熱サイクル装置及び熱サイクル方法
【課題】簡易な機構によって短時間でＰＣＲを可能とする熱サイクル装置を提供する。
【解決手段】熱サイクル装置は、長手方向を有するバイオチップ１００を装着する装着部と、バイオチップの第１端部を加熱する加熱部と、装着部を回転させる回転部と、回転部の回転速度を制御する制御部とを有する。装着部は、バイオチップ１００の一方の端部が他方の端部よりも高い位置となるように、かつ、バイオチップの一方の端部と回転軸との距離が、バイオチップの他方の端部と回転軸との距離よりも短くなるようにバイオチップを装着する。制御部は、反応液に作用する遠心力の大きさが重力よりも小さくなる回転速度とする第１モードと、反応液に作用する遠心力の大きさが重力よりも大きくなる回転速度とする第２モードとを有する。
【解決手段】熱サイクル装置は、長手方向を有するバイオチップ１００を装着する装着部と、バイオチップの第１端部を加熱する加熱部と、装着部を回転させる回転部と、回転部の回転速度を制御する制御部とを有する。装着部は、バイオチップ１００の一方の端部が他方の端部よりも高い位置となるように、かつ、バイオチップの一方の端部と回転軸との距離が、バイオチップの他方の端部と回転軸との距離よりも短くなるようにバイオチップを装着する。制御部は、反応液に作用する遠心力の大きさが重力よりも小さくなる回転速度とする第１モードと、反応液に作用する遠心力の大きさが重力よりも大きくなる回転速度とする第２モードとを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱サイクル装置、及び熱サイクル方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、様々な疾患に関与する遺伝子の存在が明らかになり、遺伝子診断や遺伝子治療など遺伝子を利用した医療が注目されている。また、農畜産分野においても品種判別や品種改良に遺伝子を用いた手法が多く開発されてきている。遺伝子を利用するための技術として核酸増幅技術が広く普及している。核酸増幅技術としては一般的にＰＣＲ（Polymerase Chain Reaction）などが知られている。ＰＣＲは、増幅の対象とする核酸（標的核酸）及び試薬を含む溶液（反応液）に熱サイクルを施すことで、標的核酸を増幅させる手法である。熱サイクルとは、２段階以上の温度を周期的に反応液に施す処理である。ＰＣＲにおいては、２段階または３段階の熱サイクルを施す手法が一般的である。今日では、ＰＣＲは、生体物質の情報解明において必要不可欠な技術となっている。
【０００３】
ＰＣＲでは一般に、チューブやバイオチップ（生体試料反応用チップ）と称する、生化学反応を行うための容器を使用する。しかし、従来の手法においては、必要な試薬等の量が多く、また反応に時間がかかるという問題があった。一般にＰＣＲに用いる試薬は高価なため、使用する試薬はできるだけ少なくすることが望ましい。また、ＰＣＲを例えば感染症の診断に利用するために、ＰＣＲを短時間で行える反応装置が必要とされていた。
【０００４】
このような問題を解決するために、特許文献１には、反応液と、反応液と混和せず反応液よりも比重の小さい液体（ミネラルオイル等、以下「液体」と称する）とが充填されたバイオチップを、水平方向の回転軸の周りに回転させることで、反応液を移動させて熱サイクルを施す生体試料反応装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１３６２５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示された生体試料反応装置は、バイオチップを連続して回転させることで反応液に熱サイクルを施していた。反応液は回転に伴ってバイオチップの流路内を移動するので、反応液を所望の温度に所望の時間保持するためには、バイオチップの流路構造を複雑にするなどの工夫をする必要があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、加熱時間の制御が容易な熱サイクル装置及び熱サイクル方法を提供することである。
【０００８】
［適用例１］本適用例に係る熱サイクル装置は、反応液と、前記反応液とは混和せず、かつ、前記反応液よりも比重の小さい液体とが充填された、長手方向を有するバイオチップを装着する装着部と、前記装着部に前記バイオチップを装着した場合に、前記バイオチップの前記長手方向における第１端部を加熱する加熱部と、前記装着部を回転させる回転部と、前記回転部の回転速度を、前記回転部の回転によって前記反応液に作用する遠心力の大きさが前記反応液に作用する重力の大きさよりも小さい第１の速度にする第１モードと、前記回転部の回転速度を、前記回転部の回転によって前記反応液に作用する遠心力の大きさが前記反応液に作用する重力の大きさよりも大きい第２の速度にする第２モードとを有する制御部と、を含み、前記装着部は、前記第１端部と前記回転部の回転軸との距離が、前記バイオチップの前記長手方向における端部であって、前記第１端部とは異なる第２端部と前記回転軸との距離よりも短く、かつ、前記第１端部の重力ポテンシャルが、前記第２端部の重力ポテンシャルよりも小さくなる向きに前記バイオチップを装着する。
【０００９】
本適用例に記載の熱サイクル装置は、回転部の回転速度を第１の速度にする第１モードと、回転部の回転速度を第１の速度とは異なる第２の速度にする第２モードとを有する。第１の速度は、反応液に作用する遠心力の大きさが反応液に作用する重力よりも小さい速度であり、第２の速度は、反応液に作用する遠心力の大きさが反応液に作用する重力よりも大きい速度である。ここで、装着部にバイオチップを装着した場合に、バイオチップの長手方向における第１端部と回転部の回転軸との距離は、バイオチップの長手方向における端部であって、第１端部とは異なる第２端部と回転軸との距離よりも短い。さらに、第１端部の重力ポテンシャルは第２端部の重力ポテンシャルよりも小さい向きにバイオチップが装着される。つまり、第１モードにおいては重力の方が遠心力よりも大きいため、重力の作用によって重力ポテンシャルが第２端部よりも小さい第１端部に反応液が保持される。一方、第２モードにおいては遠心力の方が重力よりも大きいため、遠心力の作用によって、回転軸に対して第１端部よりも遠い第２端部に反応液が保持される。そして、加熱部が第１端部を加熱することによって、第１モードにおいて第１端部に保持される反応液を所定の温度に保持することができる。第２端部は第１端部よりも回転軸に対して遠いため、第１端部と第２端部は異なる温度となる。すなわち、第２モードにおいて第２端部に保持される反応液を第１端部とは異なる温度に保持することができる。したがって、第１モードで回転させる時間と第２モードで回転させる時間とを制御することによって、加熱時間を容易に制御可能な熱サイクル装置を提供できる。
【００１０】
［適用例２］上記適用例に記載の熱サイクル装置は、さらに、前記第２端部を加熱する第２加熱部を含み、前記加熱部は、第１の温度に前記第１端部を加熱し、前記第２加熱部は、前記第１の温度とは異なる第２の温度に前記第２端部を加熱してもよい。
【００１１】
本適用例の熱サイクル装置は、第２の温度に第２端部を加熱する第２加熱部を含むため、装着部にバイオチップを装着した場合に、バイオチップの第２端部の温度をより正確に制御できる。したがって、より正確な熱サイクルを反応液に施すことができる。
【００１２】
［適用例３］本適用例に係る熱サイクル方法は、熱サイクル装置を用いた熱サイクル方法であって、前記熱サイクル装置に、反応液と、前記反応液とは混和せず、かつ、前記反応液よりも比重の小さい液体とが充填された、長手方向を有するバイオチップを装着することと、前記バイオチップの前記長手方向における第１端部を加熱することと、前記バイオチップを、所定の回転軸を中心として第１の速度で回転させることと、前記バイオチップを、前記所定の回転軸を中心として前記第１の速度とは異なる第２の速度で回転させることと、を含み、前記装着することは、前記第１端部と前記所定の回転軸との距離が、前記バイオチップの前記長手方向における端部であって、前記第１端部とは異なる第２端部と前記所定の回転軸との距離よりも短く、かつ、前記第１端部の重力ポテンシャルが、前記第２端部の重力ポテンシャルよりも小さい向きに前記バイオチップを装着する。
【００１３】
本適用例の熱サイクル方法は、バイオチップを第１の速度で回転させることと、バイオチップを第１の速度とは異なる第２の速度で回転させることとを含む。第１の速度は、反応液に作用する遠心力の大きさが反応液に作用する重力よりも小さい速度であり、第２の速度は、反応液に作用する遠心力の大きさが反応液に作用する重力よりも大きい速度である。ここで、バイオチップの長手方向における第１端部と回転部の回転軸との距離が、バイオチップの長手方向における端部であって、第１端部とは異なる第２端部と回転軸との距離よりも短くなるようにバイオチップが熱サイクル装置に装着される。さらに、第１端部の重力ポテンシャルが第２端部の重力ポテンシャルよりも小さい向きにバイオチップが装着される。つまり、第１の速度でバイオチップを回転させると、重力の方が遠心力よりも大きいため、重力の作用によって重力ポテンシャルが第２端部よりも小さい第１端部に反応液が保持される。一方、第２の速度でバイオチップを回転させると、遠心力の方が重力よりも大きいため、遠心力の作用によって、回転軸に対して第１端部よりも遠い第２端部に反応液が保持される。そして、第１端部を加熱することによって、第１の速度でバイオチップを回転させた結果、第１端部に保持される反応液を所定の温度に保持することができる。一方、第２端部は第１端部よりも回転軸に対して遠いため、第１端部と第２端部は異なる温度となる。すなわち、第２の速度でバイオチップを回転させた結果、第２端部に保持される反応液を第１端部とは異なる温度に保持することができる。したがって、第１の速度でバイオチップを回転させる時間と第２の速度でバイオチップを回転させる時間とを制御することによって、加熱時間を容易に制御可能な熱サイクル方法を提供できる。
