JP4721414B2 - 反応カートリッジ、反応装置および反応カートリッジの溶液の移動方法 - Google Patents

Description

本発明は、担体上に検出用プローブが固定されたプローブ担体が反応室内に配置された生化学反応を行なうための反応カートリッジに関する。特に検出用プローブと相互作用する生体分子を含む試料溶液、洗浄液、空気等を用いて生化学反応を行なうための反応カートリッジ、生化学反応用の反応装置および反応カートリッジの溶液の移動方法に関する。

核酸分子の塩基配列に含まれる部分配列の特定、生体に由来するサンプル中に含有される標的核酸の検出などにハイブリダイゼーション法が利用されている。例えば、種々の菌の遺伝子に基づく属・種の同定において、既知の塩基配列を有するプローブＤＮＡ複数種を用いて、各プローブＤＮＡと特異的な結合をする核酸分子か否かをハイブリダイゼーションにより検出する方法が用いられている。さらにハイブリダイゼーションによる検出を、迅速に、また正確に行う上で有効な手法として、プローブＤＮＡ複数種がそれぞれ固定された領域（プローブスポット）を固相上に規則的に並べたプローブ・アレイ（マイクロアレイとも言う）を利用する方法がある。各プローブＤＮＡとの特異的に結合する核酸分子か否かを同時に判定することができるため、同時に多項目の検出が可能となる。このようにマイクロアレイ等を用いたハイブリダイゼーション法では、固相上に規則的に並べたプローブに対して、試料溶液中の生体高分子をハイブリダイゼーションさせ、試料中の標的核酸の有無の検出や定量などの解析を行う。一般に、これらのハイブリダイゼーション反応は、プローブを固定した基板が構成要素の一つとなる反応室を構成し、この反応室内に試料を含むハイブリダイゼーション溶液を充填し、長時間基板を一定温度に保持して行なわれている。

従来は、所望の反応を起こさせる場所としての反応室や、試料や試薬といった各種溶液を収納するリザーバーなどを、ひととおり基板内に設けて配置し、電気的あるいは機械的な手段によって液体を移動させたり混合したりする装置が、例えば特開２００２−３００８７７号公報で開示されている。

特開２００２−３００８７７号公報に開示されている装置を、図５に示す。ＤＮＡマイクロアレイ１０１は、例えばガラス又はシリコンからなる１枚の板状基板１０３により構成されている。基板１０３の表面には、例えば円筒状の凹部からなる上流側バッファーリザーバー１０５（上流側バッファー収容部）、下流側バッファーリザーバー（下流側バッファー収容部）１０７、検体リザーバー（検体収容部）１０９、リファレンスリザーバー（参照試料収容部）１１１及び試薬リザーバー（試薬収容部）１１３、並びに例えば直方体状の凹部からなる反応部１１５及び精製部１１７が形成されている。

リザーバー１０５、反応部１１５間は、基板１０３表面に形成された流路１１９により連通されている。検体リザーバー１０９、反応部１１５間は、基板１０３表面に形成された流路１２１により連通されている。リファレンスリザーバー１１１、反応部１１５間は、基板１０３表面に形成された流路１２３により連通されている。試薬リザーバー１１３、反応部１１５間は、基板３表面に形成された流路１２５により連通されている。そして、反応部１１５、精製部１１７間は、基板１０３表面に形成された流路１２７により連通されている。

精製部１１７とリザーバー１０７との間の基板１０３表面に、ハイブリダイゼーション部１３１が形成されている。ハイブリダイゼーション部１３１は精製部１１７とリザーバー７との間に設けられており、精製部１１７、ハイブリダイゼーション部１３１間は流路１２９により、ハイブリダイゼーション部１３１、リザーバー１０７間は、流路１３３により連通されている。

上記に代表される従来の生化学反応装置には、基板内の複数の収容部の各々に異なった種類の溶液を収容しており、複数の流路を介して流すために、装置本体側に複雑な制御機構が必要である。さらに、基板内部にもポンプ機構やバルブ機構を必要とするなどの問題があった。

また、特表平１１−５０９０９４号公報ではミニチュア化され統合された核酸診断装置が開示されており、ダイアフラムによるポンプ機構や弁機構を反応チャンバーの周囲に配置した実施例が説明されている。

また、特表平１０−５０５４１０号公報には、ＤＮＡチップをパッケージングしたパッケージング装置が開示され、装置内に設けられたキャビティーに液体を供給するための流体分与装置により液体を導入することが開示されている。
特開２００２−３００８７７号公報 特開２００２−３００８７７号公報 特表平１１−５０９０９４号公報 特表平１０−５０５４１０号公報

