特許 5698668 柔軟性温度制御表面を有する温度制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5698668

(24)【登録日】2015年2月20日

(45)【発行日】2015年4月8日

(54)【発明の名称】柔軟性温度制御表面を有する温度制御装置

(51)【国際特許分類】

   B01J 19/00 20060101AFI20150319BHJP

   G01N 35/00 20060101ALI20150319BHJP

   C12Q 3/00 20060101ALI20150319BHJP

   C12M 1/00 20060101ALI20150319BHJP

   B01L 7/00 20060101ALI20150319BHJP

   G01N 33/48 20060101ALI20150319BHJP

   G01N 33/50 20060101ALI20150319BHJP

   G01N 25/00 20060101ALI20150319BHJP

   C12N 15/00 20060101ALI20150319BHJP

   G05D 23/00 20060101ALI20150319BHJP

【ＦＩ】

   B01J19/00 G

   G01N35/00 B

   C12Q3/00

   C12M1/00 A

   B01L7/00

   G01N33/48 Z

   G01N33/50 Z

   G01N25/00 P

   C12N15/00 Z

   G05D23/00 A

【請求項の数】15

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2011-527792(P2011-527792)

(86)(22)【出願日】2008年10月7日

(65)【公表番号】特表2012-502791(P2012-502791A)

(43)【公表日】2012年2月2日

(86)【国際出願番号】US2008079015

(87)【国際公開番号】WO2010033135

(87)【国際公開日】20100325

【審査請求日】2011年10月3日

(31)【優先権主張番号】12/232,669

(32)【優先日】2008年9月22日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】510048369

【氏名又は名称】アコーニ バイオシステムズ

【氏名又は名称原語表記】ＡＫＯＮＮＩ ＢＩＯＳＹＳＴＥＭＳ

(74)【代理人】

【識別番号】100100181

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 正博

(72)【発明者】

【氏名】ベルグレーダー フィル

(72)【発明者】

【氏名】クーニー クリストファー ジー

(72)【発明者】

【氏名】ドゥーブラー ロバート

(72)【発明者】

【氏名】ヒッカーソン アンナ

(72)【発明者】

【氏名】アーバイン ブルース

(72)【発明者】

【氏名】ナディム アリ

(72)【発明者】

【氏名】スターリング ジェームズ

(72)【発明者】

【氏名】メラガイエ リーザ

【審査官】 増田 健司

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭５３−１４２２９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２０２９５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５８５１４９２（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特表２００５−５３４３４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０６１４７５０６（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特表平０５−５０３４６６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ０１Ｊ １９／００

Ｂ０１Ｌ ７／００

Ｃ１２Ｍ １／００

Ｃ１２Ｎ １５／００

Ｃ１２Ｑ ３／００

Ｇ０１Ｎ ２５／００

Ｇ０１Ｎ ３３／４８

Ｇ０１Ｎ ３３／５０

Ｇ０１Ｎ ３５／００

Ｇ０５Ｄ ２３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

反応チャンバー内の温度を制御するための装置であって：
ハウジングの内部容積を画定する前記ハウジングであって、前記ハウジングが前記ハウジングの前記内部容積の内部に配置される反応チャンバーを保持するよう寸法取りされた前記ハウジング、
前記ハウジングの内部に配置される第１の温度制御嚢であって、前記第１の温度制御嚢が温度制御流体を受容するよう構成され且つ前記温度制御流体を受容した後に前記反応チャンバーの外面の少なくとも一部と接触する柔軟性、熱伝導性表面を含む前記第１の温度制御嚢、及び
前記ハウジングの内部に配置される第２の温度制御嚢であって、前記第２の温度制御嚢が前記温度制御流体を受容するよう構成され且つ前記温度制御流体を受容した後に前記反応チャンバーの外面の一部と接触する柔軟性、熱伝導性表面を含む前記第２の温度制御嚢を含む嚢アセンブリを含み、
前記ハウジングが前記第１の温度制御嚢を保持する上部、前記第２の温度制御嚢を保持する下部、および、前記上部および前記下部と共に、開口部を有する内部空間を画定する中間部であって、前記内部空間および前記開口部が前記反応チャンバーを収容する前記中間部を含む、前記装置。

【請求項2】

前記反応チャンバーが管状チャンバーである、請求項１に記載の前記装置。

【請求項3】

前記反応チャンバーがスライドチャンバーである、請求項１に記載の前記装置。

【請求項4】

所望の温度の前記温度制御流体により前記第１の温度制御嚢を充填する流体送達装置をさらに含む、請求項１に記載の前記装置。

【請求項5】

前記流体送達装置がポンプおよび前記温度制御流体の温度を制御する温度コントローラを含む、請求項４に記載の前記装置。

【請求項6】

前記温度制御流体の流動を制御する１つまたはそれ以上のバルブをさらに含む、請求項５に記載の前記装置。

【請求項7】

前記温度コントローラがヒーターを含む、請求項５に記載の前記装置。

【請求項8】

前記温度コントローラがさらにクーラーを含む、請求項７に記載の前記装置。

【請求項9】

前記ヒーターがカートリッジヒーターおよび平行蛇行流路またはフィンを含む熱伝導性ブロックを含む、請求項７に記載の前記装置。

【請求項10】

前記温度コントローラがさらに熱電対を含む、請求項５に記載の前記装置。

【請求項11】

前記温度コントローラがＰＩＤ制御によって前記温度制御流体の温度を維持する、請求項５に記載の前記装置。

【請求項12】

前記温度コントローラがファジー制御によって前記温度制御流体の温度を維持する、請求項５に記載の前記装置。

【請求項13】

前記流体送達装置、前記温度コントローラ、および前記バルブを制御するコンピュータをさらに含む、請求項６に記載の前記装置。

【請求項14】

請求項１に記載の前記装置であって：
第１の温度にある前記温度制御流体により前記第１の温度制御嚢を充填する第１の流体送達装置、
第２の温度にある前記温度制御流体により前記第２の温度制御嚢を充填する第２の流体送達装置、および
前記第１の温度および前記第２の温度にある温度制御流体の流動を制御するバルブをさらに含む前記装置。

