JP2017063778A - Temperature control device, nucleic acid amplification device and temperature control method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ペルチェ素子を用いた温度制御装置、核酸増幅装置及び温度制御方法に関する。 The present invention relates to a temperature control device, a nucleic acid amplification device, and a temperature control method using a Peltier element.
従来、ペルチェ素子を用いた温度制御装置が種々提案されている。例えば、下記の特許文献１及び２には、ペルチェ素子と、ペルチェ素子に連結されたヒートシンクと、ヒートシンクに風を送るためのファンとを備える温度制御装置が開示されている。
Conventionally, various temperature control devices using Peltier elements have been proposed. For example,
ファンからの送風により、ヒートシンクにおける放熱効果が高められている。 The heat radiation effect in the heat sink is enhanced by the air blown from the fan.
特許文献１や特許文献２では、ヒートシンクの放熱性を高めるために、ファンが設けられている。しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載の温度制御装置では、温度制御に際しての昇温及び降温操作がなお十分速やかには行われなかった。また、ペルチェ素子の加熱面において温度ムラが生じるという問題もある。
In Patent Document 1 and
本発明の目的は、迅速な昇温及び降温操作を実現でき、かつペルチェ素子の加熱面における温度ムラが生じ難い、温度制御装置及び温度制御方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a temperature control device and a temperature control method that can realize a rapid temperature increase / decrease operation and hardly cause temperature unevenness on the heating surface of the Peltier element.
本発明の他の目的は、上記温度制御装置を備える核酸増幅装置を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a nucleic acid amplification device comprising the above temperature control device.
本発明に係る温度制御装置は、マイクロ流路を有するマイクロチップ用の温度制御装置であって、対向しあう第１及び第２の面を有するペルチェ素子と、前記ペルチェ素子の前記第１の面に配置されており、前記マイクロチップに接触される熱伝導材料層と、前記ペルチェ素子の前記第２の面側に配置されている放熱部材と、前記放熱部材に気体を供給または前記放熱部材側から気体を吸引する放熱ファンと、前記ペルチェ素子を加熱又は冷却駆動し、前記マイクロチップを加熱する期間及び冷却する期間中、前記放熱ファンを駆動し、前記マイクロチップの温度を制御する制御装置とを備える。 A temperature control device according to the present invention is a temperature control device for a microchip having a microchannel, and includes a Peltier element having first and second surfaces facing each other, and the first surface of the Peltier element. A heat conductive material layer that is in contact with the microchip, a heat dissipating member disposed on the second surface side of the Peltier element, and supplying gas to the heat dissipating member or the heat dissipating member side A heat dissipating fan that sucks gas from the air, and a control device that drives the heat dissipation or the cooling of the Peltier element, drives the heat dissipating fan during the period of heating and cooling the microchip, and controls the temperature of the microchip Is provided.
本発明に係る温度制御装置のある特定の局面では、前記熱伝導材料層が金属板である。この場合には、より一層速やかにマイクロチップを加熱もしくは冷却することができる。 On the specific situation with the temperature control apparatus which concerns on this invention, the said heat conductive material layer is a metal plate. In this case, the microchip can be heated or cooled more rapidly.
前記熱電導材料層の厚みは、好ましくは０．０１〜１ｍｍの範囲である。この範囲内であれば、マイクロチップをより一層速やかに加熱及び冷却することができる。より好ましくは、前記熱電導材料層は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる。 The thickness of the thermoconductive material layer is preferably in the range of 0.01 to 1 mm. Within this range, the microchip can be heated and cooled more rapidly. More preferably, the thermoconductive material layer is made of aluminum or an aluminum alloy.
本発明に係る温度制御装置の他の特定の局面では、前記マイクロチップが、反応場の容積が０．５〜２０μＬである複数のＰＣＲ反応部を有し、前記複数のＰＣＲ反応部の総容積が１５０μＬ以下である。この場合には、前記複数のＰＣＲ反応部間の温度のばらつきを小さくすることができる。 In another specific aspect of the temperature control device according to the present invention, the microchip includes a plurality of PCR reaction units having a reaction field volume of 0.5 to 20 μL, and a total volume of the plurality of PCR reaction units. Is 150 μL or less. In this case, temperature variations among the plurality of PCR reaction units can be reduced.
本発明に係る核酸増幅装置は、本発明に従って構成されている温度制御装置と、核酸を含む反応溶液が収容されているＰＣＲ反応部を有するマイクロチップとを備える。 The nucleic acid amplification device according to the present invention includes a temperature control device configured according to the present invention, and a microchip having a PCR reaction unit in which a reaction solution containing a nucleic acid is accommodated.
