JP2004294130A

JP2004294130A - インキュベータ及び、インキュベータを備えた分注機

Info

Publication number: JP2004294130A
Application number: JP2003083946A
Authority: JP
Inventors: Hidetaka Osawa; 秀隆大澤; Kenji Yamada; 健二山田; Tadashi Ogawara; 正大河原; Hiroatsu Toi; 寛厚戸井
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2003-03-25
Filing date: 2003-03-25
Publication date: 2004-10-21
Anticipated expiration: 2023-03-25
Also published as: JP4075656B2

Abstract

【課題】従来の恒温するインキュベータは、マイクロプレートを閉塞された部屋の中に入れ、空気を加熱してマイクロプレート全体若しくは底面を加熱し、試料の温度を一定に保つ手法であり、開閉する蓋などが必要であった。そのため、自動分注装置などの自動機への適用は蓋の開閉を自動で行う作業が伴うため困難であった。
【解決手段】ヒートブロックの熱を蓄熱し、マイクロプレートの各ウェル底面形状に合致するような窪みを形成したマイクロプレート用ヒートブロックを設け、前記マイクロプレートの各ウェル底部を確実に均一に加熱又は吸熱する手段と、加熱又は吸熱しながら揺動動作する手段を備えたインキュベータを設けることにより解決できる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、理化学分野で使用され、特に複数個のウェルが形成されたマイクロプレートを用いて、マイクロプレートの上方を開放して試料を一定温度で振盪するインキュベータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
新薬の開発に於いて、この種の薬物代謝試験、酵素反応試験は頻繁に実施されており、その工程の中で試料を一定温度で振盪するインキュベートは必須の工程であり、試料の化学反応を左右する温度の制御精度は重要である。
最近では低コストのため試薬を微量にし、マイクロプレートを用いてこの種の試験が実施されるようになっており、そのため、マイクロプレートのウェル間の全試料の温度を均一に一定温度に保つことが要求されている。
更には、マイクロプレートの試料の温度を一定に保ちながら、試薬を自動的に分注したい、つまり、マイクロプレート用インキュベータを自動分注機に搭載し、多種大量処理して高速に試験したいという要望もある。
【０００３】
従来のマイクロプレートの試料温度を一定にする技術には、断熱材で覆った開閉自在のハウジングの中にマイクロプレートを入れ、空気を加熱する熱源とファンを設け、マイクロプレートの底面に均一に当たるように加熱空気を吹き付けるようにして、マイクロプレートの試料の温度を一定に保つ技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、マイクロプレートを対象としたインキュベータに関する従来の技術には、振盪機を囲んで加熱部とファンと開閉蓋を設けて加熱室と外気（室温）と遮蔽し、加熱室内でマイクロプレートの試料を振盪させるインキュベータが開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
更に、インキュベータ用のブロックとして、例えば箱型形状にして蓋を備え、マイクロプレートを収納するように構成されたインキュベータブロックが開示されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００６】
更に、マルチプレートごと凍結された培養細胞を短時間で解凍するために、マルチプレートの形状に加工したアルミブロックをインキュベータ中で加温しておき、培養細胞凍結用マルチプレートを載せ解凍することが開示されている（例えば、特許文献４参照）。
【特許文献１】
特開平８−１９２０５８号公報
【特許文献２】
