特許 5761767 温度制御装置、及び温度素子

(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】5761767

(24)【登録日】2015年6月19日

(45)【発行日】2015年8月12日

(54)【発明の名称】温度制御装置、及び温度素子

(51)【国際特許分類】

   C12M 1/00 20060101AFI20150723BHJP

【ＦＩ】

   C12M1/00 A

【請求項の数】10

【全頁数】24

(21)【出願番号】特願2013-520468(P2013-520468)

(86)(22)【出願日】2012年5月8日

(86)【国際出願番号】JP2012061747

(87)【国際公開番号】WO2012172884

(87)【国際公開日】20121220

【審査請求日】2013年10月1日

(31)【優先権主張番号】特願2011-134496(P2011-134496)

(32)【優先日】2011年6月16日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】592218300

【氏名又は名称】学校法人神奈川大学

(74)【代理人】

【識別番号】100106002

【弁理士】

【氏名又は名称】正林 真之

(74)【代理人】

【識別番号】100120891

【弁理士】

【氏名又は名称】林 一好

(72)【発明者】

【氏名】山口 栄雄

【審査官】 藤井 美穂

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−０５５２９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１００９３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 奥脇容子ら，PN直接駆動型可搬サーマルサイクラーの作製とDNA増幅，電子情報通信学会大会講演論文集，２０１２年 ３月 ６日，Vol.2012, エレクトロニクス2，p.14

【文献】 J. Micro/Nanolith. MEMS MOEMS，２００９年 ４月，Vol.8, No.2，#021115

【文献】 Electrochem. Solid-State Lett.，２００８年 ４月，Vol.11, No.4，pp.H103-H106

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ１２Ｍ １／００

Ｃ１２Ｎ １５／００

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

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。

【請求項2】

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。

【請求項3】

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。

【請求項4】

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。

【請求項5】

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。

【請求項6】

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。

【請求項7】

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。

【請求項8】

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。

【請求項9】

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。

【請求項10】

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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＤＮＡ検体を増幅するＰＣＲ法等の液体の温度を制御する方法に適用可能な温度制御装置、及び温度素子に関し、特に、ＰＣＲ法におけるＤＮＡ検体等の液体に対する温度制御の高応答性を実現可能な温度制御装置、及び温度素子に関する。

【背景技術】

【0002】

一般に、ＤＮＡ（Ｄｅｏｘｙｒｉｂｏｎｕｃｌｅｉｃ ａｃｉｄ、デオキシリボ核酸）を増幅する手法として、ＰＣＲ法（Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ ｃｈａｉｎ Ｒｅａｃｔｉｏｎ、ポリメラーゼ連鎖反応法）が知られている。ＰＣＲ法は、ＤＮＡ検体に対して、当該ＤＮＡ検体と反応させるプライマ、酵素、及びデオキシリボヌクレオシド三リン酸を加えた反応溶液を、温度目標値の時間推移の所定パターンにしたがって加熱又は冷却する処理を繰り返すことによって、ＤＮＡを増幅する手法である。

【0003】

このようなＰＣＲ法によりＤＮＡを増幅する従来のＤＮＡ増幅装置においては、ＤＮＡ検体（反応溶液）を加熱又は冷却するために、ペルチェ効果を有する素子（以下、「ペルチェ素子」と称する）が利用されている（特許文献１，２参照）。ペルチェ効果とは、異なる導体、例えばｐ型半導体とｎ型半導体との接合に対して電流を流した場合に、その接合部で熱の吸収が発生する現象をいう。

【0004】

図１は、従来のペルチェ素子１の概略構成を示す断面図である。

【0005】

従来のペルチェ素子１は、図１中下方から順に、放熱板２１Ｂと、電圧が印加される電極板２３Ｐ，２３Ｎと、電極板２３Ｐに接合されるｐ型半導体２４Ｐ及び電極板２３Ｎに接合されるｎ型半導体２４Ｎの組と、この組に接合される電極板２２Ａと、放熱板２１Ａとが積層されて構成される。

【0006】

なお、特許文献２においては、電極板２３Ｐ，２３Ｎに相当する金属板ａ１１，ａ１２と、ｐ型半導体２４Ｐ及びｎ型半導体２４Ｎの組に相当するｐ型半導体ａ４及びｎ型半導体ａ３の組と、電極板２２Ａに相当する金属板ａ２とからなるものを、ペルチェ素子と称している（特許文献２の図６参照）。しかしながら、特許文献２でいうペルチェ素子により加熱又は冷却される被温度制御対象は、熱伝導板１２，２２等を介在して配設されている（特許文献２の図１参照）。即ち、図１において、被温度制御対象は容器３１であり、この容器３１と電極板２２Ａとの間に放熱板２１Ａが介在していることと、特許文献２において、被温度制御対象（容器３１に相当）と金属板ａ２との間に熱伝導板１２，２２等を介在していることとは等価である。換言すると、特許文献２における熱伝導板１２，２２等は、図１の放熱板２１Ａに相当する。同様に、特許文献２における放熱フィン５１，５２の下面部は、図１の放熱板２１Ｂに相当する。以上まとめると、特許文献２には、図１の従来のペルチェ素子１をそのまま用いて、被温度制御対象に対する温度制御が実行されることが単に開示されているに過ぎない。

【0007】

以下、説明の簡略上、従来のペルチェ素子１の図１中上方の面側の部位、即ち、放熱板２１Ａ及び電極板２２Ａをまとめて、「Ａ面部位」と称する。一方、ペルチェ素子１の図１中下方の面側の部位、即ち、放熱板２１Ｂ及び電極板２３Ｐ，２３Ｎをまとめて、「Ｂ面部位」と称する。また、電極板２３Ｎを基準として、電極板２３Ｎが高電位になり、電極板２３Ｐが低電位になるように電圧が印加されることを、以下、「従来のペルチェ素子１にプラス電圧が印加される」と表現する。逆に、電極板２３Ｎが低電位になり、電極板２３Ｐが高電位になるように電圧が印加されることを、以下、「従来のペルチェ素子１にマイナス電圧が印加される」と表現する。

【0008】

例えば図１に示すように、ＤＮＡ検体（反応溶液）が収容された容器３１が、従来のペルチェ素子１のＡ面部位側に、より具体的には、放熱板２１Ａの表面上に配置されているとする。

