部エネルギー源を前記回転体の半径方向に移動させる直線移動手段を備えることを特徴とする請求項３１に記載の微細流動システム。
【請求項３４】
前記外部エネルギー源は、レーザービームを照射するレーザー光源を含むことを特徴とする請求項３０に記載の微細流動システム。
【請求項３５】
前記磁性ビードは、その表面が標的細胞またはウイルスに親和性を有する抗体または金属酸化物に改質されたことを特徴とする請求項３０に記載の微細流動システム。
【請求項３６】
前記金属酸化物は、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４及びＨｆＯ２で構成された群から選択されることを特徴とする請求項３５に記載の微細流動システム。
【請求項３７】
前記磁性ビードは、強磁性体を有するＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ及びそれらの各酸化物からなる群から選択される一つ以上の物質を含むことを特徴とする請求項３５に記載の微細流動システム。
【請求項３８】
請求項１０に記載の微細流動装置と、
前記微細流動装置の回転体を駆動する回転駆動部と、
前記細胞溶解チャンバーにレーザーアブレーションのための電磁波を照射する外部エネルギー源と、
を備えることを特徴とする微細流動システム。
【請求項３９】
前記混合チャンバーは、
前記試料チャンバー及び前記バッファチャンバーより回転体の中心から遠い位置に配され、
前記廃棄チャンバー及び前記細胞溶解チャンバーよりは回転体の中心に近い位置に配されることを特徴とする請求項３８に記載の微細流動システム。
【請求項４０】
前記バッファチャンバーと前記混合チャンバーとを連結する通路は、前記混合チャンバーの出口と隣接した位置に連結されることを特徴とする請求項３８に記載の微細流動システム。
【請求項４１】
前記混合チャンバーより回転体の中心に近い位置に配され、前記混合チャンバーに連結され、前記混合チャンバーに磁性ビードを供給する磁性ビードチャンバーをさらに備えることを特徴とする請求項３８に記載の微細流動システム。
【請求項４２】
前記磁性ビードチャンバーと前記混合チャンバーとを連結する通路に弁をさらに備えることを特徴とする請求項４１に記載の微細流動システム。
【請求項４３】
前記細胞溶解チャンバーは、
前記流入した流体中から磁性ビードを集め、
前記細胞溶解チャンバーの出口を通じて残りの流体を排出することを特徴とする請求項３８に記載の微細流動システム。
【請求項４４】
前記細胞溶解チャンバーの出口は、
回転体の中心に向かって延び、
流体より密度が高い磁性ビードを遠心力により前記細胞溶解チャンバー内に溜めることを特徴とする請求項４３に記載の微細流動システム。
【請求項４５】
前記細胞溶解チャンバーに隣接して配置され、磁力により前記細胞溶解チャンバー内に磁性ビードを集める磁場形成物質をさらに備えることを特徴とする請求項４３に記載の微細流動システム。
【請求項４６】
前記試料チャンバー及び前記混合チャンバーに連結される通路と連結され、前記試料チャンバーに収容される試料を遠心分離してその一部を前記通路に排出する遠心分離ユニットをさらに備えることを特徴とする請求項３８に記載の微細流動システム。
【請求項４７】
前記複数の弁は、毛細管弁と、疎水性弁と、機械的弁と、相転移弁と、を備える群から選択されたことを特徴とする請求項３８に記載の微細流動システム。
【請求項４８】
外部エネルギー源調整手段をさらに備える微細流動システムであって、
前記複数の弁は、複数の相転移弁を含み、
前記相転移弁は、
外部から照射される電磁波を吸収する発熱粒子と、前記発熱粒子が放出する熱により溶融される相転移物質と、を含む弁プラグを備え、
前記弁プラグを通路に配置し、前記通路を通過する流体の流れを統制し、
前記外部エネルギー源調整手段は、前記外部エネルギー源の位置または方向を調整し、
前記外部エネルギー源は、前記複数の相転移弁のうち選択された一つの相転移弁を備える領域に電磁波を照射することを特徴とする請求項３８に記載の微細流動システム。
【請求項４９】
前記回転駆動部は、前記回転体を定速または定域回転させるモーターを備えることを特徴とする請求項４８に記載の微細流動システム。
【請求項５０】
前記外部エネルギー源調整手段は、前記回転体に向かって設置された前記外部エネルギー源を前記回転体の半径方向に移動させる直線移動手段を備えることを特徴とする請求項４８に記載の微細流動システム。
【請求項５１】
前記外部エネルギー源は、レーザービームを照射するレーザー光源を含むことを特徴とする請求項４８に記載の微細流動システム。
