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JP2022128495A - 反応処理方法、反応処理装置および反応処理容器 - Google Patents

反応処理方法、反応処理装置および反応処理容器 Download PDF

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Abstract

【課題】ＰＣＲによる反応処理の作業性を向上する。【解決手段】反応処理装置１００は、基板に形成された流路を備える反応処理容器１０を設置するための容器設置部７４と、反応処理容器１０の流路の温度を調節するための高温用ヒータ１０４および中温用ヒータ１０６と、反応処理容器１０の位置を調整するための容器アライメント機構８０と、筐体本体７０と、該筐体本体７０に対して開閉可能な蓋部とを有し、容器設置部７４、高温用ヒータ１０４、中温用ヒータ１０６および容器アライメント機構８０を収容する筐体とを備える。容器アライメント機構８０は、蓋部が開状態から閉状態にされるのと連動して、反応処理容器１０を高温用ヒータ１０４および中温用ヒータ１０６で加熱可能となるよう位置合わせする。【選択図】図１０

Description

特許法第３０条第２項適用申請有り ＪＡＳＩＳ ２０１６、平成２８年９月７日～９日
本発明は、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ：Polymerase Chain Reaction）に使用される反応処理装置に関する。
遺伝子検査は、各種医学分野における検査、農作物や病原性微生物の同定、食品の安全性評価、さらには病原性ウィルスや各種感染症の検査にも広く活用されている。遺伝子である微小量のＤＮＡを高感度に検出するために、ＤＮＡの一部を増幅して得られたものを分析する方法が知られている。中でもＰＣＲを用いた方法は、生体等から採取されたごく微量のＤＮＡのある部分を選択的に増幅する注目の技術である。
ＰＣＲは、ＤＮＡを含む生体サンプルと、プライマーや酵素などからなるＰＣＲ試薬とを混合した試料に、所定のサーマルサイクルを与え、変性、アニーリングおよび伸長反応を繰り返し起こさせて、ＤＮＡの特定の部分を選択的に増幅させるものである。
ＰＣＲにおいては、対象の試料をＰＣＲチューブ又は複数の穴が形成されたマイクロプレート（マイクロウェル）などの反応処理容器に所定量入れて行うことが一般的であるが、近年、基板に形成された微細な流路を備える反応処理容器（チップとも呼ばれる）を用いて行うことが実用化されてきている（例えば特許文献１）。
特開２００９－２３２７００号公報
上記のような反応処理容器を用いる反応処理装置では、ヒータやポンプなどの構成要素を収容する筐体内に反応処理容器を短時間でセットし、ＰＣＲをはじめとした反応処理を開始できることが作業性の観点から好ましい。
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＰＣＲをはじめとした反応処理の作業性を向上することのできる反応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に、本発明のある態様の反応処理装置は、基板に形成された流路を備える反応処理容器を設置するための容器設置部と、反応処理容器の流路の温度を調節するためのヒータと、反応処理容器の位置を調整するための容器アライメント機構と、筐体本体と、筐体本体に対して開閉可能な蓋部とを有し、容器設置部、ヒータおよび容器アライメント機構を収容する筐体とを備える。容器アライメント機構は、蓋部が開状態から閉状態にされるのと連動して、反応処理容器をヒータで加熱可能となるよう位置合わせする。
蓋部が閉状態のとき、反応処理容器をヒータに密着させる弾性部材をさらに備えてもよい。
流路は、試料にサーマルサイクルを与えるために第１温度に維持される第１温度領域と、第１温度よりも高い第２温度に維持される第２温度領域とを含んでもよい。ヒータは、流路の第１温度領域を加熱するための第１ヒータと、流路の第２温度領域を加熱するための第２ヒータとを含んでもよい。
試料を流路内で移動および停止させるために、反応処理容器の流路内の圧力を調整するポンプをさらに筐体本体内に備えてもよい。蓋部が開状態から閉状態とされるとき、ポンプから延びるチューブと反応処理容器の流路とが連通されてもよい。
ポンプは、第１チューブを有する第１ポンプと、第２チューブを有する第２ポンプとを含んでもよい。蓋部が開状態から閉状態とされるとき、第１チューブは流路の一端に形成された第１空気連通口に接続され、第２チューブは流路の他端に形成された第２空気連通口に接続されてもよい。
流路内の試料から発せられる蛍光を検出するための蛍光検出器をさらに筐体本体内に備えてもよい。蓋部が開状態から閉状態とされるとき、反応処理容器の所定の蛍光検出点が蛍光検出器に対して位置合わせされてもよい。
蛍光検出器は、光学ヘッドと、励起光用光源、合分波器および光電変換素子を含むドライバとが光ファイバで接続された光ファイバ型蛍光検出器であってもよい。
上記の反応処理装置は、携帯可能に構成されてもよい。
本発明によれば、ＰＣＲをはじめとした反応処理の作業性を向上することのできる反応処理装置を提供できる。
図１（ａ）および図１（ｂ）は、本発明の実施形態に係る反応処理装置で使用可能な反応処理容器を説明するための図である。 図１（ａ）に示す反応処理容器のＡ－Ａ断面図である。 反応処理容器が備える基板の平面図である。 試料が反応処理容器内に導入された様子を模式的に示す図である。 本発明の実施形態に係る反応処理装置を説明するための模式図である。 反応処理容器の流路内の試料にサーマルサイクルを与えている様子を示す図である。 本発明の実施形態に係る反応処理装置の外観を示す図である。 本発明の実施形態に係る反応処理装置において、筐体本体に対して蓋部を開いた状態を示す図である。 本発明の実施形態に係る反応処理装置の内部構成を説明するための透視図である。 蓋部が開状態のときの反応処理装置を説明するための図である。 本発明の実施形態に係る反応処理装置のスライド機構を説明するための図である。 蓋部が閉状態のときの反応処理装置を説明するための図である。 本発明の別の実施形態に係る反応処理装置の外観を示す図である。 本発明の別の実施形態に係る反応処理装置において、筐体本体に対して蓋部を開いた状態を示す図である。 本発明の別の実施形態に係る反応処理装置を説明するための図である。
