JP2018126125A - 熱対流型ポリメラーゼ連鎖反応の装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 本発明は熱対流型ポリメラーゼ連鎖反応の装置を開示する。
【解決手段】 該装置は、第１枠体、第２枠体、温度感知装置、電力供給装置、処理装置及び収容空間を含む。該装置は、従来の加熱金属ブロックの代わりに透明導電フィルムを熱供給部として用いるポリメラーゼ連鎖反応又は逆転写ポリメラーゼ連鎖反応装置であって、試薬容器の底部が透明導電フィルムと接触して昇温させることで熱対流サイクルを構築し、ポリメラーゼ連鎖反応又は逆転写ポリメラーゼ連鎖反応を開始させ、行う装置である。本発明は、特異的なプローブ、蛍光物質、光源及び光信号受信部をさらに含むことで、ポリメラーゼ連鎖反応又は逆転写ポリメラーゼ連鎖反応の産物の定量化を行うことができる。
【選択図】 図５
【解決手段】 該装置は、第１枠体、第２枠体、温度感知装置、電力供給装置、処理装置及び収容空間を含む。該装置は、従来の加熱金属ブロックの代わりに透明導電フィルムを熱供給部として用いるポリメラーゼ連鎖反応又は逆転写ポリメラーゼ連鎖反応装置であって、試薬容器の底部が透明導電フィルムと接触して昇温させることで熱対流サイクルを構築し、ポリメラーゼ連鎖反応又は逆転写ポリメラーゼ連鎖反応を開始させ、行う装置である。本発明は、特異的なプローブ、蛍光物質、光源及び光信号受信部をさらに含むことで、ポリメラーゼ連鎖反応又は逆転写ポリメラーゼ連鎖反応の産物の定量化を行うことができる。
【選択図】 図５
Description
本発明はポリメラーゼ連鎖反応の装置に関する。より具体的には、本発明は、試薬容器の底部で加熱し、頂部で放熱する熱対流により、試薬容器内で下から上への温度勾配を構築し、ポリメラーゼ連鎖反応を開始させ、行う装置に関する。
ポリメラーゼ連鎖反応（Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ Ｃｈａｉｎ Ｒｅａｃｔｉｏｎ。以下はＰＣＲと略称する）はＤＮＡシグナルを迅速に増幅する技術であり、その原理及び主な動作ステップは下記の（ａ）〜（ｃ）である。（ａ）変性（ｄｅｎａｔｕｒｅ）：高温（９０〜９５℃）で二本鎖ＤＮＡを一本鎖ＤＮＡに解離し、一本鎖ＤＮＡを複製のテンプレートとする。（ｂ）プライマー結合（ｐｒｉｍｅｒ ａｎｎｅａｌｉｎｇ）：温度が適切な温度まで低下すると、プライマーが正しい標的遺伝子位置に付着する。（ｃ）プライマー伸長（ｐｒｉｍｅｒ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ）：反応温度を７２℃に調整し、ＤＮＡポリメラーゼはデオキシリボヌクレオチド三リン酸（ｄｅｏｘｙ−ｒｉｂｏｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅ ｔｒｉｐｈｏｓｐｈａｔｅ。以下はｄＮＴＰｓと略称する）をプライマーに順次付着させて、もう一本鎖の新たなＤＮＡフラグメントを合成する。
変性−プライマー結合−プライマー伸長という３つのステップにより標的核酸シグナルの増幅を繰り返し、３つのステップの作動を１回だけ繰り返すと、標的核酸の数は１倍増大でき、３つのステップの作動を４０回繰り返すと、標的核酸の数は大体１０９倍増大でき、ＰＣＲは大量の標的遺伝子フラグメントを取得できる。このため、現在、ＰＣＲ技術は、臨床的診断に広く使われている分子診断技術の１つとして、遺伝病の診断、病原体診断、癌腫瘍の診断予測評価、及び基礎的研究などのプロジェクトに適用されてもよい。ＰＣＲ技術に由来する逆転写ポリメラーゼ連鎖反応、即ちＲＴ−ＰＣＲも類似の応用原理を有するため、現在、同様に臨床的診断に広く使われている技術となる。
現在、ＰＣＲ又はＲＴ−ＰＣＲ反応を行うために用いられる装置は、プラスチックからなる試薬容器を加熱して試験管内の試薬及び（標的遺伝子のフラグメントを含む）反応物に熱を伝達し、標的遺伝子シグナルの増幅効果を達成するように、殆ど温度制御（サーモスタット）金属の加熱及び冷却を行うことができるという特性により、昇温又は降温動作を繰り返し行う。しかし、このような温度制御金属を用いて昇温降温を繰り返す装置は、一般的に体積が大きく、温度制御を求めるために、温度制御システム全体は大きな体積及び比熱比を有しなければならない。また、現在の装置の設計では、温度制御金属の昇温又は降温に多くの時間がかかり、通常試験に必要な繰り返し回数は約３０〜３５回であり、従来の装置の必要な反応時間は約２〜３時間であるため、反応時間の短縮は困難となり、短い期間で結果を知る必要がある試験には適用できない。
