JP2012139173A - 熱サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】チップ上で液滴を移動させることにより、効率的な熱サイクルを当該液滴に施すことのできる熱サイクル装置を提供する。
【解決手段】本発明にかかる熱サイクル装置は、液滴を載置する載置面を有するチップを装着する装着部と、装着部を、所定方向に往復移動させる移動機構と、所定方向に温度分布を有するようにチップの載置面を温度制御する温度制御部と、を備え、移動機構は、装着部に印加される加速度および液滴の質量との積が、載置面に液滴が載置された際の静止摩擦力よりも大きくなるように、装着部を移動させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱サイクル装置に関する。

高度な化学分析や化学合成、あるいはバイオテクノロジー関連の分析を小さなマイクロ流体チップに集積化する技術は、マイクロＴＡＳ（Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）あるいはＬａｂ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐなどと呼ばれ、医療診断や健康チェック、環境や食品のオンサイト分析、医薬品や化学品などの高付加価値物質の生産、生化学分析の高効率化など広い分野に応用が見込まれている。近年では、半導体製造分野での微細加工技術によりシリコンやガラス基板の加工を行って、マイクロＴＡＳを構築することも検討されている。

マイクロＴＡＳは、従来の技術と比べて試料の必要量が少ない、反応時間が短い、廃棄物が少ない、などのメリットを有している。また、マイクロＴＡＳは、医療分野に使用した場合には、血液など検体の量を少なくすることで患者の負担を軽減でき、また、試薬の量を少なくすることで検査のコストを下げることができる。さらに、検体および試薬の量が少ないことから、反応時間が大幅に短縮され検査の効率化が図ることができる。

一方、ＤＮＡやＲＮＡのような遺伝子の検査するための増幅方法としてＰＣＲ（Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ Ｃｈａｉｎ Ｒｅａｃｔｉｏｎ）が例えば研究用および臨床検査用に広く用いられている。ＰＣＲでは通常、標的核酸および試薬を含む反応液に、熱サイクルという複数段階の温度変化（例えば９５℃、７４℃、５５℃の温度変化を繰り返す）を施すことにより標的核酸を増幅させる。

ＰＣＲにマイクロＴＡＳあるいはＬａｂ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐを適用することは、少ない量の検体で済み、また反応時間の短縮も可能なことから有望である。そしてその場合には、反応液の微小な液滴を、器具等を使うことなく、チップ内で位置を移動させる技術が、汚染（コンタミネーション）の抑制、熱サイクルの効率化の点で有用となっている。微小な液滴を移動させる技術としては、例えば、液滴に磁性粒子を配合し、当該磁性粒子が外部からの磁力を受けて、液滴全体を移動させる方法が提案されている（特許文献１）。

特開２００８−０１２４９０号公報

しかしながら、微小な液滴を移動させる方法として、磁性粒子を用いる方法では、磁性粒子に対象の液体を追従させる必要があり、液滴の体積に対する磁性粒子の配合量を調節する必要があった。また、磁性粒子によって液滴を移動させる方法をＰＣＲに適用する場合には、添加した磁性粒子によってＰＣＲの反応が阻害されたり、磁性粒子の熱容量によって熱サイクルの効率が低下することが懸念される。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、その幾つかの態様にかかる目的の一つは、チップ上で液滴を移動させることにより、効率的な熱サイクルを当該液滴に施すことのできる熱サイクル装置を提供することにある。

本発明は前述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様または適用例として実現することができる。

［適用例１］
本発明にかかる熱サイクル装置の一態様は、液滴を載置する載置面を有するチップを装着する装着部と、前記装着部を、所定方向に往復移動させる移動機構と、前記所定方向に温度分布を有するように前記チップの前記載置面を温度制御する温度制御部と、を備え、前記移動機構は、前記装着部に印加される加速度および前記液滴の質量との積が、前記載置面に前記液滴が載置された際の静止摩擦力よりも大きくなるように、前記装着部を移動させる。

本適用例の熱サイクル装置によれば、移動機構が、装着部に印加される加速度および液滴の質量との積が、載置面に液滴が載置された際の静止摩擦力よりも大きくなるように、装着部を移動させるため、チップに載置される液滴の慣性力を利用することによって、液滴をチップの載置面上で移動させることができる。そして、当該載置面は温度制御部によって温度制御されているので、液滴を載置面上で移動させることによって、当該液滴の温度を迅速に変化させることができる。したがって、本適用例の熱サイクル装置によれば、液滴に対して、効率的な熱サイクルを施すことができる。

［適用例２］
適用例１の熱サイクル装置において、前記所定方向の成分を有するエネルギーが蓄積されるように前記弾性体を変形させる、または、前記エネルギーが解放されるように前記弾性体を復元させる変形手段と、を含み、前記装着部に印加される前記加速度は、前記弾性体の前記エネルギーが前記変形手段によって解放されることによって印加されてもよい。

