(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蛇行することにより所定の全長を有し、微量流体が内部を流動するマイクロチャンネルと、
前記微量流体を所定の回数で前後に流動させる流体流動手段と、
前記マイクロチャンネルに隣接され、熱エネルギーを前記微量流体に供給する１個以上のヒーティングコイルとを備え、
前記微量流体の温度が前記微量流体の前後流動の回数により調節され、
前記流体流動手段は、安定して空気を供給する空気流動供給手段であるエアーコンプレッサーと、個別に空気流動を供給する３個以上の空気流動ノズルと、二重周波数タイマーと、前記二重周波数タイマーで調節され、所定の回数で前記空気流動ノズルの開閉を調節する電磁バルブと、前記マイクロチャンネルの内部の前記微量流体を流動させる空気作用手段とを備え、
前記エアーコンプレッサーから供給される空気流動が前記空気流動ノズルを介して前記空気作用手段に供給されることを特徴とする流体温度調節装置。
【請求項２】
前記空気作用手段は、前記空気流動ノズルを介して供給される空気流動が流動する空気通路と、前記空気通路および前記マイクロチャンネルと接続されているトライアングルギャップと、前記トライアングルギャップの下流部に形成され、前記空気通路に空気の循環を発生させる台形ブロックとを備え、
１個以上の前記空気流動ノズルが前記台形ブロックに空気流動を供給することによって前記空気の循環が発生し、前記微量流体は、前記マイクロチャンネルに吸入される、もしくは前記マイクロチャンネルの内部に押し出されることを特徴とする請求項１記載の流体温度調節装置。
【請求項３】
前記ヒーティングコイルは、前記マイクロチャンネルの底部に設置されていることを特徴とする請求項１記載の流体温度調節装置。
【請求項４】
マイクロ温度センサーをさらに備え、前記マイクロ温度センサーは、前記マイクロチャンネルの底部に設置されていることを特徴とする請求項１記載の流体温度調節装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＰＣＲに使用される流体温度調節装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ポリメラーゼチェーンリアクション（ＰＣＲ）は１９８５年にＫａｒｙ Ｍｕｌｌｉｓによって発明された生化学反応である。ＰＣＲにより莫大な量の所定のＤＮＡ配列のコピーが生産される。ＰＣＲでは、数１００の塩基対の所定の塩基配列が数１００万の塩基対の核分子で正確に配分され、１００万以上の配列のコピーが複製される。
【０００３】
ＰＣＲは、下記の基本の行程が必要とされる。
１．変性：反応混合液が沸騰直前の温度に暖められ、二重鎖ＤＮＡ型が分離される。
２．アニーリング：混合液の温度が３０℃から６５℃に低下され、ターゲット部が配列され、１本鎖に対し１本鎖が結合されるよう二重鎖結合部が回復される。
３．増幅：反応混合液の温度が再び６５℃から７５℃に上昇される。ｔａｑポリメラーゼにより新しい完全なＤＮＡ型が合成される。ＤＮＡ型は様々な距離に拡張される。
【０００４】
ＰＣＲは上記の３行程が繰り返し行われる。学説では、ｎサイクルが完了すると、２ｎ乗のａｍｐｌｉｃｏｎが得られる。行程が３０回繰り返されると、２６８、４３５、４５６の二重螺旋ａｍｐｌｉｃｏｎが得られる。しかしながら、実験では、収率は下記の式で予測される。
収率＝（１＋ｅ）nであり、ｅは効率を示す。一般的に、効率は２０サイクル以上行われると減少し、効率は約０．８である。
【０００５】
効率が減少する理由は主に２個ある。１番目の問題は、鎖の不適合である。型の鎖の適合部が不適であるとき、不適合にもかかわらずＰＣＲは不適切なａｍｐｌｉｃｏｎを生産し続ける。得られた生産物はｕｇｌｙ ｌｉｔｔｌｅ ｆｒａｇｍｅｎｔまたはｐｒｉｍｅｒ ｄｉｍｍｅｒと呼ばれ、混合液の反応物質が消費される。２番目のＰＣＲの効率の問題は、変性温度の繰り返しによるポリメラーゼの損傷である。
【０００６】
上記の問題は２個の方法で解決される。１番目の解決法は、正確な熱サイクルの適合ポイントが形成されることである。連続的な高い変性温度によるポリメラーゼの損傷およびアニーリング時の低温による鎖の不適合を避けるため、最適の変性および回復時間は１秒以下である。２番目の解決法は、温度の上昇および低下が加速されることである。急速な温度の変化により不適格な生成物の量は減少する。ＤＮＡ型および鎖対の変性後の急速な冷却は、所定の鎖のアニーリングに有利である。混合液が比較的高温で維持されることにより、ポリメラーゼは損傷する。
