特許 6012518 生化学カートリッジ用温調機構、温調ブロック及び生化学処理装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6012518

(24)【登録日】2016年9月30日

(45)【発行日】2016年10月25日

(54)【発明の名称】生化学カートリッジ用温調機構、温調ブロック及び生化学処理装置

(51)【国際特許分類】

   C12M 1/00 20060101AFI20161011BHJP

   B01J 19/00 20060101ALI20161011BHJP

   G01N 35/00 20060101ALI20161011BHJP

   G01N 37/00 20060101ALI20161011BHJP

【ＦＩ】

   C12M1/00 A

   B01J19/00 321

   G01N35/00 B

   G01N37/00 101

【請求項の数】13

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2013-57480(P2013-57480)

(22)【出願日】2013年3月21日

(65)【公開番号】特開2014-180250(P2014-180250A)

(43)【公開日】2014年9月29日

【審査請求日】2015年11月27日

(73)【特許権者】

【識別番号】501387839

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテクノロジーズ

(74)【代理人】

【識別番号】100091096

【弁理士】

【氏名又は名称】平木 祐輔

(74)【代理人】

【識別番号】100105463

【弁理士】

【氏名又は名称】関谷 三男

(74)【代理人】

【識別番号】100102576

【弁理士】

【氏名又は名称】渡辺 敏章

(72)【発明者】

【氏名】石塚 隼司

(72)【発明者】

【氏名】山崎 基博

(72)【発明者】

【氏名】村松 高道

(72)【発明者】

【氏名】木村 隆介

【審査官】 福澤 洋光

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−０３０５２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２７８７８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１３９１３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１０−５１５９２４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ１２Ｍ １／００−３／１０

ＣＡ／ＭＥＤＬＩＮＥ／ＢＩＯＳＩＳ／ＷＰＩＤＳ（ＳＴＮ）

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＰｕｂＭｅｄ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

空気圧により変形可能な弾性体であるメンブレンが表面に貼りつけられた生化学カートリッジの装着時に、前記生化学カートリッジ側に形成された流路の開口端と前記メンブレンを挟んで対向する反応部形成用の断面矩形形状の凹構造と、前記凹構造のコーナー付近に設けられる第１の開口及び第２の開口と、前記第１の開口に接続された第１の管路と、前記第２の開口に接続された第２の管路とが形成された温調ブロックと、
空気の吸引時には、前記第１の管路及び前記第２の管路から時間差で前記凹構造から空気を吸引する一方、空気の導入時には、前記第１の管路と前記第２の管路を通じて前記凹構造を同時に加圧するポンプと
を有する生化学カートリッジ用温調機構。

【請求項2】

空気圧により変形可能な弾性体であるメンブレンが表面に貼りつけられた生化学カートリッジの装着時に、前記生化学カートリッジ側に形成された流路の開口端と前記メンブレンを挟んで対向する反応部形成用の凹構造と、前記凹構造の内周面に設けられる空気吸引用の第１の開口と、前記第１の開口に接続された第１の管路と、前記凹構造の内周面に設けられる空気導入用の第２の開口と、前記第２の開口に接続された第２の管路とが形成された温調ブロックと、
前記第１の管路を通じて前記凹構造から空気を吸引する第１のポンプと、
前記第２の管路を通じて前記凹構造へ空気を導入する第２のポンプと
を有する生化学カートリッジ用温調機構。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の生化学カートリッジ用温調機構において、
前記温調ブロックは、前記凹構造の周囲に断熱構造を有する
ことを特徴とする生化学カートリッジ用温調機構。

【請求項4】

請求項１又は２に記載の生化学カートリッジ用温調機構において、
前記生化学カートリッジの上面側に断熱構造を有する
ことを特徴とする生化学カートリッジ用温調機構。

【請求項5】

請求項１又は２に記載の生化学カートリッジ用温調機構において、
前記生化学カートリッジの上面側に加熱装置又は加熱冷却装置を有する
ことを特徴とする生化学カートリッジ用温調機構。

【請求項6】

請求項１に記載の生化学カートリッジ用温調機構において、
前記ポンプは、前記凹構造内への送液開始後に前記第１の開口及び第２の開口から空気を吸引する
ことを特徴とする生化学カートリッジ用温調機構。

【請求項7】

請求項１に記載の生化学カートリッジ用温調機構において、
前記ポンプは、前記凹構造内への送液開始に先立って前記第１の開口及び第２の開口から空気を吸引する
ことを特徴とする生化学カートリッジ用温調機構。

【請求項8】

請求項１に記載の生化学カートリッジ用温調機構において、
前記ポンプは、前記凹構造内への送液開始と同時に前記第１の開口及び第２の開口から空気を吸引する
ことを特徴とする生化学カートリッジ用温調機構。

