JP6518260B2 - ポリメラーゼ連鎖反応の方法及び装置 - Google Patents
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Description
本願は、２０１４年９月２日に出願された米国仮出願Ｎｏ．６２／０４４，４１３号の優先権を主張し、かかる米国特許出願の記載内容を参照により本明細書に組み込む。
本発明は、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）によって核酸配列を増幅することに関する。特に、本発明は、電磁放射（ＥＭＲ）とＥＭＲ周波数を吸収でき且つ遷移金属材料を有する粒子とを組み合わせて加熱源とすることによりＰＣＲの中で核酸配列を増幅することに関する。
ポリメラーゼ連鎖反応は、単一または複数のターゲットテンプレートから１つまたは複数のＤＮＡ断片の複数のコピーを合成する技術発見である。オリジナルのＰＣＲプロセスは、サーマス・アクアティクス（Ｔａｇ）からの耐熱性ＤＮＡポリメラーゼに基づき、サーマス・アクアティクス（Ｔａｇ）は、４種のＤＮＡ塩基（シトシン、グアニン、アデニン、チミン）及び一対のＤＮＡプライマーを含む混合物の中で、与えられたＤＮＡ鎖の相補鎖を合成できる。各ＤＮＡプライマーは、標的ＤＮＡ塩基配列の末端に対応する。この混合物を加熱して、二重らせんＤＮＡを、標的核酸配列を含む個々の鎖に分離し、その後、混合物を冷却することにより、プライマーを分離された鎖における相補的な配列とハイブリダイズさせてＴａｇポリメラーゼにプライマーを延長させ、新たな相補的な鎖にする。加熱及び冷却サイクルを繰り返すと、ターゲットＤＮＡは指数関数的に増幅され、新たに形成された各二重らせんＤＮＡは、更なる合成のために２つのテンプレートに分かれる。
ポリメラーゼ連鎖反応の１つの典型的な温度設定は、（１）ＤＮＡを９５℃下で１５〜３０秒間変性させる、（２）適切なアニーリング温度で３０〜６０秒間、プライマーとのハイプリダイゼーションを行う、（３）増幅されるべきＤＮＡの長さに応じて一定の時間、一般的には約３０〜６０秒間、７２℃でハイブリダイズされたプライマーの伸長または延長を行う。変性及びハイブリダイゼーションのステップはほぼ瞬時に起こる。しかし、従来のＰＣＲ装置で、熱平衡化のために金属の加熱ブロックまたは水を使用する際、温度は約１℃／秒の速度で変化する。この従来の温度サイクルは、ＤＮＡサンプル自体以外の材料の加熱及び冷却を必要とするので非効率的である。
添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を閲覧することでより内容が理解できる。
添付の図面に関連する以下の詳細な説明は、本実施例の説明とされるが、本実施例の構造または使用に対する唯一の形態ではない。また以下の説明では、実施例の機能及び実施例を構造し且つ実行するステップの順序を規定しているが、異なる実施例により同じまたは同等の機能及び順序が得られる。
ＰＣＲプロセスは、制御温度下での大量加熱作業に関し、退屈だけでなく、時間及びエネルギーを費やす。本発明では、電磁放射（ＥＭＲ）とＥＭＲを吸収でき且つ遷移金属材料を有する粒子とを組み合わせて加熱源とすることで、約１３〜１５℃／秒の速度でＰＣＲ反応混合物の温度を上昇させることができる。これにより、ミニチュアデバイスの中で、より速く且つエネルギー効率が高い方法でＰＣＲを行える。また、１つの温度から別の温度までの高速変化は、サンプル（例えば、標的ＤＮＡ配列）が望ましくない中間温度下で費やす時間を最短化することを保証し、増幅されたＤＮＡのフィデリティー及び純度を最適化する。
本発明は、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）によって反応混合物の核酸配列を増幅する方法に関する。本方法は、反応混合物を、遷移金属、遷移金属をドープしたＩＩＩ族金属の窒化物、リン化物、ヒ化物、または遷移金属をドープした二酸化ケイ素を含む材料から形成される粒子と接触させることを含む。本方法は、さらに約２００（キロヘルツ）ｋＨz〜５００（テラヘルツへ）ＴＨzの周波数を有する電磁放射（ＥＭＲ）によって粒子を照射することを含む。これにより、標的核酸配列が増幅される。第ＩＩＩ族金属は、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）及びインジウム（Ｉｎ）の任意の１つであってもよい。遷移金属は、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及び銅（Ｃｕ）の任意の１つであってもよい。ＰＣＲでの反応混合物の温度は、約１３〜１５℃／秒の速度で上昇し、約６〜７℃／秒の速度で低下することができる。
本発明は、さらにポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）により反応混合物の核酸配列を増幅する方法に関する。本方法は、反応混合物と遷移金属酸化物、遷移金属水酸化物、遷移金属酸化物をドープした二酸化ケイ素、または遷移金属水酸化物をドープした二酸化ケイ素を含む材料を有する粒子とを接触させることを含む。本方法は、さらに約２００ｋＨz〜５００ＴＨzの周波数を有する電磁放射（ＥＭＲ）で粒子を照射することを含む。これにより、ターゲット核酸配列が増幅される。遷移金属、遷移金属酸化物及び遷移金属水酸化物の全部または一部は、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）及び銅（Ｃｕ）である。ＰＣＲでの反応混合物の温度を、約１３〜１５℃／秒の速度で上昇させ、約６〜７℃／秒の速度で低下させることができる。本発明の１つまたは複数の実施形態において、遷移金属酸化物または遷移金属水酸化物は、ＦｅＯ、Ｆｅ２０３、Ｆｅ３０４、ＦｅＯ(ＯＨ)、Ｆｅ(ＯＨ)２、Ｆｅ(ＯＨ)３、ＭｎＯ、Ｍｎ３０４、Ｍｎ２０３、ＭｎＯ(ＯＨ)、Ｍｎ０２、ＣｏＯ、ＣｏＯ(ＯＨ)、Ｃｏ３０４及びＣｕＯの１つまたは複数であってもよい。
本発明の１つまたは複数の実施形態において、粒子はＦｅＯ、Ｆｅ２０３、Ｆｅ３０４の１つまたは複数であってもよい。
