JPWO2007055165A1 - Nucleic acid separation method, nucleic acid testing microreactor, nucleic acid testing system - Google Patents
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Abstract
本発明は、前処理手段を有し、信頼性で可能とする核酸検査用マイクロリアクタおよび核酸検査システムを提供する。本発明の核酸検査システムは、試薬類・送液系用のエレメントを搭載した、検体ごとのチップコンポーネントと、検査装置本体として、制御・検出コンポーネントとを別個にするシステム構成である。検体中の核酸を抽出し、濃縮する前処理工程を行う検体前処理部を有するため、希薄試料であっても該物質を濃縮することができ、同時に反応を妨害する有害物質、流路の目詰まりを起こす夾雑物を除外する。また、ポジティブコントロールおよびネガティブコントロールも同時に分析できる流路構成を有する。したがって、微量分析、増幅反応に対し、クロス・コンタミネーション、キャリーオーバー・コンタミネーションといった深刻な問題が生じにくい。The present invention provides a microreactor for nucleic acid testing and a nucleic acid testing system that have pretreatment means and enable with reliability. The nucleic acid test system of the present invention has a system configuration in which a chip component for each sample, on which elements for reagents and a liquid feeding system are mounted, and a control / detection component as a test apparatus main body are separated. Since it has a sample pretreatment section that performs a pretreatment step for extracting and concentrating nucleic acids in a sample, the substance can be concentrated even in a diluted sample, and at the same time, harmful substances that interfere with the reaction, and the flow path Exclude foreign substances that cause clogging. Moreover, it has a flow channel configuration that can simultaneously analyze positive control and negative control. Therefore, serious problems such as cross-contamination and carry-over contamination are less likely to occur for microanalysis and amplification reactions.
Description
本発明は、核酸の分離方法、核酸検査用マイクロリアクタおよびこのマイクロリアクタを含む核酸検査システムに関するものである。さらに詳しくは、核酸の分離方法を適用した前処理手段を有する核酸検査用マイクロリアクタおよびこのマイクロリアクタを含む核酸検査システムに関する。 The present invention relates to a nucleic acid separation method, a nucleic acid testing microreactor, and a nucleic acid testing system including the microreactor. More specifically, the present invention relates to a nucleic acid test microreactor having a pretreatment means to which a nucleic acid separation method is applied, and a nucleic acid test system including the microreactor.
近年、マイクロマシン技術および超微細加工技術を駆使することにより、従来の試料調製、化学分析、化学合成などを行うための装置、手段(例えばポンプ、バルブ、流路、センサーなど)を微細化して1チップ上に集積化したシステムが開発されている。これは、
μ−TAS(Micro total Analysis System)、バイオリアクタ、ラブ・オン・チップ(Lab-on-chips)、バイオチップとも呼ばれ、医療検査・診断分野、環境測定分野、農産製造分野でその応用が期待されている。とりわけ遺伝子検査に見られるように、煩雑な工程、熟練した手技、機器類の操作が必要とされる場合には、自動化、高速化および簡便化されたミクロ化分析システムは、コスト、必要試料量、所要時間のみならず、時間および場所を選ばない分析を可能とすることによる恩恵は多大と言える。In recent years, by making full use of micromachine technology and ultrafine processing technology, devices and means (for example, pumps, valves, flow paths, sensors, etc.) for performing conventional sample preparation, chemical analysis, chemical synthesis, etc. have been miniaturized. Systems integrated on a chip have been developed. this is,
It is also called μ-TAS (Micro total Analysis System), bioreactor, Lab-on-chips, biochip, and its application is expected in medical examination / diagnosis field, environmental measurement field, agricultural production field Has been. In particular, as seen in genetic testing, when complicated processes, skilled procedures, and equipment operations are required, automated, accelerated, and simplified microanalysis systems are more cost effective The benefits of enabling analysis not only on time but also on time and place are enormous.
臨床検査を始めとする各種検査を行う現場では、場所を選ばず迅速に結果を出すこれらの分析用チップにおける測定においても、その定量性、解析の精度などが重要視される。分析チップではそのサイズ、形態の点から厳しい制約があるため、シンプルな構成で、高い信頼性の送液システムを確立することが課題となる。そのため精度が高く、信頼性に優れるマイクロ流体制御素子が求められている。これに好適なマイクロポンプシステムを本発明者らはすでに提案している(特許文献1および2)。 In the field where various tests such as clinical tests are performed, quantitativeness, accuracy of analysis, and the like are regarded as important in the measurement using these analysis chips that produce results quickly regardless of location. Since the analysis chip has severe restrictions in terms of its size and form, it is necessary to establish a highly reliable liquid delivery system with a simple configuration. Therefore, there is a need for a microfluidic control element that has high accuracy and excellent reliability. The present inventors have already proposed a micropump system suitable for this (Patent Documents 1 and 2).
チップ上で検査などを行うために、試料の必要量を極少の量とし、必要とされる試薬量も少なくて済む分析の微量化を図ることは、マイクロリアクタに求められる最大課題である。ところが試料によっては、検出対象である遺伝子または核酸の濃度が希薄であることがある。チップに導入できる検体量も限られていることから、そうした検体量では測定可能な範囲内に収まらない。したがって、チップに導入する前に予備的な濃縮または分離の操作が必要となってくる。あるいは微量の反応生成物を高感度でしかも簡便に検出、または定量できる機構をチップに搭載することが必要とされる。遺伝子の検出では、PCR(polymerase chain reaction)法による増幅反応を利用するのが通例である。血液などの生体液を試料とする場合、そのまま検体として分析に供することができないことが多く、通常は何らかの前処理を加えることが要求されることも多い。 In order to perform inspection on a chip, it is the greatest challenge required for a microreactor to minimize the amount of sample required and to reduce the amount of analysis that requires a small amount of reagent. However, depending on the sample, the concentration of the gene or nucleic acid to be detected may be dilute. Since the amount of sample that can be introduced into the chip is also limited, such a sample amount does not fall within the measurable range. Therefore, a preliminary concentration or separation operation is required before introduction into the chip. Alternatively, it is necessary to mount a mechanism capable of detecting or quantifying a minute amount of reaction product with high sensitivity and easily. In gene detection, an amplification reaction by a PCR (polymerase chain reaction) method is usually used. When a biological fluid such as blood is used as a sample, it cannot often be used as an analyte as it is, and usually it is often required to add some pretreatment.
生物試料から核酸を抽出、分離する方法として、化学的方法または物理的方法が用いられる。後者に属する方法として、振動するビーズの作用により細胞から核酸を抽出する方法(特許文献3)、電場を適用して分離、濃縮する方法(特許文献4および5)が報告されている。これらの方法をそのまま超微細な装置のマイクロリアクタに適用することには、多くの問題がある。 As a method for extracting and separating nucleic acid from a biological sample, a chemical method or a physical method is used. As methods belonging to the latter, methods for extracting nucleic acids from cells by the action of vibrating beads (Patent Document 3) and methods for separating and concentrating by applying an electric field (Patent Documents 4 and 5) have been reported. There are many problems in applying these methods as they are to microreactors of ultrafine devices.
このように簡便かつ迅速な検査手段を提供するマイクロリアクタには、実用上依然として解決すべき具体的な問題、要望が提起され、その解決が望まれている。
上記の実状に鑑みてなされた本発明は、微量または濃度が希薄な試料であっても前処理手段および廃液溜りを有するチップにより、高感度の分析を可能とする核酸検査用マイクロリアクタを提案する。しかも感染および汚染の危険の少ない分析ツールとするために、そのマイクロリアクタは、ディスポーサルタイプとしている。さらに本発明はシンプルな構成と高精度の送液システムを組み込み、しかも精度の高い分析を可能とする核酸検査システムを提供することを目的とする。 The present invention, which has been made in view of the above circumstances, proposes a microreactor for nucleic acid testing that enables high-sensitivity analysis using a chip having a pretreatment means and a waste liquid reservoir even for a sample with a small amount or a low concentration. In addition, the microreactor is of a disposable type in order to provide an analysis tool with a low risk of infection and contamination. A further object of the present invention is to provide a nucleic acid test system that incorporates a simple configuration and a high-accuracy liquid feeding system and that enables high-accuracy analysis.
本発明の核酸の分離方法は、細胞から核酸を抽出し、分離する方法であって、
(i)細胞を含む液体を、該細胞より大きい孔径のフィルターAと、該細胞より小さい孔径のフィルターBとに順次通過させて該フィルターBの供給口側に該細胞を保持する、
(ii)該フィルターBの該細胞を保持する側と反対側の取り出し口から、洗浄液を流すことにより、該細胞をその洗浄液中に取り出す、
(iii)次いで該細胞を含む洗浄液を、振動するビーズを保持する細胞破壊部に通すことにより、該細胞を破壊して核酸抽出液を得る、
(iv)その細胞破壊部から流路を通して該核酸抽出液を、電場が流路を横断する方向にかけられている核酸捕捉部に導入して、その核酸捕捉部のカソード側に核酸を集める、
(v)その核酸捕捉部のカソード側に集められた核酸を、核酸回収液で該核酸捕捉部から
回収する、
ことを特徴としている。The method for separating nucleic acids of the present invention is a method for extracting and separating nucleic acids from cells,
(I) A cell-containing liquid is sequentially passed through a filter A having a pore size larger than the cell and a filter B having a pore size smaller than the cell to hold the cell on the supply port side of the filter B.
(Ii) The cells are taken out into the washing solution by flowing a washing solution from the outlet of the filter B opposite to the side holding the cells.
(Iii) Next, the washing liquid containing the cells is passed through a cell destruction unit that holds vibrating beads, thereby destroying the cells and obtaining a nucleic acid extract.
(Iv) introducing the nucleic acid extract from the cell disruption section through the flow path into the nucleic acid capture section where the electric field is applied in a direction crossing the flow path, and collecting the nucleic acid on the cathode side of the nucleic acid capture section;
(V) collecting the nucleic acid collected on the cathode side of the nucleic acid capture unit from the nucleic acid capture unit with a nucleic acid recovery solution;
It is characterized by that.
前記ビーズが、それらを保持する該細胞破壊部の上面に付設された外部アクチュエータの作用により振動させられている。この外部アクチュエータは、好ましくは圧電PZTセラミック振動子である。 The beads are vibrated by the action of an external actuator attached to the upper surface of the cell destruction part that holds them. This external actuator is preferably a piezoelectric PZT ceramic vibrator.
前記電場が、櫛型構造の該核酸捕捉部もしくは夾雑物捕捉部の上面に付設された、1対の外部対向電極により印加されることが望ましい。 It is desirable that the electric field is applied by a pair of external counter electrodes attached to the upper surface of the nucleic acid capturing unit or the contaminant capturing unit having a comb structure.
また、前記核酸捕捉部のカソード側に集まった核酸を回収する際に、電場の当初の方向を逆転するように電圧を外部対向電極に印加することが望ましい。 In addition, when collecting the nucleic acid collected on the cathode side of the nucleic acid capturing unit, it is desirable to apply a voltage to the external counter electrode so as to reverse the original direction of the electric field.
本発明の細胞ろ過装置は、上記の核酸の分離方法における前記ステップ(i)およびステップ(ii)を実施するために用いる細胞ろ過装置であって、前記のフィルターAおよびフィルターBを、隔壁としてそれぞれ装置の入り口側と取り出し口側に配置し、これらの隔壁と装置側壁とにより密閉可能な空間が形成されるともに、その側壁面に洗浄液排出管を貫通させており、入り口、取り出し口および排出管にある各穴が開閉される手段を有することを特徴としている。 The cell filtration device of the present invention is a cell filtration device used for carrying out the steps (i) and (ii) in the nucleic acid separation method described above, wherein the filter A and the filter B are used as partition walls, respectively. A space that can be hermetically sealed is formed by the partition wall and the side wall of the apparatus, and a cleaning liquid discharge pipe is passed through the side wall surface of the apparatus. It has the means by which each hole in is opened and closed.
本発明の核酸検査用マイクロリアクタは、細胞を含有する液を受ける検体受容部、並びに、該検体受容部から送出される細胞を破壊する細胞破壊部及び該細胞破壊部において破壊された細胞から放出される核酸を捕捉する核酸捕捉部を有する検体前処理部を備えており、前記検体受容部、細胞破壊部及び核酸捕捉部が微細流路で連通されていることを特徴としている。 The nucleic acid test microreactor of the present invention is released from a specimen receiving part that receives a liquid containing cells, a cell destruction part that destroys cells delivered from the specimen reception part, and cells destroyed in the cell destruction part. A sample pretreatment unit having a nucleic acid capture unit for capturing the nucleic acid to be captured, wherein the sample receiving unit, the cell destruction unit, and the nucleic acid capture unit are communicated with each other through a fine channel.
さらに、本発明の核酸検査用マイクロリアクタは、試薬を収容する試薬収容部、廃液貯留部、マイクロポンプ接続部および各部を連通する微細流路を有し、
前記微細流路の下流に前記検体前処理部で前処理された検体液と前記試薬収容部に収容される試薬が反応する反応部を構成する流路、及び該反応部で反応して得られる反応物を検出する検出部を構成する流路が設けられていることを特徴としている。Furthermore, the microreactor for nucleic acid test of the present invention has a reagent storage unit that stores a reagent, a waste liquid storage unit, a micropump connection unit, and a fine channel that communicates each unit,
Obtained by reacting in the reaction section, the flow path constituting the reaction section where the sample liquid pretreated in the sample pretreatment section and the reagent contained in the reagent containing section react downstream of the fine flow path A flow path that constitutes a detection unit for detecting a reactant is provided.
前記細胞破壊部は、該細胞破壊部に配置される外部アクチュエータにより振動させられて細胞を破壊するビーズを有し、
前記核酸捕捉部は、該核酸捕捉部に配置される外部電極に印加される電場により、前記細胞破壊部で破壊された細胞から放出される核酸を捕捉する、ことを特徴としている。The cell disruption unit has beads that are vibrated by an external actuator disposed in the cell disruption unit to destroy the cell,
The nucleic acid capturing unit captures a nucleic acid released from a cell destroyed by the cell destructing unit by an electric field applied to an external electrode disposed in the nucleic acid capturing unit.
前記マイクロポンプ接続部は、
流路抵抗が差圧に応じて変化する第一流路と、
差圧の変化に対する流路抵抗の変化の割合が該第一流路よりも小さい第二流路と、
該第一流路および該第二流路に接続された加圧室と、
該加圧室の内部の圧力を変化させるためのアクチュエータと、
を有するマイクロポンプに接続されることを特徴としている。The micropump connection is
A first channel in which the channel resistance changes according to the differential pressure;
A second flow path in which a ratio of a change in flow path resistance to a change in differential pressure is smaller than the first flow path;
A pressurizing chamber connected to the first flow path and the second flow path;
An actuator for changing the pressure inside the pressurizing chamber;
It is connected to the micropump which has this.
