JP5045268B2

JP5045268B2 - 反応処理装置

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Inventors: 俊貴森脇; 昭湯本
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Filing date: 2007-06-28
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Description

本発明は、反応処理装置に関する。より詳しくは、高精度の温度制御が可能な反応処理装置に関する。

温度条件に基づいて反応を制御する必要がある場合には、前記温度条件をより高精度に制御できることが望まれる。液体、固体、気体に関わらず反応を行なう反応処理装置において高精度に温度制御可能であることが望まれる。例えば、遺伝子解析等の技術分野でもこのような要請はある。

一例として、遺伝子増幅を行なうＰＣＲ法（polymerase chain reaction；ポリメラーゼ連鎖反応）を用いる場合が挙げられる。ＰＣＲ法は、微量核酸の定量分析の標準的手法ともいえる。

ＰＣＲ法は、「熱変性→プライマーとのアニーリング→ポリメラーゼ伸長反応」という増幅サイクルを連続的に行うことで、ＤＮＡ等を数十万倍にも増幅させることができる。このようにして得られるＰＣＲ増幅産物をリアルタイムでモニタリングして前記微量核酸の定量分析を行うこともできる。

しかし、ＰＣＲ法では前記増幅サイクルを正確に制御することが必要である。そのためには高精度の温度制御が必要となる。温度制御が不十分である場合には、無関係なＤＮＡ配列を増幅してしまったり、増幅が全く見られなかったりする。

このように、前記した装置等については、いずれも反応処理装置として高精度の熱制御ができることが重要となる。これに関する技術として、特許文献１や特許文献２には前記反応処理装置の温度制御に関する技術が開示されている。また、微小領域の発熱制御として半導体素子等を用いることも行なわれている。

特開２００３−２９８０６８号公報。特開２００４−０２５４２６号公報。

従来の反応処理装置において半導体素子等を用いて温度制御を行なう場合であっても、以下の問題等がある。

半導体素子は一般に製造上のばらつきがあるため、各反応領域で同じ温度制御を行なった場合であっても、基板ごとに、あるいは同一基板上であっても加熱部ごとに、加熱量のばらつきが生じてしまう。その結果、反応処理装置としての高精度の温度制御が困難となってしまう。

また、半導体素子は、一般に温度によって特性が変化する性質がある。例えば、単結晶シリコンを用いたＭＯＳトランジスタは負の温度特性を持ち、同じ電圧値を印加しても、温度が高くなると流れる電流が減少する。従って、同じ電圧値であっても温度によって加熱量が変化する結果となり、高精度の温度制御が困難となっていた。

