熱サイクル装置
【課題】所定の温度における液滴の滞在時間を制御することが容易な熱サイクル装置を提供すること。
【解決手段】本発明にかかる熱サイクル装置は、回転軸周りに回転する回転基盤と、回転基盤の回転軸から外れた位置に設けられ、液滴を内在する反応容器が装着される装着部と、前記装着部に設けられ、前記回転軸からの距離に応じた温度分布を前記反応容器が有するように温度制御する温度制御部と、回転基盤に設けられ、装着部の配置を変化させ、温度制御部の回転軸からの距離を変える変位機構と、を有する。
【解決手段】本発明にかかる熱サイクル装置は、回転軸周りに回転する回転基盤と、回転基盤の回転軸から外れた位置に設けられ、液滴を内在する反応容器が装着される装着部と、前記装着部に設けられ、前記回転軸からの距離に応じた温度分布を前記反応容器が有するように温度制御する温度制御部と、回転基盤に設けられ、装着部の配置を変化させ、温度制御部の回転軸からの距離を変える変位機構と、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＤＮＡやＲＮＡのような遺伝子の検査をするための方法の一つとして、ＰＣＲ（Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ Ｃｈａｉｎ Ｒｅａｃｔｉｏｎ）と称する検査方法が、研究用および臨床検査用に広く用いられている。ＰＣＲでは通常、標的核酸および試薬を含む反応液に、熱サイクルという複数段階の温度変化（例えば９５℃、７４℃、５５℃の温度変化を繰り返す）を施すことにより標的核酸を増幅させる。しかし、従来のＰＣＲの手法は、反応液の温度を変化させるために反応液を保持する容器全体の温度を変化させて行う手法であり、検査精度は向上するものの、熱サイクルのために長時間を要した。
【０００３】
一方、化学分析や化学合成、あるいはバイオ関連の分析を小さなマイクロ流体チップに集積化する技術がある。このような技術は、マイクロＴＡＳ（ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ）あるいはＬａｂ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐなどと呼ばれ、試薬等の微量化や反応の自動化に利用されている。近年では、半導体製造分野での微細加工技術によりシリコンやガラス基板の加工を行って、マイクロＴＡＳを構築することも検討されている。
【０００４】
これらの技術を組み合わせた例として、例えば、特許文献１に、重力を利用して反応容器内の液滴を移動させることによって、熱サイクルを行うＰＣＲが提案されている。同文献には、この手法によれば、温度制御が容易で短時間でＰＣＲが可能であるとの記載がある。
【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】
しかしながら、特許文献１に記載の装置は、水平方向の回転軸の周りに回転基盤を回転させることによって、反応容器に作用する重力の方向が変化することを利用している。そのため、当該装置では、ＰＣＲの反応液の目的温度における滞在時間を制御するためには、チップの形状等を工夫する必要があった。また、当該装置では、回転基盤に複数の反応容器を装着した場合には、ＰＣＲの反応液の目的温度における滞在時間の制御については、反応容器毎に異なる制御を行うことが難しいという問題があった。
【０００７】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その幾つかの態様にかかる目的の一つは、所定の温度における液滴の滞在時間を制御することが容易な熱サイクル装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は前述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様または適用例として実現することができる。
【０００９】
［適用例１］
本発明にかかる熱サイクル装置の一態様は、回転軸周りに回転する回転基盤と、前記回転基盤の前記回転軸から外れた位置に設けられ、液滴を内在する反応容器が装着される装着部と、前記装着部に設けられ、前記回転軸からの距離に応じた温度分布を前記反応容器が有するように温度制御する温度制御部と、前記回転基盤に設けられ、前記装着部の配置を変化させ、前記温度制御部の前記回転軸からの距離を変える変位機構と、を有する。
【００１０】
本適用例の熱サイクル装置は、回転基盤に設けられた変位機構によって装着部の配置を変化させ、温度制御部の回転軸からの距離を変化させることができる。これにより、装着部に装着された反応容器における回転軸から最も離間した位置を変化させることができる。これにより、反応容器内に内在された液滴に加わる遠心力の方向が変化し、当該変化された遠心力に従った方向、すなわち、反応容器内の回転軸から最も離間した位置に向かって当該液滴を移動させることができる。そして、反応容器には、温度制御部によって温度分布が形成されているため、液滴を前記のように移動させることにより、温度分布に従った温度に加熱・冷却することができる。したがって、本適用例の熱サイクル装置によれば、遠心力を利用して液滴を移動させるため、液滴に対する熱サイクルにおける、所定の温度での滞在時間を容易に制御できる。
【００１１】
［適用例２］
適用例１において、前記変位機構は、前記装着部を回転させてもよい。
【００１２】
本適用例の熱サイクル装置は、装着部を回転させることによって、温度制御部の回転軸からの距離を変化させることができる。これにより、液滴に対する熱サイクルにおける、所定の温度での滞在時間を容易に制御できる。
【００１３】
［適用例３］
適用例１において、前記変位機構は、前記回転基盤の前記回転軸から外れた位置にある直線と、前記直線に対する垂線であって、前記回転軸と前記回転基盤との交点を通る垂線との交点を通過するように、前記直線上で前記装着部を移動させてもよい。
【００１４】
本適用例の熱サイクル装置は、装着部を回転基盤上で直線的に移動させることによって、温度制御部の回転軸からの距離を変化させることができる。これにより、装着部を回転基盤の回転を利用して、回転軸とねじれの位置関係にある直線上で、回転軸と当該直線との最も近接する点を通過するように、装着部を移動させることができる。したがって、液滴に対する熱サイクルにおける、所定の温度での滞在時間を容易に制御できる。
【００１５】
［適用例４］
適用例１ないし適用例３のいずれか一例において、前記温度制御部は、第１温度制御部および第２温度制御部を含み、前記第１温度制御部は、前記反応容器の一部を９０℃以上１００℃以下の温度範囲に制御し、前記第２温度制御部は、前記反応容器の一部を５０℃以上７５℃以下の温度範囲に制御してもよい。
【００１６】
本適用例の熱サイクル装置によれば、液滴に対して２段階以上の熱サイクルを施すことができる。また、本適用例の熱サイクル装置は、液滴の温度を、９０℃以上１００℃以下、および、５０℃以上７５℃以下に制御することができるためＰＣＲに適している。
【００１７】
［適用例５］
適用例４において、前記変位機構は、前記第１温度制御部の前記回転軸からの距離と前記第２温度制御部の前記回転軸からの距離との大小関係を反転させてもよい。
【００１８】
本適用例の熱サイクル装置は、回転基盤に設けられた変位機構によって、複数の温度制御部のうち、少なくとも２つの温度制御部について、回転軸からの距離を互いに反転させることができる。これにより、装着部に装着された反応容器における回転軸から最も離間した位置を変化させることができる。これにより、反応容器内に内在された液滴に加わる遠心力の方向が変化し、当該変化された遠心力に従った方向、すなわち、反応容器内の回転軸から最も離間した位置に向かって当該液滴を移動させることができる。そして、反応容器には、温度制御部によって温度分布が形成されているため、液滴を前記のように移動させることにより、温度分布に従った温度に加熱・冷却することができる。したがって、本適用例の熱サイクル装置によれば、遠心力を利用して液滴を移動させるため、液滴に対する熱サイクルにおける、所定の温度での滞在時間を容易に制御できる。
【００１９】
［適用例６］
適用例１ないし適用例５のいずれか一例において、前記装着部は、前記回転基盤に複数設けられてもよい。
