JP4071907B2 - Automatic nucleic acid testing equipment - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動核酸検査装置に関する。より具体的には、サンプルから核酸成分を抽出する工程、抽出した核酸成分を増幅する工程、及び増幅した核酸を検出する工程が全て自動化された自動核酸検査装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
核酸同士の相補的な結合は、抗原抗体反応と比べても高度に特異的であるため、所望の核酸を特異的に増幅、検出する技術は、遺伝的疾患の検査や法医学的な鑑定などに極めて有用である。
【0003】
このような検査の主な工程は、(i)サンプルからの核酸成分の抽出、(ii)核酸の増幅、(iii)増幅した核酸の検出であり、これらの工程を全て自動的に行い得る自動核酸検査装置が既に市販されている。
【0004】
しかしながら、現在の自動核酸検査装置は、上記各工程に以下のような問題点を有している。
【0005】
まず、核酸抽出操作としては、手動の場合、エタノール等の有機溶媒による抽出後に遠心分離を行うのが最も一般的であり、特開平6-327476に開示されている自動遺伝子解析装置は、かかる操作を採用している。
【0006】
しかし、このような操作によってサンプルから核酸を抽出するには、試料混合手段、遠心分離手段の他、サンプル容器の蓋を開閉する機構も設置しなければならないため、装置が大型化し、構成の複雑化も避けられない。また、遠心処理に伴いサンプル容器の交換などを要するので、連続的な処理を行い難い。
【0007】
一方、特開平9-19292、特開平8-62224は、自動核酸検査装置用に適した新たな核酸抽出工程として、ガラス表面への核酸の非特異的吸着を利用した分離、抽出方法を開示している。
【0008】
該方法では、タンパク質を分解する物質を予めサンプルに加えた後、ガラスコートされたフェライト磁石ビーズを添加する。核酸成分は、該ビーズのガラス部分に吸着するので、ビーズを磁石に吸い付ければ、核酸成分のみを抽出することができる。
【0009】
しかしながら、該方法も洗浄操作と抽出操作とを要するため、そのための手段を要し、抽出・分離の工程は10〜12分かかる。また、該方法では、mLレベルの検体から核酸を抽出することは困難である。それ故、多数の検体を短時間で検査し得る装置に適用するには、該方法も完全とはいえない。また、検体毎に別々の容器を必要とするので、連続的な処理を行い難い。
【0010】
次に、増幅工程において改良すべき点としては、PCRを行うときの液温の調整が挙げられる。該工程においてGC含量の多い核酸を用いた場合、93℃では核酸の変性が起こらないが、94℃では核酸の変性が起こることもあるので、自動化においても、とりわけ液温の厳密な制御が課題となる。
【0011】
この点、従来のPCR反応装置では、加熱したヒートブロックの中に、PCR反応液及びサンプルを加えた縦長のカップ状容器を挿脱させるように収容することによって、PCR反応液及びサンプルを間接的に加熱するので、加熱にタイムラグが生じ、正確な温度制御が困難であるという欠点を有している。
【0012】
最後に、PCR増幅産物の検出工程においても、操作時間、染色溶液が環境に与える問題等が残っている。
【0013】
例えば、上記特開平6-327476は、PCR産物を分離、検出するために簡易なゲル電気泳動装置を組み込んだ自動遺伝子解析装置を開示している。しかしながら、電気泳動を用いた検出は、少なくとも60分程度の時間を要するのみならず、一度の操作で扱い得る検体数は限られている。従って、ゲル電気泳動を用いた自動核酸検査装置は、多数の検体を短時間で分析しなければならない臨床検査に用いるには全く適していない。また、染色やラベリングに用いる種々の色素、例えば蛍光色素は、遺伝的毒性も有しているので、廃棄物としての取り扱いに注意しなければならない。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来技術に存する上記課題を解決するためになされたものであり、(i)サンプルからの核酸成分の抽出、(ii)抽出した核酸の増幅、(iii)増幅した核酸の検出工程のうちの少なくとも一つが自動操作に適するように改良された自動核酸検査装置を提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、
核酸を含有する複数のサンプルから核酸成分を連続的に抽出可能な核酸抽出手段と、
該核酸抽出手段によって抽出された前記核酸成分中に含まれ得る所望の核酸を特異的に増幅するための核酸増幅手段と、
該核酸増幅手段によって増幅された前記所望の核酸を検出するための核酸検出手段と
を備えた自動核酸検査装置を提供する。
【0016】
【発明の実施の形態】
本発明は、(i)サンプルからの核酸成分の抽出、(ii)抽出した核酸の増幅、(iii)増幅した核酸の検出からなる工程のうち少なくとも一つが自動操作に適するように改良された自動核酸検査装置を提供する。
【0017】
従って、本発明の装置によれば、従来の同種の装置に比べて、多数のサンプルを短時間に検査することができる。より具体的には、96個のサンプルを5〜6時間で検査することが可能であり、これは従来の装置に比べて、およそ3分の1の所要時間である。
【0018】
かかる効果を達成するために、本発明の装置においては、核酸抽出手段としてフリーフロー電気泳動又はキャピラリー電気泳動、PCR増幅容器として加熱体一体型核酸増幅容器、及び核酸検出手段として楕円偏光解析を使用する。本発明の装置では、多数の検体を自動検査するのに適したこれらの核酸抽出手段、PCR増幅容器、及び核酸検出手段を一以上組み合わせて使用し得るが、最大の効果を得るためには、これらの核酸抽出手段、PCR増幅容器、及び核酸検出手段を同時に使用することが好ましい。
【0019】
以下、実施例によって、本発明をさらに詳細に記載するが、いかなる意味においても、特許請求の範囲に記載した本発明の範囲を限定することを意図するものではない。
【0020】
[実施例1]
図1は、本実施例の自動核酸検査装置内部の上面図である。以下、図1を参照しながら、本発明の自動核酸検査装置を詳細に説明する。
【0021】
自動核酸検査装置101は、核酸の抽出・増幅・検出工程を全て自動的に行うことができ、前記各工程は、それぞれ自動核酸検査装置101の内部に配置された核酸抽出手段111、PCR反応装置119、及び核酸検出手段132によって、この順序で実施される。
【0022】
従って、自動核酸検査装置101によれば、検査者は、試料を添加したサンプル管をサンプル立て(図示せず)にセットした後、自動核酸検査装置101を始動させるだけで核酸検査を行うことができる。
【0023】
自動核酸検査装置101を始動させると、前記サンプルは、吸入装置(図示せず)によって吸入された後、核酸抽出手段111に移送される。
【0024】
核酸抽出手段11は、特開平6-327476、特開平9-19292、及び特開平8-62224に開示された抽出手段を含む任意の抽出手段であり得るが、処理の迅速性、構成の簡易さ故に、フリーフロー電気泳動又はキャピラリー電気泳動を用いるのが極めて好ましい。
【0025】
一般的に、サンプルが少量の場合にはキャピラリー電気泳動が適しており、検体中に目的核酸数が少ない場合(1000個未満)にはフリーフロー電気泳動が適しているであろう。
【0026】
フリーフロー電気泳動は、典型的には、図2に示された構造を有しており、それ自体公知である(特開平10―318982参照)。フリーフロー電気泳動のための素子は、厚さ0.1〜5mm、好ましくは0.5〜2mmの二枚のガラス板201a及び201bと、両ガラス板の間に挟持されたシリコン板202a及び202b、一対の延在する電極206a(陽極)と206b(陰極)から構成されている。ガラス板201a、201bとシリコン板202a、202bによって偏平な中空状の間隙が形成されているので、サンプル注入口205からサンプル溶液を注入すると、サンプルは緩衝液流入口203から緩衝液流出口204へ(図中矢印の方向)流れる。
【0027】
電極206aと206bは電界を形成しているので、核酸のように負の電荷を有する物質は、陽極206aの方向に移動しながら泳動される。従って、図中、緩衝液流出口204の右側で流出液を収集すれば、核酸成分を抽出することができる。
【0028】
2枚のガラス板201a、201bの間隔は、サンプルと緩衝液が互いに拡散して混じり合わないように、5μm〜150μmとするのが好ましい。電極には、腐食されにくい白金、金を使用することが好ましい。ガラス板201aと201bの間隔が狭い場合には、印加電圧は数kVまで上げることができるが、適宜設定できる。
【0029】
フリーフロー電気泳動に使用し得る緩衝液としては、種々の緩衝液が知られており、リン酸緩衝液、酢酸緩衝液、グリシン−トリス(ヒドロキシメチル)アミノメタン緩衝液、トリス(ヒドロキシメチル)アミノメタン緩衝液が含まれるが、これらに限定されない。
【0030】
フリーフロー電気泳動素子のサイズは、縦(流速方向)1〜30cm、横1〜30cm、好ましくは縦2〜10cm、横2〜10cm、最も好ましくは縦3〜5cm、横3〜5cmであり得る。フリーフロー電気泳動のサイズは、分離能、サンプルの容量、分離時間等に応じて適切なサイズを選択すればよい。フリーフロー電気泳動を用いて、1mL程度のサンプルから核酸成分を抽出する場合の標準的な分離時間は、概ね1分以内であり、良好な条件を選択することで30秒以内にもなり得、極めて短時間且つ連続的に核酸成分を抽出することができる。
【0031】
さらに、フリーフロー電気泳動には大量のサンプルを負荷することが可能である。これは、サンプル中に所望の核酸が微量(ある場合には一分子)しか含まれておらず、大量のサンプルを全て核酸抽出手段に供する必要がある場合には、特に有用な特徴である。
【0032】