そこで、本発明は、温度制御を高精度で行なうことができる反応処理装置を提供することを主目的とする。

本願発明者らは、単に半導体素子等を熱制御系に用いるといった着想ではなく、熱制御系の回路構造等に着目した。その結果、各ヒートユニットを制御できるアクティブマトリクス構造を熱制御系に取り込むことに着想を得て本発明を完成させた。
まず、本発明は、複数の反応領域と、該反応領域ごとに設けられた複数の加熱部と、を備え、前記加熱部は、熱源と、前記加熱部を選択するための走査線と、前記加熱実施時の加熱量情報を前記熱源へ伝達するデータ線と、前記データ線から伝達された前記加熱量情報を取得する書き込み部と、前記走査線が非選択となった後も加熱量情報を記憶しておく保持部と、前記加熱量情報に基づいて前記熱源の発熱を制御する発熱制御部と、を備える反応処理装置を提供する。
反応処理装置の反応領域ごとに加熱部を設けることで、個別に加熱制御できる。そして、走査線を選択した瞬間にのみ加熱を実施させるのではなく、発熱させたい夫々の加熱部（ヒートユニット）の発熱量情報を一度書き込んだ後、再び情報を書き換むまで、この発熱量情報を保持させることができる。その結果、加熱が実施される時間が、前記走査線の選択期間という短い時間内に限定されることがなくなるので、加熱動作が容易かつ安定となる。
次に、本発明は、前記データ線から伝達される前記加熱量情報は信号電流であり、前記加熱部は、前記信号電流を電圧レベルに変換する変換部を備え、前記保持部は、前記加熱量情報を前記電圧レベルとして保持し、前記発熱制御部は、前記保持された電圧レベルを電流レベルに変換して発熱を制御する反応処理装置を提供する。
前記加熱量情報を信号電流から電圧レベルに変換することで、前記信号電流を電圧レベルとして前記保持部に一旦記憶させておくことができる。そして、前記電圧レベルを電流レベルへと変換することで、高精度の加熱制御することができる。
そして、本発明は、前記変換部は、ゲートとドレインとを電気的に接続した第１の電界効果トランジスタを備え、前記保持部は、前記第１の電界効果トランジスタに前記信号電流を流すことで発生するゲート・ソース間の電圧を保持するキャパシタを備え、前記発熱制御部は、前記ゲート・ソース間の電圧に応じた電流を流す第２の電界効果トランジスタを備える反応処理装置を提供する。
前記第１の電界効果トランジスタを用いることで加えられた信号電流に応じて電圧を発生させることができる。そして、前記キャパシタにより前記ゲート・ソース間の電圧を保持させておくことができる。
また、本発明は、前記第１の電界効果トランジスタと、前記第２の電界効果トランジスタと、は同一のトランジスタであり、前記変換部による前記信号電流を前記電圧レベルに変換する変換動作と、前記発熱制御部による前記加熱量情報に基づいて前記熱源の発熱を制御する制御動作と、を時分割的に行なう反応処理装置を提供する。
前記変換動作と前記制御動作とを時分割的に交互に行なうことで、より正確な加熱量情報を前記発熱制御部の発熱制御系に伝達することができる。その結果、より高精度に加熱量を制御することができる。
更に、本発明は、前記変換部は、前記第１の電界効果トランジスタと、ゲートとドレインとを電気的に接続された第３の電界効果トランジスタとを、含み、前記第１の電界効果トランジスタのソースと、前記第３の電界効果トランジスタのドレインとを、電気的に接続させた反応処理装置を提供する。
前記第３の電界効果トランジスタを設けることで、駆動電流と信号電流との一致性をより高めることができる。その結果、より正確な加熱量情報を熱源に伝達することができるため、より高精度の加熱制御が可能となる。
そして、本発明は、前記加熱量情報が前記書き込み部により取得された後、次なる加熱量情報が取得されるまでの間に、前記駆動電流を遮断する手段を備える反応処理装置を提供する。
また、本発明は、前記反応領域は遺伝子増幅反応を行なうＰＣＲ装置とすることができる。
ＰＣＲ装置とすることで、遺伝子増幅反応の加熱サイクルを、反応領域ごとに個別かつ高精度に温度制御できる。その結果、各反応領域に充填するサンプルの増幅量を一定倍数に制御することができる。従って、反応領域ごとに個別かつ高精度の温度制御を行なうことができるため、網羅的解析を高精度で行なうことができる。
そして、本発明は、前記反応領域に所定波長の励起光を照射する光学手段と、前記励起光照射により発生する蛍光を検出する蛍光検出部と、を備えるＰＣＲ装置とすることができる。
前記ＰＣＲ装置に、更に光学手段と蛍光検出部を備えることで、前記遺伝子増幅反応をリアルタイムに解析することができる。

以下、添付図面に基づいて、本発明に係る反応処理装置の好適な実施形態について説明する。なお、添付図面に示された各実施形態は、本発明に係わる代表的な実施形態の一例を示したものであり、これにより本発明の範囲が狭く解釈されることはない。

図１は、本発明に係る反応処理装置の一実施形態に含まれる加熱部の回路構成を示す回路図である。図２は、図１の回路動作の一状態を示す回路図である。図３は、図１の回路動作の別の一状態を示す回路図である。

図１のトランジスタＴ１は、Ｎチャネル絶縁ゲート型電界効果トランジスタ（以下、単にトランジスタと記することがある）である。符号ＳＷは、スイッチをそれぞれ示している。また、符号ｇはゲートを、符号ｄはドレインを、符号ｓはソースを示している。符号Ｃｓはコンデンサを示している。

駆動電流は、電源電位ＶＤＤと接地電位ＧＮＤ間を、トランジスタＴ１を介して流れる。そして、トランジスタＴ１とスイッチＳＷ３の抵抗成分によって発生するジュール熱を熱源として使用することができる。なお、トランジスタＴ１をＮチャネルとしたのは一例であり、本発明ではＰチャネルのトランジスタも適宜使用することができる。

本発明では、データ線から伝達される加熱量情報は信号電流であり、この信号電流を信号電圧に変換して熱制御する回路構成とすることが望ましい。以下、図１の回路の動作について、図２、図３を参照しながら説明する。

図２は、加熱部回路に電流レベルの形の加熱量情報（即ち、信号電流）を書き込む動作を示している。この書き込み動作においては、スイッチＳＷ１，ＳＷ２がオン状態であり、スイッチＳＷ３がオフ状態である。

トランジスタＴ１には、ドレインｄとゲートｇがスイッチＳＷ２によって短絡された状態であり信号電流Ｉ_ｓｉｇが流れる（図２参照）。その結果、信号電流Ｉ_ｓｉｇの値に応じたゲート・ソース間の信号電圧Ｖ_ｇｓが発生する。

