JP2012024000A - Apparatus for analyzing nucleic acid - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、核酸分析装置に関する。 The present invention relates to a nucleic acid analyzer.
DNAやRNAの塩基配列を決定する新しい技術が開発されてきている。 New techniques for determining the base sequences of DNA and RNA have been developed.
現在、通常用いられている電気泳動を利用した方法においては、予め配列決定用のDNA断片又はRNA試料から逆転写反応を行い合成したcDNA断片試料を調製し、周知のサンガー法によるジデオキシ反応を実行した後、電気泳動を行い、分子量分離展開パターンを計測して解析する。 In the currently used method using electrophoresis, a cDNA fragment sample synthesized in advance by reverse transcription reaction from a DNA fragment or RNA sample for sequencing is prepared, and a dideoxy reaction is performed by a well-known Sanger method. After that, electrophoresis is performed, and the molecular weight separation development pattern is measured and analyzed.
これに対し、近年、基板に試料となるDNA断片を数多く固定して、パラレルに数多くの断片の配列情報を決定する方法が提案されている。 On the other hand, in recent years, a method has been proposed in which a large number of DNA fragments as samples are fixed to a substrate and the sequence information of many fragments is determined in parallel.
DNA断片を担時する担体として微粒子を用い、微粒子上でPCRを行うという技術が知られている。その後、微粒子のサイズに穴径を合わせた数多くの穴を設けたプレートに、PCR増幅されたDNA断片を担持した微粒子を入れてパイロシーケンス方式で読み出している。 A technique is known in which fine particles are used as a carrier for carrying DNA fragments, and PCR is performed on the fine particles. Thereafter, fine particles carrying PCR-amplified DNA fragments are put in a plate provided with a number of holes in which the hole diameter is adjusted to the size of the fine particles, and read by the pyro sequence method.
また、DNA断片を担持する担体として微粒子を用い、微粒子上でPCRを行うという技術が既に知られている。その後、微粒子をガラス基板上にばら撒いて固定し、ガラス基板上で酵素反応(ライゲーション)を行い、蛍光色素付き基質を取り込ませて蛍光検出を行うことにより各断片の配列情報を得ている。 In addition, a technique of performing PCR on a microparticle using a microparticle as a carrier for supporting a DNA fragment is already known. Thereafter, the microparticles are dispersed and fixed on the glass substrate, an enzyme reaction (ligation) is performed on the glass substrate, a fluorescent dye is incorporated, and the sequence information of each fragment is obtained.
さらに、基板上に、同一配列を有する多数のDNAプローブを固定するという技術が知られている。また、DNA試料を切断後、DNAプローブ配列と相補鎖のアダプター配列を各DNA試料断片の端に付加させる。これらを基板上でハイブリダイゼーションさせることにより、基板上にランダムに一分子ずつ試料DNA断片を固定化させている。この場合、基板上でDNA伸長反応を起こない、蛍光色素付き基質を取り込ませた後、未反応基質の洗浄,蛍光検出を行い、試料DNAの配列情報を得ている。 Furthermore, a technique for fixing a number of DNA probes having the same sequence on a substrate is known. In addition, after cutting the DNA sample, a DNA probe sequence and an adapter sequence of a complementary strand are added to the end of each DNA sample fragment. By hybridizing these on the substrate, the sample DNA fragments are immobilized on the substrate randomly one molecule at a time. In this case, the DNA elongation reaction does not occur on the substrate, and after loading the substrate with the fluorescent dye, the unreacted substrate is washed and the fluorescence is detected to obtain the sequence information of the sample DNA.
以上のように、基板上に、核酸断片試料を数多く固定することにより、パラレルに数多くの断片の配列情報を決定する方法が開発され、実用化されつつある。 As described above, a method for determining the sequence information of a large number of fragments in parallel by fixing a large number of nucleic acid fragment samples on a substrate has been developed and put into practical use.
