熱サイクル処理装置
【課題】 試験結果に無用なバラツキが生じることなく、試験を精密かつ能率的に行うとともに、全体のイニシャルコストの削減，省スペース化及び省エネルギ化を図る。
【解決手段】 被処理溶液を収容する複数の試験管Ｃ…を熱交換可能に保持する処理ブロックと、この処理ブロックを加熱冷却するペルチェ素子を用いたサーモモジュールと、少なくともサーモモジュールに対して通電制御を行うことにより熱サイクルによる処理を行う制御機能部を備える熱サイクル処理装置を構成するに際して、処理ブロック２…及びサーモモジュール３…を有する複数の処理ユニット４ａ…と、複数の処理ユニット４ａ…を装填する本体ハウジング５と、各処理ユニット４ａ…のサーモモジュール３…をそれぞれ独立して作動制御する複数の制御部６ａ…及びこの制御部６ａ…を包括的に制御するコントローラ７を有する制御機能部８とを具備する。
【解決手段】 被処理溶液を収容する複数の試験管Ｃ…を熱交換可能に保持する処理ブロックと、この処理ブロックを加熱冷却するペルチェ素子を用いたサーモモジュールと、少なくともサーモモジュールに対して通電制御を行うことにより熱サイクルによる処理を行う制御機能部を備える熱サイクル処理装置を構成するに際して、処理ブロック２…及びサーモモジュール３…を有する複数の処理ユニット４ａ…と、複数の処理ユニット４ａ…を装填する本体ハウジング５と、各処理ユニット４ａ…のサーモモジュール３…をそれぞれ独立して作動制御する複数の制御部６ａ…及びこの制御部６ａ…を包括的に制御するコントローラ７を有する制御機能部８とを具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被処理溶液を収容する複数の試験管に対して熱サイクルによる処理を行うＤＮＡ増幅装置等に用いて好適な熱サイクル処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ＤＮＡを増幅する手法として、ＰＣＲ法（ポリメラーゼ連鎖反応法）が知られている。ＰＣＲ法は、ＤＮＡ検体に対して当該ＤＮＡ検体と反応させるプライマ，酵素及びデオキシリボヌクレオシド三リン酸を加え、この反応溶液（被処理溶液）を、所定の温度パターンにより変化する熱サイクルにより加熱（冷却）するとともに、この熱サイクルを順次繰り返すことによりＤＮＡを増幅する手法であり、特許文献１には、このようなＰＣＲ法を実現するためのＤＮＡ増幅装置、即ち、無機質基板の上に設けた加熱・冷却手段と、この加熱・冷却手段の上に格子状に形成した複数の反応セルと、この反応セルの上面に設けた温度測定手段を有し、加熱・冷却手段に、Ｐ型ペルチェ素子およびＮ型ペルチェ素子を一対とする電熱変換素子を用いるとともに、これを反応セルに対向する位置に格子状に配置したＤＮＡ増幅装置が開示されている。
【０００３】
しかし、このような従来のＤＮＡ増幅装置は、セル部とサーモモジュール間の熱容量及び熱膨張係数が大きく、かつ熱伝導性を低下させるブロック盤が介在するなどの構造により、反応溶液（被処理溶液）に対して昇温及び降温を繰り返す熱サイクルの処理性能、特に、迅速な昇温制御及び降温制御を実現できない問題があった。結局、昇温制御及び降温制御を迅速に行えないことは、融通性のある的確な温度制御が実現されないのみならず、１工程にかかる所要時間が長くなり、処理効率の低下及び省電力性の低下を招くとともに、熱サイクルの繰り返し動作は、サーモモジュールにおける半田接合部に対して各部の縦弾性係数，熱膨張率及び温度に依存した熱膨張差によるクリープを発生させることになり、半田接合部に接触不良や断線等の熱応力破壊を来しやすい。
【０００４】
一方、本出願人は、この問題を解決するＤＮＡ増幅装置を、すでに特許文献２により提案した。このＤＮＡ増幅装置は、ＤＮＡ検体を含む反応溶液を収容可能なセル部を有する処理ブロックと、この処理ブロックを加熱冷却するペルチェ素子を用いたサーモモジュールと、少なくともサーモモジュールに対する通電制御を行うコントローラを備えるＤＮＡ増幅装置において、処理ブロックを、金属素材による上基板部と金属素材又はセラミックス素材による下基板部を固着してなる基盤部及びこの基盤部に支持されるセル部により構成し、セル部は、上基板部に設けた少なくともセル部を位置決めするセル位置決め部を介して上基板部及び／又は下基板部に固定するとともに、下基板部における少なくともセル部の下方に位置する部位の厚さを１．０〔ｍｍ〕以下に選定し、かつ基盤部の下面にサーモモジュールを当接させたものである。
【特許文献１】特開２００３−１７４８６３号公報
【特許文献２】特開２００６−２２３２９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、この種のＤＮＡ増幅装置は、試料遺伝子を増幅するため、温度，さらし時間及び変換点（変更タイミング）を設定した制御パターンを設定回数だけ繰り返す熱サイクルに基づく制御を行うとともに、一回に多数のセル部を処理することができることから、複数の試料遺伝子を同時に処理する際には能率的に行うことができる。一方、この種のＤＮＡ増幅装置では、温度とさらし時間が未知の遺伝子（厳密には遺伝子とプライマの組合わせ）の場合、最適な温度とさらし時間を見つけるための確認試験も必要となり、この場合には、異なる温度，さらし時間及び繰り返し回数を設定した複数の条件（制御パターン）により試験を行い、この結果を対比して最適な温度条件等を見出している。
【０００６】
しかし、従来のＤＮＡ増幅装置では、異なる複数の条件毎に試験を繰り返す必要があるため、膨大な試験時間が必要となり、能率的な試験を行うことができないとともに、異なる時間（時刻）に行うため、外気温等の環境変動や試料の放置時間等が微妙に影響したり極微量の試料調合量が不均一となる不具合を招き、試験結果にバラツキを生じる虞れがあるなど、精密な試験を行うことができない問題があった。なお、これらの問題を解消するには、同一のＤＮＡ増幅装置を複数台用意すれば可能であるが、膨大なコストや設置スペースの確保を強いられるとともに、複数のＤＮＡ増幅装置間の性能のバラツキ（機差）も無視できない。
【０００７】
本発明は、このような背景技術に存在する課題を解決した熱サイクル処理装置の提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る熱サイクル処理装置１は、上述した課題を解決するため、被処理溶液を収容する複数の試験管Ｃ…を熱交換可能に保持する処理ブロックと、この処理ブロックを加熱冷却するペルチェ素子を用いたサーモモジュールと、少なくともサーモモジュールに対して通電制御を行うことにより熱サイクルによる処理を行う制御機能部を備える熱サイクル処理装置を構成するに際して、処理ブロック２…及びサーモモジュール３…を有する複数の処理ユニット４ａ，４ｂ…４ｆと、複数の処理ユニット４ａ，４ｂ…４ｆを装填する本体ハウジング５と、各処理ユニット４ａ…のサーモモジュール３…をそれぞれ独立して作動制御する複数の制御部６ａ，６ｂ…６ｆ及びこの制御部６ａ，６ｂ…６ｆを包括的に制御するコントローラ７を有する制御機能部８とを具備してなることを特徴とする。
【０００９】
この場合、発明の好適な態様により、処理ブロック２…は、試験管Ｃ…を保持する複数の試験管カップ１１…を熱交換プレート部１２の上面に所定間隔おきに配置固定した熱交換部１３と、熱交換プレート部１２の上方及び試験管カップ１１…の側方に充填させた断熱材１４を備えて構成できる。また、サーモモジュール３…の下面に当接し、かつ下方に突出したヒートシンク１５…と、本体ハウジング５の内部に配することにより、各ヒートシンク１５…に対して同時に送風可能な送風ファン１６を有する空冷機構部１７を設けることができる。さらに、処理ユニット４ａ…には、処理ブロック２…の上方に配し、かつ当該処理ブロック２…の上面を覆い又は開放する開閉可能なカバー機構部１８を設けることができる。一方、コントローラ７は、アプリケーションソフトウェアＰｓを格納した汎用コンピュータ１９を用いることができる。また、制御機能部８には、各処理ユニット４ａ…の作動を一緒に開始する際に所定の遅延時間ｔｄを介して順次通電を開始させる機能を設けることができる。
【発明の効果】
【００１０】
このような構成を有する本発明に係る熱サイクル処理装置１によれば、次のような顕著な効果を奏する。
