(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応混合物を保持するためのチャンバを有する反応容器の中に入れられた上記反応混合物に、光学的に応答指示信号を送るための装置において、
ａ）    i）  励起光線を上記チャンバに送るための少なくとも２つの光源と、
ii）  上記チャンバに送られた上記励起光線の各々が実質的に異なる励起波長範囲を有するように上記励起光線を濾光するための第１組のフィルタと、
iii）  上記光源と上記第１組のフィルタとが第１ハウジングにしっかりと固定されて、上記光源と上記第１組のフィルタとを保持するための上記第１ハウジングとを
備えた第１光学アセンブリと、
ｂ）      i）  上記チャンバから放出された光を、それぞれ少なくとも２つの放出波長範囲において検出するための少なくとも２つの検出器と、
ii）  上記チャンバから放出された上記光を上記それぞれの放出波長範囲内に分離するための第２組のフィルタと、
iii）  上記検出器と上記第２組のフィルタとがしっかりと第２ハウジングに固定されて、記検出器と上記第２組のフィルタとを保持するための上記第２ハウジングとを
備えた第２光学アセンブリとを
備えていることを特徴とする装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、上記第１光学アセンブリは、少なくとも４つの励起波長範囲において上記励起光線を送るために上記第１組のフィルタと共に配置された少なくとも４つの光源を含み、上記第２光学アセンブリは、少なくとも４つの放出波長範囲において上記放出された光を検出するために第２組のフィルタと共に配置された少なくとも４つの検出器を含んでいることを特徴とする装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装置において、上記容器は、上記チャンバを形成する少なくとも第１と第２の光学的に透過な壁を含み、上記装置は上記容器の上記チャンバを収容するスロットを含み、上記第１と上記第２の光学アセンブリは、上記容器が上記スロット内に設置されたとき、上記第１と上記第２の光学アセンブリがそれぞれ上記第１と上記第２の光学的に透過な壁と光学的に情報伝達するように、配置されていることを特徴とする装置。
【請求項４】
請求項３に記載の装置において、
ａ）  間に上記スロットを形成している対向するプレートと、
ｂ）  上記プレートの内の少なくとも１つに結合された加熱要素とを
さらに備えていることを特徴とする装置。
【請求項５】
請求項４に記載の装置において、上記プレートと上記加熱要素と上記光学アセンブリとは熱交換モジュールに組み込まれ、上記装置はこのような複数の熱交換モジュールを収容し制御するための基本機器をさらに備えていることを特徴とする装置。
【請求項６】
請求項１に記載の装置において、上記第１ハウジングは少なくとも１つの光学的窓を有し、上記励起光線は上記光学的窓を通して送られ、上記第１光学アセンブリは上記励起光線の焦点を合わせるために上記光学的窓に配置されたレンズをさらに備えていることを特徴とする装置。
【請求項７】
請求項１に記載の装置において、上記第２ハウジングは少なくとも１つの光学的窓を有し、上記チャンバから放出された光は上記光学的窓を通して受け取られ、上記第２光学アセンブリは上記チャンバから放出された上記光を視準するために上記光学的窓に配置されたレンズをさらに備えていることを特徴とする装置。
【請求項８】
請求項１に記載の装置において、上記光学アセンブリの動作を制御するために制御装置をさらに備え、上記制御装置は、上記検出器からの出力信号を反応混合物内の染料標識分析物の濃度を示す値に変換するために、較正マトリックスを使用するようにプログラムされていることを特徴とする装置。
【請求項９】
請求項１に記載の装置において、上記光学アセンブリの動作を制御するために制御装置をさらに備え、上記励起波長範囲の少なくとも１つは、上記放出波長範囲の１つと重複し、上記制御装置は、上記重複した放出波長範囲の光を受信する上記検出器からの較正信号を受信するように、また、上記較正信号に依存して上記検出器から受け取った２次出力信号を調整するように、プログラムされていることを特徴とする装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の装置において、上記容器は上記チャンバを形成する少なくとも第１と第２の光学的に透過な壁を含み、上記第１と上記第２の光学的に透過な壁は、互いに約９０度の角度だけオフセットされていて、上記光学アセンブリは、上記第１の光学的に透過な壁を通って上記容器に入る各励起光線の経路と上記第２の光学的に透過な壁を通って検出される放出光の経路との間が約９０度の角度となるように、配置されていることを特徴とする装置。
【請求項１１】
反応混合物に応答指令信号を光学的に送る装置において、
ａ）  上記混合物を保持するためのチャンバを有する反応容器であって、上記チャンバを形成する少なくとも第１と第２の光学的に透過な壁を含んでいる上記反応容器と、
ｂ）  上記第１の光学的に透過な壁を通って上記反応混合物に励起光線を送るための少なくとも２つの光源と、
ｃ）  上記反応混合物に送られる上記光線の各々が実質的に異なる励起波長範囲を持つように、上記励起光線を濾光するための第１組のフィルタと、
ｄ）  上記第２の光学的に透過な壁を通って上記チャンバから放出された光をそれぞれ少なくとも２つの放出波長範囲において検出するための少なくとも２つの検出器と、
ｅ）  上記第２の光学的に透過な壁を通って上記チャンバから放出される上記光を上記それぞれの放出波長範囲に分離するための第２組のフィルタとを
備えていることを特徴とする装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の装置において、
ａ）  少なくとも４つの励起波長範囲における上記励起光線を送るために上記第１組のフィルタと共に配置された少なくとも４つの光源と、
ｂ）  少なくとも４つの放出波長範囲における上記放出された光を検出するために上記第２組のフィルタと共に配置された少なくとも４つの検出器とを
含んでいることを特徴とする装置。
【請求項１３】
請求項１１に記載の装置において、
ａ）  間に上記容器の上記チャンバを収容するために配置された対向するプレートと、
ｂ）  上記プレートの少なくとも１つに結合された加熱要素とを
さらに備えていることを特徴とする装置。
【請求項１４】
請求項１１に記載の装置において、
ａ）  上記光源と上記第１組のフィルタとを保持するための第１ハウジングであって、上記光源と上記第１組のフィルタとは上記第１ハウジングにしっかりと固定されている上記第１ハウジングと、
ｂ）  上記検出器と上記第２組のフィルタとを保持するための第２ハウジングであって、上記検出器と上記第２組のフィルタとは上記第２ハウジングにしっかりと固定されている上記第２ハウジングとを
さらに備えていることを特徴とする装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の装置において、上記第１ハウジングは少なくとも１つの光学的窓を有し、上記光学的窓を通して上記励起光線が送られ、上記装置は上記励起光線の焦点を合わせるために上記光学的窓に配置されたレンズをさらに備えていることを特徴とする装置。
【請求項１６】
請求項１４に記載の装置において、上記第２ハウジングは少なくとも１つの光学的窓を有し、上記光学的窓を通して上記チャンバから放出された光が受け取られ、上記装置は上記チャンバから放出された上記光を視準するために上記光学的窓に配置されたレンズをさらに備えていることを特徴とする装置。
【請求項１７】
請求項１１に記載の装置において、上記光源と上記検出器の動作を制御するために制御装置をさらに備え、上記制御装置は、上記検出器からの出力信号を上記反応混合物内の染料標識分析物の濃度を示す値に変換するために、較正マトリックスを使用するようにプログラムされていることを特徴とする装置。
【請求項１８】
請求項１１に記載の装置において、上記光源と上記検出器の動作を制御するために制御装置をさらに備え、上記励起波長範囲の少なくとも１つは上記放出波長範囲の１つに重複し、上記制御装置は、上記重複した放出波長範囲の光を受信する上記検出器から較正信号を受信するように、また、上記較正信号に依存して上記検出器から受け取った２次出力信号を調整するように、プログラムされていることを特徴とする装置。
【請求項１９】
請求項１１に記載の装置において、上記第１と上記第２の光学的に透過な壁は、互いに約９０度の角度だけオフセットされていて、上記光源と上記フィルタと上記検出器とは、上記第１の光学的に透過な壁を通って上記容器に入る各励起光線の経路と上記第２の光学的に透過な壁を通って上記検出された放出光の経路との間が約９０度の角度となるように、配置されていることを特徴とする装置。
【請求項２０】
請求項１１に記載の装置において、上記チャンバの厚みは５ｍｍ未満であり、上記チャンバの幅と上記チャンバの厚みの比は、少なくとも２：１であることを特徴とする装置。
【請求項２１】
反応混合物を保持するためのチャンバを有する反応容器の中に入れられた上記反応混合物に、光学的に応答指示信号を送るための装置において、
ａ）    i）  少なくとも第１光学的窓を有する第１ハウジングと、
ii）  上記第１光学的窓を通って第１励起光線を上記チャンバに送るために上記第１ハウジングにしっかりと固定された第１光源と、
iii）  上記チャンバから放出された光を検出するために上記第１ハウジングにしっかりと固定された第１検出器と、
iv）  第１励起波長範囲以外にある上記第１励起光線の部分を濾光するために、また、第１放出波長範囲以外にある上記放出された光の部分を濾光するために、また、上記第１放出波長範囲内の光を上記第１検出器に方向付けるために、上記第１ハウジングにしっかりと固定されている第１組のフィルタとを
備えた第１光学アセンブリと、
ｂ）      i）  少なくとも第２光学的窓を有する第２ハウジングと、
ii）  上記第２光学的窓を通して上記チャンバに第２励起光線を送るために、上記第２ハウジングにしっかりと固定された第２光源と、
iii）  上記チャンバから放出された光を検出するために上記第２ハウジングにしっかりと固定された第２検出器と、
iv）  上記第１励起波長範囲と異なる第２励起波長範囲以外にある上記第２励起光線の部分を濾光するために、また、上記第１放出波長範囲と異なる第２放出波長範囲以外にある上記放出された光の部分を濾光するために、また、上記第２放出波長範囲における光を上記第２検出器に方向付けるために、上記第２ハウジングにしっかりと固定された第２組のフィルタとを
備えた第２光学アセンブリとを
備えていることを特徴とする装置。
【請求項２２】
請求項２１に記載の装置において、上記第１光学アセンブリは上記第１ハウジングにしっかりと固定された第３検出器をさらに含み、上記第１組のフィルタは、上記第１と上記第２の放出波長範囲と異なる第３の放出波長範囲以外にある上記放出された光の部分を濾光するために、また、上記第３放出波長範囲内の光を上記第３検出器に方向付けために、少なくとも１つのフィルタを含んでいることを特徴とする装置。
【請求項２３】
請求項２２に記載の装置において、上記第２光学アセンブリは上記第２ハウジングにしっかりと固定された第４検出器をさらに含み、上記第２組のフィルタは、上記第１と上記第２と上記第３の放出波長範囲と異なる第４の放出波長範囲以外にある上記放出された光の部分を濾光するために、また、上記第４放出波長範囲内の光を上記第４検出器に方向付けために、少なくとも１つのフィルタを含んでいることを特徴とする装置。
【請求項２４】
請求項２１に記載の装置において、上記容器は、上記チャンバを形成する少なくとも第１と第２の光学的に透過な壁を有し、上記第１と上記第２の光学的に透過な壁は、互いに約９０度の角度だけオフセットされていて、上記光学アセンブリは、上記第１の光学的に透過な壁を通って上記チャンバに入る上記第１励起光線の経路と、上記第２の光学的に透過な壁を通って検出される放出光の経路との間が約９０度の角度となるように、また、記第２の光学的に透過な壁を通って上記チャンバに入る上記第２励起光線の経路と、上記第１の光学的に透過な壁を通って検出される放出光の経路との間が約９０度の角度となるように、配置されていることを特徴とする装置。
【請求項２５】
請求項２１に記載の装置において、上記容器は、上記チャンバを形成する少なくとも第１と第２の光学的に透過な壁を含み、上記装置は上記容器の上記チャンバを収容するためのスロットを含み、上記第１と上記第２の光学アセンブリは、上記容器がスロットル内に配置されたときに上記第１と上記第２の光学アセンブリがそれぞれ上記第１と上記第２の壁と光学的に情報伝達するように、配置されていることを特徴とする装置。
【請求項２６】
請求項２５に記載の装置において、上記第１光学アセンブリは、上記第１励起光線の焦点を合わせるために、また、上記第１壁を通って上記チャンバから放出された光を視準するために、上記第１光学的窓に配置された第１レンズをさらに備え、上記第２光学アセンブリは、上記第２励起光線の焦点を合わせるために、また、上記第２壁を通って上記チャンバから放出された光を視準するために、上記第２光学的窓に配置された第２レンズをさらに備えていることを特徴とする装置。
【請求項２７】
請求項２５に記載の装置において、
ａ）  間に上記スロットが形成される対向するプレートと、
ｂ）  上記プレートの少なくとも１つに結合された加熱要素とを
さらに備えていることを特徴とする装置。
【請求項２８】
請求項２７に記載の装置において、上記プレートと上記加熱要素と上記光学アセンブリとは熱交換モジュールに組み込まれ、上記装置は複数のこのような熱交換モジュールを収容するために基本機器をさらに備えていることを特徴とする装置。
【請求項２９】
反応混合物に応答指令信号を光学的に送るための装置において、
ａ）  上記混合物を保持するためにチャンバを有すると共に、上記チャンバを形成する少なくとも第１と第２の光学的に透過な壁を含んでいる反応容器と、
ｂ）  上記第１の壁を通して上記反応混合物に第１励起光線を送るための第１光源と、
ｃ）  上記第１の壁を通して上記チャンバから放出された光を検出するための第１検出器と、
ｄ）  第１励起波長範囲以外にある上記第１励起光線の部分を濾光するための、また、第１放出波長範囲以外にある上記放出された光の部分を濾光するための、また、上記第１放出波長範囲内の光を上記第１検出器に方向付けるための第１組のフィルタと、
ｅ）  上記第２の壁を通して第２励起光線を上記混合物に送るための第２光源と、
ｆ）  上記第２の壁を通して上記チャンバから放出された光を検出するための第２検出器と、
ｇ）  上記第１励起波長範囲と異なる第２励起波長範囲以外にある第２励起光線の部分を濾光するための、また、上記第１放出波長範囲とは異なる第２放出波長範囲以外にあって上記第２の壁を通って放出された光の部分を濾光するための、また、上記第２放出波長範囲内の光を上記第２検出器に方向付けるための第２組のフィルタとを
備えていることを特徴とする装置。
【請求項３０】
請求項２９に記載の装置において、上記第１の壁を通って上記チャンバから放出された光を検出するために第３検出器をさらに備え、上記第１組のフィルタは、上記第１と上記第２の放出波長範囲と異なる第３の放出波長範囲以外にあって上記第１の壁を通して放出された光の部分を濾光するために、また、上記第３の放出波長範囲内の上記放出された光を上記第３検出器に方向付けるために、少なくとも１つのフィルタを含んでいることを特徴とする装置。
【請求項３１】
請求項３０に記載の装置において、上記第２の壁を通して上記チャンバから放出された光を検出するために第４検出器をさらに備え、上記第２組のフィルタは、上記第１と上記第２と上記第３の放出波長範囲と異なる第４の放出波長範囲以外にあって上記第２の壁を通して放出された光の部分を濾光するために、また、上記第４の放出波長範囲内の放出された光を上記第４検出器に方向付けるために、少なくとも１つのフィルタを含んでいることを特徴とする装置。
【請求項３２】
請求項２９に記載の装置において、上記容器の上記第１と上記第２の光学的に透過な壁は互いに約９０度の角度だけオフセットされていて、上記光源と上記フィルタと上記検出器は、上記第１の光学的に透過な壁を通して上記容器に入る上記第１励起光線の経路と、上記第２の光学的に透過な壁を通して検出された上記放出光の経路の間で約９０度の角度となるように、また、上記第２の光学的に透過な壁を通して上記容器に入る上記第２励起光線の経路と、上記第１の光学的に透過な壁を通して検出された上記放出光の経路の間が約９０度の角度となるように、配置されていることを特徴とする装置。
【請求項３３】
請求項２９に記載の装置において、
ａ）  間に上記容器の上記チャンバを収容するために配置された対向するプレートと、
ｂ）  上記プレートの少なくとも１つに結合された加熱要素とを
さらに備えていることを特徴とする装置。
【請求項３４】
請求項２９に記載の装置において、
ａ）  上記第１光源と上記第１検出器と上記第１組のフィルタとを保持するための第１ハウジングであって、上記第１光源と上記第１検出器と上記第１組のフィルタとは上記第１ハウジングにしっかりと固定されている上記第１ハウジングと、
ｂ）  上記第２光源と上記第２検出器と上記第２組のフィルタとを保持するための第２ハウジングであって、上記第２光源と上記第２検出器と上記第２組のフィルタとは上記第２ハウジングにしっかりと固定されている上記第２ハウジングとを
さらに備えていることを特徴とする装置。
【請求項３５】
請求項３４に記載の装置において、上記第１ハウジングは少なくとも１つの光学的窓を有して、上記光学的窓を通して上記第１励起光線が送られ、また、上記窓を通して上記チャンバから上記第１の壁を通して放出された光が受け取られ、上記装置は上記光学的窓に配置されたレンズをさらに備えていることを特徴とする装置。
【請求項３６】
請求項３４に記載の装置において、上記第２ハウジングは少なくとも１つの光学的窓を有し、上記光学的窓を通して上記第２励起光線が送られ、また、上記光学的窓を通して上記チャンバから上記第２の壁を通して放出された光が受け取られ、上記装置は上記光学的窓に配置されたレンズをさらに備えていることを特徴とする装置。
【請求項３７】
請求項２９に記載の装置において、上記チャンバの厚みは５ｍｍ未満であり、上記チャンバの幅と上記チャンバの厚みの比は、少なくとも２：１であることを特徴とする装置。
【請求項３８】
反応容器の中に入っている反応混合物を熱的に制御すると共に光学的に応答指示信号を送るための装置であって、上記容器は上記混合物を保持するためのチャンバを有し、上記装置は、
ａ）  上記チャンバの壁に接触するための少なくとも１つの熱表面と、
ｂ）  上記熱表面を加熱するための加熱要素と、
ｃ）  上記チャンバ内の上記反応混合物に光学的に応答指示信号を送るための第１と第２の光学アセンブリとを備え、
上記第１光学アセンブリは、
i）  少なくとも１つの光学的窓を有する第１ハウジングと、
ii）  上記少なくとも１つの光学的窓を通して上記反応混合物に励起光線を送るために上記第１ハウジングにしっかりと固定された少なくとも２つの光源と、
iii）  上記反応混合物に送られた光線の各々が実質的に異なる励起波長範囲を持つように上記励起光線を濾光するために上記第１ハウジングにしっかりと固定された第１組のフィルタとを備え、
上記第２光学アセンブリは、
i）  上記チャンバから放出された光を受け取るために少なくとも１つの光学的窓を有する第２ハウジングと、
ii）  少なくとも２つのそれぞれ放出波長範囲内の上記放出された光を検出するために上記第２ハウジングにしっかりと固定された少なくとも２つの検出器と、
iii）  上記放出された光を上記それぞれ放出波長範囲に分離するために上記第２ハウジングにしっかりと固定された第２組のフィルタとを
備えていることを特徴とする装置。
【請求項３９】
請求項３８に記載の装置において、上記装置は上記容器に接触するための第１と第２の熱表面を含み、上記熱表面は、間に上記容器の上記チャンバを収容するように配置されている対向するプレートによって提供されることを特徴とする装置。
【請求項４０】
請求項３９に記載の装置において、上記第１と上記第２の光学アセンブリは、上記容器が上記プレートの間に挿入されたとき、上記容器の少なくとも１つの光学的に透過な壁を通して、上記光学アセンブリの各々が上記チャンバと光学的に情報伝達するように、配置されていることを特徴とする装置。
【請求項４１】
反応容器の中に入れられた反応混合物を制御し、上記反応混合物に光学的に応答指示信号を送るための装置であって、上記容器は上記混合物を保持するためにチャンバを有する装置において、
上記装置は、
ａ）  上記チャンバの壁に接触するための少なくとも１つの熱表面と、