【００２０】
本適用例の熱サイクル装置によれば、一度に複数の反応容器を装着することができ、各反応容器に内在された液滴に対して、熱サイクルを施すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１（ａ）は、実施形態に係る反応容器を模式的に示す図である。図１（ｂ）は、実施形態に係る装着部を模式的に示す図である。図１（ｃ）は、装着部に反応容器を装着した状態を模式的に示す図である。
【図２】実施形態に係る熱サイクル装置の要部を模式的に示す平面図である。
【図３】実施形態に係る熱サイクル装置の要部を模式的に示す平面図である。
【図４】実施形態に係る熱サイクル装置の要部を模式的に示す平面図である。
【図５】実施形態に係る熱サイクル装置の要部を模式的に示す平面図である。
【図６】実施形態に係る熱サイクル装置の要部を模式的に示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に本発明のいくつかの実施形態について説明する。以下に説明する実施形態は、本発明の例を説明するものである。本発明は、以下の実施形態になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において実施される各種の変形例も含む。なお以下の実施形態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。
【００２３】
図１は、本実施形態の熱サイクル装置に装着される反応容器１および装着部２０を示す模式図である。図２は、本実施形態の熱サイクル装置１００、１１０の要部を模式的に示す側面図である。図３は、本実施形態の熱サイクル装置１００の要部を模式的に示す平面図である。図４は本実施形態の熱サイクル装置１１０の要部を模式的に示す平面図である。
【００２４】
本実施形態の熱サイクル装置は、回転基盤１０と、装着部２０と、温度制御部３０と、変位機構４０と、を有する。熱サイクル装置の装着部２０には、反応容器１が装着される。
【００２５】
１．反応容器
反応容器１は、熱サイクル装置の装着部２０に装着することができる形状を有する。反応容器１には、液滴ｄが内在される。反応容器１の機能の一つは、内在された液滴ｄを、反応容器１の各位置において保持することが挙げられる。反応容器１内の各位置で液滴ｄが保持されることにより、熱サイクル装置が駆動して反応容器１内に温度分布が形成された場合に、液滴ｄの温度を、当該温度分布に従って変化させることができる。反応容器１の形状は、温度分布を形成できる範囲で任意であるが、図示のように細長い形状、すなわち長手方向を有する形状とすることにより、温度分布を形成しやすい点で好ましい。反応容器１の材質は、特に限定されないが、例えば、耐熱ガラス、シリコン、各種の樹脂などが挙げられる。また、反応容器１の外部から液滴ｄを観察できるように反応容器１の材質を選ぶと、液滴ｄが、例えばＰＣＲの反応液である場合などにおいて、外部から液滴ｄを、熱サイクルの途中でも観測することができる。また、反応容器１をＰＣＲの反応に用いる場合には、反応容器１は、使い捨てであることが好ましく、材質としてはコストの点で樹脂であることがより好ましい。
【００２６】
図１（ａ）に示すように、反応容器１は、例えば、液滴ｄを封入する容器２および栓３からなることができる。容器２および栓３は、熱サイクル装置に反応容器１が装着されたときに、内在される液滴ｄが漏洩しないように構成される。図１（ａ）の例では、容器２および栓３からなる反応容器１を例示しているが、反応容器１の構成は任意であり、必要に応じて適宜設計することができる。図１（ａ）の例では、反応容器１は、略円錐台形状の容器２が、栓３によって封止される形状を有している。
【００２７】
また、反応容器１内には、液滴ｄと混和しない液体が共に内在されてもよい。このようにすれば、液滴ｄが大気等と接触することを抑制することができるとともに、反応容器１内での液滴ｄの付着が抑制され、反応容器１内の液滴ｄの移動を滑らかにすることができる。さらに、反応容器１内に気体が存在しないように、反応容器１内を液滴ｄおよび液滴ｄと混和しない液体で満たすようにすれば、気体の泡などによる液滴ｄの移動の阻害が生じないため、液滴ｄの反応容器１内での移動をより滑らかにすることができる。液滴ｄとともに内在される液体としては、例えば、液滴ｄが水溶液である場合には、オイル等の疎水性（油性）の液体が挙げられる。
【００２８】
反応容器１の内面（液滴ｄが接触しうる面）は、撥水処理、撥油処理などの撥液処理がされていてもよい。反応容器１の内面の撥液処理は、例えば液滴ｄの大きさを考慮して選択される。反応容器１の内面が撥液処理されていると、反応容器１内での液滴ｄの付着が抑制され、液滴ｄの移動を容易化することができる。反応容器１の内面の撥液処理としては、例えば、フッ素樹脂またはシリコン樹脂によるコーティングなどが挙げられる。
【００２９】
液滴ｄは、反応容器１内に滴となる大きさで内在される。このようにすることで、液滴ｄが反応容器１内を移動したときに、反応容器１に形成された温度分布に従った温度に液滴ｄの温度を変化させることができる。液滴ｄは、反応容器１に内在されたときに滴になれば、水性、油性のいずれであってもよい。液滴ｄは、例えば、ＰＣＲの反応液であってもよい。液滴ｄがＰＣＲの反応液である場合には、反応液には増幅の対象とする核酸（標的核酸）および反応に必要な試薬が含まれる。
【００３０】
２．装着部
本実施形態の熱サイクル装置は、反応容器１が装着される装着部２０を有する。装着部２０は、上述した反応容器１を装着する部分である。装着部２０は、回転基盤１０の回転軸Ｏを外れた位置に設けられる。装着部２０の形状は、反応容器１の形状に整合させて設計されることができる。装着部２０に反応容器１を装着する機構としては、回転基盤１０の動作によって反応容器１が装着部２０から脱落する等の不具合を生じない限り、特に制限されない。装着部２０に反応容器１を固定する方法としては、例えば、クリップ等により機械的に反応容器１を固定する方法、反応容器１を減圧吸着する方法、粘着シート等によって固定する方法などが挙げられる。
【００３１】
一例として図１（ａ）に示すように、反応容器１が円錐台形状の容器２を有する場合には、装着部２０は、図１（ｂ）に示すように、反応容器１を挿入する孔２１を有する形状とすることができる。図１（ｂ）に示す装着部２０の例では、反応容器１の周囲を包む構造を有しているが、これに限定されず、反応容器１を装着して固定できる限り、反応容器１の全体を覆う必要はない。装着部２０の大きさは、回転基盤１０に設けられ、変位機構４０による移動、および温度制御部３０を設けることができる範囲であれば特に限定されない。また、装着部２０は、反応容器１を着脱することができるように構成される。
【００３２】
本実施形態では、装着部２０には、図１（ｃ）に示すように、反応容器１が孔２１に挿入されて装着されている。なお、図示しないが、装着部２０に固定された反応容器１は、回転基盤１０の回転による遠心力によって装着部２０から脱落しないように適宜固定されている。
【００３３】
装着部２０の材質は、特に制限されない。しかし、可視光領域において透明な材質、例えばガラス、アクリル樹脂等で形成する、または装着部２０に透明な材質の窓を形成することにより、装着部２０の外部から反応容器１を観察できるようにすることができる。
【００３４】
装着部２０の外部から反応容器１（液滴ｄ）を観察できるように構成すると、熱サイクル装置１００の外部から、液滴ｄを観察することができる。そして、液滴ｄがＰＣＲの反応液である場合や、蛍光物質等を含む場合には、外部から液滴ｄの蛍光を、熱サイクルの途中でも観測することができる。そのため、蛍光検出器等を適宜設置すれば、例えばリアルタイムＰＣＲを行うことができる。
【００３５】
３．回転基盤
本実施形態の熱サイクル装置は、回転基盤１０を有する。図２に示すように、回転基盤１０には、上述した装着部２０、および装着部２０の配置を変化させる変位機構４０が備えられる。
【００３６】
