JP3743090B2 - Nucleic acid base sequence replication method, replication apparatus, nucleic acid base sequence analysis sample production method, nucleic acid base sequence analysis method, and analysis apparatus - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、核酸の塩基配列複製方法、複製装置、核酸の塩基配列分析試料の製造方法、核酸の塩基配列分析方法、及び分析装置に係り、より詳しくは、反応溶液の加熱及び冷却を連続して所定回数繰り返すポリミラーゼ連鎖反応(PCR)により、DNAあるいはRNAである核酸分子の塩基配列を複製する核酸の塩基配列複製方法及び複製装置、この複製方法または複製装置で複製された反応生成物である核酸の塩基配列を電気泳動法により分析するための分析方法及び分析装置、及び分析のための分析試料を製造するための核酸の塩基配列分析試料の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
特定の核酸配列を持つDNAあるいはRNAを指数関数的に増幅する方法として、ポリミラーゼ連鎖反応(PCR)が知られている(特開昭62−281号公報)。この方法によれば、プライマと熱安定酵素とからなる核酸鎖の合成試薬により微量の試料から目的とする核酸配列を効果的に増幅できることが実証されていて、広く標準的な方法として確立している。
【0003】
この方法では、鋳型となる核酸、4種類のヌクレオシドトリホスフェート(dNTP)、少なくとも1個のオリゴヌクレオチドプライマ、及び熱安定性酵素を含む反応溶液を生成する。そして、この反応溶液を加熱することにより、鋳型となる核酸を熱により変性して一本鎖分子とする。その後、オリゴヌクレオチドプライマが、変性した核酸の相補配列部分に結合するのに適した温度まで冷却し、この温度で所定時間保持した後、熱安定性酵素が有効に働く温度に設定する。これにより、結合したオリゴヌクレオチドプライマを出発点に熱安定性酵素が4種類のヌクレオシドトリホスフェートと鋳型となる核酸とを基質として新しい核酸分子を合成する。この一連の温度操作により鋳型となった核酸分子と同じ配列を持った核酸分子を倍に複製することができ、このような加熱及び冷却の繰り返しを行うことで塩基核酸配列と同様な塩基配列を持った核酸分子を指数関数的に複製することができる。
【0004】
また、この方法により合成される核酸分子はオリゴヌクレオチドプライマと相補的な配列を持つ部分に限定されるため、核酸分子の特定の塩基配列を決定する(シーケンス)際に使用される。
【0005】
上記の複製方法においては、反応段階における温度設定及び温度保持時間を厳密に制御することが必要である。このため、反応溶液の加熱及び冷却の繰り返しを自動的に制御する装置が特開昭62−240862号公報に記載されている。この装置は、金属ブロックを加熱及び冷却するためのヒートポンプと、このヒートポンプの温度を制御するためのコンピュータとから構成され、反応に必要な温度サイクルを実現する。
【0006】
この装置による反応では、プラスチック容器を囲むような形に形成された金属ブロックに反応溶液が入れられたプラスチックの容器を挿入し、この金属ブロックを加熱及び冷却することにより、プラスチック容器内部の反応溶液の加熱及び冷却を行う。
【0007】
加熱に際しては、プラスチック容器内部の反応溶液の蒸発を防ぐため、ミネラルオイルがよく使用されるが、反応後にフェノール等によりサンプル溶液からミネラルオイルを除去する必要が生じる場合がある。そのため、ミネラルオイルの代わりに使用可能な反応溶液の蒸発を防止するワックスが米国Perkin−Elmers社よりAmpliWAX(商品名)として販売されている。
【0008】
上記の装置により生成した核酸分子は、水溶液としてピペット等を用いて反応容器から取り出される。このようにして取り出した核酸分子は、電気泳動法により分子量が測定され、生成した核酸分子が決定されることが多い。その際、サンプルの損失や他のサンプルとのコンタミネーションを防止するため、実験作業者は溶液の移し替えや電気泳動用のゲルへの滴下等に注意を払う必要がある。また、溶液を電気泳動用のゲルへ滴下する時、溶液の比重を増加して電気泳動槽に滴下し易くするために、溶液にグリセリンやサッカロース等を混入させることも必要である。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
PCR等のように溶液の加熱及び冷却を必要とする核酸の塩基配列の複製方法では、反応溶液の温度上昇及び下降を速くすることで、反応に必要な時間を短縮することができる。そのためには、反応溶液と加熱器及び反応溶液と冷却器との間の熱伝導率を高くし、反応溶液及び周辺部分を含めた部分の熱容量を小さくすることが望ましい。
【0010】
しかしながら、上記従来の方式では、反応溶液はプラスチックまたはガラスの容器に入れられ、この容器を金属ブロックで囲む構造であるため、この金属ブロック等の熱容量の影響で反応時間が長く必要になる、という問題がある。
【0011】
本発明は上記問題点を解消するために成されたもので、反応に必要な時間を短縮した核酸の塩基配列複製方法及び複製装置を提供することを第1の目的とする。
【0012】
また、反応中に反応溶液は90°C以上に加熱されることがあるため、ミネラルオイル、ワックス、密閉容器または加湿空気等を用いて反応中の溶液の蒸発を防止する必要があるが、上記の従来技術では、反応後の溶液はピペット等を用いて反応容器から取り出しているため、この反応後の溶液の回収に手間を要し、その回収効率も低下することがある、という問題がある。また、回収操作の時に他のサンプルとのコンタミネーションを起こす危険がある、という問題がある。
【0013】
本発明は、反応後の溶液の回収を簡単にし、回収効率が高く、コンタミネーションをなくした核酸の塩基配列分析試料の製造方法を提供することを第2の目的とする。
【0014】
そして、反応後の生成物は電気泳動によりその分子量を測定することが多いが、その場合、電気泳動用ゲルに反応後の溶液を滴下するのに手間がかかる、という問題がある。また、この操作中、溶液の損失も生じる、という問題がある。
【0015】
本発明は、上記問題点を解消するためになされたもので、生成物を簡単に全量、電気泳動によりその分子量を測定することができる核酸の塩基配列分析方法及び分析装置を提供することを第3の目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
上記第1の目的を達成するために本発明の核酸の塩基配列複製方法は、核酸を含む反応溶液を表面に親水性を示す材料と該親水性を示す材料の周囲を囲む疎水性を示す材料とを被覆した発熱抵抗体の上に滴下し、前記発熱抵抗体へ電力を供給して滴下された反応溶液を加熱することと前記発熱抵抗体への電力供給を停止して滴下された反応溶液を冷却することとを繰り返し、滴下された反応溶液に含まれる核酸の塩基配列を複製するものである。
【0017】
また、本発明の核酸の塩基配列複製装置は、表面に親水性を示す材料と該親水性を示す材料の周囲を囲む疎水性を示す材料とを被覆した反応溶液を滴下するための発熱抵抗体及び前記発熱抵抗体を支持する基板を備えた反応器と、前記反応器の発熱抵抗体へ電力を供給する電力供給装置と、前記発熱抵抗体への電力の供給と前記発熱抵抗体への電力供給の停止とを繰り返し制御する制御装置と、を含んで構成したものである。
【0018】
上記核酸の塩基配列複製方法及び複製装置において、PCR等のように反応溶液の加熱及び冷却を繰り返すことにより核酸の塩基配列の複製を行う場合には、まず、テンプレートDNA、オリゴヌクレオチドプライマ、複数のdNTP、耐熱性DNAポリミラーゼ及び反応に適したイオン濃度に調製されたバッファ溶液からなる反応溶液を生成する。そして、この反応溶液を表面に親水性を示す材料と該親水性を示す材料の周囲を囲む疎水性を示す材料とを被覆した発熱抵抗体、好ましくは平面状の発熱抵抗体上に滴下し、発熱抵抗体へ電力を供給したときの発熱により反応溶液を加熱し、発熱抵抗体への電力供給を停止したときの発熱停止による発熱抵抗体からの放熱により冷却し、反応溶液を反応させる。
【0019】
本発明の核酸の塩基配列複製方法及び複製装置によれば、反応溶液が発熱抵抗体の面で直接接している状態で反応が行われるため、反応溶液と発熱抵抗体との間の熱抵抗は低く、反応溶液の温度上昇及び下降を速やかに行い、反応速度を短縮することができる。
【0020】
反応時に反応溶液の蒸発を防止するためには、反応溶液が滴下された発熱抵抗体及び反応溶液より比重が軽い油性材を共に容器に入れて滴下された反応溶液の加熱及び冷却を繰り返せばよい。反応溶液より比重が軽い油性材としては、ミネラルオイルや米国Perkin−Elmers社の商品名AmpliWAXのワックスを使用することができる。
【0021】
上記発熱抵抗体は、電気抵抗を有する物質であり電力を供給することで発熱するものである。例えば、板状のセラミック基板の上に、抵抗体となるべき金属粒等を混入したペーストを印刷した後、焼成し抵抗体とする厚膜抵抗体を平面状の発熱抵抗体として用いることができる。このような厚膜抵抗体では、ペースト印刷時のパターンにより、基板上に任意の形で、発熱抵抗体を作製することができる。
【0022】
平面状の発熱抵抗体の他の例としては、ガラス基板あるいはシリコンウェファの上に真空蒸着またはスパッタリングにより金属あるいは金属化合物を着膜したものがある。この例では、特に微量の反応溶液を扱う場合に好適な、微小な発熱抵抗体を作製することができる。これらの平面状の発熱抵抗体によれば、同一の基板上に、配線も含めて複数個の発熱抵抗体を作製することができる。そのため、一度に複数の独立した反応を一つの基板上に形成された発熱抵抗体の上で行うことができる。また、基板を長方形にし、その長辺の部分から発熱抵抗体の部分が突出するような形にすると、反応溶液が滴下された発熱抵抗体及び反応溶液より比重が軽い油性材を共に入れる容器(反応容器)への出し入れ、及び核酸の塩基配列を分析するときの電気泳動ゲルへの挿入に際して、複数の発熱抵抗体を一度に操作できるので操作の効率が向上する。
【0023】
発熱抵抗体の表面には、親水性を示す材料と該親水性を示す材料の周囲を囲む疎水性を示す材料とを被覆することができる。
【0024】
親水性を示す材料を被覆するには、前述の厚膜抵抗体による発熱抵抗体の作製方法を使用する場合には、抵抗体となるペーストを印刷した上から、ガラス粒を含むぺーストを印刷し、焼成することで、発熱抵抗体表面にガラス層を形成する方法を用いることができる。ガラスは親水性表面となることが知られているため、発熱抵抗体及び親水性を示す材料を被覆するための表面加工が一度の焼成により作成できる。また、親水性表面を作る材料として樹脂を使うことができ、樹脂としてはポリイミド樹脂が親水性、加工性及び耐熱性に優れているため最も適した樹脂である。
【0025】
発熱抵抗体の反応溶液が滴下される部分の表面に親水性を示す加工を施し、親水性を示す加工がされた表面以外の部分に疎水性を示す加工を施しているので、反応溶液を水滴状にして平面状の発熱抵抗体の親水性を示す表面加工を施した部分に限定的に保持することでき、反応溶液の飛散や他の反応溶液とのコンタミネーションを防止することができる。
【0026】
反応容器は反応溶液の冷却時に発熱抵抗体の放熱を良好にするために、発熱抵抗体の裏面と反応容器の内面とが面で接触する構造にし、反応容器の発熱抵抗体の裏面と接触する部分を熱伝導率のよい金属等で構成すると効果的である。このような反応容器と発熱抵抗体とで構成することにより、冷却時の反応溶液の温度の下降時間を速くすることができる。
【0027】
本発明の複製装置には、反応中の反応溶液の温度を測定するための温度センサを設け、制御装置によって温度センサ出力に基づいて反応溶液の温度を予め定められた温度に制御するようにすることができる。温度制御としては、反応のための温度プロファイルと温度測定結果とに基づいたフィードバック制御を使用することができる。
【0028】
