JP2022543212A

JP2022543212A - ヒータ

Info

Publication number: JP2022543212A
Application number: JP2022505479A
Authority: JP
Inventors: バックランド，ジャスティン・ローク; マーレイ，シアーシャ
Original assignee: レックスダイアグノスティックスリミテッド
Priority date: 2019-07-26
Filing date: 2020-07-24
Publication date: 2022-10-11
Also published as: CA3148777A1; CN114375323A; US20220250080A1; AU2020321480A1; EP3769843A1; WO2021018807A1; EP4003600A1

Abstract

ＰＣＲ増幅を実行するための熱サイクリング用ヒータ。本ヒータは、反応セルへ熱を伝達するための反応面を有する熱拡散層と、冷却用背面を有するヒータトラック支持層と、ヒータトラック支持層と熱拡散層との間に支持される導電性の主ヒータトラックと、主ヒータトラックを駆動しかつ同時に主ヒータトラックの抵抗を検出するための電気接続を提供するように適合化される、主ヒータトラックへの４端子電気接点と、を備える。反応面の横方向寸法は、ヒータの厚さＨより大きく、よって、反応面の面積Ａ＞Ｈ２である。

Description

本発明は、ヒータの反応面に可変温度を与えるためのヒータに関する。

このようなヒータが必要とされる１つの例示的なプロセスは、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）によるＤＮＡ増幅であり、この場合、ヒータは、ＰＣＲの完了時間を短縮する高速熱サイクリングを提供する。

従来技術のヒータは、電気絶縁基板により支持される導電性トラックから製造される。従来技術のヒータは、ヒータ温度を検出するための別個の温度センサと、ヒータに合わせて電気駆動を変調するための制御アルゴリズムおよび電子駆動回路とを用いて制御される。

高速熱応答を提供するために、ヒータは、低い熱容量を有していなければならず、かつヒータは、反応面と密に熱接触していなければならない。具体的には、ヒータエレメントから反応面までの熱拡散時間は、要求される温度変化応答時間より短くなければならず、よって、ヒータと反応面とを分離できるのは、薄層のみである。

従来のヒータおよび温度制御システムには、高速応答、精密な温度制御および均一な温度分布を達成しようとする場合に幾つかの欠点がある。

たとえば、ヒータから分離された温度センサを使用すると、応答速度を低下させる、または温度オーバーシュートを引き起こす可能性があるヒータ制御ループの遅延が生じる。

さらに、反応面の近くに位置決めされる空間的に分離された抵抗加熱トラック内の発熱により、結果として温度不均一性が生じ、ヒータトラックの真上により高温の領域が、およびヒータトラック間の間隙上により低温の領域が生じる。反応面上の温度不均一性は、ＰＣＲ増幅の効率および特異度を低下させる場合があり、望ましくない。したがって、本発明の目的は、温度均一性を高めることにあり、ここで、温度均一性の向上および温度均一性の増加という言及は、等価である。

反応面における温度不均一性は、より狭いトラックおよび間隙を用いることによって低減されることが可能であるが、これは、標準的なプリント回路基板技術を用いる製造を複雑にする。反応面における温度不均一性は、ヒータトラックと反応面との距離を増加させることによっても低減されることが可能であるが、これにより、ヒータから反応面までの熱拡散時間が増し、かつヒータ応答が遅くなる。

温度不均一性は、ヒータの温度が側方熱流に起因してエッジで低下するエッジ効果によっても生じる。従来技術において、エッジ効果は、ヒータのエッジ近くの熱出力を、たとえば、これらの部位におけるヒータエレメントのトラックおよび間隙の幅を減らすことによって増大させるヒータ・トラック・パターン設計によって低減される。しかしながら、この手法は、特定の動作温度ならびに反応面の幾何学的形状および熱負荷に合わせて慎重に設計される必要があり、また、ヒータトラックおよび間隙の幅が、既に標準的な製造プロセスにとって実用的である最小値に近いものである場合には、達成が困難であり得る。また、温度不均一性を最小限に抑えるためには、ヒータの中央エリアにおいてもヒータトラックおよび間隙の幅を最小限に抑えることが望ましく、よって、ヒータのエッジに近いヒータトラックおよび間隙の幅をさらに減らすことは、困難である。

ヒータ電力が低減される場合の迅速な冷却を可能にするために、ヒータは、制御された熱抵抗を介してヒートシンクへ接続されることがある。しかしながら、ヒータの温度均一性は、ヒータとヒートシンクとの間の熱接触の均一性に依存する。具体的には、ヒータとヒートシンクとの間の空隙はいずれも、かなりの熱抵抗および温度不均一性を生じさせる可能性がある。

上述の課題および目的に鑑みて、本発明は、ＰＣＲ増幅を実行するための熱サイクリング用ヒータを提供する。本ヒータは、反応セルへ熱を伝達するための反応面を有する熱拡散層と、冷却用背面を有するヒータトラック支持層と、ヒータトラック支持層と熱拡散層との間に支持される導電性の主ヒータトラックと、主ヒータトラックを駆動しかつ同時に主ヒータトラックの抵抗を検出するための電気接続を提供するように適合化される、主ヒータトラックへの４端子電気接点と、を備える。反応面の横方向寸法は、ヒータの厚さＨより大きく、よって、反応面の面積Ａ＞Ｈ^２である。