前記廃液貯留部が、マイクロリアクタの底部に設けられ、少なくとも前記検体前処理部および前記検出部の端部と連通した中空室であることを特徴としている。 The waste liquid storage section is provided at the bottom of the microreactor, and is characterized in that it is a hollow chamber communicating with at least the end of the specimen pretreatment section and the detection section.
また、本発明の核酸検査用マイクロリアクタは、
分岐した微細流路と、
予め設定された圧より低い圧では液体の通過を遮断し、予め設定された圧以上の圧では液体の通過を許容する、送液制御部と、
流路内の液体の逆流を防止する逆流防止部と、
から構成され、
分岐した流路内における液体の送液および送液量の定量を制御する送液分割手段を有することを特徴としている。Moreover, the microreactor for nucleic acid test of the present invention is
Branched microchannels,
A liquid feed controller that blocks passage of liquid at a pressure lower than a preset pressure and allows passage of liquid at a pressure equal to or higher than a preset pressure; and
A backflow prevention unit for preventing backflow of liquid in the flow path;
Consisting of
It is characterized by having a liquid feed dividing means for controlling the liquid feed in the branched flow path and the quantification of the liquid feed amount.
さらに、細胞から抽出された核酸の検出を光学的に行う検出装置とともにマイクロポンプおよび温度の制御装置が一体化された装置本体と、この装置本体に装着可能な前記本発明の核酸検査用マイクロリアクタとからなり、装置本体に該マイクロリアクタを装着することにより、核酸の測定を行うことを特徴としている核酸検査システムも本発明に含まれる。 Furthermore, a device main body in which a micropump and a temperature control device are integrated with a detection device that optically detects nucleic acids extracted from cells, and the nucleic acid testing microreactor of the present invention that can be attached to the device main body. The present invention also includes a nucleic acid testing system characterized in that a nucleic acid is measured by mounting the microreactor on the apparatus main body.
本発明の核酸検査システムは、試薬類・送液系用のエレメントを搭載した、検体ごとのマイクロリアクタであるチップ・コンポーネント、装置本体である制御・検出コンポーネントとを別個にするシステム構成である。よって微量分析、増幅反応に対し、クロス・コンタミネーション、キャリーオーバー・コンタミネーションが生じにくい。 The nucleic acid test system of the present invention has a system configuration in which a chip component, which is a microreactor for each specimen, and a control / detection component, which is a main body of the apparatus, are mounted with elements for reagents and liquid feeding systems. Therefore, cross-contamination and carry-over contamination are less likely to occur in trace analysis and amplification reactions.
マイクロリアクタのチップでは検体を導入できる容量がきわめて限られているために、目的の核酸または菌の濃度が薄いとこれを捕捉することが困難となる。本発明の核酸検査用マイクロリアクタの構成によれば、細胞から分析対象物質である核酸、遺伝子を抽出し、分離して濃縮することが可能な検体前処理部を有する。したがって希薄試料でも該物質を濃縮することができ、同時に反応を妨害する有害物質、流路の目詰まりを起こす夾雑物を除外することもできる。 Since the capacity of the microreactor chip into which the sample can be introduced is extremely limited, it is difficult to capture the target nucleic acid or bacteria when the concentration is low. According to the configuration of the microreactor for nucleic acid test of the present invention, it has a specimen pretreatment section that can extract nucleic acids and genes as analysis target substances from cells, and separate and concentrate them. Therefore, the substance can be concentrated even in a dilute sample, and at the same time, harmful substances that interfere with the reaction and contaminants that clog the flow path can be excluded.
本発明の核酸検査用マイクロリアクタは、反応阻害、コンタミネーション、バックグラウンドの上昇などによる影響を排除するために、ポジティブコントロールおよびネガティブコントロールも同時に分析できる流路構成を有する。このようなマイクロリアクタにより、超微量の検体量であっても、信頼性の高い高精度の分析を実現する。 The microreactor for nucleic acid testing of the present invention has a flow path configuration that can simultaneously analyze positive control and negative control in order to eliminate the influence of reaction inhibition, contamination, background increase and the like. Such a microreactor realizes highly reliable and highly accurate analysis even with a very small amount of specimen.
本発明の核酸検査システムおよび核酸検査用マイクロリアクタを用いることによる各種遺伝子検査法は、その装置の構成と分析原理から、従来の核酸配列分析、制限酵素分析、核酸ハイブリダイゼーション分析と比べ、はるかに少ない検体量、僅かな手間と簡便な装置により高い精度の結果を得ることができることが明らかである。 Various gene testing methods using the nucleic acid testing system and nucleic acid testing microreactor of the present invention are far fewer than conventional nucleic acid sequence analysis, restriction enzyme analysis, and nucleic acid hybridization analysis due to the configuration and analysis principle of the apparatus. It is clear that highly accurate results can be obtained with a small amount of sample, a small amount of labor, and a simple apparatus.
本発明の核酸検査システムは、遺伝子の種々の解析、臨床検査・診断、医薬スクリーニング、医薬、農薬あるいは各種化学物質の安全性・毒性の検査、環境分析、食品検査、法医学、化学、醸造、漁業、畜産、農産製造、農林業等で利用可能である。 The nucleic acid testing system of the present invention is used for various gene analysis, clinical testing / diagnosis, pharmaceutical screening, pharmaceuticals, agricultural chemicals or chemicals safety / toxicity testing, environmental analysis, food testing, forensic medicine, chemistry, brewing, fishery It can be used in livestock, agricultural production, agriculture and forestry.
1 装置本体
2 マイクロリアクタ(検査チップ)
3 ペルチェ素子
4 ヒーター
5 ホトダイオード
6 LED
10 駆動液タンク
11 マイクロポンプ(ピエゾポンプ)
12 ポンプ接続部
13 送液制御部
15 流路
18 試薬収容部
19 検体
20 検体受容部
24 駆動液収容部
25 封止液収容部
26 空気抜き用流路
31 試薬
41 上側基板
42 基板
43 振動板
44 圧電素子
45 加圧室
46 第1流路
47 第2流路
48 第1液室
49 第2液室
71 シリコン基板
72 ポート
73 ポート
81 入り口側
82 取り出し口側
83 洗浄液排出管
84 フィルターA
85 フィルターB
86 ろ過空間1 Main body 2 Microreactor (inspection chip)
3 Peltier element 4 Heater 5 Photo diode 6 LED
10 Driving fluid tank 11 Micro pump (piezo pump)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 Pump connection part 13 Liquid supply control part 15 Flow path 18 Reagent accommodating part 19 Sample 20 Sample receiving part 24 Drive liquid accommodating part 25 Sealing liquid accommodating part 26 Air vent flow path 31 Reagent 41 Upper substrate 42 Substrate 43 Vibration plate 44 Piezoelectric Element 45 Pressurizing chamber 46 First flow path 47 Second flow path 48 First liquid chamber 49 Second liquid chamber 71 Silicon substrate 72 Port 73 Port 81 Entrance side 82 Extraction port side 83 Cleaning liquid discharge pipe 84 Filter A
85 Filter B
86 Filtration space
一般に、血液、尿などの生物試料は、試料に含まれる不要成分(タンパク質、脂質やイオン性物質など)を除去するために、分析に先立って検体の前処理が必要とすることが通例である。マイクロリアクタにおいても、搭載された分析システムが優れた性能を発揮できるのは、検体が標準品のような理想的な状態にある場合に限られることも往々にしてあり、検体前処理が適切に行われているかが分析の成否を左右することも多い。しかし試料の前処理自体が煩雑な時間のかかる工程であって、しかも適切に実施するのにも技術と経験が必要とされるのが現状である。特に臨床現場からの試料は、ウィルス、細菌などの感染、汚染の危険性を常に内包している。そうした試料の前処理もまた、分析・検出を行う同一のチップにおいて、その全体または一部であっても安全に実施でき、測定可能である検体を迅速かつ自動的に調製できれば、このような態様でチップ化することの意義は極めて大きい。 In general, biological samples such as blood and urine generally require sample pretreatment prior to analysis in order to remove unnecessary components (proteins, lipids, ionic substances, etc.) contained in the sample. . Even in a microreactor, the on-board analysis system can provide excellent performance only when the sample is in an ideal state, such as a standard product. In many cases, the success or failure of the analysis will affect the success or failure of the analysis. However, the pretreatment of the sample itself is a complicated and time-consuming process, and the current situation is that technology and experience are required for proper implementation. In particular, samples from clinical sites always contain the risk of infection and contamination with viruses and bacteria. Such sample pretreatment can also be carried out safely on the same chip for analysis and detection, even if it is wholly or in its entirety, and if a sample that can be measured can be prepared quickly and automatically, such a mode can be used. The significance of making a chip is extremely large.
以下、本発明の核酸検査用マイクロリアクタ(以下、単にマイクロリアクタということもある。)およびこのマイクロリアクタとマイクロポンプ、各種制御装置、検出装置とからなる核酸検査システムについて説明する。なお本明細書において、「検体」とは、測定対象の核酸を含有する流体である。「遺伝子」とは、何らかの機能を発現する遺伝情報を担うDNAまたはRNAをいうが、単に化学的実体であるDNA、RNAの形でいうこともある。これらとポリヌクレオチドを総称して「核酸」という。「エレメント」とは、マイクロリアクタに設置される機能部品をいう。「微細流路」は、本発明のマイクロリアクタに形成された流路のことである。 Hereinafter, a nucleic acid test microreactor (hereinafter sometimes simply referred to as a microreactor) and a nucleic acid test system including the microreactor, a micropump, various control devices, and a detection device will be described. In the present specification, the “specimen” is a fluid containing the nucleic acid to be measured. “Gene” refers to DNA or RNA carrying genetic information that expresses some function, but may also be simply referred to as DNA or RNA that is a chemical entity. These and the polynucleotide are collectively referred to as “nucleic acid”. “Element” refers to a functional component installed in the microreactor. The “fine channel” is a channel formed in the microreactor of the present invention.
[核酸分離方法]
本発明の核酸の分離方法は、細胞から核酸を抽出し、分離する方法であって、
(i)細胞を含む液体を、該細胞より大きい孔径のフィルターAと、該細胞より小さい孔径のフィルターBとに順次通過させて該フィルターBの供給口側に該細胞を保持する、
(ii)該フィルターBの該細胞を保持する側と反対側の取り出し口から、洗浄液を流すことにより、該細胞をその洗浄液中に取り出す、
(iii)次いで該細胞を含む洗浄液を、振動するビーズを保持する細胞破壊部に通すことにより、該細胞を破壊して核酸抽出液を得る、
(iv)その細胞破壊部から流路を通して該核酸抽出液を、電場が流路を横断する方向にかけられている核酸捕捉部に導入して、その核酸捕捉部のカソード側に核酸を集める、
(v)その核酸捕捉部のカソード側に集められた核酸を、核酸回収液で該核酸捕捉部から回収する、
ことを特徴とする。[Nucleic acid separation method]
The method for separating nucleic acids of the present invention is a method for extracting and separating nucleic acids from cells,
(I) A cell-containing liquid is sequentially passed through a filter A having a pore size larger than the cell and a filter B having a pore size smaller than the cell to hold the cell on the supply port side of the filter B.
(Ii) The cells are taken out into the washing solution by flowing a washing solution from the outlet of the filter B opposite to the side holding the cells.
(Iii) Next, the washing liquid containing the cells is passed through a cell destruction unit that holds vibrating beads, thereby destroying the cells and obtaining a nucleic acid extract.
(Iv) introducing the nucleic acid extract from the cell disruption section through the flow path into the nucleic acid capture section where the electric field is applied in a direction crossing the flow path, and collecting the nucleic acid on the cathode side of the nucleic acid capture section;
(V) collecting the nucleic acid collected on the cathode side of the nucleic acid capture unit from the nucleic acid capture unit with a nucleic acid recovery solution;
It is characterized by that.
本発明の核酸の分離方法において使用されるフィルターのメッシュは、細胞、血球、ウィルス、細菌などのサイズなどを考慮する。フィルターの形態、フィルター層の厚さなども目的に応じて適切に設定する。例えば、最初に不溶性物質、塵などを濾過除去し、その後に所定の処理を行うために、サイズを変えた2種のフィルターを併用する。フィルターの形状として、層状に積載した形態、樹脂の層、中空糸の集合形態などがあるが任意に選択される。 The filter mesh used in the nucleic acid separation method of the present invention considers the size of cells, blood cells, viruses, bacteria, and the like. The form of the filter, the thickness of the filter layer, etc. are also set appropriately according to the purpose. For example, insoluble substances and dust are first filtered and removed, and then two types of filters with different sizes are used in combination to perform a predetermined treatment. As the shape of the filter, there are a layered form, a resin layer, a hollow fiber aggregate form, and the like, which are arbitrarily selected.
フィルターAは、目的の核酸を含有する、試料中の細胞より大きい孔径のフィルターであり、いわゆる「プレフィルター」として不溶性の夾雑物質、塵などをろ過除去するためのものである。他方、フィルターBは、該細胞より小さい孔径の「滅菌フィルター」であり、細胞はフィルターBを通過できず、フィルターAおよびフィルターBで隔絶された空間内部、あるいは該フィルターBの供給口側(取り出し口の反対側)に保持される。 The filter A is a filter containing a target nucleic acid and having a pore size larger than that of the cells in the sample, and is a so-called “prefilter” for filtering out insoluble contaminants, dust, and the like. On the other hand, the filter B is a “sterile filter” having a pore size smaller than that of the cell, and the cell cannot pass through the filter B. The inside of the space isolated by the filter A and the filter B or the supply port side of the filter B (removal) Held on the opposite side of the mouth).
穴の大きさが大きいフィルターAは、塩の結晶、細胞片、毛髪、組織などの粗粒物質を濾過する。従って、その平均的な穴の大きさは、試料流体からそうした粗粒物質を濾過して取り除くのに充分小さく、かつ、核酸を含有する目的細胞やウィルスを通過させるのに充分大きくなるように選択される。一般に、その穴の大きさは、約2〜25μmの範囲にあるのが望ましく、好ましくは約5μmである。 The filter A having a large hole size filters coarse particles such as salt crystals, cell debris, hair, and tissue. Therefore, the average hole size is selected to be small enough to filter out such coarse material from the sample fluid and large enough to allow the target cells and viruses containing nucleic acids to pass through. Is done. In general, the size of the hole should be in the range of about 2-25 μm, and preferably about 5 μm.