【０００７】
ＵＳ特許５４７５６１０の熱循環装置では、反応チューブと温度設定されたサンプルブロックの間の接点の構造が示されている。反応チューブはポリエチレンにより壁が薄く形成されている。反応チューブは、金属製のブロックに形成されている口に挿入され、上部が暖められたカバーにより閉じられている。熱交換部および効率は拡大され、システムの体積表面率は約０．６６ｕｌ／ｍｍ2である。このとき、１ｍｍ2の熱変換部は０．６６ｕｌのＰＣＲサンプルを熱交換できる。ＰＣＲは５℃／秒の速さで温度が上昇される。しかしながら、加熱行程の物理的装置では、金属製のブロックが最初に加熱され、反応チューブの壁が加熱され、ＰＣＲ混合液が過熱される。このため、システムの総熱量は非常に大きく、急速な温度変化は不可能である。
【０００８】
ＰＣＲシステムの温度変化の観点から見ると、行程中の温度変化は加熱、冷却、再過熱および温度自動調節の４段階に分けられる。ＪＬ ＤａｎｓｓａｅｒｔらはＵＳ特許５５２５３００で、４段階の温度調節ブロックで形成されているＰＣＲ装置を発表した。Ｄａｎｓｓａｅｒｔらの発明によると、第１ブロックおよび第３ブロックには温度を上昇するための個別のヒーターが設置され、第４ブロックには温度を低下するためのクーラーが設置され、第２ブロックには温度を維持するためのヒーターとクーラーが設置されている。ＰＣＲシステムが作動している間、ロボットによりテストチューブは次の段階のブロックに移動される。このため、すべてのテストチューブは加熱、冷却、再加熱および温度自動調節の行程が行われる。
【０００９】
Ｄａｎｓｓａｅｒｔらの発明によるＰＣＲ装置は、４ブロックの温度が迅速に変換されるためシステムの変換が非常に短く、反応混合液の急速な温度変化がロボットの機械的動作により行われるという長所を有する。しかしながら、テストチューブと温度調節ブロックとの間の接点に欠点を有する。テストチューブはときどき除去される必要があるが、テストチューブとブロックとの間で接触されることは不可能である。このため、システムの熱交換率が減少する。さらに、ロボットアームの頻繁な動作によりシステムの信頼性は低下する。
【００１０】
Ａｎｄｒｅａｓ Ｍａｎｚらは１９９８年に連続流動ＰＣＲを発表した（Ｋｏｐｐ ＭＵ、Ｍｅｌｌｏ ＡＪ、Ｍａｎｚ Ａ、化学増幅：チップの連続流動ＰＣＲ、サイエンス、Ｖｏｌ．２８０、ｐｐ、１０４６−１０４８）。
連続流動ＰＣＲシステムでは、単マイクロチャンネルが繰り返し３個の温度域を通過される。断面が４０μｍから９０μｍで、長さが２．２ｍであるマイクロチャンネルは、マイクロマッチング技術でガラスチップに刻まれ形成されている。チップの構造により液体要素のそれぞれの温度域に達する所定の時間が決定される。ガラスチップは銅ブロックで分離された３個の空間に設置され、３個の空間の温度はそれぞれ６０℃、７７℃および９５℃に維持されている。ＰＣＲ反応混合液はマイクロチャンネルを介して供給および流出され、速度率は変性：回復：増幅＝４：４：９であり、２０サイクルが行われる。
【００１１】
連続流動システムは、体積表面率が従来のＰＥ反応チューブの１／１７である０．０４ｕｌ／ｍｍ2である。このため、銅ブロックを介して反応物質は流動され、拡大された熱交換表面により反応物質の温度は周囲と同じ温度に達する。変性、回復および増幅の段階の時間は、マイクロマッチングテクノロジーで形成された正確に定義された空間（４：４：９の比率）である。上記の方法によると、反応物質の流速が７２．９ｕｌ／秒であるとき、２０サイクルは９０秒で終了される。しかしながら、速度は反応物質の収率に影響を与える。流速が５．８ｕｌ／秒であるとき、２０サイクルは１８．８分であり、収率は従来法の収率の８０％である。流速が加速されると、収率は顕著に減少する。反応が９０秒以内で行われると、収率は非常に小さい。さらに、サイクルの時間比４：４：９がチップの構造により定義されているため、比率を調節する自由度は限定されている。このため、ＰＣＲ実験によりサイクルの時間比は調節されなければならない。