(57)【要約】  制御された温度の下で化学反応を実施するための方法と装置を記載する。本発明によって提供される装置は、１つの実施形態において、ハウジングの内部容積内に配置される反応チャンバーを保持するために寸法取りされたハウジングを含む。反応チャンバーは、第１の温度においてその中で内部容積を規定する熱伝導性の内面および外面を有する。装置は前記の嚢に入る第２の温度にある少なくとも１つの温度制御物質も含み且つ前記温度制御物質を排出し、嚢は拡張して前記反応チャンバーの前記外面の少なくとも一部に相当接触し、前記温度制御物質反応チャンバーの前記内部容積の熱交換を可能にする。
2010536374.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングが前記ハウジングの内部容積内に配置された反応チャンバーを支持するために寸法取りされ、前記反応チャンバーが前記反応チャンバー内に内部容積を規定する熱伝導性の内面および外面を有し、前記内部容積が第１の温度にある前記ハウジング、
および
熱伝導性温度制御嚢が第２の温度にある温度制御物質を前記嚢内に収容し且つ前記温度制御物質を前記嚢内から排出するために設計され；且つ前記嚢が前記温度制御物質を収容する際に前記嚢が拡張して前記反応チャンバーの前記外面の少なくとも一部と相当接触して前記温度制御物質と反応チャンバーの前記内部容積との熱交換を可能にするようさらに設計された、前記ハウジング内に配置された少なくとも１つの前記嚢を含む、化学反応を実施するための装置。
【請求項２】
前記温度制御物質と前記反応チャンバーの前記内部容積の間の前記熱交換が前記反応チャンバーの前記内部容積の温度を前記の第１の温度から前記の第１と第２の温度の少なくとも中間にある第３の温度まで変化させるために有効である、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記の第３の温度が前記の第２の温度とほぼ同じである、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記温度制御物質と前記反応チャンバーの前記内部容積の間の前記熱交換が前記反応チャンバー内に収容される物質の温度を前記の第１の温度から前記の第１と第２の温度の少なくとも中間にある第３の温度まで変化させるために有効である、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記の第３の温度が前記の第２の温度とほぼ等しい、請求項２に記載の装置。
【請求項６】
前記ハウジングの前記内部容積内に配置される前記反応チャンバーをさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記嚢が前記温度制御物質を収容するための入口および前記温度制御物質を排出するための出口を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記温度制御物質を前記嚢より排出する際に前記嚢が前記反応チャンバーの前記外面の前記の接触する前記の少なくとも一部から収縮することにより前記温度制御物質と前記反応チャンバーの前記内部容積の間の前記熱交換が少なくとも低下することが可能となるよう設計される、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記温度制御物質と前記反応チャンバーの前記内部容積の間の前記熱交換の前記の低下が前記温度制御物質と前記反応チャンバーの前記内部容積の間の前記熱交換を相当阻止するために有効である、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記ハウジングの前記内部容積内の圧力を低下させる手段をさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記温度制御物質を供給し前記嚢より除去する手段をさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記温度制御物質が流体である、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
ハウジングが前記ハウジングの内部容積に配置された反応チャンバーを支持するために寸法取りされ、前記反応チャンバーが前記反応チャンバー内で内部容積を規定する熱伝導性の内面および外面を有し、前記内部容積が第１の温度にあり；且つ前記ハウジングが前記ハウジング内に配置された少なくとも１つの熱伝導性温度制御嚢をさらに含み、前記嚢が第２の温度にある温度制御物質を前記嚢内に収容し且つ前記嚢より前記温度制御物質を排出するために設計され；且つ前記温度制御物質を収容する際に前記嚢が拡張して前記反応チャンバーの前記外面の少なくとも一部と相当接触して前記温度制御物質と反応チャンバーの前記内部容積の間の熱交換を可能とするよう前記嚢がさらに設計された前記ハウジングを提供すること、
前記嚢の拡張を引き起こして前記嚢を前記反応チャンバーの前記外面の前記の少なくとも一部と相当に接触させて前記温度制御物質と反応チャンバーの前記内部容積との熱交換を可能とするために有効な条件下で前記温度制御物質を導入することを含む、容器の内部容積の温度を変化させるための方法。
【請求項１４】
