JP4759451B2

JP4759451B2 - 生体物質の前処理チップ及び前処理チップシステム

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Publication number: JP4759451B2
Application number: JP2006166802A
Authority: JP
Inventors: 康彦佐々木; 亨稲葉; 浩岸田; 真臣内田
Original assignee: Hitachi Solutions Ltd
Current assignee: Hitachi Solutions Ltd
Priority date: 2006-06-16
Filing date: 2006-06-16
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2026-06-16
Also published as: JP2007330179A; DE602007004026D1; EP1867733A1; EP1867733B1

Description

本発明は、遺伝子検査をするために生体物質である試料液からＤＮＡを抽出する前処理チップ及びそれを用いた前処理チップシステムに関する。

ＤＮＡシーケンサやＤＮＡチップなど生体を遺伝子レベルで検査するためには生体物質からＤＮＡを抽出する必要がある。そこで、所望の分析物を流体試料か分離するため、チャンバ，貯蔵槽，検出処理領域などを微細流体チップに組み入れたカートリッジを用い、試料液，試薬，廃液等の流れ、特に分流を毛管あるいは疎水性の膜からなる分流加減器を用いて導くことが知られ、例えば、特許文献１に記載されている。

特表２００１−５２７２２０号公報

上記従来技術に記載のものは、廃液を分流するために、単に限界背圧が発生した場合、流体を通過させる分流加減器を用いているため、複数の試薬を順次送液するなど、分岐数が多くなるようなものに適用するには、限界背圧を複数設定しなければならず、確実な送液が困難である。

本発明の目的は、試料液からＤＮＡを抽出する前処理のように複数の試薬の送液が必要な場合であっても、より簡単な構成とし、各液の流動を確実にし、信頼性を高め、迅速な処理を行うことが可能な生体物質の前処理チップ及び前処理チップシステムを提供することにある。

上記従来技術の課題を解決するため、本発明は、生体物質からＤＮＡを抽出するため、サンプル液を前処理チップ内に注入し、溶解液と混ぜ合わせてＤＮＡを露出させ、溶解した前記サンプル液を担体部に通して、ＤＮＡを表面に吸着させ、その後洗浄液を前記担体部に通して表面に残っている前記サンプル液を洗い流し、さらに溶離液を前記担体部に通して吸着しているＤＮＡを溶離し、ＤＮＡを含んだ溶離液を取り出す生体物質の前処理チップシステムにおいて、前記サンプル液が注入されるサンプル槽と、前記溶解液が内蔵された溶解液槽と、前記洗浄液が内蔵された第１洗浄液槽と、前記洗浄液とは異なる洗浄液が内蔵された第２洗浄液槽と、前記溶離液が内蔵された溶離液槽と、前記サンプル槽と前記溶解液槽とに接続され、前記サンプルと前記溶解液が混合される混合流路と、前記混合流路に接続された担体部と、前記担体部から保持流路を介して接続された廃液槽と、前記廃液槽に接続され、前記担体部を通過した溶離液を保持する回収槽と、前記第１洗浄液槽から前記混合流路と前記担体部との間を接続する第１流路に配置された第１の複数個の抵抗材と、前記第２洗浄液槽から前記混合流路と前記担体部との間を接続する第２流路に配置された第２の複数個の抵抗材とを有する前処理チップを備え、前記抵抗材の材質はガラス部材であり、前記第１及び第２の複数個の抵抗材の各々は、同一の流路抵抗であり、前記第２の複数個の抵抗材は、前記第１の複数個の抵抗材よりも多く配置され、圧力源からの圧力により前記溶離液を前記担体部に通液させるものである。

本発明によれば、洗浄液や溶離液を通液する流路の分岐を複数の抵抗材で流路抵抗を設定して行うので、試料液からＤＮＡを抽出する前処理のように複数の試薬の送液が必要な場合であっても、より簡単な構成とし、各液の流動を確実にし、信頼性を高めることができる。

