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JP4957893B2 - Isolation technology using integrated microwell array - Google Patents

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JP4957893B2 JP2007018479A JP2007018479A JP4957893B2 JP 4957893 B2 JP4957893 B2 JP 4957893B2 JP 2007018479 A JP2007018479 A JP 2007018479A JP 2007018479 A JP2007018479 A JP 2007018479A JP 4957893 B2 JP4957893 B2 JP 4957893B2
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秀典 永井
いづみ 久保
俊介 古谷
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Description

本発明は食品検査、臨床検査、水質検査におけるハイスループットスクリーニングに関し、詳しくは集積化したマイクロウェルアレイを用いた試料中の微小材料の単離技術に関する。   The present invention relates to high-throughput screening in food inspection, clinical inspection, and water quality inspection, and more particularly to a technique for isolating a micromaterial in a sample using an integrated microwell array.

従来の細胞単離技術として、セルソーター、マイクロピペット、希釈、スピンコートを用いる方法が知られている。また、周期的配置のマイクロウェルアレイにより、ペプチドを結合したビーズをポアソン分布で単離する方法が知られている(非特許文献1)
さらに、特許文献1は、マイクロウェルアレイチップを使用してリンパ球を検出する技術を開示している。
As a conventional cell isolation technique, a method using a cell sorter, a micropipette, dilution, and spin coating is known. In addition, a method of isolating beads bound to a peptide with a Poisson distribution using a periodically arranged microwell array is known (Non-patent Document 1).
Furthermore, Patent Document 1 discloses a technique for detecting lymphocytes using a microwell array chip.

しかし、これらの方法では、検体中に存在する多数の細胞、微生物などを効率的に分離、計測することはできなかった。
特許第3723882号 J.Biomol.Screen.(1998) vol.3, pp55-62
However, these methods cannot efficiently separate and measure a large number of cells, microorganisms, and the like present in a specimen.
Patent No. 3372882 J. Biomol. Screen. (1998) vol.3, pp55-62

本発明は、食品や、血液などの生体サンプル、環境中に含まれる細菌、ウイルス、細胞などの生物学的材料を迅速に検出することを目的とする。 An object of the present invention is to rapidly detect biological materials such as food, biological samples such as blood, and bacteria, viruses, and cells contained in the environment.

本発明は、以下の生物学的材料を簡便かつ迅速に単離、測定する方法を提供する。
1. (1)一端に試料液の供給部を有する流路に沿って多数のウェルを形成したマイクロウェルアレイの前記供給部に試料液を供給する工程、
(2)前記流路に前記供給部から試料液を流すことにより、前記ウェルを試料液で満たす工程、
(3)前記ウェル中に存在する生物学的材料を検出する工程
を含むことを特徴とする、試料液中に存在する生物学的材料を検出する方法。
2. 前記生物学的材料が、細菌、細胞、真菌、胞子、ウイルス、蛋白質または核酸である、項1に記載の方法
3. 前記供給部から前記排出部へ、遠心力、毛細管力または重力落差法により試料液を流すことを特徴とする項1または2に記載の方法。
4. 各ウェル中の生物学的材料の数が1個もしくは0個である、項1〜3のいずれかに記載の方法。
5. 生物学的材料が細菌、細胞、真菌、胞子、ウイルスまたは核酸であり、PCR法を用いて生物学的材料の検出を行う、項1〜4のいずれかに記載の方法。
6. マイクロウェルアレイであって、中心側から周辺側に形成された流路、該流路に沿って形成された多数のウェル、流路の中心側端部に形成された試料液の供給部を有し、前記流路およびウェルがマイクロアレイ本体の内部に形成され、かつ、前記流路は試料液供給部から周辺側に向けて流れる方向が連続的または非連続的に変化する、マイクロウェルアレイ。
7. 前記供給部および流路が複数形成されている、項6に記載のマイクロウェルアレイ。
8. 流路の周辺側端部に試料液の排出部が形成されている、項6または7に記載のマイクロウェルアレイ。
9. ディスク状の形状を有する、項6〜8のいずれかに記載のマイクロウェルアレイ。
10. 前記流路が渦巻状の形状を有する項6〜9のいずれかに記載のマイクロウェルアレイ。
The present invention provides a method for easily and rapidly isolating and measuring the following biological materials.
1. (1) supplying a sample solution to the supply unit of the microwell array in which a number of wells are formed along a flow path having a sample solution supply unit at one end;
(2) filling the well with the sample solution by flowing the sample solution from the supply unit to the flow path;
(3) A method for detecting a biological material present in a sample liquid, comprising the step of detecting a biological material present in the well.
2. Item 2. The method according to Item 1, wherein the biological material is a bacterium, a cell, a fungus, a spore, a virus, a protein, or a nucleic acid.
3. Item 3. The method according to Item 1 or 2, wherein the sample solution is caused to flow from the supply unit to the discharge unit by centrifugal force, capillary force, or gravity drop method.
Four. Item 4. The method according to any one of Items 1 to 3, wherein the number of biological materials in each well is 1 or 0.
Five. Item 5. The method according to any one of Items 1 to 4, wherein the biological material is a bacterium, a cell, a fungus, a spore, a virus, or a nucleic acid, and the biological material is detected using a PCR method.
6. A microwell array having a flow path formed from the center side to the peripheral side, a large number of wells formed along the flow path, and a sample liquid supply section formed at the center side end of the flow path. In the microwell array, the flow path and the well are formed inside the microarray body, and the flow direction of the flow path from the sample solution supply unit toward the peripheral side changes continuously or discontinuously.
7. Item 7. The microwell array according to Item 6, wherein a plurality of the supply section and the flow path are formed.
8. Item 8. The microwell array according to Item 6 or 7, wherein a sample solution discharge portion is formed at a peripheral side end of the flow path.
9. Item 9. The microwell array according to any one of Items 6 to 8, which has a disk shape.
Ten. Item 10. The microwell array according to any one of Items 6 to 9, wherein the flow path has a spiral shape.