【請求項15】

請求項１４に記載の前記装置であって、前記第１の流体送達装置が第１のポンプおよび第１の温度コントローラを含み、且つ前記第２の流体送達装置が第２のポンプおよび第２の温度コントローラを含む前記装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

技術分野は温度制御装置であり、また具体的には、柔軟性温度制御表面を有する温度制御装置である。

【背景技術】

【0002】

多くの化学および生化学分析法は、分析中の迅速且つ正確な反応温度の変更を必要とする。たとえば、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）は生化学実験室で幅広く使用されている。ＰＣＲプロセス中の基本的な操作は熱循環、すなわち標的ＤＮＡ配列の増幅を可能とするための反応温度の上昇および下降である。ＰＣＲ熱循環は典型的に：サンプルを第１の温度まで加熱；サンプルを第１の温度で維持；サンプルをより低い温度まで冷却；および温度をそのより低い温度で維持する４区分を有する。従来のＰＣＲ機器は、典型的にはその中にサンプルおよびアンプリケーションに必要な試薬を収容する９６個もの円錐形反応管を保持するアルミニウムブロックを用いる。ＰＣＲアンプリケーション処理時は、しばしばペルティエ加熱／冷却装置、またはアルミニウムブロック内に切削された流路内を流れるクローズドループ液体加熱／冷却システムのいずれかを用いてブロックを加熱および冷却する。しかし、アルミニウムブロックの大きな質量およびアルミニウムの熱伝導性によって、加熱および冷却率が１℃／分に制限され；そのため５０サイクルのＰＣＲ増幅プロセスは少なくとも約２時間を要する。

【0003】

さらに、アルミニウムブロックの冷却率は加熱率を大きく下回る。加熱率と冷却率の非対称性によりＰＣＲプロセスの効率が低下する。たとえば、極大／極小値間の温度で望ましくない副反応が発生し、いわゆる「プライマー二量体」および所望のＰＣＲ反応に必要な試薬を消費する異常アンプリコンなどの望ましくないＤＮＡ生成物を生じることがある。その他のプロセス、たとえばリガンド結合（器質的あるいは酵素的）も、しばしば分析を劣化させる不均一な温度の下での望ましくない副反応に苦慮する。これらの理由により、ＰＣＲプロセスおよび同様の生化学反応プロセスの最適化には、所望の至適反応温度にできるだけ迅速に到達し、中間温度で経過する時間を最小限とすることが必要となる。したがって、反応物を収容する反応容器は加熱率および冷却率を最適化し、即時的光学的照合を可能とし、多様なサンプル容積を許容するよう設計しなければならない。

【0004】

特にＰＣＲおよびマイクロアレイハイブリダイゼーションを単一のチャンバー内で実施する場合には、剛性ヒーターはマイクロアレイなどの他の剛性表面の加熱にとって理想的ではない。典型的には、マイクロアレイはオリゴヌクレオチドを表面上に適切に固定するため、およびその後捕捉、延長または生成した生成物を検出するために剛性である必要があるガラスまたはプラスチックスライド上に点在する。したがって、ヒーターを剛性反応チャンバーと接触させるためのよりよい手法に対するニーズが残っている。

【0005】

（関連特許との相互参照）
本明細書は、それらの主題の全文を参照文献として本明細書に援用する、２００７年８月２３日に出願され「温度制御嚢を含むＰＣＲ用熱循環器」と標題を付された出願番号第１１／８４３，８４３号の一部継続出願である、２００８年９月２２日に出願され「柔軟性温度制御表面を有する温度制御装置」と標題を付された米国特許出願第１２／２３２，６６９号の優先権を主張する。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0006】

反応チャンバー内の温度を制御するための装置が開示される。装置は、内部容積を画定し且つハウジングの内部容積内に配置された反応チャンバーを保持するよう寸法取りされたハウジング、およびハウジング内に配置された第１の温度制御嚢を含む嚢アセンブリを含む。第１の温度制御嚢は温度制御流体を受容するよう構成され、且つ温度制御流体を受容した後に反応チャンバーの外面の少なくとも一部と接触する柔軟性（flexible）、熱伝導性表面を含む。

【0007】

反応チャンバーを受容するよう構成された嚢アセンブリを含む嚢熱循環器も開示される。嚢アセンブリは開口部を経てアクセスすることが可能な内部空間を画定するハウジング、および熱伝導性表面を有する少なくとも１つの温度制御嚢を含む。温度制御嚢は温度制御流体によって膨張することが可能であり、且つ熱伝導性表面は温度制御嚢が膨張する時に内部空間内に留置された反応チャンバーの外面と接触を形成する。嚢アセンブリは、前記温度制御流体が第１の温度制御装置を通過する時に温度制御流体を第１の温度とすることのできる第１の温度制御装置、前記温度制御流体が第２の温度制御装置を通過する時に温度制御流体を第２の温度とすることのできる第２の温度制御装置、温度制御流体を第１の温度で嚢アセンブリに送達する第１の流体制御装置、温度制御流体を第２の温度で嚢アセンブリに送達する第２の流体制御装置、および温度制御装置および流体制御装置を制御するシステムコントローラも含む。

【0008】

温度制御嚢アセンブリも開示される。温度制御嚢アセンブリは、第１の温度制御嚢を含む上部ブラケット、第２の温度制御嚢を含む底部ブラケット、および上部ブラケットおよび底部ブラケットと共に組み立てられる時に内部空間を画定する中間ブラケットを含む。第１および第２の嚢は、温度制御流体によって膨張する時に内部空間の内部に留置された反応チャンバーと接触を形成する。

