(57)【要約】【課題】正確な温度制御、温度測定と迅速な昇温、降温を行うことができる反応制御装置を提供すること。【解決手段】本発明は、サンプルを容れるための１または複数のウェルを有する反応槽と、前記反応槽に熱を伝導しうるように該反応槽に接して設けられ、所定の温度の液体をそれぞれ導入および排出するためのインレットおよびアウトレットを備えた熱交換槽と、液体をそれぞれ所定の温度に保つための温度制御可能な熱源を備えた複数の液体リザーバタンクと、前記熱交換槽の前記インレットおよび前記アウトレットと前記液体リザーバタンクとの間を接続する管状の流路と、前記管状流路上に設置された、前記熱交換槽と前記液体リザーバタンクとの間で前記液体を循環させるためのポンプと、前記管状流路上に設置された、前記循環する前記液体の流れを制御するための切り替えバルブであって、前記複数の液体リザーバタンクからの所定の温度の前記液体の前記熱交換槽への流入を所定の時間間隔で切り替えることによって、前記反応槽の温度を所望の温度に制御する、切り替えバルブとを備え、前記サンプルの量が１ウェル当たり数μＬ以下であり、循環させる前記液体の総容積が１液体リザーバタンク当たり数十ｍＬ以上である、液体還流型反応制御装置を提供する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプルを容れるための１または複数のウェルを有する反応槽と、
前記反応槽に熱を伝導しうるように該反応槽に接して設けられ、所定の温度の液体をそ
れぞれ導入および排出するためのインレットおよびアウトレットを備えた熱交換槽と、
液体をそれぞれ所定の温度に保つための温度制御可能な熱源を備えた複数の液体リザー
バタンクと、
前記熱交換槽の前記インレットおよび前記アウトレットと前記液体リザーバタンクとの
間を接続する管状の流路と、
前記管状流路上に設置された、前記熱交換槽と前記液体リザーバタンクとの間で前記液
体を循環させるためのポンプと、
前記管状流路上に設置された、前記循環する前記液体の流れを制御するための切り替え
バルブであって、前記複数の液体リザーバタンクからの所定の温度の前記液体の前記熱交
換槽への流入を所定の時間間隔で切り替えることによって、前記反応槽の温度を所望の温
度に制御する、切り替えバルブと、
を備え、
前記サンプルの量が１ウェル当たり数μＬ以下であり、循環させる前記液体の総容積が
１液体リザーバタンク当たり数十ｍＬ以上である、
液体還流型反応制御装置。
【請求項２】
ＰＣＲ装置として使用する、請求項１に記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項３】
さらに、前記サンプル中に蛍光色素を含有させた場合に、前記反応槽の温度切り替えに
連動して前記ウェル内の前記蛍光色素が発する蛍光を検出し、蛍光強度の時間変化を測定
するための蛍光検出手段を備える、請求項１または２に記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項４】
前記蛍光検出手段が、前記反応槽の前記ウェルの各々に対応して設けられている、請求
項３に記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項５】
前記反応槽の一つまたは複数のウェルに配置された前記サンプル液の蛍光強度変化から
サンプル液の温度変化を見積もる手段と、
その結果に基づいて前記反応槽の温度を迅速に変化させる手段と、
をさらに備える、請求項３または４に記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項６】
前記液体リザーバタンクの数が、前記反応槽の設定したい温度の数と同一である請求項
１〜５のいずれかに記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項７】
前記液体リザーバタンクの数が、２または３である、請求項６に記載の液体還流型反応
制御装置。
【請求項８】
前記反応槽の底面および壁面が、厚さ1ミクロンから100ミクロンのアルミ、ニッケル、
マグネシウム、チタン、プラチナ、金、銀、銅を含む金属、もしくはシリコンから形成さ
れている、請求項１〜７のいずれかに記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項９】
前記ウェルの底面の形状が、平底状、半球状、三角錐状、または球状である、請求項１
〜８のいずれかに記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項１０】
前記ウェルの各々に、反応に必要な試薬が乾燥した状態で予め内包されており、サンプ
ル溶液との接触により溶出して反応を可能とする、請求項１〜９のいずれかに記載の液体
還流型反応制御装置。
【請求項１１】
前記反応槽が、該反応槽内の前記サンプルからの光学信号の測定を容易にする孔もしく
は光学窓をさらに備える、請求項１〜１０のいずれかに記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項１２】
前記反応槽が、前記熱交換槽に対して着脱可能に設置されている、請求項１〜１１のい
ずれかに記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項１３】
前記反応槽の前記熱交換槽への着脱方式が、
（ａ）前記反応槽の外周に筒状の枠を、前記熱交換槽に筒状の反応槽受け口を設け、
前記反応槽の前記枠の外表面と、前記熱交換槽の反応槽受け口の内表面とにねじ山を設け
て、該ねじ山に沿った回転運動により前記反応槽を前記熱交換槽に着脱可能に装着する方
式、
（ｂ）前記反応槽の外周の前記筒状の枠および前記熱交換槽の前記筒状の反応槽受け
口をそれぞれテーパー状にして、前記反応槽受け口に対して前記反応槽を着脱可能に圧着
させる方式、
（ｃ）前記反応槽をスライドガラス状の反応槽枠内に固定し、前記熱交換槽の反応槽
受け口にガイドレールを設け、該ガイドレールに沿って前記スライドガラス状の反応槽枠
を着脱可能に装着する方式、および
（ｄ）前記スライドガラス状の反応槽枠を、ヒンジを有するスライド受けに挿入し、
該ヒンジ機構に基づいた回転動作により、前記スライドガラス状の前記反応槽枠を前記熱
交換槽の前記反応槽受け口に対して着脱可能に装着する方式、
のうちのいずれかである、請求項１２に記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項１４】
さらに、前記液体が還流している状態でありながら、前記液体を前記液体還流型反応制
御装置の外部に漏らすことなく前記反応槽を前記熱交換槽から着脱することを可能とする
機構を備えている、請求項１２または１３に記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項１５】
前記液体リザーバタンクが、熱源、温度計、液体攪拌系を備え、該液体攪拌系は該液体
リザーバタンク内の液体を連続的もしくはデュティーサイクル比１０％以上で攪拌するこ
とにより、該液体リザーバタンク内の該液体の温度分布を５℃以内に抑制できる熱源制御
系を備える、請求項１〜１４のいずれかに記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項１６】
前記切り替えバルブの動作を制御する切り替えバルブ制御機構をさらに備える、請求項
１〜１５のいずれかに記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項１７】
前記切り替えバルブは、前記複数の液体リザーバタンクのうち、任意の液体リザーバタ
ンクの液体を前記熱交換槽に導くことができ、前記熱交換槽中の前記液体を元の液体リザ
ーバタンクに戻すことができる、請求項１〜１６のいずれかに記載の液体還流型反応制御
系。
【請求項１８】
前記切り替えバルブの制御により前記熱交換槽内の前記液体を置換する際、前記熱交換
槽内部の前記液体はその温度に最も近い温度に保持されている液体リザーバタンクに導か
れる様に前記切り替えバルブが制御される、請求項１６または１７に記載の液体還流型反
応制御装置。
【請求項１９】
さらに、断熱材、ヒーター、および冷却機構を含む補助温度制御機構であって、前記切
り替えバルブと前記液体リザーバタンクとを結合する前記流路内部の前記液体の温度の変
動を抑制する補助温度制御機構を備えている、請求項１〜１８のいずれかに記載の液体還
流型反応制御装置。
【請求項２０】
さらに、前記切り替えバルブと前記液体リザーバタンクとを結合する前記流路内部の前
記液体が前記熱交換槽に導かれるか非かにかかわらず、前記液体リザーバタンクからの前
記液体と連続的に置換されることにより温度の変化を抑制する機構を前記切り替えバルブ