本発明に係る温度制御方法は、本発明に従って構成された温度制御装置を用いた温度制御方法であって、前記温度制御装置により、前記放熱ファンを駆動しつつ、前記ペルチェ素子により前記マイクロチップを加熱する工程と、前記放熱ファンを駆動しつつ、前記マイクロチップの温度を所定の温度域に維持する工程と、前記放熱ファンを駆動しつつ、前記所定の温度域に前記マイクロチップを所定期間維持した後に、前記ペルチェ素子を駆動し、前記マイクロチップをさらに加熱または冷却する工程とを備える。 A temperature control method according to the present invention is a temperature control method using a temperature control device configured according to the present invention, wherein the heat dissipation fan is driven by the temperature control device and the microchip is driven by the Peltier element. A step of heating; a step of maintaining the temperature of the microchip in a predetermined temperature range while driving the heat dissipation fan; and a step of maintaining the microchip in the predetermined temperature range while driving the heat dissipation fan. And then driving the Peltier element to further heat or cool the microchip.
本発明に係る温度制御装置及び温度制御方法によれば、所定の温度域に加熱もしくは冷却するための昇温及び降温操作の迅速化を図ることができ、かつ加熱面の温度ムラを小さくすることができる。また、昇温及び降温を繰り返したとしても、昇温速度及び降温速度の低下が生じ難い。 According to the temperature control device and the temperature control method of the present invention, it is possible to speed up the temperature raising and lowering operations for heating or cooling to a predetermined temperature range, and to reduce the temperature unevenness of the heating surface. Can do. Further, even if the temperature increase and the temperature decrease are repeated, the temperature increase rate and the temperature decrease rate are unlikely to decrease.
また、本発明に係る核酸増幅装置は、本発明に従って構成されている温度制御装置と、核酸を含む反応溶液が収容されているＰＣＲ反応部を有するマイクロチップとを備えるため、ＰＣＲ反応部における昇温及び降温操作の迅速化を図ることができ、加熱面の温度ムラを小さくすることができる。さらに、昇温及び降温を繰り返したとしても、昇温速度及び降温速度の低下が生じ難い。 In addition, the nucleic acid amplification device according to the present invention includes a temperature control device configured according to the present invention and a microchip having a PCR reaction unit in which a reaction solution containing a nucleic acid is accommodated. The temperature and the temperature lowering operation can be speeded up, and the temperature unevenness on the heating surface can be reduced. Furthermore, even if the temperature increase and the temperature decrease are repeated, the temperature increase rate and the temperature decrease rate are unlikely to decrease.
以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。 Hereinafter, the present invention will be clarified by describing specific embodiments of the present invention with reference to the drawings.
図１は、本発明の一実施形態に係る温度制御装置の概略構成図である。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a temperature control device according to an embodiment of the present invention.
温度制御装置１は、ペルチェ素子２を有する。ペルチェ素子２は、第１の面２ａと、第１の面２ａと対向している第２の面２ｂとを有する。
The temperature control device 1 has a
第１の面２ａ上に、熱伝導材料層３が積層されている。熱伝導材料層３が積層されているため、本実施形態では、加熱面の温度ムラをより一層効果的に低減することができる。熱伝導材料層３は、熱伝導率が高いため、金属板からなることが好ましい。この場合には、昇温速度及び降温速度をより一層高めることができる。より好ましくは、熱伝導材料層は、ＡｌまたはＡｌ合金からなり、その場合には、温度ムラをより一層効果的に低めることができる。
A heat
好ましくは、熱電導材料層３の厚みは、０．０１〜１ｍｍの範囲であり、その場合には、昇温及び降温速度をより効果的に高めることができる。
Preferably, the thickness of the
また、上記熱伝導材料層３の熱伝導度は、０．５〜２０００Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１の範囲にあることが望ましい。その場合には、昇温速度及び降温速度をより一層高めることができ、かつ温度ムラをより一層抑制することができる。
The thermal conductivity of the thermal
このような熱伝導性に優れている限り、適宜の熱伝導材料を用いることができ、上記金属板に限らず、グリ―スなどを用いてもよい。 As long as such heat conductivity is excellent, an appropriate heat conductive material can be used, and not only the metal plate but also grease or the like may be used.
