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特表2022-504857パターン化薄膜の照明による局所加熱のための方法およびシステム
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-01-13
(54)【発明の名称】パターン化薄膜の照明による局所加熱のための方法およびシステム
(51)【国際特許分類】
C12M 1/34 20060101AFI20220105BHJP
C12M 1/00 20060101ALI20220105BHJP
C12Q 1/68 20180101ALI20220105BHJP
【ＦＩ】
C12M1/34 Z
C12M1/00 A
C12Q1/68
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2021520337
(86)(22)【出願日】2019-10-15
(85)【翻訳文提出日】2021-05-31
(86)【国際出願番号】 US2019056398
(87)【国際公開番号】W WO2020081612
(87)【国際公開日】2020-04-23
(31)【優先権主張番号】62/746,490
(32)【優先日】2018-10-16
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】520356364
【氏名又は名称】クリプトス バイオテクノロジーズ，インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100137969
【弁理士】
【氏名又は名称】岡部 憲昭
(74)【代理人】
【識別番号】100104824
【弁理士】
【氏名又は名称】穐場 仁
(74)【代理人】
【識別番号】100121463
【弁理士】
【氏名又は名称】矢口 哲也
(72)【発明者】
【氏名】ソ，オースティン
(72)【発明者】
【氏名】ソン，ジュン ホ
【テーマコード（参考）】
4B029
4B063
【Ｆターム（参考）】
4B029AA07
4B029BB20
4B029FA12
4B029FA15
4B029GA08
4B029GB03
4B029GB04
4B063QA11
4B063QQ42
4B063QQ52
4B063QR32
4B063QR55
4B063QR62
4B063QS25
4B063QS34
4B063QS36
(57)【要約】
本開示は、ハウジング部品と、ハウジング部品によって画定された反応室と、反応室を画定するハウジング部品の内向面の一部に一致する光吸収層であって、光吸収層が複数の不連続領域を備える、光吸収層とを含む様々な反応容器構成を記載する。エネルギー源は、不連続領域を加熱して最終的に反応室内の溶液を加熱するように、光吸収層の不連続領域のうちの１つまたは複数に光を導いてもよい。
【選択図】図７Ａ
【選択図】図７Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ハウジング部品と、前記ハウジング部品によって画定された反応室と、
前記反応室を画定する前記ハウジング部品の内向面の一部に一致する光吸収層であって、前記光吸収層が複数の不連続領域を含む、光吸収層と
を含む反応容器と、
前記光吸収層の前記複数の不連続領域のうちの１つまたは複数の不連続領域において前記ハウジング部品の少なくとも一部を介して光を導くように構成された第１のエネルギー源と
を備える反応容器システム。
【請求項2】
前記ハウジング部品が、前記複数の不連続領域のうちの２つ以上の異なる不連続領域の間で溶液を導くように構成された流路を画定する、請求項１に記載の反応容器システム。
【請求項3】
前記複数の不連続領域が、前記流路の異なるセグメントに一致し、前記流路の異なるセグメントに沿って配置される、請求項２に記載の反応容器システム。
【請求項4】
前記光吸収層が、前記ハウジング部品の前記内向面上にめっきされた薄い金属膜を含む、請求項１～３のいずれか一項に記載の反応容器システム。
【請求項5】
前記反応容器システムが第２のエネルギー源をさらに備え、前記複数の不連続領域のうちの第１の不連続領域が前記第１のエネルギー源から光を受け取るように構成され、前記複数の不連続領域のうちの第２の不連続領域が前記第２のエネルギー源から光を受け取るように構成される、請求項１～４のいずれか一項に記載の反応容器システム。
【請求項6】
前記第１のエネルギー源が、近赤外光または紫外線Ａ光を放出するように構成された発光ダイオードである、請求項１～５のいずれか一項に記載の反応容器システム。
【請求項7】
前記複数の不連続領域の各不連続領域が、前記反応室内に配置された溶液と直接接触している、請求項１～６のいずれか一項に記載の反応容器システム。
【請求項8】
第１の不連続領域が、第２の不連続領域から第１の距離だけ離間している、請求項１～７のいずれか一項に記載の反応容器システム。
【請求項9】
前記第１の不連続領域は、前記反応容器システム内の溶液が前記第１の不連続領域と前記第２の不連続領域との間を流れることを物理的障壁によって阻害されないように、前記第２の不連続領域に流体的に結合される、請求項８に記載の反応容器システム。
【請求項10】
前記第１のエネルギー源は、前記第１のエネルギー源からの光の大部分が前記第２の不連続領域に向かうよりも前記第１の不連続領域に向かうように、オフセット位置に配置される、請求項８または９に記載の反応容器システム。
【請求項11】
第１の不連続領域と第２の不連続領域との間に位置する反射器要素をさらに備え、前記反射器要素は、前記第１のエネルギー源からの光の一部を前記第１の不連続領域に向けて反射するように構成される、請求項１～１０のいずれか一項に記載の反応容器システム。
【請求項12】
第１の不連続領域と第２の不連続領域との間に位置する反射器要素をさらに備え、前記反射器要素は、前記第１のエネルギー源からの光の大部分が前記第２の不連続領域に向かうよりも前記第１の不連続領域に向かうように、オフセット位置に配置される、請求項１～１１のいずれか一項に記載の反応容器システム。
【請求項13】
溶液を受け入れるための入口ポートと、前記入口ポートに接続され、前記入口ポートを通して前記溶液を流す流路と、
複数の不連続領域を含む光吸収層であって、前記不連続領域の各々は、前記流路のセグメントに隣接し、前記不連続領域は、エネルギー源からの光エネルギーを吸収するように構成される、光吸収層と、
反応容器から前記溶液を除去するための出口ポートと
を備える反応容器。
【請求項14】
前記流路の少なくとも一部が、前記反応容器内に蛇行パターンで配置される、請求項１３に記載の反応容器。
【請求項15】
前記不連続領域が、前記反応容器の対向する端部付近の前記反応容器の単一表面上に配置される、請求項１３または１４に記載の反応容器。
【請求項16】
前記流路が、前記溶液の一部を第１の不連続領域に隣接する前記流路の第１のセグメントから第２の不連続領域に隣接する前記流路の第２のセグメントに導くように構成され、前記第１の不連続領域が、前記溶液の一部が前記第１のセグメント内にあるときに前記溶液の一部に第１の熱量を伝達するように構成され、前記第２の不連続領域が、前記溶液の一部が前記第２のセグメント内にあるときに前記溶液の一部に第２の熱量を伝達するように構成される、請求項１３～１５のいずれか一項に記載の反応容器。
【請求項17】
前記流路が、前記第１のセグメントと前記第２のセグメントとの間に介在セグメントを含み、前記介在セグメントは、前記溶液の一部が前記介在セグメント内にあるときに前記溶液の一部を冷却させるように構成される、請求項１６に記載の反応容器。
【請求項18】
前記第１の不連続領域は第１の金属膜を含み、前記第２の不連続領域は第２の金属膜を含み、前記第１の金属膜は前記第２の金属膜よりも厚く、前記第１の熱量は前記第２の熱量よりも大きい、請求項１６または１７に記載の反応容器。
【請求項19】
前記第１の不連続領域は第１の金属膜を含み、前記第２の不連続領域は第２の金属膜を含み、前記第１の金属膜は第１の温度プロファイルを有する第１の組成物から構成され、前記第２の金属膜は第２の温度プロファイルを有する第２の組成物から構成され、前記第１の熱量は前記第２の熱量よりも大きい、請求項１６～１８のいずれか一項に記載の反応容器。
【請求項20】
第１の不連続領域と第２の不連続領域との間に位置する反射器要素をさらに備え、前記反射器要素は、前記エネルギー源からの前記光エネルギーの大部分が前記第２の不連続領域に向かうよりも前記第１の不連続領域に向かうように、オフセット位置に配置される、請求項１６～１９のいずれか一項に記載の反応容器。
【請求項21】
前記複数の不連続領域が、前記流路の異なるセグメントに一致し、前記流路の異なるセグメントに沿って配置される、請求項１３～２０のいずれか一項に記載の反応容器。
【請求項22】
前記光吸収層が、前記反応容器の内向面上に堆積された薄い金属膜を含む、請求項１３～２１のいずれか一項に記載の反応容器。
【請求項23】
前記流路の第１のセグメントが第１の平均断面積を有し、第２のセグメントが第２の平均断面積を有し、前記溶液が前記第２のセグメントよりもゆっくりと前記第１のセグメントを通って流れるように前記第１の平均断面積が前記第２の平均断面積よりも大きい、請求項１３～２２のいずれか一項に記載の反応容器。
【請求項24】
反応室内に溶液を受け入れるための入口ポートであって、前記反応室が外周を形成する１つまたは複数の壁によって画定される、入口ポートと、前記外周内に配置された複数の不連続領域を含む光吸収層であって、前記不連続領域は、エネルギー源からの光エネルギーを吸収するように構成され、前記不連続領域は、前記溶液が物理的障壁によって前記不連続領域間を流れることを阻害されないように流体的に結合される、光吸収層と、
前記反応容器から前記溶液を除去するための出口ポートと
を備える反応容器。
【請求項25】
前記光吸収層は、前記不連続領域が前記溶液と直接接触するように構成されるように、前記反応容器の内向面上に堆積された薄い金属膜を含む、請求項２４に記載の反応容器。
【請求項26】
前記溶液が前記不連続領域に直接接触しないように前記光吸収層を覆う基板をさらに備える、請求項２４または２５に記載の反応容器。
【請求項27】
前記複数の不連続領域は、第１の不連続領域と第２の不連続領域とを含み、前記第１の不連続領域は第１の金属膜を含み、前記第２の不連続領域は第２の金属膜を含み、前記第１の金属膜は前記第２の金属膜よりも厚く、それにより前記第１の不連続領域は前記第２の不連続領域とは異なる温度プロファイルを有する、請求項２４～２６のいずれか一項に記載の反応容器。
【請求項28】
前記複数の不連続領域は、第１の不連続領域と第２の不連続領域とを含み、前記第１の不連続領域は第１の金属膜を含み、前記第２の不連続領域は第２の金属膜を含み、前記第１の金属膜は第１の温度プロファイルを有する第１の組成物から構成され、前記第２の金属膜は第２の温度プロファイルを有する第２の組成物から構成され、前記第１の温度プロファイルは前記第２の温度プロファイルとは異なる、請求項２４～２７のいずれか一項に記載の反応容器。
【請求項29】
前記反応容器が、上部ハウジング部品と下部ハウジング部品とによって少なくとも部分的に画定され、前記複数の不連続領域が、前記上部ハウジング部品の内向面上に堆積された複数の上部不連続領域と、前記下部ハウジング部品の内向面上に堆積された複数の下部不連続領域とを含む、請求項２４～２８のいずれか一項に記載の反応容器。
【請求項30】
特定の上部不連続領域が特定の下部不連続領域に直接対向して配置され、それにより、前記特定の上部不連続領域および前記特定の下部不連続領域が閾値温度まで加熱されると、前記溶液の一部の分子が前記特定の上部および下部不連続領域によって画定される領域内に熱的に閉じ込められる、請求項２９に記載の反応容器。
【請求項31】
前記複数の不連続領域のうちの第１の不連続領域が、１つまたは複数のヌクレオチド配列に結合するように構成されている、請求項２４～３０のいずれか一項に記載の反応容器。
【請求項32】
前記第１の不連続領域が、弱い共有結合相互作用を介して前記ヌクレオチド配列に結合するように構成されている、請求項３１に記載の反応容器。
【請求項33】
前記第１の不連続領域が金膜を含み、前記弱い共有結合相互作用がＡｕ－チオール結合を含む、請求項３２に記載の反応容器。
【請求項34】
反応容器を動作させる方法であって、前記方法が、前記反応容器の入口ポートを介して前記反応容器内に溶液を受け入れるステップと、
前記溶液を、光吸収層の複数の不連続領域にわたって前記反応容器を通して流すステップと、
前記光吸収層の前記複数の不連続領域のうちの第１の不連続領域に第１の光を導き、前記第１の光からのエネルギーを前記第１の不連続領域によって吸収させるステップと、
前記第１の不連続領域に隣接する前記溶液の一部を加熱するステップと
を含む、方法。
【請求項35】
第２の光からのエネルギーを第２の不連続領域によって吸収させるために、前記第２の光を前記第２の不連続領域に導くステップをさらに含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項36】
前記第１の光は第１の光源からの光であり、前記第２の光は第２の光源からの光であり、前記第２の光源は前記第１の光源よりも低い電力レベルに設定される、請求項３５に記載の方法。
【請求項37】
前記第１の光および前記第２の光は第１の光源からの光であり、前記第１の光源は、前記第２の不連続領域よりも前記第１の不連続領域に近接するように配置される、請求項３５に記載の方法。
【請求項38】
前記第１の不連続領域および前記第２の不連続領域は、前記反応容器の第１の内向領域に沿って配置される、請求項３５～３７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項39】
