JP5482174B2 - 化学反応用カートリッジシステム - Google Patents

Description

本発明は、外力を加えた際の変形によって内部の送液を行うことで化学反応を生じさせる化学反応用カートリッジにおいて、カートリッジ内に配置された標的分子検出用チップに標的分子の検出を効率良く行わせるための化学反応用カートリッジシステムに関する。

スライドガラス型の生体高分子マイクロアレイを挿入した上で、外力を加えて変形させることで内部の送液を行い、生体高分子をマイクロアレイに固定化するカートリッジが提案されている（特許文献１参照）。

特開２００４−２２６０６８号公報

近年、スライドガラス型のマイクロアレイに代るものとして、多数の異なる標的分子の検出部位が高密度に集積された標的分子検出用チップが開発されている。このような標的分子検出用チップは検出可能な標的分子の数に比して、極めてコンパクトに形成されている。したがって、このような標的分子検出用チップに対応するコンパクトな化学反応用カートリッジが望まれている。また、コンパクトな化学反応用カートリッジにおいては、少ない溶液でも効率的に標的分子を検出することが望まれている。

また、標的分子検出用チップの１類型として、その厚み方向に溶液を貫通可能な構造の貫通型チップが開発されている。しかし、上記従来のカートリッジでは、このような貫通型チップに対応できない。ポンプ等を用いた装置を用いて溶液を貫通型チップに通し、ハイブリダイゼーションを行うシステムが開発されているが、装置が大型となりシステムも高価なものとなる。

本発明の目的は、標的分子検出用チップを用いた標的分子の検出に対応可能で、しかも、効率的に標的分子を検出することのできるコンパクトな化学反応用カートリッジシステムを提供することにある。

本発明の化学反応用カートリッジシステムは、基板と弾性部材とを部分的に接着して、溶液を収容する室とこの室間を連結する流路とを形成した化学反応用カートリッジと、この化学反応用カートリッジに外力を加え、化学反応用カートリッジの変形によって内部の送液を行うローラとを有する化学反応用カートリッジシステムにおいて、前記化学反応用カートリッジ内に室として形成され標的分子検出用チップを収容する収容部と、前記化学反応用カートリッジ内に室として形成され前記収容部を挟んでその前後に設けられた第１および第２の室と、少なくとも前記第１の室と前記収納部または前記収納部と前記第２の室とを挟み込む間隔で設けられ前記弾性部材を前記基板に押し付けた状態で並行移動する２本のローラとを具備し、前記２本のローラを往復移動させることにより溶液を前記第１の室と第２の室との間で往復させることを特徴とする。
この化学反応用カートリッジシステムによれば、標的分子検出用チップ全体を前記化学反応用カートリッジの内部に収容したので、種々の形式の標的分子検出用チップに対応でき、しかも、効率的に標的分子を検出することができる。

前記標的分子検出用チップは、標的分子を含む溶液がチップ内を貫通可能とされた貫通型チップであり、２本のローラの往復移動に応じて、前記標的分子検出用チップの内部を前記溶液が通過するように構成されていてもよい。

本発明の化学反応用カートリッジシステムによれば、標的分子検出用チップ全体を化学反応用カートリッジの内部に収容したので、種々の形式の標的分子検出用チップに対応することができる。

また、本発明の化学反応用カートリッジシステムによれば、化学反応用カートリッジに外力を加えた際の化学反応用カートリッジの変形によって貫通型標的分子検出用チップの内部を溶液が通過するので、外力を加えることで貫通型標的分子検出用チップによる標的分子の検出を行うことができる。
さらに、並行して往復移動する２本のローラにより化学反応用カートリッジに外力を与え、標的分子を含む溶液を標的分子検出用チップが配置された収容部の前後に流路を介して設けられた２つの室の間で往復させるようにしているので、標的分子検出用チップと溶液との接触に充分な機会を与え、標的分子を効率良く検出させることができる。

本発明の化学反応用カートリッジシステムの一実施例の構成を示す平面図。 図１のII−II線における断面図。 標的分子検出用チップの構造を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図。 溶液移送時の操作を示す図。 前処理液を予め収容する前処理液保存部および洗浄液を予め収容する洗浄液保存部を設けた例を示す図。 標的分子検出用チップをカートリッジの構成部材に嵌合させた例を示す図。 ハイブリダイゼーションを促進するための電極をカートリッジに形成する例を示す図。 チップ自身を電極として使用する例を示す図。 本発明の化学反応用カートリッジシステムの第２の実施例の構成を示す図であり、（ａ）は実施例２の化学反応用カートリッジを示す平面図、（ｂ）は、（ａ）のＩＸｂ−ＩＸｂ線における断面図。

