(57)【要約】反応容器内に保持される反応混合物の温度を制御するための装置であって、前記装置が前記反応容器を放射線にさらして前記反応混合物を加熱するための放射線源、反応混合物の温度を表す温度を検知するための温度センサー、および前記反応混合物の温度に基づいて前記放射線源を制御して前記反応混合物を選択的に加熱するためのコントローラを含む装置。
2011504727.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応容器内に保持される反応混合物の温度を制御するための装置であって、前記装置が、
a) 前記反応容器を放射線にさらして前記反応混合物を加熱するための放射線源、
b)反応混合物の温度を表す温度を検知するための温度センサー、および
c) 前記反応混合物の温度に基づいて前記放射線源を制御して前記反応混合物を選択的に加熱するためのコントローラを含む装置。
【請求項２】
前記装置が前記反応容器を含むチャンバを加熱するための熱源を含む請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記コントローラが、
a) 前記放射線源を使用して前記反応混合物の温度を少なくとも部分的に上昇させるため、および、
b) 前記熱源を使用して前記反応混合物の温度を少なくとも部分的に維持するためにある請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記装置が前記反応混合物を冷却するための冷却機構を含む請求項１〜３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
前記冷却機構が前記反応混合物を高い温度から冷却するためにある請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記冷却機構が前記反応容器を含んでいるチャンバに周囲空気を供給する請求項４または５に記載の装置。
【請求項７】
前記冷却機構が前記反応容器を含んでいるチャンバに冷却した流体を供給する請求項４または５に記載の装置。
【請求項８】
前記温度センサーが赤外線センサーである請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
前記温度センサーが前記反応混合物の温度依存性インジケータの色を検知するための光学センサーである請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
前記温度センサーが前記反応混合物の温度を検知する請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
前記温度センサーが反応容器の温度を検知し、前記コントローラが前記の反応容器の温度を用いて前記反応混合物の温度を決定するためにある請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１２】
前記温度センサーがチャンバ温を検知し、前記コントローラは前記チャンバ温を用いて前記反応混合物の温度を決定するためにある請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１３】
前記放射線源が赤外線を発生する請求項１〜１２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１４】
前記放射線源が光学的放射線を発生する請求項１〜１３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１５】
前記装置が使用中に前記反応容器を収容するためのチャンバを含む請求項１〜１４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１６】
前記装置が多くの反応容器を収容するためのマウントを含み、前記放射線源およびマウントは前記の多くの反応容器の１つ以上の加熱を可能にするように配置される請求項１〜１５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１７】
前記装置が前記放射線源と関連して前記マウントを移動するためのドライブを含む請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記コントローラが、前記ドライブを制御し、それによって前記の多くの反応容器のそれぞれの反応混合物を選択的に加熱するためにある請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記放射線源が加熱ゾーンを放射線にさらし、前記コントローラは前記反応容器を加熱ゾーンに選択的にさらすことによって前記反応混合物の加熱を制御する請求項１〜１８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２０】
前記コントローラが処理システムである請求項１〜１９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２１】
前記コントローラが、
a) 前記反応混合物のポリヌクレオチドを変性させるために前記反応混合物の温度を第１温度値まで上昇させるため；
b) 前記反応混合物のポリヌクレオチドをアニールするために前記反応混合物の温度を第２温度値まで低下させるため；および
c) 前記変性ポリヌクレオチドをハイブリダイズさせるために前記反応混合物の温度を第３温度値まで上昇させるためにある請求項１〜２０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２２】
前記コントローラが、
a) 前記温度センサーから受け取った信号を用いて前記反応混合物の温度を決定するため；および
b) 前記反応混合物の温度に基づいて前記放射線源を制御して、前記反応混合物の温度を制御することを可能にするためにある請求項１〜２１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２３】
前記コントローラが、
a) 前記放射線源を制御して、前記反応混合物の温度を第１温度値に上昇させるため；
b) 熱源を制御して、前記反応混合物の温度を第１温度値に維持するため；
c) 冷却機構を制御し、それによって前記反応混合物の温度を第２温度に低下させて維持するため；および
d) 前記放射線源を制御し、それによって前記反応混合物の温度を第３温度値に上昇させるため；および
e) 熱源を制御して、前記反応混合物の温度を第３温度値に維持するためにある請求項１〜２２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２４】
前記放射線源が所定の加熱ゾーンを選択的に生成するように適合しており、前記装置は所定の冷却ゾーンを選択的に生成するように適合している冷却剤供給ポートを含み、前記の所定の加熱ゾーンおよび前記の所定の冷却ゾーンはそれぞれ前記ヒーターおよび前記冷却剤供給ポートに実質的に隣接して生成され、それにより前記反応混合物の温度は前記反応容器を前記加熱ゾーンおよび／または前記冷却ゾーンに選択的にさらすことによって制御可能である請求項１〜２３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２５】
前記反応容器は放射線が少なくとも部分的に透過する請求項１〜２４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２６】
前記放射線は反応容器の特性および反応混合物の特性の少なくとも１つに基づいて選択される波長を有する請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
反応容器内に保持される反応混合物の温度を制御する方法であって、前記方法が、コントローラにおいて、
a) 温度センサーから受け取った信号を用いて反応混合物の温度を決定する工程と、