以下、本発明の実施形態に係る反応処理容器および反応処理装置について説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
図１（ａ）および図１（ｂ）は、本発明の実施形態に係る反応処理装置で使用可能な反応処理容器１０を説明するための図である。図１（ａ）は、反応処理容器１０の平面図であり、図１（ｂ）は、反応処理容器１０の正面図である。図２は、図１（ａ）に示す反応処理容器１０のＡ－Ａ断面図である。図３は、反応処理容器１０が備える基板１４の平面図である。
反応処理容器１０は、下面１４ａに溝状の流路１２が形成された樹脂性の基板１４と、基板１４の下面１４ａ上に貼られた、流路１２を封止するための流路封止フィルム１６と、基板１４の上面１４ｂ上に貼られた２枚の封止フィルム（第１封止フィルム１８および第２封止フィルム２０）とから成る。
基板１４は、温度変化に対して安定で、使用される試料溶液に対して侵されにくい材質から形成されることが好ましい。さらに、基板１４は、成形性がよく、透明性やバリア性が良好で、且つ、低い自家蛍光性を有する材質から形成されることが好ましい。このような材質としては、ガラス、シリコン（Ｓｉ）等の無機材料をはじめ、アクリル、ポリエステル、シリコーンなどの樹脂、中でもシクロオレフィンポリマー樹脂（ＣＯＰ）が好適である。基板１４の寸法の一例は、長辺７６ｍｍ、短辺２６ｍｍ、厚み４ｍｍである。
基板１４の下面１４ａには溝状の流路１２が形成されている。反応処理容器１０において、流路１２の大部分は基板１４の下面１４ａに露出した溝状に形成されている。金型等を用いた射出成形により容易に成形できるようにするためである。この溝を封止して流路として活用するために、基板１４の下面１４ａ上に流路封止フィルム１６が貼られる。流路１２の寸法の一例は、幅０．７ｍｍ、深さ０．７ｍｍである。
流路封止フィルム１６は、一方の主面が粘着性を備えていてもよいし、押圧や紫外線などのエネルギー照射、加熱等により粘着性や接着性を発揮する機能層が一方の主面に形成されていてもよく、容易に基板１４の下面１４ａと密着して一体化できる機能を備える。流路封止フィルム１６は、粘着剤も含めて低い自家蛍光性を有する材質から形成されることが望ましい。この点でシクロオレフィンポリマー、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレンまたはアクリルなどの樹脂からなる透明フィルムが適しているが、これらに限定されない。また、流路封止フィルム１６は、板状のガラスや樹脂から形成されてもよい。この場合はリジッド性が期待できることから、反応処理容器１０の反りや変形防止に役立つ。
基板１４における流路１２の一端１２ａの位置には、第１空気連通口２４が形成されている。基板１４における流路１２の他端１２ｂの位置には、第２空気連通口２６が形成されている。一対の第１空気連通口２４および第２空気連通口２６は、基板１４の上面１４ｂに露出するように形成されている。
基板１４中における第１空気連通口２４と流路１２の一端１２ａとの間には、第１フィルタ２８が設けられている。基板１４中における第２空気連通口２６と流路１２の他端１２ｂとの間には、第２フィルタ３０が設けられている。流路１２の両端に設けられた一対の第１フィルタ２８および第２フィルタ３０は、低不純物特性が良好であるほか、空気のみを通し、ＰＣＲによって目的のＤＮＡの増幅やその検出を妨げないように、または目的のＤＮＡの品質が劣化しないようにコンタミネーションを防止する。フィルタ材料としては、例としてポリエチレンを撥水処理したものを用いることができるが、上記の機能を備えるようなものであれば公知の材料から選択できる。第１フィルタ２８および第２フィルタ３０の寸法は、基板１４に形成されたフィルタ設置スペースに隙間なく収まるような寸法に形成され、例えば直径４ｍｍ、厚さ２ｍｍであってよい。
図１（ａ）に示すように、流路１２は、一対の第１空気連通口２４および第２空気連通口２６の間に、試料にサーマルサイクルを与えるためのサーマルサイクル領域３２と、所定量の試料を抽出する所謂分注を行うための分注領域３４とを備える。サーマルサイクル領域３２は、流路１２における第１空気連通口２４側に位置している。分注領域３４は、流路１２における第２空気連通口２６側に位置している。サーマルサイクル領域３２と分注領域３４は連通している。分注領域３４で分注した試料をサーマルサイクル領域３２に移動させて、サーマルサイクル領域３２に含まれる所定の温度に維持された反応領域間を連続的に往復移動させることにより、試料にサーマルサイクルを与えることができる。
流路１２のサーマルサイクル領域３２は、後述の反応処理装置に反応処理容器１０が搭載された際に、比較的低温（約６０℃）に維持される反応領域（以下「中温領域３８」と称する）と、それより高温（約９５℃）に維持される反応領域（以下、「高温領域３６」と称する）と、高温領域３６と中温領域３８を接続する接続領域４０とを含む。高温領域３６は第１空気連通口２４側に位置しており、中温領域３８は第２空気連通口２６側（言い換えると分注領域３４側）に位置している。
高温領域３６および中温領域３８はそれぞれ、曲線部と直線部とを組み合わせた連続的に折り返す蛇行状の流路を含んでいる。このように蛇行状の流路とした場合、後述の温度制御手段を構成するヒータ等の限られた実効面積を有効に使うことができ、反応領域内での温度のばらつきを低減することが容易であるとともに、反応処理容器の実体的な大きさを小さくでき、反応処理装置の小型化に貢献できるという利点がある。接続領域４０は、直線状の流路であってよい。