【0009】

温度制御嚢と熱的接触を有する反応チャンバー内の熱循環を生成するための方法も開示される。方法は（ａ）第１の温度の温度制御流体により温度制御嚢を充填し；（ｂ）第２の温度の温度制御流体により温度制御嚢を充填し；更に（ｃ）手順（ａ）と（ｂ）を繰り返すことを含む。

【0010】

反応チャンバー内に熱循環を生成するための方法も開示される。方法は：熱伝導性表面を有する温度制御嚢の近傍へ反応チャンバーを留置し、前記温度制御嚢が温度制御流体により充填される時に熱伝導性表面が反応チャンバーの外面と接触を形成し、第１の温度にある温度制御流体により温度制御嚢を充填し、温度制御嚢における第１の温度で温度制御流体を第１の時間中保持し、第２の温度にある温度制御流体により温度制御嚢を充填し、及び、温度制御嚢における第２の温度で温度制御流体を第２の時間中保持することを含む。

【図面の簡単な説明】

【0011】

発明を実施するための方法は、同様な番号が同様の要素を示す以下の図面に言及する。

【0012】

【図1A】本発明に準拠した装置の１つの実施形態を例示する。図１Ａはそのような装置の部分破断図である。

【図1B】図１Ｂは嚢が相当収縮した状態にあるそのような装置の内部の上面破断図である。

【図1C】図１Ｃは嚢が反応容器に熱的接触を提供するために相当拡張した状態にある、そのような装置の内部の上面破断図である。

【図2】複数の嚢の組を含む本発明に準拠した装置の他の実施形態の部分破断図である。

【図3】嚢アセンブリの細長い設計を示す模式図である。

【図4A】嚢アセンブリの折りたたみ設計を示す模式図である。

【図4B】嚢アセンブリの折りたたみ設計を示す模式図である。

【図5A】モジュラー嚢アセンブリの実施形態を示す模式図である。図５Ａはモジュラー嚢アセンブリの個々の構成要素を示す。

【図5B】図５Ｂは組み立てられたモジュラー嚢アセンブリを示す。

【図5C】図５Ｃは枕型嚢を示す。

【図5D】図５Ｄは２つの拡張した枕型嚢を有する嚢アセンブリを示す。

【図6】デュアルループ循環を有する嚢熱循環器の１つの実施形態を示す模式図である。

【図7】熱交換器のためのアルミニウムブロックを示す図である。

【図8】シングルループ循環を有する嚢熱循環器の１つの実施形態を示す模式図である。

【図9】シングルループ循環を有する嚢熱循環器の第２の実施形態を示す模式図である。

【図10】図９に例示された実施形態について加熱および冷却を時間の関数として示すグラフである。

【図11】デュアルループ循環嚢熱循環器の主な構成要素を示す模式図である。

【図12】図１１のデュアルループ循環嚢熱循環器の熱循環運転からの温度測定値を示す図である。

【図13】図１１のデュアルループ循環嚢熱循環器における熱循環後のＰＣＲ／マイクロアレイスライド上の蛍光シグナルを示す写真である。Ｂａ：バチルス・アンスラシス（Ｂａｃｉｌｌｕｓ ａｎｔｈｒａｃｉｓ）ＤＮＡ用プローブ。Ｃｙ３：マイクロアレイの向きを示すマーカー。

【発明を実施するための形態】

【0013】

この説明は、本発明の全説明文の一部と見なされる付属の図面と関連付けて読まれることを意図している。図面は縮尺を変更する必要がなく、且つ本発明のいくつかの特性は、明確性および簡便性を図るために、縮尺上誇張して、または幾分模式的な形態で示されることがある。記載において、「前部」、「後部」、「上に」、「下に」、「上部」および「底部」などの相対的な用語、さらにその派生形は、そのとき記載されているか、または議論されている図面に示されている向きを指していると解釈すべきである。これらの相対的な用語は記載の簡便性を目的としており、通常は具体的な向きを必要とすることを意図していない。「接続された」および「着接された」などの着接、連結などに関する用語は、特に説明的に記載されていない限り、構造体が互いに直接的または介在構造物を介して間接的に固定または着接されている関係、さらには可動性または剛性着接または関係を指す。

【0014】

本明細書に記載する実施形態で用いるところの用語「温度制御嚢」は熱伝導性表面を有する中空、柔軟性容器を指す。温度制御嚢はあらゆる形状およびサイズとすることができる。温度制御嚢は、温度制御流体によって充填されるかまたは膨張するとき、温度制御嚢内部の温度制御流体と、温度制御嚢の熱伝導性表面と接触する物体の間の熱伝達を促進することができる。

【0015】

本明細書に記載された実施形態で用いるところの用語「流体」は、加えられた剪断応力がどれだけ小さいかに関わらず、加えられた剪断応力の元で連続的に変形（流動）する物質を指す。流体は物質の相の部分集合であり、且つ液状物、気体、エアロゾル（気流中の粒子）、ゲル、プラズマ、さらにある程度までは、固形物を含む。

【0016】

本発明の実施形態の記載においては、明確性を目的として具体的な用語を用いる。しかし、本発明はそのように選択された具体的な用語によって制限されることを意図していない。各具体的な要素は、同様の目的を達成するために同様の様式で作動する全ての技術的同等物を含むことを理解すべきである。