穴の大きさが小さいフィルターBは、試料流体中の細胞やウィルスを捕捉する。その平均的な穴の大きさは、目的の核酸を含有する細胞あるいはウィルスの平均的な大きさに応じて選択される。例えば、0.1〜5μm、好ましくは0.5〜2μmである。 The filter B having a small hole size captures cells and viruses in the sample fluid. The average hole size is selected according to the average size of cells or viruses containing the target nucleic acid. For example, the thickness is 0.1 to 5 μm, preferably 0.5 to 2 μm.
フィルターは、市販のフィルターを装着すればよく、例えばセルロースアセテート、硝酸セルロース混合エステル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルスルホン、ナイロン、ポリビニリデンジフルオリド、グラスファイバーなどのメンブレン・フィルターが示され、フィルター用ハウジジングの材質としてポリビニルカーボネート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ガラスなどが挙げられる。 The filter may be a commercially available filter, such as a membrane filter such as cellulose acetate, cellulose nitrate mixed ester, polytetrafluoroethylene, polyethersulfone, nylon, polyvinylidene difluoride, or glass fiber. Examples of the housing material include polyvinyl carbonate, polyethylene, polypropylene, and glass.
上記フィルターBの該細胞を保持する側と反対の側である取り出し口から、洗浄液を該空間内に流し入れることにより、該細胞をその洗浄液中に取り出すことができる。次いで、細胞が分散している該洗浄液を、流路を通して、振動するビーズを保持する細胞破壊部に通す。これにより、振動するビーズと衝突することにより、細胞が破壊され、その内容物が液中に放出される。放出された核酸などを含む核酸抽出液を、さらに流路を横断する方向に電場がかけられている核酸捕捉部に通す。マイナスに荷電した線状分子である核酸は、陽極側に泳動して集まる傾向を有する。該核酸捕捉部のカソード側に集められた核酸は、核酸回収液で該核酸捕捉部から分離することができる。 The cells can be taken out into the washing liquid by pouring the washing liquid into the space from the takeout port on the side opposite to the side of the filter B holding the cells. Next, the washing liquid in which the cells are dispersed is passed through the flow path to the cell destruction section that holds the vibrating beads. Thereby, the cell is destroyed by colliding with the vibrating bead, and its contents are released into the liquid. The nucleic acid extract containing the released nucleic acid or the like is further passed through a nucleic acid capturing part to which an electric field is applied in a direction crossing the flow path. Nucleic acids that are negatively charged linear molecules have a tendency to migrate and collect on the anode side. Nucleic acid collected on the cathode side of the nucleic acid capture unit can be separated from the nucleic acid capture unit with a nucleic acid recovery solution.
上記の洗浄液、抽出液および回収液は、特に限定されないが、各種の塩溶液、緩衝液、生理食塩水といった水性の液体である。 The washing liquid, the extraction liquid, and the recovery liquid are not particularly limited, but are aqueous liquids such as various salt solutions, buffer solutions, and physiological saline.
本発明の核酸の分離方法により簡便に細胞が採取され、その細胞から核酸が抽出され、しかも濃縮された形で分離することができる。本発明の核酸の分離方法は、以下の細胞ろ過装置、マイクロリアクタ上に設置された検体前処理部で容易に実施される。 Cells can be easily collected by the method for separating nucleic acids of the present invention, and nucleic acids can be extracted from the cells and separated in a concentrated form. The nucleic acid separation method of the present invention is easily carried out in the following sample filtration apparatus and specimen pretreatment unit installed on a microreactor.
[細胞ろ過装置]
本発明の細胞ろ過装置は、本発明の核酸の分離方法における前記ステップ(i)およびステップ(ii)を実施するために用いる細胞ろ過装置であって、以下の構成を有することを特徴としている。[Cell filtration device]
The cell filtration device of the present invention is a cell filtration device used for carrying out the steps (i) and (ii) in the nucleic acid separation method of the present invention, and has the following configuration.
前記フィルターAおよびフィルターBを、隔壁としてそれぞれ装置の入り口側81と取り出し口側82に配置し、これらの隔壁と装置側壁とにより密閉可能な空間(ろ過空間)86が形成され、その側壁面に洗浄液排出管83を有しており、入り口、取り出し口および排出管にある各穴は、随意に開閉できる手段を有する(図3)。 The filter A and the filter B are arranged as partition walls on the inlet side 81 and the outlet side 82 of the device, respectively, and a space (filtering space) 86 that can be sealed by these partition walls and the device side wall is formed on the side wall surface. A cleaning liquid discharge pipe 83 is provided, and each hole in the inlet, the outlet, and the discharge pipe has means that can be arbitrarily opened and closed (FIG. 3).
上記空間86はろ液溜めであるが、好ましくは円筒形であり、例えば注射筒タイプの装置が好都合である。材質も透明なプラスチック、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネートなどが取り扱いやすく、作製も容易なために好適な材質であるが、特にこれらに限定されない。 The space 86 is a filtrate reservoir, but is preferably cylindrical, for example a syringe type device is convenient. Transparent plastics such as polyethylene, polypropylene, and polycarbonate are suitable materials because they are easy to handle and easy to produce, but are not particularly limited thereto.
さらに細胞を含む試料液体を導入するための入り口、ろ過液を廃棄する取り出し口、さらに洗浄液を回収する洗浄液排出管にある穴には、開閉可能な手段を有しており、処理の各段階に必要に応じてそれらの穴を開閉する。そうした手段の好ましい例として、着脱可能なスクリューキャップ、プラグ栓または三方コックなどであってもよい。 Furthermore, the inlet for introducing the sample liquid containing cells, the outlet for discarding the filtrate, and the hole in the cleaning liquid discharge pipe for collecting the cleaning liquid have means that can be opened and closed. Open and close those holes as needed. A preferable example of such means may be a detachable screw cap, a plug stopper, or a three-way cock.
本発明のろ過装置のサイズ、特に上記空間86のサイズは、試料の種類、濃度などによって適宜設定される。一般的には1〜50ml容量であれば、取り扱い、操作も手軽である。 The size of the filtration device of the present invention, particularly the size of the space 86, is appropriately set depending on the type and concentration of the sample. In general, if the volume is 1 to 50 ml, it is easy to handle and operate.
この細胞ろ過装置を用いることにより、以下のようにして本発明の核酸の分離方法における前記ステップ(i)およびステップ(ii)を簡便に実施することができる(図4)。 By using this cell filtration device, step (i) and step (ii) in the method for separating nucleic acids of the present invention can be simply carried out as follows (FIG. 4).
採取された試料液体を収容する試料容器(採血管、尿カップ、バイアル、試料びんなど)に、本発明の細胞ろ過装置の入り口側81を試料液中に入れる。反対側の取り出し口側82から吸引して、試料液をフィルターA84越しにろ過空間(ろ液溜め)86に導入する。必要な分量だけの試料液を採取したら、試料容器から細胞ろ過装置を取り出す。さらに吸引を続行して、ろ過空間中のろ液を次のフィルターB85越しにろ過して、そのろ液は取り出し口側82から廃棄する。その結果当該ろ過空間に残留する部分は、フィルターB85の細孔を通過できない細胞などが含まれる。 An inlet side 81 of the cell filtration device of the present invention is placed in a sample solution in a sample container (such as a blood collection tube, a urine cup, a vial, or a sample bottle) that contains the collected sample liquid. The sample liquid is sucked from the opposite outlet side 82 and introduced into the filtration space (filtrate reservoir) 86 through the filter A84. When a sample solution of the required amount is collected, the cell filtration device is taken out from the sample container. Further, suction is continued, and the filtrate in the filtration space is filtered through the next filter B85, and the filtrate is discarded from the outlet side 82. As a result, the portion remaining in the filtration space includes cells that cannot pass through the pores of the filter B85.
吸引は、例えば水流ポンプを始めとする適当な減圧手段で吸引してもよいが、検体の必要量を多くする必要がない場合には、ディスポーザブルシリンジ、真空採血管などをこの取り出し口側の穴に装着して吸引してもよい。真空採血管の場合には装着後、自動的に吸引する。フィルターBを通過したろ過液は、ディスポーザブルシリンジ、真空採血管内に収容されるために好都合である。 The suction may be performed by an appropriate pressure reducing means such as a water flow pump. However, if it is not necessary to increase the amount of the sample, a disposable syringe, a vacuum blood collection tube, etc. are inserted into the hole on the outlet side. It may be attached to and aspirated. In the case of a vacuum blood collection tube, suction is automatically performed after mounting. The filtrate that has passed through the filter B is convenient because it is accommodated in a disposable syringe or a vacuum blood collection tube.
次に洗浄液を、取り出し口側82から上記空間内へ送り込み、細胞を含有する液体を洗浄する。不要な洗浄液は、取り出し口側82から吸引して除去する。必要であれば、これをさらに繰り返す。 Next, a washing liquid is fed into the space from the outlet side 82, and the liquid containing cells is washed. Unnecessary cleaning liquid is removed by suction from the outlet side 82. Repeat this further if necessary.
次いで、入り口側81の穴を閉じ、それまで終始閉じてあった洗浄液排出管83の穴を開き、取り出し口側82から空気などを送り込んで加圧することにより、取り出し口側から送り込んだ洗浄液を、開いた洗浄液排管から取り出す。その洗浄液には細胞が含有されている。 Next, the hole on the inlet side 81 is closed, the hole of the cleaning liquid discharge pipe 83 that has been closed until then is opened, and the cleaning liquid sent from the outlet side is pressurized by sending air from the outlet side 82 and pressurizing it. Remove from open cleaning fluid drain. The washing solution contains cells.
細胞が含有されている洗浄液を直接に本発明の核酸分析用マイクロリアクタの検体受容部に注入する。そのため洗浄液排出管と検体受容部は液密に接合する形態となっていることが好ましい。細胞ろ過装置の側壁に設けられた洗浄液排出管の位置、サイズなどは、チップであるマイクロリアクタとの上記関係で最適となるように設計される。簡便には洗浄液排出管にニードル・チップを装着し、マイクロリアクタの検体受容部のシリコンゴム製検体挿入口に刺して注入してもよい。 The washing solution containing the cells is directly injected into the sample receiving part of the microreactor for nucleic acid analysis of the present invention. For this reason, it is preferable that the cleaning liquid discharge tube and the sample receiving portion are joined in a liquid-tight manner. The position, size, and the like of the washing liquid discharge pipe provided on the side wall of the cell filtration device are designed to be optimal in the above relationship with the microreactor that is a chip. For convenience, a needle tip may be attached to the washing liquid discharge tube, and the needle may be injected through the sample insertion opening made of silicon rubber in the sample receiving portion of the microreactor.
本発明の細胞ろ過装置を核酸分析用マイクロリアクタと別途の装置とすることの利点として以下のことがらが挙げられる。 Advantages of using the cell filtration device of the present invention as a separate device from the microreactor for nucleic acid analysis include the following.
まず、マイクロリアクタの寸法上の制約から、別途の装置とすることにより、検体の様々な事情に応じた細胞ろ過装置の形態、サイズなどをマイクロリアクタとは別個に設計できる。上記の構成で明らかなように、本発明の細胞ろ過装置は極めてシンプルな構成となっている。 First, due to restrictions on the dimensions of the microreactor, the configuration, size, and the like of the cell filtration device according to various circumstances of the specimen can be designed separately from the microreactor by using a separate device. As apparent from the above configuration, the cell filtration device of the present invention has a very simple configuration.
マイクロリアクタの微細流路内にフィルターを設置する必要がなくなり、フィルターの目詰まりなどによる流路抵抗の上昇、乱流の発生などのトラブルから回避できる。 It is not necessary to install a filter in the microchannel of the microreactor, and it is possible to avoid troubles such as an increase in channel resistance due to clogging of the filter and the occurrence of turbulence.
不溶性の夾雑物を予め除去できるとともに、簡便に細胞を試料液から分離することができ、目的の細胞のみを含有する洗浄液を適切な分量でマイクロリアクタの検体受容部に注入できる。 Insoluble impurities can be removed in advance, and the cells can be easily separated from the sample solution, and a washing solution containing only the target cells can be injected into the sample receiving portion of the microreactor in an appropriate amount.
本発明の細胞ろ過装置では、細胞を懸濁する洗浄液中の細胞数も容易に調整できる。検出の対象である核酸、特にウィルスまたは菌類(細菌、真菌類)などの微生物の遺伝子が、極めて低濃度で存在する試料が実際には多い。例えば伝染病の検出では、グラム陰性のバクテリアは血液1ミリリットルにつき10コピー以下で存在し、クリプトスポリジウムは通常飲料水1ガロンにつきほんの2,3コピー、炭疽菌などは水1ミリリットルにつき100コピー以下で現れる。上述したようにマイクロリアクタのチップでは検体を導入する容量がきわめて限られているため、試料液中の対象菌の濃度が薄いとこれを捕捉することが実質的に不可能となる。そこでフィルターA越しに大量の試料液を流してフィルターB内で濃縮することも可能であることは極めて有用である。 In the cell filtration device of the present invention, the number of cells in the washing liquid in which the cells are suspended can be easily adjusted. In reality, there are many samples in which the nucleic acid to be detected, particularly the genes of microorganisms such as viruses or fungi (bacteria, fungi), are present at very low concentrations. For example, in the detection of infectious diseases, Gram-negative bacteria are present in less than 10 copies per milliliter of blood, Cryptosporidium is usually only a few copies per gallon of drinking water, and anthrax is less than 100 copies per milliliter of water. appear. As described above, in the microreactor chip, the capacity for introducing the specimen is extremely limited. Therefore, if the concentration of the target bacteria in the sample solution is low, it is virtually impossible to capture the target bacteria. Therefore, it is extremely useful that a large amount of sample liquid can be passed through filter A and concentrated in filter B.
本発明の細胞ろ過装置を使用することにより、細菌、ウィルスなどに汚染されることなく、簡便かつ清浄に細胞を分離し、本発明の核酸検査用マイクロリアクタへ検体を移すことができる。 By using the cell filtration device of the present invention, cells can be easily and cleanly separated without being contaminated by bacteria, viruses, etc., and the specimen can be transferred to the microreactor for nucleic acid testing of the present invention.
