JP4258311B2 - Chemical reaction cartridge - Google Patents
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Description
本発明は、化学反応用カートリッジに関し、特に溶液の合成や溶解、検出、分離などを、決められたプロトコルに従って、個人差がなく低価格で容易に行うことのできる化学反応用カートリッジに関し、特に外部から加熱、冷却、振動、光を容易に与えることのできる構造に関するものである。 The present invention relates to a cartridge for chemical reaction, and more particularly to a cartridge for chemical reaction that can easily perform synthesis, dissolution, detection, separation, etc. of a solution according to a determined protocol without individual differences and at low cost. It relates to a structure that can easily provide heating, cooling, vibration, and light.
従来より、溶液の合成や溶解、検出、分離などの処理においては、通常試験管やビーカー、ピペットなどが利用されていた。例えば、図8に示すように、物質Aと物質Bを試験管あるいはビーカーなどの容器1と容器2に採取しておき、これを試験管あるいはビーカーなどの容器3に注入し、混合・攪拌などして物質Cを作る。このようにして合成された物質Cについては、例えば発光、発熱、呈色、比色などの観察が行われる。
あるいは、混合した物質をろ過あるいは遠心分離などして、目的の物質を分離抽出することもある。
Conventionally, test tubes, beakers, pipettes, and the like have been used in processes such as solution synthesis, dissolution, detection, and separation. For example, as shown in FIG. 8, substance A and substance B are collected in a container 1 and a
Alternatively, the target substance may be separated and extracted by filtering or centrifuging the mixed substance.
また、溶解の処理、例えば有機溶剤で溶かすなどの処理においても試験管あるいはビーカーなどのガラス器具を用いて行われる。検出処理の場合も、図8と同様に、容器1の被試験物質Aと容器2の試薬を容器3に入れてその反応結果を観察する。
Further, the dissolution treatment, for example, the dissolution with an organic solvent is performed using a glass instrument such as a test tube or a beaker. Also in the case of the detection process, similarly to FIG. 8, the test substance A in the container 1 and the reagent in the
他方、バイオアナライザなどでは、可撓性の材料で偏平な袋状に形成されたバッグが使用される(例えば、特許文献1参照)。
図9は、特許文献1の特開2002−365299号公報に記載のバイオチップの構成図である。同図(a)は断面図、同図(b)は平面図である。周辺が密封された偏平な採血バッグ41は、その中央部が魚形状の袋になっている。魚形状の袋の開口部にはゴム状の栓42で密封されている。
On the other hand, a bioanalyzer or the like uses a bag formed of a flexible material into a flat bag shape (see, for example, Patent Document 1).
FIG. 9 is a configuration diagram of a biochip described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-365299 of Patent Document 1. FIG. 4A is a sectional view, and FIG. 4B is a plan view. The flat
採血バッグ41はこの栓42から奥に向かって順に、採取部43、前処理部44、結合部45、廃液収容部47が形成されている。採血時、栓42を注射器(図示せず)内に差込む。注射器内部には注射針が突出していて栓42を貫通するようになっている。
In the
採血時は、注射器から外に出ている針先を被験者に突刺し、採血バッグ41のフック52、53を外側に引張って、採取部43内に血液を採取する。採血後は採血バッグから注射器を抜き去る。その後、図10に示すように採血バッグ41を回転ローラ61、62に挟んで採取部43から前処理部44の方へ押し潰して行く。採取血液は前処理部44へ送られる。
At the time of blood collection, the subject is pierced with the needle tip that is outside the syringe, and the
ローラ61、62の位置が進み袋部48を押し潰し始めると、袋部48の溶液が弁49を破って前処理部44に流れ込んで来る。次に袋部50についても同様にその溶液が前処理部44に流れ込む。前処理部で所定の処理が終了すれば、ローラを回転させて、処理された血液を結合部45へ送る。
When the positions of the rollers 61 and 62 advance and crush the bag portion 48, the solution in the bag portion 48 breaks the valve 49 and flows into the
結合部45にはDNAチップ46が配置されていて、ハイブリダイズが行われる。前処理部44から押し出された余分な血液や溶液は廃液収容部47に溜まる。ハイブリダイズの行われたDNAチップの状態は外部に配置された読出装置により観察される。
A DNA chip 46 is disposed in the
しかしながら、従来のビーカーやピペットなどを使用する方式では操作が煩雑であり、個人差も大きく、手間もかかるという問題があった。また、採血バッグの場合には、弾性がないため溶液の移動が容易でないという問題があった。
これを解決するためにカートリッジ化の試みがあるが、カートリッジ化したときは、次のような課題がある。
(1)例えば、遺伝子増幅を行う場合は加熱・冷却を必要とし、また微粒子にDNAを結合した試料を扱う場合には微粒子に振動を与えることがあるが、チューブのように厚手の素材で形成したカートリッジでは熱や振動を伝え難いという欠点がある。
(2)薄いガラスで形成した場合には、使い捨て時にカートリッジ内部の細菌を含む溶液が飛散して危険であるという欠点があり、またガラス構造のカートリッジは高価であるという欠点もある。
However, the conventional method using a beaker or a pipette has a problem that the operation is complicated, individual differences are large, and labor is required. In the case of a blood collection bag, there is a problem that the solution cannot be easily moved due to lack of elasticity.
