JP3790919B2 - Trace liquid reactor - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は反応装置、好適にはDNA増幅装置に関し、特に、複数の微量の反応溶液を精密且つ迅速に制御できる微量液体の反応装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、生物材料を用いた各種反応は適宜の加温条件下で実行される。最近では、微量の生物材料を用いて精密な反応を行う要望が高まっていて、微量化に対応した微細構造の反応装置が主流になりつつある。例えば、DNAのような核酸材料を扱う反応装置は、DNA増幅を行うポリメラーゼ連鎖反応(Polymerase Chain Reaction;以下PCRという)を可能にした構成を備えることが重要である。このPCRは、様々な種類のDNA混合物から目的の核酸配列部分を増幅する方法である。PCRは、増幅すべきDNA配列を有する二本鎖DNAと、二種類以上のプライマーと、熱安定性のポリメラーゼ酵素と、四種類のデオキシリボヌクレオシド三燐酸(dATP, dCTP, dGTP, dTTP)とを含む溶液中で行われる。その反応は、二本鎖核酸を一対の一本鎖核酸に分離するための加熱変性工程(約94℃)と、温度を下げて一本鎖核酸の所定部位にプライマーをハイブリダイズさせるためのアニール工程(約50〜60℃)と、耐熱性酵素の作動温度にまで昇温してポリメラーゼ反応を行うことによりプライマーを伸長させ、一本鎖核酸を鋳型として所望のDNA配列を複製する複製工程(約72℃)とからなっており、これらの三つの工程を少なくとも1回以上繰り返すことにより、特定の核酸配列が増幅される。
【0003】
上記の温度制御を行うためのPCR反応装置については、幾つかの提案がなされている。例えば、特開平5-317030号には、シリコンウエハを加工し、夫々が所定の恒温状態に維持される複数の反応容器を形成し、反応溶液をこれら複数の反応容器の間で移動させることによりPCRを行う装置が開示されている。また、特表平7-508928号には、シリコンウエハを加工して反応容器を形成すると共に、温度制御のための抵抗加熱体を形成し、更に反応溶液の搬送および検出を自動化したDNA増幅装置が開示されている。これらシリコンウエハを加工して反応容器を形成した装置では、微小量の反応溶液を用いるので、PCRのための温度制御を比較的正確に行うことができる。
【0004】
ところで、実際にPCR反応を行うためには、反応室内にPCR反応溶液を注入し、反応後の溶液を回収する必要があるので、ピペッティング等の方法により試料溶液の注入および排出を行えるのが望ましい。また、PCRは非常に高感度にDNAを増幅するので、反応容器を再使用しないようにしてキャリーオーバーを防止するのが望ましく、そのためには反応容器を簡単に取り替えできることが望ましい。
【0005】
更に、数μL程度の微量のPCR溶液を用いて反応を行うので、加熱反応中のPCR溶液の蒸発による喪失は大きな問題である。特に、試料溶液を注入排出するための開口部を設けると、この蒸発によるロスは不可避的に大きくなる。
【0006】
上記の問題はDNA増幅器を実用化する上で極めて大きな問題であるが、このような実用上の観点からDNA増幅装置を研究および開発した例はなかった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上記事情に鑑み、本発明の第一の目的は、基板に形成した微小な反応容器の中で、複数の反応を、精密かつ迅速な温度制御下に微量液体の反応、好適にはPCR反応を行うことができると共に、反応容器への微量液体、好適にはPCR溶液の注入および排出が容易な微量液体の反応容器を提供することである。
【0008】
本発明の第二の目的は、更に、複数の反応室中の微量液体を一定の反応性に維持できる微量液体の反応容器を提供することである。
【0009】
本発明の第三の目的は、検体毎に反応容器を簡単に取り替えることができる微量液体の反応容器を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記で述べた本発明の第一の課題は、平板状の基板の表面に形成された複数の細長い溝状の反応室、前記基板の表面上に載置されて前記溝状の反応室の開口部を閉鎖する蓋体、および前記各溝状の反応室の第一および第二の端部に対応する位置で該蓋体に形成された第一および第二の透孔を備えた反応容器デバイスと;前記第一および第二の透孔の一方に個別に設けられた注入ポートおよび他方に個別に設けられた排出ポートを具備し、同一平面上に互いに独立した複数の細長い中空スペースを並列してなると共に、前記第一の透孔および前記第二の透孔を同一の構造とした微量液体の反応装置によって達成される。