好ましくは、主ヒータトラックは、幅Ｗ_{ｔｒａｃｋ}を有しかつ幅Ｗ_ｇａｐの間隙により分離される複数の略平行なトラックセクションを備える中央領域を備え、熱拡散層の厚さＨ_Ｄは、トラックセクションの最小幅Ｗ_{ｔｒａｃｋ}より小さく、または間隙の最小幅Ｗ_ｇａｐより小さく、Ｗ_{ｔｒａｃｋ}またはＷ_ｇａｐは、主ヒータトラックの中央領域において評価される。これは、主ヒータトラックが、ＰＣＢ製造技術を用いて製造され得ることを意味する。また、これは、ヒータが、急速な温度変化を要求する多くの用途にとって十分な薄さであることも意味する。

好ましくは、間隙幅Ｗ_ｇａｐおよび／またはトラックセクションの幅Ｗ_{ｔｒａｃｋ}は、主ヒータトラックのエッジに近いトラックセクションのほうが、主ヒータトラックの中央領域内のトラックセクションより少ない。これにより、主ヒータトラックの中央領域内の温度均一性が向上する。

好ましくは、ヒータは、さらに、ヒータトラック支持層と熱拡散層との間のガード・ヒータ・トラックであって、該ガード・ヒータ・トラックは、主ヒータトラックを略包囲する、ガード・ヒータ・トラックと、主ヒータトラックへの４端子電気接点とは独立している、ガード・ヒータ・トラックへのさらなる２つの電気接点と、を備える。これは、側方熱流を抑止し、かつ主ヒータトラックの平面における温度均一性を高める。

好ましくは、ヒータトラック支持層は、１×１０^－４～１×１０^－２Ｋ．ｍ^２／Ｗの範囲の、より好ましくは、３×１０^－４～３×１０^－３Ｋ．ｍ^２／Ｗの範囲の、熱抵抗と面積との積を有する。

好ましくは、ヒータは、さらに、熱拡散層またはヒータトラック支持層のうちの一方と接触して、または該一方の内部に位置決めされる反応面ヒートスプレッダ層を備える。これにより、反応面における温度均一性が向上する。

好ましくは、反応面ヒートスプレッダ層は、熱拡散層またはヒータトラック支持層のうちの一方に比べて、熱伝導性が高く、より高い横方向熱伝導率を有し、かつより低い熱容量を有する。

好ましくは、反応面ヒートスプレッダ層は、ヒータトラック支持層内に、主ヒータトラックから距離Ｌ_ｓを隔てて位置決めされ、Ｌ_ｓは、中央領域において評価されるヒータトラック幅Ｗ_{ｔｒａｃｋ}およびヒータ間隙幅Ｗ_ｇａｐの最小値の２０％未満である。これにより、反応面における温度均一性がさらに向上する。

好ましくは、背面に、背面ヒートスプレッダ層が位置決めされる。これにより、反応面における温度均一性が向上することに加えて、背面に隣接するあらゆるヒートシンクとの熱接触が向上する。

好ましくは、ヒータは、さらに、背面と接触するヒートシンクを備える。これは、ヒータが駆動されていないときにヒータの温度を下げる効果を有する。

別の態様において、本発明は、ヒータと、反応面に接触して配置される反応セルとを備える使い捨て消耗品を提供する。

別の態様において、本発明は、ヒータまたは可変温度反応器の動作方法であって、主ヒータトラックを駆動することと、主ヒータトラックの抵抗を同時に検出することと、検出された抵抗に基づいて、主ヒータトラックの温度を計算すること、を含む方法を提供する。

好ましくは、本方法は、ＰＣＲ増幅を実行すべく反応面の温度を循環させるために、主ヒータトラックの一連の温度設定点に従って主ヒータトラックのフィードバックベースの駆動を実行することを含む。

好ましくは、本方法は、さらに、ガード・ヒータ・トラックを、主ヒータトラックより高い単位面積当たりの熱出力を提供するように駆動することを含む。

好ましくは、前述のヒータまたは使い捨て消耗品は、さらに、前述の方法を実行するように構成される制御回路を備える。

以下、添付の図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

ヒータとヒートシンクとを備える本発明の一実施形態を示す略断面図である。該実施形態のヒータにおけるヒータトラックおよび電気接続部の２つの例示的な略配置を示す。ヒータトラックを駆動するために使用可能な電子回路を示す略図である。図４Ａおよび図４Ｂは、本発明の一実施形態によるガードヒータのシミュレートされた温度分布、およびガードヒータなしの温度分布との比較を示す。該実施形態のヒータを示す別の略断面図である。図６Ａおよび図６Ｂは、本発明の実施形態による、可変厚さおよび２つの異なる位置におけるヒートスプレッダを用いてシミュレートされた温度分布を示す。図６Ｃおよび図６Ｄは、異なるヒータトラックとの相対位置にあるヒートスプレッダを用いてシミュレートされた温度分布を示す。図７Ａおよび図７Ｂは、本発明の実施形態による、背面ヒートスプレッダを用いてミュレートされた温度分布、背面ヒートスプレッダなしでミュレートされた温度分布を示す。本発明の一実施形態によるヒータの、ＰＣＲ熱サイクリングの間のヒータトラック温度および反応面温度の変動を示す。本発明によるヒータ１００における抵抗加熱トラックの代替配置図を示す。熱サイクルに保持ステップが含まれる場合の熱抵抗の例示的な範囲を示す。