特に汚染の危険がなければ、市販のディスポーザブル・シリンジとシリンジ・フィルターを使用することにより、やや煩雑であるが上記と同様の処理を行うこともできる。具体的には、最初に適当な容量のプラスチックシリンジにフィルターAに相当する市販シリンジ・フィルター(シリンジに装着するタイプの小容量ろ過フィルター)を装着し、試料液中に入れて試料液をシリンジ内に吸引する。次にフィルターAをはずし、代わりにフィルターBに相当する市販シリンジ・フィルターを第2番目のフィルターとして装着し、プランジャーを押すことによりシリンジ内の試料液を、当該フィルターを通してろ過する。その後、第2フィルターを装着したまま、洗浄液を吸引し、排出して、必要なら反復して洗浄操作を行う。細胞は、シリンジ内に止まっているため、洗浄操作後、第2のフィルターをはずし、代わりにニードル・チップを装着し細胞を含有する洗浄液をマイクロリアクタに移せばよい。 If there is no particular risk of contamination, a commercially available disposable syringe and syringe filter can be used to perform the same treatment as described above, although it is somewhat complicated. Specifically, a commercially available syringe filter corresponding to filter A (a small volume filtration filter of the type attached to the syringe) is first attached to a plastic syringe of an appropriate volume, and the sample liquid is placed in the syringe by placing it in the sample liquid. To suck. Next, the filter A is removed, and instead, a commercially available syringe filter corresponding to the filter B is attached as the second filter, and the sample liquid in the syringe is filtered through the filter by pushing the plunger. Thereafter, with the second filter attached, the cleaning liquid is sucked and discharged, and if necessary, the cleaning operation is repeated. Since the cells remain in the syringe, after the washing operation, the second filter may be removed, and a washing solution containing the cells may be transferred to the microreactor by attaching a needle tip instead.
[核酸検査用マイクロリアクタおよび核酸検査システムの概要]
図1は、装置本体に脱着可能な核酸検査用マイクロリアクタと装置本体とからなる核酸検査システムの一実施形態における概略図である。また、図2は、本発明の一実施形態における核酸検査用マイクロリアクタの概略図である。本発明は、種々の実施の形態において、本発明の趣旨に沿って任意の変形、変更が可能であり、それらは本発明に含まれる。すなわち、本発明の核酸検査用マイクロリアクタおよび核酸検査システムの全体または一部について、構造、構成、配置、形状形態、寸法、材質、方式、方法などを本発明の趣旨に合致する限り、種々のものにすることができる。[Outline of microreactor for nucleic acid test and nucleic acid test system]
FIG. 1 is a schematic view of an embodiment of a nucleic acid test system comprising a nucleic acid test microreactor detachable from the apparatus main body and the apparatus main body. FIG. 2 is a schematic view of a microreactor for nucleic acid testing in one embodiment of the present invention. In the various embodiments, the present invention can be arbitrarily modified and changed in accordance with the spirit of the present invention, and these are included in the present invention. That is, as for the whole or a part of the nucleic acid test microreactor and nucleic acid test system of the present invention, various structures, configurations, arrangements, shapes, dimensions, materials, systems, methods, etc. are applicable as long as they meet the gist of the present invention. Can be.
図1および図2に示した核酸検査用マイクロリアクタ2は、プラスチック樹脂、ガラス、シリコン、セラミックスなどの1以上の部材を適宜組み合わせて作製される一枚のチップである。好ましくは、マイクロリアクタの微細流路および躯体は、加工成型が容易で安価であり、焼却廃棄が容易なプラスチック樹脂で形成される。なかでもポリスチレン樹脂は成型性に優れ、後述するようにストレプトアビジンなどを吸着する傾向が強く、微細流路上に検出部を容易に形成することができるために望ましい。微細流路は、例えば幅100μm、深さ100μm程度に形成される。また、そうしたマイクロリアクタにおいて、蛍光物質または呈色反応の生成物などを光学的に検出するために、マイクロリアクタ表面のうち少なくとも微細流路の検出部を覆うその検出部分は透明である部材、好ましくは透明なプラスチックとなっていることが必要である。 The nucleic acid testing microreactor 2 shown in FIGS. 1 and 2 is a single chip produced by appropriately combining one or more members such as plastic resin, glass, silicon, and ceramics. Preferably, the fine flow path and the casing of the microreactor are formed of a plastic resin that is easy to process and inexpensive, and easy to dispose of by incineration. Among them, polystyrene resin is desirable because it has excellent moldability, has a strong tendency to adsorb streptavidin and the like as will be described later, and can easily form a detection portion on a fine channel. The fine channel is formed with a width of about 100 μm and a depth of about 100 μm, for example. Further, in such a microreactor, in order to optically detect a fluorescent substance or a product of a color reaction, the detection part covering at least the detection part of the microchannel on the surface of the microreactor is preferably a transparent member, preferably transparent It is necessary to be made of plastic.
図2は、本発明の核酸検査用マイクロリアクタの典型的な流路構成の一例を示すものである。 FIG. 2 shows an example of a typical flow path configuration of the microreactor for nucleic acid test of the present invention.
本発明の核酸検査システムは、マイクロポンプ、マイクロポンプを制御する制御装置、温度を制御する温度制御装置および検出装置などが一体化された装置本体1と、この装置本体1に装着可能なマイクロリアクタ2とからなる。予め試薬が封入されたマイクロリアクタ2の検体受容部に検体液を注入して、そのマイクロリアクタ2を核酸検査システムの本体1に装着すると、送液ポンプを作動させるための機構的連結、必要であれば制御用の電気的接続もなされる。したがって装置本体1とこのマイクロリアクタ2とを接合させると、マイクロリアクタ2の流路も作動状態となる。好ましくは分析が開始されると、検体および試薬類の送液、混合に基づく核酸の増幅、核酸とプローブとの結合などの反応、反応物の検出および光学的測定が、一連の連続的工程として自動的に実施され、測定データが、必要な条件、記録事項とともにファイル内に格納され、核酸の測定が自動的に行われる。 The nucleic acid test system of the present invention includes a device body 1 in which a micropump, a control device that controls the micropump, a temperature control device that controls temperature, a detection device, and the like are integrated, and a microreactor 2 that can be attached to the device body 1 It consists of. When the sample liquid is injected into the sample receiving part of the microreactor 2 in which the reagent is preliminarily sealed and the microreactor 2 is attached to the main body 1 of the nucleic acid test system, a mechanical connection for operating the liquid feeding pump, if necessary Control electrical connections are also made. Therefore, when the apparatus main body 1 and the microreactor 2 are joined, the flow path of the microreactor 2 is also activated. Preferably, when analysis is started, a series of continuous steps are performed, such as feeding samples and reagents, amplification of nucleic acids based on mixing, reactions such as binding of nucleic acids and probes, detection of reactants and optical measurement. The measurement data is stored automatically in a file together with necessary conditions and recorded items, and nucleic acid measurement is automatically performed.
前記検出装置とは、検査項目ごとの分析流路上の検出部に対して、例えばLEDなどから測定光を照射し、フォトダイオード、光電子増倍管などの光学的検出の手段で透過光もしくは反射光を検出する装置である。光学的検出の手段として、原理を異にする各種の光学装置があるが、紫外・可視分光光度計が望ましい。上記検出装置に組み込んだ装置であってもよく、あるいは別途の装置として、使用時に連結する態様であってもよい。好ましくは、本発明の核酸検査システムは、検体に含有されている核酸の検出を光学的に行う検出装置が、上記マイクロポンプを含む送液手段および温度制御装置とともに装置本体1に組み込まれ、一体化した構成となっている。 The detection device irradiates the detection unit on the analysis flow path for each inspection item with measurement light from, for example, an LED, and transmits or reflects light by optical detection means such as a photodiode or a photomultiplier tube. Is a device for detecting As optical detection means, there are various optical devices having different principles, but an ultraviolet / visible spectrophotometer is desirable. A device incorporated in the detection device may be used, or a separate device may be connected in use. Preferably, in the nucleic acid test system of the present invention, a detection device for optically detecting a nucleic acid contained in a sample is incorporated in the device main body 1 together with the liquid feeding means including the micropump and the temperature control device. It has become a structure.
送液、温度、反応の各制御に関わる制御系、光学的検出、データの収集および処理を受け持つユニットは、マイクロポンプおよび光学装置とともに本発明の核酸検査システムの本体を構成する。この装置本体1は、これに核酸検査用マイクロリアクタ2を装着することにより検体サンプルに対して共通で使用される。上記の増幅などの反応および検出は、送液順序、容量、タイミングなどについて予め設定された条件として、マイクロポンプおよび温度の制御、光学的検出のデータ処理とともにプログラムとして核酸検査システムに搭載されたソフトウェアに組みこまれている。従来の分析チップでは、異なる分析または合成などを行う場合には、変更される内容に対応するマイクロ流体デバイスをその都度構成する必要があった。これとは異なり、本発明では脱着可能な核酸検査用マイクロリアクタのみ交換すればよい。各エレメントの制御変更も必要となる場合には、装置本体1に格納された制御プログラムを適宜改変すればよい。 A control system relating to each control of liquid feeding, temperature, and reaction, optical detection, data collection, and processing constitute a main body of the nucleic acid test system of the present invention together with a micropump and an optical device. The apparatus main body 1 is commonly used for a specimen sample by attaching a nucleic acid testing microreactor 2 to the apparatus main body 1. The above-mentioned reactions such as amplification and detection are software installed in the nucleic acid test system as a program together with micropump and temperature control, optical detection data processing as conditions set in advance for the order of feeding, volume, timing, etc. It is built in. In the conventional analysis chip, when performing different analysis or synthesis, it is necessary to configure a microfluidic device corresponding to the contents to be changed each time. Unlike this, in the present invention, only the removable microreactor for nucleic acid testing needs to be replaced. If it is necessary to change the control of each element, the control program stored in the apparatus main body 1 may be appropriately modified.
本発明の核酸検査システムは、いずれのコンポーネントも小型化され、持ち運びに便利な形態としているために、使用する場所および時間に制約されず、作業性、操作性が良好である。場所、時間を問わず迅速に測定することができるために、緊急医療での利用や、在宅医療での個人的な利用も可能である。送液に使用する多数のマイクロポンプユニットが装置本体1側に組み込まれているので、核酸検査用マイクロリアクタはディスポーザブルタイプとして使用できる。 In the nucleic acid test system of the present invention, all components are miniaturized and are in a form that is convenient to carry. Therefore, the nucleic acid test system is not restricted by the place and time of use, and has good workability and operability. Since it can be measured quickly regardless of location and time, it can be used for emergency medical care or for personal use in home medical care. Since a large number of micropump units used for liquid feeding are incorporated on the apparatus main body 1 side, the microreactor for nucleic acid testing can be used as a disposable type.
本発明の核酸検査用マイクロリアクタおよび核酸検査システムは、特に遺伝子または核酸の検査に好適に用いることができる。その場合、DNA増幅のための機構が核酸検査用マイクロリアクタ上に搭載される。しかし、遺伝子以外の核酸についても基本的な構成は、ほぼ同一になるといえる。例えば逆転写酵素収容部を設置してもよい。通常は検体前処理部、試薬類、プローブ類などを変更すればよく、その場合、送液エレメントの配置、数などは変化するであろう。 The microreactor and nucleic acid test system for nucleic acid testing of the present invention can be suitably used particularly for testing genes or nucleic acids. In that case, a mechanism for DNA amplification is mounted on the microreactor for nucleic acid testing. However, it can be said that the basic configuration of nucleic acids other than genes is almost the same. For example, a reverse transcriptase storage unit may be installed. Usually, the sample pretreatment unit, reagents, probes, and the like may be changed. In this case, the arrangement and number of liquid feeding elements will change.
[核酸検査用マイクロリアクタ]
本発明の核酸検査用マイクロリアクタは、検体受容部、検体前処理部、試薬収容部、廃液貯留部、マイクロポンプ接続部および微細流路を有している。前記細胞ろ過装置からその洗浄液排出管を通して、細胞を含有する洗浄液を受ける検体受容部ならびに検体前処理部である細胞破壊部および核酸捕捉部を備えており、各部を微細流路で連通させている。該検体受容部にある、細胞、ウィルスを含有する洗浄液を、検体液として微細流路を通して該検体前処理部に送り、該検体前処理部の前処理手段を用いて検体液を前処理することにより、測定対象の核酸を抽出、分離、濃縮し、該物質を該微細流路の下流に設けられた、反応部を構成する流路、次いで検出部を構成する流路へ流して測定するとともに、核酸の濃縮および測定の結果、生じる廃液を該廃液貯留部へ移して閉じ込めることを特徴とする核酸検査用マイクロリアクタである。[Microreactor for nucleic acid testing]
The microreactor for nucleic acid test of the present invention has a sample receiving part, a sample pretreatment part, a reagent storage part, a waste liquid storage part, a micropump connection part, and a fine channel. A specimen receiving part that receives a washing liquid containing cells, a specimen pretreatment part, a cell destruction part, and a nucleic acid capturing part are provided from the cell filtration device through the washing liquid discharge pipe, and each part is communicated with a fine channel. . A cleaning liquid containing cells and viruses in the specimen receiving section is sent as a specimen liquid to the specimen pretreatment section through a fine channel, and the specimen liquid is pretreated using the pretreatment means of the specimen pretreatment section. To extract, separate and concentrate the nucleic acid to be measured, and flow the substance to the flow path constituting the reaction part and then the flow path constituting the detection part provided downstream of the fine flow path and measure The nucleic acid testing microreactor is characterized in that the waste liquid produced as a result of the concentration and measurement of nucleic acid is transferred and confined to the waste liquid reservoir.
さらに各収容部、流路、ポンプ接続部に加えて、送液制御部、逆流防止部、試薬定量部、混合部などの各エレメントが、機能的に適当な位置に微細加工技術により設置されている。 Furthermore, in addition to each storage unit, flow path, and pump connection unit, each element such as a liquid feed control unit, backflow prevention unit, reagent quantitative unit, and mixing unit is installed at a functionally appropriate position by microfabrication technology. Yes.
[検体前処理部]
・前処理
試料の前処理として、目的物質である核酸を増幅、検出に先立ち、分離、濃縮することが望ましい。試料によっては、検出対象の核酸濃度が極めて希薄である。そうした場合、マイクロリアクタに導入できる試料液量(数cm四方のチップで、数μL)も限られていることから、そのままでは測定可能な範囲内に収まらない。したがって、目的物質の濃縮または分離の操作が必要となってくる。さらにRNAの場合、適当な逆転写酵素を利用してcDNAに変換してから分析に供することになる。[Sample pretreatment unit]
-Pretreatment As a pretreatment of the sample, it is desirable to separate and concentrate the target nucleic acid prior to amplification and detection. Depending on the sample, the nucleic acid concentration to be detected is extremely dilute. In such a case, the amount of sample solution that can be introduced into the microreactor (several μL for a chip of several centimeters) is limited, and as such, it does not fall within the measurable range. Therefore, it is necessary to concentrate or separate the target substance. Furthermore, in the case of RNA, it is converted to cDNA using an appropriate reverse transcriptase and then used for analysis.
このような前処理操作は、従来の分析チップの所定位置に一定量の検体を一度に適用し、その検体について測定する方式とは異なる操作である。本発明では、核酸検査用マイクロリアクタに適用する前の段階の前処理と、その後に核酸検査用マイクロリアクタ上で実施する前処理の二段階としている点に特徴がある。 Such a pre-processing operation is an operation different from a method in which a predetermined amount of sample is applied to a predetermined position of a conventional analysis chip at a time and the sample is measured. The present invention is characterized in that there are two stages: a pre-process before the application to the nucleic acid test microreactor and a pre-process performed on the nucleic acid test micro-reactor thereafter.
