JP2005024516A

JP2005024516A - 化学反応用カートリッジ

Info

Publication number: JP2005024516A
Application number: JP2003270917A
Authority: JP
Inventors: Takeo Tanaami; 健雄田名網; Hisao Katakura; 久雄片倉; Saaya Sato; 紗綾佐藤
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2003-07-04
Filing date: 2003-07-04
Publication date: 2005-01-27
Anticipated expiration: 2023-07-04
Also published as: JP4258311B2

Abstract

【課題】カートリッジでも高速に加熱・冷却ができ、また振動も十分に伝えることができ、さらに隣接部位に対して加熱・冷却や加振の影響が少なく、かつ安全で安価な構造の化学反応用カートリッジを提供する。
【解決手段】試料の化学的な反応を行うために用いられるカートリッジであって、少なくとも一部は弾性体で形成された容器で密閉型に形成され、前記容器内には、流路で連結または連結可能に配置された２つ以上の室が形成され、前記弾性体の一部分に、室内の試料に対して加熱または冷却、あるいは振動、あるいは光を与えるカートリッジ外の作用手段が接触または導入されるための薄い弾性膜が形成されたことを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、化学反応用カートリッジに関し、特に溶液の合成や溶解、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化学反応用カートリッジに関し、特に外部から加熱、冷却、振動、光を容易に与えることのできる構造に関するものである。

従来より、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、図８に示すように、物質Aと物質Bを試験管あるいはビーカーなどの容器１と容器２に採取しておき、これを試験管あるいはビーカーなどの容器３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われる。検出処理の場合も、図８と同様に、容器１の被試験物質Aと容器２の試薬を容器３に入れてその反応結果を観察する。

他方、バイオアナライザなどでは、可撓性の材料で偏平な袋状に形成されたバッグが使用される（例えば、特許文献１参照）。
図９は、特許文献１の特開２００２−３６５２９９号公報に記載のバイオチップの構成図である。同図（ａ）は断面図、同図（ｂ）は平面図である。周辺が密封された偏平な採血バッグ４１は、その中央部が魚形状の袋になっている。魚形状の袋の開口部にはゴム状の栓４２で密封されている。

採血バッグ４１はこの栓４２から奥に向かって順に、採取部４３、前処理部４４、結合部４５、廃液収容部４７が形成されている。採血時、栓４２を注射器（図示せず）内に差込む。注射器内部には注射針が突出していて栓４２を貫通するようになっている。

採血時は、注射器から外に出ている針先を被験者に突刺し、採血バッグ４１のフック５２、５３を外側に引張って、採取部４３内に血液を採取する。採血後は採血バッグから注射器を抜き去る。その後、図１０に示すように採血バッグ４１を回転ローラ６１、６２に挟んで採取部４３から前処理部４４の方へ押し潰して行く。採取血液は前処理部４４へ送られる。

ローラ６１、６２の位置が進み袋部４８を押し潰し始めると、袋部４８の溶液が弁４９を破って前処理部４４に流れ込んで来る。次に袋部５０についても同様にその溶液が前処理部４４に流れ込む。前処理部で所定の処理が終了すれば、ローラを回転させて、処理された血液を結合部４５へ送る。

結合部４５にはDNAチップ４６が配置されていて、ハイブリダイズが行われる。前処理部４４から押し出された余分な血液や溶液は廃液収容部４７に溜まる。ハイブリダイズの行われたDNAチップの状態は外部に配置された読出装置により観察される。

特開２００２−３６５２９９号公報（第３頁−第４頁、図１−図４）

しかしながら、従来のビーカーやピペットなどを使用する方式では操作が煩雑であり、個人差も大きく、手間もかかるという問題があった。また、採血バッグの場合には、弾性がないため溶液の移動が容易でないという問題があった。
これを解決するためにカートリッジ化の試みがあるが、カートリッジ化したときは、次のような課題がある。
（１）例えば、遺伝子増幅を行う場合は加熱・冷却を必要とし、また微粒子にDNAを結合した試料を扱う場合には微粒子に振動を与えることがあるが、チューブのように厚手の素材で形成したカートリッジでは熱や振動を伝え難いという欠点がある。
（２）薄いガラスで形成した場合には、使い捨て時にカートリッジ内部の細菌を含む溶液が飛散して危険であるという欠点があり、またガラス構造のカートリッジは高価であるという欠点もある。

