JPH0994086A - Dna amplifier - Google Patents

Dna amplifier

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JPH0994086A
JPH0994086A JP25427095A JP25427095A JPH0994086A JP H0994086 A JPH0994086 A JP H0994086A JP 25427095 A JP25427095 A JP 25427095A JP 25427095 A JP25427095 A JP 25427095A JP H0994086 A JPH0994086 A JP H0994086A
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electrode
reaction
dna
temperature
channel
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Seiji Kondo
聖二 近藤
Etsuo Shinohara
悦夫 篠原
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Olympus Optical Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a DNA amplifier capable of efficiently conducting DNA amplification by precisely controlling reaction solution temperature. SOLUTION: This DNA amplifier has a planar reaction cell formed on an inorganic or organic substrate, two flow channels communicating with the reaction cell, two-way valves set up on the respective flow channels so as to sandwich the reaction cell, and heating means provided on the bottom of the reaction cell and/or the reverse face of the substrate whose surface is provided with the reaction cell.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、DNAの増幅反
応を行なって微量のDNAを増幅するための装置に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a device for amplifying a small amount of DNA by performing a DNA amplification reaction.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、微量のDNAを増幅する手段とし
て、ポリメラーゼ連鎖反応(以下、PCRと略記する)
が盛んに用いられている。この方法は、例えば特開平 6
-292579 号公報に開示されるように、まず、目的とする
核酸を含有する検体に、目的とするDNAの各々の鎖の
両端部の塩基配列を含む2種類のプライマー、耐熱性D
NA合成酵素および4種類のデオキシリボヌクレオシド
三リン酸(dATP、dCTP、dGTPおよびdTT
P)を加える。次に、系の温度を制御することのみによ
り、DNAを解離させる(変性)工程、解離により生成
した一本鎖DNAとプライマーとを結合させる(アニー
リング)工程、およびプライマーが結合した一本鎖DN
Aを鋳型としてDNA合成酵素により相補鎖を合成する
(伸長)工程の各工程を行ない、これを1回以上繰り返
す。
2. Description of the Related Art In recent years, a polymerase chain reaction (hereinafter abbreviated as PCR) has been used as a means for amplifying a small amount of DNA.
Is actively used. This method is disclosed in
As disclosed in Japanese Patent Publication No. 292579, first, in a sample containing a target nucleic acid, two kinds of primers containing base sequences at both ends of each strand of the target DNA, heat resistance D
NA synthase and four types of deoxyribonucleoside triphosphates (dATP, dCTP, dGTP and dTT)
P) is added. Next, a step of dissociating the DNA (denaturation), a step of binding the single-stranded DNA generated by the dissociation to the primer (annealing), and a single-stranded DN bound with the primer only by controlling the temperature of the system
Each step of synthesizing (extending) a complementary chain with DNA synthase using A as a template is performed, and this step is repeated once or more.

【0003】このようにPCRは微量のDNAを効率よ
く増幅することが可能であるが、このPCRに加えて、
さらに前処理および後処理を含めて自動化しようとする
試みがなされている。例えば、特開平 6-327476 号公報
に開示される装置では、まず、全血を遠心分離し、フェ
ノールおよびクロロホルム溶液で抽出することにより全
血中の核酸成分を精製する(前処理段階)。次いで、精
製した核酸成分をバッファーに溶解し、上述の2種類の
プライマー、耐熱性DNA合成酵素および4種類のデオ
キシリボムクレオシド三リン酸を加え、熱サイクルを実
施することにより目的の核酸を増幅する(PCR段
階)。最後に、増幅した核酸が含まれる反応溶液をゲル
電気泳動で処理し、プライマー等の不純物や副生物等を
除去して目的の核酸を得る(後処理段階)。
As described above, PCR can efficiently amplify a small amount of DNA. In addition to this PCR,
Further, attempts have been made to automate the process including pretreatment and posttreatment. For example, in the device disclosed in JP-A-6-327476, first, whole blood is centrifuged and extracted with a phenol and chloroform solution to purify the nucleic acid component in the whole blood (pretreatment step). Next, the purified nucleic acid component is dissolved in a buffer, and the above-mentioned two types of primers, thermostable DNA synthase and four types of deoxyribomucleoside triphosphates are added, and the target nucleic acid is amplified by carrying out a thermal cycle. (PCR step). Finally, the reaction solution containing the amplified nucleic acid is treated by gel electrophoresis to remove impurities such as primers and by-products to obtain the target nucleic acid (post-treatment step).

【0004】また、PCRを行なうための反応容器自体
についてもいくつかの試みがなされている。例えば、特
開平 7-75544号公報に開示される装置は、2つの恒温槽
を経由する毛管を設け、検体を含む混合液を単にこの毛
管内に流すことにより、DNA合成反応に必要な熱サイ
クルを実現している。この方法では、増幅反応を毛管内
で行なうため、液流の外側と内側との温度勾配が小さく
なり、系内の温度をより迅速に均一化することができる
という利点がある。
Further, some attempts have been made on the reaction container itself for carrying out PCR. For example, the apparatus disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 7-75544 discloses a thermocycle required for a DNA synthesis reaction by providing a capillary tube passing through two thermostatic chambers and simply flowing a mixed solution containing a sample into the capillary tube. Has been realized. In this method, since the amplification reaction is carried out in a capillary, there is an advantage that the temperature gradient between the outside and the inside of the liquid flow is reduced, and the temperature in the system can be homogenized more quickly.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】上記従来のDNA増幅
装置においては、反応容器を恒温槽や金属ブロックで取
り巻き、この反応容器自体を加熱および冷却することに
よりDNA増幅反応に必要な熱サイクルを施している。
したがって、これらの装置では反応溶液の温度を直接制
御するのではなく、反応容器を介して間接的に制御して
いる。加えて、これらの装置では、反応溶液が微量であ
ることもあって反応溶液の温度を直接測定することはで
きない。このため、従来のDNA増幅装置は、反応溶液
の温度を精密に制御することができず、信頼性に欠け
る。特開平 7-75544号公報に開示される装置では、毛管
内で反応を行なうことにより、反応溶液中で温度勾配が
形成されることを防いでいる。しかしながら、この装置
でも反応溶液の温度を直接測定することはできず、やは
り温度制御が不正確になる。
In the above-mentioned conventional DNA amplification apparatus, the reaction vessel is surrounded by a thermostat or a metal block, and the reaction vessel itself is heated and cooled to carry out the thermal cycle necessary for the DNA amplification reaction. ing.
Therefore, in these devices, the temperature of the reaction solution is not directly controlled, but indirectly controlled through the reaction vessel. In addition, these devices cannot directly measure the temperature of the reaction solution because the reaction solution is in a very small amount. For this reason, the conventional DNA amplification device cannot precisely control the temperature of the reaction solution, and lacks reliability. In the device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 7-75544, the reaction is carried out in a capillary tube to prevent a temperature gradient from being formed in the reaction solution. However, even with this device, the temperature of the reaction solution cannot be directly measured, and the temperature control is also inaccurate.

【0006】また、上記特開平 6-327476 号公報に開示
される装置は、前処理および後処理を含めて全ての工程
を自動的に行なう全自動化を実現してはいるが、反応容
器の移動や分注操作等は全て機械的に行なっている。こ
のため、装置が大型化し、コストが非常に高くなる。同
様に、特開平 7-75544号公報に開示される装置でも反応
溶液を循環させるために機械式ポンプを用いており、こ
のため装置が大型化し、コストが高くなる欠点を有す
る。
Further, the apparatus disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 6-327476 mentioned above realizes full automation of automatically performing all steps including pretreatment and posttreatment, but the movement of the reaction vessel All dispensing operations and the like are done mechanically. Therefore, the device becomes large and the cost becomes very high. Similarly, the device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 7-75544 also uses a mechanical pump to circulate the reaction solution, which has the drawbacks of increasing the size of the device and increasing the cost.

【0007】したがって、この発明は、反応溶液の温度
を精密に制御し、DNA増幅反応を効率よく行なうこと
が可能なDNA増幅装置を提供することを目的とする。
Therefore, it is an object of the present invention to provide a DNA amplification device capable of precisely controlling the temperature of a reaction solution and efficiently carrying out a DNA amplification reaction.

【0008】また、この発明は、機械的な作動部分を減
少し、それにより装置全体を小型化し、かつコストを低
くすることが可能なDNA増幅装置を提供することを目
的とする。
Another object of the present invention is to provide a DNA amplification device which can reduce mechanical operating parts, thereby making the entire device compact and reducing the cost.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】この発明によると、無機
もしくは有機基板上に形成されたプレーナ状の反応セル
と、この反応セルに連通する2つの流路と、この流路の
各々に前記反応セルを挟んで設けられた2つ弁と、少な
くとも前記反応セルの底面もしくは前記基板の反応セル
が形成された面の裏面のいずれか一方に設けられた加熱
手段とを具備する第1のDNA増幅装置が提供される。
According to the present invention, a planar reaction cell formed on an inorganic or organic substrate, two flow channels communicating with the reaction cell, and the reaction in each of the flow channels First DNA amplification comprising two valves provided with a cell sandwiched between them and a heating means provided at least on either the bottom surface of the reaction cell or the back surface of the surface of the substrate on which the reaction cell is formed A device is provided.

【0010】また、この発明の別の面によると、無機も
しくは有機基板上に設けられた流路、この流路に設けら
れた2つの弁、この2つの弁の間の流路の底面に設けら
れた2つの電極、この2つの電極の間の流路の底面に設
けられた少なくとも1つの温度検出手段、この少なくと
も1つの温度検出手段の各々の近傍の流路底面もしくは
前記基板の流路が設けられている面の裏面の少なくとも
いずれか一方に、前記温度検出手段の各々と対をなして
設けられた加熱手段、前記2つの電極に印加される電圧
を制御する電圧制御手段、および前記温度検出手段から
の情報に基づいて前記加熱手段を制御する加熱制御手段
を具備する第2のDNA増幅装置が提供される。
According to another aspect of the present invention, a channel provided on an inorganic or organic substrate, two valves provided in the channel, and a bottom surface of the channel between the two valves are provided. The two electrodes provided, at least one temperature detecting means provided on the bottom surface of the flow path between the two electrodes, the flow path bottom surface near each of the at least one temperature detecting means, or the flow path of the substrate. Heating means provided in pair with each of the temperature detecting means on at least one of the rear surface of the surface provided, a voltage control means for controlling the voltage applied to the two electrodes, and the temperature. A second DNA amplification device is provided which comprises heating control means for controlling the heating means based on information from the detection means.

【0011】また、この発明のさらに別の面によると、
無機もしくは有機基板上に設けられた流路、この流路の
底面に設けられた第1ないし第4の電極、第1の電極と
第2の電極との間に設けられた第1の弁、第1の電極と
第1の弁との間に設けられた試料投入口、この試料投入
口と第1の弁との間に位置し、底面に第5の電極を有す
る不純物導入セルに連通する第1の分岐流路、この第1
の分岐流路と前記試料投入口との間の流路内に設けられ
たゲル状化合物、第1の弁と第2の電極との間に位置
し、底面に第6の電極を有する貯留セルに連通する第2
の分岐流路、第2の電極と第3の電極との間の流路底面
に設けられた少なくとも1つの温度検出手段、この少な
くとも1つの温度検出手段の各々の近傍の流路底面もし
くは前記基板の流路が設けられている面の裏面の少なく
ともいずれか一方に、前記温度検出手段の各々と対をな
して設けられた加熱手段、第3の電極と第4の電極との
間に設けられたDNA検出手段、このDNA検出手段と
第4の電極との間に設けられた第2の弁、前記第1ない
し第6の電極に印加される電圧を制御する電圧制御手
段、および前記温度検出手段からの情報に基づいて前記
加熱手段を制御する加熱制御手段を具備する第3のDN
A増幅装置が提供される。
According to another aspect of the present invention,
A channel provided on an inorganic or organic substrate, first to fourth electrodes provided on the bottom surface of the channel, a first valve provided between the first electrode and the second electrode, A sample inlet provided between the first electrode and the first valve, and communicated with an impurity introduction cell located between the sample inlet and the first valve and having a fifth electrode on the bottom surface. First branch flow path, this first
Storage cell having a sixth electrode on the bottom surface, which is located between the first valve and the second electrode, and which is provided in the flow channel between the branch flow channel and the sample inlet. Second communication with
Branch flow path, at least one temperature detection means provided on the bottom surface of the flow path between the second electrode and the third electrode, the flow path bottom surface near each of the at least one temperature detection means, or the substrate. The heating means provided in pair with each of the temperature detecting means on at least one of the back surfaces of the flow paths, and the heating means is provided between the third electrode and the fourth electrode. DNA detecting means, a second valve provided between the DNA detecting means and the fourth electrode, voltage control means for controlling the voltage applied to the first to sixth electrodes, and the temperature detecting means. A third DN comprising heating control means for controlling the heating means based on information from the means
An A amplification device is provided.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】以下、この発明によるDNA増幅
装置を図面を参照して説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION A DNA amplification apparatus according to the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0013】この発明による第1のDNA増幅装置の一
具体例の平面図を図1に、また図1に示すDNA増幅装
置のA−A線断面図を図2にそれぞれ模式的に示す。こ
の装置では、無機もしくは有機基板 101の上面に反応セ
ル 102並びに流路 103および104が形成され、さらにそ
の上面に透明基板 105が接合されている。また、流路10
3には弁 105が、流路 104には弁 106がそれぞれ設けら
れ、さらに基板 101の反応セル 102が形成された面の裏
面に接して発熱体 108が設けられている。無機もしくは
有機基板 101としては、例えば、シリコンウェハ基板、
ガラス基板、アルミ、ステンレススティール等の無機基
板、およびフッ素樹脂、エポキシ、ポリカーボネート等
の有機基板が用いられる。反応セル 102並びに流路 103
および 104は基板 101の材質に応じて様々な方法で形成
することができ、例えば、基板 101としてシリコンウェ
ハ基板を用いる場合には、シリコンウェハ上にプラズマ
エッチング等によって所定の形状の溝を形成した後、ガ
ラス基板等の透明基板を陽極接合すればよい。反応セル
102はプレーナ状に形成されている。この反応セルは、
その大きさを含めて、必要とする容量に応じて種々の形
状が選択可能である。例えば、容量を 3μlとする場合
には、縦長 5mm、横長 3mmおよび深さ 200μmとす
ればよいが、反応溶液の温度をより精密に制御するため
には深さは浅いほうが好ましい。発熱体 108も、DNA
増幅反応に必要な熱サイクルを遂行し得るものであれば
特に限定されるものではなく、例えば、電熱ヒータ、ペ
ルチエ素子、赤外線ランプ等を挙げることができる。
FIG. 1 is a schematic plan view of a specific example of the first DNA amplification apparatus according to the present invention, and FIG. 2 is a schematic sectional view taken along the line AA of the DNA amplification apparatus shown in FIG. In this device, a reaction cell 102 and channels 103 and 104 are formed on the upper surface of an inorganic or organic substrate 101, and a transparent substrate 105 is bonded to the upper surface thereof. Also, the flow path 10
A valve 105 is provided at 3 and a valve 106 is provided at the flow path 104, and a heating element 108 is provided in contact with the back surface of the substrate 101 on which the reaction cell 102 is formed. As the inorganic or organic substrate 101, for example, a silicon wafer substrate,
A glass substrate, an inorganic substrate such as aluminum or stainless steel, and an organic substrate such as fluororesin, epoxy, or polycarbonate are used. Reaction cell 102 and flow path 103
And 104 can be formed by various methods depending on the material of the substrate 101. For example, when a silicon wafer substrate is used as the substrate 101, a groove having a predetermined shape is formed on the silicon wafer by plasma etching or the like. After that, a transparent substrate such as a glass substrate may be anodically bonded. Reaction cell
102 is formed in a planar shape. This reaction cell
Various shapes including the size can be selected according to the required capacity. For example, when the volume is 3 μl, the length may be 5 mm, the width may be 3 mm, and the depth may be 200 μm, but the shallow depth is preferable for more precise control of the temperature of the reaction solution. The heating element 108 is also DNA
It is not particularly limited as long as it can carry out the heat cycle necessary for the amplification reaction, and examples thereof include an electric heater, a Peltier element, an infrared lamp and the like.

