JP6533081B2 - 核酸増幅装置 - Google Patents

Description

本願は、核酸増幅装置に関する。

従来、ＤＮＡ（Deoxyribonucleic Acid：デオキシリボ核酸）等の核酸にポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ：Polymerase Chain Reaction）を起こさせて、核酸を増幅させる核酸増幅装置が知られている。また、核酸の増幅機構に加えて核酸の検出部を備え、増幅した核酸をリアルタイムに検出することができる核酸増幅装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような核酸増幅装置は、リアルタイムＰＣＲ装置と呼ばれている。

リアルタイムＰＣＲ装置は、ＤＮＡや蛍光物質等を含む反応試料の温度を制御してＤＮＡを増幅させる。また、リアルタイムＰＣＲ装置は、反応試料を励起させる励起光を照射し、その際に反応試料から発生する蛍光に基づいて増幅されたＤＮＡを測定する。

特開２０１０−８１８９８号公報

上述した核酸増幅装置では、反応試料を収容する窪みが複数設けられている樹脂製の反応容器が用いられていた。また、反応容器は、一般にアルミニウムを材料とする反応ブロックの上に置かれ、反応ブロックの加熱、冷却によって反応試料の温度が制御されていた。

核酸は、所定の温度サイクルを繰り返すことで増幅する。効率よく核酸を増幅させるためには、温度サイクルにおいて反応試料の温度を目標温度へ到達させるために要する時間を短くすることが望ましい。本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、従来の拡散増幅装置には核酸の増幅効率を向上させる余地があることを認識するに至った。

本願はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、核酸の増幅効率を高める技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本願のある態様の核酸増幅装置は、核酸を含む反応試料を収納する窪みが複数配列される反応容器を保持する保持部と、保持部の鉛直方向下方に配置され、保持部を加熱及び冷却して反応試料の温度を調節する温度調節部と、温度調節部の鉛直方向下方に配置され、温度調節部を放熱する放熱部と、放熱部の鉛直方向下方に配置され、放熱部側の空気を吸い込んで鉛直方向下方に吐き出し、放熱部を冷却するファンと、ファンの鉛直方向下方に入口が位置するように配置され、ファンと装置の外部とを接続する排気ダクトと、を備える。排気ダクトは、ファンから鉛直方向下方に進行する排気を水平方向に進行させて出口から排出し、排気ダクトにおける、排気の進行方向が鉛直方向下方から水平方向に曲がる領域を形成する部分は、排気の曲進方向の内側及び外側の少なくとも一方の壁面が、排気流れ方向の上流側よりも下流側が出口に近づくように傾斜した形状を有する。

本願によれば、核酸の増幅効率を高める技術を提供することができる。

実施の形態に係る核酸増幅装置を模式的に示す側面図である。 実施の形態に係る核酸増幅装置を模式的に示す平面図である。 実施の形態に係る核酸増幅装置の反応ユニットを模式的に示す斜視図である。 実施の形態に係る核酸増幅装置の反応ユニットの分解斜視図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、実施の形態に係る核酸増幅装置を模式的に示す側面図である。図２は、実施の形態に係る核酸増幅装置を模式的に示す平面図である。図１及び図２では、核酸増幅装置１の内部を透視した状態が図示されている。また、構造の一部は断面図で描かれている。本実施の形態に係る核酸増幅装置１は、ＤＮＡ等の核酸と蛍光物質等を含む液体状の反応試料の温度を制御して核酸を増幅させ、増幅した核酸の状態を光学的な測定方法により検出することができる装置である。

核酸増幅装置１は、本体１５と、本体１５の前方に取り付けられたカバー１６とを備える。本実施の形態では、本体１５及びカバー１６は樹脂製である。本体１５には、反応容器２０、カバー２２、反応ユニット１００、制御部２４、光源３０、回転部３１、フィルタ部３２，３３、モータ３４、カメラ３５、ファン１５０及び排気ダクト２００が設けられる。