図１を参照して一実施の形態である試料液からＤＮＡを抽出する前処理チップの構造を説明する。
前処理チップ１００は、生体物質が含まれているサンプルを注入するサンプル槽１１０と、溶解液を内蔵する溶解液槽１１１と、洗浄液を内蔵する洗浄液槽１１２，１１３と、溶離液を内蔵する溶離液槽１１４と、サンプルと溶解液を混合する流路１２０と、サンプル内のＤＮＡを吸着し、微量の元素や化合物の化学操作・物理操作を効果的に行う物質である複数の担体から成る担体部１３０と、担体部１３０を通過したサンプルと溶解液，洗浄液，溶離液を一時的に保持する保持流路１２１と担体部１３０を通過したサンプルと溶解液，洗浄液を保持する廃液槽１１５と、担体部１３０を通過した溶離液を保持する回収槽１１６とを有する。
また、各槽１１０〜１１６はポート流路１８０〜１８６を介してポート１９０〜１９６と接続されている。さらに、混合流路１２０や担体部１３０と第１洗浄液槽１１２，第２洗浄液槽１１３や溶離液槽１１４との間には接続流路を介して複数の抵抗材１６９から成る抵抗部１６０〜１６４が設けられている。

抵抗部１６２は第１洗浄液槽１１２から混合流路１２０と担体部１３０との間を接続する第１流路に配置される。抵抗部１６３は第１流路の担体部側から第２洗浄液槽１１３を接続する第２流路に配置される。
抵抗部１６４は溶離液槽１１４と担体部１３０の間に配置し、かつ、抵抗部１６１は抵抗部１６３，１６４と担体部１３０の間に配置し、抵抗部１６０は抵抗部１６１，１６２と流路１２０，担体部１３０の間に配置している。坦体はガラスビーズやグラスウール，ガラス焼結体，多孔質ガラスなど、表面がガラス材質の物がＤＮＡを効率良く吸着するのに適している。

流路１２０と担体部１３０と抵抗部１６０〜１６４の流路抵抗の大小関係は次の通りとなる。
流路１２０＜担体部１３０＜抵抗部１６０
抵抗部１６０＜抵抗部１６１
抵抗部１６０＜抵抗部１６２
抵抗部１６０＋抵抗部１６１＜抵抗部１６３
抵抗部１６０＋抵抗部１６１＜抵抗部１６４
図２は抵抗部１６０の詳細を示す斜視図であり、抵抗部１６０では２個の抵抗材１６９ａと１６９ｂが接続流路１６８ｃで直列に接続されている。また、抵抗材１６９ａに接続流路１６８ａ，１６８ｂが接続し、抵抗材１６９ｂに接続流路１６８ｄ，１６８ｅが接続されている。接続流路１６８ａの先には流路１２０が、接続流路１６８ｂの先には担体部１３０が、接続流路１６８ｄの先には抵抗部１６２が、接続流路１６８ｅの先には抵抗部１６１が位置している。

抵抗材は担体と同じ素材の物を使用することが良く、これにより、流路抵抗を適切な値とするには、担体の個数を設定すればよく、ひとつの抵抗材で通過圧力などを設定するものに比べ、値そのものだけでなく品質等のバラツキも小さく、信頼性の確保が容易となる。
図３を参照して前処理の手順について概略を説明する。前処理は、生体物質からＤＮＡを抽出する範囲であり、前処理の工程は、（１）溶解，（２）吸着，（３）洗浄，（４）溶離の４つの工程から成る。
まず、サンプル液をチップ内に注入し、チップ内の溶解液と混ぜ合わせて生体物質を溶解してＤＮＡを露出させる。（溶解工程）次に、溶解したサンプル液を担体部に通して、ＤＮＡを担体表面に吸着させる。（吸着工程）
洗浄液を担体部に通して、担体表面に残っているサンプル液を洗い流す。（洗浄工程）溶離液を担体部に通して、担体表面に吸着しているＤＮＡを溶離する。（溶離工程）最後に、ＤＮＡを含んだ溶離液を取り出す。