【0014】次に、この装置を用いたDNA増幅の手順
について説明する。まず、弁 106および 107を開放し、
図示しない送出手段により、目的の核酸、2種類以上の
プライマー、耐熱性DNA合成酵素および4種類のデオ
キシリボヌクレオシド三リン酸(dATP、dCTP、
dGTPおよびdTTP)を含有するバッファーを反応
セル 102に導入した後、弁 106および 107を閉鎖する。
次に、発熱体 108を作働させて反応セル 102中のバッフ
ァーに熱サイクルを加えて目的の核酸を増幅させる。具
体的には、まず発熱体 108を発熱させてバッファー中の
核酸が解離する温度(90〜94℃)にバッファーを加熱
し、この温度を所定時間維持する。次に、発熱体 108の
動作を停止させ、解離した核酸とプライマーとが結合す
る温度(約37℃)までバッファーを冷却する。解離した
核酸とプライマーとが結合した後、再び発熱体 108を作
働させ、耐熱性DNA合成酵素の活性が最も高まる温度
(50〜75℃)までバッファーを加熱して所定の時間維持
する。これにより、プライマーが伸長し、核酸が増幅さ
れる。プライマーの伸長が終了した後、再度発熱体 108
を作働させて核酸が解離する温度までバッファーを加熱
し、生成した二本鎖核酸を解離させる。以下、このサイ
クルを所望の回数繰り返せばよい。核酸の増幅反応が終
了した後、再び弁 106および 107を開放し、増幅した核
酸を流路 104を介して反応セル 102から回収する。この
際、続けて増幅反応を行なう場合には、回収と同時に新
たなバッファーを流路 103を介して反応セル 102内に導
入し、同様の熱サイクルを開始する。
Next, the procedure of DNA amplification using this apparatus will be described. First, open valves 106 and 107,
By a delivery means (not shown), a target nucleic acid, two or more kinds of primers, a thermostable DNA synthase and four kinds of deoxyribonucleoside triphosphates (dATP, dCTP,
After introducing a buffer containing dGTP and dTTP) into the reaction cell 102, the valves 106 and 107 are closed.
Next, the heating element 108 is activated to subject the buffer in the reaction cell 102 to thermal cycling to amplify the target nucleic acid. Specifically, first, the heating element 108 is heated to heat the buffer to a temperature (90 to 94 ° C.) at which the nucleic acid in the buffer dissociates, and this temperature is maintained for a predetermined time. Next, the operation of the heating element 108 is stopped, and the buffer is cooled to a temperature (about 37 ° C.) at which the dissociated nucleic acid and the primer bind. After the dissociated nucleic acid is bound to the primer, the heating element 108 is activated again, and the buffer is heated to a temperature (50 to 75 ° C.) at which the activity of the thermostable DNA synthase is maximized and maintained for a predetermined time. As a result, the primer is extended and the nucleic acid is amplified. After the extension of the primer is completed, the heating element 108
And the buffer is heated to a temperature at which the nucleic acid dissociates to dissociate the generated double-stranded nucleic acid. Hereinafter, this cycle may be repeated a desired number of times. After the nucleic acid amplification reaction is completed, the valves 106 and 107 are opened again, and the amplified nucleic acid is recovered from the reaction cell 102 through the flow path 104. At this time, when the amplification reaction is continuously performed, a new buffer is introduced into the reaction cell 102 through the channel 103 at the same time as the recovery, and the same thermal cycle is started.

【0015】この装置では、上述のように反応セル 102
の形状がプレーナー状である。したがって、発熱体 108
から生じた熱を反応セル中のバッファーに効率よく伝え
ることができ、加熱および冷却の効率を上げることが可
能となる。
In this apparatus, as described above, the reaction cell 102
Has a planar shape. Therefore, the heating element 108
The heat generated from the heat can be efficiently transferred to the buffer in the reaction cell, and the efficiency of heating and cooling can be increased.

【0016】図1および図2に示す装置においては、発
熱体 108は基板 101の裏面にのみ設けられているが、基
板 101の裏面と基板 101の上面、すなわち反応セル 102
の底面の両方に設けることもできる。この場合には、反
応セル 102内のバッファーの昇降温速度を高め、それに
よりバッファー中の温度勾配を小さくして、DNA増幅
反応の精度を高めることができる。さらに、上記説明に
おいては、発熱体 108の動作を停止させ、自然に放熱さ
せることによりバッファーの冷却を行なっているが、発
熱体 108としてペルチエ素子のような加熱および冷却の
両動作が可能なものを用いることにより、冷却時間の短
縮と、より精密な温度制御を達成することができる。
In the apparatus shown in FIGS. 1 and 2, the heating element 108 is provided only on the back surface of the substrate 101, but the back surface of the substrate 101 and the top surface of the substrate 101, that is, the reaction cell 102.
It can also be provided on both bottom surfaces of the. In this case, the rate of temperature increase / decrease of the buffer in the reaction cell 102 can be increased, thereby reducing the temperature gradient in the buffer and improving the accuracy of the DNA amplification reaction. Further, in the above description, the buffer is cooled by stopping the operation of the heating element 108 and naturally radiating the heat. However, as the heating element 108, it is possible to perform both heating and cooling operations like a Peltier element. By using, it is possible to shorten the cooling time and achieve more precise temperature control.

【0017】また、この発明による第1のDNA増幅装
置においては、図3および4に示すように、反応セル 1
02の底面に1つもしくはそれ以上の温度検出手段 301お
よび302を設けることができる。ここで、図3はこの発
明による第1のDNA増幅装置の別の具体例を模式的に
示す平面図であり、図4は図3に示される装置のB−B
線に沿った断面を模式的に示す図である。なお、図3お
よび4において、図1および2と同じ部材には同一の符
号が付されており、以下の図面においても同一の符号は
同一の部材を表わすことを原則とする。温度検出手段 3
01および 302としては、例えば、熱電対、ダイオード等
を用いることができる。
In the first DNA amplifying apparatus according to the present invention, as shown in FIGS.
The bottom surface of 02 may be provided with one or more temperature detecting means 301 and 302. Here, FIG. 3 is a plan view schematically showing another specific example of the first DNA amplification apparatus according to the present invention, and FIG. 4 is a BB of the apparatus shown in FIG.
It is a figure which shows the cross section along a line typically. In FIGS. 3 and 4, the same members as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals, and in principle, the same reference numerals represent the same members in the following drawings. Temperature detection means 3
As 01 and 302, for example, a thermocouple, a diode or the like can be used.

【0018】このように反応セル 102の底面に温度検出
手段 301および 302を設けることにより、反応セル中の
反応溶液の温度を直接測定することが可能となり、DN
A増幅反応に必要な熱サイクル時の温度をより精密に制
御することができる。この精密な温度制御は、特に、上
記熱サイクルにおける核酸の解離工程において重要な意
味を持つ。すなわち、上述のように核酸を解離させる工
程においては反応セル102中の反応溶液を高温(90〜94
℃)に加熱する。このような高温では、たとえ耐熱性酵
素であっても徐々に活性が失われ、94℃を越える温度で
は酵素が変性して活性が完全に失われてしまうため、過
加熱には十分注意する必要がある。図3および4に示す
装置では、温度検出手段 301および 302によって反応溶
液の温度を直接測定することができるので、この測定結
果を発熱体 108にフィードバックすることにより、核酸
解離の効率を落とすことなく過加熱を防ぐことが可能と
なる。
By thus providing the temperature detecting means 301 and 302 on the bottom surface of the reaction cell 102, it becomes possible to directly measure the temperature of the reaction solution in the reaction cell.
The temperature at the time of heat cycle required for the A amplification reaction can be controlled more precisely. This precise temperature control is particularly important in the nucleic acid dissociation step in the above heat cycle. That is, in the step of dissociating the nucleic acid as described above, the reaction solution in the reaction cell 102 is heated to a high temperature (90 to 94
(° C). At such high temperatures, even thermostable enzymes gradually lose their activity, and at temperatures above 94 ° C, the enzyme denatures and loses its activity completely. There is. In the apparatus shown in FIGS. 3 and 4, the temperature of the reaction solution can be directly measured by the temperature detecting means 301 and 302. Therefore, by feeding back the measurement result to the heating element 108, the efficiency of nucleic acid dissociation is not reduced. It is possible to prevent overheating.

【0019】さらに、この発明による第1のDNA増幅
装置においては、図5および図6に示すように、反応セ
ル 102の底面に1つもしくはそれ以上の突起 501を設け
ることができる。ここで、図5はこの発明による第1の
DNA増幅装置のさらに別の具体例を模式的に示す平面
図であり、図6は図5に示される装置のC−C線に沿っ
た断面を模式的に示す図である。この突起 501は、プレ
ーナー状の反応セル 102を形成する際に同時にその形状
を形成してもよく、あるいはプレーナー状の反応セル 1
02を形成した後に予め作製した突起を接合してもよい
が、基板 101と同一の材質であることが好ましい。
Furthermore, in the first DNA amplification apparatus according to the present invention, as shown in FIGS. 5 and 6, one or more protrusions 501 can be provided on the bottom surface of the reaction cell 102. Here, FIG. 5 is a plan view schematically showing still another specific example of the first DNA amplification apparatus according to the present invention, and FIG. 6 shows a cross section taken along line CC of the apparatus shown in FIG. It is a figure which shows typically. This protrusion 501 may form its shape at the same time that the planar reaction cell 102 is formed, or the planar reaction cell 1
The projections produced in advance may be joined after forming 02, but the same material as that of the substrate 101 is preferable.

【0020】このように反応セル 102の底面に1つ以上
の突起 501を設けることにより、反応セルの底面の表面
積を増大させることができ、基板 101の裏面に設けられ
た発熱体 108から生じた熱を反応セル 102内の反応溶液
に効率よく伝えることが可能となる。また、発熱体 108
が前述のような加熱および冷却の両動作が可能なもので
ある場合には、反応溶液の冷却もより迅速に行なうこと
が可能となる。したがって、図5および6に示される装
置は、反応セル 102中の反応溶液の昇降温速度をより高
めることができ、かつ反応溶液の温度勾配を小さくする
ことが可能である。このため、この装置を用いることに
より、DNA増幅反応に要する時間を短縮し、熱サイク
ルの温度をより精密に制御することが可能となる。
By providing one or more protrusions 501 on the bottom surface of the reaction cell 102 in this manner, the surface area of the bottom surface of the reaction cell can be increased, and the heat generation element 108 provided on the back surface of the substrate 101 generated. The heat can be efficiently transferred to the reaction solution in the reaction cell 102. Also, the heating element 108
If the above-mentioned heating and cooling operations are possible, the reaction solution can be cooled more quickly. Therefore, the apparatus shown in FIGS. 5 and 6 can further increase the temperature rising / falling rate of the reaction solution in the reaction cell 102 and can reduce the temperature gradient of the reaction solution. Therefore, by using this device, the time required for the DNA amplification reaction can be shortened and the temperature of the thermal cycle can be controlled more precisely.

【0021】同様の効果は、図7および8に示すよう
に、反応セル 102の代わりに底面の断面形状が鋸刃状も
しくは波状である反応セル 701を用いることによっても
達成することができる。ここで、図7はこの発明による
第1のDNA増幅装置のさらに別の具体例を模式的に示
す平面図であり、図8は図7に示される装置のD−D線
に沿った断面を模式的に示す図である。図7および8に
示す装置においても、反応セル底面の表面積が増大し、
基板 101の裏面に設けられた発熱体 108が発生する熱
を、反応セル 701内の反応溶液に効率よく伝えることが
できる。したがって、図5および6に示される装置と同
様に、DNA増幅反応に要する時間を短縮し、熱サイク
ルの温度をより精密に制御することが可能となる。反応
セル 701の断面形状が鋸刃状もしくは波状の底面は、図
5および6に示される装置と同様に、反応セル 701を形
成する際に同時にその形状を形成してもよく、あるいは
まずプレーナー状の反応セルを形成した後に断面形状を
鋸刃状もしくは波状に加工してもよいが、基板 101と同
一の材質であることが好ましい。
The same effect can be achieved by using a reaction cell 701 having a sawtooth or corrugated bottom surface instead of the reaction cell 102 as shown in FIGS. Here, FIG. 7 is a plan view schematically showing still another specific example of the first DNA amplification apparatus according to the present invention, and FIG. 8 shows a cross section taken along line D-D of the apparatus shown in FIG. It is a figure which shows typically. Also in the apparatus shown in FIGS. 7 and 8, the surface area of the bottom surface of the reaction cell is increased,
The heat generated by the heating element 108 provided on the back surface of the substrate 101 can be efficiently transferred to the reaction solution in the reaction cell 701. Therefore, similar to the device shown in FIGS. 5 and 6, it is possible to shorten the time required for the DNA amplification reaction and to control the temperature of the heat cycle more precisely. The bottom surface of the reaction cell 701 having a sawtooth or corrugated cross-sectional shape may be formed at the same time when the reaction cell 701 is formed, as in the apparatus shown in FIGS. Although the reaction cell may be processed into a saw-tooth shape or a wavy shape after the reaction cell is formed, the same material as that of the substrate 101 is preferable.