【0011】
また、上記第一の目的は、更に、前記基板の縁部に沿い且つその外側に張り出して設けられた上枠部材と;前記第一の透孔を介して前記凹溝と連通するように該上枠部材に穿設された注入ポートと;前記第二の透孔を介して前記凹溝と連通するように前記上枠部材に穿設された排出ポートと;前記基板の裏面縁部に沿い且つその外側に張り出して設けられた下枠部材とを具備し、反応容器デバイスの両面が外気に露出したまま前記上枠部材および下枠部材により固定されるモジュール構造であることを特徴とする微量液体の反応装置によって更に好適に達成される。
【0012】
本発明の第二の課題もまた、上記で述べた構成を有する微量液体の反応装置によって達成される。
【0013】
また、本発明の第三の課題は、上記の反応容器モジュールに加えて、更に、該モジュールを着脱自在に設置するためのアタッチメント部材を具備することを特徴とする微量液体の反応装置によって達成される。
【0014】
【実施の形態】
以下に、本発明の微量液体の反応装置をDNA増幅装置に応用した場合の例について詳述する。
【0015】
図1は、本発明の一実施例になるDNA増幅装置の全体構成を示す斜視図である。同図に示すように、この装置は平面が矩形の反応容器モジュール10と、該モジュール10が着脱自在に設置されるアタッチメント1とからなっている。アタッチメント1は基台2と、その上に固定された立方体ブロック状の台座3を有しており、台座3の中央には立方形の中空収納部5が形成されている。台座3の水平な頂面4は、反応容器モジュール10を載置するための載置面を構成している。載置面の四隅には、鈎状の位置決めブロック7が積層されている。なお、実際には、位置決めブロック7は台座3と一体に成形される。また、この位置決めブロック7の厚さは載置面の略1/2程度であり、4つの位置決めブロックの内壁で限定される領域に反応容器モジュール10が着脱自在に載置される。隣接する位置決めブロック7の間の空隙は、例えば、反応容器モジュール10をロボットアームで搬送する際に、ロボットアームによるモジュール10の取り扱いを容易にする。位置決めブロック7の内壁にはボールプランジャー26が設けられており、上方から挿入された反応容器モジュールを固定できるようになっている。また、載置面4にはピン端子6が植設されており、該ピン端子はバネにより後退および突出するようになっている。ピン端子6は、反応容器モジュールをアタッチメントに設置したときに、該モジュールの底面に露出した電気的端子に接触して、後述する反応容器モジュールの電気回路と電気的に接続するように配設されている。なお、図示してはいないが、中空収納部5には、電動ファンを設けることにより、反応容器モジュール10を冷却するようになっている。電動ファンの代わりに、水冷冷却機構またはペルチェ素子のような他の冷却機構を用いてもよい。図示してはいないが、ピン端子6に接続した端子が台座3の側面に設けられており、この端子はケーブルを介して図示しないコントローラに接続されるようになっている。
【0016】
上記のように、この実施例のDNA増幅装置は、反応容器モジュールが着脱自在にアタッチメント1に装着されるので、検体毎に反応容器を容易に取り替えることができ、キャリーオーバーを防止できる効果が得られる。
【0017】
図2は、反応容器モジュール10の構造を示す分解斜視図である。図示のように、反応容器モジュール10は、反応容器デバイス11、上枠部材31、および下枠部材41で構成されている。反応容器デバイス11は平面が矩形の板状であり、対向する長辺に沿って8組の注入側透孔12aおよび排出側透孔12bが形成されている。対をなす8組の注入側透孔および排出側透孔12a,12bの間には、それぞれ溝状の反応室が形成されている。これら注入側透孔12a、反応室および排出側透孔12bの三つの要素は連通しており、8組が互いに独立した中空スペースを有している。
【0018】