【請求項9】

請求項１に記載の生化学カートリッジ用温調機構において、
前記ポンプは、前記凹構造内からの送液時に、前記第１の開口及び第２の開口から空気を導入することを特徴とする生化学カートリッジ用温調機構。

【請求項10】

空気圧により変形可能な弾性体であるメンブレンが表面に貼りつけられた生化学カートリッジの装着時に、前記生化学カートリッジ側に形成された流路の開口端と前記メンブレンを挟んで対向する反応部形成用の断面矩形形状の凹構造と、
前記凹構造のコーナー付近に設けられる第１の開口及び第２の開口と、
前記第１の開口に接続された第１の管路と、
前記第２の開口に接続された第２の管路と
を有する温調ブロック。

【請求項11】

空気圧により変形可能な弾性体であるメンブレンが表面に貼りつけられた生化学カートリッジの装着時に、前記生化学カートリッジ側に形成された流路の開口端と前記メンブレンを挟んで対向する反応部形成用の凹構造と、
前記凹構造の内周面に設けられる空気吸引用の第１の開口と、
前記第１の開口に接続された第１の管路と、
前記凹構造の内周面に設けられる空気導入用の第２の開口と、
前記第２の開口に接続された第２の管路と
を有する温調ブロック。

【請求項12】

空気圧により変形可能な弾性体であるメンブレンが表面に貼りつけられた生化学カートリッジと、
前記生化学カートリッジの装着時に、前記生化学カートリッジ側に形成された流路の開口端と前記メンブレンを挟んで対向する反応部形成用の断面矩形形状の凹構造と、前記凹構造のコーナー付近に設けられる第１の開口及び第２の開口と、前記第１の開口に接続された第１の管路と、前記第２の開口に接続された第２の管路とが形成された温調ブロックと、空気の吸引時には、前記第１の管路及び前記第２の管路から時間差で前記凹構造から空気を吸引する一方、空気の導入時には、前記第１の管路と前記第２の管路を通じて前記凹構造を同時に加圧するポンプとを有する生化学カートリッジ用温調機構と、
前記生化学カートリッジから流体を導入し、前記流体に含まれる核酸を分析する核酸分析装置と
を有する生化学処理装置。

【請求項13】

空気圧により変形可能な弾性体であるメンブレンが表面に貼りつけられた生化学カートリッジと、
前記生化学カートリッジの装着時に、前記生化学カートリッジ側に形成された流路の開口端と前記メンブレンを挟んで対向する反応部形成用の凹構造と、前記凹構造の内周面に設けられる空気吸引用の第１の開口と、前記第１の開口に接続された第１の管路と、前記凹構造の内周面に設けられる空気導入用の第２の開口と、前記第２の開口に接続された第２の管路とが形成された温調ブロックと、前記第１の管路を通じて前記凹構造から空気を吸引する第１のポンプと、前記第２の管路を通じて前記凹構造へ空気を導入する第２のポンプとを有する生化学カートリッジ用温調機構と、
前記生化学カートリッジから流体を導入し、前記流体に含まれる核酸を分析する核酸分析装置と
を有する生化学処理装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、PCR（Polymerase Chain Reaction）法により、DNA（deoxyribonucleic acid）断片を増幅するのに適した生化学カートリッジ用温調機構、温調ブロック及び生化学処理装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、マイクロ流体デバイスの微小空間内でサンプルと試薬を反応させ、化学反応（生体物質の抽出、精製、増幅等）及び分析等を行う研究が進められている。マイクロ流体デバイスは、遺伝子解析等の幅広い用途に応用できる。さらに、マイクロ流体デバイスの使用には、(1) 通常装置と比較してサンプル及び試薬の消費量が少なく済む、(2) 様々な試薬をセットする場合と比べて持ち運びが容易である、(3)使い捨てが出来る等の利点がある。

【0003】

遺伝子解析では、生物等から取得したサンプルからDNAやRNA（ribonucleic acid）といった核酸を抽出して増幅する等の生化学処理や反応が必要とされる。これらの処理や反応の中には、温度が重要な要素となる場合があり、必要に応じてサンプルの加熱又は冷却が必要となる。

【0004】

温度が重要な要素となる生化学処理や反応の例としてPCRがある。PCRは、酵素連鎖反応と呼ばれ、DNAを増幅する分子生物学上の重要な技術である。PCRでは、適切に調整した反応溶液に3段階又は2段階の温度サイクルを与え、DNAを増幅する。温度サイクルとは、熱変性、アニーリング、伸長と呼ばれる異なった温度の状態を繰り返す操作であり、それぞれ９５℃近辺、６０℃近辺、７２℃近辺の温度が用いられる。各温度を維持する時間は、数秒から数分間である。サイクル数は一般に３０前後である。