【００１４】
なお、以上述べた各構成は、本発明の趣旨を逸脱しない限り、互いに組み合わせることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態に係る熱サイクル装置の模式図。
【図２】実施形態に係るバイオチップの模式図。
【図３】実施形態に係る熱サイクル装置の回転部および装着部を回転軸方向から見た平面図。
【図４】変形例１に係る熱サイクル装置の模式図。
【図５】変形例２に係る熱サイクル装置の模式図。
【図６】変形例３に係る熱サイクル装置の模式図。
【図７】変形例４に係る熱サイクル装置の模式図。
【図８】実施形態に係る熱サイクル装置を用いた熱サイクル処理の手順を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて以下の順序に従って説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
【００１７】
１．実施形態
１−１．熱サイクル装置の構成
１−２．熱サイクル装置を用いた熱サイクル処理
２．変形例
２−１．変形例１
２−２．変形例２
２−３．変形例３
２−４．変形例４
【００１８】
１．実施形態
１−１．熱サイクル装置の構成
図１は、実施形態に係る熱サイクル装置２（生体試料反応装置）の模式図である。図１は、装着部２１０にバイオチップ（生体試料反応用チップ）１００が装着された状態を表す。図３は、実施形態に係る熱サイクル装置の回転部２００および装着部２１０を回転軸方向から見た平面図である。図２は、実施形態に係るバイオチップを示す模式図である。まず、本実施形態に係る熱サイクル装置２に装着して使用するバイオチップ１００について図２を参照して説明し、次に熱サイクル装置２について図１および図３を参照して説明する。
【００１９】
図２は、本実施形態に係るバイオチップ１００の模式図であり、反応液１１０が収容された状態を示す。バイオチップ１００は、容器１０１と、容器１０１を封止する蓋１０２とを含む。容器１０１には、反応液１１０とは混和せず、かつ、反応液１１０よりも比重の小さい液体１０４が充填されている。バイオチップ１００は、例えばポリプロピレンなどの樹脂で形成されることが望ましい。バイオチップ１００の材質として樹脂を用いることにより射出成型による大量生産が可能となる。
【００２０】
図２に示されているように、バイオチップ１００は対向する内壁に近接して反応液１１０がバイオチップ１００の底部（第１端部１０８）と蓋１０２で封止される反応液導入部（第２端部１０６）との間を移動するように形成されている。言い換えると、第２端部１０６はバイオチップ１００の容器１０１における一方端部の領域を意味し、第１端部１０８はバイオチップ１００の容器における、第１端部とは異なる側の端部の領域を意味する。ここで、バイオチップ１００は、第１端部１０８と第２端部１０６との間の距離が、第１端部１０８と第２端部１０６とを結ぶ方向と垂直な方向の距離よりも長い形状となっている。すなわち、第１端部１０８と第２端部１０６とを結ぶ方向が長手方向である。反応液１１０はバイオチップ１００の長手方向に沿って移動する。
【００２１】
バイオチップ１００は、容器１０１に液体１０４が充填され、蓋１０２で封止された状態で流通し、保管される。ＰＣＲを行う際には、ユーザーが蓋１０２を開封し、マイクロピペット等を用いて増幅の対象とする核酸（標的核酸）を含み得る検体及び試薬を含む反応液１１０を容器１０１に流入させ、再度蓋１０２で容器１０１を封止する。ここで、容器１０１に充填されている液体１０４は、反応液１１０とは混和しないため、反応液１１０は液体１０４内で液滴の状態となる。また、液体１０４は反応液１１０よりも比重が小さいため、反応液１１０は液体１０４内を沈降し、バイオチップ１００の重力方向における最下部まで移動する。すなわち、バイオチップ１００を鉛直に立てた場合には、重力方向において相対的に下方に位置する側の端部へ反応液１１０が移動する。なお、反応液１１０は試薬を含む状態で容器１０１に導入されるものとしたが、予め試薬をバイオチップ１００に塗布しておき、標的核酸を含み得る液体を容器１０１に流入させたときに標的核酸を含む液体と試薬とが混合して反応液１１０を構成するようにしてもよい。
【００２２】
本実施形態におけるバイオチップ１００の大きさは、例えば、内径２ｍｍ、外径３ｍｍ、長さ３０ｍｍ程度の寸法で作製し、バイオチップ１００の内部には２マイクロリットル以下の反応液１１０を収容することが望ましい。反応液１１０の体積が２マイクロリットル以上になると、反応液１１０の直径がバイオチップ１００の内径に近くなり、反応液１１０とバイオチップ１００内壁とのすきまが狭くなって反応液１１０の上下間で液体１０４が流れにくくなるため、結果として反応液１１０が移動しにくくなるからである。
【００２３】
容器１０１に充填される液体１０４としては、ＰＣＲを阻害せず反応液１１０よりも比重が小さければ、どのような種類の液体１０４を用いてもかまわない。ただし、液体１０４の粘度は３ｍＰａ・ｓ以上１０ｍＰａ・ｓ以下にすることが望ましい。この範囲の粘度の液体１０４を用いることにより、バイオチップ１００内部の温度分布を安定にすることができ、また、反応液１１０の移動を比較的短時間に行うことができる。３ｍＰａ・ｓよりも低い粘度の液体１０４を用いると、熱勾配の影響によりバイオチップ１００内でオイル液体が対流しやすくなり、その結果、バイオチップ１００に遠心力を印加した際にバイオチップ１００内部の温度分布が不安定になりやすい。また、１０ｍＰａ・ｓよりも高い粘度の液体１０４を用いると、バイオチップ１００内部の反応液１１０が移動しにくくなり、反応液１１０の移動時間が長くなるため、結果としてＰＣＲに要する時間が長くなってしまう。このような液体１０４の一例としては、ミネラルオイルやシリコンオイルを挙げることができる。
【００２４】
図１に示すように、本実施形態に係る熱サイクル装置２は、装着部２１０と、回転部２００と、回転部２００を回転させるモーター４００と、回転部２００を支持しモーター４００の回転動力を回転部２００に伝える支持棒３００と、モーター４００の回転速度を制御する制御部４１０と、を含む。さらに、熱サイクル装置２は、バイオチップ１００の第１端部１０８を加熱する第１加熱部（加熱部）６２０と、バイオチップ１００の第２端部１０６を加熱する第２加熱部６１０と、第１加熱部６２０および第２加熱部６１０に電力を供給し回転部２００の外部の電源と接続するスリップリング５００と、を備えている。
【００２５】
図３は、本実施形態に係るバイオチップ１００を複数収容した場合の熱サイクル装置２の平面図である。図３は、熱サイクル装置２を回転軸方向から見た平面図であり、一例としてバイオチップ１００を８本収容した例を示している。
【００２６】
装着部２１０の機構は、バイオチップ１００を固定できればどのような機構であってもよい。例えばバイオチップ１００の第１端部１０８と嵌合することによって、バイオチップ１００を装着する機構であってもよいし、バイオチップ１００の第２端部１０６をベルトによって固定する機構であってもよい。
【００２７】
また、装着部２１０は、後述する回転部２００の回転軸ｓとバイオチップ１００の第１端部１０８との距離が、回転部２００の回転軸ｓとバイオチップ１００の第２端部１０６との距離よりも短くなるようにバイオチップ１００を装着する。言い換えると、第１端部１０８の方が第２端部１０６よりも回転軸ｓに近くなるようにバイオチップ１００を装着する。また、装着部２１０は、バイオチップ１００の第１端部１０８よりも第２端部１０６の方が高い位置になるようにバイオチップ１００を装着する。言い換えると、第１端部１０８の重力ポテンシャルが、第２端部１０６の重力ポテンシャルよりも小さくなる向きにバイオチップ１００を装着する。このようにバイオチップ１００を装着部２１０に装着することによって、回転部２００の回転によって生じる遠心力が重力よりも大きい場合には反応液１１０を第２端部１０６へ移動させ、回転部２００の回転によって生じる遠心力が重力よりも小さい場合には反応液１１０を第１端部１０８へ移動させることができる。
【００２８】
図１に示す例では、装着部２１０は、回転軸ｓとバイオチップ１００の第２端部１０６との水平方向（重力方向と直交する方向）の距離ｕが回転軸ｓとバイオチップ１００の第１端部１０８との水平距離ｄよりも長くなるように傾斜した状態でバイオチップ１００を装着する。好ましくは、装着部２１０は、バイオチップ１００の第２端部１０６と第１端部１０８を通る直線ａと鉛直方向（重力方向）の直線（回転軸ｓ）とのなす角度θが約４５°になるように、バイオチップ１００を装着してもよい。バイオチップ１００を約４５°に傾斜させて設置することによって、重力と遠心力との両方を最も効率的に反応液１１０に印加することができる。