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の目的は、確実に温度調節ができる流体温度調節装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の流体温度調節装置によると、微量流体が内部を流動するマイクロチャンネルと、微量流体を所定の回数で前後に流動させる微量流体流動装置とを備える。マイクロチャンネルには熱エネルギーを微量流体に供給する１個以上のヒーティングコイルが隣接されている。微量流体流動装置は、エアーコンプレッサーと、３個以上の空気流動ノズルと、二重周波数タイマーと、電磁波バルブと、空気作用装置とを備える。二重周波数タイマーで調節される電磁波バルブにより空気流動ノズルの開閉は調節される。空気作用装置は空気通路と、空気通路およびマイクロチャンネルと接続されているトライアングルギャップと、空気通路に空気の循環を発生させる台形ブロックとを備える。空気作用装置によりマイクロチャンネルの内部の微量流体は流動される。空気流動ノズルにより台形ブロックに空気流動は供給される。ヒーティングコイルはマイクロチャンネルの底部に設置されている。マイクロ温度センサーがマイクロチャンネルの底部に設置されている。
【００１４】
微量流体はマイクロチャンネルの内部を前後に移動され、微量流体の温度は微量流体の前後流動の回数により調節される。したがって、調節し易く、急速で正確な反応物質の温度調節が可能である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本考案の実施の形態を図面に基づいて説明する。
本発明の一実施例による流体温度調節装置によると、空気作用の微量流体流動装置、マイクロチャンネルおよびマイクロチャンネルの所定の位置に設置されている１個以上のヒーティングコイルを有する。図１に示すように、微量流体温度調節装置はマイクロチップに設置されている。また、微量流体温度調節装置は、エアーコンプレッサー１と、二重周波数タイマー２と、電磁波バルブ３と、空気噴出ノズル４ａと、空気噴出ノズル４ｂと、空気噴出ノズル４ｃとを備える。空気作用装置は、チップ上の空気通路６と、緩衝部７を介して延伸するチップ上のマイクロチャンネルと、ヒーティング部８と、温度感知部９と、反応物質注入口１０と、１個以上のヒーティングコイル１３とが設置されている。温度センサー１１および温度センサー１２がマイクロチャンネルに隣接されている。
【００１６】
微量流体流動装置は、空気作用による微量流体流動装置である。微量流体流動装置によりマイクロチャンネルの内部で微量流体は前後に速い転換速度で流動される。ＵＳ特許０９／３４５４５１で示される微量流体流動装置が使用される。空気通路６は緩衝部７と接続され、エアーダクト６ａ、エアーダクト６ｂおよびエアーダクト６ｃから形成されている。エアーダクト６ａ、エアーダクト６ｂおよびエアーダクト６ｃは、それぞれ空気噴出ノズル４ａ、空気噴出ノズル４ｂおよび空気噴出ノズル４ｃに接続されている。空気通路６と緩衝部７の接続部はトライアングルギャップ６ｄで拡張されている。空気通路６の内部のエアーダクト６ａ、空気ダクト６ｂおよび空気ダクト６ｃからトライアングルギャップ６ｄへの下流部では台形ブロック６ｅが形成されている。空気の流動がエアーダクト６ａおよびエアーダクト６ｂから空気通路６に供給されると、トライアングルギャプ６ｄおよび台形ブロック６ｅの機能のためマイクロチャンネルの内部の微量流体は温度感知部９から緩衝部７に流動される。空気の流動がエアーダクト６ｂおよびエアー６ｃから空気通路６に供給されると、空気の流動の圧力によりマイクロチャンネルの内部の微量流体は緩衝部７から温度感知部９に流動される。空気の流動がエアーダクト６ａおよびエアー６ｃから空気通路６に供給されると、マイクロチャンネルの内部の微量流体は移動されない。二重周波数タイマーにより電磁バルブは調節され、空気ノズル４ａ、空気ノズル４ｂ、空気ノズル４ｃは所定の組み合わせおよび所定の回数で開閉される。このため、マイクロチャンネルの内部の微量流体は所定の回数でマイクロチャンネルの内部を前後に流動される。
【００１７】
空気作動の微量流体流動装置によりマイクロチャンネルの内部の微量流体の流動方向は比較的速い速度で変えられる。同様の機能を有する微量流体流動装置が使用される。
ヒーティングコイル１３はプラチナ（Ｐｔ）と適した物質の合金で形成されている。さらに、直接あるいは非直接のヒーティングコイルが使用される。クーリング装置は反応物質の冷却に使用される。温度センサー１１および温度センサー１２は様々な温度を感知できる装置である。一般に、プラチナが最適な物質であるが、温度感知機能を有するその他の物質も使用される。リモート温度感知装置が反応物質の温度の計測に使用される。
