JP2005265575A - 生化学反応カートリッジ及び処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】試薬の補充の煩わしさ、試薬の種類の間違いを解消し、かつ保存・運搬時の環境変化や振動でもチャンバ内の試薬が流路や他のチャンバに流れ込むことなく、また検査時には確実に試薬を反応部へ供給することができる生化学反応カートリッジを提供する。
【解決手段】チャンバ・流路を含む反応部分と、別体の前記チャンバと対応する位置に溶液を蓄える溶液貯蔵部分から溶液を反応部分のチャンバに移動させるために、両者間の貫通可能な仕切り板が貫通される。また、溶液が反応部分のチャンバに移動し易くするためにチャンバ内を加圧する加圧手段または溶液が移動する反応部分のチャンバ内を減圧する減圧手段を持つ。
【選択図】図１

Description

本発明は、検体中の細胞、微生物、或いは染色体、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装置に組み込んで用いる生化学反応カートリッジに関するものである。

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、又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。このような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或いは一本鎖の核酸をプローブとして使い、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又は核酸ハイブリダイゼーションを行わせる。

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又は被検物質の定量を行うものである。

これらの技術を発展させたものとして、米国特許５、４４５、９３４号公報には、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所謂ＤＮＡアレイが記載されている。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。そして、ＤＮＡアレイ、タンパク質アレイなどによって、極めて多数の項目の検査を一度に行うことが可能になってきている。

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号公報には、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を配し、差圧によって溶液を移動させ、カートリッジ内部で検体中のＤＮＡの抽出或いは増幅、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。

生化学反応カートリッジでの試薬の供給方法として、特開２０００−２６６７５９号公報には使い捨ての分析カセットに外部の試薬ボトルから試薬を供給することが開示されており、特表平１１−５０９０９４号公報にはチャンバ内に試薬を前もって内蔵することの開示がある。
米国特許５、４４５、９３４号公報 特表平１１−５０９０９４号公報 特表平１１−５０９０９４号公報 特開２０００−２６６７５９号公報 特表平１１−５０９０９４号公報

しかしながら、外部から試薬を供給する場合には、生化学反応カートリッジとは別に複数の試薬を用意しなければならず、更に検査項目が多いと必要な試薬の種類も多くなり、補充が煩わしくなるだけでなく、試薬の種類を間違える虞れがある。また、生化学反応カートリッジのチャンバに試薬を内蔵するものでは、保存・運搬時の環境変化や運搬時の振動などによって、チャンバ内の試薬が流路や他のチャンバに流れ込んで、意図する反応と異なる反応を起こす可能性がある。

本発明の目的は、上述の問題点を解消し、試薬の補充の煩わしさ、試薬の種類の間違いを解消し、かつ保存・運搬時の環境変化や振動でもチャンバ内の試薬が流路や他のチャンバに流れ込むことなく、また検査時には確実に試薬を反応部へ供給することができる生化学反応カートリッジを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る生化学反応カートリッジ及び処理装置は、チャンバ・流路を含む反応部分と、該反応部分と隔離又は別体にして前記チャンバと対応する位置に溶液を蓄える溶液貯蔵部分とを有し、該溶液貯蔵部分から溶液を前記反応部分のチャンバに移動させるために、前記溶液貯蔵部分と前記反応部分との間に貫通可能な仕切部材を設け、前記仕切り部材が貫通され前記溶液が前記反応部分のチャンバに移動する際、前記溶液貯蔵部分のチャンバ内を加圧する加圧手段または前記溶液が移動する前記反応部分のチャンバ内を減圧する減圧手段の少なくとも一方を有することを特徴とする。

以上説明したように本発明に係る生化学反応カートリッジは、チャンバ・流路を含む反応部分と、反応部分と隔離されて或いは反応部分と別体で試薬・洗浄剤などの溶液を蓄える溶液貯蔵部分とを有し、溶液を溶液貯蔵部分から反応部分に移動するために隔離している部材が貫通できる又は溶液貯蔵部分と反応部分とを接触させてそれらの壁面が貫通できる仕切り部材を設け、前記仕切り部材が貫通され前記溶液が前記反応部分のチャンバに移動する際、前記溶液貯蔵部分のチャンバ内を加圧または前記溶液が移動する前記反応部分のチャンバ内を減圧することにより、所定量の溶液を生化学反応カートリッジ内に確実に準備できるので、試薬の補充の煩わしさ、試薬の種類の間違いを軽減し、かつ保存・運搬時の環境変化や振動でもチャンバ内の試薬が流路や他のチャンバに流れ込むことがなく、意図する反応を正しく起こさせ得るという利点がある。