本発明の１つまたは複数の実施形態において、遷移金属、または金属イオンとドープされた第ＩＩＩ族金属の窒化物、リン化物またはヒ化物は、Ｍｎ、Ｆｅ、ＣｏまたはＣｕをドープした窒化ガリウム（ＧａＮ）、Ｍｎ、Ｆｅ、ＣｏまたはＣｕ或いはこれら遷移金属それぞれのイオンをドープした窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、Ｆｅ、ＣｏまたはＣｕ或いはこれら遷移金属それぞれのイオンをドープしたリン化アルミニウム（ＡｌＰ）、Ｆｅ、ＣｏまたはＣｕ或いはこれら遷移金属それぞれのイオンをドープしたインジウムリン（ＩｎＰ）、Ｆｅ、ＣｏまたはＣｕまたはこれら遷移金属それぞれのイオンをドープしたガリウム砒素（ＧａＡｓ）、Ｆｅ、ＣｏまたはＣｕ或いはこれら遷移金属それぞれのイオンをドープしたヒ化インジウム（ＩｎＡｓ）を含む。しかしこれらに限定されない。
粒子を照射するステップは、反応混合物の温度をＤＮＡ変性のために必要とする第一温度範囲、通常約８０〜１０５℃まで上昇させ、そして０．５〜１分間維持するステップと、反応混合物の温度をプライマー対のアニーリングのために必要とする第二温度範囲、通常約３５〜６５℃まで上昇させ、その後０．５〜１分間維持し、これにより一対のプライマーが変性した核酸配列とハイブリダイズするステップと、反応混合物の温度をポリメラーゼが活性化できる第三温度範囲、通常約４０〜８０℃まで上昇させ、増幅される標的配列の長さに応じて０．５〜５分間維持し、これにより標的核酸配列が伸長合成によって増幅されるステップと、を含む。
他の実施例において、粒子は反応混合物内でターゲット核酸と直接混合される。反応混合物の中の粒子それぞれの流体力学的直径は約１００〜８００ｎｍである。
他の実施形態において、遷移金属材料を有する粒子からなる容器に反応混合物を載置する。例えば、複数のの実施形態において、上記粒子を有する１つまたは複数のフィルム、コーティングまたはレイヤーを容器の表面上に設置することができる。また、１つまたは複数のフィルム、コーティングまたはレイヤーは、上記粒子それぞれの一つ又は複数の単層からなることができる。
１つまたは複数のフィルム、コーティングまたはレイヤーは、容器と別々に製造された後に容器に設置されることができる。例えば、粒子を含有する薄膜は、マトリックスまたは担体材料に形成された後、熱積層、冷積層または溶媒積層技術の何れかによって容器の表面に設置されてもよい。容器表面からの剥離または層間の剥離を防止するために、当業者は、１つまたは複数のフィルム、コーティングまたはレイヤーを容器表面に強固に接着させる設置方法の任意の１つを認識するであろう。
１つまたは複数のフィルム、コーティングまたはレイヤーは、容器に直接設置することができる。１つまたは複数のフィルム、コーティングまたはレイヤーは、化学気相蒸着法（ＣＶＤ）、物理気相成長法、スプレイコーティング、ブラッシング、浸漬コーティングまたは他の任意の適切な方法によって、容器に直接設置できる。容器表面からの剥離または層間剥離を防止するために、当業者は、１つまたは複数のフィルム、コーティングまたはレイヤーを容器表面に強固に接着させる設置方法の任意の１つを認識するであろう。
従って、本発明は、ＰＣＲの中で反応混合物のターゲット核酸配列を増幅する装置も含む。この装置は、反応混合物を間接または直接本発明の粒子と接触させるように構成されるチューブ、容器ホルダーまたは反応容器と、粒子を照射するために約２００ｋＨz〜６００ＴＨｚの周波数を有し且つサンプルホルダまたは反応容器にガイドされる放射線を放射するように構成されたＥＭＲ周波数発生器と、サンプルホルダまたは反応容器、ファン及びＥＭＲ周波数発生器に接続されて、約１３〜１５℃／秒の速度で反応混合物の温度を上昇させ且つ約６〜７℃／秒の速度で反応混合物の温度を低下させるマイクロ処理器と、を備える。
上記の通り、発生したＥＭＲ周波数は、２００ｋＨｚ〜６００ＴＨｚの範囲にある。あるいは生成したＥＭＲ周波数は、１００ＴＨｚ〜６００ＴＨｚの範囲、２００ＴＨz〜５００ＴＨｚの範囲、３００ＴＨｚ〜４００ＴＨｚの範囲にあってもよい。
上記の通り、装置は反応混合物を容納する反応容器と、反応混合物の温度を検出するために容器に接続されている温度センサと、を備える。この装置は、さらにＥＭＲ周波数発生器を含む。この装置は、さらに温度センサを制御する温度制御回路を含む。この外、この装置は、ＥＭＲ周波数発生器から生成したＥＭＲ周波数の強度を調節するよう構成された制御回路を備える。少なくとも１つの実施形態において、装置は、温度制御回路及び熱制御回路に接続されているマイクロ処理器を備える。マイクロ処理器は標的核酸配列変性のために、反応混合物の温度を約８０〜１０５℃である第一温度範囲まで上昇させて、０．５〜１分間維持するように構成される。またマイクロ処理器は、一対のプライマーを変性された核酸配列とハイブリダイズさせるために、反応混合物の温度をほぼプライマーのアニーリング温度である第二温度範囲、通常約３５〜６５℃まで上昇させて、０．５〜１分間維持するように構成される。また、マイクロ処理器は、伸長合成によりターゲット配列を増幅するために、ターゲット核酸配列の長さに応じて、約４０〜８０℃である第三温度範囲まで反応混合物の温度を上昇させて０．５〜１分間維持するように構成される。
この装置は、さらに、ＢＬＵＥＴＯＯＴＨ（登録商標）、ＺＩＧＢＥＥ（登録商標）またはＷＩＦＩ（登録商標）回路などの無線通信回路を備え、ユーザ入力装置との情報のやり取りを介してユーザ入力装置と無線的に通信する。
少なくとも１つの実施形態により、装置は約３００〜５００ｃｍ３またはそれ以下のサイズを有する。
従って本発明の１つの様態は、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）で反応混合物の核酸配列を増幅する方法を提供する。本方法は、反応混合物を電磁放射（ＥＭＲ）を吸収でき、且つ遷移金属、遷移金属イオンをドープした第ＩＩＩ族金属の窒化物、リン化物またはヒ化物、或いは遷移金属をドープした二酸化ケイ素を含む材料からなる粒子と接触させることを含む。本方法は、ターゲット核酸配列を増幅するために、さらに約２００ｋＨzから５００ＴＨzの周波数を有する電磁放射（ＥＭＲ）で粒子を照射することを含む。第ＩＩＩ族金属は、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎの任意の１つである。遷移金属は、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ及びＣｕの任意の１つである。遷移金属イオンは、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ及びＣｕの任意の１つのイオンである。ＰＣＲでの反応混合物の温度は、約１３〜１５℃／秒の速度で上昇すること及び約６〜７℃／秒の速度で低下することそれぞれができる。
