核酸増幅装置及び核酸増幅方法
【課題】正確に温度を調整し得る核酸増幅装置及び核酸増幅方法を提案する。
【解決手段】核酸の増殖反応の場として基板に形成される複数の容器にそれぞれ対応付けられる熱源素子の温度を、所定の周期ごとに、当該熱源素子の周囲に所定間隔で設けられる複数の検温素子を用いて求め、周期の反転周期ごとに、求めた温度に応じた熱量で、対応する各熱源素子に発熱作用を与える制御信号を生成する。
【解決手段】核酸の増殖反応の場として基板に形成される複数の容器にそれぞれ対応付けられる熱源素子の温度を、所定の周期ごとに、当該熱源素子の周囲に所定間隔で設けられる複数の検温素子を用いて求め、周期の反転周期ごとに、求めた温度に応じた熱量で、対応する各熱源素子に発熱作用を与える制御信号を生成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は核酸増幅装置及び核酸増幅方法に関し、ＰＣＲ(Polymerase Chain Reaction)装置に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、核酸の増殖反応の場となる複数の微小容器に対する熱源として、薄膜トランジスタを用いたＰＣＲ装置が本出願人により提案されている（例えば特許文献１）。このＰＣＲ装置によれば、微小容器を高密度に形成して小型化しつつも、これら微小容器に対する温度を個別に制御することで正確に温度調整することが可能となる。
【０００３】
その後、半導体素子のばらつきによって温度制御の精度が低下することを回避するようにしたＰＣＲ装置が本出願人により提案された（例えば特許文献２）。
【特許文献１】特開２００３−２９８０６８公報
【特許文献２】特願２００７−１７１２６２公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところでかかるリアルタイムＰＣＲ装置では、半導体素子のばらつきによる温度制御の精度の低下が回避されても、高密度に形成される各微小容器での熱の相互作用によりばらつきが生じ、この結果、各微小容器の温度を正確に調整することが困難となるという問題があった。
【０００５】
各微小容器において異種の核酸を増殖させようとする場合、該核酸に対する増殖サイクルの各フェーズでの温度も異なることがあるため、このような場合には上記問題は特に深刻となる。
【０００６】
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、調整対象の温度を正確に調整し得る核酸増幅装置及び核酸増幅方法を提案しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる課題を解決するため本発明は、核酸増幅装置であって、核酸の増殖反応の場として基板に形成される複数の容器にそれぞれ対応付けられる熱源素子と、熱源素子ごとに、該熱源素子の周囲に所定間隔で設けられる複数の検温素子と、所定の周期ごとに、各熱源素子での温度を、当該熱源素子の周囲に設けられる複数の検温素子を用いて求める測温部と、周期の反転周期ごとに、測温部で求められる温度に応じた熱量で、対応する各熱源素子に発熱作用を与える制御信号を生成する生成部とを設ける。
【０００８】
また本発明は、核酸増幅方法であって、核酸の増殖反応の場として基板に形成される複数の容器にそれぞれ対応付けられる熱源素子の温度を、所定の周期ごとに、当該熱源素子の周囲に所定間隔で設けられる複数の検温素子を用いて求める測温ステップと、周期の反転周期ごとに、測温ステップで求められる温度に応じた熱量で、対応する各熱源素子に発熱作用を与える制御信号を生成する生成ステップとを設ける。
【発明の効果】
【０００９】
以上のように本発明によれば、各熱源素子の周囲温度をモニタリングする動作と、その結果を反映した熱量で、対応する各熱源素子に発熱作用を与える制御信号を生成する動作とを交互に繰り返すことにより、各微小容器での熱の相互作用によるばらつきを抑えて温度勾配を滑らかにすることが可能となり、この結果、正確に温度を調整し得る核酸増幅装置及び核酸増幅方法を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下図面について、本発明を適用した一実施の形態を詳述する。
【００１１】
（１）リアルタイムＰＣＲ装置の構造
図１において、本実施の形態によるリアルタイムＰＣＲ装置１の構造を示す。このリアルタイムＰＣＲ装置１は、反応室に対して、複数の基板１１〜１６を所定間隔で層状に配置した構造を有する。
【００１２】
反応基板１１は、基準層となる基板であり、該基板には、核酸の増殖反応の場とされる容器（以下、これをウェルとも呼ぶ）ＵＬが高密度に形成される。これらウェルＵＬには、増殖対象の標的核酸及びその標的核酸の増殖に要する各種物質（プライマー、緩衝液、酵素、ｄＮＴＰ、蛍光色素等）が与えられる。
【００１３】
例えば６［ｃｍ］四方の反応基板１１を用いた場合、１［μＬ］以下の容量でなる４万個程度のウェルＵＬを形成することが可能となる。したがって、このリアルタイムＰＣＲ装置１は、反応室を小型化した場合であっても、同種又は異種でなる多くの標的核酸を取り扱うことが可能となる。
【００１４】
発熱基板１２は、反応基板１１に対して下側の層として配される基板であり、該基板のうち、反応基板１１と対向する面には、各ウェルＵＬにそれぞれ対応付けて熱源素子ＨＤが配され、これら熱源素子ＨＤの周囲には複数の検温素子ＴＤが配される。この熱源素子ＨＤには例えばＴＦＴ(Thin Film Transistor)等が用いられ、検温素子ＴＤには例えばピンダイオード等が用いられる。
【００１５】
このリアルタイムＰＣＲ装置１では、各ウェルＵＬに対応する熱源素子ＨＤが、該熱源素子ＨＤを囲む複数の検温素子ＴＤでセンシングされる温度に応じて個別に制御される。したがって、このリアルタイムＰＣＲ装置１は、例えば各ウェルＵＬに与えられる標的核酸の種が異なる等に起因して温度条件が異なる場合であっても、高密度に配される各ウェルＵＬの温度を、増殖サイクルとして規定される変性段階、アニーリング段階、伸長段階の各段階に要する温度を基準として高精度で調整することができるようになされている。
【００１６】
発熱補助基板１３は、発熱基板１２に対して下側の層として配される基板である。この発熱補助基板１３は、反応室全体における熱を吸収又は発散することで、該反応室を設定温度に維持する。
【００１７】
したがって、このリアルタイムＰＣＲ装置１は、現段階で設定される温度から次段階で与えるべき温度にウェルＵＬの温度を移行させるまでの時間（温度勾配の時間）を高速化できるようになされている。ちなみに、発熱補助基板１３には例えばペルチェ素子等が用いられる。
【００１８】
光源基板１４は、反応基板１１に対して上側の層として配される基板であり、該基板のうち、反応基板１１と対向する面には、各ウェルＵＬにそれぞれ対応させて、インターカレータ等の蛍光物に対する励起光を照射する光源ＬＳが配される。この光源ＬＳには例えばＬＥＤ(Light Emitting Diode)が用いられる。
【００１９】
励起光透過基板１５は、反応基板１１と光源基板１４との中間層として配される基板であり、光源ＬＳから照射される励起光を透過し、該励起光以外の光を反射する。この励起光透過基板１５には例えばダイクロイックミラーが用いられる。
【００２０】