従来のＰＣＲ装置の問題点を改善するために、研究者はマイクロ流体チップをＰＣＲ及びＲＴ−ＰＣＲ技術に適用している。マイクロ流体チップの特徴としては、検出プログラムに利用する必要な各素子、例えば混合反応溝、加熱反応溝、分離管路及び検出溝などに対して、特殊な加工技術を用いてガラス、プラスチック又はシリコーン材料にミクロンレベルの反応管路及び解析素子をエッチングして、外から印加された電圧により生じられた電気浸透流により、或いはマイクロポンプ又は遠心力の方法により、測定すべきもの又は特定試薬を駆動して各素子間に連結されたマイクロ管路を移動させ、検出を行う。試薬に蛍光物質又は特異性を有するプローブが添加された場合は、標的遺伝子の定量化を行うようにチップに蛍光検出用の構造を追加してもよく、このような一体成型の多機能チップは「ラボオンチップ」（ｌａｂ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐ）とも称される。全ての解析がミクロン管路において行われるため、僅かな試薬及び反応物のみで検出を完成できるとともに、システムの熱伝導効率が従来の装置に比べて遥かに高いため、解析時間も相対的に短縮できる。従来開発されたＰＣＲ又はＲＴ−ＰＣＲバイオチップはマイクロ温度センサ、マイクロ加熱装置及びマイクロコントローラを含む。センサ及び加熱装置はＰＣＲ又はＲＴ−ＰＣＲチップの内部に集積されているため、チップは温度のサイクル制御を迅速、且つ正確に実行でき、温度は３つの温度、即ち変性（約９０〜９５℃）、プライマー結合（５０〜６５℃）及びプライマー伸長（７２℃）という３つの異なる温度範囲に制御され、測定の要求に応じてサイクルの回数を決定する。このマイクロ流体チップの技術の利点として、従来のＰＣＲ又はＲＴ−ＰＣＲ技術に比べて、マイクロ流体チップは試薬又は反応物の体積及び全体的比熱比を低減させるため、反応時間を短縮でき、且つ試薬の消費量を低減できる。しかし、この技術では、依然として３つの異なる温度範囲内で昇温及び降温を繰り返す必要があるため、昇温及び降温に多くの時間がかかるという問題点は依然として存在している。もう１つの開発されたマイクロ流体チップは、加熱装置の昇温降温の繰り返しという設定を除外するものであり、このシステムは特殊な設計の押圧力を用いて流路内の反応物及び試薬を加圧し、反応物及び試薬を特殊な設計の流路において３つの異なる温度領域を流れ、標的遺伝子の増幅という効果を達成する。この技術を用いてＰＣＲ又はＲＴ−ＰＣＲを行う場合は、昇温降温による時間の消費を回避できるが、この技術のシステムは複雑な加圧システム及び液体駆動システムを含む必要があるため、液体駆動システムが液体の体積及び粘度に関連するため、システム及び機器の製造、制御上の困難性に繋がるから、この技術も間接的に制限されている。
従来装置の高い静電容量及び時間かかりという問題点を解決するために、研究者が熱対流サイクルを用いて異なる位置で異なる温度に達することで内部の試薬及び反応物によりＰＣＲ又はＲＴ−ＰＣＲを行うという技術を開発した。この技術は、高温及び低温の熱源を用いて、試薬及び反応物を含む密閉型の試験管の上端及び下端を加熱し、上端と下端の温度差により試験管内の液体を異なる温度領域を流れるように駆動することでＰＣＲ反応を行う。この技術は、加熱装置の繰り返し昇温降温による時間かかりという問題点を解決し、且つ外部加圧という方法により試験管内の液体の循環流動を駆動する必要がないが、このような２つの熱源による加熱技術は外部温度の干渉を排除するために、２つの熱源のための（温度センサを含む）個別の温度制御システムは必要となり、処理装置により両者の温度を協調してプライマー結合に必要な反応温度に制御する必要もあるため、温度調整部に対応する複雑な制御メカニズムが必要となると共に、加熱装置がブロック状の金属であるため、比熱比を低減できないことにより装置の体積を小さくすることができなく、複雑な温度制御メカニズム及び金属加熱システムによる製造コストも高い。上記の問題点を鑑み、当該技術分野では上記の問題点を解決できるポリメラーゼ連鎖反応装置が求められている。
本発明は、上記の技術的問題点を解決する熱対流型ポリメラーゼ連鎖反応の装置を提供することを主な目的とする。
該装置は、透明導電物質（Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）が塗布されたガラス、或いは透明導電フィルム（Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ）とも称されるものを加熱装置として用いて、その上に温度センサを設けて加熱装置の温度を検出する。装置を起動した後に、反応物及び試薬が添加された試薬容器を加熱装置と接触させ、熱源が透明導電フィルムを介して試薬容器内に伝導され、試薬容器内の接触部分に近い液体が先に加熱され、液体の対流により接触部分から離れた液体に熱量を徐々に伝達し、液体が接触部分から離れるほど、その温度が低く、持続的な熱対流循環により、試薬容器内の液体は連続的な温度勾配の分布となっている。接触部分に近い反応物及び試薬を９５℃に加熱した場合は、該部分の反応物及び試薬は変性のステップを行い始め、試薬容器内の熱対流循環によりプライマー結合（ｐｒｉｍｅｒ ａｎｎｅａｌｉｎｇ）及びプライマー伸長（ｐｒｉｍｅｒ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ）を行うための温度に達するため、この２つのステップも繰り返し行われ、この装置によりＰＣＲ又はＲＴ−ＰＣＲの効果を達成できる。
