JP3068184B2 - 生化学反応を実施するための装置 - Google Patents

生化学反応を実施するための装置

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、生化学反応の自動化に関するものであり、
一層詳しくは、分子生物方法においてマイクロタイター
プレートまたは同様の処理プレートで複数のサンプルを
処理することに関する。
分子生物は、急成長している科学分野であるが、かな
り若い学問であるため、多数の基本方法はまだ手作業で
行われており、最良の場合でも半自動である。これは、
利用されている手続きの多くが多数のサンプルを多数の
反復作業で処理することに基づいているにもかかわら
ず、逃れようがない事実である。このような方法の例と
しては、RNA、染色体DNAあるいはプラスミドその他のベ
クターからのDNAの隔離法、DNA制限酵素消化法、DNA順
序付け法、酵素によるDNA延長および重合法、オリゴヌ
クレオチド合成、微生物内の種々のベクターおよび遺伝
子ライブラリーの構築、生物学的活性クローンのための
バクテリア株のスクリーニング等がある。この種の方法
は、それぞれ、２、３の工程について例示するだけで
も、たとえば、ピペット操作、混合、遠心分離、インキ
ュベーション、洗浄、沈殿によって液体を容器間で移送
することでサンプルの処理を行うなどの頻繁な手作業を
伴う。
分子生物学での方法の別の一般的な性質は、試薬のい
くつかが非常に入手しにくいか、非常に高価であり、た
いていの場合、各階段で非常に少量（通常は、μｌの単
位）の試薬および反応混合物しか扱えないということに
ある。試薬あるいは反応混合物内の他の化合物は、さら
に、敏感であることが多く、温度、機械的剪断作用等を
考慮する特別の予防措置が必要である。これらの方法の
うちいつかは、さらに、潜在的に危険性のある化合物の
取り扱いを含んでいる。
分子生物学での実験作業は、したがって、非常に手間
ひまのかかるものである。自動化の必要性は、単ストラ
ンド式テンプレート準備およびDNA順序付けの一例とし
て、Ed.F.M.Ausbel著「Current Protocols in Molecula
r Biology」に記載の方法で説明されている。
現在のところ、分子生物学の自動化は、主としてDNA
順序付け分野に集中してきた。テンプレート浄化、順序
付け化学は、手作業で行われるのと同じ手続きをほぼ自
動化する実験室ロボット機器で自動化されてきた。この
ような機器の例としては、Beckman Biomek 1000およびZ
ymaykロボット・システムがある。これらのロボットは
手作業方法を超える或る種の利点を持っているが、まだ
多くの欠陥がある。まず、液体取り扱い毎に新しいピペ
ット・チップのような消耗品を多数用いなければならな
いという欠陥がある。第２に、これらのシステムは、一
般的に、実験室ロボットであり、取り扱い、再プログラ
ムがかなり複雑である。第３に、ロボットが方法の一部
を処理している前後にかなりの手作業が必要である。時
には、作業の途中でプログラムを中断し、サンプルを手
作業で遠心分離段階あるいはインキュベーション段階へ
移さなければならない。これらの欠陥は、実験室ロボッ
トの高価なことと相まって、分子生物学実験室での理想
とは遥かに遠いものである。
マイクロタイタープレート（片側すなわち上側に開口
を有する多数の個別の反応くぼみ（ウェル）を有するト
レー）は、多数の実験を並列で実施できるもので、上記
の手作業を実施するためにしばしば用いられている。こ
れらのウェルには、サンプル、液体等を入れ、特定の方
法の種々の作業を実施する。或るタイプのマイクロタイ
タープレートでは、その底面にウェル毎に出口が設けて
あり、たとえば吸引力によってこの出口を通して液体を
排出、廃棄することができる。この出口は開くことがで
きるが、好ましくは、実施されつつある方法のタイプに
依存して、ウェル内に粒子または沈殿物を保持する多孔
性膜を設けうる。マイクロタイターウェルには、サンプ
ル内の種々の成分をクロマトグラフ分離するためのマト
リックスを詰めてあることもある。このようなマトリッ
クスは、主として、静電相互作用（イオン交換）、疎水
相互作用を利用した結合によって、あるいは、抗原・抗
