核酸配列解析装置
【課題】フローセルの冷却に空冷機構を採用するフォーカスドリフトの影響で、観察精度が低下する可能性のない、水平駆動ステージを実装する核酸配列解析装置の提供。
【解決手段】水平駆動ステージ上に冷媒循環型の温度調整ユニットを搭載し、当該温度調整ユニットによりフローセルの載置面温度を所定の温度に調整する、核酸配列解析装置。
【解決手段】水平駆動ステージ上に冷媒循環型の温度調整ユニットを搭載し、当該温度調整ユニットによりフローセルの載置面温度を所定の温度に調整する、核酸配列解析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、核酸配列解析装置に関する。より具体的には、例えば、ＤＮＡ又はＲＮＡなどの核酸の塩基配列の解析に使用される装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
生来由来のサンプル中に含まれる核酸配列の解析には、シーケンサと呼ばれる核酸配列解析装置が使用される。シーケンサには、採用する解析方式に応じて様々な装置構成が提案されている。
【０００３】
本明細書では、サンプルを含む反応溶液が注入されたフローセルを、水平面内で駆動可能なステージ（以下「ＸＹステージ」という。）上に搭載し、当該ＸＹステージ上で伸張反応工程と蛍光観察工程を順次実行するシーケンサを想定する。
【０００４】
この種のシーケンサは、ＸＹステージの駆動制御を通じ、伸張反応工程が終了したフローセルを観察領域に位置決めし、励起光の照射により発生する蛍光を観察する。この際、伸張反応に適したサンプル温度と蛍光観察に適した温度が異なる。このため、フローセルの温度を調整できる仕組みが必要となる。現在、空冷式の温度調整機構を採用するシーケンサが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８／００３８１６３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
空冷式の温度調整機構は、フローセルに対して温度管理された空気を供給し又はフローセル近傍から空気を排出する。この際、空冷ファンを使用する。空冷ファンの配置は、シーケンサの構造等による制約を受ける。例えば空冷ファンは、ＸＹステージ上に載置されたフローセルの近傍に配置される。
【０００７】
しかし、フローセルの近傍に空冷ファンを配置すると、空冷ファンの回転により発生した振動がフローセルに伝搬する可能性がある。場合によっては、フローセル内のサンプルに意図せぬ動きを与える可能性もある。シーケンサの光学系は感度が非常に高い。このため、観察視野内でサンプルがわずかでも動くと、フォーカスドリフトの原因となる。また、空冷ファンをフローセルの近傍に配置する場合、フローセルから奪われた熱の影響でフローセルやその近傍の機構が熱伸縮し、フォーカスドリフトを発生させることがある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、当該技術課題を鋭意検討した結果、水平駆動ステージ上に冷媒循環型の温度調整ユニットを搭載し、当該温度調整ユニットによりフローセルの載置面温度を所定の温度に調整できる核酸配列解析装置を提案する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、フォーカスドリフトの発生を抑制又は無くすことができ、従来に比して解析精度の高い核酸配列解析装置を実現することができる。
【００１０】
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例１に係るシーケンサの概略構成を示す図。
【図２】フローセルの構成例を示す図。
【図３】実施例１に係る冷媒循環チューブの特性と従来例に係る冷媒循環チューブの特性を比較的に示す図。
【図４】実施例１に係る冷媒循環チューブの組成を示す図。
【図５】実施例２に係るシーケンサの構成例を示す図。
【図６】実施例２に係る温度調整ユニットの搭載例を示す図。
【図７】実施例２に係る温度調整ユニットの外観搭載例を示す図。
【図８】実施例３に係るシーケンサにおける温度調整ユニットの搭載例を示す図。
【図９】冷媒循環チューブの接続例を示す図。
【図１０】冷媒循環チューブの他の接続例を示す図。
【図１１】実施例３に係る温度調整ユニットの外観搭載例を示す図。
【図１２】４つの温度調整ユニットに対して冷媒液を直列に供給する例を説明する図。
【図１３】複数台の温度調整ユニットをＸＹステージ上に搭載する場合の処理動作を説明する図。
【図１４】冷媒循環チューブの接続形態を説明する図。
【図１５】ヒートシンクの外観構造例を示す図。
【図１６】ヒートシンクの内部構造例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面に基づいて、発明の実施例を説明する。
【００１３】
＜用語＞
本明細書において、「核酸配列」は、核酸材料それ自体も含むものとする。また、「核酸配列」は、特定の核酸、例えばＤＮＡ又はＲＮＡ分子を生化学的にキャラクタライズする配列情報（すなわち、５つの塩基の文字Ａ、Ｇ、Ｃ、Ｔ又はＵから選択される文字の連続）に限定されないものとする。
【００１４】
また、「生体」は、複製が可能であり、配列決定の対象となる核酸を含む任意の生体的又は非生体的存在体を示すために用いるものとする。「生体」には、例えばプラスミド、ウイルス、原核生物、古細菌及び真核生物の細胞、細胞株、真菌、原生動物、植物、動物などが含まれる。
【００１５】
また、「反応溶液」は、プローブを固定したビーズと、蛍光標識されたヌクレオチドと、４種類の基質（ｄＡＴＰ、ｄＣＴＰ、ｄＧＴＰ、ｄＴＴＰ）、酵素（ポリメラーゼ）との混合液とする。ここで、ビーズは、直径が約１ミクロン程度の実質的に球状の微粒子をいう。なお、ビーズの直径は、１０ミクロン以下でも良く、０．５ミクロン以下でも良い。蛍光標識として、４種類の基質ｄＡＴＰ、ｄＣＴＰ、ｄＴＴＰ、ｄＧＴＰにそれぞれ対応する４色の蛍光色素を使用する。
【００１６】
＜実施例１＞
図１に、ＸＹステージを実装するシーケンサの概略構成例を示す。ここでのシーケンサは、ＸＹステージの水平駆動により、反応溶液が注入されたフローセルを所望の反応領域又は観察領域に位置決めする。また、ここでのシーケンサは、核酸配列の増幅（伸張）に、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ：Polymerase Chain Reaction）法を使用する。ＰＣＲ法は、反応溶液の温度を予め定められた条件に従って制御することにより、所望の核酸配列を選択的に増幅する手法である。
【００１７】
図１に示すシーケンサは、ＸＹステージ１１、制御装置１２、温度調整ユニット１３、フローセル１７、温度センサ１８、光学系１９、励起光源２０、カメラ２１、冷媒循環チューブ２３、熱交換器２４、タンク２５及びポンプ２６を有する。
【００１８】
ＸＹステージ１１は、不図示のステージ駆動機構により、Ｘ軸方向とＹ軸方向のそれぞれについて独立に駆動される。ＸＹステージ１１の位置決めは、制御装置１２により行う。制御装置１２は、いわゆる計算機である。
【００１９】
ＸＹステージ１１上には、温度調整ユニット１３が載置される。図では、温度調整ユニット１３を太枠で示す。本実施例の場合、温調調整ユニット１３は、ＸＹステージ１１上に１台だけ搭載されている。
【００２０】
温度調整ユニット１３は、反応溶液が注入されたフローセル１７の載置台として使用されると共に、フローセル１７の温度を適切な反応温度や観察温度に調整するために使用される。温度調整ユニット１３は、ヒートシンク１４、熱電素子１５及びサンプルブロック１６で構成される。これらの部材は、ＸＹステージ１１の側から上方に積層されている。
【００２１】
ヒートシンク１４は、導電性の高い金属ブロックで構成される。例えば銅製の金属ブロックで構成される。ヒートシンク１４の内部には、冷媒液（純水、不凍液等）の循環に使用する流路が形成されている。
【００２２】
熱電素子１５は、制御装置１２より供給される電流量に応じた熱を発生する。すなわち、熱電素子１５は、電気エネルギーを熱エネルギーに変換する。熱電素子１５として、例えばペルチェ素子を使用する。ペルチェ素子を用いる場合、加熱だけでなく冷却にも使用できる。
【００２３】