試薬容器内の温度サイクルを確保し、外部気温の影響を受けずにＰＣＲ又はＲＴ−ＰＣＲをスムーズに行うために、本発明は、試薬容器を固定するための半密閉型の収容空間を含み、試薬容器を設置した後に、この収容空間は密閉空間となり、収容空間に位置する該試薬容器は大気に露出しておらず、装置が作動する際に、該試薬容器の熱サイクルは外部温度の変化による影響を受けることがない。言い換えれば、ＰＣＲ又はＲＴ−ＰＣＲ反応が環境温度の影響を受けないことを確保し、且つ十分な温度差で試薬容器内部の熱サイクルを形成するために、この収容空間を設けることで試薬容器の頂端部分を大気に露出させ放熱を行い、試薬容器の頂端の温度と加熱装置に接触する試薬容器の部分の温度とは温度差を有するため、試薬容器内に熱対流循環を形成でき、一端試薬容器内部の熱循環の温度はＰＣＲ又はＲＴ−ＰＣＲの３つの反応温度に達した場合、収容空間により、反応をスムーズに行うように、試薬容器内の温度が外部温度の干渉を受けないことを確保できる。
本発明は、試薬容器を用いて熱対流によりポリメラーゼ連鎖反応を行う装置であって、前記試薬容器に反応物及び試薬が収容され、前記装置は、（イ）水平方向に設けられ、且つ第１貫通孔を有する第１枠体と、（ロ）前記第１枠体の下方に設けられ、且つ前記水平方向に略平行となる第２枠体であって、前記第２枠体は第２貫通孔を有し、前記第２枠体は上表面及び下表面を有し、前記第２枠体の下表面は挟持凹溝を含み、前記挟持凹溝は前記水平方向に略平行となり、前記第２貫通孔は前記挟持凹溝と連通する、第２枠体と、（ハ）前記挟持凹溝内に設けられた温度感知装置であって、前記温度感知装置はガラス、温度センサ及び接点を含み、前記ガラスは上平面及び下平面を含み、前記上平面又は前記下平面は透明導電フィルムを有し、前記ガラスは前記挟持凹溝と略同一の大きさを有し、且つ前記上平面又は前記下平面で前記挟持凹溝に固定され、前記接点は透明導電フィルムが塗布された側と同一の側に設けられ、前記温度センサは上平面又は下平面に設けられ、前記温度センサは前記透明導電フィルムの温度を測定する、温度感知装置と、（二）電力供給部及び電力制御部を含む電力供給装置であって、前記電力供給部は前記温度感知装置を加熱するように前記接点に電力を供給し、前記電力制御部は出力される電流を制御する、電力供給装置と、（ホ）システムの処理及び制御を行う処理装置と、（ヘ）前記第１枠体と前記第２枠体との間に設けられ、且つ前記試薬容器を設置する収容空間であって、前記試薬容器は、前記第１貫通孔を介して前記収容空間に設置されて、前記第２貫通孔及び前記挟持凹溝を介して前記ガラスの上平面と接触する、収容空間と、を含み、前記電力供給部は前記接点に電流を供給し、前記ガラスを昇温させ、前記温度センサは前記処理装置にこの状態をフィードバックし、前記処理装置は前記電力制御部に電流を供給させないように通知し、この際に反応が開始する、装置を提供する。
好ましくは、前記装置はポリメラーゼ連鎖反応及び逆転写ポリメラーゼ連鎖反応に適用されるものである。
好ましくは、前記透明導電フィルムの材料は、酸化スズ、酸化インジウム、酸化亜鉛又は酸化インジウムスズである。
好ましくは、試薬容器は略垂直な角度で前記第１貫通孔を介して前記収容空間に設置されて、前記第２貫通孔及び前記挟持凹溝を介して前記ガラスの上平面と接触する。
好ましくは、前記収容空間の数が前記試薬容器の数と同一であり、且つ各前記収容空間の高さが前記試薬容器内に収容された試薬の高さと略同一であり、前記収容空間は、試薬容器においてポリメラーゼ連鎖反応を行う際に、外部温度の干渉を遮断できる。
本発明は温度感知装置を含み、該温度感知装置は透明導電フィルム、温度センサ及び接点を含む。透明導電フィルムは、導電性を有すると共に、透光性を有し、主にタブレットディスプレイ及び建築という２つの分野に適用される。透明導電フィルムは主に金属フィルムと金属酸化物フィルムに分けられ、金属酸化物フィルムの導電性は非常に良好であり、電源に接続すれば加熱を開始でき、短期間内に所定の温度まで加熱でき、従来の加熱金属の迅速に加速できるという利点を有すると共に、従来の加熱金属の体積が大き過ぎるという欠点を有しない。また、透明導電フィルムは高い透明性を有するため、幅広く応用できる。一般的には、透明導電物質は、酸化スズ、酸化インジウム、酸化亜鉛又は酸化インジウムスズ等の物質であり、本発明もこのような物質をガラスに塗布する。