カバー１６は、核酸増幅装置１の使用者が反応容器２０を取替えられるよう、前後に移動可能に本体１５に設置される。カバー１６は、後方に移動した際に本体１５の内部に収納される。図１では、カバー１６が前方に移動された状態が図示されている。本体１５とカバー１６との間には、遮光部材（図示せず）が取付けられる。これにより、核酸増幅装置１の内部空間が遮光される。カバー１６の内側には、反射鏡２５、フレネルレンズ２６が設置される。

反応容器２０には、核酸と蛍光物質等を含む液体状の反応試料を収納する窪みが、複数配列されている。本実施の形態では、縦横等間隔で縦に６個、横に１０個の計６０個の窪みが反応容器２０に形成されている。なお、窪みの数は特に限定されず、例えば縦に８個、横に１２個の計９６個の窪みが形成されていてもよい。反応容器２０は、後述する保持部の熱を効率よく反応試料に伝えるために樹脂製の薄板からなる。反応容器２０の裏面側は、窪みに応じた凸形状になっている。本実施の形態では、反応試料中の核酸は、蛍光物質が励起されると２種類の異なる波長の蛍光Ｌ１，Ｌ２を発生するように、蛍光標識されている。

反応ユニット１００は、反応容器２０を保持し、制御部２４の指示に基づいて反応容器２０の温度を調節する。反応ユニット１００については後に詳細に説明する。

カバー２２は、反応容器２０を覆う部材である。カバー２２により、反応容器２０が加熱された際に反応試料が蒸発することを防ぐことができる。カバー２２には、反応試料を励起させる励起光や、反応試料からの蛍光が透過するよう、光透過性のフィルム等が用いられる。

制御部２４は、ハードウェア構成としてはコンピュータのＣＰＵやメモリをはじめとする素子や回路で実現され、ソフトウェア構成としてはコンピュータプログラム等によって実現される。制御部２４には、各種プログラム及びデータが記憶される。制御部２４は、記憶されているプログラムを実行して、核酸増幅装置１の各部を制御する。例えば、制御部２４は、核酸が増幅するように反応ユニット１００による反応容器２０の温度調節を制御する。また、制御部２４は、光源３０の点消灯やモータ３４の回転、ファン１５０の駆動を制御する。なお、制御部２４は、本体１５の外部に設けられてもよい。

反射鏡２５は、フィルタ部３２，３３からの励起光をフレネルレンズ２６に向けて反射する。また、反射鏡２５は、反応試料からの蛍光をカメラ３５に向けて反射する。フレネルレンズ２６は、反射鏡２５で反射される励起光を、フレネルレンズ２６の光軸に平行な状態に収束させて透過させる。

光源３０は、本体１５の側面（−Ｙ側の側面）に設置される。光源３０は、例えばハロゲンランプであり、励起光を含む光を照射する。

回転部３１は、いわゆるターレット式の回転装置である。回転部３１には、反応試料からの蛍光を観測する際に用いられるフィルタ部３２，３３が装着される。回転部３１は、回転板６０，６１、及び回転軸６２を有する。回転部３１は、回転板６０と回転板６１との間に、例えば最大６つのフィルタ部を装着することができる。

回転板６０は、カメラ３５側に配置される。回転板６０には、フィルタ部３２，３３が装着される位置に、蛍光を通過させる丸窓が設けられる。回転板６１は、反射鏡２５側に配置される。回転板６１には、フィルタ部３２，３３が装着される位置に、励起光及び蛍光を通過させる角窓が設けられる。回転軸６２は、回転板６０，６１と、回転板６０，６１に装着されたフィルタ部３２，３３とを回転させる。

