JP2015040733A - フローセル固定装置及び核酸分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のフローセルを収容可能な小型の核酸分析装置を実現する。【解決手段】核酸分析装置に実装するフローセル固定装置として、基板上に試料を保持するフローセルの温度を調整するホルダユニットと、水平方向に延びる回転軸を中心として縦方向に回転する回転式ドラムであり、その回転面上に前記ホルダユニットの取り付け部を複数有する回転式ドラムと、前記回転式ドラムを回転駆動する回転機構と、前記回転式ドラムの回転に関する情報を検知するセンサとを有するものを提案する。【選択図】図２

Description

本発明は、核酸（例えばＤＮＡ（Deoxyribonucleic acid）、ＲＮＡ(ribonucleic acid)）配列の解析に用いられる核酸分析装置及び当該装置に実装するフローセル固定装置に関する。

近年の核酸分析装置は、基板上に固定された多数のＤＮＡ断片を並列的に検出し、分析スループットの向上を図っている。本明細書では、ＤＮＡ断片を固定する基板を「フローセル」と呼ぶ。核酸分析装置は、装置内の所定位置に取り付けられたフローセルに対して試薬を注入して温度を調整し、更にフローセルに励起光を照射してＤＮＡ断片から放射される蛍光を検出し、検出結果を基にＤＮＡ配列を読み取る。

一般的な核酸分析装置は、フローセルを取り付けるためのホルダ機構、フローセル内の試料と試薬を反応させるための温度調整機構、試薬をフローセルに注入するための送液機構、照射・蛍光検出を行う光学系、フローセルを移動させるステージ機構等から構成される。

現在、核酸分析装置の小型化に対するニーズがある。装置の小型化を図る場合、フローセルの取り付け構造が重要となる。フローセルの取り付け構造の一例が特許文献１に示されている。特許文献１には、複数枚のフローセルを、並列に取り付けられた温度調整可能なヒートプレートに取り付ける構造が示めされている。

特表２０１０―５３９９８７号公報

しかし、特許文献１に記載の技術のように、複数枚のフローセルを並列に配置する方法は、並列配置するフローセルの枚数が増えるほど配列方向へのサイズも大きくなり、核酸分析装置の小型化には不向きである。

また、蛍光検出に必要な励起光は、フローセルに対して常に垂直方向から照射する必要がある。このため、フローセルの取り付け角度が固定化されると、励起光を照射する照射・検出ユニットの配置位置も、おのずとフローセルの直上に限定される。この配置上の制約は、核酸分析装置の小型化を図る上で支障となる。

そこで、本明細書では、フローセルの取り付け角度の自由度が高く、かつ、複数枚のフローセルを省スペースで配置可能なフローセル固定装置を提供する。また、本明細書では、当該フローセル固定装置の実装により小型化された核酸分析装置も提供する。

本明細書は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一形態であるフローセル固定装置は、基板上に試料を保持するフローセルの温度を調整するホルダユニットと、水平方向に延びる回転軸を中心として縦方向に回転する回転式ドラムであり、その回転面上に前記ホルダユニットの取り付け部を複数有する回転式ドラムと、前記回転式ドラムを回転駆動する回転機構と、前記回転式ドラムの回転に関する情報を検知するセンサとを有する。

また、別の一形態であるフローセル固定装置は、基板上に試料を保持するフローセルの温度を調整するホルダユニットと、垂直方向に延びる回転軸を中心として横方向に回転する回転式ドラムであり、その回転面上に前記ホルダユニットの取り付け部を複数有する回転式ドラムと、前記回転式ドラムを回転駆動する回転機構と、前記回転式ドラムの回転に関する情報を検知するセンサとを有する。

本発明によれば、フローセルの取り付け構造の省スペース化を実現でき、核酸分析装置を従来に比して一段と小型化できる。前述した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。

実施例１に係る核酸分析装置の構成例を示す図。 実施例１に係るフローセル固定装置の外観構成例を説明する斜視図。 実施例１に係るフローセル固定装置の分解構成例を説明する斜視図。 実施例２に係るフローセル固定装置の外観構成例を説明する斜視図。 実施例２に係るフローセル固定装置の分解構成例を説明する斜視図。

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。なお、本発明の実施の態様は、後述する実施例に限定されるものではなく、その技術思想の範囲において、種々の変形が可能である。

［実施例１］
（核酸分析装置の全体構成）
図１に、実施例に係る核酸分析装置１の概略構成を示す。核酸分析装置１は、その筐体内に、図１に示す構成要素を内蔵する。なお、核酸分析装置１は、図１に記載の構成要素以外にも構成要素を有している。

