DE112013003342B4 - Patrone zur biochemischen Verwendung und biochemische Verarbeitungsvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Patrone zur biochemischen Verwendung, welche eine erste Kammer (38) als Flüssigkeitstransportquelle zur Aufnahme eines zu transportierenden Reagens, eine zweite Kammer (39) als Flüssigkeitstransportziel für das Reagens und einen Flüssigkeitstransportkanal (36), um sie zu verbinden, aufweist, wobei diese Kammern (38, 39) und der Flüssigkeitstransportkanal (36) in einen Patronenkörper (30) eingeschlossen sind,wobei der Flüssigkeitstransportkanal (36) am Boden des Patronenkörpers (30) ausgebildet ist, eine Membran (31) als elastischer Körper an den Boden des Patronenkörpers geklebt ist und ein Teil der Membran (31) eine Wandfläche des Flüssigkeitstransportkanals (36) bildet und sich entsprechend einer von außen gegebenen Druckänderung hin- und herbewegen und das Volumen des Flüssigkeitstransportkanals (36) ändern kann,gekennzeichnet durch einen Stopfen (35) an einer Flüssigkeitstransportöffnung (38A) zwischen der ersten Kammer (38) und dem Flüssigkeitstransportkanal (36), wobei der Stopfen (35) durch Drücken eines Stößels (51) über die Membran (31) aus der Flüssigkeitstransportöffnung (38A) lösbar ist.

Description

  • [Technisches Gebiet]
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Kassetten bzw. Patronen zur biochemischen Verwendung sowie biochemische Verarbeitungsvorrichtungen, die zum Extrahieren einer lebenden Substanz (Nukleinsäure) durch biochemische Reaktion und zur Synthese und Analyse nach Bedarf verwendet werden.
  • [Stand der Technik]
  • Für das Ausführen einer Genanalyse sind beispielsweise verschiedene biochemische Prozesse und Reaktionen in der Art der Extraktion und Amplifikation von Nukleinsäuren, wie DNA und RNA, aus einer Probe (auch als Analyt oder Probenmaterial bezeichnet), die von einem Lebewesen oder dergleichen erhalten wurde, erforderlich. Für diese Prozesse und Reaktionen müssen mehrere Reagenzien genau mit der Probe gemischt werden. Wenn verschiedene Reagenzien in die Probe gegeben werden und verschiedene biochemische Prozesse ausgeführt werden, müssen die Reagenzien zu verschiedenen Verarbeitungszellen transportiert werden.
  • Als ein Verfahren für das Mischen eines Reagens mit einer Probe wird häufig ein Pipettensystem auf der Grundlage eines Abgaberoboters in automatischen Analysiervorrichtungen usw. verwendet, wie in Patentliteratur (PTL) 1 beschrieben ist. Ein Abgaberoboter ist eine Einheit, die einen Abgabemechanismus zwei- oder dreidimensional innerhalb eines gegebenen Bereichs der Vorrichtung antreibt und eine Flüssigkeit durch eine Düse, eine Spitze oder dergleichen an der Spitze des Abgabemechanismus automatisch ansaugt und abgibt.
  • Andererseits gibt es auf dem Gebiet der Genanalyse einen als PCR-Reaktion (Polymerasekettenreaktion) bezeichneten DNA-Amplifizierungsprozess. Auf dem Gebiet der Genanalyse muss DNA, die zu einem Templat werden soll, durch die PCR-Reaktion amplifiziert werden, bis ein Detektor sie erkennen kann, wobei dies als ein sehr wirksames Verfahren bekannt ist.
  • Wenn DNA oder RNA behandelt wird, muss verhindert werden, dass Nicht-Ziel-DNA oder -RNA eingemischt wird (nachstehend als Verunreinigung bezeichnet). Die PCR kann eine winzige DNA-Spur (ein Molekül) als Templat amplifizieren. Daher muss verhindert werden, dass durch PCR amplifizierte niedermolekulare Clon-DNA- oder DNA-Fragmente (PCR-Produkt) verunreinigt werden und zu einem Templat werden. Zu diesem Zweck sollten eine Kammer, in der DNA als Extraktionsziel usw. behandelt wird, und eine Kammer, in der die PCR ausgeführt wird, getrennt werden, und eine DNA-Aerosolverunreinigung sollte durch Transportieren einer Probe durch ein die Probe enthaltendes Rohr verhindert werden, und die PCR-Reaktion sollte in einem sterilen Arbeitsbereich ausgeführt werden.
  • Im Fall des Pipettensystems, das einen Abgaberoboter verwendet, wie in PTL 1 beschrieben, wird eine Verunreinigung durch Reinigen der Düse oder Wegwerfen der Spitze verhindert. Weil sich die Düse oder Spitze jedoch in der Luft bewegt, ist es sehr schwierig, eine DNA-Aerosolverunreinigung zu verhindern. Daher werden die Kammer, in der die DNA behandelt wird, und die Kammer, in der die PCR ausgeführt wird, getrennt und wird die Arbeit in einem sterilen Arbeitsbereich ausgeführt, um eine Verunreinigung so weit wie möglich zu verringern.
  • In den letzten Jahren wurden Forschungsarbeiten ausgeführt, in denen eine Probe in einem Mikroraum unter Verwendung einer Mikrovorrichtung mit einem Reagens reagiert wird, um eine Reihe von Prozessen, einschließlich einer Extraktion, Reinigung, Amplifikation und Analyse einer lebenden Substanz, auszuführen. Eine Mikrovorrichtung kann für eine große Vielzahl von Anwendungen, einschließlich der Genanalyse, verwendet werden. Die Verwendung einer Mikrovorrichtung bietet die folgenden Vorteile: der Verbrauch von Proben und Reagenzien ist kleiner als bei einer gewöhnlichen Vorrichtung, sie ist einfacher zu tragen als wenn verschiedene Reagenzien eingesetzt werden, und sie ist einmal verwendbar. Weil eine Reaktion in einer kleinen Vorrichtung zusätzlich in einem umschlossenen Raum ausgeführt wird, wird davon ausgegangen, dass das vorstehend erwähnte Verunreinigungsproblem dabei leicht adressiert werden kann. PTL 2 schlägt eine Technik zur Extraktion von DNA unter Verwendung einer Vorverarbeitungsspitze als Anwendungsbeispiel einer Mikrovorrichtung vor.
  • Weiterer Stand der Technik ist in US 2005/0052502 A1 , von der der Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgeht, und US 4848722 A und JP 2011-30522 A offenbart.
  • [Zitatliste]
  • [Patentliteratur]
    • [PTL 1] Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. S63 (1988)- 315956
    • [PTL 2] Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2007-330179
  • [Kurzfassung der Erfindung]
  • [Technisches Problem]
  • Zum Mischen kleiner Mengen eines Reagens und einer Probe für das Ausführen einer chemischen Reaktion und Analyse in einer Mikrovorrichtung ist die quantitative Steuerung von Fluiden in der Art des Reagens und der Probe in der Mikrovorrichtung wichtig. Dies liegt daran, dass die chemische Reaktion und die Analyse nicht wie erwartet ausgeführt werden können, es sei denn, dass geeignete Mengen des Reagens und der Probe zu einer geeigneten Zeit transportiert werden. Daher müssen die Durchflussrate, die Strömungsgeschwindigkeit, der Fluiddruck usw. des zu transportierenden Fluids geeignet gesteuert werden.
  • Als Verfahren für den Transport von Flüssigkeiten in einer Mikrovorrichtung stehen ein Zentrifugalverfahren und ein Verfahren, bei dem Luftdruck direkt in einen Flusskanal eingekapselt wird, zur Verfügung. Bei beiden Verfahren ist es schwierig, Flüssigkeiten in einem von der Außenluft abgeschlossenen Zustand zu transportieren, so dass die Sorge einer möglichen DNA-Aerosolverunreinigung besteht. Zusätzlich ist es schwierig, die Fluiddurchflussrate und die Fluidtransportzeit zu steuern.
  • Die vorliegende Erfindung strebt an, eine einmal verwendbare Patrone zur biochemischen Verwendung, wodurch das vorstehende Problem gelöst wird, welche von der Außenluft abgeschirmt ist und welche eine einfache Durchflussratensteuerung von Flüssigkeiten in der Art von Reagenzien ermöglicht, sowie eine biochemische Verarbeitungsvorrichtung, welche diese verwendet, bereitzustellen.
  • [Lösung des Problems]
    • (1) Die Lösung der Aufgabe gelingt mit einer Patrone zur biochemischen Verwendung gemäß Anspruch 1.