ｂ）  上記熱表面を加熱するための加熱要素と、
ｃ）  上記チャンバ内の上記反応混合物に応答指令信号を光学的に送るための第１と第２の光学アセンブリとを備え、
上記第１光学アセンブリは、
i）  第１光学的窓を有する第１ハウジングと、
ii）  上記第１光学的窓を通して上記反応混合物に第１励起光線を送るために、第１ハウジングにしっかりと固定された第１光源と、
iii）  上記チャンバから放出された光を上記第１窓を通して受け取るために、上記第１ハウジング内にしっかりと固定された第１検出器と、
iv）  第１励起波長範囲以外にある上記第１励起光線の部分を濾光するために、また、第１放出波長範囲以外にある上記第１窓を通して受け取られる光の部分を濾光するために、また、上記第１放出波長範囲の光を上記第１検出器に方向付けるために、上記第１ハウジングにしっかりと固定された第１組のフィルタとを備え、
上記第２光学アセンブリは、
i）  第２光学的窓を有する第２ハウジングと、
ii）  上記窓を通して上記反応混合物に第２励起光線を送るために、上記第２ハウジングにしっかりと固定された第２光源と、
iii）  上記チャンバから放出された光を上記第２窓を通して受け取るために、上記第２ハウジング内にしっかりと固定された第２検出器と、
iv）  上記第１励起波長範囲と異なる第２励起波長範囲以外にある上記第２励起光線の部分を濾光するために、また、上記第１放出波長範囲と異なる第２放出波長範囲以外にある上記第２窓を通して受け取られる光の部分を濾光するために、また、上記第２放出波長範囲の光を上記第２検出器に方向付けるために、上記第２ハウジングにしっかりと固定された第２組のフィルタとを
備えていることを特徴とする装置。
【請求項４２】
請求項４１に記載の装置において、上記装置は上記容器に接触するための第１と第２の熱表面とを含み、上記熱表面は、間に上記容器の上記チャンバを収容するように配置された対向するプレートによって提供されることを特徴とする装置。
【請求項４３】
請求項４２に記載の装置において、上記第１と上記第２の光学アセンブリは、上記容器が上記プレートの間に挿入されたとき、上記光学アセンブリの各々が上記容器の少なくとも１つの光学的に透過な壁を通して上記チャンバと光学的な情報伝達をするように、配置されていることを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、一般的に光検出装置に関し、特に流体試料における複数の異なる分析物の実時間検出のためのマルチチャンネル検出装置に関する。
【０００２】
（背景技術）
化学処理の分野には、反応混合物（例えば、化学薬品あるいは試薬と混合された生物学的試料）の温度を正確に制御し、上記混合物内に急速な温度の推移を引き起こして、混合物中の標的分析物を検出するのが望ましい適用例が多く存在する。このような熱交換化学反応に対する適用例には、有機反応、無機反応、生物学的反応および分子反応などが含まれる。熱化学反応の例には、核酸増幅、熱サイクル増幅、例えばポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）やリガーゼ連鎖反応（ＬＣＲ）、自己維持される配列複製、酵素反応速度研究、同種配位子結合検定、複雑な温度変化を必要とするさらに複雑な生化学的機構の研究が含まれている。
【０００３】
化学的または生物学的な分析のための好ましい検出技術は、光学的インターロゲーション（光学的な応答指令信号の発信）であり、典型的には蛍光または化学ルミネッセンス測定法を用いる。配位子結合検定には、時間分解蛍光または蛍光偏光または光吸収がしばしば用いられる。ＰＣＲ検定には、蛍光化学反応がしばしば用いられる。
【０００４】
熱反応をもたらして反応生産物を光学的に検出する従来の機器は、典型的には、９６個もの円錐形の反応管を有する金属ブロックを組み込んでいる。この金属ブロックは、ペルチエ加熱冷却装置または閉ループ液体加熱冷却装置のいずれかによって加熱および冷却され、上記装置では機械加工されたチャンネルを通って液体が金属ブロックの内部へと流れる。金属ブロックを組み込んだこのような機器は、ジョンソン氏のアメリカ合衆国特許第５,０３８,８５２号、ミュリス氏のアメリカ合衆国特許第５,３３３,６７５号、アトウッド氏のアメリカ合衆国特許第５,４７５,６１０号に記載されている。
【０００５】
これらの従来の機器は幾つかの欠点を有する。第一に、金属ブロックの大きな熱容量のために、これらの機器における加熱速度および冷却速度は略１℃／秒に限定されて、処理時間が長くなる。例えば、ＰＣＲへの代表的な適用例においては、１５サイクルを完了するのに２時間以上が必要となる。これらの比較的遅い加熱速度および冷却速度のために、正確な温度制御を要する幾つかの処理は非能率的であると見られてきた。例えば、反応が中間温度で起こって、必要とされず妨げとなる副産物を生み出す。これらの副産物は、ＰＣＲ中の『プライマー・二量体』あるいは異常なアンプリコン（amplicons）のようなもので、分析処理にとって障害となる。劣悪な温度制御によって、意図された反応に必要な試薬が過剰に消費される。
【０００６】
これら従来機器のもう１つの欠点は、典型的には、機器によって化学反応の実時間光検出あるいは連続光学測定ができないことである。例えば、パーキン・エルマー７７００（ＡＴＣ）機器では、光学的蛍光検出は、金属ブロックの９６個の反応部位の各々に光ファイバーを導入することによって行われる。中央高パワーレーザー装置が、各反応部位を連続的に励起し、光ファイバーを通して蛍光信号を捕らえる。すべての反応部位は単一のレーザーによって連続的に励起され、蛍光は単一の分光計と光電子増倍管によって検出されるので、各反応部位の同時測定は不可能である。
【０００７】
化学反応の実時間光測定を要する新処理用の機器の内あるものは、ごく最近入手可能となっている。このような機器の１つは、ノースロップらによってアメリカ合衆国特許第５,５８９,１３６号に開示されているＭＡＴＣＩ装置である。この装置は、ＰＣＲ熱サイクルに対するモジュール式アプローチと光学的分析を用いている。各化学反応は、それ自体のシリコンスリーブ内でなされ、各スリーブはそれ自体に連結された光学的励起源と蛍光検出器とを有している。発光ダイオード（ＬＥＤ）および半導体検出器を用いて、実時間光学データが小型で低出力のモジュールから得られる。この装置は各モジュールに対して唯１つの光源と１つの検出器とを含んでいるが、その結果、複数の分析物の同時検出は不可能である。
【０００８】
別の分析機器はアイダホ・テクノロジーから入手でき、１９９７年１月発行のバイオ技術第２２巻１７６〜１８１頁のウィットナーらによる『ザ・ライトサイクラー(商標）；急速な温度制御によるミクロ体積複数試料蛍光計』に記載されている。この機器は、２４の試料まで保持するための、また各試料を光学アセンブリ上に連続的に配置するためのステッパーモーターを有する環状回転式コンベヤを含んでいる。試料の温度は、回転式コンベヤの中央のチャンバに配置されたセントラルヒーティングカートリッジおよびファンによって制御される。
【０００９】
作動中、試料は回転式コンベヤによって保持された細管に配置され、各試料は、外部照明(epi-illumination)によって応答指令信号が細管の先端を通って発せられる。光源は青色発光ダイオードであり、青色発光ダイオードの光は第１の２色性フィルタから試料に向かって反射される。光は、外部照明レンズによって細管の先端から焦点が合わされ集束される。細管の先端から放出された光は、第１の２色性フィルタを通過して、１つ以上の追加２色性フィルタによって濾光され（フィルタが掛けられ）、検出のためにフォトダイオードに集束される。
【００１０】
この機器によって、化学反応をしている試料内の複数の分析物を検出できるが、この機器は幾つかの欠点を有している。第一に、照明光線および放出光線は、試料容積を貫く比較的短い光路長を有し、細管の先端の下において同じ距離を共有している。このことにより、試料からの蛍光の放出は弱くなり、光検出感度が悪くなる。第二に、この機器は、１つの励起波長範囲において照明光線を提供するだけである。異なる蛍光染料は、異なる最適励起波長範囲を有するが、その結果、この機器は、反応流体内の複数の各蛍光染料に対して最適励起波長範囲において励起光線を提供することができない。第三に、２色性フィルタの使用は、この機器の光感度を重大に減じる。各２色性フィルタは、放出光線の強度を略半分まで減じ、その結果、放出光線は、検出器に到達するときまでに弱くなる。これらの理由のため、この機器は、試料内の蛍光で標識された分析物を検出するときに、劣悪な感度を示す。
【００１１】
ペントニーらに発行されたアメリカ合衆国特許第５,６７５,１５５号は、複数の試料容積を連続的かつ反復的に走査して各試料から放出される放線を検出するために、もう１つの検出装置を開示している。この装置は複数の共面並立型細管を含み、上記細管はそれぞれ一試料容積を入れる。この装置は、また、電磁放線源と、電磁放線を受けて反射するように位置調整されたミラーと、ミラーを移動するためのスキャナーと、試料から集められた電磁放線を濾光するフィルタホイールと、濾光された放線を受けるように位置調整された検出器とを含んでいる。各細管コラム内の試料容積は、電気泳動媒体上に分離された蛍光で標識付けされた試料を含んでいる。
【００１２】
作動中、放線源は、好ましくはレーザー装置は、励起光線をミラー上へと向ける。反射された励起光線は、集束レンズを通って、細管配列内の第１細管の試料容積へと向かう。試料からの蛍光放出放線は集められてフィルタホイールの第１フィルタを通る。フィルタホイールの第１フィルタは、レーザー源の波長における光を阻止するべく、また、試料容積における第１蛍光染料によって放出された蛍光を透過するべく選択される。第１フィルタを通って透過された蛍光は、次に検出器によって検出される。次に、モーターはフィルタホイールを回転させて、第２フィルタを蛍光放線の中に持って来る。第２フィルタは、第２蛍光染料によって放出された蛍光を透過し、その蛍光は検出器によって測定される。同一の処理がフィルタホイールの第３および第４フィルタを用いて繰り返されて、試料容積内の第３および第４染料の蛍光放出を測定する。次に、４段階の全ての動作は、配列中の各細管コラムを用いて、連続的かつ反復的に実行される。
【００１３】
この装置によって試料容積中の複数の蛍光染料を検出できるのだが、この装置は、移動式ミラーおよび回転フィルタホイールの使用において幾つかの欠点を有する。これらの移動部品は、典型的には、光学装置のコストの高騰、維持の必要性の増大、低い信頼性、電力消費量の増大、光学測定に対する潜在的振動性障害とかになる。
【００１４】
（概要）
本発明は、反応混合物（例えば、化学薬品あるいは試薬と混合された生物学的試料）を熱的に制御したり反応混合物に応答指示信号を光学的に発したりするように改善された装置を提供することによって、先行技術の欠点を克服する。上述した先行技術の装置とは対照的に、本発明の装置は、複数の異なる励起波長範囲において、各混合物に励起光を与える。これによって確実になることは、異なる蛍光標識または燐光標識または化学ルミネッセンス標識または電気化学ルミネッセンス標識を有する混合物中の複数の分析物のそれぞれに対して、最適な励起波長範囲が提供されることである。さらに、この装置によって、例えば回転式コンベヤまたは光学フィルタホイールなどのいかなる移動部品をも必要とせずに、混合物中の複数の分析物の同時実時間検出が可能となる。この装置は移動部品を持たないため、本発明の装置は、上記の先行技術の装置よりも、典型的には、コストは安くなり、維持の必要性も小さくなり、信頼性はより高く、電力消費量はより少なくなる。
【００１５】
本発明の装置は、反応混合物の非常に急速かつ正確な温度変化を提供することによって、先行技術の欠点を克服する。このような温度の厳しい制御は、不要な気泡の形成や、あるいは或る温度での成分の劣化のような副反応を抑制する。このような温度の厳しい制御がなければ、光学的な検出や分析が妨げられるであろう。それゆえ、この装置は熱に敏感な化学処理において有用であり、それらの化学処理は、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）、リガーゼ連鎖反応（ＬＣＲ）、自己維持される配列複製、酵素反応速度研究、同種配位子結合検定や、複雑な温度変化を必要とするさらに複雑な生化学的機構の研究などである。
【００１６】
好ましい実施形態において、本発明は、複数の反応混合物を独自に熱制御したり、複数の反応混合物に応答指令信号を光学的に送るための装置を提供する。この装置は複数の反応容器を含んでおり、各容器は混合物の１つを保持するための反応チャンバを有している。各容器は、チャンバの一部を形成する第１および第２の光学的に透過な壁を含んでいる。光学的に透過な壁は、角度的に互いにオフセットして（互いに角度をなして）、第１壁を通して混合物の光学的励起と、第２壁を通して標識分析物の光学的検出とを可能にしている。
【００１７】
この装置は、容器を収容するために、対応する複数の熱交換モジュールも含んでいる。各モジュールは一対の対向する熱プレートを含み、熱プレートはその間に容器の１つを収容するように配置されている。プレートの少なくとも一枚は、好ましくはそのプレートの両方は、プレートに結合された加熱要素を有して、容器に含まれる反応混合物を加熱する。各モジュールは、また、第１および第２光学アセンブリを含み、第１および第２の光学アセンブリは、容器がプレートの間に配置されるとき、第１および第２の光学アセンブリがそれぞれ容器の第１および第２の光学的に透過な壁と光学的に情報伝達するように配置されている。
【００１８】
第１光学アセンブリは、第１光学的窓を有する第１ハウジングと、少なくとも２つの光源とを有して、上記第１窓を通って励起光線を反応混合物に送る。第１光学アセンブリは、また、励起光線を濾光するための第１組のフィルタを含んでおり、反応混合物に送られた各光線は、実質上異なった励起波長範囲を有している。作動中、光源は、反応混合物内の異なる蛍光標識、燐光標識、化学ルミネッセンス標識あるいは電気化学ルミネッセンス性標識を励起するために、連続的に点灯されている。光源および第１組のフィルタは、第１ハウジング内に堅く固定される。
【００１９】
第２光学アセンブリは第２ハウジングを含み、第２ハウジングは容器から放出される光を受け取るために第２光学的窓を有する。第２光学アセンブリは、また、放出光および第２組のフィルタを検出するために、少なくとも２つの検出器を好ましくはフォトダイオードを含み、放出された光を少なくとも２つの放出波長範囲内に分離するために、且つ、放出された光を各放出波長範囲において検出器のそれぞれ１つに導くために、第２組のフィルタとを含んでいる。検出器および第２組のフィルタは、第２ハウジングに堅く固定される。
【００２０】
好ましい実施形態において、各モジュールの第１光学アセンブリは少なくとも４つの光源を含んでおり、その４つの光源は第１組のフィルタとともに配置されており、第１組のフィルタは励起光線を少なくとも４つの励起波長範囲において送り、各モジュールの第２光学アセンブリは少なくとも４つの検出装置を含んでおり、その４つの検出装置は、少なくとも４つの放出波長範囲内で放出された光を検出するために、第２組のフィルタとともに配置されている。それゆえ、この装置は、各反応混合物内の４つまでの異なる分析物を検出するために、少なくとも４つの分離した光学チャンネルを有する。好ましい実施形態においても、この装置は、熱交換モジュールを収容するために基本機器を含んでいる。基本機器は、各モジュールの作動を独自に制御するために、処理電子機器（プロセッシングエレクトロニクス）を含んでいる。この装置は、好ましくは、基本機器内の処理電子機器を制御するためにプログラミングされたコンピュータも含んでいる。
【００２１】
現在、全ての光源を第１光学アセンブリ内に配置し、全ての検出器を第２光学アセンブリ内に配置することが好ましいが、光学アセンブリのそれぞれに、１つ以上の光源と１つ以上の検出器とを含むことも可能である。本発明の第２実施形態によると、第１光学アセンブリは、第１光学的窓を有する第１ハウジングを備えている。第１光学アセンブリは、また、第１窓を通って反応混合物に第１励起光線を送るために第１光源を含み、そして、第１窓を通ってチャンバから放出される光を受け取るために第１検出器を含んでいる。第１光学アセンブリは、さらに、第１ハウジング内に配置された第１組のフィルタを含んでおり、そのフィルタは、第１励起波長範囲以外の第１励起光線の部分を濾光するためのものであり、第１放出波長範囲以外の放出された光の部分を濾光するためのものであり、また、第１放出波長範囲で放出された光を第１検出器へと導くためのものである。第１光源と第１組のフィルタと第１検出器とは、第１ハウジング内に堅く固定される。
【００２２】
第２実施形態によっても、第２光学アセンブリは、第２光学的窓を有する第２ハウジングを備えている。第２光学アセンブリは、第２励起光線を第２窓を通して反応混合物へと送るために第２光源を含み、そして、第２窓を通してチャンバから放出された光を受け取るために第２検出器を含んでいる。第２光学アセンブリは、さらに第２ハウジングに第２組のフィルタを含んでおり、第２組のフィルタは、第１励起波長範囲とは異なった第２励起範囲以外の第２励起光線の部分を濾光するため、および第２放出波長範囲内で放出された光を第２検出器へと導くためのものである。第２光源と第２組のフィルタと第２検出器とは、第２ハウジングに堅く固定され、その結果、光学装置は移動部品を有しない。第２実施形態において、各光学アセンブリは、４つの光検出チャンネルを提供するために追加の検出器とフィルタとを選択的に含んで、各反応混合物内の異なる分析物を４つまで検出してもよい。
【００２３】
本発明の装置のより完全な理解は、以下の説明および添付図面の考慮に基づいて得られる。
【００２４】
（本発明の詳細な説明）
本発明は、反応混合物、例えば化学薬品あるいは試薬と混合された流体試料を熱的に制御したり、応答指令信号を光学的に送るための装置を提供する。『流体試料』という用語は、ここで使用されるとき、気体と液体とを両方とも含んでいるが、好ましくは液体である。試料は、粒子、細胞、微生物、イオンあるいはたんぱく質や核酸などの大小の原子を含んだ水溶液であってもよい。特定の用途では、試料は、血液や尿などの体液あるいは微粉食品のような浮遊物であってもよい。
【００２５】
好ましい実施形態において、装置は、混合物を保持するための反応容器と、その容器を収容するための熱交換モジュールとを含んでいる。各熱交換モジュールは、容器の１つが熱処理のために間に挿入された一対の対向する熱プレートと、混合物を冷却するためにプレートに近接して配置されたファンと、プレートの温度を測定するための１つ以上の温度センサーと、混合物に応答指令信号を光学的に送るための一対の光学アセンブリとを含んでいる。この装置は、熱交換モジュールを収容すると共に独自に各モジュールを制御するために、プロセッシングエレクトロニクスを有する基本ユニットを含んでいる。この装置は、さらにパソコンまたはネットワークコンピュータのような制御装置を含んでおり、制御装置はユーザーにインターフェイスを提供し、プロセッシングエレクトロニクスの作動を制御する。
【００２６】
図１〜図２２は、本発明の好ましい実施形態を示している。図１は、反応容器２の部分的な分解図で、図２は、容器２の前面図を示している。容器２は、反応混合物を保持するための反応チャンバ１０を含んでいる。容器２は、反応混合物への最適な熱伝導および反応混合物からの最適な熱伝導と、混合物の効率的な光学的観察とが可能なように設計されている。容器のほっそりとした形状は、熱伝導のために熱プレートと接触するために大きな面を提供することによって、最適な熱動力学に役立っている。さらに、容器２の壁はチャンバ内への光学的窓を設け、その結果、反応混合物に応答指令信号が光学的に発せられることができる。
【００２７】
図１〜図２に関してさらに詳細には、反応容器２は、反応チャンバ１０の周囲を定める剛性フレーム１６を含んでいる。フレーム１６は、また、ポート４とチャンネル８とを含み、チャンネル８はポート４を反応チャンバ１０に接続する。薄い可撓性壁１８（フレーム１６から分解されて図１に示されている）は、チャンバ１０の側壁を形成するためにフレーム１６の両端に連結される。
【００２８】
壁１８はチャンバ１０に含まれる反応混合物への最適な熱伝導を容易にする。壁１８の可撓性によって、熱プレートとの最大接触が可能となる。壁は、表面間のギャップを防いだり最小化するためにプレートの表面に一致させることができる。さらに、可撓性壁は、たとえ表面形状が熱交換中に変化しても、熱表面と一致し続ける。
【００２９】
