熱量計およびそれを用いた分析方法
【課題】 生体・化学物質の反応を評価する手法として、反応熱の計測は直接的な使いやすい手法であるが、微量な試料に対応した反応熱分析装置が現在存在していない。多少試料を多く使えば反応熱を検出することは可能であるが、構造的に大きくなるとともに外部からの熱進入が問題となっている。
【解決手段】 サーモモジュールを用いたサンプル熱流センサとリファレンス熱流センサと、それぞれの片面に接する２つの反応容器と、反対面に接する第１のヒートシンクと、第１のヒートシンクの温度を測定する温度センサと、第１のヒートシンクの下面に接する精密温度制御用のペルチェ素子と、ペルチェ素子の下面に接する第２のヒートシンクと、２つの熱流センサを内包する断熱シールドを有しており、断熱シールド外部から間接的なエネルギー供給により、反応容器内部において所定の試薬を混合する混合装置を有する熱量計を提供する。
【解決手段】 サーモモジュールを用いたサンプル熱流センサとリファレンス熱流センサと、それぞれの片面に接する２つの反応容器と、反対面に接する第１のヒートシンクと、第１のヒートシンクの温度を測定する温度センサと、第１のヒートシンクの下面に接する精密温度制御用のペルチェ素子と、ペルチェ素子の下面に接する第２のヒートシンクと、２つの熱流センサを内包する断熱シールドを有しており、断熱シールド外部から間接的なエネルギー供給により、反応容器内部において所定の試薬を混合する混合装置を有する熱量計を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
サーモモジュールを用いた熱量計に関し、とくに熱量評価用試料が化学反応等を伴い温度変化をする反応分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、バイオ技術の進展に伴う生体物質の分析、各種新薬の合成、あるいは各種環境物質の検出などこれまでにない様々な生体、化学物質を評価する要求が増えている。さらにそれらは微少量しか合成・収集出来ない非常に貴重な物質が多く、限られた量での分析方法が必要となる。
【０００３】
たとえば生体物質の機能評価、薬品同士の親和性や阻害性、環境汚染物質の生体への影響などを調べる場合、起きうる化学反応を定性的、定量的に評価する場合が多く、そのなかには酵素反応や抗原抗体が含まれる。従来、酵素反応や抗原抗体反応を検出する場合、反応によって２次的に発生する物質を分解評価したり、第３の物質を加えて検出しやすい反応を新たに起こさせて検出するということが行われてきた。たとえばそれには、酵素電極や蛍光物質の標識などの方法がある。
【０００４】
しかしながら、それらは２次的な反応要素を含むため、より複雑になり再現性がなかったり、あるいは特定の反応系に限られるという問題がある。一方化学反応には大小の差はあるが必ず反応熱の出入りがある。この反応熱を直接的にとらえる方法が提供されるならば、広範囲の化学物質の評価分析が可能となると考えられる。ただし、微量物質の反応熱をとらえるには相当高感度の反応熱検出系が必要である。
【０００５】
熱をとらえる手段には一般的に熱流センサというものがあるが、その中の一つに熱電対というものがある。熱電対は極性の異なる２種類の金属または熱電半導体を電気的に接続し、その両端に温度差を与えることにより電圧を発生する。この電圧を検出することで一端に接触している物体の温度あるいは発生熱量を定量的に検出することが出来る。熱電対は一対では発生電圧は低いために、熱流センサとする場合は多数を集積化して利用することが多い。多数の熱電対を整列配置し、電気的に直列化したものを一般的にサーモモジュールと呼んでいる。
【０００６】
また熱測定は環境温度の変化に敏感に反応し、大きなノイズを生じさせてしまうことから、環境に影響する温度変化を非常に小さくすることによって、非常に小さな発熱・吸熱も捕らえることができ、高精度の熱分析計などを作ることができる。たとえば特許文献１にはそのような高精度の熱量計が開示されている。
【０００７】
引例の熱量計では、断熱構造の改良、ペルチェ素子を使った温度制御、高感度の熱流センサ、適切なヒートシンクの採用などにより、従来に増して非常に高感度な測定器を実現している。この方法を用いることで、微少量の試料から非常に小さな熱の測定が可能であり、さらに駆動部分や流体を用いた温度制御が必要ないので、コンパクトにそして安価な装置が実現可能である。
【０００８】
しかし残念なことに、この方法は物質の温度変化に伴う相変態などの物理現象を捉える、いわゆる超高感度熱分析装置としては非常に有効な手段であるが、異種物質との化学反応の熱を測定する事はできない。
【０００９】
これに対して、化学反応を捉える熱分析装置も市販されているものがある。たとえば
、等温滴定カロリメトリー装置ＶＰ−ＩＴＣ（ＭｉｃｒｏＣａｌ社）などがそうである。これは断熱された恒温槽の中で小型セルに評価試料を入れ、ビュレット状の導管から反応液を滴下し、セルに接触しているサーモモジュールを使って反応熱量を検出するする構造になっている。
【００１０】
この場合、装置が大掛かりであるため、評価試料がｍLオーダーで必要である。またサンプルの安定した反応を起こさせるには何らかの撹拌機構が必要であるが、この場合は導管の先端にあるプロペラ状の攪拌装置を利用している。この攪拌装置の軸あるいは導管は外部から挿入されているため、外部の熱を持ち込んでしまい、一定以上の温度制御が難しい。あるいはその対策として内部の温度を安定化させるために、軸の途中も温度調節が必要であり、さらに装置が大型化される。
【特許文献１】特開２００４−２０５０９号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
以上従来の熱量計をふまえ、本発明が解決しようとする従来の課題をまとめる。１）生体・化学物質の反応を評価する手法として、反応熱の計測は直接的な使いやすい手法であるが、微量な試料に対応した反応熱分析装置が存在しない。２）微量な試料の熱量を測定する手法は提案されているが、化学反応における熱を検出する手段はない。３）多少試料を多く使えば反応熱を検出することは可能であるが、構造的に大きくなるとともに外部からの熱進入が問題となる。
【００１２】
そこで本発明の目的は、外部からの熱進入を最小限に抑え、微少な評価試料の反応熱量を高感度に測定できる小型で安価な熱量計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の目的を達成するために本発明の熱量計の構造およびそれを用いた分析方法においては下記に記載する手段を採用する。
【００１４】
本発明の熱量計は、サーモモジュールを用いたサンプル熱流センサとサーモモジュールを用いたリファレンス熱流センサと、２つの熱流センサそれぞれの片面に接する２つの反応容器と、２つの熱流センサの反対面に接する第１のヒートシンクと、第１のヒートシンクの温度を測定する温度センサと、第１のヒートシンクの下面に接する温度制御用のペルチェ素子と、ペルチェ素子の下面に接する第２のヒートシンクと、少なくとも２つの熱流センサを内包する断熱シールドを有している熱量計であり、サンプル熱流センサの反応容器内部において所定の試薬を混合する混合装置を有することを特徴とする。
【００１５】
そして混合装置は断熱シールドの外部に有し、機械的結合を有せずに間接的に断熱シールド内部にエネルギーを供給することで、所定の試薬を混合することが好ましい。混合装置には磁気撹拌装置、超音波振動撹拌装置、揺動型撹拌装置、液体吐出装置から少なくとも１つを利用するとよい。
【００１６】
