JP2019208395A - cartridge - Google Patents

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Yuji Maehara
裕司 前原
南 昌人
Masato Minami
昌人 南
淳 ▲高▼橋
淳 ▲高▼橋
Atsushi Takahashi
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Abstract

To generate multiple reaction fields in a short time.SOLUTION: This invention relates to a cartridge, wherein, a three-dimensional space is formed by a first axis and a second axis, and a third axis perpendicular to a bottom defined by the two axes, and the cartridge is installed on the bottom; and the cartridge is used to analyze an object contained in droplets. The cartridge has: a porous film that produces the plurality of droplets; and a holding part that holds the droplets.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本明細書の開示は、カートリッジに関する。   The disclosure herein relates to cartridges.

従来、サンプル中に含まれる化合物や粒子といった分析対象物を分析する方法として、油中水型エマルジョンを反応場として核酸試料デジタルPCR(dPCR:digital polymerase chain reaction)法が提案されている。デジタルPCRにおいてサンプルを含む反応液を物理的に独立した多数の反応場に分割する方法として、反応液の液滴をオイル中に形成する方法、すなわち、油中水型エマルジョン(W/Oエマルジョン)を形成する方法がある。この方法では、油中水型エマルジョン中の1つ1つの液滴を反応場として用いる(特許文献1)。   Conventionally, a nucleic acid sample digital PCR (dPCR) method using a water-in-oil emulsion as a reaction field has been proposed as a method for analyzing an analyte such as a compound or particles contained in a sample. As a method of dividing a reaction solution containing a sample into a number of physically independent reaction fields in digital PCR, a method of forming reaction solution droplets in oil, that is, a water-in-oil emulsion (W / O emulsion) There is a method of forming. In this method, each droplet in a water-in-oil emulsion is used as a reaction field (Patent Document 1).

特表2012−503773号公報Special table 2012-503773 gazette

デジタルPCR法において、多量の反応場を生成することは分析結果の信頼度向上の観点から有効である。   In the digital PCR method, generating a large amount of reaction field is effective from the viewpoint of improving the reliability of analysis results.

しかしながら、多量の反応場を生成するためには時間がかかるという課題があった。   However, there is a problem that it takes time to generate a large amount of reaction field.

そこで本発明では、上述の課題に鑑み、多量の反応場を短時間で生成することを目的の一つとする。   In view of the above problems, an object of the present invention is to generate a large amount of reaction field in a short time.

なお、前記目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本明細書の開示の他の目的の一つとして位置付けることができる。   It is to be noted that the present invention is not limited to the above-described object, and is an operational effect derived from each configuration shown in an embodiment for carrying out the invention described later, and also has an operational effect that cannot be obtained by conventional techniques. It can be positioned as one of other purposes.

本明細書の開示に係るカートリッジは、第1の軸と第2の軸と、前記2つの軸で規定される底面に垂直な第3の軸とで形成される3次元空間上の前記底面に設置された、液滴に含まれる対象物の分析に用いるカートリッジであって、複数の前記液滴を生成する多孔質の膜と、前記液滴を保持する保持部と、を有することを特徴とする。   The cartridge according to the disclosure of the present specification is provided on the bottom surface in a three-dimensional space formed by a first axis, a second axis, and a third axis perpendicular to the bottom surface defined by the two axes. A cartridge that is installed and used for analyzing an object contained in a droplet, and has a porous film that generates a plurality of the droplets, and a holding unit that holds the droplets. To do.

本明細書の開示によれば、多量の反応場を短時間で生成することが可能となる。   According to the disclosure of the present specification, a large amount of reaction field can be generated in a short time.

第1の実施形態に係るカートリッジの外観を示す図。FIG. 3 is a diagram illustrating an appearance of a cartridge according to the first embodiment. 第1の実施形態における全体の処理手順の一例を示すフロー図。The flowchart which shows an example of the whole process sequence in 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る一連の分析システムを示す図。The figure which shows a series of analysis systems which concern on 1st Embodiment. 第2の実施形態に係るカートリッジの外観を示す図。FIG. 10 is a diagram illustrating an appearance of a cartridge according to a second embodiment.

以下に、本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。ただし、発明の範囲は図示例に限定されるものではない。また、本明細書においては、カートリッジの底面をX軸とY軸で示し、Z軸はカートリッジの高さ方向を示すものとする。すなわち、カートリッジは、第1の軸と第2の軸と、前記2つの軸で規定される底面に垂直な第3の軸とで形成される3次元空間上の前記底面に設置されたカートリッジである。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the scope of the invention is not limited to the illustrated examples. Further, in this specification, the bottom surface of the cartridge is indicated by the X axis and the Y axis, and the Z axis indicates the height direction of the cartridge. That is, the cartridge is a cartridge installed on the bottom surface in a three-dimensional space formed by a first axis, a second axis, and a third axis perpendicular to the bottom surface defined by the two axes. is there.

