JP6722779B2

JP6722779B2 - 温度調節装置および核酸増幅装置

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Publication number: JP6722779B2
Application number: JP2018567986A
Authority: JP
Inventors: 達也小針; 航佐藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2017-02-20
Filing date: 2017-11-06
Publication date: 2020-07-15
Anticipated expiration: 2037-11-06
Also published as: WO2018150648A1; JPWO2018150648A1; US20200230607A1

Description

本発明は、試料の温度を所定の温度に調節する温度調節装置及びそれを用いた核酸増幅装置に関する。

温度調節装置では、主として温度調節の対象物の温度を温度センサなどで測定し、その情報を基に、ヒータやペルチェ素子などの温調素子への出力を決定し供給する。そのため、対象物の温度情報の精度と確度が温度調節装置の信頼性に多大な影響を及ぼす。また、温調素子から対象物までの熱の伝達状況、例えば、温調素子から対象物までの熱抵抗なども信頼性に大きく影響する。

従来の温度調節装置に関する背景技術として、特許文献１や特許文献２がある。

特許文献１には、増幅対象の標的核酸及び増幅に必要な成分を含む増幅液の核酸増幅処理のため、反応容器に付設された測温素子で反応容器の温度を測定し、それを基に反応容器の温度制御を行う方法が記載されている。

特許文献２には、核酸増幅処理の対象となる検査液が収容された検査容器に対して、検査液と同等の熱伝導率及び熱容量を持つダミー物質が収容された、検査容器と同一の形状及び熱伝導率を持つ計測容器を用意し、計測容器にダミー物質の温度を計測する手段を講じた方法が記載されている。ダミー物質の温度を計測しながら計測容器に温度制御を行って適切な制御電圧を求め、その後に検査容器の温度制御を行うことで、検査液の温度推移を推定して温度調節を行うことが出来る。

特開２０１２−１００５８２号公報特開２０１４−３２１５３号公報

特許文献１記載の方法では、反応容器の温度及びその温度補正値は求められているが、増幅液の温度は求められていない。そのため、試料である増幅液がどのような温度サイクルを経験しているのかは分からないという問題がある。

特許文献２記載の方法では、検査容器または計測容器と、これらの容器がセットされる容器セット部の間の接触熱抵抗は容器をセットする度に異なり、接触状態の再現性を得ることは難しい。そのため、検査液を加熱する発熱体から、検査液までの熱の伝達状況の情報は得られないという問題がある。

温度調節装置の適用先として例えば、遺伝子検査装置に搭載される核酸増幅装置がある。特に、核酸のポリメラーゼ連鎖反応（Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅｃｈａｉｎｒｅａｃｔｉｏｎ：ＰＣＲ）を利用した核酸増幅装置では、反応液に対して約４５℃から９５℃の範囲で適切な温度調節を繰り返すことで、核酸の増幅を行う。遺伝子検査装置では迅速な核酸増幅が求められるため、反応液の高信頼な温度調節が必要となる。

温度調節装置では、対象物の温度や伝熱経路の熱の伝達状況などの情報が精確でないと、対象物の温度がオーバーシュート、振動、発散したり、目標温度到達までに時間がかかったり、目標温度とのオフセットが残るなどの問題を生じてしまい、温度調節装置の信頼性が低下してしまう。その一方で、核酸増幅装置では対象物の直接的な温度測定が困難であり、また伝熱経路上に接触熱抵抗を含むため、精確な情報を得ることが難しいという課題がある。

具体的には、核酸増幅装置では、温度調節の対象となる反応液は生体由来試料を含んでおりコンタミネーションが許容されず、また、一つの反応容器に供給される反応液の量が数十から数百マイクロリットル程度であり熱容量が小さく熱損失に対して鋭敏である。そのため、熱電対を反応液に直接挿入するなどの方法で反応液の温度情報を得ることが出来ない。また、反応液を収容した反応容器は反応容器保持部に設置された状態で核酸増幅処理が行われるため、処理毎に異なる接触熱抵抗を持つことになる。