体相互作用、酵素・基体相互作用等のような生物種親和
性によって成分を保持するタイプのものである。この型
のウェルは、事実、小さいクロマトグラフ・カラムとな
る。たとえば、Pall、Costar、Nunc、Milliporeという
企業によって、種々のタイプのマイクロタイタープレー
トが製作されている。
US−Re 30,562には、多数のサンプルを安全に取り扱
えるように、コレクタ構造、貫通構造および洗浄構造を
含む免疫テスト装置が開示されている。
US−Ａ−4,895,706が、開放頂、底端を有する直線列
のウェルを備える第１ストリップと、底端を閉じる個別
のフィルタ膜と、閉じた底を有するウェルを備え、第１
のフィルタ・ストリップの下方に位置する第２ストリッ
プとを包含するフィルタ・ストリップ組立体を記載して
いる。フィルタ膜を横切って圧力差を与えることによっ
て、たとえば、真空を作用させることによって、第２ス
トリップのウェルが第１フィルタ・ストリップのそれぞ
れのウェルから液を受け取るようになっている。
CH−A669 851が、マイクロタイタープレートのための
可動支持体を包含し、この支持体によって、マイクロタ
イタープレートのウェルを測光器の光路内でヘッド部材
の下方に持って行き、ウェルへ洗浄液を導入したり、ウ
ェルから洗浄液を取り出したりすることができるように
なっている側光分析装置を開示している。サンプルは可
動分配アームを通して加えられる。この装置は、マイク
ロタイタープレートを垂直方向に保管することができる
インキュベーション器を包含し、オプションとして、準
備したマイクロタイタープレートのための保管ステーシ
ョンも包含する。
US−Ａ−4,493,815が、フィルタ分析および流体保持
用途で用いるための生化学テスト・プレート組立体を開
示している。これは、複数の個別の孔を備える上方プレ
ートと、これらの孔に整合した孔を備える下方プレート
と、これら２つのプレートを隔離する微孔性フィルム
と、下方のプレートの下に密封室を構成するように中央
凹所を備え、この凹所が真空源に通じているベース・プ
レートとを包含する。
しかしながら、本発明者等の知るかぎりでは、主とし
て、フォーマットや比較的多数のウェルを備えるという
こと、また、いくつかの実験を平行して行え、所望の反
応を生じさせる種々のマトリックスを含むことができる
という点で、生化学反応を実施するためのシステムにと
って優れた性能を示すマイクロタイタープレートを使用
しながらサンプルを融通性をもって取り扱える装置を記
載した公知文献はない。
したがって、本発明の目的は、生化学反応の実施と関
連するマイクロタイタープレートまたは同様の処理プレ
ートの取り扱い、処理を簡単化した装置を提供すること
にある。本発明の基本概念は、マイクロタイタープレー
トウェルから、特に、１つのマイクロタイタープレート
を別のマイクロタイタープレートのウェルに溶液または
懸濁液を移送するための特殊な手段を提供することにあ
る。
本発明の特別の局面によれば、マイクロタイタープレ
ートの自動取り扱い装置であって、マイクロタイタープ
レートのすべてあるいは選定したウェルに溶液あるいは
懸濁液を与えるために複雑な液体の取り扱いを行うこと
ができ、マイクロタイタープレート間で試薬およびサン
プルの移送を行う手段を備え、また、オプションとし
て、選定温度でのインキュベーション、保管状態を提供
することができる装置を得ることができる。
したがって、本発明は、マイクロタイタープレートに
おいて生化学反応を実施する装置であって、 （１） 複数のウェルを備え、各ウェルは底部出口（膜
底部または毛管出口のいずれか）を有する処理すべきマ
イクロタイタープレートを受け取り、そして保持するた
めの手段と、 （２） 前記マイクロタイタープレートのウェルにガス
圧力を加えるための可動的に装着された装置であって、
該装置は密封手段を包含しており、マイクロタイタープ
レートの上部へのアクセスを許す位置と、前記密封手段
を介してマイクロタイタープレートと密封接触して、マ
イクロタイタープレートのウェルの入口にガス圧力を加
え、各ウェルの底部出口を通してウェル内に存在する液
体を押し出すようになっている位置との間を動くことが
できる装置 とからなるものである。
好ましい実施例では、マイクロタイタープレート保持
手段は、少なくとも２つのマイクロタイタープレートを
