(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
核酸を含む反応試料を収納する窪みが複数配列される反応容器を保持する保持部と、
前記保持部を加熱及び冷却して、前記反応試料の温度を調節する熱電素子と、
前記保持部の温度を検出する温度センサと、
前記温度センサの検出結果に基づいて、前記保持部が所定の温度サイクルで加熱及び冷却されるよう前記熱電素子を制御する制御部と、
を備え、
前記熱電素子は、前記熱電素子と前記保持部とが重なる方向から見て、前記保持部の第１領域と重なる第１熱電素子と、前記保持部の前記第１領域とは異なる第２領域と重なる第２熱電素子とを少なくとも含み、
前記温度センサは、前記第２熱電素子に対してよりも前記第１熱電素子に対してより近接する第１温度センサと、前記第１熱電素子に対してよりも前記第２熱電素子に対してより近接する第２温度センサとを少なくとも含み、
前記制御部は、少なくとも前記第１温度センサの検出結果と前記第２温度センサの検出結果とを組み合わせて得られる温度情報に基づいて、前記第１熱電素子及び前記第２熱電素子を制御し、
前記制御部は、前記第１温度センサの検出結果である第１温度と前記第２温度センサの検出結果である第２温度との平均値、及び前記第１温度と前記第２温度との差を算出し、
所定の制御パラメータを用いたＰＩＤ制御により、前記平均値を前記温度サイクルにおける設定温度に近づくように補正して補正後の平均値を算出し、前記差を０に近づくように補正して補正後の差を算出し、
前記第１熱電素子及び前記第２熱電素子の目標温度を、これらの平均値が前記補正後の平均値となり、且つこれらの差が前記補正後の前記差となる値に決定し、当該目標温度となるよう前記第１熱電素子及び前記第２熱電素子を制御することを特徴とする核酸増幅装置。
【請求項２】
前記熱電素子は、前記熱電素子と前記保持部とが重なる方向から見て、前記保持部の前記第１領域及び前記第２領域と異なる第３領域と重なる第３熱電素子をさらに含み、
前記温度センサは、前記第１熱電素子及び前記第２熱電素子に対してよりも前記第３熱電素子に対してより近接する第３温度センサをさらに含み、
前記第１領域、前記第２領域及び前記第３領域はこの順に並び、
前記制御部は、前記第１温度センサの検出結果である第１温度と前記第２温度センサの検出結果である第２温度と前記第３温度センサの検出結果である第３温度との平均値Ｔａｖｇ、前記第１温度と前記第３温度との平均値と前記第２温度との差Ｔｓｉｄｅ−ｃｅｎｔｅｒ、及び前記第１温度と前記第３温度との差Ｔｌｅｆｔ−ｒｉｇｈｔを算出し、
所定の制御パラメータを用いたＰＩＤ制御により、前記平均値Ｔａｖｇを前記温度サイクルにおける設定温度に近づくように補正して補正後の平均値Ｏａｖｇを算出し、前記差Ｔｓｉｄｅ−ｃｅｎｔｅｒ及び前記差Ｔｌｅｆｔ−ｒｉｇｈｔを０に近づくように補正して補正後の差Ｏｓｉｄｅ−ｃｅｎｔｅｒ及び補正後の差Ｏｌｅｆｔ−ｒｉｇｈｔを算出し、
下式に基づいて、前記第１熱電素子、前記第２熱電素子及び前記第３熱電素子の目標温度を、これらの平均値が前記補正後の平均値Ｏａｖｇとなり、前記第１熱電素子の目標温度と前記第３熱電素子の目標温度との平均値と前記第２熱電素子の目標温度との差が前記補正後の差Ｏｓｉｄｅ−ｃｅｎｔｅｒとなり、前記第１熱電素子の目標温度と前記第３熱電素子の目標温度との差が前記補正後の差Ｏｌｅｆｔ−ｒｉｇｈｔとなる値に決定し、当該目標温度となるよう前記第１熱電素子、前記第２熱電素子及び前記第３熱電素子を制御する請求項１に記載の核酸増幅装置。
【数１】
0006525665.tif 000005
（式中、３つのａは任意の同一の数）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、核酸増幅装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＤＮＡ（Deoxyribonucleic Acid：デオキシリボ核酸）等の核酸にポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ：Polymerase Chain Reaction）を起こさせて、核酸を増幅させる核酸増幅装置が知られている。また、核酸の増幅機構に加えて核酸の検出部を備え、増幅した核酸をリアルタイムに検出することができる核酸増幅装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような核酸増幅装置は、リアルタイムＰＣＲ装置と呼ばれている。
