JP7022844B2 - 生化学用カートリッジ及び生化学分析装置 - Google Patents

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Description

本発明は、生化学反応により抽出された生体試料を、必要に応じて合成し分析するために用いられる生化学用カートリッジと、当該生化学用カートリッジを使用した生化学分析装置に関する。
塩基の配列解析や多型解析といったゲノム解析は、生物学的な研究分野、遺伝子治療や診断、分子標的薬の開発などの医療分野、またDNA鑑定などの法医学の分野で非常に重要である。ゲノム解析では、1)検体から核酸を抽出する工程、2)抽出した核酸を増幅し、標識を付加する工程、3)核酸の塩基配列を読む電気泳動の工程、が行われる。2)の工程では、試薬と混合された核酸が所定の温度に保たれることで、標的となる核酸をプライマがアニールして核酸が増幅される。
特許文献1には、2)の工程にエレクトロウェッティング(EWOD;Electro Wetting On Dielectric)の技術を用いることが開示されている。すなわち特許文献1には、液滴マイクロアクチュエータ内でEWODを用いて核酸や試薬の液滴を搬送して、核酸を増幅させた後、下流側で電気泳動法により分析することが開示されている。
特表2009-534653号公報
しかしながら、特許文献1は、増幅させた後の核酸を、キャピラリシーケンサーといった生化学分析装置に供給する具体的な方法を開示していない。EWODでは数十Vの印加電圧で液滴を搬送するのに対し、キャピラリシーケンサーのキャピラリアレイ等に液滴中の生体試料、例えば核酸を取り込むには数kVの印加電圧を要するため、EWODの電極等が破壊され、液滴の移動にEWODを再使用できなくなる。
そこで、本発明は、キャピラリアレイ等による生体試料の取り込みに複数回使用可能な生化学用カートリッジと当該生化学用カートリッジを使用した生化学分析装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために本発明の生化学用カートリッジは、サンプルが搬送される流路と、前記流路上に、サンプルが搬送される方向に沿って配置され、かつ、サンプルを搬送するために設けられた複数の電極と、前記流路の下流側に配置された複数の電極に対向して設けられる開口を備えることを特徴とする。
また本発明の生化学分析装置は、キャピラリと、サンプルが搬送される流路と、前記流路上に、サンプルが搬送される方向に沿って配置され、かつ、サンプルを搬送するために設けられた複数の第1電極と、前記流路の下流側に配置された複数の電極に対向した開口と、流路内のサンプルをキャピラリへ導入するために設けられた第2電極を備えることを特徴とする。
本発明によれば、キャピラリアレイ等による生体試料の取り込みに複数回使用可能な生化学用カートリッジと当該生化学用カートリッジを使用した生化学分析装置を提供することができる。
実施例1の生化学分析装置の全体構成を示す図である。 実施例1の生化学用カートリッジを説明する斜視図である。 実施例1の生化学用カートリッジ内のサンプル流路と試薬流路と液滴保持部を説明する平面図である。 実施例1のEWOD(Electro Wetting On Dielectric)を説明する断面図である。 実施例1の液滴保持部を説明する断面図である。 実施例2の液滴保持部を説明する断面図である。 実施例3の液滴保持部を説明する断面図である。 実施例3のスリットが設けられたセプタを説明する断面図である。
以下、図面を参照して、本発明の生化学分析装置の実施例について説明する。なお各図の向きを示すために各図にXYZ座標系を付記する。
図1に生化学分析装置の全体構成を示す。本発明の生化学分析装置は、検体から抽出された核酸を増幅し、標識を付加した後、核酸の塩基配列を読む電気泳動を実施する装置を例示している。核酸を増幅させるために試薬と混合された核酸を所定の温度に保ったり、電気泳動を実施するためにキャピラリと呼ばれる細管に増幅させた核酸を供給したりする。
装置本体101と制御用コンピュータ125は、通信ケーブルで接続される。制御用コンピュータ125は、オペレータからの入力を受け付け、生化学分析装置が有する各機能を制御し、装置本体101で検出されるデータを授受し、授受したデータを表示する。装置本体101は、キャピラリアレイ114、ポンプ機構103、恒温槽115、搬送機122、高圧電源104、光源111、光学検出器112を備える。以下、各部について説明する。