マイクロウェルアレイに分画化するだけで大量の細胞等の生物学的材料を同時に単離できるため、高価な装置が不要で、操作が容易であり、非常に迅速に定量的もしくは定性的評価行うことが出来る。   A large amount of biological material such as cells can be isolated at the same time by fractionating into a microwell array, which eliminates the need for expensive equipment, is easy to operate, and performs quantitative or qualitative evaluation very quickly. I can do it.

また、遠心力などを利用して微小流路内を流すだけで細胞を単離出来る方法は、周期型マイクロウェルアレイのように最後に蓋をする必要がなく、リークやコンタミ、気泡の混入の恐れがなく実用性が高い。   In addition, the method that allows cells to be isolated by simply flowing in a microchannel using centrifugal force, etc., does not require a lid at the end as in a periodic microwell array, and is free from leaks, contamination, and air bubbles. There is no fear and practicality is high.

本発明によれば、細胞や細菌・ウイルス含有試料やDNA・タンパク質等を含む溶液を、マイクロウェルのアレイを用いて大多数に区画化して分配することにより、一細胞ごと、一分子ごとの情報を個別に得、分類あるいは、定量的もしくは定性的評価を行うことができる。   According to the present invention, a solution containing cells, bacteria / virus-containing samples, DNA / proteins, etc. is partitioned into a large number using a microwell array and distributed, so that information for each cell and for each molecule is obtained. Can be obtained individually for classification or quantitative or qualitative evaluation.

本明細書において、生物学的材料としては、細胞(動物、植物)、微生物(細菌、真菌(酵母を含む)、胞子など)、ウイルス、蛋白質、核酸(特にDNA) などが挙げられる。具体的には、食品中に含まれる微生物(大腸菌、食中毒菌など)、臨床検査(血液、血清、血漿、尿、唾液などに含まれる抗原、抗体、ウイルス、病原性の細菌や真菌、白血球、赤血球、蛋白質、マーカーなど)、水質検査(地下水、河川、湖沼、上水道、下水道、工場廃水、家庭排水など)などに適用できる。   In this specification, examples of the biological material include cells (animals, plants), microorganisms (bacteria, fungi (including yeast), spores, etc.), viruses, proteins, nucleic acids (particularly DNA), and the like. Specifically, microorganisms (e.g., E. coli, food poisoning bacteria) contained in foods, clinical tests (antigens, antibodies, viruses, pathogenic bacteria and fungi, leukocytes, leukocytes, blood, serum, plasma, urine, saliva, etc.) It can be applied to red blood cells, proteins, markers, etc.) and water quality tests (ground water, rivers, lakes, waterworks, sewerage, industrial wastewater, domestic wastewater, etc.).

本発明では、試料中に存在する生物学的材料を簡便かつ迅速に単離する手段として、
(i) 微量の生物学的材料の溶液ないし懸濁液をマイクロウェルアレイ上に流しながら細かく分画化することにより、ポアソン分布に基づいて、細菌が各分画中に分配される方法を利用する。特に、細分化の程度に伴って、生物学的材料、例えば細菌や細胞、ウイルス、蛋白質、核酸が重複して分配される分画の割合が減少するため、生物学的材料の有無に関する情報を量子化することができる。
(ii) (i)に基づいて生物学的材料を単離した後、生物学的材料が存在するマイクロウェル数を計測することにより、元の試料中に存在した生物学的材料の数を計数する、などの方法が挙げられる。
In the present invention, as a means for easily and quickly isolating biological material present in a sample,
(i) Utilizing a method in which bacteria are distributed in each fraction based on Poisson distribution by finely fractionating a solution or suspension of a small amount of biological material on a microwell array. To do. In particular, as the degree of subdivision, the fraction of biological materials such as bacteria, cells, viruses, proteins, and nucleic acids that are distributed redundantly decreases. Can be quantized.
(ii) After isolating the biological material based on (i), count the number of biological material present in the original sample by counting the number of microwells in which the biological material is present. And the like.