前記第１の不連続領域および前記第２の不連続領域は、前記溶液が物理的障壁によって前記不連続領域間の流れを阻害されないように流体的に結合される、請求項３５～３８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項40】
前記溶液を前記反応容器を通して流すステップが、前記溶液を、前記第１の不連続領域に隣接する第１のセグメントと前記第２の不連続領域に隣接する第２のセグメントとを有する流路を通して流すステップを含み、前記第１の不連続領域は前記第２の不連続領域から離間している、請求項３５～３８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項41】
前記反応容器は、上部ハウジング部品および下部ハウジング部品によって少なくとも部分的に画定され、前記複数の不連続領域は、前記上部ハウジング部品の内向面上に堆積された複数の上部不連続領域と、前記下部ハウジング部品の内向面上に堆積された複数の下部不連続領域とを含む、請求項３４～４０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項42】
特定の上部不連続領域が特定の下部不連続領域に直接対向して配置される請求項４１に記載の方法であって、前記方法がさらに、前記特定の上部不連続領域を第１の閾値温度に到達させるために、前記第１の光を前記特定の上部不連続領域に向けるステップと、
前記特定の下部不連続領域を第２の閾値温度に到達させるために、第２の光を前記特定の下部不連続領域に向けるステップと、
その結果、前記溶液の一部の分子が、前記特定の上部不連続領域および前記特定の下部不連続領域によって画定される領域内に熱的に閉じ込められるステップと
を含む、方法。
【請求項43】
弱い共有結合相互作用を介して前記第１の不連続領域に１つまたは複数のヌクレオチド配列を結合させるステップをさらに含む、請求項３４～４２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項44】
前記第１の不連続領域が金膜を含み、前記弱い共有結合相互作用がＡｕ－チオール結合を含む、請求項４３に記載の方法。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
[0001]関連出願の相互参照
本出願は、２０１８年１０月１６日に出願された「ＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＳＹＳＴＥＭ ＦＯＲ ＬＯＣＡＬＩＺＥＤ ＨＥＡＴＩＮＧ ＢＹ ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＩＯＮ ＯＦ ＰＡＴＴＥＲＮＥＤ ＴＨＩＮ ＦＩＬＭＳ」と題する米国仮特許出願第６２／７４６，４９０号の優先権を主張し、その開示は、あらゆる目的のためにその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本出願は、２０１８年１０月１６日に出願された「ＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＳＹＳＴＥＭ ＦＯＲ ＬＯＣＡＬＩＺＥＤ ＨＥＡＴＩＮＧ ＢＹ ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＩＯＮ ＯＦ ＰＡＴＴＥＲＮＥＤ ＴＨＩＮ ＦＩＬＭＳ」と題する米国仮特許出願第６２／７４６，４９０号の優先権を主張し、その開示は、あらゆる目的のためにその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【0002】
[0002]反応容器は、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）およびＤＮＡ配列決定などの操作を含み得るＤＮＡ鎖に対する様々な操作を行うために使用されることが多い。ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）は、臨床検査室、農業科学、環境科学および法医学の分野において不可欠な技術となっている。ＰＣＲは、特定の核酸標的配列を増幅するために、熱サイクル、または２つまたは３つの別個の温度間の反復温度変化を必要とする。そのような熱サイクルを達成するために、従来のベンチトップ型サーマルサイクラーは、一般に、ペルチェ素子によって電力供給される金属加熱ブロックを使用する。残念なことに、反応容器内で材料を熱サイクルさせるこの方法は、所望よりも遅くなり得る。少なくともこれらの理由から、熱サイクルの速度および／または信頼性を改善する代替手段が望ましい。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0003】
[0003]本開示は、反応容器と共に使用するのに適した方法、システム、および装置に関する。
【0004】
[0004]反応容器システムが開示されており、反応容器であって、ハウジング部品と、ハウジング部品によって画定された反応室と、反応室を画定するハウジング部品の内向面の一部に一致する光吸収層であって、複数の不連続領域を含む光吸収層とを含み得る、反応容器と、光吸収層の複数の不連続領域のうちの１つまたは複数の不連続領域においてハウジング部品の少なくとも一部を介して光を導くように構成された第１のエネルギー源（例えば、例えば可視光、赤外光、紫外線Ａ光などを放射するように構成された発光ダイオード）とを含む。いくつかの実施形態では、反応容器のハウジング部品は、複数の不連続領域のうちの２つ以上の異なる不連続領域の間に溶液を導くように構成された流路を画定してもよい。いくつかの実施形態では、複数の不連続領域は、流路の異なるセグメントに一致してもよく、流路の異なるセグメントに沿って配置されてもよい。いくつかの実施形態では、光吸収層は、ハウジング部品の内向面上に形成または堆積（例えば、めっき）された薄い金属膜を含んでもよい。
【0005】
[0005]いくつかの実施形態では、反応容器アセンブリは、第２のエネルギー源をさらに含んでもよい。複数の不連続領域のうちの第１の不連続領域は、第１のエネルギー源から光を受け取るように構成されてもよく、複数の不連続領域のうちの第２の不連続領域は、第２のエネルギー源から光を受け取るように構成されてもよい。
【0006】
[0006]いくつかの実施形態では、複数の不連続領域の各不連続領域は、反応室内に配置された溶液と直接接触してもよい。
【0007】
[0007]いくつかの実施形態では、第１の不連続領域は、第２の不連続領域から第１の距離だけ離間していてもよい。いくつかの実施形態では、第１の不連続領域は、反応容器システム内の溶液が第１の不連続領域と第２の不連続領域との間を流れることを物理的障壁によって阻害されないように、第２の不連続領域に流体的に結合されてもよい。いくつかの実施形態では、第１のエネルギー源は、第１のエネルギー源からの光の大部分が第２の不連続領域に向かうよりも第１の不連続領域に向かうように、オフセット位置に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、反応容器アセンブリは、第１の不連続領域と第２の不連続領域との間に位置する反射器要素を含んでもよく、反射器要素は、第１のエネルギー源からの光の一部を第１の不連続領域に向けて反射するように構成される。
【0008】
[0008]いくつかの実施形態では、反応容器は、溶液を受け入れるための入口ポートと、入口ポートに接続され、入口ポートを通して溶液を流す流路と、複数の不連続領域を含む光吸収層であって、不連続領域の各々は、流路のセグメントに隣接し、不連続領域は、エネルギー源からの光エネルギーを吸収するように構成される、光吸収層とを含み得る。反応容器はまた、反応容器から溶液を除去するための出口ポートを含み得る。
【0009】
[0009]いくつかの実施形態では、流路の少なくとも一部は、反応容器内に蛇行パターンで配置される。不連続領域は、反応容器の対向する端部付近の反応容器の単一表面上に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、流路は、第１の不連続領域に隣接する流路の第１のセグメントから第２の不連続領域に隣接する流路の第２のセグメントに溶液の一部を導くように構成されてもよく、第１の不連続領域は、溶液の一部が第１のセグメント内にあるときに溶液の一部に第１の熱量を伝達するように構成されてもよく、第２の不連続領域は、溶液の一部が第２のセグメント内にあるときに溶液の一部に第２の熱量を伝達するように構成されてもよい。流路は、第１のセグメントと第２のセグメントとの間に介在セグメントを含んでもよく、介在セグメントは、例えば、溶液の一部が介在セグメント内にあるときに溶液の一部を冷却させるように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、第１の不連続領域は第１の金属膜を含んでもよく、第２の不連続領域は第２の金属膜を含んでもよく、第１の金属膜は第２の金属膜よりも厚くてもよく、第１の熱量は第２の熱量よりも大きくてもよい（例えば、より厚い第１の金属膜はより多くの光エネルギーを吸収し得るため）。いくつかの実施形態では、第１の金属膜は、第１の温度プロファイルを有する第１の組成物であってもよく、第２の金属膜は、第２の温度プロファイルを有する第２の組成物であってもよい。これらの実施形態では、第１の熱量は、第２の熱量よりも大きくてもよい（例えば、組成の違いに起因して）。
【0010】
[0010]いくつかの実施形態では、流路の第１のセグメントは第１の平均断面積を有してもよく、第２のセグメントは第２の平均断面積を有してもよく、第１の平均断面積は第２の平均断面積よりも大きい。これらの実施形態では、溶液は、第２のセグメントよりもゆっくりと第１のセグメントを通って流れる場合がある。
【0011】
[0011]いくつかの実施形態では、反応容器は、溶液を反応室に受け入れるための入口ポートであって、反応室は、外周を形成する１つまたは複数の壁によって画定され得る、入口ポートと、外周内に配置された複数の不連続領域を含む光吸収層であって、不連続領域は、エネルギー源からの光エネルギーを吸収するように構成されてもよく、不連続領域は、溶液が物理的障壁によって不連続領域間の流れを阻害されないように流体的に結合されてもよい、光吸収層とを含み得る。いくつかの実施形態では、反応容器はまた、反応容器から溶液を除去するための出口ポートを含み得る。
【0012】
[0012]いくつかの実施形態では、光吸収層は、不連続領域が溶液と直接接触するように構成されるように、反応容器の内向面上に形成または堆積（例えば、めっき）された薄い金属膜を含んでもよい。他の実施形態では、溶液が不連続領域に直接接触しないように、基板が光吸収層を覆ってもよい。
【0013】
[0013]いくつかの実施形態では、複数の不連続領域は、第１の不連続領域と第２の不連続領域とを含んでもよく、第１の不連続領域は第１の金属膜を含み得、第２の不連続領域は第２の金属膜を含み得、第１の金属膜は第２の金属膜よりも厚い。これらの実施形態では、第１の不連続領域は、第２の不連続領域とは異なる温度プロファイルを有し得る（例えば、より厚い第１の金属膜は、より多くの光エネルギーを吸収し得るため）。いくつかの実施形態では、第１の金属膜は、第１の温度プロファイルを有する第１の組成物であってもよく、第２の金属膜は、第２の温度プロファイルを有する第２の組成物であってもよい。これらの実施形態では、第１の温度プロファイルは、第２の温度プロファイルとは異なり得る（例えば、組成の違いに起因して）。
【0014】
[0014]いくつかの実施形態では、反応容器は、上部ハウジング部品および下部ハウジング部品によって少なくとも部分的に画定されてもよく、複数の不連続領域は、上部ハウジング部品の内向面上に形成または堆積された複数の上部不連続領域と、下部ハウジング部品の内向面上に形成または堆積された複数の下部不連続領域とを含んでもよい。特定の上部不連続領域は、特定の下部不連続領域に直接対向して配置され得、それにより、特定の上部不連続領域および下部不連続領域が閾値温度まで加熱されると、溶液の一部の分子が特定の上部不連続領域および下部不連続領域によって画定される領域内に熱的に閉じ込められ得る。いくつかの実施形態では、上部不連続領域および下部不連続領域は、異なる閾値温度を有してもよい。他の実施形態では、上部不連続領域および下部不連続領域は、同じ閾値温度を有してもよい。
【0015】
[0015]いくつかの実施形態では、複数の不連続領域のうちの第１の不連続領域は、１つまたは複数のヌクレオチド配列に結合するように構成され得る。いくつかの実施形態では、第１の不連続領域は、弱い共有結合相互作用を介してヌクレオチド配列に結合するように構成され得る。例えば、第１の不連続領域は金膜を含み得、弱い共有結合相互作用はＡｕ－チオール結合を含み得る。
【0016】
[0016]いくつかの実施形態では、反応容器を動作させる方法は、反応容器の入口ポートを介して反応容器内に溶液を受け入れることと、溶液を光吸収層の複数の不連続領域にわたって反応容器を通して流すことと、光吸収層の複数の不連続領域のうちの第１の不連続領域に第１の光を導き、第１の光からのエネルギーを第１の不連続領域によって吸収させることと、第１の不連続領域に隣接する溶液の一部を加熱すること（例えば、溶液が第１の不連続領域の近くを流れる際の伝導または対流を介して）とを含み得る。
【0017】
[0017]いくつかの実施形態では、本方法は、第２の光からのエネルギーを第２の不連続領域によって吸収させるために、第２の光を第２の不連続領域に導くことをさらに含み得る。いくつかの実施形態では、第１の光は第１の光源からの光であってもよく、第２の光は第２の光源からの光であってもよい。第２の光源は、第１の光源よりも低い電力レベルに設定されてもよい。いくつかの実施形態では、第１の光源は、第２の不連続領域よりも第１の不連続領域に近接するように配置されてもよい。いくつかの実施形態では、第１の不連続領域および第２の不連続領域は、反応容器の第１の内向領域に沿って配置されてもよい。第１の不連続領域および第２の不連続領域は、溶液が不連続領域間を流れることを物理的障壁によって阻害されないように、流体的に結合されてもよい。
