JP2004301767A

JP2004301767A - Biochemical treatment device

Info

Publication number: JP2004301767A
Application number: JP2003097136A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Numajiri; 泰幸沼尻
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2004-10-28
Anticipated expiration: 2023-03-31
Also published as: JP4111505B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a device capable of proceeding a biochemical reaction automatically without letting out a solution to the outside after injection of a specimen, while using an external pump, when proceeding the biochemical reaction by a non-returnable cartridge. <P>SOLUTION: This device is equipped with the cartridge having a plurality of chambers containing the solution for treating biochemically the specimen, nozzles 20, 21 connected to each of communicated paths linking to each chamber of the cartridge, and a control part 17 for controlling the air pressure in the cartridge through the nozzles 20, 21. The control part 17 controls the air pressure so that the solution in the cartridge is moved only inside the cartridge. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、検体中の細胞、微生物、あるいは染色体、核酸などを、抗原抗体反応や核酸ハイブリダイゼーション反応などの生化学反応を利用して分析する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
血液等の検体の分析装置の多くは、抗原坑体反応を利用した免疫学的な方法、もしくは核酸ハイブリダイゼーションを利用した方法を用いている。こうした分析方法の例を挙げると、被検出物質と特異的に結合する抗体又は抗原などのタンパク質あるいは一本鎖の核酸をプローブとして微粒子、ビーズ、ガラス板などの固相表面に固定し、被検出物質と抗原抗体反応もしくは核酸ハイブリダイゼーションを行なわせる。そして酵素、蛍光性物質、発光性物質などの検知感度の高い標識物質を担持した特異的な相互作用を持つ標識化物質、例えば標識化抗体や標識化抗原又は標識化核酸などを用いて、抗原抗体化合物や二本鎖の核酸を検出して被検物質の有無を検出あるいは被検物質の定量を行うものである。
【０００３】
これらの技術を発展させたものとして、米国特許（ＵＳＰ）５，４４５，９３４号公報に、互いに異なる塩基配列を有する多数のＤＮＡ（デオキシリボ核酸）プローブを基板上にアレイ状に並べた、いわゆるＤＮＡアレイの記載がある。また、Ａｎａｌ．Ｂｉｏｃｈｅｍ．、２７０（１）、１０３−１１１、１９９９には、多種類のタンパク質をメンブレンフィルター上に並べ、ＤＮＡアレイのような構成のタンパク質アレイの作製方法が開示されている。ＤＮＡアレイ、タンパク質アレイなどによって一度に極めて多数の項目の検査を行うことが可能になってきている。
【０００４】
また、様々な検体分析方法において、検体による汚染の軽減、反応の効率化、装置の小型化、作業の簡便化などの目的で、内部で必要な反応を行う、使い捨ての生化学反応カートリッジも提案され、特表平１１−５０９０９４号には、ＤＮＡアレイを含む生化学反応カートリッジ内に複数のチャンバーを有し、差圧によって溶液の移動を行い、内部で検体からのＤＮＡの抽出あるいは増幅、又はハイブリダイゼーションなどの反応を可能とした生化学反応カートリッジが開示されている。
【０００５】
そして、上記のような生化学反応カートリッジ内部に外部から溶液を流入する方法としては、外部のシリンジポンプや真空ポンプを利用したものがある。また、生化学反応カートリッジ内部で溶液を移動する方法としては、重力、毛細管現象、電気泳動を利用したものや、そして小型であるため生化学反応カートリッジ内部に配設できるマイクロポンプとして、特許第２８３２１１７号には発熱素子を利用したもの、特開２０００−２７４３７５号には圧電素子を利用したもの、特表平１１−５０９０９４号にはダイアフラムポンプが開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
米国特許第５，４４５，９３４号
【特許文献２】
特表平１１−５０９０９４号
【特許文献３】
特許第２８３２１１７号
【特許文献４】
特開２０００−２７４３７５号
【非特許文献１】
Ａｎａｌ．Ｂｉｏｃｈｅｍ．、２７０（１）、１０３−１１１、１９９９。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、二次感染、汚染（コンタミ）を防ぐためと、使い勝手の点から、必要な溶液を内蔵した使い捨てのカートリッジを使うことが好ましいが、ポンプを内蔵したカートリッジでは高価になってしまう。
【０００８】
本発明は上述した問題に鑑みてなされたものであり、使い捨てのカートリッジで生化学反応を進める際に、外部のポンプを用いながら、ユーザが検体を注入したあとは溶液を外部に出さずに自動的に生化学反応を進める装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決し、目的を達成するための、本発明の各態様を以下に列挙する。
【００１０】
［態様１］