図３は、一対の対向する熱プレート３４Ａ,３４Ｂと反応容器との間の接触を示している。プレートの少なくとも１つ、好ましくは両方のプレートは、容器内の反応混合物を加熱するための抵抗器のような加熱要素を含んでいる。プレート３４Ａ,３４Ｂは、好ましくは、サーミスター３６Ａ,３６Ｂのような温度センサーも含んでいる。容器２がプレートの間に挿入されとき、プレートの内部面は壁１８に接触する。この位置において、プレート表面と反応チャンバの壁１８との間には空隙がごく僅か見られるか全く見られないかである。良好な熱伝導のために、各壁１８の厚さは、好ましくは、約０．００３ｍｍから０．５ｍｍの間であり、より好ましくは、０．０１ｍｍから０．１５ｍｍの間で、最も好ましくは、０．０２５ｍｍから０．０８ｍｍの間である。各壁１８は、フィルム、シート、または型成形品、機械加工品、押出成形品、鋳造品、あるいはその他の都合のよい薄くて可撓性の構造物であってもよい。
【００３０】
壁１８を構成する材料は、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエステル、およびその他のポリマーを含むポリアルコール、積層ポリマーまたは同種ポリマー、金属または金属の積層板、あるいは薄く可撓性で順応性があり、熱伝導が可能で、好ましくはフィルム状またはシート状であるその他の材料であってもよい。容器のフレーム１６がポリプロピレンなどの特定の材料であるとき、壁の熱膨張および冷却速度がフレームと同一であるように、好ましくは、側壁はポリプロピレンのような同一材料である。
【００３１】
熱プレート３４Ａ,３４Ｂは、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化ベリリウムおよび窒化シリコンのようなセラミックスや金属を含む様々な材料から作られていてもよい。使用され得るその他の材料は、例えばガリウム砒化物、シリコン、窒化シリコン、二酸化シリコン、水晶、ガラス、ダイアモンド、ポリアクリル酸樹脂、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリイミド、ビニルポリマー、およびポリテトラフルオロエチレンのようなハロゲン化ビニルポリマーを含んでいる。その他の可能な材料は、クロム／アルミニウムのような熱電対材料、超合金、ジルカロイ、アルミニウム、鋼、金、銀、銅、タングステン、モリブデン、タンタル、真鍮、サファイア、あるいは当該技術において利用可能なあらゆる数多くのセラミックスや金属や合成ポリマー材料を含んでいる。
【００３２】
セラミックプレートが目下のところ好まれるのは、その内部表面が好都合にも非常に滑らかに機械加工されて高い耐摩耗性があり、高い化学耐性と、反応容器に対して良好な熱接触があるからである。セラミックプレートは、低い熱容量に対して極端に急速な熱変化を与えるように非常に薄く作られてもよく、例えば０．６３５ｍｍおよび１．２５ｍｍの間に作られる。アルミニウムまたは銅から作られた熱交換プレートは高い熱伝導性を有してもいるが、より大きな熱容量を有している。
【００３３】
プレート３４Ａ,３４Ｂに結合された加熱要素（好ましくは抵抗器）は、プレート上、特に窒化アルミニウムおよび酸化アルミニウムのようなセラミックの材料を備えたプレート上に、直接スクリーン印刷され得る。スクリーン印刷は高い信頼性と低い断面を提供して、反応チャンバ内への効率的な熱伝導を行う。加熱要素は、セラミックプレートの内部に焼き固められてもよい。また、幾何学模様を変化させる厚いフィルム抵抗器または薄いフィルム抵抗器は、例えば、末端部により厚い抵抗器を備え、中間部により薄い抵抗器を備えることによって、より均一な加熱を提供するためにプレート壁上に配置される。加熱要素は、電圧が材料に印加されたときに加熱する金属、タングステン、ポリシリコン、あるいはその他の材料を備えていてもよい。熱プレートは、また、プレートの表面に連結された、例えばエッチングされた箔状の加熱要素(ミネソタ州ミネアポリス所在のミンコ・プロダクト(Minko Products)製）のような積層熱源を用いて加熱されてもよい。
【００３４】
再び図１〜図２を参照すると、反応容器２は、また、好ましくはシールキャップ１２を含んでいる。キャップ１２は、可撓性のアーム１４によってフレーム１６に好都合に連結されていてもよい。キャップ１２はピストンまたはプラグ２２を含み、ピストンまたはプラグ２２はキャップ１２が容器２上に配置されるときチャンネル８内に挿入される。ピストン２２は、チャンネル８内へ挿入されるとき、チャンバ１０を加圧し、それによって可撓性壁１８を膨張させる。壁１８の膨張によって、壁１８と熱プレートの表面との間は一致するようになる。
【００３５】
反応容器２の使用中、試料は、ポート４を通って反応チャンバ１０へと加えられる。これは、ピペットの先端をチャンネル８を通してチャンバ１０の内部へと挿入し、チャンバ１０を底部から充填させることによって行われる。代わりに、試料は、自動化された流体噴射装置を通して、或いは選択的に反応容器の一体部品となる流体マニホールドを通して、追加されてもよい。試料を手で追加するために、容器２は好ましくはフィンガーグリップ６を含む。
【００３６】
試料は、チャンバ１０に追加されるよりも先に、試薬および蛍光染料と混合され得る。代わりに、試料は、チャンバ１０内で試薬および染料に導入されてもよい。図３で示されているように、容器２は熱プレート３４Ａ,３４Ｂの間に配置されて、容器の壁１８はプレートの内部表面を押圧して合致する。反応混合物は、プレート３４Ａ,３４Ｂ上の加熱要素を起動することによって、温度の変化にさらされる。次に反応混合物には、図２に示されているように、好ましくはフレーム１６の光透過底壁３２Ａ,３２Ｂを通して、応答指令信号が光学的に発せられる。図２の矢印Ａは、壁３２Ａを通ってチャンバ１０に入る照明光線を示し、矢印Ｂは、壁３２Ｂを通ってチャンバ１０を励起する放出光を示している。
【００３７】
壁３２Ａ,３２Ｂは、互いに角度的にオフセットされていて、第１壁３２Ａを通して反応混合物内の標識分析物の光学的励起を可能し、また、第２壁３２Ｂを通して標識分析物の光学的検出を可能にする。通常、壁３２Ａ,３２Ｂは、略９０°の角度でオフセットされていることが好ましい。励起路と検出路との間の角度が９０°であることは、壁３２Ａを通って入る励起放線の最小量が壁３２Ｂを通って出ていくことを確実にしている。また、９０°の角度によって、例えば蛍光のような放出された放線の最大量が、壁３２Ｂを通って収集できる。代替の実施形態において、光学壁の間の角度は、励起検出光学器械の効率と感度次第で、９０°以上にも以下にもなり得る。例えば、検出装置が励起光と放出光とを有効に識別する場合、壁の間の角度は９０°以下が望まれる。逆に、検出装置が励起光と放出光とを有効に識別しない場合、９０°以上の角度であることが重要である。
【００３８】
壁３２Ａ,３２Ｂは、チャンバ１０の底面で『Ｖ』字形の尖端を形成するように接続され得る。代わりに、角度付きの壁の接触面は、接続して尖端を形成する必要はなく、中間部分によって分離されてもよい。上記中間部分とは、例えば、もう１つの壁や、さまざまな機械的に特徴のあるもの或いは流体的に特徴のあるものであって、容器の熱的性能および光学的性能を妨げないものである。例えば角度付きの壁は、一体型細管の電気泳動領域のような別の処理領域に通じてチャンバ１０と連通しているポートで、交わってもよい。目下の好ましい実施形態では、位置決めタブ１７は壁３２Ａ,３２Ｂの交点の下に延在している。位置決めタブ１７は、図４を参照して以下に記述される熱交換モジュール内に、容器２を正確に配置するために使用される。
【００３９】
最適な光学感度は、次の方程式によって表されているように、反応混合物内の標識分析物を励起する光線と、検出される放出光との両方の光学的サンプリング路長を最大化することによって達成される。
Io/Ii＝Ｃ・Ｌ・Ａ
Ioはボルトやフォトン等で示される放出光の照明出力であり、Ｃは検出されるべき分析物の濃度であり、Iiは入力照度であり、Ｌは路長であり、Ａは分析物に標識を付けるために使用された染料の固有の吸収率である。
【００４０】
本発明の薄くて平坦な反応容器２は、単位分析物容積当り最大光路長を与えることによって検出感度を最適化する。特に、容器２は、チャンバ１０の各側面が１ｍｍから１５ｍｍの範囲の長さを有し、チャンバが０．５ｍｍから５ｍｍの範囲の厚さを有し、チャンバの各側面の長さとチャンバの厚さとの割合が少なくとも２：１であるように、好ましくは構成される。これらのパラメータは、目下のところ、チャンバを通る比較的大きな光路長すなわち平均的に１ｍｍから１５ｍｍの長さを有する容器を設けることが好ましいが、一方では、チャンバ内に含まれる反応混合物の極端に急速な加熱及び冷却を可能にするのに十分な薄さになおもチャンバを保つことが好ましい。
【００４１】
より好ましくは、容器２は、チャンバ１０の各側面が５ｍｍから１２ｍｍの範囲の長さを有し、チャンバが０．５ｍｍから２ｍｍの範囲の厚さを有し、チャンバの各側面とチャンバの厚さの割合が少なくとも５：１であるように構成されている。これらの範囲がより好ましいのは、大きな光路長（すなわち平均して５ｍｍから１２ｍｍ）と、大きな容積（１２マイクロリットルから１００マイクロリットルの範囲内）との両方を有するが、なおも反応混合物の極端に急速な加熱及び冷却を可能にするのに十分な薄さにチャンバを保つ容器をそれらが提供するからである。大きな容積は、核酸のような低濃度の分析物の検出において感度を増加させる。
【００４２】
目下のところ好ましい実施形態では、反応容器２は、側面の長さ１０ｍｍ、厚さ１ｍｍ、および容積１００マイクロリットルを有するダイアモンド形状のチャンバを有する。この反応容器は、チャンバ１０を通って１０ｍｍの比較的大きな光路長を提供する。さらに、この薄いチャンバは、その内部に含まれている反応混合物の極めて急速な加熱およびまたは冷却を可能にする。
【００４３】
フレーム１６は、例えばポリカーボネートあるいはポリプロピレンなどの光学的に透過な材料から作られている。図２に示されているように、チャンバ１０の頂部を形成するフレーム部分は、好ましくは反射面２０を含んでおり、反射面２０はチャンバ１０の頂部を通って出ようとするバックライトを跳ね返し、信号の検出を増大させる。さらに、１つ以上の光学要素は、光学的に透過な壁３２Ａ,３２Ｂ上に存在してもよい。上記光学要素は、例えば、光源によって照明される溶液の総容積を最大化するように、またはチャンバ１０の特定域に励起光を集束させるように、またはできるだけ大きなチャンバ容積部分からのできるだけ多くの蛍光信号を集めるように設計されている。光学要素は、特定の波長を選択するための格子や、ある波長のみを濾光することのできるフィルタや、あるいはフィルタの機能を提供する色付きレンズを備えている。壁の表面は被覆されるか、或いはある波長の吸収を高めるために液晶のような材料を備え得る。目下のところ好ましい実施形態では、光学的に透過な壁３２Ａ,３２Ｂは単に透明で平坦な窓である。
【００４４】
反応容器２は、剛性フレーム１６を最初に鋳造することによって製造されて、開放側面を有するチャンバを形成する。フレーム１６は、好ましくは、標準の射出成形工程によって形成される。フレームが形成された後、側壁１８は、例えばポリプロピレンの薄いフィルムまたはシート等の材料をチャンバ領域上に配置したり、好ましくは引き伸ばすことによって製造される。壁１８は、次にフレーム１６の対向側面に連結される。壁がフィルムまたはシートである場合、壁は加熱密封、接着剤接結、超音波接結などによって連結され得る。
【００４５】
図４は、反応容器２を収容するための熱交換モジュール３７を示している。熱交換モジュール３７は、好ましくは、モジュールのさまざまな構成部品を保持するためのハウジング３８を含んでいる。モジュール３７は、上述された熱プレート３４Ａ,３４Ｂ（図４において見られるのはプレート３４Ａのみ）を含んでいる。プレートは、ブラケットまたは支持部または保持器４０によって互いに対向する関係に保持され得る。さらに、１９９８年１１月２４日に出願された米国出願番号第０９／１９４,３７４号に記載されているように、プレートは互いに向かってばねで付勢されており、この出願の開示は、この参照により本明細書に包含される。ハウジング３８はプレート３４Ａ,３４Ｂの上にスロット（細長い穴）を含んでいて、容器２はこのスロットを通ってプレート間に挿入され得る。
【００４６】
熱交換モジュール３７は、好ましくは、容器２内の反応混合物を冷却するために、例えばファン４２のような冷却装置も含んでいる。容器２がプレート３４Ａ,３４Ｂ間に配置されるとき、容器のチャンバは、ファン４２から循環する空気によって冷却される。代わりに、冷却装置は、冷媒または反応容器を通過する圧縮流体を運搬するために、ペルチエ装置またはその他の冷凍装置を備え得る。これらおよびその他の冷却装置は、当該技術分野においてよく知られている。
【００４７】
熱交換モジュール３７は、さらに、容器２内に含まれる反応混合物に応答指令信号を光学的に送るために、光学的励起アセンブリ４６と光学的検出アセンブリ４８とを含んでいる。上記励起アセンブリ４６は、励起アセンブリ４６の電子部品を保持するための第１回路基板５０を含み、検出アセンブリ４８は、検出アセンブリ４８の電子部品を保持するための第２回路基板５２を含んでいる。励起アセンブリ４６は、容器２内の蛍光で標識付けされた分析物を励起するために、発光ダイオード（ＬＥＤ）のような複数の光源を含んでいる。励起アセンブリ４６は、光源からの光を視準する（すなわち、平行にする）ために１つ以上のレンズも含み、また、重要な励起波長範囲を選択するためにフィルタも含んでいる。検出アセンブリ４８は、容器２から放出された光を測定するためのフォトダイオードのような複数の検出器を含んでいる。検出アセンブリ４８は放出された光を集束させたり平行にしたりするために１つ以上のレンズも含んでおり、また、重要な放出波長範囲を選択するためにフィルタも含んでいる。光学アセンブリ４６,４８の特定の部品は、図６〜図９を参照して以下により詳細に記述される。
【００４８】
光学アセンブリ４６,４８は、容器２がプレート３４Ａ,３４Ｂ間に配置されるとき、第１光学アセンブリ４６が容器の第１光透過底壁３２Ａと光学的に情報伝達し、第２光学アセンブリ４８が容器の第２光透過底壁３２Ｂと光学的に情報伝達するように、ハウジング３８内に配置される（図２参照）。好ましい実施形態では、光学アセンブリ４６,４８は、単に光学アセンブリを熱プレート３４Ａ,３４Ｂの隣に配置することによって、容器２の底壁と光学的に情報伝達するように配置されていて、その結果、容器がプレートの間に配置されると、光学アセンブリ４６,４８は、それぞれ容器の第１底壁および第２底壁に物理的に隣接するようになる。
【００４９】
さらに、光学アセンブリ４６,４８の縦軸は、互いに角度が、好ましくは約９０°の角度だけオフセットしており、容器２がプレート間に配置されるとき、好ましくは、光学アセンブリ４６の縦軸が第１底壁に直角であるように、また、光学アセンブリ４８の縦軸が第２底壁に直角であるように、アセンブリ４６,４８が配置される。励起路と検出路との間の角度が９０°であることによって、容器の第１底壁を通って入る励起放線の最小量が、第２底壁を通って出ることが保証される。また、９０°の角度により、放出される最大量の放線が第２壁を通って集められることができる。
【００５０】
選択的に、ゲルまたは流体が、各光学アセンブリと容器２との間の光学的な情報伝達を確立したり改善したりするために使用され得る。ゲルまたは流体は、それが結合する要素の屈折率に近い屈折率を有するべきである。代替の実施形態においては、光学的な情報伝達は、光ファイバーまたは光ガイドまたは導波管または同様の装置を介して、光学アセンブリと容器の壁との間で形成される。これら装置の利点の１つは、光学アセンブリ４６,４８を熱プレート３４Ａ,３４Ｂに物理的に近接して配置する必要がこれらの装置によってなくなることである。このことにより、プレートの周りに多くの空間ができ、その中において冷気または冷媒は冷却され、その結果、冷却は改善される。
【００５１】
好ましい実施形態においては、容器２は位置決めタブ１７を備え（図２を参照）、上記タブ１７は、光学アセンブリ４６,４８の間に形成されたスロット内に嵌合されて、光検出のための容器２が正確に配置されるのを保証している。改善された検出のために、モジュール３７は、好ましくは、耐光性の蓋（図示せず）を含んでおり、上記耐光性の蓋は、容器２の頂部上に配置され、容器がプレート３４Ａ,３４Ｂの間に挿入された後、ハウジング３８に密封される。
【００５２】
ハウジング３８は、堅く高性能なプラスチックあるいはその他の従来の材料から射出成形されてもよい。ハウジング３８の主要な機能は、プレート３４Ａ,３４Ｂと光学アセンブリ４６,４８とを保持するためのフレームを提供することであり、また、例えば空気またはフレオンなどの冷却流体を導くと共にプレート３４Ａ,３４Ｂの表面と反応容器２とを横切る流体流を効率的に案内するためのフローチャンネルおよびポートを提供することである。
【００５３】
熱交換モジュール３７は、また、図１０を参照して以下に記載されるように、モジュールの電子構成部品を保持するためのＰＣ基板５４と、基本機器にモジュール３７を接続するためのエッジコネクタ５８とを含んでいる。プレート３４Ａ,３４Ｂ上の加熱要素およびサーミスター３６Ａ,３６Ｂは、光学基板５０および５２と同様に、可撓性ケーブル（図を明瞭にするために図４には示されていない）によって、ＰＣ基板５４に接続されている。モジュール３７は、光検出回路をシールドするための接地路５６も含んでいる。モジュール３７は、好ましくは、発光ダイオード４４のような表示装置を含み、その表示装置は、ユーザーにモジュールの現在の状況を、「試料装填準備完了」、「試薬装填準備完了」、「加熱中」、「冷却中」、「完了」または「故障」などとユーザーに表示する。
【００５４】
図５Ａおよび図５Ｂは、それぞれ、重要な４つの蛍光染料の蛍光励起スペクトルおよび蛍光放出スペクトルを示している。これらの染料は、タックマン(TaqMan：登録商標）の化学作用を用いた標準蛍光染料であり（タックマンはカリフォルニア州フォスターシティーのパーキン‐エルマー・コーポレーションから入手可能）、染料はそれらの頭字語であるＦＡＭ、ＴＥＴ、ＴＡＭＲＡ、ＲＯＸによってよく知られている。好ましい実施形態は、これらの４つの染料に関して記述されているが、理解されるべきことは、本発明の装置が、これら特定の染料すなわちタックマン（登録商標）の化学作用に限定されるものではないということである。この装置はどのような発蛍光団によっても使用されるが、この発蛍光団は、限定はされないが、ビーコンズの化学作用を用いた蛍光染料と、サンライズ(登録商標)の化学作用を用いた染料と、臭化エチジウムのような挿間（interculating）染料とを含んでいる。反応混合物内の分析物を標識付けするための蛍光染料および標識付け化学薬品は、当該技術分野においてよく知られており、さらにここで議論される必要性はない。さらに、蛍光検出が現在のところ好まれているが、本発明の検出装置は蛍光標識に基づいた検出に限定されない。この装置は、燐光標識または化学ルミネッセンス標識または電気化学ルミネッセンス標識に基づく検出に利用されてもよい。
【００５５】
図５Ａに示されているように、ＦＡＭとＴＥＴとＴＡＭＲＡとＲＯＸの励起スペクトル曲線は、典型的には、底部で非常に幅広くなり、頂部でより鋭くなっている。図５Ｂに示されているように、同じ染料の相対的な放出スペクトル曲線も、底部では幅広く頂部ではより鋭い。１つの重大な問題は、これらの染料が、それらの励起スペクトルおよび放出スペクトルの両方で強く重なり合う特性を持っているということである。この重なり合う特性のために、従来、複数の染料が反応混合物内の異なる分析物を標識付けするのに使用されるとき、１つの染料の蛍光信号を別の染料の蛍光信号と区別するのが困難であった。
【００５６】
本発明によると、複数の光源が、複数の励起波長範囲において励起光線を染料に与えるのに使用される。各光源は、染料の内のそれぞれ１つの最大励起範囲に合致した波長範囲において、励起光を与える。好ましい実施形態では、光源は青色と緑色の発光ダイオード（ＬＥＤ）である。図５Ｃは青色と緑色の発光ダイオードの出力を濾光する効果を示し、実質上異なる励起波長範囲となっている。典型的な青色と緑色の発光ダイオードは、約４８０ｎｍから５３０ｎｍまでの範囲で実質上重なり合う。本発明の濾光管理によって、青色発光ダイオードの光は、ＦＡＭの相対的な励起ピークに合致するように、約４５０ｎｍから４９５ｎｍの範囲に濾光される。緑色発光ダイオードの光は、ＴＥＴの励起ピークに対応する４９５ｎｍから５２７ｎｍまでの第１範囲と、ＴＡＭＲＡの励起ピークに対応する５２７ｎｍから５５５ｎｍまでの第２範囲と、ＲＯＸの励起ピークに対応する５５５ｎｍから５９３ｎｍまでの第３範囲とに濾光される。
【００５７】