フローセル２には、注入口、排出口、反応領域及びそれらを接続する流路が形成されている。フローセル２の構造は様々であるが、少なくとも励起光を照射して蛍光を検出するための領域部分は、励起光や蛍光の波長帯域に対して透明な材質で構成されている。

フローセル２は、温度調整機構付のホルダユニット３（以下「ホルダユニット３」という）の取り付け面に取り外し自在に取り付けられる。例えばフローセル２は、真空チャック方式により、ホルダユニット３の取り付け面に取り付けられる。また例えばフローセル２は、留め具等を用いてホルダユニット３の取り付け面に取り付けることもできる。

ホルダユニット３は、円柱状の回転式ドラム４に取り付けられる。本実施例の場合、ホルダユニット３は、回転式ドラム４に対して着脱自在に取り付けられる。もっとも、ホルダユニット３と回転式ドラム４は一体構造でも良い。本実施例の回転式ドラム４は、水平方向に延びる不図示の回転軸を中心に縦方向に回転駆動される。

回転式ドラム４は、不図示の回転機構により回転駆動される。回転機構は、ベルト、ギヤ、カム等を通じて伝達される回転力により回転式ドラム４を回転駆動する。回転式ドラム４の側面（回転面）には、円周方向に沿って４つのホルダユニット３が９０°間隔で取り付けられている。回転式ドラム４の回転軸は、コ字状（Ｕ形状）のドラムホルダ４Ａに支持されている。

ホルダユニット３は、回転式ドラム４に設けられた取り付け面に対し、例えば真空チャック方式により取り付けられる。また、ホルダユニット３は、留め具等を用いて回転式ドラム４に設けられた取り付け面に取り付けることもできる。ホルダユニット３及び回転式ドラム４の詳細構造については後述する。

ドラムホルダ４Ａは、Ｘ軸方向にスライド移動するステージユニット５Ａに搭載される。ステージユニット５Ａは、Ｙ軸方向にスライド移動するステージユニット５Ｂに搭載される。試薬容器６には、試薬や洗浄水が収容されている。送液ユニット７は、管６Ａを通じて試薬容器６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。本明細書では、送液ユニット７を試薬注入部ともいう。管６Ａは例えば弾力性を有し、ステージユニット５Ａ及び５Ｂの移動に追従できるものとする。切り替えバルブ１０は、管６Ａの中間に位置し、送液ユニット７と試薬容器６とを連結して流路を形成するか、送液ユニット７とフローセル２とを連結して流路を形成するかの切り換えを実行する。

照射・検出ユニット８は、フローセル２に固定された試料に向けて励起光を照射する光源と、励起光の照射を受けた試料が放射する蛍光を検出するセンサを有する。照射・検出ユニット８は、回転式ドラム４の回転面に対して垂直な任意の位置に配置される。フローセル２は回転式ドラム４の回転に伴って移動するため、回転式ドラム４の回転面に対して垂直でありさえすれば、フローセル２に対して励起光を垂直に入射できる。ただし、本実施例では、照射・検出ユニット８は、回転式ドラム４の上方に取り付けている。

廃液容器９は、フローセル２からの廃液を収容する容器である。フローセル２の廃液は、ホルダユニット３の流路、回転式ドラム４内の流路、管６Ａを順番に通じて廃液容器９に廃棄される。この他、核酸分析装置１の筐体内には、分析部１１と表示部１２が配置される。分析部１１は、照射・検出ユニット８により検出された蛍光を分析し、試料に含まれるＤＮＡの塩基配列を検出する。表示部１２は、分析部１１の分析結果を表示する。

なお、本実施例における分析部１１は、分析工程の進捗に応じ、回転式ドラム４の動作、ステージユニット５Ａ及び５Ｂの動作、送液ユニット７の動作、照射・検出ユニット８の動作、切り替えバルブ１０の動作、表示部１２の動作を制御する。すなわち、分析部１１は制御部として機能する。

（観察動作）
続いて、核酸分析装置１で実行される動作の概要を説明する。まず、前処理装置において、直径１マイクロメートル程度のＤＮＡ断片が多数固定されたフローセル２をホルダユニット３に取り付ける。ここでは、回転式ドラム４にフローセル２を１枚だけ取り付けるものとする。また、フローセル２は、回転式ドラム４と共に回転移動するホルダユニット３のうち、最高点（照射・検出ユニット８との対向位置）に位置するホルダユニット３に取り付けられる。