重ねて保持することができ、これらの２つのプレートの
ウェルは互いに整合しており、上方のプレートにある１
つのウェルの出口が下のマイクロタイタープレートにあ
る対応するウェルの入口に重なって、前記ガス圧力が付
与されたときに上方のプレートから下のプレートへの液
体の移動を可能とする。
本発明装置の有利な発展型としては次のものを含む。
（ｉ）処理部がマイクロタイタープレート保持手段と、
ガス圧付与装置と、オプションとして、前記上方マイク
ロタイタープレートのウェルへ液体を分配する手段とを
包含する。
（ii）少なくとも２つのマイクロタイタープレートを保
持する保管ラック。
（iii）ラックと処理部との間、オプションとして、イ
ンキュベーション部との間でマイクロタイタープレート
を移動させる手段。
以下、本発明を、その図示実施例に関連してより詳し
く説明する。第１〜４図を参照して、 第１図は、本発明による装置の一実施例の概略図であ
る； 第２図は、第１図に示す装置においてラックから種々
の部位へマイクロタイタープレートを移送するのに用い
る移送手段把持機構を示す部分断面図である； 第３図は、第１図の装置のガス圧付与装置を１つのマ
イクロタイタープレートと接触した状態で示す部分断面
図である； 第４図は、本発明による装置の別の実施例の概略断面
図である。
第１図に示す実施例は、次の主要部分を包含する。す
なわち、処理部１と、マイクロタイタープレート保管ラ
ック２と、マイクロタイタープレートをラック２と処理
部１との間で移動させる移送手段３と、処理部１におい
て第１のマイクロタイタープレートのウェルに溶液また
は懸濁液を分配する手段４と、１つのマイクロタイター
プレートと密封接触する手段を包含する圧力装置５と、
インキュベーション部６と、オプションとして、処理部
１を振動させる手段７と包含する。この装置の制御手段
はマイクロプロセッサ（図示せず）を包含すると好まし
い。
マイクロタイタープレート保管ラック２（中には、或
る特定の用途にとって必要な種々のプレートが装填して
ある）は、装置の区画室８内に挿入される。第２図はグ
リップ手段21を示しており、このグリップ手段は、移送
手段３上に支持されおり、ラック２と処理部１との間の
移送中にマイクロタイタープレート35を保持するのに用
いられる。したがって、移送手段３は、Ｘ方向とＺ方向
に動いて、マイクロタイタープレート保管ラック２内の
マイクロタイタープレートを把持し、それをラックから
取り出して処理部１内へ動くことになっているレベルま
で下降させるか、あるいは、その逆に移動を行えるよう
になっている。ここで、Ｘ、Ｚ方向は、Ｙ方向が垂直方
向とすると水平方向である。Ｘ方向移動が第２図に示し
てあり、この場合、プレート35が位置X1でラック２内に
取り込まれ、Ｚ方向移動が生じるX2で示す位置へ動かさ
れる。オプションとして、さらに処理する前所定の時点
で、１つのマイクロタイタープレートをインキュベーシ
ョン部６内に置いてもよい。
本発明な別の実施例では、保管ラック２は、機器のシ
ャフト内で動かされ、インキュベーション部６または処
理部１へ給送することになっているレベルに任意のマイ
クロタイタープレートを置くことができる。この場合、
マイクロタイタープレートを所望位置へ動かす移送手段
は、上述したものに類似しており、当業者には容易に理
解できよう。
分配装置４（いくつかの投与チップを持ち得る）は、
処理部１内に置かれ、ウェルへ液体を添加できるように
なっている。分配装置４は、ベルト駆動手段９、10によ
ってＸ方向、Ｙ方向に移動でき、オプションとして、Ｚ
方向へも移動でき、任意の要領で一度に１つまたはそれ
以上のウェルへ液体を添加することができる。この分配
装置は、留分コレクタとして知られるタイプのものであ
ってもよいし、第１マイクロタイタープレートのウェル
間にも液体を移送できるように装置が構成してある場合
には、自動注入器として知られるタイプのものであって
もよい。分配装置は、オプションとして、たとえばガス
流によって分配チップ15の下に垂れ下がる最後の液滴を
除去する手段を備えていてもよい。ポンプ、たとえば、
蠕動ポンプが分配装置４へ、弁（図示せず）を備えた配
管11を経てバッファまたは試薬ビンから所望の液体を供
給する。
第１すなわち上方のマイクロタイタープレート35から
