JPWO2014119497A1 - 生化学用カートリッジ、生化学用カートリッジ及びカートリッジホルダのセット - Google Patents

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Abstract

外気と密閉されたカートリッジを用いて、カートリッジ内の流体と非接触の状態で送液を行う。これにより、空気中を浮遊するDNAとのコンタミを防止しつつ、試薬の混合、攪拌、精製、反応等を行えるようにする。さらにカートリッジの構造を簡略化し、カートリッジ自身の原価を抑える。外気と密閉されたカートリッジ1内部は、送液する試薬の部屋と、送液先の部屋があり、底面には弾性体であるメンブレン51を貼り付ける。カートリッジ本体51には流路となる溝等は形成されておらず、流路となる部分にメンブレン51の接合は行わない。通常状態では流路は形成されないが、接合されてない部分のメンブレン51を空気圧で変形させることで流路を形成し、内部の流体を動かす。各部屋の入り口には弁機能を持たせ、流路の変形と合わせて任意の方向に内部の流体を動かす。

Description

本発明は、生化学反応により生体物質を抽出し、必要に応じて合成し分析するために用いる生化学用カートリッジ、生化学用カートリッジ及びカートリッジホルダのセットに関する。
例えば、遺伝子の解析を行うためには、生物等から取得したサンプル(検体或いは試料とも称される)に対してDNAやRNAといった核酸の抽出、増幅などの様々な生化学的な処理や反応が必要である。これらの処理や反応には、いくつかの試薬をサンプルに精度良く混合する必要がある。このようにサンプルに種々の試薬を投入して各種の生化学処理を行う場合には、各種処理用のセルに試薬を搬送することが求められる。
試薬を混合させる方法として、特許文献１に記載のように、自動分析装置等では分注ロボットによるピペット方式がよく使われる。分注ロボットとは、装置の一定範囲内で分注機構を2次元、もしくは3次元的に駆動させ、分注機構の先端に付いたノズルやチップ等で液体の吸引・吐出を自動で行うユニットである。
一方で、遺伝子解析分野では、PCR反応（ポリメラーゼ連鎖反応 Polymerase Chain Reaction）という、DNAを増幅させる工程がある。遺伝子解析分野では、検出器が検出できる程度まで、テンプレートとなるDNAを、PCR反応で増幅させる必要があり、非常に有効な方法として知られている。
DNAやRNAを扱う場合、対象としないDNAやRNAの混入(以下コンタミネーションとする)を防ぐ必要がある。PCRは、微量（一分子）のDNAを鋳型として増幅する可能性がある。そこで、特に低分子のクローンDNAや、PCRで増幅したDNA断片（PCR産物）がコンタミネーションしてテンプレートになることを防ぐ必要がある。そのため、抽出など標的となるDNAを取り扱う部屋と、PCRを行う部屋を別々にし、サンプルの入ったチューブを介してサンプルを搬送することにより空気中に浮遊したDNAが入らないように、PCR反応はクリーンベンチ下で作業を行う必要がある。
特許文献1による分注ロボットを用いたピペット方式の場合、ノズルの洗浄やチップの使い捨て等を行ってコンタミを防止する。しかしながら、ノズルやチップは空気中を移動するため、空気中に浮遊したDNAに対してのコンタミネーションを防止することは非常に困難である。このため、DNAを取り扱う部屋とPCRを行う部屋を分け、さらにクリーンベンチ下で作業を行い、コンタミネーションの可能性を限りなく低くしている。
近年、マイクロデバイスを用いた微小空間内で、サンプルと試薬とを反応させて、生体物質の抽出、精製、増幅、分析の一連の処理を行う研究が進められている。マイクロデバイスは、遺伝子解析等の幅広い用途に応用できる。マイクロデバイスを用いることで、通常の装置と比べてサンプル及び試薬の消費量が少ない、様々な試薬をセットする場合と比べて持ち運びが簡単、使い捨てが出来る等の利点がある。また、小さなデバイス内で反応が密閉空間内で完結されているため、先にあげたコンタミの問題に対処しやすいと考えられている。特許文献2では、マイクロデバイスの応用例として、前処理チップを用いてDNAを抽出する技術を提案している。
特開昭63-315956号公報 特開2007-330179号公報
マイクロデバイス内で微量の試薬とサンプルを混合し、化学反応や分析を行うためには、マイクロデバイス内での試薬やサンプルなどの流体の量的制御が重要となる。適切なタイミングで試薬及びサンプルを適切な量だけ送液しなければ、化学反応や分析が思い通りにいかないためである。そのため、送液する流体の流量、流速、流体圧力等を適切に制御する必要がある。
マイクロデバイス内の送液方式として、遠心方式や、空気圧を直接流路に封入する方式がある。両方式共に、外気と遮断した状態で送液することが困難なため、空気中を浮遊するDNAとのコンタミの懸念が残る。また、流体の流量、送液時間を管理することが困難である。
本発明は、上記の課題を解決して外気と遮断された状態で且つ試薬などの液体の流量制御を簡易に行い得る使い捨てタイプの生化学用カートリッジ及びそれを用いた生化学処理装置を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明は特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