試料容器を保持する試料容器保持部と、試料容器に収容される試料の近傍の温度を測定する複数の温度センサと、試料容器保持部を加熱または冷却する温調素子と、数学モデルを格納する記憶部と、複数の温度センサからの出力に基づいて数学モデルを解析する演算部とを有する温度調節装置であって、数学モデルは、少なくとも試料、試料容器、試料容器保持部、複数の温度センサ、温調素子に相当し、それぞれ所定の熱容量を有する節点と、所定の節点間の熱抵抗とが設定された熱回路網モデルであり、演算部は、複数の温度センサの出力と熱回路網モデルとに基づき状態推定アルゴリズムを用いて、試料容器と試料容器保持部との間の熱抵抗推定値及び試料の温度推定値を算出する。

処理ごとに異なる反応容器と反応容器保持部との接触熱抵抗及び試料温度を測定可能な他の物理量を用いて定量評価し、高信頼性の温度調節装置を実現する。

実施例１の温度調節装置の構成を示す図である。熱回路網モデルの一例を示す図である。熱回路網モデルの一例を示す図である。実施例２の核酸増幅装置の構成を示す図である。

図１は、実施例１の温度調節装置１の構成を示す図である。温度調節装置１は、試料１０１を収容する試料容器１０２を保持する試料容器保持部１０３、温度センサ１０４、１０７、温調素子１０５、筐体１０６を有し、演算部１１、制御部１２、表示部１３、記憶部１４を備える。

試料容器保持部１０３は筐体１０６内に設置され、試料容器１０２を保持できる形状を有する。また、試料容器１０２との熱交換を円滑に進めるためには、銅やアルミなどの熱伝導率の高い材料で作られていること、投入される熱量に対して熱容量が十分小さいこと、試料容器１０２との間に十分大きな伝熱面積を有することが望ましい。

保持部温度センサ１０４は、試料容器保持部１０３に付設されてその温度を測定し、その温度測定結果は試料１０１の近傍の温度として演算部１１に供給される。また、筐体内温度センサ１０７は、筐体内に付設されて筐体内の空気の温度を測定し、その温度測定結果も試料１０１の近傍の温度として演算部１１に供給される。

記憶部１４は数学モデルを格納する。数学モデルは温度調節装置１の熱的状態を解析モデル化したものである。例えば、熱回路網法により系の熱的状態を解析する場合、系を節点、熱抵抗、熱容量などによって表現する熱回路網モデルが用いられる。

記憶部１４に格納された熱回路網モデルは演算部１１に供給され、また演算部１１には熱回路網モデルにしたがって系の熱的状態を解析するために必要な、系の熱的状態に関する測定結果が供給される。温度センサ１０４、１０７の温度測定結果はその例であるが、これには限られない。演算部１１で系の熱的状態を解析した結果は制御部１２に供給され、試料１０１の推定された温度に基づき温調素子１０５の制御を行う。また、演算部１１で系の熱的状態を解析した結果は表示部１３に供給され、表示部１３では解析結果や解析結果に基づく警告を表示する。

図２は記憶部１４に格納される熱回路網モデル（数学モデル）１５を示す図である。熱回路網モデル１５は、試料１０１、試料容器１０２、試料容器保持部１０３、保持部温度センサ１０４、温調素子１０５、筐体１０６、筐体内温度センサ１０７に相当する節点としてそれぞれ、試料節点２０１、試料容器節点２０２、試料容器保持部節点２０３、保持部温度センサ節点２０４、温調素子節点２０５、筐体節点２０６、筐体内温度センサ節点２０７を考慮し、更に筐体内の空気に相当する節点として、筐体内空気節点２０８を考慮する。各節点には熱容量２１２が設定される。また、熱抵抗２１３を考慮する伝熱経路として、試料節点２０１・試料容器節点２０２間、試料容器節点２０２・試料容器保持部節点２０３間、試料容器節点２０２・筐体内空気節点２０８間、試料容器保持部節点２０３・温調素子節点２０５間、試料容器保持部節点２０３・筐体内空気節点２０８間、筐体節点２０６・筐体内空気節点２０８間、試料容器保持部節点２０３・保持部温度センサ節点２０４間、筐体内空気節点２０８・筐体内温度センサ節点２０７間を考慮する。熱回路網モデル１５は、高精度な状態推定を可能とするために、より詳細なモデルを構成してもよい。

