反応処理装置
【課題】複数の反応領域を備えた反応処理装置において、温度制御を高精度で行うことができる反応処理装置を提供すること。
【解決手段】複数の反応領域（Ａ）と、該反応領域ごとに設けられた加熱部と、を備え、前記加熱部は、熱源と、反応領域（Ａ）間の熱干渉を検出する熱干渉検出部と、前記熱干渉検出部により検出された温度情報に基づいて、前記熱源の加熱量を制御する加熱制御手段と、を少なくとも備える反応処理装置（１）とすること。
【解決手段】複数の反応領域（Ａ）と、該反応領域ごとに設けられた加熱部と、を備え、前記加熱部は、熱源と、反応領域（Ａ）間の熱干渉を検出する熱干渉検出部と、前記熱干渉検出部により検出された温度情報に基づいて、前記熱源の加熱量を制御する加熱制御手段と、を少なくとも備える反応処理装置（１）とすること。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応処理装置に関する。より詳しくは、複数の反応領域を備えた反応処理装置において、反応制御を高精度に行ない得る技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の反応領域を設け、夫々の反応領域で夫々の所定反応を行ない得る反応処理装置は、種々の分野において用いられている。複数の反応領域で所定反応を行ない得る反応処理装置を用いることで、網羅的な解析を行なうことができる。幅広い用途に用いることができる。医療、環境科学、食品分析等をはじめとする幅広い分野への応用が期待されている。このような反応処理装置として、例えば、複数の反応領域を同一基板上に設け、この基板を用いて種々の反応を行なうこと等が考えられている。
【０００３】
一方で、このような反応処理装置においては、それぞれの反応領域において正確な温度制御ができることが重要となる。これに関して、特許文献１や特許文献２には、反応処理装置の温度制御に関する技術が開示されている。また、微小領域に対する加熱を行なうために、半導体素子を用いること等も行われている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２９８０６８号公報。
【特許文献２】特開２００４−０２５４２６号公報。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明は、複数の反応領域を備えた反応処理装置において、温度制御を高精度で行うことができる反応処理装置を提供することを主な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
まず、本発明は、複数の反応領域と、該反応領域ごとに設けられた加熱部と、を備え、 前記加熱部は、熱源と、反応領域間の熱干渉を検出する熱干渉検出部と、前記熱干渉検出部により検出された温度情報に基づいて、前記熱源の加熱量を制御する加熱制御手段と、を少なくとも備える反応処理装置を提供する。このように、前記熱干渉検出部を反応領域間に設けることで、反応領域同士の熱干渉を検出することができる。この熱干渉の影響を考慮することで、より正確な温度制御が可能となる。
次に、本発明は、前記熱干渉検出部は、隣接する反応領域間に配置された測温体によって、前記反応領域間の熱干渉を検出する反応処理装置を提供する。前記熱干渉検出部として少なくとも測温体を隣接する反応領域間に夫々配置することでより高精度の熱干渉検出が可能となる。
続いて、本発明は、前記複数の反応領域と、該反応領域に対応する加熱部とがマトリクス状に夫々配置され、前記加熱部の各熱源は、走査線とデータ線とに接続された発熱体であり、該発熱体は順次走査されることで発熱可能であり、かつ前記加熱部の各測温体は、対応する発熱体のスキャン方向側に夫々配置されている反応処理装置を提供する。反応領域とそれに対応する加熱部をマトリクス状に夫々配置し、各熱源を走査線とデータ線を用いて制御することで熱源制御が容易に行ないうる。これに加えて、各反応領域に対応する測温体を加熱されていく加熱方向側にそれぞれ配置することで、より正確な熱干渉の検出が可能となる。そして、本発明は、前記測温体は、ＰＩＮダイオードを少なくとも備えている反応処理装置を提供する。
更に、本発明は、前記加熱部は、前記反応領域の温度を測定する温度検出部を更に備え、前記加熱制御手段は、前記熱干渉検出部により検出された温度情報と、前記温度検出部により検出された温度情報と、に基づいて、前記熱源の加熱量を制御する反応処理装置を提供する。熱干渉検出部だけでなく、反応領域の温度を測定する温度検出部を更に設けることで、各反応領域の温度制御を更に高精度に行うことができる。
また、本発明は、前記反応領域に対して所定波長の光を照射する光学手段と、前記光の照射により発生する測定対象光を検出可能である光検出部と、を更に備える反応処理装置を提供する。反応処理装置として、このような光学系を更に設けることでリアルタイムの解析が可能となる。そして、本発明は、前記反応領域において遺伝子増幅反応が行われる遺伝子増幅装置とすることができる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、複数の反応領域を備えた反応処理装置において、高精度の温度制御ができる。その結果、反応領域で行う所定反応を高精度で制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、添付図面に基づいて、本発明に係る反応処理装置の好適な実施形態について説明する。なお、添付図面に示された各実施形態は、本発明に係わる代表的な実施形態の一例を示したものであり、これにより本発明の範囲が狭く解釈されることはない。なお、以下に使用する図面では、説明の便宜上、装置の構成等については簡素化して示している。
【０００９】
図１は、本発明に係る反応処理装置の第１実施形態の概念図であり、図２は、同実施形態における加熱部を説明するための概念図である。この反応処理装置１のサイズや装置構造等は、用途等に応じて適宜選択可能であり、本発明の目的の範囲内で設計又は変更可能である。
【００１０】
図１中の符号１は、本発明に係る反応処理装置を示している。該反応処理装置１は、複数の反応領域Ａが配置され、各反応領域Ａは夫々に加熱部を備えており、該加熱部は熱源Ｈと、熱干渉検出部に用いられる測温体Ｓを備えている。
【００１１】
この熱源Ｈが発熱することで、対応する反応領域Ａの加熱を行うことができる。しかし、このときの加熱によって反応領域Ａの間で熱干渉が生じてしまう。反応処理装置１では、この熱干渉を熱干渉検出部の測温体Ｓにより検出することができる。更に、加熱制御手段（図示せず）によって、熱干渉検出部の測温体Ｓにより検出された温度情報に基づいて、熱源Ｈの加熱量を制御することができる。
【００１２】
加熱部の構造等については特に限定されないが、好適には、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）により形成され、スイッチング制御される熱源Ｈであることが望ましい。例えば、薄膜トランジスタが有するスイッチング機能を利用して、各反応領域Ａの温度制御を個別に行うことができる。この温度制御は、薄膜トランジスタに印加する電圧をコントロールしてソース−ドレイン間の電流値を可変としてもよいし、ソース−ドレイン間の電流を定電流電源としてコントロールしてもよい。特に、熱源Ｈとしての薄膜トランジスタを用い、かつスイッチング素子としての薄膜トランジスタを用い、これらの薄膜トランジスタを同一回路内に形成することが望ましい。これによって、熱源Ｈとスイッチング制御とを同一回路内で一括制御できる。そして、好適には薄膜トランジスタ基板（ＴＦＴ基板）を用いることが望ましく、これについては後述する。
【００１３】
あるいは、加熱部の熱源Ｈは、発熱抵抗体で形成され、薄膜トランジスタによりスイッチング制御されるヒーターとしてもよい。即ち、薄膜トランジスタは、スイッチングとしてのみ利用してもよい。前記発熱抵抗体として、白金、モリブデン、タンタル、タングステン、炭化珪素、モリブデンシリサイド、ニッケル−クロム合金、鉄−クロム−アルミニウム合金等を用いることができる。この場合は、発熱抵抗体に流れる電流値を制御することで、温度制御が可能となる。また、本発明において用いられる薄膜トランジスタの種類については、特に限定されず、例えば、ポリ珪素や、α−珪素等のタイプを適宜使用できる。
