(57)【要約】【課題】  少ない反応溶液で反応処理を行って反応感度を向上する。【解決手段】  カートリッジ１７に、生化学解析用ユニットを収納するチャンバーと、チューブ４０を収納する収納室３７とを設ける。リアクタ本体１９にカートリッジ１７をセットするときには、カートリッジ１７の蓋部４１を開けてチューブ収納室３７からチューブ４０を引き出し、引き出したチューブ４０をチューブポンプ５５に取り付ける。チューブポンプ５５を駆動して反応溶液をチャンバー内で循環する。チューブ４０を使用するようにしたから、循環流路を短く構成することができる。【選択図】        図５
2005172708.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応溶液が通過する複数のスポット領域が形成されたフロースルータイプの生化学解析用ユニットを収容するチャンバーを備え、リアクタに着脱自在に装填される生化学解析用カートリッジにおいて、
前記チャンバーと接続され、前記リアクタに組み込まれたチューブポンプに着脱可能に取り付けられるとともに、前記チューブポンプの駆動によって前記反応溶液を循環させるチューブが設けられていることを特徴とする生化学解析用カートリッジ。
【請求項２】
前記リアクタから取り外したときに、前記チューブを収納するための収納部が設けられていることを特徴とする請求項１記載の生化学解析用カートリッジ。
【請求項３】
外部から前記チャンバー内に前記反応溶液を供給するための流路、及び前記チャンバー内の液を外部に排出するための流路をそれぞれ形成する供給・排出位置と、チャンバー内で前記反応溶液を循環させるため流路を形成する循環位置との間で前記反応溶液の流路を切り換える切り換え弁を内蔵したことを特徴とする請求項１又は２記載の生化学解析用カートリッジ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＤＮＡの塩基配列などの解析に用いられる生化学解析用ユニットを収容する生化学解析用カートリッジに関する。
【背景技術】
【０００２】
生体由来物質、例えばＤＮＡの塩基配列の解析などの生化学解析を行うために、生化学解析用ユニットが使用される。生化学解析用ユニットは、基板に微細な貫通孔を複数形成し、これら各貫通孔内に多孔質材料等の吸着性物質を押し込むことで、複数の吸着性領域（以下、スポット領域と称する）を形成したものであり、基板上に複数の微細なスポット領域が配列されていることからマイクロアレイなどと呼ばれる。この生化学解析用ユニットを使用した生化学解析方法は、生化学解析用ユニットの複数のスポット領域に、試薬となる特異的結合物質（以下、プローブと称する）を点着して固定化するスポッティング工程と、スポット領域に検体となる特異的結合物質（以下、ターゲットと称する）を浸透させて特異的結合（プローブとターゲットとの結合）を生じさせる反応工程と、生化学解析用ユニットから、各スポット領域の特異的結合反応の結果を示す生化学解析用データを読み取るデータ読み取り工程と、読み取られた解析用データをパーソナルコンピュータなどで解析するデータ解析工程とを含む（例えば、下記特許文献１及び特許文献２参照）。
【０００３】
プローブは、ターゲットの発現情報を調べるための試薬となるものであるから、分子構造、例えば、塩基配列や組成などが既知のものが使用される。プローブとしては、例えば、生体由来物質であるホルモン類，腫瘍マーカー，酵素，抗体，抗原，アブザイム，レセプタ，その他のタンパク質，リガンド，核酸，ｃＤＮＡ，ＤＮＡ，ＲＮＡなどであり、ターゲットと特異的結合が可能な物質である。ターゲットは、分子構造が未知のものであり、生体由来物質であるホルモン類，腫瘍マーカー，酵素，抗体，抗原，アブザイム，レセプタ，その他のタンパク質，リガンド，核酸，ｃＤＮＡ，ＤＮＡ，ｍＲＮＡなどを生体から抽出，単離して採取されたものや、この採取後に化学的処理が施されたものである。
【０００４】
塩基配列を調べる場合には、スポッティング工程において、生化学解析用ユニットの各スポット領域に、異なる種類のプローブが固定化される。そして、反応工程において、ターゲットを溶媒に溶かした溶液（以下、単に「ターゲット溶液」と称する）を各スポット領域に浸透させることで、ターゲットと、このターゲットと相補的な関係にあるプローブとを特異的結合させる。
【０００５】
特異的結合が生じたことを標識させる標識方法としては、例えば、化学発光反応による発光を利用する化学発光方式が使用される。化学発光方式においては、ターゲット反応処理、抗原抗体反応処理、化学発光反応処理の各反応処理が順に実行される。ターゲット反応処理は、ターゲットに抗原を結合させたターゲット溶液を各スポット領域に浸透させて、ターゲットとプローブとを特異的結合させる処理である。このターゲット反応処理の後、生化学解析用ユニットは洗浄されて、特異的結合が生じたスポット領域以外の部分に付着したターゲットが取り除かれる。これにより、特異的結合が生じたスポット領域にのみ、ターゲットと抗原が残留する。
【０００６】
このターゲット溶液の洗浄後、抗原抗体反応処理が行われる。抗原抗体反応処理では、酵素（化学発光基質に作用してこれを分解して発光させる）と抗体の重合体（以下、酵素抗体という）を溶媒に溶かした酵素抗体溶液を、スポット領域に浸透させて、前記酵素抗体溶液と前記抗原とを反応させることにより、前記酵素抗体と抗原とを結合させる。この抗原抗体反応処理の後、再び生化学解析用ユニットが洗浄されて、抗原と酵素抗体とが結合しなかったスポット領域から、酵素抗体を取り除く。
【０００７】
この酵素抗体の洗浄後、化学発光基質を含んだ化学発光基質溶液を、各スポット領域に浸透させることにより、化学発光反応を生じさせる。抗原と酵素抗体とが結合したスポット領域は、酵素の作用によって化学発光基質が分解されて発光する。この光を読み取ることで特異的結合の有無を検出する。検出手段としては、例えば、光学情報を読み取るＣＣＤイメージセンサなどの撮像デバイスが使用される。
【０００８】