流路１２の分注領域３４は、サーマルサイクル領域３２の中温領域３８と第２フィルタ３０との間に位置している。上述したように、分注領域３４は、ＰＣＲに供される所定量の試料を抽出する分注機能を有する。分注領域３４は、所定量の試料を規定するための分注流路４２と、分注流路４２から分岐する２つの支流路（第１支流路４３および第２支流路４４）と、第１支流路４３の端に配置された第１試料導入口４５と、第２支流路４４の端に配置された第２試料導入口４６とを備える。第１試料導入口４５は、第１支流路４３を介して分注流路４２と連通している。第２試料導入口４６は、第２支流路４４を介して分注流路４２と連通している。分注流路４２は、最小限の面積で所定量の試料を分注するために蛇行状の流路とされている。第１試料導入口４５および第２試料導入口４６は、基板１４の上面１４ｂに露出するように形成されている。第１試料導入口４５は比較的小径に形成され、第２試料導入口４６は比較的大径に形成されている。第１支流路４３が分注流路４２から分岐する分岐点を第１分岐点４３１とし、第２支流路４４が分注流路４２から分岐する分岐点を第２分岐点４４１としたとき、ＰＣＲに供される試料の体積は第１分岐点４３１と第２分岐点４４１の間の分注流路４２内の体積によってほぼ決まる。
反応処理容器１０においては、サーマルサイクル領域３２と第２フィルタ３０との間に分注領域３４を設けたが、分注領域３４の位置はこれに限定されず、サーマルサイクル領域３２と第１フィルタ２８の間に設けられてもよい。また、正確にピペット等で分注できるのであれば、分注領域３４は設けずに流路を構成してもよいし、サーマルサイクル領域３２等に直接試料を導入することができるように構成してもよい。
第１空気連通口２４、第２空気連通口２６、第１フィルタ２８、第２フィルタ３０、第１試料導入口４５および第２試料導入口４６は、基板１４の上面１４ｂに露出している。そこで、第１空気連通口２４、第２空気連通口２６、第１フィルタ２８および第２フィルタ３０を封止するために第１封止フィルム１８が基板１４の上面１４ｂに貼り付けられる。第１試料導入口４５および第２試料導入口４６を封止するために第２封止フィルム２０が基板１４の上面１４ｂに貼り付けられる。第１封止フィルム１８および第２封止フィルム２０を貼った状態では、全流路は閉空間となっている。
第１封止フィルム１８は、第１空気連通口２４、第２空気連通口２６、第１フィルタ２８および第２フィルタ３０を同時に封止可能なサイズのものが用いられる。第１空気連通口２４、第２空気連通口２６への加圧式ポンプ（後述する）の接続は、ポンプ先端に備わった中空のニードル（先端がとがった注射針）で第１空気連通口２４、第２空気連通口２６のそれぞれに対応する第１封止フィルム１８の一部分に穿孔することにより行う。そのため、第１封止フィルム１８は、ニードルによる穿孔が容易な材質や厚みから成るフィルムが好ましい。反応処理容器１０では、第１空気連通口２４、第２空気連通口２６、第１フィルタ２８および第２フィルタ３０を同時に封止するサイズの封止フィルムについて記載したが、これらを別個に封止する態様でもよい。また、第１空気連通口２４、第２空気連通口２６を封止しているフィルムを剥がして加圧式ポンプと接続してもよい。
第２封止フィルム２０は、第１試料導入口４５および第２試料導入口４６を封止可能なサイズのものが用いられる。第１試料導入口４５および第２試料導入口４６を通じての試料の流路１２内への導入は、第２封止フィルム２０を一旦、基板１４から剥がして行い、所定量の試料の導入後には第２封止フィルム２０を再び基板１４の上面１４ｂに戻し貼り付ける。そのため、第２封止フィルム２０としては、数サイクルの貼り付け／剥がしに耐久するような粘着性を備えるフィルムが望ましい。また第２封止フィルム２０は、試料導入後には新しいフィルムを貼り付ける態様であってもよく、この場合は繰り返しの貼り付け／剥がしに関する特性の重要性は緩和されうる。
第１封止フィルム１８および第２封止フィルム２０は、流路封止フィルム１６と同様に、一方の主面に粘着剤層が形成され、または押圧により粘着性や接着性を発揮する機能層が形成されていてもよい。この点でシクロオレフィンポリマー、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレン又はアクリルなどの樹脂からなる透明フィルムが適しているが、これらに限定されない。また上述したように複数回の貼り付け／剥離によっても、その粘着性等の特性が使用に影響をきたす程度に劣化しないことが望ましいが、剥離して試料等の導入後や加圧式ポンプとの接続後に、新たなフィルムを貼り付ける態様である場合は、この貼り付け／剥がしに関する特性の重要性は緩和されうる。
次に、以上のように構成された反応処理容器１０の使用方法について説明する。まず、サーマルサイクルにより増幅すべき試料を準備する。試料としては、例えば、一または二以上の種類のＤＮＡを含む混合物に、ＰＣＲ試薬として蛍光プローブ、耐熱性酵素および４種類のデオキシリボヌクレオシド三リン酸（ｄＡＴＰ、ｄＣＴＰ、ｄＧＴＰ、ｄＴＴＰ）を添加したものがあげられる。さらに反応処理対象のＤＮＡに特異的に反応するプライマーを混合する。市販されているリアルタイムＰＣＲ用試薬キット等も使用することができる。
次に、第２封止フィルム２０を基板１４から剥がし、第１試料導入口４５および第２試料導入口４６を開放する。
次に、試料導入口に試料をスポイトやシリンジ等で導入する。図４は、試料５０が反応処理容器１０内に導入された様子を模式的に示す。試料５０は、第１試料導入口４５および第２試料導入口４６のいずれか一方から分注流路４２に導入される。導入の方法はこれらに限られないが、例えばピペットやスポイトで適量の試料５０を直接導入してよい。ピペットで導入する場合、比較的小径の第１試料導入口４５から試料５０を導入する。この場合、試料５０は、分注流路４２内を第２試料導入口４６に向かって充填される。スポイトで導入する場合、比較的大径の第２試料導入口４６から試料５０を導入する。この場合、試料５０は、分注流路４２内を第１試料導入口４５に向かって充填される。いずれか一方の試料導入口から導入された試料のうち、支流路の体積を超えて余剰なものはもう一方の試料導入口に溜まる。それ故試料導入口部分を一種のサーバーとして活用する目的で、ある一定のスペースを有するように作製してもよい。後述するように、第１空気連通口２４、第２空気連通口２６からの加圧により、第１分岐点４３１および第２分岐点４４１間の分注流路４２に充填された試料５０がＰＣＲに供されることになる。このように、反応処理容器１０の分注領域３４は、所定量の試料を抽出する分注機能を果たす。
