(57)【要約】生体関連物質の検査方法は、流体を流動させて機能性基体と流体とを接触させる複数の工程を有し、それぞれの工程においてその工程に適した流動速度で流体を流動させる。
2004104584.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機能性基体を用いた生体関連物質の検査方法であり、流体を流動させて流体と機能性基体を接触させる複数の工程を有し、それぞれの工程においてその工程に適した流動速度で流体を流動させる、生体関連物質の検査方法。
【請求項２】
請求項１において、複数の工程は、機能性基体と検査対象の生体関連物質を反応させる反応工程と、機能性基体に残留する不所望な検体液を取り除く洗浄工程とを含んでおり、反応工程においては、機能性基体と反応する検査対象の生体関連物質を含む検体液を反応に適した流動速度で流動させ、洗浄工程においては、洗浄水を洗浄に適した流動速度で流動させる、生体関連物質の検査方法。
【請求項３】
請求項１において、複数の工程は、機能性基体と検査対象の生体関連物質を反応させる反応工程と、機能性基体を流体の存在下で測定する測定工程とを含んでおり、反応工程においては、反応を促進するに適した流動条件で流体を流動させ、測定工程においては、測定を一定の精度で行なうのに適した流動条件で流体を流動させる、生体関連物質の検査方法。
【請求項４】
請求項１において、体積型ポンプを用いて流体を流動させており、それぞれの工程において、体積型ポンプの体積変化量が異なるポンプの駆動パターンに従って体積型ポンプを駆動する、生体関連物質の検査方法。
【請求項５】
請求項１において、往復ポンプを用いて流体を流動させており、それぞれの工程において、往復ポンプを、そのピストンの移動速度が異なる駆動パターンに従って駆動する、生体関連物質の検査方法。
【請求項６】
機能性基体を用いた生体関連物質の検査方法であり、流体を往復流動させて流体と機能性基体を繰り返し接触させる工程を有し、その工程において、往時と復時とで異なる流動速度で流体を流動させる、生体関連物質の検査方法。
【請求項７】
請求項６において、往復ポンプを用いて流体を往復流動させており、往復ポンプの「押す」動作時と「引く」動作時でピストンの移動速度が異なる駆動パターンに従って往復ポンプを駆動する、生体関連物質の検査方法。
【請求項８】
機能性基体を用いた生体関連物質の検査方法であり、流体を流動させて流体と機能性基体を接触させる工程を有し、その工程において、一定でない流動速度で流体を流動させる、生体関連物質の検査方法。
【請求項９】
請求項８において、流体を間欠的に一定の流動速度で流動させる、生体関連物質の検査方法。
【請求項１０】
請求項８において、流体を脈動的に流動させる、生体関連物質の検査方法。
【請求項１１】
請求項８において、往復ポンプを用いて流体を流動させており、往復ポンプの「押す」動作時の最中や「引く」動作時の最中、ピストンの移動速度が一定でない駆動パターンに従って往復ポンプを駆動する、生体関連物質の検査方法。
【請求項１２】
機能性基体を用いた生体関連物質の検査方法であり、体積型ポンプを用いて流体を流動させて流体と機能性基体を接触させる複数の工程を有し、体積型ポンプの体積を変化させる量が流動させる流体の体積量よりも多い、生体関連物質の検査方法。
【請求項１３】
請求項１２において、体積型ポンプとして往復型ポンプを用い、ピストンまたはプランジャーが、上死点と下死点の間に位置しているときに、流動させる流体を供給する、生体関連物質の検査方法。
【請求項１４】
機能性を有しかつ流動可能な基体を複数の工程で流体中に保持しながら、生体関連物質に関する検査を行なう生体関連物質の検査方法であり、それぞれの工程においてその工程に適した流動速度で基体を流動させる、生体関連物質の検査方法。
【請求項１５】
請求項１４において、流動可能な基体が磁気応答性であって、流体の流動状に依存せずに磁気的に移動させる工程を有する、生体関連物質の検査方法。
【請求項１６】
流体を移送する移送手段と、流体の移送に対して連続的に接触可能な機能性基体を保持する保持手段と、移送手段を制御する手段と、流体の特性に応じて少なくとも二つの制御条件を選択的に設定する制御条件設定手段とを備えている、流体移送装置。
【請求項１７】
請求項１６において、制御条件設定手段は流体の特性を認識する特性認識手段を備えている、流体移送装置。
【請求項１８】
請求項１７において、特性認識手段は基体に対する流体の流動状態を判別する判別手段を備えている、流体移送装置。
【請求項１９】
請求項１７または請求項１８において、特性認識手段は、流体と気体との動的関係を測定する測定手段をさらに有している、流体移送装置。
【請求項２０】
請求項１６において、機能性基体が多孔質構造を有する基板である、流体移送装置。
【請求項２１】
請求項１６において、機能性基体が微細流路構造を有する基板である、流体移送装置。
【請求項２２】
流体に対し機能する基体を流体と連続的に接触させる工程と、流体を少なくとも二つの制御条件によって移送する工程と、流体の特性に応じて制御条件を設定する工程とを有している、流体移送方法。
【請求項２３】
流体が生体関連物質を含む、請求項２２に記載の流体移送方法。
【請求項２４】
流体の物理的特性に応じて制御条件を設定する、請求項２２または請求項２３に記載の流体移送方法。
【請求項２５】
流体の化学的特性に応じて制御条件を設定する、請求項２２または請求項２３に記載の流体移送方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、生体関連物質の検査方法に関する。また本発明は、そのために流体の移送を制御する装置と方法に関する。
【背景技術】  ヒトゲノムの解析は、システマティックな塩基配列決定から、システマティックな機能解析へと焦点が移ってきている。遺伝情報の解析方法は、主として二つに分類できる。一つは、遺伝子自体および遺伝子から発現するｍＲＮＡやタンパク質が「どのようなものであるか」を解析するものである。もう一つは、そのｍＲＮＡやタンパク質が「如何なる条件下で合成されるか」を解析するものである。
前者に属する方法としては、サザン・ブロット法、ノーザン・ブロット法、ウェスタン・ブロット法等があり、これらは主に、注目するＤＮＡ、ＲＮＡ、またはタンパク質についての解析を行なうためのものである。従って、細胞から抽出された全てのＤＮＡ、ＲＮＡ、またはタンパク質を包括的に解析する方法としては適さない。
一方、如何なる条件で合成されるかという点に関しては、タンパク質の合成が転写レベルで制御されているため、ＤＮＡにおける転写の制御配列と、それに対応する制御メカニズムとの双方のデータが不足している現状においては、十分に解析することが非常に困難である。
ところが、近年、ＤＮＡチップやＤＮＡマイクロアレイと呼ばれる、１センチ四方程度の基体表面上に、高密度に任意のオリゴヌクレオチドを固定する技術の進歩によって、遺伝子の発現情報の解析が飛躍的に進歩することが期待されている。
ＤＮＡチップは、シリコンチップをフォトリソグラフィー技術によって多くの区画に分割し、それぞれの区画上にそれぞれの特定の塩基配列を持った一本鎖ＤＮＡを直接合成したものである。ＤＮＡマイクロアレイは、従来メンブレン上にプロットされたスポットサイズが約３００μｍあるいはそれ以上であったＤＮＡマイクロアレイを、スポットサイズを約２００μｍあるいはそれ以下にしてスライドグラス上にプロットしたものである。
これらＤＮＡチップやＤＮＡマイクロアレイは、信号読取装置と演算ユニットシステムとに繋がれ、チップ上、あるいはマイクロアレイ上に供給された、例えば蛍光標識されたＤＮＡがどのプローブとハイブリダイズしたかを知ることができるようになっている。ＤＮＡチップやＤＮＡマイクロアレイ上に配置されるプローブの種類とその配置次第で、遺伝子ＤＮＡの変異解析、多型解析、塩基配列解析、発現解析など様々な用途に用いることが可能なものである。