図3(A)〜図3(C)は、反応容器デバイスの詳細を示している。図3(A)に示すように、反応容器デバイス11は矩形のシリコン基板13、およびシリコン製の蓋体15からなっている。シリコン基板13および蓋体15は、IC等の半導体装置の製造に用いるシリコンウエハーから切り出されたものであり、そのの寸法は特に限定されないが、この実施例では34mm×28mm×1.3mmである。シリコン基板13の表面側には、短辺方向に平行な8本の溝14が形成されている。これら溝14は、半導体技術において周知の選択エッチング法により形成されている。一方、蓋体15には、溝14の両端部に対応した透孔12aおよび12bが形成されている。従って、図示のように両者を重ね合わせることにより、透孔12aおよび12bで開口した細長い扁平な反応室が形成される。反応室の容積は処理する液体の所要量に応じて適宜設定すればよく、この実施例では25μLである。
【0019】
シリコン基板13の裏面側には、図3(B)に示すように、温度センサパターン16およびヒータパターン17が形成されている。温度センサパターン16に接続された端子18が形成され、またヒータパターン17に接続された端子19が形成されている。これらの端子は、反応容器モジュール10を図1に示したアタッチメント1に設置したときに、接地面4に形成されたピン端子6に接触するように形成される。これらのパターン16〜19は、半導体製造技術において周知の薄膜形成法およびフォトフィソグラフィーにより、チタン薄膜をパターニングして形成されている。また、図3(C)に示したように、これらのパターン16,17は相互に電気的に絶縁された状態で、溝14の下に形成されている。即ち、先ず温度センサパターン16をシリコン基板13の裏面に形成し、これをポリイミド等の絶縁性樹脂からなる層間絶縁膜20で覆った後、ヒータパターン17を形成する。最後に、化学的安定性を向上させるために、全体を覆う絶縁性樹脂膜21が形成される。ヒータパターン17は、反応室(溝14)内のPCR試料溶液を、PCRの各工程で必要な温度に加熱するためのものであり、センサパターンは、反応室内のPCR試料溶液の温度を検知するためのものである。
【0020】
次に、図2に戻って、上枠部材31および下枠部材41について説明する。上枠部材31は、額縁状の形状を有している。その材料は特に限定されないが、後述するパッキン34を冷却するため、およびロボットアームによるハンドリング時に必要な強度を確保するために、金属材料を用いるが望ましい。特に、加工の容易さおよび加工精度の高さを考慮するとアルミニウム、ステンレス等の鉄系材料、銅、真鍮等が好ましい。この実施例ではアルミニウム製の上枠部材31を用いた。上枠部材31の裏面側には、反応溶液デバイス11を嵌め込むための凹部(図示せず)が形成されている。上枠部材31の中央部には大きな開口部32が形成されており、裏面側の凹部に嵌め込まれた反応容器デバイス11の大部分は、この開口部32を通して露出される。これにより、反応容器デバイスからの効率的な放熱が達成される。一方、上枠部材の表面側には、嵌め込まれた反応容器デバイス11の透孔12a,12bに対応した位置に、上枠部材を貫通する注入ポート33aおよび排出ポート33bが夫々設けられている。これらの注入ポート33aおよび排出ポート33bの夫々には、下から円筒状のパッキン34が挿入される。なお、枠部材31の大きさは特に限定されないが、この実施例では45mm×37mm×9mmである。
【0021】
一方、下枠部材41は、二本の縦枠部材42および二本の横枠部材43を組み合わせ構成されている。横枠43には、透孔12aの列および透孔12bの列に対応する位置に凸縁44が設けられ、凸縁44は反応容器デバイス11の底面に当接して、これを支持する。夫々の縦枠42には二つのネジ孔45が形成され、また夫々の横枠43には、中央から外方向に設けた突出部46にネジ孔45が設けられている。そして、夫々のネジ孔45にはネジ47を挿入し、上枠部材31の裏面に形成されたネジ孔に螺入することにより、反応容器デバイス11を上枠部材31と下枠部材との間に挟み込んで固定し、反応容器モジュールが組み立てられる。即ち、下枠部材41は、パッキン34を介して、反応容器デバイス11を上枠部材31に結合させるための押さえ板の役割を果たす。その際、下枠部材41は反応容器デバイス裏面におけるヒータパターン17および温度センサパターン16の積層部分と直接接触することになる。従って、ヒータパターン17で発生した熱を逃がさないようにするためには、熱伝導度の低い材質が好ましいが、熱伝導度の低い材質は熱容量が大きいことが多い。熱容量が大きいと、冷却時の熱分布状態が不均一になってしまう。そこで、この実施例では、下枠部材に凸縁44を設け、接触面積を最小限にするようにした。凸縁44はパッキン34の中心軸の延長上に位置しているので、効率的な固定が可能である。