【0009】

この場合、従来のペルチェ素子１にプラス電圧が印加されると、電流が、電極板２３Ｎから電極板２３Ｐに向けて流れる。具体的には、電流が、電極板２３Ｎ、ｎ型半導体２４Ｎ、電極板２２Ａ、ｐ型半導体２４Ｐ、及び電極板２３Ｐの順に流れる。その結果、Ａ面部位が吸熱部となり、Ｂ面部位が発熱部となる。具体的には、従来のペルチェ素子１に印加されたプラス電圧によって、電極板２３Ｎから電極板２３Ｐに向けて流れる電流の値に応じて、Ａ面部位が低温となりＢ面部位が高温となるような温度差△Ｔが生ずる。これにより、容器３１の熱がＡ面部位に吸熱され、容器３１が冷却される。

【0010】

これに対して、従来のペルチェ素子１にマイナス電圧が印加されると、電流が、プラス電圧が印加された場合とは逆方向に流れる。具体的には、電流が、電極板２３Ｐ、ｐ型半導体２４Ｐ、電極板２２Ａ、ｎ型半導体２４Ｎ、及び電極板２３Ｎの順に流れる。その結果、プラス電圧が印加された場合とは逆に、Ａ面部位が発熱部となり、Ｂ面部位が吸熱部となる。具体的には、従来のペルチェ素子１に印加されたマイナス電圧の電圧値によって、電極板２３Ｐから電極板２３Ｎに向けて流れる電流の値に応じて、Ａ面部位が高温となりＢ面部位が低温となるような温度差△Ｔが生ずる。これにより、Ａ面部位から発せられた熱が容器３１に伝搬され、容器３１が加熱される。

【0011】

したがって、電極板２３Ｎと電極板２３Ｐとの間に流れる電流の値を、温度目標値の時間推移の所定パターンに対応するように可変制御することによって、ＰＣＲ法におけるＤＮＡ検体に対する温度制御が実現可能になる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0012】

【特許文献1】特開２００６−２２３２９２号公報

【特許文献2】特開２００７−１９８７１８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0013】

しかしながら、特許文献１や２を含む従来のＤＮＡ増幅装置を利用した場合、ＰＣＲ法における温度目標値の時間推移の所定パターンに対して、ＤＮＡ検体（反応溶液）の温度が十分に追従して推移しない。即ち、特許文献１や２を含む従来のＤＮＡ増幅装置では、ＰＣＲ法におけるＤＮＡ検体（反応溶液）に対する温度制御の応答性が十分に得られない。
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。

【0014】

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、ＰＣＲ法等の液体の温度を制御する方法におけるＤＮＡ検体等の液体に対する温度制御の高応答性を実現することを目的とする。
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。

【課題を解決するための手段】

【0015】

本発明の温度制御装置（例えば実施形態におけるＤＮＡ増幅装置５１）は、
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。

【0016】

この発明によれば、対象物は、温度素子に設けられた接合部位を介してｐ型半導体とｎ型半導体と密接に接合し、ｐ型半導体とｎ型半導体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、ペルチェ効果を生じさせる機能を有している。この接合部位には装着部が設けられており、ＤＮＡ検体を収容した所定の容器を当該装着部に直接装着することができる。したがって、ＤＮＡ検体は、温度制御系にとって遅れ要素となるもの（例えば余分な接合部位の厚み）を介在せずに、ｐ型半導体及びｎ型半導体により直接加熱又は冷却される。その結果、従来の接合部位を採用した場合と比較して、温度制御の高応答性が実現する。

【0017】

この場合、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、前記装着部には、前記容器が装着されることになる。

【0018】

この発明をＰＣＲ法に適用することで、その温度目標値の時間推移の所定パターンに対して、ＤＮＡ検体の温度を追従させて推移させることが可能になる。即ち、ＰＣＲ法におけるＤＮＡ検体に対する温度制御の高応答性が実現可能になる。

【0019】

また、この場合、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（例えば実施形態における水冷部６３）をさらに備えるようにしてもよい。

【0020】

さらにまた、この場合、前記温度制御装置は、携帯型の装置であるようにしてもよい。携帯型の装置とは、人間が自在に持ち運び可能に構成された装置をいう。

【0021】

本発明の温度素子（例えば実施形態における温度素子６１）は、
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。

【0022】

この発明によれば、対象物は、温度素子に設けられた接合部位を介してｐ型半導体とｎ型半導体と密接に接合し、ｐ型半導体とｎ型半導体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、ペルチェ効果を生じさせる機能を有している。この接合部位には装着部が設けられており、ＤＮＡ検体を収容した所定の容器を当該装着部に直接装着することができる。したがって、ＤＮＡ検体は、温度制御系にとって遅れ要素となるもの（例えば余分な接合部位の厚み）を介在せずに、ｐ型半導体及びｎ型半導体により直接加熱又は冷却される。その結果、従来の接合部位を採用した場合と比較して、温度制御の高応答性が実現する。したがって、本発明に係る温度素子をＰＣＲ法に適用することで、即ち、当該対象物としてＤＮＡ検体を収容可能な所定の容器を採用することで、ＰＣＲ法における温度目標値の時間推移の所定パターンに対して、ＤＮＡ検体の温度を追従させて推移させることが可能になる。即ち、ＰＣＲ法におけるＤＮＡ検体に対する温度制御の高応答性が実現可能になる。

【0023】

この場合、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ようにすることができる。

【0024】

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ようにすることができる。

【0025】

本発明の温度制御装置（例えば実施形態におけるＤＮＡ増幅装置１５１又は２５１）は、
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。

【0026】

この発明によれば、対象物は、温度素子に設けられた接合部位を介してｐ型半導体とｎ型半導体と密接に接合し、ｐ型半導体とｎ型半導体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、ペルチェ効果を生じさせる機能を有している。この接合部位には載置部が設けられており、ＤＮＡ検体を含む液体を当該載置部に直接載置することができる。したがって、ＤＮＡ検体は、温度制御系にとって遅れ要素となるもの（例えば余分な接合部位の厚み）を介在せずに、ｐ型半導体及びｎ型半導体により直接加熱又は冷却される。その結果、従来の接合部位を採用した場合と比較して、温度制御の高応答性が実現する。