本発明を図示の実施の形態に基づいて詳細に説明する。

図１は本実施の形態における生化学反応カートリッジの斜視図を示している。カートリッジは反応が行われる反応部分１と、その上に配置され試薬・洗浄剤などの溶液を貯蔵する溶液貯蔵部分２の２層構造とされている。反応部分１と溶液貯蔵部分２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）共重合体、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合成樹脂で構成されている。反応物についての光学的な測定を行う場合は、反応部分１には透明又は半透明のプラスチックが必要になる。

反応部分１の上部には、注射器を用いて血液等の検体を注入する検体入口３が設けられ、この検体入口３はゴムキャップにより封止されている。また、反応部分１の両側面には、反応部分１内の溶液を移動するために、ノズルを挿入して加圧或いは減圧を行うための複数のノズル入口４が設けられ、これらのノズル入口４はゴムキャップにより封止され、反対側の面も同じ構成になっている。

また、溶液貯蔵部分２の上部には、後述する溶液貯蔵チャンバの上部を塞ぐための３枚のアルミ箔シート５が貼り付けられている。そして、反応部分１と溶液貯蔵部分２は超音波により溶着されている。なお、反応部分１と溶液貯蔵部分２は別体の構成にして、使用時に重ね合わせるようにしても良い。

図２は図１の溶液貯蔵部分２の平面断面図を示し、溶液が入った独立したチャンバ６ａ〜６ｍが設けられ、チャンバ６ａ、６ｂにはそれぞれ細胞壁を壊すＥＤＴＡを含む第１の溶血剤、界面活性剤などのタンパク質変性剤を含む第２の溶血剤が蓄積されている。チャンバ６ｃ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６ｌ、チャンバ６ｍには、ＤＮＡの抽出の際にＤＮＡの精製を行うために用いる第１、第２の抽出洗浄剤が蓄積されている。

チャンバ６ｄにはＤＮＡを磁性体粒子から溶出する低濃度塩のバッファから成る溶出液、チャンバ６ｇにはＰＣＲで必要なプライマ、ポリメラーゼ、ｄＮＴＰ溶液、バッファ、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６ｈ、６ｊ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６ｉには後述するＤＮＡマイクロアレイを含むチャンバ内を乾燥させるためのアルコールが蓄積されている。そして、各チャンバ６ａ〜６ｍには後述するシートを貫通するための尖った弁棒７ａ〜７ｍが付設されている。

図３は生化学反応カートリッジの保存時の状態を示した断面図であり、溶液が入った溶液貯蔵部分２のチャンバ６には切欠き８を持つ弁棒７が挿入され、２個のＯリング９により保持されている。溶液チャンバ６の下部はアルミ箔シート１０により塞がれ、チャンバ６と反応部分１のチャンバ１１間には空気が出入りできないようにするシール材１２が介在されている。環境による溶液、空気の体積変化や圧力の変化は、アルミ箔シート１０の変形で吸収できるようにされており、不時にチャンバ６の溶液が反応部分１に浸入することはない。

図４は検査者が血液等の液体状の検体を検体入口３から注入し、後述する処理装置にセットしてから、工具用ニードル１３の短い押圧棒１３ａを用いて１段目に弁棒７を押し込んで、アルミ箔シート１０を破り、溶液がチャンバ６からチャンバ１１に移動を始めた状態である。この状態では、弁棒７に設けた切欠き８は２個のＯリング９の上下につながっているので、チャンバ６内と外部とで空気が通じ溶液は円滑に移動することができる。このとき、後述する図７の処理装置の電動シリンジポンプ２８を作動させ、反応部分１のチャンバ１１内の空気を吸引して減圧することにより、より確実に溶液はチャンバ１１へ移動する。

