JPH073430B2 - 自動式化学装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は自動式化学装置に関するものである。

近年、自動式化学装置は、熟練操作員の経費を削減する
必要性およびこれら操作員による変動および誤差を除く
必要性から、分析の分野において相当な研究の課題とな
っており、熟練者は日常の化学処理を自動的に行なうよ
う努力している。さらに、処理を迅速にして操作時間を
節減すると共に、結果をより迅速に活用する必要があ
る。特に、反応用の容器を移動させ、気泡を吸引し、或
いは遠心力を作用させて試薬をチューブ内に移動させる
べき諸装置に対して、コンベア、回転テーブルおよび振
とう用テーブルなど多くの機構および技術が提案されて
いる。数10年にわたる広範囲の研究の明らかな結論は、
どんな所与の化学分析処理における自動的操作も、多く
の思考および実験なしには到達されないことを示し、一
般に幾つかの科学的原理の知識および経験を個人でもグ
ループでも必要とする。

DNAを配列決定する技術は、関与する塩基対の個数が著
しく多くかつ各段階において完全な精度を必要とするた
め相当な問題を提起する。DNA分子に含まれる情報量は
莫大であり、分子に含まれるデータを決定しかつこれを
コンピュータに入力するにも数年間の作業を要する。

DNAの配列決定技術においては、各種のDNA分子を生成さ
せるべく、極微量の試薬を多くの試験で取り扱う。経済
的理由で微少量を使用する必要があり、さらに化学的処
理は測定量の各試薬を特定の順序でかつ適時化された中
間的反応間隔で混合することを必要とする。

本発明の目的は、DNA配列決定等の化学的分析における
マイクロリットル容量の極微少量の試薬の付着、混合、
測定及び分析に適した自動式化学装置を提供することで
ある。

本発明によれば、前述の目的は、回転自在な反応表面
と、実質的に反応表面の半径方向に伸長する少なくとも
１つの試薬通路と、反応表面を支持し且つ少なくとも第
１の速度及び第１の速度より速い第２の速度で回転させ
る手段と、試薬を供給するための試薬供給手段と、試薬
通路上に選択された所定のマイクロリットル量の試薬を
夫々前述の半径方向に所定の距離だけ離間させて接触に
より付着させる手段とを備えた自動式化学装置であっ
て、試薬通路の夫々が、試薬通路の前述の半径方向にお
ける外側端部に設けられた反応キャビティーと、反応表
面が回転する際に前述の付着されたマイクロリットル量
の試薬を試薬通路に沿って拘束すべく、試薬通路の少な
くとも一方の側部に設けられた試薬の拘束手段とを有
し、反応表面を第２の速度で回転させることによって前
述の付着されたマイクロリットル量の試薬を試薬通路に
沿って移動させ、試薬を混合する自動式化学装置によっ
て達成される。

本発明の自動式化学装置によれば、試薬を付着させる手
段が、試薬を接触により試薬通路上に付着させるように
構成されているため、マイクロリットル量の極微量の試
薬を試薬通路上に適切に供給することができ、極微少量
の試薬を使用して、DNA配列決定等の化学的分析及び測
定を効率良く行うことができる。更に、試薬通路の夫々
が、試薬通路の前述の半径方向における外側端部に設け
られた反応キャビティーと、反応表面が回転する際に前
述の付着されたマイクロリットル量の試薬を試薬通路に
沿って拘束すべく、試薬通路の少なくとも一方の側部に
設けられた試薬の拘束手段とを有しているため、反応表
面を回転させることにより試薬通路上に付着したマイク
ロリットル量の試薬を試薬通路に沿って移動させる際
に、試薬の拘束手段により試薬を試薬通路に沿って確実
に拘束し得、その結果、マイクロリットル量の極微少量
の試薬を所望の条件に従って適切に混合し得、更に混合
された極微少量の試薬を反応キャビティーに確実に供給
し得る。即ち、DNA配列決定等の化学的分析におけるマ
イクロリットル容量の極微少量の試薬の付着、混合、測
定及び分析に適した自動式化学装置を提供し得る。

本発明の自動式化学装置は、DNA配列決定の化学的技術
に特に適している。

試薬量は各試薬につき１〜５μｌとすることができる。

表面は、半径方向に溝部を設けたまたは隆起させたプレ
ートとして、溝部の離間部分に試薬を収容することがで
きる。

極微少量の試薬を移動させかつ／または表面との接触に
より調節量の試薬を混入させることができる。

本発明の１特徴によれば、装置は回転自在な試薬貯蔵部
と、回転自在な反応表面と、この貯蔵部からの選択され
た試薬を反応表面上にこの表面との接触により夫々の選
択された位置に付着させる手段と、反応表面上の半径方
向の試薬通路とを備え、反応表面を第１の速度および少
なくとも第１の速度より速い第２の速度にて回転させる
ように支持すると共に、試薬を試薬通路に沿って拘束し
て、第２の速度で反応表面を回転させることにより試薬
を混合させ、さらに該装置が試薬貯蔵部、反応表面を回
転させる手段及び試薬を付着させる手段とを駆動するた
めの駆動手段と、試薬の所望の選択的移動を生ぜしめる
よう駆動手段を制御する制御手段とを備え、制御手段は
さらに第２の速度にて反応表面を回転させて試薬を混合
し、かつ次いで他の試薬をさらに混合させるべく反応表
面へ選択的に供給するよう設定し、かつ操作しうること
を特徴とする、自動制御下に化学反応を行なうための装
置が提供される。