本実施の形態では、フィルタ部３３は、フィルタ部３２が設置される位置から回転軸６２周りに１８０度ずれた位置に装着される。回転部３１は、フィルタ部３２，３３のいずれかを光源３０と対向する位置に移動させ、光源３０からの光をフィルタ部に入射させる。なお、「光源３０と対向する位置」とは、光源３０の光軸と、フィルタ部が有する光学フィルタとが交わる位置をいう。図２では、フィルタ部３２が光源３０と対向する位置にある状態が図示されている。

フィルタ部３２は、蛍光Ｌ１を観測する際に用いられる。フィルタ部３２は、箱状のフィルタキューブ７０と、光学フィルタ７１，７３と、ダイクロイックミラー７２とを有する。光学フィルタ７１，７３及びダイクロイックミラー７２は、フィルタキューブ７０に取り付けられる。

光学フィルタ７１は、光源３０からの光のうち反応試料を励起させる励起光を透過させるバンドパスフィルタである。ダイクロイックミラー７２は、反応試料に励起光を照射すべく、光学フィルタ７１を透過した励起光を反射鏡２５に向けて反射する。ダイクロイックミラー７２で反射された励起光は、反射鏡２５でさらに反射され、フレネルレンズ２６を透過して反応容器２０に照射される。また、ダイクロイックミラー７２は、励起される反応試料から発生する蛍光Ｌ１，Ｌ２を透過させる。光学フィルタ７３は、ダイクロイックミラー７２を透過した蛍光Ｌ１を選択的に透過させるバンドパスフィルタである。

フィルタ部３３は、蛍光Ｌ２を観測する際に用いられる。フィルタ部３３は、箱状のフィルタキューブ８０と、光学フィルタ８１，８３と、ダイクロイックミラー８２とを有する。光学フィルタ８１，８３及びダイクロイックミラー８２は、フィルタキューブ８０に取り付けられる。

光学フィルタ８１は、光学フィルタ７１と同様に、光源３０からの光のうち反応試料を励起させる励起光を透過させるバンドパスフィルタである。ダイクロイックミラー８２は、光学フィルタ８１を透過した励起光を反射鏡２５に向けて反射するとともに、反応試料からの蛍光Ｌ１，Ｌ２を透過させる。光学フィルタ８３は、ダイクロイックミラー８２を透過した蛍光Ｌ２を選択的に透過させるバンドパスフィルタである。

モータ３４は、制御部２４の指示により回転軸６２を回転させる。モータ３４は、例えばステッピングモータである。カメラ３５は、蛍光Ｌ１，Ｌ２を受光して撮影する。この結果、核酸増幅装置１の使用者は、増幅された核酸の量等を検出することができる。

ファン１５０は、反応ユニット１００の後述する放熱部を冷却する。排気ダクト２００は、ファン１５０と核酸増幅装置１の外部とを接続する。ファン１５０及び排気ダクト２００については後に詳細に説明する。

続いて、反応ユニット１００、ファン１５０及び排気ダクト２００の構造と配置とについて詳細に説明する。図３は、反応ユニット１００を模式的に示す斜視図である。図４は、反応ユニット１００の分解斜視図である。反応ユニット１００は、保持部１０２、保持部ベース１０４、温度調節部１０６、及び放熱部１０８を主な構成として有する。

保持部１０２は、温調ブロックあるいは反応ブロックとも称され、反応容器２０を保持する平板状の部材である。保持部１０２の一方の主表面には、反応容器２０の裏面側の凸部が収納される穴が設けられる。反応容器２０は、保持部１０２の一方の主表面上に裁置される。保持部１０２は、熱伝導性を有する。保持部１０２の材料としては、アルミニウム等の熱伝導性の高い金属を用いることができる。

保持部ベース１０４は、保持部１０２からの放熱を抑制するための断熱部材である。保持部ベース１０４は、上側パッキン１１４を介して保持部１０２上に設置される。保持部ベース１０４は、枠形状を有し、保持部１０２の周囲を覆う。保持部ベース１０４の中央の開口において、保持部１０２が露出する。

