JP5761767B2 - 温度制御装置、及び温度素子 - Google Patents
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Description
このように応答性が十分に得られないという点は、他の液体に対する従来の温度制御でも同様である。
なお、本明細書において、「高応答性」という用語は、応答速度が高速になるという意味で用いるものとする。
対象物(例えば実施形態におけるプラスチックチューブ91)を加熱又は冷却する温度制御装置において、
ペルチェ効果により前記対象物を加熱又は冷却する温度素子(例えば実施形態における温度素子61)と、
前記温度素子に対する通電制御を行う制御部(例えば実施形態における温度制御部62)と
を備え、
前記温度素子は、
相互に離間して配置されるp型半導体(例えば実施形態におけるp型半導体72P)及びn型半導体(例えば実施形態におけるn型半導体72N)の組と、
前記対象物を装着する装着部(例えば実施形態における装着部81)を有し、前記p型半導体とは第1又は第2の面で、前記n型半導体とは前記第1又は第2の面に対向する第2又は第1の面で各々に接合する接合部位(例えば実施形態における金属製ウェル71)と、
前記p型半導体に接合され、前記制御部により電圧が印加される第1の電極部位(例えば実施形態における電極兼放熱板73P)と、
前記n型半導体に接合され、前記制御部により電圧が印加される第2の電極部位(例えば実施形態における電極兼放熱板73N)と
を有し、
前記接合部位の形状は、前記対象物の外形形状と略同形状に形成され、
前記制御部により前記第1の電極部位と前記第2の電極部位との各々に異なる電圧が印加されて、前記p型半導体と前記n型半導体との間に電位差が生じた場合、前記接合部位は、前記p型半導体と前記n型半導体との一方から他方へ電流を流すと共に熱を伝搬することで、前記ペルチェ効果を生じさせる
温度制御装置であることを特徴とする。
ペルチェ効果により対象物(例えば実施形態におけるプラスチックチューブ82)を加熱又は冷却する温度素子において、
相互に離間して配置されるp型半導体(例えば実施形態におけるp型半導体72P)及びn型半導体(例えば実施形態におけるn型半導体72N)の組と、
前記対象物を装着する装着部(例えば実施形態における装着部81)を有し、前記p型半導体と前記n型半導体との各々に接合する接合部位(例えば実施形態における金属製ウェル71)と、
前記p型半導体に接合され、外部から電圧が印加される第1の電極部位(例えば実施形態における電極兼放熱板73P)と、
前記n型半導体に接合され、外部から電圧が印加される第2の電極部位(例えば実施形態における電極兼放熱板73N)と
を有し、
前記接合部位の形状は、前記対象物の外形形状と略同形状に形成され、
前記第1の電極部位と前記第2の電極部位との各々に異なる電圧が外部から印加されて、前記p型半導体と前記n型半導体との間に電位差が生じた場合、前記接合部位は、前記p型半導体と前記n型半導体との一方から他方へ電流を流すと共に熱を伝搬することで、前記ペルチェ効果を生じさせる
温度素子であることを特徴とする。
対象物(例えば実施形態におけるDNA検体を含む液体)を加熱又は冷却する温度制御装置において、
ペルチェ効果により前記対象物を加熱又は冷却する温度素子(例えば実施形態における温度素子61)と、
前記温度素子に対する通電制御を行う制御部(例えば実施形態における温度制御部62)と
を備え、
前記温度素子は、
相互に離間して配置されるp型半導体(例えば実施形態におけるp型半導体72P)及びn型半導体(例えば実施形態におけるn型半導体72N)の組と、
前記対象物を載置する載置部(例えば実施形態における載置部111)を有し、前記p型半導体とは第1又は第2の部位で、前記n型半導体とは前記第1又は第2の部位に対向する第2又は第1の部位で各々に接合する接合部位(例えば実施形態における金属製ウェル171)と、
前記p型半導体に接合され、前記制御部により電圧が印加される第1の電極部位(例えば実施形態における電極兼放熱板73P)と、
前記n型半導体に接合され、前記制御部により電圧が印加される第2の電極部位(例えば実施形態における電極兼放熱板73N)と
を有し、
前記接合部位の形状は、前記載置部の外形形状と略同形状に形成され、
前記制御部により前記第1の電極部位と前記第2の電極部位との各々に異なる電圧が印加されて、前記p型半導体と前記n型半導体との間に電位差が生じた場合、前記接合部位は、前記p型半導体と前記n型半導体との一方から他方へ電流を流すと共に熱を伝搬することで、前記ペルチェ効果を生じさせる
温度制御装置であることを特徴とする。
前記対象物を注入する注入口(実施形態における注入口121)と、