このように、仕切部材として貫通可能なアルミ箔シート１０を有しているので、工具用ニードル１３の押圧棒１３ａを反応部分１側に押し込むだけで、工具用ニードル１３が触れることなく、極めて簡単に溶液をチャンバ６からチャンバ１１内に流し込むことができ、さらに処理装置の電動シリンジポンプ２８を作動させ、反応部分１のチャンバ１１内の空気を吸引してことにより、より確実に溶液はチャンバ１１へ移動することができる。なお、本実施の形態では、溶液貯蔵部分２のチャンバの位置の真下に反応部分１の対応するチャンバがあるが、流路を形成するなどして対応するチャンバが真下になくても構わない。

次に、検査者は工具用ニードル１３を一旦抜き取り、図５に示すように逆さにして長い側の押圧棒１３ｂによる２段目の押し込みによって、更に弁棒７を押し下げる。すると、上側のＯリング９により空気は密閉され、後述する反応部分１内での溶液の移動が可能になる。検査者はこの工程を全てのチャンバ６ａ〜６ｍに対して行う。このように、工具用ニードル１３を用いて１段目の押し込みで溶液を流し込み、２段目の押し込みにより密閉できるので、押し込みという簡単な動作だけで、溶液のチャンバ１１への流し込み、密閉という２つの作業が同時に実行できる。

図６は反応部分１の平面断面図である。片側の側面には１０個のノズル入口４ａ〜４ｊが設けられ、反対側の側面にも１０個のノズル入口４ｋ〜４ｔが設けられている。各ノズル入口４ａ〜４ｔは空気が流れる空気流路１４ａ〜１４ｔを介して、溶液を貯蔵する場所或いは反応を起こす場所であるチャンバ１１ａ〜１１ｔに連通している。ただし、ノズル入口４ｎ、４ｐ、４ｑ、４ｓは本実施の形態の工程では使用しないので、チャンバに連通しておらず予備になっている。

つまりは、ノズル入口４ａ〜４ｊは流路１４ａ〜１４ｊを介してチャンバ１１ａ〜１１ｊに連通して、反対側のノズル入口４ｋ、４ｌ、４ｍ、４ｏ、４ｒ、４ｔは、それぞれ流路１４ｋ、１４ｌ、１４ｍ、１４ｏ、１４ｒ、１４ｔを介して、チャンバ１１ｋ、１１ｌ、１１ｍ、１１ｏ、１１ｒ、１１ｔに連通している。

そして、検体入口３はチャンバ１６に連通され、チャンバ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｋはチャンバ１６に、チャンバ１１ｇ、１１ｏはチャンバ１７に、チャンバ１１ｈ、１１ｉ、１１ｊ、１１ｒ、１１ｔはチャンバ１８に連通している。更に、チャンバ１６は流路１９を介してチャンバ１７に、チャンバ１７は流路２０を介してチャンバ１８に連通している。流路１９にはチャンバ１１ｄ、１１ｅ、１１ｆ、１１ｌ、１１ｍが、それぞれ流路１５ｄ、１５ｅ、１５ｆ、１５ｌ、１５ｍを介して連通している。

また、チャンバ１８の底面には角孔があけられ、この角孔にガラス基板で作製されたＤＮＡマイクロアレイ２１が、プローブ面を上にして貼り付けられている。ＤＮＡマイクロアレイ２１には、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１０〜数１０万種高密度に並べられている。このＤＮＡマイクロアレイ２１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。また、これらのＤＮＡプローブはマトリッ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（何行・何列）を情報として、容易に取り出せるという利点がある。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に各個人の遺伝子多型等がある。

反応部分１のチャンバ１１ａ、１１ｂには、それぞれ溶液貯蔵部分２のチャンバ６ａ、６ｂから流れた第１の溶血剤、第２の溶血剤が蓄積されている。チャンバ１１ｃには、チャンバ６ｃから流れた磁性体粒子が蓄積され、チャンバ１１ｌ、チャンバ１１ｍには、それぞれチャンバ６ｌ、チャンバ６ｍから流れた第１、第２の抽出洗浄剤が蓄積されている。チャンバ１１ｄには、チャンバ６ｄから流れた溶出液、チャンバ１１ｇには、チャンバ６ｇから流れたＰＣＲ（Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ Ｃｈａｉｎ Ｒｅａｃｔｉｏｎ）で必要な混合液が充填されている。チャンバ１１ｈ、１１ｊには、それぞれチャンバ６ｈ、６ｊから流れた洗浄剤、チャンバ１１ｉには、チャンバ６ｉから流れたアルコールが蓄積されている。

