JP4399766B2 - 化学反応用カートリッジ - Google Patents

Description

本発明は、化学反応用カートリッジに関し、特に溶液の合成や溶解、検出、分離などを、決められたプロトコルに従って、個人差がなく低価格で安全、容易に行うことのできる化学反応用カートリッジに関するものである。

従来より、溶液の合成や溶解、検出、分離などの処理においては、通常試験管やビーカー、ピペットなどが利用されていた。例えば、図１６に示すように、物質Aと物質Bを試験管あるいはビーカーなどの容器２０と容器２１に採取しておき、これを試験管あるいはビーカーなどの容器２３に注入し、混合・攪拌などして物質Cを作る。このようにして合成された物質Cについては、例えば発光、発熱、呈色、比色などの観察が行われる。

また、溶解の処理、例えば有機溶剤で溶かすなどの処理においても試験管あるいはビーカーなどのガラス器具を用いて行われる。検出処理の場合も、図１６と同様に、容器２０の被試験物質Aと容器２１の試薬を容器２３に入れてその反応結果を観察する。

他方、バイオアナライザなどでは、可撓性の材料で偏平な袋状に形成されたバッグが使用されており、先行技術文献としては次のようなものがある。

特開２００２−３６５２９９号公報 図１７は、特許文献１の特開２００２−３６５２９９号公報に記載のバイオチップ４０の構成図である。同図（ａ）は断面図、同図（ｂ）は平面図である。周辺が密封された偏平な採血バッグ４１は、その中央部が魚形状の袋になっている。魚形状の袋の開口部にはゴム状の栓４２で密封されている。

採血バッグ４１はこの栓４２から奥に向かって順に、採取部４３、前処理部４４、結合部４５、廃液収容部（袋部）４７が形成されている。採血時、栓４２を注射器（図示せず）内に差込む。注射器内部には注射針が突出していて栓４２を貫通するようになっている。

採血時は、注射器から外に出ている針先を被験者に突刺し、採血バッグ４１のフック５２、５２を外側に引張って、採取部４３内に血液を採取する。採血後は採血バッグから注射器を抜き去る。その後、図１８に示すように採血バッグ４１を回転ローラ６１、６２に挟んで採取部４３から前処理部４４の方へ押し潰して行く。採取血液は前処理部４４へ送られる。

ローラ６１、６２の位置が進み袋部４８を押し潰し始めると、袋部４８の溶液が弁４９を破って前処理部４４に流れ込んで来る。次に袋部５０についても同様にその溶液が前処理部４４に流れ込む。前処理部で所定の処理が終了すれば、ローラを回転させて、処理された血液を結合部４５へ送る。

結合部４５にはＤＮＡチップ４６が配置されていて、ハイブリダイズが行われる。前処理部４４から押し出された余分な血液や溶液は廃液収容部４７に溜まる。ハイブリダイズの行われたＤＮＡチップの状態は外部に配置された読出し装置により観察される。

しかしながら、従来のビーカーやピペットなどを使用する方式では操作が煩雑であり、個人差も大きく、手間もかかるという課題があった。
また、或る室に流れ込む液を阻止しながら或る室に液体を流入させることができないという問題があった。

本発明の目的は、上記の課題を解決するもので、決められたプロトコルを個人差なく容易に達成することができ、外力を連続的に印加することにより室ごとに液体の流出入を行うようにした構造の化学反応用カートリッジを実現することにある。

このような目的を達成するために、請求項１記載の発明は、
試料の化学的な反応を行うために用いられ、容器内に流路で連結された２つ以上の室を有し、前記容器外から外力印加手段により外力を加えることにより前記流路または室にある流体状の物質を移動させるようにした化学反応用カートリッジにおいて、前記カートリッジは流路や室が形成された基板と、断面が凸状に形成された弾性体と該弾性体の凸部が突出するように前記弾性体を収納する剛体を組み合わせて形成されており、前記弾性体の凸部を押圧して前記流路や室を押しつぶすように構成した。外力の加わらない前記室に複数の流体を移動させることが可能となり、或る室に流れ込む液を阻止しながら或る室に液体を流入させることができる。また、剛体がアクチュエータに対するストッパの役目を兼ねることができる。