生物学的材料がDNAまたはRNAを有する場合、試料中に存在する生物学的材料を簡便かつ迅速に単離する手段として、生物学的材料の懸濁液と標的生物学的材料同定用のPCR溶液またはRT−PCR溶液をマイクロウェルアレイで細分化することにより、ポアソン分布に基づいて、生物学的材料が各分画中に分配される方法を利用する。特に、細分化に伴って、生物学的材料が重複して分配される分画の割合が減少するため、生物学的材料の有無に関する情報を量子化できる。リアルタイムPCRによる標的DNAの検出により生物学的材料を含有するマイクロウェルを計数することにより、元の試料溶液中の生物学的材料(特に、細菌、細胞、ウイルス)の数を計数する。   If the biological material has DNA or RNA, a biological material suspension and PCR for identification of the target biological material as a means to conveniently and quickly isolate the biological material present in the sample By subdividing the solution or RT-PCR solution in a microwell array, a method is used in which biological material is distributed into each fraction based on the Poisson distribution. In particular, as fractionation decreases, the fraction of biological material that is distributed redundantly decreases, so that information on the presence or absence of biological material can be quantized. Count the number of biological materials (especially bacteria, cells, viruses) in the original sample solution by counting microwells containing biological material by detection of target DNA by real-time PCR.

一つの流路に形成されるウェルの数は、10個以上、好ましくは100個以上、より好ましくは300個以上、特に500個以上である。一つの流路に形成されるウェルの上限は特に限定されないが、通常10000個程度またはそれ以下で十分である。   The number of wells formed in one channel is 10 or more, preferably 100 or more, more preferably 300 or more, and particularly 500 or more. The upper limit of wells formed in one channel is not particularly limited, but usually about 10,000 or less is sufficient.

本発明の流路は、試料液が流れる方向の異なるように形成される。試料液の流れる方向を変化させるために、流路は液の流れる方向が異なる複数のセグメントを有していてもよい。この場合、試料液の流れる方向は非連続的に変化する。隣接するセグメントは連続的に試料液の流れる方向を変えてもよく、各セグメント内は同一の方向に試料液が流れ、セグメント間に試料液の流れる方向を変えるための接続部が設けられていてもよい。遠心力により試料液を流すためには、隣接する流路のセグメントは、角度θをつけるのが好ましい。或いは、流路を渦巻状に形成した場合には、液の流れる方向は連続的に変化する(セグメントは存在しない)。渦巻状に形成する場合、同心円状に複数の流路を形成してもよく、1つの流路のみを形成してもよい。   The flow path of the present invention is formed so that the direction in which the sample solution flows is different. In order to change the direction in which the sample liquid flows, the flow path may have a plurality of segments having different liquid flowing directions. In this case, the direction in which the sample solution flows changes discontinuously. Adjacent segments may continuously change the direction in which the sample liquid flows. Within each segment, the sample liquid flows in the same direction, and a connection is provided between the segments to change the direction in which the sample liquid flows. Also good. In order to cause the sample liquid to flow by centrifugal force, it is preferable that the adjacent channel segments have an angle θ. Alternatively, when the flow path is formed in a spiral shape, the flow direction of the liquid continuously changes (there is no segment). When forming in a spiral shape, a plurality of flow paths may be formed concentrically, or only one flow path may be formed.

本発明の流路とウェルは、試料液が乾燥しないように、マイクロウェルアレイ本体の内部に形成され(アレイ本体で覆われ)ており、流路およびウェルへの試料液の供給は、外部とつながっている試料液の供給部から行われる。該供給部はマイクロウェルアレイの中心側にあるのが、遠心力により試料液を流路内で流すのに好ましい。流路の周辺側端部には、試料液を外部に排出するための排出部を設けるのが好ましい。   The flow path and well of the present invention are formed inside the microwell array main body so that the sample liquid is not dried (covered by the array main body). This is performed from the connected sample solution supply unit. The supply section is preferably located on the center side of the microwell array so that the sample solution can flow in the flow path by centrifugal force. It is preferable to provide a discharge part for discharging the sample solution to the outside at the peripheral side end of the flow path.

流路に生物学的材料の溶液ないし懸濁液を流すために、遠心力、毛細管力、重力などを用いることができ、好ましくは、遠心力が用いられる。遠心力としては、例えば500〜7,000rpmで、1秒間〜3分間行えば、ウェルを生物学的材料の溶液ないし懸濁液で満たすことができる。   Centrifugal force, capillary force, gravity, and the like can be used for flowing a solution or suspension of biological material in the flow path, and preferably centrifugal force is used. For example, if the centrifugal force is 500 to 7,000 rpm for 1 second to 3 minutes, the well can be filled with a solution or suspension of biological material.

本発明において、試料液の供給部には、一つの流路に形成されたウェルの10%以上、好ましくは30%以上、より好ましくは50%以上、さらに好ましくは70%以上、特に90%以上が生物学的材料の溶液ないし懸濁液で満たされる量を供給するのが望ましい。試料液がウェルの総体積よりも過剰である場合、流路の他端に試料液の排出部を設け、この排出部に過剰な試料液をためることができる。あるいは、排出部からは過剰な試料液が流出するように構成しても良い。   In the present invention, the sample solution supply section has 10% or more, preferably 30% or more, more preferably 50% or more, still more preferably 70% or more, particularly 90% or more of the wells formed in one channel. It is desirable to provide an amount that is filled with a solution or suspension of biological material. When the sample liquid is excessive than the total volume of the well, a sample liquid discharge portion is provided at the other end of the flow path, and excess sample liquid can be accumulated in the discharge portion. Or you may comprise so that an excess sample solution may flow out from a discharge part.