あるいは第１のヒートシンクは相対的に熱伝導率の異なる材料を積層した構造を有することが好ましく、断熱シールドを複数有し、さらに第１のヒートシンクの温度を間接的に調節する補助温調装置を有するとなお良い。
【００１７】
また本発明の熱量計を用いた分析方法は、ペルチェ素子を用い第１のヒートシンクを介してサンプル熱流センサとリファレンス熱流センサを所定の温度に保つ工程と、混合装置を用いてサンプル熱流センサの反応容器内にて２種類以上の試薬を混合する工程と、サンプル熱流センサからは試薬の化学反応により生じた温度変化に対応した信号電圧を測定す
る工程と、同時にリファレンス熱流センサに生じているリファレンス電圧を測定する工程と、信号電圧と前記リファレンス電圧との差分を演算する工程とを有することで、化学反応を検出することを特徴とする。
【００１８】
そしてペルチェ素子を用い第１のヒートシンクを介してサンプル熱流センサとリファレンス熱流センサを所定の温度に保つ工程に続き、ペルチェ素子への通電を停止すると良く、サンプル熱流センサの反応容器内にて２種類以上の試薬を混合する工程までを恒温槽内部において行うとさらに効果的である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の熱量計は、断熱シールド内部を一定温度に制御した後、外部から機械的な結合を有せず、間接的に内部の試料と反応液とを混合することが出来る。つまり、断熱シールド内部の試料を混合するために、金属の軸やガラス管などの比較的熱伝導の良いものがシールド外部から侵入していないため、外部からの温度的外乱が非常に小さい。そのため、シールド内部の温度変化を非常に小さく保て、微少な反応熱量でも高精度に検出することが可能である。
【００２０】
また、熱量を測定するセンサも高密度で小さなサーモモジュールを利用できるため、余分な熱容量が小さく少量の試料を分析することが出来る。
【００２１】
また、全体の構成要素が少なく、複雑な形状がないため、非常に小さく安価な熱量計を構築できる。
【００２２】
混合装置の中でも液体吐出装置を用いると、反応液を複数回混合することが出来るため、滴定反応のような連続的な試験も可能である。
【００２３】
このような熱量計を利用することにより、バイオ分野や製薬分野などにおいて、非常に貴重で少ない試料を効率よく分析することが可能である。さらに本熱量計は反応熱を直接的に捉えられることから、従来の分析装置のような標識物質を導入したり、２次反応を解析するような煩雑な操作が不要になる。
【００２４】
以上から本発明の熱量計は、今後免疫診断やウィルス診断、環境分析や環境汚染物質の細胞への影響、新薬の生体適合性など非常に広範囲の分野にわたって、分析装置として利用されることが期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面を用いて本発明の熱量計の最適な実施形態を説明する。まず図１には本発明の熱量計の断面図を示している。
【００２６】
図１に示したように本発明の熱量計の中心であるセンサとして、サンプル熱流センサ１１とリファレンス熱流センサ１２が設置されている。両者の熱流センサは熱電対を多数集積化したサーモモジュールであり、基本的な構造は温度制御用のペルチェ素子と同じである。ただし、本発明では微量試料から発せられる微少熱量を検出するために、従来よりかなり熱電対が高集積化されたマイクロサーモモジュールを利用している。試料の量にもよるが、たとえば３ｍｍ角の大きさであり、柱の対数が１８対〜９８対のものを用いている。
【００２７】
サンプル熱流センサ１１とリファレンス熱流センサ１２は図１の上下方向の熱流を検出するが、上側の片面には反応容器２１が設置されている。反応容器２１はその中に評価用の試料を入れ置くためにあるが、ガラスなどを利用して作られている。
【００２８】
サンプル熱流センサ１１とリファレンス熱流センサ１２の下側の片面には第１のヒートシンク３１が設置されている。第１のヒートシンク３１は２つの熱流センサの温度変化を極力抑えるために設置されている。そのため第１のヒートシンク３１は銅などの熱伝導が良くかつ熱容量もある程度大きな金属製ものを用いている。
【００２９】
第１のヒートシンク３１の下にはペルチェ素子５１が設置されている。ペルチェ素子５１は直流電流を流すことで上下方向に熱を移動させることが出来ることから、外部から適当な制御装置によりコントロールすることで接している第１のヒートシンク３１の温度を精密に制御できる。ペルチェ素子５１は熱流の増減しかできないため、この温度を制御するためには温度センサ４１からの温度情報をもとに制御する。ここで温度センサ４１にはサーミスタ温度計あるいは白金測温体などを利用している。
【００３０】
ペルチェ素子５１の下には第２のヒートシンク３２が設置されている。第２のヒートシンクはペルチェ素子５１から移動してきた熱を吸収したり、あるいはペルチェ素子５１に熱を供給したりする熱だめの役目をしており、一般的に第１のヒートシンク３１よりは大きいものを利用する。材料はやはり銅などの金属を用いる。なお、これまで述べた反応容器２１、サンプル熱流センサ１１とリファレンス熱流センサ１２、第１のヒートシンク３１、ペルチェ素子５１、第２のヒートシンク３２のそれぞれが接している界面は、熱の伝搬がスムーズに行われる必要があることから、金属やセラミックスの粒子を混入した熱伝導性グリースあるいは接着剤を介在させた方がよい。
【００３１】
さらに本発明の熱量計では内部の雰囲気温度を安定化させるために、第１の断熱シールド６１と第２の断熱シールド６２を設けている。どちらもその外部の空気を伝わっての熱伝導を遮断するために設けられている。両者の断熱シールドにもやはり銅などの熱伝導の良い金属を利用している。また、第２の断熱シールド６２を安定に設置するために基台７０も設けているが、場合によってはなくても良い。
【００３２】
そして基台７０の下には混合装置８０を設けている。混合装置８０には各種のものが利用できるが、その一つは磁気撹拌装置８５である。磁気撹拌装置８５の簡単な断面構造を図２に示した。内部にはモーター９０とその回転軸につながった磁石９１が取り付けられている。電力を投入することでモーター９０が回転し、それに伴った回転があらかじめ磁化されている磁石９１に伝えられる。
【００３３】
一方、反応容器２１の中には微小な撹拌子８１が納められている。撹拌子８１は鉄などの磁性体で出来ており、その大きさは太さ０．５ｍｍ、長さ２ｍｍほどである。化学物質の影響を受けにくいように撹拌子８１はガラスやテフロン（登録商標）などの樹脂によりコーティングされている。つまり、磁気撹拌装置８５内部での磁石９１からの磁力で撹拌子８１は磁石９１と同じように回転することから、反応容器２１内部にある試薬を撹拌混合することが可能となる。
【００３４】
このように磁気撹拌装置８５を利用することで、２つの断熱シールドの外部から間接的に運動エネルギーを投入でき、内部にて試料の撹拌混合が可能となる。つまり断熱シールド内部の試料を混合するために、金属の軸やガラス管などの比較的熱伝導の良いものが断熱シールド外部から侵入していないため、外部からの温度的外乱が非常に小さくコントロールされた内部の温度に変動を与えることがない。この効果は後述の撹拌装置８０を用いても同様である。なお図１は磁気撹拌装置８５を想定しているため撹拌子８１が置かれているが、後述する他の撹拌装置を用い、磁気撹拌装置８５を用いない場合には撹拌子８１は必要ない。
【００３５】