【0017】

第１の態様においては、本発明は画定された容積の温度を制御するための装置を提供する。１つの実施形態においては、画定された容積は、化学反応物を保持し且つその中で制御された温度で化学反応を実施するために構成された反応チャンバーである。図１Ａに示す１つの実施形態においては、温度制御装置１０００は内部空間１０１２を画定するハウジング１００４を含む。ハウジング１００４は当業者に周知の材料および設計により構築することができる。そのような材料の例はプラスチック、金属、セラミック、複合材などを含むが、制限はない。ハウジングの実施形態の例は、ハウジングが軽量構造である（例：薄型プラスチック）、密封される（例：有害化学物質および生物学的物質などの有害物質の収容のためなど）、または内部空間の真空を維持することができるものを含む。したがって、一部の実施形態においては、ハウジング１００４はハウジング１００４の内部空間１０１２の内部の中に減圧する（すなわち真空を誘導する）ための手段を含む。他の実施形態においては、ハウジング１００４は試薬を添加するための１つまたはそれ以上の入口またはポートを含む。ハウジング１００４はセンサー、反応物サプライおよび当業者に周知の他の構成要素も含んでもよい。さらに多くの設計および規格が当業者に周知となるであろう。材料および設計の具体的な選択は、当業者に理解されると思われるように、予測される装置の機能および操作条件に依存するであろう。

【0018】

再び図１Ａを参照すると、温度制御装置１０００は、さらにハウジング１００４の内部空間１０１２に留置された反応チャンバー１００８を含む。反応チャンバー１００８は、反応チャンバー１００８内で内部容積１０２０を画定する熱伝導性チャンバー壁１０１６を含む。反応チャンバー１００８は当業者に周知の材料および設計によって構築することができる。そのような材料の例はプラスチック、金属、セラミック、複合材などが含むが、制限はない。例示的実施形態は、反応チャンバーが軽量構造である（例：薄型プラスチック）、密封される（例：有害化学物質および生物学的物質などの有害物質を収容するためなど）、または真空を保つことができるものを含む。一部の実施形態においては、反応チャンバー１００８は単一の材料混合物を保持するよう設計され、且つより具体的な実施形態においては、閉じられたチャンバーを形成するためのキャップあるいは他の封を含む。さらに多くの設計および規格が当業者に周知となるであろう。たとえば、反応チャンバーは試薬を添加するか、または反応生成物を取出するための１つまたはそれ以上の入口またはポート、内部センサー、および外部センサーのための窓を含んでもよい。材料および設計の具体的な選択は、当業者に理解されると思われるように、予測される装置の機能および操作条件に依存するであろう。

【0019】

再度図１Ａを参照すると、ハウジング１００４の内部１０１２には、反応チャンバー１００８に近接して配置され、且つ反応チャンバー１００８の内部容積１０２０の温度を制御、調節または異なる温度に変化させるために構成された１つあるいはそれ以上の温度制御嚢１０２４も配置されている。温度制御嚢１０２４は、当業者に理解されるように、適切な機械的および熱的性質を有する材料より構成される。適切な材料の例には、シリコン、ホイル、ラテックス、マイラー、ポリウレタン、ポリプロピレン、およびポリエチレンが含まれるが、これに限定されない。各温度制御嚢１０２４は、入口１０２８を経て温度制御嚢１０２４の内部空間１０４０に導入され、出口１０３２より取出される、液状物または気体などの温度制御流体を受容するよう構成される。１つの実施形態においては、温度制御流体は、その中で温度制御流体が所望の温度に維持されるレザバーまたは他の貯蔵場所に貯蔵される。他の実施形態においては、レザバーは温度制御機能をまったく有さない。温度制御流体の温度は、レザバーと温度制御嚢１０２４の間に位置する温度コントローラによって操作される。温度コントローラは、温度制御流体が温度コントローラを通過するにつれて流体の温度を迅速に変化させることのできるヒーターまたはヒーター／クーラーの組合せである。

【0020】

今度は図１Ｂおよび１Ｃを参照すると、温度制御嚢１０２４は分離した位置において反応チャンバー１００８とほとんど接触しない（図１Ｂ）。温度制御嚢１０２４への温度制御流体の導入が温度制御嚢１０２４の膨張を誘発し、かつ温度制御嚢１０２４を、相当非隣接的な分離位置（図１Ｂ）から温度制御嚢１０２４がチャンバー壁１０２６（図１Ｃ）の少なくとも一部と隣接する係合位置に転換する。温度制御嚢１０２４とチャンバー壁１０１６の直接的接触により、温度制御流体と反応チャンバー１００８の内部容積１０２０の間の熱交換が可能となる。１つの実施形態においては、温度制御嚢１０２４は高熱伝導性の表面を含み、且つ温度制御嚢１０２４が温度制御流体で満たされたとき高熱伝導性の表面がチャンバー壁１０１６に隣接するように構成される。

【0021】

したがって、反応チャンバー１００８の内部容積１０２０の温度は、温度制御流体を温度制御嚢１０２４に導入して温度制御嚢１０２４と反応チャンバー１００８の間に熱的接触を確立し、さらに温度制御嚢１０２４より温度制御流体を抜出して温度制御嚢１０２４を反応チャンバーより分離することにより、制御された様式で調節することができる。代替的に、反応チャンバー１００８の内部容積１０２０の温度は、温度制御嚢１０２４を反応チャンバー１００８より分離することなく、温度制御嚢１０２４の内部１０４０の温度制御流体を異なる温度の温度制御流体と置換することによって調節することができる。

【0022】

温度制御流体の例は水、塩水、不凍液、油およびシリコンを含むが、これに限定されない。他の適切な温度制御流体、そのような流体の温度を調節するための手段、およびそのような流体を嚢に導入、およびそこから抜出するための手段も当業者に周知である。１つの実施形態においては、温度制御流体はゲル材料であり、温度制御流体を嚢に導入し且つ温度制御材料をそこから抜出するための手段はポンプであり、且つ温度制御流体の温度を調節するための手段は抵抗またはペルティエヒーターである。

