JP2022043362A - 核酸分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】試薬消費量を低減させるとともに、蛍光画像撮像中における試薬選択機構の動作による影響を抑制し、鮮明な蛍光画像を取得する核酸分析装置を提供する。【解決手段】本発明に係る核酸分析装置が備える試薬選択機構は、複数の分岐流路を有するブロックと、各分岐流路上に組み込まれた電磁弁とを有し、前記ブロックは基板を保持する可動テーブル上に設置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、核酸分析装置に関する。

ＤＮＡ（デオキシリボ核酸）の塩基配列を解析するための装置として、核酸分析装置が知られている。核酸分析装置は、ＤＮＡ断片を変性させて１本鎖とし、これを型として蛍光標識を付与した核酸を１塩基ずつ伸長させ、順次蛍光画像を撮像することにより、ＤＮＡの塩基配列を解析する装置である。解析に際しては、一部または全体が透明な材質の板に流路を設けた基板を用意し、その基板の流路内に設けられた反応場に、変性させて一本鎖とされたクローンＤＮＡ断片のコロニーを複数固定する。これら複数のＤＮＡ断片のコロニーに対して、ＤＮＡを構成する４種類のヌクレオチド（アデニン、シトシン、グアニン、チミン）を識別可能にするためにＤＮＡの各塩基を蛍光標識する試薬と、流路を洗浄する試薬等を、交互に送液する。ＤＮＡ断片のコロニーが２本鎖に復元していく過程を蛍光画像として撮像することにより、ＤＮＡ塩基配列を逐次解析することができる。

核酸分析装置におけるＤＮＡ塩基配列解析を実施する際には、まず可動テーブル上に基板を架設する。次に基板の流路内に設けられた反応場に固定された複数のＤＮＡ断片のコロニーに対して、複数種の試薬のなかから反応過程ごとに必要となる試薬を選択し、基板の流路へ送液することにより、流路内のＤＮＡ断片のコロニーの各塩基を蛍光修飾する。さらに蛍光修飾されたＤＮＡ断片のコロニーを、可動テーブルを駆動させながら、基板全面の蛍光画像を撮像する。

下記特許文献１は、このような多種類の試薬を反応過程ごとに選択して基板へ送液し、ＤＮＡ塩基配列を読み取る核酸分析装置について記載している。

ＵＳ８２４１５７３Ｂ２

特許文献１の核酸分析装置は、試薬選択機構として切替バルブ（ロータリーバルブ）を搭載している。同文献においては、蛍光画像撮像中に切替バルブの動作が基板に対して伝達しないように、撮像機構から離れた箇所に切替バルブを設置する必要がある。切替バルブの動作による振動が基板に対して伝搬すると、蛍光画像にブレなどが発生して画像品質が低下するからである。したがって同文献においては、試薬選択機構から基板までの配管が必要となり、その配管部分に余分な試薬が含まれることになるので、試薬消費量が増加する。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、試薬消費量を低減させるとともに、蛍光画像撮像中における試薬選択機構の動作による影響を抑制し、鮮明な蛍光画像を取得する核酸分析装置を提供することを目的とする。

本発明に係る核酸分析装置が備える試薬選択機構は、複数の分岐流路を有するブロックと、各分岐流路上に組み込まれた電磁弁とを有し、前記ブロックは基板を保持する可動テーブル上に設置されている。

本発明の核酸分析装置によれば、試薬選択機構のブロックを基板の流路入口近傍に配置することにより、試薬消費量を低減することができる。また、基板から十分離れた場所に電磁弁を設置することにより、電磁弁の駆動が蛍光画像撮像に与える影響を低減することができる。

実施形態１に係る核酸分析装置１００の構成を示す図である。 ブロック１５０の具体的構成を示す図である。 実施形態２に係る核酸分析装置１００の構成例を示す図である。 実施形態３に係る核酸分析装置１００の構成例を示す図である。 実施形態４に係るブロック１５０の構成例を示す図である。

＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施形態１に係る核酸分析装置１００の構成を示す図である。核酸分析装置１００は、ＤＮＡの塩基配列を分析する装置である。核酸分析装置１００は、基板１１０、可動テーブル１２０、撮像機構１３０、試薬ボトル１４１、ブロック１５０、電磁弁１６１、送液機構１７０を備える。ブロック１５０と電磁弁１６１は、基板１１０に対して送液する試薬を選択する試薬選択機構としての役割を有する。