本発明のもう１つの様態は、ＰＣＲで反応混合物のターゲット核酸配列を増幅する方法を提供する。本方法は、反応混合物を電磁放射（ＥＭＲ）を吸収でき、且つ遷移金属酸化物、遷移金属水酸化物、遷移金属酸化物をドープした二酸化ケイ素または遷移金属水酸化物をドープした二酸化ケイ素である材料からなる粒子と接触させること、ターゲット核酸配列を増幅するために、約２００ｋＨzから５００ＴＨzの周波数を有する電磁放射（ＥＭＲ）で粒子を照射すること、を含む。遷移金属酸化物及び遷移金属水酸化物は、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ及びＣｕである。ＰＣＲでの反応混合物の温度は、約１３〜１５℃／秒の速度で上昇すること及び約６〜７℃／秒の速度で低下することそれぞれができる。
一般的には、熱（例えば、光またはＥＭＲ周波数から提供される）を吸収し且つ粒子の周囲区域に放出することができる粒子が、本発明の方法の熱源として使用できる。
遷移金属酸化物または遷移金属水酸化物である粒子は、ＦｅＯ、Ｆｅ２０３、Ｆｅ３０４、ＦｅＯ(ＯＨ)、Ｆｅ(ＯＨ)２、Ｆｅ(ＯＨ)３、ＭｎＯ、Ｍｎ３０４、Ｍｎ２０３、ＭｎＯ(ＯＨ)、Ｍｎ０２、ＣｏＯ、ＣｏＯ(ＯＨ)、Ｃｏ３０４及びＣｕＯの１つまたは複数を含む。しかしこれらに限定されない。少なくとも１つの実施例において、粒子は、ＦｅＯ、Ｆｅ２０３またはＦｅ３０４を含む。
遷移金属または金属イオンをドープしたＩＩＩ族金属の窒化物、リン化物またはヒ化物という粒子は、Ｍｎ、Ｆｅ、ＣｏまたはＣｕ或いはこれら遷移金属それぞれのイオンをドープしたＧａＮ、Ｍｎ、Ｆｅ、ＣｏまたはＣｕ或いはこれら遷移金属それぞれのイオンをドープしたＡＩＮ、Ｆｅ、ＣｏまたはＣｕをドープしたリン化アルミニウム（ＡｌＰ）、Ｆｅ、ＣｏまたはＣｕ或いはこれら遷移金属それぞれのイオンをドープしたＩｎＰ、Ｆｅ、ＣｏまたはＣｕ或いはこれら遷移金属それぞれのイオンをドープしたＧａＡｓ、そしてＦｅ、ＣｏまたはＣｕ或いはこれら遷移金属それぞれのイオンをドープしたＩｎＡｓである。しかしこれらに限定されない。
粒子の各種は、類似したエネルギー変換特性または独特なエネルギー変換特性を有することができる。本発明の実施形態において、ＥＭＲ吸収粒子は、ＦｅＯ、Ｆｅ２０３及びＦｅ３０４からなる群から選ばれる酸化鉄粒子である。少なくとも１つの実施例において、本発明の酸化鉄粒子において、約３００〜４００ＴＨｚのＥＭＲ周波数、特に３７１ＴＨｚのＥＭＲ周波数に対して強い吸収能力を表現する。他の実施例の酸化鉄粒子において、２００ｋＨz〜２ＭＨｚのＥＭＲ周波数、特に１．３メガヘルツ（ＭＨｚ）のＥＭＲ周波数に対して強い吸収能力を表現する。本発明の酸化鉄粒子の高い熱変換効率のおかげて、ＥＭＲによって照射された粒子の温度は、１３〜１５℃／秒の速度で上昇することができる。また、ＥＭＲがオフになった際、酸化鉄粒子は約６〜７℃／秒の速度で急速に冷却できる。
本発明の酸化鉄粒子の直径は約１０〜１２００ｎｍであるが、直径が約５０〜１０００ｎｍであってもよい。また、直径が約８０〜８００ｎｍであってもよい。１つの実施形態において、異なるサイズを有する酸化鉄粒子の２つの調製剤が別々に調製される。
酸化鉄粒子の１つの調製方法は、直径が約６０〜１５０ｎｍ、例えば、直径が６０、７０、８０、９０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０または１５０ｎｍなど比較的に小さいサイズの粒子を獲得する。また、直径は８０〜１２０ｎｍであって、例えば、８０、９０、１００、１１０または１２０ｎｍである。また、直径は約１００ｎｍであってもよい。６０〜１５０ｎｍの直径範囲にある粒子は、溶媒内に望ましい分散特性を表現し、これで、得られたレイヤー、コーティングまたはフィルムは、ＥＭＲ吸収のために必要とされる磁気特性を持つ。
酸化鉄粒子の第二調製方法は、直径が約２００〜１２００ｎｍ、例えば、直径が２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００、１０００、１１００または１２００である比較的に大きいサイズの粒子を獲得する。直径は約４００〜１０００ｎｍであって、例えば、４００、５００、６００、７００、８００、９００または１０００ｎｍである。また、直径は約８００ｎｍであってもよい。２００〜１２００ｎｍの直径範囲にある粒子は、６０〜１５０ｎｍに比べてより優れた磁気特性を表現し、溶媒の中により低い分散特性を持つ。
本発明の実施形態において、本発明の酸化鉄粒子は、サイズが小さくても大きくても優れたエネルギー変換特性を有する。特に、大きいサイズの酸化鉄粒子は、ＰＣＲ混合物の温度を１５秒内で約１００℃まで上昇させる最高のエネルギー変換特性が有する。
ＰＣＲ反応で酸化鉄粒子を加熱源として使用する１つの方法は、ＰＣＲ反応混合物に十分な量の酸化鉄粒子を直接的に加えた後で、ＰＣＲ反応を通常通りに続けることである。
また、本発明の酸化鉄粒子は、上記のように容器に形成されてもよい。これにより、ＰＣＲ混合物を直接的または間接的に収容する。ここでの「直接」とは、本発明の酸化鉄粒子を含む材料によって形成される容器内または容器上にＰＣＲ反応混合物を載置することを意味する。ここでの「間接」とは、本発明の酸化鉄粒子を含む材料によって形成される容器に設置する前に、ＰＣＲ混合物をコンテナ（例えば、エッペンドルフチューブ）に載置することを意味する。本発明の少なくとも１つの実施形態において、本発明の酸化鉄粒子は、マイクロ流体バイオチップの反応チャンバ内に形成され、ＰＣＲ反応混合物は、該反応チャンバに直接載置されるまたは該反応チャンバ上にコーティングされる。本発明のもう１つの実施形態において、本発明の酸化鉄粒子は、薄膜に形成され、薄膜にはＰＣＲ反応混合物をそれぞれ含む複数の反応スポットが設置され、各ＰＣＲ反応が同時に進行している。
