JP2018533742A - 分析を行うための装置 - Google Patents

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Abstract

本発明は、分析を行うための装置において、分析ディスク１００を受け、前記ターンテーブルの回転運動によって前記分析ディスクの分析を制御するためのターンテーブル１を備え、前記ターンテーブルは、回転中に前記分析ディスクの１つまたは複数の特定の部分に熱を加えるための１つまたは複数のヒータモジュール４と、必要なヒータを選択し、その温度を制御するヒータコントローラ５４と、ヒータコントローラに無線で命令および／または加熱パラメータを転送できるようにするＩＲトランシーバ３０，５５とを備える、装置を開示する。より具体的には、本発明は、分析を行うための装置において、分析ディスク上の特定の位置における加熱位置および加熱／冷却速度を制御することができる、装置を開示する。【選択図】図１１

Description

本発明は、分析を行う装置に関し、特に、いわゆる「ラボ・オン・ディスク」システムがさらされる条件を制御する装置に関する。
「ラボ・オン・ディスク」または「ラボ・オン・ＣＤ」システムは、通路、キャビティ、および弁や変化した疎水性の領域のような他の特徴を含む、一般に円盤形状の反応容器を使用する。これらは、ディスク内のマイクロ流体の移動および反応を含む生物学的分析を行なうのに特に有用である。分析ディスクは、遠心力を用いて反応流体の流れを制御するために回転運動に影響を与える装置と共に使用される。
分析ディスクにおいて分析を実施するためのいくつかの既知の装置は、分析ディスクの周囲の環境を加熱して、分析ディスク全体およびその内容物を特定の温度にさらすことができる手段を備える。また、分析ディスクの特定の位置で温度を変化させることができる熱要素を備えた分析ディスクも知られている。
本発明者らは、既知の装置の欠点を認識し、より制御された分析ディスクの手順を可能にし、さらなる利点をもたらす新しいシステムを開発した。
第１の態様から、本発明は、分析ディスクを受け、ターンテーブルの回転運動によって分析ディスク上の分析を制御するためのターンテーブルをもたらし、ターンテーブルは、回転中の１つまたは複数の分析ディスクの特定の部品交換に熱を付与する１つまたは複数のヒータモジュールを備え、必要なヒータを選択し、その温度を制御するためのヒータコントローラと、ヒータコントローラに指示および／または加熱パラメータを無線で転送させるためのＩＲトランシーバとを備える。
本発明は、分析ディスクの周囲の環境を加熱し、対流による熱をディスク全体に伝達する従来技術の装置よりもはるかに特徴的な加熱の制御を可能にする。本発明では、制御は、伝導によって熱が加えられる場所の点だけでなく、ランプアップ／ランプダウン時間、すなわち、ディスク上の特定の場所での反応媒体の温度の変化速度、に特徴的である。
本発明の装置は、等温分析（例えば、ヒータ要素が分析の全領域にわたって実質的に連続して配置され、分析の全てが実質的に同じ温度で、または熱が加えられないで、実施される）。しかし、本発明の装置は、非等温分析の場合、すなわち、分析ディスクの異なる部分であり、したがって反応媒体の異なる部分である場合、または異なる温度にさらされていてもよい場合、でもより便利であるかもしれない。遠心力と特定の加熱の組み合わせにより、効果的で調整可能な操作が可能になる。分析ディスク内に加熱要素を備えたいくつかの従来技術の装置とは異なり、熱はターンテーブルから生じる。分析ディスクの特定の部分への伝導によって熱が特異的に加えられ、温度を迅速に調整することができて、分析期間だけでなく加熱要素を使用する必要がある時間の長さの点でも効率化させることができるので、少量の電力が必要とされる。
分析中、分析ディスクはターンテーブルに対して固定されたままである。固定位置でターンテーブル上に置かれたとき、ターンテーブル上の１つまたは複数のヒータが、制御された局所加熱を必要とし得るディスクの１つまたは複数の領域と整列し得る。