一つのマイクロウェルアレイに一つの流路のみを有していても良く、複数の流路を一つのマイクロウェルアレイに形成してもよい。複数の独立した流路を有する場合、多数のサンプルを同時に分析したり、或いは、希釈倍率の異なる一連の試料液を調製して該アレイで分析することができる。複数の独立した流路は対称位置に形成されるのが、1つのアレイに出来るだけ多くの流路を形成するために好ましい。   One microwell array may have only one flow path, or a plurality of flow paths may be formed in one microwell array. In the case of having a plurality of independent flow paths, a large number of samples can be analyzed simultaneously, or a series of sample liquids having different dilution ratios can be prepared and analyzed by the array. A plurality of independent flow paths are preferably formed at symmetrical positions in order to form as many flow paths as possible in one array.

マイクロウェルアレイ本体の素材としては、ポリマー、セラミック、ガラス、金属などの任意の素材であっても良いが、好ましくはポリマー、例えばポリジメチルシロキサン(PDMS)などのシロキサン類が挙げられる。該素材は、流路およびウェルの状況を肉眼的或いは光学的に観察するために透明であるのが好ましい。   The material of the microwell array main body may be any material such as polymer, ceramic, glass, metal, etc., but preferably a polymer, for example, siloxanes such as polydimethylsiloxane (PDMS). The material is preferably transparent in order to visually or optically observe the flow path and well conditions.

マイクロウェルアレイは、種々の形状をとることができ、例えばディスク状、三角形、四角形(例えば正方形)、正六角形、正八角形などの形状が挙げられ、好ましくはディスク状の形状が挙げられる。ディスク状の形状は、特に遠心力により試料液を流路に沿って流すのに好ましい。   The microwell array can take various shapes, and examples thereof include a disk shape, a triangle, a quadrangle (for example, a square), a regular hexagon, a regular octagon, and the like, and preferably a disk shape. The disc shape is particularly preferable for flowing the sample solution along the flow path by centrifugal force.

本発明のマイクロウェルアレイは、例えば流路とウェルのパターンを有するシートもしくはプレートと試料液の供給部を有する平坦なシートもしくはプレートを貼り合わせることにより製造することができる。試料液の供給部は、流路とウェルのパターンを有するシートもしくはプレートに形成されてもよい。また、流路とウェルのパターンを有する2枚のシートもしくはプレートを貼り合わせることにより、マイクロウェルアレイとしてもよい。流路とウェルのパターンを有するシートは、金型でプレスしたり、金型にポリマー等の流動性の素材を流し込むことで形成してもよく、厚膜のリソグラフィーにより凸型のパターンを形成し、該パターン上に流動性の素材を流し込んで形成してもよく、シートもしくはプレートに直接、機械加工やフォトリソグラフィーを用いたエッチングにより形成してもよい。   The microwell array of the present invention can be manufactured, for example, by laminating a sheet or plate having a flow path and well pattern and a flat sheet or plate having a sample solution supply section. The sample liquid supply unit may be formed on a sheet or plate having a flow path and well pattern. Alternatively, a microwell array may be formed by bonding two sheets or plates having a flow path and a well pattern. A sheet having a flow path and well pattern may be formed by pressing with a mold, or by pouring a fluid material such as a polymer into the mold, or forming a convex pattern by thick film lithography. A fluid material may be poured onto the pattern, or may be formed directly on the sheet or plate by machining or etching using photolithography.

生物学的材料の検出方法としては、標識抗体を用いて免疫学的に測定する方法、必要に応じて細胞、細菌、ウイルスなどを破砕後にPCRを用いる方法などが挙げられる。PCR法は、常法に従い行うことができる。   Examples of a method for detecting a biological material include a method for immunological measurement using a labeled antibody, and a method for using PCR after disrupting cells, bacteria, viruses, and the like as necessary. The PCR method can be performed according to a conventional method.

