JP4775163B2 - 生物化学反応用装置及び生物化学反応方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶液の合成や溶解、検出、分離などを、決められたプロトコルに従って個人差がなく低価格で容易に行うことのできる生物化学反応用装置及び生物化学反応方法に関する。

従来、溶液の合成や溶解、検出、分離などの処理においては、通常、試験管やビーカー、ピペットなどが利用されていた。例えば、物質Ａと物質Ｂを試験管あるいはビーカーなどに採取しておき、これを他の試験管あるいはビーカーなどの容器に注入し、混合・攪拌などして物質Ｃを作る。このようにして合成された物質Ｃについては、例えば発光、発熱、呈色、比色などの観察が行われる。あるいは、混合した物質をろ過あるいは遠心分離などして、目的の物質を分離抽出することもある。

また、溶解の処理、例えば有機溶剤で溶かすなどの処理においても試験管あるいはビーカーなどのガラス器具を用いて行っており、検出処理の場合も同様に、被試験物質と試薬を容器に入れてその反応結果を観察している。
このような用途に使用される化学反応用カートリッジとして、例えば、弾性体の裏面に表面側に窪んだ複数の室と、これら複数の室を繋ぐ流路が形成され、弾性体の裏面に、室及び流路を密閉するように基板を設けたものがある（例えば、特許文献１参照）。この化学反応用カートリッジにおいては、予め室内にサンプルや試薬などの溶液を注入しておき、弾性体の表面側からローラを押し付けることにより、流路又は反応室あるいは両者が部分的に変形して、その流路又は反応室内にある溶液が移動し、これによって溶液の混合や試薬の添加などを行う。
特開２００５−０３７３６８号公報

しかしながら、上述のような化学反応用カートリッジにおいて、使用するローラは、断面形状が円形である。そのため、円形の直径の大きさによって弾性体で構成された反応室を加圧し過ぎたり、あるいは、加圧不足によって反応室内の溶液を確実に移動させることができず液残りや逆流を起こす可能性がある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、液残りや逆流を解消でき、確実に送液することのできる生物化学反応用装置及び生物化学反応方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、流体の化学的な反応を行うために用いられる生物化学反応用装置であって、
容器の少なくとも一部が弾性体で構成され、前記容器の内部に流体が収容される複数の室及び複数の室を連結する流路を有するカートリッジと、
前記弾性体の表面に接触しながら回転移動することにより、前記弾性体に外力を加えて変形させ、流路又は室にある流体を移動させるローラとを備え、
前記ローラのローラ軸に直交する断面形状が、少なくとも三つ以上の角部を有し、各角部同士の間の各辺の長さがともに等しい形状であり、
前記複数の室は、前記ローラの移動方向における長さがそれぞれ等しく、かつ、前記ローラの各辺の長さと等しく、
前記移動方向において互いに隣接する室同士の間隔が、前記ローラの各辺の長さの整数倍であり、
複数の前記ローラが、各ローラ軸がローラの移動方向に対して直交する方向に沿うように設けられており、
前記複数のローラのうち一のローラと、このローラによって押圧される前記複数の室のうち一の室とは、前記直交方向における長さが等しく、かつ、前記移動方向に対して互いに平行に配置されていることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の生物化学反応用装置において、
前記ローラの断面形状が正方形であることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１に記載の生物化学反応用装置において、
前記ローラの断面形状がルーローの多角形であることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の生物化学反応用装置を使用して、流体の化学的な反応を行う生物化学反応方法であって、
前記複数のローラを、前記弾性体の表面に接触させながら回転移動させることにより、前記弾性体に外力を加えて変形させ、流路又は室にある流体を移動させることを特徴とする。

本発明によれば、ローラが弾性体の表面を接触しながら回転移動することにより、ローラの角部同士の間で弾性体の表面に面接触して弾性体を押し潰すとともに、角部によって強固に押圧することができる。これによって、液残りや弾性体のよれが生じることなく確実に送液することができる。また、ローラの角部が弾性体の表面に接触した状態では、角部に応力集中が生じるため、強い封止が可能となり、溶液の逆流を防止することができる。