【0005】

通常のPCRにかかる時間は、およそ90分程度である。PCRにかかる時間を短くするために、各温度での維持時間を短くし、PCRにかかる時間を30〜45分へ短縮したFastPCRが考案されている。さらなる維持時間の短縮には、反応液を素早く目的温度に変化させることが必要となる。一方、遺伝子解析等の目的でPCRを行う場合、解析対象としないDNAの混入を防ぐ必要がある。もし、解析対象としないDNAがPCR時に外部から混入すると、混入したDNAも増幅されてしまうためである。このため、マイクロ流体デバイスでは、外部と遮断した密閉系で試薬の調整やPCR等を操作可能な構造が採用されており、コンタミネーションの可能性を低下させている。マイクロ流体デバイス上でのサンプル流体の加熱及び冷却には、例えば特許文献１に記載の温調機構が用いられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１１−３０５２２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１に開示の温調機構は、サンプル温度を調整する凹陥部を断面半円状に形成し、サンプルの注入に伴って自重変形したメンブレン層と凹陥部との接触を通じてサンプル温度の調整を実現する。しかし、この手法の場合、メンブレン層と凹陥部の内周面の全域とが必ずしも密着するとは限らず、サンプル流体との熱交換に支障が出る可能性がある。そこで、本発明は、サンプル流体との間で効率的に熱交換できる生化学カートリッジ用温調機構を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係る生化学カートリッジ用温調機構は、空気圧により変形可能な弾性体であるメンブレンが表面に貼りつけられた生化学カートリッジの装着を想定する。本発明は、上記課題を解決するために、前記生化学カートリッジの装着時に、生化学カートリッジ側に形成された流路の開口端とメンブレンを挟んで対向する反応部形成用の凹構造と、前記凹構造の内周面に設けられる少なくとも１つの空気吸引用の開口と、前記開口に接続された管路とが形成された温調ブロックと、前記管路を通じて前記凹構造から空気を吸引するポンプとを有する。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、温調ブロック側の凹構造に密着させるようにメンブレンを変形させて反応部を形成でき、メンブレン内に保持される反応液の温度を効率的に調整することができる。前述した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施例に係る前処理一体型キャピラリ電気泳動装置の構成例を示す図。

【図2】実施例に係る前処理機構の構成例を示す図。

【図3】実施例に係る反応部前後の構成を説明する図。

【図4】実施例に係る温調機構の概略的な平面構成を説明する図。

【図5】実施例に係る反応ウェルとその周辺の構成例を説明する拡大図。

【図6】実施例に係る温調機構のA-A’断面図。

【図7】実施例に係る温調機構のB-B’断面図。

【図8】実施例に係る温調部への送液方法の一例を示すフローチャート。

【図9】実施例に係る温調部への送液を説明する図。

【図10】実施例に係る温調部への送液方法の一例を示すフローチャート。

【図11】実施例に係る温調部への送液方法の一例を示すフローチャート。

【図12】実施例に係る温調部からの送液を説明する図。

【図13】実施例２に係る温調機構の構成を説明する図。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。なお、本発明の実施の態様は、後述する実施例に限定されるものではなく、その技術思想の範囲において、種々の変形が可能である。

【0012】

〔実施例１〕
（装置の全体構成）
本実施例では、生化学処理装置の一例として、DNAの解析に使用される前処理一体型キャピラリ電気泳動装置について説明する。図１に、前処理一体型キャピラリ電気泳動装置１の構成例を示す。前処理一体型キャピラリ電気泳動装置１は、前処理部２と分析部３で構成される。前処理部２は、反応液からDNAを抽出して増幅する前処理を実行し、分析部３は、前処理部２で処理されたDNAをキャピラリ電気泳動により分析する。前処理部２の詳細構成については後述する。分析部３は、キャピラリ５と、検出部６と、オーブン８と、高圧電源９を有する。

【0013】

前処理一体型キャピラリ電気泳動装置１は、前処理の終了後、オートサンプラ４を通じて前処理部２を水平方向に駆動し、前処理部２の流路の一端を分析部３のキャピラリ５の一端と接続する。キャピラリ５にはポリマが充填されており、オーブン８により一定温度に保持されている。キャピラリ５の接続後、分析部３は、その両端部に高圧電源９により高電圧を印加してキャピラリ内に導入されたDNA検体を電気泳動し、検出部６において蛍光分析する。

【0014】

（前処理部の構成）
図２に、前処理部２の構成例を示す。前処理部２は、送液機構１２と温調機構１３とを有している。図２の前処理部２には、マイクロ流体デバイスとしてのカートリッジ１１が装着された状態を表している。平板状のカートリッジ１１には、メンブレンで外界から密閉された流路が形成され、当該流路内でDNAの抽出から増幅までの生化学的な処理が実行される。送液機構１２は、前述のカートリッジ１１を支持する支持面（載置面）と、カートリッジ１１に形成された流路を通じ、サンプルや試薬等の流体を送液する機構（図１のポンプ７を含む。）とを有する。温調機構１３は、例えばペルチェ素子で構成され、カートリッジ１１内の流体をPCRに適した温度に制御する。