蛍光透過基板１６は、発熱基板１２と発熱補助基板１３との中間層として配される基板であり、励起光によって励起される蛍光物の蛍光を透過し、該蛍光以外の光を反射する。また発熱補助基板１３と対向する面には、各ウェルＵＬにそれぞれ対応させて、当該ウェルで励起される蛍光を受光する受光素子ＬＳＡが配される。リアルタイムＰＣＲ装置１では、これら受光素子ＬＤＡで受光される蛍光量に応じた標的核酸量が、増殖サイクル単位で算出される。
【００２１】
この実施の形態におけるリアルタイムＰＣＲ装置１では、励起光透過基板１５における光源基板１４と対向する面のうち、該光源基板１４の各光源ＬＳの光軸に対応する位置を基準とする周囲に対して、当該光源ＬＳから照射される励起光の散乱光を受光する受光素子ＬＤＢが配される。
【００２２】
そしてこのリアルタイムＰＣＲ装置１では、各受光素子ＬＤＢで受光される散乱光量が一定となるように、増殖サイクルの変性段階に入る前段階において、各ウェルＵＬに対応する光源ＬＳの光量が個別に制御される。したがって、このリアルタイムＰＣＲ装置１は、各ウェルＵＬに対して一定量の励起光を照射することができるようになされている。
【００２３】
またこのリアルタイムＰＣＲ装置１では、現移行期間において受光素子ＬＤＢで受光される散乱光量と、前回の移行期間において受光素子ＬＤＢで受光される散乱光量との差に応じて、前回の増殖サイクルで算出された標的核酸量がウェルＵＬ単位で個別に補正される。したがって、このリアルタイムＰＣＲ装置１は、増殖サイクルごとに、各ウェルでの標的核酸量を正確に取得することができるようになされている。
【００２４】
（２）発熱基板の具体的な構成
次に、発熱基板１２の具体的な構成について、図２を用いて説明する。発熱基板１２は、励起光が透過可能な例えばガラス等の基板でなり、複数対の発熱回路３０及び温度センシング回路４０と、走査駆動部５０と、温度制御部６０とを有する。
【００２５】
各発熱回路３０はそれぞれ１つのＴＦＴ３１を有し、これらＴＦＴ３１は、反応基板１１に形成される各ウェルにそれぞれ対応させてマトリクス状に配される。一方、各温度センシング回路４０はそれぞれ複数のピンダイオード４１を有し、これらピンダイオード４１は、対となる発熱回路３０がもつＴＦＴ３１の周囲に一定の距離をもって所定間隔ごとに配される。
【００２６】
ここで、発熱回路３０及び温度センシング回路４０における具体的な回路構成を説明する。ただし、各対の発熱回路３０及び温度センシング回路４０はそれぞれ同一の構成であるため、１対の発熱回路３０及び温度センシング回路４０に着目して説明する。
【００２７】
図３に示すように、発熱回路３０は、熱源素子として機能するＴＦＴ３１と、スイッチング素子として機能するトランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ３と、発熱制御素子として機能するコンデンサ３２とによって構成される。
【００２８】
一方、温度センシング回路４０は、検温素子として機能する複数のピンダイオード４１と、スイッチング素子として機能するトランジスタＴ４，Ｔ５と、電圧計４２とによって構成される。
【００２９】
発熱回路３０におけるトランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ３のゲートには、パルス信号ＰＳ１が第１の走査駆動部５０Ａ（図２）から与えられ、温度センシング回路４０におけるトランジスタＴ３，Ｔ４のゲートには、パルス信号ＰＳ１とは反転した関係にあるパルス信号ＰＳ２が第２の走査駆動部５０Ｂ（図２）から与えられる。
【００３０】
例えば、パルス信号ＰＳ１が「Ｈｉｇｈ」状態にある場合（発熱回路３０が駆動状態にある場合）、パルス信号ＰＳ２は「Ｌｏｗ」状態にある（温度センシング回路４０が非駆動状態にある）。この状態では、発熱回路３０におけるトランジスタＴ１，Ｔ２はオン状態にあり、発熱回路３０におけるトランジスタＴ３と、温度センシング回路４０におけるトランジスタＴ４，Ｔ５はオフ状態にある。
【００３１】
この状態の場合、発熱回路３０には、加熱すべき温度に相当する電流値の信号（以下、これを加熱制御信号とも呼ぶ）Ｉｓｉｇが温度制御部６０（図２）与えられる。発熱回路３０では、ＴＦＴ３１におけるドレインとゲートがトランジスタＴ２により短絡されているため、発熱制御信号ＩｓｉｇはトランジスタＴ１を介してＴＦＴ３１に流れる。
【００３２】
この結果、ＴＦＴ３１には、発熱制御信号Ｉｓｉｇに応じたゲート・ソース間電圧が発生し、この電圧が、ＴＦＴ３１に発生させるべき熱源要素として、コンデンサ２２に保持されることとなる。
【００３３】
ＴＦＴ３１がエンハンスメント型トランジスタ（すなわち閾値Ｖｔｈ＞０）である場合、該ＴＦＴ３１は飽和領域で動作することになるので、ＴＦＴ３１におけるゲート・ソース間電圧をＶｇｓとすると、該電圧Ｖｇｓと発熱制御信号Ｉｓｉｇとの間には、次式
【００３４】
【数１】
【００３５】
の関係が成立する。ちなみにこの（１）式における「μ」はキャリアの移動度を、「Ｃｏｘ」は単位面積当たりのゲート容量を、「Ｗ」はチャネルの幅を、「Ｌ」はチャネルの長さを示す記号である。
【００３６】
これに対して、パルス信号ＰＳ１が「Ｌｏｗ」状態にある場合（発熱回路３０が非駆動状態にある場合）、パルス信号ＰＳ２が「Ｈｉｇｈ」状態にある（温度センシング回路４０が非駆動状態にある）。この状態における発熱回路３０では、トランジスタＴ１，Ｔ２はオフ状態にあり、トランジスタＴ３がオン状態にあるため、電源電圧ＶＤＤからＴＦＴ３１におけるソース端のＧＮＤに向かって電流が流れる。
【００３７】
この電源電圧ＶＤＤからＴＦＴ３１に与えられる電圧は、該ＴＦＴ３１が飽和領域で動作する電圧よりも高く設定される。つまり、ＴＦＴ３１が飽和領域で動作するように、該ＴＦＴ３１に対する電源電圧ＶＤＤは十分に高く、トランジスタＴ３のオン抵抗は十分に低く設定される。
【００３８】
したがって、ＴＦＴ３１に流れる電流Ｉｄｒｖはドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓには依存せず、次式
【００３９】
【数２】
【００４０】
によって与えられる。
【００４１】
一般に、ＴＦＴでは（１）式及び（２）式の右辺に現れる各パラメータがばらつくものであるが、この発熱回路３０では、ＴＦＴ３１が飽和領域で動作するので、該パラメータの値に関係なく、電流Ｉｄｒｖと発熱制御信号Ｉｓｉｇとは一致することとなる。
【００４２】
したがって、ＴＦＴ３１での発熱量は、該ＴＦＴ３１の特性ばらつきによらず、温度制御部６０（図２）から与えられる発熱制御信号Ｉｓｉｇと、電源電圧ＶＤＤとの積で決まる正確なものとなる。
【００４３】
また発熱制御信号Ｉｓｉｇは、温度制御部６０（図２）において、その電流値を正確に可変することができるものである。したがって、この発熱回路３０は、温度制御部６０での電流制御によって、ＴＦＴ３１を通じてウェルに対する温度を適応的に可変することが可能となる。
【００４４】
一方、温度センシング回路４０には、パルス信号ＰＳ１が「Ｌｏｗ」状態（発熱回路３０が非駆動状態）、かつ、パルス信号ＰＳ２が「Ｈｉｇｈ」状態（温度センシング回路４０が駆動状態）にある場合、側温制御信号Ｉｄｅｔが温度制御部６０（図２）与えられる。
【００４５】
この場合、温度センシング回路４０では、側温制御信号ＩｄｅｔはトランジスタＴ４を介して直列に接続された複数のピンダイオード４１に流れる。この結果、これらピンダイオード４１には電圧が加わり、該電圧が電圧計４２によって計測されることになる。
【００４６】
この電圧計３２における計測値は、温度制御部６０（図２）によってＴＦＴ３１周囲における平均的な温度を示すパラメータとして取り込まれ、該温度制御部６０（図２）において、発熱制御信号Ｉｓｉｇの電流値を決定するために用いられる。