【0018】
[0018]いくつかの実施形態では、溶液を反応容器を通して流すことは、溶液を、第１の不連続領域に隣接する第１のセグメントと第２の不連続領域に隣接する第２のセグメントとを有する流路を通して流すことを含み得る。第１の不連続領域は、第２の不連続領域から離間していてもよい。
【0019】
[0019]いくつかの実施形態では、反応容器は、上部ハウジング部品および下部ハウジング部品によって少なくとも部分的に画定されてもよく、複数の不連続領域は、上部ハウジング部品の内向面上に形成または堆積された複数の上部不連続領域と、下部ハウジング部品の内向面上に形成または堆積された複数の下部不連続領域とを含んでもよい。これらの実施形態のいくつかでは、特定の上部不連続領域は、特定の下部不連続領域に直接対向して配置されてもよい。これらの実施形態では、第１の光が特定の上部不連続領域に向けられて、特定の上部不連続領域を第１の閾値温度に到達させてもよく、第２の光が特定の下部不連続領域に向けられて、特定の下部不連続領域を第２の閾値温度に到達させてもよく、それにより、溶液の一部の分子が、特定の上部不連続領域および下部不連続領域によって画定される領域内に熱的に閉じ込められ得る。
【0020】
[0020]いくつかの実施形態では、１つまたは複数のヌクレオチド配列は、弱い共有結合相互作用を介して第１の不連続領域に結合し得る。例えば、第１の不連続領域は金膜を含み得、弱い共有結合相互作用はＡｕ－チオール結合を含み得る。
【0021】
[0021]本発明の他の態様および利点は、記載された実施形態の原理を例として示す添付の図面と併せて以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【0022】
[0022]本開示は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明によって容易に理解され、同様の参照番号は同様の構造要素を示す。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【図1A】記載された実施形態での使用に適した例示的な反応容器を示す図である。
【図1B】記載された実施形態での使用に適した別の例示的な反応容器を示す図である。
【図1C】空隙領域が、隣接する例示的な反応容器間の熱の横方向伝達を低減する堅牢な障壁を確立する方法を示す図である。
【図2】例示的な反応容器の概略断面側面図および反応室を閉じることができる方法を示す図である。
【図3A】例示的な反応容器の断面側面図および光吸収層を不連続領域に分離することができる方法を示す図である。
【図3B】エネルギー源のアレイによって照射されている例示的な反応容器の断面側面図である。
【図3C】エネルギー源のアレイによって照射されている例示的な反応容器の断面側面図である。
【図3D】光吸収層の不連続領域間に異なるサイズの間隙を有する例示的な反応容器の一部の熱プロファイルの断面側面図である。
【図3E】反応室の少なくとも一部を画定する対向する内向面上に不連続領域を有する例示的な反応容器の断面側面図である。
【図4A】蛇行流路の形態をとる反応室を有する例示的な反応容器の概略斜視図である。
【図4C】共形不連続領域を有する光吸収層を含む例示的な反応容器の別の実施形態を示す図である。
【図5A】２つの不連続領域で構成された光吸収層を有するハウジング部品を含む例示的な反応容器を示す図である。
【図5B】不連続領域の一方が他方の不連続領域よりも多くのエネルギーをエネルギー源から受け取るように、エネルギー源を２つの不連続領域の一方に向かってオフセットすることができる方法を示す図である。
【図6】単一のＰＣＲサイクルに関連する様々なステップを明確に示す、反応容器の例示的な温度プロファイルを示す図である。
【図7A】複数の不連続領域を備えた光吸収層を有する反応容器におけるハイブリダイゼーションおよび固相ＰＣＲ操作の例を示す図である。
【図7B】複数の不連続領域を備えた光吸収層を有する反応容器におけるハイブリダイゼーションおよび固相ＰＣＲ操作の例を示す図である。
【図7C】複数の不連続領域を備えた光吸収層を有する反応容器におけるハイブリダイゼーションおよび固相ＰＣＲ操作の例を示す図である。
【図7D】光吸収層の不連続領域に結合した一本鎖ＤＮＡにＤＮＡの一本鎖が結合している固相ＰＣＲの別の例を示す図である。
【図8】反応容器を動作させるための例示的な方法８００を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0024】
[0042]以下の詳細な説明では添付の図面を参照し、図面は説明の一部を形成し、説明された実施形態による特定の実施形態を例示として示す。これらの実施形態は、記載された実施形態を当業者が実施できるように十分に詳細に記載されているが、これらの例は限定するものではなく、他の実施形態を使用することができ、記載された実施形態の精神および範囲から逸脱することなく変更を行うことができることが理解される。
【0025】
[0043]マイクロ流体システムまたはデバイスは、化学および生物学において広く使用されている。そのようなデバイスでは、流体が輸送、混合、分離、または他の方法で処理される。多くのマイクロ流体デバイスでは、様々な用途が毛細管力を使用する受動流体制御に依存している。他の用途では、流体の指向性輸送のために外部作動手段（例えば、回転駆動装置）が使用される。「能動的マイクロ流体」とは、マイクロポンプまたはマイクロバルブなどの能動的（マイクロ）構成要素による作動流体の定義された操作を指す。マイクロポンプは、流体を連続的に供給するか、または投与に使用される。マイクロバルブは、圧送される液体の流れ方向または移動モードを決定する。実験室で通常行われるプロセスは、効率および移動度を向上させ、かつ試料および試薬の体積を減少させるために、単一チップ上で小型化することができる。マイクロ流体構造は、マイクロ空気圧システム、すなわち、オフチップ流体を取り扱うためのマイクロシステム（液体ポンプ、ガスバルブなど）、およびナノリットル（ｎｌ）およびピコリットル（ｐｌ）体積をオンチップで取り扱うためのマイクロ流体構造を含むことができる（ＮｇｕｙｅｎおよびＷｅｒｅｌｅｙ「Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｓ」Ａｒｔｅｃｈ Ｈｏｕｓｅ，２００６）。
【0026】
[0044]マイクロ流体技術の進歩は、酵素分析（例えば、グルコースおよび乳酸アッセイ）、ＤＮＡ分析（例えば、ポリメラーゼ連鎖反応およびハイスループットシーケンシング）、およびプロテオミクスのための分子生物学的手順に革命をもたらしている。マイクロ流体バイオチップは、検出などのアッセイ動作、ならびに試料前処理および試料調製をワンチップに統合する（ＨｅｒｏｌｄおよびＲａｓｏｏｌｙ、編集者「Ｌａｂ－ｏｎ－ａ－Ｃｈｉｐ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｓ」Ｃａｉｓｔｅｒ Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ，２００９、ＨｅｒｏｌｄおよびＲａｓｏｏｌｙ、編集者「Ｌａｂ－ｏｎ－ａ－Ｃｈｉｐ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：Ｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ」Ｃａｉｓｔｅｒ Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ，２００９）。バイオチップの新たな適用分野は、臨床病理学、特に疾患の即時ポイントオブケア診断である。さらに、いくつかのマイクロ流体ベースのデバイスは、生化学的毒素および他の危険な病原体について空気／水試料の連続サンプリングおよびリアルタイム試験が可能である。
【0027】
[0045]現在、多くの種類のマイクロ流体アーキテクチャが使用されており、開放型マイクロ流体、連続流マイクロ流体、液滴ベースのマイクロ流体、デジタルマイクロ流体、紙ベースのマイクロ流体、およびＤＮＡチップ（マイクロアレイ）が含まれる。
【0028】
[0046]開放型マイクロ流体では、システムの少なくとも１つの境界が除去され、流体を空気または別の界面（すなわち、液体）にさらす（Ｂｅｒｔｈｉｅｒら、Ｏｐｅｎ ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｓ、Ｈｏｂｏｋｅｎ，ＮＪ：Ｗｉｌｅｙ，Ｓｃｒｉｖｅｎｅｒ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ，２０１６、Ｐｆｏｈｌら、Ｃｈｅｍ Ｐｈｙｓ Ｃｈｅｍ．４：１２９１－１２９８，２００３、Ｋａｉｇａｌａら、Ａｎｇｅｗａｎｄｔｅ Ｃｈｅｍｉｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｄｉｔｉｏｎ．５１：１１２２４－１１２４０，２０１２）。開放型マイクロ流体の利点には、介入のための流動液体へのアクセス可能性、より大きな液体－気体表面積、および最小の気泡形成が含まれる（Ｂｅｒｔｈｉｅｒら、Ｏｐｅｎ ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｓ、Ｈｏｂｏｋｅｎ，ＮＪ：Ｗｉｌｅｙ，Ｓｃｒｉｖｅｎｅｒ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ，２０１６、Ｋａｉｇａｌａら、Ａｎｇｅ．Ｃｈｅｍｉｅ Ｉｎｔ．Ｅｄ．５１：１１２２４－１１２４０，２０１２、Ｌｉら、Ｌａｂ ｏｎ ａ Ｃｈｉｐ １７：１４３６－１４４１）。開放型マイクロ流体の別の利点は、開放型システムを表面張力駆動流体流と統合する能力であり、これにより蠕動ポンプまたはシリンジポンプなどの外部ポンピング方法の必要性が排除される（Ｃａｓａｖａｎｔら、Ｐｒｏｃ．Ｎａｔ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．ＵＳＡ １１０：１０１１１－１０１１６，２０１３）。開放型マイクロ流体デバイスはまた、フライス加工、熱成形、および熱エンボス加工によって製造するのに安価である（Ｇｕｃｋｅｎｂｅｒｇｅｒら、Ｌａｂ ｏｎ ａ Ｃｈｉｐ、１５：２３６４－２３７８、２０１５、Ｔｒｕｃｋｅｎｍｕｌｌｅｒら、Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、１２：３７５－３７９、２００２、Ｊｅｏｎら、Ｂｉｏｍｅｄ．Ｍｉｃｒｏｄｅｖｉｃｅｓ １３：３２５－３３３，２０１０、Ｙｏｕｎｇら、Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．８３：１４０８－１４１７，２０１１）。さらに、開放型マイクロ流体は、毛細管流に有害であり得るデバイス用のカバーを糊付けまたは接着する必要性を排除する。開放型マイクロ流体の例には、開路マイクロ流体、レールベースのマイクロ流体、紙ベース、および糸ベースのマイクロ流体が含まれる（Ｂｅｒｔｈｉｅｒら、Ｏｐｅｎ ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｓ、Ｈｏｂｏｋｅｎ、ＮＪ：Ｗｉｌｅｙ、Ｓｃｒｉｖｅｎｅｒ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ、２０１６、Ｃａｓａｖａｎｔら、Ｐｒｏｃ．Ｎａｔ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．ＵＳＡ １１０：１０１１１－１０１１６，２０１３、Ｂｏｕａｉｄａｔら、Ｌａｂ ｏｎ ａ Ｃｈｉｐ ５：８２７，２００５）。
【0029】
[0047]連続流マイクロ流体は、微細加工された流路を通る連続液体流の操作に基づく（Ｎｇｕｙｅｎら、Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｓ、８：１８６、２０１７、ＡｎｔｆｏｌｋおよびＬａｕｒｅｌｌ、Ａｎａｌ．Ｃｈｉｍ．Ａｃｔａ ９６５：９－３５，２０１７）。液体流の作動は、外部圧力源、外部機械式ポンプ、一体型機械式マイクロポンプ、または毛細管力と動電機構の組み合わせのいずれかによって実施される。連続流デバイスは、多くの明確で単純な生化学用途および化学分離などの特定のタスクに有用であるが、高度な柔軟性または流体操作を必要とするタスクにはあまり適していない。連続流システムにおけるプロセス監視能力は、ナノリットル範囲までの分解能を提供する微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術に基づく高感度マイクロ流体流量センサによって達成することができる。
【0030】
[0048]液滴ベースのマイクロ流体は、低いレイノルズ数および層流レジームを有する非混和性相の不連続体積の流体を操作する（Ｓｈｅｍｂｅｋａｒら、Ｌａｂ ｏｎ ａ Ｃｈｉｐ ８：１３１４－１３３１、２０１６、Ｚｈａｏ－Ｍｉａｏら、Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊ．Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．４５：２８２－２９６，２０１７の総説を参照）。微小液滴は、好都合に流体の微小体積（μｌ～ｆｌ）の操作を可能にし、良好な混合、カプセル化、選別、および感知を提供し、高スループット用途に適している（Ｃｈｏｋｋａｌｉｎｇａｍら、Ｌａｂ ｏｎ ａ Ｃｈｉｐ １３：４７４０－４７４４，２０１３）。
【0031】