ターンテーブルに対する分析ディスクの正確な位置決めを容易にするための手段も設けられていてもよい。例えば、ターンテーブルは、分析ディスクのスピンドル穴に対応する中心スピンドルを備えていてもよい。スピンドル上の長手方向溝および分析ディスクのハブ上の対応する長手方向凸部は、分析ディスクの角度位置をターンテーブルに対して固定することを可能にする。分析ディスクを正しい角度位置に案内するための案内手段を設けることができる。例えば、スピンドルの溝の水平寸法およびディスク上の相補的な凸部の水平方向の寸法は、長手方向下向き方向に減少し得、これは、ディスクがターンテーブルの真上にあるときに、ターンテーブルに対する分析ディスクの角度位置のいくらかの許容誤差を有し、分析ディスクがターンテーブルに対して下降するにつれて許容誤差が減少する。
分析ディスクをターンテーブルに対して配置するためのさらなる手段を設けることができる。例えば、位置決め用凸部（例えば、ピンまたはボス）および対応する位置決め用凹部（例えば、穴または切り欠き部）が、それぞれターンテーブルおよび分析ディスクに設けられてもよく、またはその逆であってもよい。これらの位置決め機構は、分析ディスクの周辺またはその近くに配置されていてもよい。
したがって、ターンテーブルに対する分析ディスクの角度位置を決定するための２つ以上の手段が存在し得る。例えば、中心スピンドル位置決め手段は、第１の位置決め手段およびガイド手段として作用することができ、分析ディスクの周辺またはその近傍の凸部および凹部の特徴は、より正しい位置決め手段として機能することができる。
分析ディスクをターンテーブルに固定するためにクランプ手段を設けてもよい。
これらのクランプ手段は、分析ディスクをターンテーブル、例えば中央ハブ、に保持するための機械的ボールベアリングクランプ機構を備えることができる。
代替的にまたは追加的に、クランプ手段は、分析ディスクをターンテーブルに対して固定位置に保持するための磁気手段を備えてもよい。磁気手段を用いてディスクを整列させ、正しい位置に案内することもできる。従って、例えば、ユーザはターンテーブルの上にディスクを置くことができ、装置は自動的にディスクを整列させ、正しい位置でターンテーブルにしっかりと保持する。
磁気手段は、ターンテーブル（例えば、ターンテーブルのハブ）に対向する磁極方向に配置されたディスク磁石と、分析ディスク（例えば、分析ディスクのハブ内）に対向する磁極方向に配置されたディスク磁石とを備えることができる。
無線電力伝達手段を使用して、ターンテーブル内のヒータ要素および／またはヒータコントローラに電力を伝達することができる。１つの可能な動力伝達機構は、同心円状に配置されたディスクコイルを備えてもよい。この装置は、第１のディスクコイルおよび第２のディスクコイルを備えることができる。例えば、第１のディスクコイル（ターンテーブルの下に固定されていてもよい）を駆動して交流電磁場を生成して、（ターンテーブルに固定され、第１のコイルの上方に小さな間隔で離された）第２のディスクコイルに電流を誘導する。
この装置はまた、双方向通信用の赤外線（赤外線）トランシーバを備えてもよい。ＩＲ双方向通信を使用して、命令および加熱パラメータは、ヒータコントローラに無線で転送され、また、ホストとヒータコントローラとの間で応答確認を確立することによって、ヒータコントローラからホストへの通信を可能にする。各トランシーバは、４つのＩＲエミッタと１つのＩＲレシーバを選択的に含むことができる。４つのＩＲエミッタは、ターンテーブルの中央ハブを取り囲む等距離に配置されていてもよい。４つのＩＲエミッタからの全放射フィールドは、反対側のＩＲレシーバが３６０°にわたってＩＲ放射信号を受信することを可能にし、その結果、ターンテーブル位置に関係なく通信が行われる。
ホストは、ＩＲ双方向リンクを介してターンテーブル上のヒータコントローラと通信することができる。したがって、ホストは、ヒータコントローラに、必要なヒータを選択し、目標温度をヒータコントローラに伝えるように指示することができる。次いで、ヒータコントローラは、ヒータを作動させることができる。
任意選択的に、制御されるヒータは、温度センサーを用いて温度を連続的にモニターできるようになっていてもよい。したがって、ヒータコントローラは、目標温度に到達して維持することができる。任意選択的に、ターゲット温度の感知、到達、および維持は、ホストからのさらなる指示を受けることなくヒータコントローラによって達成されてもよい。
