JP6697086B2 - 試料分析及び処理のための急速熱サイクル - Google Patents
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Description
次に、シリンダから伝達される全熱を決定するが[文献1]、それは単に、それがTLTからTHTに加熱される際のシリンダのエネルギー変化である:
Qtоtal= Vcp(THT−TLT) ・・式(2)
この計算では、シリンダ全体がシリンダの領域にわたって均一の温度であると仮定した。この仮定では、シリンダをTLTからTHTに加熱する時間Δtは、以下の[数2](式(3))であると決定される。上記の仮定のために、式(3)は正確な温度値をもたらさないが、シリンダを加熱する時間に影響を及ぼす因子を明らかにする。
式(3)の熱伝達係数hは、熱媒体と反応器との相対速度に関係しており、それは、シリンダを横切る外部流れにおける対流熱伝達の以下の分析から得ることができる[文献1]:
シリンダを横断する流れの平均ヌッセルト数は、
Nu=CRe mPr n ・・文献1の式(7−37)
と簡潔に表すことができ、ここで、定数C、m、及びnは、Re=ρvD/μとして定義されるレイノルズ数Reに関係し、ここで、Dはシリンダの直径であり、ρは槽内の液体の密度であり、μは槽内の液体の動粘度であり、vは熱媒体と反応器との相対速度である。
例えば、Reが40〜4,000の範囲にある場合、式(7−37)は、
Nu=0.683Re 0.466Pr 1/3 ・・式(4)
と書き直すことができ、それは文献1の表7−1に示されている。
Nu=hD/kであり、hはシリンダ表面における熱伝達係数であり、Dはシリンダの直径であり、kは槽内の液体の熱伝導率であるため、式(4)は、以下の[数3](式(5))と書き直すことができる。
式(5)を式(3)に挿入して、以下の[数4](式(6))を得る。
式(6)は、オーバーヒート戦略を実施する利点を示している:すなわち、オーバーヒート(過熱)された槽の温度THが高いほど、シリンダをTLTからTHTに加熱する時間Δtが短くなる。実験的に、図5aは、オーバーヒートされた槽の温度THIGHが95℃の温度から115℃に上昇する場合、反応器15が50℃(TLT)から95℃(THT)に到達する時間t1は、槽媒体75が95℃に設定されている場合に反応器15が95℃(THT)に到達する時間t2よりもはるかに短いことを示す。
同様に、シリンダをTHTからTLTに冷却する時間Δtは、以下の[数5](式(7))であると決定される。
式(7)は、アンダーヒート戦略を実施する利点を示している:すなわち、アンダーヒートされた槽の温度TLOWが低いほど、シリンダをTHTからTLTに冷却する時間Δtが短くなる。実験的に、図5bは、アンダーヒートされた槽の温度TLOWが50℃の温度から20℃に低下する場合、反応器15が95℃(THT)から50℃(TLT)に到達する時間t3は、槽が50℃に設定されている場合に反応器15が50℃(TLT)に到達する時間t4よりもはるかに短いことを示す。
1)反応器は、少なくとも1つの槽の内部を往復するように高速で移動する、
2)反応器移送機構85は、4秒未満、好ましくは1秒未満で、反応器を1つの槽から別の槽に移送する、
3)槽は、より短い槽寸法を形成する槽表面に配置された槽ヒーター17を伴って、高いアスペクト比の幾何学的形状を有する、
4)より低い温度を有する槽51は、槽51内部に位置する反応器15内の液体試料の蛍光画像化のために、光学的に透明な窓27を有する。
16 クーラー
17 槽ヒーター
21 反応物質
22 水又は油又は水の上の油の層
25 透明な窓
31 カード
33 反応器ホルダ
34 温度監視ユニット
38 高速応答温度センサ
39 槽温センサ
50 槽(高温槽)
51 槽(低温槽)
52 槽(中温槽)
53 槽(予熱槽)
54 槽
56 反応器移送経路
60 オーバーヒート槽
61 アンダーヒート槽