b) 放射線源を制御する工程であって、前記放射線源は、反応容器を放射線にさらし、それによって反応混合物を加熱するためにあり、前記放射線源は前記反応混合物の温度に基づいて制御されて、前記反応混合物の温度の制御を可能にする工程とを含む方法。
【請求項２８】
反応容器内に保持される反応混合物の温度を制御するための装置であって、前記装置が、所定の加熱ゾーンを選択的に生成するように適合しているヒーターおよび所定の冷却ゾーンを選択的に生成するように適合している冷却剤供給ポートを含み、
前記の所定の加熱ゾーンおよび前記の所定の冷却ゾーンは、それぞれ前記ヒーターおよび前記冷却剤供給ポートに実質的に隣接して生成され、それにより前記反応混合物の温度は前記反応容器を前記加熱ゾーンおよび／または前記冷却ゾーンに選択的にさらすことによって制御可能である装置。
【請求項２９】
前記ヒーターは１つ以上のＩＲ放射体である請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
前記冷却剤供給ポートは前記ヒーターに隣接して配置した複数の開口であり、前記冷却剤は周囲空気である請求項２８または２９に記載の装置。
【請求項３１】
複数の反応容器がアレイ状に設けられている請求項２８〜３０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３２】
前記反応混合物の温度は所定の温度プロフィールに基づいて前記反応容器を前記加熱ゾーンまたは前記冷却ゾーンに選択的にさらすことによって制御可能である請求項２８〜３１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３３】
前記の所定の温度プロフィールが核酸増幅に適合している請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
前記加熱ゾーンと前記冷却ゾーンが実質的に一致する請求項２８〜３３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３５】
反応容器内に保持される反応混合物の温度を制御するための方法であって、前記方法が、
i) 所定の加熱ゾーンを選択的に生成するように適合しているヒーターを提供する工程と、
ii) 所定の冷却ゾーンを選択的に生成するように適合している冷却剤供給ポートを提供する工程と、
iii)前記の所定の加熱ゾーンおよび前記の所定の冷却ゾーンはそれぞれ前記ヒーターおよび前記の冷却剤供給ポートに実質的に隣接して生成される工程と、
iv) 前記反応容器を前記加熱ゾーンおよび／または前記冷却ゾーンに選択的にさらすことによって前記反応混合物の温度を制御する工程とを含む方法。
【請求項３６】
反応容器内に保持される反応混合物の温度を制御するための方法であって、前記方法が、
i) 反応容器を所定の加熱ゾーンおよび／または所定の冷却ゾーンに選択的にさらす工程を含み、
前記の所定の加熱ゾーンおよび前記の所定の冷却ゾーンはそれぞれヒーターおよび冷却剤供給ポートに実質的に隣接して生成される方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応混合物の温度を制御する装置および方法、詳細には核酸増幅の熱サイクル装置に関する。しかしながら、本発明がこの特定の使用分野に限られていないことはいうまでもない。
【背景技術】
【０００２】
本願明細書における、いかなる先行の文献（またはそれに由来する情報）、あるいは公知であるいかなる事項に対する参照も、その先行の文献（またはそれに由来する情報）あるいはその公知の事項が、本明細書が関連する活動の分野の共通の一般知識の一部を形成するということへの承認または容認あるいはいかなる形の示唆ではなく、また、そのようにとられてはならない。
【０００３】
ＰＣＲは、サイクルが完了されるたびに特定のポリヌクレオチド配列の指数関数的増幅を引き起こす複数のサイクルに関する技術である。ＰＣＲの技術は周知であり、そしてＰＣＲ：非特許文献１、ＰＣＲプロトコル：非特許文献２、およびＰＣＲ技術：非特許文献３などの多くの本に記載されている。ＰＣＲは、米国第４，６８３，１９５号、第４,６８３,２０２号、第４,８００,１５９号、第４,９６５,１８８号、第４,８８９,８１８号、第５,０７５,２１６号、第５,０７９,３５２号、第５,１０４,７９２号、第５,０２３,１７１号、第５,０９１,３１０号、および第５，０６６，５８４号などの多くの米国特許（特許文献１〜１１）にも記載されている。
【０００４】
ＰＣＲテクニックは、通常、ポリヌクレオチドを変性させる工程、続いて少なくとも一対のプライマ・オリゴヌクレオチドを変性ポリヌクレオチドにアニールする、すなわちプライマを変性ポリヌクレオチド・テンプレートにハイブリダイズする工程を含む。アニーリング工程の後に、ポリメラーゼ活性を有する酵素は、プライマ・オリゴヌクレオチドを組み込んで、合成テンプレートとして第一の変性ポリヌクレオチドを使用する新規なポリヌクレオチド鎖の合成を触媒する。この一連の工程（変性、プライマ・アニーリング、およびプライマ伸長法）がＰＣＲサイクルを構成する。
【０００５】
サイクルが繰り返されるとき、初期のサイクルからの新しく合成されたポリヌクレオチドが次のサイクルの合成のテンプレートとして役立つことができるので、新しく合成されるポリヌクレオチドの量は指数的に増大する。２つのアニーリング・サイト間の領域が増幅されるように、プライマ・オリゴヌクレオチドは、所与の二本鎖ポリヌクレオチド配列の逆鎖にアニール化されることができる対において通常選択される。
【０００６】
ＤＮＡの変性は通常約９０〜９５℃で起こり、プライマを変性ＤＮＡにアニールすることは通常約４０〜６０℃で実行され、そしてアニールされたプライマをポリメラーゼで伸長する工程は通常約７０〜７５℃で実行される。従って、ＰＣＲサイクルの間に反応混合物の温度は変化しなければならず、そしてマルチ・サイクルＰＣＲ実験の間に何度も変化しなければならない。
【０００７】
ＰＣＲ技術は、多種多様な生物学的応用、例えば、ＤＮＡ配列分析、プローブ生成、核酸配列のクローニング、サイトに誘導された突然変異生成、遺伝子突然変異の検出、ウイルス感染の診断、分子「指紋鑑定」、ならびに生物流体および他のソースの微生物を汚染することの監視を含む。
【０００８】
ＰＣＲに加えて、ＬａｎｄｅｇｒｅｎおよびＨｏｏｄによる特許文献１２に開示のリガーゼ連鎖反応を含む、他の生体外増幅手順が公知であり、先行技術で有利に用いられる。さらに一般的にいえば、生物工学技術において、公知のいくつかの重要な方法、例えば核酸ハイブリダイゼーションおよび配列解読は、管理された方法でサンプル分子を含む溶液の温度を変えることに依存している。従来の技術は異なる温度ゾーンの中を循環する個々のウェルまたは管の利用に依存する。例えば、ＤＮＡ増幅および配列解読のために使用する多くの熱「サイクラー」は、温度制御要素または「ブロック」が反応混合物を保持する先行技術で開示され、そしてブロックの温度は時間とともに変化する。これらの装置の１つの利点は、比較的多くの数のサンプルが同時に処理されることができる、例えば９６のウェルプレートが通常使用されるということである。しかしながら、この種の装置は、それらが反応混合物を循環させるのに比較的時間がかかり、作動するために比較的エネルギー集約型であり、温度制御は理想的とは言えず、そしてその場での反応混合物の検出は困難であるという点で、さまざまな欠点を有する。
【０００９】
これらの不利な点のいくつかを回避する努力において、他の熱サイクラーが開発され、そこでは反応混合物を保持するための複数の容器が、加熱したり冷却したりするのに適合しているチャンバの中に回転可能に取り付けられる回転可能なカルーセル（円形コンベア）で支持される。例えば、ウイットワーらによる特許文献１３を参照。しかしながら、これらの装置はさまざまな不利な点をまだ有する。例えば、反応混合物の温度制御は理想的とは言えず、反応混合物の加熱および冷却の速度の制御は理想的とは言えず、そしてこれらの装置のエネルギー効率は比較的低い。
【００１０】