【００１４】
熱干渉検出部は、反応領域Ａ間に起こりうる熱干渉を検出可能であればよく、その手法等については限定されず、例えば、熱検出可能な種々のセンサー等を用いることができる。そして、反応処理装置１の如き、熱干渉検出部として測温体Ｓを用い、この測温体Ｓを隣接する反応領域Ａ同士の間に配置することができる。測温体Ｓとしては、例えば、温度と電気的信号値（電圧、抵抗、電流等）の一定の相関関係を有するものを用いることができる。この場合、測温体Ｓは、温度に応じて、検出される電気的信号の値が変動するため、この値に基づいて温度情報を検出することができる。測温体Ｓとしては、例えば、ダイオード特性を有する素子等を用いることができ、より好適には、ＰＩＮダイオードを用いることが望ましい。
【００１５】
加熱制御手段は、前記熱干渉検出部で検出された温度情報に基づいて、各熱源Ｈの加熱量の制御ができればよく、その構成や手法等は限定されない。例えば、図示はしないが、検出した電気的信号をアナログディジタルコンバーター(ＡＤＣ)によりディジタル信号として変換し、ディジタルデータとしてＣＰＵに取り込ませることができる。そして、このＣＰＵによって演算処理して、目標温度とする最適な電流値となるべくディジタル信号をディジタルポテンショメータへ出力する。このようにして、熱干渉検出部によって検出した温度情報を踏まえて加熱制御にフィードバックさせることができる。
【００１６】
本発明では、反応領域Ａの温度を検出するための温度検出部を更に設けることが望ましい。この温度検出部によって検出された反応領域Ａの温度情報と、前記熱干渉検出部により得られた熱干渉に関する温度情報との両方を踏まえて、前記加熱制御手段によって加熱制御することが望ましい。これによって温度制御をより正確に行うことができる。
【００１７】
ここで、各反応領域Ａにおける各加熱部の構成について図２等を参照しながら説明する。図２は、反応領域Ａの温度を検出するための温度検出部を更に設けている。この温度検出部として測温体Ｈｓを用いている。この測温体Ｈｓによって検出された反応領域Ａの温度情報と、前記熱干渉検出部の測温体Ｓにより得られた熱干渉に関する温度情報との両方を踏まえて、加熱制御手段によって加熱制御することができる。
【００１８】
この場合、発熱体Ｈと測温体Ｈｓの構成等については限定されず、目的や装置構造等を考慮して適宜好適な構成とすることができる。例えば、発熱体Ｈに隣接して測温体を設けてもよいし（図２の符号Ｉ，ＩＩ参照）、あるいは発熱体Ｈの中央領域に測温体Ｈｓを設けてもよい（図２の符号ＩＩＩ参照）。
【００１９】
図３は、本発明に係る反応処理装置の第２実施形態の概念図である。図３の符号２は、本発明に係る反応処理装置を示している。該反応処理装置２は、複数の反応領域Ａがマトリクス状に配置され、これに対応して各加熱部がマトリクス状に配置されている構造である。以下、第１実施形態との相違点を中心に説明し、共通する部分についてはその説明を割愛する。
【００２０】
反応処理装置２は、各反応領域Ａの各加熱部について、それぞれ複数の走査線とデータ線を含み、これらの交差部に加熱部のヒータユニットを夫々配置している。ヒータユニットもゲート線（Ｘ方向）とデータ線（Ｙ方向）に沿ってマトリクス状に配置させている。このような構成とすることで、各熱源を一括制御することができる。
【００２１】
走査駆動回路は、走査線を順次選択し（即ち、低レベルにし）、それに同期してデータ線駆動回路が各データ線に信号電流を印加することで、各ヒータユニットに対して行単位（走査線１，２・・・）で、加熱量情報を書き込むことができる。書き込み終了後には、各走査線を非選択（即ち、高レベル）にすれば、信号電流と同じ電流値の駆動電流が各ユニットを流れ続ける。このようにして各々の所望の大きさの電流を流すことができる。このようにして、各加熱部（のヒータユニット）を個別制御することができる。
【００２２】
本発明では、更に、熱干渉検出部として測温体Ｓを用いており、これを対応する各加熱部の熱源の加熱方向側（図３の矢印参照）に配置していることを特徴の一としている。図３の場合には、反応領域Ａの右隣の測温体Ｓで検出した温度情報が、この測温体Ｓの右隣に位置する反応領域Ａの加熱制御に反映させることができる。
【００２３】
各ヒータユニット間に温度センシングデバイスとして測温体Ｓを夫々配置し、この測温体Ｓにより熱干渉の影響度を夫々検出することができる。そして、測温体Ｓは、対応する発熱体のスキャン方向側に配置されることが望ましい。スキャン方向に沿って各発熱体の加熱制御は順次行なわれていくため、この方向（図３の矢印参照）に沿って順次加熱されていくことになる。
【００２４】
このようにマトリクス状に配置することで、各加熱部の発熱動作を走査線単位で停止させることも可能であり、その結果簡便かつ速やかに温度を下げることもできる。このことは、特に、反応領域Ａが微小なマイクロ空間である場合により顕著である。また、発熱時間の制御も可能であるため、微小な発熱制御も容易に行なうことができる。
【００２５】
本発明ではこれらに加えて、前述した熱干渉検出を測温体Ｓ等を用いて行うため、温度検出を高精度に行うことができ、加熱量の書き込み量を補正することもできる。更には、熱干渉検出に加えて、反応領域Ａの温度検出も測温体Ｈｓ等を用いて行うことができるため、より高精度に温度制御を行なうことができる。
【００２６】
そして、反応領域Ａについて、前記熱源としての発熱体Ｈと、前記温度検出部として用いられる測温体Ｈｓと同一回路状に組み込むことができる。更には、測温体Ｓについても同一回路上に組み込むことができる。これにより、同一回路上において、これらを一括制御することが可能となり、装置構成としての小デバイス化にも貢献することができる。
【００２７】
例えば、測温体ＳとしてＰＩＮダイオードを少なくとも用い、かつ測温体ＨｓとしてもＰＩＮダイオードを用いることで、列方向にスキャンセンシングを行い、更に次回の電流書き込み時ｌｉｎに対して補正を行なうことで、熱干渉の影響度をリアルタイムに制御しながら加熱制御（電流制御）をすることが可能となる。
【００２８】
本発明によれば、マトリクス状に反応領域Ａを夫々配置した場合であっても、熱干渉の影響を排除するために、反応領域Ａ同士の設置間隔を長くする必要もない。その結果、デバイスとしてもより省スペース化が可能となり、ひいては、より効率的に網羅的解析を行い得る反応処理装置として用いることができる。
【００２９】
図４は、本発明に係る反応処理装置の第３実施形態の概略側面図である。図４中の符号３は、本発明に係る反応処理装置を示している。この反応処理装置３のサイズや層構造についても、目的に応じて適宜選定可能であり、反応処理装置３の形態構成についても本発明の目的に沿う範囲で設計又は変更可能である。この反応処理装置３は、光学測定系を更に備えていることを構造上の特徴の一としている。
【００３０】
反応処理装置３の形態構成について説明する。反応処理装置３は、反応基板３１と、前記反応基板３１を加熱する加熱部３２と、ペルチェ素子３３と、光源３４と、前記反応基板３１に前記光源３４から発せられる光Ｌ１，Ｌ２を導く導光板３５と、測定対象光Ｌ３を検出する光検出部３６と、特定の波長光のみを透過するフィルター膜３７と、測定基板３８と、を備えている。そして、加熱部３２は、熱干渉検出部３２１を少なくとも備えている。
【００３１】
本発明に係る反応処理装置で行いうる光学測定系については、種々の分光測定を採用することができ、その測定対象光を限定するものではない。例えば、蛍光測定や、散乱光測定や、ＩＲ測定、ＵＶ測定等、適宜好適な分光測定を採用することができる。例えば、反応処理装置３において蛍光測定を行うのであれば、蛍光物質で試料をラベリングし、特定波長の励起光を光源３４から照射し、これによって発せられる蛍光を光検出部３６で検出することができる。
【００３２】
反応基板３１は、複数の反応領域Ａ１を備えており、この反応領域Ａ１内で所定の反応を行なうことができる。本発明では、反応領域Ａ１の形状等については特に限定されず、適宜好適な形状や容量とすることができる。
【００３３】
反応領域Ａ１の容量については特に限定されないが、好適には、マイクロ空間とすることが望ましく、好適には１μＬ以下の容量とすることが望ましい。このようなマイクロ空間とすることで、反応領域Ａ１に必要な反応溶液の液量が少量ですむため、温度制御等を高精度で行なうことができ、かつ反応時間も短縮することができる。