熱伝導材料層３の上面に、温度制御対象物として、マイクロチップ１１が積層されている。マイクロチップ１１は、マイクロ流路を有する。本実施形態では、マイクロチップ１１は、ＰＣＲ検査用チップである。もっとも、マイクロ流体が搬送されるマイクロ流路を有する様々なマイクロチップの温度制御に温度制御装置１を用いることができる。
A
本実施形態で温度制御されるマイクロチップ１１を、図４に斜視図で示す。このマイクロチップ１１は、チップ本体１２を有する。チップ本体１２は、複数の基板１３〜１７を積層することにより構成されている。基板１３〜１７は、合成樹脂、ゴムまたは金属などからなる。
The
基板１３には、導入部１８が開口しており、排出部１９も開口している。
In the
上記チップ本体１２内には、図５に模式的に示すマイクロ流路構造が設けられている。図５に示すように、導入部１８に、第１のマイクロ流路２２が接続されている。第１のマイクロ流路２２が、マイクロ流路２２ａ，２２ｂ，２２ｃに分岐されている。そして、マイクロ流路２２ａ，２２ｂ，２２ｃに、秤取部２３ａ〜２３ｃ，３３ａ〜３３ｃ，４３ａ〜４３ｃを介して、ＰＣＲ反応部２５ａ〜２５ｃ，３５ａ〜３５ｃ，４５ａ〜４５ｃが接続されている。
A microchannel structure schematically shown in FIG. 5 is provided in the
上記複数のＰＣＲ反応部が、それぞれ、ＰＣＲ反応の反応場を構成している。この反応場の容積は、０．５〜２０μＬであり、複数のＰＣＲ反応部の総容積が１５０μＬ以下であることが好ましい。このようなサイズのＰＣＲ検査用のマイクロチップの場合、本発明の温度制御装置により、複数のＰＣＲ反応部間の温度ムラを効果的に抑制することができる。従って、ＰＣＲ検査の精度を高めることができる。 Each of the plurality of PCR reaction units constitutes a reaction field for the PCR reaction. The volume of this reaction field is 0.5 to 20 μL, and the total volume of the plurality of PCR reaction units is preferably 150 μL or less. In the case of a microchip for PCR inspection having such a size, the temperature control device of the present invention can effectively suppress temperature unevenness between a plurality of PCR reaction units. Therefore, the accuracy of PCR inspection can be increased.
図１に戻り、ペルチェ素子２の第２の面２ｂ側には、放熱部材４が配置されている。放熱部材４は、特に限定されないが、本実施形態では、金属からなるヒートシンクである。もっとも、放熱部材４は、ペルチェ素子２において生じた熱を速やかに放散し得る適宜の放熱材により構成することができる。
Returning to FIG. 1, the heat radiating member 4 is disposed on the
なお、放熱部材４は、ペルチェ素子２の第２の面２ｂ側に配置されておればよい。第２の面２ｂに放熱部材４が直接接触するように配置されていてもよく、第２の面２ｂと他の部材を介して連結されていてもよい。
In addition, the heat radiating member 4 should just be arrange | positioned at the
放熱部材４の側方に放熱ファン５が配置されている。放熱ファン５は、風を放熱部材４側に送り、あるいは放熱部材４側の空気などの気体を吸引し、放熱効果を高めるために設けられている。
A
上記熱伝導材料層３の上面すなわち加熱面の温度を検出するために、温度センサ６が設けられている。温度センサ６は、加熱面の温度を検出し得る、適宜の感温素子により構成することができる。また、温度センサ６は、制御装置７に接続されており検出された温度に基づく信号を制御装置７に与える。
A temperature sensor 6 is provided to detect the temperature of the upper surface of the heat
制御装置７には、ペルチェ素子駆動回路８が接続されている。ペルチェ素子駆動回路８を制御装置７により駆動し、ペルチェ素子２を駆動する。具体的には、ペルチェ素子駆動回路８は、ペルチェ素子２を加熱もしくは冷却する電圧をペルチェ素子２に与える。それによって、ペルチェ素子２が加熱あるいは冷却される。
A Peltier
また、上記制御装置７に、前述した放熱ファン５も接続されている。制御装置７は、放熱ファン５をオン・オフする信号を出力し、放熱ファン５をオン状態またはオフ状態とする。制御装置７内には、あるいは制御装置７に接続されたメモリに、予め、上記マイクロチップ１１を所定の温度域に制御する場合の該所定の温度域と、該所定の温度域に維持する所定の時間が記憶されている。この所定の温度域及び所定の時間は特に限定されず、マイクロチップ１１の種類に応じて適宜定め得る。
Further, the above-described
また、上記所定の温度域は、単一の温度域であってもよく、互いに異なる複数の温度域であってもよい。さらに、所定の温度域に制御する回数は、単一回であってもよく、複数回であってもよい。 The predetermined temperature range may be a single temperature range or a plurality of different temperature ranges. Furthermore, the number of times of control within a predetermined temperature range may be single or multiple.