これら各反応溶液を各スポット領域に浸透させる方法としては、例えば、振盪方式を用いる方法が知られている。振盪方式は、反応溶液と生化学解析用ユニットとを反応容器に入れ、容器を振盪機で揺らし、反応溶液を反応容器内で流動させることにより、前記吸着性領域に浸透させる方式である。
【０００９】
ところで、振盪方式は、反応溶液が生化学解析用ユニットの表面に接して流動するのみであり、したがって、反応溶液の前記吸着性領域への振盪と置換の速度が小さく、反応溶液中のターゲットが各スポット領域のプローブと遭遇する確率が低いために、プローブに特異的に結合するターゲットが少なく、十分な感度が得られない、という問題があった。
【００１０】
そこで、このような不都合を解消するために、反応溶液を反応容器内で自動的に循環して反応させるリアクタ（反応装置）が特許文献１及び特許文献２に提案されている。このリアクタには、反応溶液を注入する機構、反応容器内で反応溶液を循環させる循環機構、及び反応した後に反応溶液を排出する機構などが設けられている。
【００１１】
特許文献１に記載のリアクタでは、パイプを着脱自在に取り付けるための溶液注入口や流出口を反応容器に設け、反応溶液を注入するときには、タンクに貯めた反応溶液を反応容器内に供給するためのパイプを取り付けて、反応容器内に反応溶液を注入し、その後、前記パイプを取り外してポンプなどを接続した循環用パイプを双方の口に取り付け、ポンプの作動により反応溶液を反応容器内で循環させている。循環は、基板上に配列したスポット領域の一方の側から他方の側へ通過させるフロースルー方式となっている。
【００１２】
また、特許文献２に記載の発明では、生化学解析用ユニットの取り扱いの簡便性も考慮して、生化学解析用ユニットをカートリッジに収納して取り扱うようにしている。このカートリッジには、生化学解析用ユニットを収納するチャンバーが設けられている。このチャンバーは、反応溶液を循環して反応させる反応室も兼ねている。このカートリッジを使用すれば、生化学解析用ユニットをリアクタへ装填したり、そこから取り外す際に該ユニットを裸のまま取り扱う必要が無くなる。このようなカートリッジにも、反応溶液を注入するため、及び反応溶液を循環させるための溶液注入口や溶液流出口が設けられている。そして、カートリッジをリアクタ本体に装填すると、溶液注入口や溶液流出口が反応溶液を注入する、又は循環させるための一対の管にそれぞれ接続される。
【００１３】
【特許文献１】特開２００３−２２７８２５号公報
【特許文献２】国際公開第０１／０４５８４３号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、前述した公報記載のリアクタでは、循環用のパイプや管の取り回しが長くなり、循環容量が増え、反応溶液が大量に必要になるとともに、吐出圧の大きいポンプが必要になり、コストアップとなる。また、循環容量が増えると、反応溶液の濃度が下がって反応感度が悪くなるという不都合が生じる。
【００１５】
本発明は、反応溶液の消費量を抑え、少ない反応溶液で反応感度を向上することができるとともに、安価なポンプを使用してセットする側のリアクタのコストダウンを図ることが可能な生化学解析用カートリッジを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記目的を達成するために、生化学解析用カートリッジに、リアクタ本体に組み込まれたチューブポンプに取り付けられるチューブを設けたものである。このチューブは、弾性を有しており、両端がチューブ収納室とチャンバーとを仕切る壁を貫通する循環用入口と循環用出口とに接続されている。反応溶液を循環するためにカートリッジをリアクタ本体にセットした後に、チューブの両端の間は、チューブポンプにセットされる。このセットは、チューブ両端の間をチューブポンプのロータの周りに掛けることで完了する。チューブポンプは、ロータを回転させ、ロータの回転でチューブを順次に押しつぶし、ロータの回転方向に反応溶液を押し出すとともに、押しつぶされたチューブが復元する時に生じる真空圧で反応溶液を吸引する。なお、循環用入口と循環用出口とをチャンバーを構成する壁うちの同じ面となる壁に設けてもよいし、異なる面となる壁に設けても良い。
【００１７】
不使用時には、カートリッジに設けたチューブが邪魔になる。そこで、カートリッジの内部に、チャンバーと隔ててチューブ収納室を設け、ここにチューブを収納するのが望ましい。使用時には、チューブ収納室からチューブを簡便に取り出せることが必要である。そこで、カートリッジの外部に蓋を開閉自在に設け、蓋を開くことでチューブ収納室が露呈される構造にするのが好適である。
【００１８】
また、カートリッジに切り換え弁を内蔵してもよい。この場合には、少なくとも４つの口をもつ切り換え弁を用いる。４つの口は、内部供給口、内部排出口、外部供給口、及び外部排出口にそれぞれ繋げられる口である。内部供給口及び内部排出口は、チャンバーの外部からチャンバー内に反応溶液を供給、又はチャンバー内の液をチャンバーの外に排出するための口であり、切り換え弁の４つの口のうちの２つの口にそれぞれ繋がっている。また、外部供給口及び外部排出口は、切り換え弁の残りの２つの口に繋がっている。切り換え弁は、内部供給口及び内部排出口と繋げてチャンバー内で反応溶液を循環させるための循環流路を形成する循環位置と、内部供給口及び内部排出口とを外部供給口と外部排出口とにそれぞれ繋げた流路を同時に形成する供給・排出位置とに反応溶液の流路を切り換える。なお、内部供給口及び内部排出口を、循環用入口と循環用出口とを設けた壁とは異なる壁に設けてもよいし、同じ壁に設けても良い。なお、収納室を設ける代わりに、切り換え弁を設けても良いし、収納室と切り換え弁との両方を設けても良い。
【００１９】