さらに本発明によれば、マイクロリットル量の試薬によ
り化学反応を行なう方法が提供される。

反応表面は、特定方式における移動が付着試薬を制御さ
れた方式で移動させるような形状とすることができる。

たとえば、不活性材料からなる円盤状の反応表面は少な
くとも１個のほぼ半径方向の溝部を備えて、この反応表
面の回転に際し溝部に沿って付着した試薬が反応表面の
回転により発生する力により混合しかつ反応するように
することができる。

便宜的には、所定時間間隔で試薬を添加する一連の反応
が必要とされるならば、早期の試薬を反応表面の中心か
ら離間させて付着させかつ後期の試薬を既に付着された
試薬の内側に付着させて、試薬を付着させる手段が他の
試薬により汚染されるのを防止すると共に、反応表面の
回転が最も遅い試薬を移動させるまで反応を開始させな
いようにすることができる。

円盤状または他の反応表面に、使用に先立って試薬を準
備しかつ装置から離れた適当な冷却個所に貯蔵して試薬
を保存することができる。

この装置は、試薬供給源に保持された試薬の温度を調節
する温度調整手段を備えることができる。これは加熱ま
たは冷却を与える手段を備えたり、或いはたとえば水性
尿素またはドライアイス／有機溶剤混合物のような冷却
混合物を含有する手段とすることができる。たとえばペ
ルチエ効果のような電気的または電子的加熱および冷却
も使用することができる。さらに、反応領域および表面
の温度は、全体的にまたは局部的に調節することもでき
る。

駆動手段を制御して、試薬を付着させる手段を反応表面
上の半径方向通路における異なる特定個所まで移動さ
せ、試薬の付着を順次行なうこともできる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施例について説明
する。

各種の自動式化学装置が周知されている。この種の１つ
の装置はGEMSAECであって文献中に広く記載されてお
り、迅速化学分析研究のためノーマン・アンダーソン
（Norman Anderson）の指導の下にオーク・リッジ・ラ
ボラトリー（Oak Ridge Labratory）において1969年頃
考案され、光学測定結果を使用する迅速分析法である。
GEMSAECの本質的特徴は、試薬および試料のための垂直
または傾斜した穴部を収容するのに充分な厚さの回転テ
ーブルであった。300μｌ（0.3ml）までの試薬とこの試
薬に反応させる１μｌ程度に少ない試料とを保持する穴
部が必要であると記されている。これら穴部は、試薬と
試料とが流動しかつ混合し得ないよう堰により分離され
ている。これらの穴部は半径方向のラインに沿って配置
され、このラインの外側端部には光学検査用のチャンバ
を備える。このチャンバは、回転自在な材料を介し最も
近接した穴に至る孔により形成されたチューブで連結さ
れる。操作に際し、ラインの最も内側の穴部における最
大量の試薬を、充分急速な回転テーブルの回転により次
の外側穴部まで堰を超えて移動させることができる。試
薬を試料と混合し、また混合物を孔を通してチャンバま
で移動させる。この孔は、充分な混合を保証する。チャ
ンバ内に入ると、必要に応じての観察下で化学反応が進
行する。