前記反応チャンバーの前記内部容積の温度を前記の第１の温度から前記の第１の温度と前記の第２の温度の中間である少なくとも第３の温度まで変化させるのに十分な時間前記熱交換を維持するために前記嚢の拡張を維持することをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記の第３の温度が前記の第２の温度とほぼ等しい、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
物質を前記反応チャンバーの前記内部容積に導入することをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記物質の温度を第１の温度と前記第２の温度の中間にある第３の温度まで変化させるのに十分な時間前記嚢の前記拡張を維持することをさらに含む、請求項１６に記載の方法
【請求項１８】
前記の第３の温度が前記の第２の温度とほぼ等しい、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記物質がＰＣＲ反応物の混合物を含み、且つ前記第３の温度がＰＣＲ反応を誘発するために有効である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記温度制御物質を前記嚢内から抜き取ることにより前記反応チャンバーの前記外壁からの前記嚢の収縮を引き起こすことをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項２１】
前記収縮が前記温度制御流体と前記反応チャンバーの前記外壁の間の前記熱交換を減少させるために有効である、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記反応チャンバーの前記内部容積が前記第１の温度にほぼ等しい第４の温度に戻ることを可能にすることをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
内部容積が第１の温度にあり、反応チャンバー内で前記内部容積を規定する熱伝導性の内面および外面を有する前記反応チャンバー、および
熱伝導性温度制御嚢が第２の温度にある温度制御物質を前記嚢内に収容し且つ前記温度制御物質を前記嚢内から排出するために設計され；且つ前記温度制御物質を収容する際に前記嚢が拡張して前記反応チャンバーの前記外面の少なくとも一部と相当接触して前記温度制御物質と反応チャンバーの前記内部容積との熱交換を可能にするよう前記嚢がさらに設計された、前記反応チャンバーの近傍に配置された少なくとも１つの前記嚢を含む、化学反応を実施するための装置。
【請求項２４】
前記温度制御物質と前記反応チャンバーの前記内部容積の間の前記熱交換が前記反応チャンバーの前記内部容積の温度を前記の第１の温度から前記の第１と第２の温度の少なくとも中間にある第３の温度まで変化させるために有効である、請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
前記の第３の温度が前記の第２の温度とほぼ等しい、請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記温度制御物質と前記反応チャンバーの前記内部容積の間の前記熱交換が前記反応チャンバー内に収容される物質の温度を前記の第１の温度から前記の第１と第２の温度の少なくとも中間にある第３の温度まで変化させるために有効である、請求項２３に記載の装置。
【請求項２７】
前記の第３の温度が前記の第２の温度とほぼ等しい、請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記ハウジングの前記内部容積内に配置される前記反応チャンバーをさらに含む、請求項２４に記載の装置。
【請求項２９】
前記嚢が前記温度制御物質を収容するための入口および前記温度制御物質を排出するための出口を有する、請求項２４に記載の装置。
【請求項３０】
前記嚢が前記温度制御物質を前記嚢より排出する際に前記反応チャンバーの前記外面の前記の接触する前記の少なくとも一部から収縮することにより前記温度制御物質と前記反応チャンバーの前記内部容積の間の前記熱交換が少なくとも低下することが可能となるよう設計される、請求項２４に記載の装置。
【請求項３１】
前記温度制御物質と前記反応チャンバーの前記内部容積の間の前記熱交換の前記の低下が前記温度制御物質と前記反応チャンバーの前記内部容積の間の前記熱交換を相当阻止するために有効である、請求項３０に記載の装置。
【請求項３２】
前記ハウジングの前記内部容積内の圧力を低下させる手段をさらに含む、請求項２４に記載の装置。
【請求項３３】
前記温度制御物質を供給し前記嚢より除去する手段をさらに含む、請求項２４に記載の装置。
【請求項３４】
前記温度制御物質が流体である、請求項２４に記載の装置。
【請求項３５】
内部容積が第１の温度にあり；反応チャンバー内で前記内部容積を規定する熱伝導性の内面および外面、および前記反応チャンバーの近傍にある少なくとも１つの熱伝導性温度制御嚢を有し、前記嚢が第２の温度にある温度制御物質を前記嚢内に収容し且つ前記嚢より前記温度制御物質を排出するために設計され；且つ前記温度制御物質を収容する際に前記嚢が拡張して前記反応チャンバーの前記外面の少なくとも一部と相当接触して前記温度制御物質と反応チャンバーの前記内部容積の間の熱交換を可能とするよう前記嚢がさらに設計された前記反応チャンバーを提供すること、
前記嚢の拡張を引き起こして前記嚢を前記反応チャンバーの前記外面の前記の少なくとも一部と相当に接触させて前記温度制御物質と反応チャンバーの前記内部容積との熱交換を可能とするために有効な条件下で前記温度制御物質を導入することを含む、容器の内部容積の温度を変化させるための方法。
