JP2016019503A - デバイスの温度制御方法、温度制御装置、分析装置、および分析システム - Google Patents

Abstract

【課題】 共通配線に接続された複数の加熱抵抗体を有するマイクロ流体デバイスにおいて、精度よく温度制御を行う方法を提供する。【解決手段】 ペアとする２つの前記加熱抵抗体の抵抗値の差を合計した値が最小となるように、複数の前記ペアが決められており、前記複数のペア同士の各々の前記電気接続部に正負対称の電位を印加することを特徴とする温度制御方法。【選択図】 図１

Description

本発明は、複数の加熱抵抗体を有するデバイスの温度制御方法および温度制御装置に関する。

近年、１枚のチップ上で化学・生化学分析に必要な全ての要素を組み込むマイクロトータルアナリシスシステム（μ‐ＴＡＳ）と呼ばれる技術についての研究開発が盛んである。

ここで用いられるチップは、一般にマイクロ流体デバイスと呼ばれ、マイクロ流路を有した流路デバイスである。

チップに設けられたマイクロ流路内の流体を制御する制御機構としては、マイクロ流路内の所定領域の温度を制御するための機構、流路内の液体の送液機構、液体内での反応を検出する反応検出機構、などがある。これらを備えた装置とともに、分析システムとしての開発が行われている。

その中でも特に、ヒトゲノムの１塩基多型（ＳＮＰ）などの遺伝情報の検査を目的としたＤＮＡ分析デバイスに注目が集まっており、研究が盛んに行われている。

ＤＮＡを分析する工程は主に２つある。分析対象の検体ＤＮＡを増幅する工程と、検体ＤＮＡを判定する工程である。

検体ＤＮＡを増幅する工程では、ＰＣＲ（Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ Ｃｈａｉｎ Ｒｅａｃｔｉｏｎ）法が一般的に用いられる。これは増幅対象の検体ＤＮＡの一部に対して相補的な塩基配列を有するプライマと酵素等とを検体ＤＮＡと共に混合し、サーマルサイクルをかけることでＤＮＡを増幅させる手法である。本工程では、正確かつ反応時間短縮のための高速な温度制御が要求される。そのため、マイクロ流路に近接して加熱抵抗体が配置されるチップが好適である。

また検体ＤＮＡを判定する工程としては、ＰＣＲ時の検体の増幅曲線を測定する、あるいは増幅後の検体ＤＮＡの融解温度を測定する、方法などがある。いずれにおいても、領域内での高速かつ正確な温度制御が求められている。

特許文献１には、複数の流路を有し、各流路に近接した複数のヒータを有するマイクロ流体デバイスが開示されている。

特許文献１のマイクロ流体デバイスにおいては、８本の直線的な流路が平行に並んで配置され、１つの流路に対し、２つの異なる領域でそれぞれ分析ができるように、２つのヒータ（加熱抵抗体）が流路方向に対して直列的に配置されている。

さらに、直列的に並んだ２つのヒータの間に位置する配線を隣接流路のヒータと共通配線とすることによって、配線パターンの面積を縮小することができ、デバイス全体のコンパクト化に貢献している。

米国公開２０１３／０１５７２７１Ａ１号明細書（図２）

しかしながら、複数のヒータ（加熱抵抗体）をパターニング等で基板上に形成するマイクロ流体デバイスにおいては、製造のばらつきを完全に無くすことは難しい。

すなわち、チップ内に複数の加熱抵抗体を形成する際、実際に形成された加熱抵抗体の抵抗値にばらつきがでてしまうことは避けられない。

特に、特許文献１では、共通配線をグランド電位（０Ｖ）とし、隣接する加熱抵抗体のもう一方に接続する個別配線に印加する電圧を正負対称電位としている。このようにすると、共通配線に流れる電流をゼロすることができ、共通配線自体の加熱を防止することができる。

