JP4721425B2 - 流体移動方法および流体移動装置 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも一部がプローブ固定部から構成されている反応室内における、試料溶液や洗浄液や気体（例えば空気）などの流体の流れを制御する流体移動方法および流体移動装置と、それを含む生化学反応装置に関する。一例としては、プローブ固定部は、基板に既知の塩基配列を有するオリゴヌクレオチドからなる検出用プローブが固定されたものであり、試料溶液は、検出用プローブの生体高分子と相互作用する生体高分子を含むものである。

従来、既知の塩基配列を有する複数種のプローブＤＮＡを用いて、各プローブＤＮＡと特異的な結合をする、すなわち各プローブＤＮＡとハイブリダイゼーション結合する核酸分子の有無を検出する装置が用いられている。この検出は、例えば、核酸分子の塩基配列に含まれる部分配列の特定や、生体に由来する試料液体中に含有される標的核酸の検出や、遺伝子ＤＮＡの特徴に基づく、種々の細菌の属や種の同定のために利用されている。

複数種のプローブＤＮＡに対するハイブリダイゼーション結合を迅速かつ正確に行わせるために、複数種のプローブＤＮＡを固相上に規則的に並べたプローブアレイ（ＤＮＡマイクロアレイ）が用いられている。プローブアレイを用いる場合には、固相上に規則的に並べられた各プローブＤＮＡに対して、試料溶液等の中の生体高分子をそれぞれハイブリダイゼーション結合させ、試料溶液中の標的核酸の有無の検出や定量などの解析を行う。プローブアレイを用いると、多数のプローブＤＮＡと特異的な結合をそれぞれ行う多数の核酸分子の有無を同時に検出することができる。一般に、これらの工程は、少なくとも一部が、プローブが固定された基板で構成されている反応室を設け、この反応室内に試料溶液であるハイブリダイゼーション溶液を充填し、基板を長時間一定温度に保つことによって行なわれる。

従来、ガラス基板を試料固定支持体として用いてハイブリダイゼーション結合を行わせる場合には、ハイブリダイゼーション溶液の攪拌により、反応時間の短縮や反応後の信号のレベルアップおよび均一化の効果が得られる。そのため、現在では、プローブアレイを用いてハイブリダイゼーション結合を行わせる場合には、攪拌機能を持つハイブリダイゼーション装置が用いられている。

特許文献１に、プローブアレイ用のハイブリダイゼーション装置が記載されている。この装置では，反応槽内のハイブリダイゼーション溶液を、空気によりアジテーションする（溶液を往復運動させる）ことにより、ハイブリダイゼーション結合の反応性を向上させている。

また、特許文献２には、ハイブリダイゼーション結合を効率よく均一に行うための還流型生化学反応装置が開示されている。この装置は、図１７に示すように、第１の板状部材１０２と第２の板状部材１０５を重ねて締結した結合体を有する。第１の板状部材１０２には、プローブ基板１０１を保持するための凹部１０３が形成されている。第２の板状部材１０５には、試料溶液を還流させる流路１０６と、流入口１０７と、流出口１０８と、整流のための突起部１０９が形成されている。第１の板状部材１０２と第２の板状部材１０５からなる結合体は、水平面に対して傾斜をつけて配置され、流入口１０７が流出口１０８の下方に位置している。そして、流入口１０７より試料溶液を送液して流路１０６に注入し、試料溶液を還流する構成である。

さらに、特許文献２には、図１８に示すように、第２の板状部材１０５に流入口１０７と流出口１０８がそれぞれ複数個配置された例も開示されている。この例では、板状部材１０５に流入口１０７と流出口１０８がそれぞれ４個ずつ形成されており、対向する流入口１０７と流出口１０８の中心同士を結ぶ線は全て平行である。
米国特許明細書第６２３８９１０号 特開２００３−３１５３３７号公報

このように、従来は、特許文献１のように反応槽内のハイブリダイゼーション溶液をアジテーションするか、特許文献２のように、反応室に流入口１０７と流出口１０８と流路１０６を設け、試料溶液を還流させていた。さらに、特許文献２では、流入口１０７と流出口１０８をそれぞれ複数個配置し、対向する流入口１０７と流出口１０８の中心同士を結ぶ線を全て平行にして、流路内１０６内の流れを均一にすることも開示されている。

プローブアレイのプローブは、一般に、基板平面上に規則正しく並べられているが、プローブは基板全体に亘って満遍なく並べられているのではなく、プローブアレイの外部にプローブの存在しない領域が存在する。すなわち、反応室の二次元平面内において、プローブはむしろ局部的に存在してプローブアレイを形成しているのが普通である。