内に備えている、請求項１〜１９のいずれかに記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項２１】
前記切り替えバルブが、断面が円もしくは多角形の中空構造中をスライドするピストン
から構成されており、該ピストンの位置によって前記反応槽に接する液体の温度を制御す
る、請求項１〜２０のいずれかに記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項２２】
前記切り替えバルブにおいて、前記ピストンが、
（ａ）該ピストンに接続されたピストンロッドに対して機械的に外力を加えることによ
って、
（ｂ）自体磁性体であるピストンもしくは磁性体が内部に装着されたピストンを使用し
て、該ピストンと前記切り替えバルブ外部に配置された電磁コイルとを含む磁場発生機構
との相互作用によって、または
（ｃ）ピストン両端に前記循環する液体の流れによる圧力差を生じさせることによって
、
スライドする、請求項２１に記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項２３】
前記切り替えバルブにおいて、
円柱状、円盤状、円錐状の回転体であって、前記液体リザーバタンクから送られた液体
の流路となる複数の溝が外表面に形成され、さらに前記溝のそれぞれに流体連絡可能に接
続されたトンネル状の流路が形成された回転体が、前記熱交換槽に回転可能に挿入されて
おり、
前記トンネル状の流路の端がそれぞれ前記切り替えバルブのインレットまたはアウトレ
ットとして機能し、
前記回転体が回転することにより、前記インレットに導入される異なる温度の液体が前
記溝部分を流れる際に反応槽外部に接触する、請求項１〜２０のいずれかに記載の液体還
流型反応制御装置。
【請求項２４】
前記循環させる液体として、熱容量が大きく、かつ粘性が低い液体を用いる、請求項１
〜２３に記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項２５】
前記循環させる液体として、沸点が水の沸点より高い液体を用いる、請求項１〜２４の
いずれかに記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項２６】
前記循環させる液体として、凝固点が水の凝固点より低い液体を用いる、請求項１〜２
５のいずれかに記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項２７】
前記反応槽の前記ウェル側の表面を密封して覆う部材であって、該ウェル中のサンプル
溶液の光学的な観察が可能なように少なくとも一部が光学的に透明な部材と、
前記部材の前記光学的に透明な部分を加熱する加熱機構と
を含むサンプル蒸発防止機構をさらに備える、請求項１に記載の液体還流型反応制御装置
。
【請求項２８】
前記部材と前記反応槽の前記ウェル側の表面との距離が３ｍｍ以下である、請求項２７
に記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項２９】
前記加熱機構によって加熱される前記部材の前記光学的に透明な部分の温度が８０℃か
ら１１０℃の範囲である、請求項２７に記載の液体還流型反応制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基礎生命科学、医学基礎研究ならびに医療現場において、迅速に微量の遺伝
子解析の研究や臨床を行うに適する反応容器を用いた遺伝子解析装置に関するものであり
、例えば人間をはじめとする動物や植物のゲノムＤＮＡ、メッセンジャーＲＮＡ等の核酸
塩基配列から特定の塩基配列を高速で検出するための反応装置を扱う遺伝子解析に関する
ものである。
【背景技術】
【０００２】
ポリメラーゼ連鎖反応（Polymerase chain reaction以下、PCRと略記する。）は、様々
な種類の核酸の混合物から特定の核酸配列を増幅する方法である。混合物中にゲノムDNA 
あるいはメッセンジャーRNAから逆転写した相補的DNA等のDNAテンプレート、２種類以上
のプライマーと熱安定性酵素、マグネシウムなどの塩、および４種類のデオキシリボヌク
レオシド三リン酸（dATP、dCTP、dGTP、dTTP）をいれ、核酸を分離させる工程と、前記プ
ライマーを結合させる工程と、熱安定性酵素によってプライマーが結合した核酸を鋳型と
してハイブリダイゼーションさせる工程を少なくとも一回繰り返すことによって、特定の
核酸配列を増幅させることができる。DNA増幅反応に用いられる反応容器を昇温、降温さ
せることによって、熱サイクルを行っている。温度変化用の機構は色々と挙げられるが、
サンプルを含む反応容器の温度をヒーターないしペルチェ素子、温風を用いた熱交換で変
化させる機構、反応容器を異なる温度のヒータブロックもしくは液体バスに交互に接触さ
せることにより温度を変化させる機構、異なる温度の領域を有する流路中にサンプルを流
して温度を変える方法がある。現状の市販装置として最速なものとして、例えばロッシュ
社のライトサイクラー（Ｌｉｇｈｔ  Ｃｙｃｌｅｒ）では、複数のガラスキャピラリー管
の各々に試料とＤＮＡポリメラーゼとプライマーとなるＤＮＡ小片および計測用の蛍光標
識色素を導入し、このキャピラリー管内の微量液滴の温度を、例えば５５℃と９５℃の２
つの温度など、変化させたい液滴の温度と同じ温度の温風を吹き付けることで変化させ、
同時に、このガラスキャピラリー管に蛍光色素の励起光を照射し、得られた蛍光強度を計
測する機構を有するものである。これらの方法によりサンプルの温度を繰り返し変化させ
ることが可能である。
【０００３】
また、試料含有領域の外壁へ流体ジェットを衝突させることにより、試料温度を制御す
る流体衝突熱サイクラー装置が報告されている（特表２００１―５１９２２４（特許文献
１））
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００１−５１９２２４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ヒーターないしペルチェ素子での温度速度は、毎秒数℃程度と遅く、また温度のオーバ
ーシュールなしに温度を変化させることは困難である。基本的に固体中の熱伝導を利用す
ると熱源と表面の間には熱勾配が形成されてしまい、厳密な制御は不可能である。また、
サンプルがヒーターないしペルチェ素子に触れた瞬間に熱が奪われ、表面温度が所定温度
に復帰するまでの遅延が発生する。また異なるヒーターないし液体バスに反応槽を接触さ
せる場合には、移動用の機構が複雑であるとか、ヒーターないし液体バスの温度制御が困
難である。さらに、異なる温度領域を有する流路中にサンプルを流す方法においては、サ
ンプルの移動に伴って流路自体の表面温度が変化してしまい、温度制御が困難であるとい
った問題がある。また、温風を吹き付けて温度変化を行う場合には、空気の熱容量が少な
いため、多量の空気を吹き付ける必要があり、また、同様に空気の熱容量が少ないため、
電熱線等で吹き付ける空気の最終的な吹き出し温度を１℃単位で厳密に制御することは困
難である。
【０００６】
従って、本発明は、正確な温度制御、温度測定と迅速な昇温、降温を行うことができる
反応制御装置を提供することを目的とする。より具体的には、本発明は、正確な温度制御
、温度測定と迅速な昇温、降温を行うことができ、それによって高速であり、高精度、高
増幅率のPCR反応を行うことができるDNA増幅装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の反応制御装置は、サンプル液の温度変化について
、変化させたい複数の温度について、各温度が維持された熱容量の大きな液体を熱交換の
媒体に用いることと、この熱容量の大きな複数の異なる温度の液体を高速で変化させる手
段と、この熱容量の大きな液体とサンプル液との熱交換が迅速に行われる微小反応槽を用
いることを特徴とする。具体的には、熱交換に適した構造および材質で構成される微小反
応槽と、各反応に適した温度の液体を微小反応槽外部に循環させる熱交換槽と、液体の温
度を高精度で維持する熱源を含む複数の液体リザーバタンクと、微小反応槽の温度を迅速
に変化させるために任意の液体リザーバタンクから反応槽外部へ液体導くための切り替え
バルブ系と、上記バルブ系の切り替えの際に異なる温度の液体の混合防止機構から構成さ
れている。
【０００８】
すなわち、本発明は、以下の液体還流型反応制御装置を提供する。
（１）サンプルを容れるための１または複数のウェルを有する反応槽と、
上記反応槽に熱を伝導しうるように該反応槽に接して設けられ、所定の温度の液体をそ
れぞれ導入および排出するためのインレットおよびアウトレットを備えた熱交換槽と、