温度センサとしては、熱電対、金属皮膜または半導体温度センサ等公知の温度センサを用いることができる。また、発熱抵抗体として、電気抵抗に熱勾配があるものを用い、その抵抗値から発熱抵抗体の温度を測定する方法を採用することができる。この方法によれば、発熱抵抗体が温度センサを兼ねることになるので、温度センサ及び配線を省略することができる。
【0029】
上記第2の目的を達成するために、本発明の核酸の塩基配列分析試料の製造方法は、核酸を含む反応溶液を発熱抵抗体の上に滴下し、反応溶液が滴下された発熱抵抗体及びワックスを共に容器に入れ、前記発熱抵抗体へ電力を供給して滴下された反応溶液を加熱することと前記発熱抵抗体への電力供給を停止して滴下された反応溶液を冷却することとを繰り返して滴下された反応溶液に含まれる核酸の塩基配列を複製し、ワックスを固形化させて反応溶液、発熱抵抗体及びワックスを一体にして容器から取り出し、反応生成物である核酸の塩基配列を分析するための反応溶液、発熱抵抗体及びワックスを一体にした分析試料を製造するものである。
【0030】
この核酸の塩基配列分析試料の製造方法では、反応溶液が滴下された発熱抵抗体は、反応溶液が滴下された状態で反応溶液ごと、ワックスと共に反応容器内で加熱及び冷却が行われる。ワックスは、室温で硬化することと、反応中は融解していることが好ましいことから、融解温度が30°C〜50°Cの範囲のものを用いることができる。最も扱いやすいワックスは、融解温度が35°C〜45°Cのものである。
【0031】
反応溶液が滴下された発熱抵抗体及びワックスを共に容器に入れて加熱及び冷却を繰り返して反応させているため、反応時に発熱抵抗体の熱によりワックスが融解し、反応溶液の表面を覆うので、反応時の反応溶液の蒸発を防止することができる。
【0032】
この核酸の塩基配列分析試料の製造方法では、核酸の塩基配列を複製する場合と同様に、反応溶液が発熱抵抗体の面で直接接しているため、反応溶液と発熱抵抗体との間の熱抵抗は低く、反応溶液の温度上昇及び下降を速やかに行い、反応速度を短縮して速やかに分析試料を製造することができる。
【0033】
また、ワックスを固形化させているので、ワックスは発熱抵抗体を取り囲むように固形化し、反応溶液、発熱抵抗体及び固形化したワックスを一体にした分析試料を製造しているので、反応溶液が固形化したワックスと発熱抵抗体との間に封入され、飛散したり他の反応溶液と混ざることがなく、これにより反応後の溶液の回収を簡単に行うことができ、回収操作時に他のサンプルとのコンタミネーションを起こすこともない。
【0034】
上記第3の目的を達成するために、本発明の核酸の塩基配列分析方法は、上記の核酸の塩基配列分析試料の製造方法によって製造された分析試料を電気泳動槽のゲル内に入れ、前記発熱抵抗体へ電力を供給して加熱することにより、前記ワックスを発熱抵抗体から剥離して反応溶液をゲル内に放出し、放出した反応溶液中に含まれる反応生成物である核酸の塩基配列を電気泳動法により分析するものである。
【0035】
また、本発明の核酸の塩基配列分析装置は、上記の核酸の塩基配列分析試料の製造方法によって製造された分析試料中の反応溶液に含まれる核酸の塩基配列を電気泳動法により分析する電気泳動槽と、前記発熱抵抗体へ電力を供給して加熱することにより、前記ワックスを発熱抵抗体から剥離して反応溶液をゲル内に放出する剥離装置と、発熱抵抗体の周囲の電位を測定するための測定装置と、前記発熱抵抗体の電位を周囲の電位より低い電位に保持する保持装置と、を含んで構成したものである。
【0036】
電気泳動法により分析する場合には、電気泳動槽の両端に設けられている電極に核酸の泳動方向と逆方向に電界が加わるように電圧を印加する。この時の電圧は、測定対象の核酸の長さ、電気泳動槽の大きさ、ゲルの濃度によって決定される。その時、測定装置により、例えば電気泳動槽の陰極を基準として、発熱抵抗体の周囲の電位Ewを測定する。
【0037】
そして、保持装置により発熱抵抗体の電位を周囲の電位Ewより低い電位、すなわち負の電位になるように保持しながら、発熱抵抗体を加熱し反応溶液を取り囲むワックスを発熱体から剥離させ、反応溶液をゲル内に放出する。この時、放出された反応溶液中に含まれる生成物である核酸は電気泳動槽内の電界により、電気泳動用ゲルの内部に導かれる。例えば、電気泳動槽の陰極を基準として電位Ewを測定した場合には、電気泳動槽の陰極に対し電圧Ehとなる電圧を印加する。このときの電圧Ehは発熱抵抗体の電位を周囲の電位より低くなるように印加するものであり、その電圧EhはEw〜Ew−100[V]範囲(例えば、Ew=20Vのとき、20V〜−80Vの範囲)で設定することができる。この電圧の印加により、核酸分子の発熱抵抗体からの分離を促進させることができる。また、電圧Ehは電位Ewより大きく負の電圧とすると、電気泳動槽全体の電界分布が不均一になり、ゲル中での電界分布を乱して核酸の電気泳動方向を湾曲させることがあるため、電圧EhはEw〜Ew−20[V]の範囲(例えば、Ew=20Vのとき、20V〜0Vの範囲)が適当である。
【0038】
電気泳動が進み、反応生成物である核酸が十分にゲル内で所定の距離まで泳動したところで、電気泳動槽電極への電圧印加、発熱抵抗体へ電力供給及び電圧印加をすべて停止する。
【0039】
上記の核酸の塩基配列分析方法では、反応溶液、発熱抵抗体及び固形化したワックスを一体にした分析試料を用いており、反応後の溶液をピペット等を用いて回収したり、電気泳動用のゲルに反応溶液液を滴下したりする必要がないので、反応後の溶液の回収を簡単に行うことができ、溶液の損失も生じることもない。
【0040】
このようにして電気泳動ゲルに導かれた反応生成物である核酸の分子については、電気泳動法により長さの測定ができる。また、所定の泳動距離のゲルを切り出すことにより、特定の長さをもった核酸分子のみを分離し回収するとができる。また、ワックスが剥離し反応溶液が電気泳動槽に放出された直後に電気泳動槽への印加電界をゼロにして、発熱抵抗体近傍のゲルを回収することで全ての長さのDNAを回収することもできる。
【0041】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図1は、本実施の形態における反応器を示すものである。反応器1は、略長方形状の基板12Gの一方の長辺から複数(本実施の形態では6個)の略長方形の支持部12A〜12Fを所定間隔で突出して形成したアルミナからなる支持基板12と、支持基板12の支持部12A〜12Fの各々の表面上に形成された平面状の複数の発熱抵抗体11A〜11Fとを備えている。
【0042】
発熱抵抗体11A〜11Fは、支持部12A〜12Fの各々の表面上に銀、鉛及びガラス各々の粉末を主成分とする抵抗体ペーストを印刷により付着させ、その後焼成することで形成されている。抵抗体ペーストに混入する金属粉末の成分は、銀及び鉛の他に、金、銅、タングステン、ニッケル等のいずれか一種またはこれらを組み合わせて用いることができる。
【0043】
また、支持基板12は、アルミナの他にシリコンカーバイト、窒化アルミからなるセラミックス等の材料を用いることができる。特に、シリコンカーバイトを用いると熱伝導率が良いので、反応の際、反応溶液の冷却を速やかに行うことができ、反応時間の短縮が図れるので好適である。
【0044】
発熱抵抗体11A〜11Fへ電力を供給するための電力供給用配線21A〜21F,22A〜22Fは、支持基板12上にプリントしたパターン配線によって構成されている。この電力供給用配線21A〜21F,22A〜22Fは、コネクタ14に接続され、コネクタ14は後述するコントローラ装置51に接続される。
【0045】
次に、発熱抵抗体部分を詳細に説明する。発熱抵抗体部分はいずれも同一の構造であるので、1つの発熱抵抗体部分について説明し、他の発熱抵抗体部分についての説明は省略する。図2は図1に示した発熱抵抗体11A部分を拡大した図であり、図3は図2のA−A’線断面図である。
【0046】
発熱抵抗体11Aは、電力供給用配線21A、22Aに接続されるように支持部12A上に平面状に形成されている。発熱抵抗体11Aの表面には、ガラスからなる親水性表面材23が被覆されている。親水性表面材23は、発熱抵抗体を形成する抵抗体ペーストを印刷した上から、ガラス粒を含むぺーストを印刷し、焼成することで、発熱抵抗体表面に形成されたガラス層によって構成されている。
【0047】
親水性表面材23としては、ガラスの他に親水性を示す樹脂を用いることができる。このような樹脂としては、発熱抵抗体の発熱に対し耐性があるポリイミドが適している。親水性表面材23は発熱抵抗体11Aの表面に位置し、滴下した反応溶液31を保持する。
【0048】
親水性表面材23の周囲には、疎水性表面材24が、親水性表面材23の反応溶液31を滴下する部分を除いて発熱抵抗体11A、及び支持部12Aの全体を被覆するように形成されている。このように疎水性表面材24を被覆することにより、反応溶液31を親水性表面材23の露出部分に限定した部分に保持することができる。疎水性表面材24としては、硬化後に疎水性を示す樹脂を用いることができ、このような樹脂としてはシリコーン系のコーティング剤がその加工性、耐熱性及び疎水性において優れた最適な材料である。
【0049】
発熱抵抗体11Aは、支持基板12上の電力供給用配線21A、22Aを介して電力が供給され発熱する。その時に滴下されている反応溶液31の温度を測定しフィードバック制御をするための、温度センサ27Aが親水性表面材23の表面に配置されている。温度センサ27Aからのリード線は、支持基板上の配線28A、29Aに接続されている。
【0050】
本実施の形態において、発熱抵抗体11Aの表面は、親水性表面材23が疎水性表面材24によって囲まれた構造であれば、形状や加工方法はどのようなものを使用してもよい。図4はそのような形状の例を示したものである。
【0051】
図4の(a)は、疎水性表面材24として、粘性のあるシリコーン系のコーティング剤を適量、発熱抵抗体11Aの周辺に点線Bに沿って滴下し形成した場合における、親水性表面材23の露出している部分の形状を示したものである。発熱抵抗体11Aの表面の粗さや傾斜によって、露出部分の形状は不均等で歪んだ形状になっているが、機能上大きな問題はない。
【0052】
図4の(b)は、円形状の親水性表面材23が疎水性表面材24の中に複数個点在する形状を示すものである。この形状では、個々の親水性表面が占有する面積が小さくなり、親水性表面材23に溜まる反応溶液の量が少なくなることから、反応溶液の温度の上昇及び下降を速やかにできるため、反応時間を短縮することができる。
【0053】
なお、親水性表面材23が点在するときの形状は、図4の(c)に示すような矩形状であっても同様の効果が得られる。
【0054】
図4の(a)及び(b)の形状は、フォトレジスト等により親水性表面材23の露出させたい部分をマスクし、疎水性表面材24となる材料をコートする方法で形成することができる。また、疎水性表面材24としてフッ素樹脂によるシールを用い、親水性表面材23を露出させる部分に対応した部分に穴を穿設してシールを貼着けることで形成することもできる。
【0055】
図5は反応器1とコントローラ装置51との接続を示す図である。なお、図において、符号13A〜13Fは図1の電力供給用配線21A〜21F,22A〜22Fを示し、符号52A〜52Fは温度センサ27A〜27Fからのリード線が接続される配線(図2には配線28A、29Aのみ示す)を示すものである。
【0056】
6個の発熱抵抗体11A〜11Fは、それぞれ発熱のために電力を供給する支持基板12の上の電力供給用配線13A〜13Fの一端に接続されている。また、各々の発熱抵抗体に設けられている温度センサ27A〜27Fの信号は、支持基板12上のセンサ用配線52A〜52Fの一端に接続されている。電力供給用配線13A〜13F及びセンサ用配線52A〜52Fの他端は、支持基板12のコネクタ14に接続され、このコネクタ14はコントローラ装置51へ接続するためのコネクタ53に接続されている。
【0057】
コントローラ装置51は、図6のブロック図に示すように、発熱抵抗体11A〜11Fの各々に接続されて発熱用の電力を供給するためのアンプ52A〜52Fを備えている。各アンプ52A〜52Fは、インターフェイス回路54A〜54F及びバスラインを介してCPU、ROM、RAMを含んで構成されたコンピュータ58に接続されている。
