WO2020079767A1 - 生化学用カートリッジ及び生化学分析装置 - Google Patents

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capillary
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満 藤岡
足立　作一郎
稔章 平塚
麻美 寺門
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株式会社日立ハイテクノロジーズ
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Definitions

  • the present invention relates to a biochemical cartridge used for synthesizing and analyzing a biological sample extracted by a biochemical reaction as necessary, and a biochemical analyzer using the biochemical cartridge.
  • Genome analysis such as base sequence analysis and polymorphism analysis is very important in biological research fields, medical fields such as gene therapy and diagnosis, development of molecular targeted drugs, and forensic fields such as DNA testing.
  • a step of extracting a nucleic acid from a sample 2) a step of amplifying the extracted nucleic acid and adding a label, and 3) an electrophoresis step of reading the base sequence of the nucleic acid are performed.
  • the nucleic acid mixed with the reagent is kept at a predetermined temperature, so that the primer anneals the target nucleic acid and the nucleic acid is amplified.
  • Patent Document 1 discloses that electrowetting (EWOD; Electro Wetting On Dielectric) technology is used in step 2). That is, Patent Document 1 discloses that a droplet of a nucleic acid or a reagent is conveyed by using EWOD in a droplet microactuator, the nucleic acid is amplified, and then analyzed by an electrophoresis method on the downstream side. .
  • EWOD Electro Wetting On Dielectric
  • Patent Document 1 does not disclose a specific method for supplying the amplified nucleic acid to a biochemical analyzer such as a capillary sequencer.
  • a biochemical analyzer such as a capillary sequencer.
  • EWOD electrowetting-on-dielectric
  • droplets are transported with an applied voltage of several tens of V, whereas in order to take in a biological sample in droplets, such as nucleic acid, into a capillary array of a capillary sequencer, an applied voltage of several kV is required. Etc. are destroyed and the EWOD cannot be reused for the movement of the droplet.
  • an object of the present invention is to provide a biochemical cartridge that can be used a plurality of times for capturing a biological sample by a capillary array or the like, and a biochemical analyzer that uses the biochemical cartridge.
  • the biochemical cartridge of the present invention has a channel for transporting a sample, and is disposed on the channel along the direction in which the sample is transported, and for transporting the sample. It is characterized in that it is provided with a plurality of electrodes provided and an opening provided so as to face the plurality of electrodes arranged on the downstream side of the flow path.
  • the biochemical analyzer of the present invention is provided with a capillary, a flow path through which a sample is carried, a flow path along which the sample is carried, and a flow path through which the sample is carried along the flow path.
  • biochemical cartridge which can be used a plurality of times for taking in a biological sample by a capillary array and a biochemical analyzer using the biochemical cartridge.
  • FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of a biochemical analyzer of Example 1.
  • FIG. 3 is a perspective view illustrating a biochemical cartridge of Example 1.
  • 5 is a plan view illustrating a sample flow path, a reagent flow path, and a liquid droplet holding unit in the biochemistry cartridge of Example 1.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating an EWOD (Electro Wetting On Dielectric) of Example 1.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a droplet holding unit of Example 1.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a droplet holding unit of Example 2.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a droplet holding unit of Example 3. It is sectional drawing explaining the septa in which the slit of Example 3 was provided.
  • FIG. 1 shows the overall configuration of the biochemical analyzer.
  • the biochemical analysis device of the present invention exemplifies a device for amplifying a nucleic acid extracted from a sample, adding a label, and then performing electrophoresis for reading the base sequence of the nucleic acid.
  • the nucleic acid mixed with a reagent is kept at a predetermined temperature in order to amplify the nucleic acid, or the amplified nucleic acid is supplied to a capillary called a capillary for carrying out electrophoresis.
  • the device body 101 and the control computer 125 are connected by a communication cable.
  • the control computer 125 receives an input from an operator, controls each function of the biochemical analysis device, transmits / receives data detected by the device main body 101, and displays the transmitted / received data.
