JP4482684B2

JP4482684B2 - マイクロ流体デバイス反応用温度調節器

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Publication number: JP4482684B2
Application number: JP2004021420A
Authority: JP
Inventors: 隆一郎倉根; 聡江崎; 浩光古和田
Original assignee: Biocosm
Current assignee: Biocosm
Priority date: 2004-01-29
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2024-01-29
Also published as: JP2005214782A

Description

本発明は、マイクロ流体デバイスの温度を調節する温度調節部を設けたマイクロ流体デバイス反応用温度調節器に関する。

加熱或いは冷却して対象物（温度調節対象物）の温度を調節するために、ペルチェ効果を有するペルチェ素子を利用することが知られている。

ペルチェ効果とは、異種の導体の接触面を通じて電流を流したとき、その接触面で熱量の発熱または吸熱が起きる現象のことであり、このペルチェ効果を利用して加熱或いは冷却効果を生み出す部材をペルチェ素子という。そして、ペルチェ素子は電流の向きを変えると発熱面と吸熱面とが逆転する。ペルチェ素子の基本構造は、通常、電極間に熱電半導体チップを挟む形状を有している。

一方、近年、半導体等の微細加工技術を応用して製造されたマイクロ流体デバイスが、生化学、医療等の分野において使用されている。マイクロ流体デバイスとは、例えば、部材中に微小な毛細管状の流体流路、或いは、この流路と接続する反応領域としての反応槽、電気泳動カラム、膜分離機構等の構造が形成された微小分析デバイスのことを示す。そして、マイクロ流体デバイスは、主にＤＮＡ分析デバイス、微小電気泳動デバイス、微小クロマトグラフィーデバイス、微小センサー等として使用される。

上述したＤＮＡ分析デバイスとしてＤＮＡチップが知られている。ＤＮＡチップ上ではＤＮＡ断片増幅やハイブリダイゼーション等の反応を行うことが可能となっている。
これら反応をＤＮＡチップ上で行うに際し、ＤＮＡチップの温度を調節する必要がある。ＤＮＡチップの温度を調節する温度調節装置として、特許文献１には、上述したペルチェ素子を利用したＤＮＡ断片増幅装置が記載してある。

このＤＮＡ断片増幅装置は、温度調節対象物であるＤＮＡチップを載置する伝熱ブロックと、ペルチェ素子と、放熱手段であるヒートシンクとを順に配設して構成してある。
このように構成することで、ＤＮＡチップを、伝熱ブロックを介してペルチェ素子により効果的に温度調節することが可能となっていた。

特開２００２−３０６１５４号公報（特許請求の範囲、段落００１３等参照）

ある時点で温度調節対象物が有する温度（現有温度）と目標温度との差がある程度大きいとき、例えば、室温（現有温度）から９４℃（目標温度）まで昇温させるような場合、温度調節対象物を目標温度に到達させるのに時間を要するという不都合があった。

ここで、特許文献１に記載してあるＤＮＡ断片増幅装置に限らず、温度調節対象物を昇温或いは降温する工程を迅速に行うことができれば、温度調節対象物を処理する時間が短縮できるため、好ましい。

また、ＤＮＡ増幅時にＤＮＡチップを加温すると、サンプル注入孔やサンプル排気孔等からサンプルＤＮＡを含んだ反応液が蒸発するため、実験工程の確実な遂行が困難であるという問題点があった。

従って、本発明の目的は、所望の温度に迅速に到達可能で、かつ、反応液の蒸発を防止可能なマイクロ流体デバイス反応用温度調節器を提供することにある。

（構成１）
上記目的を達成するための本発明に係るマイクロ流体デバイス反応用温度調節器の第１特徴構成は、
流体流路と、前記流体流路と接続した反応領域とを設けたマイクロ流体デバイスの温度を調節する温度調節部を設けたマイクロ流体デバイス反応用温度調節器において、前記温度調節部が、マイクロ流体デバイスを載置する伝熱ブロックと、前記伝熱ブロックと接するペルチェ素子と、前記ペルチェ素子と接する加熱吸熱手段とを順に配設してある点にある。
ここで、加熱吸熱手段は、対象物であるペルチェ素子を加熱、或いは、ペルチェ素子の熱を吸熱自在に構成可能である。