【0023】

図２はハウジング２００４の他の実施形態を示す。この実施形態においては、反応チャンバー２００８は、反応混合物２００９、２０１０および２０１１が一般に「スラグ」と呼ばれる規定され分離された容積の状態で、反応チャンバー２００８の内部空間２０１４を経てその中を移動するほぼ管状の設計を有する。反応チャンバー２００８の近傍に隣接するのは、反応チャンバー２００８の対向する両側に対にして配列された２組の温度制御嚢（２０１６および２０２０）である。嚢２０１６および２０２０は、入口２０１７および出口２０１８を経てそれぞれ温度制御流体のレザバーに接続される。嚢２０１６および２０２０は上述のように、すなわち温度制御流体で充填された後反応チャンバー２００８と掛合して作動する。１つの実施形態においては、スラグは反応チャンバー２００８の内部空間２０１４を経て輸送され、さらに上述のような熱交換によってスラグの温度を調節するために、１つまたはそれ以上の嚢の対がその上で反応チャンバー２００８の外壁２０１５と係合する規定された位置で停止する。１つの実施形態においては、全ての嚢によってほぼ同等の熱交換をもたらすために、嚢２０１６および２０２０は単一の温度の温度調節流体で充填される。他の実施形態においては、各嚢が異なる温度の温度制御流体を保持する。他の実施形態においては、各嚢が異なる熱交換特性を提供するために、異なる温度制御流体を保持する。

【0024】

他の実施形態においては、ハウジングは１つまたはそれ以上の温度制御嚢を含むが、固定された形状または容積の反応チャンバーは含まない。ハウジング上の開口部は、ＰＣＲ管またはマイクロアレイスライドなどの反応チャンバーの温度制御嚢近傍への挿入を可能とする。温度制御嚢は、温度制御流体によって膨張するとき、ハウジングの内部で拡張し且つ挿入された反応チャンバーの外部と直接的接触を形成する。この設計は、温度制御嚢の柔軟性表面が反応チャンバーの外面の輪郭に密着し、これにより温度制御嚢と反応チャンバーの間の効率的な熱伝達をもたらすことを可能とする。

【0025】

当業者は、温度制御嚢の形状が球状から細長い管状設計まで相当変化することが可能であることを理解するであろう。図３は、一対の温度制御嚢３０１０を用いたマイクロアレイスライド（３００８）のための加熱配列を示す。この実施形態においては、温度制御嚢３０１０は、反応チャンバーの長方形の幾何学配置を収容するために細長い形状を有する。嚢の対３０１０の間に複数のマイクロアレイスライドまたは反応管を留置してもよい。入口３０１２および出口３０１４は温度制御嚢３０１０の対向する両末端に配置される。入口３０１２および出口３０１４は、熱循環のための加熱された流動配管または回路に接続される。１つの実施形態においては、温度制御嚢３０１０は、切断して付形し、外周にそって互いに接着または融着される２枚の柔軟性材料のシートより作成される袋である。

【0026】

他の実施形態においては、単一の温度制御嚢４０１２（図４Ａ）をハウジング４００４の内側でＵ字状に折りたたみ、温度制御嚢４０１２が温度制御流体で満たされる時に反応チャンバー４００８に隣接する１対の温度制御嚢アーム４０１０（図４Ｂ）を形成する。

【0027】

さらに他の実施形態では、１つまたはそれ以上の温度制御嚢４０１２が、ハウジング４００４を伴わずに反応チャンバー４００８を受容するよう構成される。

【0028】

図５Ａ〜５Ｄは温度制御嚢アセンブリの他の配置を示す。この実施形態においては、嚢および反応チャンバーを保持するハウジングはモジュラーアセンブリ５０００により形成される。図５Ａに示すように、モジュラーアセンブリ５０００は温度制御嚢５０１２を封入する上部ブラケット５０１０、第１のクッション５０２０、中間ブラケット５０３０、第２のクッション５０４０、および温度制御嚢５０５２を封入する下部ブラケット５０５０を含む。温度制御嚢５０１２および５０５２は、柔軟性且つ熱伝導性の材料より製造され、且つ上部および下部ブラケット５０１０および５０５０上の入口ポート（５０１４、５０５４）および出口ポート（５０１６、５０５６）を経て、循環温度制御流体に接触する。入口ポートおよび出口ポートは温度制御嚢の基部にあるブラケットに配置されてフルイディクス（流体の流路）と接続し、温度制御流体が温度制御嚢５０１２および５０５２に流入および流出することを可能とする。温度制御嚢５０１２または５０５２の基部は、Ｏリング５０１８または５０４８によりブラケット５０１０または５０５０とそれぞれ封着される。中間ブラケット５０３０はＵ字型ブラケットであり、モジュラーアセンブリ５０００の他のモジュールと共に組み立てられるとき、開口部５０３４を経てアクセス可能な内部空間５０３２を画定する。開口部５０３４および内部空間５０３２は、特定の用途のためにその用途に用いられる反応チャンバーを受容するためのサイズ及び形状を有するよう設計される。

【0029】

ブラケット５０１０および５０５０は、それぞれ内部空間５０３２に対して開いた開口部５０１７または５０５７を含む。操作中、温度制御流体は温度制御嚢５０１２および５０５２を充填および加圧し、これが開口部５０１７および５０５７を経て拡張し且つ反応チャンバーの上側および下側に対して強固に圧迫する１対の枕状温度制御表面を形成する。

【0030】

図５Ｂは、反応チャンバーを受容するための開口部５０３４を有する組み立てられたモジュラーアセンブリ５０００を示す。図５Ｃは、ブラケットとクッションの間に封着された後、温度制御流体によって膨張することが可能な枕状嚢の拡大図である。図５Ｄは、１対の拡張した枕型嚢を有する嚢アセンブリを示す。スライド、管、またはカートリッジの形態の反応チャンバーを２つの膨張した嚢の間に保持することができる。

【0031】

他の実施形態においては、反応チャンバーの内部容積に収容される物質（１つあるいはそれ以上のスラグの形態であってもよい）は、ＰＣＲ反応を実施するための試薬混合物である。より具体的な実施形態においては、反応チャンバーは、市販されているような、ＰＣＲ試薬を保持するディスポーザブル分析カートリッジである。１つの具体的な実施形態は、１つのオリゴマーのＰＣＲ増幅のための反応物を収容する単一の静的反応チャンバーを含む。それぞれの嚢が同じ循環温度制御物質を収容する、１つあるいはそれ以上の温度制御嚢を反応チャンバーと接触させる。