第２図は、本発明を実施する反応表面２を示している。
たとえばPTFEのような素材の薄い円形スラブ20をその中
心の周りに回転するのに適するよう作製し、かつこの表
面にたとえば参照記号21で示したような試薬通路として
の溝部を形成して反応領域を設ける。さらに、外周溝部
25をも設ける。スラブは直径約20cmでまた厚さは1cmで
ある。これら溝部は、断面において平滑かつ規則的であ
る。図示したように、24本の溝部21が４本づつの６のグ
ループとして存在する。これら溝部21は約5mmの幅を有
する。より多くの溝部21、たとえば50本の溝部21を４本
づつの12群および２本の直径方向に対向するブランク溝
部として使用することもできる。図示した実施例におい
て、溝部21は最初に半径方向に伸び、次いで各溝部21の
外側端部にてそれぞれ近接離間した反応キャビティーと
しての凹部22まで集束し、これら凹部22は直線的に配置
される。この配置は必須ではないが、編成した４プロー
ブの液体マイクロプローブが容易に得られかつこれらを
使用して反応薬品を抽出しうるので便利である。他の配
置も使用しうるが、溝部21の内側部分は好ましくは半径
方向である。溝部21の形状は、回転速度が変化した際に
試薬または試料が側方へ逃げるのを防止せねばならな
い。半径方向の形状に関する重要な理由は、試薬の正確
な付着を容易化することである。参照記号23で示した４
個の点は、試薬または試料を付着して中心の周りに表面
２が回転するに際しさらに移動するよう付着し続ける４
個の個々の位置を示し、次いでこれら試薬もしくは試料
は混合しかつ相互作用して各凹部22に到る。必要に応
じ、より多くの位置を使用しうることは明らかである。
中心に近い位置は、早期に付着した試薬もしくは試料が
回転により混合される際、試薬を付着させる手段が汚染
されるのを防止するのに使用することができる。任意の
適当なマイクロリットル量を供給し得る装置を使用しう
るが、アームを所定の増分だけスラブ20の半径に沿って
移動させるように調節して各位置23にマイクロリットル
量の各試薬もしくは試料を付着させうるようなものを使
用するのが特に便利である。これは一般的な供給装置を
与える。

使用に際し、試薬を離間位置においてプローブの円盤状
の反応表面２との間の接触により付着させて試薬相互間
の汚染を防止し、次いでスラブ20を約30秒間にわたり約
1700rpmにて回転させ、試薬を凹部22に移動させると共
に混合させる。次いで、これら試薬を室温（約18℃）に
約15分間放置して反応を完結させる。必要に応じ、混合
のためのスラブ20の回転の後、他の試薬を反応時間にわ
たり所定時間間隔で付着させて、スラブ20の短時間の急
速回転により凹部22へ移動させる。次いで、それぞれの
場合に凹部22に蓄積した約10μｌである物質を適当なプ
ローブで取り出して、たとえばゲルにおける電気泳動の
ような他の処理にかける。試薬が反応表面２上に不当に
長時間露出されないよう確保することにより、試薬の蒸
発を最小限にするよう注意せねばならない。密着カバー
（図示せず）を凹部22に嵌着して、内部に試薬を封止す
ると共に蒸発を減少させる。放射性試薬を使用する場
合、噴霧逸散を防止するにはカバーが必要である。

第１図はDNA配列決定において自動的に試薬を取り扱う
ための本発明を実施する完成装置を示している。機械的
および電気的詳細の多くは周知されており、当業者には
明らかであるので説明しない。

ケース１は２個の円形台座10,11を収容し、これら台座
をその各軸線を中心として制御運動するよう支持する。
台座11は第２図に示した反応表面２と実質的に同様であ
り、これにつき後記する。台座10は試薬貯蔵部であっ
て、個々のチューブまたはキャビティーからなる試薬の
供給源を収容し、この台座10は回転により特定位置まで
制御自在に移動させることができる。これら２個の台座
10,11の間には試薬を付着させる手段としてのマイクロ
リットルプローブ13を支持する支持体12が存在する。支
持体12は、プローブ13を台座10および11の中心線上で移
動させるよう配置される。台座11は、プローブ13用のス
ロット17を備えたカバー15を有する。

台座10は任意に適当な形状としうるが、好ましくは試薬
供給源のための温度制御された環境を与えるための温度
調整手段を備える。便宜的には、凍結材料の液化潜熱を
使用して、或る程度の温度調節を与えることができる。
ピクニック箱を冷却するよう市販されている素材の袋が
適しており、台座10を装置内に冷却装置を設ける必要な
しに０℃以下に数時間維持することができる。他の冷却
混合物を使用して、特定の０℃以下の温度範囲にするこ
ともできる。さらに、ペルチェ効果を用いて加熱もしく
は冷却することもできる。加熱および冷却は、台座10お
よび台座11の両者につき選択的に行なわれ得る。

試薬の希釈または予備的混合を、台座11にて行なう付
着、混合および反応の準備に際して台座10で行なうこと
ができる。台座10において、たとえばマイクロリットル
プローブ13により慣用の非接触付着を用いてプローブの
相互汚染を防止することができる。

台座10および11は、目盛付きのステップモータにより第
１の速度で回転操作され、台座10の任意の試薬チューフ
もしくはキャビティーおよび台座11の任意の半径方向溝
部21を支持体12におけるプローブ13の作用線上に到らし
められる。このようにして、台座10からの選択された試
薬を台座11における溝部に沿った適当な個所に載置する
ことができる。