本適用例の熱サイクル装置は、変形手段の仕事によって蓄えられた弾性体の歪みエネルギー（弾性力による位置エネルギー）を利用するので、装置を小型化しやすく、かつ、装着部に対して所望の加速度をより容易に印加することができる。

［適用例３］
適用例２の熱サイクル装置において、前記弾性体は、バネであり、前記変形手段は、カムであり、前記装着部に印加される前記加速度は、前記カムによって変形された前記バネの復元力に基づいて印加されてもよい。

本適用例の熱サイクル装置は、移動機構の構成が簡素であり、小型化が容易でかつ生産性に優れている。

［適用例４］
適用例１ないし適用例３のいずれか一例の熱サイクル装置において、前記温度制御部は、第１温度制御部および第２温度制御部を有し、前記第１温度制御部は、前記チップの前記載置面の一部を９０℃以上１００℃以下の温度範囲に制御し、前記第２温度制御部は、前記チップの前記載置面の一部を５０℃以上７５℃以下の温度範囲に制御してもよい。

本適用例の熱サイクル装置によれば、液滴に対して２段階以上の熱サイクルを施すことができる。また、本適用例の熱サイクル装置は、液滴の温度を、９０℃以上１００℃以下、および、５０℃以上７５℃以下に制御することができるためＰＣＲになお適している。

［適用例５］
適用例１ないし適用例４のいずれか一例の熱サイクル装置において、前記チップの前記載置面を内包する密閉空間を形成するように設けられる蓋体をさらに有してもよい。

本適用例の熱サイクル装置によれば、チップおよび液滴を密閉空間に保持できる。これにより、液滴に対する汚染（コンタミネーション）を抑制することができる。

［適用例６］
適用例５の熱サイクル装置において、前記蓋体を加熱する加熱部をさらに有してもよい。

本適用例の熱サイクル装置によれば、蓋体が結露等によって曇ることが抑制され、これにより、例えば、液滴がＰＣＲの反応液である場合などにおいて、結露によって生じた水滴等が反応液に混入することなどが抑制され、反応液の蛍光測定等をより正確に行うことができる。

［適用例７］
適用例５または適用例６の熱サイクル装置において、
前記蓋体は、前記蓋体の外部から前記チップの前記載置面を視認可能な位置に、可視光の波長領域において透明な材質で形成された窓を有してもよい。

本適用例の熱サイクル装置によれば、液滴を外部から観察、または光学的手段によって測定できる。そのため、例えば、液滴がＰＣＲの反応液である場合などにおいて、蛍光測定等を熱サイクルの途中でも行うことができる。

［適用例８］
適用例５ないし適用例７のいずれか一例の熱サイクル装置において、前記蓋体によって形成される前記密閉空間は、水の飽和雰囲気であってもよい。

本適用例の熱サイクル装置によれば、液滴が水分を含む場合に、液滴からの水分の蒸発を抑制することができ、例えば、反応液の溶質の濃度の変化を小さく抑えることができる。

熱サイクル装置に装着するチップの一例を示す平面図。 実施形態に係る熱サイクル装置の要部を模式的に示す平面図。 実施形態に係る熱サイクル装置の要部を模式的に示す側面図。 実施形態に係る熱サイクル装置の要部を模式的に示す平面図。 実施形態に係る熱サイクル装置の要部を模式的に示す側面図。 実施形態に係る熱サイクル装置の要部の断面を拡大して示す模式図。 実施形態に係る熱サイクル装置の動作の一例を模式的に示すグラフ。 実施形態に係る熱サイクル装置の動作の一例を模式的に示すグラフ。 実施形態に係る熱サイクル装置の動作の一例を模式的に示すグラフ。 実施形態に係る熱サイクル装置の動作の一例を模式的に示すグラフ。

以下に本発明のいくつかの実施形態について説明する。以下に説明する実施形態は、本発明の例を説明するものである。本発明は、以下の実施形態になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において実施される各種の変形例も含む。なお以下の実施形態で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１．熱サイクル装置
図１は、本実施形態の熱サイクル装置に装着されるチップの一例であるチップ１を示す平面図である。図２は、本実施形態の熱サイクル装置１００の要部を模式的に示す平面図である。図３は、本実施形態の熱サイクル装置１００の要部を模式的に示す側面図である。図４は、本実施形態の熱サイクル装置１１０の要部を模式的に示す平面図である。図５は、本実施形態の熱サイクル装置１１０の要部を模式的に示す側面図である。図５ではカム２３は省略して描かれている。

本実施形態の熱サイクル装置１００は、チップ１を装着する装着部１２と、加速度αを、装着部１２に印加し装着部１２を所定方向に往復移動させる移動機構２０と、チップ１の載置面ｓを温度制御する温度制御部３０と、を備える。

