JP6754420B2 - 対流ｐｃｒ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＰＣＲ対流装置に関し、特に、試薬容器の底部を加熱することにより当該試薬容器中に上向きの温度勾配を形成することでポリメラーゼ連鎖反応を開始し、実施する装置に関する。

ポリメラーゼ連鎖反応（以下、「ＰＣＲ」と称する）は、ＤＮＡ急速増幅技術であり、その原理と主なステップは（ａ）〜（ｃ）を含む。（ａ）熱変性：２本鎖ＤＮＡを１本鎖ＤＮＡに分離するために比較的高温（摂氏９０〜９５℃）を使用する。１本鎖ＤＮＡは、続いて複製のテンプレートとして使用される。（ｂ）プライマー結合（アニーリング）：所定の温度まで低下したときに、プライマーがターゲット遺伝子の対応部分に結合する。（ｃ）プライマー伸長：反応温度が摂氏約７２℃のときに、酵素補因子及びＤＮＡポミラーゼとしてマグネシウムイオンを使用することにより、プライマーのあとにデオキシリボヌクレオチド３リン酸（ｄＮＴＰ）が連続的に結合し、テンプレートの塩基配列に従って伸長する。こうして、ＤＮＡフラグメントが合成される。

３段階温度上下プロセスを繰り返すことにより、ターゲット遺伝子はプロセスを繰り返すごとに倍増し、３段階プロセスを４０サイクルすると１０^９倍となる。これにより、ターゲット遺伝子の標識（the signal）は大きく増幅される。これに伴って、通常、ＰＣＲ検出法は、臨床診断（例えば、病原体診断、遺伝病診断、又は癌腫瘍診断等）において分子標識を検出するために用いられる。ＰＣＲ法に由来するＲＴ−ＰＣＲ法も、同様の原理と用途を有し、現在の臨床診断技術に広く用いられている。

ＰＣＲ反応又はＲＴ−ＰＣＲ反応に使用される装置は、反応チューブの材料として耐熱性プラスチックを含むことが多い。核酸の増幅はサーモスタット金属を使用することで実現され、サーモスタット金属は、３段階の各プロセスで異なる温度に到達するようチューブの温度を繰り返し上下するために使用される。現在のシステムでは、サーモスタット金属を有するシステムは比較的大きなスペースを必要とし、温度制御システム全体が、大きなスペースを占め、熱容量比は大きい。さらに、今日の実運転では１つの反応に３０〜３５サイクルと約２〜３時間を必要とすることから、反応時間の短縮を厳しくし、短時間で結果を得る必要のある上記反応に対するこの技術の適用を困難にしている。

従来のＰＣＲ装置における課題を解決するために、研究者らは、マイクロ流体チップ技術を適用したＰＣＲ法又はＲＴ−ＰＣＲ法を開発している。マイクロ流体チップは、従来の様々な検査コンポーネント（例えば、撹拌反応タンク、加熱反応タンク、分離パイプ、検出タンクなど）をガラス、プラスチック、又はシリコン材料に適合させることに特徴がある。上記適合は、反応チューブを形成するためにガラス、プラスチック、又はシリコン材料をエッチングし、マイクロメータスケールでコンポーネントを分析することにより、そして、微小電流を生じさせるために付加的な電圧を印加することにより、又は、マイクロポンプ若しくは遠心力を用いることにより行われる。これにより、検査プロセスが行われるように、マイクロパイプ間をサンプル又は試薬を流動させる。試薬中で使用される蛍光成分又は特定プローブが存在する場合、チップは、さらに、ターゲット遺伝子の量を測定するために蛍光発光を検出するデバイスを備えてよい。このように一体成型された多機能チップは「ラブオンチップ（lab-on-a-chip）」としても知られる。すべての分析が上記ミクロンパイプラインで行われることから、試験に必要となるのはごく少量の試薬と反応物質である。従来の検査機よりも伝熱効率が高いため、分析時間は比較的短くて済む。現在のＰＣＲ又はＲＴ−ＰＣＲバイオチップは、通常、マイクロ温度センサ、マイクロヒータ、及びマイクロコントローラを備える。温度センサとヒータはＰＣＲチップ又はＲＴ−ＰＣＲチップに一体化されているため、チップは、迅速かつより正確に温度制御プロセスを実行できる。その温度制御プロセスは３つのステップを含む。熱変性（摂氏９０〜９５℃）、プライマー結合（摂氏５０〜６５℃）、テンプレート伸長（摂氏７２℃）である。チップは、検査仕様に応じてサイクル回数（the circle numbers）を調整することができる。マイクロ流体チップ技術は、従来のＰＣＲ法又はＲＴ−ＰＣＲ法と比べると、マイクロ流体チップの容積が試薬又は反応物質の全体の熱容量を軽減できる点に利点がある。そのため、反応時間を短くし、試薬の消費量を軽減することができる。しかしながら、それでもなお、マイクロ流体チップは加熱・冷却ステップが必要である。そのため、これらの温度変動ステップに時間を要するとの課題は依然として避けられない。現在に至るまでに、あるマイクロチップが開発されている。そのマイクロチップは、温度の上下を繰り返すステップに供するヒータを備えていない。このチップは、ターゲット遺伝子を増幅するように３つの温度ゾーンの間を反応物質／試薬を繰り返し流動させる特殊フローチューブ又は特殊フローチャンバーを使用する。このような技術をＰＣＲプロセス又はＲＴ−ＰＣＲプロセスで使用することにより、加熱冷却プロセスの繰り返しに時間を要するとの課題は取り除かれる。しかしながら、その技術は、例えば加圧流体システム、及び液体駆動システムといった複雑なシステムを必要とする。液体の体積と粘度の予測は困難であるため、それは液体駆動システムとも関連するが、同技術を備えたシステムと器具は、設計と運転が難しくなり、同技術の開発を間接的に制限する。