反応試薬に蛍光物質又は特異性を有するプローブが含まれる場合は、本発明は光源及び光信号受信部（ｌｉｇｈｔ ｒｅｃｅｉｖｅｒ）を用いて発生された蛍光を検出し、反応物の定性、半定量又は定量を行ってもよい。即ち、本発明は、試薬容器を用いて熱対流により定量のポリメラーゼ連鎖反応又は逆転写ポリメラーゼ連鎖反応を行う装置であって、前記試薬容器に反応物及び試薬が収容され、前記試薬は蛍光物質又はプローブを含み、前記装置は、（イ）水平方向に設けられ、且つ第１貫通孔を有する第１枠体と、（ロ）前記第１枠体の下方に設けられ、且つ前記水平方向に略平行となる第２枠体であって、前記第２枠体は第２貫通孔を有し、前記第２枠体は上表面及び下表面を有し、前記第２枠体の下表面は挟持凹溝を含み、前記挟持凹溝は前記水平方向に略平行となり、前記第２貫通孔は前記挟持凹溝と連通する、第２枠体と、（ハ）前記挟持凹溝内に設けられた温度感知装置であって、前記温度感知装置はガラス、温度センサ及び接点を含み、前記ガラスは上平面及び下平面を含み、前記上平面又は前記下平面は透明導電フィルムを有し、前記ガラスは前記挟持凹溝と略同一の大きさを有し、且つ前記上平面又は前記下平面で前記挟持凹溝に固定され、前記接点は透明導電フィルムが塗布された側と同一の側に設けられ、前記温度センサは上平面又は下平面に設けられ、前記温度センサは前記透明導電フィルムの温度を測定する、温度感知装置と、（二）電力供給部及び電力制御部を含む電力供給装置であって、前記電力供給部は前記温度感知装置を加熱するように前記接点に電力を供給し、前記電力制御部は出力される電流を制御する、電力供給装置と、（ホ）前記蛍光物質又は前記プローブを励起する光源と、（ヘ）蛍光信号を検出して受信する光信号受信部と、（ト）システムの処理及び制御を行う処理装置と、（チ）前記第１枠体と前記第２枠体との間に設けられ、且つ前記試薬容器を設置する収容空間であって、前記試薬容器は、前記第１貫通孔を介して前記収容空間に設置されて、前記第２貫通孔及び前記挟持凹溝を介して前記ガラスの上平面と接触する、収容空間と、を含み、前記電力供給部は前記接点に電流を供給し、前記ガラスを昇温させ、前記温度センサは前記処理装置にこの状態をフィードバックし、前記処理装置は前記電力制御部に電流を供給させないように通知し、この際に反応が開始し、前記光源の励起により、前記蛍光物質又は前記プローブは特定の波長を有する蛍光を放射し、前記光信号受信部は該蛍光を検出し、前記処理装置に結果をフィードバックする、装置を提供する。
好ましくは、前記装置はリアルタイム定量ポリメラーゼ連鎖反応及びリアルタイム定量逆転写ポリメラーゼ連鎖反応に適用されるものである。
上記の蛍光物質、特異性のプローブ、光源及び光信号受信部を含まない発明と同様に、本発明も、透明導電フィルム、温度センサ及び接点を有する温度感知装置を含み、酸化スズ、酸化インジウム、酸化亜鉛又は酸化インジウムスズ等の物質をガラスに塗布する。
本発明に適用可能な光源は、ＬＥＤランプ、レーザランプ、又は光の波長が蛍光物質又は特異性のプローブと一致する他の光源などを含む。適用可能な光信号受信部は、フォトダイオード（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）、光電増倍管（Ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ）、電荷結合素子（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅ Ｄｅｖｉｃｅ：ＣＣＤ）又は相補型金属酸化物半導体（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：ＣＭＯＳ）等を含む。ＰＣＲ産物を生成した場合は、特定の波長を有する光源を用いて蛍光物質又は特異性のプローブを励起して特定の波長の蛍光を生成し、光信号受信部を用いて生成された蛍光を受信し、このような構成により本発明をＰＣＲ産物の濃度の定性、半定量又は定量に適用できる。反応試薬に２種類以上の蛍光物質又は特異性のプローブが含まれている場合は、２種類以上の蛍光信号を同時に検出するという効果を達成するように、光信号受信部及び光源の数を増加してもよい。本発明では、前記光源が前記第２貫通孔の直下に位置する場合は、前記光信号受信部は、前記収容空間に位置し、且つ前記光源に略垂直となる。前記光源が前記収容空間に位置する場合は、前記光信号受信部は、前記第２貫通孔の下方に位置し、且つ前記光源に略垂直となる。