例えば、特表２０００−５１５２５１号公報と米国特許出願公開第２００２／００２５５３３Ａ１号明細書は、このようなＤＮＡチップの具体例を開示している。そのＤＮＡチップでは、酸化アルミニウム製の多孔質基体にプローブＤＮＡが固相化されている。そのＤＮＡチップを用いた検査では、その多孔質基体の内部に、蛍光標識されたＤＮＡを含む溶液を予め決められた一定速度で行き来させるような流動状態で移送することにより、高効率かつ高速なハイブリダイズ反応が得られる。
特表２０００−５１５２５１号公報には、多孔質基体にプローブを固相化し、圧力差により検体液を流動させて、生体関連物質を検出する方法が開示されている。しかし、流動速度に関する具体的な記載はない。
米国特許出願公開第２００２／００２５５３３Ａ１号明細書には、基体を洗浄した後に検出することが記載されているが、洗浄時と検出時の溶液の流動方法については示されていない。つまり、一つの工程では常に唯一の流動条件だけが適用される。
【発明の開示】
本発明は、ひとつには、遺伝子に限定されない生体関連物質を検出する機能性基体から成る検査チップを用いた生体関連物質の検査方法に向けられている。つまり、上述したＤＮＡチップや他の検査チップを用いた生体関連物質の検査方法に向けられている。言い換えれば、遺伝子および遺伝子以外の生体関連物質の検査のための機能性基体から成る種々の検査チップを用いた検査方法に向けられている。
本発明の検査方法は、機能性基体を用いた生体関連物質の検査方法において、流体を流動させて流体と機能性基体を接触させる複数の工程を有し、それぞれの工程においてその工程に適した流動速度で流体を流動させる。
本発明の別の検査方法は、機能性基体を用いた生体関連物質の検査方法において、流体を往復流動させて流体と機能性基体を繰り返し接触させる工程を有し、その工程において、往時と復時とで異なる流動速度で流体を流動させる。
本発明の別の検査方法は、機能性基体を用いた生体関連物質の検査方法において、流体を流動させて流体と機能性基体を接触させる工程を有し、一定でない流動速度で流体を流動させる。
本発明の別の検査方法は、体積型ポンプを用いて流体を流動させて流体と機能性基体を接触させる複数の工程を有し、体積型ポンプの体積を変化させる量が流動させる流体の体積量よりも多い。
本発明の別の検査方法は、機能性を有しかつ流動可能な基体を複数の工程で流体中に保持しながら、生体関連物質に関する検査を行なう生体関連物質の検査方法であり、それぞれの工程においてその工程に適した流動速度で基体を流動させる。
また本発明は、ひとつには、上述した生体関連物質の検査方法に適用される移送装置に向けられている。
本発明の移送装置は、流体を移送する移送手段と、流体の移送に対して連続的に接触可能な機能性基体を保持する保持手段と、移送手段を制御する手段と、流体の特性に応じて少なくとも二つの制御条件を選択的に設定する制御条件設定手段とを備えている。
また本発明は、ひとつには、上述した生体関連物質の検査方法に適用される移送方法に向けられている。
本発明の移送方法は、流体に対し機能する基体を流体と連続的に接触させる工程と、流体を少なくとも二つの制御条件によって移送する工程と、制御条件を流体の特性に応じて設定する工程とを有している。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明の実施形態において共通に使用されるＤＮＡチップ読み取り装置の概略構成を示している。
図２は、図１に示された反応容器の構成を概略的に示す斜視図である。
図３は、図１と図２に示された反応容器の横断面を示す図である。
図４は、本発明の第一実施形態に関連した、シリンジポンプの一般的な駆動パターンを示している。
図５は、本発明の第二実施形態におけるシリンジポンプの駆動パターンを示している。
図６は、本発明の第三実施形態におけるシリンジポンプの駆動パターンを示している。
図７は、図６の駆動パターンの比較例における駆動パターンを示している。
図８は、図６の駆動パターンに従った駆動において得られた、あるプローブの蛍光の輝度の時間的変化の測定例を示している。
図９は、図７の駆動パターンに従った駆動において得られた、同じプローブの蛍光の輝度の時間的変化の測定例を示している。
図１０は、本発明の第四実施形態における反応工程の駆動パターンを示している。
図１１は、本発明の第四実施形態における洗浄工程の駆動パターンを示している。
図１２は、本発明の第五実施形態を実施する装置を示す図である。
図１３は、本発明の第六実施形態ないし第九実施形態を実施する装置を示す図である。
図１４は、本発明に適用可能なシリンジポンプの駆動パターンを示している。
図１５は、本発明に適用可能なシリンジピストンポンプのより好適な駆動パターンを示している。
【発明を実施するための最良の形態】  ［生体関連物質の検査装置の基本構造］
図１は、後述する本発明の実施形態において基本的に使用されるＤＮＡチップ読み取り装置の概略構成を示している。
図１に示されるように、ＤＮＡチップ読み取り装置は、反応容器２が載置されるステージ１を有している。ステージ１は、固定板１ａと、固定板１ａ上にＹ軸方向に移動可能なＹ移動板１ｂと、Ｙ移動板１ｂ上にＸ軸方向に移動可能なＸ移動板１ｃとを有しており、これらＹ移動板１ｂとＸ移動板１ｃにより、反応容器２をＸ−Ｙ軸方向に移動可能にしている。
反応容器２は、図２に示されるように、直方体形状の上板２０１と下板２０２を重ねて構成されている。上板２０１には、これに限定されないが、例えば４個の円筒状の孔部２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄが長手方向に沿って一列に形成されている。また、下板２０２には、孔部２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄに対応する位置に円筒状の孔部２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ、２０２ｄが長手方向に沿って一列に形成されている。これら上板２０１と下板２０２は重ね合わせられ、４個の反応室３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを形成している。
反応室３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄには、それぞれ、機能性基体としてのＤＮＡチップ４の反応部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄが収納されている。ＤＮＡチップ４は、反応室３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ内に供給または収容される各種溶液を通過し得る微細孔を多数有している。好適な実施の態様において、ＤＮＡチップ４は、例えば、２５ｍｍ×７５ｍｍ程度の基体上に、直径６ｍｍ程度の４個の反応部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄが９ｍｍピッチで形成されている。このようなＤＮＡチップ４を図３に示されるように上板２０１と下板２０２の間に挟み込むことで、反応部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄが反応室３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの各底面から若干上方の位置にそれぞれ収容される。