回転基盤１０は、回転軸Ｏ周りに回転することができる。回転基盤１０の形状は特に制限されないが、例えば、円盤状の形状とすることができる。回転基盤１０は、回転軸Ｏ周りに回転することにより、回転基盤１０の回転軸Ｏから外れた位置に備えられた物体に遠心力を印加することができる。回転基盤１０の回転方向や回転速度は限定されないが、回転基盤１０の回転方向、回転速度および回転させるために印加される角加速度などを調節することができるように構成してもよい。また、回転基盤１０の回転速度は、特に制限されないが、回転速度が大きいほど、反応容器１内での液滴ｄの移動速度を大きくすることができるため、例えば、熱サイクルの所要時間を短縮させることができる。
【００３７】
回転基盤１０は、公知の方法で回転されることができる。例えば、回転基盤１０は、モーター、歯車、ベルトやこれらを組み合わせた機構によって回転されることができる。また、回転基盤１０は、ブレーキなどの制動機構が備えられてもよい。回転基盤１０の材質は、特に限定されない。
【００３８】
４．温度制御部
本実施形態の熱サイクル装置は、装着部２０に設けられた温度制御部３０を有する。温度制御部３０は、反応容器１に温度分布が発生するように反応容器１の温度を制御する。温度制御部３０によって温度が制御される反応容器１の領域の大きさは、特に制限されないが、反応容器１における液滴ｄが移動する領域において、少なくとも２段階の温度が得られるように設計される。すなわち、温度制御部３０は、液滴ｄが反応容器１内を移動した場合に少なくとも２水準の温度で熱サイクルが行えるような温度分布を反応容器１に形成する。
【００３９】
装着部２０における温度制御部３０が形成される位置は、特に制限されない。温度制御部３０は、例えば、装着部２０に装着される反応容器１の一部分に接するように形成されることができる。温度制御部３０の形状も特に限定されない。
【００４０】
温度制御部３０は、装着部２０に複数形成されてもよい。図１（ｂ）の例では、温度制御部３０は、反応容器１の栓３側に接する第１温度制御部３１と容器２の底側に接する第２温度制御部３２の２つから構成されている。この例では、反応容器１に２つの温度制御された領域が形成されており、反応容器１内で２水準の温度に液滴ｄの温度を制御することができる。温度制御部３０によって反応容器１に形成された温度分布により、反応容器１内で液滴ｄの位置を変化させれば、液滴ｄをその位置の温度に加熱または冷却することができる。
【００４１】
温度制御部３０の構成としては、例えば、電熱ヒーター、ペルチェ素子、または、蓄熱媒体や冷媒の循環機構、あるいはそれらの組合せを含んで構成されることができる。また、温度制御部３０の構成は、反応容器１の熱容量や、装着部２０の大きさなどを考慮して適宜選定されることができる。回転基盤１０上の温度制御部３０に対する配線３３等は、公知の方法で適宜行うことができ、例えば、回転軸Ｏにスリップリング等を設けて行ってもよい。
【００４２】
温度制御部３０によって制御される温度は、特に制限されないが、例えば、液滴ｄが反応容器１内を移動することによって、液滴ｄの温度が９０℃以上１００℃以下の温度範囲、および５０℃以上７５℃以下の温度範囲にそれぞれ制御されるようにしてもよい。このようにすると、液滴ｄがＰＣＲの反応液である場合により好ましい。このような温度範囲を反応容器１内で実現するためには、温度制御部３０の構成として、１つのヒーター等の加熱手段を用いて可能な場合がある。しかし、図１に例示するように、装着部２０に温度制御部３０を複数設けて、温度制御部３０のそれぞれが、温度を制御できるようにすれば、より正確な熱サイクルができる点で好ましい。
【００４３】
５．変位機構
本実施形態の熱サイクル装置は、変位機構４０を有する。変位機構４０は、回転基盤１０に設けられる。変位機構４０は、装着部２０の回転基盤１０における配置を変化させることができる。変位機構４０は、装着部２０の配置を変化させることにより、装着部２０に備えられた温度制御部３０の位置を変化させる。これにより、温度制御部３０の回転基盤１０の回転軸Ｏからの距離が変化する。
【００４４】
変位機構４０は、装着部２０の配置を変化させ、装着部２０に装着された反応容器１と温度制御部３０との位置関係は変化させない。すなわち、温度制御部３０は装着部２０に設けられているので、装着部２０の配置の変化に伴って、温度制御部３０および反応容器１の配置も変化する。したがって、装着部２０の配置を変化させても温度制御部３０の反応容器１に対する位置は変化しない。つまり、変位機構４０によって、反応容器１の温度分布は変化せず、反応容器１内における回転軸Ｏから最も離れた位置が変化する。言い換えると、反応容器１内の温度分布は一定のまま、遠心力を作用させた場合に、液滴ｄが到達する反応容器１内における位置が変化する。結果として、回転基盤を回転させて遠心力を発生させた場合に、温度分布に対する液滴ｄの位置を変化させることができる。これにより、反応容器１に対する温度制御を変化させることなく、液滴ｄに熱サイクルを施すことができる。よって、温度変化させる対象の熱容量は液滴ｄのみとなり、熱容量を小さくすることができるため、熱サイクルに要する時間やエネルギーを削減することができる。なお、ここでの「変化しない」および「一定」の程度は、反応容器１内における温度分布の相対的な位置関係が変化しない程度であればよい。
【００４５】
変位機構４０は、例えば、動力源としてモーターや電磁石を、機構として滑車、カム、歯車、レール、ベルトなどを含んで適宜に構成されることができる。
【００４６】
変位機構４０の具体例を図３および図４に示した。図３に示す熱サイクル装置１００の変位機構４０は、回転機構４１から構成される。回転機構４１は、装着部２０を回転軸Ｏ’周りに回転させることができる。図示の例では、回転軸Ｏ’は、回転基盤１０の回転軸Ｏと平行になっている。回転機構４１が動作することにより、回転基盤１０の回転軸Ｏからの、第１温度制御部３１および第２温度制御部３２の距離をそれぞれ変化させることができる。この例では、回転機構４１は、図２に示したような配線３３を適宜に用いて、モーター等により構成することができる。回転基盤１０上の回転機構４１に対する配線等は、公知の方法で適宜行うことができ、例えば回転軸Ｏの位置にスリップリング等を設けることによって行うことができる。なお、回転機構４１は、モーター等の動力源を有さなくてもよく、その場合には、例えば、使用者が装着部２０を回転させてもよい。
【００４７】
図３に示す例では、実線で示した装着部２０の配置（配置Ｉ）では、第１温度制御部３１の回転軸Ｏからの距離ａ１が、第２温度制御部３２の回転軸Ｏからの距離ａ２よりも大きく、破線で示した装着部２０の配置（配置ＩＩ）では、第１温度制御部３１の回転軸Ｏからの距離ｂ１が、第２温度制御部３２の回転軸Ｏからの距離ｂ２よりも小さくなっている。すなわち、熱サイクル装置１００では、変位機構４０（回転機構４１）は、第１温度制御部３１の回転軸Ｏからの距離および第２温度制御部３２の回転軸Ｏからの距離の大小関係を反転させることができる。そして回転機構４１を動作させることによって、これらの配置間を任意のタイミングで変化させることができる。なお、液滴ｄの反応容器１内における移動速度は、印加される遠心力が大きいほど大きくなるため、回転機構４１では、反応容器１が、回転基盤１０の回転軸Ｏからの半径方向に沿う方向に配置される（図５参照）ことがより好ましい。そして、熱サイクルを行う場合には、回転機構４１によって装着部２０が回転軸Ｏ’周りに、１８０°回転されるようにすると、液滴ｄの反応容器１内における移動速度を大きくできるため、熱サイクルの所要時間を短縮することができる。
【００４８】
図３に示す熱サイクル装置１００において、回転機構４１を装置外部から操作できるように構成すると、回転基盤１０を回転させたまま、装着部２０の配置を変化させることができる。このようにすれば、回転基盤１０を回転させたまま、液滴ｄに対して熱サイクルを施すことができる。そのため、液滴ｄがＰＣＲの反応液である場合には、より反応の時間を短縮することができる。
【００４９】
図４に示す熱サイクル装置１１０の変位機構４０は、移動機構４２から構成される。移動機構４２は、回転基盤１０の回転軸Ｏから外れた位置に設けられた直線状のレール４３を有する。熱サイクル装置１１０では、装着部２０は、レール４３に沿って移動できるようになっている。装着部２０は、移動機構４２によって、レール４３の伸びる方向に沿った直線Ｌと、回転軸Ｏと回転基盤１０との交点を通る直線Ｌの垂線Ｒとの交点４４を装着部２０が通過できる範囲よりも大きい範囲で移動される。図４の例では、簡略のため直線状のレール４３を例示しているが、回転軸Ｏからの距離が一定とならない線に沿ったレールであれば、移動機構４２を構成することができる。
