JP2011067149A - Temperature controlling device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱拡散板を介して温度制御対象物を加熱又は吸熱する温度制御装置に関するものである。 The present invention relates to a temperature control device that heats or absorbs a temperature control object via a heat diffusion plate.
DNA(デオキシリボ核酸)を増幅させるための技術としてPCR(ポリメラーゼ連鎖反応)法が公知である。このPCR法は、DNAを含む水溶液の温度を周期的に上下させることにより、短時間でDNAを増幅させることができる技術である。そして、このPCR法を用いて、DNAの任意の断片の増幅を行うにあたり、DNAを含む水溶液が格納されたPCR用容器に対して加熱又は吸熱を行っている。 A PCR (polymerase chain reaction) method is known as a technique for amplifying DNA (deoxyribonucleic acid). This PCR method is a technique capable of amplifying DNA in a short time by periodically raising and lowering the temperature of an aqueous solution containing DNA. Then, in amplifying an arbitrary fragment of DNA by using this PCR method, a PCR container in which an aqueous solution containing DNA is stored is heated or endothermic.
PCR用容器として、薄い板のなかに複数の反応槽、貯蓄槽及び流路を形成したバイオチップが公知である。単純な試験管と比較して、バイオチップは前処理等の機能を集積しているため、一連の作業を連続して実行できる点において優れる。しかしながら、加熱又は吸熱する際に、化学反応の進行を抑制すべき貯蓄槽や流路といった部分を含めてバイオチップの全体を加熱又は吸熱してしまうという問題がある。そのため、反応槽領域を局所的に加熱又は吸熱できる温度制御装置が特許文献1に開示されている。また、バイオチップではなく電子測定器の測定ポートを対象としたものであるが、所望の温度に保つ装置が特許文献2に開示されている。
As a PCR container, a biochip in which a plurality of reaction tanks, a storage tank, and a flow path are formed in a thin plate is known. Compared with a simple test tube, the biochip is excellent in that a series of operations can be performed continuously because functions such as pretreatment are integrated. However, when heating or absorbing heat, there is a problem that the entire biochip is heated or absorbed, including the storage tank and the flow path where the progress of the chemical reaction should be suppressed. Therefore,
特許文献2に記載の装置は、電子測定器の測定ポートの温度を所望の温度に保つためのものであり、測定ポートを取り囲むように接続されるヒートスプレッダ(「ヒートブロック」)に設けられた穴に、温度検出器が挿設されている。 The apparatus described in Patent Document 2 is for maintaining the temperature of the measurement port of the electronic measuring instrument at a desired temperature, and is provided with a hole provided in a heat spreader (“heat block”) connected so as to surround the measurement port. In addition, a temperature detector is inserted.
次に、特許文献2に記載の装置について図面を参照して説明する。図6、図7及び図8に示すように、特許文献2に記載の装置は、温度制御対象物A1に対する加熱又は吸熱を行うものであって、ペルチェ素子32と、一方の面でペルチェ素子32と接し他方の面で温度制御対象物A1に接する熱拡散板30と、熱拡散板30に設置された温度検出器31とを具備している。 Next, the apparatus described in Patent Document 2 will be described with reference to the drawings. As shown in FIGS. 6, 7, and 8, the apparatus described in Patent Document 2 performs heating or heat absorption on the temperature control object A <b> 1, and includes a Peltier element 32 and a Peltier element 32 on one surface. And a temperature detector 31 installed on the heat diffusion plate 30 and the heat diffusion plate 30 in contact with the temperature control object A1 on the other surface.