好ましくは、所定の温度域に温度制御対象物の温度を加熱し、所定の温度域においてマイクロチップ１１の温度を所定の時間維持し、所定の温度域に所定の時間維持した後に、マイクロチップ１１の温度を低下させるように、制御装置７によりマイクロチップ１１の温度を制御する。
Preferably, the temperature of the object to be controlled is heated to a predetermined temperature range, the temperature of the
なお、上記所定の温度域とは、所定の温度±ｘ℃の範囲をいうものとする。ここで、ｘの値は、マイクロチップ１１において維持されるべき温度の精度によって異なるため、一義的には定め得ないが、例えば、ＰＣＲに用いる場合等においては、所定の温度をＡとした場合、ｘは０．５℃以下であることが好ましい。
The predetermined temperature range is a predetermined temperature ± x ° C. range. Here, since the value of x differs depending on the accuracy of the temperature to be maintained in the
本実施形態の温度制御装置１の特徴は、マイクロチップ１１を所定の温度域に制御するために、上記ペルチェ素子２を加熱または冷却駆動し、マイクロチップ１１を加熱する期間中及び冷却する期間中、放熱ファン５を駆動して、マイクロチップ１１の温度を制御することにある。放熱ファン５を駆動し続けるため、昇温及び降温操作の迅速化を図ることができ、かつ加熱面の温度ムラを低減することができる。
The temperature control device 1 of the present embodiment is characterized in that the
本実施形態の温度制御装置１は、様々なマイクロチップ１１を温度制御するのに用いられる。このようなマイクロチップ１１としては、特に限定されないが、例えば、ＰＣＲ検査用チップに本発明を好適に用いることができる。すなわち、上記温度制御装置１と、核酸を含む反応溶液が収容されているＰＣＲ反応部を有するマイクロチップとを備える、核酸増幅装置が構成されていてもよい。その場合には、ＰＣＲ反応を高精度に行い得る、核酸増幅装置を提供することができる。
The temperature control device 1 of the present embodiment is used to control the temperature of
なお、図６は、本発明の温度制御装置の変形例を説明するための概略構成図である。本変形例の温度制御装置１Ａでは、ペルチェ素子２の第１の面に接触されている熱伝導材料層３が、第１の熱伝導材料層３Ａと、第２の熱伝導材料層３Ｂとを積層した積層体からなる。その他の構成は、上記実施形態と同様である。このように、複数の熱伝導材料層３Ａ，３Ｂを積層してもよい。このような熱伝導材料層３Ａ，３Ｂとしては、上述した金属やグリースなどを用いることができる。
FIG. 6 is a schematic configuration diagram for explaining a modification of the temperature control device of the present invention. In the temperature control device 1A of the present modification, the heat
また、第１の熱伝導材料層３Ａと、第２の熱伝導材料層３Ｂとは、同一材料で構成してもよく、異なる材料で構成してもよい。
The first heat
好ましくは、ペルチェ素子２側に位置している第１の熱伝導材料層３Ａは、第１の面２ａに平行な方向の熱伝導性が、厚み方向の熱伝導性よりも高い異方性熱伝導材料からなることが望ましい。このような異方性熱伝導材料を用いた場合、面方向の温度ムラを効果的に抑制することができる。従って、マイクロチップ１１における複数のＰＣＲ反応部間の温度ムラをより一層効果的に小さくすることができる。このような異方性熱伝導材料としては、グラファイトが好適に用いられ得る。従って、第１の熱伝導材料層３Ａがグラファイトからなり、第２の熱伝導材料層３Ｂが金属やグリースなどからなる組み合わせが、本発明において好適に用いられ得る。
Preferably, the first thermal
次に、図２及び図３を参照して、本発明に係る温度制御方法の実施形態をより詳細に説明する。 Next, with reference to FIG.2 and FIG.3, embodiment of the temperature control method which concerns on this invention is described in detail.
本実施形態の温度制御方法は、上記実施形態の温度制御装置１を用いた温度制御方法である。そして、温度制御装置１により放熱ファン５を駆動しつつ、ペルチェ素子２によりマイクロチップ１１を加熱する工程と、放熱ファン５を駆動しつつ、マイクロチップ１１の温度を所定の温度域に維持する工程と、放熱ファン５を駆動しつつ、所定の温度域にマイクロチップ１１を所定期間維持した後にペルチェ素子２を駆動し、マイクロチップ１１をさらに加熱または冷却する工程とを備える。この実施形態の温度制御方法を、図２及び図３を参照して、より具体的に説明する。
The temperature control method of this embodiment is a temperature control method using the temperature control device 1 of the above embodiment. And the process of heating the
本実施形態では、ＰＣＲに際し、図２に示すように温度制御が行われる。すなわち、９０℃±０．５℃に所定の時間として１０秒維持する工程と、６０℃±０．５℃に所定の時間として１０秒維持する工程とを繰り返す。 In the present embodiment, temperature control is performed as shown in FIG. 2 during PCR. That is, the process of maintaining at 90 ° C. ± 0.5 ° C. for 10 seconds as a predetermined time and the process of maintaining at 60 ° C. ± 0.5 ° C. for 10 seconds as a predetermined time are repeated.