【請求項５２】
前記相転移弁は、
前記弁プラグに隣接して余裕空間を設け、
前記弁プラグが前記通路内に配置され、前記通路が閉じた状態である時に、
前記弁プラグが熱により溶融し、前記余裕空間に溶融した前記プラグが移動し、前記通路を開ける開放弁を備えることを特徴とする請求項４８に記載の微細流動システム。
【請求項５３】
前記相転移弁は、
前記通路と連結した弁チャンバーに前記弁プラグを配置し、前記通路が開いた状態である時に、
前記弁プラグが熱により溶融及び膨脹し、前記通路に流入し、前記通路を閉める閉鎖弁を備えることを特徴とする請求項４８に記載の微細流動システム。
【請求項５４】
前記外部エネルギー源は、レーザービームを照射するレーザー光源を含むことを特徴とする請求項４８に記載の微細流動システム。
【請求項５５】
前記磁性ビードは、その表面が標的細胞またはウイルスに親和性を有する抗体または金属酸化物に改質されたことを特徴とする請求項３８に記載の微細流動システム。
【請求項５６】
前記金属酸化物は、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４及びＨｆＯ２で構成された群から選択されることを特徴とする請求項５５に記載の微細流動システム。
【請求項５７】
前記磁性ビードは、強磁性体を有するＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ及びそれらの各酸化物からなる群から選択される一つ以上の物質を含むことを特徴とする請求項３８に記載の微細流動システム。
【請求項５８】
請求項１０ないし２９のうちいずれか一項に記載の微細流動装置を利用した核酸抽出方法であって、
試料チャンバーに注入された試料を磁性ビードが収容された混合チャンバーに移送する過程と、
前記混合チャンバー内で前記磁性ビードと前記試料とを混合して、前記磁性ビードの表面に標的細胞またはウイルスを捕集する過程と、
前記磁性ビードと前記試料との混合液を遠心分離して、上澄み液を廃棄チャンバーに排出する過程と、
バッファチャンバーに収容されたバッファ液を前記混合チャンバーに移送し、前記磁性ビードを洗浄した後、前記磁性ビードと前記バッファ液との混合流体を移送し、細胞溶解チャンバー内に前記磁性ビードを分離する過程と、
前記細胞溶解チャンバーに外部から電磁波を照射して、前記磁性ビードの表面に捕集された細胞またはウイルスを溶解させる過程と、
を含む微細流動システムを利用した標的物質の核酸抽出方法。
【請求項１】
回転体と、
微細流動構造物と、
磁性ビードと、
を備える微細流動装置であって、
前記微細流動構造物は、
前記回転体に配置され、
複数のチャンバーと、前記複数のチャンバーを連結する複数の通路と、前記通路に配置されて流体の流れを統制する複数の弁と、を備え、
前記回転体の回転による遠心力を利用して流体を移送し、
前記磁性ビードは、
前記複数のチャンバーのうち少なくともいずれか一つに収容され、
該チャンバーに流入した生体試料から標的物質を選択的に捕集し、
前記微細流動構造物は、
前記標的物質を捕集した前記磁性ビードを洗浄及び分離し、
前記磁性ビードに対し外部から電磁波を照射することにより核酸を分離することを特徴とする遠心力基盤の微細流動装置。
【請求項２】
前記複数の弁は、毛細管弁と、疎水性弁と、機械的弁と、相転移弁と、を含む群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の微細流動装置。
【請求項３】
前記相転移弁は、
外部から照射される電磁波を吸収する発熱粒子と、前記発熱粒子が放出する熱により溶融される相転移物質と、を含む弁プラグを備え、
前記弁プラグを通路に配置し、前記通路を通過する流体の流れを統制することを特徴とする請求項２に記載の微細流動装置。
【請求項４】
前記標的物質は、細胞と、ウイルスと、細胞やウイルスから抽出される少なくとも一つの生体分子からなる生体物質と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の微細流動装置。
【請求項５】
前記生体物質は、核酸であることを特徴とする請求項４に記載の微細流動装置。
【請求項６】
前記磁性ビードは、その表面が標的細胞またはウイルスに親和性を有する抗体または金属酸化物に改質されることを特徴とする請求項１に記載の微細流動装置。
【請求項７】
前記金属酸化物は、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４及びＨｆＯ２で構成される群から選択されることを特徴とする請求項６に記載の微細流動装置。