次に、切り替えバルブ１０は、回転式ドラム４側に接続される管６Ａのバルブを閉じる一方、試料容器６側に接続される管６Ａのバルブを開く。これにより、送液ユニット７と試薬容器６の間に流路が形成される。この後、送液ユニット７は、管６Ａを通じ、試薬容器６から試薬を吸引する。本実施例の場合、管６Ａは、回転式ドラム４の回転軸の内側を通ってドラム内の流路と連結される。

試薬の吸引が終了すると、切り替えバルブ１０は、試料容器６側に接続される管６Ａのバルブを閉じる一方、回転式ドラム４側に接続される管６Ａのバルブを開く。これにより、送液ユニット７と回転式ドラム４の間に流路が形成される。この後、送液ユニット７は、管６Ａを通じ、試薬を回転式ドラム４に注入する。

回転式ドラム４に注入された試薬は、回転式ドラム４の内部流路、ホルダユニット３の内部流路を経てフローセル２に注入される。例えば回転式ドラム４の内部に不図示のバルブ（分析部１１により開閉制御される）を設け、特定のフローセル２に対してのみ試薬を注入する。

試薬の注入後、ホルダユニット３による温度調整により、フローセル２の反応領域ではＤＮＡ断片と試薬との反応が起きる。反応したＤＮＡ断片を観察するため、ステージユニット５Ａ及び５ＢがＸＹ平面内でスライド移動する。フローセル２が観察位置に位置決めされると、照射・検出ユニット８は、励起光を反応領域に照射する。また、照射・検出ユニット８は、反応領域内に存在する複数のＤＮＡ断片から放射される蛍光を受光部で検出する。

１つの観察領域について蛍光の検出が終了すると、ステージユニット５Ａ及び５Ｂがドラムホルダ４Ａを水平面内で微小に動かし、フローセル２の次の観察領域を照射・検出ユニット８の直下に位置決めする。この後、前述と同様の手法により、観察領域への励起光の照射と蛍光の検出とが実行される。この観察動作は、複数回繰り返し実行される。全ての観察領域について観察が終了すると、送液ユニット７は、試薬容器６に収容されている洗浄水を吸引し、その後、フローセル２へ注入する。洗浄水の注入により、フローセル２内の流路が洗浄される。この後、別の試薬をフローセル２に注入し、前述の観察の後、さらに洗浄する一連の動作を複数回繰り返す。当該観察動作の実行後、分析部１１は、ＤＮＡ断片のＤＮＡ配列を読み取る。

なお、フローセル２が回転式ドラム４に複数枚取り付けられている場合、１枚のフローセル２に対する観察が終了すると、回転式ドラム４を回転軸の周りに回転し、別のフローセル２を照射・検出ユニット８の直下に移動し、その観察位置についての観察を開始する。以後、別のフローセル２について、同様の観察動作が実行される。

（フローセル固定装置の構成）
図２及び図３を用い、核酸分析装置１に実装されるフローセル固定装置２０の構成例を説明する。因みに、図２はフローセル固定装置２０の外観構成を示し、図３はフローセル固定装置２０の分解構成を示す。

フローセル固定装置２０は、フローセル２、ホルダユニット３、回転式ドラム４、ドラムホルダ４Ａ、不図示の回転機構で構成される。本実施例におけるホルダユニット３は、縦方向に回転する回転式ドラム４に対し、最大４つ設置することができる。このため、円柱状の回転式ドラム４の側面（回転面）には、凹形状の収容部４Ｂが４つ形成されている。本実施例の場合、収容部４Ｂは断面矩形である。４つの収容部４Ｂは、円周方向に９０°間隔で配置される。

本実施例の場合、収容部４Ｂは、円柱状の回転式ドラム４の１端面から他端面まで達している。なお、収容部４Ｂの深さ（内側面の高さ）は、フローセル２をホルダユニット３に取り付けた状態で、回転式ドラム４の回転に支障が生じないように形成されている。すなわち、収容部４Ｂは、フローセル２及びホルダユニット３の全体を収容可能に形成されている。

本実施例のように、複数枚のフローセル２を回転面上に取り付けることにより、同じ枚数のフローセル２を並列方向に取り付ける場合に比して水平方向に必要となる寸法を大幅に削減することができる。また、本実施例の場合、フローセル２は、回転駆動される回転ドラム４の回転面に取り付けられるため、フローセル２の設置角度が広くなる。結果的に、照射・検出ユニット８を回転面に対向する任意の位置に配置することができる。このことは、核酸分析装置１の筐体内における照射・検出ユニット８の配置位置の自由度を高められることを意味する。結果的に、核酸分析装置１の内容積を従来装置に比して一段と小型化することができる。

