KR102518245B1

KR102518245B1 - 서멀 사이클러 및 그것을 구비한 리얼타임 pcr 장치

Info

Publication number: KR102518245B1
Application number: KR1020217003206A
Authority: KR
Inventors: 하야또 시미즈; 도시끼 야마가따; 요꼬 마끼노; 노부따까 구마자끼
Original assignee: 주식회사 히타치하이테크
Priority date: 2018-09-28
Filing date: 2018-09-28
Publication date: 2023-04-06
Also published as: CN112469809A; KR20210028671A; CN112469809B; WO2020065917A1; JP7038221B2; DE112018007855T5; GB202101843D0; GB2590312B; GB2590312A; JPWO2020065917A1; US20210237089A1

Abstract

서멀 사이클러(160)는 반응 용기(2)를 지지하는 지지 블록(3)과, 지지 블록(3)에 열적으로 연결되어 있고, 지지 블록(3)을 가열·냉각함으로써 반응 용기(2)에 보유된 시액(1)의 온도를 조정하는 펠티에 소자(5)와, 지지 블록(3)의 온도를 계측하는 온도 센서(4)와, 온도 센서(4)에 의해 계측된 지지 블록(3)의 온도에 기초하여 펠티에 소자(5)에 공급하는 전류 및 전압의 제어를 행하는 온도 조정부(230)를 구비하고, 반응 용기(2)로서, 상부(21)가 개구되고, 하부를 향하여 끝이 가늘어지는 원추형부를 갖고 있는 반응 용기(2)가 사용되고, 펠티에 소자(5)는 반응 용기(2) 중, 원추형의 모선(23)의 부분에 평행하게 되도록 배치되어 있다.

Description

서멀 사이클러 및 그것을 구비한 리얼타임 PCR 장치

본 발명은 혈액이나 오줌 등의 생체 유래의 검체, 소위 생체 시료 중에 포함되는 핵산을 분석하는 리얼타임 PCR 장치에 적합한 서멀 사이클러와 그것을 구비한 리얼타임 PCR 장치에 관한 것이다.

반응액의 국소적인 과잉 가열에 의한 분석 성능의 저하를 방지하면서, 반응액의 온도 변화 속도를 향상시켜서 분석 시간을 단축시키기 위해서, 분석 항목이나 장치 구성의 특성에 맞춘 온도 제어를, 용이한 조작에 의해 설정하여 실행하는 리얼타임 PCR 장치의 일례로서, 특허문헌 1에는, 오버슈트 실시 시에, 제1 처리로서, 오버슈트 목표 온도에 도달할 때까지 승온을 계속하고, 제2 처리로서, 당해 온도에 도달하면, 오버슈트의 유지 시간에 도달할 때까지 오버슈트 목표 온도에서 소정의 시간 유지하고, 제3 처리로서, 반응액의 목표 온도에 도달할 때까지 강온을 계속한다고 하는 것을 실시함으로써, 온도 측정값이 사다리꼴의 파형을 취하도록 제어하는 것이 기재되어 있다.

장치를 설치하는 장소의 환경 온도가 어느 범위에서 다르더라도 반응액이 들어간 복수의 반응 용기에 대하여 각각 안정된 온도 조절 성능을 유지하여 온도의 변동을 최소한으로 억제하는 것을 목적으로 하여, 특허문헌 2에는, 반응액이 들어간 반응 용기와 그것을 직접적 또는 간접적으로 온도 제어하는 개소를 단열 구조의 커버와 핀 커버로 덮고, 또한 그 커버로 덮은 내측의 고내 온도를 제어하기 위한 열원을 갖는 구성에 의해, 고내 온도를 일정하게 하여, 반응 용기의 온도 제어에 대한 환경 온도 영향을 최소화하는 것이 기재되어 있다.

WO2016-135798호 WO2015-005078호

종래, 생체 유래의 검체 중에 포함되는 핵산의 검사를 행하는 경우에 사용되는 핵산 증폭 기술로서는, 예를 들어, 폴리메라아제 연쇄 반응(Polymerase Chain Reaction; 이하, PCR이라고 약칭한다)법을 사용한 것이 있다. PCR법에서는, 검체와 시약을 혼합한 반응액의 온도를 미리 정해진 조건에 따라서 제어함으로써, 반응액 중의 원하는 염기 배열을 선택적으로 증폭시킬 수 있다.

또한, 기타의 핵산 증폭법으로서, NASBA(Nucleic Acid Sequence-Based Amplification)법이나 LAMP(Loop-Mediated Isothermal Amplification)법과 같이, 반응액의 온도를 일정하게 제어하여, 핵산 증폭을 도모하는 항온 증폭법이 개발되어 있다.

이러한 핵산 증폭법은, 예를 들어 바이러스성 감염의 진단 등, 임상 검사 관련에서도 적극적으로 사용되고 있어, 자동화에 의한 검사의 효율화·생력화·고정밀도화가 요구되고 있다.

특허문헌 1에는, 반응액의 국소적인 과잉 가열에 의한 분석 성능의 저하를 방지하면서, 반응액의 온도 변화 속도를 향상시켜서 분석 시간을 단축시키기 위해서, 분석 항목이나 장치 구성의 특성에 맞춘 온도 제어 방법에 대하여 기재되어 있다.

특허문헌 2에는, 장치를 설치하는 장소의 환경 온도가 어느 범위에서 다르더라도 반응액이 들어간 복수의 반응 용기에 대하여 각각 안정된 온도 조절 성능을 유지하여, 온도의 변동을 최소한으로 억제할 수 있는 핵산 증폭 검출 장치에 대하여 기재되어 있다.

특허문헌 1, 2에 기재된 리얼타임 PCR 장치에서는, 회전축 둘레에 회전 가능한 캘로우 셀의 원 형상의 외연을 따라서 반응 용기를 지지한 온도 조절 블록을 설치하고, 캘로우 셀과 온도 조절 블록의 사이에 온도 조절 장치로서 펠티에 소자를 온도 조절 블록마다 배치하는 구성으로 되어 있다.

이와 같은 구성에서는, 형광 분석 장치나 분주 기구가 캘로우 셀 둘레 방향의 일정한 위치에 고정되어 있는 경우에, 개별의 증폭 대상의 프로토콜에 따른 조정 온도·조정 시간으로 독립적으로 병행하여 온도 조절할 수 있다. 이 때문에, 다종류의 검체에 대하여 개별의 핵산 분석을 동시에 행하는, 복수의 프로토콜에 대응한 처리를 실현할 수 있다.

특허문헌 1에 기재된 리얼타임 PCR 장치는, 형광 분석을 위해 반응 용기의 하방으로부터 여기광을 시액에 조사하고, 캘로우 셀의 원형의 반경 방향 외측에 마련된 수광 장치로 형광을 검출하는 구성으로 되어 있다.

특허문헌 1, 2에 기재된 리얼타임 PCR 장치는, 반응 용기 하부가 온도 조절 블록으로부터 하방으로 돌출시킨 형태로 되어 있고, 이 돌출시킨 반응 용기 저부를 통하여 반응 용기 하방에 위치하는 형광 분석 장치로 형광 분석을 행하는 구성으로 되어 있다.

어떻든간에, 캘로우 셀에 복수의 온도 조절 블록이 현가되는 특허문헌 1, 2의 구성에서는, 시액이 들어 있는 부분의 반응 용기의 일부가 형광 분석 장치의 관측을 행하기 위하여 공기에 크게 노출되어 있는 부분이 존재한다. 이것은 형광 분석 장치가 고정되어 있어서, 형광의 측광이 반응 용기의 측방 혹은 하방으로부터 행하여지기 때문이다.

또한, 특허문헌 1, 2에 기재된 기술에서는, 하방 선단이 가늘게 되어 있지만, 대부분이 원형 혹은 사각형의 통형을 한 반응 용기를 사용하고 있다. 이것은 측방이나 하방으로부터 반응 용기를 통하여 형광도를 측정하기 때문에, 광의 복잡한 산란을 방지할 필요가 있기 때문이다.

또한, 특허문헌 1, 2에 기재된 리얼타임 PCR 장치는, 한 개개의 온도 조절 블록의 체적을 가능한 한 확보하도록 설계되어 있다. 이 때문에 캘로우 셀에 개별의 온도 조절 블록을 둘레 방향으로 배치하는 형태로 되어 있다. 이것은 온도 조절 블록을 인큐베이터로서 생각하고 있기 때문이다. 이렇게 온도 조절 블록의 체적을 크게 함으로써 온도 조절 블록의 열용량이 증가하여, 시액을 일정 온도로 유지할 때에 외부로부터의 요란에 의해 온도가 변화하기 어렵다고 하는 특징을 갖게 할 수 있다.

여기서, 임상 검사에서는, 검체의 검사 결과를 신속히 얻고 싶다고 하는 요구가 있다.

PCR법에서는, 일정 온도로 유지하는 시간은 프로토콜에 의해 정해져 있으므로, 검사 결과를 신속히 얻기 위해서는 일정 온도와 다음 일정 온도의 변화를 신속하게 행할 필요가 있다. 이것을 위해서는 온도 조절 블록의 온도 변화 속도인 램프 레이트를 향상시킬 필요가 있다.