第２すなわち下方マイクロタイタープレート（図示せ
ず）へ液体を移送するために、処理部１は、上記のガス
圧装置５を備えており、このガス圧装置は、好ましく
は、少なくとも、第１のマイクロタイタープレート35と
同じ長さ、幅を有するほぼ平らなプレート12を包含す
る。第１図において、明瞭な図示の目的で、ガス圧装置
５は、第１マイクロタイタープレート35の上方の作動位
置に向かってＸ方向に移動しているように示してある。
第３図を参照して、プレート12は、第１マイクロタイ
タープレート35に対面する側でバー37、38間に位置する
弾性材料のカラー31を有する。このカラー31は、たとえ
ば、シリコンゴムの膨張可能なチューブであってもよ
い。これは、流路32を経てガス圧力源（図示せず）に接
続してある。液体受け第２マイクロタイタープレート
は、第１マイクロタイタープレートの下方でその保持手
段（これも図示せず）内に置かれる。これらのプレート
のウェルは互いに整合させてあり、第１マイクロタイタ
ープレート35の１つのウェルの出口が第２マイクロタイ
タープレートの対応するウェルの入口の上に重なるよう
になっている。
ガス圧装置５がその動作位置にあるとき、第１マイク
ロタイタープレートへの気密接続が行われ、第１マイク
ロタイタープレート35、カラー31および圧力装置プレー
ト12によってスペース34が構成される。これは、２つの
マイクロタイタープレートが互いに閉ざされ、カラーが
膨らまされてマイクロタイタープレート35と接触したと
きに達成される。あるいは、２つのプレートを単に一緒
に圧迫しても気密接続を行える。
ガス圧力が流路33を経てスペース34に加えられたと
き、マイクロタイタープレートの各ウェルの内の溶液が
底部膜36から押し出される。各ウェルからの溶液を廃棄
したい場合には、別体の排液プレートまたは処理部の底
にある排液コレクタ13に溶液を押し出すことができる。
好ましくは、処理部１のマイクロタイタープレートを処
理中に振動手段７で振動させる。こうすると、液体がマ
イクロタイタープレートから追い出されたときにも懸濁
液を懸濁状態に保つことができる。
処理部のマイクロタイタープレートから追い出された
溶液を検査するために、オプションとして、排液コレク
タ13の後にディテクタ・ユニット14が設置してある。こ
れは、たとえば、充分な洗浄液がマイクロタイタープレ
ートのすべてのウェルに添加されたかどうか、あるい
は、所与の反応が生じたかどうかを検査するために重要
である。
処理部１に置かれたマイクロタイタープレートの各ウ
ェルに分配した溶液を混ぜ合わせるために、少なくとも
第１のマイクロタイタープレート35を、オプションとし
て、ガス圧力をウェルに付与したときにも振動させるよ
うに配置する。これを行うには、上記の振動手段７で処
理部１を振動させる。この特徴も、ウェル底部にフィル
タ膜が詰まるのを防ぐように懸濁液を懸濁状態に保つた
めに重要である。
上記のシステムの融通性は、容易に理解して貰えるで
あろうが、分子生物学用途で用いる場合を以下に総括的
に説明する。しかしながら、本発明の範囲をいかなる意
味でもこれに限定するつもりはない。
或る特定の用途にとって必要なマイクロタイタープレ
ート（たとえば、培養後に処理しようとしているサンプ
ルを含んだプレート、空のプレートあるいはクロマトグ
ラフ・マトリックスあるいは試薬混合物を詰めたウェル
を含むプレート）をラック２内に置く。次に、このラッ
クを区画室８内に置く。バッファ溶液ビンまたは試薬ビ
ンは、配管、ポンプおよび弁を経て、処理部１にある分
配装置４に接続される。次に、選定した試薬溶液を処理
部の上部にあるマイクロタイタープレートのウェルの任
意の１つに圧送することができる。試薬は、また、保管
ラックに装填したマイクロタイタープレートのウェルか
ら供給することもできる。このような試薬マイクロタイ
タープレートは、先に述べたように、溶液供給のため
に、処理部において積み重ねた上方すなわち第１のプレ
ートとして位置させることができる。ガス圧力を付与し
たとき、試薬はすぐ下に隣接したマイクロタイタープレ
ートに追い出される。
次に、マイクロプロセッサが、実際の方法が実施され
得るようにプログラムされるか、あるいは、現在の方法
をプロセッサから呼び出すか、あるいは、そこへロード
