JP6747192B2 - 遺伝子増幅装置 - Google Patents

Description

本発明は、遺伝子を収容した反応容器に対して加熱と冷却を繰り返し行なうことにより遺伝子の増幅を行なう遺伝子増幅装置に関するものである。

遺伝子を増幅させる技術としてＰＣＲ（ポリメラーゼ連鎖反応）法が知られている。ＰＣＲ法は、ＤＮＡを含む検体に試薬を添加し、その混合液を周期的に昇降温させることで、ＤＮＡを増幅するというものである。このようなＰＣＲ法を実行するために、検体と試薬を収容した反応容器を収容し、その反応容器の加熱と冷却を周期的に行なう遺伝子増幅処理を実行する遺伝子増幅装置（サーマルサイクラともいう。）が提案され、実施もなされている（例えば、特許文献１参照。）。

遺伝子増幅装置は、特許文献１にも開示されているように、反応容器を挿し込むための複数の容器挿入部を有する反応容器ホルダを備えた本体部と、本体部に開閉可能に取り付けられたカバー部を備えている。反応容器ホルダは熱伝導性のブロックによって構成され、本体部内に反応容器ホルダの温度を昇降させるペルチェ素子が設けられている。カバー部には、カバー部が閉じられたときに反応容器の本体部上面に取り付けられた蓋部を押圧するとともに、反応容器の蓋部を所定温度に加熱する機能を有するヒートリッドが設けられている。

カバー部にヒートリッドが設けられていることで、カバー部が閉じられたときにヒートリッドによって蓋部が本体側へ押圧されて反応容器のシール性が向上し、反応容器外への反応液の蒸発が防止されるとともに、遺伝子増幅処理が実施される前にヒートリッドによって反応容器の蓋部を加熱しておくことで、遺伝子増幅処理で発生する水蒸気が蓋部で結露することが防止される。

特表２０１６−５１９６１４号公報

上記のように、遺伝子増幅装置に設置される反応容器の本体部の上部には蓋部が装着され、その蓋部をヒートリッドで押圧しながら所定温度に加熱することで、遺伝子増幅処理を実施しているときの反応液の蒸発と結露を防止している。しかし、このような従来の構成では、反応液による反応容器外への蒸発が完全には防止されていない場合があることがわかった。

反応容器からの反応液の蒸発が起こると、遺伝子増幅処理を開始した時と終了した時で反応液量が異なってしまい、反応容器内の反応状態が変化するといった問題や、反応容器ホルダに設置された複数の反応容器間でプレートによる押圧力が不均一になることによって反応液の蒸発量も不均一になり、各反応容器内の反応液量がばらついて反応の正確な比較ができないといった問題がある。

また、遺伝子増幅処理では反応容器が９５℃程度の高温に加熱されて反応容器が熱変形し、遺伝子増幅処理が終了した反応容器の本体部と蓋部との密閉度が悪くなって蓋部が本体部から簡単に外れる状態になることが多かった。反応容器の蓋部が本体部から簡単に外れてしまうと、反応容器内の遺伝子増幅産物が外部へ漏れ、環境汚染やコンタミネーションを引き起こすという問題もあった。

そこで、本発明は、遺伝子増幅処理の実施の前後にわたって反応容器のシール性を向上させることを目的とするものである。

本発明に係る遺伝子増幅装置は、本体部とその本体部の上部に装着された蓋部からなる反応容器の前記本体部が挿入される容器挿入部を有するとともに前記容器挿入部に挿入された前記反応容器の温度を昇降させる機能を有する反応容器ホルダと、前記反応容器ホルダの前記容器挿入部に挿入された前記反応容器の前記本体部と前記蓋部との当接部分の近傍に配置され、該当接部分の温度を前記反応容器の前記本体部又は前記蓋部の耐熱温度よりも高い温度に加熱するヒートシール部と、を備えている。