特許文献2に記載の装置は、さらにヒートシンク33及び受け台20を具備している。ヒートシンク33は、熱拡散板30の一面に接触するように配置されている。受け台20は、温度制御対象物A1の一面に接触するように配置されている。温度検出器31は、熱拡散板30のほぼ中央部に配置されている。すなわち、温度検出器31は、熱拡散板30のほぼ中央部の穴に挿設されている。 The apparatus described in Patent Document 2 further includes a heat sink 33 and a cradle 20. The heat sink 33 is disposed so as to contact one surface of the heat diffusion plate 30. The cradle 20 is disposed so as to contact one surface of the temperature control object A1. The temperature detector 31 is disposed substantially at the center of the thermal diffusion plate 30. That is, the temperature detector 31 is inserted in the hole at the substantially central portion of the thermal diffusion plate 30.
しかしながら、特許文献1に記載の発明には、マイクロチップと接触するヒートスプレッダ(「伝熱部」)に温度検出部が設けられていることは記載されているのみであるため、バイオチップの反応槽の領域部を局所的かつ高速に吸加熱することができない。
However, the invention described in
また、特許文献2に記載の装置は、電子測定器の測定ポートの温度を所望の温度に保つための発明であり、測定ポートを取り囲むように接続されるヒートスプレッダ(「ヒートブロック」)に設けられた穴に、温度検出器が挿設されているため、温度検出の領域部の温度を高速に測定することができない。 The device described in Patent Document 2 is an invention for maintaining the temperature of the measurement port of the electronic measuring instrument at a desired temperature, and is provided in a heat spreader (“heat block”) connected so as to surround the measurement port. Since the temperature detector is inserted into the hole, the temperature of the temperature detection region cannot be measured at high speed.
一方、PCRのように加熱と吸熱を高速に繰り返す装置においては、マイクロチップとヒートスプレッダを合わせた熱容量を削減する必要があるが、従来のチューブ用のヒートスプレッダに比べて、バイオチップ用のヒートスプレッダは平面的でサイズが小さいため、温度検出器がヒートスプレッダのサイズ縮小の妨げとなっていた。 On the other hand, in a device that repeats heating and heat absorption at high speed, such as PCR, it is necessary to reduce the heat capacity of the microchip and heat spreader. However, the heat spreader for biochips is flat compared to the conventional heat spreader for tubes. Because of its size and small size, the temperature detector hinders the size reduction of the heat spreader.
本発明の目的は、温度制御対象物の温度制御の領域部を局所的かつ高速に吸加熱することができる温度制御装置を提供することにある。 The objective of this invention is providing the temperature control apparatus which can absorb and heat the area | region part of the temperature control object of a temperature control object locally and at high speed.
請求項1の発明に係る温度制御装置は、温度制御対象物に対する加熱又は吸熱を行う温度制御装置であって、所定の間隔をおいて配置されている複数のペルチェ素子と、一方の面で前記ペルチェ素子と接し他方の面で前記温度制御対象物に接する熱拡散板と、前記熱拡散板に設置された温度検出器とを具備し、前記複数のペルチェ素子の側面は相互の間に空間を規定し、前記熱拡散板は前記ペルチェ素子の間の前記空間に突出する突起部を有し、前記温度検出器は前記突起部の内部に配置されていることを特徴とする。 A temperature control device according to a first aspect of the present invention is a temperature control device that heats or absorbs heat with respect to a temperature control object, and a plurality of Peltier elements arranged at a predetermined interval, and the surface on one side A heat diffusion plate in contact with the temperature control object on the other surface in contact with the Peltier element, and a temperature detector installed on the heat diffusion plate, and the side surfaces of the plurality of Peltier elements have a space between them. The thermal diffusion plate has a protrusion protruding into the space between the Peltier elements, and the temperature detector is disposed inside the protrusion.
請求項2の発明に係る温度制御装置は、請求項1に記載の発明において、前記温度検出器は白金抵抗体で構成されていることを特徴とする。 A temperature control device according to a second aspect of the present invention is the temperature control device according to the first aspect, wherein the temperature detector is formed of a platinum resistor.