以下、本発明の1つの実施形態を図面に基づいて説明する。図1に、本発明で使用する多数のウェルを形成したマイクロウェルアレイ1が示されている。このコンパクトディスク(CD)型流体デバイス(マイクロウェルアレイ)中央に生物学的材料の溶液/懸濁液を注入するための試料液の供給部5が形成され、該供給部5から試料液排出部6をつなぐ流路3に多数のウェル4が形成されている。ウェルは生物学的材料溶液/懸濁液が流路を流れるときに、該溶液/懸濁液で満たされるように形成される。1つのウェルは非常に少量(1 pL〜10 nL)の溶液/懸濁液で満たされるため、生物学的材料溶液/懸濁液を十分に希釈しておけば、一つのウェルに1つ以下の生物学的材料が含まれるようにすることができる。流路とウェルのデザインとしては、図1Bに示されるタイプ1、タイプ2、複合タイプが挙げられる。生物学的材料の溶液/懸濁液を流路に流した後は、オイルを流し、各ウェルをオイルで覆い、ウェルの乾燥を防止するのが好ましい。ウェル中の生物学的材料の検出は、標的生物学的材料同定用のPCR溶液をウェルに導入し、PCRを行うこと、蛍光標識された抗体(一次抗体、二次抗体)をウェルに導入することなどにより行うことができる。   Hereinafter, one embodiment of the present invention is described based on a drawing. FIG. 1 shows a microwell array 1 having a large number of wells used in the present invention. A sample liquid supply section 5 for injecting a biological material solution / suspension is formed in the center of the compact disk (CD) type fluid device (microwell array), and the sample liquid discharge section is formed from the supply section 5 A large number of wells 4 are formed in the flow path 3 connecting the six. The well is formed such that when the biological material solution / suspension flows through the flow path, it is filled with the solution / suspension. One well is filled with a very small amount (1 pL to 10 nL) of solution / suspension, so if the biological material solution / suspension is sufficiently diluted, no more than one per well Of biological material can be included. Examples of the channel and well design include Type 1, Type 2, and Composite Type shown in FIG. 1B. After the biological material solution / suspension is flowed through the flow path, it is preferable to flow oil and cover each well with oil to prevent drying of the wells. Detection of biological material in a well is performed by introducing a PCR solution for target biological material identification into the well, performing PCR, and introducing fluorescently labeled antibodies (primary antibody, secondary antibody) into the well It can be done by things.

本発明の好ましい1つの実施形態において、CD型流体デバイスは、図1に示されるように生物学的材料の供給部と排出部、流路および多数のウェルからなる材料分離ユニットを複数有していても良く、例えば渦巻状の流路を有する一つの材料分離ユニットから構成されていてもよい。   In one preferred embodiment of the present invention, the CD-type fluid device has a plurality of material separation units consisting of biological material supply and discharge sections, flow paths and multiple wells as shown in FIG. For example, you may be comprised from one material separation unit which has a spiral flow path.

以下、本発明を図面の基づきより詳細に説明する。
実施例1
[ビーズの単離]
まず、ビーズを用いて、マイクロウェルアレイ型流路により、懸濁液の各粒子を単離出来るかについて検討した。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
Example 1
[Isolation of beads]
First, it was examined whether each particle of the suspension could be isolated by using a microwell array type channel using beads.

マイクロウェルアレイ型流路の作製
流路の鋳型として、流路の逆転写パターンを作製した。シリコンウエハー上に、厚膜フォトレジスト(SU-8 50)をスピンコートし、65℃で5分、95℃で15分加熱後、流路と同等のパターンを描画したフォトマスクを介してUVを照射し、流路に該当する部分のみ光硬化させた。再度、65℃で2分、95℃で4分加熱後、現像液に浸し、流路の逆転写パターン以外の未重合の余分なレジストを除去した。エアーガンによる風乾後、この鋳型構造へpoly(dimethylsiloxane) (PDMS)のプレポリマー(ダウコーニング製シルガード184)を流し込み、熱硬化させることによりマイクロウェルアレイ型流路を形成した。また、流路の蓋として、シリコンウエハーを鋳型として同様の操作を行うことで、平滑なPDMSシートを作製した。試料液の供給部や排出部のみ貫通孔を形成した後、マイクロウェルアレイ型流路を有するPDMSシートと平滑なPDMSシートを、酸素プラズマ処理により貼り合わせ、閉じた流路構造を形成した。
Preparation of microwell array type flow path A reverse transfer pattern of a flow path was prepared as a flow path template. A thick film photoresist (SU-8 50) is spin-coated on a silicon wafer, heated at 65 ° C for 5 minutes, and then at 95 ° C for 15 minutes, and then irradiated with UV through a photomask on which a pattern equivalent to the flow path is drawn. Irradiation was performed and only the portion corresponding to the flow path was photocured. Again, after heating at 65 ° C. for 2 minutes and at 95 ° C. for 4 minutes, it was immersed in a developing solution to remove unpolymerized excess resist other than the reverse transfer pattern of the flow path. After air drying with an air gun, a poly (dimethylsiloxane) (PDMS) prepolymer (Dow Corning Sylgard 184) was poured into the mold structure and heat-cured to form a microwell array type flow path. In addition, a smooth PDMS sheet was produced by performing the same operation using a silicon wafer as a mold as a flow path lid. After through holes were formed only in the sample liquid supply section and discharge section, a PDMS sheet having a microwell array type flow path and a smooth PDMS sheet were bonded together by oxygen plasma treatment to form a closed flow path structure.