75 槽媒体
77 シーラント又はキャップ
85 反応器移送機構
86 Xステージ
87 X軸線形ガイド
88 Zステージ
89 Z軸線形ガイド
204 槽モジュール
205 温度制御モジュール
206 光学モジュール
207 作動コントローラ
208 システムコントローラ
309 光ファイバ
310 光ファイバ
313 入口
315 チャネル
Claims (39)
- 熱プロファイルを用いて核酸を熱処理する装置であって、前記装置は、核酸を含む反応物質をそれぞれが収容する反応器を保持する反応器ホルダと、チューブ又はウェルプレート又はチップ又はカートリッジなどの任意の形態である反応器とを使用し、前記装置はまた、反応器温度センサと槽媒体とを使用し、前記装置は、
第1の槽及び第2の槽であって、槽内の槽媒体はそれぞれ、2つの異なる温度THIGH及びTLOWで維持可能である、第1の槽及び第2の槽と、
複数の熱サイクルで前記反応器を2つの前記槽内に配置し、
−所定の高い目標温度THTと、
−所定の低い目標温度TLTと
に交互に到達することを可能にする反応器移動機構と
を含み、
さらに、前記装置は、
a)THTがTHIGHよりも低い、
b)TLTがTLOWよりも高い、及び
c)a)及びb)の条件、
からなる群からの少なくとも1つの条件によって規定された温度オフセット特性に適合し、
前記反応器移動機構は、
熱サイクル中に前記反応器温度センサによって感知されたリアルタイム温度に基づいて動作可能な温度誘導作動制御手段(TeGMCM)と、
前記反応器が前記槽内に配置される時間周期に基づいて動作可能な時間誘導作動制御手段(TiGMCM)と
からなる群からの少なくとも1つのモードによって動作可能であり、
前記槽の何れかにおける槽媒体は、空気、液体、固体、粉末及びこれらの何れかの混合物を含む任意の相である、装置。 - TiGMCMは、時間周期に対してユーザーが較正することができる、請求項1に記載の装置。
- さらに第3の槽を含み、槽媒体は中間温度TMEDIUMで維持可能であり、前記反応器移動機構は、前記反応器を前記第3の槽内に配置し、所定の中間目標温度TMTに到達することを可能にし、TMEDIUMはTMTと同じであるか、又はTMTからオフセットされている、請求項1に記載の装置。
- さらに第4の槽を含み、槽媒体は、熱サイクル前に反応器に対する追加プロセスを可能にするために温度TAPで維持可能であり、前記追加プロセスは、
e)逆転写ポリメラーゼ連鎖反応(RT−PCR)、
f)ホットスタートプロセス及び
c)等温増幅反応
からなる群からの1つであり、
前記反応器移動機構は、前記反応器を前記第4の槽内に配置し、追加プロセス目標温度TAPTに到達することを可能にし、TAPはTAPTと同じであるか、又はTAPからオフセットされている、請求項1に記載の装置。 - 前記第1の槽内の槽媒体は、100℃を超えて維持可能である、請求項1に記載の装置。
- 前記第2の槽内の槽媒体は、室温よりも低く維持可能である、請求項1に記載の装置。
- 前記反応器移動機構は、前記反応器の過熱又は過冷却を不必要に引き起こす動作上の電気機械的遅れを相殺するために、前記反応器がTHTよりも低い第1のリフトオフ温度及びTLTよりも高い第2のリフトオフ温度に到達する場合に前記反応器の槽からのリフトオフを開始するようにユーザーが較正することができる、請求項1に記載の装置。
- 熱サイクルの間に任意の槽内の温度を変更する変更手段をさらに含む、請求項1に記載の装置。
- THTは、核酸の変性のために85〜99℃の領域にあり、TLTは、核酸上へのプライマー又はプローブのアニーリング又はプライマー伸長のために45〜75℃の領域にあり、前記第1及び第2の槽は、反応器を熱サイクルしてポリメラーゼ連鎖反応(PCR)の増幅又はプライマー伸長を達成するためのものである、請求項1に記載の装置。
- 熱プロファイルにおける温度安定化ステップのための第5の槽をさらに含む、請求項1に記載の装置。