  • Beispielsweise umfasst die Patrone zur biochemischen Verwendung eine Kammer zum Einkapseln einer flüssigen Probe, eine Kammer zum Einkapseln eines Reagens und mehrere Kammern, in denen eine Reihe von Prozessen zum Extrahieren und Reinigen einer lebenden Substanz als Ziel aus der gemischten Flüssigkeit als die mit dem Reagens gemischte Flüssigkeitsprobe sequenziell ausgeführt wird. Sie umfasst auch einen Flüssigkeitstransportkanal, der untereinander in Beziehung stehende von diesen Kammern verbindet. Diese Kammern sind in den Patronenkörper eingeschlossen. Am Boden des Patronenkörpers ist der Flüssigkeitstransportkanal ausgebildet, und eine Membran als ein Elastomer ist angeklebt. Ein Teil der Membran ist eine Wandfläche des Flüssigkeitstransportkanals und bildet einen pneumatischen Membranpumpmechanismus, der sich entsprechend der Änderung des von außen ausgeübten Drucks hin- und herbewegt und das Volumen des Flüssigkeitstransportkanals ändert.
  • (2) Außerdem stellt die Erfindung eine biochemische Verarbeitungsvorrichtung gemäß Anspruch 9 mit einer solchen Patrone bereit.
  • [Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung]
  • Mit der Patrone zur biochemischen Verwendung gemäß der vorliegenden Erfindung, wie vorstehend in (1) beschrieben, können in einem geschlossenen Raum ein Reagens und eine Probe berührungsfrei transportiert werden und kann eine biochemische Verarbeitung ausgeführt werden, so dass eine Verunreinigung verhindert werden kann.
  • Bei der biochemischen Verarbeitungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wie vorstehend in (2) beschrieben, befinden sich der Luftzufuhr-/Auslassmechanismus zum Antreiben des Ventilmechanismus für das Öffnen und Schlie-ßen der Flüssigkeitstransportöffnung jeder Kammer der Patrone und der Luftdruckausübungsteil zum Aktivieren des Flüssigkeitstransportpumpmechanismus (Membran) der Patrone im Patronenhalter, so dass die Größe und die Kosten der Patrone verringert werden können.
  • [Kurzbeschreibung der Zeichnung]
  • Es zeigen:
    • 1 eine perspektivische Teilansicht der allgemeinen Struktur einer biochemischen Verarbeitungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
    • 2 ein Strukturdiagramm eines gemäß der vorstehenden Ausführungsform verwendeten Luftdruck-Steuersystems,
    • 3 ein Diagramm zur Richtungssteuerung durch im Luftdruck-Steuersystem verwendete Dreiwegeventile in einem Normalzustand und einem betätigten Zustand,
    • 4 eine Längsschnittansicht einer Patrone zur biochemischen Verwendung gemäß der vorstehenden Ausführungsform,
    • 5 eine Längsschnittansicht eines Patronenhalters gemäß der vorstehenden Ausführungsform,
    • 6 eine Längsschnittansicht des Anfangszustands der auf den Patronenhalter geladenen Patrone,
    • 7 eine erklärende Ansicht der Patrone und einer Patronenbetriebssequenz,
    • 8 eine erklärende Ansicht der Patrone und der Patronenbetriebssequenz,
    • 9 eine erklärende Ansicht der Patrone und der Patronenbetriebssequenz,
    • 10 eine erklärende Ansicht der Patrone und der Patronenbetriebssequenz,
    • 11 eine erklärende Ansicht der Patrone und der Patronenbetriebssequenz,
    • 12 eine erklärende Ansicht der Patrone und der Patronenbetriebssequenz,
    • 13 eine erklärende Ansicht der Patrone und der Patronenbetriebssequenz,
    • 14 eine erklärende Ansicht der Patrone und der Patronenbetriebssequenz,
    • 15 eine erklärende Ansicht der Patrone und der Patronenbetriebssequenz,
    • 16 eine erklärende Ansicht der Patrone und der Patronenbetriebssequenz, und
    • 17 eine Draufsicht der allgemeinen Struktur der Patrone.
  • [Beschreibung von Ausführungsformen]
  • Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand eines Beispiels mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben.
  • Die in 1 dargestellte biochemische Verarbeitungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung repräsentiert eine Vorrichtung, die eine Reihe von Prozessen von der DNA-Extraktion bis zu ihrer Amplifikation als Beispiel einer Nukleinsäureextraktion und -amplifikation ausführt. Die biochemische Verarbeitungsvorrichtung weist drei Einheiten auf: eine Patrone 1 zur biochemischen Verwendung, welche die vorstehende Reihe von Prozessen in einem geschlossenen Zustand ausführt, einen Patronenhalter 2, welcher die Patrone 1 hält und einen Luftdruckausübungsteil für das Öffnen und Schließen des Flüssigkeitstransportkanals der Patrone 1 und zum Ermöglichen, dass die Patrone 1 einen Pumpvorgang ausführt, aufweist, und ein Luftdruck-Steuersystem 3, welches mit einer Luftpumpe (Luftdruckquelle) 10 verbunden ist und die Zufuhr von Luftdruck zum Patronenhalter 2 und seine Fortnahme steuert.
  • Zuerst wird die allgemeine Struktur der Patrone 1 als Beispiel mit Bezug auf 17 beschrieben. 17 ist eine Draufsicht, welche eine Skizze der Patrone 1 zeigt.
  • Die Patrone 1 umfasst eine Probeneinkapselungskammer 39 zum Einkapseln einer flüssigen Probensubstanz (nachstehend als Probe bezeichnet), die eine lebende Substanz aufweist, Reagenseinkapselungskammern zum Einkapseln verschiedener Reagenzien (beispielsweise eine Lösungseinkapselungskammer 38 zum Einkapseln einer Lösung zur Nukleinsäureextraktion, eine Reinigungsflüssigkeits-Einkapselungskammer 71 zum Einkapseln einer Reinigungsflüssigkeit, eine Eluenten-Einkapselungskammer 72 zum Einkapseln eines Eluenten und eine Amplifizierendes-Reagens-Einkapselungskammer 73 zum Einkapseln eines Reagens zur PCR-Amplifikation), mehrere Kammern, in denen eine Reihe von Prozessen zum Extrahieren und Reinigen einer lebenden Substanz (DNA in diesem Beispiel) als Ziel aus einer gemischten Flüssigkeit als Mischung einer flüssigen Probe und eines Reagens ausgeführt wird (beispielsweise eine Umrührkammer, eine Lebende-Substanz-Adsorbierkammer 74 und eine Abfallflüssigkeitskammer 75), eine Kammer 76 zur Nukleinsäureamplifikation und Flüssigkeitstransportkanäle 36 (36a bis 36g). Wenn in jedem Flüssigkeitstransportkanal 36 die Flüssigkeitstransportöffnung in der entsprechenden Kammer durch einen Ventilmechanismus (der später beschrieben wird) geöffnet wird, kann die Flüssigkeit zirkulieren und wird ein Pumpmechanismus (der später beschrieben wird) für diese Zirkulation verwendet. In der nachstehenden Erklärung ermöglichen die Flüssigkeitstransportkanäle 36a bis 36g, dass die Flüssigkeit in einem damit in Zusammenhang stehenden Prozess fließt und, während sie fließt, der damit in Zusammenhang stehende Flüssigkeitstransportkanal durch den Ventilmechanismus offen gehalten wird und die anderen Flüssigkeitstransportkanäle durch den Ventilmechanismus geschlossen werden.
  • Gemäß dieser Ausführungsform dient die Probeneinkapselungskammer 39 auch als eine Kammer zum Einbringen eines Reagens (einer Lösung) von der Reagenseinkapselungskammer (Lösungskammer) 38 durch den Flüssigkeitstransportkanal 36a und zum Präparieren einer gemischten Flüssigkeit. Ferner dient sie auch als eine Kammer zum Berühren der gemischten Flüssigkeit. Das Umrühren wird später beschrieben. Alternativ können die Kammer zum Präparieren einer gemischten Flüssigkeit und die Kammer zum Umrühren getrennt von der Probeneinkapselungskammer 39 bereitgestellt werden.
  • In der Probeneinkapselungskammer 39 wird die Nukleinsäure in der Probe durch eine Lösung freigesetzt (Lösungsschritt) und wird die gemischte Flüssigkeit nach dem Lösungsschritt von der Probeneinkapselungskammer 39 durch den Flüssigkeitstransportkanal 36e in die Lebende-Substanz-Adsorbierkammer 74 eingebracht, wo bewirkt wird, dass die Zielnukleinsäure an der Oberfläche eines Trägers adsorbiert wird, der in der Adsorbierkammer 74 bereitgestellt ist (Adsorptionsschritt).
