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温度制御装置及び温度制御方法
説明

温度制御装置及び温度制御方法

【課題】ピーク電力を抑制して、複数台を同時に稼動させることが可能な温度制御装置及び温度制御方法を提供する。
【解決手段】PCR法によって遺伝子増幅を行うための複数の温度制御装置をネットワークを介して相互通信可能に接続し、ある温度制御装置においてPCR開始の指示を受け付けた場合、他の温度制御装置においてPCRが実行中であるか否かを判定、他の温度制御装置でPCRが実行されていない場合はそのままPCRを実行する一方、他の温度制御装置でPCRが実行されていない場合は、温度制御装置間で加熱時間中におけるピーク電力時間が他の温度制御装置のピーク電力時間と重ならないように、他の温度制御装置の加熱工程の開始時刻から所定時間だけ遅れて加熱工程を開始させる、温度制御装置及び温度制御方法。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は温度制御装置及び温度制御方法に関する。特に、本発明は、遺伝子増幅のためにペルチェ素子を用いて加熱と吸熱を繰り返す温度制御装置及び温度制御方法に関する。
【背景技術】
【0002】
DNA(デオキシリボ核酸)を増幅させるための技術として、PCR法が知られている(特許文献1参照)。PCR(ポリメラーゼ連鎖反応)は、試薬と検体(DNAを含む水溶液)の混合液の温度を周期的に上下させることにより、短時間でDNAを増幅させることができる技術である。
【0003】
加熱・吸熱を繰り返すPCR用の温度制御装置として、特許文献2に開示されたものがある。加熱・吸熱の手段は現在も多様であるが、ペルチェ素子は、素子に与える電流の向きを変えることで加熱にも吸熱にも使用できるという長所をもつため、PCR用の温度制御装置にしばしば搭載される。
【0004】
また、集積回路のピーク電力を低減する手法として、特許文献3に開示されたものがある。特許文献3の技術では、各回路が動作するタイミングを分散させることで、ピーク電力を低減している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開昭62−281号公報
【特許文献2】米国特許第5475610号
【特許文献3】特開2001−59865号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、特許文献2に記載の装置をはじめ、一般的なPCR用の温度制御装置では、消費電力について考慮されていない。ペルチェ素子は、比較的に大きな電流を必要とする。特に、加熱や吸熱の初期に定常時より大きな電流を必要とするため、高速に加熱・吸熱をくり返す場合には、非常に大きな電流を必要とする。
【0007】
実験室で装置を使用する場合は、一般に電源容量が大きいため消費電力が問題になることはあまり多くなく、電源容量が不足する場合には増やすといった選択肢もあった。しかしながら、近年、遺伝子診断は実験室から臨床現場へと普及しつつあり、装置には一般的な部屋の電源容量で対応できることが求められている。
【0008】
本発明は、ピーク電力を抑制して、複数台を同時に稼動させることが可能な温度制御装置及び温度制御方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明は、PCR法によって遺伝子を増幅するために用いられる温度制御装置に関する。本発明に係る温度制御装置は、ペルチェ素子と、ペルチェ素子への供給電流を制御して、加熱工程と吸熱工程とを所定回数だけ繰り返す制御マイコンと、制御マイコンに接続されると共に、ネットワークを介して他の温度制御装置と通信可能なコンピュータとを備える。コンピュータは、PCRの開始の指示を受け付けた場合、他の温度制御装置においてPCRが実行されているか否かを判定し、他の温度制御装置においてPCRが実行されている場合には、加熱時間中におけるピーク電力時間が他の温度制御装置のピーク電力時間と重ならないように、他の温度制御装置の加熱工程の開始時刻から所定時間だけ遅れて加熱工程を開始するように制御マイコンに指示し、他の温度制御装置においてPCRが実行されていない場合には、PCRを開始するように制御マイコンに指示する。