検体を生化学処理するための溶液が内蔵された複数のチャンバを有するカートリッジと、前記カートリッジの前記各チャンバに通じる連通路の各々に接続されるノズル部と、前記ノズル部を介して前記カートリッジ内の空気圧を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記カートリッジ内の溶液が当該カートリッジ内のみを移動するように前記空気圧を制御する。
【００１１】
［態様２］
上記態様１において、前記制御部は、前記複数のカートリッジに対して同時に空気圧を制御する。
【００１２】
［態様３］
上記態様１において、複数のノズル部を有するユニットが前記カートリッジ側に移動し、全ての連通路に前記ノズル部の各々が同時に接続される。
【００１３】
［態様４］
上記態様１において、前記制御部は、加圧と減圧の経時変化を制御する。
【００１４】
［態様５］
上記態様４において、前記加圧と減圧のタイミングをずらして前記経時変化の制御を行う。
【００１５】
［態様６］
上記態様４又は５において、前記制御部は、シリンジポンプを用いて前記経時変化の制御を行う。
【００１６】
［態様７］
検体を生化学処理するための溶液が内蔵された複数のチャンバを有するカートリッジをセットし、前記カートリッジの前記各チャンバに通じる連通路の各々にノズル部を接続し、前記カートリッジ内の溶液が当該カートリッジ内のみを移動するように前記カートリッジ内の空気圧を制御して生化学反応を発生させる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
図１に本実施形態における生化学反応カートリッジの外観図を示す。本実施形態の生化学反応カートリッジは、血液等の液体状の検体を注入して後述する処理装置にセットすると生化学反応カートリッジ内部でＤＮＡなどの抽出、増幅が行われ、増幅した検体ＤＮＡと生化学反応カートリッジ内部にあるＤＮＡマイクロアレイ上のＤＮＡプローブとのハイブリダイゼーション、ハイブリダイゼーションしなかった蛍光標識付きの検体ＤＮＡと蛍光標識の洗浄といった工程が行われる。
【００１９】
生化学反応カートリッジ１の本体はポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、アクリルニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリ塩化ビニルなどの透明あるいは半透明のプラスチックで構成されている。生化学反応カートリッジ１内の反応物についての光学的な測定を必要としない場合は、透明な材質でなくとも良い。生化学反応カートリッジ１の上部には、血液等の検体を注射器を用いて注入する際の検体入口２の部分にゴムキャップが固定されている。また、側面には生化学反応カートリッジ１内の溶液を移動するためにノズルを挿入して加圧あるいは減圧を行う複数のノズル入口３が構成され、そこにゴムキャップが固定され、反対側の面も同じ構成になっている。
【００２０】
図２は図１の生化学反応カートリッジの平面断面図である。片側の側面には１０個のノズル入口３ａ〜３ｊがあり、反対側の側面にも１０個のノズル入口３ｋ〜３ｔがある。各ノズル入口は、空気が流れる空気流路４を介して、溶液を貯蔵する場所あるいは反応を起こす場所であるチャンバー５につながっている。但しノズル入口３ｎ、３ｐ、３ｑ、３ｓは本実施形態の工程では使わないのでチャンバーにつながっておらず、予備になっている。結局、ノズル入口３ａ〜３ｊは流路４ａ〜４ｊを介してチャンバー５ａ〜５ｊにつながり、反対側のノズル入口３ｋ、３ｌ、３ｍ、３ｏ、３ｒ、３ｔは、それぞれ流路４ｋ、４ｌ、４ｍ、４ｏ、４ｒ、４ｔを介してチャンバー５ｋ、５ｌ、５ｍ、５ｏ、５ｒ、５ｔにつながっている。
【００２１】
そして、チャンバー５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｋはチャンバー７に、チャンバー５ｇ、５ｏはチャンバー８に、チャンバー５ｈ、５ｉ、５ｊ、５ｒ、５ｔはチャンバー９につながっている。さらにチャンバー７は流路１０を介してチャンバー８に、チャンバー８は流路１１を介してチャンバー９につながっている。流路１０にはチャンバー５ｄ、５ｅ、５ｆ、５ｌ、５ｍがそれぞれ流路６ｄ、６ｅ、６ｆ、６ｌ、６ｍを介してつながっている。また、チャンバー９の底面は角穴があけられ、そこにガラス基板で作製されたＤＮＡマイクロアレイ１２が下側からプローブ面が上になるように貼り付けられてチャンバー９が形成されている。
【００２２】
ＤＮＡマイクロアレイ１２は、１インチ四方程度のガラス板等の固相表面に、異なる種類のＤＮＡプローブが数十から数十万種高密度に並べてあるものである。このＤＮＡマイクロアレイ１２を用いて検体ＤＮＡとハイブリダイゼーション反応を行うことによって、一度に数多くの遺伝子の検査ができるという特徴をもつ。また、これらのＤＮＡプローブはマトリクス状に規則正しく並んでおり、それぞれのＤＮＡプローブのアドレス（例えば何行何列という位置）を情報として容易に取り出せるという特徴がある。検査の対象となる遺伝子としては、感染症ウイルス・細菌、疾患関連遺伝子の他、各個人の遺伝子多型等がある。
【００２３】
チャンバー５ａ、５ｂには、それぞれ細胞壁をこわすＥＤＴＡを含む第一の溶血剤、界面活性剤などのタンパク質変性剤を含む第二の溶血剤が蓄積されている。チャンバー５ｃにはＤＮＡが吸着するシリカコーティングされた磁性体粒子が蓄積され、チャンバー５ｌ、チャンバー５ｍには、ＤＮＡの抽出の際にＤＮＡの精製を行うために用いる第一、第二の抽出洗浄剤が蓄積されている。チャンバー５ｄにはＤＮＡを磁性体粒子から溶出する低濃度塩のバッファーからなる溶出液、チャンバー５ｇには、ＰＣＲで必要なプライマー、ポリメラーゼ、ｄＮＴＰ溶液、バッファー、蛍光剤を含むＣｙ−３ｄＵＴＰなどの混合液が充填されている。チャンバー５ｈ、５ｊにはハイブリダイゼーションしなかった蛍光標識付きの検体ＤＮＡと蛍光標識とを洗浄するための界面活性剤を含む洗浄剤、チャンバー５ｉにはＤＮＡマイクロアレイ１２を含むチャンバー９内を乾燥させるためのアルコールが蓄積されている。
【００２４】
なお、チャンバー５ｅは血液のＤＮＡ以外のゴミが溜まるチャンバー、チャンバー５ｆはチャンバー５ｌ、５ｍの第一、第二の抽出洗浄剤の廃液が溜まるチャンバー、チャンバー５ｒは第一、第二の洗浄剤の廃液が溜まるチャンバーであり、チャンバー５ｋ、５ｏ、５ｔは溶液がノズル入り口に流れ込まないために設けたブランクのチャンバーである。
【００２５】