温度調節部１０６は、保持部１０２を加熱及び冷却し、これにより反応容器２０中の反応試料の温度を調節する。温度調節部１０６は、保持部１０２の鉛直方向下方に配置され、熱伝導部材１１０を介して保持部１０２に熱的に接続される。熱伝導部材１１０は、シリコンシート等の熱伝導性を有する部材であり、保持部１０２と温度調節部１０６との間の熱伝達を仲介する。温度調節部１０６は、熱電素子プレート１１６と、基板１１８とを有する。熱電素子プレート１１６は、保持部１０２を６等分した領域のそれぞれを加熱及び冷却するための熱電素子（図示せず）と、保持部１０２の温度を検知する温度センサ（図示せず）とを有する。熱電素子は、例えばペルチェ素子である。温度センサは、例えばサーミスタである。

基板１１８には、熱電素子プレート１１６が搭載される。基板１１８は、コネクタ形状の外部接続端子１１８ａを有する。外部接続端子１１８ａに制御部２４及びスイッチング電源２８が接続される。基板１１８を介して、制御部２４からの制御信号が熱電素子プレート１１６に送信され、また温度センサの出力信号が制御部２４に送信される。熱電素子プレート１１６の熱電素子は、制御部２４からの指示に基づいて保持部１０２を加熱及び冷却する。また、制御部２４は、温度センサの出力値に基づいて熱電素子による加熱及び冷却を制御する。

放熱部１０８は、温度調節部１０６を放熱する部材である。具体的には、放熱部１０８は、温度調節部１０６の熱電素子を放熱する。本実施の形態の放熱部１０８は、複数の放熱フィン１０８ａを有するヒートシンクである。放熱部１０８は、温度調節部１０６の鉛直方向下方に配置され、下側パッキン１３４及び熱伝導部材１１２を介して温度調節部１０６に接続される。熱伝導部材１１２は、シリコンシート等の熱伝導性を有する部材であり、温度調節部１０６と放熱部１０８との間の熱伝達を仲介する。

保持部ベース１０４、保持部１０２、温度調節部１０６及び放熱部１０８は、固定部材１３６ａ，１３６ｂによって固定される。

ファン１５０は、例えば軸流ファンである。図１に示すように、ファン１５０は、放熱部１０８の鉛直方向下方に配置され、放熱部１０８側の空気を吸い込んで鉛直方向下方に吐き出すよう姿勢が定められる。ファン１５０が駆動すると、本体１５に設けられた複数のスリット１５ａから外気が取り込まれる。取り込まれた外気は、複数の放熱フィン１０８ａの間を通過してファン１５０に吸い込まれ、ファン１５０から鉛直方向下方に吐き出される。外気が複数の放熱フィン１０８ａの間を通過する過程で、放熱部１０８と外気との間で熱交換がなされる。これにより、放熱部１０８が冷却される。ファン１５０を、排気方向が鉛直方向下方になるように配置することで、ファン１５０の吸込面、あるいは開口面を熱電素子プレート１１６の主表面に対して平行にすることができる。これにより、放熱部１０８の全体を冷却しやすくすることができる。

排気ダクト２００は、ファン１５０の鉛直方向下方に入口２０２が位置するように配置される。排気ダクト２００の出口２０４は、本体１５に設けられるスリット１５ｂを介して核酸増幅装置１の外部に接続される。放熱部１０８の放熱フィン１０８ａと熱交換して暖められた空気は、ファン１５０に吸い込まれ、排気ダクト２００内に吐き出される。排気ダクト２００は、ファン１５０から鉛直方向下方に進行する排気を水平方向に進行させて出口２０４から排出する。排気ダクト２００を設けることで、ファン１５０から吐き出される温風を核酸増幅装置１の外部に速やかに排出することができる。

