JP6858008B2 - 粒子分散装置及び粒子分散方法 - Google Patents

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Description

本発明は、粒子分散装置及び粒子分散方法に関する。
例えば、血液等の検体から測定対象となる物質を得るために、容器の内面に測定対象物質を固着させ、固液分離を行う方法が知られている。固液分離は、例えば、細胞の分散液から余分な培養液を取り除くために行われる。また、固液分離は、遺伝子検査や免疫検査において、核酸や抗原等の測定対象物質と結合した磁性粒子を他の夾雑物等から分離するために行われる。
固液分離を行った場合、次段階の分析を行うために、容器の内面に固着した測定対象物質を、再度液体中に分散させることが必要となる。
ここで、特許文献１は、図２９に示すように、反応容器１００８に試薬液１０２１を導入して反応容器１００８内に渦１０２４，１０２５を形成することで、反応容器１００８に固着した測定対象物質（粒子１０１９）を液体中に分散させる方法が記載されている。特許文献１に開示の方法では、図２９（ｂ）に示すように、反応容器１００８の中央縦軸線１０２２から第１所定距離ｅをおいた第１の位置のピペット針１０１８が、試薬液１０２１を反応容器１００８内に導入して反応容器１００８内で渦を形成する。また、図２９（ｃ）に示すように、反応容器１００８の中央縦軸線１０２２から第２所定距離ｅをおいた第２の位置のピペット針１０１８が、試薬液１０２１を反応容器１００８内に導入して反応容器１００８内で逆方向の渦を形成する。
特開平７−１７４７６３号公報
しかしながら、例えば、測定対象物質が細胞から抽出した核酸の場合、核酸を吸着させるための磁性粒子は約１μｍと小さく、一度固着すると再度分散させることは困難な場合がある。また、通常核酸は極性が高く水に溶けやすいため、核酸の固液分離を行う際にはエタノール等の有機溶媒中に分散させる場合がある。このとき、核酸は有機溶媒には溶けにくいため、一度容器の内面に固着させた核酸は、再度有機溶媒中に分散させることは困難となる場合がある。このため、測定対象物質が液体中に十分に分散されないことや、分散のための動作に多くの時間を必要となる。よって、より効率的に容器に固着した粒子の液体への再分散が行える手法が求められている。
本発明は、測定対象となる粒子と夾雑物等をわける固液分離において、より効率的に測定対象となる粒子を容器の液体内に再分散させることに向けたものである。
本発明の一の態様は、容器（１２）の内面に固着した粒子（５００）を液体中に分散させる粒子分散方法である。実施形態において、粒子分散方法は、容器（１２）内に液体を吐出する吐出工程を備える。容器（１２）は、円筒状の本体部（３１０）と、本体部（３１０）側から底部側に向けて内径が小さくなり前記容器の中心軸に対する角度が一定である傾斜部（３１１）と、を備える。吐出工程において、容器（１２）の中心軸（３００）を挟んで容器（１２）の内面に固着した粒子（５００）の反対側であって傾斜部（３１１）上から傾斜部（３１１）へ向けて液体を吐出する。このように液体を吐出することにより、容器の内面に固着した粒子に対して強いせん断応力を安定的に与えることができる。強く安定したせん断応力によって、効率的に粒子を容器内に分散させることができる。
実施形態において、粒子分散方法は、容器（１２）内の液体を吸引する吸引工程をさらに備え、吸引工程後に吐出工程を行うことができる。液体を吸引してから、液体を吐出することで、より効率的に粒子を容器内に分散させることができる。
吸引工程において、液体の吸引を、容器（１２）の内面に固着した粒子（５００）が液体の液面から露出するまで行うのが好ましい。粒子が液面から露出した状態で液体を吐出することで、より効率的に粒子を容器内に分散させることができる。
前記吐出工程後に、容器（１２）内の液体を吸引し、その後、容器（１２）の中心軸（３００）を挟んで容器（１２）の内面に固着した粒子（５００）の反対側であって傾斜部（３１１）上であり、前記吐出工程における吐出位置とは異なる第２吐出位置において液体を吐出する第２吐出工程を備えるのが好ましい。異なる位置からの吐出により、より効率的に粒子を容器内に分散させることができる。
前記吐出工程における吐出位置と、前記第２吐出工程における第２吐出位置は、容器（１２）の周方向に異なっているのが好ましい。周方向に異なる位置からの吐出により、粒子の固着範囲が、周方向に広がっていても、粒子を容器内に分散させることができる。
前記吐出工程における吐出位置は、前記吸引工程における吸引位置よりも上方であるのが好ましい。液体の吸引時におけるノズルの位置は、より多くの液体を吸引するためできるだけ下方が好ましい一方、吐出の際には下方である必要はないので、液体吸引時よりも上方の適切な位置で吐出を行うことができる。
前記吸引工程において、容器（１２）の中心軸（３００）上において液体の吸引を行うのが好ましい。容器の中心位置は、最も深くなるため、より多くの液体吸引することができる。
前記吸引工程において、容器（１２）の中心軸（３００）を挟んで容器（１２）の内面に固着した粒子（５００）の反対側であって傾斜部（３１１）上において液体の吸引を行っても良い。この場合、ノズルの吸引と吐出の間におけるノズルの移動距離を短くできる。
前記吐出工程における吐出位置は、液体を吐出するノズル（３２）の先端が、吐出した液体の液中に浸漬する位置であるのが好ましい。この場合、吐出した液体の全量を粒子分散に用いることができ好適である。
容器（１２）は、丸みを有する形状である底部（３１２）をさらに備えるのが好ましい。底部が丸みを有する形状である場合、液体が容器に最初に衝突した位置から粒子の位置までにおける液体の流れが安定し易い。
底部（３１２）の丸みは、丸みにおける任意の点に接する円の曲率半径が１ｍｍ以上３ｍｍ以下であるのが好ましく、丸みにおける任意の点に接する円の曲率半径が１ｍｍ以上２ｍｍ以下であるのがより好ましい。これにより、容器の内面に固着した粒子に与えるせん断応力の大きさ及び安定性が良好となる。
容器（１２）は、容器（１２）の中心軸（３００）に対する傾斜部（３１１）の角度が５°以上６０°以下であるのが好ましく、容器（１２）の中心軸（３００）に対する傾斜部（３１１）の角度が１０°以上４５°以下であるのがより好ましい。これにより、せん断応力の大きさ及び安定性が良好となる。
粒子（５００）は、磁性粒子を含むのが好ましい。磁性粒子は、強固に固着し易いため、強いせん断応力を安定的に粒子に与えることで、確実に粒子分散を行うことができる。粒子（５００）は、核酸を吸着した磁性粒子を含むのが好ましい。容器（１２）の内面に固着した粒子（５００）は、核酸を吸着した磁性粒子が磁力によって凝集したものであるのが好ましい。核酸を吸着した磁性粒子が磁力によって凝集し粒子は、強固に固着するため、強いせん断応力が安定的に与えられることが特に求められる。
前記液体は、有機溶媒を含むのが好ましい。液体が有機溶媒を含むと、粒子の分散が困難になる場合があるが、液体によって強いせん断応力を安定的に粒子に与えると、粒子を確実に分散させることができる。前記液体は、エタノールを含むのが好まし。液体がエタノールを含むと、粒子の分散が困難になる場合があるが、液体によって強いせん断応力を安定的に粒子に与えると、粒子を確実に分散させることができる。
本発明の他の態様は、粒子分散装置である。実施形態において、粒子分散装置は、円筒状の本体部（３１０）と本体部（３１０）側から底部側に向けて内径が小さくなり、前記容器の中心軸に対する角度が一定である傾斜部（３１１）と、を有する容器（１２）を設置するための設置部（１１０）と、容器（１２）内に液体を吐出するノズル（３２）と、容器（１２）の中心軸（３００）を挟んで容器（１２）の内面に固着した粒子（５００）の反対側であって傾斜部（３１１）上から傾斜部（３１１）へ向けて液体を吐出するようノズル（３２）を制御する制御部（４０５）と、を備える。
制御部（４０５）は、容器（１２）の内面に固着した粒子（５００）が液体の液面から露出するまで容器（１２）内の液体を吸引した後に、前記吐出をするようノズル（３２）を制御するのが好ましい。また、制御部（４０５）は、前記吐出の後に、容器（１２）内の液体を吸引し、その後、容器（１２）の中心軸（３００）を挟んで容器（１２）の内面に固着した粒子（５００）の反対側であって傾斜部（３１１）上であり、前記吐出における吐出位置とは異なる第２吐出位置において液体を吐出するようノズル（３２）を制御するのが好ましい。