また、研究者らは、ＰＣＲ反応又はＲＴ−ＰＣＲ反応を行うために熱対流循環を利用する他の技術を開発している。異なる位置の異なる温度に試薬及び反応生成物が存在でき、これにより、時間を要し、かつ高容量という従来技術の課題が解決される。この技術は高熱源と低熱源を使用し、試薬と反応物質を含む閉鎖反応チューブの上端と下端を熱することにより、液体は、反応チューブの両端間の温度差によって異なる温度域を流動する。その結果、ＰＣＲ反応が行われる。この技術は、温度の上下ステップの繰り返しに時間を要するとの課題を解決し、液体流動サイクルを駆動する外部加圧が必要でなくなる。しかしながら、本技術は、やはり、２つの熱源に対する外部の温度干渉を避ける必要がある。２つの熱源は別の温度制御システム（温度センサを含む）を必要とし、プロセッサは、プライマー結合に望まれる反応温度をもたらすために２つの終端部にて温度調整が可能でなければならない。こうして、このような温度調整のために極めて複雑な機構が必要となる。ほとんどのヒータは大きな金属であるため、機械の容積と熱容量比は小さくならない。これにより、温度制御機構と金属加熱システムが複雑になり、製造コストも高くなる。この状況に鑑みると、上記課題を解決することが可能なポリメラーゼ連鎖反応装置の開発が求められる。

本願は、２０１７年１２月２２日に出願された中国特許出願第２０１７１１４００２７２．０号の優先日を主張する。その出願は、従来の金属ヒータから置き換えられた透明導電性薄膜を使用した対流ＰＣＲ装置を開示する。ＰＣＲ反応が活発になるのは、試薬を含む容器が加熱された透明導電性薄膜に接触し、対流循環を開始するために容器内部の温度が上げられたときである。また、対流ＰＣＲ装置は、特定プローブ、蛍光色素、光源、又はフォトン受信器を追加することにより、定量的ＰＣＲ反応に適用することができる。

本願は、２０１７年１２月２２日に出願された中国特許出願第２０１７１１４００２７２．０号の優先日を主張する。その出願は、参照することにより本願に引用される。

本発明は、熱対流による定量的ポリメラーゼ連鎖反応に供する装置に関する。当該装置は、加熱ユニットとして透明導電性材料（「透明導電性薄膜」とも称される）がコーティングされたガラスを使用する。上記加熱ユニットの温度を検知するために透明導電性膜上に温度センサが配される。上記装置を起動すると、試薬と反応物質を含む容器の底部が上記加熱ユニットと接触し、透明導電性膜によって容器の底部から試薬容器へ熱を伝達することができる。このようにして、試薬容器の底部接触部に近い溶液が最初に加熱され、接触部から遠く離れた位置にある溶液は熱対流によって徐々に加熱される。試薬及び反応物質と接触部との距離が遠いほど、より低温の容器部分が得られ、連続的な熱対流によって、試薬と反応物質は試薬容器中で連続的な温度勾配を示す。接触部に近い反応物質と試薬が９５℃まで加熱されると、この位置にある反応物質と試薬は熱変性ステップを開始し、続いて、プライマーが結合可能となり、さらに、試薬容器中の熱対流によって適切な温度で伸長される。この２つのプロセスを繰り返すことで、この装置によってＰＣＲが行われる。