以下、ＰＣＲ増幅のための熱サイクリングを実行することに適する、例示的なヒータについて説明する。熱サイクリングは、温度変化に要求される時間が熱サイクリングの合計時間の大部分を占めないほどの高速で実行されることが望ましい。熱サイクリングの合計時間は、温度変化の時間と反応時間との和であって、ＰＣＲ反応の最遅部分は、伸長相であり、これは、典型的な配列長さである１００塩基対で約１秒以上を必要とする。したがって、目標を、温度ランピング時間＜１秒とする。ＰＣＲの標的温度は、典型的には、６０℃～９５℃であり、よって、温度変化時間を１秒にまで短縮するための加熱および冷却には、７０℃／秒以上の温度傾斜速度が必要である。これより遙かに高い温度傾斜速度（２００℃／秒以上）の場合、必要とされる合計時間の多くを温度変化に必要とされる時間ではなく反応時間によって占められるという理由で、提供される速度上の利点は限定的である。

後述する一実施形態において、高速熱サイクリングを実行するためのヒータは、従来のヒータおよび温度制御システムに関わる欠点なしに、約１００℃／秒の温度傾斜速度を有する。

ヒータは、たとえば、使い捨て消耗品として反応セルと共に配置されてもよい。使い捨て消耗品は、１回の反応検査の実行に必要な試薬および電力を供給され、その後廃棄されてもよい。

ヒータは、以下のエレメント、すなわち、ヒータトラックの温度依存抵抗を介する同時的な加熱および温度検出を可能にするように構成される主ヒータトラックと、主ヒータトラックを略包囲するガード・ヒータ・トラックと、ヒータトラックと反応面との間に位置決めされる熱拡散層と、ヒータトラックとヒータ背面との間に位置決めされるヒータ支持層と、を含む。また、ヒータには、ヒータ駆動力が低下するとヒータを急冷できるように、背面と熱接触するヒートシンクも設けられてもよい。

図１は、ヒータ１００とヒートシンク２００とを備える本発明の一実施形態の略断面を示す。

ヒータ１００は、一方の面上に反応面１１０を、かつ反対側の面上に背面１２０を有する。反応面１１０は、ヒータにより、時変的かつ略空間均一的な温度を提供するように加熱される。背面１２０は、ヒータ１００が駆動されないときの冷却を可能にすべく、ヒートシンク２００と熱接触している。

以下の説明では、軸方向を反応面に対して垂直であるものとして、かつ横方向を反応面の平面内にあるものとして定義する。

ヒータは、反応面を抵抗加熱するための主ヒータトラック１３０を備える。しかしながら、温度制御の精度を低下させる、反応面に渡る温度勾配および温度不均一性に関連づけられる側方熱流は、制限することが望ましい。

主ヒータトラック部位内の側方熱流を制限するために、主ヒータトラック１３０は、ガード・ヒータ・トラック１４０によって略包囲される。ガード・ヒータ・トラックは、主ヒータトラックのエッジ近くに位置決めされ、かつ主ヒータトラックの目標温度に近い、またはこれより高い温度を維持するように駆動される、追加のヒータトラックである。ガード・ヒータ・トラックの単位面積当たりの熱出力は、側方の熱損失を補償するために、主ヒータトラックのそれより高い。ガード・ヒータ・トラックは、主ヒータとは独立して駆動されてもよい。主ヒータトラック１３０およびガード・ヒータ・トラック１４０は、たとえば、銅などの金属から形成されてもよい。

主ヒータトラック１３０およびガード・ヒータ・トラック１４０は、ヒータトラック支持層１５０と熱拡散層１６０との間に位置決めされる。ヒータトラック支持層１５０は、たとえば、ＦＲ４もしくはポリイミドまたは別の電気絶縁支持材料から構築されるプリント回路を備えてもよい。

反応面のヒートスプレッダ層１７０、１８０は、ヒータトラック支持層１５０および熱拡散層１６０の各々の内部に、またはこれと接触して存在する。反応面のヒートスプレッダ層１７０、１８０は、熱拡散層またはヒータトラック支持層より高い熱伝導率を有する材料製の層である。これらの反応面ヒートスプレッダ層の機能は、反応面１１０上の温度均一性を高めることにある。これらの反応面ヒートスプレッダ層は、各々、厚さＨ_Ｓ、熱伝導率ｋ_Ｓ、密度ρ_ｓ、および比熱容量Ｃ_ｓを有し、一方で、ヒータトラック支持層１５０および熱拡散層１６０は、各々、個々の厚さＨ_Ｂ、Ｈ_Ｄ、熱伝導率ｋ_Ｂ、ｋ_Ｄ、密度ρ_Ｂ、ρ_Ｄ、および比熱容量Ｃ_Ｂ、Ｃ_Ｄを有する。高速温度応答を維持しながら温度均一性を高めるために、反応面ヒートスプレッダ層は、ヒータトラック支持層１５０／熱拡散層１６０より大きい横方向熱伝導率および／またはより低い熱容量を有するものでなければならない。ヒートスプレッダ層が熱拡散層より大きい横方向熱伝導率を有するためには、
Ｈ_Ｓｋ_Ｓ＞Ｈ_Ｄｋ_Ｄである。ヒートスプレッダ層が熱拡散層より低い熱容量を有するためには、Ｈ_Ｓρ_ＳＣ_Ｓ＜Ｈ_Ｄρ_ＤＣ_Ｄである。ヒータ支持層の場合、これらの条件は、各々、Ｈ_Ｓｋ_Ｓ＞Ｈ_Ｂｋ_ＢおよびＨ_Ｓρ_ＳＣ_Ｓ＜Ｈ_Ｂρ_ＢＣ_Ｂで置き換えられる。

反応面のヒートスプレッダ層１７０、１８０は、各々、主ヒータトラック１３０の近くへ位置決めされる。この具体例において、熱拡散層１６０における反応面のヒートスプレッダ層１７０は、主ヒータトラックの上面から１０μｍの距離に設けられ、かつヒータトラック支持層１５０における反応面のヒートスプレッダ層１８０は、主ヒータトラックの下面から５μｍの距離に設けられる。