[0049]閉路連続流システムの代替としては、開放構造が挙げられ、不連続の独立して制御可能な液滴がエレクトロウェッティングを使用して基板上で操作される。不連続の単位体積の液滴を使用することにより（Ｃｈｏｋｋａｌｉｎｇａｍら、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔ．９３：２５４１０１，２００８）、マイクロ流体機能は、繰り返される基本動作のセット、すなわち１単位の距離にわたって１単位の流体を移動させることに低減され得る。この「デジタル化」方法は、マイクロ流体バイオチップ設計のための階層的な細胞ベースのアプローチの使用を容易にする。したがって、デジタルマイクロ流体は、柔軟でスケーラブルなシステムアーキテクチャおよび高いフォールトトレラントを提供する。さらに、各液滴を独立して制御することができるため、これらのシステムは動的再構成可能性も有し、それによってマイクロ流体アレイ内の単位セルのグループは、バイオアッセイのセットの同時実行中にそれらの機能を変更するように再構成することができる。あるいは、液滴を、限定されたマイクロ流体流路内で操作することができる。デジタルマイクロ流体のための１つの一般的な作動方法は、誘電体上のエレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ）である（ＮｅｌｓｏｎおよびＫｉｍ、Ｊ．Ａｄｈｅｓｉｏｎ Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．，２６：１２－１７，１７４７－１７７１，２０１２に総説されている）。エレクトロウェッティングを使用したデジタルマイクロ流体パラダイム内で、多くのラボオンチップ用途が実証されている。しかしながら、最近では、磁力（ＺｈａｎｇおよびＮｇｕｙｅｎ，Ｌａｂ ｏｎ ａ Ｃｈｉｐ １７．６：９９４－１００８，２０１７）、表面弾性波、オプトエレクトロウェッティング、機械的作動（Ｓｈｅｍｅｓｈら、Ｂｉｏｍｅｄ．Ｍｉｃｒｏｄｅｖｉｃｅｓ １２：９０７－９１４，２０１０）などを使用して、液滴操作のための他の技術も実証されている。
【0032】
[0050]紙ベースのマイクロ流体（Ｂｅｒｔｈｉｅｒら、Ｏｐｅｎ Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｓ、Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ、Ｉｎｃ．、ｐｐ．２２９－２５６，２０１６）は、多孔質媒体中の毛細管浸透の現象に依存している。紙などの多孔質基材における流体浸透を二次元および三次元で調整するために、マイクロ流体デバイスの細孔構造、濡れ性および幾何学的形状を制御することができるが、液体の粘度および蒸発速度はさらに重要な役割を果たす。そのようなデバイスの多くは、生物学的反応が起こる出口に水溶液を受動的に輸送する親水性紙の疎水性バリアを特徴とする（Ｇａｌｉｎｄｏ－Ｒｏｓａｌｅｓ「Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｆｌｕｉｄ－Ｆｌｏｗｓ ｉｎ Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｓ」Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，２０１７）。
【0033】
[0051]初期のバイオチップは、ＤＮＡマイクロアレイ、例えばＡｆｆｙｍｅｔｒｉｘ製のＧｅｎｅＣｈｉｐ ＤＮＡアレイの着想に基づいており、これは、ＤＮＡ分子（プローブ）がアレイ状に固定されたガラス、プラスチックまたはシリコン基板のピースである。ＤＮＡマイクロアレイと同様に、タンパク質アレイは、多数の異なる捕捉剤、例えばモノクローナル抗体が、チップ表面に堆積されるアレイである。捕捉剤は、生物学的試料、例えば血液中のタンパク質の存在および／または量を決定するために使用される。総説については、例えば、Ｂｕｍｇａｒｎｅｒ，Ｃｕｒｒ．Ｐｒｏｔｏｃ．Ｍｏｌ．Ｂｉｏｌ．１０１：２２．１．１－２２．１．１１，２０１３を参照されたい。
【0034】
[0052]マイクロアレイに加えて、バイオチップは、二次元電気泳動、トランスクリプトーム分析、およびＰＣＲ増幅のために設計されている。他の用途には、タンパク質およびＤＮＡ、細胞分離、特に血球分離、タンパク質分析、細胞生存率分析および微生物捕捉を含む細胞操作および分析のための様々な電気泳動および液体クロマトグラフィー用途が含まれる。
【0035】
[0053]反応容器は、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）およびＤＮＡ配列決定を含む、ＤＮＡ鎖に対する様々な種類の操作を行うために使用されることが多い。反応容器は、先に列挙したマイクロ流体アーキテクチャの１つまたは複数を組み込むことができるが、反応容器はマイクロ流体デバイスよりも大きくすることができ、そのため、上記のマイクロ流体アーキテクチャのいずれも組み込むことができない場合があることを理解されたい。反応容器の動作は、多くの場合、反応容器内の温度を急速に変化させる必要性を含む。例えば、ＤＮＡ鎖を含有するＰＣＲ動作溶液は、反応容器によって画定された反応室内に配置される。様々な異なる種類のＤＮＡを分解および／または構築するために、溶液を熱サイクルさせるために加熱要素が使用される。残念ながら、溶液を熱サイクルさせる従来の手段は、しばしば所望よりも遅く、反応容器内の反応室の特定の領域の温度を変化させることができない。
【0036】
[0054]この問題に対する１つの解決策は、光吸収層によって吸収される任意の光において５０～９０％のフォトニックエネルギーの吸収を可能にする光吸収特性を有する光吸収層を反応容器の反応室内に配置することである。エネルギー源は、光吸収層に光を導くように構成することができ、これは、光吸収層に導かれた光の光子からエネルギーを効率的に吸収する。フォトニックエネルギーの吸収は、光吸収層の温度を急速に上昇させる。次いで、光吸収層によって受け取られたこのエネルギーは、熱伝導によって反応室内の溶液に伝達される。
【0037】
[0055]いくつかの実施形態では、光吸収層は不連続領域に分割される。光吸収層を不連続領域に分割することの利点は、（１）不連続領域を異なる形状および厚さにパターン化することにより、反応容器の反応室内で特定の空間加熱プロファイルを達成することが可能になる、（２）光学センサは、反応室内の溶液の読取り値を、不連続領域間の間隙を介して取得することができる、および（３）エネルギー源のアレイを使用して、光吸収層の不連続領域の各々に異なる量のエネルギーを加えることができ、それにより、反応室の第１の領域内の溶液が、反応室の第２の領域内の溶液とは実質的に異なる温度を有することを可能にすることである。
【0038】
[0056]これらおよび他の実施形態は、図１Ａ～図６Ｄを参照して以下に説明される。しかしながら、当業者であれば、これらの図に関して本明細書で与えられる詳細な説明は説明目的のためのものにすぎず、限定として解釈されるべきではないことを容易に理解するであろう。以下の説明では添付の図面を参照し、図面は本明細書の一部を形成し、本発明を実施し得る特定の実施形態を例示として示す。「上部」および「下部」などの用語は、説明されている図の向きを参照して使用される。本発明の実施形態の構成要素は、いくつかの異なる向きに配置することができるため、これらの用語は例示の目的で使用されており、限定することを意図するものではない。
【0039】
[0057]図１Ａは、記載された実施形態での使用に適した例示的な反応容器１００の斜視図を示す。特に、反応容器１００は、反応室１０４を画定する光学的に透明な材料から形成されたハウジング部品１０２を含む。反応室１０４は実質的に円形の幾何学的形状を有するものとして示されているが、示されている反応室１０４の形状は限定的であると解釈されるべきではなく、楕円形、菱形、および長方形などの他の形状も可能であることを理解されたい。いくつかの実施形態では、ハウジング部品１０２を形成する光学的に透明な材料は、反応容器１００を加熱するために使用される光の波長のみに対して光学的に透明であり得る。例えば、光学的に透明な材料は、光の可視、赤外または紫外周波数のみを選択するために光学的に透明であり得る。反応室１０４は、反応室１０４内で加熱される液体を囲む第２のハウジング部品（図示せず）によって閉じることができる。このようにして、反応室１０４内の液体溶液中のＤＮＡ鎖は、急速な熱サイクルを受けることができ、溶液の任意の気化部分の少なくとも一部は、その後、熱サイクルの間または熱サイクルが完了した後に液化して溶液に戻ることができる。光吸収層１０６は、反応室１０４の内向面上に形成または堆積（例えば、めっき）され得るか、そうでなければ接着され得る。光吸収層１０６は、良好な光吸収特性を有し、反応室１０４内に配置された任意の液体と直接接触することができる。例えば、光吸収層１０６は、光吸収層１０６に入射するフォトニックエネルギーの約５０～９０％を吸収するように構成することができる。いくつかの実施形態では、光吸収層１０６は、元素状金、クロム、チタン、ゲルマニウム、または例えば金－ゲルマニウム、金－クロム、金－チタン、金－クロム－ゲルマニウムおよび金－チタン－ゲルマニウムなどの金合金から形成された金属膜とすることができる。いくつかの実施形態では、光吸収層１０６は、元素状金、クロム、チタン、ゲルマニウム、または例えば金－ゲルマニウム、金－クロム、金－チタン、金－クロム－ゲルマニウムおよび金－チタン－ゲルマニウムなどの金合金から形成された多層金属膜とすることができる。光吸収層１０６は、約５～２００ｎｍの厚さを有することができる。ハウジング部品１０２はまた、入口流路１０８および出口流路１１０を画定し、入口流路１０８と出口流路１１０は、様々な化学物質、プライマー、ＤＮＡ鎖および他の生物学的材料を反応室１０４に出入りさせるために使用することができる。いくつかの実施形態では、ハウジング部品１５２は、約７ｍｍ×１４ｍｍの寸法を有することができる。しかしながら、このサイズは変化し得ることを理解されたい。いくつかの実施形態では、ハウジング部品の最大寸法は、５００ミクロン未満であってもよい。
【0040】
[0058]図１Ｂは、別の例示的な反応容器１５０の斜視図を示す。反応容器１５０は、反応容器１００と同様に、ハウジング部品１５２と、反応室１０４と、光吸収層１０６と、入口流路１０８と、出口流路１１０とを含む。デバイスハウジング１５２は、空隙領域１５４および１５６を含む収容能力をもつ幅広の中央領域を含む。空隙領域１５４および１５６は、隣接する反応容器への熱の横方向伝達を妨げるために空のままにすることができる。いくつかの実施形態では、空隙領域１５４および１５６を通る熱の伝達は、空隙領域１５４および１５６から空気を除去することによってさらに低減することができる。いくつかの実施形態では、ハウジング部品１５２の直径は、約５ｍｍとすることができる。しかしながら、このサイズは変化し得ることを理解されたい。例えば、ハウジング部品１５２の直径は、２ｍｍ～１５ｍｍの間で変化し得る。
【0041】
[0059]図１Ｃは、ハウジング部品１５２の形状が反応容器１５０をハニカムまたは六角形のパターンに緊密に詰め込むことを可能にする方法を示す。図１Ｃはまた、空隙領域１５４および１５６が、隣接する反応容器１５０間の熱の横方向伝達を低減する堅牢な障壁を確立することができる方法を示す。反応容器１５０の直径が約５ｍｍである場合、反応室１０４は約１０ｕｌの溶液を保持することができ、８００ｕｍの深さを有することができる。一般に、これらのデバイスは、２００～１５００ｕｍの深さで２．５μｌ～５００μｌを保持するように構成される。
【0042】
[0060]図２は、例示的な反応容器１００の概略断面側面図を示し、ハウジング部品１０２によって画定された反応室１０４を、キャップの形態をとることができるハウジング部品２０２によって閉じることができる方法を示す。いくつかの実施形態では、ハウジング部品１０２および２０２は、汚染を防止し、反応室１０４内の圧力などの他の要因の制御を可能にするために、一緒に封止することができる。図２はまた、光吸収層１０６上に光を投射するように構成されたエネルギー源２０４を示す。エネルギー源２０４によって投射される光の周波数は変化し得る。いくつかの実施形態では、エネルギー源２０４は、４５０ｎｍの波長、８９０ｍＷの電力および７００ｍＡの電流を有する光を放射するように構成された発光ダイオードの形態をとることができる。いくつかの実施形態では、発光ダイオードは、近赤外または紫外（例えば、紫外線Ａ）光を放射するように構成されてもよい。光吸収層１０６がエネルギー源によって照射されると、高温の金属表面と反応室１０４内に配置されたより低温の周囲溶液との間に大きな温度差が生じ、周囲の溶液が加熱される。エネルギー源が光吸収層１０６の照射を停止すると、結果として生じる光吸収層１０６の急速冷却は、加熱された溶液の急速冷却を促進するのに役立つ。
【0043】
