JP5343801B2 - 遺伝子処理装置用伝熱装置及び遺伝子処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、対象物に伝熱させるための伝熱装置及び伝熱機構を備えた装置に関するものであり、特に遺伝子検査等に用いる反応容器の伝熱装置及び伝熱機構を備えた遺伝子処理装置に関する。

遺伝子検査は、一塩基多型（ＳＮＰ：ｓｉｎｇｌｅ ｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅ ｐｏｌｙｍｏｒｐｈｉｓｍｓ）のように薬剤代謝などで個人ごとに違いが起きる原因となる遺伝子の差異を検出することで、副作用を避け患者個人に最適な医療（薬剤）を提供することが可能となるテーラーメイド（オーダーメイド）医療に利用が可能な技術として近年着目されている技術である。

遺伝子検査技術は、検体から精製した核酸（ＤＮＡ）を用いて検査を行う機種が検査機器会社などから種々市場に投入されている。これらの機器では、遺伝子増幅反応のための温度調節装置が必要であり、一般的にはプレートやチューブ等の反応容器をそれぞれの先端形状と一致した伝熱ブロックにセットし、上から蓋で押さえつけることによって伝熱を行い、遺伝子増幅反応を実施している。

しかし、これら反応容器の先端形状と伝熱ブロックの形状を完全に一致させることは困難であり、遺伝子増幅反応が効率的に実施できていないという課題があった。特に、特許文献１のように反応部が樹脂ではなく金属で形成した場合、樹脂で形成されたプレートやチューブのように遺伝子増幅反応中での内圧の上昇による膨張で伝熱ブロックとの密着性が向上するようなことは期待できず、いかに金属で形成した反応容器と伝熱ブロックとの密着性を向上させるか、という点が大きな課題であった。

一方、電子モジュールの放熱や熱伝導用に用いられる伝熱装置には、伝熱装置の対象物との接触部分に低融点金属が配置され、熱によって低融点金属を溶融することにより伝熱性を向上させたものがある。特許文献２は、マイクロブロセッサおよびチップとヒートシンク間で適用したものである。特許文献３は、熱電発電モジュールとヒートシンク間で適用したものである。これらの組み合わせでは、一度セットすれば継続して接触が保たれた状態で使用される。また、特許文献２及び３のいずれも対象物と伝熱装置の接触面が平面同士の接触である。

上記のような従来の低融点金属を用いた伝熱装置において、対象物との接触と開放を繰り返して実施するような使用様態のものはなかった。さらに、遺伝子検査等に用いられる、温度調節部分が非平面状の容器に対して密着性の良い伝熱装置が求められていた。

国際公開番号ＷＯ２００９／０５４４７３ 特開２００７−１７３８２５号公報 特開２００７−１１６０８６号公報

以上のような背景から、本発明では、遺伝子検査等に用いるような温度調節部が非平面状の容器に対して密着性、熱伝導性の良い伝熱装置を提供することを目的とする。また、遺伝子解析チップの加工寸法のバラツキに依存することなく、凹凸面を持つ遺伝子解析チップに対して、遺伝子増幅反応を行う伝熱部に隙間なく密着させて温調を行い、遺伝子増幅反応させることで、遺伝子増幅反応の反応性向上させた遺伝子処理装置を提供する。

この課題に対して、本発明は金属で形成した反応ウェルが伝熱ブロックと接触する箇所に融点が９９℃以下の低融点金属を配置することにより、遺伝子増幅反応中に低融点金属が溶融し、金属で形成した反応ウェルと低融点金属の密着性を向上させることによって解決したものである。具体的には、
第１の発明として、対象物の突出した部位と熱伝導する遺伝子処理装置用伝熱装置であって、前記対象物が基板とカバー材から構成される解析チップであり、前記突出した部位に対応して設けられた凹部を有する伝熱ブロックと、前記凹部に形成された低融点金属層と、を備え、前記低融点金属層の低融点金属の融点が、２５℃よりも大きく９９℃以下である遺伝子処理装置用伝熱装置としたものである。
さらに第２の発明として、第１の発明において、前記伝熱ブロックが、銀、銅、アルミのいずれかである遺伝子処理装置用伝熱装置としたものである。
さらに第３の発明として、第１又は第２の発明において、前記低融点金属層の低融点金属の融点が、遺伝子増幅反応の温度サイクル範囲外の遺伝子処理装置用伝熱装置としたものである。
さらに第４の発明として、第１〜３の発明において、前記低融点金属層の材料が、鉛、錫、カドミウム、ビスマス、あるいはインジウムを含む合金である遺伝子処理装置用伝熱装置としたものである。
さらに第５の発明として、第１〜４の発明において、対象物はプレート状であって、プレート面に複数の突出した部位を持ち、これに対応する複数の前記凹部が形成されている遺伝子処理装置用伝熱装置としたものである。
さらに第６の発明として、第１〜５の発明において、伝熱ブロックに熱的に接続されたサーモモジュールを有する遺伝子処理装置用伝熱装置としたものである。
さらに第７の発明として、第１〜６の発明の遺伝子処理装置用伝熱装置を備えたことを特徴とする遺伝子処理装置としたものである。