図１は、ＰＣＲ反応を行う本発明の例示的な装置１００を示す図である。本実施形態において、装置１００は、ユーザ入力装置１０２（例えば、携帯電話、ラップトップパソコン、タブレットパソコンまたは他の類似する装置）内のアプリケーションプログラムによって無線的に制御される。装置１００は、約９ｃｍ（長さ）×８ｃｍ（幅）×５ ｃｍ（高さ）のサイズまたはこれ以下のサイズである。
図２は、小型ＰＣＲ装置と図１に示すユーザのデバイスとの例示的なインターフェイスを示す図である。ＰＣＲのプロセスを開始するために、増幅すべき標的核酸、必要とする試薬（例えば、Ｔａｇ、４種のヌクレオチド、ＤＮＡプライマー対及び緩衝液）及び本発明の粒子を、反応チューブまたはコンテナ（例えば、エッペンドルフチューブ）に載置する。その後、反応チューブまたはコンテナをチューブまたは容器ホルダー１２４に入れ、次に、容器ホルダー１２４を反応容器１２６に入れるが、標的核酸及び必要とされる試薬を本発明の粒子を含む材料からなる反応容器１２６に載置するのが好ましい。
ＰＣＲのユーザは、ＰＣＲの実行に必要とされる全ての必要パラメーター（例えば、反応温度及び反応時間）を、図１に例として挙げられる携帯電話機のようなユーザ入力装置１０２などの手持ちデバイスにインストールされたアプリケーションプログラムに入力することによって、プロセスを開始できる。この時、情報はユーザ入力装置１０２から無線通信回路１１８に送信される。マイクロ処理器１１４は、無線通信回路１１８から必要パラメータを受信したうえに、温度制御回路１１２及び熱制御回路１１６を調整して、ＥＭＲ周波数発生器１３２に命令を出して適切なＥＭＲ周波数を放射させると共に温度センサ１２２に命令を出して要求されたＰＣＲを作動させることによりパラメータを実行する。具体的には、ＥＭＲ周波数発生器１３２から放射されたＥＭＲ周波数は、ホルダー１２４に容納される反応チューブ、コンテナまたは容器１２６にガイドされる。これにより、この中のＰＣＲ反応混合物の温度を設定された温度まで上昇させる。ＥＭＲ周波数は、ホルダ１２４に容納されるＰＣＲ反応混合物の粒子または容器１２６に容納される粒子のエネルギー変換特性と一致しなければならない。例えば、本発明の酸化鉄粒子を使用する場合、約３７１ＴＨｚのＥＭＲ周波数は使用可能である。
ＰＣＲ反応混合物が設定された温度に達したかどうかは、マイクロ処理器１１４を介して温度制御回路１１２に制御される温度センサ１２２によって計測され且つ決定される。ＰＣＲ反応混合物が設定された温度に達すると、設定された時間内においてこの温度を維持し、マイクロ処理器１１４は熱制御回路１１６を制御して、ＥＭＲ周波数発生器１３２に命令を出してＥＭＲ周波数の生成を停止させ、その後、温度センサ１２２に命令を出してファン１２８を作動させてＰＣＲ混合物の過熱を防止する或いは冷却サイクルを始動する。言い換えれば、加熱サイクルの間にＰＣＲプロセスの望ましい加熱速度に応じて、マイクロ処理器１１４は、熱制御回路１１６及び温度制御回路１１２をそれぞれ調整して、ＥＭＲを発生するようにＥＭＲ周波数発生器１３２に命令を出し且つファン１２８に実行する又は実行しない命令を出す。同様に、冷却サイクルの間に、マイクロ処理器１１４は、熱制御回路１１６及び温度制御回路１１２を調整してＥＭＲ周波数発生器１３２に命令を出してＥＭＲの生成を停止させ且つファン１２８に実行する命令を出す。ＥＭＲ周波数と本発明の粒子とを組み合わせて熱源として使用するので、ＰＣＲ反応混合物の温度は、約１３〜１５℃／秒の速度で上昇すること及び約６〜７℃／秒の速度で低下することができる。それにより、加熱及び冷却サイクルは、エネルギー面と時間面において効率的な方法で完了する。
少なくとも１つの実施例において、サイクルあたりの２７９ｂｐの標的核酸ＤＮＡの増幅は、６０秒より短い時間で完了するが、伝統的なＰＣＲデバイスは少なくとも１８０秒かかる。
本質的には、本発明の方法及び／または装置は、ＥＭＲ周波数とＥＭＲ周波数吸収粒子とを利用して、従来のＰＣＲの反応時間を少なくとも６７％著しく短縮する。それにより、増幅されたＤＮＡ産物の最適なフィデリティ及び純度に影響を与えずに、ＤＮＡ断片の増幅は、エネルギー面と時間面において効率的な方法で完了する。更に、本発明の装置は、そのサイズが５００ｃｍ３以下であり、リモート起動できる。従って本発明の装置は、ＰＣＲオペレータを設置してデバイスを物理的に起動させることにより、反応を開始する必要がない。
特定の理論に限定されないが、現在のナノ粒子の励起のメカニズムは次のことが考えられる。例えば、酸化鉄ナノ粒子などのナノ粒子は、予め設定された周波数を有する放射源による放射線の対象とされる。放射線は、鉄原子の内部軌道またはシェルにある鉄原子の電子を、より高いエネルギーを有する非占有軌道またはシェルに励起するのに十分なエネルギーを有し、これで、内部軌道には電子が欠失した金属イオンが生成される。以上により得られた電子構造は不安定であって、そして、より高いエネルギーを有する軌道からの電子は半充填軌道内に落下する。熱という形で表現されてよいエネルギーは、電子が半充填される軌道へ落下した結果として放出される。
また、特定の理論に限定されないが、現在のナノ粒子の励起のメカニズムは次のことが考えられる。例えば、酸化鉄ナノ粒子などのナノ粒子は、予め設定された周波数を有する放射源による放射線の対象とされる。放射線は、上記原子をイオン化せずにナノ粒子の原子に吸収されることができる。これに反して、吸収された放射線は、励起を引き起こし且つナノ粒子の分子間結合の振動を増やし、ナノ粒子を取り囲む区域に放出する熱を生成する。
本発明は、以下の実施例を参照しながらより詳細に説明する。以下の実施例は説明のために挙げられるが、実施例内容は限定されない。
実施例
材料及び方法
実施例
材料及び方法