混合装置８０の第２の例を図３に示した。図３にあるのは超音波振動撹拌装置８６であり、その簡略断面図を示している。装置の中にはまず超音波振動子９２が装置の上面近傍に備えられている。超音波振動子９２は電圧を加えると歪みが生じる圧電素子材料からなっている。そして、超音波振動子９２に電圧を供給する高周波電源９３が装置内には備えられている。
【００３６】
この高周波電源９３のエネルギーにより起きる超音波振動子９２の振動運動は、基台７０やヒートシンクなどを介して反応容器２１に伝えられる。つまりその振動で反応容器２１内の試料は撹拌混合されることになる。この装置においても撹拌エネルギーは装置を伝わって伝えられるため、内部の温度には何の影響もない。
【００３７】
混合装置８０の第３の例を図４に示した。図４には揺動型撹拌装置８７の簡略断面図を示している。装置の中にはまずモーター９０が備えられている。モーター９０の回転は円盤９４に伝えられ大きな円周の回転になる。この円盤９４の回転は機械変換装置９５により一次元的な前後あるいは左右の運動に変換され、それは架台９６を揺り動かす。熱量計は架台９６の上に設置されているため、熱量計全体が揺り動かされ内部にある試料は撹拌されることになる。この揺動型撹拌装置８７には、このような一次元的な動きもあるが、回転運動や楕円運動あるいは傾斜運動など様々な方法がある。
【００３８】
図５には混合装置８０の第４の例である、液体吐出型の装置を搭載した熱量計の断面図を示している。これは前記３つの装置と異なり、試料と反応させる反応液に強制的に運動エネルギーを与え、混合する装置である。液体吐出型の混合装置８０は図のように第１の断熱シールド６１の内部に接触し設置されており、内部の温度と均一化されている。この混合装置８０の詳細は図６に示した。
【００３９】
セラミックスに微細な溝１００を形成した下板９７には、圧電素子からなる上板９８が接着されている。上板９８はチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電材料からなり、図示はしていないが上板９８には駆動用の薄膜電極が施されている。上下貼り合わせた板の端部には薬液タンク９９が備えられており、薬液タンク９９内部には反応に使う反応液が貯められている。タンク内部の液体の温度も安定化させるため、薬液タンク９９も熱伝導の良い金属やセラミックス製になっている。基本的にこのような構成で液体吐出装置８８となっている。
【００４０】
薬液タンク９９内部の液体は下板９７の溝１００に供給され、上板９８に電圧を加えると上板９８は変形し溝１００内の液体に圧力を与えるため、パルス的に電圧を供給することで、液体を少量吐出させることが出来る。この原理は基本的には一部のインクジェットプリンターなどに利用されている方法であり、非常にコンパクトに組み立てることが出来る。本発明では１ｃｍ以下の大きさで液体吐出装置８８を利用している。なお液体吐出装置８８に電圧を与えるためには電線が必要であるが、今回は図示していない。基本的に電線は第２の断熱シールド６２の外部まで引き出されており、制御は外部から行う。
【００４１】
液体吐出型の混合装置８０について異なった形状のものを利用した場合の熱量計の断面図を図７に示した。混合装置８０は熱量計の第２の断熱シールド６２の外部に設置されている。この混合装置８０の中にはポンプが搭載されており、ポンプの流体出口から配管１０１がのびている。配管１０１は第２のヒートシンク３２や第１のヒートシンクなどを経由して反応容器２１の近くまで達している。このポンプの圧力により配管１０１にある反応液１０２が吐出し、その力により反応容器２１内の試料と混合することが出来る。
【００４２】
ここで特徴的なのは反応液１０２は配管１０１の先端近辺にのみあり、それよりポンプに近い配管１０１内には空気が入っていることである。また、図には示していないが配
管１０１は部分的に材質が異なり先端部は金属製でありポンプに近い側はプラスチック製になっている。配管１０１の先端部は第１のヒートシンク３１の中を経由あるいは密着しており、また第１の断熱シールド６１にも接している。このため、熱伝導性の良い金属製の配管１０１の先端部は熱流センサとほぼ同じ温度になることから、吐出させる反応液１０２も同じ温度に制御される。
【００４３】
配管１０１のポンプ近傍はプラスチック製であり、また空気で満たされていることから外部からの熱伝達はほとんどなくなることから、熱ノイズを非常に小さくして試料と反応液１０２を混合することが可能である。以上２つの液体吐出装置８８を用いた場合は、反応液１０２をパルス状に数回にわたり混合させることが出来るので、滴定のような連続的な反応解析を実現することが出来る。またすでに述べた磁気撹拌装置８５、超音波振動撹拌装置８６、揺動型撹拌装置８７などを併用することも可能である。
【００４４】
それでは熱量計を用いた分析方法について図１を用いて説明する。まず評価用の試料を２つの反応容器２１に等量ずつ滴下する。そして、サンプル熱流センサ１１側の反応容器２１には試料と化学反応を起こすであろう反応液をまた滴下しておく。このとき試料と反応液とは混合しないよう、量と滴下位置をあらかじめ決めておく。
【００４５】
続いて第１の断熱シールド６１と第２の断熱シールド６２をかぶせることで、外気の出入りをほぼ遮断する。このとき完全に密封してしまうと、内部温度が変化したときに内部圧力が変わってしまうため、わずかな出入りは残しておく。そしてペルチェ素子５１に電流を投入し、温度センサ４１からの温度情報によって第１のヒートシンク３１を所定の温度と温度変動幅に制御されるまで時間をおく。
【００４６】
第１のヒートシンク３１には第１の断熱シールド６１が乗っているため、第１の断熱シールド６１も第１のヒートシンク３１とほぼ同じ温度に制御される。つまり第１の断熱シールド６１内部は均一の温度に設定される。このときサンプル熱流センサ１１とリファレンス熱流センサ１２の出力電圧を測定すると、センサの上下にて、つまりは熱電対の両端にて温度差がほとんどないため、電圧は非常に小さい。
【００４７】
第１のヒートシンク３１が所定の温度に設定されたのち、撹拌装置８０（ここでは磁気撹拌装置）を作動させる。すると反応容器２１にあらかじめ設置された撹拌子８１の回転が生じ、試料と反応液は混合される。混合に従い、両者間に反応性があれば反応熱の発生あるいは吸収が起こることから、サンプル熱流センサ１１の上下に温度差が生じ電圧出力に変動が起きる。この出力変動の有無から試料と反応液とのあいだに反応性があることが確かめられる。
【００４８】
また撹拌子８１を回転させることで多少の物理的な熱変動が生じる可能性はある。リファレンス熱流センサ１２には反応液はないため、物理的な熱変動による出力変動が生じるのみである。つまりサンプル熱流センサ１１とリファレンス熱流センサ１２の信号電圧の差分を計算することで、真の反応熱に従う熱量を計算することが出来る。また、電圧変動が生じた時からなくなるまで電圧を時間で積分することで、発生電力が得られる。つまり試料と反応液の濃度や量が分かっていると、反応系の単位反応熱量も計算が可能となる。
【００４９】
ここでは熱量計の使用条件について特に制限していないが、より精密な分析を行うためには、恒温槽や恒温室など温度制御された雰囲気内で使用すると良い。また、第１のヒートシンク３１が所定の温度に達した後、ペルチェ素子５１への電流投入を停止して試料と反応液とを混合しても良い。ペルチェ素子５１で制御している限り少なからず設定温度の近辺において周期的な温度の上下が生じる。しかし電流を停止することによってヒートシンクの温度は低下あるいは上昇するのみであるので、周期的なノイズ成分を除去すること
が可能である。
【００５０】
