JP5556178B2 - 温度制御方法及びシステム - Google Patents

Description

本発明は、マイクロチップあるいはマイクロアレイと称されるチップに容器を設け、容器に微細な成分を充填して加熱または冷却して反応させ、所望の生成物を得る技術に関する。このような技術は例えばＤＮＡのＰＣＲ（ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ ｃｈａｉｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ）増幅にて用いられている。

近年、マイクロチップやマイクロアレイと称される極小の板状部位（以下、マイクロチップと総称する）に微細な試料容器を設け、マイクロチップ内で送液を行い、混合や反応を行う技術が提唱されている。この種のマイクロチップの試料容器は、径が１〜２ｍｍで容量２〜数μＬであり、極小量の試料を対象としている。
一方で、遺伝子や核酸の抽出、分析において微量容器内に充填された試料を、加熱および冷却の温度サイクルを印加し、所望する生成物を得る方法が既に提案されている。
特開２００５−１１７９８８（以下特許文献１と記す）には、「ＤＮＡ増幅装置において、処理ブロックを、サーモモジュールの加熱冷却側に当接し、かつ暑さを略３ｍｍ以下に選定したセラミックス素材またはグラファイト素材により形成した基盤部と、この基盤部の上面に配し、かつセラミックス素材及びグラファイト素材とは異なる素材により形成した一又は二以上のセル部により構成してなることを特徴とするＤＮＡ増幅装置。」が記載されている。このＤＮＡ増幅装置は、カップ状のセル部を搭載し、「セル部は０．２〜１．５ｍＬ程度」の容器であり、「セル部は、前記基盤部の上面に重なる平面盤の上面に形成した複数の凹部である」。
特開２００５−４０７８４（以下特許文献２と記す）には、マイクロ化学チップの複数の化学反応部ごとに、温度測定手段を内蔵した熱伝導体を介し、熱伝素子を温度発生体としてマイクロ化学チップの反応部に加重接触させた温度制御機構が記載されている。温度制御を行う際、熱伝素子または熱伝導体と化学反応部を接触させるが、このとき、ばね等の弾性体による支持部材を用いて加重することにより両者を接触させている。また、熱伝導体は大気中に露出し、一部がマイクロ化学チップの凹部に挿入される。また、マイクロ化学チップ内の反応部に送液された試料を加熱する際に、試料部や搬送路、溶媒部等の被温度印加部位が連接開放された状態で加熱している。

特許文献１に記載のセルは、一般的にカップやチューブと称され、上述のように０．２〜１．５ｍＬ程度の容量を対象としている。このようなセルを容量２〜数μＬの試料を加熱乃至冷却する際に用いると、隣接するセル間のスペースで発熱するサーモモジュールの熱量の伝熱効率が低いという問題があった。特許文献１には容器部を凹形状の溝としたものも記載されているが、溝状の容器であっても隣接配置された溝間のスペースで発熱するサーモモジュールの熱量の伝熱効率が低いという同様の問題があった。
また、マイクロチップ上の容器は極小量であり、装置の小型化のため極小間隔での設置が求められると共に、反応時間の短縮が求められている。特に、ＰＣＲ増幅の反応時間は３０数回繰り返される温度サイクルに依存するので、サーモモジュールの発熱面全ての発熱量を、効率良くピンポイント的に試料容器に集約することが求められている。
また、温度印加の対象である試料容器をマイクロチップ内に設ける場合、その容量は数マイクロリットルという極少量になる。極少量の試料を加熱すると、試料容器の内部は高温、高圧となり、流入及び流出のための流路から漏れが発生しやすい。このため、加熱の際に試料容器を密閉する手段が求められている。
ばね等の弾性体による支持部材を用いた加重手段によれば、マイクロ化学チップ内に設けられた複数の反応部を温度制御する際、マイクロ化学チップの精度のばらつきや、装着の際の位置精度のばらつきにより、反応部と熱伝導体の圧接力が均等にならず、温度制御が困難であるという問題があった。また、マイクロ化学チップを搭載する装置の小型化が困難になるという問題があった。例えば、特許文献２の図１を参照すると、可動部材１０９がマイクロ化学チップ１０１を下方に抑える際に弾性体１０８を介することにより、反応部１０２の下部と熱伝導体１０４との接触状態を保つ構造となっている。このため、反応部１０２の下部の接触状態を調整するためだけの目的であっても、マイクロ化学チップ１０１の全体を調整しなければならず、調整が困難であった。特に、マイクロ化学チップ上に複数の反応部がある場合、マイクロ化学チップ全体の位置や角度の調整により、複数の反応部の下部全ての接触状態を一括して調整しなければならず、困難であった。また、弾性体を介してマイクロ化学チップを抑えるという構造上、装置の小型化が困難であった。
また、熱伝導体を大気中に露出して一部をマイクロ化学チップの凹部に挿入する場合、周囲への放熱ロスが大きく、伝熱効率が低下するという問題があった。
更に、試料部や搬送路、溶媒部等の被温度印加部位が連接開放された状態でマイクロ化学チップ内の反応部に送液された試料を加熱すると、加温による試料の膨張により搬送路に漏れ出し、搬送路内を移動するため、効率的な試料の温度制御が不可能であるという問題があった。
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、数マイクロリットル程度の極少量の試料を加熱乃至冷却する際、効率よく加熱し、放熱することが可能であり、極少量の試料を加熱したときの高温高圧下であっても漏れを防止可能な温度制御方法、そのような試料容器を備える温度制御システム、該試料容器を備えるマイクロチップを提供する。

上述の課題を解決するため、本発明は、容器部に接触させた伝熱部材を介して、前記容器部に収めた試料を加熱乃至冷却する温度制御方法として、次のような特徴を有するものを提供する。この温度制御方法によれば、容器部（弾性容器部７０ｅ）の少なくとも一部は弾性部材からなり、容器部に接続された流路との接続口を除いて容器部は閉じていて、試料の注入及び排出に応じて容器部は膨張及び収縮する。また、この温度制御方法は次の各段階を含むものである。即ち、収縮して伝熱部材に非接触の状態にある容器部（図３）に対し、流路である流入路を介して試料を注入すると、注入に応じて容器部が膨張する段階（図５）と、予め定められた量の試料を注入されて膨張した容器部が伝熱部材に接触する段階（図５）と、伝熱部材を介して容器部を加熱或いは冷却する段階（図６）とを含むものである。また、この温度制御方法に従って温度制御を行うための温度制御システム、マイクロチップをも提供する。