【0015】

図３に、装着状態におけるカートリッジ１１と前処理部２の断面構造を示す。カートリッジ１１には、各処理に用いる試薬を封入するウェル２４ａと、ウェル２４ａからPCRを行う反応部に試薬を送液するための狭流路２３ａと、反応部から反応液をウェル２４ｂに送液するための狭流路２３ｂとが形成されている。

【0016】

カートリッジ１１の下面（前処理部２に装着される面）には、空気圧により変形可能な弾性体であるメンブレン２１が貼り付けられている。なお、メンブレン２１は、少なくともウェル２４ａの開口と狭流路２３ａの一方の開口間、狭流路２３ａの他方の開口と狭流路２３ｂの一方の開口間、狭流路２３ｂの他方の開口とウェル２４ｂの開口間を連結して流路を形成できるように貼り付けられていれば良い。後述するように、メンブレン２１が、送液機構１２の支持面（載置面）に形成された送液流路溝２２ａ、２２ｂや反応部の外形を規定する溝（後述の反応ウェル３４）に沿って変形することにより、送液のための流路や反応部を形成する。すなわち、カートリッジ１１内の反応液は、メンブレン２１の変形により形成される流路を通ってウェル２４ａからウェル２４ｂに送液される。つまり、カートリッジ１１を用いれば、外気とのコンタミネーションを無くした状態で反応液の送液と反応を行うことができる。

【0017】

カートリッジ１１は、例えば熱及び薬品の両方に耐性を有するポリカーボネート樹脂（PC）、ポリプロピレン樹脂（PP）、シクロオリフィン系樹脂（COP）等の材料で構成される。また、メンブレン２１は、シリコンゴム、エチレンプロピレンジエンゴム（EPDM）、ブチルゴムなどのゴム材、エラストマー材等の材料で構成される。さらに、蒸発を極力防いで安定した分析を行うため、メンブレン２１には、水蒸気透過性及びガス透過性が共に低い材料を使用する。例えばガス透過性が、20cc・cm/cm^２・sec・atm以下の材質のメンブレンを使用する。

【0018】

一方、送液機構１２には、カートリッジ１１の構造に合わせた溝構造の送液流路溝２２ａ及び２２ｂと、空気圧によりメンブレン２１を流路の形状に変形させる吸引口２５及び加圧口２６が設けられている。吸引口２５及び加圧口２６は、接続部（図示せず）と配管チューブを介し、空気圧を制御するポンプ７（図１）に接続されている。接続部には、三方弁等の切換え弁が配置されており、前記切換え弁の開閉を通じて吸引口２５や加圧口２６に対する空気の印加タイミングを制御する。本実施例で使用されるポンプ７は、例えばダイヤフラム型もしくはロータリー型エアポンプであり、−1MPa〜1MPaを発生することができる。

【0019】

送液の方式について、図３を用いて説明する。送液流路溝２２ａとメンブレン２１で囲まれた空間の空気を吸引口２５から吸引すると、メンブレン２１は送液流路溝２２ａの表面に沿うように変形し、ウェル２４ａと連結する送液流路が形成される。このように形成された送液流路溝２２ａに、ウェル２４ａから反応液が導入される。これに対し、加圧口２６よりメンブレン２１と送液流路溝２２ａの間に空気を導入すると、メンブレン２１は押し上げられ、カートリッジ１１の下面に密着した状態に戻る。結果的に、送液流路溝２２ａ内に導入された反応液は、狭流路２３ａを通って反応部へと送液される。

【0020】

反応部が形成される位置には、温調機構１３が配置される。温調機構１３は、温調ブロック３２と、加熱冷却装置５１と、放熱ブロック５２で構成される。温調機構１３は、２つの送液機構１２の間に配置されており、放熱ブロック５２に取り付けられたヒートシンク５３（図６）を通じて放熱する。

【0021】

（温調ブロックの構成）
図４に、カートリッジ１１の装着面の側から見た温調ブロック３２の構造を透視図として示す。図４に示すように、温調ブロック３２には、反応ウェル３４、断熱材３５、加圧吸引用路３６、加圧吸引用継ぎ手３１、温度センサ３３が配置される。図４の場合、温調ブロック３２の表面には、反応部の外形を規定する溝（反応ウェル３４）が８個形成される。反応ウェル３４の個数は、装着するカートリッジ１１の個数に応じて定まる。本実施例に係る温調ブロック３２では、８個のカートリッジ１１について加熱処理と冷却処理を同時並列的に実行することができる。

【0022】

本実施例の場合、反応ウェル３４は、カートリッジ１１の装着面から見て、図５に示すように六角形状に形成される。もっとも、反応ウェル３４の形状は、六角形状に限らず、その他の形状（例えば長方形、円形、楕円）でも良い。本実施例の場合、６つの頂角のうち対向位置の２つの頂点位置に、反応ウェル３４内の空気圧制御用の加圧吸引口４１ａ、４１ｂが計１６個配置される。なお、加圧吸引口４１ａ及び４１ｂは、図３に示すように、狭流路２３ａ及び２３ｂの開口付近に配置する。