In order to solve this, there is an attempt to make a cartridge. However, when the cartridge is made, there are the following problems.
(1) For example, when gene amplification is performed, heating and cooling are required, and when handling samples in which DNA is bound to microparticles, the microparticles may be vibrated, but they are made of a thick material such as a tube. This cartridge has a drawback that it is difficult to transmit heat and vibration.
(2) When it is formed of thin glass, there is a disadvantage that a solution containing bacteria inside the cartridge is scattered when it is disposable, which is dangerous, and there is a disadvantage that a glass-structured cartridge is expensive.
したがって、本発明が解決しようとする課題は、カートリッジでも高速に加熱・冷却ができ、また振動も十分に伝えることができ、さらに隣接部位に対して加熱・冷却や加振の影響が少なく、かつ安全で安価な構造の化学反応用カートリッジを提供することにある。 Therefore, the problem to be solved by the present invention is that even a cartridge can be heated and cooled at high speed, vibrations can be sufficiently transmitted, and the influence of heating and cooling and vibration on an adjacent part is small, and The object is to provide a chemical reaction cartridge having a safe and inexpensive structure.
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項1記載の発明は、
試料の化学的な反応を行うために用いられるカートリッジであって、
少なくとも一部は弾性体で形成された容器で密閉型に形成され、
前記容器内には、流路で連結または連結可能に配置された2つ以上の室が形成され、
前記弾性体の一部分に、室内の試料に対して加熱または冷却、あるいは振動を与えるカートリッジ外の作用手段を接触させるための薄い弾性膜が形成され、
前記流路または室がローラにより押し潰され前記室の内圧が大気圧以上となった状態で、前記作用手段と接触することを特徴とする。
In order to achieve such a problem, the invention according to claim 1 of the present invention is:
A cartridge used to perform a chemical reaction of a sample,
At least a part of the container is formed of an elastic body and is formed in a sealed shape.
In the container, two or more chambers arranged to be connected or connectable with a flow path are formed,
A thin elastic film is formed on a part of the elastic body so as to contact a working means outside the cartridge that applies heating or cooling or vibration to the sample in the room ,
The flow path or the chamber is crushed by a roller and is in contact with the action means in a state where the internal pressure of the chamber is equal to or higher than atmospheric pressure .
このように、作用手段を接触または導入する部分の弾性体部分を薄い膜にすると、室内の試料に対して高速に加熱や冷却ができ、また振動もよく伝わり、光照射による加熱も容易に可能となるという効果がある。 In this way, if the elastic part of the part that contacts or introduces the action means is made into a thin film, the sample in the room can be heated and cooled at high speed, vibrations are transmitted well, and heating by light irradiation is also possible easily It has the effect of becoming.
この場合、前記薄い弾性膜は、請求項2のように、厚さを0.1〜1mmとするのが適切である。
また、前記作用手段の接触時には、前記流路または室をローラにより押し潰して、前記薄い弾性膜で覆った室内の気圧が大気圧以上になるようにする。これにより薄い弾性膜は張った状態で皺がなく、冶具とは面接触となるため、冶具からの熱や振動は弾性膜を介して室内へ良く伝わるようになる。
In this case, it is appropriate that the thin elastic film has a thickness of 0.1 to 1 mm.
Further, when the action means is in contact, the flow path or the chamber is crushed by a roller so that the atmospheric pressure in the room covered with the thin elastic film becomes equal to or higher than the atmospheric pressure. As a result, the thin elastic film has no wrinkles in the stretched state and is in surface contact with the jig, so that heat and vibration from the jig are well transmitted to the room through the elastic film.