ＰＣＲ反応混合物。ＰＣＲ反応混合物は、以下のものを含む：５ｐｍｏｌのプライマー（配列番号１、５'−ｇｃｇａａａｇｔｃｃｔｇｇｔｔｇａｇｃｔｇａｇ−３'、配列番号２、５'−ａａｃｃｃａａｇｇｃｃｃａｔｇｃａｔａｃａ−３')、１μgのテンプレートＤＮＡ、ポリメラーゼ、ＰＣＲ緩衝液、ウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）、ヌクレオチド及び脱イオン水。これらの総容量は２０μＬである。
ＰＣＲプロセス。ＰＣＲを以下の温度設定により行う。（１）１５〜３０秒間９５℃での変性、（２）１５〜３０秒間５６℃でプライマーとのハイブリダイゼーション、（３）１５〜３０秒間７２℃でハイブリダイズされたプライマーの伸長及び延長。
実施例1粒子の調製及び特性評価
１．１酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）粒子の調製
実施例1粒子の調製及び特性評価
１．１酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）粒子の調製
簡単に説明すると、ＦｅＣ１２（１０ｍＬ、５０ｍＭ）と、トリメシン酸（４．５ｍＬ、２５ｍＭ）と、クエン酸（０．１５ｇ）と、水酸化ナトリウム（１８ｍg）と及びＮ２Ｈ２（１００μＬ）と、ゼラチンと、を混合して１５５℃で１２時間反応させる。このようにして生成されたＦｅ３０４ナノ粒子のサイズ及び形状は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）及び走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって測定される。約１０３±４３ｎｍの平均直径及び約８２８±５５９ｎｍの平均直径をそれぞれ持つ比較的に小さいＦｅ３０４ナノ粒子と、比較的に大きいＦｅ３０４ナノ粒子と、を生成する。
生成されたＦｅ３０４粒子は、２つの異なる周波数範囲のＥＭＲを吸収すると発見され、一つのＥＭＲは、テラヘルツ範囲内（図３Ａ最大吸収が約３７１ＴＨｚ）において生成し、もう一つのＥＭＲは、メガヘルツ範囲内（図３（ｂ）、１．３ＭＨz）において生成する。Ｆｅ３０４粒子は、３７１ＴＨｚのＥＭＲ周波数に粒子が照射されることで、通常ＰＣＲにおいて使用される加熱及び冷却サイクルに使用される。図４Ａには、温度変化の時間経過が示されている。これに対して、図４Ｂと図４Ｃには、実施例１．１の粒子の加熱及び冷却速度が示されている。実施例１．１の粒子は、１３．９３±０．６５℃／秒の平均加熱速度（図４Ｂ）及び６．３９±０．５０°Ｃ／秒(図４Ｃ)の平均冷却速度を持つと発見される。
平均加熱速度について、同じ実験パラメータを使用して複数の実験を行った後、実施例１．１の粒子には、１４．７°Ｃ／秒の最大加熱速度、１３．０℃／秒の最小加熱速度、１３．９℃／秒の中間加熱速度が発見され、実験の第一の四分位数には、１３．３℃／秒の加熱速度が発見され、実験の第三の四分位数には、１４．５℃／秒の加熱速度が発見される（図４Ｂ）。
平均冷却速度について、同様の実験パラメータを使用して複数の実験を行った後、実施例１．１の粒子には、７．２４℃／秒の最大冷却速度、５０８４℃／秒の最小冷却速度、６．１７℃／秒の中間冷却速度が発見され、実験の第一四分位数には、５．９５℃／秒の冷却速度が発見され、実験の第三四分位数には、６．８０℃／秒の冷却速度が発見される（図４Ｃを参照）。
１．２金ナノ粒子の調製
１．２金ナノ粒子の調製
金ナノロッドは、実施例１．１と類似した方法で生成され且つ特徴をづけられる。金ナノロッドの合成は、ＢＮｉｋｏｏｂａｋｈｔ及びＭ.Ａ.ＥＩ−Ｓａｙｅｄ、Ｃｈｅｍ．.Ｍａｔｅｒ.２００３、１５、１９５７−１９６２.に説明されたステップと類似した方法に従う。簡単に説明すると、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド（ＣＴＡＢ）（５ｍｌ、０．２０Ｍ）及びＨＡｕＣ１４（５ｍｌ、０．０００５Ｍ）を含むシード溶液（１２μＬ）を、（ＣＴＡＢ）（５ｍｌ、０．２０Ｍ）及びＡｇＮ０３ (５ｍｌ、０．００４Ｍ)を含む１０ｍｌの成長溶液に加える。反応は室温状態で維持される。生成された金ナノロッドのサイズは後のＴＥＭによって決定される。各生成された金ナノロッドの長さは約４５ｎｍであり、幅は約１０ｎｍである。
１.３ 実施例１．１、１．２の粒子及びカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の光熱特性の特徴づけ
１.３ 実施例１．１、１．２の粒子及びカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の光熱特性の特徴づけ
本実施例において、異なる濃度の粒子（１２５０または２５００ｐｐｍ）を、２５０、５００または１０００ミリワット（ｍＷ）の発光ダイオード（ＬＥＤ）から出射されたＥＭＲで照射し、時間の変化に応じて温度変化を計測することで、実施例１．１の光熱特性を、実施例１．２の金ナノロッド及びカーボンナノチューブ（ＣＮＴｓ）（Ｇｏｌｄｅｎ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ＢｕｓｉｎｅｓｓＣｏ.、Ｌｔｄ. Ｔａｉｗａｎ）を含む他の粒子と比較させる。図５Ａ及び図５にはその結果が説明されている。
ＥＭＲ周波数発生器（２５０ｍＷ、３７１ＴＨz）で照射された際に、Ｆｅ３０４粒子、金ナノロッド及びＣＮＴｓの温度は、それぞれ室温より少し高くなる（例えば、２９℃）（図５Ａを参照）ことがわかった。ＥＭＲ周波数発生器の電力密度を５００ｍｗまで上昇させると、小さいサイズのＦｅ３０４粒子（約５０ｎｍ〜約２００ｎｍ）及び金ナロロッドの温度は約６０℃まで上昇し、ＣＮＴｓは６５℃まで上昇し、大きいサイズのＦｅ３０４粒子（約２５０ｎｍ〜約１４００ｎｍ）の温度は約７９℃まで上昇する。電力密度を１０００ｍｗまで上昇させると、小さいサイズのＦｅ３０４粒子及び金ナロロッドの温度は約８５℃まで上昇し、ＣＮＴｓは１１０℃まで上昇し、大きいサイズのＦｅ３０４粒子の温度は約１２０℃まで上昇する。つまり、各種の粒子の温度は、ＥＭＲ周波数発生器の電力密度に比例して上昇し、３種の粒子の中で、Ｆｅ３０４粒子、特に大きいサイズのＦｅ３０４粒子は最高のエネルギー変換特性を表現する。
各種の粒子の濃度を２５００ｐｐｍまで上昇させると、類似した結果が観察された（図５Ｂを参照）。