【0010】
また、本発明は、PCR法によって遺伝子を増幅するために用いられ、ペルチェ素子への供給電流を制御して、加熱工程と吸熱工程とを所定回数だけ繰り返す制御マイコンと、制御マイコンに接続されると共に、ネットワークを介して他の温度制御装置と通信可能なコンピュータとを備える温度制御装置が行う温度制御方法に関する。本発明に係る温度制御方法では、コンピュータがPCRの開始の指示を受け付けた場合に、コンピュータが、他の温度制御装置においてPCRが実行されているか否かを判定し、コンピュータが他の温度制御装置においてPCRが実行されていると判定した場合には、コンピュータが、加熱時間中におけるピーク電力時間が他の温度制御装置のピーク電力時間と重ならないように、他の温度制御装置の加熱工程の開始時刻から所定時間だけ遅れて加熱工程を開始するように制御マイコンに指示し、コンピュータが他の温度制御装置においてPCRが実行されていないと判定した場合には、コンピュータが、PCRを開始するように制御マイコンに指示する。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、複数台の温度制御装置を共通の電源で使用する場合であっても、各装置でピーク電力となるタイミングを分散できるため、合計のピーク電力を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】実施形態に係る温度制御装置の構成を示す図
【図2】実施形態に係る温度制御装置の消費電力の経時変化を示す図
【図3】2台の温度制御装置が相互に接続されている場合に、各温度制御装置が行う制御処理を示すフローチャート
【図4】3台の温度制御装置が相互に接続されている場合に、各温度制御装置が行う制御処理を示すフローチャート
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本発明の一実施形態に係る温度制御装置を、図面を参照して説明する。
【0014】
図1は、本実施形態による温度制御装置の構成を示す図である。図1においては、等価な2台の温度制御装置、すなわち、第一の温度制御装置及び第二の温度制御装置がネットワーク8を介して相互通信可能に接続されている。
【0015】
第一の温度制御装置は、コンピュータ1、制御マイコン2、ペルチェコントローラ3、ペルチェ素子4、ヒートスプレッダ5、温度センサ6、スイッチング電源7、高精度クロック99を備える。パソコン1は、キーボードやモニターといった一般的なユーザインターフェイスを有する。コンピュータ1と制御マイコン2とは、USB2.0等のインタフェースを介して相互通信可能に接続されている。スイッチング電源7は、AC100V等の商用電源に接続されている。ペルチェ素子4と温度制御対象物であるバイオチップAとは、ヒートスプレッダ5を介して熱的に接続されている。ヒートスプレッダ5には、温度センサ6が設けられている。制御マイコン2とペルチェ素子4と温度センサ6は、フィードバック制御ループを構成している。高精度クロック99は、PCR処理の開始時刻を制御するために必要な時刻を管理する。
【0016】
第一の温度制御装置には、温度制御対象となるバイオチップAがセットされている。バイオチップAは、ポリプロピレン等のPCR反応を阻害しない素材で作製されている。バイオチップAは、10μLの反応槽を20槽有し、各反応槽には、試薬と検体の混合液が格納されている。
【0017】
図2は、実施形態に係る温度制御装置の消費電力の経時変化を示す図である。以下、図1及び2を併せて参照して、本実施形態に係る温度制御装置が行う温度制御方法を説明する。尚、以下の説明では、「吸熱」という用語を用いているが、この「吸熱」という用語は、「冷却」と言い換えることができる。
【0018】