【００４７】
このようにして各対の発熱回路３０及び温度センシング回路４０は、温度制御部６０の制御のもとで、交互に動作するようになされている。
【００４８】
走査駆動部５０（図２）は、各発熱回路３０に対して、所定間隔ごとに駆動期間をもつ同位相又は異位相のパルス信号を第１の走査駆動部５０Ａから送出する一方、各温度センシング回路４０に対して、対とされる発熱回路３０に送出されるパルス信号とは反転した関係にあるパルス信号を第２の走査駆動部５０Ｂから送出する。
【００４９】
このようにして走査駆動部５０は、発熱回路３０の駆動と、温度センシング回路４０の駆動とを単位（以下、これを駆動サイクルとも呼ぶ）として、各発熱回路３０及び温度センシング回路４０を対ごとに循環駆動させるようになされている。
【００５０】
温度制御部６０は、ウェルに与えるべき温度（以下、これをウェル温度とも呼ぶ）として、変性段階に要する温度（９５℃）から標的核酸の種に応じて増減した温度を初期設定する（図４:ステップＳＰ１）。
【００５１】
また温度制御部６０は、変性段階，アニーリング段階，伸長段階への移行タイミングを計測し（図４:ステップＳＰ２）、該移行タイミングとなったときには、ウェル温度の設定を、その移行すべき段階に要する温度（９５℃、５５℃又は７２℃）から標的核酸の種に応じて増減した温度に変更する（図４:ステップＳＰ３）。
【００５２】
そして温度制御部６０は、ウェル温度を基準として、加熱すべき温度に相当する電流値の信号（以下、これを加熱制御信号とも呼ぶ）を駆動サイクルごとに生成する。
【００５３】
すなわち温度制御部６０は、駆動対象の温度センシング回路４０に対して、例えば１００［μＡ］の側温制御信号Ｉｄｅｔ１と、１０［μＡ］の側温制御信号Ｉｄｅｔ２とを与え、これらを与えたときの電圧計４２（図３）の計測値から、該温度センシング回路４０に対の発熱回路３０での温度を求める（図４:ステップＳＰ４）。
【００５４】
具体的には、側温制御信号Ｉｄｅｔ１を与えたときの電圧値と、側温制御信号Ｉｄｅｔ２を与えたときの電圧値との差が電圧計４２（図３）の計測値となるが、この計測値をΔＶとすると、次式
【００５５】
【数３】
【００５６】
により求める。この（３）式における「５．００７２」はボルツマン定数である。
【００５７】
また温度制御部６０は、駆動対象の温度センシング回路４０を用いて、対となる発熱回路３０での温度を求めた場合、この求めた温度（測定温度）と、ウェル温度との温度差に比例する電流値を発熱制御信号Ｉｓｉｇの電流値として決定し、該決定した電流値の発熱制御信号Ｉｓｉｇを生成する（図４:ステップＳＰ５）。
【００５８】
そして温度制御部６０は、この発熱制御信号Ｉｓｉｇを、かかる温度センシング回路４０に対の発熱回路３０が駆動対象となったとき、該発熱回路３０に対して送出する（図４:ステップＳＰ６）。
【００５９】
このようにして温度制御部６０は、規定された回数分の増殖サイクルを経るまで（図４:ステップＳＰ７）、発熱回路３０に対の温度センシング回路４０で測定した温度とウェル温度との温度差に応じて、駆動サイクルごとに発熱回路３０に送出すべき加熱制御信号を生成するようになされている。
【００６０】
したがって、この温度制御部６０は、ウェル温度に至るまでそのウェル温度に応じた固定の電流値でなる加熱制御信号を与え続ける場合に比して、温度勾配を滑らかに（一定に）推移させることができ、この結果、急激な温度変化に起因する標的核酸等の劣化を回避できるようになされている。
【００６１】
（３）動作及び効果
以上の構成において、このリアルタイムＰＣＲ装置１は、基板に形成される複数のウェルＵＬにそれぞれ対応付けられる熱源素子ＨＤ（３１）と、当該熱源素子ＨＤ（３１）の周囲に所定間隔で設けられる複数の検温素子ＴＤ（４１）と、温度制御部６０とを有する（図２）。
【００６２】
この温度制御部６０は、所定の周期ごとに、各熱源素子ＨＤ（３１）での温度を、当該熱源素子ＨＤ（３１）の周囲に設けられる検温素子ＴＤ（４１）を用いて求め、該周期の反転周期ごとに、検温素子ＴＤ（４１）を用いて求めた温度に応じた熱量で、対応する各熱源素子ＨＤ（３１）に発熱作用を与える発熱制御信号Ｉｓｉｇを生成する（図３）。
【００６３】
したがって、このリアルタイムＰＣＲ装置１は、各熱源素子ＨＤ（３１）の周囲温度をモニタリングする動作と、その結果を反映した熱量で、対応する各熱源素子ＨＤ（３１）に発熱作用を与える発熱制御信号Ｉｓｉｇを生成する動作とを交互に繰り返し、発熱動作の開始もしくは停止又は発熱期間をウェルＵＬ単位で実行させることが可能となる。
【００６４】
このため、このリアルタイムＰＣＲ装置１は、ウェルＵＬごとに、当該ウェル間での熱の相互作用や、半導体素子自体の経時的変化等を抑えて発熱させることができ、この結果、ウェルＵＬごとに、当該ウェルＵＬが到達すべき温度までの温度勾配を滑らか（一定）かつ速やかに推移させることができる。
【００６５】
ちなみに、このリアルタイムＰＣＲ装置１では、２０［℃］以上／秒の温度制御が可能であり、３０回の増殖サイクルを行った場合に要する時間は従来のＰＣＲ装置に比べて５分以上の短縮が図れることが本出願人により確認されている。
【００６６】
また、発熱制御信号Ｉｓｉｇの生成手法として、温度制御部６０は、増殖サイクルとして規定される複数のフェーズのうち、次のフェーズへの移行タイミング時点で、移行すべきフェーズに要する温度を設定し、その設定温度と、検温素子ＴＤ（４１）を用いて求めた温度との差に比例する熱量に相当する発熱制御信号Ｉｓｉｇを生成する。
【００６７】
したがって、このリアルタイムＰＣＲ装置１では、増殖サイクルごとにその増殖サイクルで規定される各フェーズに要する期間のなかで、ウェルＵＬごとに温度勾配を滑らかに（一定に）推移させることができる。
【００６８】
また、かかる設定温度は、移行すべきフェーズに要する温度に対して標的核酸の種に応じて増減された温度とされる。したがって、このリアルタイムＰＣＲ装置１では、増殖させるべき標的核酸の種が異なることに起因して、各ウェルに与えるべき温度が異なる場合であっても、ウェルＵＬごとに、当該ウェルＵＬが到達すべき温度までの温度勾配を滑らかに（一定に）推移させることができる。
【００６９】
また、このリアルタイムＰＣＲ装置１では、各熱源素子ＨＤ（３１）をもつ発熱回路３０と、該熱源素子ＨＤ（３１）に対応する検温素子ＴＤ（４１）をもつ温度センシング回路４０とを同一基板上に配したことにより（図３）、小型化しながらも高精度で温度制御することができる。
【００７０】
また、この基板として光透明性をもつものを選定することにより、このリアルタイムＰＣＲ装置１は、ウェルＵＬで励起される蛍光を遮断する影響度を小さくすることが可能となる。この結果、このリアルタイムＰＣＲ装置１では、蛍光の受光素子等に対する構成レイアウトの制限を緩和でき、より一段と小型化を図ることが可能となる。
【００７１】
以上の構成によれば、各熱源素子ＨＤ（３１）の周囲温度をモニタリングする動作と、その結果を反映した熱量で、対応する各熱源素子ＨＤ（３１）に発熱作用を与える発熱制御信号Ｉｓｉｇを生成する動作とを交互に繰り返すようにしたことにより、各ウェルＵＬでの熱の相互作用によるばらつきを抑えて温度勾配を滑らかにすることができ、かくして正確に温度を調整し得るリアルタイムＰＣＲ装置１を実現できる。
【００７２】
（４）他の実施の形態
上述の実施の形態における温度制御部６０では、測定温度とウェル温度との温度差に比例する電流値が発熱制御信号Ｉｓｉｇとして生成された。しかしながら、この生成手法はこの実施の形態に限定されるものではない。