특허문헌 1, 2에 기재된 바와 같이, 검체를 캘로우 셀에 보유하여 계측계의 상방까지 회전 이동하는 구성 대신에, 고정된 온도 조절 블록을 사용하여 형광도의 계측계가 이동하는 방식을 채용하면, 상방으로부터 형광도를 측정할 수 있게 되어, 투명한 반응 용기를 사용할 필요가 없게 된다. 이에 의해 열전도성이 좋은 재료를 반응 용기에 사용할 수 있게 되어, 빠른 온도 변화가 가능해진다.

또한, 특허문헌 1, 2에 기재된 바와 같은 통형인 반응 용기에서는, 착탈을 용이하게 하기 위하여 반응 용기와 온도 조절 블록의 사이에 간극을 마련해야만 한다. 그러나, 이 간극은 전열 저항이 되기 때문에, 신속한 온도 변화를 행하기 위해서는 불리하다. 이에 반해, 상방으로부터 형광도를 측정하는 방식으로 하면, 반응 용기를 하방 끝이 가는 원추형으로 할 수 있어, 온도 조절 블록에 밀착시키더라도 착탈이 용이하게 된다는 이점이 얻어진다.

또한, 시액의 온도의 시간 변화를 알 수 있으면 펠티에 소자의 제어를 최적화할 수 있다는 효과가 얻어진다. 여기서, 시액의 온도를 반응 중에 계측하는 것은 곤란하므로, 온도 센서로부터 얻어지는 온도 조절 블록의 온도로부터 시액의 온도를 예측하게 된다. 이것을 위해서는, 온도 변화를 하고 있을 때에 온도 조절 블록 중에 장소에 따른 온도차가 크지 않을 것이 요망된다. 또한, 펠티에 소자는 전열면 내에 큰 온도차가 생기면 열응력의 분포가 생기기 때문에, 큰 온도차를 마련하지 않는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 반응 용기를 하방 끝이 가는 원추형으로 한, 상방으로부터 형광도를 측정하는 리얼타임 PCR 장치에 있어서, 지지 블록의 램프 레이트를 향상시킴과 함께, 온도가 시간적으로 변화하고 있을 때의 지지 블록 내의 온도차를 작게 하는 것이 가능한 서멀 사이클러 및 그것을 구비한 리얼타임 PCR 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 과제를 해결하는 수단을 복수 포함하고 있는데, 그 일례를 들면, 반응 용기를 지지하는 지지 블록과, 상기 지지 블록에 열적으로 연결되어 있고, 상기 지지 블록을 가열·냉각함으로써 상기 반응 용기에 보유된 시액의 온도를 조정하는 펠티에 소자와, 상기 지지 블록의 온도를 계측하는 온도 센서와, 상기 온도 센서에 의해 계측된 상기 지지 블록의 온도에 기초하여 상기 펠티에 소자에 공급하는 전류 및 전압의 제어를 행하는 입열량 조정부를 구비하고, 상기 반응 용기로서, 상부가 개구되고, 하부를 향하여 끝이 가늘어지는 원추형부를 갖고 있는 반응 용기가 사용되고, 상기 펠티에 소자는, 상기 반응 용기 중, 원추형의 모선 부분에 평행하게 되도록 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 반응 용기를 하방 끝이 가는 원추형으로 한, 상방으로부터 형광도를 측정하는 경우에도, 지지 블록의 램프 레이트를 향상시킴과 함께, 온도가 시간적으로 변화하고 있을 때의 지지 블록 내의 온도차를 작게 할 수 있다. 상기한 이외의 과제, 구성 및 효과는, 이하의 실시예의 설명에 의해 밝혀진다.

도 1은 본 발명의 실시예 1의 리얼타임 PCR 장치의 개략 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1의 리얼타임 PCR 장치의 서멀 사이클러의 기본 구조를 설명하는 단면을 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1의 리얼타임 PCR 장치의 서멀 사이클러에서 사용하는 반응 용기의 일례의 외관을 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1의 리얼타임 PCR 장치의 서멀 사이클러에서 사용하는 지지 블록의 일례를 도시하는 외관도.
도 5는 본 발명의 실시예 1의 리얼타임 PCR 장치의 서멀 사이클러의 일례를 도시하는 조립 외관도이다.
도 6은 비교를 위한 종래 리얼타임 PCR 장치의 서멀 사이클러의 지지 블록의 일례를 도시하는 단면도이다.
도 7은 비교를 위한 종래 리얼타임 PCR 장치의 서멀 사이클러의 지지 블록의 일례를 도시하는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예 1의 리얼타임 PCR 장치의 서멀 사이클러의 지지 블록의 일례를 도시하는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예 1의 리얼타임 PCR 장치의 서멀 사이클러와 종래의 서멀 사이클러의 지지 블록의 형상에 따른 램프 레이트와 최대 온도차의 시뮬레이션 결과를 도시하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예 2의 리얼타임 PCR 장치의 서멀 사이클러의 온도 제어 시스템을 설명하는 블록도이다.

이하에 본 발명의 서멀 사이클러 및 그것을 구비한 리얼타임 PCR 장치의 실시예에 대하여 도면을 사용하여 설명한다.

<실시예 1>

본 발명의 서멀 사이클러 및 그것을 구비한 리얼타임 PCR 장치의 실시예 1에 대하여 도 1 내지 도 9를 사용하여 설명한다.

도 1은, 본 발명의 실시예 1에 관계되는 리얼타임 PCR 장치의 개략 구성을 도시한 전체도이다.

도 1에 도시하는 리얼타임 PCR 장치(1000)는 랙 탑재부(110), 반송 기구(120), 액체 분주 기구(130), 덮개 유닛(140), 교반 유닛(150), 제어 장치(200), 서멀 사이클러(160), 측정부(165)를 구비하고 있다.

리얼타임 PCR 장치(1000) 중, 시액(1)(도 2 참조)을 작성하는 조액부는, 랙 탑재부(110), 반송 기구(120), 액체 분주 기구(130), 덮개 유닛(140)을 포함한다.

랙 탑재부(110)는 검사에 사용되는 검체, 시약, 분주 칩, 반응 용기(2)가 배치되는 영역이다. 랙 탑재부(110)는 리얼타임 PCR 장치(1000)의 작업대(102) 상의 소정 위치에 마련되어 있고, 검체 용기 랙(112), 시약 용기 랙(114), 반응 용기 랙(116), 노즐 칩 랙(118)이 각각 탑재된다.

검체 용기 랙(112)에는, 증폭 처리의 대상으로 되는 핵산을 포함하는 검체가 수용된 복수의 검체 용기(113)가 배열 수납되어 있다. 시약 용기 랙(114)에는, 검체에 첨가하기 위한 시약이 수용된 복수의 시약 용기(115)가 배열 수납되어 있다. 반응 용기 랙(116)에는, 검체와 시약을 혼합하기 위하여 사용되는 복수의 미사용의 빈 반응 용기(2)가 배열 수납되어 있다. 노즐 칩 랙(118)에는, 검체 및 시약의 분주에 사용되는 복수의 미사용의 노즐 칩(119)이 배열 수납되어 있다.

반송 기구(120)는 반응 용기(2) 등을 보유 지지하면서 리얼타임 PCR 장치(1000) 내의 각 개소를 이동시키는 기구이며, X축 방향 가이드(121)와, X축 방향 가동자(122)와, Y축 방향 가이드(123)와, Y축 방향 가동자(124)를 구비하고 있어, 제어 신호에 기초하여 Y축 방향 가동자(124)를 작업대 상에서 2차원 이동시켜서, 작업대 상의 원하는 위치에 배치할 수 있는 구성으로 되어 있다.

X축 방향 가이드(121)는 리얼타임 PCR 장치(1000)의 작업대(102) 상에 도 1중 X축 방향으로 연장시켜서 배치된 가이드이다. X축 방향 가동자(122)는 X축 방향 가이드(121) 상을 이동 가능하게 마련되어 있는 가동자이다.

Y축 방향 가이드(123)는 X축 방향 가동자(122)에 일체적으로 설치되고, 도 1 중 Y축 방향으로 연장시켜서 배치된 가이드이다. Y축 방향 가동자(124)는 Y축 방향 가이드(123) 상을 이동 가능하게 마련되어 있는 가동자이다.

Y축 방향 가동자(124)에는, 바코드 리더(125)와, 그리퍼 유닛(126)과, 분주 유닛(127)이 마련되어 있고, Y축 방향 가동자(124)와 일체적으로 작업대 상을 이동하여, 작업대(102) 상의 원하는 위치에 배치된다.

바코드 리더(125)는 검체 용기(113), 시약 용기(115), 반응 용기(2) 각각에 부착되어 있는 식별 정보를 판독하고, 이들 식별 정보를 취득한다.