請求項２記載の発明は、
請求項１に記載の化学反応用カートリッジにおいて、
前記２つ以上の室の少なくとも１つの室には、反応前にあらかじめ反応液または反応用物質または試料が封入されているので、決まった処理手順で化学反応を簡単に行うことができる。

請求項３記載の発明は、
請求項１または２に記載の化学反応用カートリッジにおいて、
前記流路または室は、その出入り口に可動部を持つ一方向弁が形成されているか、またはその出入口が細く形成されて一方向弁になっているか、または出入口が加圧により広がる弁となっているので、逆流を防止することができる。

請求項４記載の発明は、
請求項１乃至３のいずれかに記載の化学反応用カートリッジにおいて、
前記室は、反応物の電圧、電流、発熱などの検出信号を外部に取り出すための導体が配置され、またはその導体の挿入が可能に形成されているので、各種の化学反応に応用することができる。

請求項５記載の発明は、
請求項１乃至４のいずれかに記載の化学反応用カートリッジにおいて、
前記室には、光学的な検出のための透明部材が、形成されるかまたは埋め込んであるので、決まった処理手順で化学反応を簡単に行うことができる。

請求項６記載の発明は、
請求項１乃至５記載の化学反応用カートリッジにおいて、
室を連結する流路を液圧または空気圧により開閉するように構成したので、カートリッジの設計の自由度が向上する。

請求項７記載の発明は、
前記化学反応は血液や患部を含む生体試料からＤＮＡやＲＮＡ，蛋白を含む生体高分子の抽出、検出および分離を含む処理を行うので、各種の化学反応に応用することができる。

以上説明したように本発明によれば次のような効果がある。
外力の加わらない前記室に複数の流体を移動させることが可能であり、或る室に流れ込む液を阻止しながら或る室に液体を流入させ、少なくとも１つの室には、反応前にあらかじめ反応液または反応用物質または試料を封入することにより、決まった処理手順で化学反応を簡単に行うことができる。
その結果、
（１）化学反応などについての決められたプロトコルを、個人差がなく安全にかつ容易に行うことができる。
（２）本カートリッジは密閉型で使い捨ても可能であるため、ウイルスや劇薬に対して安全な構造である。

以下図面を用いて本発明を詳しく説明する。図１（ａ）は本発明に係る化学反応用カートリッジの一実施例を示す平面図、同図（ｂ）は室（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｅ，Ｇ）と凸部（同図（ａ）の斜線部）の部分的断面図、同図（ｃ）は同図（ａ）のＺ−Ｚ'断面図であり、化学反応用カートリッジ１００は、気密状で弾力性のあるゴムなどの弾性体１１０と、硬質材料で形成された平板状の基板１２０より形成されている。

基板１２０の材質としては、ガラス、金属、硬質樹脂あるいは弾性体を用いることができる。弾性体１１０と基板１２０の接合は、接着の他、吸着（ＰＤＭＳとガラスの場合など）、あるいは超音波または加熱またはプラズマ処理あるいは振動などによる溶着であってもよい。

弾性体１１０の裏面には、図１（ｂ）のように、それぞれ表面側に凹んだ、溶液用の穴（以後室という）Ａ〜Ｆが形成されている。そして、室（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｅ，Ｇ）の表面側に凹んだ部分の上部には凸部１１６が形成されている（図１ではこの凸部を斜線域で示している）。