特開平１０−１０８６６３号公報
【特許文献３】
特開平１１−８９５５３号公報
【特許文献４】
特開２００１−２５２０６７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来技術では、マイクロプレートを閉塞された部屋の中に入れ、空気を加熱してマイクロプレート全体若しくは底面を加熱し、試料の温度を一定に保つ手法であるため、開閉する蓋などが必要であった。そのため、マイクロプレートの試料の温度を一定に保ちながら、試薬を自動的に分注するような自動分注装置への適用は、蓋の開閉を自動で行う必要があるため困難であった。
【０００８】
本発明の目的は、マイクロプレートの上方を開放して自動分注装置への接続を容易とし、且つマイクロプレートの試料の温度を高精度に一定に保ち、且つ安価な構成としたインキュベータや、前記インキュベータを搭載した自動分注装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、モータの回転によって揺動する振盪機と、該振盪機の上方に設けられ、ヒータを配置し、温度センサを備えたヒートブロックと、前記モータの回転数を制御し、前記温度センサの温度をフィードバックしてヒータの温度を制御し、所定の設定温度になるように動作する制御装置から構成されるインキュベータに於いて、前記ヒートブロックの熱を蓄熱し、更にマイクロプレートの各ウェル底面形状にほぼ合致するような窪みを形成したマイクロプレート用ヒートブロックを設け、各ウェル底部とマイクロプレート用ヒートブロックとの接触面積を増やし、効率良く各ウェル内の試料を均一に加熱しながら揺動動作することにより達成できる。
【００１０】
また、マイクロプレート用ヒートブロックの窪みに予め液体を注入して、マイクロプレートの各ウェル底部を確実に液体に接触させ、該液体を媒体として前記マイクロプレートの各ウェル底部を均一に加熱するように構成することにより、効率良く熱を伝達することができ、かつ温度制御がし易くなることによって達成できる。
更に、マイクロプレート用ヒートブロックを自在に形状を変えることのできるゲル状の熱伝導率の大きい部材にして、マイクロプレートを前記ゲル状部材に押し付けて密着させることにより効率良く熱を伝達することができ、かつ温度制御がし易くなることによって達成できる。
【００１１】
また、マイクロプレート用ヒートブロックとマイクロプレート間を密着するシール部材と、マイクロプレート用ヒートブロックとマイクロプレート間の空間の気体を減圧する手段を備えることにより、マイクロプレート用ヒートブロックとマイクロプレートの各ウェル底部を確実に密着させることにより、効率良く熱を伝達することができ、かつ温度制御がし易くなることによって達成できる。
【００１２】
更には、マイクロプレートの底に凸部を設け、マイクロプレート用ヒートブロックの窪み部に前記凸部と合致する凹部を設けることにより、マイクロプレート用ヒートブロックからマイクロプレートに確実に熱を供給することにより、効率良くかつ温度制御がし易くなることによって達成できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例について図面を参照しながら具体的に説明する。図１は本発明のインキュベータ１の斜視図で、図２はインキュベータ１本体を構成する部品の分解図である。
インキュベータ１は、図示していない駆動装置となるモータの回転によって揺動する振盪機２と、熱源部となるヒータ３を下面に配置して接着し、上面に温度センサ４を埋め込んだ第１のヒートブロック５と、第１のヒートブロック５からの熱を蓄熱して、上面の表面温度が均一になるようにした第２のヒートブロック６と、マイクロプレート９をセットし易いように形成したガイド７と、第２のヒートブロック６からの熱を受け、マイクロプレート９のウェル底面形状に合致するように窪み８ａが形成され、且つガイド７を挟み込むようにして第２のヒートブロック６と固定するネジの通し穴８ｃをマイクロプレート９のウェルに干渉しない外周に配置し、マイクロプレート９のウェル底部を加熱するマイクロプレート用ヒートブロック８と、前記モータの回転数を制御して振盪機２を揺動させ、温度センサ４の温度をフィードバックしてヒータ３の温度を制御し、所定の設定温度になるように動作する制御装置１０から構成される。