그리퍼 유닛(126)은 제어 신호에 기초하는 그리퍼의 작동에 응동하여 반응 용기(2)를 파지 또는 해방하고, 작업대(102) 상의 장치 각 부 간에서의 Y축 방향 가동자(124)의 이동에 따라 반응 용기(2)를 반송한다.

분주 유닛(127)은 노즐 칩(119)을 착탈 가능한 구성이 되어 있어, 제어 신호에 기초하여 노즐 칩 랙(118)으로부터 노즐 칩(119)을 장착하고, 검체 용기(113) 내의 검체 또는 시약 용기(115) 내의 시약에 노즐 칩(119)을 침지하여, 검체 또는 시약을 노즐 칩(119) 내에 흡인하여 채취한다. 또한, 분주 유닛(127)은 제어 신호에 기초하여 이 노즐 칩(119) 내에 저류된 검체나 시약을 반응 용기(2)에 토출하여 분주한다.

이 분주 유닛(127)은 선택된 하나의 반응 용기(2) 내에 분주 칩을 사용하여 검체와 시약을 분주하여 시액을 조제하는 기구인 액체 분주 기구(130)의 주부를 이룬다.

또한, 리얼타임 PCR 장치(1000)에서는, 랙 탑재부(110)와 서멀 사이클러(160) 사이의 작업대(102) 상에는, 시액을 조제하기 위하여 반응 용기 랙(116)으로부터 취출한 미사용의 반응 용기(2)가 적재되는 시액 조제 포지션(170)이 형성되어 있다.

시액 조제 포지션(170)에는, 반응 용기(2)를 보유 지지하기 위한 용기 탑재부(172)가 마련되어 있다. 리얼타임 PCR 장치(1000)에서는, 반응 용기 랙(116)으로부터 이 시액 조제 포지션(170)에 그리퍼 유닛(126)을 사용하여 옮긴 미사용의 반응 용기(2)에 대하여 분주 유닛(127)을 사용하여 검체 용기(113) 및 시약 용기(115)로부터 검체 및 시약의 분주를 행하여, 반응 용기(2) 내에 검체 및 시약을 혼합한 시액을 조제한다. 복수의 용기 탑재부(172)를 구비한다. 이에 의해, 예를 들어, 동일한 검체 또는 동일한 시약의 분주를 복수의 반응 용기(2)에 대하여 함께 행할 수도 있어, 복수의 시액의 조제를 통합하여 행하는 배치 처리를 할 수 있게 되어 있다.

덮개 유닛(140)은 시액을 수용한 반응 용기(2)에 덮개를 덮는 기구이며, 시액 조제 포지션(170)으로부터 그리퍼 유닛(126)을 사용하여 옮겨진, 시액이 수용되어 있는 반응 용기(2)의 개구에 덮개를 덮고, 시액의 증발이나 외부로부터의 이물의 진입 등을 방지한다.

교반 유닛(150)은 반응 용기(2)에 수용된 시액의 검체 및 시약을 균일하게 혼합하는 기구이며, 덮개 유닛(140)으로부터 그리퍼 유닛(126)을 사용하여 옮겨진, 밀폐된 반응 용기(2)에 수용되어 있는 시액을 교반하여, 검체 및 시약의 혼합을 행한다.

또한, 도시된 리얼타임 PCR 장치(1000)에서는, 시액 조제 포지션(170)과 랙 탑재부(110) 사이의 작업대(102) 상에는, 분주 유닛(127)에 장착되어서 검체 또는 시약의 분주에 사용된 사용 완료의 노즐 칩(119)이나, 서멀 사이클러(160)에 의한 핵산 증폭 처리가 끝난 검사 완료의 반응 용기(2)를 폐기하는 폐기 박스(180)가 마련되어 있다.

서멀 사이클러(160)는 교반이 끝난 반응 용기(2)가 탑재되어, 시액(1)의 핵산을 미리 정해져 있는 프로토콜에 따라서 증폭시키는 기구이며, 그 상세는 후술한다.

측정부(165)는 시액(1)을 보유하는 반응 용기(2)의 상방측에 배치되어 있고, 서멀 사이클러(160)에 의해 미리 정해져 있는 프로토콜에 따라서 온도가 조정된 시액(1)의 형광 특성을 측정함으로써 핵산 농도 측정을 행하는 기구이다.

측정부(165)는, 대향한 반응 용기(2)의 노출된 저부측의 용기 부분에 여기광을 조사하는 여기광원과, 이 여기광의 조사에 기초한 시액으로부터의 형광을 검출하는 검출 소자를 포함한다. 여기광원으로서는, 예를 들어, 발광 다이오드(LED), 반도체 레이저, 크세논 램프, 할로겐 램프 등이 사용된다. 검출 소자로서는, 포토다이오드, 포토 멀티플라이어, CCD 등이 사용된다.

이에 의해, 측정부(165)는 여기광원으로부터의 여기광의 조사에 의해 시액(1)으로부터 발생하는 형광을 검출 소자에 의해 검출하여 측정함으로써, 시액(1) 중의, 시약에 의해 형광 표지된 증폭 대상의 염기 배열 정량을 경시적으로 병행하여 행할 수 있다.

이렇게 구성된 리얼타임 PCR 장치(1000)의 서멀 사이클러(160)를 포함하는 장치 각 부는, 도 2에 도시한 바와 같이, 키보드, 마우스 등의 입력 장치(210)나 액정 모니터 등의 표시 장치(220)를 구비한 제어 장치(200)에 의해, 그 작동이 제어된다.

제어 장치(200)는 리얼타임 PCR 장치(1000)의 서멀 사이클러(160)를 포함하는 상술한 장치 각 부를 제어하여, 입력 장치(210)에 의해 설정된 프로토콜에 기초하여, 미리 기억부(201)에 기억된 각종 소프트웨어 등을 사용하여, 시액 조제 처리 및 핵산 증폭 처리를 포함하는 핵산 검사 처리를 실행한다. 또한, 제어 장치(200)는 이 핵산 검사 처리 시의 장치 각 부의 가동 상황 등을 기억부(201)에 기억함과 함께, 서멀 사이클러(160)에 의해 얻어진 형광 검출 결과 등의 분석 결과를 기억부(201)에 기억하고, 표시 장치(220)에 표시한다.

본 실시예의 제어 장치(200)는 복수의 서멀 사이클러(160)를 독립적으로 병행하여 온도의 제어가 가능하게 구성되어 있다.

이어서, 이 제어 장치(200)가 행하는 핵산 검사 처리에 관하여, 상술한 시액 조제 처리 및 핵산 증폭 처리에 대하여 상세하게 설명한다.

여기서, 시액 조제 처리란, 리얼타임 PCR 장치(1000)의 제어 장치(200)에 의해 행하여지는 핵산 검사 처리 중, 반응 용기(2) 내에 검체 및 시약을 분주한 시액(1)을 조제하는 처리를 가리킨다. 또한, 핵산 증폭 처리란, 이 시액 조제 처리에 의해 반응 용기(2) 내에 조제된 시액(1)을, 서멀 사이클러(160)에 의해 증폭 대상의 염기 배열의 종류에 따른 프로토콜에 따라서 온도 조절하고, 염기 배열의 핵산 증폭을 측정부(165)에 의한 시액(1)의 형광 측정에 의해 확인하면서 행하는 처리를 가리킨다.

제어 장치(200)는 시액 조제 처리를 개시함에 있어서, 먼저 기억부(201)에 마련되어 있는 시액 조제 처리를 위한 각종 작업 에어리어를 이니셜라이즈한다.

제어 장치(200)는 시액(1)의 조제 처리에 관계되는 이니셜라이즈가 완료되면, 입력 장치(210)에 의해 설정된, 검체 용기 랙 정보 및 시약 용기 랙 정보나, 핵산 검사의 실행 내용 정보의 읽어들이기 처리를 행한다.

제어 장치(200)는 핵산 검사의 실행 내용 정보에 포함된 1개 또는 복수의 개별 핵산 검사 처리 중에서 미리 설정된 수순에 기초하여, 금회, 시액 제작 처리를 행하는 1개 또는 복수의 개별 핵산 처리를 선택 추출한다.

이어서, 제어 장치(200)는 시액 조제 포지션(170)으로, 반응 용기 랙(116)으로부터 사전에 반송하여 시액 조제 포지션(170)의 용기 탑재부(172)에 탑재한 미처리의 반응 용기(2)에 대하여 선택 추출된 개별 핵산 처리의 시액 조제 처리 정보에 기초하여 액체 분주 기구(130)를 작동 제어하여, 시액(1)의 조제를 행한다.

이어서, 상술한 바와 같이 구성된 본 실시예에 관계되는 리얼타임 PCR 장치(1000)에 있어서, 다른 분석 항목을 효율적으로, 단시간에 처리하기 위한 주요부를 구성하는 서멀 사이클러(160)의 구성 및 작용에 대하여 도 2 내지 도 9를 사용하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 실시예의 서멀 사이클러(160)의 기본 구조를 설명하는 단면도이다.