反応容器の本体部と蓋部の材質はポリプロピレンなどの樹脂である。本体部と蓋部との当接部分の近傍に配置されるヒートシール部が該当接部分を本体部又は蓋部の材質の耐熱温度よりも高い温度になると、当接部分の樹脂が熱変形することによって本体部と蓋部が互いに接着され、反応容器がヒートシールされる。以下において、ヒートシール部を反応容器の本体部又は蓋部の耐熱温度よりも高い温度に加熱して本体部と蓋部の当接部分をヒートシールする動作を「ヒートシール動作」と称する。

ヒートシール部は反応容器の本体部と蓋部との当接部分を加熱するものであるから、その機能を発揮することができる位置であれば反応容器ホルダ側に設けられていてもよいし、ヒートリッド側に設けられていてもよい。ただし、反応容器内の反応液の蒸発や本体部の熱変形を防止する観点から、反応容器ホルダ全体を反応容器の本体部又は蓋部の耐熱温度よりも高い温度に加熱することは好ましくないため、ヒートシール部を反応容器ホルダ側に設ける場合には、ヒートシール部の昇温動作を反応容器ホルダの昇降温動作と独立して行なわせる必要があるとともに、ヒートシール部と反応容器ホルダとが熱的に分離されている必要があり、簡単な構成でヒートシール部を実現すること困難である。

そこで、本発明におけるヒートシール部は、前記反応容器を前記容器挿入部に保持した前記反応容器ホルダの上方に配置されて前記反応容器の前記蓋部に接し、前記蓋部の温度を所定温度に加熱する機能を有するヒートリッドの一部として設けられていることが好ましい。既述のように、ヒートリッドは反応容器ホルダに設置された反応容器の蓋部に接して該蓋部を加熱するために設けられているものである。したがって、ヒートリッドの一部が反応容器の本体部と蓋部との当接部分の近傍に配置されるようにすれば、ヒートリッドを本体部又は蓋部の耐熱温度よりも高い温度にまで昇温するだけで、新たなヒータ等を設けることなくヒートシール部を実現することができ、コストの上昇を抑制することができる。ヒートリッドは反応容器の蓋部に接するものであって本体部に直接的に接するものではないので、本体部を必要以上に加熱して反応液を蒸発させたり本体部を熱変形させたりすることがない。

ヒートシール部をヒートリッドの一部として実現する構成の一例として、反応容器ホルダの容器挿入部から上方へ突出した反応容器の蓋部と嵌合する窪みをヒートリッドの下面に設け、反応容器の蓋部が窪みに嵌め込まれたときに該反応容器の本体部と蓋部との当接部分の近傍にヒートリッドの一部が配置されるようにすることが挙げられる。かかる構成にすることで、安価にヒートシール部を実現することができる。

また、従来の遺伝子増幅装置では、ヒートリッドの下面が平面であることが一般的であり、平面で複数の反応容器の蓋部を押し付ける構造のため、蓋部を押圧する力が不均一になりやすいという問題があった。

これに対し、ヒートリッドの下面に反応容器の蓋部と嵌合する窪みを設ければ、ヒートリッドが反応容器の蓋部を本体部側へ安定的にかつ均一に押圧することができるようになり、反応容器のシール性をより向上させることができる。

また、本発明の遺伝子増幅装置は、上記のヒートシール動作を自動的に実行するように構成されていてもよい。具体的には、前記ヒートリッドの昇温動作を制御する制御部を備え、該制御部は、前記ヒートリッドの一部が前記反応容器の前記本体部と前記蓋部の当接部分の近傍に配置された状態で、前記ヒートリッドの温度を前記反応容器の前記本体部又は前記蓋部耐熱温度よりも高い温度に昇温させるヒートシール動作を実行する機能を有するようになっていてもよい。

上記の場合、制御部は、遺伝子増幅処理を開始する前にヒートシール動作を実行するように構成されていることが好ましい。そうすれば、遺伝子増幅処理の前後にわたって反応容器の封止が保たれ、反応液の蒸発や漏れが防止される。

制御部は、ヒートリッドの昇温動作とともに反応容器ホルダの昇降温動作も制御するものであってよい。その場合、ヒートシール動作の実行中は反応容器ホルダの温度を昇温させないように構成されていることが好ましい。そうすれば、ヒートシール動作中における反応液の蒸発が抑制される。

