(57)【要約】  熱サイクルされる物質（１１５）を熱サイクルするためのシステム（１００）は、マイクロ流体熱交換器（１０１）と、マイクロ流体熱交換器（１０１）中の多孔質媒体（１１３）と、マイクロ流体熱交換器（１０１）に動作可能なように接続され、熱サイクルを行う物質（１１５）を含むマイクロ流体熱サイクルチャンバ（１０３）と、第１の温度にある作動流体と、第１の温度にある作動流体をマイクロ流体熱交換器（１０１）に伝達するための第１のシステムと、第２の温度にある作動流体（１０４）と、第２の温度にある作動流体（１０４）を前記マイクロ流体熱交換器（１０１）に伝達するための第２のシステムと、第１の温度にある作動流体（１０２）を、多孔質媒体（１１３）を通って第１のシステムからマイクロ流体熱交換器（１０１）へと流し、第２の温度にある作動流体（１０４）を、多孔質媒体（１１３）を通って第２のシステムからマイクロ流体熱交換器（１０１）へと流すポンプ（１１０）と、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ流体熱交換器と、
前記マイクロ流体熱交換器中の多孔質媒体と、
前記マイクロ流体熱交換器に動作可能なように接続され、熱サイクルを行う物質を含むマイクロ流体熱サイクルチャンバと、
第１の温度にある作動流体と、
前記第１の温度にある作動流体を前記マイクロ流体熱交換器に伝達するための第１のシステムと、
第２の温度にある作動流体と、
前記第２の温度にある作動流体を前記マイクロ流体熱交換器に伝達するための第２のシステムと、
前記第１の温度にある作動流体を、前記多孔質媒体を通って前記第１のシステムからマイクロ流体熱交換器へと流し、前記第２の温度にある作動流体を、前記多孔質媒体を通って前記第２のシステムからマイクロ流体熱交換器へと流すポンプと、を含むことを特徴とする熱サイクルされる物質の熱サイクル用装置。
【請求項２】
前記第１の温度にある作動流体を前記マイクロ流体熱交換器へと伝達するための前記第１のシステムは、前記第１の温度にある作動流体を収容するための第１の容器であって、
前記第２の温度にある作動流体を前記マイクロ流体熱交換器へと伝達するための前記第２のシステムは、前記第２の温度にある作動流体を収容するための第２の容器であることを特徴とする請求項１に記載の熱サイクル用装置。
【請求項３】
前記第１の温度にある作動流体を前記マイクロ流体熱交換器に伝達するための第１のシステムと、前記第２の温度にある作動流体を前記マイクロ流体熱交換器に伝達するための第２のシステムとは、
前記第１の温度にある作動流体を前記マイクロ流体熱交換器に供給し、前記第２の温度にある作動流体を前記マイクロ流体熱交換器に供給するために接続された加熱器または冷却器を備えた、単一の容器および分離経路を含むことを特徴とする請求項１に記載の熱サイクル用装置。
【請求項４】
前記多孔質媒体が、空隙率または浸透性が均一な多孔質媒体であることを特徴とする請求項１に記載の熱サイクル用装置。
【請求項５】
前記多孔質媒体が、勾配のある空隙率または浸透性を有する多孔質媒体であることを特徴とする請求項１に記載の熱サイクル用装置。
【請求項６】
熱サイクルを行う物質が、前記マイクロ流体熱交換器に接続されたＰＣＲチャンバ中に入れられていることを特徴とする請求項１に記載の熱サイクル用装置。
【請求項７】
熱サイクルを行う物質が、前記マイクロ流体熱交換器に接続されたマルチウェル・プレート中に入れられていることを特徴とする請求項１に記載の熱サイクル用装置。
【請求項８】
熱サイクルを行う物質が、前記マイクロ流体熱交換器に接続されたマイクロアレイ上に載せられていることを特徴とする請求項１に記載の熱サイクル用装置。
【請求項９】
前記第１の温度にある作動流体が液体の作動流体であることを特徴とする請求項１に記載の熱サイクル用装置。
【請求項１０】
前記第１の温度にある作動流体が気体の作動流体であることを特徴とする請求項１に記載の熱サイクル用装置。
【請求項１１】
前記第１の温度にある作動流体が液体金属の作動流体であることを特徴とする請求項１に記載の熱サイクル用装置。
【請求項１２】
前記第２の温度にある作動流体が液体の作動流体であることを特徴とする請求項１に記載の熱サイクル用装置。
【請求項１３】
前記第２の温度にある作動流体が気体の作動流体であることを特徴とする請求項１に記載の熱サイクル用装置。
【請求項１４】
前記第２の温度にある作動流体が液体金属の作動流体であることを特徴とする請求項１に記載の熱サイクル用装置。
【請求項１５】
第３の温度にある作動流体と、
前記第３の温度にある作動流体を収容するための第３の容器と、を含み、
前記ポンプは、前記第３の温度にある作動流体を、前記多孔質媒体を通って前記第３の容器から前記マイクロ流体熱交換器へと流すことを特徴とする請求項１に記載の熱サイクル用装置。
【請求項１６】
熱サイクルされる物質を温度Ｔ１とＴ２の間で熱サイクルするための熱サイクル用装置であって、
マイクロ流体熱交換器と、
前記マイクロ流体熱交換器中の多孔質媒体と、
前記マイクロ流体熱交換器に動作可能なように接続され、熱サイクルを行う物質を含むマイクロ流体熱サイクルチャンバと、
温度Ｔ１にある作動流体と、
前記温度Ｔ１にある作動流体を前記マイクロ流体熱交換器に伝達するための第１のシステムと、
温度Ｔ２にある作動流体と、
前記温度Ｔ２にある作動流体を前記マイクロ流体熱交換器に伝達するための第２のシステムと、
前記温度Ｔ１にある作動流体を、前記第１のシステムからマイクロ流体熱交換器へと流し、前記温度Ｔ２にある作動流体を、前記多孔質媒体を通って前記第２のシステムから前記熱交換器へと流すポンプと、を含むことを特徴とする熱サイクルされる物質の熱サイクル用装置。
【請求項１７】
前記温度Ｔ１にある作動流体を前記マイクロ流体熱交換器へと伝達するための前記第１のシステムは、前記第１の温度にある作動流体を収容するための第１の容器であって、
前記温度Ｔ２にある作動流体を前記マイクロ流体熱交換器へと伝達するための前記第２のシステムは、前記第２の温度にある作動流体を収容するための第２の容器であることを特徴とする請求項１６に記載の熱サイクル用装置。
【請求項１８】
前記温度Ｔ１にある作動流体を前記マイクロ流体熱交換器に伝達するための前記第１のシステムと、前記温度Ｔ２にある作動流体を前記マイクロ流体熱交換器に伝達するための前記第２のシステムとは、
前記温度Ｔ１にある作動流体を前記マイクロ流体熱交換器に供給し、前記温度Ｔ２にある作動流体を前記マイクロ流体熱交換器に供給するために接続された加熱器または冷却器を備えた、単一の容器および分離線を含むことを特徴とする請求項１６に記載の熱サイクル用装置。
【請求項１９】
前記多孔質媒体が、空隙率または浸透性が均一な多孔質媒体であることを特徴とする請求項１６に記載の熱サイクル用装置。
【請求項２０】
前記多孔質媒体が、勾配のある空隙率または浸透性を有する多孔質媒体であることを特徴とする請求項１６に記載の熱サイクル用装置。
【請求項２１】
熱サイクルされる物質に関して動作可能なように接続されたマイクロ流体熱交換器を用いて、複数の異なる温度間で熱サイクルされる物質を熱サイクルするための方法であって、
第１の温度にある作動流体を供給するステップと、
前記第１の温度にある作動流体をマイクロ流体熱交換器に流すことによって、熱サイクルされる物質を前記第１の温度で保持するステップと、
第２の温度にある作動流体を供給するステップと、
前記第２の温度にある作動流体を熱交換器に流すことによって、熱サイクルされる物質を前記第２の温度で保持するステップと、を含むことを特徴とする熱サイクルするための方法。
【請求項２２】
多孔質媒体をマイクロ流体熱交換器に供給するステップを含み、
前記第１の温度にある作動流体をマイクロ流体熱交換器に流すステップは、前記第１の温度にある作動流体を前記多孔質媒体を通して流すことを含み、
前記第２の温度にある作動流体をマイクロ流体熱交換器に流すステップは、前記第２の温度にある作動流体を前記多孔質媒体を通して流すことを含むことを特徴とする請求項２１に記載の熱サイクルするための方法。
【請求項２３】
前記第１の温度にある作動流体をマイクロ流体熱交換器に流す前記ステップおよび前記第２の温度にある作動流体をマイクロ流体熱交換器に流す前記ステップが、所定回数繰り返されることを特徴とする請求項２１に記載の熱サイクルするための方法。
【請求項２４】
第３の温度にある作動流体を供給するステップと、
前記第３の温度にある作動流体を前記熱交換器に流すことによって、前記第３の温度において物質の熱サイクルを行い、熱サイクルする物質を前記第３の温度で維持することを特徴とする請求項２１に記載の熱サイクルするための方法。
【請求項２５】
熱サイクルされる物質に関して動作可能なように接続されたマイクロ流体熱交換器を用いて、温度Ｔ１とＴ２の間で熱サイクルされる物質を熱サイクルするための方法であって、
温度Ｔ１にある作動流体を供給するステップと、
前記温度Ｔ１にある作動流体をマイクロ流体熱交換器に流すステップと、
温度Ｔ２にある作動流体を供給するステップと、
前記温度Ｔ２にある作動流体を熱交換器に流すステップと、を含むことを特徴とする熱サイクルするための方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２００８年１月２２日に出願された「核酸増幅用のマイクロ流体高速サーマルサイクラー」という名称の米国特許法１１９条（ｅ）の下での米国仮特許出願第６１／０２２６４７号に基づく利益を主張する。この出願の開示の内容全体を、あらゆる目的に対して参照によって本願明細書に援用する。２００８年１１月１３日に出願された「超高速核酸増幅用の携帯用マイクロ流体高速サーマルサイクラー」という名称の米国特許出願第１２／２７００３０号には、関連する発明が開示および請求されている。「超高速核酸増幅用の携帯用マイクロ流体高速サーマルサイクラー」という名称の米国特許出願の開示は、参照によって本願明細書に援用する。
【０００２】
（連邦政府による資金提供を受けた研究開発の下で創られた発明の権利に関する記載）
アメリカ合衆国エネルギー省とローレンス・リバモア国立研究所を運営するローレンス・リバモア・ナショナル・セキュリティＬＬＣとの契約番号ＤＥ−ＡＣ５２−０７ＮＡ２７３４４番に従って、本発明の権利はアメリカ合衆国政府が有する。
【技術分野】
【０００３】
（努力傾注分野）
本発明は、熱サイクル、より具体的にはマイクロ流体高速サーマルサイクラーに関する。
【０００４】
（技術水準）
ＰＣＲ用のサーマルサイクラーに関する米国特許第７１３３７２６号には、以下のように記載されている。「一般にＰＣＲの場合、サイクルに要求される温度間でできるだけ素早くサンプルの温度を変化させるのが望ましい。それにはいくつかの理由がある。第１に、化学反応にはＰＣＲの各ステップごとに至適温度がある。そのため、非至適温度でできるだけ時間を費やさないことによって、よりよい化学的結果を達成することができる。第２に、どんな設定点においても、各プロトコールに対して最小限のサイクル時間を設定する最小時間が通常必要である。また、設定点間の移行に費やされるあらゆる時間がこの最小時間に加えられる。通常サイクル数は非常に多い。そのため、この移行時間は増幅を完了するのに必要な合計時間を著しく増大させてしまう可能性がある。」米国特許第７１３３７２６号には、以下の追加の技術水準の情報が含まれる。
【０００５】