具体的一例として、(1)本発明に係る生化学用カートリッジは、送液する試薬を封入する送液もとの部屋と、前記試薬の送液先の部屋とを備え、これらの部屋がカートリッジ本体に密閉されて設けられており、前記カートリッジ本体の底面には、弾性体からなるメンブレンが貼り付けられ、メンブレンは各部屋間の送液通路となる部分は接合されず、接合されていない部分のメンブレンを変形させた時に初めて送液通路が形成され、且つ外部から与えられる圧力の変化により往復動作して送液通路の容積を変化させるポンプ機能として構成されている。
詳細な一例をあげれば、上記生化学用カートリッジは、液体試料を封入する部屋と、試薬を封入する部屋と、液体試料と試薬とを混合した混合液から標的となる生体物質を抽出・精製・増幅・変性・分析するための一連の処理が順次行われる複数の部屋を備える。これらの部屋は、カートリッジ本体に密閉されて設けられる。カートリッジ本体の底面には、弾性体からなるメンブレンが貼り付けられる。このメンブレンは、各部屋間の送液通路となる部分は接合されておらず、接合されていない部分のメンブレンを変形させた時に初めて送液通路が形成させ、且つ外部から与えられる圧力の変化により往復動作して送液通路の容積を変化させるポンプ機能として構成されている。
具体的一例として、(2)本発明に係る生化学処理装置は、前記生化学処理用カートリッジに加えて、次のような構成要素、すなわち、前記カートリッジを保持し、前記メンブレンを前記ポンプ機構として作動させるための空気圧を与える空気圧印加部を有するカートリッジホルダと、空気圧源と接続されて前記カートリッジホルダへの前記空気圧の供給、排気を制御する空気給排機構と、を有する。
上記(1)における生化学用カートリッジによれば、密閉された空間内で、試薬やサンプル等との非接触送液が可能となり且つ生化学処理が出来るため、コンタミネーションの防止が可能となる。
上記(2)における生化学処理装置によれば、上記カートリッジの各部屋の送液口の開閉を行う弁機能の駆動用空気給排機構、及びカートリッジの送液ポンプ(メンブレン)を作動させるための空気圧印加部をカートリッジホルダ側に持たせることで、カートリッジの小型化及びコスト低減を図ることができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
課題を解決するためのユニット構成図 カートリッジの全体概要を示す平面図 空気圧制御システムの構成図 三方弁の通常時と通電時の方向制御図 カートリッジのA-A断面図 カートリッジホルダのA-A断面図 カートリッジをカートリッジホルダにセットした時のA-A断面図 流路のB-B断面図 送液精度向上のための流路形状の一例 本発明を行うための一連の動き 本発明を行うための一連の動き 本発明を行うための一連の動き 本発明を行うための一連の動き 本発明を行うための一連の動き 本発明を行うための一連の動き 本発明を行うための一連の動き 本発明を行うための一連の動き 本発明を行うための一連の動き 本発明を行うための一連の動き 本発明を行うための一連の動き 微量試薬封入部の断面図
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら一実施例を用いて説明する。
図1に示される本発明の一実施例に係る生化学処理装置は、核酸の抽出増幅の一例として、DNAの抽出から増幅までの一連の処理を行う装置を例示している。生化学処理装置は、密閉状態で上記一連の処理を実行する生化学用カートリッジ1、上記カートリッジ1を支持し且つカートリッジ1の送液通路の開閉やカートリッジ1にポンプ動作を行わせるための空気圧印加部を有するカートリッジホルダ2と、エアーポンプ(空気圧源)30と接続されてカートリッジホルダ2への空気圧の供給、排気、吸引を制御する空気圧制御システム3と、の3つのユニットからなる。
まず、図2を参照しながらカートリッジ1の一例の全体概要を説明する。図2は、カートリッジ1の概略を平面図により示している。
カートリッジ1は、カートリッジ1内での処理が正しくされたかどうかを判断するためのコントロールレーン25-a・25-bと、採取した生体物質を含む試料(以下、サンプルと称す)を解析するサンプル解析レーン26と、解析する範囲の基準を設定するための基準レーン27の4レーンからなる。
カートリッジ1は、サンプルを採取するスワブ5を直接封入するスワブ封入部屋6と、各試薬を封入する試薬封入部屋(例えば核酸抽出用の溶解液を封入する溶解液封入部屋7、PCR増幅用試薬を封入する増幅用試薬封入部屋8-a・8-b、増幅後に変性させるための試薬を封入しておく変性試薬封入部屋9)と、2種類の増幅用試薬を混合して分岐させて送液するための分岐中継部屋10と、変性試薬と混合させるための変性試薬混合部屋11と、PCR・変性のために温調を行うための温調部屋12、処理が終わってキャピラリと接続させて電気泳動を行うためのキャピラリ接続部屋13を有し、それらを繋ぐ一送液流路14、分岐送液流路15、さらに微量試薬を流路内に封入しておき、送液と同時に微量試薬を混合させるための微量試薬封入部16と、を備える。それぞれの流路14・15は、対応する部屋に設けた送液口が弁機能(後述する)により開き、且つ空気圧制御システム3により吸引が行われたときに液体が流通することが可能となり、この流通に、ポンプ機能(後述する)が使用される。以下説明において、それぞれの流路14・15が関連工程において流体を通すが、液体を通しているときは、該当の流路が弁機構により開かれた状態であり、それ以外の流路は弁機能により閉ざされている。