また、間接標識法である化学発光方式を用いる場合には、反応溶液として、ターゲット溶液、酵素抗体溶液、及び、化学発光基質溶液の各溶液が順次選択的に用いられる。ターゲット溶液に標識物質を含ませる直接標識法においては、蛍光物質や放射性物質などの標識物質を含むターゲット溶液が使用される。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の生化学解析用カートリッジには、反応溶液を循環させるためのチューブを設けたから、従来技術で説明したように、反応容器やリアクタ本体に外部接続するパイプや管を用いるのと比較して循環路長を短くすることができ、反応溶液の消費量を抑えることができるとともに、反応溶液を少なくすることができるため反応感度を向上することができる。また、チューブポンプを使用することができるため、リアクタのコストダウンを図ることができる。さらに、チューブを収納する収納部を設けた発明では、不使用時に邪魔にならず、取り扱いが簡便となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１に示すように、生化学解析用ユニット１０を使用した生化学解析方法は、スポッティング工程と、反応工程と、データ読み取り工程と、データ解析工程とを含む。反応工程は、ターゲット反応処理、ターゲット洗浄処理、抗原抗体反応処理、抗体洗浄処理、及び、化学発光反応処理との４つの処理からなる。生化学解析用ユニット１０は、基板１１に、微細な貫通孔１２をマトリックス状に複数形成し、各貫通孔１２に吸着性物質であるメンブレン１３を圧入して複数のスポット領域１４を形成したものであり、フロースルータイプのものである。
【００２２】
生化学解析用ユニット１０の説明図である。生化学解析用ユニット１０は、データ読み取り工程において、後述するＣＣＤイメージセンサを含む検出装置によって光電的に読み取られる。したがって、基板１１の材質としては、光の散乱を防止するために、光を減衰させる材質が好ましく、金属、セラミック、プラスチックなどが使用される。光の散乱を防止する趣旨は、あるスポット領域１４で発せられた光が、基板壁を透過して、隣接するスポット領域に到達することにより、発光していないスポット領域から光があたかも光が発せられているかのように見えてしまうという誤認識を防止することにある。光を減衰させる効率が高い材質を使用することで、誤認識が防止され、信頼性の高い解析用データが得られる。光の減衰率（スポット領域から発せられる光強度の低下率）は、あるスポット領域から発せられる光強度が、隣接するスポット領域においては、１／１０以下になることが好ましく、１／１００以下になることがより好ましい。
【００２３】
基板１１の厚みは、５０〜１０００μｍの範囲であることが好ましく、より好ましくは１００〜５００μｍの範囲である。金属としては、銅、銀、金、亜鉛、鉛、アルミニウム、チタン、錫、クロム、鉄、ニッケル、コバルト、タンタルなどを用いることができる。または、ステンレス鋼や黄銅などの合金も用いることができるが、必ずしもこれらに限定されない。また、セラミックとしては、アルミナ、ジルコニア、等があげられるが、必ずしもこれらに限定されない。
【００２４】
プラスチックを基板材料に用いると貫通孔の形成が容易となり好ましいが、光の減衰が生じ難い場合もある。そこで、光をより一層減衰させるために、プラスチックに、カーボン、金属酸化物粒子やガラス繊維などの粒子を充填して、これらをプラスチック内部に分散させることが好ましい。金属酸化物粒子としては、二酸化ケイ素、アルミナ、二酸化チタン、酸化鉄、酸化銅などがあげられるが、必ずしもこれらに限定されない。
【００２５】
貫通孔１２の形成方法は、パンチング法、放電パルス法、食刻技術法（フォトリソグラフィー法），電解エッチング法，エキシマレーザー及びＹＡＧレーザーなどのレーザーを基板に照射する方法などがあるがこれらに限定されるものではない。これら各形成方法は、基板の材料等に応じて適宜選択される。
【００２６】
貫通孔１２の密度を高めるために、貫通孔の開口部の面積は、５ｍｍ2 未満であることが好ましく、より好ましくは１ｍｍ2 未満であり、０．３ｍｍ2 未満がより好ましく、０．０１ｍｍ2 未満がさらに好ましい。そして、最も好ましくは０．０００１ｍｍ2 以上である。また、貫通孔の孔形状を略円形とした場合には、その直径が、３０μｍ〜３００μｍであることが好ましい。
【００２７】
貫通孔１２の配列ピッチ（隣接する二つの孔の中心から中心までの距離）Ｐは、５０μｍ〜３０００μｍの範囲が好ましく、隣接する２つの貫通孔１２の端部から端部までの距離Ｌは、１０μｍ〜１５００μｍの範囲とすることが好ましい。また、貫通孔１２の密度は、１０個／ｃｍ2 以上が好ましく、１００個／ｃｍ2 以上がより好ましく、さらに好ましくは５００個／ｃｍ2 以上、さらに最も好ましくは１０００個／ｃｍ2 以上５００００個／ｃｍ2 以下の範囲である。
【００２８】
貫通孔１２が形成された基板１１には、洗浄効果を高めるために、表面処理が施される。基板１１の材料に金属，合金（例えば、ステンレス鋼など）を用いた際には、コロナ放電，プラズマ放電または陽極酸化法などの少なくともいずれかの方法により表面処理が施される。この表面処理によって基板１１には親水性が高い表面処理層が形成される。
【００２９】
表面処理が施された後、基板１１のメンブレン１３が圧入される面に接着剤が塗布される。なお、接着剤を塗工する方法は、特に限定されるものではないが、ロール塗布，ワイヤーバー塗布，ディップ塗布，ブレード塗布，エアナイフ塗布などにより行なうことができる。接着剤には、スチレンブタジエンゴム，アクリロニトリルブタジエンゴムが好ましく用いられるが、これらに限定されるものではない。なお、余剰の接着剤は、ブレードにより掻き落としたり、レーザー光の照射により熱分解させて除去する方法などにより行なうことが後の工程で不純物の発生を防止するために好ましい。なお、本発明において、基板の表面処理、接着剤の塗工の工程は省略することもできる。
【００３０】
接着剤が塗布された後、貫通孔１２にメンブレン１３が圧入される。メンブレン１３には、多孔質材料あるいは繊維材料が好ましく使用される。また、多孔質材料と繊維材料とを併用して用いることもできる。本発明において用いられるメンブレン１３は、多孔質材料（有機，無機，有機／無機）、繊維材料（有機，無機）のいずれでもよく、それらを混合して用いても良い。メンブレン１３の厚さは特に限定されないが、５０μｍ〜２００μｍ（０．０５ｍｍ〜０．２０ｍｍ）の範囲のものを用いることが好ましい。また、体積空隙率Ｃが、１０％〜９０％の範囲のものを用いることが好ましく、空隙を構成する微細孔の平均孔径は０．１μｍ〜５０μｍの範囲にあるものを用いることが好ましい。体積空隙率Ｃは、吸着性材料の見掛け体積に対する無数の孔の体積和の百分率で示される。