反応室３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの上板２０１側の孔部２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄの上部には、蛍光検出ユニットにより反応部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの反応経過や結果を測定するための開口部３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃ、３０１ｄがそれぞれ形成されている。これらの開口部３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃ、３０１ｄは、それぞれ反応に必要なサンプル溶液と試薬溶液が順次または同時または混合状態で供給できるように開放している。開口部３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃ、３０１ｄには、場合によっては、サンプルと試薬以外の液体、例えば希釈用溶液、洗浄用溶液、測定用試薬（基質酵素等）も供給される。開口部３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃ、３０１ｄには、温湿環境を維持するため、液体を供給しない時期に適当な蓋部材が被せられ場合もある。また、下板２０２の孔部２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ、２０２ｄ内の側面には、反応容器２の前側面まで導出される接続口３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃ、３０２ｄがそれぞれ形成されている。
反応容器２は、図１に示されるように、反応室３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄがＸ軸方向に沿って一列に配置されるように、ステージ１のＸ移動板１ｃ上に載置される。
反応容器２の接続口３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃ、３０２ｄには、配管５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄを介して流路切替手段としての切替バルブ６が接続されている。また、切替バルブ６には、配管７を介して移送手段の流動源として機能するポンプ８が接続されている。
ポンプ８は、各反応室３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ中のプローブ溶液に流動を与えるためのものであり、例えばシリンジポンプ（例えばハミルトン社マイクロラボ  ＭＬ５１０Ｂ）で構成される。切替バルブ６は、例えば、回転式４方選択バルブ（例えば、ハミルトン社ＨＶＤＰ４−５など）で構成される。操作軸６ａには、ピニオン９が取り付けられている。
ステージ１のＸ移動板１ｃのＸ軸方向に沿った側面、つまり、反応容器２の各反応室３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが並ぶＸ軸方向に沿った側面には、ラック１０が設けられている。また、Ｙ移動板１ｂの側面には、保持板１１を介して切替バルブ６が取り付けられている。
切替バルブ６に取り付けられているピニオン９は、ラック１０に噛み合っている。従って、ピニオン９は、ステージ１のＸ軸方向の移動により、ラック１０を介して回転される。ピニオン９の回転は操作軸６ａを回転させる。これにより、配管５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄのうちの一つが選択的に配管７を介してポンプ８に接続され得る。
ピニオン９は、１／４回転が、ＤＮＡチップ４の反応部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄのピッチ（９ｍｍ）に相当するサイズを有している。ステージ１の移動により、反応容器２が反応部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄのピッチ分だけ移動されると、これに応じて、切替バルブ６の操作軸６ａが９０°回転され、配管５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの切替が行なわれる。
ステージ１のＸ軸方向の移動により、反応室３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄのうちの所望のひとつが、後述する蛍光検出ユニット１２の測定位置まで移動されたとき、測定位置に移動された反応室３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄのひとつに対応する配管５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄのひとつがポンプ８と接続されるように調整されている。
ポンプ８は、ポンプ制御ユニット１４を介して演算ユニット１５に接続されており、演算ユニット１５により、溶液の流動速度を変えることが可能である。演算ユニット１５は、ＤＮＡチップ４に流通させる流体溶液の特性に応じて複数の流動速度の中から好ましい速度条件を設定する流動条件設定手段としても機能する。
例えば、反応室３ｄの反応部４ｄの反応経過や結果を測定するには、ステージ１をＸ軸方向の図示左端まで移動し、反応部４ｄを蛍光検出ユニット１２の対物レンズ１３の焦点位置に移動させる。Ｘ移動板１ｃの移動に伴いラック１０も移動し、ピニオン９が回転し、切替バルブ６の操作軸６ａも回転し、反応室３ｃとポンプ８の流路が切替バルブ６を介して接続される。この状態で、演算ユニット１５によりポンプ制御ユニット１４を介してポンプ８をコントロールすることにより、反応室３ｃ中の溶液を流動させることが可能となる。
［生体関連物質の検査方法］
以下、生体関連物質の検査方法に関する実施形態について説明する。
生体関連物質の検査方法には色々な工程があり、それぞれの工程において必要な溶液が用意される。例えば、必要な溶液は、プローブと検査対象の生体関連物質を反応させる反応工程においては、プローブと反応する検査対象の生体関連物質を含む検体液であり、検査チップに残留する不所望な検体液を取り除く洗浄工程においては、洗浄水である。以下の説明では、それぞれの工程において用意される必要な溶液を総称して単に溶液という。
本明細書において、「生体関連物質」は、動物、植物、微生物等の細胞のみならず、これらに寄生しなければ自ら増殖できないウイルスや細菌等に由来する物質をも含む。生体関連物質は、これらの細胞等より直接抽出・単離された天然形態のもののみならず、遺伝子工学的手法を利用して生産されたもの、化学的に修飾されたものも含む。より具体的には、ホルモン類、酵素、抗体、抗原、アブザイム、その他のタンパク質、核酸（例えばＤＮＡ、ＲＮＡ、ＰＮＡ）等が含まれる。
また「プローブ」は、上記の生体関連物質に対して特異的に結合する物質を意味し、例えば、ホルモン等のリガンドとその受容体、酵素とその基質、抗原とその抗体、特定配列を有する核酸とこれに相補的な配列を有する核酸等の関係にある、何れかが含まれる。
また「ＤＮＡチップ」は、上記の「プローブ」を試薬とする生物学的反応を行なう反応性を有する機能性基体を意味する。「機能性基体」は、上記生体関連物質に応答して測定可能な変化を生じるような機能性を有する支持体全般を意味する。よって、本発明の機能性基体は、上記生体関連物質と特的な相互作用を呈する任意の種類の試薬成分を備える任意の形状の支持体である。