本発明に係る遺伝子増幅装置は、反応容器の本体部と蓋部との当接部分の近傍に配置され、該当接部分の温度を本体部又は蓋部の耐熱温度よりも高い温度に加熱するヒートシール部を備えているので、反応容器の本体部と蓋部の当接部分をヒートシールすることができる。反応容器の本体部と蓋部の当接部分をヒートシールすることにより、反応容器のシール性が大幅に向上し、反応容器からの反応液の蒸発や漏れを防止することができる。

遺伝子増幅装置の一実施例を示す概略構成図である。 同実施例の遺伝子増幅装置に設置される反応容器を示す断面図である。 同実施例のヒートリッドを示す断面図である。 同実施例のヒートシール動作時及び遺伝子増幅処理時の状態を示す断面図である。

以下、本発明に係る遺伝子増幅装置の一実施例について、図１から図４を用いて説明する。

図１に示されているように、この実施例の遺伝子増幅装置は、反応容器ホルダ２、ヒートリッド８、ヒートリッド駆動機構２０及び制御部２２を備えている。増幅対象の遺伝子は試薬とともに反応容器１４内に収容され、反応容器ホルダ２に設置される。反応容器ホルダ２の上方に上下動可能なヒートリッド８が設けられている。ヒートリッド８は、反応容器ホルダ２の上方でヒートリッド駆動機構２０によって上下動させられる。

反応容器ホルダ２は伝熱ブロック４と温度調節機構６によって構成されている。伝熱ブロック４は、上方が開口した穴からなる容器挿入部４ａを複数備えており、その容器挿入部４ａに反応容器１４の本体部１６が挿入される。温度調節機構６は例えばペルチェ素子などによって構成され、伝熱ブロック４の温度を昇降させる機能を有する。

図２に示されているように、反応容器１４は、本体部１６の上部に蓋部１８が装着された状態で反応容器ホルダ２に設置される。蓋部１８の下面には本体部１６の上端部と嵌合する窪みが設けられており、その窪みに本体部１６の上端部が嵌め込まれることで、本体部１６の上面開口を封止して本体部１６内に収容された反応液の蒸発や漏れを防止する。この実施例で示されている反応容器１４の蓋部１８は、下端部に周方向へ広がる鍔部１８ａが設けられている。本体部１６の上端部を嵌め込むための窪みは鍔部１８の内側に設けられている。

図１に示されているように、反応容器１４が反応容器ホルダ２の容器挿入部４ａに設置されると、反応容器１４の本体部１６は容器挿入部４ａ内に収容されるものの、本体部１６の上部に装着された蓋部１８は伝熱ブロック４の上面から上方へ突出した状態となる。

ヒートリッド８は伝熱ブロック１０と伝熱ブロック１０を加熱するヒータなどの加熱機構１２からなる。図３に示されているように、伝熱ブロック１０の下面には、伝熱ブロック４の上面から上方へ突出した反応容器１４の蓋部１８と嵌合する窪み１０ａが設けられている。遺伝子増幅処理が実施される際は、ヒートリッド駆動機構２０によってヒートリッド８が反応容器ホルダ２の上方から下降し、伝熱ブロック１０の窪み１０ａに蓋部１８が嵌め込まれて図１の状態となる。このとき、伝熱ブロック１０の下面における各窪み１０ａの周囲の面１０ｂ（図３参照）は、反応容器１４の蓋部１８に設けられた鍔部１８ａの上面に接する。

反応容器１４の蓋部１８が、伝熱ブロック１０の窪み１０ａに嵌め込まれ、さらにヒートリッド８によって本体部１６側へ押圧されることで、図４に示されているように、窪み１０ａの内面と蓋部１８の外面とが密接するとともに、窪み１０ａの周囲の面１０ｂと鍔部１８ａの上面とが密接し、蓋部１８が安定的にかつ均一に反応容器ホルダ２側へ押圧される。