なお、下枠部材41の材料は特に限定されないが、既述したように、温度センサパターン16およびヒータパターン17の部分に直接接触するので、熱伝導度が低く、且つ反応容器デバイスの加熱温度範囲で安定なものでなければならない。このような材料としては、耐熱性の高いポリカーボネート樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、塩化ビニル樹脂、セラミック材料が挙げられる。しかし、反応容器デバイス11を固定するためには強度および高度が高くなければならないので、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、セラミック材料が好適である。この実施例ではポリイミド樹脂を用いた。下枠部材41の大きさは、上枠部材31および反応容器デバイス11の形状に依存し、この実施例では41.4mm×35.4mm×3mmである。
【0022】
次に、図4を参照して、上記のように組み立てられた反応容器モジュールにおける注入ポート33aおよび排出ポート33bの構造を説明する。上枠部材31と下枠部材43の間に挟み込まれたシリコン基板13および蓋体15は、溝14からなる反応室を限定している。図示のように、シリコン基板の下面は下枠部材の凸縁44でのみ下枠部材43と接触する。注入ポート33aまたは排出ポート33bの貫通孔は、図示のように、入口部分が盃状の断面形状を有しており、開口端部が最も広く、最も狭いネック部に向かってテーパしている。ネック部の直径は、後述するピペットチップ先端外径よりも若干大きく、ピペットチップ先端外径が0.8mmの場合は、1.0mm程度が好ましい。ネック部の直下に位置する中央部は、開口端部と略同じ直径を有しており、最も下に位置する脚部は中央部よりも更に広い直径を有している。従って、注入ポートまたは排出ポートを形成する貫通孔は、ネック部と中央部との間の第一の段部と、中央部と脚部との間の第二の段部を有している。そして、貫通孔の下の方から挿入された円筒形のパッキン34は、その上端部が、注入ポート貫通孔の第一の段部に当接して固定される。図5(A)(B)に示すように、円筒状パッキン34の上端は閉鎖され、下端は開放されている。閉鎖された上端面には十字状の切り込み35が形成されている。パッキン35の下端には外方に張り出した凸縁36が形成されており、この凸縁35は、注入ポート貫通孔の第二の段部に当接して固定される。パッキン34の内径は、注入ポート貫通孔のネック部および蓋体15の透孔12aと略同じであるが、その下端部においては、図示のように外側に向けてテーパした内面を有し、内径が広がっている。しかし、内径が外径に等しくなるまでは広がっておらず、パッキン34は平坦な下端面を有している。従って、パッキン34の下端開口部の直径は、蓋体15に形成した透孔12aの直径よりも大きいので、パッキン34と透孔12a,12bとの位置合わせマージンを取ることができる。しかし、パッキン34と反応容器デバイスの蓋体15との接触面積を広く取るために、テーパ形状とせず、直管状としてもよい。また、パッキン34の下端は注入ポート貫通孔の下端から下方に突出しているから、パッキン34の平坦な下端面のみが反応容器デバイスの蓋体15の頂面に接触し、上枠体31は蓋体15に接触しない。パッキン34の材料は特に限定されないが、パッキン効果の高いゴム系の樹脂が好ましい。特に、成型製の高いブチルゴム、シリコーンゴムが好適である。この実施例ではシリコーンゴムを用いた。なお、この実施例におけるパッキン34の大きさは、長さ2.6mm、最大外径2.6mm、最小外径2mm、内径1mmで、切れ込み35が形成されている部分の肉活は0.3mmで、0.8mmの切れ込みが十字形状に形成されている。
【0023】
図6は、上記実施例のDNA増幅装置における回路構成の一例を示している。アタッチメント1にはコントローラ60が接続される。このコントローラは、反応容器デバイスのヒータパターン17に接続された電源61と、アタッチメント1に組み込んだ冷却ファンに接続された電源62と、反応容器デバイスの温度センサパターン16に接続されたデジタルマルチプライヤ63とを具備している。これらは何れもパーソナルコンピュータ64に接続され、反応容器デバイスで行われるPCR反応の所定の温度サイクルを実現するように制御される。
【0024】
次に、上記実施例のDNA増幅装置の作用について説明する。
【0025】