【0058】
各温度センサ27A〜27Fは、アナログ信号をディジタル信号に変換するA/Dコンバータ56A〜56F、及びバスラインを介してコンピュータ58に接続されている。
【0059】
図7は、発熱抵抗体の持つ電気抵抗の温度勾配を利用し、発熱抵抗体が温度センサを兼ねる場合のコントローラ装置のインターフェイス部分の回路図である。各回路は同一構成であるため、図7では、発熱抵抗体11Fに接続されている部分のみ示した。図に示すように、発熱抵抗体11Fは、アンプ52F、インターフェイス回路54F及びバスラインを介してコンピュータ58に接続されている。また、発熱抵抗体11Fは、抵抗器61、A/Dコンバータ62F、63F、及びバスラインを介してコンピュータ58に接続されている。
【0060】
抵抗器61は、発熱抵抗体11Fの抵抗値に対して十分低い抵抗値のものを用いる。これにより、抵抗器61の両端の電圧は発熱抵抗体11Fに流れる電流Irを示すことになる。この値をA/Dコンバータ62Fによりディジタルデータに変換し、バスラインを通じてコンピュータに入力する。A/Dコンバータ63Fは、発熱抵抗体11Fに印加する電圧Erをディジタルデータに変換し、バスラインを通じてコンピュータに入力する。コンピュータはRr=Er/Irを計算し、Rrの値から発熱抵抗体11Fの温度を演算する。
【0061】
発熱抵抗体11Fの材料が金属を主成分とするものであれば、温度上昇に対して電気抵抗が低下することが知られているので、Rrの値より発熱抵抗体11Fの温度を求めることができる。この場合、発熱抵抗体の主成分として、白金、ニッケル、銅等を用いると温度測定の感度を向上することができる。特に、白金は、温度測定の安定性に優れた材料である。
【0062】
この回路によれば、発熱抵抗体が温度センサを兼ねているため、温度センサを省略することができる。
【0063】
次に、反応溶液を反応させる反応容器について説明する。図9及び図10に示すように、反応容器72は、ポリプロピレン等の100°C以上の耐熱性を持つプラスチックで形成され、かつ上面及び側面に開口する略直方体状の複数の穴が独立に穿設された本体74を備えている。本体74の開口を備えた側面、すなわち裏面には、アルミニューム、銅、銀等の熱伝導性のよい材料で形成された板状の放熱部材75が取付けられており、本体74と放熱部材75とにより、上面のみに開口した複数の反応室71が形成されている。放熱部材75は、反応器を冷却をする場合に放熱機構となるものであり、更に効率よく冷却するために放熱部材75の外側面に冷却装置を取り付けるようにしてもよい。
【0064】
次に、図12及び図13を参照して、電気泳動法によって反応生成物であるDNA等の核酸分子を分析する分析装置について説明する。図に示すように、この分析装置は電気泳動槽101を備えており、電気泳動槽101の内部の両端の側壁近傍の位置には、各々陰極121及び陽極122が対向するように配置されている。陰極121及び陽極122には、核酸の泳動方向と逆方向に電界が印加されるように電源64が接続されている。電気泳動槽101内には、ゲル102が収納される。電気泳動時の電源64の電圧は、測定したい核酸の長さ、電気泳動槽の大きさ、ゲルの濃度によって決定されるので、コンピュータによって電圧が制御可能な可変電源が好ましい。
【0065】
また、電気泳動槽101の分析時に反応器が挿入される部位の下側には、電位測定電極104が配置されている。この電位測定電極104と陰極121との間には、電圧計68が接続されており、この電圧計68により挿入された反応器の発熱抵抗体の周囲の電位Ewが測定される。また、陰極121と反応器1との間には、陰極121の電位を基準とした電圧Ehを印加するための電源66が接続されている。電圧Ehは、発熱抵抗体の電位を周囲の電位Ewに対して負になるように印加するものであり、Ew〜Ew−100[V]の範囲(例えば、20〜−80[V]の範囲)で設定される。発熱抵抗体の電位を周囲の電位Ewより大きく負の値に設定すると、電気泳動槽全体の電界分布が不均一になり、核酸の電気泳動方向を湾曲させることがあるため、EhはEw〜Ew−20[V]の範囲(例えば、20〜0[V]の範囲)が好ましい範囲である。
【0066】
この分析装置では、電気泳動が進み、反応生成物である核酸が充分にゲル内で所定の距離まで泳動されたところで、電源からの電圧印加及び発熱抵抗体への電力供給をすべて停止する。
【0067】
図1の反応器は、発熱抵抗体を支持基板上に6組形成しており、形状は図1のように支持基板の形を全体として長方形にして、その長辺部分から複数の発熱抵抗体を支持する支持部分を突出した形状にしてある。このような形状にすることで、反応器1の発熱抵抗体の部分のみを反応容器72の反応室71に挿入したり、反応容器72から電気泳動槽101へ移送したりする場合に適した形状となる。また、同一の反応器に複数組の発熱抵抗体を設けることで、一度に同一または異なった複数の反応を行うことができる。さらに、発熱抵抗体の温度を独立に制御することができることから、それぞれ異なった条件の反応を行うことができる。
【0068】
次に、上記の反応器を用いて、反応溶液に含まれる核酸の塩基配列を複製する方法、及び複製された核酸の塩基配列を電気泳動法により分析する方法について説明する。まず、使用する発熱抵抗体の表面の親水性表面材23が露出した部分に、テンプレートDNA、オリゴヌクレオチドプライマ、dNTPs、耐熱性DNAポリミラーゼ及び反応に適したイオン濃度に調製されたバッファ溶液からなる反応溶液31をピペット等により反応をさせる発熱抵抗体上に滴下する。反応溶液31は、図9に示すように、水滴状に親水性表面材23に付着する。
【0069】
反応溶液が付着している状態で、反応器1の発熱抵抗体が設けられている部分の各々を反応容器72の反応室71の各々に挿入する。この場合、反応器1の発熱抵抗体が設けられている面と反対側の面が放熱部材75に接触するように、すなわち、反応器1の反応溶液が付着している面が図9の矢印D方向を向くように挿入する。また、この時、反応室71の内壁面に反応溶液31が接触しないように注意しながら挿入する。
【0070】
その後、各反応室71の内部に融解温度が45°Cの小粒状のワックスあるいは50°Cに熱して融解したワックス73を反応溶液が付着している部分が挿入されている反応室71の内部に挿入する。
【0071】
次に、発熱抵抗体へ電力を供給して滴下された反応溶液を加熱することと発熱抵抗体への電力供給を停止して滴下された反応溶液を冷却することとを繰り返す温度制御をコントローラ装置51によって行い反応溶液を反応させる。
【0072】
図8を参照してコントローラ装置51による温度制御について説明する。まず、予め図示しないキーボードから温度制御すべき発熱抵抗体を指定しておく。この場合、全ての発熱抵抗体を使用して反応を行わせる場合には全ての発熱抵抗体を指定し、温度制御すべき発熱抵抗体の各々で温度制御条件が異なるようであれば、温度制御条件も同時に指定する。
【0073】
ステップ100では、温度制御すべき発熱抵抗体に設けられている各温度センサで測定された測定値を取り込み、ステップ102で温度制御条件に応じた加熱制御時の第1の設定温度(例えば、94°C)、加熱制御時の第2の設定温度(例えば、72°C)、冷却制御時の設定温度(例えば、55°C)、及び温度保持制御時の設定温度(例えば、68°C)を読み込む。
【0074】
なお、上記の設定温度及び加熱及び冷却の繰り返しサイクルは、予めコンピュータ58のROMやRAM等の記憶装置に記憶され、指定された温度条件に応じて読み出されるが、制御する度にキーボードから入力してもよい。
【0075】
次のステップ104では、各温度センサで測定された測定値と加熱制御時の第1の設定温度とに基づいて、電力を供給し反応溶液の温度が所定時間の間(例えば、1分)加熱制御時の第2の設定温度に一致するようにフィードバック制御する。所定時間加熱制御を行った後、次のステップ106では、各温度センサで測定された測定値と冷却制御時の設定温度とに基づいて、電力の供給を停止し反応溶液の温度が所定時間の間(例えば、4分)冷却制御時の設定温度に一致するようにフィードバック制御する。この場合、反応器1の発熱抵抗体が設けられている面と反対側の面が放熱部材75に接触しているので、速やかに冷却することができる。なお、放熱部材75の外面に冷却装置を取り付けた場合には、冷却制御時に冷却装置の制御を同時に行うことにより、冷却制御の時間を更に短縮することができる。そして、ステップ107において、各温度センサで測定された測定値と加熱制御時の第2の設定温度とに基づいて、電力を供給し反応溶液の温度が所定時間の間(例えば、1分)加熱制御時の第2の設定温度に一致するようにフィードバック制御する。
すなわち、コンピュータは、予め記憶装置に記憶されている反応を行うための設定温度と時間とのプロファイルに従って、設定温度に対応する発熱量に見合った電気信号をインターフェイス回路を介してアンプに送り、アンプはこの電気信号を電力に変換して、発熱抵抗体を発熱させ、反応溶液を加熱する。アンプに与えられる電気信号としては、発生電力の量が電圧あるいは電流として現されたアナログ信号、または発生電力の量がパルス数やパルス幅などで現されたディジタル信号を用いることができる。なお、冷却制御の場合は電力の供給を停止する。この動作は、各発熱抵抗体について独立に設定された温度対時間のプロファイルによって独立に制御されるようにプログラミングされている。
【0076】
次のステップ108では、予め定められたサイクルだけ加熱制御及び冷却制御が繰り返されたか否かを判断し、繰り返されていない場合は上記の加熱制御及び冷却制御を繰り返えし、予め定められたサイクル加熱制御及び冷却制御が繰り返された場合には、ステップ110においてフィードバック制御により反応溶液の温度を所定時間(例えば、7分)設定温度に保持されるように温度保持制御を行い、温度保持制御が終了した時にこのルーチンを終了する。
【0077】
図10に示すように、反応中は、反応室71内部に挿入したワックス73が溶解し、反応器1の親水性表面材23に付着した反応溶液31を取り囲むような状態になり、反応溶液31の蒸発を防止する。この状態で、コントローラ装置51は上記で説明したように温度対時間のプロファイルに従って反応溶液31の温度制御を行う。反応後は発熱体への電力供給を停止し、反応室71内部の温度を低下する。
【0078】
図11は、PCR反応後に反応器1を反応容器から取り出した状態を示す図である。反応室71内部の温度を低下することにより反応室71内部のワックス73が固形化するので、反応器1の各発熱抵抗体の部分に反応溶液31を取り囲んだ状態で、反応溶液、発熱抵抗体及びワックスを一体にした分析試料を反応容器から取り出すことができる。そして、一体として取り出した分析試料を用いて、核酸の塩基配列が分析される。
【0079】
本実施の形態によれば、ワックスは発熱抵抗体を取り囲むように固形化し、反応溶液、発熱抵抗体及び固形化したワックスを一体にして分析されるので、反応溶液が固形化したワックスと発熱抵抗体との間に封入され、飛散したり他の反応溶液と混ざることがなく、これにより反応後の溶液の回収を簡単に行うことができ、回収操作時に他のサンプルとのコンタミネーションを起こすこともない。
【0080】
図12は、反応器1を反応容器72取り出し、水平タイプの電気泳動槽101に移しかえる様子を示す図である。図11の状態のまま、反応器1の発熱抵抗体の部分を電気泳動槽101の中に移送し、反応溶液31の電気泳動による反応生成物の電気泳動分析を行う。
【0081】
図13は、電気泳動槽101の内部の様子を示した図である。反応器1の発熱抵抗体が設けられている部分を各々ゲル102に設けられている角穴103に挿入する。この状態で、発熱抵抗体の電位を周囲の電位より低い負の電位に保持した状態で各発熱抵抗体に電力を供給する。これにより、付着していたワックス73が熱により融解して剥離し、角穴103の上部に浮上する。ワックスの浮上と同時に、反応溶液31は角穴103の中に溶け出す。
【0082】