【0023】

本実施例の場合、加圧吸引口４１ａ及び４１ｂを通じて反応ウェル３４内の空気を吸引することにより、対応位置のメンブレン２１を反応ウェル３４の表面形状に沿って変形させることができる。この変形により、反応部が形成される。

【0024】

図４の場合、同じ頂点側に位置する４個の加圧吸引口４１ａ、４１ｂに対し、放熱ブロック５２の内部に形成された各１本の加圧吸引用路３６が接続される。４本の加圧吸引口４１ａ、４１ｂには、それぞれ加圧吸引用継ぎ手３１が接続される。加圧吸引用継ぎ手３１には、二方弁、三方弁等の弁を通じてポンプ７（図１）が接続される。これらの弁を適切に制御することにより、同じ加圧吸引口４１を用いながら、反応ウェル３４を加圧又は減圧（吸引）することができる。ポンプ７の動作は不図示の制御部により制御される。本実施例の場合、放熱ブロック３２と加圧吸引用継ぎ手３１の間には樹脂製のアダプタ（不図示）が接続される。放熱ブロック３２から加圧吸引用継ぎ手３１への放熱を少なくするためである。８個の反応ウェル３４の外周には断熱材３５が取り囲むように配置される。８個の反応ウェル３４の温度を均一に保つためである。

【0025】

図６及び図７に、図４に示す温調ブロック３２のA-A断面及びB-B断面を示す。図６に示すように、温度センサ３３は、直線状に配列された８個の反応ウェル３４の反応温度の測定用に、反応ウェル３４の下部に配置される。本実施例の場合、温度センサ３３は３つ配置される。もっとも、温度センサ３３の数は、２個以下でも４個以上でも良い。本実施例の場合、温度センサ３３の数は、加熱冷却装置５１の数に応じて設けられている。測定温度に応じて各加熱冷却装置５１をフィードバック制御するためである。

【0026】

断熱材３５は、図６に示すように、温調ブロック３２の側面部にも貼り付けられる。温調ブロック３２の側面部にも断熱材３５を貼り付けることにより、温調ブロック３２の側面からの放熱を防ぐことができる。

【0027】

図６及び図７に示すように、放熱ブロック５２は、その下方位置に配置される空冷ファン５４からの風が直接当たないように配置する。ちなみに、空冷ファン５４の風は、放熱ブロック５２の下面に取り付けられたヒートシンク５３に直接当るように設定される。

【0028】

ここで、反応ウェル３４の断面構造について説明する。図６及び図７に示すように、反応ウェル３４の断面形状は矩形形状であり、送液方向の長さに比して、溝の高さ（重力方向の厚み）が小さい構造を有している。溝の高さを低くすることで反応液の熱抵抗が小さくなり、反応液の上面側と下面側との間で温度差が生じ難くなる。

【0029】

なお、前述した特許文献１の場合には、反応ウェル３４に相当する凹陥部が断面半円状に形成されており、送液方向の長さに比例して溝が深くなり、凹陥部の上面側の反応液と底面側の反応液との間で温度差が生じ易い。

【0030】

このように、本実施例に係る反応ウェル３４は、従来構造に比して格段に薄型化できるため、より正確な温度調整が可能となる。また、本実施例の場合、反応ウェル３４を薄型化できるため、温調ブロック３２の薄型化も実現できる。

【0031】

因みに、温調ブロック３２には、一定以上の剛性を持ち、熱伝導性がよく、比熱が小さい材質（例えばアルミニウム合金、銅、真鍮等）の部材を用いる。もちろん、温調ブロック３２の温度を素早く変化させるためには、温調ブロック３２の熱容量はなるべく小さく抑えることが望ましい。このため、本実施例の温調ブロック３２では、反応ウェル３４及び温度センサ３３を挿入する部分以外の部位を必要に応じて肉抜きした構造を採用し、ブロック自身の熱容量を小さくする。

【0032】

温調機構１３の加熱冷却装置５１には、公知の装置を使用する。本実施例の場合、加熱と冷却の両方が可能なペルチェ素子を使用する。加熱冷却装置５１は、温調ブロック３２の大きさや形状に合わせ、１つ又は複数個配置する。もっとも、用途によっては、加熱源と冷却源をそれぞれ配置する又はどちらか一方のみを配置しても良い。

【0033】

温調ブロック３２に備えられている温度センサ３３は、温調機構１３に備える加熱冷却装置５１の個数及び温調ブロック３２の大きさや形状に応じて１つ又は複数個備える。本実施例では、それぞれ３個の温度センサ３３と加熱冷却装置５１を設ける。温度センサ３３には、白金電極、サーミスタ、測温抵抗体を用いることができ、加熱冷却装置５１には、ペルチェ素子を利用できる。