個々のプローブと反応室内のハイブリダイゼーション溶液中の生体高分子との関係から見れば、ハイブリダイゼーション結合が生じる可能性は、基板上の位置によって大きく異なる。この点について図１９を参照して説明する。なお、図１９には、プローブアレイ１１０と、ハイブリダイゼーション溶液中の生体高分子の集合１１１を模式的に示している。

反応室内でハイブリダイゼーション溶液を運動させない場合は、プローブアレイ１１０群の外周付近に位置するプローブ（例えば図１９に示すプローブ１１２ａ）ほど、ハイブリダイゼーション結合する可能性が高い。一方、プローブアレイ１１０群の中央付近に位置するプローブ１１２ｂほど、ハイブリダイゼーション結合する可能性が低い。これは、ハイブリダイゼーション溶液中の生体高分子の微視的な移動は、ハイブリダイゼーション溶液の成分である液体分子の運動に端を発するものだからである。すなわち、プローブアレイ１１０群の外周に近いところにあるプローブ１１２ａは、ハイブリダイゼーション溶液中の生体高分子を捕捉するにあたって、競合する他のプローブが少ない。そのため、プローブ１個当たりの、ハイブリダイゼーション溶液中の結合可能な生体高分子の数が多く、その結果、結合が生じ易い。これに対して、プローブアレイ１１０群の中央に近いところにあるプローブ１１２ｂは、生体高分子の捕捉にあたって競合する他のプローブの数が多い。そのため、プローブ１個当たりの、ハイブリダイゼーション溶液中の結合可能な生体高分子の数が少なく、その結果、結合が生じる確率が低くなる。

本発明の目的は、反応室内に設けられた複数のプローブが、反応室内の位置に左右されずに比較的均等に、試料溶液中の生体高分子と遭遇できるようにする、流体移動方法および流体移動装置と生化学反応装置を提供することにある。

本発明の特徴は、少なくとも一部が、複数のプローブ生体高分子が固定されたプローブ固定部から構成され、且つ四隅を有している反応室と、少なくとも四隅の隅部近傍にそれぞれ配置された開口を介して反応室に連通する４個以上のポートとを有する生化学反応部に対する流体移動方法において、下流の２つの開口につながるポートから吸引しつつ、上流の開口から反応室内に流体を充填する動作と、ポートのうちのいずれかの動作を切り替えて、充填する動作と異なる方向の流体の往復移動を生じさせて、流体を撹拌する動作と、を含むところにある。

本発明によると、生化学反応部の反応室と３個以上のポートとの間でそれぞれ流体の移動が行える。この流体の移動を利用して、生化学反応に用いられる溶液を効率よく攪拌でき、洗浄液等の液体や、反応室内の液体を押し流すための気体を反応室内に満遍なく行き渡らせることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

〔第１の実施形態〕
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態の生化学反応装置の動作待機状態を模式的に示す概略図であり、この生化学反応装置は、生化学反応部２０と、それに接続されている流体制御装置を含む。

図２は、生化学反応部２０の一部をなすＤＮＡチップ２１の平面図である。このＤＮＡチップ２１は、縦２５．４ｍｍ×横７６．２ｍｍ×厚さ１ｍｍのガラス基板２２上に、複数のプローブが固定されて、プローブアレイ２３，２４，２５，２６が構成されている。プローブアレイ２３，２４，２５，２６は全て同じものであり、その一部の詳細が図３に示されている。各プローブアレイ２３，２４，２５，２６は、縦３２個×横３２個、合計１０２４個のプローブが行列状に配置されて正方形をなしている。個々のプローブの平面形状は、直径約５０μｍの円形である。プローブの配列ピッチは、縦横ともに１８０μｍである。各プローブは、検出すべき生体高分子とハイブリダイゼーション結合可能なプローブ生体高分子を、インクジェット技術によってガラス基板２１上に描画したものである。図２に示すように、４つのプローブアレイ２３，２４，２５，２６は、互いに３６０μｍの間隔をあけて、２×２の行列状に並べられている。

図４は、ＤＮＡチップ２１を保持し、かつＤＮＡチップ２１とともに生化学反応部２０を構成する板状部材３１を示している。板状部材３１はポリサルフォンやポリカーボネート等の樹脂材料で形成されている。図４（ａ）はその板状部材３１の平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ線断面図、図４（ｃ）は側面図である。

図面には明示されていないが、板状部材３１にはＯリング溝が設けられ、このＯリング溝の内側の領域３３は、外側の領域３４よりも０．１ｍｍ凹んだ平面になっている。Ｏリング溝にはＯリング３５が嵌められ、Ｏリング溝３２の内側の領域３３は、ＤＮＡチップ２１のプローブ固定部（プローブアレイ２３〜２６が設けられている部分）とともに反応室３６を形成する。ＤＮＡチップ２１に圧接させられてＯリング３５が潰れることによって、反応室３６は封止される（図５参照）。

