JP2005125311A - Chemical reactor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、化学反応装置に関するものであり、特にポリメラーゼ連鎖反応(PCR:Polymerase Chain Reaction)法を用いた核酸増幅装置に適用されるものである。 The present invention relates to a chemical reaction apparatus, and in particular, to a nucleic acid amplification apparatus using a polymerase chain reaction (PCR) method.
近年のめざましい遺伝子工学の発展に伴って、ポリメラーゼ連鎖反応法を用いた核酸増幅装置に代表される化学反応装置が複数種類提供されるようになってきている。 With the remarkable development of genetic engineering in recent years, a plurality of types of chemical reaction devices represented by nucleic acid amplification devices using the polymerase chain reaction method have been provided.
そのような化学反応装置としては、たとえばアプライドバイオシステムズ社製PRISM7900HTなどのように、検体を収容するための複数個の収容部を格子状に一体的に配置した1個の検体収容器を用い、この検体収容器に収容された複数の検体を同時に加熱又は冷却して化学反応を行わせるものであった。 As such a chemical reaction apparatus, for example, a single specimen container in which a plurality of accommodating parts for accommodating a specimen are integrally arranged in a lattice shape, such as PRISM7900HT manufactured by Applied Biosystems, A plurality of specimens stored in the specimen container are simultaneously heated or cooled to cause a chemical reaction.
また、従来の化学反応装置としては、螺旋状のガラス管の内部で複数個の検体を順次移動させることによって、検体を順番に加熱又は冷却して化学反応を行わせるもや(たとえば、特許文献1参照。)、たとえばロッシュ社製ライトサイクラーDX400のように検体を収容するための複数個のガラス管を空気を熱媒体として加熱又は冷却して、複数の検体の化学反応を同時に行わせるものが知られている。
ところが、上記した従来の化学反応装置にあっては、以下に記載するような不具合があった。 However, the above-described conventional chemical reaction apparatus has the following problems.
すなわち、複数の検体を同時に加熱又は冷却して化学反応を行わせるものでは、複数個の検体を収容した検体収容器を用いて化学反応装置を稼動させると、その化学反応が終了するまで、次の検体について化学反応装置を使用することができなかった。しかも、一旦装置を稼動させると、途中で一部の検体のみを取り出すことができなかった。さらに、1個の加熱装置又は冷却装置を用いて複数個の検体を同時に加熱又は冷却していたために、検体自体を急激に加熱又は冷却させることが困難であり、温度変化に要する無駄な時間が生じてしまい、化学反応を行わせるための時間が長くなっていた。しかも、所定の温度以外の温度に検体が曝されることによって、不要かつ好ましくない副反応を生じていた。 That is, in the case where a chemical reaction is performed by simultaneously heating or cooling a plurality of specimens, when the chemical reaction apparatus is operated using a specimen container containing a plurality of specimens, the next chemical reaction is completed. The chemical reaction apparatus could not be used for this sample. In addition, once the apparatus is operated, only a part of the samples cannot be taken out. Furthermore, since a plurality of specimens are simultaneously heated or cooled using a single heating device or cooling device, it is difficult to rapidly heat or cool the specimens themselves, and wasted time required for temperature changes. As a result, it took a long time for the chemical reaction to occur. Moreover, unnecessary and undesirable side reactions have occurred due to the specimen being exposed to a temperature other than the predetermined temperature.
また、ガラス管内で検体を順に加熱又は冷却して化学反応を行わせるものでも、一旦装置を稼動させると、途中で一部の検体のみを取り出すことができなかった。さらに、ガラス管を介して検体を加熱又は冷却していたために、ガラス管の熱伝導率の影響で検体自体を急激に加熱又は冷却させることが困難であり、温度変化に要する無駄な時間が生じてしまい、化学反応を行わせるための時間が長くなっていた。 Moreover, even if the chemical reaction is performed by sequentially heating or cooling the specimen in the glass tube, once the apparatus is operated, only a part of the specimen cannot be removed. Furthermore, since the specimen is heated or cooled via the glass tube, it is difficult to rapidly heat or cool the specimen itself due to the thermal conductivity of the glass tube, resulting in wasted time required for temperature changes. As a result, it took a long time to perform the chemical reaction.