<実施形態1>
本実施形態に係るカートリッジは、試料の分析に用いることができるカートリッジである。ここでいう試料とは、検体そのものであってもよいし、検体に対して精製や濃縮、分析対象物の化学修飾や断片化など、分析のための前処理や調整を施したものであってもよい。分析対象物は、例えば、核酸、ペプチド、タンパク質、酵素などが挙げられ、これらが共存していてもよい。分析対象物は、核酸、ペプチド、タンパク質、酵素の少なくともいずれかが共有結合等で結合または付着した分子、マイクロ粒子、ナノ粒子、さらにはウイルス、細菌、細胞などであってもよい。分析方法の一例としては、デジタルPCR法が知られている。デジタルPCR法では、分析の対象とする核酸を含む試料を、核酸を増幅するための増幅試薬、核酸を検出するための蛍光試薬などと混合して希釈し、物理的に独立した多数の反応場に分割する。エマルジョンに含まれるそれぞれの液滴はデジタルPCR法において反応場として用いられることがある。そして、多数の反応場(液滴)のそれぞれにおいて独立にPCRが行われ、核酸が増幅される。増幅後に蛍光試薬により核酸を検出し、当該蛍光試薬のシグナルが検出された反応場の数(陽性反応場数)と、増幅後にシグナルが検出されなかった反応場の数(陰性反応場数)とに基づいて、試料中の核酸の濃度を推定することができる。
<Embodiment 1>
The cartridge according to this embodiment is a cartridge that can be used for analysis of a sample. The sample here may be the specimen itself, or the specimen that has been subjected to pretreatment and adjustment for analysis, such as purification and concentration, chemical modification and fragmentation of the analyte. Also good. Examples of the analysis object include nucleic acids, peptides, proteins, enzymes, and the like, and these may coexist. The analysis target may be a molecule, a microparticle, a nanoparticle, or a virus, a bacterium, a cell, or the like to which at least one of a nucleic acid, a peptide, a protein, and an enzyme is bound or attached by a covalent bond. As an example of an analysis method, a digital PCR method is known. In the digital PCR method, a sample containing a nucleic acid to be analyzed is mixed with an amplification reagent for amplifying the nucleic acid, a fluorescent reagent for detecting the nucleic acid, etc., and diluted to obtain a number of physically independent reaction fields. Divide into Each droplet contained in the emulsion may be used as a reaction field in the digital PCR method. Then, PCR is performed independently in each of a large number of reaction fields (droplets) to amplify the nucleic acid. Based on the number of reaction fields in which nucleic acid was detected after amplification and the signal of the fluorescence reagent was detected (number of positive reaction fields) and the number of reaction fields in which no signal was detected after amplification (number of negative reaction fields) Thus, the concentration of the nucleic acid in the sample can be estimated.

本実施形態に係るカートリッジは、ポリカーボネート等の透明性を有する樹脂あるいは、ガラスにより形成される。具体的には、予め定められた厚みの複数の樹脂フィルムもしくはガラスを積層することによりカートリッジを形成する。   The cartridge according to this embodiment is formed of a transparent resin such as polycarbonate or glass. Specifically, the cartridge is formed by laminating a plurality of resin films or glasses having a predetermined thickness.

例えば、それぞれ所定の厚みを有する、流路形状が打ち抜かれた複数の樹脂フィルムを積層することによりカートリッジを形成する。積層するための各フィルムの接合方法には、樹脂のガラス転移点未満の低い処理温度で接合が可能な表面活性化接合や分子接着を用いることができる。   For example, a cartridge is formed by laminating a plurality of resin films each having a predetermined thickness and having a punched channel shape. As a method for bonding the films to be laminated, surface activated bonding or molecular adhesion capable of bonding at a low processing temperature lower than the glass transition point of the resin can be used.

なお、カートリッジにはPCR処理の工程で100℃程度の温度が加わるため、これらの材質のガラス転移点は100℃より高いことが望ましい。   In addition, since a temperature of about 100 ° C. is applied to the cartridge in the PCR processing step, the glass transition point of these materials is preferably higher than 100 ° C.

なお、上記に示すカートリッジの材質、流路形状および形成方法などは一例であり、これに限定されるものではない。   The above-described cartridge material, flow path shape, formation method, and the like are merely examples, and are not limited thereto.

以下、図1から図3を用いて本実施形態に係るカートリッジの構成、及び濃度分析システムを用いたデジタルPCRの一連の処理を説明する。   Hereinafter, the configuration of the cartridge according to the present embodiment and a series of processes of digital PCR using the concentration analysis system will be described with reference to FIGS. 1 to 3.

図1は本実施形態に係るカートリッジ100の外観を示す図である。   FIG. 1 is a view showing an appearance of a cartridge 100 according to the present embodiment.

図1(a)はカートリッジ100の平面図である。図1(b)はカートリッジ100のA−A断面を示す断面図である。図1(c)はカートリッジ100のB−B断面を示す断面図である。なお、図1において、カートリッジ100の黒い部分は樹脂等で形成される部分を示しているが、図1(a)においては内部の構造を示すために上面の(図1(b)の保持部103上面の黒い部分)を便宜的に除いて示している。   FIG. 1A is a plan view of the cartridge 100. FIG. 1B is a cross-sectional view showing the AA cross section of the cartridge 100. FIG. 1C is a cross-sectional view showing a BB cross section of the cartridge 100. In FIG. 1, the black portion of the cartridge 100 indicates a portion formed of resin or the like. In FIG. 1A, the upper portion (the holding portion in FIG. 1B) is shown to show the internal structure. The black portion of the upper surface 103 is shown for convenience.

以下、図1(a),(b)を用いてカートリッジ100の構成を説明する。   Hereinafter, the configuration of the cartridge 100 will be described with reference to FIGS.

