JP2017505616A - 反応用のプロセスおよび装置 - Google Patents

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Abstract

一列の反応器を使用可能にするように構成された熱除去モジュールスライスであって、その端部に一列の反応ステーションと、その一端に液体流入マニホルドと、その他端に液体排出マニホルドと、反応ステーションに隣接し、二つのマニホルドの間に延びる熱交換器液体チャネルとを有する熱伝導性材料のブロックの形態であるスライス。スライスは、複数の類似のスライスと共に、反応、典型的にはＰＣＲ反応における組み込むための熱除去モジュール、装置、およびプロセスを形成するように構成される。【選択図】図１

Description

本発明は、生物学的、化学的および生化学的反応に関し、特に、ナノリットルからマイクロリットルのレベルで実行される反応に関し、ピコリットルレベルで実行される反応をも含み得る。それは、等温反応だけでなく、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）などの熱サイクルを含む反応を含む。
さらに、少量の容積反応が同時に多数実行される装置に特に関連し、複数の反応器が一度に反応装置内に受容される。マイクロリットルレベルでは、例えば、反応器は、トレイの形態にあり、マイクロタイタープレートとして知られる、容器のアレイを含む。ある標準的なマイクロタイタープレートにおいては、９６個の容器が１２×８列を含む１つのアレイ内に設計される。他のプレートは、その後、通常、９６×ｎベースで構成され、ここでｎは整数である。
特にＰＣＲの分野においては、可能な限り最小の時間で、完全な反応を達成するために有益とすることができる場合、熱がサンプルの内及び外の双方に伝達され得る速度は、重要である。これは、熱伝達媒体および最適な基準温度の考慮だけではなく、サンプルに対する加熱および冷却媒体の近接性をも意味する。９６ｎマイクロタイターアレイの文脈においては、各容器内で反応を個別に制御することが特に望ましい場合、要望に応じて、基準温度で動作する単一のブロックによって冷却する場合、同一の基準温度を各容器が一貫して得られるようにすることは不可欠である。
このような単一ブロックの一つは、ＰＣＴ特許出願ＰＣＴ／ＧＢ０７／００３５６４に記述されるような熱除去モジュール（ＨＲＭ）である。該モジュールは、冷却材が流れることができるようにその中に形成された迷路チャネルを有する単一ブロックである。モジュールは、マイクロタイター反応器を受容するように形成される。しかしながら、この特許出願に記述されるシステムにおいては、冷却設備は、相当効率的である一方で、加熱設備は、それほど効率的ではない。
ＰＣＴ特許出願ＷＯ２０１２０６３０１１は、反応器受容部分と、ヒータ部分および冷却部分とを有する反応器受容ステーションを記述し、後者は、熱除去モジュ―ル内のステーションを固定するように配置される。ヒータ部分は、容器受容部分の周囲に巻かれたワイヤを含み、特に効率的である。
本発明は、各反応容器からの一貫した冷却要件を満たす熱除去システムを提供する。
本発明によれば、一列の反応器を使用可能にするように構成された熱除去モジュールスライスであって、その端部に一列の反応ステーションと、その一端に液体流入マニホルドと、その他端に液体排出マニホルドと、反応ステーションに隣接し、二つのマニホルド間に延びる熱交換液体チャネルとを有する熱伝導性材料のブロックの形状であるスライスが提供される。
反応器受容ステーションは、望ましくは締りばめとして、反応器ホルダを取り付けることができる凹部を、望ましくは画定する。
本発明の特徴によれば、スライスのうちの一面から他の面へ延びるマニホルドによって、スライスは、このような類似のスライスのアレイ中に対面して組み立てられるように構成されてもよく、各々のマニホルドは、連続的なマニホルド入口管および出口管を形成し、各スライスは、位置決めおよび取り付け手段を組み込んでもよく、それによって互いに対して正確に位置決めされ、取り付けられ得る。