排気ダクト２００における、排気の進行方向が鉛直方向下方から水平方向に曲がる領域２０６を形成する部分は、排気の曲進方向外側の壁面２０６ａが、排気流れ方向の上流側よりも下流側が出口２０４に近づくように傾斜した形状を有する。また、排気ダクト２００の領域２０６を形成する部分における、排気の曲進方向内側の壁面２０６ｂも同様に、排気流れ方向の上流側よりも下流側が出口２０４に近づくように傾斜している。本実施の形態では、壁面２０６ａは外側に膨らむ湾曲面であり、壁面２０６ｂは平面である。

壁面２０６ａ及び壁面２０６ｂを、排気流れの下流側が上流側よりも出口２０４に近づくように傾斜させることで、排気の進行方向が鉛直方向から水平方向に変化する領域２０６において、排気が排気ダクト２００の壁面に衝突して騒音が発生することを抑制することができる。

排気ダクト２００は、少なくとも一部が金属板で形成される。本実施の形態では、壁面２０６ｂと、排気が水平方向に進行する領域２０８の上側の壁面２０８ａとが金属板で形成される。壁面２０６ｂと壁面２０８ａとは一体成形することができる。

また、核酸増幅装置１は、温度調節部１０６や制御部２４、モータ３４、カメラ３５等に駆動電圧を供給するスイッチング電源２８をさらに備える。スイッチング電源２８は、壁面２０８ａ上に搭載される。したがって、スイッチング電源２８は、壁面２０８ａに熱的に接続される。スイッチング電源２８は、核酸増幅装置１において代表的な発熱源である。したがって、スイッチング電源２８を金属板で構成される壁面２０８ａに熱的に接続することで、本体１５内の温度上昇を効率よく抑制することができる。

続いて、核酸増幅装置１の動作について説明する。ここでは、一例として核酸増幅装置１を用いて核酸を増幅させ、蛍光Ｌ１を検出する場合を説明する。まず制御部２４は、光源３０からの光がフィルタ部３２に入力されるよう、回転部３１を回転させる。次に、制御部２４は、反応試料中の核酸を増幅させるべく熱電素子の温度を制御する。これにより、熱電素子は、所定の温度サイクルで保持部１０２の加熱と冷却とを繰り返す。この結果、反応試料の加熱と冷却が繰り返され、核酸は増幅される。

光源３０から出射される光に含まれる励起光は、光学フィルタ７１を透過してダイクロイックミラー７２で反射される。反射された励起光は反射鏡２５でさらに反射され、フレネルレンズ２６、カバー２２を透過して反応容器２０の反応試料に照射される。この結果、反応試料は励起され、蛍光Ｌ１，Ｌ２が発生する。蛍光Ｌ１，Ｌ２は、反射鏡２５で反射されてダイクロイックミラー７２を透過する。ダイクロイックミラー７２を透過した蛍光Ｌ１，Ｌ２は光学フィルタ７３に入射し、蛍光Ｌ１のみが選択的に光学フィルタ７３を透過してカメラ３５に入射する。この結果、カメラ３５は、リアルタイムで蛍光Ｌ１を検出することができる。なお、蛍光Ｌ２を検出する場合には、フィルタ部３３が用いられる。

以上説明したように、本実施の形態に係る核酸増幅装置１は、反応容器２０を保持する保持部１０２と、保持部１０２の鉛直方向下方に配置され、保持部１０２を加熱及び冷却する温度調節部１０６と、温度調節部１０６の鉛直方向下方に配置され、温度調節部１０６を放熱する放熱部１０８と、放熱部１０８の鉛直方向下方に配置され、放熱部１０８を冷却するファン１５０と、ファン１５０の鉛直方向下方に入口２０２が位置し、ファン１５０と核酸増幅装置１の外部とを接続する排気ダクト２００とを備える。