  • the apparatus main body 101 includes a capillary array 114, a pump mechanism 103, a constant temperature bath 115, a carrier 122, a high voltage power supply 104, a light source 111, and an optical detector 112.
  • a capillary array 114 includes a capillary array 114, a pump mechanism 103, a constant temperature bath 115, a carrier 122, a high voltage power supply 104, a light source 111, and an optical detector 112.
  • the capillary array 114 is a replacement member including one or a plurality of capillaries 102 (for example, 2 to 96), and includes a load header 124, a detection unit 113, and a capillary head 129.
  • a load header 124 for supplying a sample into the capillary 102 is provided at one end of the capillary array 114, and forms a cathode end 126 to which a negative voltage is applied.
  • a plurality of capillaries 102 are bundled into one by a capillary head 129, and are connected to the gel block 106 by a pressure-proof airtight structure.
  • a detection unit 113 that is irradiated with laser light is provided between the load header 124 and the capillary head 129.
  • the capillary 102 is a glass tube having an inner diameter of several tens to several hundreds ⁇ m and an outer diameter of several hundreds ⁇ m.
  • its surface is covered with a polyimide coating.
  • the polyimide coating is removed from the detector 113 irradiated with the laser light and its vicinity.
  • the inside of the capillary 102 is filled with a separation medium for separating the DNA molecules in the sample.
  • the separation medium is, for example, a polyacrylamide-based separation gel.
  • the pump mechanism 103 is composed of a syringe 105 and a mechanism system for pressurizing the syringe 105.
  • the gel block 106 is a connecting portion that connects the syringe 105, the capillary array 114, the anode buffer container 108, and the separation medium container 107. By closing the electric valve 110 and pushing the syringe 105, the separation medium in the syringe 105 is injected into the capillary 102.
  • the constant temperature bath 115 has a heater 117 and a fan 116 for controlling the temperature of the capillary array 114, and is covered with a heat insulating material to keep the temperature inside the constant temperature bath 115 constant.
  • a constant temperature such as 60 ° C.
  • the carrier 122 includes three electric motors and a linear actuator, and can move in three axial directions: up, down, left, right, and front. Further, at least one container is mounted on the moving stage 123 on the carrier 122.
  • the carrier 122 carries each of the buffer container 118, the cleaning container 119, the waste liquid container 120, and the biochemical cartridge 121 on the moving stage 123 to the cathode end 126 of the capillary 102.
  • Electrophoresis buffer solution enters the buffer container 118.
  • the cleaning container 119 is used for cleaning the capillary 102.
  • the separation medium in the capillary 102 is discharged to the waste liquid container 120.
  • the biochemical cartridge 121 contains a biological sample, for example, nucleic acid and reagent, and the nucleic acid amplified in the biochemical cartridge 121 is taken into the capillary array 114 from the cathode end 126 of the capillary 102.
  • the biochemical cartridge 121 will be described later with reference to FIGS.
  • the high-voltage power supply 104 is connected to the anode electrode 109 inside the anode buffer container 108 and the load header 124, and applies a high voltage to the separation medium inside the capillary 102.
  • the light source 111 irradiates the detection unit 113 with laser light that is coherent light as excitation light.
  • the optical detector 112 optically detects the fluorescence emitted by the sample in the detection unit 113.
  • the detected optical data 128 is transferred to the control computer 125 via the control board 127.
  • FIG. 2 is a perspective view of the biochemical cartridge 121.
  • the biochemical cartridge 121 is provided with one or more, for example, four channels for amplifying nucleic acids, and the cathode end 126 of the capillary 102 is inserted into each channel.
  • the longitudinal direction of the flow path is shown as the X direction
  • the direction in which the flow paths are arranged is the Y direction
  • the direction in which the cathode end 126 is inserted is shown as the Z direction.
  • FIG. 3 is a plan view of the inside of the biochemical cartridge 121.
  • a sample tank 301, a reagent tank 302, a sample channel 303, and a reagent channel 304 are provided in the biochemistry cartridge 121 of FIG.