サンプルブロック１６の表面（上面）には、フローセル１７が載置される。すなわち、サンプルブロック１６は、フローセル１７の台座として機能する。また、サンプルブロック１６は、フローセル１７に対して効率的に熱を伝搬できるように熱伝導性の高い材質で構成される。例えばアルミニウム板で構成される。なお、サンプルブロック１６の側面又は近傍には、サンプルブロック１６の温度を測定する温度センサ１８を配置する。温度センサ１８は、ヒートシンク１４の温度を測定対象としても良く、フローセル１７の温度を測定対象としても良い。温度センサ１８の測定データは、制御装置１２に与えられる。制御装置１２は、測定温度が所定の温度になるように、熱電素子１５に供給する電流量を増減する。
【００２４】
フローセル１７には、光透過性（例えばガラス、ＰＤＭＳ（polydimethylsilozane））のプレートを使用する。フローセル１７は、その内部に、反応溶液の流路を有している。流路の本数は１本でも複数本でも良い。図２に、フローセル１７の構造例を示す。図２に示すフローセル１７には複数本の流路２７が形成されている。流路２７の両端には、反応溶液等の入出口となるセプタ２８（入力側）及び２９（出力側）が配置される。セプタ２８及び２９には、不図示の分注機構を通じ、反応溶液の分注又は排出が行われる。
【００２５】
フローセル１７の上方には、光学系１９が配置される。励起光源２０で発生された励起光は、光学系１９を通じ、反応が終了したフローセル１７の所定位置を照射される。励起光源２０は、４つの異なる蛍光色素に対応して４つ設けても良い。もっとも、蛍光色素の励起が可能であれば、励起光源２０の数は４つより少なくても良い。例えば励起光源の数は１つでも良い。なお、光源の数が４つより少ない場合、蛍光色の分離を可能とするフィルタを光学系１９に配置することが望ましい。励起光の照射は、制御部１２により制御する。また、蛍光の観察には、カメラ２１を使用する。
【００２６】
前述したように、ヒートシンク１４の内部には、冷媒液を循環させるための流路が形成されている。このため、ヒートシンク１４の側面の一部には、冷媒液の流入口となる開口と冷媒液の流出口となる開口が設けられる。各開口には、継ぎ手２２が取り付けられる。例えば冷媒液の流出口に取り付けられた継ぎ手２２には、可撓性を有する冷媒循環チューブ２３の一端が連結され、当該チューブの他端には継ぎ手２２を通じて熱交換器２４が接続される。
【００２７】
熱交換器２４は、冷媒液の循環を通じて回収された熱を外気に放出し、冷媒液の温度を外気温（室温）に低下させる。すなわち、熱交換器２４は、冷媒液の温度を一定温度に管理された外気温（例えば２５℃）に調整する。なお、ヒートシンク１４から熱交換器２４に至るまでの冷媒循環チューブ２３の長さは十分な長さだけ確保する。引き出し長を十分確保することにより、熱交換器２４をＸＹステージ１１やフローセル１７から十分に離すことができる。このことは、空冷ファン等の振動源をＸＹステージ１１やフローセル１７から離すことができることを意味する。
【００２８】
熱交換器２４において熱交換された後の冷媒液は、継ぎ手２２及び冷媒循環チューブ２３を通じてタンク２５に供給される。タンク２５は、冷媒液の一時的な貯蔵庫である。タンク２５内の冷媒液は、流出口となる開口に取り付けられた継ぎ手２２から冷媒循環チューブ２３を通じ、ポンプ２６側の流入口である開口に供給される。ポンプ２６側の流出口となる開口とヒートシンク１４の流入口となる開口は、継ぎ手２２及び冷媒循環チューブ２３を通じて接続される。結果的に、環状の冷媒液の流路が完成し、当該流路に沿って冷媒液が循環される。ポンプ２６は、冷媒液の循環に用いられる。
【００２９】
この実施例の場合、冷媒循環チューブ２３には、図３に示す９つの特性を満たすブチルチューブを使用する。図では、実施例に係るブチルチューブの特性と従来例に係るブチルチューブの特性を対比的に表している。冷媒循環チューブ２３には、以下に示す９つの項目について規定した全ての条件を満たすものを使用する。
(1)チューブ外径：８ｍｍ以下であること。
(2)柔軟性：曲げ半径が２０ｍｍ以下であること。
(3)耐熱性：２３０℃以上まで耐えられること。
(4)可撓性：１０００万回の湾曲動作後も使用に耐え得ること。
(5)水分透過性：５０ｍｌ以下であること。
(6)腐食性：ハロゲン溶出が１００ｐｐｍ以下であること。
(7)耐熱温度（１０００時間後の伸びが５０％に達する温度）：１２０℃以上
(8)耐オゾン性（５０ｐｐｈｍ、４０℃のオゾンに２００時間曝した状態で３０％伸張させた場合における亀裂の有無）：亀裂が無い
(9)圧縮永久歪率：１０以下
【００３０】
ここで、チューブ外径と曲げ半径は、実装空間が限られるＸＹステージ１１上に冷媒循環チューブ２３を容易に敷設できるようにするために求められる条件である。従って、チューブ外径は、７．５ｍｍ以下、７ｍｍ以下、６．５ｍｍ以下、６ｍｍ以下、５．５ｍｍ以下、５ｍｍ以下でも良い。また、曲げ半径は、１９ｍｍ以下、１８ｍｍ以下、１７ｍｍ以下、１６ｍｍ以下、１５ｍｍ以下でも良い。
【００３１】
また、耐熱性に関する温度は熱暴走に備えた特性である。従って、当該耐熱温度は、２４０℃以上、２５０℃以上、２６０℃以上でも良い。また、可撓性は、ＸＹステージ１１の水平駆動に伴う冷媒循環チューブ２３の変形に対する耐性から要求される条件である。また、水分透過性は、冷媒液の水分の蒸発を最小化するための条件である。従って、水分透過性は、４５ｍｌ以下、４０ｍｌ以下、３５ｍｌ以下、３０ｍｌ以下でも良い。腐食性は、ヒートシンク１４や継ぎ手２２の腐食を防ぎ、使用寿命やメンテナンス回数の低減を実現するために要求される条件である。従って、ハロゲン溶出が９５ｐｐｍ以下、９０ｐｐｍ以下、８５ｐｐｍ以下、８０ｐｐｍ以下でも良い。また、耐熱温度は、冷媒循環チューブ２３の使用寿命に関する要件である。１０００時間後の伸びが５０％に達する温度は、１３０℃以上、１４０℃以上、１５０℃以上、１６０℃以上、１７０℃以上でも良い。耐オゾン性も、冷媒循環チューブ２３の使用寿命に関する要件である。勿論、耐オゾン性が高いほど良い。圧縮永久歪率も、冷媒循環チューブ２３の使用寿命に関する要件である。従って、圧縮永久歪率は、９以下、８以下、７以下、６以下でも良い。
【００３２】
なお、実施例において使用するブチルチューブは、チューブ外径が７ｍｍ以下、曲げ半径が１８ｍｍ、熱暴走時の耐熱性に関する温度が２５０℃、１年間の使用で蒸発する水分の量が２０ｍｌ、冷媒に溶出する塩素イオンは１１ｐｐｍ、Ｂｒイオンは１ｐｐｍ、使用寿命に関する耐熱温度は１５０℃、圧縮永久歪は６、１０００万回の動作に耐え、かつ、オゾン耐性も有することが確認された。
【００３３】
このように、実施例に係るブチルチューブは、従来例に係るブチルチューブに比して、耐熱性、耐オゾン性、圧縮永久性及び耐腐食性の各項目で優れている。逆にいうと、従来例に係るブチルチューブでは、これら項目の性能が十分ではなく、そのためにＸＹステージ１１上に搭載可能な実用レベルの温度調整ユニットを実現することができなかった。
【００３４】
図４に、実施例において使用するブチルチューブの組成例を示す。図に示すように、実施例に係るブチルチューブは、ポリマー４３％、カーボンブラック４３％、オイル９％、その他５％で構成される。その製造には、連続押し出し加硫が用いられ、その中でもＬＣＭ（Liquid Curing Medium）装置が使用される。この製造装置は、過酸化物加硫であり、硫黄加硫でない。従って、製造されたブチルチューブに硫黄が含まれることない。また、過酸化物加硫のため、耐熱老化性（長期使用に耐え得る）に優れ、永久伸びが小さく（シール性が持続する）、耐候性（特にオゾン性）に優れるという特徴が導き出される。
【００３５】
続いて、本実施例に係るシーケンサにおいて実行される解析動作の概要を説明する。なお、以下の処理動作は、制御装置１２による制御を通じて実行される。また、冷媒を用いた温度管理は、継続的に実行されている。従って、サンプルブロック１６の初期温度は、外気温（室温）に制御されている。
【００３６】
この状態で、不図示の分注機構により、フローセル１７に対して反応溶液が分注される。反応用液の分注は、ＸＹ平面内で規定された反応領域とも観察領域とも異なる分注領域で実行される。なお、フローセル１７の分注領域への移動は、ＸＹステージ１１のＸＹ平面内での位置決めを通じて実現される。