【００７３】
例えば、測定温度とウェル温度との温度差に比例する電流値から、前回の測定温度との単位時間当たりの変化量に比例する電流値を減算した電流値を適用するといった手法を適用することができる。これを適用した場合、加熱すべき温度に相当する電流値が、前回の測定期間までの温度勾配の変化量が小さいほど大きい値として設定されるため、全体の温度勾配をより一段と滑らかに推移させるとともに高速に推移させることが可能となる。
【００７４】
また上述の実施の形態では、発熱回路３０及び温度センシング回路４０として、図３に示す回路構成が適用された。しかしながら、この回路構成はこの実施の形態に限定されるものではない。発熱回路３０にあっては、例えば、先の本出願人が特願２００７−１７１２６２号公報により開示したものを適用することが可能である。
【００７５】
また、温度センシング回路４０にあっては、一例として、図３との対応部分に同一符号を付した図６に示すように、側温制御信号Ｉｄｅｔを与えるラインを１つとした温度センシング回路７０を適用することが可能である。ここで、この温度センシング回路７０を適用した場合、温度制御部６０では、対の発熱回路３０での温度の求め方を代える必要がある。
【００７６】
一般に、ピンダイオード４１に生じる電圧と、温度との関係はおおよそ線形関係にあることが知られている。したがってこの温度センシング回路７０を適用した場合、所定の電流値でなる側温制御信号Ｉｄｅｔを与えたときの電圧計４２での計測値に比例するテーブルを温度制御部６０に保持すれば、温度センシング回路４０を適用した場合と同等の精度で、対の発熱回路３０での温度を得ることができる。
【００７７】
また上述の実施の形態では、リアルタイムＰＣＲ装置１として、いわゆる透過型のものが適用された。しかしながら、これに代えて、例えば、図１との対応部分に同一符号を付した図７に示すように、いわゆる反射型のリアルタイムＰＣＲ装置１００を適用するようにしてもよい。
【００７８】
このリアルタイムＰＣＲ装置１００における反応基板１１１には、側壁の底面がＲ状に形成された複数のウェルＵＬが形成され、これらウェルＵＬに対応させて受光素子ＬＤＡが一面に配される。各光源ＬＳから照射される励起光は、励起光透過基板１５を介して反応基板１１１に形成される対応するウェルＵＬに導光される。各ウェルＵＬでは、励起光によって励起される蛍光物の蛍光はウェルＵＬの壁面で反射し、反応基板１１１の一面に受光素子ＬＤＡに入射する。
【００７９】
このような反射型のリアルタイムＰＣＲ装置１００を適用した場合であっても、上述の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００８０】
なお、リアルタイムＰＣＲ装置１又は１００の構成要素は図示した場合に限らず、適宜設計変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明は、遺伝子解析、遺伝子診断又は医薬の創製などのバイオ産業上において利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】リアルタイムＰＣＲ装置の概略構造を示す断面図である。
【図２】加熱基板の構成を示す概略図である。
【図３】発熱回路及び温度センシング回路の構成を示す図である。
【図４】温度制御処理手順を示すフローチャートである。
【図５】他の実施の形態による温度センシング回路の構成を示す図である。
【図６】他の実施の形態によるリアルタイムＰＣＲ装置の概略構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００８３】
１、１００……リアルタイムＰＣＲ装置、１１、１１１……反応基板、１２……発熱基板、１３……発熱補助基板、１４……光源基板、１５……励起光透過基板、１６……蛍光透過基板、３０……発熱回路、３１……ＴＦＴ、３２……コンデンサ、４０……温度センシング回路、４１……ピンダイオード、４２……電圧計。
【技術分野】
【０００１】
本発明は核酸増幅装置及び核酸増幅方法に関し、ＰＣＲ(Polymerase Chain Reaction)装置に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、核酸の増殖反応の場となる複数の微小容器に対する熱源として、薄膜トランジスタを用いたＰＣＲ装置が本出願人により提案されている（例えば特許文献１）。このＰＣＲ装置によれば、微小容器を高密度に形成して小型化しつつも、これら微小容器に対する温度を個別に制御することで正確に温度調整することが可能となる。
【０００３】
その後、半導体素子のばらつきによって温度制御の精度が低下することを回避するようにしたＰＣＲ装置が本出願人により提案された（例えば特許文献２）。
【特許文献１】特開２００３−２９８０６８公報
【特許文献２】特願２００７−１７１２６２公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところでかかるリアルタイムＰＣＲ装置では、半導体素子のばらつきによる温度制御の精度の低下が回避されても、高密度に形成される各微小容器での熱の相互作用によりばらつきが生じ、この結果、各微小容器の温度を正確に調整することが困難となるという問題があった。
【０００５】
各微小容器において異種の核酸を増殖させようとする場合、該核酸に対する増殖サイクルの各フェーズでの温度も異なることがあるため、このような場合には上記問題は特に深刻となる。
【０００６】
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、調整対象の温度を正確に調整し得る核酸増幅装置及び核酸増幅方法を提案しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる課題を解決するため本発明は、核酸増幅装置であって、核酸の増殖反応の場として基板に形成される複数の容器にそれぞれ対応付けられる熱源素子と、熱源素子ごとに、該熱源素子の周囲に所定間隔で設けられる複数の検温素子と、所定の周期ごとに、各熱源素子での温度を、当該熱源素子の周囲に設けられる複数の検温素子を用いて求める測温部と、周期の反転周期ごとに、測温部で求められる温度に応じた熱量で、対応する各熱源素子に発熱作用を与える制御信号を生成する生成部とを設ける。
【０００８】
また本発明は、核酸増幅方法であって、核酸の増殖反応の場として基板に形成される複数の容器にそれぞれ対応付けられる熱源素子の温度を、所定の周期ごとに、当該熱源素子の周囲に所定間隔で設けられる複数の検温素子を用いて求める測温ステップと、周期の反転周期ごとに、測温ステップで求められる温度に応じた熱量で、対応する各熱源素子に発熱作用を与える制御信号を生成する生成ステップとを設ける。
【発明の効果】
【０００９】
以上のように本発明によれば、各熱源素子の周囲温度をモニタリングする動作と、その結果を反映した熱量で、対応する各熱源素子に発熱作用を与える制御信号を生成する動作とを交互に繰り返すことにより、各微小容器での熱の相互作用によるばらつきを抑えて温度勾配を滑らかにすることが可能となり、この結果、正確に温度を調整し得る核酸増幅装置及び核酸増幅方法を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下図面について、本発明を適用した一実施の形態を詳述する。
【００１１】
（１）リアルタイムＰＣＲ装置の構造