以下、本発明の第一及び第二の実施の形態について説明する。
［第一の実施の形態］
図１(a)は、カートリッジ３の斜視図、(b)は、カートリッジ３の上面図、(c)は、切断線Ｚ−Ｚに沿って切断した際の矢視断面図、図２は、ローラ４の動作状態を示しており、切断線Ｚ−Ｚに沿って切断した際の矢視断面図である。
生物化学反応用装置１００は、基板１上に弾性体２が重ねて設けられ、基板１と弾性体２との間に溶液（流体）が収容される複数の室２１〜２４及びこれら室２１〜２４を連結する流路２５が形成されてなるカートリッジ３と、弾性体２の上面に接触しながら移動することにより、弾性体２に外力を加えて流路２５又は室２１〜２４あるいは両者を部分的に変形させ、流路２５又は室２１〜２４にある溶液を移動させるローラ４とを備えている。なお、基板１と弾性体２とによって容器が構成されている。

基板１は、硬質な材料からなり、位置決め及び形状維持のための長尺な平板状をなしている。
弾性体２は、気密状で弾力性のあるゴムなどの少なくとも一部に弾性体を含む材料からなり、基板１と同様の大きさで長尺な平板状をなしている。なお、弾性体２は、ゴム以外にも粘弾性体や塑性体を使用することができる。弾性体２の基板１との接触面である下面には、それぞれ上面側に凹んだ溶液用の複数の室（以下、室２１，２２と言う）と、反応部用の室（以下、反応室２３と言う）と、廃液収容用の室（以下、廃液収容室２４と言う）と、室２１，２２、反応室２３及び廃液収容室２４にそれぞれ繋がる流路２５が形成されている。室２１，２２、反応室２３及び廃液収容室２４は、いずれも平面視四角形で四隅が丸みをなした形状である。また、反応室２３内の反応剤液は、シリンジ等により弾性体２側から抽出（吸出）可能である。
そして、弾性体２の下面で、室２１，２２、反応室２３、廃液収容室２４及び流路２５を除く接着領域２６が、基板１の上面に接着されている。これによって室２１，２２、反応室２３、廃液収容室２４及び流路２５が弾性体２と基板１とにより密閉されて、溶液Ｘの外部漏れが防止される構造となっている。

ローラ４は、ローラ軸４１に直交する方向に切断した断面形状が四つの角部４３１〜４３４を有する正方形（四辺の長さが等しい）をなした四角柱である。このローラ軸４１は、ローラ４の断面重心に位置している。ローラ４は、弾性体２の上面で弾性体２の長手方向に移動自在とされており、ローラ４のローラ軸４１方向に平行な四つの側面４２１〜４２４が弾性体２の上面に接触するようになっている。ローラ４の上方には、ローラ４を弾性体２の上面で移動自在に支持するレール部５１（図３参照）がカートリッジ３の長手方向に延在して設けられている。レール部５１には、レール部５１に沿って移動自在なガイド部５２が設けられ、ガイド部５２には、上下に伸縮自在なバネ５の上端部が固定され、バネ５の下端部にローラ４のローラ軸４１が固定されている。このようにしてバネ５によりローラ軸４１の上下方向の自由度を持たせている。そして、ガイド部５２がレール部５１に沿って水平移動することにより、ガイド部５２の移動に伴ってローラ４が弾性体２の上面を一定加圧により接触しながら回転移動できる構造となっている。