従来の技術にもとづく装置は、基板内の複数の収容部の各々に異なった種類の溶液収容し、複数の流路を介して流すため、各種溶液の収容部の体積ひいては基板の体積が大きくなってしまう。

また、これらの装置は、血液等の検体から抽出した遺伝子を検査するという性格上、他の検体による汚染（コンタミネーション）が検査ミスにつながるためさらに特別な注意が必要である。したがって、一度使用した基板は再生再利用することなく廃棄することが一般的である。検査のたびに廃棄する基板は、なるべく環境負荷が小さく低コストであるべきであるが、従来のように基板の体積が大きく高価な流体制御機構を積んでいることは、環境的にもコスト的にも不都合である。

更に、上記のパッケージング装置は密封されたキャビティーであり、該キャビティーに設けられた２つのポートにチューブを挿入することで、密封容器内で液体を移動させるものである。この構成の実現のためには、２つの流体注入チューブ、該チューブがパッケージング装置内に挿入された状態でキャビティー内を密封状態にするためのべベル、といった複雑な構成を必要としていた。

本発明は、複数種類または所望の量の液体をそれぞれ必要に応じて反応室に供給可能であり、且つより簡便に構成できる反応装置を提供することを目的とするものである。

上述の課題を解決し目的を達成するため、本発明は、大気に開放された第１の開口と第２の開口とを有する第１の液体溜めと、第１の液体溜めと反応室を第２の開口を介して連通する第１の流路と、反応室と第２の流路を介して連通した第３の開口とを有する反応カートリッジである。

又、大気に開放された第１の開口と第２の開口とを有する第１の液体溜めと、第１の液体溜めと反応室を第２の開口を介して連通する第１の流路と、反応室と第２の流路を介して連通した第３の開口とを有し、反応室にプローブ担体が配されている反応カートリッジあるいは、大気に開放された第１の開口と第２の開口とを有する第１の液体溜めと、第１の液体溜めと反応室を第２の開口を介して連通する第１の流路と、反応室と第２の流路を介して連通した第３の開口とを有し、反応室が、大気に開放された開口を有し、開口にプローブ担体の載置部が配され、該載置部にプローブ担体が設置され、開口が閉じられている反応カートリッジを用いる反応装置であって、反応カートリッジを載置する載置手段と、液体溜めへ液体を供給する液体供給手段と、第１の液体溜めに供給された溶液を移動させる液体移動手段とを有することを特徴とする反応装置である。

さらに、大気に開放された第１の開口と第２の開口とを有する第１の液体溜めと、第１の液体溜めと反応室を第２の開口を介して連通する第１の流路と、反応室と第２の流路を介して連通した第３の開口とを有し、反応室にプローブ担体が配されている反応カートリッジあるいは、大気に開放された第１の開口と第２の開口とを有する第１の液体溜めと、第１の液体溜めと反応室を第２の開口を介して連通する第１の流路と、反応室と第２の流路を介して連通した第３の開口とを有し、反応室が、大気に開放された開口を有し、開口にプローブ担体の載置部が配され、該載置部にプローブ担体が設置され、開口が閉じられている反応カートリッジの移動方法であって、第１の液体溜めに供給された溶液を、第１の開口を開放した状態で、第３の開口を減圧または加圧することで、少なくとも第１の流路および／あるいは第２の流路を介して第１の液体溜めに供給された前記溶液を移動させることを特徴とする反応カートリッジの溶液の移動方法である。

本発明によれば、反応装置に複数の液体移動手段を設ける、あるいは、基板内に液体移動手段を形成する必要がないので、反応装置の機構部の簡素化、あるいは、反応カートリッジの構成の簡素化が行える。

本発明の生化学反応用の反応カートリッジは、大気に開放された第１の開口と第２の開口とを有する第１の液体溜めと、前記第１の液体溜めと反応室を前記第２の開口を介して連通する第１の流路と、前記反応室と第２の流路を介して連通した第３の開口と、を有する反応カートリッジである。
本発明の具体的な第一の構成としては、基板に形成され、一端が開放された第１の液体溜め、反応室および第２の液体溜めと、第１の液体溜めと反応室とを連通する第１の流路と、反応室と第２の液体溜めと反応室とを連通する第２の流路とを有し、反応室が、開放された端部に基板に特定の標的物質に対して特異的に結合可能なプローブが固定されているプローブ担体を載置可能であることを特徴とする。

反応カートリッジは、プローブ担体を含み構成されていてもよく、反応室の第２の開口がプローブ担体により閉じられている構成が好ましい。
また、プローブ担体は、前記反応室内に配置されてなる構成であってもよい。