【請求項３６】
前記嚢の前記拡張を維持して前記反応チャンバーの前記内部容積の温度を少なくとも前記の第１の温度から前記の第１の温度および前記の第２の温度の中間にある第３の温度まで変化させるのに十分な時間前記熱交換を維持することをさらに含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記の第３の温度が前記の第２の温度とほぼ等しい、請求項３６に記載の装置。
【請求項３８】
物質を前記反応チャンバーの前記内部容積に導入することをさらに含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３９】
前記嚢の前記拡張を前記物質の温度を前記第１の温度と前記第２の温度の中間にある第３の温度まで変化させるのに十分な時間維持することをさらに含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記の第３の温度が前記の第２の温度とほぼ同じである、請求項３９に記載の装置。
【請求項４１】
前記物質がＰＣＲ反応物の混合物を含み、且つ前記第３の温度がＰＣＲ反応を誘発するために有効である、請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記温度制御物質を前記嚢内から抜き取ることにより前記嚢の前記反応チャンバーの前記外壁からの収縮を引き起こすことをさらに含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項４３】
前記収縮が前記温度制御流体と前記反応チャンバーの前記外壁の間の前記熱交換を減少させるために有効である、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
前記反応チャンバーの前記内部容積が前記第１の温度にほぼ等しい第４の温度に戻ることを可能にすることをさらに含む、請求項４３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学反応を実施するための装置、および具体的にはポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を実施するための自動化装置に関する。より具体的には、本発明は自動化ＰＣＲ装置において反応温度を制御するための方法および装置を提供する。本発明は、分析化学、分子生物学およびプロセス化学の分野における用途を有する。
【背景技術】
【０００２】
ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）は生化学研究施設の中心となっており、それには適切な理由がある：Ｔａｑポリメラーゼなどのポリメラーゼ酵素を用いてオリゴヌクレオチドを複製するこの洗練された方法は、バイオテクノロジー研究および製品の爆発的な発展における主要因となっている。当該プロセスおよびその応用は当業者に周知である（Ａｕｓｕｂｅｌ，Ｂｒｅｎｔ他、１９９２年）。簡単に言うと、ＰＣＲは単一コピーのオリゴヌクレオチドを相当高濃度に変換してさらなる操作または分析を可能にできるよう、オリゴヌクレオチド、特にＤＮＡの迅速な複製を可能にする。ＰＣＲ法は：標的オリゴヌクレオチドをサンプルから粗抽出物に移し；抽出液に様々な酵素、緩衝液、三リン酸エステル（ｄＮＴＰＳ）および相補的オリゴヌクレオチドプライマーを含んだ水溶液を加えて反応混合液を形成し；反応液の温度を２あるいは3種類の温度（例：９０℃〜９６℃、３７℃〜６５℃、および７２℃）の間で繰り返し循環して標的オリゴヌクレオチドの複製を可能とし；且つ増幅されたオリゴヌクレオチドを検出することを包含する。中間段階、たとえば反応生成物の精製および表面屈曲プライマー（surface-bending primers）の取り込みが含まれることもある。各サイクルは標的オリゴマー配列の数を倍増させる。ＰＣＲ技術によってオリゴヌクレオチドまたはオリゴリボヌクレオチド１分子を約１０６から１０９倍に増幅することができる。
【０００３】
遺伝情報は個体の識別あるいは生物の種類を確定するために使用することができ、またＰＣＲは非常に少量のサンプルから分析可能な量の遺伝子材料を生成することができるので、分析および司法における作業へのＰＣＲの応用を促進する多くの技術が存在する。特に、未確認の遺体および犯罪を特定するためのＰＣＲの利用は、法執行機関および軍隊で幅広く用いられる。国防および国内治安維持へのＰＣＲの応用も、能動的生物テロ防御開発の１分野である。また、医師および病院からの、医療における使用を目的としたポータブルＰＣＲ技術へのアクセスの要求が増加している。そのような用途の例には以下のものがある：
・上気道、腸、またはＳＴＤ感染症と関連した複合感染症についての血液、唾液あるいは尿サンプルのスクリーニング
・感染症が抗生物質に対して耐性であるか判定
・感染症がウイルス性かあるいは細菌性かの判定
・個人の薬物有害反応に対する感受性を特定
・癌の種類の診断（例：乳癌、前立腺癌、卵巣癌、膵臓癌）
・個人のアルツハイマー病の素因を特定
【０００４】
これらの応用は、低濃度サンプルを遠隔地の現場で処理して研究者および医療従事者に分析データを提供することのできる自動化ＰＣＲ装置への大きな需要を作り出している。
【０００５】