【００２９】
モーター４００は、回転部２００を回転させることによって、装着部２１０に装着されたバイオチップ１００に作用する遠心力を生じさせる。本実施形態においては、装着部２１０は回転部２００の一部として構成されているので、回転部２００が回転すると装着部２１０が回転される。回転部２００は、支持棒３００を介して接続されたモーター４００の回転動力によって回転する。モーター４００は後述する制御部４１０から出力される制御信号に応じて回転速度を変更することができる。本実施形態では、回転部２００の回転軸が重力方向と平行である。回転軸は重力方向と平行でなくてもよい。前述したように回転軸と第１端部１０８および第２端部１０６の位置関係は、第１端部１０８の方が第２端部１０６よりも回転軸に近い。
【００３０】
制御部４１０は、モーター４００に対して制御信号を送信することによって、モーター４００の回転速度を制御する。制御部４１０はモーター４００の回転速度を任意の速度に変更できるものであればよいが、少なくとも以下の２つのモードを備える。第１モードは、回転部２００の回転速度が第１の速度となるように、モーター４００の回転速度を制御するモードである。第１の速度は、装着部２１０に装着されたバイオチップ１００（反応液１１０）に作用する遠心力の大きさが、バイオチップ１００（反応液１１０）に作用する重力の大きさよりも小さくなる速度である。第１モードは、重力の方が回転によって発生する遠心力よりも大きくなればよく、低速度で回転するか、または、全く回転しない場合も含む。一方、第２モードは、回転部２００の回転速度が第２の速度となるように、モーター４００の回転速度を制御するモードである。第２の速度は、装着部２１０に装着されたバイオチップ１００（反応液１１０）に作用する遠心力の大きさが、バイオチップ１００（反応液１１０）に作用する重力の大きさよりも大きくなる速度である。第２モードは、回転によって発生する遠心力の方が重力よりも大きければよい。遠心力と重力との関係から明らかなように、第１の速度よりも第２の速度の方が速い。例えば、回転半径が５ｃｍの場合に毎秒３回転の速度で回転させるとバイオチップ１００には約１．８Ｇの遠心力が作用するため、遠心力が重力よりも大きくなる。
【００３１】
第１加熱部６２０は、バイオチップ１００を装着部２１０に装着した場合において、バイオチップ１００の第１端部１０８を加熱する。一方、第２加熱部６１０は、バイオチップ１００を装着部２１０に装着した場合において、バイオチップ１００の第２端部１０６を加熱する。第１加熱部６２０と第２加熱部６１０とは、それぞれ異なる温度でバイオチップ１００を加熱する。言い換えると、バイオチップ１００の第１端部１０８（下部）と、第２端部１０６（上部）とは異なる温度で加熱される。本実施形態では、バイオチップ１００の第１端部１０８を第１加熱部６２０によって約９５℃に加熱し、バイオチップ１００の第２端部１０６を第２加熱部６１０によって約６０℃に加熱する。第１加熱部６２０の加熱温度を約６０℃とし、第２加熱部６１０の加熱温度を約９５℃としてもよい。また、熱サイクル装置２は第１加熱部６２０だけ備え、第２加熱部６１０が存在しない構成でもよい。この場合、第１加熱部６２０によって第１端部１０８を約９５℃に加熱し、第２端部１０６は、第１端部１０８の高温部から第２端部１０６へ向かって徐々に低音となる温度勾配によって約６０℃に加熱されればよい。第１加熱部６２０および第２加熱部６１０は、例えば熱電線など、スリップリング５００を介して供給される電力によって熱を発するものであればよい。
【００３２】
１−２．熱サイクル装置を用いた熱サイクル処理
次に、本実施形態に係る熱サイクル装置２を用いた熱サイクル方法について図８を参照して説明する。
図８は、本実施形態における熱サイクル処理の手順を示すフローチャートである。始めに、マイクロピペット等を用いて、反応液１１０をバイオチップ１００に流入させ、バイオチップ１００を封止する。次に、反応液１１０を流入させたバイオチップ１００を熱サイクル装置２の装着部２１０に装着する。
【００３３】
熱サイクル装置２の回転部２００が停止している状態では、バイオチップ１００内の反応液１１０は、重力の作用によって第１端部１０８に移動し、そのまま第１端部１０８に保持される。第１端部１０８は第１加熱部６２０によって約９５℃に加熱されているため、反応液１１０も約９５℃に加熱される。例えば、反応液１１０を第１端部１０８に約５秒間保持すれば、反応液１１０は約９５℃で５秒間加熱される。
【００３４】
次に、制御部４１０を第２モードとする、すなわち、回転部２００の回転速度が第２の速度となるように回転部２００を回転させる（ステップＳ２２）。回転部２００が第２の速度で回転している状態では、装着部２１０に装着されたバイオチップ１００（反応液１１０）に作用する遠心力の大きさが、バイオチップ１００（反応液１１０）に作用する重力の大きさよりも大きくなる。したがって、遠心力の作用によって、バイオチップ１００内の反応液１１０が、バイオチップ１００の第１端部１０８から第２端部１０６へ向かって移動する。そして、回転部２００が第２の速度で回転している状態では、そのまま第２端部１０６に反応液１１０が保持される。第２端部１０６は第２加熱部６１０によって約６０℃に加熱されているため、反応液１１０も約６０℃に加熱される。例えば、反応液１１０を２０秒間第２端部１０６に保持すれば、反応液１１０は約６０℃で２０秒間加熱される。
【００３５】
次に、制御部４１０を第１モードとする、すなわち、回転部２００の回転速度を遅くすることによって、回転部２００の回転速度を第１の速度となるように回転部２００を回転させる（ステップＳ２３）。ここで、第１の回転速度で回転部２００を回転させることは、回転部２００の回転を停止させることも含む。回転部２００が第１の速度で回転している状態では、装着部２１０に装着されたバイオチップ１００（反応液１１０）に作用する遠心力の大きさが、バイオチップ１００（反応液１１０）に作用する重力の大きさよりも小さくなる。したがって、バイオチップ１００内の反応液１１０が、バイオチップ１００の第２端部１０６から第１端部１０８へ向かって移動する。そして、回転部２００が第１の速度で回転している状態ではそのまま第１端部１０８に反応液１１０が保持され、反応液１１０が再び約９５℃に加熱される。
【００３６】
この動作を繰り返し行うことによって、言い換えると、制御部４１０を第１モードとして回転部２００を回転させることと、制御部４１０を第２モードとして回転部２００を回転させることとを繰り返すことによって、反応液１１０をバイオチップ１００内の第１端部１０８と第２端部１０６との間で移動させることができる。熱サイクル処理は、第１の温度と第２の温度とに加熱するサイクルが所定の回数行われたか否かを判定して、所定の回数に達した場合に終了される（ステップＳ２４）。第１端部１０８は第１加熱部６２０によって、第２端部１０６は第２加熱部６１０によって、それぞれ異なる温度に加熱されている。したがって、反応液１１０を第１端部１０８と第２端部１０６との間で移動させることによって、反応液１１０に対して熱サイクルを施すことができる。さらに、制御部４１０によって回転部２００の回転速度を切り替えるという簡単な制御によって、反応液１１０の加熱時間を容易に制御することができ、ＰＣＲを安定して行うことができる。
【００３７】
２．変形例
本発明は上記実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。以下に上記実施形態の変形例について説明する。なお、変形例の説明においては、上記実施形態と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００３８】
２−１．変形例１
図４は、変形例１に係る熱サイクル装置４の模式図である。図４は、制御部４１０を第２モードとして回転部２００を回転させている状態を示す。上記の実施形態では熱サイクル装置２が第１加熱部６２０、第２加熱部６１０を有していたが、変形例１に係る熱サイクル装置４は、第１加熱部６２０、第２加熱部６１０に替えて加熱ランプ（加熱部）７００を有する点で上記の実施形態とは異なる。また、変形例１に係る熱サイクル装置４は、装着部の構造が熱サイクル装置２とは異なる。
【００３９】
図４に示すように、熱サイクル装置４は、加熱ランプ７００によって、回転部２００を加熱し、回転部２００からの熱伝導によって、装着部２１０に装着されたバイオチップ１００の第１端部１０８を加熱する。加熱ランプ７００は例えば、バイオチップ１００の第１端部１０８が約９５℃に加熱されるように、加熱温度が設定される。回転部２００は、加熱ランプ７００からの熱を装着部２１０に効率的に伝えるために、熱伝導率の高い金属材料で形成されていることが好ましい。非接触の加熱方式を採用することにより、スリップリングなどの構成が不要となるので、熱サイクル装置を簡易な構成とすることができる。
【００４０】