第1の部材101は、液滴を生成するための第1の液体(水相)が注入される開口部を有する部材である。第1の部材101の寸法は、Z軸方向の高さは12[mm]程度、外径は8[mm]程度、内径は2[mm]程度であることが望ましい。第1の部材101に注入された第1の液体は、生成部102へと送液される。生成部102は、複数の孔を有しており、注入された第1の液体が複数の孔を透過することで互いに物理的に独立した複数の反応場、すなわち液滴が生成される。生成部102は例えば、膜状の部材に孔が複数2次元的に配置された部材であり、連続気泡の多孔質体や、繊維を縦横に配置したメッシュ、単一部材に貫通孔を配置したマイクロチャンネルや乳化膜が使用される。生成部102として使用される物質の孔の孔径は、およそ10〜30[μm]であると望ましい。また、生成部102から生成される液滴は液滴径が30〜95[μm]であることが好ましい。また、生成される液滴のCV(Coefficient of Variation)値は±5〜20%であることが好ましく、±8〜18%であるとさらに好ましい。また、生成部102は、第1の部材101の端部に備えられていることが望ましい。さらには、第1の部材101の開口部の開口方向に略平行に備えられていることが望ましい。なお、液滴生成が可能な位置であれば生成部102が備えられる位置は上記に限定されず、例えば保持部103に設けられていてもよい。生成部102は、例えば接着剤などで、第1の部材と接合される。なお、接合方法も上記に限定されない。保持部103は、生成部102を透過することにより生成された液滴を保持する。保持部103のZ軸方向の高さは20〜100[μm]程度であることが望ましい。第2の部材104は第2の液体(油相)が注入および排出される部材である。第2の部材104も第1の部材101と同程度の寸法であることが望ましい。本実施例に係るカートリッジ100において、第1の部材101と第2の部材104はそれぞれZ軸方向に開口を有するように備えられているが、側面や下面に備えられていてもよい。なお、上記の各部の寸法は一例であり、これに限定されるものではない。   The first member 101 is a member having an opening into which a first liquid (water phase) for generating droplets is injected. As for the dimensions of the first member 101, it is desirable that the height in the Z-axis direction is about 12 [mm], the outer diameter is about 8 [mm], and the inner diameter is about 2 [mm]. The first liquid injected into the first member 101 is sent to the generation unit 102. The generation unit 102 has a plurality of holes, and a plurality of reaction fields that are physically independent from each other, that is, droplets, are generated when the injected first liquid passes through the plurality of holes. For example, the generation unit 102 is a member in which a plurality of holes are two-dimensionally arranged in a film-like member, and an open-cell porous body, a mesh in which fibers are arranged vertically and horizontally, and a through-hole in a single member Microchannels and emulsified membranes are used. The pore diameter of the substance used as the generation unit 102 is preferably about 10 to 30 [μm]. Moreover, it is preferable that the droplet diameter produced | generated from the production | generation part 102 is 30-95 [micrometer] in droplet diameter. Further, the CV (Coefficient of Variation) value of the generated droplets is preferably ± 5 to 20%, and more preferably ± 8 to 18%. In addition, it is desirable that the generation unit 102 is provided at the end of the first member 101. Furthermore, it is desirable that the first member 101 is provided substantially parallel to the opening direction of the opening of the first member 101. Note that the position where the generation unit 102 is provided is not limited to the above as long as it is a position where droplets can be generated. For example, the generation unit 102 may be provided in the holding unit 103. The generation unit 102 is bonded to the first member with, for example, an adhesive. Note that the bonding method is not limited to the above. The holding unit 103 holds a droplet generated by passing through the generation unit 102. The height of the holding portion 103 in the Z-axis direction is preferably about 20 to 100 [μm]. The second member 104 is a member into which the second liquid (oil phase) is injected and discharged. It is desirable that the second member 104 has the same size as the first member 101. In the cartridge 100 according to the present embodiment, the first member 101 and the second member 104 are each provided with an opening in the Z-axis direction, but may be provided on a side surface or a lower surface. In addition, the dimension of each said part is an example, and is not limited to this.

次に図2のフローチャートを用いて本実施形態における全体の処理を説明する。   Next, the overall processing in this embodiment will be described using the flowchart of FIG.

(S2000)(第2の液体(油相)注入する)
ステップS2000において、図3に示す油相注入手段306によって第2の部材104から第2の液体(油相)が注入されカートリッジに充填される。第2の液体(油相)は、油と界面活性剤とを含む。油相は水相と相溶せず分離する溶剤から成り、典型的には脂肪族炭化水素やシリコーンオイル等のオイルから成る。
(S2000) (injecting the second liquid (oil phase))
In step S2000, the second liquid (oil phase) is injected from the second member 104 by the oil phase injection means 306 shown in FIG. The second liquid (oil phase) contains oil and a surfactant. The oil phase consists of a solvent that is incompatible with the aqueous phase and separates, and typically consists of oils such as aliphatic hydrocarbons and silicone oils.

また、油相注入手段306には、シリンジ等の所定の容量の液体を吐出する手段や、流路内の空気を加圧または減圧するポンプやポンプとバルブの組み合わせなどを用いることができる。なお、油相注入手段306に用いられるものは上記に限定されない。   The oil phase injection unit 306 may be a unit that discharges a predetermined volume of liquid such as a syringe, a pump that pressurizes or depressurizes air in the flow path, and a combination of a pump and a valve. In addition, what is used for the oil phase injection | pouring means 306 is not limited above.

