JP6596800B2 - 熱対流生成システムおよびコンベクションｐｃｒ法 - Google Patents

熱対流生成システムおよびコンベクションｐｃｒ法 Download PDF

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Description

本発明は、例えばＰＣＲ法を行うための熱対流生成システムおよび該熱対流生成システムを使用したコンベクションＰＣＲ法に関する。
遺伝子増幅方法として、ポリメラーゼ連鎖反応（Polymerase Chain Reaction、以下「ＰＣＲ」と称する。）が知られている。ＰＣＲは、極めて微量のＤＮＡサンプルから特定のＤＮＡ断片を短時間に大量に増幅できる方法であり、その走査の簡便さから、現在では基礎研究のみならず、臨床遺伝子診断から食品衛生検査、犯罪捜査に至るまで、幅広い分野に応用されている。
特許文献１には、直立したシリンダ状の容器内で、容器底部側から供給する熱により熱対流を生成させてＰＣＲを行うＰＣＲ用の熱対流生成装置が開示されている。この熱対流生成装置は、対流による溶液駆動を行うものであり、外部ポンプを使用せずにＰＣＲ溶液の送液が可能という利点がある。しかしながら、ＰＣＲ溶液に対する熱供給の位置の僅かなズレやＰＣＲ溶液を含む容器の傾きの僅かな違いで対流の状態が大きく変わるため、安定した熱対流が得られず再現性に乏しいという問題がある。
特許文献２にはＰＣＲ用の熱対流生成装置が開示されており、隙間（Gap）を有して積層された複数の直方体状の第１〜第３熱源（1st〜3rd Heat Source）に反応管を収容するための孔（channel）を形成し、該孔にＰＣＲの反応管（ReactionVessel）を差し込んで固定して、下層から順に第１〜第３熱源を積層した積層体を、鉛直軸の径方向の線に対して前記積層体の上面が所定角度をなすように傾斜させた状態で、前記積層体を鉛直軸周りに回転させることにより反応管内の液体に遠心力を付与して熱対流を促進するように構成されている。なお、熱源温度は、第１熱源＞第２熱源＞第３熱源に設定されている。
しかしながら、このＰＣＲ用の熱対流生成装置では、上述したように鉛直軸周りに回転させる熱源の積層体が所定角度傾斜しているため、遠心力を受けて反応管（ReactionVessel）の底部に移動した反応液が底部から上下２方向に分流した際、上向きに流れる場合と下向きに流れる場合とでは反応管内の液体に作用する回転軸方向の合力が異なるので、液体がスムーズに流れにくく、再現性の良い熱対流が得られないという問題があった。
特許文献３は、回転軸方向に対して垂直な面に沿って設けられた熱対流生成用チップの環状流路内に液体を導入して該液体を熱源により加熱しつつ、回転軸周りに熱対流生成用チップを回転させることで前記液体に遠心力を付与するＰＣＲ用の熱対流生成装置が開示されている。この熱対流生成装置は、特許文献１，２と比べて再現性に優れる熱対流を実現することができる。しかしながら、特許文献３の装置よりもロバスト性（外的要因の変化を内部機構で阻止する性能）、熱対流の再現性が高くＰＣＲのサーマルサイクルをより効率良く迅速に行うことができる熱対流生成装置や熱対流生成システムが求められている。
国際公開２００２／０７２２６７号公報 国際公開２０１１／０８６４９７号公報 特開２０１４−３９４９８号公報
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、ロバスト性に優れ、熱対流の再現性が高く、例えばＰＣＲのサーマルサイクル等の熱対流をより効率良く迅速に行うことができる熱対流生成システムおよび該熱対流生成システムを使用したコンベクションＰＣＲ法を提供することを課題とする。
上述した目的のうち少なくとも一つを実現するために、本発明の一側面を反映した熱対流生成システムは、
液体を循環させるための環状流路を有する熱対流生成用チップを回転可能に固定することができる回転軸と、
前記環状流路内の液体を加熱又は冷却する第１熱源部を有する第１温度調節部と、
前記環状流路内の液体を加熱又は冷却する第２熱源部を有する第２温度調節部と、
前記回転軸を回転駆動することにより前記環状流路全体を前記回転軸の軸線回りに回転させる回転駆動手段と、を備え、前記液体が前記環状流路を流通する方向と直交する方向(環状流路より呈される円と一致する平面)で前記環状流路を平面視したとき、該平面上にある前記環状流路の重心（環状流路の中心）と、前記軸線と前記平面との交点である前記回転軸の回転中心とが一致しない熱対流生成装置と、
液体を循環させるための環状流路を有する熱対流生成用チップと
を含む熱対流生成システムであって、
前記回転中心と前記重心（環状流路の中心）とをつなげた直線に対して、前記重心（環状流路の中心）を中心として、３０°以上〜１５０°以下または２１０°以上〜３３０°以下となる範囲のうち、いずれか一方の範囲のみに、前記第２熱源部が少なくとも１つ位置して該範囲内で前記環状流路の流路エリアを加熱又は冷却し、
前記第１熱源部は、第２熱源部によって加熱又は冷却される前記環状流路の流路エリア以外の流路エリアを加熱または冷却し、
前記熱対流生成用チップは、前記環状流路に連通した液体供給路を有し、前記回転駆動により熱対流生成用チップに加わる遠心力により前記液体供給路中の液体が前記環状流路に供給され、
前記液体供給路は、
前記液体を受け入れる受入部と、
前記受入部と前記環状流路とを連通させるとともに、前記受入部内の液体を毛細管現象により吸引する吸引通路と、
を有し、
前記吸引通路は、前記吸引通路の中間部と前記環状流路との間に位置する第１領域と、前記吸引通路と前記受入部との間に位置する第２領域とを有し、
前記回転をさせることにより、前記第１領域内の液体が前記第２領域内の液体から分離して前記環状流路へ供給される、熱対流生成システムである。
上述した目的のうち少なくとも一つを実現するために、本発明の一側面を反映したコンベクションＰＣＲ法は、上記の熱対流生成システムを使用したコンベクションＰＣＲ法であって、
ＰＣＲ反応溶液を構成する検体液、反応試薬溶液、その他ＰＣＲ反応に必要な液体を個別に又は一体に環状流路内に導入する液導入工程、
環状流路内で前記ＰＣＲ反応溶液を所定速度で還流させてコンベクションＰＣＲを行うＰＣＲ反応工程、を含み、
ＰＣＲ反応中に、第１温度調節手段の熱源部と第２温度調節手段の熱源部との温度差を１０℃以上に維持する、コンベクションＰＣＲ法。
本発明によれば、従来よりロバスト性に優れ、熱対流の再現性が高く、例えばＰＣＲのサーマルサイクル等の熱対流をより効率良く迅速に行うことができる熱対流生成システムおよび該熱対流生成システムを使用したコンベクションＰＣＲ法を提供することできる。
図１は、第１実施形態の熱対流生成システムの外観を示した図である。 図１Ａは、図１の熱対流生成システムの熱対流生成装置の分解斜視図である。 図２（Ａ）は、図１に示す熱対流生成用チップの一部（裏面）を示し、熱対流生成用チップの環状流路と、熱対流生成装置の第１ヒータおよび第２ヒータとの位置関係を説明した図である。図２（Ｂ）は、（Ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面を矢視方向に見た図である。 図３は、第１実施形態の熱対流生成用チップに代替可能な別の熱対流生成用チップの例を示した図である。 図４は、第１実施形態の熱対流生成システムの制御系のブロック図である。 図５は、第１実施形態の熱対流生成システムにより環状流路から発した蛍光を検出している状態を示した図である。 図６は、第２実施形態の熱対流生成システムの熱対流生成用チップを示した図である。 図７は、図６の熱対流生成用チップの分解斜視図である。 図８（Ａ）は、図６の熱対流生成用チップの一部を拡大した図である。図８（Ｂ）は、（Ａ）の熱対流生成用チップの基板（積層された板の一番上のもの）の裏面を拡大した図である。 図９は、図６のＢ−Ｂ線に沿った熱対流生成用チップの部分断面を矢視方向に見た図である。 図１０は、図６に示される熱対流生成用チップのカバー部の拡大斜視図である。 図１１は、図６に示される熱対流生成用チップの案内通路を模式的に示した図である。 図１２は、第３実施形態の熱対流生成システムの熱対流生成用チップを示した図である。 図１３は、図１２に示される熱対流生成用チップの分解斜視図である。 図１４は、図１２に示される熱対流生成用チップの液体供給路の構造および第１ヒータ，第２ヒータと環状流路との位置関係を示した図である。 図１５は、図１２に示される熱対流生成用チップの第１基板の一部拡大斜視図である。 図１６は、図１２に示される熱対流生成用チップの第２基板の一部拡大斜視図である。 図１７は、図１２に示される熱対流生成用チップの第３基板の一部拡大斜視図である。 図１８は、図１２に示される熱対流生成用チップのＣ−Ｃ線に沿った断面を矢視方向に見た図である。 図１９は、図１２に示される熱対流生成用チップのカバー部の拡大斜視図である。 図２０は第１実施形態で用いたモータの電源の電圧と該モータの回転数との関係を示すグラフであり、速度と遠心力との関係（Ｆ＝ｍｖ2／ｒ、ｇ＝（２πＮ）2ｒ）より相対重力加速度と第１実施形態で用いたモータの回転数との関係を求め、さらに電圧と相対重力加速度との関係を求めることにより作成したものである。 図２１は、相対重力加速度と上記モータの電源の電圧との関係を示すグラフである。 図２２（Ａ）は実施例１の結果を示すグラフである。図２２（Ｂ）は比較例１の結果を示すグラフである。図２２（Ｃ）は実施例２の結果を示すグラフである。図２２（Ｄ）は比較例２の結果を示すグラフである。図２２（Ｅ）は実施例３の結果を示すグラフである。図２２（Ｆ）は比較例３の結果を示すグラフである。
以下、本発明に係る熱対流生成装置および熱対流生成システムについて、図面を参照しながら説明する。
［第１実施形態］
図１に本発明に係る第１実施形態の熱対流生成システム１００の外観（前面）を示し、図１Ａに図１の熱対流生成装置１等の分解斜視図を示す。
第１実施形態の熱対流生成システム１００は、液体を循環させるための環状流路１４を有する熱対流生成用チップ１０と、該熱対流生成チップ１０を回転可能に着脱固定することができる熱対流生成装置１とを含む（図１Ａ参照）。
熱対流生成装置１は、熱対流生成用チップ１０を回転可能に固定するためのシャフト４１と、熱対流生成用チップ１０の環状流路１４の液体を加熱又は冷却する第１ヒータ（第１温度調節部）３１および第２ヒータ（第２温度調節部）３２と、前記シャフト４１を回転駆動することにより環状流路１４全体をシャフト４１周りに回転させるモータ（回転駆動手段）４０と、を少なくとも有する。
後述するように、本発明に係るコンベクションＰＣＲを実施している間は、第２温度調節部３２の温度（変性温度）の方が第１温度調節部３１の温度（アニーリング温度）よりも高くなり、相対的に見れば、第２温度調節部３２により高温になった環状流路１４の液体は第１温度調節部３１によって"冷却"されるが、第２温度調節部３２の温度も第１温度調節部３１の温度も、常温（室温）よりは高いため、それぞれ変性温度およびアニーリング温度にするためには"加熱"する機能が必要となる。その意味で、第１温度調節部３１および第２温度調節部３２はいずれも"加熱"するための部材、すなわち"ヒータ"と称することができるため、本明細書では「第１温度調節部」を「第１ヒータ」に、「第２温度調節部」を「第２ヒータ」に置き換えて、発明の詳細な説明や具体的な実施形態を記載することとする。
図１および図１Ａに示したように、モータ４０から突出したシャフト４１に対し、熱対流生成用チップ１０、ステージ２０、第１ヒータ３１，及び第２ヒータ３２等が一体となって回転可能に設けられている。ステージ２０は、環状流路１４の特定の部分を第１ヒータ（第１温度調節部）３１および第２ヒータ（第２温度調節部）３２に当接させた状態で、熱対流生成用チップ１０を載置することのできる部材である。シャフト４１の中心軸ＡＸが上記回転の回転軸となる。
≪熱対流生成用チップ≫
図２（Ａ）に熱対流生成用チップ１０の基板１１の裏面を示す。図２（Ｂ）に（Ａ）のＡ―Ａ線に沿った熱対流生成用チップ１０の断面を矢視方向に見た図を示す。
図２（Ａ）および（Ｂ）に示すように、熱対流生成用チップ１０は、液体を循環させるための環状流路１４を少なくとも有する。熱対流生成用チップ１０では、環状流路１４の一部をなす溝が形成されたディスク状の基板１１と、溝が形成された基板１１の面に接合される蓋体１３とを有する。この基板１１と蓋体１３との接合により環状流路１４が形成される。
基板１１には、該基板１１を前記シャフト４１に固定するための中心孔１７と、ステージ２０に固定するために形成された固定部（ネジ孔）（不図示）等が形成されている。蓋体１３は、基板１１と略同径であり、かつ、基板１１よりも薄い円盤状に形成されている。蓋体１３は、基板１１の下面に積層（接合）された状態で適宜固定手段により基板１１に対して着脱可能に固定される。