温度循環が環境温度に影響されず、かつ、ＰＣＲ処理が可能であるように、本発明の試薬容器は収容空間を有する。収容空間は、上部と下部に分離されてよい。上記収容空間の上部収容部は、外部環境と接続することができ、調整可能なファン、加熱コイル、及びベントを備える。これにより、上部の温度は、順調に反応するように所定温度間隔に保持される。一方、装置が上部収容空間を有しておらず、試薬容器の上部が外部環境に露出している場合、外部環境に対する温度乖離、及び空気流入という問題が生じる。これが、試薬と反応物質との間で対流温度の差をもたらし、ＰＣＲのパフォーマンスが悪化する。上記収容空間の底部は試薬容器を収容するための開口部を有する。外部環境に接続する開口は他には存在しない。従って、試薬容器を置いた後、上記収容空間の底部は閉鎖空間となり、そのような箇所に置かれた試薬容器は、外部温度と不安定な空気の流れに曝されることがない。上記装置の運転中、試薬容器の底部における熱サイクルは、外部温度と不安定な空気の流れには曝されない。こうして、試薬容器中の試薬と反応物質の反応が安定的な温度サイクルの下で行われる。

言い換えると、フィールドの違いにより生ずる外部環境温度の差異を排除するために、上記装置の熱サイクル効率の影響が、間接的にＰＣＲ反応の成功又は失敗をもたらす。そして、試薬容器の内部熱サイクルを形成するための十分な温度差が存在する。さらに、本発明は、空間の上部及び下部の適切な温度範囲を設定することができる。上記収容空間の上部の温度設定は２５℃と３８℃の間である。上記収容空間の上部の温度が所定の温度範囲よりも高い場合、上記ファン及び上記ベントを介して熱放散される。温度が所定の温度よりも低い場合、上記加熱コイルによる加熱工程が行われ、上記収容空間の上部の温度が所定の温度に戻る。本発明において、上記収容空間の下半分の温度は、熱伝導性フィルムを温度設定することにより制御され、上記収容空間の下半分の温度に対して９５℃と１６０℃の間で温度設定される。

試薬が蛍光色素又は特定プローブを含む場合、本発明は、光源と、生成された蛍光を検出する受光器とを備え、これにより、反応物質の、定性的、定量的、又は半定量的検測（inspection）が行われる。本発明の光源は、蛍光物質又は特定プローブの波長に対応する波長を有する、ＬＥＤランプ、レーザランプ、又は他の光源を含む。適用可能なフォトン受信器は、フォトダイオード、光電子増倍管、電荷結合素子（ＣＣＤ）、又は相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）を含む。特定波長を有する光源を使用することによって、ＰＣＲ産出物が得られたとき、蛍光色素又は特定プローブは特定波長を有する蛍光を生成でき、その蛍光はフォトン受信器に受光され、ＰＣＲ産出物が定性的、定量的、又は半定量的に検知される。反応試薬が２種以上の蛍光色素又は特定プローブを含む場合、２以上の蛍光信号を同時に検出するために、フォトン受信器及び光源の数を増やすことができる。

本発明において、光源とフォトン受信器との相対位置は実施形態に応じて調整できる。試薬容器の一方の側から光源が蛍光色素又は１つのプローブを励起する場合、フォトン受信器は、生成した蛍光信号に対する光源からの干渉が避けられる、試薬容器の底部、上部、又は他の場所に設けられてよい。逆に、光源が蛍光色素又は１つのプローブを含む試薬容器の底部により励起される場合、フォトン受信器は、生成した蛍光信号に対する光源からの干渉が避けられる、試薬容器の側面、上部、又は他の場所に設けられてよい。本発明の好ましい一実施形態において、光源とフォトン受信器はそれぞれ試薬容器の底部と試薬容器の側面に位置し、その２つの部材の相対位置は、互いに垂直又は略垂直である。こうして、受信信号は、光源から試薬容器に反射された光信号ではなく、試薬容器から生成された蛍光であると考えられ、検出精度が確保される。