【００３４】
例えば、前記反応領域Ａ１を３００μｍ×３００μｍ×３００μｍ（反応領域容量：２７ｎＬ）とする場合、約４万個の反応領域Ａ１を反応基板３１に設置するとしても、約６ｃｍ四方の面積のデバイスでよい。このようにデバイスとしての小型化が可能であるため、ヒトの遺伝子数に匹敵する数の反応領域Ａ１をマトリクス状に反応基板３１に配置させることもでき、網羅的解析をより容易にかつ簡便に行なうことができる（例えば、図１，２等参照）。
【００３５】
反応基板３１の材料等は、光Ｌ１を透過できる材料であれば特に限定されず、測定目的や加工容易性等を考慮して適宜選択できる。例えば、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）等の透明樹脂やガラス等を用いることができ、蛍光検出を行う場合であれば低蛍光発光プラスチック等を反応基板３１の材料として用いることができる。
【００３６】
また、反応基板３１は、加熱部３２や光検出部３６やフィルター膜３７等と脱着可能としてもよい。あるいは、図示はしないが、反応基板３１と加熱部３２とを一体構造とし、これを脱着可能としてもよい。
【００３７】
加熱部３２は、反応基板３１内の各反応領域Ａ１を加熱する。これにより反応領域Ａ１の温度制御を個別に行なう。更に、熱干渉検出部３２１も夫々備えていることで、加熱部３２の加熱制御を高精度で行なうことができる。前記加熱部３２により、前記反応領域Ａ１ごとに加熱温度と加熱時間を個別に制御することで、前記反応領域Ａ１内の増幅反応等をより高精度で制御できる。この加熱３２（及び熱干渉検出部３２１等）の構成については、前述した構成を適宜採用することができる。
【００３８】
本発明では、反応領域Ａ１の温度制御を行なうためにペルチェ素子３３を備えることが望ましい。ペルチェ素子で反応領域Ａ１全体の温度制御を行ない、各加熱部３２において各反応領域Ａ１の温度をより精密に制御することができる。これにより、各反応領域Ａ１の微小な温度のばらつきやズレ等を正確に制御できる。このようにペルチェ素子３３を設けることで、温度制御を容易に行うことができる。その結果、高精度の温度制御を行なうことができる。
【００３９】
例えば、ＰＣＲ装置等として供されるような従来の反応処理装置には、サーマルサイクラー等による温度制御を行なうものもあり、これに関してグラディエント機構が付加されている場合もある。しかし、各反応領域中の試料の温度制御を個別かつ高精度にできないという問題等がある。これに対して、本発明に係る反応処理装置では、各反応領域Ａ１にそれぞれ加熱部３２を設け、更に熱干渉検出部３２１も備えることでこのような問題も解決することができる。
【００４０】
一例として、上記のＰＣＲ反応を反応処理装置３で行なう場合には、ＰＣＲサイクルとして「熱変性、アニーリング（プライマーのハイブリダイゼーション）、伸長反応」のステップに応じて温度制御を行なう必要がある。例えば、予め、反応領域Ａ１内の温度をＰＣＲサイクルの最低温度（例えば、５５℃）に維持しておくことができる。そして、ペルチェ素子３３よって反応領域Ａ１全体の温度サイクルを制御し、更に各加熱部３２によって各反応領域Ａ１の温度のばらつきやズレを個別に補正・制御することができる。このように反応領域Ａ１全体の温度制御と、各反応領域Ａ１個別の温度制御をそれぞれ行なうことで、より正確な温度制御を行なうことができる。
【００４１】
そして、本発明では、前記複数の反応領域Ａ１全てに特定波長の光Ｌ１を照射可能な光学手段として、光源３４や、各反応領域Ａ１に光Ｌ１，Ｌ２を導入するための導光板３５を用いることができる。
【００４２】
光源３４は、特定波長の光を発光するものであればよく、その種類は特に限定されないが、好適には、白色もしくは単色のＬＥＤやＬＤを用いることが望ましい。これにより、不要な紫外線や赤外線を含まない光を簡便に得ることができる。そして、光源３４の設置場所や光源数については特に限定されない。即ち、図示はしないが、各反応領域Ａ１に対応するように光源３４を複数設け、各光源３４が対応するそれぞれの反応領域Ａ１に向かって光Ｌ１，Ｌ２を直接照射する構造としてもよい。この場合、例えば、各反応領域Ａ１を光源３４で直接照射できるため、光量をより多くとることや光量を個別に制御してすべての反応領域Ａへ光Ｌ１，Ｌ２の照射を均一に行うことができる。
【００４３】
導光板３５は、光源３４から発せられる光Ｌ１を反応基板３１内の各反応領域Ａ１に導くためのものである。前記導光板３５内部のスペーサー３５１に光源３４から発せられる光Ｌ１が導入される。そして、前記導光板３５上部には反射膜３５２が設けられており、例えば、ダイクロックミラー等を用いることで反応基板３１へ光Ｌ２を導入することができる。
【００４４】
また、本発明では、導光板３５の底部に、前記光Ｌ１，Ｌ２の波長光のみを透過するフィルター膜３５３を設けることが望ましい。これにより、光源３４から発せられる光から光Ｌ２を効率よく取り出し、反応領域Ａ１へ導くことができる。このフィルター膜３５３としては、例えば偏光フィルター等を用いることもできる。
【００４５】
光検出部３６は、反応領域Ａ１に照射された光Ｌ１，２に応答して発せられる測定対象光Ｌ３を検出する。例えば、蛍光測定を行う場合であれば、励起することで発せられる蛍光を検出・測定する。本発明では、前記光検出部３６の構成等については限定されず、例えば、フォトダイオードを用いることができる。
【００４６】
光検出部３６は、加熱部３２と同じ基板上に形成されているが、異なる基板に形成されてもよいし、加熱部３２と光検出部３６とが積層された状態であってもよい。
【００４７】
本発明では、各反応領域Ａ１とこれに対応する各光検出部３６との間に、前記測定対象光Ｌ３の波長光のみを透過するフィルター膜３７を設けることが望ましい。所定の波長光のみを透過するフィルター膜３７を、反応領域Ａ１と光検出部３６との間に設けることで、検出した測定対象光Ｌ３を効率よく取り出すことができるため、より高精度の分析を行なうことができる。このフィルター膜３７としては、例えば偏光フィルター等を用いることができる。
【００４８】
このように、本発明に係る反応処理装置３は光検出部３６を有するため、リアルタイムの解析が可能となる。そして、光検出部３６を各反応領域Ａ１に対応して個別に設けることで、反応領域Ａ１ごとに個別かつ高精度の検出が可能となる。
【００４９】
そして、加熱部３２や光検出部３６を、測定基板３８上に設けることができる。また、本発明では、前記測定基板３８を設ける位置は、前記加熱部３２や前記光検出部３６の下方に限定されず、適宜好適な場所に設けることができる。本発明で用いられる前記測定基板３８の材料等については、特に限定されず、例えばガラス製基板や種々の樹脂製基板等を用いることができる。
【００５０】
更に、本発明に係る反応処理装置においては、光透明性を有するＴＦＴ基板を用いることが望ましい。例えば、光検出によって所定反応（例えば、生体反応等）をセンシングする際には、反応領域近傍に光検出部を構成するためには、光透明性を有するＴＦＴ基板に構成するほうが、所望の測定対象光（例えば、蛍光検出）を遮断する要因を抑えることができる。そして、光検出部の構成レイアウトに対する制限も緩和されるので、装置デバイスとしてのコンパクト化にも大きく貢献することができる。更に、ＴＦＴ基板において熱制御を実行する回路構成とする際には、例えば、カレントミラー回路やカレントコピー回路等を形成することで、（各熱源の）特性のばらつきを抑制して、高精度に発熱量を供給する電流制限を実現できる、という利点も成立させることができる。
【００５１】
通常、加熱手段としての薄膜トランジスタ基板（ＴＦＴ基板）の上部や下部において、蛍光等の測定対象光を検出する場合には、光透過性を有し、かつ比較的大型の透明絶縁基板上にヒータマトリクスを構成すること等が考えられる。これは製造コストや製造プロセスの面で優れているという利点は有している。しかし、ＴＦＴは単結晶の半導体素子と比較して、より製造ばらつきや経時変化が大きいといった問題がある。しかしながら、本発明に係る反応処理装置では、熱干渉等を考慮した温度制御が可能であるため、このような問題についても解決することができる。
【００５２】
図５は、本発明に係る反応処理装置の第４実施形態を側面視した概念図である。以下、既に述べた各実施形態との相違点を中心に説明し、共通する部分についてはその説明を割愛する。