実施例２実施例１．１のＦｅ ３ ０ ４ 粒子を使用してＰＣＲを行うこと
２．１ 実施例１．１のＦｅ３０４粒子を含むＰＣＲ反応の混合物
実施例２実施例１．１のＦｅ ３ ０ ４ 粒子を使用してＰＣＲを行うこと
２．１ 実施例１．１のＦｅ３０４粒子を含むＰＣＲ反応の混合物
この実施例において、１０００ｐｐｍの実施例１．１のＦｅ３０４粒子を、反応チューブでＰＣＲ反応混合物と直接混合させる。その後、チューブは、ＰＣＲサイクルに用いられ、（１）チューブは、温度が９５℃に達するまでレーザダイオード（７００ｍＷ）から放射され且つ周波数が３７１ＴＨｚである放射線に照射されて、１５〜３０秒間（５００ｍＷ）で維持され、（２）温度が５６℃に達するまでファンシステムを作動させて温度を低下させて、１５〜３０秒間（２５０ｍＷ）で維持し、（Ｃ）温度が７２℃に達するまで、周波数３７１ＴＨｚの放射線でチューブを１５〜３０秒間再び照射する。ＰＣＲサイクルを３０回繰り返し、そして増幅された産物を、電気泳動（図６、レーン４）により検出する。１００ｂｐＹＥＡ Ｌａｄｄｅｒ ＤＮＡ ＭａｒｋｅｒＩＩ(ＹｅａｓｔｅｒｎＢｉｏｔｅｃｈＣｏ.、Ｌｔｄ.、Ｃａｔ.Ｎｏ.ＦＹＤ００９−１ＭＬ)を参照物として使用する（図６、レーン１）。
上記プロセスと従来のＰＣＲ反応のステップ（図６、レーン５）とを比較すると、従来の実験のステップは以下の通りに行われる。ステップ一、ＤＮＡサンプルの変性のために、ＤＮＡサンプルを含む反応混合物を９５℃まで加熱して１０分維持する。ステップ二、変性サイクルを３０回繰り返し、毎回のサイクルは、９５℃下で３０秒行われる。ステップ三、対応するＤＮＡプラマーとのハイブリダイゼーションは、５６℃下で３０秒行われる。ステップ四、ハイブリダイズされたプラマーは、７２℃下で３０秒延長する。ステップ五、図６のレーン５に示す最終の産物を形成するために、更なる伸長ステップは、７２℃下で１０分行われる。
２．２実施例１．１のＦｅ３０４粒子からなる容器内でＰＣＲ反応を行う
２．２実施例１．１のＦｅ３０４粒子からなる容器内でＰＣＲ反応を行う
本実施例において、ＰＣＲ反応の反応混合物を実施例１．１のＦｅ３０４粒子を含む材料からなる容器に設置してＰＣＲサイクルを行う。ＰＣＲ反応のサイクルは、上記のステップに従って開始する。
理解すべき点は、上記実施形態の説明は例示の提供に過ぎず、当業者は種々の変更をすることができる。以上の実施例及びデータは、実施形態の構造及び使用の完全な説明を提供する。以上のようにある程度の特定下で、あるいは１つ以上の個々の実施形態を参照して種々の実施例を説明しても、当業者は、本発明の精神または範囲内から逸脱せず複数の変更をすることができる。
本発明の声明：
本発明の声明：
声明１：反応容器において、ターゲット核酸を含む反応混合物を、遷移金属材料を含む複数の粒子と接触させ、約２００ｋＨz〜５００ＴＨｚの周波数の電磁放射（ＥＭＲ）で粒子を照射するポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）によって核酸配列を増幅する方法。
声明２：遷移金属材料は、遷移金属、遷移金属酸化物、遷移金属水酸化物、遷移金属または遷移金属イオンをドープした第ＩＩＩ族金属化合物、遷移金属をドープした二酸化ケイ素、遷移金属酸化物をドープした二酸化ケイ素或いは遷移金属水酸化物をドープした二酸化ケイ素を含む声明１の方法。
声明３： ＰＣＲ反応での反応混合物の温度を上昇させる速度は、約１３℃／秒〜１５℃／秒である声明１または声明２に記載の方法。
声明４： ＰＣＲ反応での反応混合物温度を低下させる速度は、約６℃／秒〜７℃／秒である声明１〜声明３のいずれかに記載の方法。
声明５：第ＩＩＩ族金属化合物は、窒化物、リン化物またはヒ化物の任意の１つであり、第ＩＩＩ族金属は、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）またはインジウム（Ｉｎ）の任意の１つである声明２〜声明４のいずれかに記載の方法。
声明６：遷移金属材料は、一種または複数種の遷移金属酸化物及び遷移金属水酸化物の組み合わせを含む声明１〜声明５のいずれかに記載の方法。
声明７：遷移金属材料は、ＦｅＯ、Ｆｅ２０３、Ｆｅ３０４、ＦｅＯ(ＯＨ)、Ｆｅ(ＯＨ)２、Ｆｅ(ＯＨ)３、ＭｎＯ、Ｍｎ３０４、Ｍｎ２０３、ＭｎＯ(ＯＨ)、Ｍｎ０２、ＣｏＯ、ＣｏＯ(ＯＨ)、Ｃｏ３０４及びＣｕＯの一種または複数種を含む声明１〜声明６のいずれかに記載の方法。
声明８：遷移金属材料は、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）または銅（Ｃｕ）の任意の１つを含む声明２〜声明６に記載の方法。
声明９：少なくとも１つの粒子の流体力学直径は、約１０ｎｍ〜１２００ｎｍである声明１〜声明８のいずれかに記載の方法。
声明１０：少なくとも１つの粒子の流体力学直径は、約２００ｎｍ〜１２００ｎｍである声明１〜声明８のいずれかに記載の方法。
声明１１：少なくとも１つの粒子の流体力学直径は、約６０ｎｍ〜１５０ｎｍである声明１〜声明８のいずれかに記載の方法。
声明１２：電磁放射で前記粒子を照射することは、前記反応混合物の温度を約８０℃〜１０５℃である第一温度範囲まで上昇させて０．５分〜１分間維持し、これにより、前記標的ＤＮＡを変性させることと、反応混合物の温度を約３５℃〜６５℃である第二温度範囲まで上昇させて０．５分〜１分維持し、これにより、前記一対のプライマーを前記変性した標的核酸とハイブリダイズさせることと、反応混合物の温度を約４０℃〜８０℃である第三温度範囲まで上昇させて０．５分〜５分維持し、これにより、伸長合成の方法によってターゲット核酸配列を増幅することとを含む声明１〜声明１１のいずれかに記載の方法。
声明１３：ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）でターゲット核酸配列を増幅する装置であって、ユーザ入力デバイスと通信可能に接続され、前記ユーザ入力デバイスから命令を受信して受信した命令を実行するよう構成されるマイクロ処理器と、マイクロ処理器と通信可能に接続され、ＰＣＲにおける試薬及び粒子を容納する反応容器と、反応容器及びマイクロ処理器と通信可能に接続されている温度センサと、マイクロ処理器と通信可能に接続され、ＥＭＲを反応容器にガイドするよう構成される電磁放射（ＥＭＲ）発生器とを含み、粒子は遷移金属材料を含む。
