JP4385082B2 - 化学反応を行うためのマイクロ波装置及び方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、化学反応混合物の加熱装置に関する。特に、本発明は、一又はそれ以上の半導体をベースとするマイクロ波発生器を利用する装置に関し、装置を化学反応混合物の並行処理（又は平行処理）に適切なものとする、更に、本発明は、例えば、複数のサンプルを同時に又は逐次的（もしくは連続的）に加熱する方法、マイクロ波で加熱された化学反応をモニターする（又は監視する）方法、並びに周波数及び適用されるパワー（エネルギー又は電力）に関して最適な条件を決定できる方法等の化学反応を行う方法に関する。
【０００２】
今日有機化学者にとって重大な障害の一つは、有機合成の効率的なルートを得るための時間のかかるサーチである。一例として、製薬業においては、一年間の化学者一人当たりの数十年前の平均的能力は、完全な物質約２５〜５０であり、その結果、潜在的な新薬の候補物質として、同数の新化学物質を得ていた。今日、その数は、一年間で数百であり、まもなく一年当たり数千の範囲になると考えられている。
【０００３】
従って、製薬業及び有機化学者の挑戦は、医薬の開発における時間短縮方法の確認、化学的多様性を創造する方法の確認、新規な合成経路の開発、及び多分従来の”不可能な”合成ルートの再導入を含む。全く新しい化学物質種に到達することも不断の挑戦である。
【０００４】
下記のことから明らかなように、マイクロ波で補助される化学は、上述の問題の少なくともいくつかを回避する方法、即ち、
・反応時間を数桁のオーダーでスピードアップすること、
・化学反応の収率を向上すること、
・迅速に加熱することによってより高純度な反応生成物を提供し、それにより副反応からの不純物を避けること、及び
・常套の熱的な加熱技術では不可能な反応を行うこと
を提供する。
【０００５】
マイクロ波で補助される化学が、何年間も使用されてきた。しかし、その装置及び方法は、大部分は常套の家庭用の電子レンジ（又はマイクロ波オーブン）に基づいている。家庭用電子レンジは、マルチモードのキャビティ（又は空洞）を有し、エネルギーは、９１５ＭＨｚ〜２４５０ＭＨｚ（これは国に依存する）の固定された周波数にて加えられる。シングルモードのキャビティの使用も報告されている（例えば、米国特許第５，３９３，４９２号及び米国特許第４，６８１，７４０号参照）。
【０００６】
マイクロ波発生器の市場は、全体的にマグネトロンによって支配されている。状況によっては、進行波管（ＴＷＴ：travelling wave tube）をマイクロ波の信号を増幅するために使用する。常套の装置に関し、いくつか問題がある。これらのいくつかを以下に記載する。
【０００７】
常套のマイクロ波オーブン内のエネルギー分布が不均一であるという問題がある。このことによって、オーブン内での試料の位置に依存して、試料の温度が異なることを招く。更に、不均一なエネルギー分布は再現性ある結果を得ることを困難にする。この作用は、（例えば、９６のウェルを有する）マイクロタイター（microtiter）プレート等のサンプルホルダーの配列（又はアレイ：array）を用いる場合特に懸著である。オーブン内で試料を回転しても、再現性はそれほど向上しない。
【０００８】
常套のシステムにおいては、試料のアレイ（又は配列）中の各々の試料に供給されるパワーは、測定した入力パワーを全ての試料数で除することで、一試料当たりの平均パワーとして計算することができるのみである。キャビティ内部の不均一なエネルギー分布のため、この計算は、各々の試料に適用されるパワーについて概算値を与えるのみである。
【０００９】
反応を制御する一つの方法は、全ての各々のウェル（又は窪み）について圧力と温度をモニターすることである。これは、特定の反応の間、特定のウェル内の状態の情報を提供することができる。位置を変更することによって異なる結果が生じ、再現性は不十分となるであろう。均一なエネルギー分布を得るために試みる別の方法は、より均一にエネルギーを吸収するために、キャビティ内に大きな負荷を配置することである。
【００１０】
シングルモードのキャビティ共振器は、小さな負荷において、高効率で且つ制御された加熱パターンの可能性を提供する。しかし、負荷の誘電特性は、温度に依存して相当変化し、本質的に周波数が一定のマイクロ波発振器を用いるので、その結果パワーの吸収に大きな変化を生ずる。このため、プロセスを予想することは困難になる。
【００１１】
更に、常套のシステムの問題点は、通常、マグネトロンは一定の周波数又はマグネトロンの中心周波数付近のわずかの調節のみを与えるという事実に関する。更に、マグネトロンは予想できない挙動を示し、温度にきわめて敏感であり、特に、その”寿命”の終わりごろに近づいて、効率が低下する場合にそうである。