  • Die in die Adsorbierkammer 74 eingebrachte gemischte Flüssigkeit wird durch einen Flüssigkeitstransportkanal 36g zur Abfallflüssigkeitskammer 75 transportiert. Nach dem Adsorptionsschritt wird die Reinigungsflüssigkeit von der Reinigungsflüssigkeits-Einkapselungskammer 71 durch den Flüssigkeitstransportkanal 36b zur Adsorbierkammer 74 transportiert, und die von der Nukleinsäure als Ziel auf der Trägeroberfläche verschiedenen Komponenten werden gereinigt (Reinigungsschritt). Die Abfallreinigungsflüssigkeit wird durch den Flüssigkeitstransportkanal 36g in die Abfallflüssigkeitskammer 75 geleitet. Nach dem Reinigungsschritt wird der Eluent aus der Eluenten-Einkapselungskammer 72 durch den Flüssigkeitstransportkanal 36c zur Adsorbierkammer 74 transportiert. Folglich verlässt die an der Trägeroberfläche adsorbierte Nukleinsäure den Träger und wird durch den Flüssigkeitstransportkanal 36f zur Reaktionskammer 76 für die Nukleinsäureamplifikation zusammen mit dem Eluenten transportiert (Elutionsschritt: Nukleinsäureextraktion). Danach wird das für die PCR-Amplifikation benötigte Reagens aus der Amplifizierendes-Reagens-Einkapselungskammer 73 durch den Flüssigkeitstransportkanal 36d zur Reaktionskammer 76 transportiert. Das für die PCR-Amplifikation benötigte Reagens ist eine Mischung eines Primers, Taq-Polymerase und eines Nukleotids (dNTP) mit einer Pufferlösung, und diese wird mit dem Eluenten gemischt, der die vorstehend erwähnte extrahierte Nukleinsäure (Templat-DNA) enthält, um eine Reaktionslösung zu erhalten.
  • Die Reaktionslösung in der Reaktionskammer 76 wird durch eine Wärmezykluseinrichtung (nicht dargestellt), welche in den Patronenhalter 2 eingebaut ist, temperaturgeregelt, um eine Nukleinsäureamplifikation durch das PCR-Verfahren auszuführen. Nach dem Nukleinsäureamplifikationsschritt wird die Reaktionslösung durch eine Kapillarröhre (nicht dargestellt), die mit dem Flüssigkeitstransportkanal 36i und der Patrone 1 verbunden ist, zu einem Kapillarelektrophorese-DNA-Sequenzer (nicht dargestellt) transportiert, wo eine DNA-Analyse stattfindet.
  • Als nächstes werden die Strukturen der Patrone 1 und des Patronenhalters 2 mit Bezug auf die 4 bis 6 beschrieben.
  • 4 ist eine Längsschnittansicht der Patrone 1 (entlang der Linie A-A in 1 genommen), worin die Reagenseinkapselungskammer (Lösungseinkapselungskammer) 38, die Probeneinkapselungskammer 39 und der Flüssigkeitstransportkanal 36 (36a) dargestellt sind. Die vorstehend erwähnten anderen Kammern 71 bis 76 und Flüssigkeitstransportkanäle 36b bis 36g ähneln den in 4 dargestellten Kammern und dem in 4 dargestellten Flüssigkeitstransportkanal in Bezug auf die Beziehung zwischen einer Kammer und einem Flüssigkeitstransportkanal, so dass ihre Querschnittsstrukturen fortgelassen sind.
  • Wie in 4 dargestellt ist, weist in der Patrone 1 der Patronenkörper 30 die Reagenseinkapselungskammer 38, die Probeneinkapselungskammer 39 und eine Rille, die zum Flüssigkeitstransportkanal 36a wird, welcher diese Kammern verbindet, auf. Die Rille 36a ist am Boden des Patronenkörpers 30 ausgebildet. Eine Membran 31 ist an den Boden des Patronenkörpers 30 geklebt. Ein Teil dieser Membran 31 dient als eine Stirnfläche des Flüssigkeitstransportkanals 36a und bildet einen Pumpmechanismus, der sich entsprechend der von außen vorgegebenen Druckänderung hin- und herbewegt, um das Volumen des Flüssigkeitstransportkanals zu ändern.
  • Das Reagens (die Lösung), das (die) erforderlich ist, um die Probe zu verarbeiten, wird zuvor in die Reagenseinkapselungskammer 38 eingekapselt. Auch in die anderen verschiedenen Reagenseinkapselungskammern 71, 72 und 73 werden die jeweiligen Reagenzien in ähnlicher Weise eingekapselt. Um zu verhindern, dass das Reagens während der Speicherung zum Flüssigkeitstransportkanal 36 (Flüssigkeitstransportkanal 36a in 4) fließt, ist ein Stopfen 35 an der Flüssigkeitstransportöffnung 38A zwischen der Reagenseinkapselungskammer (Lösungseinkapselungskammer 38 in 4) und dem Flüssigkeitstransportkanal 36a bereitgestellt. Zwischen den Kammern ist oberhalb der Kammern eine sehr kleine Lüftungsrille (oder ein sehr kleines Lüftungsloch) 37 bereitgestellt. Die obere Abdeckung 32 ist am Patronenkörper 30 angebracht, um die Kammern und die Lüftungsrille 37 zu bedecken, und ein Film 33 ist an die obere Abdeckung 32 angeklebt, um das Innere der Patrone 1 zu versiegeln. Die Lüftungsrille 37 weist die Funktion auf, das Druckniveau zwischen den Kammern anzugleichen und zu gewährleisten, dass die Zirkulation im Flüssigkeitstransportkanal 36 und die Hin- und Herbewegung der Membran 31 glatt sind.
  • Wie in 17 dargestellt ist, ist die Probeneinkapselungskammer 39 über den Flüssigkeitstransportkanal 36e mit der Adsorbierkammer 74 verbunden, und wie in 4 dargestellt ist, ist eine Flüssigkeitstransportöffnung 39B als ein stromaufwärts gelegenes Ende des Flüssigkeitstransportkanals 36e auch am Ausgang der Probeneinkapselungskammer 39 bereitgestellt. Ein Stopfen (nicht dargestellt), der dem an der Flüssigkeitstransportöffnung 38A bereitgestellten Stopfen 35 ähnelt, ist auch an der Flüssigkeitstransportöffnung 39B bereitgestellt.
  • Im Interesse einer Massenproduktion ist es wünschenswert, dass die in der Patrone 1 verwendeten Komponenten aus einem formbaren Material bestehen. Es ist wünschenswert, dass der Patronenkörper 30 aus Acrylharz, Polycarbonatharz, Quarz oder dergleichen besteht und dass die Membran 31 aus einem wärmebeständigen und wetterfesten Silikongummi, PDMS oder dergleichen besteht. Er wird durch Zusammenkleben von diesen durch chemische Behandlung oder mit einem Klebstoff oder doppelseitigen Klebeband hergestellt. Die obere Abdeckung 32 besteht aus dem gleichen Material wie der Patronenkörper 30, und das Innere der Patrone 1 ist durch Ultraschallschweißen der Außenränder der Kammern gedichtet.
  • In der Patrone 1 werden verschiedene Reagenzien vorab in die Kammern eingekapselt, und die Patrone 1 wird dem Benutzer unverändert zugeführt. Andererseits muss der Benutzer eine Probe in die Probeneinkapselungskammer 39 einkapseln. Dabei entfernt der Benutzer den Gummistopfen 34, der an der oberen Abdeckung 32 der Patrone 1 angebracht ist, gibt die Probe in diese und befestigt den Gummistopfen 34 wieder, um die Probeneinkapselungskammer 39 zu dichten.
  • 5 ist eine Schnittansicht des Patronenhalters 2 entlang der Linie A-A in 1, entsprechend der Patrone 1 in 4. Es sind darin als Beispiel ein Luftzylindermechanismus zum Öffnen und Schließen der Reagenseinkapselungskammer 38 und der Probeneinkapselungskammer 39, wie in 4 dargestellt, und ein Luftzufuhr-/Auslassmechanismus für den Luftdruck zum Antreiben der Membran (Flüssigkeitstransportpumpe) dargestellt. Wenngleich dies in 4 nicht dargestellt ist, sind der Luftzufuhr-/Auslassmechanismus und der Luftzylindermechanismus für die anderen Kammern und die Flüssigkeitstransportkanäle auch ebenso wie in 4 dargestellt im Patronenkörper 30 bereitgestellt. Als nächstes werden der Luftzylindermechanismus und der Luftzufuhr-/Auslassmechanismus beschrieben.