【００３７】
反応用液の分注が完了すると、制御装置１２は、ＸＹステージ１１を駆動制御し、フローセル１７を分注領域から反応領域へと移動する。反応領域は、観察領域（カメラ２１による観察が可能なＸＹ平面上の領域）とは異なる領域である。制御装置１２は、発電素子１２に与える電流量を制御し、サンプルブロック１６の温度を反応用液の反応（伸張反応）に適した温度に制御する。例えば７５℃に制御する。以下、所定の反応動作が実行される時間を反応時間という。
【００３８】
予め定めた反応時間が経過すると、制御装置１２は、ＸＹステージ１１を駆動制御し、フローセル１７に形成された流路のうち所定位置（観察位置）を光学系１９の直下である観察領域へと移動させる。すなわち、制御装置１２は、観察位置の位置出しを行う。また、制御装置１２は、光学系１９のオートフォーカスを実行し、カメラ２１において、鮮明な画像が得られるように調整する。この際、制御装置１２は、フローセル１７の温度が観察に適した温度になるように熱電素子１５の発熱量を調整する。例えば２５℃に調整する。
【００３９】
フローセル１７の温度が所定温度に安定すると、制御装置１２は、励起光源２０を発光させ、フローセル１７の所定位置（観察位置）に励起光を照射する。励起光の照射により、励起光に対応する蛍光色素が所定の蛍光色で発光する。制御装置１２は、この際の蛍光画像をカメラ２１で撮像し、撮像された蛍光画像を不図示の記憶領域に格納する。蛍光画像の撮像は、１つの観察位置につき４回（すなわち、４つの蛍光色に対応する各蛍光画像が取得されるまで）実行される。
【００４０】
１つの観察位置について４種類の蛍光画像が取得されると、制御装置１２は、ＸＹステージ１１を制御してフローセル１７上の次の観察位置に移動させ、新たな観察位置について蛍光画像の取得を繰り返す。このＸＹステージ１１の移動制御をスキャン動作といい、スキャン動作が実行される時間をスキャン時間という。
【００４１】
フローセル１７上の全ての観察位置について４種類の蛍光画像の取得が完了すると、制御装置１２は、ＸＹステージ１１を駆動制御し、フローセル１７を分注領域に移動させる。この後、制御装置１２は、不図示の分注機構を用いてフローセル１７から反応用液を廃棄し、フローセル１７内の流路を洗浄した後、新たな反応用液を分注する。この反応処理とスキャン処理は、繰り返し実行される。なお、所定のタイミングで、制御装置１２は、取得された蛍光画像をデータ解析し、サンプルの核酸配列を解析する。
【００４２】
前述の通り、本実施例に係るシーケンサは、冷媒液による冷却と熱電素子１５による加熱を通じてフローセル１７の温度を各処理に適した所定の温度に調整する。この際、本実施例に係るシーケンサにおいては、冷却ファンなどの振動源を、ＸＹステージ１１やフローセル１７の近傍位置から離すことができる。このため、フローセル１７やフローセル内の反応溶液の揺れを原因とするフォーカスドリフトの発生を無視又は抑制することができる。
【００４３】
また、本実施例に係るシーケンサでは、空冷式を採用する場合のように、フローセル１７から熱を奪った空気が、フローセル１７の周囲に位置する機械部品等を熱伸縮させる可能性もない。このため、高い精度の蛍光画像（画像データ）を大量に算出することができ、データ解析時間の短縮と解析精度の向上を同時に実現することができる。
【００４４】
また、本実施例に係るシーケンサは、空冷式の場合のように、ＸＹステージ１１の周辺に十分な風量を供給するための機構を配置する必要がない。このため、ＸＹステージ１１を収容する筐体の小型化を実現することができる。
【００４５】
＜実施例２＞
ここでは、前述したシーケンサのより具体的な構成例を示す。図５に光学系１９の具体的な構成を示し、図６に温度調整ユニット１３の具体的な構成を示す。なお、図５及び図６には、図１との対応部分に同一符号を付して示す。
【００４６】
まず、光学系１９の詳細構成を説明する。光学系１９は、対物レンズ３１、Ｚステージ３２、ライトガイド３３、ダイクロイックプリズム３４、集光レンズ３５で構成する。Ｚステージ３２は、対物レンズ３１とフローセル１７の距離を調整するための機構である。Ｚステージ３２は、制御装置１２により、鉛直方向（Ｚ軸方向）に可動制御される。Ｚステージ３２の取り付け高さの調整により、対物レンズ３１のフォーカスが調整される。
【００４７】
ライトガイド３３は、励起光源２０（例えばキセノンランプ）から発生された励起光をダイクロイックプリズム３４に導く導光管である。例えばガラスファイバ、内部を液体で満たした中空ファイバを使用する。
【００４８】
ダイクロイックプリズム３４は、ライトガイド３３から入射された励起光をフローセル１７に屈折させると共に、励起光の照射領域で発生した蛍光を集光レンズ３５に通過させる。なお、ダイクロイックプリズム３４において蛍光色をフィルタリングする場合、対物レンズ３１とダイクロイックプリズム３４又はダイクロイックプリズム３４と集光レンズ３５の光路上に、個別の蛍光色成分だけを選択的に通過させることができる光学フィルタを切り替え可能に配置する。光学フィルタの切り替えは、制御装置１２が制御する。
【００４９】
ダイクロイックプリズム３４を通過した蛍光は、集光レンズ３５を通過してカメラ２１（例えばＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラ）の撮像面上に結像される。
【００５０】
次に、温度調整ユニット１３の詳細構成を説明する。図６は、温度調整ユニット１３の側断面図である。温度調整ユニット１３は、ヒートシンク１４、熱電素子１５、サンプルブロック１６及びクランプ３７で構成される。図６に示すように、ヒートシンク１４にはアース端子３８が設けられている。アース端子３８には不図示のアース線が接続される。また、この実施例の場合、ヒートシンク１４にも温度センサ１８が配置される。測定された温度は、制御装置１２に伝送される。
【００５１】
ヒートシンク１４の上面には、複数個の熱電素子１５（例えばペルチェ素子）が配置される。図では、熱電素子１５が３個の例を表しているが、個数は１個でも、２個でも、４個以上でも構わない。この実施例の場合、サンプルブロック１６の裏面側に複数個の温度センサ１８とサーマルプロテクタ３９が配置される。サーマルプロテクタ３９は、サンプルブロック１６の加熱を防止する安全装置であり、サーマルプロテクタ３９の温度が許容範囲を超えると、対応する熱電素子１５への給電を自動的に遮断する。また、サーマルブロック１６の表面側には、フローセル１７を固定するためのクランプ３７が配置される。図では、クランプ３７が１個の例を表しているが、複数個でも構わない。
【００５２】
図７に、実施例に係る温度調整ユニット１３の外観使用例を示す。図に示すように、冷媒循環チューブ２３は、Ｘ軸方向にもＹ軸方向にも湾曲した状態で用いられる。すなわち、ＸＹステージ１１の駆動に応じ、Ｘ軸方向にもＹ軸方向にも曲げ伸ばしされる。図７には、冷媒循環チューブ２３や他のケーブル類を保護するガイド４０を装着した例を表している。
【００５３】
＜実施例３＞
ここでは、前述した実施例に対する変形例を説明する。前述の実施例においては、ＸＹステージ１１上に、温度調整ユニット１３を１台だけ搭載する例について説明した。しかし、複数台の温度調整ユニット１３を、ＸＹステージ１１上に搭載することもできる。図８に、ＸＹステージ１１上に２台の温度調整ユニット１３を搭載する例を示す。なお、図８には、図６との対応部分に同一符号を付して表している。
【００５４】
図８に示すように、２台の温度調整ユニット１３をＸＹステージ１１上に搭載する場合、温度調整ユニット１３に対する冷媒液の供給方法には２通りの方法が考えられる。１つは、図９に示すように、冷媒液の流路を２つに分岐して並列に供給する方法である。この場合、Ｔ字形状の継ぎ手４１を使用する。他の１つは、図１０に示すように、冷媒液の流路に対して２台の温度調整ユニット１３を直列に接続する方法である。２つの供給方式は、設置スペース等を加味して選択すれば良い。
【００５５】
図１１に、本実施例に係るシーケンサにおけるＸＹステージ１１への温度調整ユニット１３の実装例を示す。図に示す２台の温度調整ユニット１３に対する冷媒液の供給は、不図示の冷媒循環チューブ２３を通じ、図９又は図１０で説明するいずれかの接続形態により行う。
【００５６】