図1に示すとおり、マイクロウェルアレイ型流路はPDMSを用いて作製されており、直径10 cm、厚さ3 mmのディスク上に、幅200μm、深さ32μmの流路を複数、ディスクの中心から円周方向へ向けてジグザグに形成した。各流路には、幅400μm、長さ300μmのマイクロウェルを、流路の円周側の側面に房状に並んで、150μm程度の間隔で連続的に配置させた。各流路の両端には、直径2 mmのリザーバーを設け、溶液の注入及びエアベントとして使用した。特に、ディスク中央側のリザーバーと流路の接合部は、逆テーパー形状を持たせることにより、遠心力による注入時に完全に溶液が流入できるように作製した。   As shown in Fig. 1, the microwell array channel is made using PDMS, and a plurality of channels with a width of 200μm and a depth of 32μm are placed on a disk with a diameter of 10cm and a thickness of 3mm. Zigzag in the circumferential direction. In each channel, microwells having a width of 400 μm and a length of 300 μm were continuously arranged at intervals of about 150 μm, arranged in a tuft on the circumferential side surface of the channel. Reservoirs with a diameter of 2 mm were provided at both ends of each flow path and used as solution injection and air vent. In particular, the junction between the reservoir and the flow path on the center side of the disk was made to have a reverse taper shape so that the solution could flow completely during injection by centrifugal force.

ビーズ懸濁液の調製
直径3μmのラテックスビーズ懸濁液PolybeadDyed Red(PolyScience, USA)を水で希釈し、血球計算板(エルマ販売(株)、東京)で、約20,000個/mLの濃度であることを確認した。
Preparation of bead suspension 3 μm diameter latex bead suspension PolybeadDyed Red (PolyScience, USA) is diluted with water and has a concentration of about 20,000 cells / mL on a hemocytometer (Elma Sales, Tokyo) It was confirmed.

遠心力による送液
上記マイクロウェルアレイ型流路のディスク中央側の各リザーバーへ、上記ビーズ懸濁液1μLを添加した。流路表面のぬれ性によっては、毛細管力により一部の溶液が自動的に流路中へ流入するが、溶液を完全に送液させ、さらに、マイクロウェル以外の流路部分の溶液を排出させるために、遠心力を用いた送液を行った。具体的には、ビーズ懸濁液添加後のディスクをスピンコーター(共和理研社製K-359 S-1、東京)に固定し、3,000 rpmで30秒間回転させた。これにより、リザーバー中に溶液は残留しておらず、全ての流路中に溶液が送液され、さらに、房状に並んだ各マイクロウェル中に微少量ずつ溶液が分注されていることを確認した。このとき、各リザーバー中に保持されている溶液の体積は、約3.4〜3.6 nLと微量であるため、空気に触れたままでは、蒸発により次第に失われてしまうことが判明した。そこで、各マイクロウェル中に分注された溶液の蒸発を防ぐ目的で、フロリナートFC-40(住友スリーエム(株)、東京)3μLを、ディスクの回転後ただちに各流路の一方のリザーバーへ注入した。この際、毛細管力によりフロリナートが流路内へ自動的に流入するが、あらかじめ注入されていたビーズ懸濁液を押し出さずに、各マイクロウェル中に残したまま、最後まで流れきることを確認した。
Liquid feeding by centrifugal force 1 μL of the bead suspension was added to each reservoir on the center side of the disk of the microwell array channel. Depending on the wettability of the channel surface, some of the solution automatically flows into the channel due to the capillary force, but the solution is completely fed and the solution in the channel other than the microwells is discharged. Therefore, liquid feeding using centrifugal force was performed. Specifically, the disk after addition of the bead suspension was fixed to a spin coater (K-359 S-1, manufactured by Kyowa Riken Co., Ltd.) and rotated at 3,000 rpm for 30 seconds. As a result, no solution remains in the reservoir, the solution is fed into all the channels, and a small amount of solution is dispensed into each microwell arranged in a tuft. confirmed. At this time, since the volume of the solution held in each reservoir was a very small amount of about 3.4 to 3.6 nL, it was found that the solution gradually lost due to evaporation if it was exposed to air. Therefore, in order to prevent evaporation of the solution dispensed in each microwell, 3 μL of Fluorinert FC-40 (Sumitomo 3M Co., Ltd., Tokyo) was injected into one reservoir of each channel immediately after the disk rotation. . At this time, Fluorinert automatically flows into the flow path due to capillary force, but it was confirmed that the pre-injected bead suspension was not pushed out and remained in each microwell. .

マイクロウェルアレイ型流路を用いたビーズの単離の確認
ビーズ懸濁液を分注後、各マイクロウェル中に含有するビーズの数を、オリンパス(株)(東京)の生物顕微鏡BH-2を介して、浜松フォトニクス(株)(浜松市)の生物顕微鏡画像高品位質観察システムARGUS-20により計測した。その結果を、図2にまとめる。角形のマイクロウェルでは、流路の上流と下流において、ビーズの単離の効率が異なっていた。これは、細菌懸濁液を流している間、角形のマイクロウェルでは直方体の角の部分に細菌が滞り易いためと考えられる。このことから、デッドボリュームの生じやすい直方体ではなく、流線が滑らかな曲面を有する半円型マイクロウェルが有用であることが明らかとなった。また、ビーズが分配されたマイクロウェルから算出した元のビーズ懸濁液の濃度は、血球計測板の結果と同等であることが確認できた。これにより、マイクロウェルアレイ型流路に流すだけの簡便な操作で、95%の効率でビーズを同時に単離し、濃度を計測できることを確認した。
Confirmation of bead isolation using microwell array-type channel After dispensing the bead suspension, the number of beads contained in each microwell was determined using a biological microscope BH-2 from Olympus Corporation (Tokyo). The measurement was performed using a biological microscope image high quality observation system ARGUS-20 of Hamamatsu Photonics Co., Ltd. (Hamamatsu City). The results are summarized in FIG. In the square microwell, the efficiency of bead isolation was different between upstream and downstream of the channel. This is considered to be because bacteria are likely to stay in the corners of the rectangular parallelepiped in the rectangular microwell while the bacterial suspension is flowing. From this, it became clear that a semicircular microwell having a curved surface with a smooth streamline is useful instead of a rectangular parallelepiped in which dead volume is likely to occur. It was also confirmed that the concentration of the original bead suspension calculated from the microwells to which the beads were distributed was equivalent to the result of the blood cell measurement plate. As a result, it was confirmed that it was possible to simultaneously isolate the beads and measure the concentration with an efficiency of 95% by a simple operation by simply flowing the microwell array channel.