- 前記温度安定化ステップは目標温度のうちの1つにおけるものである、請求項10に記載の装置。
- 前記反応器が槽の何れかの中又は槽の外側の空気中にある場合に核酸を分析するための、蛍光画像化手段又は電気化学的検出手段をさらに含む、請求項1に記載の装置。
- 槽媒体が40〜80℃の範囲内の一定温度で、かつ蛍光画像化を含む熱サイクルプロセスを通して維持可能な液体又は熱空気である第6の槽をさらに含み、前記槽媒体及び前記第6の槽の少なくとも一部は透明であり、光源からの照射光の透過及び前記反応器からの放出光の透過を可能にする、請求項1に記載の装置。
- THIGHとTHTとの間の第1のオフセットは、1〜400℃の範囲内にあり、TLOWとTLTとの間の第2のオフセットは、1〜100℃の範囲内にある、請求項9に記載の装置。
- 前記第1の槽内の槽媒体は、第2の液体に添加された第1の液体であり、前記第2の液体の沸点は前記第1の液体の沸点よりも高い、請求項1に記載の装置。
- 前記第1の液体と前記第2の液体との混合物の沸点は100℃よりも高い、請求項15に記載の装置。
- 前記槽上の槽カバーであって、前記反応器を槽内に配置することを許容するように開口し、前記反応器が槽から除去された後に閉じる、槽カバーをさらに含む、請求項1に記載の装置。
- 前記槽媒体の温度を監視する槽センサと、
熱サイクル中に前記反応器ホルダとともに移動して前記反応器の温度を監視することができる反応器温度センサと
をさらに含む、請求項1に記載の装置。 - 前記反応器温度センサを封入する物質を含む容器をさらに含み、前記容器及び前記物質は、前記反応器及び前記反応物質と同様の構成又は熱伝達特性を有する、請求項18に記載の装置。
- 前記反応器を受け入れて、熱サイクル後に融解曲線分析を行いながら徐々に加熱されることができる、第7の槽をさらに含む、請求項1に記載の装置。
- 熱プロファイルを用いて核酸を熱処理する方法であって、
核酸を含む反応物質をそれぞれが収容する反応器を保持する反応器ホルダと、チューブ又はウェルプレート又はチップ又はカートリッジなどの任意の形態である反応器とを使用するステップと、
第1の槽及び第2の槽を含む装置を使用するステップと、
前記第1の槽内の槽媒体を温度THIGHに、前記第2の槽内の槽媒体を温度TLOWに維持するステップと、
前記装置において反応器移動機構を使用するステップであって、複数の熱サイクルで前記反応器を2つの槽内に配置し、
−所定の高い目標温度THTと、
−所定の低い目標温度TLTと
に交互に到達することを可能する、ステップと、
a)THTがTHIGHよりも低い、
b)TLTがTLOWよりも高い、及び
c)a)及びb)の条件、
からなる群からの少なくとも1つの条件によって規定された温度オフセット特性に適合させるステップと
を含み、
前記反応器移動機構は、
熱サイクル中に反応器温度センサによって感知されたリアルタイム温度に基づいて動作可能な温度誘導作動制御手段(TeGMCM)と、
前記反応器が槽内に配置される時間に基づいて動作可能な時間誘導作動制御手段(TiGMCM)と
からなる群からの少なくとも1つのモードによって動作可能であり、
前記槽の何れかにおける槽媒体は、空気、液体、固体、粉末及びこれらの何れかの混合物を含む任意の相である、方法。 - 前記装置において第3の槽を中間温度TMEDIUMに維持するステップであって、前記反応器移動機構は、前記反応器を前記第3の槽内に配置し、所定の中間目標温度TMTに到達することを可能にし、TMTはTMEDIUMと同じであるか、又はTMEDIUMからオフセットされている、ステップをさらに含む、請求項21に記載の方法。
- 熱サイクル前に反応器に対する追加プロセスを第4の槽において可能にするステップであって、槽媒体は、温度TAPで維持され、前記追加プロセスは、
g)逆転写ポリメラーゼ連鎖反応(RT−PCR)、
h)ホットスタートプロセス及び
c)等温増幅反応
からなる群からの1つである、ステップと、