【請求項８】
前記磁性ビードは、強磁性体を有するＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ及びそれらの各酸化物からなる群から選択される一つ以上の物質を含むことを特徴とする請求項１に記載の微細流動装置。
【請求項９】
前記回転体は、二枚のディスクを備え、前記二枚のディスクは互いに重ねる構造をしており、
前記微細流動構造物は、前記二枚のディスク間に配置されることを特徴とする請求項１に記載の微細流動装置。
【請求項１０】
回転体と、
微細流動構造物と、
磁性ビードと、
を備える微細流動装置であって、
前記微細流動構造物は、
前記回転体に配置され、
複数のチャンバーと、前記複数のチャンバーを連結する複数の通路と、前記通路に配置されて流体の流れを統制する複数の弁と、を備え、
前記回転体の回転による遠心力を利用して流体を移送し、
前記磁性ビードは、
前記複数のチャンバーのうち少なくともいずれか一つに収容され、
該チャンバーに流入した生体試料から標的物質を選択的に捕集し、
前記複数のチャンバーは、試料チャンバーと、バッファチャンバーと、混合チャンバーと、廃棄チャンバーと、細胞溶解チャンバーと、を含み、
前記試料チャンバーは、試料を収容し、
前記バッファチャンバーは、バッファ液を収容し、
前記混合チャンバーは、磁性ビードを収容し、前記試料チャンバー及びバッファチャンバーと通路で連結され、前記それぞれの通路に配置される弁の統制によって流入される前記試料と前記バッファ液とを収容し、前記回転体の中心から最も遠い位置に弁を備える出口を有し、前記磁性ビードと前記試料との反応及び前記バッファ液を利用した前記磁性ビードの洗浄を行い、
前記廃棄チャンバーは、前記混合チャンバーの出口に隣接して回転体の中心に近い位置と通路で連結され、前記通路に配置された弁の統制によって前記混合チャンバーから排出される流体を収容し、
前記細胞溶解チャンバーは、前記混合チャンバーの出口と通路で連結され、前記混合チャンバーの出口から排出される前記磁性ビードを含んだ流体を収容することを特徴とする微細流動装置。
【請求項１１】
前記混合チャンバーは、
前記試料チャンバー及び前記バッファチャンバーよりも回転体の中心から遠い位置に配され、
前記廃棄チャンバー及び前記細胞溶解チャンバーよりは回転体の中心に近い位置に配されることを特徴とする請求項１０に記載の微細流動装置。
【請求項１２】
前記バッファチャンバーと前記混合チャンバーとを連結する通路は、前記混合チャンバーの出口と隣接した位置に連結されることを特徴とする請求項１０に記載の微細流動装置。
【請求項１３】
前記混合チャンバーより回転体の中心に近い位置に配され、前記混合チャンバーに連結され、前記混合チャンバーに磁性ビードを供給する磁性ビードチャンバーをさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載の微細流動装置。
【請求項１４】
前記磁性ビードチャンバーと前記混合チャンバーとを連結する通路に弁をさらに備えることを特徴とする請求項１３に記載の微細流動装置。
【請求項１５】
前記細胞溶解チャンバーは、
前記流入した流体中から磁性ビードを集め、
前記細胞溶解チャンバーの出口を通じて残りの流体を排出することを特徴とする請求項１０に記載の微細流動装置。
【請求項１６】
前記細胞溶解チャンバーの出口は、
回転体の中心に向かって延び、
流体より密度が高い磁性ビードを遠心力により前記細胞溶解チャンバー内に溜めることを特徴とする請求項１５に記載の微細流動装置。
【請求項１７】
前記細胞溶解チャンバーに隣接して配置され、磁力により前記細胞溶解チャンバー内に磁性ビードを集める磁場形成物質をさらに備えることを特徴とする請求項１５に記載の微細流動装置。
【請求項１８】
前記試料チャンバー及び前記混合チャンバーに連結される通路と連結され、前記試料チャンバーに収容される試料を遠心分離してその一部を前記通路に排出する遠心分離ユニットをさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載の微細流動装置。
【請求項１９】
前記複数の弁は、毛細管弁と、疎水性弁と、機械的弁と、相転移弁と、を備える群から選択されたことを特徴とする請求項１０に記載の微細流動装置。
【請求項２０】
前記相転移弁は、
外部から照射される電磁波を吸収する発熱粒子と、前記発熱粒子が放出する熱により溶融される相転移物質と、を含む弁プラグを備え、
前記弁プラグを通路内に配置し、前記通路を通過する流体の流れを統制することを特徴とする請求項１９に記載の微細流動装置。