図１において、本実施の形態によるリアルタイムＰＣＲ装置１の構造を示す。このリアルタイムＰＣＲ装置１は、反応室に対して、複数の基板１１〜１６を所定間隔で層状に配置した構造を有する。
【００１２】
反応基板１１は、基準層となる基板であり、該基板には、核酸の増殖反応の場とされる容器（以下、これをウェルとも呼ぶ）ＵＬが高密度に形成される。これらウェルＵＬには、増殖対象の標的核酸及びその標的核酸の増殖に要する各種物質（プライマー、緩衝液、酵素、ｄＮＴＰ、蛍光色素等）が与えられる。
【００１３】
例えば６［ｃｍ］四方の反応基板１１を用いた場合、１［μＬ］以下の容量でなる４万個程度のウェルＵＬを形成することが可能となる。したがって、このリアルタイムＰＣＲ装置１は、反応室を小型化した場合であっても、同種又は異種でなる多くの標的核酸を取り扱うことが可能となる。
【００１４】
発熱基板１２は、反応基板１１に対して下側の層として配される基板であり、該基板のうち、反応基板１１と対向する面には、各ウェルＵＬにそれぞれ対応付けて熱源素子ＨＤが配され、これら熱源素子ＨＤの周囲には複数の検温素子ＴＤが配される。この熱源素子ＨＤには例えばＴＦＴ(Thin Film Transistor)等が用いられ、検温素子ＴＤには例えばピンダイオード等が用いられる。
【００１５】
このリアルタイムＰＣＲ装置１では、各ウェルＵＬに対応する熱源素子ＨＤが、該熱源素子ＨＤを囲む複数の検温素子ＴＤでセンシングされる温度に応じて個別に制御される。したがって、このリアルタイムＰＣＲ装置１は、例えば各ウェルＵＬに与えられる標的核酸の種が異なる等に起因して温度条件が異なる場合であっても、高密度に配される各ウェルＵＬの温度を、増殖サイクルとして規定される変性段階、アニーリング段階、伸長段階の各段階に要する温度を基準として高精度で調整することができるようになされている。
【００１６】
発熱補助基板１３は、発熱基板１２に対して下側の層として配される基板である。この発熱補助基板１３は、反応室全体における熱を吸収又は発散することで、該反応室を設定温度に維持する。
【００１７】
したがって、このリアルタイムＰＣＲ装置１は、現段階で設定される温度から次段階で与えるべき温度にウェルＵＬの温度を移行させるまでの時間（温度勾配の時間）を高速化できるようになされている。ちなみに、発熱補助基板１３には例えばペルチェ素子等が用いられる。
【００１８】
光源基板１４は、反応基板１１に対して上側の層として配される基板であり、該基板のうち、反応基板１１と対向する面には、各ウェルＵＬにそれぞれ対応させて、インターカレータ等の蛍光物に対する励起光を照射する光源ＬＳが配される。この光源ＬＳには例えばＬＥＤ(Light Emitting Diode)が用いられる。
【００１９】
励起光透過基板１５は、反応基板１１と光源基板１４との中間層として配される基板であり、光源ＬＳから照射される励起光を透過し、該励起光以外の光を反射する。この励起光透過基板１５には例えばダイクロイックミラーが用いられる。
【００２０】
蛍光透過基板１６は、発熱基板１２と発熱補助基板１３との中間層として配される基板であり、励起光によって励起される蛍光物の蛍光を透過し、該蛍光以外の光を反射する。また発熱補助基板１３と対向する面には、各ウェルＵＬにそれぞれ対応させて、当該ウェルで励起される蛍光を受光する受光素子ＬＳＡが配される。リアルタイムＰＣＲ装置１では、これら受光素子ＬＤＡで受光される蛍光量に応じた標的核酸量が、増殖サイクル単位で算出される。
【００２１】
この実施の形態におけるリアルタイムＰＣＲ装置１では、励起光透過基板１５における光源基板１４と対向する面のうち、該光源基板１４の各光源ＬＳの光軸に対応する位置を基準とする周囲に対して、当該光源ＬＳから照射される励起光の散乱光を受光する受光素子ＬＤＢが配される。
【００２２】
そしてこのリアルタイムＰＣＲ装置１では、各受光素子ＬＤＢで受光される散乱光量が一定となるように、増殖サイクルの変性段階に入る前段階において、各ウェルＵＬに対応する光源ＬＳの光量が個別に制御される。したがって、このリアルタイムＰＣＲ装置１は、各ウェルＵＬに対して一定量の励起光を照射することができるようになされている。
【００２３】
またこのリアルタイムＰＣＲ装置１では、現移行期間において受光素子ＬＤＢで受光される散乱光量と、前回の移行期間において受光素子ＬＤＢで受光される散乱光量との差に応じて、前回の増殖サイクルで算出された標的核酸量がウェルＵＬ単位で個別に補正される。したがって、このリアルタイムＰＣＲ装置１は、増殖サイクルごとに、各ウェルでの標的核酸量を正確に取得することができるようになされている。
【００２４】
（２）発熱基板の具体的な構成
次に、発熱基板１２の具体的な構成について、図２を用いて説明する。発熱基板１２は、励起光が透過可能な例えばガラス等の基板でなり、複数対の発熱回路３０及び温度センシング回路４０と、走査駆動部５０と、温度制御部６０とを有する。
【００２５】
各発熱回路３０はそれぞれ１つのＴＦＴ３１を有し、これらＴＦＴ３１は、反応基板１１に形成される各ウェルにそれぞれ対応させてマトリクス状に配される。一方、各温度センシング回路４０はそれぞれ複数のピンダイオード４１を有し、これらピンダイオード４１は、対となる発熱回路３０がもつＴＦＴ３１の周囲に一定の距離をもって所定間隔ごとに配される。
【００２６】
ここで、発熱回路３０及び温度センシング回路４０における具体的な回路構成を説明する。ただし、各対の発熱回路３０及び温度センシング回路４０はそれぞれ同一の構成であるため、１対の発熱回路３０及び温度センシング回路４０に着目して説明する。
【００２７】
図３に示すように、発熱回路３０は、熱源素子として機能するＴＦＴ３１と、スイッチング素子として機能するトランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ３と、発熱制御素子として機能するコンデンサ３２とによって構成される。
【００２８】
一方、温度センシング回路４０は、検温素子として機能する複数のピンダイオード４１と、スイッチング素子として機能するトランジスタＴ４，Ｔ５と、電圧計４２とによって構成される。
【００２９】
発熱回路３０におけるトランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ３のゲートには、パルス信号ＰＳ１が第１の走査駆動部５０Ａ（図２）から与えられ、温度センシング回路４０におけるトランジスタＴ３，Ｔ４のゲートには、パルス信号ＰＳ１とは反転した関係にあるパルス信号ＰＳ２が第２の走査駆動部５０Ｂ（図２）から与えられる。
【００３０】
例えば、パルス信号ＰＳ１が「Ｈｉｇｈ」状態にある場合（発熱回路３０が駆動状態にある場合）、パルス信号ＰＳ２は「Ｌｏｗ」状態にある（温度センシング回路４０が非駆動状態にある）。この状態では、発熱回路３０におけるトランジスタＴ１，Ｔ２はオン状態にあり、発熱回路３０におけるトランジスタＴ３と、温度センシング回路４０におけるトランジスタＴ４，Ｔ５はオフ状態にある。
【００３１】
この状態の場合、発熱回路３０には、加熱すべき温度に相当する電流値の信号（以下、これを加熱制御信号とも呼ぶ）Ｉｓｉｇが温度制御部６０（図２）与えられる。発熱回路３０では、ＴＦＴ３１におけるドレインとゲートがトランジスタＴ２により短絡されているため、発熱制御信号ＩｓｉｇはトランジスタＴ１を介してＴＦＴ３１に流れる。
【００３２】
この結果、ＴＦＴ３１には、発熱制御信号Ｉｓｉｇに応じたゲート・ソース間電圧が発生し、この電圧が、ＴＦＴ３１に発生させるべき熱源要素として、コンデンサ２２に保持されることとなる。