【００１２】
ＴＷＴは、可変周波数増幅器として使用されてきた。しかし、ＴＷＴは、相当高価であり、使用するにはしばしば複雑である。更に、ＴＷＴは、使用の前に、ウォームアップする時間が必要である。このことは、ＴＷＴは、迅速にオン／オフに切り換えできないことを意味する。更に、ＴＷＴの消耗は、高いメンテナンス費用と関連する。
【００１３】
マグネトロンとＴＷＴの両者は、高電圧電源を必要とし、このことは、複雑化と危険性の点から問題である。
【００１４】
米国特許第５，５２１，３６０号に、炉のキャビティ内にマイクロ波を供給する可変周波数加熱装置が開示されている。この装置は、電圧制御マイクロ波発振器、電圧制御前置増幅器（プレアンプ）及びパワーアンプ（又は電力増幅器）を有して成る。パワーアンプはＴＷＴであってよい。ＴＷＴは炉のキャビティに操作可能に接続されている。炉に供給されるパワーは、炉から反射されるパワーをパワーメーターを用いて測定することで決定される。キャビティ炉内にサンプル（又は試料）を置くと、パワーがサンプルに結合され、サンプルの温度を変化させ得る。
【００１５】
米国特許第５，５２１，３６０号に記載されているシステムは、例えば、ＴＷＴに関する上述の問題点を欠点として有する。
【００１６】
一つのキャビティの炉のみとともに使用するように制限されていること、即ち、種々の加熱パラメーターを用いた複数の試料の並行加熱が不可能であることは、更に、米国特許第５，５２１、３６０号に記載されている装置の問題点である。
【００１７】
第一の半導体ベース電磁気発生器、及びサンプル（又は試料）を保持する第１アプリケーターを有して成る装置であって、サンプルを制御して加熱することができる装置を提供することが本発明のもう一つの目的である。
【００１８】
本発明のもう一つの目的は、周波数、パワー、温度、圧力等のプロセスパラメーターを個々にセッティングして、多くのサンプルの並行処理（又は平行処理）を行うことができる装置を提供することである。
【００１９】
本発明の更に別の目的は、周波数、パワー、温度、圧力等のプロセスパラメーターを個々にモニターして、多くのサンプルを並行してモニターすることができる装置を提供することである。
【００２０】
本発明の更にまた別の目的は、周波数、パワー、温度、圧力等のプロセスパラメーターを個々に調節して、多くのサンプルを並行して制御できる装置を提供することである。
【００２１】
本発明の更にまた別の目的は、種々のアプリケーターを用いてサンプルを均一に加熱することができる装置を提供することである。
【００２２】
本発明の更に別の目的は、適用される（又は当てられる）エネルギーの周波数を変更することができる装置を提供することである。
【００２３】
本発明の更にまた別の目的は、サンプルの電磁吸収能力及び挙動に関する熱的及び化学的効果を評価し、分離することができる装置を提供することである。
【００２４】
本発明の更に別の目的は、反応室内に入れられる第２の物質の共振周波数（又は共鳴周波数）の変化をモニターすることによって、反応器内の温度を測定することができる装置を提供することである。この物質は、共振周波数が温度依存性である結晶、半導体、その他のいずれの固体物質であってよい。
【００２５】
上述の目的は、第１の要旨において、第１アプリケーターに電磁放射線を供給する装置を提供することによって達成され、該装置は、
ａ）電磁放射線を発生させる第１発生手段、
ｂ）発生した電磁放射線を増幅する第１増幅手段、
ｃ）増幅した電磁放射線を第１アプリケーターにガイド（又は誘導もしくは案内）する手段、並びに
ｄ）第１発生手段と第１増幅手段を制御する手段
を有して成る装置であって、
発生した電磁放射線は複数の周波数を含み、第１発生手段と第１増幅手段は本質的に半導体素子（又は部品もしくは要素）によって構成される装置である。
【００２６】
本質的に半導体素子によって構成されるとは、電磁放射線を発生する素子、例えば、必要とされるパワー・トランジスター（power transistor）は、半導体ベース（又は半導体系）のパワー・トランジスターであるということを意味する。
【００２７】
本明細書において、ガイド手段とは、例えば、同軸ケーブル又は導波管（又は導波路）のようなケーブル又は金属チャンネルのような電磁放射線をガイド（又は誘導）することができるいずれかの手段として解釈すべきである。ガイド手段は、例えば、カプラー（coupler）、デバイダー（divider）、スプリッター（splitter）、コンバイナ（combiner）、アイソレーター（isolator）、パワー・メーター（power meter）、擬似負荷、スペクトル・アナライザー等の能動及び／又は受動部品をも有して成り得る。
