JP2014180250A - 生化学カートリッジ用温調機構、温調ブロック及び生化学処理装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】生化学カートリッジ用温調機構に、空気圧により変形可能な弾性体であるメンブレンが表面に貼りつけられた生化学カートリッジの装着時に、前記生化学カートリッジ側に形成された流路の開口端と前記メンブレンを挟んで対向する反応部形成用の凹構造と、前記凹構造の内周面に設けられる空気吸引用の少なくとも1つの開口と、前記開口に接続された管路とが形成された温調ブロックと、前記管路を通じて前記溝内の空気圧を制御するポンプとを設ける。
【選択図】図3
Description
(装置の全体構成)
本実施例では、生化学処理装置の一例として、DNAの解析に使用される前処理一体型キャピラリ電気泳動装置について説明する。図1に、前処理一体型キャピラリ電気泳動装置1の構成例を示す。前処理一体型キャピラリ電気泳動装置1は、前処理部2と分析部3で構成される。前処理部2は、反応液からDNAを抽出して増幅する前処理を実行し、分析部3は、前処理部2で処理されたDNAをキャピラリ電気泳動により分析する。前処理部2の詳細構成については後述する。分析部3は、キャピラリ5と、検出部6と、オーブン8と、高圧電源9を有する。
図2に、前処理部2の構成例を示す。前処理部2は、送液機構12と温調機構13とを有している。図2の前処理部2には、マイクロ流体デバイスとしてのカートリッジ11が装着された状態を表している。平板状のカートリッジ11には、メンブレンで外界から密閉された流路が形成され、当該流路内でDNAの抽出から増幅までの生化学的な処理が実行される。送液機構12は、前述のカートリッジ11を支持する支持面(載置面)と、カートリッジ11に形成された流路を通じ、サンプルや試薬等の流体を送液する機構(図1のポンプ7を含む。)とを有する。温調機構13は、例えばペルチェ素子で構成され、カートリッジ11内の流体をPCRに適した温度に制御する。
図4に、カートリッジ11の装着面の側から見た温調ブロック32の構造を透視図として示す。図4に示すように、温調ブロック32には、反応ウェル34、断熱材35、加圧吸引用路36、加圧吸引用継ぎ手31、温度センサ33が配置される。図4の場合、温調ブロック32の表面には、反応部の外形を規定する溝(反応ウェル34)が8個形成される。反応ウェル34の個数は、装着するカートリッジ11の個数に応じて定まる。本実施例に係る温調ブロック32では、8個のカートリッジ11について加熱処理と冷却処理を同時並列的に実行することができる。
カートリッジ11内の流体を温調制御される反応部に送液する動作は、送液機構12の送液流路溝22a及び温調ブロック32に形成された加圧吸引機構(加圧吸引用路36、加圧吸引口41a、41b、加圧吸引用継ぎ手31)とポンプ7の協働制御を通じて実行される。前述したように、反応部は、反応ウェル34の形状に沿って作成される。
図8に、反応部への送液動作の一例を示す。
送液開始前、メンブレン21は、図9(a)に示すように、カートリッジ11の表面に貼りついている。メンブレン21と反応ウェル34の間は空気で満たされている。この状態で、送液流路溝22aに加圧口26から空気を加圧導入すると、送液流路溝22aのメンブレン21に保持されていた液体が反応ウェル34と対面する領域のメンブレン21へ押し出される。この結果、反応ウェル34側のメンブレン21は送液の圧力により図9(b)に示すように伸長され、膨らんでいく。
前処理一体型キャピラリ電気泳動装置の全体動作を管理する不図示の制御装置(以下「全体制御部」という)は、この際の送液量を確認し、送液量が一定量以上であれば(本実施例では15μl以上であれば)、ポンプ7を駆動制御し、液体の流入口に近い側の加圧吸引口41aから反応ウェル34内の空気の吸引(排気)を開始する。