背面１２０にも、反応面１１０上の温度均一性を高めるために、背面ヒートスプレッダ１９０が設けられる。

ヒートシンク２００は、図１に示す中実ブロックおよび図７に示す後述する個々のピラーを含む、任意の形態をとり得る。背面のヒートスプレッダ１９０は、ヒータトラック支持層とヒートシンクとの間の熱接触の均一さを保証できない場合に、特に有用である。

主ヒータトラックとの良好な熱接触を達成するために、主ヒータトラックと背面ヒートスプレッダまたはヒートシンクとの間の熱抵抗と面積との積は、好ましくは、１×１０^－４～１×１０^－２Ｋ．ｍ^２／Ｗの範囲内であるべきであり、より好ましくは、３×１０^－４～３×１０^－３Ｋ．ｍ^２／Ｗの範囲内であるべきである。

ヒータおよびヒートシンク（使用される場合）は、平面形状または湾曲形状を有することが可能である。平面形状は、構築のし易さ、およびヒータの使用目的である反応の光学的監視のし易さの点で、好ましいものであり得る。しかしながら、一部球形または円筒形などの他の形状も可能であって、これらは、張力をかけられる可撓性の反応セルおよびヒータ層が互いに、かつ典型的には剛性金属部品であるヒートシンクとの間で良好な熱接触を行えることにおいて、利点を有し得る。

図２は、主ヒータトラック１３０と、ガード・ヒータ・トラック１４０と、これらのヒータトラックへの電気接続とを含む、ヒータ１００における抵抗加熱トラックおよび電気接続の２つの例示的な略配置を示す。

図２（ｉ）および図２（ｉｉ）に示すように、これらの実施形態の主ヒータトラック１３０は、蛇行構成を有する。あるいは、主ヒータトラック１３０は、並列に位置決めされる、かつ同じく並列に電気接続される複数のトラックセクションを備えてもよい。同様に、図２（ｉ）および図２（ｉｉ）に示すように、これらの実施形態のガード・ヒータ・トラック１４０も、蛇行構成を有する。図２の実施例から分かるように、実施形態によっては、ガード・ヒータ・トラック１４０は、主ヒータトラック１３０を完全には包囲せず、主ヒータトラック１３０を、主ヒータトラックのエリア内の側方熱流を制限する効果を達成するために必要とされる程度に略包囲する。多くの実施形態において、この要件は、ガード・ヒータ・トラック１４０が、主ヒータトラック１３０の周囲長さの５０％超を包囲することに相当する。

図２（ｉ）は、主ヒータトラック１３０においてトラック幅および間隙幅が均一であるヒータを示し、一方で、図２（ｉｉ）は、中央領域１３１においてトラック幅および間隙幅がより大きく、ヒータのエッジ１３３の近くでヒータトラック幅および間隙幅がより小さい主ヒータトラック１３０を示す。エッジ領域１３３は、増加された単位面積当たりの熱出力を提供し、かつ、ヒータのエッジに対して垂直方向の熱伝導率を下げかつこれにより中央領域１３１における側方熱流を低減して温度均一性を高めるべく、ヒータのエッジに対して平行に配向されるトラックも含む。

空間的に分離された温度センサは、主ヒータトラックにおける温度変化と温度センサにおける温度変化との間にタイムラグを引き起こす可能性もある。このタイムラグは、ヒータエレメント温度のオーバーシュートまたは揺動などの問題を引き起こす可能性もある。これらの問題を回避するために、主ヒータトラックは、ヒータエレメントの抵抗を用いてその温度を決定する温度センサとして構成される。金属製のヒータエレメントは、通常、正の抵抗温度係数を有するが、金属酸化物または半導体製のヒータエレメントは、負の温度係数を有する。ヒータエレメントの抵抗温度係数（ＴＣＲ）の大きさは、大きいことが望ましく、好ましくは、５００ｐｐｍ／Ｋ超であり、より好ましくは、２，５００ｐｐｍ／Ｋ超であることが望ましい。

主ヒータトラック１３０は、電気駆動用正接続部１３２および負接続部１３４と、電圧検出用Ｖ_{ｓｅｎｓｅ}正接続部１３６および負接続部１３８とを備える４線接続を有する。Ｖ_{ｓｅｎｓｅ}の測定値は、図３に示すような回路を用いてトラック抵抗を精密に監視するために使用されることが可能である。主ヒータトラック１３０の既知の抵抗温度係数ＴＣＲ、または所望の温度設定点と組み合わせて、Ｖ_{ｓｅｎｓｅ}は、主ヒータトラック１３０の温度検出を実行するために使用されることが可能である。駆動および検出の双方に従来の２線接続を用いる代わりに、主ヒータトラックの駆動用と主ヒータトラックに渡る電圧検出用とで別々の接点を有する４線接続を用いることには、電流を主ヒータトラックへ供給する接続部の内部抵抗に起因する電圧降下が排除されるという利点がある。