本発明の対象は、核酸分析装置である。実施形態において、核酸分析装置は、前記粒子分散装置と、粒子分散装置により容器（１２）の内面に固着した粒子（５００）が分散されて調整された液体中の核酸を増幅し、増幅された核酸を検出する検出部（２４０）と、を備える。
本発明によれば、容器内面に固着した粒子に対して、強いせん断応力を安定的に与えて、効率的に粒子を分散させることができる。
核酸分析装置を上側から見た模式図である。 図２（ａ）は、第１容器の斜視図であり、図２（ｂ）は第２容器の斜視図である。 図３（ａ）（ｂ）は、第２容器と吸引部の模式図であり、図３（ｃ）は、分注ユニットの模式図である。 図４（ａ）は、温度調節部の断面図であり、図４（ｂ）は、磁石の配置図である。 検出部の構成図である。 核酸を磁性粒子に捕捉する処理工程図である。 不純物を洗浄する処理工程図である。 核酸を磁性粒子から溶出する処理工程図である。 吐出位置及び吸引位置の説明図である。 実施形態に係る粒子分散の説明図である。 吐出位置及び吸引位置の説明図である。 吐出位置の説明図である。 せん断応力分布の経時的変化を示す図である。 比較例に係る粒子分散の説明図である。 せん断応力分布の経時的変化を示す図である。 吐出流体のベクトル線図である。 吐出流体のベクトル線図である。 吐出流体のベクトル線図である。 吐出流体のベクトル線図である。 せん断応力分布図である。 せん断応力分布図である。 せん断応力分布図である。 せん断応力分布図である。 せん断応力分布図である。 せん断応力分布図である。 せん断応力分布図及びせん断応力最大値推移図である。 せん断応力分布図及びせん断応力最大値推移図である。 せん断応力分布図及びせん断応力最大値推移図である。 従来の粒子懸濁方法を示す図である。
［１．核酸分析装置］
実施形態において、粒子分散は、核酸分析装置１００の分析における前処理として行われる。すなわち、核酸分析装置１００は、粒子分散装置としての機能を含み、粒子分散方法を実行する。実施形態において、粒子分散装置は、核酸分析装置１００の一部であり、例えば、後述の設置部１１０、ノズル３２及び制御部４０５を有する。なお、粒子分散は、核酸分析装置１０以外の装置、例えば、免疫測定装置において行われても良い。免疫測定装置は、免疫測定法により血液又は尿を測定する装置である。免疫測定法は、抗原抗体反応を利用した測定法である。
核酸分析装置１００を示す図１において、ＸＹＺ軸は、互いに直交している。図１において、Ｘ軸は左右方向を示し、Ｙ軸は前後を示し、Ｚ方向は鉛直方向を示す。以下では、Ｙ軸の正方向が装置１００の後方であり、Ｚ軸の負方向が鉛直下方向である。以下の図においても、ＸＹＺ軸は、図１に示すＸＹＺ軸と同じである。
図１に示すように、核酸分析装置１００は、板部材１０１を備える。板部材１０１は、ＸＹ平面に平行である。板部材１０１には、３つの第１容器設置部１１０と、３つの第２容器設置部１２０と、３つの第３容器設置部１３０と、が設けられている。
第１容器設置部１１０は、第１容器１０を設置するための設置部である。第１容器設置部１１０は、板部材１０１に形成された開口１１１と、板部材１０１の鉛直下側にある支持板１１２と、により構成される。平面視において、開口１１１は、第１容器１０の外形よりも僅かに大きい輪郭を有し、支持板１１２は、開口１１１の後方側に設けられている。第１容器１０は、図２（ａ）に示す第１容器１０の下端部１０ｂが支持板１１２により鉛直上方向に支持され、第１容器１０の側面が開口１１１に支持されることにより、第１容器設置部１１０に設置される。核酸の分析を開始する際には、第１容器１０が、第１容器設置部１１０に設置される。
図１と図２（ａ）に示すように、第１容器１０は、第１反応槽１１と、第２反応槽１２と、試薬収容槽１３ａ〜１３ｈと、混合槽１４ａ〜１４ｄと、試薬収容部１５と、廃液収容部１６と、を備える。試薬収容部１５には、例えば、有機溶媒が収容される。有機溶媒は、例えば、エタノールである。第１反応槽１１と、第２反応槽１２と、試薬収容部１３ａ〜１３ｈと、混合槽１４ａ〜１４ｄと、試薬収容部１５と、廃液収容部１６は、上方が開放するように第１容器１０に設けられており、液体を収容可能なウェルである。第２反応槽１２、１３ａ〜１３ｈは、核酸抽出用の試薬を予め収容している。第２反応槽１２と、試薬収容部１３ａ〜１３ｈと、廃液収容部１６の上方は、アルミシール１０ａにより封止されている。試薬収容部１５には、第１容器１０が第１容器設置部１１０に設置される際に、試薬が収容される。
第２反応槽１２は、予め、磁性粒子と磁性粒子保存液とを含む試薬を収容している。磁性粒子は、核酸を吸着するために用いられる。磁性粒子は、磁性を帯びた粒子の表面がシリカで覆われたものである。シリカは疎水性が高い。したがって、シリカで覆われた磁性粒子は疎水性を有する。磁性粒子を構成する粒子は、例えば、酸化鉄である。磁性粒子保存液は、例えば、アジ化ナトリウムである。ここで本実施形態では、磁性粒子を核酸を吸着するために用いたが、これに限られず、抗原や抗体等他の測定対象を吸着してもよい。
第２反応槽１２は、固着した粒子の攪拌が行われる容器である。第２反応槽１２は、円筒状本体部３１０の底部側に設けられた傾斜部３１１を有する。実施形態において、本体部３０１は、長手方向にみて径が一定の円筒形状である。本体部３０１は上部が開口している。実施形態において、傾斜部３１１は、一定の傾斜角度を有し、本体部３１０側から底部側に向けて線形に内径が小さくなる。内径とは、容器１２の内径である。内径は、容器の長手方向に向く中心軸３００に直交する断面における容器内面の径である。実施形態において、傾斜部３１１は、底部側に向けて先細りとなるテーパである。ここでのテーパ３１１は、直線テーパである。第２反応槽１２において、テーパ先端３１２は丸みを有する形状である。後述するように、第２反応槽１２には、磁性粒子が内面に固着する。以下では、第２反応槽１２を「容器１２」ということがある。なお、第１容器設置部１１０は、第２反応槽１２が設置される設置部でもある。
試薬収容槽１３ａ〜１３ｈは、それぞれ予め、可溶化液、プロテイナーゼＫ、オイル、溶出液、抽出用試薬の原液、第２洗浄液の原液、希釈液の原液、及び第１洗浄液の原液を収容している。
図１に示すように、第２容器設置部１２０は、第２容器２０を設置するための設置部である。第２容器設置部１２０は、板部材１０１の上面と、板部材１０１の上面に設置された３つのピン１２１と、により構成される。第２容器２０は、後述する第２容器２０の被係合部２７ａが３つのピン１２１に係合することにより、第２容器設置部１２０に設置される。
第２容器２０は、注入口２１と、２３個の増幅部２２と、注入口２１と２３個の増幅部２２とを接続する２３個の流路２３と、を備える。第２容器２０は、中心位置に注入口２１が配置され、中心位置から一定径の外周側の位置に周方向に一定間隔で２３個の増幅部２２が配置された円盤状の容器である。第２容器２０の中心位置は、後述するように第２容器２０が回転される際の回転中心となる。
図２（ｂ）に示すように、具体的には、第２容器２０は、上面部２４と、突部２５と、下面部２６と、鍔部２７と、を備える。突部２５は、第２容器２０の中心位置に配置されている。突部２５は、第２容器２０の端部に向かって鉛直方向の厚みが狭められ、第２容器２０の中心位置を通る鉛直方向に平行な直線を中心軸として軸対称である。突部２５は、上面部２５ａと斜面部２５ｂを備える。上面部２５ａの上面は、水平面に平行である。注入口２１は、上面部２５ａに形成されており、鉛直方向に平行な孔である。
上面部２４は、透光性を有する部材により構成されている。上面部２４の上面は、水平面に平行な面となっており、上面部２４の下面には、増幅部２２および流路２３をそれぞれ形成するための凹部および溝が形成されている。上面部２４の下面に薄膜状のＡＢＳ樹脂が貼り付けられることにより、増幅部２２と流路２３が形成される。下面部２６は、熱伝導性が高い薄膜状のアルミにより構成される。下面部２６は、上面部２４の下面に貼り付けられたＡＢＳ樹脂に対して、下側から貼り付けられている。