【０００３】
リアルタイムＰＣＲ装置は、ＤＮＡや蛍光物質等を含む反応試料の温度を制御してＤＮＡを増幅させる。また、リアルタイムＰＣＲ装置は、反応試料を励起させる励起光を照射し、その際に反応試料から発生する蛍光に基づいて増幅されたＤＮＡを測定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−８１８９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した核酸増幅装置では、反応試料を収容する窪みが複数設けられている樹脂製の反応容器が用いられていた。また、反応容器は、一般にアルミニウムを材料とする反応ブロックの上に置かれ、反応ブロックの加熱、冷却によって反応試料の温度が制御されていた。
【０００６】
核酸は、所定の温度サイクルを繰り返すことで増幅する。反応容器のすべての窪みで同じように核酸を増幅させるためには、反応容器のいずれの位置においても反応試料が正確に同じ温度とされることが望ましい。しかしながら、従来の核酸増幅装置では、反応容器の窪みの位置、すなわち反応ブロック上の位置によって温度差が生じるおそれがあった。反応ブロック上の位置によって温度差が生じた場合、各窪みで核酸の増幅率にばらつきが生じ得る。
【０００７】
本願はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、反応容器全体でより均一に核酸を増幅させる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本願のある態様の核酸増幅装置は、核酸を含む反応試料を収納する窪みが複数配列される反応容器を保持する保持部と、保持部を加熱及び冷却して、反応試料の温度を調節する熱電素子と、保持部の温度を検出する温度センサと、温度センサの検出結果に基づいて、保持部が所定の温度サイクルで加熱及び冷却されるよう熱電素子を制御する制御部と、を備える。熱電素子は、熱電素子と保持部とが重なる方向から見て、保持部の第１領域と重なる第１熱電素子と、保持部の第１領域とは異なる第２領域と重なる第２熱電素子とを少なくとも含む。温度センサは、第２熱電素子に対してよりも第１熱電素子に対してより近接する第１温度センサと、第１熱電素子に対してよりも第２熱電素子に対してより近接する第２温度センサとを少なくとも含む。制御部は、少なくとも第１温度センサの検出結果と第２温度センサの検出結果とを組み合わせて得られる温度情報に基づいて、第１熱電素子及び第２熱電素子を制御する。
【発明の効果】
【０００９】
本願によれば、反応容器全体でより均一に核酸を増幅させる技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態に係る核酸増幅装置を模式的に示す側面図である。
【図２】実施の形態に係る核酸増幅装置を模式的に示す平面図である。
【図３】実施の形態に係る核酸増幅装置の反応ユニットを模式的に示す斜視図である。
【図４】実施の形態に係る核酸増幅装置の反応ユニットの分解斜視図である。
【図５】実施の形態に係る核酸増幅装置の温度調節部の構造と、保持部及び温度調節部の位置関係とを模式的に示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【００１２】
図１は、実施の形態に係る核酸増幅装置を模式的に示す側面図である。図２は、実施の形態に係る核酸増幅装置を模式的に示す平面図である。図１及び図２では、核酸増幅装置１の内部を透視した状態が図示されている。また、構造の一部は断面図で描かれている。本実施の形態に係る核酸増幅装置１は、ＤＮＡ等の核酸と蛍光物質等を含む液体状の反応試料の温度を制御して核酸を増幅させ、増幅した核酸の状態を光学的な測定方法により検出することができる装置である。
【００１３】
核酸増幅装置１は、本体１５と、本体１５の前方に取り付けられたカバー１６とを備える。本体１５には、反応容器２０、カバー２２、反応ユニット１００、制御部２４、光源３０、回転部３１、フィルタ部３２，３３、モータ３４、及びカメラ３５が設けられる。
【００１４】