【００１８】
使用されるとき、所定の量の反応物質が、反応物質注入口１０からマイクロチップ５のマイクロチャンネル１９に投入される。反応物質はマイクロチャンネル９の温度感知部９およびヒーティング部８に満たされ、マイクロチャンネル９の緩衝部７には何も存在しない。
【００１９】
エアーコンプレッサー１が作動され、空気の流動がエアーコンプレッサー１から電磁バルブ３、空気流動ノズル４ａ、空気流動ノズル４ｂおよび空気流動ノズル４ｃを介して空気通路６に供給される。電磁バルブ３の作動が調節されるよう二重周波数タイマー２が調節される。空気流動ノズル４ａ、空気流動ノズル４ｂおよび空気流動ノズル４ｃは所定の回数の下記の組み合わせで使用される。
【００２０】
組み合わせＡ：空気流動ノズル４ａおよび空気流動ノズル４ｂが開かれ、空気流動ノズル４ｃは閉じられる。反応物質は、空気通路６に流入される２個の空気流動によりマイクロチャンネルに吸入され、マイクロチャンネルのヒーティング部８および緩衝部７に充填される。
【００２１】
組み合わせＢ：空気流動ノズル４ａが閉じられ、空気流動ノズル４ｂおよび空気流動ノズル４ｃが開かれる。反応物質は、空気通路６に流入される２個の空気流動によりマイクロチャンネルの内部に押し出され、マイクロチャンネルの温度感知部９およびヒーティング部８に充填される。
装置により組み合わせＡと組み合わせＢとが転換され、反応物質はマイクロチャンネルの内部を前後に移動される。ヒーティング部は常に反応物質で満たされている。
【００２２】
ヒーティングコイル１３に反応物質が流動されているとき、反応物質の移動の回数の熱エネルギーが反応物質に伝導される。このため、反応物質の移動の回数が調節されることにより容易に反応物質の温度は調節される。
【００２３】
チップは１５×３０×１ｍｍである。チップには断面が３００×３００μｍであるマイクロチャンネルが形成されている。流体はマイクロチャンネルで前後に流動され、温度が計測される。
【００２４】
温度センサー１１がヒーティングコイル１３に隣接されている。ヒーティングコイル１３の温度は温度センサー１１で計測される。入力されると、ヒーティングコイル１３の温度は約５３℃に維持される。温度センサー１２は、ヒーティングコイル１１による干渉を避けるためヒーティング部８に設置されない。反応物質は絶えず温度センサー１２を流動する。反応物質の温度は温度センサー１２で計測される。反応物質の温度は５３℃に上昇すると、１から５Ｈｚの反応物質の流動回数の調節により５０．５９℃から５３．６℃に調節される。流動回数がより多いとき、反応物質の温度はより高くなる。
【００２５】
本実施例は、システムの温度を調節するためＰＣＲシステムに使用され、調節し易く、急速で正確な反応物質の温度調節が可能である。
反応物質はマイクロチャンネルの内部を絶えず前後に移動しているため、反応物質がヒーティングコイルにより加熱されると、流体の温度および成分の勾配は一定に維持される。
【００２６】
空気作動の微量流体流動装置が使用されるとき、空気作用の時間は１０マイクロ秒以下である。微量流体の流動の回数は約１００Ｈｚである。高度なマイクロヒーティングコイルによりＰＣＲの行程が厳密に行われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による流体温度調節装置を示す模式図である。
【図２】本発明の一実施例による流体温度調節装置の流体の温度と流体の前後流動の回数の関係を示す表である。
【符号の説明】
１    エアーコンプレッサー
２    二重周波数タイマー
３    電磁波バルブ
４ａ    空気流通ノズル
４ｂ    空気流通ノズル
４ｃ    空気流通ノズル
６    空気通路
６ａ    エアーダクト
６ｂ    エアーダクト
６ｃ    エアーダクト
６ｄ    トライアングルギャップ
６ｅ    台形ブロック
７    緩衝部
８    ヒーティング部
９    温度感知部
１０    反応物質注入口
１１    温度センサー
１２    温度センサー
１３    ヒーティングコイル
【図１】
0004112796.tif 000002
【図２】
0004112796.tif 000003