以下、本発明による化学反応用カートリッジシステムの実施例について説明する。

以下、図１〜図８を参照して、本発明による化学反応用カートリッジシステムの第１の実施例について説明する。

図１は本発明の化学反応用カートリッジシステムの一実施例の構成を示す平面図、図２は図１のII−II線における断面図である。

図１および図２に示すように、本実施例の化学反応用カートリッジシステムに使用される化学反応用カートリッジは、基板１と、基板１に重ね合わされる弾性部材２とを備える。

弾性部材２の裏面（図２において下面）には、その表面（図２において上面）側に凹んだ所定形状の凹部が形成されている。この凹部は、カートリッジ基板１と弾性部材２との間に空間を生み出すことで、図１および図２に示すように、溶液を収容する室２１，２２，２３、後述する標的分子検出用チップ３へ溶液等を供給するための供給部２４、および、流路２５，２６，２７，２８を構成する。図１に示すように、流路２５、室２１、流路２６、室２２、流路２７および供給部２４は順次連通されている。

上記凹部以外の領域では、カートリッジ基板１と弾性部材２とは互いに接着されている。このため、凹部に収容された溶液がカートリッジ内で密閉され、外部への漏れが防止される。

図１および図２に示すように、基板１には、標的分子検出用チップ３が収容される収容部１１と、標的分子検出用チップ３の裏側（図２において下側）に設けられ、標的分子検出用チップ３から排出される溶液を収容する排出部１２と、が形成されている。また、弾性部材２の裏面には、標的分子検出用チップ３を支持する支持部材４が固定されている。収容部１１に収容された標的分子検出用チップ３は、カートリッジ基板１および支持部材４に接着されて、カートリッジ内部に固定される。このような構造により、標的分子検出用チップ３の周囲からの、標的分子検出用チップ３の厚み方向の溶液の漏れを防ぎつつ、標的分子検出用チップ３をカートリッジ内部で固定している。また、図２に示すように、カートリッジ基板１の排出部１２は流路２８に連通されている。
これにより、標的分子検出用チップ３を収容した収容部１１（排出部１２を含む）の前後には、流路２７，２８を介して、２つの室２２，２３が配置されることになる。

標的分子検出用チップ３はハイブリダイゼーションにより標的分子を検出する、貫通型チップである。

図３は標的分子検出用チップ３の構造を示す図であり、図３（ａ）は斜視図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、標的分子検出用チップ３では、個々の標的分子に対応するプローブが固定された検出部位３１が２次元的に配置され、各検出部位３１が隔壁３２により区画されている。各検出部位３１は標的分子検出用チップ３の厚み方向（図３（ｂ）において上下方向）に貫通する溶液中の標的分子をハイブリダイゼーションにより検出する。

次に、上記カートリッジシステムにおける溶液移送の動作を説明する。図４は溶液移送時の操作を示す図である。

カートリッジに形成された室２１には、予め検査対象となる溶液が注入される。溶液の注入は、流路２５を介して注射針を差し込むことで行われる。流路２５には弾性体からなる栓（不図示）が密閉状態で取り付けられており、溶液注入時には注射針を栓に突刺する。溶液注入後、注射針を引き抜くと栓の針孔が塞がり、密閉状態が確保される。

次に、図４および図１に示すように、一定間隔で設けられたローラ５１およびローラ５２により弾性部材２を基板１に向けて押し付け、ローラ５１およびローラ５２を右方向に移動させる。このような操作により、室２１に注入された溶液が、流路２６、室２２、流路２７を介して供給部２４に送り込まれる。さらに図４に示すように、溶液は、供給部２４から標的分子検出用チップ３の各検出部位３１を下向きに貫通し、排出部１２および流路２８を介して室２３に到達する。

次に、ローラ５１およびローラ５２を弾性部材２に押し付けたまま、図４において左右方向に、所定回数往復移動させる。このような操作により、溶液を室２２および室２３の間で往復移送し、標的分子検出用チップ３の検出部位３１を複数回通過させる。これにより、ハイブリダイゼーションのために必要とされる検出部位３１に対する溶液の接触の充分な機会を与える。また、標的分子以外の分子による誤ったハイブリダイゼーションを低減する。なお、ハイブリダイゼーションの条件として適切であれば、ローラ５１およびローラ５２の往復移動を省略することもできる。

図４に示すように、ハイブリダイゼーションを行う間、ヒータＨＴを用いて溶液の温度をハイブリダイゼーションに適した値に保持してもよい。

このようなハイブリダイゼーションのための操作を行った後、所定の読取装置等を用いて標的分子検出用チップ３においてハイブリダイゼーションした標的分子の検出を行う。標的分子検出用チップ３をカートリッジから取り出すことなく、カートリッジ内部で標的分子の検出を行うようにしてもよいし、標的分子検出用チップ３をカートリッジから取り外した後に標的分子の検出を行うようにしてもよい。