図３は生化学反応カートリッジ１内での溶液の移動や種々の反応を制御する処理装置である。テーブル１３は生化学反応カートリッジ１をセットする場所で、テーブル１３上には、生化学反応カートリッジ１内で検体からのＤＮＡなどを抽出する際に作動させる電磁石１４、検体からのＤＮＡをＰＣＲ（ＰｏｌｙｍｅｒａｓｅＣｈａｉｎＲｅａｃｔｉｏｎ）などの方法で増幅させる際に温度制御するためのペルチェ素子１５、増幅した検体ＤＮＡと生化学反応カートリッジ内部にあるＤＮＡマイクロアレイ上のＤＮＡプローブとのハイブリダイゼーション、ハイブリダイゼーションしなかった検体ＤＮＡの洗浄を行う際に温度制御するためのペルチェ素子１６が配置され、これらは処理装置全体を制御する制御部１７に接続されている。テーブル１３の両側（図３の上下）には、電動シリンジポンプ１８、１９と、それらのポンプにより空気を吐出あるいは吸引を行う出入り口で片側１０個ずつある複数のポンプノズル２０、２１とを有するポンプブロック２２、２３が配置されている。電動シリンジポンプ１８、１９とポンプノズル２０、２１の間には、図示しない複数のよく知られた電動切替バルブが配置され、電動シリンジポンプ１８、１９と共に制御部１７に接続されている。制御部１７により、片側１０個のうちの１個ずつのポンプノズルを選択的に電動シリンジポンプ１８、１９に対してオープンになるようにしたり、すべてのポンプノズルをクローズにしたりする制御ができる。また、制御部１７は検査者が入力を行う入力部２４に接続されている。
【００２６】
本実施形態では血液を検体とし、検査者が血液を注射器を用いて検体入口２のゴムキャップを貫通させて注入すると、血液はチャンバー７に流れ込む。その後、検査者は生化学反応カートリッジ１をテーブル１３に置き、図示しないレバーを操作すると、不図示の機構によりポンプブロック２２、２３は図３の矢印の方向に移動し、ポンプノズル２０、２１がノズル入口３にゴムキャップを貫通して挿入される。
【００２７】
図２で説明したように、ノズル入口が生化学反応カートリッジの２つのエリアに集中しているので、電動シリンジポンプ、電動切替バルブ、ポンプノズルを内蔵したポンプブロック２２、２３の形状、配置が単純になる。さらに、両側の側面に集中してそれぞれ複数のノズル入口が設けられているので、必要なチャンバーや流路を確保しながら、ポンプブロック２２、２３で生化学反応カートリッジを同時に挟み込むという単純な動きで、ポンプノズル２０、２１を挿入することができ、ポンプブロック２２、２３の構成も簡単なものになる。そしてノズル入口はすべて同じ高さ、すなわち直線状に配置すると、ノズル入口に接続する流路の高さが全て同じになり、流路の作製が容易になる。
【００２８】
また、図３の処理装置で、複数（ｎ）個の生化学反応カートリッジ用にポンプブロック２２、２３をｎ倍に長くした構成にすれば、ｎ個の生化学反応カートリッジを直列に並べて、必要な工程をｎ個の生化学反応カートリッジに対して同時に行うことができ、極めて簡単な構成で多数の生化学反応カートリッジに対して生化学反応を行わせることができる。
【００２９】
検査者が入力部２４で処理開始の命令を入力すると、処理が始まる。図４は本実施形態の処理装置における処理手順を説明するフローチャートである。まずステップＳ１で、制御部１７はノズル入口３ａと３ｋのみをオープンにし、電動シリンジポンプ１８から空気を吐出し、電動シリンジポンプ１９から空気を吸引してチャンバー５ａの第一の溶血剤を血液の入ったチャンバー７に流し込む。このときに、溶血剤の粘性や流路の抵抗によるが、電動シリンジポンプ１９からの空気の吸引を、電動シリンジポンプ１８からの空気の吐出開始１０〜２００ｍＳ後に開始するように制御すると、流れる溶液の先頭で溶液が飛び出すことがなく、スムーズに溶液が流れる。このように空気の供給の制御のタイミングをずらして、加圧、減圧を制御して溶液をスムーズに流すだけではなく、電動シリンジポンプ１９からの空気の吸引を、電動シリンジポンプ１８からの空気の吐出開始時からリニアに増加するように制御するなど、細かな制御を行うことにより、さらにスムーズに流すことが可能になる。以下の溶液の移動についても同様である。空気の供給の制御は、シリンジポンプを用いることで容易に実現できたものである。そして、ノズル入口３ａと３ｏのみをオープンにし、電動シリンジポンプ１８と１９で空気の吐出、吸引を交互に繰り返し、チャンバー７の溶液を流路１０に流してその後戻す動作を繰り返して攪拌を行う。あるいは電動シリンジポンプ１９から空気の吐出を続けて気泡を発生させて攪拌しても良い。
【００３０】
図５は、図２のチャンバー５ａ、チャンバー７、チャンバー５ｋを通る断面図であり、ノズル入口３ａにポンプノズル２０が挿入されて加圧され、ノズル入口３ｋにポンプノズル２１が挿入されて減圧され、チャンバー５ａの第一の溶血剤が血液の入ったチャンバー７に流れ込む様子を示している。
【００３１】
図４に戻り、次にステップＳ２で、ノズル入口３ｂと３ｋのみをオープンにし、同様にしてチャンバー５ｂの第二の溶血剤をチャンバー７に流し込み、ステップＳ３ではノズル入口３ｃと３ｋのみをオープンにし、同様にしてチャンバー５ｃの磁性体粒子をチャンバー７に流し込む。ステップＳ２、Ｓ３ともＳ１と同様にして攪拌を行う。ステップＳ３では、磁性体粒子にステップＳ１、２で細胞が溶解して出てきたＤＮＡが磁性体粒子に付着する。
【００３２】
そして、ステップＳ４で電磁石１４をオンにし、ノズル入口３ｅと３ｋのみをオープンにし、電動シリンジポンプ２０から空気を吐出し、電動シリンジポンプ１９から空気を吸引してチャンバー７の溶液をチャンバー５ｅに移動する。この移動の際に磁性体粒子とＤＮＡが流路１０の電磁石１４の上で捕捉される。電動シリンジポンプ１８、１９の吸引、吐出を交互に繰り返して溶液をチャンバー７、５ｅ間を二回往復させてＤＮＡの捕捉効率を高める。回数をさらに増やすとさらに捕捉効率を高めることができるが、処理時間が余計にかかることになる。
【００３３】
このように、磁性体粒子を利用してＤＮＡを、幅１〜２ｍｍ程度、高さ０．２〜１ｍｍ程度の小さい流路上で、しかも流れている状態で捕捉するので、極めて効率良く捕捉することができる。捕捉ターゲット物質がＲＮＡあるいはタンパク質の場合も同様である。
【００３４】
次にステップＳ５で、電磁石１４をオフにし、ノズル入口３ｆと３ｌのみをオープンにし、電動シリンジポンプ１９から空気を吐出し、電動シリンジポンプ１７から空気を吸引してチャンバー５ｌの第一の抽出洗浄液をチャンバー５ｆに移動する。このとき、ステップＳ４で捕捉された磁性体粒子とＤＮＡが抽出洗浄液と共に移動して洗浄が行われる。ステップＳ４と同様にして二回往復した後、電磁石１４をオンにし、同様にして二回往復させて磁性体粒子とＤＮＡを流路１０の電磁石１４の上に回収し、溶液をチャンバー５ｌに戻しておく。