【００３１】
有機多孔質材料は、特に限定されるものではないが、ポリマーを用いることが好ましい。ポリマーとしては、セルロース誘導体（例えば、ニトロセルロース、再生セルロース、セルロースアセテート、酢酸セルロース、酪酸酢酸セルロースなど）、脂肪族ポリアミド類（例えば、ナイロン６、ナイロン６，６、ナイロン４，１０など）、ポリオレフィン類（例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなど）、含塩素ポリマー類（例えば、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデンなど）、フッ素樹脂類（例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオライドなど）、ポリカーボネート、ポリスルフォン、アルギン酸及びその誘導体（例えば、アルギン酸、アルギン酸カルシウム、アルギン酸／ポリリシンポリイオンコンプレックスなど）、コラーゲンなどがあげられ、これらポリマーの共重合体や複合体（混合体）も用いることができる。なお、本発明においては、多孔質としたナイロンを用いることが吸水性の点から好ましい。
【００３２】
無機多孔質材料も、特に限定されるものではないが、好ましくは、金属（例えば、白金、金、鉄、銀、ニッケル、アルミニウムなど）、金属等の酸化物（例えば、アルミナ、シリカ、チタニア、ゼオライトなど）、金属塩（例えば、ヒドロキシアパタイト、硫酸カルシウムなど）及びこれらの複合体などが挙げられる。また、活性炭などの炭素多孔質材料も好ましく用いられる。
【００３３】
また、有機繊維材料，無機繊維材料も特に限定されるものではない。例えば、前記セルロース誘導体類、脂肪族ポリアミド類などの有機繊維材料や、ガラス繊維、金属繊維などの無機繊維材料を用いることができる。また、メンブレン１３の強度を高めるため、多孔質材料を溶解する溶媒に不溶な繊維材料を混合させても良い。
【００３４】
メンブレン１３の圧入は、基板１１とメンブレン１３とを重ね合わせた状態で上下からプレス板により間欠的にプレスすることによって行われる。なお、メンブレン１３に有機多孔質材料及び／または有機繊維材料を用いているときには、プレス板を加熱して、これを基板１１に浸透させることで基板１１の温度を上げる。これにより、メンブレン１３が軟化して押込みが容易となる。また、プレス板の代わりにローラを用いてもよい。こうして、貫通孔１２にメンブレン１３が押し込まれることによりスポット領域１４が形成される。
【００３５】
詳しくは図２に示すように、複数のスポット領域１４が配列されたフロースルーエリア２８は略矩形をしており、各スポット領域１４は、所定の数毎に、輪郭が略矩形のブロック単位で規則的に区画されている。基板１１のサイズは、例えば、縦が７０ｍｍで、横が９０ｍｍである。各ブロック４３のサイズは、例えば、約４ｍｍ四方である。これらのブロック４３は、マトリックス状に配列されており、その数は、例えば、縦が１０個で横が１２個である。これらブロック４３のサイズ及び数、各スポット領域１４のサイズ及び配列ピッチなどのフロースルーエリア２８の仕様は、後述する検出装置２３の仕様と対応するように決定される。符号３２は、生化学解析用ユニット１０を、後述する生化学解析用カートリッジ１７に取り付ける際の位置決め穴である。なお、本例では、各スポット領域１４をブロック単位で区画しているが、こうした区画はしなくてもよく、例えば、フロースルーエリア２８全域に渡って、各スポット領域１４を同じピッチで配列してもよい。
【００３６】
スポッティング工程では、スポッターを用いて、生化学解析用ユニット１０の各スポット領域１４に、異なる種類のプローブを含む溶液（以下、プローブ溶液という）が各々点着される。スポッターは、先端に割り溝が形成され、プローブ溶液を点着するスポットピン１５を備えている。このスポットピン１５により、ウエルプレート上に分注された複数種類のプローブ溶液を吸い上げ、吸い上げられたプローブ溶液を各スポット領域１４に点着する。この後、各スポット領域１４に紫外線などを照射することによりプローブがスポット領域１４に固定される。こうして、プローブが固定された生化学解析用ユニット１０は、チャンバー１６を備えた生化学解析用カートリッジ（以下、単にカートリッジという）１７に収容され、その形態で反応工程に送られる。
【００３７】
反応工程では、ターゲット反応処理、ターゲット洗浄処理、抗原抗体反応処理、抗体洗浄処理、及び化学発光反応処理の順番で５つの処理が行われる。ターゲット反応処理では、リアクタ１８を用いて、プローブと、検体となるターゲットを反応させる。リアクタ１８は、リアクタ本体１９、循環機構２０、及び供給・排出機構２１とで構成されている。リアクタ本体１９には、カートリッジ１７が着脱自在にセットされるカートリッジ収納室２２を備えている。そして、リアクタ本体１９は、チャンバー１６内の温度を所定の温度に保持するための保温ケースを兼ねている。
【００３８】
実験に使用されるターゲット溶液は、反応溶液調製装置によって作られる。反応溶液調製装置は、抗原と結合したターゲットを溶媒に溶かし込んでターゲット溶液を調製する。
【００３９】
循環機構２０は、カートリッジ１７の内部に設けたチャンバー１６内でターゲット溶液をフロースルー方式で循環させて反応させる。供給・排出機構２１は、チャンバー１６にターゲット溶液を供給するとともに、反応後にターゲット溶液を排出する。
【００４０】
循環中のターゲット溶液は、図中、下面側から各スポット領域１４に浸透して、図中上面側へ流動する。これにより、ターゲット溶液は、ターゲットと相補的なプローブを有する各スポット領域１４に浸透する。この浸透時に、ターゲットとプローブとが特異的結合反応を生じる。各スポット領域１４を透過したターゲット溶液は、循環機構２０により各スポット領域１４の上面側からチャンバー１６の外へ排出され、チャンバー１６から排出されたターゲット溶液は、再び各スポット領域１４の下面側に注入される。