室Ａには血液、室Ｂには血液を溶解するための溶液試薬、室ＣにはＤＮＡ等の生体高分子を捕捉するための磁性ビーズが封入されている。室Ｄは反応室であり図では省略するが磁場が印加されている。また、室Ｅには洗浄液、室Ｇにはバッファ液が封入されている。室Ｈは反応室Ｄで反応させた液体を収納する完成品収納室、室Ｆは廃液溜まり（廃液収容室）である。

これらの各室にはそれぞれ連結する流路１１５が形成されており、凸部が形成された領域（以下凸部領域という）に形成された室Ａと室Ｂは流路１１５ａ，ｂを介して同じく凸部領域に形成された室Ｃに連結されている。室Ｃは流路１１５ｃを介して凸部のない領域（以下凹部領域という）に形成された室Ｄに連結されている。また、室Ｄには凸部領域に形成された室Ｅ及び室Ｇが流路１１５ｄ及び１１５ｅを介して連結され、更に室Ｄには凸部領域に形成された流路１１５ｆを介して凹部領域に形成された室Ｈと連結されている。また室Ｄには凸部領域に形成された流路１１５ｇを介して凹部領域に形成された室Ｄと連結されている。

弾性体１１０の各室と流路以外の平面部は、図１（ｃ）に示すように、基板１２０の表面に接着される。これにより各室と流路は弾性体１１０と基板１２０で密閉され、溶液の外部漏れが防止できる構造となっている。

このように構成されたカートリッジにおける溶液移送の動作を次に説明する。
カートリッジ１００に形成された室Ａ，Ｂ，Ｅ，Ｇには先に述べたようにあらかじめ血液，溶液試薬，洗浄液，バッファ液を注入しておき、室Ｃには磁性ビーズを封入しておく。注入は図では省略するが、弾性体１１０に直接注射針を突刺して注射器などにより注入する。弾性体１１０が弾性体材料で形成されているため、注射針を抜くと針穴は自然に塞がる。なお、完全に密閉するには、溶液封入後に針穴を接着剤などで埋めるが、加熱溶解で封止してもよい。

上述の構成において、同図（ｄ）に示すように、ローラ１３０をカートリッジ１１０の左端部で、凸部領域が押し潰される程度に、上から押しつける。この状態で、図１（ａ）に示すようにローラ１３０を位置１のところから２の所まで回転移動させて右方向へ移動すると、室Ａ，Ｂに封入された血液及び試薬溶液が右方向へ押し出される。

その結果、室Ａに封入された血液は流路１１５ａを通って磁性ビーズが封入された室Ｃに流入し、室Ｂに封入された試薬溶液は流路１１５ｂを通って室Ｃに流入して混合される。
続いて、ローラ１３０を２〜３のところまで回転移動させて、室Ｃで混合させた血液、試薬溶液及び磁性ビーズを流路１１５ｃを介して室Ｄに移動させる。

室Ｄには磁場が印加されており、磁性ビーズが捕捉される。
続いて、ローラ１３０を３〜４のところまで回転移動させて、流路１１５ｆを押し潰して室Ｈへの流入を遮断し、更にローラ１３０を４〜５のところまで回転移動させる。その結果。室Ｅに封入されていた洗浄液が室Ｄに流入して磁性ビーズを洗浄する。この洗浄液は流路１１５ｇを通って廃液を収納する室Ｆへ流入する（室Ｈへの流路１１５ｆは押し潰されて遮断されている）。

続いて、ローラ１３０を５〜６のところまで回転移動させて室Ｇに封入されていたバッファ液を流路１１５ｅを介して室Ｄに流入させる（室Ｆへの流路はローラ１３０により押し潰されて遮断されている。このとき室Ｄを加熱してビーズに捕捉されていたＤＮＡを放出する。放出されたＤＮＡはバッファ液液と共に流路１１５ｆを通って室Ｈに流入して完成品となる。

このようなカートリッジは小型、軽量、低価格に作製でき、密閉状のカートリッジ内で物質の混合や合成、溶解、分離、検出などの処理のプロトコルを個人差なく容易に行うことができる。