しかし、隣接する抵抗値が異なった２つの加熱抵抗体に対して正負対称電位を印加した場合、共通配線がグランド電位とならないため、共通配線に電流が流れて発熱を起こし、正確な温度制御に支障を来たす場合があった。

本発明は、上記課題に鑑み、共通配線に接続された複数の加熱抵抗体を有するマイクロ流体デバイスにおいて、精度よく温度制御を行う方法を提供することを目的とする。

上記課題に鑑み、本発明に係る温度制御方法は、電圧印加により加熱される加熱抵抗体を４つ以上有し、各々の前記加熱抵抗体に接続する一方の配線が共通配線であり、他方の配線は各々独立して電圧印加可能な電気接続部を有するデバイスにおける温度制御方法であって、ペアとする２つの前記加熱抵抗体の抵抗値の差を合計した値が最小となるように、複数の前記ペアが決められており、前記複数のペア同士の各々の前記電気接続部に正負対称の電位を印加することを特徴とする。

本発明によれば、形成された加熱抵抗体の実抵抗値に微小なばらつきがあった場合にも、抵抗値の差が小さい最適なペアを選択することで、共通配線への電流の流れを低減することができ、これにより共通配線からの不要な発熱を抑え、より精度よく温度制御ができる。

（ａ）流路デバイスを説明するための上面図、および（ｂ）断面図 加熱抵抗体と配線のパターンを模式的に示す図 本発明の制御装置と流路デバイスを模式的に示す図 本発明の検査システムを模式的に示す図 温度制御のフローチャートを示す図 加熱抵抗体の測定抵抗値の例を示す図 測定抵抗値の差分を示す表 測定抵抗値の高い順に並べ、ペアを選択する模式図 一つの流路に対して、対応する２つの加熱抵抗体が配置されたデバイスを示す図

以下、本発明を詳細に説明する。

（デバイスについて）
図１に、本発明の温度制御方法に用いられる流路デバイスを説明する模式図を示す。

図１（ａ）は、流路デバイスを上面からみたときの模式図であり、図１（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’の断面図である。

流路デバイス１は、電圧印加により加熱される加熱抵抗体２を４つ以上有している。

流路デバイス１が有する加熱抵抗体の数は、４つ以上のであれば良く、８つ以上の偶数、さらには１６以上配置される構成でも良い。

各々の加熱抵抗体２に接続する一方の配線が共通配線３により共通化されており、他方の配線４は各々独立して電圧印加可能な構成となっている。

流路デバイス１は、加熱抵抗体上にそれぞれ流路が配置された複数の流路５を有しているＤＮＡ分析デバイスであることが好ましい。

ＤＮＡ分析デバイスとしての流路デバイス１は、図１（ｂ）に示されるように、複数の流路の溝が形成された流路基板８と、複数の加熱抵抗体がパターニングされた配線基板９と重ね合わせた形態とすることができる。

それぞれの基板８、９の材質としては、おもに石英のようなガラス材料が用いられるが、シリコンやセラミックスのようなガラス以外の材料が用いられる場合もある。

また、加熱抵抗体２には、白金や酸化ルテニウムのような金属が用いられる。共通配線３および個別配線４には、金やアルミニウムのような金属が用いられる。

また、温度を検知するための温度センサー抵抗体が形成されていることが好ましく、上記加熱抵抗体２とともに白金などのセンサー抵抗体が別途パターニングされていると良い。あるいは加熱抵抗体２自体がセンサー抵抗体を兼ねていても良い。

流路の両端には、流体の流入または流出を行うための開口部７がそれぞれ設けられており、開口部を介して流路内の流体の移動の制御が行われる。

加熱抵抗体２に電圧を供給する配線として、抵抗体の両端に共通配線３と個別配線４が配置されている。５は外部の接続機器との導通をとるためのパッドであり、後述する制御系との接続部となっている。流体デバイスは、更にヒートシンクなど冷却するための冷却機構を設けても良い。