【００３５】
ステップＳ６で、ノズル入口３ｅと３ｍを用いてチャンバー５ｍの第二の抽出洗浄液に対して、ステップＳ５と同じ工程を行ってさらに洗浄する。ステップＳ７では電磁石１４をオンにしたまま、ノズル入口３ｆと３ｌのみをオープンにし、電動シリンジポンプ１８から空気を吐出し、電動シリンジポンプ１９から空気を吸引してチャンバー５ｄの溶出液をチャンバー８に移動する。このとき、溶出液の作用によって磁性体粒子とＤＮＡが分離し、ＤＮＡのみが溶出液と共にチャンバー８に移動し、磁性体粒子は流路１０に残る。以上のようにして、ＤＮＡの抽出、精製が行われる。抽出洗浄液が入ったチャンバーと洗浄後の廃液が入るチャンバーを用意したので、生化学反応カートリッジ１内でＤＮＡの抽出、精製を行うことが可能になった。
【００３６】
次にステップＳ８で、ノズル入口３ｇと３ｏのみをオープンにし、電動シリンジポンプ１７から空気を吐出し、電動シリンジポンプ１９から空気を吸引してチャンバー５ｉのＰＣＲ用薬剤をチャンバー８に流し込む。さらに、ノズル入口３ｇと３ｔのみをオープンにし、電動シリンジポンプ１８と１９で空気の吐出、吸引を交互に繰り返し、チャンバー７の溶液を流路１１に流してその後戻す動作を繰り返して攪拌を行う。そして、ペルチェ素子１５を制御して、チャンバー８内の溶液を９６℃の温度に１０分保った後、９６℃１０秒、５５℃１０秒、７２℃１分の工程を３０回繰り返し、溶出されたＤＮＡにＰＣＲを行って増幅する。
【００３７】
ステップＳ９では、ノズル入口３ｇと３ｔのみをオープンにし、電動シリンジポンプ１８から空気を吐出し、電動シリンジポンプ１９から空気を吸引してチャンバー８の溶液をチャンバー９に移動する。さらに、ペルチェ素子１６を制御して、チャンバー９内の溶液を４５℃で２時間保ってハイブリダイゼーションを行う。このとき、電動シリンジポンプ１８と１９で空気の吐出、吸引を交互に繰り返し、チャンバー９の溶液を流路６ｔに移動し、その後戻す動作を繰り返して攪拌を行いながらハイブリダイゼーションを進める。
【００３８】
次にステップＳ１０で、同じ４５℃を保ったまま、今度はノズル入口３ｈと３ｒのみをオープンにし、電動シリンジポンプ１８から空気を吐出し、電動シリンジポンプ１９から空気を吸引して、チャンバー９内の溶液をチャンバー５ｒに移動しながら、チャンバー５ｈの第一の洗浄液をチャンバー９を通してチャンバー５ｒに流し込む。電動シリンジポンプ１８、１９の吸引、吐出を交互に繰り返して溶液をチャンバー５ｈ、９、５ｒ間を二回往復させ、最後にチャンバー５ｈに戻す。このようにして、ハイブリダイゼーションしなかった蛍光標識付きの検体ＤＮＡと蛍光標識とが洗浄される。
【００３９】
図６は、図２のチャンバー５ｈ、チャンバー９、チャンバー５ｒを通る断面図であり、ノズル入口３ｈにポンプノズル２０が挿入されて加圧され、ノズル入口３ｒにポンプノズル２１が挿入されて減圧され、チャンバー５ｈの第一の洗浄液がチャンバー９を通してチャンバー５ｒに流れ込む様子を示している。
【００４０】
図４に戻り、ステップＳ１１では、同じ４５℃を保ったまま、ノズル入口３ｊと３ｒを用いてチャンバー５ｊの第二の洗浄液に対して、ステップＳ１０と同じ工程を行ってさらに洗浄し、最後にチャンバー５ｊに戻す。このように洗浄液が入ったチャンバー５ｈ、５ｊと洗浄後の廃液が入るチャンバー５ｒを用意したので、生化学反応カートリッジ１内でＤＮＡマイクロアレイ１２の洗浄を行うことが可能になった。
【００４１】
ステップＳ１２では、ノズル入口３ｉと３ｒのみをオープンにし、電動シリンジポンプ１８から空気を吐出し、電動シリンジポンプ１９から空気を吸引してチャンバー５ｉのアルコールをチャンバー９を通してチャンバー５ｒに移動する。その後、ステップＳ１３では、ノズル入口３ｉと３ｔのみをオープンにし、電動シリンジポンプ１８から空気を吐出し、電動シリンジポンプ１９から空気を吸引してチャンバー９内を乾燥させる。
【００４２】
この後、検査者が図示しないレバーを操作すると、不図示の機構によりポンプブロック２２、２３は生化学反応カートリッジ１から離れる方向に移動し、ポンプノズル２０、２１が生化学反応カートリッジ１のノズル入口３からはずれる。そして、検査者はこの生化学反応カートリッジを不図示の良く知られたスキャナーなどのＤＮＡマイクロアレイ用読み取り装置に挿入して測定、解析を行う。
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、装置側のポンプによりカートリッジ内の空気圧を制御し、カートリッジ内の溶液をそのカートリッジ内のみで移動させて必要な生化学反応を起こさせるので、安価でありながら溶液を外部に出さない使い捨てのカートリッジが可能となり、二次感染、汚染（コンタミ）の恐れがなくなる。さらに、カートリッジが必要な溶液を内蔵しているので、試薬・洗浄液を装置側に準備する必要がなくなり、省力と共に試薬の間違いがなくなるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施形態の生化学反応カートリッジの外観図である。
【図２】図１の生化学反応カートリッジの平面断面図である。
【図３】本実施形態の生化学反応カートリッジ内での溶液の移動や種々の反応を制御する処理装置である。
【図４】本実施形態の処理装置における処理手順を説明するフローチャートである。
【図５】図２のチャンバー５ａ、チャンバー７、チャンバー５ｋを通る断面図である。
【図６】図２のチャンバー５ｈ、チャンバー９、チャンバー５ｒを通る断面図である。
【符号の説明】
１生化学反応カートリッジ
２検体入口
３ノズル入口
４空気流路
５、７〜９チャンバー
６、１０、１１流路
１２ＤＮＡマイクロアレイ
１３テーブル
１７制御部
１８、１９電動シリンジポンプ
２０、２１ポンプノズル
２２、２３ポンプブロック[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a technique for analyzing cells, microorganisms, chromosomes, nucleic acids, and the like in a sample by using a biochemical reaction such as an antigen-antibody reaction or a nucleic acid hybridization reaction.