また、本発明のカートリッジは密閉型で使い捨ても可能であり、ウイルスや劇薬も安全に取り扱うことができる。例えば、工場排水や選鉱排水、およびこれらが流入する河川などの中に存在するシアンの検出に係る処理（中和、蒸留、中和、分取、混合、比色検出などの一連の処理）、蛋白の抽出などをこのカートリッジ内で安全かつ確実に行うことができる。

なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施
例を示したに過ぎない。したがって本発明は、上記実施例に限定されることなく
、その本質から逸脱しない範囲でさらに多くの変更、変形をも含むものである。
以下列挙する。

図２は図１の構成の他の実施例を示すものである。図１と異なるところは廃液室Ｆの代わりに反応室Ｄの排出口に循環流路１１５ｈを形成し、廃液を室Ａに戻すようにしたものであり、ローラ１３０の移動や各室の封入物や流路による流入流出の動作は図１と同様である。このような構成によれば各室や流路の内圧が上がらずスムーズな送液ができ廃液室Ｆのスペースがなくなるのでその分小型化が可能である。

図３は他の実施形態の一例を示すもので、この例においてはカートリッジに図１に示すような凸部は形成されておらず、全体が平面状に形成されている。ここでは、ローラ１３０の長さが制限されておりローラはカートリッジ上のＸ-Ｙの範囲を移動する。なお、室Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｅ，Ｇの中には図１で述べたと同様のものが封入されＤ，Ｈも同様に動作するものとする。

上述の構成において、ローラ１３０をカートリッジ１１０の左端部で、室Ａ，Ｂが押し潰される程度に、上から押しつける。この状態で、図３に示すようにローラ１３０を位置１のところから２の所まで回転移動させて右方向へ移動すると、室Ａ，Ｂに封入された血液及び試薬溶液が右方向へ押し出される。

その結果、室Ａに封入された血液は流路１１５ａを通って室Ｃに流入し、室Ｂに封入された試薬溶液は流路１１５ｂを通って磁性ビーズが封入された室Ｃに流入して混合される。
続いて、ローラ１３０を２〜３のところまで回転移動させて、室Ｃで混合させた血液、試薬溶液及び磁性ビーズを流路１１５ｃを介して室Ｄに移動させる。

室Ｄには磁場が印加されており、磁性ビーズでＤＮＡが捕捉される。
続いて、ローラ１３０を３〜４のところまで回転移動させて、流路１１５ｆを押し潰して室Ｈへの流入を遮断し、更にローラ１３０を４〜５のところまで回転移動させる。その結果。室Ｅに封入されていた洗浄液が室Ｄに流入して磁性ビーズを洗浄する。この洗浄液は循環路１１５ｈを通って室Ａへ流入する（室Ｈへの流路１１５ｆは押し潰されて遮断されている）。

続いて、ローラ１３０を５〜６のところまで回転移動させて室Ｇに封入されていたバッファ液を流路１１５ｅを介して室Ｄに流入させる（循環路１１５ｅへの流路はローラ１３０により押し潰されて遮断されている。このとき室Ｄを加熱してビーズに捕捉されていたＤＮＡを放出する。放出されたＤＮＡはバッファ液液と共に流路１１５ｆを通って室Ｈに流入して完成品となる。

このようなカートリッジにおいても図１に示すカートリッジと同様に小型、軽量、低価格に作製でき、密閉状のカートリッジ内で物質の混合や合成、溶解、分離、検出などの処理のプロトコルを個人差なく容易に行うことができる。

カートリッジ外からの外力による流路の押圧はローラに限らず、図４に示すように流路Ａに押圧用のオイル，水，空気などを封入しておき、凸部１１６をアクチュエータ（図示省略）により押圧し、先端のＡ’部を膨張させて流路１１５を潰すようにしても良い。