ホルダユニット３は、温度調整が可能なヒートプレート２１、ヒートプレート２１の温度を調整するペルチェ素子（不図示）、放熱用のヒートシンク２２、ホルダベース２３で構成される。本実施例の場合、ヒートプレート２１及びホルダベース２３（必要に応じてヒートシンク２２にも）には内部を貫通する流路が形成されており、当該流路を通じ、フローセル２に対する溶液の流入及び排出が行われる。

ここで、ヒートプレート２１の表面に露出する開口２４は、フローセル２の注入口と排出口と対向する位置に配置される。同様に、ホルダベース２３の底面に露出する開口２４は、回転式ドラム４の収容部４Ｂの底面に露出する開口２４と対向する位置に配置される。なお、フローセル２とヒートプレート２１の取り付け面及びホルダベース２３と回転式ドラム４の取り付け面との間には液漏れを防止する機構又は仕組みを採用する。例えば開口２４の周囲をシーリングリング（例えばゴム）で囲う構造、又は、真空チャックによりフローセル２とヒートプレート２１の取り付け面とを密着させる仕組みを採用する。

フローセル２やホルダベース２３の取り付けに真空チャック方式を採用する場合には、回転式ドラム４の内部に排気用の通路を形成し、回転式ドラム４の回転軸の内部に形成された通路を通じて真空ポンプに接続できるようにする。ドラムホルダ４Ａには、回転式ドラム４の回転方向、回転位置、回転速度を検知するセンサ２５を配置する。センサ２５で検知された情報は、分析部１１に与えられる。

（実施例１による効果）
本実施例で説明したように、回転式ドラム４の回転面上に複数枚のフローセル２を取り付け可能としたフローセル固定装置２０を用いることにより、複数のフローセルの取り付けに必要なスペースを従来に比して大幅に削減することができる。

また、フローセル２の設置角度が広がるため（360°に広がるため）、照射・検出ユニット８を回転式ドラム４の回転面と対向する任意の位置に配置することが可能となる。その結果、核酸分析装置１の内容積を従来装置に比して一段と小型化することができる。

［実施例２］
（核酸分析装置の全体構成）
核酸分析装置１を構成する構成要素は、基本的に、実施例１と同じである。ただし、本実施例の場合には、実施例１とは異なり、垂直方向に延びる回転軸を中心に横方向に回転する回転式ドラム４を有するフローセル固定装置３０を実装する。なお、本実施例の観察動作は、実施例１と同じである。

（フローセル固定装置の構成）
図４及び図５を用い、核酸分析装置１に実装されるフローセル固定装置３０の構成例を説明する。因みに、図４はフローセル固定装置３０の外観構成を示し、図５はフローセル固定装置３０の分解構成を示す。

フローセル固定装置３０は、フローセル２、ホルダユニット３、回転式ドラム４、ドラムホルダ４Ａ、不図示の回転機構で構成される。ただし、前述の通り、本実施例における回転式ドラム４は、垂直方向に延びる回転軸を中心に横方向に回転駆動される。

（実施例２による効果）
本実施例の場合も、複数枚のフローセル２を回転面上に取り付けることができるため、同じ枚数のフローセル２を並列方向に取り付ける場合に比して水平方向に必要となる寸法を大幅に削減することができる。

また、フローセル２は、回転駆動される回転ドラム４の回転面に取り付けられるため、フローセル２の配置角度が広くなる。結果的に、照射・検出ユニット８を回転面に対向する任意の位置に配置することができる。その結果、核酸分析装置１の筐体内における照射・検出ユニット８の配置位置の自由度が高くなり、核酸分析装置１の内容積を従来装置に比して一段と小型化することができる。

［他の実施例］
本発明は、上述した実施例の構成に限定されるものでなく、様々な変形例を含んでいる。例えば収容部４Ｂは、２つでも、３つでも、５つ以上でも良い。また例えば、核酸分析装置１は、前述のフローセル固定装置２０又は３０を複数実装しても良い。なお、上述した実施例は、本発明を分かりやすく説明するために、一部の実施例について詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備える必要は無い。また、ある実施例の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成に他の構成を追加し、又は、各実施例の一部構成を他の構成で置換し、又は各実施例の一部構成を削除することも可能である。

１…核酸分析装置
２…フローセル
３…温度調整機構付きホルダユニット
４…回転式ドラム
４Ａ…ドラムホルダ
４Ｂ…収容部
５Ａ、５Ｂ…ステージユニット
６…試薬容器
６Ａ…管
７…送液ユニット
８…照射・検出ユニット
９…廃液容器
１０…切り替えバルブ
１１…分析部（制御部）
１２…表示部
２０…フローセル固定装置
２１…ヒートプレート
２２…ヒートシンク
２３…ホルダベース
２４…開口
２５…センサ
３０…フローセル固定装置