まず、コンピュータ1に所望のプロトコルを入力する。例えば、PCRの加熱・吸熱条件(加熱・冷却条件)として、加熱95℃・42秒、吸熱(冷却)68℃・28秒と入力する。入力したプロトコルは、コンピュータ1から第一の温度制御装置の制御マイコン2に転送される。制御マイコン2は、入力されたプロトコルに従って、ペルチェコントローラ3からペルチェ素子4に流す直流電流値を決定する。ペルチェコントローラ3は、制御マイコンによって決定された電流値に基づいて、ペルチェ素子4を駆動する。ペルチェ素子4は、ヒートスプレッダ5を介して、バイオチップAを加熱または吸熱(冷却)する。ペルチェ素子4の制御には、一般的なPID制御を用いることができる。温度センサ6によって測定された温度は、例えば1秒間隔で制御マイコン2からコンピュータ1に転送され、コンピュータ1上でリアルタイムに監視することができる。
【0019】
ここで、図2(a)に示すように、温度制御装置による消費電力がピークとなるのは、前処理、PCR、検出からなる全工程のうち、PCR工程である。また、図2(b)に示すように、PCR工程の中でも、加熱初期5秒と吸熱初期5秒の消費電力が大きい。ここでのピーク電力1kVAは、スイッチング電源5の最大出力電流1Aに由来している。上述したプロトコルの例において、加熱工程より相対的に短い吸熱工程(冷却工程)28秒のうち、ピーク電力となるのが5秒、それ以外が23秒ある。図2(b)からわかるように、ピーク電力が際立って高く1kVAであるが、それ以外は加熱工程であっても0.44kVA以下にほぼ収まる。なお、一般的な商用電源は、100V、15Aである。
【0020】
ここで、1つの部屋の中で共通の電源を用いて、2台の温度制御装置を稼動することを考える。ピーク電力となるタイミングを考慮せずに稼動する場合、ピーク電力は最大2kVAになる懸念がある。上記の例では、PCRの1サイクル(加熱+吸熱)70秒のうち、ピーク電力時間は10秒であるので、2台の温度制御装置を同時に稼動させると、ピーク電力を消費している期間が重なる可能性はかなり高く、この場合のピーク電力の合計は2kVAとなる。これは一般的な部屋の電源容量より大きい。
【0021】
一方、ピーク電力となるタイミングを分散して2台の温度制御装置を稼動すると、合計のピーク電力は1.44kVA以下にほぼ収まる。これならば一般的な部屋の電源容量で対応することができる。
【0022】
そこで、例えば無線センサネットワーク用のOSであるTinyOSを用いて、複数台の温度制御装置を制御する。TinyOSは、限られたハードウェア資源下で効率的な処理を実行できる、フリーオープンソースのシステムである。
【0023】
図3は、2台の温度制御装置が相互に接続されている場合に、各温度制御装置が行う制御処理を示すフローチャートである。
【0024】
まず、コンピュータ1は、ネットワーク8を介して他の温度制御装置が備えるコンピュータと通信を行い、常時、他の温度制御装置が稼動しているかどうかを監視している。他の温度制御装置でPCRが実行されていない場合は(ステップS1でNo)、コンピュータ1は、制御マイコン2にPCRを開始させる(ステップS2)。一方、他の温度制御装置でPCRが実行中である場合は(ステップS1でYes)、コンピュータ1は、1回目の加熱工程の開始時刻が、他の装置における加熱工程の開始時刻より所定時間(例えば、14秒)遅れるように、加熱時間調整を行う(ステップS3)。
【0025】
図4は、3台の温度制御装置が相互に接続されている場合に、各温度制御装置が行う制御処理を示すフローチャートである。
【0026】
まず、コンピュータ1は、ネットワーク8を介して他の温度制御装置が備えるコンピュータと通信を行い、常時、他の温度制御装置が稼動しているかどうかを監視している。他の温度制御装置でPCRが実行されていない場合は(ステップS11でNo)、コンピュータ1は、制御マイコン2にPCRを開始させる(ステップS12)。一方、他の温度制御装置でPCRが実行中である場合は(ステップS1でYes)、コンピュータ1は、PCRを実行中の他の温度制御装置の数が2台であるか否かを判定する(ステップS13)。PCRを実行中の他の温度制御装置が2台でない場合(ステップS13でNo)、1回目の加熱工程の開始時刻が、他の装置における加熱工程の開始時刻より所定時間(例えば、9秒)遅れるように、加熱時間調整を行う(ステップS14)。また、PCRを実行中の他の温度制御装置が2台である場合(ステップS13でYes)、1回目の加熱工程の開始時刻が、他の装置における加熱工程の開始時刻より所定時間(例えば、18秒)遅れるように、加熱時間調整を行う(ステップS15)。
【0027】