熱対流生成用チップ１０の材質は、第１ヒータ３１および第２ヒータ３２の温度に耐えうる材質である必要がある。また、熱対流生成用チップ１０の環状流路１４等に内在する液体を視認できる観点から透明の材質が好ましい。このような材質としては、例えば、環状オレフィン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリジメチルシロキサンとガラスとの複合体、又はアクリルが好ましい。上記の材質のうち、脱ガス性と耐熱性に優れ、ガス透過性、吸水性、及び自家蛍光性が低い点において、環状オレフィンが最も好ましく、次いで、ポリプロピレン又はポリカーボネートが好ましい。また、第１ヒータ３１、第２ヒータ３２からの熱伝導を考慮して、熱伝導率が０．１〜１．０Ｗ/（ｍ・Ｋ）の材料を選択するのが好ましい。基板１１及び底板１２は、好適には合成樹脂によって形成される。
熱対流生成用チップ１０の基板１１は、ディスク状に限らず、矩形の板状等の他の形状であってもよい。回転しやすさの観点からディスク状（円盤状）の基板１１および蓋体１３が好ましい。なお、基板１１と蓋体１３との間に気密性及び液密性を有する薄い粘着性のある樹脂製シート（例；上記材質のシート）を挟みこんで、環状流路１４、後述する液体供給路１５およびガス排出路１６を封閉するようにしてもよい。
《環状流路》
環状流路１４は、検体液と反応試薬溶液との混合液（詳細は後述）等の液体を導入して環状流路１４内で熱対流させるためのものである。環状流路１４は、熱対流生成用チップ１０が回転駆動された際に環状流路１４内の液体が環状流路１４を循環するようにシャフト４１の回転軸ＡＸと所定の位置関係を有して設けられている。
本発明において、環状流路１４の回転軸ＡＸからの距離に特に制限はないが、実際の作業を考慮したときの熱対流生成装置１のコンパクト性と、本装置を用いて行う熱対流の効率性との関係で、上記距離を１ｃｍ以上１０ｃｍ以下に設定することが好ましい。
また、図１の第１実施形態で例示されるように、環状流路１４は、熱対流生成用チップ１０が回転軸ＡＸ周りに回転駆動された際に描かれる円の平面（図２の例では基板の下面等が該当する。）と平行となるように設けられていることが好ましい。換言すれば、図２（Ｂ）に示したように、環状流路１４と回転軸ＡＸとなす角度θ'が９０°となるように設けられていることが好ましい。角度θ'は、９０°に限らず、上記液体が環状流路１４を循環するのであれば、８０°以上〜１００°以下の範囲で任意の角度に設定してもよい。
（環状流路の表面粗さ）
環状流路１４の壁面の表面粗さを所定以下に抑えることより環状流路１４のぬれ残り（環状流路等の壁面の濡れ性が撥水的であることにより液体が付着しない部分）の発生を抑制することができる観点から、環状流路１４の壁面の表面粗さＲａは、好ましくは１００ｎｍ以下であり、より好ましくは５０ｎｍ以下であり、さらに好ましくは３０ｎｍ以下である。
環状流路１４内の液体中に気泡が発生する原因の１つとして、例えば環状流路１４内に液体を満たす際に生じるぬれ残りがそのまま気体となることが挙げられる。環状流路１４内の液体に気泡が発生すると、環状流路１４内の液体の熱対流が阻害されるため、ぬれ残りを極力減らすことが望ましい。
ぬれ残りを極力減らすことで、環状流路１４内における液体の流通がスムーズとなり、第１温度調節と第２温度調節との切り替えが好適に行われるとともに、環状流路１４内で液体が対流しやすくなるという利点がある。
環状流路１４の表面粗さＲａを上記範囲とするには、上記表面粗さの要件を満たす熱対流生成用チップ１０の基材１１および蓋体１３（場合によっては上記樹脂製シート）の材質を選択する方法の他に、環状流路の壁面を構成する基材１１、蓋体１３（または樹脂製シート部分）を所定の方法で研磨する方法が挙げられる。研磨する方法としては、例えば、厚さ２５〜７５μｍ程度のポリエステルフィルムの上に、サブミクロンから数十μｍの粒径の砥粒が接着剤で均一に塗布されたテープ状の研磨工具（研磨テープ）を用いて行うフィルム研磨を挙げることができる。
環状流路１４の壁面の表面粗さが上記範囲内である場合と上記範囲外である場合とで実際にぬれ残りの有無を確認する試験（ポリエチレングリコールを環状流路１４の表面を塗布し、食紅を含む水を環状流路１４内に充填して９５℃で加熱した場合に気泡発生の有無を確認する試験）を行うと、前者の場合では気泡が発生し、後者の場合では気泡が発生しない結果となる。
（環状流路の形状）
環状流路の形状は、典型的には、図１および図１Ａの第１実施形態で例示されるように、前記液体が環状流路１４を流通する方向(環状流路１４により呈される円と一致する平面)と直交する方向で環状流路１４を平面視したとき（平面として見たとき）に真円状の帯状であることが好ましい。環状流路１４を真円状とすることにより、流路長を最短にでき、コンベクションＰＣＲを短時間で効率よく行うことができる。しかしながら、熱対流が生じるのであれば環状流路の形状は真円状に限定されず、上記平面視した状態で流路内の液が循環可能なその他の形状、例えば、長円状、楕円状、多角形状（例；三角形状、四角形状、それ以上の多角形状）の環状に形成されていてもよい。
なお、環状流路により呈される円とは、例えば、環状流路１４のエッジ部分（環状流路１４の横断面形状に表れる多角形が有する頂点部分（図２（Ｂ）参照）により呈される円、または、環状流路１４の断面が多角形でない場合には、上記エッジ部分に相当する部分をさす（例えば、環状流路１４の断面が円形の場合は円の頂点などを指す）。
第１実施形態では、図１および図２に示すように、基板１１の下面周縁部には複数の環状流路１４が設けられている。これらの環状流路１４は、ディスク状の基板１１の軸線周りに所定の等角度間隔をおいて設けられ、軸線ＡＸに対して対称的に配置されている。なお、上記基板１１の軸線は、熱対流生成装置１を組み立てて熱対流生成用チップ１０を取り付けた状態でシャフト４１の回転軸ＡＸと一致する。また、環状流路１４は、等角度間隔に設けることが好ましいが、等角度間隔に設けなくともよい。
環状流路１４の数、加工方法、各部寸法等は特に限定されず、例えば、外径（Ｄ）は３０〜７０ｍｍ、環状流路の深さ（Ｓ）を３００〜５００μｍ、環状流路の幅（Ｗ）を４００〜６００μｍの範囲に設定して形成する例が挙げられる（図２（Ｂ）参照）。典型例としては第１実施形態（図１）のように、直径（Ｄ）４０ｍｍの基板に微細加工技術により４つの同じ形状、同じ大きさの環状流路を形成、すなわち、基板に対して直径（Ｄ）５ｍｍの真円状の溝（深さ：３００μｍ，幅：５００μｍ）を形成する例が挙げられる。
《液体供給路》
熱対流生成用チップには、任意に、環状流路に液体を供給するための、環状流路に連通した液体供給路を設けてもよい。第１実施形態の熱対流生成システム１００（図２（Ａ）参照）では、前記液体が前記環状流路を流通する方向(環状流路１４により呈される円と一致する平面)と直交する方向で前記環状流路１４を平面視したとき（平面として見たとき）、回転中心ＡＸと重心（環状流路の中心）Ｑとをつなげた径方向の線Ｚと交わる環状流路１４の部位に連通するように液体供給路１５が設けられている。なお、「流路エリア」とは、環状流路１４を上記平面視したときの環状流路１４の領域を意味する。
この液体供給路１５は、図２（Ａ）の上側から順に、基板１１に形成された液体供給孔１５ｄに連通した細長い伸延部１５ａと、その一端に連通接続された涙滴状の液溜り部１５ｂと、その先端部と環状流路１４とを連通接続する幅狭の連通部１５ｃとを有している。なお、液溜り部１５ｂの容量は、環状流路１４の容量よりも大きく設定されている。
液体供給路１５は、熱対流生成用チップ１０を回転駆動させた際に熱対流生成用チップに加わる遠心力により液体供給路１５中の液体が環状流路１４に供給されるように構成されている。第１実施形態の熱対流生成システムでは、マイクロピペット等により液体供給路１５の伸延部１５ａを介して液溜り部１５ｂ内に液体を導入および貯留させた状態で、上述したように熱対流生成用チップ１０を回転軸ＡＸ周りに回転駆動すると、熱対流生成用チップ１０に加わる遠心力によって液体供給路１４（伸延部１５ａ，液溜り部１５ｂ）中の液体が連通部１５ｃを介して環状流路１４内に供給されるように構成されている（図２（Ａ）参照）。
《ガス排出路》
熱対流生成用チップには、任意に、環状流路の液体に含まれるガスを抜くための、環状流路に連通したガス排出路を設けてもよい。第１実施形態の熱対流生成システムでは、ガス排出路１６は、環状流路１４から図２（Ａ）の上側から順に、ガスを外部へ排出するための孔１６ｄと、該孔１６ｄに連通したディスク状の基板１１の径方向の線Ｚに沿って延びる細長い伸延部１６ａと、その一端に連通接続された涙滴状のガス溜り部１６ｂと、その先端部と環状流路１４とを連通接続する幅狭の連通部１６ｃとを有している（図２（Ａ）参照）。
ガス排出路１６を設けたことで、環状流路１４内の液体が熱対流する際に生じるガスや液体供給路１５液体を注入する際に生じるガス（気泡など）が遠心力によりガス排出路１６に侵入し、伸延部１６ａおよび孔１６ｄを介して排出され、液体からガスを除去できるので、液体の熱対流をスムーズに行うことができる。
《ステージ》
ステージ２０は、熱源３０（第１ヒータ３１および第２ヒータ３２）を支持するとともに、ステージ２０の上に配置される熱対流生成用チップ１０にモータ４０の回転力を伝達するためのものである。ステージ２０の材質としては、シクロオレフィンポリマー、ポリカーボネート等の合成樹脂または金属を使用することができる。ステージ２０は、回転しやすさを考慮して、図２の第１実施形態で例示したように円盤状に形成されることが好ましいが、回転可能であれば特に限定されない。
（ステージと熱対流生成用チップとの連結）
第１実施形態で用いられるステージ２０は、図１Ａに示すように、熱対流生成用チップ１０をステージ２０に対して同心状に位置決めするとともに、ステージ２０と熱対流生成用チップ１０とを相対回転不能に連結手段により連結されている。この連結手段の構造は特に限定されないが、例えば、熱対流生成用チップ１０の中心軸に対して偏心した熱対流生成用チップの下面の位置に凹部または凸部を形成し、ステージの中心軸に対して偏心したステージの上面の位置に凸部又は凹部と形成し、ステージの凹部または凸部と熱対流生成用チップの凸部または凹部とを嵌合させる構造でもよい。なお、熱対流生成用チップ１０の中心軸は、中心孔１７の中心を通る軸で熱対流生成装置を組み立てた状態で軸線ＡＸと一致する。
（ヒータ装着孔）
ステージ２０には、図１Ａに示すように、第１ヒータ３１と第２ヒータ３２とを挿入装着するためのヒータ装着孔２１が設けられている。ヒータ装着孔２１は、第１ヒータ３１と第２ヒータ３２とのセット数に応じて複数設けてもよく、軸線ＡＸ周りに等角度間隔に配置されていることが好ましい。図１Ａに示すように、円弧状のヒータ装着孔２１がシャフト４１の軸線ＡＸ周りに９０°の角度間隔をおいて４箇所設けられており、軸線ＡＸに対して対象に配置されている。
《熱源》
第１実施形態の熱対流生成システム１００の例では、熱源３０は、図１Ａに示したように、リング状の第２ヒータ３２と、その内側に同心状に配置される別のリング状の第１ヒータ３１とからなる。なお、第１ヒータ３１と第２ヒータ３２とは個別に温度制御・維持される。
（第１ヒータ）
第１ヒータは、環状流路の所定の流路エリアにある液体を加熱または冷却するものである。ここでの「加熱」とは、第１ヒータ３１の熱源部３１ｂにより、その上方に位置する環状流路１４内の液体の温度を上昇させることを意味し、ここでの「冷却」とは、第１ヒータ３１の熱源部３１ｂにより、その上方に位置する環状流路１４内の液体の温度を低下させることを意味する。
第１実施形態の熱対流生成システム１００の例（図１及び図１Ａ参照）では、第１ヒータ３１は、リング状の連結部３１ａと、その周方向に等間隔をおいて設けられた横断面コ字状の柱状の熱源部３１ｂを有している。第１ヒータ３１の連結部３１ａには、貫通孔である一対のネジ穴３１ｃ，３１ｃが軸線ＡＸ周りに１８０°の角度間隔をおいて設けられている。一対のネジ穴３１ｃ，３１ｃにはステージ２０の第２ねじ挿通孔２２，２２を貫通したネジの軸部が羅合し、該羅合により第１ヒータ３１がステージ２０に固定・支持されるように構成されている。
第１ヒータ３１がステージ２０に固定・支持された状態で、第１ヒータ３１の各熱源部３１ｂの上端部がステージ２０の上面から突出して、環状流路１４を平面視（後述）したときに該環状流路１４の一部と重なる熱対流生成用チップ１０の下面の位置に当接する（図１参照）。このように当接した状態で、第１ヒータ３１が給電されて温熱または冷熱を生成することにより、第１ヒータ３１の熱源部の上端部が当接している環状流路１４の流路エリア部分の液体が所定温度に調節されるようになっている。固定・支持は上記の態様に限定されず、他の固定・支持の態様であってもよい。
（第２ヒータ）