この装置を用いてDNA増幅を行うためには、先ず、必要な成分を含有する同一または異なる種類のPCR溶液を反応容器デバイスの各反応室14の中に注入する。注入量は、反応室14内を完全に充填する量でもよいが、好ましくは透孔12a,12b付近に若干の空気が残る量とし、この実施例では10〜25μLである。注入の際は、図6に示すように、ピペットチップ50を反応容器モジュールの上枠部材31に形成された注入ポート33aの中に挿入する。ピペットチップ50は、パッキン34の閉鎖頂面に形成された十字形の切り込み35を押し開いて侵入し、図示の状態で固定される。このとき、ピペットチップ50の側面はパッキン34の切れ込み部35と良好に密着するので、PCT溶液の注入および排出は完全に行うことができる。また、パッキン34が存在しない場合と比較すると、ピペットチップを圧入試なくても充分な密着性が得られるので、ピペットチップの挿入および取り外しが容易である。注入および排出ポート33a,33bの一方からPCR試料溶液を注入および排出するときに、他方のポートのパッキン34の切れ込み35が加圧空気によって弾性的に上方に若干開放され、これによって切れ込み35から空気が出入りできる。これによって、注入後のピペットチップの抜き取り、排出時のピペットチップの挿入、または注入中における液の飛散が防止される。その結果、感染の危険を排除すると共に、スムーズなピペットチップの挿脱および穏やかで円滑な液体の移動により、注入および排出時に生じる反応容器内の圧力調節され、支障なくPCR溶液の注入および排出が行われる。その際に、空気の出入りが不十分な時には、十字状の切れ込み部35の中心に、小さな貫通孔を形成してもよい。また、パッキンの頂部を完全に開放させてもよい。注入および排出ポート33a,33bの壁の下端は、反応容器入口の外側において、反応容器デバイスの蓋体15との間でパッキン34の突出部により封止されているから、両者の間での液漏れを生じることはない。パッキン43の突出部底面は平坦であるので、蓋体15の頂面との間の密封性は良好である。
【0026】
こうしてPCR試料溶液を反応室内に注入したら、反応容器モジュール10を図1のようにしてアタッチメント1にセットし、図6のコントローラ60を動作させる。但し、反応容器モジュール10をアタッチメント1に設置した後に、PCR試料溶液を注入してもよい。コントローラ60の電源61は、予め設定された温度サイクルプログラムに従って、反応容器デバイス11の裏面に形成されたヒータパターン17に電流を供給して発熱させ、反応容器内のPCR試料溶液を加熱する。その際、試料溶液から蒸気が発生するが、図4から分かるように、パッキン34の頂面は閉じているから、外部への蒸気の散逸は制限される。また、パッキン34は上枠部材31によって充分に冷却されており、蒸気の殆どはパッキン34内で凝結するから、外部に漏れることはない。また、注入側透孔12a付近および排出側透孔12b付近のそれぞれには、反応室としての溝14に充填されたPCR溶液で置換されない若干の空気が存在するが、この空気もパッキン34によって冷却されるので、余分な体積膨張も起き難く、反応室からの液の飛散や蒸気の逃げを有効に防止する。更に、注入側透孔12aおよび排出側透孔12bは両者とも同一構造であるため、高温下であっても注入側と排出側の気圧が均等になるので、液量が微量でも反応液は常に反応室14の中央付近に保持されることになり、反応性を一定に保つことができる利点が得られる。加えて、図4から分かるように、反応容器デバイス11はその側端面でのみ上枠部材31と接触し、その頂面(即ち、蓋体15)はパッキン34とのみ接触して上枠部材31とは接触していない。従って、反応容器の熱が上枠部材31を通って逃げることにより、温度分布が不均一になるのを防止することができる。
【0027】
PCRサイクルの温度低下工程では、パーソナルコンピュータ64の制御により電源61がオフされ、電源63がオンされてファンによる空冷が行われる。このとき、反応容器デバイス11の表面および裏面のかなりの面積が露出されているから、効率的な冷却が達成される。
【0028】
こうして、上記実施例のDNA増幅装置を用い、反応容器デバイス11にPCR試料溶液を充填して、68℃および92℃の温度に保持する温度サイクル試験を繰り返したところ、図8に示す結果が得られた。この結果から分かるように、非常に精度の高い温度制御を実現することができた。
【0029】