本実施例では、スワブ封入部屋6は、溶解液封入部屋7から一送液流路14を介して溶解液を導入して攪拌(後述する)・抽出を行う部屋を兼ねる。また、増幅試薬封入部屋8-a・8-bは、一送液流路14を介して増幅試薬を導入し、2液の攪拌する部屋を兼ねる。さらに、分岐中継部屋10は、PCR後の試薬を定量するため、不要分の試薬を廃棄するための試薬排気部屋も兼ねる。これらの部屋はそれぞれ別々に設けてもよい。
以下、本カートリッジ1上における処理の流れの一例を説明する。まず、サンプルを採取したスワブ5をスワブ封入部屋6に封入し、密閉する。スワブ封入部屋6に溶解液封入部屋7より溶解液が送液され、攪拌を行い、サンプルから核酸抽出を行う。攪拌は、スワブ封入部屋6と一送液流路14とを溶解液を行ったり来たりさせることで行う。溶解液送液の後に空気を送液し、バブリングさせてもよい。その後、抽出液を溶解液封入部屋7に全量送液し、そこから変性試薬封入部屋9に一定量送液する。その間、増幅試薬封入部屋8-aの試薬を増幅試薬封入部屋8-bに送液し、同じく攪拌する。そこから分岐送液流路15にて分岐中継部屋10に送液し、そこからさらに変性試薬混合部屋11に送液する。その際、コントロールレーン25-a・25-bに送液する際には、微量試薬封入部16より微量試薬も合わせて送液する。コントロールレーン25-a・25-b、サンプル解析レーン11の変性試薬混合部屋でそれぞれ攪拌を行い、温調部屋12に全量送液し、温調部屋12にてPCRを行う。PCR後、変性試薬混合部屋11にPCR溶液全量を戻し、さらに一定量を分岐中継部屋10に廃棄する。これにより、PCR溶液の一部のみを変性試薬混合部屋11に残す。そこに変性試薬封入部屋9から変性試薬を送液し、変性試薬混合部屋11にてPCR溶液と混合させる。その後、再度温調部屋12に送液し変性を行い、最後に変性後の溶液をキャピラリ接続部屋13に送液する。キャピラリ接続部屋13にはキャピラリが接続され(図示省略)、キャピラリ電気泳動によりDNA解析が行われる。
今回、カートリッジ1内で処理を行う際、増幅試薬の混合液を分岐させて送液している。こうすることにより、レーン毎で解析結果が異なった場合、一つの混合液から送液しているため、カートリッジ1内に封入された試薬の劣化や組成の違いが影響していないということを保証することができる。これにより解析結果の信頼性が向上する。
また、PCR後に一度送液している変性試薬混合部屋11に戻り、さらに分岐中継部屋10に余分な溶液を廃棄し、残った溶液と変性試薬を混合するといった手法を用いることとしている。今回の送液方法は、任意の部屋を試薬が行ったり来たりすることができるため、一度送液した部屋、流路を再度使用することが可能となっている。こうすることで、カートリッジ1の小型化を図ることが可能となり、それによりカートリッジ1の取り扱いやすさの向上、原価低減を図ることができる。
ここで、カートリッジ1及びカートリッジホルダ2の構造を、図5〜図9、図21を用いて説明する。
図5は、カートリッジ1のA-A断面図(図2に記載)であり、増幅試薬封入部屋8-a・8-b、分岐中継部屋10の概略を示している。なお、その他の各部屋も類似の態様を示すため、図示を省略する。
図5に示すように、カートリッジ1において、カートリッジ本体50には増幅試薬封入部屋8-a・8-b、分岐中継部屋10が形成されており、カートリッジ本体50の底面にはメンブレン51は貼りつけられている。このメンブレン51は、カートリッジ本体50の底面すべてに貼りつけられているわけではなく、メンブレン貼り付け部53のみに貼りつけられており、一送液流路14、分岐送液流路15となる部分には貼り付けられていない。また、カートリッジ本体において、一送液流路14、分岐送液流路15となる部分には流路となるような溝は形成されていない。つまり、カートリッジ1においては、各部屋を繋ぐ流路となる空間は形成されておらず、非接合状態のメンブレン51が重なった状態となっている。一送液流路14部、分岐送液流路15となる部分のメンブレン51に空気圧で吸引を行い、メンブレン51を膨らませることで初めて流路が形成される。このメンブレン51の往復動作により、送液流路の容積を変化させるポンプ機能として構成されている。今回の、最初は流路が存在しないカートリッジ構造とすることで、カートリッジ1の流路に入り込む空気の量を限りなく少なくすることができる。カートリッジ1に最初から流路が形成されてある場合、流路内の空気の影響により送液精度を悪化させてしまう。例えば、カートリッジ1をカートリッジホルダ2にセットするとき、流路に少しでも力がかかると内部の空気が動き、封入してある試薬が空気を巻き込んでしまう。また、カートリッジ1の取り扱いにも注意が必要となる。しかし、最初は流路が存在しないカートリッジ構造とすることでこれらの問題を解決することが可能となる。
各部屋には弁機構(後述する)により封止することができる開口部54-a〜54-dを有してある。さらに、カートリッジ内にはあらかじめ試薬を封入しておき、封入後に上面からフィルム52を貼り付け、カートリッジ1内を密閉する。
図21では、カートリッジ1内の微量試薬封入部16の断面図を示す。遺伝子解析において必要となる試薬は高価なものが多い。そのため、ランニングコストを抑えるためには使用する試薬の量を減らすことが必要となる。試薬の使用量を抑えようとすると、微量の試薬を保存し、それを精度よく送液する必要が出てくる。これに対し、図21のようにあらかじめ流路に微量試薬を封入しておくことで、送液量の多い試薬を送液すると同時に微量試薬も混合させることが可能となる。これより、微量試薬をハンドリングする必要がなくなる。また、微量試薬を封入している空間の空気量を減らすことが出来るので、結露等による試薬の濃度変化を小さくすることもできる。