図３(a)〜(d)は、ローラ４の動作状態を模式的に示した側面図である。図２及び図３中、符号３１は、室２１内の溶液Ｘによって弾性体２の上面が***している状態を表している。図３(a)では、弾性体２の上面左端部にローラ４が位置し、ローラ４の四つの側面４２１〜４２４のうちの一つの側面４２１全面及び角部４３１，４３４が弾性体２の上面に接触して室２１又はその一部を押し潰している。この状態から、ガイド部５２をレール部５１の左側からレール部５１に沿って右側に移動させることにより、ローラ４がその角部４３１を中心として回転する。このとき、図３(b)に示すように、バネ５が収縮することにより、角部４３１に応力が集中し弾性体２の上面が加圧される。その結果、角部４３１が逆止弁となって室２１内に収容されている溶液Ｘの逆流が防止される。
さらに、ローラ４の角部４３１を中心として回転することにより（図３(c)参照）、角部４３２が弾性体２の上面に接触してバネ５が伸長することにより、ローラ４の側面４２２全面及び角部４３１，４３２によって弾性体２の上面が押圧されて室２１が押し潰される（図３(d)参照）。このようにしてローラ２を右方向へ回転移動することにより、室２１に収容されている溶液Ｘが右方向へと押し出される。

次に、カートリッジ３における溶液移送の動作について説明する。図４(a)〜(c)は、ローラ４の動作状態を模式的に示した上面図である。
まず、カートリッジ３に形成された室２１と室２２に予め溶液Ｘと溶液Ｙをそれぞれ注入しておく。注入は、図１(c)に示すように弾性体２に直接注射針６１を突き刺して注射器６により室２１及び室２２内に注入する。弾性体２が弾性材料で形成されているので、注射針６１を抜くと針穴は自然に塞がる。なお、完全に密閉するためには溶液注入後に針穴を接着剤などで埋めるか、あるいは加熱溶解で封止することが好ましい。

溶液Ｘ，Ｙを注入後、ガイド部５２をレール部５１の左側からレール部５１に沿って右側に移動させることにより、図４(a)に示すローラ４を位置Ｉのところから右方向へ回転移動させる。これによって、室２１に収容されている溶液Ｘが右方向へ押し出される。押し出された溶液Ｘは流路２５を通って反応部室２３へ送り込まれる。室２１に入っていた空気は廃液収容室２４へ送り出される。
そして、図４(b)に示すように位置IIのところまでローラ４を回転移動させると、次に室２２内の溶液Ｙの送り出しが始まる。溶液Ｙは流路２５を通って反応部室２３へ押し出され、このとき流路２５の途中もローラ４の角部４３１〜４３４により押し潰されてこれが逆止弁となって溶液Ｙの室２１への逆流が防止される。また、余分な溶液は廃液収容室２４へ排出される。

図４(c)に示すようにローラ４が位置IIIまで移動すると、反応部室２３には溶液Ｘと溶液Ｙとが入り、溶液Ｘと溶液Ｙとが混合して反応する。ここで言う反応とは、例えば、混合、合成、溶解、分離などである。

このようなカートリッジ３は小型、軽量、低価格に作製でき、密閉状のカートリッジ３内で物質の混合や合成、溶解、分離、検出などの処理のプロトコルを個人差なく容易に行うことができる。
また、カートリッジ３は密閉型で使い捨てでき、ウイルスや劇薬も安全に取り扱うことができる。例えば、工場排水や選鉱排水、及びこれらが流入する河川などの中に存在するシアンの検出に係る処理（中和、蒸留、分散、混合、非色検出などの一連の処理）あるいは血流や患部からのＤＮＡ、蛋白の抽出などをこのカートリッジ３内で安全かつ確実に行うことができる。

