(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の反応ウェルを有する回転プラットフォームであって、電磁エネルギーに晒されて誘導加熱される回転プラットフォームと、
電磁エネルギーを回転プラットフォームに向けるのに適したインダクタと
を備え、
前記インダクタが、前記回転プラットフォームの周囲を完全に取り囲み、
前記インダクタがトランスの一次巻線であり、前記回転プラットフォームが、単一の短絡巻線の二次巻線である、サーモサイクラー。
【請求項２】
前記反応ウェルが、各反応ウェルに、それぞれ反応容器を収容または受け入れに適した構造を有する、請求項１に記載のサーモサイクラー。
【請求項３】
各反応容器が、電磁エネルギーに晒されて誘導加熱される材料から形成される、請求項２に記載のサーモサイクラー。
【請求項４】
前記反応容器が、前記容器が誘導加熱可能になるように、強磁性体粒子の充填材を有するプラスチック材料から形成される、請求項３に記載のサーモサイクラー。
【請求項５】
前記回転プラットフォームが円形であり、前記複数の反応ウェルが前記プラットフォームの周囲に分布している、請求項１から４のいずれか一項に記載のサーモサイクラー。
【請求項６】
前記反応ウェルが、反応容器を保持するように適合されたスリーブの環状円形アレイとして構成される、請求項１から５のいずれか一項に記載のサーモサイクラー。
【請求項７】
前記スリーブが水平面から約８０度の角度を付けて配置され、前記スリーブ内に保持された前記反応容器内で起きている反応を光学的に監視するために、前記スリーブの基部に開口部を有する、請求項６に記載のサーモサイクラー。
【請求項８】
前記回転プラットフォームが、鋼、炭素、スズ、タングステン、アルミニウム、銅、金、黄銅、コバルト−鉄、パーマロイ、電磁鋼、フェライト系ステンレス鋼、マルテンサイトステンレス鋼、フェライト（ニッケル亜鉛）、炭素鋼、ニッケルおよびこれらの組合せから選択される、何れかの材料からなる、請求項１から７のいずれか一項に記載のサーモサイクラー。
【請求項９】
前記インダクタがリングの形状である、請求項１から８のいずれか一項に記載のサーモサイクラー。
【請求項１０】
前記インダクタが、加熱段階中に連続エネルギーを送出するように、または同じ持続時間でも異なる持続時間でもよいエネルギーのパルスを送出するように構成される、請求項１から９のいずれか一項に記載のサーモサイクラー。
【請求項１１】
前記サーモサイクラーが、前記プラットフォームがある温度のときの前記プラットフォーム全体の温度差が１％未満になるように構成され、及び/又は、プラットフォームがある温度のときに、前記プラットフォームの任意の２つの部分間の温度差、または反応ウェルもしくは反応容器内に保持された試薬内の温度差が１℃未満である、請求項１から１０のいずれか一項に記載のサーモサイクラー。
【請求項１２】
前記回転プラットフォームおよび／または前記反応ウェルの温度を直接測定するために、前記回転プラットフォームと熱接触している熱電対またはサーミスタをさらに備え、及び/又は前記回転プラットフォームを回転軸の周りに回転させるように適合された駆動システムと、前記回転プラットフォームを制御可能で使用者選択可能な既定の回転速度で回転させるための制御ユニットとをさらに備え、及び/又は反応ウェル／容器内で起きている反応による光信号を検出し、それによって反応の進捗を監視するための光検出ユニットをさらに備える、請求項１から１１のいずれか一項に記載のサーモサイクラー。
【請求項１３】
前記回転プラットフォームを冷却流体で冷却するように適合された冷却ユニットをさらに備え、及び/又は可視光もしくはＩＲ光を放出するレーザ、またはマイクロ波源から選択された点加熱源をさらに備え、及び/又は前記反応ウェルまたは反応容器内で起きている反応の進捗を評価する監視手段をさらに備え、前記監視手段が蛍光検出器、分光光度計または光度計である、請求項１から１２のいずれか一項に記載のサーモサイクラー。
【請求項１４】
ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）およびリガーゼ連鎖反応（ＬＣＲ）から選択される核酸増幅反応を実行するための、請求項１から１３のいずれか一項に記載のサーモサイクラーの使用。
【請求項１５】
反応混合液を既定の温度間でサイクルさせる方法であって、
請求項１から１３のいずれか一項に記載のサーモサイクラーを提供するステップと、
前記反応混合液を１つまたは複数の前記反応ウェルの中に供給し、周期的に、
前記インダクタを駆動して前記反応ウェルを加熱し、それによって前記反応混合液を第１の既定の温度まで加熱するステップと、
前記回転プラットフォームを冷媒流体と接触させて前記反応混合液を前記第１の既定の温度とは異なる第２の既定の温度まで冷却し、それによって前記反応混合液を熱的にサイクルさせるステップと
を含む方法。
【請求項１６】
前記反応混合液が、前記ポリメラーゼ連鎖反応またはリガーゼ連鎖反応に適している反応物を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
熱サイクリングが以下の反応、すなわち
（ａ）ＤＮＡのその成分鎖への変性、
（ｂ）ＤＮＡ中の相補配列へのオリゴヌクレオチドプライマーのアニーリング、および
（ｃ）新しいＤＮＡ鎖の合成、
が起きるようにするのに十分である、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
ステップａ）からｃ）が、所望のレベルの増幅が得られるまで繰り返される、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記反応の温度が、ＤＮＡを変性するのに約９０℃から９５℃の間、プライマーを変性ＤＮＡにアニーリングするのに４０℃から６０℃の間、アニーリングされたプライマーをポリメラーゼで伸張するのに約７０から７５℃の間で変えられる、請求項１７または請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
以下のステップ、すなわち、前記インダクタを駆動するステップ、前記インダクタをオフまたはパルス駆動するステップ、前記回転プラットフォームの速度を上げるステップ、前記回転プラットフォームの速度を下げるステップ、前記プラットフォームの回転速度を一定に保持するステップ、前記プラットフォームの回転速度をゼロまたはゼロ近くに低減させるステップ、冷媒ガスを入れて前記プラットフォームを冷却するステップ、冷媒ガスの流量をゼロに低減させるステップ、前記プラットフォームの温度を既定の温度に制御するステップ、前記プラットフォーム温度を１つの既定の温度から別のものに変えるステップ（低温から高温に、またはその逆に）、のうちの１つまたは複数が前記方法で実行される、請求項１５から請求項１９のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、改善されたサーモサイクラーに関するものであり、本願に関して以下で説明される。特に、この改善されたサーモサイクラーは本明細書で、核酸増幅反応を実行する際の使用に関して説明されている。しかし、本発明はこの特定の使用分野に限定されないことを理解されたい。
【背景技術】
【０００２】
従来技術についての以下の論述は、本発明を適切な技術的文脈で位置付けるために、また本発明の利点をより完全に理解できるようにするために提示される。しかし、本明細書全体を通して、従来技術についてのいかなる論述も、そのような従来技術が広く知られていること、または当技術分野における共通の一般的知識の一部を形成することを表明もしくは暗黙的に承認するものとみなされるべきではないことを理解されたい。
【０００３】