全体制御部は、加圧吸引口41aからの吸引を維持しつつ、送液流路溝22aからの送液を続行する。一定量以上の送液が実行されると、図9(c)に示すように、吸引を行っている方のメンブレン21が反応ウェル34の内壁面(すなわち、温調ブロック32)と密着した状態になる。特に、断面の形状が矩形である薄型の反応ウェル34の場合には、従来装置のように流体の自重による送液だけの場合には角部に空気だまりが形成されて密着度が低下する可能性が高いが、本実施例では角部まで確実に密着させることができる。
全体制御部は、この際の送液量を確認し、送液量が一定量以上であれば(本実施例では20μl以上であれば)、液体の流入口から遠い側の加圧吸引口41bから反応ウェル34内の空気の吸引(排気)を開始する。
全体制御部は、加圧吸引口41a及び41bの両方からの吸引を維持しつつ、さらに送液流路溝22aからの送液を続行する。さらに一定量以上の送液が実行されると、図9(d)に示すように、温調ブロック32とのメンブレンの間の空気は加圧吸引口から吸引され、メンブレン21が反応ウェル34の内壁面(すなわち、温調ブロック32)の全体と密着した反応部が形成される。
送液流路溝22aからの送液量が規定量(本実施例では25μl以上)になると、全体制御部は送液を終了制御し、その後、加圧吸引口41a及び41bからの吸引も終了して温調処理(加熱及び冷却)を開始する。図9では、温調開始前に吸引も終了しているが、温調中も吸引を継続しても良い。
ところで、反応部を形成する動作(反応部への送液動作)は、図8に示す吸引タイミングに限らない。例えば図10に示す吸引タイミングのように、予め反応部を形成した後に送液を開始することもできる。
この場合、全体制御部は、送液流路溝22aからの送液を開始する前に、一定時間(本実施例の場合、10sec)、反応ウェル34に形成された加圧吸引口41aから空気を吸引し、予めメンブレン21を部分的に膨らませておく。換言すると、メンブレン21を、加圧吸引口41a側の反応ウェル34の内壁に密着させるように変形する。
その後、全体制御部はポンプ7を制御して、反応ウェル34の上流側に位置する送液流路溝22aの加圧口26から空気を導入し、送液流路溝22aのメンブレン21に保持されていた液体を反応ウェル34側のメンブレン21へ送液する。
全体制御部は、この際の送液量を確認し、送液量が一定量以上(本実施例では15μl以上)であれば、液体の流入口から遠い側の加圧吸引口41bから反応ウェル34内の空気の吸引(排気)を開始する。
ここで、全体制御部は、加圧吸引口41bからの吸引を一定時間(本実施例の場合、10sec)実行し、メンブレン21を膨らませて反応部を完成させる。具体的には、メンブレン21を、加圧吸引口41b側の反応ウェル34の内壁全体に密着させる。
この後、全体制御部はポンプ7を制御して、反応ウェル34の上流側に位置する送液流路溝22aの加圧口26に対する空気の導入を再開し、送液流路溝22aのメンブレン21に保持されていた液体を反応ウェル34側のメンブレン21へ送液する。
送液流路溝22aからの送液量が規定量(本実施例では25μl以上)になると、全体制御部は送液を終了制御し、温調処理(加熱及び冷却)を開始する。
この他、図11に示す吸引タイミングを用い、反応部を形成する(反応部への送液する)こともできる。図11では、送液流路溝22aからの送液と反応ウェル34内の吸引とを同時に実行する手法を説明する。
この場合、全体制御部は、送液流路溝22aに加圧口26から空気を加圧導入して流体を送液する処理と、反応ウェル34に形成された加圧吸引口41a及び41bから空気を吸引して反応部を形成する処理とを同時に開始する。