従って、反応混合物の改良された温度調節を提供し、使用するのに複雑でなく、サンプル容器で生じている反応のリアルタイム分析を提供することができて、エネルギー効率の良い、ＰＣＲのためのサーモ・サイクラの必要はまだ残っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第４，６８３，１９５号明細書
【特許文献２】米国特許第４,６８３,２０２号明細書
【特許文献３】米国特許第４,８００,１５９号明細書
【特許文献４】米国特許第４,９６５,１８８号明細書
【特許文献５】米国特許第４,８８９,８１８号明細書
【特許文献６】米国特許第５,０７５,２１６号明細書
【特許文献７】米国特許第５,０７９,３５２号明細書
【特許文献８】米国特許第５,１０４,７９２号明細書
【特許文献９】米国特許第５,０２３,１７１号明細書
【特許文献１０】米国特許第５,０９１,３１０号明細書
【特許文献１１】米国特許第５，０６６，５８４号明細書
【特許文献１２】米国特許第４，９８８，６１７号明細書
【特許文献１３】米国特許第７，０８１，２２６号明細書
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】「実際的な方法」Ｍ．Ｊ．マクファーソン他、ＩＲＬ出版（１９９１）
【非特許文献２】イニス他による「方法および応用のガイド」、アカデミック出版（１９９０）
【非特許文献３】「ＤＮＡ増幅のプリンシパルおよび応用」Ｈ．Ａ．エルリッヒ、ストックトン出版（１９８９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、上述の先行技術の不利な点のうちの少なくとも１つを克服するかまたは改善するか、あるいは有用な代案を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
第１の幅広い形態において、本発明は反応容器内に保持される反応混合物の温度を制御するための装置であって、
a) 前記反応容器を放射線にさらして前記反応混合物を加熱するための放射線源、
b)反応混合物の温度を表す温度を検知するための温度センサー、および
c) 前記反応混合物の温度に基づいて前記放射線源を制御して前記反応混合物を選択的に加熱するためのコントローラ
を含む装置を提供しようとするものである。
【００１５】
通常、前記装置は前記反応容器を含むチャンバを加熱するための熱源を含む。
【００１６】
通常、前記コントローラは、
a) 前記放射線源を使用して前記反応混合物の温度を少なくとも部分的に上昇させるため、および、
b) 前記熱源を使用して前記反応混合物の温度を少なくとも部分的に維持するためにある。
【００１７】
通常、前記装置は前記反応混合物を冷却するための冷却機構を含む。
【００１８】
通常、前記冷却機構は前記反応混合物を高い温度から冷却するためにある。
【００１９】
通常、前記冷却機構は前記反応容器を含んでいるチャンバに周囲空気を供給する。
【００２０】
通常、前記冷却機構は前記反応容器を含んでいるチャンバに冷却した流体を供給する。
【００２１】
通常、前記温度センサーは赤外線センサーである。
【００２２】
通常、前記温度センサーは前記反応混合物の温度依存性インジケータの色を検知するための光学センサーである。
【００２３】
通常、前記温度センサーは前記反応混合物の温度を検知する。
【００２４】
通常、前記温度センサーは反応容器の温度を検知し、前記コントローラは前記の反応容器の温度を用いて前記反応混合物の温度を決定するためにある。
【００２５】
通常、前記温度センサーはチャンバ温を検知し、前記コントローラは前記チャンバ温を用いて前記反応混合物の温度を決定するためにある。
【００２６】
通常、前記放射線源は赤外線を発生する。
【００２７】
通常、前記放射線源は光学的放射線を発生する。
【００２８】
通常、前記装置は使用中に前記反応容器を収容するためのチャンバを含む。
【００２９】
通常、前記装置は多くの反応容器を収容するためのマウントを含み、前記放射線源およびマウントは多くの反応容器の１つ以上の加熱を可能にするように配置される。
【００３０】
通常、前記装置は前記放射線源と関連して前記マウントを移動するためのドライブを含む。
【００３１】
通常、前記コントローラは、前記ドライブを制御し、それによって前記の多くの反応容器のそれぞれの反応混合物を選択的に加熱するためにある。
【００３２】
通常、前記放射線源は加熱ゾーンを放射線にさらし、前記コントローラは前記反応容器を加熱ゾーンに選択的にさらすことによって前記反応混合物の加熱を制御する。
【００３３】
通常、前記コントローラは処理システムである。
【００３４】
通常、前記コントローラは、
a) 前記反応混合物のポリヌクレオチドを変性させるために前記反応混合物の温度を第１温度値まで上昇させるため；
b) 前記反応混合物のポリヌクレオチドをアニールするために前記反応混合物の温度を第２温度値まで低下させるため；および
c) 前記変性ポリヌクレオチドをハイブリダイズさせるために前記反応混合物の温度を第３温度値まで上昇させるためにある。
【００３５】
通常、前記コントローラは、
a) 前記温度センサーから受け取った信号を用いて前記反応混合物の温度を決定するため；および
b) 前記反応混合物の温度に基づいて前記放射線源を制御して、前記反応混合物の温度を制御することを可能にするためにある。
【００３６】
通常、前記コントローラは、
a) 前記放射線源を制御して、前記反応混合物の温度を第１温度値に上昇させるため；
b) 熱源を制御して、前記反応混合物の温度を第１温度値に維持するため；
c) 冷却機構を制御し、それによって前記反応混合物の温度を低下させて、第２温度に維持するため；および
d) 前記放射線源を制御し、それによって前記反応混合物の温度を第３温度値に上昇させるため；および
e) 熱源を制御して、前記反応混合物の温度を第３温度値に維持するためにある。
【００３７】
通常、前記放射線源は所定の加熱ゾーンを選択的に生成するように適応し、前記装置は所定の冷却ゾーンを選択的に生成するように適応した冷却剤供給ポートを含み、前記の所定の加熱ゾーンおよび前記の所定の冷却ゾーンはそれぞれ前記ヒーターおよび前記冷却剤供給ポートに実質的に隣接して生成され、それにより前記反応混合物の温度は前記反応容器を前記加熱ゾーンおよび／または前記冷却ゾーンに選択的にさらすことによって制御可能である。
【００３８】
通常、前記反応容器は放射線が少なくとも部分的に透過する。
【００３９】
通常、前記放射線は反応容器の特性および反応混合物の特性の少なくとも１つに基づいて選択される波長を有する。
【００４０】
第２の幅広い形態において、本発明は反応容器内に保持される反応混合物の温度を制御する方法であって、コントローラにおいて、
a) 温度センサーから受け取った信号を用いて反応混合物の温度を決定する工程と、
b) 放射線源を制御する工程であって、前記放射線源は、反応容器を放射線にさらし、それによって反応混合物を加熱するためにあり、前記放射線源は前記反応混合物の温度に基づいて制御されて、前記反応混合物の温度の制御を可能にする工程と、
を含む方法を提供しようとするものである。
【００４１】
第３の幅広い形において、本発明は反応容器内に保持される反応混合物の温度を制御するための装置であって：
i) 所定の加熱ゾーンを選択的に生成するように適合しているヒーターおよび所定の冷却ゾーンを選択的に生成するように適合している冷却剤供給ポートを含む装置を提供しようとするものであり、前記の所定の加熱ゾーンおよび前記の所定の冷却ゾーンはそれぞれ前記ヒーターおよび前記冷却剤供給ポートに実質的に隣接して生成され、それにより前記反応混合物の温度は前記反応容器を前記加熱ゾーンおよび／または前記冷却ゾーンに選択的にさらすことによって制御可能である。
【００４２】
通常、前記ヒーターは１つ以上のＩＲ放射体である。
【００４３】
通常、前記冷却剤供給ポートは前記ヒーターに隣接して配置した複数の開口であり、前記冷却剤は周囲空気である。
【００４４】