鍔部２７は、上面部２４の外側に形成された水平面に平行な平板である。鍔部２７には３箇所の被係合部２７ａが形成されている。被係合部２７ａは、切欠である。被係合部２７ａは、後述する容器設置部２１０の係合部２１４に係合される。被係合部２７ａは、容器設置部２１０の係合部２１４に係合されればよく、切欠に代えて、孔、凹部、突起などでもよい。
注入口２１には、Ｘ軸正側に位置する第１容器１０において抽出された、核酸を含む抽出液が注入される。増幅部２２は、抽出液中の核酸を増幅するための試薬をあらかじめ収容している。第２容器２０は、注入口２１から注入された抽出液と、増幅部２２の試薬とを反応させるための反応容器である。
図１に示すように、第３容器設置部１３０は、第３容器３０を設置するための設置部である。第３容器設置部１３０は、板部材１０１に形成された開口１３１と、板部材１０１の鉛直下側にある支持板１３２と、により構成される。平面視において、開口１３１は、第２容器３０の外形よりも僅かに大きい輪郭を有する。支持板１３２には開口１３２ａが形成されている。第３容器３０は、第３容器３０の胴部が開口１３２ａに通され、図３（ａ）に示す第３容器３０の外周に形成された鍔部の下面３０ａが、支持板１３２により鉛直上方向に支持されることにより、第３容器設置部１３０に設置される。核酸の分析を開始する際には、第３容器３０が、第３容器設置部１３０に設置される。
図１及び図３（ａ）に示すように、第３容器３０は、１本の穿刺用チップ３１と、７本のピペットチップ３２と、を保持している。穿刺用チップ３１は、第１容器１０のアルミシールに突き刺して、アルミシールの下側にある収容部の上方を開放させるためのチップである。ピペットチップ３２は、鉛直方向に貫通する孔を有している。図３（ａ）、（ｂ）に示すように、分注ユニット１４０の吸引部１４１がピペットチップ３２の真上から下降されると、吸引部１４１の下端にピペットチップ３２が装着される。そして、吸引部１４１が上昇することにより、ピペットチップ３２が第２容器３０から抜き取られる。穿刺用チップ３１についても、同様に吸引部１４１の下端に装着される。吸引部１４１には、吸引部１４１の下端から液体を吸引及び吐出できるように、孔１４１ａが形成されている。実施形態においては、吸引部１４１に装着されたピペットチップ３２が、試薬を吐出・吸引するノズルとして機能する。以下では、ピペットチップ３２を「ノズル３２」ということがある。なお、吸引部１４１にピペットチップ３２を装着させず、吸引部１４１をノズルとして機能させてもよい。
実施形態に係る核酸分析装置１００では、吸引部１４１の下端に、使い捨てのピペットチップ３２が装着されるため、コンタミネーションが防止される。実施形態に係る核酸分析装置１００では、吸引部１４１の下端に装着されたピペットチップ３２の下端から液体の吸引及び吐出が行われる。
図１に示すように、核酸分析装置は分注ユニット１４０を備える。分注ユニット１４０は、第１容器１０に収容された抽出液を、第１容器１０から第２容器２０の注入口２１に移送する。図３（ｃ）に示すように、分注ユニット１４０は、吸引部１４１と、駆動部１４２と、移送部１４３，１４４，１４５と、を備える。吸引部１４１は、穿刺用チップ３１とピペットチップ３２を着脱可能である。吸引部１４１は、ノズルにより構成される。駆動部１４２は、例えば、ポンプ１４２により構成される。ポンプ１４２は、吸引部１４１の孔１４１ａと接続されている。ポンプ１４２は、吸引部１４１に陽圧及び負圧を付与して、吸引部１４１の下端に装着されたピペットチップ３２を介して液体を吸引及び吐出させる。
移送部１４３，１４４，１４５は、上下移送部１４３を備える。上下移送部１４３は、Ｚ軸に沿って延びたレール１４３ａと、図示しないステッピングモータと、を備える。上下移送部１４３は、ステッピングモータを駆動して、レール１４３ａに沿って吸引部１４１をＺ軸方向に移送する。移送部は、前後移送部１４４を備える。前後移送部１４４は、Ｙ軸に沿って延びたレール１４４ａと、図示しないステッピングモータと、を備える。レール１４４ａは、Ｙ軸に沿って吸引部１４１を移動させるためのレールである。前後移送部１４４は、ステッピングモータを駆動して、レール１４４ａに沿って上下移送部１４３をＹ軸方向に移送する。移送部は、左右移送部１４５を備える。左右移送部１４５は、Ｘ軸に沿って延びたレール１４５ａと、図示しないステッピングモータと、を備える。レール１４５ａは、Ｘ軸に沿って吸引部１４１を移動させるためのレールである。左右移送部１４５は、ステッピングモータを駆動して、レール１４５ａに沿って前後移送部１４４をＸ軸方向に移送する。
吸引部１４１は、移送部１４３，１４４，１４５により、核酸分析装置１００の内部においてＸＹＺ軸に沿って移動可能となる。分注ユニット１４０は、抽出液をＹ軸に沿って第１容器１０から第２容器２０へと移送する。具体的には、分注ユニット１４０は、吸引部１４１に装着されたピペットチップ３２により、第１容器１０から抽出液を吸引する。その後、分注ユニット１４０は、抽出液を吸引した第１容器１０のＹ軸負方向側に配置されている第２容器２０の注入口２１にピペットチップ３２を移動させる。そして、分注ユニット１４０は、注入口２１から抽出液を第２容器２０に吐出する。
また、分注ユニット１４０は、第２反応槽１２に移動し、第２反応槽１２内への試薬の吐出を行うことで、第２反応槽１２内において、磁性粒子の分散を行う。
図１に示すように、核酸分析装置１００は、温度調節部１５０，１６０を備える。温度調節部１５０、１６０は、平面視において、第１容器設置部１１０の開口１１１内の前方位置に配置されている。図４（ａ）に示すように、温度調節部１５０は、ヒートブロック１５１とヒータ１５２を備え、第１容器設置部１１０に設置された第１容器１０の第１反応槽１１を加温する。ヒートブロック１５１には、第１反応槽１１の形状と略同じ形状の孔１５１ａが形成されている。第１反応槽１１が加温される場合、温度調節部１５０が上方へ移動され、孔１５１ａに第１反応槽１１が収容される。この状態で、ヒータ１５２の熱がヒートブロック１５１を介して第１反応槽１１に伝達される。第１反応槽１１の加温が終了すると、温度調節部１５０は下方へ移動される。
同様に、温度調節部１６０は、ヒートブロック１６１とヒータ１６２を備え、第１容器設置部１１０に設置された第１容器１０の第２反応槽１２を加温する。第２反応槽１２が加温される場合、温度調節部１６０が上方へ移動され、孔１６１ａに第２反応槽１２が収容される。この状態で、ヒータ１６２の熱がヒートブロック１６１を介して第２反応槽１２に伝達される。第２反応槽１２の加温が終了すると、温度調節部１６０は下方へ移動される。
図１に示すように、核酸分析装置１００は、磁性粒子５００を第１容器１０の内面に敷き寄せるための磁石１７０を備える。磁石１７０は、板部材１０１の鉛直下側に配置されており、第１容器設置部１１０に設置された第１容器１０の第２反応槽１２に近接離反可能に設けられている。磁石１７０が第２反応槽１２に近接する場合には、図４（ａ）に示すように、温度調節部１６０が鉛直下方向に退避する。磁石１７０が、第２反応槽１２に近づくことで、第２反応槽１２内に含まれている磁性粒子５００が、図４（ｂ）に示すように、磁石１７０に引き寄せられ、第２反応槽１２のＸ軸負側の壁面に凝集し、固着する。実施形態において、磁性粒子５００は、Ｘ軸方向の一方側（負側）だけに凝集し、他方側（正側）には凝集しない。つまり、磁性粒子５００は、第２反応槽１２の円周方向において全体的に固着するのではなく、円周方向において局所的に固着する。
図１に示すように、核酸分析装置１００は、移送ユニット１８０を備える。移送ユニット１８０は、ハンド部１８１と、ハンド部１８１をＸ軸方向に沿って移動するための機構と、を備える。移送ユニット１８０は、第２容器設置部１２０と回転部２００の位置との間で、第２容器２０を把持して移送する。移送ユニット１８０は、抽出液が注入され、第２容器設置部１２０に設置されている第２容器２０を回転部２００の位置に移送する。移送ユニット１８０は、ハンド部１８１により第２容器２０を把持して移送することに代えて、吸着部により第２容器２０の上面部２４の上面を吸着して移送してもよい。