即ち、光源と光信号受信部との相対的な位置は固定されず、光源が試薬容器の側面から蛍光物質又は特異性のプローブを励起する場合は、光信号受信部は試薬容器の底部、頂部又は光源干渉を除去できる他の位置に設けられ、生成された蛍光信号を受信してもよく、一方、光源が試薬容器の底部から蛍光物質又は特異性のプローブを励起する場合は、光信号受信部は試薬容器の側面、頂部又は光源干渉を除去できる他の位置に設けられ、生成された蛍光信号を受信してもよい。下記の本発明の好ましい実施例では、前記光信号受信部は前記光源と略垂直な角度をなす。光源及び光検出素子は試薬容器の底部及び試薬容器の側面にそれぞれ位置し、両者の相対的な位置は垂直又は垂直に近い角度となり、この構成によれば、光信号受信部により受信された信号が試薬容器内で生成された蛍光ではなく、試薬容器で光源を反射する信号であり、検出精度に影響を与えることを回避できる。
また、光源が遠距離用の多波長光源、例えばＬＥＤである場合は、透明導電物質が塗布された側の他方側には非特異性の抗原をフィルタリングする短波長透過フィルタリング物質が吹付塗布され、即ち、透明導電物質が塗布された側（例えばガラス）の他方側に非特異的な光をフィルタリングする短波長透過フィルタリング物質が塗布されてもよい。その目的は、蛍光物質又は特異性のプローブを励起できない光源を除去し、蛍光物質又は特異性のプローブを励起できる光源のみが透明導電フィルム及び試薬容器を介してその内の蛍光物質又は特異性のプローブを励起することを許容するためであり、これによって、光信号受信部により測定された光信号がＰＣＲ又はＲＴ−ＰＣＲ産物の蛍光信号であることを確保できる。
好ましくは、本発明では、試薬容器は略垂直な角度で前記第１貫通孔を介して前記収容空間に設置されて、前記第２貫通孔及び前記挟持凹溝を介して前記ガラスの上平面と接触する。
好ましくは、本発明では、前記収容空間の数が前記試薬容器の数と同一であり、且つ各前記収容空間の高さが前記試薬容器内に収容された試薬の高さと略同一であり、前記収容空間は、試薬容器においてポリメラーゼ連鎖反応を行う際に、外部温度の干渉を遮断できる。
本発明では、反応物及び試薬を含む試薬容器が加熱された透明導電フィルムと接触する際に、接触部分の液体は昇温し始め、熱対流の方式により試薬容器全体において熱循環が行われ、透明導電フィルムの温度が所定の温度に達した場合、温度センサはこの状態を検出し、透明導電フィルムが昇温し続けず、且つ適当な反応温度に維持するように、加熱装置の熱源の出力を低減させる。一方、透明導電フィルムの温度が所定温度よりも低い場合、透明導電フィルムが所定の温度に昇温してＰＣＲ反応をスムーズに行うように、温度センサは加熱装置の熱源の出力を増大させる。試薬容器内のＰＣＲにより産物が生成し始まった場合、光源は透明導電フィルムを介して産物を励起して蛍光を生成し、生成された光信号が光信号受信部により検出される。また、接点は電力供給部により伝達された電流を搬送するために用いられ、接点は透明導電フィルムと同一の側に位置する。
本発明に係る装置は、従来の加熱装置でなく、透明導電フィルムを利用することで、装置全体の体積を小さくすることができ、試薬容器内の液体の熱対流によりＰＣＲ反応温度を実現することで加熱装置の繰り返し昇温降温のプロセスを省略するため、反応時間全体を短縮でき、標的遺伝子の定性及び定量の効果を短期間で達成できる。
上記の目的を達成するために、本発明は以下の２つの好ましい実施例を提供する。以下は図面を参照しながら本発明の好ましい実施例の構成及び効果を詳細に説明する。なお、本明細書では、構造又はその部位の位置について、使用者が好ましい実施例を操作する時の空間的関係を「前」、「後」、「左」、「右」、「上」、「下」等で説明する。
以下の具体的な実施形態は、ポリメラーゼ連鎖反応を一例にしているが、当業者は温度の設定を修正して本発明を逆転写ポリメラーゼ連鎖反応に適用してもよい。
図１は、本発明の好ましい実施例の熱対流型ポリメラーゼ連鎖反応装置１の外観を示す。図２及び図３に示すように、本発明の好ましい実施例の装置１は、第１枠体１０、第２枠体２０及び収容空間３０を含む。第１枠体１０は、試薬及び反応物を収容する試験管１０２を挿入するための第１貫通孔１０１を有し、第２枠体２０は第２貫通孔２０１及び挟持凹溝２０２を有し、第２貫通孔２０１は、試験管１０２を挿入し、且つ試験管１０２を挟持凹溝２０２の上方に固定するために用いられてもよく、挟持凹溝２０２も透明導電フィルム５０を設置するために用いられてもよい。収容空間３０は、前、後、左及び右に板材で区切られ、上下に第１貫通孔１０１及び第２貫通孔２０１という２つの開口を有する。試験管１０２が設置された後に、試験管１０２の頂端部分は大気で露出して放熱を行え、末端は透明導電フィルム５０の上平面５０１と接触して固定され、収容空間３０は密閉空間となり、試験管１０２の収容空間３０内に設置された部分は大気で露出していない。
