(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応試料を保持する熱伝導性の反応ブロックと、熱伝導性の加熱ブロックと、熱伝導性の冷却ブロックと、前記反応ブロックを前記加熱ブロックと冷却ブロックに択一的に接触させるための移送手段とを備えたインキュベータにおいて、
放熱面によって前記加熱ブロックを加熱する第１のペルチェ素子と、吸熱面によって前記冷却ブロックを冷却する第２のペルチェ素子と、前記第１のペルチェ素子の吸熱面と第２のペルチェ素子の放熱面を接続する熱伝導性の接続部材と、前記第２のペルチェ素子の放熱面における放熱を促進するためのファンとを備え、
前記第２のペルチェ素子の吸熱面における冷却効果が不足する場合、前記ファンを運転することを特徴とするインキュベータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、血液、検体等から採取されたＤＮＡ等の反応試料の温度を変化させることにより、増殖等の反応を促進させるためのインキュベータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種インキュベータは、例えば特開平６−２７７０３６号公報（Ｃ０７Ｈ２１／００）にＤＮＡ等の合成装置として示されている。そこに示された合成装置は、ホスホトリエステル法によるＤＮＡ或いはＲＮＡの自動合成装置であり、反応試料を保持する反応ブロックと、ヒータを設けた加熱ブロックと、冷却装置としてのペルチェ効果によるサーモモジュールを備えた冷却ブロックとを設け、温度センサの出力に基づいて移送手段により反応ブロックを加熱ブロックと冷却ブロックとに択一的に接触させるものであった。
【０００３】
ここで、上記ホスホトリエステル法によるＤＮＡ等の合成方法は、マスキング・脱保護・乾燥・縮合の４工程をこの順で繰り返すことにより、ＤＮＡの増殖を促進する方法であり、そのために、前記合成装置では反応ブロック内にＤＮＡや各種試薬・溶媒を混合した試料を入れ、前記温度センサの出力に基づいてヒータを制御し、加熱ブロックを＋４２℃に加熱することにより前記マスキング・乾燥・縮合の３工程を行うと共に、移送手段によって冷却ブロックに移動させ、ペルチェ素子の冷却作用によって冷却ブロックを＋２０℃に冷却することにより脱保護工程を行うよう構成されていた。
【０００４】
また、他の従来例としての合成装置は、例えば実公昭６２−４４９７９号公報に示される如く、反応器の外周を熱ブロックで覆い、この熱ブロックにペルチェ効果による加熱冷却機能を有したペルチェ素子を装着すると共に、ペルチェ素子にはサーミスタを埋設して構成されている。
【０００５】
そして、この場合の合成装置による合成方法は、反応器内にＤＮＡや各種試薬・溶媒を混合した試料を入れ、前記サーミスタによってペルチェ素子の通電を制御して熱ブロックを＋４２℃に加熱することにより前記マスキング・乾燥・縮合の３工程を行うと共に、ペルチェ素子の通電方向を変えて熱ブロックを＋２０℃に冷却することにより脱保護工程を行うよう構成されていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前者の構成では加熱手段としてヒータを用いるため、ヒータによるの消費電力が大きくなり、ランニングコストが高騰する問題があった。また、後者の構成では熱伝導性の熱ブロックに接触するペルチェ素子の面が放熱時には膨張し、吸熱時には収縮することが繰り返されるので、熱応力の関係からペルチェ素子にクラック（亀裂）が生じる問題があった。
【０００７】
更に、後者の場合にはペルチェ素子の通電方向を切り換えることにより、試料の加熱及び冷却を行っていたため、熱ブロック及びペルチェ素子自体の熱容量により、加熱から冷却、及び冷却から加熱への温度の変更が迅速に行われず、増殖反応の効率向上に限界がある問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、反応試料の温度を迅速、且つ、正確に変化させることができると共に、運転効率と耐久性も向上させたインキュベータを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のインキュベータは、反応試料を保持する熱伝導性の反応ブロックと、熱伝導性の加熱ブロックと、熱伝導性の冷却ブロックと、反応ブロックを加熱ブロックと冷却ブロックに択一的に接触させるための移送手段とを備えたものであって、放熱面によって加熱ブロックを加熱する第１のペルチェ素子と、吸熱面によって冷却ブロックを冷却する第２のペルチェ素子と、第１のペルチェ素子の吸熱面と第２のペルチェ素子の放熱面を接続する熱伝導性の接続部材と、第２のペルチェ素子の放熱面における放熱を促進するためのファンとを備え、第２のペルチェ素子の吸熱面における冷却効果が不足する場合、ファンを運転することを特徴とするものである。