  • a plurality of, for example, four sample tanks 301 are provided, and a sample containing a biological sample, for example, 1 ⁇ L is placed in each sample tank 301.
  • 10 ⁇ L of sample may be put in the sample tank 301, and 1 ⁇ L may be separated from 10 ⁇ L and used.
  • each reagent tank 302 contains reagents used for nucleic acid amplification, such as primer, dNTP, buffer solution, water, enzyme, denaturant, and size standard. DNA etc. can be inserted.
  • reagents used for nucleic acid amplification such as primer, dNTP, buffer solution, water, enzyme, denaturant, and size standard. DNA etc. can be inserted.
  • the sample channel 303 is connected to each sample tank 301, and droplets containing nucleic acid are conveyed.
  • the direction in which the droplet containing the nucleic acid is conveyed is the X direction.
  • the sample channel 303 is a channel having the EWOD electrode 300 for transporting the droplet.
  • the EWOD is a surface of a droplet that is formed by applying a voltage between a droplet arranged on a water-repellent film which is a water-repellent film and an EWOD electrode which is an electrode provided under the water-repellent film. This is a technique for transporting droplets by controlling the tension.
  • FIG. 4 is an XZ sectional view of a flow path using EWOD.
  • the flow path using EWOD has an upper plate 401, an upper electrode 402, an upper water repellent film 403, a lower water repellent film 405, an insulating film 406, an EWOD electrode 300, and a lower plate 407.
  • the upper plate 401 and the lower plate 407 are arranged in parallel, the upper electrode 402 and the upper water-repellent film 403 are provided on the lower surface of the upper plate 401, and the plurality of EWOD electrodes 300 and the insulating film 406 are provided on the upper surface of the lower plate 407.
  • a side water-repellent film 405 is provided. If a plurality of EWOD electrodes 300 are arranged on at least one of the upper plate 401 and the lower plate 407, the droplet 400 can be transported.
  • the plurality of EWOD electrodes 300 are arranged along the direction in which the droplet 400 is transported.
  • the EWOD electrode 300 is covered with an insulating film 406 having a thickness of, for example, several hundreds of ⁇ m so that a voltage can be applied individually to each EWOD electrode 300.
  • the space between the upper water-repellent film 403 and the lower water-repellent film 405 is filled with a fluid 404 that does not mix with the transported droplet 400. Note that the droplet 400 can be transported even if the droplet 400 is not filled with the fluid 404.
  • the reagent channel 304 is connected to each reagent tank 302, and the droplet of the reagent is conveyed.
  • the direction in which the reagent droplets are transported is the Y direction.
  • the reagent channel 304 has a plurality of EWOD electrodes 300, similarly to the sample channel 303.
  • the reagent channel 304 intersects with the sample channel 303, and the droplet of the reagent is mixed with the droplet containing the nucleic acid at the intersection of the two.
  • the angle at which the reagent channel 304 and the sample channel 303 intersect is not limited to 90 degrees as shown in FIG.
  • the direction in which the droplets are transported is not limited to one direction, and the droplets may be reciprocated.
  • the mixing of the nucleic acid and the reagent may be promoted by reciprocating the droplet between the intersection of the sample flow channel 303 and the reagent flow channel 304 and a point adjacent to the intersection.
  • a temperature control area 305 is provided in the middle of the sample flow path 303.
  • the temperature control region 305 is one or more regions maintained at a predetermined temperature, for example, a region maintained at 60 ° C. and a region maintained at 95 ° C.
  • the droplet in which the nucleic acid and the reagent are mixed is conveyed to the temperature control region 305, and the nucleic acid is amplified by, for example, PCR (Polymerase Chain Reaction) or cycle sequence reaction.
  • the droplets may be reciprocated between regions maintained at different temperatures, for example, a region of 60 ° C and a region of 95 ° C.
  • the droplet in which the nucleic acid is amplified is added with a label to become a sample droplet.
  • a droplet holding unit 306 is provided at the tip of the sample channel 303.