図14は、反応器1の発熱抵抗体に印加する電圧と、電気泳動槽の電極に印加する電圧との関係を示す図である。電気泳動ではDNA等の核酸分子は、陰極121から陽極122に向かって、すなわち、反応器1の背面に対応する方向に負電極121が置かれているため、矢印Mの方向に核酸分子が移動する。この時、反応器1を電気泳動槽101に挿入しない状態で、電気泳動槽内で反応器1が挿入される位置の陰極121を基準とした電位Ewを、電位測定電極104により測定する。
【0083】
反応器1と陰極121との間に、電圧Ehを印加することにより、各発熱抵抗体には、ワックスを融解し剥離するための電力の供給に加えて、陰極121の電位を基準にしてEw〜Ew−20[V]の範囲で設定された電圧Ehが印加される。このような発熱抵抗体への電圧印加によって核酸分子を泳動させる電界の強さが強くなるため、反応溶液31の中に含まれる核酸分子のゲル102への溶解を促進することができ、核酸分子が浮上する前に核酸分子をゲル102内へ溶解させることができる。このため、従来のように、反応溶液にグリセリンやサッカロース等を混入させて反応溶液の比重を増加させて核酸分子が浮上するのを防止する必要がなくなる。
【0084】
その後の操作は通常の電気泳動と同様であり、核酸であるDNA長を測定したり、所望の長さのDNAをゲルから切り出し分離回収したりする。
【0085】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の核酸の塩基配列複製方法及び核酸の塩基配列複製装置によれば、反応溶液が発熱抵抗体の面で直接接している状態で反応が行われるため、反応溶液と発熱抵抗体との間の熱抵抗は低く、反応溶液の温度上昇及び下降を速やかに行い、反応速度を短縮することができる、という効果が得られる。
【0086】
また、反応溶液が滴下された発熱抵抗体及び反応溶液より比重が軽い油性材を共に容器に入れて反応させれば、反応溶液の蒸発を防止することができる、という効果が得られる。
【0087】
発熱抵抗体の表面に親水性を示す材料と該親水性を示す材料の周囲を囲む疎水性を示す材料とを被覆することにより、反応溶液を水滴状にして発熱抵抗体の親水性を示す表面加工を施した部分に限定的に保持することができ、反応溶液の飛散や他の反応溶液とのコンタミネーションを防止することができる、という効果が得られる。
【0088】
本発明の核酸の塩基配列分析試料の製造方法によれば、反応溶液、発熱抵抗体及び固形化したワックスを一体にした分析試料を製造しているので、反応溶液が固形化したワックスと発熱抵抗体との間に封入され、飛散したり他の反応溶液と混ざることがなく、これにより反応後の溶液の回収を簡単に行うことができ、回収操作時に他のサンプルとのコンタミネーションを起こさないようにすることができる、という効果が得られる。
【0089】
そして、本発明の核酸の塩基配列分析方法及び分析装置によれば、反応溶液、発熱抵抗体及び固形化したワックスを一体にした分析試料を用いており、反応後の溶液をピペット等を用いて回収したり、電気泳動用のゲルに反応溶液液を滴下したりする必要がないので、反応後の溶液の回収を簡単に行うことができ、溶液の損失も生じることもない、という効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態の反応器を示す斜視図である。
【図2】上記反応器の発熱抵抗体の部分の拡大図である。
【図3】図2のA−A’線断面図である。
【図4】発熱抵抗体の表面での親水性表面材と疎水性表面材の形状の他の例を示す平面図である。
【図5】反応器とコントローラ装置との接続を状態を示す図である。
【図6】コントローラ装置の詳細を示すブロック図である。
【図7】発熱抵抗体が温度センサを兼ねる場合の、コントローラ装置のインターフェイス部分の回路図である。
【図8】発熱抵抗体を加熱及び冷却する温度制御ルーチンを示す流れ図である。
【図9】 反応容器及び反応液滴下された反応器を示す斜視図である。
【図10】反応器が反応容器の内部に挿入して反応を行わせる状態を示す図である。
【図11】 反応後に反応器を反応容器から取り出したときの図である。
【図12】反応器を反応容器から水平タイプの電気泳動槽に移しかえる様子を示す図である。
【図13】 電気泳動槽の内部で反応器から反応溶液を回収するときの図である。
【図14】発熱抵抗体に印加する電圧と電気泳動槽の電極との電圧の関係を示す図である。
【符号の説明】
1 反応器
11A〜11F 発熱抵抗体
12 支持基板
14 反応器のコネクタ
23 親水性表面材
24 疎水性表面材
27A〜27F 温度センサ
51 コントローラ装置
52A〜52F 温度センサ用配線
53 コントローラ装置のコネクタ
72 反応容器
101 電気泳動槽
102 電気泳動に用いるゲル
103 ゲルに開けた角穴
104 電位測定電極
121 電気泳動槽の陰極
122 電気泳動槽の陽極
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a nucleic acid base sequence replication method, a replication apparatus, a nucleic acid base sequence analysis sample production method, a nucleic acid base sequence analysis method, and an analysis apparatus. More specifically, the reaction solution is continuously heated and cooled. A nucleic acid base sequence replication method and replication apparatus that replicates the base sequence of a nucleic acid molecule that is DNA or RNA by a polyamylase chain reaction (PCR) repeated a predetermined number of times, and a reaction product replicated by this replication method or replication apparatus The present invention relates to an analysis method and an analysis apparatus for analyzing a nucleic acid base sequence by electrophoresis, and a method for producing a nucleic acid base sequence analysis sample for producing an analysis sample for analysis.
[0002]
[Prior art]
As a method for exponentially amplifying DNA or RNA having a specific nucleic acid sequence, polymirase chain reaction (PCR) is known (Japanese Patent Laid-Open No. 62-281). According to this method, it has been demonstrated that a target nucleic acid sequence can be effectively amplified from a very small amount of sample by using a nucleic acid chain synthesis reagent composed of a primer and a thermostable enzyme. Yes.
[0003]
In this method, a reaction solution containing a nucleic acid as a template, four kinds of nucleoside triphosphates (dNTP), at least one oligonucleotide primer, and a thermostable enzyme is generated. Then, by heating this reaction solution, the nucleic acid serving as a template is denatured by heat to form a single-stranded molecule. Thereafter, the oligonucleotide primer is cooled to a temperature suitable for binding to the complementary sequence portion of the denatured nucleic acid, held at this temperature for a predetermined time, and then set to a temperature at which the thermostable enzyme is effective. Thereby, starting from the bound oligonucleotide primer, a thermostable enzyme synthesizes a new nucleic acid molecule using four types of nucleoside triphosphates and a template nucleic acid as a substrate. By this series of temperature operations, a nucleic acid molecule having the same sequence as the template nucleic acid molecule can be duplicated. By repeating such heating and cooling, a base sequence similar to the base nucleic acid sequence can be obtained. Nucleic acid molecules can be replicated exponentially.
[0004]
Further, since the nucleic acid molecule synthesized by this method is limited to a portion having a sequence complementary to the oligonucleotide primer, it is used for determining a specific base sequence of the nucleic acid molecule (sequence).
[0005]
In the above replication method, it is necessary to strictly control the temperature setting and the temperature holding time in the reaction stage. For this reason, an apparatus for automatically controlling the repetition of heating and cooling of the reaction solution is described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-240862. This apparatus is composed of a heat pump for heating and cooling the metal block and a computer for controlling the temperature of the heat pump, and realizes a temperature cycle necessary for the reaction.