なお、Ｏリング溝の内側の領域３３を、外側の領域３４と同一平面内に構成し、外側の領域３４の部分に厚さ０．１ｍｍのスペーサを追加することによって、反応室３６となる空間を形成してもよい。

板状部材３１の側面４１には、ポート３７，３８，３９，４０が設けられている。各ポート３７，３８，３９，４０は、板状部材３１内に開けられた流路（図４（ａ）に破線にて図示）を介して、内側の領域３３に設けられた開口４２，４４，４５，４３と、流体が流入および流出できるように連通している。開口４２，４３は、反応室３６の上流側の隅部近傍に位置している。開口４４，４５は、反応室３６の下流側の隅部近傍に位置している。

また、板状部材３１の上面には、開口４２と開口４３の中間付近に開口４６が設けられている。この開口４６は、Ｏリング溝の内側の領域３３に、流体が流入および流出できるように連通している。開口４６には栓４７（図１に模式的に図示）が付属しており、開口４６を任意に開閉することができる。

本実施形態の生化学反応装置は、図２に示すＤＮＡチップ２１と図４に示す板状部材３１とからなる生化学反応部２０と、流体制御装置を主な構成要素とする。流体制御装置は、複数の容器と切り替え制御手段とを含む。切り替え制御手段は、ポート３７，３８，３９，４０を介する、板状部材３１とＤＮＡチップ２１で形成された反応室３６内への流体の流入と、反応室３６からの流体の流出との切り替え制御を行うものである。

図５は、本実施形態の生化学反応部２０周辺の構成を示す断面図である。温度制御テーブル１９上に、ＤＮＡチップ２１がプローブ固定部を上側にしてセットされ、ＤＮＡチップ２１を覆うように板状部材３１が配置されている。図示しない加圧手段により板状部材３１が加圧され、Ｏリング３５が潰されて、ＤＮＡチップ２１と板状部材３１が密着して固定されている。板状部材３１の側面４１に設けられたポート３７，３８，３９，４０は、図示しないがＯリングを介して流体制御装置と接続されている。

図１は本実施形態の生化学反応装置の生化学反応部２０および流体制御装置の動作待機状態のシステムブロック図であり、この図１には、分かりやすくするために板状部材３１や温度制御テーブル１９は図示されていない。流体制御装置は、洗浄液ａ，ｂが収容されている容器１５，１６と、切り替え制御手段を有している。切り替え制御手段は、主に、真空ポンプ１と、レギュレーター２と、密閉容器で構成された負圧室３と、バルブ手段を構成する弁４，５，７，８，１０〜１４と、シリンジポンプ６，９と、配管チューブからなる流路を有している。

流体制御装置の各部材は配管チューブで連結されている。具体的には、三方弁４と二方弁５が配管チューブで接続され、その上流側は開口４４に接続され、その下流側は負圧室３に接続されている。シリンジポンプ６が、開口４４と二方弁５を繋ぐ配管チューブの途中に分岐する形態で接続されている。同様に、三方弁７と二方弁８が配管チューブで接続され、その上流側は開口４５に接続され、その下流側は負圧室３に接続されている。シリンジポンプ９が、開口４５と二方弁８を繋ぐ配管チューブの途中に分岐する形態で接続されている。三方弁４および三方弁７は、生化学反応部２０と負圧室３をつなぐ流路を大気に開放する機能をもっている。二方弁１０の下流側は開口４２に接続されている。二方弁１１の下流側は開口４３に接続されている。二方弁１０，１１の上流側は配管チューブで一旦合流し、この合流点から上流側に向けて配管チューブは再び３つの系統に分かれており、これらの各系統の二方弁１２，１３，１４がそれぞれ設けられている。二方弁１２の上流側は洗浄液ａを収容する容器１５に接続されており、二方弁１３の上流側は洗浄液ｂを収容する容器１６に接続されている。二方弁１４の上流側は大気に開放されている。

図１に示す動作待機状態では、負圧室３の内部は真空ポンプ１およびレギュレーター２により所定圧力（例えば大気圧−３０ｋＰａ）に制御され、各弁４，５，７，８，１０〜１４は閉じられ、ポンプ１，６，９は動作していない。この時点で流体の移動はない。