カートリッジ1は使い捨てとなるため、量産性に優れた材料にする必要がある。カートリッジ1ではPCR反応を行うため耐熱性があること、試薬を封入して長期間保存するため耐薬品性があること、生化学に対して安定的であること等が求められる。そのため、カートリッジ本体50は、樹脂成型による大量生産も考慮しポリカーボネート樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリオレフィン樹脂が望ましい。メンブレン51は、生化学分野で実績のあるシリコーンゴム、PDMSが望ましい。だが、シリコーン系の場合、試薬保存時などの水蒸気透過による試薬濃度の変化が問題となる。そこで、水蒸気透過の低いEPDMでもよい。これらを化学的、もしくは接着剤や両面テープで貼り合わせて製作する。上面に貼りつけるフィルム52は、試薬保存の観点から、水蒸気透過の低いフィルムである必要がある。また、接合力も強く、作業も簡単である必要があるため、PCR用プレートの上に貼るプレートシールのようなものが好ましい。
図6は、カートリッジホルダ2のA-A断面図(図2に記載)であり、図5のカートリッジ1のA-A断面図に対応するものである。一例として、図5に示した増幅試薬封入部屋8-a・8-b、分岐中継部屋10の開口部54-a〜54-dを開閉する弁機構を行うためのエアシリンダ機構と、メンブレン51の往復動作によりポンプ機能を持たせるための空気圧給排機構を有している。図5では図示されていないが、その他の部屋に対応したエアシリンダ機構、空気圧給排機構をそれぞれ有している。以下、これらのエアシリンダ機構、空気圧給排機構及びカートリッジホルダ2の構成についてについて説明する。
カートリッジホルダ2は、ホルダベース60、ホルダトップ61、ホルダ中板62の3層構造となっており、それらの間にそれぞれガスケット63-a・63-bを介して固定されている。内部には空気圧の変化により駆動するエアシリンダ機構となるピン状のプランジャ64-a〜64-dが内蔵されており、それぞれパッキン65-a・65-bが組み込まれている。また、空気圧を導入しプランジャ64-a〜64-dを上昇させるための上昇空気圧ポート66-a〜66-d、プランジャ64-a〜64-dを降下させるための降下空気圧ポート67-a〜67-dが設けられている。このプランジャ64-a〜64-dを上昇・降下させたときにメンブレン51の一部を弾性変形させて開口部54-a〜54-dを開閉させる。したがって、このエアシリンダ機構により弁機能を持たせることができる。ホルダトップ61には流路となる溝が設けられている。図6では、メンブレン51を変形させたときにできる一送液流路14と、分岐送液流路15を図示している。この他の流路も同様である。先に説明したように、メンブレン51を吸引して変形させたときに初めて流路が形成され、且つポンプ機能を持たせるため、流路負圧ポート69-a・69-bが設けられている。さらに、送液精度を向上させるためにはメンブレンをホルダトップ61、カートリッジ本体50に互いに密着させる必要があるため、流路加圧ポート68-a・68-bも設けられている。これにより、メンブレン51自信の弾性力のみではなく、強制的にメンブレン51を変形させることができるため、変形量を制御できるようになり、送液精度を向上させることが可能となる。これらの流路の淵には、空気圧が漏れないようにするための流路突起70が設けられ、それぞれの流路を区切ることで、駆動させたい流路のみに空気圧を与えることが可能となる。
ホルダベース60、ホルダトップ61、ホルダ中板62はアクリル樹脂が望ましい。送液箇所が増えれば増えるほど、空気圧を与える流路が複雑になる。アクリル樹脂であれば接合が可能なので、複雑な流路にも対応でき、システムをコンパクトにすることができる。送液箇所が増えれば増えるほど、プランジャの数もどんどん増えていく。そのため、プランジャもPPS樹脂などの剛性のある樹脂で成形することで安くすることができる。ただし、成型で作った場合はパーティングラインができるため、そこからの空気のリークには気をつける必要がある。パッキンは空気圧往復運動用のパッキンとし、摺動部分にはグリスも塗布する。グリスも空気圧駆動用のものを選定する。これによりプランジャの摺動抵抗を減らすことができる。
図7は、カートリッジホルダ2にカートリッジ1をセットした時のA-A断面図(図2に記載)である。カートリッジ1側の各部屋の開口部54-a〜54-dと、カートリッジホルダ2側のプランジャ64-a〜64-dの位置が合うようにセットされる。これにより、プランジャ64-a〜64-dをエアシリンダ機構で駆動させることで、各部屋の開口部54-a〜54-dを開閉することが可能となる。