ガード・ヒータ・トラック１４０は、主ヒータトラック１３０とは独立して駆動されるべき正の接続部１４２と、負の接続部１４４とを有する。

図３は、主ヒータトラックを駆動し、同時に主ヒータトラックの抵抗を検出しかつ検出される抵抗に基づいて主ヒータトラックの温度を計算するために使用されることが可能な供給接続部Ｖ_ｐｏｓおよびＶ_ｎｅｇにより駆動される、電子回路を略示している。このような制御回路は、ヒータ１００と共に包含される場合もあれば、ヒータの使用中に接続される可能性もある。図３を参照すると、電流は、ヒータトラック１３０を、正の駆動接続部１３２および負の駆動接続部１３４を介して流れる。ヒータトラックには、ヒータトラックを通した電圧Ｖ_{ｓｅｎｓｅ}が、正電圧検出接点１３６および負電圧検出接点１３８および電圧測定回路３１０を用いて測定されることを可能にする、４線接点が装備される。ヒータトラック１３０を通って流れる電流は、抵抗Ｒ_{ｉｓｅｎｓｅ}が既知である電流検出抵抗器３２０と、電流検出抵抗器を通した電圧Ｖ_{ｉｓｅｎｓｅ}を測定するための電圧測定回路３３０とを用いて測定される。ヒータを通る電流は、Ｉ_{ｈｅａｔｅｒ}＝Ｖ_{ｉｓｅｎｓｅ}／Ｒ_{ｉｓｅｎｓｅ}として計算される。次には、ヒータトラック１３０の抵抗が、Ｒ_{ｈｅａｔｅｒ}＝Ｖ_{ｓｅｎｓｅ}／Ｉ_{ｈｅａｔｅｒ}として計算される。次には、フィードバックをベースとする主ヒータトラックの駆動が、一連の温度設定点に従って実行されてもよい。温度制御は、所望の温度設定点に対応するＲ_{ｈｅａｔｅｒ}の設定点値を決定し、かつヒータ駆動をヒータの抵抗設定点値に合わせて制御することにより、実装される。あるいは、温度制御は、既知の抵抗温度係数ＴＣＲに基づいて、ある温度範囲に渡り連続的に実行されてもよい。トランジスタであり得るスイッチ３４０は、ヒータの抵抗を測定するためにオンにされ、次には、Ｒ_{ｈｅａｔｅｒ}がその時点で必要とされる設定点抵抗を上回るか下回るかに依存して、所定の時間間隔に渡りオフにされるか、オンのままにされる。あるいは、スイッチ３４０は、ヒータを必要な電力で駆動するように選択されるデューティサイクルを有するパルス幅変調波形によって駆動されてもよい。いずれの手法においても、スイッチ３４０は、反応面の温度を循環させてＰＣＲ増幅を実行すべく、主ヒータトラックへの電気的駆動を変調するために使用される。

ガード・ヒータ・トラックは、主ヒータトラックの温度設定点以上の温度設定点を有する閉ループ制御で動作されてもよく、または、ガード・ヒータ・トラックは、主ヒータエレメントと同じコントローラもしくはオン／オフタイミングで、ただし、ある特有の温度設定点において温度均一性を最適化するように調整されることが可能な異なる駆動電圧で動作されてもよい。

再度図２を参照すると、この例示的な構成の長手方向および横方向に沿ったセクションＡおよびＢが、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、温度分布を決定すべくシミュレーションされた。これらのシミュレーションの結果は、ガードヒータを使用することによって達成された温度均一性の増加を示している。

図４Ａおよび図４Ｂを参照すると、反応面上の温度分布のシミュレーション結果は、長方形のヒータエリアの中心から長手方向（Ａ）および横方向（Ｂ）のエッジまで得られた。各図において、垂直軸は、温度を示し、水平軸は、中心からの長手方向／横方向に沿った位置を示す。温度分布は、ガードヒータなし（実線）の場合と、ガードヒータあり（破線）の場合を示し、ガードヒータが使用される場合に、より均一な温度分布が示されている。図４Ａおよび図４Ｂの各々には、主ヒータおよびガードヒータの位置が指示されている。

図５は、ヒータ１００およびヒートシンク２００を介する別の略断面を示す。図５に示すように、主ヒータトラック１３０は、幅Ｗ_{ｔｒａｃｋ}を有する、幅Ｗ_ｇａｐの間隙により離隔された複数の略平行なトラックセクションを備える。トラックセクションは、間隙幅Ｗ_ｇａｐを画定することが可能である限り、厳密に平行である必要はない。主ヒータトラック１３０から出力される熱は、トラックおよび間隙の幅が有限であることに起因して不均一である。これは、急速な温度変化を達成するには熱拡散層の厚さＨ_Ｄを小さくする必要があることによって悪化される。この実施形態において、熱拡散層の厚さＨ_Ｄは、トラックセクションの最小幅Ｗ_{ｔｒａｃｋ}より少なく、または、間隙の最小幅Ｗ_ｇａｐより少ない。より狭いトラック幅および間隙幅は、反応面における温度均一性を高めるが、これは、ＰＣＢ製造技術の要件などの典型的な設計規則によって制限される。

図５は、ヒータおよびヒートシンクがシミュレートされたシミュレーション領域Ｃも示している。図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃおよび図６Ｄは、反応面に沿ったシミュレーション領域Ｃ内の温度のシミュレーション結果を示す。シミュレーションは、Ｗ_{ｔｒａｃｋ}およびＷ_ｇａｐが７５μｍにおいて一定である銅製トラックのヒータを想定し、さらに、ヒータトラック支持層１５０がＦＲ４製であり、かつ熱拡散層１６０がポリプロピレン製であるとした。ヒートスプレッダ層厚さを増加させる効果が、２つの事例について示されているが、各図において、縦軸は、反応面上の温度を示し、横軸は、シミュレーション領域Ｃ内の反応面に沿った、ヒータトラック部分の中心からの位置を示す。図６Ａは、アルミニウム製の反応面ヒートスプレッダ層１７０が熱拡散層内のヒータトラックと反応面１１０との間、ヒータトラックから１０μｍの距離に位置決めされ、反応面ヒートスプレッダ層１８０が省かれているシミュレーション（構成Ａ）の結果を示す。図６Ｂは、アルミニウム製の反応面ヒートスプレッダ層１８０がヒータトラック支持層内の、ヒータのヒータトラックと背面１２０との間、ヒータトラックから５μｍの距離に位置決めされ、反応面ヒートスプレッダ層１７０が省かれているシミュレーション（構成Ｂ）の結果を示す。どちらの事例においても、ヒートスプレッダ層は、温度均一性を高め、ヒートスプレッダ層が厚いほど効果が高く、構成Ａは、構成Ｂより効果が高い。