第２ヒータは、環状流路の所定の流路エリアにある液体を加熱または冷却するものである。ここでの「加熱」とは、第２ヒータ３２の熱源部３２ｂにより、その上方に位置する環状流路１４内の液体の温度を上昇させることを意味し、ここでの「冷却」とは、第１ヒータ３２の熱源部３２ｂにより、その上方に位置する環状流路１４内の液体の温度を低下させることを意味する。第１実施形態の熱対流生成装置の例（図１及び図１Ａ参照）では、第２ヒータ３２は、リング状の連結部３２ａと、その周方向に等間隔を置いて設けられた（４つの）Ｌ字状の柱状の熱源部３２ｂとを有している。
第２ヒータ３２の連結部３２ａには、一対のネジ穴３２ｃ，３２ｃが軸線ＡＸ周りに１９０°の角度間隔をおいて設けられている。一対のネジ穴３２ｃ，３２ｃにはステージ２０の第１ねじ挿通孔２３を貫通したネジの軸部が羅合し、該羅合により第２ヒータ３２がステージ２０に固定および支持されるように構成されている。
第２ヒータ３２がステージ２０に固定・支持された状態で、第２ヒータ３２の各熱源部３２ｂの上端部がステージの上面から突出して、環状流路１４を平面視（後述）したときに該環状流路１４の一部と重なる熱対流生成用チップの下面の位置に当接する（図１参照）。このように当接した状態で、第２ヒータ３２が給電されて温熱または冷熱を生成することにより、第２ヒータ３２の熱源部３２ｂの上端部が当接している環状流路１４の流路エリア部分の液体が所定温度に調節されるようになっている。
（第１，第２ヒータと環状流路との位置関係）
図２（Ａ）及び図３を参照しながら、環状流路１４と第１ヒータ３１および第２ヒータ３２との位置関係について説明する。
第１ヒータ３１および第２ヒータ３２は、図２（Ａ）に示したように、液体が環状流路１４を流通する方向(環状流路１４により呈される円と一致する平面)と直交する方向で環状流路１４を平面視したとき、該平面上にある前記環状流路１４の重心（環状流路の中心）Ｑと、軸線ＡＸと前記平面との交点である前記回転軸の回転中心とが一致せず、回転中心ＡＸと重心（環状流路の中心）Ｑとをつなげた直線（図２（Ａ），図３において上下方向の一点鎖線Ｚ（一部不図示））に対して、環状流路１４の重心（環状流路の中心）Ｑを中心として、角度（θ）＝３０°以上〜１５０°以下または２１０°以上〜３３０°以下となる範囲のうち、いずれか一方の範囲のみに、第２熱源部３２ｂが少なくとも１つ位置して該範囲内で環状流路１４の流路エリアを加熱又は冷却し、第１熱源部３１ｂは、第２熱源部３２ｂによって加熱又は冷却される環状流路１４の流路エリア以外の流路エリアを加熱または冷却する（図２（Ａ）または図３参照、以下「ヒータの設置条件」という）。ここで、第１熱源部３１ｂと第２熱源部３２ｂとの間に隙間（以下、「クリアランス」という）を設けてもよい。
第１ヒータ３１と第２ヒータ３２との隙間であるクリアランスＣＬが第２ヒータ３２の熱源部３２ｂを囲うように各ヒータの熱源部が形成および配置されていること（第１ヒータおよび第２ヒータの各熱源部が形成および配置されていること）が好ましい（図２（Ａ）および図３参照）。例えば、上記平面視した状態で、第１ヒータがコの字型、Ｃの字型を呈して、クリアランスＣＬを隔てて第２ヒータの周りを囲う例が挙げられる。
（第１ヒータの面積割合）
環状流路１４を上述したように平面視したとき（図２（Ａ）または図３に示すように平面視したとき）に、第１ヒータ３１の熱源部３１ｂの上面と重なる流路エリアの面積が流路エリア全体に対して占める割合は、前述の条件（ヒータの設置条件）を満たせば特に限定されず、ＰＣＲの反応条件（特にアニーリング時間、アニーリング温度および環状流路内での液体の流速）を考慮して適宜変更することができる。詳細は、後述の「第１ヒータと第２ヒータとの面積比」で説明する。具体例としては、図２（Ａ）及び図３に示した第１実施形態のように、環状流路１４の流路エリアと一致する第１ヒータ３１の面積を流路エリア全体に対して７０〜７５％程度に設定する例が挙げられる。
（第２ヒータの流路エリア面積）
環状流路１４を平面視したとき（図２（Ａ）または図３に示すように平面視したとき）に、第２ヒータ３２の熱源部３２ｂの上面と重なる流路エリアの面積が流路エリア全体の面積に対して占める割合は、前述の条件（ヒータの設置条件）を満たせば特に限定されず、ＰＣＲの反応条件（特にＰＣＲにおける変性時間、変性温度および環状流路内での液体の流速）を考慮して適宜変更することができる。詳細は、後述の「第１ヒータと第２ヒータとの面積比」で説明する。具体例としては、図２（Ａ）及び図３に示した第１実施形態のように、環状流路１４の流路エリアと一致する第２ヒータ３２の面積を流路エリア全体の面積に対して１５〜２０％程度とする例が挙られる。
（第１ヒータと第２ヒータとの面積比）
第２ヒータ３２の熱源部が環状流路１４の流路エリアと重なる面積と、第１ヒータ３１が環状流路の流路エリアと重なる面積との比は、１：１１〜１：２であることが好ましい。クリアランスＣＬが環状流路１４と平面視で重なる流路エリアを除いた流路エリア内で上記の比率の面積比となるように第１ヒータ３１と第２ヒータ３２が設けられることが好ましい。
（クリアランスの面積割合）
クリアランスＣＬは、熱対流生成システム１００の環状流路１４を上記平面視したときに、クリアランスＣＬと重なる環状流路１４の流路エリアの面積が流路エリア全体の面積に対して０．１〜１５％の範囲を占めるように設定することが好ましい。
第１ヒータ３１と第２ヒータ３２との間の隙間と重なる環状流路１４の流路エリアを通過する液体は、その下方に熱源３０等が存在しない代わりに空気が存在するため空冷されることとなる。この空冷による上記液体の冷却は、当該空気より高温であり且つ前記液体より低温の熱媒体（第１ヒータ等）による冷却と比べると一見して冷却効率が高いとも考えられるが、空気の熱伝導率は低いため、実際は空気よりも熱伝導率の高い素材で形成されている上記熱媒体による冷却の方が高い冷却効率が得られる。
したがって、熱対流生成システム１００の環状流路１４を上記平面視したときにクリアランスＣＬと重なる環状流路の流路エリア１４の面積が流路エリア全体の面積に対して占める割合は、第１ヒータ３１と第２ヒータ３２の空気（クリアランス部分の空気）を介した相互の熱伝導が防止または抑制される程度の小さなもので十分であり、且つ、クリアランスＣＬ部分の空冷による冷却効率の低下があっても許容される範囲に設定すればよいので、上記割合が０．１〜１５％の範囲内で極力小さくなるように設定することが好ましい。第１実施形態の熱対流生成システム１００では、図２（Ａ）及び図３に示すクリアランスＣＬが流路エリア全体に対して１０〜１５％程度に設定されている。
（第１ヒータの温度）
熱対流生成システム１００によりコンベクションＰＣＲを行う場合、第１ヒータ３１の温度は、ＰＣＲ法におけるアニーリング温度に設定される。アニーリング温度はプライマーの変性温度（Ｔｍ値）に基づいて決定される温度であり、一般的には（Ｔｍ値−５℃）が適切とされる。ここで、Ｔｍ値は設計したＰＣＲ用のプライマーの塩基配列に基づいて、例えば下式（１）から算出することができる。
Ｔｍ値（℃）＝2（nA＋nT）＋4（nC＋nG）＋35−2（nA＋nT＋nC＋nG）・・・（１）
（計算式において、nA、nT、nCおよびnGはそれぞれ、プライマーに含まれるアデニン、チミン、シトシンおよびグアニンの塩基数を表す。）
フォワードとリバースのプライマーのＴｍ値はなるべく近くなるように設計されているが、離れている場合は低い方のＴｍ値に基づいてアニーリング温度を設定すればよい。ＲＴ−ＰＣＲの場合、Ｔｍ値は逆転写反応温度より低くならないよう、例えば５０℃以上に設定される。典型的には、アニーリング温度としてよく使用されている５５℃〜６５℃の温度に第１ヒータ３１の温度が設定される。
（第２ヒータの温度）
熱対流生成システム１００によりコンベクションＰＣＲを行う場合、熱対流生成システム１００の第２ヒータ３２の温度は、２本鎖の核酸部分に熱を加えて１本鎖の核酸を形成するために必要な温度、一般的には約９５℃に設定される。第２ヒータ３２は、少なくともコンベクションＰＣＲを行っている間は上記温度で維持される。
熱源３０の第１ヒータ，第２ヒータの設置温度として、次の条件（１）〜（３）を満たすように温度制御することが望ましい。（１）の条件は、熱対流を効率よく促進するためである。
（１）第２ヒータの温度−第１ヒータの温度≧１０℃、
（２）第１ヒータの温度−クリアランス部分の気温）≧１０℃、
（３）第２ヒータの温度−クリアランス部分の気温）≧１０℃。
《回転駆動手段》
回転駆動手段は、回転軸を回転させて該回転軸に固定した熱対流生成用チップを所定の態様で回転させる手段である。第１実施形態では、前述したように、回転軸としてのシャフト４１を有し、制御手段により動作制御されて所望の態様で回転軸を回転するモータ４０等が回転駆動手段に該当する。モータに限らず、所望の態様で回転駆動ができる手段であればよい。
《ヒートシンク》
図１Ａに示すように、第１ヒータ３１で発生する熱を放熱して、第１ヒータ３１を冷却するヒートシンク６０を設けてもよい。ヒートシンク６０により、安価な製造コストで余分な熱を除去することができ、熱対流ＰＣＲの精度を向上することができる。
［組み立て］
図１及び図１Ａを参照しながら組み立てについて説明する。ステージ２０に対して前述したように第１ヒータ３１および第２ヒータ３２を固定・支持させた状態で、熱対流生成用チップ１０と、ステージ２０とを前述した連結手段により相互に固定する。そして、熱対流生成用チップ１０、ステージ２０、第１ヒータ３１及び第２ヒータ３２を積層させた状態で、図１および図１Ａに示すように、モータ４０のシャフト４１をステージ２０の中心孔２４および熱対流生成用チップ１０の中心孔１７へそれぞれ挿通する。この状態でモータ４０のシャフト４１とステージ２０とは適宜の手段（嵌合等）により固定され、組み立てが完了する。なお、このような組み立ては、液導入工程（詳細は後述）の前に行ってもよいし、後に行ってもよい。
≪制御手段≫
熱対流生成システム１００の制御手段５０は、図４に示すように、演算制御部５１、表示部５２、入力部５３を有し、第１ヒータ３１、第２ヒータ３２、モータ４０、（場合により、励起光光源９１、蛍光検出器９２、検知光光源９３、検知光検出器９４）等とそれぞれ電気的に接続されている。演算制御部５１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭ等を含むマイクロコンピュータにより構成されている。ＣＰＵは、入力部から入力される情報とＲＯＭに格納されたプログラムに従って、第１ヒータ３１、第２ヒータ３２及びモータ４０に給電したり、その動作を制御する。なお、前記プログラムにはＰＣＲ用の動作プログラムが含まれる。表示部５２は液晶表示装置を有し、入力部５３はキーボードやマウス等の入力デバイスを有する。第１ヒータ３１および第２ヒータ３２の温度及びモータ４０による熱対流生成用チップ１０の回転駆動速度は、制御手段５０の入力部５３を介して調節可能となっている。
≪光学検出系≫
熱対流生成システム１００は、図５に例示するように、任意に、環状流路１４内から発した蛍光を受光して定量する光学検出系９０を有する。上記光学検出系９０は、励起光光源９１と、蛍光検出器９２と、検知光光源９３と、検知光検出器９４とを有する。光学検出系９０は、制御手段５０に動作制御されて各種動作を行い、各種データを制御手段５０の演算制御部へ伝送する。環状流路１４の近傍には、検知光光源９３が射出する検知光を反射または散乱させる被検知部Ｐ１が設けられている。
励起光光源９１は、熱対流生成用チップ１０の環状流路１４内の液体に含まれる蛍光色素を励起する光を発する光源であり、ＬＥＤ、所望の波長光のみを取り出す蛍光フィルタが設けられた白色光源などが励起光光源として用いられる。
蛍光検出器９２は、環状流路から発する蛍光Ｌ１'を検出するものであり、例えば、フォトマル検出器、集光レンズ及び蛍光フィルタ等を含んで構成される。
検知光光源９３は、熱対流生成用チップ１０上の検知部Ｐ１に向けて、検知光Ｌ２を照射するものであり、例えばレーザー光を発する光源（ＬＥＤ等）が検出光光源として用いられる。検知部Ｐ１とは、熱対流生成用チップ１０が回転することにより被検知部によって形成される回転軌跡上に設定された固定点である。被検知部は、検知光光源９３からの検知光Ｌ２が照射されると、その検知光Ｌ２を反射または散乱させるように構成されている。検知光検出器９３は、例えば、フォトマル検出器、集光レンズ及びバンドパスフィルター等を含んで構成され、反射または散乱させられた検知光Ｌ２'を検出する。
≪ＰＣＲ≫
以下、上記第１実施形態の熱対流生成システムを用いたコンベクション（熱対流）ＰＣＲ法について説明する。本発明に係るコンベクションＰＣＲ法は、液導入工程、ＰＣＲ反応工程、検出工程をこの順に含む。なお、上記「ＰＣＲ」には、逆転写ＰＣＲ（ＲＴ−ＰＣＲ）や、定量的ＰＣＲであるリアルタイムＰＣＲ等の各種ＰＣＲが含まれる。
（ＰＣＲ反応溶液）
本発明で使用されるＰＣＲ反応溶液は、検体液および反応試薬溶液から構成される。なお、ＰＣＲを行う前の時点で検体液と反応試薬溶液とを混合しておく必要はない。