図３はより詳細な熱回路網モデルの一例である熱回路網モデル１６の構成を示す図である。熱回路網モデル１６の場合、熱回路網モデル１５に加え、核酸増幅装置本体（以下、「装置本体」と称する）、試料容器内空気、温調素子リード線、保持部温度センサリード線、筐体内温度センサリード線に相当する節点としてそれぞれ、装置本体節点２２１、試料容器内空気節点２２２、温調素子リード線節点２２３、保持部温度センサリード線節点２２４、筐体内温度センサリード線節点２２５を考慮する。熱回路網モデル１５と同様に各節点には、熱容量２１２が設定される。また、熱抵抗２１３を考慮する伝熱経路として、熱回路網モデル１５における伝熱経路に加え、試料節点２０１・試料容器内空気節点２２２間、試料容器節点２０２・試料容器内空気節点２２２間、保持部温度センサ節点２０４・筐体内空気節点２０８間、温調素子節点２０５・装置本体節点２２１間、温調素子節点２０５・温調素子リード線節点２２３間、保持部温度センサ節点２０４・保持部温度センサリード線節点２２４間、筐体内温度センサ節点２０７・筐体節点２０６間、筐体内温度センサ節点２０７・筐体内温度センサリード線節点２２５間を考慮する。また、高精度な状態推定を可能とするために、必要に応じ例えば装置本体や筐体に温度センサを設置して、実測値の数を増やし、それに応じた熱回路網モデルとしてもよい。

演算部１１には、系の熱的状態を計測する温度センサからの温度測定結果と熱回路網モデルとが供給される。熱回路網モデル１５を演算部１１に供給した場合を例として説明する。熱回路網モデル１５の各伝熱経路の熱抵抗は、寸法や材料の熱物性、経験式などから順問題的に与えておいても良いし、事前に実験的に求めておいてもよい。しかし、試料容器１０２と試料容器保持部１０３との間の熱抵抗（試料容器節点２０２・試料容器保持部節点２０３間の熱抵抗）は、試料容器１０２を設置するごとに異なり、精確な熱抵抗値を求めることは難しい。このため、演算部１１では、温度測定結果を入力として熱回路網モデル１５に基づき、測定が困難な物理量を推定する状態推定アルゴリズムの演算を行う。ここでは、測定が困難な物理量とは試料容器１０２と試料容器保持部１０３との間の熱抵抗である。これにより、節点温度と、節点間の熱抵抗及び伝熱量がそれぞれ求められる。状態推定アルゴリズムとしては、例えば、カルマンフィルタ、拡張カルマンフィルタ、Ｕｎｓｃｅｎｔｅｄカルマンフィルタ、アンサンブルカルマンフィルタ、粒子フィルタなどを用いることができる。熱回路網モデル１５においては、熱容量の大きい筐体１０６の温度を一定値とし、試料容器保持部１０３の温度及び筐体１０６内の空気の温度を測定値とし、試料１０１の温度と試料容器１０２・試料容器保持部１０３間の熱抵抗の２変数を未知変数として、状態推定アルゴリズムによる解析を行う。これにより、測定が困難な試料１０１の温度や試料容器１０２と試料容器保持部１０３の間の熱抵抗を得、制御部１２に供給することにより、これらの数値を温度調節装置１の運転状態に反映することが可能となる。

制御部１２は試料１０１が所定の温度推移を経験するように温調素子１０５へ供給する電流値を制御する。例えば、演算部１１で求められた試料１０１の温度に基づき、試料１０１が所定の温度推移を経験するように温調素子１０５へ供給する電流値を制御する。