このように、従来の化学反応装置は、使い勝手が悪く、使用者に不快感を与え、しかも、反応生成物に副反応生成物が混入する不良な反応を生じる可能性が高いものであった。 As described above, the conventional chemical reaction apparatus is inconvenient and uncomfortable for the user, and has a high possibility of causing a poor reaction in which a side reaction product is mixed into the reaction product.
そこで、請求項1に係る本発明では、ケーシングの内部に容器を等速回転可能に配設するとともに、前記ケーシングの内部を前記容器の回転方向に向けて複数の所定温度及び所定サイズに設定した空間に区画し、しかも、前記容器に個々の検体を収容した複数個の検体収容器を回転方向に対して任意の角度で並べて収容したことを特徴とする化学反応装置を提供する。
Therefore, in the present invention according to
また、請求項2に係る本発明では、前記請求項1に係る本発明において、前記検体収容器を、隣接する2枚の薄板の間に検体を収容するように構成することにした。
Further, in the present invention according to claim 2, in the present invention according to
また、請求項3に係る本発明では、前記請求項1又は請求項2に係る本発明において、前記容器を環状に形成するとともに、この容器に熱源を配設し、この熱源から検体収容器に向けて所定温度の温風を吹付けることにした。
Further, in the present invention according to
また、請求項4に係る本発明では、前記請求項1又は請求項2に係る本発明において、前記容器を環状に形成するとともに、この容器内に液体を収容し、この液体を所定の温度に制御することにした。
Further, in the present invention according to
また、請求項5に係る本発明では、前記請求項1〜請求項4のいずれかに係る本発明において、前記複数の所定温度及び所定サイズに設定した空間を、核酸の熱変性を行わせる温度及び時間で検体収容器が通過するように設定した熱変性空間と、プライマーのアニーリングを行わせる温度及び時間で検体収容器が通過するように設定したアニーリング空間と、核酸の合成を行わせる温度及び時間で検体収容器が通過するように設定した合成空間とで構成することにした。
Further, in the present invention according to
そして、本発明では、以下に記載する効果を奏する。 And in this invention, there exists an effect described below.
すなわち、請求項1に係る本発明では、ケーシングの内部に容器を等速回転可能に配設するとともに、前記ケーシングの内部を前記容器の回転方向に向けて複数の所定温度及び所定サイズに設定した空間に区画し、しかも、前記容器に個々の検体を収容した複数個の検体収容器を回転方向に並べて収容することにしているため、一旦装置の稼動を開始した後であっても任意に検体収容器を取り出したり、或いは、新たに挿入したりすることができるので、化学反応装置の使い勝手を向上させることができる。
That is, in the present invention according to
また、請求項2に係る本発明では、検体収容器の構成として、隣接する2枚の薄板の間に検体を収容するように構成しているため、検体を急激に加熱又は冷却することができ、温度上昇又は下降のための無駄な時間を少なくすることができるので、化学反応に要する時間を短縮することができ、不要かつ好ましくない副反応を低減することができる。 Further, in the present invention according to claim 2, since the specimen container is configured such that the specimen is accommodated between two adjacent thin plates, the specimen can be rapidly heated or cooled. Since a useless time for increasing or decreasing the temperature can be reduced, the time required for the chemical reaction can be shortened, and unnecessary and undesirable side reactions can be reduced.