【００１１】
（１） 異なる複数の条件毎に試験を繰り返す場合であっても各条件に係わる試験を同時に進行させることができるため、外気温等の環境変動や試料の放置時間等の影響、更には極微量の試料調合量が不均一となる不具合を排除し、試験結果に無用なバラツキが生じることなく、試験を精密かつ能率的に行うことができる。しかも、一台の熱サイクル処理装置１により行うことができるため、全体のイニシャルコストの削減，省スペース化及び省エネルギ化を図れるとともに、複数の装置間（機差）により発生する性能のバラツキを排除できる。
【００１２】
（２） 好適な態様により、処理ブロック２…を、試験管Ｃ…を保持する複数の試験管カップ１１…を熱交換プレート部１２の上面に所定間隔おきに設けた熱交換部１３と、熱交換プレート部１２の上方及び試験管カップ１１…の側方に充填させた断熱材１４を備えて構成すれば、処理ユニット４ａ…間の熱的干渉を回避して各処理ユニット４ａ…毎に精度の高い制御を行うことができる。
【００１３】
（３） 好適な態様により、サーモモジュール３…の下面に当接し、かつ下方に突出したヒートシンク１５…と、本体ハウジング５の内部に配することにより、各ヒートシンク１５…に対して同時に送風可能な送風ファン１６を有する空冷機構部１７を設ければ、一台の送風ファン１６を共有できるなど、部品共有化により全体のコストダウン及び小型コンパクト化を図ることができる。
【００１４】
（４） 好適な態様により、処理ユニット４ａ…に、処理ブロック２…の上方に配し、かつ当該処理ブロック２…の上面を覆い又は開放する開閉可能なカバー機構部１８を設ければ、外気温等の外乱を受けにくく、試料の出し入れの際に他の処理ユニット４ａ…の試料の温度が低下してしまう等の影響が生じない、より安定した試験（処理）を行うことができる。
【００１５】
（５） 好適な態様により、コントローラ７に、アプリケーションソフトウェアＰｓを格納した汎用コンピュータ１９を用いれば、一般的なパソコンを利用できるため、容易かつ柔軟に試験（処理）を行うことができるとともに、熱サイクル処理装置１の発展性を高めることができ、しかも専用のコントローラが不要になるため、コスト削減にも寄与できる。
【００１６】
（６） 好適な態様により、制御機能部８に、各処理ユニット４ａ…の作動を一緒に開始する際に所定の遅延時間ｔｄを介して順次通電を開始させる機能を設ければ、大きな突入電流の発生を防止できる。したがって、一時的な電源電圧低下等の不安定動作を回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に、本発明に係る最良の実施形態を挙げ、図面に基づき詳細に説明する。
【００１８】
まず、本実施形態に係る熱サイクル処理装置１の構成について、図１〜図６を参照して説明する。
【００１９】
図１中、１は熱サイクル処理装置を示し、この熱サイクル処理装置１は、大別して、複数（例示は六台）の処理ユニット４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆと、この処理ユニット４ａ…を収用可能な本体ハウジング５と、各処理ユニット４ａ…をそれぞれ独立して制御可能な制御機能部８を備える。
【００２０】
本体ハウジング５は、図１及び図２に示すように、熱サイクル処理装置１の外郭を形成するケースとなり、上面５ｕには開口部２１を、前面５ｆには通風口（排出口）２２を、底面５ｄには通風口（吸込口）２３をそれぞれ設けるとともに、本体ハウジング５の内部における底面５ｄ付近には、共有する一台の送風ファン１６を配設する。また、本体ハウジング５には制御ボックス２４を備える。制御ボックス２４は、図６に示すように、三つの制御基盤２５…を内蔵し、一つの制御基盤２５はデュアル処理、即ち、二系統の独立した制御を行うことができるマイコンを実装する。したがって、三つの制御基盤２５…により六系統の独立した制御部６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆを構成する。さらに、制御ボックス２４には、六つの電源部（ドライバ）２６…を内蔵し、後述するサーモモジュール３…に対する通電を行う。各電源部２６…は各制御部６ａ，６ｂ…６ｆによりそれぞれ独立して制御される。
【００２１】
また、各制御部６ａ，６ｂ…６ｆは、外部のコントローラ７に接続する。このコントローラ７には、図６に示すように、アプリケーションソフトウェア（制御プログラム）Ｐｓを格納した汎用コンピュータ１９を用いる。汎用コンピュータ１９は、ＣＰＵ等を内蔵したコンピューティング機能を有するコンピュータ本体５１を備え、このコンピュータ本体５１には、各種データを記憶可能なメモリ５２を内蔵するとともに、ディスプレイ５３、キーボードやマウス等の入力部５４、図示を省略したプリンタ等が接続される。したがって、汎用コンピュータ１９には一般的なパソコンが利用可能である。これにより、各種設定は、ディスプレイ５３に表示される設定画面Ｖｓ（図５参照）を利用し、温度，さらし時間，変換点，ＰＩＤ制御定数等の各種設定事項を入力部５４から入力することができるとともに、設定した事項は、各制御部６ａ，６ｂ…６ｆに送信される。また、動作中の温度や動作状況等はディスプレイ５３により表示される。このように、コントローラ７には、一般的なパソコン等の汎用コンピュータ１９を利用できるため、容易かつ柔軟に試験（処理）を行うことができるとともに、熱サイクル処理装置１の発展性を高めることができ、しかも専用のコントローラが不要なため、コスト削減にも寄与できる。この場合、各制御部６ａ，６ｂ…６ｆ及びコントローラ７は制御機能部８を構成する。
【００２２】
一方、各処理ユニット４ａ…は次のように構成する。なお、例示する各処理ユニット４ａ…は同一である。処理ユニット４ａは、図３及び図４に示すように、試験管Ｃ…を保持する複数の試験管カップ１１…を熱交換プレート部１２の上面に所定間隔おきに配置固定した熱交換部１３と、熱交換プレート部１２の上方及び試験管カップ１１…の側方に充填させた断熱材１４と、試験管カップ１１…の上端位置に配した上プレート部３１とを有する処理ブロック２を備える。このような構成を採用することにより、処理ユニット４ａ…間の熱的干渉を回避して各処理ユニット４ａ…毎に精度の高い制御を行うことができる。なお、試験管Ｃには、容積が０．２〜１．５〔ミリリットル〕のポリプロピレン製蓋付容器を用いることができる。
【００２３】
熱交換プレート部１２は、金属素材により形成した上板部１２ｕ及び下板部１２ｄを固着して構成する。上板部１２ｕは、例えば、厚さを０．２〜０．５〔ｍｍ〕程度に選定した銅素材（無酸素銅等）による薄板材により形成するとともに、上板部１２ｕの面上には、複数のカップ固定部１２ｃ…を配列させて設ける。一つのカップ固定部１２ｃは、上板部１２ｕから上方に起立し、試験管カップ１１…の下部外周面が嵌合（圧入）可能な筒状となるようにバーリング形成する。また、下板部１２ｄも、例えば、厚さを０．２〜０．５〔ｍｍ〕程度に選定した銅素材（無酸素銅等）を用いた薄板材により形成し、上板部１２ｕの下面に固着する。上板部１２ｕと下板部１２ｄの固着は、銀素材を主体としたロー材を用いて接合することができる。なお、３２…は、熱交換プレート部１２の端辺部から切込みを入れたスリット部であり、このスリット部３２…により、使用時の温度変化に伴う熱交換プレート部１２に発生する反りを有効に吸収し、処理ブロック２における物理的作用の正確性及び安定性の確保、更には耐久性向上に寄与できる。さらに、熱交換プレート部１２の上面には、熱交換プレート部１２の温度を検出する温度センサ２７を付設する。他方、試験管カップ１１…の上端位置に配する上プレート部３１は、試験管カップ１１…の上端外径にほぼ一致する開孔部３１ｈ…を有し、この開孔部３１ｈ…に、試験管カップ１１…の上端を図４に示すように嵌合させる。上プレート部３１は断熱性素材により形成することができる。
【００２４】
試験管カップ１１は、熱伝導率の比較的高い銅素材（無酸素銅等）による薄板材（厚さ０．２〜０．３〔ｍｍ〕程度）をプレス加工により絞り成形し、試験管Ｃを収容可能なカップ状に形成する。したがって、試験管カップ１１の内部形状は、試験管Ｃの少なくとも下部形状に一致させる。そして、試験管カップ１１の下部外周面をカップ固定部１２ｃに圧入して固定する。なお、試験管カップ１１の下面は下板部１２ｄの上面に上板部１２ｕと一緒にロー付けしてもよい。この試験管カップ１１は、一つの処理ユニット４ａ…において、横に３個、縦に８個配列させる。図１は一個の試験管カップ１１のみを原理的に示している。