ヒータの温度は、ヒータへの電力を変化させることによって制御されていてもよい。これは、パワーオンまたはパワーオフ、電力またはアナログ電圧のパルス幅変調、アナログ電流制御、またはこれらの任意の組み合わせの切り替えを含む任意の適切な手段によって達成され得るが、これに限定されない。
任意選択的に、ホストは、複数のヒータを選択し、各ヒータについて異なる目標温度を設定することができ、したがって分析する異なる領域を異なる温度に維持することができる。これに代えて、またはこれに加えて、ホストは、複数のヒータを選択し、ヒータごとに異なる加熱または冷却速度を設定することができる。
任意選択的に、ホストは、複数のヒータを選択し、各ヒータについて異なる加熱および／または冷却プログラムを設定することができ、異なる加熱プロファイルに従って、分析する異なる領域の温度を変化させることができる。
したがって、温度上昇速度（または温度下降速度）、すなわち増加（および減少）時間は、ホストによって制御されることができる。これは、コントローラ目標温度を現在の温度よりも高い（または低い）温度に設定することによって達成され得る。任意選択的に、目標温度は、現在の温度より１度高い（または低い）温度に設定されてもよい。あるいは、目標温度を現在の温度よりも１度高い（または低い）ように設定されていてもよい。特定の時間遅延の後、目標温度は、所望の最終温度に達するまでこれらのステップを繰り返しながら、徐々に増加（または減少）されてもよい。
代替的に、ホストは、開始温度、終了温度、温度増分、温度減少量、および増減速度の１つまたは複数をヒータコントローラに通信することによって、同じタスクを実行するようにヒータコントローラに指示することができる。
別の変形例では、ホストは、またはホストにより、一定の間隔で、一連の上昇または下降する目標温度をコントローラに通信することによって、同じタスクを実行するようにヒータコントローラに指示することができる。
したがって、本発明は、スピンしている間に分析ディスクに熱を提供する。この加熱は連続的に行うことができ、および／または加熱を調整することができる。
分析ディスクにおいて生じる可能性のある既知の課題は、液体が加熱されているときの液体の状態に関係する。気泡が現れる、及び／又は、空気の膨張がある、及び／又は、チャンバ間の圧力差が、例えば液体の逆流を引き起こす等、望ましくない結果をもたらす可能性がある。液体の歪んだ状態は、例えば光学的読出しに影響を与えることにより、分析に影響を及ぼす可能性がある。本発明は、液体を加熱しながらの遠心回転により反応ウェル内の液体の元の状態を回復することに利点をもたらす。したがって、本発明は、液体の加熱を損なうことを回避し、一貫した光学的読出しを得ることができる。
ヒータモジュールは、例えば箔ヒータであってもよい。
ターンテーブルは、１つ以上のヒータモジュール、選択的に２つ以上のヒータモジュールを用いて取り付けられていてもよい。
磁石の輸送を可能にする手段が設けられていてもよい。分析ディスク中のサンプルに対して実施される抽出プロセスは、電子ビーズによる移送を用いた核酸の抽出（例えば、ＤＮＡまたはＲＮＡ）により、清浄な核酸を得ることができる。例えば、これは、垂直に持ち上げることができるターンテーブルの下のある距離に配置された磁石（例えば、２つの磁石）を使用することによって、または半径方向に移動し、垂直に持ち上げるように制御できる磁石によって行うことができる。移送プロセスが必要な場合、磁石を持ち上げて分析ディスクに接触させるか、分析ディスクに近づけて磁気ビーズを引き付けることができる。ターンテーブル内のスロットは、分析ディスクと磁石との間に何の障害もなく２つの磁石を持ち上げることを可能にするために設けられてもよい。スロットは、ターンテーブルを回転させることによって、２つの磁石の位置と整列するように配置されることができる。半径方向移動制御磁石に関して、磁石は、磁気ビーズが移送される必要がある経路に沿って移動されてもよい。
この装置は、目標温度まで加熱するために独立して制御可能な複数のヒータモジュールを制御するための回路を含む。ヒータは、分析ディスクの特定の領域にわたって均一に分布した加熱のためのアルミニウム薄板で構成することができる。アルミニウム薄板にＲＴＤ（抵抗温度検出器）を取り付けて、アルミニウム板の温度を監視することができる。ＲＴＤはヒータ制御回路に接続され、ヒータを調整して時間の経過と共に安定した温度を達成するフィードバックをもたらすことができる。