【００３３】
ＴＦＴ３１がエンハンスメント型トランジスタ（すなわち閾値Ｖｔｈ＞０）である場合、該ＴＦＴ３１は飽和領域で動作することになるので、ＴＦＴ３１におけるゲート・ソース間電圧をＶｇｓとすると、該電圧Ｖｇｓと発熱制御信号Ｉｓｉｇとの間には、次式
【００３４】
【数１】
【００３５】
の関係が成立する。ちなみにこの（１）式における「μ」はキャリアの移動度を、「Ｃｏｘ」は単位面積当たりのゲート容量を、「Ｗ」はチャネルの幅を、「Ｌ」はチャネルの長さを示す記号である。
【００３６】
これに対して、パルス信号ＰＳ１が「Ｌｏｗ」状態にある場合（発熱回路３０が非駆動状態にある場合）、パルス信号ＰＳ２が「Ｈｉｇｈ」状態にある（温度センシング回路４０が非駆動状態にある）。この状態における発熱回路３０では、トランジスタＴ１，Ｔ２はオフ状態にあり、トランジスタＴ３がオン状態にあるため、電源電圧ＶＤＤからＴＦＴ３１におけるソース端のＧＮＤに向かって電流が流れる。
【００３７】
この電源電圧ＶＤＤからＴＦＴ３１に与えられる電圧は、該ＴＦＴ３１が飽和領域で動作する電圧よりも高く設定される。つまり、ＴＦＴ３１が飽和領域で動作するように、該ＴＦＴ３１に対する電源電圧ＶＤＤは十分に高く、トランジスタＴ３のオン抵抗は十分に低く設定される。
【００３８】
したがって、ＴＦＴ３１に流れる電流Ｉｄｒｖはドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓには依存せず、次式
【００３９】
【数２】
【００４０】
によって与えられる。
【００４１】
一般に、ＴＦＴでは（１）式及び（２）式の右辺に現れる各パラメータがばらつくものであるが、この発熱回路３０では、ＴＦＴ３１が飽和領域で動作するので、該パラメータの値に関係なく、電流Ｉｄｒｖと発熱制御信号Ｉｓｉｇとは一致することとなる。
【００４２】
したがって、ＴＦＴ３１での発熱量は、該ＴＦＴ３１の特性ばらつきによらず、温度制御部６０（図２）から与えられる発熱制御信号Ｉｓｉｇと、電源電圧ＶＤＤとの積で決まる正確なものとなる。
【００４３】
また発熱制御信号Ｉｓｉｇは、温度制御部６０（図２）において、その電流値を正確に可変することができるものである。したがって、この発熱回路３０は、温度制御部６０での電流制御によって、ＴＦＴ３１を通じてウェルに対する温度を適応的に可変することが可能となる。
【００４４】
一方、温度センシング回路４０には、パルス信号ＰＳ１が「Ｌｏｗ」状態（発熱回路３０が非駆動状態）、かつ、パルス信号ＰＳ２が「Ｈｉｇｈ」状態（温度センシング回路４０が駆動状態）にある場合、側温制御信号Ｉｄｅｔが温度制御部６０（図２）与えられる。
【００４５】
この場合、温度センシング回路４０では、側温制御信号ＩｄｅｔはトランジスタＴ４を介して直列に接続された複数のピンダイオード４１に流れる。この結果、これらピンダイオード４１には電圧が加わり、該電圧が電圧計４２によって計測されることになる。
【００４６】
この電圧計３２における計測値は、温度制御部６０（図２）によってＴＦＴ３１周囲における平均的な温度を示すパラメータとして取り込まれ、該温度制御部６０（図２）において、発熱制御信号Ｉｓｉｇの電流値を決定するために用いられる。
【００４７】
このようにして各対の発熱回路３０及び温度センシング回路４０は、温度制御部６０の制御のもとで、交互に動作するようになされている。
【００４８】
走査駆動部５０（図２）は、各発熱回路３０に対して、所定間隔ごとに駆動期間をもつ同位相又は異位相のパルス信号を第１の走査駆動部５０Ａから送出する一方、各温度センシング回路４０に対して、対とされる発熱回路３０に送出されるパルス信号とは反転した関係にあるパルス信号を第２の走査駆動部５０Ｂから送出する。
【００４９】
このようにして走査駆動部５０は、発熱回路３０の駆動と、温度センシング回路４０の駆動とを単位（以下、これを駆動サイクルとも呼ぶ）として、各発熱回路３０及び温度センシング回路４０を対ごとに循環駆動させるようになされている。
【００５０】
温度制御部６０は、ウェルに与えるべき温度（以下、これをウェル温度とも呼ぶ）として、変性段階に要する温度（９５℃）から標的核酸の種に応じて増減した温度を初期設定する（図４:ステップＳＰ１）。
【００５１】
また温度制御部６０は、変性段階，アニーリング段階，伸長段階への移行タイミングを計測し（図４:ステップＳＰ２）、該移行タイミングとなったときには、ウェル温度の設定を、その移行すべき段階に要する温度（９５℃、５５℃又は７２℃）から標的核酸の種に応じて増減した温度に変更する（図４:ステップＳＰ３）。
【００５２】
そして温度制御部６０は、ウェル温度を基準として、加熱すべき温度に相当する電流値の信号（以下、これを加熱制御信号とも呼ぶ）を駆動サイクルごとに生成する。
【００５３】
すなわち温度制御部６０は、駆動対象の温度センシング回路４０に対して、例えば１００［μＡ］の側温制御信号Ｉｄｅｔ１と、１０［μＡ］の側温制御信号Ｉｄｅｔ２とを与え、これらを与えたときの電圧計４２（図３）の計測値から、該温度センシング回路４０に対の発熱回路３０での温度を求める（図４:ステップＳＰ４）。
【００５４】
具体的には、側温制御信号Ｉｄｅｔ１を与えたときの電圧値と、側温制御信号Ｉｄｅｔ２を与えたときの電圧値との差が電圧計４２（図３）の計測値となるが、この計測値をΔＶとすると、次式
【００５５】
【数３】
【００５６】
により求める。この（３）式における「５．００７２」はボルツマン定数である。
【００５７】
また温度制御部６０は、駆動対象の温度センシング回路４０を用いて、対となる発熱回路３０での温度を求めた場合、この求めた温度（測定温度）と、ウェル温度との温度差に比例する電流値を発熱制御信号Ｉｓｉｇの電流値として決定し、該決定した電流値の発熱制御信号Ｉｓｉｇを生成する（図４:ステップＳＰ５）。
【００５８】
そして温度制御部６０は、この発熱制御信号Ｉｓｉｇを、かかる温度センシング回路４０に対の発熱回路３０が駆動対象となったとき、該発熱回路３０に対して送出する（図４:ステップＳＰ６）。
【００５９】
このようにして温度制御部６０は、規定された回数分の増殖サイクルを経るまで（図４:ステップＳＰ７）、発熱回路３０に対の温度センシング回路４０で測定した温度とウェル温度との温度差に応じて、駆動サイクルごとに発熱回路３０に送出すべき加熱制御信号を生成するようになされている。
【００６０】
したがって、この温度制御部６０は、ウェル温度に至るまでそのウェル温度に応じた固定の電流値でなる加熱制御信号を与え続ける場合に比して、温度勾配を滑らかに（一定に）推移させることができ、この結果、急激な温度変化に起因する標的核酸等の劣化を回避できるようになされている。
【００６１】
（３）動作及び効果
以上の構成において、このリアルタイムＰＣＲ装置１は、基板に形成される複数のウェルＵＬにそれぞれ対応付けられる熱源素子ＨＤ（３１）と、当該熱源素子ＨＤ（３１）の周囲に所定間隔で設けられる複数の検温素子ＴＤ（４１）と、温度制御部６０とを有する（図２）。
【００６２】
この温度制御部６０は、所定の周期ごとに、各熱源素子ＨＤ（３１）での温度を、当該熱源素子ＨＤ（３１）の周囲に設けられる検温素子ＴＤ（４１）を用いて求め、該周期の反転周期ごとに、検温素子ＴＤ（４１）を用いて求めた温度に応じた熱量で、対応する各熱源素子ＨＤ（３１）に発熱作用を与える発熱制御信号Ｉｓｉｇを生成する（図３）。
【００６３】