声明１４：ＥＭＲ発生器は、周波数が１００ＴＨｚ〜６００ＴＨｚのＥＭＲを生成するように構成される声明１３に記載の装置。
声明１５：ＥＭＲ発生器は、周波数が３００ＴＨｚ〜４００ＴＨｚのＥＭＲを生成するように構成される声明１３に記載の装置。
声明１６：ＥＭＲ発生器は、周波数が１ＭＨｚ〜２ＭＨｚのＥＭＲを生成するように構成される声明１３に記載の装置。
声明１７：反応容器の温度センサを制御するための温度制御回路と、ＥＭＲ周波数発生器から生成されたＥＭＲ周波数の強度を調節するための熱制御回路とを更に備え、マイクロ処理器は、温度制御回路及び熱制御回路と接続されている声明１３〜声明１６に記載の装置。
声明１８：マイクロ処理器は、前記標的ＤＮＡを変性させるために、前記反応混合物の温度を約８０℃〜１０５℃である第一温度範囲まで上昇させて約０．５分〜１分間維持し、一対のプライマーを前記変性した標的核酸とハイブリダイゼーションさせるために、前記反応混合物の温度を約３５℃〜６５℃である第二温度範囲まで上昇させて約０．５分〜１分間維持し、伸長合成の方法によってターゲット核酸配列を増幅するために、前記反応混合物の温度を約４０℃〜８０℃である第三温度範囲まで上昇させて約０．５分〜５分間維持するように構成されている声明１７に記載の装置。
声明１９：ユーザ入力デバイスと無線通信を行う無線通信回路を更に備える声明１３〜声明１８のいずれかに記載の装置。
声明２０：遷移金属材料は、遷移金属、遷移金属酸化物、遷移金属水酸化物、遷移金属または遷移金属イオンをドープした第ＩＩＩ族金属化合物、遷移金属をドープした二酸化ケイ素、遷移金属酸化物をドープした二酸化ケイ素或いは遷移金属水酸化物をドープした二酸化ケイ素を含む声明１３〜声明１９のいずれかに記載の装置。
声明２１：遷移金属材料は、ＦｅＯ、Ｆｅ２０３、Ｆｅ３０４、ＦｅＯ(ＯＨ)、Ｆｅ(ＯＨ)２、Ｆｅ(ＯＨ)３、ＭｎＯ、Ｍｎ３０４、Ｍｎ２０３、ＭｎＯ(ＯＨ)、Ｍｎ０２、ＣｏＯ、ＣｏＯ(ＯＨ)、Ｃｏ３０４及びＣｕＯの一種または複数種を含む声明１３〜声明２０のいずれかに記載の装置。
声明２２：第ＩＩＩ族金属化合物は、窒化物、リン化物またはヒ化物の任意の１つであり、前記第ＩＩＩ族金属は、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）またはインジウム（Ｉｎ）の任意の１つである声明２０に記載の装置。
声明２３：遷移金属材料は、一種または複数種の遷移金属酸化物及び遷移金属水酸化物の組み合わせを含む声明１３〜声明２２のいずれかに記載の装置。
声明２４：遷移金属材料は、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）または銅（Ｃｕ）の任意の１つを含む声明１３〜声明２３のいずれかに記載の装置。
声明２５：少なくとも１つの粒子の流体力学直径は、約１０ｎｍ〜１２００ｎｍである声明１〜声明２４のいずれかに記載の装置。
声明２６：少なくとも１つの粒子の流体力学直径は、約２００ｎｍ〜１２００ｎｍである声明１３〜声明２４のいずれかに記載の装置。
声明２７：前記複数の粒子は、少なくとも１つの粒子の流体力学直径は、約６０ｎｍ〜１５０ｎｍである声明１３〜声明２４のいずれかに記載の装置。
声明２８：ユーザ入力デバイスは、携帯電話、ラップトップパソコン及びタブレットパソコンの１つである声明１３〜声明２７に記載の装置。
声明２９：少なくとも１つ粒子は、５００ｃｍ３以下の体積を有する声明１３〜声明２８のいずれかに記載の装置。
声明３０：容器の表面には、遷移金属材料を含むナノ粒子の１つまたは複数のフィルム、コーティングまたはレイヤーを含むポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）容器。
声明３１：遷移金属材料は、遷移金属、遷移金属酸化物、遷移金属水酸化物、遷移金属または遷移金属イオンをドープした第ＩＩＩ族金属化合物、遷移金属をドープした二酸化ケイ素、遷移金属酸化物をドープした二酸化ケイ素または遷移金属水酸化物をドープした二酸化ケイ素を含む声明３０に記載の容器。
声明３２：遷移金属材料は、ＦｅＯ、Ｆｅ２０３、Ｆｅ３０４、ＦｅＯ(ＯＨ)、Ｆｅ(ＯＨ)２、Ｆｅ(ＯＨ)３、ＭｎＯ、Ｍｎ３０４、Ｍｎ２０３、ＭｎＯ(ＯＨ)、Ｍｎ０２、ＣｏＯ、ＣｏＯ(ＯＨ)、Ｃｏ３０４及びＣｕＯの一種または複数種を含む声明３０〜声明３１のいずれかに記載の容器。
声明３３：第ＩＩＩ族金属化合物は、窒化物、リン化物またはヒ化物の任意の１つであり、前記第ＩＩＩ族金属は、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）またはインジウム（Ｉｎ）の任意の１つであり、遷移金属材料は、一種または複数種の遷移金属酸化物及び遷移金属水酸化物の組み合わせを含む声明３１のいずれかに記載の容器。
声明３４：遷移金属材料は、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）または銅（Ｃｕ）の任意の１つを含む声明３０〜声明３３のいずれかに記載の容器。
声明３５：ナノ粒子は、一種または一種以上の遷移金属酸化物及び遷移金属水酸化物の組み合わせを含む声明３０〜声明３５のいずれかに記載の容器。
声明３６：少なくとも１つの粒子の流体力学直径は、約１０ｎｍ〜１２００ｎｍである声明１〜声明３０〜声明３５のいずれかに記載の容器。
声明３７：少なくとも１つの粒子の流体力学直径は、約２００ｎｍ〜１２００ｎｍである声明３０〜声明３５のいずれかに記載の容器。
声明３８：少なくとも１つの粒子の流体力学直径は、約６０ｎｍ〜１５０ｎｍである声明３０〜声明３５のいずれかに記載の容器。
声明４３：声明３０〜声明３８のいずれかに記載の容器を含むマイクロ流体のバイオチップ。
声明４４：ＰＣＲ装置で３００〜４００ＴＨｚである周波数の電磁放射（ＥＭＲ）に照射された後、熱を生成するナノ粒子であって、約５０〜２００ｎｍの流体力学直径を持つナノ粒子。