본 실시예의 서멀 사이클러(160)는 온도 센서(4)의 온도를 관찰하면서 펠티에 소자(5)에의 인가 전류를 온도 조정부(230)에 의해 조정하여, 목적으로 하는 프로토콜에 따라서 시액(1)의 온도를 변화시키는 기구이다. 도 2에 도시하는 서멀 사이클러(160)는 지지 블록(3), 온도 센서(4), 펠티에 소자(5), 히트 싱크(6), 단열 스페이서(7), 블록 고정 부재(8), 체결 나사(9), 온도 조정부(230)를 구비하고 있다.

도 1을 사용하여 설명한 조액부에 의해, 검체 시료나 희석액이나 시약 등의 액체를 분주 혼합함으로써 시액(1)이 조제되어, 반응 용기(2)에 수납된다.

지지 블록(3)은 반응 용기(2)의 외형과 동일한 형상의 홀더 구멍(3a)(도 4 참조)이 뚫어져 있는 홀더부(32)(도 4 참조)와, 이 홀더부(32)와 열적으로 연결되어 있고, 펠티에 소자(5)의 전열면(51)과 밀착함으로써 열의 수수를 행하는 수열면(31b)을 형성하는 수열판(31)과, 필렛(33)(도 4 참조)으로 구성된다.

반응 용기(2)는 지지 블록(3)의 홀더 구멍(3a)으로 지지된다.

수열판(31)은 한쪽 면(수열면(31b))이 펠티에 소자(5)와 접하고 있고, 다른 한쪽 면(31d)에는, 반응 용기(2)를 지지하는 홀더부(32)가 형성되어 있다.

지지 블록(3)에서는, 냉각과 가열을 행할 수 있는 펠티에 소자(5)에 의해, 반응 용기(2)를 지지하는 홀더부(32)나 수열판(31)을 통하여, 시액(1)의 온도를 각각의 반응의 PCR 프로토콜에 따라서 주기 변화시킨다.

이 동안에 시액(1)에 광을 조사하여 형광도의 계측을 행한다. 이 중 시액 조제나 반송이나 형광도 계측에 관한 부분은, 램프 레이트 향상에는 크게는 기여하지 않으므로, 특별히 그 구성은 한정되지 않지만, 도 1에서 설명한 바와 같이 시액(1)의 도입이나 형광도의 측정은 반응 용기(2)의 상방으로부터 행하는 것이 바람직하다.

또한 PCR 프로토콜도 임의인 경우가 있으므로 한정되지 않지만, 통상, 리얼타임 PCR 장치가 설치되는 환경 온도 또는 실온보다도 높은 50℃ 정도 내지 100℃ 정도의 온도 범위에서, 2 내지 3개의 목표 온도를 각각 일정한 시간 유지하는 온도 변화 패턴을 지정된 횟수 반복한다.

지지 블록(3)에는 온도 센서(4)가 설치되어 있고, 지지 블록(3)의 온도를 계측함으로써 간접적으로 시액(1)의 온도를 계측한다. 온도 센서(4)는 예를 들어 열전대나 반도체 온도계 등을 포함하지만, 특별히 이들에 한정되는 것은 아니다.

온도 조정부(230)는 온도 센서(4)에 의해 계측되는 지지 블록(3)의 온도가 미리 PCR 프로토콜로 설정되어 있는 온도와 일치하도록 펠티에 소자(5)에 공급하는 전류와 전압을 제어한다. 또한, 제어 장치(200)와 온도 조정부(230)가 별체인 경우에 대하여 설명하고 있지만, 이들은 일체여도 된다.

또한 전술한 특허문헌에서는 지지 블록(3)과 펠티에 소자(5)를 조합한 것을 온도 조절 블록이라고 칭하고 있다.

도 3은 본 실시예의 서멀 사이클러(160)에서 사용되는 반응 용기(2)의 설명도이다.

서멀 사이클러(160)에서 사용되는 반응 용기(2)는 검사 종료 시에 폐기되는 1회용 타입이며, 통상은 플라스틱제이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 반응 용기(2)의 형상은, 지지 블록(3)과 열적으로 밀착할 수 있고, 착탈이 용이하게 할 수 있도록, 상부(21)가 개구되고, 지지 블록(3)에 수납되는 부분은 하부를 향하여 끝이 가늘어지는 원추형부를 갖고 있다.

반응 용기(2)는 원추형의 중심축(24)이 거의 연직 방향이 되도록 지지 블록(3)에 의해 지지된다. 원추형의 끝이 가는 선단(22)은 열적 밀착성과 착탈의 용이함을 위해서 거의 구형의 형상으로 둥글게 되어 있다. 이 선단(22)이 연직 하방으로 되고, 반대측의 반응 용기(2)의 상부(21)는 개구되여, 시액(1)의 도입이나 상방으로부터의 광의 조사 형광도의 계측을 할 수 있게 되어 있다.

본 실시예에서는 도시하고 있지 않으나, 상술한 바와 같이, 반응 용기(2)의 상부(21)에는 PCR 반응 중에 시액(1)이 증발 소실하는 것을 방지하기 위하여 투명한 덮개를 사용할 수 있다.

또한, 지지 블록(3)과 접하는 부분 이외에는 어떤 형상을 하고 있어도 되고, 예를 들어, 추가의 지지 부재나 상술한 소실 방지 덮개의 결로 방지의 히터 등과 위치 정렬을 하기 위한 플랜지를 또한 마련할 수 있다.

상술한 특허문헌 1, 2에서는, 광학계의 구성이 측방으로부터 형광을 관측하는 구성으로 되어 있기 때문에, 반응 용기에 광의 산란이 복잡해지는 원추면을 사용할 수 없어, 연직 방향으로 직선상의 원통이나 각주의 형상을 하고 있을 필요가 있다.

이 때문에, 반응 용기의 탈착을 용이하게 하기 위해서는 지지 블록과 반응 용기 사이에 간극을 마련해야만 한다는 제약이 있었다. 또한, 측방의 광로를 확보하기 위하여 지지 블록과 반응 용기가 밀착하지 않는 영역을 마련할 필요가 있다는 제약이 있었다. 이 때문에, 열적인 밀착성이 얻어지지 않는 개소가 남아있어, 램프 레이트의 향상을 도모할 여지가 남겨지게 된다.

또한, 특허문헌 2에서는, 시액이 주로 들어 있는 반응 용기의 선단이 지지 블록으로부터 돌출되어 있을 필요가 있기 때문에, 마찬가지로, 램프 레이트의 향상을 도모할 여지가 있게 된다.

도 4는 본 실시예의 서멀 사이클러(160)에서 사용하는 지지 블록의 일례를 도시하는 외관도이다.

도 4에 도시하고, 또한 상술한 바와 같이, 지지 블록(3)은 홀더부(32)와 수열판(31)이 수열판(31)의 펠티에 소자(5)와 접하고 있는 것과는 반대측의 면에서 일체로 정형된 부품이다.

지지 블록(3)은 항구적인 부품이며, 반응 용기(2)의 탈착에 견디는 강도와 열전도성이 좋은 것이 요망되기 때문에, 통상은 그 전체가 열전도성이 좋은 금속 재료, 예를 들어 알루미늄 등의 열전도성이 좋은 금속을 포함한다.

지지 블록(3)의 제조 방법은 특별히 한정되지 않고 홀더부(32)와 수열판(31)이 일체로 되도록, 홀더부(32)와 수열판(31)을 별개로 가공하고, 용접이나 확산 접합으로 접합해도 되고, 금형을 사용하여 가압 주조해도 된다. 혹은 1개의 금속편으로부터 절삭 가공이나 방전 가공으로 잘라내도 된다.

지지 블록(3)의 체적을 최소로 하기 위해서, 원추형의 반응 용기(2)를 일정한 두께(32a)로 덮는 홀더부(32)를 평판의 펠티에 소자(5)를 일정한 두께(31a)로 덮는 수열판(31)의 펠티에 소자(5)와 접촉하는 수열면(31b)과 반대측에, 홀더부(32)의 모선 부분과 수열판(31)이 중첩되도록 배치한다. 이에 의해, 펠티에 소자(5)의 전열면(51)이나 반응 용기(2)에 접하고 있는 면의 온도 분포를 균일하게 하기 위해서는 일정한 두께의 열전도성의 재료로 덮을 수 있다.

또한, 가공 상, 도 4에 도시한 바와 같은 필렛(33) 등의 부가 체적이 붙을 경우에는, 수열판(31) 혹은 펠티에 소자(5)의 전열면으로부터 등거리에 있어서의 지지 블록(3)의 단면적을 거리가 증가함에 따라서 감소시키는 것이 바람직하다.

각각의 부분을 대표하는 치수로서, 홀더 구멍(3a)으로부터 홀더부(32) 외형까지의 두께(32a)와, 수열판(31)의 두께(31a)를 규정한다.

반응 용기(2)는 홀더의 중심축(24)을 따라서 홀더부(32) 상단으로부터의 삽입 깊이(32b)만큼 홀더부(32)에 삽입된다.