したがって、このリアルタイムＰＣＲ装置１は、各熱源素子ＨＤ（３１）の周囲温度をモニタリングする動作と、その結果を反映した熱量で、対応する各熱源素子ＨＤ（３１）に発熱作用を与える発熱制御信号Ｉｓｉｇを生成する動作とを交互に繰り返し、発熱動作の開始もしくは停止又は発熱期間をウェルＵＬ単位で実行させることが可能となる。
【００６４】
このため、このリアルタイムＰＣＲ装置１は、ウェルＵＬごとに、当該ウェル間での熱の相互作用や、半導体素子自体の経時的変化等を抑えて発熱させることができ、この結果、ウェルＵＬごとに、当該ウェルＵＬが到達すべき温度までの温度勾配を滑らか（一定）かつ速やかに推移させることができる。
【００６５】
ちなみに、このリアルタイムＰＣＲ装置１では、２０［℃］以上／秒の温度制御が可能であり、３０回の増殖サイクルを行った場合に要する時間は従来のＰＣＲ装置に比べて５分以上の短縮が図れることが本出願人により確認されている。
【００６６】
また、発熱制御信号Ｉｓｉｇの生成手法として、温度制御部６０は、増殖サイクルとして規定される複数のフェーズのうち、次のフェーズへの移行タイミング時点で、移行すべきフェーズに要する温度を設定し、その設定温度と、検温素子ＴＤ（４１）を用いて求めた温度との差に比例する熱量に相当する発熱制御信号Ｉｓｉｇを生成する。
【００６７】
したがって、このリアルタイムＰＣＲ装置１では、増殖サイクルごとにその増殖サイクルで規定される各フェーズに要する期間のなかで、ウェルＵＬごとに温度勾配を滑らかに（一定に）推移させることができる。
【００６８】
また、かかる設定温度は、移行すべきフェーズに要する温度に対して標的核酸の種に応じて増減された温度とされる。したがって、このリアルタイムＰＣＲ装置１では、増殖させるべき標的核酸の種が異なることに起因して、各ウェルに与えるべき温度が異なる場合であっても、ウェルＵＬごとに、当該ウェルＵＬが到達すべき温度までの温度勾配を滑らかに（一定に）推移させることができる。
【００６９】
また、このリアルタイムＰＣＲ装置１では、各熱源素子ＨＤ（３１）をもつ発熱回路３０と、該熱源素子ＨＤ（３１）に対応する検温素子ＴＤ（４１）をもつ温度センシング回路４０とを同一基板上に配したことにより（図３）、小型化しながらも高精度で温度制御することができる。
【００７０】
また、この基板として光透明性をもつものを選定することにより、このリアルタイムＰＣＲ装置１は、ウェルＵＬで励起される蛍光を遮断する影響度を小さくすることが可能となる。この結果、このリアルタイムＰＣＲ装置１では、蛍光の受光素子等に対する構成レイアウトの制限を緩和でき、より一段と小型化を図ることが可能となる。
【００７１】
以上の構成によれば、各熱源素子ＨＤ（３１）の周囲温度をモニタリングする動作と、その結果を反映した熱量で、対応する各熱源素子ＨＤ（３１）に発熱作用を与える発熱制御信号Ｉｓｉｇを生成する動作とを交互に繰り返すようにしたことにより、各ウェルＵＬでの熱の相互作用によるばらつきを抑えて温度勾配を滑らかにすることができ、かくして正確に温度を調整し得るリアルタイムＰＣＲ装置１を実現できる。
【００７２】
（４）他の実施の形態
上述の実施の形態における温度制御部６０では、測定温度とウェル温度との温度差に比例する電流値が発熱制御信号Ｉｓｉｇとして生成された。しかしながら、この生成手法はこの実施の形態に限定されるものではない。
【００７３】
例えば、測定温度とウェル温度との温度差に比例する電流値から、前回の測定温度との単位時間当たりの変化量に比例する電流値を減算した電流値を適用するといった手法を適用することができる。これを適用した場合、加熱すべき温度に相当する電流値が、前回の測定期間までの温度勾配の変化量が小さいほど大きい値として設定されるため、全体の温度勾配をより一段と滑らかに推移させるとともに高速に推移させることが可能となる。
【００７４】
また上述の実施の形態では、発熱回路３０及び温度センシング回路４０として、図３に示す回路構成が適用された。しかしながら、この回路構成はこの実施の形態に限定されるものではない。発熱回路３０にあっては、例えば、先の本出願人が特願２００７−１７１２６２号公報により開示したものを適用することが可能である。
【００７５】
また、温度センシング回路４０にあっては、一例として、図３との対応部分に同一符号を付した図６に示すように、側温制御信号Ｉｄｅｔを与えるラインを１つとした温度センシング回路７０を適用することが可能である。ここで、この温度センシング回路７０を適用した場合、温度制御部６０では、対の発熱回路３０での温度の求め方を代える必要がある。
【００７６】
一般に、ピンダイオード４１に生じる電圧と、温度との関係はおおよそ線形関係にあることが知られている。したがってこの温度センシング回路７０を適用した場合、所定の電流値でなる側温制御信号Ｉｄｅｔを与えたときの電圧計４２での計測値に比例するテーブルを温度制御部６０に保持すれば、温度センシング回路４０を適用した場合と同等の精度で、対の発熱回路３０での温度を得ることができる。
【００７７】
また上述の実施の形態では、リアルタイムＰＣＲ装置１として、いわゆる透過型のものが適用された。しかしながら、これに代えて、例えば、図１との対応部分に同一符号を付した図７に示すように、いわゆる反射型のリアルタイムＰＣＲ装置１００を適用するようにしてもよい。
【００７８】
このリアルタイムＰＣＲ装置１００における反応基板１１１には、側壁の底面がＲ状に形成された複数のウェルＵＬが形成され、これらウェルＵＬに対応させて受光素子ＬＤＡが一面に配される。各光源ＬＳから照射される励起光は、励起光透過基板１５を介して反応基板１１１に形成される対応するウェルＵＬに導光される。各ウェルＵＬでは、励起光によって励起される蛍光物の蛍光はウェルＵＬの壁面で反射し、反応基板１１１の一面に受光素子ＬＤＡに入射する。
【００７９】
このような反射型のリアルタイムＰＣＲ装置１００を適用した場合であっても、上述の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００８０】
なお、リアルタイムＰＣＲ装置１又は１００の構成要素は図示した場合に限らず、適宜設計変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明は、遺伝子解析、遺伝子診断又は医薬の創製などのバイオ産業上において利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】リアルタイムＰＣＲ装置の概略構造を示す断面図である。
【図２】加熱基板の構成を示す概略図である。
【図３】発熱回路及び温度センシング回路の構成を示す図である。
【図４】温度制御処理手順を示すフローチャートである。
【図５】他の実施の形態による温度センシング回路の構成を示す図である。
【図６】他の実施の形態によるリアルタイムＰＣＲ装置の概略構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００８３】
１、１００……リアルタイムＰＣＲ装置、１１、１１１……反応基板、１２……発熱基板、１３……発熱補助基板、１４……光源基板、１５……励起光透過基板、１６……蛍光透過基板、３０……発熱回路、３１……ＴＦＴ、３２……コンデンサ、４０……温度センシング回路、４１……ピンダイオード、４２……電圧計。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
核酸の増殖反応の場として基板に形成される複数の容器にそれぞれ対応付けられる熱源素子と、
上記熱源素子ごとに、該熱源素子の周囲に所定間隔で設けられる複数の検温素子と、