そして、トランジスタＴ１がエンハンスメント型トランジスタ（即ち、しきい値Ｖ_ｔｈ＞０）であれば、飽和領域で動作し、信号電流Ｉ_ｓｉｇと信号電圧Ｖ_ｇｓとの間にはよく知られた下記の式（１）が成立する。

ここで、μはキャリアの移動度、Ｃ_ＯＸは単位面積当たりのゲート容量、Ｗはチャネル幅、Ｌはチャネル長をそれぞれ示している。

回路が安定した時点でスイッチＳＷ２をオフ状態とすると、ゲート・ソース間電圧Ｖ_ｇｓがコンデンサＣｓに保持されるので、スイッチＳＷ１をオフ状態とすることで信号書き込み動作が完了する。

その後、任意のタイミングで、図３に示したようにスイッチＳＷ３をオン状態とすると、電源電圧ＶＤＤから接地電位ＧＮＤに向かって電流が流れる。このとき、トランジスタＴ１が飽和領域で動作するように、電源電圧ＶＤＤを十分に高く、スイッチＳＷ３のオン抵抗を十分に低く設定すれば、トランジスタＴ１に流れる駆動電流Ｉ_ｄｒｖは、ドレイン・ソース間電圧Ｖ_ｄｓには依存せず下記式（２）で与えられる。そして、この駆動電流Ｉ_ｄｒｖは、前記信号電流Ｉ_ｓｉｇに一致する。

即ち、前記式（１）、（２）の右辺に表れる各パラメータは、一般に基板毎に、あるいは同一基板内であっても場所ごとにばらつくが、図２や図３に示した駆動を行なうことで、これらの各パラメータの値に関係なく、信号電流Ｉ_ｓｉｇと駆動電流Ｉ_ｄｒｖとが一致する。

そして、前記信号電流Ｉ_ｓｉｇはヒータマトリクス外部の制御回路等によって、正確な値で生成することが可能であるから、図１のヒータユニット回路から発生するジュール熱は、トランジスタの特性のばらつき等に影響を受けず、電源電圧ＶＤＤと信号電流Ｉ_ｓｉｇとの積（ＶＤＤ×Ｉ_ｓｉｇ）で決まる正確な値とすることができる。

図４は、図１に示す回路構成の変形例である回路図である。

図４に示す回路は、図１とスイッチの接続関係等が相違する。しかし、図４に示す回路は、図１に示す回路と同様に、信号書き込み時にはスイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２をオン状態にし、スイッチＳＷ３をオフ状態とする。そして、発熱動作時には、スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２をオフ状態にし、スイッチＳＷ３をオン状態とする。各動作状態における等価回路はそれぞれ図２、図３と同様であり、図４の回路も図１の回路と同様の機能を発揮することができる。

図５は、図１に示す回路構成の別の変形例である回路図である。

図５では、トランジスタＴ１としてＰチャネルトランジスタを用いており、電流の向きが逆転している点等で図１の回路と相違する。しかし、原理的には図１の回路と共通するものであり、同様の機能を発揮することができる。

本発明において、低温ポリシリコン薄膜トランジスタ（低温ポリシリコンＴＦＴ）ではＰ型金属酸化膜半導体（ＰＭＯＳ）を用いることが好適である。低温ポリシリコンＴＦＴでは、ＰＭＯＳの方が特性が安定している点で望ましい。

図６は、図１に示す回路構成の更に別の変形例である回路図である。

図６の回路では、各スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３の制御は図１の回路と共通するが、トランジスタＴ１のソース側から信号電流Ｉ_ｓｉｇを引き出す点等で相違する。しかし、ゲート・ドレイン間を短絡した状態で信号電流Ｉ_ｓｉｇを流し、それに応じて発生したゲート・ソース間電圧Ｖ_ｇｓをコンデンサＣｓ４に保持させるという動作原理は、図１の回路と共通するものであり、同様の機能を発揮することができる。

そして、本発明において、前記変換部は、第１の電界効果トランジスタと、ゲートとドレインとを電気的に接続された第３の電界効果トランジスタとを備え、前記第１の電解効果トランジスタのソースと、前記第３の電解効果トランジスタのドレインとが、電気的に接続されていることが望ましい。この構成について、図７等を参照して説明する。

図７は、図１に示す回路構成の更に別の変形例である回路図である。図７の回路では、図１の回路構成に、トランジスタＴ２、スイッチＳＷ４、コンデンサＣｓ２を追加した点等で相違する。スイッチＳＷ４は、スイッチＳＷ２と同様に制御する。この回路の動作を以下に説明する。