所望の生成物を産生するために複数のまたは周期的な化学反応を必要とするシステムでは、注意深い温度制御、ならびに、ある温度に反応が保持される時間に亘って、再現可能かつ正確な制御が求められることが多い。このような反応には、たとえば、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）やリガーゼ連鎖反応（ＬＣＲ）などの核酸増幅反応が含まれる。
【０００４】
ＰＣＲは複数サイクルを含む手法であり、各サイクルが完了するごとに、特定のポリヌクレオチド配列が幾何学的に増幅されることになる。ＰＣＲの手法はよく知られており、ＰＣＲ：Ａ  Ｐｒａｃｔｉｃａｌ  Ａｐｐｒｏａｃｈ、Ｍ．Ｊ．ＭｃＰｈｅｒｓｏｎら、ＩＲＬ  Ｐｒｅｓｓ（１９９１）、ＰＣＲ  Ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ：Ａ  Ｇｕｉｄｅ  ｔｏ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ、Ｉｎｎｉｓら、Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ（１９９０）、およびＰＣＲ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：Ｐｒｉｎｃｉｐａｌｓ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ｆｏｒ  ＤＮＡ  Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ、Ｈ．Ａ．Ｅｒｌｉｃｈ、Ｓｔｏｃｋｔｏｎ  Ｐｒｅｓｓ（１９８９）を含む多くの書籍に記載されている。ＰＣＲはまた、米国特許第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号を含む、多くの米国特許にも記載されている。これらの文献の内容は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００５】
ＰＣＲ法は通常、ポリヌクレオチドを変性させるステップと、それに続く、少なくとも一対のプライマーオリゴヌクレオチドを変性ポリヌクレオチドにアニーリングするステップ、すなわちプライマーを変性ポリヌクレオチドテンプレートとハイブリッド形成させるステップとを含む。アニーリングステップの後は、ポリメラーゼ活性を有する酵素が新しいポリヌクレオチド鎖の合成を促進する。この合成では、プライマーオリゴヌクレオチドを取り込み、元の変性ポリヌクレオチドが合成テンプレートとして使用される。この一連のステップ（変性、プライマーアニーリング、およびプライマー伸張）がＰＣＲサイクルを構成する。
【０００６】
サイクルが繰り返されると、前のサイクルから新たに合成されたポリヌクレオチドが後続のサイクルでは合成のテンプレートとしての役割を果たすことができるので、新たに合成されるポリヌクレオチドの量が幾何学的に増える。プライマーオリゴヌクレオチドは通常、２つのアニーリング部位間の領域が増幅されるように、所与の二本鎖ポリヌクレオチド配列の互いに対向する鎖にアニーリングできる対として選択される。
【０００７】
ＤＮＡの変性は通常、約９０から９５℃で起こり、プライマーと変性ＤＮＡのアニーリングは通常、約４０から６０℃で行われ、アニーリング後のプライマーをポリメラーゼで伸張するステップは通常、約７０から７５℃で行われる。そのため、ＰＣＲサイクル中には反応混合液の温度を変えなければならず、マルチサイクルＰＣＲの実験中には何回も変えなければならない。
【０００８】
総分析時間を短縮するには、試薬を迅速に所望の温度にできることが必要であり、また、サイクルの次の反応温度にする前のある独立した時間（a discrete amount of time）、ある温度に均一に保持されることが必要である。また、反応物質を正確に温度制御することが必要である。
【０００９】
ＤＮＡ増幅および配列決定に使用される各種のサーマル「サイクラー」が従来技術として開示され、１つまたは複数の温度制御された要素または「ブロック」が反応混合液を保持し、ブロックの温度が経時的に変えられることが開示されている。これらの装置は、反応混合液をサイクルさせるのが遅いという欠点や、温度制御が理想的とは言えないという欠点がある。加熱ブロックの温度を周期的に上下させる必要性を克服しようと努力する中で、他の人たちが当技術分野でサーモサイクラーとして知られている装置を考案した。この装置では、温度制御された複数のブロックが別々の所望の温度に保たれ、反応混合液をブロックからブロックへ移動させるのにロボットアームが利用される。典型的なサーモサイクラーシステムが、米国特許第５，４４３，７９１号、第５，６５６，４９３号および第６，６５６，７２４号に開示されている。しかし、理解されるように、これらのシステムにはそれ自体の一連の欠点がある。たとえば、これらは処理能力（throughput）が相対的に限定され、物理的に大きく、故障しやすく、高価であり、また不断の定期補修を必要とする。
【００１０】
総サイクル時間を減らすために、および／または温度制御を改善するために、ならびに上記の欠点に広く対処するために、従来技術で様々な試みが行われてきた。最も一般的な方法は非接触式であり、所望の温度の空気流を急速に切り換えることによって実行される熱風サイクリングに依拠する。しかし、熱風を制御および利用することは効率的ではなく、あるいは容易に制御可能でもない。
【００１１】
このような従来技術に対する進歩が、国際ＰＣＴ公開Ｎｏ．ＷＯ９８／４９３４０でまず開示されており、これは、ＤＮＡ断片を増幅および検出するための回転プラットフォームを使用するサーモサイクラーを教示している。試薬は回転プラットフォームの添加ウェルに添加され、プラットフォームが回転すると一緒に混合され、遠心力により、プラットフォームの周囲に分布している反応ウェルの中に移動する。次に回転プラットフォームは熱サイクルにかけられる。プラットフォームを回転させることによって、個々の反応ウェルを固定検出器で連続的に監視することができる。プラットフォームの熱サイクリングは、従来の加熱方法、例えば、発熱体を使用してプラットフォームに向けられる空気流を加熱する、などの手法によって行われる。プラットフォーム全体を熱風で加熱する欠点は、装置内の周囲の構造物もまた熱せられることである。これらの構造物は、サイクルの冷却段階で冷却される必要があり、そうしなければ熱を放射し続け、反応ウェル内で起きる反応の温度に影響を及ぼすことになる。プラットフォーム自体以外の装置の加熱部および冷却部を設けることは効率が悪く、また加熱空気流を使用する温度制御は理想的とは言えない。また、反応混合液の温度は測定することが困難であり、したがって推定する必要がある。空気と反応混合液の間の温度差が非常に大きいので、推定反応温度は非常に大きな誤差を免れず、結果として温度制御が不正確になる。
【００１２】
ＷＯ９８／４９３４０に開示されている別の加熱方法は、ＩＲ光またはマイクロ波エネルギーの細いビームをプラットフォームの一部分に向けること、および次にそのビームを通り抜けるように、または通り過ぎるように、プラットフォームを回転させることを含む。このようにして、プラットフォームの各部分がエネルギーを実際上「パルス供給され」、そのため、どの時点においてもプラットフォームの小さな部分だけが加熱される。これにより、プラットフォーム全体にわたり熱差異が生じることになり得る。ＷＯ９８／４９３４０では、プラットフォームの冷却は、任意選択で冷やされる周囲空気などの流体冷却剤の流れに、回転プラットフォームをさらすことによって行われる。要約すると、この加熱方法では、非コヒーレントおよび非集束の電磁エネルギー源を使用し、反応ウェルが必要な温度に達するのに高出力を必要とする。加えて、これら従来の手段によって反応を加熱すると、既定の設定点温度に達するのに数分を要する可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国特許第５，４４３，７９１号公報