したがって、本発明が解決しようとする課題は、カートリッジでも高速に加熱・冷却ができ、また振動も十分に伝えることができ、さらに隣接部位に対して加熱・冷却や加振の影響が少なく、かつ安全で安価な構造の化学反応用カートリッジを提供することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
試料の化学的な反応を行うために用いられるカートリッジであって、
少なくとも一部は弾性体で形成された容器で密閉型に形成され、
前記容器内には、流路で連結または連結可能に配置された２つ以上の室が形成され、
前記弾性体の一部分に、室内の試料に対して加熱または冷却、あるいは振動、あるいは光を与えるカートリッジ外の作用手段が接触または導入されるための薄い弾性膜が形成された
ことを特徴とする。

このように、作用手段を接触または導入する部分の弾性体部分を薄い膜にすると、室内の試料に対して高速に加熱や冷却ができ、また振動もよく伝わり、光照射による加熱も容易に可能となるという効果がある。

この場合、前記薄い弾性膜は、請求項２のように、厚さを１mm以下とするのが適切である。
また、請求項３のように、前記作用手段の接触または導入時には、前記薄い弾性膜で覆った室内の気圧が大気圧以上になるようにする。これにより薄い弾性膜は張った状態で皺がなく、冶具とは面接触となるため、冶具からの熱や振動は弾性膜を介して室内へ良く伝わるようになる。

また、請求項４のように、前記薄い弾性膜の周囲の弾性体部に、切欠き部を形成するか、または断熱材または防振材を埋めると、周囲に対する熱や振動の影響が少なくなる。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
（１）カートリッジでも室内の試料に対する加熱や冷却を容易に高速化できる。
（２）試料に対して振動もよく伝えることができる。
（３）薄い弾性膜の周囲の弾性体部に切欠き、あるいは断熱材または防振材を埋めると、周囲に対する熱や振動の影響を容易に少なくすることができる。
（４）簡単な構造であるため安価であり、また密閉型であるので危険な試料が外部に漏れる心配もなく、安価で安全なカートリッジを容易に実現できる。

以下図面を用いて本発明を詳しく説明する。図１は本発明に係る化学反応用カートリッジの基本的構成の一実施例を示す図である。なお、図１（ａ）は斜視図、同図（ｂ）は弾性体下面図、同図（ｃ）はＺ−Ｚ’断面図である。化学反応用カートリッジ１００は、気密状で弾力性のあるゴムなどの弾性体１１０と、硬質材料で形成された平板状の基板１２０より形成されている。
なお、カートリッジの弾性体１１０としては、粘弾性体または塑性体を使用することもできる（ただし、実施例では弾性体を使用した場合を例にとって説明する）。

弾性体１１０の裏面には、図１（ｂ）のように、それぞれ表面側に凹んだ、溶液用の穴（以後室という）１１１、１１２と、反応部用の室（反応部室という）１１３と、廃液収容用の室（廃液収容室という）１１４と、各室にそれぞれつながる流路１１５が形成されている。
弾性体１１０の室と流路以外の平面状の接着領域１１６は、図１（ｃ）に示すように、基板１２０の表面に接着される。これにより各室と流路は弾性体１１０と基板１２０で密閉され、溶液の外部漏れが防止できる構造となっている。

このような構成のカートリッジにおける溶液の移送について説明する。カートリッジ１００に形成された室１１１と１１２にはあらかじめ溶液Ａと溶液Ｂをそれぞれ注入しておく。注入は、例えば図１（ｃ）に示すように、弾性体１１０に直接注射針１１７を突刺して注射器１１８により注入する。弾性体１１０が弾性材料で形成されているため、注射針１１７を抜くと針穴は自然に塞がる。なお、完全に密閉するには、溶液封入後に針穴を接着剤などで埋めるが、加熱溶解で封止してもよい。