液体をそれぞれ所定の温度に保つための温度制御可能な熱源を備えた複数の液体リザー
バタンクと、
上記熱交換槽の上記インレットおよび上記アウトレットと上記液体リザーバタンクとの
間を接続する管状の流路と、
上記管状流路上に設置された、上記熱交換槽と上記液体リザーバタンクとの間で上記液
体を循環させるためのポンプと、
上記管状流路上に設置された、上記循環する上記液体の流れを制御するための切り替え
バルブであって、上記複数の液体リザーバタンクからの所定の温度の上記液体の上記熱交
換槽への流入を所定の時間間隔で切り替えることによって、上記反応槽の温度を所望の温
度に制御する、切り替えバルブと、
を備え、
上記サンプルの量が１ウェル当たり数μＬ以下であり、循環させる上記液体の総容積が
１液体リザーバタンク当たり数十ｍＬ以上である、液体還流型反応制御装置。
（２）ＰＣＲ装置として使用する、上記（１）に記載の液体還流型反応制御装置。
（３）さらに、上記サンプル中に蛍光色素を含有させた場合に、上記反応槽の温度切り替
えに連動して上記ウェル内の上記蛍光色素が発する蛍光を検出し、蛍光強度の時間変化を
測定するための蛍光検出手段を備える、上記（１）または（２）に記載の液体還流型反応
制御装置。
（４）上記蛍光検出手段が、上記反応槽の上記ウェルの各々に対応して設けられている、
上記（３）に記載の液体還流型反応制御装置。
（５）上記反応槽の一つまたは複数のウェルに配置された上記サンプル液の蛍光強度変化
からサンプル液の温度変化を見積もる手段と、
その結果に基づいて上記反応槽の温度を迅速に変化させる手段と、
をさらに備える、上記（３）または（４）に記載の液体還流型反応制御装置。
（６）上記液体リザーバタンクの数が、上記反応槽の設定したい温度の数と同一である上
記（１）〜（５）のいずれかに記載の液体還流型反応制御装置。
（７）上記液体リザーバタンクの数が、２または３である、上記（６）に記載の液体還流
型反応制御装置。
（８）上記反応槽の底面および壁面が、厚さ1ミクロンから100ミクロンのアルミ、ニッケ
ル、マグネシウム、チタン、プラチナ、金、銀、銅を含む金属、もしくはシリコンから形
成されている、上記（１）〜（７）のいずれかに記載の液体還流型反応制御装置。
（９）上記ウェルの底面の形状が、平底状、半球状、三角錐状、または球状である、上記
（１）〜（８）のいずれかに記載の液体還流型反応制御装置。
（１０）上記ウェルの各々に、反応に必要な試薬が乾燥した状態で予め内包されており、
サンプル溶液との接触により溶出して反応を可能とする、上記（１）〜（９）のいずれか
に記載の液体還流型反応制御装置。
（１１）上記反応槽が、該反応槽内の上記サンプルからの光学信号の測定を容易にする孔
もしくは光学窓をさらに備える、上記（１）〜（１０）のいずれかに記載の液体還流型反
応制御装置。
【０００９】
（１２）上記反応槽が、上記熱交換槽に対して着脱可能に設置されている、上記（１）〜
（１１）のいずれかに記載の液体還流型反応制御装置。
（１３）上記反応槽の上記熱交換槽への着脱方式が、
（ａ）上記反応槽の外周に筒状の枠を、上記熱交換槽に筒状の反応槽受け口を設け、
上記反応槽の上記枠の外表面と、上記熱交換槽の反応槽受け口の内表面とにねじ山を設け
て、該ねじ山に沿った回転運動により上記反応槽を上記熱交換槽に着脱可能に装着する方
式、
（ｂ）上記反応槽の外周の上記筒状の枠および上記熱交換槽の上記筒状の反応槽受け
口をそれぞれテーパー状にして、上記反応槽受け口に対して上記反応槽を着脱可能に圧着
させる方式、
（ｃ）上記反応槽をスライドガラス状の反応槽枠内に固定し、上記熱交換槽の反応槽
受け口にガイドレールを設け、該ガイドレールに沿って上記スライドガラス状の反応槽枠
を着脱可能に装着する方式、および
（ｄ）上記スライドガラス状の反応槽枠を、ヒンジを有するスライド受けに挿入し、
該ヒンジ機構に基づいた回転動作により、上記スライドガラス状の上記反応槽枠を上記熱
交換槽の上記反応槽受け口に対して着脱可能に装着する方式、
のうちのいずれかである、上記（１２）に記載の液体還流型反応制御装置。
（１４）さらに、上記液体が還流している状態でありながら、上記液体を上記液体還流型
反応制御装置の外部に漏らすことなく上記反応槽を上記熱交換槽から着脱することを可能
とする機構を備えている、上記（１２）または（１３）に記載の液体還流型反応制御装置
。
（１５）上記液体リザーバタンクが、熱源、温度計、液体攪拌系を備え、該液体攪拌系は
該液体リザーバタンク内の液体を連続的もしくはデュティーサイクル比１０％以上で攪拌
することにより、該液体リザーバタンク内の該液体の温度分布を５℃以内に抑制できる熱
源制御系を備える、上記（１）〜（１４）のいずれかに記載の液体還流型反応制御装置。
（１６）上記切り替えバルブの動作を制御する切り替えバルブ制御機構をさらに備える、
上記（１）〜（１５）のいずれかに記載の液体還流型反応制御装置。
（１７）上記切り替えバルブは、上記複数の液体リザーバタンクのうち、任意の液体リザ
ーバタンクの液体を上記熱交換槽に導くことができ、上記熱交換槽中の上記液体を元の液
体リザーバタンクに戻すことができる、上記（１）〜（１６）のいずれかに記載の液体還
流型反応制御系。
（１８）上記切り替えバルブの制御により上記熱交換槽内の上記液体を置換する際、上記
熱交換槽内部の上記液体はその温度に最も近い温度に保持されている液体リザーバタンク
に導かれる様に上記切り替えバルブが制御される、上記（１６）または（１７）に記載の
液体還流型反応制御装置。
（１９）さらに、断熱材、ヒーター、および冷却機構を含む補助温度制御機構であって、
上記切り替えバルブと上記液体リザーバタンクとを結合する上記流路内部の上記液体の温
度の変動を抑制する補助温度制御機構を備えている、上記（１）〜（１８）のいずれかに
記載の液体還流型反応制御装置。
（２０）さらに、上記切り替えバルブと上記液体リザーバタンクとを結合する上記流路内
部の上記液体が上記熱交換槽に導かれるか非かにかかわらず、上記液体リザーバタンクか
らの上記液体と連続的に置換されることにより温度の変化を抑制する機構を上記切り替え
バルブ内に備えている、上記（１）〜（１９）のいずれかに記載の液体還流型反応制御装
置。
【００１０】
（２１）上記切り替えバルブが、断面が円もしくは多角形の中空構造中をスライドするピ
ストンから構成されており、該ピストンの位置によって上記反応槽に接する液体の温度を
制御する、上記（１）〜（２０）のいずれかに記載の液体還流型反応制御装置。
（２２）上記切り替えバルブにおいて、上記ピストンが、
（ａ）該ピストンに接続されたピストンロッドに対して機械的に外力を加えることによ
って、
（ｂ）自体磁性体であるピストンもしくは磁性体が内部に装着されたピストンを使用し
て、該ピストンと上記切り替えバルブ外部に配置された電磁コイルとを含む磁場発生機構
との相互作用によって、または
（ｃ）ピストン両端に上記循環する液体の流れによる圧力差を生じさせることによって
、
スライドする、上記（２１）に記載の液体還流型反応制御装置。
（２３）上記切り替えバルブにおいて、
円柱状、円盤状、円錐状の回転体であって、上記液体リザーバタンクから送られた液体
の流路となる複数の溝が外表面に形成され、さらに上記溝のそれぞれに流体連絡可能に接
続されたトンネル状の流路が形成された回転体が、上記熱交換槽に回転可能に挿入されて
おり、
上記トンネル状の流路の端がそれぞれ上記切り替えバルブのインレットまたはアウトレ
ットとして機能し、
上記回転体が回転することにより、上記インレットに導入される異なる温度の液体が上
記溝部分を流れる際に反応槽外部に接触する、上記（１）〜（２０）のいずれかに記載の
液体還流型反応制御装置。
（２４）上記循環させる液体として、熱容量が大きく、かつ粘性が低い液体を用いる、上
記（１）〜（２３）に記載の液体還流型反応制御装置。
（２５）上記循環させる液体として、沸点が水の沸点より高い液体を用いる、上記（１）
〜（２４）のいずれかに記載の液体還流型反応制御装置。
（２６）上記循環させる液体として、凝固点が水の凝固点より低い液体を用いる、上記（
１）〜（２５）のいずれかに記載の液体還流型反応制御装置。
【００１１】
（２７）上記反応槽の上記ウェル側の表面を密封して覆う部材であって、該ウェル中のサ
ンプル溶液の光学的な観察が可能なように少なくとも一部が光学的に透明な部材と、
上記部材の上記光学的に透明な部分を加熱する加熱機構と
を含むサンプル蒸発防止機構をさらに備える、上記（１）に記載の液体還流型反応制御装
置。
（２８）上記部材の上記光学的に透明な部分と上記反応槽の上記ウェルのある表面との距
離が３ｍｍ以下である、上記（２７）に記載の液体還流型反応制御装置。
（２９）上記加熱機構によって加熱される上記部材の上記光学的に透明な部分の温度が８
０℃から１１０℃の範囲である、上記（２７）に記載の液体還流型反応制御装置。