なお、チャンバ１１ｅは血液のＤＮＡ以外の塵埃が溜まるチャンバ、チャンバ１１ｆはチャンバ１１ｌ、１１ｍの第１、第２の抽出洗浄剤の廃液が溜まるチャンバ、チャンバ１１ｒは第１、第２の洗浄剤の廃液が溜まるチャンバであり、チャンバ１１ｋ、１１ｏ、１１ｔは溶液がノズル入口に流れ込まないために設けたブランクのチャンバである。

図７は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。テーブル２２は生化学反応カートリッジをセットする場所であり、テーブル２２上には、カートリッジ内で検体からのＤＮＡなどを抽出する際に作動させる電磁石２３、検体からのＤＮＡをＰＣＲ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２４、増幅した検体ＤＮＡとカートリッジ内部にあるＤＮＡマイクロアレイ上のＤＮＡプローブとの間でハイブリダイゼーションを行う際と、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２５が配置され、これらは処理装置全体を制御する制御部２６に接続されている。

図７のテーブル２２のには、電動シリンジポンプ２７、２８と、これらのポンプ２７、２８により空気を吐出或いは吸引を行う出入口で複数のポンプノズル２９、３０を片側１０個ずつ設けたポンプブロック３１、３２が配置されている。また、制御部２６は検査者が入力を行う入力部３３に接続されている。

電動シリンジポンプ２７、２８とポンプノズル２９、３０の間には、図示しない複数の良く知られた電動切換バルブが配置され、ポンプ２７、２８と共に制御部２６に接続されている。制御部２６により、片側１０個のうち１個ずつのポンプノズル２９、３０を選択的にポンプ２７、２８に対して開にしたり、全てのポンプノズル２９、３０を閉にしたりする制御が可能とされている。

例えば、図４で説明したように、生化学反応カートリッジを処理装置にセットした後、溶液貯蔵部分２のチャンバ６ａと反応部分１のチャンバ１１ａとを空間的に分離しているアルミ箔シート１０ａを工具用ニードル１３の短い押圧棒１３ａを用いて１段目に弁棒７を押し込んで、アルミ箔シート１０ａを破り溶液がチャンバ６ａからチャンバ１１ａに移動を始めたときに、処理装置のポンプノズル２９ａ〜ｊ、３０ｋ〜ｔのうち３０ｋだけ開にし、その他のポンプノズル全てを閉にし、電動シリンジポンプ２８を作動させ、反応部分１のチャンバ１１ａ内の空気を吸引して減圧することにより、より確実に溶液をチャンバ１１ａへ移動させることができる。同様にして順次他の貯蔵部分２のチャンバ６から反応部分１のチャンバ１１へ溶液を確実に移動させる。

溶液を溶液貯蔵部分２から反応部分１に移動して、処理の開始信号を入力すると、反応部分１の内部でＤＮＡなどの抽出、増幅が行われ、増幅した検体ＤＮＡと反応部分１の内部にあるＤＮＡマイクロアレイ上のＤＮＡプローブとの間でハイブリダイゼーションと、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が行われる。

本実施の形態では、血液を検体とし検査者が注射器により検体入口２のゴムキャップを貫通させて血液を注入すると、血液はチャンバ１６に流れ込む。その後に、検査者は生化学反応カートリッジをテーブル２２に置き、図示しないレバーを操作して、図示しない機構によりポンプブロック３１、３２を図７の矢印の方向に移動させると、ゴムキャップを貫通してポンプノズル２９、３０が反応部分１のノズル入口４に挿入される。