図8は、カートリッジホルダ2にカートリッジ1をセットした時の、B-B断面図(図7に記載)である。ホルダトップ61には、流路の淵に流路突起70を設けてあり、カートリッジ本体50には流路突起は入り込む流路溝71が彫りこんである。今回、この流路溝71に流路突起70を入れ込んでセットすることで流路を作りこむ構造としている。この流路溝71と流路突起70の関係が無いと、カートリッジ本体50とメンブレン51を貼りつけていない領域が直接流路となる。カートリッジ製造工程において、カートリッジ本体50とメンブレン51の貼りつけ寸法を精度よく管理することは困難であるため、流路突起70により淵取りされた領域を流路とすることで、流路の寸法精度を向上させることができる。今回の送液方法は、流路の容量によって送液量が決まるため、流路の寸法精度向上は直接送液精度の向上に繋がることとなる。また、本構造をとることで、カートリッジ本体50とメンブレン51を接合する際に使用する溶剤や接着剤、両面テープといった物質が流路と接することを防ぐことができる。これらの物質は生化学的に不安定なものが多く、さらにはアウトガスを発生させる可能性もある。これらの物質を流路に露出させることを防ぐことで、信頼性向上を図ることができる。さらに、本構造でカートリッジ1をカートリッジホルダ2にセットすると、メンブレン51は少し引っ張られた状態となる。これによりメンブレン51の座屈を防ぎ、メンブレン51をカートリッジ本体50にきれいに密着させることが可能となるため、送液精度の向上が図れる。
さらに精度よく送液するためには、ホルダトップ61に彫りこまれた流路となる溝にメンブレン51をきれいに密着させる必要がある。そのためには、図9の一送液流路14-a、分岐送液流路15-aのように、流路に深さの差を設けることできれいに密着させることが可能となる。深さの差が無いまま流路を吸引した場合、メンブレン51が流路となる溝全体に密着する前に、吸引を行う空気圧ポートを塞いでしまう恐れがある。これに対し、図9のように流路に深さの差を設けておくことで、メンブレン51が流路にきれいに密着させることができ、送液精度のさらなる向上が図れる。流路幅に差を持たせることでも同じことができる。ただし、一方向への送液の時のみ適用可能となり、一度送液した流路を戻る場合は逆に精度が悪くなってしまうため注意が必要である。
これまで説明したカートリッジ1をカートリッジホルダ2にセットし、カートリッジホルダ2に空気圧制御システム3を接続してポンプ機能、弁機能を働かせて送液を行うが、空気圧制御システム3による空気圧の制御を行わなければ送液されない。通常状態ではカートリッジホルダ2の空気圧を与える各ポートはすべて大気解放状態である。
以下、図3により空気圧制御システム3の構成を示す。空気圧の駆動源となるエアーポンプ30が空気の吸引・吐出を行う。吐出された空気は配管を通りフィルタ31、圧力調整弁32を通り分岐管35に接続される。分岐管35から片方は大気解放2方弁33に接続され、その先のサイレンサ34-bにて大気解放となる。もう片方は加圧配管2方弁36を通り、加圧用3方弁マニホールド38-aへと接続される。大気解放2方弁33と加圧配管2方弁36はノーマルクローズとなっており、通常時は流路が閉じており、通電時のみ開放される。加圧用3方弁マニホールド38-aには加圧用3方弁39-aが搭載されており、そこから加圧用スピードコントローラ40-aを介してカートリッジホルダ2へと接続される。加圧用3方弁マニホールド38-aの大気解放部にはサイレンサ34-aが取り付けられる。エアーポンプ30の吸引側は、配管を通り負圧配管3方弁37へと接続される。負圧配管3方弁37の片方は大気解放部41となっており、もう片方は負圧用3方弁マニホールド38-bへと接続される。負圧用3方弁マニホールド38-bには負圧用3方弁39-bが搭載されており、そこから負圧用スピードコントローラ40-bを介してカートリッジホルダ2へ接続される。負圧用3方弁マニホールド38-bの大気解放部には負圧大気解放用スピードコントローラ40-c、サイレンサ34-cが取り付けられる。
エアーポンプ30から吐出された空気がフィルタ31を通ることで、空気に含まれるゴミや埃を取り除く。これにより、配管内への異物混入を防ぐ。また、圧力調整弁32にて、カートリッジホルダ2へ与えられる空気圧を適切な圧力に調整することが可能となる。加圧用3方弁39-a、負圧用3方弁39-bは、それぞれマニホールドに搭載することで、配管の接続を1箇所に纏めることが出来る。仮に3方弁の数が増えても配管の接続は1つで済むため、よりコンパクトに収めることができる。カートリッジホルダ2に接続される配管にはそれぞれスピードコントローラを接続することで、空気の流量を制御することが出来る。今回は空気圧にて送液を行うため、空気圧の流量と送液の流量には密接な関係があるため、非常に重要となる。さらに、負圧用3方弁マニホールド38-bの大気解放部にもスピードコントローラを設けておくことで、メンブレン51に与えている負圧をゆっくり大気圧に戻すことが可能となる。これによっても送液の流量をコントロールすることが可能となる。また、大気解放部にはサイレンサを設けておくことで、排気の際の音を小さくする。
図4は、空気圧制御システム3に構成される3方弁の方向制御を示した図である。今回の配管系では、マニホールドに搭載した3方弁と、マニホールドに搭載していない3方弁で方向制御が異なる。