キャピラリー電気泳動には、極微量のサンプルを負荷することが可能であり、極微量サンプルの検査を行うのに有効である。キャピラリー電気泳動用の素子は、毛管力を生じるような中空の細長い円筒管路と、この管路のサンプル流入側とサンプル流出側とに一対の電極(陽極と陰極)を接続し、電荷を与えることによって、注入側から流出側へと核酸成分を移動させるものであり、概ね2分以内、好適な条件、特にキャピラリー長を短くすることで1分以内の分離が可能となる(特開平9−89840等参照)。従って、好ましくは、核酸抽出手段11にフリーフロー電気泳動とキャピラリー電気泳動装置の両方を設けて、選択的にサンプルの注入と電圧の印加を行うように構成することによって、サンプル量に応じた抽出を行わせることができる。このような選択的な核酸抽出の指示は、ユーザーインターフェース136に設けた入力手段によってオペレーターが指定するか、あるいはサンプル量やIDをコード化したバーコードをサンプルカップの外壁に設けて適宜の読取り手段によって自動的に入力指示するようにすればよい。
【0033】
核酸抽出手段111によって抽出された核酸含有画分は、上記素子の流出口から落下させるか適宜の吸引手段で吸引させて検体毎にサンプルカップ中に回収するようにする。サンプルカップには、サンプルカップストッカー115に収納されているものが使用される。従って、核酸抽出手段111で抽出された核酸含有画分を抽出するために、遅くとも核酸含有画分抽出時点までに、サンプルカップを所定の位置に搬送する操作が自動的に行われる。核酸は全体として負の電荷を帯びているので、核酸抽出手段111としてフリーフロー電気泳動を用いる場合には、サンプルカップは、緩衝液流出口204の右側(陽極206aが存在している側)の適切な位置に配置される。
【0034】
サンプルカップの搬送は、カップ搬送ハンド106によって行われる。カップ搬送ハンド106は、ロボットアーム102に沿って図中X軸方向に移動し得るロボットアーム103に係合されたロボットアーム104に取り付けられている。さらに、カップ搬送ハンド106は、Z軸方向(紙面垂直方向)に延出するロボットアーム105上を自由に移動し得る。従って、カップ搬送ハンド106は、ロボットアーム103とロボットアーム104の存在位置によって決定される図中XY平面上の任意の位置に移動させることができる。その後ロボットアーム104に沿ってZ軸方向に下降させれば、ロボットアーム102〜104の垂直位置の下方に配置されているサンプルカップを握持することが可能となる。
【0035】
なお、ロボットアーム103及び104には、カップ搬送ハンド106の他に、PCRモジュール搬送ハンド108、及び反応トレー搬送ハンド109が取り付けられており、以下で詳述する備品や試薬等をある地点から別の地点に移動させる各種の操作は、全てこれらのハンドで行われる。但し、各種のロボットアームがベルトコンベア上との同じ容器、モジュール、トレー等の移し換えのみを行って、ベルトコンベアが長距離ないし長時間の搬送を行うように変更してもよい。
【0036】
前記サンプルカップ中に核酸含有画分を抽出した後、サンプルカップは再びカップ搬送ハンド106によって握持され、サンプル濃縮用ヒートブロック112の上面に形成されているサンプル収納孔に収納される。
【0037】
通常は、全てのサンプル収納孔にサンプルカップが収納されるまで、前述した核酸抽出操作と、サンプル濃縮用ヒートブロック112へのサンプルカップの収納からなる上記操作を繰り返す(図1では8回繰り返されることになる)。
【0038】
サンプル濃縮用ヒートブロック112は、例えば、サンプルカップ中の核酸含有画分を加熱して液体成分を蒸発せしめるといった適宜の濃縮技術を採用することによって核酸含有画分を濃縮し得る。サンプル濃縮用ヒートブロック112は、熱伝導性の良好な材質、例えば金属からなることが好ましく、この種の目的で使用される一般的なヒートブロックである。加熱温度は、任意の温度に設定し得るが、60〜100℃の温度範囲が好ましい。
【0039】
サンプルの濃縮は、続いて行われるPCR増幅ステップに使用するために、サンプル容量を減少せしめたい場合だけ行えばよいので、該工程は省略することもできる。しかしながら、核酸抽出手段111として、フリーフロー電気泳動を使用する場合には、濃縮操作が必要となることが多いであろう。
【0040】
前記核酸含有画分、好ましくは濃縮された核酸含有画分は、ポンプ107の作用によって、ピペット手段(図示せず)に吸引される。該ピペット手段には、ピペットチップ容器123に収納されているピペットチップが自動的に取り付けられる。ピペットチップは通常使用されているものであり得る。
【0041】
前記核酸含有画分が吸引除去された後、ヒートブロック112に収納されているサンプルカップは、カップ搬送ハンド106で握持され廃棄箱113に廃棄される。
【0042】
前記ピペット手段は、前記ロボットアーム102〜104によって、PCR試薬カップストッカー116に並立された容器まで移動され、該容器中に前記核酸含有画分、好ましくは濃縮された核酸含有画分を吐出する。
【0043】
該容器には、核酸含有画分を吐出した後又は吐出する前に、PCR増幅試薬114が分注される。核酸含有画分を吐出する前に、予めPCR増幅試薬114を分注しておけば検査時間の短縮を図り得るであろう。なお、PCR増幅試薬114は、ポンプ110の作用によって、前記ピペット手段から吸引され、PCR試薬カップストッカー116に並立された容器に吐出される。また、ピペットチップは、各操作毎及び各検体毎に交換され、使用済みのピペットチップは廃棄箱113に廃棄される。
【0044】
PCR増幅試薬114は、所定の配列を有するプライマー、Taqポリメラーゼ等の耐熱性ポリメラーゼ、デオキシヌクレオチド三リン酸(dTTP、dATP、dCTP、dGTP)、緩衝液等のPCRに必要な物質を含有している。PCRには、極めて多くの変法が開発されているので、PCR増幅試薬114は、適用するPCR手法に応じた様々な試薬を2種類以上含有し得る。
【0045】
PCR増幅試薬114と混合された前記核酸含有画分(以下PCR混合液という)は、PCR反応装置119の上に予め載置されたPCRモジュール120上の試料注入口に注入される。PCRモジュール120への注入も、ポンプ110及び前記ピペット手段によって行われる。
【0046】
以下、図3〜7を参照しながら、PCRモジュール120の好ましい構造及びPCRモジュール120への試料の注入操作を説明する。
【0047】
好ましいPCRモジュール120は、図3(上面図)、図4(断面図)、図5(図4の拡大図)に示された構造の第一の基板と図6(上面図)に示された構造の第二の基板を有する。
【0048】
図4に示されているように、第一の基板は、PCR混合液を注入するための反応セル302が少なくとも一つ形成された平滑な基板301と、前記反応セル302が形成された表面と対向する表面に接着されている樹脂膜303を具備する。
【0049】
基板301の材料としては、半導体工学で成形方法が確立されているシリコンウェハを使用し得る。
【0050】
基板301の材料としてシリコンウェハを使用するときには、反応セル302はエッチングによって平滑な底面を有するように成形し得る。エッチングの精度を向上させて各反応セルの深さを均一に揃え、各反応セル中のPCR混合液の温度にばらつきが生じないようにするためには、シリコンウェハの両表面のうち反応セルを成形しない表面にホウ素原子をドープすることが好ましい。
【0051】
反応セル302の形状及び大きさは、上述した構成に則って、任意のものであり得るが、底面が平坦で略偏平な空間を有しているのが好ましい。また、PCR混合液の容量は通常100μL以下であるため、例えば、図のように形状が矩形の場合には、1辺が2〜50mm、深さが0.1〜1.0mmであることが好ましい。
【0052】
図3及び図4には、反応セル302の個数が8個の基板が示されているが、反応セルの個数は、1以上の任意の個数であり得る。反応セルの個数を多くすれば、多数の検体を同時に測定できるので好ましいであろう。
【0053】
図5に図示されているように、樹脂膜303には、加熱体304と温度検出部5が埋設されている。このような構造のPCRモジュールを用いれば、反応セルの底部が平坦なので伝熱効率が良好である。また、加熱体と温度検出部が反応セルの底部に一体的に配置されており、反応セル302の中のPCR混合液が直接、加熱されるので、PCR混合液の温度を厳格に調節できる。PCRの成否は、反応温度によって大きな影響を受け得るので、ヒートブロックを介してPCRモジュールを間接的に加熱する態様に比べて、加熱体が埋設されたPCRモジュールによる加熱は、良好な結果をもたらす。このように、加熱効率を向上させた反応セルを用いることで、核酸増幅を短時間で実施し得る。また、別個の反応セル302を複数個形成したことで、同一又は異なるサンプルを同時に処理できる。
【0054】
反応セル302が形成された凹部において、基板301の強度は著しく減弱するので、樹脂膜303は基板1の凹部に強度を与えるという極めて重要な役割も果たしている。従って、樹脂膜303の材質は、強い強度を有し、非水溶性であり、少なくとも0〜100℃の温度範囲で耐熱性がある材質でなければならない。具体的には、テフロン等のフッ素樹脂、ポリイミド樹脂、ポリカーボネート、ポリプロピレン樹脂、塩化ビニル樹脂等であり得る。
【0055】
強度及び熱伝導性の双方が満たされるように、樹脂膜303の厚さは1μm以上200μm以下であることが望ましい。
【0056】
加熱体304は、炭化ケイ素、チタン、ニッケル−クロム合金等のある程度の電気抵抗を有する材質によって構成され得る。加熱体304の一部は、樹脂膜304の底面に連通しており、通電するための電気的接点を成し、通電によって反応セル302の中のPCR混合液が加熱される。
【0057】
