JP7071738B2 - サーモサイクリング検査装置 - Google Patents
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Description
また、他の検査チップとして、基板上に並列若しくは直列に接続される複数の溝が形成され、互いに異なる化学修飾が施されたキャピラリーが複数の溝にそれぞれ埋設され、これらの埋設された複数のキャピラリーに流体を供給し検出データを取得することができるものを提案している(特許文献2)。
更に、一片が100ミクロン程度の角を有する方形中空溝である試料流路を簡易な方法で製造できる検査チップであり、試料流路に試料溶液を導入しやすく、更には多種類のマイクロ化学反応場を同時に一つで行える検査チップを提案している(特許文献3)
その他として、この種の検査チップの構造や製造方法としては、特許文献4から特許文献7に開示されている。
しかし、この特徴を活用するためには、この検査チップを用いることができるサーモサイクリング検査装置を提供する必要がある。
請求項2記載の本発明は、請求項1に記載のサーモサイクリング検査装置において、前記ホルダー収容空間に配置する前記チップホルダーを覆うホルダー押え蓋を設け、前記ホルダー押え蓋には蛍光検出窓が形成され、前記ホルダー押え蓋の前記ホルダー収容空間側に透明基板を設け、前記透明基板によって、前記蛍光検出窓を覆うとともに前記チップホルダーを押圧することを特徴とする。
請求項3記載の本発明は、請求項1に記載のサーモサイクリング検査装置において、前記サーモサイクリング部による加熱冷却時又は前記検出器での撮影時には、前記ホルダー収容空間の一方に前記サーモサイクリング部が配置され、前記ホルダー収容空間の他方に前記検出器が配置され、前記検出器の光軸と前記試料導入口とが一致するように、前記ホルダー収容空間を形成したことを特徴とする。
20 サーモサイクリング部
21 ペルチェ素子
21a 一方の面
21b 他方の面
22 ヒートシンク
23 面ヒータ
24 カバー板
24a 開口部
25 温度センサ
30 検出器
40 ホルダー押え蓋
41 蛍光検出窓
43 透明基板
50 チップホルダー
51 チップ収容受け皿
51a載置面
51b 壁面
51c 位置決め突起
51d 凹部
52 ホルダー
53 チップ押え材
54 透明フィルム
60 検査チップ
61 位置決め凹部
62 試料導入口
63 試料流路
C 試薬
D 試料溶液
E オイル(鉱物油)
図1は本実施例によるサーモサイクリング検査装置の要部構成を示す斜視図、図2は同サーモサイクリング検査装置の主要部分を示す斜視図、図3は図2に示す同サーモサイクリング検査装置の主要部分の一部を動かした状態を示す斜視図である。
ホルダー収容空間10は、サーモサイクリング部20の上方に形成される。ホルダー収容空間10の上方には、ホルダー収容空間10に配置するチップホルダーを覆うホルダー押え蓋40を設けている。
筐体1は、前面には前扉2を、内部両側面又は内部底面には一対のガイダー3を有している。一対のスライドレール4は、一対のガイダー3を摺動する。
ホルダー収容空間10、サーモサイクリング部20、及びホルダー押え蓋40は、一対のスライドレール4によって、筐体1の前面から前方へ引き出すことができる。
図2及び図3に示すように、筐体1内は、前方空間Aと後方空間Bとに区分けされている。ホルダー収容空間10、サーモサイクリング部20、及びホルダー押え蓋40は、前方空間Aに収容される。後方空間Bには、温度センサで検出される検出温度に基づいてペルチェ素子及び面ヒータを制御する制御部を収容する。
ホルダー押え蓋40には、蛍光検出窓41が形成されている。ホルダー押え蓋40には、トルクヒンジ42を設けている。
図3に示すように、前方空間Aは、筐体1の底面に吸気口6を形成している。
冷却ファン5の駆動によって、吸気口6から筐体1内に吸入される空気は、前方空間Aに設けた排気口から排出される。
カメラ31は保持材34によって筐体1の上部に保持される。カメラ31は下部にカメラレンズ32を保持している。
一対の照明用LED33は、カメラレンズ32の両側に配置され、前方空間Aの上部に取り付けられる。
カメラレンズ32の光軸は、蛍光検出窓41の中心に一致し、一対の照明用LED33の光軸は、蛍光検出窓41に向けられている。