【００２５】
さらに、図２に示すように、各処理ブロック２…の上面にはそれぞれ独立したカバー機構部１８…を付設する。カバー機構部１８…は、処理ブロック２…の上方に配し、かつ当該処理ブロック２…の上面を覆い又は開放することができるように開閉可能に構成する。カバー機構部１８は、カバー本体３３を備え、このカバー本体３３の後端側をヒンジ機構部３４を介して上プレート部３１の上面後部に回動可能に取付ける。カバー本体３３は偏平なボックス状に形成し、内部には結露防止ヒータ３５を内蔵する。また、カバー本体３３の下面３３ｄには、試験管Ｃ…の上端を位置決めして保持する保持プレート部３６を設けるとともに、外縁に沿ったシーリング材３７及び前端側に配したロック部３８を設ける。このロック部３８は、カバー本体３３を閉じた際に本体ハウジング５に係止する。さらに、カバー本体３３の前端には取手部３９を設ける。このようなカバー機構部１８を設ければ、外気温等の外乱の受けにくい、より安定した試験（処理）を行うことができる。
【００２６】
他方、熱交換プレート部１２の下面には、熱伝導グリースを介在させることにより、複数（例えば、三つ）のサーモモジュール３…の加熱冷却面（上面）を、ネジ等の固定具を利用して取付ける。サーモモジュール３は、複数のペルチェ素子を連結して直列集合体とし、この直列集合体を一対の基板で挟む構造を有する。この直列集合体に対する通電方向を、順方向又は逆方向に切換えれば、サーモモジュール３…を加熱動作又は冷却動作させることができる。また、サーモモジュール３の下面には、熱伝導グリースを介在させることにより、ヒートシンク１５を、ネジ等の固定具を利用して取付ける。ヒートシンク１５は、サーモモジュール３の下面に面接触可能な基部１５ｂと、この基部１５ｂから下方に突出した多数の放熱フィン１５ｆ…を有し、全体をアルミニウム等の伝熱性素材により一体形成する。
【００２７】
このように構成する処理ブロック２は、処理ブロック２自身の熱容量及び熱膨張差による反り等の変形の影響を小さくできるとともに、熱伝導性を高めることができるため、迅速な昇温制御及び降温制御が可能となる。これにより、融通性のある的確な温度制御を実現できるとともに、１サイクル（１工程）にかかる所要時間の短縮により、処理効率の向上及び省電力性の向上を図ることができる。また、処理ブロック２における熱応答性が良好になることにより、サーモモジュール３…のヒートシンク１５側における温度変化も小さくなるため、サーモモジュール３…での熱応力破壊を防止でき、もって耐久性（寿命）を高めることができる。しかも、サーモモジュール３…を構成するペルチェ素子に付加されるストレスを低減し、より耐久性を向上させることができる。さらに、熱交換プレート部１２を、金属素材により形成した上板部１２ｕ及び下板部１２ｄを固着して構成すれば、品質の高い処理ブロック２を容易に得ることができる。
【００２８】
次に、本実施形態に係る熱サイクル処理装置１の使用方法及び動作について、図１〜図１１を参照して説明する。
【００２９】
例示は熱サイクル処理装置１をＤＮＡ増幅装置として使用する。まず、六台の処理ユニット４ａ，４ｂ…４ｆを用意し、本体ハウジング５の内部にセットする。この場合、各処理ユニット４ａ…を図１及び図２に示すように、本体ハウジング５の上面５ｕに設けた開口部２１から内部に収容し、図面に現れない本体ハウジング５の背面から四本のボルトにより位置決め固定する。そして、図６に示すように、各処理ユニット４ａ…の温度センサ２７…と制御ボックス２４の制御部６ａ…をコネクタ６１…により接続するとともに、サーモモジュール３…と電源部２５…をコネクタ６２…により接続する。また、図２に示すように、カバー本体３３を開き、試料遺伝子を含む反応溶液（被処理溶液）Ｌを収容した試験管Ｃ…（図３参照）を試験管カップ１１…に差し込み、カバー本体３３を閉じる。
【００３０】
一方、汎用コンピュータ１９には制御パターンを設定する。図５は、汎用コンピュータ１９のディスプレイ５３に表示される設定画面Ｖｓを示す。図５に示す設定画面ＶｓはＣＨ１のみを示すが、ＣＨ２〜ＣＨ６も同様に表示される。この設定画面Ｖｓにより制御パターンを設定することができ、図中、Ｄｔａ，Ｄｔｂ，Ｄｔｃは温度、Ｄｃａ，Ｄｃｂ，Ｄｃｃはさらし時間、Ｄｎは繰り返し回数の設定部である。そして、１ｓｔ．から５ｔｈ．の五段階により、より複雑な制御パターンを設定できる。
【００３１】
図７は、制御パターンの一例を示す。この制御パターンは、設定温度の一部（アニール温度）を試験管Ｃ…毎に段階的に変化させることにより温度勾配（グラジエント）を設定し、時間を固定した状態で遺伝子増幅の温度条件を見出すためのパターンである。これにより、どの試験管Ｃが最も良好な増幅を行うことができるかを探すことができる。アニール温度は遺伝子増幅にとって極めて重要であり、通常２〔℃〕の相違により増幅産物に劇的な変化をもたらす場合があるため、このような試験を行うことにより、最適なアニール温度条件を比較的簡単かつ的確に把握することができる。図７において、Ｚｃが１サイクル、Ｚａがアニール工程を示す。このアニール工程Ｚａにおいて、例えば、処理ユニット４ａ（ＣＨ１）にアニール温度４５〔℃〕を、処理ユニット４ｂ（ＣＨ２）にアニール温度４７．５〔℃〕を、処理ユニット４ｃ（ＣＨ３）にアニール温度５０〔℃〕を、処理ユニット４ｄ（ＣＨ４）にアニール温度５２．５〔℃〕を、処理ユニット４ｅ（ＣＨ５）にアニール温度５５〔℃〕を、処理ユニット４ｆ（ＣＨ６）にアニール温度５７．５〔℃〕を設定することができる。したがって、図５の設定画面Ｖｓでは、「２ｎｄ．」における一段目のＤｔａにアニール温度４５〔℃〕を、二段目のＤｔｂにアニール温度７２〔℃〕を、三段目のＤｔｃにアニール温度９５〔℃〕を設定すればよい。
【００３２】
図８は、図７の制御パターンにより試験を行ったＣＨ１〜ＣＨ６に対する温度勾配（グラジエント）Ｑｉを実線で示すとともに、従来の専用試験装置の場合の温度勾配Ｑｒを仮想線で示す。従来の専用試験装置では、本実施形態に係る熱サイクル処理装置１のように各処理ユニット４ａ…が完全に独立していないため、ＣＨ１〜ＣＨ６に相互の熱的干渉が発生し、温度勾配Ｑｒは直線性に劣るＳ字特性となる。また、一体型のため、さらし時間を個々に設定することができず、高精度の試験を行うには限界がある。これに対して、本実施形態に係る熱サイクル処理装置１の場合には、温度勾配Ｑｉは直線性の高い特性となり、高精度の試験を行うことができる。特に、アニール温度の最適な温度条件を模索する試験においては、従来、２〜３日を要していた試験を半日程度に短縮可能である。
【００３３】
図９は、図７の制御パターンにおいて更に時間を変化させた状態で遺伝子増幅の最適条件を見出すためのパターンである。従来のグラジエント（温度勾配）タイプでは、アニール工程のさらし時間を個々に設定できないため、十分な最適条件を見つけにくいが、本実施形態に係る熱サイクル処理装置１では、各処理ユニット４ａ…が独立しているため、各処理ユニット４ａ…毎に温度設定できることに加えて時間設定も可能になる。一般的なＤＮＡ増幅の場合、最適条件を求める際には、アニール工程のさらし時間と温度が最も重要な要素になるため、アニール工程以外の工程では、図９に示すようにプログラミングされた制御パターンを用いることができる。同様に、アニール工程と並んで重要な繰り返し回数を設定する場合、従来では同一のＤＮＡ増幅装置を複数台用意するか或いは１台を何日にもわたって繰り返し使用する必要があるが、本実施形態に係る熱サイクル処理装置１では、各処理ユニット４ａ…毎に設定できるため、最適な繰り返し回数の設定も１日程度で模索できる。
【００３４】
図１０は、他の制御パターンを示す。同図（ａ）はＣＨ１であり、アニール温度の差を確認する試験である。したがって、この場合、図示を省略したＣＨ２には、異なるアニール温度を設定し、両者の比較を行うことができる。同図（ｂ）はＣＨ３であり、インキュベータとして時間ｔｓで立ち上げた状態を示す。同図（ｃ）はＣＨ４であり、伸長工程の長めの遺伝子増幅試験中を示す。同図（ｄ）はＣＨ５であり、時間ｔｈから保存温度に移行した状態を示す。なお、図示を省略したが、ＣＨ６においてもＣＨ１〜ＣＨ５とは異なる独自の試験を行うことができる。このように各処理ユニット４ａ…は独立して使用できるため、例えば、複数の研究者により一台の熱サイクル処理装置１を自由に共用可能となるなど、弾力的利用が可能である。
