(57)【要約】      （修正有）【課題】混合物を加熱及び冷却するシステム、カートリッジを加熱するデバイス、温度プロファイルを実行する方法、及び核酸を増幅する方法を提供する。【解決手段】カートリッジ１内の混合物の温度を、少なくとも１つのセンサー素子１５によって検知することにより、混合物を制御下に加熱及び冷却するシステム、チャンバーを含んでなるカートリッジを加熱するデバイス、デバイス内で温度プロファイルを実行するための方法、上記システムを用いて核酸を増幅する方法。【選択図】図１
2008017842.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
混合物を制御下に加熱及び冷却するシステムであって、カートリッジとデバイスとを含んでなり、
当該カートリッジが少なくとも、
当該混合物を収容するためのチャンバーと、
当該デバイスに接触するための接触面であって、チャンバー接触面及びカートリッジ本体接触面を有する接触面とを含んでなり、
当該デバイスが少なくとも、以下の順序で上方から下方へと層状に形成されてなる、
第１の実質的に平らな温度センサー素子と、
熱伝導基板と、
ヒーター層とを含んでなり、
当該センサー素子が、当該デバイス及び当該カートリッジを物理的に接触させた場合に、当該カートリッジの当該接触面の方を向くように、当該デバイスの当該熱伝導基板の表面上に配置されることにより、当該デバイスの当該第１のセンサー素子と、当該カートリッジの当該カートリッジ本体接触面又は当該チャンバー接触面との物理的相互作用を許容するように構成されたことを特徴とするシステム。
【請求項２】
当該第１のセンサー素子が、当該デバイスの表面に配置され、当該第１のセンサー素子と当該チャンバー接触面との物理的相互作用を許容するとともに、
第２の実質的に平らな温度センサー素子が、当該デバイスの表面に配置され、当該第２のセンサー素子と当該カートリッジ本体接触面との物理的相互作用を同時に許容する、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
当該第１のセンサー素子が、当該デバイスの表面に配置され、当該第１のセンサー素子と当該カートリッジの当該チャンバー接触面との物理的相互作用を許容するとともに、
当該第１のセンサー素子が、当該チャンバーの形状と実質的に同様の形状を有する、請求項１又は請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
当該第１のセンサー素子が当該デバイスの表面に配置され、当該第１のセンサー素子と当該チャンバー接触面との物理的相互作用を許容するとともに、
当該第１のセンサー素子の表面がその全体に亘って、当該チャンバー接触面内において当該カートリッジに接触し、且つ、
当該第１のセンサー素子の表面が、当該チャンバー接触面の表面の少なくとも１０％を占める、請求項１〜３の何れか一項に記載のシステム。
【請求項５】
当該第１及び／又は第２のセンサー素子が、バイファイラー構造（bilifer structure）を有する、請求項１〜４の何れか一項に記載のシステム。
【請求項６】
当該第１及び／又は第２のセンサー素子が、ヒーター素子としても機能する、請求項１〜５の何れか一項に記載のシステム。
【請求項７】
当該センサー素子の何れかが、抵抗素子とカバー層とを含んでなり、
当該カバー層が、当該抵抗素子を環境との直接接触から保護するとともに、その厚さが２５μＭ未満である、請求項１〜６の何れか一項に記載のシステム。
【請求項８】
当該センサー素子の厚さが、０．０１μｍから１０μｍの範囲、好ましくは０．８μｍから１．２μｍの範囲である、請求項１〜７の何れか一項に記載のシステム。
【請求項９】
当該熱伝導基板の厚さが、５ｍｍから０．１ｍｍの範囲である、請求項１〜８の何れか一項に記載のシステム。
【請求項１０】
当該熱伝導基板が、電気絶縁材料からなる、請求項１〜９の何れか一項に記載のシステム。
【請求項１１】
当該ヒーターが、厚さ３０μＭ未満であり、前記熱伝導基板の当該センサー素子とは反対側の表面上に配置されるとともに、前記センサー素子が前記カートリッジの接触面の方を向くように配置される、請求項１〜１０の何れか一項に記載のシステム。
【請求項１２】
当該第１の実質的に平らなセンサー素子と、当該ヒーター層とが結合し、単一のセンサー／ヒーター結合素子を形成している、請求項１〜１０の何れか一項に記載のシステム。
【請求項１３】
前記第１のセンサー素子が、当該デバイスと当該カートリッジとが物理的に接触している場合に、前記カートリッジの前記チャンバー接触面内における、前記第１のセンサー素子の直接的な物理的相互作用を許容するように配置されるとともに、独立に制御及び操作可能な２以上のセンサー素子から構成される、請求項１〜１０の何れか一項に記載のシステム。
【請求項１４】
チャンバーを含んでなるカートリッジを制御下に加熱するデバイスであって、以下の順序で上方から下方へと層状に形成されてなる、
少なくとも１つの実質的に平らな温度センサー素子と、
熱伝導基板と、
ヒーター層とを含んでなり、
当該センサー素子が、当該熱伝導基板の表面上に配置されるとともに、当該センサー素子が、当該センサー素子をカートリッジと物理的に接触させた場合に、当該センサー素子と当該カートリッジとの接触面との物理的相互作用を許容する、表面領域を形成することを特徴とするデバイス。
【請求項１５】
当該センサー素子が、当該チャンバーの当該断面の形状と実質的に同様の形状である、請求項１４記載のデバイス。
【請求項１６】
当該センサー素子が、当該断面に沿って延在し、当該断面の１０％超を占める、請求項１４又は請求項１５に記載のデバイス。
【請求項１７】
当該センサー素子がバイファイラー構造を有する、請求項１４〜１６の何れか一項に記載のデバイス。
【請求項１８】
当該センサー素子の厚さが、０．０１μｍから１０μｍの範囲、好ましくは０．８μｍから１．２μｍの範囲である、請求項１４〜１７の何れか一項に記載のデバイス。
【請求項１９】
当該基板の厚さが、５ｍｍから０．１ｍｍの範囲である、請求項１４〜１８の何れか一項に記載のデバイス。
【請求項２０】
当該熱伝導基板が、電気絶縁材料からなる、請求項１４〜１９の何れか一項に記載のデバイス。
【請求項２１】
システムにおける温度プロファイルを実行及び制御するための方法であって、
請求項１〜１３の何れか一項に記載のシステムにおいて、混合物をチャンバー内に収容するカートリッジを、デバイスによって加熱する工程と、
前記加熱工程と当該混合物の温度とを、当該デバイスの当該第１及び／又は第２のセンサー素子を用いて制御する工程とを含んでなる方法。
【請求項２２】
前記加熱工程と当該混合物の温度とを前記センサー素子を用いて制御する工程が、
当該カートリッジの当該チャンバー内における当該混合物の温度を、当該デバイスの当該第１及び／又は第２のセンサー素子を用いて測定する工程と、
前記測定された温度を、当該混合物における到達目標として指定された温度と比較する工程と、
前記混合物の温度が前記指定温度よりも低い場合には、当該混合物の温度を上昇させる一方で、前記混合物の温度が前記指定温度と同じ場合には、当該混合物の温度を維持するように、前記混合物にヒーター層を通じて熱を印加する工程とを含んでなる、請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
前記測定温度と前記指定温度との比較、並びに、前記混合物に対する熱の印加が、熱制御ユニットにより実行される、請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
当該カートリッジを冷却する工程を更に含んでなる、請求項２１〜２３の何れか一項に記載の方法。
【請求項２５】
当該システムを流体流に晒すことにより当該冷却工程を行なうとともに、当該流体が液体又は気体である、請求項２４記載の方法。
【請求項２６】
当該温度プロファイルが、繰り返し熱サイクルを含む、請求項２１〜２５の何れか一項に記載の方法。
【請求項２７】
請求項１〜１３の何れか一項に記載のシステムを用いて核酸を増幅する方法であって、
ａ）核酸を含有する試料を、当該カートリッジの前記チャンバー内に用意する工程と、
ｂ）当該カートリッジの当該チャンバー内の当該試料を、熱サイクルに供する工程とを含んでなる方法。
【請求項２８】
試料を制御下に加熱する工程を含む生物学的検定を実施するための機器であって、
請求項１〜１３の何れか一項に記載のシステムを少なくとも含んでなるとともに、
当該カートリッジを前記機器内に挿入して当該デバイスと接触させた場合に、当該カートリッジとの特定且つ所定の物理的相互作用を許容するように、当該デバイスが前記機器内に配置されてなる機器。
【請求項２９】
デバイス内で温度プロファイルを実行するための、請求項１〜１３の何れか一項に記載のシステムの使用。
【請求項３０】