ＰＣＲプロセスを用いてＤＮＡ（デオキシリボ核酸）を増幅するためには、特別に構成した液体の反応混合物を、温度の異なる複数のインキュベート期間を通して循環させる必要がある。反応混合物は様々な成分から構成される。成分には、増幅されるＤＮＡと、増幅されるＤＮＡの伸長産物を形成することができるようにサンプルＤＮＡに対して十分に相補的な少なくとも２つのプライマーとが含まれる。ＰＣＲのカギは熱サイクルの概念である。つまり、ＤＮＡを融解させるステップ、融解によって生じた１本鎖ＤＮＡへ短いプライマーをアニーリングさせるステップ、およびそれらのプライマーを伸長させ２本鎖ＤＮＡの新たなコピーを形成させるステップを交互に行うことである。熱サイクルでは、ＰＣＲの反応混合物はＤＮＡを融解させるための約９０℃の高温からプライマーをアニーリングし伸長を行うための約４０℃〜７０℃の低温まで、繰り返しサイクルされる。一般に、できるだけ素早くサイクル中の次の温度へとサンプルの温度を変えるのが望ましい。化学反応は各ステップごとに至適温度がある。したがって、非至適温度でできるだけ時間を費やさないことによって、よりよい化学的結果を達成することができる。また、各インキュベーション温度に達した後、反応混合物を各インキュベーション温度で必要最低限の時間だけ持続させることも必要である。それらの必要最低限のインキュベーション時間によって、サイクルを完了するのに要する必要最低限の時間を達成することができる。サンプルのインキュベーション温度間の移行にひつようなあらゆる時間がこの最小限のサイクル時間に加えられる。サイクル数がかなり多いので、このように時間が追加されてしまうことによって、増幅を完了するために必要な合計時間が不必要に増加してしまう。
【０００６】
従来の自動ＰＣＲ装置の中には、金属ブロック上のサンプル用ウェルの中にサンプル用チューブを挿入するものもある。ＰＣＲプロセスを実行するためには、ユーザによってＰＣＲプロトコールファイル中に特定された所定の温度および回数にしたがって、金属ブロックの温度が循環される。その循環はコンピュータおよび関連する電子技術によって制御される。金属ブロックによって温度が変わるにつれて、種々のチューブ中のサンプルの温度も同じように変化する。しかし、それらの従来の装置では、同一の金属ブロック内で場所によって温度が不均一であることによって、サンプルの温度の違いが生じてしまう。金属ブロックの材料中に温度勾配が存在することによって、サイクル中の特定の時間に他のサンプルと温度が異なってしまうサンプルが生じてしまう。さらに、サンプルブロックからサンプルへの熱伝達に遅れが生じてしまう。しかもそれらの遅れはサンプルブロック間で異なる。それらの温度の違いおよび熱伝達の遅れによって、サンプルのバイアル間でＰＣＲプロセスの収率に違いが生じてしまう。ＰＣＲプロセスをうまく効率的に実行するため、およびいわゆる定量ＰＣＲを可能にするためには、それらの熱伝達の時間の遅れおよび温度の誤差を可能な限り最小限に抑える必要がある。サンプルブロック上の様々な地点で温度が不均一であることを最小限にするという課題、およびサンプルへの／からの熱伝導に必要な時間および熱伝導の遅れは、サンプルを含む領域の大きさが標準的な８×１２マイクロリットルプレートのように大きくなった場合に特に深刻となる。
【０００７】
現在の自動ＰＣＲ装置に関する別の問題は、温度サイクル中に反応混合物の実際の温度を正確に予測することである。化学反応または混合物にはＰＣＲの各ステップごとに至適温度がある。そのため、良い結果を得るためには、実際の温度を実現することが非常に重要である。各バイアル中の混合物の温度を実際に測定することは非現実的である。それは、各バイアルの容積が小さく、バイアルの数が多いためである。」
【０００８】
公開された米国特許出願公開第２００５／０２５２７７３号は、熱反応装置およびそれを使用する方法に関するが、以下の技術情報を含む。
【０００９】
「核酸増幅を行う性能を備えた装置は様々な用途を有するであろう。たとえば、そのような装置を解析ツールとして使用することによって、興味のある特定の標的核酸がサンプル中に存在するかしないかを決定することができる。したがって、それらの装置は、特定の病原体（例えばウイルス、バクテリア、菌類）の存在をテストするために利用することができるし、同定目的（例えば父子鑑定や法医学的応用）に使用することができる。それらの装置は、特定の病気、つまり遺伝病と既に関連付けられている特定の核酸を検出または特定するために利用することもできる。解析ツールとして使用された場合、それらの装置は遺伝子型解析および遺伝子発現解析（例えばディファレンシャルな遺伝子発現研究）を行うために利用することもできる。または、それらのデバイスは、増幅産物のシークエンシング、細胞のタイピング、ＤＮＡフィンガープリンティングなどの続く解析の準備用に、十分量の核酸を増幅するために使用することができる。所望のタンパク質産物を生産する目的で、次に細胞を形質転換するために使用可能なベクター中に挿入することのように、増幅産物は遺伝子工学のさまざまな用途にも使用することができる。
【００１０】
複合混合物中の核酸のサブ配列の選別、増幅、検出、および同定を行うための、ネイル・レジナルド・ビアーによる米国特許出願公開第２００８／０１６６７９３号は、以下の技術水準の情報を提供する。
【００１１】
「標的核酸または無傷な各粒子２０５（たとえばウイルス粒子）をバックグランドから（つまり細胞内および細胞外ＲＮＡ／ＤＮＡを宿主細胞、花粉、埃などから）抽出し分離するために、複雑な環境または臨床のサンプル２０１が、物理的技術（超遠心分離法、ろ過、拡散分離、電気泳動、サイトメトリーなど）、化学的技術（ｐＨ）、および生物学的技術（選択的酵素分解）など既知の技術を用いて準備される。このサンプルは、比較的精製された核酸または核酸を含む粒子（ウイルスなど）を含むが、多数の並列的な流路（ｃｈａｎｎｅｌｓ）に分け、逆転写および続くＰＣＲに必要となる適切な試薬（プライマー／プローブ／ｄＮＴＰ／酵素／緩衝液）と混合させることができる。次にこれらの各混合物は、どのマイクロリアクター中にも統計的にわずか１分子のＲＮＡ／ＤＮＡしか存在しないように、システム中に導入される。たとえば、１分子のＲＮＡ／ＤＮＡしか分配されないようにするためには、１０６の標的ＲＮＡ／ＤＮＡを含むサンプルでは、数１００万のマイクロリアクターが必要となる。
【００１２】
増幅部２０７は核酸増幅を提供する。核酸増幅はポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）プロセスによって実現されてもよい。このプロセスが指数関数的なプロセスであることによって、標的ＤＮＡの量が各反応サイクルを通じて２倍になる。各反応サイクルは、ポリメラーゼ酵素、過剰な核酸塩基、プライマー、触媒（ＭｇＣｌ２）などを使用する。この反応は、プライマーが１本鎖ＤＮＡ（ｓｓＤＮＡ）に結合するアニーリング温度から、相補鎖が完全となるまで核酸塩基を付加することによってポリメラーゼがプライマーから伸長する伸長温度を経て、新たに作られた２本鎖ＤＮＡ（ｄｓＤＮＡ）が２つの別々の鎖へと変性する融解温度まで、温度をサイクルさせることによって機能する。反応混合物をアニーリング温度へと戻すことによって、プライマーが露出した鎖に付着する。そして次のサイクルが開始する。
【００１３】
増幅装置２０７上のＰＣＲ化学に供給する熱の加減は、以下の関係で説明される。
Ｑ＝ｈＡ（Ｔｗａｌｌ−Ｔ∞）・・・・（式１）
【００１４】
増幅部２０７は生物２０６を増幅する。核酸２０８は生物２０６から放出され、核酸２０８は増幅部２０７を用いて増幅される。たとえば、増幅部２０７はサーマルサイクラー（ｔｈｅｒｍｏｃｙｃｌｅｒ）であってもよい。配置する前に、核酸２０８を一列で増幅することができる。増幅が起きるときに、蛍光標識されたＴａｑＭａｎ型のプローブの検出を必要に応じて行う。増幅に続き、このシステムは化学反応体の除去による汚染除去を必要としない。」
【００１５】
ペルチェ効果ヒートポンプに関する米国特許第３６３５０３７号は、以下の状況の技術情報を提供する。
【００１６】
「ヒートポンプでは、冷却流体サイクルが不都合な領域や物質の加熱や冷却を行うために、ペルチェ効果が従来より使用されてきた。たとえば、小型で軽量な冷却装置、コンプレッサー、蒸発器、および蒸気／液体の冷却サイクルに関連する構成部品は不便である可能性がある。したがって、ペルチェ電堆（Ｐｅｌｔｉｅｒ  ｐｉｌｅ）のヒートポンプ作用を使用することが提案されてきた。ペルチェ効果は熱電現象であって、電流がかけられた場合、異種金属または他の伝導体の接合部位で熱が生成されたり取り除かれたりするものとして説明されるかもしれない。顕著な熱効果を引き起こすためには、ほとんどの場合、多数の接合部位が必要となる。したがって、ペルチェ接合部位は、電気エネルギーの供給源が接続されてもよい電堆（ｐｉｌｅ）またはバッテリを形成する。ペルチェ伝導体（Ｐｅｌｔｉｅｒ  ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ）およびそれらの接合部位は、並列的または直並列的な立体配置をとってもよく、実質的に任意の形状をとってもよい。たとえば、ペルチェバッテリまたは電堆は細長くてもよいし、または平面的もしくは３次元的な配置（立方体状または円筒形状）であってもよい。ペルチェ効果がヒートポンプ中に使用される場合、ペルチェバッテリまたは電堆は、熱伝導が促進される放熱板または熱交換被覆（ｊａｃｋｅｔ）に関連する。熱交換器には、リブ（ｒｉｂｓ）や流路などが設けられることにより、熱伝導性の高い広い表面領域にわたって、ペルチェ電堆への、またはペルチェ電堆からの熱伝導を促進する。アルミニウムまたは熱伝導性の高い他の金属の被覆がこの目的に役立つ可能性がある。」
【００１７】
２００８年６月１２日に公開されたカリフォルニア工科大学による国際特許出願第ＷＯ２００８０７０１９８号は、「熱サイクルシステム」という名称であるが、以下の状況の技術情報を提供する。
【００１８】
「［０００２］１９８３年にキャリー・マリスによって発明されたＰＣＲは、２０世紀で最も重要な科学的発展のうちの１つであると認識されている。ＰＣＲは、ＤＮＡなどの遺伝物質を同定および複製する能力を大きく拡張することを通じて、分子生物学に革命をもたらした。今日では、ＰＣＲは、医学の研究室や生物学の研究室において、様々な目的に対して日常的に実施されている。そのような目的には、たとえば遺伝病の検出、遺伝子指紋の同定、感染病の診断、遺伝子のクローニング、父子テスト、およびＤＮＡ計算などがある。ＰＣＲは、熱安定性ＤＮＡポリメラーゼおよび通常「サーマルサイクラー」と呼ばれる装置を使用することによって自動化されている。」
【００１９】
［０００３］従来のサーマルサイクラーには、いくつかの本質的な制約があった。一般に従来のサーマルサイクラーは、金属のヒートブロックを含むことによって、反応サンプルの熱サイクルを実行する。この装置は高い熱量を有するが、サンプル管（ｓａｍｐｌｅ  ｖｅｓｓｅｌｓ）の熱電導率は低い。そのため、要求されるレベルの温度でサイクルするのは非効率である。従来のサーマルサイクラーの傾斜時間（ｒａｍｐ  ｔｉｍｅ）は通常あまり高速ではない。そのため、標的配列の望ましくない非特異的な増幅が必然的に起きてしまう。従来のサーマルサイクラーの性能が最適とまでは言えないのは、当技術分野で広く認められているように、熱の均一性が欠如していることにも原因がある。さらに、従来のリアルタイム・サーマルサイクラーシステムは、大きく高価な光学検出部品を有する。三橋ら（米国特許第６５３３２５５号）は、液体金属ＰＣＲサーマルサイクラーを開示する。
【００２０】
