JP5012426B2 - 反応容器の温度制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の反応容器において同時に一定条件のもとで行なわれる反応に際し、各反応容器の温度を所定の温度に制御するための温度制御装置に関するものである。

生化学的分析や通常の化学分析に使用する小型の反応装置としては、マイクロマルチチャンバ装置が使用されている。そのような装置としては、例えば平板状の基板表面に複数のウエルを形成したマイクロタイタープレートなどのマイクロウエル反応容器プレートが用いられている（例えば特許文献１を参照。）。

このような反応容器プレートを用いた分析では、各反応容器内でサンプルの血液にＰＣＲ試薬を添加し、反応容器内温度を一定温度に制御しながら反応させることが行なわれる。反応容器の温度は、反応容器の底部に一定温度に温度制御が可能な温度制御装置を接触させて制御することが一般的である。そのような温度制御装置の一般的なものはペルチェ素子を利用したものである。

特開２００５−１７７７４９号公報

図８はペルチェ素子を駆動して熱伝達面温度を９５℃に設定したときの熱伝達面の対角線上の各位置と中心との温度差を測定してグラフ化したものである。ペルチェ素子を駆動するとその熱伝達面に温度勾配が生じる。その温度勾配は中心付近で最も高温になり周縁部に近づくにつれて温度が低下する傾向にある。このグラフからは、この測定時のペルチェ素子の熱伝達面の中心部と周縁部とでは最大で２０℃もの温度差を生じていることがわかる。

このような温度勾配をもつペルチェ素子の熱伝達面に直接的に反応容器プレートを接触させて反応容器の温度調節を行なうと、反応容器の位置によって調節温度に差が生じ、反応容器プレートに設けられている反応容器の温度を均一に制御することは困難である。このような状況で反応容器内において例えばＰＣＲ等の反応を行なうと、その測定結果は誤差を含んだものとなり、再現性のある測定が行なえない。

一般的な温度制御装置は、ペルチェ素子の熱伝達面側にアルミブロック等の熱伝導性部材を備えている。その熱伝導部材は一定以上の熱容量をもち、ペルチェ素子の熱伝達面からの熱をある程度均一にした上で反応容器プレートに伝える働きをもつ。

ところが、熱伝導性部材の熱容量が大きいと、それだけペルチェ素子からの熱が反応容器プレートに伝わりにくいために温度制御の応答性が低くなってしまう。そのため、熱伝導部材の熱容量は小さいほうが好ましい。しかし、熱伝導性部材の熱容量を小さくしすぎると、熱伝導性部材の反応容器プレートとの接触面がペルチェ素子の熱伝達面の温度勾配の影響を受けやすくなり、温度制御の精度が低下する。

そこで本発明は、ペルチェ素子を利用して複数の反応容器の温度を同時に一定温度に制御する温度制御装置において、温度制御の応答性を低下させることなく、ペルチェ素子の熱伝達面の温度勾配の影響を小さくして複数の反応容器に対して均一な温度制御を行なえるようにすることを目的とするものである。

本発明の温度制御装置の第１の態様は、ペルチェ素子と、ペルチェ素子の熱伝達面側に配置され、熱伝達面との対向面とは反対側の面が複数の反応容器を配置するための反応容器配置面となっている熱伝導性の熱伝導部材と、ペルチェ素子と熱伝導部材の間に密着状態で配置された熱伝導性の熱伝導シートと、を備え、熱伝導シートは中央部において熱伝導率が最も低くなっているものである。

第１の態様では、熱伝導シートの中央部又は中央部付近に少なくとも１つの穴が設けられていることが好ましい。
その場合、穴は複数個が設けられ、それらの穴は熱伝導シートの中央部で密に分布し、周囲部で疎に分布していてもよい。

本発明の温度制御装置の第２の態様は、ペルチェ素子と、ペルチェ素子の熱伝達面側に配置され、熱伝達面との対向面とは反対側の面が複数の反応容器を配置するための反応容器配置面となっている熱伝導性の熱伝導部材と、ペルチェ素子と熱伝導部材の間に密着状態で配置された熱伝導性の熱伝導シートと、を備え、熱伝導部材は熱伝導シートとの密着面の中央部において熱伝導率が最も低くなっているものである。

第２の態様では、熱伝導部材の熱伝導シートとの密着面の中央部又は中央部付近に少なくとも１つの凹部が設けられていることが好ましい。
その場合、凹部は複数個が設けられ、それらの凹部は熱伝導部材の熱伝導シートとの密着面の中央部で密に分布し、周囲部で疎に分布していてもよい。