【００５３】
図５において符号４で示された反応処理装置は、反応基板４１と、前記反応基板４１を加熱する加熱部４２と、ペルチェ素子４３と、光源４４と、前記反応基板４１に光Ｌ１，Ｌ２を導く導光板４５と、測定対象光Ｌ３を検出する光検出部４６と、測定基板４７と、を備えている。そして、加熱部４２は、熱干渉検出部４２１を備えている。
【００５４】
この反応処理装置４は、反応領域Ａ２ごとに加熱部４２や光検出部４６を備えている点では、第３実施形態等と共通する。しかし、光Ｌ２を反応基板４１の下方から照射して、反応領域Ａ２内で反射させて測定対象光Ｌ３を検出する点等で相違する。ここで、反応領域Ａ２の形状は、前記測定対象光Ｌ３を反射させるために曲面部分を有している。
【００５５】
反応処理装置４では、光源４４から発せられる光Ｌ１が、導光板４５によって反応領域Ａ２に照射される。導光板４５では、スペーサー４５１を光Ｌ１が通過し、反射膜４５２とフィルター膜４５３により反応基板４１に光Ｌ２が導入される。そして、この光Ｌ２が反応領域Ａ２内の反応液中の試料等に照射されることで測定対象光Ｌ３を発する。この測定対象光Ｌ３は反応領域Ａ２内の壁面で反射して、反応領域Ａ２下方に設けられた光検出部４６で検出・測定される。
【００５６】
いままで述べた本発明に係る反応処理装置は、複数の反応領域において高精度の温度制御が可能であるため、幅広い用途に用いることができ、例えば、種々の化学反応や生化学反応等を行いうる反応処理装置として用いることができる。そのなかでも、特に、遺伝子増幅反応を行なうための反応処理装置として好適に用いることができる。
【００５７】
遺伝子増幅反応を行なうには、目的とする遺伝子を増幅させる必要があるが、この際に高い精度の温度制御が要求される。温度制御が不十分であれば、目標とする遺伝子以外のものが増幅されたり、均一な増幅率が得られないといった問題が起こりうる。これに対して、本発明に係る反応処理装置によれば、高精度の温度制御を行なうことができ、かつ網羅的解析も可能であり、必要とする試料の小容量化等にも貢献できるため好適である。
【００５８】
本発明において遺伝子増幅反応として種々の方法を行いうることができるが、とりわけＰＣＲ（polymerase chain reaction）法による場合に好適に用いることができる。ＰＣＲ法は、少量のＤＮＡを増幅する手法であるが、耐熱性のＤＮＡ合成酵素を用い，加熱によって，基質であるＤＮＡの構造が変化することを利用して反応を行う。例えば、（１）増幅させたい目標ＤＮＡ、（２）目標ＤＮＡと特異的に結合する少なくとも２種のオリゴヌクレオチドプライマ−、（３）緩衝液、（４）酵素、（５）ｄＡＴＰ，ｄＣＴＰ，ｄＧＴＰ，ｄＴＴＰのようなデオキシリボヌクレオチド三リン酸、等を用い、「熱変性→アニーリング（プライマーのハイブリダイゼーション）→伸長反応」のサイクルを繰り返すことで、前記目標ＤＮＡを所望する量まで増幅させること等ができる。
【００５９】
この際、遺伝子増幅を高精度に制御するためには、反応温度の制御が重要となる。また、いわゆるＲＴ−ＰＣＲ反応（Reverse Transcriptase Polymerase Chain Reaction；逆転写ポリメラーゼ連鎖反応）等についても同様に行うことができるのも勿論である。
【００６０】
ＰＣＲ法では、「９５℃（熱変性）→５５℃（プライマーのハイブリダイゼーション）→７２℃（ＤＮＡ伸長）」といった温度サイクルを行うが、このサイクル毎に、各反応領域内のｃＤＮＡは２倍量に増幅されていく。そして、各反応領域にそれぞれ設置された加熱部３２によって、各反応領域内の温度を設計したプライマー反応の最適値に制御できる。また、プライマーのハイブリダイゼーション時間やポリメラーゼ反応時間も制御できるため、不要な反応副産物の生成も制御できる。その結果、各反応領域内の遺伝子（ｃＤＮＡ）の増幅率を一定に揃えることができるため、精度のよいＰＣＲ反応を行なうことができる。
【００６１】
即ち、本発明によれば、各反応領域の反応温度を個別に制御することで各反応領域における核酸の増幅率の違いも補正できる。これにより、各反応領域における核酸増幅反応の反応効率を一定に揃えることができる。その結果、複数の反応領域で複数の核酸増幅反応を行う場合であっても、一の検量線により各反応領域での核酸の増幅量を定量的に知ることができる。従って、本発明に係る核酸増幅装置では発現量の定量的な解析ができる。
【００６２】
更に、所定の核酸増幅反応を行なうにあたり、その適切な反応温度条件が未知である場合であっても、増幅反応の初期の結果から適切な反応温度をフィードバックすることで、核酸増幅反応の反応効率を一定に揃えることができる。まず、増幅反応開始から一定時間内において、その増幅量とその際の温度の相関関係を検出する。そして、その結果を加熱部の温度制御機構にフィードバックすることで、増幅反応を行なうための適切な反応温度条件を決定することができる。
【００６３】
一般的なリアルタイムＰＣＲ装置では、「熱変性→アニーリング→伸長反応」からなるサイクルを３０サイクル程度行なうために２５〜３０分の反応時間を要する。その際、約２℃／秒の温度制御を行っている。これに対して、本発明の装置では、２０℃以上／秒の温度制御が可能であるため、１サイクルあたり４０秒程度の時間短縮が可能となり、３０サイクル全体ではおよそ２５分以下の反応時間が達成できる。
【００６４】
また、本発明によれば、反応領域ごとに加熱部と光検出部とを設置することもできるため（図４，５等参照）、各反応領域を独立して加熱温度・加熱時間を制御でき、かつ個別に検出することができる。これにより、遺伝子等の発現量等についても、短時間でありながら高精度かつリアルタイムで解析することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明に係る反応処理装置の第1実施形態の概念図である。
【図２】本発明において用いられる加熱部の構成を説明するための概念図である。
【図３】本発明に係る反応処理装置の第２実施形態の概念図である。
【図４】本発明に係る反応処理装置の第３実施形態の概略側面図である。
【図５】本発明に係る反応処理装置の第４実施形態の概略側面図である。
【符号の説明】
【００６６】
１，２，３，４ 反応処理装置
３１，４１ 反応基板
３２，４２ 加熱部
３２１，４２１ 熱干渉検出部
３３，４３ ペルチェ素子
３４，４４ 光源
３５，４５ 導光板
３６，４６ 光検出部
３７ フィルター膜
３８，４７ 測定基板
Ｈ 熱源
Ｈｓ 測温体
Ｓ 測温体
Ａ 反応領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応処理装置に関する。より詳しくは、複数の反応領域を備えた反応処理装置において、反応制御を高精度に行ない得る技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の反応領域を設け、夫々の反応領域で夫々の所定反応を行ない得る反応処理装置は、種々の分野において用いられている。複数の反応領域で所定反応を行ない得る反応処理装置を用いることで、網羅的な解析を行なうことができる。幅広い用途に用いることができる。医療、環境科学、食品分析等をはじめとする幅広い分野への応用が期待されている。このような反応処理装置として、例えば、複数の反応領域を同一基板上に設け、この基板を用いて種々の反応を行なうこと等が考えられている。
【０００３】
一方で、このような反応処理装置においては、それぞれの反応領域において正確な温度制御ができることが重要となる。これに関して、特許文献１や特許文献２には、反応処理装置の温度制御に関する技術が開示されている。また、微小領域に対する加熱を行なうために、半導体素子を用いること等も行われている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２９８０６８号公報。
【特許文献２】特開２００４−０２５４２６号公報。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明は、複数の反応領域を備えた反応処理装置において、温度制御を高精度で行うことができる反応処理装置を提供することを主な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