【００３５】
他方、熱サイクル処理装置１（ＤＮＡ増幅装置）は次のように動作する。まず、汎用コンピュータ１９のスタートキーをオンにする（押す）ことにより、各制御部６ａ，６ｂ…６ｆが動作を開始する。また、加熱動作時には送風ファン１６が作動する。この送風ファン１６の回転数は固定であってもよいし、インバータ制御により可変させてもよい。この場合、送風ファン１６は、六台の処理ユニット４ａ…のヒートシンク１５…に対して同時に送風することができ、各ヒートシンク１５…と送風ファン１６は空冷機構部１７を構成する。このように構成する空冷機構部１７を設ければ、一台の送風ファン１６を共有できるなど、部品共有化により全体のコストダウン及び小型コンパクト化を図ることができる利点がある。
【００３６】
また、汎用コンピュータ１９は、図１１に示すように、各処理ユニット４ａ…の作動を一緒に開始する際に、所定の遅延時間ｔｄ…を介して順次通電を開始させる機能を備えている。したがって、汎用コンピュータ１９のスタートキーをオンにすることにより、最初にＣＨ１の処理ユニット４ａのサーモモジュール３…に通電が開始し、次に、遅延時間ｔｄを経てＣＨ２の処理ユニット４ｂのサーモモジュール３…に通電が開始し、次に、遅延時間ｔｄを経てＣＨ３の処理ユニット４ｃのサーモモジュール３…に通電が開始する。以後、同様にＣＨ６の処理ユニット４ｆまで遅延時間ｔｄを介して順次通電が開始する。この場合、ＣＨ１の処理ユニット４ａがＯＮしてからＣＨ６の処理ユニット４ｆがＯＮするまでの全体の時間は、０．２５〜０．５〔秒〕程度を目安に設定することが望ましい。これにより、大きな突入電流の発生が防止され、一時的な電源電圧低下等の不安定動作を回避することができる利点がある。
【００３７】
一方、加熱動作時には、サーモモジュール３…の加熱冷却面（上面）により処理ブロック２…における熱交換プレート部１２が加熱され、かつサーモモジュール３…の下面が空冷機構部１７により放冷する。熱交換プレート部１２が加熱されることにより、熱交換プレート部１２に一体の試験管カップ１１…が加熱され、試験管カップ１１…に保持された試験管Ｃ…、更には試験管Ｃ…に収容された反応溶液Ｌが加熱される。この際、断熱材１４により無用な熱漏れは回避される。他方、冷却動作時には、サーモモジュール３…に対する通電方向が逆方向に制御され、サーモモジュール３…における加熱冷却面により処理ブロック２…における熱交換プレート部１２が冷却され、かつサーモモジュール３…の下面が空冷機構部１７により常温冷却される。このような加熱制御及び冷却制御が予め設定された制御パターンに従って実行される。なお、温度制御は、温度センサ２７…による検出温度が制御部６ａ…に付与され、予め設定された設定温度との偏差に基づいて電源部２６…が通電制御（フィードバック制御）される。
【００３８】
よって、このような本実施形態に係る熱サイクル処理装置１（ＤＮＡ増幅装置）によれば、異なる複数の条件毎に試験を繰り返す場合であっても各条件に係わる試験を同時に進行させることができるため、外気温等の環境変動や試料の放置時間等の影響、更には極微量の試料調合量が不均一となる不具合を排除し、試験結果に無用なバラツキが生じることなく、試験を精密かつ能率的に行うことができる。しかも、一台の熱サイクル処理装置１により行うことができるため、全体のイニシャルコストの削減，省スペース化及び省エネルギ化を図れるとともに、複数の装置間（機差）により発生する性能のバラツキを排除できる。
【００３９】
以上、最良の実施形態について詳細に説明したが、本発明は、このような実施形態に限定されるものではなく、細部の構成，形状，素材，数量，数値等において、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更，追加，削除することができる。例えば、金属素材としては、銅素材が最も望ましいがアルミニウム素材等の他の金属素材の利用を排除するものではない。また、処理ユニット４ａ…は、全て同一の場合を示したが、処理ユニット４ａ…は異なってもよい。具体的には、使用する試験管Ｃ…のサイズや形状等が異なる場合には、対応する試験管カップ１１を有する処理ユニット４ａ…を用いることができるし、或いは一部の処理ユニット４ａ…に、試験管Ｃ…を除去し、ガラスプレートの上に微量試料液を滴下する試験等も行うことができるユニットを加えてもよい。一方、試験管Ｃ…は、試験管カップ１１…に対して着脱式であるが、試験管カップ１１…に固定されていてもよいし、試験管カップ１１…を直接試験管Ｃ…として使用するような形式であってもよい。なお、本発明に係る熱サイクル処理装置１は、例示したＤＮＡ増幅装置をはじめ、酵素反応装置などの熱サイクル処理を行う各種類似装置に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の最良の実施形態に係る熱サイクル処理装置の構造を示す原理的断面構成図、
【図２】同熱サイクル処理装置の全体斜視図、
【図３】同熱サイクル処理装置に備える処理ブロックの拡大断面構成図、
【図４】同熱サイクル処理装置に備える処理ブロックの断熱材を省略した一部斜視構成図、
【図５】同熱サイクル処理装置に備えるコントローラのディスプレイに表示される設定画面図、
【図６】同熱サイクル処理装置に備える電気系（制御系）のブロック系統図、
【図７】図熱サイクル処理装置において設定する制御パターン図、
【図８】同熱サイクル処理装置の各ＣＨ（処理ユニット）に対する温度特性図、
【図９】図熱サイクル処理装置において設定する他の制御パターン図、
【図１０】同熱サイクル処理装置の各ＣＨ（処理ユニット）に設定する他の制御パターン図、
【図１１】同熱サイクル処理装置における各ＣＨ（処理ユニット）の通電開始タイミングを示すタイムチャート、
【符号の説明】
【００４１】
１：熱サイクル処理装置，２…：処理ブロック，３…：サーモモジュール，４ａ，４ｂ…４ｆ：処理ユニット，５：本体ハウジング，６ａ，６ｂ…６ｆ：制御部，７：コントローラ，８：制御機能部，１１…：試験管カップ，１２…：熱交換プレート部，１３：熱交換部，１４：断熱材，１５…：ヒートシンク，１６：送風ファン，１７：空冷機構部，１８：カバー機構部，１９：汎用コンピュータ，Ｃ…：試験管，Ｐｓ：アプリケーションソフトウェア，ｔｄ：遅延時間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被処理溶液を収容する複数の試験管に対して熱サイクルによる処理を行うＤＮＡ増幅装置等に用いて好適な熱サイクル処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ＤＮＡを増幅する手法として、ＰＣＲ法（ポリメラーゼ連鎖反応法）が知られている。ＰＣＲ法は、ＤＮＡ検体に対して当該ＤＮＡ検体と反応させるプライマ，酵素及びデオキシリボヌクレオシド三リン酸を加え、この反応溶液（被処理溶液）を、所定の温度パターンにより変化する熱サイクルにより加熱（冷却）するとともに、この熱サイクルを順次繰り返すことによりＤＮＡを増幅する手法であり、特許文献１には、このようなＰＣＲ法を実現するためのＤＮＡ増幅装置、即ち、無機質基板の上に設けた加熱・冷却手段と、この加熱・冷却手段の上に格子状に形成した複数の反応セルと、この反応セルの上面に設けた温度測定手段を有し、加熱・冷却手段に、Ｐ型ペルチェ素子およびＮ型ペルチェ素子を一対とする電熱変換素子を用いるとともに、これを反応セルに対向する位置に格子状に配置したＤＮＡ増幅装置が開示されている。
【０００３】
しかし、このような従来のＤＮＡ増幅装置は、セル部とサーモモジュール間の熱容量及び熱膨張係数が大きく、かつ熱伝導性を低下させるブロック盤が介在するなどの構造により、反応溶液（被処理溶液）に対して昇温及び降温を繰り返す熱サイクルの処理性能、特に、迅速な昇温制御及び降温制御を実現できない問題があった。結局、昇温制御及び降温制御を迅速に行えないことは、融通性のある的確な温度制御が実現されないのみならず、１工程にかかる所要時間が長くなり、処理効率の低下及び省電力性の低下を招くとともに、熱サイクルの繰り返し動作は、サーモモジュールにおける半田接合部に対して各部の縦弾性係数，熱膨張率及び温度に依存した熱膨張差によるクリープを発生させることになり、半田接合部に接触不良や断線等の熱応力破壊を来しやすい。
