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(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】2023-11-21
(54)【発明の名称】熱サイクル方法およびシステム
(51)【国際特許分類】
G01N 1/44 20060101AFI20231114BHJP
G01N 37/00 20060101ALI20231114BHJP
G01N 35/00 20060101ALI20231114BHJP
C12M 1/00 20060101ALI20231114BHJP
【ＦＩ】
G01N1/44
G01N37/00 101
G01N35/00 B
C12M1/00 A
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023525617
(86)(22)【出願日】2021-10-26
(85)【翻訳文提出日】2023-06-23
(86)【国際出願番号】 US2021056686
(87)【国際公開番号】W WO2022093844
(87)【国際公開日】2022-05-05
(31)【優先権主張番号】63/106,254
(32)【優先日】2020-10-27
(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】520449345
【氏名又は名称】キヤノンバージニア， インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】Ｃａｎｏｎ Ｖｉｒｇｉｎｉａ， Ｉｎｃ．
【住所又は居所原語表記】１２０００ Ｃａｎｏｎ Ｂｌｖｄ．， Ｎｅｗｐｏｒｔ Ｎｅｗｓ， Ｖｉｒｇｉｎｉａ， Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ
(74)【代理人】
【識別番号】110003281
【氏名又は名称】弁理士法人大塚国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】村上 洋一
(72)【発明者】
【氏名】ヘンスリー， マクスウェル
【テーマコード（参考）】
2G052
2G058
4B029
【Ｆターム（参考）】
2G052AA28
2G052AB11
2G052AB16
2G052AB27
2G052DA06
2G052DA09
2G052DA26
2G052EB11
2G052EB12
2G052EB13
2G052GA28
2G052GA29
2G052HA17
2G052HA19
2G052HC17
2G052HC22
2G052HC38
2G052HC42
2G052JA07
2G052JA08
2G052JA11
2G058BB02
2G058BB09
2G058BB23
4B029AA23
4B029DD02
4B029DG10
4B029FA12
4B029FA15
(57)【要約】
本開示は、透過性ヒートシンクおよび／またはマイクロ流体カートリッジ上の１つまたは複数のチャネルを封止するための可撓性ヒートスプレッダを備える、マイクロ流体カートリッジの熱サイクルのための方法、デバイスおよびシステムに関する。
【選択図】図４
【選択図】図４
【特許請求の範囲】
【請求項1】
マイクロ流体カートリッジを熱サイクルするためのデバイスであって、光吸収材が接触しているマイクロ流体カートリッジと、
前記マイクロ流体カートリッジと接触する第１のヒートシンクと、
前記第１のヒートシンクに近接する第２のヒートシンクと、
前記第１のヒートシンクに近接する１つまたは複数の光源と、
前記マイクロ流体カートリッジの温度変化を検出する温度センサとを備え、
前記マイクロ流体カートリッジを交互に加熱および冷却する、デバイス。
【請求項2】
光吸収材が光を熱に変換する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項3】
前記光吸収材が前記マイクロ流体カートリッジの上または内部にある、請求項１に記載のデバイス。
【請求項4】
前記光吸収材が、前記マイクロ流体カートリッジ以外の前記デバイスの一部分上またはその内部に含まれ、前記カートリッジを前記デバイス内に配置すると、前記材料が前記マイクロ流体カートリッジと熱的に連通する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項5】
前記第１のヒートシンクが透過性である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項6】
前記第１のヒートシンクが熱伝導材を備える、請求項５に記載のデバイス。
【請求項7】
前記第１のヒートシンクが、赤外線からＵＶの波長範囲内の光に対して透過性である、請求項５に記載のデバイス。
【請求項8】
前記第１の透過性ヒートシンクが、加熱中に、前記ヒートシンクを介して前記マイクロ流体カートリッジへの光の伝送を可能にする、請求項５に記載のデバイス。
【請求項9】
前記第１の透過性ヒートシンクが、冷却中に、前記マイクロ流体カートリッジを冷却するための受動ヒートシンクとして機能する、請求項５に記載のデバイス。
【請求項10】
前記第２のヒートシンクが熱伝導材を備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項11】
前記１つまたは複数の光源が、１つまたは複数のＬＥＤである、請求項１に記載のデバイス。
【請求項12】
前記第１のヒートシンクによって、前記１つまたは複数の光源からの前記光を捕捉し、前記マイクロ流体カートリッジに伝送する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項13】
前記温度センサと通信し、前記加熱および冷却の温度制御を提供するフィードバックおよび制御ユニットをさらに備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項14】
１つまたは複数の赤外線センサを前記デバイスに近接してさらに備え、前記１つまたは複数のセンサが前記マイクロ流体カートリッジを観察することができる、請求項１に記載のデバイス。
【請求項15】
前記マイクロ流体カートリッジと接触している前記第１のヒートシンクの表面と接触する、少なくとも１つの抵抗温度検出要素をさらに備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項16】
前記マイクロ流体カートリッジが開放マイクロ流体チャネルを備え、前記開放マイクロ流体チャネルと前記第１のヒートシンクとの間に可撓性ヒートスプレッダが設けられる、請求項１に記載のデバイス。
【請求項17】
前記第１のヒートシンクが前記可撓性ヒートスプレッダに接触して変形させるように加圧し、その結果、前記可撓性ヒートスプレッダがマイクロ流体カートリッジに接触して、前記マイクロ流体チャネルを流体的に封止する、請求項１６に記載のデバイス。
【請求項18】
前記光吸収材が前記透過性ヒートシンク上にある、請求項５に記載のデバイス。
【請求項19】
マイクロ流体カートリッジを熱サイクルする方法であって、（ｉ）熱吸収材が接触しているマイクロ流体カートリッジと、
前記マイクロ流体カートリッジと接触する第１のヒートシンクと、
前記第１のヒートシンクに近接する第２のヒートシンクと、
前記第１のヒートシンクに近接する１つまたは複数の光源と、
前記マイクロ流体カートリッジの温度変化を検出する温度センサとを備えるデバイスを提供すること、
（ｉｉ）前記１つまたは複数の光源を点灯させて、前記マイクロ流体カートリッジを加熱すること、
（ｉｉｉ）前記１つまたは複数の光源を消灯させて、前記マイクロ流体カートリッジを冷却すること、および
（ｉｖ） 前記熱サイクルの間中、ステップ（ｉｉ）および（ｉｉｉ）を連続して繰り返し行うことを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