まず、本発明は、複数の反応領域と、該反応領域ごとに設けられた加熱部と、を備え、 前記加熱部は、熱源と、反応領域間の熱干渉を検出する熱干渉検出部と、前記熱干渉検出部により検出された温度情報に基づいて、前記熱源の加熱量を制御する加熱制御手段と、を少なくとも備える反応処理装置を提供する。このように、前記熱干渉検出部を反応領域間に設けることで、反応領域同士の熱干渉を検出することができる。この熱干渉の影響を考慮することで、より正確な温度制御が可能となる。
次に、本発明は、前記熱干渉検出部は、隣接する反応領域間に配置された測温体によって、前記反応領域間の熱干渉を検出する反応処理装置を提供する。前記熱干渉検出部として少なくとも測温体を隣接する反応領域間に夫々配置することでより高精度の熱干渉検出が可能となる。
続いて、本発明は、前記複数の反応領域と、該反応領域に対応する加熱部とがマトリクス状に夫々配置され、前記加熱部の各熱源は、走査線とデータ線とに接続された発熱体であり、該発熱体は順次走査されることで発熱可能であり、かつ前記加熱部の各測温体は、対応する発熱体のスキャン方向側に夫々配置されている反応処理装置を提供する。反応領域とそれに対応する加熱部をマトリクス状に夫々配置し、各熱源を走査線とデータ線を用いて制御することで熱源制御が容易に行ないうる。これに加えて、各反応領域に対応する測温体を加熱されていく加熱方向側にそれぞれ配置することで、より正確な熱干渉の検出が可能となる。そして、本発明は、前記測温体は、ＰＩＮダイオードを少なくとも備えている反応処理装置を提供する。
更に、本発明は、前記加熱部は、前記反応領域の温度を測定する温度検出部を更に備え、前記加熱制御手段は、前記熱干渉検出部により検出された温度情報と、前記温度検出部により検出された温度情報と、に基づいて、前記熱源の加熱量を制御する反応処理装置を提供する。熱干渉検出部だけでなく、反応領域の温度を測定する温度検出部を更に設けることで、各反応領域の温度制御を更に高精度に行うことができる。
また、本発明は、前記反応領域に対して所定波長の光を照射する光学手段と、前記光の照射により発生する測定対象光を検出可能である光検出部と、を更に備える反応処理装置を提供する。反応処理装置として、このような光学系を更に設けることでリアルタイムの解析が可能となる。そして、本発明は、前記反応領域において遺伝子増幅反応が行われる遺伝子増幅装置とすることができる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、複数の反応領域を備えた反応処理装置において、高精度の温度制御ができる。その結果、反応領域で行う所定反応を高精度で制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、添付図面に基づいて、本発明に係る反応処理装置の好適な実施形態について説明する。なお、添付図面に示された各実施形態は、本発明に係わる代表的な実施形態の一例を示したものであり、これにより本発明の範囲が狭く解釈されることはない。なお、以下に使用する図面では、説明の便宜上、装置の構成等については簡素化して示している。
【０００９】
図１は、本発明に係る反応処理装置の第１実施形態の概念図であり、図２は、同実施形態における加熱部を説明するための概念図である。この反応処理装置１のサイズや装置構造等は、用途等に応じて適宜選択可能であり、本発明の目的の範囲内で設計又は変更可能である。
【００１０】
図１中の符号１は、本発明に係る反応処理装置を示している。該反応処理装置１は、複数の反応領域Ａが配置され、各反応領域Ａは夫々に加熱部を備えており、該加熱部は熱源Ｈと、熱干渉検出部に用いられる測温体Ｓを備えている。
【００１１】
この熱源Ｈが発熱することで、対応する反応領域Ａの加熱を行うことができる。しかし、このときの加熱によって反応領域Ａの間で熱干渉が生じてしまう。反応処理装置１では、この熱干渉を熱干渉検出部の測温体Ｓにより検出することができる。更に、加熱制御手段（図示せず）によって、熱干渉検出部の測温体Ｓにより検出された温度情報に基づいて、熱源Ｈの加熱量を制御することができる。
【００１２】
加熱部の構造等については特に限定されないが、好適には、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）により形成され、スイッチング制御される熱源Ｈであることが望ましい。例えば、薄膜トランジスタが有するスイッチング機能を利用して、各反応領域Ａの温度制御を個別に行うことができる。この温度制御は、薄膜トランジスタに印加する電圧をコントロールしてソース−ドレイン間の電流値を可変としてもよいし、ソース−ドレイン間の電流を定電流電源としてコントロールしてもよい。特に、熱源Ｈとしての薄膜トランジスタを用い、かつスイッチング素子としての薄膜トランジスタを用い、これらの薄膜トランジスタを同一回路内に形成することが望ましい。これによって、熱源Ｈとスイッチング制御とを同一回路内で一括制御できる。そして、好適には薄膜トランジスタ基板（ＴＦＴ基板）を用いることが望ましく、これについては後述する。
【００１３】
あるいは、加熱部の熱源Ｈは、発熱抵抗体で形成され、薄膜トランジスタによりスイッチング制御されるヒーターとしてもよい。即ち、薄膜トランジスタは、スイッチングとしてのみ利用してもよい。前記発熱抵抗体として、白金、モリブデン、タンタル、タングステン、炭化珪素、モリブデンシリサイド、ニッケル−クロム合金、鉄−クロム−アルミニウム合金等を用いることができる。この場合は、発熱抵抗体に流れる電流値を制御することで、温度制御が可能となる。また、本発明において用いられる薄膜トランジスタの種類については、特に限定されず、例えば、ポリ珪素や、α−珪素等のタイプを適宜使用できる。
【００１４】
熱干渉検出部は、反応領域Ａ間に起こりうる熱干渉を検出可能であればよく、その手法等については限定されず、例えば、熱検出可能な種々のセンサー等を用いることができる。そして、反応処理装置１の如き、熱干渉検出部として測温体Ｓを用い、この測温体Ｓを隣接する反応領域Ａ同士の間に配置することができる。測温体Ｓとしては、例えば、温度と電気的信号値（電圧、抵抗、電流等）の一定の相関関係を有するものを用いることができる。この場合、測温体Ｓは、温度に応じて、検出される電気的信号の値が変動するため、この値に基づいて温度情報を検出することができる。測温体Ｓとしては、例えば、ダイオード特性を有する素子等を用いることができ、より好適には、ＰＩＮダイオードを用いることが望ましい。
【００１５】
加熱制御手段は、前記熱干渉検出部で検出された温度情報に基づいて、各熱源Ｈの加熱量の制御ができればよく、その構成や手法等は限定されない。例えば、図示はしないが、検出した電気的信号をアナログディジタルコンバーター(ＡＤＣ)によりディジタル信号として変換し、ディジタルデータとしてＣＰＵに取り込ませることができる。そして、このＣＰＵによって演算処理して、目標温度とする最適な電流値となるべくディジタル信号をディジタルポテンショメータへ出力する。このようにして、熱干渉検出部によって検出した温度情報を踏まえて加熱制御にフィードバックさせることができる。
【００１６】
本発明では、反応領域Ａの温度を検出するための温度検出部を更に設けることが望ましい。この温度検出部によって検出された反応領域Ａの温度情報と、前記熱干渉検出部により得られた熱干渉に関する温度情報との両方を踏まえて、前記加熱制御手段によって加熱制御することが望ましい。これによって温度制御をより正確に行うことができる。
【００１７】
ここで、各反応領域Ａにおける各加熱部の構成について図２等を参照しながら説明する。図２は、反応領域Ａの温度を検出するための温度検出部を更に設けている。この温度検出部として測温体Ｈｓを用いている。この測温体Ｈｓによって検出された反応領域Ａの温度情報と、前記熱干渉検出部の測温体Ｓにより得られた熱干渉に関する温度情報との両方を踏まえて、加熱制御手段によって加熱制御することができる。
【００１８】
この場合、発熱体Ｈと測温体Ｈｓの構成等については限定されず、目的や装置構造等を考慮して適宜好適な構成とすることができる。例えば、発熱体Ｈに隣接して測温体を設けてもよいし（図２の符号Ｉ，ＩＩ参照）、あるいは発熱体Ｈの中央領域に測温体Ｈｓを設けてもよい（図２の符号ＩＩＩ参照）。
【００１９】