図６Ｃおよび図６Ｄは、反応面ヒートスプレッダ層１７０の位置を変化させたシミュレーション結果を示す。図６Ｃにおいて、反応面ヒートスプレッダは、熱拡散層内に位置決めされ、かつ図６Ｃのグラフ内の凡例に示されている距離は、ヒータトラックの上面とヒートスプレッダ層との離隔を示す。図６Ｄにおいて、ヒートスプレッダは、ヒータ支持層内に位置決めされ、かつ図６Ｄのグラフ内の凡例に示されている距離は、ヒータトラックの下面とヒートスプレッダ層との離隔を示す。いずれの事例においても、ヒートスプレッダは、アルミニウム製であって、厚さ１００ｎｍである。ヒートスプレッダが熱拡散層内に位置決めされる場合、反応面ヒートスプレッダの位置は、温度均一性にほとんど影響しない（図６Ｃ）。しかしながら、反応面ヒートスプレッダがヒータ支持層内に位置決めされる場合、反応面ヒートスプレッダは、温度均一性の略向上をもたらすために、ヒータから１５μｍ以内に位置決めされることが好ましい（図６Ｄ）。この距離は、トラックおよび間隙幅に対応し、中央領域で評価される最小のトラックおよび間隙幅の２０％に相当する。

図１において、ヒータ１００は、背面ヒートスプレッダ１９０を含む。この特徴は、本発明の実施形態の全てにおいて必要とされるわけではないが、背面ヒートスプレッダ１９０には、シミュレーションを用いて実証されているように、反応面１１０における温度均一性をさらに向上させるという利点がある。図７Ａおよび図７Ｂは、背面ヒートスプレッダ１９０なし（図７Ａ）と、背面ヒートスプレッダあり（図７Ｂ）のヒータを比較したシミュレーション結果を示す。各図において、上側のプロットは、シミュレーションされたヒータ上の４０℃～６０℃の温度等高線を示す。シミュレーションされたヒータは、破線で示すヒータトラックを含み、短いほうの破線は、主ヒータトラック１３０を示し、長いほうの破線は、ガード・ヒータ・トラック１４０を示す。ヒータトラックより上方では、反応セル７１０が、反応面１１０を有する熱拡散層１６０によって包囲され、よって、反応セルの内容物の温度は、反応面の温度に従って制御されることが可能である。さらに、各図において、下側のプロットは、反応面に沿った（実線、凡例の「Ａ」）、ヒータトラックを切断する平面内（凡例の「Ｂ」）、およびヒータの背面上（凡例の「Ｃ」）の温度プロファイルを示す。図７Ｂは、背面ヒートスプレッダが厚さ１２μｍの銅層から構築されることを想定している。いずれのシミュレーションにおいても、不均一な熱接触を有するヒートシンク２００は、幅０．５ｍｍおよび高さ１．０ｍｍである３つのアルミニウム柱によるセットとして表されている。ジオメトリおよび結果は、位置ｘ＝０を対称面とする２Ｄハーフモデルについて示されている。いずれの事例においても、ヒータの設定温度は、６０℃である。

図８は、温度設定点５８℃、７３℃および９８℃を用いてサイクル時間４秒で熱サイクリングする、背面ヒートスプレッダありの上述のヒータの過渡応答のシミュレーションを示す。主ヒータトラックの温度は、トレースＡ（破線）で示され、反応面の中心における温度は、トレースＢ（実線）で示されている。

一例として、本発明によるヒータは、反応へ熱を提供するために使用されてもよい。このような使用において、ヒータの反応面は、試料を含む反応体積を有する反応セルと接触して位置決めされる。反応面を加熱するために、ヒータエレメントは、オンに切換され、ヒータエレメントにより発生される熱は、反応面を通って反応体積へ流れ込む。迅速な冷却が要求される場合、ヒータは、ヒータエレメントがオフにされると、熱が反応面からヒータを通ってヒートシンクへ流れ込むように、その背面でヒートシンクに接触することができる。

ヒータがＰＣＲ反応を駆動するためなどの熱サイクリングのために印加される場合、ヒータと試料との間の熱拡散時間は、目標サイクル時間より短いことが有利である。概して、材料試料の熱拡散時間ｔは、
ｔ＝Ｌ^２／Ｄ
によって与えられ、
ここで、Ｌは、材料試料の特性長さスケールであり、Ｄは、材料の熱拡散率である。下表１は、本発明によるヒータの材料の１つの例示的な選択肢を示し、この場合、熱拡散層の熱拡散時間は、１００塩基対のＤＮＡ配列の増幅に約１秒かかると理解されるＰＣＲの反応時間より短い。

さらに、ヒータトラック支持層の熱抵抗Ｒ_Ｔは、所与の温度プロファイルおよびヒートシンク温度Ｔ_Ｓｉｎｋおよびヒータ電力ｐ_Ｈｅａｔに対する熱サイクリング時間を最小化するように、最適化されることが可能である。Ｔ_ＬＯＷとＴ_ＨＩＧＨとの間の熱サイクリングに必要とされる時間は、加熱時間が冷却時間に等しいときに最小化され、この条件は、Ｒ_Ｔ＝Ｒ_{Ｔ，Ｏｐｔ}のときに、次式のように満たされる。