さらに第１のヒートシンク３１は図８に示したように、３層構造にする方法もある。第１のヒートシンク３１は２枚の金属板３５のあいだにガラス板３６を積層した構造になっている。この様な構造で一度第１のヒートシンク３１の温度が制御されると、熱伝導の低いガラス板３６によって熱量センサに接している金属板３５からの熱の戻りが抑えられるため、温度の安定性がさらに良くなる。
【００５１】
さらにペルチェ素子５１のほかに補助温調装置５２を設ける方法もある。補助温調装置５２を用いた熱量計の断面図を図９に示した。この図ではペルチェ素子５１の下の第２のヒートシンク３２のさらに下に補助温調装置５２が設置されている。ここではこの補助温調装置５２にもやはり熱電素子を利用している。そして補助温調装置５２も第３のヒートシンク３３の上に乗っており、それらを囲むように第３の断熱シールド６３も設置してある。補助温調装置５２は第２のヒートシンク３２に取り付けた第２の温度センサ４２の温度をフィードバックして第２のヒートシンク３２を所定の温度に設定する。この温度は設定したい第１のヒートシンク３１の温度かそれよりも若干高い温度にする。
【００５２】
すでに第２のヒートシンク３２とそれに接している第２の断熱シールド６２内部の温度は安定した状態に保たれているため、第１のヒートシンク３１の温度調節では外乱が非常に小さい状態になり、さらに温度変動幅を小さく制御できる。ここでは補助温調装置５２に熱電素子を利用しているが、ヒーターを用いてもかまわない。また第２のヒートシンク３２の下に設置する以外に、第２の断熱シールド６２や第３の断熱シールド６３にヒーターを接触させることも可能である。
【００５３】
以上のような方法により、本発明の熱量計をもちいると各種の化学反応が微量な試料にて測定可能である。たとえば、熱流センサに３ｍｍ角で９８対のビスマステルル系材料の熱電対を含むマイクロサーモモジュールを利用し、ガラス製の反応容器２１を用い、血液中の血糖値を測定する場合を述べる。
【００５４】
標準的な血糖値つまりグルコース量は１ｍｇ／ｍＬ程度である。この試料を１μＬとり反応容器２１に入れ、さらにグルコース酸化酵素液も入れる。酵素反応であるため、第１のヒートシンク３１の温度は４０℃ほどに設定する。グルコースの単位発熱量からこの濃度での発熱量は０．４４ｍＪであり、反応容器２１の熱容量・約６０ｍＪ／Ｋ、液体の熱容量・約１０ｍＪ／Ｋなどからサンプル熱流センサ１１の温度は約６ｍＫ上昇する。これによってセンサから出力される電圧は約０．２ｍＶであり、特別な装置を必要とせず、通常の電圧計で容易に測れる値である。
【００５５】
このように本発明の熱量計を用いると、生体関連物質などもμＬオーダーの非常に少ない量で反応試験が可能であり、貴重なサンプルなどにも十分対応できる方法である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施の形態における熱量計の構造を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態における磁気撹拌装置の構造を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態における超音波振動型撹拌装置の構造を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態における揺動型撹拌装置の構造を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態における液体吐出装置を搭載した熱量計の構造を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態における液体吐出装置の構造を示す斜視図である。
【図７】本発明の実施の形態における第２の構造の液体吐出装置を搭載した熱量計の構造を示す断面図である。
【図８】本発明の実施の形態におけるヒートシンクの構造を示す断面図である。
【図９】本発明の実施の形態における異なる構造の熱量計を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５７】
１１ サンプル熱流センサ
１２ リファレンス熱流センサ
２１ 反応容器
３１ 第１のヒートシンク
３２ 第２のヒートシンク
３３ 第３のヒートシンク
３５ 金属板
３６ ガラス板
４１ 温度センサ
４２ 第２の温度センサ
５１ ペルチェ素子
５２ 補助温調装置
６１ 第１の断熱シールド
６２ 第２の断熱シールド
６３ 第３の断熱シールド
７０ 基台
８０ 混合装置
８１ 撹拌子
８５ 磁気撹拌装置
８６ 超音波振動撹拌装置
８７ 揺動型撹拌装置
８８ 液体吐出装置
９０ モーター
９１ 磁石
９２ 超音波振動子
９３ 高周波電源
９４ 円盤
９５ 機械変換装置
９６ 架台
９７ 下板
９８ 上板
９９ 薬液タンク
１００ 溝
１０１ 配管
１０２ 反応液
【技術分野】
【０００１】
サーモモジュールを用いた熱量計に関し、とくに熱量評価用試料が化学反応等を伴い温度変化をする反応分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、バイオ技術の進展に伴う生体物質の分析、各種新薬の合成、あるいは各種環境物質の検出などこれまでにない様々な生体、化学物質を評価する要求が増えている。さらにそれらは微少量しか合成・収集出来ない非常に貴重な物質が多く、限られた量での分析方法が必要となる。
【０００３】
たとえば生体物質の機能評価、薬品同士の親和性や阻害性、環境汚染物質の生体への影響などを調べる場合、起きうる化学反応を定性的、定量的に評価する場合が多く、そのなかには酵素反応や抗原抗体が含まれる。従来、酵素反応や抗原抗体反応を検出する場合、反応によって２次的に発生する物質を分解評価したり、第３の物質を加えて検出しやすい反応を新たに起こさせて検出するということが行われてきた。たとえばそれには、酵素電極や蛍光物質の標識などの方法がある。
【０００４】
しかしながら、それらは２次的な反応要素を含むため、より複雑になり再現性がなかったり、あるいは特定の反応系に限られるという問題がある。一方化学反応には大小の差はあるが必ず反応熱の出入りがある。この反応熱を直接的にとらえる方法が提供されるならば、広範囲の化学物質の評価分析が可能となると考えられる。ただし、微量物質の反応熱をとらえるには相当高感度の反応熱検出系が必要である。
【０００５】
熱をとらえる手段には一般的に熱流センサというものがあるが、その中の一つに熱電対というものがある。熱電対は極性の異なる２種類の金属または熱電半導体を電気的に接続し、その両端に温度差を与えることにより電圧を発生する。この電圧を検出することで一端に接触している物体の温度あるいは発生熱量を定量的に検出することが出来る。熱電対は一対では発生電圧は低いために、熱流センサとする場合は多数を集積化して利用することが多い。多数の熱電対を整列配置し、電気的に直列化したものを一般的にサーモモジュールと呼んでいる。
【０００６】
また熱測定は環境温度の変化に敏感に反応し、大きなノイズを生じさせてしまうことから、環境に影響する温度変化を非常に小さくすることによって、非常に小さな発熱・吸熱も捕らえることができ、高精度の熱分析計などを作ることができる。たとえば特許文献１にはそのような高精度の熱量計が開示されている。
【０００７】
引例の熱量計では、断熱構造の改良、ペルチェ素子を使った温度制御、高感度の熱流センサ、適切なヒートシンクの採用などにより、従来に増して非常に高感度な測定器を実現している。この方法を用いることで、微少量の試料から非常に小さな熱の測定が可能であり、さらに駆動部分や流体を用いた温度制御が必要ないので、コンパクトにそして安価な装置が実現可能である。