図５Ｄは、異なる放出波長範囲を形成するために、４つの染料のそれぞれから放出された光（蛍光出力）を濾光する効果を示している。以前に図５Ｂにおいて示されたように、濾光前の染料の蛍光放出は、スペクトルの帯域幅が重ね合わせさって塊状に放散しており、そのことによって、１つの染料の蛍光出力を別の染料の蛍光出力と区別するのが極端に難しくなっている。図５Ｄに示されているように、染料の蛍光出力を濾光して実質上異なる波長範囲にすることによって、一連の比較的狭いピーク（検出窓）が得られ、そのことによって、異なる染料の蛍光出力を区別することができ、それゆえ、反応混合物内の多数の異なる蛍光で標識付けされた分析物の検出が可能となる。
【００５８】
図６は、熱交換モジュールの光学的励起アセンブリ４６の概略平面図である。上記アセンブリ４６は、チャンバ１０に含まれる反応混合物に励起光線を送るように、反応容器２に隣接して配置される。図７は、励起アセンブリ４６の分解図である。図６〜図７に示されているように、アセンブリ４６は、アセンブリの様々な構成部品を保持するためのハウジング２１９を含んでいる。ハウジング２１９は、好ましくは、１つ以上のプラスチックの成形部品を備えている。好ましい実施形態においては、ハウジング２１９は、３つのハウジング要素２２０Ａ,２２０Ｂおよび２２０Ｃより成る多数部ハウジングである。上部ハウジング要素２２０Ａおよび下部ハウジング要素２２０Ｃは、好ましくは、一対になる相補的な部品であって、ハウジング要素２２０Ｂにスナップフィットする。この実施形態では、ハウジング要素２２０Ａおよび２２０Ｃは、ネジ２１４によって結合される。代替の実施形態においては、ハウジング全体２１９は、スライド式光学パッケージを保持するワンピースのハウジングであってもよい。
【００５９】
下部ハウジング要素２２０Ｃは、光学的窓２３５を備えており、その中には円筒上の棒形レンズ２１５が配置されて、励起光線をチャンバ１０内に集束させる。通常、光学的窓２３５はハウジング内に開口を単に備えて、開口を通って励起光線はチャンバ１０に送られてもよい。光学的窓は、選択的に、窓ガラスとして機能する光透過性すなわち透明なガラス片またはプラスチック片を含んでいてもよく、または、好ましい実施形態におけるように、励起光線を集束するためのレンズを含んでいてもよい。
【００６０】
光学アセンブリ４６は、また、窓２３５を通して励起光線をチャンバ１０に含まれる反応混合物に送るために、４つの光源、好ましくは、発光ダイオード１００Ａ,１００Ｂ,１００Ｃおよび１００Ｄも含んでいる。通常、各光源は、レーザーまたはライトバルブまたは発光ダイオードを備える。好ましい実施形態においては、各光源は、一対の指向性発光ダイオードを備えている。特に、図６〜図７に示された４つの光源は、好ましくは、第１の緑色発光ダイオード１００Ａの対と、第２の緑色発光ダイオード１００Ｂの対と、青色発光ダイオード１００Ｃの対と、第３の緑色発光ダイオード１００Ｄの対である。これらの発光ダイオードは、電源（図６〜図７には図示されず）に接続されたリード線２０１を通して、電力を受ける。発光ダイオードは光学回路基板５０に取り付けられ、上記光学回路基板５０は、発光ダイオードがハウジングに堅く固定されるように、ハウジング要素２２０Ｂの後部に連結されている。光学回路基板５０は、可撓性ケーブル５１を介して、（図４に示されている）熱交換モジュールのメインのＰＣ基板に接続されている。
【００６１】
光学アセンブリ４６は、さらに発光ダイオードによって生成された励起光線を濾光するために、ハウジング２１９に配置された１組みのフィルタとレンズを含み、その結果、チャンバ１０に送られる各光線は、異なる励起波長範囲を有する。図７に示されているように、下部ハウジング要素２２０Ｃは、好ましくは、ハウジング内で分離された励起チャンネルを形成する壁２０２を含んで、異なる対の発光ダイオード間における潜在的な混信を減じる。壁２０２は、好ましくは、フィルタとレンズを収容してしっかりと保持するために、スロットを含む。フィルタとレンズは、接着剤だけ用いて、より好ましくは、ハウジングのスロットと組み合わせて使用される接着剤によって、ハウジング内にしっかりと固定されてもよい。
【００６２】
通常、所望の励起波長範囲内においてチャンバ１０内の反応混合物に励起光線を提供するように、光学アセンブリ４６内のフィルタが選択される。それゆえ、光学アセンブリ４６は、当該蛍光標識または燐光標識または化学ルミネッセンス標識または電気化学ルミネッセンス標識のいかなるものとも、使用され得る。例証のために、アセンブリ４６の特定の一実施形態が今ここに記載される。その実施形態では、アセンブリは、ピーク励起波長範囲のＦＡＭ,ＴＡＭＲＡ,ＴＥＴ,ＲＯＸに対応する励起光線を与えるように設計されている。
【００６３】
この実施形態では、５９３ｎｍの低透過フィルタ２０３の対は、緑色発光ダイオード１００Ａの前部に配置され、５５５ｎｍの低透過フィルタ２０４の対は、緑色発光ダイオード１００Ｂの前部に配置され、４９５ｎｍの低透過フィルタ２０５の対は、青色発光ダイオード１００Ｃの前部に配置され、５２７ｎｍの低透過フィルタ２０６の対は、緑色発光ダイオード１００Ｄの前部に配置される。現在のところ、励起光線を二重濾光するために１対の低透過フィルタを各発光ダイオードの対の前部に配置することが好まれているが、代替実施形態では、単一のフィルタが使用されてもよい。さらに、好ましくは、濾光された励起光線を平行にするために、レンズ２０７が各フィルタ対の前に配置される。光学アセンブリ４６は、また、４９５ｎｍｍの高透過レフレクター（反射体）２０８と、５２７ｎｍの高透過レフレクター２０９と、ミラー２１０と、５５５ｎｍの低透過レフレクター２１１と、５９３ｎｍの低透過レフレクター２１２とを含んでいる。反射フィルタとミラー２０８〜２１２とは、低透過フィルタ２０３〜２０６から３０°まで角度的にオフセットしている。
【００６４】
励起アセンブリ４６は、以下のような４つの異なる波長範囲内のチャンバ１０に励起光線を送る。緑色発光ダイオード１００Ａが起動されるとき、それらは励起光線を発生させ、上記励起光線は５９３ｎｍの低透過レフレクター２０３の対およびレンズ２０７を通過する。次に、上記励起光線は、５９３ｎｍの低透過レフレクター２１２で反射され、５５５ｎｍの低透過レフレクター２１１を通過し、５２７ｎｍの高透過レフレクター２０９で反射され、レンズ２１５を通って反応チャンバ１０内へと入る。発光ダイオード１００Ａからの励起光線は、次に、ＲＯＸのピーク励起範囲に対応する５５５ｎｍから５９３ｎｍまでの波長範囲に濾光される。
【００６５】
緑色発光ダイオード１００Ｂが起動されるとき、それらは励起光線を生成し、その励起光線は、５５５ｎｍの低透過フィルタ２０４の対を通過し、５５５ｎｍの低透過レフレクター２１１で反射され、５２７ｎｍの高透過レフレクター２０９で反射され、レンズ２１５を通って反応チャンバ１０内へと入る。発光ダイオード１００Ｂからの励起光線は、次にＴＡＭＲＡのピーク励起範囲に対応する５２７ｎｍから５５５ｎｍまでの波長に濾光される。
【００６６】
青色発光ダイオード１００Ｃが起動されるとき、それらは励起光線を生成し、その励起光線は、４９５ｎｍの低透過フィルタ２０５の対を通過し、４９５ｎｍの低透過レフレクター２０８を通過し、５２７ｎｍの高透過レフレクター２０９を通過し、レンズ２１５を通って反応チャンバ１０内へと入る。発光ダイオード１００Ｃからの励起光線は、次にＦＡＭのピーク励起範囲に対応する４９５ｎｍ以下の波長に濾光される。
【００６７】
緑色発光ダイオード１００Ｄが起動されるとき、それらは励起光線を生成し、その励起光線は、５２７ｎｍの低透過フィルタ２０６の対を通過し、ミラー２１０で反射され、４９５ｎｍの高透過レフレクター２０８で反射され、５２７ｎｍの高透過レフレクター２０９を通過し、レンズ２１５を通って反応チャンバ１０内へと入る。発光ダイオード１００Ｄからの励起光線は、次にＴＥＴのピーク励起範囲に対応する４９５ｎｍから５２７ｎｍまでの波長に濾光される。以下により詳細に記述されるように、作動中、発光ダイオード１００Ａ,１００Ｂ,１００Ｃ,１００Ｄは連続的に起動されて、実質上異なる波長範囲における励起光線を用いて、チャンバ１０に含まれる異なる蛍光染料を励起する。
【００６８】
図８は、熱交換モジュールの光検出アセンブリ４８の概略平面図である。アセンブリ４８は、チャンバ１０から放出される光を受けるように、反応容器２に隣接して配置される。図９は、検出アセンブリ４８の分解図である。図８〜図９に示されているように、アセンブリ４８は、アセンブリのさまざまな構成部品を保持するためのハウジング２２１を含んでいる。ハウジング２２１は、好ましくは、１つ以上のプラスチックの成形品を備えている。好ましい実施形態では、ハウジング２２１は、上部ハウジング要素２３４Ａおよび下部ハウジング要素２３４Ｂよりなる多数部ハウジングである。ハウジング要素２３４Ａ,２３４Ｂは、ネジ２１４によって結合される相補的なつがい品である。代替の実施形態において、ハウジング全体２２１は、スライド式光学パッケージを保持するワンピースのハウジングであってもよい。
【００６９】
下部ハウジング要素２３４Ｂは、光学的窓２３７を含んでおり、その内部にはチャンバ１０から放出された光を視準するための円柱状の棒形レンズ２３２が配置されている。通常、光学的窓は、単にハウジング内に開口を備え、その開口を通って放出光は受け取られる。光学的窓は、窓ガラスとして機能する光透過性すなわち透明なガラス片またはプラスチック片を選択的に含んでいてもよく、或いは、好ましい実施形態においてのように、チャンバ１０から放出される光を視準するためのレンズ２３２を選択的に含んでいてもよい。
【００７０】
光学アセンブリ４８は、また、チャンバ１０から放出されて窓２３７を通って受け取られる光を検出するために、４つの検出器１０２Ａ,１０２Ｂ,１０２Ｃ,１０２Ｄを含んでいる。通常、各検出器は、光電子増倍管、ＣＣＤ、ＳＭＯＳ検出器、フォトダイオード、またはその他のソリッドステート検出器であってもよい。好ましい実施形態においては、各検出器はＰＩＮフォトダイオードである。検出器１０２Ａ,１０２Ｂ,１０２Ｃ,１０２Ｄは、好ましくは、下部ハウジング要素２３４Ｂに形成された凹部に堅く固定される。検出器は、リード線２４５によって光学回路基板５２(図４を参照）に電気的に接続され、光学回路基板５２は、好ましくは、下部ハウジング要素２３４Ｂの下側に取り付けられている。
【００７１】
光学アセンブリ４８は、さらに、ハウジング２２１に配置された１組のフィルタとレンズを備えて、チャンバ１０から放出された光を異なる放出波長範囲へと分岐し、且つ、各放出波長範囲の光を検出器のそれぞれ１つに導く。図９に示されているように、下部ハウジング要素２３４Ｂは、好ましくは、ハウジング内で分離した検出チャンネル（溝）を形成している壁２４７を含み、各チャンネルの端部には検出器が１つづつ配置されている。上記壁２４７は、好ましくは、フィルタとレンズを収容し、固定して保持するために、スロットを含んでいる。フィルタとレンズは、また、接着剤だけを用いて、より好ましくは、ハウジングのスロットと組み合わせて使用される接着剤を用いて、ハウジング２２１にしっかりと固定される。
【００７２】
通常、光学アセンブリ４８内のにフィルタは、いかなる所望の放出波長範囲以外のチャンバ１０から放出される光を遮断するために選択さる。光学アセンブリ４８は、それゆえ、いかなる当該蛍光標識または燐光標識または化学ルミネッセンス標識または電気化学ルミネッセンス標識とともに使用されてもよい。例証のために、アセンブリ４８の特定の一実施形態が今ここに記述され、その実施形態では、アセンブリは、ＦＡＭ,ＴＡＭＲＡ,ＴＥＴ,ＲＯＸのピーク放出波長範囲において、チャンバ１０から放出される光を検出するよう設計されている。
【００７３】
この実施形態においては、好ましくは、１組のフィルタは、第１検出器１０２Ａの前部に配置された５１５ｎｍのショットガラス(登録商標）フィルタ２２２Ａと、第２検出器１０２Ｂの前部に配置された５５０ｎｍのショットガラス２２２Ｂと、第３検出器１０２Ｃの前部に配置された５７０ｎｍのショットガラス２２２Ｃと、第４検出器１０２Ｄの前部に配置された６２０ｎｍのショットガラス２２２Ｄとを含んでいる。これらのショットガラスフィルタは、ペンシルベニア州ヂュリアのショットガラス・コーポレーションから商業的に入手できる。光学アセンブリ４８は、また、第１検出器１０２Ａの前部に配置された５０５ｎｍの一対の高域フィルタ２２３と、第２検出器１０２Ｂの前部に配置された５３７ｎｍの一対の高域フィルタ２２４と、第３検出器１０２Ｃの前部に配置された５６５ｎｍの一対の高域フィルタ２２５と、第４検出器１０２Ｄの前部に配置された６０５ｎｍの一対の高域フィルタ２２６とを含んでいる。
【００７４】
（発明を実施するための最良の形態）
現在の所、光を２重に濾光するために各検出器のの前に一対の高透過フィルタを配置することが好まれるが、代替えの実施形態では、単一フィルタを使用してもよい。さらに、レンズ２４２は、好ましくは、濾光された光を視準するためのショットガラスフィルタと一対の高透過フィルタとの間の各検出チャンネルの中に配置される。光学アセンブリ４８は、６０５ｎｍ高透過レフレクター２２７と、ミラー２２８と、５６５ｎｍ低透過レフレクター２２９と、５３７ｎｍ高透過レフレクター２３０と、５０５ｎｍ高透過レフレクター２３１とをさらに含んでいる。これらの反射フィルタとミラー２２７〜２３１は、好ましくは、角度が３０度だけ高透過フィルタ２２３〜２２６からオフセットされている。図９に示すように、検出アセンブリ４８は、好ましくは、各検出器とショットガラスフィルタ２２２の間に配置された第１開口部２３８と、各レンズ２４２とショットガラスフィルタ２２２の間に配置された開口部２４０とを含んでいる。上記開口部２３８、２４０は、検出器１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ，１０２Ｄに到達する迷光すなわち離軸光の量を減少させる。
【００７５】
検出アセンブリ４８は、以下に示すように、４つの放出波長においてチャンバ１０から放出された光を検出する。図８に示すように、放出された光はレンズ２３２を通過し、５６５ｎｍ低透過レフレクター２２９に当たる。（ＦＡＭのピーク放出波長範囲に対応している）約５０５〜５３７ｎｍの範囲の波長を持つ光の部分は、５６５ｎｍ低透過レフレクター２２９で反射し、５３７ｎｍ高透過レフレクター２３０を通過し、５０５ｎｍ高透過レフレクター２３１で反射し、５０５ｎｍ高透過フィルタ２２３を通過し、レンズ２４２を通過し、５１５ｎｍショットガラスフィルタ２２２Ａを通過し、第１レフレクター１０２Ａによって検出される。
【００７６】
一方、（ＴＥＴのピーク放出波長範囲に対応している）約５３７〜５６５ｎｍの範囲にある波長を持つ光の部分は、５６５ｎｍ低透過レフレクター２２９で反射し、５３７ｎｍ高透過レフレクター２３０で反射し、一対の５３７ｎｍ高透過フィルタ２２４を通過し、レンズ２４２を通過し、５５０ｎｍショットガラスフィルタ２２２Ｂを通過し、第２検出器１０２Ｂによって検出される。
【００７７】
同様に、（ＴＡＭＲＡのピーク放出波長範囲に対応している）約５６５〜６０５ｎｍの範囲にある波長を持つ光の部分は、５６５ｎｍ低透過レフレクター２２９を通過し、６０５ｎｍ高透過レフレクター２２７を通過し、一対の５６５ｎｍ高透過レフレクター２２５を通過し、レンズ２４２を通過し、５７０ｎｍショットガラスフィルタ２２２Ｃを通過し、第３検出器１０２Ｃによって検出される。（ＲＯＸのピーク放出波長範囲に対応している）６０５ｎｍ以上の波長を持つ光の部分は、５６５ｎｍ低透過レフレクター２２９を通過し、６０５ｎｍ高透過レフレクター２２９で反射し、ミラー２２８で反射し、６０５高透過フィルタ２２６を通過し、レンズ２４２を通過し、６２０ｎｍショットガラスフィルタ２２２Ｄを通過し、第４検出器１０２Ｄによって検出される。以下に詳細に示すように、稼動中に、検出器１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ，１０２Ｄの出力が解析されて、チャンバ１０に含まれる種々の染料の各濃度を決定する。
【００７８】
図１０は、本発明による多重サイト反応装置の斜視図である。反応装置６０は、熱サイクラー６２と、パーソナルコンピューター６４のような制御装置を備えている。熱サイクラー６２は、基本機器６６と、（図４に言及して記載されている）多重熱交換器モジュール３７とを備えている。基本機器６６は、モジュール６８を収容するために、エッジコネクタ６８付きのメイン論理ボードを有している。基本機器６６は、また、好ましくは、電子部品を冷却するためのファン７０を含んでいる。基本機器６６は、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）やイーサネットやシリアルライン等の適当なデータ接続器を用いて、制御装置６４に接続される。現在、コンピューター６４のシリアルポートに接続するＵＳＢを使用するのが好まれる。図１０にはラップトップ型のコンピューター６４が示されているが、制御装置は、プロセッサーを持つデバイスなら如何なる種類のデバイスを備えてもよい。さらに、熱サイクラーは単一のコンピューターよりもむしろコンピューターネットワークに接続される。
【００７９】
「熱サイクリング」という用語は、ここでは、反応混合物における少なくとも１つの温度変化すなわち温度上昇あるいは温度下降を意味している。したがって、熱サイクルを受ける化学薬品は、１つの温度から別の温度に変化し、次に、その温度で安定するか、別の温度への移行するか、あるいは始め温度に戻る。温度サイクルは、１度のみ行なわれるか或いは必要とされる回数だけ繰返されて、注目の特定の化学反応を研究または完遂させる。
【００８０】
図１０の具体的な実施形態においては、熱サイクラー６２は、独立して制御可能な１６台の熱交換器モジュール３７を含み、上記熱交換器モジュール３７は、それぞれ８台のモジュールを２列にして配置されている。しかしながら、熱サイクラーは、１ないし４つのサイトの手持ち型機器から数百サイトの医療用あるいは研究用の機器までほろい範囲に及ぶことを理解しなければならない。１台あるいは複数の独立して制御されるモジュールと、各モジュールに対して個々にプログラムされた独立した温度や時間のプロファイル（形態）を作動させるための制御装置とは、これらの実施形態全てに共通している。核酸増幅またはその他の反応に対する熱の時間的推移は、特定の目標値に対して、細かく調整される。そして、個々のモジュール３７を独立して制御することによって、反応を異なる熱プロファイルで同時に起こすことができる。
【００８１】
熱サイクラー６２は、最適な使用および処理が可能となるなるように、様々な時間に個々のサイトに独立して負荷を掛けたり、周期的に負荷を掛けたり、負荷を除去させたりするように配慮されている。熱サイクラー６２はモジュール方式になっていて、点検や補修や交換のために、各熱交換モジュール３７は基本機器６６から個々に取り外される。このモジュール方式では、補修するために全てのモジュール３７がラインから外されるということがないので、中断時間が減少し、必要に応じて、機器６６は、アップグレードできると共に、サイトをさらに付加して増大できる。熱サイクラー６２のモジュール方式は、また、個々のモジュール３７が正確に較正され得ることを意味し、モジュールの特定な計画や補正は、モジュールの特定的な較正または調整チャートとして、制御プログラムの中に含むことができる。
【００８２】
本発明の熱サイクル装置６０は、電力の制御という点において際立った利点がある。制御装置６４は、各独立したモジュール３７の熱プロファイルをインターリーブすることができて、単一のブロックヒーターに比べて電力を節約することができる。例えば、１つのモジュールを加熱（高出力）し、もう１つのモジュールが冷却（低出力）するように制御することによって、電流は半減できる。こうして、反応物を持つモジュール３７に対してのみパルス電力をインターリーブすることによって、基本機器６６の瞬間電流要求値は最小化され、１機器当たりより多くのモジュール３７が、１１０Ｖ、１５アンペアの標準回路から電力供給される。モジュール３７を独立して制御することによって可能になるこの精巧な電力管理システムの爲に、機器６６は、バッテリーで作動される掌サイズの装置に形成され得る。
【００８３】
基本機器６６が例えば交流１１０Ｖの外部電力に基づいて作動するような実施形態では、好ましくは、上記機器は２つの電力接続部７６，７８を含んでいる。電力は第１接続部７６を通して受け取られ、第２接続部７８を通して出力される。同様に、機器６６は、好ましくはネットワークインターフェイスの入口ポート７２と出口ポート７４を含んでいて、入口ポート７２を通してデータ接続を受け取り、出口ポート７４を通してデータを別の基本機器に出力する。図１１に概略示すように、この装置によって多重熱サイクラー６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃ，６２Ｄが１つの制御装置から１つの外部出力源８０に順次接続（デージーチェーン）される。ＵＳＢを使用して、熱サイクラーを単一の制御装置に接続することは論理的に可能であるが、計算能力が限界に達するために、機器を制御するためには幾つかのコンピューターを使用しなければならない。