[0001]優先権および参照による組み込み
【0002】
[0002]本出願は、２０２０年１０月２７日に出願された米国仮特許出願第６３／１０６，２５４号に対する優先権を主張するものであり、その開示内容は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【0003】
[0003]開示の分野
【0004】
[0004]本開示は、例えば、遺伝物質の増幅を含む用途において提供されるような急速熱サイクルに関する。本開示はさらに、急速熱サイクルシステムで使用するマイクロ流体チップに関する。
【背景技術】
【0005】
[0005]背景
【0006】
[0006]ＰＣＲおよびその他の反応において、対象領域の熱勾配は、デバイスの機能にとって重要な物理的特性である。溶液全体が均一に加熱され、ＰＣＲまたは他の反応が反応槽内のあらゆる場所で同時に発生するように、全体の加熱領域勾配が非常に小さい範囲内にあることが理想的である。一定の温度は、ｄＰＣＲなどのデジタル反応ではさらに重要である。これは、不均一な加熱が性能に影響を与える、またはＰＣＲ反応がカートリッジの異なる領域で行われることを制限する可能性があるためであり、ｑＰＣＲなどの他の反応ではあまり問題とならない。マイクロ流体デバイスを加熱するために光学的方法を用いる場合には、非常に高速な加熱を実現することができるが、光源からカートリッジまで透明な光路を要するため、アルミニウム製ヒートシンクの適用などの従来の冷却方法の適用性は限られている。
【0007】
[0007]本出願は、一定で均一な加熱および冷却を可能にする代替手段を提供しようとするものである。
【0008】
[0008]さらに、熱サイクルを要するＰＣＲおよびその他の反応をマイクロ流体デバイスで行う場合は、デジタルＰＣＲを含め、通常、チャネルを封止または閉鎖することが必須要件である。良好な熱サイクル性能を得るには、マイクロチャネルを適切に閉鎖する必要がある。これを行うためには、特にカートリッジ部片を接合するための製作工程が鍵となる。このような接合の一例は、（図１） に示すように、チャネル基板と封止基板を接合する工程である。通常、熱接合、溶剤接合、接着接合、レーザ溶着などの方法が用いられる。しかし、それぞれの方法には長所と短所があり、接合の難易度は、使用する材料に大きく依存する。ＰＭＭＡなどの一部の材料は、環状オレフィンポリマー（ＣＯＰ） などの他のものより容易に接合することができる。マイクロ流体チャネルが十分に封止されていない場合は、剥離や気泡の発生が起こり（図１）、チャネルで行われる反応に悪影響を及ぼす恐れがある。
【0009】
[0009]したがって、本開示はまた、マイクロ流体チャネルの封止の向上を可能にする代替手段を提供しようとするものである。
【発明の概要】
【0010】
[00010]本開示は、ＰＣＲなどの反応での使用を含む、熱サイクルの方法およびシステムに関する。急速なＰＣＲ／熱サイクルを実現するために、高出力ＬＥＤが光吸収材を照射して、光を熱に変換することで急速加熱を可能にする光学的方法を含む特徴の組み合わせを提供する。急速冷却には、空冷方式を用いてもよい。
【0011】
[00011]本開示のこれらおよびその他の実施形態、目的、特徴、および利点は、本開示の例示的実施形態に関する以下の詳細な説明を、添付図面および提供された特許請求の範囲と併せ読めば、明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0012】
[00012]本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を形成する添付の図面は、本開示の様々な実施形態、目的、特徴、および利点を示す。
【0013】
【0014】
【0015】
【0016】
【0017】
【0018】
【0019】
【0020】
【0021】
【0022】
【0023】
【0024】
【0025】
【0026】
【0027】
【0028】
【0029】
【0030】
【0031】
【0032】
【0033】
【0034】
【0035】
【0036】
【0037】
【0038】
【0039】
【0040】
【0041】
【0042】
【0043】
【0044】
【0045】
【0046】
【0047】
【0048】
【0049】
[00049]図面全体を通して、別段の記載がない限り、同一の参照番号および符号は、図示する実施形態の同様の特徴、要素、構成要素、または部分を示すために用いられる。さらに、これから図面を参照して本開示を詳細に説明するが、これは説明のための例示的な実施形態に関連して行われる。添付の特許請求の範囲によって定義される本開示の真の範囲および趣旨を逸脱することなく、説明される例示的な実施形態に対して変更および修正を加えることができることを意図する。
【発明を実施するための形態】
【0050】
[00050]本開示は、いくつかの実施形態を説明しており、当業者に既知の詳細については、特許、特許出願、および他の参考文献に依拠する。したがって、本明細書において、特許、特許出願、または他の参考文献が引用される、または繰り返されるとき、それらは、記載されている提案だけでなくあらゆる目的のために、参照によりその全体が本明細書に組み込まれることを理解されたい。
【0051】
[00051]マイクロ流体チップの効率的な熱サイクルには、最適な加熱および冷却の両方、ならびにマイクロ流体チップの十分な観察を可能にする構成が必要である。透明な光路を維持し、効率的な冷却方法を提供するために、本開示は、赤外線（ＩＲ）から近紫外線（ＵＶ）の波長範囲内における、透過性のヒートシンクの使用を提供する。このようなヒートシンクはまた、マイクロ流体デバイスからの熱除去において、効率的に作動するのに十分な熱伝導率と熱容量を有する。このデバイスが、輻射熱加熱システムとあいまって、マイクロ流体デバイスの加熱と受動的冷却の両方を行うための効率的で簡略化された方法を提供する。本デバイスにおいては、透過性ヒートシンクによって、輻射熱源からの光がカートリッジに向かうための透明な光路を形成する。透過性ヒートシンクは、セラミックやアルミニウムに近い熱拡散率を有しており、効率的なヒートシンクとして用いることができる。
【0052】
[00052]したがって、本開示は、光学的に加熱されたカートリッジを受動的に冷却するための方法およびシステムを提供し、このようなデバイスの設計をより簡素化、小型化することを可能にする。このような設計はまた、加熱速度に著しい影響を及ぼすことなく熱サイクル速度を向上させる、効率的な冷却を実現する。本開示はまた、複数の光源、例えば、ＬＥＤ（ＬＥＤのアレイを含む）、レーザ、ランプ、および類似のものの組み合わせを可能にし、使用可能な加熱領域を増加させ、または光強度を増大させる。追加として、赤外線温度計を介して加熱領域温度を測定する効率的な手段を提供する。さらに、本開示におけるデバイスおよびシステムにより、マイクロ流体チップ全体の冷却勾配を最小限に抑えられる。
【0053】
[00053]一実施形態では、光吸収材が接触しているマイクロ流体カートリッジと、マイクロ流体カートリッジと接触する第１のヒートシンクと、第１のヒートシンクに近接する第２のヒートシンクと、第１のヒートシンクに近接する１つまたは複数の光源と、マイクロ流体カートリッジの温度変化を検出する温度センサとを備える、マイクロ流体カートリッジを熱サイクルするためのデバイスが提供され、このデバイスは、マイクロ流体カートリッジを交互に加熱および冷却する。一実施形態では、１つまたは複数の光源は、赤外線からＵＶの波長範囲内に光をもたらす。いくつかの実施形態では、第１のヒートシンクは透過性である。別の実施形態では、第１のヒートシンクは、赤外線からＵＶの波長範囲内の光に対して透過性である。その他の実施形態では、第１のヒートシンクは熱伝導材を備える。第１のヒートシンクは、任意選択的に、サファイアを含むことができる。