本発明によれば、熱処理時に低融点金属の融点以上になると、低融点金属が溶融するため対象物と伝熱部間の隙間にも接触することが可能となり、熱伝導性を向上させることができる。また、対象物の突出した部位（凸部）に対応する伝熱ブロックの凹部と、凸部の間に低融点金属層が存在するため、凸部の寸法に依存することなく密着させることが可能になる。

このような伝熱装置を遺伝子処理装置に用いることにより、遺伝子解析チップの伝熱部に接触する面全体が密着することが可能になるため、遺伝子増幅反応の高速化が可能となる。

本発明の伝熱装置を説明するための実施例の断面模式図である。 本発明の伝熱装置を説明するための比較例の断面模式図である。 遺伝子解析チップの斜視図である。 ＰＣＲ法による遺伝子増幅反応における実施例及び比較例の温度変化を表す比較図である。 実施例及び比較例の遺伝子処理装置を用いたインベーダー反応におけるＦＡＭ蛍光強度の比較図である。 実施例及び比較例の遺伝子処理装置を用いたインベーダー反応におけるＲＥＤ蛍光強度の比較図である。

図１は、本発明の伝熱装置を用いた遺伝子処理装置の一様態の概略断面図である。本発明の伝熱装置は、対象物に接する伝熱ブロックを備えた対象物の所定位置に加熱や冷却等の熱処理を行うための伝熱機構である。図１の伝熱装置１００の例では、遺伝子解析チップ１に形成された反応容器２が熱処理の対象であり、突出した反応容器の底部（基板凸部８）が熱伝導させる部位である。本発明の伝熱装置は、伝熱ブロックの対象物と接する面に当該突出した部位に対応する凹部６を有し、さらにこの凹部に低融点金属層１４が形成されている。本発明の伝熱装置によれば、熱処理時に低融点金属層に用いた低融点金属の融点よりも高温にすることにより、凹部に配置された対象物の突出部位と、伝熱ブロックの隙間を液体金属で埋めることが可能になる。このため、熱伝導率を向上し、温度制御の精度を上げることができる。

図２は、比較例として示した従来の伝熱装置を用いた遺伝子処理装置の一様態の概略断面図である。図１と同じ部位については一部符号を省略している。比較例の伝熱装置２００では、熱伝導させる部位に伝熱ブロック９に直接接触させて伝熱を実施している。しかしこの方法では、対象物の伝熱装置との接触側凸部８の加工寸法のバラツキや、対象物凸部と伝熱ブロック凹部６との位置合わせマージンを確保する必要があるため、基板側凸部（ここでは半球状）とそれに対応した伝熱ブロックの凹部を隙間なく接触させることは困難であり、僅かな隙間が生じ、熱伝導の効率が低下してしまうという問題が生じる。

図１で示すように、本発明の伝熱装置では、伝熱ブロックの凹部６は対応する対象物凸部８の形状よりも一回り大きく取ることができることから、位置合わせマージンを大きく取ることができる。また凹部の形状も、正確に凸部の形状に一致させる必要がないことから、例えば断面が弧状の６ａや、矩形状の凹部６ｂ等を適宜選択することができる。伝熱ブロックの材料としては、ヒートスプレッダとして一般的に用いられている熱伝導率の高い材料を用いることができ、具体的にはアルミニウム、銀、銅等の金属を好適に使用することができる。

伝熱ブロックの凹部６に形成する低融点金属層１４の材料としては、鉛、錫、カドミウム、ビスマス、あるいはインジウムを含む合金を好適に用いることができる。低融点金属の特性としては、室温（２５℃）で固体であり、熱処理時の温度において液状となれば良い。

低融点金属層の形状としては、凹部に沿って形成されていても良く、あるいは凹部の底に堆積させて配置しても良い。少なくとも低融点金属層を溶融し、液状化して対象物を伝熱ブロックに設置した際に、対象物の突出した凹部に接触して凹部内で広がる量の低融点金属を堆積させる。