［０００４］したがって、これに取ってかわるサーマルサイクラーの設計に対しては、かなりの需要がある。望ましい装置が可能にするのは、（ａ）高速かつ均一に熱を伝達することによって、核酸のより特異的な増幅反応をもたらすこと、および／または（ｂ）増幅反応の進行状況をリアルタイムにモニタリングすること、である。本発明はこれらの需要を充足すると同時に、関連する長所をも提供する。
【００２１】
［００４２］ある実施態様では、サーマルサイクラー本体（１０１；１５１）は、ファン（１０３；１５３）および取り外し可能なヒートブロックアセンブリ、または交換ブロック（ｓｗａｐ  ｂｌｏｃｋ）（１０５；１５５）を含む（図１）。交換ブロック（１０５；１５５）は、任意的に交換熱ブロックを滑りレール（１１３；１６３）上でスライドさせることによって、サーマルサイクラー本体（１０３；１５３）に挿入され、サーマルサイクラー本体（１０３；１５３）から取り除かれる。サーマルサイクラー本体（１０３；１５３）に交換ブロック（１０５；１５５）が挿入された後、サーマルサイクラー（１１５；１６５）のドアが閉じられてもよい。交換熱ブロック（１０５；１５５）は、液体組成の容器（１１１；１６１）、放熱板（１０７；１５７）、および任意的にキャップをされたサンプル（１０９；１５９）を含む。ある実施態様では、交換熱ブロック（図２）は、ウェルを有する容器を含む。その容器が液体組成を封じ込めることによって、サンプル管が液体（金属、金属合金、または金属スラリー）と接触しないようにすることができる。別の実施態様では、交換ブロック（１０５；１５５）は、液体組成の容器の筐体（３１１；４１１）に対して密封されたウェルを備えた容器の障壁（ｒｅｃｅｐｔａｃｌｅ  ｂａｒｒｉｅｒ）（３０７；４０７）を含む。その場合、密封は液密によるものであり、任意的に詰め物（ｇａｓｋｅｔ）（３０９；４０９）を含んでいてもよい（図３および図４）。さらに、液体組成の容器の筐体（３１１；４１１）は底板（３１３；４１３）に対して密封されている。底板（３１３；４１３）は金属板（銅またはアルミニウムなど）であってもよい。その場合、密封は液密によるものであり、任意的に詰め物（ｇａｓｋｅｔ）（３１２；４１２）を含んでいてもよい。同様に、底板（３１３；４１３）は熱的にペルチェ素子（３１５；４１５）に接続され、液体組成を加熱し冷却する。同様に、底板（３１３；４１３）は放熱板（４１７）に接続されている。任意的に、熱散布器（ｈｅａｔ  ｓｐｒｅａｄｅｒ）（銅、アルミニウム、その他の金属、熱伝導性の高い金属合金など）が底板（３１３；４１３）とペルチェ素子（３１５；４１５）との間に挟まれている。実施態様によっては、交換ブロック（１０５；１５５）はネジ（３０１；４０１）のような留め具に結合している。ある実施態様では、交換ブロックは４８個のウェルを有する容器（３０７；４０７）などの第１の部品を含む。容器（３０７；４０７）はサンプル管などの第２の部品によって占められている。サンプル管にはサンプルプレート（３０５；４０５）、単一のサンプル管、または一片のサンプル管が含まれるが、これらに限られない。サンプル管の内部には、透明な帽板（ｃａｐ  ｐｌａｔｅ）（３０３；４０３）、単一のキャップもしくは一片のキャップなどの第３の部品が挿入される。ある実施態様では、透明な帽板（３０３；４０３）、単一のキャップもしくは一片のキャップは、任意的に導光部（ｌｉｇｈｔ  ｇｕｉｄｅ）のような突出部を含む。」
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】米国特許第７１３３７２６号
【特許文献１】米国特許出願公開第２００５／０２５２７７３号
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８／０１６６７９３号
【特許文献１】米国特許第３６３５０３７号
【特許文献１】国際特許出願第ＷＯ２００８０７０１９８号
【発明の概要】
【００２３】
本発明の特徴および利点は以下の説明から明らかであろう。出願人は、図および特定の実施態様の例を含むこの説明を提供することによって、本発明を幅広く説明する。この説明から、および本発明を実行することによって、本発明の精神および範囲において、様々な変更や修正を行うことが当業者には明らかであろう。本発明の範囲は、開示された特定の形態に制限されることを意図するものではない。また、請求項に規定されたとおり、本発明は、本発明の精神および範囲に含まれるすべての改良物、均等物、および代替物に及ぶ。
【００２４】
ある実施態様では、本発明は熱サイクルされる物質の熱サイクルを行うための装置を提供する。この装置は、マイクロ流体（ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ）熱交換器と、マイクロ流体熱交換器中の多孔質媒体と、熱サイクルされる物質を含むマイクロ流体熱サイクルチャンバと、作動可能なようにマイクロ流体熱交換器に接続されたマイクロ流体熱サイクルチャンバと、第１の温度にある作動流体（ｗｏｒｋｉｎｇ  ｆｌｕｉｄ）と、第１の温度にある作動流体をマイクロ流体熱交換器へと伝達するための第１のシステムと、第２の温度にある作動流体と、第２の温度にある作動流体をマイクロ流体熱交換器へと伝達するための第２のシステムと、第１の温度にある作動流体を第１のシステムから多孔質媒体を通ってマイクロ流体熱交換器へと流し、第２の温度にある作動流体を第２のシステムから多孔質媒体を通って熱交換器へと流すポンプと、を含む。
【００２５】
ある実施態様では、第１の温度にある作動流体をマイクロ流体熱交換器へと伝達するための第１のシステムは、第１の温度にある作動流体を収容するための第１の容器である。また、第２の温度にある作動流体をマイクロ流体熱交換器へと伝達するための第２のシステムは、第２の温度にある作動流体を収容するための第２の容器である。別の実施態様では、第１の温度にある作動流体をマイクロ流体熱交換器へと伝達するための第１のシステム、および第２の温度にある作動流体をマイクロ流体熱交換器へと伝達するための第２のシステムは、単一の容器および加熱器または冷却器を備えた独立した経路（ｓｅｐａｒａｔｅ  ｌｉｎｅ）を含む。単一の容器および独立した経路は、第１の温度にある作動流体をマイクロ流体熱交換器に供給し、第２の温度にある作動流体をマイクロ流体熱交換器に供給するために接続されている。
【００２６】
ある実施態様では、本発明が提供するのは、熱サイクルされる物質の熱サイクルを行うための装置である。この装置は、マイクロ流体熱交換器と、マイクロ流体熱交換器中の多孔質媒体と、熱サイクルされる物質を含むマイクロ流体熱サイクルチャンバと、作動可能なようにマイクロ流体熱交換器に接続されたマイクロ流体熱サイクルチャンバと、第１の温度にある作動流体と、第１の温度にある作動流体を収容するための第１の容器と、第２の温度にある作動流体と、第２の温度にある作動流体を収容するための第２の容器と、第１の温度にある作動流体を第１の容器から多孔質媒体を通ってマイクロ流体熱交換器へと流し、第２の温度にある作動流体を第２の容器から多孔質媒体を通って熱交換器へと流すポンプと、を含む。ある実施態様では、多孔質媒体は空隙率（ｐｏｒｏｓｉｔｙ）が均一な多孔質媒体である。別の実施態様では、多孔質媒体は浸透性（ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ）が均一な多孔質媒体である。別の実施態様では、熱サイクル用の本装置は、第３の温度の作動流体と、第３の温度にある作動流体を収容するための第３の容器と、を含み、ポンプは第３の温度にある作動流体を第３の容器から多孔質媒体を通ってマイクロ流体熱交換器へと流す。
【００２７】
本発明はまた、熱サイクルされる物質に対して作動できるように配置されたマイクロ流体熱交換器を用いて、複数の異なる温度間で熱サイクルされる物質の熱サイクルを行う方法も提供する。この方法は、第１の温度にある作動流体を供給するステップと、第１の温度にある作動流体をマイクロ流体熱交換器に流すことによって、熱サイクルされる物質を第１の温度において保持するステップと、第２の温度にある作動流体を供給するステップと、第２の温度にある作動流体を熱交換器に流すことによって、熱サイクルされる物質を第２の温度において熱サイクルするステップと、を含む。第１の温度にある作動流体をマイクロ流体熱交換器へと流すステップと、第２の温度にある作動流体をマイクロ流体熱交換器へと流すステップとが所定の回数繰り返される。この熱サイクル方法のある実施態様には、多孔質媒体をマイクロ流体熱交換器に供給するステップが含まれる。第１の温度にある作動流体をマイクロ流体熱交換器へと流すステップには、第１の温度にある作動流体を多孔質媒体に通すことを含む。また、第２の温度にある作動流体をマイクロ流体熱交換器へと流すステップには、第２の温度にある作動流体を多孔質媒体に通すことを含む。
【００２８】
本発明には多くの有用な用途がある。たとえば、本発明には細菌戦争を検出する用途がある。本発明は、胞子やバクテリアのように、核酸の痕跡を有し生命に脅威を及ぼす病原体の特定、検出、監視に用途を有する。本発明は生物医学的な用途に使用することができる。本発明には、感染病を追跡し、同定し、モニタリングする用途がある。本発明には、医療目的の体液中の宿主または微生物のＤＮＡを自動的に処理し、増幅し、検出する用途がある。本発明には、ゲノム解析、ゲノム検査、癌の検出、遺伝子指紋法における用途がある。本発明は法医学的応用にも使用することができる。本発明には、法医学的な目的で体液中のＤＮＡを自動的に処理し、増幅し、検出する用途がある。本発明には、食物および飲料の安全性に対する用途がある。本発明には、バクテリアまたはウイルスの汚染に対して自動的に食物の検査をする用途がある。本発明には、環境モニタリングおよび修復モニタリングにおける用途がある。
【００２９】
本発明は、改良したり代替の形態を作製したりしやすい。ここでは例として、特定の実施態様が示されている。当然のことながら、本発明は開示された特定の実施態様に限定されるものではない。本発明は、請求項に規定された本発明の精神と範囲に含まれるあらゆる改良物、均等物、および代替物にまで及ぶ。
【００３０】
添付の図は、明細書に組み込まれ、明細書の一部をなすが、本発明の特定の実施態様を説明する。また、添付の図は、上述した本発明の一般的な説明および特定の実施態様の詳細な説明とともに、本発明の原理を説明する手助けとなる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明のある実施態様を示す。
【図２】本発明の別の実施態様を示す。
【図３】本発明のある実施態様を示すフローチャートである。
【図４Ａ】本発明の別の実施態様を示す。
【図４Ｂ】本発明の別の実施態様を示す。
【図５】熱サイクルにかけられる物質がマルチウェル・プレート内に入れられた本発明の実施態様を示す。
【図６】熱サイクルにかけられる物質がマイクロアレイ上に載せられた本発明のある実施態様を示す。
【図７】本発明の別の実施態様を示す。
【図８】本発明のさらに別の実施態様を示す。
【００３２】
（特定の実施態様の詳細な説明）
図、以下の詳細な説明、および組み込まれた構成要素を参照して、特定の実施態様の説明を含む、本発明に関する詳細な情報を提供する。詳細な説明は、本発明の原理を説明する手助けとなる。本発明は、改良したり代替の形態を作製したりしやすい。本発明は開示された特定の実施態様に限定されるものではない。本発明は、請求項に規定された本発明の精神と範囲に含まれるあらゆる改良物、均等物、および代替物にまで及ぶ。
【００３３】
