JP3511007B2 - 流体衝突熱サイクラーのための装置、これを用いて少なくとも2つの異なる温度間で複数の試料を循環させる方法、およびポリメラーゼ連鎖反応を行うためのその使用方法 - Google Patents
流体衝突熱サイクラーのための装置、これを用いて少なくとも2つの異なる温度間で複数の試料を循環させる方法、およびポリメラーゼ連鎖反応を行うためのその使用方法Info
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- JP3511007B2 JP3511007B2 JP2000514741A JP2000514741A JP3511007B2 JP 3511007 B2 JP3511007 B2 JP 3511007B2 JP 2000514741 A JP2000514741 A JP 2000514741A JP 2000514741 A JP2000514741 A JP 2000514741A JP 3511007 B2 JP3511007 B2 JP 3511007B2
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Description
の方法および装置に関する。さらに特定すると、本発明
は、DNA増幅を実施するための装置に関する。
または試料混合物内の特定のDNAフラグメントが、ポ
リメラーゼ連鎖反応(PCR)により増幅される、種々
の研究設定がある。例えば、マイクロタイタープレート
のウェルに含有されているDNA試料は、アレイとし
て、PCR増幅できる。さらに他の設定では、チューブ
ホルダーにおける異なるチューブに含有された1個また
はそれ以上のDNAフラグメントの増幅産物を比較する
ことが望まれ得る。
ラグメントを、フラグメントサイズまたは量のいずれか
について比較するなら、実質的に同じ条件下にて、各試
料のPCR増幅を行うことが望ましい。このことは、そ
の熱循環時間および温度だけでなくPCR試薬の濃度も
また、注意深く制御されて、これらの試料の全ての間で
均一でなければならないことを意味する。
時に実施するために、種々の装置が使用または提案され
ている。典型的には、これらの装置は、マイクロタイタ
ープレートのウェルに対して配置された熱ブロック、ま
たは複数の試料チューブを保持するように設計した熱ブ
ロックを包含する。このブロックは、次に、このブロッ
クを通して加熱流体を循環させることにより、またはこ
のブロックへの熱伝導により、交互に加熱および冷却さ
れる。この型の装置では、このブロック内で熱伝達速度
および温度が一様でないために、また、このブロックと
このウェルまたはチューブとの間の良好な熱接続を与え
ることが困難であるために、均一な加熱および冷却サイ
クルを達成することは、困難である。
084号で示されているように、試料チューブを過ぎ
て、温度制御した流体(例えば、空気または水)を循環
させることもまた、提案されている。これにより、流れ
ている流体の温度がそのブロックの温度よりも簡単に制
御できるので、高い頻度で温度循環できるようになる。
しかしながら、この方法は、チューブの回りの流体流れ
により、この試料チューブの次に流れている流体の温度
が、この試料チューブ自体の温度によって影響されるの
で、これらの試料チューブでは、温度勾配が生じる。そ
れゆえ、このチューブの上流部分ではチューブに隣接し
た流体流れは、このチューブの下流部分でチューブに隣
接した流体流れとは異なる温度である。さらに、この流
体がこれらのチューブに衝突する場所での熱伝達が、こ
の流体流れがこれらのチューブを通り過ぎる場所での熱
伝達とは異なるので、この試料チューブ内にて、温度勾
配が生じる。
環させるための装置を包含する。これらの試料の各々
は、アレイ内の複数の試料領域の1領域で保持されてい
る。このアレイ内の試料領域の各々は、外部熱交換壁拡
張部(outerheat−exchange wal
l expanse)を規定している。この装置は、選
択した第一および第二温度で加圧流体を供給するソース
を包含する。この装置はまた、このアレイを支持するよ
うに適合された構造体を含有するチャンバを包含する。
このチャンバは、マニホルドを包含し、これは、この加
圧流体を受容し、そしてこのアレイがこの支持構造体に
より保持されるとき、この試料壁拡張部に対して向けら