試料中の核酸を増幅するための、請求項１〜１３の何れか一項に記載のシステムの使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の主題は、カートリッジ及びデバイスを含んでなり、混合物を制御下に加熱及び冷却するためのシステムと、チャンバーを含んでなるカートリッジを加熱するためのデバイスと、デバイス内で温度プロファイルを実行するための方法と、核酸を増幅するための方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は特にヘルスケア分野において有用である。本分野では、試料内の成分を高い信頼性の下で分析することが求められる。加熱を必要とする化学反応は周知である。例えば分子診断学においては、二本鎖のハイブリッドからなる核酸に対して、ハイブリッドの融解温度よりも高い熱を印加することにより、核酸が変性する、即ち二本鎖から一本鎖になることが知られている。ここで重要な点は、試料の加熱及び冷却を制御及び監視することである。これらの工程の精度は、こうした方法を正確に行なう上で必須の条件だからである。
【０００３】
こうした変性工程を含む反応サイクルを用いた方法として、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）が挙げられる。この技術は、特定の配列を有する核酸を、無視できる程度の量から検出可能な量まで増やすツールを提供し、核酸を扱う分野、特に核酸の分析に革命をもたらした。ＰＣＲに関する説明は、ＥＰ ０ ２０１ １８４及びＥＰ ０ ２００ ３６２に記載されている。幅広の金属ブロックを加熱及び冷却して、チューブ内の試料に対する熱サイクルを制御下に実施する機器が、ＥＰ ０ ２３６ ０６９に開示されている。
【０００４】
カートリッジ及び反応チャンバーの加熱及び冷却を、熱センサーを用いて監視することは、本技術分野では周知である。
【０００５】
米国特許出願ＵＳ２００３／０００８２８６には、反応チャンバーのアレイを含有するプラスチックのチップからなる装置が開示されている。全てのチャンバーを試薬で満たしてから、チップを上方の基板に押圧する。チップと基板との間には、一組の温度平衡ブロックが設けられている。個別に制御可能なヒーター及びセンサーが、チップと基板との間に配置され、これによって各チャンバーを、他の全チャンバー及び基板から熱的に絶縁しながら、個別の熱プロトコルに従って制御することが可能となる。ここで、ヒーター及びセンサーは、反応チャンバーと対向しないようにブロックの下部に設けてもよいが、ヒーター及びセンサーをブロックの上部に設け、熱伝導度の高い別のブロックを第１のブロックの上部に配置してもよい。このようなヒーター及びセンサーの配置は、チャンバー内の液体の温度を、導電性ブロックの温度の測定を通じて間接的にしか決定できない、という不利点を有する。更に、チャンバーの全断面に亘って温度が決定される訳ではない。
【０００６】
ＷＯ ９８／３８４８７には、試料を収容して試料を化学反応させることが可能に構成された化学反応チャンバーと、加熱素子を有し、反応チャンバーと効率よく熱接触可能な熱スリーブとを備えたアセンブリーが開示されている。チャンバーの温度は、熱スリーブ上及びその後縁上に配置された、１又は２以上の温度センサーによって監視することができる。しかしながら、このヒーター及びセンサーの配置においては、温度が決定されるのは反応チャンバーの小断面内に限られており、チャンバーの全断面に亘ってではない。従って、測定の結果が必ずしも、反応チャンバー内で優位を占める温度を反映したものにはならない、という不利点を有する。
【０００７】
このように、液体の加熱及び／又は冷却工程を有する反応及び／又は熱サイクルにおいて温度を監視する分野においては、通常は熱センサーを用いて試料を収容するチャンバーの外部の温度を測定し、更にアルゴリズムを用いて、熱センサーで測定された温度と試料内の温度との補間及び相関付けを行なうことにより、液体温度を間接的に決定している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
即ち、本発明の目的は、熱センサー素子を含んでなり、液体試料内の温度を決定するための特性が改善された、システム及びデバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の要旨は、混合物を制御下に加熱及び冷却するシステムであって、カートリッジとデバイスとを含んでなり、
当該カートリッジが少なくとも、
当該混合物を収容するためのチャンバーと、
当該デバイスに接触するための接触面であって、チャンバー接触面及びカートリッジ本体接触面を有する接触面とを含んでなり、
当該デバイスが少なくとも、以下の順序で上方から下方へと層状に形成されてなる、
第１の実質的に平らな温度センサー素子と、
熱伝導基板と、
ヒーター層とを含んでなり、
当該センサー素子が、当該デバイス及び当該カートリッジを物理的に接触させた場合に、当該カートリッジの当該接触面の方を向くように、当該デバイスの当該熱伝導基板の表面上に配置されることにより、当該デバイスの当該第１のセンサー素子と、当該カートリッジの当該カートリッジ本体接触面又は当該チャンバー接触面との物理的相互作用を許容するように構成されたことを特徴とするシステムである。
【００１０】
本発明の第２の要旨は、チャンバーを含んでなるカートリッジを制御下に加熱するデバイスであって、以下の順序で上方から下方へと層状に形成されてなる、
少なくとも１つの実質的に平らな温度センサー素子と、
熱伝導基板と、
ヒーター層とを含んでなり、
当該センサー素子が、当該熱伝導基板の表面上に配置されるとともに、当該センサー素子が、当該センサー素子をカートリッジと物理的に接触させた場合に、当該センサー素子と当該カートリッジとの接触面との物理的相互作用を許容する、表面領域を形成することを特徴とするデバイスである。
【００１１】
本発明の第３の要旨は、システムにおける温度プロファイルを実行及び制御するための方法であって、
請求項１〜１３の何れか一項に記載のシステムにおいて、混合物をチャンバー内に収容するカートリッジを、デバイスによって加熱する工程と、
前記加熱工程と当該混合物の温度とを、当該デバイスの当該第１及び／又は第２のセンサー素子を用いて制御する工程とを含んでなる方法である。
【００１２】
本発明の第４の要旨は、請求項１〜１３の何れか一項に記載のシステムを用いて核酸を増幅する方法であって、
ａ）核酸を含有する試料を、当該カートリッジの前記チャンバー内に用意する工程と、
ｂ）当該カートリッジの当該チャンバー内の当該試料を、熱サイクルに供する工程とを含んでなる方法である。
【００１３】
本発明の第５の要旨は、試料を制御下に加熱する工程を含む生物学的検定を実施するための機器であって、
請求項１〜１３の何れか一項に記載のシステムを少なくとも含んでなるとともに、
当該カートリッジを前記機器内に挿入して当該デバイスと接触させた場合に、当該カートリッジとの特定且つ所定の物理的相互作用を許容するように、当該デバイスが前記機器内に配置されてなる機器である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
核酸を増幅する方法は公知である。それらは、最初に標的となる核酸がある場合に、それを鋳型として、当該標的核酸の塩基配列を複製可能な酵素を作用させ、大量の核酸を作り出すことを意図したものである。レプリコン自体が、ある配列を複製する際の標的として、好ましくは、既に初回の複製の対象となった塩基配列を複製する際の標的として使用される。こうして、同一の配列を有する膨大な数の核酸が作り出される。
【００１５】
核酸を増幅する方法として特に定評があるのは、ＥＰ ０ ２００ ３６２等に開示されたポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）法である。この方法では、反応混合物を繰り返しサイクルからなる温度プロファイルに供する。その温度は、プライマーを標的核酸にアニーリングする工程と、当該標的核酸を鋳型として、当該アリールされたプライマーを伸長させる工程と、伸長により得られた産物を鋳型から分離する工程とが実施されるように設定する。
【００１６】
最初のステップでは、核酸を含有する液体が提供される。この液体は、増幅対象の核酸を含有するものであれば任意である。更にこの液体は、核酸の増幅に必要な試薬を含有する。このような試薬は増幅法毎に周知であるが、プライマー伸長剤、好ましくは鋳型依存性ＤＮＡ又はＲＮＡポリメラーゼと、プライマーに結合してこれを伸長させるための構成要素、例えばヌクレオチドとを含有することが好ましい。更に、この混合物は、使用される酵素の伸長反応条件を確立するための試薬、例えばバッファーや、塩等の補因子を含んでいてもよい。
【００１７】
