JP2007110943A - ペルチェモジュールの温度制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＰＣＲ工程において加熱冷却制御に用いられるペルチェモジュールの温度スルーレートを向上させる温度制御装置を提供する。
【解決手段】 ペルチェモジュールを用いた温度制御装置において、ペルチェモジュールと、前記ペルチェモジュールの昇降温を補助する手段を有する温度制御装置を提供する。該補助手段は、温調された液体を循環させることにより、前記ペルチェモジュールの昇降温を補助する。また、該補助手段は、ファンを有するラジエターと、前記流体を循環させるポンプを有している。
【選択図】なし

Description

本発明は、ＤＮＡ検査装置のＰＣＲ工程で用いられる、ペルチェモジュールを用いた温度制御装置に関するものである。

核酸の塩基配列の解析、核酸試料中の標的核酸の検出を迅速・正確に行うものとして、ＤＮＡマイクロアレイに代表されるプローブ担体を用いたハイブリダイゼーション反応を利用した方法が多く提案されている。ＤＮＡマイクロアレイとは、標的核酸と相補的な塩基配列を有するプローブをビーズ、ガラス板等の固相上に高密度で固定したものであり、これを用いた標的核酸の検出は一般に以下のような工程を有する。

第１の工程として、ＰＣＲ法（ポリメレースチェインリアクション）に代表される増幅方法によって、標的核酸を増幅する。具体的には、まず、核酸試料中に第１及び第２のプライマを加え、温度サイクルをかける。第１のプライマは標的核酸の一部と特異的に結合し、第２のプライマは標的核酸と相補的な核酸の一部と特異的に結合する。標的核酸を含む二本鎖核酸と第１及び第２のプライマが結合すると伸長反応によって標的核酸を含む二本鎖核酸が増幅される。（以降、第１ＰＣＲ）
十分に標的核酸を含む二本鎖核酸が増幅された後に、未反応のプライマや核酸の断片など、増幅された二本鎖核酸以外のものを精製によって除去する。精製には磁性粒子に二本鎖核酸を吸着させる方法やカラムフィルタに二本鎖核酸を吸着させるものなどが知られている。

精製を終了した核酸試料中に第３のプライマを加えて温度サイクルをかける。第３のプライマは、酵素、蛍光物質、発光物質等で標識されており、標的核酸と相補的な核酸の一部と特異的に結合する。標的核酸に相補的な核酸と、第３のプライマが結合すると伸長反応によって酵素、蛍光物質、発光物質等で標識された標的核酸が増幅されるのである。（以降、第２ＰＣＲ）
結果として、核酸試料中に標的核酸が含まれている場合は標識された標的核酸が生成され、核酸試料中に標的核酸が含まれない場合は標識された標的核酸は生成されない。

第２の工程として、この核酸試料をＤＮＡマイクロアレイに接触させ、ＤＮＡマイクロアレイのプローブとハイブリダイゼーション反応させる。プローブと相補的な標的核酸がある場合は、プローブと標的核酸がハイブリッド体を形成する。

第３の工程として、標的核酸の検出を行う。プローブと標的核酸がハイブリッド体を形成しているかどうかは、標的核酸の標識物質によって検出が可能であり、これにより特定の塩基配列の有無を確認できる。

この複数の工程を１つの装置で連続的に処理する装置に関して特許文献１で開示されている。移動可能な分注機により容器内に必要な液体を搬送して反応させる構成となっている。
特開平７−１０７９９９号公報

ところで、従来、上記ＰＣＲ工程における加熱冷却にはペルチェモジュール（複数のペルチェ素子を組み込んだもの）が用いられていた。そして、ＰＣＲを高速化するにはこのペルチェモジュールによる温度スルーレートを向上させる必要があった。しかし、効果的な解決策を見出せないでいた。

本発明者は、上記の課題を解決するために、温度スルーレートが高い、ペルチェモジュールを用いた温度制御装置を提供することを目的とする。

そして、上記目的は、ペルチェモジュールを用いた温度制御装置において、ペルチェモジュールと、前記ペルチェモジュールの昇温を補助する手段を有することにより達成される。

本発明では、ペルチェモジュールの加熱冷却をアシストする手段を設けたため、ペルチェモジュール単体による温度制御に比べ温度スルーレートを向上させることが可能となる。

以下に、本発明を実施例によりさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されることはない。ここでは、ＤＮＡ検査装置のＰＣＲ工程に本発明を適用した場合の例について説明する。