一般に、ペルチェ素子は、ｐ型半導体とｎ型半導体とを熱的に並列に配置し、電気的に直列に接続して通電することにより、放熱面と吸熱面とができる。そのため、ペルチェ素子と接する伝熱ブロックは、例えば、ペルチェ素子の正常駆動により加熱され、或いは、ペルチェ素子の逆駆動により冷却されるように構成することができる。

このとき、ペルチェ素子の正常駆動時には、ペルチェ素子の放熱側と伝熱ブロックとが接するため、伝熱ブロックを介してマイクロ流体デバイスを加熱することができる。さらに、本構成であれば、ペルチェ素子と接する加熱吸熱手段は、ペルチェ素子を加熱するように構成可能であるため、ペルチェ素子を迅速に昇温することができる。

つまり、加熱吸熱手段によるペルチェ素子の加熱により、ペルチェ素子の温度とマイクロ流体デバイスの所望の温度との温度差をペルチェ素子単独である場合と比べて迅速に小さくすることができる。そのため、マイクロ流体デバイスを加熱する際の加熱効率が向上することになる。

ペルチェ素子の逆駆動時には、ペルチェ素子の吸熱側と伝熱ブロックとが接するため、ペルチェ素子は伝熱ブロックを介してマイクロ流体デバイスを冷却することができる。このとき、本構成であれば、ペルチェ素子と接する加熱吸熱手段は、ペルチェ素子の熱を吸熱するように構成可能である。その結果、ペルチェ素子を迅速に降温することができる。

従って、本発明の第１特徴構成に記載のマイクロ流体デバイス反応用温度調節器であれば、ペルチェ素子単独である場合と比べてマイクロ流体デバイスの温度制御を迅速に行うことができる。その結果、マイクロ流体デバイスにおける各種工程の処理時間を大幅に短縮することができる。

（構成２）
本発明に係るマイクロ流体デバイス反応用温度調節器の第２特徴構成は、前記加熱吸熱手段と接するヒータを設けてある点にある。

本発明の第２特徴構成に記載のマイクロ流体デバイス反応用温度調節器であれば、加熱吸熱手段と接するヒータを設けてあるため、ヒータによって容易に加熱吸熱手段の温度を制御することができる。

（構成３）
本発明に係るマイクロ流体デバイス反応用温度調節器の第３特徴構成は、反応領域を設けたマイクロ流体デバイスの温度を調節する温度調節部を設けたマイクロ流体デバイス反応用温度調節器において、前記マイクロ流体デバイスが、反応液を注入する注入孔と、前記反応液を反応させる反応領域と、前記反応液を排出する排出孔と、前記注入孔と前記反応領域とを連通させる第一流路と、前記反応領域と前記排出孔とを連通させる第二流路とを基板上に付設して構成してあるとき、前記温度調節部を複数設けて、少なくとも前記第一流路の一部と前記第二流路の一部とを含む領域を冷却自在に構成し、少なくとも前記反応領域を含む領域を加熱或いは冷却自在に構成してある点にある。

このように構成すると、少なくとも１つの温度調節部により反応領域を加熱或いは冷却自在となり、反応領域では、例えば、ハイブリダイゼーション及びその後の洗浄を実行するための温度をそれぞれ設定することができる。
そして、第一流路の一部と第二流路の一部とを含んでいる領域を少なくとも１つの温度調節部により冷却できるため、反応領域の加熱により反応液から発生した水蒸気は、第一流路或いは第二流路で結露し易くなる。そのため、反応領域に存在する反応液は、マイクロ流体デバイスの外部へと蒸発して散逸し難くなる。

従って、本発明の第３特徴構成に記載のマイクロ流体デバイス反応用温度調節器であれば、微量の試薬等のサンプルを扱うマイクロ流体デバイス上での実験において、サンプルの蒸発による散逸を防ぐことができるため、実験工程を確実に遂行できる。