また「流体」は、機能性基体と接触して基体に機能させるような物質を含む流体全般を意味する。流体が溶液である場合に、上記生体関連物質に対して不活性の気体を含有してもよい。流体が無数の微小粒である場合に、上記生体関連物質に対して不活性の気体中に含有されていてもよい。
また「流動」とは、液体が基体との接触部位を変化するような動きである。流動は、液体の動きを制御する手段によって能動的に移動させられる。液体の動きを制御する手段は、流動速度の追加・減衰・維持・停止という動的パラメーターを適切な組み合わせで含んでおり、選ばれた各動的パラメーターに適切な時間配分を振り分ける機能を有する。
前述の装置において、溶液は、シリンジポンプ８によって流動され、ＤＮＡチップ４の反応部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄのひとつに行き来させられる。つまり、溶液は往復流動され、反応部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄのひとつを繰り返し通過させられる。
従って、本発明に適用され得る基体の好適な態様は、基体内を流体が通過できるような孔を有し、さらに好適には多孔質の材料からなる機能部分を少なくとも一部に有する。しかし、本発明の主旨によれば、機能性を有し、かつ機能性表面に流体が流動状態で接触し得る形状であれば、別の形状を有する基体であってもよい。
第一実施形態
図４は、シリンジポンプ８の一般的な駆動パターンを示している。図４において、Ｘ軸は経過時間を示し、Ｙ軸はシリンジポンプ８のピストンの位置を示している。右下がりの区間は「引く」動作に対応し、右上がりの区間は「押す」動作に対応している。傾きの大きさは、ピストンの移動速度を表しており、従って検体液の流動速度に対応している。
図４から分かるように、一般に、シリンジポンプ８のピストンは、一定の速度で押され、一定時間のあいだ停止された後、押す動作時と同じ速度で引かれる。この一連の動作が、一定時間の間隔を置いて、繰り返し行なわれる。
本実施形態は、生体関連物質の検査における複数のそれぞれの工程において、その工程に適した流動速度で溶液を流動させることに向けられている。つまり、それぞれの工程において、シリンジポンプ８を、そのピストンの移動速度が異なる駆動パターンに従って駆動する。言い換えれば、シリンジポンプ８のピストンの移動速度が、生体関連物質の検査方法のそれぞれの工程において変更される。
例えば、反応工程においては、図４の駆動パターンに準じて、シリンジポンプ８のピストンは、溶液に１０μｌ／秒の流動速度を与える一定の速度で引かれ、一定時間のあいだ停止された後、溶液に１０μｌ／秒の流動速度を与える速度で押される。この一連の動作が、一定時間の間隔を置いて、繰り返し、必要な回数だけ行なわれる。これに対して、洗浄工程においては、図４の駆動パターンに準じて、シリンジポンプ８のピストンは、溶液に２０μｌ／秒の流動速度を与える一定の速度で引かれ、一定時間のあいだ停止された後、溶液に２０μｌ／秒の流動速度を与える速度で押される。この一連の動作が、一定時間の間隔を置いて、繰り返し、必要な回数だけ行なわれる。
反応工程における溶液（検体液）の最適な流動速度と洗浄工程における溶液（洗浄水）の最適な流動速度は異なる。従って、このように、それぞれの工程において、その工程に適した流動速度で溶液を流動させることにより、それぞれの工程を短時間で終了させることが可能となる。つまり、それぞれの工程を効率良く行なうことができる。結果として、生体関連物質の検査のトータルの所要時間を短縮できるようになる。
第二実施形態
本実施形態は、溶液を往復流動させて溶液に検査チップを繰り返し通過させる一つの工程において、その工程において、往時と復時とで異なる流動速度で溶液を流動させることに向けられている。
つまり、本実施形態においては、生体関連物質の検査の一つの工程において、シリンジポンプ８のピストンの移動速度が、「引く」動作時と「押す」動作時とで変えられる。つまり、シリンジポンプ８の「引く」動作時と「押す」動作時とで、溶液の流動速度が異なる。
図５は、「引く」動作時と「押す」動作時でピストンの移動速度が異なる駆動パターンを示している。図５の駆動パターンに従った駆動においては、シリンジポンプ８のピストンは、例えば、溶液に１０μｌ／秒の流動速度を与える一定の速度で引かれ、一定時間のあいだ停止された後、溶液に５μｌ／秒の流動速度を与える速度で押される。この一連の動作が、一定時間の間隔を置いて、繰り返し、必要な回数だけ行なわれる。
ＤＮＡチップ４の反応部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄは、材質や周辺保持部の形状により、正圧に対する耐圧特性と負圧に対する耐圧特性とが異なる。ここで、正圧は、シリンジポンプ８のピストンの「押す」動作時に反応部４ｄが受ける圧力であり、負圧は、シリンジポンプ８のピストンの「引く」動作時に受ける圧力である。反応部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄは、特に正圧に対する耐圧特性が低いため、シリンジポンプ８のピストンの「押す」動作時に、最悪の場合、破壊する傾向が強い。
図５の駆動パターンに従った駆動においては、「押す」動作時のピストンの移動速度が低く抑えられているため、「押す」動作時に反応部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄが受ける圧力が低く抑えられる。言い換えれば、往時と復時の溶液の流動速度が、反応部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの往時と復時の耐圧特性に合わせて設定されている。結果として、反応部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの破損の発生を減らすことが可能となる。
勿論、本実施形態においても、溶液は、その工程に適した流動速度で流動させるとよい。これにより、その工程を短時間で終了させることが可能となる。結果として、生体関連物質の検査の所要時間を短縮することが可能となる。
第三実施形態
本実施形態は、溶液を流動させて溶液に検査チップを通過させる一つの工程において、一定でない流動速度で溶液を流動させることに向けられている。つまり、本実施形態では、「引く」動作時の最中や「押す」動作時の最中、ピストンの移動速度が一定でない駆動パターンに従ってシリンジポンプを駆動する。
本実施形態では、例えば、溶液を間欠的に一定の流動速度で流動させる。すなわち、生体関連物質の検査方法の一つの工程内の「引く」動作時の最中や「押す」動作時の最中、シリンジポンプ８のピストンが間欠的に一定速度で移動される。図６は、「引く」動作時と「押す」動作時でピストンが間欠的に移動される駆動パターンを示している。
図６の駆動パターンに従った駆動においては、シリンジポンプ８のピストンは、「引く」動作時に、溶液に１０μｌ／秒の流動速度を与える一定の速度で１秒間引かれ、１秒間停止され、この一連の動作が４回繰り返される。その後、「押す」動作時に、溶液に１０μｌ／秒の流動速度を与える一定の速度で１秒間押され、１秒間停止され、この一連の動作が４回繰り返される。この一連の動作が１サイクルを成し、そのサイクルが、繰り返し、必要な回数だけ行なわれる。
図６の駆動パターンに従った駆動においては、「引く」動作時と「押す」動作時に、それぞれ、８秒間に４０μｌの溶液が駆動される。
流動速度が一定の流体においては、流路の壁面近くの流体が攪拌されないという、層流と呼ばれる現象が起こる。
図６の駆動パターンに従った駆動においては、「引く」動作時と「押す」動作時において、ピストンが間欠的に移動されるため、層流の発生が効果的に抑制される。結果として、検体液が効率良く攪拌される。これにより、プローブと生体関連物質の反応効率が向上し、検出時間を短縮することが可能となる。