プローブは、特定の標的を認識し得るオリゴヌクレオチド、ポリヌクレオチド、あるいはその他のポリマーなどを含む。用語「プローブ」は、個々のポリヌクレオチド分子などのプローブ機能を有するプローブ機能を有する分子、および分散した位置に表面固定された同じ配列のポリヌクレオチドなどの同じプローブ機能を有する分子の集団の両方をいい、しばしばリガンドと呼ばれる分子も含まれる。また、プローブおよび標的は、しばしば交換可能に使用され、リガンド−抗リガンド（レセプターと呼ぶこともある）対の一部として標的と結合し得るか、または結合するものに変化し得るものである。プローブおよび標的は、天然において見いだされるような塩基、またはその類似物を含み得る。

また、基板上に支持されるプローブの一例としては、標的核酸とハイブリダイゼーション可能な塩基配列よりなるオリゴヌクレオチドの一部にリンカーを介して基板との結合部を有するものを挙げることができ、それは、基板との結合部において基板表面に連結された構造を有する。好ましくは、プローブは、標的核酸の全部または一部に対して相補的な塩基配列を有する一本鎖核酸であり、標的核酸と特異的にハイブリダイズすることができる。なお、このような構成の場合における基板と結合部のオリゴヌクレオチドの分子内での位置は、所望とするハイブリダイゼーション反応を損なわない範囲において限定されない。

また、プローブ担体に採用されるプローブは、その使用目的において、適宜選択されるものであるが、プローブは、ＤＮＡ、ＲＮＡ、ｃＤＮＡ（コンプリメンタリーＤＮＡ）、ＰＮＡ、オリゴヌクレオチド、ポリヌクレオチド、その他の核酸、オリゴペプチド、ポリペプチド、タンパク質、酵素、酵素に対する基質、抗体、抗体に対するエピトープ（ｅｐｉｔｏｐｅ）、抗原、ホルモン、ホルモンレセプター、リガンド、リガンドレセプター、オリゴ糖、ポリ糖のいずれかであることが好ましく、必要に応じてこれらの２種以上を組み合わせて用いることができる。

これらのプローブの複数種を、それぞれ独立した領域（例えばドット状スポット）として、基板表面（中空体や環状担体のない壁面の表面を含む）に固定したものをプローブ担体といい、所定の間隔で配列されたプローブ担体をプローブ・アレイと称することがある。

プローブ材料は固相基板に結合可能な構造を有するものとし、プローブ溶液を吐出および塗布した後、かかる結合可能な構造を利用して固相基板に結合させることが望ましい。この固相基板へ結合可能な構造は、例えば、アミノ基、メルカプト基、カルボキシル基、ヒドロキシル基、酸ハロゲン化物（−ＣＯＸ）、ハロゲン化物、アジリジン、マレイミド、スクシイミド、イソチオシアネート、スルホニルクロライド（−ＳＯ２Ｃｌ）、アルデヒド（−ＣＨＯ）、ヒドラジン、ヨウ化アセトアミドなどの有機官能基をプローブ材料分子に予め導入する処理を施すことで形成することができる。その場合、基板表面には、前記の各種有機官能基と反応して共有結合を形成する構造（有機官能基）を導入する処理を予め行っておくことが必要となる。たとえば、プローブ材料がアミノ基を有する場合、スクシイミドエステル、イソチオシアネート、スルホニルクロライド、またはアルデヒドを基板表面に導入することができる。また、たとえばプローブ材料がメルカプト基（チオール基）を有する場合は、マレイミドを基板表面に導入することができる。基板としてガラス基板を用いる場合には、所望の官能基を有するシランカップリング剤、さらにそれに加えて、所望の官能基を有するクロスリンカー等を用いて所望の官能基を基板表面に導入することができる。

本実施形態においては、第１の液体溜め、第２の液体溜め、反応室、第１の液体溜めと反応室とを連通する第１の流路および反応室と第２の液体溜めと反応室とを連通する第２の流路がカートリッジ内に形成されている。
これらは、基板を貫通する貫通孔を設けたり、あるいは溝が形成された基板を重ね合わせたりすることで形成することができる。

第１の液体溜めに検体を供給し反応室でプローブ担体と反応させた後の廃液を第２の液体溜めに排出する場合、第２の液体溜め（廃液溜め）には廃液を吸収する吸収体が設けておくとよい。これにより、溶液が急激に移動した場合でも第２の液体溜めの開放端から溶液が飛び出すことを予防できる。