上述のように、ＰＣＲプロセス実施の際の基本的な操作は、熱循環、すなわち反応温度の上昇および低下によって増幅プロセスを可能にすることであって、反応混合液の温度を約６０℃と約９５℃の間で５０回以上も変化させる。熱循環は：サンプルを第１の温度まで加熱；サンプルを第１の温度で維持；サンプルをより低い温度まで冷却；および温度をそのより低い温度で維持する４区分を典型的に有する。従来のＰＣＲ機器は、典型的にはサンプルおよびアンプリケーションに必要な試薬を収容する９６個もの円錐形反応管を保持するアルミニウムブロックを用いる。ＰＣＲアンプリケーションプロセス時は、多くの場合ペルティエ加熱／冷却装置、またはアルミニウムブロック内に切削された流路内を流れるクローズドループ液体加熱／冷却システムのいずれかを用いてブロックを加熱および冷却する。しかし、アルミニウムブロックの大きな質量およびアルミニウムの伝導性によって、加熱率および冷却率が１℃／分に制限され；そのため５０サイクルのＰＣＲ増幅プロセスは少なくとも約２時間を要する。
【０００６】
さらに、アルミニウムブロックの冷却率は加熱率を大きく下回る。加熱率と冷却率の非対称性により、ＰＣＲプロセスの効率が低下する。たとえば、最高温度と最低温度の間の温度で望ましくない副反応が発生し、いわゆる「プライマー二量体」および所望のＰＣＲ反応に必要な試薬を消費する異常アンプリコンなどの望ましくないＤＮＡ生成物を生じることがある。その他のプロセス、たとえばリガンド結合（器質的あるいは酵素的）も、分析を劣化させる事の多い不均一な温度の下での望ましくない副反応に悩まされる。これらの理由により、ＰＣＲプロセスおよび同様の生化学反応プロセスの最適化には、所望の至適反応温度にできるだけ迅速に到達し、中間温度で経過する時間を最小限とすることが必要となる。したがって、反応物を収容する反応容器は、加熱率および冷却率を最適化し、即時的光学的照合を可能とし、多様なサンプル容積を許容するよう設計しなければならない。
【０００７】
１つの自動化ＰＣＲシステムは、モジュラー手法を用いて熱循環および３０回の分析を行う装置を記載した米国特許第５，５８９，１３６号（Ｎｏｒｔｈｒｕｐ，Ｒａｙｍｏｎｄ  Ｐ．Ｍａｒｉｅｌｌａ  ｅｔ．ａｌ．１９９６）に開示されたＭＡＴＣＩ装置である：各反応はそれ自体の熱循環スリーブ内で実施し、また各スリーブはそれ自体に付属した励起光源および蛍光検出器を有する。熱循環スリーブの熱的質量は低いため、ＭＡＴＣＩ装置は非常に速い熱循環を実現することができ、サンプルは最大３０℃／秒の速度で加熱することができ、また５℃／秒もの速度で冷却することができる。他の２つの市販のシステムはＧｅｎｅＸｐｅｒｔ（Ｃｅｐｈｅｉｄ，Ｓｕｎｎｙｖａｌｅ，ＣＡ）およびＲａｚｏｒ（Ｉｄａｈｏ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｉｎｃ．）の商品名で販売され、加圧下で拡張して、機器内に位置する固形ヒーターと密に接触する柔軟性のチャンバーをそれぞれ収容するディスポーザブル液体カートリッジを用いる（Ｐｅｔｅｒｓｅｎ，ＭｃＭｉｌｌａｎ  ｅｔ．ａｌ．１９９９）。Ｒａｚｏｒは、柔軟性の液体袋および袋内で反応スラグを移動させる駆動器を用い；袋の反応領域の壁は２つの固形ヒーターと密に接触する。いずれの場合も、ヒーターは固形であり、ディスポーザブルカートリッジまたは袋は、ヒーターと熱的に接触する薄い柔軟性の壁をそれぞれ有する１つあるいはそれ以上の反応領域を含む。さらに、Ａｋｏｎｎｉ  Ｂｉｏｓｙｓｔｅｍｓ（Ｆｒｅｄｅｒｉｃｋｓｂｕｒｇ，ＭＤ）よりＴｗＤｉａｇｎｏｓｉｓ（登録商標）およびＴｒｕＡｒｒａｙ（登録商標）の商品名で市販されている他の技術は、指の爪の大きさのマイクロアレイに配列された数百種類の分子バイオセンサーを用いて、サンプルを数百種類の疾患マーカーについて迅速に同時スクリーニングする。サンプルは、微小液体流路を用いてアレイを通過して移送される。Ａｋｏｎｎｉ技術は３０分未満で正確な診断結果を提供し、情報を得た正しいタイミングでの治療上の意思決定を支援する。
【０００８】
しかしながら、熱循環を取り扱う現行の方法は制限され、必要とされる、機器ハードウェアとの十分な熱的接触を作り出すディスポーザブル構成要素の柔軟性に依存する。特に、特別な反応チャンバー材料に依存することなく所望のサイクル性能を提供する方法および装置は、経費の削減および効率の向上の見込みをもたらす。本発明はこれらのおよびその他のニーズを満たす。
【０００９】
以下の参照文献は、それぞれその全文があらゆる目的で本明細書に組み入れられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第５，５８９，１３６号（Ｎｏｒｔｈｒｕｐ，Ｍ．Ａ．，Ｒａｙｍｏｎｄ  Ｐ．Ｍａｒｉｅｌｌａ，Ｊ．，ｅｌ．ａｌ．（１９９６）．Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｂａｓｅｄ  Ｓｌｅｅｖｅ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  ｆｏｒ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｒｅａｃｔｉｏｎｓ）
【特許文献２】米国特許第５，９５８，３４９号（Ｐｅｔｅｒｓｅｎ，Ｋ．Ｅ．，ＭｃＭｉｌｌａｎ，Ｗ．Ａ．，ｅｌ．ａｔ．（１９９９）．Ｒｅａｃｕｏｎ  Ｖｅｓｓｅｌ  ｆｏｒ  Ｈｅａｔ  Ｅｘｃｈａｎｇｉｎｇ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ．）