【発明の効果】
【００１２】
還流する液体で反応槽の温度を制御する本発明の利点として次のようなものが挙げられ
る。まず温度のオーバーシュート問題を解決することができる。すなわち、常に還流して
いる液体の温度はほぼ一定であることから、反応槽表面の温度と液体の温度はほぼ瞬時に
平衡化することができる。本発明において、反応槽およびサンプルの熱容量は、還流して
いる液体と比較して微々たるものであり、また、局所的に液体から熱が奪われたとしても
液体は連続して流れてくることから、熱勾配は基本的に発生しない。勿論、反応槽の温度
は液体の温度を超えることはない。本発明の代表的な実施形態によれば、異なる温度の液
体を熱交換槽に順次に流し込むことにより、0.5秒以内に30℃以上温度を変化させること
が可能である。したがって、本発明によれば、温度変更に必要な時間を極めて短くできる
ことから、例えば、ＰＣＲ反応を遂行するためのトータルタイムを従来の装置よりも格段
に短縮することが可能である。
【００１３】
本発明に従った反応制御装置においては、熱伝導率に優れた反応槽の外部に一定温度の
保持された液体を接触させ、さらに異なる温度の液体で迅速に置換することにより、サン
プル温度を高精度で制御すること、および迅速な昇温、降温が可能となる。本発明によれ
ば、高速、高精度、高増幅率のPCR反応を行うことができる。
【００１４】
また、本発明は、サンプル溶液が加熱されることによるサンプル液の蒸発を防ぐことが
できるため、微量のサンプルを使用するＰＣＲ反応において有利である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の反応制御装置の全体構成を示す模式図である。
【図２】本発明の反応制御装置に使用される熱交換槽の概略図である。
【図３】本発明の反応制御装置に使用される反応槽の形態と凍結乾燥試薬の溶解方法を示す模式図である。
【図４】本発明の反応制御装置に使用される円柱型反応枠と熱交換槽への取り付け方法を示す模式図である。
【図５】本発明の反応制御装置に使用されるバルブの切り替えシーケンスを示す模式図である。
【図６】本発明の反応制御装置を用いて行った（Ａ）温度変化に関するデータと、（Ｂ）ＰＣＲ反応の結果を示す図である。
【図７】本発明の反応制御装置に使用されるスライドガラス型反応枠と熱交換槽への取り付け方法を示す模式図である。
【図８】本発明の反応制御装置に使用されるスライド型ピストンバルブの駆動機構を模式図である。
【図９】本発明の反応制御装置に使用されるスライド型ピストンバルブの駆動機構を示す模式図である。
【図１０】本発明の反応制御装置に使用される回転弁式バルブの駆動機構を示す模式図である。
【図１１】本発明の反応制御装置に使用されるメンブレンによる温度変化機構を示す模式図である。
【図１２】本発明の反応制御装置に使用される温度設定型バルブの駆動機構を示す模式図である。
【図１３】本発明の反応制御装置に使用される熱交換槽の構成の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明するが、これらの実施形態は
例示であって、本発明の範囲がこれらに限定されるものではない。
【００１７】
図１は、本発明の反応制御装置の一実施形態の全体構成を示す模式図である。本発明の
反応制御装置は、典型的には、反応槽（reaction vessel）１、反応槽枠２、熱交換槽（h
eat exchange vessel）３、液体リザーバタンク（liquid reservoir tank）４、熱源５、
攪拌機構６、ポンプ７、切り替えバルブ８、バイパス流路９、および補助温度制御機構１
０を備える。好ましくは、さらに蛍光検出器２０１、および制御信号２０３を送るための
制御解析部２０２、および光学窓（または孔）２０４を備える。
【００１８】
反応槽１は、典型的には、窪み（ウェル）を複数個有するアルミ、ニッケル、マグネシ
ウム、チタン、プラチナ、金、銀、および銅などの金属、もしくはシリコン等の薄板など
から構成され得るが、熱伝導性が高く、PCRを妨げない材料であればこれらの材料に限定
されない。また、金属薄膜の表面をプラスチック等の親水性でかつ金属の腐食を防ぐ素材
で被覆してもよい。窪み領域における薄板の厚さは、熱伝導性を高めるため周囲に比べて
薄く構成されていることが好ましく、典型的には10から30ミクロン程度の厚さであるがこ
れに限定されない。隣り合った窪みの間の領域は全体的に強度を担保するためにより厚く
なっていることが好ましく、典型的には、厚さが100ミクロンから500ミクロンの範囲にあ
るがこれに限定されない。反応槽１は、典型的には、四角、円形などの形状の反応槽枠２
の底面に固定されて一体的に形成される。反応槽１および反応槽枠２は、典型的には、熱
交換槽３に対して着脱可能に構成される（図４を参照）。
【００１９】
熱交換槽３には熱交換用の液体が導入されて使用される。導入される液体の温度は、液
体リザーバタンク４の内部に配置されている熱源５により制御されている。熱源５の表面
から迅速に熱を奪い、液体リザーバタンク４内部の温度を均一にするために、攪拌機構６
が備えられていることが好ましい。液体リザーバタンク４中の液体はポンプ７により流路
内部に導かれる。切り替えバルブ８によって、液体は熱交換槽３に導かれるか、バイパス
流路９に導かれることにより直接液体リザーバタンク４に戻る。必要に応じて、補助温度
制御機構１０によって、液体の温度が微妙に制御され、液体リザーバタンク４内部の温度
変動を抑制するようになっている。
【００２０】
熱交換槽３に導入される液体としては、水を用いてもよいがこれに限定されず、熱容量
が大きく、かつ、粘性が低い液体（例：液体アンモニア）ならば任意のものを用いること
ができる。また、例えば、水より沸点の高い液体を用いることで、確実に、サンプル液を
１００℃にしたり、あるいは、水より凝固点の低い液体を用いることで、装置内で循環す
る液体の凝固を防ぎながら水の凝固点までの温度の変化を確実に行うこともできる。
【００２１】
好適には、図１に示すように、反応槽枠２には、反応槽１内のサンプル液の反応によっ
て変化するサンプル液中の蛍光色素の蛍光強度の変化を、１つあるいは複数の反応槽の各
々について計測できるように、蛍光色素の励起光ならびに蛍光を透過する光学窓２０４が
配置されている。また、蛍光検出器２０１が配置されることで、計測された各反応槽１の
蛍光強度の時間変化を計測することができる。図１の実施例では、複数の蛍光検出器２０
１各々の内に、励起光照射機構と、蛍光検出機構が具備されており、例えば、ＰＣＲ反応
を行わせる場合には、異なるプライマー、あるいは異なるサンプル液を滴下した複数の反
応槽１の各々の異なるＰＣＲ増幅情報を独立して計測することができる構成となっている
。また、蛍光検出器２０１で取得された蛍光強度データは、制御解析部２０２で記録され
、ＰＣＲ反応によって得られたサンプル液内のＤＮＡ量、あるいは、ｍＲＮＡ量を見積も
る機能を有する。さらに、制御解析部２０２では、切り替えバルブ８の切り替え情報を取
得することで、バルブ切り替え後のサンプル液の温度変化が目的の温度に達したかどうか
を、蛍光強度の時間変化から見積もる機能、およびその結果に基づいてバルブ切り替えを
制御する機構も有する。これは、蛍光色素が普遍的にもつ水分子の運動に基づいた蛍光消
光が液温に依存することを利用して、蛍光強度の単位時間での変化量が小さくなること、
あるいは、ゼロとなることから見積もるものであり、特に、ＤＮＡを変性させる高温状態
の達成の確認に有効である。
【００２２】
また、図１に示す実施例では、各反応槽１に１つの検出器を配置する構成を示したが、
蛍光励起用光源と冷却ＣＣＤカメラなどの蛍光定量検出が可能なカメラを組み合わせて複
数の反応槽１の蛍光強度変化を計測してもよい。あるいは、反応槽１の数より少ない検出
器を用いる場合には、Ｘ−Ｙ面で高速に移動することができる機械式駆動機構を検出器と
組み合わせることで、すべての反応槽１の蛍光強度を計測してもよい。
【００２３】
また、サンプル液の容量は、通常１ウェル当たり数μＬ以下であるが、１ウェル当たり
０．１μＬ〜１００μＬの範囲を使用することができ、好ましくは、１ウェル当たり０．
５μＬ〜１０μＬであり、さらに好ましくは、１ウェル当たり１μＬ〜１０μＬであり、
さらにより好ましくは、１ウェル当たり１μＬ〜５μＬであり、最も好ましくは、１ウェ
ル当たり１μＬ〜２μＬである。ウェルにはサンプル液の他に、サンプル液の蒸発を防ぐ
ためのミネラルオイルなどを含有させてもよい。ミネラルオイルの容量としては、数μＬ
（例：３〜４μＬ）程度が好ましいが、これに限定されず、ウェルの大きさやサンプル量
により適宜変更しうることは当業者に明らかである。
【００２４】
図２は、本発明の反応制御装置に使用される熱交換槽３の概略図である。熱交換槽３は