検体前処理部は、細胞破壊(溶菌または溶血処理)により分析対象である核酸の抽出、分離、濃縮等を予備的に行う部分である。その形状、構造などは任意であり、振動するビーズ、外部電極による電場などといった前処理手段が適用される。前処理部に連通する試薬収容部には、抽出液、洗浄液、回収液などが必要に応じて封入されている。 The specimen pretreatment unit is a part that preliminarily performs extraction, separation, concentration, and the like of the nucleic acid to be analyzed by cell destruction (bacterial or hemolysis). The shape, structure, etc. are arbitrary, and pretreatment means such as vibrating beads, an electric field by an external electrode, etc. are applied. In the reagent storage unit communicating with the pretreatment unit, an extraction liquid, a cleaning liquid, a recovery liquid, and the like are sealed as necessary.
検体前処理部は、流路途上にある少なくとも2つの独立した部分、細胞破壊部および核酸捕捉部で構成されている。
・細胞破壊部
微細流路を通じて、検体受容部から細胞、ウィルスを含有する検体が、検体前処理部の細胞破壊部に送られる。その細胞破壊部で、物理的に細胞やウィルスを破壊して核酸の抽出が行われる。検体受容部より下流の微細流路上に設けられた細胞破壊部は、その前後の流路より広幅で、上下にも広がった空間であり、その空間内部には、ビーズを必要な数だけ加えられて、保持されている(図5)。従ってビーズが移動したり、細胞あるいはウィルスを破裂させるための空間を提供するのに充分な厚さを備えるべきである。そのビーズのサイズは、当該空間内に留まるように、微細流路の径より大きいことが必要であり、例えば、50〜600μm、好ましくは100〜400μmの範囲にある。ビーズの平均直径は、ビーズによって破裂させるべき細胞または細菌、ウィルスに応じて選択するのがよく、細胞破壊部内部の空間にとどまる限り、そのサイズを揃える必要もない。ビーズは、多孔でも無孔でもよく、その形状も特に限定されない。ビーズの材質は特に限定されないが、細胞あるいはウィルスを破裂させるのに適したビーズには、ジルコニヤ、ホウケイ酸ガラス、石灰ガラス、シリカ、およびポリスチレンのビーズなどが挙げられる。特に核酸を吸着しないような性質の材料が好ましい。The specimen pretreatment unit is composed of at least two independent portions in the flow path, a cell destruction unit, and a nucleic acid capturing unit.
-Cell destruction part The specimen containing cells and viruses is sent from the specimen receiving part to the cell destruction part of the specimen pretreatment part through the fine channel. In the cell destruction part, nucleic acids are extracted by physically destroying cells and viruses. The cell destruction part provided on the fine flow path downstream from the specimen receiving part is a space wider than the flow path before and after it, and spreads up and down. Inside the space, the required number of beads can be added. (FIG. 5). Therefore, it should be thick enough to provide space for the beads to move or to rupture cells or viruses. The size of the beads needs to be larger than the diameter of the fine channel so as to remain in the space, and is, for example, in the range of 50 to 600 μm, preferably 100 to 400 μm. The average diameter of the beads should be selected according to the cells, bacteria, and viruses to be ruptured by the beads, and it is not necessary to make the sizes uniform as long as they remain in the space inside the cell destruction portion. The beads may be porous or non-porous, and the shape is not particularly limited. The material of the beads is not particularly limited, and suitable beads for rupturing cells or viruses include zirconia, borosilicate glass, lime glass, silica, and polystyrene beads. In particular, a material that does not adsorb nucleic acids is preferred.
DNA増幅を妨げる不要な物質(例えばタンパク質やペプチド)、または化学薬品(例えば塩、金属イオン、界面活性剤)を、試料から除去するビーズを収容してもよい。例えば、タンパク質を除去するためのイオン交換ビーズが知られており、イミノ二酢酸のような金属イオンキレート化剤を有するビーズは、生物学的試料から金属イオンを除去する。 Beads that remove unwanted substances (eg, proteins and peptides) or chemicals (eg, salts, metal ions, detergents) that interfere with DNA amplification from the sample may be accommodated. For example, ion exchange beads for removing proteins are known, and beads having a metal ion chelator such as iminodiacetic acid remove metal ions from biological samples.
当該ビーズは、該細胞破壊部に付設された外部アクチュエータにより振動させられる。そうしたアクチュエータとして好適なものとして、圧電体PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)セラミック振動子が挙げられる。PZT振動子により振動させられるビーズと接触したり、衝突した細胞は、その膜構造が破壊されて、細胞内の物質が細胞外へ放出される。細胞内の物質には、対象とする核酸が含まれ、このような処理により、極めて迅速に細菌細胞、ウィルスは溶菌され、その結果、核酸が液中に出て来て、核酸抽出液が得られる。ビーズの振動強度は、検体にある細胞の種類、性質などに応じて適宜設定すればよい。 The beads are vibrated by an external actuator attached to the cell destruction part. A piezoelectric PZT (lead zirconate titanate) ceramic vibrator is preferable as such an actuator. Cells that come into contact with or collide with beads vibrated by the PZT vibrator are destroyed in the membrane structure, and intracellular substances are released out of the cells. Intracellular substances include the target nucleic acid. By such treatment, bacterial cells and viruses are lysed very rapidly, and as a result, the nucleic acid comes out in the liquid and a nucleic acid extract is obtained. It is done. The vibration intensity of the beads may be set as appropriate according to the type and nature of the cells in the specimen.
従来の溶菌、細胞破壊の方法では、物理的または化学的な方法で実施されている。本発明の核酸検査用マイクロリアクタにおける核酸の抽出と分離の方法は、以下に述べる従来の方法に見られる問題点、不都合がなく、増幅が円滑に進む核酸を分離することができる。 Conventional methods of lysis and cell destruction are carried out by physical or chemical methods. The method for extracting and separating nucleic acids in the microreactor for nucleic acid testing of the present invention is free from the problems and inconveniences seen in the conventional methods described below, and can separate nucleic acids that are smoothly amplified.
化学的な方法は、細胞を破壊させ、核酸を解離するために、溶解剤(例えば界面活性剤、酵素、あるいは有機化合物など)が用いられる。その後、汚染するタンパク質(使用した酵素類)や潜在的に干渉するタンパク質を変性させるために、カオトロピック塩での上記抽出物の処理が必要となる。さらに不都合なこととして上記化学薬剤が、その後のDNA増幅を抑制し、界面活性剤、エタノールなどの変性剤は、微細流路の撥水バルブの撥水性を変更することがある。このため化学薬剤から目的の核酸を分離する工程が必要となり、煩雑のみならず、核酸の量を減少させる結果となる。また、酵素を用いる方法では、インキュベーションの手間も含めて時間がかかる。 In chemical methods, a lysis agent (for example, a surfactant, an enzyme, or an organic compound) is used to destroy cells and dissociate nucleic acids. Thereafter, treatment of the extract with a chaotropic salt is required to denature contaminating proteins (enzymes used) and potentially interfering proteins. As a further disadvantage, the chemical agent inhibits subsequent DNA amplification, and a denaturing agent such as a surfactant or ethanol may change the water repellency of the water-repellent valve in the microchannel. This necessitates a step of separating the target nucleic acid from the chemical agent, which results in a reduction in the amount of nucleic acid as well as complexity. Moreover, in the method using an enzyme, it takes time including the time and effort of incubation.
細胞を破壊する物理的な方法は化学薬品を必要としないが、物理的方法にもまた欠点がある。典型的な物理的方法である加熱法ではタンパク質の変性を招き、このタンパク質が解離された核酸に固着してその後のDNA増幅を妨げる。他の方法である凍結解凍も、ある種の胞子やウィルスでは破壊が不充分になることがある。高圧下で微小径の穴を通過させる方式も知られているが、そのようなシステムは大型で高価となり、制約も多い。細胞を超音波振動に曝すことによって核酸が分離できることも知られている。典型的な例では、細胞を含んだ液体の中に超音波プローブを直接配置して細胞を破裂させる。上記プローブは試料液に直接接触するため、クロスコンタミネーションやキャビテーションに起因する泡立ちが、危険で複雑な状況をもたらす。 Although physical methods for destroying cells do not require chemicals, physical methods also have drawbacks. The heat method, which is a typical physical method, causes protein denaturation, and the protein adheres to the dissociated nucleic acid to prevent subsequent DNA amplification. Another method, freeze-thawing, may be insufficiently disrupted by certain spores and viruses. There is also known a method of passing a small-diameter hole under high pressure, but such a system is large and expensive, and has many limitations. It is also known that nucleic acids can be separated by exposing cells to ultrasonic vibrations. In a typical example, an ultrasonic probe is directly placed in a liquid containing cells to rupture the cells. Since the probe is in direct contact with the sample solution, bubbling due to cross contamination and cavitation leads to a dangerous and complicated situation.
細胞破壊について、米国特許5,374,522号にマーフィーらによって他の方法が開示されている。この方法によると細胞の懸濁液が、小ビーズとともに容器の中に配置される。その容器は、細胞が破裂して細胞の構成要素を放出するまで、超音波槽内に入れられる。しかしながら上記槽内での超音波の分配は一様でなく、そのため、技術者は槽内の高エネルギー領域を探し当てて、この領域に上記容器を配置しなければならない。上記超音波エネルギーの一様でない分配は、首尾一貫しない結果を生む。また上記超音波槽は、容器にエネルギーを集中させないので、細胞の破裂が完了するのに数分の時間がかかることが多い。
・核酸捕捉部
核酸捕捉部は、細胞破壊部の下流側に位置し、ほぼ隣接させてもよい。当該捕捉部および対面する夾雑物捕捉部の上下に当たるチップ外表面には1対の外部電極が対向して付設されており(図5)、これらの電極に電圧を印加することにより、流路を横断する方向に電場がかけられる。本発明では、核酸の分離のために補助的に電気泳動を実施する関係で、流路を横断する方向に電場を発生させて細胞成分に適用する構成としている。流路を横断する方向、例えば流路の幅方向または高さ方向は流路の長さ方向に比べて極めて寸法が小さいために、所望の電場を発生させるのに要する印加電圧は小さくて済む。流路幅はせいぜい200μm程度までであるので、流路幅間に印加する電圧は、40〜60V程度となる。生体分子の推進力として電気泳動を行なう場合に、数kVの電圧を印加する必要があることと比較すれば、極めて低電圧の印加で済むことがわかる。なお、上記電極への電圧を印加すること、ならびに細胞破壊部のPZT振動子の作用については、マイクロリアクタが装置本体に装着されている状態で、装置本体から電気的に制御される。Another method for cell disruption is disclosed by Murphy et al. In US Pat. No. 5,374,522. According to this method, a suspension of cells is placed in a container with small beads. The container is placed in the ultrasonic bath until the cells rupture and release the cellular components. However, the distribution of ultrasonic waves in the tank is not uniform, so an engineer must locate a high energy area in the tank and place the container in this area. The uneven distribution of the ultrasonic energy produces inconsistent results. In addition, the ultrasonic bath does not concentrate energy in the container, so it often takes several minutes to complete the cell rupture.
-Nucleic acid capture | acquisition part A nucleic acid capture | acquisition part is located in the downstream of a cell destruction part, and may adjoin substantially. A pair of external electrodes are attached oppositely to the outer surface of the chip corresponding to the upper and lower sides of the trapping part and the foreign matter trapping part facing each other (FIG. 5). An electric field is applied in the crossing direction. In the present invention, an electric field is generated in a direction crossing the flow path and applied to the cell component in association with performing electrophoresis auxiliary for nucleic acid separation. Since the direction crossing the flow path, for example, the width direction or height direction of the flow path is extremely smaller than the length direction of the flow path, the applied voltage required to generate the desired electric field can be small. Since the channel width is up to about 200 μm, the voltage applied between the channel widths is about 40 to 60V. When electrophoresis is performed as a driving force for biomolecules, it can be seen that it is sufficient to apply a very low voltage as compared with the necessity of applying a voltage of several kV. Note that the application of a voltage to the electrode and the action of the PZT vibrator of the cell destruction unit are electrically controlled from the apparatus body while the microreactor is mounted on the apparatus body.
対向する1対の外部電極は、白金などの電極を核酸捕捉部の上面の部または流路側壁に蒸着すればよい。あるいは、これらの電極および櫛型構造の構造体は、例えば特開2002-233792号公報に開示されているようにエッチング加工技術により作製できる。 The pair of opposing external electrodes may be formed by depositing an electrode such as platinum on the upper surface of the nucleic acid capturing unit or on the channel side wall. Alternatively, these electrodes and a structure having a comb structure can be manufactured by an etching technique as disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-233792.
微細流路を通じて細胞破壊部から核酸を含有する核酸抽出液が、核酸捕捉部へと送られる。その核酸抽出液が流路を横断する方向に電場がかけられている核酸捕捉部に通されると、マイナスの電荷を有する核酸は、アノード(陽極)の方へ移動して行き、アノードにあたる櫛型構造物に結合するか、その近辺に集合するようになる。他方、プラスに荷電した夾雑物は、カソード(陰極)に相当する反対側の面部、すなわち図5で凹型の櫛型構造物に対向している平坦部の面(ここでは「夾雑物捕捉部」と名づける)にトラップされる。その他の細胞成分を含む液体はそのまま捕捉部を通過して下流へ流れる。この液体は微細流路の適当な下流位置で廃液溜め部へ送り込むようにすればよい。菌体、細胞膜残渣、夾雑物質を除去して微細流路の目詰まりを防止すること、ならびに分析のための反応を阻害する物質、一緒に反応してしまう物質なども予め除去することを目的として、当該捕捉部直後の位置で廃液貯留部に廃棄することが望ましい。検体前処理部は、検体受容部20から検体を、試薬収容部18(他の試薬収容部とは別個に設けてもよい)から前処理に使用する処理液を受けるとともに、試薬収容部18から微細流路下流の反応部へ至る流路と連通している。なおチップの底面部には廃液貯留部(廃液溜り)が設けてあるために、例えば前処理部との境界に配設した弁を開いてそこへ不要な検体前処理廃液、洗浄液を捨てることができる。 A nucleic acid extract containing nucleic acid is sent from the cell disruption section to the nucleic acid capture section through the fine channel. When the nucleic acid extract is passed through the nucleic acid capturing part to which an electric field is applied in the direction crossing the flow path, the nucleic acid having a negative charge moves toward the anode (anode), and the comb corresponding to the anode It will be connected to the mold structure or will be gathered around it. On the other hand, the positively charged impurities are the opposite surface corresponding to the cathode (cathode), that is, the surface of the flat portion facing the concave comb structure in FIG. Named). The liquid containing other cell components passes through the capturing part as it is and flows downstream. This liquid may be sent to the waste liquid reservoir at an appropriate downstream position of the fine channel. Aims to prevent clogging of microchannels by removing bacterial cells, cell membrane residues, and contaminants, as well as to remove substances that inhibit reactions for analysis and react with them in advance. It is desirable that the waste liquid storage unit be disposed at a position immediately after the capturing unit. The sample pretreatment unit receives a sample from the sample receiving unit 20 from the reagent storage unit 18 (which may be provided separately from the other reagent storage units), and receives the processing liquid used for the pretreatment from the reagent storage unit 18. It communicates with the flow path to the reaction section downstream of the fine flow path. Since the bottom surface of the chip is provided with a waste liquid storage part (waste liquid reservoir), for example, a valve disposed at the boundary with the pretreatment part may be opened to discard unnecessary specimen pretreatment waste liquid and cleaning liquid there. it can.