  • Beim Patronenhalter 2 weist ein Patronenhalterkörper 50 einen Luftzylindermechanismus und einen Luftzufuhr-/Auslassmechanismus auf, die durch das Luftdruck-Steuersystem 3 angetrieben werden, wenn die Patrone 1 geladen ist, wie in den 6 bis 16 dargestellt ist.
  • Der Luftzylindermechanismus weist mehrere stiftartige Stößel (in den 5 bis 16 sind Stößel 51 und 52 dargestellt), die in den Patronenhalterkörper 50 eingebaut sind und durch eine Änderung des Luftdrucks aktiviert werden, und Luftdrucköffnungen (Luftdrucköffnungen 58 bis 62 sind in den 5 bis 16 dargestellt), welche den auf diese Stößel auszuübenden Luftdruck herbeiführen, auf. Der Luftdruck ist beispielsweise ein Überdruck, er kann jedoch auch ein Unterdruck sein. Der Stößel 51 verformt einen Teil der Membran 31 elastisch, um die Flüssigkeitstransportöffnung 38A der Reagenseinkapselungskammer 38 zu öffnen und zu schließen. Der Stößel 52 verformt einen Teil der Membran 31 elastisch, um die Flüssigkeitstransportöffnung 39A zu öffnen und zu schließen. Daher wirkt ein Teil der Membran 31 als ein Ventil, das durch den Luftzylindermechanismus aktiviert wird. Dichtungen 53 und 55 sind jeweils an die Basen der Stößel 51 und 52 angepasst. Die Dichtungen 54 und 56 sind auch in der Nähe der oberen Enden der Stößel 51 und 52 angepasst. Auch weist der Patronenhalterkörper 50 einen Dichtungsvorsprung 57 an seiner oberen Fläche auf, um einen Teil der Membran 31 einzudrücken und die Umgebung des Flüssigkeitstransportkanals 36 der Patrone 1 zu dichten, wenn die Patrone 1 geladen wird. Weil die Luftdrucköffnungen 58 bis 62 jeweils mit den entsprechenden Dreiwegeventilen 14 des Luftdruck-Steuersystems 3 verbunden sind, können die Stößel 51 und 52 getrennt gesteuert werden.
  • Vorzugsweise sollte der Patronenhalterkörper 50 aus Acrylharz bestehen. Je größer die Anzahl der Flüssigkeitstransportpunkte in der Patrone 1 ist, desto komplizierter ist der Luftdruck-Strömungsweg des Patronenhalterkörpers 50. Falls er aus Acrylharz besteht, kann ein Verbinden oder Bonden vorgenommen werden, so dass das Problem eines komplizierten Strömungswegs adressiert werden kann. Weil die Anzahl der Zylinder im Luftzylindermechanismus mit der Anzahl der Flüssigkeitstransportpunkte zunimmt, sollte er vorzugsweise aus einem festen Harz in der Art von PPS-Harz bestehen. Falls er jedoch durch Formen gebildet wird, kann ein Luftleck von einer Trennlinie auftreten, und es muss sorgfältig vorgegangen werden, um ein solches Leck nicht hervorzurufen. Als Dichtungen für eine pneumatische Hin- und Herbewegung sind die gleitenden Teile der Dichtungen 53, 54, 55 und 56 mit Vakuumschmiere überzogen. Folglich ist die Gleitreibung reduziert, wenn die Stößel 51 und 52 angetrieben werden.
  • Wie in 6 dargestellt ist, zerdrückt der Dichtungsvorsprung 57 des Patronenhalterkörpers 50, wenn die Patrone 1 auf den Patronenhalter 2 geladen wird, einen Teil der Membran 31 und dichtet die Umgebung des Flüssigkeitstransportkanals 36, wie vorstehend erwähnt wurde. Die Luftdrucköffnung 60 soll den Stößel 51 nach oben drücken. Die Luftdrucköffnung 59 soll den Stößel 51 wieder in seine ursprüngliche Position zurück bewegen. Die Luftdrucköffnung 62 soll den Stößel 52 nach oben drücken. Die Luftdrucköffnung 61 soll den Stößel 52 wieder in seine ursprüngliche Position zurück bewegen. Jede Öffnung ist mit einem Rohr des Luftdruck-Steuersystems 3 verbunden. Folglich führt das Luftdruck-Steuersystem 3 jeder Öffnung Luftdruck zu, und die Stößel des Luftzylindermechanismus werden einzeln aktiviert.
  • Die Luftdrucköffnung 58 führt einem Luftdruckausübungsteil 50A Luftdruck zu. Dies bewirkt, dass ein Teil der Membran 31 elastisch verformt wird und gegen den Flüssigkeitstransportkanal 36 gedrückt wird. Eine Rille 50A, die dem Flüssigkeitstransportkanal 36 über die Membran 31 entgegengesetzt ist, wenn die Patrone 1 auf den Patronenhalter 2 geladen ist, ist an der oberen Fläche des Patronenhalterkörpers 50 bereitgestellt. Diese Rille 50A steht in Verbindung mit der Luftdrucköffnung 58 und dient als der vorstehend erwähnte Luftdruckausübungsteil, um einen Teil der Membran 31 elastisch zu verformen. Die Rille 50A ist vom Vorsprung 57 umgeben. Die Luftöffnung 58 und die Rille 50A dienen als ein Luftzufuhr-/Auslassmechanismus, um Luftdruck zum Hin- und Herbewegen der Membran 31 als pneumatischen Membranpumpmechanismus bereitzustellen.
  • Der Luftdruck wird dem Patronenhalter 2 nicht lediglich durch Verbinden der Rohre des Luftdruck-Steuersystems 3 mit den Luftdrucköffnungen zugeführt. Im Normalzustand sind alle Öffnungen des Patronenhalters 2 unter der Richtungssteuerung durch das Dreiwegeventil 14 (siehe 3) zur Atmosphäre offen.
  • 2 zeigt die Struktur des Luftdruck-Steuersystems 3. Die Luftpumpe 10 als Luftdruck-Antriebsquelle saugt Luft an und gibt Luft ab. Die abgegebene Luft läuft durch ein Rohr und durch einen Luftfilter 11 und ein Luftdruck-Regulierventil 12 und wird zur Eingangsseite des Dreiwegeventilverteilers 13 geleitet. Mehrere Dreiwegeventile 14 sind in Reihe am Dreiwegeventilverteiler 13 montiert und jeweils mit einem gemeinsamen Luftströmungsweg verbunden. Jedes der Dreiwegeventile 14 ist mit einem Rohr verbunden. Die Dreiwegeventile 14 werden einzeln gesteuert. Wenn ein Dreiwegeventil 14 mit Energie versorgt wird, wird der Verteiler 13 mit dem Patronenhalter 2 verbunden und läuft die Luft von der Luftpumpe 10 durch eine Geschwindigkeitssteuereinrichtung 15 und wird zum Patronenhalter 2 geleitet. Der Dreiwegeventilverteiler 14 weist auch einen ausgangsseitigen Strömungsweg für den Luftausstoß auf, der zur Atmosphäre hin offen ist. Ein Schalldämpfer 16 ist am Ausgang des ausgangsseitigen Strömungswegs angebracht.
  • Wenn die von der Luftpumpe 10 abgegebene Luft durch den Luftfilter 11 hindurchtritt, werden Schmutz und Staub, die in der Luft enthalten sind, entfernt. Dies verhindert es, dass Fremdstoffe in die Dreiwegeventile 14 und die Geschwindigkeitssteuereinrichtungen 15 eintreten. Auch kann das Luftdruck-Regulierventil 12 den Luftdruck, auf den der Patronenhalter 2 gesetzt ist, auf einen geeigneten Druck regeln. Weil die Dreiwegeventile 14 am Dreiwegeventilverteiler 13 montiert sind, sind alle Rohre an einem einzigen Punkt verbunden. Selbst wenn die Anzahl der Dreiwegeventile 14 erhöht wird, sind die Rohre an einem Punkt verbunden, und sie können demgemäß kompakt untergebracht werden. Eine Geschwindigkeitssteuereinrichtung 15 ist mit dem Rohr verbunden, das mit jedem Dreiwegeventil 14 verbunden ist, so dass die Luftdruckströmungsrate gesteuert werden kann. Weil hier eine Flüssigkeit pneumatisch durch eine Hin- und Herbewegung (Pumpbewegung) der Membran 31 transportiert wird, ist die Flussratensteuerung wichtig. Weil ein Ton entsteht, wenn das Rohr mit einem hohen Druck zur Atmosphäre geöffnet wird, ist der Schalldämpfer 16 auch an der Ausgangsseite bereitgestellt, um die Schalllautstärke zu verringern.