続くステップでは、二本鎖核酸の変性、一本鎖に対するプライマーのアニーリング、及びアニールされたプライマーの伸長が実施されるように、温度を調整する。伸長反応は、ポリメラーゼが活性となる温度にて行なわれる。ポリメラーゼとしては、熱安定性及び熱活性のものを使用することが好ましい。形成された二本鎖は、上記の変性により分離される。
【００１８】
診断用途のＰＣＲ法、特に高速ＰＣＲ（rapid PCR）法では、これらの方法や、こうした方法を実施するための機器に、高い精度や正確さが要求される。従って、機器の側では、試料チャンバー内の試料温度の正確さを、また、特に高速ＰＣＲ法においては、試料の加熱及び／又は冷却が高速且つ十分に、しかも精密に行なわているかどうかを、温度プロファイルの繰り返しサイクルの間、熱センサーを用いて綿密に監視する必要がある。
【００１９】
本発明は、液体混合物内の温度の監視特性に優れたシステム、デバイス、機器、及び方法を提供する。このため、例えば核酸を含んでなる混合物を、デバイスと接触しているカートリッジのチャンバー内に入れ、或いは混合物を入れた後にカートリッジをデバイスに接触させる。そして、このデバイスを対象として、冷却及び加熱シークエンスが実施される。これらの冷却及び加熱シークエンスを監視する熱センサーが、少なくとも１つ設けられる。
【００２０】
本発明に係る、混合物を制御下に加熱及び冷却するためのこうしたシステムは、少なくともカートリッジ及びデバイスを含んでなる。これらのカートリッジ及びデバイスの構成及び動作は、カートリッジとデバイスとの特定且つ所定の物理的相互作用を許容するように、互いとの関係で設定される。
【００２１】
ここで、カートリッジは、混合物を収容するチャンバーと、デバイスに接触するための接触面とを含んでなる。この接触面の一部はチャンバー接触面として機能する。デバイスのチャンバー接触面は、カートリッジのチャンバーとデバイスとの所定の物理的相互作用が生じる位置に配置される。前記接触面の別の部分は、カートリッジ本体接触面として機能する。デバイスのカートリッジ本体接触面は、デバイスとカートリッジの本体及び／又は足場との物理的相互作用を媒介するもので、チャンバー接触面の外部に配置される。
【００２２】
冷却及び加熱シークエンスの実施対象となるデバイスは、少なくとも、第１の実質的に平らな温度センサー素子と、熱伝導基板と、ヒーター層とを含んでなる。本発明に係るヒーター層は、実質的に平らな抵抗ヒーターからなる。このようなヒーターは、本技術分野では広く知られている。このヒーター層は、高い電気抵抗を有する材料からなることが好ましく、このような材料の例としては、酸化ルテニウム、銀、銅、金、白金、パラジウム、又は互換性のある他の金属、導電材、又はそれらの合金からなる群より選択される材料が挙げられる。最も好ましい材料は酸化ルテニウムである。この層の厚さは、１０μｍから３０μｍの範囲が好ましく、より好ましくは１５μｍから２０μｍの範囲である。このヒーター層の形成は、ペースト状の材料を特定の形状となるように被覆或いはスクリーン印刷し、当該組成物を上記の特定の材料が焼結する温度まで加熱することにより行なうのが好ましい。この材料は、焼結することによって、下の層に結合することが好ましい。
【００２３】
ここで、ヒーター素子を機械的及び化学的な破壊から保護するために、カバー層を設けることが好ましい。このカバー層は、ガラス又はガラスセラミックからなることが好ましく、その厚さは好ましくは１μｍから２５μｍの範囲である。この層は、本技術分野では周知の厚膜蒸着法により形成することが好ましい。加えて、この層は電気伝導度が低く、熱伝導度が高いことが好ましい。
【００２４】
ここで使用される実質的に平らな温度センサー素子は、配置された場所の温度を測定するように構成される。これらの素子は当業者には周知であるが、高い電気抵抗を有する材料、例えば酸化ルテニウム、白金、金、銀、ニッケル、パラジウム等の材料からなる抵抗素子であることが好ましい。特に有用なセンサーは、その厚みが０．０１μｍから１０μｍの範囲、好ましくは０．８μｍから１．２μｍの範囲にあるものである。市販のセンサー素子の例としては、厚さ１μｍのものが、薄膜温度センサーの製造業者、例えばHeraeus Sensor Technology（Kleinostheim, Germany）やJUMO GmbH & Co. KG（Fulda, Germany）から入手できる。これらの素子はコネクターを有し、これによって素子を制御ユニットに対して、ワイヤーを介して永久的又は可逆的に接続することができる。このセンサー素子は、公知の方法（例えば薄層技術）に従って製造することができる。センサー素子を独立に作製してから、公知の手法、例えば接着により、他の要素に対してしっかり固定してもよい。中でも、本材料からなる層をスパッタリング法により、対応する層に対して形成することが好ましい。薄層を塗布する方法も公知である。センサー素子に好ましい材料としては、ニッケル及び白金が挙げられる。中でも、白金又は白金と他の貴金属との混合物から形成することが好ましい。好ましい実施形態においては、センサー素子はバイファイラー構造（bifilar structure）を有する。この温度センサーは基本的に、長い電気抵抗線からなる。ここでいうバイファイラー構造とは、この線上の互いに隣接する実質的に平行な二つの部位において電流が反対方向に流れるように、この線が屈曲して形成されることを意味する。ここで、両方向の電流は互いに同じ強度を有することが望ましい。これら二つの隣接する部位の周囲に互いに反対の磁場が形成され、それらが重畳して磁場が０となる。即ち、磁場が放出も吸収もされないことになる。
【００２５】
ここで、温度センサー素子を機械的及び化学的な破壊から保護するために、カバー層を設けることが好ましい。更に、このカバー層は電気伝導度が低く、熱伝導度が高いことが好ましい。このカバー層はガラス又はガラスセラミックからなることが好ましく、その厚さは好ましくは１μｍから２５μｍの範囲である。この層は厚膜技術により形成することが好ましい。従って、デバイスのセンサー素子とカートリッジの接触面との相互作用は、センサー素子を形成する材料とカートリッジの材料との間で、直方的（straight）且つ直接的に生じてもよいが、センサー素子及び／又はカートリッジがカバー層により覆われている場合には、間接的且つ斜方的（oblique）に生じてもよい。
【００２６】
この温度センサー素子は、試料内の温度と十分な相関を有するように設計されることが好ましい。このためには素子の形状を、試料を収容するカートリッジのチャンバーの形状と、極めて近い形状にすればよい。好ましくは、センサー素子（特定の実施形態では保護カバー層を有する）の接触面を、デバイスの接触面と密着させる。カートリッジ及びデバイスの配置が特定されるため、センサー素子で測定された温度に基づいて、試料内の温度を極めて確実且つ正確に外挿することが可能となる。この温度測定の結果を用いれば、カートリッジ及びデバイスを含んでなる機器において、加熱及び冷却工程を制御することが可能となる。
【００２７】
本発明に係るデバイスは更に、実質的に平らな、剛性の熱伝導基板を含んでなる。この基板は、２×１０3から５×１０6Ｗ／ｍ2Ｋの範囲の熱伝導係数を有する材料から構成されることが好ましい。更に、当該基板が平らであるとは、その厚みが好ましくは０．１から５ｍｍの範囲よりも小さく、より好ましくは０．２５から２ｍｍの範囲であることであっる。この基板は、剛性である、即ち、相当な機械的歪みに対しても安定であるという特徴を有する。更に、この熱伝導基板は、電気伝導度が０．１Ω-1ｍ-1未満の電気絶縁材料からなることが好ましい。加えて、この基板は、熱時定数（密度×熱容量／熱伝導度）が低いこと、好ましくは１０5ｓ／ｍ2未満であるという特性を有することが好ましい。適切な材料は、アルミナ、銅、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、サファイア、銅、銀、金、モリブデン、及び真鍮からなる群より選択される。より好ましいのは電気伝導度が低い材料、特に電気絶縁材料、例えば電気伝導度が１０-9Ω-1ｍ-1未満の材料である。よって、とりわけ有用な材料としては、セラミック材料、例えば酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、サファイア等が挙げられる。また、この基板は、公知の方法により製造可能であるが、セラミックスの焼結により製造することが好ましい。この基板は、好ましくは再使用可能な形態で、基板の形状に合わせて一体に形成してもよいが、焼結工程後に適切な大きさの断片に分割してもよい。
【００２８】