該核酸捕捉部は、好ましくはマイクロストラクチャーとしての櫛型構造をとっている。捕捉部の比較的狭い範囲内に、適用された電場の下、核酸を泳動により引き寄せて流体の流れから離れて核酸を高密度に集合させる。流体はポンプ力で送出されて行くが、核酸を櫛型部分領域に取り込んで、流体とともに流れていかないようにしている。さらに、櫛形構造をとることにより、流路断面全体を占有しておらず、流路の一部他側には何も配置されていないため、流体の流れを阻害することはなく、連続して効率的に核酸が他の成分から分離され、回収されるという利点もある。 The nucleic acid capturing part preferably has a comb structure as a microstructure. Within a relatively narrow range of the trap, the nucleic acid is attracted by electrophoresis under an applied electric field, and the nucleic acid is gathered densely away from the fluid flow. The fluid is pumped out, but the nucleic acid is taken into the comb-shaped region so that it does not flow with the fluid. Furthermore, by taking a comb-shaped structure, it does not occupy the entire cross section of the flow path, and nothing is arranged on the other side of the flow path, so it does not hinder the flow of fluid, and continuously There is also an advantage that the nucleic acid is efficiently separated and recovered from other components.
上記櫛型構造の代わりに当該核酸捕捉部の構造を特開2004-217号公報に開示されたような、流路を交互に広狭とするクサビ型構造において電場をかけることにより、核酸を流路幅が狭くなっている部分近辺にトラップし、リリースする方式であっても良い。 Instead of the comb structure, the structure of the nucleic acid capturing part is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-217. A method of trapping and releasing near a narrowed portion may be used.
アノード側の凹部核酸捕捉部に集められた核酸を、核酸回収液で該核酸捕捉部から分離することができる。その際、偏向手段により、上記とは逆向きの電場を生じさせるように対向電極に電圧を印加して、捕捉部から核酸を遊離させると、核酸の分離回収がより効率的に行なわれる。具体的には電場を切るとカソード側平坦面(夾雑物捕捉部)にトラップされていた夾雑物も離脱するが、凹部の核酸よりも先にそうした夾雑物が流れ出す傾向にある。このため電場の方向を変える場合には捕捉電圧より若干低くして、弱い電場とするような調整を行うことが望ましい。このような処理で核酸を濃縮することも可能となる。次いで、上記のように前処理された検体は、必要であれば下記の送液分割手段により、2以上の検体分析用の微細流路に分割されて、連通する下流の分析流路へ送液される。分割された検体は、サンプルポートから、試薬類が流れる微細流路へ入って合流する。 Nucleic acids collected in the concave nucleic acid capture unit on the anode side can be separated from the nucleic acid capture unit with a nucleic acid recovery solution. At that time, when the deflecting means applies a voltage to the counter electrode so as to generate an electric field in the opposite direction to the nucleic acid to release the nucleic acid from the capturing part, the nucleic acid is separated and recovered more efficiently. Specifically, when the electric field is turned off, the impurities trapped on the cathode-side flat surface (contaminant trapping portion) are also released, but such impurities tend to flow out before the nucleic acid in the recess. For this reason, when changing the direction of the electric field, it is desirable to make adjustments so that the electric field is weaker than the trapped voltage. Nucleic acids can be concentrated by such treatment. Next, the sample pretreated as described above is divided into two or more fine flow channels for sample analysis by the following liquid sending / dividing means, if necessary, and sent to the downstream analysis flow channel communicating therewith. Is done. The divided specimens enter from the sample port into a fine flow path through which reagents flow and merge.
[検体受容部]
本発明の核酸検査用マイクロリアクタの検体受容部20は、次のような構成を有する。検体受容部20は、検体注入部に連通して検体(すなわち上記の細胞もしくはウィルスを含む洗浄液)の一時収容および混合部への検体供給を行う。検体受容部20に注入された細胞含有液体は、マイクロポンプ11およびポンプ接続部12と接続しており、これらの作用により、上記の検体前処理部へ送液される。[Sample receiving part]
The sample receiving part 20 of the microreactor for nucleic acid testing of the present invention has the following configuration. The sample receiving unit 20 communicates with the sample injection unit to temporarily store the sample (that is, the above-described washing liquid containing cells or viruses) and supply the sample to the mixing unit. The cell-containing liquid injected into the sample receiving unit 20 is connected to the micropump 11 and the pump connection unit 12, and is sent to the sample pretreatment unit by these actions.
また検体受容部20の上面で検体を注入する部分(検体注入部)は、外部への漏失、感染および汚染を防ぎ、密封性を確保するために、ゴム状材質などの弾性体からなる栓が形成されているか、あるいはポリジメチルシロキサン(PDMS)などの樹脂、強化フィルムで覆われていることが望ましい。例えば、当該ゴム材質の栓を突き刺したニードルまたは蓋付き細孔を通したニードルでシリンジ内の検体を注入する。前者の場合、ニードルを抜くとその針穴が直ちに塞がることが好ましい。あるいは他の検体注入機構を設置してもよい。
・検体
本発明の測定対象となる検体として、生体由来の試料自体にも特に制限はないが、例えば全血、血漿、血清、バフィーコート、尿、糞便、唾液、喀痰など生体由来のほとんどの試料が該当する。遺伝子検査の場合、増幅反応の鋳型となる核酸として遺伝子、DNAまたはRNAが分析の対象となる。検体は、このような核酸を含む可能性のある試料から調製または単離したものであってよい。したがって、上記の試料の他に、細胞培養物;ウィルス、細菌、カビ、酵母、植物、動物などの核酸含有試料;微生物などが混入または含有する可能性のある試料、その他核酸が含有されている可能性のあるあらゆる試料などが対象となる。Further, a portion (sample injection portion) for injecting the sample on the upper surface of the sample receiving portion 20 has a stopper made of an elastic material such as a rubbery material in order to prevent leakage, infection and contamination to the outside and to ensure sealing performance. Preferably, it is formed or covered with a resin such as polydimethylsiloxane (PDMS) or a reinforced film. For example, a specimen in a syringe is injected with a needle that has been pierced with a stopper made of the rubber material or a needle that has passed through a pore with a lid. In the former case, it is preferable that the needle hole is immediately closed when the needle is pulled out. Alternatively, another specimen injection mechanism may be installed.
-Specimen The specimen to be measured in the present invention is not particularly limited to a biological sample itself, but most biological specimens such as whole blood, plasma, serum, buffy coat, urine, feces, saliva, sputum, etc. Is applicable. In the case of a genetic test, a gene, DNA, or RNA is an analysis target as a nucleic acid that serves as a template for an amplification reaction. The specimen may be prepared or isolated from a sample that may contain such nucleic acid. Therefore, in addition to the above-mentioned samples, cell cultures; nucleic acid-containing samples such as viruses, bacteria, molds, yeasts, plants, animals; samples that may contain or contain microorganisms, and other nucleic acids All possible samples are targeted.
本発明の核酸検査用マイクロリアクタは、手作業検査の場合に比べて、必要とされる検体量は極めて少ない。例えば、縦横の長さが数cmのチップに2〜3μL程度の血液検体を注入するだけである。例えば、遺伝子の場合、DNAとして0.001〜100ngである。このため、微量の検体しか得られない場合も含めて、本発明の核酸検査用マイクロリアクタは、検体面からの制約は少なく、必然的に試薬類も少ない量で済み、検査コストの低減となる。 The microreactor for nucleic acid test of the present invention requires a very small amount of sample compared to the case of manual test. For example, a blood sample of about 2 to 3 μL is simply injected into a chip having a length and width of several centimeters. For example, in the case of a gene, the DNA is 0.001 to 100 ng. For this reason, the microreactor for nucleic acid test of the present invention includes few cases from the sample surface, including the case where only a very small amount of sample can be obtained, and inevitably requires a small amount of reagents, thereby reducing the test cost.
[廃液貯留部]
廃液貯留部は、マイクロリアクタの底部に設けられた中空室であり、余分な検体、検体の分離・濃縮工程で生成した洗浄液、廃液、ならびに検体の反応、測定の結果、生じる廃液などをすべて収容する密閉された廃液溜りである。上記検体前処理部で、前処理としてアナライトの濃縮工程を実施する場合には、濃縮および洗浄に伴って生じる廃液を処理する必要がある。そのような廃液は、マイクロリアクタ外に排出させて処理するよりも、自動的に内部に貯留する方が煩わしくない。好ましくは、廃液貯留部はマイクロリアクタの、検体前処理部の弁部直下に設けられ、少なくとも上記検体前処理部、流路の反応部部、検出部の端部などとも通じるとともに必要な容量を有する密封構造、すなわち廃液を生じる各部と通じる貫通穴が形成されている空洞であればよい。廃液貯留部は、1つの中空室でもよく、複数の区画に分けられた多区画空洞の形態であってもよい。その容積、形状などは、特に限定されないが、チップ自体の強度、他のエレメント配設に伴うスペースの制限なども勘案される必要がある。例えば、廃液貯留部の容量は、数cm四方のチップで、その底部大半に設けた場合、数百μL〜2mLとなる。また、廃液貯留部内の廃液が、マイクロリアクタの他の部分に侵入したり、外部に漏れたりすることのないように、必要に応じて上記貫通穴の適当な場所に開閉する弁を設けてもよい。[Waste liquid reservoir]
The waste liquid storage part is a hollow chamber provided at the bottom of the microreactor, and contains all of the excess specimen, the cleaning liquid produced in the specimen separation / concentration process, the waste liquid, and the waste liquid generated as a result of the reaction and measurement of the specimen. It is a sealed waste liquid reservoir. In the specimen pretreatment section, when an analyte concentration step is performed as a pretreatment, it is necessary to treat a waste liquid that accompanies concentration and washing. It is not bothered to automatically store such waste liquid inside rather than discharging it outside the microreactor for processing. Preferably, the waste liquid storage part is provided immediately below the valve part of the specimen pretreatment part of the microreactor, and communicates with at least the specimen pretreatment part, the reaction part of the flow path, the end part of the detection part, and the like and has a necessary capacity. What is necessary is just the cavity in which the through-hole which leads to each part which produces sealing structure, ie, a waste liquid, is formed. The waste liquid reservoir may be a single hollow chamber or may be in the form of a multi-compartment cavity divided into a plurality of compartments. The volume, shape, etc. are not particularly limited, but it is necessary to take into consideration the strength of the chip itself, space limitations associated with the arrangement of other elements, and the like. For example, the capacity of the waste liquid storage part is several hundreds μL to 2 mL when it is provided on the most bottom part of a chip of several cm square. In addition, a valve that opens and closes at an appropriate place in the through hole may be provided as necessary so that the waste liquid in the waste liquid storage unit does not enter other parts of the microreactor or leak outside. .
上記廃液貯留部の設置とその構造は、さらに使用者に次の利点を提供する。臨床検体の分析を行う作業者は、常に検体からの細菌またはウィルスなどの感染のリスクに曝されている。検体の取り扱い、その前処理のみならず、測定中の洗浄液、測定後の廃液などの処理も煩雑であるだけでなく、依然として感染のリスク、環境汚染の可能性が残っている。本発明の核酸検査用マイクロリアクタは、廃液貯留部をマイクロリアクタ底部に設けており、上記の不要な検体、廃液などはすべて最後にはこの廃液溜りへ捨てられる流路の構成となっている。この廃液貯留部は、完全にマイクロリアクタ内部に密閉されており、ディスポーザブルタイプの本発明の核酸検査用マイクロリアクタは、使用後はそのまま、検査室などに備え付けられたハザードボックス内に収められ、焼却処分される。 The installation and structure of the waste liquid reservoir further provide the following advantages to the user. Workers who analyze clinical samples are constantly exposed to the risk of infection from the sample, such as bacteria or viruses. Not only handling of specimens and pretreatment thereof, but also treatment of washing liquid during measurement, waste liquid after measurement and the like are complicated, and there is still a risk of infection and the possibility of environmental pollution. The microreactor for nucleic acid testing of the present invention has a waste liquid reservoir at the bottom of the microreactor, and the above-described unnecessary specimens, waste liquids and the like all have a flow path configuration that is finally discarded into the waste liquid reservoir. This waste liquid storage part is completely sealed inside the microreactor, and the disposable microreactor for nucleic acid testing according to the present invention is stored in a hazard box provided in a testing room or the like after use and incinerated. The
このような廃液貯留部を設けることにより、作業者は、臨床検体をマイクロリアクタに注入した後は、検査の間、検査後の廃棄においても、一貫して全く検体などに接触する可能性はなく、感染からの安全確保が図られている。しかも廃棄処分も汚染のおそれがなく簡便に行なわれる。またチップの軽量化、製造コスト低減などの利点もある。 By providing such a waste liquid storage part, after injecting clinical specimens into the microreactor, there is no possibility of consistent contact with specimens at all during and after examination, even after disposal. Ensuring safety from infection. Moreover, disposal can be easily performed without fear of contamination. In addition, there are advantages such as weight reduction of the chip and reduction of manufacturing cost.
[試薬収容部]
本発明の核酸検査用マイクロリアクタでは、必要な試薬類(洗浄液を含む)が予め所定の量、マイクロリアクタ内の試薬収容部18に封入されている。したがって本発明の核酸検査用マイクロリアクタは使用時にその都度、試薬を必要量充填する必要はなく、即使用可能の状態になっている。検体中の核酸を分析する場合、必要な試薬類はそれぞれ知られており、増幅用の各種試薬、検出に使用されるプローブ類、発色試薬などが挙げられる。[Reagent storage unit]
In the microreactor for nucleic acid testing of the present invention, necessary reagents (including a cleaning solution) are sealed in a predetermined amount in a reagent storage unit 18 in the microreactor in advance. Therefore, the nucleic acid test microreactor of the present invention does not need to be filled with a necessary amount of reagent each time it is used, and is ready for use. When analyzing nucleic acids in a specimen, necessary reagents are known, and examples include various reagents for amplification, probes used for detection, and coloring reagents.