、基本構成として、異なる温度の液体を導入するインレットＡ（１１）、インレットＢ（
１２）を備える。また、熱交換槽３は、熱交換槽３の液体を液体リザーバタンク４に戻す
ための複数のアウトレット、アウトレットＡ（１３）およびアウトレットＢ（１４）を備
える。図２Ａは、液体リザーバタンク４からのある温度の液体をインレットＡ（１１）か
ら導入し、アウトレットＡ（１３）から排出する様子を、図２Ｂは、液体リザーバタンク
４からの別の温度の液体をインレットＢ（１２）から導入し、アウトレットＢ（１４）か
ら排出する様子を、それぞれ模式的に示す。インレットの数は２に限定されず、サンプル
液の温度を変化させたい複数の温度に一致する数だけ２温度分以上の複数を用意すること
ができる。例えば、３温度系を達成したい場合にはインレットの数は３つとなる。アウト
レットの数もインレットの場合と同様、２に限定されない。なお、図２中の矢印は熱交換
槽３に導入または熱交換槽３から排出する液体の流れる方向を大まかに示したものである
。
【００２５】
熱交換槽３と液体リザーバタンク４との間を循環させる液体の総容積は、液体の熱容量
や温度の安定性などを考慮して、通常数十ｍＬ以上であり、好ましくは、１００ｍＬ以上
、より好ましくは、２００ｍＬ以上、さらに最も好ましくは、３００ｍＬ以上である。容
積の上限は、装置の可搬性等を考慮して適宜設定できる。
【００２６】
熱交換槽３の容量は、ウェル当たりのサンプル量の約１０倍以上が好ましく、約１００
倍以上であることがより好ましく、約１０００倍以上であれば最も好ましい。典型的には
、熱交換槽の容量は、１ウェルに対して約０．０１ｍＬ〜１０ｍＬであり、より好ましく
は、約０．０５ｍＬ〜５ｍＬであり、最も好ましくは、約０．１ｍＬ〜２ｍＬである。
【００２７】
図３は、本発明の反応制御装置に使用される反応槽の形態と凍結乾燥試薬の溶解方法を
示す模式図である。色々な形状の反応槽またはウェルを用いることが可能であり、図３Ａ
は一つの例として、熱交換槽の液体と接する面が、フラットな反応槽Ａ（２１）、半球状
である反応槽Ｂ（２２）、三角錐状である反応槽Ｃ（２３）、球状である反応槽Ｄ（２４
）を、それぞれ示している。熱伝導の効率を考えると、熱交換槽の液体と接する面の面積
が大きいほど効率がよいことは当業者ならば容易に理解できる。
【００２８】
反応に必要な試薬は凍結乾燥しておくと便利である。図３Ｂに示すように、反応槽２６
の底部に凍結乾燥試薬２５を調製しておくことは可能である。また、サンプルを分注する
際に用いられる分注チップ２７内部にプラグ状の凍結乾燥試薬２５を形成しておけば、サ
ンプル液２８を上下に移動させることにより試薬をサンプル中に溶解することが可能であ
る。または、ナイロン繊維等が束ねられている繊維玉２９表面に凍結乾燥試薬２５を形成
しておき、反応槽２６内部のサンプル２８中に挿入して攪拌することにより凍結乾燥試薬
を溶解することも可能である。
【００２９】
図４は、本発明の反応制御装置に使用される円柱型反応枠３２、およびその熱交換槽３
７への取り付け方法を示す模式図である。薄膜から構成されている反応槽を直接ハンドリ
ングするのは不便であるので、図４Ａに示すように、反応槽３１を反応槽枠３２に固定す
ると便利である。反応槽枠３２は断熱性材質であるポリスチレン、ポリカーボネート、Ｐ
ＥＥＫ，アクリル等で形成することが望ましい。また、反応槽３１との結合面積をできる
だけ小さく（例：５ｍｍ２以下）抑えることが、反応槽３１の迅速かつ高精度な昇温、降
温に望ましい。
【００３０】
図４Ｂは、反応槽３１を熱交換槽３７に装着する１つの態様として、反応槽枠３２の表
面にネジ山３４を形成しておき、反応槽枠３２を熱交換槽３７の反応槽受け口３３にねじ
込む方法を示す。図４Ｂに示すように、水密性の保持のために、開口部にシール３５を装
着することが望ましい。図４Ｃはさらに別の装着方法を示す。図４Ｃに示すように、テー
パー状反応槽枠３６を採用し、圧力のみで熱交換槽３８に装着することも可能である。
【００３１】
図５は、本発明の反応制御装置に使用されるバルブの切り替え機構の具体例を示す。反
応槽に液体を導入するためのインレットバルブＡ（４１）、インレットバルブＢ（４３）
、外部に導くためのアウトレットバルブＡ（４２）とアウトレットバルブＢ（４４）が示
されている。インレットバルブＡ（４１）から導かれる液体はアウトレットバルブＡ（４
２）から液体リザーバタンク４に戻り、インレットバルブＡ（４３）から導かれる液体は
アウトレットバウルＢ（４４）から別の液体リザーバタンク４に戻る。この二つの状態を
交互に繰り替えることにより、反応槽中のサンプルを反応することができる。さらに望ま
しいバルブ切り替え方法としては、上記の二つの状態以外に、インレットバルブＢ（４３
）とアウトレットバルブＡ（４２）、もしくはインレットバルブＡ（４１）とアウトレッ
トバルブＢ（４４）が一瞬の間同時に開放することにより、異なる温度の液体が混合する
ことを抑制でき、それぞれの系の液体リザーバタンクの温度制御が容易になる。
【００３２】
液体の循環速度は、特に限定されないが、通常約１ｍＬ／秒〜１００ｍＬ／秒であり、
より好ましくは、５ｍＬ／秒〜５０ｍＬ／秒であり、最も好ましくは、７ｍＬ／秒〜１５
ｍＬ／秒である。
【００３３】
図６Ａは、上記の機構を用いることによって実現できた温度制御に関するデータから得
られたグラフを示す。図６Ａに示すように、1.5秒といった短時間で、温度を60℃から92
℃に昇温させ、また60℃に戻すことが可能である。図６Ｂは、リアルタイムPCRによる結
果を示すグラフである。PCRを行うときの溶液条件は以下のとおりである。反応バッファ
ー 1.0 μL、2mM dNTP (dATP、dCTP、dGTP、dTTP) 1μL、25 mM 硫酸マグネシウム 1.2 
μL、10％牛胎仔血清 0.125μL、SYBR Green I 0.5 μL、プライマー2種類各0.6μL、 滅
菌水 3.725μL、KOD plus polymerase 0.25μL、ゲノムDNA1.0 μLの割合で混ぜ合わせた
。温度条件としては、まず95℃ 10 sec行い、次に95℃ 1 sec、60℃ 3 secの温度変化を4
0サイクル行った。液体の循環速度は、約１０ｍＬ／秒であった。
【００３４】
図７は、本発明の反応制御装置に使用される反応槽５９および反応槽枠５１の熱交換槽
への脱着方法に関するバリエーションを示す。反応槽５９は、スライドガラス型反応槽枠
５１に張られて取り付けられている（図７Ａ）。このスライドガラス型反応槽枠５１を熱
交換槽に装着するにあたって、ガイドレール５３に沿って反応槽枠５１を横にスライドさ
せ、シール５４に押し付けて固定することができる（図７Ｂ）。または、スライドガラス
型反応枠５１をスライド受け口５５に挿入して、ヒンジ５６を活用して、シール５７に押
し付けることも可能である（図７Ｃ）。
【００３５】
図８は、本発明の反応制御装置に使用されるバルブの切り替え機構のバリエーションを
示す模式図であり、図５に示したものとは異なるスライド型ピストンバルブの駆動機構を
示す。反応槽６６の温度を変えるバルブ機構として左右にスライドできるピストン６５を
用いる。ピストン６５の左側にはインレットＡ（６１）から熱交換槽６７に液体が導入さ
れ、アウトレットＡ（６２）から外部に導かれる。ピストン６５の右側にはインレットＢ
（６３）から熱交換槽６７に液体が導入され、アウトレットＢ（６４）から外部に導かれ
る。ピストン６５が反応槽６６に対して右にスライドすると、反応槽６６はインレットＡ
（６１）から導入された液体の温度と平衡に達し、逆に左側にスライドするとインレット
Ｂ（６３）から導入される液体の温度と平衡に達する。また、ピストン６５が反応槽６６
の真下に位置する場合には、液体が漏れることなく反応槽６６を外すことができる。ピス
トン６５は断熱性に勝れた素材で製作するか、内部が空洞になっており気体で満たされて
いたり、または真空状態にあることが望ましい。なお、図８中の矢印は、液体の流れる方
向を大まかに示す。
【００３６】
図９は、本発明の反応制御装置に使用されるピストンバルブのピストンの駆動機構のい
くつかのバリエーションを示す。一つの方法としては、ピストン７１がピストンロッド７
２と一体になっており、外部から直接動かす方法である（図９Ａ）。別の方法としては、
ピストン７３を鉄、ニッケル等の強磁性材料で作製するか、その他の素材で作製されたピ
ストンの内部に磁石７４を組み込む。外部に電磁コイル７５を設置し、電流を制御するこ
とにより、ピストン７３を左右にスライドする（図９Ｂ）。さらなる方法としては、イン
レット側の圧力もしくはアウトレットの流体抵抗を制御することにより、ピストン７６の
両側での圧力差を利用してピストン７６を左右にスライドすることも可能である（図９Ｃ