無線機能は、回路およびヒータに電力を供給するための発電に関して存在してもよく、無線通信は、３６０°ＩＲトランシーバ構成とともに使用されてもよい。無線機能により、ターンテーブルを自由に回転させることができ、同時に、ヒータおよびＩＲ通信を動作させるため電力を供給することができる。
ヒータモジュールは、熱を効果的に伝達されることができるように、分析ディスクと接触するように軽いバネ圧を使用してターンテーブルの表面から突出するように構成されることができる。
任意選択的に、下向きの熱損失を防止するために、ヒータモジュールの下に絶縁体を使用していてもよい。結果として、熱伝達の効率および加熱速度の制御を改善することができる。
一実施形態では、ターンテーブル上に２つのヒータモジュールがあり、一方は、サンプルチャンバ内のサンプルを加熱するために使用され、他方は分析用の反応ウェルに使用されていてもよい。追加のヒータモジュールを他の加熱要件のために追加されることができ、例えば、追加のヒータを使用して、流体を加熱領域から低温領域に移動させる差圧を発生させることによって流体移動を助けることができる。
第１のコイルアセンブリは、便宜上プラスチックで作製された２つのホルダの間に挟まれたフェライトシートに取り付けられた第１のコイルを含むことができる。同じ構成を第２のコイルアセンブリに使用されることができる。第１および第２のコイル構成は、ヒータに電力を供給するために使用されてもよい。生成された電力（例えば、５ワット以上）は、第１のコイルおよび第２のコイルの構成、および／または、第１のコイルに供給される信号周波数を変更することによって、用途のニーズに応じてカスタマイズすることができる。例えば、第１のコイルに供給される信号の周波数を調整することによって、発生され、ヒータおよびコントローラに供給される電力を５ワット以上７ワット以下に調整されることができる。電力は、ヒータとＩＲトランシーバおよびヒータコントローラを含む関連回路とを駆動するために使用されてもよい。さらなる例では、電力は、ヒータ間、例えば、同時に作動する４ワットのヒータおよび２ワットのヒータ間、に分配されるように構成されてもよい。
ターンテーブルアセンブリ全体をモータのスピンドルに取り付けることにより、ターンテーブル上に回転運動を確立して流体の動きを制御することができる。この例では、ＢＬＤＣ（ブラシレスＤＣ）モータを使用することができる。モータは、シャーシに固定された金属ベース（モータマウント）に取り付けることができます。モータマウントの頂部には、第１のＩＲ（赤外線）トランシーバボードが取り付けられていてもよく、その次に第１のコイルが続いていてもよい。両方の構成要素は、それらが静止して保持されるように取り付けられていてもよい。第１のコイルの上には、第２のコイルと、第２のＩＲトランシーバとヒータコントローラ用の回路基板があります。それらはターンテーブルに取り付けられてもよい。それらは電源と、ホストおよびヒータコントローラ間のＩＲ通信とを中断することなくターンテーブルと共に回転することができる。
任意選択的に、本発明の装置は、ターンテーブル上のヒータモジュールに加えて、分析中に分析ディスクが配置されるチャンバの周囲温度を加熱および／または冷却するための手段を備えていてもよい。したがって、第１の加熱システムはターンテーブルから局所的な加熱をもたらす一方、任意の第２の加熱システムは、分析ディスクの周囲の環境温度（したがって、分析ディスクおよびその内容物）を変化させることができる。任意選択的に、ファンヒータまたはクーラを使用することができる。例えば、ファンを使用する送風機を使用することができる。
本発明は、以下の実施例および図面を参照して、さらに非限定的に詳細に記載される。
本発明によるターンテーブル用プラッタの一例を示す概略図である。 本発明でどのように磁気位置決め及びクランプ手段が使用され得るかを示す。 本発明によるターンテーブルの側面図である。 本発明によるターンテーブルの斜視図である。 本発明によるターンテーブルのいくつかの可能な要素を分解概略図で示す。 本発明によるターンテーブルのいくつかの構成要素を示す。 本発明によるターンテーブルのいくつかの構成要素を示す。 本発明によるターンテーブルのいくつかの構成要素を示す。 本発明によるターンテーブルのいくつかの構成要素を示す。 本発明によるターンテーブルのいくつかの構成要素を示す。 本発明によるターンテーブルのいくつかの構成要素を示す。