【００１４】
振盪機２は、例えばモータの出力軸の回転をカム機構により往復運動に変換して揺動させるように構成している。モータはブラシの粉塵が試料に混入するのを防ぐと共に、回転数の制御が容易なＤＣブラシレスモータなどが好適である。また、他の駆動装置としてはソレノイド等の往復運動をするものが考えられる。
ヒータ３は、面状に加熱可能な安価なラバーヒータを用いている。また、ヒータ３は加熱又は吸熱することができるペルチェ素子などであっても良い。ヒータ３は第１のヒートブロック５の下面に配置して接着している。
【００１５】
第１のヒートブロック５は、振盪機２の取り付け部材２ａに側面から図示されていないネジで固定している。第１のヒートブロック５上面のほぼ中央には溝５ａが形成され、その溝５ａの中に温度センサ４を埋め込んである。第１のヒートブロック５の材質は熱伝導率の大きいアルミニウムであり、外形寸法はマイクロプレート９の外形よりやや大きい、概略９０×１３５ｍｍで厚さ１０ｍｍの板状部材である。
【００１６】
また、第１のヒートブロック５から振盪機２へ熱が伝わらないように、取り付け部材２ａは熱伝導が低いベーク板を用いている。
温度センサ４を埋め込むために彫られた溝５ａの部分は、上方の部材へ接触しないため熱が伝わり難い。そのため、周囲の急な温度変化に左右されないように蓄熱作用を持ちつつ、且つ上面の表面温度が均一になるようにした第２のヒートブロック６が設けてある。第１のヒートブロック５の上に蓄熱部となる第２のヒートブロック６を載置してネジの頭が出ないように皿ネジ６ａで固定している。
また、第２のヒートブロック６の外形は第１のヒートブロック５とほぼ同じで、材質もアルミニウムであり、マイクロプレート９のウェルに干渉しない外周にネジ穴６ｂを設けてある。
【００１７】
ガイド７は、厚さ約１ｍｍのアルミニウム板を折り曲げて斜面を形成したものであり、長手方向の中央部の両側に約７０ｍｍの切り欠き７ａを設けている。これはマイクロプレート９を手でセット又は取り出し易いようにすると共に、マイクロプレート９を搬送ロボットのハンドで掴み易いように設けたものである。
【００１８】
マイクロプレート用ヒートブロック８は、マイクロプレート９の底部を直接加熱できるように、マイクロプレート９のウェル底面形状にならって各ウェルの底がほぼ合致するように窪み８ａを形成したものである。材質は熱伝導率の良いアルミニウムであり、図３の斜視図に示すようにマイクロプレート９のウェルの個数である９６個の窪み８ａを有する。
【００１９】
この窪み８ａは、図４に示したマイクロプレート９とマイクロプレート用ヒートブロック８の一部断面図に示すように、マイクロプレート９のウェル底部が接触する面積を大きくして熱の伝導を良くし、効率良く加熱できるようにしたものである。またこの窪み８ａは、マイクロプレート９を安定して保持できるので、揺動によって生じる位置ずれ等を防止する機能も兼ねている。
【００２０】
更に、前記窪みは各ウェル底面形状だけではなく、各ウェルの側面部までもほぼ合致するようなものであってもよく、各ウェル側面部までもほぼ合致するよう形状にすることによって、振盪時おいてマイクロプレートがマイクロプレート用ヒートブロックから更に離脱し難くなるのは言うまでもない。
【００２１】
つまり、マイクロプレート用ヒートブロック８は、第２のヒートブロック６上面からの供給される表面の均一な熱を、ガイド７を伝達して受け、マイクロプレート９の各ウェル底部を均一に加熱するように作用する。また、ガイド７を挟んで第２のヒートブロック６と固定するためのネジが通る穴８ｃは、マイクロプレート９のウェルと干渉しない外周に配置している。また、マイクロプレート用ヒートブロック８は第２のヒートブロック６にネジで固定されているので、マイクロプレート９の各ウェル底部の形状に合せた窪み８ａを有したマイクロプレート用ヒートブロック８に交換することができる。
【００２２】
なお、マイクロプレート用ヒートブロック８の窪み８ａの中央に設けた穴８ｂは、マイクロプレート９を成型する際にウェルの底部に不定形の突起物ができるので、その突起物を避けるために設けた穴である。更に、穴８ｂは後述する吸引用の穴としても利用できる。
