JP5582049B2

JP5582049B2 - 化学処理用カートリッジシステム

Info

Publication number: JP5582049B2
Application number: JP2011018173A
Authority: JP
Inventors: 健雄田名網; 久雄片倉; 信之角龍
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2010-05-31
Filing date: 2011-01-31
Publication date: 2014-09-03
Anticipated expiration: 2031-01-31
Also published as: JP2012013677A; US20110318824A1

Description

本発明は、外力を加えた際のカートリッジの変形によってカートリッジ内部の送液を行うとともに、カートリッジに設けられたウェル（室）内において化学処理を行う化学処理用カートリッジシステムに関する。更に詳しくは、特定のウェルにおいて、ウェル内の溶液を加熱または冷却する化学処理用カートリッジシステムに関する。

外力を加えた際のカートリッジの変形によってカートリッジの内容物（溶液）を移送することで化学処理を行わせる化学処理用カートリッジシステムが開発されている（例えば、特開２００５−０２４５１６号公報参照）。このカートリッジシステムでは、カートリッジ内部に化学反応のための複数のウェルや、ウェルを接続する流路が作り込まれており、外力を加えた際のカートリッジの変形によって流路を介して順次、次のウェルに溶液を移動させることで、所定の化学処理を行わせるものである。このカートリッジシステムによれば、カートリッジの構造自体により化学処理のためのプロトコルを規定することができるとともに、密閉状態が保たれるため、所望のプロトコルを個人差なく安全に実行することができる。

特開２００５−０２４５１６号公報

図５は従来の化学処理用カートリッジシステムの一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。

図５において、（ａ）はカートリッジ部分の縦断面図、（ｂ）は室（ウェル）および流路等の配置状態を示す平面図である。
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。

弾性体１１０の裏面には、図５（ｂ）のように、それぞれ表面側に凹んだ、溶液用の穴（以下、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において、室と流路以外の平面状の接着領域１１６は、部分的に基板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、溶液の外部漏れを防止できる構造となっている。

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。
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、ローラ１３０を左端部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および室１１２に保存されている溶液が右方向へ押し出される。これらの溶液は流路１１５を通って反応部室１１３へ送り込まれる。

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（例えば図中の反応部室１１３）内の試料（溶液）に対して加熱や冷却を行ったり、振動を与えたりするための作用手段であり、ここでは、外部治具という。なお、前記試料は、例えばDNAや磁性粒子などを含む溶液を指す。

弾性膜１１０ａの形成部分は局所的であり、外部治具２００が当接する室１１３の上部に限定される。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。

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１１３に試料（溶液）を導入し、カートリッジ内の流路などを塞いで室１１３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１１３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。

内圧の高くなった弾性膜１１０ａの表面に外部治具２００の先端部を押し当てて密着させる。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。

このように、室１１３の外部から加熱または冷却のための外部治具２００を押し付けることで、室１１３内の溶液の温度を制御することができる。また、外部治具２００の温度はペルチェ素子などを用いて制御することが可能である。

しかしながら、上記のように、平面状のヘッド（外部治具）をカートリッジに対して押し当てるようにした装置では、溶液の流入によりウェルが膨らむようなタイプのカートリッジの場合には、ヘッドと当接するウェルの面が平坦とはならず、ウェルとヘッドとが十分に接触せず、迅速かつ安定的にウェル内の溶液の温度を制御することができないという問題がある。