まず、マニホールドに搭載された3方弁の方向制御について説明する。3方弁マニホールド38に搭載された3方弁39はそれぞれ、IN側からカートリッジホルダ2側へ繋がる空気圧流路45、カートリッジホルダ2側からOUT側へ繋がる空気圧流路46に切り替えられるようになっている。3方弁39はノーマルクローズとし、通常状態では空気圧流路45が閉じた状態になり、空気圧流路46が繋がるようになる。この時、IN側から来た空気は3方弁マニホールド38に接続されるが、空気圧流路45が閉じているため、カートリッジホルダ2側には空気圧はかからない。だが、空気圧流路46が開放しているため、カートリッジホルダ2側とOUT側の流路は大気解放となる。3方弁39を通電状態にすると、空気圧流路45が開放となり、空気圧流路46が閉じる。この時、IN側から来た空気圧は3方弁マニホールド38に接続され、空気圧流路45が開放しているためカートリッジホルダ2側に空気圧を与えることが可能となる。それぞれ、3方弁39を介してカートリッジホルダ2側へ配管を接続しているので、通電させた3方弁の部分のみに空気圧が与えられる。これにより、任意の流路のみに空気圧を与えることが可能となる。この方向制御は加圧用3方弁マニホールド38-a、負圧用3方弁マニホールド38-b共に同じである。
次に、負圧配管3方弁37の方向制御について説明する。負圧配管3方弁37は負圧用3方弁マニホールド38-b側とエアーポンプ30を繋ぐ空気圧流路47と、大気解放部41からエアーポンプ30に繋ぐ空気圧流路48を切り替えることができるようになっている。負圧配管用3方弁も同様にノーマルクローズとし、通常状態では空気圧流路47が閉じた状態となり、空気圧流路48は解放となるため、エアーポンプ30は大気解放部41から空気を吸引することとなる。負圧配管用3方弁37を通電すると、空気圧流路47が解放となり、空気圧流路48が閉じることとなるため、エアーポンプ30は負圧用3方弁マニホールド38-bから空気を吸引することとなる。
以下、図10〜図20を用いてこれらの構成によるカートリッジ1内での送液の流れを示す。本説明は、増幅試薬封入部屋8-aから増幅試薬封入部屋8-bへ送液し、その後分岐中継部屋10へ送液する流れとなる。
送液を行う前準備として、まずは、カートリッジホルダ2と空気圧制御システム3を接続させる前にエアーポンプ30を駆動させる。負圧配管3方弁37は大気解放部41と繋がっており、大気解放2方弁33、加圧配管2方弁36はノーマルクローズなので、エアーポンプ30から各2方弁の間で圧力が高まる。その状態で圧力調整弁32にて適切な圧力に調整する。その後、加圧配管2方弁36を通電し、加圧用3方弁39-aを通電する。すると、カートリッジホルダ2に接続される配管に空気が送られるため、その状態で加圧配管スピードコントローラ40-aにてカートリッジホルダ2へ接続される各配管の流量を調整する。同様に、負圧配管側も流量の調整を行う。空気の圧力、流量の調整が終了してから、エアーポンプ30を停止し、配管内の残圧を排気し、カートリッジホルダ2に空気圧制御システム3を接続する。カートリッジホルダ2の流路負圧ポート69-a・69-bのみに負圧用3方弁39-bからの配管を接続し、それ以外の空気圧ポートには加圧用3方弁39-aからの配管を接続する。配管接続終了後、カートリッジホルダ2にカートリッジ1をセットする。
ここから、空気圧の制御方法、それに伴うプランジャや流体の動きを説明する。
(1)エアーポンプ30を駆動する。すると、負圧配管3方弁37の大気解放部41から空気が吸引され、エアーポンプ30から大気解放2方弁33、加圧配管2方弁36までの配管内が加圧される。
(2)加圧配管2方弁36を通電する。すると、加圧配管2方弁36が開放され、加圧用3方弁マニホールド38-aに空気圧が与えられる。加圧用3方弁39-aは通電していないため、空気圧はカートリッジホルダ2には伝わらない。
(3)カートリッジホルダ2に接続された、降下空気圧ポート67-a〜67-bに接続された加圧用3方弁39-aを通電する。すると、図10のようにカートリッジホルダ2に内蔵されたプランジャ64-a〜64-dが降下する。この動作は、初期状態において確実にプランジャ64-a〜64-dを降下させておくために行う。
(4)上昇空気圧ポート66-bに接続された加圧用3方弁39-aを通電し、降下空気圧ポート67-bに接続された加圧用3方弁39-aの通電を解除する。すると、図11のようにプランジャ64-bが上昇し、開口部54-bが封止される。
(5)加圧配管2方弁36の通電を解除する。すると、加圧配管2方弁36はノーマルクローズなので、加圧配管2方弁36の配管が閉じる。これにより、加圧用3方弁マニホールド38-aは加圧されたままとなる。
(6)大気解放2方弁33を通電し、さらに負圧配管3方弁37を通電する。すると、負圧用3方弁マニホールド38-bから空気を吸引し、大気解放2方弁33が開放されるため、エアーポンプ30から負圧配管用3方弁マニホールド38-bまでの配管内が負圧になる。
(7)流路負圧ポート69-aと接続された負圧用3方弁39-bを通電する。すると、図12のように一送液流路14部分が負圧になり、メンブレン51がホルダトップ61に密着する。その際、開口部54-aが開放され、開口部54-bが封止されているため、増幅試薬封入部屋8-aから形成された一送液流路14に試薬が送液される。
(8)負圧配管3方弁37の通電を解除する。すると、負圧配管3方弁37から負圧用3方弁マニホールド38-bまでの配管が負圧で維持される。
(9)大気解放2方弁33の通電を解除する。すると、エアーポンプ30から大気解放2方弁33、加圧配管2方弁36までの配管が再び加圧される。
(10)加圧配管2方弁36を通電する。すると、エアーポンプ30から加圧用3方弁マニホールド38-aまでの配管が再び加圧される。
(11)上昇空気圧ポート66-aに接続された加圧用3方弁39-aを通電し、降下空気圧ポート67-aに接続された加圧用3方弁39-aの通電を解除する。すると、図13のようにプランジャ64-aが上昇し、開口部54-aが封止される。