また、本発明は、透明導電性フィルム、温度センサ、温度コントローラ、導電性フォーム（発泡体）、及びコンタクト（後述する実施形態で、熱伝導パッチと称される）を含む温度制御装置を備える。透明導電性フィルムは、導電性に加え半透明であり、フラットパネルディスプレー、建築という２つの分野で主に使用されている。透明導電性フィルムは、主に金属膜と金属酸化物膜とに分けることができ、金属酸化物膜は導電性が優れ、電源に接続された直後に加熱され、極めて短時間で所定温度まで加熱される。透明膜は、（従来の金属と比較して）急速加熱が可能という点に加え、容積が大きくなり過ぎるという欠点を取り除くことが可能、との利点を有する。同時に、透明導電性フィルムは、透明性が高く、幅広く適用可能である。通常、透明導電性材料は、酸化錫、酸化インジウム、酸化亜鉛、又は酸化インジウム錫を含み、同様のものが本発明でガラスコーティングに使用される。さらに、光源がＬＥＤなどの多波長光源を使用する場合、このとき、非特異性光源をフィルタリングするための短波長通過フィルタ材料が、透明導電性材料がコーティングされた反対側に利用されてもよい（スプレー、蒸着、リングなど）。蛍光物質又は特定プローブを励起できない光源は除去され、蛍光物質又は特定プローブを励起することが可能な光源のみが透明導電性フィルムと試薬容器を通過でき、試薬容器内の蛍光物質又は特定プローブを励起する。従って、フォトン受信器により測定された光信号は、確実にＰＣＲ産出物の蛍光信号となる。

本発明において、加熱された透明導電性フィルムに反応物質と試薬を含む試薬容器が接触すると、接触部の溶液が、加熱され始め、熱対流により試薬容器内で熱的に循環する。透明導電性フィルムの温度が所定値に達すると、透明導電性フィルムが加熱をし続けることなく適切な反応温度が保持されるように、温度センサがこの状態を検知して、ヒータの熱出力を下げるか維持する。透明導電性フィルムの温度が既に所定の温度よりも低い場合、温度センサは、ヒータの熱出力を上げ、ＰＣＲ反応をスムースに促すため、透明導電性フィルムの温度を予めセットされた温度に上げる。試薬容器中のＰＣＲ反応が起こり始めると、光源が透明導電性フィルムを透過し、産出物を励起して蛍光発光させる。その蛍光がフォトン受信器により検出される。さらに、上記コンタクトノードが、上記電源から供給される電流に印加され、コンタクトが透明導電性フィルムと同じ側に位置する。

本発明は、蛍光励起のための光源を作動する、又は運転停止するための光源制御装置を備える。また、本発明は、温度制御装置と光源制御装置の処理を調整するための１以上のプロセッサを備える。プロセッサは、フォトン受信器から供給される１以上の種類の蛍光信号を受信し、上記プロセッサに組み込まれたプログラムによって信号の強度と種類を解析するように構成されてよい。プログラム動作によって１以上のターゲット遺伝子の濃度を出力することができ、また、ターゲット遺伝子が反応物質内に存在するかどうかが示される。

本発明により開示される装置は、装置全体のスペースを軽減するために、従来のヒータではなく透明導電性フィルムを利用し、試薬容器中の液体熱対流によってＰＣＲ反応温度を得る。これにより、ヒータの加熱と冷却を繰り返すプロセスを排除し、反応時間全体を短縮している。温度調整プロセスを発揮するために上部収容空間及び下部収容空間を活用することによって、ターゲット遺伝子の定性的、定量的効果を短時間で得ることができる。

上記目的を実現するために、本発明に係る好ましい実施形態が提供される。

本発明の上記目的は、疑いなく、様々な図面に記載された以下の好ましい実施形態に係る詳細な説明を読むことで当業者にとって明らかとなる。

本発明に係る装置の外観図である。 本発明に係る、フレーム、貫通孔、及び試薬容器の相対位置を示す概略図である。 本発明に係る挟持空間の概略断面側面図である。 装置中の第１フレームの第１上面を示す概略図である。 装置中の第１フレームの第１下面を示す概略図である。

以下の内容、説明を図面と組み合わせて、本発明の好ましい実施形態に係る構造、効果が説明される。さらに、“前（before）”、“後（after）”、“右（right）”、“左（left）”、“上（up）”、“下（down）”との用語が、構造又はコンポーネントの位置を説明するために使用される。これにより、本発明の好ましい実施形態が実施されるときの空間関係が対応する。