【００５０】
図４に示す例では、実線で示した装着部２０の配置（配置Ｉ）では、第１温度制御部３１の回転軸Ｏからの距離ａ１が、第２温度制御部３２の回転軸Ｏからの距離ａ２よりも大きく、破線で示した装着部２０の配置（配置ＩＩ）では、第１温度制御部３１の回転軸Ｏからの距離ｂ１が、第２温度制御部３２の回転軸Ｏからの距離ｂ２よりも小さくなっている。すなわち、熱サイクル装置１１０においても、変位機構４０（移動機構４２）は、第１温度制御部３１の回転軸Ｏからの距離および第２温度制御部３２の回転軸Ｏからの距離の大小関係を反転させることができる。そして移動機構４２を動作させることによって、これらの配置間を任意のタイミングで変化させることができる。移動機構４２は、回転基盤１０の回転軸Ｏからの、第１温度制御部３１および第２温度制御部３２の距離をそれぞれ変化させることができる。
【００５１】
移動機構４２は、例えば、図２に示したような配線３３を適宜用いて、リニアモーター等により構成することができる。なお、移動機構４２は、動力源を有さずに構成することもでき、その場合には、使用者が装着部２０の配置を変化させることができる。さらに、熱サイクル装置１１０のようにレール４３を用いて構成される移動機構４２の場合には、回転基盤１０の回転のための動力を利用して装着部２０をレール４３に沿って移動させることもできる。すなわち、例えば、図４において、装着部２０が実線で示した配置（配置Ｉ）にあるときに回転基盤１０に対して時計回りの方向の角加速度が印加されると、装着部２０は、図４の破線の配置（配置ＩＩ）まで移動することができる。この際印加される角加速度は、回転基盤１０を回転させるための角加速度であってもよいし、回転基盤１０の回転を停止させるための角加速度であってもよい。このようにすれば移動機構４２を駆動するための動力が不要となり、簡易な構成の熱サイクル装置を構成することができる。
【００５２】
図５は、熱サイクル装置１００が、複数の回転機構４１を有する場合の一例を模式的に示している。図６は、熱サイクル装置１１０が、複数の移動機構４２を有する場合の一例を模式的に示している。図５および図６に示すように、本実施形態の熱サイクル装置では、回転基盤１０上に複数の装着部２０を設けることができる。このようにすれば、熱サイクル装置に一度に複数の反応容器１を装着することができ、各反応容器に内在された液滴ｄに対して、熱サイクルを施すことができる。なお、変位機構４０としては、上述の回転機構４１で構成される場合（図５）には、上述の移動機構４２で構成される場合（図６）に比較して、回転基盤１０上で占める面積が小さいため、複数設ける場合には回転機構４１のほうが有利となる場合がある。
【００５３】
６．遠心力
回転基盤１０が回転することにより、回転基盤１０上の構成に遠心力が印加される。遠心力は、回転軸Ｏからの距離に比例して大きくなる。そのため、回転基盤１０が回転すると、反応容器１内の液滴ｄは反応容器１の回転軸Ｏからより遠い位置に向かって移動するように遠心力を受ける。なお、重力に対して十分に大きい遠心力を発生させることができる場合には、回転基盤１０の回転軸Ｏは、水平に配置されてもよい。
【００５４】
本実施形態の熱サイクル装置は、回転基盤１０が回転することにより、液滴ｄに遠心力が印加される。液滴ｄは、当該遠心力に従って、回転軸Ｏから遠ざかる方向へと移動する。この状態で変位機構４０が動作する前は、液滴ｄは反応容器１内の回転軸Ｏから遠い位置に移動する。そして、変位機構４０により、温度制御部３０の回転軸Ｏからの距離が、反応容器１とともに変化されると、液滴ｄは、変位機構４０が動作する前に存在した反応容器１の部位とは異なる温度の部位へ移動することができる。本実施形態の熱サイクル装置は、このような動作を繰り返すことにより液滴ｄに対して、熱サイクルを施すことができる。
【００５５】
なお、上述のように、本実施形態の熱サイクル装置では、回転基盤１０の回転によって生じる遠心力を利用して液滴ｄを移動させている。しかし、液滴ｄに熱サイクルを施すためには、回転基盤１０を回転させ続けることは、必ずしも必須の要件ではない。すなわち、回転基盤１０は、必ずしも回転させ続ける必要はなく、液滴ｄを移動させる場合だけ回転基盤１０を回転させることで、液滴ｄを移動させて熱サイクルを施すことができる。このようにする場合には、回転基盤１０の回転の始動、停止の制御は、例えば、液滴ｄの移動が生じないような角速度で適宜行うことができる。
【００５６】
７．作用効果等
以上説明した本実施形態の熱サイクル装置によれば、反応容器１に載置される液滴ｄに遠心力を作用させることによって、当該液滴ｄを反応容器１内で移動させることができる。そして、当該反応容器１は温度制御部３０により温度制御されているので、液滴ｄを反応容器１内で移動させることによって、当該液滴ｄの温度を所望の温度に迅速に変化させることができる。したがって、本実施形態の熱サイクル装置によれば、液滴ｄに対して、効率的な熱サイクルを施すことができる。
【００５７】
また、特に液滴ｄが、ＰＣＲの反応液である場合などでは、熱サイクルのための時間を短縮するために、温度変化させる対象は、熱容量が小さいほど好ましい。本実施形態の熱サイクル装置によれば、反応容器１の温度分布の変化を最小限に抑え、液滴ｄのみを温度変化させることができるため、温度変化させる対象の熱容量が小さく、迅速な熱サイクルが可能である。
【００５８】
さらに、本実施形態の熱サイクル装置は、従来の熱サイクル装置と異なり、温度サイクルのタイミングを、電気的または機械的な操作により自由に設定できる。すなわち、温度サイクルのタイミングを変化させる場合に、従来の熱サイクル装置では、回転基盤や反応容器の構成の構造を変化させなければ対応できなかったのに対して、本実施形態の熱サイクル装置では、電気的または機械的な操作により極めて容易に対応することができる。
【００５９】
本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【符号の説明】
【００６０】
１…反応容器、２…容器、３…栓、ｄ…液滴、１０…回転基盤、Ｏ…回転軸、Ｏ’…回転機構の回転軸、２０…装着部、３０…温度制御部、３１…第１温度制御部、３２…第２温度制御部、３３…配線、４０…変位機構、４１…回転機構、４２…移動機構、４３…レール、Ｌ…直線、Ｒ…垂線、４４…交点、１００，１１０…熱サイクル装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＤＮＡやＲＮＡのような遺伝子の検査をするための方法の一つとして、ＰＣＲ（Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ Ｃｈａｉｎ Ｒｅａｃｔｉｏｎ）と称する検査方法が、研究用および臨床検査用に広く用いられている。ＰＣＲでは通常、標的核酸および試薬を含む反応液に、熱サイクルという複数段階の温度変化（例えば９５℃、７４℃、５５℃の温度変化を繰り返す）を施すことにより標的核酸を増幅させる。しかし、従来のＰＣＲの手法は、反応液の温度を変化させるために反応液を保持する容器全体の温度を変化させて行う手法であり、検査精度は向上するものの、熱サイクルのために長時間を要した。
【０００３】
一方、化学分析や化学合成、あるいはバイオ関連の分析を小さなマイクロ流体チップに集積化する技術がある。このような技術は、マイクロＴＡＳ（ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ）あるいはＬａｂ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐなどと呼ばれ、試薬等の微量化や反応の自動化に利用されている。近年では、半導体製造分野での微細加工技術によりシリコンやガラス基板の加工を行って、マイクロＴＡＳを構築することも検討されている。
【０００４】
これらの技術を組み合わせた例として、例えば、特許文献１に、重力を利用して反応容器内の液滴を移動させることによって、熱サイクルを行うＰＣＲが提案されている。同文献には、この手法によれば、温度制御が容易で短時間でＰＣＲが可能であるとの記載がある。