本発明によれば、弾性材からなる試料容器を試料の注入により風船状に膨張させて、試料容器の一端を伝熱体乃至発熱体に接触させる。これにより試料の効率的な加熱及び冷却が可能となる。遺伝子分析の分野においてＤＮＡを増幅するＰＣＲ増幅工程が実施されている。ＰＣＲ増幅は、高温（一例として９７℃）と低温（一例として５３℃）の温度サイクルを試料に対して３０数サイクル印加する工程である。本発明の弾性容器部をＰＣＲ増幅槽とすれば、試料の効率的な加熱及び冷却が可能なため、温度サイクルの周期を短縮し、生産性の向上を図ることができる。
また、本発明によれば、加熱に伴って試料から生じる圧力を、容器の弾性により抑えて試料の漏れを防止することができる。
また、本発明によれば、加熱、冷却効率の向上に伴い、装置の小型化や省エネが可能となる。
更に、本発明によれば、容器部と伝熱部材との接触状態は、試料を容器部に注入したときに起きる膨張の圧力によって良好に保たれるので、極小さな対象容器の加熱、冷却が可能となり、特に、複数の容器配列が極めて近傍に設ける場合であっても、容器部と伝熱部材との接触状態は容器部毎に調整されるので、同一マイクロチップ上の全ての容器部における伝熱部材との接触状態が良好に保たれ、マイクロチップの小型化を図ることができる。
また、本発明によれば、風船状の容器に試料を詰めて加熱乃至冷却するため、宇宙空間等の無重力空間や水中であっても試料を飛散させることなく加熱乃至冷却を行うことができる。また、同様の理由から、深海等の高圧環境下であっても加熱及び冷却を行うことができる。

図１は本発明の実施例１に係る解析装置及びマイクロチップ５０の斜視図および論理回路図である。
図２はマイクロチップ５０の機構構成を示す斜視図である。
図３はマイクロチップ５０に設けた抽出槽５２ｅ、弾性容器部７０ｅと、解析装置の温度制御ユニットとの断面図である。
図４は温度制御ユニットの断面斜視図である。
図５は実施例１において、シャッタ流路６２ｅを開き、シャッタ流路６２ｆを閉じて、弾性容器部７０ｅに試料を注入する過程を説明するための断面図である。
図６は実施例１において、弾性容器部７０ｅに試料の注入が完了し、シャッタ流路６２ｅ及び６２ｆの両方を閉じた状態を説明するための断面図である。
図７は実施例１において、シャッタ流路６２ｅを閉じ、シャッタ流路６２ｆを開き、弾性容器部７０ｅに対して方向Ｅから圧力を加えて、試料を方向Ｆに排出する過程を説明するための断面図である。
図８は試料を加熱する際に伝熱部材３２で起きる伝熱の過程を説明するための断面図である。
図９は試料を冷却時する際に伝熱部材３２で起きる伝熱の過程を説明するための断面図である。
図１０は実施例２のマイクロチップ２５０の一部の斜視図である。
図１１はマイクロチップ２５０の弾性容器部７０ｅ、シャッタ流路６２ｅ、６２ｆ、閉鎖流路２５１及びその周辺を示す断面図である。
図１２はマイクロチップ２５０において、シャッタ流路６２ｅ、閉鎖流路２５１を開き、シャッタ流路６２ｆを閉じて、弾性容器部７０ｅに試料１５７を注入しているときの状態を説明するための断面図である。
図１３はマイクロチップ２５０において、弾性容器部７０ｅに試料１５７の注入が完了し、シャッタ流路６２ｅ、６２ｆ、閉鎖流路２５１を閉じた状態を説明するための断面図である。
図１４はマイクロチップ２５０において、シャッタ流路６２ｅを閉じ、シャッタ流路６２ｆ、閉鎖流路２５１を開き、弾性容器部７０ｅに対して方向Ｊから圧力を加えて、試料を方向Ｆに排出している状態を説明するための断面図である。
図１５は実施例３のマイクロチップ３５０の一部の斜視図である。
図１６は実施例４の伝熱部材３２の狭域面３２ａに形成する切り欠きＭを説明するための断面図である。
図１７は実施例５のマイクロチップ４５０の一部の斜視図である。