本発明に係るデバイスの熱伝導基板は、デバイスの熱挙動設計の自由度を高めるという利点がある。例えば、熱伝導基板の選択によって、熱分離と熱伝導の何れも実現可能であるし、電気伝導度及び／又は機械的安定性に影響を及ぼすこともできる。後者は、センサー素子と測定されるカートリッジとの熱接触を確保するために加える力を考慮すると、とりわけ重要である。特に、熱伝導基板も電気絶縁材料からなることが好ましい。ある実施形態によれば、各センサー素子は熱伝導基板の表面上に、カートリッジの接触面の方を向くように配置される。別の実施形態によれば、上述したようなシステムのデバイスにおいて、センサー素子が更にヒーター素子として機能してもよい。この場合、センサー素子はセンサー／ヒーター結合素子として機能し、チャンバー内の温度を検知することができるとともに、チャンバー内の温度が指定温度を下回っている場合には、（僅かな遅れをもって）チャンバーに熱を印加することも可能である。このようなセンサー／ヒーター結合素子は、白金又はニッケルからなることが好ましい。しかしながら、これらのセンサー／ヒーター結合素子は通常、上述したような専用のヒーター層と比較すると、加熱容量が小さい。これは、センサー／ヒーター結合層の厚さが厚膜ヒーターよりも薄く、それに比例して断面が小さくなってしまう結果、電流密度が制限されてしまうためである。電流が過剰だと、センサー／ヒーター結合素子線が、基板を破壊又は剥離してしまう場合がある。これらの実施形態は、その用途を通じて温度が実質的に安定している用途（例えば等温用途）に好適である。更に、これらの実施形態は、ラテラルな（lateral）熱強度分布の測定と、その適宜動的な修正とを、概ね同時に同一領域上で行なうことができるという利点がある。
【００２９】
本発明の第１の実施形態によれば、混合物を制御下に加熱及び冷却するシステムは、上述したようなカートリッジ及びデバイスを有する。この場合、センサー素子はデバイスの表面上に、カートリッジの接触面を向くように配置され、カートリッジ本体接触面とセンサー素子との相互作用を許容するように構成される。
【００３０】
本発明に係るシステムの別の実施形態によれば、センサー素子はデバイスの表面に、カートリッジの接触面を向くように配置され、チャンバー接触面とセンサー素子との相互作用を許容するように構成される。特定の実施形態によれば、センサー素子の形状は、試料を収容するカートリッジチャンバーの形状と極めて近い形状とされる。この実施形態によれば、カートリッジチャンバーの熱画像をデバイスのセンサー素子によって測定し、カートリッジチャンバーとデバイスのチャンバー接触面との界面全体の温度を平均することが可能となる。更に、この実施形態によれば、カートリッジチャンバーとデバイスのチャンバー接触面との接触が全界面に及んでいるかどうか、或いは、カートリッジチャンバーの一部がデバイスのチャンバー接触面と物理的に非接触状態となっていないかどうか、監視することが可能となる。
【００３１】
本発明に係るシステムの特定の実施形態によれば、センサー素子はデバイスの表面上に、センサー素子の表面がその全体に亘って、当該カートリッジのチャンバー接触面内において、カートリッジと接触するように配置されるとともに、センサー素子の表面が、チャンバー接触面の表面の少なくとも１０％、好ましくは少なくとも２５％、より好ましくは少なくとも４０％を占めるように構成される。更なる実施形態によれば、チャンバー接触面と接触するセンサー素子の表面全てがセンサー構造によって占められている必要はなく、ラテラルに（laterally）展開する熱強度分布、幾何学的特性、及びチャンバーシーリングの機械的剛性又は変形能に応じて、環状や他の形状など、液体中の温度を画像化及び平均化するのに適した形状とすることも可能である。この場合、センサー素子の表面が、デバイスとカートリッジとの接触時において、カートリッジと面し、カートリッジとの物理的相互作用を実質的に生じさせる、センサー素子の上部であると看做される。更に、この表面は、センサー素子を形成する材料により形成されていてもよく、センサー素子を被覆するカバー層により形成されていてもよい。この実施形態によれば、カートリッジチャンバーの熱画像の大部分を、デバイスのセンサー素子によって測定することができ、カートリッジチャンバーとデバイスのチャンバー接触面との界面全体の温度を代表する平均値を得ることが可能となる。
【００３２】
別の実施形態によれば、本システムのデバイスは、少なくとも２つのセンサー素子を含んでなり、第１のセンサー素子がデバイスの表面上に、チャンバー接触面と第１のセンサー素子との相互作用を許容するように配置されるとともに、第２の実質的に平らな温度センサー素子がデバイスの表面上に、カートリッジ本体接触面と当該第２のセンサー素子との相互作用を同時に許容するように配置される。この実施形態によれば、カートリッジチャンバーとデバイスのチャンバー接触面との界面全体の平均温度を、より一層正確に決定できるという利点がある。特定の実施形態によれば、これら２つのセンサーを用いて、カートリッジとデバイスとの接触面においてラテラルに展開する温度勾配を測定してもよい。このような実施形態の利点は、接触面においてラテラルに分布する熱強度勾配を監視し、得られた勾配を考慮してチャンバー中の液体の温度の不一致を補正することにより、液体内の温度をより正確に決定し、保持することが可能になるという点である。
【００３３】
本発明に係るシステムのある実施形態によれば、カートリッジは、混合物を収容するためのチャンバーを２以上有していてもよい。このようなシステムでは、デバイスもまた、センサー素子を２以上有していてもよい。これらのセンサー素子の配置は、当該デバイスの各チャンバーについて、第１のセンサー素子が当該デバイスの表面上に、当該カートリッジの当該接触面の方を向くように配置され、特定のチャンバーのカートリッジ本体接触面又はチャンバー接触面と、当該第１のセンサー素子との相互作用を許容するような配置とすることが好ましい。即ち、このような実施形態によれば、デバイスは、カートリッジの各チャンバー毎に１つのセンサー素子を有する。更に、ある実施形態によれば、各チャンバーに対応する第１のセンサー素子が、当該デバイスの表面上に、この特定のチャンバー接触面と当該第１のセンサー素子との相互作用を許容するように配置されるとともに、第２の実質的に平らな温度センサー素子が、当該デバイスの表面上に、当該カートリッジ本体接触面と当該第２のセンサー素子との相互作用を同時に許容するように配置される。この場合、当該第１のセンサー素子の形状が、当該特定のチャンバーの形状と実質的に同一の形状であることが好ましい。更に、後者のデバイスを用いて、１のチャンバーを含んでなる２以上のカートリッジを、各々１のデバイスで検知及び加熱してもよい。これらの実施形態の何れにおいても重要なのは、１又は複数のカートリッジとデバイスとの特定の相互作用が、所定の位置において極めて正確且つ精密に行なわれるという点である。このようなシステムの実施形態は、複数の反応を個別のチャンバー内で、制御下且つ監視下において、同一システムにより同時に並行して実施する場合に特に有用であり、従って、高スループット用途に使用することが可能である。即ち、デバイスが同一の熱伝導基板上に複数のセンサー又はセンサーペアを有し、複数のチャンバーを有する１のカートリッジと接触し、或いは少なくとも１のチャンバーを各々有する複数のカートリッジと接触している場合でさえも、ラテラルな熱流量を監視し、補正することが可能である。
【００３４】
本発明に係るシステムにおいて、デバイスのヒーター層は、センサー素子と同じ材料か、センサー素子と同様の製造条件下で処理可能な材料からなることが好ましい。特に、白金、ニッケル、又は白金若しくはニッケルと他の貴金属との混合物等の材料が使用できる。ある実施形態によれば、ヒーター層の厚さは３０μＭ未満である。特定の実施形態において、ヒーターとセンサー素子とは同一層に配置される。この実施形態によれば、ヒーター及びセンサー素子を同一層に有するデバイスは、比較的簡素且つ容易な手順で作製できるという利点がある。このような実施形態においては、ヒーター及びセンサー素子は、同一層内に埋設される場合であっても、２つの別個且つ独立の構成要素として当該層に取り付けられる。
【００３５】
本発明に係るデバイスは、更に熱伝導基板を含んでなる。センサー素子は熱伝導基板の表面上に、カートリッジの接触面の方を向くように配置される。ヒーターは、熱伝導基板のセンサー素子と同じ側の表面上に配置されてもよいが、好ましい実施形態においては、ヒーターは熱伝導基板のセンサー素子とは反対側の表面上に配置される。何れの実施形態においても、センサー素子はカートリッジの接触面の方を向くように配置される。この場合、ヒーター及び／又はセンサー素子を熱伝導基板に対し、上述したような方法で取り付けてもよく、熱伝導基板を形成する材料の表面内に埋め込んでもよい。
【００３６】