定義されるような複数のスライスの組み立てにより熱除去モジュールを形成する重要な利点は、製造の容易さ、各反応ステーションに対する効率的で一貫した冷却の獲得、および部品、例えば、反応器受容部材の故障が起きた際のスライスの比較的安価な除去および交換である。１２×８ウェルアレイシステムにおいては、一列の８ステーションを使用可能にするようにスライスが構成されることが望ましい。
熱除去モジュールより上の領域は、極めて密集し得ることを考慮すると、スライスから熱除去モジュールを形成する設備に関連する他の利点は、そのヒータに電力を供給することと、温度センサなどのセンサおよびそこからの信号を伝送することの双方のために、反応器ホルダに取り付けるための電気コンジット用の溝を組み込むようにスライスを製造することができることである。これらのコンジットは、プリント回路基板（ＰＣＢ）上に形成することができ、実際には、ＰＣＢは、溝内で適合し、理想的にはカチッとはまるように構成される。これは、熱除去モジュールの製造を容易にすることもできる。なぜなら、ヒータおよび温度センサを各々組み込むステーション内に取り付けられた反応器ホルダがあり、専用ＰＣＢが所定の位置に収めることと共に、ヒータ及びセンサをコンジットに接続することは、比較的容易であり得るからである。典型的には、センサおよびヒータの導線が送り込まれ、所定の位置ではんだ付けされるか単純に固定（圧着）され得る微小管内でコンジットは終端する。
スライスの製造においては、まず第一に形状が切り取られ、必要な穴が形成され、ＰＣＢ用に溝が研磨され、溝に対向する側面に接触して適切な成形具を備えるジグで保持されたスライスを用いて、容器ホルダが適合され、ＰＣＢが、その後、所定の位置に留められ、ＰＣＢコンジットに取り付けられた容器ホルダセンサおよびヒータワイヤは終端する。その後、容器ホルダヒータコイルを絶縁し、整合性の保持を支援するために、シリコンは容器ホルダ周辺に送り込むことができる。できる限り遠くまで熱的に分離するために、各ステーションの相互からの間隙、例えば、切込などは、スライスの各ステーション間に形成され得、スライスは、隣接するスライスについてリベートされてもよい。
典型的な標準的マイクロタイター１２×８プレートは、９．０ｍｍ中心でウェル中心を有するように構成される。反応器は、炭素担持プラスチック材料で形成されたマイクロタイター容器であって、２ｃｍの全長である。反応器は、上から順に、キャップ受容縁と、フィラー部分と、それに対する基部を有する反応チャンバとを含む。フィラー部分は、７ｍｍの最大外径と、５ｍｍの深さとを有する。反応チャンバは、３ｍｍから２．５ｍｍに先細りし、全体は、０．８ｍｍの壁の厚さを有する。このように、反応器は、実質的に毛細管の寸法である。
このように、ＨＲＭスライスは、９．００ｍｍの厚さであってもよい。１４．００ｍｍのマニホルドとそれに関連する（望ましくは可撓性のある）冷却材管に対するコネクタを組み込むために、スライスは、１１−１２ｃｍの長さで、４−５ｍの深さであってもよい。熱交換器液体チャネルは、約３−４ｍｍの穴を有してもよい。典型的には、スライスは、比較的純粋なアルミニウムから形成される。このようなアルミニウムは、容易に製造可能であって、例えば、銅およびプラスチック材料と比較すると、機械的変形に対して適切な耐性がありながら十分に高い熱伝導性を有し、かつ、例えば、ステンレス鋼よりも安価である。アルミニウムは、陽極酸化によって容易に保護可能でもあり、酸化に対して適切な耐性もある。
標準的なＨＲＭモジュールは、１２個のＨＲＭスライスと、冷却材管コネクタを組み込む端部固定部材とを含むであろうことを理解されたい。
このようなＨＲＭは、装着および動作ステーションの間で移動可能であり得る場合、反応装置内に典型的に取り付けられる。装着ステーションは、モジュールが反応成分を充填された９６反応ウェルを有するように装着されたマイクロタイターを受けることができる場合に、装置から突き出てもよい。モータは、その後、モジュールを引き込み、所望の反応が生じている間に機械的圧力が各ウェルとその容器ホルダとの間で接触を維持させる動作ステーションへとそれを持ち上げる。装置は、所望の接触圧力が達成されて維持されていることを示すための検知手段を組み込んでもよい。反応装置は、反応の結果を監視するために配置された設備、典型的には光学的設備をも通常有するだろう。