温度検出部305は、0〜100℃の温度範囲において抵抗率が直線状に変化する金属、例えば白金、チタン等からなり得る。温度検出部305の一部も、樹脂膜303の底面に連通しており、通電するための電気的接点を成している。
【0058】
図6に示されているように、第一の基板の上には、試料出入口401が設けられた第二の基板402が接合される。試料出入口401は、第一の基板403の各反応セル404の両端部に夫々対応するように1対ずつ配置されており、各反応セル内にPCR混合液を注入及び排出するための小孔である。第二の基板302は、反応セル内のPCR混合液が蒸発するのを防止するように気密な構成になっている。
【0059】
第一の基板と第二の基板が接合されてなるPCR反応槽501は、図7に示されているような基板部材502の上に載置固定され、枠部材503が被せられている。枠部材503には、前記図6に記載の1対の試料出入口401に対応して気密に合接可能な1対の試料注入口504が設けられており、中央部は中空となっていて、適宜反応槽内のモニタリングが可能となっている。
【0060】
自動核酸検査装置においては、図7の試料注入口504にピペットの先端が挿入され、該試料注入口504を通じて、前記図6に記載の反応セル404の中にPCR混合液が加えられる。
【0061】
PCRモジュールストッカー121中には、複数のPCRモジュール120が重層されており、PCRハンド108によって、PCR反応装置119の上に搬送される。
【0062】
PCRモジュール120がPCR反応装置119の上に搬送された後、PCRモジュール120内部の各反応セルに、PCR試薬カップストッカー116に収容された容器中のPCR混合液が分注される。該分注も前記ピペット手段によってなされる。PCRモジュール120上に配列されている試料注入口(図7参照)に、ピペット手段に取り付けたピペットチップの先端部を挿入した後、PCR混合液を吐出する。吐出されたPCR混合液はPCRモジュール120内部の反応セル内に達する。PCR混合液の容量は、100μL以下であることが好ましい。ここで、PCR後の反応セルは、洗浄で再使用するよりも新たに交換する方がコンタミネーションも無く、正確な検査を実施できるので、上記のように交換式のモジュールにした利点は大きい。
【0063】
PCR反応装置121は、PCRモジュール120の加熱体に通電して、PCRモジュール120の各反応セル内のPCR混合液を加熱する機能、及び加熱されたPCR混合液を冷却する機能を有する通常のPCR増幅装置である。
【0064】
PCR反応装置121には、従来型のモジュール(例えば特開平10−117764参照)も装着して使用し得るように適宜の位置決め手段や加熱手段を設けたり、共通の枠体を設けた構造となっているので、汎用性に優れている。
【0065】
PCRの反応サイクルは、典型的には、熱変性ステップ、アニーリングステップ、及び伸長反応ステップの繰り返しからなり、PCR反応装置121によって、各ステップに適した温度になるように加熱・冷却を行う。これらの操作は、当業者には周知のものであり、温度、反応時間、サイクル数の設定は、検査者によって、宜選択され得る。冷却の方式は、コンプレッサー方式、ペルティエ方式を含む任意の方式であり得る。
【0066】
PCR反応が終了した後、増幅された核酸を含むPCR混合液は、ピペット手段によって濃縮用ヒートブロック112にセットされたサンプルカップに移され、ディネーチャー反応が行われる。サンプルカップには、PCR混合液を加える前又は加えた後に、好ましくはPCR混合液を加える前に、ディネーチャー溶液収納部124に収納されているディネーチャー溶液が添加される。ディネーチャー溶液は、グアニジウム塩、尿素、界面活性剤等を含む周知の核酸変性液である。
【0067】
濃縮用ヒートブロック112は、好ましくは90〜95℃に加熱され、増幅された核酸は変性して一本鎖になる。加熱は、3〜5分程度行えばよいであろう。
【0068】
核酸増幅工程において、非対称PCR反応、すなわちプライマー対の一方のみ過剰に加えたPCR反応を行えば、ディネーチャー工程は省略することも可能である。
【0069】
このような変性処理を施したPCR混合液は、ポンプ107とピペット手段によって、予めハイブリダイゼーション試薬カップストッカー118に収納されている各サンプル管に移される。該サンプル管には、ピペット手段によって、ハイブリダイゼーション試薬117が予め添加されている。ピペット手段に取り付けられたチップは、廃棄箱113に廃棄される。
【0070】
ハイブリダイゼーション試薬117は、5×SSC(NaCl、クエン酸ナトリウム混合液)、10% SDS、10×Denhardt)を含む溶液であり得る。
【0071】
ハイブリダイゼーション試薬117を添加した後、PCR混合液は検体毎に、反応部128にセットした反応トレイ126中に載置されている各反応素子125上に分注される。分注されるPCR混合液の容量は、典型的には数十μLである。
【0072】
反応素子125は、ロボットアーム105によって、反応トレイ126の少なくとも一面に形成された、反応素子125を収容するための反応素子収容孔802(図8)の中に載置される。
【0073】
反応トレイ126は、自動化に適するように、図8〜10に示した構造を有するトレイを使用することが好ましい。
【0074】
図8は、好ましい構造を有する反応トレイ801の上面図である。反応トレイ801は伝熱性の良い部材、例えばアルミ、真ちゅう、銅等を成形したものであり、反応トレイ801の一面には、反応素子収容孔802が8個設けられている。反応素子収容孔802は、1以上の任意の個数であり得る。
【0075】
図9は、反応素子収納孔802を拡大した上面図であり、図10は、図9の線A-A'での断面図である。
【0076】
反応素子収納孔802は、開口部方向に拡幅する傾斜部分803、傾斜部分803の下部に連続して設けられた垂直部分804、底面上に配設された突起805、及び反応素子収納孔802の一隅に形成された陥入部806を具備する。
【0077】
垂直部分804は、収容すべき反応素子が動かないように、小型の反応素子のサイズと適合するような大きさであるために、垂直部分804の内部には、反応素子を握持するためのロボットアーム105を挿脱する際の位置決めが難しい。このため、反応素子収容孔802は、ロボットアーム105を挿入するための空間として傾斜部分803を備えている。もし、傾斜部分803がなければ、開口部分の大きさは反応素子とほぼ同じ大きさとなるため、反応素子収納孔802に反応素子を出し入れすることが極めて困難となる。傾斜部分803の開口部の大きさは、反応素子を握持したロボットアーム105を挿入し得る任意の大きさであり得る。
【0078】
反応素子収納孔802の内部において、反応素子は突起805の上に載置される。反応素子収納孔802には、サンプル及び洗浄液等の液体が添加されるので、突起805がなければ、反応素子収納孔802の底面と反応素子の間に液体が浸潤し、反応素子の取り出しが困難となる。反応素子を安定に載置し得るように、各突起の高さは、同じであることが好ましく、2つ以上、好ましくは4つ以上配設することが好ましく、突起805の位置は反応と測定を行う領域、例えば中央部分を避けた領域に設けるのが好ましい。
【0079】
陥入部806は、反応素子収納孔802の底面と略同一の深さで且つ突起805より低位置の深さを有しており、洗浄・乾燥装置129に取り付けられたノズル130を最適な位置に移動させることを可能にする程度に十分に反応素子収納孔802の対角線方向に延在させた空間である。すなわち、陥入部806が存在すれば、ノズル130を陥入部806の内部に移動させることができるので、ノズル130が移動し得る領域が増大し、洗浄液等を最適な位置に吐出又は吸引することができる。陥入部806は、1以上設けてもよく、開口部の周縁に設置してもよい。
【0080】
なお、図9の陥入部806以外の3つの小さな陥入部は、精密に反応素子収納孔802を形成する上で予め設けられるものであって、材質や製法によっては必須な部分ではない。
【0081】
反応トレイ126は、反応前には、反応トレイ収納箱に収納されており、反応時に、ロボットアーム104によって、反応部128に移される。
【0082】
反応トレイ126上の反応素子収納孔802の中に載置される反応素子125は、所望の核酸が高密度に固相されており、一般にDNAチップ又はマイクロアレーと称されるものである。
【0083】
反応素子の材質は、表面形状が平坦で微細加工に適した任意の材質であり得る。従って、該反応素子の材質は、ガラス、シリコン単結晶板、石英、パイレックス等の非晶質、アルミニウム、ステンレス等の金属、フッ素樹脂、ポリプロピレン等のプラスチックであり得る。シリコン単結晶板は、周知の半導体プロセス技術により容易に加工できるので最も好ましい。
【0084】
反応素子125は、加工の容易さから矩形状であることが好ましいが、例えば、菱形、六角形及び八角形等の多角形、円形、楕円形のような任意の形状であり得る。
【0085】
反応素子125は、任意の大きさであり得るが、形状が長方形である場合、長辺が0.1〜15cm、短辺が0.1〜15cmであることが好ましい。反応素子125の厚さは、0.01〜0.5cmであり得る。
【0086】
反応素子125に核酸分子を固相する方法は公知であり、例えばScience 251:767-773(1991)に開示されている。
【0087】
該方法の概略は、
▲1▼シリコン基板上にシラン処理を施すことにより、該基板上にアミノ基を形成し、各アミノ基に光保護分子を結合させる、
▲2▼マスクを用いることにより、所望の位置に選択的に紫外線を照射し、該所望の位置の光保護分子を外して、該位置のアミノ基のみを露出せしめる、
▲3▼露出したアミノ基のみに、光保護分子を連結させた所望の核酸塩基を結合させる、
▲4▼ ▲2▼ 及び▲3▼の工程を繰り返し、核酸分子を伸長させるというものである。
【0088】
また、国際公開WO93/09668号(特表平7-506561号)、国際公開WO99/11754号にも核酸分子を固相化するための他の改良法が開示されており、当業者に公知の任意の方法を用いて核酸分子を固相化し得る。