【請求項２１】
前記相転移弁は、
前記弁プラグに隣接して余裕空間を設け、
前記弁プラグが前記通路内に配置され、前記通路が閉じた状態である時に、
前記弁プラグが熱により溶融し、前記余裕空間に溶融した前記プラグが移動し、前記通路を開ける開放弁を備えることを特徴とする請求項２０に記載の微細流動装置。
【請求項２２】
前記相転移弁は、
前記通路と連結した弁チャンバーに前記弁プラグを配置し、前記通路が開いた状態である時に、
前記弁プラグが熱により溶融及び膨脹し、前記通路に流入し、前記通路を閉める閉鎖弁を備えることを特徴とする請求項２０に記載の微細流動装置。
【請求項２３】
前記磁性ビードは、その表面が標的細胞またはウイルスに親和性を有する抗体または金属酸化物に改質されたことを特徴とする請求項１０に記載の微細流動装置。
【請求項２４】
前記金属酸化物は、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４及びＨｆＯ２で構成された群から選択されることを特徴とする請求項２３に記載の微細流動装置。
【請求項２５】
前記磁性ビードは、強磁性体を有するＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ及びそれらの各酸化物からなる群から選択される一つ以上の物質を含むことを特徴とする請求項１０に記載の微細流動装置。
【請求項２６】
ガイドレールと、
第１磁石と、
第２磁石と、
を更に備える微細流動装置であって、
前記ガイドレールは、
前記回転体の前記微細流動構造物が設けられたディスクと他のディスクとに一体に形成され、
回転軸からの距離が異なる任意の位置を連結する通路形態を有し、
前記第１磁石は、前記ガイドレールの前記通路形態が形成する領域の内部を移動することが可能であり、
前記第２磁石は、
前記回転体の外部に配置され、
前記ガイドレールの前記通路形態が形成する領域の内部の前記回転体の中心に最も近い位置に少なくとも一時的に固定して配置されることを特徴とする請求項１０に記載の微細流動装置。
【請求項２７】
前記第１磁石及び前記第２磁石は、互いに引力が作用するように配置されることを特徴とする請求項２６に記載の微細流動装置。
【請求項２８】
前記ガイドレールは、前記回転体の中心からから離れた二つの領域を繋ぐ通路形状を含むことを特徴とする請求項２６に記載の微細流動装置。
【請求項２９】
前記ガイドレールは、前記混合チャンバーの出口と前記細胞溶解チャンバーとにそれぞれ対応する位置を連結する二つの領域を形成する通路形状を有することを特徴とする請求項２６に記載の微細流動装置。
【請求項３０】
回転体と、
微細流動装置と、
回転駆動部と、
外部エネルギー源と、
を備える微細流動システムであって、
前記微細流動装置は、
前記回転体に配置され、
複数のチャンバーと、前記複数のチャンバーを連結する複数の通路と、前記通路に配置されて流体の流れを統制する複数の弁と、
前記回転体の回転による遠心力を利用して流体を移送する微細流動構造物と、
前記複数のチャンバーのうち少なくともいずれか一つに収容され、該チャンバーに流入した生体試料から標的物質を選択的に捕集する磁性ビードと、を備え、
前記回転駆動部は、前記微細流動装置の回転体を駆動し、
前記外部エネルギー源は、前記標的物質を捕集した前記磁性ビードに電磁波を照射し、
前記微細流動装置は、
前記標的物質を捕集した前記磁性ビードを洗浄及び分離し、
分離された前記磁性ビードに対し外部から電磁波を照射することにより核酸を分離することを特徴とする微細流動システム。
【請求項３１】
外部エネルギー源調整手段をさらに備える微細流動システムであって、
前記複数の弁は、複数の相転移弁を含み、
前記相転移弁は、
外部から照射される電磁波を吸収する発熱粒子と、前記発熱粒子が放出する熱により溶融される相転移物質と、を含む弁プラグを備え、
前記弁プラグを通路内に配置し、前記通路を通過する流体の流れを統制し、
前記外部エネルギー源調整手段は、前記外部エネルギー源の位置または方向を調整し、
前記外部エネルギー源は、前記複数の相転移弁のうち選択された一つの相転移弁を備える領域に電磁波を照射することを特徴とする請求項３０に記載の微細流動システム。
【請求項３２】
前記回転駆動部は、前記回転体を定速または定域回転させるモーターを備えることを特徴とする請求項３０に記載の微細流動システム。
【請求項３３】
前記外部エネルギー源調整手段は、前記回転体に向かって設置された前記外部エネルギー源を前記回転体の半径方向に移動させる直線移動手段を備えることを特徴とする請求項３１に記載の微細流動システム。