１．１．チップ
チップ１は、熱サイクル装置１００の装着部１２に装着することができる形状を有する。チップ１には、液滴が載置される。チップ１の機能の一つは、載置された液滴ｄを保持し、チップ１内で液滴ｄを移動させることによって、液滴ｄに熱を与えることが挙げられる。チップ１の材質は、特に限定されないが、例えば、ガラス、シリコン、各種の樹脂などが挙げられる。チップ１をＰＣＲの反応に用いる場合には、チップ１は、コンタミネーションを防止するために使い捨てであることが好ましく、材質はコストの点で樹脂であることがより好ましい。

チップ１は、液滴ｄを載置する載置面ｓを有する。載置面ｓは、液滴ｄが移動することができる程度の大きさの面積を有する。載置面ｓは、熱サイクル装置１００にチップ１が装着され、液滴ｄが載置されたときに、重力の影響によって液滴ｄが転落または滑落しないチップ１の位置に配置される。載置面ｓは、液滴ｄを滴の形状に保持できる性質を有する。載置面ｓの形状は、例えば、平面、曲面とすることができる。載置面ｓは、例えば、液滴ｄが移動する範囲を規制する溝Ｌを有してもよい。載置面ｓが溝Ｌを有すると、例えば、チップ１に液滴ｄが複数載置される場合に、当該複数の液滴が互いに合一することを防ぎ、汚染を抑制することができる。図１に例示したチップ１では、載置面ｓに、チップ１の移動方向に沿った溝Ｌが複数形成されている。

載置面ｓは、撥水処理、撥油処理などの撥液処理がされていてもよい。載置面ｓの撥液処理は、例えば液滴ｄを構成する液体の種類、または液滴ｄの大きさを考慮して選択される。載置面ｓが撥液処理されていると、例えば液滴ｄの移動を容易化することができる。載置面ｓの撥液処理としては、例えば、フッ素樹脂またはシリコン樹脂によるコーティングなどが挙げられる。

液滴ｄは、載置面ｓに載置されたときに滴となる大きさで載置される。液滴ｄは、載置されたときに滴になれば、水性、油性のいずれであってもよい。液滴ｄは、例えば、ＰＣＲの反応液であってもよい。液滴ｄがＰＣＲの反応液である場合には、反応液には増幅の対象とする核酸（標的核酸）および反応に必要な試薬が含まれる。

１．２．装着部
本実施形態の熱サイクル装置１００は、装着部１２を有する。装着部１２は、チップ１を装着する部分である。図２に例示する熱サイクル装置１００では、装着部１２は、ステージ１０に形成されている。装着部１２は、熱サイクル装置１００に複数形成されてもよい。装着部１２にチップ１を装着する機構としては、後述する加速度αの印加によって、チップ１がステージ１０上を移動する等の不具合、またはステージ１０から脱落する等の不具合を生じない限り、特に制限されない。装着部１２にチップ１を固定する方法としては、例えば、クリップ等により機械的にチップ１を固定する方法、チップ１を減圧吸着する方法、粘着シート等によって固定する方法などが挙げられる。本実施形態の熱サイクル装置１００では、装着部１２にチップ１が図示せぬ粘着シートによって固定されている。

ステージ１０は、所定の方向に往復移動できるように構成される。したがって、装着部１２は、所定の方向に往復移動し、装着部１２にチップ１が装着された場合には、チップ１は、当該所定の方向に往復移動することができる。このような機能を有する限り、ステージ１０の構成や形状については制限がない。また、ステージ１０が所定の方向に沿って往復移動する範囲についても特に制限されず、チップ１上の液滴ｄの移動範囲や、移動機構２０の構成によって、適宜設定されることができる。装着部１２の形状は、チップ１の形状に合わせて適宜設計されることができる。ステージ１０において装着部１２が形成される位置についても特に制限されない。図１に例示した熱サイクル装置１００では、装着部１２は、ステージ１０の上面に形成されている。

１．３．移動機構
１．３．１．移動機構の構成
本実施形態の熱サイクル装置１００は、移動機構２０を有する。移動機構２０は、ステージ１０を所定の方向に沿って移動させることができる。これにより、装着部１２にチップ１が装着された状態で、装着部１２が所定の方向に沿って移動された場合には、チップ１は、当該所定の方向に沿って移動される。移動機構２０の構成としては、装着部１２に一定の大きさ以上の加速度αを印加することができる限り何ら限定されない。

移動機構２０は、例えば、動力源としてモーターや電磁石を、機構としてバネ、ゴム等の弾性体、カム、歯車、ガイドレール、ベルトなどを含んで適宜に構成されることができる。

移動機構２０の具体的な例として、図２および図３には、動力源および機構として、リニアモーター２１を有する移動機構２０で構成された熱サイクル装置１００を例示した。熱サイクル装置１００は、リニアモーター２１によってステージ１０が所定の方向に往復移動される。この場合の往復移動の方向は、リニアモーター２１の動作方向に一致している。