【0089】
一般的には、1cm2の反応素子125に、数千種類以上の核酸分子を固相化することができる。従って、反応素子125を用いれば、多項目の検査を同時に実施することが可能となる。
【0090】
反応素子125に、核酸に代えて、又は核酸とともに核酸以外の物質を固相化してもよい。核酸以外の物質としては、抗体を含むタンパク質が含まれる。反応素子125に抗体を固相化すれば、免疫検査が可能である。
【0091】
反応素子を用いると、多項目の検査を短時間で実施し得るので、本発明の自動核酸検査装置には反応素子を適用することが極めて好ましいが、反応素子を使用しない方法も可能である。このような方法としては、古典的なゲル電気泳動法の他、プラズモン共鳴検出法を挙げることができるが、これらに限定されない。
【0092】
反応素子125上に固相されている核酸と、ハイブリダイゼーション試薬117を添加した前記PCR混合液中の被増幅核酸との反応は、下方に図示せぬヒーターを配備した反応・洗浄・乾燥装置129上で行われる。加熱温度及び反応時間の目安は、それぞれ40〜50℃、30〜120分程度であるが、所望の核酸の塩基組成に応じて適宜設定すればよい。
【0093】
キャリブレーションの目的で使用する標準トレイは、標準品収納部131に収納されている。キャリブレーションを行うことによって、楕円偏光測定(反射強度)結果から、ハイブリダイゼーション後の反応素子の厚さ、密度変化等を定量化できる。
【0094】
ハイブリダイゼーション反応を行った後、反応トレイ126は、この反応・洗浄・乾燥装置129によって、引き続き洗浄乾燥される。ノズル130は反応素子125上に洗浄液を吐出するための洗浄液吐出ノズル、洗浄液と混合されたPCR混合液を吸引するための試料吸引ノズル、及び反応素子125を乾燥するための空気吹付ノズルを具備し得る。これらのノズルは、自動吐出及び自動吸引を行う目的で用いられる一般的なノズルであり、例えば細い金属であり得る。各ノズル間の切り替えは、例えば電磁バルブによって行われる。
【0095】
ハイブリダイゼーション反応、洗浄、及び乾燥が終了した後、反応素子125は、核酸検出手段132に移動され、反応トレー126は反応トレー回収部127に移送し回収される。
【0096】
反応素子125は壊れやすく、且つ核酸検出手段132への装着は精度良く行わなければならないので、反応素子125の移動はロボットアーム105に取り付けられた空気吸引機構(図示せず)によって行うことが好ましい。空気吸引機構は、反応素子の周辺部(すなわち、検出領域以外の部分)等に、エアポンプ等の空気吸引手段が接続された吸引口を近づけ、前記空気吸引手段によって作り出された陰圧を利用して前記吸引口に反応素子125を吸い付け得る装置である。反応素子125は、吸引孔に吸い付けられた状態で、核酸検出手段132の所定部位まで移動される。
【0097】
核酸検出手段132は、蛍光検出手段、比色計、化学発光検出手段を含む任意の検出手段であり得るが、PCR増幅工程での蛍光ラベル操作等が一切不要であり、且つ多項目を同時に測定し得るので、楕円偏光解析によって検出することが極めて好ましい。
【0098】
ここで、「楕円偏光解析」とは、膜の光特性を解析することを意味し、より具体的には膜圧と屈折光を測定することを意味する。楕円偏光解析自体は公知であり、典型的には、半導体の膜圧を測定する目的で使用されているが、核酸分析の分野で使用されたことはない。
【0099】
楕円偏光解析を用いれば、ハイブリッドを形成した部分の厚さの変化(1Å以上)又は密度の変化を検出でき、検出操作は、およそ1分で終了する。
【0100】
使用し得る楕円偏光解析装置には、比較楕円偏光解析装置、又は折返し光路型比較楕円偏光解析装置が含まれるが、これらに限定されない。
【0101】
楕円偏光解析装置としては、特開平61−258104、特開平5―203564等を参照にした構造を採用することができる。
【0102】
核酸検出手段132による検出終了後、使用済みの反応素子125は、反応素子廃棄箱133(ロボットアーム103の直下、点線部)に廃棄されるとともに、反応トレー126は使用済み反応トレー収納箱134に移される。
【0103】
核酸検出手段132の測定結果は、コンピューター等の情報処理手段135で処理された後、ユーザーインターフェース136に設けた出力装置(プリンター、好ましくは表示画面)によって出力される。
【0104】
以上の工程が、一組のサンプル(図1では8サンプル)の自動検査を行う工程の概要であるが、本発明の主題の範囲の範囲内で、抽出・増幅・検出手段等に多くの修飾又は変更を行い得ることは当業者に自明であろう。例えば、核酸抽出手段としてのフリーフロー電気泳動素子及び/又はキャピラリー電気泳動素子は複数並設して処理能力を高めてもよい。
【0105】
一組のサンプルの検査が終了した後には、引き続き次の組のサンプルの検査を実行し得る。検査時間を短縮するためには、一組のサンプルの検査が終了する前に、次の組のサンプルの検査を開始することも有用である。
【0106】
【発明の効果】
本発明の自動核酸検査装置によれば、短時間で、正確に、多数の検体について核酸検査を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の自動核酸検査装置内部の上面図。
【図2】本発明の自動核酸検査装置に使用し得るフリーフロー電気泳動を示す図。
【図3】本発明の自動核酸検査装置に使用し得るPCRモジュールを構成する基板の上面図。
【図4】本発明の自動核酸検査装置に使用し得るPCRモジュールを構成する基板の側面図。
【図5】加熱体及び温度検出部が埋設されたPCRモジュールを構成する基板の側面図。
【図6】本発明のPCRモジュールの構成を示す図。
【図7】本発明のPCRモジュールを示す図。
【図8】複数の反応素子収納孔を備えた反応トレーを示す図。
【図9】反応素子収納孔を拡大した上面図。
【図10】反応素子収納孔を拡大した側面図。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an automatic nucleic acid test apparatus. More specifically, the present invention relates to an automatic nucleic acid test apparatus in which the steps of extracting a nucleic acid component from a sample, amplifying the extracted nucleic acid component, and detecting the amplified nucleic acid are all automated.
[0002]
[Prior art]
Complementary binding between nucleic acids is highly specific compared to antigen-antibody reactions, so technologies that specifically amplify and detect desired nucleic acids are useful for genetic disease testing and forensic evaluation. Very useful.
[0003]
The main steps of such tests are (i) extraction of nucleic acid components from a sample, (ii) amplification of nucleic acids, and (iii) detection of amplified nucleic acids. All these steps can be performed automatically. Nucleic acid testing devices are already on the market.
[0004]
However, the current automatic nucleic acid test apparatus has the following problems in each of the above steps.
[0005]
First, as a nucleic acid extraction operation, in the case of manual operation, it is most common to perform centrifugation after extraction with an organic solvent such as ethanol, and the automatic gene analyzer disclosed in JP-A-6-327476 is an operation of this kind. Is adopted.
[0006]
However, in order to extract nucleic acid from a sample by such an operation, it is necessary to install a mechanism for opening and closing the lid of the sample container in addition to the sample mixing means and the centrifuge means. Inevitable. In addition, since the sample container needs to be exchanged with the centrifugal treatment, it is difficult to perform continuous treatment.