なお、既述したように、パッキン34の頂面は場合によっては開放してもよいが、その場合には反応室内のPCR試料溶液の蒸発によるロスが問題になる。そこで、この場合の対応策としては、図9に示すように、上枠部材31の上に、注入ポートおよび排出ポート33a,33bを塞ぐための蒸発防止蓋70を載置するようにするのが好ましい。この蒸発防止蓋としては、例えば金属製の板用いることができる。また、蒸発防止蓋70を位置決めするために、上枠部材31の四隅には位置決めブロック38を突設すると共に、蓋70の四隅にはこれに対応する切り欠き72を形成する。これにより、蓋体70の突出部71はブロック38の間の上枠部材表面に載置されて固定され、注入ポートおよび排出ポート33a,33bを塞ぐ。また、蓋70の突出部は、ロボットアームによる取り扱いを容易にするために、上枠部材31の外側に張り出すようにするのが好ましい。また、例えば上枠部材の対向する短辺側の頂面レベルを長辺側の頂面レベルよりも低くすることにより、蓋70と載置面との間にロボットアームが挿入され得る空隙を形成するようにしてもよい。また、ピペットチップの三次元的移動と液の吸排動作を行うようにしたり、反応室内の温度分布をセンサによりモニタリングしたりして、正確且つ連続的な高速化システムを設計してもよい。また、反応容器モジュールは、適宜の十分な洗浄または殺菌処理を施すことによって、繰り返し再使用できるようにすることにより、モジュールの交換を行わないようにしてもよい。
【0030】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、微小な反応容器デバイスの中で複数の細長い反応室を独立に形成したので、精密かつ迅速な温度制御下にPCR反応を行うことができると共に、各反応容器へのPCR用溶液の注入および排出が容易なDNA増幅装置を提供することができる。
【0031】
また、本発明によれば、細長い溝状反応室において、高温下であっても注入ポート側と排出ポート側の気圧が均等になるので、液量が微量でもPCR用溶液は反応室の中央付近に保持され、反応を一定に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例になるDNA増幅装置の全体構成を示す分解斜視図である。
【図2】図1における反応容器モジュール10の詳細を示す分解斜視図である。
【図3】図2における反応容器(A)を構成する半導体基板および蓋体を示す分解斜視図である。(B)は、半導体基板の裏面を示す平面図である。(C)は、半導体基板の溝部分を示す断面図である。
【図4】図2の反応容器モジュールの注入ポート部分を拡大して示す断面図である。
【図5】(A)はパッキンの平面図であり、(B)はその正面図である。
【図6】図1〜図5の実施例になるDNA増幅装置の電気回路構成を示す図である。
【図7】図7は、反応容器デバイスにPCR試料溶液を注入する状態を示す断面図である。
【図8】図8は、図1〜図6の実施例になるDNA増幅装置の温度サイクル試験の結果を示すグラフである。
【図9】図9は、本発明によるDNA増幅装置の他の実施例を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
1…アタッチメント、2…基台、3…台座、4…台座の頂面、5…中空収納部、6…ピン端子、7…位置決めブロック7、10…反応容器モジュール、11…反応容器デバイス、12a…注入側透孔12a、12b…排出側透孔、13…半導体基板、14…溝、15…蓋体、16…温度センサパターン、17…ヒータパターン、18,19…端子、20,21…ポリイミド膜、31…上枠部材、32…開口部、33a…注入ポート、33b…排出ポート33b、34…パッキン34、35…十字状の切れ込み、36…凸縁、38…位置決めブロック、41…下枠部材、42…縦枠部材、43…横枠部材43、44…凸縁44、45…ネジ孔、47…ネジ、50…ピペットチップ、60…コントローラ、61…電源、62…電源、63…マルチプライヤ、70…蒸発防止蓋、71…突出部、72…切り欠き[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a reaction device, preferably a DNA amplification device, in particular, Precise and quick control of multiple minute reaction solutions The present invention relates to a trace liquid reaction apparatus.