【0032】

他の実施形態においては、温度が異なる２つあるいはそれ以上の温度制御流体レザバーからの温度制御流体の進路をバルブによって変更し、温度制御嚢内の温度制御流体を交換することによって反応チャンバー内のＰＣＲ混合物を異なる温度とすることができる。熱循環中、たとえば９５℃などの温度制御流体が温度制御嚢内に循環して加熱し、それによってオリゴマーを変性し、その後抜出する。次に、６０℃の温度制御流体が温度嚢内に循環し、プライマーが加水分解および延長してＰＣＲアンプリケーション生成物を生成することを可能とする。この連鎖を約３０から５０サイクルまで実施する。

【0033】

他の実施形態においては、２つの温度制御嚢が単一の反応チャンバーと接触させられ、そこで各嚢が収容する循環温度制御物質の温度は異なる（例：一方が９５℃、もう一方が６０℃など）。上述のような温度嚢の拡張および収縮は、どちらの嚢が反応チャンバーまたは流路と接触するかを決定する。

【0034】

さらに他の実施形態においては、単一の反応チャンバーが単一の流路に２つあるいはそれ以上の反応領域を有する。各領域は異なる温度調節嚢と接触し；さらに各嚢は、たとえばそれぞれ９５℃と６０℃などのように異なる温度にある。反応スラグは温度領域間を前後に動き、所望の熱循環を作り出す。（上述の図２を参照。）

【0035】

他の実施形態においては、１つあるいはそれ以上の温度制御嚢を単一の抵抗ヒーター、ペルティエ、または温度制御空気またはその組み合わせのいずれかと置き換える。

【0036】

他の実施形態においては、上述の反応チャンバーは各マイクロアレイスポットにプライマーが固定されたマイクロアレイに置き換えられる。

【0037】

他の実施形態においては、嚢熱循環器は反応チャンバーを受容するよう構成された少なくとも１つの温度制御嚢、および温度制御流体を所望の温度で温度制御嚢に送達する少なくとも１つの流体制御装置を含む。各温度制御嚢は、温度制御嚢が温度制御流体によって膨張するとき反応チャンバーと接触する柔軟性、熱伝導性表面を含む。

【0038】

１つの実施形態においては、嚢熱循環器は、代替的に２つあるいはそれ以上の温度にある嚢アセンブリを経た温度制御流体サイクリングによって構築される。図６は２つの温度領域６０１０および６０２０を有する嚢熱循環器６０００およびデュアルループ循環システムを示す流体フローダイアグラムである。この装置は、温度制御のソースとして第１温度領域熱交換器６０１２および第２温度領域熱交換器６０２２を利用する。熱交換器６０１２および６０２２は、ユーザーの規定する設定ポイントで各温度領域において定常状態温度を維持する１つまたはそれ以上のヒーターまたはヒーター／クーラー装置をそれぞれ含む。共調するバルブ６０３０、６０３２および６０３４は温度領域６０１０（たとえば８０〜１０５℃の温度に維持）または温度領域６０２０（たとえば５０〜７０℃に維持）のいずれかより温度制御流体を誘導して、嚢６０４０内を流動させ、その間にポンプ６０５０および６０５２は１方向を持続し且つＴ字型接合６０６０、６０６２および６０６４を経て各領域に流体を再循環させる。温度制御嚢６０４０は、熱損失を最小化するために温度領域より下流に接して配置される。１つの実施形態においては、装置６０００は温度制御流体より気泡を除去するバブルトラップ６０７０をさらに含む。ポンプ６０５０および６０５２は固定または可変スピードを有してもよい。可変スピードは、嚢拡張および収縮に対してより優れた流体圧制御の利点を提供する。たとえば、温度センサーとポンプスピード制御の間のフィードバックループを利用することなどによって、温度制御の精密な調整も可能とする。

【0039】

１つの実施形態においては、装置６０００のバルブ、ポンプ、および熱交換器は熱循環プロトコルを含むソフトウェアを用いたシステムコントローラによって制御される。システムコントローラは、嚢熱循環器６０００の構成要素の共調および伝達を提供する。システムコントローラは：（ａ）システム全体に対する単一のユーザーインターフェースを提供し；（ｂ）ユーザーがシステムに付随する全ての構成要素の状態を迅速に決定することを可能とし；且つ（ｃ）構成の変更を可能とするパラメーターの変更のための入力を受信するよう設計される。１つの実施形態においては、システムコントローラはメモリ、コントローラおよび外部ポートを有する。メモリは熱循環プロトコルを保存するために用いてもよい。１つの実施形態においては、メモリはフラッシュメモリである。コントローラは嚢熱循環器の作動を監視および制御し、且つユーザーにシステム全体の状態についてのインターフェースを提供する。たとえば、コントローラは嚢状熱循環器６０００におけるサイクリングのタイミングおよび温度制御流体の温度を段階付けしてもよい。

【0040】

１つの実施形態においては、コントローラは小さく、軽量且つ標準的な市販汎用（ＣＯＴＳ）製品として入手可能である。他の実施形態においては、コントローラはＣＯＴＳ商品であり、且つパッシブＰＣＩバスバックプレーンを有するマイクロボックスＰＣとしてパッケージ化される。この構成によって、コンピュータハードウェア技術が向上するにつれて構成要素のモジュラリティを容易にアップグレードすることが可能となる。他の実施形態においては、コントローラはＰＣＩバス、イーサネット（登録商標）およびＲＳ−２３２シリアルなどその周辺インターフェースがすでに組み込まれているシングルボードコンピュータ（ＳＢＣ）上にある。フラッシュメモリおよびＤＲＡＭは、ＳＢＣ上で着脱式メモリソケットを有する制御システム要件に合わせて寸法を決めることができる。コントローラから嚢熱循環器６０００の他の構成要素への伝達は、ＰＣＩバス互換性のＣＯＴＳデータ取得、デジタル入力／出力、およびアナログ入力／出力回路カードによって処理される。