温調素子１０５は供給された電流によって試料容器保持部１０３に対して伝熱量を発生させる。このとき発熱反応のみ必要であれば、例えばラバーヒータなどの発熱体が用いられる。また、発熱反応と吸熱反応が必要であれば、例えばペルチェ素子などの熱電素子が用いられる。温調素子１０５は試料１０１へ十分に熱移動を及ぼすことが出来ればよく、温調素子１０５が複数設置されていたり、試料容器保持部１０３を取り囲むように設置されていたりしてもよい。

表示部１３は、演算部１１の解析結果が所期の温度推移と大幅に異なるような場合には試料１０１の適切な温度調節が困難であるという警告を表示する。例えば、演算部１１で求められた試料容器１０２と試料容器保持部１０３の間の熱抵抗が所定の値よりも大きかった場合、温調素子１０５で投入した熱量が十分に試料１０１へと伝達されないため、試料容器保持部１０３に対する試料容器１０２の設置状態には異常があると判定して、試料１０１の適切な温度調節が困難であるという趣旨の警告を表示する。警告内容の補足情報としては、例えば、解析した熱抵抗の数値を表示しても良いし、解析した熱抵抗と温調素子１０５の定格性能とに基づいてこのまま温度調節を続行したとして、試料１０１が所望の温度推移を経験するのに必要とする時間を予測した結果を表示してもよい。

このように温度調節装置１の系の中の測定困難な物理量を、測定可能な他の物理量を用いて定量評価することで、高信頼性の温度調節装置１を提供することができる。

実施例２として実施例１の温度調節装置１を備えた核酸増幅装置について説明する。実施例２では、温度調節装置が備える、筐体、試料容器保持部、温度センサ、温調素子をまとめて温調部と呼称する。核酸増幅装置２は温調部を複数有し、各温調部で試料を収容した試料容器を保持し、各温調部に対応した数学モデルを有し、各温調部で異なる温度調節が可能な核酸増幅装置である。

図４は実施例２の核酸増幅装置２の構成を示す図である。核酸増幅装置２は、試料を収容した試料容器１０２を保持して温度調節を行う複数の温調部１７、演算部１１、制御部１２、表示部１３、各温調部１７に対応する数学モデルを格納する記憶部１４を有し、装置本体１０８、一つ以上の温度センサ１１２、一つ以上の温調素子１１３、搬送装置１８を備える。なお、図４においては、温調部１７ごとに設けられている筐体及び筐体内温度センサは省略して示している。

核酸増幅装置２において、試料１０１は核酸増幅反応を起こす反応液に相当し、試料容器１０２は反応液を収容した反応容器に相当する。ＰＣＲ法では例えば、反応液を９４℃程度に加熱して３０秒〜１分維持、５５℃程度まで急速冷却、７２℃程度に加熱して１〜２分維持という温度調節サイクルを繰り返し行う。前述した通り、核酸増幅装置では反応液の温度情報を直接反応液から得ることができないにもかかわらず、短周期で温度調節サイクルを精確に実施しなければならない。このような短周期での温度調節サイクルでは、処理毎に異なる試料容器と試料容器保持部との間の接触熱抵抗も無視できない影響を与えるため、反応液の温度情報をより精確に推定することが求められる。このため、温調部１７に実施例１の温度調節装置を適用する。

温調部１７は、試料１０１を収容した試料容器１０２を保持する試料容器保持部１０３、保持部温度センサ１０４、温調素子１０５、図示しない筐体及び筐体内温度センサを有する。温調部１７は装置本体１０８に対して複数付設される。図４の例では、装置本体１０８の側面に８つの温調部１７が付設されている。複数の温調部１７に対し、各温調部１７に対応した複数の数学モデル（熱回路網モデル）と、各温調部１７の保持部温度センサ、筐体内温度センサによる温度測定結果が演算部１１に供給される。