(12)上昇空気圧ポート66-bに接続された加圧用3方弁39-aの通電を解除し、降下空気圧ポート67-bに接続された加圧用3方弁39-aを通電する。すると、図14のようにプランジャ64-bが降下し、開口部54-bが開放される。
(13)流路負圧ポート69-aと接続させた負圧用3方弁39-bの通電を解除し、流路加圧ポート68-aと接続された加圧用3方弁39-aを通電する。すると、図15のように一送液流路14部分が加圧され、メンブレン51がカートリッジ本体50に密着する。その際、開口部54-aが封止され、54-bが開放されているため、一送液流路14に入っていた試薬が増幅試薬封入部屋8-bに送液される。
(14)上昇空気圧ポート66-dに接続された加圧用3方弁39-aを通電し、降下空気圧ポート67-dに接続された加圧用3方弁39-aの通電を解除する。すると、図16のようにプランジャ64-dが上昇し、開口部54-dが封止される。
(15)加圧配管2方弁36の通電を解除する。すると、加圧配管2方弁36はノーマルクローズなので、加圧配管2方弁36の配管が閉じる。これにより、加圧用3方弁マニホールド38-aは加圧されたままとなる。
(16)大気解放2方弁33を通電し、さらに負圧配管3方弁37を通電する。すると、負圧用3方弁マニホールド38-bから空気を吸引し、大気解放2方弁33が開放されるため、エアーポンプ30から負圧配管用3方弁マニホールド38-bまでの配管内が負圧になる。
(17)流路負圧ポート69-bと接続された負圧用3方弁39-bを通電する。すると、図17のように分岐送液流路15部分が負圧になり、メンブレン51がホルダトップ61に密着する。その際、開口部54-cが開放され、開口部54-dが封止されているため、増幅試薬封入部屋8-bから形成された分岐送液流路15に試薬が送液される。
(18)流路負圧ポート69-bと接続された負圧用3方弁39-bの通電を解除する。すると、形成された分岐送液流路15がメンブレン51の弾性力で元に戻る。その際、開口部54-cが開放され、開口部54-dが封止されたままなので、増幅試薬封入部屋8-bに試薬が戻る。
(19)上記(17)(18)の動作を数回繰り返す。これにより、増幅試薬同士の攪拌を行う。攪拌終了後、(17)のみの動作を行い、再度図17のように分岐送液流路15を形成し、試薬を送液する。
(20)負圧配管3方弁37の通電を解除する。すると、負圧配管3方弁37から負圧用3方弁マニホールド38-bまでの配管が負圧で維持される。
(21)大気解放2方弁33の通電を解除する。すると、エアーポンプ30から大気解放2方弁33、加圧配管2方弁36までの配管が再び加圧される。
(22)加圧配管2方弁36を通電する。すると、エアーポンプ30から加圧用3方弁マニホールド38-aまでの配管が再び加圧される。
(23)上昇空気圧ポート66-cに接続された加圧用3方弁39-aを通電し、降下空気圧ポート67-cに接続された加圧用3方弁39-aの通電を解除する。すると、図18のようにプランジャ64-cが上昇し、開口部54-cが封止される。
(24)上昇空気圧ポート66-dに接続された加圧用3方弁39-aの通電を解除し、降下空気圧ポート67-dに接続された加圧用3方弁39-aを通電する。すると、図19のようにプランジャ64-dが降下し、開口部54-dが開放される。
(25)流路負圧ポート69-cと接続させた負圧用3方弁39-bの通電を解除し、流路加圧ポート68-cと接続された加圧用3方弁39-aを通電する。すると、図20のように分岐送液流路15部分が加圧され、メンブレン51がカートリッジ本体50に密着する。その際、開口部54-cが封止され、54-dが開放されているため、分岐送液流路15に入っていた試薬が分岐中継部屋10に送液される。
この動作をカートリッジ1におけるすべての部屋の関連する各部屋間で行うことで、任意の部屋の試薬を任意の場所に任意のタイミングで送液していくことができる。その送液量はメンブレン51の変形回数で定めることができる。また、抽出や反応、攪拌を行う際、各部屋間を任意に封止しておくことができるため、流体の制御を安定させることができる。これにより、密閉されたカートリッジ1内部で流体と非接触のまま安定して送液を行い、さまざまな処理を行うことが可能となる。
図2のように、遺伝子解析における前処理に必要な試薬の種類は多数ある。それに対し、本送液システムを取ることで、駆動源は空気圧制御システム3に構成されるエアーポンプ30のみのまま、多数の試薬に対応できる。また、装置上でのカートリッジ1の増設などがあった場合も、本システムに3方弁と配管の接続を増設することで、駆動源を増やすことなく対応できる。このため、汎用性があるシステムだと言える。さらに、装置原価の低減や装置小型化も可能となる。
今回、弁の機能を、カートリッジホルダ2側に内蔵されているプランジャに持たせているため、カートリッジ1自身の構造を簡略化出来る。カートリッジ1は使い捨てとなるため、カートリッジ1自身の単価を下げることが直接ランニングコストの低減にも繋がる。弁機能はカートリッジ1内部に持たせてもよい。ピンで封止する位置のカートリッジ1内部に逆止弁を付け、流路を空気圧で変形させることで送液することも可能である。逆止弁を内蔵させるには、市販の逆止弁を内蔵させる方法、ゴムボールにより逆止弁機能を持たせる方法、メンブレン51を3次元的な形状に成形し、それを複数枚貼り合わせる方法等がある。これにより、カートリッジホルダ2側の構造が簡略化できるため、装置原価を下げることが可能となる。ただし、カートリッジ1に逆止弁が内蔵されるため、カートリッジ1自身の単価が上昇する。