以上の前処理工程をチップの中で行った手順を以下に説明する。
初期の状態ではチップ内には試薬が内蔵されている。すなわち、溶解液槽１１１には溶解液、洗浄液槽１１２には洗浄液、洗浄液槽１１３には別の洗浄液、溶離液槽１１４には溶離液、がそれぞれ充填されている。

初期の状態のチップに、ポート１９０からサンプル液を注入してサンプル槽１１０を充填する。このとき、ポート１９１，１９２，１９３，１９４は閉じ、ポート１９５または１９６のすくなくとも一方は開けてポート１９０からサンプル液を注入する。

サンプル槽１１０のサンプル液と溶解液槽１１１の溶解液を流路１２０に送液して混合させる。このとき、ポート１９２，１９３，１９４は閉じ、ポート１９５または１９６のすくなくとも一方は開けてポート１９０，１９１から空気を注入する。必要に応じてサンプルと溶解液の混合液をチップ内で加熱しても良い。

サンプル液と溶離液の混合液を流路１２０から担体部１３０を通して流路１２１に送液する。このとき、ポート１９２，１９３，１９４は閉じ、ポート１９５または１９６のすくなくとも一方は開けてポート１９０または１９１から空気を注入する。ここで、担体部１３０と抵抗部１６０では担体部１３０の方が流路抵抗は小さいため、流路１２０から来た混合液は担体部１３０の方へ流れる。
また、流路１２１の混合液を担体部１３０を通して流路１２０に送液する場合には、このとき、ポート１９２，１９３，１９４は閉じ、ポート１９０または１９１のすくなくとも一方は開けてポート１９５または１９６から空気を注入する。流路１２０と抵抗部160では流路１２０の方が流路抵抗は小さいため、担体部１３０から来た混合液は流路１２０の方へ流れる。混合液が担体部１３０を通過する際に、混合液内のＤＮＡが担体表面に吸着される。流路１２１の混合液を廃液槽１１５に送液する場合には、このとき、ポート
１９２，１９３，１９４，１９６は閉じ、ポート１９５は開けてポート１９０または191から空気を注入する。これで混合液は廃液槽１１５に保持される。

洗浄液を洗浄液槽１１２から一旦、流路１２０に送液する。このとき、ポート１９３，１９４，１９５，１９６は閉じ、ポート１９０または１９１のすくなくとも一方は開けてポート１９２から空気を注入する。抵抗部１６０と抵抗部１６１では抵抗部１６０の方が流路抵抗は小さいため、洗浄液槽１１２から来た洗浄液は抵抗部１６０の方へ流れる。また、流路１２０と担体部１３０では流路１２０の方が流路抵抗は小さいため、抵抗部160から来た洗浄体は流路１２０の方へ流れる。洗浄液は一旦、流路１２０に保持される。

洗浄液を流路１２０から担体部１３０を通して流路１２１に送液する。このとき、ポート１９２，１９３，１９４は閉じ、ポート１９５または１９６のすくなくとも一方は開けてポート１９０または１９１から空気を注入する。担体部１３０と抵抗部１６０では担体部１３０の方が坦体の個数が少なく、流路抵抗は小さいため、流路１２０から来た洗浄液は担体部１３０の方へ流れる。また、担体部１３０を通して流路１２１の洗浄液を流路
１２０に送液する場合には、ポート１９２，１９３，１９４は閉じ、ポート１９０または１９１のすくなくとも一方は開けてポート１９５または１９６から空気を注入する。流路１２０と抵抗部１６０では流路１２０の方が流路抵抗は小さいため、担体部１３０から来た洗浄液は流路１２０の方へ流れる。

洗浄液が担体部１３０を通過する際に、担体表面のＤＮＡ以外の成分が洗浄される。また、流路１２１の洗浄液を廃液槽１１５に送液する場合には、ポート１９２，１９３，
１９４，１９６は閉じ、ポート１９５は開けてポート１９０または１９１から空気を注入する。これで洗浄液は前記の混合液に続いて廃液槽１１５に保持される。