する。プログラムに入力すべき基本的のパラメータは、
（ｉ）保管ラックでの各マイクロタイタープレートの位
置、（ii）実施すべき作業の各ステップで処理部のプレ
ートの積み重ねを構成すべきプレートの選択、（iii）
第１マイクロタイタープレートの所与のウェルの組み合
わせに対する試薬あるいはバッファ溶液のような他の液
体の添加量および添加時刻、（iv）インキュベーション
および処理のための時間および温度、（ｖ）上方プレー
トのウェルから下方プレートあるいは排液プレートへの
ガス圧力による溶液の移送時間、（iv）実際の用途で要
求されるような振動時間および振動数である。
第４図は、本発明の簡略化した実施例を概略的に示し
ている。これは、ケーシング（図示せず）によって囲ん
だボックス状のフレーム41を包含し、これのケーシング
は、積み重ねた２つのマイクロタイタープレートを支持
するそれぞれ上下の保持手段42、43を有する。図では、
上方保持手段42によって支持されたマイクロタイタープ
レート44のみが示してある。もちろん、たとえば、１つ
またはそれ以上の付加的なマイクロタイタープレートを
受け入れる別の保持手段を設けてもよい。フレーム41の
底部には区画室45が設けてあり、これは取り外し自在の
排液容器46を保持する。フレーム41の頂部には、圧力装
置47が可動状態で装着してある。たとえば、第４図に示
すようにヒンジ止めしてある。この圧力装置47は第３図
に示すガス圧装置５とほぼ同一である。この圧力装置47
も、プレート状であり、膨張自在の密封カラー48、主供
給導管49に接続したガス供給流路49a、49bおよびガス付
与スペース50を有する。カラー48の膨らんだ状態が破線
で示してある。圧力装置47を図に破線で示す「開放」位
置へ揺動させたとき、マイクロタイタープレート44のウ
ェルにアクセスできる。たとえば、そこへ試薬溶液を添
加できる。圧力装置47を「閉鎖」位置へ向かって下方へ
揺動させ、密封カラー48をマイクロタイタープレート44
と接触させ、ガス圧力を付与することによって、ウェル
内の液体が、第１〜３図の実施例について説明したと同
様の要領で、排液容器46または下にあるマイクロタイタ
ープレートのウェルへ追い出される。もちろん、この場
合も、試薬溶液をマイクロタイタープレートのウェルに
添加するのに、上方保持手段42上に試薬プレートを置
き、下方保持手段43上に受け入れ側のマイクロタイター
プレートを置き、圧力装置47から試薬プレートのウェル
へガス圧力を加えることによって試薬溶液マイクロタイ
タープレートのウェルへ追い出すことができる。オプシ
ョンとして、第４図の装置は、マイクロタイタープレー
トを所望の温度でインキュベーションすることができる
ようにした加熱手段を包含する。
本発明が先に説明し、図面に示した実施例に限定され
るものではなく、以下の請求の範囲に定義されているよ
うな本発明の範囲から逸脱することなく多くの修正、変
更をなし得る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−149321（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−239457（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−43377（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 35/00 - 35/10 G01N 1/00 101

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ウェルの底部出口を通して前記ウェル内に
    存在する液体を押し出す底部出口を有する複数のウェル
    を備えるマイクロタイタープレートの前記ウェルにガス
    圧力を供給するための装置であり、前記装置が前記マイ
    クロタイタープレートと少なくとも長さ、幅が同じ可動
    性プレート部材を包含する装置であって、 前記可動性プレート部材（12;47）が前記マイクロタイ
    タープレート（35;44）に対面する側に弾性材料からな
    る膨張可能なカラー（31;48）を有し、前記マイクロタ
    イタープレートに前記圧力供給装置を密閉接触させ、そ