以下、本発明のマイクロ流体デバイス反応用温度調節器の実施例を図面に基づいて説明する。

マイクロ流体デバイスは、例えば、部材中に微小な毛細管状の流体流路、或いは、この流路と接続する反応領域としての反応槽等の構造が形成された微小分析デバイスのことであり、ＤＮＡ分析デバイス、微小電気泳動デバイス、微小クロマトグラフィーデバイス、微小センサー等として使用される。本実施例では、ＤＮＡ分析デバイスの一種であるＤＮＡチップを例示する。
ＤＮＡチップは、検体中の標的核酸とハイブリダイズさせるためのＤＮＡプローブを基板に固定したものを例示するが、これに限られるものではない。
つまり、本発明のマイクロ流体デバイス反応用温度調節器は、ＤＮＡチップの温度を調節する温度調節装置として適用することが可能である。

図１〜２に示したように、マイクロ流体デバイス反応用温度調節器Ｘは、温度調節対象物であるＤＮＡチップ（マイクロ流体デバイス）３１を載置する伝熱ブロック２３と、伝熱ブロック２３と接するペルチェ素子２４と、ペルチェ素子２４と接する加熱吸熱手段２６とを順に配設して構成してある。
また、加熱吸熱手段２６と接するヒータ２５を設けて構成してある。
尚、図１では、冷却ファン２７及び排気ダクト２８を含めた構成を示してある。一方、図２では、後述するように、ＤＮＡチップ３１において、第一所定部Ａを冷却自在に、第二所定部Ｂを加熱或いは冷却自在に構成するとき、温度調節部を複数設けて第一所定部Ａ及び第二所定部Ｂがそれぞれ別個の温度調節部３２ａ、３２ｂ上に設けられるように構成する場合の要部概略図を示してある。

本実施例では、ペルチェ素子２４は、例えば、銅にハンダメッキして構成してある電極間に、ビスマス材料で作られた熱電半導体チップを挟んで板状に構成してある。そして、このようにして形成してある板状のペルチェ素子２４を、通電自在に構成する。

加熱吸熱手段２６は、加熱或いは吸熱対象物であるペルチェ素子２４を加熱、或いは、ペルチェ素子２４の熱を吸熱自在に構成可能であり、例えば、ラテラル伝導に優れたグラファイト等で構成してある。そのため、ヒータ２５と接する加熱吸熱手段２６は、ヒータ２５の熱を効率よくペルチェ素子２４に伝熱してペルチェ素子２４を加熱することができる。また、ヒータ２５が駆動しない場合は、ペルチェ素子２４が保持する熱を、加熱吸熱手段２６を介して、例えば排気ダクト２８側に放熱することによりペルチェ素子２４の熱を吸熱することができる。その結果、ペルチェ素子２４を迅速に降温することができる。

当該ヒータ２５は、例えば、セラミックヒータ（熱容量１００〜１５０Ｗ）等を使用することが可能である。伝熱ブロック２３には熱電対２９が埋め込んである。

ＤＮＡチップ３１は、図３に示したように、検体中の標的核酸を含んだ反応液を注入する注入孔３３と、ＤＮＡプロ−ブと検体中の標的核酸とをハイブリダイズさせる反応領域３４と、ハイブリダイズ後の反応液（反応済液）を排出する排出孔３５と、注入孔３３と反応領域３４とを連通させる第一流路３６、及び、反応領域３４と排出孔３５とを連通させる第二流路３７とを基板３８上に付設してある。

検体中の標的核酸は、例えば、ＰＣＲ増幅反応液に含まれる増幅済みの核酸等が該当するが、これに限られるものではない。

基板３８は、ガラスプレート等の固相担体等が適用できる。他に、固相担体としては、石英板、シリコンウェファーなどが好ましく例示される。
注入孔３３、第一流路３６、反応領域３４、第二流路３７、及び、排出孔３５は、微細加工が可能な弾性部材３９により区画可能な構成とするのが好ましい。
弾性部材３９は、例えば、成形容易性および光学的特性の観点から、ポリジメチルシロキサン（ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ：ＰＤＭＳ）等が適用可能である。ＰＤＭＳは、シリコンエラストマーの一種であり、透明性が極めて高く、光学的特性に優れており、広い波長領域での吸収が小さく、特に、可視光領域での吸収が極めて小さく、蛍光検出にもほとんど影響しないため、ＰＤＭＳをＤＮＡチップの基板として用いることにより、Ｓ／Ｎ値を低くできる。更に、鋳型に対する追従性が高く、ナノからミクロンオーダーでの微細加工が容易であり、任意の微細構造に成形しやすいという特性を有している点で、各種光学機器に最適な形に微細加工できるという利点がある。また、ＰＤＭＳはそれ自体、ガラス、アクリル樹脂などと密着性がよい性質を有しており、微細加工を施されたＰＤＭＳ部材に平坦なガラス、アクリル樹脂部材を当接させることにより、接着剤等での接着等の接着手段を用いなくとも流路３６，３７や、チャンバー３４を形成することが可能となる。
つまり、本構成のように、注入孔３３、第一流路３６、反応領域３４、第二流路３７、及び、排出孔３５がナノからミクロンオーダーでの微細加工が可能な弾性部材３９により区画可能な構成とすると、ＤＮＡチップ３１上に、注入孔３３、第一流路３６、反応領域３４ａ、第二流路３７、及び、排出孔３５を容易に施工できるため、効率よくＤＮＡチップ３１を作製することができる。