図１２に、４台の温度調整ユニット１３をＸＹステージ１１上に搭載する場合における冷媒循環チューブ２３の接続例を示す。図１２は、図１０の場合と同様、冷媒循環チューブ２３に対して４台の温度調整ユニット１３を直列に接続する例である。
【００５７】
図１３に、本実施例のように複数台の温度調整ユニット１３を搭載する場合における反応時間とスキャン時間の関係を示す。図１３のケース１は、温度調整ユニット１３が２台搭載される場合（すなわち、フローセル１及び２が搭載される場合）を示す。また、図１３のケース２は、温度調整ユニット１３が３台搭載される場合（すなわち、フローセル１、２及び３が搭載される場合）を示す。また、図１３のケース３は、４台搭載される場合（すなわち、フローセル１、２、３及び４が搭載される場合）を示す。
【００５８】
図中、各フローセルにおいて反応動作が実行される時間を黒で塗りつぶした矩形パターンで示し、スキャン動作が実行される時間を白抜きの矩形パターンで示す。タイミングチャート欄に示すように、１つのフローセルにおいて、反応時間とスキャン時間は交互に実行される。また、スキャン時間は、複数のフローセル間で排他的に実行される必要がある。すなわち、ある１つの時点で、スキャン対象となり得るフローセルは、常に１つだけである。
【００５９】
従って、ケース１の場合、反応時間とスキャン時間の比は１対１となる。また、ケース２の場合、反応時間とスキャン時間の比は２対１となる。また、ケース３の場合、反応時間とスキャン時間の比は３対１となる。図は、ＸＹステージ１１上に搭載されるフローセル１７の数（温度調整ユニット１３の数）が増えるほど、一定の時間を必要とする反応期間の重複度を高めることが可能となり、システム全体としてのスループットを向上できることを示している。
【００６０】
＜実施例４＞
図１４に、冷媒循環チューブ２３の他の接続例を示す。前述した実施例では、ヒートシンク１４と熱交換器２４の間、熱交換器２４とタンク２５の間、タンク２５とポンプ２６の間、ポンプ２６とヒートシンク１４の間を、それぞれ１本の冷媒循環チューブ２３で接続する場合について説明した。
【００６１】
しかし、これら１本の冷媒循環チューブ２３で接続されている区間を、複数本の冷媒循環チューブ２３を継ぎ手４２によって直列に連結する形態に置換しても良い。この場合、冷媒循環チューブ２３の交換や冷媒液の廃棄交換が容易となり、保守性が向上される。
【００６２】
＜実施例５＞
ここでは、ヒートシンク１４に好適な構造例を説明する。前述したように、ヒートシンク１４内には、冷媒液を循環させるための流路が形成される。冷媒液を循環させる流路を有するヒートシンク１４の製造方法には、例えばヒートシンク１４を構成する金属ブロック（例えば銅ブロック）を２つに分割し、分割面に流路を加工した後、再び分割面同士を結合させる方法が考えられる。
【００６３】
本実施例では、直方体形状の金属ブロックを直接外部から加工することにより、必要とされる内部構造を形成する方法を提案する。本実施例に係る製造方法により製造されたヒートシンク１４の外観構造を図１５に示し、図１６にその内部構造を示す。図１５に示すように、本実施例に係るヒートシンク１４は、直方体の金属ブロックの少なくとも２側面に開口を有している。図１５の場合、紙面に向かって右面に２つ、正面に１つ、背面に１つ（不図示）、左面に１つの開口を有している。
【００６４】
各開口からは、金属ブロックの内部に直線的に延びる５本の孔５１〜５５が形成されている。すなわち、金属ブロックの外部からドリルを挿入し、直線状の孔５１〜５５を形成する。このうち、直交する２本の孔同士が、金属ブロックの内部で交差する。例えば孔５１と５２が内部で交差し、孔５１と５３が交差し、孔５３と５４が交差し、孔５４と５５が交差する。直交する２つの孔同士が１つの交点でのみ連結されることにより、金属ブロックの内部に流入口から流出口に達する１本の流路が形成される。
【００６５】
ただし、５つの開口のうち３つは、流入口でも出力口でもない開口である。例えば図１６の場合、孔５２と５５に対応する開口が冷媒循環用の流入口及び流出口として用いられ、残る３つの孔５１、５３及び５４に対応する開口が流入口にも流出口に該当しない開口である。そこで、流入口又は流出口となる開口には継ぎ手２２を取り付ける一方で、残る３つ開口には封止具（キャップ）４３を取り付ける。封止具４３の取り付けにより、ヒートシンク１４の内部には、流入口から流出口につながる１本の流路が完成する。
【００６６】
このよう、本実施例にて説明する加工手法の採用により、加工項数の少ないヒートシンク１４を実現することができる。
【００６７】
＜他の形態例＞
本発明は上述した形態例に限定されるものでなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した形態例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある形態例の一部を他の形態例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の形態例の構成を加えることも可能である。また、各形態例の構成の一部について、他の構成を追加、削除又は置換することも可能である。
【符号の説明】
【００６８】
１１…ＸＹステージ、１２…制御装置、１３…温度調整ユニット、１４…ヒートシンク、１５…熱電素子、１６…サンプルブロック、１７…フローセル、１８…温度センサ、１９…光学系、２０…励起光源、２１…カメラ、２２…継ぎ手、２３…冷媒循環チューブ、２４…熱交換器、２５…タンク、２６…ポンプ、２７…流路、２８、２９…セプタ、３１…対物レンズ、３２…Ｚステージ、３３…ライトガイド、３４…ダイクロイックプリズム、３５…集光レンズ、３７…クランプ、３８…アース端子、３９…サーマルプロテクタ、４０…ガイド、４１、４２…継ぎ手、４３…封止具、５１、５２、５３、５４、５５…孔。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、核酸配列解析装置に関する。より具体的には、例えば、ＤＮＡ又はＲＮＡなどの核酸の塩基配列の解析に使用される装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
生来由来のサンプル中に含まれる核酸配列の解析には、シーケンサと呼ばれる核酸配列解析装置が使用される。シーケンサには、採用する解析方式に応じて様々な装置構成が提案されている。
【０００３】
本明細書では、サンプルを含む反応溶液が注入されたフローセルを、水平面内で駆動可能なステージ（以下「ＸＹステージ」という。）上に搭載し、当該ＸＹステージ上で伸張反応工程と蛍光観察工程を順次実行するシーケンサを想定する。
【０００４】
この種のシーケンサは、ＸＹステージの駆動制御を通じ、伸張反応工程が終了したフローセルを観察領域に位置決めし、励起光の照射により発生する蛍光を観察する。この際、伸張反応に適したサンプル温度と蛍光観察に適した温度が異なる。このため、フローセルの温度を調整できる仕組みが必要となる。現在、空冷式の温度調整機構を採用するシーケンサが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８／００３８１６３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
空冷式の温度調整機構は、フローセルに対して温度管理された空気を供給し又はフローセル近傍から空気を排出する。この際、空冷ファンを使用する。空冷ファンの配置は、シーケンサの構造等による制約を受ける。例えば空冷ファンは、ＸＹステージ上に載置されたフローセルの近傍に配置される。
【０００７】
しかし、フローセルの近傍に空冷ファンを配置すると、空冷ファンの回転により発生した振動がフローセルに伝搬する可能性がある。場合によっては、フローセル内のサンプルに意図せぬ動きを与える可能性もある。シーケンサの光学系は感度が非常に高い。このため、観察視野内でサンプルがわずかでも動くと、フォーカスドリフトの原因となる。また、空冷ファンをフローセルの近傍に配置する場合、フローセルから奪われた熱の影響でフローセルやその近傍の機構が熱伸縮し、フォーカスドリフトを発生させることがある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、当該技術課題を鋭意検討した結果、水平駆動ステージ上に冷媒循環型の温度調整ユニットを搭載し、当該温度調整ユニットによりフローセルの載置面温度を所定の温度に調整できる核酸配列解析装置を提案する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、フォーカスドリフトの発生を抑制又は無くすことができ、従来に比して解析精度の高い核酸配列解析装置を実現することができる。