次に、第２封止フィルム２０を再び基板１４に貼り戻し、第１試料導入口４５および第２試料導入口４６を封止する。剥がした第２封止フィルム２０に代えて、新たな第２封止フィルム２０を貼ってもよい。以上で反応処理容器１０への試料５０の導入は完了である。
上記の反応処理容器における分注機能は、ピペット単体で試料を精密に分注しながら導入することを妨げるものではない。
図５は、本発明の実施形態に係る反応処理装置１００を説明するための模式図である。
本実施形態に係る反応処理装置１００は、反応処理容器１０が設置される容器設置部（図示せず）と、温度制御システム１０２と、ＣＰＵ１０５とを備える。温度制御システム１０２は、図５に示すように、容器設置部に設置される反応処理容器１０に対して、反応処理容器１０の流路１２における高温領域３６を約９５℃（高温領域）、中温領域３８を約６０℃に精度よく維持、制御できるように構成されている。
温度制御システム１０２は、サーマルサイクル領域の各温度領域の温度を調節するものであって、具体的には、流路１２の高温領域３６を加熱するための高温用ヒータ１０４と、流路１２の中温領域３８を加熱するための中温用ヒータ１０６と、各温度領域の実温度を計測するための例えば熱電対等の温度センサ（図示せず）と、高温用ヒータ１０４の温度を制御する高温用ヒータドライバ１０８と、中温用ヒータ１０６の温度を制御する中温用ヒータドライバ１１０とを備える。さらに、本実施形態に係る反応処理装置１００は、流路１２の分注領域３４を加熱するための分注用ヒータ１１２と、分注用ヒータ１１２の温度を制御する分注用ヒータドライバ１１４とを備える。温度センサによって計測された実温度情報は、ＣＰＵ１０５に送られる。ＣＰＵ１０５は、各温度領域の実温度情報に基づいて、各ヒータの温度が所定の温度となるよう各ヒータドライバを制御する。各ヒータは例えば抵抗加熱素子やペルチェ素子等であってよい。温度制御システム１０２はさらに、各温度領域の温度制御性を向上させるための他の要素部品を備えてもよい。
本実施形態に係る反応処理装置１００は、さらに、試料５０を反応処理容器１０の流路１２内で移動および停止させるための送液システム１２０を備える。送液システム１２０は、第１ポンプ１２２と、第２ポンプ１２４と、第１ポンプ１２２を駆動するための第１ポンプドライバ１２６と、第２ポンプ１２４を駆動するための第２ポンプドライバ１２８と、第１チューブ１３０と、第２チューブ１３２とを備える。
反応処理容器１０の第１空気連通口２４には、第１チューブ１３０の一端が接続される。第１空気連通口２４と第１チューブ１３０の一端の接続部には、気密性を確保するためのパッキン１３４やシールが配置されることが好ましい。第１チューブ１３０の他端は、第１ポンプ１２２の出力に接続される。同様に、反応処理容器１０の第２空気連通口２６には、第２チューブ１３２の一端が接続される。第２空気連通口２６と第２チューブ１３２の一端の接続部には、気密性を確保するためのパッキン１３６やシールが配置されることが好ましい。第２チューブ１３２の他端は、第２ポンプ１２４の出力に接続される。
第１ポンプ１２２、第２ポンプ１２４は、例えばダイアフラムポンプからなるマイクロブロアポンプであってよい。第１ポンプ１２２、第２ポンプ１２４としては、例えば株式会社村田製作所製のマイクロブロアポンプ（型式ＭＺＢ１００１Ｔ０２）などを使用することができる。このマイクロブロアポンプは、動作時に一次側より二次側の圧力を高めることができるが、停止した瞬間または停止時には一次側と二次側の圧力が等しくなる。
ＣＰＵ１０５は、第１ポンプドライバ１２６、第２ポンプドライバ１２８を介して、第１ポンプ１２２、第２ポンプ１２４からの送風や加圧を制御する。第１ポンプ１２２、第２ポンプ１２４からの送風や加圧は、第１空気連通口２４、第２空気連通口２６を通じて流路１２内の試料５０に作用し、推進力となって試料５０を移動させる。より詳細には、第１ポンプ１２２、第２ポンプ１２４を交互に動作させることにより、試料５０のいずれかの端面にかかる圧力が他端にかかる圧力より大きくなるため、試料５０の移動に係る推進力が得られる。第１ポンプ１２２、第２ポンプ１２４を交互に動作させることによって、試料５０を流路内で往復式に移動させて、反応処理容器１０の流路１２の各温度領域に繰り返し曝すことができ、その結果、試料５０にサーマルサイクルを与えることが可能となる。より具体的には、高温領域において変性、中温領域においてアニーリング・伸長の各工程を繰り返し与えることにより、試料５０中の目的のＤＮＡを選択的に増幅させる。言い換えれば高温領域は変性温度域、中温領域はアニーリング・伸長温度域とみなすことができる。また各温度領域に滞留する時間は、試料５０が各温度領域の所定の位置で停止する時間を変えることによって適宜設定することができる。
本実施形態に係る反応処理装置１００は、さらに、蛍光検出器１４０を備える。上述したように、試料５０には所定の蛍光プローブが添加されている。ＤＮＡの増幅が進むにつれ試料５０から発せられる蛍光信号の強度が増加するので、その蛍光信号の強度値をＰＣＲの進捗や反応の終端の判定材料としての指標とすることができる。
蛍光検出器１４０としては、非常にコンパクトな光学系で、迅速に測定でき、かつ明るい場所か暗い場所かにもかかわらず、蛍光を検出することができる日本板硝子株式会社製の光ファイバ型蛍光検出器ＦＬＥ－５１０を使用することができる。この光ファイバ型蛍光検出器は、その励起光／蛍光の波長特性を試料５０の発する蛍光特性に適するようにチューニングしておくことができ、様々な特性を有する試料について最適な光学・検出系を提供することが可能であり、さらに光ファイバ型蛍光検出器によってもたらされる光線の径の小ささから、流路などの小さいまたは細い領域に存在する試料からの蛍光を検出するのに適している。