【００１０】
本発明によれば、反応試料を保持する熱伝導性の反応ブロックと、熱伝導性の加熱ブロックと、熱伝導性の冷却ブロックと、反応ブロックを加熱ブロックと冷却ブロックに択一的に接触させるための移送手段とを備えたインキュベータにおいて、放熱面によって加熱ブロックを加熱する第１のペルチェ素子と、吸熱面によって冷却ブロックを冷却する第２のペルチェ素子と、第１のペルチェ素子の吸熱面と第２のペルチェ素子の放熱面を接続する熱伝導性の接続部材と、第２のペルチェ素子の放熱面における放熱を促進するためのファンとを備えるので、反応ブロックに保持された反応資料の温度を迅速、且つ、正確に変化させることが可能となり、反応作業効率を著しく向上させることができるようになる。
【００１１】
また、加熱ブロックを第１のペルチェ素子の放熱面によって加熱し、冷却ブロックを第２のペルチェ素子の吸熱面によって冷却すると共に、第１のペルチェ素子の吸熱面と第２のペルチェ素子の放熱面を熱伝導性の接続部材で接続しているので、第２のペルチェ素子の放熱面から生じる熱エネルギーを第１のペルチェ素子の吸熱面にて回収し、加熱ブロックの加熱に利用できるようになる。
【００１２】
これにより、加熱ブロックの加熱に通常の電気ヒータを用いる場合に比して著しい効率（ＣＯＰ）の改善が為されると共に、単一のペルチェ素子の通電を切り替えて加熱・冷却を行う場合に比して、ペルチェ素子の寿命も長くなり、耐久性が向上する。
【００１３】
特に、第２のペルチェ素子の吸熱面における冷却効果が不足する場合、ファンを運転するので、第２のペルチェ素子の放熱面における放熱を促進することができる。これにより、第２のペルチェ素子の吸熱面における冷却効果が不足する状況であっても、ファンを運転して、空冷を行い、放熱面における放熱を促進して、第２のペルチェ素子の冷却効果を維持することができるようになる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。図１は本発明のインキュベータ１の正面図、図２はインキュベータ１の制御装置２の電気回路図をそれぞれ示している。
【００１５】
尚、実施例のインキュベータ１は、反応試料としての染色体ＤＮＡの熱変性工程と、プライマーとのアニーリング工程と、鎖の伸長工程とを１サイクルとしてこのサイクルを複数回繰り返す所謂ＰＣＲ法と称されるＤＮＡ増殖方法を実現するための装置であり、アルミニウム等の熱伝導性材料にて形成された反応ブロック３、加熱ブロック４及び冷却ブロック５と、反応ブロック３を移送する移送手段としての移送装置６（図２）と、加熱ブロック４を加熱するためのペルチェ素子７と、冷却ブロック５を冷却するためのペルチェ素子８とから構成されている。
【００１６】
前記ペルチェ素子７はペルチェ効果による吸熱・放熱機能を具備した半導体素子であり、その下面（吸熱面）が熱伝導性の接続部材１３上に交熱的に接触して当該接続部材１３の一端に取り付けられている。このペルチェ素子７の上面（放熱面）は加熱ブロック４に熱伝導関係に取り付けられ、この加熱ブロック４内にはサーミスタからなる加熱温度センサ１２が埋設されている。
【００１７】
前記ペルチェ素子８もペルチェ効果による吸熱・放熱機能を具備した半導体素子であり、その下面（放熱面）が接続部材１３上に交熱的に接触して当該接続部材１３の他端に取り付けられている。この接続部材１３の他端部の下面には放熱フィン９が取り付けられており、それに対向して放熱を促進するファン１４が設けられている。また、冷却ブロック５はペルチェ素子８の上面（吸熱面）に熱伝導関係に取り付けられて、前記加熱ブロック４と所定の間隔を存して並設されており、この冷却ブロック５内にはサーミスタから成る冷却温度センサ１６が埋設されている。
【００１８】
前記移送装置６は図示しないモーター、ギヤ及び支持アーム若しくはベルト等から構成されており、反応ブロック３は前記支持アーム等に取り付けられている。反応ブロック３の上面には、前述の反応試料を収容したチューブ１８を収納保持するための複数の保持孔１９が形成されており、また、反応ブロック３内にはサーミスタから成る反応温度センサ２１が埋設されている。
【００１９】