[0061]図３Ａは、例示的な反応容器１００の断面側面図を示し、光吸収層１０６を不連続領域３０２，３０４および３０６に分離する方法を示す。これらの不連続領域は、１つまたは複数の内向面（例えば、内向面３０１）の上に重ね合わされてもよい。いくつかの実施形態では、これらの不連続領域は、反応室１０４内に目標量のエネルギーを確立するのに役立つように設定することができる。領域３０２，３０４および３０６の間の間隙は、反応室１０４の底面全体にわたって延在する光吸収層と比較して、エネルギー源２０４から光を受ける総表面積を減少させる。領域３０２，３０４および３０６の間の間隙のサイズの増減を使用して、反応室１０４へ入力されるエネルギーを調整することができる。反応室１０４内の溶液と接触する総面積も減少し、それにより、不連続領域３０２，３０４および３０６から溶液への熱の伝達効率が低下する。領域３０２，３０４および３０６の間の間隙はまた、反応室１０４内の溶液の光学的監視を可能にする。領域３０２，３０４および３０６の間の間隙は、サイズが均一でなくてもよく、反応室１０４内のいくつかの領域が他の領域よりも実質的に多く加熱されることを可能にする。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の不連続領域は、異なる加熱プロファイルを可能にするために異なる寸法を有することができる。例えば、図３Ａに示すように、不連続領域３０６は、不連続領域３０２および３０４よりも厚くすることができ、それにより、熱を不連続領域３０６に近接した反応室１０４に引き込むことができる効率を高める。結果として、他がすべて等しい（例えば、不連続領域が同じ組成を有すると仮定する）場合、この例の不連続領域３０６は、エネルギー源２０４からより多くのエネルギーを吸収し、その結果、所与の期間にわたって不連続領域３０２および３０４よりも速いまたは大きな温度上昇を経験する可能性がある。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の不連続領域は、異なる組成を有してもよく、異なる温度プロファイルを可能にする。例えば、図３Ａを参照すると、不連続領域３０２は、元素状金から形成された金属膜であってもよく、不連続領域３０４および３０６は、多層金属膜から形成された金属膜であってもよい（代替的または追加的に、これらの領域は、金合金または他の適切な材料から形成されてもよい）。これらの実施形態では、他がすべて等しい（例えば、均一な寸法を仮定する）場合、不連続領域３０２および３０４は、第１の速度でエネルギー源２０４からエネルギーを吸収する可能性があり、不連続領域３０６は、第２の速度でエネルギー源２０４からエネルギーを吸収する可能性がある。当業者には明らかであるように、本明細書に開示される反応容器の不連続領域は、微調整された加熱制御を可能にし、従来の反応容器と比較して柔軟性の向上およびより多くの用途を可能にする。図３Ａ～図３Ｄに示す反応容器は、３つの不連続領域（３０２，３０４，３０６）のみを示しているが、本開示は、その寸法および組成が本明細書に記載のように変更され得る任意の数の不連続領域を想定している。
【0044】
[0062]本明細書に記載の不連続領域（例えば、図３Ａの不連続領域３０２，３０４および３０６）は互いに分離されているが、少なくとも本開示の目的のために、それらは同じ表面（例えば、図３Ａの内向面３０１）の上に重ね合わされるという点で、依然として同じ単一層の一部である。さらに、不連続領域の厚さおよび／または高さは変化し得るが、本開示の目的のために、不連続領域は、それにもかかわらず、同じ単一層の一部であり得る。層の部分は、異なる厚さおよび／または高さを有し得る。例えば、図３Ａを参照すると、不連続領域３０６の厚さは他の不連続領域（例えば、不連続領域３０２および３０４）の厚さとは異なるが、３つの不連続領域３０２，３０４および３０６はすべて同じ層の一部であると考えられ得る。
【0045】
[0063]図３Ｂは、エネルギー源３０８のアレイによって照射されている別の例示的な反応容器１００の断面側面図を示す。いくつかの実施形態では、反応容器を加熱するために複数のエネルギー源が使用され得る。いくつかの実施形態では、複数のエネルギー源は、図３Ｂに示すようにアレイ状に配置されてもよい。図３Ｂを参照すると、複数のエネルギー源３０８の使用は、エネルギー源３０８が不連続領域３０２，３０４および３０６のみにエネルギーを集中させることを可能にすることによって、不連続領域３０２，３０４および３０６の間のハウジング部品１０２の領域で散逸される光の量を低減することができる。不連続エネルギー源３０８の使用はまた、各不連続領域のより均一な加熱および全体的により効率的な加熱を可能にし得る。これは、各エネルギー源からのエネルギーが、１つまたは複数の対応する不連続領域に集束するように最適化され得、それによって、対応する不連続領域がエネルギー源から最適量のエネルギーを受け取ることを保証するためであり得る。例えば、図３Ｂを参照すると、エネルギー源３０８－１は、エネルギー源３０８－１からのエネルギーの散逸を最小限に抑えながら、不連続領域３０２全体がエネルギー源３０８－１から最大量のエネルギーを受け取るように、不連続領域３０２に焦点を合わせることができる。いくつかの実施形態では、エネルギー源３０８は、不連続領域３０２，３０４または３０６の１つを特異的に標的とするための特殊な集束光学系を含んでもよい。いくつかの実施形態では、エネルギー源３０８のアレイの各エネルギー源３０８は、反応室１０４内に所望の勾配の熱を生成するように別々に制御することができる。この程度の制御は、例えば、異なる種類の生体物質が不連続領域３０２，３０４および３０６に近接してまたはその上に直接付着される場合に有用であり得る。エネルギー源３０８を個別に制御することができるため、特定の不連続領域に関連する生体物質を、カスタマイズされた加熱プロファイルに従って加熱することができる。例えば、不連続領域３０６に近接する生物学的材料は、不連続領域３０２および３０４に近接する生物学的材料よりも実質的に低い変性温度を有し得る。このように、エネルギー源３０８－１および３０８－２は、エネルギー源３０８－３よりも高い電力レベルで動作する場合があり、両方の種類の生体物質について所望の変性温度を達成することを可能にし得る。
【0046】
[0064]図３Ｃは、エネルギー源３０８のアレイによって照射されている例示的な反応容器１００の断面側面図を示す。図３Ｃは、反応室１０４を複数のより小さい反応室１０４－１、１０４－２および１０４－３に分割するために、ハウジング部品２０２がハウジング部品１０２の突起または隆起部３０５と交わる複数の突起または隆起部３０３を含むことができる方法を示す。このようにして、反応室１０４内の溶液を分離することができ、不連続領域３０２，３０４および３０６によって可能にされる断熱をさらに改善する。ハウジング部品２０２および１０２の両方が、それぞれの突起３０３および３０５を含んで示されているが、いくつかの実施形態では、突起３０３は、ハウジング部品１０２の平坦な内向面全体に延びることができ、または突起３０５は、ハウジング部品２０２の平坦な内向面全体に延びることができることを理解されたい。いくつかの実施形態では、反応容器１００は、突起３０３の異なる構成を有する複数の異なるハウジング部品２０２を含むことができる。例えば、突起がないハウジング部品２０２は、単一の反応室１０４で反応を実行することを可能にすることができ、その後の実験または操作では、突起３０３を有する図示のハウジング部品２０２は、反応室を図示のように複数のより小さい反応室に分割することができる。いくつかの実施形態では、突起３０３および３０５は、異なるサイズの反応室を画定するような形状および寸法であってもよい。例えば、図３Ｃを参照すると、突起３０３および３０５は、反応室１０４－２が反応室１０４－１および１０４－３よりも小さくなるような形状および寸法である。反応室のサイズの制御を使用して、反応室の温度プロファイルに影響を与えてもよい。例えば、比較的小さな反応室（例えば、１０４－２）は、比較的大きな反応室（例えば、１０４－１および１０４－３）よりも速く加熱され得る。いくつかの実施形態では、エネルギー源３０８のエネルギーレベルも変化させて、反応室の温度プロファイルに影響を与えてもよい。例えば、図３Ｃに示すように、エネルギー源３０８－２は、エネルギー源３０８－１および３０８－３よりも低い電力レベルで動作し得る。
【0047】
[0065]いくつかの実施形態では、ハウジング部品２０２は、異なるサイズの反応室１０４を画定する突起３０３の構成を含み得る。例えば、ハウジング部品２０２は、不連続領域３０２および３０４の両方を含む１つの反応室と、不連続領域３０６のみを含む別の反応室とを画定するただ１つの突起３０３を含み得る。いくつかの実施形態では、ハウジング部品１０２の突起３０５の構成は、同様の効果のために調整されてもよい。例えば、ハウジング部品１０２は、不連続領域３０２および３０４の両方を含む１つの反応室と、不連続領域３０６のみを含む別の反応室とを画定するただ１つの突起３０５を含み得る。いくつかの実施形態では、突起３０３および３０５は互いに対応してもよい。先の例に基づき、ハウジング部品２０２は１つの突起３０３を含み得、ハウジング部品１０２は１つの突起３０５を含み得、突起３０３および３０５は、不連続領域３０２および３０４の両方を含む１つの反応室と、不連続領域３０６のみを含む別の反応室とを画定する。突起３０３および／または３０５は、隣接する反応室１０４間の溶液の通過を防止するのに役立つ封止要素をそれらの遠位端部に含むことができることを理解されたい。
【0048】
[0066]図３Ｄは、光吸収層の不連続領域３０２，３０４および３０６の間に異なるサイズの間隙を有する例示的な反応容器の一部の熱プロファイルの断面側面図を示す。特に、ハウジング部品１０２は、ラベル１０２－１、１０２－２、１０２－３および１０２－４によって区別される４つの異なる不連続領域構成で示されている。これらの構成は、不連続領域３０２，３０４および３０６に隣接する溶液の部分で生じるエネルギーまたは温度変化の量を示す２組の輪郭を示す。特に、これらの描写は、隣接する不連続領域間の間隙サイズを調整することにより、溶液を含む反応室の加熱プロファイルを変化させることができる方法を示している。ハウジング部品１０２－４は、大きな単一の不連続領域のみ、あるいは単一の不連続領域を効果的に形成するように互いに当接接触している領域３０２，３０４および３０６で構成された不連続領域を示す。不連続領域３０２，３０４および３０６を当接接触させて配置すると、ハウジング部品１０２－４の中央部分に最大の加熱領域が生じるが、いくつかの実施形態では、ハウジング部品１０２の周辺端部が所望の温度を下回る可能性があることに留意されたい。
【0049】
[0067]図３Ｅは、反応室１０４の少なくとも一部を画定する対向する内向面３０１および３０９（例えば、上部ハウジング部品２０２および下部ハウジング部品１０２）上の不連続領域３０２～３０７を有する例示的な反応容器１００の断面側面図を示す。図示の例では、不連続領域３０２～３０７はエネルギー源２０４からエネルギーを受け取り、不連続領域３０２～３０７を加熱し、それによって反応室１０４内に配置された溶液の温度を上昇させる。図示されているように、不連続領域３０２～３０７は、内向面３０１および３０９上にめっきされ、あるいは形成され、あるいは堆積されてもよい。あるいは、いくつかの実施形態では、不連続領域３０２～３０７は、ハウジング部品（例えば、上部ハウジング部品２０２および下部ハウジング部品１０２）の内部または外部に配置されてもよい。図３Ｅを参照するいくつかの実施形態では、熱は反応室１０４全体にわたって経時的に拡散し得るが、この拡散は、不連続領域３０２～３０７に隣接する溶液の部分（例えば、加熱領域３１１，３１２および３１３内）が周囲の溶液よりも高い温度に加熱され得る期間が存在するように十分に遅い。いくつかの実施形態では、これらの部分は、円筒形、凹状円筒形、凸状円筒形、球形などであってもよい。いくつかの実施形態では、加熱領域（例えば、加熱領域３１１，３１２および３１３）と周囲領域との間の温度勾配は、加熱領域内の分子の熱閉じ込めをもたらし得る。例えば、加熱領域３１１，３１２および３１３の間に物理的障壁がなくても、温度差がこれらの領域から周囲の溶液への分子の拡散を阻害する可能性があり、その結果、各加熱領域内の分子はそれぞれの領域内に熱的に閉じ込められていると言える。このようにして、加熱領域３１１，３１２、および３１３は、異なる反応を実行するために使用され得るサブ室を形成し得る。いくつかの実施形態では、この熱閉じ込めは、上部ハウジング部品２０２および下部ハウジング部品１０２の不連続領域を少なくとも閾値温度まで加熱することによって引き起こされ得、閾値温度は、反応容器１００内に熱閉じ込めを引き起こすことが知られている所定の温度であり得る。例えば、不連続領域３０３は第１の閾値温度まで加熱されてもよく、不連続領域３０２は第２の閾値温度まで加熱されてもよい。場合によっては、第１および第２の閾値温度は同じまたは実質的に同じであってもよい。他の場合には、第１および第２の閾値温度は異なっていてもよい。
【0050】
[0068]図４Ａは、ハウジング部品４０２を含む例示的な反応容器４００の概略斜視図を示す。ハウジング部品４０２は、反応容器４００内に配置された溶液の局所加熱のためにエネルギー源４０８からの光放射を受け取るように構成された複数の不連続領域４０６に分配された光吸収層を含む。いくつかの実施形態では、光吸収層は、不連続領域４０６に対応する部分を除いてハウジング部品４０２によって隠されたすべての部分を有する連続した非不連続層であってもよい。他の実施形態では、光吸収層は、ハウジング部品４０２の上または内側に配置された不連続領域４０６に対応する不連続部分であってもよい。図示のように、ハウジング部品４０２は、溶液が不連続領域４０６の各々を通って流れることができる蛇行流路の形態をとる反応室を有してもよい。蛇行流路４１０を通る溶液の流れは、ポンプ、重力、またはウィッキング構造を含む多くの方法で促進することができる。不連続領域４０６の各々は、図３Ｂに示す構成と同様に、それ自体のそれぞれのエネルギー源４０８を用いて構成することもできることを理解されたい。
【0051】