[0007]
On the other hand, JP-A-9-9292 and JP-A-8-62224 disclose separation and extraction methods using non-specific adsorption of nucleic acids on the glass surface as new nucleic acid extraction steps suitable for automatic nucleic acid testing devices. ing.
[0008]
In this method, a protein-degrading substance is added to a sample in advance, and then glass-coated ferrite magnet beads are added. Since the nucleic acid component is adsorbed on the glass portion of the bead, only the nucleic acid component can be extracted by sucking the bead onto the magnet.
[0009]
However, since this method also requires a washing operation and an extraction operation, a means for that is required, and the extraction / separation process takes 10 to 12 minutes. Also, with this method, it is difficult to extract nucleic acids from mL-level specimens. Therefore, the method is not perfect for application to an apparatus capable of examining a large number of specimens in a short time. Moreover, since a separate container is required for each specimen, it is difficult to perform continuous processing.
[0010]
Next, as a point to be improved in the amplification step, adjustment of the liquid temperature when performing PCR can be mentioned. When nucleic acids with a high GC content are used in this process, nucleic acid denaturation does not occur at 93 ° C, but nucleic acid denaturation may occur at 94 ° C. It becomes.
[0011]
In this regard, in the conventional PCR reaction apparatus, the PCR reaction solution and the sample are indirectly stored by inserting and inserting the vertically long cup-shaped container to which the PCR reaction solution and the sample are added into the heated heat block. Therefore, there is a drawback that a time lag occurs in the heating, and accurate temperature control is difficult.
[0012]
Finally, in the PCR amplification product detection step, there are still problems such as operation time and the problem that the staining solution gives to the environment.
[0013]
For example, the above Japanese Patent Laid-Open No. 6-327476 discloses an automatic gene analyzer incorporating a simple gel electrophoresis apparatus for separating and detecting PCR products. However, detection using electrophoresis not only requires at least about 60 minutes, but the number of samples that can be handled in one operation is limited. Therefore, an automatic nucleic acid test apparatus using gel electrophoresis is not suitable for use in a clinical test in which a large number of specimens must be analyzed in a short time. In addition, various dyes used for staining and labeling, such as fluorescent dyes, have genetic toxicity, so care must be taken when handling them as waste.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems existing in the prior art, and (i) extraction of nucleic acid components from a sample, (ii) amplification of the extracted nucleic acid, and (iii) detection of the amplified nucleic acid. An object of the present invention is to provide an automatic nucleic acid test apparatus improved so that at least one of them is suitable for automatic operation.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention provides:
A nucleic acid extraction means capable of continuously extracting nucleic acid components from a plurality of samples containing nucleic acid;
A nucleic acid amplification means for specifically amplifying a desired nucleic acid that can be contained in the nucleic acid component extracted by the nucleic acid extraction means;
A nucleic acid detection means for detecting the desired nucleic acid amplified by the nucleic acid amplification means;
An automatic nucleic acid test apparatus comprising:
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention is an automated system improved so that at least one of the steps consisting of (i) extraction of nucleic acid components from a sample, (ii) amplification of extracted nucleic acid, and (iii) detection of amplified nucleic acid is suitable for automatic operation. A nucleic acid test apparatus is provided.
[0017]
Therefore, according to the apparatus of the present invention, it is possible to inspect a large number of samples in a short time as compared with the conventional similar apparatus. More specifically, 96 samples can be examined in 5-6 hours, which is approximately one third of the time required for a conventional device.
[0018]
In order to achieve this effect, the apparatus of the present invention uses free flow electrophoresis or capillary electrophoresis as a nucleic acid extraction means, a heating body integrated nucleic acid amplification container as a PCR amplification container, and elliptical polarization analysis as a nucleic acid detection means. To do. In the apparatus of the present invention, one or more of these nucleic acid extraction means, PCR amplification containers, and nucleic acid detection means suitable for automatically testing a large number of specimens can be used in combination. These nucleic acid extraction means, PCR amplification container, and nucleic acid detection means are preferably used simultaneously.
[0019]
Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples, but is not intended to limit the scope of the present invention described in the claims in any way.
[0020]
[Example 1]
FIG. 1 is a top view of the inside of the automatic nucleic acid test apparatus of the present embodiment. Hereinafter, the automatic nucleic acid test apparatus of the present invention will be described in detail with reference to FIG.
[0021]
The automatic nucleic acid test apparatus 101 can automatically perform all steps of nucleic acid extraction / amplification / detection, and each of the processes includes a nucleic acid extraction means 111 and a PCR reaction apparatus disposed inside the automatic nucleic acid test apparatus 101, respectively. 119 and the nucleic acid detection means 132 are performed in this order.
[0022]
Therefore, according to the automatic nucleic acid test apparatus 101, an inspector can perform a nucleic acid test simply by starting the automatic nucleic acid test apparatus 101 after setting a sample tube to which a sample has been added to a sample stand (not shown). it can.
[0023]
When the automatic nucleic acid test apparatus 101 is started, the sample is inhaled by an inhaler (not shown) and then transferred to the nucleic acid extraction means 111.
[0024]
The nucleic acid extraction means 11 can be any extraction means including the extraction means disclosed in JP-A-6-327476, JP-A-9-19292, and JP-A-8-62224. Therefore, it is highly preferable to use free flow electrophoresis or capillary electrophoresis.
[0025]
In general, capillary electrophoresis is suitable when the sample is small, and free flow electrophoresis may be suitable when the number of nucleic acids of interest in the specimen is small (less than 1000).
[0026]
Free-flow electrophoresis typically has the structure shown in FIG. 2 and is known per se (see JP-A-10-318982). The element for free-flow electrophoresis is a pair of glass plates 201a and 201b having a thickness of 0.1 to 5 mm, preferably 0.5 to 2 mm, and silicon plates 202a and 202b sandwiched between the two glass plates. It consists of electrodes 206a (anode) and 206b (cathode). Since the flat hollow gap is formed by the glass plates 201a and 201b and the silicon plates 202a and 202b, when the sample solution is injected from the sample inlet 205, the sample is transferred from the buffer inlet 203 to the buffer outlet 204. Flows in the direction of the arrow in the figure.
[0027]
Since the electrodes 206a and 206b form an electric field, a substance having a negative charge such as a nucleic acid migrates while moving in the direction of the anode 206a. Therefore, if the effluent is collected on the right side of the buffer outlet 204 in the figure, the nucleic acid component can be extracted.
[0028]
The distance between the two glass plates 201a and 201b is preferably 5 μm to 150 μm so that the sample and the buffer solution do not diffuse and mix with each other. It is preferable to use platinum or gold which is not easily corroded for the electrode. When the distance between the glass plates 201a and 201b is narrow, the applied voltage can be increased to several kV, but can be set as appropriate.
[0029]
Various buffers are known as buffers that can be used for free-flow electrophoresis. Phosphate buffer, acetate buffer, glycine-tris (hydroxymethyl) aminomethane buffer, tris (hydroxymethyl) amino Methane buffers are included, but are not limited to these.
[0030]
The size of the free-flow electrophoretic element can be 1-30 cm in length (flow direction), 1-30 cm in width, preferably 2-10 cm in length, 2-10 cm in width, most preferably 3-5 cm in length, 3-5 cm in width . As the size of the free flow electrophoresis, an appropriate size may be selected according to the resolution, the volume of the sample, the separation time, and the like. The standard separation time when extracting nucleic acid components from a sample of about 1 mL using free flow electrophoresis is generally within 1 minute, and can be as short as 30 seconds by selecting good conditions. Nucleic acid components can be extracted in a very short time and continuously.
[0031]
Furthermore, free flow electrophoresis can be loaded with a large amount of sample. This is a particularly useful feature when the sample contains only a small amount of desired nucleic acid (one molecule in some cases) and it is necessary to use a large amount of sample for the nucleic acid extraction means.
[0032]
Capillary electrophoresis can be loaded with a very small amount of sample, which is effective for examining a very small amount of sample. An element for capillary electrophoresis connects a pair of electrodes (anode and cathode) to a hollow elongated cylindrical pipe that generates a capillary force, and a sample inflow side and a sample outflow side of the pipe to give an electric charge. Thus, the nucleic acid component is moved from the injection side to the outflow side, and within about 2 minutes, it is possible to perform separation within 1 minute by shortening the suitable conditions, in particular, the capillary length (Japanese Patent Laid-Open No. Hei 9- 89840 etc.). Therefore, preferably, the nucleic acid extraction means 11 is provided with both a free flow electrophoresis and a capillary electrophoresis apparatus so as to selectively inject a sample and apply a voltage, thereby extracting according to the amount of the sample. Can be performed. Such an instruction for selective nucleic acid extraction is designated by an operator by means of an input means provided on the user interface 136, or an appropriate reading means provided by providing a barcode encoding the sample amount or ID on the outer wall of the sample cup. It is only necessary to automatically instruct input.