【００２３】
更に、第１のヒートブロック５と第２のヒートブロック６の間、第２のヒートブロック６とガイド７の間、ガイド７とマイクロプレート用ヒートブロック８の間に、確実に伝熱するように熱伝導グリースを塗布してあても良い。
【００２４】
制御装置１０は、インキュベータ１本体とケーブル１１で接続され、操作パネル１０ａから振盪機２のモータの回転数とヒータ３の温度が設定できるようになっている。その設定値に基づき、制御装置１０は振盪機２のモータの回転数の制御と、第１のヒートブロック５に設けてある温度センサ４の温度をフィードバックして所定の温度になるように温度制御する。制御方式は、比例・積分・微分項から制御量を計算する、いわゆるＰＩＤ制御方式を採っている。なお、制御装置１０には図示していないが、外部機器との通信が行えるようになっており、上位のコンピュータなどから振盪機２のモータの回転数や温度の設定、運転の開始／停止がリモート操作できるようになっている。
【００２５】
上記説明したインキュベータ１を用いて、室温２０℃で、振盪機２のモータの回転数を５００ｍｉｎ^−１、ヒータ３の設定温度を４３℃に設定し、マイクロプレートの各ウェルに３００μｌの試料を注入したマイクロプレート９をマイクロプレート用ヒートブロック８に載置して、振盪させながら温度を一定に保つように動作させ、試料の温度を測定した。その結果、試料の熱が平衡状態になったときの各ウェルの温度は３７±１℃以下の良好な温度制御精度が得られた。
【００２６】
薬物代謝試験などにおいては、人体の体温と同じ環境温度で試験するため、温度の制御範囲としては少なくとも±２℃以内に押える必要があり、本インキュベータ１はこの要望を十分に満足させることができた。実際の使用においては、室温と制御温度を校正して設定温度を決定すれば良い。なお、振盪させないで試料温度を測定すると、試料の温度はウェル底部の温度と大気に触れた水面部では２℃程の温度差があり、振盪させることによりウェル内の試料が対流して均一にすることができる。
【００２７】
上記説明した第１および、第２のヒートブロック５、６とガイド７とマイクロプレート用ヒートブロック８は、熱伝導率の大きい材質であれば、銅や鉄などでも良く、更に第２のヒートブロック６とマイクロプレート用ヒートブロック８または、第１のヒートブロック５と第２のヒートブロック６とマイクロプレート用ヒートブロック８はマイクロプレートのウェル底部の形状にほぼ合致させた一つの部材で構成しても良い。
【００２８】
また、マイクロプレート用ヒートブロック８はアルミニウムの金属材料を加工して形成したものであるため、窪み８ａ部には僅かな凹凸がある。このため、窪み８ａとマイクロプレート９のウェル低部は全面で接触しているわけではないので、マイクロプレート９の底部を更に良く接触させるために、マイクロプレート用ヒートブロック８の窪み８ａ部に予め液体、例えば液状のシリコンオイルや水などを注入して置くと、接触面積を大きくすると共に確実に接触させることができる。このようにすることにより、マイクロプレート９の各ウェル底部は、液体を媒体としてマイクロプレート用ヒートブロック８によって均一に加熱され、各ウェル間の試料温度のバラツキが少なくなる効果がある。
【００２９】
更に、マイクロプレート用ヒートブロック８を、自在に形状を変えることができる熱伝導率の大きいゲル状の材質、例えばシリコンゴムなどを用いて、そのゲル状部材にマイクロプレート９を押し付けて、各ウェル底部がゲル状部材に密着させるようにして接触面積を均一にし、ゲル状部材を介して加熱するようにしても同様な効果が得られる。
【００３０】
また、密着させる他の手法として、図５に示すようにマイクロプレート用ヒートブロック８とマイクロプレート９の外周を密着するシール部材５１（例えばゴムやエラストマなどの弾性体）と、マイクロプレート用ヒートブロック８とマイクロプレート９間の空間５３の気体を減圧する手段であるバキュームポンプ５０を設ける。このバキュームポンプ５０にて気体を吸引することにより、空間５３は減圧され、その圧力差によりマイクロプレート９の底部はマイクロプレート用ヒートブロック８の窪み８ａ部に強制的に密着されるので、各ウェル底部を均一に加熱することができる。