実施例に沿って本発明について以下に説明する。

本発明の実施例１について説明する。実施例１は図１の斜視図に示した解析装置と、この解析装置にて解析対象とする試料を収めるマイクロチップ５０からなる。図１において空気圧回路部はＪＩＳ論理記号で示してある。機枠１にはテーブル３が支柱２を介し設けられ、さらに該テーブル３にはＯリング６に周囲をシールされた廃棄穴５が設けられている。また該廃棄穴５は、廃棄電磁弁７、チューブ７ａを介し機枠１内に設けられた廃棄槽８に接続されている。また該テーブル３上面にはマイクロチップ５０に設けられたピン穴５５ａ、５５ｂと合致し所定の位置に案内するためのピン１０ａ、１０ｂが凸状に設置されている。さらに該テーブル３には、締結ネジ２５と、周囲をＯリング２６でシールされ貫通した複数の加圧穴２２と周囲をＯリング２７でシールされた複数のシャッタ加圧穴２３、及びＯリング３１を有するカバー２０が、ヒンジ９を介しＡ及びＢ方向に回動可能に設けられている。さらに該テーブル３上の一端には該締結ネジ２５と一致する位置にネジ穴４が設けられ、該マイクロチップ５０を、所定に位置に挟持し固定できる機構となっている。
さらにカバー２０を貫通する状態で設けられた複数の加圧穴２２、シャッタ加圧穴２３は、それぞれ複数のチューブ１７により複数の電磁弁から構成される駆動ユニット１６の二次側に接続され、また電磁弁の一次側は蓄圧器１１に接続されている。また蓄圧器１１にはモータ１３により駆動されるポンプ１２と内部圧力を検出する圧力センサ１４が接続されている。またテーブル３にはマイクロチップ５０が搭載された際に、該マイクロチップ５０内の被温度印加対象である抽出槽５２ｅと一致する位置を、下面から所望の温度に制御する温度調整ユニット３０が狭域面３２ａの露出した状態で設けられている。
一方あらかじめ設定されたプログラムを実行するコントローラ１５には駆動ユニット１６の電磁弁、および廃棄電磁弁７が動作制御可能に接続され、さらに蓄圧器１１内の圧力を所定圧に制御可能なようにポンプ１２を駆動するモータ１３、および該蓄圧器１１内の圧力を検出しフィードバックを行う圧力センサ１４が接続されている。以上の構成によりコントローラ１５からの指令により蓄圧器１１内の圧力は常に所定の圧力に保たれている。さらに予め設定されたプログラムに従って駆動ユニット１６内の電磁弁を駆動し、蓄圧器１１内の空気に代表される圧力媒体を加圧穴２２、シャッタ加圧穴２３に加圧印加する構成となっている。また温度調整ユニット３０も同様にコントローラ１５に接続され、あらかじめプログラムされた温度制御を行う構成となっている。
図２はマイクロチップ５０の詳細を示す斜視図である。マイクロチップ５０は多層構造を成し、それぞれ弾性部材からなるメインプレート５１ａ、第２プレート５１ｂ、第３プレート５１ｃ、第４プレート５１ｄを貼り合わせた構成となっている。
マイクロチップ５０上には、メインプレート５１ａ、第２プレート５１ｂを貫通し凹状を成し、予め試料を充填する試料槽５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、取り出し口５８ａ、５８ｂ、５８ｃが設けられている。さらにメインプレート５１ａ、第４プレート５１ｄを貫通し、第２プレート５１ｂおよび第３プレート５１ｃは貫通せず挟持する構成を有する反応槽５２ｄ、抽出槽５２ｅが設けられている。詳細な構成については後述する。またマイクロチップ５０上には、メインプレート５１ａ、第２プレート５１ｂ、第３プレート５１ｃを貫通し凹状を成すシャッタ口５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄ、５３ｅ、５３ｆが設けられている。さらにチップ廃棄穴５６は第２プレート５１ｂ、第３プレート５１ｃ、第４プレート５１ｄを下方向に貫通するように設けられている。また図１で示すテーブル３上に該マイクロチップ５０を搭載し、カバー２０をＢ方向へ回動し締結ネジ２５とネジ穴４によりマイクロチップ５０をテーブル３とカバー２０で挟持した際には、試料槽５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、反応槽５２ｄ、抽出槽５２ｅは加圧穴２２と、シャッタ口５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄ、５３ｅ、５３ｆはシャッタ加圧穴２３と合致した位置で挟持される構成となっている。
さらに該試料槽５２ａ、５２ｂ、５３ｃ、反応槽５２ｄ、抽出槽５２ｅ、取り出し口５８ａ、５８ｂ、５８ｃは、メインプレート５１ａと第２プレート５１ｂの間で構成される流路６１ａ、６１ｂ、６１ｃで連接されている。またシャッタ口５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄ、５３ｅ、５３ｆは、第２プレート５１ｂと第３プレート５１ｃの間で構成されるシャッタ流路６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄ、６２ｅ、６２ｆと連接されると共に、その先端は該流路６１ａ、６１ｂ、６１ｃと第３プレート５１ｃを仲介し交差するように設けられている。すなわちシャッタ口５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄ、５３ｅ、５３ｆに空気に代表される圧力媒体を加圧印加すると、シャッタ流路６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄ、６２ｅ、６２ｆは該交差部で、該流路６１ａ、６１ｂ、６１ｃを閉鎖する機構となっている。また圧力媒体の印加を解圧すると該交差部を開放する機構となっている。さらに試料槽５２ａ、５２ｂ、５２ｃにはそれぞれ試料５７ａ、５７ｂ、５７ｃが充填されている。
また流路６１ａ、６１ｂ、６１ｃおよびシャッタ流路６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄ、６２ｅ、６２ｆは、それぞれが構成されるプレート内で、線状部を非接着状態として構成され試料が送液されない状態では、容積が０の状態となっている。
以上の構成から、図１で示す装置上にマイクロチップ５０を搭載、固定した後、あらかじめプログラムされた動作指令をコントローラ１５から指示すると、駆動ユニット１６、廃棄電磁弁７が定められたシーケンス動作を行い送液に必要な流路６１ａ、６１ｂ、６１ｃをシャッタ流路５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄ、５３ｅ、５３ｆにより順次開閉し送液動作を行う。その結果、図２で示す試料５７ａ、５７ｂ、５７ｃを順次反応槽５２ｄ、抽出槽５２ｅに送液または不要な試料をチップ廃棄穴５６より廃棄し、抽出槽５２ｅにおいて本発明における温度制御機構が駆動された後、所望する微量な試料１５７を取り出し口５８ａ、５８ｂ、５８ｃへ送液充填する構成となっている。送液の詳細なプログラム動作についての説明は省略する。
抽出槽５２ｅ及び温度調整ユニット３０の詳細について図３の断面図を参照して説明する。図３は抽出槽５２ｅに試料が充填される前の状態を示している。マイクロチップ５０はテーブル３とカバー２０の間でＯリング２６を介し挟持されている。マイクロチップ５０に設けられている抽出槽５２ｅは、マイクロチップ５０のメインプレート５１ａと第４プレート５１ｄを貫通した穴および第２プレート５１ｂ及び第３プレート５１ｃは未貫通の状態で挟持されている。また抽出槽５２ｅ内の弾性容器部７０ｅは第２プレート５１ｂ及び第３プレート５１ｃをほぼメインプレート５１ａと第４プレート５１ｄの貫通穴と同径部が非接着の状態としている。さらに流路６１ｂ、６１ｃは第２プレート５１ｂと第３プレート５１ｃ間で、線状部を非接着状態として設けられ、該弾性容器部７０ｅと連接している。すなわち流路６１ｂをＣ方向に送液された試料は、弾性容器部７０ｅ内に導かれる構成となっている。