本発明の温度制御装置の第１態様では、ペルチェ素子と反応容器を配置するための反応容器配置面をもつ熱伝導部材との間に少なくとも中央部の熱伝導率が最も低い熱伝導シートを備えているので、中央部が最も高温となっているペルチェ素子の熱伝達面の温度分布による反応容器配置面への影響を小さくして反応容器配置面の温度を均一化することができる。これにより、複数の反応容器の温度制御の均一性を向上させることができ、反応測定の再現性を高めることができる。

本発明の温度制御装置の第２態様では、ペルチェ素子と熱伝導部材とその間の熱伝導シートから構成されており、熱伝導部材の熱伝導シートとの密着面の少なくとも中央部の熱伝導率が最も低くなっているので、中央部が最も高温となっているペルチェ素子の熱伝達面の温度分布による反応容器配置面への影響を小さくして反応容器配置面の温度を均一化することができる。これにより、複数の反応容器の温度制御の均一性を向上させることができ、反応測定の再現性を高めることができる。

複数の反応容器の温度制御を同時に行なう温度制御装置の一実施例を図１を参照しながら説明する。図１は温度制御装置の一実施例を示す図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は（Ａ）の矢印の方向から見た側面図である。
温度制御装置１はペルチェ素子２を用いて、複数の反応容器が同一プレート上に設けられた反応容器プレートの各反応容器の温度を同時に制御するものである。なお、温度制御の対象となる反応容器プレートについては後述する。

ペルチェ素子２の熱伝達面２ａ側に例えばアルミブロックなどの熱伝導部材６が設けられている。熱伝導部材６の熱伝達面２ａ側の面とは反対側の面９は複数の反応容器を配置するための反応容器配置面となっており、反応容器配置面９に反応容器プレートの各反応容器の挿入するための凹部８が反応容器プレートにおける反応容器の配列パターンに応じて設けられている。ペルチェ素子２と熱伝導部材６の間に熱伝導シート４が配置されている。熱伝導シート４は例えばカーボンシートであり、熱伝達面２ａに密着しかつ熱伝導部材６の熱伝達面２ａ側の面に密着している。なお、１２はペルチェ素子２の電源端子である。

熱伝導部材６の熱伝導シート４との密着面に中央部を含む十字型の凹部１０が設けられている。これにより、熱伝導部材６の熱伝導率は中央部において最も低くなっている。既に図８を用いて説明したように、ペルチェ素子２を駆動するとその熱伝達面２ａには中央部が最も高温で周縁部に近づくにつれて温度が低下するような温度勾配が生じる。このような温度勾配をもつペルチェ素子２の熱伝達面２ａ上に中央部の熱伝導率が最も低くなっている熱伝導部材６を配置することで、ペルチェ素子２の熱伝達面２ａの温度分布による反応容器配置面９への影響を小さくすることができ、反応容器配置面９の温度を均一化することができる。この方法では、熱伝導部材６の厚みを薄くしても反応容器配置面９の面内温度分布を均一化する効果を得ることができるため、結果として熱伝導部材６の熱容量を小さくすることも可能になり、温度制御の応答性の向上を図ることができる。

なお、凹部１０の形状は十字型に限定されるものではなく、ペルチェ素子２の熱伝達面２ａの面内温度分布の状況によって決定されるものであり、例えば中央部に設けられた円形や矩形の凹部からなるものであってもよい。その一例を図２に示す。図２の例では、熱伝導部材６ａの熱伝導シート４との密着面に、中央部で密に配置され、その周囲部で疎に配置された複数の凹部１４が設けられている。これにより、熱伝導部材６ａは中央部付近の熱伝導率が最も低くなり、反応容器配置面９の面内温度分布を均一化することができる。なお、図２では熱伝導率調整構造１４を構成する各凹部を円形で示しているが、矩形その他の形状であってもよい。

また、ペルチェ素子２の熱伝達面の温度勾配の影響を小さくするために、熱伝導シート４を加工する方法もある。その方法を図３〜図５に示す。図３の温度制御装置１ｂでは、熱伝達面２ａよりも小さい４枚の熱伝達シート４ａを熱伝達面２ａの角部に配置し、それらの熱伝導シート４ａ上に下面が平坦面となっているアルミブロック等の熱伝導部材６ｂが配置されている。これにより、熱伝導部材６ｂとペルチェ素子２の熱伝達面２ａとの間には中央部を含む十字型の凹部１６が形成されたことになり、図１の例と同様の効果を得ることができる。なお、ペルチェ素子２の熱伝達面２ａの温度分布の状況に応じて熱伝導部材６ｂの熱伝導シート４ａ側の面にも凹部等の加工を施してもよい。