【特許文献２】米国特許第５，６５６，４９３号公報
【特許文献３】米国特許第６，６５６，７２４号公報
【特許文献４】ＷＯ９８／４９３４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上記の論述に照らして、本発明の好ましい目的は、熱サイクリング速度を改善した、したがって総サイクル時間を減らす、非接触リアルタイムサーモサイクラーを開発することである。
【００１５】
本発明の目的は、従来技術の欠点のうちの１つまたは複数を克服もしくは改善すること、または少なくとも有効な代替形態を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、回転プラットフォームを加熱するのに電磁エネルギー（ＥＭ）源を使用する高速サーマルサイクラー（サーモサイクラー）に関する。この装置はまた、反応の温度制御を非常にうまく行う。好ましくは、電磁エネルギーは無線周波数（ＲＦ）エネルギーであり（約３ｋＨｚから３００ＧＨｚの間）、一実施形態では５０ｋＨｚから６０ｋＨｚのＲＦエネルギーである。好ましい実施形態では、電磁エネルギー源はインダクタであり、回転プラットフォームは、前記インダクタに晒されて誘導加熱される材料から形成され、あるいは、前記インダクタに晒されると誘導加熱される材料と熱連通している。好ましくは、回転プラットフォームは、ＰＣＲ試薬を入れる複数の反応ウェルを有するか、または、たとえばＰＣＲ試薬を入れるための、対応する複数の反応／試料容器を保持することができる。各反応容器は、反応ウェルおよび回転プラットフォームと熱連通している。インダクタは、プラットフォームが回転しているかどうかに関係なく、または回転速度に関係なく、プラットフォーム全体を同時に、均一に、かつ高速で加熱するために、十分なだけ回転プラットフォームを取り囲む。好ましい一実施形態では、インダクタはリングのように形作られ、回転プラットフォームを完全に取り囲む。この実施形態は、プラットフォーム全体が同時に加熱されるので、プラットフォーム回転速度が相対的に遅いか、またはゼロである場合に特に有利である。別の実施形態では、インダクタは、プラットフォーム全体を同時に、均一に、かつ高速で加熱するために、十分なだけ回転プラットフォームを取り囲むが、プラットフォーム回転速度が相対的に高いことが必要な場合には、インダクタはプラットフォームを完全に取り囲まなくてもよく、それでもなおプラットフォーム全体を実質的に同時に加熱することができる。以下でさらに論じられるように、この構成により得られる様々な利点がある。
【００１７】
第１の態様によれば、本発明は、複数の反応ウェルを有する回転プラットフォームであって、電磁エネルギーに晒されて誘導加熱される回転プラットフォームと、
電磁エネルギーを回転プラットフォームに向けるのに適した電磁エネルギー源と
を備えるサーモサイクラーを提供し、
電磁エネルギー源は、プラットフォームを実質的に同時に加熱するために、十分なだけ回転プラットフォームを取り囲む。
【００１８】
好ましくは、回転プラットフォームおよび／または反応ウェルは、少なくとも一部が、電磁エネルギーに晒されて誘導加熱される材料から形成される。代替実施形態では、回転プラットフォームおよび／または反応ウェルは、電磁エネルギーに晒されて誘導加熱される材料で、少なくとも一部が形成される材料と、熱連通している。これらの実施形態については、以下でさらに論じられる。
【００１９】
好ましくは、反応ウェルは、形が環状であるプラットフォームの周囲に分布している。しかし、他の配置が当業者には理解されよう。プラットフォーム全体が実質的に同時に加熱されることを理解されたい。
【００２０】
いくつかの好ましい実施形態では、反応ウェルは、回転プラットフォームと別々に形成され、回転プラットフォームと熱接触している。別の実施形態では、反応ウェルは回転プラットフォームと一体化して形成され、同じ材料から形成される。これらの実施形態では、この材料は、電磁エネルギーに晒すことによって誘導加熱するのに適している。いくつかの実施形態では、反応ウェルは、１つまたは複数のフランジを用いて円形状に連結されて、回転プラットフォームを構成する。
【００２１】
いくつかの実施形態では、回転プラットフォームは、各反応ウェルに、それぞれ反応容器を収容または受け入れ可能になっている。一実施形態では、各反応容器は、電磁エネルギーに晒されて誘導加熱される材料で、少なくとも一部が形成される。別の実施形態では、プラットフォームと反応ウェルの両方が、電磁エネルギーに晒されて誘導加熱される材料で、少なくとも一部が形成され、反応容器は、熱伝導性の高い材料で形成される。
【００２２】
好ましくは、装置はさらに、回転プラットフォームを回転軸の周りに回転させるのに適した駆動システムを備える。好ましくは、装置はさらに、制御可能で使用者選択可能な既定の回転速度で回転プラットフォームを回転させるための制御ユニットを含む。
【００２３】
好ましくは、プラットフォームおよび反応ウェルおよび／または反応容器は、電磁エネルギーを吸収すると共に吸収した電磁エネルギーを熱エネルギーに変換する材料から形成される。好ましくは、プラットフォームおよび／または反応容器は、電磁エネルギー源から発生して送出される電磁エネルギーを十分な速度で吸収して既定の速度でプラットフォームを加熱し、それによって反応ウェル／反応容器内に収容された試薬を加熱できるように選択された材料から形成される。好ましくは、プラットフォームは、加熱中に温度がプラットフォーム全体にわたって均一になるように、十分な熱伝導率を有する材料から形成される。反応ウェルまたは反応容器内に収容された反応物質または試薬内の均一な温度を保証するために、高熱伝導率であることが好ましい。好ましい実施形態では、プラットフォームを既定の温度にするのに必要な誘導エネルギーを最小限にするために、回転プラットフォームの質量は最小にされる。
【００２４】
プラットフォームおよび／または反応ウェル／容器に適切ないくつかの材料は、磁性または非磁性の導電性金属である。適切な材料には、それだけには限らないが、鋼、炭素、スズ、タングステン、アルミニウム、銅、金、黄銅、およびこれらの組合せが含まれる。代替または追加の実施形態では、回転プラットフォームは、サセプタを回転プラットフォームと熱接触するように追加することによって、間接的に誘導加熱することができる。この実施形態では、サセプタは、磁性があってもなくてもよい、導電性材料から形成され、プラットフォームは、高導電性材料から形成される。当業者には理解されるように、ある材料を誘導加熱することはまた、たとえそれが導電性材料でなくても、磁気ヒステリシス損によって可能である。この実施形態では、材料は、かなり大きい比透磁率を有するように、すなわち磁場をそれ自体の中に発生させることを支える材料の能力の尺度、言い換えると材料が印加磁場に応じて獲得する磁化の程度、がかなり大きくなるように選択される。適切な材料が、コバルト−鉄、パーマロイ、電磁鋼、フェライト系ステンレス鋼、マルテンサイトステンレス鋼、フェライト（ニッケル亜鉛）、炭素鋼、ニッケルおよびこれらの組合せから選択される。他の適切な材料も当業者には知られよう。磁気ヒステリシスが、結果として熱を発生させる内部摩擦を生じさせ、またこの磁気ヒステリシスは、磁性部材がインダクタを通るときに引き起こされる。磁性材料は必然的に、インダクタ内部の急速に変化する磁場に対して電気抵抗を示す。
【００２５】
好ましくは、回転プラットフォームおよびその付随する反応ウェルはアルミニウムから形成され、プラットフォームは、好ましくは、反応ウェル／容器の中で起きている反応内からの光信号を検出するために反応ウェル（または反応容器）内の反応試料が単一の光学検出ユニットを通り過ぎて回転し、それによって反応の進捗が監視されるように回転する。回転プラットフォームは、約１５℃／秒で急速に加熱することができ、好ましくは、周囲空気または冷やした空気（２から５℃）の強制噴射によって冷却されるが、他の冷却の方法も当業者には知られよう。