[0006]
In the reaction by this apparatus, a plastic container in which a reaction solution is placed in a metal block formed so as to surround the plastic container is inserted, and the reaction solution in the plastic container is heated and cooled. Is heated and cooled.
[0007]
During heating, mineral oil is often used to prevent evaporation of the reaction solution inside the plastic container, but it may be necessary to remove the mineral oil from the sample solution with phenol or the like after the reaction. Therefore, a wax that prevents evaporation of a reaction solution that can be used in place of mineral oil is sold as AmpliWAX (trade name) by Perkin-Elmers, USA.
[0008]
The nucleic acid molecule generated by the above apparatus is taken out from the reaction vessel using a pipette or the like as an aqueous solution. In many cases, the nucleic acid molecules thus extracted are measured for molecular weight by electrophoresis, and the generated nucleic acid molecules are determined. At that time, in order to prevent sample loss and contamination with other samples, the experiment worker needs to pay attention to the transfer of the solution and the dropping onto the gel for electrophoresis. In addition, when the solution is dropped onto the gel for electrophoresis, it is necessary to add glycerin, saccharose or the like to the solution in order to increase the specific gravity of the solution and make it easier to drop into the electrophoresis tank.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In a nucleic acid base sequence replication method that requires heating and cooling of a solution such as PCR, the time required for the reaction can be shortened by increasing the temperature rise and fall of the reaction solution. For this purpose, it is desirable to increase the thermal conductivity between the reaction solution and the heater and between the reaction solution and the cooler, and to reduce the heat capacity of the reaction solution and the portion including the peripheral portion.
[0010]
However, in the above conventional method, the reaction solution is put in a plastic or glass container, and the container is surrounded by a metal block, so that the reaction time is long due to the influence of the heat capacity of the metal block or the like. There's a problem.
[0011]
The present invention has been made to solve the above problems, and a first object of the present invention is to provide a nucleic acid base sequence replication method and replication apparatus that shorten the time required for the reaction.
[0012]
In addition, since the reaction solution may be heated to 90 ° C. or higher during the reaction, it is necessary to prevent evaporation of the solution during the reaction using mineral oil, wax, a sealed container or humidified air. In the conventional technique, since the solution after the reaction is taken out from the reaction container using a pipette or the like, there is a problem that the recovery of the solution after the reaction requires time and the recovery efficiency may be lowered. . There is also a problem that there is a risk of causing contamination with other samples during the collection operation.
[0013]
A second object of the present invention is to provide a method for producing a nucleic acid base sequence analysis sample that simplifies the recovery of a solution after reaction, has high recovery efficiency, and eliminates contamination.
[0014]
In many cases, the molecular weight of the product after the reaction is measured by electrophoresis. However, in this case, there is a problem that it takes time to drop the solution after the reaction onto the gel for electrophoresis. In addition, there is a problem that solution loss occurs during this operation.
[0015]
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems. It is a first object of the present invention to provide a nucleic acid base sequence analysis method and analyzer that can easily measure the total amount of a product and its molecular weight by electrophoresis. The purpose of 3.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the first object, the nucleic acid base sequence replication method of the present invention comprises a reaction solution containing a nucleic acid. The surface is coated with a hydrophilic material and a hydrophobic material surrounding the hydrophilic material. Dropping on the heating resistor, supplying power to the heating resistor to heat the dropped reaction solution, and stopping the power supply to the heating resistor to cool the dropped reaction solution And the base sequence of the nucleic acid contained in the dropped reaction solution is replicated.
[0017]
Further, the nucleic acid base sequence replication apparatus of the present invention comprises: The surface is coated with a hydrophilic material and a hydrophobic material surrounding the hydrophilic material. A reactor comprising a heating resistor for dropping the reaction solution and a substrate supporting the heating resistor, a power supply device for supplying power to the heating resistor of the reactor, and power to the heating resistor And a control device that repeatedly controls the supply of power to the heating resistor and the stop of the power supply to the heating resistor.
[0018]
In the nucleic acid base sequence replication method and replication apparatus described above, in the case of replicating a nucleic acid base sequence by repeatedly heating and cooling a reaction solution, such as PCR, first, template DNA, oligonucleotide primers, A reaction solution comprising dNTP, a heat-resistant DNA polymirase, and a buffer solution prepared to an ion concentration suitable for the reaction is generated. And this reaction solution The surface is coated with a hydrophilic material and a hydrophobic material surrounding the hydrophilic material. By dropping on a heating resistor, preferably a planar heating resistor, heating the reaction solution by the heat generated when power is supplied to the heating resistor, and by stopping the heat generation when power supply to the heating resistor is stopped The reaction solution is reacted by cooling by heat radiation from the heating resistor.
[0019]
According to the nucleic acid base sequence replication method and replication apparatus of the present invention, since the reaction is performed in a state where the reaction solution is in direct contact with the surface of the heating resistor, the thermal resistance between the reaction solution and the heating resistor is Low, the temperature of the reaction solution can be raised and lowered quickly, and the reaction rate can be shortened.
[0020]
In order to prevent the reaction solution from evaporating during the reaction, the heating resistor to which the reaction solution is dropped and the oily material having a lighter specific gravity than the reaction solution are both put in a container, and heating and cooling of the dropped reaction solution are repeated. . As the oily material having a lighter specific gravity than the reaction solution, mineral oil or wax of trade name AmpliWAX manufactured by Perkin-Elmers, USA can be used.
[0021]
The heating resistor is a substance having electrical resistance and generates heat when power is supplied. For example, a thick film resistor that is printed on a plate-shaped ceramic substrate with a paste mixed with metal particles or the like to be a resistor and then fired to form a resistor can be used as a planar heating resistor. . With such a thick film resistor, a heating resistor can be produced in any form on the substrate, depending on the pattern during paste printing.
[0022]
As another example of the planar heating resistor, there is one in which a metal or a metal compound is deposited on a glass substrate or a silicon wafer by vacuum deposition or sputtering. In this example, a minute heating resistor suitable for handling a very small amount of reaction solution can be produced. According to these planar heating resistors, a plurality of heating resistors including wiring can be manufactured on the same substrate. Therefore, a plurality of independent reactions can be performed on the heating resistor formed on one substrate at a time. In addition, if the substrate is rectangular and the heating resistor part protrudes from the long side part of the substrate, the heating resistor in which the reaction solution is dropped and a container for containing an oily material having a specific gravity lower than that of the reaction solution ( Since a plurality of heating resistors can be operated at the same time when being inserted into and removed from the reaction vessel) and inserted into the electrophoresis gel when analyzing the base sequence of the nucleic acid, the operation efficiency is improved.
[0023]
The surface of the heating resistor can be coated with a hydrophilic material and a hydrophobic material surrounding the hydrophilic material.
[0024]
To coat the material showing hydrophilicity, when using the above-mentioned method for producing a heating resistor with a thick film resistor, print the paste containing the glass particles after printing the paste that becomes the resistor. Then, a method of forming a glass layer on the surface of the heating resistor can be used by firing. Since glass is known to have a hydrophilic surface, surface processing for coating the heating resistor and the hydrophilic material can be made by a single firing. Further, a resin can be used as a material for forming a hydrophilic surface. As the resin, a polyimide resin is the most suitable resin because it is excellent in hydrophilicity, workability and heat resistance.
[0025]
Since the surface of the part where the reaction solution of the heating resistor is dropped is subjected to processing that exhibits hydrophilicity, and the portion other than the surface that is processed to exhibit hydrophilicity is subjected to processing that exhibits hydrophobicity, Thus, the planar heating resistor can be held in a limited manner on the surface treated to show hydrophilicity, and scattering of the reaction solution and contamination with other reaction solutions can be prevented.
[0026]
The reaction vessel has a structure in which the back surface of the heating resistor and the inner surface of the reaction vessel are in contact with each other in order to improve the heat dissipation of the heating resistor when the reaction solution is cooled, and is in contact with the back surface of the heating resistor of the reaction vessel. It is effective if the portion is made of a metal having good thermal conductivity. By comprising such a reaction vessel and a heating resistor, the temperature drop time of the reaction solution during cooling can be shortened.
[0027]
The duplication device of the present invention is provided with a temperature sensor for measuring the temperature of the reaction solution during the reaction, and the control device controls the temperature of the reaction solution to a predetermined temperature based on the temperature sensor output. be able to. As temperature control, feedback control based on the temperature profile for the reaction and the temperature measurement result can be used.
[0028]
As the temperature sensor, a known temperature sensor such as a thermocouple, a metal film, or a semiconductor temperature sensor can be used. Further, a method of measuring the temperature of the heating resistor from the resistance value using a heating resistor having a thermal gradient in the electrical resistance can be adopted. According to this method, since the heating resistor also serves as the temperature sensor, the temperature sensor and the wiring can be omitted.
[0029]
In order to achieve the second object described above, the method for producing a nucleic acid base sequence analysis sample of the present invention comprises dropping a reaction solution containing a nucleic acid onto a heating resistor, Putting wax together in a container, supplying power to the heating resistor to heat the dropped reaction solution, and stopping the power supply to the heating resistor to cool the dropped reaction solution. The base sequence of the nucleic acid contained in the reaction solution dropped repeatedly is solidified, the wax is solidified, the reaction solution, the heating resistor and the wax are integrated and removed from the container, and the base sequence of the nucleic acid that is the reaction product is determined. An analysis sample in which a reaction solution for analysis, a heating resistor, and wax are integrated is manufactured.
[0030]
In this method for producing a nucleic acid base sequence analysis sample, the heating resistor to which the reaction solution is dropped is heated and cooled in the reaction container together with the wax together with the reaction solution while the reaction solution is dropped. Since the wax is preferably cured at room temperature and melted during the reaction, a wax having a melting temperature in the range of 30 ° C. to 50 ° C. can be used. The most manageable wax has a melting temperature of 35 ° C to 45 ° C.
[0031]
Since both the heating resistor and the wax to which the reaction solution is dropped are placed in a container and repeatedly heated and cooled to react, the wax melts due to the heat of the heating resistor during the reaction and covers the surface of the reaction solution. Evaporation of the reaction solution during the reaction can be prevented.
[0032]
In this method for producing a nucleic acid base sequence analysis sample, the reaction solution is in direct contact with the surface of the heating resistor as in the case of duplicating the nucleic acid base sequence. Since the resistance is low, the temperature of the reaction solution can be quickly raised and lowered, the reaction rate can be shortened, and the analysis sample can be quickly produced.
[0033]
In addition, since the wax is solidified, the wax is solidified so as to surround the heating resistor, and the reaction solution, the heating resistor, and the analytical sample in which the solidified wax is integrated are manufactured. It is sealed between the solidified wax and the heating resistor, and does not scatter or mix with other reaction solutions, which makes it possible to easily recover the solution after the reaction, and to collect other samples during the recovery operation. There will be no contamination.
[0034]
In order to achieve the third object, the nucleic acid base sequence analysis method of the present invention includes the analysis sample produced by the nucleic acid base sequence analysis sample production method in a gel of an electrophoresis tank, By supplying power to the heating resistor and heating, the wax is peeled from the heating resistor to release the reaction solution into the gel, and the nucleic acid base sequence that is a reaction product contained in the released reaction solution Are analyzed by electrophoresis.