本実施形態の場合、第１の液体溜めに供給された溶液を、例えば、反応室に移動させる場合、第２の液体溜めに圧力を印加可能であること、第１の液体溜めは一端が開放端になっていることが重要となる。これにより、第２の液体溜めの開放端に圧力を印加可能な圧力印加手段を設けておくことで反応室への液体の移動を達成できる。

具体的には、第１の液体溜めに供給された溶液を反応室に移動させる場合は、第２の液体溜めの開放端を減圧し負の圧力を印加することで達成することができる。逆に反応室に移動した溶液を第１の液体溜めに移動する場合は、第２の液体溜めの開放端に圧力を印加することで達成できる。第１の液体溜め、反応室および第２の液体溜めはこの順に連結されているので、溶液を第１の液体溜めから第２の液体溜めの方向に移動させる場合は、第２の液体溜めの開放端に負の圧力を印加すればよい。そして、溶液を第２の液体溜めから第１の液体溜めの方向に移動させる場合は、第２の液体溜めの開放端に圧力を印加すればよい。

圧力の印加は、ポンプ等で圧力を印加することができるが、シリンジポンプはより好ましい形態である。シリンジポンプは、高性能モーターによりプランジャーを一定速度で動かすことで一定の圧力を印加することができ、高精度な無脈流・微量定量送液に適し、溶液を一定の速度で移動させることができる。圧力印加手段は、シリンジポンプ以外であっても少なくとも微量定量送液が可能であれば良く、他のポンプを用いることができる。

溶液の移動を停止するためには、ポンプを停止する。シリンジポンプの場合は、プランジャーの移動停止することで行えるが、溶液の移動の停止は、プランジャーの停止よりも若干遅れる（タイムラグが発生する）ので、圧力印加手段となるポンプと第２の液体溜めとの間に圧力を大気圧に戻す圧力を調整する手段として、例えば、バルブを設けておくことが好ましい。ポンプの停止と共にバルブを開放して第２の液体溜めの開放端を大気圧に戻すことで速やかに溶液の移動を停止させることができる。

液体の移動速度を一定にすることを目的として、反応室の溶液の有無を検知する検出手段を設けることも好ましい。反応室の液量を直接モニターすることでより精度を高めることが可能となる。ただし、反応室に供給される溶液の液量を移動時間で予想してもよい。

本発明の生化学反応に用いる反応カートリッジの基本概念を、図８をもちいて説明する。図８（ａ）の反応カートリッジ１は、ポリサルフォンやポリカーボネート等の樹脂材料で形成された基板２に、液体溜め５および反応室４と、液体溜め５と反応室４とを連通する第１の流路６と、反応室４の開口を介して大気に開放された開口を有する第２の流路８とが形成されている。第２の流路８の大気に開放された開口部にはキャップ１０およびチューブ１１を介してシリンジポンプ１２が配されている。キャップ１０は第２の流路８の大気に開放された開口部を気密封止するように配されている。液体溜め５は、一端が大気に開放され、この開放端に対向して液体溜め５に液体を供給するピペット９が配されている。反応室４の大気に開放された端部にはプローブ担体３が開放端を閉じるように載置されている。

図８（ｂ）は、図８（ａ）の変形例で、基板２−２には、液体溜め５および反応室４と、液体溜め５と反応室４とを連通する第１の流路６と、反応室４の開口を介して大気に開放された開口を有する第２の流路８とが形成されている。反応カートリッジ１は、基板２−２と、プローブ担体が載置された基板２−１を貼り合わせて形成されている。基板２−１に形成されている反応室４は、基板２−２と対向する側に開口面が形成されている。

図８（ａ）と同様に、第２の流路８の大気に開放された開口部にはキャップ１０およびチューブ１１を介してシリンジポンプ１２が配されている。キャップ１０は第２の流路８の大気に開放された開口部を気密封止するように配されている。液体溜め５は、一端が大気に開放され、この開放端に対向して液体溜め５に液体を供給するピペット９が配されている。反応室４の大気に開放された端部にはプローブ担体３が開放端を閉じるように載置されている。

液体溜め５の開放端には、液体溜め５に液体を供給するピペット９が配され、第２の流路８の大気に開放された開口部は、チューブ１１を介してシリンジポンプ１２が接続されたキャップ１０により覆われている。

次に、図９を用いて、反応カートリッジ１の液体の移動について説明する。図９（１）では、ピペット９から供給された液体１５が、液体溜め５に供給され、液体溜めの第１の流路と連通する開口を覆うと、第１の流路６、反応室４および第２の流路８は一端が閉じた空間を形成する。この状態でシリンジポンプ１２のプランジャーを図面の矢印の方向（図の右側に）に移動することで、第２の流路８の大気に開放された開口部は減圧状態になる。これにより、液体溜め５に供給された液体１５を、第１の流路６を介して反応室４に移動させることができる。