（検体液）
検体液とは、ＰＣＲで増幅すべき核酸を含む液を意味する。検体液には、対象のＤＮＡ，ＲＮＡ，疑似核酸等を含む溶液、検体を含む液体が含まれる。例えば、ＲＴ−ＰＣＲを行う場合には、インフルエンザウィルスやノロウィルス、その他の感染症ウィルス全般、細胞からの発現ＲＮＡの抽出液等が検体液として用いられる。ワンステップで検体から増幅対象の核酸を溶出させてＰＣＲを行う場合には、インフルエンザウィルスやノロウィルス、その他の感染症ウィルス全般、細胞を緩衝液や水等の適切な溶液に懸濁したものを検体液として用いることができる。
（反応試薬溶液）
反応試薬溶液とは、検体液に含まれる増幅対象の核酸をＰＣＲ法により増幅するのに必要な試薬、酵素を含む溶液を意味する。検体液が核酸を含む溶液である場合には、反応試薬溶液は、ｄＮＴＰ，ＭｇＣｌ2、各種ポリメラーゼ等を含む溶液を意味する。
検体液がＲＮＡウィルスの懸濁液であり、検体から増幅対象のＲＮＡを溶出させることも含めてワンステップで逆転写ＰＣＲを行う場合には、反応試薬溶液としては、例えば、製品名「SuperScriptIII OneStep RT-PCR System」（製品番号12574-018、ライフテクノロジー社製）を使用することができる。なお、「SuperScript」は、ライフテクノロジー社の登録商標である。さらに、例えば、製品名「GeneAmp Ez rTth RNA PCR Kit」（製品番号N8080179、アプライドバイオシステム社製）、製品名「PrimeScriptII High Fidelity One Step RT-PCR kit」（製品コードR026AまたはR026Ｂ、タカラバイオ株式会社製）、製品名「Platinum（登録商標） Quantitative RT-PCR ThermoScript（出願商標）One-Step System」 （製品コード11731-015、lifetechnologies社製）、製品名「SpeedSTAR（出願商標）HS DNA Polymerase」（製品コードRR070A、タカラバイオ（株）製）、製品名「Ampdirect（登録商標） Plus（製品コード241-08800-98、（株）島津製作所製）等を用いることができる。
《液導入工程》
液導入工程は、ＰＣＲ反応溶液を構成する検体液、反応試薬溶液、その他ＰＣＲ反応に必要な液体を個別に又は一体に環状流路内に導入する工程である。
第１実施形態の熱対流生成システム１００によりＰＣＲを行う場合、先ず熱対流生成用チップ１０の基板１１における蓋体１３と反対側の面に形成された液体供給孔１５ｄに反応試薬溶液を注入させる。注入した反応試薬溶液は毛細管現象により液体供給路１５の伸延部１５ａを通過して液溜り部１５ｂに流入する。次に、前記液体供給孔１５ｄに検体液を注入する。注入された検体液は毛細管現象により液体供給路１５の伸延部１５ａを通過して液溜り部１５ｂに流入する。液溜り部１５ｂに流入した反応試薬溶液と検体液は、熱対流生成用チップ１０を回転させていない停止状態では液溜り部１５ｂ内で混合しながら滞留する。最後に、任意に反応試薬溶液の蒸発を防止するためのオイルを上記同様に導入する。なお、反応試薬溶液、検体液、オイル等は、毛細管現象によらず、ピペッター等を使用して液溜り部１５ｂに押し込むようにしてもよい。
ユーザが制御手段５０の入力部５３を操作してモータ４０を駆動して、シャフト４１の軸線ＡＸ周りにステージ２０およびその上に載置された熱対流生成用チップ１０を回転させると、遠心力により検体液および反応試薬溶液が環状流路１４に導入される。一方で、比重が軽いオイルは液溜り部１５ｂに滞留し、環状流路１４内の液体が連通部１５ｃから液溜り部１５ｂに逆流するのを防ぐ蓋として機能するとともに、後述するＰＣＲ反応工程においては環状流路１４内の液体が蒸発するのを防止する。
《ＰＣＲ反応工程》
ＰＣＲ反応工程は、環状流路内でＰＣＲ反応溶液を所定速度で還流させてコンベクションＰＣＲを行う工程である。液導入工程の前に、第２ヒータ３２を前述した所定のＰＣＲの変性温度に設定しておき、第１ヒータ３１を所定のＰＣＲのアニーリング温度に設定しておくことが望ましい。
液導入工程に引き続き、モータ４０を駆動してステージ２０および熱対流生成用チップ１０をシャフト４１の軸線ＡＸ周りに回転させると、その回転による遠心力と第２ヒータおよび第１ヒータの温度差とによってもたらされる熱対流により、ＰＣＲ反応溶液が環状流路１４内を循環する。ＰＣＲ反応溶液中の２本鎖の核酸は、第２ヒータ３２の上方の流路エリアを通過する際に第２ヒータ３２の熱源部３２ｂと熱交換して高温（例；９０〜９８℃）に加熱されて変性し、１本鎖の核酸を形成する。その後、該ＰＣＲ反応液が第１ヒータ３１の上方の流路エリアに侵入すると、今度は第１ヒータ３１の熱源部３１ｂと熱交換して、空冷より早い速度で液温が低下していき中温（例；５５℃〜６０℃）に調節され、アニーリングおよびエクステンション（ポリメラーゼによる核酸分子の伸長）が起こる。
なお、環状流路１４内のＰＣＲ反応溶液にガスが含まれている場合には、そのガスは前述の遠心力により移動してガス排出路１６内に流入するので、ＰＣＲ反応溶液中のガスを除去することができる。これによって、ＰＣＲ反応溶液がスムーズに熱対流することができる。
なお、本発明に係る熱対流生成装置１及び熱対流生成用チップ１０を用いて逆転写ＰＣＲを行う場合、例えば、以下の（ａ）、（ｂ）の２つの方法により行うことができる。以下、図１〜図４を参照して（ａ）、（ｂ）の２つの方法を説明する。
（ａ）あらかじめ反応試薬溶液と検体液とを混合し、混合溶液を生成する。次に、熱対流生成用チップ１０の液体供給路１５内に混合溶液を注入し、熱対流生成用チップ１０を回転させて混合溶液を環状流路１４内に進入させる。その後、熱対流生成用チップ１０の回転を停止させ、第１ヒータ３１と第２ヒータ３２とを同じ温度（例えば、４０〜６０℃）にして、環状流路１４内の混合溶液を一定時間（例えば、６０秒）加熱して逆転写反応させる。
（ｂ）先ず、熱対流生成用チップ１０の環状流路１４内に反応試薬溶液を充填しておき、その後に液体供給路１５に検体液を注入し、熱対流生成用チップ１０を回転させて液体供給路１５内の検体液を環状流路１４に進入させる。そして、第１ヒータ３１の温度と第２ヒータ３２の温度とを異なる温度にして環状流路１４内の液体を熱対流させて反応試薬溶液と検体液とを混合し、混合溶液を生成する。その後、熱対流生成用チップ１０の回転を停止させ、第１ヒータ３１と第２ヒータ３２とを同じ温度（例えば、４０〜６０℃）にして、環状流路１４内の混合溶液を一定時間（例えば、６０秒）加熱して逆転写反応させる。
上記の（ａ）および（ｂ）のいずれかの方法により、ＲＮＡから逆転写反応により鋳型ＤＮＡ（ｃＤＮＡ）を合成する。そして、第１ヒータ３１と第２ヒータ３２とをＰＣＲに適した温度（例えば、第１ヒータ３１の温度を６０℃、第２ヒータ３２の温度を９５℃）に設定して熱対流ＰＣＲ反応を生じさせる。
（熱対流生成用チップの回転速度）
熱対流生成用チップ１０の回転速度は、環状流路１４内のＰＣＲ反応溶液に含まれる２本鎖ＤＮＡ（核酸分子）が変性して１本鎖ＤＮＡになるのに必要な時間をかけて第２ヒータ３２の上方の流路エリアを通過し、且つ、プライマーのアニーリング及び核酸分子の伸長にとって必要な時間をかけて第１ヒータ３１の上方の流路エリアを通過するように設定される。
具体的には、環状流路１４内のＰＣＲ反応溶液が第２ヒータ３２の上方の流路エリアを通過する時間：変性時間（Ａ）が一般的には５〜６０秒、好ましくは１０〜２０秒であり、第１ヒータ３１の上方の流路エリアを通過する時間：アニーリング時間＋伸長時間（Ｂ）が一般的には（５〜３０）秒＋（核酸塩基数÷６０塩基）秒であり、クリアランス部分を通過する時間：空冷時間（Ｃ）が０．００１＜（Ｃ）／（Ａ）＋（Ｂ）＋（Ｃ）＜０．１５の関係式を満たすものであることが好ましい。したがって熱対流生成用チップ１０の回転速度は、ＰＣＲ反応液が上記時間（Ａ）〜（Ｃ）で各流路エリアを通過するように設定することが好ましい。この場合、前述した第１ヒータと第２ヒータ３２の各熱源部３１ｂと３２ｂが環状流路１４と重なる流路エリアの面積を調節することも考慮すべきである。また、ポリメラーゼ（Ｔａｑ）の種類によって核酸を伸長させる速度が異なるので、上記のアニーリング時間＋伸長時間（Ｂ）の計算式で用いられている伸長速度（６０ｂ／秒）を６０ｂ／秒〜５００ｂ／秒の範囲で変更してもよい。なお、単位「ｂ／秒」における「ｂ」は、ＤＮＡ等の塩基（ｂａｓｅ）の略である。
（液体速度の測定）
図２０は第１実施形態で用いたモータの電源の電圧と該モータの回転数との関係を示すグラフであり、速度と遠心力との関係（Ｆ＝ｍｖ2／ｒ、ｇ＝（２πＮ）2ｒ）より相対重力加速度と第１実施形態で用いたモータの回転数との関係を求め、さらに電圧と相対重力加速度との関係を求めることにより作成したものである。図２１は相対重力加速度とモータ４０の電源の電圧との関係を示すグラフである。
予め水を液体供給孔１５ｄよりマイクロピペットで供給し、その後モータ４０を回転させて環状流路１４に水を充填しておいた状態で、食紅液を同じ液体供給孔１５ｄよりマイクロピペットで供給し、第２ヒータ３２と第１ヒータ３１とに通電した状態で１Ｇ相当の電圧（図２０より２．１２Ｖ）でモータ４０を回転させたところ、環状流路１４内の赤く呈色した液体が３０秒間でおよそ半周した。このように食紅と水とを用いた方法により、環状流路１４内を液体が移動する速度を測定することができる。また、このように熱対流生成装置の試運転をすることで、熱対流生成用チップ１０の回転数とモータ４０の回転数との関係も決定することができる。さらに、上述したように、モータ４０の電源の電圧とモータ４０の回転数との関係が分かっているので、モータ４０にどの程度の電源電圧を印加すれば環状流路１４内の液体がどの程度の速度で移動するか分かり、また、該速度を決定することができる。熱対流生成用チップ１０の回転数を制御して熱対流速度を制御することで、液体の熱源部３２ｂおよび熱源部３１ｂの上方を通過する時間を調節することができる。
（回転駆動時間）
熱対流生成用チップ１０を回転させるモータ４０の駆動時間は、第２ヒータ３２による加熱と第１ヒータ３１による冷却とがそれぞれＰＣＲのサーマルサイクル数と同数となるように設定される。
《検出工程》
検出工程は、環状流路内の液体に含まれる物質を検出および定量する工程である。例えば、ＰＣＲ法では、増殖する２本鎖の核酸分子内に蛍光物質がインターカレートされるため、この蛍光を検出することでＰＣＲ反応液中の核酸を検出および定量することができる。また、例えば、リアルタイムＰＣＲの場合では、所定の蛍光物質を含むキメラププローブが鋳型の核酸に結合した後に、ポリメラーゼによる核酸伸長の際にＲＮａｓｅＨによりキメラププローブが切断され、該切断によりＰＣＲ反応液中に蛍光を発する物質が増加するため、該蛍光を検出および定量することができる。
図５に示すように、励起光光源９１は、回転する熱対流生成用チップ１０の環状流路１４に向けて前記蛍光を励起する光（励起光）Ｌ１を照射する。この励起光Ｌ１が環状流路１４内の蛍光物質に照射され、蛍光物質が励起されると所定の波長の蛍光Ｌ１'を発し、この蛍光Ｌ１'は蛍光検出器９２により検出・定量される。また、検知光光源９３から検知光Ｌ２を被検知部９５に対して出射し、検知光検出器９３が該被検知部Ｐ１で反射・散乱された光Ｌ２'を検出することで、熱対流生成用チップ１０の回転駆動中における環状流路１４の位置を検知する。
以下、本発明に係る第１実施形態の熱対流生成装置１および熱対流生成システム１００による作用・効果について説明する。
（１）第１実施形態の熱対流生成装置１００は、
液体を循環させるための環状流路１４を有する熱対流生成用チップ１０を回転可能に固定することができるシャフト４１と、環状流路１４内の液体を加熱又は冷却する第１熱源部３１ｂを有する第１ヒータ３１と、環状流路１４内の液体を加熱又は冷却する第２熱源部３２ｂを有する第２ヒータ３２と、シャフト４１を回転駆動することにより環状流路１４の全体をシャフト４１の軸線ＡＸ回りに回転させるモータ４０（回転駆動手段）と、を備え、前記液体が環状流路１４を流通する方向（環状流路により呈される円）と直交する方向で環状流路１４を平面視したとき、該平面上にある環状流路１４の重心（環状流路１４の中心）Ｑと、軸線ＡＸと前記平面との交点である前記回転軸ＡＸの回転中心（図２（Ａ）ではシャフト４１の中心）とが一致しない熱対流装置であって、上記回転中心と重心（環状流路１４の中心）Ｑとをつなげた直線Ｚに対して、重心（環状流路１４の中心）Ｑを中心として、３０°以上〜１５０°以下または２１０°以上〜３３０°以下となる範囲のうち、図２（Ａ）または図３に示すように、いずれか一方の範囲のみに、第２熱源部３２ｂが少なくとも１つ位置して該範囲内で前記環状流路の流路エリアを加熱または冷却し、前記第１熱源部３１ｂは、第２熱源部３２ｂによって加熱または冷却される環状流路１４の流路エリア以外の流路エリア（平面視でクリアランスＣＬと環状流路１４とが重なるエリアを除いた流路エリア）を加熱または冷却する熱対流生成装置であるので、熱対流生成用チップ１０を回転させて環状流路１４内でＰＣＲ反応液等の液体を循環させた際に、該液体が環状流路１４内の２つの温度領域（第１ヒータ３１上方の環状流路１４の流路エリア、第２ヒータ３２上方の環状流路１４の流路エリア（図２（Ａ）または図３参照））以外の温度になっている時間が殆ど無い状態で、何度も反復される安定した熱対流生成が得られる。また、熱対流生成装置を運転する環境の温度が変化しても安定して同じ熱対流が得られる。