홀더부(32)의 내측의 형상은 반응 용기(2)의 형상과 거의 동일하게 하는데, 공기나 흘러 내린 액적이 빠지기 위한 작은 구멍을 마련할 수 있다.

여기서, 지지 블록(3) 내의 온도 분포를 작게 함으로써, 수열면(31b)측에서는 펠티에 소자(5)의 성능을 최대한으로 발휘시킬 수 있다. 또한, 홀더부(32)의 온도 분포를 작게 함으로써 시액(1)의 액온 치우침을 작게 할 수 있어, 시액(1) 내에서의 반응을 균일하게 할 수 있다는 효과가 얻어진다.

지지 블록(3)의 온도 조정 시의 열의 수지를 조사해 보면, 반응 용기(2)를 통하여 시액(1)에 전해지는 열량은, 통상, 펠티에 소자(5)로부터의 입열량 또는 제열량 중 10분의 1 이하로 되어 있다. 기타의 열량으로서는, 지지 블록(3)에 접촉하고 있는 다른 구성 요소나 둘레의 분위기에 전해지는 열량이 약간 있지만, 지지 블록(3) 자체의 온도를 변화시키기 위하여 사용되는 것이 대부분이다.

따라서, 펠티에 소자(5)에 의한 가열 및 흡열하는 열량이 일정하면, 지지 블록(3)의 열용량을 작게 함으로써 램프 레이트를 향상시킬 수 있음을 알 수 있다. 또한, 동일한 재질의 지지 블록(3) 자체의 열용량을 작게 하기 위해서는, 그 체적을 작게 하면 됨을 알 수 있다.

시액(1)이나 반응 용기(2)의 열전도도는, 그 구성상, 지지 블록(3)의 재질에 비하면 100분의 1 정도이다.

따라서, 홀더부(32)의 두께(32a)는, 반응 용기(2)의 두께의 100분의 1 정도이고, 또한 홀더 구멍(3a)의 둘레에 일정한 두께이면 된다고 생각된다.

또한, 수열판(31)의 수열면(31b)에 수직인 방향의 두께(31a)도, 반응 용기(2)의 두께의 10분의 1 정도이면 충분하다고 생각된다.

단, 실제로는, 펠티에 소자(5)의 내구성의 향상, 및 가공할 수 있어 강도 상 형상을 유지하여 내구성을 향상시키는 것을 목적으로 하여, 펠티에 소자(5)와의 접촉 열저항과 지지 블록(3)을 구성하는 재질의 열전달률과의 비인 두께 치수 이상의 두께(접촉 열저항(㎡K/W))×재질의 열전도율(W/mK))>두께)이거나, 수열면(31b)의 면 내에서의 최대 온도차가, 펠티에 소자(5)의 고온측의 전열면(51, 52)와 저온측의 전열면(51, 52)의 온도차보다도 커지는 최소한의 두께 이상의 두께이거나, 수열판(31)의 형상을 유지할 수 있는 최소의 두께 이상의 두께인 것이 바람직하다.

펠티에 소자(5)와 수열판(31)은 밀착하는 것으로부터, 수열판(31)의 수열면(31b)은 펠티에 소자(5)의 전열면(51)과 동일 형상, 동 면적으로 하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 수열판(31)의 면적을 펠티에 소자(5)의 전열면(51)에 비하여 극단적으로 작게 하지 않음으로써, 펠티에 소자(5)의 전열면(51)이 공기에 노출되어 있는 면이 커지는 것을 억제할 수 있다. 이 때문에, 펠티에 소자(5) 면 내의 온도 분포가 치우쳐서 열응력이 발생하는 것을 방지하여, 펠티에 소자(5)의 내구성을 확보할 수 있다. 또한, 수열판(31)의 면적을 펠티에 소자(5)의 전열면(51)에 비하여 극단적으로 크게 하지 않음으로써, 지지 블록(3) 이외의 물체를 가열, 냉각하는 것을 억제할 수 있다.

펠티에 소자(5)는 지지 블록(3)에 열적으로 연결되어 있고, 지지 블록(3)을 가열·냉각함으로써 반응 용기(2)에 보유된 시액(1)의 온도를 조정하는 부재이며, 반응 용기(2) 중, 원추형의 모선(23)의 부분에 평행하게 되도록 배치되어 있다. 또한, 엄밀하게 원추형의 모선(23)의 부분에 평행할 필요는 없고, ±5도 정도의 어긋남은 허용된다.

펠티에 소자(5)로서는, 전열 방향의 두께가 얇고, 전열면(51, 52)이 직사각형 또는 정사각형의 형상인 것을 사용한다. 또한, 기타의 특성, 조성 등은 특별히 한정되지 않고 요구되는 램프 레이트에 따른 적절한 것을 사용할 수 있고, 예를 들어 비스무트텔루륨(Bi₂Te₃)계 화합물 등이 사용된다.

펠티에 소자(5)의 전열면(51)은 지지 블록(3)과 접하고 있고, 전열면(52)은 히트 싱크(6)와 접하고 있다. 이들 전열면(51, 52)에는, 열적 결합을 양호하게 하는 것을 목적으로 하여, 전열 그리스나 열전도 윤활유가 도포되어 있는 것이 바람직하다. 전열 그리스나 열전도 윤활유의 상세도 특별히 한정되지 않고 사용하는 펠티에 소자(5)와 지지 블록(3)의 특성에 따라서 적절한 것을 사용하는 것이 바람직하다.

펠티에 소자(5)에는 전열면(51, 52) 간의 수송 열량(단위 와트)의 최대의 출력이 결정되어 있고, 본 실시예의 서멀 사이클러(160)에서는, 이 최대 출력 시의 온도 변화가 램프 레이트가 된다.

도 2로 되돌아가서, 히트 싱크(6)는 펠티에 소자(5)의 제어를 용이하게 하기 위해서, 펠티에 소자(5)의 동작에 관계 없이 전열면(52)의 온도를 거의 일정하게 유지할 목적으로 설치된다. 그 때문에, 펠티에 소자(5)로부터의 열량의 수수에 의해 온도가 변화하지 않을 정도로 열용량이 큰 것이 바람직하고, 열전도율, 비열, 밀도 각각이 큰 금속을 사용함과 함께, 그 체적을 펠티에 소자(5) 등에 비하여 크게 하는 것이 바람직하다.

또한, 히트 싱크(6)의 온도를 실온 등의 환경 온도에 가깝게 유지하기 위해서, 히트 싱크(6)의 펠티에 소자(5)와 접하는 이외의 면에 방열 핀을 마련할 수 있다. 또한, 팬 등을 마련하고, 실온의 공기를 적합하게 하는 등의 방법을 강구하여, 보다 실온으로 유지할 수 있다.

또한, 본 실시예의 서멀 사이클러(160)가 복수 있는 장치에 있어서는, 1개의 큰 히트 싱크(6)를 복수의 서멀 사이클러(160)에서 겸용할 수 있다.

단열 스페이서(7)는 펠티에 소자(5)의 전열면(51, 52) 이외의 면으로부터의 방열·입열을 차단함과 함께, 펠티에 소자(5) 및 지지 블록(3)의 위치를 결정하기 위한 고정 프레임의 역할을 갖는다. 이 때문에, 펠티에 소자(5)와 지지 블록(3)의 수열판(31)의 두께를 합친 두께를 갖는 판이며, 지지 블록(3)의 수열판(31)이나 펠티에 소자(5)가 수납되고, 판의 평면 방향의 위치를 결정할 수 있는 구멍이 뚫려 있는 것이 바람직하다.

단열 스페이서(7)는 도 2에 도시하는 체결 나사(9)에 의해 히트 싱크(6)에 대하여 고정된다. 또한, 단열 스페이서(7)는 지지 블록(3)과 펠티에 소자(5)를 블록 고정 부재(8)로 히트 싱크(6)에 압박하기 위하여, 블록 고정 부재(8)를 고정하는 기반이 된다.

단열 스페이서(7)는 예를 들어 내열성 플라스틱이나 세라믹스 등의, 지지 블록(3)이나 히트 싱크(6) 등에 비하여 열전도율이 낮은 재료를 사용한다.

도 2에 도시한 바와 같이, 블록 고정 부재(8)를 고정 나사(8a)로 체결할 때에는, 단열성을 확보하기 위해서, 블록 고정 부재(8)를 고정하는 고정 나사(8a)와 체결 나사(9)를 별체로 하는 것이 바람직하다.

도 5는 본 실시예의 서멀 사이클러(160)의 일례를 도시하는 조립의 상태를 도시하는 외관도이다. 도 5에 있어서 블록 고정 부재(8)는 3개로 하고 있지만, 지지 블록(3)과 펠티에 소자(5)가 탈락하지 않도록 필요한 개수만큼 마련하면 된다.

또한, 종래 기술의 지지 블록의 일례(도 6, 및 도 7)를 사용하여, 본 발명의 지지 블록의 일례(도 8)를 설명한다.

도 6은, 비교를 위해서, 종래 기술의 서멀 사이클러의 지지 블록의 일례를 도시하는 단면도이다.