【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】
しかしながら、特許文献１に記載の装置は、水平方向の回転軸の周りに回転基盤を回転させることによって、反応容器に作用する重力の方向が変化することを利用している。そのため、当該装置では、ＰＣＲの反応液の目的温度における滞在時間を制御するためには、チップの形状等を工夫する必要があった。また、当該装置では、回転基盤に複数の反応容器を装着した場合には、ＰＣＲの反応液の目的温度における滞在時間の制御については、反応容器毎に異なる制御を行うことが難しいという問題があった。
【０００７】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その幾つかの態様にかかる目的の一つは、所定の温度における液滴の滞在時間を制御することが容易な熱サイクル装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は前述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様または適用例として実現することができる。
【０００９】
［適用例１］
本発明にかかる熱サイクル装置の一態様は、回転軸周りに回転する回転基盤と、前記回転基盤の前記回転軸から外れた位置に設けられ、液滴を内在する反応容器が装着される装着部と、前記装着部に設けられ、前記回転軸からの距離に応じた温度分布を前記反応容器が有するように温度制御する温度制御部と、前記回転基盤に設けられ、前記装着部の配置を変化させ、前記温度制御部の前記回転軸からの距離を変える変位機構と、を有する。
【００１０】
本適用例の熱サイクル装置は、回転基盤に設けられた変位機構によって装着部の配置を変化させ、温度制御部の回転軸からの距離を変化させることができる。これにより、装着部に装着された反応容器における回転軸から最も離間した位置を変化させることができる。これにより、反応容器内に内在された液滴に加わる遠心力の方向が変化し、当該変化された遠心力に従った方向、すなわち、反応容器内の回転軸から最も離間した位置に向かって当該液滴を移動させることができる。そして、反応容器には、温度制御部によって温度分布が形成されているため、液滴を前記のように移動させることにより、温度分布に従った温度に加熱・冷却することができる。したがって、本適用例の熱サイクル装置によれば、遠心力を利用して液滴を移動させるため、液滴に対する熱サイクルにおける、所定の温度での滞在時間を容易に制御できる。
【００１１】
［適用例２］
適用例１において、前記変位機構は、前記装着部を回転させてもよい。
【００１２】
本適用例の熱サイクル装置は、装着部を回転させることによって、温度制御部の回転軸からの距離を変化させることができる。これにより、液滴に対する熱サイクルにおける、所定の温度での滞在時間を容易に制御できる。
【００１３】
［適用例３］
適用例１において、前記変位機構は、前記回転基盤の前記回転軸から外れた位置にある直線と、前記直線に対する垂線であって、前記回転軸と前記回転基盤との交点を通る垂線との交点を通過するように、前記直線上で前記装着部を移動させてもよい。
【００１４】
本適用例の熱サイクル装置は、装着部を回転基盤上で直線的に移動させることによって、温度制御部の回転軸からの距離を変化させることができる。これにより、装着部を回転基盤の回転を利用して、回転軸とねじれの位置関係にある直線上で、回転軸と当該直線との最も近接する点を通過するように、装着部を移動させることができる。したがって、液滴に対する熱サイクルにおける、所定の温度での滞在時間を容易に制御できる。
【００１５】
［適用例４］
適用例１ないし適用例３のいずれか一例において、前記温度制御部は、第１温度制御部および第２温度制御部を含み、前記第１温度制御部は、前記反応容器の一部を９０℃以上１００℃以下の温度範囲に制御し、前記第２温度制御部は、前記反応容器の一部を５０℃以上７５℃以下の温度範囲に制御してもよい。
【００１６】
本適用例の熱サイクル装置によれば、液滴に対して２段階以上の熱サイクルを施すことができる。また、本適用例の熱サイクル装置は、液滴の温度を、９０℃以上１００℃以下、および、５０℃以上７５℃以下に制御することができるためＰＣＲに適している。
【００１７】
［適用例５］
適用例４において、前記変位機構は、前記第１温度制御部の前記回転軸からの距離と前記第２温度制御部の前記回転軸からの距離との大小関係を反転させてもよい。
【００１８】
本適用例の熱サイクル装置は、回転基盤に設けられた変位機構によって、複数の温度制御部のうち、少なくとも２つの温度制御部について、回転軸からの距離を互いに反転させることができる。これにより、装着部に装着された反応容器における回転軸から最も離間した位置を変化させることができる。これにより、反応容器内に内在された液滴に加わる遠心力の方向が変化し、当該変化された遠心力に従った方向、すなわち、反応容器内の回転軸から最も離間した位置に向かって当該液滴を移動させることができる。そして、反応容器には、温度制御部によって温度分布が形成されているため、液滴を前記のように移動させることにより、温度分布に従った温度に加熱・冷却することができる。したがって、本適用例の熱サイクル装置によれば、遠心力を利用して液滴を移動させるため、液滴に対する熱サイクルにおける、所定の温度での滞在時間を容易に制御できる。
【００１９】
［適用例６］
適用例１ないし適用例５のいずれか一例において、前記装着部は、前記回転基盤に複数設けられてもよい。
【００２０】
本適用例の熱サイクル装置によれば、一度に複数の反応容器を装着することができ、各反応容器に内在された液滴に対して、熱サイクルを施すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１（ａ）は、実施形態に係る反応容器を模式的に示す図である。図１（ｂ）は、実施形態に係る装着部を模式的に示す図である。図１（ｃ）は、装着部に反応容器を装着した状態を模式的に示す図である。
【図２】実施形態に係る熱サイクル装置の要部を模式的に示す平面図である。
【図３】実施形態に係る熱サイクル装置の要部を模式的に示す平面図である。
【図４】実施形態に係る熱サイクル装置の要部を模式的に示す平面図である。
【図５】実施形態に係る熱サイクル装置の要部を模式的に示す平面図である。
【図６】実施形態に係る熱サイクル装置の要部を模式的に示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に本発明のいくつかの実施形態について説明する。以下に説明する実施形態は、本発明の例を説明するものである。本発明は、以下の実施形態になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において実施される各種の変形例も含む。なお以下の実施形態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。
【００２３】
図１は、本実施形態の熱サイクル装置に装着される反応容器１および装着部２０を示す模式図である。図２は、本実施形態の熱サイクル装置１００、１１０の要部を模式的に示す側面図である。図３は、本実施形態の熱サイクル装置１００の要部を模式的に示す平面図である。図４は本実施形態の熱サイクル装置１１０の要部を模式的に示す平面図である。
【００２４】
本実施形態の熱サイクル装置は、回転基盤１０と、装着部２０と、温度制御部３０と、変位機構４０と、を有する。熱サイクル装置の装着部２０には、反応容器１が装着される。
【００２５】
１．反応容器
反応容器１は、熱サイクル装置の装着部２０に装着することができる形状を有する。反応容器１には、液滴ｄが内在される。反応容器１の機能の一つは、内在された液滴ｄを、反応容器１の各位置において保持することが挙げられる。反応容器１内の各位置で液滴ｄが保持されることにより、熱サイクル装置が駆動して反応容器１内に温度分布が形成された場合に、液滴ｄの温度を、当該温度分布に従って変化させることができる。反応容器１の形状は、温度分布を形成できる範囲で任意であるが、図示のように細長い形状、すなわち長手方向を有する形状とすることにより、温度分布を形成しやすい点で好ましい。反応容器１の材質は、特に限定されないが、例えば、耐熱ガラス、シリコン、各種の樹脂などが挙げられる。また、反応容器１の外部から液滴ｄを観察できるように反応容器１の材質を選ぶと、液滴ｄが、例えばＰＣＲの反応液である場合などにおいて、外部から液滴ｄを、熱サイクルの途中でも観測することができる。また、反応容器１をＰＣＲの反応に用いる場合には、反応容器１は、使い捨てであることが好ましく、材質としてはコストの点で樹脂であることがより好ましい。