本実施形態の生化学反応装置は、図１に示す動作待機状態から、図６〜１１に示す各動作が行われる。図面中で流体の移動は太線で示している。

図６は、反応室３６にハイブリダイゼーション溶液を充填する動作を説明するシステムブロック図である。開口４６の栓４７（図１参照）が外されピペット（不図示）によってハイブリダイゼーション溶液が開口４６内に注入される。このとき、シリンジポンプ６，９の吸引動作により、ハイブリダイゼーション溶液が反応室３６内へ確実に注入される。シリンジポンプ６とシリンジポンプ９のどちらか一方のみを吸引させてもよいが、反応室３６に空気を残さないでハイブリダイゼーション溶液を完全に充填するには、シリンジポンプ６，９の両方を吸引させることが望ましい。シリンジポンプ６，９は、吸引量が、反応室３６にハイブリダイゼーション溶液を充填するのに相応しい体積に予め設定されていてもよい。あるいは、反応室３６内をモニターするセンサー（不図示）によって反応室３６内へのハイブリダイゼーション溶液の充填を検知したことを表す信号によりシリンジポンプ６，９の駆動が制御されてもよい。

図７は、反応室３６内に充填されたハイブリダイゼーション溶液を攪拌する動作を説明するシステムブロック図である。開口４６は栓４７が嵌められて閉じられる。二方弁１４はＯＮされて上流側は大気に開放される。この状態で二方弁１０と二方弁１１をＯＮしてＩＮ−ＯＵＴを連通させ、シリンジポンプ６とシリンジポンプ９を同時に押し引きすると、ハイブリダイゼーション溶液は反応室３６内を図７の矢印Ｙの方向に、概ね一様に往復移動する。また、二方弁１０をＯＮしてＩＮ−ＯＵＴを連通させ、二方弁１１をＯＦＦし、シリンジポンプ６はＯＦＦしたままでシリンジポンプ９を押し引きする。すると、ハイブリダイゼーション溶液は反応室３６内を、図７の矢印Ｙに対して傾斜した矢印Ａの方向に往復移動する。また、二方弁１０をＯＦＦし、二方弁１１をＯＮしてＩＮ−ＯＵＴを連通させ、シリンジポンプ９はＯＦＦしたままでシリンジポンプ６を押し引きする。すると、ハイブリダイゼーション溶液は反応室３６内を、図７の矢印Ｙに対して傾斜した矢印Ｂの方向に往復移動する。

本実施形態では、ハイブリダイゼーション結合反応中に、各二方弁１０，１１のそれぞれのＯＮ／ＯＦＦと、各シリンジポンプ６，７のそれぞれのＯＮ／ＯＦＦを適宜に組み合わせて繰り返す。こうして、前記したハイブリダイゼーション溶液の矢印Ｙ，Ａ，Ｂ方向へのそれぞれの往復移動を任意に組み合わせて行う。ハイブリダイゼーション結合は、十数分から数十分程度、長い場合は数時間程度を要する反応であるが、その間に、前記したように３つの方向（矢印Ｙ，Ａ，Ｂ方向）への往復移動を組み合わせて行う。それによって、反応室３６中のハイブリダイゼーション溶液は、矢印Ｙ方向のみの往復移動の場合と比べて、多様な方向に攪拌される。

図８は、プローブアレイ２３，２４，２５，２６に対するハイブリダイゼーション溶液の動きを説明する模式図である。この図８は、ガラス基板２２に固定されたプローブアレイ２３，２４，２５，２６に対して、ハイブリダイゼーション溶液がどのような方向に移動させられるかをまとめて示している。前述したように、ハイブリダイゼーション溶液は矢印Ｙ，Ａ，Ｂ方向にそれぞれ往復移動させられる。

ここで、プローブアレイ２３，２４，２５，２６の略中央に位置する１つのプローブ２７に着目する。プローブ２７は、ハイブリダイゼーション溶液の矢印Ｙ方向の往復移動時に、図８に楕円で示した領域２８内の生体高分子と遭遇する可能性がある。同様に、プローブ２７は、ハイブリダイゼーション溶液の矢印Ａ方向の往復移動時に、図８に楕円で示した領域２９内の生体高分子と遭遇する可能性がある。さらに、プローブ２７は、ハイブリダイゼーション溶液の矢印Ｂ方向の往復移動時に、図８に楕円で示した領域３０内の生体高分子と遭遇する可能性がある。このように、プローブ２７は、矢印Ｙ方向のみの往復移動の場合と比べて、より広い範囲のハイブリダイゼーション溶液中に存在する生体高分子と、より速くかつより多く遭遇することになる。実際には、矢印Ｙ方向、矢印Ａ方向、矢印Ｂ方向のそれぞれの往復移動を、時間をずらして適当に組み合わせる。それによって、プローブ２７は、領域２８と領域２９と領域３０の総和よりも広い範囲のハイブリダイゼーション溶液中に存在する生体高分子と、より速くかつより多く遭遇することになる。その結果、ハイブリダイゼーション溶液中に当該プローブ２７とハイブリダイゼーション結合可能な生体高分子が存在する場合に、互いに遭遇し損なうことなくハイブリダイゼーション結合が生じる可能性が高く、検出精度が向上する。