【００１０】
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例１に係るシーケンサの概略構成を示す図。
【図２】フローセルの構成例を示す図。
【図３】実施例１に係る冷媒循環チューブの特性と従来例に係る冷媒循環チューブの特性を比較的に示す図。
【図４】実施例１に係る冷媒循環チューブの組成を示す図。
【図５】実施例２に係るシーケンサの構成例を示す図。
【図６】実施例２に係る温度調整ユニットの搭載例を示す図。
【図７】実施例２に係る温度調整ユニットの外観搭載例を示す図。
【図８】実施例３に係るシーケンサにおける温度調整ユニットの搭載例を示す図。
【図９】冷媒循環チューブの接続例を示す図。
【図１０】冷媒循環チューブの他の接続例を示す図。
【図１１】実施例３に係る温度調整ユニットの外観搭載例を示す図。
【図１２】４つの温度調整ユニットに対して冷媒液を直列に供給する例を説明する図。
【図１３】複数台の温度調整ユニットをＸＹステージ上に搭載する場合の処理動作を説明する図。
【図１４】冷媒循環チューブの接続形態を説明する図。
【図１５】ヒートシンクの外観構造例を示す図。
【図１６】ヒートシンクの内部構造例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面に基づいて、発明の実施例を説明する。
【００１３】
＜用語＞
本明細書において、「核酸配列」は、核酸材料それ自体も含むものとする。また、「核酸配列」は、特定の核酸、例えばＤＮＡ又はＲＮＡ分子を生化学的にキャラクタライズする配列情報（すなわち、５つの塩基の文字Ａ、Ｇ、Ｃ、Ｔ又はＵから選択される文字の連続）に限定されないものとする。
【００１４】
また、「生体」は、複製が可能であり、配列決定の対象となる核酸を含む任意の生体的又は非生体的存在体を示すために用いるものとする。「生体」には、例えばプラスミド、ウイルス、原核生物、古細菌及び真核生物の細胞、細胞株、真菌、原生動物、植物、動物などが含まれる。
【００１５】
また、「反応溶液」は、プローブを固定したビーズと、蛍光標識されたヌクレオチドと、４種類の基質（ｄＡＴＰ、ｄＣＴＰ、ｄＧＴＰ、ｄＴＴＰ）、酵素（ポリメラーゼ）との混合液とする。ここで、ビーズは、直径が約１ミクロン程度の実質的に球状の微粒子をいう。なお、ビーズの直径は、１０ミクロン以下でも良く、０．５ミクロン以下でも良い。蛍光標識として、４種類の基質ｄＡＴＰ、ｄＣＴＰ、ｄＴＴＰ、ｄＧＴＰにそれぞれ対応する４色の蛍光色素を使用する。
【００１６】
＜実施例１＞
図１に、ＸＹステージを実装するシーケンサの概略構成例を示す。ここでのシーケンサは、ＸＹステージの水平駆動により、反応溶液が注入されたフローセルを所望の反応領域又は観察領域に位置決めする。また、ここでのシーケンサは、核酸配列の増幅（伸張）に、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ：Polymerase Chain Reaction）法を使用する。ＰＣＲ法は、反応溶液の温度を予め定められた条件に従って制御することにより、所望の核酸配列を選択的に増幅する手法である。
【００１７】
図１に示すシーケンサは、ＸＹステージ１１、制御装置１２、温度調整ユニット１３、フローセル１７、温度センサ１８、光学系１９、励起光源２０、カメラ２１、冷媒循環チューブ２３、熱交換器２４、タンク２５及びポンプ２６を有する。
【００１８】
ＸＹステージ１１は、不図示のステージ駆動機構により、Ｘ軸方向とＹ軸方向のそれぞれについて独立に駆動される。ＸＹステージ１１の位置決めは、制御装置１２により行う。制御装置１２は、いわゆる計算機である。
【００１９】
ＸＹステージ１１上には、温度調整ユニット１３が載置される。図では、温度調整ユニット１３を太枠で示す。本実施例の場合、温調調整ユニット１３は、ＸＹステージ１１上に１台だけ搭載されている。
【００２０】
温度調整ユニット１３は、反応溶液が注入されたフローセル１７の載置台として使用されると共に、フローセル１７の温度を適切な反応温度や観察温度に調整するために使用される。温度調整ユニット１３は、ヒートシンク１４、熱電素子１５及びサンプルブロック１６で構成される。これらの部材は、ＸＹステージ１１の側から上方に積層されている。
【００２１】
ヒートシンク１４は、導電性の高い金属ブロックで構成される。例えば銅製の金属ブロックで構成される。ヒートシンク１４の内部には、冷媒液（純水、不凍液等）の循環に使用する流路が形成されている。
【００２２】
熱電素子１５は、制御装置１２より供給される電流量に応じた熱を発生する。すなわち、熱電素子１５は、電気エネルギーを熱エネルギーに変換する。熱電素子１５として、例えばペルチェ素子を使用する。ペルチェ素子を用いる場合、加熱だけでなく冷却にも使用できる。
【００２３】
サンプルブロック１６の表面（上面）には、フローセル１７が載置される。すなわち、サンプルブロック１６は、フローセル１７の台座として機能する。また、サンプルブロック１６は、フローセル１７に対して効率的に熱を伝搬できるように熱伝導性の高い材質で構成される。例えばアルミニウム板で構成される。なお、サンプルブロック１６の側面又は近傍には、サンプルブロック１６の温度を測定する温度センサ１８を配置する。温度センサ１８は、ヒートシンク１４の温度を測定対象としても良く、フローセル１７の温度を測定対象としても良い。温度センサ１８の測定データは、制御装置１２に与えられる。制御装置１２は、測定温度が所定の温度になるように、熱電素子１５に供給する電流量を増減する。
【００２４】
フローセル１７には、光透過性（例えばガラス、ＰＤＭＳ（polydimethylsilozane））のプレートを使用する。フローセル１７は、その内部に、反応溶液の流路を有している。流路の本数は１本でも複数本でも良い。図２に、フローセル１７の構造例を示す。図２に示すフローセル１７には複数本の流路２７が形成されている。流路２７の両端には、反応溶液等の入出口となるセプタ２８（入力側）及び２９（出力側）が配置される。セプタ２８及び２９には、不図示の分注機構を通じ、反応溶液の分注又は排出が行われる。
【００２５】
フローセル１７の上方には、光学系１９が配置される。励起光源２０で発生された励起光は、光学系１９を通じ、反応が終了したフローセル１７の所定位置を照射される。励起光源２０は、４つの異なる蛍光色素に対応して４つ設けても良い。もっとも、蛍光色素の励起が可能であれば、励起光源２０の数は４つより少なくても良い。例えば励起光源の数は１つでも良い。なお、光源の数が４つより少ない場合、蛍光色の分離を可能とするフィルタを光学系１９に配置することが望ましい。励起光の照射は、制御部１２により制御する。また、蛍光の観察には、カメラ２１を使用する。
【００２６】
前述したように、ヒートシンク１４の内部には、冷媒液を循環させるための流路が形成されている。このため、ヒートシンク１４の側面の一部には、冷媒液の流入口となる開口と冷媒液の流出口となる開口が設けられる。各開口には、継ぎ手２２が取り付けられる。例えば冷媒液の流出口に取り付けられた継ぎ手２２には、可撓性を有する冷媒循環チューブ２３の一端が連結され、当該チューブの他端には継ぎ手２２を通じて熱交換器２４が接続される。
【００２７】
熱交換器２４は、冷媒液の循環を通じて回収された熱を外気に放出し、冷媒液の温度を外気温（室温）に低下させる。すなわち、熱交換器２４は、冷媒液の温度を一定温度に管理された外気温（例えば２５℃）に調整する。なお、ヒートシンク１４から熱交換器２４に至るまでの冷媒循環チューブ２３の長さは十分な長さだけ確保する。引き出し長を十分確保することにより、熱交換器２４をＸＹステージ１１やフローセル１７から十分に離すことができる。このことは、空冷ファン等の振動源をＸＹステージ１１やフローセル１７から離すことができることを意味する。
【００２８】