れ、そして実質的に垂直である、複数の流体ジェットと
してこの流体を分配する。この壁拡張部に衝突している
加圧流体は、これらの流体ジェットと試料との間で、実
質的に均一な熱交換を作り出す。この装置はまた、出口
を包含し、これは、これらの流体ジェットに由来の流体
をこのチャンバから排出するためにある。
ば、複数の試料ウェルを有するマイクロタイタープレー
ト、またはチューブホルダーで保持された複数のチュー
ブ)のアレイを包含する。代替局面では、この装置は、
このアレイと共に使用するのに適合されている。
は、種々の図面と関連して、以下の好ましい実施態様の
詳細な説明を読むと、さらに充分に明らかとなる。
される高性能熱循環装置である。本発明の1用途には、
PCR増幅用途がある。
熱循環するための熱循環装置(これは、全体参照番号1
00で示されている)を図示している。熱循環装置10
0は、複数の試料領域を有するアレイ101と共に使用
するように、設計されている。アレイ101は、図2に
関連して、引き続いて記述されている。熱循環装置10
0は、閉鎖ループ流体チャンバ103を包含し、これ
は、加圧流体105を循環させる。閉鎖ループ流体チャ
ンバ103は、この流体を含有するために、密封されて
いる。加圧流体105は、ソース107により、加圧さ
れる。ソース107はまた、加圧流体105の温度を調
節する。加圧流体105は、マニホルド109(これ
は、衝突プレート111を包含する)に入る。マニホル
ド109では、加圧流体105は、衝突プレート111
に均一に分配される。アレイ101は、構造体113に
より、閉鎖ループ流体チャンバ103で支持されてい
る。
穴を通って流れて、流体ジェット115(これは、衝突
プレート111から上へ向かって伸長している矢印によ
り、示される)を作り、これは、外部熱交換壁拡張部1
17に衝突する。流体ジェット115が外部熱交換壁拡
張部117に衝突した後、これらのジェットを形成した
使用済み流体は、出口119へと流れて通り、ソース1
07へと流体ループを完結する。ソース107では、こ
の使用済み流体は、再度、加圧され、そして加熱または
冷却される。ソース107は、当該技術分野でよく知ら
れている方法を用いて、制御ユニット121により制御
されて、加圧流体105の温度および圧力を調節する。
するためのインペラー(図示せず)を含有する。それは
また、この使用済み流体を加熱および冷却するための機
構(図示せず)も含有する。このインペラーは、温度制
御した使用済み流体を充分に混合するように、この加熱
/冷却機構の後に位置づけられている。それゆえ、加圧
流体105は、熱勾配を有しない。加圧流体105の温
度勾配をさらに最小化するために、マニホルド109の
壁は、断熱できる。
は、マニホルド109の残りの部分から取り除かれ、そ
して異なる形状のプレートで置き換えることができる。
他の実施態様では、衝突プレート111は、マニホルド
109により形成される。さらに、ある実施態様は、加
圧流体105を濾過するために、衝突プレート111の
前に、マニホルド109内に無菌フィルター123を有
し得る。
に、図1のアレイ101の拡大部を図示している。この
図では、アレイ101は、マイクロタイタープレートで
ある。マイクロタイタープレート101は、複数の試料
127をそれぞれ保持するための複数のウェル125
(試料領域)を有する。複数のウェル125の各々は、
ウェル底面129を有する。この実施態様では、複数の
ウェル125の各々のウェル底面129は、図1の熱循
環装置100の外部熱交換壁拡張部117を構成する。
平坦な衝突プレート111中の開口部は、流体ジェット
115を発生させる。流体ジェット115の各々は、そ
の特定の流体ジェットに付随したウェル底面129に衝
突する。それゆえ、ウェル底面129は、その各個の流
体ジェット(単数または複数)の温度に(熱的に)密接
に連関している。
ジェット115に由来の使用済み流体131は、他の複
数のウェル125を過ぎて出口119へと、層流様式で
流れる。層流流体と表面との間の熱伝達は、直接衝突し
ている流体と表面との間の熱伝達よりも数倍少ないの
で、この使用済み流体の温度は、他の複数のウェル12
5の温度に影響を与えない。衝突している流体ジェット
からこの表面への熱伝達もまた、使用済み流体131が
充分に発達した乱流でこの表面を過ぎて流れるときでさ
え、この表面と使用済み流体131との間の熱伝達より