Claims (14)

1. 基板上に試料を保持するフローセルの温度を調整するホルダユニットと、
   水平方向に延びる回転軸を中心として縦方向に回転する回転式ドラムであり、その回転面上に前記ホルダユニットの取付部を複数有する回転式ドラムと、
   前記回転式ドラムを回転駆動する回転機構と、
   前記回転式ドラムの回転に関する情報を検知するセンサと
   を有するフローセル固定装置。
2. 請求項１に記載のフローセル固定装置において、
   前記取付部は、前記ホルダユニットを収容する凹形状の収容部である
   ことを特徴とするフローセル固定装置。
3. 請求項２に記載のフローセル固定装置において、
   前記収容部の内側表面には、前記ホルダユニット側の流路に連結される回転式ドラム側流路の開口を有する
   ことを特徴とするフローセル固定装置。
4. 基板上に試料を保持するフローセルの温度を調整するホルダユニットと、
   垂直方向に延びる回転軸を中心として横方向に回転する回転式ドラムであり、その回転面上に前記ホルダユニットの取付部を複数有する回転式ドラムと、
   前記回転式ドラムを回転駆動する回転機構と、
   前記回転式ドラムの回転に関する情報を検知するセンサと
   を有するフローセル固定装置。
5. 請求項４に記載のフローセル固定装置において、
   前記取付部は、前記ホルダユニットを収容する凹形状の収容部である
   ことを特徴とするフローセル固定装置。
6. 請求項５に記載のフローセル固定装置において、
   前記収容部の内側表面には、前記ホルダユニット側の流路に連結される回転式ドラム側流路の開口を有する
   ことを特徴とするフローセル固定装置。
7. 流路が形成された基板上に試料を保持するフローセルと、
   支持面に装着された前記フローセルの温度を調整するホルダユニットと、水平方向に延びる回転軸を中心として縦方向に回転する回転式ドラムであり、その回転面上に前記ホルダユニットの取付部を複数有する回転式ドラムと、前記回転式ドラムを回転駆動する回転機構と、前記回転式ドラムの回転に関する情報を検知するセンサとを有するフローセル固定装置と、
   前記フローセルの流路に試薬を注入する試薬注入部と、
   前記フローセルに励起光を照射する照射部と、
   前記フローセル内の試料から蛍光を検出する検出部と、
   前記検出部により検出された蛍光を分析する分析部と、
   前記分析部による分析結果を表示する表示部と、
   を有する核酸分析装置。
8. 請求項７に記載の核酸分析装置において、
   前記取付部は、前記ホルダユニットを収容する凹形状の収容部である
   ことを特徴とする核酸分析装置。
9. 請求項８に記載の核酸分析装置において、
   前記収容部の内側表面には、前記ホルダユニット側の流路に連結される回転式ドラム側流路の開口を有する
   ことを特徴とする核酸分析装置。
10. 請求項７に記載の核酸分析装置において、
    前記照射部及び前記検出部は、前記回転式ドラムの回転面と対向する位置に配置される
    ことを特徴とする核酸分析装置。
11. 試料の流路が形成された基板上に試料を保持するフローセルと、
    支持面に装着された前記フローセルの温度を調整するホルダユニットと、垂直方向に延びる回転軸を中心として横方向に回転する回転式ドラムであり、その回転面上に前記ホルダユニットの取付部を複数有する回転式ドラムと、前記回転式ドラムを回転駆動する回転機構と、前記回転式ドラムの回転に関する情報を検知するセンサとを有するフローセル固定装置と、
    前記フローセルの流路に試薬を注入する試薬注入部と、
    前記フローセルに励起光を照射する照射部と、
    前記フローセル内の試料から蛍光を検出する検出部と、
    前記検出部により検出された蛍光を分析する分析部と、
    前記分析部による分析結果を表示する表示部と、
    を有する核酸分析装置。
12. 請求項１１に記載の核酸分析装置において、
    前記取付部は、前記ホルダユニットを収容する凹形状の収容部である
    ことを特徴とする核酸分析装置。
13. 請求項１２に記載の核酸分析装置において、
    前記収容部の内側表面には、前記ホルダユニット側の流路に連結される回転式ドラム側流路の開口を有する
    ことを特徴とする核酸分析装置。
14. 請求項１１に記載の核酸分析装置において、
    前記照射部及び前記検出部は、前記回転式ドラムの回転面と対向する位置に配置される
    ことを特徴とする核酸分析装置。

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