【0054】
[00054]別の実施形態では、光吸収材は光を熱に変換する。光吸収材は、マイクロ流体カートリッジ上または内部にあってもよいし、マイクロ流体カートリッジと熱的に連通していてもよい。光吸収材は、マイクロ流体カートリッジ以外のデバイスの一部分上またはその内部に含めることができ、カートリッジをデバイス内に配置すると、この材料がマイクロ流体カートリッジと熱的に連通する。光吸収材は、接着剤を用いて、マイクロ流体カートリッジまたはデバイス内の他の構造体に取り付けることができる。ある実施形態では、光吸収材を透過性ヒートシンクに取り付けることができる。
【0055】
[00055]さらに別の実施形態では、第１の透過性ヒートシンクは、加熱中に、ヒートシンクを介してマイクロ流体カートリッジへの光の伝送を可能にする。第１の透過性ヒートシンクは、冷却中に、マイクロ流体カートリッジを冷却するための受動ヒートシンクとして機能することができる。別の実施形態では、第２のヒートシンクは熱伝導材を備え、任意選択的に、アルミニウム製としてもよい。
【0056】
[00056]１つまたは複数の光源は、１つまたは複数のＬＥＤであってもよい。いくつかの実施形態では、第１の透過性ヒートシンクによって１つまたは複数の光源からの光を捕捉し、マイクロ流体カートリッジに伝送する。
【0057】
[00057]別の実施形態では、デバイスは、温度センサと通信するフィードバックおよび制御ユニットをさらに備え、加熱および冷却の開始、停止、および温度制御を提供する。さらに、デバイスは、１つまたは複数のセンサがマイクロ流体カートリッジを観察することができるように、１つまたは複数の赤外線センサをデバイスに近接してさらに備えることができる。追加または代替として、少なくとも１つの抵抗温度検出要素を、マイクロ流体カートリッジと接触している第１のヒートシンクの表面と接触させて設けることができる。抵抗温度検出器は、米国公開特許出願第２０１２００５２５６０号に記載されている形状であってもよいし、そこに記載されている方法で用いてもよく、その開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【0058】
[00058]別の実施形態では、マイクロ流体カートリッジは、開放マイクロ流体チャネルを備えることができ、開放マイクロ流体チャネルと第１のヒートシンクとの間に、可撓性ヒートスプレッダが設けられる。別の実施形態では、第１のヒートシンクが可撓性ヒートスプレッダに接触して変形させるように加圧することができ、その結果、可撓性ヒートスプレッダがマイクロ流体カートリッジに接触して、マイクロ流体チャネルを流体的に封止する。
【0059】
[00059]別の実施形態では、マイクロ流体カートリッジを熱サイクルする方法が提供され、この方法は、（ｉ）熱吸収材が接触しているマイクロ流体カートリッジと、マイクロ流体カートリッジと接触する第１のヒートシンクと、第１のヒートシンクに近接する第２のヒートシンクと、第１のヒートシンクに近接する１つまたは複数の光源と、マイクロ流体カートリッジの温度変化を検出する温度センサとを備えるデバイスを提供すること、（ｉｉ）１つまたは複数の光源を点灯させて、マイクロ流体カートリッジを加熱すること、（ｉｉｉ）１つまたは複数の光源を消灯させて、マイクロ流体カートリッジを冷却すること、および（ｉｖ）熱サイクルの間中、ステップ（ｉｉ）および（ｉｉｉ）を連続して繰り返し行うことを含む。
【0060】
[00060]図３は、一実施形態におけるこのようなシステムまたはデバイスのモデルを示す。輻射熱光の波長範囲で高い光吸収性を有する光吸収層３１２は、流体槽３０１と直接接触して配置されており、流体槽は、マイクロ流体カートリッジであってもよいし、複数の構成要素を組み合わせて、マイクロ流体カートリッジを形成し、かつ／または定位置に保持するマイクロ流体カートリッジ組立体であってもよい。例えば、マイクロ流体カートリッジは、吸収層３１２、ガスケットまたは同様のものへの加圧によって閉鎖される開放ウェルまたはチャネル３０３を有する単層体３０２を用いて形成することができる。例えば、図２は、最初は環境に開放されているウェルまたはチャネル２０３を有するマイクロ流体カートリッジ２０１を示す。ウェルまたはチャネル２０３に流体試料を塗布後、適切な接着手段２０８（例えば、液体接着剤、エポキシ樹脂、両面テープまたは同様のもの）を用いて、ヒートスプレッダ２０７をカートリッジ２０１に接着することができる。サファイアブロックなどの透過性ヒートシンク２１０をガスケット２０７に当てると、ガスケットがカートリッジ２０１の上面に接触するように変形し、ウェルまたはチャネル２０３を効果的に封止する。これにより、透過性ヒートシンク２１０は、ヒートスプレッダ２０７およびカートリッジ２０１と熱的に連通し、その結果、輻射熱光源２０９が点灯すると、光は透過性ヒートシンク２１０を通過して、カートリッジ２０１を効率的かつ均一に加熱することができる。このような実施形態は、当技術分野において見られ、本明細書（図１）に記載の、接合面１０６で接合され、間にウェルまたはチャネル１０３を有する下蓋１０２と上蓋１０４とを備えるカートリッジ１０１の問題に直接的に対処する。ウェルまたはチャネル１０３の不適切な封止は、剥離や気泡１０５の形成を引き起こし、それによって、チャネル内の反応に悪影響を及ぼす恐れがある。
【0061】
[00061]再び図３を参照すると、別の実施形態では、カートリッジ体は、上下の層で形成することができ、これらの層は、互いに貼り合わされると、ウェルまたはチャネル３０３を囲い込む。吸収層３１２は、カートリッジ３０１の一部とすることができ、その結果、接触熱抵抗に対する典型的な懸念は無視してもよいほどになり、より低い電力要件で効率的な加熱を実現することができる。代替として、吸収層３１２を本明細書に記載の透過性ヒートシンク３１０の上に配置することも、それと熱的に連通させることもできる。吸収層３１２は、黒色または暗色の基板、あるいはヒートスプレッダであってもよい。いくつかの実施形態では、吸収層３１２は、ガスケットとして機能することもできる。透過性ヒートシンク３１０が輻射熱光源３０９とカートリッジ３０１との間にあるようにして、輻射熱光源３０９は、カートリッジ３０１から遠位側に位置している。加熱するには、輻射熱光源３０９を点灯させる。冷却するには、輻射熱光源３０９を消灯させて、（第１の）透過性ヒートシンク３１０が実質的に等温状態になることで、システム（マイクロ流体カートリッジ組立体３０１を含む）を受動的に冷却することができる。図３はさらに、透過性ヒートシンク３１０とカートリッジ３０１内の流体試料との間にある材料の様々な温度点および接触熱抵抗の概要を示す。
【0062】
[00062]図４に、別の実施形態における熱サイクルの加熱（左）および冷却（右）段階中の透過性ヒートシンク４１０の機能性を図示する。輻射熱光源４０９は、光源４０９からの光が、光透過性のヒートシンク４１０に入射する前に、反射膜または研磨面４１４を有するライトガイドを通過することができるように配置されている。透過性ヒートシンク４１０は、第２のヒートシンク４１５内に配置されている。ヒートシンク４１０の反対側の端部は、試料４１６と熱的に連通しており、この試料は、マイクロ流体カートリッジまたは同様のものに含まれていてもよい。加熱中は、輻射熱光源４０９が点灯し、光（直線矢印）がライトガイドと透過性ヒートシンク４１０とを通過してから、試料４１６に到達して加熱を行う。冷却中は、熱光源４０９が消灯し、透過性ヒートシンク４１０および第２のヒートシンク４１５を介して、試料４１６から熱（波線矢印）が放散することにより、試料４１６の温度が低下する。
【0063】