図１に示すように、核酸分析装置１０は、回転部２００を備える。回転部２００は、容器設置部２１０と回転駆動部２２０を備える。容器設置部２１０には、第２容器２０が設置される。回転部２００は、流路２３を介して遠心力により抽出液を増幅部２２に送るために、抽出液が注入された第２容器２０を回転させる。具体的には、回転駆動部２２０は、後述する容器設置部２１０の第１外側面２１２に駆動力を付与することで第２容器２０が設置された容器設置部２１０を回転させ、容器設置部２１０を回転させることにより第２容器２０を回転させて、注入口２１から注入された抽出液を、流路２３を介して遠心力により増幅部２２に送る。第１温度調節部２３０は、増幅部２２で核酸増幅反応が生じるように、回転部２００により回転され、容器設置部２１０に設置された第２容器２０の温度を調節する。第１温度調節部２３０は、ペルチェ素子により構成される。
このとき、増幅部２２において、抽出液に含まれる核酸が、増幅部２２に予め収容されている試薬と混合され、核酸と試薬との混合液が調製される。増幅部２２は、核酸の検出標的部位において変異が生じている検出標的核酸を増幅させる試薬と、検出標的核酸に結合する蛍光プローブを含む試薬と、を予め収容している。蛍光プローブは、蛍光物質を含んでいる。蛍光プローブが検出標的核酸に結合すると、検出標的核酸が蛍光物質により標識される。蛍光プローブが検出標的核酸に結合している場合には、蛍光プローブの蛍光物質に励起光が照射されると、蛍光物質から蛍光が生じる。他方、蛍光プローブが検出標的核酸に結合していない場合には、蛍光プローブの蛍光物質に励起光が照射されても、蛍光物質からは蛍光は生じない。
第１温度調節部２３０により温度調節されることにより増幅部２２において核酸増幅反応が生じる。核酸に検出標的核酸が含まれる場合には、増幅部２２において検出標的核酸が増幅し、核酸に検出標的核酸が含まれない場合には、増幅部２２において検出標的核酸は増幅しない。したがって、検出標的核酸が増幅している場合には、増幅した検出標的核酸が蛍光プローブの蛍光物質により標識されるため、増幅部２２に励起光が照射されると増幅量に応じて蛍光が生じることになる。
回転部２００は、温度調節された各増幅部２２を、順次、検出部２４０による検出位置に位置付けるように、各増幅部２２を移送する。具体的には、回転駆動部２２０は、容器設置部２１０を回転させて、容器設置部２１０に設置された第２容器２０の増幅部２２を、決められた順番にしたがって順次検出位置に位置付ける。
図１に示すように、核酸分析装置１０は、検出部２４０を備える。検出部２４０は、回転部２００により検出位置に位置付けられた増幅部２２で生じる核酸増幅反応を検出する。具体的には、検出部２４０は、核酸増幅反応による増幅産物の量を示す蛍光信号の強度を検出する。
図１と図５に示すように、検出部２４０は、検出ヘッド２４１と、光ファイバ２４３を介して検出ヘッド２４１に接続された光学ユニット２４２と、を備える。検出部２４０は、第２容器２０の増幅部２２に光を照射して核酸増幅反応を検出する。検出ヘッド２４１は、増幅部２２に光を照射し、第２容器２０の増幅部２２に対向するよう配置されている。光学ユニット２４２は、光源２４２ａと、ダイクロイックミラー２４２ｂと、集光レンズ２４２ｃと、光検出器２４２ｄと、を備える。
光源２４２ａは、所定波長の励起光を出射する。光源２４２ａから出射される励起光は、蛍光プローブが検出対象物質と結合している場合に、蛍光プローブの蛍光物質を励起して蛍光を生じさせる。ダイクロイックミラー２４２ｂは、光源２４２ａから出射された励起光を反射し、蛍光プローブの蛍光物質から生じる蛍光を透過する。集光レンズ２４２ｃは、ダイクロイックミラー２４２ｂにより反射された励起光を集光して光ファイバ２４３へと導く。また、集光レンズ２４２ｃは、光ファイバ２４３から集光レンズ２４２ｃへ出射される蛍光を集光してダイクロイックミラー２４２ｂへと導く。光検出器２４２ｄは、ダイクロイックミラー２４２ｂを透過した蛍光を受光し、受光した蛍光の強度を測定して蛍光の強度に応じた電気信号を出力する。
図５に示すように、核酸分析装置１００は、解析部４０１を備える。解析部４０１は、検出部２４０の光検出器２４２ｄにより検出された蛍光の電気信号から、各増幅部２２で生じる核酸増幅反応を示す複数の時系列データを生成する。そして、解析部４０１は、時系列データに基づいて、各増幅部２２において検出対象物質が含まれるか否かを判定し、表示部４０３に判定結果等を表示する。こうして、核酸の分析が終了する。
図１に示すように、核酸分析装置１００は、制御部４０５を備える。制御部４０５は、ＣＰＵまたはマイクロコンピュータにより構成される。制御部４０５は、粒子分散のための動作及びその他の核酸分析装置１００の動作を制御する。
図６は、核酸分析装置１００の処理手順を示している。核酸分析装置１００は、ステップＳ１０において核酸を抽出・精製し、ステップＳ２０において核酸を増幅・検出し、ステップＳ３０において解析をする。
ステップＳ１０の核酸抽出・精製工程は、制御部４０５によって制御され、図６に示すステップＳ１１からステップＳ１５を含む。ステップＳ１１において細胞から核酸が抽出される。核酸の抽出は第１反応槽１１において行われる。ステップＳ１２において抽出された核酸を磁性粒子に捕捉させる。核酸の捕捉は第２反応槽１２において行われる。ステップＳ１３において捕捉した核酸に含まれる不純物が洗浄される(Ｂ／Ｆ分離)。ステップＳ１４において核酸が磁性粒子から溶出される。不純物洗浄及び核酸溶出も第２反応槽１２において行われる。ステップＳ１４において磁性粒子から溶出した核酸を含む試料の濃度調製が行われる。
図７は、核酸を磁性粒子に捕捉するステップＳ１２の詳細を示している。ステップＳ１２１において、制御部４０５は、磁石１７０を第２反応槽１２に近接させる。磁石１７０が、第２反応槽１２に近接することで（図４（ｂ）参照）、第２反応槽１２の内面に磁性粒子５００が固着する。なお、前述のように、第２反応槽１２には、予め、磁性粒子と磁性粒子保存液とを含む試薬が収容されている。
続いて、ステップＳ１２２において、制御部４０５は、分注ユニット１４０に、第２反応槽１２内の磁性粒子保存液を吸引させ、破棄させる。なお、破棄が完了すると、制御部４０５は、磁石１７０を第２反応槽１２から離す。
ステップＳ１２３において、制御部４０５は、分注ユニット１４０によって、抽出試薬と試薬収容部１５のエタノールとの混合液を第２反応槽１２に分注させる。抽出試薬とエタノールの混合液の分注により、第２反応槽１２に固着した磁性粒子５００は、混合液に浸漬した状態となる。
ステップＳ１２４において、制御部４０５は、分注ユニット１４０によって、抽出された核酸を含む試料溶液を第１反応槽１１から第２反応槽１２へ移動させる。
ステップＳ１２５において、第２反応槽１２の内面に固着した磁性粒子５００が、第２反応槽１２の液中に分散させられる。磁性粒子の分散のため、制御部４０５は、分注ユニット１４０によって、第２反応槽１２内の液の吸引・吐出を行わせる。第２反応槽１２への液の吐出により、固着した磁性粒子が剥離され、液中に分散する。磁性粒子が第２反応槽１２内に分散することで、磁性粒子が核酸を吸着することができる。なお、吸引及び吐出は複数回行われるが、この点については後述する。
ステップＳ１２６において、制御部４０５は、磁石１７０を第２反応槽１２に近接させる。磁石１７０が、第２反応槽１２に磁石１７０に近接することで、第２反応槽１２の内面に、核酸を捕捉した磁性粒子５００が固着する。
ステップＳ１２７において、制御部４０５は、分注ユニット１４０によって、第２反応槽１２の上清を吸引させ、破棄させる。破棄が完了すると、制御部４０５は、磁石１７０を第２反応槽１２から離す。
図８は、不純物を洗浄するステップＳ１３の詳細を示している。ステップＳ１３１において、制御部４０５は、分注ユニット１４０によって、洗浄試薬とエタノールとの混合液を第２反応槽１２に分注させる。洗浄試薬とエタノールの混合液の分注により、第２反応槽１２に固着した磁性粒子５００は、混合液に浸漬した状態となる。