光ファイバ型の蛍光検出器１４０は、光学ヘッド１４２と、蛍光検出器ドライバ１４４と、光学ヘッド１４２と蛍光検出器ドライバ１４４とを接続する光ファイバ１４６とを備える。蛍光検出器ドライバ１４４には励起光用光源（ＬＥＤ、レーザその他特定の波長を出射するように調整された光源）、光ファイバ型合分波器および光電変換素子（ＰＤ，ＡＰＤ又はフォトマル等の光検出器）（いずれも図示せず）等が含まれており、これらを制御するためのドライバ等からなる。光学ヘッド１４２はレンズ等の光学系からなり、励起光の試料への指向性照射と試料から発せられる蛍光の集光の機能を担う。集光された蛍光は光ファイバ１４６を通じて蛍光検出器ドライバ１４４内の光ファイバ型合分波器により励起光と分けられ、光電変換素子によって電気信号に変換される。
本実施形態に係る反応処理装置１００においては、高温領域と中温領域とを接続する流路内の試料５０からの蛍光を検出することができるように光学ヘッド１４２が配置される。試料５０は流路内を繰り返し往復移動させられることで反応が進み、試料５０に含まれる所定のＤＮＡが増幅するので、検出された蛍光の量の変動をモニタリングすることで、ＤＮＡの増幅の進度をリアルタイムで知ることができる。また、本実施形態に係る反応処理装置１００においては、後述するように、蛍光検出器１４０からの出力値を利用して、試料５０の移動制御に活用する。蛍光検出器は、試料からの蛍光を検出する機能を発揮するものであれば光ファイバ型蛍光検出器に限定されない。
図６は、反応処理容器の流路内の試料にサーマルサイクルを与えている様子を示す図である。図６に示す反応処理容器１０では、分注領域３４の第１分岐点４３１および第２分岐点４４１間の分注流路４２に充填された試料５０が、サーマルサイクル領域３２に移動されている。具体的には、試料５０が充填された反応処理容器１０を反応処理装置１００にセットし、第２ポンプ１２４のみを作動させることにより、分注領域３４内の試料５０をサーマルサイクル領域３２に推進させる。その後、上述したように、第１ポンプ１２２、第２ポンプ１２４（図５参照）を交互に動作させることによって、試料５０を流路１２内で往復式に移動させて、高温領域３６と中温領域３８とを連続的に往復移動させることにより、試料５０にサーマルサイクルを与えることができる。
図７は、本発明の実施形態に係る反応処理装置１００の外観を示す図である。本実施形態に係る反応処理装置１００は、使用者が携帯可能に構成されている。図７に示すように、反応処理装置１００は、その上面の一部に開口部を有する略直方体状の筐体本体７０と、該筐体本体７０の開口部を覆う蓋部７１とから成る筐体７２を備える。蓋部７１は、筐体本体７０に対して開閉可能である。筐体７２内には、図５で説明した反応処理容器１０の構成要素の多くが収容される。また、反応処理装置１００の上面には、反応処理装置１００の動作状態やコマンドの入力表示、ＰＣＲの進捗や結果を表示するための表示部７５や、操作ボタン７６が配置されている。またこれに限られるものではないが、反応処理装置１００の一部の形状は、使用者が把持しやすいように細幅に形成されている。
図８は、本発明の実施形態に係る反応処理装置１００において、筐体本体７０に対して蓋部７１を開いた状態を示す図である。蓋部７１は、筐体本体７０の側面に設けられたロックボタン７３を押しながら筐体７２の長手方向（図８における矢印の方向、以下この方向を「筐体７２の下方向」、逆の方向を「筐体７２の上方向」と呼ぶ）にスライドさせることにより開くことができる。図８に示すように、蓋部７１を開状態とすると容器設置部７４が露出するため、容器設置部７４に反応処理容器１０を設置したり、容器設置部７４から反応処理容器１０を取り外したりすることができる。
図９は、本発明の実施形態に係る反応処理装置１００の内部構成を説明するための透視図である。図９に示すように、筐体本体７０内には、反応処理容器１０、高温用ヒータ１０４、中温用ヒータ１０６、光学ヘッド１４２などが収容されている。
図１０は、蓋部７１が開状態のときの反応処理装置１００を説明するための図であり、反応処理容器１０や容器設置部７４と他の構成部品との関係をよりわかりやすく表した図である。
図９および図１０に示すように、反応処理容器１０は、筐体本体７０の長手方向に対して、主面が直交するように容器設置部７４に設置される。また、反応処理容器１０の一方の主面側には、高温用ヒータ１０４、中温用ヒータ１０６および分注用ヒータ１１２が配置される。また、反応処理容器１０の他方の主面側には、反応処理容器１０の位置を調整するための容器アライメント機構８０が配置される。
図１０に示すように、容器アライメント機構８０は、反応処理容器１０の他方の主面と対向して配置される押さえ部材８１と、支持体８２と、スライド機構とを備える。図１１は、該スライド機構３００を説明するための模式的な断面図であり、後述するレール３０２に垂直な面におけるスライド機構３００の上方向に見たときの断面図を表している。スライド機構３００は、筐体本体７０に固定されたベース板３０１と、ベース板３０１上に形成され、筐体本体７０の長手方向に伸長するレール３０２と、レール３０２上を移動するスライド板３０３とを含む。スライド板３０３上には、押さえ部材８１、支持体８２等が固定されている。さらに、蓋部７１がスライド板３０３に固定されているので、蓋部７１は筐体本体７０に対してスライド移動して筐体７２の開閉をすることができ、押さえ部材８１や支持体８２等も、蓋部７１の開閉とともに筐体本体７０に対して長手方向に移動することができる。
図１２は、蓋部７１が閉状態のときの反応処理装置１００を説明するための図である。図１０に示すように、蓋部７１が開状態とされると、押さえ部材８１や支持体８２が下方（すなわち反応処理容器１０から離れる方向）に移動する。このとき、反応処理容器１０の一方の主面は、高温用ヒータ１０４、中温用ヒータ１０６および分注用ヒータ１１２から離れている。一方、図１２に示すように、蓋部７１が開状態から閉状態とされると、押さえ部材８１や支持体８２が上方（すなわち反応処理容器１０に近づく方向）に移動する。反応処理容器１０は、容器設置部７４とともに押さえ部材８１により押されて上方に変位し、図１０で図示されるところの高温用ヒータ１０４、中温用ヒータ１０６および分注用ヒータ１１２（容器設置部７４の変位により図１２では現れない）に略面接触する。これにより、反応処理容器１０が高温用ヒータ１０４、中温用ヒータ１０６および分注用ヒータ１１２により加熱可能となる。