【００４１】
このターゲット反応処理を行った後に、チャンバー１６に洗浄液が供給されて、ターゲット洗浄処理が行われる。ターゲット洗浄処理では、特異的結合反応を生じたスポット領域１４以外の部分から、抗原と結合したターゲットが取り除かれる。ターゲットの洗浄後、抗原抗体反応処理が行われる。抗原抗体反応処理では、チャンバー１６に酵素抗体溶液を供給して、酵素抗体溶液を各スポット領域に浸透させる。特異的結合してターゲットが残留しているスポット領域１４においては、抗原抗体反応が生じ、ターゲットに結合された抗原に、前記酵素抗体が結合する。この抗原抗体反応処理の後、チャンバー１６に洗浄液が供給されて、抗体洗浄処理が行われる。この抗体洗浄処理によって抗原抗体反応を生じたスポット領域１４以外の部分から酵素抗体が取り除かれる。
【００４２】
この抗体洗浄処理を行った後、化学発光反応処理を行う。この処理は、化学発光基質を含む化学発光基質溶液をチャンバー１６に供給して各スポット領域１４に化学発光基質溶液を浸透させる。その後、リアクタ本体１９にカートリッジ１７を装填した状態で、データ読み取りが行われる。カートリッジ１７には、後述する検出窓が設けられており、この検出窓を通してカートリッジ１７内の生化学解析用ユニット１０から生化学解析用データが光電的に読み取られる。この読み取りは、検出装置２３により行われる。検出装置２３は、各スポット領域１４に一対一でセットされる複数の光ファイバー２４と、光ファイバー２４を通して各スポット領域１４を撮像する撮像ユニット２５とで構成されている。そして、読み取ったデータをデータ解析工程で解析してターゲットの同定を行う。
【００４３】
図３に示すように、カートリッジ１７は、上半部２６及び下半部２７とからなる。上・下半部２６，２７には、詳しくは図４にも示すように、生化学解析用ユニット１０のフロースルーエリア２８と対向する部位に、一段凹んだ上凹部２９及び上凹部３０が形成されており、上・下凹部２９，３０の内壁とフロースルーエリア２８との間に所定の空間が確保される。チャンバー１６は、これら上・下凹部２９，３０を組み合わせることで平面視矩形な空間として構成され、上・下凹部２９，３０は、生化学解析用ユニット１０により上下に仕切られている。
【００４４】
下半部２７には、位置決めピン３１が設けられており、これらのピン３１を位置決め穴３２に挿通させることによってフロースルーエリア２８がチャンバー１６内に収容されるように生化学解析用ユニット１０の位置決めが行われる。上・下凹部２９，３０の周りには、パッキン３３をそれぞれ取り付けるための溝３４が形成されている。そして、上・下半部２６，２７を一対の止め金具３５で挟み込むことで、チャンバー１６が水密にされる。
【００４５】
また、上・下半部２６，２７には、仕切壁３６を挟んでチャンバー１６の隣にチューブ収納室３７が設けられている。チューブ収納室３７も、上・下半部２６，２７を組み合わせることで構成される。チューブ収納室３７には、循環用入口３８と循環用出口３９とが露呈して設けられている。循環用入口３８は、下凹部３０に通じており、これにチューブ４０の一端４０ａが接続されている。他方、循環用出口３９は、上凹部２９に通じており、これにチューブ４０の他端４０ｂが接続されている。循環用入口３８と循環用出口３９とは、チャンバー１６の平面視矩形な輪郭の一辺に対応する壁１６ａに設けられている。このチューブ４０により上凹部２９と下凹部３０との間で反応溶液を循環させる循環路が構成される。
【００４６】
チューブ４０は、弾性を有した材料で形成されており、一端４０ａと他端４０ｂとの間の中間部を折り込むことでチューブ収納室３７に収納される。チューブ収納室３７は、循環用入口３８と循環用出口３９とを設けた壁１６ａに隣接する位置で、かつ、外部から隔離された部屋となって設けられている。このため、チューブ４０を簡便に引き出すことができるように、上半部を構成する一部に開閉自在な蓋部４１を設けている。引き出したチューブ４０の中間部は、詳しくは後述する循環用のチューブポンプにセットされる。蓋部４１には、チューブ４０をチューブポンプにセットした状態で閉じることができるように、チューブポンプにセットする方の壁に、チューブ４０を逃がすための切り欠き部４２がそれぞれ形成されている。なお、切り欠き部４２の代わりに、全部開放してもよい。
【００４７】
蓋部４１の構成としては、ヒンジを設けて上半部２６とは別部材で取り付ける構成としてもよいし、上半部２６の一部を肉薄にして折り曲げ自在に形成して上半部２６と一体化したプルトップ式の蓋としてもよい。一体化構成の場合には、上半部２６を樹脂材料で形成すればよい。また、上半部２６に限らず、下半部２７も樹脂材料で形成してもよい。樹脂材料としては、例えば、ＡＢＳ（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン）樹脂や、ＰＰ（ポリプロピレン）樹脂などを用いるのが好適である。また、チューブ４０としては、シリコンチューブや、フッソ樹脂とフッ素系エラストマーの複合チューブなどを用いるのが耐久性の面で好適である。
【００４８】
また、カートリッジ１７には、壁１６ａに隣接する壁１６ｂに溶液注入口４４と流出口４５とが外に露呈して設けられている。溶液注入口４４は上凹部２９に繋がっており、また溶液流出口４５は下凹部３０に繋がっている。これら口４４，４５を利用して反応溶液や洗浄液を供給又は排出する。なお、溶液注入口４４と流出口４５とを設けるカートリッジ１７の位置としては、壁１６ａに隣接する壁１６ｂに限らず、同じ壁１６ａに設けてもよいし。相対する側の壁に設けてもよい。また、カートリッジ１７の外周ではなく、上面や下面に設けても良い。
【００４９】
上半部２６の天板４６のフロースルーエリア２８と対面する位置には、検出窓４７が設けられている。検出窓４７は、スポット領域１４に対応する位置に形成された複数の開口からなる。各開口の径は、スポット領域１４の径に対応している。