また、図４に示す熱サイクル装置４の装着部２２０は、バイオチップ１００の第１端部１０８近傍を固定することによって、バイオチップ１００を装着する構造となっている。また、装着部２２０は、バイオチップ１００の第２端部１０６を、熱サイクル装置４内の雰囲気（熱サイクル装置４内部の気体）に開放状態とする構造となっている。例えば、熱サイクル装置４内の雰囲気を約６０℃に保持することによって、バイオチップ１００の第２端部１０６を加熱することができる。熱サイクル装置４内の雰囲気を加熱する方法としては、加熱された気体を外部から熱サイクル装置４内に送風することによって行うことができる。
【００４１】
このような構成にすることによって、加熱ランプを用いて非接触でバイオチップ１００を加熱することができる。したがって、装着部２２０の近傍、特にバイオチップ１００の第２端部１０６に加熱機構を組み込む必要がなくなるため、装置構造を簡易な構成にすることができる。また、バイオチップ１００の第２端部１０６が開放状態になっているため、ＰＣＲで増幅された増幅産物をリアルタイムで蛍光測定するリアルタイム蛍光検出を行う場合に、障害物のないバイオチップ１００の側面から反応液１１０の蛍光を検出することが可能となる。したがって、検出感度が高く高精度な蛍光検出を行うことが可能となる。
【００４２】
２−２．変形例２
図５は、変形例２に係る熱サイクル装置６の模式図である。図５は、制御部４１０を第２モードとして回転部２００を回転させている状態を示す。変形例２に係る熱サイクル装置６は、蛍光検出部８００が付加された点で上述した実施形態とは異なる。変形例２に係る熱サイクル装置６によれば、簡易な構造でリアルタイム蛍光検出が可能となる。
【００４３】
蛍光検出部８００は、装着部２１０の上部に配置され、装着部２１０に装着されたバイオチップ１００の蓋１０２を介して励起光を反応液１１０に照射し、励起された蛍光を検出する。反応液１１０の蛍光検出は、熱サイクルにおいて反応液１１０の温度が低い状態、すなわち、反応液１１０がバイオチップ１００の第２端部１０６に保持されているときに行う。反応液１１０が第２端部１０６に保持されている状態では、回転部２００が第２の速度で回転している状態である。したがって、蛍光検出部８００を１箇所に固定した状態であっても、装着部２１０に装着された複数のバイオチップ１００について、反応液１１０の蛍光検出が可能となる。なお、バイオチップ１００の内部にある反応液１１０の蛍光検出をバイオチップ１００の外部から行うため、バイオチップ１００は、例えばポリプロピレンなどの透明な樹脂で形成されることが望ましい。
【００４４】
このような構成にすることによって、ＰＣＲとリアルタイム蛍光検出とを簡易な構造の熱サイクル装置６で実現することができる。さらに、蛍光検出部８００を移動させることなく、装着部２１０に装着された複数のバイオチップ１００について、反応液１１０の蛍光検出を行うことができる。
【００４５】
２−３．変形例３
図６は、変形例３に係る熱サイクル装置８の模式図である。変形例３に係る熱サイクル装置８は、変形例１の構成と変形例２の構成とを組み合わせた構成である。すなわち、加熱ランプ７００を用いて非接触でバイオチップ１００の第１端部１０８を加熱することができる。さらに、蛍光検出部８００を用いてリアルタイム蛍光検出が可能となっている。
【００４６】
図６に示す熱サイクル装置８では、蛍光検出部８００の配置が変形例２とは異なる。具体的には、変形例２では蛍光検出部８００は装着部２１０の上部（蓋１０２に対して容器１０１と反対側）に配置されていたが、変形例３では、装着部２２０に装着されるバイオチップ１００の第２端部１０６の側面方向（バイオチップ１００の長手方向と直交する方向）に蛍光検出部８００が配置されている。熱サイクル装置８では、バイオチップ１００の第２端部１０６が熱サイクル装置８内の雰囲気に開放状態となっているため、第２端部１０６に保持された反応液１１０を蛍光検出する方向の自由度が高くなる。そこで、図６に示すように蛍光検出部８００を配置することによって、バイオチップ１００の側面から励起光を反応液１１０に照射し、励起された蛍光を蛍光検出部８００によって検出することが可能となる。バイオチップ１００の側面は、バイオチップ１００の蓋１０２よりも部材の肉厚が薄く、部材による励起光や蛍光の透過率の低下を抑えることができるため、より高感度な蛍光検出を行うことが可能となる。
【００４７】
２−４．変形例４
図７は、変形例４に係る熱サイクル装置１０の模式図である。変形例４に係る熱サイクル装置１０は、装着部および回転部の構造をより簡易にし、さらに、熱サイクル装置１０内の雰囲気を温度制御することによって、バイオチップ１００の第１端部１０８と第２端部１０６とを加熱する点で上述した実施形態とは異なる。
【００４８】
図７に示されるように、熱サイクル装置１０は、装着部２３０を有する。装着部２３０は、バイオチップ１００の長手方向における中央部をベルト等によって固定する。このようにすることによって、バイオチップ１００の第１端部１０８と第２端部１０６の付近を熱サイクル装置１０内の雰囲気に開放状態にしている。
【００４９】
また、熱サイクル装置１０は、第１加熱部としての温風器９１０と、第２加熱部としての温風器９２０とを有する。温風器９１０は、熱サイクル装置１０内の下部の雰囲気、言い換えると、装着部２３０に装着されたバイオチップ１００の第１端部１０８近傍の雰囲気を例えば約６０℃に加熱する。温風器９２０は、熱サイクル装置１０内の上部の雰囲気、言い換えると、装着部２３０に装着されたバイオチップ１００の第２端部１０６近傍の雰囲気を例えば約９５℃に加熱する。回転部２０２は、回転軸ｓに対して垂直な平面を有する板の形状を有し、バイオチップ１００を装着する穴が設けられている。回転部２０２は、装着部２３０を回転させる機能に加え、熱サイクル装置１０内の上部の雰囲気と下部の雰囲気の温度が均一にならないように、上下の空間を隔離する機能を有する。これによって、バイオチップ１００の第２端部１０６を約９５℃に加熱し、かつ、バイオチップ１００の第１端部１０８を約６０℃に加熱することが一層確実に実現できる。
【００５０】
図７に示す熱サイクル装置１０の構成では、バイオチップ１００の第１端部１０８と第２端部１０６とがともに開放状態となっているため、バイオチップ１００内の反応液１１０の蛍光検出を第１端部１０８と第２端部１０６のどちらからも行うことができる。したがって、熱サイクル装置１０の設計の自由度が高くなる。例えば、図７に示す熱サイクル装置１０では、熱サイクルにおいて反応液１１０の温度が低い状態が、反応液１１０がバイオチップ１００の第１端部１０８に保持されているときとなるため、蛍光検出部８００を第１端部１０８の側面方向に配置することができる。これにより、熱サイクル装置１０を一層小型化することができる。
【符号の説明】
【００５１】
２，４，６，８，１０…熱サイクル装置（生体試料反応装置）、１００…バイオチップ（生体試料反応用チップ）、１０１…容器、１０２…蓋、１０４…液体、１０６…第２端部、１０８…第１端部、１１０…反応液、２００，２０２…回転部、２１０，２２０，２３０…装着部、３００…支持棒、４００…モーター、４１０…制御部、５００…スリップリング、６１０…第２加熱部、６２０…第１加熱部（加熱部）、７００…加熱ランプ（加熱部）、８００…蛍光検出部、９１０…温風器（第１加熱部）、９２０…温風器（第２加熱部）。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱サイクル装置、及び熱サイクル方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、様々な疾患に関与する遺伝子の存在が明らかになり、遺伝子診断や遺伝子治療など遺伝子を利用した医療が注目されている。また、農畜産分野においても品種判別や品種改良に遺伝子を用いた手法が多く開発されてきている。遺伝子を利用するための技術として核酸増幅技術が広く普及している。核酸増幅技術としては一般的にＰＣＲ（Polymerase Chain Reaction）などが知られている。ＰＣＲは、増幅の対象とする核酸（標的核酸）及び試薬を含む溶液（反応液）に熱サイクルを施すことで、標的核酸を増幅させる手法である。熱サイクルとは、２段階以上の温度を周期的に反応液に施す処理である。ＰＣＲにおいては、２段階または３段階の熱サイクルを施す手法が一般的である。今日では、ＰＣＲは、生体物質の情報解明において必要不可欠な技術となっている。
【０００３】
ＰＣＲでは一般に、チューブやバイオチップ（生体試料反応用チップ）と称する、生化学反応を行うための容器を使用する。しかし、従来の手法においては、必要な試薬等の量が多く、また反応に時間がかかるという問題があった。一般にＰＣＲに用いる試薬は高価なため、使用する試薬はできるだけ少なくすることが望ましい。また、ＰＣＲを例えば感染症の診断に利用するために、ＰＣＲを短時間で行える反応装置が必要とされていた。
【０００４】