[00063]いくつかの実施形態では、透過性ヒートシンクは、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）または他の透過性材料を用いて形成することができる。ガラスに近い、またはそれ以上の屈折率（サファイアの屈折率は１．７３と高い）を有する透過性材料をヒートシンクとして用いることで、入射する輻射熱光源のライトパイプやライトガイドとして利用できるという利点がある。これにより、全内部屈折を含むいくつかの実施例では、内部屈折を介して光プロファイルを均等に分布させることが可能となり、対象領域の加熱均一性を向上させることができる。図１３は、ライトガイドとして機能する反射膜または研磨面１３１４を有する内面を持つ第２のヒートシンク１３１５内から始まり、次いで、光線が透過性ヒートシンク１３１０の入射面１３１８に入り、透過性ヒートシンクを通過して、出射面１３１９から出ていく光線追跡のシミュレーション結果を示す。左右のシミュレーションで異なるのは、透過性ヒートシンク１３１０を通して見た平面のみで、左側が前面図、右側が対角面図であり、どちらも内部屈折を介した光プロファイルの均等な分布を図示している。これにより、複数のＬＥＤを併用することも可能になり、全放射束を単一平面にまとめることができる。これはまた、同様の熱流束範囲を維持し、電束密度を高めながら、より大きなカートリッジ領域を加熱することを可能にする。図１２は、透過性ヒートシンクを有する、複数のＬＥＤを用いた構成を示す。いくつかの実施形態では、透過性材料（サファイアなど）は、他の光学材料と比較して高い熱拡散率を有しており、システムの効率的な冷却を可能にする。第１のヒートシンクに用いられる透過性材料の他の関連特性には、良好な強度、高い表面硬度および熱安定性を有すること、ならびに可視光から近赤外光スペクトルにおいて良好な光透過性を有することが含まれる。
【0064】
[00064]図５Ａ～図５Ｂは、別の実施形態を示し、光吸収層５１２の代替構成を提供するものである。図５Ａでは、透過性ヒートシンク５１０は、第２のヒートシンク５１５内に配置されている。カートリッジ５０１と透過性ヒートシンク５１０との間に光吸収層５１２が配置されるように、光吸収層５１２がカートリッジ５０１に取り付けられている。いくつかの実施形態では、光吸収層５１２と透過性ヒートシンク５１０との間で物理的接触を行うことができる。その他の実施形態では、光吸収層５１２と透過性ヒートシンク５１０との間で物理的接触は行われないが、いずれの構成においても、透過性ヒートシンク５１０は光吸収層５１２と熱的に連通し、光吸収層５１２はカートリッジ５０１と熱的に連通している。図５Ｂでは、光吸収層５１２は、代わりに透過性ヒートシンク５１０に取り付けられている。光吸収層５１２は、カートリッジ５０１と物理的に接触することができ、または他の実施形態では、光吸収層５１２とカートリッジ５０１との間で物理的接触は行われない。いずれの構成においても、透過性ヒートシンク５１０は光吸収層５１２と熱的に連通し、光吸収層５１２はカートリッジ５０１と熱的に連通している。
【0065】
[00065]図６Ａ～図６Ｄは、代替構成を有するさらなる実施形態を示す。図６Ａでは、透過性ヒートシンク６１０は、第２のヒートシンク６１５の内部または間に設けられている。図６Ａに図示するように、透過性ヒートシンク６１０とカートリッジ６０１との間に単一光吸収層６１２を配置するように、単一光吸収層６１２を透過性ヒートシンク６１０に直接取り付けまたは接合することができる。代替として、図６Ｂに示すように、透過性ヒートシンク６１０とカートリッジ６０１との間に多層光吸収層６１２、６１７を配置するように、多層光吸収層６１２、６１７を透過性ヒートシンク６１０に直接取り付けまたは接合することもできる。図６Ａ～図６Ｂに示す構成のどちらにおいても、透過性ヒートシンク６１０、第２のヒートシンク６１５、および一層または多層の光吸収層６１２、６１７を備える器具またはデバイスにカートリッジ６０１を挿入すると、カートリッジ６０１が一層または多層の光吸収層６１２、６１７と直接接触するように、あるいは一層または多層の光吸収層６１２、６１７と熱的に連通するように、カートリッジ６０１を配置することができ、その結果、本明細書で説明する工程を用いて、カートリッジ６０１に加熱および冷却をもたらすことができる。
【0066】
[00066]図６Ｃでは、透過性ヒートシンク６１０は、第２のヒートシンク６１５の内部または間に設けられている。透過性ヒートシンク６１０とカートリッジ６０１との間に単一光吸収層６１２を配置し、透過性ヒートシンク６１０と単一光吸収層６１２との間に接着剤を配置するように、接着剤６０８を介して、単一光吸収層６１２を透過性ヒートシンク６１０に取り付けまたは接合することができる。代替として、図６Ｄに示すように、透過性ヒートシンク６１０とカートリッジ６０１との間に多層光吸収層６１２、６１７を配置し、透過性ヒートシンク６１０と多層光吸収層６１２、６１７の少なくとも一方との間に接着剤を配置するように、接着剤６０８を介して、多層光吸収層６１２、６１７を透過性ヒートシンク６１０に取り付けまたは接合することもできる。本開示の実施に用いられる接着剤には、液体接着剤、エポキシ樹脂、両面接着テープまたは同様のものがある。
【0067】
[00067]図６Ａ～図６Ｂに示す各構成において、透過性ヒートシンク６１０、第２のヒートシンク６１５、および一層または多層光吸収層６１２、６１７（接着剤６０８の有無は問わない）を備える器具またはデバイスにカートリッジ６０１を挿入すると、カートリッジ６０１が一層または多層の光吸収層６１２、６１７と直接接触するように、および／または一層または多層の光吸収層６１２、６１７と熱的に連通するように、カートリッジ６０１を配置することができ、その結果、本明細書で説明する工程を用いて、カートリッジ６０１に加熱および冷却をもたらすことができる。同様に、透過性ヒートシンク６１０と、単一光吸収層６１２あるいは１つまたは複数の多層光吸収層６１２、６１７との間に接着剤６０８が用いられる場合には、透過性ヒートシンク６１０は、単一光吸収層６１２および／または多層光吸収層６１２、６１７と熱的に連通し、これらの光吸収層はカートリッジ６０１と直接接触および／または熱的に連通しており、その結果、本明細書で説明する工程を用いて、カートリッジ６０１に加熱および冷却をもたらすことができる。
【0068】
[00068]図７Ａ～図７Ｄは、１つまたは複数の輻射熱光源７０９の異なる構成を示す。図７Ａ～図７Ｄのそれぞれにおいて、一端に配置された少なくとも１つの第１の面と、遠位端に配置された第２の面とを有する透過性ヒートシンク７１０が設けられており、少なくとも１つの第１の面は、１つまたは複数の入射面７１８であり、第２の面は、出射面７１９である。光が入射面７１８から透過性ヒートシンク７１０に入り、透過性ヒートシンク７１０を通過して出射面７１９まで進むことができるように、少なくとも１つの入射面７１８のうちの少なくとも１つ、または代替としてそれぞれが、入射面７１８に向けられた少なくとも１つの輻射熱光源７０９を有する。次いで、出射面７１９から出る光が、透過性ヒートシンク７１０と熱的に連通している少なくとも１つの光吸収層とカートリッジとを加熱する。
【0069】
[00069]一実施形態では、透過性ヒートシンク７１０（透過性ヒートシンク７１０は、ライトガイドとして機能する）の入射面７１８および出射面７１９は、それぞれ、円形から円形、円形から正方形、正方形から円形、または別の二次元形状に融合された任意の二次元形状とすることができる。入射面７１８と出射面７１９の断面積は、同じでも異なっていてもよい。輻射熱光源７０９は、単一光源または１組の複数光源を備えることができ、そのような単一光源または１組の複数光源は、１つまたは複数の入射面７１８で用いることができる。別の実施形態では、入射面７１８および出射面７１９は、任意選択的に、滑らかに研磨することも、ざらつきのある拡散表面を有することもできる。入射面７１８および出射面７１９には、任意選択的に、反射防止コーティングを施すことができる。
【0070】