このように、排気ダクト２００を設けることで、核酸増幅装置１の内部に温風が滞留することを抑制することができる。したがって、放熱部１０８を効率よく冷却することができる。そして、これにより、核酸を増幅させるための温度サイクルにおいて、反応試料の温度をより早く目標温度に到達させることができる。よって、核酸の増幅効率を向上させることができる。また、排気方向が鉛直方向下方になるようファン１５０を配置することで、ファン１５０の吸込面を熱電素子プレート１１６の主表面に対して平行にすることができる。これにより、放熱部１０８の全体を冷却することができるため、放熱部１０８をより効率よく冷却することができる。したがって、核酸の増幅効率をより向上させることができる。

また、排気ダクト２００は、ファン１５０から鉛直方向下方に進行する排気を水平方向に進行させて出口２０４から排出する構造を有する。そして、排気ダクト２００における、排気の進行方向が鉛直方向下方から水平方向に曲がる領域２０６を形成する壁面２０６ａ，２０６ｂは、排気流れ方向の下流側が上流側よりも出口２０４に近づくように傾斜する。これにより、鉛直方向下方に進行する排気が水平方向に方向転換する際に、排気が排気ダクト２００の壁面に衝突して騒音が発生することを抑制することができる。

また、排気ダクト２００は、少なくとも一部が金属板で形成される。これにより、本体１５内の熱を金属板に放出することができる。この結果、放熱部１０８を効率よく冷却することができるため、核酸の増幅効率をより向上させることができる。また、スイッチング電源２８は、排気ダクト２００の金属板に熱的に接続される。これにより、本体１５内の温度上昇を効率よく抑制することができる。この結果、放熱部１０８を効率よく冷却することができるため、核酸の増幅効率をより向上させることができる。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更などのさらなる変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれる。上述した実施の形態への変形の追加によって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態、及び変形それぞれの効果をあわせもつ。

上述した実施の形態では、核酸増幅装置１は、核酸の増幅機構と検出機構とを備えるが、核酸増幅装置１は核酸の増幅機構のみを備えてもよい。また、上述した実施の形態では、壁面２０６ａ及び壁面２０６ｂがともに傾斜しているが、壁面２０６ａ及び壁面２０６ｂの少なくとも一方が傾斜していれば、騒音低減効果を得ることができる。

１ 核酸増幅装置、 ２０ 反応容器、 ２８ スイッチング電源、 １０２ 保持部、 １０６ 温度調節部、 １０８ 放熱部、 １５０ ファン、 ２００ 排気ダクト、 ２０２ 入口、 ２０４ 出口、 ２０６ａ，２０６ｂ 壁面。

Claims (4)

1. 核酸を含む反応試料を収納する窪みが複数配列される反応容器を保持する保持部と、
   前記保持部の鉛直方向下方に配置され、前記保持部を加熱及び冷却して前記反応試料の温度を調節する温度調節部と、
   前記温度調節部の鉛直方向下方に配置され、前記温度調節部を放熱する放熱部と、
   前記放熱部の鉛直方向下方に配置され、前記放熱部側の空気を吸い込んで鉛直方向下方に吐き出し、前記放熱部を冷却するファンと、
   前記ファンの鉛直方向下方に入口が位置するように配置され、前記ファンと装置の外部とを接続する排気ダクトと、
   を備え、
   前記排気ダクトは、前記ファンから鉛直方向下方に進行する排気を水平方向に進行させて出口から排出し、
   前記排気ダクトにおける、排気の進行方向が鉛直方向下方から水平方向に曲がる領域を形成する部分は、排気の曲進方向の内側及び外側の少なくとも一方の壁面が、排気流れ方向の上流側よりも下流側が前記出口に近づくように傾斜した形状を有することを特徴とする核酸増幅装置。
2. 前記排気ダクトは、少なくとも一部が金属板で形成される請求項１に記載の核酸増幅装置。
3. 前記温度調節部に駆動電圧を供給するスイッチング電源をさらに備え、
   前記スイッチング電源は、前記金属板に熱的に接続される請求項２に記載の核酸増幅装置。
4. 前記温度調節部は、熱電素子を有する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の核酸増幅装置。