  • 3 zeigt die Richtungssteuerung durch die Dreiwegeventile 14 des Luftdruck-Steuersystems 3.
  • Die Rohre sind hier so angeordnet, dass ein Luftdruck-Strömungsweg 17, der sich von der Eingangsseite zum Patronenhalter 2 erstreckt, und ein Luftdruck-Strömungsweg 18, der sich vom Patronenhalter 2 zur Ausgangsseite erstreckt, jeweils durch die Dreiwegeventile 14 geschaltet werden. Ein Dreiwegeventil 14 ist normalerweise geschlossen, und der Luftdruck-Strömungsweg 17 ist im Normalzustand geschlossen, und der Luftdruck-Strömungsweg 18 ist verbunden. Dabei wird die von der Eingangsseite kommende Luft in Verbindung mit dem Dreiwegeventilverteiler 13 gebracht, der Luftdruck-Strömungsweg 17 ist jedoch geschlossen, so dass kein Luftdruck auf den Patronenhalter 2 ausgeübt wird. Weil der Luftdruck-Strömungsweg 18 jedoch offen ist, ist der Strömungsweg auf der Seite des Patronenhalters 2 und der Ausgangsseite zur Atmosphäre hin offen. Wenn das Dreiwegeventil 14 mit Energie versorgt wird, wird der Luftdruck-Strömungsweg 17 offen und der Luftdruck-Strömungsweg 18 geschlossen. Dabei wird die von der Eingangsseite kommende Luft zum Dreiwegeventilverteiler 13 geleitet, und weil der Luftdruck-Strömungsweg 17 offen ist, kann die Luft zum Patronenhalter 2 transportiert werden. Weil der Luftdruck-Strömungsweg 18 geschlossen ist, kann der Luftdruck auch auf den Patronenhalter 2 ausgeübt werden. Weil die Rohre durch die Dreiwegeventile 14 mit dem Patronenhalter 2 verbunden sind, kann der Luftdruck auf einen gewünschten Strömungsweg ausgeübt werden.
  • Als nächstes wird der Flüssigkeitstransportvorgang in der Patrone 1 mit dieser Struktur mit Bezug auf die 7 bis 19 erklärt. Als Vorbereitung für den Transport einer Flüssigkeit wird zuerst die Luftpumpe 10 angetrieben, bevor der Patronenhalter 2 mit dem Luftdruck-Steuersystem 3 verbunden wird. Weil sich die Dreiwegeventile 14 zu dieser Zeit im normalen geschlossenen Zustand befinden, nimmt der Druck zwischen der Luftpumpe 10 und den Dreiwegeventilen 14 zu. In diesem Zustand wird der Druck durch das Druckregelventil 12 auf ein geeignetes Niveau geregelt. Danach wird jedes Dreiwegeventil 14 betätigt, um den Luftdruck-Strömungsweg 17 zu öffnen und den Luftdruck-Strömungsweg 18 zu schließen. Folglich wird Luft durch das Rohr zum Patronenhalter 2 gesendet, und die Durchflussrate in jedem mit dem Patronenhalter 2 verbundenen Rohr wird in diesem Zustand durch die Geschwindigkeitssteuereinrichtung 15 gesteuert. Nach Abschluss der Regelung des Luftdrucks und der Durchflussrate wird der Patronenhalter 2 mit dem Luftdruck-Steuersystem 3 verbunden und wird die Patrone 1 auf den Patronenhalter 2 geladen.
  • Dann werden zuerst das Dreiwegeventil 14 der Luftdrucköffnung 59 und das Dreiwegeventil 14 der Luftdrucköffnung 61 geschaltet, so dass diese Öffnungen mit der Luftdruck-Zufuhrseite in Verbindung gebracht werden. Folglich bewegen sich der Stößel 51 und der Stößel 52 nach unten, wie in 7 dargestellt ist. Dieser Zustand wird als die Stößelanfangsposition angesehen. Dann wird das Dreiwegeventil 14 der Luftdrucköffnung 60 geschaltet, so dass die Luftdrucköffnung 60 in Verbindung mit der Luftdruck-Zufuhrseite gebracht wird, und wird das Dreiwegeventil 14 der Luftdrucköffnung 59 geschaltet, so dass die Luftdrucköffnung 59 in Verbindung mit der Atmosphäre gebracht wird. Folglich öffnet sich der in der Luftdrucköffnung 59 angesammelte Luftdruck zur Atmosphäre, und es wird der Luftdruck von der Luftdrucköffnung 60 ausgeübt, so dass der Stößel 51 durch den Luftdruck gegen die Patrone 1 gedrückt wird, wie in 8 dargestellt ist. Der Stößel 51 drückt durch die Membran 31 den Stopfen 35, welcher die Reagenseinkapselungskammer 38 schließt, nach oben. Hierdurch wird der Stopfen 35 gelöst, welcher die Reagenseinkapselungskammer 38 schließt. Der Stopfen 35 wird, sobald er gelöst wurde, nach oben gedrückt gehalten, so dass er danach gelöst bleibt. Weil der Stößel 51 jedoch zwischen der Reagenseinkapselungskammer 38 und dem Flüssigkeitstransportkanal 36 gedrückt gehalten wird, bleibt der Bereich zwischen der Reagenseinkapselungskammer 38 und dem Flüssigkeitstransportkanal 36 geschlossen.
  • Dann wird das Dreiwegeventil 14 der Luftdrucköffnung 58 geschaltet, so dass die Luftdrucköffnung 58 in Verbindung mit der Luftdruck-Zufuhrquelle gebracht wird. Dies bewirkt, dass der Luftdruck auf die Rille (LuftdruckAusübungsteil) 50A einwirkt und ein Teil der Membran 31 durch den Luftdruck gedrückt wird, um in Kontakt mit dem Flüssigkeitstransportkanal 36 zu gelangen, wie in 9 dargestellt ist. Folglich wird die im Flüssigkeitstransportkanal 36 bleibende Luft in die Probeneinkapselungskammer 39 heraus gedrückt. Inzwischen nimmt der Druck in der Patrone 1 zu, weil das Innere der Patrone 1 gedichtet ist. Zwischen der Reagenseinkapselungskammer 38 und der Probeneinkapselungskammer 39 liegt die Lüftungsrille 37 oberhalb der Kammern, so dass die Drücke in den Kammern ausgeglichen sind.
  • Dann wird das Dreiwegeventil 14 der Luftdrucköffnung 62 geschaltet, so dass die Luftdrucköffnung 62 in Verbindung mit der Luftdruck-Zufuhrquelle gebracht wird, und wird das Dreiwegeventil 14 der Luftdrucköffnung 61 geschaltet, so dass die Luftdrucköffnung 61 in Verbindung mit der Atmosphäre gebracht wird. Folglich öffnet sich der in der Luftdrucköffnung 61 angesammelte Luftdruck zur Atmosphäre, und weil der Luftdruck von der Luftdrucköffnung 62 ausgeübt wird, wird der Stößel 52 durch den Luftdruck nach oben zur Patrone 1 gedrückt, wie in 10 dargestellt ist. Der Stößel 52 wird durch die Membran 31 zwischen der Probeneinkapselungskammer 39 und dem Flüssigkeitstransportkanal 36 gedrückt, so dass der Bereich zwischen der Probeneinkapselungskammer 39 und dem Flüssigkeitstransportkanal 36 geschlossen wird.
  • Dann wird das Dreiwegeventil 14 der Luftdrucköffnung 60 geschaltet, so dass die Luftdrucköffnung 60 in Verbindung mit der Atmosphäre gebracht wird, und wird das Dreiwegeventil 14 der Luftdrucköffnung 59 geschaltet, so dass die Luftdrucköffnung 59 in Verbindung mit der Luftdruck-Zufuhrquelle gebracht wird. Folglich öffnet sich der in der Luftdrucköffnung 60 angesammelte Luftdruck zur Atmosphäre, und weil der Luftdruck von der Luftdrucköffnung 59 ausgeübt wird, kehrt der Stößel 51 in seine ursprüngliche Position zurück, wie in 11 dargestellt ist. Die Membran 31 bleibt unter dem Luftdruck von der Luftdrucköffnung 58, so dass sie gegen den Flüssigkeitstransportkanal 36 gedrückt gehalten wird.