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Ａｕｓｕｂｅｌ，Ｆ．Ｍ．，Ｂｒｅｎｔ，Ｒ．，ｅｔ．ａｌ．，Ｅｄｓ．（１９９２）．Ｓｈｏｒｔ  Ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ  ｉｎ  Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｉｏｌｏｇｙ．Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ  ｉｎ  Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｉｏｌｏｇｙ．Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ  ＆  Ｓｏｎｓ．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、その中で制御された温度の下で化学試薬を合成して反応生成物を生成する反応容器などの、容器の温度を制御するための方法および装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、第１の態様において化学反応を実施するための装置を提供する。本発明によって提供される装置は、１つの実施形態においてハウジングの内部容積内に配置される反応チャンバーを支持するよう寸法取りされた（dimensioned）ハウジングを含む。反応チャンバーは、第１の温度においてその中で内部容積を規定する熱伝導性の内面および外面を有する。装置は、その中に配置された少なくとも１つの熱伝導性温度制御嚢（bladder）も有し、嚢は第２の温度にある温度制御物質を嚢内に収容し温度制御物質を嚢より排出する。嚢は、温度制御物質を収容する際に、嚢が拡張して反応チャンバーの外面の少なくとも一部と相当接触（実質的に接触）し、温度制御物質と反応チャンバーの内部容積との熱交換を可能とするようさらに設計されている。
【００１４】
いくつかの実施形態においては、温度制御物質と反応チャンバーの内部容積の間の前述の熱交換は、反応チャンバーの内部容積の温度を第１の温度から第１の温度と第２の温度の少なくとも中間である第３の温度まで変化させるために有効である。より具体的な実施形態においては、温度制御物質と反応チャンバーの内部容積の間の熱交換は、反応チャンバー内に収容された物質の温度を第１の温度から第１の温度と第２の温度の少なくとも中間である第３の温度まで変化させるために有効である。
【００１５】
本発明は、第２の態様において容器の内部容積の温度を変化させる方法を提供する。本発明の方法は、ハウジングの内部容積内に配置された反応チャンバーを支持するために寸法取りされ、反応チャンバーが第１の温度において内部容積を規定する熱伝導性の内面および外面を有するハウジングを提供することを含む。ハウジングは、第２の温度にある温度制御物質を熱伝導性温度制御嚢内に収容し且つ温度制御物質を嚢より排出するために設計され、ハウジング内に配置された少なくとも１つの嚢をさらに含む。嚢は、温度制御物質を収容する際に嚢が拡張して反応チャンバーの外面の少なくとも一部と相当に接触し、温度制御物質と反応チャンバーの内部容積との熱交換を可能とするようさらに設計されている。方法は、嚢の拡張を引き起こして嚢を反応チャンバーの外面の少なくとも一部と相当に接触させ、温度制御物質と反応チャンバーの内部容積との熱交換を可能とするために有効な条件下で温度制御物質を導入することをさらに含む。
【００１６】
いくつかの実施形態においては、温度制御物質と反応チャンバーの内部容積の間の前述の熱交換は、反応チャンバーの内部容積の温度を第１の温度から第１の温度と第２の温度の少なくとも中間である第３の温度まで変化させるために有効である。より具体的な実施形態においては、温度制御物質と反応チャンバーの内部容積の間の熱交換は、反応チャンバー内に収容された物質の温度を第１の温度から第１の温度と第２の温度の少なくとも中間である第３の温度まで変化させるために有効である。
【００１７】
他の実施形態においては、方法は物質を反応チャンバーの内部容積に導入することを含む。さらに他の実施形態は、物質の温度を第１の温度と第２の温度の中間にある第３の温度まで変化させるのに十分な時間嚢の拡張を維持することを含む。さらに他の実施形態では、第３の温度は第２の温度とほぼ等しい。さらに他の実施形態では、物質はＰＣＲ反応物の混合物を含み、また第３の温度はＰＣＲ反応を誘発するために有効である。
【００１８】
他の態様においては、本発明は第１の温度において反応チャンバー内で内部容積を規定する熱伝導性の内面および外面を有する反応チャンバーを含む、化学反応を実施するための装置を提供する。装置は、反応チャンバーに隣接して配置された少なくとも１つの熱伝導性温度制御嚢を含み、嚢は第２の温度にある温度制御物質を嚢内に収容し且つ温度制御物質を嚢から排出するために設計され；且つ嚢は嚢内に温度制御物質を収容する際に嚢が拡張して反応チャンバーの外面の少なくとも一部と相当接触して温度制御物質と反応チャンバーの内部容積との熱交換を可能にするようさらに設計された嚢も含む。
【００１９】