ステップＳ１３２において、第２反応槽１２の内面に固着した磁性粒子５００が、第２反応槽１２の混合液中に分散させられる。磁性粒子の分散のため、制御部４０５は、分注ユニット１４０によって、第２反応槽１２内の混合液の吸引・吐出を行わせる。第２反応槽１２への混合液の吐出により、固着した磁性粒子が剥離され、混合液中に分散する。なお、ステップＳ１３２においても、吸引及び吐出は複数回行われるが、この点については後述する。
ステップＳ１３３において、制御部４０５は、磁石１７０を第２反応槽１２に近接させる。磁石１７０が、第２反応槽１２に磁石１７０に近接することで、第２反応槽１２の内面に、磁性粒子５００が固着する。
ステップＳ１３４において、制御部４０５は、分注ユニット１４０によって、第２反応槽１２の上清を吸引させ、破棄させる。破棄が完了すると、制御部４０５は、磁石１７０を第２反応槽１２から離す。
ステップＳ１３１からステップ１３４において、１回目の洗浄が完了する。続く、ステップＳ１３５からステップＳ１３８において、２回目の洗浄が行われる。２回目の洗浄工程は、１回目の洗浄工程と同じであるので説明を省略する。
図９は、核酸を磁性粒子から溶出するステップ１４の詳細を示している。ステップＳ１４１において、制御部４０５は、分注ユニット１４０によって、溶出液を第２反応槽１２に分注させる。溶出液の分注により、第２反応槽１２に固着した磁性粒子５００は、溶出液に浸漬した状態となる。
ステップＳ１４２において、第２反応槽１２の内面に固着した磁性粒子５００が、第２反応槽１２の溶出液中に分散させられる。磁性粒子の分散のため、制御部４０５は、分注ユニット１４０によって、第２反応槽１２内の溶出液の吸引・吐出を行わせる。第２反応槽１２への溶出液の吐出により、固着した磁性粒子が剥離され、溶出液中に分散する。なお、ステップＳ１４２においても、吸引及び吐出は複数回行われるが、この点については後述する。
［２．吸引・吐出による攪拌］
前述のように、吸引・吐出による磁性粒子５００の分散は、図７のステップＳ１２５、図８のステップＳ１３２，Ｓ１３６、及び図９のステップＳ１４２において行われる。図７，８，９の各図においてステップＳ２００からステップＳ２０５として示すように、吸引・吐出は、複数回行われる。
複数回の吸引・吐出においては、最初の吐出（第１吐出：ステップＳ２０１）に先立って、制御部４０５は、駆動部１４２によって、ステップＳ２００の初期吸引を行わせる。初期吸引は、液中に浸漬した磁性粒子５００を液面から露出させるために行われる。第２反応槽１２には、ステップＳ１２３、ステップＳ１３１又はステップＳ１４１において、初期吐出として試薬が分注されているため、初期吸引を行う前の時点では、磁性粒子５００は、試薬中に浸漬している。
高いせん断応力を磁性粒子５００に作用させるには、液中にある磁性粒子５００に吐出液を作用させるよりも、大気に曝された磁性粒子５００に吐出液を作用させる方が、薄層流による高いせん断応力が得やすく、特に、吐出直後において液が粒子に最初に衝突するときに高いせん断応力が得やすい。
初期吸引により磁性粒子５００が大気に曝された状態で、制御部４０５は、固着した磁性粒子５００を剥離させるため、ステップＳ２０１の第１吐出を駆動部１４２に行わせる。第１吐出は、図１０に示すように、第２反応槽１２の中心軸３００を挟んで、Ｘ軸方向負側にある粒子５００の反対側（Ｘ軸方向正側）であって、傾斜部３１１の直上である範囲３０１に含まれる第１吐出位置にあるノズル３２（ピペットチップ３２）から傾斜部３１１に向けた吐出として行われる。制御部４０５は、移送部１４３，１４４，１４５を制御し、第１吐出に先立って、ノズル３２（ピペットチップ３２）を、第１吐出位置へ移送させる。なお、初期吐出を省略して、ステップＳ２０１の第１吐出によって試料を第２反応槽１２に添加する場合には、初期吸引も省略できる。
傾斜部３１１の直上に位置したノズル３２（ピペットチップ３２）は、その先端から下方に試薬を吐出し、試薬を、粒子５００が固着していない傾斜部３１１に衝突させる。吐出は、粒子５００を確実に剥離させるため複数回行われる。吐出回数ｎは、例えば数十回程度である。各吐出は、いずれも、容器１２の中心軸３００を挟んで、粒子５００の反対側であって、傾斜部３１１の直上である範囲３０１に含まれる吐出位置で行われる。ステップＳ１２５，ステップＳ１３２，ステップＳ１３６，ステップＳ１４２のそれぞれで、吐出回数ｎは同じである必要はなく、異なっていても良い。核酸捕捉前のステップＳ１２５及び核酸捕捉直後の第１回洗浄におけるステップＳ１３２においては、磁性粒子は、非常に強く固着している。つまり、核酸捕捉前においては、磁性粒子５００が疎水性を有するため、強く凝集し易い。また、核酸捕捉直後においては、不純物が多いため、強く凝集し易い。このため、核酸捕捉前のステップＳ１２５及び核酸捕捉直後の第１回洗浄におけるステップＳ１３２においては、より多くの吐出を行うのが好ましい。
制御部４０５は、各吐出の間において、磁性粒子５００を液面から露出させるため、吐出した液の吸引を駆動部１４２に行わせる。例えば、ステップＳ２０１の第１吐出と、ステップＳ２０３の第２吐出との間には、ステップＳ２０２の第１吸引が行われる。これらの吸引は、初期吸引と同様に、磁性粒子５００を大気に曝して、次の吐出において高いせん断応力を得るために行われる。また、吸引は、傾斜部３１１において、吐出された液が最初に衝突する位置３１１ａを、液面から露出させるためでもある。位置３１１ａの露出は、吐出初期における安定した液の流れを発生させ、高いせん断応力を得るために有用である。
図１１は、磁性粒子５００の分散のための各吐出の際におけるピペットチップ３２（ノズル）の吐出位置（図１１（ａ）参照）と、各吐出間の吸引の際におけるピペットチップ３２の吸引位置（図１１（ｂ）参照）と、を示している。図１１（ａ）（ｂ）に示すように、図１１（ａ）に示す吐出位置は、図１１（ｂ）に示す吸引位置よりも、高さＨ分ほど上方である。換言すると、図１１（ｂ）に示す吸引位置は、図１１（ａ）に示す吐出位置よりも下方である。第２反応槽１２内の液を十分に吸引するため、吸引位置は、第２反応槽１２の最底部の近傍であるのが好ましく、吸引位置が下方であるほど、液を多く吸引できる。
吸引位置をできるだけ下方側にするためには、ピペットチップ３２（ノズル）を容器１２の中心（中心軸３００の位置）に位置させるのが好ましい。ただし、液を十分に吸引できるのであれば、ピペットチップ３２は、容器１２の中心軸３００を挟んで粒子５００の反対側であって、傾斜部３１１の直上の範囲３０１に位置していてもよい。この場合、吐出位置と吸引位置とが同じ又は近接し、吐出・吸引を繰り返す際のピペットチップ３２の移送量を少なくできる。なお、吐出・吸引を繰り返す際のピペットチップ３２の移送は、制御部４０５が移送部１４３，１４４，１４５を制御することによって行われる。
図１１（ａ）に示すように、吐出位置は、ピペットチップ３２の先端が、吐出した液の液面６００よりも下にあり、１回の吐出完了後に液中に浸漬する位置であるのが好ましい。ピペットチップ３２の先端が、吐出した液の液面６００よりも上に位置していると、吐出した試薬の一部が、液面６００よりも上方の容器内面に付着し、無駄になるおそれがあるが、ピペットチップ３２の先端が、吐出した液の液面６００よりも下にあると、吐出した試薬の全量が、粒子の分散のために用いられる。
ピペットチップ３２から試薬を吐出する場合、吐出位置は、図１１（ａ）に示すように、ピペットチップ３２が、第２反応槽１２の内面に接触しない位置が好ましい。ピペットチップ３２は、吸引部１４１から着脱可能であって、強固に装着されているわけではないので、ピペットチップ３２が第２反応槽１２の内面に接触すると、ピペットチップ３２が、脱落するおそれがある。脱落防止のため、吐出位置は、ピペットチップ３２が、第２反応槽１２の内面に接触しない位置が好ましい。
各吐出位置は、同じ位置であってもよいが、異なる位置であるのが好ましい。各吐出位置は、第２反応槽１２の周方向に異なるのが好ましい。例えば、ステップＳ２０１の第１吐出における第１吐出位置と、ステップＳ２０３の第２吐出における第２吐出位置とを、周方向に異ならせることで、周方向に広い範囲で粒子５００を剥離させることができる。前述のように、テーパ底容器１２によって形成される流れは、指向性が強く、局所的に高いせん断応力を発生させる。このため、広い範囲の粒子５００を剥離させるには、吐出位置を周方向に変えるのが好ましい。