図４の状態になると、ヒートリッド８の伝熱ブロック１０の一部が、二点鎖線の円で示された本体部１６と蓋部１８との当接部分３０の近傍に配置される。この状態で伝熱ブロック１０の温度を本体部１６又は蓋部１８の耐熱温度よりも高い温度にまで昇温すると、当接部分３０の樹脂が熱変形して本体部１６と蓋部１８が接着され、ヒートシールされる。反応容器１４の本体部１６と蓋部１８の主な材質はポリプロピレンなどの樹脂である。本体部１４と蓋部１８の主な材質がポリプロピレンである場合には、本体部１４及び蓋部１８の耐熱温度は１２１℃である。したがって、伝熱ブロック１０の温度を１２１℃よりも高い温度（例えば、１２５℃）にまで昇温すれば、反応容器１４のヒートシールを行なうことができる。

反応容器１４の当接部分３０の近傍に配置される伝熱ブロック１０の一部は、反応容器１４の当接部分３０のヒートシールを行なうヒートシール部をなす。このようにして反応容器１４をヒートシールする動作をヒートシール動作という。

図１に戻って、反応容器ホルダ２の温度調節機構６、ヒートリッド８の加熱機構１２及びヒートリッド駆動機構２０の動作は制御部２２によって制御される。制御部２２は、ヒートシール動作部２４と遺伝子増幅処理部２６を備えている。制御部２２はこの遺伝子増幅装置専用のコンピュータ又は汎用のコンピュータによって実現することができる。ヒートシール動作部２４及び遺伝子増幅処理部２６は、制御部２２を実現するコンピュータ内に設けられた記憶装置に格納されたプログラムを中央演算素子（ＣＰＵ）が実行することによって実現される機能である。

ヒートシール動作部２４は、例えば後述する遺伝子増幅処理を実行する前のタイミングで、上述のヒートシール動作を実行するように構成されている。ヒートシール動作では、伝熱ブロック１０の温度がヒートシール動作用の温度として予め設定された温度（例えば１２５℃）になるように、伝熱ブロック１０に取り付けられた温度センサ（図示は省略）からの信号に基づいて加熱機構１２の出力が制御される。このヒートシール動作を実行する際、温度調節機構６の動作はオフでよい。

遺伝子増幅処理部２６は、ユーザから遺伝子増幅処理を開始すべき旨の入力があったときに、遺伝子増幅処理を開始するように構成されている。通常、ユーザは反応容器ホルダ２に反応容器１４を設置し、装置カバー（図示は省略）を閉じた段階で、遺伝子増幅処理の開始を入力する。遺伝子増幅処理の開始が入力されると、遺伝子増幅処理部２６は、ヒートリッド駆動機構２０を制御してヒートリッド８を下降させ、図１の状態にする。

従来の遺伝子増幅装置であれば、この状態で温度調節機構６を制御して伝熱ブロック４の温度を周期的に昇降温させる遺伝子増幅処理を開始するのであるが、この実施例では、制御部２２にヒートシール動作部が設けられていることによって、遺伝子増幅処理が開始される前にヒートシール動作が実行される。このヒートシール動作により、反応容器１４の本体部１６と蓋部１８の当接部分３０がヒートシールされ、反応容器１４のシール性が向上する。ヒートシール動作では、蓋部１８がその耐熱温度よりも高い温度に加熱されることによって熱変形することとなるが、本体部１６内の反応液に影響はない。

なお、以上において説明した実施例では、ヒートリッド８（伝熱ブロック１０）の一部がヒートシール部をなしているが、ヒートシール部をヒートリッド８とは別に設けてもよい。要は、反応容器ホルダ２に設置された反応容器１４の本体部１６と蓋部１８の当接部分３０（図４参照）の近傍に、その当接部分３０を本体部１６又は蓋部１８の耐熱温度よりも高い温度に加熱することができるようになっているものであれば、ヒートシール部を実現することができる。ただし、反応容器ホルダ２の伝熱部材４を反応容器１４の耐熱温度よりも高い温度に昇温させると、反応液の蒸発や本体部１６の熱変形などの問題があるため、従来の遺伝子増幅装置の構成のままでヒートシール部を実現することはできない。