実施例2
[細菌の単離]
ビーズ懸濁液による結果に基づき、細菌の単離と計量を検討した。
Example 2
[Isolation of bacteria]
Based on the results from the bead suspension, bacterial isolation and weighing were studied.

マイクロウェルアレイ型流路の作製
上記で使用した半円型マイクロウェルを配置したPDMS製マイクロウェルアレイ型流路を作製した。
Preparation of microwell array type channel A PDMS microwell array type channel having the semicircular microwells used above was prepared.

細菌懸濁液の調製
細菌としては、大腸菌とサルモネラ菌の2種類について、それぞれ単離の検討を行った。
大腸菌株DH5αの培養は、LB培地(水に対し1% Tryptone、1% yeast extract、0.5% NaClを溶解し、pH 7.5に調製後、滅菌して使用)を用いて、37℃、約12時間行った。
サルモネラ菌Salmonella choleraesuisの培養は、0.5% NaClのNUTRIENT BROTH培地(水に対し0.5% Peptone、0.3% Beef extract、0.5% NaClに調製後、滅菌して使用)を用いて、37℃、約12時間行った。
これらの培養液のODはおよそ1程度であることを確認し、10,000倍に希釈して使用した。
Preparation of Bacterial Suspension Two types of bacteria, Escherichia coli and Salmonella, were examined for isolation.
Escherichia coli strain DH5α is cultured at 37 ° C for about 12 hours using LB medium (1% Tryptone, 1% yeast extract, 0.5% NaCl dissolved in water, adjusted to pH 7.5, and sterilized). went.
Salmonella choleraesuis is cultured at 37 ° C for about 12 hours using NUTRIENT BROTH medium of 0.5% NaCl (0.5% Peptone, 0.3% Beef extract, 0.5% NaCl after preparation and sterilized). It was.
It was confirmed that the OD of these cultures was about 1, and diluted 10,000 times.

遠心力による送液
上記マイクロウェルアレイ型流路のディスク中央側の各リザーバーへ、上記の希釈した細菌培養液1μLを添加した。流路表面のぬれ性によっては、毛細管力により一部の溶液が自動的に流路中へ流入するが、溶液を完全に送液させ、さらに、マイクロウェル以外の流路部分の溶液を排出させるために、スピンコーターに固定し、3,000 rpmで30秒間回転させ遠心力により送液を行った。各マイクロウェル中に分注された溶液の蒸発を防ぐ目的で、フロリナートFC-40(住友スリーエム(株)、東京)3μLを、ディスクの回転後ただちに各流路の一方のリザーバーへ注入し、流路中の空気を排出させた。
Liquid feeding by centrifugal force 1 μL of the diluted bacterial culture solution was added to each reservoir on the center side of the disk of the microwell array type flow path. Depending on the wettability of the channel surface, some of the solution automatically flows into the channel due to the capillary force, but the solution is completely fed and the solution in the channel other than the microwells is discharged. For this purpose, it was fixed on a spin coater, rotated at 3,000 rpm for 30 seconds, and sent by centrifugal force. In order to prevent evaporation of the solution dispensed in each microwell, 3 μL of Fluorinert FC-40 (Sumitomo 3M Co., Ltd., Tokyo) is injected into one reservoir of each flow channel immediately after the disk rotation. The air in the road was discharged.

マイクロウェルアレイ型流路を用いた細菌の単離の確認
細菌を分注後、各マイクロウェル中に含有する細菌数を、生物顕微鏡により観察し計測した。その結果を、図3にまとめる。細菌が分配されたマイクロウェルの割合から算出した元のビーズ懸濁液の濃度は、大腸菌が1.1×109 cells/ml、サルモネラが1.0×109 cells/mlであった。これは、血球計測板の結果と同等であることが確認できたことから、マイクロウェルアレイ型流路により迅速に、細菌懸濁液の濃度を計測できることを確認した。
Confirmation of Bacterial Isolation Using Microwell Array Type Channel After dispensing the bacteria, the number of bacteria contained in each microwell was observed and counted with a biological microscope. The results are summarized in FIG. The concentration of the original bead suspension calculated from the proportion of microwells into which bacteria were distributed was 1.1 × 10 9 cells / ml for Escherichia coli and 1.0 × 10 9 cells / ml for Salmonella. Since this was confirmed to be equivalent to the result of the blood cell measurement plate, it was confirmed that the concentration of the bacterial suspension could be measured quickly by the microwell array type flow path.