また、ピストンが間欠的に移動されるため、ＤＮＡチップ４の反応部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの圧力が過度に上昇することが抑制される。結果として、反応部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの破損の発生を減らすことが可能となる。
図６の駆動パターンによる反応効率の向上について比較例をあげて説明する。図７は、比較例における駆動パターンを示している。
図７の駆動パターンに従った駆動においては、シリンジポンプ８のピストンは、溶液に５μｌ／秒の流動速度を与える一定の速度で８秒間引かれ、その後、溶液に５μｌ／秒の流動速度を与える一定の速度で８秒間押される。この一連の動作が、繰り返し、必要な回数だけ行なわれる。
図７の駆動パターンに従った駆動においては、図６の駆動パターンに従った駆動と同様に、「引く」動作時と「押す」動作時に、それぞれ、８秒間に４０μｌの溶液が駆動される。つまり、図７の駆動パターンに従った駆動においても図６の駆動パターンに従った駆動においても、駆動される溶液の量は同じである。
図８は、図６の駆動パターンに従った駆動に対して得られた、あるプローブの蛍光の輝度の時間的変化の測定例を示している。また、図９は、図７の駆動パターンに従った駆動に対して得られた、同じプローブの蛍光の輝度の時間的変化の測定例を示している。
図８と図９を比較して分かるように、駆動される溶液の量が同じであっても、図７の駆動パターンに従った駆動よりも、図６の駆動パターンに従った駆動の方が反応効率が高い。つまり、ピストンを一定速度で移動させるよりも、ピストンを間欠的に一定速度で移動させる方が、高い反応効率が得られる。
つまり、前述したように、図６の駆動パターンに従った駆動においては、「引く」動作時と「押す」動作時にピストンが間欠的に移動されるため、層流の発生が効果的に抑制され、検体液が効率良く攪拌される。これにより、プローブと生体関連物質の反応効率が向上し、結果として、検出時間を短縮することが可能となる。
層流の発生を抑制する駆動パターンは、「引く」動作時と「押す」動作時に、ピストンを間欠的に一定速度で移動させる駆動パターンに限定されない。例えば、「引く」動作時と「押す」動作時に、溶液を脈動的に流動させるようにピストンを移動させる駆動パターン、つまり、一定速度を基準にして正弦波形的に変化する速度でピストンを移動させる駆動パターンであってもよい。あるいは、「引く」動作時と「押す」動作時に、不規則に変化する速度でピストンを移動させる駆動パターンであってもよい。
勿論、本実施形態においても、溶液は、その工程に適した流動速度で流動させるとよい。これにより、その工程を短時間で終了させることが可能となる。結果として、生体関連物質の検査の所要時間を短縮することが可能となる。
第四実施形態
図１０は本実施形態における反応工程の駆動パターンを示し、図１１は本実施形態における洗浄工程の駆動パターンを示している。それぞれの図において、横軸は経過時間を示し、縦軸はシリンジポンプ８のピストンの位置を示している。右下がりの区間は「引く」動作に対応し、右上がりの区間は「押す」動作に対応している。傾きの大きさは、ピストンの移動速度を表しており、従って検体液の流動速度に対応している。さらに、「引く」動作から「押す」動作へと続く区間（略水平部）は、各駆動パターンにおけるピストン停止位置を示しており、各工程で駆動する液量に対応している。
シリンジポンプ８のピストン停止位置は、反応工程より洗浄工程の方が下方に設定されている。これに伴って、検体液を反応させた後に、反応液よりも多量の洗浄液を供給して、洗浄工程の方がより多くの液量を駆動する。これにより、反応工程において、反応容器の管路に付着した検体液を、続く洗浄工程で装置のバラツキ等の影響を受けることなく、より効果的に洗浄することが可能となる。
本実施形態は、生体関連物質の検査における複数のそれぞれの工程において、その工程に適した駆動位置で溶液を流動させることに向けられている。つまり、それぞれの工程において、シリンジポンプ８を、そのピストンの駆動位置が異なる駆動パターンに従って駆動する。言い換えれば、シリンジポンプ８のピストンの駆動量が、生体関連物質のそれぞれの工程において変更される。その変更したピストンの駆動量に合わせて、溶液を供給する量も変更される。
例えば、反応工程においては図１０の駆動パターンに準じて、シリンジポンプ８のピストンは、溶液に１０μｌ／秒の流動速度を与える一定の速度で５秒間引かれることにより、５０μｌの溶液を流動する。一方、図１１の駆動パターンの洗浄工程においては、１２μｌ／秒の流動速度を与える一定の速度で５秒間引かれることにより、６０μｌの溶液を流動する。
このとき、接続口３０２ａ〜３０２ｄに接続された管路には、流動させる液量に応じて溶液が吸い込まれる。例えば、反応工程で５０μｌの溶液を流動した場合、流路の内径が１ｍｍであり、吸い込まれる溶液長さは６４ｍｍ程度となり、繰り返し流動を行なうことにより、溶液先端部である６４ｍｍ近傍に溶液残りが生じるおそれがある。
これを避けるため、続く洗浄工程では、６０μｌの溶液を供給して、ポンプを駆動し流動する。これにより、吸い込まれる溶液長さは７６ｍｍ程度となり、反応工程時の溶液残りも十分洗い流すことができる。
［流体の移送制御］
以下、生体関連物質の検査方法における流体の移送制御について説明する。
本発明の移送制御は、流体の特性が機能性基体との接触条件によって反応性に影響を与える点に着目し、流体の特性に応じて流体の移送の制御条件を変更する。これにより、機能性基体の流体に対する機能を最大限に引き出すことを図っている。制御条件は、流速、移動時間、移送回数、移送方向等の一つまたは複数の組み合わせから適宜選ばれる。流体の特性としては、物理的特性と化学的特性とがある。「物理的特性」としては、例えば、粘性、容積、蒸気圧、光屈折率、磁性、拡散定数があげられる。「化学的特性」は、例えば、Ｔｍ値、反応カーブ、機能性成分（核酸、抗体、酵素等）があげられる。
第五実施形態
本実施形態においては、サンプルまたは試薬または両者の粘性に応じてＤＮＡチップへの移送圧力を変化させる。機能性基体としてのＤＮＡチップに適用されるサンプルは、由来する個体ごとに異なる粘性を有している。この粘性は、サンプル中の多彩な成分が関係するので、粘性を一定の値に調節することは通常困難である。別々のサンプルに存在する同じ成分は、異なる粘性条件において基体と接触する。粘性が異なる液体は同じ表面に対して異なる摩擦抵抗でもって移動する。従って、本実施形態では、粘性レベルに対応してサンプルの流動状態を変化させることによって、基体の機能をなるべく同じように発揮させるようにシリンジポンプ８を駆動させる。なお、本実施形態において、便宜上、基体の破損や詰まりのような故障に起因する流動性のばらつきは考慮しない。