また、移動機構２０の他の具体的な例として、図４および図５には、ステージ１０に備えられたピン２２と、ピン２２に接触して回転するカム２３と、ステージ１０および筐体５０を接続するバネ２４と、ステージ１０を固定する滑走体２６と、滑走体２６をスライド移動させることのできるガイドレール２５と、を含む移動機構２０を含んで構成された熱サイクル装置１１０を例示した。図４および図５に例示した移動機構２０の構成では、カム２３は、図示せぬモーターによって回転される。そして、カム２３の回転により、カム２３の突起に接触しているピン２２の位置が移動されることで滑走体２６およびステージ１０が移動し、バネ２４が変形される。そして、カム２３がさらに回転すると、ピン２２がカム２３の突起から外れ、変形されていたバネ２４が復元する。すなわち、バネ２４の変形および復元のときに、滑走体２６およびステージ１０がガイドレール２５に沿う方向に往復移動される。なお、カムの突起の形状は、必要な加速度を得ることができるように適宜設計される。また、滑走体２６は、ステージ１０と一体的に構成されてもよい。

また、以上の例では、ステージ１０（装着部１２）が移動する所定の方向は、１つの軸の方向の場合（一次元的な移動）を例示しているが、これに限定されず、例えば、互いに交差する２つの軸に沿ってそれぞれステージ１０を往復移動させるように移動機構２０を構成してもよい。このような場合には、チップ１の載置面ｓ上において、液滴ｄを所定の面の範囲で任意に移動（二次元的な移動）させることもできる。

１．３．２．加速度
移動機構２０は、装着部１２に加速度αを印加する機能を有する。本実施形態の熱サイクル装置１００では、移動機構２０によって装着部１２に印加される加速度αは、摩擦や微小液滴の質量、重力加速度などを無視すれば、移動機構２０によって、ステージ１０に印加される力を、当該力をステージ１０およびチップ１の合計の質量で除したものに相当する。そして、当該加速度αが、装着部１２に印加される加速度となる。

移動機構２０によってステージ１０に対して印加される加速度αは、所定の期間の間は、チップ１に載置された液滴ｄの質量と当該加速度との積の値が、液滴ｄのチップ１の載置面ｓにおける静止摩擦力よりも大きくなるように設計される。そのため、液滴ｄは、前記所定の期間においては、チップ１の載置面ｓ上を移動することになる。なお、液滴ｄの載置面ｓにおける静止摩擦力は、例えば、載置面ｓを水平状態から傾斜させ、重力によって滑落する角度を測定する方法によって見積もることができる。

加速度αと液滴ｄの質量の積は、液滴ｄが受ける慣性力に相当し、液滴ｄがチップ１の載置面ｓ上で静止しているときに、当該慣性力が、液滴ｄの静止摩擦力に打ち勝った場合に、液滴ｄがチップ１の載置面ｓ上を移動する（図中矢印参照）。そして、液滴ｄとチップ１との相対速度が小さくなると、液滴ｄは、再度チップ１の載置面ｓ上で静止する。このような機構により、加速度αが印加されることにより、液滴ｄは、チップ１の載置面ｓ上を移動することができる。

このような加速度αは、上記「１．３．１．移動機構の構成」で例示した構成では、以下のようにして印加される。

図２および図３に示す熱サイクル装置１００では、リニアモーター２１の駆動によって、加速度αが発生し、ステージ１０（装着部１２）に当該加速度αが印加される。これにより液滴ｄは、加速度αと反対方向に載置面ｓ上を移動する（図中矢印参照）。したがって、リニアモーター２１としては、このような関係を満足することができる加速度αを発生できる構成が選択される。

図４および図５に示す熱サイクル装置１１０では、カム２３が回転することにより、バネ２４にエネルギーが蓄えられ、次いで、カム２３の突起からピン２２が外れて、バネ２４に蓄えられたエネルギーが解放される。熱サイクル装置１１０の構成では、バネ２４の復元力によって、ステージ１０に上述した関係を満足する加速度αを発生させる。このときに液滴ｄが慣性力によって加速度αと逆の方向にチップ１上を移動する（図中矢印参照）。そして、さらにカム２３が回転し、ピン２２がカム２３の次の突起に接触し、ステージ１０が定位置に戻る。さらにカム２３が回転することにより、これらの動作が繰り返され、ステージ１０が、ガイドレール２５に沿う方向の加速度αを繰り返し受けることになる。なお、カム２３の回転方向を逆にしても、同様の作用が得られ、その場合には、加速度αの向きが逆になるため、液滴ｄは上記と逆方向に移動することになる。したがって、図４および図５に示す熱サイクル装置１１０では、カム２３の回転方向を逆にするだけで、液滴ｄの移動方向を逆方向にすることができるため、簡易な構成で液滴ｄを移動させることができる。