[0002]
[Prior art]
Many analyzers for specimens such as blood use an immunological method utilizing an antigen-body reaction or a method utilizing nucleic acid hybridization. As an example of such an analysis method, a protein such as an antibody or an antigen or a single-stranded nucleic acid that specifically binds to a substance to be detected is immobilized as a probe on a solid phase surface such as a fine particle, a bead, or a glass plate, and the detection is performed. An antigen-antibody reaction or nucleic acid hybridization is performed with the substance. Enzymes, fluorescent substances, labeled substances having a specific interaction carrying a highly sensitive labeling substance such as a luminescent substance, for example, using a labeled antibody or a labeled antigen or a labeled nucleic acid, etc. The detection of the presence or absence of a test substance or the quantification of the test substance is performed by detecting an antibody compound or a double-stranded nucleic acid.
[0003]
As a development of these techniques, US Pat. No. 5,445,934 discloses a so-called DNA in which a large number of DNA (deoxyribonucleic acid) probes having different base sequences are arranged in an array on a substrate. There is an array description. Also, Anal. Biochem. 270 (1), 103-111 and 1999 disclose a method for preparing a protein array having a configuration such as a DNA array by arranging various types of proteins on a membrane filter. It has become possible to test an extremely large number of items at once by using a DNA array, a protein array, or the like.
[0004]
In addition, we propose disposable biochemical reaction cartridges that perform the necessary reactions internally in various sample analysis methods for the purpose of reducing contamination by the sample, increasing the efficiency of the reaction, reducing the size of the device, and simplifying the work. Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-509094 discloses that a biochemical reaction cartridge including a DNA array has a plurality of chambers, the solution is moved by a differential pressure, and DNA is extracted or amplified from a sample inside, or A biochemical reaction cartridge that enables a reaction such as hybridization is disclosed.
[0005]
As a method for flowing a solution from the outside into the biochemical reaction cartridge as described above, there is a method using an external syringe pump or vacuum pump. As a method for moving the solution inside the biochemical reaction cartridge, a method utilizing gravity, capillary action, and electrophoresis, and a micropump which can be disposed inside the biochemical reaction cartridge because of its small size, are disclosed in Japanese Patent No. 2832117. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-274375 discloses a piezoelectric pump, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-509094 discloses a diaphragm pump.
[0006]
[Patent Document 1]
US Patent No. 5,445,934 [Patent Document 2]
Japanese Patent Publication No. 11-509094 [Patent Document 3]
Patent No. 2832117 [Patent Document 4]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-274375 [Non-Patent Document 1]
Anal. Biochem. 270 (1), 103-111, 1999.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in order to prevent secondary infection and contamination (contamination) and from the viewpoint of usability, it is preferable to use a disposable cartridge containing a necessary solution. However, a cartridge containing a pump is expensive.
[0008]
The present invention has been made in view of the above-described problem, and when a biochemical reaction is carried out with a disposable cartridge, after a user injects a sample using an external pump without using a solution, the solution is automatically discharged. It is an object of the present invention to provide an apparatus for promoting a biochemical reaction.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
Embodiments of the present invention for solving the above-mentioned problems and achieving the objects are listed below.
[0010]
[Aspect 1]
A cartridge having a plurality of chambers in which a solution for performing a biochemical treatment of a sample is housed, a nozzle unit connected to each of communication paths communicating with the respective chambers of the cartridge, and a cartridge inside the cartridge via the nozzle unit. And a control unit for controlling the air pressure of the cartridge, wherein the control unit controls the air pressure so that the solution in the cartridge moves only in the cartridge.
[0011]
[Aspect 2]
In the first aspect, the control unit controls the air pressure of the plurality of cartridges simultaneously.
[0012]
[Aspect 3]
In the above aspect 1, a unit having a plurality of nozzles moves to the cartridge side, and each of the nozzles is simultaneously connected to all communication paths.
[0013]
[Aspect 4]
In the first aspect, the control unit controls a change with time in the pressurization and the pressure reduction.
[0014]
[Aspect 5]
In the above aspect 4, the temporal change is controlled by shifting the timing of the pressurization and the pressure reduction.
[0015]
[Aspect 6]
In the above aspect 4 or 5, the control unit controls the change with time using a syringe pump.