請求項3の発明に係る温度制御装置は、請求項1及び請求項2のいずれかに記載の発明において、前記温度制御対象物が略円周上に形成されている反応槽を有するバイオチップで構成され、前記熱拡散板が前記反応槽の温度制御領域部に接触している略円環状突起部を有することを特徴とする。 A temperature control device according to a third aspect of the present invention is the biochip according to the first or second aspect of the present invention, wherein the temperature control object is a biochip having a reaction tank formed on a substantially circumference. It is comprised, The said heat-diffusion plate has a substantially annular projection part which is contacting the temperature control area | region part of the said reaction tank, It is characterized by the above-mentioned.
本発明によれば、熱拡散板がペルチェ素子の間の空間に突出する突起部を有し、温度検出器が前記突起部の内部に配置されているため、熱拡散板を薄く形成することができるから熱拡散板の熱容量を削減でき、また、温度制御対象物の温度を高速に検出することができるので、温度制御対象物の温度制御の領域部を局所的かつ高速に吸加熱することができる。 According to the present invention, since the heat diffusion plate has a protrusion protruding into the space between the Peltier elements, and the temperature detector is disposed inside the protrusion, the heat diffusion plate can be formed thin. Therefore, the heat capacity of the heat diffusion plate can be reduced, and the temperature of the temperature control object can be detected at high speed, so that the temperature control area of the temperature control object can be absorbed and heated locally and at high speed. it can.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係る温度制御装置を示す略断面図である。図2は、図1に示す本発明の実施の形態1に係る温度制御装置をB―B線に沿って切断して示す略断面図である。図3は、図1に示す本発明の実施の形態1に係る温度制御装置をC―C線に沿って切断して示す略断面図である。図4は、図1に示す本発明の実施の形態1に係る温度制御装置をD―D線に沿って切断して示す略断面図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a temperature control apparatus according to
図1〜図4に示すように、本発明の実施の形態1に係る温度制御装置は、温度制御対象物としてのバイオチップAに対する加熱又は吸熱を行う温度制御装置である。本発明の実施の形態1に係る温度制御装置は、バイオチップAの下に配置されている第1の温度制御モジュール100と、バイオチップAの上面に接触するように配置されている受け台20と、を具備している。
As shown in FIGS. 1 to 4, the temperature control device according to the first embodiment of the present invention is a temperature control device that heats or absorbs heat from the biochip A as a temperature control object. The temperature control device according to the first embodiment of the present invention includes a first
バイオチップAは、略円周上に形成されている複数の反応槽1と、略中央部の貯蓄層2と、複数の反応槽1及び略中央部の貯蓄層2とを連通する複数の流路3と、を有している。複数の反応槽1の壁部は、温度の制御を要する温度制御領域部である。
The biochip A has a plurality of flows that communicate a plurality of
第1の温度制御モジュール100は、複数のペルチェ素子12、13、14、15、熱拡散板10、温度検出器11及びヒートシンク16を具備している。複数のペルチェ素子12〜15は、所定の間隔をおいて配置されている。熱拡散板10は、一方の面でペルチェ素子12〜15と接し他方の面でバイオチップAに接している。温度検出器11は、熱拡散板10に設置されている。
The first
複数のペルチェ素子12〜15の側面は、相互の間に空間を規定している。熱拡散板10は、ペルチェ素子12〜15の間の空間に突出する突起部10aを有している。温度検出器11は、突起部10aの内部に配置されている。すなわち、温度検出器11は、突起部10aの内部の穴に挿設されている。温度検出器11により検出される検出温度値が温度制御部(図示せず)に与えられ、この温度制御部がペルチェ素子12〜15への供給電流を制御してバイオチップAに対する加熱又は吸熱の制御する。
The side surfaces of the plurality of Peltier elements 12 to 15 define a space between them. The