これらの方式では、基板上でシーケンス反応を行うため、数多くの種類の溶液を基板上に供給するとともに、基板上での温度の上げ下げが必要である。例えば、最初にアンカープライマーを含む溶液を供給した後、基板を昇温・冷却した後、基板上に洗浄液を供給し、基板上の未反応アンカープライマーを洗浄するという技術が知られている。その後、ライゲーション反応のための溶液,アンカープライマーと蛍光プライマーの複合体を分解するための溶液を供給する。これらの溶液供給の間にも、温度の上げ下げと洗浄液での洗浄が必要である。 In these methods, since a sequence reaction is performed on the substrate, it is necessary to supply many types of solutions onto the substrate and to raise and lower the temperature on the substrate. For example, a technique is known in which after a solution containing an anchor primer is first supplied, the substrate is heated and cooled, then a cleaning solution is supplied onto the substrate, and unreacted anchor primer on the substrate is cleaned. Thereafter, a solution for ligation reaction and a solution for decomposing the complex of anchor primer and fluorescent primer are supplied. It is also necessary to raise and lower the temperature and to wash with a washing liquid during the supply of these solutions.
これらの分析を行うための装置として、特許文献1,3には、容器に保管されている試薬溶液をチューブを介して反応場であるフローセルに供給する装置が開示されている。
As apparatuses for performing these analyses,
しかしながら、上記のようなチューブを介した装置では、試薬容器からフローセル間のチューブ内容量がデッドボリュームとなり、1回の解析に必要な試薬量が増えるため、解析のランニングコストが高くなる問題がある。 However, in the apparatus through the tube as described above, the capacity of the tube between the reagent container and the flow cell becomes a dead volume, and the amount of reagent necessary for one analysis increases, so there is a problem that the running cost of the analysis becomes high. .
特許文献2では、試薬ボトルとフローセルの間にバルブを用いる方法も開示されているが、バルブの開け閉め機構を実現するために、装置構成が複雑になる問題がある。
本発明は、試薬ボトルとフローセルの間のデッドボリュームが小さく、試薬ボトルとフローセルの間にバルブを用いない核酸分析装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a nucleic acid analyzer that has a small dead volume between a reagent bottle and a flow cell and does not use a valve between the reagent bottle and the flow cell.
本発明の核酸分析装置は、溶液を注入する注入口,反応領域,注入口と反応領域とを繋ぐ流路、及び溶液を排出する排出口を有するフローセルと、フローセルに溶液を注入するノズルと、ノズルを駆動させるノズル駆動部と、フローセル内の試料を検出する検出部と、を備えている。 The nucleic acid analyzer of the present invention includes an injection port for injecting a solution, a reaction region, a flow channel connecting the injection port and the reaction region, a flow cell having a discharge port for discharging the solution, a nozzle for injecting the solution into the flow cell, The nozzle drive part which drives a nozzle, and the detection part which detects the sample in a flow cell are provided.
試薬ボトルとフローセルの間のデッドボリュームが小さく、試薬ボトルとフローセルの間にバルブを用いない核酸分析装置を提供することができる。 A dead volume between the reagent bottle and the flow cell is small, and a nucleic acid analyzer that does not use a valve between the reagent bottle and the flow cell can be provided.
以下、上記及びその他の本発明の新規な特徴と効果について、図を参照して説明する。
ここでは、本発明を理解してもらうため、特定の実施形態について詳細な説明を行うが、本発明はここに記した内容に限定されるものではない。また、各構成は適宜組み合せることが可能であり、当該組み合せ形態についても本明細書は開示している。
The above and other novel features and effects of the present invention will be described below with reference to the drawings.
Here, specific embodiments will be described in detail in order to understand the present invention, but the present invention is not limited to the contents described here. Moreover, each structure can be combined suitably and this specification is also disclosing about the said combination form.