[0033]
The nucleic acid-containing fraction extracted by the nucleic acid extraction means 111 is dropped from the outlet of the element or sucked by an appropriate suction means so as to be collected in the sample cup for each specimen. As the sample cup, the one stored in the sample cup stocker 115 is used. Therefore, in order to extract the nucleic acid-containing fraction extracted by the nucleic acid extraction means 111, an operation of transporting the sample cup to a predetermined position is automatically performed at the latest by the time of extracting the nucleic acid-containing fraction. Since the nucleic acid is negatively charged as a whole, when free flow electrophoresis is used as the nucleic acid extraction means 111, the sample cup is located on the right side of the buffer solution outlet 204 (the side where the anode 206a is present). It is placed at an appropriate position.
[0034]
The sample cup is transported by the cup transport hand 106. The cup transport hand 106 is attached to a robot arm 104 engaged with a robot arm 103 that can move in the X-axis direction in the drawing along the robot arm 102. Furthermore, the cup transport hand 106 can freely move on the robot arm 105 extending in the Z-axis direction (perpendicular to the paper surface). Therefore, the cup transport hand 106 can be moved to an arbitrary position on the XY plane in the drawing determined by the positions where the robot arm 103 and the robot arm 104 exist. If the robot arm 104 is then lowered in the Z-axis direction, the sample cup disposed below the vertical position of the robot arms 102 to 104 can be gripped.
[0035]
The robot arms 103 and 104 are provided with a PCR module transport hand 108 and a reaction tray transport hand 109 in addition to the cup transport hand 106, and the equipment and reagents described below are separated from a certain point. All of the various operations for moving to the point are performed with these hands. However, various robot arms may be changed so that the belt conveyor can carry a long distance or a long time by only transferring the same container, module, tray, etc. to the belt conveyor.
[0036]
After the nucleic acid-containing fraction is extracted into the sample cup, the sample cup is again held by the cup transport hand 106 and stored in the sample storage hole formed on the upper surface of the sample concentrating heat block 112.
[0037]
Normally, samples are placed in all sample storage holes. cup Until the sample is stored, the nucleic acid extraction operation described above and the sample to the heat block 112 for sample concentration are performed. cup The above-described operation including the storage of the above is repeated (in FIG. 1, the operation is repeated eight times).
[0038]
The sample concentration heat block 112 can concentrate the nucleic acid-containing fraction by employing an appropriate concentration technique such as heating the nucleic acid-containing fraction in the sample cup to evaporate the liquid component. The sample concentrating heat block 112 is preferably made of a material having good thermal conductivity, such as a metal, and is a general heat block used for this type of purpose. Although heating temperature can be set to arbitrary temperature, the temperature range of 60-100 degreeC is preferable.
[0039]
Concentration of the sample need only be performed if it is desired to reduce the sample volume for use in the subsequent PCR amplification step, so this step can be omitted. However, if free flow electrophoresis is used as the nucleic acid extraction means 111, a concentration operation will often be required.
[0040]
The nucleic acid-containing fraction, preferably the concentrated nucleic acid-containing fraction, is sucked into a pipette means (not shown) by the action of the pump 107. A pipette tip housed in a pipette tip container 123 is automatically attached to the pipette means. Pipette tips can be those commonly used.
[0041]
After the nucleic acid-containing fraction is removed by suction, the sample cup stored in the heat block 112 is gripped by the cup transport hand 106 and discarded in the disposal box 113.
[0042]
The pipette means is moved by the robot arms 102 to 104 to a container juxtaposed with the PCR reagent cup stocker 116, and the nucleic acid-containing fraction, preferably a concentrated nucleic acid-containing fraction is discharged into the container.
[0043]
The PCR amplification reagent 114 is dispensed into the container after or before the nucleic acid-containing fraction is discharged. If the PCR amplification reagent 114 is dispensed in advance before discharging the nucleic acid-containing fraction, the test time can be shortened. The PCR amplification reagent 114 is aspirated from the pipette by the action of the pump 110 and is discharged into a container juxtaposed with the PCR reagent cup stocker 116. The pipette tips are exchanged for each operation and for each sample, and the used pipette tips are discarded in the disposal box 113.
[0044]
The PCR amplification reagent 114 contains substances necessary for PCR such as a primer having a predetermined sequence, a heat-resistant polymerase such as Taq polymerase, deoxynucleotide triphosphates (dTTP, dATP, dCTP, dGTP), and a buffer solution. . Since many variations of PCR have been developed, the PCR amplification reagent 114 can contain two or more kinds of various reagents according to the PCR technique to be applied.
[0045]
The nucleic acid-containing fraction mixed with the PCR amplification reagent 114 (hereinafter referred to as a PCR mixed solution) is injected into a sample inlet on the PCR module 120 previously placed on the PCR reaction device 119. Injection into the PCR module 120 is also performed by the pump 110 and the pipette means.
[0046]
Hereinafter, a preferred structure of the PCR module 120 and a sample injection operation to the PCR module 120 will be described with reference to FIGS.
[0047]
A preferred PCR module 120 is shown in FIG. 3 (top view), FIG. 4 (cross-sectional view), first substrate of the structure shown in FIG. 5 (enlarged view of FIG. 4) and FIG. 6 (top view). Having a second substrate of the structure.
[0048]
As shown in FIG. 4, the first substrate includes a smooth substrate 301 on which at least one reaction cell 302 for injecting a PCR mixture is formed, and a surface on which the reaction cell 302 is formed. A resin film 303 adhered to the opposing surface is provided.
[0049]
As a material of the substrate 301, a silicon wafer having a molding method established in semiconductor engineering can be used.
[0050]
When a silicon wafer is used as the material of the substrate 301, the reaction cell 302 can be formed by etching to have a smooth bottom surface. In order to improve the etching accuracy and to make the depth of each reaction cell uniform, and to prevent variation in the temperature of the PCR mixture in each reaction cell, the reaction cell of both surfaces of the silicon wafer should be It is preferable to dope boron atoms into the non-molded surface.
[0051]
The reaction cell 302 may have any shape and size in accordance with the above-described configuration, but preferably has a flat bottom surface and a substantially flat space. Further, since the volume of the PCR mixture is usually 100 μL or less, for example, when the shape is rectangular as shown in the figure, it is preferable that one side is 2 to 50 mm and the depth is 0.1 to 1.0 mm.
[0052]
3 and 4 show a substrate with eight reaction cells 302, the number of reaction cells may be any number greater than or equal to one. It would be preferable to increase the number of reaction cells because a large number of specimens can be measured simultaneously.
[0053]
As illustrated in FIG. 5, the heating body 304 and the temperature detection unit 5 are embedded in the resin film 303. When the PCR module having such a structure is used, the bottom of the reaction cell is flat, so that the heat transfer efficiency is good. In addition, since the heating body and the temperature detection unit are integrally disposed at the bottom of the reaction cell, and the PCR mixture in the reaction cell 302 is directly heated, the temperature of the PCR mixture can be adjusted strictly. Since the success or failure of PCR can be greatly affected by the reaction temperature, heating by a PCR module with an embedded heating element provides better results compared to the mode of indirectly heating the PCR module via a heat block. . Thus, nucleic acid amplification can be performed in a short time by using a reaction cell with improved heating efficiency. Further, by forming a plurality of separate reaction cells 302, the same or different samples can be processed simultaneously.
[0054]
Since the strength of the substrate 301 is significantly reduced in the recess where the reaction cell 302 is formed, the resin film 303 also plays an extremely important role of giving strength to the recess of the substrate 1. Therefore, the material of the resin film 303 must be a material having strong strength, water-insoluble, and heat resistance in a temperature range of at least 0 to 100 ° C. Specifically, it may be a fluororesin such as Teflon, a polyimide resin, a polycarbonate, a polypropylene resin, a vinyl chloride resin, or the like.
[0055]
The thickness of the resin film 303 is preferably 1 μm or more and 200 μm or less so that both strength and thermal conductivity are satisfied.
[0056]
The heating element 304 can be made of a material having a certain level of electrical resistance, such as silicon carbide, titanium, nickel-chromium alloy or the like. A part of the heating body 304 communicates with the bottom surface of the resin film 304, forms an electrical contact for energization, and the PCR mixture in the reaction cell 302 is heated by energization.
[0057]
The temperature detection unit 305 may be made of a metal whose resistivity changes linearly in a temperature range of 0 to 100 ° C., such as platinum or titanium. A part of the temperature detection unit 305 is also communicated with the bottom surface of the resin film 303 and forms an electrical contact for energization.
[0058]
As shown in FIG. 6, a second substrate 402 provided with a sample inlet / outlet port 401 is bonded onto the first substrate. The sample inlet / outlet port 401 is arranged in a pair so as to correspond to both ends of each reaction cell 404 of the first substrate 403, and is a small hole for injecting and discharging the PCR mixture into each reaction cell. is there. The second substrate 302 is configured to be airtight so as to prevent the PCR mixed solution in the reaction cell from evaporating.
[0059]
A PCR reaction tank 501 formed by bonding a first substrate and a second substrate is placed and fixed on a substrate member 502 as shown in FIG. 7 and covered with a frame member 503. The frame member 503 is provided with a pair of sample inlets 504 that can be airtightly connected to the pair of sample inlets / outlets 401 shown in FIG. Monitoring in the reaction vessel is possible as appropriate.