また、請求項3に係る本発明では、容器を環状に形成するとともに、この容器に熱源を配設し、この熱源から検体収容器に向けて所定温度の温風を吹付けることにしているため、検体を均一に加熱又は冷却することができ、これによっても、化学反応に要する時間を短縮することができ、不要かつ好ましくない副反応を低減することができる。
Further, in the present invention according to
また、請求項4に係る本発明では、記容器を環状に形成するとともに、この容器内に液体を収容し、この液体を所定の温度に制御することにしているため、検体を均一に加熱又は冷却することができ、これによっても、化学反応に要する時間を短縮することができ、不要かつ好ましくない副反応を低減することができる。
In the present invention according to
また、請求項4に係る本発明では、複数の所定温度及び所定サイズに設定した空間を、核酸の熱変性を行わせる温度及び時間で検体収容器が通過するように設定した熱変性空間と、プライマーのアニーリングを行わせる温度及び時間で検体収容器が通過するように設定したアニーリング空間と、核酸の合成を行わせる温度及び時間で検体収容器が通過するように設定した合成空間とで構成しているため、ポリメラーゼ連鎖反応法を用いて核酸の増幅を行わせることができる。
Further, in the present invention according to
本発明に係る化学反応装置は、ケーシングの内部に容器を連続的に等速回転又は一定量の回転と停止とを繰り返す間欠回転可能に配設するとともに、前記ケーシングの内部を前記容器の回転方向に向けて複数の所定温度及び所定サイズに設定した空間に区画し、しかも、前記容器に個々の検体を収容した複数個の検体収容器を回転方向に対して任意の角度で並べて収容したものである。 In the chemical reaction device according to the present invention, the container is disposed in the casing so that the container can be continuously rotated at a constant speed or intermittently and repeatedly rotated and stopped at a constant amount, and the casing is rotated in the direction of rotation of the container. A plurality of specimen containers containing individual specimens in the container, arranged side by side at an arbitrary angle with respect to the rotation direction. is there.
しかも、検体収容器は、隣接する2枚の薄板の間に検体を収容するように構成することにしたものである。 Moreover, the specimen container is configured to accommodate the specimen between two adjacent thin plates.
また、本発明では、容器を環状に形成するとともに、この容器に熱源を配設し、この熱源から検体収容器に向けて所定温度の温風を吹付けることにしてもよく、また、容器を環状に形成するとともに、この容器内に液体を収容し、この液体をサーモスタットなどによって所定の温度に制御するようにしてもよい。 Further, in the present invention, the container may be formed in an annular shape, a heat source may be provided in the container, and warm air of a predetermined temperature may be blown from the heat source toward the specimen container. It may be formed in an annular shape, and a liquid may be accommodated in the container, and the liquid may be controlled to a predetermined temperature by a thermostat or the like.
さらに、複数の所定温度及び所定サイズに設定した空間を、核酸の熱変性を行わせる温度及び時間で検体収容器が通過するように設定した熱変性空間と、プライマーのアニーリングを行わせる温度及び時間で検体収容器が通過するように設定したアニーリング空間と、核酸の合成を行わせる温度及び時間で検体収容器が通過するように設定した合成空間とで構成することもできる。 Furthermore, a heat denaturation space set so that the specimen container passes through a plurality of spaces set at a predetermined temperature and a predetermined size at a temperature and time at which the nucleic acid undergoes heat denaturation, and a temperature and time at which the primer annealing is performed. The annealing space set so that the sample container can pass through and the synthesis space set so that the sample container can pass at the temperature and time at which the nucleic acid is synthesized can also be configured.
以下に、本発明に係る化学反応装置の具体的な構造について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, a specific structure of the chemical reaction apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings.