基板１１０は、ＤＮＡ断片のコロニーの塩基配列を解析するための反応場を有する。可動テーブル１２０は、基板１１０を搭載して移動させることができる。撮像機構１３０は、ＤＮＡ断片のコロニーの蛍光画像を撮像する。試薬ボトル１４１は、各反応工程において必要となる複数種の試薬を含む。ブロック１５０は、後述するように複数の分岐流路を有する。電磁弁１６１は、各分岐流路上に組み込まれている。送液機構１７０は、試薬選択機構によって選択された試薬を基板１１０に対して送液する。

核酸分析装置１００の動作手順について説明する。まず各反応工程において必要な試薬に対応した電磁弁１６１を開け、その他の電磁弁１６１を閉じることにより、試薬を選択する。次に、送液機構１７０を用いて基板１１０へ試薬を送液する。基板１１０上で試薬を反応させた後、可動テーブル１２０を駆動させて基板１１０の撮像対象領域を撮像機構１３０の下へ搬送する。その後、撮像機構１３０により基板１１０の撮像対象領域の蛍光画像を撮像する。上記を繰り返して、反応に必要な試薬を順次送液し、蛍光を検出することにより、塩基配列を解析する。

図２は、ブロック１５０の具体的構成を示す図である。図２上段は斜視図である。図２中段はそれぞれ左側面図／上面図／右側面図／正面図である。図２下段はＡＡ断面図である。ブロック１５０は、全体としては直方体形状を有する部材であり、以下に説明する構成を備える。

ブロック１５０は、３つの試薬流入口１５１、１５２、および１５３を有する。各試薬流入口は、それぞれブロック１５０の左側面／右側面／正面に設けられている。各試薬流入口は、配管を介してそれぞれ異なる試薬ボトル１４１に接続される。ブロック１５０の内部にはＴ字型の分岐流路が形成されており、各分岐流路はそれぞれ試薬流入口１５１～１５３と接続されている。各分岐流路は交点１５７において合流する。

ブロック１５０の上面には、試薬流出配管１５６が配置されている。試薬流出配管１５６は交点１５７と接続されており、ブロック１５０内に導入された試薬は交点１５７と試薬流出配管１５６を介して基板１１０に対して供給される。基板１１０と試薬流出配管１５６との間は、適当な手段によって封止することができる。例えばゴム製の封止部材を試薬流出配管１５６の周りに配置することが考えられる。

ブロック１５０は可動部材を備えていないので、ブロック１５０が稼働することにより生じる振動が基板１１０に対して伝搬することはない。したがってブロック１５０は基板１１０の近傍（例えば可動テーブル１２０上）に配置することができる。ブロック１５０によって蛍光画像の画像品質が低下するおそれはないからである。これにより、試薬流出配管１５６の長さを短くすることができるので、試薬切換にともなって消費される余分な試薬量を抑制することができる。

試薬消費量を抑制する観点からは、試薬流出配管１５６の長さはできる限り短いほうが望ましい。この長さが長いと、ある試薬を送出し終えた後に次の試薬を送出し始めた時点において、前の試薬が試薬流出配管１５６内に残留しているので、その分の試薬が余剰分となってしまうからである。

振動を基板１１０に対して伝搬させないためには、電磁弁１６１を基板１１０からできる限り離して配置することが望ましい。電磁弁１６１が開閉動作する際に振動が生じるからである。少なくとも電磁弁１６１は、可動テーブル１２０上に載置しないようにすることが望ましい。

核酸分析装置１００の平面サイズを抑制する観点からは、電磁弁１６１を可動テーブル１２０の上下いずれかの空間に配置することが望ましい。例えば可動テーブル１２０の下方に脚部と除振部材が配置されている場合、脚部間の空間は空いていることが多いので、この空間に電磁弁１６１を配置することができる。可動テーブル１２０の上方には撮像機構１３０などのその他部材が配置されているので、これら部材を配置してなお余剰空間があるのであれば、可動テーブル１２０の上方空間に電磁弁１６１を配置してもよい。

試薬ボトル１４１は、可動テーブル１２０の上下いずれに配置してもよい。ただし可動テーブル１２０の上方に試薬ボトル１４１を配置すると、例えば電磁弁１６１が故障した際に不要な試薬が基板１１０上にこぼれてくる可能性があるので、可動テーブル１２０の下方に試薬ボトル１４１を配置するほうがより望ましい。