図３は、本発明に係る反応処理装置の第２実施形態の概念図である。図３の符号２は、本発明に係る反応処理装置を示している。該反応処理装置２は、複数の反応領域Ａがマトリクス状に配置され、これに対応して各加熱部がマトリクス状に配置されている構造である。以下、第１実施形態との相違点を中心に説明し、共通する部分についてはその説明を割愛する。
【００２０】
反応処理装置２は、各反応領域Ａの各加熱部について、それぞれ複数の走査線とデータ線を含み、これらの交差部に加熱部のヒータユニットを夫々配置している。ヒータユニットもゲート線（Ｘ方向）とデータ線（Ｙ方向）に沿ってマトリクス状に配置させている。このような構成とすることで、各熱源を一括制御することができる。
【００２１】
走査駆動回路は、走査線を順次選択し（即ち、低レベルにし）、それに同期してデータ線駆動回路が各データ線に信号電流を印加することで、各ヒータユニットに対して行単位（走査線１，２・・・）で、加熱量情報を書き込むことができる。書き込み終了後には、各走査線を非選択（即ち、高レベル）にすれば、信号電流と同じ電流値の駆動電流が各ユニットを流れ続ける。このようにして各々の所望の大きさの電流を流すことができる。このようにして、各加熱部（のヒータユニット）を個別制御することができる。
【００２２】
本発明では、更に、熱干渉検出部として測温体Ｓを用いており、これを対応する各加熱部の熱源の加熱方向側（図３の矢印参照）に配置していることを特徴の一としている。図３の場合には、反応領域Ａの右隣の測温体Ｓで検出した温度情報が、この測温体Ｓの右隣に位置する反応領域Ａの加熱制御に反映させることができる。
【００２３】
各ヒータユニット間に温度センシングデバイスとして測温体Ｓを夫々配置し、この測温体Ｓにより熱干渉の影響度を夫々検出することができる。そして、測温体Ｓは、対応する発熱体のスキャン方向側に配置されることが望ましい。スキャン方向に沿って各発熱体の加熱制御は順次行なわれていくため、この方向（図３の矢印参照）に沿って順次加熱されていくことになる。
【００２４】
このようにマトリクス状に配置することで、各加熱部の発熱動作を走査線単位で停止させることも可能であり、その結果簡便かつ速やかに温度を下げることもできる。このことは、特に、反応領域Ａが微小なマイクロ空間である場合により顕著である。また、発熱時間の制御も可能であるため、微小な発熱制御も容易に行なうことができる。
【００２５】
本発明ではこれらに加えて、前述した熱干渉検出を測温体Ｓ等を用いて行うため、温度検出を高精度に行うことができ、加熱量の書き込み量を補正することもできる。更には、熱干渉検出に加えて、反応領域Ａの温度検出も測温体Ｈｓ等を用いて行うことができるため、より高精度に温度制御を行なうことができる。
【００２６】
そして、反応領域Ａについて、前記熱源としての発熱体Ｈと、前記温度検出部として用いられる測温体Ｈｓと同一回路状に組み込むことができる。更には、測温体Ｓについても同一回路上に組み込むことができる。これにより、同一回路上において、これらを一括制御することが可能となり、装置構成としての小デバイス化にも貢献することができる。
【００２７】
例えば、測温体ＳとしてＰＩＮダイオードを少なくとも用い、かつ測温体ＨｓとしてもＰＩＮダイオードを用いることで、列方向にスキャンセンシングを行い、更に次回の電流書き込み時ｌｉｎに対して補正を行なうことで、熱干渉の影響度をリアルタイムに制御しながら加熱制御（電流制御）をすることが可能となる。
【００２８】
本発明によれば、マトリクス状に反応領域Ａを夫々配置した場合であっても、熱干渉の影響を排除するために、反応領域Ａ同士の設置間隔を長くする必要もない。その結果、デバイスとしてもより省スペース化が可能となり、ひいては、より効率的に網羅的解析を行い得る反応処理装置として用いることができる。
【００２９】
図４は、本発明に係る反応処理装置の第３実施形態の概略側面図である。図４中の符号３は、本発明に係る反応処理装置を示している。この反応処理装置３のサイズや層構造についても、目的に応じて適宜選定可能であり、反応処理装置３の形態構成についても本発明の目的に沿う範囲で設計又は変更可能である。この反応処理装置３は、光学測定系を更に備えていることを構造上の特徴の一としている。
【００３０】
反応処理装置３の形態構成について説明する。反応処理装置３は、反応基板３１と、前記反応基板３１を加熱する加熱部３２と、ペルチェ素子３３と、光源３４と、前記反応基板３１に前記光源３４から発せられる光Ｌ１，Ｌ２を導く導光板３５と、測定対象光Ｌ３を検出する光検出部３６と、特定の波長光のみを透過するフィルター膜３７と、測定基板３８と、を備えている。そして、加熱部３２は、熱干渉検出部３２１を少なくとも備えている。
【００３１】
本発明に係る反応処理装置で行いうる光学測定系については、種々の分光測定を採用することができ、その測定対象光を限定するものではない。例えば、蛍光測定や、散乱光測定や、ＩＲ測定、ＵＶ測定等、適宜好適な分光測定を採用することができる。例えば、反応処理装置３において蛍光測定を行うのであれば、蛍光物質で試料をラベリングし、特定波長の励起光を光源３４から照射し、これによって発せられる蛍光を光検出部３６で検出することができる。
【００３２】
反応基板３１は、複数の反応領域Ａ１を備えており、この反応領域Ａ１内で所定の反応を行なうことができる。本発明では、反応領域Ａ１の形状等については特に限定されず、適宜好適な形状や容量とすることができる。
【００３３】
反応領域Ａ１の容量については特に限定されないが、好適には、マイクロ空間とすることが望ましく、好適には１μＬ以下の容量とすることが望ましい。このようなマイクロ空間とすることで、反応領域Ａ１に必要な反応溶液の液量が少量ですむため、温度制御等を高精度で行なうことができ、かつ反応時間も短縮することができる。
【００３４】
例えば、前記反応領域Ａ１を３００μｍ×３００μｍ×３００μｍ（反応領域容量：２７ｎＬ）とする場合、約４万個の反応領域Ａ１を反応基板３１に設置するとしても、約６ｃｍ四方の面積のデバイスでよい。このようにデバイスとしての小型化が可能であるため、ヒトの遺伝子数に匹敵する数の反応領域Ａ１をマトリクス状に反応基板３１に配置させることもでき、網羅的解析をより容易にかつ簡便に行なうことができる（例えば、図１，２等参照）。
【００３５】
反応基板３１の材料等は、光Ｌ１を透過できる材料であれば特に限定されず、測定目的や加工容易性等を考慮して適宜選択できる。例えば、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）等の透明樹脂やガラス等を用いることができ、蛍光検出を行う場合であれば低蛍光発光プラスチック等を反応基板３１の材料として用いることができる。
【００３６】
また、反応基板３１は、加熱部３２や光検出部３６やフィルター膜３７等と脱着可能としてもよい。あるいは、図示はしないが、反応基板３１と加熱部３２とを一体構造とし、これを脱着可能としてもよい。
【００３７】
加熱部３２は、反応基板３１内の各反応領域Ａ１を加熱する。これにより反応領域Ａ１の温度制御を個別に行なう。更に、熱干渉検出部３２１も夫々備えていることで、加熱部３２の加熱制御を高精度で行なうことができる。前記加熱部３２により、前記反応領域Ａ１ごとに加熱温度と加熱時間を個別に制御することで、前記反応領域Ａ１内の増幅反応等をより高精度で制御できる。この加熱３２（及び熱干渉検出部３２１等）の構成については、前述した構成を適宜採用することができる。
【００３８】
本発明では、反応領域Ａ１の温度制御を行なうためにペルチェ素子３３を備えることが望ましい。ペルチェ素子で反応領域Ａ１全体の温度制御を行ない、各加熱部３２において各反応領域Ａ１の温度をより精密に制御することができる。これにより、各反応領域Ａ１の微小な温度のばらつきやズレ等を正確に制御できる。このようにペルチェ素子３３を設けることで、温度制御を容易に行うことができる。その結果、高精度の温度制御を行なうことができる。
【００３９】
例えば、ＰＣＲ装置等として供されるような従来の反応処理装置には、サーマルサイクラー等による温度制御を行なうものもあり、これに関してグラディエント機構が付加されている場合もある。しかし、各反応領域中の試料の温度制御を個別かつ高精度にできないという問題等がある。これに対して、本発明に係る反応処理装置では、各反応領域Ａ１にそれぞれ加熱部３２を設け、更に熱干渉検出部３２１も備えることでこのような問題も解決することができる。