化学反応装置1は、図1及び図2に示すように、円筒状のケーシング2の下部にモータ3を取付け、このモータ3の駆動軸4に複数本の放射状に伸延する支持体5の基端部を取付け、この支持体5の先端上部に環状の容器6を取付けている。これにより、化学反応装置1は、ケーシング2の内部に容器6を回転可能に配設している。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
また、化学反応装置1は、ケーシング2の天井壁7の中央に支柱8を取付け、この支柱8の下端に円板状の底壁9を取付け、これらの天井壁7と底壁9との間に3枚の仕切壁10,11,12を容器6の回転中心位置から半径方向に向けて放射状に形成して、ケーシング2の内部を3個の空間13,14,15に区画するとともに、各空間13,14,15の内部に所定の温度を維持する熱源16,17,18をそれぞれ配設している。図中、19は空気を熱媒体としたときの各熱源16,17,18に設けたファンであり、20は底壁9に貫通状に形成した吸入口である。
Further, the
また、化学反応装置1は、各空間13,14,15の内側上部に温度センサー21を取付けるとともに、この温度センサー21をコントローラ22に接続し、このコントローラ22で各熱源16,17,18の温度を制御するようにしている。
In addition, the
さらに、化学反応装置1は、ケーシング2の上部に搬入機構23と搬出機構24とを取付けるとともに、この搬出機構24に測定機構25を取付けている。
Further, the
次に、容器6の具体的な構造について説明すると、容器6は、図1〜図3に示すように、回転方向と直交する方向(半径方向)に伸延直線状にする略コ字状の複数の仕切壁26の内側に上下一対の連結壁27,28と断面略L字状の底壁29とを取付ける一方、仕切壁26の外側に上下一対の連結壁30,31と断面略L字状の底壁32とを取付けている。ここで、容器6は、内側の底壁29を支持体5に連設している。ただし、略コ字状の複数の仕切壁26の方向は容器6の回転方向と直交することは必須条件ではなく、任意の角度で仕切壁26を設置することが可能である。
Next, the specific structure of the
また、容器6は、回転方向(円周方向)に向けて隣接する仕切壁26,26の間に後述する検体収容器33を収容するための収容部34を形成するとともに、検体収容器33を収容部34に強固に保持するための突起35を仕切壁26に形成している。
In addition, the
次に、検体収容器33の具体的な構造について説明すると、検体収容器33は、図3〜図4に示すように、金属製の薄板36と透明ガラス製又は樹脂製の薄板37との間に検体を収容するための検体収容空間38を形成するとともに、この検体収容空間38の上方に検体を注入するための開口39を形成し、さらには、金属製の薄板36の周囲に樹脂製の枠体40を取付けている。ここで、金属製の薄板36の内側面には、鏡面を施している。
Next, the specific structure of the
次に、ケーシング2の内部に形成した空間13,14,15の構造について説明する。
Next, the structure of the
化学反応装置1は、ケーシング2は、第1の仕切壁10と第2の仕切壁11とがなす角度を72度とし、第2の仕切壁11と第3の仕切壁12とがなす角度を72度とし、第3の仕切壁12と第1の仕切壁10とがなす角度を216度としている。
In the
しかも、化学反応装置1は、モータ3によって容器6が60秒で1回転するように設定するとともに、第1の空間13の内部温度が94℃となるように熱源16の温度を制御し、第2の空間14の内部温度が54℃となるように熱源17の温度を制御し、第3の空間15の内部温度が72℃となるように熱源18の温度を制御している。
Moreover, the
これによって、化学反応装置1は、検体収容器33が第1の空間13を94℃及び10秒で通過し、第2の空間14を54℃及び12秒で通過し、第3の空間15を72℃及び36秒で通過するようにしている。
Thereby, in the
このように各空間13,14,15の温度やサイズを設定することによって、化学反応装置1では、第1の空間13が、核酸の熱変性を行わせる温度(約94℃)及び時間(約12秒)で検体収容器33が通過するように設定した熱変性空間となり、第2の空間14が、プライマーのアニーリングを行わせる温度(約54℃)及び時間(約12秒)で検体収容器33が通過するように設定したアニーリング空間となり、第3の空間15が、核酸の合成を行わせる温度(約72℃)及び時間(約36秒)で検体収容器33が通過するように設定した合成空間となるようにしており、これにより、ポリメラーゼ連鎖反応(PCR:Polymerase Chain Reaction)法を用いた核酸増幅装置としている。
By setting the temperature and size of each
そして、化学反応装置1は、蛍光顕微鏡型の測定機構25を用いて核酸の増幅量を蛍光反応によって測定するようにしている。