図９は、ハイブリダイゼーション結合が終了した後の洗浄動作を説明するシステムブロック図である。反応室３６内に充填されているハイブリダイゼーション溶液を排出し、容器１５内の洗浄液ａによって、反応室３６内、特にプローブにミスマッチして不完全に結合した生体高分子やガラス基板２２に付着した生体高分子を洗い流す。洗浄液ａは、本実施形態では２ｘＳＳＣ／０．１％ＳＤＳ溶液である。

図７に示すハイブリダイゼーション溶液の攪拌状態と同様に、開口４６は栓４７によって閉じられる。洗浄工程に移行すると、真空ポンプ１はＯＮされて、レギュレーター２によって設定された圧力で負圧室３の内部は一定の負圧に制御される。二方弁１２，１３，１４のうち二方弁１２のみがＯＮされ、その上流側が、洗浄液ａの容器１５と連通する。この状態で二方弁１０と二方弁１１をＯＮしてＩＮ−ＯＵＴを連通させ、さらに三方弁４と二方弁５および三方弁７と二方弁８を同時にＯＮすると、洗浄液ａは反応室３６内を図９の矢印Ｙ方向に、概ね一様に流れる。また、二方弁１０をＯＮしてＩＮ−ＯＵＴを連通させ、二方弁１１をＯＦＦし、三方弁４と二方弁５をＯＦＦし三方弁７と二方弁８をＯＮする。すると、洗浄液ａは反応室２６内を、矢印Ｙ方向に対して傾斜した矢印Ａ方向に流れる。また、二方弁１０をＯＦＦし、二方弁１１をＯＮしてＩＮ−ＯＵＴを連通させ、三方弁７と二方弁８をＯＦＦし三方弁４と二方弁５をＯＮする。すると、洗浄液ａは反応室２６内を、矢印Ｙ方向に対して傾斜した矢印Ｂ方向に流れる。

数秒から数十秒程度を要する洗浄液ａによる洗浄動作中に、矢印Ｙ，Ａ，Ｂ方向の流れを任意に組み合わせて行うことにより、洗浄液ａは、矢印Ｙ方向のみに流れる場合と比べて、反応室３６内を多様な方向に流れる。その結果、反応室３６内を満遍なく洗浄することができる。

図１０は、洗浄液ａによる洗浄が終了し、引き続き洗浄液ｂによって洗浄する動作を説明するシステムブロック図である。基本的な動作は、前述した洗浄液ａによる洗浄と同様であるが、二方弁１２，１３，１４のうちＯＮされるのは二方弁１３のみで、その上流側が、洗浄液ｂの容器１６と連通する点が異なる。その他の動作および効果については、前述した洗浄液ａによる洗浄と同様であるので説明を省略する。なお、洗浄液ｂは本実施形態では純水である。

図１１は、洗浄液ｂによる洗浄が終了し、反応室３６内に充填されている洗浄液ｂを排出する動作を説明するシステムブロック図である。図７に示すハイブリダイゼーション溶液の攪拌状態および図９，１０に示す洗浄状態と同様に、開口４６に栓４７が嵌められて閉じられている。さらに、真空ポンプ１はＯＮされ、レギュレーター２によって設定された圧力で負圧室３の内部は一定の負圧に制御されている。二方弁１２，１３，１４のうち二方弁１４のみがＯＮされ、その上流側は大気と連通する。この状態で二方弁１０と二方弁１１をＯＮしてＩＮ−ＯＵＴを連通させ、さらに三方弁４と二方弁５および三方弁７と二方弁８を同時にＯＮする。すると、洗浄液ｂは、反応室３６内を矢印Ｙ方向に概ね一様に流れ、開口４４および開口４５を通って、最終的に負圧室３内に回収される。このとき、三方弁４と二方弁５の組と三方弁７と二方弁８の組に意図的に時間差をつけてＯＮさせると、開口４４および開口４５の近傍すなわち反応室３６の下流側の隅部に洗浄液ｂを残すことなく確実に排出することができる。