本発明の目的は、迅速かつ安定的に溶液の温度を制御することができる化学処理用カートリッジシステムを提供することにある。

本発明の化学処理用カートリッジシステムは、外力を加えた際のカートリッジの変形によってカートリッジ内部の送液を行うとともに、カートリッジに設けられたウェル内において化学処理を行う化学処理用カートリッジシステムにおいて、少なくとも一方の面に弾性部材よりなる基板を有し、２枚の基板を部分的に貼り合わせて、溶液が流通する流路および溶液が流入した際にこの溶液の内圧によりドーム状に膨らんでこの溶液を保持するウェルを形成したカートリッジと、前記ウェルの膨らんだ形状に合致した内面形状の凹部を有し、このウェルを内包してウェル内に保持された溶液を加熱または冷却するヘッドと、を具備し、前記ウェルの膨らんだ形状は、前記ヘッドが前記ウェルを内包していない状態における形状であることを特徴とする。
この化学処理用カートリッジシステムによれば、ヘッドの内面がウェルの膨らんだ形状に合致した形状を有しているので、ヘッドの内面がウェルの外周に密着し、迅速かつ安定的にウェル内の溶液の温度を制御することができる。

前記ヘッドにおける凹部の形状は、前記ウェルにおけるドーム形状の曲率半径に比べて大きい曲率半径を有し、その深さ方向の寸法が前記ウェルにおけるドーム形状の高さ方向の寸法に比べて小さい形状としてもよい。

前記カートリッジは、基板の両面方向にドーム状に膨らむウェルを有し、前記ヘッドは、前記基板を挟んで対向する一組のヘッドよりなり、前記ウェルを両面から挟み込むようにしてもよい。

前記ヘッドは、前記ウェルを内包した状態でこのウェルに押し付けられ、このウェルに保持された溶液を加圧するとともに、この溶液を加熱または冷却するようにしてもよい。

前記ウェルにおけるドーム形状は、中央部に窪みを有する形状とされていてもよい。

前記ウェルにおけるドーム形状は、凹凸の繰り返し形状とされていてもよい。

本発明の化学処理用カートリッジシステムによれば、ウェルと接触するヘッドの内面がウェルの膨らんだ形状に合致した形状を有しているので、ヘッドの内面がウェルの外周に密着し、迅速かつ安定的にウェル内の溶液の温度を制御することができる。

一実施形態の化学処理用カートリッジシステムの構成を示す図であり、（ａ）は、一実施形態の化学処理用カートリッジシステムの構成を示す断面図、（ｂ）は、ヘッドをウェルに押し当てた状態を示す図、（ｃ）は、ヘッドを完全に押し付けた状態を示す図。ウェルの両側から対向して配置された一組のヘッドを押し付ける例を示す図であり、（ａ）は、ウェルの両側からヘッドを押し付ける例を示す断面図、（ｂ）は、溶液の加熱・冷却時の様子を示す図、（ｃ）は、一方のヘッドの表面を平坦とした場合の例を示す図。ドーナツ状のウェルの例を示す図であり、（ａ）は、ドーナツ状のウェルの例を示す断面図、（ｂ）はドーナツ状のウェルの平面図、（ｃ）は、ヘッドを完全に押し付けた状態を示す図。凹凸の繰り返し形状を与えたウェルの例を示す断面図。従来の化学処理用カートリッジシステムの一例を示す要部構成図。

以下、図１〜図４を参照して、本発明による化学処理用カートリッジシステムの実施形態について説明する。

図１（ａ）は、一実施形態の化学処理用カートリッジシステムの構成を示す断面図である。

図１（ａ）に示すように、本実施形態の化学処理用カートリッジ１０は、基板１と、この基板１（第１の基板）に重ね合わされる弾性部材２（第２の基板）とを備える。

基板１と弾性部材２よりなる２枚の基板は、部分的に貼り合わされており、弾性部材２の一部には、溶液が流し込まれると、基板１から解離してカートリッジの表面方向（図１（ａ）において上方）にドーム状に膨らむ領域（ウェル２１）が形成されている。このウェル２１は、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（ａ）および図１（ｂ）に示すように、カートリッジ１０内の溶液を保持する。カートリッジ１０には、基板１と弾性部材２との間の空間として複数のウェルおよびウェル間を接続する流路が作り込まれており、これらのウェルの１つとして上記ウェル２１が形成されている。