ここで図、特に図１を参照して本発明に従って構成された熱サイクルシステムのある実施態様を説明する。本システムは参照数字１００によって通常指定される。システム１００はポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）システムとして説明される。しかし、システム１００は当然のことながら他の熱サイクルシステムとしても使用することができる。
【００３４】
ＰＣＲは素早く効率的に核酸を解析するための代表的な存在である。遺伝学的解析、科学捜査、シークエンシング、および他の重大な用途に対して、ＰＣＲは最もよい方法である。それは特異性と感度において他の追随を許さないからである。まさにその性質上、ＰＣＲはシグナルの指数関数的な増大を利用する。それによって、複雑な実際の環境中の単一コピーの核酸でさえも検出が可能となる。これにより、ＰＣＲシステムはどこにでもある。また、より高速な熱サイクル方法の市場は重要である。マイクロ流体工学における最近の進歩によって、オンチップ処理の小型化とハイスループットが可能になった。しかし、オンチップ処理には依然として本分野に革命をもたらすような速度や温度の正確性が不足している。
【００３５】
マイクロ流体工学システムを用いて、コストのかかる試薬の体積を減らしたり、拡散距離を減少させたり、検出プローブの光学濃度、大規模並列処理用で安価なマイクロ流体の解析チップ、およびそのようなチップの拡張性のある大量生産などにおいて、ＰＣＲシステムを進歩させることができる。しかし、この装置を用いて各サイクルを実行する時間を２桁減少させることによって、長い核酸に対して作動させる場合でさえ、ＰＣＲの解析時間を数時間（Ｃｅｐｈｅｉｄ社から市販されているＳｍａｒｔＣｙｃｌｅｒなど）から１分未満にまで減少させることもできる。さらに、高熱容量の流体を熱エネルギー源として利用することにより、ペルチェ素子、抵抗トレースヒータ（ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  ｔｒａｃｅ  ｈｅａｔｅｒｓ）、抵抗テープヒータ（ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  ｔａｐｅ  ｈｅａｔｅｒｓ）などの既存の電気加熱および冷却に基づく方法に比べ、はるかに精密で正確な熱制御をマイクロ流体工学システムに獲得させることができる。
【００３６】
サンプルの処理能力において、本発明の技術と張り合うことができる技術があるとしたら、それは主にロボットによるシステムである。しかし、そのようなシステムは、本発明よりも反応速度がはるかに遅いため張り合うことができず、複雑すぎるためコストまたは簡素性で張り合うことができず、また使用する加熱技術の精密性および正確性がはるかに低い。それらの装置は、通常自動ピペットをロボットマニピュレータに結合することによって、測定、混合、およびサンプルや試薬の搬送を行う。それらの装置は複雑で、高価で、小型化が困難である。
【００３７】
再び図１を参照する。システム１００は、熱サイクルされる物質１１５に関して操作可能に配置されたマイクロ流体熱交換器１０１を用いて、温度Ｔ１とＴ２の間で熱サイクルされる物質１１５の熱サイクルを提供する。温度Ｔ１の作動流体１０２が供給され、温度Ｔ１の作動流体１０２がマイクロ流体熱交換器１０１へと流される。温度Ｔ２の作動流体１０４が供給され、温度Ｔ２の作動流体１０４がマイクロ流体熱交換器１０１へと流される。温度Ｔ１とＴ２の作動流体をマイクロ流体熱交換器１０１へと流すステップが所定回数繰り返される。多孔質媒体１１３がマイクロ流体熱交換器１０１の中に置かれている。温度Ｔ１とＴ２の作動流体がマイクロ流体熱交換器１０１を通って流れるステップの間に、温度Ｔ１とＴ２の作動流体が多孔質媒体１１３を通って流れる。
【００３８】
温度Ｔ１とＴ２の作動流体をマイクロ流体熱交換器１０１へと繰り返し流すステップによって、ＰＣＲによる高速で効率的な核酸の解析を提供することができる。マイクロ流体のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）の熱サイクル方法１００は、極めて高速なサイクルを行うことができ、それによって、長いアンプリコン（ａｍｐｌｉｃｏｎｓ：増幅された核酸）でさえ、極めて高速な検出時間をもたらすこともできる。方法１００は、試薬と検体の混合；必要ならば、細胞、ウイルス粒子またはカプシドの溶解による標的ＤＮＡの放出；ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を通じた核酸増幅および光学手段またはその他の手段を用いた核酸の検出と評価、の１つまたは組み合わせを可能にする。本システムの利点は、本システムがマイクロ流体のプラットホーム上で完全に一体化していること、および極めて高速な熱サイクルにある。
【００３９】
システム１００には、以下の構成部品を含む：マイクロ流体熱交換器１０１、マイクロ流体熱交換器筺体１１２、多孔質媒体１１３，マイクロ流体の流路（ｃｈａｎｎｅｌ）１１６、流体１１７、マイクロポンプ１１０、経路１１１、チャンバ１０３、温度Ｔ１の作動流体１０２、チャンバ１０５、温度Ｔ２の作動流体１０４、経路１０８、三方弁１０７、および経路１０９。
【００４０】
システム１００の構成部品を説明してから、システム１００の働きを説明する。三方弁１０７が作動することによって、チャンバ１０３からマイクロ流体熱交換器１０１に温度Ｔ１の作動流体１０２の流れを提供する。マイクロポンプ１１０が作動することによって、温度Ｔ１の作動流体１０２をチャンバ１０３からマイクロ流体熱交換器１０１へと進める。温度Ｔ１の作動流体１０２がマイクロ流体熱交換器１０１中の多孔質媒体１１３を通過することによって、熱サイクルされる物質１１５の温度を温度Ｔ１に上げる。マイクロ流体熱交換器１０１中の多孔質媒体１１３の表面積がかなり増大し、流体の流路のねじれ（ｔｏｒｔｕｏｓｉｔｙ）が強まる。これら双方によって、熱伝導および結果として生じる作動流体と多孔質マトリックスとの熱流束（ｈｅａｔ  ｆｌｕｘ）が強められる。
【００４１】
次に、三方弁１０７が作動することによって、チャンバ１０５からマイクロ流体熱交換器１０１に温度Ｔ２の作動流体１０２の流れを提供する。マイクロポンプ１１０が作動することによって、温度Ｔ２の作動流体１０４をチャンバ１０５からマイクロ流体熱交換器１０１へと進める。温度Ｔ２の作動流体１０２がマイクロ流体熱交換器１０１中の多孔質媒体１１３を通過することによって、熱サイクルされる物質１１５の温度を温度Ｔ２に下げる。温度Ｔ１とＴ２の作動流体をマイクロ流体熱交換器１０１に流すステップが所定回数繰り返されることによって、所望のＰＣＲが提供される。マイクロ流体熱交換器１０１中の多孔質媒体１１３の表面積がかなり増大し、流体の流路のねじれ（ｔｏｒｔｕｏｓｉｔｙ）が強まる。これら双方によって、熱伝導および結果として生じる作動流体と多孔質マトリックスとの熱流束（ｈｅａｔ  ｆｌｕｘ）が強められる。
【００４２】
水の流路１１７は、増幅および検出の準備として様々なアッセイ用の成分（つまり、検体、オリゴヌクレオチド、プライマー、ＴａｑＭａｎのプローブなど）を混合するために使用することができる。流路の配置によって、多数の流れと連続してまたは並行して、続く解析のために、サンプルを多数の一定分量（ａｌｉｑｕｏｔｓ）に分割することが可能となる。連続する流れの中で、サンプルを希釈し、小塊（ｓｌｕｇｓ）に分割し、または小滴へと乳化することができる。さらに、所望のアッセイに応じて、核酸が溶液中に存在してもよいし、磁性ビーズにハイブリダイズしていてもよい。この構造の拡張性によって、同じサンプルから得られた一定分量に対して、検査されるべき複数の異なる反応を行うことが可能となる。一連の稼働後の流路の汚染除去は、流路に次亜塩素酸ナトリウムの希釈溶液、続いて脱イオン水を流すことにより、簡単に実行することができる。
【００４３】
システム１００は、すべての関連層（ｐｅｒｔｉｎｅｎｔ  ｌａｙｅｒｓ）から構成されるＰＣＲマイクロチップユニット１００内部の均一な温度を実現し維持するために、多孔質挿入物１１３を利用する高速な熱サイクルに対する、革新的で包括的な方法論を提供する。このＰＣＲに対する設計によって、高速で一時的で安定した周期的な熱管理アプリケーションを提供することができる。システム１００は、かなり高い加熱／冷却温度の傾斜を有し、温度の収束（ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ）が改善され、従来技術に比べて要求電力が低い。その結果、各時間ステップにおいて、基質の温度分布が非常に均一であり、現在のシステムよりもサイクル時間が桁違いに速い。ＰＣＲシステム１００の様々な適切な熱伝導パラメータの広範な調査が行われてきた。
【００４４】
システム１００の熱交換器１０１は、流入流路および流出流路を利用する。流入流路および流出流路において、加熱／冷却流体１０２および１０４が筐体（ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ）およびＰＣＲマイクロチップに取り付けられた伝導板の層を通過する。筐体は、均一な空隙率および浸透性を有する伝導性の多孔質媒体１１３で充填されている。別の実施態様では、筐体は、勾配のある空隙率を有する伝導性の多孔質媒体１１３で充填されている。多孔質マトリックスの浸透性および空隙率の公称値は、それぞれ３．７４×１０−１０ｍ２および０．４５と考えられている。多孔質媒体１１３は、流入流路を通過する加熱／冷却流体１０２および１０４によって飽和状態にされている。流入流路は、温冷供給タンク１０３および１０５に接続される。温タンク１０３と冷タンク１０５の間で加熱と冷却のサイクルを切り替えるために、切り替え式の三方弁１０７が使用される。外側壁のすべてと多孔質媒体の頂部は、ロスが最小限になるように絶縁されている。マイクロポンプ１１０は、作動流体１０２０および１０４をマイクロ流体熱交換器１０１の内部に直接入れることができるように配置されている。マイクロポンプ１１０を温冷供給タンク１０３および１０５、ならびにマイクロ流体熱交換器１０１に通じる経路の外側に配置することによって、マイクロポンプ１１０を変更のたびに新たな温度に到達させるために必要となる時間を省略する。
【００４５】
熱サイクルされる物質１１５は、マイクロ流体熱交換器１０１に接続されたＰＣＲチャンバ１１６中にある。熱サイクルされる物質１１５を含むＰＣＲチャンバの例は、複合混合物中の核酸のサブ配列の選別、増幅、検出、および同定を行うための、米国特許出願公開第２００８／０１６６７９３号に示されている。核酸のサブ配列の選別、増幅、検出、および同定を行うための、米国特許出願公開第２００８／０１６６７９３号の開示は、参照によって本明細書中に援用される。
【００４６】
ここで図２を参照する。図２には、本発明にしたがって構成された熱サイクルシステムの別の実施態様が示されている。このシステムは、参照数字２００によって通常指定される。システム３００は、熱サイクルされる物質２０７に関して動作できるように配置されたマイクロ流体熱交換器２０１を用いて、温度Ｔ１とＴ２の間で熱サイクルされる物質２０７の熱サイクルを提供する。温度Ｔ１の作動流体１０２が供給され、温度Ｔ１の作動流体１０２がマイクロ流体熱交換器２０１へと流される。温度Ｔ２の作動流体が供給され、温度Ｔ２の作動流体がマイクロ流体熱交換器２０１へと流される。温度Ｔ１とＴ２の作動流体をマイクロ流体熱交換器２０１へと流すステップが所定回数繰り返される。多孔質媒体２０２がマイクロ流体熱交換器２０１の中に置かれている。温度Ｔ１とＴ２の作動流体がマイクロ流体熱交換器２０１を通って流れるステップの間に、温度Ｔ１とＴ２の作動流体が多孔質媒体２０２を通って流れる。システム２００は、以下の構成部品を含む：マイクロ流体熱交換器２０１、多孔質媒体２０２、注入口２０３、排出口２０５、および熱サイクルチャンバ２０９。