そして、ホルダー収容空間10は、検出器30の光軸と、検査チップの中央に形成された試料導入口とが一致するように形成している。
本実施例によれば、ホルダー収容空間10の一方に配置したサーモサイクリング部20によって検査チップを加熱し冷却することで、ポリメラーゼ連鎖反応を行わせることができ、ホルダー収容空間10の他方に配置した検出器30によって検査チップを撮影することができ、ポリメラーゼ連鎖反応を行わせた検査チップに撮影による検査が行え、POCT(リアルタイム検査)を小型の装置で実現できる。
サーモサイクリング部20は、ペルチェ素子21と、ペルチェ素子21の一方の面21aに配置するヒートシンク22と、ペルチェ素子21の他方の面21bに配置する面ヒータ23と、面ヒータ23及びペルチェ素子21の他方の面21bを覆うカバー板24と、検査チップの温度を検出する温度センサ25と、ヒートシンク22の熱交換性能を増大させるファン26とを有している。
ペルチェ素子21の他方の面21bには凹部を形成している。熱伝導性接着剤転写テープ28、面ヒータ23、及び2枚の熱拡散シート29には孔を形成している。ペルチェ素子21の凹部、熱伝導性接着剤転写テープ28の孔、面ヒータ23の孔、及び2枚の熱拡散シート29の孔は組立時にピンを用いて位置決めとして利用できる。
本実施例によれば、面ヒータ23を用いることで、加熱による蓄熱を低減することができ、短時間での温度変化を実現できる。
なお、温度センサ25は検査チップの温度を直接検出する場合に限らず、本実施例のように、温度センサ25で面ヒータ23の温度を検知して、検査チップの温度を間接的に検知してもよい。
図5(a)に示すように、カバー板24は、面ヒータ23及びペルチェ素子21を覆い、カバー板24の上方及び周囲に、カバー板24を覆うようにホルダー収容空間10が形成される。
そして、図5(b)に示すように、ホルダー収容空間10にチップホルダー50が配置される。
図6では、ホルダー押え蓋40を開いた状態を示している。
ホルダー押え蓋40のホルダー収容空間10側には、透明基板43と、ロック部材44を設けている。
透明基板43は、蛍光検出窓41を覆うとともに、ホルダー押え蓋40を閉じた状態ではチップホルダー50を押圧する。ホルダー押え蓋40を閉じた状態では、ホルダー押え蓋40はロック部材44によって閉じた状態が維持される。
本実施例によるチップホルダー50は、検査チップ60を収容するチップ収容受け皿51と、チップ収容受け皿51を中央部に保持するホルダー52と、チップ収容受け皿51に収容した検査チップ60をチップ収容受け皿51に押圧するチップ押え材53とを有する。
リング部53aがリング状凹部52bに装着され、位置決め用脚部53bが位置決め用凹部52cに装着されることで、チップ押え材53はホルダー52に位置決めされる。また、固定用突起53cが固定用孔52dに嵌合することで、チップ押え材53はホルダー52に固定される。
チップ押圧用脚部53dは、リング部53aから内方に水平に延出させた水平部材53d1と、水平部材53d1の先端から載置面51aに向かって鉛直に延出させた鉛直部材53d2とで構成され、水平部材53d1の先端上面には上方へ突出させた突起53d3を設けている。
チップ押え材53がホルダー52に固定された状態では、突起53d3を除くチップ押え材53の上面とホルダー52の上面52aとは同一平面を形成する。従って、図7(c)に示す透明基板43をホルダー52の上面52aに当接させると、透明基板43は突起53d3を押圧する。
水平部材53d1の弾性によって水平部材53d1の先端は撓むことができ、透明基板43が突起53d3を押圧することで、鉛直部材53d2は検査チップ60をチップ収容受け皿51の載置面51aに押圧する。
また、本実施例によれば、チップ押え材53によって検査チップ60をチップ収容受け皿51に押圧することで、検査チップ60とチップ収容受け皿51との密着性が高まり、よって、チップ収容受け皿51の熱を検査チップ60に伝えやすくし、検査チップ60の熱応答性を高めることができる。
また、本実施例によれば、ホルダー52によって、チップ収容受け皿51を保持し、チップ押え材53を位置決めすることで、チップ押え材53による検査チップ60のチップ収容受け皿51への押圧を確実に行え、検査チップ60の破損を防止できる。