【0027】

この場合、前記載置部は、
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。

【0028】

また、この場合、前記載置部は、
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。

【発明の効果】

【0029】

本発明によれば、ＰＣＲ法等の液体の温度を制御する方法におけるＤＮＡ検体等の液体に対する温度制御の高応答性が実現可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】従来のペルチェ素子の概略構成を示す断面図である。

【図2】本発明の第１実施形態に係るＤＮＡ増幅装置の概略構成を示す上面図である。

【図3】図２のＤＮＡ増幅装置の温度素子の金属製ウェルの概略構成を示す斜視図である。

【図4】装着部に直接装着される対象物の一例であるプラスチックチューブの概略構成を示す側面図である。

【図5】図２のＤＮＡ増幅装置の温度素子の金属製ウェルの概略構成を示す斜視図である。

【図6】本発明に係る厚み寸法が薄い金属製ウェルを有する温度素子を備える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7】従来の厚み寸法が厚い金属製ウェルを有する温度素子を備える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】本発明に係る厚み寸法が薄い金属製ウェルを有する温度素子を備えるＤＮＡ増幅装置を用いて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9】同一条件によるＰＣＲ法の試験を、従来の金属製ウェルを有する温度素子を備える従来のＤＮＡ増幅装置を用いて行った場合と、本発明に係る金属製ウェルを有する温度素子を備えるＤＮＡ増幅装置を用いて行った場合との比較を示す図である。

【図10】第２実施形態に係るＤＮＡ増幅装置の概略構成を示す斜視図である。

【図11】第３実施形態に係るＤＮＡ増幅装置の概略構成を示す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0031】

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

【0032】

［第１実施形態］
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。

【0033】

ＤＮＡ増幅装置５１は、温度素子６１と、温度制御部６２と、水冷部６３とを備える。温度素子６１は、ペルチェ効果により対象物を冷却又は加熱すべく、金属製ウェル７１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。

【0034】

図２に示すように、電極兼放熱板７３Ｐには水管７４Ｐが、電極兼放熱板７３Ｎには水管７４Ｎが、それぞれ接続されている。水冷部６３は、水管７４Ｐ，７４Ｎの各々に水を流すことで、電極兼放熱板７３Ｐ，７３Ｎの各々を冷却して一定温度に保つ。即ち、電極兼放熱板７３Ｐ，７３Ｎは、図１の従来のペルチェ素子１の放熱板２１Ｂと同様の機能（以下、「放熱板機能」と称する）を有している。

【0035】

さらに、電極兼放熱板７３Ｐ，７３Ｎの各々は、温度制御部６２と電気的に接続されており、温度制御部６２により電圧が印加される。即ち、電極兼放熱板７３Ｐは、図１の従来のペルチェ素子１の電極板２３Ｐと同様の機能を有し、電極兼放熱板７３Ｎは、図１の従来のペルチェ素子１の電極板２３Ｎと同様の機能を有している。なお、以下、これらの機能を「電圧被印加機能」と称する。詳細については後述するが、電極兼放熱板７３Ｐ，７３Ｎに印加される電圧の極性（電流の極性）及び電流値が温度制御部６２により制御されることによって、温度素子６１を用いた温度制御が実現される。

【0036】

電極兼放熱板７３Ｐ，７３Ｎは、放熱板機能及び電圧被印加機能を有していれば、その素材や構造等は任意でよい。ただし、放熱板機能及び電圧被印加機能をより発揮すべく、電極兼放熱板７３Ｐ，７３Ｎの素材としては、熱伝導率が高く、かつ、電気抵抗が小さい素材が好適である。本実施形態では、このような素材として銅（Ｃｕ）が採用されている。

【0037】

電極兼放熱板７３Ｐにはｐ型半導体７２Ｐの一端が接合されている一方で、電極兼放熱板７３Ｎにはｎ型半導体７２Ｎの一端が接合されている。即ち、ｐ型半導体７２Ｐは、図１の従来のペルチェ素子１のｐ型半導体２４Ｐと同様の機能を有し、ｎ型半導体７２Ｎは、図１の従来のペルチェ素子１のｎ型半導体２４Ｎと同様の機能を有している。

【0038】

ｐ型半導体７２Ｐ及びｎ型半導体７２Ｎの組は、ペルチェ効果を奏すれば、その素材や構造等は任意でよい。ただし、本実施形態では、ｐ型半導体７２Ｐ及びｎ型半導体７２Ｎの組の素材として、より大きなペルチェ効果が得られるビスマステルルが採用されている。

【0039】

ｐ型半導体７２Ｐの他端は、金属製ウェル７１の側面７１ａに直接接合されている一方で、ｎ型半導体７２Ｎの他端は、金属製ウェル７１の側面７１ａに対向する側面７１ｂに直接接合されている。

【0040】

ここで、本明細書において「直接接合」又は「直接装着」という用語は、温度制御系にとって遅れ要素となるもの（例えば図１の従来のペルチェ素子１の放熱板２１Ａ）を介在しない接合又は装着を意味する。したがって、当然ながら、ｐ型半導体７２Ｐ及びｎ型半導体７２Ｎの組と、金属製ウェル７１との間には、両者を接合する目的の素材が介在する場合があり得る。具体的には例えば、本実施形態では、ｐ型半導体７２Ｐ及びｎ型半導体７２Ｎの組は、その表面がニッケルでメッキされ、さらに、ＧａＩｎ等の低融点合金によって、金属製ウェル７１と接合される。即ち、本実施形態では、両者を接合する目的の素材として、メッキ用のニッケルと、低融点合金とが採用されている。なお、本実施形態の接合手法は例示に過ぎず、その他例えば、ニッケル以外の金属でメッキする接合手法、二重にメッキする接合手法、低融点合金として他の材料を採用する接合手法、低融点合金の代わりに半田付けにより接合する接合手法等、各種各様の接合手法を採用することが可能である。