【0034】

図７に示すように、温度センサ３３及び加熱冷却装置５１は、温度制御基板６１に接続されている。各温度センサ３３からの検出信号は、温度制御基板６１に入力される。温度制御基板６１は、演算結果に基づいて制御信号を各加熱冷却装置５１に送信し、その温度を制御する。温度制御基板６１は、温度制御に必要な素子（例えばメモリ、CPU、加熱冷却装置５１のオン（ON）／オフ（OFF）制御に必要な回路等）を備えている。

【0035】

加熱又は冷却の際には、温度制御基板６１は、それぞれ対応する一対又は備えられている温度センサ３３の全ての測定値に基づいて加熱冷却装置５１をフィードバック制御する。本実施例では、各ペルチェ素子の加熱冷却性能が15W以上を用いることにより、温調ブロック３２の温度を、3℃/sec以上の速度で変化させる。

【0036】

複数の加熱冷却装置５１をそれぞれ独立に制御することにより、温調ブロック３２に温度のローカリティが生じ難くなる。

【0037】

（反応部への送液動作１）
カートリッジ１１内の流体を温調制御される反応部に送液する動作は、送液機構１２の送液流路溝２２ａ及び温調ブロック３２に形成された加圧吸引機構（加圧吸引用路３６、加圧吸引口４１ａ、４１ｂ、加圧吸引用継ぎ手３１）とポンプ７の協働制御を通じて実行される。前述したように、反応部は、反応ウェル３４の形状に沿って作成される。
図８に、反応部への送液動作の一例を示す。

【0038】

［ステップ101］
送液開始前、メンブレン２１は、図９(ａ)に示すように、カートリッジ１１の表面に貼りついている。メンブレン２１と反応ウェル３４の間は空気で満たされている。この状態で、送液流路溝２２ａに加圧口２６から空気を加圧導入すると、送液流路溝２２ａのメンブレン２１に保持されていた液体が反応ウェル３４と対面する領域のメンブレン２１へ押し出される。この結果、反応ウェル３４側のメンブレン２１は送液の圧力により図９（ｂ）に示すように伸長され、膨らんでいく。

【0039】

［ステップ102、103、104］
前処理一体型キャピラリ電気泳動装置の全体動作を管理する不図示の制御装置（以下「全体制御部」という）は、この際の送液量を確認し、送液量が一定量以上であれば（本実施例では15μｌ以上であれば）、ポンプ７を駆動制御し、液体の流入口に近い側の加圧吸引口４１ａから反応ウェル３４内の空気の吸引（排気）を開始する。

【0040】

［ステップ105］
全体制御部は、加圧吸引口４１ａからの吸引を維持しつつ、送液流路溝２２ａからの送液を続行する。一定量以上の送液が実行されると、図９（ｃ）に示すように、吸引を行っている方のメンブレン２１が反応ウェル３４の内壁面（すなわち、温調ブロック３２）と密着した状態になる。特に、断面の形状が矩形である薄型の反応ウェル３４の場合には、従来装置のように流体の自重による送液だけの場合には角部に空気だまりが形成されて密着度が低下する可能性が高いが、本実施例では角部まで確実に密着させることができる。

【0041】

［ステップ106、107、108］
全体制御部は、この際の送液量を確認し、送液量が一定量以上であれば（本実施例では20μｌ以上であれば）、液体の流入口から遠い側の加圧吸引口４１ｂから反応ウェル３４内の空気の吸引（排気）を開始する。

【0042】

［ステップ109、110、111］
全体制御部は、加圧吸引口４１ａ及び４１ｂの両方からの吸引を維持しつつ、さらに送液流路溝２２ａからの送液を続行する。さらに一定量以上の送液が実行されると、図９（ｄ）に示すように、温調ブロック３２とのメンブレンの間の空気は加圧吸引口から吸引され、メンブレン２１が反応ウェル３４の内壁面（すなわち、温調ブロック３２）の全体と密着した反応部が形成される。

【0043】

なお、本実施例の場合には、メンブレン２１によって形成される反応部は、反応ウェル３４の形状以上には膨張できないため、仮に送液量が一定量以上になった場合でも、温調機構１２によって温度制御を行う液量を一定量に制限することができる。

【0044】

［ステップ111、112、113、114］
送液流路溝２２ａからの送液量が規定量（本実施例では25μｌ以上）になると、全体制御部は送液を終了制御し、その後、加圧吸引口４１ａ及び４１ｂからの吸引も終了して温調処理（加熱及び冷却）を開始する。図９では、温調開始前に吸引も終了しているが、温調中も吸引を継続しても良い。