図１は、本発明の好ましい一実施形態に係る熱対流ポリメラーゼ連鎖反応装置（１）の組立外形図を示す。図２、図３、及び図４を参照して、本発明の好ましい一実施形態に係る装置（１）は、第１フレーム（１０）、第２フレーム（２０）、第３フレーム（７０）、第４フレーム（１０１０）、底板（１０３０）、上部収容空間（３０−１）、及び下部収容空間（３０−２）を備える。第１フレーム（１０）は、第１貫通孔（１０１）、ファン（１０３）、及び通気孔（１０４）を有する。第１貫通孔（１０１）には試薬と反応物質を含む試験管（１０２）を挿入することができる。図５を参照して、第１フレーム（１０）の下面に加熱コイル（１０５）と第１温度センサ（１０６）が備えられる。第１温度センサ（１０６）は、上部収容空間（３０−１）の温度を測定するために使用される。加熱コイル（１０５）は、信号の受信、及び、上部収容空間の温度上昇のための加熱に使用される。逆に、ファン（１０３）及び第４通気孔（１０４）は、上部収容空間の温度を下げるための熱放散に使用される。

図２及び図３を参照して、第２フレーム（２０）は第２貫通孔（２０１）及び挟持溝（２０２）を有する。第２孔（２０１）には試験管（１０２）が挿入され、その試験管（１０２）を挟持溝（２０２）の上部で固定することができる。挟持溝（２０２）は透明導電性フィルム（５０）を収容することができる。試験管（１０２）に接触しない側の透明導電性フィルム（５０）の側面には熱伝導パッチ（６０２）が設けられる。第３フレーム（７０）は、第１フレーム（１０）と第２フレーム（２０）との間に位置し、第１フレーム（１０）及び第２フレーム（２０）と略水平である。第３フレーム（７０）は、第３貫通孔（７０１）を有する。内部区画を有していない上部収容空間（３０−１）は、第１フレーム（１０）と第３フレーム（７０）との間に設けられている。内部区画を備えていない下部収容空間（３０−２）は、第３フレーム（７０）と第２フレーム（２０）との間に設けられている。下部収容空間（３０−２）は、内部区画を形成するために内部が幾つかのシートにより分けられている。内部区画の数（amount）は、一度に装置に載置することが可能な試験管（１０２）の総数に等しい。さらに、第１貫通孔（１０１）、第２貫通孔（２０１）、及び第３貫通孔（７０１）の数もまた、一度に装置に載置することが可能な試験管（１０２）の数に等しい。

試験管（１０２）は、配置されると、第１貫通孔（１０１）、第３貫通孔（７０１）、そして第２貫通孔（２０１）と通り、試験管（１０２）の末端は透明導電性フィルム（５０）に固定され接触する。この状況において、上部収容空間（３０−１）は半開放空間となり、下部収容空間（３０−２）は閉鎖空間となり、下部収容空間（３０−２）に配置された試験管（１０２）は大気に露出しない。

図２を参照して、本実施形態において、フォトン受信器はフォトダイオードである。本実施形態では、二組のフォトダイオード（４０１）（４０２）が含まれる。二組のフォトダイオード（４０１）（４０２）は、それぞれ異なる波長の蛍光を検出できる。二組のフォトダイオード（４０１）（４０２）はそれぞれ試験管（１０２）の側壁に位置し、試験管（１０２）に対して略垂直である。これにより受信した光電信号は試験管（１０２）に反射されない。

図２を参照して、本発明は、さらに、第４フレーム（１０１０）、電源（１０２０）、底板（１０３０）、光源（８０）、第１光源調整器（９０−１）、第１温度センサ（９０−２）、第２温度センサ（９０−３）、プロセッサ（１００）、及び、ガラスとコンタクトノードから構成されたガラスデバイス（５０）を備える。本実施形態において、コンタクトノードは熱伝導パッチ（６０２）である。第４フレーム（１０１０）は、第２フレーム（２０）に略平行であり、第４フレーム（１０１０）上に固定された導電性フォーム（６０１）（conductive foam）を介して透明導電性フィルム（５０２）に接触する。ガラスデバイス（５０）の上面、つまり、その側面は試験管（１０２）と接触するが、は、光源（８０）からの非特異性波長をフィルタリングするための短波長フィルタ材料でコーティングされており、蛍光物質の励起、又は、特定プローブの効率を高める。ガラスデバイス（５０）の下面には透明導電性フィルム（５０２）が備えられている。透明導電性フィルム（５０２）は、透明ガラスの一面上にコーティングされた酸化インジウム錫により形成される。さらに、ガラスデバイス（５０）の形状・体積（容量）は、ガラスデバイス（５０）を収容可能な挟持溝（２０２）に略等しい。