以上のように、本実施例によれば、カートリッジ内で標的分子検出用チップによるハイブリダイゼーションを効率良く行うことができる。また、標的分子検出用チップを貫通するように溶液が移送されるので、貫通型チップに対応できる。

貫通型チップとして、種々のタイプのものを使用できる。例えば、オリンパス株式会社の多孔質フィルタにプローブを固相化したチップ（商品名：ＰＡＭマイクロアレイシステム）や、繊維型チップ（例えば、三菱レイヨン株式会社の商品「ジェノパール」（登録商標））等を使用できる。

また、図５に示すように、検査対象溶液を収容する採取部６１、検査対象溶液と混合する前処理液を予め収容する前処理液保存部６２、洗浄液を予め収容する洗浄液保存部６３を設け、これらを流路６２によって接続してもよい。

この場合には、ローラの移動により採取部６１の検査対象溶液と、前処理液保存部６２の前処理液を送り出すことで両者を混合し、ラベル化が行われる。次いでチップにおけるハイブリダイゼーションが行われる。また、ハイブリダイゼーション後には、ローラの移動により洗浄液保存部６３が排出され、ハイブリダイズしなかった分子を溶液とともに洗い流す。その後に、チップにおいてハイブリダイゼーションした標的分子の検出を行う。なお、特開２００４−２２６０６８号公報に、このような操作の詳細が記載されている。

本実施例では、標的分子検出用チップ３を接着により固定しているが、図６に示すように、標的分子検出用チップ３をカートリッジの構成部材に嵌合させて固定してもよい。図６の例では、シール部７１〜７４を介して標的分子検出用チップ３を支持することで、標的分子検出用チップ３の周囲からの、標的分子検出用チップ３の厚み方向の溶液の漏れを防ぎつつ、標的分子検出用チップ３をカートリッジ内部で機械的に固定している。

チップにおいてハイブリダイゼーションした標的分子の検出方法として、例えば、レーザ等を用いた蛍光測定に基づく方法等の光を用いた検出方法や、電流を用いた検出方法が用いられる。電流を用いた検出方法が使用される場合に、外部から電流をカートリッジ内部のチップに供給するためのコネクタを、カートリッジに設けてもよい。この場合、コネクタはカートリッジの密閉状態を維持する状態で取り付けられる。

図７は、チップ３に電界をかけて荷電分子を泳動させハイブリダイゼーションを促進するための電極をカートリッジに形成する例を示している。図７の例では、電極８１が基板１Ｂの内面に、電極８２が弾性部材２Ｂの内面に、それぞれ設けられている。電極８１および電極８２は、カートリッジに設けられたコネクタを介して外部の電源と接続可能とされる。この場合、電極８１および電極８２間に印加する電圧を繰り返し反転することで、電界を反転させハイブリダイゼーションを促進することができる。また、誤ったハイブリダイゼーションを低減できる。図８に示すように、チップ３Ａに導電性を与え、チップ３Ａ自身を電極として使用することもできる。この場合には、電極９１、電極９２とともにチップ３Ａは、カートリッジに設けられたコネクタを介して外部の電源と接続可能とされる。

一般的に、ハイブリダイゼーションを促進するための電極は溶液と直接接触するため、劣化が生じやすく、洗浄等の作業が煩雑なものとなりがちである。しかし、本実施例では、１回の検査のみで廃棄されるカートリッジに電極を設けているため、電極の劣化やメンテナンスの問題が生じないという利点がある。

上記第１の実施例では、貫通型チップを使用する例を示しているが、平面型チップを使用する場合にも本発明を適用可能である。

以下、図９を参照して、本発明による化学反応用カートリッジシステムの第２の実施例について説明する。本実施例は、平面型チップを用いた化学反応用カートリッジシステムを例示するものである。

図９（ａ）は本実施例の化学反応用カートリッジシステムを示す平面図、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＩＸｂ−ＩＸｂ線における断面図である。

図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、本実施例の化学反応用カートリッジシステムは、基板１０１と、基板１０１に重ね合わされる弾性部材１０２とを備える。

弾性部材１０２の裏面（図９（ｂ）において下面）には、その表面（図９（ｂ）において上面）側に凹んだ所定形状の凹部が形成されている。この凹部は、カートリッジ基板１０１と弾性部材１０２との間に空間を生み出すことで、溶液を収容する室１２１，１２２，１２３、後述するチップ１０３を収容する収容部１２４、および、流路１２５，１２６，１２７，１２８を構成する。図９に示すように、流路１２５、室１２１、流路１２６、室１２２、流路１２７、収容部１２４、流路１２８および室１２３は順次連通されている。