【0041】

換言すると、金属製ウェル７１は、ｐ型半導体７２Ｐ及びｎ型半導体７２Ｎの組を直接接合する機能、即ち、図１の従来のペルチェ素子１の電極板２２Ａと同様の機能を有している。即ち、当該機能とは、ｐ型半導体７２Ｐとｎ型半導体７２Ｎ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、ペルチェ効果を生じさせる機能である。なお、以下、当該効果を、「ブリッジ兼電極機能」と称する。

【0042】

金属製ウェル７１は、ブリッジ兼電極機能を有していれば、その素材は任意でよい。ただし、金属製ウェル７１は、ブリッジ兼電極機能をより発揮するために、電気抵抗が小さい素材が採用されると好適であり、例えば銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）が採用されると好適である。なお、ここでいうアルミニウムとは、純アルミニウムのみならず、アルミニウム合金も含んでいる。本実施形態では、所定のアルミニウム合金が採用されている。

【0043】

また、金属製ウェル７１の上面７１ｕには、加熱又は冷却の対象物を直接装着する装着部８１が設けられている。

【0044】

ここで注目すべき点は、金属製ウェル７１の外側形状は、金属製ウェル７１の内側形状と略同様の形状である点である。即ち、金属製ウェル７１の厚みは、ｐ型半導体７２Ｐ及びｎ型半導体７２Ｎとプラスチックチューブ９１（より正確には、ＤＮＡ検体）との距離がより接近するように、薄く形成されている。

【0045】

図３〜５は、このような装着部８１を有する金属製ウェル７１の概略構成を示す図である。具体的には、図３Ａは、プラスチックチューブ９１（対象物の一例）を直接装着可能な装着部８１を有する金属製ウェル７１の概略構成を示す斜視図である。図３Ｂは、金属製ウェル７１を下方から見た底面図である。なお、図３に示す各種寸法（ｍｍが記載されている箇所）は、本実施形態で採用されている寸法であって例示にしか過ぎない。また、図４は、装着部８１に直接装着される対象物の一例であるプラスチックチューブ９１の概略構成を示す側面図である。

【0046】

本実施形態では、温度素子６１はＤＮＡ増幅装置５１に備えられているため、温度素子６１により加熱又は冷却される対象物は、正確にいうと、ＤＮＡ検体（反応溶液）である。しかしながら、ＤＮＡ検体（反応溶液）は、直接的な加熱又は冷却が困難であるので、図４に示すようなプラスチックチューブ９１に収容されて加熱又は冷却される。したがって、以下の説明では、加熱又は冷却の対象物は、ＤＮＡ検体（反応溶液）収容に用いられるプラスチックチューブ９１であるとする。

【0047】

図３Ａに示すように、金属製ウェル７１の装着部８１は、プラスチックチューブ９１の下側部分（図４中１２ｍｍという寸法が記載されている部分）の形状に合わせた凹部として形成されている。換言すると、装着部８１は、プラスチックチューブ９１を装着すべく加工が施されている。そして、装着部８１に設けられたこの凹部の厚さ寸法は、ｐ型半導体７２Ｐ及びｎ型半導体７２Ｎからの熱の授受を容易に行うことができるようにプラスチックチューブ９１の外形形状に沿って薄く均一に形成されている。この厚さは、材料に依存した金属製ウェル７１の形状を維持できる強度範囲であれば、極力薄くすることができる。

【0048】

このように、本実施形態では、ＤＮＡ検体（反応溶液）収容に用いられるプラスチックチューブ９１は、装着部８１に直接装着される。このことは、図１の従来のペルチェ素子１を例えとして用いているならば、容器３１がプラスチックチューブ９１に相当し、電極板２２Ａがブリッジ兼電極機能を有していることを考慮すると、容器３１が放熱板２１Ａを介在せずに電極板２２Ａの内部に直接装着されるのと等価であることを意味する。

【0049】

即ち、図１の従来のペルチェ素子１を用いて容器３１を加熱又は冷却する場合、容器３１は、放熱板２１Ａを介在して、ブリッジ兼電極機能を有する電極板２２Ａと熱の授受を行うことになる。したがって、従来のペルチェ素子１を用いて容器３１を加熱又は冷却するための温度制御系では、セラミック等で形成される放熱板２１Ａは遅れ要素となる。この遅れ要素の分だけ、図１の従来のペルチェ素子１を用いた温度制御の応答性は悪化することになる。さらに、プラスチックチューブ９１は、図５に示すように、ｐ型半導体７２Ｐ及びｎ型半導体７２Ｎから金属製ウェル７１を介在して熱の授受を行うことになる。したがって、厚み寸法が大きい金属製ウェル７１は遅れ要素となる。この遅れ要素の分だけ温度制御の応答性は悪化することになる。

【0050】

これに対して、本実施形態の温度制御系、即ち、温度素子６１を用いてプラスチックチューブ９１を加熱又は冷却する温度制御系では、プラスチックチューブ９１は、従来の放熱板２１Ａのような遅れ要素となるものを介在せずに、ブリッジ兼電極機能を有する金属製ウェル７１と直接熱を授受することができる。したがって、遅れ要素が無い分だけ、本実施形態の温度制御の応答性は、図１の従来のペルチェ素子１を用いた場合と比較して高いものになる。さらに、本実施形態の金属製ウェル７１の厚さ寸法は非常に薄いため、プラスチックチューブ９１は、金属製ウェル７１自体を加熱又は吸熱するための余分な熱を必要とせず、ｐ型半導体７２Ｐ及びｎ型半導体７２Ｎは金属製ウェル７１に対し直接熱を授受することができる。したがって、図示はしないが、余計な厚み寸法を有する金属製ウェル７１を使用した場合と比較して、本実施形態の温度制御系の応答性はより一段と高いものになる。なお、このような効果の詳細については、図６〜９を参照して後述する。

【0051】

次に、以上のＤＮＡ増幅装置５１の動作について説明する。

【0052】

上述のごとく、機能的な視点では、本実施形態の電極兼放熱板７３Ｐ，７３Ｎは、放熱板機能及び電圧被印加機能を有するので、図１の従来のペルチェ素子１の放熱板２１Ｂ及び電極板２３Ｐ，２３Ｎに相当する。したがって、電極兼放熱板７３Ｐ，７３Ｎは、従来のペルチェ素子１のＢ面部位と同じ振る舞いをする。そこで、以下、電極兼放熱板７３Ｐ，７３Ｎを、本実施形態の温度素子６１における「Ｂ面部位」と適宜称する。