さらにシャッタ流路６２ｅ、６２ｆは第３プレート５１ｃと第４プレート５１ｄ間で、線状部を非接着状態として設けられ、流路６１ｂ、６１ｃの下方向に潜り込み交差部を形成している。またマイクロチップ５０の最下を構成する第４プレート５１ｄには貫通穴が設けられているため該弾性容器部７０ｅの一部を構成する第３プレート５１ｃと、テーブル３に上面と同一面をなす伝熱部材３２の狭域面３２ａ間には隙間部Ｓが介在する。説明上流路６１ｂ、６１ｃおよびシャッタ流路６２ｅ、６２ｆは実態を有する部位として表記しているが、実際は容積０の状態である。
さらに温度調整ユニット３０の詳細を説明する。テーブル３に空けられた貫通穴３６には断熱部材３４が挿入され、さらに該断熱部材３４に空けられた錐台の貫通穴３４ａには錐台形態をなす伝熱部材３２が嵌め合わされている。即ち、伝熱部材３２の側面を断熱部材３４にて覆うことになり、これにより伝熱部材３２の側面が大気に露出するのを防止し、伝熱部材３２による熱伝導効率を高めることが出来る。また該断熱部材３４には小穴３２ｃが設けられ温度センサ３３が先端部を伝熱部材３２の狭域面３２ａと同一面となるように埋め込まれている。一方電流／熱変換素子として周知の部位であるペルチェ素子３１は温度印加面３１ａを該伝熱部材３２の広域面３２ｂに、他面の温度放熱面３１ｂを放熱板３５に当接して設けられ、さらに放熱板３５はネジ３８、台座３７を介しテーブル３に固定されている。
さらに温度センサ３３、ペルチェ素子３１の電源線３１ｃはコントローラ１５に接続されている。すなわちコントローラ１５により予めプログラムされたように、ペルチェ素子３１を温度センサ３３からのフィードバック制御し、発熱または冷却させることにより伝熱部材３２に熱伝導を行う構成となっている。また本構成を用いることで伝熱部材３２は、集熱または散熱を行うことが可能となる。詳細については後述する。
さらに図４にて温度調整ユニット３０がテーブル３内に搭載された詳細を説明する。図４は一部を断面とした斜視図である。温度調整ユニット３０を構成する断熱部材３４の狭域面３２ａおよび温度センサ３３の先端および断熱部材３４の短面はテーブル３の上面と同一面となるように構成されている。
次に抽出槽５２に試料が充填され、温度調整ユニット３０により該抽出槽５２に所定温度に印加される動作を説明する。前述したように図２で示した試料槽５２ａ、５２ｂ、５２ｃに充填された試料５７ａ、５７ｂ、５７ｃが順次反応層５２ｄへ送液され反応を終了した試料は、反応層５２ｄ上部から空気に代表される圧力媒体を加圧印加されることにより流路６１ｂへ押し出される。その際シャッタ流路６２ｄは閉鎖されている。またシャッタ流路６２ｅは開放され、シャッタ流路６２ｆは閉鎖されている。その結果試料は唯一開放されている流路シャッタ流路６２ｅを介して抽出槽５２ｅへ注入される。
さらに詳細な動作を図５で説明する。図５は抽出槽５２ｅ及び温度調整ユニット３０の詳細を示す断面図である。前述のようにシャッタ流路６２ｅが開放されているため、反応槽５２ｄからＤ方向へ押し出された試料１５７は流路６１ｂを介して抽出槽５２ｅを構成する該弾性容器部７０ｅへ導かれる。またシャッタ流路６２ｆには圧力媒体が加圧印加され、第３プレート５１ｃを撓ませるため、弾性容器部７０ｅからの流出流路６１ｃを閉鎖している。その結果試料１５７は弾性容器部７０ｅを風船状に膨張させ内部に充填される。さらに弾性容器部７０ｅの一部は下方に膨張し、隙間部Ｓの内部に突出して温度調整ユニット３０を構成する伝熱部材３２の狭域面３２ａに圧接される。
次に図６によりコントローラ１５の予め設定されたプログラムにより、温度調整ユニット３０が所定の温度制御を行う動作を説明する。図６は抽出槽５２ｅ及び温度調整ユニット３０の詳細を示す断面図である。図５で説明した状態からシャッタ流路６２ｅに圧力媒体を加圧印加すると、前述と同様にシャッタ流路６２ｅは流路６１ｂを閉鎖する。また流路６１ｃはシャッタ流路６２ｆによりすでに閉鎖されているので、弾性容器部７０ｅは開放されている流路が無いため密閉状態となる。その後コントローラ１５の指令に基づき温度調整ユニット３０が駆動され、ペルチェ素子３１、伝熱部材３２を介し該弾性容器部７０ｅ内を加温、または冷却する。その際には試料１５７は密閉状態であるため、温度上昇による圧力上昇に伴う漏れは発生せず、効率的な加温、または冷却が可能となる。
次に図７により弾性容器部７０内の試料１５７を押し出す動作を説明する。図６で説明した状態からシャッタ流路６２ｆへ加圧印加していた圧力媒体を解圧すると。シャッタ流路６２ｆは流路６１ｃうぃ開放する。その後カバー２０上の加圧穴２２から圧力媒体をＥ方向に加圧印加すると、弾性容器部７０ｅ内の試料１５７は唯一開放されている流路６１ｃをＦ方向に押し出される。その結果試料１５７は図２で示す流路６１ｃを介し取り出し口５８ａ、５８ｂ、５８ｃへ送液され、最終産物として取り出される。また説明において抽出槽５２ｅの構成を説明したが、反応槽５２ｄも該抽出槽５２ｅと同様の構成を持つ。
次に温度調整ユニット３０動作の説明を図８および図９にて説明する。図８は温度調整ユニット３０の主要部を示す断面図である。周知に事実としてペルチェ素子３１の電源線３１ｃに印加する電圧±の極を切り替えることにより、温度印加面３１ａが発熱かつ温度放熱面３１ｂが冷却される状態と、温度印加面３１ａが冷却かつ温度放熱面３１ｂが発熱される状態とが得られる。
最初に前記の温度印加面３１ａが発熱、温度放熱面３１ｂが冷却される状態を図８で説明する。ペルチェ素子３１の温度印加面３１ａが発熱すると、断熱体３４で外部と遮断された熱は唯一の伝達面である伝熱体３２に伝熱する。今伝熱体３２の広域面３２ｂから伝熱され、広域面３２ｂとΔＸからなる微細な体積Ｐ１に供給された熱量分布をＨ１とする。供給された熱量は、伝熱体３２の上方へさらに伝熱される。伝熱体３２の中間部での微細な体積Ｐ２は、ΔＸが等しく断面積が縮小されるためＰ１＞Ｐ２となる。体積が縮小し、供給される熱量が同じため、Ｐ２内での熱量分布Ｈ２はＨ１より高くなる。すなわち伝熱体３２の上方へ行くほど、単位体積あたりに蓄積される熱量分布は多くなる。さらに伝熱体３２の狭域面３２ａ近傍では、最小となる狭域面３２ａの面積とΔＸからなる体積がＰ１＞Ｐ２＞Ｐ３と縮小され、その結果、熱量分布はＨ３＞Ｈ２＞Ｈ１となる。すなわち伝熱体３２の広域面３２ｂへ供給された熱量は、狭域面３２ａへと伝達される間に、熱量分布が高まる。結果としてペルチェ素子３１からの発生熱量を微細部分に集約し、微小な容器であるＰＣＲ増幅槽への効率的な加熱が可能となる。またペルチェ素子３１の冷却面である温度放熱面３１ｂは、放熱板３５と広い面積で当接されており、大気から加温される。その結果ペルチェ素子３１はより温度放熱面３１ｂを冷却せしめ、その結果温度印加面３１ａの発熱が促進される。すなわち図４で示すように、伝熱体３２の狭域面３２ａ近傍に設けられた温度センサ３３と、コントローラ１５により制御される温度サイクルの、温度上昇速度が速くなる。
次に温度印加面３１ａが冷却、温度放熱面３１ｂが発熱される状態を図９で説明する。電源線３１ｃに印加する電圧±の極を切り替えるとペルチェ素子３１の温度印加面３１ａは冷却され、温度放熱面３１ｂは加熱される。本工程の目的は図４で示すＰＣＲ増幅槽５８ａ、５８ｂ、５８ｃから、伝熱部材３２の狭域面３２ａへ伝熱された熱量を放熱することである。図７で示すように伝熱部材３２の狭域面３２ａとΔＸからなる微細体積部Ｐ３へ放熱された熱量の分布をＨ６とする。伝熱部材３２は外周を断熱部材により遮断されているため、熱量は下方向へ伝熱される。伝熱部材３２の中間部の微細部ΔＸによる微細体積部Ｐ２は、錐形状により断面積が広がるためＰ３＜Ｐ２となる。そのためＰ２内での熱量分布Ｈ５は、Ｈ６と比較するとＨ５＜Ｈ６となる。すなわち体積が増加する分、分布量は減少する。さらに伝熱部材３２の広域面３２ｂ近傍のΔＸによる微細体積部Ｐ１は増加し、Ｐ３＜Ｐ２＜Ｐ１となり、熱量分布はＨ４＜Ｈ５＜Ｈ６となる。その結果狭域面３２ａからの放熱速度が速くなる。