注入後は、図２に示すように、ローラ１３０をカートリッジ１１０の左端部で、室１１１が押し潰される程度に、上から押しつける。ローラ１３０はカートリッジ１１０を全幅にわたって押圧する。この状態で、図３（ａ）に示すようにローラ１３０を位置１のところから回転させて右方向へ移動すると、室１１１に保存されている溶液Ａが右方向へ押し出される。溶液Ａは流路１１５を通って反応部室１１３へ送り込まれる。室１１３に入っていた空気は廃液収容室１１４へ送り出される。

続いて、ローラ１３０を回転移動させて、図３（ｂ）のように位置２のところまで回転移動させて行くと、今度は室１１２内の溶液Bの送り出しが始る。溶液Ｂは流路１１５を通って反応部室１１３へ押し出される。このとき、流路１１５の途中もローラ１３０の押下により押し潰され、これが逆止弁となって、溶液Ｂの室１１１への逆流は防止される。
このようにして、室内の流体状の物質を移動または阻止することができる。

反応部室１１３には溶液ＡとＢが入り、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。
なお、このようなカートリッジの利用により、例えばダイオキシンやＤＮＡなどの検出が可能である。

さらに、図３（ｃ）に示すように、ローラ１３０を位置３〜６に回転移動した後、図３（ｄ）に示すように位置７へ逆回転移動させると、容易に溶液のミキシングを行うことができる。
なお、通常は、ローラ１３０は一方向への回転移動で（ワンパスで）終了する。

このようなカートリッジは小型、軽量、低価格に作製でき、密閉状のカートリッジ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。

本発明は上記のような構成に、室内の試料を高速に加熱・冷却することができ、また試料に十分に振動を伝えることもできる構成を付加したものである。
図４は本発明の一実施例を示す要部構成図であり、カートリッジ内においてPCR（Polymerase Chain Reaction）法により遺伝子を増幅する場合や、磁性粒子にDNAを結合した試料を扱う場合に適した構造を備えたものである。なお、以下ではその特徴部分について詳述する。その他の部分については上述の基本的構成に同じであるので、説明を省略する。

図４において、２００はその先端部をカートリッジの薄い弾性膜１１０ａに接触させて室Ａ（例えば図１の反応部室１１３）内の試料に対して加熱や冷却を行ったり、振動を与えるたりするための作用手段である。以下の実施例ではこの作用手段を外部冶具という。なお、前記試料は、例えばDNAや磁性粒子などと溶液を指す。
弾性膜１１０ａの形成部分は局所的であり、冶具２００が当接する室Ａ上部に限定される。その部分の弾性膜１１０ａは他の弾性体部分よりも薄く、１mm以下の厚さに形成されている。最適な膜厚ｔは、例えば0.1〜１mmである。

次に、このような構成における動作を説明する。カートリッジの室Ａに試料を導入し、カートリッジ内の流路などを塞いで室Ａの内圧を高くする。弾性膜１１０ａは張った状態となる。
なお、内圧は、局所的な室Ａ部分のみに限定せず、カートリッジ内の室と流路の全体にわたって高くしてもよい。

内圧の高くなった弾性膜１１０ａの表面に外部冶具２００の先端部を押し当て密着させる。処理に応じて、試料に加熱・冷却あるいは加振することができる。
PCR法により遺伝子を増幅する処理では、加熱と冷却を繰返し行う。弾性膜１１０ａが薄く、また密着した弾性膜１１０ａを通しての試料への直接的な加熱・冷却であるので、その応答は従来の間接的な加熱・冷却に比べて格段に速い。

また、室Ａに入れたDNA結合の磁性粒子を拡散させる際には、外部冶具２００の先端部を振動させ、密着した弾性膜１１０ａを介して試料に振動を伝える。この振動により試料中の磁性粒子が拡散する。