図１において、流路６と、流路内の流体を加熱制御するための加熱抵抗体２兼センサー抵抗体は、それらの長手方向に並行に配置されている。

図３は、配線基板にパターニングされた、加熱抵抗体２、共通配線３、個別配線４、およびパッド５の関係を模式的に示した図である。

本実施形態の流路デバイス１は、一方に共通配線３を用いることで、個別配線の数を減らすことができるので、その分の配線パターン面積を減少させることができる。よって、パターニングのレイアウトの自由度が増し、流路デバイス１のコンパクト化に貢献する。

加えて、個別配線４のそれぞれには、共通配線３をグランド電位（０Ｖ）に近い値とするために、互いに等しい数の加熱抵抗体に対して印加する電圧を正負対称電位とする。

これにより、共通配線に流れる電流を極力減らすことができ、共通配線での加熱を低減できる。

本実施形態は、更に製造のばらつきを考慮して、実際の抵抗値に基づき、絶対値が等しい逆極性の等電位を印加する加熱抵抗体２のペアを選択することに特徴がある。

これに対して、隣接する抵抗値の異なる２つの加熱抵抗体に正逆の電圧を印加する従来方法は、２つの抵抗値のばらつきを補償するために、電位の絶対値に差をつけて電流を流す必要があった。

本発明を用いることにより、抵抗値のばらつきに起因する温度制御のばらつきを抑えつつ、共通配線からの発熱も抑えられるので、目的の温度に制御する際に、それらにより発生する温度偏差を低減することができる。

また、本実施形態においては、共通配線３に実質的に電流を流れないようにできるため、共通配線３の幅を小さくしても、発熱は充分に抑えられる。

よって、図１に示すように、４つの共通配線３を近接して配置しても問題なく、これにより一つの流路に対して複数の異なる加熱処理を行うために、複数の加熱抵抗体を流路の長手方向に配置する際、より間隔を短くして配置することができる。

（温度制御装置、および検査システム）
以下に、本発明の温度制御方法を実施する装置およびシステムについて説明する。

図４は、本発明の温度制御装置を模式的に示したものである。

流路デバイス１は、温度制御装置１２と前述のパッド５を介して電気的に接続されている。温度制御装置１２は、コンピュータ等の制御手段を有するものであり、選択された２つの前記加熱抵抗体の抵抗値の差を合計した値が最小となるように、それぞれのペアを決めるペア決定手段１３と、それぞれの前記ペアに正逆等しい電圧値を印加する手段１４と、を有している。

ペア決定手段１３は、不図示の加熱抵抗体の抵抗値測定手段と直接接続されていても良く、あるいは抵抗値を入力する入力手段（不図示）を介して、ペア決定手段にそれぞれの加熱抵抗体の実抵抗値が入力されるようにしても良い。

図５は、流路デバイスを用いてＤＮＡ分析を行うための分析システムを説明する図である。

１５は、ピペット装置に代表される液体供給手段であり、１６は、減圧ポンプまたはシリンジに代表される液体の送液手段であり、１７は反応検出手段としてのデジタルカメラに代表される画像取得手段である。

それらの手段は、コンピュータ等の制御手段に接続されており、制御手段は上述の温度制御装置１２を兼ねる構成となっている。

ＤＮＡ分析システムは、以下のような制御を行い、ＤＮＡの分析を行う。

まず液体供給手段１５によって流路デバイス１の開口部７に分析したいＤＮＡおよび試薬を含む液体を注入する。

その後、液体搬送手段１６を用いて、流路内の加熱抵抗体が配置された位置に液体を搬送する。

つづいて、加熱抵抗体に電圧を印加しつつ、センサー抵抗の抵抗値を計測しながら、所定の温度まで加熱を行なったり、温度を下げたりする温度制御を行う。

複数の設定温度に変更するＰＣＲのサーマルサイクルを実施しながら、または融点を測定するために段階的に温度を上昇させながら、画像取得手段１７によって流路デバイスから発せられる発光反応（例えば蛍光）を検出する。