次に、本実施例のカートリッジ１０の使用方法について説明する。

カートリッジ１０にローラ（不図示）等を押し付けると弾性部材２が弾性変形し、カートリッジ基板１と弾性部材２との空間が押し潰される。ローラを移動させると、押し潰される領域が移動することにより、カートリッジ１０内の溶液がウェルおよび流路を介して移動する。溶液がウェル２１に到達した後、例えば、ウェル２１の前後の流路部分において、カートリッジ１０にローラを押し付けると、ウェル２１内に溶液を閉じ込めることができる。

図１（ａ）に示すように、ヘッド３の先端は、ウェル２１の膨らんだドーム形状に合致した内面形状の凹部３１を有しており、凹部３１の曲率半径Ｒ２は、ウェル２１におけるドーム形状の曲率半径Ｒ１よりも大きく選ばれている。さらに、凹部３１の深さ方向の寸法Ｈ２は、ウェル２１におけるドーム形状の高さ方向の寸法Ｈ１よりも小さく選ばれている。

また、ヘッド３には、ペルチェ素子が内蔵されており、ヘッド３の温度はペルチェ素子により制御されている。ウェル２１内に溶液を閉じ込めた状態でヘッド３をウェル２１に押し付けることで、弾性部材２を介する熱伝導によりウェル２１内の溶液の温度を制御することができる。ヘッド３およびヘッド３の温度および位置を制御する装置は、上記のようにカートリッジ１０内の溶液を移動させるための駆動装置の一部として構成することができる。

図１（ｂ）は、ヘッド３をウェル２１に押し当てた状態を示している。上記したように、ヘッド３における凹部３１の内面形状をウェル２１のドーム形状に合致させると、図に示すように、ヘッド３はウェル２１の頂点に最初に接触し、順次、接触範囲が外周に向けて拡大してゆく。またこのとき、ウェル２１の周囲ではヘッド３とカートリッジ１０との間で隙間が生じている。これにより、ヘッド３とウェル２１の間のエアは、ヘッド３を押し付けるに従ってウェル２１の周囲から排出される。

図１（ｃ）は、ヘッド３を完全に押し付けた状態を示している。この状態では、ヘッド３がウェル２１を内包し、その凹部３１の全面がウェル２１の表面に接触するとともに、ウェル２１がヘッド３の凹部３１により押し付けられる。これにより、ウェル２１はこれ以上膨らむことができなくなり、ウェル２１内部で蒸気などが発生した場合にも、内部の気泡が膨らむことが防止される。

ここで、ウェル２１の周囲はヘッド３の先端部により押さえられ、ウェル２１は密閉された状態となっているので、ウェル２１内の溶液が加熱されて、内部の圧力が高くなった場合にも、溶液がウェル２１の外部へ漏れ出してしまうことはない。

したがって、ヘッド３の凹部３１の全面がウェル２１に密着し接触面積の増大により熱伝導の効率を向上させることができるので、ウェル２１内の流動体の温度を急激に変化させることも可能となる。なお、必要であれば、図１（ｂ）に示すエア抜きの動作を繰り返した後に、ヘッド３を完全に押し付けるようにしてもよい。また、ヘッド３の押し付けを利用して、ウェル２１内の溶液を加圧することも可能である。

図２は、ウェルの両側から対向して配置された一組のヘッドを押し付ける例を示す断面図である。図２（ａ）に示すように、カートリッジ１０Ａは、弾性部材２Ａおよび弾性部材２Ｂにより構成されており、部分的に接着されて、基板の両面方向にドーム状に膨らむウェル２２を形成している。図２（ａ）に示すように、ウェル２２は、溶液が流入した際に、カートリッジ１０Ａの両面方向に均等に突出する。

図２（ｂ）は、溶液の加熱・冷却時の様子を示す図である。図２（ｂ）に示すように、カートリッジ１０Ａの両面から、ペルチェ素子が内蔵された一組のヘッド３Ａおよびヘッド３Ｂによりウェル２２を挟み込むことにより、ヘッド３Ａ、３Ｂの間にウェル２２を内包し、ウェル２２内部の溶液を加熱または冷却する。