＜実施の形態１：まとめ＞
本実施形態１に係る核酸分析装置１００は、試薬選択機構としてブロック１５０と電磁弁１６１を備える。ブロック１５０は、各試薬ボトル１４１と接続された試薬流入口１５１～１５３を有し、電磁弁１６１を開閉させることによって試薬を切り替えることができる。ブロック１５０から基板１１０に対して振動が伝搬する恐れは少ないので、ブロック１５０は基板１１０の近傍に配置することができる。したがって、試薬選択機構と基板１１０との間の流路（試薬流出配管１５６）の長さを短くすることができるので、試薬消費量を抑制することができる。

これに対して、試薬選択機構として例えばロータリーバルブを用いた場合、バルブ切替にともなって発生する振動の影響を抑制するために、基板１１０から離して配置する必要がある。またロータリーバルブ自体も可動部位を確保するために平面サイズが大きくなる傾向がある。したがってロータリーバルブのような試薬選択機構を用いると、試薬消費量の観点からも装置の平面サイズの観点からも、改善の余地があるといえる。本実施形態１に係る核酸分析装置１００は、これらをいずれも改善した点において、従来の核酸分析装置よりも有用である。

図２においては３種類の試薬を用いることを想定して、ブロック１５０が３つの試薬流入口１５１～１５３を備える構成例を説明した。試薬流入口の個数は、試薬の種類に応じて増減させてもよい。またこれにともなって交点１５７の位置や個数を変更することもできる。

＜実施の形態２＞
核酸分析装置１００が使用する試薬種類が多い場合、ブロック１５０に対してすべての試薬を接続すると、ブロック１５０のサイズが大きくなる。またこれにともなって可動テーブル１２０に対する負荷が大きくなるので、可動テーブル１２０のサイズと重量が増える。そこで本発明の実施形態２では、消費量を低減したい試薬のみ可動テーブル１２０上に載置されたブロック１５０に接続し、その他の試薬は可動テーブル１２０上に載置していない第２試薬選択機構へ接続する構成例を説明する。

図３は、本実施形態２に係る核酸分析装置１００の構成例を示す図である。本実施形態２に係る核酸分析装置１００は、実施形態１で説明した構成に加えて第２試薬選択機構を備える。その他構成は実施形態１と同様であるので、以下では主に第２試薬選択機構に関連する差異点について説明する。

第２試薬選択機構は、ブロック１８１と電磁弁１６２によって構成されている。ブロック１５０のいずれか１つの試薬流入口（例えば試薬流入口１５２）は、ブロック１８１が備えるいずれかの試薬流入口と接続されている。図３に示す構成例においては、ブロック１５０に対してそれぞれ２つの電磁弁１６１と試薬ボトル１４１が接続されており、ブロック１８１に対してそれぞれ４つの電磁弁１６２と試薬ボトル１４２が接続されている。これら電磁弁と試薬ボトルの個数は１例であり、必要に応じて増減してもよい。

ブロック１８１は、ブロック１５０と同様に複数の試薬流入口を有する。図３においては５つの試薬流入口を有する例を示した。試薬流入口のうち４つは、それぞれ異なる試薬ボトル１４２に対して接続されている。残りの試薬流入口は、ブロック１５０の試薬流入口に対して接続されている。

本実施形態２においては、消費量を低減したい試薬（例えば高価な試薬）を試薬ボトル１４１に収容し、消費量を低減する必要のない試薬（例えば安価な試薬）を試薬ボトル１４２に収容する。試薬ボトル１４１が収容する試薬については実施形態１と同様に、ブロック１５０を基板１１０の近傍に配置することによって消費量を抑制することができる。試薬ボトル１４２が収容する試薬については、ブロック１８１とブロック１５０との間の配管長に応じて、試薬を余分に消費することになる。したがって消費量を抑制する必要性が小さい試薬を試薬ボトル１４２に収容することとした。

ブロック１８１と電磁弁１６２を可動テーブル１２０上に載置すると可動テーブル１２０に対して負荷をかけるので、電磁弁１６１と同様に例えば可動テーブル１２０の下方に配置することが望ましい。試薬ボトル１４２についても試薬ボトル１４１と同様に配置することが望ましい。