このような問題を解決するために、特許文献１には、反応液と、反応液と混和せず反応液よりも比重の小さい液体（ミネラルオイル等、以下「液体」と称する）とが充填されたバイオチップを、水平方向の回転軸の周りに回転させることで、反応液を移動させて熱サイクルを施す生体試料反応装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１３６２５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示された生体試料反応装置は、バイオチップを連続して回転させることで反応液に熱サイクルを施していた。反応液は回転に伴ってバイオチップの流路内を移動するので、反応液を所望の温度に所望の時間保持するためには、バイオチップの流路構造を複雑にするなどの工夫をする必要があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、加熱時間の制御が容易な熱サイクル装置及び熱サイクル方法を提供することである。
【０００８】
［適用例１］本適用例に係る熱サイクル装置は、反応液と、前記反応液とは混和せず、かつ、前記反応液よりも比重の小さい液体とが充填された、長手方向を有するバイオチップを装着する装着部と、前記装着部に前記バイオチップを装着した場合に、前記バイオチップの前記長手方向における第１端部を加熱する加熱部と、前記装着部を回転させる回転部と、前記回転部の回転速度を、前記回転部の回転によって前記反応液に作用する遠心力の大きさが前記反応液に作用する重力の大きさよりも小さい第１の速度にする第１モードと、前記回転部の回転速度を、前記回転部の回転によって前記反応液に作用する遠心力の大きさが前記反応液に作用する重力の大きさよりも大きい第２の速度にする第２モードとを有する制御部と、を含み、前記装着部は、前記第１端部と前記回転部の回転軸との距離が、前記バイオチップの前記長手方向における端部であって、前記第１端部とは異なる第２端部と前記回転軸との距離よりも短く、かつ、前記第１端部の重力ポテンシャルが、前記第２端部の重力ポテンシャルよりも小さくなる向きに前記バイオチップを装着する。
【０００９】
本適用例に記載の熱サイクル装置は、回転部の回転速度を第１の速度にする第１モードと、回転部の回転速度を第１の速度とは異なる第２の速度にする第２モードとを有する。第１の速度は、反応液に作用する遠心力の大きさが反応液に作用する重力よりも小さい速度であり、第２の速度は、反応液に作用する遠心力の大きさが反応液に作用する重力よりも大きい速度である。ここで、装着部にバイオチップを装着した場合に、バイオチップの長手方向における第１端部と回転部の回転軸との距離は、バイオチップの長手方向における端部であって、第１端部とは異なる第２端部と回転軸との距離よりも短い。さらに、第１端部の重力ポテンシャルは第２端部の重力ポテンシャルよりも小さい向きにバイオチップが装着される。つまり、第１モードにおいては重力の方が遠心力よりも大きいため、重力の作用によって重力ポテンシャルが第２端部よりも小さい第１端部に反応液が保持される。一方、第２モードにおいては遠心力の方が重力よりも大きいため、遠心力の作用によって、回転軸に対して第１端部よりも遠い第２端部に反応液が保持される。そして、加熱部が第１端部を加熱することによって、第１モードにおいて第１端部に保持される反応液を所定の温度に保持することができる。第２端部は第１端部よりも回転軸に対して遠いため、第１端部と第２端部は異なる温度となる。すなわち、第２モードにおいて第２端部に保持される反応液を第１端部とは異なる温度に保持することができる。したがって、第１モードで回転させる時間と第２モードで回転させる時間とを制御することによって、加熱時間を容易に制御可能な熱サイクル装置を提供できる。
【００１０】
［適用例２］上記適用例に記載の熱サイクル装置は、さらに、前記第２端部を加熱する第２加熱部を含み、前記加熱部は、第１の温度に前記第１端部を加熱し、前記第２加熱部は、前記第１の温度とは異なる第２の温度に前記第２端部を加熱してもよい。
【００１１】
本適用例の熱サイクル装置は、第２の温度に第２端部を加熱する第２加熱部を含むため、装着部にバイオチップを装着した場合に、バイオチップの第２端部の温度をより正確に制御できる。したがって、より正確な熱サイクルを反応液に施すことができる。
【００１２】
［適用例３］本適用例に係る熱サイクル方法は、熱サイクル装置を用いた熱サイクル方法であって、前記熱サイクル装置に、反応液と、前記反応液とは混和せず、かつ、前記反応液よりも比重の小さい液体とが充填された、長手方向を有するバイオチップを装着することと、前記バイオチップの前記長手方向における第１端部を加熱することと、前記バイオチップを、所定の回転軸を中心として第１の速度で回転させることと、前記バイオチップを、前記所定の回転軸を中心として前記第１の速度とは異なる第２の速度で回転させることと、を含み、前記装着することは、前記第１端部と前記所定の回転軸との距離が、前記バイオチップの前記長手方向における端部であって、前記第１端部とは異なる第２端部と前記所定の回転軸との距離よりも短く、かつ、前記第１端部の重力ポテンシャルが、前記第２端部の重力ポテンシャルよりも小さい向きに前記バイオチップを装着する。
【００１３】
本適用例の熱サイクル方法は、バイオチップを第１の速度で回転させることと、バイオチップを第１の速度とは異なる第２の速度で回転させることとを含む。第１の速度は、反応液に作用する遠心力の大きさが反応液に作用する重力よりも小さい速度であり、第２の速度は、反応液に作用する遠心力の大きさが反応液に作用する重力よりも大きい速度である。ここで、バイオチップの長手方向における第１端部と回転部の回転軸との距離が、バイオチップの長手方向における端部であって、第１端部とは異なる第２端部と回転軸との距離よりも短くなるようにバイオチップが熱サイクル装置に装着される。さらに、第１端部の重力ポテンシャルが第２端部の重力ポテンシャルよりも小さい向きにバイオチップが装着される。つまり、第１の速度でバイオチップを回転させると、重力の方が遠心力よりも大きいため、重力の作用によって重力ポテンシャルが第２端部よりも小さい第１端部に反応液が保持される。一方、第２の速度でバイオチップを回転させると、遠心力の方が重力よりも大きいため、遠心力の作用によって、回転軸に対して第１端部よりも遠い第２端部に反応液が保持される。そして、第１端部を加熱することによって、第１の速度でバイオチップを回転させた結果、第１端部に保持される反応液を所定の温度に保持することができる。一方、第２端部は第１端部よりも回転軸に対して遠いため、第１端部と第２端部は異なる温度となる。すなわち、第２の速度でバイオチップを回転させた結果、第２端部に保持される反応液を第１端部とは異なる温度に保持することができる。したがって、第１の速度でバイオチップを回転させる時間と第２の速度でバイオチップを回転させる時間とを制御することによって、加熱時間を容易に制御可能な熱サイクル方法を提供できる。
【００１４】
なお、以上述べた各構成は、本発明の趣旨を逸脱しない限り、互いに組み合わせることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態に係る熱サイクル装置の模式図。
【図２】実施形態に係るバイオチップの模式図。
【図３】実施形態に係る熱サイクル装置の回転部および装着部を回転軸方向から見た平面図。
【図４】変形例１に係る熱サイクル装置の模式図。
【図５】変形例２に係る熱サイクル装置の模式図。
【図６】変形例３に係る熱サイクル装置の模式図。
【図７】変形例４に係る熱サイクル装置の模式図。
【図８】実施形態に係る熱サイクル装置を用いた熱サイクル処理の手順を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて以下の順序に従って説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
【００１７】
１．実施形態
１−１．熱サイクル装置の構成
１−２．熱サイクル装置を用いた熱サイクル処理
２．変形例
２−１．変形例１
２−２．変形例２
２−３．変形例３
２−４．変形例４
【００１８】
１．実施形態
１−１．熱サイクル装置の構成
図１は、実施形態に係る熱サイクル装置２（生体試料反応装置）の模式図である。図１は、装着部２１０にバイオチップ（生体試料反応用チップ）１００が装着された状態を表す。図３は、実施形態に係る熱サイクル装置の回転部２００および装着部２１０を回転軸方向から見た平面図である。図２は、実施形態に係るバイオチップを示す模式図である。まず、本実施形態に係る熱サイクル装置２に装着して使用するバイオチップ１００について図２を参照して説明し、次に熱サイクル装置２について図１および図３を参照して説明する。
【００１９】
図２は、本実施形態に係るバイオチップ１００の模式図であり、反応液１１０が収容された状態を示す。バイオチップ１００は、容器１０１と、容器１０１を封止する蓋１０２とを含む。容器１０１には、反応液１１０とは混和せず、かつ、反応液１１０よりも比重の小さい液体１０４が充填されている。バイオチップ１００は、例えばポリプロピレンなどの樹脂で形成されることが望ましい。バイオチップ１００の材質として樹脂を用いることにより射出成型による大量生産が可能となる。
【００２０】