図３を参照して、本実施形態の温度制御方法を説明する。 With reference to FIG. 3, the temperature control method of this embodiment is demonstrated.
まず、ステップＳ１において、放熱ファン５をオン状態とし、放熱ファン５を駆動する。なお、この放熱ファン５は、ステップＳ２からステップＳ１０までの全工程においてオン状態とされる。好ましくは、ステップＳ１〜Ｓ１０の制御工程だけでなく、温度制御装置１自体がオン状態とされている間中、放熱ファン５を駆動することが望ましい。次に、ステップＳ２において、ペルチェ素子駆動回路８を駆動し、ペルチェ素子２の第１の面２ａが１１℃／秒の昇温速度となるように電圧を印加する。ステップＳ３において、温度センサ６により、温度が第１の温度域として９０℃±０．５℃であるか否かを確認する。９０℃±０．５℃の温度に達していない場合には、再度ステップＳ２に戻り加熱する。
First, in step S1, the
ステップＳ３において、温度が９０℃±０．５℃に達している場合には、ステップＳ４において、１０秒間９０℃±０．５℃の温度に保持する。 If the temperature reaches 90 ° C. ± 0.5 ° C. in step S3, the temperature is maintained at 90 ° C. ± 0.5 ° C. for 10 seconds in step S4.
次に、ステップＳ５において、１０秒経過しているか否かを確認する。時間が経過していない場合には、ステップＳ４に戻り、９０℃±０．５℃の温度に再度保持する。 Next, in step S5, it is confirmed whether 10 seconds have elapsed. If the time has not elapsed, the process returns to step S4 and is held again at a temperature of 90 ° C. ± 0.5 ° C.
ステップＳ５において、１０秒経過している場合には、ステップＳ６において、降温速度１１℃／秒で第２の温度域としての６０℃±０．５℃まで冷却する。この場合、制御装置７は、ペルチェ素子駆動回路８から、ペルチェ素子２に、加熱の場合とは逆の電圧を印加する。それによって、マイクロチップ１１を冷却する。
In step S5, when 10 seconds have elapsed, in step S6, the temperature is cooled to 60 ° C. ± 0.5 ° C. as the second temperature range at a temperature decrease rate of 11 ° C./second. In this case, the
冷却に際しても、放熱ファン５は駆動され続けているため、冷却が速やかに行われる。
Also during cooling, since the
次に、ステップＳ７において、温度センサ６からの出力により、制御装置７は、温度が第２の温度域である６０℃±０．５℃に達しているか否かを確認する。６０℃±０．５℃に達していない場合には、ステップＳ６に戻る。６０℃±０．５℃の温度域に達している場合には、ステップＳ８において、１０秒間６０℃±０．５℃の温度に維持する。しかる後、ステップＳ９において、１０秒経過したか否かを確認する。経過していない場合には、ステップＳ８に戻る。１０秒経過している場合には、ステップＳ１０において、上記９０℃±０．５℃の温度及び６０℃±０．５℃の温度に維持したサイクル数が所定のサイクル数に達したか否かを確認する。達していない場合には、ステップＳ２に戻り、次のサイクルを実行する。所定のサイクル数に達している場合には終了する。
Next, in step S <b> 7, the
本実施形態の温度制御方法では、上記のように、９０℃±０．５℃の温度に１０秒間維持する工程と、６０℃±０．５℃の温度に１０秒間維持する工程とを含む１サイクルが複数サイクル繰り返されるが、この温度制御の間中、放熱ファン５は駆動され続ける。すなわち、冷却時だけでなく、加熱時にも放熱ファン５が駆動され続ける。そのため、昇温及び降温に必要な時間を短縮でき、かつ加熱面の温度ムラを効果的に小さくすることができる。
As described above, the temperature control method of the present embodiment includes the step of maintaining the temperature at 90 ° C. ± 0.5 ° C. for 10 seconds and the step of maintaining the temperature at 60 ° C. ± 0.5 ° C. for 10 seconds 1 Although the cycle is repeated a plurality of cycles, the
これを、次に具体的な実験例に基づき説明する。ペルチェ素子２として、タイセー社製、型番：ＵＴ−３０３０ＣＥ−Ｍを用いた。このペルチェ素子に、ヒートシンクとして、Ｆｉｘｃｈｅｒ社製、型番：ＳＫ４３４／５０ＳＡを固定した。また、このヒートシンクの側方に放熱ファンを配置した。放熱ファン５としては、山洋電気社製、型番：１０９Ｐ０４２４Ｈ３０２を用いた。
Next, this will be described based on a specific experimental example. As
ペルチェ素子駆動回路８として、オムロン社製、型番：Ｅ５ＣＣ−ＱＸ２ＤＳＭ−００２を用いた。温度センサ６として、ネツシン社製、型番：ＮＥＲ−ＣＦ２−０３０５を用いた。