【００２６】
図１（ａ）に示すように、反応容器１は、例えば、液滴ｄを封入する容器２および栓３からなることができる。容器２および栓３は、熱サイクル装置に反応容器１が装着されたときに、内在される液滴ｄが漏洩しないように構成される。図１（ａ）の例では、容器２および栓３からなる反応容器１を例示しているが、反応容器１の構成は任意であり、必要に応じて適宜設計することができる。図１（ａ）の例では、反応容器１は、略円錐台形状の容器２が、栓３によって封止される形状を有している。
【００２７】
また、反応容器１内には、液滴ｄと混和しない液体が共に内在されてもよい。このようにすれば、液滴ｄが大気等と接触することを抑制することができるとともに、反応容器１内での液滴ｄの付着が抑制され、反応容器１内の液滴ｄの移動を滑らかにすることができる。さらに、反応容器１内に気体が存在しないように、反応容器１内を液滴ｄおよび液滴ｄと混和しない液体で満たすようにすれば、気体の泡などによる液滴ｄの移動の阻害が生じないため、液滴ｄの反応容器１内での移動をより滑らかにすることができる。液滴ｄとともに内在される液体としては、例えば、液滴ｄが水溶液である場合には、オイル等の疎水性（油性）の液体が挙げられる。
【００２８】
反応容器１の内面（液滴ｄが接触しうる面）は、撥水処理、撥油処理などの撥液処理がされていてもよい。反応容器１の内面の撥液処理は、例えば液滴ｄの大きさを考慮して選択される。反応容器１の内面が撥液処理されていると、反応容器１内での液滴ｄの付着が抑制され、液滴ｄの移動を容易化することができる。反応容器１の内面の撥液処理としては、例えば、フッ素樹脂またはシリコン樹脂によるコーティングなどが挙げられる。
【００２９】
液滴ｄは、反応容器１内に滴となる大きさで内在される。このようにすることで、液滴ｄが反応容器１内を移動したときに、反応容器１に形成された温度分布に従った温度に液滴ｄの温度を変化させることができる。液滴ｄは、反応容器１に内在されたときに滴になれば、水性、油性のいずれであってもよい。液滴ｄは、例えば、ＰＣＲの反応液であってもよい。液滴ｄがＰＣＲの反応液である場合には、反応液には増幅の対象とする核酸（標的核酸）および反応に必要な試薬が含まれる。
【００３０】
２．装着部
本実施形態の熱サイクル装置は、反応容器１が装着される装着部２０を有する。装着部２０は、上述した反応容器１を装着する部分である。装着部２０は、回転基盤１０の回転軸Ｏを外れた位置に設けられる。装着部２０の形状は、反応容器１の形状に整合させて設計されることができる。装着部２０に反応容器１を装着する機構としては、回転基盤１０の動作によって反応容器１が装着部２０から脱落する等の不具合を生じない限り、特に制限されない。装着部２０に反応容器１を固定する方法としては、例えば、クリップ等により機械的に反応容器１を固定する方法、反応容器１を減圧吸着する方法、粘着シート等によって固定する方法などが挙げられる。
【００３１】
一例として図１（ａ）に示すように、反応容器１が円錐台形状の容器２を有する場合には、装着部２０は、図１（ｂ）に示すように、反応容器１を挿入する孔２１を有する形状とすることができる。図１（ｂ）に示す装着部２０の例では、反応容器１の周囲を包む構造を有しているが、これに限定されず、反応容器１を装着して固定できる限り、反応容器１の全体を覆う必要はない。装着部２０の大きさは、回転基盤１０に設けられ、変位機構４０による移動、および温度制御部３０を設けることができる範囲であれば特に限定されない。また、装着部２０は、反応容器１を着脱することができるように構成される。
【００３２】
本実施形態では、装着部２０には、図１（ｃ）に示すように、反応容器１が孔２１に挿入されて装着されている。なお、図示しないが、装着部２０に固定された反応容器１は、回転基盤１０の回転による遠心力によって装着部２０から脱落しないように適宜固定されている。
【００３３】
装着部２０の材質は、特に制限されない。しかし、可視光領域において透明な材質、例えばガラス、アクリル樹脂等で形成する、または装着部２０に透明な材質の窓を形成することにより、装着部２０の外部から反応容器１を観察できるようにすることができる。
【００３４】
装着部２０の外部から反応容器１（液滴ｄ）を観察できるように構成すると、熱サイクル装置１００の外部から、液滴ｄを観察することができる。そして、液滴ｄがＰＣＲの反応液である場合や、蛍光物質等を含む場合には、外部から液滴ｄの蛍光を、熱サイクルの途中でも観測することができる。そのため、蛍光検出器等を適宜設置すれば、例えばリアルタイムＰＣＲを行うことができる。
【００３５】
３．回転基盤
本実施形態の熱サイクル装置は、回転基盤１０を有する。図２に示すように、回転基盤１０には、上述した装着部２０、および装着部２０の配置を変化させる変位機構４０が備えられる。
【００３６】
回転基盤１０は、回転軸Ｏ周りに回転することができる。回転基盤１０の形状は特に制限されないが、例えば、円盤状の形状とすることができる。回転基盤１０は、回転軸Ｏ周りに回転することにより、回転基盤１０の回転軸Ｏから外れた位置に備えられた物体に遠心力を印加することができる。回転基盤１０の回転方向や回転速度は限定されないが、回転基盤１０の回転方向、回転速度および回転させるために印加される角加速度などを調節することができるように構成してもよい。また、回転基盤１０の回転速度は、特に制限されないが、回転速度が大きいほど、反応容器１内での液滴ｄの移動速度を大きくすることができるため、例えば、熱サイクルの所要時間を短縮させることができる。
【００３７】
回転基盤１０は、公知の方法で回転されることができる。例えば、回転基盤１０は、モーター、歯車、ベルトやこれらを組み合わせた機構によって回転されることができる。また、回転基盤１０は、ブレーキなどの制動機構が備えられてもよい。回転基盤１０の材質は、特に限定されない。
【００３８】
４．温度制御部
本実施形態の熱サイクル装置は、装着部２０に設けられた温度制御部３０を有する。温度制御部３０は、反応容器１に温度分布が発生するように反応容器１の温度を制御する。温度制御部３０によって温度が制御される反応容器１の領域の大きさは、特に制限されないが、反応容器１における液滴ｄが移動する領域において、少なくとも２段階の温度が得られるように設計される。すなわち、温度制御部３０は、液滴ｄが反応容器１内を移動した場合に少なくとも２水準の温度で熱サイクルが行えるような温度分布を反応容器１に形成する。
【００３９】
装着部２０における温度制御部３０が形成される位置は、特に制限されない。温度制御部３０は、例えば、装着部２０に装着される反応容器１の一部分に接するように形成されることができる。温度制御部３０の形状も特に限定されない。
【００４０】
温度制御部３０は、装着部２０に複数形成されてもよい。図１（ｂ）の例では、温度制御部３０は、反応容器１の栓３側に接する第１温度制御部３１と容器２の底側に接する第２温度制御部３２の２つから構成されている。この例では、反応容器１に２つの温度制御された領域が形成されており、反応容器１内で２水準の温度に液滴ｄの温度を制御することができる。温度制御部３０によって反応容器１に形成された温度分布により、反応容器１内で液滴ｄの位置を変化させれば、液滴ｄをその位置の温度に加熱または冷却することができる。
【００４１】
温度制御部３０の構成としては、例えば、電熱ヒーター、ペルチェ素子、または、蓄熱媒体や冷媒の循環機構、あるいはそれらの組合せを含んで構成されることができる。また、温度制御部３０の構成は、反応容器１の熱容量や、装着部２０の大きさなどを考慮して適宜選定されることができる。回転基盤１０上の温度制御部３０に対する配線３３等は、公知の方法で適宜行うことができ、例えば、回転軸Ｏにスリップリング等を設けて行ってもよい。
【００４２】