[0060]
In the automatic nucleic acid test apparatus, the tip of a pipette is inserted into the sample inlet 504 in FIG. 7, and the PCR mixture is added to the reaction cell 404 shown in FIG. 6 through the sample inlet 504.
[0061]
A plurality of PCR modules 120 are stacked in the PCR module stocker 121, and are conveyed onto the PCR reaction device 119 by the PCR hand 108.
[0062]
After the PCR module 120 is transported onto the PCR reaction device 119, the PCR mixture in the container accommodated in the PCR reagent cup stocker 116 is dispensed to each reaction cell inside the PCR module 120. The dispensing is also performed by the pipette means. After inserting the tip of the pipette tip attached to the pipette means into the sample inlet (see FIG. 7) arranged on the PCR module 120, the PCR mixture is discharged. The discharged PCR mixed solution reaches the reaction cell inside the PCR module 120. The volume of the PCR mixture is preferably 100 μL or less. Here, the reaction cell after PCR has no contamination when it is newly replaced rather than reused by washing, and an accurate inspection can be performed. Therefore, the advantage of using the exchangeable module as described above is great.
[0063]
The PCR reaction device 121 is a normal PCR having a function of energizing the heating body of the PCR module 120 to heat the PCR mixture in each reaction cell of the PCR module 120 and a function of cooling the heated PCR mixture. It is an amplification device.
[0064]
The PCR reaction apparatus 121 has a structure in which appropriate positioning means and heating means are provided, or a common frame is provided so that a conventional module (for example, see JP-A-10-117764) can be mounted and used. So it has excellent versatility.
[0065]
A PCR reaction cycle typically includes a repetition of a heat denaturation step, an annealing step, and an extension reaction step, and heating and cooling are performed by the PCR reaction device 121 so that the temperature is suitable for each step. These operations are well known to those skilled in the art, and the settings of temperature, reaction time, and number of cycles can be appropriately selected by the inspector. The cooling method may be any method including a compressor method and a Peltier method.
[0066]
After the PCR reaction is completed, the PCR mixed solution containing the amplified nucleic acid is transferred to a sample cup set in the heat block 112 for concentration by pipette means, and a denaturer reaction is performed. To the sample cup, before or after adding the PCR mixed solution, and preferably before adding the PCR mixed solution, the denaturer solution stored in the detainer solution storage unit 124 is added. The denaturer solution is a well-known nucleic acid denaturing solution containing a guanidinium salt, urea, a surfactant and the like.
[0067]
The heat block 112 for concentration is preferably heated to 90 to 95 ° C., and the amplified nucleic acid is denatured to become a single strand. Heating may be performed for about 3 to 5 minutes.
[0068]
In the nucleic acid amplification step, if an asymmetric PCR reaction, that is, a PCR reaction in which only one of the primer pairs is excessively added, the denaturer step can be omitted.
[0069]
The PCR mixture solution subjected to such denaturation treatment is transferred to each sample tube previously stored in the hybridization reagent cup stocker 118 by the pump 107 and pipette means. A hybridization reagent 117 is previously added to the sample tube by pipetting. The tip attached to the pipette means is discarded in the disposal box 113.
[0070]
The hybridization reagent 117 may be a solution containing 5 × SSC (NaCl, sodium citrate mixed solution), 10% SDS, 10 × Denhardt).
[0071]
After adding the hybridization reagent 117, the PCR mixture is dispensed on each reaction element 125 placed in the reaction tray 126 set in the reaction unit 128 for each sample. The volume of the PCR mixture to be dispensed is typically several tens of μL.
[0072]
The reaction element 125 is placed by the robot arm 105 in a reaction element accommodation hole 802 (FIG. 8) formed on at least one surface of the reaction tray 126 for accommodating the reaction element 125.
[0073]
As the reaction tray 126, it is preferable to use a tray having a structure shown in FIGS.
[0074]
FIG. 8 is a top view of a reaction tray 801 having a preferred structure. The reaction tray 801 is formed of a member having good heat conductivity, such as aluminum, brass, copper, or the like, and eight reaction element accommodation holes 802 are provided on one surface of the reaction tray 801. The number of reaction element accommodation holes 802 may be one or more.
[0075]
9 is an enlarged top view of the reaction element housing hole 802, and FIG. 10 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG.
[0076]
The reaction element storage hole 802 includes an inclined portion 803 that widens in the direction of the opening, a vertical portion 804 that is provided continuously below the inclined portion 803, a protrusion 805 that is disposed on the bottom surface, and a reaction element storage hole 802. A recess 806 formed at one corner is provided.
[0077]
The vertical portion 804 is sized to fit the size of the small reaction element so that the reaction element to be accommodated does not move. Positioning when inserting / removing the robot arm 105 is difficult. Therefore, the reaction element accommodation hole 802 includes an inclined portion 803 as a space for inserting the robot arm 105. If there is no inclined portion 803, the size of the opening is almost the same as that of the reaction element, so that it is very difficult to put the reaction element into and out of the reaction element accommodation hole 802. The size of the opening of the inclined portion 803 can be any size that allows the robot arm 105 holding the reaction element to be inserted.
[0078]
The reaction element is placed on the protrusion 805 inside the reaction element housing hole 802. Since liquid such as a sample and a cleaning solution is added to the reaction element storage hole 802, if there is no protrusion 805, the liquid infiltrates between the bottom surface of the reaction element storage hole 802 and the reaction element, and it is difficult to take out the reaction element. It becomes. The heights of the protrusions are preferably the same so that the reaction element can be stably placed, and two or more, preferably four or more are preferably provided, and the positions of the protrusions 805 are reaction and measurement. It is preferable to provide in a region where the process is performed, for example, in a region avoiding the central portion.
[0079]
The indented portion 806 has substantially the same depth as the bottom surface of the reaction element housing hole 802 and a depth lower than the projection 805, and the nozzle 130 attached to the cleaning / drying device 129 is placed in an optimum position. The space extends sufficiently in the diagonal direction of the reaction element housing hole 802 to the extent that it can be moved. That is, if the indented portion 806 exists, the nozzle 130 can be moved to the inside of the indented portion 806, so that the area in which the nozzle 130 can move is increased, and the cleaning liquid or the like can be discharged or sucked to an optimum position. it can. One or more indentations 806 may be provided, or may be provided at the periphery of the opening.
[0080]
It should be noted that the three small indentations other than the indentation 806 in FIG. 9 are provided in advance for precisely forming the reaction element accommodation hole 802 and are not essential parts depending on the material and manufacturing method.
[0081]
The reaction tray 126 is stored in a reaction tray storage box before the reaction, and is moved to the reaction unit 128 by the robot arm 104 during the reaction.
[0082]
The reaction element 125 placed in the reaction element accommodation hole 802 on the reaction tray 126 has a desired nucleic acid solid-phased at a high density, and is generally called a DNA chip or a microarray.
[0083]
The material of the reaction element may be any material that has a flat surface shape and is suitable for fine processing. Therefore, the material of the reaction element may be glass, silicon single crystal plate, amorphous such as quartz and pyrex, metal such as aluminum and stainless steel, plastic such as fluororesin and polypropylene. A silicon single crystal plate is most preferable because it can be easily processed by a known semiconductor process technology.
[0084]
The reaction element 125 is preferably rectangular from the viewpoint of ease of processing, but may be any shape such as a polygon such as a rhombus, a hexagon, and an octagon, a circle, and an ellipse.
[0085]
The reaction element 125 may have any size, but when the shape is a rectangle, the long side is preferably 0.1 to 15 cm and the short side is preferably 0.1 to 15 cm. The thickness of the reaction element 125 may be 0.01 to 0.5 cm.
[0086]
Methods for immobilizing nucleic acid molecules on the reaction element 125 are known and disclosed in, for example, Science 251: 767-773 (1991).
[0087]
The outline of the method is as follows:
(1) By performing a silane treatment on a silicon substrate, amino groups are formed on the substrate, and a photoprotective molecule is bonded to each amino group.
(2) By using a mask, selectively irradiate the desired position with ultraviolet light, remove the photoprotective molecule at the desired position, and expose only the amino group at the position.
(3) A desired nucleobase having a photoprotective molecule linked thereto is bound only to the exposed amino group.
(4) The steps (2) and (3) are repeated to elongate the nucleic acid molecule.
[0088]
Other improved methods for immobilizing nucleic acid molecules are also disclosed in International Publication No. WO93 / 09668 (Japanese Patent Publication No. 7-506561) and International Publication No. WO99 / 11754, which are known to those skilled in the art. Any method can be used to immobilize nucleic acid molecules.
[0089]
Generally, 1cm 2 In this reaction element 125, thousands or more kinds of nucleic acid molecules can be immobilized. Therefore, if the reaction element 125 is used, multiple items of inspection can be performed simultaneously.
[0090]
A substance other than a nucleic acid may be immobilized on the reaction element 125 instead of the nucleic acid or together with the nucleic acid. Substances other than nucleic acids include proteins including antibodies. If an antibody is immobilized on the reaction element 125, an immunological test can be performed.