図２に示されているように、バイオチップ１００は対向する内壁に近接して反応液１１０がバイオチップ１００の底部（第１端部１０８）と蓋１０２で封止される反応液導入部（第２端部１０６）との間を移動するように形成されている。言い換えると、第２端部１０６はバイオチップ１００の容器１０１における一方端部の領域を意味し、第１端部１０８はバイオチップ１００の容器における、第１端部とは異なる側の端部の領域を意味する。ここで、バイオチップ１００は、第１端部１０８と第２端部１０６との間の距離が、第１端部１０８と第２端部１０６とを結ぶ方向と垂直な方向の距離よりも長い形状となっている。すなわち、第１端部１０８と第２端部１０６とを結ぶ方向が長手方向である。反応液１１０はバイオチップ１００の長手方向に沿って移動する。
【００２１】
バイオチップ１００は、容器１０１に液体１０４が充填され、蓋１０２で封止された状態で流通し、保管される。ＰＣＲを行う際には、ユーザーが蓋１０２を開封し、マイクロピペット等を用いて増幅の対象とする核酸（標的核酸）を含み得る検体及び試薬を含む反応液１１０を容器１０１に流入させ、再度蓋１０２で容器１０１を封止する。ここで、容器１０１に充填されている液体１０４は、反応液１１０とは混和しないため、反応液１１０は液体１０４内で液滴の状態となる。また、液体１０４は反応液１１０よりも比重が小さいため、反応液１１０は液体１０４内を沈降し、バイオチップ１００の重力方向における最下部まで移動する。すなわち、バイオチップ１００を鉛直に立てた場合には、重力方向において相対的に下方に位置する側の端部へ反応液１１０が移動する。なお、反応液１１０は試薬を含む状態で容器１０１に導入されるものとしたが、予め試薬をバイオチップ１００に塗布しておき、標的核酸を含み得る液体を容器１０１に流入させたときに標的核酸を含む液体と試薬とが混合して反応液１１０を構成するようにしてもよい。
【００２２】
本実施形態におけるバイオチップ１００の大きさは、例えば、内径２ｍｍ、外径３ｍｍ、長さ３０ｍｍ程度の寸法で作製し、バイオチップ１００の内部には２マイクロリットル以下の反応液１１０を収容することが望ましい。反応液１１０の体積が２マイクロリットル以上になると、反応液１１０の直径がバイオチップ１００の内径に近くなり、反応液１１０とバイオチップ１００内壁とのすきまが狭くなって反応液１１０の上下間で液体１０４が流れにくくなるため、結果として反応液１１０が移動しにくくなるからである。
【００２３】
容器１０１に充填される液体１０４としては、ＰＣＲを阻害せず反応液１１０よりも比重が小さければ、どのような種類の液体１０４を用いてもかまわない。ただし、液体１０４の粘度は３ｍＰａ・ｓ以上１０ｍＰａ・ｓ以下にすることが望ましい。この範囲の粘度の液体１０４を用いることにより、バイオチップ１００内部の温度分布を安定にすることができ、また、反応液１１０の移動を比較的短時間に行うことができる。３ｍＰａ・ｓよりも低い粘度の液体１０４を用いると、熱勾配の影響によりバイオチップ１００内でオイル液体が対流しやすくなり、その結果、バイオチップ１００に遠心力を印加した際にバイオチップ１００内部の温度分布が不安定になりやすい。また、１０ｍＰａ・ｓよりも高い粘度の液体１０４を用いると、バイオチップ１００内部の反応液１１０が移動しにくくなり、反応液１１０の移動時間が長くなるため、結果としてＰＣＲに要する時間が長くなってしまう。このような液体１０４の一例としては、ミネラルオイルやシリコンオイルを挙げることができる。
【００２４】
図１に示すように、本実施形態に係る熱サイクル装置２は、装着部２１０と、回転部２００と、回転部２００を回転させるモーター４００と、回転部２００を支持しモーター４００の回転動力を回転部２００に伝える支持棒３００と、モーター４００の回転速度を制御する制御部４１０と、を含む。さらに、熱サイクル装置２は、バイオチップ１００の第１端部１０８を加熱する第１加熱部（加熱部）６２０と、バイオチップ１００の第２端部１０６を加熱する第２加熱部６１０と、第１加熱部６２０および第２加熱部６１０に電力を供給し回転部２００の外部の電源と接続するスリップリング５００と、を備えている。
【００２５】
図３は、本実施形態に係るバイオチップ１００を複数収容した場合の熱サイクル装置２の平面図である。図３は、熱サイクル装置２を回転軸方向から見た平面図であり、一例としてバイオチップ１００を８本収容した例を示している。
【００２６】
装着部２１０の機構は、バイオチップ１００を固定できればどのような機構であってもよい。例えばバイオチップ１００の第１端部１０８と嵌合することによって、バイオチップ１００を装着する機構であってもよいし、バイオチップ１００の第２端部１０６をベルトによって固定する機構であってもよい。
【００２７】
また、装着部２１０は、後述する回転部２００の回転軸ｓとバイオチップ１００の第１端部１０８との距離が、回転部２００の回転軸ｓとバイオチップ１００の第２端部１０６との距離よりも短くなるようにバイオチップ１００を装着する。言い換えると、第１端部１０８の方が第２端部１０６よりも回転軸ｓに近くなるようにバイオチップ１００を装着する。また、装着部２１０は、バイオチップ１００の第１端部１０８よりも第２端部１０６の方が高い位置になるようにバイオチップ１００を装着する。言い換えると、第１端部１０８の重力ポテンシャルが、第２端部１０６の重力ポテンシャルよりも小さくなる向きにバイオチップ１００を装着する。このようにバイオチップ１００を装着部２１０に装着することによって、回転部２００の回転によって生じる遠心力が重力よりも大きい場合には反応液１１０を第２端部１０６へ移動させ、回転部２００の回転によって生じる遠心力が重力よりも小さい場合には反応液１１０を第１端部１０８へ移動させることができる。
【００２８】
図１に示す例では、装着部２１０は、回転軸ｓとバイオチップ１００の第２端部１０６との水平方向（重力方向と直交する方向）の距離ｕが回転軸ｓとバイオチップ１００の第１端部１０８との水平距離ｄよりも長くなるように傾斜した状態でバイオチップ１００を装着する。好ましくは、装着部２１０は、バイオチップ１００の第２端部１０６と第１端部１０８を通る直線ａと鉛直方向（重力方向）の直線（回転軸ｓ）とのなす角度θが約４５°になるように、バイオチップ１００を装着してもよい。バイオチップ１００を約４５°に傾斜させて設置することによって、重力と遠心力との両方を最も効率的に反応液１１０に印加することができる。
【００２９】
モーター４００は、回転部２００を回転させることによって、装着部２１０に装着されたバイオチップ１００に作用する遠心力を生じさせる。本実施形態においては、装着部２１０は回転部２００の一部として構成されているので、回転部２００が回転すると装着部２１０が回転される。回転部２００は、支持棒３００を介して接続されたモーター４００の回転動力によって回転する。モーター４００は後述する制御部４１０から出力される制御信号に応じて回転速度を変更することができる。本実施形態では、回転部２００の回転軸が重力方向と平行である。回転軸は重力方向と平行でなくてもよい。前述したように回転軸と第１端部１０８および第２端部１０６の位置関係は、第１端部１０８の方が第２端部１０６よりも回転軸に近い。
【００３０】
制御部４１０は、モーター４００に対して制御信号を送信することによって、モーター４００の回転速度を制御する。制御部４１０はモーター４００の回転速度を任意の速度に変更できるものであればよいが、少なくとも以下の２つのモードを備える。第１モードは、回転部２００の回転速度が第１の速度となるように、モーター４００の回転速度を制御するモードである。第１の速度は、装着部２１０に装着されたバイオチップ１００（反応液１１０）に作用する遠心力の大きさが、バイオチップ１００（反応液１１０）に作用する重力の大きさよりも小さくなる速度である。第１モードは、重力の方が回転によって発生する遠心力よりも大きくなればよく、低速度で回転するか、または、全く回転しない場合も含む。一方、第２モードは、回転部２００の回転速度が第２の速度となるように、モーター４００の回転速度を制御するモードである。第２の速度は、装着部２１０に装着されたバイオチップ１００（反応液１１０）に作用する遠心力の大きさが、バイオチップ１００（反応液１１０）に作用する重力の大きさよりも大きくなる速度である。第２モードは、回転によって発生する遠心力の方が重力よりも大きければよい。遠心力と重力との関係から明らかなように、第１の速度よりも第２の速度の方が速い。例えば、回転半径が５ｃｍの場合に毎秒３回転の速度で回転させるとバイオチップ１００には約１．８Ｇの遠心力が作用するため、遠心力が重力よりも大きくなる。
【００３１】
第１加熱部６２０は、バイオチップ１００を装着部２１０に装着した場合において、バイオチップ１００の第１端部１０８を加熱する。一方、第２加熱部６１０は、バイオチップ１００を装着部２１０に装着した場合において、バイオチップ１００の第２端部１０６を加熱する。第１加熱部６２０と第２加熱部６１０とは、それぞれ異なる温度でバイオチップ１００を加熱する。言い換えると、バイオチップ１００の第１端部１０８（下部）と、第２端部１０６（上部）とは異なる温度で加熱される。本実施形態では、バイオチップ１００の第１端部１０８を第１加熱部６２０によって約９５℃に加熱し、バイオチップ１００の第２端部１０６を第２加熱部６１０によって約６０℃に加熱する。第１加熱部６２０の加熱温度を約６０℃とし、第２加熱部６１０の加熱温度を約９５℃としてもよい。また、熱サイクル装置２は第１加熱部６２０だけ備え、第２加熱部６１０が存在しない構成でもよい。この場合、第１加熱部６２０によって第１端部１０８を約９５℃に加熱し、第２端部１０６は、第１端部１０８の高温部から第２端部１０６へ向かって徐々に低音となる温度勾配によって約６０℃に加熱されればよい。第１加熱部６２０および第２加熱部６１０は、例えば熱電線など、スリップリング５００を介して供給される電力によって熱を発するものであればよい。