[マイクロポンプおよびポンプ接続部]
本実施形態では、検体受容部20、試薬収容部18、さらに必要に応じてコントロール収容部のそれぞれについて、これらの収容部内容液を送液するマイクロポンプ11が設けられている。マイクロポンプ11は試薬収容部18の上流側に接続され、マイクロポンプ11により駆動液を試薬収容部側へ供給することによって、試薬を流路へ押し出して送液している。マイクロポンプユニットは、マイクロリアクタとは別途の装置本体(核酸検査装置)に組み込まれており、マイクロリアクタを装置本体に装着することによって、ポンプ接続部12からマイクロリアクタに接続されるようになっている(図7)。[Micro pump and pump connection]
In the present embodiment, a micropump 11 is provided for each of the sample receiving unit 20, the reagent storage unit 18, and, if necessary, the control storage unit, to feed the storage unit contents. The micropump 11 is connected to the upstream side of the reagent storage unit 18, and supplies the driving liquid to the reagent storage unit side by the micropump 11, thereby pushing out the reagent to the flow path and feeding the reagent. The micropump unit is incorporated in an apparatus main body (nucleic acid test apparatus) separate from the microreactor, and is connected to the microreactor from the pump connection portion 12 by mounting the microreactor on the apparatus main body (see FIG. 7).
本実施形態では、マイクロポンプとしてピエゾポンプを用いている。すなわち、
流路抵抗が差圧に応じて変化する第一流路と、
差圧の変化に対する流路抵抗の変化の割合が該第一流路よりも小さい第二流路と、
該第一流路および該第二流路に接続された加圧室と、
該加圧室の内部の圧力を変化させるためのアクチュエータと
を備えたピエゾポンプであり(図6)、その詳細は特許文献1および2に記載されている。In this embodiment, a piezo pump is used as the micro pump. That is,
A first channel in which the channel resistance changes according to the differential pressure;
A second flow path in which a ratio of a change in flow path resistance to a change in differential pressure is smaller than the first flow path;
A pressurizing chamber connected to the first flow path and the second flow path;
A piezo pump provided with an actuator for changing the pressure inside the pressurizing chamber (FIG. 6), the details of which are described in Patent Documents 1 and 2.
[反応部]
測定対象である核酸を含む検体液と、試薬(混合液)とを合流させる合流部の上流側の各流路に、前記検体が収容される検体受容部と、前記試薬液体が収容される試薬収容部とが設けられるとともに、これらの各収容部の上流側にポンプ接続部が設けられ、これらのポンプ接続部に前記マイクロポンプを接続し、各マイクロポンプから駆動液を供給することにより前記各収容部内の前記検体液および前記試薬を押し出してこれらを合流させることによって、遺伝子増幅分析に必要な反応を開始するように構成されている。試薬と試薬との混合、および検体と試薬との混合は、単一の混合部で所望の比率で混合してもよく、あるいは何れかもしくは両方を分割して複数の合流部を設け、最終的に所望の混合比率となるように混合しても構わない。そうした反応部の態様は特に限定されるものではなく、様々な形態および様式が考えられる。基本的には試薬および検体液を含む少なくとも2種類の液体を、マイクロポンプにより送液して合流させる合流部と、
前記合流部から先に設けられ、前記各液体が拡散混合される微細流路と、
前記微細流路の下流側端部から先に設けられ、該微細流路よりも広幅の空間と
からなり、該微細流路で拡散混合された混合液を貯留して反応を行う液溜部とを備えることが好ましい。
・DNA増幅法
本発明の核酸検査用マイクロリアクタを使用する遺伝子検査では、増幅方法を限定されない。例えばDNA増幅技術は、多方面で盛んに利用されているPCR増幅法を使用することができる。その増幅技術を実施するための諸条件が詳細に検討され、改良点も含めて各種文献などに記載されている。PCR増幅法においては、3つの温度間で昇降させる温度管理が必要になるが、マイクロチップに好適な温度制御を可能とする流路デバイスが、すでに本発明者らにより提案されている(特開2004−108285号公報)。このデバイスシステムを本発明の核酸検査用マイクロリアクタの増幅用流路に適用すればよい。これにより、熱サイクルが高速に切り替えられ、微細流路を熱容量の小さいマイクロ反応セルとしているため、DNA増幅は、手作業で行う従来の方式よりはるかに短時間で行うことができる。[Reaction part]
A sample receiving part for storing the sample and a reagent for storing the reagent liquid in each flow channel upstream of the joining part that joins the sample liquid containing the nucleic acid to be measured and the reagent (mixed liquid) And a pump connection portion provided upstream of each of the storage portions. The micropumps are connected to the pump connection portions, and the driving liquid is supplied from the micropumps to supply the driving liquid. The reaction solution necessary for gene amplification analysis is started by extruding the sample solution and the reagent in the container and joining them together. The mixing of the reagent and the reagent and the mixing of the sample and the reagent may be performed at a desired ratio in a single mixing part, or a plurality of merging parts are provided by dividing one or both, and finally They may be mixed so as to have a desired mixing ratio. The mode of such a reaction part is not particularly limited, and various forms and modes are conceivable. Basically, at least two kinds of liquids including a reagent and a sample liquid are fed by a micropump and joined together,
A fine channel provided in advance from the merging portion and in which each of the liquids is diffusively mixed;
A liquid reservoir portion that is provided first from the downstream end of the fine flow path, and has a space wider than the fine flow path, and stores a mixed liquid that is diffusely mixed in the fine flow path to perform a reaction; It is preferable to provide.
-DNA amplification method In the genetic test using the microreactor for nucleic acid test of the present invention, the amplification method is not limited. For example, the DNA amplification technique can use a PCR amplification method that is actively used in various fields. Various conditions for carrying out the amplification technique have been examined in detail and described in various documents including improvements. In the PCR amplification method, it is necessary to manage the temperature by raising and lowering between three temperatures. However, a channel device that enables temperature control suitable for a microchip has already been proposed by the present inventors (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-318867). 2004-108285). This device system may be applied to the amplification flow path of the microreactor for nucleic acid testing of the present invention. As a result, the heat cycle can be switched at high speed, and the micro flow path is a micro reaction cell with a small heat capacity. Therefore, DNA amplification can be performed in a much shorter time than the conventional method that is performed manually.
PCR増幅法の改良として最近開発されたICAN(Isothermal chimera primer initiated nucleic acid amplification )法は、50〜65℃における任意の一定温度の下にDNA増幅を短時間で実施できる特徴を有する(特許第3433929号公報参照)。したがって、ICAN法は、本発明の核酸検査用マイクロリアクタでは、簡便な温度管理で済むために好適な増幅技術である。手作業では、1時間かかる本法は、本発明の核酸検査用マイクロリアクタにおいては、10〜20分、好ましくは、15分で解析まで終わる。 An ICAN (Isothermal chimera primer initiated nucleic acid amplification) method recently developed as an improvement of the PCR amplification method has a feature that DNA amplification can be performed in a short time at an arbitrary constant temperature of 50 to 65 ° C. (Patent No. 3433929). No. publication). Therefore, the ICAN method is a suitable amplification technique because the temperature control in the microreactor for nucleic acid testing of the present invention requires simple temperature control. In the manual process, this method, which takes 1 hour, is completed in 10 to 20 minutes, preferably 15 minutes, in the microreactor for nucleic acid test of the present invention.
[検出部]
本発明の核酸検査用マイクロリアクタでは、微細流路の反応部よりも下流上に、増幅された核酸を検出するための検出部が設けられている。少なくともその検出部分は、光学的測定を可能とするために透明な材質、好ましくは透明なプラスチックとなっている。さらに微細流路上の検出部に吸着されたビオチン親和性タンパク質(アビジン、ストレプトアビジン)は、プローブ物質に標識されたビオチン、または遺伝子増幅反応に使用されるプライマーの5'末端に標識されたビオチンと特異的に結合する。これによりビオチンで標識されたプローブまたは増幅された核酸が本検出部でトラップされる。[Detection unit]
In the microreactor for nucleic acid testing of the present invention, a detection unit for detecting the amplified nucleic acid is provided on the downstream side of the reaction unit of the fine channel. At least the detection part is made of a transparent material, preferably a transparent plastic, in order to enable optical measurement. Furthermore, the biotin-affinity protein (avidin, streptavidin) adsorbed on the detection part on the microchannel is composed of biotin labeled on the probe substance or biotin labeled on the 5 ′ end of the primer used in the gene amplification reaction. Bind specifically. As a result, the probe labeled with biotin or the amplified nucleic acid is trapped by the detection unit.
分離された増幅核酸を検出する方法は特に限定されないが、好ましい態様として基本的には以下の工程で行なわれる。すなわち本発明の核酸検査用マイクロリアクタを用い、
(1)検体もしくは検体から抽出したDNA、あるいは検体もしくは検体から抽出したRNAから逆転写反応により合成したcDNAと、5'位置でビオチン修飾したプライマーとを、これらの収容部から下流の微細流路へ送液する。反応部の微細流路内で、核酸を増幅する工程、微細流路内で増幅核酸を含む増幅反応液と変性液とを混合し、増幅されたDNAを一本鎖に変性処理する工程、増幅されたDNAを一本鎖に変性処理した処理液を、ビオチン親和性タンパク質を吸着させた微細流路内の検出部に送液し、前記増幅遺伝子をトラップする工程を経て、増幅核酸をトラップした微細流路内の検出部に、末端をFITC(fluorescein isothiocyanate)で蛍光標識したプローブDNAを流し、これを固定化した遺伝子にハイブリダイズさせる。(予め増幅遺伝子と蛍光標識したプローブDNAとをハイブリダイズさせたものを検出部でトラップしてもよい。)
(2)上記微細流路内にFITCに特異的に結合する抗FITC抗体で表面を修飾した金コロイド液を流し、これによりDNAにハイブリダイズしたFITC修飾プローブに、その金コロイドを吸着させる。
(3)上記微細流路の金コロイドの濃度を光学的に測定する。A method for detecting the separated amplified nucleic acid is not particularly limited, but a preferred embodiment is basically performed in the following steps. That is, using the microreactor for nucleic acid testing of the present invention,
(1) A sample or a DNA extracted from a sample, or a cDNA synthesized from a sample or RNA extracted from a sample or a sample by reverse transcription, and a biotin-modified primer at the 5 ′ position, and a microchannel downstream from these containing parts To liquid. A step of amplifying nucleic acid in the microchannel of the reaction section, a step of mixing the amplification reaction solution containing the amplified nucleic acid and the denaturing solution in the microchannel, and denaturing the amplified DNA into a single strand, amplification The treated solution obtained by denaturing the resulting DNA into a single strand is sent to the detection unit in the microchannel to which the biotin-affinity protein is adsorbed, and the amplified nucleic acid is trapped through the step of trapping the amplified gene. A probe DNA whose end is fluorescently labeled with FITC (fluorescein isothiocyanate) is allowed to flow through the detection section in the microchannel, and this is hybridized to the immobilized gene. (A previously hybridized amplification gene and fluorescently labeled probe DNA may be trapped by the detection unit.)
(2) A gold colloid solution whose surface is modified with an anti-FITC antibody that specifically binds to FITC is allowed to flow through the fine channel, and thereby the gold colloid is adsorbed to the FITC-modified probe hybridized with DNA.
(3) The concentration of the gold colloid in the fine channel is optically measured.
ポリスチレン基板に形成された微細流路内にストレプトアビジンを固定化する際、特別な化学的処置を行うことは必要としない。単にビオチン親和性タンパク質を増幅反応部よりも下流の微細流路上に適用して該流路上にビオチン親和性タンパク質を吸着させるだけでよい。遺伝子検査用のプローブDNAとして、蛍光標識されたオリゴデオキシヌクレオチドが好ましく用いられる。そのDNA塩基配列は、検出目的の遺伝子塩基配列の一部分と相補的である配列が選択される。プローブDNAの塩基配列を適切に選択することにより、目的の遺伝子に特異的に結合し、共存するDNA、バックグラウンドに影響されることなく高感度の検出が可能となる。 When immobilizing streptavidin in the microchannel formed in the polystyrene substrate, no special chemical treatment is required. It is only necessary to apply the biotin-affinity protein on the fine channel downstream of the amplification reaction part and to adsorb the biotin-affinity protein on the channel. As a probe DNA for genetic testing, fluorescently labeled oligodeoxynucleotides are preferably used. As the DNA base sequence, a sequence that is complementary to a part of the base sequence of the gene to be detected is selected. By appropriately selecting the base sequence of the probe DNA, it is possible to detect with high sensitivity without being affected by coexisting DNA and background, which specifically binds to the target gene.
プローブを標識する蛍光色素として、公知のFITC、RITC、NBD、Cy3、Cy5などの蛍光物質などを用いることができる。特にFITCが、抗FITC抗体、例えば金コロイド抗FITC抗マウスIgGを入手できることから望ましい。 Known fluorescent substances such as FITC, RITC, NBD, Cy3, and Cy5 can be used as the fluorescent dye for labeling the probe. In particular, FITC is desirable due to the availability of anti-FITC antibodies such as gold colloid anti-FITC anti-mouse IgG.
蛍光色素FITCの蛍光を測定することも可能であるが、蛍光色素の光褪色、バックグラウンドノイズなどを考慮する必要がある。最終的に可視光により、高感度で測定できる方式が好ましい。可視光の吸光分析が優れるのは、蛍光測光よりも機器が汎用的であり、妨害因子が少なくデータ処理も容易であるためである。金コロイド抗FITC抗マウスIgGを用いた金コロイドの光学検出を利用するかわりに、上記蛍光色素の代わりに上記プローブを西洋わさびパーオキシダーゼ(HRP)で標識してもよい。検出にはこの酵素が触媒する発色反応を利用することもできる。そのための典型的な発色物質として、3,3',5,5'−テトラメチルベンジジン(TMB)、3,3'−ジアミノベンジジン(DAB)、p−フェニレンジアミン(OPD)などが知られている。他にアルカリホスファターゼ、ガラクトシダーゼなどの酵素・発色系も使用できる。 Although it is possible to measure the fluorescence of the fluorescent dye FITC, it is necessary to consider light fading of the fluorescent dye, background noise, and the like. A system that can finally measure with high sensitivity by visible light is preferable. Absorption analysis of visible light is superior because the instrument is more versatile than fluorescence photometry, and there are few interference factors and data processing is easy. Instead of using optical detection of colloidal gold using colloidal gold anti-FITC anti-mouse IgG, the probe may be labeled with horseradish peroxidase (HRP) instead of the fluorescent dye. For the detection, a coloring reaction catalyzed by the enzyme can also be used. As typical coloring substances for this purpose, 3,3 ′, 5,5′-tetramethylbenzidine (TMB), 3,3′-diaminobenzidine (DAB), p-phenylenediamine (OPD), and the like are known. . In addition, enzyme / coloring systems such as alkaline phosphatase and galactosidase can also be used.