前記反応器移動機構を使用するステップであって、前記反応器を前記第4の槽内に配置し、追加プロセス目標温度TAPTに到達することを可能にし、TAPはTAPTと同じであるか、又はTAPからオフセットされている、ステップと
をさらに含む、請求項21に記載の方法。 - 前記第1の槽内の槽媒体を100℃を超えて維持するステップをさらに含む、請求項21に記載の方法。
- 前記第2の槽内の槽媒体を室温よりも低く維持するステップをさらに含む、請求項21に記載の方法。
- 前記反応器の過熱又は過冷却を不必要に引き起こす動作上の電気機械的遅れを相殺するために、前記反応器がTHTよりも低い第1のリフトオフ温度及びTLTよりも高い第2のリフトオフ温度に到達する場合に前記反応器の槽からのリフトオフを開始するように、前記反応器移動機構を較正するステップをさらに含む、請求項21に記載の方法。
- 熱サイクルの間に前記装置における変更手段によって任意の槽内の温度を変更するステップをさらに含む、請求項21から26の何れか1項に記載の方法。
- THTは、核酸の変性のために85〜99℃の領域にあり、TLTは、核酸上へのプライマー又はプローブのアニーリング又はプライマー伸長のために、45〜75℃の領域にあり、前記第1及び第2の槽は、反応器を熱サイクルしてポリメラーゼ連鎖反応(PCR)の増幅又はプライマー伸長を達成するためのものである、請求項21に記載の方法。
- 熱プロファイルにおける温度安定化ステップのために第5の槽を使用するステップをさらに含む、請求項21に記載の方法。
- 前記温度安定化ステップは目標温度のうちの1つにおけるものである、請求項29に記載の方法。
- 前記反応器が槽の何れかの中又は槽の外側の空気中にある場合に核酸を分析するために、前記装置において蛍光画像化又は電気化学的検出を行うステップをさらに含む、請求項21に記載の方法。
- 槽媒体が液体又は熱空気である、アニーリング及び伸長のための第6の槽を使用するステップと、
前記第6の槽において前記槽媒体を、40〜80℃の範囲内の一定温度で、かつ熱サイクルプロセスを通して維持するステップと、
前記一定温度で前記第6の槽を通して蛍光画像化を行うステップであって、前記槽媒体及び前記第6の槽の少なくとも一部は透明であり、光源からの照射光の透過及び前記反応器からの放出光の透過を可能にする、ステップと
をさらに含む、請求項21に記載の方法。 - THIGHとTHTとの間の第1のオフセットを1〜400℃の範囲内に設定するステップと、
TLOWとTLTとの間の第2のオフセットを1〜100℃の範囲内に設定するステップと
をさらに含む、請求項21に記載の方法。 - 前記第1の槽内の槽媒体において、第2の液体を第1の液体に添加するステップであって、前記第2の液体の沸点は前記第1の液体の沸点よりも高い、ステップをさらに含む、請求項21に記載の方法。
- 前記第1の液体と前記第2の液体との混合物の沸点は100℃よりも高い、請求項34に記載の方法。
- 前記槽上に槽カバーを使用するステップであって、前記カバーは、前記反応器を槽内に配置することを許容するように開口し、前記反応器が前記槽から除去された後に閉じる、ステップをさらに含む、請求項21に記載の方法。
- 熱サイクル中に反応器温度センサを前記反応器ホルダとともに移動するステップであって、前記反応器の温度を監視する、ステップをさらに含む、請求項21に記載の方法。
- 前記反応器温度センサを封入する物質を含む容器を使用するステップであって、前記容器及び前記物質は、前記反応器及び前記反応物質と同様の構成又は熱伝達特性を有する、ステップをさらに含む、請求項37に記載の方法。
- 前記反応器を受け入れるために前記装置において第7の槽を使用するステップと、
前記第7の槽を徐々に加熱しながら熱サイクル後に融解曲線分析を行うステップと
をさらに含む、請求項21に記載の方法。
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