図１２は、本実施形態を実施するためのＤＮＡチップ読み取り装置の概略構成を示している。図１２において、図１に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。このＤＮＡチップ読み取り装置は、図１２に示されるように、ＤＮＡチップ４上のサンプルについて粘性を調べるために、シリンジポンプ８と切替バルブ６の間の連結流路に相当する配管７に圧力センサ１７を備えている。圧力センサ１７を切替バルブ６よりポンプ側に配置することにより、切り替えられた各連結流路に相当する配管５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄを通じて各反応室３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ内に対応する各反応部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄにおける流動抵抗を、共通の圧力センサ１７によって選択的に検知できる。圧力センサ１７の値は演算ユニット１５を介してシリンジポンプ８のポンプ制御ユニット１４にフィードバックされる。但し、圧力センサ１７によるシリンジポンプ８へのフィードバック制御は、ＤＮＡチップ４の品質異常に関係する異常な圧力変化（例えば、亀裂、破損、詰まり）とは連動しないようにする。基体の標準の品質異常に起因する流動抵抗値は、異なる流体溶液によっても類似の圧力変動パターンを示すので、粘性による応答性の増減パターンとは明らかに区別することが可能であろう。具体例として、孔径０．０５μｍないし０．６μｍの範囲のアルミナ製の多孔質材料を０．０５ｃｍないし０．５ｃｍの厚さに成形したＤＮＡチップ４を用いた場合、標準的な粘性を有するサンプルにおける標準の流速を３５μｌ／秒とすると、比較的高い粘性群のサンプルについては５０μｌ／秒の流速とし、比較的低い粘性群のサンプルについては２０μｌ／秒の流速とするのが好ましい。これにより、機能性基体に対する機能を最大限に引き出すことが可能となる。
第六実施形態
本実施形態においては、検査項目の入力データに基づいて試薬情報を演算ユニット１５に送出し、試薬情報に含まれている試薬の特性または試薬が作用するサンプル中の成分の特性またはその両方に応じて異なる流動条件に設定する。例えば、試薬が核酸成分を含んでいるか核酸成分に反応する何らかの成分を含んでいる場合、サンプルまたは試薬のＴｍ特性毎に異なる流動条件となるような変更可能な制御信号をポンプの流速制御部へ送出する。機能性基体としてのＤＮＡチップに適用されるサンプルまたはこのサンプルと反応するための試薬は、温度依存性の成分である核酸を含んでいる。核酸の温度依存性は、ＤＮＡの二本鎖が、一本鎖同士に解離する温度と二本鎖に復帰する温度とに関係する。多くの場合、一本鎖へと解離する温度であるＴｍ値が核酸の塩基配列によって異なる。異なる温度条件はサンプルおよび試薬の流動に影響を与えるので、Ｔｍ値の違いに対応する流動速度に制御するのが好ましい。各Ｔｍ値に対応する温度ごとにサンプルまたは試薬または両者の熱力学的条件を一定に維持するように流動条件を調整することによって、多数の核酸ハイブリダイズ反応が一定の反応条件下で実行され、高精度なデータ解祈が可能となる。
図１３は、本実施形態を実施するためのＤＮＡチップ読み取り装置の概略構成を示している。図１３において、図１に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。このＤＮＡチップ読み取り装置は、図１３に示されるように、ＤＮＡチップ４上のサンプルについてのＴｍ値を演算ユニット１５に認識させるために、入力装置１８を備えている。入力装置１８は、例えば、キーボード、タッチパネル、マウスを用いて、使用者がＴｍ値に関連する情報を入力することができる。
入力した情報は表示用のディスプレイ１９によって使用者が確認する。入力装置１８の別な態様は、例えばバーコード（一次元または二次元模様から成る）のような情報媒体をデータ処理によってコード解読するようなコード・リーダーである。公知のコード・リーダーは、使用者が操作する場合と、検査システム内に搭載して保持された基体上に自動的にアクセスする場合とが有り得る。入力装置１８を通じて演算ユニット１５にサンプルごとのＴｍ値が送信されると、演算ユニット１５は、Ｔｍ値の違いに応じて攪拌の強さ又は時間を変化させる。特に、Ｔｍが小さく解離し易いほど、流速を緩慢にするように制御することによって、余分な解離を少なくする。核酸ハイブリダイズ反応における安定な解離条件は、反応結果の信頼性に寄与する。
第七実施形態
試薬がＰＣＲ（ポリメラーゼチェーンリアクション）用である場合にはサーマルサイクルにおける反応カーブに応じて攪拌の強さを変化させる。サーマルサイクルは、核酸の二本鎖に関する解離と復帰に適用される異なる温度条件からなる。同じサンプルでさえ、高温時と低温時の流体特性は変化するので、同じＤＮＡチップに対する接触条件が異なる。サーマルサイクルにおいてなるべく同じ接触条件に維持するのが好ましい。二本鎖の解離には比較的強い流動条件が適している。反対に、一本鎖からの復帰には比較的弱い流動条件が適している。本実施形態では、サーマルサイクル中の高温過程では低温過程に比べて相対的に流動速度を高速にする。核酸ハイブリダイズ反応のサイクルが常に同等の接触条件で進行すれば、反応結果としての反応量が最高に向かう。
本実施形態は、図１３と同様の装置で実施することができる。まず、入力装置１８から送られた検査項目の入力データに基づいて試薬情報を演算ユニット１５に送出し、ＰＣＲ用試薬の特性に関連するサーマルサイクル毎にポンプの流速制御部へ制御信号を送る。
第八実施形態
本実施形態では、試薬の反応感度に応じて洗浄液の流動の強さを変化させる。高感度の試薬による反応は、反応結果の測定において精度低下の原因となるような余分な反応の影響を抑制する必要が有る。
本実施形態は、図１３と同様の装置で実施することができる。まず、入力装置１８による検査項目の入力データに基づいて試薬情報を演算ユニット１５に送出し、試薬としての洗浄液の強弱の要求に関連する反応感度毎にポンプの流速制御を行なうようなポンプ制御ユニット１４へ制御信号を送る。反応感度が高い試薬を使用した反応の洗浄については比較的強力な洗浄を行なう必要があるので、流動速度や時間、回数の数値を高く設定する。逆に、反応感度が比較的低い試薬を使用した反応の洗浄については、相対的に低い設定値にする。
第九実施形態
本実施形態では、ポンプ駆動時のＤＮＡチップ上の水位に応じて気泡が生じない最速な流動に変化させる。特に、液体の移動中に水位が変化する場合において、ＤＮＡチップ上の水位が低いほど緩慢な速度にする。
本実施形態は、図１と同様の装置で実施することができるが、演算ユニット１５が、蛍光検出ユニット１２の励起用ビームの光吸収または光反射に関する検出データに基づいて、ＤＮＡチップ上の水面画像を解析して、水位を算出する点が異なる。まず、反応室３ｄの反応部４ｄの反応経過や結果を測定するための蛍光検出ユニット１２をステージ１をＸ軸方向の図示左端まで移動することによって反応部４ｄの上方に移動させる。次に上述したように、Ｘ移動板１ｃの移動に伴いラック１０も移動し、ピニオン９が回転し、切替バルブ６の操作軸６ａも回転し、反応室３ｃとポンプ８の流路が切替バルブ６を介して接続される。この状態で、演算ユニット１５によりポンプ制御ユニット１４を介してポンプ８をコントロールすることにより、反応室３ｃ中の溶液を流動させることが可能となる。本実施形態では、蛍光検出ユニット１２の対物レンズ１３を上下に移動可能とするのが好ましく、焦点位置を可変にすることによって、ＤＮＡチップ上の水位を光源からの出射ビームによる水面付近における光吸収または光反射を継続的に検出する。公知のフォーカシング機構によれば、対物レンズを移動させずに焦点位置を可変にする光学的技術も利用できる。光検出ユニットによる検出データは、反応室３ｃ中の溶液の流動状態をモニタリングするのに用いられる。このようにして、蛍光検出ユニット１２のＣＣＤで取得した光吸収（または光反射）データを演算ユニット１５に送出して、ポンプの流速制御部にフィードバックさせる。
第十実施形態
本実施形態では、ＤＮＡチップにおける測定タイミングに合わせて基体上の流動速度を増減させる。測定時には流動状態をなるべく静的な条件にするとともに、非測定時には流動状態をなるべく動的な条件にする。