【００２６】
好ましくは、電磁エネルギー源は回転プラットフォームを完全に取り囲む。好ましくは、電磁エネルギー源は、回転プラットフォームに熱エネルギーを直接接触によって加えるのではなく、むしろ間接的接触によって加える。好ましくは、電磁エネルギー源は、電磁エネルギーを様々な要素に基づいて、たとえば、反応ウェルまたは反応容器内の試薬の所望の温度、熱エネルギーが反応ウェルまたは反応容器から除去される速度、温度変化の所望の速度、などに基づいて連続的または間欠的に供給する。間欠的なエネルギー送出はエネルギーのパルスによるものでよく、このパルスは、同じ持続時間でも異なる持続時間でもよく、あるいは長い持続時間の次に短い持続時間のパルスでもよく、または既定の温度を得るために要望に応じて調整されてもよい。送出される間欠的な電磁エネルギーは、初期較正ルーチンにより決められる既定のスケジュールに従って送出されてよい。
【００２７】
好ましくは、電磁エネルギー源はインダクタであり、回転プラットフォームおよび付随する反応ウェルに磁気結合され、回転プラットフォームおよび付随する反応ウェルに電流を誘導して熱を発生させる。電磁エネルギー源で回転プラットフォームを実質的に取り囲むことにより、プラットフォーム全体が比較的高速で均一に加熱されることが可能になることを理解されたい。あるいは回転プラットフォームは、サセプタを反応ウェルまたは反応容器と熱接触した状態で含み、インダクタはサセプタに結合され、サセプタに電流を誘導して、プラットフォームおよび反応ウェル／反応容器内に熱を発生させる。好ましくは、インダクタはサセプタに磁気結合される。
【００２８】
熱サイクリング装置における回転プラットフォームの使用を教示する関連した従来技術では、たとえば、プラットフォームの一部分に赤外（ＩＲ）光を向けてから、その光を通り過ぎるかまたは通り抜けるようにプラットフォームを回転させることによって、どの時点においてもプラットフォームの一部分を加熱することを教示しているにすぎない。プラットフォームの各部分には、エネルギーが実際上「パルス供給」される。あるいは、可視光もしくはＩＲ光を放出するレーザ、またはマイクロ波供給源が反応ウェルまたは反応容器に向けられ、これらは、エネルギー源を通り過ぎて回転するときに加熱される。これらの例では、加熱源が実際上は「点加熱源」であるので、プラットフォームおよび各反応容器／ウェルを均一に加熱するには、プラットフォームは点加熱源を通り過ぎるかまたは通り抜けるように回転させなければならない。従来技術の別の例では、回転プラットフォームに隣接して配置された磁石を使用し、プラットフォームがこの磁石を通り過ぎ、かつ磁場を通り抜けて回転することにより、プラットフォーム内に熱の発生が誘発される。別の従来技術の例では、一対の相反する磁石が設けられ、プラットフォームはこれらの磁石間の隙間内で回転して、プラットフォーム内に熱の発生が誘発される。これらすべての場合で、どの時点においてもプラットフォームの小部分だけが加熱され、したがってプラットフォーム全体を加熱するには、プラットフォームは点加熱源を通り過ぎて回転しなければならない。プラットフォームを均一に加熱するためにプラットフォームを回転させる必要性により、特定の実施形態および用途では重要である回転速度の制御の度合いが限定される。本発明は、回転速度と、プラットフォームを均一かつ高速で加熱する機能とを、切り離すことができるという点で、従来技術よりも進歩している。
【００２９】
さらに、関連した従来技術では、プラットフォームの小部分を加熱するための単一の熱源の使用を教示しているが、この熱源は、プラットフォームの方へ実質的に上向きに単方向の熱を供給するために、プラットフォームの下に取り付けられる。熱源は、別法としてプラットフォームの上に取り付けることもできる。この従来技術では、単方向の外部加熱により、プラットフォーム内および全体にわたる温度差が生じて、温度がプラットフォーム全体にわたって等しくなるのに余計な時間が必要になる。そのため、プラットフォームを均一に加熱して、ウェル内に保持されている試薬の温度をより正確に制御する必要がある。本発明は、電磁（ＥＭ）エネルギー源が、プラットフォームを同時に内部から誘導加熱するのに適し、プラットフォーム全体および／またはチャンバ／ウェルの実質的に均一な加熱が可能になるという点で、従来技術よりも進歩している。誘導熱は、プラットフォームを実質的に同時に加熱するように供給されるので、温度差は最小化または解消されて、短時間での反応が可能になる。
【００３０】
本発明の別の実施形態では、インダクタと、可視光もしくはＩＲ光を放出するレーザなどの点加熱源との組合せが企図され、あるいはマイクロ波源が回転プラットフォームに向けられる。この実施形態では、プラットフォームの従来技術の「点源」加熱（パルス化エネルギー送出）と本発明を組み合わせており、回転プラットフォーム全体が実質的に同時に加熱される。
【００３１】
上で論じたように、本発明は、プラットフォームの回転速度という要素が、プラットフォームを加熱する機能から切り離されることを可能にする。プラットフォーム全体を、プラットフォームが回転していない、またはそれがゆっくりと回転している間に、均一に加熱することができる。この態様は、遠心力を制御する手段として回転速度を利用でき、プラットフォーム上またはプラットフォーム周囲の流体の動きを制御できるという点で、従来技術よりも進歩している。
【００３２】
従来技術とは異なり、本発明はトランスとみなすことができる。一次巻線（インダクタ）の可変／交流電流が、トランスのコア内の可変磁束、したがって回転プラットフォーム（二次巻線）を通り抜ける可変磁束、を作り出して環流電流が生じる。この環流（渦）電流は金属の電気抵抗に抗して流れて、回転プラットフォームと一次巻線の間に何ら直接の接触がなくても高精度で局部的な熱が発生する。二次巻線は単一の短絡巻線であることを理解されたい。
【００３３】
本発明は、プラットフォームを加熱できる速度を改善すること、したがって総サイクル時間を低減することに役立つだけでなく、加熱の均一性もプラットフォーム全体にわたって改善し、したがって、反応ウェルまたは反応容器内で起きる化学反応の制御もまた改善する。本出願者は、プラットフォームを加熱できる精度と、プラットフォームの加熱の速度とを制御することにより、市販の装置の重要な態様である総サイクル時間を低減できることを見出した。加えて、プラットフォームだけが加熱され、装置の他の周辺部材は加熱されないので、この装置はエネルギー効率が高い。
【００３４】
好ましくは、本発明のサーモサイクラーシステムは、プラットフォーム全体を実質的に同時に加熱する。好ましくは、サーモサイクラーは、加熱段階中、およびプラットフォームがある温度にあるときに、プラットフォーム全体での温度差が１０、５、４、３、２、１、０．５または０．１％未満に保たれるように構成される。好ましくは、プラットフォームの任意の２つの部分間、または反応ウェルもしくは反応容器内に保持されている試薬の温度の最大差が１、０．７５、０．５、０．２、０．１または０．０１℃未満であって、反応ウェルまたは反応容器内の試薬の温度が回転プラットフォーム全体にわたって均一である。好ましくは、電磁エネルギー源は、回転プラットフォームを実質的に取り囲むインダクタである。好ましい実施形態では、インダクタは、回転プラットフォームを完全に取り囲むが、別の実施形態では、回転プラットフォームの全周の約４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９１、９２、９３、９４、９５、９６、９７、９８または９９％を超えるように取り囲む。インダクタは、回転プラットフォームの外周の部分にわたる２つ以上の領域として構成することができるが、各領域を合わせた合計は、回転プラットフォームの総外周の４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９１、９２、９３、９４、９５、９６、９７、９８または９９％を超えることを理解されたい。