【００８４】
図１２は、基本機器６６の概略のブロックダイヤグラムを示す。基本機器は、電力を機器と各モジュール３７とに供給する電力供給装置８６を含んでいる。電力供給装置８６は、外部電源からの電力を受けてそれを直流に変換するために、例えば１１０Ｖの交流を受けてそれを１２Ｖの直流に変換するために、ＡＣ／ＤＣコンバータを備えている。或いはその代わりに、電源８６は例えば１２Ｖのバッテリーを備えてもよい。
【００８５】
また、基本機器６６は、ファームウェアを有するマイクロプロセッサーまたはマイクロコントローラ８２を含んで、基本機器６６とモジュール３７の動作を制御する。マイクロコントローラ８２はＵＳＢを介してユーザーのインターフェイスコンピューターに情報伝達する。処理電力の電流制限のために、現在の所、１６個のモジュール３７につき、少なくとも１つのマイクロコントローラを基本機器内に含むことが好ましい。したがって、もしも基本機器が３２個のモジュール収容能力を有するならば、モジュールを制御するために、少なくとも２つのマイクロコントローラを機器６６に設置しなければならない。
基本機器６６は、さらに、ヒーター電源制御回路８８と、電力分配器９０と、データバス９２と、モジュール選択制御回路９４とを含む。特許図面のスペースの制限によって、制御回路８８と電力分配器９０とデータバス９２と制御回路９４とは、図１２の概略図に一度のみ示されている。しかしながら、実際には、基本機器６６は、各熱交換モジュール３７に対して４つの機能部品８８，９０，９２，９４を１組含んでいる。したがって、図１２の実施形態においては、基本機器６６は１６個の制御回路８８と電力分配器９０とデータバス９２と制御回路９４とを含んでいる。
【００８６】
同様に、基本機器６６は、各モジュールに対して１つのエッジコネクタ６８も含み、図１２に示す実施形態においては、機器は１６個のエッジコネクタを含んでいる。エッジコネクタは、好ましくは、１２０ピンのエッジコネクタである。１２０ピンのエッジコネクタは、ケーブルを必要としないで基本機器６６から各モジュール３７へ接続できる。制御回路８８と電力分配器９０とデータバス９２と制御回路９４の各々は、エッジコネクタの１つとマイクロコントローラ８２とに接続される。
【００８７】
各ヒーター電源制御回路８８はそれぞれ１つのモジュール３７の加熱要素に供給される電力量を調整するための電力調整器である。電源制御回路８８は、好ましくは、電力供給装置８６から＋１２Ｖの入力を受け取って０と−２４Ｖの間の可変電圧を出力するＤＣ／ＤＣ変換器である。この電圧は、マイクロコントローラ８２から受け取った信号にしたがって変化する。
【００８８】
各電力分配器９０は、各モジュール３７に−５Ｖ，＋５Ｖ，＋１２Ｖ，ＧＮＤを与える。上記電力分配器は、このように、モジュールの電子部品に電力を供給する。各データバス９２は、マイクロコントローラ８２とそれぞれ１つのモジュール３７のデジタル装置との間に、平行且つ連続した接続を提供する。各モジュール選択制御装置９４によって、マイクロコントローラ８２が個々のモジュール３７にアドレスして、制御情報や状態情報を読み書きする。
【００８９】
図１３は、熱交換モジュール３７の電子部品の概略ブロック図である。各モジュールはエッジコネクタ５８を含んで、基本機器の対応するエッジコネクトタにケーブル不用な接続を行う。モジュールは、また、ヒータプレート３４Ａ，３４Ｂを含み、ヒータプレート３４Ａ，３４Ｂの各々は、上述した抵抗加熱要素を有する。ヒータプレート３４Ａ，３４Ｂは平行に配線されていて、基本機器からの電力入力９８を受け取る。また、ヒータプレート３４Ａ，３４Ｂは、アナログ温度信号をアナログデジタル変換器１０８に出力するサーミスター３６Ａ，３６Ｂを含んでいる。変換器１０８は、アナログ信号をデジタル信号に変換して、それらをエッジコネクタ５８を介して基本機器内のマイクロコントローラに送る。
【００９０】
熱交換モジュールは、また、例えばファン９６のような冷却装置を含み、プレート３４Ａ，３４Ｂと、プレート間に挿入された容器内の反応混合物とを冷却する。上記ファン９６は、基本機器から電力を受け取り、電力スイッチ１１８を入れることによって作動する。次に、上記電力スイッチ１１８は、基本機器内のマイクロコントローラからの制御信号を受け取る制御論理ブロック１１６によって、制御される。
【００９１】
上記モジュールは、反応混合物内の標識分析物を励起するために、発光ダイオード（ＬＥＤ）のような４つの光源を含み、さらに、反応混合物からの蛍光放出を検出するために、４つの検出器好ましくはフォトダイオード１０２を含んでいる。モジュールは調整可能な電流源１０４を含んでいて、各発光ダイオードに可変な電流（例えば、０から３０ｍＡの範囲）を供給し、発光ダイオードの明るさを変化させる。デジタルアナログ変換器１０６は、調整可能電流源１０４と基本機器のミクロコントローラーとの間に接続されていて、ミクロコントローラーがデジタル式に電流源を調整する。
【００９２】
調整可能な電流源１０４は、好ましくは、作動時に各発光ダイオードが略同じ明度を確実に持つために使用される。製造時のばらつきによって、多くの発光ダイオードは、同じ電流が供給された時でも異なる光度を持っている。したがって、現在の所、熱交換モジュールの製造中に各発光ダイオードの光度を試験して、較正データをモジュールのメモリ１１４に保存することがすることが望ましい。上記較正データは、各発光ダイオードに供給すべき電流の正しい量を示す。マイクロコントローラーは、メモリ１１４から較正データを読み、それによって電流源１０４を制御する。下記に詳細に述べるように、マイクロコントローラーは、また、検出器１０２から受け取った光学的なフィードバックに応答して、電源を制御し、発光ダイオード１００の光度を調整する。
【００９３】
上記モジュールは、増幅器と電子フィルタとデジタルアナログ変換器とから成る信号調整／ゲイン選択／オフセット調節ブロック１１０を付加的に含んでいる。ブロック１１０は、検出器１０２からの信号を調整して、ゲイン（利得）を増大させ、オフセットし、ノイズを減少させる。基本機器のマイクロコントローラーは、デジタル出力レジスタ１１２を介して、ブロック１１０を制御する。上記出力レジスター１１２は、マイクロコントローラーからデータを受け取り、制御電圧をブロック１１０に出力する。上記ブロック１１０は、アナログデジタル変換器（Ａ／Ｄコンバータ）１０８およびエッジコネクタ５８を介して、調整された検出器信号をマイクロコントローラーに出力する。上記モジュールは、また、メモリ１１４、好ましくは、シリアルな電気的消去可能なプログラマブルＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）を含んで、例えば発光ダイオード１００や熱プレート３４Ａ，３４Ｂや熱プレート３６Ａ，３６Ｂの較正データなどの上記モジュールに特定なデータを記憶し、また、下記に詳述するデコンヴォルーションアルゴリズムのための較正データを記憶する。
【００９４】
図１４は、ユーザーのインターフェイスコンピューターにおいて、および／または熱サイクラー６２のマイクロコントローラー８２において、ソフトウェアまたはファームウェアとして典型的に常駐する制御装置のアーキテクチャーを示す。理解しておくべきことは、これらの機能の中から選択された幾つかの機能が、必要に応じて、例えば掌サイズのフィールドユニットの場合にはマイクロコントローラー８２内に配置されたり、或いは、マイクロコントローラーと情報伝達する別のコンピューター内に配置されたりすることである。制御機能の分配は、意図された使用に最も効率的に適合させるべく、様々なハードウェア要素やソフトウェア要素において常駐させように、当業者によって選択される。したがって、大実験室や臨床的形態における制御機能分配は、掌サイズのフィールドユニット或いは中間サイズの移動可能ユニットにおけるものとは、まったく異なっている。さらに、これらの機能は、特定の目的に対して選択されて、上記特定の目的は、例えば質的な同定から単一あるいは限定された数のサイトプログラムまで、或いは、プログラムの拡張されたライブラリを経由して広範な反応に関する十分な量の評価に至るまで、選択され得る。
【００９５】
図１４について続けると、制御装置プログラムアーキテクチャーはユーザーインターフェイス機能１５２を含むソフトウェアーであり、上記ユーザーインターフェイス機能１５２は、モニター上のグラフィック表示（見本表示は図１５〜１８に示す）と、入力キーボードと、マウス等を含んでいる。温度プロファイルは、メモリ１６０内のプロファイルデータベース１５４内に記憶される。個々の反応サイトに対する個々の実行結果も、結果データベース１５６に記憶される。
【００９６】
ユーザー出力装置（例えばマウスまたはキーボード）によって、ユーザーはコムポート１６２を介してプロファイルインタープリター１７０と情報伝達することができる。ユーザーの選定時に、選定された１モジュール上で実行される熱サイクルプロファイルは、ユーザーインターフェイス１５２から選択され、プロファイルデータベース１５４から検索され、プロファイルインタープリター１７０に入力される。加えて、装置ドライバー１８０を介して熱サイクラー６２から得られた温度信号は、プロファイルインタープリター１７０から出力され、ユーザーインターフェイス１５２に出力される。
【００９７】
それぞれ特定の熱変換モジュールに対して選択された熱プロファイルを完成させるために、プロファイルインタープリター１７０は、選択された熱プロファイルを、１組のヒーター出力レベルとファンのオンオフ回数とを示す信号に変換する。入出力制御ポート１７４は目標温度を出力し、上記目標温度は装置ドライバー１８０の入力値となる。同様に、装置ドライバー１８０は、熱交換モジュールの温度検知器によって検知されたその時点の温度をデータとして出力し、そのデータはプロファイルインタープリター１７０に対して入力値となる。装置ドライバー１８０は、シリアルバス６５を介して、熱サイクラー６２内のマイクロコントローラー８２に適切なデジタル信号を提供する。そして次に、マイクロコントローラー８２は温度プロファイルサイクルを実施する。
【００９８】
図１５〜１８は、一連の見本ディスプレーを示し、上記ディスプレーはユーザーのインナーフェイス上でユーザに表示される。当業者が理解するように、装置を初期化し、ユーザー識別の入力とパスワード防護許可の入力がなされると、型通りの開始画面が現れる。これに、図１５のプログラムメニュー画面１２０が続く。左の指示メニューボタン１２２を選択すると、付加的な画面が随時呼び出される。各画面が表示されると、テキストボックスとボタンで装置オペレーションに対するオプションを表示し、その際、ユーザーに各オプションの選定の仕方を示すテキスト情報あるいはアイコン情報も一緒に表示する。選定ボタンやチェックボックスやグラフ表示を含むこれらの画面は、当該技術分野において通常の技術を有するコンピュータープログラマーによって作成される。
【００９９】
ライブラリーボタン１２４は、熱プロファイルプログラムと、メモリに記憶された過去の熱サイクルの実施結果とにアクセスする。結果ボタン１２６は、過去の結果を調査するためのメニューにアクセスする。この報告ボタン１２８は、過去の熱サイクル実施結果から、実際の時間温度形跡記録の印刷ができる。優先ボタン１３０によって、ユーザーは、頻繁に使用される入力実行をセットすることができ、一方、維持ボタン１３２によってデータ構造を調整できる。サインオフボタン１３４はプログラムを閉じる。
【０１００】
図１６は、見本プログラムメニュー画面を示し、この画面を通してサイトプログラムまたは熱プロファイル（一連の１つ以上の加熱および冷却ステップ）が作成される。新しいプロファイルは、新規ボタンによって作成される。図示された温度によって、ユーザーは特定のユーザー形成プログラムを作り、そのプログラムはメモリー内に記憶される。画面に示されたデータは、消去ボタンを選択しスクラッチする（掻き消す）ことによって、全て削除される。小さなウィンドウ１４０に現れる数は消え、次に、ユーザーが「温度」および「時間」というコラムの下にある上下の矢印を切りかえることによって、適当な値を入れることができる。プラスマイナスキー１４４はステップを加えたり消去するために使用される。下部ケース「ｘ」キー１４６を選択することによって、全フィールドが消去される。プログラムは「保持」を単一ステップとして解釈する。多重ステップは１つのサイクルと解釈される。そして、中央のコラム１４８に注目すると、サイクル数がユーザーによって書き入れられる。プログラム名１４９は中央左のウィンドウにあり、実行されるプログラムの簡単な説明１５１が下部左ウィンドウにある。次に、プログラムは、以前から知られた名称で「セーブ」するか、或いはウィンドウ１４９に入れられた名称の下にプログラムを保存するために「セーブアズ」して、保存することができる。そのとき、この新しいプログラムは、例えば図１４のプロファイルデータベース１５４のような熱プロファイルライブラリに自動的に保管される。「実行」ボタンを押すことによって、利用可能な反応サイト（熱交換モジュール）が、特定アドレスによってコラム１３１に表示される。１以上のサイトが選択され、再度「実行」ボタンを押すことによって、プログラムは実行する。
【０１０１】
図１７は、現在の熱サイクル状態を表示する見本の機器メニュー画面を示す。１，２，３，４で分類された４つのウィンドウの各々は、４モジュール機器における４つの反応サイト（モジュール）の１つを識別する。サイト数３が選択されたとして注目すると、それは５５度Ｃの設定温度で運転するための全時間を示している。それは、また、特定のステップでの残り時間以外に、プロファイル設定温度と現在の温度を示す。また、この画面は、３ステップ中のステップ１かつ５０サイクル中のサイクル３にあって、そのサイクルは残り２０秒であることを示している。この画面は、反応の進行に関する実時間の形跡を表示し、また、画面下半分に渡って表示装置１５５に曲線を表示している。個々のサイトは、単に特定のサイト１，２，３，４...Ｎを数字で選択することによって登録される。
【０１０２】
付加的な命令は「一時停止」と「継続」と「停止」を含み、これらは選択された特定の反応サイトに影響する。「全停止」という命令は、目下作動中の全ての熱交換モジュールを停止させる。「停止」または「全停止」が選択されるとき、それが不注意に選択されなかったことを確実にするために、警告プロンプトが現れる。反応が一度終了すると、特定のサイクルの実時間表示１５５が、グラフの底部に沿ってスクロールバーボタン１５７を移動させることによって、この特定のサイト内で選択される。
【０１０３】
図１８は、見本のライブラリメニュー画面を示す。図１４を参照して上述したように、以前保存されたプログラムはプロファイルデータベース１５４に記憶されている。前の実行結果は結果データベース１５６に記憶されている。図１８を見ると、プログラムは、画面の上半分にあるプログラム「名称」を下方にスクロールすることによって選択される。次に、「実行」を押圧することによって特定の反応サイト（熱交換モジュールの１つ）が割り当てられる。個々のプログラムに関する詳細な情報は、画面の左下四半分１５９上に表示される。そして、以前に実行されたプログラムは、「ビュー／編集」ボタンを押圧することによって呼び戻される。「削除」ボタンは、飛出式警告文の後に、プログラムをライブラリから取り除くのに使用される。画面の右下にあるプレビュー表示１６１は、選択された熱プロファイルの棒グラフを示す。
【０１０４】
ユーザーインターフェイスプログラムは、また、好ましくは、結果メニュー画面を含み、特定の実行結果はプログラム名称と日付とオペレーターとサイトとによって表示される。この結果は、プログラムのオペレーションの実時間結果であるか、或いはメモリ（図１４における結果データベース１５６）からの呼び出される。表示される情報は、好ましくは、選択された熱プログラムに対する全実行サイクルの温度の形跡と、収集された光学データとを含む。また、表示された情報は、好ましくは、プログラムの開始時間および終了時間と、使用された特定の熱交換モジュール（反応サイト）と、最終プログラムの状態（例えば、終了しているか、作動不能か、またはユーザーによって停止されているか）を含む。
【０１０５】
図１９は全ソフトウェア制御のアプリケーションにおける段階を概略的に示す流れ図であって、上記アプリケーションは多重サイト反応器装置の制御装置によって実施される。このアプリケーションはロードされ、ステップ４０２で始まり実行される。ステップ４０２では、ユーザーが望む温度プロファイルが存在するかどうかを決定する。もしも、プロファイルが存在するならば、制御装置はステップ３０６に進む。もしも、所望のプロファイルが存在しないなら、それをユーザーがステップ４０４で作る。
【０１０６】
このプロファイルは、好ましくは、図１１に示す機器制御装置の画面を通して作られる。ユーザーまたはオペレーターはプロファイルの変数を初期化する。すなわち、キーボードを介しておよび／またはプログラムグラフィクスディスプレイ上のボタンやチェックボックスの選定を介して、サイクル数と、所定プロファイルの温度段階の各々に対する設定温度とを入力する。例えば、図１１に示すように、ユーザーは特定のアプリケーションを選択して、９５度Ｃで５分間保持する導入部から始め、次に９５度Ｃで３０秒間、５５度Ｃに冷却して３０秒間、次に温度を７５度Ｃに上昇させて６０秒間を３５サイクル行う（反復する）。完了信号を出す前には、７２度Ｃで７分間の最終的な保持が選択される。そして、この温度プロファイルはプロファイルデータベースに記憶される。
【０１０７】
４０６のステップでは、選択されたモジュールで所望の温度プロファイルを実施するというユーザーの希望に応じて、上記プロファイルがプロファイルデータベースからロードされる。ステップ４０８では、制御装置は、ユーザーインターフェイスを介してユーザーに、反応混合物の入った反応器を選択されたモジュールの中に負荷することを促す。図４を参照すると、次に、ユーザーは、反応混合物の入った反応容器２を、選択されたモジュール３７の熱プレート３４Ａと３４Ｂの間に設置する。当業者は、このステップは例えばロボットによって自動化され得ることを認識する。ステップ４１０では、制御装置は、選択されたモジュールの反応混合物上で選択された温度プロファイルを実行する。ステップ４１０は、図２０を参照して下記に詳細に記載されている。簡単に言えば、選択された温度プロファイルは、プロファイルインタープリター１７０によって、中間形態にコンパイルされる。この中間形態は装置ドライバー１８０によって使用されて、熱サイクラー機６２のマイクロコントローラー８２に信号を供給する（図１４参照）。
【０１０８】
選択された温度プロファイルの実行は、一般に、温度センサーのデータを登録したりピンジング（pinging）したり或いはサンプリングしたりする反復ループを含み、また、クロック時間が進行するときに、上記データを予め決められた設定温度と関連させることを含んでいる。同時に、制御装置は、熱サイクラーが実行しているときに、選択されたプロファイルと、選択された熱交換モジュールの熱プレートの現在の温度との双方を、画面上に実時間で表示する。サイクルカウンターｊは始めにｊ０＝０に初期化される。それは各サイクルにおいて選ばれたサイクル数まで繰返す。サイクルの選択数が終了した後には、プログラムは特定の実行が「実行済」という信号を発し、タイマーカウンターはサイクルに対して全時間に到達する。ステップ４１２では、制御装置は実行結果を表示し、すなわち反応混合物における標的分析物の検出を示す光学データを表示し、結果データベースにその結果を保存する。
【０１０９】
図２０は、熱交換モジュールにおける反応混合物に対して、選択された温度プロファイル（図１９のステップ４１０）の実行において実施されるステップを示す。ステップ４２０では、モジュール内の熱プレートの温度は登録される。プレート温度の登録は、好ましくは、温度プロファイルの実行に渡って１００ミリ秒毎に起こる。図３に示すように、サーミスター３６Ａ，３６Ｂのような温度センサーは、プレートの温度を示すアナログ信号を出力する。アナログ信号はデジタル信号に変換され、制御装置によって受信される。制御装置は２つのプレートの温度を平均化してプレートの温度を決定する。
【０１１０】
ステップ４２２では、制御装置は、プロファイル目標温度すなわちプロファイル内での特定時間に対してユーザーが定めた設定温度と、プレート温度との差（デルタ）を決定する。決定ステップ４２４では、上記差が閾値たとえば１０℃よりも大きいかどうかが決定される。もしも、その差が閾値よりも大きいと、制御装置はステップ４２６に進んで、プレートの温度を上昇させる。プレート温度を上昇させるときに含まれるステップは、図２１を参照して下記に詳細に記載されている。
【０１１１】