台座10および11並びに支持体12を移動させかつ制御する
方法は容易に理解されるので、これ以上説明しない。

さらに、台座11を第２図を参照して説明したように第２
の速度でより急速に回転させて、試薬を混合すると共に
所望の化学反応を生ぜしめることができる。

マイクロリットルプローブ13を、チューブにより参照記
号16で示した、たとえば正確な注射器を備えるマイクロ
ラブＭ（ハミルトン社）（RTM）のような適当な装置に
取付けて、0.1μｌ程度の少量をも供給する。プローブ
のクリーニング用堰を参照記号14で示す。このクリーニ
ング用堰14は、清浄水を供給してこの堰14を超えて廃水
域に流動させかつ排水するための部分を備える。この部
分に浸漬されたプローブ13は水を置換させながら洗浄さ
れ、プローブ13の汚染を防止する。操作に際し、このプ
ローブ13にクリーニング液を供給する。若干の液体が先
ず放出されてプローブ13の内側を洗浄し、次いでクリー
ニング用堰14に浸漬されたプローブ13は外側が洗浄され
て抜き取られる。次いで、気泡をプローブ13先端中へ引
き込んで、クリーニング液から隔離する。次いで、プロ
ーブ13先端を移動させかつ台座10における試薬中に浸漬
させ、所定量の試薬をプローブ13中の液体および気泡を
吸い上げて集める。約10μｌを集めるのが便利である。
次いで、プローブ13を台座11上へ移動させ、必要に応じ
台座を第１の速度で回転させてプローブ13を溝部21に沿
った所定位置まで半径方向に移動させる。次いで、約２
μｌの試薬を、液体および気泡を前方に押し出してプロ
ーブ13から放出させる。この少量の試薬は液滴を形成す
ることができず、表面２に対するプローブ13の接触によ
り台座11へ移動する。さらに少量の試薬を、台座11上の
別の個所に付着させることができる。代表的には１〜５
μｌの範囲の試薬量も可能であるが、或る用途にはそれ
より少量または多量が必要とされることもある。便利に
は、マイクロプロセッサなどの制御手段の制御の下で適
当な移動順序により、台座11に所要量の試薬を供給す
る。次いで、台座11の第１の速度でのステップ運動を第
２の速度としての高速回転に変化させて、試薬の混合お
よび反応を生ぜしめる。凹部22を傾斜させかつ湾曲させ
て、混合試薬を含有させると共にこれらを集めて容易に
除去することもできる。

正確な速度分布を調節して特定の環境に適合させうる
が、一般に第１の速度としてのステップ速度と第２の速
度としての混合速度との間には一定の速度増大の「傾
斜」を設けるのが望ましい。傾斜が急であり過ぎると、
噴霧として試薬の損失をもたらし、或いは試薬の側方へ
の変位をもたらしたりする。適当な制御を用いれば、初
期の急激な速度増大に続く混合速度への徐々な接近が有
利である。閉鎖ループの制御も有利であろう。

反応表面２上の所定位置における試薬に温度調整手段に
より加熱または冷却を施こすことができ、或いは混合し
て化学反応用の特定温度を与えることもできる。反応の
間に表面２の回転をゆっくり保って混合を促進させると
共に、加熱をも生ぜしめるのが有利である。

その後、反応試薬をさらに処理するため台座11を取り外
し、次いで再使用のため洗浄することもできる。或い
は、たとえばプラスチック整形体のような使い捨てプラ
ットフォームを使用することもできる。適する固定装置
および解除装置は明らかであろう。

プローブ13を反応表面２の洗浄された部分に常に接触さ
せて試薬を付着させれば、プローブは汚染されずかつ洗
浄の要求が減少する。

この装置は便利には５個のステップモータを使用する。
１個は台座11を回転させ、他の１個は台座10を回転させ
る。さらに１個は支持体12を移動させ、かつ他の１個は
プローブ13を支持体12から上下に移動させる。第５のモ
ータ（マイクロラブＭにおけるもの）は、プローブ13か
らの液体を測定しかつ分注する。適当なモータ駆動手段
及び制御手段は容易に考案することができ、かつ適当な
指針を作製してたとえばアプル（Apple）IIe型またはIB
MPC型（RTM）のようなマイクロコンピュータ19に記憶さ
せることができる。反応表面２の正確な位置は、この反
応表面２を駆動軸に固定しかつ目盛ロータを駆動軸に固
定してこのロータに単一の半径方向スロットを設け、指
標位置を与えることにより決定することができる。高速
作動の後にモータが停止すると、モータは指標スロット
がセンサにより検出されてモータを反応表面２と共にプ
ローブ13用の反復自在な反応表面位置で停止させるまで
徐々に移動する。

第３図は、回転自在な反応表面に関する他の２種の代案
を示している。１つの代案においては、スラブ３からな
る反応表面30を試薬の流れを試薬通路としての直線状半
径方向溝部31の反応領域に拘束するよう形成し、これら
溝部31のそれぞれは外側端部に反応キャビティーとして
の小さい凹部32を有する。スラブ３は、上記したと同様
な寸法を有する。第２図に参照記号25で示したような外
周溝部は設けない。何故なら、これはスラブの下の加熱
浴からの水が反応表面上に散って試薬を汚染するのを防
止するためである。直線状の溝部31は矩形断面を有し、
約3mmの幅と２〜３の深さとを有する。試薬の拘束手段
としての溝の側部は急傾斜または垂直であって、試薬を
混合するためスラブ３を回転させる際に溝部31内の試薬
が逸散するのを防止する。