図１の回路において、信号電流Ｉ_ｓｉｇは式（１）によって与えられ、駆動電流Ｉ_ｄｒｖは式（２）によって与えられ、信号電流Ｉ_ｓｉｇと駆動電流Ｉ_ｄｒｖが一致することは既に述べた。このことは、例えば、ＭＯＳトランジスタに流れる電流が、飽和領域動作においてはドレイン・ソース間電圧Ｖ_ｄｓにはよらず、ゲート・ソース間電圧Ｖ_ｇｓによってのみ決定されるという基本動作に沿うものである。

しかるに、現実のトランジスタでは、ドレイン・ソース間電圧Ｖ_ｄｓが増加すると、ドレイン・ソース間電流Ｉ_ｄｓも多少増加するのが普通である。この現象は、ドレインの電位がチャネルの導電状態に影響を与えるバックゲート効果や、ドレイン端の空乏層（欠乏層）がソース側に伸びることで実効的なチャネル長Ｌが短くなるショートチャネル効果等が原因であると考えられる。

図１の回路を例にして説明すると、比較的小さな信号電流Ｉ_ｓｉｇを書き込む場合には、式（１）によって発生するゲート・ソース間電圧Ｖ_ｇｓは比較的小さな値となり、ドレイン・ソース間電圧Ｖ_ｄｓはゲート・ソース間電圧Ｖ_ｇｓと等しい小さな値となる。

一方、駆動時には、駆動電流Ｉ_ｄｒｖが小さいためにスイッチＳＷ３での電圧降下が小さく、トランジスタＴ１のドレイン・ソース間電圧Ｖ_ｄｓは書き込み時より大きな値となる。このように、書き込み時と駆動時でのトランジスタＴ１のドレイン・ソース間電圧Ｖ_ｄｓは一般に一致しない。従って、信号電流Ｉ_ｓｉｇと駆動電流Ｉ_ｄｒｖも厳密には一致しない。このことが、所望の加熱量が得られない原因となる場合がある。

これに対して、図７に示す回路構成の動作を考える。例えば、トランジスタＴ１については、図１の回路と同様に、書き込み時と駆動時とでトランジスタＴ１のドレイン・ソース間電圧Ｖ_ｄｓは一般に一致しない。しかし、例えば駆動時のドレイン・ソース間電圧Ｖ_ｄｓが大きい場合、信号電流Ｉ_ｓｉｇよりも駆動電流Ｉ_ｄｒｖの方が大きくはなるものの、トランジスタＴ２が飽和状態で動作していれば（言い換えれば、定電流源に近い動作をしていれば）、その微分抵抗は非常に大きい値となる。

これによって、駆動電流Ｉ_ｄｒｖが僅かに増加しただけでもトランジスタＴ１のソース電位が大きく上昇する。これは、トランジスタＴ１のゲート・ソース間電圧Ｖ_ｇｓを減少させ、駆動電流Ｉ_ｄｒｖを減少させる方向に作用する。結果として、駆動電流Ｉ_ｄｒｖは信号電流Ｉ_ｓｉｇに対してあまり増加することができず、信号電流Ｉ_ｓｉｇと駆動電流Ｉ_ｄｒｖとの一致性は図１の例よりも良好になる。

図８は、図１の具体的な構成例を示す回路図である。

３個のスイッチはトランジスタＴ２，Ｔ３，Ｔ４で構成されている。このうちトランジスタＴ２がＮチャネルトランジスタ、トランジスタＴ３，Ｔ４がＰチャネルトランジスタである。前記３個のトランジスタＴ２，Ｔ３，Ｔ４のゲートを共通接続して走査線とすることで、この走査線が低レベルのときに信号書き込み動作を行い、高レベルのときに駆動動作を行なうようにさせることができる。後述するように、本発明において、トランジスタＴ２，Ｔ３，Ｔ４の各ゲートを共通接続しない形態とすることもできるが、構造が簡易である点で図８の回路図とすることが好適である。

図９は、本発明に係る反応処理装置の一実施形態に含まれる加熱部のブロック回路図である。より詳しくは、前記加熱部（ヒータユニット）をヒータマトリクス構造とした形態である。このヒータマトリクス構造は、それぞれ複数の走査線１〜ｍとデータ線１〜ｎを有している。これらの交差部Ｕには、例えば、図８等に示す加熱部回路が設けられている。

走査線駆動回路は、前記走査線を順次選択（即ち、低レベルに）する。これに同期してデータ線駆動回路が各データ線に信号電流を印加することで、各加熱部に対して行単位で加熱量情報を書き込むことができる。前記走査線は、前記加熱量情報を取得するタイミングを制御する。書き込み終了後は、走査線を非選択（即ち、高レベルに）にすることで、信号電流と同じ電流値の駆動電流を各加熱部（ヒータユニット）に流し続けることができる。このようにして、前記各加熱部に所望の大きさの電流を流すことができ、その結果、所望の熱量を発生させることができる。