洗浄液を洗浄液槽１１３から一旦、流路１２０に送液する。このとき、ポート１９２，１９４，１９５，１９６は閉じ、ポート１９０または１９１のすくなくとも一方は開けてポート１９３から空気を注入する。ここで、抵抗部１６１と抵抗部１６４では抵抗部161の方が流路抵抗は小さいため、洗浄液槽１１３から来た洗浄液は抵抗部１６１の方へ流れる。

抵抗部１６０と抵抗部１６２では抵抗部１６０の方が流路抵抗は小さいため、抵抗部
１６１から来た洗浄液は抵抗部１６０の方へ流れる。また、流路１２０と担体部１３０では流路１２０の方が流路抵抗は小さいため、抵抗部１６０から来た洗浄液は流路１２０の方へ流れる。これで洗浄液は一旦、流路１２０に保持される。

洗浄液を流路１２０から担体部１３０を通して流路１２１に送液する。このとき、ポート１９２，１９３，１９４は閉じ、ポート１９５または１９６のすくなくとも一方は開けてポート１９０または１９１から空気を注入する。担体部１３０と抵抗部１６０では担体部１３０の方が流路抵抗は小さいため、流路１２０から来た洗浄液は担体部１３０の方へ流れる。

担体部１３０を通して流路１２１の洗浄液を流路１２０に送液する場合には、ポート
１９２，１９３，１９４は閉じ、ポート１９０または１９１のすくなくとも一方は開けてポート１９５または１９６から空気を注入する。流路１２０と抵抗部１６０では流路120の方が流路抵抗は小さいため、担体部１３０から来た洗浄液は流路１２０の方へ流れる。この洗浄液が担体部１３０を通過する際に、担体表面のＤＮＡ以外の成分が更に洗浄される。

流路１２１の洗浄液を廃液槽１１５に送液する場合には、このとき、ポート１９２，
１９３，１９４，１９６は閉じ、ポート１９５は開けてポート１９０または１９１から空気を注入する。これで洗浄液は前記の混合液，洗浄液に続いて廃液槽１１５に保持される。

溶離液を溶離液槽１１４から一旦、流路１２０に送液する。このとき、ポート１９２，１９３，１９５，１９６は閉じ、ポート１９０または１９１のすくなくとも一方は開けてポート１９４から空気を注入する。抵抗部１６１と抵抗部１６３では抵抗部１６１の方が流路抵抗は小さいため、溶離液槽１１４から来た溶離液は抵抗部１６１の方へ流れる。また、抵抗部１６０と抵抗部１６２では抵抗部１６０の方が流路抵抗は小さいため、抵抗部１６１から来た溶離液は抵抗部１６０の方へ流れる。

さらに、流路１２０と担体部１３０では流路１２０の方が流路抵抗は小さいため、抵抗部１６０から来た溶離液は流路１２０の方へ流れる。これで溶離液は一旦、流路１２０に保持される。

溶離液を流路１２０から担体部１３０を通して流路１２１に送液する。このとき、ポート１９２，１９３，１９４は閉じ、ポート１９５または１９６のすくなくとも一方は開けてポート１９０または１９１から空気を注入する。ここで、担体部１３０と抵抗部１６０では担体部１３０の方が流路抵抗は小さいため、流路１２０から来た溶離液は担体部130の方へ流れる。また、流路１２１の溶離液を担体部１３０を通して流路１２０に送液する場合には、このとき、ポート１９２，１９３，１９４は閉じ、ポート１９０または１９１のすくなくとも一方は開けてポート１９５または１９６から空気を注入する。流路１２０と抵抗部１６０では流路１２０の方が流路抵抗は小さいため、担体部１３０から来た溶離液は流路１２０の方へ流れる。この溶離液が担体部１３０を通過する際に、担体表面からＤＮＡを溶離して溶離液内に確保される。
流路１２１の溶離液を回収槽１１６に送液する場合には、このとき、ポート１９２，
１９３，１９４，１９５は閉じ、ポート１９６は開けてポート１９０または１９１から空気を注入する。これでＤＮＡを確保した溶離液は回収槽１１６に保持される。