熱交換器２４において熱交換された後の冷媒液は、継ぎ手２２及び冷媒循環チューブ２３を通じてタンク２５に供給される。タンク２５は、冷媒液の一時的な貯蔵庫である。タンク２５内の冷媒液は、流出口となる開口に取り付けられた継ぎ手２２から冷媒循環チューブ２３を通じ、ポンプ２６側の流入口である開口に供給される。ポンプ２６側の流出口となる開口とヒートシンク１４の流入口となる開口は、継ぎ手２２及び冷媒循環チューブ２３を通じて接続される。結果的に、環状の冷媒液の流路が完成し、当該流路に沿って冷媒液が循環される。ポンプ２６は、冷媒液の循環に用いられる。
【００２９】
この実施例の場合、冷媒循環チューブ２３には、図３に示す９つの特性を満たすブチルチューブを使用する。図では、実施例に係るブチルチューブの特性と従来例に係るブチルチューブの特性を対比的に表している。冷媒循環チューブ２３には、以下に示す９つの項目について規定した全ての条件を満たすものを使用する。
(1)チューブ外径：８ｍｍ以下であること。
(2)柔軟性：曲げ半径が２０ｍｍ以下であること。
(3)耐熱性：２３０℃以上まで耐えられること。
(4)可撓性：１０００万回の湾曲動作後も使用に耐え得ること。
(5)水分透過性：５０ｍｌ以下であること。
(6)腐食性：ハロゲン溶出が１００ｐｐｍ以下であること。
(7)耐熱温度（１０００時間後の伸びが５０％に達する温度）：１２０℃以上
(8)耐オゾン性（５０ｐｐｈｍ、４０℃のオゾンに２００時間曝した状態で３０％伸張させた場合における亀裂の有無）：亀裂が無い
(9)圧縮永久歪率：１０以下
【００３０】
ここで、チューブ外径と曲げ半径は、実装空間が限られるＸＹステージ１１上に冷媒循環チューブ２３を容易に敷設できるようにするために求められる条件である。従って、チューブ外径は、７．５ｍｍ以下、７ｍｍ以下、６．５ｍｍ以下、６ｍｍ以下、５．５ｍｍ以下、５ｍｍ以下でも良い。また、曲げ半径は、１９ｍｍ以下、１８ｍｍ以下、１７ｍｍ以下、１６ｍｍ以下、１５ｍｍ以下でも良い。
【００３１】
また、耐熱性に関する温度は熱暴走に備えた特性である。従って、当該耐熱温度は、２４０℃以上、２５０℃以上、２６０℃以上でも良い。また、可撓性は、ＸＹステージ１１の水平駆動に伴う冷媒循環チューブ２３の変形に対する耐性から要求される条件である。また、水分透過性は、冷媒液の水分の蒸発を最小化するための条件である。従って、水分透過性は、４５ｍｌ以下、４０ｍｌ以下、３５ｍｌ以下、３０ｍｌ以下でも良い。腐食性は、ヒートシンク１４や継ぎ手２２の腐食を防ぎ、使用寿命やメンテナンス回数の低減を実現するために要求される条件である。従って、ハロゲン溶出が９５ｐｐｍ以下、９０ｐｐｍ以下、８５ｐｐｍ以下、８０ｐｐｍ以下でも良い。また、耐熱温度は、冷媒循環チューブ２３の使用寿命に関する要件である。１０００時間後の伸びが５０％に達する温度は、１３０℃以上、１４０℃以上、１５０℃以上、１６０℃以上、１７０℃以上でも良い。耐オゾン性も、冷媒循環チューブ２３の使用寿命に関する要件である。勿論、耐オゾン性が高いほど良い。圧縮永久歪率も、冷媒循環チューブ２３の使用寿命に関する要件である。従って、圧縮永久歪率は、９以下、８以下、７以下、６以下でも良い。
【００３２】
なお、実施例において使用するブチルチューブは、チューブ外径が７ｍｍ以下、曲げ半径が１８ｍｍ、熱暴走時の耐熱性に関する温度が２５０℃、１年間の使用で蒸発する水分の量が２０ｍｌ、冷媒に溶出する塩素イオンは１１ｐｐｍ、Ｂｒイオンは１ｐｐｍ、使用寿命に関する耐熱温度は１５０℃、圧縮永久歪は６、１０００万回の動作に耐え、かつ、オゾン耐性も有することが確認された。
【００３３】
このように、実施例に係るブチルチューブは、従来例に係るブチルチューブに比して、耐熱性、耐オゾン性、圧縮永久性及び耐腐食性の各項目で優れている。逆にいうと、従来例に係るブチルチューブでは、これら項目の性能が十分ではなく、そのためにＸＹステージ１１上に搭載可能な実用レベルの温度調整ユニットを実現することができなかった。
【００３４】
図４に、実施例において使用するブチルチューブの組成例を示す。図に示すように、実施例に係るブチルチューブは、ポリマー４３％、カーボンブラック４３％、オイル９％、その他５％で構成される。その製造には、連続押し出し加硫が用いられ、その中でもＬＣＭ（Liquid Curing Medium）装置が使用される。この製造装置は、過酸化物加硫であり、硫黄加硫でない。従って、製造されたブチルチューブに硫黄が含まれることない。また、過酸化物加硫のため、耐熱老化性（長期使用に耐え得る）に優れ、永久伸びが小さく（シール性が持続する）、耐候性（特にオゾン性）に優れるという特徴が導き出される。
【００３５】
続いて、本実施例に係るシーケンサにおいて実行される解析動作の概要を説明する。なお、以下の処理動作は、制御装置１２による制御を通じて実行される。また、冷媒を用いた温度管理は、継続的に実行されている。従って、サンプルブロック１６の初期温度は、外気温（室温）に制御されている。
【００３６】
この状態で、不図示の分注機構により、フローセル１７に対して反応溶液が分注される。反応用液の分注は、ＸＹ平面内で規定された反応領域とも観察領域とも異なる分注領域で実行される。なお、フローセル１７の分注領域への移動は、ＸＹステージ１１のＸＹ平面内での位置決めを通じて実現される。
【００３７】
反応用液の分注が完了すると、制御装置１２は、ＸＹステージ１１を駆動制御し、フローセル１７を分注領域から反応領域へと移動する。反応領域は、観察領域（カメラ２１による観察が可能なＸＹ平面上の領域）とは異なる領域である。制御装置１２は、発電素子１２に与える電流量を制御し、サンプルブロック１６の温度を反応用液の反応（伸張反応）に適した温度に制御する。例えば７５℃に制御する。以下、所定の反応動作が実行される時間を反応時間という。
【００３８】
予め定めた反応時間が経過すると、制御装置１２は、ＸＹステージ１１を駆動制御し、フローセル１７に形成された流路のうち所定位置（観察位置）を光学系１９の直下である観察領域へと移動させる。すなわち、制御装置１２は、観察位置の位置出しを行う。また、制御装置１２は、光学系１９のオートフォーカスを実行し、カメラ２１において、鮮明な画像が得られるように調整する。この際、制御装置１２は、フローセル１７の温度が観察に適した温度になるように熱電素子１５の発熱量を調整する。例えば２５℃に調整する。
【００３９】
フローセル１７の温度が所定温度に安定すると、制御装置１２は、励起光源２０を発光させ、フローセル１７の所定位置（観察位置）に励起光を照射する。励起光の照射により、励起光に対応する蛍光色素が所定の蛍光色で発光する。制御装置１２は、この際の蛍光画像をカメラ２１で撮像し、撮像された蛍光画像を不図示の記憶領域に格納する。蛍光画像の撮像は、１つの観察位置につき４回（すなわち、４つの蛍光色に対応する各蛍光画像が取得されるまで）実行される。
【００４０】
１つの観察位置について４種類の蛍光画像が取得されると、制御装置１２は、ＸＹステージ１１を制御してフローセル１７上の次の観察位置に移動させ、新たな観察位置について蛍光画像の取得を繰り返す。このＸＹステージ１１の移動制御をスキャン動作といい、スキャン動作が実行される時間をスキャン時間という。
【００４１】
フローセル１７上の全ての観察位置について４種類の蛍光画像の取得が完了すると、制御装置１２は、ＸＹステージ１１を駆動制御し、フローセル１７を分注領域に移動させる。この後、制御装置１２は、不図示の分注機構を用いてフローセル１７から反応用液を廃棄し、フローセル１７内の流路を洗浄した後、新たな反応用液を分注する。この反応処理とスキャン処理は、繰り返し実行される。なお、所定のタイミングで、制御装置１２は、取得された蛍光画像をデータ解析し、サンプルの核酸配列を解析する。
【００４２】
前述の通り、本実施例に係るシーケンサは、冷媒液による冷却と熱電素子１５による加熱を通じてフローセル１７の温度を各処理に適した所定の温度に調整する。この際、本実施例に係るシーケンサにおいては、冷却ファンなどの振動源を、ＸＹステージ１１やフローセル１７の近傍位置から離すことができる。このため、フローセル１７やフローセル内の反応溶液の揺れを原因とするフォーカスドリフトの発生を無視又は抑制することができる。
【００４３】