図１０は、図８の回路構成の別の変形例である回路図である。

図１０に示す回路構成はトランジスタＴ４ａ，Ｔ４ｂを有する点等が、図８に示す回路構成と相違する。

一般にＴＦＴは製造過程等で欠陥が生じやすく、例えば、スイッチトランジスタがオフ状態において微小なリーク電流を流す不具合が確率的に発生する。図８の回路では、トランジスタＴ４にリーク電流が生じた場合、リーク電流によってコンデンサＣｓに保持された電圧が変化する。そのため、正しい発熱状態を維持することができない状況が発生する場合がある。

これに対して、図１０に示す回路では、図８に用いるトランジスタＴ４を、直列に接続した２個のトランジスタＴ４ａ，Ｔ４ｂで構成しているため、一方に不具合が生じたとしても、全体としては、リーク電流を抑えることができる。同様に、３個以上のトランジスタを直列に接続することや、トランジスタＴ２，Ｔ３について複数のトランジスタを接続する構成とすることも可能である。

図１１は、図１の回路構成の更に別の変形例である回路図である。

図１１に示す回路図は、トランジスタＴ２の制御をトランジスタＴ３，Ｔ４の制御と独立させた構成例である。信号書き込み時は、書き込み走査線と駆動走査線とをともに低レベルとする。書き込み終了後（即ち、書き込み走査線を高レベルとした後）は、任意のタイミングで駆動走査線を高レベルとすることで、発熱動作させることができる。

逆に、駆動走査線を低レベルにすれば、発熱動作を簡便に停止することができるので、速やかに温度を低下させたい場合等に好適である。また、発熱動作時間を調節することも可能であるので、例えば、信号電流源が小さな電流を正確に生成することが困難である場合であっても、正確な微小発熱動作をさせることができる。なお、このような動作によって加熱が間欠的になるのを避けたい場合は、加熱量情報が書き込まれてから次の加熱量情報が書き込まれるまでの期間内で、加熱・加熱の停止を複数回繰り返せば、より時間的に安定な加熱が可能である。

図１２は、図１の回路構成の更に別の変形例である回路図である。

図１２では、電源電圧ＶＤＤは走査線と平行に配置されており、図１のスイッチＳＷ３をダイオードＤ１で形成していること等が特徴である。信号書き込み時は前記電源電圧ＶＤＤを低レベルにすればダイオードＤ１がオフ状態となり、駆動時は前記電源電圧ＶＤＤを高レベルにすればダイオードＤ１がオン状態となるので、ダイオードＤ１はスイッチとして動作させることができる。従って、図１２に示す回路構成は、図１１に示す回路構成等とも同様の機能を有することができる。

図１３は、図１の回路構成の更に別の変形例である回路図である。

図１３に示す回路では、信号電流Ｉ_ｓｉｇを電圧の形に変換するトランジスタＴ１と、発熱のための電流を流すトランジスタＴ２とが別に設けられている点等で図１に示す回路構成と異なる。

信号書き込み時は、スイッチＳＷ１，ＳＷ２がオン状態となり信号電流Ｉ_ｓｉｇをトランジスタＴ１に流す。このとき、下記式（３）が成立する。

また、式（３）において、各パラメータの意味は、前記式（１）に準ずるが、トランジスタＴ１のチャネル幅をＷ_１とした。駆動時は、２つのスイッチＳＷ１，ＳＷ２はオフ状態となる。一方、コンデンサＣｓには、書き込み動作で生じたゲート・ソース間電圧Ｖ_ｇｓが保持されているので、トランジスタＴ２に流れる駆動電流Ｉ_ｄｒｖについては下記式（４）が成立する。

ここで、トランジスタＴ２のチャネル幅はＷ_２であり、トランジスタＴ１，Ｔ２は、微小な加熱部内に形成されるため、パラメータμ、Ｃ_ＯＸ、Ｖ_ｔｈはトランジスタＴ１，Ｔ２について事実上等しいものと考える。また、チャネル長Ｌは等しい値に設計することができる。その結果、式（３），（４）により下記式（５）を導出することができる。

式（３），（４）の右辺に現れる各パラメータは一般に基板ごとに、あるいは同一基板内であっても場所ごとにばらつく場合があるが、これらのパラメータの値に関係なく、信号電流Ｉ_ｓｉｇと駆動電流Ｉ_ｄｒｖの比は、トランジスタＴ２とトランジスタＴ１のチャネル幅の比に一致することがわかる。