また、この例では、２つのバネ２４による構成を例示しているが、バネ２４の数は制限されず、また、バネに限らず、エネルギーを蓄えて解放できる弾性体であれば、移動機構２０を構成することができる。さらに、図４および図５の例では、カム２３を用いたが、弾性体を変形させることができる変形手段として、カム以外の構成を含んでも、このような動作が可能である。

移動機構２０が、弾性体および変形機構によって構成される場合には、熱サイクル装置は、変形手段の仕事によって蓄えられた弾性体の歪みエネルギー（弾性力による位置エネルギー）の解放によって加速度αを発生させるので、小規模の構成としやすく、かつ、装着部に対して所望の加速度αをより容易に印加することができる。さらに、図４および図５に例示したように、弾性体をバネ２４で構成し、変形手段をカム２３で構成した場合には、加速度αは、カム２３によって変形されたバネの復元力に基づいて印加される。そのため、移動機構２０の構成をさらに簡素化することができ、熱サイクル装置の小型化が容易でかつ生産性に優れたものとすることができる。

１．４．温度制御部
本実施形態の熱サイクル装置は、温度制御部３０を有する。温度制御部３０は、チップ１の載置面ｓの温度を制御することができる。温度制御部３０によって温度が制御される載置面ｓの領域の大きさは、特に制限されないが、載置面ｓにおいて液滴ｄが移動する領域において、少なくとも２段階の温度が得られるように設計される。例えば、液滴ｄの移動が、所定方向（１軸）に沿ったものである場合には、当該所定方向において、少なくとも２段階の温度に制御されるように設計される。すなわち、温度制御部３０は、装着部１２（ステージ１０）が移動する所定方向に沿った温度分布を有するように、チップ１の載置面ｓの温度を制御する。

温度制御部３０が形成される位置は特に制限されないが、例えば、ステージ１０に形成されることができる。温度制御部３０の形状についても特に限定されない。温度制御部３０の機能としては、チップ１の載置面ｓの温度を制御して、当該温度制御された載置面ｓの部分に液滴ｄが存在する場合に、液滴ｄをその温度に加熱または冷却することが挙げられる。

温度制御部３０の構成としては、例えば、電熱ヒーター、ペルチェ素子、または、蓄熱媒体や冷媒の循環機構、あるいはそれらの組合せを含んで構成されることができる。また、温度制御部３０の構成は、チップ１の熱容量や、ステージ１０の大きさなどを考慮して適宜選定されることができる。図２ないし図５に示す熱サイクル装置の例では、温度制御部３０は、ステージ１０の装着部１２に形成されている。そして、温度制御部３０は、チップ１に接触するように配置されている。

温度制御部３０は、１個設けられてもよいし、複数設けられてもよい。図２ないし図５は、温度制御部３０が、２つ設けられた熱サイクル装置を例示している。温度制御部３０は、３つ以上設けられてもよい。図２ないし図５に例示した熱サイクル装置では、ステージ１０に、第１温度制御部３１および第２温度制御部３２が形成されている。これにより、載置面ｓに、２箇所の温度制御領域３３を形成しており、チップ１上で、少なくとも２段階の温度に液滴ｄの温度を制御することができる。

温度制御部３０によって制御される温度は、特に制限されないが、例えば、液滴ｄが温度制御領域３３に移動することによって、液滴ｄの温度が９０℃以上１００℃以下の温度範囲、および５０℃以上７５℃以下の温度範囲にそれぞれ制御されるようにしてもよい。このようにすると、液滴ｄがＰＣＲの反応液である場合の熱サイクルに、より好ましい。このような温度範囲を載置面ｓで実現するためには、温度制御部３０の構成として、１つのヒーター等の加熱手段を用いて可能な場合がある。しかし、温度制御部３０が複数設けられる場合には、温度制御部３０のそれぞれが、温度を制御できるので、載置面ｓに異なる温度の領域を形成するように温度制御することが、より容易となる。図２ないし図５に例示した熱サイクル装置は、液滴ｄの温度を、９０℃以上１００℃以下、および、５０℃以上７５℃以下に制御することが容易であるため液滴ｄがＰＣＲの反応液である場合には特に好適である。

１．５．その他の構成
本実施形態の熱サイクル装置は、蓋体４０を有してもよい。図６は、本実施形態の熱サイクル装置のステージ１０付近の断面の模式図である。

蓋体４０は、少なくともチップ１の載置面ｓを内包する密閉空間を形成することができる。蓋体４０は、熱サイクル装置の一部材として、チップ１に接続するように構成されてもよいし、ステージ１０に対して接続するように構成されてもよい。図６の例では、蓋体４０は、ステージ１０に接触して固定されている。本実施形態の熱サイクル装置が、蓋体４０を有する場合には、蓋体４０により載置面ｓに載置された液滴ｄが、密閉空間内に配置される。そのため、例えば液滴ｄに対する汚染（コンタミネーション）や、外部からの機械的な接触を抑制することができる。