さらに他の態様においては、本発明は第１の温度において反応チャンバー内で内部容積を規定する熱伝導性の内面および外面を有する反応チャンバーを提供することを含む、容器の内部容積の温度を変化させるための方法を提供する。また、第２の温度にある温度制御物質を熱伝導性温度制御嚢内に収容し且つ温度制御物質を嚢より排出するために設計された、反応チャンバーに隣接する少なくとも１つの嚢も提供する。嚢は、温度制御物質を収容する際に嚢が拡張して反応チャンバーの外面の少なくとも一部と相当に接触し、温度制御物質と反応チャンバーの内部容積との熱交換を可能とするようさらに設計されている。方法は、嚢の拡張を引き起こして嚢を反応チャンバーの外面の少なくとも一部と相当に接触させ、温度制御物質と反応チャンバーの内部容積との熱交換を可能とするために有効な条件下で温度制御物質を導入することをさらに含む。 
【００２０】
これらおよびその他の態様および利点は、以下の発明を実施するための形態を付属の図面と共に読むとき明らかになるであろう。
【００２１】
図１Ａ、１Ｂおよび１Ｃは本発明に準拠した装置の１つの実施形態を図示する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１Ａ】そのような装置の部分破断図である。
【図１Ｂ】嚢が相当収縮した状態にあるそのような装置の内部の上面破断図である。
【図１Ｃ】嚢が反応容器に熱的接触を提供する相当拡張した状態にある、そのような装置の内部の上面破断図である。
【図２】複数の嚢の組を含む本発明に準拠した装置の他の実施形態の部分破断図である。
【図３】発明の実施形態の１例を示す模式図である。
【図４】図３に例示された実施形態について加熱および冷却を時間の関数として示すグラフである。
【図５】図３に例示された実施形態について加熱および冷却を時間の関数として示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の第１の態様は、規定された容積の温度を制御するための装置を提供する。１つの実施形態においては、規定された容積は化学反応物を保持し、およびその中で制御された温度で化学反応を実施するために設計された反応チャンバーである。図１Ａ（１０００）に示すより具体的な実施形態では、本発明によって提供される装置はハウジング（１００４）を含む。ハウジングは、当業者に周知の材料および設計により構築することができる。そのような材料の例にはプラスチック、金属、セラミック、複合材などが含まれるが、制限はない。ハウジングの実施形態の例には、ハウジングが軽量構造である（例：薄型プラスチック）、密封される（例：有害化学物質および生物学的物質などの有害物質の収容のためなど）、あるいは内部空間の真空を維持することができるものを含む。したがって、いくつかの実施形態においては、ハウジングは減圧する（すなわち真空化する）ための手段をハウジング内（すなわち内部空間１０１２）に含み；また他の実施形態においては、ハウジングは試薬を加えるための１つあるいはそれ以上の入口あるいはポートを含む。ハウジングは、センサー、反応物サプライおよび当業者に周知の他の構成要素を含むこともある。さらに多くの設計および規格が当業者に周知となるであろう。材料および設計の具体的な選択は、当業者に理解されると思われる装置の予測された機能および操作条件に依存するであろう。
【００２４】
装置（１０００）は、さらにハウジングの内部空間（１０１２）に配置された反応チャンバー（１００８）を含む。図１Ｂおよび１Ｃに示すように、反応チャンバーは、反応チャンバー内の内部容積（１０２４）を規定する熱伝導性の外壁（１０１６）および熱伝導性の内壁（１０２０）を含む。反応チャンバーは、当業者に周知の材料および設計によって構築することができる。このような材料の例にはプラスチック、金属、セラミック、複合材などが含まれるが、制限はない。実施形態の例には、その中で反応チャンバーが軽量構造である（例：薄型プラスチック）、密封される（例：２０種類の有害化学物質および生物学的物質などの有害物質を収容するためなど）、あるいは真空を保つことができるものを含む。いくつかの実施形態においては、反応チャンバーは単一の材料混合物を保持するよう設計され；且つより具体的な実施形態においては、閉鎖系を作成するためのキャップあるいは他の封を含む。他の実施形態においては、反応チャンバーは、その中を材料混合物が一般に「スラグ」と呼ばれる規定された共通性のない容積で移動するほぼ管状の設計を有する（図２を参照）。さらに多くの設計および規格が当業者に周知となるであろう。たとえば、反応チャンバーは試薬を添加または反応生成物を除去するための１つまたはそれ以上の入口またはポート、内部センサー、および外部センサー用の窓を含むことがある。材料および設計の具体的な選択は、当業者に理解されると思われる装置の予測された機能および操作条件に依存するであろう。
【００２５】
図１Ａに戻ると、ハウジングの内部には、反応チャンバーに近接して配置され、反応チャンバーの内部容積（１０２４）の温度を制御、調節またはそうでなければ変化させるために設計された１つあるいはそれ以上の温度制御袋または温度制御嚢（１０２８）も配置されている。袋または嚢は、当業者に理解されるような適切な機械的および熱的性質を有する材料より構成される。適切な材料の例には、シリコン、ラテックス、マイラー、ポリウレタン、ポリプロピレン、およびポリエチレンが含まれるが、これに限定されない。他の実施形態においては、上述の嚢は抵抗またはペルティエヒーターなどの熱源によって加熱されるゲル材料を含む。各嚢は、嚢１０２８の中空空間（１０４０、図ＩＢ参照）内に、たとえば図１の１０２８および１０３２にそれぞれ示すような入口をおよび出口を経て導入された、制御された温度にある液状物あるいは気体などの温度制御材料を受容するために設計される（図１Ｃの１０３６に示す）。温度制御物質は、オペレーターがそこから温度制御物質の温度を変化させることのできるレザバーまたは他の貯蔵場所に貯蔵することができる。他の実施形態においては、導入後に温度制御物質を嚢から抜き取ることは、上記の熱交換を低下させ、または任意に防止することにより嚢を上記の非係合状態に戻すために有効である。したがって、温度制御物質を導入および抜き取ることにより、内部容積の温度は制御された状態で調節することができる。１つの実施形態においては、温度制御材料は水であり、且つ嚢は、所望の温度にある水を嚢に提供することのできる水流回路に接続される。適切な温度制御材料、このような材料の温度を調節するための手段、およびそのような材料を袋あるいは嚢に導入、およびそこから抜き取るための手段も当業者に周知である。