本ステップにおいて、第2の液体は第2の部材104の開口部から注入することにより、生成部102を透過せずにカートリッジ100に充填することができるため充填時間は短くなる。なお、第2の液体は、第1の部材101の開口部から注入されてもよい。また、油相注入手段306によって注入される第2の液体は、カートリッジ100全体を満たすように注入し、少なくとも生成部102が第2の液体に浸かる程度の量が注入されることが望ましい。   In this step, the second liquid is injected from the opening of the second member 104, so that the cartridge 100 can be filled without passing through the generation unit 102, so that the filling time is shortened. Note that the second liquid may be injected from the opening of the first member 101. In addition, it is desirable that the second liquid injected by the oil phase injection unit 306 is injected so as to fill the entire cartridge 100, and at least an amount that allows the generation unit 102 to be immersed in the second liquid is injected.

(S2010)(第1の液体(水相)を注入する)
ステップS2010において、第1の液体(水相)は水相注入手段305により注入され、第1の部材101に充填される。第1の液体は反応液で構成され、反応液は水と試料と増幅試薬と蛍光試薬とを含有する。なお、反応液の構成はこれに限定されない。また、水相注入手段305には、シリンジ等の所定の容量の液体を吐出する手段や、流路内の空気を加圧または減圧するポンプやポンプとバルブの組み合わせなどを用いることができる。なお、水相注入手段305に用いられるものは上記に限定されない。
(S2010) (Injecting the first liquid (aqueous phase))
In step S2010, the first liquid (aqueous phase) is injected by the aqueous phase injection means 305 and filled in the first member 101. The first liquid is composed of a reaction liquid, and the reaction liquid contains water, a sample, an amplification reagent, and a fluorescent reagent. The configuration of the reaction solution is not limited to this. The water phase injection unit 305 may be a unit that discharges a predetermined volume of liquid such as a syringe, a pump that pressurizes or depressurizes air in the flow path, and a combination of a pump and a valve. In addition, what is used for the water phase injection | pouring means 305 is not limited above.

(S2020)(第1の液体(水相)から液滴を生成する)
ステップS2020において、駆動手段が第1の部材101からカートリッジ100内を加圧する、もしくは第2の部材104からカートリッジ100内を減圧することにより、カートリッジ100内に充填された第2の液体(油相)を駆動させる。または、両方から圧力を加えることによりカートリッジ100内に充填された第2の液体(油相)を駆動させる。
(S2020) (Droplets are generated from the first liquid (aqueous phase))
In step S2020, the driving means pressurizes the inside of the cartridge 100 from the first member 101 or depressurizes the inside of the cartridge 100 from the second member 104, whereby the second liquid (oil phase) filled in the cartridge 100 is filled. ). Alternatively, the second liquid (oil phase) filled in the cartridge 100 is driven by applying pressure from both.

また、第1の部材101と第2の部材104のうち駆動手段を用いる方の部材には耐圧栓をつけることで圧力の抜け漏れを防ぐことができる。なお、耐圧栓は必ずしも必要ではない。また、駆動手段は水相注入手段305および油相注入手段306を用いてもよいし、これらとは異なる手段を新たに用いてもよい。すなわち、駆動手段は圧力を加えることで液体の駆動が可能な手段であれば種々の手段を用いることができる。そして、第2の液体(油相)の駆動に伴い、第1の部材101に充填された第1の液体(水相)が生成部102を透過し複数の液滴が同時に生成される。すなわち、第2の液体(油相)を連続相、第2の液体を含む液滴を分散相とするエマルジョンが形成される。   In addition, pressure leakage can be prevented by attaching a pressure stopper to the member using the driving means of the first member 101 and the second member 104. Note that a pressure stopper is not always necessary. Further, the driving means may use the water phase injection means 305 and the oil phase injection means 306, or may newly use a different means. That is, various means can be used as the driving means as long as the liquid can be driven by applying pressure. As the second liquid (oil phase) is driven, the first liquid (water phase) filled in the first member 101 passes through the generation unit 102 and a plurality of droplets are generated simultaneously. That is, an emulsion is formed in which the second liquid (oil phase) is a continuous phase and the droplets containing the second liquid are dispersed phases.

なお、エマルジョンの形成方法は上記に限定されない。   The method for forming the emulsion is not limited to the above.

例えば、膜乳化法を用いることができる。膜乳化法とは、乳化膜を介して分散相を一定圧力で押し出すことにより、押し出される側をゆっくり流れている連続相中に、エマルジョンを形成する方法である。ポンピング乳化法とは、連続相を採取したシリンジと分散相を採取したシリンジとで乳化膜を挟み、2つのシリンジから液体を交互に押し出して乳化膜を通過させることによって、エマルジョンを調製する方法である。   For example, a membrane emulsification method can be used. The membrane emulsification method is a method in which an emulsion is formed in a continuous phase slowly flowing on the side to be extruded by extruding a dispersed phase at a constant pressure through the emulsion membrane. The pumping emulsification method is a method of preparing an emulsion by sandwiching an emulsion film between a syringe that has collected a continuous phase and a syringe that has collected a dispersed phase, and by alternately extruding liquid from the two syringes and passing through the emulsion film. is there.

なおポンピング乳化法においては、2つのシリンジの一方に連続相と分散相の混合物を採取しておき、もう一方のシリンジは空にしておいてもよい。ポンピング乳化法においては、それぞれシリンジと接続可能な一対のコネクターの間に乳化膜を挟み込んだポンピング式の乳化デバイスを用いることができる。   In the pumping emulsification method, a mixture of a continuous phase and a dispersed phase may be collected in one of two syringes, and the other syringe may be empty. In the pumping emulsification method, a pumping type emulsification device in which an emulsification film is sandwiched between a pair of connectors each connectable to a syringe can be used.