本発明の実施例２について説明する。実施例２は実施例１と一部が異なるものであるので、ここでは実施例１と異なる点について説明する。
図１０はマイクロチップ２５０の一部斜視図を示す。流路６１ｂ、６１ｃ、シャッタ口５３ｅ、５３ｆ、シャッタ流路６２ｅ、６２ｆ、抽出槽５２ｅおよび弾性容器部７０ｅは図２で示した実施例と同様の構成を持つ。弾性容器部７０ｅには流路６１ｂ、６１ｃの他にＥ字形状をなす閉鎖流路２５１が連接されている。閉鎖流路２５１の先端はシャッタ流路６２ｅ、６２ｆと同様に、流路６１ｂ、６１ｃと異なる層に設けられると共に、該流路６１ｂ、６１ｃの下方に潜り込み交差部を形成し終端している。すなわち弾性容器部７０ｅに試料が充填されると、試料は閉鎖流路２５１に導かれ弾性容器部７０ｅに連接した流路６１ｂ、６１ｃを閉鎖する構成となっている。
次に実施例２の動作について図１１を参照して説明する。図１１は実施例２の初期状態を示す断面図である。初期状態においてシャッタ流路６２ｅ、６２ｆには圧力媒体が加圧印加されておらず、流路６１ｂ、６１ｃは開放されている。また弾性容器部７０ｅに試料は充填されていないため、該弾性容器部７０ｅの両側に設けられた閉鎖流路２５１に試料は導かれておらず、流路６１ｂ、６１ｃは開放されている。
次に第２段階の動作を図１２にて説明する。図１１で示した初期状態から、図１０で示すシャッタ口５３ｆから圧力媒体を加圧印加すると、図１２で示すシャッタ流路６２ｆが膨らみ流路６１ｃを閉鎖する。その後試料１５７が流路６１ｂ内をＧ方向に送液され、シャッタ流路６２ｆが閉鎖されているため、弾性容器部７０ｅ内に充填される。
次に第３段階の動作を図１３にて説明する。図１２で示した第２段階の動作を継続すると、試料１５７は図１０で示す弾性容器部７０ｅを経て閉鎖流路２５１に導かれる。その結果図１３で示すように、閉鎖流路２５１に導かれた試料１５７は流路６１ｂ、６１ｃを閉鎖する。その後図１０で示すシャッタ口５３ｅに圧力媒体を加圧印加すると、図１３で示すシャッタ流路６２ｅは膨張し流路６１ｂを閉鎖する。その結果流路６１ｂ、６１ｃはシャッタ流路６２ｅ、６２ｆ、閉鎖流路２５１により二重に閉鎖され、堅固な閉鎖力を持つ。その後温度調整ユニット３０が駆動され、前実施例と同様に弾性容器部７０ｅ内の試料１５７を所定の温度に加熱または冷却を行う。
次に第４段階の動作を図１４にて説明する。図１３で示した第３段階の動作終了後、図１０で示すシャッタ口５３ｆへ加圧印加していた圧力媒体を解圧する。その結果図１４で示すシャッタ流路６２ｆは流路６１ｃを開放する。その後カバー２０上の加圧口２２から圧力媒体を加圧印加すると弾性容器部７０ｅ内の試料１５７は唯一開放されている流路６１ｃ内をＫ方向に押し出される。その結果図２で示される取り出し口５８ａ、５８ｂ、５８ｃへ送液される。その後周知の事実であるピペッタ等で採取される。
以上の結果、弾性容器部７０ｅ内の試料１５７は堅固に密閉された容器内で、加温または冷却が行われると共に、弾性材からなる容器内で行われるため、漏れなどの熱による膨張、収縮の影響を受けない。すなわち高効率および信頼性の高い温度制御機構が得られる。実施例１においては、弾性容器部７０ｅへの流路の閉鎖をシャッタ流路６２ｅ及び６２ｆのみにて行っていたが、実施例２においては、シャッタ流路６２ｅ及び６２ｆに加えて、閉鎖流路２５１を用い、弾性容器部７０ｅへの流入路６１ｂ及び流出路６１ｃのそれぞれを、二重に閉鎖する。これにより、実施例１と比較しても信頼性の高い温度制御機構を得ることが出来る。