【００５０】
図５に示すように、カートリッジ１７は、リアクタ本体１９に装填される。リアクタ本体１９は、本体基部５１と、上蓋５０とからなる。本体基部５１及び上蓋５０の内部には、カートリッジ収納室２２が設けられている。カートリッジ収納室２２は、カートリッジ１７の外形に合わせて象られており、また、それらの側端部には、溶液注入口４４と流出口４５をリアクタ本体１９の外部に露呈させる切り欠き５３がそれぞれ設けられている。上蓋５０は、装填されたカートリッジ１７を覆うように本体基部５１の上方に被せられる。この状態で、上蓋５０と本体基部５１とを図示しない圧着機構によって圧着し、カートリッジ１７をカートリッジ収納室２２に保持するとともに、カートリッジ１７の検出窓４７を塞ぐ。
【００５１】
また、本体基部５１には、カートリッジ収納室２２の隣にチューブポンプ５５が固定されている。チューブポンプ５５は、チューブケース５６とモータ５７とで構成されている。チューブケース５６は、地板５８と着脱自在な蓋５９とで構成されている。地板５８には、一段凹んだ凹部６０の底に、円板状のロータ６１が回転自在に取り付けられている。ロータ６１は、外周に複数のローラ６２を取り付けた形態となっており、モータ５７の駆動により一方向に回転する。凹部６０を構成する内壁は、略Ｕ字状となっており、そのＵ字状の内壁のうちの円弧壁の内側でロータ６１が回転する。円弧壁とロータ６１との間は隙間が形成されている。その隙間に沿ってチューブ４０の中間部を嵌め込み、その後に、蓋５９を取り付けることでチューブ４０のセットが完了する。
【００５２】
モータ５７は地板５８に取り付けられ、輪郭が本体基部５１から突出している。外部操作によりモータ５７を駆動すると、ロータ６１が回転し、ロータ６１の回転で複数のローラ６２がチューブ４０を順次に押しつぶす。これにより、チューブポンプ５５は、ロータ６１の回転方向に反応溶液を押し出すとともに、押しつぶされたチューブ４０が復元する時に生じる真空圧で反応溶液を吸引する。なお、カートリッジ１７に対向するチューブケース５６の壁には、チューブ４０の両端側を逃がすために開放部又は切り欠き部が形成されている。
【００５３】
リアクタ本体１９から露呈される溶液注入口４４と流出口４５には、供給・排出機構２１が接続される。供給・排出機構２１は、図６に示すように、切り換え弁６５、供給機構６６、及び排出機構６７で構成されている。供給機構６６は、要７０ｆを中心に放射状に配したパイプ７０ａ〜７０ｅの各々に供給バルブＢ１〜Ｂ５と供給用タンクＴ１〜Ｔ５とを一対ずつ配し、その要７０ｆと詳しくは後述する切り換え弁６５の第３口６５ｃとを１本のパイプ７１で繋いだ形態となっており、各供給用タンクＴ１〜Ｔ５のうちの何れかに貯留した溶液をそれに対応する供給バルブＢ１〜Ｂ５を開いてチャンバー１６に供給する供給流路を形成している。また、排出機構６７は、排出バルブ７２、排出用タンク７４、及びこれらを繋ぐパイプ７５とからなり、各処理を施した後に、チャンバー１６に残った溶液を排出用タンク７４に排出する排出流路を形成している。
【００５４】
供給用タンクＴ１にはターゲット溶液が、供給用タンクＴ２及び供給用タンクＴ４にはそれぞれ洗浄液が貯留されている。供給用タンクＴ２に貯留する洗浄液は特異的結合しなかったターゲットを取り除くためのものであり、また、供給用タンクＴ３に貯留する洗浄液は抗原抗体反応で結合しなかった酵素抗体を取り除くためのものである。供給用タンクＴ３には、酵素抗体溶液が貯留され、また、供給用タンクＴ５には、化学発光基質溶液が貯留されている。
【００５５】
供給バルブＢ１〜Ｂ５は、供給時に何れかのバルブが供給流路を開く開き位置に、また排出時には供給タンク側の供給流路を閉鎖する閉じ位置に切り換えられる。排出バルブ７２は、排出時に排出流路を開く開き位置に、また供給時には排出タンク側の排出流路を閉鎖する閉じ位置に切り換えられる。
【００５６】
切り換え弁６５は、４つの口６５ａ〜６５ｄが設けられている。第１口６５ａには溶液注入口４４が、また、第２口６５ｂには溶液流出口４５がそれぞれパイプにより繋がれる。第３口６５ｃには供給機構６６の供給流路の下流端が、また、第４口６５ｄには排出機構６７の排出流路の上流端がそれぞれパイプにより繋がれる。切り換え弁６５は、外部操作により循環位置と供給・排出位置との間で流路を切り替える。供給・排出位置では、第１口６５ａと第３口６５ｃとが繋がれて、溶液注入口４４に供給機構６６の供給流路が接続されるとともに、第２口６５ｂと第４口６５ｄとが繋がれて、溶液流出口４５が排出機構６７の排出流路に接続される。循環位置では、図７に示すように、第１口６５ａと第２口６５ｂとが繋がれ、溶液注入口４４と溶液流出口４５とが直接に接続されて循環流路を形成する。
【００５７】
反応工程での作業手順を説明する。カートリッジ１７は、チューブ４０をチューブ収納室３７に収納した形態で取り扱われる。次に、リアクタ本体１９の上蓋５０を開けてカートリッジ１７をカートリッジ収納室２２にセットし、その後、カートリッジ１７の蓋部４１を開けてチューブ４０を引き出す。そのチューブ４０の中間部をチューブポンプ５５にセットする。そのセットは、チューブケース５６の蓋５９を開けて、ロータ６１の外周の隙間に沿ってチューブ４０の中間部を嵌め込み、その後に、蓋５９を取り付けることで完了する。チューブケース５６の蓋５９を閉めた後には、カートリッジ１７の蓋部４１を閉め、最後にリアクタ本体１９の上蓋５０を取り付ける。
【００５８】
その後、ターゲット反応処理を行うために、切り換え弁６５を供給・排出位置に切り替える。供給・排出位置に切り換えると、溶液注入口４４が供給機構６６の供給流路に繋がれるとともに、溶液流出口４５に排出機構６７の排出流路が繋がれる。その後、供給機構６６のパルブＢ１を開き位置に切り換えるとともに、排出機構６７のバルブ７２を開き位置に切り換える。そして、最後にチューブポンプ５５を駆動することで、供給用タンクＴ１からターゲット溶液がカートリッジ１７の内部のチェンバー１６に供給される。なお、他のバルブＢ２〜Ｂ５は閉じ位置となっている。