蓋体４０の材質としては、特に制限されず、例えば、ガラス、シリコン、または各種の樹脂が挙げられる。また、蓋体４０には、例えば、気密性を高めるために、必要に応じてパッキン等が含まれてもよい。

蓋体４０の材質が可視光の波長領域（約３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ）において不透明な材質である場合に、蓋体４０が設置されることにより、載置面ｓが外部から観測できなくなる場合がある。このような場合には、蓋体４０の外部から載置面ｓを視認することができる位置に、窓４２を形成してもよい。窓４２は、可視光の波長領域において透明な材質、例えば、ガラス、アクリル樹脂等で形成されることができる。蓋体４０が、このような窓４２を有すると、熱サイクル装置の外部から、液滴ｄを観察することができる。そして、液滴ｄが蛍光物質等を含む場合には、外部から液滴ｄの蛍光を熱サイクルの途中でも観測することができる。したがって、例えば、リアルタイムＰＣＲのような、反応（熱サイクル）の途中で蛍光測定を行う用途に本実施形態の熱サイクル装置を使用できる。

また、蓋体４０が窓４２を有する場合または蓋体４０が透明な材質で形成される場合には、窓４２または載置面ｓを視認することができる位置を加熱する加熱部をさらに有してもよい。加熱部としては、例えば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）で形成されたヒーター等の透明な発熱体が挙げられる。このようにすれば、窓４２や載置面ｓを視認することができる位置が結露等によって曇ることを抑制することができる。

さらに、蓋体４０によって形成される密閉空間は、水の飽和雰囲気としてもよい。密閉空間を水の飽和雰囲気にする方法としては、例えば、密閉空間内に液滴ｄと干渉しないように水を配置する方法がある。このようにすれば、液滴ｄが水分を含む場合に、液滴ｄの水分の蒸発を抑制することができ、例えば、液滴ｄがＰＣＲの反応液である場合には、液滴ｄにおける溶質の濃度の変化を小さく抑えることができる。

蓋体４０は、液滴ｄに接触してもよい。蓋体４０が液滴ｄに接触する場合には、液滴ｄは、載置面ｓおよび蓋体４０に接触するため、液滴ｄの自由表面の割合を小さくすることができる。これにより、液滴ｄからの水分の蒸発をさらに抑えることができる。なお、このようにする場合には、液滴ｄの静止摩擦力は、載置面ｓとの間の静止摩擦力と蓋体４０との間の静止摩擦力の和となるため、移動機構２０によって印加される加速度αは、液滴ｄの質量と加速度αとの積の値が、液滴ｄのチップ１の載置面ｓにおける静止摩擦力および蓋体４０に対する静止摩擦力の和よりも大きくなるように適宜印加されるようにする。

１．６．作用効果等
以上説明した本実施形態の熱サイクル装置によれば、チップ１に載置される液滴ｄの慣性力を利用することによって、当該液滴ｄをチップ１の載置面ｓ上で移動させることができる。そして、当該載置面ｓは温度制御部３０により温度制御されているので、液滴ｄを載置面ｓ上で移動させることによって、当該液滴ｄの温度を所望の温度に迅速に変化させることができる。したがって、本実施形態の熱サイクル装置によれば、液滴ｄに対して、効率的な熱サイクルを施すことができる。

２．熱サイクル装置の使用方法
次に本実施形態の熱サイクル装置の使用方法について述べる。図７ないし図１０は、ステージ１０の位置、および液滴ｄの載置面ｓに対する相対的な位置の時間変化を模式的に示すグラフである。

図７は、図２および図３に例示した熱サイクル装置１００のように、移動機構２０をリニアモーター２１で構成した場合のステージ１０の位置（ａ）、およびチップ１（載置面ｓ）上の液滴ｄの相対的な位置（ｂ）、の時間変化の一例を模式的に示している。この例は、理想的な挙動を説明するものであって、加速度α（（ａ）のグラフの傾きが速度を表し、その速度の変化が加速度αに対応する）は、極めて大きく描かれている。

図７において、時刻ｔ０では、ステージ１０は、移動範囲Ｘの一方の端に存在し（ａ）、液滴ｄは、温度制御領域３３ａに存在している。時刻ｔ１では、ステージ１０は、移動範囲Ｘの他方の端まで非常に大きい加速度αによって移動し、液滴ｄは、温度制御領域３３ｂに移動する。この例は理想的な状態であるため、加速度αと液滴ｄの質量の積は、液滴ｄと載置面ｓとの間の静止摩擦力より大きく、液滴ｄは、瞬時に温度制御領域間を移動することができる。このようにして液滴ｄは、各温度制御領域に所定の期間保持されることができる。また、各温度制御領域に液滴ｄが保持される期間は、上記の操作のタイミングを制御することによって任意に設定することができる。