所定の周期ごとに、各上記熱源素子での温度を、当該熱源素子の周囲に設けられる複数の検温素子を用いて求める測温部と、
上記周期の反転周期ごとに、上記測温部で求められる温度に応じた熱量で、対応する各熱源素子に発熱作用を与える制御信号を生成する生成部と
を有する核酸増幅装置。
【請求項２】
上記生成部は、
増殖サイクルとして規定される複数のフェーズのうち、次のフェーズへの移行タイミング時点で、移行すべきフェーズに要する温度を設定し、上記反転周期ごとに、その設定温度と、上記測温部で求められる温度との差に比例する熱量で、対応する各熱源素子に発熱作用を与える制御信号を生成する、請求項１に記載の核酸増幅装置。
【請求項３】
上記生成部は、
移行すべきフェーズに要する温度に対して標的核酸の種に応じて増減された温度を設定する、請求項２に記載の核酸増幅装置。
【請求項４】
上記生成部は、
上記設定温度と、上記測温部で求められる温度との差に比例する熱量から、上記測温部で前回に求められる温度との単位時間当たりの変化量に応じた熱量を減算した熱量で、対応する各熱源素子に発熱作用を与える制御信号を生成する、請求項２に記載の核酸増幅装置。
【請求項５】
上記複数の検温素子は直列に接続され、
上記測温部は、上記複数の検温素子に対して電流を与えたときに生じる電圧値から、対応する熱源素子での温度を求める、請求項３に記載の核酸増幅装置。
【請求項６】
上記複数の検温素子は、該検温素子に囲まれる熱源素子に結線される第１のスイッチング素子と、入力端との間に設けられた、上記第１のスイッチング素子のスイッチング動作とは反転関係にある第２のスイッチング素子を介して直列に接続され、
上記測温部は、
上記第２のスイッチング素子がオン状態とされる場合、上記入力端から上記複数の検温素子に対して電流を与えたときに上記複数の検温素子に生じる電圧値から、各上記熱源素子での温度を求め、
上記生成部は、上記第１のスイッチング素子がオン状態とされる場合、上記入力端から対応する熱源素子に対して上記制御信号を与える、請求項５に記載の核酸増幅装置。
【請求項７】
上記第２のスイッチング素子は、上記第１のスイッチング素子と、入力端との間に並列に結線され、ゲートを共通とする２つのトランジスタでなる、請求項６に記載の核酸増幅装置。
【請求項８】
上記測温部は、
上記複数の検温素子に対して第１の信号と、該信号よりも電流値が大きい第２の信号とをそれぞれ与えたときに生じる電圧値の差に定数を乗算して得た値を熱力学温度に換算し、その換算された温度を上記熱源素子での温度とする、請求項５に記載の核酸増幅装置。
【請求項９】
各上記熱源素子から発生される全体熱を吸収又は発散し、規定された温度を維持する温度維持部をさらに有する請求項７又は請求項８に記載の核酸増幅装置。
【請求項１０】
核酸の増殖反応の場として基板に形成される複数の容器にそれぞれ対応付けられる熱源素子の温度を、所定の周期ごとに、当該熱源素子の周囲に所定間隔で設けられる複数の検温素子を用いて求める測温ステップと、
上記周期の反転周期ごとに、上記測温ステップで求められる温度に応じた熱量で、対応する各熱源素子に発熱作用を与える制御信号を生成する生成ステップと
を有する核酸増幅方法。
【請求項１】
核酸の増殖反応の場として基板に形成される複数の容器にそれぞれ対応付けられる熱源素子と、
上記熱源素子ごとに、該熱源素子の周囲に所定間隔で設けられる複数の検温素子と、
所定の周期ごとに、各上記熱源素子での温度を、当該熱源素子の周囲に設けられる複数の検温素子を用いて求める測温部と、
上記周期の反転周期ごとに、上記測温部で求められる温度に応じた熱量で、対応する各熱源素子に発熱作用を与える制御信号を生成する生成部と
を有する核酸増幅装置。
【請求項２】
上記生成部は、
増殖サイクルとして規定される複数のフェーズのうち、次のフェーズへの移行タイミング時点で、移行すべきフェーズに要する温度を設定し、上記反転周期ごとに、その設定温度と、上記測温部で求められる温度との差に比例する熱量で、対応する各熱源素子に発熱作用を与える制御信号を生成する、請求項１に記載の核酸増幅装置。
【請求項３】
上記生成部は、
移行すべきフェーズに要する温度に対して標的核酸の種に応じて増減された温度を設定する、請求項２に記載の核酸増幅装置。
【請求項４】
上記生成部は、
上記設定温度と、上記測温部で求められる温度との差に比例する熱量から、上記測温部で前回に求められる温度との単位時間当たりの変化量に応じた熱量を減算した熱量で、対応する各熱源素子に発熱作用を与える制御信号を生成する、請求項２に記載の核酸増幅装置。
【請求項５】
上記複数の検温素子は直列に接続され、
上記測温部は、上記複数の検温素子に対して電流を与えたときに生じる電圧値から、対応する熱源素子での温度を求める、請求項３に記載の核酸増幅装置。
【請求項６】
上記複数の検温素子は、該検温素子に囲まれる熱源素子に結線される第１のスイッチング素子と、入力端との間に設けられた、上記第１のスイッチング素子のスイッチング動作とは反転関係にある第２のスイッチング素子を介して直列に接続され、
上記測温部は、
上記第２のスイッチング素子がオン状態とされる場合、上記入力端から上記複数の検温素子に対して電流を与えたときに上記複数の検温素子に生じる電圧値から、各上記熱源素子での温度を求め、
上記生成部は、上記第１のスイッチング素子がオン状態とされる場合、上記入力端から対応する熱源素子に対して上記制御信号を与える、請求項５に記載の核酸増幅装置。
【請求項７】
上記第２のスイッチング素子は、上記第１のスイッチング素子と、入力端との間に並列に結線され、ゲートを共通とする２つのトランジスタでなる、請求項６に記載の核酸増幅装置。
【請求項８】
上記測温部は、
上記複数の検温素子に対して第１の信号と、該信号よりも電流値が大きい第２の信号とをそれぞれ与えたときに生じる電圧値の差に定数を乗算して得た値を熱力学温度に換算し、その換算された温度を上記熱源素子での温度とする、請求項５に記載の核酸増幅装置。
【請求項９】
各上記熱源素子から発生される全体熱を吸収又は発散し、規定された温度を維持する温度維持部をさらに有する請求項７又は請求項８に記載の核酸増幅装置。
【請求項１０】
核酸の増殖反応の場として基板に形成される複数の容器にそれぞれ対応付けられる熱源素子の温度を、所定の周期ごとに、当該熱源素子の周囲に所定間隔で設けられる複数の検温素子を用いて求める測温ステップと、
上記周期の反転周期ごとに、上記測温ステップで求められる温度に応じた熱量で、対応する各熱源素子に発熱作用を与える制御信号を生成する生成ステップと
を有する核酸増幅方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−２７８９５６（Ｐ２００９−２７８９５６Ａ）
【公開日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１３７０２４（Ｐ２００８−１３７０２４）
【出願日】平成２０年５月２６日（２００８．５．２６）
【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１２月３日（２００９．１２．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月２６日（２００８．５．２６）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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