JP5417734B2 - 化学反応用カートリッジ - Google Patents

Description

本発明は、化学反応用カートリッジに関する。

従来、ハイブリダイゼーションによるＤＮＡやＲＮＡ（ｍＲＮＡやｃＤＮＡなど）、蛋白などの生体高分子を検査する検査方法はよく知られている。特許文献１には、弾性体材料で形成されたカートリッジ基体を備え、生体高分子のハイブリダイズ処理を行うことができるバイオチップ用カートリッジが記載されている。
特許文献２には、同じくハイブリダイゼーションによる生体高分子の検査等にも利用でき、内部の室や流路の構成材として弾性体が用いられた化学反応用カートリッジが記載されている。
このような内部の室や流路の構成材として弾性体が用いられたカートリッジにあっては、ローラ等で弾性体を変形させて室や流路を押し潰し、押し潰した状態でローラ等を移動又は停止することで、流動体の流動・流動阻止を行うことができる。
特開２００４−２２６０６８号公報 特開２００５−０３７３６８号公報

しかし、以上の従来技術にあっても次のような問題があった。
図３に、従来のＤＮＡ検出用のカートリッジにおけるハイブリダイゼーションが行われる反応室の模式図を示す。
図３に示すように、カートリッジにはＤＮＡチップ９が収められる反応室１が基材５等により形成されている。また、導入路２と排出路３とが反応室１に連結して形成されている。ＤＮＡチップ９の周囲の基材５及び上面を覆う基材、並びに導入路２及び排出路３の側部及び上部を覆う基材は一体の弾性体で構成される。ＤＮＡチップ９が固定される底面は硬質な剛性体の基板で構成されることがある。
導入路２と排出路３のそれぞれは、バルブ１２、１３により開閉を制御される。バルブ１２、１３はローラ、シリンジ等の弾性体を押圧する部材である。ＤＮＡチップ９上には複数種類の単鎖ＤＮＡが配置されている。

図３(b)に示すように、蛍光物質によりラベル付けされた試料ＤＮＡを含んだ反応液６が導入路２から反応室１へ導入されると、反応液６中の試料ＤＮＡがＤＮＡチップ９上の単鎖ＤＮＡとハイブリダイズする。その後図３(c)に示すようにハイブリダイズしなかった試料ＤＮＡを含めて余分な反応液が排出路３から排出される。

しかし、図３(a)の状態で反応室１には、反応室１中の空気等の気体７が存在する。そのため、その空気等７が図３(b)に示すように気泡８となって反応液６に混入し、ハイブリダイゼーションの反応均一性が阻害されるという問題があった。

本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、所定の化学反応を行わせる反応室において反応時の気体の混入を避け反応均一性を良好に保持できる化学反応用カートリッジを提供することを課題とする。

以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、構成材として弾性体を含み、
内部には、流路と、前記流路で繋がれる２以上の室とが形成され、
外部から前記弾性体に外力を加えることにより前記流路若しくは室又はその両者を部分的に塞いでその流路又は室にある流体状の物質を移動又は移動阻止することができるように構成され、
前記室の一つとして反応室を有し、
前記反応室は、該反応室に導入される反応液の化学反応が行われる室であり、
前記反応液の導入前の前記反応室に、該反応室内の隙間を埋める特定の液が充填されており、前記反応液の導入前の前記反応室に存在する前記特定の液の量は、前記反応室に導入される前記反応液と等量以下であることを特徴とする化学反応用カートリッジである。

請求項２記載の発明は、前記特定の液は前記反応液と反応しない物性を有することを特徴とする請求項１に記載の化学反応用カートリッジである。

請求項３記載の発明は、前記反応室は、その容積を増大させることによりその増大分の前記反応液を受け入れ可能であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の化学反応用カートリッジである。

請求項４記載の発明は、前記反応室は、前記特定の液を排出することによりその排出分の前記反応液を受け入れ可能であることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一に記載の化学反応用カートリッジである。

請求項５記載の発明は、前記反応液の化学反応は、該反応液中に含まれる反応物の化学反応であり、前記特定の液は、前記反応液から前記反応物を除いた成分と同組成の液であることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか一に記載の化学反応用カートリッジである。

請求項６記載の発明は、前記特定の液は、洗浄液であることを特徴とする請求項１から請求項５のうちいずれか一に記載の化学反応用カートリッジである。

本発明によれば、反応液導入前の反応室に充填されている特定の液により反応室の隙間が埋められているので、反応時反応液への空気等の気体の混入を避け、その反応液の化学反応の均一性を良好に保持することができるという効果がある。

以下に本発明の一実施の形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。なお、本発明の化学反応用カートリッジは、一般に「マイクロリアクタ」とも呼ばれる反応器として応用されるものである。本発明は特定の用途に限定されない。