【0053】

一方、機能的な視点では、金属製ウェル７１は、ブリッジ兼電極機能を有するので、上述のごとく、図１の従来のペルチェ素子１の電極板２２Ａに相当する。したがって、金属製ウェル７１は、従来のペルチェ素子１のＡ面部位と同じ振る舞いをする。そこで以下、金属製ウェル７１を、本実施形態の温度素子６１における「Ａ面部位」と適宜称する。ここで、注意すべき点は、本実施形態の温度素子６１におけるＡ面部位には、従来のペルチェ素子１におけるＡ面部位の放熱板２１Ａのような、温度制御系にとって遅れ要素となるものは存在しない点である。

【0054】

また、本実施形態では、電極兼放熱板７３Ｎの側を基準として、電極兼放熱板７３Ｎが高電位になり、電極兼放熱板７３Ｐが低電位になるように、温度制御部６２により電圧が印加されることを、以下、「温度素子６１にプラス電圧が印加される」と表現する。逆に、電極兼放熱板７３Ｎが低電位になり、電極兼放熱板７３Ｐが高電位になるように、温度制御部６２により電圧が印加されることを、以下、「温度素子６１にマイナス電圧が印加される」と表現する。

【0055】

この場合、温度制御部６２により、温度素子６１にプラス電圧が印加されると、電流が、図２中右方から左方に流れる。具体的には、電流が、電極兼放熱板７３Ｎ、ｎ型半導体７２Ｎ、金属製ウェル７１、ｐ型半導体７２Ｐ、及び電極兼放熱板７３Ｐの順に流れる。その結果、Ａ面部位である金属製ウェル７１が吸熱部となる。即ち、Ａ面部位である金属製ウェル７１に直接装着されたプラスチックチューブ９１（図３）から発せられた熱は、金属製ウェル７１に直接吸熱され、これにより、プラスチックチューブ９１が冷却される。

【0056】

詳細には、温度素子６１に印加されたプラス電圧により流れる電流の値（絶対値）に応じて、Ａ面部位である金属製ウェル７１が低温となり、Ｂ面部位である電極兼放熱板７３Ｐ，７３Ｎが高温となるような温度差△Ｔが生ずる。

【0057】

ここで、Ａ面部位が低温とは、絶対的な意味で低温というのではなく、Ｂ面部位の温度に対して相対的に低温という意味である。即ち、上述したように、Ｂ面部位である電極兼放熱板７３Ｐ，７３Ｎは、水冷部６３により水冷されて一定温度を保っている。以下、このようなＢ面部位である電極兼放熱板７３Ｐ，７３Ｎ側の一定温度を、「基準温度」と称する。したがって、Ａ面部位である金属製ウェル７１は、基準温度よりも温度差△Ｔだけ低い温度になるように冷却される。

【0058】

この温度差△Ｔは、一定のリミットは存在するものの、温度素子６１に印加されるプラス電圧により流れる電流の値（絶対値）が高くなるほど大きくなる。したがって、温度制御部６２は、このような電流の値（絶対値）を徐々に大きくすることによって、温度差△Ｔを徐々に大きくしていくこと、即ち、Ａ面部位である金属製ウェル７１の温度を徐々に降下させることができる。この場合、プラスチックチューブ９１は金属製ウェル７１により直接冷却されるので、従来の図１の放熱板２１Ａのような遅れ要素を介して冷却される場合と比較して、温度制御の応答性は高いものになる。さらに、プラスチックチューブ９１を冷却する金属製ウェル７１の厚みは非常に薄いので、金属製ウェル７１に対して余計な冷却を行う必要がない。したがって、余分な熱の伝導が必要となる厚い金属製ウェル７１（図示せず）のような遅れ要素を介して冷却される場合と比較して、温度制御の応答性は高いものになる。即ち、本実施形態では温度制御の目標値は電流値として温度制御部６２により与えられるので、温度制御の目標値に対する対象物（プラスチックチューブ９１）の温度降下の追従性は高いものになる。

【0059】

その後、温度制御部６２により出力電圧の極性が反転された場合、即ち、温度素子６１にマイナス電圧が印加された場合、電流が、プラス電圧が印加された場合とは逆方向の図２中左方から右方に流れる。具体的には、電流が、電極兼放熱板７３Ｐ、ｐ型半導体７２Ｐ、金属製ウェル７１、ｎ型半導体７２Ｎ、及び電極兼放熱板７３Ｎの順に流れる。その結果、Ａ面部位である金属製ウェル７１は、今度は発熱部となる。即ち、Ａ面部位である金属製ウェル７１から発せられた熱は、プラスチックチューブ９１に対して直接伝播され、これにより、プラスチックチューブ９１が加熱される。

【0060】

詳細には、温度素子６１にマイナス電圧が印加されると、Ａ面部位である金属製ウェル７１は、基準温度よりも温度差△Ｔだけ高い温度になるように加熱される。この温度差△Ｔは、一定のリミットは存在するものの、温度素子６１に印加されるマイナス電圧によって流れる電流の値（絶対値）が高くなるほど大きくなる。したがって、温度制御部６２は、このような電流の値（絶対値）を徐々に大きくすることによって、温度差△Ｔを徐々に大きくしていくこと、即ち、Ａ面部位である金属製ウェル７１の温度を徐々に上昇させることができる。この場合、プラスチックチューブ９１は金属製ウェル７１により直接加熱されるので、従来の図１の放熱板２１Ａのような遅れ要素を介して加熱される場合と比較して、温度制御の応答性は高いものになる。さらに、プラスチックチューブ９１を加熱する金属製ウェル７１の厚みは非常に薄いので、金属製ウェル７１に対して余計な加熱を行う必要がない。したがって、余分な熱の伝導が必要となる厚い金属製ウェル７１（図示せず）のような遅れ要素を介して加熱される場合と比較して、温度制御の応答性は高いものになる。即ち、ここでは温度制御の目標値が電流値として温度制御部６２により与えられるので、温度制御の目標値に対する対象物（プラスチックチューブ９１）の温度上昇の追従性は高いものになる。