も著しく大きい。それゆえ、複数のウェル125の各々
は、同じ温度を有し、複数のウェル125のいずれの2
個間でも、著しい温度勾配はない。
ロタイタープレート101の頂部がこの流体に晒されな
いように、マイクロタイタープレート101により、閉
鎖される。マイクロタイタープレート101は、構造体
113(これは、流体を通さないプレートシール133
を包含する)により、閉鎖ループ流体チャンバ103上
に保持される。流体を通さないプレートシール133
は、この流体がこのチャンバから漏れないように、マイ
クロタイタープレート101と閉鎖ループ流体チャンバ
103との間の界面を密封する。マイクロタイタープレ
ート101は、この流体に完全には浸されないので、複
数のウェル125の頂部は、開いたままであるか、また
は安価なキャップを付けて閉じた状態にされ得る。当業
者は、もし、複数のウェル125が、この流体に対して
密封されているなら、マイクロタイタープレート101
は、この流体内に浸けることができることを理解する。
05を衝突プレート111の開口部(例えば、オリフィ
ス、成形ノズル、または成形スロット)に通すことによ
り、形成される。衝突プレート111は、一定距離(こ
れは、この流体の用途および所望の圧力低下に依存し
て、流体ジェット115の幅の2倍〜10倍のオーダー
である)で、外部熱交換壁拡張部117から分離されて
いる。加圧流体105の圧力は、この開口部により形成
された流体ジェット115が、ウェル底面129に到達
して、ウェル底面129で完全な乱流を形成するような
程度である。ウェル底面129に衝突している流体ジェ
ット115の熱伝達効率は、このインペラーに加えられ
る出力の関数である。流体ジェット115を形成する開
口部の形状は、円形である必要はない。当業者は、1個
より多い流体ジェット115が特定のウェル底面129
に向けられ得ることを理解する。逆に、このウェル底面
間の温度勾配が許容範囲内にとどまる限り、流体ジェッ
ト115の1個だけを複数のウェル表面に衝突するよう
に向けてもよい。
が、マニホルド109から取り外されるように作成で
き、またはマニホルド109の一部として形成できるこ
とを理解する。図2で示した実施態様では、衝突プレー
ト111は、マニホルド109から取り外し可能であ
り、得られた界面は、流体を通さないマニホルドシール
135により、密封される。
ブ内に保持された試料を熱循環するための熱循環装置
(これは、全体参照番号300で示されている)を図示
している。熱循環装置300は、この試料領域として複
数のチューブを用いるチューブアレイ301と共に使用
するように、設計されている。チューブアレイ301
は、図4に関連して、引き続いて記述されている。熱循
環装置300は、閉鎖ループ流体チャンバ303を包含
し、これは、加圧流体305を循環させる。閉鎖ループ
流体チャンバ303は、この流体を含有するために、密
封されている。加圧流体305は、ソース307によ
り、加圧されている。ソース307はまた、加圧流体3
05の温度を調節する。加圧流体305は、マニホルド
309(これは、成形衝突プレート311を包含する)
に入る。チューブアレイ301は、チューブアレイ30
1内のチューブの各々が成形衝突プレート311により
形成されたポケット(これは、図4に関連して示されて
おり、引き続いて記述されている)へと伸長するよう
に、構造体313により、閉鎖ループ流体チャンバ30
3で支持されている。加圧流体305は、マニホルド3
09により、成形衝突プレート311に均一に分配され
る。加圧流体305は、成形衝突プレート311の穴を
通って流れて、流体ジェット(これは、図4に関連して
示されており、引き続いて記述されている)を作る。こ
れらの流体ジェットを形成した使用済み流体は、出口3
15へと流れて通り、ソース307へと流体ループを完
結する。ソース307では、この使用済み流体は、再
度、加圧され、そして加熱または冷却される。ソース3
07は、当該技術分野でよく知られている方法を用い
て、制御ユニット317により制御されて、加圧流体3
05の温度および圧力を調節する。
るために、成形衝突プレート311の前に、マニホルド
309内に無菌フィルター319を有し得る。
するためのインペラー(図示せず)を含有する。それは
また、この使用済み流体を加熱および冷却するための機