膜乳化法はエマルジョンを形成する装置の装置構成を単純にできること、液滴のサイズのばらつきが比較的低いエマルジョンを形成できるため好ましい。   The membrane emulsification method is preferable because it can simplify the apparatus configuration of an apparatus for forming an emulsion and can form an emulsion with relatively small variation in droplet size.

従来公知の乳化方法である撹拌装置や超音波破砕装置などにより機械的エネルギーを付与することでエマルジョンを形成する機械乳化法を用いてもよい。   You may use the mechanical emulsification method which forms an emulsion by providing mechanical energy with the stirring apparatus and ultrasonic crushing apparatus etc. which are conventionally well-known emulsification methods.

なお、カートリッジ100が樹脂の薄い層などの機械強度の低い素材で形成されている場合は、破壊や剥離が生じないように第2の部材104から油相注入手段306により減圧することで連続相を駆動させることが望ましい。カートリッジ100が機械強度の高い素材であれば第1の部材101から水相注入手段305により加圧して連続相を駆動させてもよい。   In the case where the cartridge 100 is formed of a material having low mechanical strength such as a thin layer of resin, the continuous phase is reduced by reducing the pressure from the second member 104 by the oil phase injection means 306 so that the cartridge 100 is not broken or peeled off. It is desirable to drive. If the cartridge 100 is a material having high mechanical strength, the continuous phase may be driven by applying pressure from the first member 101 by the water phase injection means 305.

(S2030)(カートリッジに熱サイクルを付加する)
ステップS2030において、図3に示す温度調整手段301によりステップS2020で生成された液滴に含まれる核酸試料に対するPCR処理が行われる。具体的には、温度調整手段301は、ペルチェ素子とコントローラを含み、カートリッジ100の保持部103に保持された液滴内で核酸増幅反応を発生させている。温度調整手段301には、例えばサーマルサイクラーを用いることができる。核酸の増幅反応としては、液滴(反応場)をサーマルサイクルに供することで反応を進行させるPCR法やLCR(Ligase Chain Reaction)法を用いることができる。また、液滴(反応場)をサーマルサイクルに供さずに温度調整することで反応を進行させるSDA(Strand Displacement Amplification)法、ICAN(Isothermal andChimeric primer−initiated Amplificationof Nucleic acids)法、LAMP(Loop−Mediated Isothermal Amplification)法なども用いることができる。なお、温度調整手段301として用いられる装置や核酸増幅の方法は上記に限定されない。
(S2030) (add thermal cycle to cartridge)
In step S2030, PCR processing is performed on the nucleic acid sample contained in the droplet generated in step S2020 by the temperature adjusting unit 301 shown in FIG. Specifically, the temperature adjustment unit 301 includes a Peltier element and a controller, and generates a nucleic acid amplification reaction in the droplet held in the holding unit 103 of the cartridge 100. For example, a thermal cycler can be used as the temperature adjusting unit 301. As a nucleic acid amplification reaction, a PCR method or a LCR (Ligase Chain Reaction) method in which the reaction is allowed to proceed by subjecting a droplet (reaction field) to a thermal cycle can be used. In addition, the SDA (Strand Displacement Amplification) method, the ICAN (Isothermal and Chimerized Primer-Nuclide Amplified Nucleic acid) method, and the SDA (Strand Displacement Amplification) method in which the reaction proceeds by adjusting the temperature of the droplet (reaction field) without subjecting it to a thermal cycle. The Mediated Isometric Amplification) method or the like can also be used. Note that the apparatus used as the temperature adjusting means 301 and the nucleic acid amplification method are not limited to the above.

(S2040)(液滴内の核酸増幅産物有無を観察する)
ステップS2040においてカートリッジ100は観察ステージ308に移送され蛍光などの光が計測される。すなわち、S2030において増幅された試料中の分析対象物の分析が行われる。蛍光は照明手段309と観察手段310とで計測され、照明手段309は、所定の波長の光を保持部103に保持された複数の液滴に照射する。照明手段309としては、LEDライト、ハロゲンランプおよび蛍光灯などを用いることができる。観察手段310は、光が照射された複数の液滴のそれぞれから発せられたシグナルを検出し、液滴内増幅産物の有無を観察する。また、液滴径の測定を行う。観察手段310としては、フォトダイオードやラインセンサ、イメージセンサ(撮像素子)等を用いることができ、中でも、多数の液滴について一括してシグナルの検出ができる点で、イメージセンサを用いることが好ましい。イメージセンサとしては、CCD(電荷結合素子)、CMOS(相補型金属酸化膜半導体)イメージセンサを用いることができる。観察手段310は、イメージセンサを備えたデジタルカメラであってもよい。
(S2040) (observing presence or absence of nucleic acid amplification product in droplet)
In step S2040, the cartridge 100 is transferred to the observation stage 308 and light such as fluorescence is measured. That is, the analysis object in the sample amplified in S2030 is analyzed. The fluorescence is measured by the illumination unit 309 and the observation unit 310, and the illumination unit 309 irradiates a plurality of droplets held by the holding unit 103 with light having a predetermined wavelength. As the illumination unit 309, an LED light, a halogen lamp, a fluorescent lamp, or the like can be used. The observation means 310 detects signals emitted from each of the plurality of droplets irradiated with light, and observes the presence or absence of the amplification product in the droplets. In addition, the droplet diameter is measured. As the observation means 310, a photodiode, a line sensor, an image sensor (imaging device), or the like can be used. Among them, an image sensor is preferably used because signals can be detected for a large number of droplets at once. . As the image sensor, a CCD (Charge Coupled Device) or CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensor can be used. The observation unit 310 may be a digital camera provided with an image sensor.