【００２６】
１つの実施形態においては、温度制御材料の嚢への導入は、ほとんど接触していない非係合位置（図１Ｂ参照）から反応チャンバーの外壁（１０１６）の少なくとも一部に相当接触する係合位置までの嚢の拡張（図１Ｃ参照）を誘発し、それによって嚢と反応チャンバーの壁を経た温度制御材料と反応チャンバーの内部容積（１０２４）の間の熱交換を提供するために有効である。したがって、１つの実施形態においては、反応チャンバーの内部容積が第１の温度にあり、温度制御材料が第２の温度にあり、且つこの２つの間の熱的接触は、反応チャンバーの内部容積の温度を第１の温度から第１の温度と第２の温度の少なくとも中間にある第３の温度まで変化させるために有効である。より具体的な実施形態では、第３の温度は第２の温度とほぼ同じである。より具体的な実施形態では、反応チャンバーの内部容積は反応物の混合物または分析物などの物質を含み、上記の熱交換の前は第１の温度とほぼ等しい温度にあり、このような熱交換の後には第３の温度とほぼ等しい温度となる。内部容積が物質を収容するより具体的な実施形態では、第３の温度は第２の温度にほぼ等しい。
【００２７】
１つ、２つあるいはそれ以上の袋または嚢は、図２の（２０００）に示すように、本明細書が提供する記載の類推によって反応チャンバーの近傍に配置することができる。その図では、上述のようなハウジング（２００４）は、反応チャンバー内を通って輸送され、反応チャンバー（２０１４）の内面と接触する一連の反応物スラグ（２００９，２０１０，２０１１）を保持する反応チャンバー（２００８）を含む。反応チャンバーの反対側と対になって配置され、上記のように作動する入口（２０１７）および出口（２０１８）と接続された２組の温度制御袋または嚢（２０１６，２０２０）が、反応チャンバーの近傍に隣接する。１つの実施形態においては、スラグは反応チャンバーの内部容積を経て輸送され、その上で１つまたはそれ以上の嚢が反応チャンバー（２０３８）の外壁と係合する規定された位置で停止して、上述のような熱交換によってスラグの温度を調節する。嚢は、全ての嚢によってほぼ等しい熱交換を提供するために単一温度の温度制御物質によって満たされてもよく、あるいは各嚢が異なる温度の温度制御物質を保持することができる。いくつかの実施形態においては、各嚢が異なる温度制御物質を保持して異なる熱交換特性を提供することもできる。
【００２８】
他の実施形態においては、反応チャンバーの内部容積に収容される物質（１つあるいはそれ以上のスラグの形態でもよい）は、ＰＣＲ反応を実施するための試薬混合物である。より具体的な実施形態においては、反応チャンバーは、市販されているような、ＰＣＲ試薬を保持するディスポーザブル分析カートリッジである。より具体的な実施形態においては、反応カートリッジはハウジングに挿入され、温度制御物質が嚢に導入され、それによって拡張してカートリッジを保持し、反応物を事前に定める時間加熱する。温度制御物質は選択された時間に取り出され、嚢が収縮してさらなる熱交換が低下するかまたは抑制される。この非係合配置は、規定の時間維持し、その後、嚢が再度拡張して反応物を以前の温度、または任意に他の温度とすることができる。一定温度の、あるいは温度が変動する温度制御物質を用いた係合と非係合の連続相を実施して、規定された時間−温度サイクルを実施することができる。このような熱循環は当業者に周知となるであろう。
【００２９】
１つの具体的な実施形態は、１つのオリゴマーのＰＣＲ増幅のための反応物を収容する単一の静的反応チャンバーを含む。１つあるいはそれ以上の嚢を反応チャンバーと接触させ、それぞれの嚢は同じ循環温度制御物質を収容する。バルブによって、温度が異なる２つあるいはそれ以上の温度制御物質のレザバーからの温度制御物質の進路を変更し、嚢内の温度制御流体を交換することによってＰＣＲ混合物を異なる温度とすることができる。熱循環中、９５℃の温度制御物質が嚢内に循環して加熱し、それによってオリゴマーを変性させ、その後取り出される。次に、６０℃の温度制御物質が嚢内に循環してプライマーが加水分解し、延長してＰＣＲ増幅生成物を生成することを可能とする。この連鎖を約３０から５０サイクルまで実施する。
【００３０】
他の実施形態においては、２つの嚢が単一の反応チャンバーと接触させられ、各嚢は温度が異なる（例：１つは９５℃、もう一方は６０℃）循環温度制御物質を収容する。上述のような嚢の拡張および収縮は、どちらの嚢が反応チャンバーまたは流路と接触するかを決定する。さらに他の実施形態においては、単一の反応チャンバーが単一の流路に２つあるいはそれ以上の反応領域を有する。各領域は各嚢と連結し；さらに各嚢は、たとえばそれぞれ９５℃と６０℃のように異なる温度にある。反応スラグは温度領域間を前後に移動して、所望の熱循環を作り出す。（上記の図２を参照。）