【０００８】
しかし残念なことに、この方法は物質の温度変化に伴う相変態などの物理現象を捉える、いわゆる超高感度熱分析装置としては非常に有効な手段であるが、異種物質との化学反応の熱を測定する事はできない。
【０００９】
これに対して、化学反応を捉える熱分析装置も市販されているものがある。たとえば
、等温滴定カロリメトリー装置ＶＰ−ＩＴＣ（ＭｉｃｒｏＣａｌ社）などがそうである。これは断熱された恒温槽の中で小型セルに評価試料を入れ、ビュレット状の導管から反応液を滴下し、セルに接触しているサーモモジュールを使って反応熱量を検出するする構造になっている。
【００１０】
この場合、装置が大掛かりであるため、評価試料がｍLオーダーで必要である。またサンプルの安定した反応を起こさせるには何らかの撹拌機構が必要であるが、この場合は導管の先端にあるプロペラ状の攪拌装置を利用している。この攪拌装置の軸あるいは導管は外部から挿入されているため、外部の熱を持ち込んでしまい、一定以上の温度制御が難しい。あるいはその対策として内部の温度を安定化させるために、軸の途中も温度調節が必要であり、さらに装置が大型化される。
【特許文献１】特開２００４−２０５０９号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
以上従来の熱量計をふまえ、本発明が解決しようとする従来の課題をまとめる。１）生体・化学物質の反応を評価する手法として、反応熱の計測は直接的な使いやすい手法であるが、微量な試料に対応した反応熱分析装置が存在しない。２）微量な試料の熱量を測定する手法は提案されているが、化学反応における熱を検出する手段はない。３）多少試料を多く使えば反応熱を検出することは可能であるが、構造的に大きくなるとともに外部からの熱進入が問題となる。
【００１２】
そこで本発明の目的は、外部からの熱進入を最小限に抑え、微少な評価試料の反応熱量を高感度に測定できる小型で安価な熱量計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の目的を達成するために本発明の熱量計の構造およびそれを用いた分析方法においては下記に記載する手段を採用する。
【００１４】
本発明の熱量計は、サーモモジュールを用いたサンプル熱流センサとサーモモジュールを用いたリファレンス熱流センサと、２つの熱流センサそれぞれの片面に接する２つの反応容器と、２つの熱流センサの反対面に接する第１のヒートシンクと、第１のヒートシンクの温度を測定する温度センサと、第１のヒートシンクの下面に接する温度制御用のペルチェ素子と、ペルチェ素子の下面に接する第２のヒートシンクと、少なくとも２つの熱流センサを内包する断熱シールドを有している熱量計であり、サンプル熱流センサの反応容器内部において所定の試薬を混合する混合装置を有することを特徴とする。
【００１５】
そして混合装置は断熱シールドの外部に有し、機械的結合を有せずに間接的に断熱シールド内部にエネルギーを供給することで、所定の試薬を混合することが好ましい。混合装置には磁気撹拌装置、超音波振動撹拌装置、揺動型撹拌装置、液体吐出装置から少なくとも１つを利用するとよい。
【００１６】
あるいは第１のヒートシンクは相対的に熱伝導率の異なる材料を積層した構造を有することが好ましく、断熱シールドを複数有し、さらに第１のヒートシンクの温度を間接的に調節する補助温調装置を有するとなお良い。
【００１７】
また本発明の熱量計を用いた分析方法は、ペルチェ素子を用い第１のヒートシンクを介してサンプル熱流センサとリファレンス熱流センサを所定の温度に保つ工程と、混合装置を用いてサンプル熱流センサの反応容器内にて２種類以上の試薬を混合する工程と、サンプル熱流センサからは試薬の化学反応により生じた温度変化に対応した信号電圧を測定す
る工程と、同時にリファレンス熱流センサに生じているリファレンス電圧を測定する工程と、信号電圧と前記リファレンス電圧との差分を演算する工程とを有することで、化学反応を検出することを特徴とする。
【００１８】
そしてペルチェ素子を用い第１のヒートシンクを介してサンプル熱流センサとリファレンス熱流センサを所定の温度に保つ工程に続き、ペルチェ素子への通電を停止すると良く、サンプル熱流センサの反応容器内にて２種類以上の試薬を混合する工程までを恒温槽内部において行うとさらに効果的である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の熱量計は、断熱シールド内部を一定温度に制御した後、外部から機械的な結合を有せず、間接的に内部の試料と反応液とを混合することが出来る。つまり、断熱シールド内部の試料を混合するために、金属の軸やガラス管などの比較的熱伝導の良いものがシールド外部から侵入していないため、外部からの温度的外乱が非常に小さい。そのため、シールド内部の温度変化を非常に小さく保て、微少な反応熱量でも高精度に検出することが可能である。
【００２０】
また、熱量を測定するセンサも高密度で小さなサーモモジュールを利用できるため、余分な熱容量が小さく少量の試料を分析することが出来る。
【００２１】
また、全体の構成要素が少なく、複雑な形状がないため、非常に小さく安価な熱量計を構築できる。
【００２２】
混合装置の中でも液体吐出装置を用いると、反応液を複数回混合することが出来るため、滴定反応のような連続的な試験も可能である。
【００２３】
このような熱量計を利用することにより、バイオ分野や製薬分野などにおいて、非常に貴重で少ない試料を効率よく分析することが可能である。さらに本熱量計は反応熱を直接的に捉えられることから、従来の分析装置のような標識物質を導入したり、２次反応を解析するような煩雑な操作が不要になる。
【００２４】
以上から本発明の熱量計は、今後免疫診断やウィルス診断、環境分析や環境汚染物質の細胞への影響、新薬の生体適合性など非常に広範囲の分野にわたって、分析装置として利用されることが期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面を用いて本発明の熱量計の最適な実施形態を説明する。まず図１には本発明の熱量計の断面図を示している。
【００２６】
図１に示したように本発明の熱量計の中心であるセンサとして、サンプル熱流センサ１１とリファレンス熱流センサ１２が設置されている。両者の熱流センサは熱電対を多数集積化したサーモモジュールであり、基本的な構造は温度制御用のペルチェ素子と同じである。ただし、本発明では微量試料から発せられる微少熱量を検出するために、従来よりかなり熱電対が高集積化されたマイクロサーモモジュールを利用している。試料の量にもよるが、たとえば３ｍｍ角の大きさであり、柱の対数が１８対〜９８対のものを用いている。
【００２７】
サンプル熱流センサ１１とリファレンス熱流センサ１２は図１の上下方向の熱流を検出するが、上側の片面には反応容器２１が設置されている。反応容器２１はその中に評価用の試料を入れ置くためにあるが、ガラスなどを利用して作られている。
【００２８】
サンプル熱流センサ１１とリファレンス熱流センサ１２の下側の片面には第１のヒートシンク３１が設置されている。第１のヒートシンク３１は２つの熱流センサの温度変化を極力抑えるために設置されている。そのため第１のヒートシンク３１は銅などの熱伝導が良くかつ熱容量もある程度大きな金属製ものを用いている。
【００２９】