[0069]図４Ｂは、光吸収層を形成するいくつかの不連続領域４０６－１～４０６－８を有する例示的な反応容器４００の上面図を示す。図４Ｂは、第１の方向で蛇行流路４１０を通る溶液の流れの方向を示しているが、蛇行流路４１０を通る溶液の流れは、第１の方向とは反対の第２の方向に移動することができることを理解されたい。例えば、ポンプ機構を含む実施形態では、蛇行流路４１０を通る溶液の流れを反応中の様々な時点で反転させて、流路４１０内に配置された溶液の所望の熱加熱プロファイルを達成することができる。いくつかの実施形態では、一本鎖ＤＮＡを、不連続領域４０６－１～４０６－８のうちの１つまたは複数の上に配置された結合剤に付着させることができ、流路４１０に沿って伝導されている溶液内の生体物質が、不連続領域４０６－１～４０６－８で溶液に伝達された熱によって生成された様々な温度で一本鎖ＤＮＡと相互作用することを可能にする。いくつかの実施形態では、不連続領域４０６－１～４０６－８によって吸収される熱は、本明細書に開示される機構のいずれかによって（例えば、不連続領域の組成、不連続領域の厚さ、対応する光源のパワーレベル、対応する光源の位置などを変えることによって）変化し得る。いくつかの実施形態では、溶液が流路４１０の部分を通過する速度は、流路の幅および／または深さを増加させることによって変えることができる。流路の一部の幅および／または深さを増加させることにより、その部分に沿った流路の断面積Ａが増加する。したがって、他がすべて等しい場合、その部分を通る流れの速度は低下する。例えば、溶液は、比較的大きい平均断面積を有する流路の部分と比較して、比較的小さい平均断面積を有する流路の部分を通ってより迅速に流れることがある。非圧縮性流体の連続性方程式（ほとんどの溶液にほぼ適用される）Ａ１ｖ１＝Ａ２ｖ２によれば、断面積が比較的低いＡ１から比較的高いＡ２に増加する場合、補償するために速度を低下させなければならない（すなわち、ｖ１からｖ２）。例えば、図４Ｂを参照すると、流路セグメント４１２は増加した幅を有し、それにより、不連続領域４０６－１と４０６－２との間（および不連続領域４０６－２と４０６－３との間）で冷却される必要がある溶液の速度が減少し、時間が増加し、溶液が不連続領域４０６－２で費やす時間がさらに増加する。不連続領域４０６－１～４０６－８によって吸収される熱を調整すること、および／または溶液が不連続領域４０６－１～４０６－８の各々および不連続領域４０６－１～４０６－８の間で費やす時間を調整することは、調整されたマルチステップ反応を可能にし得る。例えば、以下に説明するように、ＰＣＲは複数のステップを必要とし、各ステップは、溶液に必要な温度範囲（加熱および冷却を必要とする）を指定し、さらに溶液が必要な温度範囲に留まる時間量を指定する。
【0052】
[0070]図４Ｃは、共形不連続領域４１４を有する光吸収層を含む例示的な反応容器４００の別の実施形態を示す。図４Ｃに示すように、共形不連続領域４１４は、流路４１０のセグメントの形状に概ね一致する。共形不連続領域は、エネルギー源からのエネルギーが流路４１０の特定のセグメントを標的とすることを可能にする。そのような実施形態では、連続する不連続領域間の流路４１０のセグメントの長さを増減することができる（同様に、共形不連続領域４１４に関連する流路４１０のセグメントの長さを増減することができる）。例えば、セグメント４１０－１（不連続領域４１４－１と４１４－２との間に配置された流路４１０のセグメント）またはセグメント４１０－２（不連続領域４１４－２と４１４－３との間に配置された流路４１０のセグメント）を通って流れる溶液は、溶液がセグメント４１０－３（不連続領域４１４－３と領域４１４－４との間に配置された流路４１０のセグメント）を通過するときよりも冷却される時間が短い。これは、図示のように、セグメント４１０－１および４１０－２がセグメント４１０－３よりも短く、したがって、加熱された不連続領域間の流路４１０を通る流れの間に冷却される機会が少ないという事実に起因し得る。別の例として、溶液は、領域４１４－１に沿って流れる場合、領域４１４－２に沿って流れる場合よりも長い時間加熱される（例えば、図示のように、不連続領域４１４－１は不連続領域４１４－２よりも長いため）。前述のように、図４Ｃに示す実施形態の不連続領域は、それぞれの温度プロファイルを変更するように修正されてもよく（例えば、それらの組成、それらの厚さおよび他の寸法などを変えることによって）、または１つまたは複数のエネルギー源から異なる量のエネルギーを受け取ってもよい（例えば、対応するエネルギー源を異なるレベルに設定することによって）。また、前述のように、図４Ｃに示す実施形態の流路４１０は、流れを変更するように修正されてもよい（例えば、流路の断面積Ａを変化させることによって）。また、前述のように、不連続領域４１４の各々は、共有エネルギー源、それ自体の専用エネルギー源、または不連続領域４１４のサブセットを照射するエネルギー源によってサポートされ得る。反応室は、図１Ａ～図３Ｂに示されるような単一の室、図３Ｃに示されるような分割された反応室、および図４Ａ～図４Ｃの流路としての文脈で説明されているが、他の反応室構成も可能であることを理解されたい。例えば、反応室は、２つの平板間に配置された一連の接着剤流路によって画定された内部容積の形態をとることができ、または単に反応容器基板上の位置から構成され得る。一般に、反応室は、それに沿って様々な反応を開始することができる反応容器によって画定される任意の流体経路であると考えることができる。特定の実施形態では、流体経路は、環境に対して閉鎖／封止または開放され得る。
【0053】
[0071]図４Ｄ～図４Ｆは、図４Ｃに示す反応容器などの例示的な反応容器の横断面を示す。図４Ｄは、不連続領域４１４－２、４１４－４、４１４－６、および４１４－８が流路４１０のセグメント（例えば、セグメント４１０－２ａ、４１０－２ｂ、４１０－４ａ、４１０－４ｂ、４１０－６ａ、４１０－６ｂ、４１０－８ａ、４１０－８ｂ）の下に配置される第１の例を示す。図示のように、エネルギー源４０８は、流路４１０の対応するセグメント（例えば、不連続領域の真上のセグメント）内の溶液を加熱するように、不連続領域にエネルギーを向けてもよい。図４Ｅは、不連続領域４１４－２、４１４－４、４１４－６、および４１４－８が、流路４１０の側面を加熱する側方部分（例えば、側方部分４１５－１、４１５－２）を含む、第２の例を示す。図示のように、いくつかの実施形態では、側方部分は、傾斜したエネルギー源４０９から光を受け取るように構成された傾斜ランプを有してもよい。図示の実施形態では、側方部分は、各不連続領域について流路４１０のセグメントの外側部分に沿って配置されている。例えば、図示のように、側方部分４１５－１は、セグメント４１０－２ａの外側面に沿って配置され、側方部分４１５－２は、セグメント４１０－２ｂの外側面に沿って配置される。他の実施形態では、側方部分は、流路４１０の各セグメントの両方の側方サービスに沿って配置されてもよい。例えば、側方部分は、セグメント４１０－２ａの両方の側方サービスに沿って配置されてもよい。図４Ｆは、不連続領域４１４－２、４１４－４、４１４－６、および４１４－８が流路４１０のセグメントに重なる上部をさらに含む第３の例を示す。この図示の例では、不連続領域の底部は、エネルギー源４０８－１から光を受け取るように構成され、不連続領域の上部は、エネルギー源４０８－２から光を受け取るように構成され、不連続領域の側部は、エネルギー源４０９から光を受け取るように構成されている。本明細書の他の箇所に開示されているように、不連続領域の各々によって吸収されるエネルギーは、例えば、可変電力レベルを有する多数のエネルギー源を有すること、不連続領域の寸法または組成を変えること、または任意の他の適切な手段によって変えることができる。
【0054】
[0072]図５Ａは、２つの不連続領域５０４－１および５０４－２で構成された光吸収層を有するハウジング部品５０２を含む例示的な反応容器５００を示す。いくつかの実施形態では、不連続領域５０４－１および５０４－２は、単一のエネルギー源５０６によって駆動することができ、不連続領域５０４－１および５０４－２の各々が同様の量のエネルギーを受け取ることを可能にする。他の実施形態では、本明細書の他の箇所で説明するように、複数のエネルギー源を使用することができる。図５Ｂは、不連続領域５０４－１が不連続領域５０４－２よりも多くのエネルギーをエネルギー源５０６から受け取るように、エネルギー源５０６を不連続領域５０４－１に向かってオフセットすることができる方法を示す。不連続領域５０４－１と５０４－２との間のエネルギーのこの分散は、任意選択の反射器要素５０８によって、より大きくすることができ、反射器要素は、不連続領域５０４－２に到達する光の量をさらに制限し、図示のようにエネルギー源５０６によって放射された光の一部を不連続領域５０４－１に向けて反射することによって不連続領域５０４－１に到達する光を増加させることができる。いくつかの実施形態では、反射器要素５０８の位置は、同様の効果のために変更され得る。例えば、エネルギー源５０６は、不連続領域５０４－１と５０４－２との間の中間点に配置されてもよいが、反射器要素５０８は、エネルギー源５０６からの光の大部分が不連続領域５０４－２から遮断される（例えば、代わりに不連続領域５０４－１に向かって反射される）ように、不連続領域５０４－２の近くに配置されてもよい。いくつかの実施形態では、反射器要素５０８は、エネルギー源５０６からの光エネルギーの分布を変化させるように傾斜させることができる。例えば、反射器要素５０８は、エネルギー源５０６から受け取る光の量をさらに増加させるために、不連続要素５０４－１に向かって傾斜してもよい。
【0055】
[0073]図５Ｃは、例示的な反応容器５００の上面図、および不連続領域５０４－１と５０４－２との間で溶液を交互に導くための流路５１０を含むことができる方法を示す。いくつかの実施形態では、不連続領域５０４－１および５０４－２は、両方が同じ温度にあるように同じ量のエネルギーを受け取ることができる。図５Ｃを参照すると、このタイプの加熱構成では、流路５１０を通って流れる溶液は、時間Ｔ１－に不連続領域５０４－１から、時間Ｔ２に不連続領域５０４－１と５０４－２との間に配置された流路５１０の一部を通過し、次いで時間Ｔ３に不連続領域５０４－２を通過する。このようにして、流路５１０によって運ばれる溶液は、時間Ｔ１の第１の温度から時間Ｔ２の第２の温度に、次いで時間Ｔ３の第１の温度に戻り、循環する。他の実施形態では、不連続領域５０４－１および５０４－２は、不連続領域５０４のうちの１つに対して関連するエネルギー源をオフセットすること、不連続領域５０４の各々のための専用のエネルギー源を含むこと、不連続領域５０４のうちの１つを構成する光吸収層の一部の厚さを増減すること、光吸収層の組成を変えることなどによって、異なる量のエネルギーを受け取ることができる。不連続領域５０４－１および５０４－２で異なる量のエネルギーを供給するようにシステムを構成することにより、流路５１０を通って流れる溶液は、流路５１０の一端から他端に流れる際に、より多様な温度に達することができる。図５Ｃに示されている実施形態は、２つの不連続領域５０４－１および５０４－２のみを示しているが、本開示は、任意の数の不連続領域（例えば、不連続領域５０４－１と５０４－２との間に配置された第３の温度に設定された第３の不連続領域）を有する同様の実施形態を企図している。記載された加熱モデルは、マルチステップ反応（例えば、ＰＣＲ用）に特に適し得る。
【0056】
[0074]例示的なＰＣＲ反応
【0057】
[0075]ＰＣＲは、ＤＮＡ鎖（ＤＮＡ標的）の特定の領域を増幅する。ほとんどのＰＣＲ法は、０．１キロ塩基対～１０キロ塩基対（ｋｂ）のＤＮＡ断片を増幅する。増幅産物の量は、反応中の利用可能な基質によって決定され、反応が進行するにつれて制限されるようになる。基本的なＰＣＲセットアップは、増幅するためのＤＮＡ標的領域を含むＤＮＡ鋳型と、新しいＤＮＡ鎖を重合する酵素であるＤＮＡポリメラーゼ（耐熱性Ｔａｑポリメラーゼは、高温のＤＮＡ変性プロセス中に無傷のままである可能性がより高いため、特に一般的である）と、ＤＮＡ標的のセンス鎖およびアンチセンス鎖の各々の３’末端に相補的な２つのＤＮＡプライマー（ＤＮＡ標的領域に相補的な特定のプライマーは事前に選択され、多くの場合、実験室で特注で作製されるか、または市販の生化学供給業者から購入される）と、デオキシヌクレオシド三リン酸またはｄＮＴＰと、ＤＮＡポリメラーゼの最適な活性および安定性のための適切な化学的環境を提供する緩衝液と、典型的にはマグネシウム（Ｍｇ）またはマンガン（Ｍｎ）イオンである二価カチオン（Ｍｇ２＋が最も一般的であるが、より高いＭｎ２＋濃度はＤＮＡ合成中のエラー率を増加させるため、Ｍｎ２＋をＰＣＲ媒介ＤＮＡ突然変異誘発に使用することができる）と、典型的にはカリウム（Ｋ）イオンである一価カチオンとを含むいくつかの構成要素および試薬を必要とする。
【0058】
[0076]反応は、一般に、サーマルサイクラー中の小さな反応室（０．２～０．５ｍｌ容量）中で１０～２００μｌの体積で行われ、サーマルサイクラーは反応管を加熱および冷却して、反応の各ステップで必要な温度を達成する。薄肉の反応管は、迅速な熱平衡を可能にするために良好な熱伝導性を可能にする。
【0059】
[0077]図６は、単一のＰＣＲサイクルに関連する様々なステップを明確に示す、反応容器の例示的な温度プロファイルを示す。典型的には、ＰＣＲは、サイクルと呼ばれる一連の２０～４０回の反復温度変化から構成され、各サイクルは一般に２つまたは３つの個別の温度ステップから構成される。サイクルの前に、しばしば、非常に高い温度（＞９０℃［１９４°Ｆ］）での単一の温度ステップがあり、その後、最終製品の延長または短時間の貯蔵のために最後に一度保持される。各サイクルで使用される温度およびそれらが適用される時間の長さは、ＤＮＡ合成に使用される酵素、反応中の二価イオンおよびｄＮＴＰの濃度、ならびにプライマーの融解温度（Ｔｍ）を含む様々なパラメータに依存する。ほとんどのＰＣＲ法に共通する個々のステップは以下の通りである。
【0060】
[0078]（１）初期化：このステップは、ホットスタートＰＣＲによる熱活性化を必要とするＤＮＡポリメラーゼにのみ必要である。これは、反応室を９４～９６℃（２０１～２０５°Ｆ）の温度に、または極めて熱安定性のポリメラーゼが使用される場合は９８℃（２０８°Ｆ）の温度に加熱することから構成され、その後１～１０分間保持される。このステップは図６には示されていない。
【0061】