以上のように、ローラ４のローラ軸４１に直交する方向における断面形状が、四つの角部４３１〜４３４を有する正方形であるので、ローラ４が弾性体２の上面を接触しながら回転移動することにより、ローラ４の四つの側面４２１〜４２４のうち一つの側面４２１が弾性体２の上面に接触した状態では、例えば円形状のローラの場合に比して、その側面４２１全面が弾性体２の上面に確実に接触して押圧するとともに、接触した側面４２１の両側角部４３１，４３２で強固に押圧することができる。このようにして弾性体２の上面をローラ４が転がる動作ではなく、面を押し付ける動作となるため、室２１，２２、反応部室２３及び廃液収容室２４を構成する弾性体２がよれることがない。また、よれの隙間に溶液が入り込むことによる液残りも生じない。その結果、確実に送液することができる。また、ローラ４の回転により一つの角部４３１が弾性体２の上面に接触した状態では、角部４３１に応力集中が生じるため、強い封止が可能となり、溶液の逆流を防止することができる。
特に、ローラ４の断面形状を正方形とすることにより、一つの側面４２１が弾性体２の上面に接触した状態では、面接触することから、円形状のローラに比して、ローラ４がぐらつくことなく位置決めされる。この点においても、逆流の防止及び確実な送液につながる。

［第二の実施の形態］
図５(a)，(b)は、ローラ４Ａの動作状態を模式的に示した図である。図５中、符号３１Ａは、室内の溶液によって弾性体２Ａの上面が***している状態を表している
本実施の形態は、上記第一の実施の形態と異なり、カートリッジ３Ａ側にバネ７２，７２による上下方向の自由度を持たせた場合である。なお、カートリッジ３Ａ及びローラ４Ａは第一の実施の形態のカートリッジ３及びローラ４と同様のものであるため、同様の構成部分については同様の数字に英字Ａを付してその説明を省略する。
図５に示すように、カートリッジ３Ａが平板状の支持台７の下面に取り付けられており、支持台７の下面でその左右両端部には、それぞれ下方に延在して支持台７を支持する支持棒７１，７１が、バネ７２，７２を介して取り付けられている。これによってローラ軸４１Ａはバネ７２，７２によって上下方向に自由度が持たされている。バネ７２は、図５(a)に示す収縮した状態で自然状態とされ、ローラ４Ａの移動に伴い支持棒７１，７１が上下に伸縮することによりローラ４Ａが弾性体２Ａの下面を一定加圧により接触しながら回転移動できる構造となっている。
カートリッジ３Ａは、弾性体２Ａを下側に向けて支持台７の下面に固定されている。
ローラ４Ａは、ローラ軸４１Ａに直交する方向に切断した断面形状が正方形をなした四角柱である。ローラ軸４１Ａは、ローラ４Ａの断面重心に位置している。ローラ４Ａは、弾性体２Ａの下面で弾性体２Ａの長手方向に移動自在とされており、ローラ４Ａのローラ軸４１Ａ方向に平行な四つの側面４２１Ａ〜４２４Ａが弾性体２Ａの下面に接触するようになっている。

図５(a)では、弾性体２Ａの下面左端部にローラ４Ａが位置し、ローラ４Ａの四つの側面４２１Ａ〜４２４Ａのうちの一つの側面４２１Ａ全面及び角部４３１Ａ，４３４Ａが弾性体２Ａの下面に接触して室を押し潰している。この状態から、ローラ４Ａのローラ軸４１Ａを右方向に水平移動させることにより、ローラ４Ａがその角部４３１Ａを中心として回転する。このとき、図５(b)に示すように、バネ７２，７２が長さｄだけ伸長することにより、角部４３１Ａに応力が集中し弾性体２Ａの下面が加圧される。その結果、角部４３１Ａが逆止弁となって室内に収容されている溶液の逆流が防止される。
さらに、ローラ４Ａの角部４３１Ａを中心として回転することにより、角部４３２Ａが弾性体２Ａの下面に接触してバネ７２，７２が収縮することにより、ローラ４Ａの側面４２Ａ全面及び角部４３１Ａ，４３２Ａによって弾性体２Ａの下面が押圧されて室が押し潰される（図示しない）。このようにしてローラ４Ａを右方向へ回転移動させることにより、室に収容されている溶液が右方向へと押し出される。押し出された溶液は、第一の実施の形態と同様に、流路を通って反応部室へ送り込まれた後、各溶液が混合して反応する。