空気圧を使って送液する方法はいくつかあるが、本システムを応用させることで、いずれも流体の制御を容易に行いながら送液することが可能となる。流路を空気圧で変形させるのではなく、各部屋自体を空気圧で変形させて送液してもよい。それか、空気圧ではなく、ローラー等、別の物で変形させてもよい。また、流路に直接空気圧を与える方式でも、流体の制御を行いながら送液することが可能となる。ただし、流路に直接空気圧を与える場合は、空気中に浮遊するDNAのコンタミネーションを防止する必要があり、フィルタを設ける必要があるため、カートリッジ1の原価が上がってしまう。
以上、本発明の例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にてさまざまな変更が可能であることは当業者に理解される。各実施例を適宜組み合わせることも、本発明の範囲である。なお、上記実施例では、適用対象の生体物質として、核酸、とくにDNAを例示したが、これに限定されるものではなく、RNA、たんぱく質、多糖、微生物など整体物質全般にわたって適用可能である。
１・・・カートリッジ
２・・・カートリッジホルダ
３・・・空気圧制御システム
５・・・スワブ
６・・・スワブ封入部屋
７・・・溶解液封入部屋
８・・・増幅試薬封入部屋
９・・・変性試薬封入部屋
１０・・・分岐中継部屋
１１・・・変性試薬混合部屋
１２・・・温調部屋
１３・・・キャピラリ接続部屋
１４・・・一送液流路
１５・・・分岐送液流路
１６・・・微量試薬封入部
２５・・・コントロールレーン
２６・・・サンプル解析レーン
２７・・・基準レーン
３０・・・エアーポンプ
３１・・・フィルタ
３２・・・圧力調整弁
３３・・・大気解放2方弁
３４・・・サイレンサ
３５・・・分岐管
３６・・・加圧配管2方弁
３７・・・負圧配管3方弁
３８・・・3方弁マニホールド
３９・・・3方弁
４０・・・スピードコントローラ
４１・・・大気解放部
４５、４６、４７、４８・・・空気圧流路
５０・・・カートリッジ本体
５１・・・メンブレン
５２・・・フィルム
５３・・・メンブレン貼り付け部
５４・・・開口部
６０・・・ホルダベース
６１・・・ホルダトップ
６２・・・ホルダ中板
６３・・・ガスケット
６４・・・プランジャ
６５・・・パッキン
６６・・・上昇空気圧ポート
６７・・・降下空気圧ポート
６８・・・流路加圧ポート
６９・・・流路負圧ポート
７０・・・流路突起
７１・・・流路溝

Claims (9)

  1. 密閉された空間内で送液を行うカートリッジであって、
    カートリッジ本体と、
    該カートリッジ本体の内部に設けられた、液が入る複数の部屋と、
    該カートリッジ本体の底面に貼られた弾性体であって、外部からの圧力変化に応じて変形し、前記複数の部屋の底面側を閉じる機能と、前記複数の部屋の間に流路を形成する機能とを有する弾性体と、
    を備えることを特徴とするカートリッジ。
  2. 密閉された空間内で外部と非接触で送液を行うためのカートリッジであって、試薬の封入やサンプルを封入する部屋、反応、精製、攪拌等を行う部屋が形成され、流路となる溝等は形成されていないカートリッジ本体の底面に、弾性体であるメンブレン貼り付け、通常状態では流路が形成されておらず、流路となる部分はメンブレンの接合を行わず、圧力の変化でメンブレンを変形させたときに初めて流路が形成されることを特徴としたカートリッジ。
  3. 請求項１記載のカートリッジと当該カートリッジをセットするカートリッジホルダであって、流路形状は前記カートリッジホルダに形成され、その形状に従って前記生化学用カートリッジに流路が形成されることを特徴とした生化学用カートリッジ及びカートリッジホルダのセット。
  4. 請求項３において、前記流路に高さや幅に差を設け、メンブレンが密着させることができるカートリッジ及びカートリッジホルダのセット。
  5. 請求項３において、メンブレンへの圧力変化は加圧と負圧の両方を用いて、カートリッジとカートリッジホルダの流路の互いに密着させることで送液精度を向上させたカートリッジ及びカートリッジホルダのセット。
  6. 密閉された空間内で外部と非接触で送液を行うためのカートリッジにおいて、流路の幅や形状をカートリッジホルダに形成し、カートリッジホルダには流路を区切る突起が付いてあり、カートリッジにはその突起が入る溝があり、カートリッジホルダの突起をカートリッジの溝に入れ込んで流路を形成することで流路の精度向上、送液精度の向上、メンブレン接合物質と流体を非接触にし、メンブレンの座屈を防止することを特徴としたカートリッジ及びカートリッジホルダのセット。
  7. 密閉された空間内で外部と非接触で送液を行うためのカートリッジにおいて、一度送液した部屋や流路に処理の終わった試薬を戻し、余分な液を廃棄したり別の試薬と混合させることでコンパクト化したカートリッジ。
  8. 密閉された空間内で外部と非接触で送液を行うためのカートリッジにおいて、一つの試薬層から分岐送液を行うことで、レーン毎の解析結果の信頼性を向上させたカートリッジ。
  9. 密閉された空間内で外部と非接触で送液を行うためのカートリッジにおいて、微量試薬を保存する際に流路に直接封入しておき、送液と同時に混合することを特徴としたカートリッジ。
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