図５は室や流路を押圧する機構の他の実施例を示すもので、室や流路が形成された基板１２０と、断面が凸状に形成された弾性体１１０と、この弾性体の凸部が突出するように弾性体１１０を収納する剛体１２１を組み合わせたもので、弾性体１１０の凸部をローラやアクチュエータなどにより押圧して前記流路や室を押し潰すようにしたものである。図示の例では剛体１２１がアクチュエータに対するストッパの役目を兼ねることができる

なお、それぞれの室へ繋がる流路１１５の数は任意に形成することができる。図６は６つの流路を形成し、これらの流路に図４や図５に示すような凸部１１６（流路遮断手段）を３個形成して開閉弁とした例を示している。

ローラがカートリッジ幅よりも短い場合、図７（ａ）のように、弾性体１
１０の周辺部が反り上がるきらいがある。そのような場合には、同図（ｂ）に示
すようにあらかじめ周辺部を押え枠１７１で押えておくようにすればよい。

図８（ａ）は弾性体１１０に形成した室と流路の接続部を細くした例を示すものである。また、同図（ｂ）,（ｃ）はその接続部に膜状の弁を形成した例を示し、同図（ｄ）は室の溶液の液圧でその弁を破き、溶液を押し出すようにしたものである。このように形成すれば室内の溶液は容易に排出できるが、流路側の溶液は粘性抵抗などにより室内に逆流することがない。

図９は円柱状のローラ１３０に溝を形成したものであり、カートリッジに形成する凸部や室の位置を工夫して組み合わせて用いることができる。
図１０は同様に円柱状のローラ１３０側に凸部を設けたもので、カートリッジが平坦であっても図１（ｂ）の凸部と同じように部分的にカートリッジへ外力を加えることができる。

図１１に示すように凸部（ａ）と凸部（ｂ）で押圧する領域Ｙ１，Ｙ２を分けるようにしても良い。このような構成によればローラ１３０を左端から回転させて位置Ｘ１〜Ｘ２へ移動させ領域Ｙ１にあるＡ室の液をＣ室に送り出すと同時に領域Ｙ２にあるＢ室に押し戻したりすることができる。

図１２は流路１１５（または室）の断面形状を示すものである。同図（ａ）に示すように、隅が直角であると上から押圧したとき同図（ｂ）に示すように潰れて隅の部分に溶液が残りやすいという問題がある。そのため、同図（ｃ）に示すように隅には曲率半径Ｒの曲率を持たせる。流路１１５の高さをＨ、幅をＷとすると、ＲはＨまたはＷの１／１０以上が望ましい。また、同図（ｄ）に示すように基板１２０との接合側の角もＲを付けた形状にするのがよい。

図１３（ａ）に示すように室Ｄ（反応室）は、反応物の光や電圧、電流、発熱などが検出できるように形成する。例えば、反応物からの発光を観察する場合には、弾性体１１０を透明な材料で形成しておき、反応物の発光を読取る読取手段２３０により観察する。なお、弾性体１１０は、全体が透明でなくても光測定部のみ透明であれば足りる。そしてここにはガラス室などを埋め込んでもよい。

また、電圧あるいは電流を検出する場合または電気泳動を行う場合は、図１３（ｂ）に示すように、反応部室１１３から直接検出信号を取り出すための導体２３１，２３２を配置しておく。または、同図（Ｃ）のように電極２３３，２３４を、必要なときに外部から挿入するようにしてもよい。

弾性体の材質としては、シリコンゴム、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）、天然ゴムおよびその重合体、アクリルゴム、ウレタンゴムなどである。

電気信号の検出、あるいは過熱、通電、電圧印加などを操作する場合は、弾性体１１０は、その全体を絶縁体で形成し、部分的に導体が埋め込まれた構造、あるいは全体が絶縁体で形成し、部分的に導電性の弾性体（カーボン含有など）で形成された構造とすることができる。