通常、複数の反応容器はアレイ状に設けられている。
【００４５】
通常、前記反応混合物の温度は所定の温度プロフィールに基づいて前記反応容器を前記加熱ゾーンまたは前記冷却ゾーンに選択的にさらすことによって制御可能である。
【００４６】
通常、前記の所定の温度プロフィールは核酸増幅に適合している。
【００４７】
通常、前記加熱ゾーンと前記冷却ゾーンは実質的に一致する。
【００４８】
第４の幅広い形態において、本発明は反応容器内に保持される反応混合物の温度を制御するための方法であって、
i) 所定の加熱ゾーンを選択的に生成するように適合しているヒーターを提供する工程と、
ii) 所定の冷却ゾーンを選択的に生成するように適合している冷却剤供給ポートを提供する工程と、
iii) そこにおいて、前記の所定の加熱ゾーンおよび前記の所定の冷却ゾーンはそれぞれ前記ヒーターおよび前記の冷却剤供給ポートに実質的に隣接して生成される工程と、
iv) 前記反応容器前記加熱ゾーンおよび／または前記冷却ゾーンに選択的にさらすことによって前記反応混合物の温度を制御する工程と、
を含む方法を提供しようとするものである。
【００４９】
第５の幅広い形態において、本発明は、反応容器内に保持される反応混合物の温度を制御するための方法であって、
i) 反応容器を所定の加熱ゾーンおよび／または所定の冷却ゾーンに選択的にさらす工程を含む方法を提供しようとするものであり、
前記の所定の加熱ゾーンおよび前記の所定の冷却ゾーンはそれぞれヒーターおよび冷却剤供給ポートに実質的に隣接して生成される。
【００５０】
本発明の幅広い形態が、個々に、または組み合わせて用いられることができて、核酸増幅を含むがこれに限定されないさまざまな応用の範囲の温度調節に用いることが可能であることはいうまでもない。
【００５１】
本発明の好ましい実施形態が、これから、ほんの一例として添付図面を参照して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】反応混合物の温度を制御する装置の実施例の回路図である。
【図２】図１の装置を用いて反応混合物の温度を制御する方法の実施例のフローチャートである。
【図３】（Ａ）反応混合物の温度を制御する装置の第２実施例の概略側面図である。            （Ｂ）図３Ｂの装置の一部の基本構想図である。
【図４】コントローラの実施例の回路図である。
【図５】反応混合物の温度を制御する装置の第３実施例の斜視上面図であり、ＩＲヒーターおよび複数の冷却ポートより上に配置される複数の反応容器を支持する回転可能なカルーセルを示す。
【図６】回転可能なカルーセルおよび図１に示されるＩＲヒーターの斜視上面図である。
【図７】ＩＲヒーター／反射器装置および冷却ポートを有するベースプレートの実施例の斜視上面図である。
【図８】ＩＲヒーター／反射器に隣接して配置した非接触温度センサーを示す図７の一部のクローズアップ図である。
【図９】ハウジングに配置されている図７に示した装置を示す。
【図１０】図８と同様であり、さらに反応容器を示している図である。
【図１１】図５と類似の図である。そして
【図１２】反応混合物の温度を制御する装置の構成要素の実施例の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
これから、参照が図面に対して行われ、そこにおいて同じ参照符号は全体にわたって同じ要素を指す。
【００５４】
反応容器内に保持される反応混合物の温度を制御する装置の実施例がこれから図１を参照して説明される。
【００５５】
この実施例では、装置１００は、反応容器１２１を放射線にさらし、それによってそこに設けられている反応混合物１２０を加熱するための放射線源１１０を含んでいるチャンバ１０１を含む。放射線源は放射線源のいかなる適切な形でもあってもよいが、通常は赤外線を発生するための赤外線ヒーターの形である。しかしながら、他の実施例では、１つ以上のレーザー、発光ダイオード（ＬＥＤ）等は光学的または赤外線の放射線を発生させるために用いることができる。放射線は反応容器を加熱するために用いることが可能であり、その結果として反応容器は反応混合物を加熱する。
【００５６】
あるいは、例えば、反応容器が放射線を少なくとも部分的に透過させる場合は、放射線は反応混合物の１つ以上の構成要素を直接加熱できる。この点に関しては、放射線の波長が反応容器の特性および反応混合物の特性の少なくとも１つに基づいて選択され得ることはいうまでもない。このように、放射線の少なくとも一部が反応容器を透過して、反応混合物により吸収されるように、容器厚および使用材料のような反応容器の特性、および混合成分のような反応混合物の特性は放射線の波長を選択するために用いることができる。また一方、代案として反応容器の特性および／または反応混合物の特性は、放射線源によって発生する放射線の波長に依存して選択され得ることはいうまでもない。
【００５７】
反応容器は、複数の容器が放射線源に対して移動することを可能にする駆動機構に連結するアレイに設けられることができて、反応容器が放射線に選択的におよび／または周期的にさらされることを可能にする。これは、反応プロセスを制御するのを助けるために、そして複数の反応混合物が同時に処理されることを可能にするために用いることができる。
【００５８】
温度センサー１３０は反応混合物の温度を表す温度を検知するためにチャンバ１０１内に定置される。温度検知は、赤外線センサー、例えば熱電対列センサーを使用することを含むいかなる適切な方法でも実行され得る。あるいは、反応混合物は、染料または他の着色剤などの温度に依存する色を有するインジケータを含むことができて、温度が光学センサーを用いて検知されることを可能にする。反応混合物の温度が直接決定され得るのに対して、さらなる変形例は反応容器１２１の温度を検知することである。チャンバ１０１内の空気の温度もまた検知され、あるいは代替として検知されることができて、反応混合物の温度が例えば適切なアルゴリズムを用いてそこから導き出されることを可能にする。
【００５９】
コントローラ１４０は温度センサー１３０および放射線源１１０に結合して設けられる。使用中にコントローラ１４０は温度センサー１３０から受け取った信号を用いて反応混合物の温度を決定する。そしてコントローラ１４０は反応混合物の温度に基づいて放射線源１１０を制御して、反応混合物の温度が制御されることを可能にする。このように、これによってコントローラ１４０が、例えばＰＣＲのような核酸増幅プロセスで使用するために、反応混合物の温度サイクルを制御できる。
【００６０】
従って、コントローラ１４０は温度センサー１３０からの信号を監視して放射線源１１０を制御するように適合している。それに応じて、コントローラは、最適にプログラムされた演算処理システム、ＦＰＧＡ（フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ）等のような、コントローラのいかなる適切な形でもあり得る。
【００６１】
一つの実施例において、付加的な熱源、例えば対流ヒーター１５０は反応混合物の温度を上昇させ、および／または維持するのを助けるためにチャンバ１０１を加熱するために用いることができる。対流ヒーター１５０は、通常、反応混合物の温度あるいはチャンバ１０１の温度に基づいてコントローラ１４０により制御される。
【００６２】
一つの実施例において、冷却は冷却機構１６０によっても施され得る。これは、好ましい実施態様に応じて、直接に反応容器を、あるいはチャンバ１０１を冷却するために、周囲空気または冷却剤を使用できる。冷却機構は、通常、温度調節プロセスの間に実行されるいかなる冷却の速度も増大させるために、反応混合物の温度またはチャンバ温度に基づいてコントローラ１４０により制御される。
【００６３】
一つの実施例において、反応容器をさらして反応容器または反応混合物を直接加熱するための放射線源の利用は、チャンバ１０１全体を加熱する必要を回避する。これは反応混合物を加熱するのに必要とする時間を減らすことができて、その結果として熱サイクル時間、従ってＰＣＲまたは他の増幅プロセスを実行するのに必要な時間を減らすことができる。これはこの種のプロセスを実行する際に使用する反応混合物の温度を達成するのに必要とするエネルギー量を減らすこともでき、それによって装置の全体のエネルギー必要量を減らす。