特定の実施形態によれば、センサー素子をヒーターとして使用してもよい。これによって、温度を検知するとともに、温度が指定温度を下回っている場合には、引き続き加熱インパルスを加えることにより、ヒーター層による混合物への熱の印加を補助することができる。更に、当該第１の実質的に平らなセンサー素子及び当該ヒーター層が結合し、単一のセンサー／ヒーター結合素子を形成するようにしてもよい。このような実施形態においては、ヒーター層と第１の実質的に平らな温度センサー素子とは同一であるので、ヒーター／センサー結合素子を用いて加熱及び温度検知サイクルを交互に実施することができる。この実施形態は特に、加熱操作を殆ど必要としない用途、例えば、一定温度の保持が特に必要とされる等温用途等への使用に有用である。この場合、ヒーター／センサー結合素子が、カートリッジのチャンバー内の温度を検知するとともに、チャンバー内の温度が指定温度よりも低い場合には、短時間の加熱インパルスの印加に使用される。
【００３７】
好ましい実施形態によれば、本発明に係るシステムは、試料中の核酸の増幅に使用される。
【００３８】
図１は、本発明に係るシステムの一例について、主な構成要素を含む断面を示す図である。
【００３９】
図１Ａに、混合物（２）を収容するチャンバーと、カートリッジ本体（４）とを有するカートリッジ（１）の断面を示す。このカートリッジは更に、カートリッジ本体及びチャンバーを被覆し、保護機能に加えて熱伝導機能を備えたカバー層（３）と、デバイスと接触するための接触面（５）とを含んでなる。この接触面は、チャンバー接触面（６）及びカートリッジ本体接触面（７）からなる。
【００４０】
図１Ｂに、第１のセンサー素子（１２）及び第２のセンサー素子（１３）を備えてなるデバイス（１１）の断面を示す。このセンサー素子は熱伝導基板（１５）に取り付けられ、センサー素子用のカバー層（１４）によって保護されている。更に、このデバイスはヒーター層（１６）を有し、このヒーター層（１６）は熱伝導基板（１５）の表面に取り付けられ、センサー素子（１２，１３）とは反対側の表面に配置される。
【００４１】
図１Ｃに、カートリッジ（１）とデバイス（１１）との間に特定の物理的相互作用を生じさせる際の、システムの断面を示す。カートリッジ（１）とデバイス（１１）との接触は、第１のセンサー素子（１２）がカートリッジ本体接触面（７）と相互作用するように、且つ、第２のセンサー素子（１３）がその全体に亘ってチャンバー接触面（６）内に位置するように確立される。
【００４２】
図２は、一例に係るシステム（Ｃ）の主要構成要素を含む断面を示す図である。ここで、カートリッジ（Ａ）は、混合物を収容するカートリッジチャンバー（２）を２以上有し、デバイス（Ｂ）は、カートリッジの各チャンバー毎に、第１のセンサー素子（１２）及び第２のセンサー素子（１３）を含んでなる。
【００４３】
図２Ａに、混合物を収容するための２つのチャンバー（２）とカートリッジ本体（４）とを有するカートリッジ（１）の断面を示す。このカートリッジは更に、カートリッジ本体及びチャンバーを被覆し、保護機能に加えて熱伝導機能を有するカバー層（３）と、デバイスと接触するための接触面（５）とを含んでなる。接触面は、特定のチャンバーの各々に対応するチャンバー接触面（６）と、カートリッジ本体接触面（7）とからなる。
【００４４】
図２Ｂには、カートリッジの各チャンバー毎に、第１のセンサー素子（１２）及び第２のセンサー素子（１３）を備えてなるデバイス（１１）の断面を示す。これらのセンサー素子は熱伝導基板（１５）に取り付けられ、センサー素子用のカバー層（１４）によって保護されてなる。更に、このデバイスはヒーター層（１６）を含んでなり、これは熱伝導基板（１５）の表面に取り付けられ、センサー素子（１２，１３）とは反対側の表面に配置される。
【００４５】
図２Ｃには、カートリッジ（１）及びデバイス（１１）が所定の物理的相互作用を行なう際のシステムの断面を示す。カートリッジ（１）とデバイス（１１）との接触は、第１のセンサー素子（１２）の各々がカートリッジ本体接触面（７）と相互作用するとともに、各第２のセンサー素子（１３）がその全体に亘って、特定のチャンバーの各々のチャンバー接触面（６）内に位置するように確立される。
【００４６】
本発明に係る別の実施形態は、チャンバーを含んでなるカートリッジを制御下に加熱するデバイスであって、カートリッジチャンバーの断面と平行な面内に位置する、少なくとも１つの実質的に平らな温度センサー素子と、熱伝導基板と、ヒーター層とを含んでなる。ここで、センサー素子は熱伝導基板の表面上に、カートリッジのチャンバーの方を向くように配置され、カートリッジとセンサー素子との相互作用を許容するように構成される。ヒーター層は、熱伝導基板のセンサー素子と同じ側の表面に配置されてもよいが、好ましい実施形態によれば、ヒーターは熱伝導基板のセンサー素子とは反対側の表面に、カートリッジのチャンバーの方を向くように配置される。特定の実施形態によれば、このセンサー素子の形状は、カートリッジチャンバーの断面と実質的に同一の形状とされる。この実施形態の利点は、センサー素子をカートリッジチャンバーと物理的接触させた状態で、カートリッジチャンバーの熱画像をデバイスのセンサー素子によって測定し、カートリッジチャンバーとデバイスのセンサー素子との界面全体の温度を平均化することが可能となるという点にある。更に、この実施形態によれば、カートリッジチャンバーとデバイスのセンサー素子との接触が界面全体に及んでいるかどうか、また、カートリッジチャンバーの一部がデバイスのセンサー素子と物理的接触してしないかどうかを、監視することが可能となる。デバイスの特定の実施形態によれば、センサー素子はカートリッジチャンバーの断面の１０％超、好ましくは２５％超、より好ましくは４０％超に亘って延在していることが好ましい。即ち、センサー素子とカートリッジチャンバーとの物理的相互作用により、センサー素子の表面が、カートリッジチャンバー表面の少なくとも１０％、好ましくは少なくとも２５％、より好ましくは少なくとも４０％と相互作用する。更なる実施形態によれば、チャンバー接触面と接触するセンサー素子の表面は、その全てがセンサー構造によって占められている必要はなく、ラテラルに展開する熱強度分布、幾何学的特性、及びチャンバーシーリングの機械的剛性又は変形能に応じて、環状やその他の形状等、液体内の温度を画像化及び平均化する上で好適な形状に形成されていてもよい。従って、上述の接触は、センサー素子を形成する材料と、カートリッジチャンバーの材料との間で直接形成されてもよく、センサー素子及び／又はカートリッジがカバー層で被覆されている場合には、間接的に形成されていてもよい。更なる実施形態によれば、センサー素子はバイファイラー構造を有し、その厚みは０．０１μｍから１０μｍの範囲、好ましくは０．８μｍから１．２μｍの範囲である。この熱伝導基板は、厚さが０．１ｍｍから５ｍｍの間であり、電気絶縁材料からなることが好ましい。
【００４７】
図３は、本発明に係るデバイスについて例示される、２つの異なる実施形態の断面を示す図である。
【００４８】
図３Ａには、第１のセンサー素子（１２）及び第２のセンサー素子（１３）を含んでなるデバイスの断面を示す。これらのセンサー素子は熱伝導基板（１５）に取り付けられ、センサー素子用カバー層（１４）によって保護される。更に、このデバイスはヒーター層（１６）を有し、これは熱伝導基板（１５）の表面に取り付けられ、センサー素子（１２，１３）とは反対側の表面に配置される。
【００４９】
図３Ｂは、同様に２つのセンサー素子（１２，１３）を含んでなるデバイスの第２の実施形態である。第１の実施形態とは異なり、２つのセンサー素子は、熱伝導基板（１５）を形成する材料の表面に埋め込まれてなる。これら２つのセンサー素子（１２，１３）は、センサー素子用のカバー層（１４）によって保護されるとともに、ヒーター層（１６）が熱伝導基板（１５）のセンサー素子とは反対側の表面に取り付けられる。
【００５０】
図４は、デバイスについて例示される種々の実施形態の上面図である。ここに示される実施形態の何れにおいても、センサー素子はコネクター（１７）を有し、これによって素子を制御ユニットに対し、ワイヤーを介して永久的又は可逆的に接続することが可能となっている。
【００５１】
図４Ａにおいて、デバイスは第１のセンサー素子（１２）及び第２のセンサー素子（１３）を含んでなる。これらの素子は、上述したような熱伝導基板上に配置され、この基板に対して取り付けられてなる。第１のセンサー素子（１２）は、カートリッジ本体接触面の内部及びチャンバー接触面の外部において、当該第１のセンサー素子とカートリッジとの直接的な物理的相互作用が可能となるように配置されるとともに、第２のセンサー素子（１３）は、カートリッジのチャンバー接触面内における当該第２のセンサー素子の直接的な物理的相互作用が可能となるように配置される。コネクター（１７）の位置については、熱伝導基板（１５）の表面上の３つの異なる位置を例示しているが、当該デバイスを有する機器の空間的必要条件に合わせて、当該表面上の任意の位置に自由に配置することが可能である。
【００５２】