全体制御部は、送液量を確認し、送液量が一定量以上(本実施例では25μl以上)であれば、送液を終了する。図11の場合、温調ブロック32に密着した反応部がほぼ同時に終了する。図11の場合、送液の終了後も、加圧吸引口41a及び41bの両方からの空気の吸引は継続する。なお、前述した吸引タイミング例と同様に、送液の終了時点でメンブレン21と温調ブロック32との密着が確保されている場合には、この時点で、加圧吸引口41a及び41bの両方からの吸引を終了しても良い。
全体制御部は、温調処理(加熱及び冷却)を開始し、温度センサ33により反応ウェル34内の液体の温度が90℃以上になったことが確認されると、加圧吸引口41a及び41bの両方からの空気の吸引を終了する。図11では、加熱する場合だけを想定しているが、勿論、所定温度まで反応ウェル34内の液体の温度を冷却する処理も実行する。
図12(a)に、反応ウェル34での反応処理が終了した時点における反応部の状態を示す。この時点では、反応ウェル34に密着したメンブレン21内に流体が満たされている。次に、全体制御部は、反応ウェル34の下流側に位置する送液流路溝22bの吸引口25から空気を吸引し、送液流路溝22bに対向する位置のメンブレン21を引き下げる(膨張させる)。これにより、反応ウェル34側のメンブレン21に保持されていた流体は送液流路溝22bの側に吸い出される。同時に、全体制御部は、反応ウェル34内に形成された加圧吸引口41a及び41bに空気を導入する(加圧する)。この状態を図12(b)に示す。なお、反応ウェル34に対する空気の導入は、加圧吸引口41a及び41bの両方である必要はなく、いずれか一方だけでも良い。いずれにしても、反応ウェル34内に空気を導入して加圧し、メンブレン21を押し上げるように変形することにより、メンブレン21がカートリッジ11の表面に密着した状態に確実に戻る。すなわち、反応部から反応液を確実に排出できる。この結果、送液流路溝22bからの吸い出しだけによる送液に比べ、確実かつ短時間のうちに送液することができる。
前述の実施例では、断熱材35を反応ウェル34を取り囲むように配置し(すなわち、断熱材35を温調ブロック32の側面全体に亘って配置し)、反応部から外部への放熱を少なくする手法について説明した。さらに、放熱量を少なくするためには、カートリッジ11の本体のうち反応部の形成領域に対向する部分を他の部分に比べて薄くし、薄くした部分に断熱材35を設置しても良い。このような構造を採用すれば、反応部の上面側からカートリッジ11への放熱を一段と少なくすることができる。
本発明は上述した実施例に限定されるものでなく、様々な変形例を含んでいる。例えば加圧吸引口41a及び41bを断面矩形の反応ウェル34の底面に設けているが、側面と底面が形成するコーナー付近であれば任意の位置、例えば側面、底面、隅のいずれにも設けることができる。また、前述の実施例では、加圧吸引口41a及び41bのいずれもが、加圧だけでなく吸引にも使用できる場合について説明したが、反応ウェル34内に加圧専用の開口と吸引専用の開口を設け、温調ブロック32内に加圧専用の管と吸引専用の管を設けても良い。例えば加圧吸引口41aとその接続管を吸引専用とし、加圧吸引口41bとその接続管を加圧専用として用いても良い。
2:前処理部
3:分析部
4:オートサンプラ
5:キャピラリ
6:検出部
7:ポンプ
8:オーブン
9:高圧電源
11:カートリッジ
12:送液機構
13:温調機構
21:メンブレン
22a、22b:送液流路溝
23a、23b:狭流路
24a、24b:ウェル
25:吸引口
26:加圧口
31:加圧吸引用継ぎ手
32:温調ブロック
33:温度センサ
34:反応ウェル
35:断熱材
36:加圧吸引用路
41a、41b:加圧吸引口
51:加熱冷却装置
52:放熱ブロック
53:ヒートシンク
54:空冷ファン
55:放熱部
61:温度制御基板
62:加熱装置
63:空気層