本実施形態は、図１と同様の装置で実施することができる。まず、反応室３ｄの反応部４ｄを蛍光検出ユニット１２の対物レンズ１３の焦点位置に移動させる。次に、ステージ１をＸ軸方向の図示左端まで移動することによって反応部４ｄの上方に移動させる。次に上述したように、Ｘ移動板１ｃの移動に伴いラック１０も移動し、ピニオン９が回転し、切替バルブ６の操作軸６ａも回転し、反応室３ｃとポンプ８の流路が切替バルブ６を介して接続される。この状態で、演算ユニット１５によりポンプ制御ユニット１４を介してポンプ８をコントロールすることにより、反応室３ｃ中の溶液を流動させることが可能となる。ここで、ポンプ８による駆動を断続的に実施しながら蛍光検出ユニット１２によるＤＮＡチップ上の反応を連続的に測定する。この連続的な測定において、ポンプ８による溶液駆動を実質的に静止させるか波を生じないような一定の低速条件（例えば５μｌ／秒）を間欠的に適用し、この低速において得られる蛍光データを実測値として採用する。このように、測定タイミングに合わせて基体上の流動速度を増減させることによって、ＤＮＡチップ上の反応を促進しながらリアルタイム測定できるので検査時間を短縮することが可能となる。なお、この実施例において、一定の低速条件とは、液面の乱れを抑制する流速に減速すること、あるいは均等な対流状態で測定を行なうように液面に応じて加減速することを意味する。蛍光検出ユニット１２は、励起用ビームの光吸収または光反射に関する検出データを用いて、液体の動的および静的状況をモニタリングするために利用することも可能である。
表１はサンプルまたは試薬の各特性に対する好適なピストン駆動速度との関係である。
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以上の流体移送の制御においては、以下のようにシリンジポンプを駆動することができる。図１４は、シリンジポンプ８の一般的な駆動パターンによる２種類の流動条件を示している。図１４において、Ｘ軸は経過時間を示し、Ｙ軸はシリンジポンプ８のピストンの位置を示している。右下がりの区間は「引く」動作に対応し、右上がりの区間は「押す」動作に対応している。傾きの大きさは、ピストンの移動速度を表しており、従って検体液の流動速度に対応している。図１４において、実線は相対的に高速の駆動パターンを示し、点線は相対的に低速（実線の２分の１の速度）の駆動パターンを示している。図から分かるように１回のポンプ往復に要する時間は流動条件によって違うので、高速駆動するほど所定回数の駆動に要する時間は短縮される。
図１４から分かるように、一般に、シリンジポンプ８のピストンは、一定の速度で連続的に押され、一定時間のあいだ停止された後、押す動作時と同じ速度で連続的に引かれる。この一連の動作が、一定時間の間隔を置いて、繰り返し行なわれる。
なお、シリンジポンプ８の駆動パターンは、上述した例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。例えば、他の駆動パターンとしては、シリンジポンプ８のピストンを、「引く」動作時に、一定の速度で１秒間引かれ、１秒間停止され、この一連の動作が４回繰り返される。その後、「押す」動作時に、一定の速度で１秒間押され１秒間停止され、この一連の動作が４回繰り返される。この一連の間欠的な動作全体が１サイクルを成し、そのサイクルが、繰り返し、必要な回数だけ行なわれる。流動速度が連続的な一定の流体においては、流路の壁面近くの流体が攪拌されないという、層流と呼ばれる現象が起こる。上記の間欠的な駆動パターンに従った駆動においては、「引く」動作時と「押す」動作時において、ピストンが間欠的に移動されるため、層流の発生が効果的に抑制される。層流の発生を抑制する駆動パターンは、「引く」動作時と「押す」動作時に、ピストンを間欠的に一定速度で移動させる駆動パターンに限定されない。例えば、「引く」動作時と「押す」動作時に、溶液を脈動的に流動させるようにピストンを移動させる駆動パターン、つまり、一定速度を基準にして正弦波形的に変化する速度でピストンを移動させる駆動パターンであってもよい。あるいは、「引く」動作時と「押す」動作時に、不規則に変化する速度でピストンを移動させる駆動パターンであってもよい。
また、上記の実施形態では流体の特性に応じて２種類の流速条件を選択的に設定したが、３種類以上の条件を設けてもよい。例えば、サンプルまたは試薬ごとに不特定多数のバラツキが有る特性（粘性、容積等）については、中間的な流速に相当する標準条件を設定して、標準レベル内の特性については標準条件でもって流体移送するようにしてもよい。
これまで、図面を参照しながら本発明の実施の形態を述べたが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。言い換えれば、本発明は、発明の要旨と請求の範囲が及ぼす技術範囲において種々の変更や均等物を含む。
上述した実施形態では、機能性基体としてＤＮＡチップを用いた遺伝子反応の検査を例にあげて説明したが、本発明は、遺伝子以外の生体関連物質の検査のための機能性基体から成る他の検査チップを用いた他の生体関連物質の検査、例えば免疫反応や生化学反応や電気化学反応等の検査に適用されてもよい。さらに、機能性基体は、種々の形態のものを適用することが可能である。例えば、シリコンウエハやガラスのような二次元基体、種々のビーズや微粒子、種々の多孔質基体、種々のゲル、種々のキャピラリー型アレイ（特開平１１−７５８１２号公報や特開２００１−１５３８６０号公報参照）、種々のカラムを単独または適宜組み合わせて適用することが可能であり、機能性を有する基体と機能性を有さない基板との組み合わせでもあり得る。特にキャピラリー型アレイを基体として利用する場合には、微細流路の内壁に機能性を有する試薬を必要数量だけ固相化してもよいし、機能性を有する試薬を必要個数だけ固相化したビーズまたは微粒子を流路内にポジショニングするようにしてもよい。微細流路における流体の流動条件は、上述したＤＮＡチップと同様のコンセプトで適宜最適化を行なうのが好ましい。また、複数の検査結果に対応する複数の基体を統合的に処理する場合には、複数の基体を同じ領域に並べたり、共用のポジションに対して順番に位置付けたりするように搬送することができる。また、複数の機能性を有する基体による検査を、設定すべき流動条件ごとに各基体をソーティングして処理する制御システムで実行させてもよい。また、非浸透性の二次元基体を用いる場合には、基体全体を囲む扁平な中空型セルに成形することができる。扁平な中空型セルにおいては、部分的に異なる幅の分岐通路を設けるとともに、流体の流動方向または流動速度または両者を電気化学的または機械的に制御する機構を適宜付加することによって、分岐通路ごとに流動条件を変更することが可能となる。また、種々のビーズ、種々の多孔質基体、種々のゲルは、多くの表面積を持つので、溶液を流動させながら各種工程を行なうと効率が向上するが、本発明を適用するとさらに効率を向上することが可能となるので好ましい。種々のビーズや微粒子を流体中に一緒に流動させる場合には、常に粒子沈降が生じない程度の流速に設定されているのが好ましい。機能性基体として、赤血球のような粒子状の細胞またはシート状の細胞膜を用いてもよい。ビーズや微粒子が磁性体を含有していれば、磁気発生手段による磁力でもって、液体または気体の流動条件に依存せずに、磁気的に移動を加速または減速させたり選択的に静止させたりすることが可能となる。これにより、本発明は、磁性体含有の成分を有する流体の流動条件を磁気的に制御する方法および装置も包含する。磁力の制御は、電磁石の電力を変化させるか、永久磁石との距離を増減することで自動化できる。また、キャピラリー型アレイは、キャピラリー内壁表面またはキャピラリー内に導入した複数個の微粒子表面に固相化した試薬に対して流体としてのサンプルや試薬をポンプ等の圧力供給装置に接続することにより流体の往復移送を可能とする自動化デバイスとなり得るので好ましい。流体の往復移送中に複数回の測定を行なうようにすれば、流体中の全部分から効率良く反応結果を得ることができるという利点もある。