(S2050)(核酸増幅前の試料の核酸濃度を推定する)
ステップS2050において、S2040で行われた観察の結果から試料の全体積に対する増幅産物の無い液滴の体積の割合からプロセッサ(不図示)が試料内の濃度推定を行う。
(S2050) (Estimate nucleic acid concentration of sample before nucleic acid amplification)
In step S2050, the processor (not shown) estimates the concentration in the sample from the ratio of the volume of the droplet without amplification product to the total volume of the sample from the result of the observation performed in S2040.

(分析対象物の濃度の計算)
分析対象物の濃度の計算は、従来行われているデジタル分析における濃度計算方法を採用して実施することができる。温度調整手段301における反応の前に、それぞれの反応場が含む分析対象物が1個または0個のいずれかであるとみなせる場合について説明する。この場合は、分析対象物が検出された反応場(陽性反応場)の数xを、観察手段310が分析対象物の検出の対象とした体積Vsの反応液中に含まれていた分析対象物の数とみなすことができる。よって、下記式(1)により、反応液中の分析対象物の濃度λrを計算することができる。なお、観察手段310が分析対象物の検出の対象とした体積Vsは、観察手段310から取得される反応場のサイズに関する情報に基づいて算出することができる。
λr=x/Vs・・・式(1)
(Calculation of analyte concentration)
The calculation of the concentration of the analysis object can be performed by employing a concentration calculation method in digital analysis that is conventionally performed. A case will be described in which it is assumed that the number of analytes included in each reaction field is one or zero before the reaction in the temperature adjusting unit 301. In this case, the number x of reaction fields (positive reaction fields) in which the analysis object is detected is the number of analysis objects contained in the reaction solution of the volume Vs that is the object of detection of the analysis object by the observation unit 310. Can be considered. Therefore, the concentration λr of the analyte in the reaction solution can be calculated by the following formula (1). It should be noted that the volume Vs that is the target of detection of the analysis object by the observation unit 310 can be calculated based on information on the size of the reaction field acquired from the observation unit 310.
λr = x / Vs (1)

また、例えば、温度調整手段301における反応の前に、1つの反応場に複数個の分析対象物が入り得るとみなせる場合は、ポアソンモデルによる補正を行うことで、分析対象物の濃度を計算することができる。この場合は、温度調整手段301における反応の前にそれぞれの反応場に含まれていた分析対象物の平均個数Cを推定することにより、分析対象物の濃度算出を行う。具体的には、観察手段310が分析対象物の検出の対象とした反応場について、1つの反応場に含まれる分析対象物の平均個数をCとすると、1つの反応場にn個の分析対象物が含まれる確率は、ポアソンモデルの式から、下記式(2)のように表される。
P(n,C)=(C−e−C)/n! ・・・式(2)
Further, for example, when it can be considered that a plurality of analytes can enter one reaction field before the reaction in the temperature adjusting unit 301, the concentration of the analyte is calculated by performing correction using the Poisson model. be able to. In this case, the concentration of the analysis object is calculated by estimating the average number C of the analysis objects included in each reaction field before the reaction in the temperature adjusting means 301. Specifically, with respect to the reaction field that is the object of detection of the analysis object by the observation unit 310, if the average number of analysis objects included in one reaction field is C, n analysis objects are included in one reaction field. The probability that an object is included is expressed by the following equation (2) from the Poisson model equation.
P (n, C) = (C n −e −C ) / n! ... Formula (2)

ここで、1つの反応場が分析対象物を1つも含まない確率は、式(2)においてn=0として、下記式(3)で表される。
P(0,C)=e−C ・・・式(3)
Here, the probability that one reaction field does not include any analysis object is represented by the following formula (3), where n = 0 in formula (2).
P (0, C) = e−C (3)

温度調整手段301における反応の前に1つの反応場中に少なくとも1つの分析対象物が含まれていれば、その反応場からはシグナルを検出することができるが、反応の前にその反応場に含まれていた分析対象物の数の情報までは分からない。そこで、観察手段310が検出対象とした反応場の総数に対する、分析対象物が検出されなかった反応場の割合(シグナルが検出されなかった反応場の割合)に基づいて、式(3)を用いて、検出対象とした反応液中に含まれていた分析対象物の個数を推定する。   If at least one analyte is included in one reaction field before the reaction in the temperature adjusting means 301, a signal can be detected from the reaction field, but before the reaction, We do not know the information on the number of analytes included. Therefore, the expression (3) is used based on the ratio of reaction fields in which the analyte is not detected (the ratio of reaction fields in which no signal is detected) to the total number of reaction fields to be detected by the observation unit 310. Thus, the number of analytes contained in the reaction solution to be detected is estimated.