反応中、コンジットを介した給電は、所定のプログラムに従ってウェルを加熱するように配置されてもよく、その他のコンジットは、ウェル内の温度に関する信号を伝送する。
加熱サイクルは、ＨＲＭ５０内の冷却環境に接して生じるように配置されてもよく、冷却環境は、室温より幾らかは高い温度に望ましくは固定され、例えば、それは、３０−４５℃の間である。より高いＨＲＭ温度を有することによって、より高い加熱速度を達成することが可能となり、典型的な最大温度は９６℃である。逆に、ＨＲＭ温度がより低いと、冷却速度はより速くなるだろう。所望の手段は、通常室温より高い４０℃であり、これは、加熱および冷却効率に対する中間点である。
装置は、各ウェル内の反応サイクルの個々の制御に特に適している。
本発明の実施形態は、これから添付の図面を参照して例示として記述される。
熱除去モジュールスライスの等角図である。 適合されたＰＣＢを有するスライスの等角図である。 適合されたＰＣＢおよび反応器ホルダを有するスライスの等角図である。 ＰＣＢと適合されたスライスの正面図であって、反応器ホルダの位置および構造を示す。 組み立てＨＲＭの平面図である。 反応装置の概略図である。 代替的スライスの等角図である。 代替的スライスの等角図である。
図１−図５に図示されるのは、熱除去モジュールスライス１０である。アルミニウムで形成されると、それは、上端における複数の反応ステーション１１と、各端部においてそこを通る冷却液入口１２および出口１３マニホルド穴と、その上部から底部へ一面に沿って延びる一連の溝１４とを有する。熱交換器液体チャネル１５は、反応ステーション１１に隣接するマニホルド穴の間に延びる。
反応ステーション１１は、その中で締りばめするために反応器ホルダ４０の基部に対する寸法を有する円形空洞である。小さい穴１６は、各ステーション１１の基部から溝１４へと通じ、容器ホルダが入り込むとき、ステーション１１から気体（空気）を逃がすことを可能にするために用いるように動作する。
スライスの一面上の各マニホルドの周辺には、Ｏリング密閉のための溝１７があり、その１つが位置決め軸受１９を有するスライド取り付け穴１８がさらに外側にある。
ある面上の各底部の角においては、必要な場合には、スライスの分離を支援するように配置された分離リベート２０がある。各ステーション１１の間には、各ステーション１１の間で熱的分離を最大化するように配置された切込２１が存在する。各スライス１０のある面上のリベート２２は、同様の目的で形成される。
プリント回路基板（ＰＣＢ）３０は、溝１４内で留めるように製造され、スライス１０の上下に突出する。ＰＣＢ３０は、その上部および底部３２においてコネクタ３１内で終端するヒータおよびセンサ電気コンジットを支持する。ＰＣＢ３０の幅は、溝１４の深さである。
図３および図４に特に図示されるように、反応器ホルダ４０は、反応ステーション１１の各々に適合する。反応器ホルダ４０は、反応器受容部分４１と、ヒータ部分４２と、冷却部分４３とを含み、後者は、熱除去モジュール内のステーションを固定するように配置される。だぼ形状のアルミニウムで形成されても、ホルダ４０は、反応ステーション１１内に入り込むような寸法および形状である。容器受容部分４１は、マイクロタイター反応器（図示せず）をぴったりと受けるような形状であり、その壁内には、温度センサ４４が配置される。ヒータ部分４２は、ヒータコイル４５が敷設される螺旋形状の溝をその周囲に有する。
スライスの製造においては、まず第一に形状が切断され、必要な穴が形成され、ＰＣＢ用に溝が研磨され、溝に対向する側面に対して適切な成形具を備えるジグで保持されたスライスを用いて、容器ホルダが適合され、ＰＣＢは、その後、所定の位置に留められ、容器ホルダセンサおよびヒータワイヤがＰＣＢコンジット端子に取り付けられる。