Ｒ_{Ｔ，Ｏｐｔ}＝（Ｔ_ＨＩＧＨ＋Ｔ_ＬＯＷ－２Ｔ_Ｓｉｎｋ）／ρ_Ｈｅａｔ
表２（下記）は、ヒータ電力、最適な熱抵抗および熱サイクル時間の例示的な値を示す。これらは、３０℃のヒートシンク温度で６０℃と９５℃との間を循環する、面積５０ｍｍ^２および熱容量０．０４Ｊ／Ｋの反応面の事例について示されている。

表３（下記）は、熱サイクルが７２℃において持続時間１秒の保持ステップを含む事例に関する、ヒータ電力、最適な熱抵抗および熱サイクル時間の例示的な値を示す。これらは、３０℃のヒートシンク温度で６０℃と９５℃との間を循環する、面積５０ｍｍ^２および熱容量０．０４Ｊ／Ｋの反応面の事例について示されている。

図９は、本発明によるヒータ１００における抵抗加熱トラックの代替配置図を示す。この実施形態では、反応面１１０の別々のエリアを個々に加熱するために、２つの主ヒータトラック１３０が隣合わせに配置されている。これらの主ヒータトラックは、いずれも、ガード・ヒータ・トラック１４０によって包囲されかつ分離されている。

図９の実施形態は、本発明によるヒータに、反応面の複数の個々に温度制御されるエリアの各々に対する主ヒータトラックが如何にして装備され得るかを示している。ガード・ヒータ・トラック１４０は、側方熱流を抑止し、これにより、反応面の個々のエリアの各々が温度制御され得る精度を高める。

図９に示すように、ガード・ヒータ・トラック１４０は、単位面積当たりの電流および熱出力が２つの主ヒータトラック１３０の間で、かつこれらの周囲で異なり得るように、３つの接続部１４２、１４４および１４６を有する。あるいは、各主ヒータトラック１３０には、２つの接続部を有する別個のガード・ヒータ・トラック１４０が装備されてもよい。

図１０は、熱サイクルに、本明細書に記述しているようなヒータまたは可変温度反応器を制御するための保持ステップが含まれる場合の、熱抵抗の好ましい範囲１００１の一例を示す。ＰＣＲサイクルは、融解ステップ、アニールステップおよび伸長ステップから成り、伸長は、反応の最も時間のかかる部分であることが多く、保持ステップを必要とし得る。本例には、ＰＣＲ反応における伸長のための時間を可能にするために、７２℃において持続時間１秒の保持ステップが含まれる。伸長に必要な時間は、ポリメラーゼの速度および増幅されるＤＮＡ配列の長さに依存して変わり得る。１秒の保持ステップは、典型的には核酸ベースの診断検査に使用される長さである１００～１５０塩基対の範囲の長さを有するＤＮＡ配列の迅速な増幅に適切であり得、より長い配列は、概して、より長い伸長時間を必要とする。保持ステップの持続時間は、最適には、伸長を見込むに足る長さであって、著しく長いものにはならず、そうでなければ、サイクル時間全体が支配され、望ましくない伸長となる。当業者には、上述の例では１秒として例示されている保持ステップ持続時間の調整は、全体的な動作に重大な影響を及ぼすことなく行われ得ることが、容易に理解されるであろう。

図１０のグラフは、低い熱サイクル時間（実線）およびサイクル当たりの低いエネルギー消費量（破線）の双方を可能にするための熱抵抗の好ましい値範囲（対数スケールに示す）を示し、保持ステップを含む最小の熱サイクル時間ｔ_{ｃｙｃｌｅ}１００４は、熱抵抗が好ましい最大値１００３より大きい場合に望ましくない大きさ（＞５秒）となり、一方で、１サイクル当たりの消費エネルギーＥ_{ｃｙｃｌｅ}１００５は、熱抵抗が好ましい最小値１００２より低い場合に望ましくない大きさ（＞１０Ｊ）となる。要約すると、１サイクル当たりのエネルギー消費量が低い（Ａ_ｃｅｌｌ＝５×１０^－５ｍ^２でＥ_{ｃｙｃｌｅ}＜１０Ｊ）高速熱サイクル（ｔ_{ｃｙｃｌｅ}＜５秒）にとっては、３×１０^－３～３×１０^－２Ｋ．ｍ^２／Ｗの範囲の熱抵抗とセル面積との積Ｒ_{Ｔ，Ｏｐｔ}×Ａ_ｃｅｌｌが好ましい。

上述の実施形態において、ヒータは、ヒートシンクを有するアセンブリ内に設けられる。しかしながら、本発明は、均一な加熱が要求されるが、ヒートシンクは不要である事例にも適用可能である。たとえば、冷却時間がさほど重要でない用途では、ヒートシンクが省かれることがある。