一般に、ペルチェ素子２４は、ｐ型半導体とｎ型半導体とを熱的に並列に配置し、電気的に直列に接続して通電することにより、放熱面と吸熱面とができる。そのため、ペルチェ素子２４と接する伝熱ブロック２３は、ペルチェ素子２４の正常駆動により加熱され、或いは、ペルチェ素子２４の逆駆動により冷却されるように構成することができる。

このように構成すると、ペルチェ素子２４の正常駆動時には、ペルチェ素子２４の放熱側と伝熱ブロック２３とが接するため、伝熱ブロック２３を介してＤＮＡチップ３１を加熱することができる。このとき、セラミックヒータ２５を駆動させれば、加熱吸熱手段２６はセラミックヒータ２５の熱を効率よくペルチェ素子２４に伝熱してペルチェ素子２４を加熱することができるため、ペルチェ素子２４を迅速に昇温することができる。

ここで、ペルチェ素子２４と温度調節対象物であるＤＮＡチップ３１との温度について、室温でマイクロ流体デバイス反応用温度調節器Ｘを駆動する場合を例示する。

電源オフ時等の駆動前は、マイクロ流体デバイス反応用温度調節器Ｘ（ペルチェ素子２４）は室温と略同じ温度を有している。そして、駆動直後に例えば９４℃まで昇温するものとする。このとき、マイクロ流体デバイス反応用温度調節器Ｘ（ペルチェ素子２４）の温度とＤＮＡチップ３１の所望の温度との温度差は、室温〜９４℃の温度差となる。つまり、マイクロ流体デバイス反応用温度調節器Ｘにより室温から９４℃まで昇温させる必要がある。

ここで、ペルチェ素子２４に適当な電流を通電して発熱させ、さらに、セラミックヒータ２５を発熱させて加熱吸熱手段２６を介してペルチェ素子２４を加熱すると、ペルチェ素子２４の温度とＤＮＡチップ３１の所望の温度（９４℃）との温度差を、ペルチェ素子２４単独である場合と比べて迅速に小さくすることができる。そのため、ＤＮＡチップ３１を加熱する際の加熱効率が向上することになる。

尚、ペルチェ素子２４の加熱特性を効率よく発揮できるように、セラッミクヒータ２５の加熱温度を適宜設定することが可能である。

従って、本構成のマイクロ流体デバイス反応用温度調節器Ｘを適用すると、ペルチェ素子単独である場合と比べてＤＮＡチップ３１を迅速に昇温することができるため、各種工程の処理時間を大幅に短縮することができる。

さらに、ペルチェ素子２４の逆駆動時には、ペルチェ素子２４の吸熱側と伝熱ブロック２３とが接するため、ペルチェ素子２４は伝熱ブロック２３を介してＤＮＡチップ３１を冷却することができる。このとき、セラミックヒータ２５の駆動を停止すると、ペルチェ素子２４が保持する熱を、加熱吸熱手段２６を介して例えば排気ダクト２８側に放熱することによりペルチェ素子の熱を吸熱することができる。その結果、ペルチェ素子を迅速に降温することができる。このとき、冷却ファン２７を用いることにより、放熱効果の向上が期待できる。

尚、ペルチェ素子２４、伝熱ブロック２３及び加熱吸熱手段２６の材料及び寸法を、ペルチェ素子２４の加熱特性を効率よく発揮できるように適宜設定するのが好ましい。

図３に示したように、上述したＤＮＡチップ３１は、少なくとも第一流路３６の一部と第二流路３７の一部とを含む領域を第一所定部Ａとし、少なくとも反応領域３４を含む領域を第二所定部Ｂとし、第一所定部Ａを冷却自在に、第二所定部Ｂを加熱或いは冷却自在に構成することが可能である。