【０００４】
一方、本出願人は、この問題を解決するＤＮＡ増幅装置を、すでに特許文献２により提案した。このＤＮＡ増幅装置は、ＤＮＡ検体を含む反応溶液を収容可能なセル部を有する処理ブロックと、この処理ブロックを加熱冷却するペルチェ素子を用いたサーモモジュールと、少なくともサーモモジュールに対する通電制御を行うコントローラを備えるＤＮＡ増幅装置において、処理ブロックを、金属素材による上基板部と金属素材又はセラミックス素材による下基板部を固着してなる基盤部及びこの基盤部に支持されるセル部により構成し、セル部は、上基板部に設けた少なくともセル部を位置決めするセル位置決め部を介して上基板部及び／又は下基板部に固定するとともに、下基板部における少なくともセル部の下方に位置する部位の厚さを１．０〔ｍｍ〕以下に選定し、かつ基盤部の下面にサーモモジュールを当接させたものである。
【特許文献１】特開２００３−１７４８６３号公報
【特許文献２】特開２００６−２２３２９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、この種のＤＮＡ増幅装置は、試料遺伝子を増幅するため、温度，さらし時間及び変換点（変更タイミング）を設定した制御パターンを設定回数だけ繰り返す熱サイクルに基づく制御を行うとともに、一回に多数のセル部を処理することができることから、複数の試料遺伝子を同時に処理する際には能率的に行うことができる。一方、この種のＤＮＡ増幅装置では、温度とさらし時間が未知の遺伝子（厳密には遺伝子とプライマの組合わせ）の場合、最適な温度とさらし時間を見つけるための確認試験も必要となり、この場合には、異なる温度，さらし時間及び繰り返し回数を設定した複数の条件（制御パターン）により試験を行い、この結果を対比して最適な温度条件等を見出している。
【０００６】
しかし、従来のＤＮＡ増幅装置では、異なる複数の条件毎に試験を繰り返す必要があるため、膨大な試験時間が必要となり、能率的な試験を行うことができないとともに、異なる時間（時刻）に行うため、外気温等の環境変動や試料の放置時間等が微妙に影響したり極微量の試料調合量が不均一となる不具合を招き、試験結果にバラツキを生じる虞れがあるなど、精密な試験を行うことができない問題があった。なお、これらの問題を解消するには、同一のＤＮＡ増幅装置を複数台用意すれば可能であるが、膨大なコストや設置スペースの確保を強いられるとともに、複数のＤＮＡ増幅装置間の性能のバラツキ（機差）も無視できない。
【０００７】
本発明は、このような背景技術に存在する課題を解決した熱サイクル処理装置の提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る熱サイクル処理装置１は、上述した課題を解決するため、被処理溶液を収容する複数の試験管Ｃ…を熱交換可能に保持する処理ブロックと、この処理ブロックを加熱冷却するペルチェ素子を用いたサーモモジュールと、少なくともサーモモジュールに対して通電制御を行うことにより熱サイクルによる処理を行う制御機能部を備える熱サイクル処理装置を構成するに際して、処理ブロック２…及びサーモモジュール３…を有する複数の処理ユニット４ａ，４ｂ…４ｆと、複数の処理ユニット４ａ，４ｂ…４ｆを装填する本体ハウジング５と、各処理ユニット４ａ…のサーモモジュール３…をそれぞれ独立して作動制御する複数の制御部６ａ，６ｂ…６ｆ及びこの制御部６ａ，６ｂ…６ｆを包括的に制御するコントローラ７を有する制御機能部８とを具備してなることを特徴とする。
【０００９】
この場合、発明の好適な態様により、処理ブロック２…は、試験管Ｃ…を保持する複数の試験管カップ１１…を熱交換プレート部１２の上面に所定間隔おきに配置固定した熱交換部１３と、熱交換プレート部１２の上方及び試験管カップ１１…の側方に充填させた断熱材１４を備えて構成できる。また、サーモモジュール３…の下面に当接し、かつ下方に突出したヒートシンク１５…と、本体ハウジング５の内部に配することにより、各ヒートシンク１５…に対して同時に送風可能な送風ファン１６を有する空冷機構部１７を設けることができる。さらに、処理ユニット４ａ…には、処理ブロック２…の上方に配し、かつ当該処理ブロック２…の上面を覆い又は開放する開閉可能なカバー機構部１８を設けることができる。一方、コントローラ７は、アプリケーションソフトウェアＰｓを格納した汎用コンピュータ１９を用いることができる。また、制御機能部８には、各処理ユニット４ａ…の作動を一緒に開始する際に所定の遅延時間ｔｄを介して順次通電を開始させる機能を設けることができる。
【発明の効果】
【００１０】
このような構成を有する本発明に係る熱サイクル処理装置１によれば、次のような顕著な効果を奏する。
【００１１】
（１） 異なる複数の条件毎に試験を繰り返す場合であっても各条件に係わる試験を同時に進行させることができるため、外気温等の環境変動や試料の放置時間等の影響、更には極微量の試料調合量が不均一となる不具合を排除し、試験結果に無用なバラツキが生じることなく、試験を精密かつ能率的に行うことができる。しかも、一台の熱サイクル処理装置１により行うことができるため、全体のイニシャルコストの削減，省スペース化及び省エネルギ化を図れるとともに、複数の装置間（機差）により発生する性能のバラツキを排除できる。
【００１２】
（２） 好適な態様により、処理ブロック２…を、試験管Ｃ…を保持する複数の試験管カップ１１…を熱交換プレート部１２の上面に所定間隔おきに設けた熱交換部１３と、熱交換プレート部１２の上方及び試験管カップ１１…の側方に充填させた断熱材１４を備えて構成すれば、処理ユニット４ａ…間の熱的干渉を回避して各処理ユニット４ａ…毎に精度の高い制御を行うことができる。
【００１３】
（３） 好適な態様により、サーモモジュール３…の下面に当接し、かつ下方に突出したヒートシンク１５…と、本体ハウジング５の内部に配することにより、各ヒートシンク１５…に対して同時に送風可能な送風ファン１６を有する空冷機構部１７を設ければ、一台の送風ファン１６を共有できるなど、部品共有化により全体のコストダウン及び小型コンパクト化を図ることができる。
【００１４】
（４） 好適な態様により、処理ユニット４ａ…に、処理ブロック２…の上方に配し、かつ当該処理ブロック２…の上面を覆い又は開放する開閉可能なカバー機構部１８を設ければ、外気温等の外乱を受けにくく、試料の出し入れの際に他の処理ユニット４ａ…の試料の温度が低下してしまう等の影響が生じない、より安定した試験（処理）を行うことができる。
【００１５】
（５） 好適な態様により、コントローラ７に、アプリケーションソフトウェアＰｓを格納した汎用コンピュータ１９を用いれば、一般的なパソコンを利用できるため、容易かつ柔軟に試験（処理）を行うことができるとともに、熱サイクル処理装置１の発展性を高めることができ、しかも専用のコントローラが不要になるため、コスト削減にも寄与できる。
【００１６】
（６） 好適な態様により、制御機能部８に、各処理ユニット４ａ…の作動を一緒に開始する際に所定の遅延時間ｔｄを介して順次通電を開始させる機能を設ければ、大きな突入電流の発生を防止できる。したがって、一時的な電源電圧低下等の不安定動作を回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に、本発明に係る最良の実施形態を挙げ、図面に基づき詳細に説明する。
【００１８】
まず、本実施形態に係る熱サイクル処理装置１の構成について、図１〜図６を参照して説明する。
【００１９】
図１中、１は熱サイクル処理装置を示し、この熱サイクル処理装置１は、大別して、複数（例示は六台）の処理ユニット４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆと、この処理ユニット４ａ…を収用可能な本体ハウジング５と、各処理ユニット４ａ…をそれぞれ独立して制御可能な制御機能部８を備える。
【００２０】