71:反応液
Claims (14)
- 空気圧により変形可能な弾性体であるメンブレンが表面に貼りつけられた生化学カートリッジの装着時に、前記生化学カートリッジ側に形成された流路の開口端と前記メンブレンを挟んで対向する反応部形成用の凹構造と、前記凹構造の内周面に設けられる少なくとも1つの空気吸引用の開口と、前記開口に接続された管路とが形成された温調ブロックと、
前記管路を通じて前記凹構造から空気を吸引及び加圧するポンプと
を有する生化学カートリッジ用温調機構。 - 請求項1に記載の生化学カートリッジ用温調機構において、
前記凹構造は断面矩形形状である
ことを特徴とする生化学カートリッジ用温調機構。 - 請求項1に記載の生化学カートリッジ用温調機構において、
前記開口は凹構造のコーナー付近に形成される
ことを特徴とする生化学カートリッジ用温調機構。 - 請求項1に記載の生化学カートリッジ用温調機構において、
前記管路は、前記凹構造への空気の導入にも使用される
ことを特徴とする生化学カートリッジ用温調機構。 - 請求項1に記載の生化学カートリッジ用温調機構において、
前記温調ブロックは、前記凹構造への空気の導入用に、前記管路とは異なる管路と開口を有する
ことを特徴とする生化学カートリッジ用温調機構。 - 請求項1に記載の生化学カートリッジ用温調機構において、
前記温調ブロックは、前記凹構造の周囲に断熱構造を有する
ことを特徴とする生化学カートリッジ用温調機構。 - 請求項1に記載の生化学カートリッジ用温調機構において、
前記生化学カートリッジの上面側に断熱構造を有する
ことを特徴とする生化学カートリッジ用温調機構。 - 請求項1に記載の生化学カートリッジ用温調機構において、
前記生化学カートリッジの上面側に加熱装置又は加熱冷却装置を有する
ことを特徴とする生化学カートリッジ用温調機構。 - 請求項1に記載の生化学カートリッジ用温調機構において、
前記ポンプは、前記凹構造内への送液開始後に前記開口から空気を吸引する
ことを特徴とする生化学カートリッジ用温調機構。 - 請求項1に記載の生化学カートリッジ用温調機構において、
前記ポンプは、前記凹構造内への送液開始に先立って前記開口から空気を吸引する
ことを特徴とする生化学カートリッジ用温調機構。 - 請求項1に記載の生化学カートリッジ用温調機構において、
前記ポンプは、前記凹構造内への送液開始と同時に前記開口から空気を吸引する
ことを特徴とする生化学カートリッジ用温調機構。 - 請求項1に記載の生化学カートリッジ用温調機構において、
前記ポンプは、前記凹構造内からの送液時に、前記開口から空気を導入することを特徴とする生化学カートリッジ用温調機構。 - 空気圧により変形可能な弾性体であるメンブレンが表面に貼りつけられた生化学カートリッジの装着時に、前記生化学カートリッジ側に形成された流路の開口端と前記メンブレンを挟んで対向する反応部形成用の凹構造と、
前記凹構造の内周面に設けられる少なくとも1つの空気吸引及び加圧用の開口と、
前記開口に接続された管路と
を有する温調ブロック。 - 空気圧により変形可能な弾性体であるメンブレンが表面に貼りつけられた生化学カートリッジと、
前記生化学カートリッジの装着時に、前記生化学カートリッジ側に形成された流路の開口端と前記メンブレンを挟んで対向する反応部形成用の凹構造と、前記凹構造の内周面に設けられる少なくとも1つの空気吸引用の開口と、前記開口に接続された管路とが形成された温調ブロックと、前記管路を通じて前記凹構造から空気を吸引及び加圧するポンプとを有する生化学カートリッジ用温調機構と、
前記生化学カートリッジから流体を導入し、前記流体に含まれる核酸を分析する核酸分析装置と
を有する生化学処理装置。
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