前記移送装置６は、係るチューブ１８を複数保持した反応ブロック３を前記加熱ブロック４と冷却ブロック５の間で移送し、反応ブロック３の下面を前記加熱ブロック４或いは冷却ブロック５の上面に接触させるものである。このとき、反応ブロック３の下面、加熱ブロック４及び冷却ブロック５の上面は、いずれも水平且つ滑らかな平坦面とされており、これによって、反応ブロック３と加熱ブロック４或いは冷却ブロック５は広い面積で接触し、円滑に熱伝達が行われるように構成されている。
【００２０】
図２において、制御装置２は制御手段としての汎用マイクロコンピュータ２３により構成されており、マイクロコンピュータ２３の入力には前記反応温度センサ２１、加熱温度センサ１２及び冷却温度センサ１６の出力が接続され、マイクロコンピュータ２３の出力には前記移送装置６、ファン１４、ペルチェ素子７及びペルチェ素子８が接続されている。
【００２１】
以上の構成で本発明のインキュベータ１の動作を説明する。尚、前記熱変性工程における反応試料の設定温度（高温設定温度）は＋９４℃、前記アニーリング工程及び伸長工程の設定温度（低温設定温度）は＋３７℃とし、マイクロコンピュータ２３は熱変性工程を例えば３分、アニーリング工程と伸長工程を合わせて３分行い、これを１サイクルとして３０回（３時間）繰り返すことにより、前記ＰＣＲ法を実行するものとする。
【００２２】
そして、反応ブロック３の保持孔１９には、前記反応試料を収容したチューブ１８を保持させ、動作を開始させる。この初期状態では、マイクロコンピュータ２３は移送装置６により、反応ブロック３を加熱ブロック４、或いは冷却ブロック５のいずれからも離間させているので、反応ブロック３の温度は常温である。そして、マイクロコンピュータ２３は、ペルチェ素子７に通電して加熱ブロック４を加熱する。そして、加熱温度センサ１２の出力に基づき、加熱ブロック４の温度が前記高温設定温度より高い加熱待機温度である＋１２０℃を維持する。
【００２３】
次いで、ペルチェ素子８に通電し、冷却ブロック５の温度を冷却待機温度である＋２０℃に降下させた後、前記低温設定温度より低い＋２０℃を維持する。そして、所定時間経過した後、マイクロコンピュータ２３により移送装置６を制御し、反応ブロック３を加熱ブロック４に接触させる。これによって、加熱ブロック４の熱が反応ブロック３に伝達され始め、チューブ１８内の反応試料の加熱が開始される。
【００２４】
このとき、反応ブロック３と加熱ブロック４は熱伝導性であり、広い面積で接触されているので、加熱ブロック４から反応ブロック３への熱伝達は迅速に行われる。また、加熱ブロック４は待機状態において、高温設定温度（＋９４℃）よりも高い高温待機温度（＋１２０℃）に維持されているので、反応ブロック３は迅速に加熱されて行くことになる。そして、マイクロコンピュータ２３は反応温度センサ２１に基づき、反応ブロック３の温度が前記高温設定温度の＋９４℃に維持されるようにペルチェ素子７の通電を制御する。
【００２５】
次に、マイクロコンピュータ２３は冷却温度センサ１６に基づき、ペルチェ素子８の通電を制御して冷却ブロック５の温度を前記冷却待機温度の＋２０℃に維持し続ける。また、タイマの積算に基づき、反応ブロック３を加熱ブロック４に接触させてから前記３分の熱変性工程の時間が経過するまでの間、反応ブロック３を高温設定温度（＋９４℃）に維持する。
【００２６】
そして、前記熱変性時間が経過すると、マイクロコンピュータ２３は熱変性工程を終了し、移送装置６を制御して反応ブロック３を加熱ブロック４から離し、反応ブロック３を今度は冷却ブロック５に接触させる。これによって、反応ブロック３の熱が冷却ブロック５に吸収され始め、チューブ１８内の反応試料の冷却が開始される。
【００２７】
このとき、反応ブロック３と冷却ブロック５は熱伝導性であり、同様に広い面積で接触されているので、反応ブロック３から冷却ブロック５への熱伝達は迅速に行われる。また、冷却ブロック５は待機状態において、低温設定温度（＋３７℃）よりも低い低温待機温度（＋２０℃）に維持されているので、反応ブロック３は迅速に冷却されて行くことになる。そして、マイクロコンピュータ２３は反応温度センサ２１に基づき、反応ブロック３の温度が前記低温設定温度の＋３７℃に維持されるようにペルチェ素子８の通電を制御する。
【００２８】
また、マイクロコンピュータ２３は加熱温度センサ１２に基づき、ペルチェ素子７の第１ペルチェ素子の通電を制御して加熱ブロック４の温度を前記加熱待機温度の＋１２０℃に維持する。一方、反応ブロック３を冷却ブロック５に接触させてから前記３分のアニーリング・伸長工程の時間が経過するまでの間、反応ブロック３を低温設定温度（＋３７℃）に維持し続ける。