【００４７】
システム２００の構成部品を説明してから、システム２００の働きを説明する。弁が作動することによって、チャンバからマイクロ流体熱交換器２０１に温度Ｔ１の作動流体の流れを提供する。マイクロポンプが作動することによって、温度Ｔ１の作動流体をチャンバからマイクロ流体熱交換器２０１へと進める。温度Ｔ１の作動流体がマイクロ流体熱交換器２０１中の多孔質媒体２０２を通過することによって、熱サイクルされる物質２０７の温度を温度Ｔ１に上げる。マイクロ流体熱交換器２０１中の多孔質媒体２０２の表面積がかなり増大し、流体の流路のねじれが強まる。これら双方によって、熱伝導および結果として生じる作動流体と多孔質マトリックスとの熱流束が強められる。
【００４８】
次に、弁が作動することによって、チャンバからマイクロ流体熱交換器２０１に温度Ｔ２の作動流体の流れを提供する。マイクロポンプが作動することによって、温度Ｔ２の作動流体をチャンバからマイクロ流体熱交換器２０１へと進める。温度Ｔ２の作動流体がマイクロ流体熱交換器２０１中の多孔質媒体２０２を通過することによって、熱サイクルされる物質２０７の温度を温度Ｔ２に下げる。温度Ｔ１とＴ２の作動流体をマイクロ流体熱交換器２０１に流すステップが所定回数繰り返されることによって、所望のＰＣＲが提供される。マイクロ流体熱交換器２０１中の多孔質媒体２０２の表面積がかなり増大し、流体の流路のねじれが強まる。これら双方によって、熱伝導および結果として生じる作動流体と多孔質マトリックスとの熱流束が強められる。
【００４９】
水の流路は、増幅および検出の準備として、様々なアッセイ用の成分（つまり、検体、オリゴヌクレオチド、プライマー、ＴａｑＭａｎプローブなど）を混合するために使用することができる。流路の配置によって、多数の流れと連続してまたは並行して、続く解析のために、サンプルを多数の一定分量（ａｌｉｑｕｏｔｓ）に分割することが可能となる。連続する流れの中で、サンプルを希釈し、小塊（ｓｌｕｇｓ）に分割し、または小滴へと乳化することができる。さらに、所望のアッセイに応じ、核酸は溶液中に存在してもよいし、磁性ビーズにハイブリダイズされてもよい。構造の拡張性によって、同一サンプル由来の一定分量に対して検査される、多数の異なる反応を行うことが可能となる。一連の稼働後の流路の汚染除去は、流路に次亜塩素酸ナトリウムの希釈液を流し、次に脱イオン水を流すことによって容易に行うことができる。
【００５０】
システム２００は、すべての関連層から構成されるＰＣＲマイクロチップユニット２００内部の均一な温度を実現し維持するために、多孔質挿入物２０２を利用する高速な熱サイクルに対する、革新的で包括的な方法論を提供する。このＰＣＲに対する設計によって、高速で一時的で安定した周期的な熱管理アプリケーションを提供することができる。システム２００は、かなり高い加熱／冷却温度の傾斜を有し、温度の収束が改善され、従来技術に比べて要求電力が低い。その結果、各時間ステップにおいて、基質の温度分布が非常に均一であり、現在のシステムよりもサイクル時間が桁違いに速い。ＰＣＲシステム２００の様々な適切な熱伝導パラメータの広範な調査が行われてきた。
【００５１】
システム２００の熱交換器２０１は、流入流路および流出流路を利用する。流入流路および流出流路において、加熱／冷却流体が筐体およびＰＣＲマイクロチップまたはマイクロアレイに取り付けられた伝導板の層を通過する。筐体は、均一な空隙率および浸透性を有する伝導性の多孔質媒体２０２で充填されている。多孔質マトリックスの浸透性および空隙率の公称値は、それぞれ３．７４×１０−１０ｍ２および０．４５と考えられている。多孔質媒体２０２は、流入流路を通過する加熱／冷却流体によって飽和状態にされている。流入流路は、温冷供給タンクに接続される。温冷タンク間で加熱と冷却のサイクルを切り替えるために、切り替え式の弁が使用される。外側壁のすべてと多孔質媒体の頂部は、ロスが最小限になるように絶縁されている。
【００５２】
次に図３を参照する。図３は、本発明の熱サイクルシステムの他の実施態様を説明するフローチャートである。このシステムは、参照数字３００によって通常指定される。システム３００は、熱サイクルされる物質に関して動作できるように配置されたマイクロ流体熱交換器を用いて、温度Ｔ１とＴ２の間で熱サイクルされる物質の熱サイクルを提供する。
【００５３】
ステップ１では、弁を作動させることによって、温度Ｔ１の作動流体を流す。これは参照数字３０２で指定される。
【００５４】
ステップ２では、ポンプを作動させることによって、温度Ｔ１の作動流体を、制御された速度で多孔質媒体を備えたマイクロ流体熱交換器へと流す。これは参照数字３０４で指定される。
【００５５】
ステップ３では、弁を作動させることによって、温度Ｔ２の作動流体を流す。これは参照数字３０６で指定される。
【００５６】
ステップ４では、ポンプを作動させることによって、温度Ｔ２の作動流体を、制御された速度で多孔質媒体を備えたマイクロ流体熱交換器へと流す。これは参照数字３０８で指定される。
【００５７】
ステップ５では、ステップ１、２、３、および４が必要回数繰り返される。これは参照数字３１０で指定される。
【００５８】
温度Ｔ１とＴ２の作動流体をマイクロ流体熱交換器１０１へと繰り返し流すステップによって、ＰＣＲによる高速で効率的な核酸の解析を提供することができる。マイクロ流体のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）の熱サイクル方法３００は、極めて高速なサイクルを行うことができ、それによって、長いアンプリコン（増幅された核酸）でさえ、極めて高速な検出時間をもたらすこともできる。方法３００は、試薬と検体の混合；必要ならば、細胞、ウイルス粒子またはカプシドの溶解による標的ＤＮＡの放出；ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を通じた核酸増幅および光学手段またはその他の手段を用いた核酸の検出と評価、の１つまたは組み合わせを可能にする。本システムの利点は、本システムがマイクロ流体のプラットホーム上で完全に一体化していること、および極めて高速な熱サイクルにある。
【００５９】
（別の実施態様）
ここで図４Ａを参照する。図４Ａには、本発明にしたがって構成された熱サイクルシステムの別の実施態様が示されている。本システムは、参照数字４００ａによって通常指定される。システム４００ａは、熱サイクルされる物質４１５ａに関して動作可能なように配置されたマイクロ流体熱交換器４０１ａを用いて、異なる温度間で物質４１５ａの熱サイクルを提供する。
【００６０】
温度Ｔ１の作動流体４０２ａが「タンクＡ」（４０３ａ）中に供給される。作動流体４０２ａは、適切な加熱／冷却装置によってタンクＡ（４０３ａ）中で温度Ｔ１で維持されている。温度Ｔ１の作動流体４０２ａはタンクＡ（４０３ａ）からマイクロ流体熱交換器４０１ａへと流される。
【００６１】
温度Ｔ２の作動流体４０４ａが「タンクＢ」（４０５ａ）中に供給される。作動流体４０４ａは、適切な加熱／冷却装置によってタンクＢ（４０５ａ）中で温度Ｔ２で維持されている。温度Ｔ２の作動流体４０４ａはタンクＢ（４０５ａ）からマイクロ流体熱交換器４０１ａへと流される。
【００６２】
温度Ｔ３の作動流体４１９ａが「タンクＣ」（４２０ａ）中に供給される。作動流体４１９ａは、適切な加熱／冷却装置によってタンクＣ（４２０ａ）中で温度Ｔ３で維持されている。温度Ｔ３の作動流体４１９ａはタンクＣ（４２０ａ）からマイクロ流体熱交換器４０１ａへと流される。システム４００ａは、以下の追加的な構成部品を含む：マイクロ流体熱交換器筐体４１２ａ、多孔質媒体４１３ａ、マイクロ流体の流路４１６ａ、流体４１７ａ、マイクロポンプ４１０ａ、経路４１１ａ、経路４０６ａ、経路４０８ａ、多位置弁４０７ａ、経路４０９ａ、および供給タンク４２１ａ。
【００６３】
システム４００ａの構成部品を説明してから、システム４００ａの働きを説明する。システム４００ａはポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）システムとして説明する。しかし、当然のことながらシステム４００ａは他の熱サイクルシステムとしても使用可能である。たとえば、システム４００ａはマルチウェルプレートまたはガラスのマイクロアレイの熱サイクルを行うために使用可能である。
【００６４】
ＰＣＲに使用した場合、システム４００ａは、熱サイクルされる物質４１５ａに関して操作可能に配置されたマイクロ流体熱交換器４０１を用いて、温度Ｔ１とＴ２の間でサイクルされる物質４１５ａの熱サイクルを提供する。温度Ｔ１の作動流体４０２ａが「タンクＡ」（４０３ａ）中に供給される。温度Ｔ１の作動流体４０２ａはタンクＡ（４０３ａ）からマイクロ流体熱交換器４０１ａへと流される。温度Ｔ２の作動流体４０４ａが「タンクＢ」（４０５ａ）中に供給される。温度Ｔ２の作動流体４０４ａはタンクＢ（４０５ａ）からマイクロ流体熱交換器４０１ａへと流される。温度Ｔ３の作動流体４１９ａが「タンクＣ」（４２０ａ）中に供給される。温度Ｔ３の作動流体４１９ａはタンクＣ（４２０ａ）からマイクロ流体熱交換器４０１ａへと流される。
【００６５】
多位置弁（ｍｕｌｔｉｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｖａｌｖｅｓ）４０７ａが作動することによって、タンクＡ（４０３ａ）からマイクロ流体熱交換器４０１ａに、温度Ｔ１の作動流体４０２ａの流れを提供する。マイクロポンプ４１０ａが作動することによって、温度Ｔ１の作動流体４０２ａをタンクＡ（４０３ａ）からマイクロ流体熱交換器４０１ａへと進める。温度Ｔ１の作動流体４０２ａがマイクロ流体熱交換器４０１ａ中の多孔質媒体４１３ａを通過することによって、熱サイクルされる物質４１５ａの温度を温度Ｔ１に上げる。マイクロ流体熱交換器４０１ａ中の多孔質媒体４１３ａの表面積がかなり増大し、流体の流路のねじれが強まる。これら双方によって、熱伝導および結果として生じる作動流体と多孔質マトリックスとの熱流束が強められる。次に、多位置弁４０７ａが作動することによって、タンクＢ（４０５ａ）からマイクロ流体熱交換器４０１ａに温度Ｔ２の作動流体４０４ａの流れを提供する。マイクロポンプ４１０ａが作動することによって、温度Ｔ２の作動流体４０４ａをチャンバ４０５ａからマイクロ流体熱交換器４０１ａへと進める。温度Ｔ２の作動流体４０２ａがマイクロ流体熱交換器４０１ａ中の多孔質媒体４１３ａを通過することによって、熱サイクルされる物質４１５ａの温度を温度Ｔ２に下げる。マイクロ流体熱交換器４０１ａ中の多孔質媒体４１３の表面積がかなり増大し、流体の流路のねじれが強まる。これら双方によって、熱伝導および結果として生じる作動流体と多孔質マトリックスとの熱流束が強められる。
【００６６】
また、多位置弁４０７ａを作動させることによって、タンクＣ（４２０ａ）からマイクロ流体熱交換器４０１ａへと温度Ｔ３の作動流体４１９ａの流れを供給することもできる。マイクロポンプ４１０ａが作動することによって、温度Ｔ３の作動流体４１９ａをタンクＣ（４２０ａ）からマイクロ流体熱交換器４０１ａへと進める。温度Ｔ３の作動流体４０２ａがマイクロ流体熱交換器４０１ａ中の多孔質媒体４１３ａを通過することによって、熱サイクルされる物質４１５ａの温度を温度Ｔ３に変える。マイクロ流体熱交換器４０１ａ中の多孔質媒体４１３。