図６で説明したように、ノズル入口４が生化学反応カートリッジの両側の２つの面に集中しているので、電動シリンジポンプ２７、２８、電動切換バルブ、ポンプノズル２９、３０を内蔵したポンプブロック３１、３２の形状、配置が単純になる。更に、必要なチャンバや流路を確保しながら、ポンプブロック３１、３２でカートリッジを同時に挟み込むという単純な動作だけで、ポンプノズル２９、３０を挿入することができ、ポンプブロック３１、３２の構成も簡単なものになる。そして、ノズル入口４ａ〜４ｔを全て同じ高さ、即ち直線状に配置すると、ノズル入口４ａ〜４ｔに接続する流路１４ａ〜１４ｔの高さが全て同じになり、流路１４ａ〜１４ｔの作製が容易になる。

また、図７の処理装置で、ｎ個の生化学反応カートリッジ用にポンプブロック３１、３２をｎ倍に長くした構成にすれば、ｎ個のカートリッジを直列に並べることによって、ｎ個のカートリッジに対して必要な工程を同時に行うことができ、構成は極めて簡単ながら多数の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。

検査者は図４、図５で説明した溶液の流し込みと密閉の工程を行い、次に入力部３３で処理開始の命令を入力すると処理が始まる。勿論、装置側にロボットアームを設け、工具用ニードル１３をこのロボットアームに取り付けて、図４、図５で説明した工程を自動的に行ってもよく、この場合は前述したように電動シリンジポンプ２８を作動させて、円滑に溶液を流し込むことができる。更に、本実施の形態のように、生化学反応カートリッジの使用直前に流し込みの工程を行うのではなく、溶液が必要になる直前に装置側に設けられたロボットアームを動作させて個々の溶液を流し込むことも可能である。

図８は本実施の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図である。先ずステップＳ１で、制御部２６はノズル入口４ａ、４ｋのみを開にし、電動シリンジポンプ２７から空気を吐出し、ポンプ２８から空気を吸引してチャンバ１１ａの第１の溶血剤を血液の入ったチャンバ１６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、ポンプ２８からの空気の吸引を、ポンプ２７からの空気の吐出開始１０〜２００ｍ秒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溶液が円滑に流れる。

このように、空気の供給、吸引のタイミングをずらして、加圧、減圧を制御すれば溶液を円滑に流すことができるが、電動シリンジポンプ２８からの空気の吸引を、ポンプ２７からの空気の吐出開始時からリニアに増加させるなど、細かな制御を行えば、更に円滑に流すことが可能になる。また、加圧と減圧の両方を用いることで反応部分１内に発生する圧力を軽減することができ、この結果、溶液の移動の途中に溶液を流し込みたくない分岐流路やチャンバがある場合に、そこに流れ込むことを防ぐという効果もある。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、電動シリンジポンプ２７、２８を用いることで容易に実現でき、ノズル入口４ａ、４ｏのみを開にし、シリンジポンプ２７、２８で空気の吐出、吸引を交互に繰り返し、チャンバ６の溶液を流路１９に流してその後に戻す動作を繰り返して攪拌を行う。或いは、ポンプ２８から空気を連続的に吐出し、気泡を発生させながら攪拌してもよい。

図９は図６のチャンバ１１ａ、チャンバ１６、チャンバ１１ｋを通る反応部分１の断面図であり、ノズル入口４ａにポンプノズル２９が挿入されて加圧され、ノズル入口４ｋにポンプノズル３０が挿入されて減圧され、チャンバ１１ａの第１の溶血剤が血液の入ったチャンバ１６に流れ込む様子を示している。チャンバ１１ａは実際は溶液貯蔵部分２と連通しているが、便宜上、天井を設けて連通していない図になっている。

図８において、次のステップＳ２でノズル入口４ｂ、４ｋのみを開にし、同様にしてチャンバ１１ｂの第２の溶血剤をチャンバ１６に流し込み、ステップＳ３ではノズル入口４ｃ、４ｋのみを開にし、同様にしてチャンバ１１ｃの磁性体粒子をチャンバ１６に流し込む。ステップＳ２、Ｓ３共に、ステップ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、Ｓ２で細胞が溶解して出てきたＤＮＡが磁性体粒子に付着する。