  • Dann wird das Dreiwegeventil 14 der Luftdrucköffnung 58 geschaltet, so dass die Luftdrucköffnung 58 in Verbindung mit der Atmosphäre gebracht wird. Folglich öffnet sich der in der Luftdrucköffnung 58 angesammelte Luftdruck zur Atmosphäre, und wie in 12 dargestellt ist, wird die gegen den Flüssigkeitstransportkanal 36 gedrückte Membran 31 durch ihre eigene elastische Kraft und den Druck innerhalb der Patrone 1 in ihre ursprüngliche Position zurückgestellt. Dabei zwingt der Stößel 52 die Probeneinkapselungskammer 39 und den Flüssigkeitstransportkanal 36, geschlossen zu bleiben, so dass das Reagens aus der Reagenseinkapselungskammer 38 in den Flüssigkeitstransportkanal 36 fließt und die Luft aus der Probeneinkapselungskammer 39 durch die Lüftungsrille 37 hindurchtritt und in die Reagenseinkapselungskammer 38 strömt.
  • Dann wird das Dreiwegeventil 14 der Luftdrucköffnung 60 geschaltet, so dass die Luftdrucköffnung 60 in Verbindung mit der Luftdruck-Zufuhrquelle gebracht wird, und wird das Dreiwegeventil 14 der Luftdrucköffnung 59 geschaltet, so dass die Luftdrucköffnung 59 in Verbindung mit der Atmosphäre gebracht wird. Folglich öffnet sich der in der Luftdrucköffnung 59 angesammelte Luftdruck zur Atmosphäre und wird der Luftdruck von der Luftdrucköffnung 60 ausgeübt, so dass der Stößel 51 wieder gegen die Patrone 1 gedrückt wird, wie in 13 dargestellt ist. Zu dieser Zeit schließt der Stößel 51 wiederum den Bereich zwischen der Reagenseinkapselungskammer 38 und dem Flüssigkeitstransportkanal 36, das Reagens bleibt jedoch im Flüssigkeitstransportkanal 36.
  • Dann wird das Dreiwegeventil 14 der Luftdrucköffnung 62 geschaltet, so dass die Luftdrucköffnung 62 in Verbindung mit der Atmosphäre gebracht wird, und wird das Dreiwegeventil 14 der Luftdrucköffnung 61 geschaltet, so dass die Luftdrucköffnung 61 in Verbindung mit der Luftdruck-Zufuhrquelle gebracht wird. Folglich öffnet sich der in der Luftdrucköffnung 62 angesammelte Luftdruck zur Atmosphäre und wird der Luftdruck von der Luftdrucköffnung 61 ausgeübt, so dass der Stößel 52 in seine ursprüngliche Position zurückkehrt, wie in 14 dargestellt ist.
  • Dann wird wiederum das Dreiwegeventil 14 der Luftdrucköffnung 58 geschaltet, so dass die Luftdrucköffnung 58 in Verbindung mit der Luftdruck-Zufuhrquelle gebracht wird. Folglich wird die Membran 31, wie in 15 dargestellt ist, durch den Luftdruck gedrückt und in Kontakt mit dem Flüssigkeitstransportkanal 36 gebracht. Dabei wird der Bereich zwischen der Reagenseinkapselungskammer 38 und dem Flüssigkeitstransportkanal 36 durch den Stößel 51 geschlossen gehalten, so dass das im Flüssigkeitstransportkanal 36 angesammelte Reagens in die Probeneinkapselungskammer 39 fließt. Dadurch wird die eingekapselte Probe mit dem Reagens gemischt.
  • Dann wird das Dreiwegeventil 14 der Luftdrucköffnung 61 wiederum geschaltet, so dass die Luftdrucköffnung 61 in Verbindung mit der Atmosphäre gebracht wird, und wird das Dreiwegeventil 14 der Luftdrucköffnung 62 geschaltet, so dass die Luftdrucköffnung 62 in Verbindung mit der Luftdruck-Zufuhrquelle gebracht wird. Folglich öffnet sich der in der Luftdrucköffnung 61 angesammelte Luftdruck zur Atmosphäre und wird der Luftdruck von der Luftdrucköffnung 62 angewendet, so dass der Stößel 52 gegen die Patrone 1 gedrückt gehalten wird, wie in 16 dargestellt ist. Zu dieser Zeit schließt der Stößel 52 den Bereich zwischen der Probeneinkapselungskammer 39 und dem Flüssigkeitstransportkanal 36.
  • Wenn der in den 10 bis 16 dargestellte Vorgang wiederholt wird, wird das in der Reagenseinkapselungskammer 38 eingekapselte Reagens zur Probeneinkapselungskammer 39 transportiert. Dies ermöglicht es, eine Flüssigkeit in der gedichteten Patrone 1 zu transportieren, ohne in Kontakt mit einem Fluid zu gelangen. Durch mehrmaliges Wiederholen dieses Vorgangs kann das gesamte Reagens in der Kammer transportiert werden, unabhängig davon, ob die Reagensmenge sehr klein oder groß ist. Nach der Reinigung, Reaktion usw. sollte in manchen Fällen jedoch nicht das gesamte Reagens in der Kammer transportiert werden, sondern nur eine gegebene Reagensmenge. In einem solchen Fall kann die gegebene Reagensmenge durch Steuern der Anzahl der Wiederholungen dieses Vorgangs transportiert werden.
  • Wenn insbesondere gemäß dieser Ausführungsform die Patrone auf den Patronenhalter geladen wird, werden die Stößel durch Luftdrucksteuerung angetrieben, um die Flüssigkeitstransportöffnung jeder Kammer zu verschließen oder zu öffnen. Ferner wird die Membran durch den Luftdruck gegen den Flüssigkeitstransportkanal gedrückt und kann das Volumen (die Form) des Flüssigkeitstransportkanals durch den Luftdruck geändert werden. Folglich wirkt der Flüssigkeitstransportkanal als eine Pumpe zum Bewegen des Fluids darin. Durch eine Kombination dieser Bewegungen kann die Flüssigkeit ohne Kontakt mit einem Fluid in der gedichteten Patrone transportiert werden.
  • Jeder Flüssigkeitstransportkanal zwischen jeweils in Verbindung stehenden von allen Kammern der Patrone 1 ist mit dieser Struktur versehen, so dass verschiedene Reagenzien zu einer gewünschten Zeit durch den vorstehend erwähnten Vorgang transportiert werden können. Zusätzlich kann der Bereich zwischen Kammern, wenn eine Reinigung, eine Reaktion oder ein Umrühren erfolgt, beliebig gedichtet werden, so dass die Fluidsteuerung stabil vorgenommen werden kann.
  • Gemäß dieser Ausführungsform wird die Probe durch Zuführen einer vorgeschriebenen Reagensmenge zur Probeneinkapselungskammer 39 mit dem Reagens gemischt und kann in der Probeneinkapselungskammer 39 die vorstehend erwähnte Pumpfunktion der Membran 31 für das Umrühren verwendet werden.
  • Beispielsweise ist in einem Zustand, in dem das Reagens der Probeneinkapselungskammer 39 zugeführt wurde und die Probe mit dem Reagens in der Probeneinkapselungskammer 39 gemischt bleibt (in 16 dargestellter Zustand), die Flüssigkeitstransportöffnung 38A der mit der Probeneinkapselungskammer 39 (welche auch als Umrührkammer wirkt) durch den Flüssigkeitstransportkanal 36 (der Reagenseinkapselungskammer 38 gemäß dieser Ausführungsform) verbundenen Kammer geschlossen. In diesem Zustand steht nur die Probeneinkapselungskammer 39 in Verbindung mit dem Flüssigkeitstransportkanal 36 und wird die Hin- und Herbewegung der Membran 31 im Flüssigkeitstransportkanal 36 wiederholt. Die Hin- und Herbewegung der Membran bewirkt, dass ein Teil der Flüssigkeit (Probe-Reagens-Mischung) in der Probeneinkapselungskammer 39 wiederholt zwischen der Probeneinkapselungskammer 39 und dem Flüssigkeitstransportkanal 36 vor- und zurückgedrückt wird, so dass die Flüssigkeit in der Probeneinkapselungskammer 39 umgerührt wird. Wenngleich die Probeneinkapselungskammer 39 gemäß dieser Ausführungsform auch die Funktion einer Umrührkammer hat, kann der vorstehend erwähnte Vorgang alternativ ausgeführt werden, während eine Probeneinkapselungskammer und eine Umrührkammer getrennt voneinander sind.