[0016]
[Aspect 7]
A cartridge having a plurality of chambers containing a solution for biochemical processing of a sample is set, and a nozzle portion is connected to each of communication paths communicating with the respective chambers of the cartridge. A biochemical reaction is generated by controlling the air pressure in the cartridge so as to move only inside the cartridge.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0018]
FIG. 1 shows an external view of a biochemical reaction cartridge according to the present embodiment. In the biochemical reaction cartridge of the present embodiment, when a liquid sample such as blood is injected and set in a processing device described later, extraction and amplification of DNA and the like are performed inside the biochemical reaction cartridge, and the amplified sample DNA Steps such as hybridization with the DNA probe on the DNA microarray inside the chemical reaction cartridge and washing of the non-hybridized fluorescent-labeled sample DNA and the fluorescent label are performed.
[0019]
The main body of the biochemical reaction cartridge 1 is made of a transparent or translucent plastic such as polymethyl methacrylate (PMMA), acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS), polystyrene, polycarbonate, polyester, and polyvinyl chloride. When the optical measurement of the reactant in the biochemical reaction cartridge 1 is not required, it is not necessary to use a transparent material. A rubber cap is fixed to an upper portion of the biochemical reaction cartridge 1 at a sample inlet 2 when a sample such as blood is injected using a syringe. In addition, a plurality of nozzle inlets 3 are provided on the side surface of the biochemical reaction cartridge 1 for inserting a nozzle for moving the solution in the biochemical reaction cartridge and performing pressurization or decompression. A rubber cap is fixed thereto, and the opposite surface is provided. Has the same configuration.
[0020]
FIG. 2 is a plan sectional view of the biochemical reaction cartridge of FIG. There are ten nozzle inlets 3a-3j on one side and ten nozzle inlets 3k-3t on the opposite side. Each nozzle inlet is connected via an air flow path 4 through which air flows to a chamber 5 which is a place for storing a solution or a place where a reaction takes place. However, since the nozzle inlets 3n, 3p, 3q, and 3s are not used in the process of this embodiment, they are not connected to the chamber and are reserved. Eventually, the nozzle inlets 3a to 3j are connected to the chambers 5a to 5j via the flow paths 4a to 4j, and the opposite nozzle inlets 3k, 31, 3, 3o, 3r, 3t are respectively connected to the flow paths 4k, 4, 1, 4m, The chambers 5k, 5l, 5m, 5o, 5r, 5t are connected via 4o, 4r, 4t.
[0021]
The chambers 5a, 5b, 5c and 5k are connected to the chamber 7, the chambers 5g and 5o are connected to the chamber 8, and the chambers 5h, 5i, 5j, 5r and 5t are connected to the chamber 9. Further, the chamber 7 is connected to the chamber 8 via a flow path 10, and the chamber 8 is connected to the chamber 9 via a flow path 11. Chambers 5d, 5e, 5f, 51, and 5m are connected to the flow path 10 via flow paths 6d, 6e, 6f, 61, and 6m, respectively. In addition, a square hole is formed in the bottom surface of the chamber 9, and a DNA microarray 12 made of a glass substrate is attached thereto so that the probe surface faces upward from below, thereby forming the chamber 9.
[0022]
The DNA microarray 12 has several dozen to hundreds of thousands of different types of DNA probes arranged at a high density on a solid surface such as a glass plate of about 1 inch square. By performing a hybridization reaction with a sample DNA using the DNA microarray 12, a feature is that many genes can be tested at once. Further, these DNA probes are regularly arranged in a matrix, and the feature is that the address (for example, the number of rows and the number of columns) of each DNA probe can be easily taken out as information. Genes to be tested include infectious disease viruses / bacteria, disease-related genes, and gene polymorphisms of each individual.
[0023]
In the chambers 5a and 5b, a first hemolytic agent containing EDTA, which breaks the cell wall, and a second hemolytic agent containing a protein denaturant such as a surfactant are accumulated. Silica-coated magnetic particles to which DNA is adsorbed are accumulated in the chamber 5c, and first and second extraction detergents used for purifying the DNA at the time of extracting the DNA are contained in the chamber 51 and the chamber 5m. Has been accumulated. The chamber 5d contains an eluate composed of a buffer of a low concentration salt that elutes DNA from magnetic particles, and the chamber 5g contains primers required for PCR, polymerase, dNTP solution, buffer, and Cy-3 dUTP containing a fluorescent agent. The mixture is filled. In chambers 5h and 5j, a detergent containing a detergent for washing the fluorescence-labeled sample DNA and the fluorescent label that have not been hybridized, and in chamber 5i for drying the inside of chamber 9 containing DNA microarray 12 Alcohol has accumulated.
[0024]
The chamber 5e is a chamber for storing dust other than blood DNA, the chamber 5f is a chamber for storing waste liquid of the first and second extraction cleaning agents in the chambers 51 and 5m, and the chamber 5r is for the first and second cleaning agents. The chambers 5k, 5o, and 5t are blank chambers provided for preventing the solution from flowing into the inlet of the nozzle.
[0025]
FIG. 3 shows a processing apparatus for controlling the movement of a solution and various reactions in the biochemical reaction cartridge 1. The table 13 is a place where the biochemical reaction cartridge 1 is set. On the table 13, an electromagnet 14 that is operated when extracting DNA or the like from the sample in the biochemical reaction cartridge 1, and a DNA (Polymerase) from the sample is used. Peltier element 15 for temperature control when amplifying by a method such as Chain Reaction, hybridization of amplified sample DNA with a DNA probe on a DNA microarray inside a biochemical reaction cartridge, and sample DNA not hybridized A Peltier device 16 for controlling the temperature at the time of cleaning is arranged, and these are connected to a control unit 17 for controlling the entire processing apparatus. A pump having electric syringe pumps 18 and 19 and a plurality of pump nozzles 20 and 21 each having 10 inlets and outlets at each of the inlets and outlets for discharging or sucking air by the pumps on both sides of the table 13 (upper and lower in FIG. 3). Blocks 22 and 23 are arranged. A plurality of well-known electric switching valves (not shown) are arranged between the electric syringe pumps 18 and 19 and the pump nozzles 20 and 21, and are connected to the control unit 17 together with the electric syringe pumps 18 and 19. The control unit 17 can perform control such that one of the ten pump nozzles on one side is selectively opened with respect to the electric syringe pumps 18 and 19 or all the pump nozzles are closed. Further, the control unit 17 is connected to an input unit 24 where the examiner performs input.