図１に示されているように、ターンテーブルプラッタ２は、ヒータ４およびインシュレータ６を備える。インシュレータ６は、ヒータ４とターンテーブルとの間に挿入され、伝導による熱損失を低減する。これにより、熱効率および発熱率を向上させる。
ターンテーブルプラッタ２は、中央のスピンドル８を備え、これ自体は、分析ディスク１００のスピンドル８への粗い位置合わせを可能にする内側のガイド構造として機能する長手方向の溝１０を備えている。ターンテーブルプラッタ２は、より細い位置合わせ機構として作用するボス１２を備えている。
分析ディスク１００をターンテーブルプラッタ２に配置して固定する磁気手段が図２に最も明確に示されている。分かりやすくするために、ターンテーブルプラッタ２および分析ディスク１００の特徴の大部分がこの図から省略されている。分析ディスク１００は、ターンテーブルプラッタ２のスピンドル１８上に配置するためのスピンドル穴１０２を含む。ターンテーブルは、Ｎ極１６およびＳ極１８を有するディスク磁石アセンブリ１４を備えている。分析ディスク１００は、使用時に、例えば、ネオプレンシートを使用することにより、分析ディスク１００に固定されているが、理解を明確にするために図２の分析ディスク１００とは別個に示されている、Ｎ極ディスク磁石１０８およびＳ極ディスク磁石１１０からなる対応するディスク磁気アセンブリ１０４を備えている。ネオプレンシートは、分析ディスク１００を特定の向きでターンテーブル上に配置することしかできない図２に示す形状に予め切断されていてもよい。ネオプレンシートはまた、分析ディスク１００が高速で回転するときに滑ることを防止する摩擦グリップをもたらす。
磁石アッセンブリ１４，１０４は、装置のハブに配置されると都合がよく、これにより、図示の実施形態では、この磁気アセンブリ１０４は、分析ディスクのスピンドル穴１０２に対応する穴１０６を有する。
本発明によるターンテーブルの側面図および斜視図がそれぞれ図３および図４に示されている。
図５を参照すると、ターンテーブル１は、第１の赤外線トランシーバ３０，第１のコイル下部ホルダ３２、フェライトシート３４，第１のコイル３６、第１のコイル上部ホルダ３８，第２のコイル下部ホルダ４０，第２のコイル４２、フェライトシート４４、第２のコイルの上部ホルダ４６と、ヒータコントローラおよび第２の赤外線トランシーバを備えるアセンブリ４８とを備えていてもよい。第１のコイルおよび第２のコイルの両方のための下部および上部のホルダは、クランプとして作用し、都合良くはプラスチック材料から作製されていてもよい。
ターンテーブルの構成要素のいくつかを図６乃至１１に示す。第１のコイルアセンブリ５０の概略斜視図が、図７の構成要素のいくつかに関連する分解図で示されており、図８は、第１のコイルアセンブリ５０の頂部に配置された第２のコイルアセンブリ５２を示している。ＩＲトランシーバの第１および第２の構成要素３０，５５がそれぞれ図９および図１０に示す。ターンテーブルアセンブリ１の完全な構造を示す側面図を図１１に示す。これはベースとしてＢＬＤＣモータマウントコンポーネント３から始まるようになっている。ＢＬＤＣマウントの頂部上に配置された第１のコンポーネントは、第１のＩＲトランシーバコンポーネント３０である。これは第１のコイル構成要素５０が続く。ターンテーブルアセンブリコンポーネント２の下には、第２のＩＲトランシーバコンポーネント５５およびヒータコントローラ回路コンポーネント５４が位置する。コンポーネント５５および５４は、同じＰＣＢボードを共有している。

Claims (23)

  1. ターンテーブルであって、分析ディスクを受けて、前記ターンテーブルの回転運動によって前記分析ディスクの分析を制御するための、ターンテーブルにおいて、
    回転中に前記分析ディスクの１つまたは複数の特定の部分に熱を加える１つまたは複数のヒータモジュールと、
    必要なヒータを選択し、その温度を制御するためのヒータコントローラと、
    前記ヒータコントローラに指示および／または加熱パラメータを無線で転送させるためのＩＲトランシーバとを備えた、ターンテーブル。