【００４０】
一例として、上記のＰＣＲ反応を反応処理装置３で行なう場合には、ＰＣＲサイクルとして「熱変性、アニーリング（プライマーのハイブリダイゼーション）、伸長反応」のステップに応じて温度制御を行なう必要がある。例えば、予め、反応領域Ａ１内の温度をＰＣＲサイクルの最低温度（例えば、５５℃）に維持しておくことができる。そして、ペルチェ素子３３よって反応領域Ａ１全体の温度サイクルを制御し、更に各加熱部３２によって各反応領域Ａ１の温度のばらつきやズレを個別に補正・制御することができる。このように反応領域Ａ１全体の温度制御と、各反応領域Ａ１個別の温度制御をそれぞれ行なうことで、より正確な温度制御を行なうことができる。
【００４１】
そして、本発明では、前記複数の反応領域Ａ１全てに特定波長の光Ｌ１を照射可能な光学手段として、光源３４や、各反応領域Ａ１に光Ｌ１，Ｌ２を導入するための導光板３５を用いることができる。
【００４２】
光源３４は、特定波長の光を発光するものであればよく、その種類は特に限定されないが、好適には、白色もしくは単色のＬＥＤやＬＤを用いることが望ましい。これにより、不要な紫外線や赤外線を含まない光を簡便に得ることができる。そして、光源３４の設置場所や光源数については特に限定されない。即ち、図示はしないが、各反応領域Ａ１に対応するように光源３４を複数設け、各光源３４が対応するそれぞれの反応領域Ａ１に向かって光Ｌ１，Ｌ２を直接照射する構造としてもよい。この場合、例えば、各反応領域Ａ１を光源３４で直接照射できるため、光量をより多くとることや光量を個別に制御してすべての反応領域Ａへ光Ｌ１，Ｌ２の照射を均一に行うことができる。
【００４３】
導光板３５は、光源３４から発せられる光Ｌ１を反応基板３１内の各反応領域Ａ１に導くためのものである。前記導光板３５内部のスペーサー３５１に光源３４から発せられる光Ｌ１が導入される。そして、前記導光板３５上部には反射膜３５２が設けられており、例えば、ダイクロックミラー等を用いることで反応基板３１へ光Ｌ２を導入することができる。
【００４４】
また、本発明では、導光板３５の底部に、前記光Ｌ１，Ｌ２の波長光のみを透過するフィルター膜３５３を設けることが望ましい。これにより、光源３４から発せられる光から光Ｌ２を効率よく取り出し、反応領域Ａ１へ導くことができる。このフィルター膜３５３としては、例えば偏光フィルター等を用いることもできる。
【００４５】
光検出部３６は、反応領域Ａ１に照射された光Ｌ１，２に応答して発せられる測定対象光Ｌ３を検出する。例えば、蛍光測定を行う場合であれば、励起することで発せられる蛍光を検出・測定する。本発明では、前記光検出部３６の構成等については限定されず、例えば、フォトダイオードを用いることができる。
【００４６】
光検出部３６は、加熱部３２と同じ基板上に形成されているが、異なる基板に形成されてもよいし、加熱部３２と光検出部３６とが積層された状態であってもよい。
【００４７】
本発明では、各反応領域Ａ１とこれに対応する各光検出部３６との間に、前記測定対象光Ｌ３の波長光のみを透過するフィルター膜３７を設けることが望ましい。所定の波長光のみを透過するフィルター膜３７を、反応領域Ａ１と光検出部３６との間に設けることで、検出した測定対象光Ｌ３を効率よく取り出すことができるため、より高精度の分析を行なうことができる。このフィルター膜３７としては、例えば偏光フィルター等を用いることができる。
【００４８】
このように、本発明に係る反応処理装置３は光検出部３６を有するため、リアルタイムの解析が可能となる。そして、光検出部３６を各反応領域Ａ１に対応して個別に設けることで、反応領域Ａ１ごとに個別かつ高精度の検出が可能となる。
【００４９】
そして、加熱部３２や光検出部３６を、測定基板３８上に設けることができる。また、本発明では、前記測定基板３８を設ける位置は、前記加熱部３２や前記光検出部３６の下方に限定されず、適宜好適な場所に設けることができる。本発明で用いられる前記測定基板３８の材料等については、特に限定されず、例えばガラス製基板や種々の樹脂製基板等を用いることができる。
【００５０】
更に、本発明に係る反応処理装置においては、光透明性を有するＴＦＴ基板を用いることが望ましい。例えば、光検出によって所定反応（例えば、生体反応等）をセンシングする際には、反応領域近傍に光検出部を構成するためには、光透明性を有するＴＦＴ基板に構成するほうが、所望の測定対象光（例えば、蛍光検出）を遮断する要因を抑えることができる。そして、光検出部の構成レイアウトに対する制限も緩和されるので、装置デバイスとしてのコンパクト化にも大きく貢献することができる。更に、ＴＦＴ基板において熱制御を実行する回路構成とする際には、例えば、カレントミラー回路やカレントコピー回路等を形成することで、（各熱源の）特性のばらつきを抑制して、高精度に発熱量を供給する電流制限を実現できる、という利点も成立させることができる。
【００５１】
通常、加熱手段としての薄膜トランジスタ基板（ＴＦＴ基板）の上部や下部において、蛍光等の測定対象光を検出する場合には、光透過性を有し、かつ比較的大型の透明絶縁基板上にヒータマトリクスを構成すること等が考えられる。これは製造コストや製造プロセスの面で優れているという利点は有している。しかし、ＴＦＴは単結晶の半導体素子と比較して、より製造ばらつきや経時変化が大きいといった問題がある。しかしながら、本発明に係る反応処理装置では、熱干渉等を考慮した温度制御が可能であるため、このような問題についても解決することができる。
【００５２】
図５は、本発明に係る反応処理装置の第４実施形態を側面視した概念図である。以下、既に述べた各実施形態との相違点を中心に説明し、共通する部分についてはその説明を割愛する。
【００５３】
図５において符号４で示された反応処理装置は、反応基板４１と、前記反応基板４１を加熱する加熱部４２と、ペルチェ素子４３と、光源４４と、前記反応基板４１に光Ｌ１，Ｌ２を導く導光板４５と、測定対象光Ｌ３を検出する光検出部４６と、測定基板４７と、を備えている。そして、加熱部４２は、熱干渉検出部４２１を備えている。
【００５４】
この反応処理装置４は、反応領域Ａ２ごとに加熱部４２や光検出部４６を備えている点では、第３実施形態等と共通する。しかし、光Ｌ２を反応基板４１の下方から照射して、反応領域Ａ２内で反射させて測定対象光Ｌ３を検出する点等で相違する。ここで、反応領域Ａ２の形状は、前記測定対象光Ｌ３を反射させるために曲面部分を有している。
【００５５】
反応処理装置４では、光源４４から発せられる光Ｌ１が、導光板４５によって反応領域Ａ２に照射される。導光板４５では、スペーサー４５１を光Ｌ１が通過し、反射膜４５２とフィルター膜４５３により反応基板４１に光Ｌ２が導入される。そして、この光Ｌ２が反応領域Ａ２内の反応液中の試料等に照射されることで測定対象光Ｌ３を発する。この測定対象光Ｌ３は反応領域Ａ２内の壁面で反射して、反応領域Ａ２下方に設けられた光検出部４６で検出・測定される。
【００５６】
いままで述べた本発明に係る反応処理装置は、複数の反応領域において高精度の温度制御が可能であるため、幅広い用途に用いることができ、例えば、種々の化学反応や生化学反応等を行いうる反応処理装置として用いることができる。そのなかでも、特に、遺伝子増幅反応を行なうための反応処理装置として好適に用いることができる。
【００５７】
遺伝子増幅反応を行なうには、目的とする遺伝子を増幅させる必要があるが、この際に高い精度の温度制御が要求される。温度制御が不十分であれば、目標とする遺伝子以外のものが増幅されたり、均一な増幅率が得られないといった問題が起こりうる。これに対して、本発明に係る反応処理装置によれば、高精度の温度制御を行なうことができ、かつ網羅的解析も可能であり、必要とする試料の小容量化等にも貢献できるため好適である。
【００５８】
本発明において遺伝子増幅反応として種々の方法を行いうることができるが、とりわけＰＣＲ（polymerase chain reaction）法による場合に好適に用いることができる。ＰＣＲ法は、少量のＤＮＡを増幅する手法であるが、耐熱性のＤＮＡ合成酵素を用い，加熱によって，基質であるＤＮＡの構造が変化することを利用して反応を行う。例えば、（１）増幅させたい目標ＤＮＡ、（２）目標ＤＮＡと特異的に結合する少なくとも２種のオリゴヌクレオチドプライマ−、（３）緩衝液、（４）酵素、（５）ｄＡＴＰ，ｄＣＴＰ，ｄＧＴＰ，ｄＴＴＰのようなデオキシリボヌクレオチド三リン酸、等を用い、「熱変性→アニーリング（プライマーのハイブリダイゼーション）→伸長反応」のサイクルを繰り返すことで、前記目標ＤＮＡを所望する量まで増幅させること等ができる。