上述の実施形態において、ヒータには、ガード・ヒータ・トラック１４０が装備される。しかしながら、ガード・ヒータ・トラック１４０を設けることに加えて、またはこれを設ける代わりに、主ヒータトラック１３０は、そのエッジの近くでより高い熱出力を有し、かつ反応体積を超えて延びるように設計されてもよい。このより高い熱出力効果は、主ヒータトラックの中央のヒータトラック部分よりも主ヒータトラックのエッジに近い２つ以上のヒータトラック部分間の間隙幅を減らしてヒータトラックの密度を高めることにより、達成されてもよい。あるいは、または追加的に、この効果は、主ヒータトラックの中央のヒータトラック部分よりも主ヒータトラックのエッジに近い１つ以上のヒータトラック部分の幅または高さを減らして主ヒータトラックの抵抗を高めることにより、達成されてもよい。そのエッジに近いヒータエレメントのより高い熱出力は、側方熱流を補償しかつ反応体積に渡ってより均一な温度状態を提供することができる。さらに、ヒータが、必要とされる反応体積を遙かに超えて延びる反応面を有する場合、ガード・ヒータ・トラックおよび主ヒータトラックのエッジ付近の修正の双方を省略することが可能である。

さらに、先の説明では、ヒートスプレッダの各々を含む場合と、含まない場合との比較が評価されている。したがって、読者には、含まれることが好ましいものの、ヒートスプレッダ１７０、１８０および１９０の各々は、本発明の実施形態において省かれ得ることが理解されるであろう。

Claims

ＰＣＲ増幅を実行するための熱サイクリング用ヒータであって、
反応セルへ熱を伝達するための反応面を有する熱拡散層と、
冷却用背面を有するヒータトラック支持層と、
前記ヒータトラック支持層と前記熱拡散層との間に支持される導電性の主ヒータトラックと、
前記主ヒータトラックを駆動しかつ同時に前記主ヒータトラックの抵抗を検出するための電気接続を提供するように適合化される、前記主ヒータトラックへの４端子電気接点と、
を備え、
前記反応面の横方向寸法は、前記ヒータの厚さＨより大きく、よって、反応面の面積Ａ＞Ｈ^２である、ヒータ。
前記主ヒータトラックは、幅Ｗ_{ｔｒａｃｋ}を有しかつ幅Ｗ_ｇａｐの間隙により分離される複数の略平行なトラックセクションを備える中央領域を備え、前記熱拡散層の厚さＨ_Ｄは、前記トラックセクションの最小幅Ｗ_{ｔｒａｃｋ}より小さく、または間隙の最小幅Ｗ_ｇａｐより小さく、Ｗ_{ｔｒａｃｋ}またはＷ_ｇａｐは、前記主ヒータトラックの前記中央領域において評価される、請求項１に記載のヒータ。
前記間隙幅Ｗ_ｇａｐおよび／または前記トラックセクションの幅Ｗ_{ｔｒａｃｋ}は、前記主ヒータトラックのエッジに近いトラックセクションのほうが、前記主ヒータトラックの前記中央領域内のトラックセクションより少ない、請求項２に記載のヒータ。
前記ヒータトラック支持層と前記熱拡散層との間のガード・ヒータ・トラックであって、前記ガード・ヒータ・トラックは、前記主ヒータトラックを略包囲する、ガード・ヒータ・トラックと、
前記主ヒータトラックへの前記４端子電気接点とは独立している、前記ガード・ヒータ・トラックへのさらなる２つの電気接点と、
をさらに備える、先行する請求項のいずれかに記載のヒータ。
前記ヒータトラック支持層は、１×１０^－４～１×１０^－２Ｋ．ｍ^２／Ｗの範囲の、より好ましくは、３×１０^－４～３×１０^－３Ｋ．ｍ^２／Ｗの範囲の、熱抵抗と面積との積を有する、先行する請求項のいずれかに記載のヒータ。
前記熱拡散層または前記ヒータトラック支持層のうちの一方と接触して、または前記一方の内部に位置決めされる反応面ヒートスプレッダ層をさらに備える、先行する請求項のいずれかに記載のヒータ。
前記反応面ヒートスプレッダ層は、前記熱拡散層または前記ヒータトラック支持層のうちの一方に比べて、熱伝導性が高く、より高い横方向熱伝導率を有し、かつより低い熱容量を有する、請求項６に記載のヒータ。
前記反応面ヒートスプレッダ層は、前記ヒータトラック支持層内に、前記主ヒータトラックから距離Ｌ_ｓを隔てて位置決めされ、Ｌ_ｓは、前記中央領域において評価される前記ヒータトラック幅Ｗ_{ｔｒａｃｋ}およびヒータ間隙幅Ｗ_ｇａｐの最小値の２０％未満である、請求項２または請求項３に記載の、および請求項６または請求項７に記載のヒータ。
前記背面に、背面ヒートスプレッダ層が位置決めされる、先行する請求項のいずれかに記載のヒータ。
前記背面と接触するヒートシンクをさらに備える、先行する請求項のいずれかに記載のヒータ。
先行する請求項のいずれかに記載のヒータと、前記反応面に接触して配置される反応セルとを備える使い捨て消耗品。
先行する請求項のいずれかに記載のヒータまたは可変温度反応器の動作方法であって、前記主ヒータトラックを駆動することと、前記主ヒータトラックの抵抗を同時に検出することと、検出された前記抵抗に基づいて、前記主ヒータトラックの温度を計算すること、を含む方法。
ＰＣＲ増幅を実行すべく前記反応面の温度を循環させるために、前記主ヒータトラックの一連の温度設定点に従って前記主ヒータトラックのフィードバックベースの駆動を実行することを含む、請求項１２に記載の方法。
前記ヒータは、請求項４に記載のヒータであり、前記方法は、前記主ヒータトラックより高い単位面積当たりの熱出力を提供するために、前記ガード・ヒータ・トラックを駆動することをさらに含む、請求項１２または請求項１３に記載の方法。
請求項１２～１４のいずれかに記載の方法を実行するように構成される制御回路をさらに備える、請求項１～１１のいずれかに記載のヒータまたは使い捨て消耗品。