第１のヒートシンク３１の下にはペルチェ素子５１が設置されている。ペルチェ素子５１は直流電流を流すことで上下方向に熱を移動させることが出来ることから、外部から適当な制御装置によりコントロールすることで接している第１のヒートシンク３１の温度を精密に制御できる。ペルチェ素子５１は熱流の増減しかできないため、この温度を制御するためには温度センサ４１からの温度情報をもとに制御する。ここで温度センサ４１にはサーミスタ温度計あるいは白金測温体などを利用している。
【００３０】
ペルチェ素子５１の下には第２のヒートシンク３２が設置されている。第２のヒートシンクはペルチェ素子５１から移動してきた熱を吸収したり、あるいはペルチェ素子５１に熱を供給したりする熱だめの役目をしており、一般的に第１のヒートシンク３１よりは大きいものを利用する。材料はやはり銅などの金属を用いる。なお、これまで述べた反応容器２１、サンプル熱流センサ１１とリファレンス熱流センサ１２、第１のヒートシンク３１、ペルチェ素子５１、第２のヒートシンク３２のそれぞれが接している界面は、熱の伝搬がスムーズに行われる必要があることから、金属やセラミックスの粒子を混入した熱伝導性グリースあるいは接着剤を介在させた方がよい。
【００３１】
さらに本発明の熱量計では内部の雰囲気温度を安定化させるために、第１の断熱シールド６１と第２の断熱シールド６２を設けている。どちらもその外部の空気を伝わっての熱伝導を遮断するために設けられている。両者の断熱シールドにもやはり銅などの熱伝導の良い金属を利用している。また、第２の断熱シールド６２を安定に設置するために基台７０も設けているが、場合によってはなくても良い。
【００３２】
そして基台７０の下には混合装置８０を設けている。混合装置８０には各種のものが利用できるが、その一つは磁気撹拌装置８５である。磁気撹拌装置８５の簡単な断面構造を図２に示した。内部にはモーター９０とその回転軸につながった磁石９１が取り付けられている。電力を投入することでモーター９０が回転し、それに伴った回転があらかじめ磁化されている磁石９１に伝えられる。
【００３３】
一方、反応容器２１の中には微小な撹拌子８１が納められている。撹拌子８１は鉄などの磁性体で出来ており、その大きさは太さ０．５ｍｍ、長さ２ｍｍほどである。化学物質の影響を受けにくいように撹拌子８１はガラスやテフロン（登録商標）などの樹脂によりコーティングされている。つまり、磁気撹拌装置８５内部での磁石９１からの磁力で撹拌子８１は磁石９１と同じように回転することから、反応容器２１内部にある試薬を撹拌混合することが可能となる。
【００３４】
このように磁気撹拌装置８５を利用することで、２つの断熱シールドの外部から間接的に運動エネルギーを投入でき、内部にて試料の撹拌混合が可能となる。つまり断熱シールド内部の試料を混合するために、金属の軸やガラス管などの比較的熱伝導の良いものが断熱シールド外部から侵入していないため、外部からの温度的外乱が非常に小さくコントロールされた内部の温度に変動を与えることがない。この効果は後述の撹拌装置８０を用いても同様である。なお図１は磁気撹拌装置８５を想定しているため撹拌子８１が置かれているが、後述する他の撹拌装置を用い、磁気撹拌装置８５を用いない場合には撹拌子８１は必要ない。
【００３５】
混合装置８０の第２の例を図３に示した。図３にあるのは超音波振動撹拌装置８６であり、その簡略断面図を示している。装置の中にはまず超音波振動子９２が装置の上面近傍に備えられている。超音波振動子９２は電圧を加えると歪みが生じる圧電素子材料からなっている。そして、超音波振動子９２に電圧を供給する高周波電源９３が装置内には備えられている。
【００３６】
この高周波電源９３のエネルギーにより起きる超音波振動子９２の振動運動は、基台７０やヒートシンクなどを介して反応容器２１に伝えられる。つまりその振動で反応容器２１内の試料は撹拌混合されることになる。この装置においても撹拌エネルギーは装置を伝わって伝えられるため、内部の温度には何の影響もない。
【００３７】
混合装置８０の第３の例を図４に示した。図４には揺動型撹拌装置８７の簡略断面図を示している。装置の中にはまずモーター９０が備えられている。モーター９０の回転は円盤９４に伝えられ大きな円周の回転になる。この円盤９４の回転は機械変換装置９５により一次元的な前後あるいは左右の運動に変換され、それは架台９６を揺り動かす。熱量計は架台９６の上に設置されているため、熱量計全体が揺り動かされ内部にある試料は撹拌されることになる。この揺動型撹拌装置８７には、このような一次元的な動きもあるが、回転運動や楕円運動あるいは傾斜運動など様々な方法がある。
【００３８】
図５には混合装置８０の第４の例である、液体吐出型の装置を搭載した熱量計の断面図を示している。これは前記３つの装置と異なり、試料と反応させる反応液に強制的に運動エネルギーを与え、混合する装置である。液体吐出型の混合装置８０は図のように第１の断熱シールド６１の内部に接触し設置されており、内部の温度と均一化されている。この混合装置８０の詳細は図６に示した。
【００３９】
セラミックスに微細な溝１００を形成した下板９７には、圧電素子からなる上板９８が接着されている。上板９８はチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電材料からなり、図示はしていないが上板９８には駆動用の薄膜電極が施されている。上下貼り合わせた板の端部には薬液タンク９９が備えられており、薬液タンク９９内部には反応に使う反応液が貯められている。タンク内部の液体の温度も安定化させるため、薬液タンク９９も熱伝導の良い金属やセラミックス製になっている。基本的にこのような構成で液体吐出装置８８となっている。
【００４０】
薬液タンク９９内部の液体は下板９７の溝１００に供給され、上板９８に電圧を加えると上板９８は変形し溝１００内の液体に圧力を与えるため、パルス的に電圧を供給することで、液体を少量吐出させることが出来る。この原理は基本的には一部のインクジェットプリンターなどに利用されている方法であり、非常にコンパクトに組み立てることが出来る。本発明では１ｃｍ以下の大きさで液体吐出装置８８を利用している。なお液体吐出装置８８に電圧を与えるためには電線が必要であるが、今回は図示していない。基本的に電線は第２の断熱シールド６２の外部まで引き出されており、制御は外部から行う。
【００４１】
液体吐出型の混合装置８０について異なった形状のものを利用した場合の熱量計の断面図を図７に示した。混合装置８０は熱量計の第２の断熱シールド６２の外部に設置されている。この混合装置８０の中にはポンプが搭載されており、ポンプの流体出口から配管１０１がのびている。配管１０１は第２のヒートシンク３２や第１のヒートシンクなどを経由して反応容器２１の近くまで達している。このポンプの圧力により配管１０１にある反応液１０２が吐出し、その力により反応容器２１内の試料と混合することが出来る。
【００４２】
ここで特徴的なのは反応液１０２は配管１０１の先端近辺にのみあり、それよりポンプに近い配管１０１内には空気が入っていることである。また、図には示していないが配
管１０１は部分的に材質が異なり先端部は金属製でありポンプに近い側はプラスチック製になっている。配管１０１の先端部は第１のヒートシンク３１の中を経由あるいは密着しており、また第１の断熱シールド６１にも接している。このため、熱伝導性の良い金属製の配管１０１の先端部は熱流センサとほぼ同じ温度になることから、吐出させる反応液１０２も同じ温度に制御される。
【００４３】