[00070]図７Ａは、２つの個別の入射面７１８と、単一の出射面７１９とを有する透過性ヒートシンク７１０を示す。入射面７１８と出射面７１９とは、２つの入射面７１８間の角度が１８０°未満の逆 「Ｙ」 字型に配置されている。２つの入射面７１８はそれぞれ、入射面７１８に向けられた輻射熱光源７０９を有し、この輻射熱光源７０９は、単一光源であってもよいし、１組の複数光源であってもよい。図７Ｂでは、透過性ヒートシンク７１０は、２つの個別の入射面７１８と、単一の出射面７１９とを有する。入射面７１８と出射面７１９とは、２つの入射面７１８間の角度が約１８０°の逆 「Ｔ」 字型に配置されている。このような構成において、透過性ヒートシンク７１０は、入射光が出射面７１９に向かって反射可能となるように構成された構造、例えば、各入射面７１８の反対側に角度の付いた面を形成する切り欠きを有することができる。２つの入射面７１８はそれぞれ、入射面７１８に向けられた輻射熱光源７０９を有し、この輻射熱光源７０９は、単一光源であってもよいし、１組の複数光源であってもよい。図７Ｃと図７Ｄはいずれも、少なくとも１つの入射面７１８が、出射面７１９とは異なる大きさおよび／または形状を有する構成を図示している。図７Ｃでは、入射面７１８が出射面７１９よりも広い形状または大きな断面開口部を有するように図示されている。図７Ｄでは、反対の構成が図示されており、入射面７１８が出射面７１９よりも小さな形状または大きな断面開口部を有するように図示されている。
【0071】
[00071]本開示におけるデバイス８３２の一実施形態を図８に示す。輻射熱光源８０９は、光源ヒートシンク８２７上に位置する。輻射熱光源８０９の上方には、内部（すなわち中央）開口部を有する第２のヒートシンク８１５が設けられ、開口部の中には、透過性ヒートシンク８１０が配置されている。透過性ヒートシンク８１０は、第２のヒートシンク８１５と同じ長さにすることも、第２のヒートシンク８１５より長くすることも短くすることもでき、透過性ヒートシンク８１０が同一平面上になるように、または輻射熱光源８０９から遠位側の第２のヒートシンク８１５の端部を超えて延びるように配置することもできる。透過性ヒートシンク８１０の上にあるデバイスの上部には、ポリマー取付板８２０が取り付けられ、かつ／または配置されており、ポリマー取付板８２０上にはマイクロ流体カートリッジ８０１が位置し、固定板８２１を圧縮して、マイクロ流体カートリッジ８０１の透過性ヒートシンク８１０との熱連通および／または直接接触を保持するために、固定板８２１と段付きネジおよびスプリング８２２とで固定されている。
【0072】
[00072]図９は、別の実施形態を示し、透過性ヒートシンク（図１０に示す）を囲い込むように互いに対向して配置可能な２つの第２のヒートシンク９１５を有する、本開示におけるデバイス９３２を図示している。輻射熱光源９０９は、光源ヒートシンク９２７上に位置する。２つの第２のヒートシンク９１５は、輻射熱光源９０９の上方に設けられ、それ同士が合体可能に配置されて、透過性ヒートシンクを配置するための内部開口部または空間を形成する。ファン９２６は、デバイスの急速冷却に有用となるように、第２のヒートシンク９１５の一方または両方に配置することができる。カートリッジ９１０は、カートリッジ接触板９２５によって透過性ヒートシンクおよび第２のヒートシンク９１５の上方に位置しており、カートリッジ接触板９２５は、任意選択的に、ポリマー取付板および固定板を備えることができ、またはカートリッジ９１０の透過性ヒートシンクとの直接接触または熱連通をしっかりと保持するようにその他の方法で構成することもできる。真空接続口９２３は、カートリッジ接触板９２５に真空を適用することを可能にし、カートリッジ９１０と、透過性ヒートシンク、接着剤、１つまたは複数の光吸収層、ガスケットなどを含み得る、熱連通に必要なその他の構成要素との間に均一な接触を提供するのに有用である。
【0073】
[00073]図１０は、図９の分解図を示しており、第２のヒートシンク１０１５の一方がデバイス１０３２から取り外され、透過性ヒートシンク１０１０が見えるようになっている。透過性ヒートシンク１０１０は、留め具１０２８を用いて第２のヒートシンク１０１５同士を合体させると形成される内部開口部または空間に収まる。輻射熱光源１００９は、光源ヒートシンク１０２７上に位置し、これらは２つの第２のヒートシンク１０１５の下方に位置する。ファン１０２６は、デバイスの急速冷却に有用となるように、第２のヒートシンク１０１５の一方または両方に配置することができる。輻射熱光源１００９と透過性ヒートシンク１０１０との間に位置する第２のヒートシンク１０１５の内面には、反射膜または研磨面１０１４が設けられており、その結果、第２のヒートシンク１０１５同士を合体させると、反射膜または研磨面１０１４を有する内面が、輻射熱光源１００９からの光を透過性ヒートシンク１０１０の入射面に導くライトガイドとして機能する。カートリッジ１００１は、カートリッジ接触板１０２５によって、透過性ヒートシンク１０１０および第２のヒートシンク１０１５の上方に位置している。カートリッジ１００１の下には、ガスケット１０２４が配置されており、このガスケット１０２４に、真空接続口１０２３を介して真空を適用することができる。真空は、ガスケット１０２４、カートリッジ１００１、および透過性ヒートシンク１０１０との熱連通に必要な他の何らかの構成要素間に均一な接触を提供するのに有用であり、他の何らかの構成要素には、接着剤、１つまたは複数の光吸収層などを含むことができる。いくつかの実施形態では、ガスケット１０２４は、光吸収層および／またはヒートスプレッダとして機能することができる。
【0074】
[00074]図１４は、カートリッジ１４０１のガスケットおよび真空封止システムの例示的な構成を示す。カートリッジ接触板１４２５は、カートリッジ１４０１を受け、ガスケット１４２４がカートリッジ接触板１４２５内のカートリッジ１４０１の下に配置される。ガスケット１４２４は、接着剤１４０８を用いて、カートリッジ接触板１４２５に取り付けることができる。光吸収層および／またはヒートスプレッダ１４１２は、マイクロ流体カートリッジとは反対側のガスケットの下面、または透過性ヒートシンク１４１０のいずれかに取り付けることができる。真空口１４２３に真空を適用して、透過性ヒートシンク１４１０、光吸収層および／またはヒートスプレッダ１４１２、ガスケット１４２４、およびカートリッジ１４０１を直接接触させて保持することができ、かつ／または熱連通を高めることができる。代替実施形態では、光吸収層および／またはヒートスプレッダ１４１２は、例えば、ガスケット１０２４が光吸収層またはヒートスプレッダとして機能できる状況においては、任意選択とすることもできるし、光吸収層および／またはヒートスプレッダ１４１２がカートリッジ１４０１と直接接触するように、別の位置に配置してもよい。透過性ヒートシンク１４１０からカートリッジ１４０１への熱連通を高めるためには、図１４の構成要素間の持続的な直接接触が望ましい場合があるが、熱連通が得られれば、そのような直接接触は不要である。
【0075】
[00075]図１１は、図１０の別の分解図であり、デバイス１１３２の一部を図示している。第２のヒートシンク１１１５の一方は、輻射熱光源１１０９および光源ヒートシンク１１２７の上に配置されている。輻射熱光源１１０９と透過性ヒートシンク１１１０の下面（入射面）との間に位置する第２のヒートシンク１１１５の内面には、反射膜または研磨面１１１４が設けられており、その結果、第２のヒートシンク１１１５同士を合体させると、反射膜または研磨面１１１４を有する内面が、輻射熱光源１１０９からの光を透過性ヒートシンク１１１０の入射面に導くライトガイドとして機能する。第２のヒートシンク１１２８は、留め具１１２８を用いて、互いに締結することができる。真空接続口１１２３は、カートリッジ接触板１１２５上にあり、ガスケットおよび／またはカートリッジの透過性ヒートシンク１１１０との直接接触または熱連通を可能にする。