［第三の実施の形態］
図６は、第一〜第三のローラ４Ｂ〜４Ｄが弾性体２００の上面左端部に位置している状態を示した上面図である。
第三の実施の形態では、ローラ軸４１Ｂ〜４１Ｄ方向の長さｍ１〜ｍ３が異なる三つのローラ４Ｂ〜４Ｄが、各ローラ４Ｂ〜４Ｄのローラ軸４１Ｂ〜４１Ｄをカートリッジ３００の短手方向（ローラ４Ｂの移動方向に直交する方向）に沿うように一直線上に並べて設けられている。これら第一〜第三のローラ４Ｂ〜４Ｄは、上記第一及び第二の実施の形態のローラ４，４Ａと同様に、いずれもその断面形状が正方形である（各辺の長さがｎである）。また、各ローラ軸４１Ｂ〜４１Ｄは、各ローラ４Ｂ〜４Ｄの断面重心に位置している。そして、各ローラ４Ｂ〜４Ｄがカートリッジ３００の長手方向に沿って回転移動することにより、弾性体２００が押し潰されて各室２０１〜２０３内の溶液が流路２０４を介して次の室２０１〜２０３へと移動するようになっている。

カートリッジ３００には、最も長さの短い第一のローラ４１Ｂに押圧される平面視円形状の複数の第一の室２０１，２０１と、次に長さの短い第二のローラ４１Ｃに押圧される平面視楕円形状の複数の第二の室２０２，２０２と、最も長さの長い第三のローラ４１Ｄに押圧される平面視楕円形状の複数の第三の室２０３，２０３と、各室２０１〜２０３同士を連結する複数の流路２０４，２０４，…とが設けられている。
第一の室２０１，２０１は、カートリッジ３００の長手方向に沿って一直線上に所定間隔に配され、第二の室２０２，２０２及び第三の室２０３，２０３もそれぞれカートリッジ３００の長手方向に沿って一直線上に所定間隔に配されている。第一の室２０１のカートリッジ３００の短手方向における長さｍ１は、第一のローラ４Ｂの長さｍ１と等しく、第二の室２０２のカートリッジ３００の短手方向における長さｍ２は、第二のローラ４Ｃの長さｍ２と等しく、第三の室２０３のカートリッジ３００の短手方向における長さｍ３は、第三のローラ４Ｃの長さｍ３と等しい。第一〜第三の室２０１〜２０３のカートリッジ３００の長手方向における長さｎは、全て等しく、かつ、第一〜第三のローラ４Ｂ〜４Ｄの断面形状である正方形の一辺の長さに等しい。さらに、互いに隣接する第一の室２０１，２０１，…同士の間隔は、第一のローラ４Ｂの正方形の一辺の長さｎの整数倍（図６では１倍）である。互いに隣接する第二の室２０２，２０２，…同士の間隔は、第二のローラ４Ｃの正方形の一辺の長さｎの整数倍（図６では１倍又は３倍）である。互いに隣接する第三の室２０３，２０３，…同士の間隔は、第三のローラ４Ｄの正方形の一辺の長さｎの整数倍（図６では３倍）である。