また他の手法として、図６に示すようにマイクロプレート用ヒートブロック８に設けた窪み８ａ部の穴８ｂから気体を吸引するバキュームポンプ５０と密着部材５２を設けても、同様に密着させることができる。
【００３１】
更には、図７に示すように、マイクロプレート９の底に凸部９ａと、マイクロプレート用ヒートブロック８の窪み８ａ部に前記凸部９ａと合致する凹部８ｄを設けることにより、接触する表面積が大きくなると共にマイクロプレート９への伝熱容量が大きくなって、マイクロプレート９が満遍なく加熱され、各ウェルの試料の温度精度を良くすることができる。
【００３２】
また、マイクロプレート用ヒートブロック８を箱型形状にして、ウォータバスなどのように水、シリコンオイル等の液体を入れ、その上にマイクロプレート９を載置して加熱するようにしても良い。このようにして使用する液体はできれば、揮発性の低いものを使用した方が良い。
【００３３】
図８は、本発明のインキュベータ１を搭載した自動分注装置２０の斜視図である。インキュベータ１は上方が開放されているため、蓋などを開閉させる機構が必要無く、分注ヘッド２６で吸引した試薬等を迅速に、インキュベータ１の上部に取付られたマイクロプレート９へ分注することが可能で、効率良く薬物代謝試験や酵素反応試験を行うことができる。また、前述したように図示していないロボットのハンドでマイクロプレート９を持ち運び搬送することができるので、自動化に対応させた使い勝手の良いインキュベータ１である。
【００３４】
自動分注装置２０の構成について以下説明する。自動分注装置２０は、自動分注装置本体２２とそれを制御する制御装置２３、例えば汎用のパーソナル・コンピュータから構成され、ＬＡＮ（ＬｏｃａｌＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）などの通信ケーブル２４で接続されている。自動分注装置本体２２は、３次元空間を移動して位置決めが可能な移送手段であるロボット２５と、ロボット２５の先端に設けた分注ヘッド２６と、それらを駆動する回路部２７が設けられている。
【００３５】
ロボット２５は、各軸互いに直交に構成されたＸ軸・Ｙ軸・Ｚ軸を有し、図示していないステッピングモータによって位置決めされるようになっている。ロボット２５の駆動モータはサーボモータなどであっても良い。分注ヘッド２６は、一列に並んで配置された複数のチップ２８が着脱可能であって、該チップ２８内において液体の吸引及び吐出を可能としている。
【００３６】
分注ヘッド２６は、例えば１２連のシリンジ（図示せず）が１つのステッピングモータで駆動されるように構成され、そのシリンジ個々の間隔はマイクロプレート９のウェル間隔と同じ９ｍｍピッチで配置され、チップ２８を装着してシリンジを駆動することにより液体の吸引及び吐出動作を実行する。
【００３７】
ロボット２５に取り付けられた分注ヘッド２６の可動範囲の下方には、チップ２８がマイクロプレート９のウェル間隔と同じ９ｍｍピッチで配置しているチップ容器２９と、試薬を保冷するクーラー３２に載置した試薬容器３０と、試験の対象となる供試物が入ったマイクロプレート９を載置して一定温度で振盪するインキュベータ１と、使用済みのチップ２８を廃棄する廃棄容器３４を配置している。
また、分注ヘッド２６は９０度旋回できるようになっており、マイクロプレート９の縦・横どの方向からも分注動作ができるように構成したものである。
【００３８】
このような構成の自動分注機において、マイクロプレートの各ウェル底面形状にほぼ合致するような窪みを形成したマイクロプレート用ヒートブロックを設け、マイクロプレートの各ウェル底部を確実にマイクロプレート用ヒートブロックの窪みに接触させ、効率良く均一に加熱することのできるインキュベータ１を搭載することにより、従来の技術で述べたようなインキュベータと違い蓋の開閉機構が必要無いので、自動分注機自体の小型化が図れ、更に正確は温度制御による高精度の試験が可能な自動分注機を提供することができる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、モータの回転によって揺動する振盪機と、該振盪機の上方に設けられ、ヒータを下面に配置し、概ね中央部に配置した温度センサを備えたヒートブロックと、モータの回転数を制御し、温度センサの温度をフィードバックしてヒータの温度を制御し、所定の設定温度になるように動作する制御装置から構成されるインキュベータに於いて、