【0022】さらにまた、この発明による第1のDNA
増幅装置においては、図9および図10に示すように、反
応セル 102の底面に1つもしくはそれ以上の突起 901を
反応溶液の流れ方向に対して斜めに配置することもでき
る。ここで、図9はこの発明による第1のDNA増幅装
置のさらに別の具体例を模式的に示す平面図であり、図
10は図9に示される装置のE−E線に沿った断面を模式
的に示す図である。この突起 901は、図5および6に示
される装置と同様に、プレーナー状の反応セル102を形
成する際に同時にその形状を形成してもよく、あるいは
プレーナー状の反応セル 102を形成した後に予め作製し
た突起を接合してもよいが、基板 101と同一の材質であ
ることが好ましい。
Furthermore, the first DNA according to the present invention
In the amplification device, as shown in FIGS. 9 and 10, one or more protrusions 901 may be arranged obliquely with respect to the flow direction of the reaction solution on the bottom surface of the reaction cell 102. Here, FIG. 9 is a plan view schematically showing still another specific example of the first DNA amplification apparatus according to the present invention.
10 is a diagram schematically showing a cross section taken along line EE of the device shown in FIG. 9. This protrusion 901 may be formed at the same time when the planar reaction cell 102 is formed, as in the device shown in FIGS. 5 and 6, or after the planar reaction cell 102 is formed. The produced protrusions may be joined, but the same material as that of the substrate 101 is preferable.

【0023】前述のように、DNA増幅反応は、核酸の
解離、解離した核酸とプライマーとの結合および耐熱性
DNA合成酵素によるプライマーの伸長の3段階で進行
する。このうち、解離した核酸とプライマーとの結合
は、解離した核酸同志が再び結合する反応と競合するこ
とになる。一方、繰り返し行なわれる増幅反応によっ
て、系内には核酸が徐々に増加し、プライマーは次第に
減少してゆく。このため、増幅を繰り返すうちに解離し
た核酸がプライマーと結合せずに核酸同志で結合するこ
とが多くなり、増幅反応の効率が減少する。したがっ
て、効率の減少を最小限に抑えるために、増幅反応を開
始する際には、すなわち反応溶液が反応セル 102内に導
入される際には、反応溶液中で核酸とプライマーとを可
能な限り均一に分散させておくことが好ましい。図9お
よび図10に示される装置おける反応溶液の流れ方向に対
して斜めに配置された突起 901は、この反応溶液中の核
酸とプライマーとをより均一に分散させる機能を果た
す。すなわち、流路 103から反応セル 102に流入してき
た反応溶液は、突起 901による抵抗を受けて乱流を生
じ、それにより反応溶液が十分に撹拌される。したがっ
て、図9および図10に示される装置を用いることによ
り、解離した核酸とプライマーとの結合反応を、ひいて
はDNA増幅反応を、効率よく行なうことが可能であ
り、反応の精度を向上させることもできる。また、弁10
7 を開放して反応セル102 から反応溶液を流出させる際
にもやはり突起109 によって反応溶液が撹拌され、次の
精製、分析工程をむらのない状態で行なうことができ
る。
As described above, the DNA amplification reaction proceeds in three steps: dissociation of nucleic acid, binding of the dissociated nucleic acid to the primer, and extension of the primer by a thermostable DNA synthase. Among them, the binding between the dissociated nucleic acid and the primer competes with the reaction in which the dissociated nucleic acids are bound again. On the other hand, the nucleic acid gradually increases in the system and the primer gradually decreases due to the repeated amplification reaction. Therefore, as the amplification is repeated, the dissociated nucleic acid is often not bound to the primer but bound to each other by the nucleic acids, and the efficiency of the amplification reaction is reduced. Therefore, in order to minimize the reduction in efficiency, when starting the amplification reaction, that is, when the reaction solution is introduced into the reaction cell 102, the nucleic acid and the primer should be as much as possible in the reaction solution. It is preferable to disperse it uniformly. In the apparatus shown in FIGS. 9 and 10, the protrusion 901 obliquely arranged with respect to the flow direction of the reaction solution serves to more evenly disperse the nucleic acid and the primer in the reaction solution. That is, the reaction solution that has flowed into the reaction cell 102 from the flow path 103 is subjected to resistance by the protrusions 901 to generate a turbulent flow, whereby the reaction solution is sufficiently stirred. Therefore, by using the apparatus shown in FIGS. 9 and 10, the binding reaction between the dissociated nucleic acid and the primer, and thus the DNA amplification reaction, can be efficiently performed, and the accuracy of the reaction can be improved. it can. Also, valve 10
Even when 7 is opened to let the reaction solution flow out from the reaction cell 102, the reaction solution is still stirred by the protrusions 109, so that the subsequent purification and analysis steps can be carried out evenly.

【0024】もちろん、突起 901は反応セル 102の底面
の表面積を増大させることにも貢献する。したがって、
図9および10に示される装置は、図5ないし図8に示さ
れる装置と同様に、DNA増幅反応に要する時間を短縮
し、熱サイクルの温度をより精密に制御することも可能
となる。
Of course, the protrusion 901 also contributes to increase the surface area of the bottom surface of the reaction cell 102. Therefore,
The apparatus shown in FIGS. 9 and 10 can shorten the time required for the DNA amplification reaction and can control the temperature of the thermal cycle more precisely, like the apparatus shown in FIGS. 5 to 8.

【0025】次に、この発明による第2のDNA増幅装
置の一具体例の平面図を図11に、また図11に示されるD
NA増幅装置のF−F線断面図を図12にそれぞれ模式的
に示す。この装置では、無機もしくは有機基板1101上
に、2つの弁1104および1105が設けられた流路1102が形
成され、その上面に透明基板1103が接合されている。弁
1104と1105との間には、基板1101の裏面に接して3つの
発熱体1106、1107および1108が設けられており、それぞ
れ発熱体の温度を個別に制御する発熱体制御装置1109、
1110および1111に接続されている。また、これらの発熱
体1106、1107および1108に対応して流路1102の底面に
は、それぞれ、反応溶液の温度を検出するための温度検
出手段1112、1113および1114が設けられている。さら
に、弁1104と発熱体1106の間に位置する流路1102の底面
および弁1105と発熱体1108の間に位置する流路1102の底
面には、それぞれ電極1115および1116が設けられ、いず
れも、電極に電圧を印加することが可能であり、かつ印
加した電圧を反転することが可能な電圧制御装置1117に
接続されている。無機もしくは有機基板1101の材質、流
路1102の形成方法、透明基板1103の材質、利用可能な発
熱体、および利用可能な温度検出手段は全て、上記この
発明による第1のDNA増幅装置に用いられるものと同
様である。
Next, a plan view of a specific example of the second DNA amplification apparatus according to the present invention is shown in FIG. 11 and D shown in FIG.
FIG. 12 schematically shows a cross-sectional view taken along the line FF of the NA amplification device. In this device, a channel 1102 provided with two valves 1104 and 1105 is formed on an inorganic or organic substrate 1101, and a transparent substrate 1103 is bonded to the upper surface thereof. valve
Between 1104 and 1105, three heating elements 1106, 1107 and 1108 are provided in contact with the back surface of the substrate 1101, and a heating element control device 1109 for individually controlling the temperature of each heating element,
Connected to 1110 and 1111. Corresponding to these heating elements 1106, 1107 and 1108, temperature detecting means 1112, 1113 and 1114 for detecting the temperature of the reaction solution are provided on the bottom surface of the channel 1102, respectively. Further, electrodes 1115 and 1116 are provided on the bottom surface of the flow channel 1102 located between the valve 1104 and the heating element 1106 and on the bottom surface of the flow channel 1102 located between the valve 1105 and the heating element 1108, both of which are It is connected to a voltage control device 1117 capable of applying a voltage to the electrodes and capable of inverting the applied voltage. The material of the inorganic or organic substrate 1101, the method of forming the channel 1102, the material of the transparent substrate 1103, the usable heating element, and the usable temperature detecting means are all used in the first DNA amplification device according to the present invention. It is similar to the one.

【0026】この第2のDNA増幅装置を用いたDNA
増幅反応の手順は以下の通りである。まず、弁1104およ
び1105を開放し、目的の核酸、2種類以上のプライマ
ー、耐熱性DNA合成酵素および4種類のデオキシリボ
ヌクレオシド三リン酸(dATP、dCTP、dGTP
およびdTTP)を含有するバッファーを流路1102に導
入した後、弁1104および1105を閉鎖する。次に、発熱体
制御装置1109、1110および1111の制御の下で、それぞれ
発熱体1106、1107および1108を作動させ、各々の発熱体
に対応する位置の流路1102内のバッファーを所定の温度
に加熱し、その温度を維持する。この際、温度検出手段
1112、1113および1114によって各々の近傍のバッファー
の温度を測定し、その情報を各発熱体制御手段にフィー
ドバックすることにより、バッファーの温度を所定の値
に正確に維持することが可能となる。また、各発熱体は
その加熱温度を違えており、例えば、発熱体1106の加熱
温度は核酸が解離する温度(90〜94℃)に、発熱体1107
の加熱温度は耐熱性DNA合成酵素の活性が高まり、解
離した核酸と結合したプライマーが耐熱性DNA合成酵
素の作用によって伸長する温度(50〜75℃)に、さらに
発熱体1108の加熱温度は解離した核酸にプライマーが結
合する温度(約37℃)に設定すればよい。その後、電圧
制御装置1117によって電極1115および1116に電圧を印加
する。バッファー中に含まれる核酸、プライマー、DN
A合成酵素およびデオキシリボヌクオシド三リン酸はそ
れぞれ等電点が異なり、バッファーのpHによって正も
しくは負の極性を示すが、バッファーのpHを適当に選
択することにより全ての成分を正もしくは負のいずれか
の極性に統一することができる。例えば、バッファー中
の全ての成分が負の電荷を帯びるように調整し、電極11
15が負に、電極1116が正になるように電圧を印加する
と、バッファー中に含まれる成分のみが電極1116に向か
って移動を始める。このとき、バッファーは移動しな
い。移動を始めた各成分は、まず発熱体1106の上方領域
を通過する。この領域は、上述のように、核酸が解離す
る温度に加熱、維持されているので、移動する成分のう
ち核酸のみが解離反応を起こす。解離した核酸を含む各
成分はさらに移動を続け、発熱体1107の上方領域を通過
して発熱体1108の上方領域に到達する。この領域は、解
離した核酸とプライマーとが結合反応を生じる温度に加
熱、維持されており、解離した核酸とプライマーとの結
合反応が生じる。ここで、電圧制御装置1117により電極
1115と1116との極性を逆転させる。これにより、核酸と
プライマーとの結合体を含む各成分は移動方向を逆転さ
せ、電極1115に向かって移動を始める。逆方向に移動を
始めた各成分は、まず耐熱性DNA合成酵素の活性が高
まる温度に加熱、維持された発熱体1107の上方領域を通
過し、核酸に結合したプライマーが伸長する。プライマ
ーが伸長し、二本鎖が形成された核酸を含む各成分は、
さらに移動を続け、再び発熱体1106の上方領域に到達し
て核酸の解離が起こる。ここで再び両電極1104および11
05の極性を逆転することにより、新たな熱サイクルが開
始され、これを繰り返すことで核酸を増幅することがで
きる。
DNA using this second DNA amplification device
The procedure of the amplification reaction is as follows. First, the valves 1104 and 1105 are opened, and the target nucleic acid, two or more kinds of primers, thermostable DNA synthase, and four kinds of deoxyribonucleoside triphosphates (dATP, dCTP, dGTP).
And a buffer containing dTTP) are introduced into channel 1102, valves 1104 and 1105 are closed. Next, under the control of the heating element control devices 1109, 1110, and 1111, the heating elements 1106, 1107, and 1108 are operated, and the buffers in the channels 1102 at the positions corresponding to the heating elements are brought to a predetermined temperature. Heat and maintain its temperature. At this time, the temperature detecting means
By measuring the temperature of the buffer in the vicinity of each of 1112, 1113 and 1114 and feeding back the information to each heating element control means, it becomes possible to accurately maintain the temperature of the buffer at a predetermined value. The heating temperature of each heating element is different. For example, the heating temperature of the heating element 1106 is set to a temperature (90 to 94 ° C.) at which nucleic acid is dissociated, and the heating element 1107 is heated.
The heating temperature of the heat-resistant DNA synthase is increased, and the temperature of the primer bound to the dissociated nucleic acid is extended by the action of the heat-resistant DNA synthase (50 to 75 ° C). The temperature may be set to a temperature at which the primer binds to the nucleic acid (about 37 ° C). Then, the voltage controller 1117 applies a voltage to the electrodes 1115 and 1116. Nucleic acid, primer, DN contained in buffer
A synthase and deoxyribonucleoside triphosphates have different isoelectric points and show positive or negative polarity depending on the pH of the buffer, but by appropriately selecting the pH of the buffer, all components can be made positive or negative. It can be unified to either polarity. For example, adjust all components in the buffer to have a negative charge, and
When a voltage is applied so that 15 becomes negative and electrode 1116 becomes positive, only the component contained in the buffer starts moving toward electrode 1116. At this time, the buffer does not move. Each component that has started to move first passes through the upper region of the heating element 1106. As described above, this region is heated and maintained at the temperature at which the nucleic acid dissociates, so that only the nucleic acid among the moving components causes the dissociation reaction. Each component including the dissociated nucleic acid continues to move, passes through the upper region of the heating element 1107, and reaches the upper region of the heating element 1108. This region is heated and maintained at a temperature at which the dissociated nucleic acid and the primer cause a binding reaction, and the binding reaction between the dissociated nucleic acid and the primer occurs. Here, the electrodes are controlled by the voltage control device 1117.
Reverse the polarity of 1115 and 1116. As a result, the respective components including the bound body of the nucleic acid and the primer reverse their moving directions and start moving toward the electrode 1115. Each component that starts moving in the opposite direction first passes through the upper region of the heating element 1107, which is heated and maintained at a temperature at which the activity of the thermostable DNA synthase is increased, and the primer bound to the nucleic acid extends. Each component containing the nucleic acid in which the primer is extended and the double strand is formed,
The movement continues further, and the nucleic acid dissociates by reaching the upper region of the heating element 1106 again. Here again both electrodes 1104 and 11
By reversing the polarity of 05, a new thermal cycle is started, and by repeating this cycle, the nucleic acid can be amplified.