図４に示すように、本実施例では、光信号受信部はフォトダイオード４０であり、本実施例では２つ組のフォトダイオードが含まれ、第１フォトダイオード４０１及び第２フォトダイオード４０２は異なる波長の蛍光をそれぞれ検出でき、２つ組のフォトダイオード４０１、４０２は試験管１０２の側面にそれぞれ位置し、且つ試験管１０２に略垂直となり、これは、受信された光電信号が試験管１０２の反射信号ではないことを確保するためである。
図５に示すように、本発明は、第１枠体１０１０、電力供給部１０２０、光源８０、光源調整部９０、処理装置１００、並びに透明導電フィルム５０、接点６０及び温度センサ７０からなる温度感知装置をさらに含む。第３枠体１０１０は、光源８０、光源調整部９０及び処理装置１００を固定するために用いられる。光源８０は、蛍光物質又は特異性のプローブを励起するための光線を提供し、本実施例では、ＬＥＤランプを励起光源８０として用い、光源８０のオンオフ又は強度は光源調整部９０により制御される。電力供給部１０２０及び処理装置１００は第３枠体１０１０に固定され、処理装置１００は光源制御部、温度センサ７０の信号を受信、制御し、処理装置１００は２つの組のフォトダイオード４０１、４０２により測定された信号を受信し、該信号を解析してもよく、電力供給部１０２０は本装置１に必要な電力を提供する。
本実施例では、透明導電フィルム５０、接点６０及び温度センサ７０からなる温度感知装置は、試験管１０２に熱エネルギーを提供し、試験管１０２内の反応物及び試薬を適当な温度に加熱してＰＣＲ反応を行う。透明導電フィルム５０は、酸化インジウムスズを透明ガラスの下平面５０２に塗布すると共に、蛍光物質又は特異性のプローブの励起を強化するために、透明ガラスの上平面５０１に、光源８０のうち非特異的な波長の光をフィルタリング、除去する短波長透過フィルタリング物質が塗布されている。また、透明導電フィルム５０の形状及び体積は透明導電フィルム５０を設置可能な挟持凹溝２０２と略同一である。接点６０及び透明導電フィルム５０は、下平面５０２に位置し、電力供給部１０２０により提供された電流を受信し、電流を用いて加熱を行う。温度センサ７０も下平面５０２に位置し、透明導電フィルム５０の温度を測定し、測定されたデータを処理装置１００にフィードバックする。
装置１の作動が開始した際に、試薬及び反応物を収容している試験管１０２を第１枠体１０の第１貫通孔１０１に設置し、第２枠体２０の第２貫通孔２０１を介して固定し、試験管１０２内の液面の高さは収容空間３０の高さと略同一であり、この際に収容空間３０は密閉空間となり、試験管１０２の末端は挟持凹溝２０２内に位置する透明導電フィルム５０の上平面５０１と接触する。電力供給部１０２０は接点６０を介して透明導電フィルム５０に電流を伝達して加熱を行い、試験管１０２の底部が透明導電フィルム５０の上平面５０１と接触しているため、熱量の伝導により試験管１０２の底部の試薬及び反応物も加熱され、所定の時間で加熱されると、試験管１０２の頂端の温度と透明導電フィルム５０に接触する試験管１０２の部分の温度とは温度差を有するため、試験管１０２内で熱対流循環が形成され、この部分の試験管１０２内の熱循環の温度は外部温度の変化による影響を受けることはなく、試験管１０２の頂端の収容空間３０により覆われていない部分は大気に露出して放熱を行い、一旦試験管１０２内の熱循環の温度がＰＣＲの３つの反応温度に達すると、反応が開始する。
反応が開始した場合は、第３枠体１０１０における光源調整部９０は光源８０をオンにし、光源８０からの光は透明導電フィルム５０の下平面５０２を通過し、光源８０の非特定帯域幅の光は上平面５０１の短波長透過フィルタリング物質により除去され、光源８０の特定帯域幅の光のみが短波長透過フィルタリング物質を通過して試験管１０２内に予め充填された２種類の異なる特異性のプローブを励起し、発生された蛍光は第１フォトダイオード４０１及び第２フォトダイオード４０２によりそれぞれ測定されて、測定された信号はデータ解析を行うために処理装置１００に伝送される。
反応を行う際に、温度センサ７０により測定された温度が所定の温度よりも高い場合、温度センサ７０は処理装置１００にこの状態をフィードバックし、処理装置１００は、電力供給部１０２０に電力の供給を停止させるように通知し、透明導電フィルム５０の温度は上昇し続けない。一方、温度センサ７０により測定された温度が所定温度よりも低い場合、温度センサ７０は処理装置１００にこの状態をフィードバックし、処理装置１００は、電力供給部１０２０に電力の供給を開始させるように通知し、透明導電フィルム５０の鈍度は所定の温度に上昇する。ＰＣＲ反応が終了した後に、処理装置１００は光源調整部９０と協力して光源８０をオフにし、電力供給部１０２０と協力して接点６０への電力供給を停止し、この際に、透明導電フィルム５０は昇温し続けず、処理装置１００は第１フォトダイオード４０１及び第２フォトダイオード４０２から受信された信号の全てに対してデータ分析を行い、分析結果を出力する。