  • the droplet holding unit 306 has a plurality of, for example, 10 sample injection points.
  • Each sample injection point includes the EWOD electrode 300, and by controlling the voltage applied to the EWOD electrode 300, the sample droplet is transported to the position of the desired sample injection point, and the sample droplet is held at that position. It It is preferable that the distance between the EWOD electrodes 300 of the droplet holding unit 306 is the same as the distance between the EWOD electrodes 300 of the sample flow path 303 and the reagent flow path 304. The same spacing facilitates the manufacture of the EWOD electrode 300.
  • the droplet holding unit 306 of this embodiment will be described with reference to FIG.
  • FIG. 5 is an XZ sectional view of the droplet holding unit 306.
  • the droplet holding unit 306 includes a septa 500, an upper plate 401, an upper electrode 402, an upper water repellent film 403, a lower water repellent film 405, an insulating film 406, an EWOD electrode 300, and a lower plate 407.
  • the lower water-repellent film 405, the insulating film 406, the EWOD electrode 300, and the lower plate 407 have the same configurations as those shown in FIG.
  • the upper plate 401, the upper electrode 402, and the upper water-repellent film 403 have the same configuration as that shown in FIG. 4 except that they have an opening 501.
  • the opening 501 is opened along the Z direction at a position where each EWOD electrode 300 of the droplet holding unit 306 is arranged. That is, the EWOD electrodes 300 and the openings 501 of the droplet holding unit 306 are the same number.
  • the septa 500 is a rubber member arranged so as to cover the upper surface of the upper plate 401, and has a hole into which the cathode end 126 of the capillary 102 is inserted.
  • the portion of the septa 500 having a hole is inserted into each opening 501. That is, one sample injection point includes one EWOD electrode 300 of the liquid droplet holding unit 306, an opening 501 opened above the EWOD electrode 300, and a hole included in the septa 500 inserted therein.
  • FIG. 5 illustrates a state in which the cathode end 126 is brought into contact with the sample droplet 502 assigned with the number 1.
  • a voltage of several kV is applied to the load header 124 for a short time, so that the nucleic acid in the sample droplet 502 is taken into the capillary array 114.
  • the nucleic acid taken into the capillary array 114 is guided to the detection unit 113, where it is irradiated with excitation light and fluorescence is detected.
  • the insulating film 406 and the EWOD electrode 300 are destroyed by the applied voltage of several kV and cannot be reused. Therefore, in this embodiment, a plurality of sample injection points are provided, and the sample injection point used for nucleic acid uptake is changed every time nucleic acid is uptaken. That is, the droplet holding unit 306 of this embodiment has a plurality of EWOD electrodes 300 for holding the sample droplets 502, and each time the nucleic acid in the sample droplets 502 is taken into the capillary array 114, a different EWOD electrode 300 is used. . According to this example, EWOD can be used a plurality of times for uptake of nucleic acid by the capillary array 114.
  • the capillary array 114 it is preferable to use the capillary array 114 to take in the nucleic acid in order from the EWOD electrode 300 at the end, for example, in the order of the numbers given to the sample droplets 502 in FIG.
  • the EWOD electrodes 300 included in the droplet holding unit 306 can be used without exhaustion.
  • nucleic acid particularly DNA
  • DNA is handled as an example of the biological sample
  • biological sample handled in the present invention is not limited to this, and biological materials such as RNA, protein, polysaccharides and microorganisms in general can be used.
  • a device other than the capillary 102 may be used to take in the biological sample.
  • the gap between the openings 501 into which the cathode ends 126 of the capillaries 102 are inserted is the same as the gap between the EWOD electrodes 300 of the droplet holding unit 306. If the distance between the EWOD electrodes 300 of the droplet holding unit 306 is too small, the periphery of the EWOD electrodes 300 used for capturing the nucleic acid by the capillary array 114 may be destroyed by the voltage applied to the load header 124.
  • FIG. 6 is an XZ sectional view of the droplet holding unit 306.