特定配列のプライマによるＰＣＲの増幅の結果、または蛍光消失に基づく融解曲線の結果から分析対象のＤＮＡを詳細に分析することができる。

（温度制御方法）
本実施形態におけるマイクロ流体デバイスの温度制御方法について説明する。

上記した流路デバイス１に対して、温度制御を以下のように行う。
（ｉ）選択された２つの前記加熱抵抗体の抵抗値の差を合計した値が最小となるように、それぞれのペアが決める工程、
（ｉｉ）それぞれのペアに正逆等しい電圧値を印加する工程、
さらに、予め加熱抵抗体の抵抗値をそれぞれ測定する工程を有すると良い。加熱抵抗体の実際の抵抗値を測定する工程は、製造時であっても、流路デバイス１を使用する直前であっても良い。

ペアの選択は、共通配線に接続する加熱抵抗体の全ての組合せに対して抵抗値の差を算出し、決定されることが好ましい。

具体的には、共通配線に接続する複数の加熱抵抗体の抵抗値の順に並べ、最も高い抵抗値から順に、または最も低い抵抗値から順に、２つずつペアとなるように選択する。

また、各加熱抵抗体は温度センサーを備え、ＰＩＤ制御などによって設定した制御目標に対して必要な電力を供給する構成が好ましい。

そのために、ペアとなる各加熱抵抗体の制御目標値の平均値を、ペアとなる加熱抵抗体の共通の制御目標値とすれば良い。

具体的な温度制御方法について、図３のフローチャートを用いて説明する。

まず、各加熱抵抗体のでき上がり抵抗値を抵抗測定器などを利用して測定する。（Ｓ１０１１）

Ｓ１０１で測定した抵抗値をもとに共通配線３に接続されている加熱抵抗体の中で駆動時のペアを決める。（Ｓ１０２）

決め方はペア同士の抵抗値の差を求め、かつ同じ共通リードをもつ全てのペアで抵抗値の差の合計が最小となるように選択する。

次に、それぞれの加熱抵抗体に対して、制御すべき設定温度を制御目標値として決める。（Ｓ１０３）

制御すべき設定温度は、ＰＣＲのサーマルサイクルを行う場合などにおいては、以下のような温度サイクルを印加する必要があるため、このサイクルを実現するための温度に設定すれば良い。
（Ａ）混合液を９４℃程度に加熱し、２本鎖ＤＮＡを１本鎖に分かれさせるディネーチャー工程。
（Ｂ）５０℃程度にまで急速冷却し、その１本鎖ＤＮＡにプライマーを結合させる、アニーリング工程。
（Ｃ）７０℃まで加熱し、ＤＮＡポリメラーゼを反応させ、ＤＮＡを伸長させる伸長工程。

この（Ａ）〜（Ｃ）サイクルを繰り返すことで、ＤＮＡは増幅され、原理的にはｎ回のサイクルで２^ｎ倍に増幅される。

上記の設定温度を制御目標値として、設定温度になるように加熱抵抗体の投入電圧をそれぞれ決定する。

具体的には、まず個々の加熱抵抗体毎に制御目標値との差分を求める。（Ｓ１０４）

次にペアとなった加熱抵抗体同士で制御目標値の平均値を求める。ここで算出された平均の制御目標値をペアとなった２つの加熱抵抗体に共通の制御目標値とする。（Ｓ１０５）

これによって、決められたそれぞれのペアに対して、加熱抵抗体の投入電圧が決定される。

そして、決定された投入電圧を各加熱抵抗体に印加する。（Ｓ１０６）

共通リードの電位を０Ｖ（ＧＮＤ）にして、ペアとなった加熱抵抗体に絶対値が等しく符号が反転した電位が印加される。これによりペアの加熱抵抗体に流れる電流は最適なペアの選択によってほぼ等しくなり、共通リードに流れる電流は無視できる程度とすることができる。