導電性フォーム（６０１）は、挟持溝（２０２）の近くで第４フレーム（１０１０）上に固定されている。装置（１）が運転開始すると、第４フレーム（１０１０）と第２フレーム（２０）は互いに近傍で隣り合う。導電性フォーム（６０１）は、透明導電性フィルム（５０２）の加熱を開始するために受け取った電気エネルギーを透明導電性フィルム（５０２）に移動させるために使用される。透明導電性フィルム（５０２）に接触していない第４フレーム（１０１０）の側面には透明導電性フィルム（５０２）の温度を検知するための第２温度センサ（６０３）が備えられている。熱伝導パッチ（６０２）は、透明導電性フィルム（５０２）が最初に加熱されたときに、透明導電性フィルム（５０２）上の熱エネルギーを第２温度センサ（６０３）に伝導するように構成されている。その結果、第２温度センサ（６０３）は、透明導電性フィルム（５０２）の温度を測定することができる。

底板（１０３０）には光源（８０）、光源コントローラ（９０−１）、第１温度コントローラ（９０−２）、第２温度コントローラ（９０−３）、プロセッサ（１００）、及び電源（１０２０）が取り付けられている。光源（８０）は、蛍光物質又は特定プローブを励起するために必要な光を提供するために使用される。本実施形態において、励起光源（８０）としてＬＥＤ光源が使用され、スイッチのオン／オフと照明は光源調節器（９０−１）により調整される。電源（１０２０）とプロセッサ（１００）も底板（１０３０）上に固定される。プロセッサ（１００）は、光源コントローラ（９０−１）からの信号（第１温度センサ（１０６）及び第２温度センサ（６０３）からの信号）を受信するように構成される。続いて、信号は、分析され、温度を制御するために第１温度調節器（９０−２）及び第２温度調節器（９０−３）に出力される。一方、プロセッサ（１００）も二組のフォトダイオード（４０１）（４０２）により測定された信号を受信でき、その信号を分析し、装置（１）のために必要な電力を電源（１０２０）に与える。

装置（１）が運転開始すると、試薬と反応物質を含む試験管（１０２）が第１フレーム（１０）の第１貫通孔（１０１）に置かれ、続いて、試験管（１０２）は、第３フレーム（７０）の第３貫通孔（７０１）、及び第２フレーム（２０）の第２貫通孔（２０１）を通り、試験管（１０２）の底部がガラスデバイス（５０）の上面（５０１）と接触する。このとき、試験管（１０２）中の液体レベルの上面は下部収容空間（３０−２）の上面と略同じ高さであり、下部収容空間（３０−２）を閉鎖空間にし、上部収容空間（３０−１）を半開放空間にする。第１温度センサ（１０６）は、上部収容空間（３０−１）の温度を測定開始し、大気温度を測定するためにプロセッサ（１００）にその測定結果を返す。

電源（１０２０）は、導電性フォーム（６０１）を介して透明導電性フィルム（５０２）に電流を流し、熱伝導性フィルムの加熱を開始する。透明導電性フィルム（５０２）の温度は、測定され、熱伝導パッチ（６０２）により第２温度センサ（６０３）に伝えられる。続いて、測定温度は、プロセッサ（１００）に伝えられる。本実施形態において、反応が行われると、透明導電性フィルム（５０２）の加熱温度は１２５℃に設定される。従って、第２温度センサ（６０３）により測定された温度が設定温度よりも低い場合、プロセッサ（１００）は、温度を上げるよう第２温度コントローラ（９０−３）を制御する。透明導電性フィルム（５０２）の温度が所定の温度まで上がると、プロセッサ（１００）は加熱を停止する。逆に、第２温度センサ（６０３）により測定された温度が所定の温度よりも高い場合、プロセッサ（１００）は、冷却を開始するよう第２温度コントローラ（９０−３）を駆動する。透明導電性フィルム（５０２）の温度が設定温度まで下げられると、プロセッサ（１００）は冷却を停止する。

透明導電性フィルム（５０２）が加熱され始めると、試験管（１０２）の底部はガラス装置の上面（５０１）に接触させられ、試験管（１０２）の底部にある試薬と反応物質は熱対流によって加熱される。ある期間加熱された後、試験管（１０２）中の試薬と反応物質は、加熱されて熱対流サイクルを形成する。試験管（１０２）中の試薬と反応物質の高さは下部収容空間（３０−２）とほぼ同じであり、装置（１）に試験管（１０２）が置かれた後、下部収容空間（３０−２）はほぼ閉鎖空間であるため、試験管（１０２）内の熱サイクルは外部温度による影響を受けない。