数個の分離した溝部を単一の半径方向に沿って設けるこ
とができ、これを第３図に他の具体例として示し、この
場合溝部33,34,35は単一の半径方向に位置し、各末端凹
部36が互いに分離されている。使用に際し、このスラブ
３は第２の速度として特定速度で１群として回転され、
最初に低速度で離間付着した最外部の組の試薬を混合
し、次いでより高速度にて次の内側の試薬の組を混合さ
せ、以下同様に実施することができる。たとえば500,90
0および1600rpmのような速度が１つの可能な群を形成す
る。正確な値は、スラブの寸法および溝部位置に依存す
ることが明らかである。この種の多重溝部方式は１つの
設定時間ごとに順次に一連の反応を開始させる場合極め
て複雑な操作方式を可能にすることが明らかであり、た
とえば単一工程で複数の試薬を付着させることができ
る。かくして、種々異なる培養時間を要する反応を全て
１度に完結させることができる。勿論、正確な方式は、
化学工程の操作員が装置の有用性により利用しうる施設
から決定する。事前の混合物が反応している間、或いは
培養されている間に、他の組の試薬を装填するのが便利
である。何故なら、反応混合物を攪拌するのにステップ
運動が有益となるからである。加熱作用は凹部に限るべ
きであり、したがって３個のリング状ヒーターをこの具
体例に使用することができる。混合前に試薬が蒸発する
ような加熱を与えてはならない。

凹部22を直線状として４個の群で図示したが、上記した
ようにこれは特定の編成プローブの１例に過ぎず、第３
図においては凹部32および36をスラブ３の中心と同心の
円として位置せしめる。これら凹部の壁部は垂直とし或
いは傾斜させることができる。

試薬を表面の回転に際し反応領域に拘束するような他の
形態の表面も可能である。たとえば複数の凹部に通ずる
表面２上の試薬の拘束手段としての壁部またはリッジの
ような半径方向の隆起部分は、試薬が遠心作用の下で外
側端部にて１つの凹部中へ流入しかつ混合されるように
表面２が加速する際に試薬の流れを拘束する。回転方向
を固定すれば、混合すべき各群の試薬につき１個のみの
壁部、リブまたはリッジが必要とされる。

反応表面２の材料は、注意して選択する必要がある。表
面材料と試薬（その或るものは化学的に極めて活性であ
る）との間の反応が生じないことが肝要である。ポリテ
トラフルオロエチレンが適する材料であるが、特に加工
が容易でなく或いは安価でない。寸法安定性も問題とな
る。有用な他の材料はポリプロピレンであり、これは正
確に加工することができかつクリープ変形しない。化学
作用に耐性をもたせるためシリコーン被覆を使用するこ
ともでき、これによって反応表面２の本体にやや不活性
の材料を使用することもできる。さらに、使い捨て表面
も使用することができ、この場合も必要に応じ被覆を施
す。反応表面２を加熱しまたは冷却すべき場合は、表面
の作成に適する技術を用いることができる。

移動プローブ用洗浄装置の他の形態も可能である。プロ
ーブ13を対応カップに入れかつプローブ13からカップ中
へクリーニング液を噴出させることにより、カップ中で
液体を回動させてプローブ13の外側を洗浄する。放射性
試薬を使用する場合は３回の洗浄が必要とされ、全ての
廃液を適切に処分せねばならない。

他の具体例においては、台座11を４個もしくはそれ以上
のプレートとし、その１個を参照記号４で示し、これを
フレーム（図示せず）上で旋回させる。即ち、フレーム
がこのフレームの軸線を中心として遠心分離器のように
回転する際に旋回するようにする。便利には、正方形ま
たは矩形である各プレート４は１列に配置された反応領
域40を備え、そのそれぞれは凹部42に到る円錐表面41を
備える。第４図は、この列の１つの断面を示している。
円錐表面41は、マイクロリットル量の試薬をそれぞれ離
間させて円錐周囲の４ヶ所に収容することができ、第５
の試薬を凹部42に入れることができる。フレームの回転
により、旋回プレート４は、４種の試薬が凹部42中へ移
動して互いに反応しかつ存在する場合には第５の試薬と
反応するような角度まで旋回する。

典型的には、各反応領域40は直径約9mmのキャビティー4
3であり、これは円錐表面41に到ってキャビティーを直
径約3mmかつ深さ約3mmの凹部42まで減寸させ、この深さ
のうち1mmは閉鎖円錐表面44により形成される。全深さ
は約8mmである。これら領域を、厚さ約15mmかつ128mm×
85mm大のブロック内に近接して離間させる（約12mm中心
間隔）。