本体ハウジング５は、図１及び図２に示すように、熱サイクル処理装置１の外郭を形成するケースとなり、上面５ｕには開口部２１を、前面５ｆには通風口（排出口）２２を、底面５ｄには通風口（吸込口）２３をそれぞれ設けるとともに、本体ハウジング５の内部における底面５ｄ付近には、共有する一台の送風ファン１６を配設する。また、本体ハウジング５には制御ボックス２４を備える。制御ボックス２４は、図６に示すように、三つの制御基盤２５…を内蔵し、一つの制御基盤２５はデュアル処理、即ち、二系統の独立した制御を行うことができるマイコンを実装する。したがって、三つの制御基盤２５…により六系統の独立した制御部６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆを構成する。さらに、制御ボックス２４には、六つの電源部（ドライバ）２６…を内蔵し、後述するサーモモジュール３…に対する通電を行う。各電源部２６…は各制御部６ａ，６ｂ…６ｆによりそれぞれ独立して制御される。
【００２１】
また、各制御部６ａ，６ｂ…６ｆは、外部のコントローラ７に接続する。このコントローラ７には、図６に示すように、アプリケーションソフトウェア（制御プログラム）Ｐｓを格納した汎用コンピュータ１９を用いる。汎用コンピュータ１９は、ＣＰＵ等を内蔵したコンピューティング機能を有するコンピュータ本体５１を備え、このコンピュータ本体５１には、各種データを記憶可能なメモリ５２を内蔵するとともに、ディスプレイ５３、キーボードやマウス等の入力部５４、図示を省略したプリンタ等が接続される。したがって、汎用コンピュータ１９には一般的なパソコンが利用可能である。これにより、各種設定は、ディスプレイ５３に表示される設定画面Ｖｓ（図５参照）を利用し、温度，さらし時間，変換点，ＰＩＤ制御定数等の各種設定事項を入力部５４から入力することができるとともに、設定した事項は、各制御部６ａ，６ｂ…６ｆに送信される。また、動作中の温度や動作状況等はディスプレイ５３により表示される。このように、コントローラ７には、一般的なパソコン等の汎用コンピュータ１９を利用できるため、容易かつ柔軟に試験（処理）を行うことができるとともに、熱サイクル処理装置１の発展性を高めることができ、しかも専用のコントローラが不要なため、コスト削減にも寄与できる。この場合、各制御部６ａ，６ｂ…６ｆ及びコントローラ７は制御機能部８を構成する。
【００２２】
一方、各処理ユニット４ａ…は次のように構成する。なお、例示する各処理ユニット４ａ…は同一である。処理ユニット４ａは、図３及び図４に示すように、試験管Ｃ…を保持する複数の試験管カップ１１…を熱交換プレート部１２の上面に所定間隔おきに配置固定した熱交換部１３と、熱交換プレート部１２の上方及び試験管カップ１１…の側方に充填させた断熱材１４と、試験管カップ１１…の上端位置に配した上プレート部３１とを有する処理ブロック２を備える。このような構成を採用することにより、処理ユニット４ａ…間の熱的干渉を回避して各処理ユニット４ａ…毎に精度の高い制御を行うことができる。なお、試験管Ｃには、容積が０．２〜１．５〔ミリリットル〕のポリプロピレン製蓋付容器を用いることができる。
【００２３】
熱交換プレート部１２は、金属素材により形成した上板部１２ｕ及び下板部１２ｄを固着して構成する。上板部１２ｕは、例えば、厚さを０．２〜０．５〔ｍｍ〕程度に選定した銅素材（無酸素銅等）による薄板材により形成するとともに、上板部１２ｕの面上には、複数のカップ固定部１２ｃ…を配列させて設ける。一つのカップ固定部１２ｃは、上板部１２ｕから上方に起立し、試験管カップ１１…の下部外周面が嵌合（圧入）可能な筒状となるようにバーリング形成する。また、下板部１２ｄも、例えば、厚さを０．２〜０．５〔ｍｍ〕程度に選定した銅素材（無酸素銅等）を用いた薄板材により形成し、上板部１２ｕの下面に固着する。上板部１２ｕと下板部１２ｄの固着は、銀素材を主体としたロー材を用いて接合することができる。なお、３２…は、熱交換プレート部１２の端辺部から切込みを入れたスリット部であり、このスリット部３２…により、使用時の温度変化に伴う熱交換プレート部１２に発生する反りを有効に吸収し、処理ブロック２における物理的作用の正確性及び安定性の確保、更には耐久性向上に寄与できる。さらに、熱交換プレート部１２の上面には、熱交換プレート部１２の温度を検出する温度センサ２７を付設する。他方、試験管カップ１１…の上端位置に配する上プレート部３１は、試験管カップ１１…の上端外径にほぼ一致する開孔部３１ｈ…を有し、この開孔部３１ｈ…に、試験管カップ１１…の上端を図４に示すように嵌合させる。上プレート部３１は断熱性素材により形成することができる。
【００２４】
試験管カップ１１は、熱伝導率の比較的高い銅素材（無酸素銅等）による薄板材（厚さ０．２〜０．３〔ｍｍ〕程度）をプレス加工により絞り成形し、試験管Ｃを収容可能なカップ状に形成する。したがって、試験管カップ１１の内部形状は、試験管Ｃの少なくとも下部形状に一致させる。そして、試験管カップ１１の下部外周面をカップ固定部１２ｃに圧入して固定する。なお、試験管カップ１１の下面は下板部１２ｄの上面に上板部１２ｕと一緒にロー付けしてもよい。この試験管カップ１１は、一つの処理ユニット４ａ…において、横に３個、縦に８個配列させる。図１は一個の試験管カップ１１のみを原理的に示している。
【００２５】
さらに、図２に示すように、各処理ブロック２…の上面にはそれぞれ独立したカバー機構部１８…を付設する。カバー機構部１８…は、処理ブロック２…の上方に配し、かつ当該処理ブロック２…の上面を覆い又は開放することができるように開閉可能に構成する。カバー機構部１８は、カバー本体３３を備え、このカバー本体３３の後端側をヒンジ機構部３４を介して上プレート部３１の上面後部に回動可能に取付ける。カバー本体３３は偏平なボックス状に形成し、内部には結露防止ヒータ３５を内蔵する。また、カバー本体３３の下面３３ｄには、試験管Ｃ…の上端を位置決めして保持する保持プレート部３６を設けるとともに、外縁に沿ったシーリング材３７及び前端側に配したロック部３８を設ける。このロック部３８は、カバー本体３３を閉じた際に本体ハウジング５に係止する。さらに、カバー本体３３の前端には取手部３９を設ける。このようなカバー機構部１８を設ければ、外気温等の外乱の受けにくい、より安定した試験（処理）を行うことができる。
【００２６】
他方、熱交換プレート部１２の下面には、熱伝導グリースを介在させることにより、複数（例えば、三つ）のサーモモジュール３…の加熱冷却面（上面）を、ネジ等の固定具を利用して取付ける。サーモモジュール３は、複数のペルチェ素子を連結して直列集合体とし、この直列集合体を一対の基板で挟む構造を有する。この直列集合体に対する通電方向を、順方向又は逆方向に切換えれば、サーモモジュール３…を加熱動作又は冷却動作させることができる。また、サーモモジュール３の下面には、熱伝導グリースを介在させることにより、ヒートシンク１５を、ネジ等の固定具を利用して取付ける。ヒートシンク１５は、サーモモジュール３の下面に面接触可能な基部１５ｂと、この基部１５ｂから下方に突出した多数の放熱フィン１５ｆ…を有し、全体をアルミニウム等の伝熱性素材により一体形成する。
【００２７】
このように構成する処理ブロック２は、処理ブロック２自身の熱容量及び熱膨張差による反り等の変形の影響を小さくできるとともに、熱伝導性を高めることができるため、迅速な昇温制御及び降温制御が可能となる。これにより、融通性のある的確な温度制御を実現できるとともに、１サイクル（１工程）にかかる所要時間の短縮により、処理効率の向上及び省電力性の向上を図ることができる。また、処理ブロック２における熱応答性が良好になることにより、サーモモジュール３…のヒートシンク１５側における温度変化も小さくなるため、サーモモジュール３…での熱応力破壊を防止でき、もって耐久性（寿命）を高めることができる。しかも、サーモモジュール３…を構成するペルチェ素子に付加されるストレスを低減し、より耐久性を向上させることができる。さらに、熱交換プレート部１２を、金属素材により形成した上板部１２ｕ及び下板部１２ｄを固着して構成すれば、品質の高い処理ブロック２を容易に得ることができる。
【００２８】
次に、本実施形態に係る熱サイクル処理装置１の使用方法及び動作について、図１〜図１１を参照して説明する。
【００２９】