【００３２】
１−２．熱サイクル装置を用いた熱サイクル処理
次に、本実施形態に係る熱サイクル装置２を用いた熱サイクル方法について図８を参照して説明する。
図８は、本実施形態における熱サイクル処理の手順を示すフローチャートである。始めに、マイクロピペット等を用いて、反応液１１０をバイオチップ１００に流入させ、バイオチップ１００を封止する。次に、反応液１１０を流入させたバイオチップ１００を熱サイクル装置２の装着部２１０に装着する。
【００３３】
熱サイクル装置２の回転部２００が停止している状態では、バイオチップ１００内の反応液１１０は、重力の作用によって第１端部１０８に移動し、そのまま第１端部１０８に保持される。第１端部１０８は第１加熱部６２０によって約９５℃に加熱されているため、反応液１１０も約９５℃に加熱される。例えば、反応液１１０を第１端部１０８に約５秒間保持すれば、反応液１１０は約９５℃で５秒間加熱される。
【００３４】
次に、制御部４１０を第２モードとする、すなわち、回転部２００の回転速度が第２の速度となるように回転部２００を回転させる（ステップＳ２２）。回転部２００が第２の速度で回転している状態では、装着部２１０に装着されたバイオチップ１００（反応液１１０）に作用する遠心力の大きさが、バイオチップ１００（反応液１１０）に作用する重力の大きさよりも大きくなる。したがって、遠心力の作用によって、バイオチップ１００内の反応液１１０が、バイオチップ１００の第１端部１０８から第２端部１０６へ向かって移動する。そして、回転部２００が第２の速度で回転している状態では、そのまま第２端部１０６に反応液１１０が保持される。第２端部１０６は第２加熱部６１０によって約６０℃に加熱されているため、反応液１１０も約６０℃に加熱される。例えば、反応液１１０を２０秒間第２端部１０６に保持すれば、反応液１１０は約６０℃で２０秒間加熱される。
【００３５】
次に、制御部４１０を第１モードとする、すなわち、回転部２００の回転速度を遅くすることによって、回転部２００の回転速度を第１の速度となるように回転部２００を回転させる（ステップＳ２３）。ここで、第１の回転速度で回転部２００を回転させることは、回転部２００の回転を停止させることも含む。回転部２００が第１の速度で回転している状態では、装着部２１０に装着されたバイオチップ１００（反応液１１０）に作用する遠心力の大きさが、バイオチップ１００（反応液１１０）に作用する重力の大きさよりも小さくなる。したがって、バイオチップ１００内の反応液１１０が、バイオチップ１００の第２端部１０６から第１端部１０８へ向かって移動する。そして、回転部２００が第１の速度で回転している状態ではそのまま第１端部１０８に反応液１１０が保持され、反応液１１０が再び約９５℃に加熱される。
【００３６】
この動作を繰り返し行うことによって、言い換えると、制御部４１０を第１モードとして回転部２００を回転させることと、制御部４１０を第２モードとして回転部２００を回転させることとを繰り返すことによって、反応液１１０をバイオチップ１００内の第１端部１０８と第２端部１０６との間で移動させることができる。熱サイクル処理は、第１の温度と第２の温度とに加熱するサイクルが所定の回数行われたか否かを判定して、所定の回数に達した場合に終了される（ステップＳ２４）。第１端部１０８は第１加熱部６２０によって、第２端部１０６は第２加熱部６１０によって、それぞれ異なる温度に加熱されている。したがって、反応液１１０を第１端部１０８と第２端部１０６との間で移動させることによって、反応液１１０に対して熱サイクルを施すことができる。さらに、制御部４１０によって回転部２００の回転速度を切り替えるという簡単な制御によって、反応液１１０の加熱時間を容易に制御することができ、ＰＣＲを安定して行うことができる。
【００３７】
２．変形例
本発明は上記実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。以下に上記実施形態の変形例について説明する。なお、変形例の説明においては、上記実施形態と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００３８】
２−１．変形例１
図４は、変形例１に係る熱サイクル装置４の模式図である。図４は、制御部４１０を第２モードとして回転部２００を回転させている状態を示す。上記の実施形態では熱サイクル装置２が第１加熱部６２０、第２加熱部６１０を有していたが、変形例１に係る熱サイクル装置４は、第１加熱部６２０、第２加熱部６１０に替えて加熱ランプ（加熱部）７００を有する点で上記の実施形態とは異なる。また、変形例１に係る熱サイクル装置４は、装着部の構造が熱サイクル装置２とは異なる。
【００３９】
図４に示すように、熱サイクル装置４は、加熱ランプ７００によって、回転部２００を加熱し、回転部２００からの熱伝導によって、装着部２１０に装着されたバイオチップ１００の第１端部１０８を加熱する。加熱ランプ７００は例えば、バイオチップ１００の第１端部１０８が約９５℃に加熱されるように、加熱温度が設定される。回転部２００は、加熱ランプ７００からの熱を装着部２１０に効率的に伝えるために、熱伝導率の高い金属材料で形成されていることが好ましい。非接触の加熱方式を採用することにより、スリップリングなどの構成が不要となるので、熱サイクル装置を簡易な構成とすることができる。
【００４０】
また、図４に示す熱サイクル装置４の装着部２２０は、バイオチップ１００の第１端部１０８近傍を固定することによって、バイオチップ１００を装着する構造となっている。また、装着部２２０は、バイオチップ１００の第２端部１０６を、熱サイクル装置４内の雰囲気（熱サイクル装置４内部の気体）に開放状態とする構造となっている。例えば、熱サイクル装置４内の雰囲気を約６０℃に保持することによって、バイオチップ１００の第２端部１０６を加熱することができる。熱サイクル装置４内の雰囲気を加熱する方法としては、加熱された気体を外部から熱サイクル装置４内に送風することによって行うことができる。
【００４１】
このような構成にすることによって、加熱ランプを用いて非接触でバイオチップ１００を加熱することができる。したがって、装着部２２０の近傍、特にバイオチップ１００の第２端部１０６に加熱機構を組み込む必要がなくなるため、装置構造を簡易な構成にすることができる。また、バイオチップ１００の第２端部１０６が開放状態になっているため、ＰＣＲで増幅された増幅産物をリアルタイムで蛍光測定するリアルタイム蛍光検出を行う場合に、障害物のないバイオチップ１００の側面から反応液１１０の蛍光を検出することが可能となる。したがって、検出感度が高く高精度な蛍光検出を行うことが可能となる。
【００４２】
２−２．変形例２
図５は、変形例２に係る熱サイクル装置６の模式図である。図５は、制御部４１０を第２モードとして回転部２００を回転させている状態を示す。変形例２に係る熱サイクル装置６は、蛍光検出部８００が付加された点で上述した実施形態とは異なる。変形例２に係る熱サイクル装置６によれば、簡易な構造でリアルタイム蛍光検出が可能となる。
【００４３】
蛍光検出部８００は、装着部２１０の上部に配置され、装着部２１０に装着されたバイオチップ１００の蓋１０２を介して励起光を反応液１１０に照射し、励起された蛍光を検出する。反応液１１０の蛍光検出は、熱サイクルにおいて反応液１１０の温度が低い状態、すなわち、反応液１１０がバイオチップ１００の第２端部１０６に保持されているときに行う。反応液１１０が第２端部１０６に保持されている状態では、回転部２００が第２の速度で回転している状態である。したがって、蛍光検出部８００を１箇所に固定した状態であっても、装着部２１０に装着された複数のバイオチップ１００について、反応液１１０の蛍光検出が可能となる。なお、バイオチップ１００の内部にある反応液１１０の蛍光検出をバイオチップ１００の外部から行うため、バイオチップ１００は、例えばポリプロピレンなどの透明な樹脂で形成されることが望ましい。
【００４４】
このような構成にすることによって、ＰＣＲとリアルタイム蛍光検出とを簡易な構造の熱サイクル装置６で実現することができる。さらに、蛍光検出部８００を移動させることなく、装着部２１０に装着された複数のバイオチップ１００について、反応液１１０の蛍光検出を行うことができる。
【００４５】
２−３．変形例３
図６は、変形例３に係る熱サイクル装置８の模式図である。変形例３に係る熱サイクル装置８は、変形例１の構成と変形例２の構成とを組み合わせた構成である。すなわち、加熱ランプ７００を用いて非接触でバイオチップ１００の第１端部１０８を加熱することができる。さらに、蛍光検出部８００を用いてリアルタイム蛍光検出が可能となっている。
【００４６】
