JP2012073145A - 温度制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自公転中のバイオチップの、吸加熱速度を改善した温度制御装置を提供する。
【解決手段】公転軸４の回転によりバイオチップＡを、アーム２と共に公転軸４の回転中心の周りに公転させる。公転軸４の回転中心から偏心した箇所でアーム２により軸支された自転軸３の回転によって、バイオチップＡを自転軸３の回転中心の周りに自転させる。バイオチップＡの自転による反応槽Ａ２の移動軌跡を、バイオチップＡの公転中に、温調チャンバ１の給気口１ｅに対向する箇所に、周期的に位置させる。温調チャンバ１の固定部１ｂの内部に画成される温調空間に、固定部１ｂの開口１ｄを緩く塞ぐ可動部１ａとバイオチップＡを収容する。
【選択図】図１

Description

本発明は、温度制御装置に関する。特に、回転中のバイオチップの温度制御装置に関する。

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、検体（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、検体と試薬が格納されたＰＣＲ用容器に対して加熱と吸熱を繰り返し行っている。

ＰＣＲ用容器としては、薄い板のなかに複数の反応槽、貯蓄槽、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。なお、容器を回転させて一連の作業を行う装置として、特許文献１が開示されている。この特許文献１に記載された発明では、放射状の反応容器を周方向に複数配置した反応容器円形コンベヤーを固定の温度制御室内に収容し、固定の輸液チューブの位置に合わせて反応容器円形コンベヤーを回転させるようにしている。

また、加熱・吸熱の手法としては、熱風・冷風を用いる手法が公知である。この手法によれば、ヒーターやペルチェ素子をバイオチップに直接に接触させずに、回転中のバイオチップの温度を制御することが可能になる。なお、熱風・冷風を用いて反応容器を加熱・吸熱する装置として、特許文献２が開示されている。この特許文献２に記載された発明では、ウェルを有するロータを蓋の内部で回転させると共に、蓋の側壁の吹出口から内部に冷温風を吹き出させ、側壁の別の箇所から内部の空気を排気するようにしている。

さらに、容器に与える回転としては、自転と公転を組み合わせた回転が公知である。公転と自転を組み合わせた回転によって、攪拌棒等を用いずにより確実に攪拌することができる。このような回転を実現する装置として、容器をターンテーブルの回転中心の回りで公転させるとともに、容器そのものを載置位置にて自転させる装置が、特許文献３に開示されている。この特許文献３に記載された発明では、軸状の固定ベース部材に遊挿した円筒部材を回転させてターンテーブルを自転させると共に、ベース部材のギアに噛合させたターンテーブル周縁部の公転軸の回転により、ターンテーブル上で公転する容器を同時に自転させるようにしている。

特開平６−６６８１２号公報 国際公開第９８／４９３４０号 特開２００２−１９６００６号公報

ところで、特許文献１に記載の発明は、反応容器を有する反応容器円形コンベヤーを温度制御室内で回転させる点で、注目に値する。しかし、反応容器円形コンベヤーの回転はあくまで反応容器を輸液チューブの位置に運搬するためのものであるため、反応容器円形コンベヤーの回転により反応容器に加わる遠心力のモーメントが比較的単純であり、その量も大きくない。したがって、引用文献１に記載の発明では、検体と試薬の攪拌に適したパターンの回転が得られない。
特許文献２に記載の発明でも、容器は自転するだけであり、攪拌に適した回転は得られない。有効かつ効率的にＰＣＲ増幅を行うためには、検体と試薬を混合して均一に攪拌することが必要であり、攪拌棒等を用いない場合には、特許文献１，２に記載の発明のように容器に対して単純な回転を与えるだけでは不十分である。また、特許文献２のように、自転する容器に対して固定の吹出口から冷温風を吹き付けても、冷温風の温度変化と同期したパターンでしか検体の加熱・吸熱を行えず、ＤＮＡの増幅に適した加熱・吸熱パターンとはなり得ない。
また、特許文献３に記載の発明は、容器の自転と公転を共通の駆動源によって実現させているので、自転速度と公転速度を独立に制御することはできない。そのためＰＣＲ増幅に必要な攪拌の精度は得られない。また、温度制御に関する構成を持たない特許文献３に記載された発明では、容器の回転パターンに応じた適切な検体の温度調節に関する開示がなく、そもそもＰＣＲ増幅に不可欠な温調を実施することが不可能である。