配管１０１のポンプ近傍はプラスチック製であり、また空気で満たされていることから外部からの熱伝達はほとんどなくなることから、熱ノイズを非常に小さくして試料と反応液１０２を混合することが可能である。以上２つの液体吐出装置８８を用いた場合は、反応液１０２をパルス状に数回にわたり混合させることが出来るので、滴定のような連続的な反応解析を実現することが出来る。またすでに述べた磁気撹拌装置８５、超音波振動撹拌装置８６、揺動型撹拌装置８７などを併用することも可能である。
【００４４】
それでは熱量計を用いた分析方法について図１を用いて説明する。まず評価用の試料を２つの反応容器２１に等量ずつ滴下する。そして、サンプル熱流センサ１１側の反応容器２１には試料と化学反応を起こすであろう反応液をまた滴下しておく。このとき試料と反応液とは混合しないよう、量と滴下位置をあらかじめ決めておく。
【００４５】
続いて第１の断熱シールド６１と第２の断熱シールド６２をかぶせることで、外気の出入りをほぼ遮断する。このとき完全に密封してしまうと、内部温度が変化したときに内部圧力が変わってしまうため、わずかな出入りは残しておく。そしてペルチェ素子５１に電流を投入し、温度センサ４１からの温度情報によって第１のヒートシンク３１を所定の温度と温度変動幅に制御されるまで時間をおく。
【００４６】
第１のヒートシンク３１には第１の断熱シールド６１が乗っているため、第１の断熱シールド６１も第１のヒートシンク３１とほぼ同じ温度に制御される。つまり第１の断熱シールド６１内部は均一の温度に設定される。このときサンプル熱流センサ１１とリファレンス熱流センサ１２の出力電圧を測定すると、センサの上下にて、つまりは熱電対の両端にて温度差がほとんどないため、電圧は非常に小さい。
【００４７】
第１のヒートシンク３１が所定の温度に設定されたのち、撹拌装置８０（ここでは磁気撹拌装置）を作動させる。すると反応容器２１にあらかじめ設置された撹拌子８１の回転が生じ、試料と反応液は混合される。混合に従い、両者間に反応性があれば反応熱の発生あるいは吸収が起こることから、サンプル熱流センサ１１の上下に温度差が生じ電圧出力に変動が起きる。この出力変動の有無から試料と反応液とのあいだに反応性があることが確かめられる。
【００４８】
また撹拌子８１を回転させることで多少の物理的な熱変動が生じる可能性はある。リファレンス熱流センサ１２には反応液はないため、物理的な熱変動による出力変動が生じるのみである。つまりサンプル熱流センサ１１とリファレンス熱流センサ１２の信号電圧の差分を計算することで、真の反応熱に従う熱量を計算することが出来る。また、電圧変動が生じた時からなくなるまで電圧を時間で積分することで、発生電力が得られる。つまり試料と反応液の濃度や量が分かっていると、反応系の単位反応熱量も計算が可能となる。
【００４９】
ここでは熱量計の使用条件について特に制限していないが、より精密な分析を行うためには、恒温槽や恒温室など温度制御された雰囲気内で使用すると良い。また、第１のヒートシンク３１が所定の温度に達した後、ペルチェ素子５１への電流投入を停止して試料と反応液とを混合しても良い。ペルチェ素子５１で制御している限り少なからず設定温度の近辺において周期的な温度の上下が生じる。しかし電流を停止することによってヒートシンクの温度は低下あるいは上昇するのみであるので、周期的なノイズ成分を除去すること
が可能である。
【００５０】
さらに第１のヒートシンク３１は図８に示したように、３層構造にする方法もある。第１のヒートシンク３１は２枚の金属板３５のあいだにガラス板３６を積層した構造になっている。この様な構造で一度第１のヒートシンク３１の温度が制御されると、熱伝導の低いガラス板３６によって熱量センサに接している金属板３５からの熱の戻りが抑えられるため、温度の安定性がさらに良くなる。
【００５１】
さらにペルチェ素子５１のほかに補助温調装置５２を設ける方法もある。補助温調装置５２を用いた熱量計の断面図を図９に示した。この図ではペルチェ素子５１の下の第２のヒートシンク３２のさらに下に補助温調装置５２が設置されている。ここではこの補助温調装置５２にもやはり熱電素子を利用している。そして補助温調装置５２も第３のヒートシンク３３の上に乗っており、それらを囲むように第３の断熱シールド６３も設置してある。補助温調装置５２は第２のヒートシンク３２に取り付けた第２の温度センサ４２の温度をフィードバックして第２のヒートシンク３２を所定の温度に設定する。この温度は設定したい第１のヒートシンク３１の温度かそれよりも若干高い温度にする。
【００５２】
すでに第２のヒートシンク３２とそれに接している第２の断熱シールド６２内部の温度は安定した状態に保たれているため、第１のヒートシンク３１の温度調節では外乱が非常に小さい状態になり、さらに温度変動幅を小さく制御できる。ここでは補助温調装置５２に熱電素子を利用しているが、ヒーターを用いてもかまわない。また第２のヒートシンク３２の下に設置する以外に、第２の断熱シールド６２や第３の断熱シールド６３にヒーターを接触させることも可能である。
【００５３】
以上のような方法により、本発明の熱量計をもちいると各種の化学反応が微量な試料にて測定可能である。たとえば、熱流センサに３ｍｍ角で９８対のビスマステルル系材料の熱電対を含むマイクロサーモモジュールを利用し、ガラス製の反応容器２１を用い、血液中の血糖値を測定する場合を述べる。
【００５４】
標準的な血糖値つまりグルコース量は１ｍｇ／ｍＬ程度である。この試料を１μＬとり反応容器２１に入れ、さらにグルコース酸化酵素液も入れる。酵素反応であるため、第１のヒートシンク３１の温度は４０℃ほどに設定する。グルコースの単位発熱量からこの濃度での発熱量は０．４４ｍＪであり、反応容器２１の熱容量・約６０ｍＪ／Ｋ、液体の熱容量・約１０ｍＪ／Ｋなどからサンプル熱流センサ１１の温度は約６ｍＫ上昇する。これによってセンサから出力される電圧は約０．２ｍＶであり、特別な装置を必要とせず、通常の電圧計で容易に測れる値である。
【００５５】
このように本発明の熱量計を用いると、生体関連物質などもμＬオーダーの非常に少ない量で反応試験が可能であり、貴重なサンプルなどにも十分対応できる方法である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施の形態における熱量計の構造を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態における磁気撹拌装置の構造を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態における超音波振動型撹拌装置の構造を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態における揺動型撹拌装置の構造を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態における液体吐出装置を搭載した熱量計の構造を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態における液体吐出装置の構造を示す斜視図である。
【図７】本発明の実施の形態における第２の構造の液体吐出装置を搭載した熱量計の構造を示す断面図である。
【図８】本発明の実施の形態におけるヒートシンクの構造を示す断面図である。
【図９】本発明の実施の形態における異なる構造の熱量計を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５７】
１１ サンプル熱流センサ
１２ リファレンス熱流センサ
２１ 反応容器
３１ 第１のヒートシンク
３２ 第２のヒートシンク
３３ 第３のヒートシンク
３５ 金属板
３６ ガラス板