The
すなわち、測定機構25は、図6に示すように、光源41から検体収容器33の内部の検体に所定波長の光をレンズ42、光学フィルター43、ダイクロイックミラー44、及びレンズ45を介して照射することによって、検体で生じた蛍光が固体撮像素子(CCD)46にレンズ45、ダイクロイックミラー44、光学フィルター47、レンズ48を介して入射し、固体撮像素子46で電気信号に変換するように構成している。
That is, as shown in FIG. 6, the
化学反応装置1は、以上に説明したように構成しており、以下に説明するようにして化学反応を行わせるようにしている。なお、以下の説明では、検体にポリメラーゼ連鎖反応を行わせる場合について説明する。
The
まず、化学反応装置1は、コントローラ22で熱源16,17,18を制御することによって、各空間13,14,15の内部の温度をそれぞれ所定の温度になるようにしている。
First, the
ここでは、第1の空間13の内部温度が94℃となるように熱源16の温度を制御し、第2の空間14の内部温度が54℃となるように熱源17の温度を制御し、第3の空間15の内部温度が72℃となるように熱源18の温度を制御している。
Here, the temperature of the
次に、化学反応装置1は、モータ3を駆動することによって、ケーシング2の内部で容器6が所定の等速度で回転するようにしている。なお、化学反応装置1は、一定速度で連続して回転する場合に限られず、所定量の回転と停止とを繰り返しながら回転するようにしてもよい。
Next, the
ここでは、容器6が60秒でケーシング2の内部を1回転するようにしており、これによって、検体収容器33が第1の空間13を12秒で通過し、第2の空間14を12秒で通過し、第3の空間15を36秒で通過するようにしている。
Here, the
次に、搬入機構23を用いて容器6の空の収容部34に検体収容器33を1個ずつ搬入する。
Next, the
これによって、検体収容器33に収容された検体は、容器6とともにケーシング2の内部を回転し、第1の空間13を94℃及び12秒で通過することによって核酸の熱変性が行われ、その後、第2の空間14を54℃及び12秒で通過することによってプライマーのアニーリングが行われ、
その後、第3の空間15を72℃及び36秒で通過することによって、核酸の合成が行われる。
As a result, the sample accommodated in the
Thereafter, the nucleic acid is synthesized by passing through the
次に、適当な回数回転した検体収容器33を搬出機構24を用いて1個ずつ取出し、測定機構25で測定を行い、必要であれば、検体収容器33を再度容器6の収容部34に搬入する。
Next, the
このように、化学反応装置1は、上記検体収容器33の回転を繰返し行うことで、化学反応を行うようにしている。
As described above, the
以上に説明したように、上記した化学反応装置1は、ケーシング2の内部に容器6を等速回転又は所定量の回転と停止とを繰り返しながらの回転を可能に配設するとともに、ケーシング2の内部を容器6の回転方向に向けて複数の所定温度及び所定サイズに設定した空間13,14,15に区画し、しかも、容器6に個々の検体を収容した複数個の検体収容器33を回転方向に並べて収容している。
As described above, the above-described
そのため、化学反応装置1の稼動を開始した後に、任意のタイミングで容器6から検体収容器33を搬出したり、或いは、容器6に新たに検体収容器33を搬入したりすることができるので、化学反応装置1の使い勝手を向上させることができ、使用者に不快感を与えるのを防止することができる。
Therefore, after the operation of the
また、化学反応装置1は、検体収容器33を隣接する2枚の薄板36,37の間に検体を収容するように構成している。
Further, the
そのため、検体を急激に加熱又は冷却することができるので、温度上昇又は下降のための無駄な時間を少なくすることができて、化学反応に要する時間を短縮することができ、図7に示すように、不要かつ好ましくない副反応物の生成を低減することができる。 Therefore, the specimen can be rapidly heated or cooled, so that a wasteful time for temperature rise or fall can be reduced, and the time required for the chemical reaction can be shortened, as shown in FIG. In addition, generation of unnecessary and undesirable side reaction products can be reduced.