もう１つの好ましい実施例では、本発明の装置１は、通常の蛍光物質又は特異性のプローブを含まないＰＣＲ反応にも適用されてもよい。装置１の構成は、図１、図２及び図５に示すように、上記の実施例と略同一であるが、図３に示す第１フォトダイオード４０１及び第２フォトダイオード４０２、並びに図５に示す光源８０及び光源調整部９０を有していない。
装置１の作動が開始した際に、試薬及び反応物を収容している試験管１０２を第１枠体１０の第１貫通孔１０１に設置し、第２枠体２０の第２貫通孔２０１を介して固定し、試験管１０２内の液面の高さは収容空間３０の高さと略同一であり、この際に収容空間３０は密閉空間となり、試験管１０２の末端は挟持凹溝２０２内に位置する透明導電フィルム５０の上平面５０１と接触する。電力供給部１０２０は接点６０を介して透明導電フィルム５０に電流を伝達して加熱を行い、試験管１０２の底部が透明導電フィルム５０の上平面５０１と接触しているため、熱量の伝導により試験管１０２の底部の試薬及び反応物も加熱され、所定の時間で加熱されると、試験管１０２の頂端の温度と透明導電フィルム５０に接触する試験管１０２の部分の温度とは温度差を有するため、試験管１０２内で熱対流循環が形成され、この部分の試験管１０２内の熱循環の温度は外部温度の変化による影響を受けることはなく、試験管１０２の頂端の収容空間３０により覆われていない部分は大気に露出して放熱を行い、一旦試験管１０２内の熱循環の温度がＰＣＲの３つの反応温度に達すると、反応が開始し、反応が終了すると、適当な方法を用いて産物を検出できる。
１ 装置
１０ 第１枠体
１０１ 第１貫通孔
１０２ 試験管
２０ 第２枠体
２０１ 第２貫通孔
２０２ 挟持凹溝
３０ 収容空間
４０ フォトダイオード
４０１ 第１フォトダイオード
４０２ 第２フォトダイオード
５０ 透明導電フィルム
５０１ 上平面
５０２ 下平面
６０ 接点
７０ 温度センサ
８０ 光源
９０ 光源調整部（光源制御部）
１００ 処理装置
１０１０ 第３枠体
１０２０ 電力供給部
１０ 第１枠体
１０１ 第１貫通孔
１０２ 試験管
２０ 第２枠体
２０１ 第２貫通孔
２０２ 挟持凹溝
３０ 収容空間
４０ フォトダイオード
４０１ 第１フォトダイオード
４０２ 第２フォトダイオード
５０ 透明導電フィルム
５０１ 上平面
５０２ 下平面
６０ 接点
７０ 温度センサ
８０ 光源
９０ 光源調整部（光源制御部）
１００ 処理装置
１０１０ 第３枠体
１０２０ 電力供給部
Claims (17)
- 試薬容器を用いて熱対流により定量のポリメラーゼ連鎖反応又は逆転写ポリメラーゼ連鎖反応を行う装置であって、前記試薬容器に反応物及び試薬が収容され、前記試薬は蛍光物質又はプローブを含み、
前記装置は、
（イ）水平方向に設けられ、且つ第１貫通孔を有する第１枠体と、
（ロ）前記第１枠体の下方に設けられ、且つ前記水平方向に略平行となる第２枠体であって、前記第２枠体は第２貫通孔を有し、前記第２枠体は上表面及び下表面を有し、前記第２枠体の下表面は挟持凹溝を含み、前記挟持凹溝は前記水平方向に略平行となり、前記第２貫通孔は前記挟持凹溝と連通する、第２枠体と、
（ハ）前記挟持凹溝内に設けられた温度感知装置であって、前記温度感知装置はガラス、温度センサ及び接点を含み、前記ガラスは上平面及び下平面を含み、前記上平面又は前記下平面は透明導電フィルムを有し、前記ガラスは前記挟持凹溝と略同一の大きさを有し、且つ前記上平面又は前記下平面で前記挟持凹溝に固定され、前記接点は透明導電フィルムが塗布された側と同一の側に設けられ、前記温度センサは上平面又は下平面に設けられ、前記温度センサは前記透明導電フィルムの温度を測定する、温度感知装置と、
（二）電力供給部及び電力制御部を含む電力供給装置であって、前記電力供給部は前記温度感知装置を加熱するように前記接点に電力を供給し、前記電力制御部は出力される電流を制御する、電力供給装置と、
（ホ）前記蛍光物質又は前記プローブを励起する光源と、
（ヘ）蛍光信号を検出して受信する光信号受信部と、
（ト）システムの処理及び制御を行う処理装置と、
（チ）前記第１枠体と前記第２枠体との間に設けられ、且つ前記試薬容器を設置する収容空間であって、前記試薬容器は、前記第１貫通孔を介して前記収容空間に設置されて、前記第２貫通孔及び前記挟持凹溝を介して前記ガラスの上平面と接触する、収容空間と、を含み、