差が閾値よりも大きくないならば、制御装置は、ステップ４２８において、プレート温度が現行の設定温度よりも高い予め決められた量たとえば１０℃以上であるかどうかを決定する。もしもそうであるなら、制御装置はステップ４３０に進み、プレートの温度を下げる。プレートの温度を下げるときに含まれるステップは、図２２を参照して下記に詳細に記載されている。ステップ４３０の続いて、制御装置はステップ４３２に進む。
【０１１２】
ステップ４３２では、制御装置は、現行の設定温度に熱プレートを維持するために標準的な比例微積分制御（ＰＩＤ制御）を行う。比例制御は、「オン」の時間と「オフ」の時間との比を変化させることによって行われるか、或いは、好ましくは、プレートの実際の温度が設定温度に近づくにつれてヒーターまたはファンに供給される平均電力を減少させるといった当該分野において既知の比例アナログ出力を用いて行われる。ＰＩＤ制御は比例モードを自動リセット機能（時間に関して偏差信号を積分する）および比率処理（積分信号と微分信号とを合計して比例帯を移動させる）と組合せている。標準ＰＩＤ制御は当該技術分野では周知であり、ここにおいてさらに説明する必要はない。
【０１１３】
ステップ４３４では、反応容器の中に入っている反応混合物は、上記混合物が標的分析物を含んでいるかどうかを決定するために、応答指令信号が光学的に送られる。これは、再び図６と図８を参照して、発光ダイオード１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄとを続いて作動させて混合物内の異なる蛍光標識分析物を励起させ、検出器１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ，１０２Ｄを用いてチャンバ１０から発する光（蛍光出力）を検出することによって行われる。現在のところ好ましい実施形態では、蛍光染料ＦＡＭ，ＴＡＭＲＡ，ＴＥＴ，ＲＯＸが、例えば、反応混合物内の標的ヌクレオチド配列、核酸、蛋白質、病原体、有機体などの標的分析物に標識を付けるために使用される。
【０１１４】
好ましい実施形態においては、発光ダイオードと検出器の対の合計１６の組合せに対して、4つの発光ダイオードの対と４つの検出器の対とが存在する。理論的には、全１６の組合せに対して検出器から出力信号を収集することは可能である。しかしながら、これら１６の組合せの中から、４つの主要検出チャンネルのみが存在する。各主要検出チャンネルは、発光ダイオードの励起光線が特定染料のピーク励起波長範囲内にある光学アセンブリ４６内の発光ダイオード対によって、また、上記同一染料のピーク放出波長範囲内で放出される光を検出すべく指定された光学アセンブリ４６内の検出チャンネルに対応するものによって形成される。
【０１１５】
好ましい実施形態では、第１主要検出チャンネルは、発光ダイオード１００Ａと第４検出器１０２Ｄ（ＲＯＸチャンネル）との第１の対によって形成される。第２主要検出チャンネルは、発光ダイオード１００Ｂと第３検出器１０２Ｃ（ＴＡＭＲＡチャンネル）との第２の対によって形成される。第３主要検出チャンネルは、発光ダイオード１００Ｃと第１検出器１０２Ａ（ＦＡＭチャンネル）との第３の対によって形成される。第４主要検出チャンネルは、発光ダイオード１００Ｄと第２検出器１０２Ｂ（ＴＥＴチャンネル）との第４の対によって形成される。好ましい実施形態では、反応混合物は、これらの４つの主要検出チャンネルを用いて随意に応答指令信号が発せられる。しかしながら、代替の実施形態では、１つ或いはそれ以上の代替えの検出チャンネルが使用されて、検出器の出力信号における潜在的変化を修正するためのデータを与える。その潜在的変化は、例えば、反応容器内の気泡や、容器の形状の変化や、熱プレートの間にある容器位置の僅かな変化によって引き起こされる。上記代替の実施形態は、以下に詳細に記載される。
【０１１６】
反応混合物に光学的に応答指令信号を送るための好ましい方法、また、得られた光学データを解くための好ましい方法は、図６と図８とを参照して記載される。第１に、発光ダイオードのいずれかを作動させる前に、「暗読（ダークリーディング）」が行われて、発光ダイオードのどれもが点灯しないときに、４つの検出器の各々の出力信号を測定する。各検出器によって出力された「暗読」信号は、続いて、検出器によって出力された対応の「光読（ライトリーディング）」信号から減ぜられて、光学的検出回路における電子的なオフセット（偏り）を修正する。この「暗読」信号を得て、対応する「光読」信号から暗信号を減ずる手順は、好ましくは、較正データ（下記に詳細に記載）の展開中に容器に応答指令が発せられる時をも含めて、容器に応答指令が発せられる毎に行われる。しかしながら、説明を明確且つ簡単にするために、「暗読」を得るステップと、対応する「光読」信号から暗信号を減ずるステップは、この説明では繰返さない。
【０１１７】
暗読に続いて、「光読」は、４つの主要な光学的検出チャンネルの各々において、下記のように行われる。第１の対の発光ダイオード１００Ａが作動され、この発光ダイオードが励起光線を発生させる。上記励起光線は、５９３ｎｍ低透過フィルタ２０３の対を透過し、５９３ｎｍ低透過フィルタ２１２で反射し、５５５ｎｍ低透過フィルタ２１１を透過し、５２７ｎｍ高透過フィルタ２０９で反射し、レンズ２１５を透過して、反応チャンバ１０に入る。このようにして、発光ダイオード１００Ａからの励起光線は濾光されて、ＲＯＸのピーク励起範囲に対応する５５５〜５９３ｎｍの波長範囲となる。図８に示すように、チャンバ１０から放出される光（蛍光放出放線）は検出アセンブリ４８のレンズ２３２を透過し、５６５ｎｍ低透過レフレクター２２９に打ち当たる。（ＲＯＸのピーク放出波長範囲に対応する）６０５ｎｍ以上の波長を持つ光の部分は、５６５ｎｍ低透過レフレクター２２９を通過し、１対の６０５ｎｍ高透過レフレクター２２７で反射し、ミラー２２８で反射し、１対の６０５ｎｍ高透過フィルタ２２６を通過し、レンズ２４２を通過し、６２０ｎｍショットガラス（登録商標）フィルタ２２２Ｄを通過して、第４検出器１０２Ｄによって反射される。第４検出器１０２Ｄは、対応する信号を出力し、上記信号はデジタル値に変換されて記録される。
【０１１８】
次に、図６に示すように、第２の対発光ダイオード１００Ｂは作動され、上記発光ダイオードは励起光線を発生する。この光線は、５５５ｎｍ低透過フィルタ２０４を通過し、５５５ｎｍ低透過フィルタ２１１で反射し、５２７ｎｍ高透過フィルタ２０９で反射し、レンズ２１５を通過し、反応チャンバ１０に入る。このようにして、発光ダイオード１００Ｂからの励起光線は、濾光されて、ＴＡＭＲＡのピーク励起範囲に対応する５２７〜５５５ｎｍの波長範囲になる。図８に示すように、次に、チャンバ１０から放出される光は、検出アセンブリ４８のレンズ２３２を通過し、５６５ｎｍ低透過レフレクター２２９に打ち当たる。（ＴＡＭＲＡのピーク放出波長範囲に対応する）約５６５〜６０５ｎｍの範囲の波長を持つ光の部分は、５６５ｎｍ低透過レフレクター２２９を通過し、６０５ｎｍ高透過レフレクター２２７を通過し、１対の５６５ｎｍ高透過フィルタ２２５を通過し、レンズ２４２を通過し、５７０ｎｍショットガラスフィルタ２２２Ｃを通過して、第３検出器１０２Ｃによって検出される。この第３検出器１０２Ｃは対応する信号を出力し、上記信号はデジタル値に変換されて記録される。
【０１１９】
次に、図６に示されるように、青色発光ダイオード１００Ｃの対が作動されて上記発光ダイオードは励起光線を発生させる。上記励起光線は、４９５ｎｍ低透過フィルタ２０５の対を通過し、４９５ｎｍ高透過レフレクター２０８を通過し、５２７ｎｍ高透過レフレクター２０９を通過し、レンズ２１５を通過して反応チャンバ１０に入る。発光ダイオード１００Ｃからの励起光線は、このようにして濾光されて、ＦＡＭのピーク励起範囲に対応する約４５０〜４９５ｎｍの波長範囲になる。図８に示すように、チャンバ１０から放出された光は、次に、検出アセンブリ４８のレンズ２３２を通過し、５６５ｎｍ低透過レフレクター２２９に打ち当たる。（ＦＡＭのピーク放出波長範囲に対応する）約５０５〜５３７ｎｍの範囲の波長を持つ光の部分は、５６５ｎｍ低透過レフレクター２２９で反射し、５３７ｎｍ高レフレクター２３０を通過し、５０５ｎｍ高レフレクター２３１で反射し、５０５ｎｍ高透過フィルタ２２３の対を通過し、レンズ２４２を通過し、５１５ｎｍショットガラスフィルタ２２２Ａを通過し、第１検出器１０２Ａによって検出される。この第１検出器１０２Ａは、対応する信号を出力し、上記信号はデジタル値に変換されて記録される。
【０１２０】
次に、図６に示すように、第４の対の発光ダイオード１００Ｄが作動され、上記発光ダイオードは励起光線を発生させる。上記励起光線は、５２７ｎｍ低透過フィルタ２０６の対を通過し、ミラー２１０で反射し、４９５ｎｍ高透過レフレクター２０８で反射し、５２７ｎｍ高透過レフレクター２０９を通過し、レンズ２１５を通過して、チャンバ１０に入る。発光ダイオード１００Ｄからの励起光線は、このようにして、濾光されて、ＴＥＴに対するピーク励起範囲に対応した４９５〜５２７ｎｍの波長範囲になる。図８に示すように、チャンバ１０から放出された光は、次に、検出アセンブリ４８のレンズ２３２を通過して、５６５ｎｍ低透過レフレクター２２９に打ち当たる。（ＴＦＴのピーク放出波長範囲に対応する）５３７〜５６５ｎｍの範囲にある波長を持つ光の部分は、５６５ｎｍ低透過レフレクター２２９で反射し、５３７ｎｍ高透過レフレクター２３０で反射し、５３７ｎｍ高透過フィルタ２２４の対を通過し、レンズ２４２を通過し、５５０ｎｍショットガラスフィルタ２２２Ｂを通過し、第２検出器１０２Ｂによって検出される。この第２検出器１０２Ｂは対応する信号を出力し、上記信号はデジタル値に変換されて記録される。４つの発光ダイオードの各々を連続して作動し、４つの対応する検出器測定値を収集するために必要な時間は、典型的には５秒以内である。
【０１２１】
検出用の染料によって放出される蛍光のスペクトルは、全く広範囲である。その結果、個々の染料（例えば、ＦＡＭ，ＴＡＭＲＡ，ＴＥＴ，ＲＯＸ）は、反応容器から蛍光を放出するとき、蛍光は幾つかの主要検出チャンネルにおいて検出される。すなわち幾つかの検出器１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ，１０２Ｄが蛍光を検出して、出力信号を発生する。しかしながら、各染料はそれ自身の「サイン（署名）」を持っていて、すなわち、各検出チャンネルにおける光学信号の比は各染料に対して独特なものとなっている。また、染料の混合物からの蛍光の放出が検出チャンネルの各々において単に加算的であり、したがって、線形幾何学を用いて、個々の染料濃度を混合された信号から抽出できるというのは、合理的な仮定である。
【０１２２】
好ましい実施形態では、線形幾何学および較正マトリックスを使用して、検出器の出力信号を反応混合物内の各染料の真の濃度を示す値に変換するように、制御装置はプログラムされている。較正マトリックスを展開するための好ましい方法が、好ましい実施形態の４チャンネル装置を用いて、一例としていまここに説明される。
【０１２３】
まず、反応緩衝材のみが入った反応容器が、光学アセンブリ４６,４８を使用して、光学的に読み込まれる。反応緩衝材は、反応混合物に類似した或いは殆ど同一の流体であり、試料をテストするために装置を実生産で使用する間に、光学アセンブリによって光学的に読み込まれる。反応緩衝材は染料を含まなく、したがって、全染料の濃度が零になる。４つの主要な検出チャンネルにおける反応緩衝材の光学的な読みは、４つの出力信号を発生し、これらの信号は対応するデジタル値に変換される。これらの４つの部材はBuffer（Ｉ）と呼ばれ、Ｉは１，２，３または４であって、それらの数値に基づいて検出チャンネルが読み込まれる。この緩衝材の値は、染料からの蛍光信号を加えることなく、各主要検出チャンネルにおいて検出されるバックグラウンド信号の測定値あるいは散乱光の測定値である。
【０１２４】
次に、既知の濃度たとえば１００ｎＭの染料番号１が入った反応混合物が、容器の中に配置される。そして、再び、４つのチャンネルが読み込まれる。生み出された４つの番号は、Netdye（Ｉ，１）と呼ばれる。４つの番号の同様のセットが、他の３つの染料に対しても得られて、Rawdye（Ｉ，２）とRawdye（Ｉ，３）とRawdye（Ｉ，４）とになる。次に、この緩衝値はRawdyeから差し引かれて、以下に示す正味の染料の値となる。
Netdye（Ｉ，Ｊ）＝Rawdye（Ｉ，Ｊ）−Buffer（Ｉ）；（Ｉ＝１〜４）
ここで、Ｉは検出チャンネルを示し、Ｊは染料番号を示す。
【０１２５】
次に、標準数値法（例えばガウス消去法）を使用して、マトリックスNetdye（Ｉ，Ｊ）が変換されて、較正マトリックス Cal（Ｉ，Ｊ）と呼ばれる新たなマトリックスを得る。注意すべきことは、マトリックスの積、Netdye（Ｉ，Ｊ）×Cal（Ｉ，Ｊ）が単位マトリックスになることである。さて、反応混合物が読み込まれると、４つの検出チャンネルにおける検出器の出力信号は、混合物の染料の真の濃度を代表する値に変換される。混合物の光学的な読みは、RawMix（Ｉ）と呼ばれる４つの番号を生じる。反応緩衝値は、生の混合値から差し引かれて、以下のMix（Ｉ）と呼ばれる４つの数値を得る。
Mix（Ｉ）＝RawMix（Ｉ）−Buffer（Ｉ）
【０１２６】
次に、染料の真の濃度は、以下のようにマトリックスの掛け算によって得られる。
Truedye（Ｉ）＝１００ｎＭ × Cal（Ｉ，Ｊ）× Mix（Ｉ）
上記等式において、１００という係数は、初期の較正の測定として、１００ｎＭの濃度が使用されたからである。１００ｎＭの濃度は、例示目的のためのみに使用され、本発明の範囲を限定する意図はない。一般的に、較正測定用の染料の濃度は、染料の蛍光効率（強さ）によって、２５〜１０００ｎＭの範囲内のいずれかにある。
【０１２７】
再び図１２〜１３を参照して、マトリックスCal（Ｉ，Ｊ）とBuffer（Ｉ）とは、好ましくは、各熱交換モジュール３７の作成中に作られ、メモリ１１４に記憶される。モジュール３７が基本機器６６に接続されると、基本機器または外部コンピューターの制御ソフトウェアアプリケーションが、マトリックスをメモリに読み込み、マトリックスを使用して、検出器１０２の出力信号を、反応混合物内の各染料の濃度を示す値に変換する。構成マトリックスCal（Ｉ，Ｊ）とBuffer（Ｉ）とが、較正された特定の組の染料および反応容器の容積に依存しているので、染料と反応容器容積の様々な組合せに対して、多重組のマトリックスを生産し貯蔵することが好ましい。このことは、この装置を使用する際に、最終ユーザーに一層融通性を与える。
【０１２８】
一例として、較正マトリックスは、異なる大きさ（例えば、２５ml、５０ml、１００ml）の反応容器を使用して、合計９つの異なる組の較正マトリックスに対して、３つの異なる染料の組に貯えられる。勿論、これは単なる一例に過ぎなく、他の多くの組合せが可能なことは当業者には明らかである。さらに、代替えの実施形態では、最終ユーザーが染料および反応容器サイズの所望の組合せに対して較正データを貯えたり使用したりすることができるように、制御ソフトウェアは較正要領を通して最終ユーザーを指導する機能を含む。
【０１２９】
上述した好ましい実施形態を実施する際に、４つの主要な検出チャンネルのみが読み込まれて、４つの出力信号が生じる。上記信号は解読されて、反応混合物内の個々の染料濃度を代表する染料濃度値に変換される。しかしながら、別の実施形態においては、１つまたはそれ以上の代替の検出チャンネルが、検出器の出力信号における電位の変化を修正するデータを提供するために使用される。上記変化は、例えば、反応容器内の気泡や、容器の形状の変化や、熱プレート間の容器の位置における僅かな変化によって引き起こされる。これらの変化はいずれもがバックグラウンド信号を引き起こし、これらは各検出器によって検出されるが、マトリックスBuffer(I)において緩衝値を生成するときに検出されるバックグラウンドや散逸された光とは異なる。これらの変化を修正するために、制御装置がプログラムされて、代替えの（主要でない）検出チャンネルを使用して１以上の検出器から較正信号を受け取り、且つ、受け取った較正信号に依って、主要検出チャンネルから受け取った後続の出力信号を調整する。制御装置は、以下に述べる仕方で、主要検出チャンネルからの出力信号を調整するようにプログラムされている。
【０１３０】
再度、図６と図８とを参照して、較正データは、対になった発光ダイオードと検出器を使用して作られる。上記発光ダイオードは励起波長範囲内で励起光線を発生させ、上記励起波長範囲は検出器によって検出された放出波長範囲と重複する。例えば、緑色発光ダイオード１００Ｄと第１検出器１０２Ａの対は、緑色発光ダイオード１００Ｄからの励起光線が濾光されて４９５〜５２７ｎｍの波長範囲になり、検出器１０２Ａが５０５〜５３７ｎｍの重複波長範囲内の放出光を検出するので、この目的に適合している。較正データを作るために、発光ダイオード１００Ｄおよび検出器１０２Ａを使用して、較正緩衝物の入った反応容器には随意に応答指令信号が送られる。発光ダイオード１００Ｄが作動されて、検出器１０２Ａが対応する出力信号を発し、信号はデジタル値に変換されて記録される。
【０１３１】
検出器１０２Ａに過負荷が掛からないように、発光ダイオード１００Ｄの輝度は、意味深長に、較正中に通常の作動輝度より減少さればならない。これは、可変電流源（図１３に既述）により発光ダイオードに供給する電流の量を減少させて行われる。この較正手続き中においては、典型的には、１〜５ｍＡの電流が発光ダイオードに供給される。この較正手続きは、発光ダイオードと検出器の対を用いて、好ましくは、数回繰り替えされる。また、この較正手続きは、随意に発光ダイオードと検出器の対を用いて繰り替えされ、発光ダイオードと検出器の対では、検出器によって検出された放出波長範囲と重複する励起波長範囲内で発光ダイオードが励起光線を発生させる。次に、公称散乱値ＳNは、検出器の出力信号の平均値として計算される。
【０１３２】
再び、図１２と図１３とを参照すると、公称散乱値ＳNは、好ましくは、各熱交換モジュール３７の製作中に作成され、メモリ１１４に記憶される。モジュール３７が基本機器６６に接続されると、基本機器あるいは外部コンピューターの中の制御ソフトウェアアプリケーションが、散乱値ＳNをメモリの中に読み込み、この値を使用して主要検出チャンネルの出力信号を下記のように修正する。
【０１３３】
再び、図６と図８とを参照して、好ましい実施形態において記載した様に主要検出チャンネルを読む前に、制御装置は、オプションとして、公称散乱値ＳNを展開するために使用された同じ代替えのチャンネル発光ダイオードと検出器の対を使用して、反応混合物に応答指令信号を送る。上述したように、意味深長に減少された電流値（例えば１〜５ｍＡ）で、発光ダイオードは作動される。検知器に供給される電流を削減することは、反応容器から蛍光信号が放出するのを有効に防止して、検出器からの出力信号が、バックグランウンドあるいは容器からの散乱光の正確な指標となる。１つあるいはそれ以上の検出器からの較正信号は平均化されて、実際の散乱値ＳAを得る。
【０１３４】
実際の散乱値ＳAの生成に続いて、上記好ましい実施形態に記載されているように、４つの主要な検出チャンネルが読み込まれて、４つの生の混合値 RawMix(I）を得る。次に、これらの生の混合値は、実際の散乱値ＳAの公称散乱値ＳNに対する比（ＳA/ＳN）によって調整されて、例えば反応容器の形状または位置の変化や、反応混合物における気泡によって生じるバックグラウンドまたは散乱光の変化を修正する。これは、好ましくは、実際の散乱値ＳAの公称散乱値ＳNに対する比により、緩衝値 Buffer(I) を増加することによって達成されて、以下のようにして、調整された緩衝値 AdjBuffer(I) を作成する。
AdjBuffer(I)＝（ＳA/ＳN）× Buffer(I)
【０１３５】
次に、調整された緩衝値は生の混合値から引かれて、以下のように、Mix(I)と呼ばれる４つの数値を得る。
Mix(I) ＝ RawMix(I）- AdjBuffer(I)
【０１３６】
次に、好ましい実施形態において説明したように、染料の真の濃度は以下のマトリックス乗算によって得られる。
Truedye(I) ＝ １００ｎＭ × Cal(I，J) × Mix(I)
【０１３７】
その代わりに、散乱値ＳAとＳNとは、他の方法で、例えば、実際の散乱値ＳAの公称散乱値ＳNに対する比によって出力値を乗ずることによって、主要検出チャンネルの出力信号を調整するために使用される。
【０１３８】
再度図２０を参照して、光学的検出に続いて、制御装置はステップ４３６に進み、ステップ４３６では、制御装置は、プロファイルが完全かどうかを、例えば全ての熱サイクルが完了したかどうかを決定する。また、制御装置はプロファイルが完全であることを決定するようにプログラムされていて、適当な染料濃度が光学的に検出されたなら、反応混合物内の標的分析物の存在を示す。もしもプロファイルが完全であると決定されると、プロファイルの実行は終了する。そうでなければ、制御装置はステップ４２０に戻り、熱プレートの実際の温度を登録して、プロファイルが完了する迄ループは再実行する。