実施例１及び２では、弾性容器部７０ｅにて加熱・冷却した試料を、取り出し口５８ａ、５８ｂ、５８ｃに送液し、これら取り出し口から採取した試料を観察して解析に供したが、これに対し、実施例３では、弾性容器部８０ｅにて試料を加熱・冷却した後、そのまま弾性容器部８０ｅにて試料の観察を行う。
実施例２との相違点を中心に実施例３について説明する。図１５に示すように、本実施例のマイクロチップ３５０には、弾性容器部８０ｅから試料を排出する流出路６１ｃがない。また、実施例２の閉鎖流路２５１に対応する閉鎖流路２５２に流出路６１ｃに対応する支流がない。
また、弾性容器部８０ｅは、弾性を有すると共に、少なくとも一部の周波数の光乃至電磁波に対する透過性を有する材料でできている点で異なる。これにより、試料を弾性容器部８０ｅの中に収めたままで試料を光学的に或いは電磁波を用いて観測可能となっている。具体的には、例えば、第２プレート５１ｂ、第３プレート５１ｃ及び第４プレート５１ｄを、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）やポリスチレンにて形成することにより、弾性容器部８０ｅに半透過性或いは透過性を付与する。
実施例２における第３段階の動作中に、弾性容器部８０ｅ内の試料を、加圧穴２２などから観察することにより、試料の解析に供することができる。一例として、試料としてＤＮＡを用いたときには、第３段階の動作を、Ｒｅａｌ Ｔｉｍｅ ＰＣＲと呼ばれる方法に適用できる。Ｒｅａｌ Ｔｉｍｅ ＰＣＲ法では、ＰＣＲの温度サイクルの進行状況を光学的に観測することにより、増幅されたＤＮＡ産物の増加傾向を測定し、元々試料に含まれていたＤＮＡ量を推定する。
弾性容器部８０ｅに電極等を設置することにより、試料を電気化学的に観測することが出来る。それにより、ＤＮＡ産物の増加傾向を測定することも可能となる。
また、弾性容器部８０ｅ内の温度を徐々に変化させると同時に、試料の状況を光学的に観測することにより、ＤＮＡの２本鎖開裂の温度を測定することが出来る。

上述の実施例では、抽出槽５２ｅの径は伝熱部材３２の狭域面３２ａよりも広く、狭域面３２ａの全面が弾性容器部７０ｅ或いは８０ｅの底面に接していた。これに対し、本実施例では、図１６に示すように、抽出槽５２ｆの径は狭域面３２ａよりも狭い。
ここで、例えば、実施例１において抽出槽５２ｅと狭域面３２ａの大小関係を逆転したのみの状態を、図３及び図１６を参照して考える。抽出槽５２ｅの小径にともない弾性容器部７０ｅがさらに小径になり伝熱部材３２の狭域面３２ａの径より小さくなると、カバー２０はＯリング２６を介し流路６１ｂの下部の第４プレート５１ｄの一部を該狭域面３２ａへ押し付ける。その結果、流路６１ｂを圧接するため、流路６１ｂに試料１５７が導かれて来ても弾性部材からなる第４プレート５１ｄの一部を下方向に歪ませることが出来ずに圧閉され、試料１５７が弾性容器部７０ｅへ流入出来ない。
そこで、本実施例では、図１６に示すように円Ｌで囲んだ伝熱部材３２の狭域面３２ａに、矢印Ｍで示すように切り欠部を設け、流路６１ｂと弾性容器部９０ｅの接合部を構成する弾性体からなる第４プレート５１ｄの一部が撓む空間を設ける。これにより、試料１５７が流路６１ｂを介して弾性容器部９０ｅに流入する際の抵抗が減少し、その結果、試料の注入が容易になる。
本実施例によれば、極微細な試料を加温または冷却するために、弾性容器部の容量を小さくしても、所望の分量の試料を弾性容器部内に容易に注入することができる。
また、本実施例では、弾性容器部への流入路及び流出路を、試料が生じる圧力を用いて閉鎖する。少量の試料を加熱すると試料が高温になり、試料は高圧を発するが、本実施例によれば試料が発する圧力を流路を閉鎖する力に転用するため、試料の温度上昇に伴う弾性容器部からの試料の漏れを更に効果的に防止することが可能となる。結果として、本実施例によれば、高圧を発しやすい少量の試料に対する加熱を行うことが可能となる。