도 6에 도시하는 지지 블록(1003)의 수열판(1031)은 수평하게 설치된 펠티에 소자(1005)와 접하도록, 동일하게 수평한 평판이 되어 있다. 홀더부(1302)는 원주 또는 다각형의 기둥이며, 그 중심축(1010)은 연직 방향에서 펠티에 소자(1005)의 전열면의 중앙에 위치하고 있다. 반응 용기(1002)는 삽입 깊이(1302b)만큼 홀더부(1302)에 삽입되어 있다.

도 6에서는 생략되어 있지만, 이 예에서도 도 2에 도시한 본 발명과 마찬가지로 단열 스페이서, 블록 고정 부재, 체결 나사, 히트 싱크는 마찬가지인 것으로 한다. 이 예에서 나타내는 지지 블록(1003)은 상방으로부터의 광의 조사 형광도의 계측을 행하는 타입의 기존의 PCR 장치의 서멀 사이클러에서 사용되고 있다.

도 7도, 비교를 위해서, 종래 기술의 서멀 사이클러의 지지 블록의 일례를 도시하는 단면도이다.

도 7에 도시하는 지지 블록(1003A)은 도 6에서 설명한 지지 블록(1003)과 각 요소의 위치 관계는 거의 동일하다. 상이한 점은, 홀더부(1302A)의 외형이 주상이 아니라, 반응 용기(1002)를 일정한 두께(1302a)로 덮은 원추형이다. 이러한 형상으로 하면, 지지 블록(1003A)의 체적은 최소로 할 수 있으므로, 펠티에 소자(1005)의 열 수송량이 동일하다면 램프 레이트는 최대가 될 것이다.

도 8은 본 실시예의 서멀 사이클러(160)의 지지 블록의 일례를 도시하는 단면도이다. 이하, 도 7에서 설명한 종래 기술의 지지 블록(1003A)의 형태와 본 발명의 지지 블록(3)의 형태의 차이를 설명한다.

도 8에 도시하는 바와 같이, 본 실시예의 지지 블록(3)의 홀더부(32)는 반응 용기(2)를 일정한 두께(32a)로 덮은 원추형이다. 또한 이 원추형은, 펠티에 소자(5)의 중심선(5a)와 반응 용기(2)의 중심축(24)이 시액(1)의 무게 중심(1b)에서 교차하도록 배치한다. 또한, 지지 블록(3) 중 홀더부(32)는 수열판(31)에 대하여 펠티에 소자(5)의 전열면(51)의 평면 영역의 중심선(5a) 상에 반응 용기(2)에 보유된 시액(1)의 무게 중심(1b)이 배치되도록 반응 용기(2)를 지지한다.

상술한 바와 같이, 홀더부(32)는 반응 용기(2)의 원추형 모선(23)에 상당하는 부분에서 수열판(31)과 접하는데, 시액(1)의 양은 언제나 동일하다고는 할 수 없다. 그래서, 대략의 기준으로서, 시액(1)의 무게 중심(1b)은 시액(1)의 최대량과 최소량의 중간의 액량에 상당하는 액량일 때의 무게 중심 위치로 하는 것이 바람직하다. 즉, 엄밀하게 중심선(5a) 상에 시액(1)의 무게 중심(1b)이 배치될 필요는 없고, 다소의 오차는 허용된다.

이와 같이 하여, 펠티에 소자(5)를 연직 방향에 대하여 비스듬히, 또한 반응 용기(2)의 원추형 모선(23)을 따르도록 배치함으로써, 펠티에 소자(5)로부터 지지 블록(3)의 가장 먼 부분까지의 거리(31c)가 최소가 되도록 반응 용기(2)를 지지할 수 있다.

따라서, 전열 속도에 의존한 순시의 지지 블록(3) 내의 온도차가 최소가 되고, 지지 블록(3)의 어느 장소에서 계측한 온도가 반응 용기(2)의 지지 블록(3)과 접하고 있는 부분의 온도와 최소의 오차로 일치할 수 있다.

또한, 펠티에 소자(5)와 그것을 거의 덮는 수열판(31)은 정사각형 혹은 직사각형인데, 직사각형이라면 짧은 변이 수평하게 되도록 설치한 쪽이, 수열판(31) 내의 온도가 균일해지는 경향이 있어 바람직하다. 단 이것은 큰 차로는 되지 않으므로, 어떻게 배치해도 된다.

상술한 도 8에서 설명한 지지 블록(3)의 홀더부(32)와 펠티에 소자(5)의 위치 관계는, 반응 용기(2)의 원추형 꼭지각이 90도보다도 클 때에는 그 효과를 최대한으로 얻는 것이 곤란해질 가능성이 있다. 그러한 경우에는 도 7에 도시한 형태로 하는 것도 가능한데, 상방으로부터 형광도를 측정하기 위하여 적은 시액으로도 깊이를 확보할 수 있도록, 반응 용기(2)의 원추형의 꼭지각은 20도 전후로 하는 것이 바람직하다.

도 9는, 동일한 열 수송량의 조건에서의 수치 전열 시뮬레이션에 의한 온도 변화의 모습으로부터 램프 레이트와 지지 블록 내 온도차를 계산에 의해 구한 결과이다. 도 9에서는, 동일 등량의 시액, 동일 형상의 반응 용기, 및 동일 사양의 펠티에 소자를 사용하는 조건으로 하였다. 또한, 동일한 삽입 깊이(32b)로 한 도 6 내지 도 8에 도시한 형상의 지지 블록을 사용하는 조건으로 하였다.

이 수치 시뮬레이션은, 실측한 블록 온도를 플러스·마이너스 0.2도의 정밀도로 예측할 수 있고 있어, 충분한 예측 정밀도가 있는 것으로 생각된다.

램프 레이트는, 지지 블록에 설치한 온도 센서가 계측한 온도가 설정한 온도차까지 변화하는 데 걸린 시간으로 온도차를 제산하여 구하므로, 실험으로 얻을 수 있지만, 지지 블록 내 온도차는 램프 레이트의 설정 온도차에 달한 순간의 블록 내 최고 온도와 최저 온도의 차이므로 계측할 수 없다. 따라서 이 시뮬레이션을 사용하여 예측하였다.

도 9의 그래프는, 횡축에 지지 블록의 체적, 도 9 중 좌측의 종축에 램프 레이트, 우측의 종축에 블록 내 온도차를 나타내고 있다.

도 9 중, 플롯(81a)은 도 8에 도시하는 본 발명의 지지 블록(3)의 램프 레이트, 플롯(82a)이 동일하게 본 발명의 지지 블록(3)에서의 블록 내 온도차에서의 계산 결과를 나타내고 있다.

도 9 중, 플롯(81b1, 81b2, 81b3)은 도 6에 도시하는 종래 기술의 지지 블록(1003)에서의 램프 레이트의 결과이며, 플롯(82b1, 82b2, 82b3)은 도 6에 도시하는 종래 기술의 지지 블록(1003)에서의 블록 내 온도차의 결과이다. 도 6에 도시하는 형태의 블록은 3개 시작(試作)하고 있고, 각각 체적을 다르게 하였다.

또한, 도 9 중, 플롯(81c)와 플롯(82c)은 도 7에 도시하는 종래 기술의 지지 블록(1003A)에 있어서의 수열판(1301A)의 판 두께(1301a)와 홀더부(1302A)의 두께(1302a)를, 도 8의 형태의 플롯(81a)와 플롯(82a)의 결과를 부여한 지지 블록(3)과 동등하게 한 블록에서 얻어진 결과이다.

도 9에 있어서, 플롯(81c)이나 플롯(82c)이 플롯(81a)이나 플롯(82a)에 비하여 체적이 약간 작은 것은, 수열판과 홀더부의 접합 부분의 필렛 분의 체적 차이다.

도 9에 도시하는 바와 같이, 명백하게 블록 체적이 작을수록 램프 레이트가 커진다. 또한, 본 발명의 배치인 플롯(81a)의 램프 레이트는, 거의 체적이 동등한 플롯(81c)의 램프 레이트보다도 크게 되어 있다. 또한, 플롯(82b)이나 플롯(82c)에 나타내는 바와 같이, 블록 체적의 감소, 즉 램프 레이트의 상승과 함께 블록 내 온도차가 커져서, 블록에 설치한 온도 센서의 온도 측정값이 오차를 갖게 된다.

또한, 도 9에 도시하는 바와 같이, 본 발명의 지지 블록(3)의 결과인 플롯(82b)에서는 거의 동일한 체적의 플롯(82c)에 비하여 블록 내 온도차가 명백하게 작고, 램프 레이트가 큼에도 불구하고 온도 센서(4)의 온도 측정값의 오차를 작게 할 수 있음을 알 수 있다.

이어서, 본 실시예의 효과에 대하여 설명한다.

상술한 본 발명의 실시예 1의 리얼타임 PCR 장치(1000)는 서멀 사이클러(160)와, 서멀 사이클러(160)에 의해 온도가 조정된 시액(1)의 형광 특성을 측정하는 측정부(165)를 구비하고 있다.