この回路の特徴は、図１の回路とは異なり、信号電流Ｉ_ｓｉｇと駆動電流Ｉ_ｄｒｖの比を任意に調節できることにある。例えば、微小な発熱をさせたい場合、外部回路が微小な電流を発生させることが困難であれば、式（５）の右辺が小さくなるようにチャネル幅を設計すればよい。逆に、微小な信号電流Ｉ_ｓｉｇによって、大きな駆動電流Ｉ_ｄｒｖを制御できるよう設計することも容易である。

このように、本発明によれば、高精度にかつ個別に熱制御できる反応処理装置とすることができる。この反応処理装置は、精密な熱制御を要する反応に用いる装置として、幅広い用途に用いることができる。そのなかでも、例えば、遺伝子増幅反応等を行なうＰＣＲ装置として好適に使用することができる。以下、ＰＣＲ装置として用いた場合について説明する。

従来のＰＣＲ装置では、サーマルサイクラーの温度制御が確かに行なわれているが、グラディエント機構であるため、各サンプルごとの個別の温度制御は困難である。また、遺伝子増幅反応時の温度制御も個別に行なうことができない。その結果、各サンプルの遺伝子増幅量を一定にすることができない等の問題が顕著であった。

このようなＰＣＲ装置について、本発明に係る反応処理装置を応用することで、前記問題等を解決でき、かつ網羅的解析も可能となるＰＣＲ装置とすることができる。以下、本発明のＰＣＲ装置の形態について説明する。

図１４は、本発明に係る反応処理装置をＰＣＲ装置とした第１実施形態を側面視した概念図である。以下に使用する図面では、説明の便宜上、装置の構成等については簡素化して示している。

図１４中の符号１は、本発明に係るＰＣＲ装置を示している。このＰＣＲ装置１のサイズや層構造は、目的に応じて適宜選定可能であり、ＰＣＲ装置１の形態構成についても本発明の目的に沿う範囲で設計又は変更可能である。

ＰＣＲ装置１は、複数の反応領域Ａ１を有するウェル基板１１と、光源１２と、該光源１２より発せられた励起光Ｌ１，Ｌ２を導く励起光走査板１３とを備えている。そして、フィルター１４と、蛍光Ｌ３を検出する蛍光検出部１５と、前記反応領域Ａ１を加熱する加熱部１６と、が測定基板１７に設けられている。この加熱部１６について、前記した回路構成を用いることができるのは勿論である。

ＰＣＲ装置１では、光源１２より発せられた励起光Ｌ１が、励起光走査板１３を経て、励起光Ｌ２として各反応領域Ａ１に照射される。そして、反応領域Ａ１内から発せられた蛍光Ｌ３を蛍光検出部１５により検出・測定される。

ＰＣＲ装置１では、特に、加熱部１６を反応領域Ａ１ごとに設け、かつ前記加熱部１６の熱源近傍の温度を検出して電気的信号に変換する温度検出手段を備え、予め得られた前記電気的信号と熱源の加熱量との相関関係に基づいて加熱量を決定する手段を備えることで、各々の反応領域Ａ１を個別に、かつ高精度に温度制御することもできる。

各反応領域Ａ１の温度情報を考慮した加熱量情報とすることで、より精度の高い温度制御を行なうこともできる。その結果、遺伝子発現量を高精度に解析することができる。以下、ＰＣＲ装置１の各構成について詳細に説明する。

ウェル基板１１は、複数の反応領域（ウェル）Ａ１を備えている。この反応領域Ａ１で所定の反応を行う。例えば、このウェル基板１１は、低蛍光発光プラスチック材料やガラスで形成し、人の遺伝子数に匹敵する数の反応領域Ａ１をマトリクス状に配置することができる。

本発明では、ＰＣＲ反応のための反応領域（ウェル）Ａ１はマイクロ空間であることが望ましい。例えば、ウェルを３００μｍ×３００μｍ×３００μｍ（約３０ｎＬ容量）とし、約４万個のウェルを並べるとすると、約６ｃｍ角の面積を有するデバイスとなる。

ここで、個々の反応領域Ａ１の形状は特に限定されず、反応溶液を保持できる形状であれば、どのような形状でもよい。励起光Ｌ１，Ｌ２を照射・導入する光路や、蛍光Ｌ３を検出する光路等を考慮して適宜好適な形状を選択することができる。ＰＣＲ装置１では、反応領域Ａ１内で前記蛍光Ｌ３を反射させるため、反応領域Ａ１は曲面部分を有している。

光散乱や外光の影響による検出感度の低下を抑制するために、反応領域Ａ１は、遮光する材質（例えば、ダイヤモンドライクカーボン等）にてコーティングされていることが望ましい。