図４Ｂは、センサー素子を１つのみ含んでなるデバイスの実施形態である。図４Ｂの最初の図では、デバイスが有する第１のセンサー素子（１２）が、センサー素子とカートリッジのカートリッジ本体接触面との直接的な物理的相互作用を可能とするように配置されている。２番目の図では、デバイスが有する第１のセンサー素子（１２）が、カートリッジのチャンバー接触面内における第１のセンサー素子の直接的な物理的相互作用を可能とするように配置されている。特定の実施形態においては、当該第１のセンサー素子が、カートリッジチャンバーの断面の形状と実質的に同一の形状を有する。３番目の図では、カートリッジは２つのセンサー素子（１８）を有する。これらは１つのセンサー素子として機能するものの、互いに独立に制御及び操作可能となっている。何れのセンサー素子（１８）も、カートリッジのチャンバー接触面内における直接的な物理的相互作用を可能とするように配置される。最後の実施形態は、センサー素子の冗長度の面で利点を有する。即ち、センサー素子の一方が作動しなくなった場合でも、他方のセンサー素子によって温度を検知することが可能である。この実施形態は、温度の正確さが厳しく要求される分野において好ましい。更に、センサー素子の一方をセンサー素子として使用し、もう一方のセンサー素子をヒーターとして機能させてもよい。
【００５３】
図４Ｃも、デバイスの実施形態を示す図であるが、ここで第１のセンサー素子は、カートリッジのチャンバー接触面内における第１のセンサー素子の直接的な物理的相互作用を可能とするように配置されるものであって、独立に制御及び操作可能な２以上のセンサー素子（１８）からなる。この実施形態もまた、センサー素子の冗長度の面で利点を有する。即ち、センサー素子の一方が作動しなくなった場合でも、他方のセンサー素子によって温度を検知することが可能である。更に、センサー素子の一方をセンサー素子として使用し、もう一方のセンサー素子をヒーターとして機能させてもよい。
【００５４】
図４Ｄの最初の図は、第１のセンサー（１２）素子と、センサー／ヒーター結合素子（１９）とを備えてなるデバイスの実施形態を示す図である。ここで第１のセンサー素子は、カートリッジ本体接触面の内部及びチャンバー接触面の外部における、第１のセンサー素子とカートリッジとの直接的な物理的相互作用を可能とするように配置される。この実施形態は、温度が大きく異なる複数の加熱サイクルを実施する用途であって、適切な時間内で加熱するためにヒーター層では不十分な場合に有用である。この場合、センサー／ヒーター結合素子を補助及び予備として機能させてもよい。特定の実施形態によれば、このセンサー／ヒーター結合素子（１９）は、デバイスのヒーター層である。この実施形態は、加える温度間の差が殆どない用途（例えば等温用途）に有用である。図４の２番目の図に、このデバイスの実施形態を示す。ここで、第１のセンサー素子は、２以上の独立したセンサー素子からなる。
【００５５】
本発明の別の実施形態は、システムにおける温度プロファイルを実行及び制御するための方法であって、
本発明に係るシステムにおいて、混合物をチャンバー内に収容するカートリッジを、デバイスによって加熱する工程と、
前記加熱工程と当該混合物の温度とを、当該デバイスの当該第１及び／又は第２のセンサー素子を用いて制御する工程とを含んでなる方法である。
【００５６】
温度プロファイルとは、混合物が到達すべき温度のシークエンスである。当該プロファイルの温度は全て、室温よりも高く設定することが好ましく、より好ましくは３７から９８℃の範囲、最も好ましくは４０から９６℃の範囲である。プロファイルは、昇温プロファイル、即ち温度が経時的に上昇するものであってもよく、降温プロファイル、即ち温度が経時的に降下するものであってもよい。最も好ましいのは、極大温度と極小温度とを有するプロファイル、即ち、昇温及び降温を伴うプロファイルである。本発明の最も好ましい実施形態によれば、当該温度プロファイルは、ＰＣＲに必要とされるように、繰り返し熱サイクルを含んでいる。これらの熱サイクルによれば、極大温度において二本鎖核酸が一本鎖へと変性し、極小温度において一本鎖核酸が二本鎖へとアニールする。更なる実施形態によれば、温度プロファイルは昇温プロファイルであってもよい。この場合、温度を経時的に昇温するとともに、１又は２以上の所定の温度水平域（temperature plateau）において、所定期間に亘って一定に維持する。このような実施形態は、例えば、ＤＮＡ二重鎖又は多重鎖を加熱して溶融及び変性させ、ＤＮＡ融解曲線を作成する際に有用である。別の実施形態によれば、温度プロファイルは定温プロファイルであってもよい。この場合、温度を１又は２以上の所定の温度水平域において、所定期間に亘って一定に維持する。この実施形態は等温用途、例えば、Phi29等のポリメラーゼを用いたローリングサークル増幅等の用途に有用である。
【００５７】
例えばＰＣＲにおいて、温度プロファイル、好ましくは温度サイクリングに有用な繰り返し温度サイクルの温度プロファイルのパフォーマンスを確保すべく、加熱工程と、カートリッジチャンバー内の前記混合物の温度とを、センサー素子を用いて制御する工程は、
当該カートリッジの当該チャンバー内における当該混合物の温度を、当該デバイスの当該第１及び／又は第２のセンサー素子を用いて測定する工程と、
前記測定された温度を、当該混合物における到達目標として指定された温度と比較する工程と、
前記混合物の温度が前記指定温度よりも低い場合には、当該混合物の温度を上昇させる一方、前記混合物の温度が前記指定温度と同じ場合には、当該混合物の温度を維持するように、前記混合物にヒーター層を通じて熱を印加する工程とを含んでなることが好ましい。
【００５８】
従って、極めて好ましい態様によれば、本発明は、加熱工程を液体の温度に応じて、コンピュータプログラムにより制御及び調節する工程を含んでなる。ヒーターを制御するとともに、測定温度と指定温度との比較及び混合物への熱の印加を行なうために使用するユニットを、熱制御ユニットと呼ぶ。ここで、熱制御ユニットは少なくとも、システムに対する主体的／能動的な入力、即ちヒーター／クーラーと、センサー、即ち温度センサー素子と、温度を指定されたレベルに調節する閉ループアルゴリズム、例えばＰＩＤとを含んでなる。測定された温度を指定温度と比較するために必要なアルゴリズムは、複雑なものではなく、むしろ単純なものである。即ち、本技術分野で公知のＰＩＤ（比例、積分、微分：proportional, integral, derivative）制御アルゴリズムに、デバイスとカートリッジのチャンバー内の液体との物理的相互作用を記述する式を組み入れたものを、閉ループ調節に使用することができる。このような、ｚ変換式を用いた閉ループＰＩＤ調節の例を図５に示す。ここで「ｈ」は時間間隔、例えば５ｍｓ、１０ｍｓ、２０ｍｓ、５０ｍｓ、１００ｍｓ等を表わし、「Ｔｉ」はＰＩＤレギュレータ「Ｋ（ｚ）」のための積分時定数を表わし、「Ｔｄ」はＰＩＤレギュレータのための微分時定数を表わす。ＰＩＤレギュレータの式Ｋ（ｚ）内において、「Ｋｐ」は比例因子項を表わし、「ｕｉ（ｚ）＝（ｈ／Ｔｉ）／（ｚ−ｌ）」は積分項であり、「ｕｄ（ｚ）＝Ｔｄ＊（ｚ−ｌ）／（ｈ＊ｚ）」は微分項である。ｚ変換式は、周波数領域（frequency domain）内の離散式を記述する、周波数領域内の等式である。ラプラス変換を用いることにより、時間領域からの類似関数（analogous equation）を、対応する周波数領域内の類似関数に変換することができる。
【００５９】
本発明に係る機器に好ましく使用されるこのソフトウェアは、例えば温度センサー信号等の信号を所定の時間間隔で読み出すため、離散的な時間情報（discrete temporal information）しか扱うことができない。従って、周波数領域内の連続的な類似関数を、周波数領域内の離散形に変換する必要がある。得られた関数（周波数領域内の離散形）自体は、時間領域（time domain）内の離散的な再帰関数（discrete recursive function）に、容易に変換することができる。
【００６０】
これによって、ｚ変換によるレギュレータＫ（ｚ）の安定性を、熱サイクラーとチャンバー内の液体との物理的相互作用Ｈ（ｚ）との組み合わせにおいて、閉ループ関数ＣＬ（ｚ）によって調べることが可能となる。更に、得られる離散的な時間領域内の関数は、再帰関数である。ＰＩＤレギュレータと組み合わせる場合、再帰形はアルゴリズムにとって極めて好ましい（"Control Systems Engineering (3rd edition)", Norman S. Nise, John Wiley and Sons Inc.も参照のこと）。即ち、温度センサーの読み出しの時間間隔を固定することによって、ヒーター層の加熱／冷却出力を決定することが可能となる。
【００６１】