【００２９】
そして、アニーリング・伸長時間が経過すると、マイクロコンピュータ２３はアニーリング・伸長工程を終了し、上記各工程を例えば３０回繰り返す。この時点では、ＤＮＡの数は最初の１０万倍にまで増殖されている。
【００３０】
係る増殖反応が終了したら、マイクロコンピュータ２３は反応ブロック３を冷却ブロック５に接触させ、反応温度センサ２１に基づいてペルチェ素子８の通電を制御することにより、反応ブロック３の温度を例えば＋５℃に維持する。それによって、合成したＤＮＡを冷保存する。
【００３１】
このように、本発明のインキュベータ１によれば、加熱専用の加熱ブロック４及び冷却専用の冷却ブロック５を使用することにより反応ブロック３に保持された反応資料の温度を迅速、且つ、正確に変化させることが可能となり、反応作業効率を著しく向上させることができるようになる。
【００３２】
このとき、加熱ブロック４をペルチェ素子７の放熱面によって加熱し、冷却ブロック５をペルチェ素子８の吸熱面によって冷却するようにしており、ペルチェ素子７の吸熱面とペルチェ素子８の放熱面は熱伝導性の接続部材１３で接続されている。従って、ペルチェ素子８の放熱面から生じる熱エネルギーは接続部材１３を伝わってペルチェ素子７の吸熱面にて回収されることになる。
【００３３】
即ち、冷却ブロック５から吸収した熱エネルギーを加熱ブロック４の加熱に再利用できるようになるので、通常の電気ヒータで加熱ブロック４を加熱する場合に比して効率（ＣＯＰ）は著しく向上する。また、単一のペルチェ素子の通電を切り替えて加熱・冷却を行う場合に比して、ペルチェ素子の寿命も長くなり、耐久性が向上する。
【００３４】
尚、ペルチェ素子８の吸熱面における冷却効果が不足する状況では、マイクロコンピュータ２３はファン１４を運転して接続部材１３の他端の空冷を行い、放熱面における放熱を促進して、ペルチェ素子８の冷却効果を維持するものである。
【００３５】
【発明の効果】
以上詳述した如く本発明によれば、反応試料を保持する熱伝導性の反応ブロックと、熱伝導性の加熱ブロックと、熱伝導性の冷却ブロックと、反応ブロックを加熱ブロックと冷却ブロックに択一的に接触させるための移送手段とを備えたインキュベータにおいて、放熱面によって加熱ブロックを加熱する第１のペルチェ素子と、吸熱面によって冷却ブロックを冷却する第２のペルチェ素子と、第１のペルチェ素子の吸熱面と第２のペルチェ素子の放熱面を接続する熱伝導性の接続部材と、第２のペルチェ素子の放熱面における放熱を促進するためのファンとを備えるので、反応ブロックに保持された反応資料の温度を迅速、且つ、正確に変化させることが可能となり、反応作業効率を著しく向上させることができるようになる。
【００３６】
また、加熱ブロックを第１のペルチェ素子の放熱面によって加熱し、冷却ブロックを第２のペルチェ素子の吸熱面によって冷却すると共に、第１のペルチェ素子の吸熱面と第２のペルチェ素子の放熱面を熱伝導性の接続部材で接続しているので、第２のペルチェ素子の放熱面から生じる熱エネルギーを第１のペルチェ素子の吸熱面にて回収し、加熱ブロックの加熱に利用できるようになる。
【００３７】
これにより、加熱ブロックの加熱に通常の電気ヒータを用いる場合に比して著しい効率の改善が為されると共に、単一のペルチェ素子の通電を切り替えて加熱・冷却を行う場合に比して、ペルチェ素子の寿命も長くなり、耐久性が向上する。
【００３８】
特に、第２のペルチェ素子の吸熱面における冷却効果が不足する場合、ファンを運転するので、第２のペルチェ素子の放熱面における放熱を促進することができる。これにより、第２のペルチェ素子の吸熱面における冷却効果が不足する状況であっても、ファンを運転して、空冷を行い、放熱面における放熱を促進して、第２のペルチェ素子の冷却効果を維持することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のインキュベータの正面図である。
【図２】  本発明のインキュベータの制御装置の電気回路図である。
【符号の説明】
１  インキュベータ
２  制御装置
３  反応ブロック
４  加熱ブロック
５  冷却ブロック
６  移送装置
７  ペルチェ素子（第１のペルチェ素子）
８  ペルチェ素子（第２のペルチェ素子）
１２  加熱温度センサ
１６  冷却温度センサ
２１  反応温度センサ
２３  マイクロコンピュータ
【図１】
0004259666.tif 000002
【図２】
0004259666.tif 000003