上部収容空間（３０−１）内に位置する試験管（１０２）の部分もまた試験管内の試薬と反応物質からの熱対流により加熱され、これにより、上部収容空間（３０−１）近くの空気の温度を高める。このとき、第１温度センサ（１０６）は上部収容空間（３０−１）の温度を検知し、プロセッサ（１００）に検知結果を伝える。本実施形態において、上部収容空間（３０−１）の温度は、好ましくは２８℃に保持される。従って、第１温度センサ（１０６）により測定された温度が設定温度よりも低い場合、プロセッサ（１００）は、加熱コイル（１０５）に温度を上げさせるよう第１温度コントローラ（９０−２）に通知する。上部収容空間（３０−１）の温度が許容される間隔（an acceptable interval）まで上げられると、次にプロセッサ（１００）は加熱コイル（１０５）による加熱を停止する。逆に、第１温度センサ（１０６）により測定された温度が設定温度よりも高い場合、プロセッサ（１００）は、温度を下げるよう第１温度コントローラ（９０−２）に通知し、同時にベント（１０４）を介した熱放散のために冷却ファン（１０３）の運転を開始する。温度が許容温度まで下がると、プロセッサ（１００）はファン（１０３）を停止する。

試験管（１０２）内の熱サイクルがＰＣＲに必要な３つの反応温度に到達すると、ＰＣＲ反応が開始する。ＰＣＲ反応が開始すると、底板（１０３０）上の光源コントローラ（９０−１）が光源（８０）をオンにし、光源（８０）からの光が透明導電性フィルム（５０２）を通過することができる。非特異性帯域波長の光がガラス装置の上面（５０１）上の短波長フィルタ材料によりフィルタリングされると、特定波長の光源（８０）のみが短波長フィルタ材料を通過し、試験管（１０２）中に予め充填された２つの異なる特定プローブが励起される。蛍光発光が発生した後、光信号が第１フォトダイオード（４０１）及び第２フォトダイオード（４０２）それぞれに検知され、検知された信号は続いてデータ分析のためプロセッサ（１００）に伝送される。ＰＣＲ反応が終わると、プロセッサ（１００）は光源（８０）をオフにするよう光源コントローラ（９０−１）を調整し、また、熱伝導パッチ（６０）への電力供給を停止するよう電源（１０２０）を調整する。透明導電性フィルム（５０２）は加熱を継続せず、プロセッサ（１００）は第１フォトダイオード（４０１）及び第２フォトダイオード（４０２）から受信した信号すべてを分析し、分析結果を出力する。

本技術分野の当業者であれば、本発明の示唆を保持しつつ、装置及び方法の様々な変更、改変が可能であることを容易に認識するであろう。従って、上記開示は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定して解釈されるべきである。

Claims (16)