最後にポート１９６から回収槽１１６に保持された溶離液を取り出して前処理が終了する。前処理後のＤＮＡを確保した溶離液は、必要に応じて増幅され、ＤＮＡシーケンサやＤＮＡチップなど、生体を遺伝子レベルでの検査に用いられる。

以上のように、流路１２０や担体部１３０と洗浄液槽１１２，１１３や溶離液槽１１４との間に抵抗部１６０〜１６４を配置し、流路１２０と担体部１３０と抵抗部１６０〜
１６４の流路抵抗の大小関係を担体の個数で設定できるので、流路抵抗の設定に自由度がある状態で配置することが容易となる。
また、液物性に合わせて流路抵抗を変えるときにも、抵抗材の個数を調整することにより流路抵抗を設定することが可能である。さらに、抵抗材の配置を変えることにより、チップを作り替えることなく流れ方向の制御を変えることが可能である。

図４の前処理チップシステム（装置）は、前処理チップを挿入するためのチップ取り入れ窓２０１，前処理チップを移動させる移動ステージ２０３，前処理を行う前処理ステージ２０４，前処理チップ内にて送液を行うためのバルブ２０５及びポンプ２１３，電源
２０６，モータドライバ２０７，制御基板２０８，情報アクセスパネル２０９を有する。モータドライバ２０７及び制御基板２０８は、移動ステージ２０３，バルブ２０５及びポンプ２１３を操作するために使用される。電源２０６は各種部品に電気を供給する。情報アクセスパネル２０９は、計測条件の入力ならびに、計測結果の出力に使用される。

前処理チップ装置は、遺伝子検査をするために生体物質からＤＮＡを抽出することが可能であり、チップ取り入れ窓２０１から前処理チップを挿入する。
前処理チップ内には、試薬が充填されており、生体物質を含むサンプルが注入されている。移動ステージ２０３によって、前処理をステージ２０４に搬送する。前処理ステージ２０４で、前処理チップ内にて、生体物質を含むサンプル液を、溶解液と混ぜ合わせて生体物質を溶解してＤＮＡを露出させる。
溶解したサンプル液を担体部に通して、ＤＮＡを担体表面に吸着させる。洗浄液を担体部に通して、担体表面に残っているサンプル液を洗い流す。溶離液を担体部に通して、担体表面に吸着しているＤＮＡを溶離する。
以上の前処理工程は前処理チップ装置内で自動に行われ、前処理チップは移動ステージ２０３によってチップ取り入れ窓２０１まで運ばれ、取り出される。前処理チップを前処理チップ装置に装填することにより、送液量を正確に制御する必要もない。

本発明の一実施の形態による前処理チップの上面図。図１における抵抗部の詳細を示す斜視図。一実施の形態による前処理工程を示すフローチャート図。一実施の形態による前処理チップ装置の概略を示す斜視図。

符号の説明

１００…前処理チップ、１１０…サンプル槽、１１１…溶解液槽、１１２…第１洗浄液槽、１１３…第２洗浄液槽、１１４…溶離液槽、１１５…廃液槽、１１６…回収槽、120…混合流路、１２１…保持流路、１３０…担体部、１６０〜１６４…抵抗部、１６８ａ〜１６８ｅ…接続流路、１６９…抵抗材、１８０〜１８６…ポート流路、１９０〜１９６…ポート。