キャピラリアレイ114は、一本もしくは複数本(例えば、2~96本)のキャピラリ102からなる交換部材であり、ロードヘッダ124、検出部113、キャピラリヘッド129を含む。キャピラリアレイ114の一端には、キャピラリ102内に試料を供給するためのロードヘッダ124が備えられ、負電圧が印加される陰極端126をなす。キャピラリアレイ114の他端は、キャピラリヘッド129により複数本のキャピラリ102が一つに束ねられており、耐圧機密構造でゲルブロック106と接続される。ロードヘッダ124とキャピラリヘッド129の間には、レーザ光が照射される検出部113が設けられる。
キャピラリ102は内径数十~数百μm、外径数百μmのガラス管である。キャピラリ102の強度向上のため、その表面はポリイミド被膜で覆われている。ただし、レーザ光が照射される検出部113およびその近傍は、ポリイミド被膜は除去されている。キャピラリ102の内部には、試料中のDNA分子を分離するための分離媒体が充填される。分離媒体は、例えばポリアクリルアミド系分離ゲルである。
ポンプ機構103は、シリンジ105とシリンジ105を加圧するための機構系で構成される。ゲルブロック106は、シリンジ105、キャピラリアレイ114、陽極バッファ容器108、分離媒体容器107を連結する接続部である。電動バルブ110を閉じ、シリンジ105を押し込むことによって、シリンジ105内の分離媒体がキャピラリ102内に注入される。
恒温槽115は、キャピラリアレイ114の温度を制御するためのヒータ117とファン116を有するとともに、恒温槽115内の温度を一定に保つために断熱材で覆われる。恒温槽115内の温度を制御することにより、キャピラリアレイ114の大部分の温度は、例えば60℃などの一定温度に保たれる。
搬送機122は、3つの電動モータとリニアアクチュエータを備え、上下、左右、前後の3軸方向に移動可能である。また、搬送機122上の移動ステージ123には、少なくとも1つ以上の容器が搭載される。搬送機122は、移動ステージ123上のバッファ容器118、洗浄容器119、廃液容器120、生化学用カートリッジ121のそれぞれをキャピラリ102の陰極端126まで搬送する。バッファ容器118には電気泳動バッファ液が入る。洗浄容器119はキャピラリ102の洗浄に用いられる。廃液容器120にはキャピラリ102中の分離媒体が排出される。生化学用カートリッジ121には生体試料、例えば核酸と試薬が入り、生化学用カートリッジ121内で増幅された核酸はキャピラリ102の陰極端126からキャピラリアレイ114に取り込まれる。生化学用カートリッジ121については図2ないし図5を用いて後述する。
高圧電源104は、陽極バッファ容器108内の陽極電極109とロードヘッダ124に接続され、キャピラリ102内の分離媒体に高電圧を印加する。
光源111は、コヒーレント光であるレーザ光を励起光として検出部113に照射する。光学検出器112は、検出部113内の試料が発する蛍光を光学的に検出する。検出された光学データ128は、制御基板127を介して制御用コンピュータ125に転送される。
図2を用いて、生化学用カートリッジ121について説明する。図2は生化学用カートリッジ121の斜視図である。生化学用カートリッジ121には、核酸が増幅される流路が1又は複数、例えば4つ設けられ、各流路にキャピラリ102の陰極端126が挿入される。なお、図2では流路の長手方向をX方向、流路が並べられる方向をY方向、陰極端126が挿入される方向をZ方向で示す。
図3を用いて、生化学用カートリッジ121内の構造について説明する。図3は生化学用カートリッジ121内の平面図である。図3の生化学用カートリッジ121内には、サンプル槽301、試薬槽302、サンプル流路303、試薬流路304が設けられる。サンプル槽301は複数、例えば4つ設けられ、各サンプル槽301には生体試料を含むサンプルが、例えば1μL入れられる。または、サンプル槽301に10μLのサンプルが入れられ、10μLから1μLが分離されて使用されても良い。試薬槽302は1又は複数ある。例えば、核酸を増幅する場合には、5つの試薬槽302が設けられ、各試薬槽302には核酸の増幅に用いられる試薬、例えばプライマやdNTP、緩衝液、水、酵素、変性剤、サイズスタンダードDNA等が入れられる。
サンプル流路303は各サンプル槽301に連なり、核酸を含む液滴が搬送される。本実施例では核酸を含む液滴が搬送される方向がX方向である。液滴の搬送にEWOD(Electro Wetting On Dielectric)の技術が用いられる場合、サンプル流路303は液滴を搬送するためのEWOD電極300を有する流路となる。EWODとは、撥水性の膜である撥水膜上に配置された液滴と、撥水膜の下に設けられた電極であるEWOD電極との間に電圧を印加して、液滴の表面張力を制御することにより、液滴を搬送する技術である。