本発明では、前記複数の反応領域Ａ１全てに特定波長の励起光を照射可能な光学手段として、光源１２や、励起光Ｌ１を各反応領域Ａ１に導入するための励起光走査板１３を用いることができる。

光源１２は、特定波長の光を発光するものであればよく、その種類は特に限定されないが、好適には、白色もしくは単色の発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いることが望ましい。発光ダイオードを用いることで、不要な紫外線や赤外線を含まない光を簡便に得ることができる。

本発明では、光源１２の設置場所や光源数については特に限定されない。図示はしないが、各反応領域Ａ１に対応するように光源１２を複数設け、各光源１２が対応する各反応領域Ａ１に向かって励起光を直接照射する構造としてもよい。これにより各反応領域Ａ１を光源１２で直接照射できるため、励起光量をより多く採取でき、かつ励起光Ｌ１，Ｌ２の光量を個別に制御することができ、各反応領域Ａ１に均一に励起光Ｌ１，Ｌ２を照射できる。

励起光走査板１３は、光源１２から発せられる励起光Ｌ１をウェル基板１１内の各反応領域Ａ１に導くものである。前記励起光走査板１３内部のスペーサ１３１に光源１２から発せられる励起光Ｌ１が導入される。そして、前記励起光走査板１３の底部には反射膜１３２が設けられており、ウェル基板１１へ励起光Ｌ２を導入することができる。これにより、各反応領域Ａ１内の反応液中の蛍光物質を均一な光量で励起させることができる。前記反射膜１３２の材料等については特に限定されないが、好適には、ダイクロックミラーを用いることが望ましい。

また、本発明では、励起光走査板１３の上部に、前記励起光Ｌ１，Ｌ２の波長光のみを透過するフィルター１３３を設けることが望ましい。これにより、光源１２から発せられる光から励起光Ｌ２を効率よく取り出し、反応領域Ａ１へ導くことができる。このフィルター１３３としては、例えば偏光フィルター等を用いることができる。

反応領域Ａ１に照射された励起光Ｌ２は、反応領域Ａ１内の反応液中のプローブの蛍光物質等に照射されることで蛍光Ｌ３を発する。この蛍光Ｌ３は反応領域Ａ１内の壁面で反射して、反応領域Ａ１下方に設けられた蛍光検出部１５で検出・測定される。

また、本発明では、特定波長の光を取り出すことができるように、反応領域Ａ１と蛍光検出部１５との間にもフィルター１４を配置できる。前記フィルター１４は特定波長の光（蛍光Ｌ３等）を取り出すことができればよく、その材料は限定されないが、例えば、ダイクロイックミラーを用いることができる。

蛍光検出部１５は、反応領域Ａ１に照射された励起光Ｌ２に応答して、インターカレートしたプローブ中の蛍光色素が励起することで発せられる蛍光を検出・測定する。

ＰＣＲ装置１では、加熱部１６を各反応領域Ａ１にそれぞれ設けている。前記加熱部１６は温度制御機構を備えており、これにより前記加熱部１６の反応領域Ａ１の温度制御を行う。これにより、例えば、ＰＣＲサイクルを行う場合、熱変性→アニーリング→伸長反応のステップについてより高精度の温度制御を行うことができる。

図１５は、本発明に係る反応処理装置をＰＣＲ装置とした第２実施形態を側面視した概念図である。以下、図１４に示す形態との相違点を中心に説明し、共通する部分についてはその説明を割愛する。

このＰＣＲ装置２は、反応領域（ウェル）Ａ２ごとに蛍光検出部２５や加熱部２６を測定基板２７上に備えている点では、第１の実施形態と共通する。しかし、励起光Ｌ２をウェル基板２１の上方から照射して、反応領域Ａ２内を透過した蛍光Ｌ３を検出する点等で相違する。

ＰＣＲ装置２では、光源２２から発せられる励起光Ｌ１が、励起光走査板２３によって反応領域Ａ２に導かれる。励起光走査板２３では、スペーサ２３１を励起光Ｌ１が通過し、反射膜２３２とフィルター２３３によりウェル基板２１に励起光Ｌ２が導入される。

そして、該励起光Ｌ２は、反応領域Ａ２内の反応液中のプローブの蛍光物質等に照射されることで蛍光Ｌ３を発する。この蛍光Ｌ３は、反応領域Ａ１の下方に設けられた蛍光検出部２５で検出・測定される。