本実施例によれば、位置決め突起51cと位置決め凹部61によって、検査チップ60をチップ収容受け皿51に正確に位置決めでき、検査チップ60の加熱冷却を安定して行え、撮影を正確に行える。
本実施例によれば、チップ収容受け皿51又は載置面51aに熱伝導率の高い材料を用いることで検査チップ60への加熱冷却を速やかに行うことができ、一方でホルダー52に熱伝導率の低い材料を用いることでホルダー52への熱拡散を防止し、検査チップ60の熱応答性を高めることができる。
検査チップ60には、中央に形成された試料導入口62と、試料導入口62から放射状に延びた複数の試料流路63とが形成されている。
図8(b)の側面図に示すように、検査チップ60は、第1基板60aと第2基板60bと第3基板60cとを貼り合わせて構成することができる。
第1基板60aは試料導入口62を、第2基板60bは試料流路63を、第3基板60cは試料排出口64を有する。第1基板60a、第2基板60b、及び第3基板60cは、ガラスまたはプラスチックで構成される。ガラスとしては、シリカガラスを用いることができ、他のガラスや合成樹脂材なども用いることができる。少なくとも第1基板60a及び第3基板60cの一方は、透光性材料で構成し、更に、透光性材料は透明な材料であることが好ましい。
試料導入口62は、第1基板60aの表裏を貫通する孔として形成され、試料流路63は第2基板60bの表裏を貫通する孔及びこの孔から放射状に延びるスリットとして形成され、試料排出口64は第3基板60cの表裏を貫通する孔として形成されている。本実施例では、8本のスリットによって多数の試料流路63を形成する場合を示しており、8本のスリットは、中央部に形成した孔を中心として、径方向に等間隔に配置されている。また、試料排出口64の孔径は、試料導入口62の孔径と同じ大きさで形成し、試料排出口64及び試料導入口62の孔径は、スリットの幅よりも大きく、更には第2基板60bの中央部の孔よりも大きく形成することが好ましい。
8本の試料流路63は、試料導入口62及び試料排出口64を中心として放射状に同一長さで配置され、それぞれの外周側端部は開放口となっている。
図8(c)に示すように、試料流路63は、第1基板60a及び第3基板60cによって、4つの角を有する方形中空溝となる。このように鋭利な(丸みのない)4つの角を形成することで、試薬Cを試料流路63に確実に固定することができる。
試料流路63のスリット深さ(第2基板60bの板厚)をスリット幅よりも大きくすることで、弱い蛍光反応でも確実に判別することができる。
試薬塗り込み装置70は、外周部に複数の試薬プール71を、内周部に検査チップ60を積層できる空間72を、内周面に試薬プール71から導入される試薬を供給する試薬供給口73を有している。
本実施例による検査チップ60は、8本の試料流路63を有しているため、試薬プール71及び試薬供給口73は8つ設けている。
すなわち、試料流路63の開放口に試薬を接触させると、試薬は毛細管現象により試料流路63内に能動的に流れ込み、試料導入口62及び試料排出口64に臨む端部で働く表面張力により試料流路63内に確実に試薬が満たされる。
そして、試料流路63内に試薬を満たした状態で乾燥させると、方形中空溝内に試薬が固定される。試薬は、方形中空溝の4つの角に固定され、又は方形中空溝内に網目状に固定される。
本実施例では、それぞれの試料流路63毎に、異なる試薬を導入して固着させる。この場合には、それぞれの試料流路63に順に試薬を導入するか、同時に全ての試料流路63に異なる試薬を導入する。全ての試料流路63に試薬を導入した後に、乾燥によって試薬を固定する。
図7に示すチップホルダー50に収容する検査チップ60は、試料流路63に試薬を固定したものである。
図7に示すチップホルダー50は、以下に説明するように測定対象とする検体液(試料溶液)を検査チップ60に導入した後に、図1~図3に示すサーモサイクリング検査装置にセットする。
採取した検体を核酸抽出液に添加し、加熱及び超音波破砕により核酸を抽出する。抽出した核酸に検出試薬を混合して試料溶液Dを作る。
図10(a)は、この試料溶液Dをチップホルダー50に滴下する工程を示している。