したがって、第一〜第三のローラ４Ｂ〜４Ｄを同時に右方向に回転移動させることにより、始めに第一のローラ４Ｂが第一の室２０１を押圧すると同時に第二のローラ４Ｃが第二の室２０２を押圧し、次いで、第一のローラ４Ｂが次の第一の室２０１を押圧すると同時に第三のローラ４Ｄが第三の室２０３を押圧し、順次、回転移動により各室２０１〜２０３を押圧して、溶液が流路２０４，２０４，…へ押し出されていく。このとき、第一〜第三の室２０１〜２０３は、それぞれ第一〜第三のローラ４Ｂ〜４Ｄの大きさ（カートリッジ３００の長手方向及び短手方向における長さ）と等しいので、第一の室２０１は第一のローラ４Ｂの側面全面によって、第二の室２０２は第二のローラ４Ｃの側面全面によって、第三の室２０３は第三のローラ４Ｄの側面全面によって一度に押し潰されることになる。その結果、逆流や液残りが生じることなく確実な送液が行われる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、上記第一〜第三の実施の形態においてローラ４，４Ａ，４Ｂ〜４Ｄは、断面形状が正方形の四角柱であるとしたが、これに限らず、図７(a)の断面形状が正三角形のローラ４Ｅ、(b)の正五角形のローラ４Ｆ、(c)の正六角形のローラ４Ｇ、(d)のルーローの多角形のローラ４Ｈとしても良い。特に多角形とする程、円形状のローラに近い運動をするので軸変動の問題が解消されて好ましい。中でもルーローの多角形は、円形状のローラに近い運動をしながら、角部で弾性体を確実に加圧することができ、逆流の防止も効果的に行うことができる点で好ましい。
また、第一及び第二の実施の形態では室２１，２２、反応部室２３及び廃液収容室２４の平面形状を四隅が丸くなった四角形、第三の実施の形態では円形や楕円形としたが、これらに限られるものではなく、適宜変更可能であり、室の個数や室同士の間隔も変更することができる。

(a)は、カートリッジ３の斜視図、(b)は、カートリッジ３の上面図、(c)は、切断線Ｚ−Ｚに沿って切断した際の矢視断面図である。 ローラ４の動作状態を示しており、切断線Ｚ−Ｚに沿って切断した際の矢視断面図である。 (a)〜(d)は、ローラ４の動作状態を模式的に示した側面図である。 (a)〜(c)は、ローラ４の動作状態を模式的に示した上面図である。 (a)，(b)は、ローラ４Ａの動作状態を模式的に示した図である。 第一〜第三のローラ４Ｂ〜４Ｄが弾性体２００の上面左端部に位置している状態を示した上面図である。 (a)〜(d)は、ローラ４Ｅ〜４Ｈの側面図である。

符号の説明

１ 基板
２ 弾性体
３ カートリッジ
４，４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ ローラ
４１，４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄ ローラ軸
２１，２２ 室
２３ 反応部室
２４ 廃液収容室
２５ 流路
１００ 生物化学反応用装置
４３１，４３２，４３３，４３４ 角部
Ｘ，Ｙ 溶液

Claims (4)

1. 流体の化学的な反応を行うために用いられる生物化学反応用装置であって、
   容器の少なくとも一部が弾性体で構成され、前記容器の内部に流体が収容される複数の室及び複数の室を連結する流路を有するカートリッジと、
   前記弾性体の表面に接触しながら回転移動することにより、前記弾性体に外力を加えて変形させ、流路又は室にある流体を移動させるローラとを備え、
   前記ローラのローラ軸に直交する断面形状が、少なくとも三つ以上の角部を有し、各角部同士の間の各辺の長さがともに等しい形状であり、
   前記複数の室は、前記ローラの移動方向における長さがそれぞれ等しく、かつ、前記ローラの各辺の長さと等しく、
   前記移動方向において互いに隣接する室同士の間隔が、前記ローラの各辺の長さの整数倍であり、
   複数の前記ローラが、各ローラ軸がローラの移動方向に対して直交する方向に沿うように設けられており、
   前記複数のローラのうち一のローラと、このローラによって押圧される前記複数の室のうち一の室とは、前記直交方向における長さが等しく、かつ、前記移動方向に対して互いに平行に配置されていることを特徴とする生物化学反応用装置。
2. 前記ローラの断面形状が正方形であることを特徴とする請求項１に記載の生物化学反応用装置。
3. 前記ローラの断面形状がルーローの多角形であることを特徴とする請求項１に記載の生物化学反応用装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の生物化学反応用装置を使用して、流体の化学的な反応を行う生物化学反応方法であって、
   前記複数のローラを、前記弾性体の表面に接触させながら回転移動させることにより、前記弾性体に外力を加えて変形させ、流路又は室にある流体を移動させることを特徴とする生物化学反応方法。

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