図１に、本発明の実施形態に係る化学反応用カートリッジにおけるハイブリダイゼーションが行われる反応室の模式図を示す。
本化学反応用カートリッジは、気密状で弾力性のあるゴムなどの弾性体と、硬質材料で形成された位置決め及び形状維持のための剛性体の基板より形成されている。

弾性体の材質としては、シリコーンゴム、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）、天然ゴムおよびその重合体、アクリルゴム、ウレタンゴムなどである。
基板の材質としては、ガラス、金属、硬質樹脂あるいは曲げることが可能な剛体を用いることができる。

弾性体の一面に凹部が形成され、弾性体の凹部が形成された面の凹部を除く部分が、基板の面に接合されることにより、流路及び室が形成されている。室は２以上形成される。流路は室間を繋げ、室間の物質の移送を可能にする。移送される物質は、流動性のある物質、液体その他の流体状の物質である。移送目的の反応物質が、固体等の流動しないもの、流動し難いものである場合は、その反応物質を含んだ溶液が室に入れられる。

流路及び室は、弾性体により全体を被うようにして形成しても良いし、一部の壁部を弾性体により構成しても良い。基板と弾性体との間にもう一層の弾性体を介在させることにより、流路及び室の全体を弾性体により被うように形成することができる。また、基板に代えて弾性体を用い、剛性体の基板なしで構成しても良い。

物質の移動は次のように行う。
まず、ローラ、スキージ、シリンジ等の押圧手段を、流路又は室上の弾性体に押し当て、流路又は室を押し潰す。流路又は室を押し潰すことにより、内部の物質を流動させて移動させることができる。さらには、押圧位置を移動させることにより、内部の物質を流動させ、押圧位置の移動方向に物質を移動させることができる。押圧位置の移動は、押圧位置において流路又は室の対向する内壁同士を接触させることにより内部空間を遮断する状態まで押圧して行うことが好ましい。

物質の移動阻止は、押圧手段により流路又は室の対向する内壁同士を接触させて内部空間を遮断することで行われる。押圧手段を複数使用することにより、一方の押圧手段により物質の移動を行わせつつ、その移動方向の前方において他方の押圧手段により流路又は室を押圧して、その位置より先への物質の移動を阻止することもできる。
以上のような移動、移動阻止を基本として、カートリッジ内の物質の移動が制御される。

以上の原理により、化学反応用カートリッジ内の物質の移動を制御して、化学反応のための操作を行う。以下本実施形態では、化学反応としてＤＮＡのハイブリダイゼーションを例にして説明する。

図１に示すように本化学反応用カートリッジには、ＤＮＡチップ９が収められる反応室１が基材５等により形成されている。また、導入路２と排出路３とが反応室１に連結して形成されている。ＤＮＡチップ９の周囲の基材５及び上面を覆う基材、並びに導入路２及び排出路３の側部及び上部を覆う基材は一体の上述した弾性体で構成される。ＤＮＡチップ９が固定される底面は上述した剛性体の基板で構成される。
導入路２と排出路３のそれぞれは、バルブ１２、１３により開閉を制御される。バルブ１２、１３はローラ、シリンジ等により弾性体を押圧する部材である。ＤＮＡチップ９上には複数種類の単鎖ＤＮＡが配置されている。

図１(a)に示すように、反応液６の導入前の反応室１に、反応室１内の隙間を埋める特定の液（以下「充填液」という。）１０が充填されている。充填液１０は、反応液６から反応物である試料ＤＮＡを除いた成分と同組成の液とする。この充填液１０が反応室１に充填されていることによって、反応室１から空気等の気体は閉め出されている。充填液１０の量は、反応室１に導入される反応液６と等量以下とする。反応液６を薄めすぎないためである。

図１(b)に示すように、導入路２を開き蛍光物質等によりラベル付けされた試料ＤＮＡを含んだ反応液６を導入路２から反応室１へ導入する。

反応液６を導入する１つの方法は、反応液６の導入時にバルブ１３を閉めておき充填液１０を反応室１から排出しないで行う方法である。この場合、反応室１がその容積を増大させることによりその増大分の反応液６を受け入れる。この時、導入路２側から反応液６を反応室１へ押出す圧力をかける。その圧力は、導入路２側においてローラ等で予め又は導入時に生じさせる。図１(b)に示すように、反応液６が反応室１に圧入されると、反応室１を形成する弾性体の変形により反応室１の流路断面積が拡大して反応室１の容積が増大し、反応室１は反応液６を受け入れる。図１(c)に示すように、反応液６の流入により反応液６と充填液１０とが混合し、それらの混合液１１となる。

反応液６を導入する他の方法は、反応液６の導入時にバルブ１３を一定時間開くことによって充填液１０を排出し、その排出分の反応液６を反応室１に受け入れる方法である。
前者の方法では、反応室１に充填液１０の全部が残るが、後者の方法では、充填液１０の一部を排出することができる。後者の方法では、反応完了前に反応液６の一部が反応室１から排出されてしまう可能性があるが、前者の方法ではその排出は確実に防げる。