【0045】

図９(ｅ)に示すように、本実施例では、メンブレン２１が、温調ブロック３２に強固に（隙間なく）密着されるため、メンブレン２１と温調ブロック３２間の接触熱抵抗が小さくなり、温調ブロック３２からメンブレン２１を介して反応液７１に効率良く熱を供給もしくは除去が行える。例えば反応液25μｌに対して、3℃/sec以上の速度で変化させることができる。

【0046】

（反応部への送液動作２）
ところで、反応部を形成する動作（反応部への送液動作）は、図８に示す吸引タイミングに限らない。例えば図１０に示す吸引タイミングのように、予め反応部を形成した後に送液を開始することもできる。

【0047】

［ステップ201、202］
この場合、全体制御部は、送液流路溝２２ａからの送液を開始する前に、一定時間（本実施例の場合、10sec）、反応ウェル３４に形成された加圧吸引口４１ａから空気を吸引し、予めメンブレン２１を部分的に膨らませておく。換言すると、メンブレン２１を、加圧吸引口４１ａ側の反応ウェル３４の内壁に密着させるように変形する。

【0048】

［ステップ203］
その後、全体制御部はポンプ７を制御して、反応ウェル３４の上流側に位置する送液流路溝２２ａの加圧口２６から空気を導入し、送液流路溝２２ａのメンブレン２１に保持されていた液体を反応ウェル３４側のメンブレン２１へ送液する。

【0049】

［ステップ204、205、206］
全体制御部は、この際の送液量を確認し、送液量が一定量以上（本実施例では15μｌ以上）であれば、液体の流入口から遠い側の加圧吸引口４１ｂから反応ウェル３４内の空気の吸引（排気）を開始する。

【0050】

［ステップ207］
ここで、全体制御部は、加圧吸引口４１ｂからの吸引を一定時間（本実施例の場合、10sec）実行し、メンブレン２１を膨らませて反応部を完成させる。具体的には、メンブレン２１を、加圧吸引口４１ｂ側の反応ウェル３４の内壁全体に密着させる。

【0051】

［ステップ208、209、210］
この後、全体制御部はポンプ７を制御して、反応ウェル３４の上流側に位置する送液流路溝２２ａの加圧口２６に対する空気の導入を再開し、送液流路溝２２ａのメンブレン２１に保持されていた液体を反応ウェル３４側のメンブレン２１へ送液する。

【0052】

［ステップ211、212］
送液流路溝２２ａからの送液量が規定量（本実施例では25μｌ以上）になると、全体制御部は送液を終了制御し、温調処理（加熱及び冷却）を開始する。

【0053】

（反応部への送液動作３）
この他、図１１に示す吸引タイミングを用い、反応部を形成する（反応部への送液する）こともできる。図１１では、送液流路溝２２ａからの送液と反応ウェル３４内の吸引とを同時に実行する手法を説明する。

【0054】

［ステップ301］
この場合、全体制御部は、送液流路溝２２ａに加圧口２６から空気を加圧導入して流体を送液する処理と、反応ウェル３４に形成された加圧吸引口４１ａ及び４１ｂから空気を吸引して反応部を形成する処理とを同時に開始する。

【0055】

［ステップ302、303、304］
全体制御部は、送液量を確認し、送液量が一定量以上（本実施例では25μｌ以上）であれば、送液を終了する。図１１の場合、温調ブロック３２に密着した反応部がほぼ同時に終了する。図１１の場合、送液の終了後も、加圧吸引口４１ａ及び４１ｂの両方からの空気の吸引は継続する。なお、前述した吸引タイミング例と同様に、送液の終了時点でメンブレン２１と温調ブロック３２との密着が確保されている場合には、この時点で、加圧吸引口４１ａ及び４１ｂの両方からの吸引を終了しても良い。

【0056】

［ステップ305、306、307］
全体制御部は、温調処理（加熱及び冷却）を開始し、温度センサ３３により反応ウェル３４内の液体の温度が90℃以上になったことが確認されると、加圧吸引口４１ａ及び４１ｂの両方からの空気の吸引を終了する。図１１では、加熱する場合だけを想定しているが、勿論、所定温度まで反応ウェル３４内の液体の温度を冷却する処理も実行する。

【0057】

（反応部からの送液動作）
図１２（ａ）に、反応ウェル３４での反応処理が終了した時点における反応部の状態を示す。この時点では、反応ウェル３４に密着したメンブレン２１内に流体が満たされている。次に、全体制御部は、反応ウェル３４の下流側に位置する送液流路溝２２ｂの吸引口２５から空気を吸引し、送液流路溝２２ｂに対向する位置のメンブレン２１を引き下げる（膨張させる）。これにより、反応ウェル３４側のメンブレン２１に保持されていた流体は送液流路溝２２ｂの側に吸い出される。同時に、全体制御部は、反応ウェル３４内に形成された加圧吸引口４１ａ及び４１ｂに空気を導入する（加圧する）。この状態を図１２（ｂ）に示す。なお、反応ウェル３４に対する空気の導入は、加圧吸引口４１ａ及び４１ｂの両方である必要はなく、いずれか一方だけでも良い。いずれにしても、反応ウェル３４内に空気を導入して加圧し、メンブレン２１を押し上げるように変形することにより、メンブレン２１がカートリッジ１１の表面に密着した状態に確実に戻る。すなわち、反応部から反応液を確実に排出できる。この結果、送液流路溝２２ｂからの吸い出しだけによる送液に比べ、確実かつ短時間のうちに送液することができる。