演算部１１には、温度センサによる温度測定結果と熱回路網モデルとが供給される。実施例１として説明したように、演算部１１は、温度測定結果を入力として熱回路網モデルに基づき、測定が困難な物理量を推定する状態推定アルゴリズムの演算を行う。この演算により、節点温度と、節点間の熱抵抗及び伝熱量がそれぞれ求められる。状態推定アルゴリズムとして例えば、カルマンフィルタ、拡張カルマンフィルタ、Ｕｎｓｃｅｎｔｅｄカルマンフィルタ、アンサンブルカルマンフィルタ、粒子フィルタ、などが用いられる。演算部１１の解析結果は制御部１２、表示部１３、搬送装置１８に供給される。演算部１１は、試料１０１の温度と試料容器１０２・試料容器保持部１０３間の熱抵抗の二変数を未知変数として状態推定アルゴリズムによる解析を行う。これにより、測定が困難な試料１０１の温度や試料容器１０２と試料容器保持部１０３の間の熱抵抗が得られ、これらの数値を温度調節装置１の運転状態に反映することが可能となる。演算部１１は以上の動作を複数の温調部１７に対して行う。

制御部１２は、演算部１１の解析結果に基づき、試料１０１がＰＣＲ法で要求される温度推移を経験するように温調素子１０５へ供給する電流値を制御する。例えば、演算部１１で求められた試料１０１の温度に基づき、試料１０１が所定の温度推移を経験するように温調素子１０５へ供給する電流値を制御する。

表示部１３は、演算部１１の解析結果によっては試料１０１の適切な温度調節が困難であるという警告を表示する。例えば、演算部１１で求められた試料容器１０２と試料容器保持部１０３の間の熱抵抗が所定の値よりも大きかった場合、温調素子１０５で投入した熱量が十分に試料１０１へと伝達されないため、試料容器保持部１０３に対する試料容器１０２の設置状態には異常があると判定して、試料１０１の適切な温度調節が困難であるという趣旨の警告を表示する。警告内容の補足情報として例えば、熱抵抗の数値を表示しても良いし、演算部１１の解析結果と温調素子１０５の定格性能に基づいて当該設置状態において温度調節を続行した場合を仮想して試料１０１が所望の温度推移を経験するのに必要とする時間を計算して予測した結果を表示しても良い。

装置本体１０８は、複数の温調部１７が接続されている。温調部１７の温調素子１０５の熱が効果的に試料に伝わるよう、装置本体１０８の温度は温調部１７の温度以上であることが望ましい。このため、装置本体１０８の温度を測定するための温度センサ１１２と、装置本体１０８の温度を一定に保つための温調素子１１３が付設されている。

温度センサ１１２は、装置本体１０８に対して一つ以上付設される。図４の例では、各温調部１７の温調素子１０５の近傍に付設されている。温度センサ１１２の温度測定結果は、装置本体１０８の温度を一定に保つために用いられる。また、当該温度測定結果は演算部１１に供給され、実施例１で説明した状態推定アルゴリズムの演算に用いられてもよい。

温調素子１１３は、装置本体１０８に対して一つ以上付設される。図４の例では、装置本体１０８の中央に一つ付設されている。温調素子１１３は温度センサ１１２の温度測定結果に基づいて、装置本体１０８の温度を一定に保つように発熱や吸熱を行う。温調素子１１３は、供給される電流に従って発熱や吸熱を行うラバーヒータや、ペルチェ素子などでも良いし、恒温槽を利用して温度を一定に保つようにしても良い。

搬送装置１８は、試料容器１０２を試料容器保持部１０３に設置する動作と、試料容器１０２を試料容器保持部１０３から取り除く動作を行う装置である。搬送装置１８は、演算部１１の解析結果に基づき、試料容器１０２の再度設置を行う。例えば、演算部１１で求められた試料容器１０２と試料容器保持部１０３の間の熱抵抗が所定の値よりも大きかった場合、温調素子１０５で投入した熱量が十分に試料１０１へと伝達されないため、試料容器保持部１０３に対する試料容器１０２の設置状態に異常があると判定して、温度調節動作を停止し、試料容器１０２を把持して持ち上げ、試料容器保持部１０３に再度設置する。