例示及び説明のために本発明の特定の組成物及び方法の前記した説明を呈する。これら内容は、完全であるまたは本発明を正確な構造及び方法に制限するものではない。多くの変更及び変形は、上記の示唆を参照して可能となることが明らかである。本発明の原理及び実際的な応用を最も良く解釈し且つ意図する実際的な応用に適切であるので、他の当業者に異なる変更で本発明を最も良く利用させるために、例示を選択し且つ説明する。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びその等価物に定義されることが意図されている。
１００ 装置
１０２ ユーザ入力装置
１１２ 温度制御回路
１１４ マイクロ処理器
１１６ 熱制御回路
１１８ 無線通信回路
１２２ 温度センサ
１２４ 容器ホルダー
１２６ 反応容器
１２８ ファン
１３２ ＥＭＲ周波数発生器
１０２ ユーザ入力装置
１１２ 温度制御回路
１１４ マイクロ処理器
１１６ 熱制御回路
１１８ 無線通信回路
１２２ 温度センサ
１２４ 容器ホルダー
１２６ 反応容器
１２８ ファン
１３２ ＥＭＲ周波数発生器
Claims (23)
- ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）の中で核酸配列を増幅する方法であって、
反応容器において、標的核酸を含む反応混合物を、遷移金属材料を含む複数の粒子と接触させ、１００ＴＨz〜５００ＴＨｚの周波数の電磁放射（ＥＭＲ）で前記粒子を照射することを含み、
前記遷移金属材料は、Ｆｅ ３ Ｏ ４ またはＦｅ ２ Ｏ ３ である、方法。 - 前記ＰＣＲ反応において前記反応混合物の温度を上昇させる速度は、１３℃／秒〜１５℃／秒である請求項１に記載の方法。
- 前記ＰＣＲ反応において前記反応混合物温度を低下させる速度は、６℃／秒〜７℃／秒である請求項１に記載の方法。
- 少なくとも１つの前記粒子の流体力学直径は、１０ｎｍ〜１２００ｎｍである請求項１に記載の方法。
- 少なくとも１つの前記粒子の流体力学直径は、２００ｎｍ〜１２００ｎｍである請求項１に記載の方法。
- 少なくとも１つの前記粒子の流体力学直径は、６０ｎｍ〜１５０ｎｍである請求項１に記載の方法。
- 前記標的核酸は、標的ＤＮＡであり、
電磁放射で前記粒子を照射することは、
前記反応混合物の温度を８０℃〜１０５℃である第一温度範囲まで上昇させて０．５分〜１分間維持し、これにより、前記標的ＤＮＡを変性させることと、
前記反応混合物の温度を３５℃〜６５℃である第二温度範囲まで上昇させて０．５分〜１分維持し、これにより、一対のプライマーを前記変性した標的ＤＮＡとハイブリダイズさせることと、
前記反応混合物の温度を４０℃〜８０℃である第三温度範囲まで上昇させて０．５分〜５分維持し、これにより、伸長合成の方法によって標的核酸配列を増幅することと、を含む請求項１に記載の方法。 - ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）で標的核酸配列を増幅する装置であって、
ユーザ入力デバイスと通信可能に接続され、前記ユーザ入力デバイスから命令を受信して受信した命令を実行するマイクロ処理器と、
前記マイクロ処理器と通信可能に接続され、試薬及び粒子を容納する反応容器と、
前記反応容器及びマイクロ処理器と通信可能に接続されている温度センサと、
前記マイクロ処理器と通信可能に接続され、１００ＴＨz〜５００ＴＨｚの周波数のＥＭＲを前記反応容器にガイドするよう構成された電磁放射（ＥＭＲ）発生器とを含み、
前記粒子は遷移金属材料を含み、
前記遷移金属材料は、Ｆｅ ３ Ｏ ４ またはＦｅ ２ Ｏ ３ である、装置。 - 前記ＥＭＲ発生器は、周波数が３００ＴＨｚ〜４００ＴＨｚのＥＭＲを生成するように構成される請求項８に記載の装置。
- 前記反応容器の前記温度センサを制御するための温度制御回路と、
前記ＥＭＲ発生器から生成されたＥＭＲ周波数の強度を調節するための熱制御回路とを更に備え、
前記マイクロ処理器は、前記温度制御回路及び前記熱制御回路と接続されている請求項８に記載の装置。 - 前記標的核酸は、標的ＤＮＡであり、
前記マイクロ処理器は、
前記標的ＤＮＡを変性させるために、前記標的ＤＮＡを含む反応混合物の温度を８０℃〜１０５℃である第一温度範囲まで上昇させて０．５分〜１分間維持し、
一対のプライマーを前記変性した標的ＤＮＡとハイブリダイズさせるために、前記反応混合物の温度を３５℃〜６５℃である第二温度範囲まで上昇させて０．５分〜１分間維持し、
伸長合成の方法によって前記標的核酸配列を増幅するために、前記反応混合物の温度を４０℃〜８０℃である第三温度範囲まで上昇させて０．５分〜５分間維持するように構成されている請求項１０に記載の装置。 - 前記ユーザ入力デバイスと無線通信を行う無線通信回路を更に備える請求項８に記載の装置。
- 少なくとも１つの前記粒子の流体力学直径は、１０ｎｍ〜１２００ｎｍである請求項８に記載の装置。
- 少なくとも１つの前記粒子の流体力学直径は、２００ｎｍ〜１２００ｎｍである請求項８に記載の装置。
- 少なくとも１つの前記粒子の流体力学直径は、６０ｎｍ〜１５０ｎｍである請求項８に記載の装置。
- 前記ユーザ入力デバイスは、携帯電話、ラップトップパソコン及びタブレットパソコンの１つである請求項８に記載の装置。
- 前記装置は、５００ｃｍ３以下の体積を有する請求項８に記載の装置。
- 前記反応容器の表面には、遷移金属材料を含むナノ粒子の１つまたは複数のフィルム、コーティングまたはレイヤーを含む請求項８に記載の装置。
- 少なくとも１つの前記粒子の流体力学直径は、１０ｎｍ〜１２００ｎｍである請求項１８に記載の装置。
- 少なくとも１つの前記粒子の流体力学直径は、２００ｎｍ〜１２００ｎｍである請求項１８に記載の装置。
- 少なくとも１つの前記粒子の流体力学直径は、６０ｎｍ〜１５０ｎｍである請求項１８に記載の装置。
- マイクロ流体のバイオチップであって、前記マイクロ流体のバイオチップは、請求項８に記載の装置を含む。
- ＰＣＲ装置で３００〜４００ＴＨｚである周波数の電磁放射（ＥＭＲ）に照射された後、熱を産生するための、５０〜２００ｎｍの流体力学直径を持つ、遷移金属酸化物を含むナノ粒子であって、当該遷移金属酸化物はＦｅ ３ Ｏ ４ またはＦｅ ２ Ｏ ３ であるナノ粒子の使用。
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