【００５９】
ターゲット溶液をチャンバー１６に満たした後には、切り換え弁６５を循環位置に切り換える。これにより、溶液注入口４４と溶液流出口４５とが繋がれて循環流路が形成される。このとき、供給・排出機構６６，６７のバルブＢ１，７２も閉じ位置に切り換える。その後、チューブポンプ５５を駆動する。これにより、チューブポンプ５５は、ロータ６１の回転方向にターゲット溶液を押し出すとともに、押しつぶされたチューブ４０が復元する時に生じる真空圧でターゲット溶液を吸引する。押し出されたターゲット溶液は、循環用入口３８を通ってチャンバー１６の下凹部３０に流入し、また、循環用出口３９を通って上凹部２９からチューブポンプ５５に向けてターゲット溶液が吸引される。このようなターゲット溶液の循環を一定時間行うことで、循環中のターゲット溶液が下凹部３０から各スポット領域１４に浸透して上凹部２９に向けた一方向に流動し、このとき、ターゲット溶液が各スポット領域１４に浸透する。この浸透時に、ターゲットとプローブとが特異的結合反応を生じる。なお、ターゲット溶液を循環させる方向としては、前述した一方向に限らず、チューブポンプ５５を逆転して逆方向に循環しても良いし、またチューブポンプ５５を正逆転して交互に循環させてもよい。
【００６０】
反応完了後には、洗浄液を供給すると共にターゲット溶液を排出する。供給・排出作業は、切り換え弁６５を供給・排出位置に切り換える。次に、供給機構６６のパルブＢ２を開き位置に切り換え、かつ排出機構６７のバルブ７２を開き位置に切り換える。そして、チューブポンプ５５を駆動することで、供給用タンクＴ２から洗浄液が供給されると共に、洗浄液に押し出されるようにチャンバー１６からターゲット溶液が排出用タンク７４に排出される。
【００６１】
ターゲット反応処理を行った後、ターゲット洗浄処理を行う。この処理により、生化学解析用ユニット１０が洗浄されて、特異的結合反応を生じたスポット領域１４以外の部分からターゲットと抗原が取り除かれる。洗浄を行うには、切り換え弁６５を循環位置に、供給・排出機構６６，６７のバルブＢ２，７２を閉じ位置に切り換え、チューブポンプ５５を駆動すると、供給用タンクＴ２から洗浄液がカートリッジ１７に供給され、循環経路内を循環して洗浄が行われる。
【００６２】
ターゲット洗浄処理後は、抗原抗体反応処理を行う。この処理は、切り換え弁６５を供給・排出位置に切り換え、バルブＢ３を開き、かつ排出機構６７のバルブ７２を開き位置に切り換え、チューブポンプ５５を駆動することで供給用タンクＴ３から酵素抗体溶液が供給されると共に、この溶液に押し出されて洗浄液が排出用タンク７４へ排出される。
【００６３】
抗原抗体反応処理を行った後には抗体洗浄処理を行う。この処理は、切り換え弁６５を供給・排出位置に、供給・排出機構６６，６７のバルブＢ３，７２を閉じ位置に切り換え、その後、バルブＢ４を開き、かつ排出機構６７のバルブ７２を開き位置に切り換え、チューブポンプ５５を駆動することで供給用タンクＴ４から２回目の洗浄液が供給されると共に、この洗浄液に押し出されて酵素抗体溶液が排出用タンク７４に排出される。この後、切り換え弁６５を循環位置に、供給・排出機構６６，６７のバルブＢ４，７２を閉じ位置に切り換え、チューブポンプ５５を駆動すると、洗浄液が循環経路内を循環することにより２回目の洗浄が行われる。
【００６４】
なお、この２回目の洗浄効果をさらに向上させるためには、酵素抗体溶液の供給を実行する前に、生化学解析用ユニット１０にいわゆるブロッキング材を浸透させておくことが好ましい。こうすれば、洗浄工程において、抗原抗体反応で結合しなかった酵素抗体がより剥離しやすくなり洗浄効果がより向上する。
【００６５】
抗体洗浄処理を行った後には化学発光反応処理を行う。この処理は、化学発光基質溶液を各スポット領域に浸透させるため、切り換え弁６５を供給・排出位置に切り換え、バルブＢ５を開き、かつ排出機構６７のバルブ７２を開き位置に切り換え、チューブポンプ５５を駆動することで供給用タンクＴ５から化学発光基質溶液が供給されると共に、この溶液に押し出されて循環経路内の洗浄液が排出用タンク７４へ排出される。
【００６６】
化学発光基質溶液の注入後、酵素が化学発光基質を分解して化学発光基質の発光が生じる。この化学発光基質溶液の注入を行った後に、リアクタ本体１９にカートリッジ１７を装填した状態で、データ読み取りが行われる。
【００６７】
図８に示すように、検出装置２３は、化学発光基質から発光される光を受光してこれを光電変換するＣＣＤイメージセンサ８０を備えた撮像ユニット２５と、これに取り付けられるライトガイド８１からなる。撮像ユニット２５は、ＣＣＤイメージセンサ８０をパッケージングしたＣＣＤパッケージ８２と、これを冷却する冷却ユニット８３とからなる。生化学解析用ユニット１０のデータ読み取りに際しては微弱な光を検出しなければならないため、ＣＣＤイメージセンサ８０は、冷却ユニット８３によって０℃以下に冷却される。
【００６８】
冷却ユニット８３は、ペルチェ素子（Peltier device）８４が組み込まれたケース本体８５に、ヒートシンク８６を取り付けたものである。ペルチェ素子８４は、周知のように、薄い金属に２種類の半導体を接合しこれに電流を流すと一方の半導体から他方へ熱が移動するという「ペルチェ効果」を利用した素子であり、可動部が無く、騒音を発生しないことからコンピュータのＣＰＵなどの冷却に用いられている。ＣＣＤパッケージ８２は、ケース本体８５に収容されており、ペルチェ素子８４の吸熱面と接合された伝熱板８７に取り付けられている。ケース本体８５には、結露を防止するために乾燥窒素が封入されている。ペルチェ素子８４は、その放熱面がケース本体８５に接触するように取り付けられており、吸収した熱はケース本体８５及びヒートシンク８６によって放熱される。
【００６９】
ライトガイド８１は、複数の光ファイバー２４で構成されており、各光ファイバー２４の一端が前記受光面に、他端がスポット領域にそれぞれ対向するように配置される。生化学解析用ユニット１０と対向する端部には、各光ファイバー２４の配列位置を各スポット領域１４の配列に対応するように固定する位置固定部材８８が取り付けられる。