容器アライメント機構８０はさらに、蓋部７１が閉状態のときに押さえ部材８１を反応処理容器１０に押し付ける弾性部材（例えばバネ）８３を備える。弾性部材８３で反応処理容器１０と高温用ヒータ１０４、中温用ヒータ１０６および分注用ヒータ１１２とを密着させることにより、確実に反応処理容器１０の流路を所定の温度に維持することができる。
図１０および図１２に示すように、容器アライメント機構８０には、第１ポンプ１２２、第２ポンプ１２４、第１チューブ１３０、第２チューブ１３２を含む送液システムが支持体８２を介して装着されている。第１ポンプ１２２および第２ポンプ１２４は、蓋部７１や押さえ部材８１、支持体８２と連動してスライドするように配置されており、該第１ポンプ１２２および第２ポンプ１２４からそれぞれ第１チューブ１３０および第２チューブ１３２が筐体７２の上方向に延びている。第１チューブ１３０および第２チューブ１３２の先端にはそれぞれ、中空の第１ニードル８５および第２ニードル８６が設けられている。第１ニードル８５および第２ニードル８６は、押さえ部材８１を突き抜けて反応処理容器１０側に露出している。反応処理容器１０側に露出した第１ニードル８５および第２ニードル８６の周囲には、上述した気密性を確保するためのパッキン１３４、１３６が設けられている。
上述したように、蓋部７１が開状態から閉状態にされると、押さえ部材８１や支持体８２等が反応処理容器１０に近づく方向に移動し、最終的に、第１ポンプ１２２から延びる第１チューブ１３０と第２ポンプ１２４から延びる第２チューブ１３２は、反応処理容器１０の流路１２と連通する。より具体的には、押さえ部材８１が反応処理容器１０を押圧したときに、第１ニードル８５および第２ニードル８６により反応処理容器１０の第１封止フィルム１８の一部分が穿孔され、第１ニードル８５が反応処理容器１０の第１空気連通口２４に接続され、第２ニードル８６が反応処理容器１０の第２空気連通口２６に接続される。
図９、１０および１２に示すように、筐体本体７０内の高温用ヒータ１０４と中温用ヒータ１０６の間には、蛍光検出器の光学ヘッド１４２が配置されている。高温領域と中温領域との間の接続領域を通過する試料からの蛍光を検出するためである。本実施形態においては、蓋部７１が開状態から閉状態にされて、反応処理容器１０が高温用ヒータ１０４、中温用ヒータ１０６および分注用ヒータ１１２に接触したときに、反応処理容器１０の接続領域に位置する所定の蛍光検出点が、光学ヘッド１４２にとって最適に位置合わせされる。
以上、本実施形態に係る反応処理装置１００について説明した。本実施形態に係る反応処理装置１００では、容器アライメント機構８０を設け、蓋部７１が開状態から閉状態にされるのと連動して、反応処理容器１０が高温用ヒータ１０４、中温用ヒータ１０６および分注用ヒータ１１２に自動的に位置合わせ（すなわち接触）されるようにした。これにより、反応処理容器１０を位置合わせする手間を省くことができるので、ＰＣＲによる反応処理の作業性を向上することができる。
また、本実施形態に係る反応処理装置１００では、蓋部７１が開状態から閉状態にされるのと連動して、第１ポンプ１２２から延びる第１チューブ１３０と第２ポンプ１２４から延びる第２チューブ１３２が反応処理容器１０の流路１２に自動的に連通するようにした。これにより、第１チューブ１３０および第２チューブ１３２を反応処理容器１０に接続する手間を省くことができるので、ＰＣＲによる反応処理の作業性をさらに向上することができる。
さらに、本実施形態に係る反応処理装置１００では、蓋部７１が開状態から閉状態にされるのと連動して、反応処理容器１０の所定の蛍光検出点が蛍光検出器の光学ヘッド１４２に対して自動的に位置合わせされるようにした。これにより、反応処理容器１０に対して光学ヘッド１４２を位置合わせする手間を省くことができるので、ＰＣＲによる反応処理の作業性をよりさらに向上することができる。さらに、反応処理容器１０に位置決め穴を設け、反応処理装置１００にそれに対応する位置決めピンを設けることで、一連の位置合わせの精度を向上させることも可能である。このような位置決め穴／ピンのセットは複数設けてもよい。
作業者は、以上のような機構を備える反応処理装置１００に試料を充填した反応処理容器１０を装着し、蓋部７１を閉めることによって各ヒータや各ポンプに接続されたチューブ等を反応処理容器１０に連結させて、ＰＣＲによる反応処理の準備を完了することができる。その後、作業者は操作ボタン７６を操作して反応処理を開始し、表示部７５に表示された反応処理の進捗や結果をリアルタイムで確認しながら監視等を継続する。表示部７５には蛍光検出器１４０で検出された蛍光量を表示してもよい。例えば、ある特定の試料に対して、予め蛍光量の閾値を決めておき、その閾値を超えた時点で反応処理を停止させてもよい。またそのようにプログラムがなされていてもよい。
図１３および図１４は、本発明の別の実施形態に係る反応処理装置２００の外観を示す図である。先の実施形態に係る反応処理装置１００と同様の機能や構成については説明を省略する。本実施形態に係る反応処理装置２００もまた、使用者が携帯可能に構成されている。図１３および図１４に示すように、反応処理装置２００は、その長手方向の一方の端面に開口部を有する略直方体状の筐体本体２７０と、該筐体本体２７０の開口部を覆い、開閉可能な蓋部２７１とから成る筐体２７２を備える。反応処理装置２００の上面には、表示部２７５や操作ボタン２７６が配置されている。
図１３は蓋部２７１が閉状態のときの反応処理装置２００を、図１４は開状態のときの反応処理装置２００を表している。蓋部２７１は、例えばロック機構（図示せず）により閉状態を維持でき、スライド式ロックスイッチ２７３をスライドさせてロック機構のロックを解除することで開状態とすることができる。また開状態のとき、反応処理容器取り出し用スライドスイッチ２７８を上面方向にスライドさせることによって、反応処理装置２００から反応処理容器１０を容易に脱着させることが可能である。
図１５は、反応処理装置２００の蓋部２７１近傍の構成をわかりやすく透視的に表した図である。蓋部２７１は、後述するヒンジ機構により筐体本体２７０に対して開閉可能となっている。図１５に示すように、筐体本体２７０の開口部の筐体本体２７０側には、高温用ヒータ２０４、中温用ヒータ２０６、分注用ヒータ２１２、光学ヘッド２４２、第１ポンプ（図示せず）から延びる第１チューブ２３０の先端部、第２ポンプ（図示せず）から延びる第２チューブ２３２の先端部が配置されている。また、上記ヒータと相対するように、蓋部２７１には容器アライメント機構２８０が配置される。