本発明の伝熱装置は、伝熱部ブロック９と対象物との接触面の反対面にサーモモジュール１６を配置し、伝熱ブロックに熱的に接続することで、対象物（反応容器２）を温度制御することができる。またさらに、放熱器１７をサーモモジュールの伝熱ブロックが配置した部位以外の領域（例えば反対面）に配置し、サーモモジュールに熱的に接続することで効率的に冷却させることができる。なお熱的に接続されているとは、両者の熱交換によって少なくとも一方に温度変化を与えることが可能である状態を意味する。

次に本発明の伝熱装置を遺伝子処理装置に用いる場合について説明する。本発明における遺伝子処理装置は、背景技術で説明したように、遺伝子検査等で熱処理を行なう際に用いる装置であって、例えば遺伝子増幅反応による核酸増幅のための熱サイクルを実現するために用いることができる。遺伝子増幅反応としては、ＰＣＲ法、ＮＡＳＢＡ法、ＳＭＡＰ法、ＬＣＲ法等がある。ＰＣＲ法の場合、９５℃前後の変性温度と、６０〜７０℃のアニーリング温度を交互に繰り返すサイクルを遺伝子処理装置で行なう。

遺伝子処理装置に用いる場合には、低融点金属層１４を溶融させるための加熱の温度が、反応を阻害しない温度である必要がある。例えば酵素を失活させない温度であり、ＰＣＲ法の場合、９９℃以下であることが好ましい。すなわち用いる低融点金属が２５℃以上９９℃以下の融点であることが好ましい。さらに、ＰＣＲ法のようにある一定の温度範囲での温度サイクルを持つような温度制御を行なう場合には、低融点金属の融点としては温度サイクルの範囲外であることがより望ましい。低融点金属の融点が温度サイクルの範囲にある場合、低融点金属の固体と液体と相変化に伴う潜熱の影響を受けてしまい、温度サイクルの高速化が阻害されてしまうからである。例えば、後述の実施例におけるＰＣＲ法による遺伝子増幅反応の温度サイクル（図４参照）の場合、６８℃〜９５℃の範囲で温度制御を行なっている。この場合、６８℃以下、あるいは９５℃以上の融点であることが好ましい。

本発明の遺伝子処理装置に使用する遺伝子解析チップ１の斜視図を図３に示した。図１の遺伝子解析チップ１の断面図は、図３のＡ−Ａ’線での断面図である。図３の遺伝子解析チップでは、プレート状の基板に複数の反応容器２が設けられ、反応容器内の反応試薬１３と、固定試薬１１が封止材１２の熱溶融により混合して反応させることにより各反応容器で検出を行うことができる。図３の遺伝子解析チップでは、各反応容器は基材７の凸部８と、カバー材５の凹部を一致させるように基材とカバー材を貼り合わせることによって形成されている。このときカバー材には各凹部にあらかじめ固定試薬と固定試薬を覆う封止材が形成されている。また基材には各凸部を連通する流路１５が形成され、試料注入口３から反応試薬を注入し、各反応容器に反応試薬を配液することができる。

本発明の遺伝子処理装置によれば、遺伝子解析チップの伝熱部に接触する面（基材７の裏面）全体が密着することが可能になるため、遺伝子増幅反応の高速化が可能になる。また、遺伝子増幅反応中に低融点金属以上の温度まで上昇するため、解析チップの凸部の寸法に依存することなく解析チップと伝熱部が密着することが可能になる。

以下、図１に示した本発明の遺伝子処理装置（実施例）と、図２に示した比較例の遺伝子処理装置を用いて遺伝子検査の実験結果を示す。

まずカバー材５の凹部６に、固定試薬１１を配置した。固定試薬１１としては、インベーダー反応（登録商標）に使用するアレルプローブ１、アレルプローブ２、インベーダープローブおよびＦＲＥＴプローブ１、ＦＲＥＴプローブ２、Ｃｌｅａｖａｓｅ（登録商標）を配置して加熱乾燥させた。アレルプローブ１、アレルプローブ２はそれぞれＦＡＭ蛍光、ＲＥＤ蛍光で標識されている。

次に、カバー材５の全ての凹部６に、封止剤１２として日本精鑞株式会社製のＥＭＷ−０００３を投入した。なお、一箇所の凹部６に対する封止剤１２の投入量は３．５μＬである。この封止剤１２を８０〜１００℃に加熱し、溶融させた状態で凹部６に分注し、プレート用遠心機で遠心操作を行った後、室温で再び凝固させた。これにより、図１の反応容器２は固定試薬１１を封止剤１２で覆われる。

次に、上記で作製したカバー材５と基板７とを、テスター産業社製のヒートシールテスターを用いて、２２０℃、０．５ＭＰａ、２．２秒、基板７側からの片側加熱の条件で、ヒートシールにより貼り合せた。