【0061】

このように、温度制御部６２は、出力電圧の極性（電流の極性）及び電流値を変化させることで、温度素子６１を用いたプラスチックチューブ９１に対する温度制御を実行することが可能になる。したがって、温度目標値の時間推移の所定パターンとして、出力電流の時間推移の所定パターンが温度制御部６２に与えられることにより、ＰＣＲ法が容易に実現可能になる。即ち、プラスチックチューブ９１に収納されたＤＮＡ検体（反応溶液）が、当該所定パターンにしたがって変化する温度素子６１の熱サイクルにより加熱又は冷却され、その結果、ＤＮＡが増幅する。

【0062】

なお、本発明は本実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

【0063】

例えば、ｐ型半導体及びｎ型半導体の組の個数は、図２の実施形態ではｐ型半導体７２Ｐ及びｎ型半導体７２ｎの組といった１組だけとされていたが、これに限定されず、複数組とすることができる。

【0064】

以上、本発明の実施形態として、ｐ型半導体及びｎ型半導体の組の視点で幾つかの実施形態について説明した。当然ながら、その他の視点でも、本発明は様々な実施形態を取ることが可能である。

【0065】

例えば、温度素子６１の基準温度を維持するための電極兼放熱板の冷却手法は、図２の実施形態では水冷部６３による水冷式の手法が採用されていたが、これに限定されず、その他例えば、水以外の液体を使用した冷却手法を採用してもよいし、空冷式の手法を採用してもよい。

【0066】

また例えば、温度素子６１により冷却又は加熱される対象物は、図２の実施形態ではプラスチックチューブ９１、より正確にはそれに収納されたＤＮＡ検体（反応溶液）とされていたが、金属製ウェル７１の装着部８１に直接装着可能な物体であれば特に限定されない。換言すると、金属製ウェル７１の装着部８１の形状や個数は、図３の例に特に限定されず、冷却又は加熱の対象物体に応じて任意に変更することが可能である。ただし、この場合、装着部８１は、対象物の形状に対応した加工が施されて、金属製ウェル７１内に形成されていると、対象物に対する加熱又は冷却の応答性がさらに一段と高まるので好適である。

【0067】

また例えば、複数のプラスチックチューブ９１を加熱又は冷却すべく、複数の金属製ウェル７１を接続してもよいし、或いはまた、金属製ウェル７１に形成させる装着部８１の数を複数にしてもよい。即ち、図２の実施形態では温度素子６１の個数は１つとされていたが、これに限定されず、その他例えば、各金属製ウェル７１を１以上含む温度素子６１を複数用意し、複数の温度素子６１を連結して用いることもできる。

【0068】

以上、図２を参照して１つの温度素子６１を含む場合のＤＮＡ増幅装置５１について説明したが、ＤＮＡ増幅装置５１に含まれる温度素子６１の個数は、これらの例に特に限定されない。
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。

【0069】

さらに、Ｍ個の温度素子６１の直列接続は、Ｎ個存在してもよい。
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。

【0070】

また、Ｎ行Ｍ列の行列状に配置され、メイン温度制御及びサブ温度制御が施される対象は、温度素子６１である必要は特になく、ペルチェ効果を奏することが可能な任意の温度素子を採用することができる。

【0071】

このような各種各様の効果を奏する温度素子６１をＰＣＲ法に適用することで、即ち、当該対象物としてＤＮＡ検体収容に用いられるプラスチックチューブ９１を採用することで、ＰＣＲ法における温度目標値の時間推移の所定パターンに対して、ＤＮＡ検体の温度を追従して変化させることが可能になる。即ち、図６〜８に示すように、ＰＣＲ法におけるＤＮＡ検体の温度制御の高応答性が実現可能になる。その結果、１工程に要する時間が短縮され、処理効率の向上や省電力性の向上が達成可能になる。

【0072】

図６〜８は、同一条件によるＰＣＲ法の試験を、従来のペルチェ素子１を備える従来のＤＮＡ増幅装置を用いて行った場合と、本発明に係る温度素子６１を備えるＤＮＡ増幅装置５１を用いて行った場合との比較を示す図である。

【0073】

図６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。

【0074】

この両試験におけるＰＣＲ法における温度目標値の時間推移のパターンは、次の（Ａ）乃至（Ｃ）のとおりである。
（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。

【0075】

また、この試験条件は次の（ａ）乃至（ｃ）のとおりである。
（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。

【0076】

従来の金属製ウェルを備える従来のＤＮＡ増幅装置を用いてＰＣＲ法の試験を行った場合には、図７の期間３０１ａ乃至３０１ｃの何れにおいても波形が鈍っていることから明らかなように、温度目標値の時間推移のパターンに対して、ＤＮＡ検体（反応溶液）の温度が追従して変化していない。即ち、ＤＮＡ検体（反応溶液）の温度が、温度目標値（期間３０１ａにおいては９４度、期間３０１ｂおいては６０度、期間３０１ｃにおいては７２度）に到達するまでに遅れが生じている。また、初めのサイクル３０１の伸長の期間３０１ｃと３回目のサイクルの伸長の期間３０３ｃとを比較すると明らかなように、サイクル数を増毎に波形が乱れていくことから、非特異的配列（目的としていない産物）も一緒に増幅されることとなる。これに対して、本発明に係る金属製ウェル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法の試験を行った場合には、図８に示すように、最初のサイクル２０５の波形と最後の方のサイクル２２５の波形とで乱れが殆ど生じない。

【0077】

このように、従来のＤＮＡ増幅装置では、温度目標値の時間推移のパターンに対してＤＮＡ検体（反応溶液）の温度が追従できない。この理由は次のとおりである。即ち、上述したように、従来のペルチェ素子１のＡ面部位での温度変化は、遅れ要素となる金属製ウェルを介在して、金属製ウェルに装着されたプラスチックチューブ９１に伝達されるからである。