【0027】このように、この装置は電極に電圧を印加
することによって、バッファー中に含まれる、DNA増
幅反応に必要な成分のみを移動させる。すなわち、最も
容量が多く、したがって最も熱容量が大きいバッファー
を加熱および冷却する必要がなく、各発熱体の上方領域
のバッファーは温度測定手段の情報に基づく発熱体制御
装置の作用により常に一定の温度に保たれている。異な
る温度領域の間を移動する各成分の熱容量は小さく、異
なる温度領域に達したときには瞬時に温度変化が完了す
る。このため、熱サイクルの実施に伴う温度勾配の問題
が解消され、DNA増幅反応をより精密に行なうことが
できる。また、機械的なバッファーの送出手段を必要と
しないため、装置を小型化し、コストを抑えることが可
能である。
As described above, this apparatus moves only the components contained in the buffer and necessary for the DNA amplification reaction by applying a voltage to the electrodes. That is, it is not necessary to heat and cool the buffer having the largest capacity and therefore the largest heat capacity, and the buffer in the upper region of each heating element is always kept at a constant temperature by the action of the heating element control device based on the information of the temperature measuring means. It is kept. The heat capacities of the respective components moving between different temperature regions are small, and when the temperature reaches the different temperature regions, the temperature change is instantly completed. Therefore, the problem of temperature gradient associated with the execution of thermal cycling is solved, and the DNA amplification reaction can be carried out more precisely. Further, since no mechanical buffer sending means is required, the device can be downsized and the cost can be suppressed.

【0028】また、近年、熱サイクルに用いる温度を2
種類、すなわち核酸が解離する温度と耐熱性酵素が最も
活性化してプライマーの伸長が生じる温度とにしてDN
A増幅反応を行なう研究がなされている。この方法に
は、熱サイクルに要する時間を短縮し、DNA増幅反応
をより短時間で行なうことができるという利点がある。
この発明による第2のDNA増幅装置は、このような方
法にも対応することができる。すなわち、図11および12
に示される装置において、発熱体1106を核酸の解離が生
じる温度に、発熱体1107をプライマーの伸長が効率的に
生じる温度にそれぞれ設定し、この間でバッファー中の
各成分を往復させればよい。装置をこの方法に専用の装
置とする場合には、発熱体1108、発熱体制御装置1111お
よび温度検出手段1114は省くことができる。
Further, in recent years, the temperature used for the heat cycle has been increased to 2
DN, depending on the type, ie, the temperature at which the nucleic acid dissociates and the temperature at which the thermostable enzyme is most activated and primer extension occurs
Studies have been conducted to carry out the A amplification reaction. This method has the advantage that the time required for thermal cycling can be shortened and the DNA amplification reaction can be performed in a shorter time.
The second DNA amplification device according to the present invention can also be applied to such a method. That is, FIGS. 11 and 12
In the apparatus shown in (1), the heating element 1106 is set to a temperature at which nucleic acid dissociation occurs, and the heating element 1107 is set to a temperature at which primer extension is efficiently performed, and each component in the buffer may be reciprocated between them. When the device is dedicated to this method, the heating element 1108, the heating element control device 1111 and the temperature detecting means 1114 can be omitted.

【0029】この発明による第2のDNA増幅装置にお
いては、図13および14に示されるように、耐熱性酵素の
活性が高まる温度に維持される発熱体1107の上方に位置
する流路1102の内面、すなわち流路1102の温度検出手段
1113の近傍内面に耐熱性酵素1301を固定することができ
る。ここで、図13はこの発明による第2のDNA増幅装
置の別の具体例を模式的に示す平面図であり、図14は図
13に示される装置のG−G線に沿った断面を模式的に示
す図である。耐熱性酵素を固定する位置は、流路1102の
内面であれば底面、側面および上面のいずれでもよい。
流路1102の内面への耐熱性酵素を固定は、例えば、流路
1102の内面をアミノ基を含有するシランカップリング剤
で処理しておけば、カルボジイミド法、グルタルアルデ
ヒド法、過ヨウ素酸ナトリウム法等の常法により行なう
ことができる。このように耐熱性酵素1301を固定化した
装置を用いることにより、増幅しようとする核酸、2種
類のプライマーおよび4種類にデオキシリボヌクレオシ
ド三リン酸のみを移動させることで増幅反応を行なうこ
とができる。
In the second DNA amplification apparatus according to the present invention, as shown in FIGS. 13 and 14, the inner surface of the flow channel 1102 located above the heating element 1107 maintained at a temperature at which the activity of the thermostable enzyme is increased. , That is, the temperature detecting means of the channel 1102
The thermostable enzyme 1301 can be immobilized on the inner surface near 1113. Here, FIG. 13 is a plan view schematically showing another specific example of the second DNA amplification apparatus according to the present invention, and FIG.
It is a figure which shows typically the cross section along the GG line of the apparatus shown in FIG. The position at which the thermostable enzyme is fixed may be any of the bottom surface, the side surface, and the top surface as long as it is the inner surface of the channel 1102.
The thermostable enzyme is immobilized on the inner surface of the flow channel 1102 by, for example, the flow channel.
If the inner surface of 1102 is treated with a silane coupling agent containing an amino group, it can be carried out by a conventional method such as a carbodiimide method, a glutaraldehyde method, or a sodium periodate method. By using the device in which the thermostable enzyme 1301 is immobilized in this manner, the amplification reaction can be performed by transferring only the deoxyribonucleoside triphosphate to the nucleic acid to be amplified, two types of primers and four types.

【0030】上述のように、図11および12に示される装
置においては、耐熱性DNA合成酵素を含む増幅反応に
必要な各成分を予め温度が設定、維持された領域の間を
移動させることにより増幅反応を行なっている。しかし
ながら、耐熱性酵素は、耐熱性とはいうもののタンパク
質であるため核酸が解離する温度に晒されると徐々に劣
化する。したがって、熱サイクルの回数が増すに従って
反応の効率が低下してしまう。すなわち、この耐熱性酵
素の劣化がDNA増幅反応における増幅率の上限を決定
する一つの要因となっている。図13および14に示される
装置では、耐熱性酵素は常にその活性が最も高まる部位
に留まっており、高温により劣化することがなく、活性
を長時間に亘って維持することができる。このため、D
NA増幅反応をより効率よく、長時間に亘って行なうこ
とが可能であり、DNAの増幅率を高めることができ
る。
As described above, in the apparatus shown in FIGS. 11 and 12, the components necessary for the amplification reaction including the thermostable DNA synthase are moved between regions where the temperature is preset and maintained. Amplification reaction is underway. However, thermostable enzymes are proteins that are thermostable, but they gradually deteriorate when exposed to the temperature at which nucleic acids dissociate. Therefore, the reaction efficiency decreases as the number of thermal cycles increases. That is, the deterioration of the thermostable enzyme is one of the factors that determine the upper limit of the amplification rate in the DNA amplification reaction. In the devices shown in FIGS. 13 and 14, the thermostable enzyme always stays at the site where its activity is highest, and the activity can be maintained for a long time without being deteriorated by high temperature. For this reason, D
The NA amplification reaction can be performed more efficiently over a long period of time, and the amplification rate of DNA can be increased.

【0031】また、この発明による第2のDNA増幅装
置においては、図15および16に示されるように、各発熱
体と発熱体との間、すなわち発熱体1106と1107との間お
よび発熱体1107と1108との間に、基板1101の裏面に接し
て、冷却液を循環させるための冷却液流路1501を設ける
ことができる。ここで、図15はこの発明による第2のD
NA増幅装置のさらに別の具体例を模式的に示す平面図
であり、図16は図15に示される装置のH−H線に沿った
断面を模式的に示す図である。この冷却液流路1501内に
は、図示しないポンプ等により、少なくとも解離した核
酸がプライマーと結合する温度(約37℃)よりも低温の
冷却液を循環させる。
Further, in the second DNA amplification apparatus according to the present invention, as shown in FIGS. 15 and 16, between each heating element, that is, between heating elements 1106 and 1107 and between heating elements 1107. A cooling liquid flow path 1501 for circulating a cooling liquid may be provided between the first and second layers 1108 and 1108 in contact with the back surface of the substrate 1101. Here, FIG. 15 shows a second D according to the present invention.
FIG. 16 is a plan view schematically showing still another specific example of the NA amplification device, and FIG. 16 is a view schematically showing a cross section taken along line HH of the device shown in FIG. In the cooling liquid channel 1501, a cooling liquid having a temperature lower than at least a temperature (about 37 ° C.) at which dissociated nucleic acid binds to the primer is circulated by a pump or the like (not shown).

【0032】このように各発熱体と発熱体との間に冷却
液を循環させることにより、各発熱体の上方領域の流路
1102内の反応溶液の温度を、隣接する発熱体の影響を受
けることなくより精密に制御することが可能となる。
By circulating the cooling liquid between the heating elements in this way, the flow path in the upper region of each heating element is obtained.
The temperature of the reaction solution in 1102 can be controlled more precisely without being affected by the adjacent heating element.

【0033】さらに、この発明の第2のDNA増幅装置
においては、図17および18に示すように、発熱体1107と
1108との間の流路1102、すなわち流路1102の温度検出手
段1113と1114との間に、底面に電極1701を備えた貯留セ
ル1702に連通する分岐流路1703を設けることもできる。
ここで、図17はこの発明による第2のDNA増幅装置の
さらに別の具体例を模式的に示す平面図であり、図18は
図17に示される装置のI−I線に沿った断面を模式的に
示す図である。貯留セル1702にはプライマーが貯留さ
れ、貯留セル1702の底面に設けられた電極1701は電圧制
御装置1117に接続されている。
Furthermore, in the second DNA amplification apparatus of the present invention, as shown in FIGS.
A branch channel 1703 communicating with the storage cell 1702 having an electrode 1701 on the bottom surface can be provided between the channel 1102 and the channel 1102, that is, between the temperature detecting means 1113 and 1114 of the channel 1102.
Here, FIG. 17 is a plan view schematically showing still another specific example of the second DNA amplification device according to the present invention, and FIG. 18 is a sectional view taken along line I-I of the device shown in FIG. It is a figure which shows typically. A primer is stored in the storage cell 1702, and an electrode 1701 provided on the bottom surface of the storage cell 1702 is connected to the voltage controller 1117.

【0034】前述のように、DNAの増幅反応では、解
離した核酸にプライマーを結合させ、耐熱性DNA合成
酵素の作用によりこのプライマーを伸長させる。したが
って、一度結合したプライマーはそのまま増幅した核酸
の一部として消費される。このため、増幅反応を繰り返
すに従ってプライマーが減少し、プライマーが完全に消
費されると増幅反応も終結する。すなわち、前述の耐熱
性酵素の劣化と同様、プライマーの減少もDNA増幅反
応における増幅率の上限を決定する一要素である。図17
および18に示される装置では、貯留セル1702から分岐流
路1703を介して流路1102にプライマーを追加供給するこ
とが可能であり、増幅反応を繰り返すに従ってプライマ
ーが不足する問題を解消することができる。
As described above, in the DNA amplification reaction, a primer is bound to the dissociated nucleic acid and the primer is extended by the action of the thermostable DNA synthase. Therefore, the primer bound once is consumed as it is as a part of the amplified nucleic acid. Therefore, the number of primers decreases as the amplification reaction is repeated, and when the primers are completely consumed, the amplification reaction also ends. That is, like the deterioration of the thermostable enzyme described above, the decrease of the primer is one factor that determines the upper limit of the amplification rate in the DNA amplification reaction. Figure 17
In the device shown in 18 and 18, it is possible to additionally supply the primer from the storage cell 1702 to the flow channel 1102 through the branch flow channel 1703, and it is possible to solve the problem of insufficient primer as the amplification reaction is repeated. .

【0035】図17および18に示される装置を用いたDN
A増幅の手順は以下の通りである。まず、図11および12
に示される装置を用いたDNA増幅の手順と同様にし
て、流路1102のバッファーを導入し、各発熱体1106、11
07および1108の上方領域の流路1102内のバッファーを所
定の温度に維持した後、電極1115および1116に電圧を印
加し、または反転させ、バッファー中の各成分を移動さ
せて増幅反応を行なう。熱サイクルを適当な回数繰り返
した後、新たなサイクルを開始し、発熱体1106の上方領
域を通過させて核酸を解離させるところまでは同様に行
なう。その後、さらに各成分を電極1116に向けて移動さ
せ、適当な位置に到達したときに、電極1701に電極1115
と同じ極性の電圧を印加する。これにより貯留セル1702
に貯留されているプライマーは電極1116に向けて移動を
開始する。移動を開始したプライマーは分岐流路1703を
介して流路1102に流入し、発熱体1106の上方領域から流
路1102を移動してきた各成分と合流する。その後は、再
び同様にして熱サイクルを繰り返せばよい。
DN using the apparatus shown in FIGS. 17 and 18.
The procedure for A amplification is as follows. First, Figures 11 and 12
In the same manner as in the procedure for DNA amplification using the device shown in FIG.
After maintaining the buffer in the channel 1102 in the upper region of 07 and 1108 at a predetermined temperature, a voltage is applied to the electrodes 1115 and 1116 or inverted to move each component in the buffer to carry out an amplification reaction. After repeating the heat cycle an appropriate number of times, a new cycle is started, and the same procedure is performed until the nucleic acid is dissociated by passing through the upper region of the heating element 1106. After that, each component is further moved toward the electrode 1116, and when the appropriate position is reached, the electrode 1701 is moved to the electrode 1115.
Apply a voltage of the same polarity as. This allows the storage cell 1702
The primer stored in the electrode starts moving toward the electrode 1116. The primer that has started moving flows into the flow channel 1102 through the branch flow channel 1703, and joins with each component that has moved through the flow channel 1102 from the upper region of the heating element 1106. After that, the heat cycle may be repeated in the same manner.