加熱・吸熱の速度は、表面効果が相対的に大きいマイクロ化学チップの特長のひとつであり、バイオチップの商品性を左右する重要な性能である。そこで、例えば特許文献３の構成を用いてバイオチップを公転及び自転させることが考えられる。その場合、特許文献２のように反応容器の回転機構を温調チャンバ内に収容することを前提とすると、バイオチップの公転及び自転のための構成をバイオチップと共に収容することになる。そうすると、公転及び自転のための構成を収容する分だけ温調チャンバが大型化する。温調チャンバが大型化すると、バイオチップを加熱・吸熱する際の熱伝達媒体となる内部雰囲気の体積が増える。そのような温調チャンバには、体積効果が相対的に小さいことによる負の側面、すなわち加熱・吸熱時に密度差による対流を利用できないという側面もある。そもそもバイオチップは一般の反応容器と比べてサイズが小さいから、対流なしの伝熱のみでも、従来の一般的なサイズの反応容器と比較すれば、同じ熱量であっても加熱・吸熱の速度は向上している。しかしながら、単にバイオチップを温調チャンバ内で加熱・吸熱する場合に比べると、自転及び公転のための構成の存在により大型化した温調チャンバ内で加熱・吸熱するバイオチップの場合には、微小容器内における温度分布が、加熱・吸熱の速度の問題となる。

本発明は、自公転中のバイオチップの吸加熱速度を改善した温度制御装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１に記載した本発明は、
公転軸に固着されたアームと、
前記公転軸の回転中心から偏心した箇所において前記アームに軸支された自転軸と、
前記自転軸に固着され、前記公転軸の回転により該公転軸の回転中心の周りに前記自転軸と共に公転し、かつ、該自転軸の回転により前記自転軸の回転中心の周りに自転するバイオチップと、
前記バイオチップを内部に収容する温調チャンバと、
前記温調チャンバ内に冷温風を供給して前記バイオチップを加熱・吸熱する熱源とを備え、
前記温調チャンバは、前記公転軸に回転中心が固着された可動部と、該可動部を前記バイオチップと共に内部に収容し前記アームを外部に位置させる固定部とを有しており、
前記固定部は、前記公転軸の回転中心の周りに公転する前記自転軸が貫通する開口を有しており、
前記可動部は、前記開口の内径よりも大きい外径で形成されて該開口の近傍に配置され、かつ、前記自転軸が貫通する貫通孔を有している、
ことを特徴とする温度制御装置である。

また、請求項２に記載した本発明は、請求項１に記載した本発明において、前記固定部は、前記熱源からの温調流体を前記固定部内に供給するための給気口を、前記バイオチップの自転による該バイオチップの反応槽の移動軌跡が前記バイオチップの公転中に対向する箇所に有していることを特徴とする温度制御装置である。

さらに、請求項３に記載した本発明は、請求項１又は２に記載した本発明において、前記公転軸を回転させる公転用駆動源と、該公転用駆動源とは独立して前記自転軸を回転させる自転用駆動源とをさらに備えることを特徴とする温度制御装置である。

本発明によれば、温調チャンバにおける熱容量、特に自公転アームの熱容量が減少するため、バイオチップの吸加熱速度が向上する。

本発明の一実施形態による温度制御装置の構成を示す図であり、バイオチップと温度制御装置の配置を示す説明図である。 本発明の一実施形態による温度制御装置の構成を示す図であり、図１のＢ−Ｂ線における断面図である。 バイオチップの構成を示す平面図である。 従来の構成を適用した温度制御装置の構成を示す図である。

以下、本発明の一実施形態による温度制御装置の図面を参照して説明する。
図１及び図２は、同実施形態による温度制御装置の構成を示す図であり、温度制御対象であるバイオチップと温度制御装置の配置を示す図である。また、図３はバイオチップの構成を示す平面図である。
図１に示すように、温度制御装置は、バイオチップＡの検体（図示せず）の温度を制御するもので、温調チャンバ１、アーム２、自転軸３、公転軸４、中空自転軸５、自転用モータ６、公転用モータ７、バランスウェイト８、熱源９から構成されている。