第５図は、上記の装置が特に適している特定化学反応の
図式である。

第５図に示したサンガー・チェイン・ターミネータ反応
（Sanger Chain Terminator Reactions）の一般的形式
は周知である。しかしながら、第６図にはその変形を図
示し、これはたとえば上記したような装置に特に適して
いる。特定領域にプライマーを自動的に付着させた反応
表面を作成し、次いでこれを−20℃にて３カ月間貯蔵す
る。次いで鋳型を加え、かつプライマー／鋳型をアニー
ルする。この形態において、反応表面は０℃にて２日間
保たれる。使用に際し、アニールしたプライマー／鋳型
を有する反応表面には組み合わせた適当なジデオキシ／
ゼロミックスを自動的に付着させ、かつ「クレノー」
（Klenow）片と共に放射能標識を加える。これらおよび
その他の工程は全て、染料およびミックスの添加並びに
回転作用に至るまで自動的である。80℃にて15分間手動
で制御し、電気泳動のためゲル上への装填も同様であ
る。しかしながら、これら工程のいずれかまたは両者を
自動化することもできる。

多重の領域リングを備えた反応表面で第６図の反応を実
施するため幾種かの重畳した試薬の付着を使用すること
ができる。別の付着物を、クレノーおよび放射性標識か
ら離間させて使用する。プライマー／鋳型およびゼロミ
ックスを外側位置に付着させると共に、クレノーを最内
部位置に付着させる。これらの初期試薬を回転混合させ
かつ培養し、次いでクレノーが最初に付着された個所に
dATPを付着させかつ回転混合させ、次いでこれを培養し
て染料を次の混合工程のため所定位置に付着させる。た
とえばdATPまたはクレノーのような試薬が全混合キャビ
ティーに加えられている試薬付着領域に対しプローブが
接触すれば、相互汚染は生じない。この領域は、他の試
薬が流れ込まないように内側のものにせねばならないこ
とは明らかである。重畳した付着物は、より短い反応領
域の使用を可能にする。

特に、このような少量の使用は、付着した試薬が流動す
る能力を減少させると共に、一般に反応表面が回転する
まで流動もしくは混合が生じえないよう確保する。加速
に際し横方向の移動を防止することを除き、付着した試
薬を所定位置に保持するための反応表面の特殊形状は必
要でなく、したがってこの反応表面は作成が簡単かつ安
価であり、再使用する場合には清浄が容易である。

本発明により提供させる技術はさらに、たとえばDNA配
列決定に使用するような、混合期間を中断したり或いは
中断せずに少量の試薬の混合を必要とする他の化学反応
にも有用である。

たとえば試薬付着位置および順序、回転速度および期
間、直接的加熱および冷却作用のような正確な操作順序
を選択して設定化学工程を自動的に実施しうることが了
解されよう。これらのうちには、「Ｔ−トラッキング」
（T-tracking）、プライマー／鋳型アニーリングおよび
「クローン化」反応（colning reactions）がある。自
動式化学装置をマイクロコンピュータ等に接続すれば、
各種の特定化学工程をマイクロコンピュータに記憶させ
かつ「メニュー」から呼び出して装置を必要に応じ制御
することができる。このようにして、試薬選択も制御す
ることができる。

反応表面は、幾種かのまたは全部の試薬と共に予め作用
して必要とするまで凍結機または冷凍機などの適当な冷
却個所に貯蔵することができる。これら試薬は、反応表
面上の離間した位置に微少量で付着させる。このように
して、しばしば短い寿命である試薬を作成しかつ各使用
のために局部的に貯蔵する必要なく、一般的でない試薬
を使用状態に保つことができる。反応表面の制御加熱を
用いることにより、化学反応を制御することもできる。
たとえば、37℃にて開始する反応は、反応表面を40℃ま
で上昇させ、次いで熱の供給を停止し、或いは温度を検
知しかつ熱の供給を制御することにより、開始させるこ
とができる。

円盤状の試薬貯蔵部、すなわち台座10も同様に予め作成
して、安全に貯蔵することができる。円盤を使用するに
は鋳型だけを加えればよい。鋳型は特定反応に対し特異
性であるので、特定群の貯蔵分室を設けて、これらを使
用者の実験室にて台座10に装着することができる。使用
に際し、これらを取り出して種々異なる鋳型を各位置に
装着し、円盤中に既に存在する「共通」の試薬をできる
限り良好に加えることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施する自動式化学装置の略図であ
り、 第２図は反応表面の平面図であり、 第３図は他の２種の反応表面の部分平面図であり、 第４図は他の反応表面の断面図であり、 第５図は本発明を自動的に実施しうる反応の流れ図であ
り、 第６図はこの種の他の反応の流れ図である。 １……ケース、２……反応表面、10,11……台座、13…
…プローブ、20……スラブ、21,31,33,34……溝部、22,
32,36……凹部。