カバー１６は、核酸増幅装置１の使用者が反応容器２０を取替えられるよう、前後に移動可能に本体１５に設置される。カバー１６は、後方に移動した際に本体１５の内部に収納される。図１では、カバー１６が前方に移動された状態が図示されている。本体１５とカバー１６との間には、遮光部材（図示せず）が取付けられる。これにより、核酸増幅装置１の内部空間が遮光される。カバー１６の内側には、反射鏡２５、フレネルレンズ２６が設置される。
【００１５】
反応容器２０には、核酸と蛍光物質等を含む液体状の反応試料を収納する窪みが、複数配列されている。本実施の形態では、縦横等間隔で縦に６個、横に１０個の計６０個の窪みが反応容器２０に形成されている。なお、窪みの数は特に限定されず、例えば縦に８個、横に１２個の計９６個の窪みが形成されていてもよい。反応容器２０は、後述する保持部の熱を効率よく反応試料に伝えるために樹脂製の薄板からなる。反応容器２０の裏面側は、窪みに応じた凸形状になっている。本実施の形態では、反応試料中の核酸は、蛍光物質が励起されると２種類の異なる波長の蛍光Ｌ１，Ｌ２を発生するように、蛍光標識されている。
【００１６】
反応ユニット１００は、反応容器２０を保持し、制御部２４の指示に基づいて反応容器２０の温度を調節する。反応ユニット１００については後に詳細に説明する。
【００１７】
カバー２２は、反応容器２０を覆う部材である。カバー２２により、反応容器２０が加熱された際に反応試料が蒸発することを防ぐことができる。カバー２２には、反応試料を励起させる励起光や、反応試料からの蛍光が透過するよう、光透過性のフィルム等が用いられる。
【００１８】
制御部２４は、ハードウェア構成としてはコンピュータのＣＰＵやメモリをはじめとする素子や回路で実現され、ソフトウェア構成としてはコンピュータプログラム等によって実現される。制御部２４には、各種プログラム及びデータが記憶される。制御部２４は、記憶されているプログラムを実行して、核酸増幅装置１の各部を制御する。例えば、制御部２４は、核酸が増幅するように反応ユニット１００による反応容器２０の温度調節を制御する。また、制御部２４は、光源３０の点消灯やモータ３４の回転を制御する。なお、制御部２４は、本体１５の外部に設けられてもよい。制御部２４については後に詳細に説明する。
【００１９】
反射鏡２５は、フィルタ部３２，３３からの励起光をフレネルレンズ２６に向けて反射する。また、反射鏡２５は、反応試料からの蛍光をカメラ３５に向けて反射する。フレネルレンズ２６は、反射鏡２５で反射される励起光を、フレネルレンズ２６の光軸に平行な状態に収束させて透過させる。
【００２０】
光源３０は、本体１５の側面（−Ｙ側の側面）に設置される。光源３０は、例えばハロゲンランプであり、励起光を含む光を照射する。
【００２１】
回転部３１は、いわゆるターレット式の回転装置である。回転部３１には、反応試料からの蛍光を観測する際に用いられるフィルタ部３２，３３が装着される。回転部３１は、回転板６０，６１、及び回転軸６２を有する。回転部３１は、回転板６０と回転板６１との間に、例えば最大６つのフィルタ部を装着することができる。
【００２２】
回転板６０は、カメラ３５側に配置される。回転板６０には、フィルタ部３２，３３が装着される位置に、蛍光を通過させる丸窓が設けられる。回転板６１は、反射鏡２５側に配置される。回転板６１には、フィルタ部３２，３３が装着される位置に、励起光及び蛍光を通過させる角窓が設けられる。回転軸６２は、回転板６０，６１と、回転板６０，６１に装着されたフィルタ部３２，３３とを回転させる。
【００２３】
本実施の形態では、フィルタ部３３は、フィルタ部３２が設置される位置から回転軸６２周りに１８０度ずれた位置に装着される。回転部３１は、フィルタ部３２，３３のいずれかを光源３０と対向する位置に移動させ、光源３０からの光をフィルタ部に入射させる。なお、「光源３０と対向する位置」とは、光源３０の光軸と、フィルタ部が有する光学フィルタとが交わる位置をいう。図２では、フィルタ部３２が光源３０と対向する位置にある状態が図示されている。
【００２４】
フィルタ部３２は、蛍光Ｌ１を観測する際に用いられる。フィルタ部３２は、箱状のフィルタキューブ７０と、光学フィルタ７１，７３と、ダイクロイックミラー７２とを有する。光学フィルタ７１，７３及びダイクロイックミラー７２は、フィルタキューブ７０に取り付けられる。