    れにより前記マイクロタイタープレート（35;44）と膨
    張可能なカラー（31;48）と圧力装置プレート（12;47）
    とによりガス付与スペース（34;50）を形成するように
    され、それによってすべてのウェルの入口開口部に同じ
    圧力を付与するようにしたことを特徴とする装置。
  2. 【請求項２】マイクロタイタープレートにおいて生化学
    反応を実施するための装置であって、 複数のウェルを備え、各ウェルは底部出口を有する処理
    すべきマイクロタイタープレート（35;44）を受けてそ
    して保持するための手段（42;43）と、 前記マイクロタイタープレート（35;44）のウェルにガ
    ス圧力を加えるための可動的に装着された請求項１に記
    載の装置（5;47）であって、前記マイクロタイタープレ
    ートの上部へのアクセスを許す位置と、前記膨張可能な
    カラー（31;48）を介して前記マイクロタイタープレー
    トと密封接触し、前記マイクロタイタープレートのウェ
    ルの入口にガス圧力を加えて各ウェルの底部出口を通し
    てウェル内に存在する液体を押し出すようにする位置と
    の間を動くことができる装置（5;47）とからなることを
    特徴とする装置。
  3. 【請求項３】請求項２に記載の装置であって、前記保持
    するための手段が、少なくとも２つのマイクロタイター
    プレートをお互いの上に保持可能であり、前記２つのプ
    レートのウェルが並べられ、前記ガス圧力を供給して上
    のプレートからの液体が下のプレートへ移動するように
    前記上部のプレートのウェルの出口が下のマイクロタイ
    タープレートの対応するウエルの入り口の上に位置する
    ことを特徴とする装置。
  4. 【請求項４】請求項２または３のいずれかに記載の装置
    であって、前記マイクロタイタープレート保持手段（4
    2;43）の下方に排液収集手段（13;46）を包含すること
    を特徴とする装置。
  5. 【請求項５】請求項２または３のいずれかに記載の装置
    であって、前記マイクロタイタープレート保持手段と、
    前記ガス圧力付与装置（５）とからなる処理部（１）
    と、少なくとも２つのマイクロタイタープレートを保持
    する保管ラック（２）と、このラック（２）と処理部
    （１）の間でマイクロタイタープレートを移動させる手
    段（３）とからなることを特徴とする装置。
  6. 【請求項６】請求項５に記載の装置であって、前記処理
    部（１）がさらに、前記上方マイクロタイタープレート
    （35）のウェルへ液体を分配する手段（４）を包含する
    ことを特徴とする装置。
  7. 【請求項７】請求項１〜６のいずれかに記載の装置にお
    いて、前記マイクロタイタープレートおよび前記ガス圧
    力付与装置が相互に圧迫されて前記スペース（34;50）
    を形成することを特徴とする装置。
  8. 【請求項８】請求項５〜７のいずれかに記載の装置にお
    いて、さらにインキュベーション部（６）を包含し、こ
    のインキュベーション部内で、少なくとも１つのマイク
    ロタイタープレートを選定時間、制御温度にさらすこと
    ができ、マイクロタイタープレート移送手段（３）がマ
    イクロタイタープレートを前記インキュベーション部
    （６）へ移送あるいはそこから移送することができるこ
    とを特徴とする装置。
  9. 【請求項９】請求項５〜８のいずれかに記載の装置にお
    いて、処理部（１）において少なくとも前記上方マイク
    ロタイタープレート（35）に振動を与えてウェル内の溶
    液または懸濁液を混合させるか、あるいは、ウェル内の
    懸濁液を懸濁状態に保つか、もしくは、この両方を行う
    ことのできる手段（７）を包含することを特徴とする装
    置。
  10. 【請求項１０】請求項５〜９のいずれかに記載の装置に
    おいて、前記処理部（１）でガス雰囲気を制御する手段
    を包含することを特徴とする装置。
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