容器アライメント機構２８０は、蓋部２７１が開状態から閉状態にされるのと連動して反応処理容器１０を高温用ヒータ２０４、中温用ヒータ２０６および分注用ヒータ２１２で加熱可能となるよう位置合わせする。容器アライメント機構２８０は、反応処理容器１０を蓋部２７１内側に配置するための容器設置部２７４と、蓋部２７１を開閉可能にするヒンジ機構２１０とを備える。
図１５に示す反応処理装置２００において、容器設置部２７４に反応処理容器１０を設置した状態で、ヒンジ機構２１０によって蓋部２７１が開状態から閉状態にされ、ロック機構（図示せず）により、その閉状態が維持される。このとき、反応処理容器１０が高温用ヒータ２０４、中温用ヒータ２０６および分注用ヒータ２１２に自動的に位置合わせされる。このときに反応処理容器１０が各ヒータに密着するように弾性部材（図示せず）が容器アライメント機構２８０に備わっている。また、これと同時に、第１チューブ２３０の先端部および第２チューブ２３２の先端部が反応処理容器１０の流路１２に自動的に連通し、さらに反応処理容器１０の所定の蛍光検出点が蛍光検出器の光学ヘッド２４２に対して自動的に位置合わせされる。さらに反応処理容器１０に位置決め穴を設け、反応処理装置２００にそれに対応する位置決めピン２７７を設けることで、一連の位置合わせの精度を向上させている。このように、本実施形態に係る反応処理装置２００もまた、ＰＣＲによる反応処理の作業性をさらに向上することができる。このようなヒンジ機構を備えるアライメント機構によれば、動く箇所やその範囲を少なくすることができ、装置の信頼性向上を図ることができる。
さらにこの実施形態においては、高温用ヒータ２０４、中温用ヒータ２０６、分注用ヒータ２１２、第１チューブ２３０の先端部、第２チューブ２３２の先端部および蛍光検出器の光学ヘッド２４２等の機能部品（要素）が反応処理容器１０の一方の主面に偏って配置されている。このことにより反応処理装置２００の機構部品等を反応処理容器１０の片側にまとめて配置させることができ、機構設計の簡略化や装置の小型化を図ることができる。
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
１０ 反応処理容器、 １２ 流路、 １４ 基板、 １６ 流路封止フィルム、 １８ 第１封止フィルム、 ２０ 第２封止フィルム、 ２４ 第１空気連通口、 ２６ 第２空気連通口、 ２８ 第１フィルタ、 ３０ 第２フィルタ、 ３２ サーマルサイクル領域、 ３４ 分注領域、 ３６ 高温領域、 ３８ 中温領域、 ４０ 接続領域、 ４２ 分注流路、 ４３ 第１支流路、 ４４ 第２支流路、 ４５ 第１試料導入口、 ４６ 第２試料導入口、 ５０ 試料、 ７０，２７０ 筐体本体、 ７１，２７１ 蓋部、 ７２，２７２ 筐体、 ７３ ロックボタン、 ７４，２７４ 容器設置部、 ７５，２７５ 表示部、 ７６，２７６ 操作ボタン、 ８０，２８０ 容器アライメント機構、 ８１ 押さえ部材、 ８２ 支持体、 ８３ 弾性部材、 ８５ 第１ニードル、 ８６ 第２ニードル、 １００，２００ 反応処理装置、 １０２ 温度制御システム、 １０４，２０４ 高温用ヒータ、 １０５ ＣＰＵ、 １０６，２０６ 中温用ヒータ、 １０８ 高温用ヒータドライバ、 １１０ 中温用ヒータドライバ、 １１２，２１２ 分注用ヒータ、 １１４ 分注用ヒータドライバ、 １２０ 送液システム、 １２２ 第１ポンプ、 １２４ 第２ポンプ、 １２６ 第１ポンプドライバ、 １２８ 第２ポンプドライバ、 １３０，２３０ 第１チューブ、 １３２，２３２ 第２チューブ、 １３４，１３６ パッキン、 １４０ 蛍光検出器、 １４２，２４２ 光学ヘッド、 １４４ 蛍光検出器ドライバ、 １４６ 光ファイバ、 ２１０ ヒンジ機構、 ２７３ スライド式ロックスイッチ、 ２７７ 位置決めピン、 ２７８ 反応処理容器取り出し用スライドスイッチ、 ３００ スライド機構、 ３０１ ベース板、 ３０２ レール、 ３０３ スライド板、 ２７７ 位置決めピン、 ４３１ 第１分岐点、 ４４１ 第２分岐点。
本発明は、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）に利用できる。

Claims (16)

  1. サーマルサイクルを与えてＤＮＡを含む試料に反応を起こさせる反応処理方法であって、
    前記試料が移動する流路と、前記流路の両端に設けられた空気連通口と、を備える反応処理容器を準備するステップと、
    筐体本体と、前記筐体本体に対して開閉可能な蓋部と、前記反応処理容器を設置するための容器設置部と、ヒータを含み前記流路の一部を複数の温度領域に維持するための温度制御システムと、ポンプを含み前記試料を前記流路内で移動および停止させるための送液システムと、を備え、前記蓋部を前記筐体本体に対して開状態にすることで前記反応処理容器を前記容器設置部に設置することができる、反応処理装置を準備するステップと、
    前記反応処理容器の前記流路内に前記試料を導入するステップと、
    前記反応処理装置の前記蓋部を開状態にして、前記反応処理容器を前記容器設置部に導入するステップと、
    前記蓋部を閉状態にするステップであって、当該ステップと連動して、前記ヒータが前記反応処理容器の所定の面に密着して、前記温度制御システムにより流路の一部を第１温度と第２温度に加熱可能な状態となるとともに、前記ポンプと前記反応処理容器の前記空気連通口とが接続して、前記送液システムにより前記流路内に送風可能な状態となるステップと、
    を備える、反応処理方法。
  2. 前記第１温度は、前記試料内に含まれるＤＮＡに熱変性反応を生じさせる温度であり、 前記第２温度は、前記試料内に含まれるＤＮＡにアニーリング・伸長反応を生じさせる温度であり、
    前記送液システムにより、前記第１温度に維持された第１温度領域と前記第２温度に維持された第２温度領域とを、前記試料を繰り返し往復移動させることを特徴とする、請求項１に記載の反応処理方法。