【0078】

これに対して、本発明に係る金属製ウェル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法の試験を行った場合には、図６の期間２０１ａ乃至２０１ｃの何れにおいても波形が急峻になっていることから明らかなように、温度目標値の時間推移のパターンに対して、ＤＮＡ検体（反応溶液）の温度がほぼ追従して変化している。即ち、ＤＮＡ検体（反応溶液）の温度が、温度目標値（期間２０１ａにおいては９４度、期間２０１ｂにおいては６０度、期間２０１ｃにおいては７２度）に到達するまでに遅れがほぼ生じていない。その結果、温度目標値の時間推移のパターンの（Ａ）における「９４度で２４０秒間保持させる」という目標に対して、図６の期間２０１ａでは、９４度±０．５度以内の時間が２４０秒と当該目標が達成できている。以下同様に、温度目標値の時間推移のパターンの（Ｂ）における「６０度で２０秒間保持させる」という目標に対して、図６の期間２０１ｃでは、６０度±０．５度以内の時間が２０秒と当該目標が達成できている。温度目標値の時間推移のパターンの（Ｃ）における「７２度で６０秒間保持させる」という目標に対して、図６の期間２０１ｃでは、７２度±０．５度以内の時間が６０秒と当該目標が達成できている。
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。

【0079】

なお、図６において、温度上昇又は下降時においてプロット点の間隔が空いているのは、温度勾配が急峻になったため、即ち、温度制御の応答性が向上して短時間で温度上昇又は下降ができるようになったためである。

【0080】

このようにして本発明に係る金属製ウェル７１を有する温度素子６１を備えるＤＮＡ増幅装置５１では、温度目標値の時間推移のパターンに対してＤＮＡ検体（反応溶液）の温度が追従できるようになる。この理由は次のとおりである。即ち、上述したように、非常に薄い金属製ウェル７１により必要以上の熱が奪われないことから、遅れ要素となるものを一切介在せずに、プラスチックチューブ９１に直接伝達されるからである。

【0081】

図９は、同一条件によるＰＣＲ法の試験を、従来のＤＮＡ増幅装置を用いて行った場合と、本発明に係る金属製ウェル７１を有する温度素子６１を備えるＤＮＡ増幅装置５１を用いて行った場合との比較を示す図である。

【0082】

図９（Ａ）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（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。

【0083】

この両試験におけるＰＣＲ法におけるアガロースゲル電気泳動写真の材料及び方法は次のとおりである。
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。

【0084】

本発明は、このような各種各様の実施形態によらず、例えば次のような効果を奏することが可能である。次のように開示する構成が本願発明に係る温度制御装置を実現させることになる。

【0085】

本発明に係る温度素子６１に設けられた金属製ウェル７１は、ｐ型半導体７２Ｐとｎ型半導体７２ｎとを直接接合し、ｐ型半導体７２Ｐとｎ型半導体７２ｎ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、ペルチェ効果を生じさせる機能を有している。この金属製ウェル７１には、冷却又は加熱の対象物を直接装着可能な装着部８１が設けられている。したがって、当該対象物は、温度制御系にとって遅れ要素となるもの（例えば余分な金属製ウェル７１の厚み）を介在せずにｐ型半導体７２Ｐとｎ型半導体７２ｎにより密接に加熱又は冷却される。即ち、ｐ型半導体７２Ｐとｎ型半導体７２ｎは、金属製ウェル７１により装着された対象物に対し、ｐ型半導体７２Ｐとｎ型半導体７２ｎによる熱を直接伝達することができる。したがって、当該経路を伝搬する熱が対象物に直接供給されることによって、当該対象物が加熱され、また、当該対象物から発せられた熱が当該経路に直接供給されることによって、当該対象物が冷却される。その結果、従来の金属製ウェル７１を有するペルチェ素子１を採用した場合と比較して、温度制御の高応答性が実現する。

【0086】

以上、本発明の第１実施形態に係るＤＮＡ増幅装置５１について説明した。
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。

【0087】

［第２実施形態］
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。

【0088】

ＤＮＡ増幅装置１５１は、温度素子６１と、温度制御部６２と、水冷部６３と、を備える。ＤＮＡ増幅装置１５１の構成のうち、温度制御部６２と、水冷部６３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。
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。

【0089】

金属製ウェル１７１は、例えば縦１ｃｍ、横１ｃｍの平板状に形成される。ｐ型半導体７２Ｐの他端は、金属製ウェル１７１の一端１７１ａに直接接合されている一方で、ｎ型半導体７２Ｎの他端は、金属製ウェル１７１の一端１７１ａに対向する他端１７１ｂに直接接合されている。

【0090】

本実施形態の金属製ウェル１７１は、ｐ型半導体７２Ｐ及びｎ型半導体７２Ｎの組を直接接合する機能、即ち、図１の従来のペルチェ素子１の電極板２２Ａと同様の機能を有している。即ち、当該機能とは、ｐ型半導体７２Ｐとｎ型半導体７２Ｎ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、ペルチェ効果を生じさせる機能である。

【0091】

また、金属製ウェル１７１の上面１７１ｕには、加熱又は冷却の対象物を直接載置する載置部１１１が設けられている。

【0092】

ここで注目すべき点は、金属製ウェル１７１の外側形状は、載置部１１１の外形形状と略同様の形状である点である。即ち、金属製ウェル１７１の厚みは、ｐ型半導体７２Ｐ及びｎ型半導体７２Ｎと載置部１１１（より正確には、ＤＮＡ検体）との距離がより接近するように、薄く形成されている。

【0093】

載置部１１１は、一般的に、キャピラリチップとも呼ばれ、例えば金属製ウェル１７１にあわせて縦１ｃｍ、横１ｃｍの平板状に形成される。載置部１１１は、対象物であるＰＣＲ法におけるＤＮＡ検体等の液体を載置すべく、複数の注入口１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ、１２１ｄと、キャピラリ１２２と、を備える。各注入口１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ、１２１ｄを特に分けて説明する必要がない場合には、これらをまとめて「注入口１２１」と呼ぶ。

【0094】

各注入口１２１は、穴状に形成され、ピペットやマイクロピペット等により、ＤＮＡ検体等の液体を注入できるように形成されている。注入口１２１は、載置部１１１上に複数形成され、その個数は特に限定されないが、本実施形態においては４個形成されている。