なお、ここでのクリアランスＣＬとは、第１熱源部３１ｂと第２熱源部３２ｂとの間で熱伝導させないまたは熱伝導してもＰＣＲ反応に悪影響が及ばない程度の最小限のクリアランスを意味する。
ここで、上記クリアランスＣＬを有しない場合（例；第１熱源部３１ｂと第２熱源部３２ｂとが接触している場合）であっても、別の温度制御手段等により第１熱源部３１ｂと第２熱源部３２ｂとが所定の温度で（強制的にでも）維持されていればよいことから、その場合には、第１熱源部３１ｂによって加熱または冷却される流路エリアは、上記と異なり、第２熱源部３２ｂによって加熱または冷却される環状流路１４の流路エリア以外の流路エリアの全部となる。
また、前述したように、空冷により環状流路１４内の液体の温度を調節するよりも、熱媒体により環状流路１４内の液体を冷却または加温をする方が液体の温度を調節する効率が高い。例えば、第２ヒータ３２の上方の流路エリアを通過して高温（例；９０℃〜９５℃）となった液体に対しては、該液体より低温（例；５０℃〜６０℃）の熱媒体である第１ヒータ３１により前記液体を冷却した方が空冷するよりも多くの場合で温度調節の効率が高くなる。そのため、第１熱源部３１ｂと第２熱源部３２ｂとの間にクリアランスＣＬを設ける場合に、必要最小限の上記クリアランスＣＬを超える隙間を設けないようにすることで、上記液体を空冷してしまう流路エリアを極力減らすことができ、この結果、環状流路を循環する液体の温度調節の効率を高めることができ、迅速な温度調節が実現される。
さらに、環状流路内の液体の温度調節は空冷によらないため、空冷する場合のように前記液体の温度調節が外気温に左右されにくく、ロバスト性・熱対流の再現性に優れる。
また、図２（Ａ）または図３に示すように、前記線Ｚの左右で第１ヒータ３１と第２ヒータ３２とが設置され、第２ヒータ３２の方が第１ヒータ３１より高温であれば、上記線Ｚの左右で環状流路内の液体に温度差が生じ、密度も相違する。すなわち、第１ヒータ３１上方の流路エリアを通過する液体の密度は、第２ヒータ３２上方の流路エリアを通過する液体より高密度となり、前記液体の遠心力の受け方が左右で異なり、遠心力の合力として液体が環状流路を循環するのを促進する力が働くこととなる。第１ヒータ３１と第２ヒータ３２との温度設定が逆である場合も同様の理由から液体が環状流路１４を循環するのを促進させることができる。
（２）前記平面視をしたときのクリアランスＣＬ部分の面積が環状流路１４の流路エリア全体の面積に対して０．１〜１５％の範囲にあれば、前記液体がクリアランスＣＬの上方に位置する環状流路内の流路エリアを通過する時間が、前記液体の温度制御に悪影響を及ぼさない範囲となり、前記液体の温度を好適に調節することができる。
（３）第１ヒータ３１の熱源部３１ｂと第２ヒータ３２の熱源部３２ｂとが面一の平板部を有し、前記平面視をした状態で、前記クリアランス部分が、第２熱源部３２を囲うように各熱源部３１ｂ，３２ｂが形成および配置されているため、前記平面視したときに（図２（Ａ）または図３参照）、円環流路１４と重ならない熱対流生成用チップ１０の部分にも第１ヒータ３１，第２ヒータ３２が当接する。その結果、円環流路１４の周囲や内側（リングの内側）も空冷されず、液体の温度調節をより好適に行うことができる。なお、前記平面視をした状態で、前記クリアランスが、第２ヒータの熱源部３２ｂを囲うように各熱源部が形成および配置されていればよいため、コの字型やｃ字型でも同様の効果が得られる。
（４）前記平面視をしたとき、第２ヒータ３２の第２熱源部３２ｂと接触する環状流路１４の流路エリアが、第１ヒータ３１の第１熱源部３１ｂと接触する環状流路１４の流路エリアよりも面積が小さいことにより、第２ヒータ３２で加熱された液体を効率よく冷却して所定温度に調節し、該温度にて安定的に維持することができる。
例えば熱対流生成装置１００を使用してＰＣＲ反応を行う場合、第２ヒータ３２により変性温度に達したＰＣＲ反応溶液が第１ヒータ３１により変性温度から効率よく所定のアニーリング・エクステンション温度まで冷却されて該温度にて安定的に維持されることとなり、ＰＣＲ反応（アニーリング・エクステンション）が安定する。
（５）熱対流生成装置１と、液体を循環させるための環状流路１４を有する熱対流生成用チップ１０とを含み、前記熱対流生成用チップ１０は、環状流路１４に連通した液の液体供給路１５を有し、前記回転駆動により熱対流生成用チップ１０に加わる遠心力により前記液体供給路１５中の液体が前記環状流路１４に供給される熱対流生成システムであれば、熱対流生成用チップ１０のみを交換して別のＰＣＲ反応を即座に行うことができる。また、ＰＣＲ反応を行う場合には、遠心力の付加と同時に液体としてのＰＣＲ反応溶液が環状流路１４内に供給され反応を開始するため、ＰＣＲ反応の開始時点と熱対流の開始時点とを一致させることができる。
（６）第２ヒータ３２上方の環状流路１４の流路エリアからみて回転軸（軸線ＡＸ）側であって該流路エリアの近傍で前記環状流路１４に連通したガス排出路１６が形成されていることにより、回転駆動して液体が第２ヒータにより高温となった際に発生する気泡等のガスが、ガス排出路に移行しやすくなる。
（７）前記回転軸の軸線ＡＸに対して前記環状流路１４が対称となるように複数配置されていることにより、熱対流生成用チップ１０を回転駆動した際にバランスがとれて、環状流路１４内での液体の循環および熱対流が安定する。
（８）前記環状流路１４の壁面の表面粗さＲａが１００ｎｍ以下であることより、環状流路内での液体のぬれ残りが軽減される。
（９）前記環状流路が前記平面視をしたときに真円状であることにより、環状流路内で液体がスムーズに循環し、熱対流が好適に行われる。
（１０）前記環状流路の壁面の材質が、環状オレフィン、ポリプロピレン、及びポリカーボネートのうちのいずれかであることにより、樹脂であるために環状流路の壁面の表面粗さを調節しやすく、また、環状流路内の蛍光物質を光学的に検出するために必要な熱対流生成用チップ１０の透明性を確保しやすい。
（１１）熱対流生成システム１００は、前記環状流路１４Ａ内の液体に含まれる蛍光色素を励起する励起光を前記環状流路１４Ａ内の前記液体に照射する励起光光源と、前記蛍光色素に前記励起光を照射することにより前記蛍光色素によって放出される蛍光を検出する蛍光検出器と、前記蛍光検出器によって検出された蛍光に基づいて核酸の複製量を算出する演算制御部と、を含むものである。
例えば熱対流生成システム１００によりＰＣＲ反応を行う場合、上記（１）で説明したように効率的な温度制御が可能となることから、ＰＣＲ反応溶液がＰＣＲ反応上で意図しない温度（具体的には７０℃〜９０℃の範囲）となる時間が短縮されるとともに、時間短縮によりＰＣＲ反応に寄与しない時間帯におけるＴａｑポリメラーゼ等のＰＣＲ反応用の酵素の不必要な失活を軽減することができる。この結果、本来増幅されるべき核酸が再現性よく増幅され、ＰＣＲ自体の再現性が向上し、このようなＰＣＲ反応の産物（核酸）に標識された蛍光物質からの蛍光を検出するので、リアルタイムＰＣＲ等における精度が高まる。
（１７）（１）〜（１６）のいずれか一項に記載の熱対流生成装置または熱対流生成システムを使用したコンベクションＰＣＲ法であって、ＰＣＲ反応中に、第２ヒータ３２の第２熱源部３２ｂと第１ヒータ３１の第１熱源部３１ｂとの温度差を１０℃以上に維持することにより、熱対流をより一層効率よく促進させることができる。
［第２実施形態］
第２に実施形態の熱対流生成システム２００について説明する。第２実施形態の熱対流生成システム２００は、熱対流生成用チップ（図６，図７参照）１０Ａと、第１実施形態の熱対流生成装置１とを少なくとも有する。熱対流生成装置１は、前述したように、シャフト４１と、第１ヒータ３１および第２ヒータ３２と、モータ４０等を有する。なお、熱対流生成装置１自体の構成については、第１実施形態と同様であるのでその説明を省略する。
《熱対流生成用チップ》
図６に示すように、熱対流生成用チップは、基板１１Ａと、基板１１Ａに積層された蓋体１３Ａとを有し、各部材の中心に中心孔１７を有する。図８（Ａ）に基板１１Ａの表面を示し、図８（Ｂ）に基板１１Ａの裏面を示す。図８（Ａ）および（Ｂ）に示すように、基板１１Ａは、環状流路１４Ａと、第１〜第３液体供給路１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃとを備える。これらの複数の液体供給路は、以下に述べるように、それぞれが異なる液体を収納し、環状流路１４Ａに供給するよう設けることができる。なお、基板１１Ａ等の各部材の材質については第１実施形態について説明した通りである。
第１液体供給路１５Ａは、図８に示したように、第１受入部１６Ａと第１吸引通路１７Ａとを含む。第２液体供給路１５Ｂは、第２受入部１６Ｂと第２吸引通路１７Ｂとを含む。第３液体供給路１５Ｃは、第３受入部１６Ｃと第３吸引通路１７Ｃとを含む。これら第１〜第３受入部１６Ａ〜１６Ｃは液体を受け入れるためのものである。
第１〜第３吸引通路１７Ａ〜１７Ｃは、それぞれ、第１〜第３受入部１６Ａ〜１６Ｃと環状流路１４とを連通させるとともに、第１〜第３受入部１６Ａ〜１６Ｃの液体をそれぞれ毛細管現象により吸引する。
各吸引通路は、第１領域Ｔと第２領域Ｓとを有する。第１領域Ｔは、各吸引通路１７Ａ〜１７Ｃの中間部と環状流路１４Ａとの間に位置する。第２領域Ｓは、各吸引通路１７Ａ〜１７Ｃの中間部と各受入部１６Ａ〜１６Ｃとの間に位置する。熱対流生成用チップ１０を回転させることにより、第１領域Ｔ内の液体が第２領域Ｓ内の液体から分離して環状流路１４Ａに供給される。
環状流路１４Ａは、検体液と反応試薬溶液との混合液（詳細は後述）を熱対流させるために用いられる。環状流路１４Ａは、前述の平面視で円環状の帯状の流路である（図８（Ａ）および（Ｂ）参照）。環状流路１４Ａは、基板１１Ａの下面に形成された溝（図８（Ｂ）参照）および蓋体１３Ａの上面の一部によって構成されている（図７参照）。環状流路１４Ａの各部寸法は特に限定されないが、例えば、環状流路１４Ａの外側の直径は６０ｍｍ、深さは４００μｍ、幅は５００μｍであるが、第１実施形態で述べたような寸法に設定することができる。この第２実施形態では、複数の環状流路１４Ａが、基板１１Ａの中心軸の周りに所定の角度の間隔をおいて設けられている（図６および図８参照）。なお、この中心軸は、熱対流生成用チップ１０Ａを熱対流生成装置１に装着した状態でシャフト４１の軸線ＡＸに一致する。
図８（Ａ）に示すように、第１受入部１６Ａは孔によって構成されている。第１吸引通路１７Ａは、その中間部で鋭角状に屈曲しており、第１領域Ｔは、基板１１Ａの径方向に延伸し、第２領域Ｓは、第１領域Ｔとの間の角度θ"が鋭角となる方向に延伸している（図８（Ｂ）参照）。第１領域Ｔ及び第２領域Ｓでは第１吸引通路１７Ａの一部を構成する溝が形成されており、該溝は基板１０の下面に形成されている（図８（Ｂ）参照）。なお、第２〜第３受入部１６Ｂ，１６Ｃは第１受入部１６Ａと同様に構成されている。また、第２〜第３吸引通路１７Ｂ，１７Ｃは第１吸引通路１７Ａと同様に構成されている。
熱対流生成用チップ１０Ａをその中心軸周りに回転させることにより、各第１領域Ｔ内の液体は遠心力によって環状流路１４Ａの方向に移動し、各第２領域Ｓ内の液体は遠心力によって各受入部の方向に移動する。なお、角度θ"は、例えば、５°以上８５°以下である。
各吸引通路１７Ａ〜１７Ｃは、空気孔１８Ａ〜１８Ｃをさらに有する。この空気孔は、各吸引通路１７Ａ〜１７Ｃの中間部に空気を導入する。空気孔１８Ａ〜１８Ｃは孔によって構成され、各第１領域Ｔ及び第２領域Ｓを基板１１Ａの上面側の空間と連通させる。空気孔１８Ａ〜１８Ｃは、各第１領域Ｔ内の液体と第２領域Ｓ内の液体との分離を促進する。
すなわち、第１領域Ｔ内の液体と第２領域Ｓ内の液体との間に形成される空隙が真空状態であると、両液体の各々が当該空隙の方向に吸引されるため、第１領域Ｔ内の液体と第２領域Ｓ内の液体とが分離しづらくなる。空気孔１８Ａ〜１８Ｃを設けることによって、当該空隙に空気が導入されるため、第１領域Ｔ内の液体と第２領域Ｓ内の液体とがスムーズに分離する。なお、各吸引通路１７Ａ〜１７Ｃの中間部に空気を導入しなくても第１領域Ｔ内の液体と第２領域Ｓ内の液体とがスムーズに分離できる場合には、空気孔１８Ａ〜１８Ｃを省略することもできる。