そして、ステップＳ４で電磁石２３をオンにし、ノズル入口４ｅ、４ｋのみを開にし、電動シリンジポンプ２８から空気を吐出し、ポンプ２７から空気を吸引して、チャンバ１６の溶液をチャンバ１１ｅに移動すると、この移動の際に磁性体粒子とＤＮＡが流路１９の電磁石２３の上で捕捉される。電動シリンジポンプ２７、２８の吸引、吐出を交互に繰り返して、溶液をチャンバ１６、１１ｅ間を２回往復させてＤＮＡの捕捉効率を高める。更に回数を増やすと、捕捉効率は一層高まるが、処理時間が余分にかかることになる。

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或いはタンパク質の場合も同様である。

次に、ステップＳ５で電磁石２３をオフにし、ノズル入口４ｆ、４ｌのみを開にし、電動シリンジポンプ２８から空気を吐出し、ポンプ２７から空気を吸引してチャンバ１１ｌの第１の抽出洗浄液をチャンバ１１ｆ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２回往復した後に電磁石２３をオンにし、同様にして２回往復させて磁性体粒子とＤＮＡを流路１９の電磁石２３の上に回収し、溶液をチャンバ１１ｌに戻しておく。

ステップＳ６で、ノズル入口４ｆ、４ｍを用いてチャンバ１１ｍの第２の抽出洗浄液に対して、ステップＳ５と同じ工程を行って更に洗浄する。ステップＳ７では電磁石２３をオンにしたまま、ノズル入口４ｄ、４ｏのみを開にし、電動シリンジポンプ２７から空気を吐出し、ポンプ２８から空気を吸引して、チャンバ１１ｄの溶出液をチャンバ１７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１７に移動し、磁性体粒子は流路１９に残り、このようにしてＤＮＡの抽出、精製が行われる。抽出洗浄液が入ったチャンバ１１ｌ、１１ｍと洗浄後の廃液が入るチャンバ１１ｆを用意することにより、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る。

次に、ステップＳ８でノズル入口４ｇ、４ｏのみを開にし、電動シリンジポンプ２７から空気を吐出し、ポンプ２８から空気を吸引して、チャンバ１１ｇのＰＣＲ用薬剤をチャンバ１７に流し込む。更に、ノズル入口４ｇ、４ｔのみを開にし、電動シリンジポンプ２７、２８で空気の吐出、吸引を交互に繰り返し、チャンバ１６の溶液を流路２０に流して、その後に戻す動作を繰り返して攪拌を行う。そして、ペルチェ素子２４を制御して、チャンバ１７内の溶液を９６℃の温度に１０分保持した後に、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。

ステップＳ９では、ノズル入口４ｇ、４ｔのみを開にし、電動シリンジポンプ２７から空気を吐出し、ポンプ２８から空気を吸引して、チャンバ１７の溶液をチャンバ１８に移動する。更に、ペルチェ素子２５を制御して、チャンバ１８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、ポンプ２７、２８で空気の吐出、吸引を交互に繰り返し、チャンバ１８の溶液を流路１５ｔに移動し、その後に戻す動作を繰り返して攪拌しながら、ハイブリダイゼーションを進める。

次にステップＳ１０で、同じ４５℃を保持したまま、今度はノズル入口４ｈ、４ｒのみを開にし、電動シリンジポンプ２７から空気を吐出し、ポンプ２８から空気を吸引して、チャンバ１８内の溶液をチャンバ１１ｒに移動しながら、チャンバ１１ｈの第１の洗浄液をチャンバ１８を通してチャンバ１１ｒに流し込む。ポンプ２７、２８の吸引、吐出を交互に繰り返して、溶液をチャンバ１１ｈ、１８、１１ｒ間を２回往復させ、最後にチャンバ１１ｈ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。

図１０は図６のチャンバ１１ｈ、チャンバ１８、チャンバ１１ｒを通る断面図であり、ノズル入口４ｈにポンプノズル２９が挿入されて加圧され、ノズル入口４ｒにポンプノズル３０が挿入されて減圧され、チャンバ１１ｈの第１の洗浄液がチャンバ１８を通して、チャンバ１１ｒに流れ込む様子を示している。チャンバ１１ｈは実際は溶液貯蔵部分２と連通しているが、便宜上、天井を設けて連通していない図になっている。