【００７０】
反応工程においては、上蓋５０によって、検出窓４７を含むカートリッジ１７の上面が覆われる。反応及び洗浄処理が終了すると、上蓋５０が取り外されて、検出窓４７が外部に露呈される。この状態で、ライトガイド８１の端面を検出窓４７に載置して、各光ファイバー２４を、各スポット領域１４に対応して形成された検出窓４７の各開口と対面させる。各光ファイバー２４には、各スポット領域１４から発光される光が各開口を通して入力される。
【００７１】
特異的結合反応が生じたスポット領域１４では、標識物質が残留するため、発光する。他方、特異的結合反応が生じないスポット領域１４では、発光しない。ＣＣＤイメージセンサ８０によって、こうした各スポット領域１４の特異的結合反応の結果を示す画像データが取得される。データ解析工程では、この画像データを生化学解析用データとして解析する。
【００７２】
なお、上記実施形態の生化学分析用カートリッジ１７，９０，１００のチューブ４０には、間接標識法でかつ化学発光方式を採用した生化学分析を行っているため、ターゲット溶液、酵素抗体溶液、及び化学発光基質溶液などの反応溶液を循環するために用いているが、本発明ではこれに限らず、これらの反応溶液のうちの何れか一つを循環させるためのチューブであっても良いし、また、ターゲット溶液に標識物質を含ませる直接標識法を用い、標識物質を含むターゲット溶液のみを循環させるチューブとしてもよい。
【００７３】
また、上記実施形態では、循環用の切り換え弁６５をリアクタ１８に設けているが、図９に示すように、カートリッジ９０に循環用の切り換え弁６５を設けても良い。この場合、供給・排出機構に接続するための外部供給口９１と外部排出口９２とをカートリッジ９０の外部に露呈して設ける。また、切り換え弁６５の切り換え位置を切り換えるための駆動源となるモータやアクチュエータをリアクタ本体１９に設ける。そして、カートリッジ９０をリアクタ本体１９に着脱することで駆動源の駆動部が切り換え弁６５の駆動入力部に係脱することができる係脱手段を設ければよい。係脱手段としては、例えば切り換え弁の構造が回転力を利用して流路を切り換える方式の場合、図１０に示すように、モータ９３の出力軸９４の先端にキー部９５を設け、そのキー部９５を切り換え弁６５の駆動入力部９６に係合させる構成しておけばよい。勿論、カートリッジ９０を本体基部５１にセットすることで駆動原の出力軸が切り換え弁の駆動入力部に自動的に係合するように、セット方向と係合方向とを揃えておけば、カートリッジ９０のセット作業が簡便となるので好適である。
【００７４】
また、上記実施形態では、チューブ４０を全部チューブ収納室３７に収納し、蓋部４１を開いて引き出す構成としているが、本発明ではこれに限らず、図１１に示すように、蓋部を省略するとともに、カートリッジ１００の外カバー１０１に一対の開口１０２，１０３を設け、これら開口１０２，１０３からチューブ４０の中間部の一部１０４を外部に露呈し、残りの中間部をチューブ収納室に収納する構成としてもよい。この場合、カートリッジ１００の内部に引き込み機構を設け、その引き込み機構でチューブ４０をカートリッジ１７の内部に向けて引き込むように構成する。使用するときには、チューブ４０の一部１０４を持って、引き込み機構の引き込み力に抗して引き出してチューブポンプに取り付ければよい。
【００７５】
さらに、チューブ４０としては、材質の異なる複数のチューブを組み合わせて構成してもよい。例えば、カートリッジ１７の外部に引き出されない部分を樹脂材料や金属材料で形成し、外部に引き出される部分、又はチューブポンプに取り付ける部分のみを弾性を有する材料で形成したチューブを接続して構成してもよい。
【００７６】
さらに、上記各実施形態では、カートリッジ１７にチューブ４０の全部又は一部を収納するチューブ収納室３７を設けているが、これを省略し、カートリッジ１７の外部にチューブ４０を取り付ける構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】生化学解析用ユニットを使用した生化学解析方法の全体工程を示すフローチャートである。
【図２】生化学解析用ユニットを示す説明図であり、一部を拡大して示している。
【図３】カートリッジを示す分解斜視図である。
【図４】カートリッジ及びリアクタ本体の要部を示す断面図である。
【図５】リアクタ本体を示す分解斜視図である。
【図６】反応溶液を供給又は排出するときの流路を示すリアクタの説明図である。
【図７】反応溶液を循環するときの流路を示すリアクタの説明図である。
【図８】検出装置の概略を示す説明図である。
【図９】循環用の切り換え弁をカートリッジに内蔵した他の実施形態を示す説明図である。
【図１０】図９で説明した例で、循環用の切り換え弁をリアクタ側の駆動源に接続するための手段を示す要部斜視図である。
【図１１】チューブの一部を外部に露呈し、その一部を持ってチューブを引き出し自在に構成した例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００７８】
１０  生化学解析用ユニット
１４  スポット領域
１６  チャンバー
１７，９０，１００  カートリッジ
１８  リアクタ
１９  リアクタ本体
２８  フロースルーエリア
３７  チューブ収納室
４０  チューブ
５５  チューブポンプ
６５  切り換え弁
【図１】
2005172708.tif 000003
【図２】
2005172708.tif 000004
【図３】
2005172708.tif 000005
【図４】
2005172708.tif 000006
【図５】
2005172708.tif 000007
【図６】
2005172708.tif 000008
【図７】
2005172708.tif 000009
【図８】
2005172708.tif 000010
【図９】
2005172708.tif 000011
【図１０】
2005172708.tif 000012
【図１１】
2005172708.tif 000013