[0026]
In the present embodiment, blood is used as a sample, and when an examiner injects blood through a rubber cap of the sample inlet 2 using a syringe, blood flows into the chamber 7. Thereafter, when the examiner places the biochemical reaction cartridge 1 on the table 13 and operates a lever (not shown), the pump blocks 22 and 23 are moved in the direction of the arrow in FIG. The rubber cap is inserted into the nozzle inlet 3 and inserted.
[0027]
As described in FIG. 2, since the nozzle inlet is concentrated in two areas of the biochemical reaction cartridge, the shape and arrangement of the electric syringe pump, the electric switching valve, and the pump blocks 22 and 23 including the pump nozzle are simple. become. Furthermore, since a plurality of nozzle inlets are respectively provided on both side faces, a simple movement of simultaneously sandwiching biochemical reaction cartridges between the pump blocks 22 and 23 while securing necessary chambers and flow paths. , Pump nozzles 20 and 21 can be inserted, and the configuration of the pump blocks 22 and 23 can be simplified. If all the nozzle inlets are arranged at the same height, that is, linearly arranged, the heights of the flow paths connected to the nozzle inlets are all the same, which facilitates the production of the flow paths.
[0028]
In the processing apparatus of FIG. 3, if the pump blocks 22 and 23 are configured to be n times longer for a plurality (n) of biochemical reaction cartridges, n biochemical reaction cartridges may be arranged in series and required. Steps can be performed simultaneously on n biochemical reaction cartridges, and a biochemical reaction can be performed on a large number of biochemical reaction cartridges with a very simple configuration.
[0029]
When the examiner inputs a command to start the process using the input unit 24, the process starts. FIG. 4 is a flowchart illustrating a processing procedure in the processing device of the present embodiment. First, in step S1, the control unit 17 opens only the nozzle inlets 3a and 3k, discharges air from the electric syringe pump 18, sucks air from the electric syringe pump 19, and converts the first hemolytic agent in the chamber 5a into blood. Pour into the chamber 7 in which it has been placed. At this time, depending on the viscosity of the hemolytic agent and the resistance of the flow path, if the suction of the air from the electric syringe pump 19 is controlled to start 10 to 200 mS after the discharge of the air from the electric syringe pump 18 starts, the solution flowing The solution flows smoothly without the solution jumping out at the head. In this way, the timing of the control of the supply of air is shifted to control the pressurization and depressurization to not only flow the solution smoothly, but also to suck the air from the electric syringe pump 19 to the air from the electric syringe pump 18. By performing a fine control such as a control to increase linearly from the start of the discharge, it is possible to flow more smoothly. The same applies to the transfer of the following solution. The control of the supply of air can be easily realized by using a syringe pump. Then, only the nozzle inlets 3a and 3o are opened, and the discharge and suction of air are alternately repeated by the electric syringe pumps 18 and 19, and the operation of flowing the solution in the chamber 7 to the flow path 10 and then returning the same is repeated to perform stirring. Alternatively, the electric syringe pump 19 may continue to discharge air to generate bubbles and stir.
[0030]
FIG. 5 is a cross-sectional view passing through the chamber 5a, the chamber 7, and the chamber 5k in FIG. 2. The pump nozzle 20 is inserted into the nozzle inlet 3a to be pressurized, and the pump nozzle 21 is inserted into the nozzle inlet 3k to be depressurized. , The first hemolytic agent in the chamber 5a flows into the chamber 7 containing blood.
[0031]
Returning to FIG. 4, next, in step S2, only the nozzle inlets 3b and 3k are opened, and similarly, the second hemolytic agent in the chamber 5b is poured into the chamber 7, and in step S3, only the nozzle inlets 3c and 3k are opened. Similarly, the magnetic particles in the chamber 5c are poured into the chamber 7. In both steps S2 and S3, stirring is performed in the same manner as in S1. In step S3, the DNA obtained by lysing the cells in steps S1 and S2 in the magnetic particles adheres to the magnetic particles.
[0032]
Then, in step S4, the electromagnet 14 is turned on, only the nozzle inlets 3e and 3k are opened, air is discharged from the electric syringe pump 20, air is sucked from the electric syringe pump 19, and the solution in the chamber 7 is moved to the chamber 5e. I do. During this movement, the magnetic particles and the DNA are captured on the electromagnet 14 in the channel 10. The solution is reciprocated twice between the chambers 7 and 5e by alternately repeating the suction and discharge of the electric syringe pumps 18 and 19 to increase the DNA capturing efficiency. Increasing the number further increases the capture efficiency, but requires additional processing time.
[0033]
As described above, the magnetic particles are used to capture DNA on a small flow path having a width of about 1 to 2 mm and a height of about 0.2 to 1 mm, and in a flowing state. Can be. The same applies when the capture target substance is RNA or protein.
[0034]
Next, in step S5, the electromagnet 14 is turned off, only the nozzle inlets 3f and 3l are opened, air is discharged from the electric syringe pump 19, and air is sucked from the electric syringe pump 17, so that the first extraction washing liquid in the chamber 5l is extracted. Is moved to the chamber 5f. At this time, the magnetic particles and the DNA captured in step S4 move together with the extraction washing solution to perform washing. After reciprocating twice in the same manner as in step S4, the electromagnet 14 is turned on, and reciprocating twice in the same manner to collect the magnetic particles and DNA on the electromagnet 14 in the flow path 10 and return the solution to the chamber 51. Keep it.
[0035]
In step S6, the same process as in step S5 is further performed on the second extraction cleaning liquid in the chamber 5m using the nozzle inlets 3e and 3m. In step S7, with the electromagnet 14 kept on, only the nozzle inlets 3f and 3l are opened, air is discharged from the electric syringe pump 18, air is sucked from the electric syringe pump 19, and the eluate from the chamber 5d is transferred to the chamber 8. Moving. At this time, the magnetic particles and the DNA are separated by the action of the eluate, only the DNA moves to the chamber 8 together with the eluate, and the magnetic particles remain in the flow path 10. As described above, DNA extraction and purification are performed. Since a chamber containing the extraction washing liquid and a chamber containing the waste liquid after washing were prepared, DNA extraction and purification in the biochemical reaction cartridge 1 became possible.