食品中の菌検査の公定法では、数日の時間を必要とするが、本発明の方法によれば、細菌数の迅速な定量が可能である。食品以外にも血液等の感染症診断や、バイオテロを含む環境評価への応用も可能である。   The official method for testing bacteria in food requires several days, but according to the method of the present invention, the number of bacteria can be quickly determined. In addition to food, it can be applied to diagnosis of infectious diseases such as blood and environmental assessment including bioterrorism.

マイクロウェルアレイ型流路のデザイン1、デザイン2を示す。The design 1 and design 2 of the microwell array channel are shown. マイクロウェルアレイ型流路を用いたポアソン分布に基づくビーズの単離とマイクロウェルの形状の影響。Effect of microwell shape and isolation of beads based on Poisson distribution using microwell array type channels. 大腸菌及びサルモネラ菌のマイクロウェルアレイ型流路による単離Isolation of Escherichia coli and Salmonella by microwell array channel

符号の説明Explanation of symbols

1 マイクロウェルアレイ
2 マイクロウェルアレイ本体
3 流路
3a セグメント
3b 接続部
4 ウェル
5 試料液の供給部
6 試料液の排出部
1 Microwell array 2 Microwell array body 3 Flow path
3a segment
3b Connection section 4 Well 5 Sample solution supply section 6 Sample solution discharge section

Claims (10)

(1)一端に試料液の供給部を有する流路に沿って多数のウェルを形成したマイクロウェルアレイの前記供給部に試料液を供給する工程、
(2)前記流路に前記供給部から試料液を流すことにより、前記ウェルを試料液で満たす工程、
(3)前記ウェル中に存在する生物学的材料を検出する工程
を含み、前記流路は液の流れる方向が異なる複数のセグメントを有しており、前記ウェルは、半円形マイクロウェルであることを特徴とする、試料液中に存在する生物学的材料を検出する方法。
(1) supplying a sample solution to the supply unit of the microwell array in which a number of wells are formed along a flow path having a sample solution supply unit at one end;
(2) filling the well with the sample solution by flowing the sample solution from the supply unit to the flow path;
(3) including a step of detecting a biological material present in the well, wherein the flow path has a plurality of segments having different liquid flow directions, and the well is a semicircular microwell. A method for detecting biological material present in a sample liquid, characterized in that
前記生物学的材料が、細菌、細胞、真菌、胞子、ウイルス、蛋白質または核酸である、請求項1に記載の方法 2. The method of claim 1, wherein the biological material is a bacterium, cell, fungus, spore, virus, protein or nucleic acid. 前記供給部から前記排出部へ、遠心力、毛細管力または重力落差法により試料液を流すことを特徴とする請求項1または2に記載の方法。 3. The method according to claim 1, wherein the sample liquid is caused to flow from the supply unit to the discharge unit by centrifugal force, capillary force, or gravity drop method. 各ウェル中の生物学的材料の数が1個もしくは0個である、請求項1〜3のいずれかに記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the number of biological materials in each well is 1 or 0. 生物学的材料が細菌、細胞、真菌、胞子、ウイルスまたは核酸であり、PCR法を用いて生物学的材料の検出を行う、請求項1〜4のいずれかに記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the biological material is a bacterium, a cell, a fungus, a spore, a virus, or a nucleic acid, and the biological material is detected using a PCR method. マイクロウェルアレイであって、中心側から周辺側に形成された流路、該流路に沿って形成された多数のウェル、流路の中心側端部に形成された試料液の供給部を有し、前記流路およびウェルがマイクロアレイ本体の内部に形成され、かつ、前記流路は試料液供給部から周辺側に向けて流れる方向が非連続的に変化する複数のセグメントを有しており、前記ウェルは、半円形マイクロウェルである、マイクロウェルアレイ。 A microwell array having a flow path formed from the center side to the peripheral side, a large number of wells formed along the flow path, and a sample liquid supply section formed at the center side end of the flow path. The flow path and the well are formed inside the microarray body, and the flow path has a plurality of segments in which the flow direction from the sample solution supply part toward the peripheral side changes discontinuously, The microwell array, wherein the well is a semicircular microwell. 前記供給部および流路が複数形成されている、請求項6に記載のマイクロウェルアレイ。 The microwell array according to claim 6, wherein a plurality of the supply sections and flow paths are formed. 流路の周辺側端部に試料液の排出部が形成されている、請求項6または7に記載のマイクロウェルアレイ。 The microwell array according to claim 6 or 7, wherein a discharge portion for the sample liquid is formed at a peripheral side end of the flow path. ディスク状の形状を有する、請求項6〜8のいずれかに記載のマイクロウェルアレイ。 The microwell array according to any one of claims 6 to 8, which has a disc shape. 前記流路が渦巻状の形状を有する請求項6〜9のいずれかに記載のマイクロウェルアレイ。 The microwell array according to any one of claims 6 to 9, wherein the flow path has a spiral shape.
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