試料溶液は、試料導入口62から毛細管現象により導入する。
図10(b)に示すように、試料溶液Dを試料導入口62に接触させると、試料溶液Dは、毛細管現象により試料流路63内に能動的に流れ込み、試料流路63の開放口において働く表面張力により試料流路63内に確実に試料溶液Dが満たされる。
なお、図7で説明したように、チップ収容受け皿51の中央に凹部51dを設けているため、試料導入口62から注入される試料溶液Dがチップ収容受け皿51に流出することを防止できる。
図10(c)は、試料溶液Dの蒸発乾燥を防止するために、チップ収容受け皿51にオイル(鉱物油)Eを導入する工程を示している。オイルを添加すれば、検査チップ60に施された流路の両端を鉱物油Eで塞ぐことができる。このようにしてオイルシーリングされた流路内の溶液は蒸発せず、温度変化を繰り返しても乾燥されることはない。
図10(d)に示すように、チップ収容受け皿51にオイルEを導入した後に、透明フィルム54をホルダー52の上面52aに貼付し、チップ収容受け皿51に添加したオイルEのこぼれを防止する。
本実施例によれば、透明フィルム54をホルダー52に貼付することで、チップ収容受け皿51に添加するオイルEの漏出を防止でき、チップホルダー50の扱いを容易にすることができる。
サーモサイクリング部20は、ペルチェ素子21と、面ヒータ23と、温度センサ25と、制御手段80とを備えている。
制御手段80は、ペルチェ素子21及び面ヒータ23を温度制御する制御部81と、設定温度や設定時間を記憶する記憶部82と、時間を計時する計時部83とを備えている。
面ヒータ23は検査チップ60を加熱し、ペルチェ素子21は面ヒータ23を冷却する。
制御部81では、温度センサ25で検出される検出温度が、第1設定温度T1を検出すると、面ヒータ23をOFFとし、ペルチェ素子21をONとする。
制御部81では、面ヒータ23をOFF、ペルチェ素子21をONとすることで、検査チップ60の温度は急激に低下する(R2)。温度センサ25が第2設定温度T2を検出した時刻t3においてペルチェ素子21をOFFとする。
制御部81では、温度センサ25で検出される検出温度が、第2設定温度T2を検出すると、ペルチェ素子21をOFFの状態で、検出温度が第2設定温度T2となるように面ヒータ23をON/OFFしてフィードバック制御することで、第2設定温度T2を所定時間S2維持する。ここで、所定時間S2は記憶部82に記憶されており、第2設定温度T2を検出することで計時部83で計時を開始し、計時部83で所定時間S2を計時すると、制御部81では、面ヒータ23をONとして2サイクル目を開始する。
また、本実施例によれば、第1設定温度T1から第2設定温度T2への移行を、面ヒータ23のOFFだけでなく、ペルチェ素子21によって強制的に冷却することで、速やかに行うことができる。
また、本実施例によれば、温度センサ25で検出される検出温度が、第2設定温度T2を検出すると、ペルチェ素子21をOFFの状態で面ヒータ23をフィードバック制御することで、第2設定温度T2を所定時間S2維持するため、ハンチングを小さくして安定した制御を行える。
図13は本実施例によるサーモサイクリング検査装置の筐体内の要部構成配置を示す斜視図、図14は同サーモサイクリング検査装置の主要部分を示す側面図、図15は同サーモサイクリング検査装置の外観を示す斜視図である。図13及び図14は筐体を覆う外カバーを取り外した状態を示している。なお、上記実施例と同一構成、同一機能については説明を省略し、本実施例の特徴的な構成について以下に説明する。
下部前方空間A1には、ホルダー収容空間10、サーモサイクリング部20、照明用LED33、カメラレンズ32の先端部、及びホルダー押え蓋40が収容される。上部前方空間A2には、カメラ31、カメラレンズ32の先端部を除く部分、及び保持材34が収容される。後方空間Bには、温度センサで検出される検出温度に基づいてペルチェ素子及び面ヒータを制御するプリント基板(制御部)80aが収容される。プリント基板80aは、仕切板Xとは空間を介在させた位置、特に後面外カバー1bに取り付けることが好ましい。
後方空間Bを形成する外カバー(図示せず)には、後方空間B内の空気を排出する冷却ファン5を設けている。冷却ファン5は、プリント基板80aの上部か、プリント基板80aよりも高い位置に配置する。冷却ファン5は、後方空間Bの上部に配置することで、後方空間B内の高温空気を効率よく排出できる。