）。なお、図９中の白抜き矢印はピストンの動く方向を示し、黒塗り矢印は、流体の流れ
を示し、矢の向きによって流体の流れる方向を、矢の太さによって流量を大まかに示す。
【００３７】
図１０は、本発明の反応制御装置に使用されるバルブの切り替え機構の別の形態を示す
。回転軸としての棒８２が結合されている傾いた楕円形の板からなる回転弁８１が、断面
が円形の熱交換槽８３内部に挿入されている。回転弁８１は熱交換槽８３を左右に分断し
ており、回転軸８２を回すことにより、熱交換槽の右もしくは左から導入される液体を反
応槽８４に導くことができる。図１０における回転弁８１の形状としては、傾斜した平板
であるが、その他の螺旋ネジ等の形状も可能であり、回転軸を回転させることにより同様
な効果を生み出す形状であればよい。なお、図１０中の黒塗り矢印は回転軸８２の回転方
向を示し、白抜き矢印は、液体の流れる様子を大まかに示す。
【００３８】
図１１は、バルブ以外の構造により液体を置換する構造を示す。熱交換槽９８はメンブ
ランＡ（９５）とメンブランＢ（９６）によって仕切られている。インレットＡ（９１）
から導入された液体はアウトレットＡ（９２）により外部に導き出される。メンブランが
存在するが故、インレットＢ（９３）やアウトレットＢ（９４）から導き出されることは
ない（図１１Ａ）。インレットＡ（９１）から導入される液体の圧力が、インレットＢ（
９３）から導入される液体の圧力に勝る場合には、メンブランＡ（９５）とメンブランＢ
（９６）を左側に押し出すことによって、インレットＡ（９１）から導入される液体の熱
が反応槽９７に伝わる（図１１Ｂ）。インレットＡ（９１）とインレットＢ（９３）から
導入される液体の圧力の関係が逆の場合には、反応槽９７の温度はインレットＢ（９３）
から導入される液体の温度と平衡状態に達する（図１１Ｃ）。メンブランは耐熱ゴム等、
耐熱性に優れた薄い膜から作製することが望ましい。なお、図１１中の矢印は、液体の流
れる方向を大まかに示す。
【００３９】
図１２は、本発明の反応制御装置に使用される温度設定型バルブのさらに別の駆動機構
を示す模式図である。本発明においては、設定できる温度は二つに限定されるものではな
い。図１２には、反応槽の温度を３つ以上設定できる構造を示す。熱交換槽１０３には、
側面に溝１０２が形成されたロータリーバルブ１０１が挿入されている。ロータリーバル
ブ１０１の両側にはインレットとアウトレットが設けられており、例えばインレットＡ（
１０４）から導入された液体は流路１０８を経て溝１０２に流れこみ、反応槽１０９に熱
を伝えてからアウトレットＡ（１０５）から外に導かれる。それに対して、インレットＢ
（１０６）から導入された液体は反応槽１０９に接することなく、アウトレットＢ（１０
７）から外に導かれる。しかし、ロータリーバルブ１０１を回転することにより、任意の
インレットから導入された液体を反応槽と接することが可能である（図１２Ｃ）。経過時
間１１１に伴ってロータリーバルブ１０１を回転することにより、図１２Ｃのグラフに示
すように温度１１０を変化させることが可能である。ロータリーバルブ１０１は断熱性材
料から作製されていることが望ましい。
【００４０】
図１３は、本発明の反応制御装置に使用される熱交換槽の構成の一例を示す模式図であ
る。上部パネルＡはその側面図であり、下部パネルＢは上面図である。
【００４１】
図１３を参照して、反応槽１はサンプルを容れるためのアレイ状に配置された凹状の複
数の窪み３０６を備える。反応槽１の下部には、Ｏ−リング３０５を介して熱交換槽３が
接して配置されており、インレットＡ１１およびインレットＡ１２から熱交換槽３に導入
される熱交換液によって反応槽１の温度が調節される。反応槽１の上部には、蒸発防止機
構３０１が密着して配置される。この蒸発防止機構３０１によって、サンプル液が熱交換
槽１からの熱によって加熱され蒸発して散逸することを防ぐことができる。蒸発防止機構
３０１は、典型的には、密着部材３０２、光学的に透明な部材（例：ガラスヒーター）３
０３、および必要に応じて高分子シート３０４を備える。高分子シート３０４は、密着部
材３０２と反応槽１との密着性を高めることができる。窪み３０６に容れられたサンプル
溶液は、光学的に透明な部材３０３を通して、制御解析部２０１により動作が制御された
蛍光検出器２０２によりサンプルの蛍光強度の変化が検出される。
【００４２】
図１３に示す実施例では、窪み３０６の各々に載せた液量１マイクロリットルから１０
マイクロリットル微量の反応液の液滴の高速での温度変化を繰り返すことでＰＣＲ反応を
行うことができる。まず、ＰＣＲ溶液の液滴がセットされた反応槽１は、熱交換槽３にＯ
−リング３０５を介して密着するように配置される。熱交換槽３には、熱交換液用の複数
のインレットが接続されており、２つ以上の温度の異なる熱交換液がインレットから注入
される。本実施例では、２つの温度の熱交換をするひとつの例としてインレットＡ１１と
インレットＢ１２を示しているが、インレットの数はこれに限定されるわけではなく、必
要に応じて、同様に３つ以上の異なる温度を反応槽１で実現させるために３つ以上のイン
レットを構成することができる。
【００４３】
蒸発防止機構３０１の上面の光学的に透明な部材３０３は、外部から蛍光検出器１０１
等の光学装置により反応槽１の窪み３０６中の反応液の液滴の蛍光強度の変化等の光学的
な指標の観察が可能なように、ガラスやプラスチック等の光学的に光を透過する透明な素
材で構成され得る。さらに、この光学的に透明な部材３０３は、上記の光学的に透明な素
材の表面にＩＴＯ(Indium Tin Oxide：酸化インジウムスズ)等の電流を流すことで温度を
上昇させることができる光学的に透明な素材でできた発熱部を付加し、光学的に透明なガ
ラスと発熱部とが一体化したガラスヒーターとしてもよい。このようなガラスヒーターを
使用して蒸発防止機構の上面を加熱することで反応槽１のPCR溶液の液滴の蒸発を防止す
ることができる。
【００４４】
したがって、蒸発防止機構３０１の一つの例示的な実施形態は、光学的に透明なガラス
と発熱機構とが一体化したガラスヒーター３０３、密封部材３０２、反応槽１と密閉部材
３０２とを密着させる高分子シート３０４からなる。反応槽１を蒸発防止機構３０１と熱
交換槽３で挟み込むことにより、微量の反応液の蒸発があっても反応槽１と蒸発防止機構
３０１との間の空間内ですぐに飽和蒸気圧となる。この飽和蒸気圧となった場合に水蒸気
が密封部材３０２およびガラスヒーター３０３などの内壁で結露することが無いように、
例えば、外気に接するガラスヒーター３０３の温度を８０℃から１１０℃の範囲で加熱す
ることで、水蒸気の結露を防ぐことができる。また、このようにガラスヒーター３０３に
よって加熱されたガラス表面には曇り止めの効果があり、蛍光検出器１０１での反応液の
蛍光量検出を妨げないという利点がある。
【００４５】
密封部材３０１の密封の性能は、高分子シート３０４等で高めることが可能である。使
用されうる高分子シートとしては、ゴム、シリコン等があるがこれらに限定されない。
【００４６】
また、蒸発防止機構と反応槽１との間の空間の容積をより少なくすることが、飽和水蒸
気圧に達した水蒸気の全量をより少量に抑えることを可能にすることから、ガラスヒータ
ー３０３と、反応槽１の表面との間の距離をできるだけ小さくすると有利である。ガラス
ヒーター３０３と反応槽１の表面との距離は、約１０ｍｍ以下であることが好ましく、約
７ｍｍ以下であることがより好ましく、約５ｍｍ以下であることがさらにより好ましく、
約３ｍｍ以下であることが最も好ましい。また、本実施例では蒸発防止機構３０１の上面
の加熱機構についてガラスヒーター３０３を一つの例として用いたが、同様に加熱機構や
熱伝導系を持った金属板等に、蛍光検出器１０１からの液滴の蛍光検出が可能となる光学
的に透明な窓を配置したものをガラスヒーター３０３の代わりに用いても良い。また、蒸
発防止機構を用いた場合は、微量の液滴であっても蒸発が防がれることから、液滴の上に
ミネラルオイル等の液層の配置は行わなくても良い。
【００４７】
このようにして、図１３に示す実施例では、熱交換槽３からの熱による反応槽の水滴の
蒸発によるサンプル液の散逸を防ぐことができる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、サンプルの温度を厳密に制御することが求められる反応を行うための反応装
置として有用である。本発明はまた、サンプルの温度変更を迅速に行うことが求められる
反応を行うための反応装置として有用である。
【００４９】
本発明は特に、高速、高精度、高増幅率のPCR反応を行うことができるＰＣＲ装置とし
て有用である。本発明の装置はまた、小型化が可能なため、ポータブルＰＣＲ装置として
有用である。
【００５０】