例えば、第一所定部Ａは、注入孔３３から第一流路３６の途中まで、及び、第二流路３７の途中から排出孔３５までを含んだ領域とし、さらに、第二所定部Ｂは、反応領域３４を含んだ領域とする。ここで、図３に示したように、反応領域３４を２つのチャンバー（第１チャンバー３４ａ及び第２チャンバー３４ｂ）とすることが可能である。このとき、例えば、第１チャンバー３４ａでハイブリダイズを行い、第２チャンバー３４ｂで試薬等の溶液を一時貯溜する、或いは、一時貯溜した試薬等の溶液を攪拌する等、それぞれのチャンバーで別々の機能を持たせることが可能となる。

第一所定部Ａ及び第二所定部Ｂは、図２〜３に示したように、それぞれ別個の温度調節部３２ａ、３２ｂ上に設けられるように構成する。例えば、第一所定部Ａは、温度調節部３２ａ（伝熱ブロック２３’、ペルチェ素子２４’、加熱吸熱手段２６’）で温度調節し、第二所定部Ｂは、温度調節部３２ｂ（伝熱ブロック２３、ペルチェ素子２４、セラミックヒータ２５、加熱吸熱手段２６で温度調節するように構成する（図２参照）。温度調節部３２ａでは、必要に応じてセラミックヒータ２５を付加することが可能である。また、第一所定部Ａと第二所定部Ｂとは、それぞれ、伝熱ブロックとペルチェ素子とで構成するようにしてもよい。
そして、第一所定部Ａ及び第二所定部Ｂがお互いの温度調節の影響を受けるのを防止するため断熱材４０を設け、さらに、ＤＮＡチップ３１の第一所定部Ａ及び第二所定部Ｂをそれぞれ温度調節部３２ａ、３２ｂ上に正確に位置付けるため、位置決めピン４４及びホルダー４５を設けるのが好ましい。

第二所定部Ｂを加熱或いは冷却自在としているため、反応領域３４を含んでいる第二所定部Ｂでは、ハイブリダイゼーション及びその後の洗浄を実行するための温度設定をすることができる。
そして、第一流路３６及び第二流路３７の一部を含んでいる第一所定部Ａを冷却することができるため、例えば、反応領域３４の加熱により試薬等から発生した水蒸気は、第一流路３６或いは第二流路３７で結露し易くなる。そのため、反応領域３４に存在する試薬等は、ＤＮＡチップ３１の外部へと蒸発して散逸し難くなる。
従って、反応領域３４内のサンプルが減少し難くなり、微量のサンプルを扱うＤＮＡチップ３１上での実験を確実に遂行することが可能となる。

尚、一枚のＤＮＡチップ３１上に、第一所定部Ａ及び第二所定部Ｂをそれぞれ複数設ける構成とすることが可能である。

本発明のマイクロ流体デバイス反応用温度調節器の概略図複数の温度調節部を設けたマイクロ流体デバイス反応用温度調節器の概略図マイクロ流体デバイス（ＤＮＡチップ）の概略図

符号の説明

２３伝熱ブロック
２４ペルチェ素子
２６加熱吸熱手段
３１ＤＮＡチップ
３８基板
Ａ第一所定部
Ｂ第二所定部
Ｘマイクロ流体デバイス反応用温度調節器

Claims

反応領域を設けたマイクロ流体デバイスの温度を調節する温度調節部を設けたマイクロ流体デバイス反応用温度調節器において、前記マイクロ流体デバイスが、反応液を注入する注入孔と、前記反応液を反応させる反応領域と、前記反応液を排出する排出孔と、前記注入孔と前記反応領域とを連通させる第一流路と、前記反応領域と前記排出孔とを連通させる第二流路とを基板上に付設して構成してあるとき、前記温度調節部を複数設けて、少なくとも前記第一流路の一部と前記第二流路の一部とを含む領域を冷却自在に構成し、少なくとも前記反応領域を含む領域を加熱或いは冷却自在に構成してあるマイクロ流体デバイス反応用温度調節器。