[0035]
In addition, the nucleic acid base sequence analyzer of the present invention is an electrophoresis which analyzes the base sequence of a nucleic acid contained in a reaction solution in an analysis sample produced by the above method for producing a nucleic acid base sequence analysis sample by electrophoresis. A tank, a peeling device for peeling the wax from the heating resistor and releasing the reaction solution into the gel by supplying power to the heating resistor and heating, and measuring the potential around the heating resistor And a holding device that holds the potential of the heating resistor at a potential lower than the surrounding potential.
[0036]
When analyzing by electrophoresis, a voltage is applied to the electrodes provided at both ends of the electrophoresis tank so that an electric field is applied in the direction opposite to the direction of nucleic acid migration. The voltage at this time is determined by the length of the nucleic acid to be measured, the size of the electrophoresis tank, and the gel concentration. At that time, for example, the potential Ew around the heating resistor is measured by the measuring device with reference to the cathode of the electrophoresis tank, for example.
[0037]
The holding resistor holds the potential of the heating resistor lower than the surrounding potential Ew, that is, a negative potential, while heating the heating resistor to peel off the wax surrounding the reaction solution from the heating element, Release the solution into the gel. At this time, the nucleic acid, which is a product contained in the released reaction solution, is guided into the electrophoresis gel by the electric field in the electrophoresis tank. For example, when the potential Ew is measured with reference to the cathode of the electrophoresis tank, a voltage that is the voltage Eh is applied to the cathode of the electrophoresis tank. The voltage Eh at this time is applied so that the potential of the heating resistor is lower than the surrounding potential, and the voltage Eh ranges from Ew to Ew-100 [V] (for example, when Ew = 20V, 20V to -80V range). By applying this voltage, separation of nucleic acid molecules from the heating resistor can be promoted. Further, if the voltage Eh is larger than the potential Ew and is a negative voltage, the electric field distribution of the entire electrophoresis tank becomes non-uniform, and the electric field distribution in the gel may be disturbed to curb the electrophoresis direction of the nucleic acid. The voltage Eh is suitably in the range of Ew to Ew-20 [V] (for example, the range of 20 V to 0 V when Ew = 20 V).
[0038]
When electrophoresis proceeds and the reaction product nucleic acid sufficiently migrates to a predetermined distance in the gel, voltage application to the electrophoresis tank electrode, power supply to the heating resistor, and voltage application are all stopped.
[0039]
In the nucleic acid base sequence analysis method described above, an analysis sample in which the reaction solution, the heating resistor and the solidified wax are integrated is used, and the solution after the reaction is recovered using a pipette or the like. Since there is no need to drop the reaction solution on the gel, the solution after the reaction can be easily recovered, and no loss of solution occurs.
[0040]
Thus, the length of the nucleic acid molecule, which is a reaction product guided to the electrophoresis gel, can be measured by electrophoresis. Further, by cutting out a gel having a predetermined migration distance, only nucleic acid molecules having a specific length can be separated and recovered. In addition, immediately after the wax is peeled off and the reaction solution is released into the electrophoresis tank, the applied electric field to the electrophoresis tank is zeroed, and the gel in the vicinity of the heating resistor is recovered to recover all lengths of DNA. You can also.
[0041]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows a reactor in the present embodiment. The reactor 1 includes a support substrate 12 made of alumina formed by projecting a plurality (six in this embodiment) of substantially rectangular support portions 12A to 12F at predetermined intervals from one long side of a substantially rectangular substrate 12G. And a plurality of planar heating resistors 11A to 11F formed on the surfaces of the support portions 12A to 12F of the support substrate 12, respectively.
[0042]
The heating resistors 11A to 11F are formed by attaching a resistor paste mainly composed of silver, lead, and glass powder on the surface of each of the support portions 12A to 12F, followed by firing. . In addition to silver and lead, the component of the metal powder mixed in the resistor paste may be any one of gold, copper, tungsten, nickel, or a combination thereof.
[0043]
The support substrate 12 may be made of a material such as ceramics made of silicon carbide or aluminum nitride in addition to alumina. In particular, the use of silicon carbide is preferable because the thermal conductivity is good, so that the reaction solution can be quickly cooled during the reaction and the reaction time can be shortened.
[0044]
The power supply wirings 21 </ b> A to 21 </ b> F and 22 </ b> A to 22 </ b> F for supplying power to the heating resistors 11 </ b> A to 11 </ b> F are configured by pattern wirings printed on the support substrate 12. The power supply wires 21A to 21F and 22A to 22F are connected to the connector 14, and the connector 14 is connected to a controller device 51 described later.
[0045]
Next, the heating resistor portion will be described in detail. Since all the heating resistor portions have the same structure, only one heating resistor portion will be described, and description of the other heating resistor portions will be omitted. 2 is an enlarged view of the portion of the heating resistor 11A shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG.
[0046]
The heating resistor 11A is formed in a planar shape on the support portion 12A so as to be connected to the power supply wirings 21A and 22A. The surface of the heating resistor 11A is covered with a hydrophilic surface material 23 made of glass. The hydrophilic surface material 23 is composed of a glass layer formed on the surface of the heating resistor by printing a paste containing glass particles after printing a resistor paste that forms the heating resistor, and baking it. ing.
[0047]
As the hydrophilic surface material 23, in addition to glass, a hydrophilic resin can be used. As such a resin, polyimide which is resistant to the heat generation of the heating resistor is suitable. The hydrophilic surface material 23 is located on the surface of the heating resistor 11 </ b> A and holds the dropped reaction solution 31.
[0048]
Around the hydrophilic surface material 23, the hydrophobic surface material 24 is formed so as to cover the entire heating resistor 11 </ b> A and the support portion 12 </ b> A except for the portion where the reaction solution 31 of the hydrophilic surface material 23 is dropped. Has been. By covering the hydrophobic surface material 24 in this way, the reaction solution 31 can be held in a portion limited to the exposed portion of the hydrophilic surface material 23. As the hydrophobic surface material 24, a resin exhibiting hydrophobicity after curing can be used. As such a resin, a silicone-based coating agent is an optimum material excellent in processability, heat resistance and hydrophobicity. .
[0049]
The heating resistor 11A generates heat when power is supplied via the power supply wirings 21A and 22A on the support substrate 12. A temperature sensor 27A for measuring the temperature of the reaction solution 31 dropped at that time and performing feedback control is disposed on the surface of the hydrophilic surface material 23. Lead wires from the temperature sensor 27A are connected to wirings 28A and 29A on the support substrate.
[0050]
In the present embodiment, any shape and processing method may be used for the surface of the heating resistor 11A as long as the hydrophilic surface material 23 is surrounded by the hydrophobic surface material 24. FIG. 4 shows an example of such a shape.
[0051]
4A shows a hydrophilic surface material 23 in the case where an appropriate amount of a viscous silicone-based coating agent is dropped as a hydrophobic surface material 24 along the dotted line B around the heating resistor 11A. This shows the shape of the exposed portion of the. Although the shape of the exposed portion is uneven and distorted due to the surface roughness and inclination of the heating resistor 11A, there is no significant functional problem.
[0052]
FIG. 4B shows a shape in which a plurality of circular hydrophilic surface materials 23 are scattered in the hydrophobic surface material 24. In this shape, the area occupied by each hydrophilic surface is reduced, and the amount of the reaction solution accumulated in the hydrophilic surface material 23 is reduced. Therefore, the temperature of the reaction solution can be rapidly increased and decreased, so that the reaction time Can be shortened.
[0053]
The same effect can be obtained even when the shape when the hydrophilic surface material 23 is dotted is a rectangular shape as shown in FIG.
[0054]
4A and 4B can be formed by a method of masking a portion of the hydrophilic surface material 23 to be exposed with a photoresist or the like and coating a material to be the hydrophobic surface material 24. . Alternatively, a seal made of a fluororesin can be used as the hydrophobic surface material 24, and a hole can be formed in a portion corresponding to the portion where the hydrophilic surface material 23 is exposed, and the seal can be attached.
[0055]
FIG. 5 is a diagram showing the connection between the reactor 1 and the controller device 51. In the figure, reference numerals 13A to 13F denote power supply wirings 21A to 21F and 22A to 22F in FIG. 1, and reference numerals 52A to 52F denote wirings to which lead wires from the temperature sensors 27A to 27F are connected (see FIG. 2). Indicates only wirings 28A and 29A).
[0056]
The six heating resistors 11A to 11F are respectively connected to one ends of power supply wirings 13A to 13F on the support substrate 12 that supplies power for heat generation. In addition, signals from the temperature sensors 27 </ b> A to 27 </ b> F provided in the respective heating resistors are connected to one ends of sensor wires 52 </ b> A to 52 </ b> F on the support substrate 12. The other ends of the power supply wirings 13 </ b> A to 13 </ b> F and the sensor wirings 52 </ b> A to 52 </ b> F are connected to the connector 14 of the support substrate 12, and this connector 14 is connected to a connector 53 for connection to the controller device 51.
[0057]
As shown in the block diagram of FIG. 6, the controller device 51 includes amplifiers 52 </ b> A to 52 </ b> F that are connected to the heating resistors 11 </ b> A to 11 </ b> F and supply power for heating. Each of the amplifiers 52A to 52F is connected to a computer 58 including a CPU, a ROM, and a RAM via interface circuits 54A to 54F and a bus line.
[0058]
The temperature sensors 27A to 27F are connected to the computer 58 via A / D converters 56A to 56F that convert analog signals into digital signals, and bus lines.
[0059]
FIG. 7 is a circuit diagram of the interface portion of the controller device when the temperature gradient of the electrical resistance of the heating resistor is utilized and the heating resistor also serves as a temperature sensor. Since each circuit has the same configuration, only the portion connected to the heating resistor 11F is shown in FIG. As shown in the figure, the heating resistor 11F is connected to a computer 58 via an amplifier 52F, an interface circuit 54F, and a bus line. The heating resistor 11F is connected to the computer 58 via a resistor 61, A / D converters 62F and 63F, and a bus line.
[0060]
The resistor 61 has a resistance value sufficiently lower than the resistance value of the heating resistor 11F. As a result, the voltage across the resistor 61 indicates the current Ir flowing through the heating resistor 11F. This value is converted into digital data by the A / D converter 62F and input to the computer through the bus line. The A / D converter 63F converts the voltage Er applied to the heating resistor 11F into digital data and inputs it to the computer through the bus line. The computer calculates Rr = Er / Ir and calculates the temperature of the heating resistor 11F from the value of Rr.
[0061]
If the material of the heating resistor 11F is composed mainly of a metal, it is known that the electrical resistance decreases with increasing temperature. Therefore, the temperature of the heating resistor 11F can be obtained from the value of Rr. it can. In this case, the sensitivity of temperature measurement can be improved by using platinum, nickel, copper or the like as the main component of the heating resistor. In particular, platinum is a material having excellent temperature measurement stability.