以上のように、ある温度制御装置のコンピュータ1が他の温度制御装置の稼働状況に応じて、PCRの加熱開始時刻を調整することによって、複数の温度制御装置間で消費電力がピークとなる時間が重ならないように制御することができる。よって、本実施形態に係る温度制御装置によれば、複数台の温度制御装置を共通の電源で稼動させた場合に、ピーク電力を抑制しつつ同時に稼動させることが可能となる。
【0028】
尚、他の温度制御装置でPCRが実行されている場合は、当該他の温度制御装置からPCR工程の開始時刻を取得すれば良く、複数の温度制御装置の稼動を制御するために要するデータ量は少なくて済む。
【0029】
また、複数の温度制御装置が相互接続されている場合、コンピュータ1にPCRプロトコルが入力された場合またはPCRプロトコルが更新された場合に、最新のPCRプロトコルを接続されている他の温度制御装置に送信するように構成することが好ましい。このように構成すれば、複数の温度制御装置間で加熱サイクル及び吸熱サイクルが異なる場合でも、PCR工程の開始時刻と予め取得している他の装置のPCRプロトコルとから、加熱工程の開始時刻を算出できる。
【産業上の利用可能性】
【0030】
本発明は、PCR法によって遺伝子を増幅するために、ペルチェ素子を用いて加熱と吸熱を繰り返す温度制御装置に利用できる。
【符号の説明】
【0031】
1・・・コンピュータ
2・・・制御マイコン
3・・・ペルチェコントローラ
4・・・ペルチェ素子
5・・・ヒートスプレッダ
6・・・温度センサ
7・・・スイッチング電源
99・・・高精度クロック
8・・・ネットワーク(温度制御装置間)
A・・・バイオチップ(温度制御対象)

【特許請求の範囲】
【請求項1】
PCR法によって遺伝子を増幅するために用いられる温度制御装置であって、
ペルチェ素子と、
前記ペルチェ素子への供給電流を制御し、加熱工程と吸熱工程とを所定回数だけ繰り返す制御マイコンと、
前記制御マイコンに接続されると共に、ネットワークを介して他の温度制御装置と通信可能なコンピュータとを備え、
前記コンピュータは、PCRの開始の指示を受け付けた場合、他の温度制御装置においてPCRが実行されているか否かを判定し、他の温度制御装置においてPCRが実行されている場合には、加熱時間中におけるピーク電力時間が他の温度制御装置のピーク電力時間と重ならないように、他の温度制御装置の加熱工程の開始時刻から所定時間だけ遅れて加熱工程を開始するように前記制御マイコンに指示し、他の温度制御装置においてPCRが実行されていない場合には、PCRを開始するように前記制御マイコンに指示する、温度制御装置。
【請求項2】
PCR法によって遺伝子を増幅するために用いられ、ペルチェ素子と、前記ペルチェ素子への供給電流を制御して、加熱工程と吸熱工程とを所定回数だけ繰り返す制御マイコンと、前記制御マイコンに接続されると共に、ネットワークを介して他の温度制御装置と通信可能なコンピュータとを備える温度制御装置が行う温度制御方法であって、
前記コンピュータがPCRの開始の指示を受け付けた場合に、前記コンピュータが、他の温度制御装置においてPCRが実行されているか否かを判定し、
前記コンピュータが他の温度制御装置においてPCRが実行されていると判定した場合には、前記コンピュータが、加熱時間中におけるピーク電力時間が他の温度制御装置のピーク電力時間と重ならないように、他の温度制御装置の加熱工程の開始時刻から所定時間だけ遅れて加熱工程を開始するように前記制御マイコンに指示し、
前記コンピュータが他の温度制御装置においてPCRが実行されていないと判定した場合には、前記コンピュータが、PCRを開始するように前記制御マイコンに指示する、温度制御方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2013−74813(P2013−74813A)
【公開日】平成25年4月25日(2013.4.25)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−215457(P2011−215457)
【出願日】平成23年9月29日(2011.9.29)
【出願人】(000003193)凸版印刷株式会社 (10,630)
【Fターム(参考)】