温度制御部３０によって制御される温度は、特に制限されないが、例えば、液滴ｄが反応容器１内を移動することによって、液滴ｄの温度が９０℃以上１００℃以下の温度範囲、および５０℃以上７５℃以下の温度範囲にそれぞれ制御されるようにしてもよい。このようにすると、液滴ｄがＰＣＲの反応液である場合により好ましい。このような温度範囲を反応容器１内で実現するためには、温度制御部３０の構成として、１つのヒーター等の加熱手段を用いて可能な場合がある。しかし、図１に例示するように、装着部２０に温度制御部３０を複数設けて、温度制御部３０のそれぞれが、温度を制御できるようにすれば、より正確な熱サイクルができる点で好ましい。
【００４３】
５．変位機構
本実施形態の熱サイクル装置は、変位機構４０を有する。変位機構４０は、回転基盤１０に設けられる。変位機構４０は、装着部２０の回転基盤１０における配置を変化させることができる。変位機構４０は、装着部２０の配置を変化させることにより、装着部２０に備えられた温度制御部３０の位置を変化させる。これにより、温度制御部３０の回転基盤１０の回転軸Ｏからの距離が変化する。
【００４４】
変位機構４０は、装着部２０の配置を変化させ、装着部２０に装着された反応容器１と温度制御部３０との位置関係は変化させない。すなわち、温度制御部３０は装着部２０に設けられているので、装着部２０の配置の変化に伴って、温度制御部３０および反応容器１の配置も変化する。したがって、装着部２０の配置を変化させても温度制御部３０の反応容器１に対する位置は変化しない。つまり、変位機構４０によって、反応容器１の温度分布は変化せず、反応容器１内における回転軸Ｏから最も離れた位置が変化する。言い換えると、反応容器１内の温度分布は一定のまま、遠心力を作用させた場合に、液滴ｄが到達する反応容器１内における位置が変化する。結果として、回転基盤を回転させて遠心力を発生させた場合に、温度分布に対する液滴ｄの位置を変化させることができる。これにより、反応容器１に対する温度制御を変化させることなく、液滴ｄに熱サイクルを施すことができる。よって、温度変化させる対象の熱容量は液滴ｄのみとなり、熱容量を小さくすることができるため、熱サイクルに要する時間やエネルギーを削減することができる。なお、ここでの「変化しない」および「一定」の程度は、反応容器１内における温度分布の相対的な位置関係が変化しない程度であればよい。
【００４５】
変位機構４０は、例えば、動力源としてモーターや電磁石を、機構として滑車、カム、歯車、レール、ベルトなどを含んで適宜に構成されることができる。
【００４６】
変位機構４０の具体例を図３および図４に示した。図３に示す熱サイクル装置１００の変位機構４０は、回転機構４１から構成される。回転機構４１は、装着部２０を回転軸Ｏ’周りに回転させることができる。図示の例では、回転軸Ｏ’は、回転基盤１０の回転軸Ｏと平行になっている。回転機構４１が動作することにより、回転基盤１０の回転軸Ｏからの、第１温度制御部３１および第２温度制御部３２の距離をそれぞれ変化させることができる。この例では、回転機構４１は、図２に示したような配線３３を適宜に用いて、モーター等により構成することができる。回転基盤１０上の回転機構４１に対する配線等は、公知の方法で適宜行うことができ、例えば回転軸Ｏの位置にスリップリング等を設けることによって行うことができる。なお、回転機構４１は、モーター等の動力源を有さなくてもよく、その場合には、例えば、使用者が装着部２０を回転させてもよい。
【００４７】
図３に示す例では、実線で示した装着部２０の配置（配置Ｉ）では、第１温度制御部３１の回転軸Ｏからの距離ａ１が、第２温度制御部３２の回転軸Ｏからの距離ａ２よりも大きく、破線で示した装着部２０の配置（配置ＩＩ）では、第１温度制御部３１の回転軸Ｏからの距離ｂ１が、第２温度制御部３２の回転軸Ｏからの距離ｂ２よりも小さくなっている。すなわち、熱サイクル装置１００では、変位機構４０（回転機構４１）は、第１温度制御部３１の回転軸Ｏからの距離および第２温度制御部３２の回転軸Ｏからの距離の大小関係を反転させることができる。そして回転機構４１を動作させることによって、これらの配置間を任意のタイミングで変化させることができる。なお、液滴ｄの反応容器１内における移動速度は、印加される遠心力が大きいほど大きくなるため、回転機構４１では、反応容器１が、回転基盤１０の回転軸Ｏからの半径方向に沿う方向に配置される（図５参照）ことがより好ましい。そして、熱サイクルを行う場合には、回転機構４１によって装着部２０が回転軸Ｏ’周りに、１８０°回転されるようにすると、液滴ｄの反応容器１内における移動速度を大きくできるため、熱サイクルの所要時間を短縮することができる。
【００４８】
図３に示す熱サイクル装置１００において、回転機構４１を装置外部から操作できるように構成すると、回転基盤１０を回転させたまま、装着部２０の配置を変化させることができる。このようにすれば、回転基盤１０を回転させたまま、液滴ｄに対して熱サイクルを施すことができる。そのため、液滴ｄがＰＣＲの反応液である場合には、より反応の時間を短縮することができる。
【００４９】
図４に示す熱サイクル装置１１０の変位機構４０は、移動機構４２から構成される。移動機構４２は、回転基盤１０の回転軸Ｏから外れた位置に設けられた直線状のレール４３を有する。熱サイクル装置１１０では、装着部２０は、レール４３に沿って移動できるようになっている。装着部２０は、移動機構４２によって、レール４３の伸びる方向に沿った直線Ｌと、回転軸Ｏと回転基盤１０との交点を通る直線Ｌの垂線Ｒとの交点４４を装着部２０が通過できる範囲よりも大きい範囲で移動される。図４の例では、簡略のため直線状のレール４３を例示しているが、回転軸Ｏからの距離が一定とならない線に沿ったレールであれば、移動機構４２を構成することができる。
【００５０】
図４に示す例では、実線で示した装着部２０の配置（配置Ｉ）では、第１温度制御部３１の回転軸Ｏからの距離ａ１が、第２温度制御部３２の回転軸Ｏからの距離ａ２よりも大きく、破線で示した装着部２０の配置（配置ＩＩ）では、第１温度制御部３１の回転軸Ｏからの距離ｂ１が、第２温度制御部３２の回転軸Ｏからの距離ｂ２よりも小さくなっている。すなわち、熱サイクル装置１１０においても、変位機構４０（移動機構４２）は、第１温度制御部３１の回転軸Ｏからの距離および第２温度制御部３２の回転軸Ｏからの距離の大小関係を反転させることができる。そして移動機構４２を動作させることによって、これらの配置間を任意のタイミングで変化させることができる。移動機構４２は、回転基盤１０の回転軸Ｏからの、第１温度制御部３１および第２温度制御部３２の距離をそれぞれ変化させることができる。
【００５１】
移動機構４２は、例えば、図２に示したような配線３３を適宜用いて、リニアモーター等により構成することができる。なお、移動機構４２は、動力源を有さずに構成することもでき、その場合には、使用者が装着部２０の配置を変化させることができる。さらに、熱サイクル装置１１０のようにレール４３を用いて構成される移動機構４２の場合には、回転基盤１０の回転のための動力を利用して装着部２０をレール４３に沿って移動させることもできる。すなわち、例えば、図４において、装着部２０が実線で示した配置（配置Ｉ）にあるときに回転基盤１０に対して時計回りの方向の角加速度が印加されると、装着部２０は、図４の破線の配置（配置ＩＩ）まで移動することができる。この際印加される角加速度は、回転基盤１０を回転させるための角加速度であってもよいし、回転基盤１０の回転を停止させるための角加速度であってもよい。このようにすれば移動機構４２を駆動するための動力が不要となり、簡易な構成の熱サイクル装置を構成することができる。
【００５２】
図５は、熱サイクル装置１００が、複数の回転機構４１を有する場合の一例を模式的に示している。図６は、熱サイクル装置１１０が、複数の移動機構４２を有する場合の一例を模式的に示している。図５および図６に示すように、本実施形態の熱サイクル装置では、回転基盤１０上に複数の装着部２０を設けることができる。このようにすれば、熱サイクル装置に一度に複数の反応容器１を装着することができ、各反応容器に内在された液滴ｄに対して、熱サイクルを施すことができる。なお、変位機構４０としては、上述の回転機構４１で構成される場合（図５）には、上述の移動機構４２で構成される場合（図６）に比較して、回転基盤１０上で占める面積が小さいため、複数設ける場合には回転機構４１のほうが有利となる場合がある。