【００２５】
光学フィルタ７１は、光源３０からの光のうち反応試料を励起させる励起光を透過させるバンドパスフィルタである。ダイクロイックミラー７２は、反応試料に励起光を照射すべく、光学フィルタ７１を透過した励起光を反射鏡２５に向けて反射する。ダイクロイックミラー７２で反射された励起光は、反射鏡２５でさらに反射され、フレネルレンズ２６を透過して反応容器２０に照射される。また、ダイクロイックミラー７２は、励起される反応試料から発生する蛍光Ｌ１，Ｌ２を透過させる。光学フィルタ７３は、ダイクロイックミラー７２を透過した蛍光Ｌ１を選択的に透過させるバンドパスフィルタである。
【００２６】
フィルタ部３３は、蛍光Ｌ２を観測する際に用いられる。フィルタ部３３は、箱状のフィルタキューブ８０と、光学フィルタ８１，８３と、ダイクロイックミラー８２とを有する。光学フィルタ８１，８３及びダイクロイックミラー８２は、フィルタキューブ８０に取り付けられる。
【００２７】
光学フィルタ８１は、光学フィルタ７１と同様に、光源３０からの光のうち反応試料を励起させる励起光を透過させるバンドパスフィルタである。ダイクロイックミラー８２は、光学フィルタ８１を透過した励起光を反射鏡２５に向けて反射するとともに、反応試料からの蛍光Ｌ１，Ｌ２を透過させる。光学フィルタ８３は、ダイクロイックミラー８２を透過した蛍光Ｌ２を選択的に透過させるバンドパスフィルタである。
【００２８】
モータ３４は、制御部２４の指示により回転軸６２を回転させる。モータ３４は、例えばステッピングモータである。カメラ３５は、蛍光Ｌ１，Ｌ２を受光して撮影する。この結果、核酸増幅装置１の使用者は、増幅された核酸の量等を検出することができる。
【００２９】
続いて、反応ユニット１００の構造について詳細に説明する。図３は、反応ユニット１００を模式的に示す斜視図である。図４は、反応ユニット１００の分解斜視図である。図５は、温度調節部１０６の構造と、保持部１０２及び温度調節部１０６の位置関係とを模式的に示す平面図である。図５では、制御部２４を、ハードウェア構成及びソフトウェア構成の連携によって実現される機能ブロックとして描いている。反応ユニット１００は、保持部１０２、保持部ベース１０４、温度調節部１０６及び放熱部１０８を主な構成として有する。
【００３０】
保持部１０２は、温調ブロックあるいは反応ブロックとも称され、反応容器２０を保持する平板状の部材である。保持部１０２の一方の主表面には、反応容器２０の裏面側の凸部が収納される穴が設けられる。反応容器２０は、保持部１０２の一方の主表面上に裁置される。保持部１０２は、熱伝導性を有する。保持部１０２の材料としては、アルミニウム等の熱伝導性の高い金属を用いることができる。
【００３１】
保持部ベース１０４は、保持部１０２からの放熱を抑制するための断熱部材である。保持部ベース１０４は、上側パッキン１１４を介して保持部１０２上に設置される。保持部ベース１０４は、枠形状を有し、保持部１０２の周囲を覆う。保持部ベース１０４の中央の開口において、保持部１０２が露出する。
【００３２】
温度調節部１０６は、保持部１０２を加熱及び冷却し、これにより反応容器２０中の反応試料の温度を調節する。温度調節部１０６は、保持部１０２の鉛直方向下方に配置され、熱伝導部材１１０を介して保持部１０２に熱的に接続される。熱伝導部材１１０は、シリコンシート等の熱伝導性を有する部材であり、保持部１０２と温度調節部１０６との間の熱伝達を仲介する。温度調節部１０６は、熱電素子プレート１１６と、基板１１８とを有する。図５に示すように、熱電素子プレート１１６は、保持部１０２を加熱及び冷却する熱電素子１２０〜１２５と、保持部１０２の温度を検出する温度センサ１３０〜１３２とを有する。熱電素子１２０〜１２５は、例えばペルチェ素子である。温度センサ１３０〜１３２は、例えばサーミスタである。
【００３３】
基板１１８には、熱電素子プレート１１６が搭載される。基板１１８は、コネクタ形状の外部接続端子１１８ａを有する。外部接続端子１１８ａに制御部２４及び電源（図示せず）が接続される。基板１１８を介して、制御部２４からの制御信号が熱電素子プレート１１６に送信され、また温度センサ１３０〜１３２の出力信号が制御部２４に送信される。熱電素子プレート１１６の熱電素子１２０〜１２５は、制御部２４からの指示に基づいて保持部１０２を加熱及び冷却する。また、制御部２４は、温度センサ１３０〜１３２の出力値に基づいて、熱電素子１２０〜１２５による加熱及び冷却を制御する。