図６に示す熱サイクル装置８では、蛍光検出部８００の配置が変形例２とは異なる。具体的には、変形例２では蛍光検出部８００は装着部２１０の上部（蓋１０２に対して容器１０１と反対側）に配置されていたが、変形例３では、装着部２２０に装着されるバイオチップ１００の第２端部１０６の側面方向（バイオチップ１００の長手方向と直交する方向）に蛍光検出部８００が配置されている。熱サイクル装置８では、バイオチップ１００の第２端部１０６が熱サイクル装置８内の雰囲気に開放状態となっているため、第２端部１０６に保持された反応液１１０を蛍光検出する方向の自由度が高くなる。そこで、図６に示すように蛍光検出部８００を配置することによって、バイオチップ１００の側面から励起光を反応液１１０に照射し、励起された蛍光を蛍光検出部８００によって検出することが可能となる。バイオチップ１００の側面は、バイオチップ１００の蓋１０２よりも部材の肉厚が薄く、部材による励起光や蛍光の透過率の低下を抑えることができるため、より高感度な蛍光検出を行うことが可能となる。
【００４７】
２−４．変形例４
図７は、変形例４に係る熱サイクル装置１０の模式図である。変形例４に係る熱サイクル装置１０は、装着部および回転部の構造をより簡易にし、さらに、熱サイクル装置１０内の雰囲気を温度制御することによって、バイオチップ１００の第１端部１０８と第２端部１０６とを加熱する点で上述した実施形態とは異なる。
【００４８】
図７に示されるように、熱サイクル装置１０は、装着部２３０を有する。装着部２３０は、バイオチップ１００の長手方向における中央部をベルト等によって固定する。このようにすることによって、バイオチップ１００の第１端部１０８と第２端部１０６の付近を熱サイクル装置１０内の雰囲気に開放状態にしている。
【００４９】
また、熱サイクル装置１０は、第１加熱部としての温風器９１０と、第２加熱部としての温風器９２０とを有する。温風器９１０は、熱サイクル装置１０内の下部の雰囲気、言い換えると、装着部２３０に装着されたバイオチップ１００の第１端部１０８近傍の雰囲気を例えば約６０℃に加熱する。温風器９２０は、熱サイクル装置１０内の上部の雰囲気、言い換えると、装着部２３０に装着されたバイオチップ１００の第２端部１０６近傍の雰囲気を例えば約９５℃に加熱する。回転部２０２は、回転軸ｓに対して垂直な平面を有する板の形状を有し、バイオチップ１００を装着する穴が設けられている。回転部２０２は、装着部２３０を回転させる機能に加え、熱サイクル装置１０内の上部の雰囲気と下部の雰囲気の温度が均一にならないように、上下の空間を隔離する機能を有する。これによって、バイオチップ１００の第２端部１０６を約９５℃に加熱し、かつ、バイオチップ１００の第１端部１０８を約６０℃に加熱することが一層確実に実現できる。
【００５０】
図７に示す熱サイクル装置１０の構成では、バイオチップ１００の第１端部１０８と第２端部１０６とがともに開放状態となっているため、バイオチップ１００内の反応液１１０の蛍光検出を第１端部１０８と第２端部１０６のどちらからも行うことができる。したがって、熱サイクル装置１０の設計の自由度が高くなる。例えば、図７に示す熱サイクル装置１０では、熱サイクルにおいて反応液１１０の温度が低い状態が、反応液１１０がバイオチップ１００の第１端部１０８に保持されているときとなるため、蛍光検出部８００を第１端部１０８の側面方向に配置することができる。これにより、熱サイクル装置１０を一層小型化することができる。
【符号の説明】
【００５１】
２，４，６，８，１０…熱サイクル装置（生体試料反応装置）、１００…バイオチップ（生体試料反応用チップ）、１０１…容器、１０２…蓋、１０４…液体、１０６…第２端部、１０８…第１端部、１１０…反応液、２００，２０２…回転部、２１０，２２０，２３０…装着部、３００…支持棒、４００…モーター、４１０…制御部、５００…スリップリング、６１０…第２加熱部、６２０…第１加熱部（加熱部）、７００…加熱ランプ（加熱部）、８００…蛍光検出部、９１０…温風器（第１加熱部）、９２０…温風器（第２加熱部）。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応液と、前記反応液とは混和せず、かつ、前記反応液よりも比重の小さい液体とが充填された、長手方向を有するバイオチップを装着する装着部と、
前記装着部に前記バイオチップを装着した場合に、前記バイオチップの前記長手方向における第１端部を加熱する加熱部と、
前記装着部を回転させる回転部と、
前記回転部の回転速度を、前記回転部の回転によって前記反応液に作用する遠心力の大きさが前記反応液に作用する重力の大きさよりも小さい第１の速度にする第１モードと、前記回転部の回転速度を、前記回転部の回転によって前記反応液に作用する遠心力の大きさが前記反応液に作用する重力の大きさよりも大きい第２の速度にする第２モードとを有する制御部と、
を含み、
前記装着部は、前記第１端部と前記回転部の回転軸との距離が、前記バイオチップの前記長手方向における端部であって、前記第１端部とは異なる第２端部と前記回転軸との距離よりも短く、かつ、前記第１端部の重力ポテンシャルが、前記第２端部の重力ポテンシャルよりも小さくなる向きに前記バイオチップを装着する、
熱サイクル装置。
【請求項２】
請求項１に記載の熱サイクル装置であって、さらに、
前記第２端部を加熱する第２加熱部を含み、
前記加熱部は、第１の温度に前記第１端部を加熱し、
前記第２加熱部は、前記第１の温度とは異なる第２の温度に前記第２端部を加熱する、
熱サイクル装置。
【請求項３】
熱サイクル装置を用いた熱サイクル方法であって、
前記熱サイクル装置に、反応液と、前記反応液とは混和せず、かつ、前記反応液よりも比重の小さい液体とが充填された、長手方向を有するバイオチップを装着することと、
前記バイオチップの前記長手方向における第１端部を加熱することと、
前記バイオチップを、所定の回転軸を中心として第１の速度で回転させることと、
前記バイオチップを、前記所定の回転軸を中心として前記第１の速度とは異なる第２の速度で回転させることと、
を含み、
前記装着することは、前記第１端部と前記所定の回転軸との距離が、前記バイオチップの前記長手方向における端部であって、前記第１端部とは異なる第２端部と前記所定の回転軸との距離よりも短く、かつ、前記第１端部の重力ポテンシャルが、前記第２端部の重力ポテンシャルよりも小さい向きに前記バイオチップを装着する、
熱サイクル方法。
【請求項１】
反応液と、前記反応液とは混和せず、かつ、前記反応液よりも比重の小さい液体とが充填された、長手方向を有するバイオチップを装着する装着部と、
前記装着部に前記バイオチップを装着した場合に、前記バイオチップの前記長手方向における第１端部を加熱する加熱部と、
前記装着部を回転させる回転部と、
前記回転部の回転速度を、前記回転部の回転によって前記反応液に作用する遠心力の大きさが前記反応液に作用する重力の大きさよりも小さい第１の速度にする第１モードと、前記回転部の回転速度を、前記回転部の回転によって前記反応液に作用する遠心力の大きさが前記反応液に作用する重力の大きさよりも大きい第２の速度にする第２モードとを有する制御部と、
を含み、
前記装着部は、前記第１端部と前記回転部の回転軸との距離が、前記バイオチップの前記長手方向における端部であって、前記第１端部とは異なる第２端部と前記回転軸との距離よりも短く、かつ、前記第１端部の重力ポテンシャルが、前記第２端部の重力ポテンシャルよりも小さくなる向きに前記バイオチップを装着する、
熱サイクル装置。
【請求項２】
請求項１に記載の熱サイクル装置であって、さらに、
前記第２端部を加熱する第２加熱部を含み、
前記加熱部は、第１の温度に前記第１端部を加熱し、
前記第２加熱部は、前記第１の温度とは異なる第２の温度に前記第２端部を加熱する、
熱サイクル装置。
【請求項３】
熱サイクル装置を用いた熱サイクル方法であって、
前記熱サイクル装置に、反応液と、前記反応液とは混和せず、かつ、前記反応液よりも比重の小さい液体とが充填された、長手方向を有するバイオチップを装着することと、
前記バイオチップの前記長手方向における第１端部を加熱することと、
前記バイオチップを、所定の回転軸を中心として第１の速度で回転させることと、
前記バイオチップを、前記所定の回転軸を中心として前記第１の速度とは異なる第２の速度で回転させることと、
を含み、
前記装着することは、前記第１端部と前記所定の回転軸との距離が、前記バイオチップの前記長手方向における端部であって、前記第１端部とは異なる第２端部と前記所定の回転軸との距離よりも短く、かつ、前記第１端部の重力ポテンシャルが、前記第２端部の重力ポテンシャルよりも小さい向きに前記バイオチップを装着する、
熱サイクル方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１０５５８０（Ｐ２０１２−１０５５８０Ａ）
【公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２５６５４５（Ｐ２０１０−２５６５４５）
【出願日】平成２２年１１月１７日（２０１０．１１．１７）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月１７日（２０１０．１１．１７）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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