【００３５】
好ましい実施形態では、電磁放射は３５ｋＨｚから４５ｋＨｚの間、または５０ｋＨｚから６０ｋＨｚの間の周波数、すなわち無線周波数で送出される。しかし別の実施形態では、放射は５ｋＨから１００ＭＨｚの間である。対照的に、いくつかの従来技術の装置では、３００ＧＨｚから４３０ＴＨｚの間にあるＩＲおよび可視周波数領域の電磁エネルギーの使用を教示している。
【００３６】
冷媒ガスは、多数のガスのいずれかとすることができるが、利便性および費用対効果のために、ほとんどの場合において周囲温度の単なる空気である。しかし、場合によっては冷やされた空気を使用できる可能性もある。これは特に、必要な回数のサイクルが実施された後に、試料を周囲温度以下に冷却することが望ましい場合に有益であり得る。
【００３７】
ＤＮＡの変性は通常、約９０から９５℃で起こり、プライマーと変性ＤＮＡのアニーリングは通常、約４０から６０℃で行われ、アニーリング後のプライマーをポリメラーゼで伸張するステップは通常、約７０から７５℃で行われる。そのため、ＰＣＲサイクル中には反応混合液の温度を変えなければならず、マルチサイクルＰＣＲの実験中には何回も変えなければならない。本発明の装置は、反応ウェルまたは反応容器内に保持されている試薬が０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１、２、３、４、５、１０、１５、２０、２５℃／秒および場合により３０℃／秒の速度で加熱されることを可能にする。電磁エネルギー源からインダクタに送出される電力量、および材料の選択に応じて、さらに速い加熱速度が可能であることを理解されたい。回転プラットフォームは、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１２、１５℃／秒および場合により２０℃／秒の速度で冷却することができる。極めて速い加熱速度、および正確な速度で回転プラットフォームを加熱できることにより、総サイクル時間の低減を可能にするという点が、市販の装置に対する顕著な利点である。
【００３８】
本発明は加えて、回転プラットフォームおよび／または反応容器／ウェルの温度、したがって反応容器／ウェル内に保持された試薬の温度、をリアルタイムで直接測定するために、回転プラットフォームと熱接触した熱電対またはサーミスタを使用する。このようにすると、反応温度をさらに制御することが可能であり、特に、反応をある温度にし、次に反応を既定の時間、ある温度に正確に保持することが可能である。このようにすると、保持時間を必要以上に長くする必要がなくなり、総サイクル時間がさらに低減する。加えて、反応容器とプラットフォームの間の温度差が従来技術の装置の反応容器と加熱空気の間の温度差よりも小さいので、反応温度の制御が改善される。これは、反応容器の、したがって反応容器内に収容された反応物質の、より正確な温度モデル化を可能にする。
【００３９】
回転プラットフォーム温度をリアルタイムで監視することは、制御ソフトウェアにより、インダクタに送出されるエネルギー量を微調整できること、したがって回転プラットフォームをどれだけ速く加熱できるかを微調整できることを意味する。場合によっては、比較的高い電力を一次巻線に送出してプラットフォームを非常に急速に加熱し、次に、一次巻線への電力レベルを連続的に調整することによって温度を設定点に制御することが好ましい。別の好ましい実施形態では、冷媒ガスを同時に入れながら、プラットフォームを加熱することが可能であり、また一次巻線に送出されるエネルギー量を微調整することによって、従来技術装置よりも速く回転プラットフォームを必要な温度にすることが可能である。プラットフォーム全体が同時に、または実質的に同時に加熱されるので、このレベルの制御は、上で論じた従来技術の「点加熱源」方法の加熱によっては不可能である。
【００４０】
発明のサーモサイクラーは特に、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）およびリガーゼ連鎖反応（ＬＣＲ）などの核酸増幅反応に使用することに適合される。しかし、この装置は、所望の生成物を産生するのに複数のまたは周期的な化学反応を必要とする多種多様なシステムに使用できることを理解されたい。ＰＣＲに関連して、好ましくは、分析または反応すべき試料は、ＤＮＡまたはＲＮＡなどの核酸を含む試料である。試料の他の構成要素には通常、オリゴヌクレオチドプライマー、デオキシアデノシン三リン酸（ｄＡＴＰ）、デオキシシチジン三リン酸（ｄＣＴＰ）、デオキシグアノシン三リン酸（ｄＧＴＰ）、デオキシチミジン三リン酸（ｄＴＴＰ）、ならびに耐熱性ＤＮＡポリメラーゼ、酵素的に活性なその断片、酵素的に活性なその誘導体、および逆転写酵素のうちの少なくとも１つが含まれる。
【００４１】
好ましくは、試料が既定の温度に維持される時間は、事前選択可能および制御可能である。核酸増幅にサーモサイクラーを使用する本発明の実施形態では、熱サイクリングは以下の反応、すなわち
（ａ）ＤＮＡのその成分鎖への変性、
（ｂ）ＤＮＡ中の相補配列へのオリゴヌクレオチドプライマーのアニーリング、および
（ｃ）新しいＤＮＡ鎖の合成、
が起きるようにするのに十分である。好ましくは、これらのステップは、所望のレベルの増幅が得られるまで繰り返される。サーモサイクラーはまた、試料を変性させるのに適している熱サイクルを含むことができ、試料は通常、約２から１０秒の間に変性される。
【００４２】
上記の論述から、本発明の装置は、ポリメラーゼ鎖反応および他の酵素反応を実施する際に定期的に使用される温度間の急速サイクリングを可能にすることが分かる。したがって、本発明の装置を使用することにより、様々な温度間で反応混合液をサイクルさせる効果的な方法が得られる。
【００４３】
本発明のさらに別の好ましい実施形態では、反応ウェルまたは反応容器内で起きている反応の進捗を評価する監視手段が提供される。通常、この監視手段は、蛍光検出器、分光光度計、または光度計である。これは特に、いくつかの酵素反応の進捗を監視するのに有効であり、生成物の吸光度または蛍光の変化が観測される。このような監視手段は、ＰＣＲ反応を監視するのに非常に有効である。この場合、臭化エチジウムまたはＳＹＢＲ（登録商標）Ｇｒｅｅｎなどの挿入色素が反応混合液に加えられる。色素が二重鎖ＤＮＡに結合すると蛍光がある。したがって、反応混合液の蛍光の程度を監視することによって、起きた倍加の数に関する評価を行うことができる。あるいは、ＤＮＡとハイブリッド形成する蛍光標識プローブを使用することもできる。当業者には他の方法も知られよう。
【００４４】
当業者には、様々な既定の温度間のサイクリングを自動化することが可能であることが理解されよう。これには以下の、インダクタの始動、インダクタをオフまたはパルス駆動すること、回転プラットフォームの速度を上げること、回転プラットフォームの速度を下げること、回転プラットフォームの回転速度を一定に保持すること、回転プラットフォームの回転速度をゼロまたはゼロ近くに低減させること、冷媒ガスを入れてプラットフォームを冷却すること、冷媒ガスの流量をゼロに低減させること、プラットフォームの温度を既定の温度に制御すること、プラットフォーム温度を１つの既定の温度から別のものに変えること（低温から高温に、またはその逆に）、などのうちの１つまたは複数が含まれる。さらに、監視手段が設けられ、反応が適切な点に達している状況において、冷やされたガスをチャンバにポンプ注入し、それによって反応混合液を周囲温度下に冷却することもできる。
【００４５】
一実施形態では、回転プラットフォームは装置から取外し可能であるが、別の実施形態では、プラットフォームは装置内に固定して取り付けられる。一実施形態では、試薬または反応物質は反応ウェルの中に入れられて、熱的にサイクルされる。この場合には、反応容器は必要がない。しかし、代替実施形態では、反応容器が、反応容器を受け入れ可能な反応ウェルに装填される。試薬または反応物質は反応容器の中に入れられて、熱的にサイクルされる。