【００３４】
放熱部１０８は、温度調節部１０６を放熱する部材である。具体的には、放熱部１０８は、温度調節部１０６の熱電素子１２０〜１２５を放熱する。放熱部１０８は、例えば複数の放熱フィンを有するヒートシンクである。放熱部１０８は、温度調節部１０６の鉛直方向下方に配置され、下側パッキン１３４及び熱伝導部材１１２を介して温度調節部１０６に接続される。熱伝導部材１１２は、シリコンシート等の熱伝導性を有する部材であり、温度調節部１０６と放熱部１０８との間の熱伝達を仲介する。
【００３５】
保持部ベース１０４、保持部１０２、温度調節部１０６及び放熱部１０８は、固定部材１３６ａ，１３６ｂによって固定される。
【００３６】
続いて、核酸増幅装置１の動作について説明する。ここでは、一例として核酸増幅装置１を用いて核酸を増幅させ、蛍光Ｌ１を検出する場合を説明する。まず制御部２４は、光源３０からの光がフィルタ部３２に入力されるよう、回転部３１を回転させる。次に、制御部２４は、反応試料中の核酸を増幅させるべく、温度センサ１３０〜１３２の検出結果に基づいて熱電素子１２０〜１２５の温度を制御する。これにより、熱電素子１２０〜１２５は、所定の温度サイクルで保持部１０２の加熱と冷却とを繰り返す。この結果、反応試料の加熱と冷却が繰り返され、核酸は増幅される。
【００３７】
光源３０から出射される光に含まれる励起光は、光学フィルタ７１を透過してダイクロイックミラー７２で反射される。反射された励起光は反射鏡２５でさらに反射され、フレネルレンズ２６、カバー２２を透過して反応容器２０の反応試料に照射される。この結果、反応試料は励起され、蛍光Ｌ１，Ｌ２が発生する。蛍光Ｌ１，Ｌ２は、反射鏡２５で反射されてダイクロイックミラー７２を透過する。ダイクロイックミラー７２を透過した蛍光Ｌ１，Ｌ２は光学フィルタ７３に入射し、蛍光Ｌ１のみが選択的に光学フィルタ７３を透過してカメラ３５に入射する。この結果、カメラ３５は、リアルタイムで蛍光Ｌ１を検出することができる。なお、蛍光Ｌ２を検出する場合には、フィルタ部３３が用いられる。
【００３８】
上述した温度サイクルでの保持部１０２の温度調節において、制御部２４は、以下に説明する制御を実行する。まず、図５に示すように、保持部１０２は第１領域１０２ａ〜第３領域１０２ｃの３つの領域に区分けされる。第１領域１０２ａ、第２領域１０２ｂ及び第３領域１０２ｃはこの順に並び、隣り合う領域同士は接している。なお、第１領域１０２ａ〜第３領域１０２ｃは、仮想的に区分けされた領域である。
【００３９】
熱電素子１２０〜１２５と保持部１０２とが重なる方向から見て、熱電素子１２０，１２１（第１熱電素子）は、保持部１０２の第１領域１０２ａと重なるように配置される。また、熱電素子１２２，１２３（第２熱電素子）は、保持部１０２の第２領域１０２ｂと重なるように配置される。また、熱電素子１２４，１２５（第３熱電素子）は、保持部１０２の第３領域１０２ｃと重なるように配置される。
【００４０】
温度センサ１３０（第１温度センサ）は、熱電素子１２２，１２３及び熱電素子１２４，１２５に対してよりも熱電素子１２０，１２１に対してより近接する。すなわち、温度センサ１３０は、反応ユニット１００が有する温度センサ１３０〜１３２のなかで最も熱電素子１２０，１２１の近くに配置される。温度センサ１３１（第２温度センサ）は、熱電素子１２０，１２１及び熱電素子１２４，１２５に対してよりも熱電素子１２２，１２３に対してより近接する。すなわち、温度センサ１３１は、温度センサ１３０〜１３２のなかで最も熱電素子１２２，１２３の近くに配置される。温度センサ１３２（第３温度センサ）は、熱電素子１２０，１２１及び熱電素子１２２，１２３に対してよりも熱電素子１２４，１２５に対してより近接する。すなわち、温度センサ１３２は、温度センサ１３０〜１３２のなかで最も熱電素子１２４，１２５の近くに配置される。
【００４１】
具体的には、温度センサ１３０は、温度センサ１３０〜１３２と保持部１０２とが重なる方向から見て、第１領域１０２ａと重なるように配置される。さらには、温度センサ１３０は熱電素子１２０と熱電素子１２１との間に配置される。温度センサ１３１は、第２領域１０２ｂと重なるように配置される。さらには、温度センサ１３１は熱電素子１２２と熱電素子１２３との間に配置される。温度センサ１３２は、第３領域１０２ｃと重なるように配置される。さらには、温度センサ１３２は熱電素子１２４と熱電素子１２５との間に配置される。