また、本発明は、サンプル溶液が加熱されることによるサンプル液の蒸発を防ぐことが
できるため、微量のサンプルを使用するＰＣＲ反応において有用である。
【符号の説明】
【００５１】
１  反応槽
２  反応槽枠
３  熱交換槽
４  液体リザーバタンク
５  熱源
６  攪拌機構
７  ポンプ
８  切り替えバルブ
９  バイパス流路
１０  補助温度制御機構
１１  インレットＡ
１２  インレットＢ
１３  アウトレットＡ
１４  アウトレットＢ
２１，２２，２３，２４，２６  反応槽
２５  凍結乾燥試薬
２７  分注チップ
２８  サンプル
２９  繊維玉
３１  反応槽
３２  反応槽枠
３３  反応槽受け口
３４  ネジ山
３５  シール
３６  テーパー状反応槽枠
３７，３８  熱交換槽
４１  インレットバルブＡ
４２  アウトレットバルブＡ
４３  インレットバルブＢ
４４  アウトレットバルブＢ
５１  スライドガラス型反応槽枠
５２，５８  熱交換槽の反応槽受け口
５３  ガイドレール
５４，５７  シール
５５  スライド受け口
５６  ヒンジ
５９  反応槽
６１  インレットＡ
６２  アウトレットＡ
６３  インレットＢ
６４  アウトレットＢ
６５  ピストン
６６  反応槽
６７  熱交換槽
７１  ピストン
７２  ピストンロッド
７３  ピストン
７４  磁石
７５  電磁コイル
７６  ピストン
８１  回転弁
８２  回転軸
８３  熱交換槽
８４  反応槽
９１  インレットＡ
９２  アウトレットＡ
９３  インレットＢ
９４  アウトレットＢ
９５  メンブランＡ
９６  メンブランＢ
９７  反応槽
９８  熱交換槽
１０１  ロータリーバルブ
１０２  溝
１０３  熱交換槽
１０４  インレットＡ
１０５  アウトレットＡ
１０６  インレットＢ
１０７  アウトレットＢ
１０８  流路
１０９  反応槽
１１０  温度
１１１  経過時間
２０１  蛍光検出器
２０２  制御解析部
２０３  制御信号
２０４  光学窓
３０１  蒸発防止機構
３０２  密封部材
３０３  ガラスヒーター
３０４  高分子シート
３０５  O-リング
３０６  窪み（ウェル）
【図１】
2014236756.tif 000002
【図２】
2014236756.tif 000003
【図３】
2014236756.tif 000004
【図４】
2014236756.tif 000005
【図５】
2014236756.tif 000006
【図６】
2014236756.tif 000007
【図７】
2014236756.tif 000008
【図８】
2014236756.tif 000009
【図９】
2014236756.tif 000010
【図１０】
2014236756.tif 000011
【図１１】
2014236756.tif 000012
【図１２】
2014236756.tif 000013
【図１３】
2014236756.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成26年9月26日(2014.9.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプルを容れるための１または複数のウェルを有する反応槽であって、該反応槽の底面および壁面が、厚さ1ミクロンから100ミクロンの金属またはシリコンから形成されている、反応槽と、
前記反応槽に熱を伝導しうるように該反応槽に接して設けられ、所定の温度の液体をそれぞれ導入および排出するためのインレットおよびアウトレットを備えた熱交換槽と、
液体をそれぞれ所定の温度に保つための温度制御可能な熱源を備えた液体リザーバと、
前記熱交換槽の前記インレットおよび前記アウトレットと前記液体リザーバとの間を接続する流路と、
前記流路上に設置された、前記熱交換槽と前記液体リザーバタンクとの間で前記液体を循環させるためのポンプと、
前記複数の液体リザーバからの所定の温度の前記液体の前記熱交換槽への流入を所定の時間間隔で切り替えることによって、前記循環する前記液体の流れを制御するための切り替え機構と、
前記流路上に配置された、前記流路内の前記液体の温度の変動を抑制するための補助温度制御機構と
を備える、液体還流型反応制御装置。
【請求項２】
サンプルを容れるための１または複数のウェルを有する反応槽であって、該反応槽の底面および壁面が、厚さ1ミクロンから100ミクロンの金属またはシリコンから形成されている、反応槽と、
前記反応槽に熱を伝導しうるように該反応槽に接して設けられ、所定の温度の液体をそれぞれ導入および排出するためのインレットおよびアウトレットを備えた熱交換槽と、
液体をそれぞれ所定の温度に保つための温度制御可能な熱源を備えた液体リザーバと、
前記熱交換槽の前記インレットおよび前記アウトレットと前記液体リザーバとの間を接続する第1の流路と、
前記第１の流路の前記インレット側と前記アウトレット側との間を接続し、前記熱交換槽を迂回するバイパス流路と、
前記流路上に設置された、前記熱交換槽または前記バイパス流路と前記液体リザーバタンクとの間で前記液体を循環させるためのポンプと、
前記複数の液体リザーバからの所定の温度の前記液体の前記熱交換槽または前記バイパス流路への流入を所定の時間間隔で切り替えることによって、前記循環する前記液体の流れを制御するための切り替え機構と、
を備える、液体還流型反応制御装置。
【請求項３】
ＰＣＲ装置として使用する、請求項１または２に記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項４】
さらに、前記反応槽中の前記サンプル液中に蛍光色素を含有させた場合に、前記蛍光色素が発する蛍光を検出し、蛍光強度の時間変化を測定するための蛍光検出手段を備える、請求項１〜３のいずれかに記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項５】
前記蛍光検出手段が、前記反応槽の前記ウェルの各々に対応して設けられている、請求項４に記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項６】
前記反応槽の一つまたは複数のウェルに配置された前記サンプル液の蛍光強度変化からサンプル液の温度変化を見積もる手段と、
その結果に基づいて前記反応槽の温度を迅速に変化させる手段と、
をさらに備える、請求項４または５に記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項７】
前記液体リザーバの数が、前記反応槽の設定したい温度の数と同一である請求項１〜６のいずれかに記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項８】
前記液体リザーバの数が、２または３である、請求項７に記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項９】
前記金属が、アルミ、ニッケル、マグネシウム、チタン、プラチナ、金、銀、および銅からなる群から選択される、請求項１〜８のいずれかに記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項１０】
前記ウェルの底面の形状が、平底状、半球状、三角錐状、または球状である、請求項１〜９のいずれかに記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項１１】
前記ウェルの各々に、反応に必要な試薬が乾燥した状態で予め内包されており、サンプル溶液との接触により溶出して反応を可能とする、請求項１〜１０のいずれかに記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項１２】
前記反応槽が、該反応槽内の前記サンプルからの光学信号の測定を容易にする孔もしくは光学窓をさらに備える、請求項１〜１１のいずれかに記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項１３】
前記反応槽が、前記熱交換槽に対して着脱可能に設置されている、請求項１〜１２のいずれかに記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項１４】
前記反応槽の前記熱交換槽への着脱方式が、
（ａ）前記反応槽の外周に筒状の枠を、前記熱交換槽に筒状の反応槽受け口を設け、前記反応槽の前記枠の外表面と、前記熱交換槽の反応槽受け口の内表面とにねじ山を設けて、該ねじ山に沿った回転運動により前記反応槽を前記熱交換槽に着脱可能に装着する方式、
（ｂ）前記反応槽の外周の前記筒状の枠および前記熱交換槽の前記筒状の反応槽受け口をそれぞれテーパー状にして、前記反応槽受け口に対して前記反応槽を着脱可能に圧着させる方式、