【００６７】
核酸のＰＣＲを行う場合に、本システム４００ａは、増幅および検出の準備として様々なアッセイ用の成分（つまり、検体、オリゴヌクレオチド、プライマー、ＴａｑＭａｎのプローブなど）を混合するために使用することができる。温度Ｔ１とＴ２の作動流体をマイクロ流体熱交換器４０１ａへと流すステップを所定回数繰り返すことによって、所望のＰＣＲを提供することができる。流路の配置によって、多数の流れと連続してまたは並行して、続く解析のために、サンプルを多数の一定分量（ａｌｉｑｕｏｔｓ）に分割することが可能となる。連続する流れの中で、サンプルを希釈し、小塊（ｓｌｕｇｓ）に分割し、または小滴へと乳化することができる。さらに、所望のアッセイに応じて、核酸が溶液中に存在してもよいし、磁性ビーズにハイブリダイズしていてもよい。この構造の拡張性によって、同じサンプルから得られた一定分量に対して、検査されるべき複数の異なる反応を行うことが可能となる。一連の稼働後の流路の汚染除去は、流路に次亜塩素酸ナトリウムの希釈溶液、続いて脱イオン水を流すことにより、簡単に実行することができる。
【００６８】
システム４０１ａは、ＰＣＲ以外の熱サイクルにも使用することができる。システム４００ａの熱交換器４０１ａは、流入流路および流出流路を利用する。流入流路および流出流路において、加熱／冷却流体４０２ａ、４０４ａおよび４１９ａが多孔質媒体４１３ａを通過する。ある実施態様では、多孔質媒体４１３ａは均一な空隙率および浸透性を有する。多孔質マトリックスの浸透性および空隙率の公称値は、それぞれ３．７４×１０−１０ｍ２および０．４５と考えられている。他の実施態様では、多孔質媒体４１３ａは勾配のある空隙率を有する。システム４００ａによって、熱交換器４０１ａが熱サイクルされる物質４１５の温度を異なる温度間で、および異なる温度に変えることが可能となる。多位置弁４０７ａの設定の様々な組み合わせによって、作動流体をタンクＡ、Ｂ、およびＣからほぼ無限の異なる温度で供給することが可能となる。これによって、Ｔ１、Ｔ２、およびＴ３の組み合わせと冷却剤の流速によって、熱伝導の制御を全範囲において行うことができる。
【００６９】
本発明の熱機関は、ＰＣＲ以外の熱サイクルにも使用することができる。たとえば、本発明の実施態様は以下の形態／用途のすべてにおいて機能するであろう：（ａ）マイクロ流路の開閉、（ｂ）開いた構造（平面基板上の微液滴：核酸のサブ配列の選別、増幅、検出、および同定に関する米国特許出願第２００８／０１６６７９３号で説明されているように、「同一平面上で複合混合物中の核酸のサブ配列の選別、増幅、検出、および同定を行うためのマイクロチップを用いた装置」を参照）、（ｃ）Ａｆｆｙｍｅｔｒｉｘ  ＧｅｎｅＣｈｉｐ、ＮｉｍｂｌｅＧｅｎ、およびそれ以外のマイクロアレイ（アレイの表面にプライマーが結合している場合、マイクロアレイ上でＰＣＲを行うことができる）、（ｄ）ウェルを有するＰＣＲ用プレート（９６ウェル、３８４ウェル、１５３６ウェルなど）、および（ｅ）個々のキュベット（たとえばＣｅｐｈｅｉｄ  ＳｍａｒｔＣｙｃｌｅｒ）。本発明の方法／装置は、ＰＣＲのみに限定される必要はない。（ａ）リアルタイムの光学的検出を備えたＰＣＲ、（ｂ）リアルタイムの非光学的検出（電荷）を備えたＰＣＲ、（ｃ）終点検出（リアルタイムでない）を備えたＰＣＲ、（ｄ）最後にパイロシークエンシング、４色のシークエンシング、または他のシークエンシングを備えたＰＣＲ、（ｅ）シークエンシングのみ（ＰＣＲなし）、および（ｆ）化学合成（結晶学を含む）に対する熱サイクルであってもよい。
【００７０】
ここで図４Ｂを参照する。本発明にしたがって構成された熱サイクルシステムの別の実施態様が示されている。本システムは、参照数字４００ｂによって通常指定される。システム４００ｂは、熱サイクルされる物質４１５ｂに関して動作可能なように配置されたマイクロ流体熱交換器４０１ｂを用いて、異なる温度間で物質４１５ｂの熱サイクルを提供する。
【００７１】
温度Ｔ１の作動流体４０２ｂが「タンクＡ」（４０３ｂ）中に供給される。作動流体４０２ｂは、適切な加熱／冷却装置によってタンクＡ（４０３ｂ）中で温度Ｔ１で維持されている。温度Ｔ１の作動流体４０２ｂはタンクＡ（４０３ｂ）からマイクロ流体熱交換器４０１ｂへと流れる。
【００７２】
温度Ｔ２の作動流体４０４ｂが「タンクＢ」（４０５ｂ）中に供給される。作動流体４０４ｂは、適切な加熱／冷却装置によってタンクＢ（４０５ｂ）中で温度Ｔ２で維持されている。温度Ｔ２の作動流体４０４ｂはタンクＢ（４０５ｂ）からマイクロ流体熱交換器４０１ｂへと流れる。
【００７３】
システム４００ｂは、以下の追加的な構成部品を含む：マイクロ流体熱交換器筐体４１２ｂ、多孔質媒体４１３ｂ、マイクロ流体の流路４１６ｂ、流体４１７ｂ、マイクロポンプ４１０ｂ、経路４１１ｂ、経路４０６ｂ、経路４０８ｂ、多位置弁４０７ｂ、経路４０９ｂ、および供給タンク４２１ｂ。
【００７４】
システム４００ｂの構成部品を説明してから、システム４００ｂの働きを説明する。システム４００ｂはポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）システムとして説明する。しかし、当然のことながらシステム４００ｂは他の熱サイクルシステムとしても使用可能である。たとえば、システム４００ｂはマルチウェルプレートまたはガラスのマイクロアレイの熱サイクルを行うために使用可能である。
【００７５】
ＰＣＲに使用した場合、システム４００ｂは、熱サイクルされる物質４１５ｂに関して操作可能に配置されたマイクロ流体熱交換器４０１ｂを用いて、温度Ｔ１とＴ２の間でサイクルされる物質４１５ｂの熱サイクルを提供する。温度Ｔ１の作動流体４０２ｂが「タンクＡ」（４０３ｂ）中に供給される。温度Ｔ１の作動流体４０２ｂはタンクＡ（４０３ｂ）からマイクロ流体熱交換器４０１ｂへと流される。温度Ｔ２の作動流体４０４ｂが「タンクＢ」（４０５ｂ）中に供給される。温度Ｔ２の作動流体４０４ｂはタンクＢ（４０５ｂ）からマイクロ流体熱交換器４０１ｂへと流される。
【００７６】
多位置弁４０７ｂが作動することによって、タンクＡ（４０３ｂ）からマイクロ流体熱交換器４０１ｂに、温度Ｔ１の作動流体４０２ｂの流れを提供する。マイクロポンプ４１０ｂが作動することによって、温度Ｔ１の作動流体４０２ｂをタンクＡ（４０３ｂ）からマイクロ流体熱交換器４０１ｂへと進める。温度Ｔ１の作動流体４０２ｂがマイクロ流体熱交換器４０１ｂ中の多孔質媒体４１３ｂを通過することによって、熱サイクルされる物質４１５ｂの温度を温度Ｔ１に上げる。マイクロ流体熱交換器４０１ｂ中の多孔質媒体４１３ｂの表面積がかなり増大し、流体の流路のねじれが強まる。これら双方によって、熱伝導および結果として生じる作動流体と多孔質マトリックスとの熱流束が強められる。
【００７７】
次に、多位置弁４０７ｂが作動することによって、タンクＢ（４０５ｂ）からマイクロ流体熱交換器４０１ｂに、温度Ｔ２の作動流体４０４ｂの流れを提供する。マイクロポンプ４１０ｂが作動することによって、温度Ｔ２の作動流体４０４ｂをタンクＢ（４０５ｂ）からマイクロ流体熱交換器４０１ｂへと進める。温度Ｔ２の作動流体４０２ｂがマイクロ流体熱交換器４０１ｂ中の多孔質媒体４１３ｂを通過することによって、熱サイクルされる物質４１５ｂの温度を温度Ｔ２に下げる。マイクロ流体熱交換器４０１ｂ中の多孔質媒体４１３の表面積がかなり増大し、流体の流路のねじれが強まる。これら双方によって、熱伝導および結果として生じる作動流体と多孔質マトリックスとの熱流束が強められる。
【００７８】
核酸のＰＣＲを行う場合に、本システム４００ｂは、増幅および検出の準備として様々なアッセイ用の成分（つまり、検体、オリゴヌクレオチド、プライマー、ＴａｑＭａｎのプローブなど）を混合するために使用することができる。温度Ｔ１とＴ２の作動流体をマイクロ流体熱交換器４０１ｂへと流すステップを所定回数繰り返すことによって、所望のＰＣＲを提供することができる。流路の配置によって、多数の流れと連続してまたは並行して、続く解析のために、サンプルを多数の一定分量（ａｌｉｑｕｏｔｓ）に分割することが可能となる。連続する流れの中で、サンプルを希釈し、小塊（ｓｌｕｇｓ）に分割し、または小滴へと乳化することができる。さらに、所望のアッセイに応じて、核酸が溶液中に存在してもよいし、磁性ビーズにハイブリダイズしていてもよい。この構造の拡張性によって、同じサンプルから得られた一定分量に対して、検査されるべき複数の異なる反応を行うことが可能となる。一連の稼働後の流路の汚染除去は、流路に次亜塩素酸ナトリウムの希釈溶液、続いて脱イオン水を流すことにより、簡単に実行することができる。
【００７９】
システム４０１ｂは、ＰＣＲ以外の熱サイクルにも使用することができる。システム４００ｂの熱交換器４０１ｂは、流入流路および流出流路を利用する。それらにおいて、加熱／冷却流体４０２ｂおよび４０４ｂは多孔質媒体４１３ｂを通過する。ある実施態様では、多孔質媒体４１３ｂは均一な空隙率および浸透性を有する。多孔質マトリックスの浸透性および空隙率の公称値は、それぞれ３．７４×１０−１０ｍ２および０．４５と考えられている。別の実施態様では、多孔質媒体４１３ｂは勾配のある空隙率を有する。システム４００ｂによって、熱交換器４０１ｂに熱サイクルされる物質４１５の温度を様々な異なる温度まで、および温度間で変化させることが可能となる。多位置弁４０７ｂの設定の様々な組み合わせによって、作動流体をタンクＡおよびＢから無限に近い多様な異なる温度で供給することが可能となる。これによって、Ｔ１、Ｔ２、およびＴ３の組み合わせと冷却剤の流速によって、熱伝導の制御を全範囲において行うことができる。
【００８０】
（マルチウェル・プレート）
ここで図５を参照する。図５には本発明にしたがって構成された熱サイクルシステムの別の実施態様が示されている。このシステムは、参照数字５００によって通常指定される。システム５００は、熱サイクルされる物質５１５に関して動作できるように配置されたマイクロ流体熱交換器５０１を用いて、温度Ｔ１とＴ２の間で熱サイクルされる物質５１５の熱サイクルを提供する。熱サイクルされる物質５１５は、マルチウェル・プレート１１６中に含まれる。マルチウェル・プレート１１６の例は、マルチウェル・プレートに関する米国特許第７４１０６１８号に示されている。本特許には「先行技術では、バイオアッセイによく使用されるマルチウェル・プレートが知られている。各マルチウェル・プレートには、マルチウェル・プレート本体が含まれる。マルチウェル・プレート本体は、本体に形成され、ずらりと並んだウェルを有する。ウェルは通常９６個、３８４個、または１５３６個である。」と記載されている。マルチウェル・プレートに関する米国特許第７４１０６１８号は、参照によって本明細書中に援用される。
【００８１】
システム５００は、以下の追加的な構成部品を含む：マイクロ流体熱交換器筐体５１２、多孔質媒体５１３、マイクロポンプ５１０、経路５１１、チャンバ５０３、温度Ｔ１の作動流体５０２、チャンバ５０５、温度Ｔ２の作動流体５０４、経路５０８、多位置弁５０７、および経路５０９。
【００８２】