図1に本発明による核酸分析装置の例を示す。核酸分析装置1は、流路が形成されたフローセル2,フローセル2を固定し、なおかつフローセル2を温度調整するホルダユニット3,フローセル2・ホルダユニット3を移動させるステージユニット4,複数の試薬や洗浄水が収容された試薬容器5,試薬容器5に収容された試薬を吸引しフローセル2に注入する駆動源である送液ユニット6,試薬の吸引・吐出の際、実際に試薬容器5やフローセル2にアクセスするノズル7,ノズル7を搬送させるノズル搬送ユニット8,フローセル2に固定された試料を観察するための検出ユニット9,フローセル2からの廃液を収容する廃液容器10を有する。
FIG. 1 shows an example of a nucleic acid analyzer according to the present invention. The nucleic acid analyzer 1 fixes a
核酸分析装置1の動作について図1を用いて説明する。まず、測定対象のDNAを保持したフローセル2をホルダユニット3に設置する。次に、ノズル7が試薬容器5にアクセスし、試薬を送液ユニット6により吸引する。ノズル7は、ノズル搬送ユニット8によりフローセル2上面に搬送され、フローセル2に注入ポート11から試薬を注入する。そして、ホルダユニット3にて、フローセル2内に含まれたDNA断片と試薬を温度調整することで反応が起こる。
The operation of the nucleic acid analyzer 1 will be described with reference to FIG. First, the
反応したDNA断片を観察するために、フローセル2をステージユニット4にて観察したい検出領域が検出ユニット9で観察できるように移動させ、励起光を当てて検出領域内にある複数のDNA断片の蛍光を検出する。検出後、フローセル2を微小に動かし同様の方法で検出、という動作を複数回繰り返す。全ての検出領域で観察が終了したら、試薬容器5に収容された洗浄水を送液ユニット6により吸引し、フローセル2へ注入することで、フローセル2の流路内を洗浄する。また、別の試薬を注入し検出、という動作を複数回繰り返すことで、DNA配列を読み取ることができる。なお、核酸分析では4種類の塩基を同定することが必要である。4種類以上にラベル化された色素を検出する方法が広く公知である。
In order to observe the reacted DNA fragment, the
本実施の形態では、ノズル7を介して分注を行うため、試薬容器5から注入ポート(後述)11までのデッドボリュームを低減することができる。
In the present embodiment, since the dispensing is performed through the
本発明のフローセル2について図2を用いて説明する。フローセル上面には、溶液を注入,排出するための穴である、注入ポート11と排出ポート12が設けられている。フローセル2は、溶液を通すための中空構造となっており、中空構造は加熱防止のための流路部13と検出部(反応領域)14からなる。図2に示すとおり、上方から見たとき流路部13は検出部14よりも幅が狭くなっている。
The
流路部13の体積を小さくすることで、試薬溶液のデッドボリュームを小さくする。検出部14の面積を大きくすることで、測定対象のDNAを持つビーズ固定数を増やすことができ、一度に解析できるDNA断片数を増やすことができる。 By reducing the volume of the flow path unit 13, the dead volume of the reagent solution is reduced. By increasing the area of the detection unit 14, the number of beads immobilized with the DNA to be measured can be increased, and the number of DNA fragments that can be analyzed at a time can be increased.
フローセル2の上面部の材質は、蛍光検出のために、光透過性が高い材料が良い。この様な材料としては、ガラス,サファイアなどの無機材料やポリメタクリル酸メチル樹脂,ポリカーボネート樹脂,シクロオレフィン樹脂などの樹脂材料が挙げられる。フローセル2の下面部の材質は、熱伝導性が高い材料が望ましい。この様な材料としては、シリコン,ガラスなどの無機材料や、SUSなどの金属材料,カーボンファイバや無機フィーラを配合した高熱伝導性の樹脂材料が挙げられる。なお、図2では、注入ポート11,流路部13,検出部14、及び排出ポート12の組を2つ配置させているが、これに限らず、1つでも、3つ以上でもよい。但し、複数組、注入ポート11,流路部13,検出部14、及び排出ポート12を設けることにより、1つの検出部を検出している時に同時に他の検出部に液を注入することができる。また、検出と検出のための反応を同時に行うことができ、スループットを高めることができる。
The material of the upper surface portion of the
本発明のホルダユニット3について図3を用いて説明する。ホルダユニット3は、温調を可能とする温調素子16と、これと接触するヒートプレート15と、吸熱プレート17と、クランプ18からなる。図3に示すとおり、ヒートプレート15の下側に温調素子16が設けられている。このような構成により、複数回の温度上げ下げが必要な基板上でのシーケンス反応を実現することができる。
The
具体的には、フローセル2の検出部14の下側の一部がヒートプレート15と接し、フローセル2の流路部13の下側の一部が吸熱プレート17と接する。シーケンス反応のための加熱時、流路部13内の熱は吸熱プレート17を介して、外部に放熱されるため、流路部13内の温度上昇を抑えることができ、注入ポート11からの蒸発を防止することができる。
Specifically, a part of the lower side of the detection part 14 of the