【００４２】
したがって、温度センサ１３０は、主に熱電素子１２０及び熱電素子１２１によって加熱及び冷却される第１領域１０２ａの温度を検知することができる。温度センサ１３１は、主に熱電素子１２２及び熱電素子１２３によって加熱及び冷却される第２領域１０２ｂの温度を検知することができる。温度センサ１３２は、主に熱電素子１２４及び熱電素子１２５によって加熱及び冷却される第３領域１０２ｃの温度を検知することができる。
【００４３】
第１領域１０２ａ〜第３領域１０２ｃのそれぞれの温度は、各領域に含まれる熱電素子によって主に調節される。しかしながら、第１領域１０２ａ〜第３領域１０２ｃは互いに熱的に接続されている。このため、各領域の温度は、隣接する領域に含まれる熱電素子の影響を受ける。このため、各領域に含まれる温度センサの検出結果に基づいて各領域に含まれる熱電素子を独立に制御しようとすると、各領域の温度を正確に制御することが困難である。
【００４４】
そこで、制御部２４は、温度センサ１３０の検出結果と温度センサ１３１の検出結果と温度センサ１３２の検出結果とを組み合わせて得られる温度情報に基づいて、熱電素子１２０〜１２５を制御する。このように、各温度センサの検出結果を組み合わせることで、各領域に対応する温度センサ単独の検出結果に基づいて各領域の温度を独立に制御する場合に比べて、保持部１０２の温度をより高精度に制御することができる。
【００４５】
より詳細には、制御部２４は、温度センサ１３０〜１３２の検出結果そのものではなく、これらの検出結果を組み合わせて物理的、熱的に干渉しにくいパラメータの値に変換する。次に、この値を擬似的な制御対象として、この値が予め定められる目標値に近づくよう補正処理を行う。そして、得られた補正値に基づいて各熱電素子１２０〜１２５の出力値を決定する。
【００４６】
具体的には、制御部２４は、第１変換部２４１と、補正部２４２と、第２変換部２４３とを有する。制御部２４の第１変換部２４１は、物理的、熱的に干渉しにくいパラメータの値として、温度センサ１３０〜１３２の検出結果から以下の３つの値を算出する。すなわち、第１変換部２４１は第１の値として、温度センサ１３０の検出結果である第１温度Ｔｌｅｆｔと、温度センサ１３１の検出結果である第２温度Ｔｃｅｎｔｅｒと、温度センサ１３２の検出結果である第３温度Ｔｒｉｇｈｔとの平均値Ｔａｖｇを算出する。また、第１変換部２４１は第２の値として、第１温度Ｔｌｅｆｔと第３温度Ｔｒｉｇｈｔとの平均値Ｔｓｉｄｅと、第２温度Ｔｃｅｎｔｅｒとの差Ｔｓｉｄｅ−ｃｅｎｔｅｒを算出する。さらに、第１変換部２４１は第３の値として、第１温度Ｔｌｅｆｔと第３温度Ｔｒｉｇｈｔとの差Ｔｌｅｆｔ−ｒｉｇｈｔを算出する。
【００４７】
すなわち、第１変換部２４１は以下の式（１）に基づいて、第１温度Ｔｌｅｆｔ、第２温度Ｔｃｅｎｔｅｒ及び第３温度Ｔｒｉｇｈｔを、平均値Ｔａｖｇ、差Ｔｓｉｄｅ−ｃｅｎｔｅｒ及び差Ｔｌｅｆｔ−ｒｉｇｈｔに変換する。
【００４８】
【数１】
0006525665.tif 000002
【００４９】
次に、制御部２４の補正部２４２は、平均値Ｔａｖｇ、差Ｔｓｉｄｅ−ｃｅｎｔｅｒ及び差Ｔｌｅｆｔ−ｒｉｇｈｔを、予め定められる目標値に近づくよう補正して、補正後の平均値Ｏａｖｇ、補正後の差Ｏｓｉｄｅ−ｃｅｎｔｅｒ及び補正後の差Ｏｌｅｆｔ−ｒｉｇｈｔを算出する。具体的には、補正部２４２は、平均値Ｔａｖｇが温度サイクルにおける設定温度に近づくように補正する。温度サイクルにおける設定温度とは、アニーリングでは例えば６０℃であり、変性（Ｄｅｎａｔｕｒａｔｉｏｎ）及び伸長（Ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ）では例えば９５℃である。また、補正部２４２は、差Ｔｓｉｄｅ−ｃｅｎｔｅｒ及び差Ｔｌｅｆｔ−ｒｉｇｈｔが０に近づくように補正する。
【００５０】
補正部２４２は、例えばＰＩＤ制御により平均値Ｔａｖｇ、差Ｔｓｉｄｅ−ｃｅｎｔｅｒ及び差Ｔｌｅｆｔ−ｒｉｇｈｔをそれぞれ補正する。各値のＰＩＤ制御に用いられる制御パラメータを表１に示す。制御パラメータは、設計者による実験やシミュレーションに基づき適宜設定することができる。