【００４６】
本発明の装置に使用するのに適している回転プラットフォームの第１の実施形態では、プラットフォームはアルミニウムから作られ、４８個の反応容器を保持するように構成される。しかし、プラットフォームは、９６、１９２または３８４個の反応容器など、必要に応じて４８個よりも少ない、または多い反応容器を保持するように構成できることを理解されたい。プラットフォームは、必要に応じて、また所望の用途に適するように、任意の数の反応容器／ウェルで構成できることを理解されたい。プラットフォームは、好ましくは、対応する反応容器を保持するスリーブを円形アレイ状に配列して構成され、この場合にスリーブは反応ウェルである。スリーブは、その中に容器を保持することができる。一実施形態では、スリーブが水平面から約８０度の角度を付けられ、スリーブ内に保持された反応管内で起きている反応を光検出装置が光学的に監視するために、スリーブの基部に開口部がある。反応容器を構成する材料は、光検出装置が動作する光の波長で光透過性になるように選ばれる。スリーブには、水平面から３０度しかない角度から垂直まで、任意の角度を付けることができる。プラットフォームはまた、好ましくは、アルミニウムの温度を正確に測定するために、その中に１つまたは複数の温度センサを含む。
【００４７】
いくつかの実施形態では、回転プラットフォームは、反応容器が反応ウェルの中に反応容器の最大流体量のレベルまでしか入らないよう、最小限の大きさを有するように構築される。いくつかの実施形態では、この最大流体量は、５、１０、１５、２０、２５、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、１２５、１５０、１７５、２００、２５０、３００、４００、５００または１０００μＬであり、反応ウェルの厚さおよび直径は反応容器に合うように適合され、この反応容器は、反応容器の最大流体高さが反応ウェルの上面と一致するように選ばれる。言い換えると、反応容器全体が加熱／冷却されなくてもよく、反応物質を収容する容器の部分だけでよい。最大流体量を超える反応容器の部分は、回転プラットフォームまたは反応ウェルと接触していなくてもよい。このことが、試薬／反応物質と接触していない反応容器の部分を加熱／冷却することに時間およびエネルギーが浪費されないので、装置の速度がさらに増すことを可能にする。この場合、反応容器の非加熱上部の内側に結露が生じることがもしあれば、いかなる結露も確実に反応容器の基部に向けて下方に引き戻され、試薬の主部分の中に入るように、各加熱サイクルの後にプラットフォームの回転速度を十分に上げることができる。いくつかの実施形態では、プラットフォーム速度は、遠心力で結露を反応容器の基部に戻すために、１５００ｒｐｍを超えて、たとえば３０００ｒｐｍにまで高くすることができる。当業者には別の回転速度が知られよう。
【００４８】
本発明の装置に使用するための回転プラットフォームの第２の実施形態では、プラットフォームは、光検出装置が動作する光の波長で光透過性になるプラスチック材料から作られる。プラットフォームは、好ましくは、直径が約１３０ｍｍで厚さが１ｍｍであり、事実上、薄い円板である。この板は、半径方向内側の添加ウェル、および半径方向外側の反応ウェルを備え、ウェルのそれぞれが狭窄通路によって連結される。狭窄通路は、プラットフォームが十分に回転する（十分な遠心力が発生する）ときにのみ、流体が内側ウェルから外側ウェルに向かって流れるように適合または構成される。半径方向内側のそれぞれの添加ウェルは、半径方向外側の１つまたは複数の反応ウェルと通路によって連結される。反応ウェルは、好ましくは約６ｍｍの直径を有し、添加ウェルを介して遠心力で「添加」される。第１の試薬を半径方向内側の添加ウェルの中に添加し、第２の試薬を半径方向外側の反応ウェルの中に添加することができ、遠心分離すると第１の試薬が第２の試薬と接触することを理解されたい。この実施形態では、板は、好ましくは質量が等しい１つまたは複数の平坦なサセプタの間に挟まれる。サセプタはアルミニウムの円板でよい。下部円板は、「固定」され装置内で回転可能であるのに対し、上部円板は、使用者が添加ウェルおよび反応ウェルにアクセスできるようにするために、取外し可能である。固定アルミニウム板には、その温度を正確に測定するために、回転熱センサが中に取り付けられる。上部取外し可能アルミニウム板は、固定アルミニウム板と質量が同じになっており、そのため固定板と同じだけの誘導エネルギーを吸収することになる。アルミニウムは、誘導加熱される別の材料と置き換えることもできることを理解されたい。反応ウェル内の実際の流体の温度は、正確にモデル化および制御することができる。誘導加熱可能な上部円板および任意選択の下部円板を利用することによって（または逆も同様に）、板は上面と下面から同時に加熱され、反応／添加ウェル内の試薬／反応物質の非常に速い温度上昇が得られるようになる。代替実施形態では、下部固定板だけがアルミニウムから作られ、上部円板はプラスチック材料から選択されるシステムが動作することもできる。しかし、温度上昇の速度は、両方の円板がアルミニウムから作られているものと比較して、わずかに小さくなる。代替実施形態で、プラットフォームは、誘導加熱されるのに適した材料から作られる。
【００４９】
上で論じたように、回転プラットフォームは、電磁エネルギー、好ましくはＲＦエネルギーに晒されると、加熱可能になるように、好ましくはアルミニウムから作られるか、またはプラスチック材料から作られ、それと熱接触しているサセプタを有する。代替実施形態または追加の実施形態では、回転プラットフォームは、熱伝導率を改善する少なくとも１つの充填材を有するプラスチック材料から作られる。このような熱伝導性ポリマーでは、２Ｗ／ｍＫ（ガラスと同様）から１００Ｗ／ｍＫ（キャストアルミニウムと同様）までの熱伝導率を得ることができるのに対し、標準的なポリプロピレンは通常、約０．２Ｗ／ｍＫである。通常は炭素もしくは黒鉛、またはアルミニウムおよび／もしくはホウ素などの窒化物をベースとする、様々な充填材を使用することができる。当業者には他の充填材が知られよう。高い熱伝導性ポリマーを使用することは、この実施形態の試薬が熱伝導性プラスチックと直接接触しているので、均一な加熱を行うこと、および熱を試薬へ速く送出することの助けになる。
【００５０】
関連した実施形態では、充填材は強磁性体粒子である。結果として得られるプラスチック製プラットフォームは、誘導磁場内に置かれるとヒステリシス損によって加熱され、それによって回転プラットフォームを直接加熱することができる。この実施形態では、５から２０℃／秒の加熱速度が実現可能である。
【００５１】
さらに別の関連した実施形態では、本発明は、熱伝導率を改善し円板が誘導加熱されることを可能にする充填材と共に円板を成形することによって、回転板を挟む２つのアルミニウム円板の使用を不要とするシステムを提供する。円板をこのように成形することによって、ウェルの形状およびサイズは、加熱および円板全体サイズに対して最適化することができる。さらなる利点は、光学装置のために小さい視認開口部しか必要とせず、それによって、反応ウェルの別の側のすべてを同時に加熱できるので、熱移転がさらに改善することである。
【００５２】
上記の実施形態では、強磁性体粒子が回転プラットフォーム全体に均一に分布しているので、均一な加熱が実現する。しかし、これらの実施形態では、代替の温度検知方法が必要になる。当業者には、どのような選択肢が利用可能であるかが理解されよう（たとえば、サーミスタを回転プラットフォームの内部に成形することもできる）。
【００５３】
第２の態様によれば、本発明は、反応混合液を既定の温度間でサイクルさせる方法を含み、この方法は、
第１の態様によるサーモサイクラーを提供するステップと、