  • the droplet holding unit 306 includes the septa 500, the upper plate 401, the upper electrode 402, the upper water-repellent film 403, the lower water-repellent film 405, the insulating film 406, the EWOD electrode 300, and the lower plate 407, as in the first embodiment.
  • An opening 501 is provided in the upper water-repellent film 403.
  • the openings 501 of the present embodiment are provided at a wider interval than the EWOD electrode 300, for example, at an interval that does not cause breakdown due to the voltage applied to the load header 124.
  • the openings 501 at such intervals, even when the periphery of the EWOD electrode 300 used for taking in the nucleic acid in the sample droplet 502 is destroyed, the opening adjacent to the opening 501 used for taking in the nucleic acid.
  • the EWOD electrode 300 under 501 does not have to be destroyed.
  • nucleic acid can be taken into the capillary array 114 through the opening 501 on the EWOD electrode 300 which has not been destroyed.
  • the EWOD electrode 300 used for taking in the nucleic acid in the sample droplet 502 is destroyed, the EWOD electrode 300 below the opening 501 is not destroyed, so that the EWOD is used for taking in the nucleic acid. Can be used multiple times.
  • Example 1 it was explained that the upper plate 401, the upper electrode 402, and the upper water-repellent film 403 have the same number of openings 501 as the number of sample injection points.
  • a configuration will be described in which the upper plate 401, the upper electrode 402, and the upper water-repellent film 403 have an opening 701 that is common to all sample injection points.
  • FIG. 7 is an XZ cross-sectional view of the droplet holding unit 306, similar to FIG.
  • the upper plate 401, the upper electrode 402, and the upper water-repellent film 403 have one opening 701 common to the droplet holding unit 306.
  • the septa 500 is arranged so as to close the opening 701.
  • the septa 500 has an opening into which the cathode end 126 of the capillary 102 is inserted.
  • the openings of the septa may be a plurality of holes 702 facing the individual EWOD electrodes 300 or a slit 703 (see FIG. 8) extending over the plurality of EWOD electrodes 300.
  • the common opening 701 allows the biochemical cartridge 121 and the septa 500 to have a simpler configuration.
  • biochemical analyzer of the present invention is not limited to the above-mentioned embodiment, and constituent elements can be modified and embodied without departing from the gist of the invention.
  • a plurality of constituent elements disclosed in the above embodiments may be combined as appropriate. Further, some constituent elements may be deleted from all the constituent elements shown in the above embodiment.
  • Reference numeral 101 device body, 102: capillary, 103: pump mechanism, 104: high-voltage power supply, 105: syringe, 106: gel block, 107: separation medium container, 108: anode buffer container, 109: anode electrode, 110: electric valve, 111: Light source, 112: Optical detector, 113: Detection part, 114: Capillary array, 115: Constant temperature chamber, 116: Fan, 117: Heater, 118: Buffer container, 119: Wash container, 120: Waste liquid container, 121: Biochemical cartridge, 122: carrier, 123: moving stage, 124: load header, 125: control computer, 126: cathode end, 127: control board, 128: optical data, 129: capillary head, 300: EWOD electrode , 301: sample tank, 302: reagent tank, 303: sample channel, 30 : Reagent channel, 305: Temperature control region, 306: Drop holding unit, 400

Abstract

生体試料を取り込むに数ｋＶの印加電圧を要するため、ＥＷＯＤの電極等が破壊され、液滴の移動に電極を再使用できなくなる。そこで本発明は、キャピラリアレイ等による生体試料の取り込みに複数回使用可能な生化学用カートリッジと生化学用カートリッジを用いた生化学分析装置を提供することを課題とする。　上記課題を解決するため、本発明の生化学用カートリッジは、サンプルが搬送される流路と、前記流路上に、サンプルが搬送される方向に沿って配置され、かつ、サンプルを搬送するために設けられた複数の電極と、前記流路の下流側に配置された複数の電極に対向して開口が設けられることを特徴とする。

Description

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

Claims (14)

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