[0002]
[Prior art]
In general, various reactions using biological materials are performed under appropriate heating conditions. Recently, there has been an increasing demand for precise reaction using a small amount of biological material, and a reaction apparatus having a fine structure corresponding to the minute amount is becoming mainstream. For example, it is important that a reaction apparatus that handles a nucleic acid material such as DNA has a configuration that enables a polymerase chain reaction (hereinafter referred to as PCR) for performing DNA amplification. This PCR is a method of amplifying a target nucleic acid sequence portion from various kinds of DNA mixtures. PCR includes double stranded DNA having the DNA sequence to be amplified, two or more primers, a thermostable polymerase enzyme, and four deoxyribonucleoside triphosphates (dATP, dCTP, dGTP, dTTP). Performed in solution. The reaction consists of a heat denaturation step (about 94 ° C) to separate the double-stranded nucleic acid into a pair of single-stranded nucleic acids, and an anneal to lower the temperature and hybridize the primer to a predetermined site of the single-stranded nucleic acid. Step (approx. 50-60 ° C) and replication step of replicating a desired DNA sequence using a single-stranded nucleic acid as a template by extending the primer by conducting a polymerase reaction by raising the temperature to the thermostable enzyme operating temperature The specific nucleic acid sequence is amplified by repeating these three steps at least once or more.
[0003]
Several proposals have been made on the PCR reaction apparatus for performing the above temperature control. For example, in JP-A-5-317030, by processing a silicon wafer, forming a plurality of reaction vessels each maintained at a predetermined constant temperature, and moving the reaction solution between the plurality of reaction vessels An apparatus for performing PCR is disclosed. Also, in Japanese Translation of PCT Application Publication No. 7-508928, a silicon wafer is processed to form a reaction vessel, a resistance heating body for temperature control is formed, and the reaction solution is transported and detected automatically. Is disclosed. In these apparatuses in which a reaction vessel is formed by processing a silicon wafer, a very small amount of reaction solution is used, so that temperature control for PCR can be performed relatively accurately.
[0004]
By the way, in order to actually perform the PCR reaction, it is necessary to inject the PCR reaction solution into the reaction chamber and collect the solution after the reaction, so that the sample solution can be injected and discharged by a method such as pipetting. desirable. Also, since PCR amplifies DNA with very high sensitivity, it is desirable not to reuse the reaction vessel to prevent carryover, and for this purpose it is desirable that the reaction vessel can be easily replaced.
[0005]
Furthermore, since the reaction is carried out using a small amount of PCR solution of about several μL, loss due to evaporation of the PCR solution during the heating reaction is a big problem. In particular, if an opening for injecting and discharging the sample solution is provided, the loss due to evaporation inevitably increases.
[0006]
The above problem is a very big problem in putting a DNA amplifier into practical use, but there has been no example of researching and developing a DNA amplification device from such a practical viewpoint.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In view of the above circumstances, the first object of the present invention is to use a minute reaction vessel formed on a substrate. Multiple reactions, precise and quick A reaction of a trace amount of liquid, preferably a PCR reaction, can be performed under temperature control, Very small amount The object is to provide a reaction container for a liquid, preferably a trace liquid that is easy to inject and discharge a PCR solution.
[0008]
The second object of the present invention is further: A small amount of liquid in multiple reaction chambers can be maintained at a certain level of reactivity. It is to provide a reaction vessel with a trace amount of liquid.
[0009]
The third object of the present invention is to provide a reaction container of a trace amount liquid that can easily replace the reaction container for each specimen.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The first problem of the present invention described above is Flat Formed on the surface of the substrate Multiple elongated channel reaction chambers And placed on the surface of the substrate Grooved reaction chamber A reaction body provided with a lid for closing the opening of the first and second through holes formed in the lid at positions corresponding to the first and second ends of each groove-shaped reaction chamber A container device; A plurality of elongated hollow spaces that are independent from each other on the same plane are provided in parallel, each having an injection port provided separately in one of the first and second through holes and a discharge port provided separately in the other. In addition, the first through hole and the second through hole have the same structure. This is achieved by a trace liquid reactor.