以上説明したように、本実施形態では、流体制御装置の切り替え制御手段によって、生化学反応部２０の反応室３６と３つ以上のポート４２〜４５の各々との間でそれぞれ流体の移動を行うことができる。特に、１つのポートから反応室を介して他のポートへ至る流体の連続的な流れが形成できる。そして、反応室３６内の流体を一方向のみでなく２つ以上の方向に流動させることが可能であり、この流体の移動を利用して、反応室３６内の流体の攪拌や、反応室３６全体に流体を満遍なく行き渡らせることが可能である。例えば、反応室３６内の流体がハイブリダイゼーション溶液である場合には、十分な攪拌によって、生化学反応部２０のプローブアレイ２３〜２６の各プローブに、ハイブリダイゼーション溶液中の生体高分子をより確実に遭遇させ得る。その結果、プローブアレイ２３〜２６内の個々のプローブの位置に関わらず、ハイブリダイゼーション溶液中の生体高分子を均一に供給することができ、従来よりもハイブリダイゼーション結合をより効率よく行うことができる。すなわち、ハイブリダイゼーション溶液中の生体高分子の処理（例えば生化学反応の検出）における精度が向上する。

また、反応室３６内の流体が洗浄液である場合には、前記した流体の移動を利用して、反応室３６全体に洗浄液を満遍なく行き渡らせ、プローブアレイ２３〜２６およびＤＮＡチップ２１の基板２２に対して洗浄液をより均一に流せる。その結果、従来よりも効率よく均一に洗浄を行うことができる。

このように、本実施形態では、ハイブリダイゼーション結合や洗浄を効率よく均一に行うことができる。それによって、処理時間の短縮や、反応後の信号のレベルアップおよび均一化や、プローブからの信号とプローブ周囲のノイズのＳＮ比の向上が可能である。

また、反応室３６内の流体が洗浄液等の液体が充填されている状態で、前記した流体として空気等の気体を移動させる場合には、反応室３６全体に気体を満遍なく行き渡らせて、反応室３６内の液体を残すことなく排出できる。それによって、プローブの信号を検出する際に、反応室３６内の残存液体が検出の妨げとなることが防げる。

〔第２の実施形態〕
以下、本発明の第２の実施形態について図面を参照して説明する。

図１２は、本発明の第２の実施形態のＤＮＡチップ５１の平面図である。このＤＮＡチップ５１は、縦２０ｍｍ×横２０ｍｍ×厚さ１ｍｍのガラス基板５２上に、複数のプローブが固定されて、プローブアレイ５３，５４，５５，５６が構成されている。プローブアレイ５３，５４，５５，５６は全て同じものであり、その一部の詳細が図１３に示されている。各プローブアレイ５３，５４，５５，５６は、縦１６個×横１６個、合計２５６個のプローブが行列状に配置されて正方形をなしている。個々のプローブの平面形状は、直径約５０μｍの円形である。プローブの配列ピッチは、縦横ともに１８０μｍである。各プローブは、検出すべき生体高分子とハイブリダイゼーション可能なプローブ生体高分子を、インクジェット技術によってガラス基板５１上に描画したものである。図１２に示すように、４つのプローブアレイ５３，５４，５５，５６は、互いに３６０μｍの間隔をあけて、２×２の行列状に並べられている。

図１４は、図１２に示すＤＮＡチップ５１がカセット部材６１と接着されて一体化した、生化学反応部であるカセット７５の構成を示す図である。図１４（ａ）はカセット７５の平面図、図１４（ｂ）は図１４（ａ）のＡ−Ａ線断面図、図１４（ｃ）は側面図である。

カセット部材６１はポリサルフォンやポリカーボネート等の樹脂材料で形成されている。カセット部材６１には、ＤＮＡチップ５１を接着するための接着しろ６２が設けられ、その内側の領域６３は、接着しろ６２よりも０．５ｍｍ凹んだ平面となっている。接着しろ６２にＤＮＡチップ５１が接着されて、ＤＮＡチップ５１と接着しろの内側の領域６３が反応室６４を構成している。反応室６４の寸法は、縦８ｍｍ×横１４ｍｍ×高さ０．５ｍｍである。カセット部材６１の側面６０にはポート６５，６６，６７，６８が設けられている。各ポート６５，６６，６７，６８はカセット部材６１内にあけられた流路（図１４（ａ）に破線にて図示）を介して、反応室６４に設けられた開口６９，７１，７２，７０と、流体が流入および流出できるように連通している。開口６９，７０は、反応室６３の上流側の隅部近傍に位置している。開口７１，７２は、反応室６４の下流側の隅部近傍に位置している。カセット部材６１の上面には、開口６９と開口７０の中央付近に開口７３が設けられている。この開口７３は、反応室６４に流体が流入および流出できるように連通している。開口７３には栓７４（図１５に模式的に図示）が付属しており、開口７３を任意に開閉することができる。