【００５１】
【表１】
0006525665.tif 000003
【００５２】
制御対象である平均値Ｔａｖｇ、差Ｔｓｉｄｅ−ｃｅｎｔｅｒ及び差Ｔｌｅｆｔ−ｒｉｇｈｔは、熱的な特性がそれぞれ異なる。このため、各値に対するＰＩＤ制御器の制御パラメータは、それぞれ異なったものが用いられる。
【００５３】
平均値Ｔａｖｇがその目標値から所定量以上乖離している場合や、目標値に対して放熱部１０８の温度が高すぎるために放熱部１０８が冷却されるまで熱電素子への出力を控えるべき場合等には、制御部２４は平均値Ｔａｖｇの補正に用いる制御パラメータとして、表１に挙げたものとは異なるパラメータを用いることができる。例えば、制御部２４には、平均値Ｔａｖｇと目標値との乖離量のしきい値と、放熱部１０８の温度と目標値との乖離量のしきい値とが予め記憶されている。また、制御部２４は、放熱部１０８の温度を検出する温度センサ（図示せず）の検出結果を取得することができる。補正部２４２は、これらのしきい値と必要に応じて放熱部１０８の温度情報とに基づいて、平均値Ｔａｖｇの補正に用いる制御パラメータを選択することができる。また、温度センサ１３０〜１３２が断線した場合等に実行される保護動作では、熱電素子１２０〜１２５への出力は、例えばデューティ比０でＰＷＭ制御される。
【００５４】
続いて、制御部２４の第２変換部２４３は、補正後の平均値Ｏａｖｇ、補正後の差Ｏｓｉｄｅ−ｃｅｎｔｅｒ及び補正後の差Ｏｌｅｆｔ−ｒｉｇｈｔに基づいて熱電素子１２０〜１２５の目標温度を決定する。すなわち、第２変換部２４３は以下の式（２）に基づいて、補正後の平均値Ｏａｖｇ、補正後の差Ｏｓｉｄｅ−ｃｅｎｔｅｒ及び補正後の差Ｏｌｅｆｔ−ｒｉｇｈｔを、目標第１温度Ｏｌｅｆｔ、目標第２温度Ｏｃｅｎｔｅｒ及び目標第３温度Ｏｒｉｇｈｔに変換する。なお、式（２）の右辺の行列（演算子）における第１列の値は、全て同一であればよく、例えば全てが「１／３」であってもよい。
【００５５】
【数２】
0006525665.tif 000004
【００５６】
本実施の形態では、第２変換部２４３は、第１領域１０２ａに含まれる熱電素子１２０と熱電素子１２１とに同一の目標第１温度Ｏｌｅｆｔを設定する。また、第２変換部２４３は、第２領域１０２ｂに含まれる熱電素子１２２と熱電素子１２３とに同一の目標第２温度Ｏｃｅｎｔｅｒを設定する。さらに、第２変換部２４３は、第３領域１０２ｃに含まれる熱電素子１２４と熱電素子１２５とに同一の目標第３温度Ｏｒｉｇｈｔを設定する。
【００５７】
そして、制御部２４は、得られた目標温度となるよう熱電素子１２０〜１２５を制御する。具体的には、制御部２４は、目標第１温度Ｏｌｅｆｔに対応する電流を熱電素子１２０，１２１に出力するよう、核酸増幅装置１が備えるスイッチング電源回路（図示せず）を制御する。また、制御部２４は、目標第２温度Ｏｃｅｎｔｅｒに対応する電流を熱電素子１２２，１２３に出力するようスイッチング電源回路を制御する。さらに、制御部２４は、目標第３温度Ｏｒｉｇｈｔに対応する電流を熱電素子１２４，１２５に出力するようスイッチング電源回路を制御する。
【００５８】
以上説明したように、本実施の形態に係る核酸増幅装置１は、反応容器２０を保持する保持部１０２と、保持部１０２を加熱及び冷却して、反応試料の温度を調節する熱電素子１２０〜１２５と、保持部１０２の温度を検出する温度センサ１３０〜１３２と、熱電素子１２０〜１２５を制御する制御部２４とを備える。熱電素子１２０，１２１は、保持部１０２の第１領域１０２ａと重なるように配置され、熱電素子１２２，１２３は、第２領域１０２ｂと重なるように配置され、熱電素子１２４，１２５は、第３領域１０２ｃと重なるように配置される。また、温度センサ１３０は、第１領域１０２ａの温度を検出するように配置され、温度センサ１３１は、第２領域１０２ｂの温度を検出するように配置され、温度センサ１３２は、第３領域１０２ｃの温度を検出するように配置される。
【００５９】
そして、制御部２４は、温度センサ１３０〜１３２のそれぞれの検出結果を組み合わせて得られる温度情報に基づいて、熱電素子１２０〜１２５を制御する。これにより、隣接する領域からの熱的な影響を加味して熱電素子１２０〜１２５の温度を決定することができる。このため、各温度センサ単独の検出結果に基づいて第１領域１０２ａ〜第３領域１０２ｃの温度を制御する場合に比べて、保持部１０２の各領域の温度をより高精度に調節することができる。この結果、保持部１０２の全体をより均一な温度とすることができるため、反応容器２０全体でより均一に核酸を増幅させることができる。