＜実施の形態２：まとめ＞
本実施形態２に係る核酸分析装置１００は、第２試薬選択機構をさらに備える。第２試薬選択機構により、選択可能な試薬の種類を実施形態１よりも増やすことができる。ブロック１８１と電磁弁１６２を可動テーブル１２０上に載置しないようにすることにより、可動テーブル１２０に対する負荷を抑制しつつ試薬種類を増やすことができる。さらに、試薬ボトル１４１と１４２それぞれに収容する試薬種類を適切に選択することにより、実施形態１と同様に試薬消費にともなうコストを抑制することができる。

＜実施の形態３＞
図４は、本発明の実施形態３に係る核酸分析装置１００の構成例を示す図である。本実施形態３に係る核酸分析装置１００は、実施形態２で説明したブロック１８１に代えて、切替バルブ１８２を備える。切替バルブ１８２は、例えばロータリーバルブなどによって構成することができる。切替バルブ１８２は複数の試薬流入口を備える。切替バルブ１８２の上面には、ブロック１５０と接続するための試薬流出配管が接続されている。切替バルブ１８２は、いずれの試薬流入口を試薬流出配管と接続するかを切り替えることができる。したがって本実施形態３において電磁弁１６２は必要ない。

切替バルブ１８２の上面に配置された試薬流出配管に含まれる余分な試薬によるコスト増加を抑制するため、本実施形態３においても実施形態２と同様に、消費量を低減したい試薬を試薬ボトル１４１に収容し、消費量を低減する必要性が小さい試薬を試薬ボトル１４２に収容することが望ましい。

本実施形態３に係る核酸分析装置１００は、実施形態２と同様の効果を発揮することができる。実施形態２と３を比較すると、実施形態２におけるブロック１８１は製造が容易かつ安価である点が有利である。他方でブロック１８１を用いる場合、試薬を切り替える際に試薬が混ざり合うことを抑制するためには、試薬流路の形状や各流路の交点位置などを最適化することが望ましい。したがってそのための設計コストが発生する。切替バルブ１８２は流路を切り替えることができるので、そのような最適化設計は必要ない点が有利である。

＜実施の形態４＞
実施形態１～３で説明したブロック１５０は、可動部材を備えていないので、ブロック１５０自身が試薬を切り替えることはできない。これに起因して、ブロック１５０内部で複数の試薬が混合される可能性がある。そこで本発明の実施形態４では、ブロック１５０内部における試薬混合による影響を抑制する構成例について説明する。

図５は、本実施形態４に係るブロック１５０の構成例を示す図である。図２と同様に、斜視図／左側面図／上面図／右側面図／正面図／ＡＡ断面図を示した。図５に示すブロック１５０は、左側面に試薬流入口１５１を備え、右側面に試薬流入口１５２～１５４を備え、正面に試薬流入口１５５を備える。

ブロック１５０内部は、図５下段に示すように流路が配置されている。具体的には、試薬流入口１５１と１５２を接続する流路から、試薬流入口１５５へ向かう流路が分岐し、さらに試薬流入口１５３と１５４へ向かう流路が分岐している。交点１５７（試薬が交差する位置）の平面位置は、試薬流出配管１５６の平面位置からシフトして配置されている。この理由について具体例を用いて以下説明する。

本実施形態３において、試薬流入口１５１に対して試薬Ａを接続し、試薬流入口１５２～１５４に対してそれぞれ試薬Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３（まとめて試薬群Ｂと呼ぶ）を接続し、試薬流入口１５５に対して試薬Ｃを接続すると仮定する。試薬Ａと試薬群Ｂは、混合させると分析に際して支障が生じるものとする。試薬Ａと試薬Ｃは混合しても分析に際して支障なく、試薬群Ｂと試薬Ｃも同様に混合しても分析に際して支障ないものとする。

基板１１０に対してまず試薬Ａを導入した後、試薬群Ｂを導入する動作手順について以下説明する。試薬Ａの送液を停止した時点においては、試薬流出配管１５６内に試薬Ａが残留している。この時点で試薬Ｃを送液することにより、試薬Ａを試薬流出配管１５６から押し出すことができる。試薬Ａと試薬Ｃは混合しても支障ないからである。その後に試薬群Ｂを送液することにより、試薬Ａと試薬群Ｂが混合することなく、試薬Ａから試薬群Ｂに至る分析手順を実施することができる。試薬群Ｂから試薬Ａへ切り替える際も同様に試薬Ｃによって試薬群Ｂを試薬流出配管１５６から押し出すことができる。