図８は、図４および図５に例示した熱サイクル装置１１０のように、移動機構２０をカム２３およびバネ２４を含んで構成した場合のステージ１０の位置（ａ）、およびチップ１（載置面ｓ）上の液滴ｄの相対的な位置（ｂ）、の時間変化の一例を模式的に示している。この例も理想的な挙動を説明するものであって、加速度αは、極めて大きく描かれている。

図８において、時刻ｔ０では、ステージ１０は、移動範囲Ｘの中心付近に存在し（ａ）、液滴ｄは、温度制御領域には存在していない。カム２３の回転により、ステージ１０は、時刻ｔ１まで小さい加速度を伴う速度で位置を移動し、このときは、液滴ｄの位置は変化しない。そして、時刻ｔ１において、カム２３の突起からピン２２が外れて、バネ２４の復元力によって、液滴ｄの質量との積が、液滴ｄと載置面ｓとの間の静止摩擦力よりも大きい加速度αによってステージ１０が移動し、これに伴って液滴ｄは、温度制御領域３３ｂに向かって移動する。さらに、カム２３が回転することにより、ステージ１０は、時刻ｔ２まで小さい加速度を伴う速度で位置を移動し、このときは、液滴ｄの位置は変化しない。そして、時刻ｔ２において、カム２３の突起からピン２２が外れて、バネ２４の復元力によって、大きな加速度が発生する。ここで加速度αと液滴ｄの質量との積は、液滴ｄと載置面ｓとの間の静止摩擦力よりも大きい。この加速度αによってステージ１０が移動し、これに伴って液滴ｄは、温度制御領域３３ｂに向かって移動する。カム２３の回転により、これらの動作を繰り返すことによって、時刻ｔ３において、液滴ｄは、温度制御領域３３ｂに到達する。

この例では続いて、ｔ４において、カム２３の逆回転が開始される。カム２３が逆回転する間は、ステージ１０は、時刻ｔ５まで小さい加速度を伴う速度で位置を移動し、このときは、液滴ｄの位置は変化しない。そして、時刻ｔ５において、カム２３の突起からピン２２が外れて、バネ２４の復元力によって、大きい加速度αによってステージ１０が移動し、これに伴って液滴ｄは、温度制御領域３３ａに向かって移動する。これらの動作を繰り返すことによって、時刻ｔ１０において液滴ｄは、温度制御領域３３ａに到達する。

この例においても、液滴ｄは、各温度制御領域に所定の期間保持されることができる。また、各温度制御領域に液滴ｄが保持される期間は、上記の操作のタイミングを制御することによって任意に設定することができる。

また、図８の例では、液滴ｄをステージ１０に対して相対的に移動させた後に、小さい加速度でステージ１０の位置を逆方向に移動させる点で、図７で示した例とは相違している。これにより、図８に示す例では、ステージ１０の移動範囲Ｘは、図７に示す例と比較して小さくすることができる。そのため、このような移動機構２０によって構成すれば、例えば熱サイクル装置を小型化することができる。

上記のいずれの例においても、移動機構２０の動作の時間間隔、移動距離など、各種の条件は、液滴ｄに必要な熱サイクルの条件に合わせて適宜設計されることができる。

図９および図１０は、それぞれ図７および図８に対応するが、ステージ１０の移動時に、加速度αが、液滴ｄと載置面ｓとの間の静止摩擦力よりも小さくなる期間を有する場合について例示している。

図９の例は、時刻ｔ０では、ステージ１０は、移動範囲Ｘの一方の端に存在し（ａ）、液滴ｄは、温度制御領域３３ａに存在している（ｂ）。時刻ｔ１で、ステージ１０は、移動範囲Ｘの他方の端に向かって移動を開始するが、このときの加速度αと液滴ｄの質量との積は、液滴ｄと載置面ｓとの間の静止摩擦力よりも小さい。そのため、液滴ｄは、ステージ１０の移動に追従し、液滴ｄのステージ１０（載置面ｓ）との相対位置は変化しない。そして、時刻ｔ１’において、加速度αと液滴ｄの質量との積が、液滴ｄと載置面ｓとの間の静止摩擦力を超え、液滴ｄが載置面ｓ上を移動する。この場合には、液滴ｄは、ステージ１０の移動方向と同じ方向の絶対的な速度成分を有している。そして、時刻ｔ１”において、ステージ１０が静止すると、液滴ｄは、図中符号Ｒで示すように、慣性力によって載置面ｓに対して相対的に逆方向に移動して静止する。このような場合でも、液滴ｄは温度制御領域間を移動することができる。

このように、瞬間的に大きな加速度を得にくい等の移動機構２０の制約がある場合でも、移動範囲Ｘの大きさ、液滴ｄの慣性力を考慮し、温度制御領域の範囲を適宜設計することによって、液滴ｄに所望の熱サイクルを施すことができる。