本発明の核酸検査用マイクロリアクタとして好ましい態様は、
一つのチップ内において、
検体もしくは検体から抽出した核酸が注入される検体受容部と、
検体の前処理を行う検体前処理部、
プローブ結合反応、検出反応(遺伝子増幅反応なども含む)などに用いる試薬が収容される試薬収容部と、
ポジティブコントロールが収容されるポジティブコントロール収容部と、
ネガティブコントロールが収容されるネガティブコントロール収容部と、
プローブ(例えば、遺伝子増幅反応により増幅された検出対象の遺伝子にハイブリダイズさせるプローブ)が収容されるプローブ収容部と、
これらの各収容部に連通する微細流路と、
前記各収容部および流路内の液体を送液する別途のマイクロポンプに接続可能なポンプ接続部と、
廃液貯留部とが設けられ、
前記チップにポンプ接続部を介してマイクロポンプを接続し、検体受容部に収容された検体から抽出した核酸と、試薬収容部に収容された試薬とを流路へ送液し、微細流路の反応部、例えば増幅反応部で混合して反応させた後、その下流側流路にある検出部へこの反応液を処理した処理液と、プローブ収容部に収容されたプローブとを送液し、流路内で混合してプローブと結合(またはハイブリダイゼーション)させ、この反応生成物に基づいて核酸の検出を行い、
ポジティブコントロール収容部に収容されたポジティブコントロールおよびネガティブコントロール収容部に収容されたネガティブコントロールについても同様に上記反応および検出を行うとともに、
上記検体前処理部および検出部と貫通穴を介して連通しており、マイクロリアクタの底部に設けられた中空室であり、余分な検体、検体の濃縮工程で生成した洗浄液、廃液、および検体の測定の結果、生じる廃液などを収容する密閉廃液溜りである廃液貯留部を有するように構成されていることを特徴としている。
・送液分割手段
本発明において、1つの検体についてポジティブコントロールおよびネガティブコントロールを同時に分析する場合には、試薬類および検体を2以上に分割して、それぞれの分析流路へ送り出す必要がある。送液分割手段はそのために設置される。送液分割手段は、分岐した微細流路、送液制御部13および逆流防止部から構成される。A preferred embodiment of the microreactor for nucleic acid testing of the present invention is:
Within one chip,
A sample receiving part into which a sample or a nucleic acid extracted from the sample is injected;
A sample pretreatment unit for performing pretreatment of the sample,
A reagent storage section for storing reagents used in probe binding reactions, detection reactions (including gene amplification reactions, etc.);
A positive control accommodating part for accommodating a positive control;
A negative control accommodating portion for accommodating a negative control;
A probe accommodating portion that accommodates a probe (for example, a probe that hybridizes to a gene to be detected amplified by a gene amplification reaction);
A fine flow path communicating with each of these accommodating portions,
A pump connection portion connectable to a separate micropump for feeding the liquid in each storage portion and the flow path;
And a waste liquid storage part,
A micropump is connected to the chip via a pump connection unit, and the nucleic acid extracted from the sample stored in the sample receiving unit and the reagent stored in the reagent storage unit are fed to the channel, After mixing and reacting in the reaction part, for example, the amplification reaction part, the treatment liquid treated with the reaction liquid and the probe accommodated in the probe accommodating part are sent to the detection part in the downstream flow path, Mix in the channel and bind (or hybridize) with the probe, detect the nucleic acid based on this reaction product,
While performing the above reaction and detection in the same manner for the positive control housed in the positive control housing section and the negative control housed in the negative control housing section,
The sample pretreatment unit and the detection unit communicate with each other through a through-hole, and is a hollow chamber provided at the bottom of the microreactor. Measurement of extra sample, cleaning liquid, waste liquid, and sample generated in the sample concentration step As a result, it is characterized by having a waste liquid storage part which is a sealed waste liquid reservoir for storing the generated waste liquid and the like.
In the present invention, when the positive control and the negative control are simultaneously analyzed for one sample, it is necessary to divide the reagents and the sample into two or more and send them to the respective analysis channels. The liquid feed dividing means is provided for that purpose. The liquid feed dividing means is composed of a branched fine channel, a liquid feed control unit 13 and a backflow prevention unit.
送液制御部13は、正方向(通常、流体をポンプで押出す方向、すなわち下流方向)への送液圧力が所定圧に達するまで液体の通過を遮断し、所定圧以上の送液圧力を加えることにより液体の通過を許容する。また流路内の液体の逆流を防止する逆流防止部は、逆流圧により弁体が流路開口部を閉止する逆止弁か、あるいは弁体変形手段により弁体を流路開口部へ押圧して該開口部を閉止する能動弁からなる。 The liquid feeding control unit 13 blocks the passage of the liquid until the liquid feeding pressure in the forward direction (usually, the direction in which the fluid is pushed out by the pump, that is, the downstream direction) reaches a predetermined pressure. Addition allows the passage of liquid. Further, the backflow prevention part for preventing the backflow of the liquid in the flow path is a check valve in which the valve body closes the flow path opening due to the backflow pressure, or the valve body is pressed against the flow path opening by the valve body deforming means. And an active valve for closing the opening.
本発明の核酸検査用マイクロリアクタの微細流路においては、前記マイクロポンプ、そのポンプ圧により液体の通過を制御可能な送液制御部と、流路内の液体の逆流を防止する逆流防止部とによって、分岐した流路内における液体の送液、送液量の定量および各液体の混合が制御されている。かかる送液分割手段およびマイクロポンプ11の働きにより、試薬類および検体は適当な比率で分割される。
・コントロールの測定
核酸の分析では、通例、分析にネガティブコントロールを加え、検体の分析と並行して行われる。コンタミネーション、例えば試薬等に混在する物質の発色、蛍光などの補正に必須であるためである。さらに分析結果の信頼性を増すためには、ポジティブコントロールも加えることも必要である。添加する試薬等における妨害因子の検出、設定した条件の適切性、非特異的な相互作用などの検証に有用である。同様にインターナルコントロールを加えることも往々必要とされ、特に定量分析には有用である。In the microchannel of the microreactor for nucleic acid testing of the present invention, the micropump, a liquid feed control unit that can control the passage of liquid by the pump pressure, and a backflow prevention unit that prevents the backflow of the liquid in the channel The liquid feeding, the quantification of the liquid feeding amount, and the mixing of each liquid in the branched flow path are controlled. By the action of the liquid feeding and dividing means and the micropump 11, the reagents and the specimen are divided at an appropriate ratio.
・ Measurement of control In the analysis of nucleic acid, a negative control is usually added to the analysis in parallel with the analysis of the sample. This is because it is essential for correction of contamination, for example, color development and fluorescence of substances mixed in reagents and the like. Furthermore, in order to increase the reliability of the analysis results, it is also necessary to add positive controls. This is useful for detection of interfering factors in reagents to be added, appropriateness of set conditions, and verification of non-specific interactions. Similarly, it is often necessary to add an internal control, which is particularly useful for quantitative analysis.
ポジティブコントロール、インターナルコントロールを同時に行うことは、特にPCR法による遺伝子増幅では重要である。PCR反応が正しく起きていることのチェックも特に必要とされるためである。例えば何らかの問題が生じた場合、それが設定条件、試薬類、操作、分析系に由来するか、あるいは検体に由来するかの検証に最適である。PCR法は検体中に存在する微量の遺伝子を数十万〜数百万倍以上にも増幅できることから、クロス・コンタミネーションといった汚染による影響は著しく深刻である。 Simultaneously performing positive control and internal control is particularly important in gene amplification by PCR. This is because it is particularly necessary to check that the PCR reaction is occurring correctly. For example, when any problem occurs, it is optimal for verifying whether it originates from set conditions, reagents, operation, analysis system, or sample. Since the PCR method can amplify a very small amount of gene present in a sample several hundred thousand to several million times or more, the influence of contamination such as cross contamination is extremely serious.
偽陽性および偽陰性の判定に有用なこれらのコントロールの設定は、従来の分析技術の慣行に従う。本発明のマイクロリアクタの流路構成によれば、検体とは別個の分析流路において、同一試薬、同一条件のもとで、同時進行で行うことができる。 These control settings, useful for determining false positives and false negatives, follow conventional analytical technique practice. According to the flow channel configuration of the microreactor of the present invention, the analysis can be performed simultaneously in the analysis flow channel separate from the specimen under the same reagent and the same conditions.
以上、本発明の好ましい実施態様の一例として示された図面を参照しながら、遺伝子検査を説明したが、本発明は、かかる態様および例に限定されるものではない。 The genetic test has been described above with reference to the drawings shown as an example of a preferred embodiment of the present invention, but the present invention is not limited to such an embodiment and example.
Claims (13)
(i)細胞を含む液体を、該細胞より大きい孔径のフィルターAと、該細胞より小さい孔径のフィルターBとに順次通過させて該フィルターBの供給口側に該細胞を保持する、
(ii)該フィルターBの該細胞を保持する側と反対側の取り出し口から、洗浄液を流すことにより、該細胞をその洗浄液中に取り出す、
(iii)次いで該細胞を含む洗浄液を、振動するビーズを保持する細胞破壊部に通すことにより、該細胞を破壊して核酸抽出液を得る、
(iv)その細胞破壊部から流路を通して該核酸抽出液を、電場が流路を横断する方向にかけられている核酸捕捉部に導入して、その核酸捕捉部のカソード側に核酸を集める、
(v)その核酸捕捉部のカソード側に集められた核酸を、核酸回収液で該核酸捕捉部から回収する、
ことを特徴とする核酸の分離方法。A method for extracting and separating nucleic acids from cells,
(I) A cell-containing liquid is sequentially passed through a filter A having a pore size larger than the cell and a filter B having a pore size smaller than the cell to hold the cell on the supply port side of the filter B.
(Ii) The cells are taken out into the washing solution by flowing a washing solution from the outlet of the filter B opposite to the side holding the cells.
(Iii) Next, the washing liquid containing the cells is passed through a cell destruction unit that holds vibrating beads, thereby destroying the cells and obtaining a nucleic acid extract.
(Iv) introducing the nucleic acid extract from the cell disruption section through the flow path into the nucleic acid capture section where the electric field is applied in a direction crossing the flow path, and collecting the nucleic acid on the cathode side of the nucleic acid capture section;
(V) collecting the nucleic acid collected on the cathode side of the nucleic acid capture unit from the nucleic acid capture unit with a nucleic acid recovery solution;
A method for separating nucleic acids.
前記のフィルターAおよびフィルターBを、隔壁としてそれぞれ装置の入り口側と取り出し口側に配置し、これらの隔壁と装置側壁とにより密閉可能な空間が形成されるともに、その側壁面に洗浄液排出管を貫通させており、入り口、取り出し口および排出管にある各穴が開閉される手段を有することを特徴とする細胞ろ過装置。A cell filtration device used for carrying out steps (i) and (ii) in the method for separating nucleic acids according to claim 1, comprising:
The filter A and the filter B are arranged as partition walls on the inlet side and the outlet side of the apparatus, respectively, and a space that can be sealed is formed by these partition walls and the apparatus side wall, and a cleaning liquid discharge pipe is formed on the side wall surface. A cell filtration device characterized in that it has a means for opening and closing each hole in the inlet, outlet and outlet tube.
前記微細流路の下流に前記検体前処理部で前処理された検体液と前記試薬収容部に収容される試薬が反応する反応部を構成する流路、及び該反応部で反応して得られる反応物を検出する検出部を構成する流路が設けられていることを特徴とする請求の範囲第7項に記載の核酸検査用マイクロリアクタ。Furthermore, it has a reagent storage unit for storing the reagent, a waste liquid storage unit, a micropump connection unit and a fine channel that communicates each part,
Obtained by reacting in the reaction section, the flow path constituting the reaction section where the sample liquid pretreated in the sample pretreatment section and the reagent contained in the reagent containing section react downstream of the fine flow path The microreactor for nucleic acid testing according to claim 7, further comprising a flow path that constitutes a detection unit that detects a reactant.
前記核酸捕捉部は、該核酸捕捉部に配置される外部電極に印加される電場により、前記細胞破壊部で破壊された細胞から放出される核酸を捕捉する、ことを特徴とする請求の範囲第7項または第8項に記載の核酸検査用マイクロリアクタ。The cell disruption unit has beads that are vibrated by an external actuator disposed in the cell disruption unit to destroy the cell,
The nucleic acid capture unit captures a nucleic acid released from a cell destroyed by the cell destruction unit by an electric field applied to an external electrode disposed in the nucleic acid capture unit. Item 9. A microreactor for nucleic acid testing according to item 7 or item 8.
流路抵抗が差圧に応じて変化する第一流路と、
差圧の変化に対する流路抵抗の変化の割合が該第一流路よりも小さい第二流路と、
該第一流路および該第二流路に接続された加圧室と、
該加圧室の内部の圧力を変化させるためのアクチュエータと、
を有するマイクロポンプに接続されることを特徴とする請求の範囲第8項または第9項に記載の核酸検査用マイクロリアクタ。The micropump connection is
A first channel in which the channel resistance changes according to the differential pressure;
A second flow path in which a ratio of a change in flow path resistance to a change in differential pressure is smaller than the first flow path;
A pressurizing chamber connected to the first flow path and the second flow path;
An actuator for changing the pressure inside the pressurizing chamber;
The microreactor for nucleic acid test according to claim 8 or 9, characterized in that the microreactor is connected to a micropump having:
予め設定された圧より低い圧では液体の通過を遮断し、予め設定された圧以上の圧では液体の通過を許容する、送液制御部と、
流路内の液体の逆流を防止する逆流防止部と、
から構成され、
分岐した流路内における液体の送液および送液量の定量を制御する送液分割手段を有することを特徴とする請求の範囲第8項乃至第11項のいずれかに記載の核酸検査用マイクロリアクタ。Branched microchannels,
A liquid feed controller that blocks passage of liquid at a pressure lower than a preset pressure and allows passage of liquid at a pressure equal to or higher than a preset pressure; and
A backflow prevention unit for preventing backflow of liquid in the flow path;
Consisting of
The microreactor for nucleic acid test according to any one of claims 8 to 11, further comprising a liquid feeding dividing means for controlling liquid feeding and quantification of the liquid feeding amount in the branched flow path. .
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