[0036]
Next, in step S8, only the nozzle inlets 3g and 3o are opened, air is discharged from the electric syringe pump 17, and air is sucked from the electric syringe pump 19 to flow the PCR drug in the chamber 5i into the chamber 8. Further, only the nozzle inlets 3g and 3t are opened, and the discharge and suction of air are alternately repeated by the electric syringe pumps 18 and 19, and the operation of flowing the solution in the chamber 7 to the flow path 11 and then returning the same is repeated to perform stirring. After controlling the Peltier element 15 to maintain the solution in the chamber 8 at a temperature of 96 ° C. for 10 minutes, the steps of 96 ° C. for 10 seconds, 55 ° C. for 10 seconds, and 72 ° C. for 1 minute are repeated 30 times to elute. The resulting DNA is amplified by PCR.
[0037]
In step S9, only the nozzle inlets 3g and 3t are opened, air is discharged from the electric syringe pump 18, and air is sucked from the electric syringe pump 19 to move the solution in the chamber 8 to the chamber 9. Further, the Peltier device 16 is controlled to carry out hybridization while keeping the solution in the chamber 9 at 45 ° C. for 2 hours. At this time, the discharge and suction of air are alternately repeated by the electric syringe pumps 18 and 19, the solution in the chamber 9 is moved to the flow path 6t, and then the returning operation is repeated to advance the hybridization while stirring.
[0038]
Next, in step S10, while maintaining the same 45 ° C., only the nozzle inlets 3h and 3r are opened, air is discharged from the electric syringe pump 18, air is drawn from the electric syringe pump 19, and While the solution is moved to the chamber 5r, the first cleaning liquid in the chamber 5h flows into the chamber 5r through the chamber 9. The solution is reciprocated twice between the chambers 5h, 9 and 5r by alternately repeating the suction and discharge of the electric syringe pumps 18 and 19, and finally returned to the chamber 5h. In this manner, the fluorescently labeled sample DNA and the fluorescent label that have not been hybridized are washed.
[0039]
FIG. 6 is a cross-sectional view passing through the chamber 5h, the chamber 9, and the chamber 5r in FIG. 2. The pump nozzle 20 is inserted into the nozzle inlet 3h to be pressurized, and the pump nozzle 21 is inserted into the nozzle inlet 3r to be depressurized. , The first cleaning liquid in the chamber 5h flows through the chamber 9 into the chamber 5r.
[0040]
Returning to FIG. 4, in step S11, while maintaining the same 45 ° C., the second cleaning liquid in the chamber 5j is further cleaned by performing the same process as in step S10 using the nozzle inlets 3j and 3r. Return to chamber 5j. Since the chambers 5h and 5j containing the washing liquid and the chamber 5r containing the waste liquid after washing are prepared, the DNA microarray 12 can be washed in the biochemical reaction cartridge 1.
[0041]
In step S12, only the nozzle inlets 3i and 3r are opened, air is discharged from the electric syringe pump 18, and air is sucked from the electric syringe pump 19 to move the alcohol in the chamber 5i to the chamber 5r through the chamber 9. Then, in step S13, only the nozzle inlets 3i and 3t are opened, air is discharged from the electric syringe pump 18, and air is sucked from the electric syringe pump 19 to dry the inside of the chamber 9.
[0042]
Thereafter, when the examiner operates a lever (not shown), the pump blocks 22 and 23 are moved away from the biochemical reaction cartridge 1 by a mechanism (not shown), and the pump nozzles 20 and 21 are moved to the nozzle inlet of the biochemical reaction cartridge 1. Deviate from 3. Then, the examiner inserts the biochemical reaction cartridge into a DNA microarray reader such as a well-known scanner (not shown) to perform measurement and analysis.
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the air pressure in the cartridge is controlled by the pump on the device side, and the solution in the cartridge is moved only within the cartridge to cause a necessary biochemical reaction. It is possible to use a disposable cartridge that does not allow the solution to be discharged to the outside while eliminating the risk of secondary infection and contamination. Further, since the cartridge contains a necessary solution, there is no need to prepare a reagent / washing liquid in the apparatus, and there is an effect that labor is saved and a mistake of the reagent is eliminated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an external view of a biochemical reaction cartridge according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan sectional view of the biochemical reaction cartridge of FIG.
FIG. 3 is a processing apparatus for controlling movement of a solution and various reactions in the biochemical reaction cartridge of the present embodiment.
FIG. 4 is a flowchart illustrating a processing procedure in the processing apparatus of the present embodiment.
FIG. 5 is a cross-sectional view passing through a chamber 5a, a chamber 7, and a chamber 5k in FIG.
FIG. 6 is a cross-sectional view passing through a chamber 5h, a chamber 9, and a chamber 5r in FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Biochemical reaction cartridge 2 Sample inlet 3 Nozzle inlet 4 Air flow path 5, 7-9 Chamber 6, 10, 11 Flow path 12 DNA microarray 13 Table 17 Control part 18, 19 Electric syringe pump 20, 21, Pump nozzle 22, 23 Pump block

Claims

検体を生化学処理するための溶液が内蔵された複数のチャンバを有するカートリッジと、
前記カートリッジの前記各チャンバに通じる連通路の各々に接続されるノズル部と、
前記ノズル部を介して前記カートリッジ内の空気圧を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記カートリッジ内の溶液が当該カートリッジ内のみを移動するように前記空気圧を制御することを特徴とする生化学処理装置。A cartridge having a plurality of chambers containing a solution for biochemical processing of the specimen,
A nozzle unit connected to each of the communication paths communicating with the respective chambers of the cartridge,
A control unit for controlling the air pressure in the cartridge via the nozzle unit,
The biochemical treatment apparatus according to claim 1, wherein the control unit controls the air pressure so that the solution in the cartridge moves only in the cartridge.