이 중 서멀 사이클러(160)는 반응 용기(2)를 지지하는 지지 블록(3)과, 지지 블록(3)에 열적으로 연결되어 있고, 지지 블록(3)을 가열·냉각함으로써 반응 용기(2)에 보유된 시액(1)의 온도를 조정하는 펠티에 소자(5)와, 지지 블록(3)의 온도를 계측하는 온도 센서(4)와, 온도 센서(4)에 의해 계측된 지지 블록(3)의 온도에 기초하여 펠티에 소자(5)에 공급하는 전류 및 전압의 제어를 행하는 온도 조정부(230)를 구비하고, 반응 용기(2)로서, 상부(21)가 개구되고, 하부를 향하여 끝이 가늘어지는 원추형부를 갖고 있는 반응 용기(2)가 사용되고, 펠티에 소자(5)는 반응 용기(2) 중, 원추형의 모선(23)의 부분에 평행하게 되도록 배치되어 있다.

이에 의해, 상방으로부터 형광도를 측정하는 방식으로 반응 용기(2)를 하방 끝이 가는 원추형으로 했을 때에, 일정한 펠티에 소자(5)의 능력에 대하여 지지 블록(3)의 램프 레이트를 종래에 비하여 크게 할 수 있음과 함께, 온도가 시간적으로 변화하고 있을 때의 지지 블록(3) 내의 온도차를 종래에 비하여 작게 할 수 있다. 지지 블록(3)의 램프 레이트를 향상시킴으로써, PCR 장치 자체의 온도 조절에 관계되는 시간을 단축할 수 있고, 임상 검사 시간을 단축할 수 있어, 장치 전체의 편리성을 향상시킬 수 있다.

또한, 지지 블록(3)은 펠티에 소자(5)의 전열면(51)의 평면 영역의 중심선(5a) 상에 반응 용기(2)에 보유된 시액(1)의 무게 중심(1b)이 배치되도록 반응 용기(2)를 지지함과 함께, 전열면(51)으로부터 지지 블록(3)의 가장 먼 부분까지의 거리(31c)가 최소가 되도록 반응 용기(2)를 지지하기 때문에, 지지 블록(3)의 체적을 최소로 할 수 있다. 따라서 지지 블록(3)의 램프 레이트를 보다 크게 유지할 수 있어, 검사 시간의 단축을 보다 용이하게 도모할 수 있다.

또한, 지지 블록(3)은 반응 용기(2)의 외형과 동일한 형상의 홀더 구멍(3a)을 형성하는 홀더부(32)와, 홀더부(32)와 열적으로 연결되어, 펠티에 소자(5)의 전열면(51)과의 열의 수수를 행하는 수열판(31)을 가짐으로써, 펠티에 소자(5)로부터 지지 블록(3)에의 열의 전도를 효율적으로 행할 수 있어, 램프 레이트의 더한층 향상을 도모할 수 있다.

또한, 수열판(31)의 펠티에 소자(5)와의 수열면(31b)은, 펠티에 소자(5)와 동일 형상, 동면적인 것에 의해, 펠티에 소자(5)의 전열면(51)이 공기에 노출되어 있는 면이 커지는 것을 억제할 수 있어, 펠티에 소자(5) 면 내의 온도 분포가 치우쳐서 열응력이 발생하는 것을 방지하여, 펠티에 소자(5)의 내구성을 확보할 수 있다.

또한, 수열판(31)의 수열면(31b)에 수직인 방향의 두께(31a)는, 펠티에 소자(5)와의 접촉 열저항과 지지 블록(3)을 구성하는 재질의 열전달률과의 비인 두께 치수 이상의 두께인 것, 수열판(31)의 수열면에 수직인 방향의 두께(31a)는, 수열면(31b)의 면 내에서의 최대 온도차가, 펠티에 소자(5)의 고온측의 전열면(51, 52)과 저온측의 전열면(51, 52)의 온도차보다도 커지는 최소한의 두께 이상의 두께인 것, 수열판(31)의 수열면(31b)에 수직인 방향의 두께(31a)는, 수열판(31)의 형상을 유지할 수 있는 최소의 두께 이상의 두께인 것에 의해, 펠티에 소자(5) 및 지지 블록(3)의 내구성을 향상시킬 수 있다.

또한, 지지 블록(3)은 홀더부(32)와 수열판(31)을 접속하는 필렛(33)을 더 가짐으로써, 지지 블록(3) 내의 온도차를 보다 작게 할 수 있다는 효과가 얻어진다.

또한, 리얼타임 PCR 장치(1000)의 측정부(165)가 시액(1)을 보유하는 반응 용기(2)의 상방측에 배치된 것에 의해, 반응 용기(2)로서, 선단(22)이 끝이 가는 원추 형상의 것을 보다 용이하게 사용하는 것이 가능하게 된다.

또한, 리얼타임 PCR 장치(1000)가 시액(1)을 작성하는 조액부를 더 구비함으로써, 검사원의 부담을 경감할 수 있어, 검사 결과의 출력까지의 노동력을 경감할 수 있다.

또한, 본 실시예에서는 서멀 사이클러(160)가 리얼타임 PCR 장치(1000)에 탑재되어 있는 경우에 대하여 설명했지만, 본 실시예의 서멀 사이클러(160)는 그 자체로 단독의 장치로 할 수 있다. 이 경우에는, 조액이나 측정을 다른 장치나 검사원, 연구원 자신이 행하게 된다.

또한, 리얼타임 PCR 장치가 조액부를 구비하고 있는 경우에 대하여 설명했지만, 조액만을 검사원이나 연구원 자신이 행하고, 본 실시예의 서멀 사이클러(160)와 측정부(165)를 탑재한 리얼타임 PCR 장치에 의해 핵산 분석을 할 수 있다.

또한, 본 실시예의 서멀 사이클러(160)가 리얼타임 PCR 장치(1000)에 9개 탑재되는 경우에 대하여 설명했지만, 서멀 사이클러(160)의 탑재수위는 특별히 한정되지 않고 적절히 필요한 수를 탑재할 수 있다.

또한, 서멀 사이클러(160)와 조액부나 측정부(165)의 위치 관계에 대해서도 도 1에 도시하는 형태에 한정되지 않고, 적절히 변경 가능하다.

<실시예 2>

본 발명의 실시예 2의 서멀 사이클러 및 그것을 구비한 리얼타임 PCR 장치에 대하여 도 10을 사용하여 설명한다. 실시예 1과 동일한 구성에는 동일한 부호를 나타내고, 설명은 생략한다. 이하의 실시예에 있어서도 마찬가지로 한다.

도 10은 본 실시예의 서멀 사이클러(160)의 온도 제어 시스템을 설명하는 블록도이다.

도 10에 도시한 서멀 사이클러(160A)에 있어서는, 실시예 1과 마찬가지로, 시액(1), 반응 용기(2), 지지 블록(3), 온도 센서(4), 펠티에 소자(5)를 구비하고 있다.

또한, 도 10에 도시하는 바와 같이, 온도 조정부(230)는 온도 센서(4)에 의해 계측된 지지 블록(3)의 온도로부터, 지지 블록(3)의 온도의 시간 변화를 미분/적분하고, 펠티에 소자(5)에의 입력 전류/전압값으로부터 지지 블록(3)에의 입열량을 계산하기 위해서, 리얼타임 PCR 제어계(231), 리얼타임의 블록 온도의 정보를 취득하는 온도 데이터 취득부(232), 펠티에 입력 전류 전압 검출부(233), 시간 적분부(234), 시간 미분부(235), 수송 열량 산출부(236), 시액 열용량 산출부(237), 시액 온도 산출부(239), PCR 사이클 컨트롤러(240), 드라이버 전원(241)을 갖고 있다.

온도 조정부(230)의 각 유닛은, 여러가지 프로그램에 기초하여 실행된다. 이들 프로그램은 내부 기록 매체나 외부 기록 매체 등에 저장되어 있고, CPU에 의해 판독되어, 실행된다.

또한, 동작의 제어 처리는, 하나의 프로그램에 통합되어도 되고, 각각이 복수의 프로그램으로 나누어져 있어도 되고, 그들의 조합이어도 된다. 또한, 프로그램의 일부 또는 전부는 전용 하드웨어로 실현해도 되고, 모듈화되어 있어도 된다.

시액(1)이 반응 용기(2)에 분주되어서 PCR 사이클을 개시할 수 있게 되면, 온도 조정부(230)에 의해 온도 제어가 실행된다.

처음에, 리얼타임 PCR 제어계(231)로부터의 명령에 의해 PCR 사이클 컨트롤러(240)가 온도 제어를 개시한다.

PCR 사이클 컨트롤러(240)는 현상의 시액(1)의 온도의 값과 PCR 사이클의 타임차트, 시액(1)의 설정 온도를 비교함으로써 현시점에서의 펠티에 소자(5)의 동작 상태를 결정하고, 펠티에 소자(5)의 드라이버 전원(241)을 동작시킨다.