また、上述した実施形態では、蛍光を発する試薬を用いた蛍光検出を例に説明したが、蛍光以外の測定可能な信号を発生する試薬を用いた他の検出ユニットであってもよい。また、検出ユニットの検出は、撮像用のＣＣＤを用いた広視野領域に限らず、例えば共焦点レーザー顕微鏡のような狭小領域に関する測定であってもよい。狭小領域をスキャニングすれば、複数の測定ポイントを効率良く測定できる。
また、上述した実施形態では、シリンジピストンポンプを中心に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々のポンプが適用可能である。好ましいポンプの形式は容積型ポンプである。容積型ポンプとしては、例えば、往復ポンプや隔膜ポンプや回転ポンプがあげられる。往復ポンプとしては、例えば、ピストンポンプやプランジャーポンプがある。回転ポンプとしては、例えば、歯車ポンプや仕切り板ポンプやスクリューポンプやローブポンプがある。これらのポンプは、空間容積を周期的に変化させて液体の吸い込みと吐出を行なうため、圧力変化を容易に制御可能であり、種々の工程に最適な溶液の流動を行なうことが可能であるので好ましい。液体を往復で固相化基体に接触させる場合には、特に往復ポンプが好ましい。例えば、ピストンポンプやプランジャーポンプでは、ピストンやブランジャーの往復距離と移動速度により、溶液の駆動量および駆動速度を制御可能であるので、精密な溶液の流動を容易に行なうことが可能である。
例えば、往復型ポンプであるシリンジピストンポンプの場合、シリンジピストンの移動が停止状態に近づいていくと、圧力差が小さくなり、溶液の移動速度が遅くなる。溶液の粘度が高かったり流路に抵抗があったりする場合など、溶液の移動とシリンジピストンの移動に時間差が発生してしまう場合は、この効果が顕著に現れ、例えば、往復型ポンプの体積の変化量を溶液の体積量に同じにすると、溶液の移動が不十分になる。そこで、往復型ポンプの体積の変化量を溶液の体積量よりも多くすると、溶液の移動とポンプの動作状態に時間差が発生しても、溶液の移動が十分に起こり、機能性基体と溶液の接触が十分に起こる。例えば、図１５に示すように、シリンジピストンポンプの初期化位置Ｐ（例えば上死点）から下げた位置Ａで溶液をＤＮＡチップに添加する。次に、シリンジピストンを溶液の添加量に相当する体積分に相当する位置Ｂまで降下させて溶液を吸引する。さらに、オフセット体積（吸引）分に相当する位置Ｃまで降下させ、必要であれば一定時間Ｔ１のあいだ保持した後、位置Ｄと位置Ｅを経由してシリンジピストンポンプの初期化位置に相当する位置Ｆ（または溶液を添加した位置より高い位置）までシリンジピストンを上昇させる。位置Ｅと位置Ｆの間の体積がオフセット体積（排出）に相当する。さらに、必要ならば一定時間Ｔ２のあいだ保持した後、一連の動作を繰り返す。図１５で、ピストン位置の下向きの動きは溶液の吸引を示し、上向きの動きは溶液の排出を示している。
本発明を統括すると、次のように発明を捉えることができる。本発明は、別々の工程に対応する異種の流体が、工程ごとに異なる流動条件で同じ機能性基体に接触する。ここで同じ種類の流体が同時期または別時期に複数の機能性基体と接触してもよい。各工程において基体と接触する流体は異なる目的を有するので、目的を達成するに適した流動条件を工程ごとに設定することによって生体関連物質に関する検査の質を最高のものにすることができる。特に、実施形態で述べたように、生体関連物質と機能性基体との反応工程と測定前の洗浄工程とをそれぞれ最適な流動条件で組み合わせるのが有効である。また、測定前の洗浄工程の代わりに、測定工程と反応工程とを最適な流動条件で組み合わせるものも同様に有効である。流動条件を詳細に説明するには、基体の形状ごとに異なる流体の方向や流量を考慮しなければならない。つまり、基体が多孔質フィルターの場合には、フィルターを通過するように一方向または双方向に流動させる。実施形態のように試薬としての複数種類のプローブを同一面上に配置できるフロースルー型の三次元構造を有するＤＮＡチップを基体とする場合には、図示されるようにＤＮＡチップの面を水平にして流体としての液面を上昇（ポンプは陽圧）させたり下降（ポンプは陰圧）させたりする。基体が溝または管状の微細流路である場合には、流路に沿って一方向または双方向に流体を流動させる。流路の異なる位置に同種または異種の複数の試薬を不動状態で配置することにより多数の反応を同時に実行できる。基体がビーズまたは微粒子である場合には、流動方向は任意であり、例えば円形や螺旋形や線状の流路内の一方向または双方向であってよい。複数のビーズまたは微粒子にそれぞれ異なる試薬を固相化することができ、必要に応じて、整列させたり、流体の流動に依存せずに停止または移動させたりすることにより、多様な流動条件を設定できる。いずれの形状の基体であっても、上述したように一定の連続的なポンプ圧による層流を適用するよりは、間欠的または断続的なポンプ圧の付与による脈流を適用する方が、流体中の生体関連物質をより多く基体と接触させることができるという顕著な作用を有する。一定の流動条件を維持した検査は、反応・洗浄・測定のどのような組み合わせについても検査の質が低下する。
本発明は、機能性を有する基体のすべてに適用可能であるが、生体液中に定常的に均一に存在する液状生体関連物質（例えば電解質成分や酵素成分）にとってよりはむしろ、機能性基体における高比率で安定的な接触を要求する、非定常的または不均一に存在する不溶性生体関連物質（例えば核酸や細胞や腫瘍マーカー蛋白）にとって重要である。特に、試薬としての不溶性の生体関連物質を固相化した基体は、生体関連物質からなる極微細な突状構造を具備するので、その突起群を動的に誘導するような流動条件の制御は基体表面全域との良好な接触に寄与する。突起群を形成する基体の底面付近は、流体と接触が困難な場所で、流体と接触の比率または確率が低い場所である。この意味において、上述した流体の駆動パターンのうち、流体の駆動中に任意のタイミングで流動を停止させる条件を付与することは、突起群と流体との浸透を顕著に向上させる点で好ましい。突起群と流体との不十分な接触は、反応または洗浄またはその両方に不満足な結果をもたらすだけでなく、場合によっては気泡または前工程の流体の液残りを許してしまう。測定工程においても、気泡または液残りによる測定ノイズを除去するために流動条件を制御するのが好ましい。反応工程の前段階として、サンプルまたは試薬またはその両方としての生体関連物質を基体の所定領域に不動化（ｉｍｍｏｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ）する不動化工程を含む場合には、不動化を達成するに十分な流動の停止期間を設けることが好ましい。不動化工程は、浮遊した生体関連物質を電気化学的または有機化学的に直接的に基体に固相化する永久的不動化処理に限らず、あらかじめ生体関連物質を固相化したビーズまたは微粒子を電気的または磁気的に基体のアドレス化された位置に動かなくする可逆的不動化処理を含んでいる。本発明は、任意の異なる流体と接触する機能性基体の機能性を高比率かつ高確率で最大限に発揮させる方法および装置を提供する。また、機能性基体が複数の異なる機能化成分（例えば試薬）を有する多項目測定においても、個々の機能を必要なタイミングで確実に発揮させるのに有効である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１４】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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