周方向に異なる吐出位置は、例えば、図１２に示すＰ１，Ｐ２、Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５の位置とすることができる。Ｐ１，Ｐ２、Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５は、第２反応槽１２の中心軸３００を挟んで、粒子５００の反対側であって、傾斜部３１１の直上である範囲３０１に設定されている。これらの吐出位置Ｐ１，Ｐ２、Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５は、例えば、周方向に３０°刻みで設定できるが、３０°刻みに限られるものではなく、例えば、１５°刻みでも良い。吐出位置は、図１２において０°から９０までの範囲及び０°から２７０℃までの範囲において、適宜設定できる。
実施形態に係る装置１００によれば、測定試料の調製を自動化した場合における粒子分散に関し、特に顕著な効果を得ることができる。すなわち、磁性粒子が容器に固着する領域は毎回同じではなくばらつきがある。人の手で固着した磁性粒子を分散させる場合には、通常、そのばらつきに応じて液体を吹き付ける領域を適宜調整することができるが、本実施形態の装置１００のように、自動的に測定試料の調製を行う場合には、ばらつきに応じて分散処理を行うのは難しい。例えば、磁性粒子の固着領域や固着状況を装置が認識するためには、それを確認するためのカメラ等を設けることが考えられるが、装置の大型化やコストの増加の問題がある。これに対し、本実施形態の装置１００によれば、より強い力で長時間せん断力を磁性粒子の固着領域に付与することができるため、ある程度磁性粒子の固着する領域にばらつきがあった場合でも、効率的に磁性粒子の拡散を行うことができ、測定試料の調製を自動化する場合に特に顕著な効果を得ることができる
［３．粒子分散に適した条件］
図１０に戻り、実施形態の粒子分散方法では、容器（第２反応槽）１２内に位置するノズル３２から試薬が吐出される。容器１２の内面には、磁石１７０による吸引によって粒子５００が固着している。試薬の吐出によって、容器１２に固着した粒子５００が剥離され、粒子５００が試薬中に分散する。粒子５００は、例えば、標的物質を吸着する磁性粒子である。標的物質は、例えば、核酸である。容器１２の内面に固着した磁性粒子は、標的物質を吸着していてもよいし、標的物質を吸着していなくてもよい。
図１０（ａ）に示すように、容器（第２反応槽）１２は、円筒状の本体部３１０の底部側に傾斜部３１１を有する。傾斜部３１１は、容器１２の底部側に行くほど先細りとなる。傾斜部３１１は、容器１２の中心軸３００に対する内径が、中心軸３００方向において線形に変化する。傾斜部３１１は、中心軸３００に対する角度θが一定である。
実施形態において、容器１２は、傾斜部３１１のさらに底部側に丸みを有する底部３１２を備える。このように、テーパ先端である容器１２の底部３１２は、丸みを有する形状である。底部３１２の形状は、例えば、球面状でもよいし、楕円面状でもよい。以下では、底部３１２は、球面状であるものとして説明する。なお、底部３１２は、尖った形状であってもよい。
図１０（ａ）に示すように、粒子５００は、例えば、傾斜部３１１上に固着している。粒子５００の固着範囲は、傾斜部３１１から本体部３１０にまで及んでも良い。
吐出時においてノズル３２は、中心軸３００を挟んで粒子５００の反対側の範囲に位置する。容器１２の平面図である図１０（ｂ）に示すように、ノズル３２は、例えば、粒子５００の固着範囲の中央と中心軸３００とを通る直線上に位置することができる。図１０（ｂ）においては、円周方向におけるノズル３２の位置を０°とし、粒子５００の位置を１８０°として示した。中心軸３００を挟んで粒子５００の反対側の範囲は、０°の位置に限られるものではなく、０°から反時計回りに９０°までの範囲及び０°から時計回りに２７０°までの範囲を含む。
図１０（ｂ）において、粒子５００の固着範囲は、容器１２の円周方向における一部であり、より具体的には、図１０（ｂ）に示す１８０°付近である。したがって、ノズル３２が位置することができる０°から反時計回りに９０°までの範囲及び０°から時計回りに２７０°までの範囲は、粒子５００の非固着範囲である。固着した粒子５００を効率的に剥離させるためには、粒子５００は、容器１２内において局所的に固着している方が好ましいため、粒子５００の非固着範囲は、容器１２の円周方向において、少なくとも半周分の範囲（１８０°分の範囲）であるのが好ましく、少なくとも２７０°分の範囲であるのがより好ましい。換言すると、粒子５００の固着範囲は、容器の円周方向において、１８０°以下であるのが好ましく、１２０°以下であるのがより好ましく、９０°以下であるのがさらに好ましい。
吐出時においてノズル３２は、傾斜部３１１の直上に位置する。傾斜部３１１の直上とは、テーパ先端の直上である中心軸３００の位置を含まない意味である。テーパ先端３１２が丸みを有する形状である場合、丸みを有する範囲３０３は傾斜角度が一定の傾斜部ではないため、傾斜部３１１の直上とは、容器１２内において、丸みを有する範囲３０３を除く範囲３０１，３０２である。図１０のようにテーパ先端３１２が球面状である場合、中心軸３００から範囲３０３と範囲３０１，３０２との境界までの径方向距離ｘは、傾斜部の角度θと丸みの曲率半径Ｒとを用いると、Ｒｃｏｓθで与えられる。なお、ここでは、線形テーパを、単に、テーパといい、テーパといった場合、丸みを有する形状を含まない。
［４．第１シミュレーション：せん断応力分布の経時的な変化］
第１シミュレーションでは、容器の形状が流体によるせん断応力に与える影響を検証した。図１３は、図１０に示す傾斜部３１１を有する容器（テーパ底容器；第２反応槽）１２でのシミュレーション結果を示し、図１５は、図１４に示す楕円底容器２１２でのシミュレーション結果を示す。
図１３に示すシミュレーションにおいて、テーパ底容器１２における傾斜部の角度θは２０°、丸みを有するテーパ先端３１２の曲率半径Ｒは１．７５ｍｍである。ノズル３２からの吐出位置は、容器１２の最底部からの高さｚが５ｍｍであり、中心軸３００からの径方向距離ｘが１．５ｍｍである。なお、容器１２の直径は、１０ｍｍとした。
図１５に示すシミュレーションにおいて、楕円底容器２１２は、底部が中心軸３００方向に長軸方向を持つ楕円面であり、その長半径は、８．５ｍｍである。ノズル３２からの吐出位置は、容器１２の最底部からの高さｚが５ｍｍであり、中心軸３００からの径方向距離ｘが１．５ｍｍである。
図１３及び図１５に示すシミュレーション結果は、容器１２，２１２の最底部からの高さが５ｍｍの位置におけるせん断応力分布の経時的な変化を示している。せん断応力分布は、容器１２，２１２の周方向における分布であり、図１３及び図１５においてθ＝０°がノズル３２の位置(吐出位置)であり、θ＝１８０°が粒子５００の位置である。解析時間は、吐出開始から終了までの０．４５秒の間である。なお、吐出開始前において、容器１２，２１２内に液体は存在しない。
図１３に示すように、テーパ底容器１２では、ノズル３２の反対側であるθ＝１８０°の位置において集中的に高い指向性を持ってせん断応力が発生し、かつ、経時的に安定して高いせん断応力を発生することができている。また、吐出直後及び吐出中期において、瞬時的に非常に高いせん断応力も得られている。したがって、テーパ底容器１２では、粒子５００が容器１２に強く固着していても、高いせん断応力によって容器１２から粒子５００を剥離させることができる。
一方、図１５に示すように、楕円底容器２１２では、比較的せん断応力が小さく、θ＝１８０°を中心とした比較的広い範囲において不安定にせん断応力が発生しており指向性が低く、経時的にもせん断応力の強さが不安定である。このようなせん断応力では、粒子５００が容器１２に強く固着している場合には、何度、試薬を吐出しても、容器１２から粒子５００を剥離させることができないことがある。
［５．第２シミュレーション：流線ベクトル］