図4を用いてEWODを用いた流路の一例について説明する。図4はEWODを用いた流路のXZ断面図である。EWODを用いた流路は、上板401、上側電極402、上側撥水膜403、下側撥水膜405、絶縁膜406、EWOD電極300、下板407を有する。上板401と下板407とは平行に配置され、上板401の下面には上側電極402と上側撥水膜403が、下板407の上面には複数のEWOD電極300と絶縁膜406、下側撥水膜405が設けられる。なお、上板401及び下板407の少なくとも一方にEWOD電極300が複数配置されていれば、液滴400の搬送は可能である。
複数のEWOD電極300は液滴400が搬送される方向に沿って配列される。また各EWOD電極300に対して個別に電圧が印加できるように、EWOD電極300は例えば数百μmの厚さを有する絶縁膜406で覆われる。上側撥水膜403と下側撥水膜405の間は、搬送される液滴400とは混合しない流体404で満たされていると好適である。なお、流体404で満たされていなくても液滴400を搬送することは可能である。
このようなEWODを用いた流路において、液滴400の近傍に位置するEWOD電極300に数十Vの電圧が印加されると、電圧が印加されたEWOD電極300側の液滴400の表面張力が変化して液滴400内に内圧が発生する。発生した内圧は図4中の矢印の方向に液滴400を駆動するので、液滴400が搬送される。すなわち、液滴400は電圧が印加されたEWOD電極300側へ搬送される。
図3の説明に戻る。試薬流路304は各試薬槽302に連なり、試薬の液滴が搬送される。本実施例では試薬の液滴が搬送される方向がY方向である。試薬の液滴の搬送にEWODが用いられる場合、サンプル流路303と同様に、試薬流路304は複数のEWOD電極300を有する。試薬流路304はサンプル流路303と交差し、両者の交差点において核酸を含む液滴に試薬の液滴が混合される。なお、試薬流路304とサンプル流路303が交差する角度は、図3に示すような90度に限定されない。
サンプル流路303および試薬流路304のEWOD電極300には個別に電圧を印加できるので、2つ以上の液滴を同時に搬送することも可能である。さらに、液滴が搬送される方向は一方向に限定されず、液滴を往復させてもよい。例えば、サンプル流路303と試薬流路304の交差点と交差点に隣接する点との間で液滴を往復させることにより、核酸と試薬の混合を促進させてもよい。
サンプル流路303の途中には温度制御領域305が設けられる。温度制御領域305は所定の温度に保たれる1つ以上の領域であり、例えば60℃に保たれる領域と95℃に保たれる領域である。核酸と試薬を混合させた液滴は、温度制御領域305へ搬送され、例えばPCR(Polymerase Chain Reaction)やサイクルシーケンス反応により核酸が増幅される。なお、異なる温度に保たれる領域の間、例えば60℃の領域と95℃の領域との間で液滴を往復させてもよい。核酸が増幅された液滴は、標識が付加されて試料液滴となる。
サンプル流路303の先には液滴保持部306が設けられる。液滴保持部306は複数、例えば10箇所のサンプルインジェクションポイントを有する。各サンプルインジェクションポイントはEWOD電極300を含み、EWOD電極300に印加される電圧が制御されることにより、所望のサンプルインジェクションポイントの位置に試料液滴が搬送され、その位置で試料液滴が保持される。液滴保持部306のEWOD電極300の間隔は、サンプル流路303や試薬流路304のEWOD電極300の間隔と同じであるのが好ましい。同じ間隔にすることにより、EWOD電極300の製造が容易になる。
図5を用いて本実施例の液滴保持部306について説明する。図5は液滴保持部306のXZ断面図である。液滴保持部306は、セプタ500、上板401、上側電極402、上側撥水膜403、下側撥水膜405、絶縁膜406、EWOD電極300、下板407を有する。下側撥水膜405、絶縁膜406、EWOD電極300、下板407は、図4に示した構成と同じであるので説明を省略する。
上板401、上側電極402、上側撥水膜403は、開口501を有すること以外は図4に示した構成と同じである。開口501は、液滴保持部306の各EWOD電極300が配置された位置にZ方向に沿って開けられる。すなわち液滴保持部306のEWOD電極300と開口501は同数である。
セプタ500は上板401の上面を覆うように配置されるゴム製の部材であり、キャピラリ102の陰極端126が挿入される穴を有する。セプタ500の穴を有する部分は各開口501に挿入される。すなわち、一つのサンプルインジェクションポイントは、液滴保持部306の一つのEWOD電極300と、その上に開けられる開口501と、そこに挿入されるセプタ500が有する穴を含む。