  2. 前記ターンテーブルに対する前記分析ディスクの正しい位置決めを容易にする手段をさらに備えた、請求項１に記載のターンテーブル。
  3. 前記手段は、前記分析ディスク内のスピンドル穴に対応する中心スピンドルを前記ターンテーブル上に備え、前記スピンドルは、前記分析ディスクの前記ハブ上の長手方向の突起に対応する長手方向の溝を有する、請求項２に記載のターンテーブル。
  4. 前記スピンドルの前記溝の水平方向の寸法は長手方向下向き方向に減少する、請求項３に記載のターンテーブル。
  5. 前記手段は、前記分析ディスクの前記周辺に、選択的に、隣接して、または近傍に、分析ディスク上の対応する位置決め凹部と嵌合するための位置決め凸部を前記ターンテーブル上に備えた、請求項２に記載のターンテーブル。
  6. 前記ターンテーブルに対して前記分析ディスクを配置する手段は、請求項３または請求項４に記載のもの、および請求項５に請求されたものである、請求項２に記載のターンテーブル。
  7. 前記分析ディスクを前記ターンテーブルに固定するためのクランプ手段をさらに備えた、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のターンテーブル。
  8. 前記クランプ手段が、前記ターンテーブルに前記分析ディスクを保持するための機械的ボールベアリングクランプ機構を備えた、請求項７に記載のターンテーブル。
  9. クランプ手段が、前記分析ディスクを前記ターンテーブルに対して固定位置に保持するための、および／または、前記ディスクを前記正しい位置に位置合わせおよび／または案内するための磁気手段を備えた、請求項７または８に記載のターンテーブル。
  10. 前記磁気手段が、前記分析ディスク内の反対の磁極方向に配置されたディスク磁石に対応する、前記ターンテーブル内の反対の磁極方向に配置されたディスク磁石を備えた、請求項９に記載のターンテーブル。
  11. 前記ターンテーブル内のヒータモジュール、および／または、前記ヒータコントローラに電力を転送するための無線電力転送手段をさらに備えた、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のターンテーブル。
  12. 前記ＩＲトランシーバは、４つのＩＲエミッタおよび１つのＩＲレシーバを備えた、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のターンテーブル。
  13. 前記４つのエミッタは、前記タイムテーブルの前記中央ハブを取り囲む等距離に配置された、請求項１２に記載のターンテーブル。
  14. ２つ以上のヒータモジュールを有する、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のターンテーブル。
  15. ２つのヒータモジュールを有する、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載のターンテーブル。
  16. 前記ヒータモジュールは、独立して制御される、請求項１３または１４に記載のターンテーブル。
  17. 前記ヒータに供給される前記電力は、必要に応じて前記ヒータ間で共有され分配される、請求項１３乃至１５のいずれか１項に記載のターンテーブル。
  18. 第１のコイルアセンブリおよび第２のコイルアセンブリを備えた、請求項１乃至１７のいずれか１項に記載のターンテーブル。
  19. 請求項１乃至１８のいずれか１項に記載のターンテーブルを備えた、分析ユニット。
  20. 分析中に前記分析ディスクが中に配置される前記チャンバの周囲温度を加熱および／または冷却するための手段をさらに備えた、請求項１８に記載の分析ユニット。
  21. 前記手段がファンヒータまたはクーラである、請求項１９に記載の分析ユニット。
  22. 請求項１乃至１７のいずれか１項に記載のターンテーブルまたは請求項１８乃至２０のいずれか１項に記載の分析ユニットと、前記ターンテーブル上に配置されるように構成された分析ディスクとの組み合わせ。
  23. 分析を行うための請求項１乃至２２のいずれか１項に記載の装置の使用。
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