以上の形態によって、核酸増幅装置２の系の中の測定困難な物理量を、測定可能な他の物理量を用いて定量評価することで熱の伝達状況の改善策を実行することができ、高信頼性の核酸増幅装置２を提供することが可能となる。

温度センサを用いた試料温度測定試料が困難な系や、試料を収容した試料容器の接触などの状態が変化する系における温度調節に適用可能である。例えば、試料が生体試料である核酸増幅装置、当該核酸増幅装置を搭載した遺伝子検査装置に適用可能である。核酸増幅の原理は、Ｌｏｏｐ‐ｍｅｄｉａｔｅｄｉｓｏｔｈｅｒｍａｌａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ（ＬＡＭＰ）でも適用可能である。

１……温度調節装置、２……核酸増幅装置、１１……演算部、１２……制御部、１３……表示部、１４……記憶部、１５、１６……熱回路網モデル、１７……温調部、１８……搬送装置、１０１……試料、１０２……試料容器、１０３……試料容器保持部、１０４……保持部温度センサ、１０５……温調素子、１０６……筐体、１０７……筐体内温度センサ、１０８……装置本体。

Claims

試料容器を保持する試料容器保持部と、
前記試料容器に収容される試料の近傍の温度を測定する複数の温度センサと、
前記試料容器保持部を加熱または冷却する温調素子と、
数学モデルを格納する記憶部と、
前記複数の温度センサからの出力に基づいて前記数学モデルを解析する演算部とを有し、
前記数学モデルは、少なくとも前記試料、前記試料容器、前記試料容器保持部、前記複数の温度センサ、前記温調素子に相当し、それぞれ所定の熱容量を有する節点と、所定の節点間の熱抵抗とが設定された熱回路網モデルであり、
前記演算部は、前記複数の温度センサの出力と前記熱回路網モデルとに基づき状態推定アルゴリズムを用いて、前記試料容器と前記試料容器保持部との間の熱抵抗推定値及び前記試料の温度推定値を算出する温度調節装置。
請求項１において、
前記温調素子に供給する電流値を制御する制御部を有し、
前記制御部は、前記演算部で算出された温度推計値に基づき、前記温調素子に供給する電流値を制御する温度調節装置。
請求項２において、
前記状態推定アルゴリズムは、カルマンフィルタ、拡張カルマンフィルタ、Ｕｎｓｃｅｎｔｅｄカルマンフィルタ、アンサンブルカルマンフィルタ、粒子フィルタ、のいずれかを利用する状態推定アルゴリズムである温度調節装置。
請求項３において、
前記試料容器保持部、前記複数の温度センサ及び前記温調素子を収容する筐体と、
前記複数の温度センサとして、前記試料容器保持部の温度を測定する保持部温度センサと前記筐体内の空気の温度を測定する筐体内温度センサとを有し、
前記数学モデルは、少なくとも前記試料、前記試料容器、前記試料容器保持部、前記保持部温度センサ、前記筐体内温度センサ、前記温調素子、前記筐体、前記筐体内の空気に相当し、それぞれ所定の熱容量を有する節点と、所定の節点間の熱抵抗とが設定された熱回路網モデルである温度調節装置。
請求項４において、
表示部を有し、
前記演算部の解析結果が所期の温度推移と大幅に異なるような場合に警告を表示する温度調節装置。
請求項５において、
前記表示部は、前記熱抵抗推定値に基づき、前記試料容器の前記試料容器保持部への設置状態の異常を判定して警告を表示する温度調節装置。
請求項１〜６のいずれか一項に記載の温度調節装置を複数備えた核酸増幅装置。
請求項７において、
ポリメラーゼ連鎖反応法により核酸増幅処理を行う核酸増幅装置。
請求項７において、
前記試料容器を前記試料容器保持部に設置する搬送装置を有し、
前記搬送装置は、前記熱抵抗推定値に基づき、前記試料容器の前記試料容器保持部への設置状態の異常を判定し、異常ありと判定された場合に前記試料容器を前記試料容器保持部に再度設置する核酸増幅装置。