【００６４】
いくつかの実施例において、付加的な熱源、例えば対流ヒーター１５０は、反応混合物の温度安定性を維持するのを助けるのにチャンバ１０１を加熱するために用いることができる。これは、より大きな反応混合物の温度安定性が達成されることを可能にする一方で、必要な反応混合物の温度を達成するためにかかる時間を減らすことができる。
【００６５】
冷却機構１６０の使用は温度サイクル時間をさらに減らすのに役立つこともできる。
【００６６】
一つの実施例において、温度検知は反応容器または反応混合物に直接実行されることもできる。これは、例えばチャンバ内の空気の温度を検知するときに生じることがある、反応混合物の温度を決定する際より大きな精度を提供する。これは反応混合物の温度が制御され得る精度を向上させ、その結果としてチャンバの気温から反応混合物の温度を導き出すために計算コストが高いアルゴリズムを実施する必要を避ける一方で、増幅プロセスの効果を最大にするのに役立つ。
【００６７】
次に、温度制御サイクルの例が図２を参照して説明される。
【００６８】
この例では、工程２００で、コントローラ１４０は放射線源１１０を起動させて、温度センサー１３０を用いて反応混合物の温度を監視する。工程２１０で、反応混合物が第１温度、通常約９０℃〜９５℃に達したかどうかが決定され、そうでない場合は、加熱プロセスは工程２００で続く。
【００６９】
工程２２０で第１温度に達すると、コントローラ１４０は加熱プロセスを制御して、反応混合物を必要な第１時間の間、例えば２０〜３０秒間、第１温度に維持し、それによってＤＮＡの変性を生じさせる。より長い時間、例えば１〜９分がホットスタートＰＣＲ反応の第１サイクルのために使用できることはいうまでもない。時間は実行されるＰＣＲ反応に基づいて予めプログラムすることができ、または反応混合物上のインジケータを光学的に検知することにより検出することができる。
【００７０】
反応混合物は任意の適切な技術を用いて必要な温度に保つことができる。このように、一つの実施例では、コントローラ１４０は放射線源１１０によって発生する放射線の量を制御できる。加えて、または、代わりとして、熱源１５０、例えば対流ヒーターを使用できる。
【００７１】
変性工程が完了すると、反応混合物の温度は第２温度値、通常４０℃〜６０℃まで冷やされる。冷却プロセスは、通常、工程２３０でコントローラ１４０に放射線源１１０および／または対流ヒーター１５０を停止させて、コントローラ１４０が温度センサー１３０を用いて反応混合物の温度を監視して、反応混合物を冷却させる工程を含む。冷却機構１６０は冷却プロセスの速度を上げるために用いることもできる。工程２４０で、反応混合物が第２温度に達したかどうかが決定され、そうでない場合は、冷却プロセスは工程２３０で続く。
【００７２】
工程２５０で第２温度に達すると、コントローラ１４０は放射線源１１０を制御して、必要な第２時間の間、通常２０〜４０秒間、反応混合物を第２温度に維持し、それによって、プライマへのＤＮＡのアニーリングを生じさせる。また、反応混合物は任意の適切な技術を用いて必要な温度に保たれることができて、時間は予めプログラムされるかまたは検出することができる。
【００７３】
これに続いて、工程２６０で、反応混合物の温度はコントローラ１４０に放射線源１１０を起動させ、そして温度センサー１３０を用いて反応混合物の温度を監視することによって第３温度値まで加熱される。工程２７０で、反応混合物が第３温度、通常約７０℃〜７５℃に達したかどうかが決定され、そうでない場合は、加熱プロセスは工程２６０で続く。第３温度に達すると、工程２８０で、コントローラ１４０は反応混合物を第３温度に第３時間の間維持し、それによってＤＮＡの伸長を実行する。第３時間は、使用するＤＮＡポリメラーゼのような要因に依存し、そしてここでも検出されるかまたは予めプログラムされることができる。
【００７４】
これが単一サイクルの実施例であり、そして、実際には、多くのサイクルおよび任意の最終的な保持工程がＰＣＲまたは他の増幅プロセスを実行するために用いられることはいうまでもない。
【００７５】
次に、反応プロセスの温度を制御する装置の実施例が図３を参照して説明される。
【００７６】
この例では、装置３００はチャンバ３１１を画定する本体３１０およびカバー３１２を含む。チャンバ３１１はカルーセル３２１を受け入れるためのマウント３２０を含む。カルーセル３２１は反応混合物を含む反応容器３２３を受け入れるための多くの開口３２２を含む。
【００７７】
マウント３２０は軸３３０に連結し、そしてそれはベアリング３３１に回転可能に取り付けられる。駆動モータ３３２は、例えば駆動ベルト３２４によって軸３３１に連結されて、カルーセル３２１がチャンバ３１１の中で回転できるようにする。駆動モータ３３２およびベアリング３３１をカルーセル３２１から切り離すためにチャンバ３１１全体に伸びる壁３１３が設けられている。壁３１３は、通常、気流がメッシュ３１４を通るようにするためにメッシュ３１４をそこに有している開口を含む。
【００７８】
チャンバ３１１は壁３１３に通常取り付けられるＩＲヒーター３４０の形をした放射線源を含む。一つの実施例において、ヒーター３４０はトラフ３４１および導体３４２を含む。使用中、導体３４２を通過する電流によって導体３４２の加熱が生じ、その結果としてそれは導体３４２の表面から放射される赤外線を発生する。そして放射線が反応容器３２３に当たるようにトラフは放射線を反射する。
【００７９】
この実施例では、光学センサー３５０も壁３１３に載置されて設けられて、反応混合物のインジケータの色に基づいて反応の状態を検知する。光学センサー３５０は、照明光源、例えばレーザー、および反射した照明を検出するための対応する光学式検出器を含むことができる。
【００８０】
図３Ｂに示すように、光学センサーの位置決めによって、１つの実施例では、ＩＲヒーター３３０はカルーセル３２１の周辺部の一部の周りでだけ伸びることができて、照準線が光学センサー３５０と反応容器３２３の間に維持されることができるようにする。しかしながら、これは重要ではなく、そして３６０に示すように、光学センサー３５０のための代わりの位置が使われることができて、ヒーター３３０がカルーセル３２１の全周辺部の周りで伸びることができる。
【００８１】
ヒーター３３０をカルーセル３２１の周辺部の周りでほんの部分的に伸ばすことによって利点を提供できる。例えば、これはカルーセル３２１の周辺部の一部だけを加熱して、反応容器がカルーセル３２１の回転の一部の間でだけ加熱されるようにし、それは温度安定化に役立つことができる。また一方、他の実施例では、より均一な加熱を全カルーセル３２１周辺で伸びるヒーターを使用して達成することができる。
【００８２】
一つの実施例において、光学センサー３５０は、反応混合物の熱感知インジケータ剤の色を検出することによって温度センサーとして作用する。温度依存性インジケータは、代わりに、例えばそれに塗布される温度依存性材料を用いて反応容器に組み込まれるか、または反応容器材料に実際に組み込まれることができる。反応混合物または反応容器の温度を検知するために光学センサーを使用することが追加センサーの必要を回避することはいうまでもない。これは装置の複雑さおよび全体のコストを減らす。
【００８３】
あるいは、例えば３６０に示すように追加温度センサーを設けることが可能である。これはＩＲセンサーの形であることが可能であり、その場合、ＩＲセンサーはＩＲヒーター３３０から放射される放射線を検出することを回避しつつ、反応混合物または反応容器の温度を検出するために配置される。
【００８４】
適当なセンサー（図示せず）を用いて空気チャンバ温度を検知することは、さらに、または代わりに可能である。しかしながら、これは通常反応チャンバまたは混合物の温度を直接検出するほど感度が高くないかまたは正確ではなく、それは温度調節の効果を減らす可能性がある。