【0076】
[00076]さらに、このシステムの１つの重要な態様は、温度測定方法と、急速加熱および冷却サイクルに起因する、対応するフィードバック制御ループとである。熱侵入を最小限に抑える方法で、カートリッジの温度を測定かつ制御する効率的な手段が重要となる。たとえば、大型の熱電対は、カートリッジと透過性ヒートシンクとの間の効率的な熱的接触を妨げる恐れがある。温度検知には、非接触方式が好ましい。しかし、ほとんどのポリマーは、典型的な赤外線温度計の範囲で不透明であり、マイクロ流体カートリッジの上部の温度は、下部の加熱ゾーンとは大きく異なることがある。図１２に示す提案したシステムにおいて、この問題は、透過性ヒートシンク１２１０の慎重な設計により克服されている。１つまたは複数の輻射熱源１２０９（例えばＬＥＤ）を用いる場合、赤外線温度計（ＩＲセンサ）１２２９を配置するための空洞をヒートシンクの底部に設けることができる。１つまたは複数の輻射熱源１２０９、透過性ヒートシンク１２１０、およびＩＲセンサ１２２９は、第２のヒートシンク１２１５に囲まれている。ＩＲセンサ１２２９は、温度計として機能し、透過性ヒートシンク１２１０（ＩＲ範囲で透過性であるため）を通して観察することができ、性能に最も重要なカートリッジ１２０１の加熱領域を画像化することができる。ＩＲセンサ１２２９には、可視からＵＶの範囲で供給される加熱光の影響を受けないように、光のＩＲ範囲のみを通過させるフィルターが付属している。複数のＩＲセンサ１２２９を用いて、同様の方法で主要領域を監視することもできる。ＬＥＤ１２０９の追加は、総電力の増加に作用する。これにより、加熱領域もまた大きくなる。ＬＥＤ１２０９を任意の数だけ用いるように構成を拡張することができ、透過性ヒートシンク１２１０の形状および形態もそれに応じて変更される。本開示において、温度測定およびフィードバックを提供するのに有用となり得る制御システムには、例えば、米国公開特許出願第２０１２００５２５６０号に記載されているものが含まれ、その開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【0077】
[00077]本開示はさらに、可撓性ヒートスプレッダを用いてマイクロ流体カートリッジのチャネルを封止する、マイクロ流体カートリッジを熱サイクルするためのシステムおよび方法を提供する。図２に示すように、可撓性材料は、マイクロ流体デバイスの開放チャネル上に配置され、可撓性材料を加圧するヒートシンクまたは他の固体加熱冷却源による接触を受けると、湾曲して開放チャネルに押し当てられ、それによって、圧力源が定位置にある限りチャネルを封止する。したがって、結果として得られる熱サイクルデバイスまたはシステムには、カートリッジと封止基板との間に接合工程を用いる必要はない。
【0078】
[00078]本明細書に提供されているような可撓性ヒートスプレッダは、本明細書に記載されているもの、または当業者に既知のものといった、あらゆる接触式の熱サイクル方法で用いることができる。したがって、可撓性ヒートスプレッダの使用は、マイクロ流体カートリッジ上のカバーやシールの接合を必要とせず、必然的に、剥離や気泡の発生などの一般的な接合関連の問題を回避する。さらに、本開示は、熱サイクルおよびカートリッジ製造の両方に対して、簡略化された工程を提供する。カートリッジの構成は、上部の封止が不要であることに基づいて簡略化でき、その結果、時間とコストを節約できる。本開示における可撓性ヒートスプレッダとしての使用に適した材料には、グラフェン、および薄膜プラスチックが含まれるが、当業者であれば、適切な代替品となり得るさらなる材料を理解するであろう。可撓性ヒートスプレッダを変形させ、チャネルを封止するための圧力を提供する、本明細書に記載のサファイアブロックなどのヒートシンクの使用は、ヒートスプレッダ全体に熱均一性をもたらすのに有用なさらなる利点も提供し、その結果、通常であればヒートスプレッダとは見なされない材料であっても使用することができる。さらに、可撓性ヒートスプレッダを使用して、任意の熱サイクルシステムで用いられるマイクロ流体カートリッジ上のチャネルを封止することができ、マイクロ流体カートリッジ方向に可撓性ヒートスプレッダを加圧維持する手段を提供する。
【0079】
[00079]実施例
【0080】
[00080]例１：実現可能性実験
【0081】
[00081]本概念の実現可能性を証明するために実験を行った。図８は、実験的な設定を示す。サファイアキューブを入手し、一面を微細に研磨して表面拡散し、ライトキューブとして機能できるようにした。キューブの外側を反射膜で覆い、光のさらなる内部反射を促進した。次いで、キューブを熱接着剤で覆ってから、アルミニウム製のヒートシンクに設置した。アルミニウム製ヒートシンクの目的は、ＬＥＤ（円形）から出た光をキューブ（長方形）内に導くガイドとして機能することであった。ヒートシンクはまた、サファイアキューブの温度を熱的に安定させ、加熱および冷却中にそれを等温状態に維持するのに有用であった。最終的な設定を図９～図１１に図示する。
【0082】
[00082]光吸収表面として機能する５０umの黒色アルミニウムの蓋を有する、厚さ１ｍｍのマイクロ流体カートリッジを製作した。カートリッジとサファイアキューブとの間の境界面に、小型の熱電対を配置した。次いで、ＬＥＤを点灯させて、カートリッジを加熱することで熱サイクルを行い、ＬＥＤを消灯させると、カートリッジはサファイアのヒートシンクを介して受動的に冷却された。ＬＥＤは９．３８Ｗ／ｃｍ２で作動せず、２～４Ｗ／ｃｍ２の範囲ではるかに低い熱流束を出力していた。加熱／冷却速度および均一性の結果を、それぞれ図１７および図１８に示す。最大加熱および冷却速度は、毎秒約１００°Ｃ（°Ｃ／秒）であった。６０～８０°Ｃ間の平均加熱および冷却速度は、それぞれ５０°Ｃ／秒、３５°Ｃ／秒であった。均一性は、９５°Ｃの変性温度では±１２°Ｃ前後と見られたが、５５°Ｃのより重要な焼鈍温度では±０．１°Ｃ～２．５°Ｃを示し、これは好ましい目標範囲である±１°Ｃに近い 。
【0083】
[00083]図１６は、シミュレーション値（２段階ＰＣＲ熱プロファイルのシミュレーション結果は、図１５に図示する）と比較した上記の実験結果をまとめたものである。熱流束が低い場合でも、加熱速度は大部分の方法よりも依然として著しく速く、シミュレーション条件は、最適化によって加熱速度がより速くなり得ることを示している。さらに、熱電対の物理的配置がキューブとマイクロ流体カートリッジとの間の接触熱抵抗に影響するので、熱電対の使用は理想的でなかった。前節で説明したように、非接触方式の温度測定が好ましく、加熱、冷却速度、および均一性を向上させることができる。
【0084】
[00084]例２：光学シミュレーションおよび測定
【0085】
[00085]モデル化を用いて、提案した熱サイクルシステムの熱的および光学的挙動を予測した。光学性能と処理能力の最適化に焦点を当てた段階と、最適な熱性能の決定に焦点を当てた段階の２つの異なる段階を用いた。
【0086】
[00086]光学的効果を判断するために、ライトツールズ・イルミネーション（シノプシス社製）を用いて、いくつかの提案した構成の光線追跡挙動をモデル化し、その結果を表１にまとめた。所与の電流でＬＥＤが供給する総電力（Ｗ）をキー入力した。評価に用いた出力は、ライトガイドの出口での入射電力（Ｗ）、効率（入射電力／入力電力）、および最大放射照度に対して正規化した均一率であった。このシステムを用いて全内部反射（ＴＩＲ）が達成されたこと、およびシミュレーションした反射率のいくつかの値に基づいて、入口の円形から正方形への遷移領域の反射仕上げをより高くすると、全効率が約５％向上することが明らかになった。出口の拡散仕上げは、ライトガイドキューブの出口をランベルト散乱面として定義することによって近似され、約２．５％の均一性の向上が見られた。しかし、結果は、シミュレーションの誤差またはノイズレベルの約３％に近く、実際には示されたものよりも優れた結果であった可能性を示唆するが、固有の不確実性により、これを決定することはできなかった。図１９および図１３は、遷移領域（Ｒ＝０．９８）上の鏡面膜に拡散表面条件（Ｒ＝０．２、Ｔ＝０．８）を加えた場合について、それぞれ出力放射照度プロットおよび光線経路の例示的な結果を示す。