[0062]
According to this circuit, since the heating resistor also serves as the temperature sensor, the temperature sensor can be omitted.
[0063]
Next, the reaction container for reacting the reaction solution will be described. As shown in FIGS. 9 and 10, the reaction vessel 72 is made of a plastic having a heat resistance of 100 ° C. or higher such as polypropylene, and a plurality of substantially rectangular parallelepiped holes opened on the upper surface and the side surface are independently drilled. A main body 74 is provided. A plate-like heat radiating member 75 formed of a material having good thermal conductivity such as aluminum, copper, silver, or the like is attached to a side surface having an opening of the main body 74, that is, the back surface. As a result, a plurality of reaction chambers 71 opened only on the upper surface are formed. The heat dissipating member 75 serves as a heat dissipating mechanism when the reactor is cooled, and a cooling device may be attached to the outer surface of the heat dissipating member 75 for further efficient cooling.
[0064]
Next, with reference to FIG. 12 and FIG. 13, an analysis apparatus for analyzing nucleic acid molecules such as DNA, which is a reaction product, by electrophoresis is described. As shown in the figure, this analyzer is provided with an electrophoresis tank 101, and the cathode 121 and the anode 122 are arranged so as to face each other at positions in the vicinity of both side walls inside the electrophoresis tank 101. . A power source 64 is connected to the cathode 121 and the anode 122 so that an electric field is applied in the direction opposite to the direction of migration of nucleic acids. A gel 102 is accommodated in the electrophoresis tank 101. Since the voltage of the power source 64 during electrophoresis is determined by the length of the nucleic acid to be measured, the size of the electrophoresis tank, and the gel concentration, a variable power source whose voltage can be controlled by a computer is preferable.
[0065]
In addition, a potential measurement electrode 104 is disposed below the portion where the reactor is inserted during analysis of the electrophoresis tank 101. A voltmeter 68 is connected between the potential measuring electrode 104 and the cathode 121, and the potential Ew around the heating resistor of the reactor inserted by the voltmeter 68 is measured. Further, a power source 66 for applying a voltage Eh with reference to the potential of the cathode 121 is connected between the cathode 121 and the reactor 1. The voltage Eh is applied so that the potential of the heating resistor is negative with respect to the surrounding potential Ew, and ranges from Ew to Ew-100 [V] (for example, a range from 20 to -80 [V]). ). If the potential of the heating resistor is set to a negative value larger than the surrounding potential Ew, the electric field distribution in the entire electrophoresis tank becomes non-uniform, and the electrophoresis direction of the nucleic acid may be curved, so Eh is Ew to Ew A range of −20 [V] (for example, a range of 20 to 0 [V]) is a preferable range.
[0066]
In this analyzer, when electrophoresis proceeds and the nucleic acid as a reaction product is sufficiently migrated to a predetermined distance in the gel, the voltage application from the power source and the power supply to the heating resistor are all stopped.
[0067]
In the reactor of FIG. 1, six sets of heating resistors are formed on a supporting substrate, and the shape of the supporting substrate is rectangular as a whole as shown in FIG. The support portion for supporting the projection has a protruding shape. By adopting such a shape, a shape suitable for inserting only the portion of the heating resistor of the reactor 1 into the reaction chamber 71 of the reaction vessel 72 or transferring it from the reaction vessel 72 to the electrophoresis tank 101. It becomes. In addition, by providing a plurality of sets of heating resistors in the same reactor, a plurality of reactions that are the same or different can be performed at a time. Furthermore, since the temperature of the heating resistor can be controlled independently, reactions under different conditions can be performed.
[0068]
Next, a method for replicating the base sequence of the nucleic acid contained in the reaction solution using the above reactor and a method for analyzing the base sequence of the replicated nucleic acid by electrophoresis will be described. First, a reaction comprising a template DNA, an oligonucleotide primer, dNTPs, a heat-resistant DNA polymirase, and a buffer solution prepared at an ion concentration suitable for the reaction, on the exposed portion of the hydrophilic surface material 23 on the surface of the heating resistor to be used. The solution 31 is dropped on a heating resistor that causes the reaction with a pipette or the like. As shown in FIG. 9, the reaction solution 31 adheres to the hydrophilic surface material 23 in the form of water droplets.
[0069]
With the reaction solution attached, each portion of the reactor 1 where the heating resistor is provided is inserted into each of the reaction chambers 71 of the reaction vessel 72. In this case, the surface of the reactor 1 opposite to the surface on which the heat generating resistor is provided is in contact with the heat radiating member 75, that is, the surface to which the reaction solution of the reactor 1 is attached is the arrow in FIG. Insert to face the D direction. At this time, the reaction solution 31 is inserted with care so as not to contact the inner wall surface of the reaction chamber 71.
[0070]
Thereafter, the inside of each reaction chamber 71 is inserted with a portion where a reaction solution is attached to small granular wax having a melting temperature of 45 ° C. or wax 73 melted by heating to 50 ° C. Insert into.
[0071]
Next, the controller device performs temperature control for repeatedly supplying power to the heating resistor to heat the dropped reaction solution and stopping the power supply to the heating resistor to cool the dropped reaction solution. The reaction solution is reacted according to 51.
[0072]
The temperature control by the controller device 51 will be described with reference to FIG. First, a heating resistor whose temperature is to be controlled is designated in advance from a keyboard (not shown). In this case, if all the heating resistors are used for reaction, specify all the heating resistors, and if the temperature control conditions differ for each heating resistor to be temperature controlled, temperature control Specify the conditions at the same time.
[0073]
In step 100, the measured value measured by each temperature sensor provided in the heating resistor to be temperature-controlled is taken, and in step 102, a first set temperature (for example, 94) at the time of heating control according to the temperature control condition. ° C), second set temperature during heating control (eg, 72 ° C.), set temperature during cooling control (eg, 55 ° C.), and set temperature during temperature holding control (eg, 68 ° C.) Is read.
[0074]
The set temperature and the repeated cycle of heating and cooling are stored in advance in a storage device such as a ROM or RAM of the computer 58 and read out according to the specified temperature condition. May be.
[0075]
In the next step 104, electric power is supplied and the temperature of the reaction solution is heated for a predetermined time (for example, 1 minute) based on the measured value measured by each temperature sensor and the first set temperature at the time of heating control. Feedback control is performed so as to coincide with the second set temperature at the time of control. After performing the heating control for a predetermined time, in the next step 106, based on the measured value measured by each temperature sensor and the set temperature at the time of cooling control, the supply of electric power is stopped and the temperature of the reaction solution is set to the predetermined time. Feedback control is performed so as to coincide with the set temperature during cooling control (for example, 4 minutes). In this case, since the surface of the reactor 1 opposite to the surface on which the heating resistor is provided is in contact with the heat radiating member 75, it can be quickly cooled. In addition, when a cooling device is attached to the outer surface of the heat radiating member 75, the cooling control time can be further shortened by simultaneously controlling the cooling device during the cooling control. In step 107, electric power is supplied based on the measured value measured by each temperature sensor and the second set temperature at the time of heating control, and the temperature of the reaction solution is heated for a predetermined time (for example, 1 minute). Feedback control is performed so as to coincide with the second set temperature at the time of control.
That is, the computer sends an electric signal corresponding to the heat generation amount corresponding to the set temperature to the amplifier via the interface circuit according to the profile of the set temperature and time for performing the reaction stored in advance in the storage device, and the amplifier Converts this electrical signal into electric power, heats the heating resistor, and heats the reaction solution. As an electric signal supplied to the amplifier, an analog signal in which the amount of generated power is expressed as a voltage or current, or a digital signal in which the amount of generated power is expressed by the number of pulses, pulse width, or the like can be used. In the case of cooling control, power supply is stopped. This operation is programmed to be controlled independently by a temperature vs. time profile set independently for each heating resistor.
[0076]
In the next step 108, it is determined whether or not the heating control and the cooling control are repeated for a predetermined cycle. If the heating control and the cooling control are not repeated, the above heating control and cooling control are repeated. When cycle heating control and cooling control are repeated, temperature holding control is performed so that the temperature of the reaction solution is maintained at a set temperature for a predetermined time (for example, 7 minutes) by feedback control in step 110, and temperature holding control is performed. This routine is terminated when is finished.
[0077]
As shown in FIG. 10, during the reaction, the wax 73 inserted into the reaction chamber 71 is dissolved to surround the reaction solution 31 attached to the hydrophilic surface material 23 of the reactor 1. Prevent evaporation. In this state, the controller device 51 controls the temperature of the reaction solution 31 according to the temperature versus time profile as described above. After the reaction, the power supply to the heating element is stopped, and the temperature inside the reaction chamber 71 is lowered.
[0078]
FIG. 11 is a view showing a state where the reactor 1 is taken out from the reaction container after the PCR reaction. Since the wax 73 inside the reaction chamber 71 is solidified by lowering the temperature inside the reaction chamber 71, the reaction solution and the heating resistor are surrounded by the reaction solution 31 in each heating resistor portion of the reactor 1. And the analysis sample in which the wax is integrated can be taken out of the reaction vessel. Then, the base sequence of the nucleic acid is analyzed using the analysis sample taken out as a unit.
[0079]
According to the present embodiment, the wax is solidified so as to surround the heat generating resistor, and the reaction solution, the heat generating resistor, and the solidified wax are analyzed integrally, so that the reaction solution is solidified with the wax and the heat generating resistance. It is sealed between the body and does not scatter or mix with other reaction solutions. This makes it possible to easily recover the solution after the reaction and cause contamination with other samples during the recovery operation. Nor.
[0080]
FIG. 12 is a view showing a state in which the reactor 1 is taken out from the reaction vessel 72 and transferred to the horizontal type electrophoresis tank 101. In the state of FIG. 11, the portion of the heating resistor of the reactor 1 is transferred into the electrophoresis tank 101, and the electrophoresis analysis of the reaction product by electrophoresis of the reaction solution 31 is performed.
[0081]
FIG. 13 is a diagram showing the inside of the electrophoresis tank 101. The portion of the reactor 1 where the heating resistor is provided is inserted into each square hole 103 provided in the gel 102. In this state, power is supplied to each heating resistor in a state where the potential of the heating resistor is held at a negative potential lower than the surrounding potential. As a result, the attached wax 73 is melted and peeled off by heat, and floats above the square hole 103. Simultaneously with the rising of the wax, the reaction solution 31 dissolves into the square hole 103.
[0082]
FIG. 14 is a diagram showing the relationship between the voltage applied to the heating resistor of the reactor 1 and the voltage applied to the electrode of the electrophoresis tank. In electrophoresis, nucleic acid molecules such as DNA move in the direction of arrow M because the negative electrode 121 is placed from the cathode 121 toward the anode 122, that is, in the direction corresponding to the back surface of the reactor 1. To do. At this time, in a state where the reactor 1 is not inserted into the electrophoresis tank 101, the potential Ew is measured by the potential measuring electrode 104 with reference to the cathode 121 at the position where the reactor 1 is inserted in the electrophoresis tank.