【０１３９】
目下の所、一熱サイクルにつき一度、反応混合物の光学的な読取りが行われることが好まれる。あるいはその代わりに、反応混合物は、ユーザーによって希望されるよりもより多い頻度あるいはより少ない頻度で、光学的に監視される。光学的な監視を頻繁に行う利点は、実時間光学データが反応の進行を示すために使用されることである。例えば、特定の予め決められた蛍光閾値が、熱交換モジュール内の反応混合物において検出されると、そのモジュールの温度サイクルが停止される。さらに、色の変化などの染料活性の光学的な検出は、サイクルパラメータを制御するのために、また、熱的な予定のみならず、反応物および製品の状態や状況或いは大量生産を制御するために有効である。例えば、反応の進行や終了点や試薬の添加時期や変性（溶解）やアニーリング等を決定するために、多重放出波長がサンプリングされる。実時間監視法において得られたデータは、制御装置にフィードバックされて、光学的な「読み」のパラメータを変化させたり調整させたりする。光学的な読みのパラメータの例としては、読みの長さとか、発光ダイオードに対する電力の入力値または周波数とか、どの波長が何時監視されるか等がある。
【０１４０】
好ましい実施形態の光学装置の一つの利点は、励起光を多重励起波長範囲において各反応混合物に供給することにある。これは、混合物において複数の異なる蛍光標識分析物の各々に対して最適な励起波長範囲が提供されることを確実にする。４つのチャンネル装置の典型的な実施では、３つの光学的なチャンネルが、標的分析物（例えば、増幅された核酸配列）を検出するために使用される。一方、第４チャンネルは、内部制御を監視して、装置の性能をチェックするためにするために使用される。例えば、ベータアクチンが、しばしば核酸増幅反応における内部制御として使用される。何故なら、予知可能な増幅応答を有し、容易に標識付けができ、増幅が適切に起こっているのを確かめるために監視され得るからである。
【０１４１】
４つのチャンネルの装置の別の可能な実行では、２つの光学チャンネルが、標的分析物を検出するために使用される。チャンネルの１つは、上述したように内部制御を監視するために使用される。そして、第４のチャンネルは受動標準化体（passive normalizer）を監視するために使用される。受動標準化体は、単に、既知の濃度で且つ自由な形態で反応混合物内に配置された染料であり、したがって、如何なる分析物をも標識付けしない。例えば、１００〜５００ｎＭの濃度のＲＯＸは、適当な標準化体である。標準化体の濃度は、反応中を通して監視され、他の３つの光学チャンネルから収集された光学データを標準化するために用いられる。もしも、蒸発とか反応容器の変形とか容器内の気泡とかのために、受動標準化体の計算濃度が変化するならば、他の３つの光学チャンネルにおいて作成されたデータはこれらの変化に対して標準化される。
【０１４２】
反応混合物における受動染料を配置するもつ１つの利点は、染料からの蛍光信号が、幾つかの異なる反応パラメータを監視するために使用され得ることである。これらのパラメータの例としては、ｐＨとイオン力と反応混合物の温度とが含まれる。染料から受け取られた吸収や蛍光等の光学信号は、これらのパラメータとともに変化して、受動染料が、これらの反応パラメータについての実時間データを提供するべく使用される。
【０１４３】
熱交換モジュール３７（図４に示されている）に関連して、光学的励起アセンブリおよび検出アセンブリ４６，４８を使用することが現在のところ好ましいが、理解されなければならないのは、光学アセンブリは、反応混合物に応答指令信号を送るために、単独で使用され得るということである。例えば、代替えの実施形態では、光学アセンブリは、反応チャンバを収容するためのスロットがある掌サイズの装置に組み込まれている。好ましい実施形態の熱交換モジュール３７のように、容器がスロット内に配置されたときに、光学的励起検出アセンブリがそれぞれ容器の第１と第２の光学伝達壁に情報伝達して配置されるように、光学アセンブリがスロットの隣りに配置される。このような装置は、加熱要素や冷却要素のない熱交換モジュール３７に似ている。
【０１４４】
図２１〜２２は、本発明の反応装置における反応混合物を熱的に制御するためのコンピューターＰＩＤ制御に対する重要な改善を示している。好ましい実施形態では、制御装置は、反応容器内に含まれた反応混合物と熱プレートとの間の熱的な遅延を補償するようにプログラムされている。この熱的な遅延は、加熱中に熱がプレートから容器の壁を通って反応混合物に移動する必要があるから、或いは、冷却中に熱が反応混合物から容器の壁を通ってプレートおよび／または外気に移動する必要があるから、引き起こされる。
【０１４５】
標準のＰＩＤ制御では、ヒーターへ供給される電力は、実際に測定された装置の温度と望まれる設定温度との間の差（誤差）に依存する。したがって、ヒーターあるいはファンのいずれかに供給される平均電力は、実際の温度が設定温度に近づくにつれて減少する。設定温度に到達する前に、ヒーターあるいはファンに供給される電力が減少するので、反応混合物は設定温度に極めて迅速には到達しない。この温度の遅延は、不本意な副次的反応とか不本意な気泡の生成とか或る温度での反応成分の劣化等とかを引き起こす。
【０１４６】
図２１〜２２は、好ましい実施形態において使用される改善されたＰＩＤ制御のプログラムのステップを示す。図２１は、反応混合物の温度を上昇させるために行われるステップを示す。ステップ５０２において、制御装置は、初期には所望の設定温度を越える可変目標温度を設定する。例えば、設定温度が９５℃であるならば、可変目標温度の初期値は、２〜１０℃高く設定される。
【０１４７】
ステップ５０４では、制御装置は、プレート温度を可変目標温度に上げるために加熱要素に供給される電力のレベルを決定する。制御装置は、可変目標温度を標準ＰＩＤ制御アルゴリズムに入力することによって、電力のレベルを決定する。したがって、ヒーターに供給される電力のレベルは、実際のプレート温度と目標温度との間の差（誤差）に依って決定される。高い目標温度は、高レベルの電力がヒーターに供給されてプレートを加熱し、したがって設定温度に向かってより速く反応混合物を加熱する。ステップ５０６では、制御装置は、基本機器の電源制御回路に制御信号を送り、決められたレベルでヒーターに電力を供給する。
【０１４８】
決定ステップ５０８では、制御装置は、プレートの測定された実際の温度が予め決められた閾値よりも大きい或いは等しいかどうかを決定する。適切な閾値とは、所望の設定温度そのものであるか、設定温度よりも１、２度低い温度であって、例えば９５℃の設定温度に対しては９３〜９４℃である。もしも、実際のプレート温度が予め決められた閾値を越えなければ、そのときは、制御装置はステップ５０４に戻って、プレート温度が閾値に等しいか或いは越える迄、ループを繰返す。
【０１４９】
プレートの測定された実際の温度が閾値に等しいか或いは越えたとき、制御装置はステップ５１０において可変目標温度を減少させる。制御装置は、好ましくは、可変目標温度が設定温度を越えた量を指数関数的に減衰させることによって、可変目標温度を減少させる。例えば、可変目標温度が所望の設定温度を越えた量は、以下の等式にしたがって時間の関数として指数関数的に減衰される。
Δ＝（Δｍａｘ）×ｅ（-t/tau）
ここで、Δは可変目標温度が設定温度を越えた量に等しく、Δｍａｘは可変目標温度の初期値と所望の設定温度との間の差に等しく、ｔは減衰開始からの１０分の１秒単位の経過時間に等しく、tauは減衰時間係数に等しい。本発明の装置において、tauは、好ましくは１〜４秒の範囲の中の値である。現在のところ、各熱交換モジュールに対しては試験および較正中に経験的にtauを決定し、tauの値をモジュールメモリ１１４（図１３）に貯えることが好ましい。
【０１５０】
上に記した指数関数式が目下好ましいが、他の多くの指数関数減衰式が使用され得て、それらは本発明の範囲に入ると理解されるべきである。さらに、可変目標温度は他の技法によって、例えば線形的に、減少される。
【０１５１】
ステップ５１２では、制御装置は加熱要素に供給される電力の新しいレベルを決定して、プレートの温度を増加された目標温度に上昇させる。制御装置は、上記増加された目標温度をＰＩＤ制御アルゴリズムに入力することによって、電力のレベルを決定する。ステップ５１４では、制御装置は、決定された新しいレベルでヒーターに電力を供給するために、基本機器内の電源制御回路に制御信号を送る。
【０１５２】
決定ステップ５１６では、制御装置は、可変目標温度が設定温度以下であるかどうかを決定する。もしもそうでないならば、制御装置はステップ５１０に戻って、目標温度を減少させ、可変目標温度が設定温度以下になるまで、ループは継続する。可変目標温度が設定温度以下であるとき、上昇温度ルーチンが終了して標準ＰＩＤ制御が再開される。
【０１５３】
図２２は、反応混合物の温度を所望の設定温度に低下させるために制御装置によって行われるステップを示した流れ図である。ステップ６０２では、制御装置は、初期には所望の設定温度よりも低い可変目標温度をセットする。例えば、設定温度が６０℃であるならば、可変目標温度の初期値は、２〜１０℃低くすなわち５０〜５８℃にセットされる。
【０１５４】
ステップ６０４では、制御装置は、プレートの測定された実際の温度が、閾値以下になるまで、好ましくは可変目標温度以下になるまで、ファンを作動させる。ステップ６０６では、制御装置はファンを停止して、目標温度を上昇させる。好ましくは、これは、可変目標温度が設定温度と異なっている量を、上記指数減衰式を用いて指数関数的に減衰させることによって行われる。冷却に対して、tauは好ましくは、１〜５秒の範囲内にあり、好適値は約３秒である。上記加熱例におけるように、tauは、試験中あるいは較正中に各熱交換モジュールに対して経験的に決定され、モジュールメモリに記憶される。この代わりに、可変目標温度が線形に増加してもよい。
【０１５５】
ステップ６０８では、制御装置は、プレートの温度を増加された目標温度にまで上昇させるために、加熱要素に供給される電力のレベルを決定する。制御装置は、増加された目標温度をＰＩＤ制御アルゴリズムに入力することによって、電力のレベルを決定する。ステップ６１０では、制御装置は、決められたレベルで電力をヒーターに供給するために、基本機器の電源制御回路に制御信号を送る。
【０１５６】
決定ステップ６１２では、制御装置は、可変目標温度が設定温度以上であるかどうかを決定する。もしもそうでないなら、制御装置はステップ６０６に戻って、目標温度を上昇させ、可変目標温度が設定温度以上になる迄、ループが継続する。可変目標温度が設定温度以上であると、低下温度ルーチンが終了して、定常状態のＰＩＤ制御が始まる。
【０１５７】
図４を参照して、好ましい実施形態では、各熱交換モジュール３７は１対の光学アセンブリ４６，４８を含み、全光源が第１光学アセンブリ４６に配置され、全検出器が第２光学アセンブリ４８に配置されている。しかしながら、光学アセンブリの各々に、１以上の光源と１以上の検出器を含むことも可能である。図２３Ａ〜図２３Ｂは、本発明の第２実施形態による１対の光学アセンブリを示す。各光学アセンブリは、反応混合物内の標識分析物を励起するための光源と、混合物から放出された光を検出するための検出器とを含む。
【０１５８】
図２３Ａは、第２実施形態による第１光学アセンブリ２５０の概略平面図である。アセンブリ２５０は、反応容器２に隣接して配置されて、チャンバ１０内に入っている反応混合物に励起光線を送る。アセンブリ２５０は、アセンブリの様々な構成部品を保持するためにハウジング２５２を含む。ハウジング２５２は、好ましくは、１以上のプラスチック成形品を備えている。ハウジング２５２は、好ましくは、相補的な底部部品と頂部部品とからなるハウジングであり、それらは、例えばネジやボルトのような締付け部品を用いて結合される。図２３Ａにおいて、光学アセンブリ２５０の内部部品を示すために、ハウジングの頂部部品は取り除かれている。代替えの実施形態においては、スライド式の光学装置を保持するために、ハウジング２５２はワンピースのハウジングであってもよい。
【０１５９】
ハウジング２５２は光学的窓２５４を含む。一般に、光学的窓２５４は、ハウジング内に開口部を備え、上記開口部を通して光が送られ得る。好ましい実施形態では、光学的窓２５４は、随意に、ガラスまたはプラスチック製の光学的に透過な部品すなわち透明部品を含んで、窓ガラスとして或いはレンズとして機能する。
【０１６０】
光学アセンブリ２５０は、光源を、好ましくは青色発光ダイオード２５６を含んで、窓２５４を通して励起光線をチャンバ１０に送る。発光ダイオード２５６は、調整可能な電源（図２３Ａには図示せず）に接続されたリード線２５３を介して、電力を受け取る。発光ダイオード２５６は、ハウジング２５２の背面に固定された光学回路板２５７に取り付けられていて、発光ダイオード２５６がハウジング２５２にしっかりと固定されている。光学回路基板２５７は、ネジやボルトや接着プラグなどの締付け具を用いて、ハウジング２５２に固定されている。検出器２５８は、好ましくは、ＰＩＮフォトダイオードは、光学回路基板に２５７に取り付けられ、ハウジング２５２にしっかりと固定されている。好ましい実施形態におけるように、光学回路基板は、好ましくは、可撓ケーブルを経て熱交換モジュール３７（図４には図示せず）のメインＰＣボード５４に接続されている。
【０１６１】
光学アセンブリ２５０は、さらに、ハウジング２５２に配置されたフィルタとレンズとを含んでいて、発光ダイオード２５６によって作られた励起光線を濾光するとともに、チャンバ１０から放出された光を濾光し、放出された光を検出器２５８に方向付けている。ハウジング２５２は、好ましくは、フィルタおよびレンズを受け入れてしっかりと固定するために窪みまたは細長穴（スロット）を含んでいる。フィルタおよびレンズは、接着剤を単独で用いて、或いは、接着剤とハウジングのスロットと組合せて用いて、ハウジング２５２にしっかりと固定される。
【０１６２】
一般的に、光学アセンブリ２５０のフィルタは、励起光線を所望の励起波長範囲内において反応混合物に提供するように、また、所望の放出波長範囲以外にあるチャンバ１０から放出される光を遮るように、選択される。それ故に、光学アセンブリ２５０は、蛍光標識または燐光標識または化学ルミネセンス標識または電子化学ルミネセンス標識とともに使用される。例証のために、アセンブリ２５０の特定の実施形態が記載される。上記実施形態では、アセンブリ２５０は、ＦＡＭのピーク励起波長範囲において励起光線を与えるように設計され、また、ＴＡＭＲＡのピーク放出波長範囲においてチャンバ１０から放出された励起光線を検出するように設計されている。
【０１６３】
この実施形態において、２つの５９０ｎｍバンドパスフィルタ２６０，２６４は、検出器２５８と窓２５４との間に配置されて、チャンバ１０から放出される約５７５〜６０５ｎｍの放出波長範囲以外の光を遮る。レンズ２６２は、フィルタ２６０と２６４との間に配置されていて、検出器２５８への光を視準し且つ焦点を合わせる。光学アセンブリ２５０は、５７０ｎｍ高透過レフレクター２６８と５００ｎｍ高透過レフレクター２７０とを含む。レフレクター２６８と２７０とは、バンドパスフィルタ２６０，２６４から、４５度の角度でオフセットされている。レンズ２５１は、発光ダイオード２５６の前に随意に配置されて、発光ダイオードからの励起光線の焦点を合わせ、励起光線を視準する。現在のところ好ましいとされているように、もしも発光ダイオード２５６が指向性のある発光ダイオードならば、レンズ２５１は必要でない。光学アセンブリ２５０は、デバイダー（分割器）２７２を、好ましくは黒のポリカーボネイトシートを含み、発光ダイオード２５６からの励起光線を検出器２５８から遠ざける。
【０１６４】
図２３Ｂは、第１光学アセンブリ２５０を補完する第２光学アセンブリ２７４の概略平面図を示す。このアセンブリ２７４は、好ましくは１つ以上のプラスチック製の成形部品を備えているハウジング２７６を含む。このハウジング２７６は、好ましくは、２つのハウジングであって補完的な底部部品と頂部部品とを備え、それらの部品は、例えばネジやボルトのような締付具を用いて結合される。図２３Ｂにおいて、アセンブリ２７４の内部構成部品を示すために、ハウジングの頂部部品は取り除かれている。代替えの実施形態においては、ハウジング２７６は、スライド式光学装置を保持するワンピースのハウジングである。
【０１６５】
ハウジング２７６は光学的窓２７８を含む。一般に、上記光学的窓２７８は、ハウジング内に開口部を備え、上記開口部を通して光が送られる。光学的窓２７８は、随意に、窓ガラスとして機能するガラス製またはプラスチック製の光学的に透過または透明な部品を含む。
【０１６６】
光学アセンブリ２７４は、また、光源を好ましくは緑色発光ダイオード２８０を含んで、窓２７８を通して励起光線をチャンバ１０に送る。発光ダイオード２８０は、調整可能な電源（図２３Ｂに図示せず）に接続されたリード線２８１を通して、電力を受け取る。発光ダイオード２８０は、ハウジング２７６の背面に固定された光学回路基板２８２に取り付けられていて、発光ダイオード２８０は、ハウジング２７６内にしっかりと固定されている。光学回路基板２８２は、ネジやボルトや接着プラグなどの締付具を用いて、ハウジング２７６に固定されている。検出器２８４、好ましくはＰＩＮフォトダイオードは、光学回路基板に２８２に取り付けられ、ハウジング２７６にしっかりと固定されている。好ましい実施形態におけるように、光学回路基板は、好ましくは、可撓ケーブルを経て熱交換モジュール３７（図４には図示せず）のメインＰＣボード５４に接続されている。
【０１６７】
光学アセンブリ２７４は、さらに、ハウジング２７６内に配置されたフィルタとレンズとを含んでいて、発光ダイオード２８０によって作られた励起光線を濾光するとともに、チャンバ１０から放出された光を濾光し、放出された光を検出器２８４に方向付けている。ハウジング２７６は、好ましくは、フィルタおよびレンズを収容してしっかりと固定するために、窪みまたはスロットを含んでいる。フィルタおよびレンズは、接着剤を単独で用いて、或いは、接着剤とハウジングのスロットとを組合せて、ハウジングにしっかりと固定される。
【０１６８】
一般的に、光学アセンブリ２５０内のフィルタは、励起光線を所望の励起波長範囲内において反応混合物に与えるように、また、所望の放出波長範囲以外にあるチャンバ１０から放出される光を遮るように、選択されている。例証のために、アセンブリ２７４の特定の実施形態を説明する。上記実施形態では、アセンブリ２７４が、ＴＡＭＲＡのピーク励起波長範囲において励起光線を与えるように設計され、また、ＦＡＭのピーク放出波長範囲においてチャンバ１０から放出された励起光線を検出するように設計されている。
【０１６９】
この実施形態において、２つの５２５ｎｍバンドパスフィルタ２８６，２９０は、検出器２８４と窓２７８との間に配置されていて、チャンバ１０から放出される約５１０〜５４０ｎｍの放出波長範囲以外の光を遮る。レンズ２８８は、フィルタ２８６と２９０との間に配置されていて、検出器２８４への光を視準し且つ焦点を合わせる。光学アセンブリ２７４は、５００ｎｍ高透過レフレクター２９６と、５０／５０ビームスプリッター２９７と、５２５ｎｍ高透過レフレクター２９２とを含む。レフレクター２９６とビームスプリッター２９７とは、バンドパスフィルタ２８６，２９０から、４５度の角度でオフセットされている。光学アセンブリ２７４は、分割器２７２を、好ましくは黒のポリカーボネイトシートを含んで、発光ダイオード２８０からの励起光線を検出器２８４から遠ざける。
【０１７０】
作動中には、１対の光学アセンブリ２５０，２７４が、以下のようにチャンバ１０内の反応混合物に光学的に応答指令信号を送るために使用される。図２３Ａに示されるように、青色発光ダイオード２５６が作動されて、発光ダイオードは励起光線を発生し、上記励起光線は５００ｎｍ高透過レフレクター２７０を通過し、窓２５４を通過し、反応チャンバ１０の中に入る。発光ダイオードからの励起光線は、このようにして、濾光されて、ＦＡＭに対する励起範囲に対応した５００ｎｍ以下の波長範囲になる。
【０１７１】
図２３Ｂに示すように、放出された光（例えば、ＦＡＭ染料からの蛍光放線）は、チャンバ１０から光学アセンブリ２７４の窓２７８を通って送られ、ビームスプリッター２９７に打ち当たる。放出された光線の部分は、ビームスプリッター２９７から５００ｎｍ高透過レフレクター２９６に反射する。（ＦＡＭのピーク放出波長範囲に対応している）約５１０〜５４０ｎｍの範囲の波長を持つ上記放出された光線の部分は、５００ｎｍ高透過レフレクター２９６から、５２５ｎｍバンドパスフィルタ２９０を通過し、レンズ２８８を通過し、５２５ｎｍバンドパスフィルタ２８６を通過し、検出器２８４によって検出される。検出器２８４は、対応する信号を出力し、上記信号はデジタル値に変換されて記録される。