図１５は本実施形態の生化学反応装置のシステムブロック図であり、この図１５には、分かりやすくするためにカセット部材６１は図示されていない。本実施形態の生化学反応装置は、図１４に示すようにＤＮＡチップ５１（図１２参照）とカセット部材６１が接着されて一体化した生化学反応部であるカセット７５と、カセット７５が着脱可能な流体制御手段を主な構成要素としている。そして、流体制御手段は、容器１５，１６と、切り替え制御手段とからなる。切り替え制御手段は、ポート６５，６６，６７，６８を介する、カセット７５の反応室６４内への流体の流入と、反応室６４からの流体の流出との切り替え制御を行うものである。

本実施形態では、生化学反応部として、流体制御装置に着脱可能であり、流体制御装置から取り外して取り扱うことが容易なカセット７５を設けているため、生体高分子の検出などの作業が行いやすくなる。特に、多数の試料を次々に検査する場合に有効である。なお、それ以外の流体制御装置の構成および動作は、前記した第１の実施形態と基本的に同じであるので同一の符号を付与し説明を省略する。

〔第３の実施形態〕
前記した第１の実施形態では、反応室３６を含む生化学反応部２０に対して、第２の実施形態では、反応室６３を含むカセット７５に対して、それぞれ流体制御装置によって流体を制御する例を説明した。この流体制御装置は、反応室３６，６４と別部材に構成されなければならない必要性はない。少なくとも一部がプローブ固定部により構成されている反応室を含む生化学反応部に流体制御装置が一体的に組み込まれた生化学反応ユニットも、本発明の生化学反応装置に含まれる。第３の実施形態では、このような生化学反応ユニットの例を示している。

図１６は、本実施形態の、ユニット化された生化学反応装置の構成を示す模式的斜視図である。基板８１には、一部がプローブ固定部により構成されている反応室８２が設けられている。反応室８２の周囲にはウェル８３，８４，８５が設けられて、これらは反応室８２と、流体が流入および流出できるように連通している。各ウェル８３，８４，８５に対して、マイクロポンプ等からなる流体制御装置８６，８７，８８がそれぞれ設けられている。詳述しないが、各流体制御装置８６，８７，８８は、反応室８２への流体の流入と、反応室８２からの流体の流出との切り替え制御を行う切り替え制御手段を含む。

本実施形態では、各ウェル８３，８４，８５のいずれか１つにハイブリダイゼーション溶液を注入する。そして、流体制御装置８６，８７，８８によって、第１の実施形態と同じ原理で、反応室８２に充填させるとともに、反応室８２から各ウェルに向かう流れと、そのウェルから反応室８２へ向かう流れを交互に発生させる。このようなハイブリダイゼーション溶液の往復移動を生じさせることによって攪拌作用を行う。反応室８２と３つのウェル８３，８４，８５とを結ぶそれぞれの方向に関する往復移動が組み合わせて行われることが好ましい。

同様に、ウェルに洗浄液を注入し、流体制御装置８６，８７，８８によって、反応室８２に充填させ、さらに洗浄液を往復移動させることによって満遍なく洗浄する。

また、ウェルから空気を導入し、流体制御装置８６，８７，８８によって、反応室８２内の洗浄液等の液体を、残存させることなく空気によって押し流すことができる。

このように、本実施形態でも、ハイブリダイゼーション溶液の反応室への充填および攪拌や、反応室８２内の洗浄や、反応室８２内の液体の排出などの処理を、効率よく行うことができる。

本発明の第１の実施形態の生化学反応装置の動作待機状態を示すシステムブロック図である。 図１に示す生化学反応装置のＤＮＡチップを示す平面図である。 図２に示すＤＮＡチップのプローブアレイの拡大図である。 （ａ）は図１に示す生化学反応装置の板状部材の構成を示す図、（ｂ）はその断面図、（ｃ）はその側面図である。 図２に示すＤＮＡチップと図４に示す板状部材を含む生化学反応部を示す断面図である。 図１に示す生化学反応装置において、反応室にハイブリダイゼーション溶液を充填する状態を示すシステムブロック図である。 図１に示す生化学反応装置において、反応室内に充填されたハイブリダイゼーション溶液を攪拌する状態を示すシステムブロック図である。 図７に示す状態における、プローブアレイに対するハイブリダイゼーション溶液の動きを説明する模式図である。 図１に示す生化学反応装置において、反応室の第１の洗浄状態を示すシステムブロック図である。 図１に示す生化学反応装置において、反応室の第２の洗浄状態を示すシステムブロック図である。 図１に示す生化学反応装置において、反応室から洗浄液を排出する状態を示すシステムブロック図である。 本発明の第１の実施形態の生化学反応装置のＤＮＡチップを示す平面図である。 図１２に示すＤＮＡチップのプローブアレイの拡大図である。 図１２に示すＤＮＡチップとカセット部材を含む生化学反応部であるカセットを示す断面図である。 本発明の第２の実施形態の生化学反応装置の動作待機状態を示すシステムブロック図である。 本発明の第３の実施形態の生化学反応装置を示す模式的斜視図である。 従来の生化学反応装置を示す断面図である。 従来の生化学反応装置の板状部材を示す平面図である。 プローブアレイ内のプローブとハイブリダイゼーション溶液の関係を示す説明図である。