As the Peltier
また、下記の表１に示すように、実施例１〜４，７及び比較例３，４では、熱伝導材料層３としてアルミニウム板を用いた。もっとも、熱伝導材料層の厚みは表１に示す各値とした。実施例５，６では、それぞれ、厚み０．３ｍｍの銅板または銀板を熱伝導材料層３として用いた。比較例１，２では、熱伝導材料層は用いなかった。
As shown in Table 1 below, in Examples 1 to 4 and 7 and Comparative Examples 3 and 4, an aluminum plate was used as the heat
上記のようにして構成した温度制御装置を用い、前述した図２に示す９０℃±０．５℃に１０秒維持する工程と、６０℃±０．５℃に１０秒維持する工程とを含む１サイクルを３０サイクル繰り返すように温度制御を行った。 Using the temperature control device configured as described above, the step of maintaining at 90 ° C. ± 0.5 ° C. for 10 seconds shown in FIG. 2 and the step of maintaining at 60 ° C. ± 0.5 ° C. for 10 seconds are included. Temperature control was performed so that one cycle was repeated 30 cycles.
なお、実施例１〜７では、上述したようにステップＳ２において、放熱ファン５を駆動し、３０サイクル終了まで放熱ファン５を駆動し続けた。これに対して、比較例１，３においては、放熱ファンを駆動しなかった。また比較例２，４においては、９０℃から６０℃に冷却する際にのみ放熱ファン５を駆動した。
In Examples 1 to 7, as described above, in step S2, the
上記のようにして、実施例１〜７及び比較例１〜４における温度制御を行った。 As described above, the temperature control in Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 4 was performed.
（実施例及び比較例の評価）
１．昇温速度
１サイクル目と３０サイクル目の昇温速度を求めた。１サイクル目の昇温速度とは、最初に６０℃から９０℃への昇温に要した時間により、（９０℃−６０℃）＝３０℃を除算した値を１サイクル目の昇温速度とした。３０サイクル目の昇温速度として、３０サイクル目に６０℃から９０℃への昇温に要した時間により、（９０℃−６０℃）＝３０℃を除算した値を３０サイクル目の昇温速度とした。
(Evaluation of Examples and Comparative Examples)
1. Temperature increase rate The temperature increase rate of the 1st cycle and the 30th cycle was calculated | required. The temperature increase rate in the first cycle is the value obtained by dividing (90 ° C.-60 ° C.) = 30 ° C. by the time required for the temperature increase from 60 ° C. to 90 ° C. for the first time. did. As the temperature increase rate of the 30th cycle, the value obtained by dividing (90 ° C.-60 ° C.) = 30 ° C. by the time required for the temperature increase from 60 ° C. to 90 ° C. in the 30th cycle is the temperature increase rate of the 30th cycle. It was.
２．降温速度
１サイクル目の降温速度として、１サイクル目に９０℃から６０℃への降温に要した時間により、（９０℃−６０℃）＝３０℃を除算して得られた値を１サイクル目の降温速度とした。
2. Temperature decrease rate As the temperature decrease rate for the first cycle, the value obtained by dividing (90 ° C-60 ° C) = 30 ° C by the time required for temperature decrease from 90 ° C to 60 ° C in the first cycle is the first cycle. The temperature drop rate was.
３０サイクル目の降温速度は、３０サイクル目に９０℃から６０℃への降温に要した時間により、（９０℃−６０℃）＝３０℃を除算して得られた値を３０サイクル目の降温速度とした。 The rate of temperature decrease at the 30th cycle is the value obtained by dividing (90 ° C-60 ° C) = 30 ° C by the time required for the temperature decrease from 90 ° C to 60 ° C at the 30th cycle. It was speed.