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転自在な反応表面と、 実質的に該反応表面の半径方向に伸長する少なくとも１
   つの試薬通路と、 前記反応表面を支持し且つ少なくとも第１の速度及び前
   記第１の速度より速い第２の速度で回転させる手段と、 試薬を供給するための試薬供給手段と、 前記試薬通路上に選択された所定のマイクロリットル量
   の試薬を夫々前記半径方向に所定の距離だけ離間させて
   接触により付着させる手段とを備えた自動式化学装置で
   あって、 前記試薬通路の夫々が、前記試薬通路の前記半径方向に
   おける外側端部に設けられた反応キャビティーと、前記
   反応表面が回転する際に前記付着されたマイクロリット
   ル量の試薬を前記試薬通路に沿って拘束すべく、前記試
   薬通路の少なくとも一方の側部に設けられた試薬の拘束
   手段とを有し、前記反応表面を前記第２の速度で回転さ
   せることによって前記付着されたマイクロリットル量の
   試薬を前記試薬通路に沿って移動させ、試薬を混合する
   自動式化学装置。
2. 【請求項２】前記試薬の拘束手段が、前記試薬通路の少
   なくとも一方の側部に設けられた隆起部分である特許請
   求の範囲第１項に記載の装置。
3. 【請求項３】前記隆起部分がリッジ、リブおよび壁部の
   １つである特許請求の範囲第２項に記載の装置。
4. 【請求項４】試薬を付着させる手段が、液体搬送プロー
   ブと前記反応表面との接触により、調節されたマイクロ
   リットル量の試薬を付着させる特許請求の範囲第１項に
   記載の装置。
5. 【請求項５】反応表面を回転させる手段が、前記表面を
   ステップ方式で回転せしめる特許請求の範囲第１項に記
   載の装置。
6. 【請求項６】前記反応表面が、夫々が複数の試薬付着領
   域を有する複数の試薬通路を含み、前記試薬を付着させ
   る手段が液体搬送プローブと、前記反応表面に関して前
   記液体搬送プローブの運動を制御する手段とを含み、ま
   た試薬供給手段が、選択された所定量の試薬を取得し、
   且つ該試薬の５マイクロリットルまたはそれ以下を前記
   複数の試薬付着領域の予め選ばれた１つの上に付着せし
   める特許請求の範囲第１項に記載の装置。
7. 【請求項７】前記反応表面は、付着された試薬が自由に
   流れ得る平滑な表面を各々が有している試薬通路として
   の半径方向に伸びる複数の溝を含む特許請求の範囲第１
   項に記載の装置。
8. 【請求項８】前記試薬供給手段が複数の試薬を含んでい
   る特許請求の範囲第１項に記載の装置。
9. 【請求項９】前記試薬通路が夫々半径方向に伸びる溝部
   であって、前記溝部が、試薬を前記試薬通路に沿って拘
   束する前記拘束手段を形成する側壁を有する特許請求の
   範囲第１項に記載の装置。
10. 【請求項１０】前記溝部が直線状である特許請求の範囲
    第９項に記載の装置。
11. 【請求項１１】前記溝部の群が存在する特許請求の範囲
    第９項に記載の装置。
12. 【請求項１２】前記反応表面が、該反応表面の周りで均
    等に離間された複数の群に配列された複数の前記試薬通
    路を含み、該複数の群の夫々において前記試薬通路の夫
    々が互いに離間されている特許請求の範囲第１項に記載
    の装置。
13. 【請求項１３】前記複数の群の夫々における前記試薬通
    路の外側部分が、夫々離間されているが互いの方向に集
    束している特許請求の範囲第12項に記載の装置。
14. 【請求項１４】前記試薬通路が平滑な反応領域を含む特
    許請求の範囲第１項に記載の装置。
15. 【請求項１５】自動制御の下にマイクロリットル量の試
    薬を用いてDNAを配列決定する装置であって、回転自在
    な試薬貯蔵部と、回転自在な反応表面と、実質的に該反
    応表面の半径方向に伸長する少なくとも１つの試薬通路
    と、前記反応表面を支持し且つ少なくとも第１の速度及
    び前記第１の速度より速い第２の速度で回転させる手段
    と、前記試薬貯蔵部から所定のマイクロリットル量の試
    薬を選択的に収集し、該選択された所定のマイクロリッ
    トル量の試薬を前記試薬通路上に夫々前記半径方向に所
    定の距離だけ離間させて接触により付着させる手段と、
    前記試薬貯蔵部、前記反応表面を回転させる手段及び前
    記試薬を付着させる手段とを夫々駆動するための駆動手
    段と、選択された所定のマイクロリットル量の試薬を前
    記試薬通路上に所望の順序で付着させ且つ該試薬を所望
    の順序で混合すべく前記駆動手段を制御する制御手段と