【0041】

外部ポートは、メモリにソフトウェアアップグレードをダウンロードし且つ外部トラブルシューティング／診断を実施するために用いられる。１つの実施形態においては、嚢熱循環器６０００は再充電および再使用することのできる１個または複数の長時間バッテリーによって電源を供給される。

【0042】

１つの実施形態においては、各温度領域６０１０または６０２０における定常状態温度は、比例積分微分コントローラ（ＰＩＤコントローラ）によって維持される。ＰＩＤ制御は、産業用制御システムに幅広く用いられる汎用制御ループフィードバック機構であり、且つ当業者に周知である。他の実施形態においては、ＰＩＤ制御はファジー制御などの他の制御の種類に置き換えられる。ファジー制御システムは、ファジー論理（０または１（真または偽）のいずれかの計数値により操作する古典的またはデジタル論理と異なり、アナログ入力値を０から１の間の連続変数である論理変数に換算して分析する数学的システム）に基づく制御システムである。ファジー制御システムも当業者に既知である。

【0043】

加熱された流体の大型レザバーまたはドラムを用いて熱循環を駆動するローレンスバークリー・ナショナルラボ（Ｌａｗｒｅｎｃｅ Ｂｅｒｋｅｌｅｙ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｌａｂ）による液状物ベース熱循環器などの一部の先行技術装置と異なり、嚢熱循環器６０００は加熱された流体のレザバーなしで操作することができる。１つの実施形態においては、温度制御流体が温度領域６０１０または６０２０を通過するにつれて、温度制御流体はそれぞれ熱交換器６０１２または６０２２内で特注のインラインヒーターにより加熱される。加熱された温度制御流体は再循環され、温度制御嚢６０４０を加熱するのに必要な流体の量を減少させる。流体の量がより小さいことにより、今度は熱交換器６０１２または６０２２においてより一層小さなヒーター／クーラーを用いることが可能となる。

【0044】

１つの実施形態においては、加熱装置は各加熱ブロックに包埋された１つまたはそれ以上のカートリッジヒーターおよび熱電対を有する２つの加熱ブロックによりそれぞれ構成される。今度は図７を参照すると、１つの実施形態においては、加熱ブロック７０００はカバー７０１０および基盤７０２０を含む。基盤７０２０は、循環する温度制御流体が加熱ブロック７０００を通って流れる際に、これを迅速、効率的に加熱するための平行蛇行流路またはフィン７０２２を含む。加熱ブロック７０００内の熱電対（示さず）は、加熱ブロック７０００の温度を監視し、且つブロックの温度のＰＩＤ制御を可能とする。加熱ブロック７０００は、典型的には金属または合金などの熱伝導性材料より製造される。１つの実施形態においては、加熱ブロック７０００はアルミニウムより製造される。

【実施例1】

【0045】

（シングルループ循環を有する嚢熱循環器）
図８は、シングルループ循環嚢熱循環器８０００の１つの実施形態の模式図を提供する。当業者が理解するような標準的構成のポンプ８００２を、当業者に既知の材料を用いて製造される熱交換器８００６を通って水を運搬する出口ライン８００４に接続する。熱交換器からの出口ライン８００８は、水を約９５℃に加熱するよう構成された第１のヒーター８０１０に水を運搬する。次に水は、第２の嚢８０２２に連結された第２の嚢支持体８０２０とほぼ対向する配置にある、第１の嚢８０１８に連結された第１の嚢支持体８０１６を含む嚢ユニット８０１４に流路を分割する枝管８０１２を通過する。嚢ユニット８０１４より流出する水は、第２の枝管８０２４により再合流して単一の流路となった後、さらに水を約６５℃に加熱するよう構成された第２のヒーター８０２６に流入する。復流路８０２８は水をポンプに戻す。各嚢は５ミリリットル（ｍＬ）の容量を有し、各ヒーターは２２ｍＬを保持することが可能であり、また熱交換器は５ｍＬから２２ｍＬを保持することが可能である。水を各ヒーターと熱交換器の間で可逆的に循環させることにより、嚢は嚢ユニット内に保持されたサンプルの温度を基準開始温度である６５℃と、９５℃の間で循環させることができる。

【0046】

図９は、シングルループ循環嚢熱循環器９０００の他の実施形態の模式図を提供する。当業者が理解するような標準的構成のポンプ９００２を、二方向バルブ９００６を通って水を約９５℃に加熱するよう構成された第１のヒーター９０１０に水を運搬する出口ライン９００４に接続する。次に水は、第２の二方向バルブ９００８、および第２の嚢９０２２に連結された第２の嚢支持体９０２０とほぼ対向する配置にある、第１の嚢９０１８に連結された第１の嚢支持体９０１６を含む嚢ユニット９０１４に流路を分割する枝管９０１２を通過する。嚢ユニット９０１４より流出する水は、第２の枝管９０２４により再合流して単一の流路となる。復流路９０２８は水をポンプに戻す。水は二方向バルブ９００６に戻り、水を約６５℃に加熱するよう構成された第２のヒーター９０２６に進路を変更する。次に水はバブルトラップ９０３０および第２の二方向バルブ９００８を通過し、枝管９０１２を経て嚢ユニット９０１４に流入する。１つの実施形態においては、嚢９０１８および９０２２はそれぞれ５ミリリットル（ｍＬ）の容量を有し、且つヒーターはそれぞれ２２ｍＬを保持することができる。水を各ヒーター間で循環させることにより、嚢は嚢ユニット内に保持されたサンプルの温度を基準開始温度である６５℃と、９５℃の間で循環させることができる。