また、請求項3のように、前記薄い弾性膜の周囲の弾性体部に、切欠き部を形成するか、または断熱材または防振材を埋めると、周囲に対する熱や振動の影響が少なくなる。
In addition, as in
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
(1)カートリッジでも室内の試料に対する加熱や冷却を容易に高速化できる。
(2)試料に対して振動もよく伝えることができる。
(3)薄い弾性膜の周囲の弾性体部に切欠き、あるいは断熱材または防振材を埋めると、周囲に対する熱や振動の影響を容易に少なくすることができる。
(4)簡単な構造であるため安価であり、また密閉型であるので危険な試料が外部に漏れる心配もなく、安価で安全なカートリッジを容易に実現できる。
As is apparent from the above description, the present invention has the following effects.
(1) Even with a cartridge, heating and cooling of an indoor sample can be easily performed at high speed.
(2) Vibration can be well transmitted to the sample.
(3) If the elastic body portion around the thin elastic film is notched or is filled with a heat insulating material or a vibration isolating material, the influence of heat and vibration on the surrounding can be easily reduced.
(4) Since it has a simple structure, it is inexpensive, and since it is a sealed type, there is no risk of dangerous samples leaking to the outside, and an inexpensive and safe cartridge can be easily realized.
以下図面を用いて本発明を詳しく説明する。図1は本発明に係る化学反応用カートリッジの基本的構成の一実施例を示す図である。なお、図1(a)は斜視図、同図(b)は弾性体下面図、同図(c)はZ−Z’断面図である。化学反応用カートリッジ100は、気密状で弾力性のあるゴムなどの弾性体110と、硬質材料で形成された平板状の基板120より形成されている。
なお、カートリッジの弾性体110としては、粘弾性体または塑性体を使用することもできる(ただし、実施例では弾性体を使用した場合を例にとって説明する)。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a view showing an embodiment of a basic structure of a chemical reaction cartridge according to the present invention. 1A is a perspective view, FIG. 1B is an elastic body bottom view, and FIG. 1C is a ZZ ′ cross-sectional view. The chemical reaction cartridge 100 is formed of an
Note that a viscoelastic body or a plastic body can be used as the
弾性体110の裏面には、図1(b)のように、それぞれ表面側に凹んだ、溶液用の穴(以後室という)111、112と、反応部用の室(反応部室という)113と、廃液収容用の室(廃液収容室という)114と、各室にそれぞれつながる流路115が形成されている。
弾性体110の室と流路以外の平面状の接着領域116は、図1(c)に示すように、基板120の表面に接着される。これにより各室と流路は弾性体110と基板120で密閉され、溶液の外部漏れが防止できる構造となっている。
On the back surface of the
The planar adhesion region 116 other than the chamber of the
このような構成のカートリッジにおける溶液の移送について説明する。カートリッジ100に形成された室111と112にはあらかじめ溶液Aと溶液Bをそれぞれ注入しておく。注入は、例えば図1(c)に示すように、弾性体110に直接注射針117を突刺して注射器118により注入する。弾性体110が弾性材料で形成されているため、注射針117を抜くと針穴は自然に塞がる。なお、完全に密閉するには、溶液封入後に針穴を接着剤などで埋めるが、加熱溶解で封止してもよい。
The transfer of the solution in the cartridge having such a configuration will be described. Solution A and solution B are respectively injected into the
注入後は、図2に示すように、ローラ130をカートリッジ110の左端部で、室111が押し潰される程度に、上から押しつける。ローラ130はカートリッジ110を全幅にわたって押圧する。この状態で、図3(a)に示すようにローラ130を位置1のところから回転させて右方向へ移動すると、室111に保存されている溶液Aが右方向へ押し出される。溶液Aは流路115を通って反応部室113へ送り込まれる。室113に入っていた空気は廃液収容室114へ送り出される。
After the injection, as shown in FIG. 2, the
続いて、ローラ130を回転移動させて、図3(b)のように位置2のところまで回転移動させて行くと、今度は室112内の溶液Bの送り出しが始る。溶液Bは流路115を通って反応部室113へ押し出される。このとき、流路115の途中もローラ130の押下により押し潰され、これが逆止弁となって、溶液Bの室111への逆流は防止される。
このようにして、室内の流体状の物質を移動または阻止することができる。
Subsequently, when the
In this way, fluid substances in the room can be moved or blocked.
反応部室113には溶液AとBが入り、混合して反応する。ここで言う反応とは、例えば、混合、合成、溶解、分離などである。
なお、このようなカートリッジの利用により、例えばダイオキシンやDNAなどの検出が可能である。
Solutions A and B enter
In addition, by using such a cartridge, for example, dioxin and DNA can be detected.