【００８５】
チャンバ３１１は、チャンバ３１１外からの周囲空気がチャンバ３１１中を循環するのを可能にするために送風機３７１を含む。一つの実施例において、熱源３７２もまた、空気がチャンバに入る前に周囲空気を加熱し、それによって反応チャンバの対流加熱を施すために設けることができる。
【００８６】
装置が通常コントローラも含むことはいうまでもなく、これからその実施例が図４を参照して説明される。
【００８７】
この実施例では、コントローラ４００は、バス４１４を介して一緒に接続した、プロセッサ４１０、メモリ４１１、キーパッドおよびディスプレイのような入出力デバイス４１２、ならびにインタフェース４１３を含む。インタフェース４１３は、ヒーター３３０、ドライブ３３２、センサー３５０、３６０、送風機３７１、および熱源３７２のいずれか１つ以上にコントローラ４００が連結できるようにするために設けることができる。インタフェースは、外部周辺デバイス、例えばバー・コード・スキャナー、コンピュータ装置等に接続するために用いる外部インタフェースも含むことができる。したがって、コントローラ４００を、いずれの適切な処理システム、ＦＰＧＡ等からも形成することができることはいうまでもない。
【００８８】
使用中、プロセッサ４１０は、通常、実行される熱サイクルプロセスを決定するために、命令、例えばメモリ４１１に格納したソフトウェア命令を実行する。これは、メモリ４１１に格納した予め設定された熱プロフィールにアクセスすることによって、および／または入力デバイスを介して供給される入力コマンドを用いることによって達成することができる。
【００８９】
次にプロセッサ４１０は、サイクルプロセスを始めるために、ヒーター３３０、ドライブ３３２、および任意に送風機３７１または熱源３７２の動作を制御する制御信号を発生する。このプロセスでは、プロセッサ４１０はセンサー３５０、３６０の１つ以上から信号を受信し、そしてこれを使用して、通常、信号を解釈するためにメモリ４１１に格納した情報を用いて反応混合物の温度を決定する。プロセッサ４１０は、例えば、光学センサー３５０から決定される信号を用いて反応状況を決定することもできる。
【００９０】
プロセッサ４１０は、ヒーター３３０、ドライブ３３２、および任意に送風機３７１または熱源３７２の動作を制御するフィードバックとして反応混合物の温度および任意に反応状況を使用し、それによって熱サイクルプロセスが図２に関して上述したように実質的に実施されるようにする。
【００９１】
次に、さらなる実施例の装置が図５〜１２を参照して説明され、図５〜１２は核酸増幅のための反応混合物の温度を制御する装置１を示している。
【００９２】
回転可能なカルーセル２は、複数の反応混合物（図示せず）を保持するための複数の反応容器３を支持するために設けられている。反応容器３はプラスチック材から形成されることが好ましく、そして比較的急速な熱平衡に適応し、且つ反応混合物の検出を可能にするように適合している。容器３はいかなる反応混合物も充填することが可能であり、しかしながら、本願明細書において考察される実施形態では、反応混合物は核酸増幅のためであり、そして熱サイクル装置１はそれに応じて構成され、すなわち、後述するように所定の熱サイクルプロフィールに従って、熱サイクルルーチンは核酸増幅に特に適応する。
【００９３】
少なくとも１つのヒーター４は反応容器３に熱を供給するために設けられ、そして少なくとも１つの冷却剤供給ポート５は反応容器３に冷却剤を供給するために設けられる。ヒーター４および冷却剤供給ポート５は、所定の加熱ゾーンおよび所定の冷却ゾーンをそれぞれ選択的に生成するように適合している。これらのゾーンはそれぞれヒーター４および冷却剤供給ポート５に実質的に隣接して生成され、それにより反応混合物の温度は、反応容器３を加熱ゾーンおよび／または冷却ゾーンに選択的にさらすことによって制御可能である。生成される「所定ゾーン」は空間の比較的制限された、または限られた領域または部分として画定されることができ、それは加熱／冷却される。従って、反応容器３のゾーン内への導入、または反応容器３のゾーンに対する露出は、装置１が収納されるチャンバ全体（図示せず）を加熱／冷却するよりもむしろ反応容器３を加熱／冷却する。
【００９４】
装置１は従来の装置と比較してより急速に反応混合物をサイクルさせることが可能であり、それによって増幅を実行するのに必要とする時間を減らす。さらに、反応混合物だけが加熱、冷却されるので、サイクル時間だけが減らされるだけではなくて、反応温度に対する制御の程度も従来の装置と比較して改善できる。これは、反応混合物の実際の温度をリアルタイムで検出すること、そしてヒーター４により提供される熱量および冷却剤供給ポート５によって反応容器に供給される冷却剤の量を制御するための制御ループにフィードバックを提供することによって、さらに改善される。反応容器３で生じている反応の実際の過程を測定し、そして反応容器３に供給される熱量および冷却剤の量を制御するための制御信号として反応の過程を使用することにより、さらなる改善が予期される。
【００９５】
ヒーター４は非接触ヒーター、例えば赤外線（ＩＲ）ヒーター／放射体６の形であることが好ましく、回転可能なカルーセル２を収容しているチャンバの底で、かつ、回転反応容器３に近接近して、位置しているのが有利である。ＩＲヒーター６は、ほぼ２ｍｍの外径および１．５ｍｍの内径を有するステンレス鋼管であることが好ましい。ＩＲヒーター６は、回転可能なカルーセル２の直径と類似の直径を有する円形であることが好ましい。本質的に反応容器３の周りの局部的なゾーンが加熱されるように、ＩＲヒーター６は反応容器３に熱を供給するように適合していなければならないことはいうまでもない。放物線状の反射器７が設けられることも好ましい。反射器７は、ＩＲヒーター６により提供される熱を反応容器３に実質的に集中させるように適合していることが好ましい。
【００９６】
冷却剤供給ポート５は反射板７に隣接して配置される環状スロットでもよい。しかし、他の実施例では、冷却剤供給ポート５は反射板７に隣接して配置した複数の円周方向に隔離した開口８を備える。冷却供給開口８は冷却剤を反応容器３に直接入れるように適合していることが好ましい。このようにして局部的冷却ゾーンは反応容器３の周りに設置される。好ましくは、冷却剤は周囲空気であり、しかしながら、周囲空気は事前に冷やされていてもよい。
【００９７】
反応容器３の温度は、好ましくは熱電対列検出器９を介して、熱サイクル実験の間に測定／検知されることができる。反応容器の測定温度は制御ループ、例えば制御マイクロプロセッサ１０に符号化された比例・積分・微分（ＰＩＤ）型コントローラにフィードバックすることができ、それは容器３に供給される熱量または冷却剤の量を調整できる。反応容器３の温度は熱サイクル実験の間に測定／検知されることができるだけでなく、反応容器３で生じている反応の経過も監視してもよいことはいうまでもない。監視はいかなる手段によってもできるが、１つの好ましい実施例は反応混合物に含まれる蛍光プローブを用いることである。
【００９８】
監視は、光源１１、フィルタ１２、および光電子倍増管１３を手段とすることが好ましい。反応の経過の結果は制御マイクロプロセッサ１０により記録することもできる。反応容器３で生じている反応の経過が、反応容器の温度を上昇させるかまたは低下させて反応容器３で生じている反応の程度を増大させるかまたは低下させるために制御信号として用いることができることはいうまでもない。
【００９９】
上記実施例に、またはそれとともに用いられる多くのさらなる特徴が次に説明される。
【０１００】
一つの実施例において、反応混合物の温度は所定の熱プロフィールに従って制御可能である。これによって反応混合物が核酸増幅のために用いることができるようになり、そして所定の熱プロフィールは核酸増幅に適合する。熱プロフィールはコントローラまたはメモリに予め格納してもよく、入力装置を経由して供給される適切なコマンドによって多くのプロフィールから選択してもよい。あるいは、プロフィールは入力装置を用いて手動で入力してもよい。