【００３１】
他の実施形態においては、１つあるいはそれ以上の上述の嚢を抵抗ヒーター、ペルティエ、または温度制御空気を単一であるいは組み合わせて置き換える。
【００３２】
他の実施形態においては、上記の反応チャンバーは各マイクロアレイスポットに固定化されたプライマーを有するマイクロアレイに置き換えられる。 
【実施例】
【００３３】
図３は、発明の１つの実施形態の模式図（３０００）を提供する。当業者が理解すると思われるような標準的構成のポンプ（３００２）を、当業者に既知の材料を用いて製造される熱交換器（３００６）を通って水を運搬した流出ライン（３００４）に接続した。熱交換器からの流出ライン（３００８）は、水を約９５℃に加熱するよう設定された第１のヒーター（３０１０）に水を運んだ。次に水は、第２の嚢（３０２２）に連結された第２の嚢支持体（３０２０）とほぼ対面に配置され、第１の嚢（３０１８）に連結された第１の嚢支持体（３０１６）を含む嚢ユニット（３０１４）に流路を分割する枝管（３０１２）を通過する。嚢ユニット（３０１４）を出る水は、第２の枝管（３０２４）により再合流して単一の流路となった後、水を約６５℃に加熱するよう設計された第２のヒーター（３０２６）に流入する。復流路（３０２８）は水をポンプに戻す。各嚢は５ミリリットル（ｍＬ）の容量を有し、各ヒーターは２２ｍＬを保持することが可能であり、また熱交換器は５から２２ｍＬを保持することが可能である。水を各ヒーターおよび熱交換器から可逆的に循環させることにより、嚢は嚢ユニット内に保持されたサンプルの温度を基準開始温度である６５℃と９５℃の間で循環させることができる。
【００３４】
図３に関して記載された装置の性能を図４に示す。この場合、初期温度の水は約３から４秒間で６５℃に加熱され（すなわち、約９．８℃／秒の加熱率で加熱）、約１分間この温度で維持され、５秒間で再度開始温度まで冷却され（すなわち７７℃／秒の冷却率）、その後１０秒間で約９５℃まで加熱され、その温度で約７５秒〜８０秒間保持された後、約４０℃まで冷却される。
【００３５】
図３に関して記載された装置の性能の第２の例を図５に示す。その場合、反応チャンバー内の水は一対の嚢内に保持されて９５℃まで加熱され、この温度で少なくとも１０秒間保持された後、２秒間で約６５℃まで再び冷却され（すなわち約１５℃／秒の冷却率）、この温度で約２５秒間保持され、約３秒間で約９５℃まで加熱され（すなわち、約１０℃／秒の加熱率）、この温度で約１分間保持され、約３秒間で再度約６５℃まで冷却され、その温度で約２５秒間保持される。加熱および冷却のサイクルは、以下に記載および提示されるように反復される：
【００３６】
上述の発明の操作方法の実施形態の例においては、オペレーターはＰＣＲ増幅用サンプルをディスポーザブルカートリッジ反応チャンバー内に留置する。カートリッジは機器内に装填され、弛緩した、すなわち係合を解除された嚢と同一線上に配置される。機器の操作を開始し、嚢に循環温度制御流体を装填する。流体レザバーは、サンプルが処理されている間に加熱を開始して操作温度に達する。処理されたサンプルはカートリッジ上でＰＣＲ試薬と混合され、混合物はＰＣＲ反応チャンバーに移動する。カートリッジ反応チャンバー内で温度の異なる（例：９５℃および６０℃）２つの液体レザバーのバルブを制御することにより、温度循環を実施する。この温度循環を約３０から４５サイクルまで続ける。所望のＰＣＲ生成物を含有する反応混合物は、次にマイクロアレイ構成要素に移動する。機器の操作が終了したならば、嚢を排液し、これにより加圧を解除して以後カートリッジと接触しないようにする。次に、カートリッジを機器より取り出す。
【００３７】
（結論）
このように、本発明は反応チャンバー、および特にＰＣＲ反応を実施するために用いられる反応チャンバーの温度を調節するための重要な装置および方法を提供することがわかるであろう。本明細書に記載の装置および方法によって提供される利点の例は以下のものを含むが、これに限定されない：
・嚢は、カートリッジ内の効率的で再現可能な熱循環を目的とした、簡便な液体を用いたディスポーザブルカートリッジへの熱移動を可能とする。
・嚢が収縮するため、反応チャンバーを収容するディスポーザブルカートリッジを容易に挿入することができる。
・嚢を使用することにより、ディスポーザブルカートリッジと循環液が相互連結することを回避できる。
【００３８】
本明細書には多様な具体的実施形態および実施例が記載されているものの、当業者は発明の多くの異なる実践が、本開示の趣旨および範囲を逸脱することなく到達可能であることを理解するであろう。たとえば、単一のソフトウェアモジュールまたは２つ以上のソフトウェアモジュールを用いて、暗号化および解読を実施することができる。本明細書に記載のモジュールは、多様な技術を用いて実践することが可能であり、操作システムの一部、更にはプラグインとすることができる。さらに他の変法が当業者に周知となるであろう。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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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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【国際調査報告】
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