[0011]
The first purpose is to And an upper frame member provided so as to extend outward from the edge of the substrate; and an injection drilled in the upper frame member so as to communicate with the concave groove through the first through hole. A port; a discharge port drilled in the upper frame member so as to communicate with the concave groove through the second through hole; provided along the rear edge of the substrate and projecting outward And a module structure that is fixed by the upper frame member and the lower frame member while both surfaces of the reaction vessel device are exposed to the outside air. It is more preferably achieved by a reaction apparatus for a trace liquid characterized by the following.
[0012]
The second object of the present invention is also achieved by a trace liquid reactor having the above-described configuration.
[0013]
In addition to the above reaction vessel module, the third problem of the present invention is that And an attachment member for detachably installing the module. This is achieved by a trace liquid reactor.
[0014]
Embodiment
Hereinafter, an example in which the trace liquid reaction apparatus of the present invention is applied to a DNA amplification apparatus will be described in detail.
[0015]
FIG. 1 is a perspective view showing the overall configuration of a DNA amplification apparatus according to an embodiment of the present invention. As shown in the figure, this apparatus includes a
[0016]
As described above, in the DNA amplification device of this embodiment, since the reaction container module is detachably attached to the attachment 1, the reaction container can be easily replaced for each sample, and the effect of preventing carryover can be obtained. It is done.
[0017]
FIG. 2 is an exploded perspective view showing the structure of the
[0018]
3A to 3C show details of the reaction vessel device. As shown in FIG. 3A, the
[0019]
A
[0020]
Next, returning to FIG. 2, the
[0021]
On the other hand, the
[0022]
Next, the structure of the
[0023]
FIG. 6 shows an example of a circuit configuration in the DNA amplification device of the above embodiment. A
[0024]
Next, the operation of the DNA amplification apparatus of the above embodiment will be described.
[0025]
In order to perform DNA amplification using this apparatus, first, the same or different kinds of PCR solutions containing necessary components are injected into each
[0026]
When the PCR sample solution is injected into the reaction chamber in this way, the
[0027]
In the temperature reduction process of the PCR cycle, the
[0028]
Thus, using the DNA amplification apparatus of the above example, the temperature cycle test in which the
[0029]
As described above, the top surface of the packing 34 may be opened in some cases, but in that case, loss due to evaporation of the PCR sample solution in the reaction chamber becomes a problem. Therefore, as a countermeasure in this case, as shown in FIG. 9, an
[0030]
【The invention's effect】
As detailed above, according to the present invention, Multiple slender reaction chambers are independently formed in a small reaction vessel device, so precise and quick A PCR reaction can be performed under temperature control, each PCR to reaction vessel for It is possible to provide a DNA amplification device that can easily inject and discharge a solution.
[0031]
Moreover, according to the present invention, In the slender groove-like reaction chamber, the air pressure on the injection port side and the discharge port side becomes uniform even at high temperatures, so even if the amount is small, the PCR solution is held near the center of the reaction chamber and the reaction is kept constant. Can be kept in .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view showing the overall configuration of a DNA amplification apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is an exploded perspective view showing details of a
3 is an exploded perspective view showing a semiconductor substrate and a lid constituting the reaction vessel (A) in FIG. 2. FIG. (B) is a top view which shows the back surface of a semiconductor substrate. (C) is sectional drawing which shows the groove part of a semiconductor substrate.
4 is an enlarged cross-sectional view showing an injection port portion of the reaction vessel module of FIG. 2;
5A is a plan view of the packing, and FIG. 5B is a front view thereof.
FIG. 6 is a diagram showing an electric circuit configuration of the DNA amplification device according to the embodiment of FIGS.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a state in which a PCR sample solution is injected into a reaction container device.
FIG. 8 is a graph showing the results of a temperature cycle test of the DNA amplification apparatus according to the example of FIGS.
FIG. 9 is an exploded perspective view showing another embodiment of the DNA amplification device according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Attachment, 2 ... Base, 3 ... Base, 4 ... Top surface of base, 5 ... Hollow storage part, 6 ... Pin terminal, 7 ...
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