[0083]
By applying a voltage Eh between the reactor 1 and the cathode 121, each heating resistor is supplied with electric power for melting and peeling the wax, and Ew based on the potential of the cathode 121. A voltage Eh set in a range of ~ Ew-20 [V] is applied. Since the strength of the electric field for migrating nucleic acid molecules by applying voltage to such a heating resistor increases, dissolution of the nucleic acid molecules contained in the reaction solution 31 in the gel 102 can be promoted. The nucleic acid molecule can be dissolved in the gel 102 before the surface of the surface. For this reason, it is not necessary to prevent nucleic acid molecules from floating by increasing the specific gravity of the reaction solution by mixing glycerin, saccharose or the like into the reaction solution, as in the prior art.
[0084]
Subsequent operations are the same as in normal electrophoresis, and the length of DNA, which is a nucleic acid, is measured, or DNA having a desired length is cut out from the gel and collected.
[0085]
【The invention's effect】
As described above, according to the nucleic acid base sequence replication method and nucleic acid base sequence replication apparatus of the present invention, the reaction is performed in a state where the reaction solution is in direct contact with the surface of the heat generating resistor. The thermal resistance between the resistor and the resistor is low, and it is possible to quickly increase and decrease the temperature of the reaction solution and shorten the reaction rate.
[0086]
Moreover, if both the exothermic resistor to which the reaction solution is dropped and the oily material having a specific gravity lighter than that of the reaction solution are put in a container and reacted, an effect that evaporation of the reaction solution can be prevented can be obtained.
[0087]
The surface of the heating resistor is coated with a hydrophilic material and a hydrophobic material surrounding the hydrophilic material to make the reaction solution into water droplets, thereby showing the hydrophilicity of the heating resistor. The effect can be obtained that it can be limitedly held in the processed portion, and scattering of the reaction solution and contamination with other reaction solutions can be prevented.
[0088]
According to the method for producing a nucleic acid base sequence analysis sample of the present invention, an analysis sample in which a reaction solution, a heating resistor and a solidified wax are integrated is manufactured. It is sealed between the body and does not scatter or mix with other reaction solutions. This makes it easy to recover the solution after the reaction, and does not cause contamination with other samples during the recovery operation. The effect that it can be made is acquired.
[0089]
Then, according to the nucleic acid base sequence analysis method and analysis apparatus of the present invention, an analysis sample in which a reaction solution, a heating resistor and a solidified wax are integrated is used, and the solution after the reaction is used using a pipette or the like. Since there is no need to recover or drop the reaction solution onto the gel for electrophoresis, it is possible to easily recover the solution after the reaction and there is no loss of solution. It is done.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a reactor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged view of a portion of a heating resistor of the reactor.
3 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG.
FIG. 4 is a plan view showing another example of the shape of the hydrophilic surface material and the hydrophobic surface material on the surface of the heating resistor.
FIG. 5 is a diagram showing a state of connection between a reactor and a controller device.
FIG. 6 is a block diagram showing details of the controller device.
FIG. 7 is a circuit diagram of an interface portion of a controller device when a heating resistor also serves as a temperature sensor.
FIG. 8 is a flowchart showing a temperature control routine for heating and cooling the heating resistor.
FIG. 9 is a perspective view showing a reaction vessel and a reactor dropped with reaction droplets.
FIG. 10 is a view showing a state in which a reactor is inserted into a reaction vessel to perform a reaction.
FIG. 11 is a view when the reactor is taken out of the reaction vessel after the reaction.
FIG. 12 is a diagram showing how the reactor is transferred from the reaction vessel to a horizontal type electrophoresis tank.
FIG. 13 is a view when the reaction solution is recovered from the reactor inside the electrophoresis tank.
FIG. 14 is a diagram showing the relationship between the voltage applied to the heating resistor and the voltage between the electrodes of the electrophoresis tank.
[Explanation of symbols]
1 reactor
11A-11F Heating resistor
12 Support substrate
14 Reactor connector
23 Hydrophilic surface material
24 Hydrophobic surface material
27A-27F Temperature sensor
51 Controller device
52A to 52F Temperature sensor wiring
53 Controller device connector
72 reaction vessel
101 electrophoresis tank
102 Gel used for electrophoresis
103 Square hole in the gel
104 Potential measurement electrode
121 Electrophoresis bath cathode
122 Anode of electrophoresis tank

Claims (10)

核酸を含む反応溶液を表面に親水性を示す材料と該親水性を示す材料の周囲を囲む疎水性を示す材料とを被覆した発熱抵抗体の上に滴下し、
前記発熱抵抗体へ電力を供給して滴下された反応溶液を加熱することと前記発熱抵抗体への電力供給を停止して滴下された反応溶液を冷却することとを繰り返し、
滴下された反応溶液に含まれる核酸の塩基配列を複製する
核酸の塩基配列複製方法。
A reaction solution containing nucleic acid is dropped on a heating resistor coated with a hydrophilic material on the surface and a hydrophobic material surrounding the hydrophilic material ,
Repeatedly supplying power to the heating resistor to heat the dropped reaction solution and stopping the power supply to the heating resistor to cool the dropped reaction solution,
A method for replicating a nucleic acid base sequence that replicates the base sequence of a nucleic acid contained in a dropped reaction solution.
反応溶液が滴下された発熱抵抗体及び反応溶液より比重が軽い油性材を共に容器に入れて前記滴下された反応溶液の加熱及び冷却を繰り返す請求項1記載の核酸の塩基配列複製方法。  The nucleic acid base sequence replication method according to claim 1, wherein both the exothermic resistor to which the reaction solution is dropped and the oily material having a specific gravity lighter than that of the reaction solution are placed in a container and heating and cooling of the dropped reaction solution are repeated. 表面に親水性を示す材料と該親水性を示す材料の周囲を囲む疎水性を示す材料とを被覆した反応溶液を滴下するための発熱抵抗体及び前記発熱抵抗体を支持する基板を備えた反応器と、
前記反応器の発熱抵抗体へ電力を供給する電力供給装置と、
前記発熱抵抗体への電力の供給と前記発熱抵抗体への電力供給の停止とを繰り返し制御する制御装置と、
を含む核酸の塩基配列複製装置。
Reaction comprising a heating resistor for dropping a reaction solution coated with a hydrophilic material on the surface and a hydrophobic material surrounding the hydrophilic material and a substrate supporting the heating resistor And
A power supply device for supplying power to the heating resistor of the reactor;
A control device that repeatedly controls the supply of power to the heating resistor and the stop of power supply to the heating resistor;
Nucleic acid base sequence replicating apparatus comprising:
反応溶液が滴下された発熱抵抗体及び反応溶液より比重が軽い油性材を共に入れる容器を更に含む請求項3項記載の核酸の塩基配列複製装置。  4. The nucleic acid base sequence replicating apparatus according to claim 3, further comprising: a heating resistor into which the reaction solution is dropped and a container for storing an oily material having a lighter specific gravity than the reaction solution. 前記反応溶液の温度を測定する温度センサを更に備え、前記制御装置は前記温度センサ出力に基づいて前記反応溶液の温度を予め定められた温度に制御する請求項3または4記載の核酸の塩基配列複製装置。  The nucleic acid base sequence according to claim 3 or 4, further comprising a temperature sensor for measuring the temperature of the reaction solution, wherein the control device controls the temperature of the reaction solution to a predetermined temperature based on the output of the temperature sensor. Replication device. 発熱抵抗体が温度センサを兼ねるようにした請求項5記載の核酸の塩基配列複製装置。  The nucleic acid base sequence replicating apparatus according to claim 5, wherein the heating resistor also serves as a temperature sensor. 核酸を含む反応溶液を発熱抵抗体の上に滴下し、  A reaction solution containing nucleic acid is dropped on the heating resistor,
反応溶液が滴下された発熱抵抗体及びワックスを共に容器に入れ、  Put the exothermic resistor and wax with the reaction solution dripped into the container,
前記発熱抵抗体へ電力を供給して滴下された反応溶液を加熱することと前記発熱抵抗体への電力供給を停止して滴下された反応溶液を冷却することとを繰り返して滴下された反応溶液に含まれる核酸の塩基配列を複製し、  The reaction solution dropped by repeatedly supplying power to the heating resistor to heat the dropped reaction solution and stopping the power supply to the heating resistor and cooling the dropped reaction solution Duplicates the base sequence of the nucleic acid contained in
ワックスを固形化させて反応溶液、発熱抵抗体及びワックスを一体にして容器から取り出し、  Solidify the wax and unify the reaction solution, heating resistor and wax from the container,
反応生成物である核酸の塩基配列を分析するための反応溶液、発熱抵抗体及びワックスを一体にした分析試料を製造する核酸の塩基配列分析試料の製造方法。  A method for producing a nucleic acid base sequence analysis sample for producing an analysis sample in which a reaction solution for analyzing a nucleic acid base sequence as a reaction product, a heating resistor and a wax are integrated.
請求項7の核酸の塩基配列分析試料の製造方法によって製造された分析試料を電気泳動槽のゲル内に入れ、  The analysis sample produced by the method for producing a nucleic acid base sequence analysis sample of claim 7 is placed in a gel of an electrophoresis tank,
前記発熱抵抗体へ電力を供給して加熱することにより、前記ワックスを発熱抵抗体から剥離して反応溶液をゲル内に放出し、  By supplying electric power to the heating resistor and heating, the wax is peeled from the heating resistor to release the reaction solution into the gel,
放出した反応溶液中に含まれる反応生成物である核酸の塩基配列を電気泳動法により分析する  Analyze the nucleotide sequence of nucleic acid, a reaction product contained in the released reaction solution, by electrophoresis
核酸の塩基配列分析方法。  Nucleic acid base sequence analysis method.
前記ワックスを前記発熱抵抗体から剥離する際、前記発熱抵抗体の電位を周囲の電位より低い電位に保持する請求項8記載の核酸の塩基配列分析方法。  The nucleic acid base sequence analysis method according to claim 8, wherein, when the wax is peeled from the heating resistor, the potential of the heating resistor is maintained at a potential lower than the surrounding potential. 請求項7の核酸の塩基配列分析試料の製造方法によって製造された分析試料中の反応溶液に含まれる核酸の塩基配列を電気泳動法により分析する電気泳動槽と、  An electrophoresis tank for analyzing the base sequence of a nucleic acid contained in a reaction solution in an analysis sample produced by the method for producing a nucleic acid base sequence analysis sample of claim 7, by electrophoresis;
前記発熱抵抗体へ電力を供給して加熱することにより、前記ワックスを発熱抵抗体から剥離して反応溶液をゲル内に放出する剥離装置と、  A peeling device for peeling the wax from the heating resistor and releasing the reaction solution into the gel by supplying power to the heating resistor and heating;
発熱抵抗体の周囲の電位を測定するための測定装置と、  A measuring device for measuring the potential around the heating resistor;
前記発熱抵抗体の電位を周囲の電位より低い電位に保持する保持装置と、  A holding device for holding the potential of the heating resistor at a potential lower than the surrounding potential;
を含む核酸の塩基配列分析装置。  Nucleic acid base sequence analyzer comprising:
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