【0087】
[00087]表１：ライトツールズを用いたシミュレーションの概要
【表1】
【0088】
[00088]最大放射照度に対して正規化したときに、サファイア版が最も効率が高く、最も均一率が低いことが光学シミュレーションにより明らかになった後、３００グリットで研磨した拡散出口表面を有する、３０ｘ３０ｘ１００ｍｍのサファイアキューブを作成した。キューブは、最も高い均一性を示したシミュレーションからの構成となるよう形成し、熱サイクルシステムのアルミニウム製ヒートシンク内に設置した。ＣＣＤ式ビームプロファイラ（オフィールオプティクス社製）を用いて光学的均一性を測定し、ビームゲージ（オフィールオプティクス社製）を用いてデータを評価した。結果を図２０に示すが、実験結果は、シミュレーション結果とよく相関していた。次いで、このサファイアキューブのデータを、図２１に示すように、中空のライトパイプを用いて得られた光学的均一性と比較した（Ａ：中空ライトパイプ、Ｂ：サファイアキューブ）。サファイアキューブによる均一性は、中空ライトパイプを用いた場合に比べて著しく向上した。
【0089】
[00089]サファイアキューブを用いた熱サイクルシステムの出力放射照度もまた、フォトダイオード式パワーメータ（ニューポート２９３６－Ｒ、ニューポート社製）を用いて測定した。測定結果を図２２に示す。出力放射照度と均一性は、どちらも約５％以内でシミュレーション値と一致することが認められた。
【0090】
[00090]例３：熱力学シミュレーション
【0091】
[00091]システムの熱評価に焦点を当てたシミュレーションを行った。これは、ソリッドワークス・フロー・シミュレーション（ダッソー・システムズ社製）で過渡的な共役熱伝達挙動をモデル化し、シミュレーションすることによって行われた。使用した熱力学的材料特性を表２に示す。
【0092】
[00092]表２：熱力学的材料特性
【表2】
【0093】
[00093]モデル化は、例えば、ヒートスプレッダまたは光吸収層２３０７がサファイア２３１０と直接接触している場合や、ヒートスプレッダまたは光吸収層２３０７とサファイア２３１０との間に大きな透過性絶縁層２３３１がある場合など、システムにおける極端な事例に焦点を当てた。図２３に、これらの条件の図を示す。絶縁層を含む条件下では、追加された断熱材により、加熱は非常に高速であるが、冷却は低速であると予想された。ヒートスプレッダまたは光吸収層とサファイアとの間の直接接触を含む条件下では、熱がより容易にサファイアに伝わるため、冷却は非常に高速であるが、同量の入射電力に対しては、加熱は非常に低速であると予想された。したがって、条件を最適化して、所与の入力放射照度に対する最適な熱回路を決定する必要がある。
【0094】
[00094]一次元シミュレーションに用いた実用モデルを図２４に示す。入力変数は、カートリッジ（上蓋２４０４と下蓋２４０２とで構成）との間の接触抵抗（真空保持力の効果を判断するため）、ヒートスプレッダ／光吸収層２４０７の厚さ、および接着剤／絶縁層２４０８の厚さであった。図２５は、シミュレーション結果をまとめたのものである。接触抵抗が低い、または真空保持力が高いと、熱的接触が良くなるために、加熱および冷却が共に向上することが認められた。ヒートスプレッダ２５０７が薄くなり、熱質量が低くなったことで、他の要因に比べて速度面での利点は非常に小さくなった。性能に最も影響を与えたのは、絶縁層／接着剤２５０８の厚さであった。図２６は、同じ一連のシミュレーションに対する最大カートリッジ温度の結果を示す。器具上のヒートスプレッダ／光吸収層２６０７の存在は、加熱中のカートリッジに安定した最高温度をもたらし、１００°Ｃ以上に上昇することはなかった。
【0095】
[00095]例４：熱力学的試験
【0096】
[00096]熱力学的シミュレーションにより最適な抵抗回路構造を決定後、いくつかの構成を形成して結果を確認した。図９～図１１は、さらなる試験に用いた試作品設計を図示する。図１４は、真空保持システムの設計を示す。軟質の３０～４０Ａデュロメータのシリコンガスケット１４２４は、約２５～３０％の圧縮永久歪みで最もよく機能することが判明した。
【0097】
[00097]ヒートスプレッダの厚さは２５μｍを選択し、いくつかの接着剤厚さを適用して、試作品を用いた試験を行い、シミュレーション予測を確認した。図２７に示すように、より薄い（２５μｍ）アクリル系接着剤層、および厚さ２５μｍの熱分解黒鉛ヒートスプレッダ（サムスン社製）を用いた事例の加熱プロファイルは、より高いＬＥＤ駆動電流を用いて試験した場合でも、加熱時間が過度に長くなっていた。これらの結果は、シミュレーション結果と一致し、薄い絶縁層では不十分であることを示した。図３３～図３６に、シミュレーションによる追加結果を示す。図３３は、完全ミラー遷移Ｒ＝１での光放射照度シミュレーションの結果を示し、図３４は、遷移Ｒ＝０．９８上の３Ｍ鏡面膜での光放射照度シミュレーションの結果を示し、図３５は、裸アルミニウム（機械加工）Ｒ＝０．９０での光放射照度シミュレーションの結果を示す。図３６は、様々な光照射に対するマイクロ流体チップに取り付けたヒートスプレッダ／光吸収材のシミュレーション結果を示し、（Ａ）流体平均温度と時間の関係、および（Ｂ）最大カートリッジ温度と時間の関係を含む。
【0098】
[00098]図２８は、厚さ１８８μｍのアクリル系接着剤、および２５μｍのヒートスプレッダ（サムスン社製）を有する熱サイクラーを用いた実験の加熱プロファイル結果を示す。特注カートリッジ接触板を介して１２ｐｓｉの真空を適用し、薄いポリカーボネートのマイクロ流体カートリッジをサファイア上に保持した。カートリッジには２０μＬの脱イオン水を充填した。カートリッジ温度の監視には、高速赤外線熱電対列式センサ（オメガ＃ＯＳ－ＰＣ１６－２Ｍ－１Ｖ、オメガエンジニアリング社製）を特注のソフトウェアインターフェイスと共に用いた。カートリッジ表面の温度分布の監視には、赤外線カメラ（フリアーＡ８５８０ ＭＷＩＲ、テレダイン・フリアー社製）、およびその関連ソフトウェア（リサーチＩＲ、テレダイン・フリアー社製）を用いた。図２８は、実験結果とシミュレーション結果（太線）をプロットしたものを示し、シミュレーション値と実験値との間にかなりの一致が見られたことが検証された。さらに、加熱および冷却時間が予測どおりに速かったことは、システム性能が良好であることを示している。
【0099】
[00099]上述したようなマイクロ流体カートリッジを熱サイクラーの試作品に搭載し、標準的なＰＣＲ温度サイクルにかけた。図２９および図３０は、熱画像システムから得られた結果を示しており、これにより、熱サイクルの様々な状態におけるカートリッジの熱均一性を客観的に比較することができた。図２９および図３０の文字識別子は、図３０の熱画像プロットと、熱サイクル中の画像を得た時点（図２９）とを関連付けるものである。いかなる状態でも、カートリッジの２５ｘ２５ｍｍの対象領域で、均一性が１．４°Ｃ（標準偏差）を超えて上昇することは観察されなかった。この結果は、より高い変性温度でも保持され、熱制御および安定性が良好であることを示した。さらに、熱制御が最も重要となるより低い焼鈍温度では、０．４°Ｃの均一性が可能であることが観察された。これらの結果が、同様の構造を持つ５つのカートリッジに対して繰り返された。
【0100】