（ｃ）前記反応槽をスライドガラス状の反応槽枠内に固定し、前記熱交換槽の反応槽受け口にガイドレールを設け、該ガイドレールに沿って前記スライドガラス状の反応槽枠を着脱可能に装着する方式、および
（ｄ）前記スライドガラス状の反応槽枠を、ヒンジを有するスライド受けに挿入し、該ヒンジ機構に基づいた回転動作により、前記スライドガラス状の前記反応槽枠を前記熱交換槽の前記反応槽受け口に対して着脱可能に装着する方式、
のうちのいずれかである、請求項１３に記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項１５】
さらに、前記液体が還流している状態でありながら、前記液体を前記液体還流型反応制御装置の外部に漏らすことなく前記反応槽を前記熱交換槽から着脱することを可能とする機構を備えている、請求項１３または１４に記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項１６】
前記液体リザーバが、熱源、温度計、液体攪拌系を備え、該液体攪拌系は該液体リザーバ内の液体を連続的もしくはデュティーサイクル比１０％以上で攪拌することにより、該液体リザーバ内の該液体の温度分布を５℃以内に抑制できる熱源制御系を備える、請求項１〜１５のいずれかに記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項１７】
前記切り替え機構の動作を制御する制御機構をさらに備える、請求項１〜１６のいずれかに記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項１８】
前記切り替え機構は、前記複数の液体リザーバのうち、任意の液体リザーバの液体を前記熱交換槽に導くことができ、前記熱交換槽中の前記液体を元の液体リザーバに戻すことができる、請求項１〜１７のいずれかに記載の液体還流型反応制御系。
【請求項１９】
前記切り替え機構の制御により前記熱交換槽内の前記液体を置換する際、前記熱交換槽内部の前記液体はその温度に最も近い温度に保持されている液体リザーバに導かれる様に前記切り替え機構が制御される、請求項１７または１８に記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項２０】
さらに、前記流路内部の前記液体の温度の変動を抑制する補助温度制御機構を備える、請求項２に記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項２１】
さらに、前記切り替え機構と前記液体リザーバとを結合する前記流路内部の前記液体が前記熱交換槽に導かれるか非かにかかわらず、前記液体リザーバタンクからの前記液体と前記バイパス流路を介して連続的に置換されることにより温度の変化を抑制する機構を前記切り替えバルブ内に備えている、請求項２に記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項２２】
前記切り替え機構が、断面が円もしくは多角形の中空構造中をスライドするピストンから構成されており、該ピストンの位置によって前記反応槽に接する液体の温度を制御する、請求項１〜２１のいずれかに記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項２３】
前記切り替え機構において、前記ピストンが、
（ａ）該ピストンに接続されたピストンロッドに対して機械的に外力を加えることによって、
（ｂ）自体磁性体であるピストンもしくは磁性体が内部に装着されたピストンを使用して、該ピストンと前記切り替え機構外部に配置された電磁コイルとを含む磁場発生機構との相互作用によって、または
（ｃ）ピストン両端に前記循環する液体の流れによる圧力差を生じさせることによって、
スライドする、請求項２２に記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項２４】
前記切り替え機構が、
（i）前記インレットおよびアウトレット各々に設けられた切り替えバルブから構成され、該切り替えバルブを用いて、１組の前記インレットおよび前記アウトレットを開放し、別の組の前記インレットおよび前記アウトレットを閉じることを交互に行うことによって、前記各液体が混合することを抑制しつつ、該溶液が切り替えられる、または
（ii）前記熱交換槽と、当該熱交換槽の内部にスライド可能に挿入されたピストンであって、前記熱交換槽から前記反応槽が取り外された際に生じる開口を閉塞可能なピストンとを備えたスライド型ピストンバルブを含む機構を備えている、または、
（iii）円柱形状の内部空間を有する前記熱交換槽と、当該熱交換槽の円形断面に対してほぼ垂直な軸を回転軸として回転可能に前記熱交換槽に挿入された、前記内部空間を２つに仕切る楕円形の板からなる回転弁と、前記熱交換槽の前記円形断面に対してほぼ垂直に挿入された、前記回転弁に結合し前記回転軸として機能する棒とを備え、前記２つに仕切られた前記内部空間のそれぞれに、前記１組の前記インレットおよび前記アウトレットならびに前記別の組の前記インレットおよび前記アウトレットのそれぞれから前記所定の温度の前記液体が導入および排出され、前記回転軸を回転させることによって前記反応槽底面に接触する前記液体が前記回転弁により切り換えられる、または、
（iv）前記熱交換槽と、前記熱交換槽内の空間を少なくとも２つに仕切るように設けられたメンブランとを備え、前記１組の前記インレットおよび前記アウトレットを介して前記熱交換槽に対して導入および排出される前記液体と、前記別の組の前記インレットおよび前記アウトレットを介して前記熱交換槽に対して導入および排出される前記液体とが前記メンブランによる仕切りによって互いに混合しないように構成されている、または、
（v）円柱状の回転体であって、前記液体リザーバタンクから送られた液体の流路となる複数の溝が外表面に形成され、さらに前記溝のそれぞれに流体連絡可能に接続されたトンネル状の流路が形成された回転体が、前記熱交換槽に回転可能に挿入されており、
前記トンネル状の流路の端がそれぞれ前記切り替え機構のインレットまたはアウトレットとして機能し、
前記回転体が回転することにより、前記インレットに導入される異なる温度の液体が前記溝部分を流れる際に反応槽外部に接触する、請求項１〜２１のいずれかに記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項２５】
前記循環させる液体として、熱容量が大きく、かつ粘性が低い液体を用いる、請求項１〜２４に記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項２６】
前記循環させる液体として、沸点が水の沸点より高い液体を用いる、請求項１〜２５のいずれかに記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項２７】
前記循環させる液体として、凝固点が水の凝固点より低い液体を用いる、請求項１〜２６のいずれかに記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項２８】
前記反応槽の前記ウェル側の表面を密封して覆う部材であって、該ウェル中のサンプル溶液の光学的な観察が可能なように少なくとも一部が光学的に透明な部材と、
前記部材の前記光学的に透明な部分を加熱する加熱機構と
を含むサンプル蒸発防止機構をさらに備える、請求項１〜２７のいずれかに記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項２９】
前記部材と前記反応槽の前記ウェル側の表面との距離が３ｍｍ以下である、請求項２８に記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項３０】
前記加熱機構によって加熱される前記部材の前記光学的に透明な部分の温度が８０℃から１１０℃の範囲である、請求項２８に記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項３１】
前記補助温度制御機構が、断熱材、ヒーター、および冷却機構を含む、請求項１、３〜３０のいずれかに記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項３２】
前記サンプルの量が、１ウェル当たり約０．１μＬ〜約１００μＬであり、循環させる前記液体の総容積が１液体リザーバ当たり数十ｍＬ以上であり、前記熱交換槽の容量が１ウェル当たり約０．０１ｍＬ〜約１０ｍＬである、請求項１〜３１のいずれかに記載の液体還流型反応制御装置。
【請求項３３】
前記サンプル溶液が核酸およびＤＮＡポリメラーゼを含有する、請求項１〜３２のいずれかに記載の液体還流型反応制御装置。