前者の方法と後者の方法の双方を実施しても良い。すなわち、この場合、反応室１の容積の増大分と充填液１０の排出分の合計に相当する量の反応液６が反応室１に導入される。

反応液６導入後時間の経過により、反応液６中の試料ＤＮＡがＤＮＡチップ９上の単鎖ＤＮＡとハイブリダイズする。試料ＤＮＡを均等にいきわたらせるために反応液６の流入による混合では十分ではない場合は、反応液６と充填液１０との混合を促進する。その場合、バルブ１２，１３を流路２，３に押圧した状態にて流路２，３に沿って反復移動させることにより、内部の液に流動を起させて混合を促進するのが１つの有効な方法である。バルブを移動せずに電磁気等を利用した振動子等の他のアクチュエータにより反応室１中の液に振動を加えて攪拌してもよい。

その後図１(d)に示すように、排出路３を開き洗浄液１４を導入路２から入れることで、混合液１１を排出路３から排出する。その結果、図１(e)に示すように、反応室１からは混合液１１が排出され、洗浄液１４が充填される。

以上のように、反応液導入前に充填液１０を反応室１内に充填しておくことによって、反応時反応液６への空気等の気体の混入が避けられ、その反応液６中のＤＮＡとＤＮＡチップ９上のＤＮＡとのハイブリダイゼーションの均一性を良好に保持することができる。

図２は、充填液１０の有無と蛍光光量との関係を示すグラフである。棒グラフＡは従来技術に係り、充填液無しで行った蛍光光量の測定結果であり、棒グラフＢは本発明に係り、充填液有りで行った蛍光光量の測定結果である。使用する反応液６と充填液１０の塩濃度組成を同一とし、図１(d)に示すように、ハイブリダイズしなかった試料ＤＮＡを含めて余分な混合液１１を排出路３から排出した後、ＤＮＡチップ９に励起光を照射し、発せられる蛍光光量を測定した。その結果、図２に示すとおり充填液の有無によるハイブリダイゼーションに対する影響はほとんど認められなかった。

以上の実施形態にあっては、本発明の対象とする化学反応を、反応室に設置されたＤＮＡチップに固定されたＤＮＡと、反応室に導入される液中のＤＮＡとのハイブリダイゼーションとしたが、本発明は、反応室に設置されたチップに固定された物質と、反応室に導入される液又はその液中の物質との結合その他の化学反応に好適に適用できる。
また、充填液として例えばグリセロール、ポリエチレングリコール溶液等の反応液との混合性、反応性の低い液体を選択することも有効である。
また、上記充填液１０と上記洗浄液１４は同一液としてもよい。

本発明の実施形態に係る化学反応用カートリッジにおけるハイブリダイゼーションが行われる反応室の模式図である。 本発明と従来技術の蛍光光量を示すグラフである。 従来のＤＮＡ検出用のカートリッジにおけるハイブリダイゼーションが行われる反応室の模式図である。

符号の説明

１ 反応室
２ 導入路
３ 排出路
６ 反応液
７ 気体
８ 気泡
９ ＤＮＡチップ
１０ 充填液
１１ 混合液
１２，１３ バルブ

Claims (6)

1. 構成材として弾性体を含み、
   内部には、流路と、前記流路で繋がれる２以上の室とが形成され、
   外部から前記弾性体に外力を加えることにより前記流路若しくは室又はその両者を部分的に塞いでその流路又は室にある流体状の物質を移動又は移動阻止することができるように構成され、
   前記室の一つとして反応室を有し、
   前記反応室は、該反応室に導入される反応液の化学反応が行われる室であり、
   前記反応液の導入前の前記反応室に、該反応室内の隙間を埋める特定の液が充填されており、前記反応液の導入前の前記反応室に存在する前記特定の液の量は、前記反応室に導入される前記反応液と等量以下であることを特徴とする化学反応用カートリッジ。
2. 前記特定の液は前記反応液と反応しない物性を有することを特徴とする請求項１に記載の化学反応用カートリッジ。
3. 前記反応室は、その容積を増大させることによりその増大分の前記反応液を受け入れ可能であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の化学反応用カートリッジ。
4. 前記反応室は、前記特定の液を排出することによりその排出分の前記反応液を受け入れ可能であることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一に記載の化学反応用カートリッジ。
5. 前記反応液の化学反応は、該反応液中に含まれる反応物の化学反応であり、前記特定の液は、前記反応液から前記反応物を除いた成分と同組成の液であることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか一に記載の化学反応用カートリッジ。
6. 前記特定の液は、洗浄液であることを特徴とする請求項１から請求項５のうちいずれか一に記載の化学反応用カートリッジ。

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