【請求項３４】
前記外部エネルギー源は、レーザービームを照射するレーザー光源を含むことを特徴とする請求項３０に記載の微細流動システム。
【請求項３５】
前記磁性ビードは、その表面が標的細胞またはウイルスに親和性を有する抗体または金属酸化物に改質されたことを特徴とする請求項３０に記載の微細流動システム。
【請求項３６】
前記金属酸化物は、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４及びＨｆＯ２で構成された群から選択されることを特徴とする請求項３５に記載の微細流動システム。
【請求項３７】
前記磁性ビードは、強磁性体を有するＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ及びそれらの各酸化物からなる群から選択される一つ以上の物質を含むことを特徴とする請求項３５に記載の微細流動システム。
【請求項３８】
請求項１０に記載の微細流動装置と、
前記微細流動装置の回転体を駆動する回転駆動部と、
前記細胞溶解チャンバーにレーザーアブレーションのための電磁波を照射する外部エネルギー源と、
を備えることを特徴とする微細流動システム。
【請求項３９】
前記混合チャンバーは、
前記試料チャンバー及び前記バッファチャンバーより回転体の中心から遠い位置に配され、
前記廃棄チャンバー及び前記細胞溶解チャンバーよりは回転体の中心に近い位置に配されることを特徴とする請求項３８に記載の微細流動システム。
【請求項４０】
前記バッファチャンバーと前記混合チャンバーとを連結する通路は、前記混合チャンバーの出口と隣接した位置に連結されることを特徴とする請求項３８に記載の微細流動システム。
【請求項４１】
前記混合チャンバーより回転体の中心に近い位置に配され、前記混合チャンバーに連結され、前記混合チャンバーに磁性ビードを供給する磁性ビードチャンバーをさらに備えることを特徴とする請求項３８に記載の微細流動システム。
【請求項４２】
前記磁性ビードチャンバーと前記混合チャンバーとを連結する通路に弁をさらに備えることを特徴とする請求項４１に記載の微細流動システム。
【請求項４３】
前記細胞溶解チャンバーは、
前記流入した流体中から磁性ビードを集め、
前記細胞溶解チャンバーの出口を通じて残りの流体を排出することを特徴とする請求項３８に記載の微細流動システム。
【請求項４４】
前記細胞溶解チャンバーの出口は、
回転体の中心に向かって延び、
流体より密度が高い磁性ビードを遠心力により前記細胞溶解チャンバー内に溜めることを特徴とする請求項４３に記載の微細流動システム。
【請求項４５】
前記細胞溶解チャンバーに隣接して配置され、磁力により前記細胞溶解チャンバー内に磁性ビードを集める磁場形成物質をさらに備えることを特徴とする請求項４３に記載の微細流動システム。
【請求項４６】
前記試料チャンバー及び前記混合チャンバーに連結される通路と連結され、前記試料チャンバーに収容される試料を遠心分離してその一部を前記通路に排出する遠心分離ユニットをさらに備えることを特徴とする請求項３８に記載の微細流動システム。
【請求項４７】
前記複数の弁は、毛細管弁と、疎水性弁と、機械的弁と、相転移弁と、を備える群から選択されたことを特徴とする請求項３８に記載の微細流動システム。
【請求項４８】
外部エネルギー源調整手段をさらに備える微細流動システムであって、
前記複数の弁は、複数の相転移弁を含み、
前記相転移弁は、
外部から照射される電磁波を吸収する発熱粒子と、前記発熱粒子が放出する熱により溶融される相転移物質と、を含む弁プラグを備え、
前記弁プラグを通路に配置し、前記通路を通過する流体の流れを統制し、
前記外部エネルギー源調整手段は、前記外部エネルギー源の位置または方向を調整し、
前記外部エネルギー源は、前記複数の相転移弁のうち選択された一つの相転移弁を備える領域に電磁波を照射することを特徴とする請求項３８に記載の微細流動システム。
【請求項４９】
前記回転駆動部は、前記回転体を定速または定域回転させるモーターを備えることを特徴とする請求項４８に記載の微細流動システム。
【請求項５０】
前記外部エネルギー源調整手段は、前記回転体に向かって設置された前記外部エネルギー源を前記回転体の半径方向に移動させる直線移動手段を備えることを特徴とする請求項４８に記載の微細流動システム。
【請求項５１】
前記外部エネルギー源は、レーザービームを照射するレーザー光源を含むことを特徴とする請求項４８に記載の微細流動システム。
【請求項５２】
前記相転移弁は、