次に、反応試薬として精製ゲノムＤＮＡ、インベーダーバッファー、それを希釈するための水、の混合液を供給した。反応試薬１３は、カバー材５の試料注入口３より、流路１５を通じて全ての反応容器２に行き渡らせた。なお、一つの反応容器２に対する反応試薬１３の供給量は１２〜１５μＬである。以上の工程により遺伝子解析チップ１を作製した。

その後、本発明の実施例である遺伝子処理装置及び比較例の遺伝子処理装置にそれぞれ遺伝子解析チップ１をセットした。装置内でまず各反応容器２間で反応中の反応液の行き来が生じないように、流路１５の一部を外力により押しつぶし、反応容器２間の封止を行った。その際、外力と同時に熱を加え、カバー材５と基板７のシーラント層を熱溶着させて、より強力に封止を行った。封止は、１７０℃、２４０ｋｇｆ、１．８秒という条件で行った。

次に、装置内で遺伝子解析チップ１を基板７側とカバー材５側から加熱し、ＰＣＲ法による核酸増幅を行った。本実施例では、低融点金属の融点としては９５℃のものを使用した。まず、初期変性条件である９５℃、２分の条件で加熱することにより封止剤１２を溶融させ、固定試薬１１と反応試薬１３とを接触させた。また、このとき基板７側と接触している低融点金属も溶融し、これにより基板凸部８とアルミブロック９間の隙間が埋まる。この状態で遺伝子増幅反応を実施させた。遺伝子増幅反応の設定条件としては、１サイクルは９５℃、２５秒保持および６８℃、３５秒保持を３０サイクル実施し、その後９９℃、２分間Ｃｌｅａｖａｓｅの失活を実施した。その後、６０℃に降温して、インベーダー反応を行いながら、３０秒に１回の周期で反応容器２内の蛍光物質の検出を行い、時間毎の反応の様子を観察した。

図４は、上記ＰＣＲ反応の工程におけるサーモモジュール１６の設定温度と、実施例、比較例における反応容器内の温度変化の比較である。矢印で示したように、実施例の装置を用いた場合、比較例の場合よりも設定の温度変化に近くなっている。つまり、熱伝導の効率が改善していることが分かる。

図５と図６は蛍光検出の結果である。図５は実施例と比較例の装置でそれぞれ反応を行ったときのＦＡＭ蛍光強度の時間変化を示す。比較例と比較して、本発明の伝熱装置を備えた遺伝子処理装置で反応を行うことにより、反応性（蛍光強度の立ち上がり）が改善されたことが分かる。図６は、実施例と比較例の装置でそれぞれ反応を行ったときのＲＥＤ蛍光強度の時間変化を示す。ＲＥＤ蛍光強度においても比較例と比較して、反応性が改善されたことが分かる。

１…遺伝子解析チップ
２…反応容器
３…試料注入口
４…蓋
５…カバー材
６…凹部
７…基板
８…基板凸部
９…伝熱ブロック
１０…隙間
１１…固定試薬
１２…封止剤
１３…反応試薬
１４…低融点金属
１５…流路
１６…サーモモジュール
１７…放熱器（ヒートシンク）
１００…伝熱装置
２００…伝熱装置（比較例）

Claims (7)

1. 対象物の突出した部位と熱伝導する遺伝子処理装置用伝熱装置であって、
   前記対象物が基板とカバー材から構成される解析チップであり、
   前記突出した部位に対応して設けられた凹部を有する伝熱ブロックと、
   前記凹部に形成された低融点金属層と、
   を備え、
   前記低融点金属層の低融点金属の融点が、２５℃よりも大きく９９℃以下である
   ことを特徴とする遺伝子処理装置用伝熱装置。
2. 前記伝熱ブロックが、銀、銅、アルミのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載遺伝子処理装置用伝熱装置。
3. 前記低融点金属層の低融点金属の融点が、遺伝子増幅反応の温度サイクル範囲外であることを特徴とする請求項１または２に記載の遺伝子処理装置用伝熱装置。
4. 前記低融点金属層の材料が、鉛、錫、カドミウム、ビスマス、あるいはインジウムを含む合金であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の遺伝子処理装置用伝熱装置。
5. 前記対象物はプレート状であって、プレート面に複数の突出した部位を持ち、これに対応する複数の前記凹部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の遺伝子処理装置用伝熱装置。
6. 伝熱ブロックに熱的に接続されたサーモモジュールを有する請求項１乃至５のいずれか記載の遺伝子処理装置用伝熱装置。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の遺伝子処理装置用伝熱装置を備えたことを特徴とする遺伝子処理装置。