熱対流生成用チップ１０Ａは、導入室１９と導入通路１９ａとをさらに備える。導入室１９と導入通路１９ａは、第１領域Ｔと環状流路１４Ａとの間に設けられている。各供給路１５Ａ〜１５Ｃの第１領域Ｔから排出される液体は導入室１９に流入する。導入室１９の詳細については、図９を参照して後述する。導入室１９内の液体は、導入通路１９ａを介して環状流路１４Ａに流入する。なお、この導入通路１９は基板１１Ａの下面に形成した溝と蓋体１３Ａの上面とによって構成されている（図８（Ｂ）および図６参照）。
第１液体供給路１５Ａは、検体液を環状流路１４に供給する。検体液としては、第１実施形態のものと同一のものを使用することができる。
第１液体供給路１５Ａの第１領域Ｔの寸法（深さ，幅，長さ）は、例えば、以下の表１の通りである。第１液体供給路１５Ａの第２領域Ｓの寸法（深さ，幅，長さ）は、例えば、以下の表１の通りである。
第１液体供給路１５Ａの第１領域Ｔに充填される検体液の量は、環状流路１４Ａに供給すべき検体液の量と等しい。また、第１液体供給路の第１受入部１６Ａの容積は、第１吸引通路１７Ａの容積よりも大きい。
第２液体供給路１５Ｂは、ＰＣＲを行うための反応試薬溶液を環状流路１４Ａに供給する。反応試薬溶液については、第１実施形態の反応試薬溶液と同一のものを用いることができる。
第２液体供給路１５Ｂの第１領域Ｔの寸法（深さ，幅，長さ）は、例えば、以下の表２の通りである。第２液体供給路１５Ｂの第２領域Ｓの寸法（深さ，幅，長さ）は、例えば、以下の表２の通りである。
第２液体供給路１５Ｂの第１領域Ｔに充填される反応試薬溶液の量は、環状流路１４Ａに供給すべき反応試薬溶液の量と等しい。また、第２液体供給路の第２受入部１６Ｂの容積は、第２液体供給路の吸引通路１７Ｂの容積よりも大きい。なお、第１液体供給路１５Ａの第１領域Ｔの容積と、第２液体供給路１５Ｂの第１領域Ｔの容積とを併せた容積は環状流路１４Ａの容積と等しい。
第３液体供給路１５Ｃは、蒸発抑制用液体（例；ＰＣＲ用のミネラルオイル等）を熱対流用流路１１に供給するためのものである。蒸発抑制用液体は、環状流路１４Ａ内の液体（例；検体液と反応試薬溶液）の蒸発を抑制する液体であり、環状流路１４内に導入する熱源３０（第２ヒータ）の最高温度より高い沸点を有するものが用いられる。ミネラルオイルの沸点が、環状流路１４Ａ内の液体（例；検体液と反応試薬溶液）を加熱する第２ヒータ３２の最高温度よりも高いことから、環状流路１４Ａ内の液体の蒸発を抑制する。また、ミネラルオイルの比重は、環状流路１４Ａ内の液体の比重よりも小さいため、導入通路１９ａを塞ぐ蓋として機能する。なお、ミネラルオイル以外の液体であっても、比重が環状流路１４Ａ内の液体（例；検体液及び反応試薬溶液）の比重よりも小さい、及び／又は沸点が第２ヒータ３２の最高温度よりも高ければ、蒸発抑制用液体として用いることができる。
熱対流生成用チップ１０Ａがその中心軸周りに回転すると、環状流路１４Ａ内は、ミネラルオイルよりも比重が大きい検体液と反応試薬溶液とで満たされ、ミネラルオイルは導入通路１９ａに滞留して導入通路１９ａを塞ぐ。その結果、環状流路１４Ａ内の検体液及び反応試薬溶液の蒸発と導入室１９への逆流とを抑制することができる。
第３液体供給路１５Ｃの第１領域Ｔの寸法（深さ，幅，長さ）は、例えば、以下の表３の通りである。第３液体供給路１５Ｂの第２領域Ｓの寸法（深さ，幅，長さ）は、例えば、以下の表３の通りである。なお、第１液体供給路１５Ａ、第２液体供給路１５Ｂ、及び第３液体供給路１５Ｃの各々の位置及び各部寸法（表１〜３参照）は、第１〜第３液体供給路１５Ａ〜１５Ｃが互いに干渉しないように設定される。
第３液体供給路１５Ｃの第１領域Ｔに充填されるミネラルオイルの量は、導入通路１９ａを防ぐことができる量である。また、第３液体供給路の第３受入部１６Ｃの容積は、第３液体供給路の第３吸引通路１７Ｃの容積よりも大きい。
熱対流生成用チップ１０Ａは、カバー部２５（図６，図７，図９および図１０参照）をさらに備える。熱対流生成用チップ１０Ａの上面に導入室１９の開口が形成されている。カバー部２５は、熱対流生成用チップ１０Ａの基板１１Ａに設けられており、前記開口を覆う（図６および図７参照）。導入室１９及びカバー部２５の詳細は、図９及び図１０を参照して後述する。
各液体供給路１５Ａ〜１５Ｃは、案内通路２６をさらに含む（図８（Ａ）参照）。すなわち、図１１に示したように、各受入部１６Ａ〜１６Ｃ内に半月板状の案内通路形成部２６Ａが設けられており、案内通路２６が形成されている。案内通路２６は、各受入部１６Ａ〜１６Ｃ内の液体を各々の第２領域Ｓに案内する。
図９及び図１０を参照して、導入室１９とカバー部２５の構成を詳細に説明する。図９は図６のＢ-Ｂ線断面図であり、図１０はカバー部２５の斜視図である。図９に示すように、基板１１Ａには溝２７及び孔２８が形成されている。
導入室１９は、溝２７及び孔２８によって形成されている。溝２７は平面視半長円状で、基板１１Ａの下面に形成されている。孔２８は縦断面台形状で、溝２７の上方に設けられている。孔２８と溝２７は連通している。
導入室１９は、各供給路１５Ａ〜１５Ｃの第１領域Ｔの一方の端部（図８（Ａ）において第１領域Ｔの右下の端部）と連通するとともに、開口１９Ｂを介して熱対流生成用チップ１０Ａの外側の空間と連通している。また、導入室１９は、導入通路１９ａ（図８参照）を介して環状流路１４Ａと連通している。
図１０に示すように、カバー部２５は略直方体状の部材であって、合成樹脂等により形成される。カバー部２５は凹部２５ａを有しており、凹部２５ａは熱対流生成用チップ１０Ａの外側の空間と導入室１９とを連通している。
凹部２５ａは、第１内壁面２５ｂと第２内壁面２５ｃと境界部２５ｄとを含む。第１内壁面２５ｂは導入室１９の開口と対向している。第２内壁面２５ｃは第１内壁面２５ｂと交差し、第１内壁面２５ｂに対して傾斜している。第１内壁面２５ｂと第２内壁面２５ｃとが成す角度は鈍角である（図９参照）．境界部２５ｄは、第１内壁面２５ｂと第２内壁面２５ｃとの間に位置する。
カバー部２５は、導入室１９内の液体が開口から外部へ飛び出すことを抑制する。第１内壁面２５ｂと第２内壁面２５ｃとが成す角度は鈍角であるため、境界部２５ｄに付着する液体が滞留しにくい。したがって、環状流路１４Ａに流入させる液体の量が減ることを抑制できるという効果を得ることができる。なお、境界部２５ｄが断面円弧状の曲面である場合にも、ほぼ同様の効果を得ることができる。
図１１を参照して、案内通路２６の構成を詳細に説明する。図１１は案内通路２６を模式的に示した図である。案内通路２６は、第２領域Ｓの入口Ｓａを取り囲む。すなわち、各受入部１６Ａ〜１６Ｃの円弧状の内周壁面、案内通路形成部２５Ａの略半月状の底壁面、及び底板１３Ａ（図６参照）の頂壁面によって案内通路２６が形成されている。案内通路２６は矩形の開口２９を有する。開口２９は第２領域の入口Ｓａと対向し、開口２９の面積は入口Ｓａの開口面積より大きい。
各受入部１６Ａ〜１６Ｃ内の液体は、各第２領域Ｓの入口Ｓａの周辺の壁面を濡らしながら入口Ｓａに流入する。各入口Ｓａは３つの壁面で取り囲まれているため、液体が入口Ｓａに流入しやすい。
また、案内通路２６の開口２９の面積は入口Ｓａの開口面積よりも大きいため、開口２９の面積が入口Ｓａの開口面積以下の場合と比べて、毛細管現象による入口１２２ｂａへの液体の流入が促進されるため、液体が入口Ｓａに流入しやすくなる。
特に、各入口Ｓａの周縁部にバリが形成されている場合において、各受入部１６Ａ〜１６Ｃが案内通路２６を備えていると液体が入口Ｓａへと導入させる観点から有効である。すなわち、各受入部１６Ａ〜１６Ｃに案内通路２６が設けられていることにより、バリがある場合でも入口Ｓａへの液体の流入が阻害されにくくなる。
なお、熱対流生成用チップ１０Ａは、複数の環状流路１４Ａと、複数の第１〜第３液体供給路１５Ａ〜１５Ｃとを備えているが、第１〜第３液体供給路１５Ａ〜１５Ｃは、１つの環状流路１４Ａにのみ液体を供給する。各環状流路１４Ａは、他の環状流路１４Ａと連通していないため、複数の環状流路１４Ａの各々に個別に液体を供給することで、別箇のサンプルを含む液体を導入して個別に反応（例；ＰＣＲ反応等）を行うことができる、
次に図６〜図１１を参照して熱対流生成用チップ１０Ａの使用方法を説明する。まず、第１液体供給路の第１受入部１６Ａに検体液を注入する（図８参照）。第１液体供給路の第１受入部１６Ａに注入する検体液の量は、第１液体供給路の第１吸引通路１７Ａに充填される検体液の量よりも多いが、後述する理由から検体液の量を正確に秤量する必要はない。
注入された検体液は、毛細管現象によって第１吸引通路１７Ａの第２領域Ｓに流入し、さらに第１領域Ｔに流入する。そして、検体液が第１吸引通路１７Ａの最も奥に位置する第１領域Ｔの一方の端部（図８（Ａ）の第１領域Ｔの右下端部）に達すると、毛細管現象による液体の流動が停止する。その結果、第１吸引通路１７Ａの全長に亘って検体液が充填される。
同様に、第２受入部１６Ｂに反応試薬溶液を注入して第２吸引通路１７Ｂに反応試薬溶液を充填する。さらに、第３受入部１６Ｃにミネラルオイルを注入して第３吸引通路１７Ｃにミネラルオイルを充填する。
次に、熱対流生成装置１（図１および図２参照）のモータ４０のシャフト４１に熱対流生成用チップ１０Ａを装着し、熱対流生成用チップ１０Ａをシャフト４１の軸線ＡＸ周りに回転させると、吸引通路１７Ａ〜１７Ｃ内の液体に遠心力が付与される。その結果、各供給路１５Ａ〜１５Ｃにおいて、第１領域Ｔ内の液体と第２領域Ｓ内の液体とが互いに離反する方向へ移動して、第１領域Ｔ内の液体は導入室１９に流入し、第２領域Ｓ内の液体は各受入部１６Ａ〜１６Ｃに戻る。なお、受入部１６Ａ〜１６Ｃに戻った液体が飛散しないような構造（例えば、吸液部材）を設けておくことが好ましい。
導入室１９に流入した液体（検体液、反応試薬溶液、及びミネラルオイル）のうち、検体液及び反応試薬溶液は導入通路１９ａを介して環状流路１４Ａに流入し、ミネラルオイルは導入通路１９ａの位置に滞留する。環状流路１４Ａ内の検体液及び反応試薬溶液が第２ヒータ３２や第１ヒータ３１によって加熱されることで、熱対流が生じて検体液と反応試薬溶液とが混合する。その際、ミネラルオイルが導入通路１９Ｂを塞ぐため、環状流路１４Ａ内の液体の蒸発と導入室１９への逆流とが抑制される。
＜熱対流生成用チップと熱源との位置関係＞
前述の熱対流生成用チップ１０Ａの使用方法で説明した通り、熱対流生成装置１に熱対流生成用チップ１０Ａを取り付けて組み立てを完了した状態において、第１ヒータ３１および第２ヒータ３２が熱対流生成用チップ１０Ａの下面に当接し、図８（Ａ）に示したように、第１実施形態の環状流路１４と第１ヒータ３１および第２ヒータ３２と同様の配置関係となる。なお、この配置関係は、図３に示したように変更してもよい。第２実施形態においても上記構成により第１実施形態で説明した作用および効果が得られる。
以下、第２実施形態の熱対流生成システム２００の作用、効果について説明する。
（１２）液体供給路１４Ａは、液体を受け入れる各受入部１６Ａ〜１６Ｃを有し、また、各受入部１６Ａ〜１６Ｃと環状流路１４Ａとを連通させるとともに受入部１６Ａ〜１６Ｃ内の液体を毛細管現象により吸引する各吸引通路１７Ａ〜１７Ｃとを有し、各吸引通路１７Ａ〜１７Ｃは、該吸引通路１７Ａ〜１７Ｃの中間部と環状流路１４Ａとの間に位置する第１領域Ｔと、各吸引通路１７Ａ〜１７Ｃと各受入部１６Ａ〜１６Ｃとの間に位置する第２領域Ｓとを有し、
熱対流生成用チップ１０Ａをその中心軸周りに回転をさせることにより、前記第１領域Ｔ内の液体が前記第２領域Ｓ内の液体から分離して前記環状流路１４へ供給されるので、ユーザは環状流路１４内へ導入する液体を秤量しなくとも、所定量の液体を環状流路１４Ａに供給することができる。したがって、ユーザが液体を秤量する手間を省くことができる。このように手間を省いて精度よく液体の秤量ができること、および、第２実施形態の熱対流生成装置２００が第１実施形態の熱対流生成装置１００と同様の熱源構成を有するために第１実施形態と同様に環状流路１４Ａを流れる液体の温度制御を効率良く行うことができることとから、作業者の手技に依らず、極めて再現性、安定性の高い熱対流、これを利用した熱対流ＰＣＲを実現することできる。
（１３）各吸引通路１７Ａ〜１７Ｃは、前記中間部で鋭角状に屈曲していることから、第１領域Ｔにおける液体の分離がしやすくなり、秤量する観点から好ましい。
（１４）前記吸引通路１７Ａ〜１７Ｃは、各中間部に空気を導入する空気孔１８Ａ〜１８Ｃをさらに有するので、熱対流生成用チップ１０Ａの前記回転による遠心力により、各中間部付近の液体が各受入部１６Ａ〜１６Ｃと環状流路１４Ａの２方向へ移動しようとすると、中間部付近に引圧が生じて空気孔１８Ａ〜１８Ｃから前記中間部に空気が導入され、各第１領域Ｔ内の液体と第２領域Ｓ内の液体との分離が促進される。
（１５）複数の液体供給路１５Ａ〜１５Ｃを設け、該複数の液体供給路１５Ａ〜１５Ｃは、液体供給路ごとに異なる液体（例；反応試薬溶液，検体液）を前記環状流路に供給するものであれば、成分が異なる複数種類の液体の熱対流ＰＣＲを同時に行うことができる。