第２シミュレーションでは、容器の形状が溶液の流れに与える影響を流線ベクトル解析で検証した。図１６から図１９は、第２シミュレーションの結果を示しており、図中の多数の矢印はノズル３２から吐出された流体の流れを示す流線ベクトルである。なお、第２シミュレーションにおけるシミュレーション条件は、第１シミュレーションと同様である。また、図１６から図１９において、（ａ）はテーパ底容器１２の断面図を示し、（ｂ）はテーパ底容器１２の平面図（高さｚ＝５ｍｍの位置）を示し、（ｃ）は楕円底容器２１２の断面図を示し、（ｄ）楕円底容器２１２の平面図（高さｚ＝５ｍｍの位置）を示す。
図１６は、溶液の吐出直後（吐出開始から０．０１秒後）の溶液の流れを示している。図１６（ａ）に示すように、テーパ底容器１２の場合、粒子５００の反対側に位置するノズル３２から下方に吐出された溶液は、ノズル３２直下の傾斜部３１１に当たると、容器最底部３１２を通って、粒子５００側の傾斜部３１１を上昇する。図１６（ａ）において、溶液は薄層を形成して容器１２の内面を上昇している。テーパ底容器１２の場合、ノズル３２と傾斜部３１１との交差角θが比較的小さいため、溶液の運動エネルギー損失が少なく、溶液がより高い位置まで上昇している。テーパ底容器１２において、吐出直後のせん断応力は、２７．７Ｐａであった。
一方、図１６（ｃ）に示すように、楕円底容器２１２の場合、粒子５００の反対側に位置するノズル３２から下方に吐出された溶液は、ノズル３２直下の楕円面に当たると、容器最底部を通って、粒子５００側の楕円面を上昇する。図１６（ｃ）においても、溶液は、薄層を形成して容器２１２の内面を上昇している。しかし、楕円底容器２１２の場合、ノズル３２と楕円面との交差角が比較的大きいため、溶液が容器２１２に衝突したときに、運動エネルギー損失が発生し、溶液の速度が低下している。また、粒子５００に向かわない流れも発生しており、損失が多くなっている。楕円底容器２１２において、吐出直後のせん断応力は、１９．７Ｐａであった。
図１７は、溶液の吐出初期（吐出開始から０．１秒後）における溶液の流れを示している。図１７（ａ）に示すように、テーパ底容器１２の場合、溶液は、粒子５００よりも十分に高い位置まで上昇し、粒子５００から離れた位置で滞留箇所を形成することができる。粒子５００が凝集している箇所では、継続して薄層流が形成されており、高いせん断応力が維持されている。テーパ底容器１２において、吐出初期のせん断応力は、２４．２Ｐａであった。
一方、図１７（ｃ）に示すように、楕円底容器２１２の場合、上昇流と重力による下降流とが衝突して、粒子５００の凝集箇所付近で滞留箇所が発生している。滞留により、粒子５００へ作用するせん断応力が低下する。せん断応力の低下は、運動エネルギーの損失と、容器２１２形状による流れの剥離（容器内壁から離れる流れ）が要因と推測される。楕円底容器２１２において、吐出初期のせん断応力は、６．４Ｐａに低下した。
図１８は、溶液の吐出中期（テーパ底容器は吐出開始から０．２１４秒、楕円底容器は吐出開始から０．２０５秒）における溶液の流れを示している。図１８（ａ）に示すように、粒子５００の凝集箇所では、継続して薄層流が形成されており、高いせん断応力が生じた。溶液の運動エネルギーが高いため、滞留箇所が、粒子５００よりも十分に高い位置に形成されている。テーパ容器１２において、吐出中期のせん断応力は、４２．９Ｐａであり、最大せん断応力が発生した。
楕円底容器２１２についても、吐出中期では、せん断応力が、２４．９Ｐａとなり、最大せん断応力が発生した。ただし、大きなせん断応力が発生したのは、図１８（ｃ）に示すように、液体に取り込まれた気泡によって、粒子５００の凝集箇所に、偶然、薄層流が形成されたためである。気泡の形成はランダムであるため、楕円底容器２１２においては、高いせん断応力の発生は、再現性が低い現象である。また、図１８（ｄ）に示すように、ノズル３２に向かう流れが多くなっており、粒子５００に作用する運動エネルギーの損失が生じている。
図１９は、溶液の吐出後期（吐出開始から０．４５秒後）における溶液の流れを示している。図１９（ａ）に示すように、テーパ底容器１２の場合、吐出後期においても、粒子５００の凝集箇所には、速い流れが形成され、高いせん断応力が発生している。テーパ容器１２において、吐出後期のせん断応力は、２５．５Ｐａであった。
一方、図１９（ｃ）に示すように、楕円底容器２１２の場合、溶液は、容器２１２内で縦方向の渦（タンブル流）を形成している。粒子５００の凝集箇所では、緩やかな流れが形成され、せん断応力が低い。楕円底容器２１２において、吐出後期のせん断応力は、６．５Ｐａであった。
以上のように、テーパ底容器１２の場合、吐出直後から吐出後期まで、安定して高いせん断応力を発生することができ、高い運動エネルギーを維持し、常に速い流れが粒子５００の凝集箇所において形成される。また、テーパ容器１２の場合、滞留箇所が、粒子５００よりも高い位置に形成され、せん断応力の低下を回避し易い。テーパ底容器１２の場合、溶液が、テーパ形状に沿って流れ易くなるため、流れが容器１２から剥離することが少なく、容器１２内で渦を形成しないと考えられる。渦の形成は、楕円底容器２１２との比較によれば、せん断応力を低下させる要因となる。また、テーパ底容器１２の場合、気泡を巻き込み難いため、経時的に安定した流れを形成することができる。
これに対して、楕円底容器２１２の場合、経時的に不安定なせん断応力を発生し、テーパ底容器１２と比較して、全体的にせん断応力が低くなる。また、ノズルからの吐出方向と容器内壁とが直角に近いため、運動エネルギー損失が発生している。楕円容器２１２の場合、容器２１２の内壁を進む流れが剥離し、渦（タンブル流）を形成するとともに、気泡を巻き込みやすい流れを形成し、経時的に不安定な流れとなる。
［６．第３シミュレーション：テーパ角θ及び底部の曲率半径Ｒのバリエーション］
第３シミュレーションでは、図１０に示すテーパ底容器１２において、テーパ角θ及び底部の曲率半径Ｒを異ならせて、せん断応力分布を得た。θ及びＲ以外のシミュレーション条件は、第１シミュレーションと同様である。
図２０〜図２５は、第３シミュレーションの結果を示している。図２０〜図２５は、容器１２の最底部からの高さが５ｍｍの位置におけるせん断応力分布を示す。どの時点のせん断応力であるかは、各図中に示されているとおりである。
図２０（ａ）は、θ＝５°かつＲ＝１ｍｍの場合を示している。図２０（ｂ）は、θ＝５°かつＲ＝２ｍｍの場合を示している。
図２１（ａ）は、θ＝１０°かつＲ＝１ｍｍの場合を示している。図２１（ｂ）は、θ＝１０°かつＲ＝２ｍｍの場合を示している。
図２２（ａ）は、θ＝１５°かつＲ＝１ｍｍの場合を示している。図２２（ｂ）は、θ＝１５°かつＲ＝２ｍｍの場合を示している。図２２（ｃ）は、θ＝１５°かつＲ＝３ｍｍの場合を示している。
図２３（ａ）は、θ＝３０°かつＲ＝１ｍｍの場合を示している。図２３（ｂ）は、θ＝３０°かつＲ＝２ｍｍの場合を示している。図２３（ｃ）は、θ＝３０°かつＲ＝３ｍｍの場合を示している。
図２４（ａ）は、θ＝４５°かつＲ＝１ｍｍの場合を示している。図２４（ｂ）は、θ＝４５°かつＲ＝２ｍｍの場合を示している。図２４（ｃ）は、θ＝４５°かつＲ＝３ｍｍの場合を示している。
図２５（ａ）は、θ＝６０°かつＲ＝１ｍｍの場合を示している。図２５（ｂ）は、θ＝６０°かつＲ＝２ｍｍの場合を示している。図２５（ｃ）は、θ＝６０°かつＲ＝３ｍｍの場合を示している。
図２０〜図２５に示す第３シミュレーション結果の評価を、以下の表１に示す。
Figure 0006858008
表１において、Ａ，Ｂ１，Ｂ２，Ｃ１，Ｃ２の意味は、次のとおりである。Ａは、せん断応力の大きさ及びその経時的安定性の観点から非常に良好であることを示す。Ｂ１は、せん断応力の大きさ及びその経時的安定性は良好であるものの、容器１２からの液脱出が認められたことを示す。Ｂ２は、せん断応力の大きさ及びその経時的安定性は良好であるものの、液はねが存在することを示す。Ｃ１は、せん断応力がＡ、Ｂ１、Ｂ２に比べて相対的に小さいことを示す。Ｃ２は、せん断応力がＡ、Ｂ１、Ｂ２に比べて相対的に小さいく、粒子５００に向かう流れもＡ，Ｂ１，Ｂ２に比べて相対的に少ないことを示す。
第３シミュレーション結果によると、テーパ先端３１２の丸みの曲率半径Ｒは、１ｍｍ以上とすることができる。また、曲率半径Ｒは、３ｍｍ以下とすることができ、好ましくは、２ｍｍ以下である。曲率半径Ｒは、２ｍｍであるのが好ましい。テーパ先端３１２の丸みが、球面状ではない場合、丸みにおける任意の点に接する円の曲率半径Ｒが、上記の数値をとればよい。