【0047】

図１０は、図９を参照して記載された装置を用いた熱循環実験を示す。この実験においては、反応チャンバーの水は９５℃から６５℃に冷却され、６５℃で約２５秒間保持され、約９５℃に加熱され、約１秒間その温度で保持され、その後再び６５℃に冷却された。温度曲線は急速な加熱および冷却速度を示した（加熱時約１５℃／秒および冷却時６０℃／秒）。

【実施例2】

【0048】

（デュアルループ循環を有する嚢熱循環器）
嚢熱循環器のプロトタイプは、図６に示すデュアルループ循環設計に基づいて構築される。図１１は、嚢熱循環器の主な構成要素を示す模式図である。デュアル循環嚢熱循環器１１００は、熱交換ブロック１１１０および１１１２、ポンプ１１２０および１１２２、三方向バルブ１１３０、１１３２および１１３４、および図５に示すモジュラー設計を有する温度制御嚢アセンブリ１１４０を含む。反応チャンバー（示さず）は、温度制御嚢アセンブリ１１４０内の２つの温度制御嚢に隣接する内部空間内に留置される。第１の温度の温度制御流体は、熱交換ブロック１１１０、ポンプ１１２０、三方向バルブ１１３４および１１３０を含む第１の循環ループを経て、温度制御嚢アセンブリ１１４０内を循環する。第２の温度の温度制御流体は、熱交換ブロック１１１２、ポンプ１１２２、三方向バルブ１１３２および１１３０を含む第２の循環ループを経て、温度制御嚢アセンブリ１１４０内を循環する。

【0049】

実際のプロトタイプ嚢熱循環器は３つの階層を有する。機器の底部層は２つの熱交換器および２つのポンプを収容する。装置の中間層は３つの三方向バルブ、および１対の温度制御嚢の間に反応管を保持するモジュラー嚢アセンブリを収容する。第３の層は電源および、その２つが２つの熱交換ブロックをそれぞれ制御し、１つがバルブを制御し、４つ目が反応容器または嚢の温度を監視する、４つのＰＩＤ温度コントローラを収容する。約１００ｍＬの鉱物油を循環温度制御流体として用いた。プロトタイプ嚢熱循環器内には真の冷却装置は存在しない。

【実施例3】

【0050】

（デュアルループ循環嚢熱循環器は良好な熱循環プロフィールを提供する）
図１２は、実施例２に記載したデュアルループ循環嚢熱循環器により実施された熱循環運転の温度プロフィールを示す。運転中に第１の熱交換ブロック１１１０（すなわち高温領域）、第２の熱交換ブロック１１１２（すなわち低温領域）および反応チャンバーの内部の温度を測定した。図１２に示すように、高温領域および低温領域は定常状態を保つ。領域は、温度領域から嚢アセンブリまでの流体経路における熱損失を補償する温度オフセットを生成するために、熱循環プロトコル（PROTOCOL）の目標温度よりもわずかに高い温度に維持される。この温度オフセットは、循環する温度制御流体が移動しなければならない経路の長さを短縮すること、および流体経路の周囲に断熱材料を用いることにより最小化することができる。嚢アセンブリを通過する温度制御流体を切り替える原理が反応チャンバー内に意図した温度調節をもたらすことができることが、良好な熱循環温度プロフィールにより証明された。

【0051】

従来の熱循環器と異なり、反応チャンバーの温度変化にある熱交換器と比較した遅れによる嚢熱循環器のためのヒーター温度の計画的なオーバーシュートおよびアンダーシュートは、プログラムする必要はない。オーバーシュートおよびアンダーシュートは、典型的にはそれぞれ加熱および冷却勾配率を高めるために用いられる。これらのオーバーシュートおよびアンダーシュートに対する制御は複雑となり、ヒーター（例：抵抗、圧電など）および冷却（例：熱電、圧電、冷媒、ファンなど）構成要素を厳密に制御するアルゴリズムを必要とすることがある。

【0052】

デュアルループ循環嚢熱循環器は、反応チャンバーを収容するマイクロアレイスライド上で迅速な熱循環を実施することができる。ＭＪリサーチ・グリドル・アンド・タワー（ＭＪ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｇｒｉｄｄｌｅ ａｎｄ ｔｏｗｅｒ：Ｇｌｏｂａｌ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ， Ｉｎｃ．，ミネソタ州ラムジー）などの従来の装置は、緩徐な勾配時間により典型的には４０サイクルのＰＣＲに数時間を要する。さらに、アレイ位置の間およびアレイ位置の中で温度が相当異なることがある。デュアルループ循環嚢熱循環器は、非常に均一な熱分布および熱移動を提供しながら、ＰＣＲ反応チャンバーを収容するスライドまたは流動セルの熱循環を４０分またはそれ以下で達成する。さらに、嚢熱循環器は連関した熱循環およびマイクロアレイハイブリダイゼーションを実施することができる。

【0053】

今度は図１３を参照すると、ＰＣＲ反応チャンバー内のマイクロアレイよりなるスライドを、バチルス・アンスラシス（Ｂａｃｉｌｌｕｓ ａｎｔｈｒａｃｉｓ）ゲノムＤＮＡの共役ＰＣＲ増幅およびマイクロアレイハイブリダイゼーションに付した。蛍光標識プライマーを用いて、１０コピーのバチルス・アンスラシスゲノムＤＮＡを増幅した。図１３に示すように、ＰＣＲ生成物に対して相補的なプローブで陽性蛍光シグナル（positive
fluorescence signal）が検出され、増幅されたバチルス・アンスラシスＤＮＡ生成物はチャンバー内で表面上に固定された相補的オリゴヌクレオチドプローブに対し、それぞれ特異的にハイブリダイゼーションされることが示された。

【0054】

本明細書には多様な具体的実施形態および実施例が記載されているものの、当業者は本発明の多くの異なる実践が、本開示の趣旨および範囲を逸脱することなく達成可能であることを理解するであろう。

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図5D】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】