所望のサンプルインジェクションポイントの位置に試料液滴502が搬送されると、その位置でキャピラリ102の陰極端126が試料液滴502に接触するまで挿入される。図5には、1の番号が付与された試料液滴502に陰極端126を接触させた状態が例示される。その状態でロードヘッダ124に数kVの電圧が短時間印加されることで試料液滴502中の核酸はキャピラリアレイ114内に取り込まれる。キャピラリアレイ114内に取り込まれた核酸は検出部113に導かれ、励起光の照射と蛍光の検出がなされる。
試料液滴502中の核酸の取り込みに用いられたサンプルインジェクションポイントでは、数kVの印加電圧により絶縁膜406やEWOD電極300が破壊され、再使用できなくなる。そこで本実施例では、複数のサンプルインジェクションポイントを設け、核酸の取り込みに使用するサンプルインジェクションポイントを核酸の取り込みの度に変更する。すなわち本実施例の液滴保持部306は試料液滴502を保持するためのEWOD電極300を複数有し、試料液滴502中の核酸をキャピラリアレイ114に取り込む度に異なるEWOD電極300を使用する。本実施例によれば、キャピラリアレイ114による核酸の取り込みにEWODを複数回使用することができる。
なお、キャピラリアレイ114による核酸の取り込みには、末端のEWOD電極300から順に、例えば図5の試料液滴502に付与された番号の順に、使用されることが好ましい。このような順で複数のEWOD電極300が使用されることにより、液滴保持部306が有するEWOD電極300を余すことなく使用することができる。
本実施例では、生体試料の一例として核酸、特にDNAを扱う場合について説明したが、本発明で扱われる生体試料はこれに限定されるものではなく、RNA、タンパク質、多糖、微生物など生体物質全般にわたる。また生体試料の取り込みにはキャピラリ102以外が用いられても良い。
実施例1では、キャピラリ102の陰極端126が挿入される開口501の間隔が液滴保持部306のEWOD電極300の間隔と同じであることについて説明した。液滴保持部306のEWOD電極300の間隔が狭すぎる場合、キャピラリアレイ114による核酸の取り込みに用いられるEWOD電極300の周囲がロードヘッダ124への印加電圧により破壊される場合がある。そこで本実施例では、開口501の間隔を広げ、核酸の取り込みに用いられるEWOD電極300の周囲が破壊された場合でも、核酸の取り込みにEWODを複数回使用可能にする構成について説明する。
図6を用いて本実施例の液滴保持部306について説明する。図6は、図5と同様に、液滴保持部306のXZ断面図である。液滴保持部306は、実施例1と同様に、セプタ500、上板401、上側電極402、上側撥水膜403、下側撥水膜405、絶縁膜406、EWOD電極300、下板407を有し、上側撥水膜403には開口501が設けられる。ただし本実施例の開口501は、EWOD電極300よりも広い間隔、例えばロードヘッダ124への印加電圧による破壊が及ばない間隔で設けられる。このような間隔で開口501が設けられることにより、試料液滴502中の核酸の取り込みに用いられるEWOD電極300の周囲が破壊される場合でも、核酸の取り込みに使用された開口501に隣接する開口501の下のEWOD電極300は破壊されずに済む。その結果、破壊されなかったEWOD電極300の上の開口501を通じてキャピラリアレイ114へ核酸を取り込むことができる。
本実施例によれば、試料液滴502中の核酸の取り込みに用いられるEWOD電極300の周囲が破壊された場合でも、開口501の下のEWOD電極300は破壊されないので、核酸の取り込みにEWODを複数回使用できる。
実施例1では、サンプルインジェクションポイントの数と同数の開口501を、上板401、上側電極402、上側撥水膜403が有することについて説明した。本実施例では、上板401、上側電極402、上側撥水膜403が、すべてのサンプルインジェクションポイントで共通な開口701を有する構成について説明する。
図7を用いて、本実施例の液滴保持部306について説明する。図7は、図5と同様に、液滴保持部306のXZ断面図である。本実施例には、上板401、上側電極402、上側撥水膜403に、液滴保持部306で共通の開口701がひとつある。その開口701を塞ぐようにセプタ500は配置される。セプタ500はキャピラリ102の陰極端126が挿入される開口を有する。セプタの開口は個々のEWOD電極300に対向するような複数個の穴702でも、複数のEWOD電極300にまたがるスリット703(図8参照)のようなものでも良い。共通の開口701とすることで、生化学用カートリッジ121とセプタ500をより簡単な構成とすることが可能となる。