【０１７２】
次に、緑色発光ダイオード２８０が作動されて、この発光ダイオードは励起光線を発生し、励起光線は５２５ｎｍバンドパスフィルタ２９２を通過し、ビームスプリッター２９７を通過し、窓２７８を通過し、反応チャンバ１０に入る。発光ダイオード２８０からの励起光線はこのようにして濾光され、ＴＡＭＲＡの励起範囲に対応した５１０〜５４０の波長範囲になる。
【０１７３】
図２３Ａに示すように、放出された光（例えば、ＴＡＭＲＡ染料からの蛍光放線）は、チャンバ１０から光学アセンブリ２５２の窓２５４を通って送られ、５００ｎｍ高透過レフレクター２７０に打ち当たる。（ＴＡＭＲＡのピーク放出波長範囲に対応している）５７５〜６０５ｎｍの範囲の波長を持つ放出された光の部分は、５００ｎｍ高透過レフレクター２７０で反射し、５７０ｎｍ高透過レフレクター２６８で反射し、５９０ｎｍバンドパスフィルタ２６４を通過し、レンズ２６２を通過し、５９０ｎｍバンドパスフィルタ２６０を通過して、検出器２５８によって検出される。この検出器２５８は対応する信号を出力し、上記信号はデジタル値に変換されて記録される。
【０１７４】
第２実施形態の残りの過程は、上記好ましい実施形態に類似している。検出器の出力信号は、線形代数と較正マトリックス（この実施形態では、上記好ましい実施形態の４列マトリックスよりもむしろ２列マトリックス）を用いて、反応混合物における各染料の真の濃度を示す値に変換される。しかしながら、もしも検出に使用された２つの染料の放出スペクトルが十分に明瞭であるならば、線形代数学を用いて、光学データをデコンヴォルーション（簡略化）する必要はない。例えば、ＦＡＭとＴＡＭＲＡは、通常十分に明瞭な放出スペクトルを持っている。第２実施形態の光学アセンブリ２５０，２７０の１つの利点は、それらが好ましい実施形態のアセンブリよりもより小さくより密に作られることである。
【０１７５】
図２４Ａ〜２４Ｂは、本発明の第３実施形態の光学アセンブリ３００，３４０を示す。反応混合物内の異なって標識付けされた４つの分析物をも検出可能であるように光学アセンブリ３００，３４０の各々が追加の検知器および追加のフィルタを含んでいる以外、第３実施形態の光学アセンブリ３００，３４０は第２光学アセンブリと同じである。
【０１７６】
図２４Ａは、第３実施形態による第１光学アセンブリ３００を概略平面図を示す。光学アセンブリ３００は、上述した第２実施形態の第１光学アセンブリ２５０（図２３Ａ）と多くの同一部品を備えている。図２４Ａにおいて、これらの部品は同じ参照番号を用いて分類されている。上記アセンブリ３００は、これらの部品に加えて、付加的な検出器３０８を、好ましくはＰＩＮフォトダイオードを備えていて、光学回路基板２５７に取り付けられ、ハウジング２５２内にしっかりと固定されている。
【０１７７】
光学アセンブリ３００は、さらに、ハウジング２５２内に配置されたフィルタとレンズを含んでいて、発光ダイオード２５６によって発生された励起光線を濾光し、チャンバ１０から放出された光を２つの異なる放出波長範囲に分離し、各々の放出波長範囲において放出された光を、検出器２５８，３０８のそれぞれに方向付ける。一般的に、光学アセンブリ３００のフィルタは、励起光線を所望の励起波長範囲においてチャンバ１０内の反応混合物に提供するように選択される。また、光学アセンブリ３００のフィルタは、チャンバ１０から放出された光のうち、所望の放出波長範囲以外の光を遮断する。したがって、光学アセンブリ３００は、蛍光標識または燐光標識または化学ルミネセンス標識または電子化学ルミネセンス標識とともに使用される。例証のために、アセンブリ３００の特定の実施形態が記載され、上記実施形態では、アセンブリが、ＦＡＭおよびＨＥＸの励起波長範囲において励起光線を与えるように設計され、また、ＴＡＭＲＡおよびＲＯＸのピーク放出波長範囲においてチャンバ１０から放出された光線を検出するように設計されている。
【０１７８】
この実施形態において、２つの５９０ｎｍバンドパスフィルタ２６０，２６４は、検出器２５８と窓２５４との間に配置されて、チャンバ１０から放出される約５７５〜６０５ｎｍの放出波長範囲外の光を遮る。レンズ２６２は、フィルタ２６０と２６４との間に配置されていて、検出器２５８への光を視準し且つ焦点を合わせる。２つの６００ｎｍ高透過フィルタ３１４，３２２は、検出器３０８と窓２５４の間に配置されている。レンズ３１８は、フィルタ３１４と３２２の間に配置されていて、検出器３０８への光を視準し且つ焦点を合わせる。光学アセンブリ３００は、また、ミラー３２４，３３０と、５００ｎｍ高透レフレクター３２６と、６００ｎｍ高透過レフレクター３２８とを含む。ミラーとレフレクター３２４，３２６，３２８，３３０は、フィルタ２６０，２６４，３１４，３２２から４５度の角度でオフセットされている。光学アセンブリ３００は、デバイダー３３２を、好ましくは黒色ポリカーボネイトシートを含んで、発光ダイオード２５６によって発生した光を検出器２５８，３０８から遠ざける。
【０１７９】
図２４Ｂは、第３実施形態による第２光学アセンブリ３４０の概略平面図を示す。この光学アセンブリ３４０は、上述した第２実施形態の第２光学アセンブリ２７４（図２３Ｂ）と多くの同一部品を含む。これらの部品は、図２４Ｂと同じ参照番号を用いて分類されている。アセンブリ３４０は、これらの部品に加えて、付加的な検出器を、好ましくはＰＩＮフォトダイオードを含み、これは光学回路基板２８２に取り付けられてハウジング２７６にしっかりと固定されている。
【０１８０】
光学アセンブリ３４０は、さらに、フィルタとレンズを含んでハウジング２７６内に配置され、発光ダイオード２８０によって発生した励起光線を濾光する。チャンバ１０から放出された光を２つの異なる放出波長範囲に分離し、各々の放出波長範囲において放出された光を、検出器２８４，３４８のそれぞれに方向付ける。一般的に、光学アセンブリ３４０のフィルタは、励起光線を所望の励起波長範囲においてチャンバ１０内の反応混合物に供与するように、選択される。また、光学アセンブリ３４０のフィルタは、チャンバ１０から放出された光のうち、所望の放出波長範囲外の光を遮断する。したがって、光学アセンブリ３４０は、蛍光標識または燐光標識または化学ルミネセンス標識または電子化学ルミネセンス標識とともに使用される。例証のために、アセンブリ３４０の特定の実施形態が記載される。上記実施形態では、アセンブリは、ＴＡＭＲＡおよびＲＯＸの励起波長範囲において励起光線を与えるように設計され、また、ＦＡＭおよびＨＥＸのピーク放出波長範囲においてチャンバ１０から放出された光線を検出するように設計されている。
【０１８１】
この実施形態において、２つの５５５ｎｍバンドパスフィルタ３５２，３５６は、検出器２８４と窓２７４との間に配置されて、チャンバ１０から放出される約５４０〜５７０ｎｍの放出波長範囲外の光を遮る。レンズ３６０は、フィルタ３５２と３５６との間に配置されていて、検出器２８４への光を視準し且つ光の焦点を合わせる。２つの５２５ｎｍバンドパスフィルタ３５４，３６２は、検出器３４８と窓２７８の間に配置されていて、チャンバ１０から放出される約５１０〜５４０ｎｍの放出波長範囲以外の光を遮る。レンズ３５８は、フィルタ３５４と３６２の間に配置されていて、検出器３４８への光を視準し且つ光の焦点を合わせる。光学アセンブリ３４０は、また、ミラー３６４，３７０と、５０／５０光線スプリッタ３６６と、５３７ｎｍ低透レフレクター３６８とを含む。ミラーとレフレクター３６４，３６６，３６８，３７０は、フィルタ３５２，３５４，３５６，３６２から４５度の角度でオフセットされている。光学アセンブリ３４０は、デバイダー３７２を、好ましくは黒色ポリカーボネイトシートを含んで、発光ダイオード２８０によって発生した光を検出器２８４，３４８から遠ざける。
【０１８２】
作動中に、１対の光学アセンブリ３００，３４０が、以下のように、チャンバ１０内の反応混合物に光学的に応答指令信号を送信するべく使用される。図２４Ａに示すように、青色発光ダイオード２５６が作動されて、発光ダイオードが励起光線を発生する。上記励起光線は、５００ｎｍ高透過レフレクター３２６を通過し、６００ｎｍ高透過レフレクター３２８を通過し、窓２５４を通過し、チャンバ１０内に入る。発光ダイオード２５６からの励起光線は、このようにして、濾光されて５００ｎｍ以下の波長範囲になって、反応混合物においてＦＡＭおよびＨＥＸを励起する。
【０１８３】
図２４Ｂに示すように、放出された光（例えば、ＦＡＭ染料およびＨＥＸ染料からの蛍光放線）は、チャンバ１０から光学アセンブリ３４０の窓２７８を通って送られ、５３７ｎｍ低透過レフレクター３６８に打ち当たる。（ＦＡＭのピーク放出波長範囲に対応する）波長が５１０〜５３７ｎｍの範囲の放出された光の部分は、５３７ｎｍ低透過レフレクター３６８で反射し、ミラー３７０で反射し、５２５ｎｍバンドパスフィルタ３６２を通過し、レンズ３５８を通過し、５３５ｎｍバンドパスフィルタ３５４を通過し、検出器３４８によって検出される。検出器３４８は、対応する信号を出力し、上記信号はデジタル値に変換されて記録される。
【０１８４】
一方、（ＨＥＸのピーク放出波長範囲に対応する）５４０〜５７０ｎｍの放出された光の部分は、５３７ｎｍ低透過レフレクター３６８を通過し、ビームスプリッタ３６６で反射し、ミラー３６４で反射し、５５５ｎｍバンドパスフィルタ３５２を通過し、レンズ３６０を通過し、５５５ｎｍバンドパスフィルタ３５６を通過し、検出器２８４によって検出される。検出器２８４は対応する信号を出力し、上記信号はデジタル値に変換されて記録される。
【０１８５】
次に、緑色発光ダイオード２８０が作動されて、発光ダイオードが励起ビームを発生し、上記励起ビームはビームスプリッタ３６６を通過し、５３７ｎｍ低透過レフレクター３６８を通過し、窓２７８を通過し、反応チャンバ１０に入る。発光ダイオード２８０からの励起光線は、このようにして、濾光されて５３７ｎｍ以上の波長範囲になって、反応混合物内のＴＡＭＲＡおよびＲＯＸを励起する。
【０１８６】
図２４Ａに示すように、放出された光（例えば、ＴＡＭＲＡ染料およびＲＯＸ染料からの蛍光放線）は、チャンバ１０から光学アセンブリ３００の窓２５４を通って送られ、６００ｎｍ高透過レフレクター３２８に打ち当たる。（ＴＡＭＲＡのピーク放出波長範囲に対応する）５７５〜６００ｎｍの波長範囲を持つ放出された光の部分は、６００ｎｍ高透過レフレクター３２８を通過し、５００ｎｍ高透過レフレクター３２６で反射し、ミラー３２４で反射し、５９０ｎｍバンドパスフィルタ２６０を通過し、検出器２５８によって検出される。検出器２５８は対応する信号を出力し、上記信号はデジタル値に変換されて記録される。
【０１８７】
一方、（ＲＯＸのピーク放出波長範囲に対応する）６００ｎｍ以上の波長を持つ放出された光の部分は、６００ｎｍ高透過レフレクター３２８で反射し、ミラー３３０で反射し、６００ｎｍ高透過レフレクター３２２を通過し、レンズ３１８を通過し、６００ｎｍ高透過フィルタ３１４を通過し、検出器３０８によって検出される。検出器３０８は対応する信号を出力し、上記信号はデジタル値に変換されて記録される。
【０１８８】
第３実施形態の残りの過程は、上述した好ましい実施形態の過程と類似している。検出器の出力信号は、上述したように、線形代数学および較正マトリックスを使用して、反応混合物内の各分析物を標識付ける染料の真の濃度を示す値に変換される。第３実施形態の光学アセンブリ３００，３４０の利点は、好ましい実施形態のアセンブリよりも小さく作られることである。
【０１８９】
熱交換モジュール３７（図４参照）と共に、図２３Ａ〜２３Ｂまたは図２４Ａ〜２４Ｂの光学アセンブリを使用することが目下の所好ましいが、理解されるべきことは、反応混合物と光学的に応答指令信号を単独で送るために、１対の光学アセンブリが使用され得ることである。例えば、代替えの実施形態では、１対の光学アセンブリが、反応容器を収容するスロットを持つ掌サイズの装置内に組み込まれる。好ましい実施形態におけるように、光学アセンブリの対は、それぞれ容器の第１と第２の光学的な透過な壁と光学的に情報伝達するように、配置されている。このような装置は、加熱要素および冷却要素のない熱交換モジュール３７に似ている。
【０１９０】
本発明の装置の様々な実施形態は、多くの用途に使用されうることがわかる。この装置は、例えば核酸増幅等の試料に化学反応を行うために、また、増幅された標的配列を光学的に発見するために使用される。例えば、試料は、ポリヌクレオチドと、タックポリメラーゼのようなポリメラーゼと、ヌクレオシド三燐酸塩と、試料のポリヌクレオチドに交雑可能な第１プライマーと、ポリヌクレオチドに補完する配列に交雑可能な第２プライマーとに混合される。必要とされる試薬の一部あるいは全部は、出荷時に反応容器内に存在しもよい。或いは、それらは、容器の入口ポートを通って送られる試料や反応混合物に追加されてもよい。それの代わりに、試薬および染料は、試料とは無関係に、容器の反応チャンバに配送されてもよい。ポリメラーゼ連鎖反応は、当該技術分野において周知の方法によってなされる。
【０１９１】
ポリメラーゼ連鎖反応による増幅がここに記載されているが、本発明の装置と方法は、他の様々なポリヌクレオチド増幅反応および配位子結合分析に使用される。このような付加的な反応は、熱的にサイクルするか、または、単一温度で行われる。例えば、核酸配列ベース増幅（ＮＡＳＢＡ）の場合である。さらに、このような反応には、とりわけＤＮＡリガーゼやＴ７ＲＮＡポリメラーゼおよび／または転換酵素を含む実に様々な増幅試薬と酵素が用いられている。本発明の装置において実施されるポリヌクレオチド増幅反応は以下のものを含む。しかし、以下のものに限定するものではない。すなわち、（１）例えば自立配列複製（３ＳＲ）およびストランド変位増幅（ＳＤＡ）などの標的ポリヌクレオチド増幅方法、（２）「有枝鎖」ＤＮＡ増幅のような標的ポリヌクレオチドに付着した信号の増幅に基づく方法、（３）リガーゼ連鎖反応（ＬＣＲ）およびＱＢレプリカ増幅（ＱＢＲ）のようなプローブＤＮＡの増幅に基づく方法、（４）結紮活性転写および核酸配列に基づく増幅（ＮＡＳＢＡ）のような転写に基づく方法、（５）修復連鎖反応（ＲＣＲ）および循環プローブ反応（ＣＰＲ）他の様々な増幅法である。この装置の他の適用は、本発明の範囲内に入るように意図され、これらの適用は、反応混合物の熱エネルギーおよび／または反応混合物と反応生成物の光学的応答を必要とする。
【０１９２】
概要と結果と範囲
上記説明は多くの特異性を含んでいるが、多くの異なる修正および代用が、本発明の広範な範囲から逸脱することなく、記載された装置および方法に対してなされることは理解されねばならない。例えば、各熱交換モジュールまたは基本機器は、光学的検出器からの信号を受信するために、また、例えば９５０〜１０５０Ｍｚの予め決められた周波数範囲以外の信号を拒絶するために、電子フィルタを含んでいる。この実施形態では、各光源は、予め決められた範囲の周波数で光源にパルスを送ることによって作動される。そして、その範囲内の検出器信号のみが記録される。この検出回路の利点は、電子ノイズを拒絶し、光学的なドリフト（移動）を遅らせることある。
【０１９３】
光学アセンブリにおいて使用されるフィルタは、上述の特定の波長範囲に限らず、当該波長範囲において励起光および放出光を供給するように設計され得る。上述の特定のフィルタ波長は、好ましい実施形態の典型的な染料に対して有用であるが、本発明の範囲を限定するものではない。所定の適用例に対する蛍光染料の選択は、当該分析物に左右される。選択された染料の異なるピーク励起および放出のスペクトルに適合させるために、光源やフィルタやフィルタ波長の異なる組合せが使用され得ることは、当業者には理解される。さらに、青色および緑色の光源が目下の所好まれるが、この装置では、異なる色の光源の使用が可能である。
【０１９４】
さらに、蛍光励起および放出の検出は好ましい一実施形態であるが、直接吸収および／または軸上ジオメトリ（構造）を持つ伝達で使用される光学的検出方法は、本発明のマルチチャンネル検出装置に適用され得る。光源と検出器の軸上アラインメントのような代替えのジオメトリは、照明の吸収を測定することによって、染料の濃度および反応の物理的条件（温度やｐＨなど）における変化を監視するように使用される。この装置は、時間減衰する蛍光発光を測定するのに使用される。その上、マルチチャンネル検出装置は、蛍光標識に基づく検出に限定されない。この検出装置は、燐光性標識または化学ルミネセンス標識または電子化学ルミネセンス標識に基づく検出に適用できる。
【０１９５】
したがって、本発明の範囲は、以下のクレームおよび法的に同等のものによって決定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による反応容器の分解斜視図であり、この図において、反応チャンバの側壁は、チャンバの内部を示すために移動されている。
【図２】  図１の容器の正面図である。
【図３】  対向する熱プレートによって形成された熱スリーブに挿入された図１の容器の側面図である。
【図４】  熱スリーブと、一対の光学アセンブリと、冷却装置とを有する本発明による熱交換モジュールの側面図である。図１の反応容器は、熱スリーブ内に挿入されている。
【図５Ａ】  図５Ａは強度対波長のグラフである。図５Ａは、熱反応において典型的に用いられる４つの染料のそれぞれの励起スペクトルを示している。
【図５Ｂ】  図５Ｂは強度対波長のグラフである。図５Ｂは、熱反応において典型的に用いられる４つの染料のそれぞれの放出スペクトルを示している。
【図５Ｃ】  図５Ｃは強度対波長のグラフである。図５Ｃは、異なる励起波長範囲を提供するために緑色発光ダイオードおよび青色発光ダイオードの出力を濾光する結果を示している。
【図５Ｄ】  図５Ｄは強度対波長のグラフである。図５Ｄは、異なる放出波長範囲を形成するために４つの染料のそれぞれから放出された光を濾光する結果を示している。
【図６】  図４のモジュールの光学的励起アセンブリの概略平面図である。
【図７】  図６の励起アセンブリの分解図である。
【図８】  図４のモジュールの光検出アセンブリの概略平面図である。
【図９】  図８の検出アセンブリの分解図である。
【図１０】  各反応部位の動的かつ独立したコンピュータ実行制御を有する多数部位反応装置の概略図である。
【図１１】  コンピュータと電源とにデイジーチェーン化された複数熱サイクル機器を有する別の多数部位反応装置の概略ブロック図である。
【図１２】  図１０の装置の基本機器の概略ブロック図である。
【図１３】  図４の熱交換モジュールの電子構成部品の概略ブロック図である。
【図１４】  図１０の装置の制御、診断、プログラミング、操作機能のためのコンピュータ制御装置の構造を示す概略ブロック図である。
【図１５】  好ましくは、ユーザーによる機能の選択のためのグラフを用いたユーザーインターフェイス上に再生された図１４の構造を示すブロック図である。
【図１６】  ユーザーのコンピュータモニター上で見ることができる本発明によるグラフィック表示の一連の見本である。図１６は、プログラムメニュー画面を示しており、それを通してサイトのプロファイルが作られ実行される。
【図１７】  ユーザーのコンピュータモニター上で見ることができる本発明によるグラフィック表示の一連の見本である。図１７は、熱サイクル状態を表示する器械メニュー画面を示している。
【図１８】  ユーザーのコンピュータモニター上で見ることができる本発明によるグラフィック表示の一連の見本である。図１８は、ライブラリーメニュー画面を示しており、それを通して、所望の温度プロファイルがメモリから検索されて実行され、結果が表示され、別のコンピュータに送られおよびまたは印刷される。
【図１９】  図１０の装置の全体的な制御と動作を示す流れ図である。
【図２０】  図１０の装置上の選択された温度プロファイルを実行するための段階を示す流れ図である。
【図２１】  本発明の好ましい実施形態による本能混合物の温度を上昇させるための段階を示す流れ図である。
【図２２】  本発明の好ましい実施形態による反応混合物の温度を低下させるための段階を示す流れ図である。
【図２３Ａ】  図２３Ａは、本発明の第２実施形態による図４のモジュールにおいて使用するための一対の光学アセンブリの概略平面図である。
【図２３Ｂ】  図２３Ｂは、本発明の第２実施形態による図４のモジュールにおいて使用するための一対の光学アセンブリの概略平面図である。
【図２４Ａ】  図２４Ａは、本発明の第３実施形態による図４のモジュールにおいて使用するための別の一対の光学アセンブリの概略平面図である。
【図２４Ｂ】  図２４Ｂは、本発明の第３実施形態による図４のモジュールにおいて使用するための別の一対の光学アセンブリの概略平面図である。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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