1. 試薬容器での熱対流による定量的ポリメラーゼ連鎖反応のための装置であって、
   上記試薬容器には反応物質と試薬が入れられており、上記試薬は、蛍光色素又はプローブを含み、
   上記装置は、
   水平面に設けられた第１フレームであって、第１貫通孔、ファン、通気孔、第１上面、及び、加熱コイルと第１温度センサを配した第１下面を有する第１フレームと、
   上記第１フレームの下方に配された第２フレームであって、上記水平面と略平行であり、第２貫通孔、第２上面、第２下面、及び、上記第２下面上に配された、上記水平面に略平行で上記第２貫通孔に接続した挟持溝を有する第２フレームと、
   上記挟持溝に配されたガラスデバイスであって、ガラス上面、ガラス下面、及びコンタクトノードを有し、上記ガラス上面又は上記ガラス下面上に透明導電性フィルムが配されており、上記挟持溝と略同じサイズであり、上記ガラス上面又は上記ガラス下面を使用することによって上記挟持溝に固定されており、上記コンタクトノードは、上記透明導電性フィルムがコーティングされた上記ガラスデバイスの側面と同じ側に配されている、ガラスデバイスと、
   上記ガラスデバイスを加熱するために上記コンタクトノードに給電するための電源装置と、
   上記蛍光色素又は上記プローブを励起するための光源と、
   蛍光信号を検知し、受信するためのフォトン受信器と、
   システムを処理し、調整するためのプロセッサと、
   上記第１フレームと上記第２フレームとの間に配された収容空間であって、上記第１貫通孔を通り、上記収容空間に進入し、さらに上記ガラス上面に接触するために上記第２貫通孔と上記挟持溝を通る上記試薬容器を収容するために配された収容空間と、
   上記第１フレームと上記第２フレームとの間に配され、上記第１フレーム及び上記第２フレームと平行であり、第３貫通孔を有し、上記収容空間を、上部収容空間と下部収容空間とに分ける第３フレームと、を備え、
   上記電源装置は、上記ガラスデバイスの加熱を開始するために上記コンタクトノードに電流を供給し、上記ガラスデバイスが所定温度まで加熱されると、上記ポリメラーゼ連鎖反応が開始し、上記蛍光色素又は上記プローブが上記光源に励起され、上記蛍光色素又は上記プローブが特定波長の光を放射し、その光が上記フォトン受信器に測定され、その結果が上記プロセッサにフィードバックされ、
   （ａ）上記第１温度センサに測定された環境温度が所定温度範囲よりも高い場合、測定された上記環境温度が上記プロセッサにフィードバックされ、上記プロセッサは、続いて上記ファンをオンにして、測定された温度が所定環境範囲に冷却されるまで温度を下げ、上記第１温度センサの結果が上記プロセッサにフィードバックされ、上記プロセッサは続いて上記ファンを停止し、（ｂ）上記第１温度センサに測定された環境温度が所定温度範囲よりも低い場合、測定された温度が上記プロセッサにフィードバックされ、上記プロセッサは、続いて上記加熱コイルをオンにして、測定された温度が上記所定環境範囲に加熱されるまで温度を上げ、上記第１温度センサの結果が上記プロセッサにフィードバックされ、上記プロセッサは、続いて上記加熱コイルを停止する、装置。
2. リアルタイムの定量的ポリメラーゼ連鎖反応に適用される、請求項１に記載の装置。
3. 上記フォトン受信器は、フォトダイオード、光電子増倍管、電荷結合素子（ＣＣＤ）、又は相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）である、請求項１に記載の装置。
4. 上記光源はＬＥＤ又はレーザである、請求項１に記載の装置。
5. 上記フォトン受信器は、上記光源に対して略垂直角である、請求項１に記載の装置。
6. さらに、上記ガラスデバイスの温度を検知し、測定した温度を上記プロセッサにフィードバックする第２温度センサを備える、請求項１に記載の装置。
7. 上記光源が上記第２貫通孔の鉛直方向下方に位置するとき、上記フォトン受信器は、上記収容空間内に位置し、上記光源に対して略垂直である、請求項５に記載の装置。
8. 上記光源が上記収容空間内に位置するとき、上記フォトン受信器は、上記第２貫通孔の下方に位置し、上記光源に対して略垂直である、請求項５に記載の装置。
9. 上記透明導電性フィルムは、酸化錫、酸化インジウム、酸化亜鉛、又は酸化インジウム錫を含む、請求項１に記載の装置。
10. 上記ガラスデバイスの上記透明導電性フィルムに対する他方側は、非特異性光源をフィルタリングするための短波長フィルタがコーティングされている、請求項９に記載の装置。
11. 上記コンタクトノードは熱伝導パッチである、請求項１に記載の装置。
12. 上記試薬容器は、上記第１貫通孔を垂直に横切り、上記収容空間に進入し、さらに、上記ガラス上面と接触するために上記第２貫通孔と上記挟持溝を通る、請求項１に記載の装置。
13. 上記収容空間は上記試薬容器と同数であり、上記収容空間の上面は上記試薬容器中の上記試薬の高さと同じであり、上記試薬容器中で上記ポリメラーゼ連鎖反応が行われているときに、上記収容空間は外部温度の干渉を回避できる、請求項１に記載の装置。
14. 上記試薬容器は、上記第１貫通孔を垂直に横切り、上記収容空間に進入し、さらに、上記ガラス上面と接触するために上記第３貫通孔、上記第２貫通孔、及び上記挟持溝を通る、請求項１に記載の装置。
15. 上記下部収容空間は上記試薬容器と同数であり、上記下部収容空間の上面は上記試薬容器中の上記試薬と同じ高さであり、上記試薬容器中で上記ポリメラーゼ連鎖反応が行われているときに、上記下部収容空間は外部温度の干渉を回避できる、請求項１に記載の装置。
16. 上記所定環境範囲は摂氏２５℃以上３８℃未満であり、上記電源装置が上記ガラスデバイスの加熱を開始するために上記コンタクトノードに給電するときに、上記所定温度範囲は摂氏９０℃以上１６０℃未満である、請求項１に記載の装置。
    

Images