公転軸４は不図示の軸受によって軸支され、中空回転軸５に遊挿されている。アーム２は、公転軸４に固着されており、公転軸４の回転に連動して回転する。アーム２上の公転軸４からその径方向に間隔をおいた箇所には、自転軸３が軸支されている。公転軸４と自転軸３とは互いの軸方向が平行となるように延在している。自転軸３の先端は温調チャンバ１内に延出している。
温調チャンバ１は、円板状を呈する可動部１ａと、可動部１ａを内部に収容しアーム２を外部に位置させる中空の円柱状の固定部１ｂから構成されている。
可動部１ａの中央は公転軸４の先端に固着されており、可動部１ａはアーム２乃至公転軸４の回転に連動して回転する。可動部１ａの中央から間隔をおいた箇所には、自転軸３の先端が貫通する貫通孔１ｃが形成されている。
固定部１ｂの一端には開口１ｄが形成されており、この開口１ｄから、可動部１ａの貫通孔１ｃから中央側の部分が露出する。開口１ｄはアーム２の回転に伴って公転軸４の回転中心の周りを公転する自転軸３の移動軌跡よりも径が大きい同心円状に形成されており、自転軸３はこの開口１ｄを貫通している。また、固定部１ｂの他端には、熱源９からの温調気体、つまり、冷温風を固定部１ｂの内部に供給するための給気口１ｅが形成され、一端には排気口１ｆが形成されている。給気口１ｅと排気口１ｆは、公転軸４の周方向に１８０゜位置をずらし、公転軸４の回転中心からそれぞれ偏心した箇所に形成されている。
可動部１ａは、固定部１ｂの開口１ｄの内径よりも大きい外径で形成されており、開口１ｄに近接して配置されている。したがって、開口１ｄは可動部１ａによって緩く塞がれている。これにより、固定部１ｂの内部に、給気口１ｅから供給される温調気体による温調空間が画成される。
バイオチップＡは、図３に示すように、円板状を呈しており、中心側の検体を注入する貯蓄槽Ａ１と、周縁側の試薬を固定する反応槽Ａ２とを、径方向に延在する細幅の流路Ａ３で接続したものを、周方向に間隔をおいて一方の面上に複数設けている。バイオチップＡの他方の面の中心は、自転軸３の先端に固着されており、自転軸３の回転に連動して回転する。バイオチップＡの自転中には、図１に示すように、反応槽Ａ２が温調チャンバ１の給気口１ｅに対向する位置を周期的に通過する。
自転軸３と中空自転軸５との間、及び、中空自転軸５と自転用モータ６との間は、図示しないベルトでそれぞれ連結されている。公転軸４と公転用モータ７は、図示しないベルトで連結されている。
なお、図１に示すように、バランスウェイト８は、アーム２の自転軸３の軸支箇所から公転軸４の周方向に１８０゜ずれた箇所に配置されている。バランスウェイト８は、自転軸３及びバイオチップＡにかかる遠心力とつり合う遠心力がかかる質量とするのが望ましい。
以上のように、本実施形態の温度制御装置は、
公転軸４に固着されたアーム２と、
公転軸４の回転中心から偏心した箇所においてアーム２に軸支された自転軸３と、
自転軸３に固着され、公転軸４の回転により公転軸の回転中心の周りに自転軸３と共に公転し、かつ、自転軸の回転により自転軸３の回転中心の周りに自転するバイオチップＡと、
バイオチップＡを内部に収容する温調チャンバ１と、
温調チャンバ１内に冷温風を供給してバイオチップＡを加熱・吸熱する熱源９とを備え、
温調チャンバ１は、公転軸４に回転中心が固着された可動部１ａと、可動部１ａをバイオチップＡと共に内部に収容しアーム２を外部に位置させる固定部１ｂとを有しており、
固定部１ｂは、公転軸４の回転中心の周りに公転する自転軸３が貫通する開口１ｄを有しており、
可動部１ａは、開口１ｄの内径よりも大きい外径で形成されて開口１ｄの近傍に配置され、かつ、自転軸３が貫通する貫通孔１ｃを有している、
ことを特徴とするものである。
また、本実施形態の温度制御装置は、固定部１ｂは、熱源９からの温調流体を固定部１ｂ内に供給するための給気口１ｅを、バイオチップＡの自転によるバイオチップＡの反応槽Ａ２の移動軌跡がバイオチップＡの公転中に対向する箇所に有していることを特徴とするものである。
さらに、本実施形態の温度制御装置は、公転軸４を回転させる公転用モータ７と、公転用モータとは独立して自転軸３を回転させる自転用モータ６とをさらに備えることを特徴とするものである。
このように構成された本実施形態の温度制御装置では、公転軸４の回転によりバイオチップＡが、アーム２と共に公転軸４の回転中心の周りに公転する。また、公転軸４の回転中心から偏心した箇所でアーム２により軸支された自転軸３の回転によって、バイオチップＡが自転軸３の回転中心の周りに自転する。したがって、バイオチップＡの公転速度を公転用モータ７を用いて制御することができ、バイオチップＡの自転速度を、自転用モータ６を用いバイオチップＡの公転速度とは独立して制御することができる。よって、バイオチップＡにＤＮＡの増幅に適した複雑なパターンの回転を与えることができ、貯蓄槽Ａ１の検体（ＤＮＡを含む水溶液）を反応槽Ａ２の試薬と、攪拌棒等を用いずに均一に攪拌することができる。
また、本実施形態の温度制御装置では、バイオチップＡの自転による反応槽Ａ２の移動軌跡が、バイオチップＡの公転中に、温調チャンバ１の給気口１ｅに対向する箇所に、周期的に位置する。そのため、給気口１ｅから温調チャンバ１内に供給される加熱・吸熱用の温調気体により、その温調気体の温度変化に同期したパターンよりも複雑な、ＤＮＡの増幅に適したパターンで、加熱・吸熱することができる。
その上、本実施形態の温度制御装置では、温調チャンバ１の固定部１ｂの内部に画成される温調空間に、固定部１ｂの開口１ｄを緩く塞ぐ可動部１ａとバイオチップＡを収容するだけで、バイオチップＡの公転及び自転を実現することができる。このため、例えば図４の説明図に示すように、バイオチップＡを公転軸４の回転中心の周りに公転させるためのアーム２を温調チャンバ１内に収容する場合に比べて、温調空間の体積を小さくすることができる。よって、給気口１ｅ側と排気口１ｆ側との間に温度勾配を効率よく生じさせ、この温度勾配により固定部１ｂ内の気体に対流を生じさせて、検体の加熱・吸熱の熱伝達効率乃至加熱・吸熱の速度を高めることができる。