【００６０】
すなわち、本実施の形態に係る核酸増幅装置１では、温度制御の観点から保持部１０２が３つの温度制御帯に分けられる。そして、制御目標値に収束させるための主要な温度域では、ＰＩＤ制御により各温度制御帯の温度が制御される。核酸増幅装置１は、保持部１０２を加熱及び冷却する熱電素子と、保持部１０２の温度を検出する温度センサとの組み合わせを、各温度制御帯に対応して３系統備える。
【００６１】
ここで、各温度制御帯は互いに熱的に接続されている。したがって、隣接する２つの温度制御帯のそれぞれに対応する制御系統において、一方の制御系統は、他方の制御系統にとってノイズとなりうる。このため、各制御系統を独立にＰＩＤ制御する場合は、保持部１０２の全体の温度を高精度に制御することが困難である。これに対し、本実施の形態では、３つの温度制御帯の温度を物理的、熱的に干渉しにくいパラメータの値に変換し、この値を擬似的な制御対象としてＰＩＤ制御を行う。そして、ＰＩＤ制御がなされた擬似的な制御対象を熱電素子１２０〜１２５への出力値に変換する。これにより、３つの制御系統の互いの干渉を考慮した温度制御を実施することができるため、各温度制御帯の温度を高精度に調節することができる。
【００６２】
なお、本実施の形態では、保持部１０２が３つの領域に分けられ、各領域に対応して３系統の熱電素子と温度センサとが設けられている。しかしながら、特にこの構成に限定されず、保持部１０２が少なくとも２つの領域に分けられ、各領域に対応して少なくとも２組の熱電素子及び温度センサが設けられ、少なくとも２つの温度センサの検出結果を組み合わせて得られる温度情報に基づいて熱電素子を制御すれば、各系統の温度センサの検出結果を単独で用いて温度制御する場合に比べて、反応容器２０全体での温度の均一化を図ることができる。
【００６３】
２つの温度センサの検出結果を組み合わせて温度情報を得る場合は、例えば次のような制御がなされる。すなわち、制御部２４は、第１温度センサの検出結果である第１温度と第２温度センサの検出結果である第２温度との平均値、及び第１温度と第２温度との差を算出する。次いで、制御部２４は、算出された平均値が温度サイクルにおける設定温度に近づくように補正し、また算出された差が０に近づくように補正する。そして、制御部２４は、補正後の平均値及び補正後の差に基づいて第１熱電素子及び第２熱電素子の目標温度を決定し、当該目標温度となるよう第１熱電素子及び第２熱電素子を制御する。
【００６４】
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更などのさらなる変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれる。上述した実施の形態への変形の追加によって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態、及び変形それぞれの効果をあわせもつ。
【００６５】
上述した実施の形態では、核酸増幅装置１は、核酸の増幅機構と検出機構とを備えるが、核酸増幅装置１は核酸の増幅機構のみを備えてもよい。
【符号の説明】
【００６６】
１  核酸増幅装置、  ２０  反応容器、  ２４  制御部、  １０２  保持部、  １０２ａ  第１領域、  １０２ｂ  第２領域、  １０２ｃ  第３領域、  １２０，１２１，１２２，１２３，１２４，１２５  熱電素子、  １３０，１３１，１３２  温度センサ。
【図１】
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【図２】
0006525665.tif 000007
【図３】
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【図４】
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【図５】
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