熱拡散板10は、アルミニウム、銅及び銀の合金などの熱伝導率の高い素材で形成されている。熱拡散板10は、バイオチップAの側の面に略円環状に突出する略円環状突起部10bを有している。略円環状突起部10bは、複数の反応槽1の温度制御領域部に接触されている。すなわち、熱拡散板10は、バイオチップAの下側の表面と全面的に接触するのではなく、バイオチップAの反応槽1の温度制御領域部にのみ接触されている。
The
バイオチップAの基材は、ポリプロピレンなどの樹脂で形成されている。例えば、ポリプロピレンは、PCR反応を阻害しない素材である。樹脂の熱伝導率は一般に低いたバイオチップAは板厚方向に薄くする必要がある。バイオチップAには、反応槽1及び貯蓄槽2及び流路3が形成されている。バイオチップAの形状は、略円盤であり、ほぼ同心円上に反応槽1が配置されている。反応槽1は吸加熱すべき箇所であり、貯蓄槽2及び流路3は吸加熱すべきでない箇所である。ペルチェ素子12〜15の限られた吸加熱量で、バイオチップAの反応槽1を高速に吸加熱するためには、貯蓄槽2及び流路3の存在する領域に熱を拡散させることなく、反応槽1の存在する領域部である温度制御領域部に熱を集中させる必要がある。
The base material of the biochip A is formed of a resin such as polypropylene. For example, polypropylene is a material that does not inhibit the PCR reaction. Since the thermal conductivity of the resin is generally low, the biochip A needs to be thinned in the thickness direction. In the biochip A, a
熱拡散板10の厚さは、拡散能や機械的強度や加工性に関して、一般には1mmあれば十分である。温度制御装置が扱うバイオチップAの個数は、従来のチューブの場合と異なり1個に限定されているから、挙動の安定のためにヒートスプレッダの熱容量に余裕を持たせる必要はなく、高速化のためにはヒートスプレッダの熱容量及びサイズは小さいほうが良い。
The thickness of the
温度検出器11は、一般的な白金抵抗体で形成されており、直径が2mm程度の棒状の形状をしている。ペルチェ素子12〜15の厚さは、一般的に約数mmあって白金抵抗体より厚いため、図2に示すように、熱拡散板10は、ペルチェ素子12〜15の間の空間に突出する突起部10aを有している。温度検出器11は、突起部10aの内部に配置されている。すなわち、温度検出器11は、突起部10aの内部の穴に挿設されている。このため、温度検出器11は、ペルチェ素子12〜15に対して近い位置に配置されているから、温度検出器11は、ペルチェ素子12〜15の温度を高速に検出することができる。
The temperature detector 11 is formed of a general platinum resistor, and has a rod shape with a diameter of about 2 mm. Since the thickness of the Peltier elements 12 to 15 is generally about several mm and is thicker than the platinum resistor, the
(実施の形態2)
図5は、本発明の実施の形態2に係る温度制御装置を示す略断面図である。本発明の実施の形態2においては、本発明の実施の形態1と同じ構成要素には同じ参照符号が付されて、その説明が省略される。
(Embodiment 2)
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a temperature control device according to Embodiment 2 of the present invention. In the second embodiment of the present invention, the same components as those in the first embodiment of the present invention are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
図5に示すように、本発明の実施の形態2に係る温度制御装置は、図1に示す本発明の実施の形態1に係る温度制御装置において、受け台20の代わりに第2の温度制御モジュール200を具備している。すなわち、発明の実施の形態2に係る温度制御装置は、バイオチップAの下に配置されている第1の温度制御モジュール100と、バイオチップAの上に配置されている第2の温度制御モジュール200と、を具備している。
As shown in FIG. 5, the temperature control device according to the second embodiment of the present invention is the same as the temperature control device according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. A
第2の温度制御モジュール200は、ペルチェ素子12〜15、熱拡散板10及びヒートシンク16を具備している。複数のペルチェ素子12〜15は、所定の間隔をおいて配置されている。熱拡散板10は、一方の面でペルチェ素子12〜15と接し他方の面でバイオチップAに接している。熱拡散板10は、バイオチップAの側の面に略円環状に突出する略円環状突起部10bを有している。略円環状突起部10bは、複数の反応槽1の温度制御領域部に接触されている。すなわち、熱拡散板10は、バイオチップAの下側の表面と全面的に接触するのではなく、バイオチップAの反応槽1の温度制御領域部にのみ接触されている。
The second
(実施例1)
次に、実施例1について説明する。実施例1は、図1に示す温度制御装置で温度制御対象物であるバイオチップAを吸加熱するものである。
Example 1
Next, Example 1 will be described. In the first embodiment, the temperature control device shown in FIG. 1 absorbs and heats the biochip A that is a temperature control object.