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態の熱対流生成システム３００について説明する。第２実施形態の熱対流生成システム３００は、熱対流生成用チップ（図８）１０Ｂと、第１実施形態の熱対流生成装置１とを少なくとも有する。熱対流生成装置１は、シャフト４１と、第１ヒータ３１および第２ヒータ３２と、モータ４０等を有する。なお、熱対流生成装置１自体の構成については、第１実施形態と同様であるのでその説明を省略する。
《熱対流生成用チップ》
図１２は、本発明の第２実施形態の熱対流生成用チップ１０Ｂの斜視図であり、図１３は、熱対流生成用チップ１０Ｂの分解斜視図である。なお、本実施形態において、第２実施形態と対応する部分には同一の符号を使用し、第１実施形態と重複する説明を省略する。
図１２に示すように、熱対流生成用チップ１０Ｂは多層構造となっている。すなわち、図１３に示すように、熱対流生成用チップ１０Ｂは、第１基板１０Ｂａと、第２基板１０Ｂｂと、第３基板１０Ｂｃと、蓋体１３Ｂとを含む。第１基板１０Ｂａ、第２基板１０Ｂｂ、第３基板１０Ｂｃ、及び底板１３Ｂは積層されている。
図１４を参照して、熱対流生成用チップ１０Ｂの供給路１５Ａａ〜１５Ｃａの構造を説明する。図１４は、熱対流生成用チップ１０Ｂの供給路１５Ａａ〜１５Ｃａの構造を模式的に示す図である。
図１４において、薄いグレー色の部分が第１基板１０Ｂａに形成されており、濃いグレー色の部分が第２基板１０Ｂｂに形成されており、無色の部分が第３基板１０Ｂｃに形成されている。
熱対流生成用チップ１０Ｂは、複数の環状流路１４Ｂと、複数の供給路１５Ａａ〜１５Ｃａとを有する。第１液体供給路１５Ａａは、第１受入部１０１Ａと、複数の第１吸引通路１０２Ａを含む。第２液体供給路１５Ｂａは、第２受入部１０１Ｂと、複数の第２吸引通路１０２Ｂを含む。第３液体供給路１５Ｃａは、第３受入部１０１Ｃと、複数の第３吸引通路１０２Ｃを含む。複数の環状流路１４Ｂの各々と供給路１５Ａａ〜１５Ｃａの受入部１０１Ａ〜１０１Ｃとの間に、それぞれ吸引通路１０２Ａ〜１０２Ｃが設けられている。供給路１５Ａａ〜１５Ｃａは立体的に交差しており、ラビリンス状の流体通路を形成している。
図１３および図１４に示されるように、第１液体供給路１５Ａａは、第１基板１０Ｂａに形成されている。第１液体供給路１５Ｂａは、第１基板１０Ｂａと第２基板１０Ｂｂにわたって形成されている。第３液体供給路１５Ｃａは、第１基板１０Ｂａと第２基板１０Ｂｂと第３基板１０Ｂｃにわたって形成されている。第１〜第３吸引通路１０２Ａ〜１０２Ｃの各々は、それぞれ第１領域Ｔ'と、第２領域Ｓ'とを有する（図１４参照）。
（第１基板）
図１５に第１基板の斜視図を示す。図１５に示すように、第１基板１０Ｂａは、第１受入部１０１Ａと、第１吸引通路１０２Ａと、空気孔１０３Ａと、孔１０４Ｕ，１０５Ｕと、導気用孔１０３Ｂｕ，１０３Ｃｕと、矩形孔１０６Ｕとを有する。
図１８に示すように、第１基板１０Ｂａの下面には第１吸引通路１０２Ａの一部をなす溝１０９Ｕが形成されており、該溝１０９Ｕと第２基板１０Ｂｂの上面とによって第１吸引通路１０２Ａが構成される（図１３および図１４参照）。
（第２基板）
図１６に第２基板の斜視図を示す。第２基板１０Ｂｂは、１つの穴１０４Ｍと、該穴１０４Ｍから延びる第２吸引通路１０２Ｂと、１つの孔１０５Ｍと、導気用孔１０３Ｂｍと、導気用穴１０３Ｃｍと、矩形孔１０６Ｍとを有する。穴１０４Ｍと第１基板の孔１０４Ｕとによって第２液体供給路１５Ｂａの第２受入部１０１Ｂが形成される（図１４参照）。導気用孔１０３Ｂｍと、第１基板の導気用孔１０３Ｂｕとによって第２液体供給路１５Ｃａの空気孔１０３Ｂが形成される（図１４参照）。
図１８に示すように、第２基板１０Ｂｂの下面には第２吸引通路１０２Ｂの一部をなす溝１０９Ｍが形成されており、該溝１０９Ｍと第３基板１５Ｂｃの上面とによって第２吸引通路１０２Ｃ（図１４参照）が構成される。
（第３基板）
図１７に第３基板の斜視図を示す。第３基板１０Ｂｃは、１つの孔１０５Ｂと、第３吸引通路１０２Ｃと、導気用孔１０３Ｃｂと、矩形孔１０６Ｂと、溝１０７と、導入通路１８とを有する。
孔１０５Ｂと、第２基板の孔１０５Ｍと、第１基板の孔１０５Ｕとによって第３液体供給路１５Ｃａの第３受入部１０１Ｃが形成される。導気用孔１０３Ｃｂと、第２基板の導気用孔１０３Ｃｍと、第１基板の導気用孔１０３Ｃｕとによって第３液体供給路１５Ｃａの空気孔１０３Ｃ（図１４参照）が形成される。矩形孔１０６Ｂ及び溝１０７によって導入室１９Ａの一部が形成される。
図１８に示すように、第３基板１０Ｂｃの下面には第３吸引通路１０２Ｃの一部をなす溝１０９Ｂが形成されており、該溝１０９Ｂと蓋体１３Ｂの上面とによって第３吸引通路１０２Ｃ（図１４参照）が構成される。また、第３基板１０Ｂｃの下面には溝１０７が形成されており、該溝１０７と蓋体１３Ｂの上面とによって導入通路が構成される（図１８参照）。
また、第３基板１０Ｂｃには、第３基板１０Ｂｃの中心孔１７Ｂの中心の周りに所定の角度間隔をおいて環状流路１４Ｂが複数設けられている（図１７参照）。なお、第３基板の中心孔１７Ｂの中心は、熱対流生成用チップ１０Ｂを熱対流生成装置１に装着した状態でモータ４０のシャフト４１の軸線ＡＸに一致する。
図１８を参照して、導入室１９Ｂの詳細な構成を説明する。図１８は図１２のＣ−Ｃ線に沿った熱対流生成用チップ１０Ｂの断面を矢視方向にみた図である。矩形孔１０６Ｂは縦断面台形状で、溝１０７の上方に位置する。第３基板の矩形孔１０６Ｂは溝１０７及び第２基板の矩形孔１０６Ｍと連通し、該矩形孔１０６Ｍは第１基板の矩形孔１０６Ｕと連通している。矩形孔１０６Ｕはカバー部２５Ａの開口を介して外側の空間と連通している。
次に、図１９を参照してカバー部２５Ａについて説明する。図１９はカバー部２５Ａの斜視図である。カバー部２５Ａは平面図Ｃ字形の帯状の部材であって、複数の凹部２５ａを有する。複数の凹部２５ａは、カバー部２５Ａの周方向に所定の間隔をおいて設けられている。
《熱対流生成用チップと熱源との位置関係》
熱対流生成装置１に熱対流生成用チップ１０Ｂを取り付けて組み立てを完了した状態において、第１ヒータ３１および第２ヒータ３２が熱対流生成用チップ１０Ｂの下面に当接し、図１４に示したように、第１実施形態の環状流路１４と第１ヒータ３１および第２ヒータ３２と同様の配置関係となる。なお、この配置関係は、図３に示したように変更してもよい。第３実施形態においても上記構成により第１実施形態で説明した作用および効果が得られる。
次に、図１４を参照して熱対流生成用チップ１０Ｂの使用方法を説明する。
まず、第１液体供給路１５Ａａの第１受入部１０１Ａに検体液を注入する。第１受入部１０１Ａに注入する検体液の量は、第１液体供給路の第１吸引通路１０２Ａの全体に充填される検体液の量よりも多いが、検体液の量を正確に秤量する必要はない。第１受入部１０１Ａに注入された検体液は、毛細管現象によって第１吸引通路１０２Ａの全てに充填される。
同様にして、第２液体供給路１５Ｂａの第２受入部１０１Ｂに反応試薬溶液を注入して、吸引通路１０２Ｂの全てに反応試薬溶液を充填する。さらに、第３液体供給路１５Ｃａの第３受入部１０１Ｃにミネラルオイルを注入して、毛細管現象によって、吸引通路１０２Ｃの全てに充填する。
次に、熱対流生成装置１（図１，図２参照）のモータ４０のシャフト４１に熱対流生成用チップ１０Ｂを装着し、モータを駆動して熱対流生成用チップ１０Ｂをシャフト４１の軸線ＡＸ周りに回転させると、吸引通路１０２Ａ〜１０２Ｃ内の液体に遠心力が付与される。その結果、吸引通路１０２Ａ〜１０２Ｃ内において、第１領域Ｔ'内の液体と第２領域Ｓ'の液体とが互いに離反する方向に移動して、第１領域Ｔ'の液体は導入室１９Ｂへ流入し、第２領域Ｓ'内の液体は各受入部１０１Ａ〜１０１Ｃに戻る。
導入室１９Ｂに流入した液体（検体液、反応試薬溶液、及びミネラルオイル）のうち、検体液及び反応試薬溶液は導入通路１０８（図１７参照）を介して環状流路１４Ｂに流入し、ミネラルオイルは導入通路１０８の位置に滞留する。環状流路１４Ｂ内の検体液及び反応試薬溶液が第２ヒータ３２または第１ヒータ３１によって加熱されることで、熱対流が生じて検体液と反応試薬溶液とが混合する。その際、ミネラルオイルが導入通路１０８を塞ぐため、環状流路１４Ｂ内の液体の蒸発と導入室１９Ｂへの逆流とが抑制される。
以下、第３実施形態の熱対流生成システム３００の作用、効果について説明する。
（１６）液体供給路として、検体液を前記環状流路に供給する第１液体供給路１５Ａａと、ＰＣＲを行うための反応試薬溶液を前記環状流路に供給する第２液体供給路１５Ｂａを含み、
前記検体液を環状流路１４Ｂに供給する第１液体供給路１５Ａａの第１領域Ｔ'の容積と、前記反応試薬溶液を環状流路１４Ｂに供給する第２液体供給路１５Ｂａの前記第１領域Ｔ'の溶液とを合わせた容積が、環状流路１４Ｂの容積に等しいものであるので、環状流路１４Ｂの各々に対してＰＣＲ反応溶液の各液体を同時に供給することができ、また前述のように遠心により液体供給路の中間部で液体が分離して、所定量の液体だけが環状流路へと流入するのでユーザが各液体を秤量する手間を省くことができる。
以上のように、熱対流生成用チップ５１によれば、複数の熱対流用流路１１の各々に対して同時に液体を供給できる。したがって、同じ成分の複数の液体の熱対流ＰＣＲを同時に行う場合において、ユーザが液体を秤量する手間を削減することができる。
以上、本発明の具体的な実施形態を説明したが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。なお、本実施形態の図面は、理解しやすくするために、それぞれの構成要素を主体に模式的に示しており、図示された各構成要素は、図面作成の都合上から実際とは異なる場合もある。また、本実施形態で示した具体的な材質や形状、及びその他の構成は一例であって、特に限定されるものではなく、本発明の効果から実質的に逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
例えば、第１〜３実施形態の熱対流生成用チップの環状流路の個数は限定されず、１つでもよい。また、第２，３実施形態の熱対流生成用チップの供給路，基板の数は限定されず、１つまたは４つ以上であってもよい。反応試薬溶液を供給する供給路を複数設けることで試薬成分を分けて導入することができる。
第３実施形態では、第１液体供給路の第１領域と第２領域Ｓとの合計容量が環状流路１４Ｂと等しいが、全ての供給路の第１領域の容積を併せた容積と、熱対流用流路の容積とが等しくてもよいし、又は、熱対流用流路に連通する１つの第１領域の容積と、熱対流用流路の容積とが等しくてもよい。
また、本発明によれば、熱対流させる液体だけでなく、その他の液体を秤量する液体秤量具も提供される。当該液体秤量具は、図６〜図８に示す構成のうち、受入部１６Ａと、該受入部１６Ａに連通するとともに、受入部１６Ａ内の液体を毛細管現象により吸引する吸引通路１７Ａとを有するものとして構成することができる。前述したように熱対流生成用チップ１０Ａを回転させることにより、第１領域Ｔ内の液体が第２領域Ｓ内の液体から分離して吸引通路１７Ａの先端部から排出され、所定容量の液体が環状流路１４Ａ内へ秤量される。その他にも、本発明の効果から実質的に逸脱しない範囲で本実施形態に種々の変更を行うことができる。
以下、第１実施形態の熱対流生成システム１００を用いた実施例について説明する。
［実施例１］
以下の内容で熱対流生成システム１００により液体温度の変化について温度シミュレーションを行った。
《熱対流生成用チップの寸法》
熱対流生成用チップ１０を構成する基板１１と蓋体１３のうち、基板１１については厚さ２．０ｍｍ、直径４０ｍｍ、蓋体１３については、厚さ０．１９ｍｍ、直径４０ｍｍに設定した。
《環状流路の寸法》
環状流路１４は、流路高さ（Ｓ）：０．３ｍｍ、流路の幅（Ｗ）：０．５ｍｍ、環状流路の直径（外径）（Ｄ）：６ｍｍに設定した（図２（Ｂ）参照）。
《装置周辺の環境温度》
熱対流生成装置１の周囲の環境温度を１０℃に設定し、後述の熱対流を行っている間、この温度を維持することとした。
《クリアランスの占める割合》
第１ヒータ３１と第２ヒータ３２との間にあるクリアランスＣＬは０．５ｍｍに設定した。このクリアランスＣＬの面積（平面視した場合：図２（Ａ）参照）は環状流路１４全体の流路エリアの約７％である。
《モータ回転速度の決定》
図２０，図２１を参考にしてモータ４０のシャフト４１の回転速度（熱対流生成用チップ１０の回転速度）を５Ｇ相当の電圧、すなわち、４．０Ｖをモータに印加した際に得られるシャフトの回転数（約５２０ｒｐｍ）に決定した。すなわち、熱対流生成用チップ１０を５２０ｒｐｍで回転させることを意味する。
《熱対流処理》
第２ヒータ３２の温度を１０２℃に設定し、第１ヒータ３１の温度を６０℃に設定した。そして、モータ４０を駆動して速度５２０ｒｐｍで熱対流生成用チップ１０を回転させて上記液体を遠心力かけた場合について調べたところ、環状流路１４内で前記液体が約８秒間で１周する結果となった。環状流１４路内において液体が環状流路を１周する際に変化する温度のプロファイルを図２２（Ａ）に示す。