液体溜め５からの液体１５の移動を連続的に行なうためには、液体溜め５への液体の供給量に比べ液体の移動量の方が少ないあるいは同一であることが好ましい。

図９（２）に示すように、液体１５が反応室４に移動すると、反応室４の高さは非常に低い（通常０．０５ｍｍ〜２．０ｍｍである。より好ましくは０．１ｍｍ〜１．０ｍｍである。）ので、液体の表面張力によって反応室４の第１の流路および第２の流路と接続する開口が閉じられる。この状態で、さらにシリンジポンプ１２のプランジャーを図面の矢印の方向（右側に）に移動させることで、反応室４に供給された液体１５を、第２の流路を介して移動させることができる。図示しないが、第２の流路の反応室と連通する開口と大気に解放された開口との間に廃液溜めを設けておくことが好ましい。

反応室４に液体が供給された状態で、図１０（１）に示すようにシリンジポンプ１２のプランジャーを図面の矢印の方向（図の左側に）に移動すると、第２の流路８の大気に開放された開口部は加圧状態になる。これにより、反応室４に供給された液体１５は、第１の流路６側に移動する。

反応室４では、ハイブリダイゼーション反応を生じさせるので、反応室４に載置されたプローブ担体３と検体となる核酸を含む溶液（液体１５）とを反応させる。この際にプローブ担体３と検体となる拡散を含む溶液（液体１５）とを均一な反応を生じさせるためには、プローブ担体３上の溶液を攪拌することが好ましい。

図１０（２）に示すように、シリンジポンプ１２のプランジャーを図面の矢印ａの反対の方向（図の右側に）に移動すると反応室中の液体１５は、第２の流路を矢印ａの方向に移動する。そして、シリンジポンプ１２のプランジャーを図面の矢印ｂの方向（図の左側に）に移動すると反応室中の液体１５は、第１の流路を矢印ｂの方向に移動する。この移動を交互に繰り返すことによって液体１５を反応室中で攪拌することができる。

第２の流路８の大気に開放された開口部の圧力を常に一定の減圧あるいは加圧状態に制御することで流路中の液体１５を一定の速度で移動させることが可能となる。シリンジポンプの場合は、プランジャーを一定の速度で移動させることで制御することができる。さらに、移動する液体の量は、プランジャーの移動量で制御することができる。

本発明の第１の実施例を、以下に図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施例１の流体制御装置を構成する生化学反応に用いる反応カートリッジと、装置本体側の要素を説明する模式的要部断面図である。

反応カートリッジ１は、ポリサルフォンやポリカーボネート等の樹脂材料で形成された基板２と、プローブ担体３とで構成されている。基板２には、液体溜め５、反応室４、および廃液溜め７と、液体溜め５と反応室４を連通する流路６と、反応室４と廃液溜め７とを連通する流路８とが形成され、液体溜め５および廃液溜め７は一端が大気に開放されている。反応室４の開放された端部にはプローブ担体３が開放端を閉じるように載置されている。

廃液溜め７の内部には吸収体が配されている。吸収体の形状は、繊維状吸収体、高分子吸収体、粉末状吸収体あるいはシート状吸収体等であってもよく、吸収体の材料は、生化学反応に用いる検体や他の溶液と反応しない材料であれば良い。本実施例ではＰＰ（ポリプロピレン）繊維を用いたが上記の条件に適合するものであればＰＰ繊維に限るものではない。

反応カートリッジ１は、例えば、図６（ａ）から（ｃ）に示す基板１−ａ、基板１−ｂおよび基板１−ｃを重ね合わせることで構成されている。

基板１−ａには、液体溜め５となる基板１−ａを貫通する開孔５−ａと、廃液溜め７となる基板１−ａを貫通する開孔７−ａと流路８の一部となる溝８−ａが形成されている。基板１−ｂには、液体溜め５となる基板１−ｂを貫通する開孔５−ｂと、廃液溜め７となる基板１−ｂを貫通する開孔７−ｂと流路８の一部となる基板１−ｂを貫通する開孔が形成されている。そして、基板１−ｃには、反応室４となる凹部４−ｃと接してプローブ担体３を配する凹部３−ｃが形成されている。