（実施形態１）
以下に実施形態を示し、本発明をさらに具体的に説明する。

本実施形態１としては、図２および図６に示す形態のものについて、説明する。

図６を用いて、測定した加熱抵抗体の抵抗値の具体例を挙げて説明する。

図６において、上から、９７Ω、１０１Ω、１００Ω、９８Ωと測定された４つの加熱抵抗体を一つの共通リードで駆動する場合を考える。

従来方法では、上側のペアと下側のペアという配置から決まる隣接チャネル同士でペアを決めていた。この方法であれば、各ペアの抵抗値の差は４Ωと２Ωとなってしまう。

これでは絶対値が等しく符号が反転した電位を印加した場合、流れる電流値の開きは大きくなり、結果、共通リードにはこの電流値を補償する様な電流が流れてしまう。

そこで、本実施形態では図５に示す様に総当たりで抵抗値の差分を算出する。算出結果から、ペアの選び方によって最小１Ωの抵抗値差のペアで構成できることが分かる。

本実施形態のように共通のリードを有する複数の加熱抵抗体の中で最適なペアを選択することで、抵抗値の差を最小にして、共通リードに流れる電流を最小化することができる。

（実施形態２）
第２の実施形態は、実施形態１の算出方法を変更したものである。

図８は測定した抵抗値をその大きさ順に並べ替えたものである。本実施形態では上から抵抗値の大きい順に並べた。この状態で最も大きい抵抗値から順に２つずつ加熱抵抗体のペアを決めて行く。本形態の方法によってもペア間の抵抗値の差を同じ共通リードを有する加熱抵抗体群の中の合計値を最小化することができる。

（実施形態３）
第３の実施形態としては、図１に示す形態がある。

一本のマイクロチャネルに対して温度制御する部位を複数にする構成を示している。

この構成は、ＤＮＡの増幅を行いながら順次解析的な熱化学反応の様子を観察したい場合などに適用できる。

この場合、図９に示すように、一つのチャネルに独立した加熱抵抗体を複数有することになる。

すなわち、図９の１８の第一領域をＰＣＲのサーマルサイクルを印加する領域とし、１９の第二領域を融解温度を測定する領域として２種類の加熱を行うデバイスとして利用できる。

加熱抵抗体のレイアウトを単純に繰り返したのでは加熱抵抗体へと続くリード部分を引き回しの面積が次の反応場、加熱抵抗体が配置される場所を実質的に決めてしまう。

そこで、図１に示す様な片方のリードを共通化したパターンとすることで、これらをよりコンパクトに配置することができる。

実施形態１で示した図２の配線パターンが、４か所に対称的に配置されており、４つの領域でそれぞれ独立して駆動制御が可能な構成となっている。すなわち、加熱抵抗体は１６配置されている。

それぞれの各共通配線に配置された加熱抵抗体に対して、実施形態１のようにそれぞれペアが選択されており、ペアの加熱抵抗体同士には略絶対値が等しく符号が反転している電位を印加して駆動することで、より好適な温度制御が実現可能となる。

１ 流路デバイス
２ 加熱抵抗体
３ 共通配線
４ 個別配線
５ パッド
６ 流路
７ 開口部
８ 流路基板
９ 配線基板
１０ 個別配線へのパッド
１１ 共通配線へのパッド
１２ 制御手段
１３ 電圧印加手段
１４ ペア決定手段
１５ 液体供給手段
１６ 液体搬送手段
１７ 画像取得手段

Claims (17)