図８において、ステップＳ１１では同じ４５℃を保持したまま、ノズル入口４ｊ、４ｒを用いてチャンバ１１ｊの第２の洗浄液に対して、ステップＳ１０と同じ工程を行って更に洗浄し、最後にチャンバ１１ｊに戻す。このように洗浄液が入ったチャンバ１１ｈ、１１ｊと洗浄後の廃液が入るチャンバ１１ｒを用意しているので、生化学反応カートリッジ内でＤＮＡマイクロアレイ２１の洗浄を行うことが可能になる。

ステップＳ１２では、ノズル入口４ｉ、４ｒのみを開にし、電動シリンジポンプ２７から空気を吐出し、ポンプ２８から空気を吸引して、チャンバ１１ｉのアルコールをチャンバ１８を通してチャンバ１１ｒに移動する。その後、ノズル入口４ｉ、４ｔのみを開にし、ポンプ２７から空気を吐出し、ポンプ２８から空気を吸引して、チャンバ１８内を乾燥させる。

この後に、検査者が図示しないレバーを操作すると、図示しない機構によりポンプブロック３１、３２は生化学反応カートリッジから離れる方向に移動し、ポンプノズル２９、３０がカートリッジのノズル入口４から外れる。そして、検査者はこのカートリッジを、図示しない良く知られたスキャナなどのＤＮＡマイクロアレイ用読取装置に挿入して測定、解析を行う。

本実施例では、前述したように、生化学反応カートリッジを処理装置にセットした後、溶液貯蔵部分２のチャンバ６ａと反応部分１のチャンバ１１ａとを空間的に分離しているアルミ箔シート１０ａを工具用ニードル１３の短い押圧棒１３ａを用いて１段目に弁棒７を押し込んで、アルミ箔シート１０ａを破り溶液がチャンバ６ａからチャンバ１１ａに移動を始めたときに、処理装置のポンプノズル２９ａ〜ｊ、３０ｋ〜ｔのうち３０ｋだけ開にし、その他のポンプノズル全てを閉にし、電動シリンジポンプ２８を作動させ、反応部分１のチャンバ１１ａ内の空気を吸引して減圧することにより、より確実に溶液をチャンバ１１ａへ移動させることができる。同様にして順次他の貯蔵部分２のチャンバ６から反応部分１のチャンバ１１へ溶液を確実に移動させるようにしたが、アルミ箔シート１０ａを破り溶液がチャンバ６ａからチャンバ１１ａに移動を始めたときに溶液貯蔵部分２のチャンバ６ａを加圧するようにしても溶液を確実にチャンバ１１ａへ移動させることができる。

さらに、溶液貯蔵部分２のチャンバ６ａを加圧すると同時に反応部分１のチャンバ１１ａ内を減圧するようにしても良い。そうすることにより、より確実に溶液をチャンバ１１ａへ移動させることができる。

溶液貯蔵部分２のチャンバ６ａを加圧する方法としては、図１１から図１３に示したような加圧手段がある。

図１１は、加圧手段３９の断面図である。シリンダ４０には、空気穴４２と弁４５があるピストン４１、ピストン４１を上方へ押し上げるバネ４３から成っている。

図１２は、生化学反応カートリッジにおいて、工具用ニードル１３の短い押圧棒１３ａを用いて１段目に弁棒７を押し込んで、アルミ箔シート１０を破り、溶液がチャンバ６からチャンバ１１に移動を始めた状態のときに、工具用ニードル１３を外し、加圧手段３９を生化学反応カートリッジのチャンバ６の上に挿入させた図である。この状態では、弁棒７に設けた切欠き８は２個のＯリング９の上下につながっているので、チャンバ６内と外部とで空気が通じ溶液は円滑に移動することができる。このとき、検査者が図１３のように、ピストン４１を下方へ押し込むと、空気室４４の空気は弁４５の働きで空気穴４２から外へは出ず、溶液貯蔵部分２のチャンバ６は加圧され、チャンバ６内に残っている溶液は、反応部分１のチャンバ１１へ押し出され、確実に溶液の移動を行うことができる。

また、工具用ニードル１３と同様に加圧手段３９をロボットアームに取り付けて、上記の工程を自動的に行ってもよく、さらに同時に、前述の方法で反応部分１のチャンバ１１を減圧することにより、より円滑に溶液の移動を行うことができる。