Claims

生体物質からＤＮＡを抽出するため、サンプル液を前処理チップ内に注入し、溶解液と混ぜ合わせてＤＮＡを露出させ、溶解した前記サンプル液を担体部に通して、ＤＮＡを表面に吸着させ、その後洗浄液を前記担体部に通して表面に残っている前記サンプル液を洗い流し、さらに溶離液を前記担体部に通して吸着しているＤＮＡを溶離し、ＤＮＡを含んだ溶離液を取り出す生体物質の前処理チップシステムにおいて、
前記サンプル液が注入されるサンプル槽と、
前記溶解液が内蔵された溶解液槽と、
前記洗浄液が内蔵された第１洗浄液槽と、
前記洗浄液とは異なる洗浄液が内蔵された第２洗浄液槽と、
前記溶離液が内蔵された溶離液槽と、
前記サンプル槽と前記溶解液槽とに接続され、前記サンプルと前記溶解液が混合される混合流路と、
前記混合流路に接続された担体部と、
前記担体部から保持流路を介して接続された廃液槽と、
前記廃液槽に接続され、前記担体部を通過した溶離液を保持する回収槽と、
前記第１洗浄液槽から前記混合流路と前記担体部との間を接続する第１流路に配置された第１の複数個の抵抗材と、
前記第２洗浄液槽から前記混合流路と前記担体部との間を接続する第２流路に配置された第２の複数個の抵抗材とを有する前処理チップを備え、
前記抵抗材の材質はガラス部材であり、
前記第１及び第２の複数個の抵抗材の各々は、同一の流路抵抗であり、
前記第２の複数個の抵抗材は、前記第１の複数個の抵抗材よりも多く配置され、
圧力源からの圧力により前記溶離液を前記担体部に通液させる生体物質の前処理チップシステム。
請求項１に記載された生体物質の前処理チップシステムにおいて、
前記溶離液槽から前記混合流路と前記担体部との間に流路抵抗となる複数の抵抗材が配置された生体物質の前処理チップシステム。
請求項１に記載された生体物質の前処理チップシステムにおいて、
前記溶離液槽は、前記第２流路の前記担体部側から流路抵抗となる複数の抵抗材を介して接続された生体物質の前処理チップシステム。
請求項１から３の何れかに記載された生体物質の前処理チップシステムにおいて、
前記抵抗材は、ガラスビーズ，グラスウール，ガラス焼結体，多孔質ガラスの何れかである生体物質の前処理チップシステム。
サンプル液が注入され、溶解液と混ぜ合わせてＤＮＡを露出させ、溶解した前記サンプル液を担体部に通して、ＤＮＡを表面に吸着させ、その後第１及び第２洗浄液を前記担体部に通して表面に残っている前記サンプル液を洗い流し、さらに溶離液を前記担体部に通して吸着しているＤＮＡを溶離し、ＤＮＡを含んだ溶離液を取り出すための生体物質の前処理チップにおいて、
前記サンプル液が注入されるサンプル槽と、
前記溶解液が内蔵された溶解液槽と、
前記洗浄液が内蔵された第１洗浄液槽と、
前記洗浄液とは異なる洗浄液が内蔵された第２洗浄液槽と、
前記溶離液が内蔵された溶離液槽と、
前記サンプル槽と前記溶解液槽とに接続され、前記サンプルと前記溶解液が混合される混合流路と、
前記混合流路に接続された担体部と、
前記担体部から保持流路を介して接続された廃液槽と、
前記廃液槽に接続され、前記担体部を通過した溶離液を保持する回収槽と、
前記第１洗浄液槽から前記混合流路と前記担体部との間を接続する第１流路に配置された第１の複数個の抵抗材と、
前記第２洗浄液槽から前記混合流路と前記担体部との間を接続する第２流路に配置された第２の複数個の抵抗材とを有する前処理チップを備え、
前記抵抗材の材質はガラス部材であり、
前記第１及び第２の複数個の抵抗材の各々は、同一の流路抵抗であり、
前記第２の複数個の抵抗材は、前記第１の複数個の抵抗材よりも多く、
圧力源からの圧力により前記溶離液を前記担体部に通液させる生体物質の前処理チップ。
請求項５に記載された生体物質の前処理チップにおいて、
前記溶離液槽から前記混合流路と前記担体部との間に流路抵抗となる複数の抵抗材が配置された生体物質の前処理チップ。
請求項５に記載された生体物質の前処理チップにおいて、
前記溶離液槽は、前記第２流路の前記担体部側から流路抵抗となる複数の抵抗材を介して接続された生体物質の前処理チップ。
請求項５から７の何れかに記載された生体物質の前処理チップにおいて、
前記抵抗材は、ガラスビーズ，グラスウール，ガラス焼結体，多孔質ガラスの何れかである生体物質の前処理チップ。