なお、上記温度制御に際しては、熱伝導材料層３の表面をサーモカメラで測定した。熱伝導材料層３が設けられていない場合には、ペルチェ素子２の第１の面２ａの温度変化を、サーモカメラで測定した。また、温度変化に要する時間は、ストップウォッチを用いて計測した。
In the temperature control, the surface of the heat
３．温度ムラの評価
温度制御装置１における加熱面の温度が６０℃となるように温度制御を実施した。熱伝導材料層が積層されている場合には、熱伝導材料層の表面の温度で、熱伝導材料層が積層されていない場合には、ペルチェ素子の第１の面の温度を測定した。測定面の平面形状は矩形であり、その寸法は３０ｍｍ×３０ｍｍである。この測定面の中心に位置する２０ｍｍ×２０ｍｍの正方形の領域において、正方形の各頂点及び正方形の中心の５点の温度をサーモカメラで計測した。５点のうち、最も高い温度をＴ１（℃）とし、最も低い温度をＴ２（℃）とした。以下のようにして温度ムラを定義した。
3. Evaluation of temperature unevenness Temperature control was implemented so that the temperature of the heating surface in the temperature control apparatus 1 might be 60 degreeC. When the heat conductive material layer was laminated, the temperature of the surface of the heat conductive material layer was measured. When the heat conductive material layer was not laminated, the temperature of the first surface of the Peltier element was measured. The planar shape of the measurement surface is a rectangle, and its dimensions are 30 mm × 30 mm. In a square area of 20 mm × 20 mm located at the center of the measurement surface, the temperature of each vertex of the square and the five points at the center of the square was measured with a thermo camera. Among the five points, the highest temperature was T1 (° C.) and the lowest temperature was T2 (° C.). The temperature unevenness was defined as follows.
温度ムラ（℃）＝Ｔ１（℃）−Ｔ２（℃） Temperature unevenness (° C) = T1 (° C)-T2 (° C)
上記実施例１〜７及び比較例１〜４の評価結果を下記の表１に示す。 The evaluation results of Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 4 are shown in Table 1 below.
表１から明らかなように、放熱ファン５を駆動しなかった比較例１に比べ、実施例１〜７によれば、３０サイクル目の降温速度も十分高く、かつ温度ムラも小さいことがわかる。また、比較例２では、降温時のみ放熱ファン５を駆動していたが、この場合には、比較例１に比べ、３０サイクル目の降温速度は若干速くなっている。しかしながら、やはり３０サイクル目の降温速度は、１サイクル目の降温速度より低くなっており、かつ温度ムラも十分ではなかった。実施例１〜４では、０．１ｍｍ、０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍアルミニウムからなる熱伝導材料層３が積層されていたため、温度ムラを一層効果的に低め得ることがわかる。
As is apparent from Table 1, it can be seen that according to Examples 1 to 7, the temperature drop rate at the 30th cycle is sufficiently high and the temperature unevenness is small as compared with Comparative Example 1 in which the radiating
なお、実施例４では、アルミニウムからなる熱伝導材料層３の厚みが１．０ｍｍであり、昇温速度及び降温速度は実施例２，３よりも若干低下している。しかしながら、温度ムラは非常に少なく、さらに、昇温速度及び降温速度は、３０サイクル経過後も低下していない。
In Example 4, the thickness of the heat
実施例５及び実施例６では、熱伝導材料層３として０．３ｍｍの銅板または銀板を用いていたため、温度ムラを効果的に低減することが可能とされている。もっとも、実施例２と実施例５との対比により、アルミニウムを用いた場合には、銅を用いた場合よりも昇温速度及び降温速度を高め得ることがわかる。
In Example 5 and Example 6, since a 0.3 mm-thick copper plate or silver plate was used as the heat
他方、温度ムラの低減には、実施例６のように、銀板を用いることが望ましいことがわかる。 On the other hand, it can be seen that it is desirable to use a silver plate as in Example 6 to reduce temperature unevenness.
実施例７では、アルミニウムからなる熱伝導材料層の厚みは１．５ｍｍと厚く、その場合においても、１サイクル目の降温速度と３０サイクル目の降温速度は等しく、降温速度のサイクル数の経過による低下が生じていない。また、温度ムラは０．５℃と非常に小さい。 In Example 7, the thickness of the heat conductive material layer made of aluminum is as thick as 1.5 mm, and even in that case, the temperature decrease rate in the first cycle is equal to the temperature decrease rate in the 30th cycle, and the temperature decrease rate depends on the passage of the number of cycles. There is no decline. Further, the temperature unevenness is as small as 0.5 ° C.