具体的には、シグナルが検出された反応場の個数またはシグナルが検出されなかった反応場の個数と、検出対象とした反応場の総数とから、シグナルが検出されなかった反応場の割合F0を算出する。そして、下記式(4)から、検出対象とした反応場に、温度調整手段301における反応の前に1つの反応場に含まれていた分析対象物の平均個数Cを推定する。
C=−ln(F0) ・・・式(4)
Specifically, from the number of reaction fields in which a signal is detected or the number of reaction fields in which no signal is detected and the total number of reaction fields to be detected, the ratio F0 of reaction fields in which no signal is detected is calculated. calculate. Then, from the following equation (4), the average number C of the analytes included in one reaction field before the reaction in the temperature adjusting means 301 is estimated in the reaction field to be detected.
C = −ln (F0) (4)

ここで、観察手段310が分析対象物の検出対象とした反応場の平均体積をvとすると、下記式(5)により、反応液中の分析対象物の濃度λrを計算することができる。なお、観察手段310が分析対象物の検出の対象とした平均体積vは、観察手段310から取得される反応場のサイズに関する情報に基づいて算出することができる。
λr=C/v ・・・式(5)
Here, assuming that the average volume of the reaction field that the observation means 310 has detected as the analysis target is v, the concentration λr of the analysis target in the reaction solution can be calculated by the following equation (5). It should be noted that the average volume v that is an object of detection of the analysis object by the observation unit 310 can be calculated based on information about the size of the reaction field acquired from the observation unit 310.
λr = C / v (5)

なお、反応液中の分析対象物の濃度λrは、分析対象物の平均個数Cと反応場の数を乗じて得られる分析対象物の総数と、反応場の平均体積vと反応場の数を乗じて得られる反応場の総体積と、に基づいて算出してもよい。   Note that the concentration λr of the analyte in the reaction solution is obtained by multiplying the average number C of the analytes by the number of reaction fields, the average volume v of the reaction fields, and the number of reaction fields. You may calculate based on the total volume of the reaction field obtained by multiplying.

このようにして得られた、反応液中の分析対象物の濃度は、検体またはサンプルから反応液を調整した際の希釈倍率を用いることによって、検体またはサンプル中の分析対象物の濃度に換算することができる。   The concentration of the analyte in the reaction solution thus obtained is converted to the concentration of the analyte in the sample or sample by using the dilution factor when the reaction solution is prepared from the sample or sample. be able to.

上記の処理によれば、分析対象となる液滴を液滴径毎に流路に充填してから液滴の分析を行うことで定量精度および分析結果の信頼度を向上させることができる。   According to the above-described processing, it is possible to improve the quantitative accuracy and the reliability of the analysis result by performing analysis of the liquid droplets after filling the liquid droplets to be analyzed for each droplet diameter.

<実施形態2>
本実施形態に係るカートリッジ400は、実施形態1のカートリッジ100と同様に試料の分析に用いることができるカートリッジ400である。本実施形態に係るカートリッジ400は、実施形態1と比較し第1の部材101及び第2の部材104の他にも複数の開口部を有する部材を備えることを特徴とする。これにより、さらに高速に多量の液滴を生成することができる。以下、図4を用いて本実施形態の構成及び処理を説明する。
<Embodiment 2>
The cartridge 400 according to the present embodiment is a cartridge 400 that can be used for analyzing a sample in the same manner as the cartridge 100 according to the first embodiment. The cartridge 400 according to the present embodiment includes a member having a plurality of openings in addition to the first member 101 and the second member 104 as compared with the first embodiment. Thereby, a large amount of droplets can be generated at a higher speed. Hereinafter, the configuration and processing of this embodiment will be described with reference to FIG.

本実施形態に係るカートリッジ400の構成要素は、実施形態1のカートリッジ100と同様である。しかし、第3の部材405と第4の部材406は、実施形態1と構成が異なるため、以下でその構成を説明する。その他の構成要素については、実施形態1と構成が同じであるため、説明を省略する。   The components of the cartridge 400 according to the present embodiment are the same as those of the cartridge 100 according to the first embodiment. However, since the third member 405 and the fourth member 406 are different in configuration from the first embodiment, the configuration will be described below. Other components are the same as those in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.

図4は本実施形態に係るカートリッジ400の構成を示す。図4(a)はカートリッジ400の平面図である。図4(b)はカートリッジ400をA−A断面で切った断面図である。図4(c)はカートリッジ400をB−B断面で切った断面図である。以下、図4(a)を用いてカートリッジ400の構成を説明する。   FIG. 4 shows the configuration of the cartridge 400 according to this embodiment. FIG. 4A is a plan view of the cartridge 400. FIG. 4B is a cross-sectional view of the cartridge 400 taken along the line AA. FIG. 4C is a cross-sectional view of the cartridge 400 taken along the line BB. Hereinafter, the configuration of the cartridge 400 will be described with reference to FIG.

第1の部材401、第2の部材404、第3の部材405及び第4の部材406は、それぞれ第3の軸方向に開口を有するように保持部403上に備えられており、第1の部材401と第3の部材405はそれぞれ生成部402を有している。すなわち、カートリッジ400は第1の部材401及び第2の部材404を含む、開口部を有する3つ以上の部材を備え、3つ以上の部材のうち少なくとも一つの部材には生成部402が備えられている。なお、本実施形態における第1の部材401、第2の部材404を含む複数の部材及び生成部402の数量は一例であり、上記に限定されない。例えば、第1の部材401と第2の部材404の他に設ける部材が第3の部材405のみでもよい。   The first member 401, the second member 404, the third member 405, and the fourth member 406 are provided on the holding portion 403 so as to have an opening in the third axial direction, respectively. Each of the member 401 and the third member 405 has a generation unit 402. That is, the cartridge 400 includes three or more members having an opening including the first member 401 and the second member 404, and at least one of the three or more members includes the generation unit 402. ing. In addition, the number of the plurality of members including the first member 401 and the second member 404 and the generation unit 402 in this embodiment is an example, and is not limited to the above. For example, only the third member 405 may be provided in addition to the first member 401 and the second member 404.