【００５９】
この際、遺伝子増幅を高精度に制御するためには、反応温度の制御が重要となる。また、いわゆるＲＴ−ＰＣＲ反応（Reverse Transcriptase Polymerase Chain Reaction；逆転写ポリメラーゼ連鎖反応）等についても同様に行うことができるのも勿論である。
【００６０】
ＰＣＲ法では、「９５℃（熱変性）→５５℃（プライマーのハイブリダイゼーション）→７２℃（ＤＮＡ伸長）」といった温度サイクルを行うが、このサイクル毎に、各反応領域内のｃＤＮＡは２倍量に増幅されていく。そして、各反応領域にそれぞれ設置された加熱部３２によって、各反応領域内の温度を設計したプライマー反応の最適値に制御できる。また、プライマーのハイブリダイゼーション時間やポリメラーゼ反応時間も制御できるため、不要な反応副産物の生成も制御できる。その結果、各反応領域内の遺伝子（ｃＤＮＡ）の増幅率を一定に揃えることができるため、精度のよいＰＣＲ反応を行なうことができる。
【００６１】
即ち、本発明によれば、各反応領域の反応温度を個別に制御することで各反応領域における核酸の増幅率の違いも補正できる。これにより、各反応領域における核酸増幅反応の反応効率を一定に揃えることができる。その結果、複数の反応領域で複数の核酸増幅反応を行う場合であっても、一の検量線により各反応領域での核酸の増幅量を定量的に知ることができる。従って、本発明に係る核酸増幅装置では発現量の定量的な解析ができる。
【００６２】
更に、所定の核酸増幅反応を行なうにあたり、その適切な反応温度条件が未知である場合であっても、増幅反応の初期の結果から適切な反応温度をフィードバックすることで、核酸増幅反応の反応効率を一定に揃えることができる。まず、増幅反応開始から一定時間内において、その増幅量とその際の温度の相関関係を検出する。そして、その結果を加熱部の温度制御機構にフィードバックすることで、増幅反応を行なうための適切な反応温度条件を決定することができる。
【００６３】
一般的なリアルタイムＰＣＲ装置では、「熱変性→アニーリング→伸長反応」からなるサイクルを３０サイクル程度行なうために２５〜３０分の反応時間を要する。その際、約２℃／秒の温度制御を行っている。これに対して、本発明の装置では、２０℃以上／秒の温度制御が可能であるため、１サイクルあたり４０秒程度の時間短縮が可能となり、３０サイクル全体ではおよそ２５分以下の反応時間が達成できる。
【００６４】
また、本発明によれば、反応領域ごとに加熱部と光検出部とを設置することもできるため（図４，５等参照）、各反応領域を独立して加熱温度・加熱時間を制御でき、かつ個別に検出することができる。これにより、遺伝子等の発現量等についても、短時間でありながら高精度かつリアルタイムで解析することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明に係る反応処理装置の第1実施形態の概念図である。
【図２】本発明において用いられる加熱部の構成を説明するための概念図である。
【図３】本発明に係る反応処理装置の第２実施形態の概念図である。
【図４】本発明に係る反応処理装置の第３実施形態の概略側面図である。
【図５】本発明に係る反応処理装置の第４実施形態の概略側面図である。
【符号の説明】
【００６６】
１，２，３，４ 反応処理装置
３１，４１ 反応基板
３２，４２ 加熱部
３２１，４２１ 熱干渉検出部
３３，４３ ペルチェ素子
３４，４４ 光源
３５，４５ 導光板
３６，４６ 光検出部
３７ フィルター膜
３８，４７ 測定基板
Ｈ 熱源
Ｈｓ 測温体
Ｓ 測温体
Ａ 反応領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の反応領域と、該反応領域ごとに設けられた加熱部と、を備え、
前記加熱部は、
熱源と、
反応領域間の熱干渉を検出する熱干渉検出部と、
前記熱干渉検出部により検出された温度情報に基づいて、前記熱源の加熱量を制御する加熱制御手段と、
を少なくとも備える反応処理装置。
【請求項２】
前記熱干渉検出部は、隣接する反応領域間に配置された測温体によって、前記反応領域間の熱干渉を検出することを特徴とする請求項１記載の反応処理装置。
【請求項３】
前記複数の反応領域と、該反応領域に対応する加熱部とがマトリクス状に夫々配置され、
前記加熱部の各熱源は、走査線とデータ線とに接続された発熱体であり、該発熱体は順次走査されることで発熱可能であり、かつ
前記加熱部の各測温体は、対応する前記発熱体のスキャン方向側に夫々配置されていることを特徴とする請求項２記載の反応処理装置。
【請求項４】
前記測温体は、ＰＩＮダイオードを少なくとも備えていることを特徴とする請求項３記載の反応処理装置。
【請求項５】
前記加熱部は、前記反応領域の温度を測定する温度検出部を更に備え、前記加熱制御手段は、前記熱干渉検出部により検出された温度情報と、前記温度検出部により検出された温度情報と、に基づいて、前記熱源の加熱量を制御することを特徴とする請求項１記載の反応処理装置。
【請求項６】
前記反応領域に対して所定波長の光を照射する光学手段と、
前記光の照射により発生する測定対象光を検出可能である光検出部と、
を更に備えることを特徴とする請求項１記載の反応処理装置。
【請求項７】
前記反応領域において遺伝子増幅反応が行われる遺伝子増幅装置であることを特徴とする請求項６記載の反応処理装置。
【請求項１】
複数の反応領域と、該反応領域ごとに設けられた加熱部と、を備え、
前記加熱部は、
熱源と、
反応領域間の熱干渉を検出する熱干渉検出部と、
前記熱干渉検出部により検出された温度情報に基づいて、前記熱源の加熱量を制御する加熱制御手段と、
を少なくとも備える反応処理装置。
【請求項２】
前記熱干渉検出部は、隣接する反応領域間に配置された測温体によって、前記反応領域間の熱干渉を検出することを特徴とする請求項１記載の反応処理装置。
【請求項３】
前記複数の反応領域と、該反応領域に対応する加熱部とがマトリクス状に夫々配置され、
前記加熱部の各熱源は、走査線とデータ線とに接続された発熱体であり、該発熱体は順次走査されることで発熱可能であり、かつ
前記加熱部の各測温体は、対応する前記発熱体のスキャン方向側に夫々配置されていることを特徴とする請求項２記載の反応処理装置。
【請求項４】
前記測温体は、ＰＩＮダイオードを少なくとも備えていることを特徴とする請求項３記載の反応処理装置。
【請求項５】
前記加熱部は、前記反応領域の温度を測定する温度検出部を更に備え、前記加熱制御手段は、前記熱干渉検出部により検出された温度情報と、前記温度検出部により検出された温度情報と、に基づいて、前記熱源の加熱量を制御することを特徴とする請求項１記載の反応処理装置。
【請求項６】
前記反応領域に対して所定波長の光を照射する光学手段と、
前記光の照射により発生する測定対象光を検出可能である光検出部と、
を更に備えることを特徴とする請求項１記載の反応処理装置。
【請求項７】
前記反応領域において遺伝子増幅反応が行われる遺伝子増幅装置であることを特徴とする請求項６記載の反応処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００９−９５７５５（Ｐ２００９−９５７５５Ａ）
【公開日】平成２１年５月７日（２００９．５．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２６９６５７（Ｐ２００７−２６９６５７）
【出願日】平成１９年１０月１７日（２００７．１０．１７）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年５月７日（２００９．５．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１０月１７日（２００７．１０．１７）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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