なお、本発明の生化学分析装置は上記実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせても良い。さらに、上記実施例に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除しても良い。
101:装置本体、102:キャピラリ、103:ポンプ機構、104:高圧電源、105:シリンジ、106:ゲルブロック、107:分離媒体容器、108:陽極バッファ容器、109:陽極電極、110:電動バルブ、111:光源、112:光学検出器、113:検出部、114:キャピラリアレイ、115:恒温槽、116:ファン、117:ヒータ、118:バッファ容器、119:洗浄容器、120:廃液容器、121:生化学用カートリッジ、122:搬送機、123:移動ステージ、124:ロードヘッダ、125:制御用コンピュータ、126:陰極端、127:制御基板、128:光学データ、129:キャピラリヘッド、300:EWOD電極、301:サンプル槽、302:試薬槽、303:サンプル流路、304:試薬流路、305:温度制御領域、306:液滴保持部、400:液滴、401:上板、402:上側電極、403:上側撥水膜、404:流体、405:下側撥水膜、406:絶縁膜、407:下板、500:セプタ、501:開口、502:試料液滴、701:開口、702:穴、703:スリット

Claims (14)

  1. サンプルが搬送される流路と、
    前記流路上に、サンプルが搬送される方向に沿って配置され、かつ、サンプルを搬送するために設けられた複数の電極と、
    前記流路の下流側に配置された複数の電極に対向して設けられる開口を備えることを特徴とする生化学用カートリッジ。
  2. 請求項1に記載の生化学用カートリッジであって、
    前記開口は、流路の下流側に配置された各電極に対向するように、生化学用カートリッジの上面に複数個設けられることを特徴とする生化学用カートリッジ。
  3. 請求項1に記載の生化学用カートリッジであって、
    サンプルの導入は、サンプルの導入毎に、異なる電極に対向する開口を用いて行われることを特徴とする生化学用カートリッジ。
  4. 請求項1に記載の生化学用カートリッジであって、
    サンプルの導入は、流路の末端に設けられた電極から順に用いて行なうことを特徴とする生化学用カートリッジ。
  5. 請求項1に記載の生化学用カートリッジであって、
    前記流路に交差するように、試薬流路が配置されることを特徴とする生化学用カートリッジ。
  6. 請求項1に記載の生化学用カートリッジであって、
    前記開口の間隔が電極の間隔よりも広いことを特徴とする生化学用カートリッジ。
  7. 請求項1に記載の生化学用カートリッジであって、
    前記開口は蓋で覆われていることを特徴とする生化学用カートリッジ。
  8. 請求項1に記載の生化学用カートリッジであって、
    前記開口は、前記流路の下流側に配置された複数の電極をまたがるように設けられ、
    前記開口は、蓋で覆われ、
    蓋は、孔を有することを特徴とする生化学用カートリッジ。
  9. 請求項8に記載の生化学用カートリッジであって、
    前記孔は、複数設けられることを特徴とする生化学用カートリッジ。
  10. 請求項1に記載の生化学用カートリッジであって、
    前記流路でのサンプルの搬送は、EWOD(Electro Wetting On device)の技術が用いられることを特徴とする生化学用カートリッジ。
  11. 請求項1に記載の生化学用カートリッジであって、
    前記開口には、キャピラリが挿入されることを特徴とする生化学用カートリッジ。
  12. 生化学用カートリッジを備えた生化学分析装置であって、
    キャピラリと、
    サンプルが搬送される流路と、
    前記流路上に、サンプルが搬送される方向に沿って配置され、かつ、サンプルを搬送するために設けられた複数の第1電極と、
    前記流路の下流側に配置された複数の電極に対向した開口と、
    流路内のサンプルをキャピラリへ導入するために設けられた第2電極を備えることを特徴とする生化学分析装置。
  13. 請求項12に記載の生化学分析装置であって、
    キャピラリ挿入口に対向する位置の第一電極により液滴が保持され、
    第一電極に液滴が保持されているときに開口からキャピラリが挿入され、第二電極により液滴に高電圧が印加されることを特徴とする生化学分析装置。
  14. 請求項12に記載の生化学分析装置であって、
    前記流路を温調するための温調部を有することを特徴とする生化学分析装置。
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