前記注入口から注入された前記対象物を、毛細管現象により移動させるキャピラリ(実施形態におけるキャピラリ122)と、を含むように形成されている。
前記対象物を受け入れる複数の凹部(実施形態における凹部221)を含むように形成されている。
図2は、本発明の第1実施形態に係るDNA増幅装置51の概略構成を示す上面図である。
例えば、直線状にM個の温度素子61を直列接続することができる。
この場合には、メイン温度制御として、直列接続された方向に電流を流す温度制御を採用することによって、M個の温度素子61全体の温度制御(粗調整の温度制御)を実現できる。
一方、サブ温度制御として、直列接続された方向と略垂直方向に、M個の温度素子61の個々に電流をそれぞれ独立して流す温度制御を採用することによって、M個の温度素子61の各々に対する個別の温度制御(微調整の温度制御)を、メイン制御とは独立かつ並行に実現できる。
なお、M個の温度素子61のうち所定の1つを基準素子とすれば、基準素子に対するサブ温度制御は省略可能である。
また、サブ温度制御の単位は、1つの温度素子61である必要はなく、2以上の温度素子61であってもよい。
このように、M個の温度素子61を直列接続し、メイン温度制御とサブ温度制御とを適切に組み合わせることによって、M個の温度素子間のバラつきの影響を吸収して、複数の温度素子の各々の温度変化を略同一にすることが可能になる。
なお、メイン温度制御とサブ温度制御とを適切に組み合わせることによって、逆に、複数の温度素子61の各々に対して、相異なる温度目標値を設定して、個別に温度制御することも容易に可能になる。
この場合、温度制御部62は、N個の直列接続の各々を単位として、他の単位とは独立して、メイン温度制御及びサブ温度制御を実行することができる。
換言すると、温度素子61は、N行M列の行列状に配置することができる。この場合、電流を流す方向を、行方向と列方向とに区分することができる。この場合、温度制御部62は、例えば行方向に流れる電流の制御としてメイン温度制御を行い、列方向に流れる電流の制御としてサブ温度制御を行うこともできる。このようにして、行方向と列方向との各々に対する個別の温度制御が相互に独立して実行可能になる。
この場合も、メイン温度制御とサブ温度制御とを適切に組み合わせることによって、M個の温度素子間のバラつきの影響を吸収して、複数の温度素子の各々の温度変化を略同一にすることが可能になる。
なお、メイン温度制御とサブ温度制御とを適切に組み合わせることによって、逆に、複数の温度素子61の各々に対して、相異なる温度目標値を設定して、個別に温度制御することも容易に可能になる。
図7は、従来のDNA増幅装置を用いてPCR法の試験を行った場合における、DNA検体(反応溶液)の温度の時系列変化を示す図である。
図8は、本発明に係る厚み寸法が薄い金属製ウェル71を有する温度素子61を備えるDNA増幅装置51を用いてPCR法の試験を25サイクル行った場合における、DNA検体(反応溶液)の温度の時系列変化を示す図である。図6〜8において、縦軸は温度(度)を示し、横軸は時間(秒)を示している。
(A)最初に、温度目標値を94度として、94度まで加熱させて、94度で240秒間保持させる(変性)。この期間が、図6においては期間201aであり、図7においては期間301aである。
(B)次に、温度目標値を60度に切り替えて、60度まで冷却させて、60度で20秒間保持させる(アニーリング)。この期間が、図6においては期間201bであり、図7においては期間301bである。
(C)次に、温度目標値を72度に切り替えて、72度まで加熱させて、72度で60秒間保持させる(伸長)。この期間が、図6においては期間201cであり、図7においては期間301cである。
以後、上述の(A)の工程(変性)の期間を30秒間に切り替え、このサイクル201及び301((変性)〜(伸長))を25回繰り返し行った。
(a)両試験とも、0.2mlの標準品のプラスチックチューブ91が用いられ、当該プラスチックチューブ91の装着部の穴径は、9.6mmとされた。ただし、装着部を有する従来の金属製ウェルは、本発明に係る装着部81を有する金属製ウェル71の厚さ寸法と比較して、厚いものが採用された。
(b)DNA検体(反応溶液)の温度は、両試験とも、同一の熱電対をプラスチックチューブ91内に挿入することで測定された。
(c)なお、本発明に係る温度素子61を備えるDNA増幅装置51を用いたPCR法の試験において、温度制御部62の出力電流は次のとおりとなった。
即ち、図6の期間201aのうち、加熱期間(94度まで温度を上昇させている期間)は19.6Aであり、温度保持期間(94度で保持させている期間)は10.4Aであった。図6の期間201bのうち、冷却期間(60度まで温度を下降させている期間)は18.1Aであり、温度保持期間(60度で保持させている期間)は5.4Aであった。図6の期間201cのうち、加熱期間(72度まで温度を上昇させている期間)は18.5Aであり、温度保持期間(72度で保持させている期間)は7.3Aであった。