ウェル２２を内包するヘッド３Ａおよびヘッド３Ｂにおける凹部の形状（寸法）は、図１（ａ）と同様の関係を満たしている。このため、ヘッド３Ａおよびヘッド３Ｂをウェル２２に押し付ける過程で、ヘッド３Ａとウェル２２の間、およびヘッド３Ｂとウェル２２の間のエアは、ウェル２２の周囲から排出される。ヘッド３Ａおよびヘッド３Ｂを完全に押し付けた状態では、ヘッド３Ａおよびヘッド３Ｂの凹部とウェル２２とが密着し、ウェル２２はこれ以上膨らむことができなくなり、ウェル２２内部で蒸気などが発生した場合にも、内部の気泡が膨らむことが防止される。

図２の例では、ウェル２２の両側からヘッド３Ａおよびヘッド３Ｂを押し当てているので、内部の溶液をより急激に加熱、冷却できる。とくに、ＰＣＲのように温度を急激に変化させたい処理には効果的であり、所定の手順を短時間で済ませることができる。また、ヘッド３Ａ、３Ｂの押し付けを利用して、ウェル２２内の溶液を加圧することも可能である。

更に、図２（ｃ）に示すように、一方のヘッド（ここでは、３Ｂ’）の先端部を平坦として、ウェル２２を挟み込むように構成することも可能である。

次に、図３（ａ）は、ドーナツ状のウェル２３の例を示す断面図、図３（ｂ）はドーナツ状のウェル２３の平面図である。

図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、カートリッジ１０Ｂに形成されたウェル２３の中央部には、窪み２４が形成されており、図３（ｂ）に示すように、カートリッジ１０Ｂの上面から見たときに、ウェル２３は窪み２４を中心とするドーナツ状の形状を呈している。

一方、図３（ａ）に示すように、溶液を加熱、冷却するためのヘッド３Ｃには、ウェル２３を内包する凹部３３と、窪み２４に対応する凸部３４とが形成されている。

ヘッド３Ｃの凹部３３の寸法は、図１（ａ）と同様の関係を満たしており、凹部３３の曲率半径は、ウェル２３におけるドーム形状の曲率半径よりも大きく選ばれている。さらに、凹部３３の深さ方向の寸法は、ウェル２３におけるドーム形状の高さ方向の寸法よりも小さく選ばれている。このため、ヘッド３Ｃをウェル２３に押し付ける過程で、ヘッド３Ｃとウェル２３の間のエアは、ウェル２３の周囲から排出される。図３（ｃ）に示すように、ヘッド３Ｃを完全に押し付けた状態では、ヘッド３Ｃの凹部３３とウェル２３とが密着し、ウェル２３はこれ以上膨らむことができなくなり、ウェル２３内部で蒸気などが発生した場合にも、内部の気泡が膨らむことが防止される。

また、図３（ｃ）に示すように、ヘッド３Ｃを押し付けたときに、ウェル２３の窪み２４にヘッド３Ｃの凸部３４が入り込むことにより、ヘッド３Ｃの内面がウェル２３に密着する。このため、ヘッド３Ｃとウェル２３との接触面積が増加し、熱伝導の効率を向上させることができ、ウェル２３内の溶液に対して、より急激な温度変化を与えることが可能となる。

次に、図４は、凹凸の繰り返し形状を与えたウェルの例を示す断面図である。

図４に示すように、カートリッジ１０Ｃに形成されたウェル２５の外面２６は、凹凸の繰り返し形状を呈しており、ウェル２５の外面２６に押し当てられるヘッド３Ｄの内面３５にも、同様の形状が与えられている。

ヘッド３Ｄをウェル２５に押し付けると、ウェル２５の外面２６と、ヘッド３Ｄの内面３５とが密着するように設計されている。図４の例では、凹凸の繰り返し形状により、ウェル２５とヘッド３Ｄの接触面積が増加し、熱伝導の効率を向上させることができる。このため、ウェル２５内の溶液に対して、より急激な温度変化を与えることが可能となる。