実施例５は実施例２の一部を変更したものである。実施例２との相違点について説明すると、マイクロチップ４５０はメインプレート５１ａ、第２プレート５１ｂ、第３プレート５１ｃ、第４プレート５１ｄに加えて、第４プレート５１ｄの下層に第５プレート５１ｅを備える。また、メインプレート５１ａから第４プレート５１ｄまでシャッタ口６３、６４が貫通している。シャッタ口６３は、第４プレート５１ｄと第５プレート５１ｅの間の非接着部に形成されたシャッタ流路２５３に接続されている。また、シャッタ口６４は、同じく第４プレート５１ｄと第５プレート５１ｅの間の非接着部に形成された押し出し流路２５４に接続されている。
シャッタ流路２５３は、閉鎖流路２５１のうち、流路６１ｃと交差する部分の手前に、閉鎖流路２５１と交差するようにして設けられている。シャッタ口６３から圧縮媒体を介して加圧し、シャッタ流路２５３が閉じると、閉鎖流路２５１のうち流路６１ｃと交差する部分への試料の流入をせき止める。
押し出し流路２５４は、閉鎖流路２５１のうち、流路６１ｃと交差する支流の端部からシャッタ流路２５３の手前までに、閉鎖流路２５１と重なるように設けられている。シャッタ口６４から圧縮媒体を介して加圧すると、押し出し流路２５４は膨張し、重なっている閉鎖流路２５１の支流内の試料を弾性容器部７０ｅに押し戻す。
段階３までは実施例２と同様に動作する。段階３において、弾性容器部７０ｅに圧力を加える前に、閉鎖流路２５１内の試料のうち、流路６１ｃの流れをせき止めている試料を、押し出し流路２５４により弾性容器部７０ｅに押し戻す。次に、シャッタ流路２５３を閉じることにより、閉鎖流路２５１のうち、流路６１ｃをせき止める支流への試料の流れをせき止める。そして、押し出し流路２５４から圧力媒体を抜く。
このようにすれば、弾性容器部７０ｅから試料をより円滑に排出することができるようになる。
以上、本発明を実施例１乃至５に即して説明したが、当業者であれば、本発明の技術的思想の範囲内で上述の実施例に変更を加えることができるのは勿論である。
例えば、上述の実施例では、温度制御の対象となる弾性容器部、伝熱部材及びペルチェ素子の１組を有する温度制御ユニットを前提として説明したが、一つのマイクロチップ内に複数の弾性容器部を設け、解析装置に複数の伝熱部材及びペルチェ素子を設置することも可能である。つまり、マイクロチップ上の弾性容器部はひとつに限定されるものではなく、解析装置にて弾性容器部に対応する温度制御ユニットの数もひとつに限定されるものではない。複数の試料容器を有するマイクロチップを、複数の試料容器に対応した伝熱部材に一度に接触させる際、本発明では試料が弾性容器部を膨張させる圧力を用いている。このため、ひとつの流入路を分流してそれぞれに弾性容器部を設けることとすれば、各弾性容器部が伝熱部材を押下する圧力を均一にすることができる。
また、上述の実施例では加熱及び冷却を行う装置としてペルチェ素子を挙げて説明したが、加熱のみ或いは冷却のみを行うヒータ或いは冷却装置であってもよく、ペルチェ素子に限定されるものではない。
また、上述の実施例では加圧の媒体を圧縮空気としたが、圧力伝達可能な他の媒体、例えば液体やゲル等でも同様の効果をもたらすことが可能であり、圧縮空気に限定されるものではない。
また、実施例１、２、４では、最終的な試料の取出し手段を周知のピペッタ手段として説明したが、マイクロチップ上に設けた次の分析手段、例えば電気泳動手段などの機構に順次送液しても良い。
また、実施例４では、伝熱部材の抵抗低減のための切り欠き部の形状として、図１６にて斜状に図示しているが、カバー２０からの圧力を受けたときに第４プレート５１ｄの一部が逃げる空間が確保できるような形状であれば、他の形状であっても同様の効果が得られ、形状に限定されるものでは無い。
この出願は、２００７年９月２１日に出願された日本出願特願第２００７−２４５９０５号を基礎とする優先権を主張し、その開示のすべてをここに取り込むものである。

Claims (20)

1. 容器部に接触させた伝熱部材を介して、前記容器部に収めた試料を加熱乃至冷却する温度制御方法において、
   前記容器部の少なくとも一部は弾性部材からなり、前記容器部に接続された流路との接続口を除いて前記容器部は閉じていて、試料の注入及び排出に応じて前記容器部は膨張及び収縮し、
   収縮して前記伝熱部材に非接触の状態にある前記容器部に対し、前記流路である流入路を介して試料を注入すると、前記注入に応じて前記容器部が膨張する段階と、
   予め定められた量の試料が注入されて前記容器部が膨張して前記伝熱部材に接触する段階と、
   前記伝熱部材を介して前記容器部を加熱或いは冷却する段階と
   を含むことを特徴とする温度制御方法。
   