さらに、図3(c)に示すように、ローラ130を位置3〜6に回転移動した後、図3(d)に示すように位置7へ逆回転移動させると、容易に溶液のミキシングを行うことができる。
なお、通常は、ローラ130は一方向への回転移動で(ワンパスで)終了する。
Further, as shown in FIG. 3C, after the
Normally, the
このようなカートリッジは小型、軽量、低価格に作製でき、密閉状のカートリッジ内で物質の混合や合成、溶解、分離、検出などの処理のプロトコルを個人差なく容易に行うことができる。 Such a cartridge can be manufactured in a small size, light weight, and low cost, and processing protocols such as mixing, synthesis, dissolution, separation, and detection of substances can be easily performed without individual differences in a sealed cartridge.
本発明は上記のような構成に、室内の試料を高速に加熱・冷却することができ、また試料に十分に振動を伝えることもできる構成を付加したものである。
図4は本発明の一実施例を示す要部構成図であり、カートリッジ内においてPCR(Polymerase Chain Reaction)法により遺伝子を増幅する場合や、磁性粒子にDNAを結合した試料を扱う場合に適した構造を備えたものである。なお、以下ではその特徴部分について詳述する。その他の部分については上述の基本的構成に同じであるので、説明を省略する。
The present invention is obtained by adding a configuration that can heat and cool a sample in a room at a high speed and can sufficiently transmit vibration to the sample.
FIG. 4 is a block diagram showing the main part of one embodiment of the present invention, which is suitable for amplifying a gene by a PCR (Polymerase Chain Reaction) method in a cartridge or handling a sample in which DNA is bound to magnetic particles. It has a structure. Hereinafter, the characteristic part will be described in detail. Since other parts are the same as the above-described basic configuration, the description thereof is omitted.
図4において、200はその先端部をカートリッジの薄い弾性膜110aに接触させて室A(例えば図1の反応部室113)内の試料に対して加熱や冷却を行ったり、振動を与えるたりするための作用手段である。以下の実施例ではこの作用手段を外部冶具という。なお、前記試料は、例えばDNAや磁性粒子などと溶液を指す。
弾性膜110aの形成部分は局所的であり、冶具200が当接する室A上部に限定される。その部分の弾性膜110aは他の弾性体部分よりも薄く、1mm以下の厚さに形成されている。最適な膜厚tは、例えば0.1〜1mmである。
In FIG. 4,
The formation part of the elastic film 110a is local and is limited to the upper part of the chamber A where the
次に、このような構成における動作を説明する。カートリッジの室Aに試料を導入し、カートリッジ内の流路などを塞いで室Aの内圧を高くする。弾性膜110aは張った状態となる。
なお、内圧は、局所的な室A部分のみに限定せず、カートリッジ内の室と流路の全体にわたって高くしてもよい。
Next, the operation in such a configuration will be described. A sample is introduced into the chamber A of the cartridge, and the internal pressure of the chamber A is increased by closing the flow path in the cartridge. The elastic film 110a is in a tensioned state.
The internal pressure is not limited to the local chamber A portion, but may be increased over the entire chamber and the flow path in the cartridge.
内圧の高くなった弾性膜110aの表面に外部冶具200の先端部を押し当て密着させる。処理に応じて、試料に加熱・冷却あるいは加振することができる。
PCR法により遺伝子を増幅する処理では、加熱と冷却を繰返し行う。弾性膜110aが薄く、また密着した弾性膜110aを通しての試料への直接的な加熱・冷却であるので、その応答は従来の間接的な加熱・冷却に比べて格段に速い。
The tip of the
In the process of amplifying genes by PCR, heating and cooling are repeated. Since the elastic film 110a is thin and the sample is directly heated and cooled through the elastic film 110a that is in close contact, the response is much faster than the conventional indirect heating and cooling.
また、室Aに入れたDNA結合の磁性粒子を拡散させる際には、外部冶具200の先端部を振動させ、密着した弾性膜110aを介して試料に振動を伝える。この振動により試料中の磁性粒子が拡散する。
In addition, when diffusing the DNA-bonded magnetic particles placed in the chamber A, the tip of the
このように、目的の室の上部の弾性体のみ1mm以下の薄い膜に形成され、外部冶具200を密着して試料に対して容易に直接的に加熱・冷却あるいは加振を行うことができる。そして、加熱・冷却については、試料に限定して直接的に作用し、他の部位へはほとんど伝達せず影響しないため、高速化が可能である。また、振動についても同様に、試料に限定して直接的に作用し、他の部位へはほとんど伝達せず影響しない。
In this way, only the elastic body at the upper part of the target chamber is formed as a thin film of 1 mm or less, and the
なお、本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。
例えば、室Aの内圧は、図5に示すように、外部冶具の押し当て(または導入)により内圧を発生させるようにしてもよい。この場合、室Aから同方向に形成された出入口流路113aと113bをローラ130で同時に押し潰して(弁止めとなる)、室Aを密閉状態にして、冶具200を弾性膜に押し当てる。これにより、室Aの内圧は高くなる。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes many changes and modifications without departing from the essence thereof.