1. 電圧印加により加熱される加熱抵抗体を４つ以上有し、各々の前記加熱抵抗体に接続する一方の配線が共通配線であり、他方の配線は各々独立して電圧印加可能な電気接続部を有するデバイスにおける温度制御方法であって、
   ペアとする２つの前記加熱抵抗体の抵抗値の差を合計した値が最小となるように、複数の前記ペアが決められており、
   前記複数のペア同士の各々の前記電気接続部に正負対称の電位を印加することを特徴とする温度制御方法。
2. 予め前記加熱抵抗体の抵抗値をそれぞれ測定する工程を有する請求項１に記載の温度制御方法。
3. 前記デバイスが、前記加熱抵抗体上にそれぞれ流路が配置された複数の流路を有する流路デバイスである請求項１に記載の温度制御方法。
4. 前記流路デバイスが、ＤＮＡ分析デバイスである請求項３に記載の温度制御方法。
5. 前記ペアは、前記共通配線に接続する加熱抵抗体の全ての組合せに対して抵抗値の差を算出し、決定されることを特徴とする請求項１記載の温度制御方法。
6. 前記ペアの選択が、前記共通配線に接続する複数の前記加熱抵抗体の抵抗値の順に並べたとき、最も高い抵抗値から順に、または最も低い抵抗値から順に、２つずつペアとなるように選択することを特徴とする請求項１記載の温度制御方法。
7. 請求項１記載の温度制御方法において、
   前記ペアとなる各加熱抵抗体の制御目標値の平均値を、ペアとなる加熱抵抗体の共通の制御目標値とする温度制御方法。
8. 前記ＤＮＡ分析デバイスが、４つ以上の異なる共通配線が配置されており、前記加熱抵抗体が１６つ以上配置されている請求項４に記載の温度制御方法。
9. 電圧印加により加熱される加熱抵抗体を４つ以上有し、各々の前記加熱抵抗体に接続する一方の配線が共通配線であり、他方の配線は各々独立して電圧印加可能な電気接続部を有するデバイスの温度制御を行うための温度制御装置であって、
   ペアとする２つの前記加熱抵抗体の抵抗値の差を合計した値が最小となるように、それぞれのペアを決めるペア決定手段と、
   前記複数のペア同士の各々の前記電気接続部に正負対称の電位を印加する手段と、
   を有することを特徴とする温度制御装置。
10. 前記加熱抵抗体の抵抗値をそれぞれ測定する手段を有する請求項９に記載の温度制御装置。
11. 前記デバイスが、前記加熱抵抗体上にそれぞれ流路が配置された複数の流路を有する流路デバイスである請求項９または１０に記載の温度制御装置。
12. 前記流路デバイスが、ＤＮＡ分析デバイスである請求項１１に記載の温度制御装置。
13. 前記ペア決定手段は、前記共通配線に接続する加熱抵抗体の全ての組合せに対して抵抗値の差を算出し、決定する手段である請求項９から１２のいずれか１項に記載の温度制御装置。
14. 前記ペア決定手段が、前記共通配線に接続する複数の前記加熱抵抗体の抵抗値の順に並べたとき、最も高い抵抗値から順に、または最も低い抵抗値から順に、２つずつペアとなるように選択する手段である請求項９から１２のいずれか１項に記載の温度制御装置。
15. 前記ＤＮＡ分析デバイスが、４つ以上の異なる共通配線が配置されており、前記加熱抵抗体が１６つ以上配置されている請求項９から１４のいずれか１項に記載の温度制御装置。
16. ４つ以上の流路と、該流路のそれぞれに近接した加熱抵抗体を４つ以上有し、各々の前記加熱抵抗体に接続する一方の配線が共通配線であり、他方の配線は各々独立して電圧印加可能な電気接続部を有する流路デバイスを用いて分析を行う分析装置であって、
    請求項９から１５のいずれか１項に記載の温度制御装置と、
    前記流路内の液体の送液手段と、
    前記流路内の液体の反応を検出する反応検出手段と、を有する分析装置。
17. 請求項１６に記載の分析装置と、前記流路デバイスとを有する分析システム。

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