［比較例１］
比較例１では、特開２０１４−３９４９８号公報（特許文献３）の図４に示すような熱源（図２（Ａ）のように平面視したときの、２つのヒータ間のクリアランスの合計面積が環状流路１４全体の流路エリアの約３８％）を使用して実施例１と同様に環状流路内を移動する液体の温度シミュレーションを行った。この結果を図２２（Ｂ）に示す。
［実施例２］
実施例２では、熱対流生成装置の周囲の環境温度を２５℃に変更したこと以外は実施例１と同様に環状流路内を移動する液体の温度シミュレーションを行った。この結果を図２２（Ｃ）に示す。
［比較例２］
比較例２では、特開２０１４−３９４９８号公報（特許文献３）の図４に示すような熱源（図２（Ａ）のように平面視したときの、２つのヒータ間のクリアランスの合計面積が環状流路１４全体の流路エリアの約３８％）を使用して実施例２と同様に環状流路内を移動する液体の温度シミュレーションを行った。この結果を図２２（Ｄ）に示す。
［実施例３］
実施例３では、熱対流生成装置の周囲の環境温度を４０℃に変更したこと以外は実施例２と同様に環状流路内を移動する液体の温度シミュレーションを行った。この結果を図２２（Ｅ）に示す。
［比較例３］
比較例３では、特開２０１４−３９４９８号公報（特許文献３）の図４に示すような熱源（図２（Ａ）のように平面視したときの、２つのヒータ間のクリアランスの合計面積が環状流路１４全体の流路エリアの約３８％）を使用して実施例３と同様に環状流路内を移動する液体の温度シミュレーションを行った。この結果を図２２（Ｆ）に示す。
（結果・考察）
比較例１〜３の結果を図２２（Ｂ），（Ｄ），（Ｆ）に示す。ここで、明るいグレー色の帯は環状流路１４内の液体が第１ヒータ３１の上方の環状流路の流路エリアを通過していることを表す。また、暗いグレーの帯の部分は、環状流路１４内の液体が第２ヒータ３２の上方の環状流路１４の流路エリアを通過していることを意味する。さらに白色の帯の部分は、環状流路１４内の液体がヒータ等が存在しない空気の上方の環状流路１４の流路エリアを通過していることを意味する。
比較例１〜３（図２２（Ｂ），（Ｄ）および（Ｆ）参照）では、第１ヒータ３１と第２ヒータ３２とが特開２０１４−３９４９８号公報（特許文献３）の図４に示したように配置され、第１，第２ヒータ間の隙間の割合を環状流路１５％超に設定されている。すなわち、図２２（Ｂ），（Ｄ）および（Ｅ）から白帯部分の横軸の長さから分かるように、少なくとも２ラジアンに相当する流路エリアで空冷している。環状流路１４は真円であることから、環状流路１４で液体が空冷される部分の割合を算出すると、環状流路１４の流路エリア全体に対して３１．８％以上になる。この空冷されている液体温度のプロットから流路エリアでは液体の温度がなだらかに低下していることが示されている（山状の黒線参照）。
また、図２２（Ｂ）（比較例１）と（Ｆ）（比較例３）とを比較すれば分かるように、外気温度が１０℃の場合と４０℃の場合では、当然に外気温度が１０℃の方が液体の温度が下がる速度が速く、すなわち、比較例では外的要因による影響を受けやすく熱対流の再現性、ロバスト性に問題があるといえる。
一方、実施例１〜３（図２２（Ａ），（Ｃ），（Ｅ））では、第１ヒータ３１と第２ヒータ３２とが図２（Ａ）に示した通りに配置され、これら第１ヒータと第２ヒータと間には、環状流路を空冷するための隙間は設けていない（第１ヒータと第２ヒータとの温度が維持できるように相互に最小限必要なクリアランスを設けているだけである。該クリアランスの環状流路全体の流路エリアに対して約７％に設定されている（図２（Ａ）参照））。
そのため、第１ヒータの上方の流路エリアで空冷よりも早い速度で冷却され、急峻な勾配を形成し、比較例１〜３と比較すると短時間で第１ヒータの温度（６０℃）付近に到達していることが分かる。すなわち、実施例では比較例と比べて効率よく迅速に液体の温度を調節していることが分かる。また、外気温度が４０℃（図２２（Ｅ））と１０℃（図２２（Ａ））の場合とで、環状流路内の液体の冷却プロファイルに差がなく比較例よりも熱対流の再現性、ロバスト性に優れているといえる。
以上、本発明について第１〜第３実施形態、実施例を通じて説明してきたが、本発明はこれらに限定されず、請求の範囲に記載された発明の要旨を逸脱しないかぎり、設計変更は許容される。
１・・・熱対流生成装置
１０，１０Ａ，１０Ｂ・・・熱対流生成用チップ
１０Ｂａ・・・第１基板
１０Ｂｂ・・・第２基板
１０Ｂｃ・・・第３基板
１１，１１Ａ・・・基板
１３，１３Ａ，１３Ｂ・・・蓋体
１４，１４Ａ，１４Ｂ・・・環状流路
１５・・・液体供給路
１５ａ・・・伸延部
１５ｂ・・・液溜り部
１５ｃ・・・連通部
１５Ａ，１５Ａａ・・・第１液体供給路
１５Ｂ，１５Ｂａ・・・第２液体供給路
１５Ｃ，１５Ｃａ・・・第３液体供給路
１５Ｄ・・・液体供給孔
１６・・・ガス排出路
１６ａ・・・伸延部
１６ｂ・・・ガス溜り部
１６ｃ・・・連通部
１６Ａ，１０１Ａ・・・第１受入部
１６Ｂ，１０１Ｂ・・・第２受入部
１６Ｃ，１０１Ｃ・・・第３受入部
１７・・・中心孔
１７Ａ，１０２Ａ・・・第１吸引通路
１７Ｂ，１０２Ｂ・・・第２吸引通路
１７Ｃ，１０２Ｃ・・・第３吸引通路
１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ，１０３Ａ・・・空気孔
１９・・・導入室
１９ａ・・・導入通路
１９Ａ・・・導入室
２０・・・ステージ
２１・・・ヒータ装着孔
２２・・・第１ねじ挿通孔
２３・・・第２ねじ挿通孔
２４・・・中心孔
２５ａ・・・凹部
２５ｂ・・・第１内壁面
２５ｃ・・・第２内壁面
２５ｄ・・・境界部
２５，２５Ａ・・・カバー部
２６・・・案内通路
２６Ａ・・・案内通路形成部
２７・・・溝
２８・・・孔
２９・・・開口
３０・・・熱源
３１・・・第１ヒータ
３１ａ・・・連結部
３１ｂ・・・熱源部
３１ｃ・・・孔
３２・・・第２ヒータ
３２ａ・・・連結部
３２ｂ・・・熱源部
３２ｃ・・・貫通孔
３２ａ・・・リング状の連結部
４０・・・モータ
４１・・・シャフト
５０・・・制御手段
５１・・・演算制御部
５２・・・表示部
５３・・・入力部
６０・・・ヒートシンク
８１・・・熱対流生成装置
９０・・・光学検出系
９１・・・励起光光源
９２・・・蛍光検出器
９３・・・検知光光源
９４・・・検知光検出器
９５・・・被検知部
９６・・・演算制御部
９７・・・制御手段
１０３Ｂｕ，１０３Ｂｍ，１０３Ｃｕ，１０３Ｃｍ，１０３Ｃｂ・・・導気用孔
１０４Ｕ，１０４Ｍ・・・穴
１０５Ｕ，１０５Ｍ，１０５Ｂ・・・孔
１０６Ｕ，１０６Ｂ，１０６Ｍ・・・矩形孔
１０７・・・溝
１０８・・・導入通路
１０９Ｕ，１０９Ｍ，１０９Ｂ・・・溝
１１０・・・孔
１００，２００，３００・・・熱対流生成システム
ＡＸ・・・軸線
Ｌ１・・・光
Ｌ２・・・検知光
Ｐ１・・・検知ポイント
Ｓａ・・・入口
Ｓ，Ｓ'・・・第２領域
Ｔ，Ｔ'・・・第１領域

Claims (14)

  1. 液体を循環させるための環状流路を有する熱対流生成用チップを回転可能に固定することができる回転軸と、
    前記環状流路内の液体を加熱又は冷却する第１熱源部を有する第１温度調節部と、
    前記環状流路内の液体を加熱又は冷却する第２熱源部を有する第２温度調節部と、
    前記回転軸を回転駆動することにより前記環状流路全体を前記回転軸の軸線回りに回転させる回転駆動手段と、を備え、前記液体が前記環状流路を流通する方向と直交する方向(環状流路より呈される円と一致する平面)で前記環状流路を平面視したとき、該平面上にある前記環状流路の重心（環状流路の中心）と、前記軸線と前記平面との交点である前記回転軸の回転中心とが一致しない熱対流生成装置と、
    液体を循環させるための環状流路を有する熱対流生成用チップと
    を含む熱対流生成システムであって、
    前記回転中心と前記重心（環状流路の中心）とをつなげた直線に対して、前記重心（環状流路の中心）を中心として、３０°以上〜１５０°以下または２１０°以上〜３３０°以下となる範囲のうち、いずれか一方の範囲のみに、前記第２熱源部が少なくとも１つ位置して該範囲内で前記環状流路の流路エリアを加熱又は冷却し、
    前記第１熱源部は、第２熱源部によって加熱又は冷却される前記環状流路の流路エリア以外の流路エリアを加熱または冷却し、
    前記熱対流生成用チップは、前記環状流路に連通した液体供給路を有し、前記回転駆動により熱対流生成用チップに加わる遠心力により前記液体供給路中の液体が前記環状流路に供給され、
    前記液体供給路は、
    前記液体を受け入れる受入部と、
    前記受入部と前記環状流路とを連通させるとともに、前記受入部内の液体を毛細管現象により吸引する吸引通路と、
    を有し、
    前記吸引通路は、前記吸引通路の中間部と前記環状流路との間に位置する第１領域と、前記吸引通路と前記受入部との間に位置する第２領域とを有し、
    前記回転をさせることにより、前記第１領域内の液体が前記第２領域内の液体から分離して前記環状流路へ供給される、熱対流生成システム。
  2. 前記吸引通路は、前記中間部で鋭角状に屈曲している、請求項１に記載の熱対流生成システム。
  3. 前記吸引通路は、前記中間部に空気を導入する空気孔をさらに有する、請求項１又は請求項２に記載の熱対流生成システム。
  4. 前記液体供給路を複数設け、
    該複数の液体供給路は、液体供給路ごとに異なる液体を前記環状流路に供給する請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱対流生成システム。
  5. 前記複数の液体供給路は、検体液を前記環状流路に供給する液体供給路と、ＰＣＲを行うための反応試薬溶液を前記環状流路に供給する液体供給路を含み、
    前記検体液を前記環状流路に供給する液体供給路の前記第１領域の容積と、前記反応試薬溶液を前記環状流路に供給する液体供給路の前記第１領域の容積とを合わせた容積は、前記環状流路の容積に等しい、請求項４に記載の熱対流生成システム。
  6. 第１熱源部と第２熱源部との間にクリアランスを有し、
    前記平面視をしたときの該クリアランスの面積が流路エリア全体の面積に対して０．１〜１５％の範囲にある、請求項１〜５のいずれか一項に記載の熱対流生成システム。
  7. 第１温度調節部の第１熱源部と第２温度調節部の第２熱源部とが面一の平板部を有し、
    前記平面視をした状態で、前記クリアランス部分が、第２熱源部を囲うように各熱源部が形成および配置されている、請求項６に記載の熱対流生成システム。
  8. 前記平面視をしたときに、第２温度調節部の第２熱源部と重なる前記環状流路の流路エリアが、第１温度調節部の第１熱源部と重なる前記環状流路の流路エリアよりも面積が小さい、請求項１〜７のいずれか一項に記載の熱対流生成システム。
  9. 前記回転軸の軸線に対して前記環状流路が対称となるように複数配置されている、請求項１〜８のいずれか一項に記載の熱対流生成システム。
  10. 前記環状流路の壁面の表面粗さＲａが１００ｎｍ以下である、請求項１〜９のいずれか一項に記載の熱対流生成システム。
  11. 前記環状流路が前記平面視をしたときに真円状である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の熱対流生成システム。
  12. 前記環状流路の壁面の材質が、環状オレフィン、ポリプロピレン、及びポリカーボネートのうちのいずれかである、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の熱対流生成システム。
  13. 前記環状流路内の液体に含まれる蛍光色素を励起する励起光を前記環状流路内の前記液体に照射する励起光光源と、
    前記蛍光色素に前記励起光を照射することにより前記蛍光色素によって放出される蛍光を検出する蛍光検出器と、
    前記蛍光検出器によって検出された蛍光に基づいて核酸の複製量を算出する演算制御部と、
    を含む請求項１〜１２のいずれか一項に記載の熱対流生成システム。
  14. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の熱対流生成システムを使用したコンベクションＰＣＲ法であって、
    ＰＣＲ反応溶液を構成する検体液、反応試薬溶液、その他ＰＣＲ反応に必要な液体を個別に又は一体に環状流路内に導入する液導入工程、
    環状流路内で前記ＰＣＲ反応溶液を所定速度で還流させてコンベクションＰＣＲを行うＰＣＲ反応工程、を含み、
    ＰＣＲ反応中に、第１温度調節手段の熱源部と第２温度調節手段の熱源部との温度差を１０℃以上に維持する、コンベクションＰＣＲ法。
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