さらに言えば、±0.5度という目標が達成されただけではなく、それよりも遥かに高精度の±0.01度が達成できている点にも注目すべきである。
図9(B)は、従来のDNA増幅装置を用いてPCR法の試験を行った場合における、アガロースゲル電気泳動写真を示す図である。図9において、横軸は温度(度)を示し、横軸はDNA断片の長さ(kb)を示している。
シロイヌナズナのAT1G15830遺伝子の内部領域を標的としたPCRを行った。標的配列長は1,000bp(1kb)である。鋳型DNAにはシロイヌナズナのゲノムDNA(gDNA)を用いた。
反応液組成は0.5 ng/μl:gDNA, 0.2 μM: primer, 0.2 mM: dNTP, 2.0 mM: MgCl2, 1x ExTaq buffer, 0.025 U/μl ExTaq DNA polymeraseとした。
サーマルサイクル条件は、初め、94度で4分間の熱変性を行い、1サイクルにつき熱変性94度で30秒、Ta(アニーリング)で20秒、及び伸長72度で60秒の3ステップ反応を25回繰り返し、その後72度で3分間の追加伸長反応を行った。Taは48度から62度の間で2度間隔とし、温度変化速度は上昇下降ともに3度/秒で行った。
対照実験にはiCycler(BioRad社)を使用し、温度条件は上記と同じとした。
[結果]
上記試薬をアガロースゲル電気泳動にかけることにより、図9のアガロースゲル泳動写真が示す増幅結果が得られた。図9(B)に示すように、対照実験(従来のDNA増幅装置による実験)では、58度以下では標的配列(上下2本の対)701は殆ど増加せず多数の非特異的配列(目的としていない産物)801が見られた。そして、目的産物の標的配列701は60度以上でようやく増幅が見られた。
これに対し、図9(A)に示すように、本発明に係る金属製ウェル71を用いてPCR法の試験を行った場合には、目的産物の標的配列501は、少なくとも50度以上で見られることから、目的産物は、少なくとも50度以上で増幅していると考えられる。また、非特異的配列は、殆ど表れてないことからも明らかなように、非特異的配列は劇的に減少しており著しい改善が認められた。
したがって、上述のことからも明らかなように、従来の金属製ウェルを使用した場合には、標的配列が、対で揃って出るのが難しい。
また、従来の金属製ウェルを使用した場合には、標的配列の上方下方に非特異的配列も一緒に増幅されてしまった。
以上のことから、本発明に係る金属製ウェル71を有するDNA増幅装置51を使用した場合には、従来のDNA増幅装置を使用した場合と比較して、温度勾配が大きく、かつ、温度の追随が正確であることが反映されている。
次に、本発明の第2実施形態に係るDNA増幅装置151について説明する。
本発明の第2実施形態に係るDNA増幅装置151は、第1実施形態に係るDNA増幅装置51と基本的に同様の概略構成を取ることができる。
従って、図2は、第2実施形態に係るDNA増幅装置151の概略構成を示す上面図でもある。但し、第2実施形態では第1実施形態と比較して、金属製ウェル71の形状が異なる。また、金属製ウェル71の形状が異なることにあわせて、第2実施形態では、第1実施形態の装着部81に代えて、載置部111が採用される。
図10は、第2実施形態に係るDNA増幅装置151の概略構成を示す斜視図である。
温度素子61は、金属製ウェル171と、p型半導体72P及びn型半導体72Nの組と、電極兼放熱板73P,73Nと、水管74P,74Nと、を備える。温度素子61の構成のうち、p型半導体72P及びn型半導体72Nの組と、電極兼放熱板73P,73Nと、水管74P,74Nと、の構成については、第1実施形態の構成と基本的に同様であるため、説明を省略する。
次に、本発明の第3実施形態に係るDNA増幅装置251について説明する。
本発明の第3実施形態に係るDNA増幅装置251は、第1実施形態に係るDNA増幅装置51と基本的に同様の概略構成を取ることができる。
従って、図2は、第3実施形態に係るDNA増幅装置251の概略構成を示す上面図でもある。但し、第3実施形態では第1実施形態と比較して、金属製ウェル71の形状が異なる。また、金属製ウェル71の形状が異なることにあわせて、第1実施形態の装着部81に代えて、載置部211が採用される。
図11は、第3実施形態に係るDNA増幅装置251の概略構成を示す斜視図である。
温度素子61は、金属製ウェル271と、p型半導体72P及びn型半導体72Nの組と、電極兼放熱板73P,73Nと、水管74P,74Nと、を備える。温度素子61の構成のうち、p型半導体72P及びn型半導体72Nの組と、電極兼放熱板73P,73Nと、水管74P,74Nと、の構成については、第1実施形態の構成と基本的に同様であるため、説明を省略する。