    を含み、且つ前記試薬通路の夫々が、前記試薬通路の前
    記半径方向における外側端部に設けられた反応キャビテ
    ィーと、前記反応表面が回転する際に前記付着されたマ
    イクロリットル量の試薬を前記試薬通路に沿って拘束す
    べく、前記試薬通路の少なくとも一方の側部に設けられ
    た試薬の拘束手段とを有しており、前記反応表面を前記
    第２の速度で回転させることによって前記付着されたマ
    イクロリットル量の試薬を前記試薬通路に沿って移動さ
    せて試薬を混合し、反応生成物を形成せしめる装置。
16. 【請求項１６】前記貯蔵部が複数の貯蔵分室を含み、且
    つ前記反応表面が複数の試薬通路を含む特許請求の範囲
    第15項に記載の装置。
17. 【請求項１７】試薬を付着させる手段が、選択された各
    々の試薬の５マイクロリットルまたはそれ以下を付着さ
    せる特許請求の範囲第15項に記載の装置。
18. 【請求項１８】自動制御の下にマイクロリットル量の試
    薬を用いてDNAを配列決定する装置であって、複数の貯
    蔵分室を有する回転自在な試薬貯蔵部と、回転自在な反
    応表面と、実質的に該反応表面の半径方向に伸長する少
    なくとも１つの試薬通路と、前記反応表面を支持し且つ
    少なくとも第１の速度及び前記第１の速度より速い第２
    の速度で回転させる手段と、前記試薬貯蔵部から所定の
    マイクロリットル量の試薬を選択的に収集し、該選択さ
    れた所定のマイクロリットル量の試薬を前記試薬通路上
    に夫々前記半径方向に所定の距離だけ離間させて接触に
    より付着させる手段と、前記貯蔵分室の少なくとも１つ
    及び前記試薬通路の温度を調整するための温度調整手段
    と、前記試薬貯蔵部、前記反応表面を回転させる手段及
    び前記試薬を付着させる手段とを夫々駆動するための駆
    動手段と、選択された所定のマイクロリットル量の試薬
    を前記試薬通路上に所望の順序で付着させ且つ該試薬を
    所望の順序で混合すべく前記駆動手段を制御すると共に
    前記温度調整手段が前記貯蔵分室と前記試薬通路の温度
    を選択的に調整するように前記温度調整手段を制御する
    制御手段とを含み、且つ前記試薬通路の夫々が、前記試
    薬通路の前記半径方向における外側端部に設けられた反
    応キャビティーと、前記反応表面が回転する際に前記付
    着されたマイクロリットル量の試薬を前記試薬通路に沿
    って拘束すべく、前記試薬通路の少なくとも一方の側部
    に設けられた試薬の拘束手段とを有しており、前記反応
    表面を前記第２の速度で回転させることによって前記付
    着されたマイクロリットル量の試薬を前記試薬通路に沿
    って移動させて試薬を混合し、反応生成物を形成せしめ
    る装置。
19. 【請求項１９】回転自在な反応表面と、実質的に該反応
    表面の半径方向に伸長すると共に、少なくとも一方の側
    部に試薬を前記半径方向に沿って拘束するための拘束手
    段を有する、少なくとも１つの試薬通路とを備えた自動
    式化学装置により、特殊な試薬を用いて特別な条件下で
    一連の化学反応を自動的に実施する方法であって、選択
    された複数の５マイクロリットルまたはそれ以下の量の
    試薬を夫々接触により前記試薬通路上に、該反応表面の
    半径方向に所定の距離だけ離間させて付着させる段階
    と、前記付着させた試薬を混合すべく前記反応表面を回
    転させる段階と、試薬及び反応表面の温度を制御する段
    階と、所定の反応時間の間にわたり所望の条件に前記反
    応表面を維持する段階とを含む方法。
20. 【請求項２０】マイクロリットル量の試薬により化学反
    応を行なう方法であって、試薬の供給源を準備する段階
    と、半径方向に伸長すると共に、少なくとも一方の側部
    に試薬を前記半径方向に沿って拘束するための拘束手段
    を有する、少なくとも１つの試薬通路を備えており、制
    御された条件の下に回転され得る反応表面を準備する段
    階と、試薬を前記試薬の供給源から個別的に収集する段
    階と、調節された５マイクロリットルまたはそれ以下の
    量の試薬を前記試薬通路上における該反応表面の半径方
    向に離間した位置に接触により付着させる段階と、所望
    の反応を行なうべく前記反応表面を回転させることによ
    り前記付着された試薬を前記試薬通路に沿って前記半径
    方向に移動させて前記試薬を互いに混合させる段階と、
    前記反応表面から反応性化学物質を取り出す段階とを含
    む方法。