前記反応混合液を１つまたは複数の反応ウェルの中に供給し、周期的に、
インダクタを駆動して反応ウェルを加熱し、それによって反応混合液を第１の既定の温度まで加熱するステップと、
回転プラットフォームを冷媒流体と接触させて反応混合液を第１の既定の温度とは異なる第２の既定の温度まで冷却し、それによって反応混合液を熱的にサイクルさせるステップと
を含む。
【００５４】
反応混合液は別法として、反応ウェルの中に保持される反応容器内に収容できることを理解されたい。
【００５５】
この方法はさらに、インダクタを駆動して反応混合液（回転プラットフォーム／反応容器／反応ウェル）を既定の温度間でサイクルさせるステップを含む。
【００５６】
好ましい実施形態では、回転プラットフォームを冷媒流体と接触させる前にインダクタは、プラットフォームの加熱を中止または低減するためにオフにされるか、またはその電力が低減される。
【００５７】
好ましい実施形態では、本発明は、本発明の装置を使用して核酸増幅を実行する方法を含み、ポリメラーゼ連鎖反応、リガーゼ連鎖反応または他の任意の増幅技術が使用される。好ましくは、ＤＮＡはその成分鎖に変性され、オリゴヌクレオチドプライマーがＤＮＡ中の相補配列にアニーリングされ、新しいＤＮＡ鎖が合成される。好ましくは、これらのステップは所望のレベルの増幅が得られるまで繰り返される。
【００５８】
この方法は、反応混合液を反応ウェルまたは反応容器の中に入れるステップと、所望のレベルの増幅が得られるまで反応混合液を熱サイクルさせるステップとを含む。熱サイクリング中、反応混合液は、好ましくは検出手段によって監視される。
【００５９】
好ましくは、反応ウェルは、２５μＬから２５００μＬの間の量の流体、特に２５、５０、７５、１００、１２５、１５０、１７５、２００、２５０、３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００、１２５０、１５００、２０００または２５００μＬの量の流体を保持するように形作られ、構成される。反応ウェルの深さ／高さおよび直径は、用途にかなう任意の値とすることができる。しかし、例としては、２から４０ｍｍの間のウェル直径が実現可能であり、５から５０ｍｍの間のウェル深さが望ましい。
【００６０】
どんな回転速度も本発明の範囲内に入る。しかし、例としては、１０、５０、１００、１５０、２００、３００、４００、５００、１００、１２５０、１５００、１７５０、２００、３００、４００または５０００ｒｐｍが実現可能である。試薬が反応ウェル／容器の中に供給されている場合には、１０から５００ｒｐｍの間の回転速度が好ましい。結露を反応ウェル／容器内で試薬中に入れるために、１５００ｒｐｍを超える回転速度、たとえば２０００、２５００、３０００、３５００または４０００ｒｐｍが必要になり得る。反応ウェル／容器内の反応混合液を検定するときに、好ましくは、プラットフォームは５００から１０００ｒｐｍの間の速度で回転させる。
【００６１】
第３の態様によれば、本発明は、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）およびリガーゼ連鎖反応（ＬＣＲ）から選択される核酸増幅反応を実施するための、本発明によるサーモサイクラーの使用法を提供する。
【００６２】
当業者には、本発明が、本明細書に開示された実施形態および特徴、ならびに開示された実施形態および特徴のすべての組合せおよび／または展開を含むことが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明による装置の側面断面図である。
【図２】図１の装置に使用するのに適している回転プラットフォームの斜視図である。
【図３】図２の回転プラットフォームにアクセスするために開放構成にある蓋を示す、図１による装置の斜視図である。
【図４】本発明による装置に使用するための代替回転プラットフォームの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００６４】
次に、本発明の好ましい実施形態について、あくまでも一例として、添付の図面を参照して説明する。
【００６５】
定義：
本発明を説明および特許請求するに際し、以下の専門用語が下記の定義に従って使用される。本明細書で使用される専門用語は、本発明の特定の実施形態を説明することだけを目的とし、限定するものではないこともまた理解されたい。特に明記されていない限り、本明細書に使用されているすべての技術的および科学的用語は、本明細書が関連する技術分野の当業者によって一般に理解されているものと同じ意味を有する。
【００６６】
文脈上明らかに別の解釈をする必要がない限り、説明および特許請求の範囲全体を通して「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」などの語は、排他的または網羅的な意味に対して包含的な意味に、つまり「含むが、限定されない」という意味に解釈されたい。
【００６７】
動作例以外、または特に指示がない場合、本明細書で使用される材料または反応条件の数量を表すすべての数字は、すべての事例で「約（ａｂｏｕｔ）」という語によって修正されると理解されたい。諸例は、本発明の範囲を限定するものではない。以下で、特に指示がない場合、「％」は「重量％」を意味し、「比」は「重量比」を意味し、「部」は「重量部」を意味する。
【００６８】
「大部分は（predominantly）」および「かなり（substantially）」という語は、特に指示がない限り、本明細書では、重量で５０％超を含むことを意味する。
【００６９】
端点を用いた数値範囲の記述は、その範囲内に包含されるすべての数を含む（たとえば、１から５は１、１．５、２、２．７５、３、３．８０、４、５などを含む）。
【００７０】
「好ましい」および「好ましくは」という語は、特定の状況のもとで特定の利益をもたらし得る本発明の実施形態を指す。しかし、同じまたは別の状況の下で、別の実施形態もまた好ましいことがあり得る。さらに、１つまたは複数の好ましい実施形態についての記述は、別の実施形態が有用ではないということを含意せず、また別の実施形態を本発明の範囲から除外するものではない。
【００７１】
本発明の好ましい実施形態：
次に、すべての点において例示的および非限定的なものとみなされるべき以下の例を参照して、本発明について説明する。
【００７２】
図１は、本発明によるサーマルサイクラー装置１の側面断面図を示す。装置１は、回転プラットフォーム３をユーザ定義速度で回転させるための駆動モータ２を備える。回転プラットフォーム３は、円形配置の形で構成され、複数のプラスチック製またはガラス製反応容器４を、反応ウェル５内に保持することができる。回転プラットフォームは、駆動モータ２に連結されたステージ２０に対し、任意選択で、解放可能に取付け可能である。回転プラットフォーム３が回転しているかどうか、または回転速度にかかわらず、回転プラットフォーム３全体を同時に加熱するための誘導コイル６が、回転プラットフォーム３を取り囲んでいる。誘導コイル６は、好ましくはリングの形をしている。本発明のサーマルサイクラー１は、回転プラットフォーム３を少なくとも１５℃／秒、好ましくは２５℃／秒の速度で加熱することができるという点で「高速」である。本発明の装置は、誘導加熱によって急速エネルギー移送を実現する。
【００７３】
上述の構成は、最も適切にはトランスとして説明することができ、この場合は固定誘導コイル６が一次巻線であり、回転プラットフォーム３がトランスの、短絡回路になっている実際上一巻きの二次巻線である。誘導コイル６はまた、好ましくは、磁束を回転プラットフォーム３の中により適切に向けるためのフェライト材料（図示せず）をその上下に含む。
【００７４】