【００５３】
６．遠心力
回転基盤１０が回転することにより、回転基盤１０上の構成に遠心力が印加される。遠心力は、回転軸Ｏからの距離に比例して大きくなる。そのため、回転基盤１０が回転すると、反応容器１内の液滴ｄは反応容器１の回転軸Ｏからより遠い位置に向かって移動するように遠心力を受ける。なお、重力に対して十分に大きい遠心力を発生させることができる場合には、回転基盤１０の回転軸Ｏは、水平に配置されてもよい。
【００５４】
本実施形態の熱サイクル装置は、回転基盤１０が回転することにより、液滴ｄに遠心力が印加される。液滴ｄは、当該遠心力に従って、回転軸Ｏから遠ざかる方向へと移動する。この状態で変位機構４０が動作する前は、液滴ｄは反応容器１内の回転軸Ｏから遠い位置に移動する。そして、変位機構４０により、温度制御部３０の回転軸Ｏからの距離が、反応容器１とともに変化されると、液滴ｄは、変位機構４０が動作する前に存在した反応容器１の部位とは異なる温度の部位へ移動することができる。本実施形態の熱サイクル装置は、このような動作を繰り返すことにより液滴ｄに対して、熱サイクルを施すことができる。
【００５５】
なお、上述のように、本実施形態の熱サイクル装置では、回転基盤１０の回転によって生じる遠心力を利用して液滴ｄを移動させている。しかし、液滴ｄに熱サイクルを施すためには、回転基盤１０を回転させ続けることは、必ずしも必須の要件ではない。すなわち、回転基盤１０は、必ずしも回転させ続ける必要はなく、液滴ｄを移動させる場合だけ回転基盤１０を回転させることで、液滴ｄを移動させて熱サイクルを施すことができる。このようにする場合には、回転基盤１０の回転の始動、停止の制御は、例えば、液滴ｄの移動が生じないような角速度で適宜行うことができる。
【００５６】
７．作用効果等
以上説明した本実施形態の熱サイクル装置によれば、反応容器１に載置される液滴ｄに遠心力を作用させることによって、当該液滴ｄを反応容器１内で移動させることができる。そして、当該反応容器１は温度制御部３０により温度制御されているので、液滴ｄを反応容器１内で移動させることによって、当該液滴ｄの温度を所望の温度に迅速に変化させることができる。したがって、本実施形態の熱サイクル装置によれば、液滴ｄに対して、効率的な熱サイクルを施すことができる。
【００５７】
また、特に液滴ｄが、ＰＣＲの反応液である場合などでは、熱サイクルのための時間を短縮するために、温度変化させる対象は、熱容量が小さいほど好ましい。本実施形態の熱サイクル装置によれば、反応容器１の温度分布の変化を最小限に抑え、液滴ｄのみを温度変化させることができるため、温度変化させる対象の熱容量が小さく、迅速な熱サイクルが可能である。
【００５８】
さらに、本実施形態の熱サイクル装置は、従来の熱サイクル装置と異なり、温度サイクルのタイミングを、電気的または機械的な操作により自由に設定できる。すなわち、温度サイクルのタイミングを変化させる場合に、従来の熱サイクル装置では、回転基盤や反応容器の構成の構造を変化させなければ対応できなかったのに対して、本実施形態の熱サイクル装置では、電気的または機械的な操作により極めて容易に対応することができる。
【００５９】
本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【符号の説明】
【００６０】
１…反応容器、２…容器、３…栓、ｄ…液滴、１０…回転基盤、Ｏ…回転軸、Ｏ’…回転機構の回転軸、２０…装着部、３０…温度制御部、３１…第１温度制御部、３２…第２温度制御部、３３…配線、４０…変位機構、４１…回転機構、４２…移動機構、４３…レール、Ｌ…直線、Ｒ…垂線、４４…交点、１００，１１０…熱サイクル装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸周りに回転する回転基盤と、
前記回転基盤の前記回転軸から外れた位置に設けられ、液滴を内在する反応容器が装着される装着部と、
前記装着部に設けられ、前記回転軸からの距離に応じた温度分布を前記反応容器が有するように温度制御する温度制御部と、
前記回転基盤に設けられ、前記装着部の配置を変化させ、前記温度制御部の前記回転軸からの距離を変える変位機構と、
を有する、熱サイクル装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記変位機構は、前記装着部を回転させる、熱サイクル装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記変位機構は、前記回転基盤の前記回転軸から外れた位置にある直線と、前記直線に対する垂線であって、前記回転軸と前記回転基盤との交点を通る垂線との交点を通過するように、前記直線上で前記装着部を移動させる、熱サイクル装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか一項において、
前記温度制御部は、第１温度制御部および第２温度制御部を含み、
前記第１温度制御部は、前記反応容器の一部を９０℃以上１００℃以下の温度範囲に制御し、
前記第２温度制御部は、前記反応容器の一部を５０℃以上７５℃以下の温度範囲に制御する、熱サイクル装置。
【請求項５】
請求項４において、
前記変位機構は、前記第１温度制御部の前記回転軸からの距離と前記第２温度制御部の前記回転軸からの距離との大小関係を反転させる、熱サイクル装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか一項において、
前記装着部は、前記回転基盤に複数設けられた、熱サイクル装置。
【請求項１】
回転軸周りに回転する回転基盤と、
前記回転基盤の前記回転軸から外れた位置に設けられ、液滴を内在する反応容器が装着される装着部と、
前記装着部に設けられ、前記回転軸からの距離に応じた温度分布を前記反応容器が有するように温度制御する温度制御部と、
前記回転基盤に設けられ、前記装着部の配置を変化させ、前記温度制御部の前記回転軸からの距離を変える変位機構と、
を有する、熱サイクル装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記変位機構は、前記装着部を回転させる、熱サイクル装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記変位機構は、前記回転基盤の前記回転軸から外れた位置にある直線と、前記直線に対する垂線であって、前記回転軸と前記回転基盤との交点を通る垂線との交点を通過するように、前記直線上で前記装着部を移動させる、熱サイクル装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか一項において、
前記温度制御部は、第１温度制御部および第２温度制御部を含み、
前記第１温度制御部は、前記反応容器の一部を９０℃以上１００℃以下の温度範囲に制御し、
前記第２温度制御部は、前記反応容器の一部を５０℃以上７５℃以下の温度範囲に制御する、熱サイクル装置。
【請求項５】
請求項４において、
前記変位機構は、前記第１温度制御部の前記回転軸からの距離と前記第２温度制御部の前記回転軸からの距離との大小関係を反転させる、熱サイクル装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか一項において、
前記装着部は、前記回転基盤に複数設けられた、熱サイクル装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１４３１６４（Ｐ２０１２−１４３１６４Ａ）
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８４４（Ｐ２０１１−１８４４）
【出願日】平成２３年１月７日（２０１１．１．７）
【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８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月７日（２０１１．１．７）
【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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