本実施形態においてカートリッジ400には生成部402を有した第1の部材401と第3の部材405、生成部402を有さない第2の部材404と第4の部材406が備えられている。これにより、第2の部材404もしくは第4の部材406から負圧を加えて連続相を駆動すると、第1の部材401及び第3の部材405に充填された第1の液体(水相)が夫々生成部402を透過し複数の液滴が生成される。そのため、実施形態1と比較し、さらに短時間で多量の液滴を生成することができる。また、連続相となる第2の液体(油相)を駆動させる手段がシリンジ等のストロークが予め定められた手段であった場合、圧力を加えてからまたさらに圧力を加えられる状態に戻るまでは時間がかかる。しかし、第2の部材404の他に第4の部材406を備えることにより、各部材から順に圧力を加えることができるため時間のロスなく液滴を生成し続けることができる。さらに、第2の部材404と第4の部材406の両方の部材から負圧をかけてもよい。上記によれば、実施形態1と同様の駆動手段を用いた場合でも加える圧力が増すため、連続相の駆動速度が上がり、それに伴い第1の液体(水相)が生成部402を透過する速度も上がる。すなわち、液滴をより高速に生成することができる。   In the present embodiment, the cartridge 400 includes a first member 401 and a third member 405 having a generation unit 402, and a second member 404 and a fourth member 406 not having the generation unit 402. Thereby, when a negative pressure is applied from the second member 404 or the fourth member 406 to drive the continuous phase, the first liquid (water phase) filled in the first member 401 and the third member 405 is discharged. A plurality of droplets are generated through the generation unit 402. Therefore, a larger amount of droplets can be generated in a shorter time than in the first embodiment. In addition, when the means for driving the second liquid (oil phase) that is a continuous phase is a means such as a syringe that has a predetermined stroke, until the pressure returns to a state where pressure can be applied again after the pressure is applied. take time. However, by providing the fourth member 406 in addition to the second member 404, pressure can be applied in order from each member, so that droplets can be continuously generated without loss of time. Furthermore, negative pressure may be applied from both the second member 404 and the fourth member 406. According to the above, since the applied pressure increases even when the same driving means as in the first embodiment is used, the driving speed of the continuous phase increases, and the speed at which the first liquid (water phase) permeates the generation unit 402 accordingly. Also goes up. That is, droplets can be generated at a higher speed.

本実施形態によると、実施形態1における第1の部材101及び第2の部材104の他にも複数の開口部を有する部材を備えることにより、さらに高速に多量の液滴を生成することができる。   According to the present embodiment, by providing a member having a plurality of openings in addition to the first member 101 and the second member 104 in the first embodiment, a large amount of droplets can be generated at a higher speed. .

101 第1の部材
102 生成部
103 保持部
104 第2の部材
101 First member 102 Generation unit 103 Holding unit 104 Second member

Claims (8)

第1の軸と第2の軸と、前記2つの軸で規定される底面に垂直な第3の軸とで形成される3次元空間上の前記底面に設置された、液滴に含まれる対象物の分析に用いるカートリッジであって、
複数の前記液滴を生成する多孔質の膜と、
前記液滴を保持する保持部と、
を有することを特徴とするカートリッジ。
An object included in a droplet placed on the bottom surface in a three-dimensional space formed by a first axis, a second axis, and a third axis perpendicular to the bottom surface defined by the two axes. A cartridge used for the analysis of objects,
A porous membrane that produces a plurality of said droplets;
A holding unit for holding the droplet;
A cartridge characterized by comprising:
開口部を有する第1の部材と第2の部材をさらに有し、
前記多孔質の膜は、前記第1の部材の端部に備えられていることを特徴とする請求項1に記載のカートリッジ。
A first member having an opening and a second member;
The cartridge according to claim 1, wherein the porous film is provided at an end of the first member.
前記多孔質の膜は、前記第1の部材の前記開口部の開口方向に対して略平行に備えられていることを特徴とする請求項2に記載のカートリッジ。   The cartridge according to claim 2, wherein the porous film is provided substantially parallel to an opening direction of the opening of the first member. 前記第1の部材と前記第2の部材は、前記第3の軸方向に開口を有していることを特徴とする請求項2または3に記載のカートリッジ。   The cartridge according to claim 2 or 3, wherein the first member and the second member have openings in the third axial direction. 前記カートリッジは前記第1の部材および前記第2の部材を含む、開口部を有する3つ以上の部材をさらに備え、
前記3つ以上の部材のうち少なくとも一つの部材には前記多孔質の膜が備えられていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のカートリッジ。
The cartridge further includes three or more members having openings including the first member and the second member;
The cartridge according to any one of claims 1 to 4, wherein at least one of the three or more members is provided with the porous film.
前記多孔質の膜は、孔径が10〜30[μm]であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のカートリッジ。   The cartridge according to any one of claims 1 to 5, wherein the porous film has a pore diameter of 10 to 30 [µm]. 前記保持部は、第3の軸方向の高さが20〜100[μm]であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載のカートリッジ。   The cartridge according to any one of claims 1 to 6, wherein the holding portion has a height in the third axial direction of 20 to 100 [µm]. 前記液滴に含まれる対象物の分析は、デジタルPCR法であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載のカートリッジ。   The cartridge according to any one of claims 1 to 7, wherein the analysis of the object contained in the droplet is a digital PCR method.
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