無線周波数（ＲＦ）エネルギー（３５ｋＨｚから４５ｋＨｚまたは５０ｚＨｋから６０ｋＨｚ）を発生させて、反応ウェル５および回転プラットフォーム３と熱接触している反応容器４を誘導結合で加熱するために使用される回路は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許第６，０４６，４４２号に記載されているものと非常に類似している。しかし、他の回路構成も使用できることを理解されたい。
【００７５】
図１に示される実施形態では、熱誘導段階で回転プラットフォーム３の温度を直接監視するために、温度センサ（図示せず）が回転プラットフォーム３の中に埋め込まれる。温度データは、赤外線接続（図示せず）を介してサーマルサイクラー装置１のハウジング内の固定電子回路（図示せず）まで伝送される。反応容器４の熱モデルは計算することができ、したがって、容器４の内部の温度はリアルタイムで正確に決定することができる。非限定的な１つの例では、熱モデルは、反応温度を回転プラットフォーム３の温度と関連付ける一次または二次モデルである。モデル定数は、回転プラットフォームが加熱されているか、それとも冷却されているかに応じて変えることができる。反応温度を回転プラットフォーム３の温度と関連付けるのに他の数学モデルも使用できることを理解されたい。
【００７６】
サーマルサイクラー装置１はまた、回転プラットフォーム３を収容する装置１の中に周囲空気の状態の高速冷却流体を向けるための高速ファン７を用いて構成される。反応容器４内の反応物の温度をより速やかに冷却するために、周囲空気は、装置１に導入する前に冷やすことができる。
【００７７】
サーマルサイクラー装置１はさらに、反応容器４内で起きている反応の進捗を検出するための光学検出モジュール１０を用いて構成される。プラットフォーム３は、反応容器４が検出ゾーンの上を通過するように回転させ、またプラットフォーム３は、反応容器４のそれぞれを個々に監視できるように十分な速度で回転させる。
【００７８】
本明細書に示されるサーマルサイクラー装置１は、一次巻線が回転プラットフォーム３を実質的に取り囲んでいるために一次巻線からの磁束が回転プラットフォーム３全体を同時に加熱するので、回転プラットフォーム３を誘導加熱するために回転させる必要がないことを理解されたい。回転プラットフォーム３は、反応容器４内の反応の進行を検出するために回転させるが、光検出モジュール１０がたった一つあるだけなので、反応容器内の各試料は、光信号を検出するのにそのポイントを通り過ぎて回転させなければならない。回転プラットフォーム３はまた、流体をプラットフォーム上で動かしまわすために、また化学反応を開始、一時停止または終了させるために、回転させることもできる。
【００７９】
図１に示される回転プラットフォーム３は、円形アレイ状に構成された一連の反応ウェル５を備え、また回転プラットフォーム３に連結された環状リングを含む。リングは、加熱／冷却される構成要素が回転プラットフォーム３ならびに反応ウェル５および反応容器４だけになるように、熱絶縁材料から作られる。好ましくは、加熱／冷却される総質量は、加熱／冷却速度を最大にするために最小源に保たれる。
【００８０】
図２は、図１の装置１に使用するのに適している回転プラットフォーム３の斜視図である。プラットフォーム３はアルミニウムから作られ、４８個の反応容器４を保持するように構成される。しかし、プラットフォーム３は、４８個よりも少ない、または多い反応容器を保持するように構成できることを理解されたい。反応ウェル５のそれぞれは、水平面から約８０度の角度が付けられたスリーブの形をしており、スリーブ内に保持された反応容器４内で起きている反応を光検出装置１０が光学的に監視するために、スリーブの基部に開口部がある。反応容器４の構築材料は、光検出装置１０が動作する光の波長で光透過性になるように選ばれる。スリーブには、水平面から３０度しかない角度から垂直まで、任意の角度を付けることができる。
【００８１】
図３は、回転プラットフォーム３にアクセスするために開放構成になっているサーマルサイクラー装置１の蓋を示す、図１による装置の斜視図である。本発明の装置１はまた、使用者が既定の温度サイクリングルーチン、回転速度などを選択できる、ＰＣによるデータ取得制御システム（図示せず）を備える。
【００８２】
図４は、本発明の装置１に使用するための代替試料円板２１の平面図である。一実施形態では、試料円板２１は、光検出装置１０が動作する光の波長で光透過性になるプラスチック材料から作られる。試料円板２１は、直径が約１３０ｍｍで厚さが１ｍｍであり、実際上、板である。試料円板は、半径方向内側の添加ウェル１５と、狭窄通路１７によって連結されている半径方向外側の反応ウェル１６とを備える。反応ウェル１６は約６ｍｍの直径を有する。反応ウェル１６は、添加ウェル１５を介して遠心力で添加することができる。第１の試薬を半径方向内側の添加ウェル１５の中に添加し、第２の反応物を半径方向外側の反応ウェル１６の中に添加することができ、遠心分離すると、第１の試薬が、第２の試薬と接触することになることを理解されたい。代替実施形態では、試料円板２１は、電磁エネルギーに晒されて誘導加熱される材料から、少なくとも一部は作られる。
【００８３】
図４の例では、平坦な回転試料円板２１が、好ましくは等しい質量の一対の平坦なアルミニウム円板（図示せず）の間に挟まれる。下部円板は、「固定」され装置内で回転可能であるのに対し、上部円板は、使用者がウェル１５および１６にアクセスできるようにするために、取外し可能である。固定円板には、固定円板の温度を正確に測定するために、回転熱センサが中に取り付けられる。上部取外し可能円板は、固定円板と質量が同じになっており、そのため固定円板と同じだけの誘導エネルギーを吸収する。反応ウェル１６内の実際の流体の温度は、誘導コイル６のエネルギー出力を制御することによって、正確にモデル化および制御することができる。上部円板および下部固定円板があることによって、試料円板２１は上面および下面から同時に加熱することができ、これにより、図２の実施形態と比べて試料温度の上昇がなおいっそう速まることになる。しかし、下部固定円板だけがアルミニウムから作られ、上部円板はプラスチック材料から選択されるユニットもまた、温度上昇率がわずかに小さくなるとはいえ、使用することができる。この例では、回転プラットフォーム３は、下部アルミニウム円板と試料円板２１の組合せであるか、または、電磁エネルギーに晒されて誘導加熱される材料から少なくとも一部が作られた試料円板２１である。
【００８４】
別の実施形態では、回転プラットフォーム３はプラスチック材料またはガラスから作られ、反応ウェル５はサセプタでコーティングされ、あるいは回転プラットフォーム３はプラスチック材料から作られ、反応容器４もまた、サセプタでコーティングされているプラスチック材料から作られる。別の実施形態では、回転プラットフォーム３は、熱伝導率を改善し誘導加熱されることを可能にする少なくとも１つの充填材を有する、プラスチック材料から作られる。別の実施形態では、充填材は強磁性体粒子であり、誘導磁場内に置かれたときにプラスチック回転プラットフォーム３がヒステリシス損によって加熱され、それによって回転プラットフォーム３を直接加熱することができる。
【００８５】
本発明が特定の例を参照して説明されたが、当業者には、本発明が他の多くの形でも具現化できることが理解されよう。特に、説明された様々な例のうちのいずれか一例の諸特徴が、説明された他の例のいずれかにおいて任意の組合せで提供され得る。
【符号の説明】
【００８６】
１  装置
２  駆動モータ
３  回転プラットフォーム
４  反応容器
５  反応ウェル
６  誘導コイル
７  高速ファン
１０  光学検出モジュール
１５  添加ウェル
１６  反応ウェル
１７  狭窄通路
２０  ステージ
２１  代替試料円板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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