カートリッジでの検査対象物としては、生体分子、有機物、無機物、あるいは細菌や患部、細胞などの生体である。
反応部用の室での抽出処理には、磁気ビーズ、シリカビーズ、シリカフィルタ、モノリスフィルタ、抗体、酵素、デンドリマーなどを抽出手段として利用することができる。
各室の形は、図１４の（ａ），（ｂ），（ｃ）のように六角形などの多角形、菱型、円形などでもよい。

図１５は遺伝子のＰＣＲ増幅用として使用する場合を示すもので、基板１２０内に金属３００を埋め込み、この金属３００の温度の上げ下げをペルチェヒータ３１０により制御するように構成したものである。このような構成によれば、熱交換が容易であり、簡単にＰＣＲ増幅を行うことができる。

本発明に係る化学反応用カートリッジの一実施例を示す構成図である。 本発明に係る化学反応用カートリッジの他の実施例を示す構成図である。 本発明に係る化学反応用カートリッジの他の実施例を示す構成図である。 流路押圧方式の他の実施例を示す構成図である。 流路押圧方式の他の実施例を示す構成図である。 一つの室に対し６つの流路を形成し、開閉弁を３個形成した例を示す図である。 カートリッジの周辺部を押え枠で押えた状態を示す図である。 封入液の室内への逆流防止構造を示す図である。 ローラ形状の他の実施例を示す図である。 ローラ形状の他の実施例を示す図である。 凸部付きローラの使用例を示す図である。 流路（または室）の断面形状を示す図である。 室Ｄ（反応室）の一部または全部を透明とした場合の構成を示す図である。 室の形状の一例を示す図である。 カートリッジを遺伝子のＰＣＲ増幅用として使用した場合の構成を示す図である。 従来の処理方式を説明する図である。 従来の採血バッグの構成図である。 採血バッグの操作方法を説明するための図である。

符号の説明

１００ カートリッジ
１１０ 弾性体
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ 室
１１５ 流路
１１６ 凸部
１２０ 基板
１２１ 剛体
１３０ ローラ
１７１ 押え枠
２３０ 読取手段
２３１、２３２ 導体
２３３、２３４ 電極
３００ 金属
３１０ ペルチェヒータ

Claims (7)

1. 試料の化学的な反応を行うために用いられ、容器内に流路で連結された２つ以上の室を有し、前記容器外から外力印加手段により外力を加えることにより前記流路または室にある流体状の物質を移動させるようにした化学反応用カートリッジにおいて、前記カートリッジは流路や室が形成された基板と、断面が凸状に形成された弾性体と該弾性体の凸部が突出するように前記弾性体を収納する剛体を組み合わせて形成されており、前記弾性体の凸部を押圧して前記流路や室を押しつぶすように構成したことを特徴とする化学反応用カートリッジ。
2. 前記２つ以上の室の少なくとも１つの室には、反応前にあらかじめ反応液または反応用物質または試料が封入されていることを特徴とする請求項１に記載の化学反応用カートリッジ。
3. 前記流路または室は、その出入り口に可動部を持つ一方向弁が形成されているか、またはその出入口が細く形成されて一方向弁になっているか、または出入口が加圧により広がる弁となっていることを特徴とする請求項１または２に記載の化学反応用カートリッジ。
4. 前記室は、反応物の電圧、電流、発熱などの検出信号を外部に取り出すための導体が配置され、またはその導体の挿入が可能に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の化学反応用カートリッジ。
5. 前記室には、光学的な検出のための透明部材が、形成されるかまたは埋め込んであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の化学反応用カートリッジ。
6. 室を連結する流路を液圧または空気圧により開閉するように構成したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の化学反応用カートリッジ。
7. 前記化学反応は血液や患部を含む生体試料からＤＮＡやＲＮＡ，蛋白を含む生体高分子の抽出、検出および分離を含む処理を行うことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の化学反応用カートリッジ。

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