【0095】

キャピラリ１２２は、各注入口１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ、１２１ｄ同士を接続する複数の流路（毛細管）により構成されている。１つの流路においては、注入口１２１から注入された液体（対象物）が、毛細管現象により他方の注入口１２１に移動する。具体的には例えば、注入口１２１ａから注入された液体は、毛細管現象によりキャピラリ１２２内を移動して、他の注入口１２１ｂ、１２１ｃ又は１２１へ移動する。これにより、キャピラリ１２２内において、一の注入口（例えば、注入口１２１ａ）から注入された液体と、他の注入口（例えば、注入口１２１ｂ、１２１ｃ又は１２１ｄ）から注入された液体と、を混合することができる。

【0096】

本発明に係る温度素子６１に設けられた金属製ウェル１７１は、ｐ型半導体７２Ｐとｎ型半導体７２ｎとを直接接合し、ｐ型半導体７２Ｐとｎ型半導体７２ｎ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、ペルチェ効果を生じさせる機能を有している。この金属製ウェル１７１には、冷却又は加熱の対象物を直接載置可能な載置部１１１が設けられている。したがって、当該対象物は、温度制御系にとって遅れ要素となるもの（例えば余分な金属製ウェル１７１の厚み）を介在せずにｐ型半導体７２Ｐとｎ型半導体７２ｎにより密接に加熱又は冷却される。即ち、ｐ型半導体７２Ｐとｎ型半導体７２ｎは、金属製ウェル１７１により載置された対象物に対し、ｐ型半導体７２Ｐとｎ型半導体７２ｎによる熱を直接伝達することができる。したがって、当該経路を伝搬する熱が対象物に直接供給されることによって、当該対象物が加熱され、また、当該対象物から発せられた熱が当該経路に直接供給されることによって、当該対象物が冷却される。その結果、従来の金属製ウェル７１を有するペルチェ素子１を採用した場合と比較して、温度制御の高応答性が実現する。

【0097】

以上、本発明の第２実施形態に係るＤＮＡ増幅装置１５１について説明した。
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。

【0098】

［第３実施形態］
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。

【0099】

ＤＮＡ増幅装置２５１は、温度素子６１と、温度制御部６２と、水冷部６３と、を備える。ＤＮＡ増幅装置２５１の構成のうち、温度制御部６２と、水冷部６３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。
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。

【0100】

金属製ウェル２７１は、例えば縦１ｃｍ、横１ｃｍの平板状に形成される。ｐ型半導体７２Ｐの他端は、金属製ウェル２７１の一端２７１ａに直接接合されている一方で、ｎ型半導体７２Ｎの他端は、金属製ウェル２７１の一端２７１ａに対向する他端２７１ｂに直接接合されている。

【0101】

本実施形態の金属製ウェル２７１は、ｐ型半導体７２Ｐ及びｎ型半導体７２Ｎの組を直接接合する機能、即ち、図１の従来のペルチェ素子１の電極板２２Ａと同様の機能を有している。即ち、当該機能とは、ｐ型半導体７２Ｐとｎ型半導体７２Ｎ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、ペルチェ効果を生じさせる機能である。

【0102】

また、金属製ウェル２７１の上面２７１ｕには、加熱又は冷却の対象物を直接載置する載置部２１１が設けられている。

【0103】

ここで注目すべき点は、金属製ウェル２７１の外側形状は、載置部２１１の外形形状と略同様の形状である点である。即ち、金属製ウェル２７１の厚みは、ｐ型半導体７２Ｐ及びｎ型半導体７２Ｎと載置部２１１（より正確には、ＤＮＡ検体）との距離がより接近するように、薄く形成されている。

【0104】

載置部２１１は、例えば金属製ウェル１７１にあわせて縦１ｃｍ、横１ｃｍの平板状に形成される。載置部２１１は、対象物であるＰＣＲ法におけるＤＮＡ検体等の液体を載置すべく、複数の凹部２２１−１、２２１−２、・・・２２１−ｎ（ｎは１以上の自然数）、を備える。各凹部２２１−１、２２１−２、・・・２２１−ｎを特に分けて説明する必要がない場合には、これらをまとめて「凹部２２１」と呼ぶ。

【0105】

各凹部２２１は、一辺が例えば数十μｍにより形成された矩形状の凹みにより形成され、ピペットやマイクロピペット等により滴下された液体を受け入れることができるように形成されている。凹部２２１は、載置部２１１上に複数形成され、その個数や配置の形態は特に限定されないが、本実施形態においては、載置部２１１の横方向に９列、縦方向に４行略等間隔で載置され、合計３６個形成されている。

【0106】

本発明に係る温度素子６１に設けられた金属製ウェル２７１は、ｐ型半導体７２Ｐとｎ型半導体７２ｎとを直接接合し、ｐ型半導体７２Ｐとｎ型半導体７２ｎ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、ペルチェ効果を生じさせる機能を有している。この金属製ウェル２７１には、冷却又は加熱の対象物を直接載置可能な載置部２１１が設けられている。したがって、当該対象物は、温度制御系にとって遅れ要素となるもの（例えば余分な金属製ウェル２７１の厚み）を介在せずにｐ型半導体７２Ｐとｎ型半導体７２ｎにより密接に加熱又は冷却される。即ち、ｐ型半導体７２Ｐとｎ型半導体７２ｎは、金属製ウェル２７１により載置された対象物に対し、ｐ型半導体７２Ｐとｎ型半導体７２ｎによる熱を直接伝達することができる。したがって、当該経路を伝搬する熱が対象物に直接供給されることによって、当該対象物が加熱され、また、当該対象物から発せられた熱が当該経路に直接供給されることによって、当該対象物が冷却される。その結果、従来の金属製ウェル７１を有するペルチェ素子１を採用した場合と比較して、温度制御の高応答性が実現する。

【0107】

なお、本発明は本実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

【0108】

例えば、本実施形態では、温度素子６１をＰＣＲ法における所定の温度パターンに対して、ＤＮＡ検体（反応溶液）の温度変化を追従させるＤＮＡ増幅装置５１に適用する例について説明したが、これに限定されない。例えば、温度素子６１を一般的な液体を温度制御する方法における所定の温度パターンに対して、ＤＮＡ検体（反応溶液）以外の液体の温度変化を追従させる制御装置全般について適用することができる。

【符号の説明】

【0109】

５１ ＤＮＡ増幅装置
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

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図10】

【図11】

【図9】