【0036】このように、図17および18に示される装置
を用いることにより、DNA増幅反応を繰り返している
途中であってもプライマーを追加供給することが可能で
あり、プライマーの不足を回避し、DNAの増幅率を高
めることができる。また、DNAの増幅反応において
は、プライマーだけではなく4種のデオキシリボヌクレ
オシド三リン酸もそれぞれ消費され、増幅反応を繰り返
すに従って反応の効率が低下する要因となるが、貯留セ
ル1702にプライマーに加えて4種類のデオキシリボヌク
レオシド三リン酸を貯留することにより、デオキシリボ
ヌクレオシド三リン酸の不足を回避し、増幅率をより高
めることができる。
As described above, by using the apparatus shown in FIGS. 17 and 18, it is possible to supply additional primers even during the course of repeating the DNA amplification reaction, avoiding the lack of primers, The amplification rate of DNA can be increased. Further, in the DNA amplification reaction, not only the primer but also four kinds of deoxyribonucleoside triphosphates are respectively consumed, which becomes a factor of decreasing the reaction efficiency as the amplification reaction is repeated. By storing four kinds of deoxyribonucleoside triphosphates, it is possible to avoid the deoxyribonucleoside triphosphate deficiency and further increase the amplification rate.

【0037】さらにまた、この発明による第2のDNA
増幅装置は、図11ないし図18に示される装置を1ユニッ
トとして、複数のユニットを分岐を有する流路で連結す
ることもできる。図13および14に示される装置を1ユニ
ットとして、このユニットを複数連結した具体例を図19
に示す。この図では、それぞれが図13および図14に示さ
れる構造を有するユニット1901、1902および1903が、流
路1904を介して連結されている。流路1904は、ユニット
1901を通過した後、具体的にはユニット1901の弁1905の
下流で分岐し、一方が弁1906を介してユニット1902に、
他方が弁1907を介してユニット1903にそれぞれ連通して
いる。
Furthermore, the second DNA according to the present invention
The amplifying apparatus can also be configured such that the apparatus shown in FIGS. 11 to 18 is regarded as one unit and a plurality of units are connected by a flow path having a branch. A specific example in which the devices shown in FIGS. 13 and 14 are regarded as one unit and a plurality of these units are connected is shown in FIG.
Shown in In this figure, units 1901, 1902 and 1903 each having the structure shown in FIGS. 13 and 14 are connected via a flow path 1904. Channel 1904 is a unit
After passing 1901, specifically branching downstream of valve 1905 of unit 1901, one to unit 1902 via valve 1906,
The other is in communication with unit 1903 via valve 1907, respectively.

【0038】この装置を用いたDNAの増幅反応は以下
の手順で行なう。まず、ユニット1901において、前述の
図11および12に示される装置を用いたDNAの増幅反応
において説明した手順でDNAの増幅反応を行なう。熱
サイクルを所定の回数繰り返した後、増幅した核酸を含
む各成分を発熱体1908の上方を通過させて電極1909の近
傍に集める。次に、弁1905、1906および1907を開放し、
電極1909および1910に印加していた電圧を遮断する、続
いて、電極1909の極性を反転させ、同時に電極1911およ
び1912に電圧を印加する。具体的には、電極1909が負
に、電極1911および1912が正になるように電圧を印加す
る。これにより、電極1909近傍に集まっていた各成分は
流路1904内を電極1911および1912に向けて移動する。各
成分がユニット1902および1903内に移動したところで各
電極に印加していた電圧を遮断し、弁1905、1906および
1907を閉鎖する。その後、ユニット1902および1903にお
いて、前述の手順によりDNAの増幅反応を行なう。
A DNA amplification reaction using this apparatus is performed according to the following procedure. First, in the unit 1901, a DNA amplification reaction is performed by the procedure described in the DNA amplification reaction using the apparatus shown in FIGS. 11 and 12 described above. After repeating the heat cycle a predetermined number of times, each component including the amplified nucleic acid is passed over the heating element 1908 and collected in the vicinity of the electrode 1909. Then open valves 1905, 1906 and 1907,
The voltage applied to the electrodes 1909 and 1910 is cut off, subsequently, the polarity of the electrode 1909 is reversed, and at the same time, the voltage is applied to the electrodes 1911 and 1912. Specifically, a voltage is applied so that the electrode 1909 is negative and the electrodes 1911 and 1912 are positive. As a result, the components collected near the electrode 1909 move in the flow path 1904 toward the electrodes 1911 and 1912. When each component moved into the units 1902 and 1903, the voltage applied to each electrode was cut off, and valves 1905, 1906 and
1907 closed. Then, in units 1902 and 1903, a DNA amplification reaction is performed according to the procedure described above.

【0039】耐熱性酵素の劣化およびプライマーの減少
がDNA増幅反応における増幅率の上限を決定する要因
となることは前述したが、増幅反応の結果生じるDNA
の濃度上昇もまた増幅率の上限を左右する要因となる。
解離した核酸とプライマーとの結合が核酸同士の結合と
の競合反応であることも前に説明した。図17および18に
示される装置では、増幅反応の途中でプライマーを追加
供給可能なシステムを加えることによりこの問題を解決
している。しかしながら、流路の容量は一定であり、核
酸は増幅する一方であるため、例えプライマーの濃度を
高めたとしても、核酸同士が会合して結合する機会は増
加する。この装置では、ユニット1901を流出した各成分
が、流路1904の分岐点でほぼ2等分されてユニット1902
および1903に流入する。すなわち、ユニット1902および
1903に流入する核酸の濃度は、ユニット1901における核
酸の最終濃度のほぼ半分である。このため、増幅反応の
最中に核酸同志が結合する確率が低下して、増幅反応を
より効率的に行なうことが可能であり、その結果増幅率
を高めることができる。
As described above, the deterioration of the thermostable enzyme and the decrease of the primers are the factors that determine the upper limit of the amplification rate in the DNA amplification reaction.
The increase in the concentration of C.sub.c also becomes a factor that influences the upper limit of the amplification factor.
It was previously explained that the binding between the dissociated nucleic acid and the primer is a competitive reaction with the binding between the nucleic acids. The apparatus shown in FIGS. 17 and 18 solves this problem by adding a system capable of additionally supplying a primer during the amplification reaction. However, since the capacity of the flow channel is constant and the nucleic acid is only amplified, the chances of the nucleic acids being associated with each other and binding are increased even if the concentration of the primer is increased. In this device, each component flowing out of the unit 1901 is divided into two substantially equal parts at the branch point of the flow path 1904, and the unit 1902 is divided.
And into 1903. That is, unit 1902 and
The concentration of nucleic acid flowing into 1903 is approximately half the final concentration of nucleic acid in unit 1901. Therefore, the probability that the nucleic acids bind to each other during the amplification reaction is reduced, and the amplification reaction can be performed more efficiently, and as a result, the amplification rate can be increased.

【0040】なお、図19においては、ユニット1901に続
くユニットの数は2つであるが、これに限定されるもの
ではなく、流路1904をさらに分岐させてより多くのユニ
ットに連結することもできる。また、図19においては増
幅反応は2段階でおこなっているが、ユニット1902およ
び1903の後でさらに流路1904を分岐させて複数のユニッ
トを連結させ、より多段階で増幅反応を行なうこともで
きる。
In FIG. 19, the number of units following the unit 1901 is two, but the number is not limited to this, and the flow path 1904 may be further branched and connected to more units. it can. Further, although the amplification reaction is carried out in two stages in FIG. 19, it is also possible to carry out the amplification reaction in more stages by branching the channel 1904 after the units 1902 and 1903 to connect a plurality of units. .

【0041】次に、この発明による第3のDNA増幅装
置の一具体例の平面図を図20に示す。この装置では、無
機もしくは有機基板2001上に、2つの弁2003および2004
が設けられた流路2002が形成され、さらに基板2001の上
面に接して透明基板が接合されている。弁2003と2004と
の間には、基板2001の裏面に接して3つの発熱体2005、
2006および2007が設けられており、それぞれ発熱体の温
度を個別に制御する発熱体制御装置2008、2009および20
10に接続されている。また、これらの発熱体2005、2006
および2007に対応して流路2002の底面には、それぞれ、
反応溶液の温度を検出するための温度検出手段2011、20
12および2013が設けられている。さらに、発熱体2006に
対応する位置の流路2002の底面には耐熱性DNA合成酵
素2014が固定されている。また、弁2003と発熱体2005と
の間に位置する流路2002の底面および弁2004と発熱体20
07との間に位置する流路2002の底面にはそれぞれ電極20
15および2016が設けられており、さらに電極2015と弁20
03との間には、底面に電極2017を備えた貯留セル2018に
連通する分岐流路2019が設けられている。弁2003の上流
側の流路2002の底面には電極2020が設けられ、この電極
2020と弁2003との間には、基板2001の上面に接合された
透明基板を貫通する試料投入口2021が設けられている。
試料投入口2021は外部から試料を流路2002内に取り込む
ことが可能な形態をとっている。また、試料投入口2021
と弁2003との間の流路2002にはゲル状化合物2022が流路
2002を塞ぐ形で充填され、このゲル状化合物2022が充填
された部位と弁2003との間には、弁2023を介して、底面
に電極2024を備えた廃棄物セル2025に連通する分岐流路
2026が設けられている。同様に、弁2004の下流側の流路
2002にも電極2027が設けられ、この電極2027と弁2004と
の間にはDNA検出手段2028が設けられている。電極20
15、2016、2017、2020、2024および2027は全て、各電極
に電圧を印加することが可能であり、かつ印加した電圧
を反転することが可能な電圧制御装置2029に接続されて
いる。無機もしくは有機基板2001の材質、流路2002の形
成方法、透明基板の材質、利用可能な発熱体、および利
用可能な温度検出手段等は全て、上記この発明による第
1のDNA増幅装置に用いられるものと同様である。流
路2002に充填されるゲル状化合物2022としては、例え
ば、セルロース、アガロース、アルリルアミド等を用い
ることができる。また、DNA検出手段2028は特に限定
されるものではなく、通常DNAの検出に用いられるい
かなる手段をも用いることができ、例としては紫外線吸
光度検出法、屈折率検出法、蛍光検出法および楕円偏光
解析法を利用するものを挙げることができる。
Next, FIG. 20 shows a plan view of a specific example of the third DNA amplification apparatus according to the present invention. In this device, two valves 2003 and 2004 are provided on an inorganic or organic substrate 2001.
A flow path 2002 in which the transparent substrate is provided is formed, and a transparent substrate is bonded to the upper surface of the substrate 2001 in contact therewith. Between the valves 2003 and 2004, the three heating elements 2005, which are in contact with the back surface of the substrate 2001,
2006 and 2007 are provided, and each heating element control device 2008, 2009 and 20 individually controls the temperature of each heating element.
Connected to 10. In addition, these heating elements 2005, 2006
And the bottom of the channel 2002 corresponding to 2007, respectively,
Temperature detecting means 2011, 20 for detecting the temperature of the reaction solution
12 and 2013 are provided. Furthermore, a thermostable DNA synthase 2014 is fixed to the bottom surface of the flow path 2002 at a position corresponding to the heating element 2006. In addition, the bottom surface of the flow path 2002 located between the valve 2003 and the heating element 2005 and the valve 2004 and the heating element 20.
Electrodes 20 are provided on the bottom of the channel 2002 located between 07 and
15 and 2016 are provided, plus electrode 2015 and valve 20
A branch channel 2019 communicating with a storage cell 2018 having an electrode 2017 on the bottom surface is provided between the channel 03 and the port 03. An electrode 2020 is provided on the bottom surface of the flow path 2002 on the upstream side of the valve 2003.
Between the 2020 and the valve 2003, a sample inlet 2021 penetrating a transparent substrate joined to the upper surface of the substrate 2001 is provided.
The sample inlet 2021 has a form in which a sample can be taken into the channel 2002 from the outside. Also, the sample inlet 2021
The gel-like compound 2022 is in the flow path 2002 between the valve and the valve 2003.
A branch flow path which is filled so as to close the 2002 and is connected between the portion filled with the gel compound 2022 and the valve 2003 through a valve 2023 to a waste cell 2025 having an electrode 2024 on the bottom surface.
2026 is provided. Similarly, the flow path downstream of valve 2004
An electrode 2027 is also provided in 2002, and a DNA detecting means 2028 is provided between the electrode 2027 and the valve 2004. Electrode 20
15, 2016, 2017, 2020, 2024 and 2027 are all connected to a voltage control device 2029 capable of applying a voltage to each electrode and capable of reversing the applied voltage. The material of the inorganic or organic substrate 2001, the method of forming the flow path 2002, the material of the transparent substrate, the heat generating element that can be used, the temperature detecting means that can be used, and the like are all used in the first DNA amplification device according to the present invention. It is similar to the one. As the gel-like compound 2022 filled in the flow channel 2002, for example, cellulose, agarose, allylamide or the like can be used. Further, the DNA detecting means 2028 is not particularly limited, and any means usually used for detecting DNA can be used, and examples thereof include an ultraviolet absorption detection method, a refractive index detection method, a fluorescence detection method and an elliptical polarization. Those that use analysis methods can be mentioned.