同様に、図１０において、時刻ｔ０では、ステージ１０は、中心付近に存在し（ａ）、液滴ｄは、温度制御領域には存在していない（ｂ）。カム２３の回転により、ステージ１０は、時刻ｔ１まで液滴ｄの質量との積が、液滴ｄと載置面ｓとの間の静止摩擦力よりも小さい加速度を伴う速度で位置を移動し、このときは、液滴ｄの載置面ｓとの相対的な位置は変化しない。そして、時刻ｔ１において、カム２３の突起からピン２２が外れて、バネ２４の復元力によって、加速度αによってステージ１０が移動するが、移動当初の加速度αと液滴ｄの質量との積は、液滴ｄと載置面ｓとの間の静止摩擦力よりも小さい。そのため、液滴ｄは、ステージ１０の移動に追従し、液滴ｄのステージ１０（載置面ｓ）との相対位置は変化しない。そして、時刻ｔ１’において、加速度αと液滴ｄの質量との積が、液滴ｄと載置面ｓとの間の静止摩擦力を超え、液滴ｄが載置面ｓ上を移動する。この場合、液滴ｄは、ステージ１０の移動方向と同じ方向の絶対的な速度成分を有している。そして、時刻ｔ１’において、ステージ１０が静止すると、液滴ｄは、図中符号Ｒで示すように、慣性力によって載置面ｓに対して相対的に逆方向に移動して静止する。この例では、液滴ｄは、逆方向への移動を伴うものの、トータルでは温度制御領域３３ｂに向かって移動する。カム２３の回転により、これらの動作を繰り返すことによって、時刻ｔ４’において、液滴ｄは、温度制御領域３３ｂに到達することは図８の例の場合と同様である。このように、非常に大きな加速度αを移動当初に得にくい場合でも、カム２３の回転動作を継続することにより、液滴ｄを所望の位置まで移動することができる。この例でも続いて、ｔ４’において、カム２３の逆回転が開始され、上記図８で説明したと同様の動作が可能であり、液滴ｄは、温度制御領域３３ａに向かって移動し、これらの動作を繰り返すことによって、時刻ｔ１１’において、液滴ｄを、温度制御領域３３ａに到達させることができる。

本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１…チップ、ｓ…載置面、ｄ…液滴、Ｌ…溝、α…加速度、１０…ステージ、１２…装着部、２０…移動機構、２１…リニアモーター、２２…ピン、２３…カム、２４…バネ、２５…ガイドレール、２６…滑走体、３０…温度制御部、３１…第１温度制御部、３２…第２温度制御部、３３，３３ａ，３３ｂ…温度制御領域、４０…蓋体、４２…窓、５０…筐体、Ｘ…移動範囲、１００，１１０…熱サイクル装置

Claims (8)

1. 液滴を載置する載置面を有するチップを装着する装着部と、
   前記装着部を、所定方向に往復移動させる移動機構と、
   前記所定方向に温度分布を有するように前記チップの前記載置面を温度制御する温度制御部と、
   を備え、
   前記移動機構は、前記装着部に印加される加速度および前記液滴の質量との積が、前記載置面に前記液滴が載置された際の静止摩擦力よりも大きくなるように、前記装着部を移動させる、熱サイクル装置。
2. 請求項１において、
   前記移動機構は、前記装着部に接続された弾性体と、
   前記所定方向の成分を有するエネルギーが蓄積されるように前記弾性体を変形させる、または、前記エネルギーが解放されるように前記弾性体を復元させる変形手段と、を含み、
   前記装着部に印加される前記加速度は、前記弾性体の前記エネルギーが前記変形手段によって解放されることによって印加される、熱サイクル装置。
3. 請求項２において、
   前記弾性体は、バネであり、
   前記変形手段は、カムであり、
   前記装着部に印加される前記加速度は、前記カムによって変形された前記バネの復元力に基づいて印加される、熱サイクル装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項において、
   前記温度制御部は、第１温度制御部および第２温度制御部を有し、
   前記第１温度制御部は、前記チップの前記載置面の一部を９０℃以上１００℃以下の温度範囲に制御し、
   前記第２温度制御部は、前記チップの前記載置面の一部を５０℃以上７５℃以下の温度範囲に制御する、熱サイクル装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか一項において、
   前記チップの前記載置面を内包する密閉空間を形成するように設けられる蓋体をさらに有する、熱サイクル装置。
6. 請求項５において、
   前記蓋体を加熱する加熱部をさらに有する、熱サイクル装置。
7. 請求項５または請求項６において、
   前記蓋体は、前記蓋体の外部から前記チップの前記載置面を視認可能な位置に、可視光の波長領域において透明な材質で形成された窓を有する、熱サイクル装置。
8. 請求項５ないし請求項７のいずれか一項において、
   前記蓋体によって形成される前記密閉空間は、水の飽和雰囲気である、熱サイクル装置。

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