２ 反応容器ホルダ
４，１０ 伝熱ブロック
６ 温度調節機構
８ ヒートリッド
１０ａ 窪み
１２ 加熱機構
１４ 反応容器
１６ 本体部
１８ 蓋部
２０ ヒートリッド駆動機構
２２ 制御部
２４ ヒートシール動作部
２６ 遺伝子増幅処理部
３０ 当接部分

Claims (7)

1. 上面が開放された１つの空間を内部に有し前記空間内に増幅対象の遺伝子が収容される本体部、及び、前記本体部に個別に装着されて前記空間の前記上面を封止するための蓋部からなる反応容器を個別に用い、遺伝子の増幅処理を行なう遺伝子増幅装置であって、
   前記反応容器の前記本体部が個別に挿入される容器挿入部を少なくとも１つ有するとともに前記容器挿入部に挿入された前記反応容器の温度を昇降させる機能を有する反応容器ホルダと、
   前記反応容器ホルダの前記容器挿入部に挿入されたそれぞれの前記反応容器の前記本体部と前記蓋部との当接部分の近傍に配置され、該当接部分の温度を前記反応容器の前記本体部又は前記蓋部の耐熱温度よりも高い温度に加熱するヒートシール部と、を備えた遺伝子増幅装置。
2. 前記ヒートシール部は、前記反応容器を前記容器挿入部に保持した前記反応容器ホルダの上方に配置されて前記反応容器の前記蓋部に接し、前記蓋部の温度を所定温度に加熱する機能を有するヒートリッドの一部として設けられている請求項１に記載の遺伝子増幅装置。
3. 前記ヒートリッドは、前記反応容器ホルダの前記容器挿入部から上方へ突出した前記反応容器の前記蓋部と嵌合する窪みを下面に有するとともに、前記反応容器の前記蓋部が前記窪みに嵌め込まれたときに該反応容器の前記本体部と前記蓋部との当接部分の近傍に配置される部分を前記ヒートシール部として有する請求項２に記載の遺伝子増幅装置。
4. 本体部とその本体部の上部に装着された蓋部からなる反応容器の前記本体部が挿入される容器挿入部を有するとともに前記容器挿入部に挿入された前記反応容器の温度を昇降させる機能を有する反応容器ホルダと、
   前記反応容器ホルダの前記容器挿入部に挿入された前記反応容器の前記本体部と前記蓋部との当接部分の近傍に配置され、該当接部分の温度を前記反応容器の前記本体部又は前記蓋部の耐熱温度よりも高い温度に加熱するヒートシール部と、を備え、
   前記ヒートシール部は、前記反応容器を前記容器挿入部に保持した前記反応容器ホルダの上方に配置されて前記反応容器の前記蓋部に接し、前記蓋部の温度を所定温度に加熱する機能を有するヒートリッドの一部として設けられており、
   前記ヒートリッドは、前記反応容器ホルダの前記容器挿入部から上方へ突出した前記反応容器の前記蓋部と嵌合する窪みを下面に有するとともに、前記反応容器の前記蓋部が前記窪みに嵌め込まれたときに該反応容器の前記本体部と前記蓋部との当接部分の近傍に配置される部分を前記ヒートシール部として有する、遺伝子増幅装置。
5. 前記ヒートリッドの昇温動作を制御する制御部を備え、
   前記制御部は、前記ヒートリッドの一部が前記反応容器の前記本体部と前記蓋部の当接部分の近傍に配置された状態で、前記ヒートリッドの温度を前記反応容器の前記本体部又は前記蓋部耐熱温度よりも高い温度に昇温させるヒートシール動作を実行する機能を有する請求項３又は４に記載の遺伝子増幅装置。
6. 前記制御部は、遺伝子増幅処理を開始する前に前記ヒートシール動作を実行するように構成されている請求項５に記載の遺伝子増幅装置。
7. 前記制御部は前記反応容器ホルダの昇降温動作も制御し、ヒートシール動作の実行中は前記反応容器ホルダの温度を昇温させないように構成されている請求項５又は６に記載の遺伝子増幅装置。

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