カートリッジチャンバー内における液体の温度は、それが物理的にカートリッジの接触面と接触している場合には、センサー素子の測定データを用いることにより、また、カートリッジとデバイスとの物理的相互作用を記述する特定のパラメーターを考慮して、決定することができる。液体中の指定温度プロファイルを経時的に制御するためには、ＰＩＤ制御アルゴリズムは、上述したように、直近に測定された時間間隔における指定温度及び測定温度を考慮して、ヒーター素子に必要な加熱／冷却出力を設定し、所望の時点において初期設定温度を達成する。２つのセンサー素子を含んでなる実施形態によれば、チャンバー接触面と接触するこれらのセンサー素子が、公知の手法により温度を測定する。即ち、接触するセンサー素子を基準として、指定されたラテラルな温度強度分布に比例するように、カートリッジ接触面と接触面全面に亘って温度を決定する。もしチャンバー接触面と接するセンサー素子において、測定温度が予想よりも低い場合には、デバイスとカートリッジのチャンバー接触面との機械的接触が十分ではないと判断する。更に、もしカートリッジ本体接触面と接するセンサー素子において、測定温度が予想よりも低い場合には、デバイスとカートリッジのチャンバー接触面との機械的接触が適切ではないと判断する。よって、こうしたシステムを含んでなる分析機器は、測定の初期段階において、分析結果の信頼性の改善を促すエラーメッセージを作成することができる。一方、これら２つのセンサー素子により測定される温度が互いに相関し、且つ、予想される範囲内に収まっている場合には、機械的接触が動作条件内であると判断される。即ち、２つのセンサー素子を含んでなる実施形態では、センサー素子を１つしか用いない場合と比べて測定温度の分解能が２倍となるので、液体内の温度が意図せず逸脱してしまうおそれも、著しく低減される。従って、こうしたシステムによれば、機械的接触の内部制御が可能となり、より信頼できる結果を得ることができるので、生体外診断用途に得に重要である。更に、センサー素子が特に平らであるために、温度測定を迅速に行なうことができる上に、大型の電子機器を用いる必要がない。
【００６２】
ヒーターにより熱を印加する手法としては、任意の公知の手法を用いることができる。例としては、電流を抵抗ヒーターに連続的に印加してもよく、当該熱を電流パルスとして、或いは交流を用いて導入してもよい。特定の温度上昇を達成するために必要な当該パルス長や電流量の詳細は、簡単な実験により決定することができる。即ち、典型的な試料中の温度を、電流量及び／又はパルス長を変化させながら、所定の冷却容量の下で決定すればよい。
【００６３】
当該加熱は、接触加熱により行なうことが好ましい。接触加熱は、加熱対象の材料を熱媒と接触させ、接触面を介してこれらの間に、熱媒から材料へとエネルギーの移動を生じさせる加熱である。本発明に係る加熱層は、抵抗ヒーターであることが好ましい。抵抗加熱は、径の小さなワイヤーからなる抵抗に電流を通すと、エネルギーが熱となって損失するという効果を利用したものである。好ましい構成は、所定の抵抗を有する加熱コイルを用いて接触加熱を行なうものである。コイルはワイヤーにより形成してもよいが、他の手法により、例えばプリント回路基板上に形成したり、他の種類の導電性材料を用いて、セラミックやポリイミド等の基板上に形成したりしてもよい。別の選択肢としては、コイルを薄膜又は厚膜技術により、好適な基板上に形成することが挙げられる。このコイルは、容器（receptacle）の下、上、又は横に配置してもよく、更には、コイルの構成によっては、カートリッジがコイルの内部に位置するよう、カートリッジの周囲に配置してもよい。
【００６４】
本発明に係る方法は更に、当該カートリッジを冷却する工程を含んでなることが好ましい。当該冷却は、システムを、より好ましくはシステムに含まれる冷却素子を、フィン構造又は埋設型ヒートパイプを介して、流体流、好ましくは気体（例えば空気）に晒すことにより行なうことが好ましい。冷却素子の目的は、熱をシステムから、特にデバイスから、効率的に誘導除去することにある。従って、冷却素子は熱伝導性に優れた材料からなることが好ましい。例としては、セラミック化合物、又は、アルミニウム等の金属を、熱エネルギーの環境への流動を促進するべく、表面積の大きいブロックの形態で使用する。表面積を大きくするために、金属ブロック（受動冷却）にファンを設け、冷却素子周囲の対流をファンで増大させてもよい（能動冷却）。ファンの代わりに、液体（例えば水）冷却を使用したり、ヒートパイプを（金属ブロック中）に埋設させ、その他方の端部にフィンを設けて使用したりすることもできる。
【００６５】
本発明の別の実施形態によれば、本発明に係るシステムシステムを用いて核酸を増幅する方法であって、
核酸を含有する試料を、当該カートリッジの前記チャンバー内に用意する工程と、
当該カートリッジの当該チャンバー内の当該試料を、熱サイクルに供する工程とを含んでなる方法が提供される。
【００６６】
本発明の別の実施形態は、試料を制御下に加熱する工程を含む生物学的検定を実施するための機器であって、本発明に係るシステムを少なくとも含んでなるとともに、当該カートリッジを前記機器内に挿入して当該デバイスと接触させた場合に、当該カートリッジとの特定且つ所定の物理的相互作用を許容するように、当該デバイスが前記機器内に配置されてなる機器である。この機器は更に、カートリッジ内に含まれ、加熱操作に供される試料を分析するための励起ユニット及び検出ユニットと、決定のための試薬及び消耗材とを含んでいてもよい。また、自動化のために、カートリッジ及び／又は試料を扱うためのロボティクスを、任意で備えていてもよい。この機器において、カートリッジとデバイスとの物理的接触は、特定の方法で行なうことにより、カートリッジとデバイスとの間に、適切な且つ所定の物理的相互作用を確実に生じさせるようにする。従って、デバイスのセンサー素子の配置は、カートリッジを接触面の内部において、チャンバー接触面の内部又はカートリッジ本体接触面の内部に接触させるように行なう。
【００６７】
更なる実施形態によれば、本発明に係るシステムは、カートリッジにおいて熱勾配プロファイルを実行及び監視するために用いられる。
【実施例】
【００６８】
実施例１
本発明に係るデバイスの製造
第１の工程では、Heraeus社から入手した白金製の薄膜温度センサー素子を、CeramTec AG （Plochingen, Germany）社から入手した酸化アルミニウム製のセラミックウエハーで被覆する。これは酸化アルミニウムからなり、厚さ６３５μｍであって、ガラスセラミックスからなる保護層（厚さ２０μｍ）により保護されている。本工程はコーティング機を用いて行なう。
【００６９】
第２の製造工程では、ウエハーの反対側に厚膜ヒーターを形成する。このために、当該反対側に酸化ルテニウム膜（厚さ２０μｍ）を被覆する。この厚膜層も、ガラスセラミックスからなる保護層（厚さ２０μｍ）で保護する。基板を少なくともこの薄膜層で保護した上で、更なる工程で処理することにより、絶縁層の厚さを確定するとともに、それによって熱力学的挙動をも確定する。Epoxy Technology Inc.社（Billerica, MA, USA）から入手したエポキシ接着剤の溶液を用いて、本分野で公知のスクリーン印刷法により、ヒーターの保護層上に特定の形状となるように蒸着し、厚さ１００μｍの絶縁層を得る。更に、冷却ブロックを絶縁層上に接着する。冷却ブロックは、多種の化合物からなる絶縁層がまだ粘性を有するうちに接触させ、その熱接着特性を利用する。最後に温度１８０℃で焼結工程を行なうことにより、特定の厚さの絶縁層に対して、そのヒーター層側に冷却ブロックを埋め込ませる。
【００７０】
実施例２
本発明に係るシステムを用いたＰＣＲの実施と、カートリッジチャンバー内の液体温度の監視
実施例１記載の熱サイクラーにより、市販のリアルタイムＰＣＲ検出用キットであるLightCycler ParvoB19 Kit （Cat No 3 246 809, Roche Diagnostics GmbH, Germany）を用いて、キット添付の製造社による説明書に従い、LightCycler Parvo B19 Standardを鋳型として用いて、数回のＰＣＲ工程を行なった。図６に示す温度プロファイルを設定し、ＰＣＲ曲線を生成した。温度勾配は、ＰＣＲ効率が良好に維持される値であって、且つ、熱サイクラーがもっと遥かに速い勾配にも対応できるような値、例えば２０℃／ｓを選択した。
【００７１】
ブレッドボード上で、上記記載の熱サイクラーと、上記記載の温度センサーと、LightCycler ParvoB19 Kit （Roche Diagnostics GmbH, Germany）に記載の蛍光物質を励起及び測定することが可能なブレッドボードリアルタイム蛍光光度計を用いて、測定を行なった。二回の実験の結果を図７にグラフとして示す。
【００７２】