  3. 前記反応処理装置は、前記反応処理容器の前記所定の面を、前記温度制御システムに含まれる前記ヒータに密着させるための弾性部材を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の反応処理方法。
  4. 前記反応処理装置は、前記試料からの蛍光を検出するための蛍光検出器を備え、
    前記蓋部を閉状態にするステップと連動して、前記流路の所定の位置を通過する前記試料からの蛍光を検出可能な状態となるステップを含むことを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の反応処理方法。
  5. ＤＮＡを含む試料が移動する流路と、前記流路の両端に設けられた空気連通口と、を備える反応処理容器を設置するための容器設置部と、
    筐体本体と、
    前記筐体本体に対し開閉可能な蓋部と、
    ヒータを含み、前記流路の一部を複数の温度領域に維持するための温度制御システムと、
    ポンプを含み、前記試料を前記流路内で移動および停止させるための送液システムと、 を備え、
    前記蓋部を前記筐体本体に対して開状態にすることで、前記反応処理容器を前記容器設置部に設置することが可能となり、
    前記蓋部を閉状態にすることと連動して、前記ヒータが前記反応処理容器の所定の面に密着して、前記温度制御システムにより流路の一部を第１温度と第２温度に加熱可能な状態となるとともに、前記ポンプと前記反応処理容器の前記空気連通口とが接続して、前記送液システムにより前記流路内に送風可能な状態となる、反応処理装置。
  6. 前記第１温度は、前記試料内に含まれるＤＮＡに熱変性反応を生じさせる温度であり、 前記第２温度は、前記試料内に含まれるＤＮＡにアニーリング・伸長反応を生じさせる温度であり、
    前記送液システムにより、前記第１温度に維持された第１温度領域と前記第２温度に維持された第２温度領域とを、前記試料を繰り返し往復移動させることを特徴とする、請求項５に記載の反応処理装置。
  7. 前記反応処理装置は、前記試料からの蛍光を検出するための蛍光検出器を備え、
    前記蓋部を閉状態にすることと連動して、前記流路の所定の位置を通過する前記試料からの蛍光を検出可能な状態となることを特徴とする請求項５または６に記載の反応処理装置。
  8. 前記蛍光検出器は、レンズを含み、前記試料に励起光を照射して前記試料からの蛍光を集光せしめる光学ヘッドを含み、
    前記反応処理装置の前記蓋部を閉状態にすることと連動して、前記光学ヘッドが前記流路に対向するように配置されることを特徴とする請求項７に記載の反応処理装置。
  9. 前記送液システムは、前記蛍光検出器によって検出された前記試料からの蛍光信号の変化に基づいて、前記ポンプの作動と停止を制御することによって、前記試料の前記流路内における移動と停止を制御することを特徴とする請求項７または８に記載の反応処理装置。
  10. ＤＮＡを含む試料が移動する流路と、前記流路の両端に設けられた空気連通口と、を備え、反応処理装置に導入することによって、前記流路内において前記試料にサーマルサイクルを与えて、前記試料に反応を起こさせるために使用する反応処理容器であって、
    前記反応処理装置は、
    前記反応処理容器を設置するための容器設置部と、
    筐体本体と、
    前記筐体本体に対し開閉可能な蓋部と、
    ヒータを含み、前記流路の一部を複数の温度領域に維持するための温度制御システムと、
    ポンプを含み、前記試料を前記流路内で移動および停止させるための送液システムと、 を備え、
    前記蓋部を前記筐体本体に対して開状態にすることで、前記反応処理容器を前記容器設置部に設置することが可能となり、
    前記蓋部を閉状態にすることと連動して、前記ヒータが前記反応処理容器の所定の面に密着して、前記温度制御システムにより流路の一部を第１温度と第２温度に加熱可能な状態となるとともに、前記ポンプと前記反応処理容器の前記空気連通口とが接続して、前記送液システムにより前記流路内に送風可能な状態となる、反応処理容器。
  11. 前記第１温度は、前記試料内に含まれるＤＮＡに熱変性反応を生じさせる温度であり、 前記第２温度は、前記試料内に含まれるＤＮＡにアニーリング・伸長反応を生じさせる温度であり、
    前記送液システムにより、前記第１温度に維持された第１温度領域と前記第２温度に維持された第２温度領域とを、前記試料を繰り返し往復移動させることを特徴とする、請求項１０に記載の反応処理容器。
  12. 前記反応処理装置は、前記試料からの蛍光を検出するための蛍光検出器を備え、
    前記蓋部を閉状態にすることと連動して、前記流路の所定の位置を通過する前記試料からの蛍光を検出可能な状態となることを特徴とする、請求項１０または１１に記載の反応処理容器。
  13. 前記送液システムは、前記蛍光検出器によって検出された前記試料からの蛍光信号の変化に基づいて、前記ポンプの作動と停止を制御することによって、前記試料の流路内における移動と停止を制御することを特徴とする、請求項１２に記載の反応処理容器。
  14. 前記反応処理容器は、
    前記流路と前記空気連通口とが設けられた基板と、
    前記流路を封止するための流路封止フィルムと、
    前記空気連通口を封止するための空気連通口封止フィルムと、
    を備えることを特徴とする、請求項１０から１３のいずれかに記載の反応処理容器。
  15. 前記基板には、前記流路に前記試料を導入するための試料導入口が設けられており、
    前記試料導入口を封止するための試料導入口封止フィルムをさらに備えることを特徴とする、請求項１４に記載の反応処理容器。
  16. 前記第１温度領域および前記第２温度領域は、平面視で略矩形状に対応し、
    前記第１温度領域と前記第２温度領域との間隔は、前記第１温度領域および前記第２温度領域に対応する前記略矩形の一辺の長さより大きいことを特徴とする、請求項１１に記載の反応処理容器。
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