図４及び図５の例は、熱伝導シートの構造を図３のものから変化させたものである。図４は、中央部で密に配置され、その周辺部において疎に配置された複数の穴１８を熱伝導シート４ｂに設けた例である。熱伝導率調整構造１８を構成する貫通穴は円形や矩形など、どのような形状であってもよい。図５は熱伝導シート４ｃの中央部にのみ貫通穴２０を設けた例であり、この場合も貫通穴２０の形状は図示されているものに限定されない。

次に、本発明の温度制御装置による温度調節の対象となる複数の反応容器を備えた反応容器プレートについて図６を参照しながら説明する。図６は反応容器プレートの一例を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ位置における断面図である。
反応容器プレート２２は反応容器部２２ａと機構部２２ｂからなる。反応容器部２２ａに複数の反応容器２４が設けられており、各反応容器２４は主流路２６で接続されている。図示は省略されているが、機構部２２ｂには主流路２６を介して反応容器部２２ａの各反応容器２４に溶液を送液するための送液機構等が設けられている。

反応容器プレート２２の温度制御は、図７に示されているように、温度制御装置１を反応容器部２２ａの下に配置し、反応容器配置部９の凹部８に反応容器２４の底部を挿入した状態でペルチェ素子２の電源端子１２に電圧を印加して行なう。なお、図７では凹部８や電源端子１２の図示を省略している。

この例の反応容器プレート２２は機構部２２ｂを備えているが、本発明の温度制御装置は機構部２２ｂを備えていない反応容器プレートに対しても適用することができる。また、反応容器プレート２２の反応容器部２２ａには５×４＝２０個の反応容器２４が図示されているが、それよりも多くの反応容器２４又はそれよりも少ない反応容器２４が設けられていてもよい。

温度制御装置の一実施例を示す図であり、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）は（Ａ）の矢印の方向からみた側面図である。 温度制御装置の他の実施例を示す図であり、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）は（Ａ）の矢印の方向からみた側面図である。 温度制御装置のさらに他の実施例を示す図であり、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）は（Ａ）の矢印の方向からみた側面図である。 温度制御装置のさらに他の実施例を示す図であり、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）は（Ａ）の矢印の方向からみた側面図である。 温度制御装置のさらに他の実施例を示す図であり、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）は（Ａ）の矢印の方向からみた側面図である。 本発明の温度制御装置により温度調節を行なう反応容器プレートの一例を示す図であり、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ位置における断面図である。 反応容器プレートの温度調節を行なう際の温度制御装置の配置例を概略的に示す断面図である。 ペルチェ素子を駆動して熱伝達面温度を９５℃に設定したときの熱伝達面の対角線上の各位置と中心との温度差を測定してグラフ化したものである。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ 温度制御装置
２ ペルチェ素子
４，４ａ，４ｂ，４ｃ 熱伝導シート
６，６ａ，６ｂ 熱伝導部材
８ 反応容器用凹部
１０，１４，１６ 凹部
１８，２０ 穴
１２ 端子
２２ 反応容器プレート
２２ａ 反応容器部
２２ｂ 機構部
２４ 反応容器
２６ 主流路

Claims (4)

1. ペルチェ素子と、
   前記ペルチェ素子の熱伝達面側に配置され、前記熱伝達面との対向面とは反対側の面が複数の反応容器を配置するための反応容器配置面となっている熱伝導性金属からなる熱伝導部材と、
   前記ペルチェ素子と熱伝導部材との間に密着状態で配置されたカーボンシートからなる熱伝導性の熱伝導シートと、を備え、
   前記熱伝導シートは中央部において熱伝導率が最も低くなって前記反応容器配置面の温度が均一化されるように、前記熱伝導シートの中央部又は中央部付近に少なくとも１つの穴が設けられている反応容器の温度制御装置。
2. 前記穴は複数個が設けられ、それらの穴は前記熱伝導シートの中央部で密に分布し、周囲部で疎に分布している請求項１に記載の温度制御装置。
3. ペルチェ素子と、
   前記ペルチェ素子の熱伝達面側に配置され、前記熱伝達面との対向面とは反対側の面が複数の反応容器を配置するための反応容器配置面となっている熱伝導性金属からなる熱伝導部材と、
   前記ペルチェ素子と熱伝導部材との間に密着状態で配置されたカーボンシートからなる熱伝導性の熱伝導シートと、を備え、
   前記熱伝導部材は前記熱伝導シートとの密着面の中央部において熱伝導率が最も低くなって前記反応容器配置面の温度が均一化されるように、前記熱伝導部材の前記熱伝導シートとの密着面の中央部又は中央部付近に少なくとも１つの凹部が設けられている温度制御装置。
4. 前記凹部は複数個が設けられ、それらの凹部は前記熱伝導部材の前記熱伝導シートとの密着面の中央部で密に分布し、周囲部で疎に分布している請求項３に記載の温度制御装置。

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