典型的な９６（１２×８）ウェルトレイ用の熱除去モジュール５０を形成するために、１２個のＨＲＭスライス１０が、図５および図６に図示されるように互いに取り付けられ、冷却材入口および出口ネック５２、５３を有するコネクタプレート５１の間にそれによって固定される。モジュール５０は、電動コンベア上の反応装置（図示せず）内に組み込まれ、それによって、装置から突出している装着位置と、反応が生じることができる装置内の動作位置との間でモジュールを動かすことができる。可撓性管（図示せず）は、ポンプ（図示せず）を介してヒートシンク冷却材リザーバ（図示せず）とネック５２、５３を接続する。
図６は、反応ウェル６１を支持する９６ウェルマイクロタイタートレイまたはプレート６０を有するモジュール５０の組み立てを図示する。反応器６１は、炭素担持プラスチック材料で形成されたマイクロタイター容器であり、全長２ｃｍである。それは、上から順に、キャップ受容縁と、フィラー部分と、そこに対する基部を有する反応チャンバと、を含む。フィラー部分は、７ｍｍの最大外径と５ｍｍの深さとを有する。反応チャンバは、直径で３ｍｍから２．５ｍｍに先細りし、全体は、０．８ｍｍの壁の厚さを有する。このように、反応器は、実質的に毛細管の寸法である。
トレイ６０は、ホルダのアレイ上に適合するように適合され、反応装置は、ホルダへとウェルを押し付けるように均等に配置される。反応装置は、ウェル６１内の反応の進行を監視するように配置された光学設備を組み込む光学ボックス６２を有する。光学ボックスは、ホルダ４０内のウェル６１の圧力を維持するためにも機能する。装置は、均等な圧力の到達および維持を示すためのセンサ（図示せず）を組み込む。
図７および図８に図示される別のスライス１００においては、類似の参照番号が類似のコンポーネントを称する。スライス１００は、リベートされた基部１０２からステーション１１の基部の直下へ、かつ、入口ダクト１２から出口ダクト１３へと延びる長方形空洞１０１を有するように形成されるという点でスライス１０とは異なる。リベートされた基部１０２に適合するストッパー１０３は、空洞１０１を密閉するのに役立つ。空洞１０１は、このように、入口ダクト１２と出口ダクト１３との間で冷却材を送るように配置される。空洞１０１は、このように、スライス１０内のダクト１５を置換し、冷却材の流れおよび効率の改善を提供する。
反応中、コンジットを介した給電は、所定のプログラムに従って、ウェル６１を加熱するように配置され、その他のコンジットは、ウェル内の温度に関連する信号を伝送する。このプログラムは、各ウェルに対して予め決められ、装置は、各ウェル６１内の独立した反応を総合的に実施するのに特に適している。このように、例えば、ＰＣＲでのケースのように、反応が加熱・冷却サイクルを含む場合、あるウェル６１は、加熱段階にあってもよく、別のウェルは、冷却段階にあってもよく、残りおよび別のウェルは完了していてもよい。
加熱サイクルは、通常、室温より高く加熱および冷却効率に対する中間点である４０℃に固定されたＨＲＭ５０内の冷却環境に接して生じるように配置される。

Claims (29)

  1. 一列の反応器を使用可能にするように構成された熱除去モジュールスライスであって、前記スライスは、その端部に一列の反応ステーションと、その一端に液体流入マニホルドと、その他端に液体排出マニホルドと、前記反応ステーションに隣接し、前記二つのマニホルドの間に延びる熱交換器液体チャネルとを有する熱伝導性材料のブロックの形態である、
    スライス。
  2. ステーションを受ける前記反応器は、反応器ホルダを取り付けることができる凹部を画定する、
    請求項１に記載のスライス。
  3. 前記凹部は、締りばめとして反応器ホルダを受けるように配置される、
    請求項２に記載のスライス。
  4. 各々の前記マニホルドが連続的なマニホルド入口および出口管を形成するように、前記スライスのうちの一つの面から他の面に延びる前記マニホルドによって、スライスは、このような類似のスライスのアレイに対面して組み立てられるように構成され、各スライスは、位置決めおよび取り付け手段を組み込み、それによってスライスは、正確に配置され、互いに取り付けることができる、