前記電力供給部は前記接点に電流を供給し、前記ガラスを昇温させ、前記温度センサは前記処理装置にこの状態をフィードバックし、前記処理装置は前記電力制御部に電流を供給させないように通知し、この際に反応が開始し、前記光源の励起により、前記蛍光物質又は前記プローブは特定の波長を有する蛍光を放射し、前記光信号受信部は該蛍光を検出し、前記処理装置に結果をフィードバックする、装置。 - 前記装置はリアルタイム定量ポリメラーゼ連鎖反応及びリアルタイム定量逆転写ポリメラーゼ連鎖反応に適用されるものである、請求項１に記載の装置。
- 前記光信号受信部は、フォトダイオード、光電増倍管、電荷結合素子又は相補型金属酸化物半導体である、請求項１に記載の装置。
- 前記光源は、ＬＥＤ又はレーザランプである、請求項１に記載の装置。
- 前記光信号受信部は前記光源と略垂直な角度をなす、請求項１に記載の装置。
- 前記光源のオン／オフを制御する光源制御部をさらに含む、請求項１に記載の装置。
- 前記光源が前記第２貫通孔の直下に位置する場合は、前記光信号受信部は、前記収容空間に位置し、且つ前記光源に略垂直となる、請求項５に記載の装置。
- 前記光源が前記収容空間に位置する場合は、前記光信号受信部は、前記第２貫通孔の下方に位置し、且つ前記光源に略垂直となる、請求項５に記載の装置。
- 前記ガラスに塗布された透明導電フィルムの材料は、酸化スズ、酸化インジウム、酸化亜鉛又は酸化インジウムスズである、請求項１に記載の装置。
- 前記ガラスの他方側には、非特異的な光をフィルタリングする短波長透過フィルタリング物質が塗布されている、請求項９に記載の装置。
- 試薬容器は略垂直な角度で前記第１貫通孔を介して前記収容空間に設置されて、前記第２貫通孔及び前記挟持凹溝を介して前記ガラスの上平面と接触する、請求項１に記載の装置。
- 前記収容空間の数が前記試薬容器の数と同一であり、且つ各前記収容空間の高さが前記試薬容器内に収容された試薬の高さと略同一であり、前記収容空間は、試薬容器においてポリメラーゼ連鎖反応を行う際に、外部温度の干渉を遮断する、請求項１に記載の装置。
- 試薬容器を用いて熱対流によりポリメラーゼ連鎖反応を行う装置であって、前記試薬容器に反応物及び試薬が収容され、
前記装置は、
（イ）水平方向に設けられ、且つ第１貫通孔を有する第１枠体と、
（ロ）前記第１枠体の下方に設けられ、且つ前記水平方向に略平行となる第２枠体であって、前記第２枠体は第２貫通孔を有し、前記第２枠体は上表面及び下表面を有し、前記第２枠体の下表面は挟持凹溝を含み、前記挟持凹溝は前記水平方向に略平行となり、前記第２貫通孔は前記挟持凹溝と連通する、第２枠体と、
（ハ）前記挟持凹溝内に設けられた温度感知装置であって、前記温度感知装置はガラス、温度センサ及び接点を含み、前記ガラスは上平面及び下平面を含み、前記上平面又は前記下平面は透明導電フィルムを有し、前記ガラスは前記挟持凹溝と略同一の大きさを有し、且つ前記上平面又は前記下平面で前記挟持凹溝に固定され、前記接点は透明導電フィルムが塗布された側と同一の側に設けられ、前記温度センサは上平面又は下平面に設けられ、前記温度センサは前記透明導電フィルムの温度を測定する、温度感知装置と、
（二）電力供給部及び電力制御部を含む電力供給装置であって、前記電力供給部は前記温度感知装置を加熱するように前記接点に電力を供給し、前記電力制御部は出力される電流を制御する、電力供給装置と、
（ホ）システムの処理及び制御を行う処理装置と、
（ヘ）前記第１枠体と前記第２枠体との間に設けられ、且つ前記試薬容器を設置する収容空間であって、前記試薬容器は、前記第１貫通孔を介して前記収容空間に設置されて、前記第２貫通孔及び前記挟持凹溝を介して前記ガラスの上平面と接触する、収容空間と、を含み、
前記電力供給部は前記接点に電流を供給し、前記ガラスを昇温させ、前記温度センサは前記処理装置にこの状態をフィードバックし、前記処理装置は前記電力制御部に電流を供給させないように通知し、この際に反応が開始する、装置。 - 前記装置はポリメラーゼ連鎖反応及び逆転写ポリメラーゼ連鎖反応に適用されるものである、請求項１３に記載の装置。
- 前記透明導電フィルムの材料は、酸化スズ、酸化インジウム、酸化亜鉛又は酸化インジウムスズである、請求項１３に記載の装置。
- 試薬容器は略垂直な角度で前記第１貫通孔を介して前記収容空間に設置されて、前記第２貫通孔及び前記挟持凹溝を介して前記ガラスの上平面と接触する、請求項１３に記載の装置。
- 前記収容空間の数が前記試薬容器の数と同一であり、且つ各前記収容空間の高さが前記試薬容器内に収容された試薬の高さと略同一であり、前記収容空間は、試薬容器においてポリメラーゼ連鎖反応を行う際に、外部温度の干渉を遮断する、請求項１３に記載の装置。
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