[0079]（２）変性：このステップは最初の定期的なサイクル事象であり、反応室を９４～９８℃（２０１～２０８°Ｆ）に２０～３０秒間加熱することから構成される。これは、相補的な塩基間の水素結合を切断することによって二本鎖ＤＮＡ鋳型のＤＮＡ融解または変性を引き起こし、２つの一本鎖ＤＮＡ分子をもたらす。
【0062】
[0080]（３）アニーリング：次のステップで、反応温度を５０～６５℃（１２２～１４９°Ｆ）に２０～４０秒間下げ、プライマーを各一本鎖ＤＮＡ鋳型にアニーリングすることを可能にする。反応混合物には典型的には、標的領域を含有する２つの一本鎖相補体のそれぞれに１つずつ、２つの異なるプライマーが含まれる。プライマーは、それ自体が一本鎖配列であるが、標的領域の長さよりもはるかに短く、各鎖の３’末端の非常に短い配列のみを補完する。アニーリングステップの正しい温度が重要であり、その理由は、この温度が効率および特異性に強く影響するためである。この温度は、プライマーと鎖とのハイブリダイゼーションを可能にするのに十分低くなければならないが、ハイブリダイゼーションが特異的であるのに十分に高くなければならず、すなわち、プライマーは鎖の完全に相補的な部分にのみ結合しなければならず、他のどこにも結合してはならない。温度が低すぎると、プライマーが不完全に結合することがある。高すぎると、プライマーが全く結合しないことがある。典型的なアニーリング温度は、使用されるプライマーのＴｍより約３～５℃低い。相補的塩基間の安定な水素結合は、プライマー配列が鋳型配列と非常に密接にマッチする場合にのみ形成される。このステップの間に、ポリメラーゼはプライマーと鋳型のハイブリッドに結合し、ＤＮＡ形成を開始する。
【0063】
[0081]（４）延長／伸長：このステップの温度は、使用されるＤＮＡポリメラーゼに依存する。Ｔａｑ（Ｔｈｅｒｍｕｓ ａｑｕａｔｉｃｕｓ）ポリメラーゼの熱安定性ＤＮＡポリメラーゼの最適な活性温度は約７５～８０℃（１６７～１７６°Ｆ）であるが、この酵素では７２℃（１６２°Ｆ）の温度が一般的に使用される。このステップでは、ＤＮＡポリメラーゼは、鋳型に５’から３’方向に相補的な遊離ｄＮＴＰを反応混合物から添加し、ｄＮＴＰの５’－リン酸基を新生（伸長）ＤＮＡ鎖の末端の３’－ヒドロキシ基と縮合させることによって、ＤＮＡ鋳型鎖に相補的な新しいＤＮＡ鎖を合成する。伸長に必要な正確な時間は、使用されるＤＮＡポリメラーゼと増幅するＤＮＡ標的領域の長さの両方に依存する。経験則として、最適温度では、ほとんどのＤＮＡポリメラーゼは毎分１０００塩基を重合する。最適条件下（すなわち、基質または試薬の制限による制限がない場合）では、各延長／伸長ステップにおいて、ＤＮＡ標的配列の数は２倍になる。各連続サイクルで、元の鋳型鎖とすべての新しく生成された鎖が次の伸長ラウンドのための鋳型鎖になり、特定のＤＮＡ標的領域の指数関数的（幾何学的）増幅をもたらす。
【0064】
[0082]変性、アニーリングおよび伸長のプロセスは、単一のサイクルを構成する。ＤＮＡ標的を数百万コピーに増幅するには、複数のサイクルが必要である。所与のサイクル数の後に形成されるＤＮＡコピーの数を計算するために使用される式は２ｎであり、ｎはサイクル数である。
【0065】
[0083]（５）最終伸長：この単一のステップは任意であるが、残りの一本鎖ＤＮＡが完全に伸長されることを確実にするために、最後のＰＣＲサイクルの５～１５分後に７０～７４℃（１５８～１６５°Ｆ）（ＰＣＲで使用されるほとんどのポリメラーゼの最適な活性に必要な温度範囲）の温度で実施される。
【0066】
[0084]（６）最終保持：最終ステップは、反応室を不定時間４～１５℃（３９～５９°Ｆ）に冷却し、ＰＣＲ産物の短期保存に使用することができる。
【0067】
[0085]ＰＣＲが予想されるＤＮＡ標的領域（アンプリマーまたはアンプリコンと呼ばれることもある）の生成に成功したかどうかを確認するために、アガロースゲル電気泳動をＰＣＲ産物のサイズ分離に使用することができる。ＰＣＲ産物のサイズ（複数可）は、ＰＣＲ産物と一緒にゲル上を走る既知のサイズのＤＮＡ断片を含む分子量マーカーであるＤＮＡラダーとの比較によって決定される。他の化学反応と同様に、ＰＣＲの反応速度および効率は、制限因子の影響を受ける。したがって、ＰＣＲプロセス全体を、反応の進行に基づいて３つの段階にさらに分けることができる。
【0068】
[0086]（１）指数関数的増幅：各サイクルで、生成物の量を２倍にする（１００％の反応効率を仮定）。３０サイクル後、ＤＮＡの単一コピーを最大１０億コピーまで増加させることができる。反応は非常に高感度であり、微量のＤＮＡのみが存在しなければならない。
【0069】
[0087]（２）平準化段階：ＤＮＡポリメラーゼが活性を失うにつれて、およびｄＮＴＰおよびプライマーなどの試薬の消費がそれらを制限するようになるにつれて、反応は遅くなる。
【0070】
[0088]（３）プラトー：試薬および酵素の枯渇により、これ以上生成物が蓄積しない。
【0071】
[0089]装填および封止すると、システムは熱サイクルによって増幅生成物を生成し得る。熱サイクルは、反応混合物を変性温度で変性時間インキュベートし、続いて混合物をアニーリング温度でアニーリング時間インキュベートし、さらに続いて混合物を伸長温度で伸長時間インキュベートする、１つまたは複数のサイクルを含み得る。システムは、前述のように１つまたは複数の光源を使用することによって反応ウェルのウェルを加熱し得る。光源と反応ウェルとの間のレンズによる集束光も使用され得る。埋め込まれたレンズを使用して、反応容器／ウェルに組み込まれた蛍光色素からの発光を集束させてもよい。試料および試薬を冷却するために、１つまたは複数の光源を冷却時間の間オフにしてもよい。場合によっては、反応ウェルのウェル内の試薬および試料の冷却のために、前述のように流体循環流路を使用してもよい。
【0072】
[0090]試料の増幅は、変性サイクルと、アニーリングサイクルと、伸長サイクルとを含む１つまたは複数の熱サイクルを実施するために、前述のシステムを使用して実施され得る。増幅反応が検出可能な結果を増幅産物の形態でもたらし得る時間は、標的核酸、試料、使用される試薬およびＰＣＲのためのプロトコルに応じて異なり得る。場合によっては、増幅プロセスは１分未満で行われ得る。場合によっては、増幅プロセスは約１分～約４０分で行われ得る。場合によっては、増幅プロセスは少なくとも約１分で行われ得る。場合によっては、増幅プロセスは最大で約４０分で行われ得る。場合によっては、増幅プロセスは、約１分～約５分、約１分～約１０分、約１分～約１５分、約１分～約２０分、約１分～約２５分、約１分～約３０分、約１分～約３５分、約１分～約４０分、約５分～約１０分、約５分～約１５分、約５分～約２０分、約５分～約２５分、約５分～約３０分、約５分～約３５分、約５分～約４０分、約１０分～約１５分、約１０分～約２０分、約１０分～約２５分、約１０分～約３０分、約１０分～約３５分、約１０分～約４０分、約１５分～約２０分、約１５分～約２５分、約１５分～約３０分、約１５分～約３５分、約１５分～約４０分、約２０分～約２５分、約２０分～約３０分、約２０分～約３５分、約２０分～約４０分、約２５分～約３０分、約２５分～約３５分、約２５分～約４０分、約３０分～約３５分、約３０分～約４０分、約３５分～約４０分で行われ得る。場合によっては、増幅プロセスは、約１分、約５分、約１０分、約１５分、約２０分、約２５分、約３０分、約３５分、または約４０分で行われ得る。
【0073】
[0091]場合によっては、熱サイクルを５回～４０回繰り返すことにより試料の増幅を行ってもよい。場合によっては、熱サイクルを少なくとも５回繰り返してもよい。場合によっては、熱サイクルは最大で６０回繰り返されてもよい。場合によっては、熱サイクルは、５回、１０回、１５回、２０回、２５回、３０回、３５回、４０回、４５回、５０回、５５回または６０回繰り返されてもよい。
【0074】
[0092]熱サイクルは、熱サイクル時間内に完了し得る。場合によっては、熱サイクル時間は、サイクル当たり２秒～６０秒の範囲であり得る。場合によっては、熱サイクルは約２秒～約６０秒で完了し得る。場合によっては、熱サイクルは少なくとも約２秒で完了し得る。場合によっては、熱サイクルは最大で約６０秒で完了し得る。場合によっては、熱サイクルは、約２秒～約５秒、約２秒～約１０秒、約２秒～約２０秒、約２秒～約４０秒、約２秒～約６０秒、約５秒～約１０秒、約５秒～約２０秒、約５秒～約４０秒、約５秒～約６０秒、約１０秒～約２０秒、約１０秒～約４０秒、約１０秒～約６０秒、約２０秒～約４０秒、約２０秒～約６０秒、または約４０秒～約６０秒で完了し得る。場合によっては、熱サイクルは、約２秒、約５秒、約１０秒、約２０秒、約４０秒、または約６０秒で完了し得る。
【0075】
[0093]変性サイクルの温度および時間は、同定される特性試料、使用される試薬および増幅プロトコルに依存し得る。変性サイクルは、約８０℃～約１１０℃の範囲の温度で行われてもよい。変性サイクルは、少なくとも約８０℃の温度で行われてもよい。変性サイクルは、最大約１１０℃の温度で行われてもよい。変性サイクルは、約８０℃～約８５℃、約８０℃～約９０℃、約８０℃～約９５℃、約８０℃～約１００℃、約８０℃～約１０５℃、約８０℃～約１１０℃、約８５℃～約９０℃、約８５℃～約９５℃、約８５℃～約１００℃、約８５℃～約１０５℃、約８５℃～約１１０℃、約９０℃～約９５℃、約９０℃～約１００℃、約９０℃～約１０５℃、約９０℃～約１１０℃、約９５℃～約１００℃、約９５℃～約１０５℃、約９５℃～約１１０℃、約１００℃～約１０５℃、約１００℃～約１１０℃、または約１０５℃～約１１０℃の温度で行われてもよい。変性サイクルは、約８０℃、約８５℃、約９０℃、約９５℃、約１００℃、約１０５℃、または約１１０℃の温度で行われてもよい。
【0076】
[0094]場合によっては、変性サイクルの時間は約１秒未満であり得る。場合によっては、変性サイクルの時間は最大で約１００秒であり得る。場合によっては、変性サイクルの時間は、約０秒～１秒、約１秒～約５秒、約１秒～約１０秒、約１秒～約２０秒、約１秒～約４０秒、約１秒～約６０秒、約１秒～約１００秒、約５秒～約１０秒、約５秒～約２０秒、約５秒～約４０秒、約５秒～約６０秒、約５秒～約１００秒、約１０秒～約２０秒、約１０秒～約４０秒、約１０秒～約６０秒、約１０秒～約１００秒、約２０秒～約４０秒、約２０秒～約６０秒、約２０秒～約１００秒、約４０秒～約６０秒、約４０秒～約１００秒、または約６０秒～約１００秒であり得る。場合によっては、変性サイクルの時間は、約１秒未満、約５秒未満、約１０秒未満、約２０秒未満、約４０秒未満、約６０秒未満、または約１００秒未満であり得る。
【0077】
[0095]アニーリングおよび伸長サイクルの温度および時間は、同定される試料の特性、使用される試薬および増幅プロトコルに依存し得る。アニーリングおよび／または伸長サイクルは、約４０℃～約７０℃の温度で行われてもよい。アニーリングおよび／または伸長サイクルは、少なくとも約４０℃の温度で行われてもよい。アニーリングおよび／または伸長サイクルは、最大約７０℃の温度で行われてもよい。アニーリングおよび／または伸長サイクルは、約４０℃～約４５℃、約４０℃～約５０℃、約４０℃～約５５℃、約４０℃～約６０℃、約４０℃～約６５℃、約４０℃～約７０℃、約４５℃～約５０℃、約４５℃～約５５℃、約４５℃～約６０℃、約４５℃～約６５℃、約４５℃～約７０℃、約５０℃～約５５℃、約５０℃～約６０℃、約５０℃～約６５℃、約５０℃～約７０℃、約５５℃～約６０℃、約５５℃～約６５℃、約５５℃～約７０℃、約６０℃～約６５℃、約６０℃～約７０℃、または約６５℃～約７０℃の温度で行われてもよい。アニーリングおよび／または伸長サイクルは、約４０℃、約４５℃、約５０℃、約５５℃、約６０℃、約６５℃、または約７０℃の温度で行われてもよい。
【0078】
[0096]場合によっては、アニーリングおよび／または伸長サイクルの時間は、約１秒未満であり得る。場合によっては、アニーリングおよび／または伸長サイクルの時間は、最大で約６０秒であり得る。場合によっては、アニーリングおよび／または伸長サイクルの時間は、約０秒～１秒、約１秒～約５秒、約１秒～約１０秒、約１秒～約２０秒、約１秒～約４０秒、約１秒～約６０秒、約５秒～約１０秒、約５秒～約２０秒、約５秒～約４０秒、約５秒～約６０秒、約１０秒～約２０秒、約１０秒～約４０秒、約１０秒～約６０秒、約２０秒～約４０秒、約２０秒～約６０秒、または約４０秒～約６０秒であり得る。場合によっては、アニーリングおよび／または伸長サイクルの時間は、約１秒未満、約５秒未満、約１０秒未満、約２０秒未満、約４０秒未満、または約６０秒未満であり得る。
【0079】
[0097]場合によっては、変性サイクルとアニーリングおよび／または伸長サイクルとの間に、冷却サイクルが行われ得る。場合によっては、冷却サイクルは約１秒～約６０秒行われ得る。場合によっては、冷却サイクルは少なくとも約１秒行われ得る。場合によっては、冷却サイクルは最大で約６０秒行われ得る。場合によっては、冷却サイクルは、約１秒～約５秒、約１秒～約１０秒、約１秒～約２０秒、約１秒～約３０秒、約１秒～約４０秒、約１秒～約５０秒、約１秒～約６０秒、約５秒～約１０秒、約５秒～約２０秒、約５秒～約３０秒、約５秒～約４０秒、約５秒～約５０秒、約５秒～約６０秒、約１０秒～約２０秒、約１０秒～約３０秒、約１０秒～約４０秒、約１０秒～約５０秒、約１０秒～約６０秒、約２０秒～約３０秒、約２０秒～約４０秒、約２０秒～約５０秒、約２０秒～約６０秒、約３０秒～約４０秒、約３０秒～約５０秒、約３０秒～約６０秒、約４０秒～約５０秒、約４０秒～約６０秒、または約５０秒～約６０秒行われ得る。場合によっては、冷却サイクルは、約１秒、約５秒、約１０秒、約２０秒、約３０秒、約４０秒、約５０秒、または約６０秒行われ得る。
【0080】
[0098]増幅産物の検出は、増幅プロセスの様々な段階で行われ得る。場合によっては、増幅産物の検出は、増幅プロセスの最後に行われてもよい。場合によっては、増幅産物の検出は、熱サイクル中に行われてもよい。あるいは、場合によっては、検出は各熱サイクルの最後に行われてもよい。本明細書中に記載される検出方法に加えて、増幅産物の検出は、ゲル電気泳動、キャピラリー電気泳動、配列決定、ショートタンデムリピート分析および他の公知の方法を使用して行われ得る。