また、本実施例に係るシーケンサでは、空冷式を採用する場合のように、フローセル１７から熱を奪った空気が、フローセル１７の周囲に位置する機械部品等を熱伸縮させる可能性もない。このため、高い精度の蛍光画像（画像データ）を大量に算出することができ、データ解析時間の短縮と解析精度の向上を同時に実現することができる。
【００４４】
また、本実施例に係るシーケンサは、空冷式の場合のように、ＸＹステージ１１の周辺に十分な風量を供給するための機構を配置する必要がない。このため、ＸＹステージ１１を収容する筐体の小型化を実現することができる。
【００４５】
＜実施例２＞
ここでは、前述したシーケンサのより具体的な構成例を示す。図５に光学系１９の具体的な構成を示し、図６に温度調整ユニット１３の具体的な構成を示す。なお、図５及び図６には、図１との対応部分に同一符号を付して示す。
【００４６】
まず、光学系１９の詳細構成を説明する。光学系１９は、対物レンズ３１、Ｚステージ３２、ライトガイド３３、ダイクロイックプリズム３４、集光レンズ３５で構成する。Ｚステージ３２は、対物レンズ３１とフローセル１７の距離を調整するための機構である。Ｚステージ３２は、制御装置１２により、鉛直方向（Ｚ軸方向）に可動制御される。Ｚステージ３２の取り付け高さの調整により、対物レンズ３１のフォーカスが調整される。
【００４７】
ライトガイド３３は、励起光源２０（例えばキセノンランプ）から発生された励起光をダイクロイックプリズム３４に導く導光管である。例えばガラスファイバ、内部を液体で満たした中空ファイバを使用する。
【００４８】
ダイクロイックプリズム３４は、ライトガイド３３から入射された励起光をフローセル１７に屈折させると共に、励起光の照射領域で発生した蛍光を集光レンズ３５に通過させる。なお、ダイクロイックプリズム３４において蛍光色をフィルタリングする場合、対物レンズ３１とダイクロイックプリズム３４又はダイクロイックプリズム３４と集光レンズ３５の光路上に、個別の蛍光色成分だけを選択的に通過させることができる光学フィルタを切り替え可能に配置する。光学フィルタの切り替えは、制御装置１２が制御する。
【００４９】
ダイクロイックプリズム３４を通過した蛍光は、集光レンズ３５を通過してカメラ２１（例えばＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラ）の撮像面上に結像される。
【００５０】
次に、温度調整ユニット１３の詳細構成を説明する。図６は、温度調整ユニット１３の側断面図である。温度調整ユニット１３は、ヒートシンク１４、熱電素子１５、サンプルブロック１６及びクランプ３７で構成される。図６に示すように、ヒートシンク１４にはアース端子３８が設けられている。アース端子３８には不図示のアース線が接続される。また、この実施例の場合、ヒートシンク１４にも温度センサ１８が配置される。測定された温度は、制御装置１２に伝送される。
【００５１】
ヒートシンク１４の上面には、複数個の熱電素子１５（例えばペルチェ素子）が配置される。図では、熱電素子１５が３個の例を表しているが、個数は１個でも、２個でも、４個以上でも構わない。この実施例の場合、サンプルブロック１６の裏面側に複数個の温度センサ１８とサーマルプロテクタ３９が配置される。サーマルプロテクタ３９は、サンプルブロック１６の加熱を防止する安全装置であり、サーマルプロテクタ３９の温度が許容範囲を超えると、対応する熱電素子１５への給電を自動的に遮断する。また、サーマルブロック１６の表面側には、フローセル１７を固定するためのクランプ３７が配置される。図では、クランプ３７が１個の例を表しているが、複数個でも構わない。
【００５２】
図７に、実施例に係る温度調整ユニット１３の外観使用例を示す。図に示すように、冷媒循環チューブ２３は、Ｘ軸方向にもＹ軸方向にも湾曲した状態で用いられる。すなわち、ＸＹステージ１１の駆動に応じ、Ｘ軸方向にもＹ軸方向にも曲げ伸ばしされる。図７には、冷媒循環チューブ２３や他のケーブル類を保護するガイド４０を装着した例を表している。
【００５３】
＜実施例３＞
ここでは、前述した実施例に対する変形例を説明する。前述の実施例においては、ＸＹステージ１１上に、温度調整ユニット１３を１台だけ搭載する例について説明した。しかし、複数台の温度調整ユニット１３を、ＸＹステージ１１上に搭載することもできる。図８に、ＸＹステージ１１上に２台の温度調整ユニット１３を搭載する例を示す。なお、図８には、図６との対応部分に同一符号を付して表している。
【００５４】
図８に示すように、２台の温度調整ユニット１３をＸＹステージ１１上に搭載する場合、温度調整ユニット１３に対する冷媒液の供給方法には２通りの方法が考えられる。１つは、図９に示すように、冷媒液の流路を２つに分岐して並列に供給する方法である。この場合、Ｔ字形状の継ぎ手４１を使用する。他の１つは、図１０に示すように、冷媒液の流路に対して２台の温度調整ユニット１３を直列に接続する方法である。２つの供給方式は、設置スペース等を加味して選択すれば良い。
【００５５】
図１１に、本実施例に係るシーケンサにおけるＸＹステージ１１への温度調整ユニット１３の実装例を示す。図に示す２台の温度調整ユニット１３に対する冷媒液の供給は、不図示の冷媒循環チューブ２３を通じ、図９又は図１０で説明するいずれかの接続形態により行う。
【００５６】
図１２に、４台の温度調整ユニット１３をＸＹステージ１１上に搭載する場合における冷媒循環チューブ２３の接続例を示す。図１２は、図１０の場合と同様、冷媒循環チューブ２３に対して４台の温度調整ユニット１３を直列に接続する例である。
【００５７】
図１３に、本実施例のように複数台の温度調整ユニット１３を搭載する場合における反応時間とスキャン時間の関係を示す。図１３のケース１は、温度調整ユニット１３が２台搭載される場合（すなわち、フローセル１及び２が搭載される場合）を示す。また、図１３のケース２は、温度調整ユニット１３が３台搭載される場合（すなわち、フローセル１、２及び３が搭載される場合）を示す。また、図１３のケース３は、４台搭載される場合（すなわち、フローセル１、２、３及び４が搭載される場合）を示す。
【００５８】
図中、各フローセルにおいて反応動作が実行される時間を黒で塗りつぶした矩形パターンで示し、スキャン動作が実行される時間を白抜きの矩形パターンで示す。タイミングチャート欄に示すように、１つのフローセルにおいて、反応時間とスキャン時間は交互に実行される。また、スキャン時間は、複数のフローセル間で排他的に実行される必要がある。すなわち、ある１つの時点で、スキャン対象となり得るフローセルは、常に１つだけである。
【００５９】
従って、ケース１の場合、反応時間とスキャン時間の比は１対１となる。また、ケース２の場合、反応時間とスキャン時間の比は２対１となる。また、ケース３の場合、反応時間とスキャン時間の比は３対１となる。図は、ＸＹステージ１１上に搭載されるフローセル１７の数（温度調整ユニット１３の数）が増えるほど、一定の時間を必要とする反応期間の重複度を高めることが可能となり、システム全体としてのスループットを向上できることを示している。
【００６０】
＜実施例４＞
図１４に、冷媒循環チューブ２３の他の接続例を示す。前述した実施例では、ヒートシンク１４と熱交換器２４の間、熱交換器２４とタンク２５の間、タンク２５とポンプ２６の間、ポンプ２６とヒートシンク１４の間を、それぞれ１本の冷媒循環チューブ２３で接続する場合について説明した。
【００６１】
しかし、これら１本の冷媒循環チューブ２３で接続されている区間を、複数本の冷媒循環チューブ２３を継ぎ手４２によって直列に連結する形態に置換しても良い。この場合、冷媒循環チューブ２３の交換や冷媒液の廃棄交換が容易となり、保守性が向上される。
【００６２】
＜実施例５＞
ここでは、ヒートシンク１４に好適な構造例を説明する。前述したように、ヒートシンク１４内には、冷媒液を循環させるための流路が形成される。冷媒液を循環させる流路を有するヒートシンク１４の製造方法には、例えばヒートシンク１４を構成する金属ブロック（例えば銅ブロック）を２つに分割し、分割面に流路を加工した後、再び分割面同士を結合させる方法が考えられる。
【００６３】