この実施例1では、バイオチップAの反応槽1の領域を95℃に加熱し、68℃に吸熱する。このような加熱及び吸熱が高速に(120秒/サイクル)30サイクル繰り返えされる。バイオチップAは、直径50mm、板厚2mmであり、その基材のポリプロピレンの熱伝導率は0.2W/(m・K)と低いため、熱拡散板10と接触していないバイオチップAの中央領域の温度は高速な温度サイクルに追従しない。
In Example 1, the region of the
ヒートスプレッダの熱容量を従来比で25%削減した場合、ヒートスプレッダにおける吸加熱の時定数はともに3秒であり、バイオチップAの反応槽1における吸加熱の時定数はともに8秒であり、従来比で50〜67%高速になることを見出した。
When the heat capacity of the heat spreader is reduced by 25% compared to the conventional one, the time constant of heat absorption in the heat spreader is 3 seconds, and the time constant of heat absorption in the
(実施例2)
次に、実施例2について説明する。実施例2は、図5に示す温度制御装置で温度制御対象物であるバイオチップAを吸加熱するものである。
(Example 2)
Next, Example 2 will be described. In Example 2, the temperature control device shown in FIG. 5 absorbs and heats the biochip A that is a temperature control object.
この実施例2では、バイオチップAでは、温度制御対象物であるバイオチップAの反応槽1の領域を95℃に加熱し、68℃に吸熱する。このような加熱及び吸熱が高速に30サイクル繰り返えされる。バイオチップAは直径50mm、板厚2mmであり、その基材のポリプロピレンの熱伝導率は0.2W/(m・K)と低いため、熱拡散板10と接触していないバイオチップAの中央領域の温度は高速な温度サイクルに追従しない。本発明者は、鋭意研究を重ねた結果、95℃保持時間を30秒としても、バイオチップAの中央領域の温度は92℃に達しないことを見出した。
In Example 2, in the biochip A, the region of the
A バイオチップ(温度制御対象物)
1 反応槽
2 貯蓄槽
3 流路
10 熱拡散板
11 温度検出器
12〜15 ペルチェ素子
16 ヒートシンク
20 受け台
100 第1の温度制御モジュール
200 第21の温度制御モジュール
A Biochip (temperature control object)
DESCRIPTION OF
Claims (3)
所定の間隔をおいて配置されている複数のペルチェ素子と、一方の面で前記ペルチェ素子と接し他方の面で前記温度制御対象物に接する熱拡散板と、前記熱拡散板に設置された温度検出器とを具備し、
前記複数のペルチェ素子の側面は相互の間に空間を規定し、前記熱拡散板は前記ペルチェ素子の間の前記空間に突出する突起部を有し、前記温度検出器は前記突起部の内部に配置されていることを特徴とする温度制御装置。 A temperature control device that heats or absorbs heat of a temperature control object,
A plurality of Peltier elements arranged at a predetermined interval, a thermal diffusion plate in contact with the Peltier element on one side and in contact with the temperature control object on the other side, and a temperature installed on the thermal diffusion plate A detector,
Side surfaces of the plurality of Peltier elements define a space between each other, the heat diffusion plate has a protrusion protruding into the space between the Peltier elements, and the temperature detector is disposed inside the protrusion. A temperature control device that is arranged.
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