例示は熱サイクル処理装置１をＤＮＡ増幅装置として使用する。まず、六台の処理ユニット４ａ，４ｂ…４ｆを用意し、本体ハウジング５の内部にセットする。この場合、各処理ユニット４ａ…を図１及び図２に示すように、本体ハウジング５の上面５ｕに設けた開口部２１から内部に収容し、図面に現れない本体ハウジング５の背面から四本のボルトにより位置決め固定する。そして、図６に示すように、各処理ユニット４ａ…の温度センサ２７…と制御ボックス２４の制御部６ａ…をコネクタ６１…により接続するとともに、サーモモジュール３…と電源部２５…をコネクタ６２…により接続する。また、図２に示すように、カバー本体３３を開き、試料遺伝子を含む反応溶液（被処理溶液）Ｌを収容した試験管Ｃ…（図３参照）を試験管カップ１１…に差し込み、カバー本体３３を閉じる。
【００３０】
一方、汎用コンピュータ１９には制御パターンを設定する。図５は、汎用コンピュータ１９のディスプレイ５３に表示される設定画面Ｖｓを示す。図５に示す設定画面ＶｓはＣＨ１のみを示すが、ＣＨ２〜ＣＨ６も同様に表示される。この設定画面Ｖｓにより制御パターンを設定することができ、図中、Ｄｔａ，Ｄｔｂ，Ｄｔｃは温度、Ｄｃａ，Ｄｃｂ，Ｄｃｃはさらし時間、Ｄｎは繰り返し回数の設定部である。そして、１ｓｔ．から５ｔｈ．の五段階により、より複雑な制御パターンを設定できる。
【００３１】
図７は、制御パターンの一例を示す。この制御パターンは、設定温度の一部（アニール温度）を試験管Ｃ…毎に段階的に変化させることにより温度勾配（グラジエント）を設定し、時間を固定した状態で遺伝子増幅の温度条件を見出すためのパターンである。これにより、どの試験管Ｃが最も良好な増幅を行うことができるかを探すことができる。アニール温度は遺伝子増幅にとって極めて重要であり、通常２〔℃〕の相違により増幅産物に劇的な変化をもたらす場合があるため、このような試験を行うことにより、最適なアニール温度条件を比較的簡単かつ的確に把握することができる。図７において、Ｚｃが１サイクル、Ｚａがアニール工程を示す。このアニール工程Ｚａにおいて、例えば、処理ユニット４ａ（ＣＨ１）にアニール温度４５〔℃〕を、処理ユニット４ｂ（ＣＨ２）にアニール温度４７．５〔℃〕を、処理ユニット４ｃ（ＣＨ３）にアニール温度５０〔℃〕を、処理ユニット４ｄ（ＣＨ４）にアニール温度５２．５〔℃〕を、処理ユニット４ｅ（ＣＨ５）にアニール温度５５〔℃〕を、処理ユニット４ｆ（ＣＨ６）にアニール温度５７．５〔℃〕を設定することができる。したがって、図５の設定画面Ｖｓでは、「２ｎｄ．」における一段目のＤｔａにアニール温度４５〔℃〕を、二段目のＤｔｂにアニール温度７２〔℃〕を、三段目のＤｔｃにアニール温度９５〔℃〕を設定すればよい。
【００３２】
図８は、図７の制御パターンにより試験を行ったＣＨ１〜ＣＨ６に対する温度勾配（グラジエント）Ｑｉを実線で示すとともに、従来の専用試験装置の場合の温度勾配Ｑｒを仮想線で示す。従来の専用試験装置では、本実施形態に係る熱サイクル処理装置１のように各処理ユニット４ａ…が完全に独立していないため、ＣＨ１〜ＣＨ６に相互の熱的干渉が発生し、温度勾配Ｑｒは直線性に劣るＳ字特性となる。また、一体型のため、さらし時間を個々に設定することができず、高精度の試験を行うには限界がある。これに対して、本実施形態に係る熱サイクル処理装置１の場合には、温度勾配Ｑｉは直線性の高い特性となり、高精度の試験を行うことができる。特に、アニール温度の最適な温度条件を模索する試験においては、従来、２〜３日を要していた試験を半日程度に短縮可能である。
【００３３】
図９は、図７の制御パターンにおいて更に時間を変化させた状態で遺伝子増幅の最適条件を見出すためのパターンである。従来のグラジエント（温度勾配）タイプでは、アニール工程のさらし時間を個々に設定できないため、十分な最適条件を見つけにくいが、本実施形態に係る熱サイクル処理装置１では、各処理ユニット４ａ…が独立しているため、各処理ユニット４ａ…毎に温度設定できることに加えて時間設定も可能になる。一般的なＤＮＡ増幅の場合、最適条件を求める際には、アニール工程のさらし時間と温度が最も重要な要素になるため、アニール工程以外の工程では、図９に示すようにプログラミングされた制御パターンを用いることができる。同様に、アニール工程と並んで重要な繰り返し回数を設定する場合、従来では同一のＤＮＡ増幅装置を複数台用意するか或いは１台を何日にもわたって繰り返し使用する必要があるが、本実施形態に係る熱サイクル処理装置１では、各処理ユニット４ａ…毎に設定できるため、最適な繰り返し回数の設定も１日程度で模索できる。
【００３４】
図１０は、他の制御パターンを示す。同図（ａ）はＣＨ１であり、アニール温度の差を確認する試験である。したがって、この場合、図示を省略したＣＨ２には、異なるアニール温度を設定し、両者の比較を行うことができる。同図（ｂ）はＣＨ３であり、インキュベータとして時間ｔｓで立ち上げた状態を示す。同図（ｃ）はＣＨ４であり、伸長工程の長めの遺伝子増幅試験中を示す。同図（ｄ）はＣＨ５であり、時間ｔｈから保存温度に移行した状態を示す。なお、図示を省略したが、ＣＨ６においてもＣＨ１〜ＣＨ５とは異なる独自の試験を行うことができる。このように各処理ユニット４ａ…は独立して使用できるため、例えば、複数の研究者により一台の熱サイクル処理装置１を自由に共用可能となるなど、弾力的利用が可能である。
【００３５】
他方、熱サイクル処理装置１（ＤＮＡ増幅装置）は次のように動作する。まず、汎用コンピュータ１９のスタートキーをオンにする（押す）ことにより、各制御部６ａ，６ｂ…６ｆが動作を開始する。また、加熱動作時には送風ファン１６が作動する。この送風ファン１６の回転数は固定であってもよいし、インバータ制御により可変させてもよい。この場合、送風ファン１６は、六台の処理ユニット４ａ…のヒートシンク１５…に対して同時に送風することができ、各ヒートシンク１５…と送風ファン１６は空冷機構部１７を構成する。このように構成する空冷機構部１７を設ければ、一台の送風ファン１６を共有できるなど、部品共有化により全体のコストダウン及び小型コンパクト化を図ることができる利点がある。
【００３６】
また、汎用コンピュータ１９は、図１１に示すように、各処理ユニット４ａ…の作動を一緒に開始する際に、所定の遅延時間ｔｄ…を介して順次通電を開始させる機能を備えている。したがって、汎用コンピュータ１９のスタートキーをオンにすることにより、最初にＣＨ１の処理ユニット４ａのサーモモジュール３…に通電が開始し、次に、遅延時間ｔｄを経てＣＨ２の処理ユニット４ｂのサーモモジュール３…に通電が開始し、次に、遅延時間ｔｄを経てＣＨ３の処理ユニット４ｃのサーモモジュール３…に通電が開始する。以後、同様にＣＨ６の処理ユニット４ｆまで遅延時間ｔｄを介して順次通電が開始する。この場合、ＣＨ１の処理ユニット４ａがＯＮしてからＣＨ６の処理ユニット４ｆがＯＮするまでの全体の時間は、０．２５〜０．５〔秒〕程度を目安に設定することが望ましい。これにより、大きな突入電流の発生が防止され、一時的な電源電圧低下等の不安定動作を回避することができる利点がある。
【００３７】
一方、加熱動作時には、サーモモジュール３…の加熱冷却面（上面）により処理ブロック２…における熱交換プレート部１２が加熱され、かつサーモモジュール３…の下面が空冷機構部１７により放冷する。熱交換プレート部１２が加熱されることにより、熱交換プレート部１２に一体の試験管カップ１１…が加熱され、試験管カップ１１…に保持された試験管Ｃ…、更には試験管Ｃ…に収容された反応溶液Ｌが加熱される。この際、断熱材１４により無用な熱漏れは回避される。他方、冷却動作時には、サーモモジュール３…に対する通電方向が逆方向に制御され、サーモモジュール３…における加熱冷却面により処理ブロック２…における熱交換プレート部１２が冷却され、かつサーモモジュール３…の下面が空冷機構部１７により常温冷却される。このような加熱制御及び冷却制御が予め設定された制御パターンに従って実行される。なお、温度制御は、温度センサ２７…による検出温度が制御部６ａ…に付与され、予め設定された設定温度との偏差に基づいて電源部２６…が通電制御（フィードバック制御）される。
【００３８】