    請求項１から３のうちのいずれか一項に記載のスライス。
  5. １２×８ウェルアレイ内に８つのステーションの列を使用可能にするように構成される、
    前記請求項のうちのいずれか一項に記載のスライス。
  6. そのヒータに電力を供給することと、温度センサなどのセンサの信号をそこから伝送することの双方のために、反応器ホルダに取り付けるための電気的コンジット用の少なくとも一つの溝を組み込む、
    前記請求項のうちのいずれか一項に記載のスライス。
  7. 電気的コンジットを支持する関連するプリント回路基板（ＰＣＢ）を有し、前記少なくとも一つの溝に適合するように構成される、
    請求項６に記載のスライス。
  8. 前記コンジットは、前記センサおよびヒータ導線が送り込まれ、所定の位置にはんだ付けされるか単に固定され得る微小管内で終端する、
    請求項７に記載のスライス。
  9. その中に適合された容器ホルダを有する、
    前記請求項のうちのいずれか一項に記載のスライス。
  10. その中に適合された８つの容器ホルダを有する、
    前記請求項のうちのいずれか一項に記載のスライス。
  11. 前記容器ホルダ周辺にシリコンケーシングを有する、
    請求項９または１０に記載のスライス。
  12. ９．００ｍｍの厚さである、
    前記請求項のうちのいずれか一項に記載のＨＲＭスライス。
  13. 前記マニホルドは、１４．００の直径の穴を有する、
    前記請求項のうちのいずれか一項に記載のスライス。
  14. １１−１２ｃｍの長さおよび４−５ｃｍの深さである、
    前記請求項のうちのいずれか一項に記載のスライス。
  15. 前記熱交換器液体チャネルは、約３−４ｍｍ直径の穴を有する、
    前記請求項のうちのいずれか一項に記載のスライス。
  16. 比較的純粋なアルミニウムで形成される、
    前記請求項のうちのいずれか一項に記載のスライス。
  17. 各スライスが前記請求項のうちのいずれか一項に記載のスライスである複数のスライスと、冷却材管コネクタを組み込む端部固定部材とを含む、
    ＨＲＭモジュール。
  18. １２個のＨＲＭスライスを含む、
    請求項１７に記載のＨＲＭモジュール。
  19. 請求項１７または請求項１８に記載のＨＲＭモジュールを組み込む反応装置。
  20. 前記ＨＲＭモジュールは、装着ステーションと動作ステーションとの間で移動可能であるように配置される、
    請求項１９に記載の反応装置。
  21. 前記装着ステーションにおいて、前記ＨＲＭモジュールは、反応成分を充填された９６個の反応ウェルで装着されたマイクロタイタープレートを受けるように配置される、
    請求項２０に記載の反応装置。
  22. 所望の反応が生じている間に、各ウェルと、その容器ホルダとの間の接触を維持するために機械的圧力を適用するための手段を有する、
    請求項２１に記載の反応装置。
  23. 前記モジュールを引き込み、動作ステーションにそれを持上げるために配置されたモータを有する、
    請求項２０から２２のうちのいずれか一項に記載の反応装置。
  24. 前記反応の結果を監視するために配置された設備を有する、
    請求項２０から２３のうちのいずれか一項に記載の反応装置。
  25. 前記監視設備は光学的である、
    請求項２４に記載の反応装置。
  26. 請求項２０から２５のうちのいずれか一項に記載の装置を使用する生物学的、化学的または生化学的プロセス。
  27. 添付の図面を参照して実質的に前述されたようなＨＲＭスライス。
  28. 添付の図面を参照して実質的に前述されたようなＨＲＭモジュール。
  29. 添付の図面を参照して実質的に前述されたような反応装置。
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