反応カートリッジ１とは独立して、反応装置本体側にはピペット９が設けられている。ピペット９は装置本体内の溶液ストッカー（不図示）から、ハイブリダイゼーション溶液や洗浄液など、プローブ担体３のプローブの反応や処理に必要な溶液を必要量だけ量り取り、反応カートリッジ１に設けられた液体溜め５に注入する機能を有している。

反応カートリッジに注入される溶液は、検査項目が同じ場合、検体のように毎回異なった検体を用いるものと、反応溶液・洗浄液等のように毎回同じものを使用するものとがある。本実施例ではピペットを用いて全ての溶液を取り分けるように記載しているが、検体はピペットを用いて検査毎に必要量を量り取り、反応溶液・洗浄液等は一定量を蓄えた容器から、ポンプを用いて液体溜め５に注入することもできる。ポンプは微量定量送液が可能な点からシリンジポンプを使うことが好ましい。

ピペットも電動ピペットを用いることでマイクロプロセッサを介して、操作することが可能となる。

廃液溜め７に対して気密性を保持して接続するキャップ１０は、チューブ１１によってシリンジポンプ１２と接続されている。チューブ１１の途中には弁１３が接続され、廃液溜め７からシリンジポンプ１２につながる空間を大気開放できるようになっている。

本実施例では、シリンジポンプを用いたが、微量定量送液ができるものであればロータリーポンプ等を用いることも可能である。シリンジポンプは、マイクロプロセッサー（不図示）によりコントロールされた高性能モーター（不図示）によりシリンジのプランジャーを一定速度で動かすことで、高精度な無脈流・微量定量送液に威力を発揮するので、本発明においてはより好ましい形態である。

例えば、ハーバードシリンジポンプ ＭＯＤＥＬ１１を使えば、０．００１４μｌ／ｈ〜５３．１２ｍｌ／ｍｉｎの範囲で流速を制御することができる。

シリンジポンプを用いることで、液体溜め５に供給する溶液を供給速度および液体溜め５から反応室４、反応室４から廃液溜め５あるいは液体溜め５から反応室４を介して廃液溜め５へ溶液を移動する際の溶液の移動速度を一定にすることができる。

廃液溜め７は、図１では、廃液溜め７の１つの面を大気に対して開放する構成を示しているが、図７に示すように廃液溜め７の一方の面に形成された開孔のような形状であっても良い。図７に示される形状の場合、廃液溜め７とシリンジポンプ１２とを接続するためのキャップ１０の形状を廃液溜め７の開孔に差し込むことで気密性を得ることができる。

図２は、ピペット９によって液体溜め５に溶液を供給している様子を示している。キャップ１０が廃液溜め７に対して気密性を保持してふたをする。弁１３は閉じられているため、廃液溜め７からシリンジポンプ１２につながる空間、すなわち液体溜め５の下流側の流路は大気に対して閉じられている。このため、液体溜め５に供給された溶液は流路６に入っていくことはない。ピペット９は、定量の液量を取り分ける機能を持っているので、必要な溶液を必要な量だけ量り取り、液体溜め５へ必要な量を供給することができる。

図３は、ピペット９によって液体溜め５に溶液を供給した後に、シリンジポンプ１２によって反応室４に負圧をかけて、液体溜め５から反応室４へ溶液を移動させている様子を示している。装置本体側に設けられ反応室４あるいは反応室４の出口あるいは出口近傍の流路をフォトセンサ１４によりモニターし、移動した液体が反応室４に充填されたと判定された時点でシリンジポンプ１２の駆動は停止される。

フォトセンサ１４による溶液の充填有無検知と、シリンジポンプ１２の定量制御機能によって、液体溜め５内の溶液は反応室４へ効率よく正確に移動させられる。

フォトセンサ１４による溶液の充填有無検知は、基板２にポリサルフォンやポリカーボネートのように透明あるいは半透明な材料を用いた場合、外部から光を照射し、反応室４の反射を、受光素子を用いて測定する。あるいは、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅｓ：電荷結合素子）のような２次元光受光素子を用いて反応室４に注入される溶液を直接モニターすることで検知することができる。

フォトセンサ１４によって、反応室４に規定量の溶液が注入されたことが検出されたときにシリンジポンプ１２を停止させて溶液の移動を停止することができる。しかし、シリンジポンプ１２を停止しても溶液の移動が完全に停止するまでに若干１３を開放することでタイムラグを短くすることが可能となるので、シリンジポンプ１２と廃液溜め７の開放端との間にバルブを設けておくことが好ましい。

本実例では、溶液を順次変更してピペット９から供給することができるので、複数の異なった液体を反応室に供給する液体溜めを複数用意せずに、１つの供給開口から複数の異なった液体を反応室に供給することができる。