なお、図7中、Mは、反応生成物の分子量を推定するための標準物質、Aは、ペルティエ素子で温度制御されたアルミブロックを利用して樹脂製容器に反応検体を入れた既存の装置での反応生成物、Bは、空気を熱媒体としガラス管に反応検体を入れた既存の装置での反応生成物、Cは、本発明に係わる化学反応装置で空気を熱媒体とした場合の反応生成物、Dは、本発明に係わる化学反応装置で油を熱媒体とした場合の反応生成物であり、Main Bandが所期の反応生成物、Sub Bandが副反応生成物を示している。 In FIG. 7, M is a standard substance for estimating the molecular weight of a reaction product, and A is an existing apparatus in which a reaction specimen is placed in a resin container using an aluminum block whose temperature is controlled by a Peltier element. B is a reaction product in an existing apparatus in which air is used as a heat medium and a reaction sample is put in a glass tube, and C is a case where air is used as a heat medium in the chemical reaction apparatus according to the present invention. The reaction product D is a reaction product when oil is used as a heat medium in the chemical reaction apparatus according to the present invention. Main Band indicates a desired reaction product, and Sub Band indicates a side reaction product. .
また、化学反応装置1は、容器6を環状に形成するとともに、この容器6の回転中心部に熱源16,17,18を配設し、この熱源16,17,18から検体収容器33に向けて温風を吹付けるようにしている。
Further, the
そのため、検体を迅速かつ均一に加熱又は冷却することができるので、化学反応に要する時間を短縮することができる。 Therefore, since the specimen can be heated or cooled quickly and uniformly, the time required for the chemical reaction can be shortened.
また、化学反応装置1は、核酸の熱変性を行わせる温度及び時間で検体収容器33が通過するように設定した熱変性空間と、プライマーのアニーリングを行わせる温度及び時間で検体収容器33が通過するように設定したアニーリング空間と、核酸の合成を行わせる温度及び時間で検体収容器が通過するように設定した合成空間とを設けている。
In addition, the
そのため、化学反応装置1を用いてポリメラーゼ連鎖反応法を利用した核酸の増幅を行わせることができる。
Therefore, nucleic acid amplification using the polymerase chain reaction method can be performed using the
1 化学反応装置
2 ケーシング
3 モータ
4 駆動軸
5 支持体
6 容器
10,11,12 仕切壁
13,14,15 空間
16,17,18 熱源
19 ファン
21 温度センサー
22 コントローラ
23 搬入機構
24 搬出機構
25 測定機構
33 検体収容器
34 収容部
36,37 薄板
38 検体収容空間
M 反応生成物の分子量を推定するための標準物質
A ペルティエ素子で温度制御されたアルミブロックを利用して樹脂製容器に反応検体を入れた既存の装置での反応生成物
B 空気を熱媒体としガラス管に反応検体を入れた既存の装置での反応生成物
C 本発明に係わる化学反応装置で空気を熱媒体とした場合の反応生成物
D 本発明に係わる化学反応装置で油を熱媒体とした場合の反応生成物
Main Band 所期の反応生成物
Sub Band 副反応生成物
DESCRIPTION OF
10, 11, 12 Partition wall
13,14,15 space
16,17,18 Heat source
19 fans
21 Temperature sensor
22 Controller
23 Loading mechanism
24 Unloading mechanism
25 Measuring mechanism
33 Sample container
34 Enclosure
36,37 sheet
38 Specimen storage space M Standard material for estimating the molecular weight of the reaction product A A reaction product in an existing apparatus in which a reaction specimen is placed in a resin container using an aluminum block whose temperature is controlled by a Peltier element B Air The reaction product in the existing apparatus in which the reaction specimen is put in the glass tube with the heat medium as the heat medium C The reaction product in the case where the air is the heat medium in the chemical reaction apparatus according to the present invention D The oil in the chemical reaction apparatus according to the present invention Product when heat is used as heat medium Main Band Expected reaction product Sub Band Side reaction product
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