貯蔵部分２のチャンバ６の加圧方法はこれに限ったことではなく、処理装置に設けられているポンプを利用して、自動的に行うことも可能である。

本発明の実施の形態の幾つかを、次に列挙する。

（実施の形態１）
チャンバ・流路を含む反応部分と、該反応部分と隔離又は別体にして前記チャンバと対応する位置に溶液を蓄える溶液貯蔵部分とを有し、該溶液貯蔵部分から溶液を前記反応部分のチャンバに移動させるために、前記溶液貯蔵部分と前記反応部分との間に貫通可能な仕切部材を設け、前記仕切り部材が貫通され前記溶液が前記反応部分のチャンバに移動する際、前記溶液貯蔵部分のチャンバ内を加圧する加圧手段または前記溶液が移動する前記反応部分のチャンバ内を減圧する減圧手段の少なくとも一方を有することを特徴とする生化学反応カートリッジ及び処理装置。

実施の形態の生化学反応カートリッジの斜視図である。 溶液貯蔵部分の平面断面図である。 保存時の生化学反応カートリッジの一部断面図である。 弁棒を１段押し込んだ状態の生化学反応カートリッジの一部の断面図である。 弁棒を２段押し込んだ状態の生化学反応カートリッジの一部断面図である。 反応部分の平面断面図である。 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のブロック構成図である。 処理手順のフローチャート図である。 図６の一部のチャンバの断面図である。 図６の一部のチャンバの断面図である。 加圧手段の断面図である。 生化学反応カートリッジの貯蔵部分チャンバ上に密着した加圧手段の断面図である。 ピストンを押し込んだ状態の加圧手段の断面図である。

符号の説明

１ 反応部分
２ 溶液貯蔵部分
３ 検体入口
４ ノズル入口
５、１０ アルミ箔シート
７ 弁棒
８ 切欠き
９ Ｏリング
１１、１６〜１８ チャンバ
１３ 工具用ニードル
１５、１９、２０ 流路
２１ ＤＮＡマイクロアレイ
２２ テーブル
２６ 制御部
２７、２８ 電動シリンジポンプ
２９、３０ ポンプノズル
３１、３２ ポンプブロック
３９ 加圧手段
４０ シリンダ
４１ ピストン
４２ 空気穴
４３ バネ
４４ 空気室
４５ 弁

Claims (3)

1. チャンバ・流路を含む反応部分と、該反応部分と隔離又は別体にして前記チャンバと対応する位置に溶液を蓄える溶液貯蔵部分とを有し、該溶液貯蔵部分から溶液を前記反応部分のチャンバに移動させるために、前記溶液貯蔵部分と前記反応部分との間に貫通可能な仕切部材を設け、前記仕切り部材が貫通され前記溶液が前記反応部分のチャンバに移動する際、前記溶液貯蔵部分のチャンバ内を加圧する加圧手段または前記溶液が移動する前記反応部分のチャンバ内を減圧する減圧手段の少なくとも一方を有することを特徴とする生化学反応カートリッジ及び処理装置。
2. チャンバ・流路を含む反応部分と、該反応部分と隔離又は別体にして前記チャンバと対応する位置に溶液を蓄える溶液貯蔵部分とを有し、該溶液貯蔵部分から溶液を前記反応部分のチャンバに移動させるために、前記溶液貯蔵部分と前記反応部分との間に貫通可能な仕切部材と、前記仕切部材を貫通するための貫通手段と、を設け、前記仕切り部材が前記貫通手段により貫通され前記溶液を前記反応部分のチャンバに移動させる際、前記溶液貯蔵部分のチャンバ内を加圧する加圧手段または前記溶液が移動する前記反応部分のチャンバ内を減圧する減圧手段の少なくとも一方を有することを特徴とする生化学反応カートリッジ及び処理装置。
3. 前記生化学反応カートリッジ及び処理装置は、前記反応部分に複数のチャンバと、前記溶液を該複数のチャンバ間を移動させる移動手段と、を有し、前記加圧手段または前記減圧手段は、該移動手段の少なくとも一部を共用することを特徴とする特許請求項１または特許請求項２に記載の生化学反応カートリッジ及び処理装置。

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