具体的には、検体となる核酸を含む第１の溶液を反応室に供給し、反応カートリッジ１を所定時間、所定の温度下におくことでプローブ担体３のプローブ核酸と検体の核酸とのハイブリダイゼーション反応を生じさせる。この後、ハイブリダイゼーション反応により結合しなかった検体を洗い流すために、水、アルコールなどの洗浄液を順次反応室内に供給して洗浄作業を行なう。

また、シリンジポンプ１２で加圧することで廃液溜め７の開口部が加圧状態に、シリンジポンプ１２を減圧することで廃液溜め７の開口部が減圧状態になる。
シリンジポンプ１２を加圧と減圧とを繰り返しと、液体が反応室４と液体溜め４との間を移動するので、シリンジポンプ１２で加圧減圧を繰り返すことで、反応室中の液体の攪拌を行なうことができる。

図４は、ピペット９によって液体溜め５に溶液を供給しながら、同時にシリンジポンプ１２を減圧し、反応室４に負圧をかけて、液体溜め５に供給された溶液を、液体溜め５から反応室４を介し廃液溜め７へ溶液を移動させている様子を示している。

液体溜め５が空になってしまうことを防ぐために、ピペット９による液体溜め５への溶液の供給速度は、シリンジポンプ１２による液体溜め５から反応室４への液体移動速度と比べて、等しいかあるいは若干大きくなるように設定している。

液体溜め５に溶液を供給しながら液体を移動させると、液体溜めに溶液を供給後に溶液を移動させる場合よりも液体溜め５の容積を小さくすることが可能となる。

ピペット９によって洗浄液を液体溜め５に供給する場合は、通常洗浄液の体積は反応室４の体積よりも大きく、反応室４通過した洗浄液は流路８を通って廃液溜め７に至る。

廃液溜め７は、一端が開放端となっているが、洗浄液が流路８を通って廃液溜め７に排出される場合、開放端は減圧され負圧となっている。廃液溜め７に吸収体が配すことにより、廃液溜め７の開放端から排出される溶液が漏れてシリンダーポンプに回り込むことを防ぐことができる。

すなわち、上記に説明したように、本実施形態に係る生化学反応用の反応カートリッジは、以下の効果を奏する。
（１）第１の液体溜めと第２の液体溜めの開放端の一方を開放し、他方を閉じた状態で、閉じられた側の開放端に圧力を印加（負圧）することで開放された側の液体溜めに供給された溶液を閉じられた側に移動することができる。
（２）第１の液体溜めの開放端が開放されている場合、第１の液体溜めに供給された溶液を上述した方法で反応室に移動後、閉じられた側の開放端（第２の液体溜め側の開放端）に圧力を印加（正圧）すれば第１の液体溜めに溶液が移動し、負圧を印加することで第２の液体溜めに溶液を移動することができる。
（３）この結果、基板内で反応・処理に使用する溶液の種類が多くても、一箇所の液体溜めから複数の溶液を反応室に供給することが可能となる。
（４）さらに、第１の液体溜めへ液体を供給しながら、液体移動手段によって第１の液体溜めから反応室へ液体を移動させれば、供給する溶液の体積と比較して液体溜めの容積をはるかに小さくすることができ、基板を更に小型化することができる。
（５）溶液を１箇所の液体溜めから供給し、廃液も一箇所の液体溜めに廃棄するので、溶液を移動させる液体移動手段は、反応装置側に１個所設ければよい。このため、従来技術のように、反応装置に複数の液体移動手段を設ける、あるいは、基板内に液体移動手段を形成する必要がないので、反応装置の機構部の簡素化、あるいは、反応カートリッジの構成の簡素化が行える。

本発明の第１の実施例に係る反応カートリッジの要部断面図。 本発明の第１の実施例に係る反応カートリッジの溶液を供給する動作を説明する図。 本発明の第１の実施例に係る反応カートリッジの溶液を移動する動作を説明する図。 本発明の第１の実施例に係る反応カートリッジの溶液を供給しながら同時に移動する動作を説明する図。 従来例を説明する図。 本発明の反応カートリッジを構成する基板構成を説明する図。 本発明の第１の実施例の第２の液体溜めの変形例を説明する要部拡大図。 本発明の反応カートリッジの原理を示す模式的断面図。 本発明の反応カートリッジ内の液体の移動原理を示す模式的断面図。 本発明の反応カートリッジ内の液体の移動原理を示す模式的断面図。