【０１０１】
一つの実施例において、複数の反応容器は回転可能なカルーセルのような配列に設けられる。各反応容器は同じまたは異なる反応混合物を含むことができるので、複数の反応混合物を同時に処理することができる。
【０１０２】
ヒーターは通常１つ以上のＩＲ放射体であり、そして冷却剤供給ポートはＩＲ放射体に隣接して配置された複数の開口を備えている。一つの実施例において、ヒーターは反応容器およびその中身により吸収されるＩＲエネルギーを供給するＩＲ放射体であって、それらを加熱する。この種の実施例において、加熱ゾーンと冷却ゾーンは実質的に一致している。
【０１０３】
一つの実施例において、「所定のゾーン」は空間の比較的制限された、または限られた領域への熱または冷却剤の供給により達成される。これは反応容器が収納されるチャンバ全体を加熱／冷却する先行技術の装置と対照的である。反応容器が導入／露出され得る環境空間の所定の局部的ゾーン内の熱／冷却剤の集中または結集によって反応容器およびその中身を加熱および／または冷却する。反応容器の先端だけをゾーンに導入することによって反応容器の先端が加熱／冷却される実施形態があり、反応容器の下半分が加熱／冷却されることができる他の実施形態もある。
【０１０４】
しかしながら、ＩＲヒーター／放射体の形をした加熱手段、および冷却供給ポートの形をした冷却手段は、反応容器を収納しているチャンバ全体を実質的に加熱／冷却せずに反応容器全体を加熱／冷却するように適合し得ることはいうまでもない。チャンバ自体のある程度の加熱／冷却が結果として生じる場合がある。しかしながら、この技術は、反応容器を囲んでいる局部的環境だけに熱的に作用することによって、チャンバのいかなる「無用の」加熱／冷却も最小にする。
【０１０５】
多くの利点は、多くの先行技術の装置で一般的であるように、反応容器を収納しているチャンバ全体と対照的に、反応混合物、または反応容器、またはその一部を加熱および冷却することにより達成することができる。例えば、この技術はチャンバ全体を加熱する先行技術の装置より通常は急速である加熱および／または冷却期間を提供できる。明らかに、反応混合物をより急速に熱サイクルさせて、増幅を実行するために必要とする時間を減らすことが可能であることは有利である。
【０１０６】
加えて、反応混合物または反応容器だけが加熱、冷却されるので、反応混合物をより直接に加熱および／または冷却することは反応温度の制御の程度を向上させることができて、先行技術の装置と比較して改善される。加えて、反応混合物または反応容器の実際の温度は迅速に検出されて、フィードバックを制御ループに提供できる。これは、チャンバを加熱および冷却流体で満たして、フィードバック要素として反応混合物の実際の温度を使用しない先行技術の装置と対照的である。
【０１０７】
装置は反応容器内で熱サイクルされている反応混合物の微細な温度調節を提供することもできる。通常この種の先行技術の装置が空気またはブロック温度が制御されるだけである効果的な「開ループ」である、すなわち反応混合物の実際の温度が熱制御ループの主要なフィードバック要素として使用されないので、これは比較のサイクル時間にわたる反応温度を比較的粗く制御できるだけである先行技術の装置と比較して顕著な進歩である。
【０１０８】
さらにまた、熱および冷却液体の消費が最小であるので、エネルギー効率の改善を実現できる。また、チャンバ全体を加熱、冷却する必要がないので、先行技術の装置と比較して比較的より小さい加熱および冷却手段を用いることが可能で、それは機器の製作コストの削減を意味する。
【０１０９】
多くの他の利点も達成できる。例えば、熱／冷却剤の消費が最小であるので、回転可能なカルーセルを収容するチャンバは絶縁をほとんどまたは全く必要とせず、そして冷却ポートが使われる場合、反応容器周辺で、そしてチャンバ全体にわたって加熱／冷却空気を循環させるための流体循環送風機を回避することができる。
【０１１０】
装置は、特に核酸増幅のための熱サイクラーを対象にし、そこにおいて反応容器はチャンバの中に回転可能に取り付けられた回転可能な円形カルーセルで支持される。装置と共に使用するための特に好ましい熱サイクラーは、コーベット・ライフ・サイエンシス・プティ社（Corbett Life Sciences Pty Limited）（www.corbettlifescience.com）によって製造および供給される熱サイクラーのＲｏｔｏｒ―Ｇｅｎｅ（商標）ファミリーである。他の類似の装置は国際公開第９２／２０７７８号および国際公開第９８／４９３４０号に開示されている。しかしながら、他の市販の熱サイクラーが上記の通りに作動するように変更され得ることはいうまでもない。
【０１１１】
反応容器の回転は多くの利点を提供できる。例えば、主要な利点のうちの１つは増幅反応の過程を元位置で監視することが可能であることにある。回転可能なカルーセルが通常円形であるので、好ましくは、反応容器が回転の間に安定した熱または安定した冷却を受けるように、ヒーターおよび冷却剤供給ポートも円形である。この場合、カルーセル手段の回転は、容器を加熱／冷却するために特定の加熱／冷却ゾーンの上に反応容器を配置する必要がないことを意味する。
【０１１２】
いくつかの実施例において、冷却剤供給ポートはヒーターの放射状内部または放射状外部であり得る。反応容器が回転するときそれらが断続的な加熱（または冷却）を受けるように、ヒーター（または冷却剤供給ポート）が円の１つ以上のセクターであり得ることも認められる。しかしながら、別の実施形態では、ヒーターおよび冷却剤供給ポートは交替の加熱／冷却ゾーンを画定するために交替する円のセクターでもよい。
【０１１３】
一つの実施例において、非接触ヒーターは反応混合物の加熱を生じるために用いることができる。例えば、適切な加熱源はマイクロ波放射体、または好ましい実施形態では、赤外線（ＩＲ）ヒーターである。ＩＲヒーターの場合、ヒーターは少なくとも１００ワットを供給できることが好ましい。一つの実施例において、好適なＩＲヒーターは約２ｍｍの外径および１．５ｍｍの内径を有するステンレス鋼管である。あるいは、ＩＲヒーターは管の周りに螺旋状に巻かれたニッケル・クロム要素である。
【０１１４】
ＩＲヒーターは回転可能なカルーセルを収容するチャンバの底に回転反応容器に近接して位置できる。一つの実施例において、使用中に反応容器がＩＲヒーターの上を覆うようにＩＲヒーターは反応容器の下にある。しかしながら、他の実施例では、ＩＲヒーターが反応容器から放射状に外へ（または中へ）配置されて、ＩＲエネルギーを回転可能なカルーセルで支持された反応容器に向けて放射状に中へ（または外へ）導くように適合することができることはいうまでもない。
【０１１５】
実際の構成にかかわりなく、せいぜい反応容器の周りの局部的なゾーンだけが加熱されるように、ヒーターは反応容器または反応混合物に熱を供給するように適合し得る。一つの実施例において、ステンレス鋼管は反射板に固定されたセラミック絶縁体に取り付けられ、構成はヒーターによって発生するＩＲ熱が主に反応容器に向けられるようにする。
【０１１６】
他の実施例において、反射板はＩＲヒーターにより供給される熱を反応容器に実質的に集中させるように適合する。この種の実施例において、反射板は断面が湾曲し、そして好ましくは断面が放物線状である。反射板の使用が好ましい反面、反射板が不可欠でないことはいうまでもない。
【０１１７】
一つの実施例において、冷却剤供給ポートは反射板／ＩＲヒーター装置に隣接して配置された環状スロットである。しかしながら、他の実施例では、冷却剤供給ポートは反射板／ＩＲヒーター装置に隣接して配置された複数の円周方向に間隔を置かれた開口を備える。冷却供給ポートは、冷却剤を反応容器に直接作用させるように適合し得る。このようにして、所定の冷却ゾーンが反応容器の周りに設けられる。
【０１１８】