また、温度制御は、反応領域Ａ２下方に設けられた加熱部２６により行われ、ペルチェ素子２８等によって加熱サイクル等の温度制御を行なうことができる。

一般的なＰＣＲ装置では、「熱変性→アニーリング→伸長反応」からなるサイクルを３０サイクル程度行なうために２５〜３０分の反応時間を要する。その際、約２℃／秒の温度制御を行っている。これに対して、本発明のＰＣＲ装置では、２０℃以上／秒の温度制御が可能であるため、１サイクルあたり４０秒程度の時間短縮が可能となり、３０サイクル全体ではおよそ２５分以下の反応時間が達成できる。

また、プライマーの設計に応じて、アニーリング時間、伸長反応時間をコントロールすることができるため、増幅率を一定倍率（例えば２倍等）に揃えることができるため、遺伝子発現量の検出精度を向上させることができる。

本発明に係る反応処理装置の一実施形態に含まれる加熱部の回路構成を示す回路図である。図１の回路動作の一状態を示す回路図である。図１の回路動作の別の一状態を示す回路図である。図１に示す回路構成の変形例である回路図である。図１に示す回路構成の別の変形例である回路図である。図１に示す回路構成の更に別の変形例である回路図である。図１に示す回路構成の更に別の変形例である回路図である。図１の具体的な構成例を示す回路図である。本発明に係る反応処理装置の一実施形態に含まれる加熱部のブロック回路図である。図８に示す回路構成の更に別の変形例である回路図である。図１に示す回路構成の更に別の変形例である回路図である。図１に示す回路構成の更に別の変形例である回路図である。図１に示す回路構成の更に別の変形例である回路図である。本発明に係る反応処理装置をＰＣＲ装置として用いた第１実施形態を側面視した概念図である。本発明に係る反応処理装置をＰＣＲ装置として用いた第２実施形態を側面視した概念図である。

符号の説明

１反応処理装置
２，３ＰＣＲ装置

Claims

（Ａ）複数の反応領域と、及び（Ｂ）該反応領域ごとに設けられ、半導体素子を用いる複数の加熱部と、該加熱部を選択するための複数の走査線と、加熱実施時の加熱量情報を熱源へ伝達する複数のデータ線と、該走査線を順次選択する走査線駆動回路及びこれに同期して該データ線に信号電流を印加するデータ線駆動回路と、を備える熱制御系と、を備え、
前記加熱部は、該加熱部を選択するための走査線と、加熱実施時の加熱量情報を熱源へ伝達するデータ線と、に接続され、
熱源と、
前記データ線から伝達された加熱量情報を取得する書き込み部と、
前記走査線が非選択となった後も加熱量情報を記憶しておく保持部と、
前記加熱量情報に基づいて前記熱源の発熱を制御する発熱制御部と、
前記データ線から伝達される加熱量情報が信号電流のときに該信号電流を電圧レベルに変換する変換部と、
を備え、
前記データ線から伝達される加熱量情報が信号電流のとき、
前記加熱部は、前記信号電流を電圧レベルに変換し、
前記保持部は、前記加熱量情報を前記電圧レベルとして保持し、
前記発熱制御部は、前記保持された電圧レベルを電流レベルに変換して発熱を制御する、反応処理装置。
前記加熱量情報が前記書き込み部により取得された後、次なる加熱量情報が取得されるまでの間に駆動電流を遮断する手段を備える請求項１に記載の反応処理装置。
前記変換部は、ゲートとドレインとを電気的に接続した第１の電界効果トランジスタを備え、
前記保持部は、前記第１の電界効果トランジスタに前記信号電流を流すことで発生するゲート・ソース間の電圧を保持するキャパシタを備え、
前記発熱制御部は、前記ゲート・ソース間の電圧に応じた電流を流す第２の電界効果トランジスタを備える請求項１又は２に記載の反応処理装置。
前記第１の電界効果トランジスタと、前記第２の電界効果トランジスタと、は同一のトランジスタであり、
前記変換部による前記信号電流を前記電圧レベルに変換する変換動作と、前記発熱制御部による前記加熱量情報に基づいて前記熱源の発熱を制御する制御動作と、を時分割的に行なう請求項３に記載の反応処理装置。
前記変換部は、前記第１の電界効果トランジスタと、ゲートとドレインとを電気的に接続された第３の電界効果トランジスタとを、含み、
前記第１の電界効果トランジスタのソースと、前記第３の電界効果トランジスタのドレインとが、電気的に接続されている請求項３に記載の反応処理装置。
前記反応領域で遺伝子増幅反応を行なうＰＣＲ装置である請求項１〜５の何れか１項に記載の反応処理装置。
前記反応領域に所定波長の励起光を照射する光学手段と、
前記励起光照射により発生する蛍光を検出する蛍光検出部と、を備える請求項６に記載の反応処理装置。