構(図示せず)も含有する。このインペラーは、加圧流
体305が熱勾配を有しないように、この使用済み流体
を充分に混合する。このインペラーは、温度制御した使
用済み流体を充分に混合するように、この加熱/冷却機
構の後に位置づけられている。それゆえ、加圧流体30
5は、熱勾配を有しない。加圧流体305の温度勾配を
さらに最小化するために、マニホルド309の壁は、断
熱できる。
に、図3のチューブアレイ301の拡大部を図示してお
り、これは、チューブアレイ301内の複数のチューブ
323を強固に保持する支持プレート321を包含す
る。図示した実施態様では、複数のチューブ323の各
々は、支持プレート321で成形されている。当業者
は、例えば、ネジ接続の使用により、複数のチューブ3
23の各々を支持プレート321に強固に装着するため
の他の方法が存在することを理解する。
保持部分327を有し、これは、成形衝突プレート31
1により形成された複数のポケット329の1個へと伸
長している。複数のポケット329の各々は、1個また
はそれ以上の開口部331を有し、その各々は、加圧流
体305から流体ジェット333を形成し、これは、細
長試料保持部分327の表面から約90度で、複数のチ
ューブ323の1個の細長試料保持部分327に衝突す
る。細長試料保持部分327の外側は、この外部熱交換
壁拡張部である。この外部熱交換壁拡張部に衝突してい
る流体ジェット333は、流体ジェット333とこの外
部熱交換壁拡張部との間で、効率的に熱伝達する。複数
のチューブ323の各々は、試料325を保持してお
り、これは、流体ジェット333の温度に依存して、少
なくとも2つの温度間で循環される。流体ジェット33
3に由来の使用済み流体337は、複数のポケット32
9の各々から流れ出し、そして複数のチューブ323の
試料非保持部分を過ぎて、層流様式で流れる。層流の熱
伝達係数は、衝突している流体の熱伝達係数よりもずっ
と小さいので、この使用済み流体は、他のチューブに保
持されている試料の温度に影響を与えない。衝突してい
る流体ジェットからこの表面への熱伝達もまた、使用済
み流体337が充分に発達した乱流でこの表面を過ぎて
流れるときでさえ、この表面と使用済み流体337との
間の熱伝達よりも著しく大きい。この流体ジェットは、
ジェット寸法を有する。この流体ジェットの直径は、使
用する流体および所望の圧力低下に依存して、0.5m
m〜約2mmの範囲である。細長試料保持部分327
は、一定距離(これは、このジェット直径の2倍〜10
倍のオーダーである)で、複数のポケット329の1個
の壁から分離されている。
23が確実に閉じられるなら、チューブアレイ301
は、この流体内に完全に浸けることができることが分か
る。さらに、当業者は、成形衝突プレート311が、マ
ニホルド309から取り外されるように作成でき、また
はマニホルド309の一部として形成できることを理解
する。図3で示した実施態様では、成形衝突プレート3
11は、マニホルド309の一部として形成されてい
る。当業者は、ある実施態様では、このマニホルド上
で、異なる衝突プレートを交換可能にできることを理解
する。これにより、この装置は、本明細書中で記述した
もの以外のアレイ設計に適合可能となる。
レイなしで提供でき、また、この装置は、既存のチュー
ブ、マイクロタイタープレート、または他の類似の試料
保持機構とともに使用できることが分かる。この熱伝達
は、表面に衝突している流体ジェットの結果であるの
で、当業者はまた、熱ブロックと試料容器との間で高度
な熱密封を形成しなくてもよいことを理解する。それゆ
え、この壁拡張部は、不定形であり得、機械的な接触熱
伝導経路には依存しない。また、本発明は、上で記述し
たもの以外の多くの衝突ジェット設計を考慮しているこ
とも分かる。特に、限定しないが、本発明は、マイクロ
タイタープレートの両側に衝突しているジェットを、閉
鎖試料容器の蓋、およびケイ素をミクロ機械加工したウ
ェルまたはプラスチックを打ち抜いたウェルに適用する
ことを考慮している。
気体(例えば、空気)、および高熱容量液体(例えば、
水)である。液体は、より小さな幾何学的アレイを使用
するとき、または急速な温度傾斜速度(ramp ra
te)を有するとき、好ましい流体である。さらに、も
し、圧縮可能気体が膨張するにつれて冷却するとき、こ
の流体ジェットの温度が臨界であり、そしてこの温度制