一つの実施例において、冷却剤は周囲空気である。しかしながら、周知のように、冷却剤はいかなる流体でもあってもよい。関連した態様において、冷却剤は予め冷却された周囲空気である。空気が、いかなる手段によっても冷し得る、例えば、冷却した空気を反応容器に作用させる前に、ペルティエブロックの低温側を通して空気を流すことによって冷し得ることはいうまでもない。しかしながら、いくつかの好適な実施例では、周知のように、冷却剤は断熱膨張により冷却される。例えば、冷却剤供給ポートは圧縮ガスの源とともに構成されることが可能であり、そして冷却剤供給ポートは１つ以上の噴射器ノズルという形をとる。
【０１１９】
実施例の反応容器は比較的急速な熱平衡に適合し、そして反応混合物の検出ができるように適合し、ガラスまたはプラスチック材から形成されることができる。一つの実施例において、反応容器はＥｐｐｅｎｄｏｒｆ（商標）管と類似している。反応容器はいかなる反応混合物によっても充填され得るが、しかしながら本願明細書において考察した実施形態では、反応混合物は核酸増幅のためであり、そしてそれに応じて構成される熱サイクラー、すなわち熱サイクルルーチンは上記の核酸増幅に特に適している。
【０１２０】
一つの実施例において、反応混合物が放射線に少なくとも部分的にさらされ、それによって直接の加熱を受けるように、反応容器は放射線を少なくとも部分的に透過する。しかしながら、あるいは、反応容器は放射線を吸収して加熱されることが可能であり、熱はそこに含まれる反応混合物へ伝導される。
【０１２１】
一つの実施例において、反応容器の温度は熱サイクル実験の間に測定／検知される。周知のように、温度検知手段はいかなる形もとることができるが、しかしながら好適な温度検知手段は非接触センサーである。例えば、熱電対列検出器および類似の技術。急速な熱平衡に適している適切な反応容器を用いて反応容器に保持される反応混合物は反応容器の表面と同じ温度である。従って、一旦設定値に達すると熱平衡は必要とされない。また、熱平衡時間は反応容器の表面積対体積比にもはや依存しない。ＩＲが反応混合物に集中するので、加熱の速度はＩＲヒーターに供給される電力と比例して、他の伝導（ブロック）および対流（空気）熱サイクルシステムのように管の形状寸法に依存しない。
【０１２２】
一つの実施例において、例えば、反応容器が検知に用いられる放射線を透過する場合は、反応混合物のインジケータの色を光学的に検出するときに起こる場合があるように、反応混合物の温度は直接検知される。
【０１２３】
反応混合物を局部的にだけ加熱、冷却することによって、９５度に加熱すると、反応混合物の少なくとも一部は蒸発して、ＩＲ放射線にさらされなかった反応容器の冷たい部分に凝縮することもいうまでもない。これを克服するために、ローターは冷却サイクルの間に高速で回転して、加熱ステップの間に蒸発していたかもしれない、いかなる反応混合物も沈降させる。この現象を克服する他の方法は、蒸発バリアとして作用するために油またはワックスで反応混合物をおおうことである。
【０１２４】
熱を反応容器に供給するヒーターおよび冷却剤を反応容器に供給する冷却ポートが、周知のように、順次または同時に作動できることはいうまでもない。例えば、順次に作動するとき、温度制御は「オン／オフ」制御を考慮するかもしれず、そして同時に作動するとき、温度制御は「比例」制御を考慮するかもしれない。後者の場合、反応容器温度を制御するために、比例・積分・微分（ＰＩＤ）型コントローラを用いることができる。
【０１２５】
一つの実施例において、反応混合物の温度を制御する方法は、所定の加熱ゾーンを選択的に生成するように適合しているヒーターを提供する工程と、所定の冷却ゾーンを選択的に生成するように適合している冷却剤供給ポートを提供する工程（そこにおいて、所定の加熱ゾーンおよび所定の冷却ゾーンはそれぞれヒーターおよび冷却剤供給ポートに実質的に隣接して生成される）と、反応容器を加熱ゾーンおよび／または冷却ゾーンに選択的にさらすことによって反応混合物の温度を制御する工程とを含む。
【０１２６】
別の実施例において、反応混合物の温度を制御する方法は、反応容器を所定の加熱ゾーンおよび／または所定の冷却ゾーンに選択的にさらす工程を含み、そこにおいて所定の加熱ゾーンおよび所定の冷却ゾーンはそれぞれヒーターおよび冷却剤供給ポートに実質的に隣接して生成される。
【０１２７】
この種の実施例において、これは反応容器が反応容器を収容するチャンバ全体を加熱／冷却せずに加熱／冷却できるようにするために用いることができて、例えば先行技術の装置で典型的である。これは反応混合物を加熱、冷却するのに必要とするエネルギー量を減らして、前述したように、加熱時間を減らすこともできる。
【０１２８】
明細書および請求項の全体にわたって、文脈上明らかに他の意味に解すべき場合を除き、語「備える」、「備えている」などは排他的であるか網羅的な意味と対照的に包括的な意味に、すなわち「含むが、これに限定されるものではない」という意味に解釈されるべきである。
【０１２９】
動作の実施例以外、または他に指定のない場合、本願明細書において用いられる成分の量および反応条件を表す全ての数は、全ての例において用語「約」により修正されると理解されるべきである。
【０１３０】
本発明の幅広い範囲を記載する数の範囲およびパラメータは近似値であるにも関わらず、特定の実施例で記載される数値はできる限り正確に報告されている。しかしながら、いかなる数値も、それらのそれぞれのテスト測定値で見つかる標準偏差から必然的に生じるある程度のエラーを本質的に含む。
【０１３１】
本願明細書において用いられる用語は、反応混合物の温度を制御するための装置の特定の実施例を説明するためであり、制限するのが目的ではない。他に規定されない限り、本願明細書において用いられる全ての専門的および科学的な用語は当業者によって共通に理解されるのと同じ意味を有する。エンドポイントを用いた数の範囲の説明は、その範囲の中に包含される全ての数を含む（例えば、１〜５は、１、１．５、２、２．７５、３、３．８０、４、５などを含む）。
【０１３２】
用語「好ましい」および「好ましくは」は特定の状況の下で特定の利点をもたらすことができる。しかしながら、他の実施形態も同じであるか他の状況の下で好ましい場合がある。さらにまた、１つ以上の好ましい実施形態の説明は、他の実施形態が有用ではないことを意味せず、そして他の実施形態を本発明の範囲から除外することを目的としない。
【０１３３】
いろいろな実施例の特徴が一緒に、または取り換えられて使われることができて、説明した実施例は例としての目的のためだけである。
【０１３４】
本発明が特定の具体例に関して説明されたけれども、本発明は多くの他の形で具体化されることが当業者により認識されるだろう。特に、さまざまな記載されている実施例のいずれか１つの特徴は、他の記載されている実施例のいずれかのいかなる組合せでも提供することができる。
【符号の説明】
【０１３５】
１  装置
２  カルーセル
３  反応容器
４  ヒーター
５  冷却剤供給ポート
６  赤外線ヒーター
７  反射器
８  開口
９  熱電対列検出器
１０  制御マイクロプロセッサ
１１  光源
１２  フィルタ
１３  光電子倍増管
１００  装置
１０１  チャンバ
１１０  放射線源
１２０  反応混合物
１２１  反応容器
１３０  温度センサー
１４０  コントローラ
１５０  対流ヒーター
１６０  冷却機構
３００  装置
３１０  本体
３１１  チャンバ
３１２  カバー
３１３  壁
３１４  メッシュ
３２０  マウント
３２１  カルーセル
３２２  開口
３２３  反応容器
３３０  ヒーター
３３１  ベアリング
３３２  駆動モータ
３２４  駆動ベルト
３４０  ＩＲヒーター
３４１  トラフ
３４２  導体
３５０  光学センサー
３６０  センサー
３７１  送風機
３７２  熱源
４００  コントローラ
４１０  プロセッサ
４１１  メモリ
４１２  入出力デバイス
４１３  インタフェース
４１４  バス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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