【0042】この第3のDNA増幅装置を用いたDNA
増幅反応の手順は以下の通りである。まず、バッファー
を満たした流路2002内に、試料投入口2021から、全血も
しくは血清等の試料を導入する。次に、弁2003を閉鎖
し、弁2023を開放した後、電極2020および2024に、電極
2020が負に、2024が正になるように電圧を印加し、核酸
を含む試料を電極2024に移動させる。流路2002を電極20
24に向けて移動する試料は、ゲル状化合物2022を通過す
る。この際、ゲル電気泳動の原理により、核酸がゲル状
化合物2022を通過するより早く、不純物であるより低分
子の化合物がゲル状化合物2022を通過し、分岐流路2026
を経て廃棄物セル2025に到達する。この後、目的とする
核酸がゲル状化合物2022を通過し終えた時点で、弁2023
を閉鎖して電極2024に印加していた電圧を遮断し、次い
で弁2003を開放して電極2015に電圧を印加する。これに
より、不純物が除去された、目的とする核酸のみが弁20
23を通過する。また、電極2015に電圧を印加するのと同
時に電極2017にも電圧を印加する。貯留セル2018には、
予めDNA増幅反応に必要な2種類のプライマーおよび
4種類のデオキシリボヌクレオシド三リン酸(dAT
P、dCTP、dGTPおよびdTTP)が貯留されて
おり、電極2017に電圧が印加されると同時に電極2015に
向けて移動を開始して、分岐流路2019を介して流路2002
に流入し、弁2003を通過した核酸と合流する。核酸が弁
2003を通過し、貯留セル2018からの各成分と共に電極20
15の近傍に集まった後、弁2003を閉鎖して電極2017およ
び2020に印加されていた電圧を遮断し、次いで電極2016
に電圧を印加すると同時に電極2015に印加される電圧の
極性を反転させる。これにより、各成分は電極2016に向
けて移動を開始し、以下、前述の第2のDNA増幅装置
に各具体例において説明した手順によりDNAの増幅反
応を行なう。所定の回数熱サイクルを行なって増幅反応
が終了した後、まず増幅した核酸を含む各成分を電極20
16の近傍に集める。次に、電極2015に印加していた電圧
を遮断して弁2004を開放し、電極2027に電圧を印加する
と同時に電極2016に印加されていた電圧の極性を反転さ
せる。これにより、増幅した核酸は電極2027に向けて移
動を開始する。核酸がDNA検出手段2028の位置まで移
動した時点で電極2016および電極2027に印加していた電
圧を遮断し、DNAの検出を行なう。
DNA using this third DNA amplification device
The procedure of the amplification reaction is as follows. First, a sample such as whole blood or serum is introduced into the flow path 2002 filled with the buffer from the sample inlet 2021. Then, after closing valve 2003 and opening valve 2023, electrodes 2020 and 2024 are
A voltage is applied so that 2020 is negative and 2024 is positive, and the sample containing nucleic acid is moved to the electrode 2024. Flow path 2002 with electrode 20
The sample migrating towards 24 passes through the gel compound 2022. At this time, due to the principle of gel electrophoresis, the nucleic acid passes through the gel compound 2022 earlier than the nucleic acid passes through the gel compound 2022, and the branch channel 2026
To reach the waste cell 2025. After this, when the target nucleic acid has finished passing through the gel compound 2022, the valve 2023
Is closed to shut off the voltage applied to the electrode 2024, and then the valve 2003 is opened to apply the voltage to the electrode 2015. As a result, only the target nucleic acid from which impurities have been removed will be stored in the valve 20.
Go through 23. Further, the voltage is applied to the electrode 2015 at the same time as the voltage is applied to the electrode 2015. In the storage cell 2018,
Two kinds of primers and four kinds of deoxyribonucleoside triphosphates (dAT) necessary for the DNA amplification reaction in advance.
P, dCTP, dGTP, and dTTP) are stored, and a voltage is applied to the electrode 2017, and at the same time, the electrode starts moving toward the electrode 2015 and flows through the branch channel 2019 to the channel 2002.
And join the nucleic acid that has passed through the valve 2003. Nucleic acid valve
Passed through 2003, electrode 20 with each component from the storage cell 2018
After gathering in the vicinity of 15, valve 2003 is closed to shut off the voltage applied to electrodes 2017 and 2020, then electrode 2016.
The polarity of the voltage applied to the electrode 2015 is reversed at the same time when the voltage is applied to the electrode. As a result, each component starts moving toward the electrode 2016, and the amplification reaction of DNA is performed by the procedure described in each specific example in the second DNA amplification apparatus described above. After completion of the amplification reaction by performing heat cycles a predetermined number of times, first, each component containing the amplified nucleic acid is placed on the electrode 20.
Collect in the vicinity of 16. Next, the voltage applied to the electrode 2015 is cut off, the valve 2004 is opened, the voltage is applied to the electrode 2027, and at the same time, the polarity of the voltage applied to the electrode 2016 is reversed. As a result, the amplified nucleic acid starts moving toward the electrode 2027. When the nucleic acid moves to the position of the DNA detecting means 2028, the voltage applied to the electrode 2016 and the electrode 2027 is cut off to detect the DNA.

【0043】この装置では、試料の投入から、DNAを
増幅し、増幅したDNAを検出するまで全て電気的な動
作であり、機械的な動作は必要としない。このため、装
置を非常に小型化することが可能であり、コストの低下
にも非常に有利である。また、同じ理由により、全自動
化も容易である。
In this apparatus, everything from electric charge of the sample to amplification of the DNA and detection of the amplified DNA is electrical operation, and mechanical operation is not required. Therefore, the device can be made extremely small, which is also very advantageous in reducing the cost. Also, for the same reason, full automation is easy.

【0044】図20に示される装置においては、ゲル状化
合物は試料投入口2021と弁2003との間にのみ充填されて
いるが、弁2004とDNA検出手段2028との間の流路2002
に充填することもできる。このようにゲル状化合物を配
置することにより、DNA増幅後にも反応せずに残留
し、DNA検出の妨げになるプライマーやデオキシリボ
ヌクレオシド三リン酸を分離することができ、検出の精
度をより高めることができる。
In the apparatus shown in FIG. 20, the gel compound is filled only between the sample inlet 2021 and the valve 2003, but the flow path 2002 between the valve 2004 and the DNA detection means 2028 is used.
Can also be filled. By arranging the gel-like compound in this way, it is possible to separate the primer and deoxyribonucleoside triphosphate that remain unreacted even after the DNA amplification and interfere with the detection of the DNA, and further improve the detection accuracy. You can

【0045】また、流路2002にゲル状化合物2022を充填
する代わりに、この部分の流路の径を 150μm以下とす
ることによっても同様の効果を得ることができる。すな
わち、流路の径を 150μm以下とすることにより、壁面
との電気親和力の差により、核酸と他の不純物とを分離
することができる。
Further, instead of filling the gel compound 2022 in the flow channel 2002, the same effect can be obtained by setting the diameter of the flow channel in this portion to 150 μm or less. That is, by setting the diameter of the channel to 150 μm or less, the nucleic acid and other impurities can be separated due to the difference in electric affinity with the wall surface.

【0046】以上、図面に基づいてこの発明によるDN
A増幅装置の実施の形態を説明したが、この発明は上述
の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の要
旨の範囲内で種々の変形や応用が可能である。ここで、
この発明の要旨をまとめると以下のようになる。
The DN according to the present invention has been described above with reference to the drawings.
Although the embodiment of the A amplifying apparatus has been described, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and applications are possible within the scope of the gist of the present invention. here,
The summary of the invention is as follows.

【0047】(1)図1ないし10に対応 無機もしくは有機基板上に形成されたプレーナ状の反応
セルと、該反応セルに連通する2つの流路と、該流路の
各々に前記反応セルを挟んで設けられた2つ弁と、少な
くとも前記反応セルの底面もしくは前記基板の反応セル
が形成された面の裏面のいずれか一方に設けられた加熱
手段とを具備するDNA増幅装置。
(1) Corresponding to FIGS. 1 to 10 A planar reaction cell formed on an inorganic or organic substrate, two flow channels communicating with the reaction cell, and the reaction cell in each of the flow channels. A DNA amplification apparatus comprising: two valves sandwiched therebetween; and a heating means provided at least on the bottom surface of the reaction cell or the back surface of the surface of the substrate on which the reaction cell is formed.

【0048】この装置は、反応セルがプレーナ状であ
り、これにより反応セル内の反応溶液をより迅速に加熱
および冷却することができる。また、加熱手段を反応セ
ルの底面および基板の裏面の両方に設けた場合には、反
応セル内の反応溶液の昇降温速度を高めることができ
る。その結果、反応溶液内の温度勾配を小さくすること
が可能であり、DNA増幅反応の精度を高めることがで
きる。
In this apparatus, the reaction cell has a planar shape, which allows the reaction solution in the reaction cell to be heated and cooled more quickly. Further, when the heating means is provided on both the bottom surface of the reaction cell and the back surface of the substrate, the temperature rising / falling rate of the reaction solution in the reaction cell can be increased. As a result, the temperature gradient in the reaction solution can be reduced, and the accuracy of the DNA amplification reaction can be improved.

【0049】(2)図11ないし19に対応 無機もしくは有機基板上に設けられた流路、該流路に設
けられた2つの弁、該2つの弁の間の流路の底面に設け
られた2つの電極、該2つの電極の間の流路の底面に設
けられた少なくとも1つの温度検出手段、該少なくとも
1つの温度検出手段の各々の近傍の流路底面もしくは前
記基板の流路が設けられている面の裏面の少なくともい
ずれか一方に、前記温度検出手段の各々と対をなして設
けられた加熱手段、前記2つの電極に印加される電圧を
制御する電圧制御手段、および前記温度検出手段からの
情報に基づいて前記加熱手段を制御する加熱制御手段を
具備するDNA増幅装置。
(2) Corresponding to FIGS. 11 to 19 A channel provided on an inorganic or organic substrate, two valves provided in the channel, and a bottom surface of the channel between the two valves. Two electrodes, at least one temperature detecting means provided on the bottom surface of the flow path between the two electrodes, a bottom surface of the flow path near each of the at least one temperature detecting means, or a flow path of the substrate are provided. The temperature detecting means, a heating means provided in a pair with each of the temperature detecting means, a voltage controlling means for controlling the voltage applied to the two electrodes, and the temperature detecting means. A DNA amplification apparatus comprising heating control means for controlling the heating means based on information from the above.

【0050】この装置では、流路内に満たされた反応溶
液に電圧を印加し、反応溶液中の核酸、耐熱性DNA合
成酵素、プライマーおよびデオキシリボヌクレオシド三
リン酸のみを所定の温度に維持された複数の領域の間で
移動させ、DNAの増幅反応を行なう。このため、増幅
反応に必要な熱サイクルの際に生じる温度勾配の問題が
解消される。また、電気的な手段で溶液中の成分のみを
移動させ、溶液の移動を伴わないため、ポンプ等の機械
的な作動部材を必要とせず、装置の小型化および低価格
化が可能となる。
In this apparatus, a voltage was applied to the reaction solution filled in the flow path so that only the nucleic acid, the thermostable DNA synthase, the primer and the deoxyribonucleoside triphosphate in the reaction solution were maintained at a predetermined temperature. The DNA amplification reaction is carried out by moving the DNA among a plurality of regions. Therefore, the problem of temperature gradient that occurs during the thermal cycle necessary for the amplification reaction is solved. Moreover, since only the components in the solution are moved by an electric means and the solution is not moved, a mechanical actuating member such as a pump is not required, and the apparatus can be downsized and the cost can be reduced.

【0051】(3)図20に対応 無機もしくは有機基板上に設けられた流路、該流路の底
面に設けられた第1ないし第4の電極、第1の電極と第
2の電極との間に設けられた第1の弁、第1の電極と第
1の弁との間に設けられた試料投入口、該試料投入口と
第1の弁との間に位置し、底面に第5の電極を有する不
純物導入セルに連通する第1の分岐流路、該第1の分岐
流路と前記試料投入口との間の流路内に設けられたゲル
状化合物、第1の弁と第2の電極との間に位置し、底面
に第6の電極を有する貯留セルに連通する第2の分岐流
路、第2の電極と第3の電極との間の流路底面に設けら
れた少なくとも1つの温度検出手段、該少なくとも1つ
の温度検出手段の各々の近傍の流路底面もしくは前記基
板の流路が設けられている面の裏面の少なくともいずれ
か一方に、前記温度検出手段の各々と対をなして設けら
れた加熱手段、第3の電極と第4の電極との間に設けら
れたDNA検出手段、該DNA検出手段と第4の電極と
の間に設けられた第2の弁、前記第1ないし第6の電極
に印加される電圧を制御する電圧制御手段、および前記
温度検出手段からの情報に基づいて前記加熱手段を制御
する加熱制御手段を具備するDNA増幅装置。
(3) Corresponding to FIG. 20: A channel provided on an inorganic or organic substrate, first to fourth electrodes provided on the bottom surface of the channel, and a first electrode and a second electrode. A first valve provided between them, a sample inlet provided between the first electrode and the first valve, a sample inlet located between the sample inlet and the first valve, and a fifth valve on the bottom surface. A first branch channel communicating with the impurity introduction cell having the electrode, a gel-like compound provided in the channel between the first branch channel and the sample inlet, the first valve and the first valve A second branch flow path that is located between the second electrode and communicates with a storage cell having a sixth electrode on the bottom surface, and is provided on the bottom surface of the flow path between the second electrode and the third electrode. At least one temperature detecting means, the bottom surface of the flow path near each of the at least one temperature detecting means or the back surface of the surface of the substrate on which the flow path is provided, In either one of them, heating means provided in pair with each of the temperature detecting means, DNA detecting means provided between the third electrode and the fourth electrode, the DNA detecting means and the fourth means. A second valve provided between the first and sixth electrodes, a voltage control means for controlling the voltage applied to the first to sixth electrodes, and the heating means based on the information from the temperature detecting means. A DNA amplifying apparatus comprising a heating control means for controlling.

【0052】この装置では、試料の投入から、DNAを
増幅し、増幅したDNAを検出するまで全て電気的な動
作で行なうことが可能であり、装置を非常に小型にする
ことができ、また低コスト化も可能である。さらに、機
械的な部材を必要としないことから全自動化も容易であ
る。
In this device, everything from the sample injection to the amplification of the DNA and the detection of the amplified DNA can be carried out by electric operation, and the device can be made very small and low in size. Cost reduction is also possible. Further, since no mechanical member is required, full automation is easy.

【0053】また、この発明は以下の態様をも含むもの
である。
The present invention also includes the following aspects.

【0054】(4)図3および4に対応 前記(1)の装置において、反応セルの底面に少なくと
も1つの温度検出手段を有するDNA増幅装置。
(4) Corresponding to FIGS. 3 and 4 In the apparatus of (1) above, a DNA amplification apparatus having at least one temperature detecting means on the bottom surface of the reaction cell.