ＤＮＡ検査装置のＰＣＲ工程の例について説明する。

図１を用いて、ペルチェモジュールの放熱側を水冷ジャケットで冷却する実施例について詳細に説明する。１はペルチェモジュールであり、複数のペルチェ素子により構成されている。２は、ペルチェモジュールの一面に接して配置されたＰＣＲ容器であり、内部に核酸試料やプライマ−を収納している。３はペルチェモジュールのＰＣＲ容器が配置された一面とは反対の一面に接して配置された水冷ジャケットである。ペルチェモジュール１は、吸熱状態の時、吸熱側をコールド側、放熱側をホット側と呼ぶが、本実施例ではペルチェモジュール１のＰＣＲ容器側をコールド側と呼び、水冷ジャケット３側をホット側と呼称する。ペルチェモジュール１によりＰＣＲ容器を加熱冷却する際に、ペルチェモジュール１のコールド側は所望の温度に固定する。ＰＣＲ溶液の温度上昇及び下降における熱量とペルチェモジュール１のジュール熱による影響を水冷ジャケット３により吸収する。水冷ジャケット３は、チューブ４ａによりラジエータ５につながっている。ラジエータ５は、放熱部を検査装置の外部に露出するように配置され、ファン６により外気と熱移動が行われ外気温度（例えば２５℃）と同一になるように働いている。このようにファン６が装置外部に取り付けられているため、装置内で風の流れを発生させることがなく、装置内での試薬など溶液の飛沫の拡散を防止することができる。ラジエータ５から液タンク８に流体ポンプ７を介してチューブ４ｂ、４ｃにより接続されている。また液タンク８からチューブ４ｄを介して水冷ジャケット３に接続されている。水冷のための流体の流れは負圧ポンプ７により矢印９ａ、９ｂ、９ｃの方向に流れている。流体移動の配置構成は、チューブ内は常に負圧であるように構成されている。負圧によりチューブからの液漏れを防止できる構成となっている。液漏れ対策を十分に行い加圧構成とすることも可能である。加圧の場合は圧力を上げやすいので流路抵抗の高い細管チューブを使用することも可能である。また、加圧の圧力を上げることができるので、流速を十分に確保することも可能である。１０は、温度制御回路である。１１は温度センサで、ペルチェモジュール１のコールド側の領域に配置されている。温度制御回路１０は、温度センサ１１の出力を入力温度として、ペルチェモジュール１の電力を制御して温度制御を行っている。

更には、ペルチェモジュール１の温度を上昇及び下降させる場合、ポンプ７のスタートと停止を併用させることにより温度変更を高速に行うことが可能となる。温度上昇の場合、ポンプ７を停止させることにより水冷ジャケット３の温度を上昇させることが可能となり、効率的にＰＣＲ用容器の温度を上昇させることができるので、温度上昇スピードも大幅に加速することができる。温度を降下させる場合は、ＰＣＲ用容器２の温度を下げる場合、ＰＣＲ用容器２の温度降下のための熱量、ペルチェモジュール１の熱量、及びペルチェモジュールのジュール熱の熱量等を筐体外に効果的に移動する必要がある。ペルチェモジュール１のホット側の温度が上昇るために水冷ジャケットの温度上昇が発生する。その大量の熱量を効果的に放熱するために、流体ポンプ７を駆動し、流体の流速を上昇させて水冷ジャケット３の熱量を効果的に流体に移動させ、水冷ジャケットの温度の上昇を抑制する。このように水冷ジャケット３、チューブ４ａ，４ｂ、４ｃ、４ｄ、ラジエータ５、ファン６、ポンプ７、液タンク８からなる構成がペルチェモジュール１の加熱冷却を補助するように働くため、ペルチェモジュール１の温度スルーレートを向上させることが可能となる。

図２を用いて他の実施例について詳細に説明を行う。図１と同一番号は、同一部材で同一作用効果であるので説明は省略する。

本実施例では、ペルチェモジュール１のホット側の温度をＰＣＲ用容器２の温度制御の状態に合わせて温度制御を行う。その結果、高精度な温度制御、高速な温度上昇及び降下、ペルチェ駆動電力の低減を達成することができる。１１ａは温度センサで、ペルチェモジュール１のコールド側の温度を検出する温度センサである。温度制御回路１０はこのセンサ出力に基づいてペルチェモジュール１の電力を制御して温度制御を行う。１１ｂは別の温度センサで、ペルチェモジュール１のホット側の温度を検出する温度センサである。温度センサ１１ｂの出力を温度制御回路１０に入力し、温度センサ１１ｂの温度が所望の値になるようにポンプ７の流量を制御する。例えば、所望の温度より低ければ、流量を減少させれば、ペルチェモジュール１の両面は温度差を保ちつつ、ジュール熱により平均温度は上昇していく。また所望の温度より高ければ、ポンプ７の流量を増加して水冷ジャケット３の温度を降下させる。基本的には、流体の流速をコントロールすることにより、水冷ジャケット３の温度をコントロールするので、水冷ジャケット３の本体の熱容量は小さいことが望ましい。流体の流速が低下した場合は、ラジエータ５に設けられたファン６の速度を低速にしても十分な放熱効果がえられるので、ファンを停止させるか、低速の回転数を下げることによりファンの騒音を抑制することが可能となる。