よって、このような本実施形態に係る熱サイクル処理装置１（ＤＮＡ増幅装置）によれば、異なる複数の条件毎に試験を繰り返す場合であっても各条件に係わる試験を同時に進行させることができるため、外気温等の環境変動や試料の放置時間等の影響、更には極微量の試料調合量が不均一となる不具合を排除し、試験結果に無用なバラツキが生じることなく、試験を精密かつ能率的に行うことができる。しかも、一台の熱サイクル処理装置１により行うことができるため、全体のイニシャルコストの削減，省スペース化及び省エネルギ化を図れるとともに、複数の装置間（機差）により発生する性能のバラツキを排除できる。
【００３９】
以上、最良の実施形態について詳細に説明したが、本発明は、このような実施形態に限定されるものではなく、細部の構成，形状，素材，数量，数値等において、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更，追加，削除することができる。例えば、金属素材としては、銅素材が最も望ましいがアルミニウム素材等の他の金属素材の利用を排除するものではない。また、処理ユニット４ａ…は、全て同一の場合を示したが、処理ユニット４ａ…は異なってもよい。具体的には、使用する試験管Ｃ…のサイズや形状等が異なる場合には、対応する試験管カップ１１を有する処理ユニット４ａ…を用いることができるし、或いは一部の処理ユニット４ａ…に、試験管Ｃ…を除去し、ガラスプレートの上に微量試料液を滴下する試験等も行うことができるユニットを加えてもよい。一方、試験管Ｃ…は、試験管カップ１１…に対して着脱式であるが、試験管カップ１１…に固定されていてもよいし、試験管カップ１１…を直接試験管Ｃ…として使用するような形式であってもよい。なお、本発明に係る熱サイクル処理装置１は、例示したＤＮＡ増幅装置をはじめ、酵素反応装置などの熱サイクル処理を行う各種類似装置に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の最良の実施形態に係る熱サイクル処理装置の構造を示す原理的断面構成図、
【図２】同熱サイクル処理装置の全体斜視図、
【図３】同熱サイクル処理装置に備える処理ブロックの拡大断面構成図、
【図４】同熱サイクル処理装置に備える処理ブロックの断熱材を省略した一部斜視構成図、
【図５】同熱サイクル処理装置に備えるコントローラのディスプレイに表示される設定画面図、
【図６】同熱サイクル処理装置に備える電気系（制御系）のブロック系統図、
【図７】図熱サイクル処理装置において設定する制御パターン図、
【図８】同熱サイクル処理装置の各ＣＨ（処理ユニット）に対する温度特性図、
【図９】図熱サイクル処理装置において設定する他の制御パターン図、
【図１０】同熱サイクル処理装置の各ＣＨ（処理ユニット）に設定する他の制御パターン図、
【図１１】同熱サイクル処理装置における各ＣＨ（処理ユニット）の通電開始タイミングを示すタイムチャート、
【符号の説明】
【００４１】
１：熱サイクル処理装置，２…：処理ブロック，３…：サーモモジュール，４ａ，４ｂ…４ｆ：処理ユニット，５：本体ハウジング，６ａ，６ｂ…６ｆ：制御部，７：コントローラ，８：制御機能部，１１…：試験管カップ，１２…：熱交換プレート部，１３：熱交換部，１４：断熱材，１５…：ヒートシンク，１６：送風ファン，１７：空冷機構部，１８：カバー機構部，１９：汎用コンピュータ，Ｃ…：試験管，Ｐｓ：アプリケーションソフトウェア，ｔｄ：遅延時間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理溶液を収容する複数の試験管を熱交換可能に保持する処理ブロックと、この処理ブロックを加熱冷却するペルチェ素子を用いたサーモモジュールと、少なくとも前記サーモモジュールに対して通電制御を行うことにより熱サイクルによる処理を行う制御機能部を備える熱サイクル処理装置であって、前記処理ブロック及び前記サーモモジュールを有する複数の処理ユニットと、前記複数の処理ユニットを着脱式に装填可能な本体ハウジングと、各処理ユニットのサーモモジュールをそれぞれ独立して作動制御する複数の制御部及びこの制御部を包括的に制御するコントローラを有する制御機能部とを具備してなることを特徴とする熱サイクル処理装置。
【請求項２】
前記処理ブロックは、試験管を保持する複数の試験管カップを熱交換プレート部の上面に所定間隔おきに配置固定した熱交換部と、前記熱交換プレート部の上方及び前記試験管カップの側方に充填させた断熱材を備えることを特徴とする請求項１記載の熱サイクル処理装置。
【請求項３】
前記サーモモジュールの下面に当接し、かつ下方に突出したヒートシンクと、前記本体ハウジングの内部に配することにより、各ヒートシンクに対して同時に送風可能な送風ファンを有する空冷機構部を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の熱サイクル処理装置。
【請求項４】
前記処理ユニットは、前記処理ブロックの上方に配し、かつ当該処理ブロックの上面を覆い又は開放する開閉可能なカバー機構部を備えることを特徴とする請求項１，２又は３記載の熱サイクル処理装置。
【請求項５】
前記コントローラは、アプリケーションソフトウェアを格納した汎用コンピュータを用いることを特徴とする請求項１記載の熱サイクル処理装置。
【請求項６】
前記制御機能部は、各処理ユニットの作動を一緒に開始する際に所定の遅延時間を介して順次通電を開始させる機能を備えることを特徴とする請求項１記載の熱サイクル処理装置。
【請求項１】
被処理溶液を収容する複数の試験管を熱交換可能に保持する処理ブロックと、この処理ブロックを加熱冷却するペルチェ素子を用いたサーモモジュールと、少なくとも前記サーモモジュールに対して通電制御を行うことにより熱サイクルによる処理を行う制御機能部を備える熱サイクル処理装置であって、前記処理ブロック及び前記サーモモジュールを有する複数の処理ユニットと、前記複数の処理ユニットを着脱式に装填可能な本体ハウジングと、各処理ユニットのサーモモジュールをそれぞれ独立して作動制御する複数の制御部及びこの制御部を包括的に制御するコントローラを有する制御機能部とを具備してなることを特徴とする熱サイクル処理装置。
【請求項２】
前記処理ブロックは、試験管を保持する複数の試験管カップを熱交換プレート部の上面に所定間隔おきに配置固定した熱交換部と、前記熱交換プレート部の上方及び前記試験管カップの側方に充填させた断熱材を備えることを特徴とする請求項１記載の熱サイクル処理装置。
【請求項３】
前記サーモモジュールの下面に当接し、かつ下方に突出したヒートシンクと、前記本体ハウジングの内部に配することにより、各ヒートシンクに対して同時に送風可能な送風ファンを有する空冷機構部を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の熱サイクル処理装置。
【請求項４】
前記処理ユニットは、前記処理ブロックの上方に配し、かつ当該処理ブロックの上面を覆い又は開放する開閉可能なカバー機構部を備えることを特徴とする請求項１，２又は３記載の熱サイクル処理装置。
【請求項５】
前記コントローラは、アプリケーションソフトウェアを格納した汎用コンピュータを用いることを特徴とする請求項１記載の熱サイクル処理装置。
【請求項６】
前記制御機能部は、各処理ユニットの作動を一緒に開始する際に所定の遅延時間を介して順次通電を開始させる機能を備えることを特徴とする請求項１記載の熱サイクル処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−５１２６５（Ｐ２０１０−５１２６５Ａ）
【公開日】平成２２年３月１１日（２０１０．３．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２２１０７６（Ｐ２００８−２２１０７６）
【出願日】平成２０年８月２９日（２００８．８．２９）
【出願人】（５０３００４１３８）サーモジェン有限会社 (3)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月１１日（２０１０．３．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月２９日（２００８．８．２９）
【出願人】（５０３００４１３８）サーモジェン有限会社 (3)
【Ｆターム（参考）】
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