【0055】この装置では、反応セルの底面に設けられ
た少なくとも1つの温度検出手段が反応溶液の温度を直
接測定する。したがって、加熱手段によって加熱される
反応溶液の温度をより精密に制御することができる。
In this apparatus, at least one temperature detecting means provided on the bottom surface of the reaction cell directly measures the temperature of the reaction solution. Therefore, the temperature of the reaction solution heated by the heating means can be controlled more precisely.

【0056】(5)図5および6に対応 前記(1)の装置において、反応セルの底面に少なくと
も1つの突起を有するDNA増幅装置。
(5) Corresponding to FIGS. 5 and 6 The DNA amplifying device according to (1) above, which has at least one protrusion on the bottom surface of the reaction cell.

【0057】この装置では、反応セルの底面に少なくと
も1つの突起を設けることにより、反応セル中の反応溶
液がセル底面と接する面積を拡大している。その結果、
加熱手段から生じた熱をより効率的に反応溶液に伝える
ことができ、反応溶液をより迅速に加熱もしくは冷却す
ることが可能である。
In this apparatus, by providing at least one protrusion on the bottom surface of the reaction cell, the area where the reaction solution in the reaction cell contacts the bottom surface of the cell is enlarged. as a result,
The heat generated from the heating means can be transferred to the reaction solution more efficiently, and the reaction solution can be heated or cooled more quickly.

【0058】(6)図7および8に対応 前記(1)の装置において、反応セル底面の断面形状が
鋸刃状もしくは波状であるDNA増幅装置。
(6) Corresponding to FIGS. 7 and 8 The DNA amplifying device according to (1) above, wherein the bottom surface of the reaction cell has a saw-toothed or wavy cross section.

【0059】この装置も、上記(5)の装置と同様に、
反応セル底面の断面形状を鋸刃状もしくは波状とするこ
とにより、反応セル中の反応溶液がセル底面と接する面
積をより拡大している。したがって、加熱手段から生じ
た熱をより効率的に反応溶液に伝えることができ、反応
溶液をより迅速に加熱もしくは冷却することが可能であ
る。
This device is also similar to the device of (5) above.
By making the cross-sectional shape of the bottom surface of the reaction cell into a saw-tooth shape or a wavy shape, the area where the reaction solution in the reaction cell contacts the bottom surface of the cell is further expanded. Therefore, the heat generated from the heating means can be more efficiently transferred to the reaction solution, and the reaction solution can be heated or cooled more quickly.

【0060】(7)図9および10に対応 前記(1)の装置において、反応セルの底面に1つもし
くはそれ以上の突起が反応溶液の流れ方向に対して斜め
に配置されたDNA増幅装置。
(7) Corresponding to FIGS. 9 and 10 In the apparatus of (1), one or more protrusions are arranged on the bottom surface of the reaction cell at an angle to the flow direction of the reaction solution.

【0061】この装置では、反応セルに流入する反応溶
液がセル底面に設けられた突起の抵抗を受けて反応セル
内で撹拌される。その結果、各成分が反応溶液中で均一
に分散し、DNA増幅反応が均一に生じる。また、反応
セルから反応溶液を流出させる際にもやはり突起により
反応溶液が撹拌され、次の精製、分析工程をむらのない
状態で行なうことができる。さらに、前記(5)および
(6)の装置と同様に、反応セル底面に設けられた突起
は、反応セル中の反応溶液がセル底面と接する面積を拡
大する作用をする。したがって、加熱手段から生じた熱
をより効率的に反応溶液に伝えることができ、反応溶液
をより迅速に加熱もしくは冷却することが可能である。
In this apparatus, the reaction solution flowing into the reaction cell is agitated in the reaction cell due to the resistance of the projections provided on the bottom surface of the cell. As a result, each component is uniformly dispersed in the reaction solution, and the DNA amplification reaction is uniformly generated. Further, when the reaction solution is allowed to flow out from the reaction cell, the reaction solution is still stirred by the protrusions, so that the subsequent purification and analysis steps can be carried out evenly. Further, similarly to the devices (5) and (6), the protrusions provided on the bottom surface of the reaction cell act to increase the area where the reaction solution in the reaction cell contacts the bottom surface of the cell. Therefore, the heat generated from the heating means can be more efficiently transferred to the reaction solution, and the reaction solution can be heated or cooled more quickly.

【0062】(8)図11ないし19に対応 無機もしくは有機基板上に設けられた流路、該流路に設
けられた2つの弁および該2つの弁の間の流路の底面に
設けられた2つの電極を具備するDNA増幅装置。
(8) Corresponding to FIGS. 11 to 19 A channel provided on an inorganic or organic substrate, two valves provided in the channel, and a bottom surface of the channel between the two valves. A DNA amplification device having two electrodes.

【0063】この装置は、流路底面に設けられた2つの
電極に電圧を印加することにより、反応溶液中の核酸、
プライマー、耐熱性DNA合成酵素およびデオキシリボ
ヌクレオシド三リン酸のみを移動させる。したがって、
溶液の移動を伴わないために、DNA増幅反応に必要な
熱サイクルにおいて生じる温度勾配の問題が解消され
る。また、溶液の移動を伴わないために、ポンプ等の機
械的作動部材を必要とせず、装置の小型化および低価格
化が可能となる。
In this device, by applying a voltage to the two electrodes provided on the bottom of the flow channel, the nucleic acid in the reaction solution,
Only the primer, thermostable DNA synthase and deoxyribonucleoside triphosphate are transferred. Therefore,
The absence of solution migration eliminates the temperature gradient problem that occurs in the thermal cycling required for DNA amplification reactions. Further, since the solution is not moved, a mechanical actuating member such as a pump is not required, and the device can be downsized and the cost can be reduced.

【0064】(9)図13および14に対応 前記(2)の装置において、少なくとも1つの温度検出
手段が設けられた位置の流路内面に耐熱性DNA合成酵
素が固定化されているDNA増幅装置。
(9) Corresponding to FIGS. 13 and 14 In the device of (2), a DNA amplification device in which a thermostable DNA synthase is immobilized on the inner surface of the flow path at a position where at least one temperature detecting means is provided. .

【0065】耐熱性DNA合成酵素は、その名の通り、
核酸が解離するような温度においてもその活性をある程
度維持することができるが、反応を繰り返す毎に活性が
低下し、これがDNA増幅反応における増幅率の上限を
決定する要因の一つとなっている。この装置では、この
耐熱性DNA合成酵素を、核酸に結合したプライマーを
伸長させる温度領域の流路内壁、例えば流路底面や上面
に固定化している。これにより、増幅反応に支障をきた
すことなく、酵素の劣化を大幅に抑制し、DNA増幅反
応における増幅率を高めることができる。
As the name implies, thermostable DNA synthase
The activity can be maintained to some extent even at a temperature at which the nucleic acid is dissociated, but the activity decreases with each repetition of the reaction, which is one of the factors determining the upper limit of the amplification rate in the DNA amplification reaction. In this device, the thermostable DNA synthase is immobilized on the inner wall of the channel in the temperature region where the primer bound to the nucleic acid is extended, for example, the bottom surface or the upper surface of the channel. This makes it possible to significantly suppress the deterioration of the enzyme and increase the amplification rate in the DNA amplification reaction without affecting the amplification reaction.

【0066】(10)図15および16に対応 前記(2)の装置において、2つ以上の加熱手段を有
し、各々の加熱手段と加熱手段との間に相当する位置
の、無機もしくは有機基板の上面もしくは裏面に、基板
に接して設けられた冷却液流路を具備するDNA増幅装
置。
(10) Corresponding to FIGS. 15 and 16 In the apparatus of (2) above, an inorganic or organic substrate having two or more heating means and at a position corresponding to each heating means is provided. A DNA amplification device having a cooling liquid channel provided on the upper surface or the back surface of the substrate in contact with the substrate.

【0067】この装置では、冷却液流路に冷却液を循環
させることにより、基板上に複数設けられた加熱手段の
各々を熱的に分離することができる。したがって、各加
熱手段によって加熱される流路内のバッファーの温度を
より精密に制御することが可能となる。
In this apparatus, by circulating the cooling liquid in the cooling liquid flow path, each of the plurality of heating means provided on the substrate can be thermally separated. Therefore, it becomes possible to more precisely control the temperature of the buffer in the flow path heated by each heating means.

【0068】(11)図17および18に対応 前記(2)の装置において、2つ以上の加熱手段を有
し、所定の加熱手段と加熱手段との間に相当する位置の
流路に、底面に電極が設けられた貯留セルに連通する分
岐流路が設けられているDNA増幅装置。
(11) Corresponding to FIGS. 17 and 18 In the apparatus of (2) above, there are two or more heating means, and the bottom surface is provided in the flow path at a position corresponding to a predetermined heating means. A DNA amplifying apparatus, wherein a branch flow path communicating with a storage cell having an electrode is provided.

【0069】前述のように、DNA増幅反応における増
幅率の上限を決定する要因の一つは耐熱性DNA合成酵
素の劣化であるが、他の要因としてプライマーの減少も
挙げられる。解離した核酸にプライマーが結合すること
が耐熱性酵素がプライマーの伸長を開始する条件である
が、一度結合したプライマーはそのまま増幅した核酸の
一部となるため、増幅反応を繰り返す毎にプライマーは
消費されていく。したがって、プライマーが完全に消費
された時点で増幅反応は終了する。
As described above, one of the factors that determines the upper limit of the amplification rate in the DNA amplification reaction is the deterioration of the thermostable DNA synthase, but the other factor is the decrease of the primer. Binding of the primer to the dissociated nucleic acid is a condition for the thermostable enzyme to start the extension of the primer, but since the primer once bound becomes a part of the amplified nucleic acid as it is, the primer is consumed each time the amplification reaction is repeated. Will be done. Therefore, the amplification reaction ends when the primer is completely consumed.

【0070】この装置では、予め貯留セルにプライマー
を貯留することにより、増幅反応の途中であってもプラ
イマーを追加供給することが可能であり、DNA増幅反
応における増幅率を高めることができる。貯留セルから
流路へのプライマーの供給は、貯留セルの底面に設けら
れた電極を用いて電気的に行なうことができる。
In this apparatus, by storing the primer in the storage cell in advance, the primer can be additionally supplied even during the amplification reaction, and the amplification rate in the DNA amplification reaction can be increased. The supply of the primer from the storage cell to the flow channel can be performed electrically using the electrode provided on the bottom surface of the storage cell.

【0071】さらに、この装置では、プライマーだけで
はなく、4種類のデオキシリボヌクレオシド三リン酸を
貯留セルに貯留してもよい。この場合には、デオキシリ
ボヌクレオシド三リン酸が不足することも回避すること
ができる。
Further, in this apparatus, not only the primer but also four kinds of deoxyribonucleoside triphosphates may be stored in the storage cell. In this case, deoxyribonucleoside triphosphate deficiency can also be avoided.

【0072】(12)図19に対応 前記(2)、(8)、(9)、(10)または(11)の装
置のいずれかを1ユニットとするユニットを少なくとも
3つ有し、1つのユニットの下流側に他のユニットが分
岐を有する流路によって連結されているDNA増幅装
置。
(12) Corresponding to FIG. 19 At least three units each having any one of the devices (2), (8), (9), (10) or (11) as one unit are provided and one unit is provided. A DNA amplification device in which another unit is connected to a downstream side of the unit by a flow path having a branch.

【0073】DNA増幅反応における増幅率の上限を決
定する要因としては、前述の耐熱性酵素の劣化およびプ
ライマーの減少の他に、増幅反応の結果生じるDNAの
濃度上昇も挙げることができる。DNAの濃度が上昇す
ると、解離した核酸とプライマーが結合するときに核酸
同士が結合する可能性が高くなる。核酸がプライマーと
結合する反応と核酸同士が結合する反応とは競合するの
で、核酸濃度に対するプライマー濃度を高めることによ
り相対的に核酸同士が結合する確率は低くなる。しか
し、流路の容量は一定なので、プライマーの濃度を高め
ることにより核酸同士の再結合を抑制するのには限りが
ある。
Factors that determine the upper limit of the amplification rate in the DNA amplification reaction include not only the deterioration of the thermostable enzyme and the decrease of the primer described above, but also the increase of the DNA concentration resulting from the amplification reaction. As the concentration of DNA increases, the possibility that nucleic acids will bind to each other when the dissociated nucleic acid binds to the primer increases. Since the reaction in which the nucleic acid binds to the primer competes with the reaction in which the nucleic acid binds to each other, increasing the primer concentration relative to the nucleic acid concentration relatively decreases the probability that the nucleic acid binds to each other. However, since the volume of the channel is constant, there is a limit to suppressing the recombination of nucleic acids by increasing the concentration of the primer.

【0074】この装置は、単体でDNA増幅反応を行な
うことが可能な3つ以上のユニットを有し、1つのユニ
ットの下流側に、分岐した流路を介して、他のユニット
が連結されている。この装置では、まず、上流側のユニ
ットにおいて所定の回数DNA増幅反応を繰り返した
後、各ユニットの弁を開放し、上流側のユニットにおい
て増幅した核酸を下流側のユニットに電気的に移動させ
る。この際、流路の分岐点において核酸はほぼ等分に分
割されて下流側のユニットに導入される。例えば、下流
側のユニットの数が2つである場合には、各ユニットに
導入される核酸の濃度は、上流側のユニットにおける核
酸の最終濃度のほぼ半分である。したがって、核酸とプ
ライマーとが結合する際に核酸同士が結合する確率が低
くなり、DNA増幅反応を効率的に行なうことができ
る。
This device has three or more units capable of carrying out a DNA amplification reaction by itself, and another unit is connected downstream of one unit through a branched flow path. There is. In this apparatus, first, the DNA amplification reaction is repeated a predetermined number of times in the upstream unit, then the valve of each unit is opened, and the nucleic acid amplified in the upstream unit is electrically transferred to the downstream unit. At this time, the nucleic acid is divided into approximately equal parts at the branch point of the flow path and introduced into the downstream unit. For example, when the number of units on the downstream side is two, the concentration of the nucleic acid introduced into each unit is about half the final concentration of the nucleic acid on the unit on the upstream side. Therefore, when the nucleic acid and the primer are bound to each other, the probability that the nucleic acids are bound to each other is reduced, and the DNA amplification reaction can be efficiently performed.