このように、目的の室の上部の弾性体のみ１mm以下の薄い膜に形成され、外部冶具２００を密着して試料に対して容易に直接的に加熱・冷却あるいは加振を行うことができる。そして、加熱・冷却については、試料に限定して直接的に作用し、他の部位へはほとんど伝達せず影響しないため、高速化が可能である。また、振動についても同様に、試料に限定して直接的に作用し、他の部位へはほとんど伝達せず影響しない。

なお、本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。
例えば、室Ａの内圧は、図５に示すように、外部冶具の押し当て（または導入）により内圧を発生させるようにしてもよい。この場合、室Ａから同方向に形成された出入口流路１１３ａと１１３ｂをローラ１３０で同時に押し潰して（弁止めとなる）、室Ａを密閉状態にして、冶具２００を弾性膜に押し当てる。これにより、室Ａの内圧は高くなる。

また、他の部分への熱や振動の伝達を低減するために、図６（ａ）に示すように、外部冶具２００の接触する領域の周囲の弾性体部分に切欠き１１０ｂを形成してもよい。あるいは、図６（ｂ）に示すように、その切欠き部に断熱材や防振材の充填部材１１０ｃを埋め込んでもよい。

また、図７に示すように、弾性膜１１０ａを透明膜で形成してもよい。透明膜で形成すると、DNAのハイブリダイゼーション時の蛍光を、透明膜の窓（弾性膜１１０ａ）を通して読取装置３００により容易に観測することができる。また、試料を加熱する場合は、外部冶具による加熱ではなく、窓を通してのレーザ照射でもよい。

また、弾性膜１１０ａが、皺になったり、気泡を含まなければ、室の内圧はほぼ大気圧でも大丈夫である。
また、基板も弾性体で形成しても構わない。

また、カートリッジと外部冶具との上下関係は、実施例と逆になっても構わない。すなわち、カートリッジの上下を逆にして、下側から外部冶具を弾性膜１１０ａに押し当てるようにしても構わない。
また、弾性体の押圧は、実施例のようなローラによるカートリッジ全幅にわたる押圧にかぎらず、容器外から外力を加えて、流路または室あるいは両者を部分的に塞ぎ、流路または室にある流体状の物質を移動または阻止するようにしてもよい。
また、このような役目を果すポンプやバルブは外力によるものではなく、カートリッジ外からの外部ポンプや、形状記憶合金などによる内部バルブを用いてもよい。

本発明に係る化学反応用カートリッジの基本的構成を示す図である。動作状態を示す図である。動作状態の他の例を示す図である。本発明に係る化学反応用カートリッジの一実施例を示す要部構成図である。本発明の他の実施例を示す要部構成図である。本発明のさらに他の実施例を示す要部構成図である。本発明のさらに他の実施例を示す要部構成図である。従来の処理方式を説明する図である。従来の採血バッグの構成図である。採血バッグの操作方法を説明するための図である。

符号の説明

１００カートリッジ
１１０弾性体
１１０ａ弾性膜
１１０ｂ切欠き
１１０ｃ充填部材
１１１、１１２、Ａ室
１１３反応部室
１１４廃液収容室
１１５流路
１１６接着領域
１１７注射針
１１８注射器
１２０基板
１３０ローラ
２００外部冶具
３００読取装置

Claims

試料の化学的な反応を行うために用いられるカートリッジであって、
少なくとも一部は弾性体で形成された容器で密閉型に形成され、
前記容器内には、流路で連結または連結可能に配置された２つ以上の室が形成され、
前記弾性体の一部分に、室内の試料に対して加熱または冷却、あるいは振動、あるいは光を与えるカートリッジ外の作用手段が接触または導入されるための薄い弾性膜が形成された
ことを特徴とする化学反応用カートリッジ。
前記薄い弾性膜は、厚さが１mm以下であることを特徴とする請求項１に記載の化学反応用カートリッジ。
前記作用手段の接触または導入時には、前記薄い弾性膜で覆った室内の気圧が大気圧以上になるようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載の化学反応用カートリッジ。
前記薄い弾性膜の周囲の弾性体部に、切欠き部を形成するか、または断熱材または防振材を埋め込んだことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の化学反応用カートリッジ。