[000100]図３１は、試験を行ったすべてのカートリッジ（ｎ＝５）の結果のグラフ概要を示す。結果を３サイクルで平均化し、次いで、試験を行った５つのカートリッジで再び平均化した。図３２は、試験を行ったこれらのカートリッジの一例示的事例であり、試料を４０サイクルの完全ＰＣＲ運転にかけたものである。完全ＰＣＲ運転には、２０μＬの試料を使用し、９５°Ｃ（変性、保持なし）と５５°Ｃ（焼鈍、保持なし）の４０サイクルを実施した。予熱サイクルを含めた総運転時間は４．６分であった。図３２は、本熱サイクル試作品を用いて達成した、サイクル全体にわたる温度間の迅速かつ均一な遷移を示す。
【0101】
[定義]
[000101]説明においては、開示する実施例が完全に理解されるように、具体的な詳細を記載している。他の例では、周知の方法、手順、構成要素、および回路については、本開示を不要に長くすることを避けるために、詳細には説明していない。
[000101]説明においては、開示する実施例が完全に理解されるように、具体的な詳細を記載している。他の例では、周知の方法、手順、構成要素、および回路については、本開示を不要に長くすることを避けるために、詳細には説明していない。
【0102】
[000102]本明細書で用いる「遺伝物質」とは、ＤＮＡおよびＲＮＡを含むいかなる核酸をも意味する。したがって、遺伝物質は、遺伝子、遺伝子の一部、遺伝子群、多数の遺伝子の断片、ＤＮＡまたはＲＮＡの分子、ＤＮＡまたはＲＮＡの複数の分子、ＤＮＡまたはＲＮＡ分子の断片、多数のＤＮＡまたはＲＮＡ分子の断片を含むことができる。遺伝物質とは、ＤＮＡまたはＲＮＡの小断片から生物のゲノム全体に至るまで、あらゆるものを指すことができる。
【0103】
[000103]本明細書では、ある要素または部分が、別の要素または部分「の上にある」、「に接している」、「に接続されている」、または「に結合されている」と言及される場合、それは、直接にその別の要素または部分「の上にある」、「に接している」、「に接続されている」、または「に結合されている」こともあるし、あるいは介在する要素または部分が存在することもあることを理解されたい。これに対して、ある要素が、別の要素または部分「の上に直接にある」、「に直接に接続されている」、または「に直接に結合されている」と言及される場合には、介在する要素または部分は存在しない。「および／または」という用語を用いるときには、関連して列挙されている項目があれば、そのうちの１つまたは複数のあらゆる組合せを含む。
【0104】
[000104]本明細書では、「の下（ｕｎｄｅｒ）」、「の真下（ｂｅｎｅａｔｈ）」、「の下方（ｂｅｌｏｗ）」、「の下側（ｌｏｗｅｒ）」、「の上方（ａｂｏｖｅ）」、「の上側（ｕｐｐｅｒ）」、「近位（ｐｒｏｘｉｍａｌ）」、「遠位（ｄｉｓｔａｌ）」等の空間的に相対的な用語を、様々な図面に示すある要素または特徴の別の（１つまたは複数の）要素または特徴に対する関係を記述する際に、説明を容易にするために用いることがある。しかし、これらの空間的に相対的な用語は、図面に示す配向に加えて、使用時または動作時における装置の様々な配向をも包含することを意図するものと理解されたい。例えば、図中の装置を反転した場合には、別の要素または特徴の「下方（ｂｅｌｏｗ）」または「真下（ｂｅｎｅａｔｈ）」と記述された要素が、それらの別の要素または特徴の「上方（ａｂｏｖｅ）」に配向されることになる。したがって、「の下方（ｂｅｌｏｗ）」等の相対的な空間用語は、上および下の両方の配向を包含することができる。装置は、その他の配向にすることもでき（９０度またはその他の配向に回転させることもでき）、本明細書で用いる空間的に相対的な記述語は、それに応じて解釈されるものとする。同様に、「近位（ｐｒｏｘｉｍａｌ）」および「遠位（ｄｉｓｔａｌ）」という相対的な空間用語も、適用可能な場合には、入れ換えることができることもある。
【0105】
[000105]本明細書で用いる「約」という用語は、例えば、１０％以内、５％以内、またはそれ未満を意味する。いくつかの実施形態では、「約」という用語は、測定誤差内を意味することもある。
【0106】
[000106]本明細書では、第１、第２、第３等の用語を、様々な要素、構成要素、領域、部分、および／または区画を説明するために用いることがある。これらの要素、構成要素、領域、部分、および／または区画は、これらの用語によって限定されないものと理解されたい。これらの用語は、単にある要素、構成要素、領域、部分、または区画を、別の領域、部分、または区画と区別するために用いているに過ぎない。したがって、以下に論じる第１の要素、構成要素、領域、部分、または区画は、本明細書の教示を逸脱することなく、第２の要素、構成要素、領域、部分、または区画と呼ぶこともできる。
【0107】
[000107]本明細書で用いる用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的としており、限定することは意図していない。本開示を説明する文脈における（中でも、添付の特許請求の範囲の文脈における）「１つの（ａ，ａｎ）」および「前記／その（ｔｈｅ）」という用語ならびに類似の指示語の使用は、本明細書で別段の指示がない限り、またはそうでないことが文脈から明らかでない限り、単数形および複数形の両方を含むと解釈されるものとする。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」という用語は、別段の言及がない限り、非限定用語（すなわち、「含むが、それに限定されない」を意味する）と解釈されるものとする。具体的には、本明細書でこれらの用語を用いるとき、記載する特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成要素が存在することを指定するが、明示的には述べられていない１つまたは複数のその他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはそれらのグループが存在すること、あるいは追加されることを排除するものではない。本明細書における値の範囲の記載は、本明細書で別段の指示がない限り、単にその範囲に該当する各別個の値について個々に言及する簡略表記法として機能するよう意図するものに過ぎず、各別個の値は、それが本明細書においては個々に記載されたかのごとく本明細書に組み込まれる。例えば、１０～１５の範囲を開示する場合には、１１、１２、１３および１４もまた開示される。本明細書に記載する全ての方法は、本明細書で別段の指示がない限り、またはそうでないことが文脈から明らかでない限り、任意の適切な順序で実施することができる。本明細書に提示するあらゆる例または例示的な言葉（例えば「等の（ｓｕｃｈ ａｓ）」）の使用は、単に本開示をより明確にすることを意図するものに過ぎず、別段に特許請求の範囲に記載がない限り、本開示の範囲を限定するものではない。本明細書中のいかなる言葉も、特許請求の範囲に記載のない任意の要素が、本開示の実施に必須であることを示すものではないと解釈されたい。
【0108】
[000108]本開示の方法および構成は、様々な実施形態の形で組み込むことができ、そのほんの一部が本明細書に開示されているに過ぎないことを理解されたい。それらの実施形態の変形形態は、上述の説明を読めば、当業者には明白であろう。本発明者らは、当業者がそのような変形形態を必要に応じて採用するものと想定しており、また、本開示が、本明細書に具体的に記載されたものとは別様に実施されることを意図している。したがって、本開示は、適用法により許容されるように、本明細書に添付される特許請求の範囲に記載される主題の全ての修正形態および均等物を含む。さらに、本明細書で別段の指示がない限り、またはそうでないことが文脈から明らかでない限り、その全ての可能な変形形態における上記要素の任意の組み合わせが、本開示に包含される。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5AB】
【図6AB】
【図6CD】
【図7AB】
【図7CD】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【図34】
【図35】
【図36】
【国際調査報告】