上記の説明では、本発明の化学処理用カートリッジシステムをウェルの温度を変化させて遺伝子の増幅を行うＰＣＲ増幅に適用した場合を例示したが、本発明の用途はこれに限られず、細胞から核酸を溶出させる核酸抽出にも利用することが可能である。

例えば、ウェル内に細胞懸濁液を入れ、ヘッドを押し付けてウェルを密閉状態にするとともに、ウェル内を高温に加熱する。
このように、細胞懸濁液を高温に加熱すると、細胞の膜構造を弱め、核酸の溶出を促進することができる。

ここで、ウェルに対する加熱温度や加熱時間は、対象とする細胞の種類に応じて、最適の値に選択される。
また、ヘッドには冷却機能を付加することも可能であるので、ウェルの温度を所望の値まで上昇させた後に、急激に低下させることも可能である。

さらに、ウェルの温度を上昇させた後に、ヘッドの押付力を急激に取り去り、ウェルの密閉状態を解除したり、ウェルが膨らめる状態にすると、加熱により上昇していたウェル内の圧力を急激に開放することができる。
加熱後の圧力開放が核酸の溶出をさらに促進させる場合もある。

以上説明したように、本発明の化学処理用カートリッジシステムによれば、ウェルと接触するヘッドの内面がウェルの膨らんだ形状に合致した形状を有しているので、ヘッドの内面がウェルの外周に密着し、迅速かつ安定的にウェル内の溶液の温度を制御することができる。

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、外力を加えた際のカートリッジの変形によってカートリッジ内部の送液を行うとともに、カートリッジに設けられたウェル（室）内において化学処理を行う化学処理用カートリッジシステムに対し、広く適用することができる。

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ化学処理用カートリッジ
２１，２２，２３，２５ウェル
３，３Ａ，３Ｂ，３Ｂ’，３Ｃ，３Ｄヘッド
２４窪み

Claims

外力を加えた際のカートリッジの変形によってカートリッジ内部の送液を行うとともに、カートリッジに設けられたウェル内において化学処理を行う化学処理用カートリッジシステムにおいて、
少なくとも一方の面に弾性部材よりなる基板を有し、２枚の基板を部分的に貼り合わせて、溶液が流通する流路および溶液が流入した際にこの溶液の内圧によりドーム状に膨らんでこの溶液を保持するウェルを形成したカートリッジと、
前記ウェルの膨らんだ形状に合致した内面形状の凹部を有し、このウェルを内包してウェル内に保持された溶液を加熱または冷却するヘッドと、
を具備し、
前記ウェルの膨らんだ形状は、前記ヘッドが前記ウェルを内包していない状態における形状であることを特徴とする化学処理用カートリッジシステム。
前記ヘッドにおける凹部の形状が、前記ウェルにおけるドーム形状の曲率半径に比べて大きい曲率半径を有し、その深さ方向の寸法が前記ウェルにおけるドーム形状の高さ方向の寸法に比べて小さいことを特徴とする請求項１に記載の化学処理用カートリッジシステム。
前記カートリッジは、基板の両面方向にドーム状に膨らむウェルを有し、前記ヘッドは、前記基板を挟んで対向する一組のヘッドよりなり、前記ウェルを両面から挟み込むことを特徴とする請求項１または２に記載の化学処理用カートリッジシステム。
前記ヘッドは、前記ウェルを内包した状態でこのウェルに押し付けられ、このウェルに保持された溶液を加圧するとともに、この溶液を加熱または冷却することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の化学処理用カートリッジシステム。
前記ウェルにおけるドーム形状は、中央部に窪みを有する形状であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の化学処理用カートリッジシステム。
前記ウェルにおけるドーム形状は、凹凸の繰り返し形状であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の化学処理用カートリッジシステム。