クランプ18は吸熱プレート17とフローセル2の下部との密着性を高めるために、断面コ字状のクランプ18が設けられている。クランプ18により、フローセル2の下部から吸熱プレート17への伝熱量を増やすことができる。吸熱プレート17の材料としては、熱伝導性が高く、クランプ時の寸法変化が小さく、耐久性が高い金属材料が望ましく、この様な材料として、アルミニウムや銅などが挙げられる。フローセル2と吸熱プレート17の密着性を高めるために、フローセル2と吸熱プレート17の間に熱伝導性が高いシリコンシートなどを用いても良い。このようなクランプ18を設けることにより、密着界面からの液漏れを防止することができる。
The clamp 18 is provided with a clamp 18 having a U-shaped cross section in order to enhance the adhesion between the heat absorbing plate 17 and the lower part of the
また、図3とは異なる形態として、本発明のホルダユニットについて図4を用いて説明する。図3との違いは、フローセル2がホルダ19に格納されてセルホルダユニットに組み込まれている点である。この形態では、ノズル7からの液の注入は、ホルダ19にあるインジェクションポート20より行われる。図3の形態では、フローセル上面部の厚さが薄い場合、ノズルとフローセル上面部の接触面積が小さくなるので液漏れしやすくなるが、図4の形態では、ノズルと注入ポートの接触面積は、フローセル上面部の厚さによらないので、フローセルの上面部の厚さを薄くできる。なお、図3,図4では、注入ポート11,流路部13,検出部14、及び排出ポート12の組を2つ配置させているが、これに限らず、1つでも、3つ以上でもよい。
Moreover, the holder unit of this invention is demonstrated using FIG. 4 as a different form from FIG. The difference from FIG. 3 is that the
本発明の核酸分析装置を用いた核酸分析方法を説明する。測定対象のDNAを断片化,増幅した後、エマルジョンPCR法を用いて測定対象のDNA断片が固定化されたビーズを作製する。続いて、アクリルゲルを用いて本発明のフローセル内にビーズを固定化する。次に、ビーズが固定化された反応デバイスを図1に示した核酸分析装置に設置する。最後に、
(a)アンカープライマーのハイブリダイゼーション
(b)蛍光プライマーのライゲーション
(c)蛍光検出
(d)アンカープライマーと蛍光プライマーの除去
(e)(a)〜(d)の繰り返し
を行い、塩基配列を決定する。
A nucleic acid analysis method using the nucleic acid analyzer of the present invention will be described. After fragmenting and amplifying the DNA to be measured, beads having the DNA fragment to be measured immobilized thereon are prepared using an emulsion PCR method. Subsequently, beads are immobilized in the flow cell of the present invention using an acrylic gel. Next, the reaction device on which the beads are immobilized is installed in the nucleic acid analyzer shown in FIG. Finally,
(A) Hybridization of anchor primer (b) Ligation of fluorescent primer (c) Fluorescence detection (d) Removal of anchor primer and fluorescent primer (e) Repeat steps (a) to (d) to determine the base sequence .
1 核酸分析装置
2 フローセル
3 ホルダユニット
4 ステージユニット
5 試薬容器
6 送液ユニット
7 ノズル
8 ノズル搬送ユニット
9 検出ユニット
10 廃液容器
11 注入ポート
12 排出ポート
13 流路部
14 検出部
15 ヒートプレート
16 温調素子
17 吸熱プレート
18 クランプ
19 ホルダ
20 インジェクションポート
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (14)
フローセルに溶液を注入するノズルと、
ノズルを駆動させるノズル駆動部と、
フローセル内の試料を検出する検出部と、を備えたことを特徴とする核酸分析装置。 A flow cell having an inlet for injecting a solution, a reaction region, a flow path connecting the inlet and the reaction region, and an outlet for discharging the solution;
A nozzle for injecting the solution into the flow cell;
A nozzle drive unit for driving the nozzle;
A nucleic acid analyzer comprising: a detection unit that detects a sample in the flow cell.
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