符号の説明

１ 真空ポンプ
２ レギュレーター
３ 負圧室
４，７ 三方弁（バルブ手段）
５，８，１０，１１，１２，１３，１４ 二方弁（バルブ手段）
６，９ シリンジポンプ
２０ 生化学反応部
２１，５１ ＤＮＡチップ
２３，２４，２５，２６，５３，５４，５５，５６ プローブアレイ
３６，６４，８２ 反応室
３７，３８，３９，４０，６５，６６，６７，６８ ポート
７５ カセット（生化学反応部）
８６，８７，８８ 流体制御装置

Claims (12)

1. 少なくとも一部が、複数のプローブ生体高分子が固定されたプローブ固定部から構成され、且つ四隅を有している反応室と、少なくとも前記四隅の隅部近傍にそれぞれ配置された開口を介して前記反応室に連通する４個以上のポートとを有する生化学反応部に対する流体移動方法であって、
   下流の２つの前記開口につながる前記ポートから吸引しつつ、上流の前記開口から前記反応室内に流体を充填する動作と、
   前記ポートのうちのいずれかの動作を切り替えて、前記充填する動作と異なる方向の流体の往復移動を生じさせて、流体を撹拌する動作と、
   を含む流体移動方法。
2. 流体が前記４個以上のポートのうちのいずれかから前記反応室へ流入して該反応室から前記４個以上のポートのうちの他のいずれかに流出するような流体の連続した流れを形成する、請求項１に記載の流体移動方法。
3. 前記流体の連続した流れによって該流体を攪拌する、請求項２に記載の流体移動方法。
4. 前記反応室内で流体が少なくとも２つ以上の方向に向かう流れを形成する、請求項２または３に記載の流体移動方法。
5. 前記切り替え制御はバルブ手段によって行う、請求項１から４のいずれか１項に記載の流体移動方法。
6. 前記流体として、前記プローブ生体高分子に結合し得る生体高分子を含んだハイブリダイゼーション溶液、または前記プローブ固定部を洗浄する洗浄液、または気体を用いる、請求項１から５のいずれか１項に記載の流体移動方法。
7. 前記反応室内に前記ハイブリダイゼーション溶液を導入して生化学反応を生じさせる工程と、前記反応室内に前記洗浄液を導入して前記プローブ固定部を洗浄する工程と、前記反応室内に前記気体を導入して前記反応室内の液体を排出する工程とを含み、
   前記各工程において、請求項６に記載の流体移動方法をそれぞれ行う、生体高分子の処理方法。
8. 少なくとも一部が、複数のプローブ生体高分子が固定されたプローブ固定部から構成され、且つ四隅を有している反応室と、少なくとも前記四隅の隅部近傍にそれぞれ配置された開口を介して前記反応室に連通する４個以上のポートとを有する生化学反応部に付属する流体移動装置において、
   前記４個以上のポートのそれぞれに対して、前記反応室への流体の流入と、前記反応室からの流体の流出とを切り替え制御できる切り替え制御手段を有し、
   下流の２つの前記開口につながる前記ポートから吸引しつつ、上流の前記開口から前記反応室内に流体を充填する動作と、前記ポートのうちのいずれかの動作を切り替えて、前記充填する動作と異なる方向の流体の往復移動を生じさせて、流体を撹拌する動作と、を行うことを特徴とする流体移動装置。
9. 前記切り替え制御手段はバルブ手段を含む、請求項８に記載の流体移動装置。
10. 少なくとも一部が、複数のプローブ生体高分子が固定されたプローブ固定部から構成され、且つ四隅を有している反応室と、少なくとも前記四隅の隅部近傍にそれぞれ配置された開口を介して前記反応室との間で流体の流入および流出が可能に連通している４個以上のポートとを有する生化学反応部と、
    請求項８または９に記載の流体移動装置と
    を含む生化学反応装置。
11. 前記生化学反応部は前記流体移動装置に着脱可能なカセットである、請求項１０に記載の生化学反応装置。
12. 前記流体移動装置は前記生化学反応部に一体的に組み込まれている、請求項１０に記載の生化学反応装置。

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