上記凹部以外の領域では、カートリッジ基板１０１と弾性部材１０２とは互いに接着されている。このため、凹部に収容された溶液がカートリッジ内で密閉され、外部への漏れが防止される。

図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、基板１０１には、標的分子検出用チップ１０３が収容される。

チップ１０３はハイブリダイゼーションにより標的分子を検出する、平面型チップである。チップ１０３の表面（図９（ｂ）において上面）には、個々の標的分子に対応するプローブが固定された検出部位が２次元的に配置されている。

次に、上記カートリッジシステムにおける溶液移送の動作を説明する。

カートリッジに形成された室１２１には、予め検査対象となる溶液が注入される。溶液の注入は、流路１２５を介して注射針を差し込むことで行われる。流路１２５には弾性体からなる栓（不図示）が密閉状態で取り付けられており、溶液注入時には注射針を栓に突刺する。溶液注入後、注射針を引き抜くと栓の針孔が塞がり、密閉状態が確保される。

次に、前記第１の実施例（図１および図４）と同様、一定間隔で設けられた２本のローラにより弾性部材１０２を基板１０１に向けて押し付けつつ、ローラを右方向に移動させる。このような操作により、室１２１に注入された溶液が、流路１２６、室１２２、流路１２７を介して収容部１２４に送り込まれる。

収容部１２４に送り込まれた溶液により、チップ１０３におけるハイブリダイゼーションが行われる。前記第１の実施例と同様、一定間隔で設けられた２本のローラを往復移動させることで、溶液を室１２２と室１２３との間で往復させ、チップ１０３上に繰り返し供給してもよい。

このようなハイブリダイゼーションのための操作を行った後、所定の読取装置等を用いてチップ１０３においてハイブリダイゼーションした標的分子の検出を行う。チップ１０３をカートリッジから取り出すことなく、カートリッジ内部で標的分子の検出を行うようにしてもよいし、チップ１０３をカートリッジから取り外した後に標的分子の検出を行うようにしてもよい。

以上のように、本実施例によれば、カートリッジ内で平面型チップによるハイブリダイゼーションを行うことができる。なお、特開２００４−２２６０６８号公報では、スライドガラス型のマイクロアレイによる検出を行っており、本発明のように標的検出用チップ全体を収容したカートリッジを示すものではない。本発明では、チップ全体を収容することにより、完全な密封が可能になる。しかし、上記公報に開示されたハイブリダイゼーションのための操作は本発明に対して同様に適用できる。

また、前記第１の実施例と同様、検査対象溶液を収容する採取部や、洗浄液を予め収容する洗浄液保存部を設けてもよい。

さらに、チップ１０３の固定方法、標的分子の検出方法、電極をカートリッジに形成する点、等については、本実施例に対し、前記第１の実施例で示した構成を適用できる。

上記各実施形態において、標的分子の種類は限定されない。例えば、標的分子としてＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質、各種代謝物を挙げることができる。また、生体高分子の検出に限定されず、一般のクロマトグラフィーにも適用できる。

本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、外力を加えた際の変形によって内部の送液を行うことで化学反応を生じさせる化学反応用カートリッジに対し、広く適用することができる。

３ 標的分子検出用チップ
８１ 電極
８２ 電極
９１ 電極
９２ 電極
１０３ 標的分子検出用チップ

Claims (2)

1. 基板と弾性部材とを部分的に接着して、溶液を収容する室とこの室間を連結する流路とを形成した化学反応用カートリッジと、この化学反応用カートリッジに外力を加え、化学反応用カートリッジの変形によって内部の送液を行うローラとを有する化学反応用カートリッジシステムにおいて、
   前記化学反応用カートリッジ内に室として形成され標的分子検出用チップを収容する収容部と、
   前記化学反応用カートリッジ内に室として形成され前記収容部を挟んでその前後に設けられた第１および第２の室と、
   少なくとも前記第１の室と前記収納部または前記収納部と前記第２の室とを挟み込む間隔で設けられ前記弾性部材を前記基板に押し付けた状態で並行移動する２本のローラとを具備し、
   前記２本のローラを往復移動させることにより溶液を前記第１の室と第２の室との間で往復させることを特徴とする化学反応用カートリッジシステム。
2. 前記標的分子検出用チップは、標的分子を含む溶液がチップ内を貫通可能とされた貫通型チップであり、前記２本のローラの往復移動に応じて、前記標的分子検出用チップの内部を前記溶液が通過するように構成されてい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システム。