次に、本発明による温度制御装置の実施例について説明する。
温度制御対象であるバイオチップの外径は８０ｍｍ、厚さは２ｍｍ、流路幅は０．６ｍｍ、検体の液量としては各１０μＬである。バイオチップはポリプロピレンなどのＰＣＲ反応を阻害しない素材からなる。反応槽は複数あり、バイオチップの回転中心から同心円上に配置されている。

検体をバイオチップの回転中心付近に配置された貯蓄槽にシリンジ注入した後、バイオチップを自転させて検体を反応槽に送液する。反応槽には予め試薬が固定されており、検体と試薬を吸加熱しながら混合・攪拌する。

すなわち、バイオチップの反応槽付近に温調された熱風を当てて反応槽を９５℃に加熱する。バイオチップは９６０ｒｐｍで公転させるとともに２４０ｒｐｍで自転させる。各反応槽は、温調風の吹出口の直下を複数回通過する。
その後、バイオチップに当てる風の温度を変化させ、反応槽を６８℃に吸熱する。
このような吸加熱を３０サイクル繰り返す。

本発明者は鋭意研究を重ねた結果、図４で示すような、従来型の、温調チャンバが全て固定されており、複雑な高速回転に耐える機械的強度を得るために大型化されたアームが温調チャンバ内に配置されていた場合に比較して、反応槽における吸加熱速度が向上することを見出した。

１・・・温調チャンバ
１ａ・・・可動部
１ｂ・・・固定部
１ｃ・・・貫通孔
１ｄ・・・開口
１ｅ・・・給気口
１ｆ・・・排気口
２・・・アーム
３・・・自転軸
４・・・公転軸
５・・・中空自転軸
６・・・自転用モータ
７・・・公転用モータ
８・・・バランスウェイト
９・・・熱源
Ａ・・・バイオチップ
Ａ１・・・貯蓄槽
Ａ２・・・反応槽
Ａ３・・・流路

Claims (3)

1. 公転軸に固着されたアームと、
   前記公転軸の回転中心から偏心した箇所において前記アームに軸支された自転軸と、
   前記自転軸に固着され、前記公転軸の回転により該公転軸の回転中心の周りに前記自転軸と共に公転し、かつ、該自転軸の回転により前記自転軸の回転中心の周りに自転するバイオチップと、
   前記バイオチップを内部に収容する温調チャンバと、
   前記温調チャンバ内に冷温風を供給して前記バイオチップを加熱・吸熱する熱源とを備え、
   前記温調チャンバは、前記公転軸に回転中心が固着された可動部と、該可動部を前記バイオチップと共に内部に収容し前記アームを外部に位置させる固定部とを有しており、
   前記固定部は、前記公転軸の回転中心の周りに公転する前記自転軸が貫通する開口を有しており、
   前記可動部は、前記開口の内径よりも大きい外径で形成されて該開口の近傍に配置され、かつ、前記自転軸が貫通する貫通孔を有している、
   ことを特徴とする温度制御装置。
2. 前記固定部は、前記熱源からの温調流体を前記固定部内に供給するための給気口を、前記バイオチップの自転による該バイオチップの反応槽の移動軌跡が前記バイオチップの公転中に対向する箇所に有していることを特徴とする請求項１記載の温度制御装置。
3. 前記公転軸を回転させる公転用駆動源と、該公転用駆動源とは独立して前記自転軸を回転させる自転用駆動源とをさらに備えることを特徴とする請求項１又は２記載の温度制御装置。

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