前記弁プラグに隣接して余裕空間を設け、
前記弁プラグが前記通路内に配置され、前記通路が閉じた状態である時に、
前記弁プラグが熱により溶融し、前記余裕空間に溶融した前記プラグが移動し、前記通路を開ける開放弁を備えることを特徴とする請求項４８に記載の微細流動システム。
【請求項５３】
前記相転移弁は、
前記通路と連結した弁チャンバーに前記弁プラグを配置し、前記通路が開いた状態である時に、
前記弁プラグが熱により溶融及び膨脹し、前記通路に流入し、前記通路を閉める閉鎖弁を備えることを特徴とする請求項４８に記載の微細流動システム。
【請求項５４】
前記外部エネルギー源は、レーザービームを照射するレーザー光源を含むことを特徴とする請求項４８に記載の微細流動システム。
【請求項５５】
前記磁性ビードは、その表面が標的細胞またはウイルスに親和性を有する抗体または金属酸化物に改質されたことを特徴とする請求項３８に記載の微細流動システム。
【請求項５６】
前記金属酸化物は、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４及びＨｆＯ２で構成された群から選択されることを特徴とする請求項５５に記載の微細流動システム。
【請求項５７】
前記磁性ビードは、強磁性体を有するＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ及びそれらの各酸化物からなる群から選択される一つ以上の物質を含むことを特徴とする請求項３８に記載の微細流動システム。
【請求項５８】
請求項１０ないし２９のうちいずれか一項に記載の微細流動装置を利用した核酸抽出方法であって、
試料チャンバーに注入された試料を磁性ビードが収容された混合チャンバーに移送する過程と、
前記混合チャンバー内で前記磁性ビードと前記試料とを混合して、前記磁性ビードの表面に標的細胞またはウイルスを捕集する過程と、
前記磁性ビードと前記試料との混合液を遠心分離して、上澄み液を廃棄チャンバーに排出する過程と、
バッファチャンバーに収容されたバッファ液を前記混合チャンバーに移送し、前記磁性ビードを洗浄した後、前記磁性ビードと前記バッファ液との混合流体を移送し、細胞溶解チャンバー内に前記磁性ビードを分離する過程と、
前記細胞溶解チャンバーに外部から電磁波を照射して、前記磁性ビードの表面に捕集された細胞またはウイルスを溶解させる過程と、
を含む微細流動システムを利用した標的物質の核酸抽出方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１２】
【図１３】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図１７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１５Ａ】
【図１５Ｂ】
【図１５Ｃ】
【図１５Ｄ】
【図１５Ｅ】
【図１５Ｆ】
【図１５Ｇ】
【図１５Ｈ】
【図１５Ｉ】
【図１５Ｊ】
【図１５Ｋ】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１２】
【図１３】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図１７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１５Ａ】
【図１５Ｂ】
【図１５Ｃ】
【図１５Ｄ】
【図１５Ｅ】
【図１５Ｆ】
【図１５Ｇ】
【図１５Ｈ】
【図１５Ｉ】
【図１５Ｊ】
【図１５Ｋ】
【図１６】
【公開番号】特開２００８−６１６４９（Ｐ２００８−６１６４９Ａ）
【公開日】平成２０年３月２１日（２００８．３．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２２８４２５（Ｐ２００７−２２８４２５）
【出願日】平成１９年９月４日（２００７．９．４）
【出願人】（３９００１９８３９）三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年３月２１日（２００８．３．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月４日（２００７．９．４）
【出願人】（３９００１９８３９）三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．
【Ｆターム（参考）】
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