図８は、（図５に示すような）ＰＩＤ（比例・積分・微分）温度調節アルゴリズムに必要な全ての温度の例を、ある特定のサイクル（図６における第１のサイクル参照）部分について示す図である。２つの温度センサーと、設定温度と、機器においてリアルタイムに算出された推定（projected）温度とが記載されている。２つのセンサー素子によって測定された温度は、設定温度からの偏差が同等であり、チャンバー接触面とセンサー接触面との熱接触が、許容し得る動作条件内に収まっていたことを示している。液体の入ったチャンバー内のリアルタイムの推定温度については、全ての温度を記録した後に、推定温度を再計算して検証を行なった。リアルタイムの推定温度と再計算された推定温度とはよく一致していたことから、調節アルゴリズムが正しく作動していたことが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】図１は、カートリッジ（Ａ）及びデバイス（Ｂ）を含んでなる、本発明に係るシステム（Ｃ）の一例について、主要構成要素を含む断面を示す図である。
【図２】図２は、システム（Ｃ）の例について、主要構成要素を含む断面を示す図である。ここで、カートリッジ（Ａ）は、混合物（２）を収容するカートリッジチャンバーを２以上含んでなり、デバイス（Ｂ）は、カートリッジの各チャンバーについて、第１のセンサー素子（１２）及び第２のセンサー素子（１３）を含んでなる。
【図３】図３は、本発明に係るデバイスの２つの異なる実施形態について、その断面を示す図である。
【図４】図４は、デバイスについて例示される種々の実施形態の上方図である。
【図５】図５は、測定温度と指定温度とを比較するのに必要な、（ｚ変換式を用いた）閉ループＰＩＤ（比例・積分・微分）制御アルゴリズム調節を示す図である。
【図６】図６は、市販のLightCycler ParvoB 19 Kit（Roche Diagnostics GmbH, Germany）を用いたＰＣＲ工程の実施に使用されるＰＣＲ曲線を生成するために設定された温度プロファイルである。
【図７】図７は、LightCycler ParvoB19 Kitを用いて行なった２度の実験の結果である。
【図８】図８では、調節アルゴリズムに必要な全ての温度の例を示している。
【符号の説明】
【００７４】
１    カートリッジ
２    混合物を収容するためのチャンバー
３    カートリッジのカバー層
４    カートリッジ本体
５    デバイスと接触するための接触面
６    チャンバー接触面
７    カートリッジ本体接触面
８    デバイス
９    第１のセンサー素子
１０    第２のセンサー素子
１１    センサー素子用のカバー層
１２    熱伝導基板
１３    ヒーター層
１４    コネクター
１５    センサー素子
１６    センサー／ヒーター結合素子
【図１】
2008017842.tif 000003
【図２】
2008017842.tif 000004
【図３】
2008017842.tif 000005
【図４】
2008017842.tif 000006
【図５】
2008017842.tif 000007
【図６】
2008017842.tif 000008
【図７】
2008017842.tif 000009
【図８】
2008017842.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成19年8月7日(2007.8.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
混合物を制御下に加熱及び冷却するシステムであって、カートリッジとデバイスとを含んでなり、
当該カートリッジが少なくとも、
当該混合物を収容するためのチャンバーと、
当該デバイスに接触するための接触面であって、チャンバー接触面及びカートリッジ本体接触面を有する接触面とを含んでなり、
当該デバイスが少なくとも、以下の順序で上方から下方へと層状に形成されてなる、
第１の実質的に平らな温度センサー素子と、
熱伝導基板と、
ヒーター層とを含んでなり、
当該センサー素子が、当該デバイス及び当該カートリッジを物理的に接触させた場合に、当該カートリッジの当該接触面の方を向くように、当該デバイスの当該熱伝導基板の表面上に配置されることにより、当該デバイスの当該第１のセンサー素子と、当該カートリッジの当該カートリッジ本体接触面又は当該チャンバー接触面との物理的相互作用を許容するように構成されたことを特徴とするシステム。
【請求項２】
当該第１のセンサー素子が、当該デバイスの表面に配置され、当該第１のセンサー素子と当該チャンバー接触面との物理的相互作用を許容するとともに、
第２の実質的に平らな温度センサー素子が、当該デバイスの表面に配置され、当該第２のセンサー素子と当該カートリッジ本体接触面との物理的相互作用を同時に許容する、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
当該第１のセンサー素子が、当該デバイスの表面に配置され、当該第１のセンサー素子と当該カートリッジの当該チャンバー接触面との物理的相互作用を許容するとともに、
当該第１のセンサー素子が、当該チャンバーの形状と実質的に同様の形状を有する、請求項１又は請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
当該第１のセンサー素子が当該デバイスの表面に配置され、当該第１のセンサー素子と当該チャンバー接触面との物理的相互作用を許容するとともに、
当該第１のセンサー素子の表面がその全体に亘って、当該チャンバー接触面内において当該カートリッジに接触し、且つ、
当該第１のセンサー素子の表面が、当該チャンバー接触面の表面の少なくとも１０％を占める、請求項１〜３の何れか一項に記載のシステム。
【請求項５】
当該第１及び／又は第２のセンサー素子が、バイファイラー構造（bifiler structure）を有する、請求項１〜４の何れか一項に記載のシステム。
【請求項６】
当該第１及び／又は第２のセンサー素子が、ヒーター素子としても機能する、請求項１〜５の何れか一項に記載のシステム。
【請求項７】
当該第１の実質的に平らなセンサー素子と、当該ヒーター層とが結合し、単一のセンサー／ヒーター結合素子を形成している、請求項１〜６の何れか一項に記載のシステム。
【請求項８】
前記第１のセンサー素子が、当該デバイスと当該カートリッジとが物理的に接触している場合に、前記カートリッジの前記チャンバー接触面内における、前記第１のセンサー素子の直接的な物理的相互作用を許容するように配置されるとともに、独立に制御及び操作可能な２以上のセンサー素子から構成される、請求項１〜６の何れか一項に記載のシステム。
【請求項９】
チャンバーを含んでなるカートリッジを制御下に加熱するデバイスであって、以下の順序で上方から下方へと層状に形成されてなる、
少なくとも１つの実質的に平らな温度センサー素子と、
熱伝導基板と、
ヒーター層とを含んでなり、
当該センサー素子が、当該熱伝導基板の表面上に配置されるとともに、当該センサー素子が、当該センサー素子をカートリッジと物理的に接触させた場合に、当該センサー素子と当該カートリッジとの接触面との物理的相互作用を許容する、表面領域を形成することを特徴とするデバイス。
【請求項１０】
当該センサー素子が、当該チャンバーの当該断面の形状と実質的に同様の形状である、請求項９記載のデバイス。
【請求項１１】
システムにおける温度プロファイルを実行及び制御するための方法であって、
請求項１〜８の何れか一項に記載のシステムにおいて、混合物をチャンバー内に収容するカートリッジを、デバイスによって加熱する工程と、
前記加熱工程と当該混合物の温度とを、当該デバイスの当該第１及び／又は第２のセンサー素子を用いて制御する工程とを含んでなる方法。
【請求項１２】
前記加熱工程と当該混合物の温度とを前記センサー素子を用いて制御する工程が、
当該カートリッジの当該チャンバー内における当該混合物の温度を、当該デバイスの当該第１及び／又は第２のセンサー素子を用いて測定する工程と、
前記測定された温度を、当該混合物における到達目標として指定された温度と比較する工程と、
前記混合物の温度が前記指定温度よりも低い場合には、当該混合物の温度を上昇させる一方で、前記混合物の温度が前記指定温度と同じ場合には、当該混合物の温度を維持するように、前記混合物にヒーター層を通じて熱を印加する工程とを含んでなる、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
請求項１〜８の何れか一項に記載のシステムを用いて核酸を増幅する方法であって、
ａ）核酸を含有する試料を、当該カートリッジの前記チャンバー内に用意する工程と、
ｂ）当該カートリッジの当該チャンバー内の当該試料を、熱サイクルに供する工程とを含んでなる方法。
【請求項１４】
試料を制御下に加熱する工程を含む生物学的検定を実施するための機器であって、
請求項１〜８の何れか一項に記載のシステムを少なくとも含んでなるとともに、
当該カートリッジを前記機器内に挿入して当該デバイスと接触させた場合に、当該カートリッジとの特定且つ所定の物理的相互作用を許容するように、当該デバイスが前記機器内に配置されてなる機器。
【外国語明細書】
2008017842000001.pdf