システム５００の構成部品を説明してから、システム５００の働きを説明する。多位置弁５０７が作動することによって、チャンバ５０３からマイクロ流体熱交換器５０１に、温度Ｔ１の作動流体５０２の流れを提供する。マイクロポンプ５１０が作動することによって、温度Ｔ１の作動流体５０２をチャンバ５０３からマイクロ流体熱交換器５０１へと進める。温度Ｔ１の作動流体５０２がマイクロ流体熱交換器５０１中の多孔質媒体５１３を通過することによって、熱サイクルされる物質５１５の温度を温度Ｔ１に上げる。マイクロ流体熱交換器５０１中の多孔質媒体５１３の表面積がかなり増大し、流体の流路のねじれが強まる。これら双方によって、熱伝導および結果として生じる作動流体と多孔質マトリックスとの熱流束が強められる。
【００８３】
次に、多位置弁５０７が作動することによって、チャンバ５０５からマイクロ流体熱交換器５０１に、温度Ｔ２の作動流体５０４の流れを提供する。マイクロポンプ５１０が作動することによって、温度Ｔ２の作動流体５０４をチャンバ５０５からマイクロ流体熱交換器５０１へと進める。温度Ｔ２の作動流体５０２がマイクロ流体熱交換器５０１中の多孔質媒体５１３を通過することによって、熱サイクルされる物質５１５の温度を温度Ｔ２に下げる。
【００８４】
システム５００の熱交換器５０１は、流入流路および流出流路を利用する。流入流路および流出流路において、加熱／冷却流体５０２および５０４が筐体および熱サイクルする物質を含むマルチウェル・プレート５１６を通過する。熱交換部５０１は、均一な空隙率および浸透性を有する伝導性の多孔質媒体５１３で充填されている。別の実施態様では、筐体は、勾配のある空隙率を有する伝導性の多孔質媒体５１３で充填されている。多孔質マトリックスの浸透性および空隙率の公称値は、それぞれ３．７４×１０−１０ｍ２および０．４５と考えられている。多孔質媒体５１３は、流入流路を通過する加熱／冷却流体５０２および５０４によって飽和状態にされている。流入流路は、温冷供給タンク５０３および５０５に接続される。温タンク５０３と冷タンク５０５の間で加熱と冷却のサイクルを切り替えるために、切り替え式の多位置弁５０７が使用される。外側壁のすべてと多孔質媒体の頂部は、ロスが最小限になるように絶縁されている。マイクロポンプ５１０は、作動流体５０２および５０４をマイクロ流体熱交換器５０１の内部に直接入れることができるように配置されている。マイクロポンプ５１０を温冷供給タンク５０３および５０５、ならびにマイクロ流体熱交換器５０１に通じる経路の外側に配置することによって、マイクロポンプ５１０を変更のたびに新たな温度に到達させるために必要となる時間を省略する。
【００８５】
（マイクロアレイ）
ここで図６を参照する。図６には、本発明にしたがって構成された熱サイクルシステムの別の実施態様が示されている。このシステムは、参照数字６００によって通常指定される。システム６００は、熱サイクルされる物質６１５に関して動作可能に配置されたマイクロ流体熱交換器６０１を用いて、異なる温度間で熱サイクルされる物質６１５の熱サイクルを提供する。熱サイクルされる物質６１５は、マイクロアレイ１１６上に収容されている。マイクロアレイの例は、マイクロアレイの検出器および方法に関する米国特許第７３５４３８９号に示されている。この特許には、「本発明が対象にするのは、バイオチップに結合された複数の検体を検出するための分析システムである。ここでは、光学検出器が第１の光源によって照射された登録マーカー（ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ  ｍａｒｋｅｒｓ）を利用することによって、検体を検出するための焦点の位置を決定する。検体は、第２の光源によって照射される。」と記載されている。マイクロアレイの検出器および方法に関する米国特許第７３５４３８９号は、本明細書中に参照によって援用する。
【００８６】
システム６００は、以下の追加的な構成部品を含む：マイクロ流体熱交換器筐体６１２、多孔質媒体６１３、マイクロポンプ６１０、経路６１１、チャンバ６０３、温度Ｔ１の作動流体６０２、チャンバ６０６、温度Ｔ２の作動流体６０４、経路６０８、多位置弁６０７、および経路６０９。
【００８７】
システム６００の構成部品を説明してから、システム６００の働きを説明する。多位置弁６０７が作動することによって、チャンバ６０３からマイクロ流体熱交換器６０１ｂに、温度Ｔ１の作動流体６０２の流れを提供する。マイクロポンプ６１０が作動することによって、温度Ｔ１の作動流体６０２をチャンバ６０３からマイクロ流体熱交換器６０１へと進める。温度Ｔ１の作動流体６０２がマイクロ流体熱交換器６０１中の多孔質媒体６１３を通過することによって、熱サイクルされる物質６１５の温度を温度Ｔ１に上げる。マイクロ流体熱交換器６０１中の多孔質媒体６１３の表面積がかなり増大し、流体の流路のねじれが強まる。これら双方によって、熱伝導および結果として生じる作動流体と多孔質マトリックスとの熱流束が強められる。
【００８８】
次に、多位置弁６０７が作動することによって、チャンバ６０５からマイクロ流体熱交換器６０１に、温度Ｔ２の作動流体６０４の流れを提供する。マイクロポンプ６１０が作動することによって、温度Ｔ２の作動流体６０４をチャンバ６０５からマイクロ流体熱交換器６０１へと進める。温度Ｔ２の作動流体６０２がマイクロ流体熱交換器６０１中の多孔質媒体６１３を通過することによって、熱サイクルされる物質６１５の温度を温度Ｔ２に下げる。
【００８９】
システム６００の熱交換器６０１は、流入流路および流出流路を利用する。流入流路および流出流路において、加熱／冷却流体６０２および６０４が筐体および熱サイクルする物質を含むマイクロアレイ６１６を通過する。熱交換部６０１は、均一な空隙率および浸透性を有する伝導性の多孔質媒体６１３で充填されている。別の実施態様では、筐体は、勾配のある空隙率を有する伝導性の多孔質媒体６１３で充填されている。多孔質マトリックスの浸透性および空隙率の公称値は、それぞれ３．７４×１０−１０ｍ２および０．４５と考えられている。多孔質媒体６１３は、流入流路を通過する加熱／冷却流体６０２および６０４によって飽和状態にされている。流入流路は、温冷供給タンク６０３および６０５に接続される。温タンク６０２と冷タンク６０５の間で加熱と冷却のサイクルを切り替えるために、切り替え式の多位置弁６０７が使用される。外側壁のすべてと多孔質媒体の頂部は、ロスが最小限になるように絶縁されている。マイクロポンプ６１０は、作動流体６０２および６０５をマイクロ流体熱交換器６０１の内部に直接入れることができるように配置されている。マイクロポンプ６１０を温冷供給タンク６０３および６０５、ならびにマイクロ流体熱交換器６０１に通じる経路の外側に配置することによって、マイクロポンプ６１０を変更のたびに新たな温度に到達させるために必要となる時間を省略する。
【００９０】
（結果）
テストおよび解析が行われ、本発明の装置および方法の予想外で優れた結果と性能が得られた。本発明の装置および方法のいくつかは、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｈｅａｔ  ａｎｄ  Ｍａｓｓ  Ｔｒａｎｓｆｅｒの５１巻（２００８年）Ｐ．２１０９〜２１２２に掲載されたシャディ・マハジョーブ、カンビズ・ヴァファイ、Ｎ．レジナルド・ビアーによる「核酸増幅用のポリメラーゼ連鎖反応を行うためのマイクロ流体高速サーマルサイクラー」という論文に記載されている。この論文の「結論」の節には、「ＰＣＲマイクロチップの内部で均一な温度を維持するためのすべての関連層（ｐｅｒｔｉｎｅｎｔ  ｌａｙｅｒｓ）から構成される、多孔質挿入物を利用した高速熱サイクルのための革新的で総合的な方法論が提示されている。高速で一時的で安定した周期的な熱管理アプリケーションを提供するための、分子生物学で広く使用されているＰＣＲの最適な設計が提示されている。文献から得られる技術に比べ、提示されたＰＣＲ設計は、かなり高い加熱／冷却温度の傾斜を有し、従来技術に比べて要求電力が低い。その結果、各時間ステップにおいて、基質の温度分布が非常に均一である。ＰＣＲシステムの物理特性に対し、様々な適切な熱伝導パラメータの広範な調査が示された。すべての適切なパラメータが同時に考慮されることにより、最適な設計を実現した。」と記載されている。Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｈｅａｔ  ａｎｄ  Ｍａｓｓ  Ｔｒａｎｓｆｅｒの５１巻（２００８年）Ｐ．２１０９〜２１２２に掲載されたシャディ・マハジョーブ、カンビズ・ヴァファイ、Ｎ．レジナルド・ビアーによる「核酸増幅用のポリメラーゼ連鎖反応を行うためのマイクロ流体高速サーマルサイクラー」という論文は、その全体を参照によって本明細書中に援用する。
【００９１】
ここで図７を参照する。図７では、本発明にしたがって構成された熱サイクルシステムの別の実施態様を説明する。このシステムは、参照数字７００によって通常指定される。システム７００は、熱サイクルされる物質７０６に関して動作可能に配置されたマイクロ流体熱交換器７０１を用いて温度Ｔ１とＴ２の間で熱サイクルされる物質の熱サイクルを提供する。熱サイクルされる物質は、上述の図のようにマイクロ流体熱交換器７０１に接触して配置される。
【００９２】
温度Ｔ１の作動流体が供給され、温度Ｔ１の作動流体が入口（ｉｎｌｅｔ）７０２を通ってマイクロ流体熱交換器７０１へと流される。温度Ｔ２の作動流体が供給され、温度Ｔ２の作動流体がマイクロ流体熱交換器７０１へと流される。温度Ｔ１の作動流体とＴ２の作動流体をマイクロ流体熱交換器７０１に流すステップが所定回数繰り返される。多孔質媒体がマイクロ流体熱交換器７０１中に配置される。温度Ｔ１の作動流体とＴ２の作動流体をマイクロ流体熱交換器７０１を通して流すステップにおいて、温度Ｔ１の作動流体とＴ２の作動流体が多孔質媒体を通って流れる。多孔質媒体は勾配浸透性および空隙率を有する多孔質媒体である。多孔質媒体は、第１の多孔質媒体７０３、第２の多孔質媒体７０４、および第３の多孔質媒体７０５で構成されている。第１の多孔質媒体７０３、第２の多孔質媒体７０４、および第３の多孔質媒体７０５は、異なる浸透性および空隙率を有する。第１の多孔質媒体７０３、第２の多孔質媒体７０４、および第３の多孔質媒体７０５は、勾配浸透性および空隙率を供給するように配置されている。
【００９３】
システム７００の構成部品を説明してから、システム７００の働きを説明する。弁が作動することによって、チャンバからマイクロ流体熱交換器７０１に、温度Ｔ１の作動流体の流れを提供する。マイクロポンプが作動することによって、温度Ｔ１の作動流体をチャンバからマイクロ流体熱交換器７０１へと進める。温度Ｔ１の作動流体がマイクロ流体熱交換器７０１中の多孔質媒体を通過することによって、熱サイクルされる物質の温度を温度Ｔ１に上げる。マイクロ流体熱交換器７０１中の勾配浸透性および空隙率７０３、７０４、７０５を有する多孔質媒体によって、マイクロ流体スケールの層流（ｌａｍｉｎａｒ  ｆｌｏｗ）、誘導された乱流、および熱混合が生じることによって、熱伝導が大幅に強化される。
【００９４】
次に、弁が作動することによって、チャンバからマイクロ流体熱交換器７０１に、温度Ｔ２の作動流体の流れを提供する。マイクロポンプが作動することによって、温度Ｔ２の作動流体をチャンバからマイクロ流体熱交換器７０１へと進める。温度Ｔ２の作動流体がマイクロ流体熱交換器７０１中の多孔質媒体７０２を通過することによって、熱サイクルされる物質の温度を温度Ｔ２に下げる。温度Ｔ１とＴ２の作動流体をマイクロ流体熱交換器７０１に流すステップが所定回数繰り返されることによって、所望のＰＣＲが提供される。マイクロ流体熱交換器７０１中の勾配浸透性および空隙率７０３、７０４、７０５を有する多孔質媒体の表面積がかなり増大し、流体の流路のねじれが強まる。これら双方によって、熱伝導および結果として生じる作動流体と多孔質マトリックスとの熱流束が強められる。