【0058】

〔実施例２〕
前述の実施例では、断熱材３５を反応ウェル３４を取り囲むように配置し（すなわち、断熱材３５を温調ブロック３２の側面全体に亘って配置し）、反応部から外部への放熱を少なくする手法について説明した。さらに、放熱量を少なくするためには、カートリッジ１１の本体のうち反応部の形成領域に対向する部分を他の部分に比べて薄くし、薄くした部分に断熱材３５を設置しても良い。このような構造を採用すれば、反応部の上面側からカートリッジ１１への放熱を一段と少なくすることができる。

【0059】

より積極的には、断熱材だけではなく、加熱装置または加熱冷却装置を反応部と対向する領域部分に設置しても良い。反応部の上面から加熱又は加熱冷却すれば、反応液の温度変化を一段と速めることができる。図１３に、カートリッジ１１の上面側に加熱装置６２を設置する例を示す。図１３では、カートリッジ１１のうち反応部と対向する部分に空気層６３を形成し、断熱効果も高めている。もっとも、空気層６３を有しない構造のカートリッジ１１の上面に加熱装置６２を直接接触させても良い。なお、加熱装置６２をカートリッジ１１の表面に直接接触させる場合には、加熱装置６２の設定温度は目標加熱温度に一致させることが望ましい。なお、図１３に示すように、加熱装置６２と反応部の間に空気層６３を挟む場合には、目標加熱温度よりも高い温度に設定することで、間に挟んだ空気の層を十分に加熱する必要がある。

【0060】

冷却時には、加熱装置６２の加熱を停止する又は加熱装置６２をカートリッジ１１の上面から取り外す等の処理や動作を実行する。

【0061】

ところで、本実施例のように、カートリッジ１１の上面に加熱装置６２（ここでは加熱冷却装置も含む）を設ける場合には、加熱装置６２の制御を、温調機構１３内の加熱冷却機構の加熱及び又は冷却の制御と同期させることが望ましい。反応部の上面側からと下面側からの両方から熱交換を実行すれば、反応液の温度変化がさらに促進され、反応液の上面と下面での温度差がより生じ難くなる。

【0062】

（他の実施例）
本発明は上述した実施例に限定されるものでなく、様々な変形例を含んでいる。例えば加圧吸引口４１ａ及び４１ｂを断面矩形の反応ウェル３４の底面に設けているが、側面と底面が形成するコーナー付近であれば任意の位置、例えば側面、底面、隅のいずれにも設けることができる。また、前述の実施例では、加圧吸引口４１ａ及び４１ｂのいずれもが、加圧だけでなく吸引にも使用できる場合について説明したが、反応ウェル３４内に加圧専用の開口と吸引専用の開口を設け、温調ブロック３２内に加圧専用の管と吸引専用の管を設けても良い。例えば加圧吸引口４１ａとその接続管を吸引専用とし、加圧吸引口４１ｂとその接続管を加圧専用として用いても良い。

【0063】

また、前述の実施例では、反応ウェル３４の断面形状が矩形形状である場合について説明したが、必ずしも矩形形状でなくても良い。例えばコーナー部に丸みを有していても良いし、反応ウェル３４の送液方向の断面形状が楕円形状でも良い。

【0064】

また、上述した実施例は、本発明を分かりやすく説明するために、一部の実施例について詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備える必要は無い。また、ある実施例の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成を追加、削除又は置換することも可能である。

【符号の説明】

【0065】

１：前処理一体型キャピラリ電気泳動装置
２：前処理部
３：分析部
４：オートサンプラ
５：キャピラリ
６：検出部
７：ポンプ
８：オーブン
９：高圧電源
１１：カートリッジ
１２：送液機構
１３：温調機構
２１：メンブレン
２２ａ、２２ｂ：送液流路溝
２３ａ、２３ｂ：狭流路
２４ａ、２４ｂ：ウェル
２５：吸引口
２６：加圧口
３１：加圧吸引用継ぎ手
３２：温調ブロック
３３：温度センサ
３４：反応ウェル
３５：断熱材
３６：加圧吸引用路
４１ａ、４１ｂ：加圧吸引口
５１：加熱冷却装置
５２：放熱ブロック
５３：ヒートシンク
５４：空冷ファン
５５：放熱部
６１：温度制御基板
６２：加熱装置
６３：空気層
７１：反応液

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】