本実施例では、直方体形状の金属ブロックを直接外部から加工することにより、必要とされる内部構造を形成する方法を提案する。本実施例に係る製造方法により製造されたヒートシンク１４の外観構造を図１５に示し、図１６にその内部構造を示す。図１５に示すように、本実施例に係るヒートシンク１４は、直方体の金属ブロックの少なくとも２側面に開口を有している。図１５の場合、紙面に向かって右面に２つ、正面に１つ、背面に１つ（不図示）、左面に１つの開口を有している。
【００６４】
各開口からは、金属ブロックの内部に直線的に延びる５本の孔５１〜５５が形成されている。すなわち、金属ブロックの外部からドリルを挿入し、直線状の孔５１〜５５を形成する。このうち、直交する２本の孔同士が、金属ブロックの内部で交差する。例えば孔５１と５２が内部で交差し、孔５１と５３が交差し、孔５３と５４が交差し、孔５４と５５が交差する。直交する２つの孔同士が１つの交点でのみ連結されることにより、金属ブロックの内部に流入口から流出口に達する１本の流路が形成される。
【００６５】
ただし、５つの開口のうち３つは、流入口でも出力口でもない開口である。例えば図１６の場合、孔５２と５５に対応する開口が冷媒循環用の流入口及び流出口として用いられ、残る３つの孔５１、５３及び５４に対応する開口が流入口にも流出口に該当しない開口である。そこで、流入口又は流出口となる開口には継ぎ手２２を取り付ける一方で、残る３つ開口には封止具（キャップ）４３を取り付ける。封止具４３の取り付けにより、ヒートシンク１４の内部には、流入口から流出口につながる１本の流路が完成する。
【００６６】
このよう、本実施例にて説明する加工手法の採用により、加工項数の少ないヒートシンク１４を実現することができる。
【００６７】
＜他の形態例＞
本発明は上述した形態例に限定されるものでなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した形態例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある形態例の一部を他の形態例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の形態例の構成を加えることも可能である。また、各形態例の構成の一部について、他の構成を追加、削除又は置換することも可能である。
【符号の説明】
【００６８】
１１…ＸＹステージ、１２…制御装置、１３…温度調整ユニット、１４…ヒートシンク、１５…熱電素子、１６…サンプルブロック、１７…フローセル、１８…温度センサ、１９…光学系、２０…励起光源、２１…カメラ、２２…継ぎ手、２３…冷媒循環チューブ、２４…熱交換器、２５…タンク、２６…ポンプ、２７…流路、２８、２９…セプタ、３１…対物レンズ、３２…Ｚステージ、３３…ライトガイド、３４…ダイクロイックプリズム、３５…集光レンズ、３７…クランプ、３８…アース端子、３９…サーマルプロテクタ、４０…ガイド、４１、４２…継ぎ手、４３…封止具、５１、５２、５３、５４、５５…孔。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像装置と、撮像光学系と、前記撮像装置で撮像された像を処理する計算機と、水平駆動ステージとを有する核酸配列解析装置において、
前記水平駆動ステージ上に搭載される少なくとも１つの温度調整ユニットと、
前記温度調整ユニットに設けられた冷媒循環用の入口及び出口に対し、継ぎ手を通じてそれぞれ連結される可撓性の冷媒循環チューブと、
前記冷媒循環チューブ内の冷媒を循環させるポンプと、
前記冷媒と外気の間で熱量を交換する熱交換器と
を有し、
前記温度調整ユニットは、
前記水平駆動ステージ上に直接搭載されるヒートシンクと、
前記ヒートシンクの上面に配置される少なくとも１つの熱電素子と、
前記熱電素子の上面側に配置され、フローセルを載置するヒートブロックと、
前記ヒートブロックの温度を測定する温度センサとを有する
ことを特徴とする核酸配列解析装置。
【請求項２】
請求項１に記載の核酸配列解析装置において、
前記冷媒循環チューブを、
耐熱性が２３０℃以上、かつ、
圧縮永久歪みが１０以下、かつ、
対オゾン性及び銅耐腐食性を有する素材により形成する
ことを特徴とする核酸配列解析装置。
【請求項３】
請求項１に記載の核酸配列解析装置において、
複数の前記冷媒循環チューブは、相互に継ぎ手を通じて接続される
ことを特徴とする核酸配列解析装置。
【請求項４】
請求項１に記載の核酸配列解析装置において、
前記水平駆動ステージ上に搭載される複数の前記温度調整ユニットは、前記冷媒循環チューブを通じて直列に接続される
ことを特徴とする核酸配列解析装置。
【請求項５】
請求項１に記載の核酸配列解析装置において、
前記水平駆動ステージ上に搭載される複数の前記温度調整ユニットは、継ぎ手を通じて分岐された前記冷媒循環チューブを通じて並列に接続される
ことを特徴とする核酸配列解析装置。
【請求項６】
請求項１に記載の核酸配列解析装置において、
前記ヒートシンクは、直方体の金属ブロックの少なくとも２側面に形成された開口と、各開口から金属ブロック内に直線的に延びる孔が金属ブロックの内部で交差する構造と、金属ブロックの内部で前記入口から出口に達する流路が形成されるように、前記開口のうち冷媒循環用の入口及び出口以外の開口を封止する封止部材とを有する
ことを特徴とする核酸配列解析装置。
【請求項１】
撮像装置と、撮像光学系と、前記撮像装置で撮像された像を処理する計算機と、水平駆動ステージとを有する核酸配列解析装置において、
前記水平駆動ステージ上に搭載される少なくとも１つの温度調整ユニットと、
前記温度調整ユニットに設けられた冷媒循環用の入口及び出口に対し、継ぎ手を通じてそれぞれ連結される可撓性の冷媒循環チューブと、
前記冷媒循環チューブ内の冷媒を循環させるポンプと、
前記冷媒と外気の間で熱量を交換する熱交換器と
を有し、
前記温度調整ユニットは、
前記水平駆動ステージ上に直接搭載されるヒートシンクと、
前記ヒートシンクの上面に配置される少なくとも１つの熱電素子と、
前記熱電素子の上面側に配置され、フローセルを載置するヒートブロックと、
前記ヒートブロックの温度を測定する温度センサとを有する
ことを特徴とする核酸配列解析装置。
【請求項２】
請求項１に記載の核酸配列解析装置において、
前記冷媒循環チューブを、
耐熱性が２３０℃以上、かつ、
圧縮永久歪みが１０以下、かつ、
対オゾン性及び銅耐腐食性を有する素材により形成する
ことを特徴とする核酸配列解析装置。
【請求項３】
請求項１に記載の核酸配列解析装置において、
複数の前記冷媒循環チューブは、相互に継ぎ手を通じて接続される
ことを特徴とする核酸配列解析装置。
【請求項４】
請求項１に記載の核酸配列解析装置において、
前記水平駆動ステージ上に搭載される複数の前記温度調整ユニットは、前記冷媒循環チューブを通じて直列に接続される
ことを特徴とする核酸配列解析装置。
【請求項５】
請求項１に記載の核酸配列解析装置において、
前記水平駆動ステージ上に搭載される複数の前記温度調整ユニットは、継ぎ手を通じて分岐された前記冷媒循環チューブを通じて並列に接続される
ことを特徴とする核酸配列解析装置。
【請求項６】
請求項１に記載の核酸配列解析装置において、
前記ヒートシンクは、直方体の金属ブロックの少なくとも２側面に形成された開口と、各開口から金属ブロック内に直線的に延びる孔が金属ブロックの内部で交差する構造と、金属ブロックの内部で前記入口から出口に達する流路が形成されるように、前記開口のうち冷媒循環用の入口及び出口以外の開口を封止する封止部材とを有する
ことを特徴とする核酸配列解析装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１２−１７０３３７（Ｐ２０１２−１７０３３７Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３２３０１（Ｐ２０１１−３２３０１）
【出願日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【出願人】（５０１３８７８３９）株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【出願人】（５０１３８７８３９）株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【Ｆターム（参考）】
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