交点１５７の平面位置が試薬流出配管１５６の平面位置からシフトして配置されている点についてさらに説明する。図５に説明する構成によれば、試薬Ａを送液した後に試薬Ｃを送液することにより、交点１５７と試薬流出配管１５６との間の経路に残留している試薬Ａを押し出すことができる。同様に試薬群Ｂを送液した後に試薬Ｃを送液することにより、交点１５７と試薬流出配管１５６との間の経路に残留している試薬群Ｂを押し出すことができる。したがって試薬Ａと試薬群Ｂの混合を抑制することができる。

図５とは異なり、交点１５７の平面位置が試薬流出配管１５６の平面位置と合致している（すなわち交点１５７に対して試薬流出配管１５６が直接接続されている）場合について検討する。この場合、試薬Ａを送液した後に試薬Ｃを送液したとしても、交点１５７と試薬流入口１５５との間の経路に残留する試薬Ａを押し出すことができるに過ぎない。同様に試薬群Ｂを送液した後に試薬Ｃを送液したとしても、交点１５７と試薬流入口１５５との間の経路に残留する試薬群Ｂを押し出すことができるに過ぎない。交点１５７の平面位置を試薬流出配管１５６の平面位置からシフトして配置することにより、上記のように余剰な試薬を押し出すことになるので、試薬間の混合を抑制することができる。

＜本発明の変形例について＞
以上の実施形態において、送液機構１７０はブロック１５０からみて基板１１０の下流側に位置しているが、上流側に配置してもよい。

以上の実施形態において、電磁弁１６１と１６２は可動テーブル１２０上に載置しないことが望ましいことを説明したが、蛍光画像を取得する際に各電磁弁を動作させなければ開閉動作にともなう振動の影響はないので、各電磁弁をそのように動作させるのであれば可動テーブル１２０上に載置することもできる。ただし核酸分析装置１００の平面サイズを抑制する観点からは、以上の実施形態において説明したように、例えば可動テーブル１２０の下方空間に配置することが望ましい。

実施形態２において、ブロック１５０とブロック１８１のいずれか一方または双方として、実施形態４で説明したブロック１５０の構成を採用することもできる。ブロック１８１として実施形態４の構成を採用した場合、ブロック１８１と１５０は、試薬流出配管１５６を介して接続される。

１１０：基板
１２０：可動テーブル
１３０：撮像機構
１４１～１４２：試薬ボトル
１５０：ブロック
１５１～１５５：試薬流入口
１５６：試薬流出配管
１５７：交点
１６１～１６２：電磁弁
１７０：送液機構
１８１：ブロック
１８２：切替バルブ

Claims (7)

1. 核酸を解析するための反応場を有する基板、
   前記基板を保持する可動テーブル、
   前記基板に流入する試薬を選択する試薬選択機構、
   前記試薬選択機構で選択された試薬を前記基板へ送液する送液機構、
   前記基板上を撮像する撮像機構、
   を備え、
   前記試薬選択機構は、
   複数の分岐流路を有するブロック、
   各分岐流路上に組み込まれた電磁弁、
   を有し、
   前記ブロックは、前記可動テーブル上に設置されている
   ことを特徴とする核酸分析装置。
2. 請求項１において、
   前記電磁弁は、前記電磁弁の動作が前記可動テーブルに影響を与えないように前記可動テーブルの外に設置されていることを特徴とする核酸分析装置。
3. 請求項１において、
   前記電磁弁が、前記可動テーブル上に設置されていることを特徴とする核酸分析装置。
4. 請求項１において、
   前記核酸分析装置はさらに、前記試薬選択機構に流入する試薬を選択する第二の試薬選択機構を備えることを特徴とする核酸分析装置。
5. 請求項４において、
   前記第二の試薬選択機構の動作が、前記可動テーブルに影響を与えないように前記可動テーブルの外に設置されていることを特徴とする核酸分析装置。
6. 請求項４において、
   前記第二の試薬選択機構が複数の分岐流路を有するブロックと各分岐流路上に組み込まれた電磁弁で構成されていることを特徴とする核酸分析装置。
7. 請求項４において、
   前記第二の試薬選択機構が切り替えバルブを有することを特徴とする核酸分析装置。

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