図３では流量制御の別の方法について説明を行う。図２では、ポンプ７のモータ（図示せず）の速度を変更して流量を制御していたが、ポンプ７で十分な流量比（一般的なポンプは約１：５が限界）や応答速度が不足する場合は、専用の流量バルブ３１を設ける。温度制御回路１０により流量バルブにて高速にかつ高流量比の制御を行う。ポンプ７のモータ速度との組み合わせにより更なる流量比を確保すると更に効果的である。

水冷ジャケット３の流体として、複数の温度に温度制御された流体を切替えて使用する場合について図４を用いて説明を行う。図４においては、２種類の温度を切替て使用する場合について説明を行うが、２種類以上の温度に切替ても良い。図１〜図３と同一記号は同一部材で同一作用効果なので詳細な説明は省略する。図４に記載している水冷ジャケット３の温度の放熱は、図１と同一である。図４の液タンク８ｂはヒータ４１により加熱されて高温に温度制御されている。

ＰＣＲ用容器２を加熱させる場合、ポンプ８ｂを駆動して水冷ジャケット３の温度を高温にするとペルチェモジュール１のΔＴ（ホット側とコールド側の温度差）が小さくなる。ΔＴが小さくなると吸熱量が増加するので、高速にＰＣＲ用容器２の温度上昇を高速化できることになる。反対に、ＰＣＲ用容器の温度を降下させる場合、ポンプ４７ｂを停止させて、ポンプ７ａを駆動して、水冷ジャケット３の温度を降下させる。水冷ジャケットの温度を降下させることにより、ＰＣＲ用容器の温度を急速に降下させることができる。

ファン６の回転数を変更することにより、図４の上側の流体に関して、流体の温度を上昇させたり下降させたりすることが可能となる。その場合、液タンク８ａの容量を適当にすることにより、高速に流体の温度の値をコントロールすることは可能である。ファン６とラジエータ５を水冷ジャケット３の流体入口側に配置しても本発明の目的は達成することができる。

第一の実施例であるＰＣＲ増幅に適用した場合の全体構成図である。 第二の実施例であるＰＣＲ増幅に水冷ユニットを適用した場合の全体構成図、及び水冷ジャケットの温度を所望の温度に制御する説明するための図である。 図２の水冷ジャケットの温度制御を高速に高精度に構成する場合を説明するための図である。 第三の実施例である複数の温度をもった流体を切替えて水冷ジャケットに供給する場合を説明するための図である。

符号の説明

１ ペルチェモジュール
２ ＰＣＲ用容器
３ 水冷ジャケット
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ 流路
５ ラジエータ
６ 空冷ファン
７ 流体ポンプ
８ 液タンク
９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ 流体向き
１０ 温度制御回路
１１、１１ａ、１１ｂ 温度センサ

Claims (8)

1. ペルチェモジュールを用いた温度制御装置において、ペルチェモジュールと、前記ペルチェモジュールの昇温を補助する手段を有することを特徴とする温度制御装置。
2. 前記補助手段は、前記ペルチェモジュールの降温も補助することを特徴とする請求項１に記載の温度制御装置。
3. 前記補助手段は、温調された流体を循環させることにより前記ペルチェモジュールの昇降温を補助することを特徴とする請求項２に記載の温度制御装置。
4. 前記補助手段は、前記ペルチェモジュールの昇温を補助する場合は前記流体の循環を停止させ、降温を補助する場合は前記流体を循環させることを特徴とする請求項３に記載の温度制御装置。
5. 前記補助手段は、ファンを有するラジエータと、前記流体を循環させるポンプとを有することを特徴とする請求項３に記載の温度制御装置。
6. 前記補助手段は、前記ペルチェモジュールに対して温度制御の対象となる物体が接する一面と反対の一面に接して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の温度制御装置。
7. 前記補助手段と接するペルチェモジュールの一面の温度を検出するセンサを有し、前記補助手段の流速は前記センサの検出値に基づいて制御されることを特徴とする請求項２に記載の温度制御装置。
8. 前記補助手段は、前記流体を加熱する加熱器を有し、前記ペルチェモジュールの昇温を補助する場合には前記加熱器により加熱された流体を循環させることを特徴とする請求項３に記載の温度制御装置。

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