比較例３及び４では、０．３ｍｍのアルミニウム板を熱伝導材料層３として用いているが、比較例３では放熱ファン５を駆動していないため、３０サイクル目の降温速度の低下が著しい。比較例４においても温度ムラは改善されているものの、やはり３０サイクル目の降温速度の低下が見られた。
In Comparative Examples 3 and 4, a 0.3 mm aluminum plate is used as the heat
（実施例８）
厚さ３ｍｍのアルミニウムからなる金属薄板のペルチェ素子側の面に、厚み２５μｍのグラファイトを積層したことを除いては、実施例２と同様にして温度制御装置を構成した。そして、実施例１〜７及び比較例１〜４と同様に評価した。その結果、１サイクル目及び３０サイクル目の昇温速度は１１℃／秒であり、１サイクル目及び３０サイクル目の降温速度は９℃／秒であった。また、温度ムラは１℃であった。
(Example 8)
A temperature control device was configured in the same manner as in Example 2 except that a thin metal plate made of aluminum having a thickness of 3 mm was laminated with a graphite having a thickness of 25 μm on the surface on the Peltier element side. And it evaluated similarly to Examples 1-7 and Comparative Examples 1-4. As a result, the temperature increase rate in the first cycle and the 30th cycle was 11 ° C./second, and the temperature decrease rate in the first cycle and the 30th cycle was 9 ° C./second. Moreover, the temperature nonuniformity was 1 degreeC.
実施例２と実施例８との対比により、実施例８では、上記グラファイトの積層により、温度ムラをより一層効果的に低減し得ることがわかる。 From the comparison between Example 2 and Example 8, it can be seen that in Example 8, the temperature unevenness can be more effectively reduced by the above-mentioned lamination of graphite.
１，１Ａ…温度制御装置
２…ペルチェ素子
２ａ，２ｂ…第１，第２の面
３…熱伝導材料層
３Ａ，３Ｂ…第１，第２の熱伝導材料層
４…放熱部材
５…放熱ファン
６…温度センサ
７…制御装置
８…ペルチェ素子駆動回路
１１…マイクロチップ
１２…チップ本体
１３〜１７…基板
１８…導入部
１９…排出部
２２…第１のマイクロ流路
２２ａ〜２２ｃ…マイクロ流路
２３ａ〜２３ｃ，３３ａ〜３３ｃ，４３ａ〜４３ｃ…秤取部
２５ａ〜２５ｃ，３５ａ〜３５ｃ，４５ａ〜４５ｃ…ＰＣＲ反応部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,1A ...
Claims (7)
対向しあう第１及び第２の面を有するペルチェ素子と、
前記ペルチェ素子の前記第１の面に配置されており、前記マイクロチップに接触される熱伝導材料層と、
前記ペルチェ素子の前記第２の面側に配置されている放熱部材と、
前記放熱部材に気体を供給または前記放熱部材側から気体を吸引する放熱ファンと、
前記ペルチェ素子を加熱又は冷却駆動し、前記マイクロチップを加熱する期間及び冷却する期間中、前記放熱ファンを駆動し、前記マイクロチップの温度を制御する制御装置とを備える、温度制御装置。 A temperature control device for a microchip having a microchannel,
A Peltier element having first and second surfaces facing each other;
A thermally conductive material layer disposed on the first surface of the Peltier element and in contact with the microchip;
A heat dissipating member disposed on the second surface side of the Peltier element;
A heat dissipation fan that supplies gas to the heat dissipation member or sucks gas from the heat dissipation member side,
A temperature control device comprising: a control device that drives the Peltier element to heat or cool, drives the heat dissipation fan during a period for heating and cooling the microchip, and controls the temperature of the microchip.
前記温度制御装置により、前記放熱ファンを駆動しつつ、前記ペルチェ素子により前記マイクロチップを加熱する工程と、
前記放熱ファンを駆動しつつ、前記マイクロチップの温度を所定の温度域に維持する工程と、
前記放熱ファンを駆動しつつ、前記所定の温度域に前記マイクロチップを所定期間維持した後に、前記ペルチェ素子を駆動し、前記マイクロチップをさらに加熱または冷却する工程とを備える、温度制御方法。 A temperature control method using the temperature control device according to any one of claims 1 to 5,
Heating the microchip with the Peltier element while driving the heat dissipation fan with the temperature control device;
Maintaining the temperature of the microchip in a predetermined temperature range while driving the heat dissipation fan;
A temperature control method comprising: driving the radiating fan, maintaining the microchip in the predetermined temperature range for a predetermined period, driving the Peltier element, and further heating or cooling the microchip.
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