図15に示すように、後方空間Bを形成する外カバー、特に後方側面外カバー1sbの下方には、後方空間用吸気口8を設けている。
この構成によって、下部前方空間A1では、ファン26によって吸気口6から筐体1内に空気が吸入される。吸気口6から吸入された空気は、ヒートシンク22で吸熱される。ヒートシンク22で吸熱された空気は、ヒートシンク用排気ファン7によって筐体1外へ強制排出される。従って、ヒートシンク22の冷却効果を高めるとともに、前方空間A内の温度を一定に保持することができる。また、上部前方空間A2内が高温になることを防止できる。
後方空間Bでは、冷却ファン5によって後方空間用吸気口8から筐体1内に空気が吸入される。後方空間B内に吸入された空気は、吸入冷却ファン5から筐体1外へ排出される。
本発明によれば、ペルチェ素子21の一方の面21aに配置するヒートシンク22でペルチェ素子21を安定した温度に制御でき、面ヒータ23で検査チップ60を加熱でき、ペルチェ素子21の他方の面21bに面ヒータ23を配置することで、面ヒータ23の冷却をペルチェ素子21で行えるため、短時間の周期的な温度変化を実現でき、ポリメラーゼ連鎖反応を安定して行わせることができる。
また、本発明のサーモサイクリング検査装置は、面ヒータ23とチップ収容受け皿51との間に温度センサ25を配置しているので、より正確に検査チップ60の温度を検出でき、ポリメラーゼ連鎖反応を安定して行わせることができる。
また、本発明のチップホルダー50は、チップ収容受け皿51の中央に凹部51dを設けているので、試料導入口62から注入される検体液がチップ収容受け皿51に流出することを防止できる。
なお、本発明では、試料流路63に試薬を固定した検査チップ60をチップホルダー50に収容したが、試薬を固定しない検査チップ60を用いることもできる。
Claims (3)
- 検査チップには、中央に形成された試料導入口と、前記試料導入口から放射状に延びた複数の試料流路とが形成され、
前記試料流路に試薬を固定した前記検査チップをチップホルダーに収容し、
前記チップホルダーを用いて、ポリメラーゼ連鎖反応による検体検査を行うサーモサイクリング検査装置であって、
前記チップホルダーを収容するホルダー収容空間と、
前記検査チップを加熱し冷却するサーモサイクリング部と、
前記検査チップを撮影する検出器と
を備え、
前記サーモサイクリング部は、
ペルチェ素子と、
前記ペルチェ素子の一方の面に配置するヒートシンクと、
前記ペルチェ素子の他方の面に配置する面ヒータと
を有し、
前記面ヒータ及び前記ペルチェ素子の前記他方の面を覆うカバー板を設け、
前記カバー板を覆うように前記ホルダー収容空間が形成され、
前記カバー板には、前記チップホルダーのチップ収容受け皿を前記面ヒータに当接させることができる開口部が形成され、
前記チップ収容受け皿に収容されている前記検査チップを前記面ヒータで加熱し、
前記面ヒータと前記チップ収容受け皿との間に温度センサを配置し、
前記温度センサの検知部に熱拡散シートを設け、
前記熱拡散シートを、前記カバー板の前記開口部に対向する位置に配置し、
前記熱拡散シートを、前記検査チップの外径以上で前記開口部以下の大きさとした
ことを特徴とするサーモサイクリング検査装置。 - 前記ホルダー収容空間に配置する前記チップホルダーを覆うホルダー押え蓋を設け、
前記ホルダー押え蓋には蛍光検出窓が形成され、
前記ホルダー押え蓋の前記ホルダー収容空間側に透明基板を設け、
前記透明基板によって、前記蛍光検出窓を覆うとともに前記チップホルダーを押圧する
ことを特徴とする請求項1に記載のサーモサイクリング検査装置。 - 前記サーモサイクリング部による加熱冷却時又は前記検出器での撮影時には、
前記ホルダー収容空間の一方に前記サーモサイクリング部が配置され、
前記ホルダー収容空間の他方に前記検出器が配置され、
前記検出器の光軸と前記試料導入口とが一致するように、前記ホルダー収容空間を形成した
ことを特徴とする請求項1に記載のサーモサイクリング検査装置。
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