【００９５】
水の流路７０８は、増幅および検出の準備として様々なアッセイ用の成分（つまり、検体、オリゴヌクレオチド、プライマー、ＴａｑＭａｎのプローブなど）を混合するために使用することができる。流路の配置によって、多数の流れと連続してまたは並行して、続く解析のために、サンプルを多数の一定分量（ａｌｉｑｕｏｔｓ）に分割することが可能となる。連続する流れの中で、サンプルを希釈し、小塊（ｓｌｕｇｓ）に分割し、または小滴へと乳化することができる。さらに、所望のアッセイに応じて、核酸が溶液中に存在してもよいし、磁性ビーズにハイブリダイズしていてもよい。この構造の拡張性によって、同じサンプルから得られた一定分量に対して、検査されるべき複数の異なる反応を行うことが可能となる。一連の稼働後の流路の汚染除去は、流路に次亜塩素酸ナトリウムの希釈溶液、続いて脱イオン水を流すことにより、簡単に実行することができる。
【００９６】
システム７００の熱交換器７０１は、流入流路および流出流路を利用する。加熱／冷却流体は、流入流路および流出流路においてＰＣＲマイクロチップまたはマイクロアレイに取り付けられた伝導板の筐体（ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ）および層を通過する。筐体は、勾配のある空隙率を有する伝導性の多孔質媒体で充填されている。多孔質媒体は、流入流路７０２を通過する加熱／冷却流体およびによって飽和状態にされている。流入流路７０２は、温冷供給タンクに接続される。温タンクと冷タンクの間で加熱と冷却のサイクルを切り替えるために、切り替え式の弁が使用される。外側壁のすべてと多孔質媒体の頂部は、ロスが最小限になるように絶縁されている。
【００９７】
ここで図、特に図８を参照する。図８では、本発明にしたがって構成された単一のタンクを利用するシステムの実施態様を説明する。このシステムは、参照数字８００によって通常指定される。システム８００は、小型で携帯式のマイクロ流体に互換性があるプラットフォームにおける、極度に高速な連続する流れまたは標的核酸のバッチ式ＰＣＲ増幅を提供する。システム８００は、単一のタンク８０２が一定の温度に維持され、チップ８１８からの戻り経路８１４および８０６によって供給される１タンクだけのバージョンをユーザに提供する。同じ戻り経路８１４および８０６は、タンク８０２だけでなく別のタンクのバイパス経路８０５にも供給する。バイパス経路８０５は、本質的にはバイパス経路８０５を冷却する放熱板およびファンを備えたり備えなかったりするコイルであり、チップ入力のすぐ上流の可変弁に接続されている。サーミスタまたは熱電対（ｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅ）８０４を可変弁８０７の上流に配置することによって、温度Ｔ１またはＴ２または任意の中間温度の作動流体を送ることが可能となり、タンクおよび加熱システムが１つしか要らなくなる。
【００９８】
熱サイクルされる物質８１５がＤＮＡを含むチップ８１８上に収容されている。ＤＮＡサンプル８１５は、ＤＮＡサンプルを含むチップ８１８上に収容されている。伝導性の高い伝導板８１６は、チップ８１８を熱交換器８０１に接続する。伝導性のグリース８１７が使用されることによって、チップ８１８と熱交換器８０１との間に熱伝導性が提供される。チップ８１８と熱交換器８０１との間の伝導性のグリース８１７のかわりに、他の接続方法が使用されてもよい。たとえば、チップ８１８と熱交換器８０１との間に、圧入による接触や温度伝導性のテープが使用されてもよい。
【００９９】
システム８００は、熱サイクルされる物質８１５に関して動作可能に配置されたマイクロ流体熱交換器８０１を用いて、温度Ｔ１、Ｔ２、または任意の中間温度で熱サイクルされる物質８１５（ＤＮＡサンプル）の熱サイクルを提供する。温度Ｔ１とＴ２の作動流体をマイクロ流体熱交換器８０１へと繰り返し流すステップによって、ＰＣＲによる高速で効率的な核酸の解析を提供することができる。マイクロ流体のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）の熱サイクル方法８００は、極めて高速なサイクルを行うことができ、それによって、長いアンプリコン（増幅された核酸）でさえ、極めて高速な検出時間をもたらすこともできる。方法８００は、試薬と検体の混合；必要ならば、細胞、ウイルス粒子またはカプシドの溶解による標的ＤＮＡの放出；ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を通じた核酸増幅および光学手段またはその他の手段を用いた核酸の検出と評価、の１つまたは組み合わせを可能にする。本システムの利点は、本システムがマイクロ流体のプラットホーム上で完全に一体化していること、および極めて高速な熱サイクルにある。
【０１００】
システム８００は、以下の構成部品を含む：マイクロ流体熱交換器８０１、マイクロ流体熱交換器筐体８１２、多孔質媒体８１３、マイクロポンプ８１０、経路８０５、８０６、８０８、８０９、８１４、多位置弁８０７、伝導性の高い伝導板８１６、熱グリース８１７、ＤＮＡサンプルを含むチップ８１８、およびＤＮＡサンプル８１５。
【０１０１】
システム８００の構成部品を説明してから、システム８００の働きを説明する。弁８０７が作動することによって、タンク８０２からマイクロ流体熱交換器８０１に、温度Ｔ１の作動流体の流れを提供する。システム８００は、１タンクだけのバージョンをユーザに提供する。そこでは単一のタンク８０２は一定の温度に維持され、チップ８１８からの戻り経路８１４および８０６によって供給される。しかし、同じ戻り経路８１４および８０６は、タンク８０２だけでなく別のタンクのバイパス経路８０５にも供給する。バイパス経路８０５は、本質的にはバイパス経路８０５を冷却する放熱板およびファンを備えたり備えなかったりするコイルであり、チップ入力のすぐ上流の可変弁に接続されている。サーミスタまたは熱電対８０４を可変弁８０７の上流に配置することによって、温度Ｔ１またはＴ２または任意の中間温度の作動流体を送ることが可能となり、タンクおよび加熱システムが１つしか要らなくなる。
【０１０２】
マイクロ流体熱交換器８０１中の多孔質媒体８１３の表面積がかなり増大し、流体の流路のねじれが強まる。これら双方によって、熱伝導および結果として生じる作動流体と多孔質マトリックスとの熱流束が強められる。システム８００の熱交換器８０１は、流入流路および流出流路を利用する。流入流路および流出流路において、加熱／冷却流体が筐体およびＰＣＲマイクロチップに取り付けられた伝導板の層を通過する。筐体は、均一または勾配のある空隙率および浸透性を有する伝導性の多孔質媒体８１３で充填されている。多孔質媒体８１３は、流入流路を通過する加熱／冷却流体によって飽和状態にされている。温冷間で加熱と冷却のサイクルを切り替えるために、切り替え式の弁８０７が使用される。外側壁のすべてと多孔質媒体の頂部は、ロスが最小限になるように絶縁されている。マイクロポンプ８１０は、作動流体をマイクロ流体熱交換器８０１の内部に直接入れることができるように配置されている。マイクロポンプ８１０を温冷供給タンクの外側に配置することによって、マイクロポンプ８１０を変更のたびに新たな温度に到達させるために必要となる時間を省略する。
【０１０３】
上述のシステムは、再プログラム可能な中間ステップを含みうる。以下で述べる再プログラム可能な中間ステップは、図１〜８に関連して説明したシステムとともに使用することができる。
（ステップＡ）２つのタンクと可変式の電子制御弁を用いて、閉ループ制御の下で稼働している弁の上流の熱センサによって、温度Ｔ１の容器と温度Ｔ２の容器からの流れの体積比を調節する能力が提供される。それらの比を調節することによって、温度Ｔ１とＴ２の間（およびそれら自身を含む）いかなる温度も達成可能である。そのため、仮に温度Ｔ３に対する設定点がユーザに知られているなら、ユーザはＴ１、Ｔ２、およびＴ３をキー操作部、ＰＣ、ペンダント（ｐｅｎｄａｎｔ）などに入力すれば、装置は温度Ｔ１とＴ２の間で熱サイクルを行い、所望により温度Ｔ３で停止することができる。それに関して、「温度Ｔ３」はＴ１とＴ２の間である限り、多数の異なる値をとりうる。
（ステップＢ）この性能は、ＰＣＲにとって非常に望ましい。それは、ほとんどのプロトコールが３ステップであり、それらのプロトコールでは、（低い）アニーリング温度（〜５０℃）から、ＤＮＡポリメラーゼ酵素が最適に機能する伸長温度（〜７０℃）、２本鎖が分離する高い温度（〜９４℃）へとサイクルが行われるからである。次に、サンプルがアニーリング温度（〜５０℃）まで下げられ、サイクルが繰り返される。１回の逆転写（ＲＮＡをＤＮＡに変換する）と酵素の活性化（「ホットスタート」）を含む完全な熱サイクルの一例が、Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙの第８０巻（第６号）Ｐ．１８５４〜１８５８（２００８年３月１５日）のＮ．レジナルド・ビアー、エリザベス・Ｋ．ホイーラー、ロレンナ・リー・ヒューストン、ニコラス・ワトキンス、シャナヴァズ・ナサラバディ、ニコル・ヒーバート、パトリック・レオン、ドン・Ｗ．アーノルド、クリストファー・Ｇ．ベイリー、およびビル・Ｗ．コルストンによる出版物「分離されたピコリットル液滴におけるオン・チップの単一コピーのリアルタイム逆転写ＰＣＲ」の実験の節（Ｐ．１８５５）に示されている。Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙの第８０巻（第６号）Ｐ．１８５４〜１８５８（２００８年３月１５日）のＮ．レジナルド・ビアー、エリザベス・Ｋ．ホイーラー、ロレンナ・リー・ヒューストン、ニコラス・ワトキンス、シャナヴァズ・ナサラバディ、ニコル・ヒーバート、パトリック・レオン、ドン・Ｗ．アーノルド、クリストファー・Ｇ．ベイリー、およびビル・Ｗ．コルストンによる出版物「分離されたピコリットル液滴におけるオン・チップの単一コピーのリアルタイム逆転写ＰＣＲ」は、本明細書中に参照により援用する。
（ステップＣ）この性能によって、サイクル中に繰り返す多数の温度ステップを有する、小分子の増幅に動力を供給するための能力を提供することもできる。時間の経過とともに、ますます多くのそれらの分子の増幅（必ずしもＤＮＡを使用する必要はない）がその技術に入るであろう。
（ステップＤ）これは通常の化学反応または複雑な合成反応に有用であってもよい。このサーマルサイクラーに取り付けられたアレイまたはマルチウェル・プレートにピペットを用いて（ロボットまたは手動で）反復サイクル中の異なる温度で新たな試薬を中に入れるために、それらの反応では、吸熱ステップおよび発熱ステップが必要となる。
【０１０４】
本発明は、様々な改良を行ったり、代替の形態を作製したりしやすいが、ここでは例として、図には特定の実施態様が示され、明細書中で詳細に説明した。しかし、当然のことながら、本発明は開示された特定の実施態様に限定されるものではない。本発明は、以下の添付の請求項に規定された本発明の精神と範囲に含まれるあらゆる改良物、均等物、および代替物にまで及ぶ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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