符号の説明

１ カセット
２ 基板
３ プローブ担体
４ 反応室
５ 液体溜め
６ 流路
７ 廃液溜め
８ 流路
９ ピペット
１０ キャップ
１１ チューブ
１２ シリンジポンプ
１３ 弁
１４ フォトセンサ
１５ 液体
１０１ ＤＮＡマイクロアレイ
１０３ 板状基板
１０５ 上流側バッファーリザーバー
１０７ 下流側バッファーリザーバー
１０９ 検体リザーバー
１１１ リファレンスリザーバー
１１３ 試薬リザーバー
１１５ 反応部
１１７ 精製部
１１９、１２１、１２３、１２５、１２７、１２９ 流路
１３１ ハイブリダイゼーション部

Claims (16)

1. 標的核酸とプローブ核酸との反応を生ぜしめるための反応室と、
   大気に開放された第１の開口と第２の開口とを有する第１の液体溜めと、
   前記第１の液体溜めと反応室を前記第２の開口を介して連通する第１の流路と、
   前記反応室と第２の流路を介して連通した第３の開口と、
   前記反応室および前記第３の開口との間に反応室から排出された液体を溜める廃液溜めと、
   を有し、
   前記第１の開口が液体を供給する供給口であり、
   前記廃液溜めに吸収体が配されており、
   前記反応室は、貫通孔および／あるいは溝が形成された基板が貼り合わされて形成されており、
   前記第１の開口が大気に開放された状態で前記第３の開口を減圧することによって、前記第１の流路、前記反応室、または前記第２の流路内の液体を前記第３の開口側に移動させるものであり、
   前記第３の開口を加圧することによって、前記第１の流路、前記反応室、または前記第２の流路内の液体を前記第１の開口側に移動させることを特徴とする反応カートリッジ。
2. 前記反応室にプローブ担体が配されており、
   前記反応室は、大気に開放された開口を有し、該開口がプローブ担体の載置部を有しており、
   前記開口のプローブ担体の載置部にプローブ担体が設置され、前記開口が閉じられていることを特徴とする請求項１に記載の反応カートリッジ。
3. 請求項１または２に記載の反応カートリッジを用いる反応装置であって、
   前記反応カートリッジを載置する載置手段と、
   前記液体溜めへ液体を供給する液体供給手段と、
   前記第１の液体溜めに供給された前記溶液を移動させる液体移動手段と、を有することを特徴とする反応装置。
4. 前記液体移動手段が、前記第３の開口を減圧または加圧する圧力印加手段であることを特徴とする請求項３に記載の反応装置。
5. 前記圧力印加手段による減圧または加圧を制御することで、前記液体の移動量を制御する制御手段を有することを特徴とする請求項４に記載の反応装置。
6. 前記圧力印加手段が、前記溶液を一定の流速で移動させる制御手段を有することを特徴とする請求項４または５に記載の反応装置。
7. 前記圧力印加手段は、前記第３の開口を密封する封止手段を有することを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載の反応装置。
8. 前記圧力印加手段により、前記第３の開口に印加された圧力を開放する圧力調整手段を有することを特徴とする請求項４乃至７のいずれかに記載の反応装置。
9. 前記圧力調整手段が、前記第３の開口と前記圧力印加手段との間に設けられていることを特徴とする請求項４乃至８のいずれかに記載の反応装置。
10. 前記圧力印加手段が、シリンジポンプであることを特徴とする請求項４乃至９のいずれかに記載の反応装置。
11. 反応室もしくは反応室近傍の液体の有無を検知する手段を設けたことを特徴とする請求項３乃至１０のいずれかに記載の反応装置。
12. 前記液体供給手段が、供給する液量を定量制御することを特徴とする請求項３乃至１１のいずれかに記載の反応装置。
13. 前記液体供給手段が、ピペットであることを特徴とする請求項３乃至１２のいずれか１項に記載の反応装置。
14. 請求項１又は２に記載の反応カートリッジの溶液の移動方法であって、
    前記第１の液体溜めに供給された溶液を、前記第１の開口を開放した状態で、前記第３の開口を減圧又は加圧することで、少なくとも前記第１の流路および／あるいは第２の流路を介して前記第１の液体溜めに供給された前記溶液を移動させることを特徴とする反応カートリッジの溶液の移動方法。
15. 前記第１の液体溜めへ液体を供給しながら、前記溶液を少なくとも前記反応室へ移動させることを特徴とする請求項１４に記載の反応カートリッジの溶液の移動方法。
16. 前記液体溜めへの液体供給速度を、前記液体溜めから前記反応室への移動速度と比べて、等しいかあるいは大きくしたことを特徴とする請求項１５記載の反応カートリッジの溶液の移動方法。

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