[0091]
When a reaction element is used, a multi-item test can be performed in a short time. Therefore, it is highly preferable to apply the reaction element to the automatic nucleic acid test apparatus of the present invention, but a method without using a reaction element is also possible. Such methods include, but are not limited to, plasmon resonance detection methods in addition to classical gel electrophoresis.
[0092]
The reaction between the nucleic acid solid-phased on the reaction element 125 and the nucleic acid to be amplified in the PCR mixed solution to which the hybridization reagent 117 is added is a reaction / washing / drying device 129 provided with a heater (not shown) below. Done on. Although the standard of heating temperature and reaction time is about 40-50 degreeC and 30-120 minutes, respectively, what is necessary is just to set suitably according to the base composition of a desired nucleic acid.
[0093]
A standard tray used for the purpose of calibration is stored in the standard product storage unit 131. By performing calibration, the thickness, density change, etc. of the reaction element after hybridization can be quantified from the ellipsometric measurement (reflection intensity) result.
[0094]
After performing the hybridization reaction, the reaction tray 126 is subsequently washed and dried by the reaction / washing / drying device 129. The nozzle 130 includes a cleaning liquid discharge nozzle for discharging a cleaning liquid onto the reaction element 125, a sample suction nozzle for sucking a PCR mixed liquid mixed with the cleaning liquid, and an air blowing nozzle for drying the reaction element 125. obtain. These nozzles are general nozzles used for the purpose of automatic ejection and automatic suction, and may be, for example, a thin metal. Switching between the nozzles is performed by, for example, an electromagnetic valve.
[0095]
After completion of the hybridization reaction, washing, and drying, the reaction element 125 is moved to the nucleic acid detection means 132, and the reaction tray 126 is transferred to the reaction tray collection unit 127 and collected.
[0096]
Since the reaction element 125 is fragile and must be accurately attached to the nucleic acid detection means 132, the reaction element 125 is preferably moved by an air suction mechanism (not shown) attached to the robot arm 105. . The air suction mechanism uses a negative pressure generated by the air suction means by bringing a suction port connected to an air suction means such as an air pump close to the periphery of the reaction element (ie, a portion other than the detection region). Thus, the reaction element 125 can be sucked into the suction port. The reaction element 125 is moved to a predetermined part of the nucleic acid detection unit 132 while being sucked into the suction hole.
[0097]
The nucleic acid detection means 132 may be any detection means including a fluorescence detection means, a colorimeter, and a chemiluminescence detection means, but does not require any fluorescent label operation or the like in the PCR amplification process, and measures multiple items simultaneously. Therefore, it is very preferable to detect by ellipsometry.
[0098]
Here, “elliptical polarization analysis” means analyzing the optical characteristics of the film, and more specifically, measuring the film pressure and refracted light. Elliptical ellipsometry is known per se and is typically used for the purpose of measuring semiconductor membrane pressure, but has never been used in the field of nucleic acid analysis.
[0099]
By using ellipsometry, it is possible to detect a change in thickness (1 mm or more) or a change in density in the part where the hybrid is formed, and the detection operation is completed in about 1 minute.
[0100]
The elliptical ellipsometer that can be used includes, but is not limited to, a comparative ellipsometer or a folded optical path type comparative ellipsometer.
[0101]
As the ellipsometer, a structure referring to JP-A-61-258104, JP-A-5-203564, etc. can be employed.
[0102]
After the detection by the nucleic acid detection means 132, the used reaction element 125 is discarded in the reaction element disposal box 133 (directly below the robot arm 103, the dotted line), and the reaction tray 126 is placed in the used reaction tray storage box 134. Moved.
[0103]
The measurement result of the nucleic acid detection means 132 is processed by the information processing means 135 such as a computer and then output by an output device (printer, preferably a display screen) provided in the user interface 136.
[0104]
The above process is an outline of the process of automatically inspecting a set of samples (8 samples in FIG. 1), but many modifications are made to the extraction / amplification / detection means within the scope of the subject matter of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art that changes can be made. For example, a plurality of free flow electrophoresis elements and / or capillary electrophoresis elements as nucleic acid extraction means may be provided side by side to increase the processing capability.
[0105]
After the inspection of one set of samples is completed, the inspection of the next set of samples can continue. In order to shorten the inspection time, it is also useful to start the inspection of the next set of samples before the inspection of one set of samples is completed.
[0106]
【The invention's effect】
According to the automatic nucleic acid test apparatus of the present invention, it is possible to perform nucleic acid tests on a large number of specimens accurately in a short time.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a top view of the inside of an automatic nucleic acid test apparatus of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing free flow electrophoresis that can be used in the automatic nucleic acid test apparatus of the present invention.
FIG. 3 is a top view of a substrate constituting a PCR module that can be used in the automatic nucleic acid test apparatus of the present invention.
FIG. 4 is a side view of a substrate constituting a PCR module that can be used in the automatic nucleic acid test apparatus of the present invention.
FIG. 5 is a side view of a substrate constituting a PCR module in which a heating body and a temperature detection unit are embedded.
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a PCR module of the present invention.
FIG. 7 shows a PCR module of the present invention.
FIG. 8 is a view showing a reaction tray having a plurality of reaction element storage holes.
FIG. 9 is an enlarged top view of the reaction element housing hole.
FIG. 10 is an enlarged side view of a reaction element housing hole.

Claims (7)

核酸を含有する複数のサンプルから核酸成分を流出口を介して連続的に抽出可能な、フリーフロー電気泳動及び/又はキャピラリー電気泳動である核酸抽出手段と、
該核酸抽出手段によって抽出された前記核酸成分中に含まれ得る所望の核酸を前記流出口から所定のサンプルカップに回収し、回収された核酸を反応セルに分注し、特異的に増幅するための核酸増幅手段と、
該核酸増幅手段によって増幅された前記所望の核酸を検出するための核酸検出手段と、
を備えた自動核酸検査装置。
A nucleic acid extraction means that is capable of continuously extracting nucleic acid components from a plurality of samples containing nucleic acids via an outlet, and is free-flow electrophoresis and / or capillary electrophoresis ;
To collect desired nucleic acid that can be contained in the nucleic acid component extracted by the nucleic acid extraction means from the outlet to a predetermined sample cup, and dispense the collected nucleic acid into a reaction cell for specific amplification. Nucleic acid amplification means of
A nucleic acid detection means for detecting the desired nucleic acid amplified by the nucleic acid amplification means;
An automatic nucleic acid testing device equipped with
前記核酸抽出手段によって抽出された前記核酸成分を含有する溶液を濃縮し、及び/又は前記増幅手段によって増幅された前記所望の核酸を変性するためのヒートブロックをさらに備えた請求項1に記載の自動核酸検査装置。  The heat block for condensing the solution containing the nucleic acid component extracted by the nucleic acid extraction means and / or denaturing the desired nucleic acid amplified by the amplification means. Automatic nucleic acid testing device. 前記核酸増幅手段が、複数の反応セルを具備する収容部と、前記収容部を交換するための搬送手段をさらに備えたことを特徴とする請求項1に記載の自動核酸検査装置。  2. The automatic nucleic acid test apparatus according to claim 1, wherein the nucleic acid amplification means further comprises a storage unit having a plurality of reaction cells and a transport unit for exchanging the storage unit. 前記核酸増幅手段が、前記核酸成分と、耐熱性ポリメラーゼと、前記所望の核酸中の部分配列を有するプライマーとをPCR溶液を加熱及び冷却するためのPCR反応装置であることを特徴とする請求項1に記載の自動核酸検査装置。  The nucleic acid amplification means is a PCR reaction apparatus for heating and cooling a PCR solution of the nucleic acid component, a heat-resistant polymerase, and a primer having a partial sequence in the desired nucleic acid. 2. The automatic nucleic acid test apparatus according to 1. 前記核酸検出手段が楕円偏光解析であることを特徴とする請求項1に記載の自動核酸検査装置。  2. The automatic nucleic acid test apparatus according to claim 1, wherein the nucleic acid detection means is ellipsometry. 請求項4に記載の自動核酸検査装置を用いた自動核酸検査方法において、前記PCR溶液を入れるための容器として、加熱体を備えた容器を用いることを特徴とする自動核酸検査方法。  5. The automatic nucleic acid test method using the automatic nucleic acid test apparatus according to claim 4, wherein a container having a heating body is used as a container for containing the PCR solution. 請求項1〜5の何れか1項に記載の自動核酸検査装置を用いた自動核酸検査方法において、前記所望の核酸と相補的な核酸を含む核酸群が固相された反応素子に、増幅された前記所望の核酸をハイブリダイズせしめた後、前記検出手段によって前記所望の核酸のハイブリダイゼーションを検出することを特徴とする自動核酸検査方法。  In the automatic nucleic acid test method using the automatic nucleic acid test apparatus according to any one of claims 1 to 5, the nucleic acid group containing a nucleic acid complementary to the desired nucleic acid is amplified to a solid phase reaction element. An automated nucleic acid test method comprising: hybridizing the desired nucleic acid, and detecting hybridization of the desired nucleic acid by the detection means.
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