2. 請求項１に記載の温度制御方法において、前記容器部に外部から圧力を加え、前記流路である流出路を介して試料を前記容器部から排出する段階を更に含むことを特徴とする温度制御方法。
3. 請求項１に記載の温度制御方法において、前記流路の少なくとも一部は弾性部材からなり、前記容器部への試料の注入及び排出を制御するため、前記流路の弾性部材からなる部位に対して印加する圧力を制御することを特徴とする温度制御方法。
4. 請求項３に記載の温度制御方法において、
   前記容器部のみに接続され、前記流路の弾性部材からなる部位と交差し、少なくとも前記交差する部位が弾性部材からなる閉鎖流路が前記容器部に接続され、
   前記容器部への試料の注入に応じて、前記閉鎖流路の前記交差する部位が膨張して、前記閉鎖流路と交差する他の流路を圧迫する
   ことを特徴とする温度制御方法。
5. 請求項１に記載の温度制御方法において、前記伝熱部材の少なくとも一部は断熱部材に覆われていることを特徴とする温度制御方法。
6. 請求項１に記載の温度制御方法において、
   積層した弾性板の間の一部を接着し、一部を非接着して、非接着部分を前記容器部及び流路とし、
   前記容器部をなす弾性板のうち前記伝熱部材に近い方の弾性板と、前記伝熱部材との間の弾性板は、膨張した前記容器部に押されて変形し、
   前記変形を起こした前記弾性板の少なくとも一部は、前記伝熱部材の前記容器部と接する面に予め設けられた凹部に収まる
   ことを特徴とする温度制御方法。
7. 容器部に接触させた伝熱部材を介して、前記容器部に収めた試料を加熱乃至冷却する温度制御システムにおいて、
   前記容器部の少なくとも一部は弾性部材からなり、前記容器部に接続された流路との接続口を除いて前記容器部は閉じていて、試料の注入及び排出に応じて前記容器部は膨張及び収縮し、
   収縮して前記伝熱部材に非接触の状態にある前記容器部に対し、前記流路である流入路を介して試料を注入すると、前記注入に応じて前記容器部は膨張し、
   前記容器部は、予め定められた量の試料を注入されると、膨張して前記伝熱部材に接触し、
   前記接触した前記容器部を、前記伝熱部材を介して加熱或いは冷却する
   ことを特徴とする温度制御システム。
8. 請求項７に記載の温度制御システムにおいて、
   前記流路として前記容器部から試料を排出するための流出路を備え、
   前記容器部に試料を収めているとき、前記容器部に外部から圧力を加えると、前記流出路を介して試料を前記容器部から排出する
   ことを特徴とする温度制御システム。
9. 請求項７に記載の温度制御システムにおいて、前記流路の少なくとも一部は弾性部材からなり、前記容器部への試料の注入及び排出を制御するため、前記流路の弾性部材からなる部位に対して印加する圧力を制御することを特徴とする温度制御システム。
10. 請求項９に記載の温度制御システムにおいて、
    前記容器部のみに接続され、前記流路の弾性部材からなる部位と交差し、少なくとも前記交差する部位が弾性部材からなる閉鎖流路を備え、
    前記容器部への試料の注入に応じて、前記閉鎖流路の前記交差する部位が膨張して、前記閉鎖流路と交差する他の流路を圧迫する
    ことを特徴とする温度制御システム。
11. 請求項７に記載の温度制御システムにおいて、前記伝熱部材の少なくとも一部は断熱部材に覆われていることを特徴とする温度制御システム。
12. 請求項７に記載の温度制御システムにおいて、
    積層した第１及び第２の弾性板を備え、
    前記第１及び第２の弾性板の間の接着部と非接着部のうち、非接着部を前記容器部及び流路とし、
    前記第１及び第２の弾性板のうち前記容器部が膨張したときに前記伝熱部材と接触する方の弾性板から、前記伝熱部材の方に積層した第３の弾性板を備え、
    前記伝熱部材は前記容器部と接する面に凹部を備え、
    前記第３の弾性板は、膨張した前記容器部に押されて変形し、前記変形を起こした前記第３の弾性板の少なくとも一部は、前記凹部に収まる
    ことを特徴とする温度制御システム。
13. 請求項７に記載の温度制御システムにおいて、前記容器部は、少なくとも一部の周波数の電磁波に対する透過性を有することを特徴とする温度制御システム。
14. 試料を収める容器部を備えるマイクロチップにおいて、
    前記容器部に収めた試料を加熱乃至冷却するための伝熱部材を備える温度制御手段を備える装置に搭載して試料を加熱乃至冷却するためのマイクロチップであって、
    積層した第１及び第２の弾性板の間に互いを接着した部分と非接着の部分とを有し、前記非接着部を容器部及び流入路とし、
    前記容器部は試料の流入に応じて膨張し、
    前記容器部は、前記装置に搭載した状態で予め定められた量の試料を注入して膨張すると、前記伝熱部材に接触する
    ことを特徴とするマイクロチップ。
15. 請求項１４に記載のマイクロチップにおいて、
    前記非接着部を容器部、流入路及び流出路とし、
    前記容器部に試料を収めているとき、前記容器部に外部から圧力を加えると、前記流出路を介して前記容器部から試料を排出する
    ことを特徴とするマイクロチップ。
16. 請求項１４に記載のマイクロチップにおいて、
    更に、少なくとも一方が前記第１及び第２の弾性板とは異なる弾性板であって、互いに積層した第３及び第４の弾性板を備え、
    前記第３及び第４の弾性板の間に互いを接着した部分と非接着の部分とを有し、
    前記第３及び第４の弾性板の間に仮想した平面に対して前記流入路または流出路を投影したとき、前記仮想した平面上で前記投影した流入路または流出路と交差するシャッタ流路を前記非接着部に有し、
    前記シャッタ流路は、外部から注入された圧力媒体により膨張し、前記交差した部分において前記流入路または流出路を閉じることにより、前記流入路または流出路における試料の流れを制御する
    ことを特徴とするマイクロチップ。
17. 請求項１６に記載のマイクロチップにおいて、
    前記仮想した平面上で前記投影した流入路または流出路の少なくとも一方と交差する閉鎖流路を、前記第３及び第４の弾性板の間の前記非接着部に有し、
    前記容器部と前記閉鎖流路とを接続する流路を備え、
    前記容器部への試料の注入に応じて、前記閉鎖流路の前記交差する部位が膨張して、前記閉鎖流路と交差する前記流入路または流出路を圧迫する
    ことを特徴とするマイクロチップ。
18. 請求項１４に記載のマイクロチップにおいて、前記伝熱部材の少なくとも一部を覆う断熱部材を備えることを特徴とするマイクロチップ。
19. 請求項１４に記載のマイクロチップにおいて、
    前記第１及び第２の弾性板のうち前記容器部が膨張したときに前記伝熱部材と接触する方の弾性板から、前記伝熱部材の方に積層した第５の弾性板を備え、
    前記伝熱部材は前記容器部と接する面に凹部を備え、
    前記第５の弾性板は、膨張した前記容器部に押されて変形し、前記変形を起こした前記第５の弾性板の少なくとも一部は、前記凹部に収まる
    ことを特徴とするマイクロチップ。
20. 請求項１４に記載のマイクロチップにおいて、前記容器部は、少なくとも一部の周波数の電磁波に対する透過性を有することを特徴とするマイクロチップ。

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