61,61a,61b 温度素子
62 温度制御部
63 水冷部
71 金属製ウェル
72P p型半導体
72N n型半導体
73P,73N 電極兼放熱板
74P,74N 水管
81 装着部
111 載置部
121 注入口
122 キャピラリ
151 DNA増幅装置
171 金属製ウェル
211 載置部
221 凹部
251 DNA増幅装置
271 金属製ウェル
Claims (10)
- 対象物を加熱又は冷却する温度制御装置において、
ペルチェ効果により前記対象物を加熱又は冷却する温度素子と、
前記温度素子に対する通電制御を行う制御部と
を備え、
前記温度素子は、
相互に離間して配置されるp型半導体及びn型半導体の組と、
前記対象物を装着する装着部を有し、前記p型半導体とは第1又は第2の面で、前記n型半導体とは前記第1又は第2の面に対向する第2又は第1の面で各々に接合する接合部位と、
前記p型半導体に接合され、前記制御部により電圧が印加される第1の電極部位と、
前記n型半導体に接合され、前記制御部により電圧が印加される第2の電極部位と
を有し、
前記装着部の形状は、前記対象物の外形形状と略同形状に形成され、
前記制御部により前記第1の電極部位と前記第2の電極部位との各々に異なる電圧が印加されて、前記p型半導体と前記n型半導体との間に電位差が生じた場合、前記接合部位は、前記p型半導体と前記n型半導体との一方から他方へ電流を流すと共に熱を伝搬することで、前記ペルチェ効果を生じさせる
温度制御装置。 - 前記対象物は、DNA(Deoxyribonucleic acid)検体収容に用いられる所定の容器であり、
前記装着部は、前記容器を装着すべく加工が施された
請求項1に記載の温度制御装置。 - 前記温度素子の前記第1の電極部位と前記第2の電極部位とのうち少なくとも一方を冷却する冷却部
をさらに備える請求項1又は2の何れか1項に記載の温度制御装置。 - 前記温度制御装置は、携帯型の装置である
請求項1乃至3の何れか1項に記載の温度制御装置。 - ペルチェ効果により対象物を加熱又は冷却する温度素子において、
相互に離間して配置されるp型半導体及びn型半導体の組と、
前記対象物を装着する装着部を有し、前記p型半導体と前記n型半導体との各々に接合する接合部位と、
前記p型半導体に接合され、外部から電圧が印加される第1の電極部位と、
前記n型半導体に接合され、外部から電圧が印加される第2の電極部位と
を有し、
前記装着部の形状は、前記対象物の外形形状と略同形状に形成され、
前記第1の電極部位と前記第2の電極部位との各々に異なる電圧が外部から印加されて、前記p型半導体と前記n型半導体との間に電位差が生じた場合、前記接合部位は、前記p型半導体と前記n型半導体との一方から他方へ電流を流すと共に熱を伝搬することで、前記ペルチェ効果を生じさせる
温度素子。 - 前記装着部は、前記対象物の形状に対応した加工が施されて、前記接合部位内に形成されている
請求項5に記載の温度素子。 - 前記接合部位の厚さ寸法は、略均一に形成され、前記装着部の形状に沿って形成されている
請求項6に記載の温度素子。 - 対象物を加熱又は冷却する温度制御装置において、
ペルチェ効果により前記対象物を加熱又は冷却する温度素子と、
前記温度素子に対する通電制御を行う制御部と
を備え、
前記温度素子は、
相互に離間して配置されるp型半導体及びn型半導体の組と、
前記対象物を載置する載置部を有し、前記p型半導体とは第1又は第2の部位で、前記n型半導体とは前記第1又は第2の部位に対向する第2又は第1の部位で各々に接合する接合部位と、
前記p型半導体に接合され、前記制御部により電圧が印加される第1の電極部位と、
前記n型半導体に接合され、前記制御部により電圧が印加される第2の電極部位と
を有し、
前記装着部の形状は、前記載置部の外形形状と略同形状に形成され、
前記制御部により前記第1の電極部位と前記第2の電極部位との各々に異なる電圧が印加されて、前記p型半導体と前記n型半導体との間に電位差が生じた場合、前記接合部位は、前記p型半導体と前記n型半導体との一方から他方へ電流を流すと共に熱を伝搬することで、前記ペルチェ効果を生じさせる
温度制御装置。 - 前記載置部は、
前記対象物が注入される注入口と、
前記注入口から注入された前記対象物を、毛細管現象により移動させるキャピラリと、
を含むように形成されている、
請求項8に記載の温度制御装置。 - 前記載置部は、
前記対象物を受け入れる複数の凹部を含むように形成されている、
請求項8に記載の温度制御装置。
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