  • Folglich können das Mischen, Umrühren, Reinigen, Reagieren usw. des Reagens ausgeführt werden, während eine Verunreinigung mit in der Luft schwebender DNA verhindert wird.
  • Gemäß dieser Ausführungsform wird eine Reihe von Prozessen von der Nukleinsäureextraktion bis -amplifikation in der Patrone ausgeführt, stattdessen können jedoch auch Prozesse von der Nukleinsäureextraktion bis -reinigung in der Patrone ausgeführt werden.
  • Es gibt viele Arten für die Vorverarbeitung bei der Genanalyse erforderlicher Reagenzien. Wenn unter diesen Umständen dieses System verwendet wird, kann es viele Reagenzien behandeln, auch wenn die Antriebsquelle nur die Luftpumpe 10 des Luftdruck-Steuersystems 3 ist. Zusätzlich kann das System selbst dann, wenn eine andere Patrone 1 zur Vorrichtung hinzugefügt ist, durch Installieren eines zusätzlichen Dreiwegeventils 14 und eines zusätzlichen Rohrs in diesem System ohne eine zusätzliche Antriebsquelle arbeiten. Daher kann das System als ein vielseitiges System angesehen werden. Ferner können die Vorrichtungskosten verringert werden und kann die Vorrichtung kompakter sein.
  • Gemäß dieser Ausführungsform ist die Ventilfunktion für den Flüssigkeitstransportkanal nur durch die Membran 31 in der Patrone 1 gegeben, und der Luftzylindermechanismus, um diese anzutreiben, ist in den Patronenhalter 2 eingebaut, so dass die Patrone 1 selbst strukturell vereinfacht sein kann. Weil die Patrone 1 eine Einwegpatrone ist, führt eine Verringerung des Einheitspreises der Patrone 1 direkt zu einer Verringerung der laufenden Kosten.
  • Als ein Beispiel für die Anwendung dieser Ausführungsform kann die Ventilfunktion gemäß dieser Ausführungsform in der Patrone bereitgestellt werden. Beispielsweise kann ein Absperrventil (Einwegeventil) am Punkt der Dichtung durch einen Stößel in der Patrone installiert sein, so dass der Flüssigkeitstransportkanal durch Luftdruck für den Transport der Flüssigkeit verformt wird. Die folgenden Verfahren stehen für das Bereitstellen eines eingebauten Absperrventils zur Verfügung: ein Verfahren, das ein kommerzielles Absperrventil verwendet und es einbaut, ein Verfahren, das eine Gummikugel verwendet und ihr eine Absperrventilfunktion gibt, und ein Verfahren, bei dem eine Membran mit einer dreidimensionalen Form versehen wird und zwei solche Membranen aneinander geklebt werden. Folglich wird die Struktur des Patronenhalters vereinfacht und können die Vorrichtungskosten verringert werden. Weil das Absperrventil in die Patrone eingebaut ist, ist der Preis der Patrone jedoch höher.
  • Wenn die Membran einen Pumpmechanismus auf der Grundlage des Luftdrucks bildet, wie gemäß dieser Ausführungsform, kann die Flüssigkeit transportiert werden, während eine Fluidsteuerung einfach ausgeführt wird. Bei einem anderen Anwendungsbeispiel können die Kammern, einschließlich der Reagenseinkapselungskammer 38, durch Luftdruck verformt werden, statt den Flüssigkeitstransportkanal 36 durch Luftdruck zu verformen. An Stelle des Luftdrucks könnte etwas anderes in der Art einer Rolle für die Verformung verwendet werden.
  • Gemäß dieser Ausführungsform hängt die Menge der transportierten Flüssigkeit davon ab, wie die Membran 31 verformt wird. Falls die Flüssigkeitsmenge, die transportiert werden kann, indem die Membran 31 einmal verformt wird, zu steuern ist, sollte die Membran 31 wünschenswerterweise elastisch verformt werden, bis sie den Flüssigkeitstransportkanal 36 vollständig berührt. Die transportierte Flüssigkeitsmenge kann durch Ändern des Volumens des Flüssigkeitstransportkanals 36 entsprechend dem Betrag der elastischen Verformung der Membran 31 gesteuert werden.
  • Im Wesentlichen wird die Patrone 1 durch Kälte konserviert, um eine Verschlechterung des zuvor eingekapselten Reagens zu unterdrücken. Infolge des Vorhandenseins des Lüftungslochs 37 besteht jedoch die Möglichkeit, dass sich das Reagens durch die Lüftungsrille 37 in eine andere Kammer bewegen kann, wenn die Patrone aufgetaut wird. Daher muss die Patrone, nachdem sie aufgetaut wurde, sorgfältig gehandhabt werden. Andererseits kann eine Ventilstruktur bereitgestellt werden, welche die Lüftungsrille 37 nur dann öffnet, wenn ein Überdruck oder Unterdruck auf das Innere der Kammer der Patrone 1 einwirkt, wobei die obere Abdeckung 32 ein elastischer Formgegenstand ist. Alternativ kann die Lüftungsrille 37 auch fortgelassen werden und wird das Innere der Kammer, zu der die Flüssigkeit zuerst transportiert wird, unter Druck gehalten und gedichtet, um die Flüssigkeit zu transportieren. Wenn die Flüssigkeit transportiert wird, wird das Innere der Kammer, zu der sie zuerst transportiert wird, entspannt und wird das Innere der Kammer, zu der sie als nächstes transportiert wird, unter Druck gesetzt. Dies hilft dabei, die Membran 31 zu verformen.
  • Der Stopfen 35 wird zum Dichten der Reagenskammer usw. vor ihrer Verwendung eingesetzt und verliert die Funktion als Stopfen, sobald er herausgezogen wurde. Wenn der Stopfen 35 hierbei leicht nach oben gedrückt wird, wird der Flüssigkeitstransportkanal 36 geöffnet. Dies bedeutet, dass der Flüssigkeitstransportkanal geöffnet werden kann, ohne den Stopfen 35 vollständig zu entfernen. Es ist auch möglich, dass der Stopfen 35 aus einem Material mit einem geringen spezifischen Gewicht in der Art von Polypropylenharz oder EPDM besteht und durch die Kraft des Stößels (Stifts) vollständig entfernt wird, so dass er auf dem Reagens treibt. Alternativ kann er aus einem magnetischen Material bestehen und durch die magnetische Kraft entfernt werden, oder er kann aus Wachs oder dergleichen bestehen und durch Wärme geschmolzen werden, oder er kann als ein zerbrechlicher Film ausgebildet sein oder mit einer zerbrechlichen Form versehen sein, so dass sein Dichtungsteil durch die Kraft des Stößels zerbrochen und geöffnet wird. Ein weiterer möglicher Ansatz besteht darin, eine Anbringung zur Speicherung der Patrone vorzunehmen und eine Struktur bereitzustellen, welche die Reagenseinkapselungskammer 38 und den Flüssigkeitstransportkanal 36 schließt, während die Patrone in die Anbringung eingesetzt wird. Im ersten Fall kann der Stopfen 35 entfernt werden, wobei das Reagens in diesem Fall in eine Kapsel gegeben werden kann, um zu verhindern, dass das Reagens während der Lagerung in den Flüssigkeitstransportkanal 36 fließt. Die Kapsel kann durch Wärme geschmolzen werden, oder das Lösungsmittel zum Auflösen der Kapsel kann zuvor darin eingebracht werden.
  • Was die Dreiwegeventile 14 des Luftdruck-Steuersystems 3 betrifft, können die Luftdrucköffnung 58 und die Luftdrucköffnung 60 integriert werden. In diesem Fall geschehen die Bewegung für das Hochdrücken des Stößels 51 und die Bewegung für das Drücken der Membran 31 gegen den Flüssigkeitstransportkanal 36 gleichzeitig, was kein Problem für den Transport der Flüssigkeit darstellt. Auch kann durch die Verwendung einer Feder für das Antreiben eines Stößels in einer Richtung die Anzahl der Dreiwegeventile 14 verringert werden. Hier wird, wenn ein Luftdruck von der Luftdrucköffnung 58 für das Drücken der Membran 31 gegen den Flüssigkeitstransportkanal 36 ausgeübt wird, eine absteigende Kraft auf die Stößel 51 und 52 ausgeübt. Diese Kraft kann verwendet werden, um die Stößel nach unten zu bewegen. Hierdurch werden die Luftdrucköffnungen 59 und 61 überflüssig, so dass die Anzahl der Dreiwegeventile 14 weiter verringert werden kann. Die Anzahl der Dreiwegeventile 14 kann durch Verwenden verschiedener Verfahren, wie vorstehend erwähnt, verringert werden, um die Vorrichtung kompakter zu machen und die Vorrichtungskosten zu verringern. Zusätzlich können der Dreiwegeventilverteiler 13 und der Patronenhalterkörper 50 integriert werden, und es können dadurch redundante Rohre verringert werden, um eine größere Kompaktheit und eine weitere Kostenverringerung zu erreichen. Fünfwegeventile können an Stelle der Dreiwegeventile 14 verwendet werden.