【0081】
[0099]図７Ａ～図７Ｃは、複数の不連続領域を備えた光吸収層を有する反応容器７００におけるハイブリダイゼーションおよび固相ＰＣＲ操作の例を示す。図７Ａは、格子パターンで配置された不連続領域７０４のアレイを含む光吸収層７０２を有する反応容器７００の上面図を示す。反応容器７００は、溶液が反応室７０９に流入し反応室７０９から流出することを可能にするように構成された入口ポート７０６および出口ポート７０８を含む。いくつかの実施形態では、反応室７０９は、異なる不連続領域７０４を分離する物理的障壁を含まなくてもよい。代わりに、図７Ａの例示的な実施形態を参照すると、溶液が様々な不連続領域７０４と接触するように、入口ポート７０６を介して反応室７０９の内面を越えて、反応容器７００に溶液を流してもよい。溶液は、出口ポート７０８を介して反応容器７００から出てもよい。反応室７０９が物理的障壁によって分離される必要がないそのような実施形態は、物理的に分離された反応室７０９を有する反応容器と比較した場合に比較的複雑でなく、費用効果が高いという点で有利であり得る。物理的障壁によって分離されていない単一の室を有する反応容器によって与えられる単純さは、故障および／または欠陥の減少、ならびに製造および組み立てのための労力およびコスト要件の低減につながり得る。他の実施形態では、反応容器７００内に複数の反応室が存在し得るように、不連続領域７０４のうちの１つまたは複数は、物理的障壁によって（例えば、上部ハウジング部品および／または下部ハウジング部品から延びる１つまたは複数の突起によって、または本明細書の他の箇所に開示されているような任意の他の適切な機構によって）１つまたは複数の他の不連続領域７０４から分離され得る。いくつかの実施形態では、反応室７０９は、対向する側（例えば、上部内向面に沿っておよび下部内向面に沿って形成または堆積される）に不連続領域を含んでもよい。これらの実施形態のいくつかでは、（本明細書の他の箇所に記載されているような）熱閉じ込めの概念を使用して、溶液の部分が互いに分離され得る。いくつかの実施形態では、不連続領域７０４に関連する結合領域の表面積は変化してもよい。例えば、第１の不連続領域７０４は、第２の不連続領域７０４よりも小さい表面積を有してもよい。その結果、第１の不連続領域７０４の温度プロファイルは、第２の不連続領域７０４の温度プロファイルと異なってもよい。さらに、第２の不連続領域７０４は、より大きな表面積を有することにより、第１の不連続領域７０４よりも多くの配列に結合することができ、例えば、第２の不連続領域７０４に結合した配列を優先して増幅プロセスをゆがめるために使用することができる。いくつかの実施形態では、本明細書の他の箇所に開示されるように、不連続領域７０４の温度プロファイルは、不連続領域７０４に送達される光エネルギーの量を変化させることによって（例えば、不連続領域７０４に対応するエネルギー源のエネルギーレベルを変調することによって）、および／または不連続領域７０４によって吸収される光エネルギーの量を変化させることによって（例えば、不連続領域７０４の組成および厚さなどの特性を調整することによって）、さらに変化させることができる。
【0082】
[0100]いくつかの実施形態において、反応容器の１つまたは複数の不連続要素は、１つまたは複数のヌクレオチド配列に結合され得る。例えば、図７Ｂに示す例を参照すると、各不連続要素７０４は、例えば弱い共有結合相互作用（例えば、Ａｕ－チオール）によって結合された固有のプローブまたはプライマー配列７１０～７１３を有する。図示のように、標的分子７１０’、７１１’および７１３’を含む溶液は、不連続領域７０４の上に流されてもよい。標的分子７１０’、７１１’および７１３’は、不連続領域７０４に結合した配列（すなわち、配列７１０、７１１および７１３）に相補的な配列であり得るが、標的分子７１５’は、不連続領域７０４に結合した配列に相補的でなくてもよい。いくつかの実施形態では、標的分子７１０’、７１１’、７１３’および７１５’は、検出目的のために標識することができる。
【0083】
[0101]いくつかの実施形態では、溶液が不連続領域７０４を横切って流れるとき、不連続領域７０４に結合した配列に相補的な溶液中の標的分子は、それらの配列とハイブリダイズし得る。図７Ｃは、標的分子が表面に結合したそれらの相補的配列のみとハイブリダイズする方法を示す。例えば、図７Ｃに示すように、標的分子７１０’、７１１’および７１３’は、それぞれの相補配列７１０，７１１および７１３とハイブリダイズし、相補配列７１０，７１１および７１３はそれら自体がそれぞれの不連続領域７０４に結合している。したがって、標的分子７１０’、７１１’および７１３’は、それぞれの相補配列を介して不連続領域７０４に結合するようになる。相補的配列を有しない標的分子（例えば、標的分子７１５’）はハイブリダイズせず、したがって溶液中で結合しないままであり得る。これらの未結合分子は、溶液を反応容器から流出させる際に、反応容器から離脱し得る（例えば、漠然とした７Ａを参照すると、出口ポート７０８を介して）。同様に、溶液中に相補的標的分子を有さない不連続領域７０４に結合した配列はハイブリダイズしない。例えば、図７Ｃに示すように、配列７１２はハイブリダイズしていないままである。前述のように、いくつかの実施形態では、標的分子は、検出目的のために標識され得る。例えば、標的分子は蛍光標識され得る。溶液が反応容器に流入し流出すると（ハイブリダイゼーションに十分な時間が与えられた後）、検出機構を使用して、標識された標的分子の存在が検出され得る。例えば、検出機構は、標的分子に結合した蛍光標識を励起するように設計された光源と、蛍光標識の存在を検出するためのカメラデバイスとを含み得る。この例では、蛍光光源を反応容器上で光らせてもよく、各不連続領域で得られた蛍光強度を使用して、所与の標的分子の有無を検出することができる。例えば、図７Ｃを参照すると、溶液を（標的分子７１５’などの未結合標的分子と共に）反応容器から離脱させた後に、不連続領域７０４で適切な光源を光らせると、すべての結合標的分子の蛍光標識が蛍光を発することができる。カメラは、配列７１０，７１１および７１３に関連する不連続領域７０４に対応する領域が閾値強度を超えて蛍光を発する一方で、配列７１２に関連する不連続領域７０４に対応する領域は（蛍光標識を有する標的分子がないために）閾値強度を超えて蛍光を発しないことを検出し得る。
【0084】
[0102]標的分子と不連続領域に結合した配列とのハイブリダイゼーションに続いて、固相ＰＣＲを実施して個別のアンプリコンの集団を作製することができ、次にこれをＤＮＡに結合する分子を介して検出することができ、この分子の存在を検出するために使用することができる（例えば、蛍光および／または電気化学シグナルを介して）。固相ＰＣＲは、ＤＮＡを増幅するために自由に拡散するプライマーの代わりに、不連続領域上の表面結合プライマーを使用する。これは、核酸増幅を不連続領域上の二次元表面に限定し、したがって、単一の反応容器システムにおけるＤＮＡ増幅および検出の容易な並列化および高多重化を可能にする。あるいは、アンプリコンを配列決定して、分子の存在を同定することができる。
【0085】
[0103]図７Ｄは、各不連続領域７０４が弱い共有結合相互作用（例えば、Ａｕ－チオール）によって結合された固有のプライマー配列７１１’を有する別の例を示す。図示のように、標的分子７１１、７１０’を含む溶液は、不連続領域７０４上を流れることができる。標的分子７１１，７１０’は、固有のプライマー配列７１１’に相補的なアダプタ部分７１１と、第２の部分（例えば、ＤＮＡ分子またはＲＮＡ分子の一部）とを含み得る。例えば、アダプタ部分７１１は、ＤＮＡ分子であり得る第２の部分７１０’にライゲーションされるアダプタ（固有のプライマー配列７１１’に結合するように構成される）であり得る。この例では、アダプタ部分７１１は、標的ＤＮＡ分子に対して外来であり得る。ハイブリダイゼーションに続いて、固相ＰＣＲを実施して、別個のアンプリコンの集団を作製することができ、次にこれを配列決定して分子の存在を同定することができる。
【0086】
[0104]当業者には明らかなように、本明細書に記載の加熱機構は、従来のシステムと比較して優れた性能および機能性を提供する。例えば、反応室を収容する反応容器内で（例えば、反応室内または反応室に隣接して）光吸収層（例えば、図７Ａの不連続領域７０４で構成される層）を使用して反応室を加熱することは、反応容器の外部にヒーターを有する従来のシステムよりも著しく効率的であり、迅速である。これは一部には、これらの従来のシステムとは異なり、開示された加熱機構は、反応室内の溶液に到達するために熱エネルギーが複数の材料層を貫通することを必要としないためである。開示された加熱機構はまた、ハウジングに放散される熱の量が最小限に抑えられ、それによって熱のより均一な送達が保証されるため、より均一な加熱を保証する。また、本明細書の他の箇所に開示されているように、各不連続領域に送達される光エネルギーの量が制御され得るため（例えば、不連続領域に対応するエネルギー源のエネルギーレベルを調節することによって）、および／または各不連続領域によって吸収される光エネルギーの量が制御され得るため（例えば、不連続領域の組成および厚さなどの特性を調整することによって）、開示された加熱機構は、より制御された加熱を可能にする。このレベルの制御は、異なる温度要件を有するプライマーが使用される用途に特に有用であり得る。例えば、図７Ｂを参照すると、プライマー７１０はハイブリダイゼーションのために第１の温度を必要とし得るが、プライマー７１１はハイブリダイゼーションのために第２の温度を必要とし得る。本開示の加熱機構は、プライマー７１０が結合された不連続領域７０４が第１の温度に加熱され、プライマー７１１が結合された不連続領域７０４が第２の温度に加熱されることを確実にすることによって、この差異に容易に対応することができる。
【0087】
[0105]図８は、反応容器を動作させるための例示的な方法８００を示す。この方法は、ステップ８１０で開始され得、溶液は、反応容器の入口ポートを介して反応容器内に受け入れられ得る。ステップ８２０において、溶液を光吸収層の複数の不連続領域にわたって反応容器の周りに流すことができる。ステップ８３０において、第１の光を、光吸収層の複数の不連続領域のうちの第１の不連続領域に向けてもよく、第１の光からのエネルギーを第１の不連続領域によって吸収させる。ステップ８４０において、第１の不連続領域に隣接する溶液の一部が加熱され得る。図８には示されていないが、本開示は、例えば、異なるステップに異なる温度を使用するマルチステップ反応で使用され得る不連続領域の冷却（例えば、第１の光を発する光源をオフにすることによる）も企図していることを理解されたい。
特定の実施形態では、適切な場合には、図８の方法の１つまたは複数のステップが繰り返され得る。本開示は、図８の方法の特定のステップを特定の順序で発生するものとして説明および図示しているが、本開示は、任意の適切な順序で発生する図８の方法の任意の適切なステップを企図している。さらに、本開示は、図８の方法の特定のステップを含む、反応容器を動作させるための例示的な方法を説明および図示しているが、本開示は、任意の適切なステップを含む、反応容器を動作させるための任意の適切な方法を想定しており、任意の適切なステップは、必要に応じて、図８の方法のステップのすべてまたは一部を含むか、またはいずれも含まなくてもよい。さらに、本開示は、図８の方法の特定のステップを実行する特定の構成要素、デバイス、またはシステムを説明および図示しているが、本開示は、図８の方法の任意の適切なステップを実行する任意の適切な構成要素、デバイス、またはシステムの任意の適切な組み合わせを想定している。
特定の実施形態では、適切な場合には、図８の方法の１つまたは複数のステップが繰り返され得る。本開示は、図８の方法の特定のステップを特定の順序で発生するものとして説明および図示しているが、本開示は、任意の適切な順序で発生する図８の方法の任意の適切なステップを企図している。さらに、本開示は、図８の方法の特定のステップを含む、反応容器を動作させるための例示的な方法を説明および図示しているが、本開示は、任意の適切なステップを含む、反応容器を動作させるための任意の適切な方法を想定しており、任意の適切なステップは、必要に応じて、図８の方法のステップのすべてまたは一部を含むか、またはいずれも含まなくてもよい。さらに、本開示は、図８の方法の特定のステップを実行する特定の構成要素、デバイス、またはシステムを説明および図示しているが、本開示は、図８の方法の任意の適切なステップを実行する任意の適切な構成要素、デバイス、またはシステムの任意の適切な組み合わせを想定している。
【0088】
[0107]前述の説明では、説明の目的のために、記載された実施形態の完全な理解を提供するために特定の命名法を使用した。しかしながら、記載された実施形態を実施するために特定の詳細が必要とされないことは、当業者には明らかであろう。したがって、特定の実施形態の前述の説明は、例示および説明の目的で提示されている。それらは、網羅的であること、または記載された実施形態を開示された正確な形態に限定することを意図するものではない。上記の教示を考慮すると、多くの修正および変形が可能であることが当業者には明らかであろう。
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図3D】
【図3E】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図4D】
【図4E】
【図4F】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図7D】
【図8】
【国際調査報告】