第３シミュレーション結果によると、テーパ角θは、５°以上とすることができ、好ましくは、１０°以上である。また、テーパ角θは、６０°以下とすることができ、好ましくは、４５°以下であり、より好ましくは、３０°以下である。
［７．第４シミュレーション：吐出位置（Ｘ軸方向）のバリエーション］
第４シミュレーションでは、吐出位置を図１及び図３のＸ軸方向に異ならせて、せん断応力分布とせん断応力最大値の経時的変化を得た。第４シミュレーションにおいて、θ＝２０°、Ｒ＝１．７５ｍｍとし、他のシミュレーション条件は、第１シミュレーションと同様とした。
図２６は、中心軸３００から距離Ｘ＝１．２ｍｍの位置を吐出位置とした場合を示している。図２６（ａ）は、テーパ底容器１２についてのせん断応力分布を示し、図２６（ｂ）は、せん断応力最大値の経時的変化を示す。図２６（ｃ）は、楕円底容器２１２についてのせん断応力分布を示し、図２６（ｄ）は、楕円底容器２１２についてのせん断応力最大値の経時的変化を示す。
図２７は、中心軸３００から距離Ｘ＝１．５ｍｍの位置を吐出位置とした場合を示している。図２７（ａ）は、テーパ底容器１２についてのせん断応力分布を示し、図２７（ｂ）は、せん断応力最大値の経時的変化を示す。図２７（ｃ）は、楕円底容器２１２についてのせん断応力分布を示し、図２７（ｄ）は、楕円底容器２１２についてのせん断応力最大値の経時的変化を示す。
図２８は、中心軸３００から距離Ｘ＝１．８ｍｍの位置を吐出位置とした場合を示している。図２８（ａ）は、テーパ底容器１２についてのせん断応力分布を示し、図２８（ｂ）は、せん断応力最大値の経時的変化を示す。図２８（ｃ）は、楕円底容器２１２についてのせん断応力分布を示し、図２８（ｄ）は、楕円底容器２１２についてのせん断応力最大値の経時的変化を示す。
図２６〜図２８より、いずれの吐出位置においても、楕円底容器２１２よりもテーパ底容器１２の方が、せん断応力の大きさ及び指向性並びにせん断応力最大値の経時的安定性の観点から優れていることがわかる。また、テーパ底容器１２において、Ｘが１．５ｍｍ又は１．８ｍｍの場合に、特に良好な結果が得られている。
１２ 容器
３２ ノズル
１００ 核酸分析装置
１１０ 設置部
１４０ 分注ユニット
１４１ 吸引部
１４２ 駆動部
１４３ 移送部
１４４ 移送部
１４５ 移送部
３００ 中心軸
３１０ 本体部
３１１ 傾斜部
３１２ テーパ先端
４０５ 制御部
５００ 粒子

Claims (23)

  1. 容器の内面に固着した粒子を液体中に分散させる粒子分散方法であって、
    円筒状の本体部と、前記本体部側から底部側に向けて内径が小さくなり、前記容器の中心軸に対する角度が一定である傾斜部と、を備える容器を設置する設置工程と、
    前記傾斜部のうち前記容器の中心軸を挟んで前記容器の内面に固着した粒子の反対側であって前記粒子が固着していない部分に向けて液体を吐出し、前記底部及び前記傾斜部に沿って前記粒子に向かう前記液体の流れを発生させる吐出工程と、を備える、粒子分散方法。
  2. 前記容器内の液体を吸引する吸引工程をさらに備え、
    前記吸引工程後に前記吐出工程を行う、請求項１に記載の粒子分散方法。
  3. 前記吸引工程において、前記液体の吸引を、前記容器の内面に固着した粒子が前記液体の液面から露出するまで行う、請求項２に記載の粒子分散方法。
  4. 前記吐出工程後に、前記容器内の液体を吸引し、その後、前記容器の中心軸を挟んで前記容器の内面に固着した粒子の反対側であって前記傾斜部上であり、前記吐出工程における吐出位置とは異なる第２吐出位置において液体を吐出する第２吐出工程を備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の粒子分散方法。
  5. 前記吐出工程における吐出位置と、前記第２吐出工程における第２吐出位置は、前記容器の周方向に異なっている、請求項４に記載の粒子分散方法。
  6. 前記吐出工程における吐出位置は、前記吸引工程における吸引位置よりも上方である、請求項２に記載の粒子分散方法。
  7. 前記吸引工程において、前記容器の中心軸上において前記液体の吸引を行う、請求項２に記載の粒子分散方法。
  8. 前記吸引工程において、前記容器の中心軸を挟んで前記容器の内面に固着した粒子の反対側であって前記傾斜部上において前記液体の吸引を行う、請求項２に記載の粒子分散方法。
  9. 前記吐出工程における吐出位置は、液体を吐出するノズルの先端が、吐出した前記液体の液中に浸漬する位置である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の粒子分散方法。
  10. 前記容器は、丸みを有する形状である底部をさらに備える、請求項１〜９のいずれか１項に記載の粒子分散方法。
  11. 前記底部の丸みは、丸みにおける任意の点に接する円の曲率半径が１ｍｍ以上３ｍｍ以下である、請求項１０に記載の粒子分散方法。
  12. 前記底部の丸みは、丸みにおける任意の点に接する円の曲率半径が１ｍｍ以上２ｍｍ以下である、請求項１０に記載の粒子分散方法。
  13. 前記容器は、前記容器の中心軸に対する前記傾斜部の角度が５°以上６０°以下である、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の粒子分散方法。
  14. 前記容器は、前記容器の中心軸に対する前記傾斜部の角度が１０°以上４５°以下である、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の粒子分散方法。
  15. 前記粒子は、磁性粒子を含む、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の粒子分散方法。
  16. 前記粒子は、核酸を吸着した磁性粒子を含む、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の粒子分散方法。
  17. 前記容器の内面に固着した前記粒子は、核酸を吸着した磁性粒子が磁力によって凝集したものである、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の粒子分散方法。
  18. 前記液体は、有機溶媒を含む、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の粒子分散方法。
  19. 前記液体は、エタノールを含む、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の粒子分散方法。
  20. 円筒状の本体部と、前記本体部側から底部側に向けて内径が小さくなり、容器の中心軸に対する角度が一定である傾斜部と、を有する容器を設置するための設置部と、
    前記容器内に液体を吐出するノズルと、
    前記傾斜部のうち前記容器の中心軸を挟んで前記容器の内面に固着した粒子の反対側であって前記粒子が固着していない部分に向けて前記液体を吐出し、前記底部及び前記傾斜部に沿って前記粒子に向かう前記液体の流れを発生させるよう前記ノズルを制御する制御部と、を備える粒子分散装置。
  21. 前記制御部は、前記容器の内面に固着した粒子が液体の液面から露出するまで前記容器内の液体を吸引した後に、前記吐出をするよう前記ノズルを制御する、請求項２０記載の粒子分散装置。
  22. 前記制御部は、前記吐出の後に、前記容器内の液体を吸引し、その後、前記容器の中心軸を挟んで前記容器の内面に固着した粒子の反対側であって前記傾斜部上であり、前記吐出における吐出位置とは異なる第２吐出位置において液体を吐出するよう前記ノズルを制御する、請求項２０又は２１に記載の粒子分散装置。
  23. 請求項２０〜２２のいずれか１項に記載の粒子分散装置と、
    前記粒子分散装置により前記容器の内面に固着した粒子が分散されて調製された液体中の核酸を増幅する増幅部と、
    増幅された前記核酸を検出する検出部と、を備える核酸分析装置。
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