For example, as shown in FIG. 5, the internal pressure of the chamber A may be generated by pressing (or introducing) an external jig. In this case, the inlet / outlet channels 113a and 113b formed in the same direction from the chamber A are simultaneously crushed by the rollers 130 (to be valve-stopped), the chamber A is sealed, and the
また、他の部分への熱や振動の伝達を低減するために、図6(a)に示すように、外部冶具200の接触する領域の周囲の弾性体部分に切欠き110bを形成してもよい。あるいは、図6(b)に示すように、その切欠き部に断熱材や防振材の充填部材110cを埋め込んでもよい。
Further, in order to reduce the transmission of heat and vibration to other parts, as shown in FIG. 6A, a
また、図7に示すように、弾性膜110aを透明膜で形成してもよい。透明膜で形成すると、DNAのハイブリダイゼーション時の蛍光を、透明膜の窓(弾性膜110a)を通して読取装置300により容易に観測することができる。また、試料を加熱する場合は、外部冶具による加熱ではなく、窓を通してのレーザ照射でもよい。 Further, as shown in FIG. 7, the elastic film 110a may be formed of a transparent film. When formed with a transparent film, fluorescence during DNA hybridization can be easily observed by the reader 300 through the window (elastic film 110a) of the transparent film. When the sample is heated, laser irradiation through a window may be used instead of heating with an external jig.
また、弾性膜110aが、皺になったり、気泡を含まなければ、室の内圧はほぼ大気圧でも大丈夫である。
また、基板も弾性体で形成しても構わない。
Further, if the elastic film 110a is not wrinkled or contains bubbles, the internal pressure of the chamber can be almost atmospheric pressure.
Further, the substrate may be formed of an elastic body.
また、カートリッジと外部冶具との上下関係は、実施例と逆になっても構わない。すなわち、カートリッジの上下を逆にして、下側から外部冶具を弾性膜110aに押し当てるようにしても構わない。
また、弾性体の押圧は、実施例のようなローラによるカートリッジ全幅にわたる押圧にかぎらず、容器外から外力を加えて、流路または室あるいは両者を部分的に塞ぎ、流路または室にある流体状の物質を移動または阻止するようにしてもよい。
また、このような役目を果すポンプやバルブは外力によるものではなく、カートリッジ外からの外部ポンプや、形状記憶合金などによる内部バルブを用いてもよい。
Further, the vertical relationship between the cartridge and the external jig may be reversed from that in the embodiment. That is, the cartridge may be turned upside down and the external jig pressed against the elastic film 110a from below.
Further, the elastic body is not limited to pressing over the entire width of the cartridge by the roller as in the embodiment, but an external force is applied from the outside of the container to partially block the flow path or the chamber or both, and the fluid in the flow path or the chamber. The substance may be moved or blocked.
Further, the pump or valve that plays such a role is not based on an external force, but an external pump from the outside of the cartridge or an internal valve made of a shape memory alloy or the like may be used.
100 カートリッジ
110 弾性体
110a 弾性膜
110b 切欠き
110c 充填部材
111、112、A 室
113 反応部室
114 廃液収容室
115 流路
116 接着領域
117 注射針
118 注射器
120 基板
130 ローラ
200 外部冶具
300 読取装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100
Claims (3)
少なくとも一部は弾性体で形成された容器で密閉型に形成され、
前記容器内には、流路で連結または連結可能に配置された2つ以上の室が形成され、
前記弾性体の一部分に、室内の試料に対して加熱または冷却、あるいは振動を与えるカートリッジ外の作用手段を接触させるための薄い弾性膜が形成され、
前記流路または室がローラにより押し潰され前記室の内圧が大気圧以上となった状態で、前記作用手段と接触することを特徴とする化学反応用カートリッジ。 A cartridge used to perform a chemical reaction of a sample,
At least a part of the container is formed of an elastic body and is formed in a sealed shape.
In the container, two or more chambers arranged to be connected or connectable with a flow path are formed,
A thin elastic film is formed on a part of the elastic body so as to contact a working means outside the cartridge that applies heating or cooling or vibration to the sample in the room ,
A chemical reaction cartridge , wherein the cartridge or the chamber is crushed by a roller so that the internal pressure of the chamber is equal to or higher than atmospheric pressure, and the cartridge is in contact with the action means .
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