【0075】この装置では、1つのユニットの下流側で
の流路の分岐数は2つ以上であればよく、特に制限はな
い。また、分岐したユニットの後でさらに流路を分岐し
て複数のユニットを設けて多段階の反応を行なうことも
可能であり、その段階数にも制限はない。
In this device, the number of branches of the flow path on the downstream side of one unit may be two or more, and there is no particular limitation. Further, it is possible to further branch the flow path after the branched unit to provide a plurality of units to carry out a multi-step reaction, and the number of steps is not limited.

【0076】(13)前記(3)の装置において、第1の
分岐流路と試料投入口との間の流路にゲル状化合物を充
填する代わりに、径が 150μm以下の流路を設けたDN
A増幅装置。
(13) In the apparatus of (3) above, instead of filling the gel compound in the channel between the first branch channel and the sample inlet, a channel having a diameter of 150 μm or less is provided. DN
A amplification device.

【0077】前記(3)の装置においては、試料投入口
から投入された試料から不純物を除去するために、アフ
ィニティを利用したキャピラリ電気泳動を利用してい
る。キャピラリ電気泳動には、このアフィニティを利用
するものの他に、毛管内の電気親和力を利用するものが
ある。この装置は、流路の径を 150μm以下とすること
により、この電気親和力を利用したキャピラリ電気泳動
を利用して不純物の分離を行なう。したがって、ゲル状
化合物のような担体は不要であり、装置構成をより単純
化し、コストをさらに低くすることができる。
In the device (3), capillary electrophoresis using affinity is used to remove impurities from the sample introduced from the sample inlet. Capillary electrophoresis includes one that utilizes this affinity as well as one that utilizes the electroaffinity in the capillaries. In this device, the diameter of the channel is set to 150 μm or less, and the impurities are separated by using the capillary electrophoresis utilizing this electric affinity. Therefore, a carrier such as a gel-like compound is not necessary, which makes it possible to simplify the device structure and further reduce the cost.

【0078】[0078]

【発明の効果】以上のように、この発明による第1のD
NA増幅装置は、反応セルをプレーナ状とすることによ
り反応溶液をより迅速に加熱および冷却することが可能
であり、DNA増幅反応に必要な熱サイクルで問題とな
る、反応溶液中に生じる温度勾配を小さくすることがで
きる。また、加熱手段を設ける部位および加熱手段の材
質を適当に選択することにより、さらに迅速に加熱およ
び冷却を行なうことも可能である。
As described above, the first D according to the present invention is used.
The NA amplification device can heat and cool the reaction solution more quickly by forming the reaction cell into a planar shape, which causes a temperature gradient generated in the reaction solution, which is a problem in the thermal cycle necessary for the DNA amplification reaction. Can be made smaller. Further, it is possible to perform heating and cooling more promptly by appropriately selecting the portion where the heating means is provided and the material of the heating means.

【0079】また、この発明による第2のDNA増幅装
置は、流路内に満たされた反応溶液に電圧を印加し、反
応溶液中の核酸、耐熱性DNA合成酵素、プライマーお
よびデオキシリボヌクレオシド三リン酸のみを所定の温
度に維持された複数の領域の間で移動させてDNAの増
幅反応を行なう。このため、最も熱容量の大きい溶媒を
加熱、冷却する必要がなく、熱サイクルの際に生じる温
度勾配の問題を解消することができる。また、電気的な
手段で溶液中の成分のみを移動させ、溶液の移動を伴わ
ないため、ポンプ等の機械的な作動部材が不要であり、
装置の小型化および低価格化が可能となる。
Further, the second DNA amplification apparatus according to the present invention applies a voltage to the reaction solution filled in the flow channel, so that the nucleic acid, the thermostable DNA synthase, the primer and the deoxyribonucleoside triphosphate in the reaction solution are applied. Only the DNA is moved between a plurality of regions maintained at a predetermined temperature to carry out a DNA amplification reaction. Therefore, it is not necessary to heat and cool the solvent having the largest heat capacity, and the problem of temperature gradient that occurs during the heat cycle can be solved. Moreover, since only the components in the solution are moved by an electric means and the solution is not moved, a mechanical actuating member such as a pump is unnecessary,
It is possible to reduce the size and cost of the device.

【0080】さらに、この発明による第3のDNA装置
では、試料の投入から、DNAを増幅し、増幅したDN
Aを検出するまで全て電気的な動作で行なうことが可能
であり、装置を非常に小型にすることができ、また低コ
スト化も可能である。さらに、機械的な部材を必要とし
ないことから全自動化も容易である。
Furthermore, in the third DNA device according to the present invention, the DNA is amplified from the input of the sample, and the amplified DN is obtained.
It is possible to perform all of the operations by electric operation until A is detected, the device can be made extremely small, and the cost can be reduced. Further, since no mechanical member is required, full automation is easy.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】この発明による第1のDAN増幅装置の一具体
例の平面図。
FIG. 1 is a plan view of a specific example of a first DAN amplifier according to the present invention.

【図2】図1に示す装置のA−A線断面図。FIG. 2 is a sectional view taken along line AA of the device shown in FIG.

【図3】この発明による第1のDNA増幅装置の別の具
体例の平面図。
FIG. 3 is a plan view of another specific example of the first DNA amplification device according to the present invention.

【図4】図3に示す装置のB−B線断面図。4 is a cross-sectional view taken along the line BB of the device shown in FIG.

【図5】この発明による第1のDNA増幅装置のさらに
別の具体例の平面図。
FIG. 5 is a plan view of yet another specific example of the first DNA amplification device according to the present invention.

【図6】図5に示す装置のC−C線断面図。6 is a cross-sectional view taken along the line CC of the apparatus shown in FIG.

【図7】この発明による第1のDNA増幅装置のさらに
別の具体例の平面図。
FIG. 7 is a plan view of yet another specific example of the first DNA amplification device according to the present invention.

【図8】図7に示す装置のD−D線断面図。8 is a cross-sectional view taken along line DD of the device shown in FIG.

【図9】この発明による第1のDNA増幅装置のさらに
別の具体例の平面図。
FIG. 9 is a plan view of yet another specific example of the first DNA amplification device according to the present invention.

【図10】図9に示す装置のE−E線断面図。10 is a sectional view taken along line EE of the device shown in FIG.

【図11】この発明による第2のDNA増幅装置の一具
体例の平面図。
FIG. 11 is a plan view of a specific example of the second DNA amplification device according to the present invention.

【図12】図11に示す装置のF−F線断面図。12 is a cross-sectional view of the device shown in FIG. 11 taken along the line FF.

【図13】この発明による第2のDNA増幅装置の別の
具体例の平面図。
FIG. 13 is a plan view of another specific example of the second DNA amplification device according to the present invention.

【図14】図13に示す装置のG−G線断面図。14 is a sectional view taken along line GG of the device shown in FIG.

【図15】この発明による第2のDNA増幅装置のさら
に別の具体例の平面図。
FIG. 15 is a plan view of yet another specific example of the second DNA amplification device according to the present invention.

【図16】図15に示す装置のH−H線断面図。16 is a cross-sectional view taken along line HH of the device shown in FIG.

【図17】この発明による第2のDNA増幅装置のさら
に別の具体例の平面図。
FIG. 17 is a plan view of yet another specific example of the second DNA amplification device according to the present invention.

【図18】図17に示す装置のI−I線断面図。FIG. 18 is a cross-sectional view taken along the line II of the device shown in FIG.

【図19】図11ないし図18に示す装置のいずれかを1ユ
ニットとする複数のユニットを、1つのユニットの下流
に、分岐した流路を介して連結してなる装置の平面図。
FIG. 19 is a plan view of a device in which a plurality of units, each of which is one of the devices shown in FIGS. 11 to 18, is connected downstream of one unit through a branched flow path.

【図20】この発明による第3のDNA増幅装置の一具
体例の平面図。
FIG. 20 is a plan view of a specific example of the third DNA amplification device according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101、1101、2001…無機もしくは有機基板、 102、 701
…反応セル、 103、 104、1102、2002…流路、 105、11
03…透明基板、 106、 107、1104、1105、1905、1906、
1907、2003、2004、2023…弁、 108、1106、1107、110
8、1908、2005、2006、2007…加熱手段、 301、 302、1
112、1113、1114、2011、2012、2013…温度検出手段、
501、 901…突起、1109、1110、1111、2008、2009、201
0…発熱体制御手段、1115、1116、1701、1909、1910、1
911、1912、2015、2016、2017、2020、2024、2027…電
極、1117、2029…電圧制御手段、1301、2014…耐熱性D
NA合成酵素、1501…冷却液流路、1702、2018…貯留セ
ル、1703、1904、2019、2026…分岐流路、1901、1902、
1903…ユニット、2021…試料投入口、2022…ゲル状化合
物、2025…不純物セル、2028…DNA検出手段。
101, 1101, 2001 ... Inorganic or organic substrate, 102, 701
… Reaction cells, 103, 104, 1102, 2002… Flow paths, 105, 11
03 ... Transparent substrate, 106, 107, 1104, 1105, 1905, 1906,
1907, 2003, 2004, 2023 ... Valve, 108, 1106, 1107, 110
8, 1908, 2005, 2006, 2007 ... Heating means, 301, 302, 1
112, 1113, 1114, 2011, 2012, 2013 ... Temperature detecting means,
501, 901 ... Protrusion, 1109, 1110, 1111, 2008, 2009, 201
0 ... Heating element control means, 1115, 1116, 1701, 1909, 1910, 1
911, 1912, 2015, 2016, 2017, 2020, 2024, 2027 ... Electrode, 1117, 2029 ... Voltage control means, 1301, 2014 ... Heat resistance D
NA synthase, 1501 ... Coolant flow channel, 1702, 2018 ... Storage cell, 1703, 1904, 2019, 2026 ... Branch flow channel, 1901, 1902,
1903 ... Unit, 2021 ... Sample input port, 2022 ... Gel compound, 2025 ... Impurity cell, 2028 ... DNA detection means.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 無機もしくは有機基板上に形成されたプ
レーナ状の反応セルと、該反応セルに連通する2つの流
路と、該流路の各々に前記反応セルを挟んで設けられた
2つ弁と、少なくとも前記反応セルの底面もしくは前記
基板の反応セルが形成された面の裏面のいずれか一方に
設けられた加熱手段とを具備するDNA増幅装置。
1. A planar reaction cell formed on an inorganic or organic substrate, two channels communicating with the reaction cell, and two channels provided in each of the channels sandwiching the reaction cell. A DNA amplification apparatus comprising a valve and at least one heating means provided on the bottom surface of the reaction cell or the back surface of the substrate on which the reaction cell is formed.
【請求項2】 無機もしくは有機基板上に設けられた流
路、該流路に設けられた2つの弁、該2つの弁の間の流
路の底面に設けられた2つの電極、該2つの電極の間の
流路の底面に設けられた少なくとも1つの温度検出手
段、該少なくとも1つの温度検出手段の各々の近傍の流
路底面もしくは前記基板の流路が設けられている面の裏
面の少なくともいずれか一方に、前記温度検出手段の各
々と対をなして設けられた加熱手段、前記2つの電極に
印加される電圧を制御する電圧制御手段、および前記温
度検出手段からの情報に基づいて前記加熱手段を制御す
る加熱制御手段を具備するDNA増幅装置。
2. A channel provided on an inorganic or organic substrate, two valves provided on the channel, two electrodes provided on the bottom surface of the channel between the two valves, and two electrodes At least one temperature detection means provided on the bottom surface of the flow path between the electrodes, at least the bottom surface of the flow path near each of the at least one temperature detection means, or at least the back surface of the surface of the substrate on which the flow path is provided. Either one of the heating means is provided in pair with each of the temperature detecting means, the voltage controlling means for controlling the voltage applied to the two electrodes, and the information based on the information from the temperature detecting means. A DNA amplification device comprising heating control means for controlling heating means.
【請求項3】 無機もしくは有機基板上に設けられた流
路、該流路の底面に設けられた第1ないし第4の電極、
第1の電極と第2の電極との間に設けられた第1の弁、
第1の電極と第1の弁との間に設けられた試料投入口、
該試料投入口と第1の弁との間に位置し、底面に第5の
電極を有する不純物導入セルに連通する第1の分岐流
路、該第1の分岐流路と前記試料投入口との間の流路内
に設けられたゲル状化合物、第1の弁と第2の電極との
間に位置し、底面に第6の電極を有する貯留セルに連通
する第2の分岐流路、第2の電極と第3の電極との間の
流路底面に設けられた少なくとも1つの温度検出手段、
該少なくとも1つの温度検出手段の各々の近傍の流路底
面もしくは前記基板の流路が設けられている面の裏面の
少なくともいずれか一方に、前記温度検出手段の各々と
対をなして設けられた加熱手段、第3の電極と第4の電
極との間に設けられたDNA検出手段、該DNA検出手
段と第4の電極との間に設けられた第2の弁、前記第1
ないし第6の電極に印加される電圧を制御する電圧制御
手段、および前記温度検出手段からの情報に基づいて前
記加熱手段を制御する加熱制御手段を具備するDNA増
幅装置。
3. A flow channel provided on an inorganic or organic substrate, first to fourth electrodes provided on the bottom surface of the flow channel,
A first valve provided between the first electrode and the second electrode,
A sample inlet provided between the first electrode and the first valve,
A first branch flow channel located between the sample input port and the first valve and communicating with an impurity introduction cell having a fifth electrode on the bottom surface, the first branch flow channel and the sample input port. A gel-like compound provided in the flow passage between the first valve and the second electrode, the second branch flow passage communicating with the storage cell having the sixth electrode on the bottom surface, At least one temperature detecting means provided on the bottom surface of the flow path between the second electrode and the third electrode,
At least one of the bottom surface of the flow path near each of the at least one temperature detection means or the back surface of the surface of the substrate on which the flow path is provided is provided in pair with each of the temperature detection means. Heating means, DNA detection means provided between the third electrode and the fourth electrode, second valve provided between the DNA detection means and the fourth electrode, the first
To a voltage control means for controlling the voltage applied to the sixth electrode, and a heating control means for controlling the heating means based on the information from the temperature detecting means.
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