ヒートブロックの熱を蓄熱し、マイクロプレートの各ウェル底面形状に合致するような窪みを形成したマイクロプレート用ヒートブロックを設け、マイクロプレートの各ウェル底部を確実にマイクロプレート用ヒートブロックの窪みに接触させ、効率良く均一に加熱する手段と、加熱しながら揺動動作するインキュベータ１を設けたので、蓋の開閉などの面倒な作業を不要とし、マイクロプレートの上方を開放したままでも試料の温度を高精度に一定に保ち、自動分注装置等への接続を容易とした安価なインキュベータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例であるインキュベータの斜視図である。
【図２】本発明の一実施例であるインキュベータを構成する部品の分解図である。
【図３】本発明の一実施例であるマイクロプレート用ヒートブロックの斜視図である。
【図４】本発明の一実施例であるマイクロプレートとマイクロプレート用ヒートブロックの一部断面図である。
【図５】本発明の一実施例である減圧による密着方法を示した一部断面図である。
【図６】本発明の一実施例である減圧による他の密着方法を示した一部断面図である。
【図７】本発明の一実施例であるマイクロプレートとマイクロプレート用ヒートブロックに凸部と凹部を示す一部断面図である。
【図８】本発明の一実施例であるインキュベータを搭載した自動分注装置の斜視図である。
【符号の説明】
１はインキュベータ、２は振盪機、３はヒータ、４は温度センサ、５は第１のヒートブロック、６は第２のヒートブロック、７はガイド、８はマイクロプレート用ヒートブロック、８ａは窪み、８ｂは穴、８ｄは凹部、９はマイクロプレート、９ａは凸部、１０は制御装置、５０はバキュームポンプ、５１はシール部材、５２は密着部材である。

Claims

駆動装置によって揺動する振盪機と、マイクロプレートに対して加熱又は、吸熱を行う熱源部とを有するインキュベータにおいて、前記熱源部を前記振盪機によって揺動される第１のヒートブロックに設け、該第１のヒートブロックに一体に取り付けられ、前期マイクロプレートの底面形状にほぼ合致する形状の窪みを有する第２のヒートブロックを有することを特徴とするインキュベータ。
前記第１のヒートブロックに温度センサを設け、該温度センサの出力により前記熱源部を制御するための制御部を有することを特徴とする請求項１記載のインキュベータ。
前記熱源部がヒータであることを特徴とする請求項１記載のインキュベータ。
前記熱源部がペルチェ素子であることを特徴とする請求項１記載のインキュベータ。
前記第１のヒートブロックと前記第２のヒートブロックが一体に成形されていることを特徴とする請求項１記載のインキュベータ。
前記第２のヒートブロックに設けられた窪みと蓄熱部とが別部材からなることを特徴とする請求項１記載のインキュベータ。
前記第２のヒートブロックの窪みに液体を注入し、該液体を媒体として前記マイクロプレートの各ウェル底部を加熱するように構成したことを特徴とする請求項１記載のインキュベータ。
前記第２のヒートブロックは自在に形状を変えることのできるゲル状の部材からなることを特徴とする請求項１記載のインキュベータ。
前記第２のヒートブロックと前記マイクロプレートの空間の気体を減圧する手段を備えたことを特徴とする請求項１記載のインキュベータ。
前記マイクロプレートの底に凸部を設け、前記第２のヒートブロックの窪みに前記凸部と合致する凹部を設けたことを特徴とする請求項１記載のインキュベータ。
駆動装置によって揺動する振盪機と、マイクロプレートに対して加熱又は、吸熱を行う熱源部とを有するインキュベータと、試薬を吸引し前記マイクロプレートへ吐出する分注ヘッドと、該分注ヘッドを移動させるための移動手段とを備えた分注機において、前記熱源部を前記振盪機によって揺動される第１のヒートブロックに設け、該第１のヒートブロックに一体に取り付けられ、前期マイクロプレートの底面形状にほぼ合致する形状の窪みを有する第２のヒートブロックを有することを特徴とするインキュベータを備えた分注機。