４１ 温度センサ
４２ 第２の温度センサ
５１ ペルチェ素子
５２ 補助温調装置
６１ 第１の断熱シールド
６２ 第２の断熱シールド
６３ 第３の断熱シールド
７０ 基台
８０ 混合装置
８１ 撹拌子
８５ 磁気撹拌装置
８６ 超音波振動撹拌装置
８７ 揺動型撹拌装置
８８ 液体吐出装置
９０ モーター
９１ 磁石
９２ 超音波振動子
９３ 高周波電源
９４ 円盤
９５ 機械変換装置
９６ 架台
９７ 下板
９８ 上板
９９ 薬液タンク
１００ 溝
１０１ 配管
１０２ 反応液
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サーモモジュールを用いたサンプル熱流センサとサーモモジュールを用いたリファレンス熱流センサと、前記サンプル熱流センサおよびリファレンス熱流センサである２つの熱流センサそれぞれの片面に接する２つの反応容器と、前記２つの熱流センサの反対面に接する第１のヒートシンクと、該第１のヒートシンクの温度を測定する温度センサと、前記第１のヒートシンクの下面に接する温度制御用のペルチェ素子と、該ペルチェ素子の下面に接する第２のヒートシンクと、少なくとも２つの前記熱流センサを内包する断熱シールドを有している熱量計であり、前記サンプル熱流センサの反応容器内部において所定の試薬を混合する混合装置を有する熱量計。
【請求項２】
前記混合装置は前記断熱シールドの外部に有し、機械的結合を有せずに間接的に前記断熱シールド内部にエネルギーを供給することで、所定の試薬を混合することを特徴とする請求項１に記載の熱量計。
【請求項３】
前記混合装置には磁気撹拌装置、超音波振動撹拌装置、揺動型撹拌装置または液体吐出装置から選ばれる少なくとも１つを有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱量計。
【請求項４】
前記第１のヒートシンクは相対的に熱伝導率の異なる材料を積層した構造を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の熱量計。
【請求項５】
前記断熱シールドを複数有し、前記第１のヒートシンクの温度を間接的に調節する補助温調装置を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の熱量計。
【請求項６】
ペルチェ素子を用い第１のヒートシンクを介してサンプル熱流センサとリファレンス熱流センサを所定の温度に保つ工程と、混合装置を用いて前記サンプル熱流センサの反応容器内にて２種類以上の試薬を混合する工程と、前記サンプル熱流センサからは試薬の化学反応により生じた温度変化に対応した信号電圧を測定する工程と、前記リファレンス熱流センサに生じているリファレンス電圧を測定する工程と、前記信号電圧と前記リファレンス電圧との差分を演算する工程とを有する熱量計を用いた分析方法。
【請求項７】
前記ペルチェ素子を用い第１のヒートシンクを介してサンプル熱流センサとリファレンス熱流センサを所定の温度に保つ工程に続き、前記ペルチェ素子への通電を停止する工程を有することを特徴とする請求項６に記載の熱量計を用いた分析方法。
【請求項８】
前記ペルチェ素子を用い第１のヒートシンクを介してサンプル熱流センサとリファレンス熱流センサを所定の温度に保つ工程と、混合装置を用いて前記サンプル熱流センサの反応容器内にて２種類以上の試薬を混合する工程とを恒温槽内部において行うことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の熱量計を用いた分析方法。
【請求項１】
サーモモジュールを用いたサンプル熱流センサとサーモモジュールを用いたリファレンス熱流センサと、前記サンプル熱流センサおよびリファレンス熱流センサである２つの熱流センサそれぞれの片面に接する２つの反応容器と、前記２つの熱流センサの反対面に接する第１のヒートシンクと、該第１のヒートシンクの温度を測定する温度センサと、前記第１のヒートシンクの下面に接する温度制御用のペルチェ素子と、該ペルチェ素子の下面に接する第２のヒートシンクと、少なくとも２つの前記熱流センサを内包する断熱シールドを有している熱量計であり、前記サンプル熱流センサの反応容器内部において所定の試薬を混合する混合装置を有する熱量計。
【請求項２】
前記混合装置は前記断熱シールドの外部に有し、機械的結合を有せずに間接的に前記断熱シールド内部にエネルギーを供給することで、所定の試薬を混合することを特徴とする請求項１に記載の熱量計。
【請求項３】
前記混合装置には磁気撹拌装置、超音波振動撹拌装置、揺動型撹拌装置または液体吐出装置から選ばれる少なくとも１つを有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱量計。
【請求項４】
前記第１のヒートシンクは相対的に熱伝導率の異なる材料を積層した構造を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の熱量計。
【請求項５】
前記断熱シールドを複数有し、前記第１のヒートシンクの温度を間接的に調節する補助温調装置を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の熱量計。
【請求項６】
ペルチェ素子を用い第１のヒートシンクを介してサンプル熱流センサとリファレンス熱流センサを所定の温度に保つ工程と、混合装置を用いて前記サンプル熱流センサの反応容器内にて２種類以上の試薬を混合する工程と、前記サンプル熱流センサからは試薬の化学反応により生じた温度変化に対応した信号電圧を測定する工程と、前記リファレンス熱流センサに生じているリファレンス電圧を測定する工程と、前記信号電圧と前記リファレンス電圧との差分を演算する工程とを有する熱量計を用いた分析方法。
【請求項７】
前記ペルチェ素子を用い第１のヒートシンクを介してサンプル熱流センサとリファレンス熱流センサを所定の温度に保つ工程に続き、前記ペルチェ素子への通電を停止する工程を有することを特徴とする請求項６に記載の熱量計を用いた分析方法。
【請求項８】
前記ペルチェ素子を用い第１のヒートシンクを介してサンプル熱流センサとリファレンス熱流センサを所定の温度に保つ工程と、混合装置を用いて前記サンプル熱流センサの反応容器内にて２種類以上の試薬を混合する工程とを恒温槽内部において行うことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の熱量計を用いた分析方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００６−２７５７１３（Ｐ２００６−２７５７１３Ａ）
【公開日】平成１８年１０月１２日（２００６．１０．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−９４０９２（Ｐ２００５−９４０９２）
【出願日】平成１７年３月２９日（２００５．３．２９）
【出願人】（０００００１９６０）シチズン時計株式会社 (1,939)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１０月１２日（２００６．１０．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月２９日（２００５．３．２９）
【出願人】（０００００１９６０）シチズン時計株式会社 (1,939)
【Ｆターム（参考）】
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