御機構がこの冷却を考慮していないなら、圧縮不能液体
は、好まれ得る。
有することが分かる:1.これらの試料領域間での温度
勾配をなくすための、この流体と各試料領域との間の直
接熱伝達。
度で衝突している流体ジェットは、この表面と流体との
間で、この熱交換表面に隣接する層流流体よりも急速で
効率的な熱伝達を与える。衝突しているジェットに由来
の使用済み流体は、このような層流で他の試料領域を過
ぎて流れるので、他の試料領域は、この使用済み流体の
温度により影響されない。それゆえ、このアレイ内の試
料領域間の温度勾配を低くする。
ルまたはチューブ)間での正確に制御された均一な熱循
環を可能にする。これにより、実質的に同じ条件下にて
別個の試料のPCR増幅が可能になる。
記述されているものの、当業者は、本発明の範囲から逸
脱することなく、種々の改良および変更がなされ得るこ
とを理解する。従って、本発明の範囲は、本明細書中で
述べた特定の発明実施態様に限定されず、添付の特許請
求の範囲およびその等価物によってのみ、規定されるべ
きである。 [図面の簡単な説明]
アレイを熱循環させるための装置を図示している。
ト、付随した構造体およびマイクロタイタープレートの
断片拡大図である。
ブ内の試料のアレイを熱循環させるための装置を図示し
ている。
ート、付随した構造体およびチューブアレイの断片拡大
図である。
Claims (11)
- 【請求項1】 各試料がアレイ内の複数の試料領域の1
領域で保持されるように、少なくとも2つの異なる温度
間で複数の試料を熱循環させるための装置であって、各
試料領域は、外部熱交換壁拡張部を規定しており、該装
置は、以下を包含する: 選択した第一および第二温度で加圧流体を供給するため
のソース;および 以下を含有するチャンバ: (a)支持構造体であって、該支持構造体は、該アレイ
を支持するように、適合されている; (b)マニホルドであって、該マニホルドは、該加圧流
体を受容するため、および該アレイが該支持構造体によ
り保持されるとき、該壁拡張部に対して向けられ、そし
て実質的に垂直である、複数の流体ジェットとして該流
体を分配して、該流体ジェットと該試料との間で、実質
的に均一な熱交換を発生させるためにある;および (c)出口であって、該出口は、該流体ジェットに由来
の該流体を該チャンバから発散させるためにある、 を包含する、装置。 - 【請求項2】 前記試料領域が、マイクロタイタープレ
ート内の複数のウェルとして設けられており、各ウェル
が、前記壁拡張部を規定する底面を有し、ここで、該プ
レートが前記支持構造体により保持されるとき、前記流
体ジェットが、該底面に衝突する、請求項1に記載の装
置。 - 【請求項3】 前記試料領域が、複数のチューブとして
設けられており、各チューブが、細長試料保持部分を有
し、該細長試料保持部分が、前記壁拡張部の1個を規定
しており、そして 前記マニホルドが、複数のポケットを有し、該ポケット
の各々が、流体ジェットを囲んで該チューブの1個の該
壁拡張部上へと分配するように、適合されている、請求
項1に記載の装置。 - 【請求項4】 さらに、流体再循環手段を包含し、該流
体再循環手段が、前記出口を前記ソースに接続してその
間で前記流体を再循環させる、請求項1に記載の装置。 - 【請求項5】 さらに、前記流体を濾過するための無菌
フィルターを包含する、請求項4に記載の装置。 - 【請求項6】 前記支持構造体が、該支持構造体と前記
アレイとの間で流体を通さないシールを形成するよう
に、適合されている、請求項1に記載の装置。 - 【請求項7】 前記加圧流体が、液体である、請求項1
〜6のいずれか1項に記載の装置。 - 【請求項8】 前記加圧流体が、気体である、請求項1
〜6のいずれか1項に記載の装置。 - 【請求項9】 少なくとも2つの異なる温度間で複数の
試料を循環させる方法であって、請求項1〜8のいずれ
か1項に記載の装置に複数の試料を配置すること、およ
び前記流体ジェットの温度を少なくとも2つの異なる温
度間で循環させることを包含する、方法。 - 【請求項10】 前記試料が、ポリヌクレオチドであ
る、請求項9に記載の方法。 - 【請求項11】 ポリメラーゼ連鎖反応を行うための、
請求項1〜8のいずれか1項に記載の装置の使用方法。
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