시액(1)이 분주된 상태에서는 거의 실온에 가까운 온도이며, PCR 사이클에서 설정되는 온도는 이것보다도 높다. 이 때문에, 처음에는 반드시 온도 상승의 동작이 행하여진다. 이 시점에서 시액(1)의 열용량은 모른다. 그래서, 드라이버 전원(241)은 펠티에 소자(5)의 최대 능력으로 지지 블록(3)에 열 수송을 행하도록 전류 전압을 펠티에 소자(5)에 공급한다.

이때의 지지 블록(3)의 온도 변화의 모습은 온도 센서(4)로 축차 계측되어, 리얼타임의 블록 온도 정보가 된다.

동시에, 드라이버 전원(241)이 펠티에 소자(5)에 공급하고 있는 전류 전압의 정보는 펠티에 입력 전류 전압 검출부(233)로부터 검출되어, 수송 열량 산출부(236)에서 온도와 마찬가지로 펠티에 소자의 열 수송량이 리얼타임 데이터화된다.

온도 데이터 취득부(232)에서 취득된 지지 블록(3)의 온도 데이터는, 시간 적분부(234)에서 축차 시간 적분되고, 시간 미분부(235)에서 축차 시간 미분된다. 펠티에 소자(5)가 일정 열 수송량으로 동작하고 있을 때의 온도 시간 미분의 역수가 램프 레이트이다.

시액 열용량 산출부(237)에서는, 수송 열량 산출부(236)에서 얻어진 펠티에 소자(5)의 열 수송량이 일정한 기간에 취득한 램프 레이트를 수송 열량 산출부(236)에서 얻어진 펠티에 소자(5)의 열 수송량으로 제산하여 열용량을 구한다.

구하는 열용량은, 지지 블록(3), 반응 용기(2), 시액(1)의 전체 열용량을 나타내고 있다. 이 중, 지지 블록(3), 반응 용기(2)의 열용량은, 그들의 재질이나 체적이 기지이므로, 미리 구할 수 있다. 즉, 이들 지지 블록(3)이나 반응 용기(2)의 열용량을 구해진 열용량으로부터 차감함으로써 시액(1)의 열용량을 구할 수 있다. 이 열용량을 시액 열용량 일시 기억 데이터(238)로서 기록한다.

온도의 시간 적분부(234)의 값은 지지 블록(3), 반응 용기(2), 시액(1)의 전체에 더하여진 열량의 총합을 나타내고 있어, 열용량의 비율로 비례 배분하면 시액(1)에 가해진 열량이 된다. 따라서, 시액 온도 산출부(239)에 있어서, 이들 열량의 계산을, 시액 열용량 일시 기억 데이터(238)를 사용하여 행함으로써, 리얼타임의 시액(1)의 평균 온도를 산출할 수 있다.

이상에 의해, PCR 사이클 컨트롤러(240)는 시액(1)의 정확한 온도를 바탕으로 온도 제어를 행할 수 있게 된다. 이상에서 얻어지는 시액(1)의 온도의 정확함은 지지 블록(3) 내의 순시의 온도차와 동등하므로, 상술한 실시예 1에서 설명한 블록 내 온도차가 작은 지지 블록(3)의 사용이 전제가 된다.

기타의 구성·동작은 전술한 실시예 1의 서멀 사이클러 및 그것을 구비한 리얼타임 PCR 장치와 대략 동일한 구성·동작이며, 상세는 생략한다.

본 발명의 실시예 2의 서멀 사이클러 및 그것을 구비한 리얼타임 PCR 장치에 있어서도, 전술한 실시예 1의 서멀 사이클러 및 그것을 구비한 리얼타임 PCR 장치와 거의 마찬가지의 효과가 얻어진다.

<기타>

또한, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니라, 여러가지 변형예가 포함된다. 상기 실시예는 본 발명을 이해하기 쉽게 설명하기 위하여 상세하게 설명한 것이며, 반드시 설명한 모든 구성을 구비하는 것에 한정되는 것은 아니다.

1: 시액
1b: 무게 중심
2: 반응 용기
3: 지지 블록
3a: 홀더 구멍
4: 온도 센서
5: 펠티에 소자
5a: 중심선
6: 히트 싱크
7: 단열 스페이서
8: 블록 고정 부재
8a: 고정 나사
9: 체결 나사
21: 상부
22: 선단
23: 모선
24: 중심축
31: 수열판
31a: 두께
31b: 수열면
31c: 거리
32: 홀더부
32a: 두께
32b: 삽입 깊이
33: 필렛
51, 52: 전열면
81a: 플롯
82a: 플롯
160, 160A: 서멀 사이클러
165: 측정부
200: 제어 장치
230: 온도 조정부(입열량 조정부)
231: 리얼타임 PCR 제어계
232: 온도 데이터 취득부
233: 펠티에 입력 전류 전압 검출부
234: 시간 적분부
235: 시간 미분부
236: 수송 열량 산출부
237: 시액 열용량 산출부
238: 시액 열용량 일시 기억 데이터
239: 시액 온도 산출부
240: 사이클 컨트롤러
241: 드라이버 전원
1000: 리얼타임 PCR 장치

Claims

반응 용기를 지지하는 지지 블록과,
상기 지지 블록에 열적으로 연결되어 있고, 상기 지지 블록을 가열 또는 냉각함으로써 상기 반응 용기에 보유된 시액의 온도를 조정하는 펠티에 소자와,
상기 지지 블록의 온도를 계측하는 온도 센서와,
상기 온도 센서에 의해 계측된 상기 지지 블록의 온도에 기초하여 상기 펠티에 소자에 공급하는 전류 및 전압의 제어를 행하는 입열량 조정부를 구비하고,
상기 반응 용기로서, 상부가 개구되고, 하부를 향하여 끝이 가늘어지는 원추형부를 갖고 있는 반응 용기가 사용되고,
상기 펠티에 소자는, 상기 반응 용기 중, 원추형의 모선 부분에 평행하게 되도록 배치되어 있고,
상기 지지 블록은,
상기 반응 용기의 외형과 동일한 형상의 홀더 구멍을 형성하는 홀더부와,
상기 홀더부와 열적으로 연결되어, 상기 펠티에 소자의 전열면과의 열의 수수를 행하는 수열판과,
상기 홀더부와 상기 수열판을 접속하는 필렛을 갖는
것을 특징으로 하는 서멀 사이클러.
제1항에 있어서,
상기 지지 블록은, 상기 펠티에 소자의 전열면 평면 영역의 중심선 상에 상기 반응 용기에 보유된 상기 시액의 무게 중심이 배치되도록 상기 반응 용기를 지지함과 함께, 상기 전열면으로부터 상기 지지 블록의 가장 먼 부분까지의 거리가 최소가 되도록 반응 용기를 지지하는
것을 특징으로 하는 서멀 사이클러.
삭제
제1항에 있어서,
상기 수열판의 상기 펠티에 소자와의 수열면은, 상기 펠티에 소자와 동일 형상이고, 동일 면적인
것을 특징으로 하는 서멀 사이클러.
제1항에 있어서,
상기 수열판의 상기 펠티에 소자와의 수열면에 수직인 방향의 두께는, 상기 펠티에 소자와의 접촉 열저항과 상기 지지 블록을 구성하는 재질의 열전달률의 곱 이상의 두께인
것을 특징으로 하는 서멀 사이클러.
제1항에 있어서,
상기 수열판의 상기 펠티에 소자와의 수열면에 수직인 방향의 두께는, 상기 수열면의 면 내에서의 최대 온도차가, 상기 펠티에 소자의 고온측의 전열면과 저온측의 전열면의 온도차보다도 커지는 최소한의 두께 이상의 두께인
것을 특징으로 하는 서멀 사이클러.
제1항에 있어서,
상기 수열판의 상기 펠티에 소자와의 수열면에 수직인 방향의 두께는, 상기 수열판의 형상을 유지할 수 있는 최소의 두께 이상의 두께인
것을 특징으로 하는 서멀 사이클러.
제1항에 있어서,
상기 홀더부는, 상기 홀더 구멍의 둘레에 일정한 두께를 갖고 있는
것을 특징으로 하는 서멀 사이클러.
삭제
제1항에 있어서,
상기 입열량 조정부는, 상기 온도 센서에 의해 계측된 상기 지지 블록의 온도로부터, 상기 지지 블록의 온도의 시간 변화를 미분 및 적분하고, 상기 펠티에 소자에의 입력 전류 및 전압값으로부터 상기 지지 블록에의 입열량을 계산하는
것을 특징으로 하는 서멀 사이클러.
제1항에 기재된 서멀 사이클러와,
상기 서멀 사이클러에 의해 온도가 조정된 시액의 형광 특성을 측정하는 측정부를 구비한
것을 특징으로 하는 리얼타임 PCR 장치.
제11항에 있어서,
상기 측정부는, 상기 시액을 보유하는 상기 반응 용기의 상방측에 배치된
것을 특징으로 하는 리얼타임 PCR 장치.
제11항에 있어서,
상기 시액을 작성하는 조액부를 더 구비한
것을 특징으로 하는 리얼타임 PCR 장치.