  • Bei dieser Technik können verschiedene Prozesse in der Patrone 1 ausgeführt werden, indem in der Patrone 1 zusätzlich zur Kammer für das Mischen der Probe mit dem Reagens und zum Ausführen der Wärmeregelung eine temperaturregelbare Reaktionskammer bereitgestellt wird. Wenn eine Genanalyse unter Verwendung eines Kapillarelektrophorese-DNA-Sequenzers ausgeführt wird, werden auch alle Vorverarbeitungsschritte von der DNA-Extraktion bis zur -amplifikation vorab in der Patrone 1 ausgeführt, und die Kapillare wird nach der Vorverarbeitung angeschlossen, so dass eine Reihe von Prozessen für die DNA-Analyse an einer einzigen Vorrichtung ausgeführt werden kann. Die Reihe der Prozesse für die DNA-Analyse schließt die PCR ein. Daher kann eine Genanalyse in der Art einer Expressionsanalyse auch vorgenommen werden, indem die PCR mit dieser Technik ausgeführt wird und die PCR-Reaktion optisch direkt detektiert wird.
  • Bisher wurden Beispiele der vorliegenden Erfindung erklärt, die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, und Fachleute sollten verstehen, dass verschiedene Modifikationen innerhalb des Schutzumfangs der in den Ansprüchen beschriebenen vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können. Es liegt auch innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung, Ausführungsformen nach Bedarf zu kombinieren. Gemäß der vorstehenden Ausführungsform wurde eine Nukleinsäure, insbesondere DNA, als Beispiel einer lebenden Substanz beschrieben, auf die die vorliegende Erfindung angewendet wird, sie ist jedoch nicht darauf beschränkt, sondern kann auf alle lebenden Substanzen, einschließlich RNA, Proteine, Polysaccharide und Mikroorganismen, angewendet werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Patrone,
    2
    Patronenhalter,
    3
    Luftdruck-Steuersystem,
    10
    Luftpumpe,
    11
    Luftfilter,
    30
    Patronenkörper,
    31
    Membran,
    36
    Flüssigkeitstransportkanal,
    37
    Lüftungsrille
    38
    Reagenseinkapselungskammer,
    39
    die Probe (das flüssige Reagens) einkapselnde Kammer,
    50
    Patronenhalterkörper,
    50A
    Luftdruck-Ausübungsteil,
    51, 52
    Luftzylinderstößel,
    57
    Dichtungsvorsprung,
    58, 59, 60, 61, 62
    Luftdrucköffnungen

Claims (11)

  1. Patrone zur biochemischen Verwendung, welche eine erste Kammer (38) als Flüssigkeitstransportquelle zur Aufnahme eines zu transportierenden Reagens, eine zweite Kammer (39) als Flüssigkeitstransportziel für das Reagens und einen Flüssigkeitstransportkanal (36), um sie zu verbinden, aufweist, wobei diese Kammern (38, 39) und der Flüssigkeitstransportkanal (36) in einen Patronenkörper (30) eingeschlossen sind, wobei der Flüssigkeitstransportkanal (36) am Boden des Patronenkörpers (30) ausgebildet ist, eine Membran (31) als elastischer Körper an den Boden des Patronenkörpers geklebt ist und ein Teil der Membran (31) eine Wandfläche des Flüssigkeitstransportkanals (36) bildet und sich entsprechend einer von außen gegebenen Druckänderung hin- und herbewegen und das Volumen des Flüssigkeitstransportkanals (36) ändern kann, gekennzeichnet durch einen Stopfen (35) an einer Flüssigkeitstransportöffnung (38A) zwischen der ersten Kammer (38) und dem Flüssigkeitstransportkanal (36), wobei der Stopfen (35) durch Drücken eines Stößels (51) über die Membran (31) aus der Flüssigkeitstransportöffnung (38A) lösbar ist.
  2. Patrone zur biochemischen Verwendung nach Anspruch 1, wobei die Kammern die erste Kammer (38) zur Aufnahme des Reagens, die zweite Kammer (39) zur Aufnahme einer flüssigen Probe und mehrere Kammern umfassen, in denen eine Reihe von Prozessen ausführbar ist, um eine Nukleinsäure aus der Mischung der flüssigen Probe und des Reagens der Reihe nach zu extrahieren und zu reinigen, und wobei miteinander in Beziehung stehende dieser Kammern durch den Flüssigkeitstransportkanal (36) verbunden und mit der Membran (31) gegenüber der Außenluft abgeschirmt sind.
  3. Patrone zur biochemischen Verwendung nach Anspruch 2, wobei die mehreren Kammern eine Kammer einschließen, in der ein für das Amplifizieren der Nukleinsäure erforderlicher Prozess zusätzlich zur Reihe der Prozesse zum Extrahieren und Reinigen der Nukleinsäure ausführbar ist und wobei miteinander in Beziehung stehende dieser Kammern durch den Flüssigkeitstransportkanal (36) verbunden und mit der Membran gegenüber der Außenluft abgeschirmt sind.
  4. Patrone zur biochemischen Verwendung nach Anspruch 2, wobei die oberen Teile der untereinander in Beziehung stehenden Kammern, die durch den Flüssigkeitstransportkanal (36) verbunden sind, durch eine Lüftungsrille (37) oder ein Lüftungsloch, die oder das sich im oberen Teil des Patronenkörpers (30) befindet, in Verbindung miteinander stehen.
  5. Patrone zur biochemischen Verwendung nach Anspruch 2, wobei Flüssigkeitstransportöffnungen (38A, 39A, 39B), die in Verbindung mit dem Flüssigkeitstransportkanal (36) stehen, an den Böden der miteinander in Beziehung stehenden Kammern im Patronenkörper (30) vorhanden sind und ein Teil der Membran (31) eine Ventilstruktur zum Öffnen und Schließen der Flüssigkeitstransportöffnungen durch elastische Verformung aufweist.
  6. Patrone zur biochemischen Verwendung nach Anspruch 3, wobei im Patronenkörper (30) eine Kammer der letzten Stufe unter den mehreren Kammern zum Ausführen einer Reihe von Prozessen, die zum Amplifizieren der Nukleinsäure erforderlich sind, so aufgebaut ist, dass sie mit einer Kapillare eines Elektrophorese-DNA-Sequenzers verbindbar ist.
  7. Patrone zur biochemischen Verwendung nach Anspruch 1, wobei der Boden (31) der Patrone aus einem Elastomer- oder Gummimaterial besteht.
  8. Patrone zur biochemischen Verwendung nach Anspruch 1, wobei der Patronenkörper (30) eine Umrührkammer zum Umrühren einer gemischten Flüssigkeit aufweist und zum Umrühren der Flüssigkeit eine Flüssigkeitstransportöffnung der Kammer als Flüssigkeitstransportquelle, die durch den Flüssigkeitstransportkanal (36) mit der Umrührkammer verbunden ist, schließbar ist, so dass nur die Umrührkammer in Verbindung mit dem Flüssigkeitstransportkanal gebracht ist, und ein Teil der Flüssigkeit in der Umrührkammer durch eine Hin- und Herbewegung der Membran (31) vor- und zurückgedrückt werden kann.
  9. Biochemische Verarbeitungsvorrichtung, welche Folgendes aufweist: eine Patrone (1) nach Anspruch 1, einen Patronenhalter (2), der die Patrone (1) hält und einen Luftdruckausübungsteil zum Ausüben eines Luftdrucks zum Aktivieren der Membran (31) als Pumpmechanismus aufweist, und einen Luftzufuhr-/Auslassmechanismus, der mit einer Luftdruckquelle verbunden ist, um das Anlegen und Ablassen des Luftdrucks auf den Patronenhalter zu steuern.
  10. Biochemische Verarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Patronenhalter (2) einen Luftzylindermechanismus zum Öffnen und Schließen von Flüssigkeitstransportöffnungen (38A, 39A, 39B) der Kammern durch einen Teil der Membran (31) aufweist.
  11. Biochemische Verarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Luftzufuhr-/Auslassmechanismus einen Überdruck oder einen Unterdruck auf die Membran (31) ausüben kann, um die Membran zu aktivieren.
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