【００２８】
複数のサンプルの並行処理を行うために、装置は、第２アプリケーターと、増幅した電磁放射線の少なくとも一部を第２アプリケーターにガイドする適当なガイド手段を有して成る。通常、異なる周波数を有する電磁放射線を第１及び第２アプリケーターに供給し得ることが有利な場合がある。従って、装置は、複数の周波数の電磁放射線を発生させる第２発生手段と、第２発生手段が発生させた電磁放射線を増幅する第２増幅手段を有してよい。複数の周波数の電磁放射線を供給するために、第２発生手段と第２増幅手段は、半導体ベースのパワー・トランジスターのような半導体素子（又は部品）によって構成されるのが好ましい。そのようなパワー・トランジスターの例は、シリコンカーバイドのパワー・トランジスターである。同じ型のトランジスターを第１発生手段と第１増幅手段にて使用できることは明らかである。
【００２９】
装置のフレキシビリティを高めるために、ガイド手段は、第２増幅手段によって増幅された電磁放射線を第２アプリケーターにガイドする手段を有し得る。更に、ガイド手段は、第２増幅手段によって増幅された電磁放射線の少なくとも一部を第１アプリケーターにガイドする手段を、更に有してよい。
【００３０】
更に、装置のフレキシビリティを高めるために、ガイド手段は、第１増幅手段によって増幅された電磁放射線を第１及び第２アプリケーターの間で切り換える（又はスイッチする）手段を有してよい。更に、ガイド手段は、第２増幅手段によって増幅された電磁放射線を第１及び第２アプリケーターの間で切り換える手段を有してよい。
【００３１】
第１及び第２アプリケーターは、種々の種類のタイプのものであってよい。第１及び第２アプリケーターは、準静（quasistatic）、近距離場（near field）、表面場（surface field）、シングル・モード（single mode cavity）及びマルチ・モード・キャビティ（multi mode cavity）アプリケーターから成る群から選択されるのが好ましい。
【００３２】
第１及び第２発生手段が発生させた電磁放射線の周波数は、それぞれ第１及び第２制御信号に従って変化し得る。これらの第１及び第２制御信号は、制御手段によって供給され得る。同様に、第１及び第２増幅手段の増幅は、それぞれ第１及び第２制御信号に従って変化し得る。これらの信号も制御手段によって供給され得る。制御手段は、汎用コンピューターを有してよい。そのような汎用コンピュターは、ニューラル・ネットワーク（neural network）の一部を形成し得る。
【００３３】
第１及び第２発生手段が発生させた電磁放射線の周波数は、０．５〜３ＧＨｚの範囲内又は５０〜１００ＧＨｚの範囲内のような３００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚの範囲内にある。
【００３４】
本発明の第２の要旨において、本発明は複数の化学反応を同時に又は逐次的（又は連続的）に行う方法に関し、該方法は、
ａ）第１サンプル（又は試料）を第１アプリケーター内に供給する工程、
ｂ）第２サンプルを第２アプリケーター内に供給する工程、並びに
ｃ）第１及び第２サンプルに同時に又は逐次的（もしくは連続的）に予め定められた時間、３００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚの範囲内の周波数を有する電磁放射線を適用する（当てる又は照射する）工程
を含む方法である。
【００３５】
電磁放射線を、各々のサンプルについて、特定的に独立して供給することができる。更に、適用される電磁放射線は一又はそれ以上のパルスを有し得る。サンプルは少なくとも二つのホルダーを有するセット（又は組み）で集められてよい。サンプルそのものは、ＰＣＲ混合物であってよい。サンプルをさらす間、電磁放射線は、サンプルが各サイクルの少なくとも一部の間に冷却される少なくとも２つの工程のサイクルで適用してよい。
【００３６】
電磁放射線は、好ましくは本発明の第１の要旨の装置を用いて供給される。
【００３７】
第３の要旨において、本発明は化学反応を行う方法に関し、該方法は、
ａ）アプリケーター内にサンプルを供給する工程、
ｂ）第１レベルのパワー（エネルギー又は電力）にて、予め定めた第１時間の間、サンプルに電磁放射線を適用して、予め定めた分解能で電磁放射線の周波数を二つの予め定めた値の間で変化させ、フィードバック信号のレベルを測定することによって二つの予め定めた値の範囲に含まれる少なくともいくつかの（二つの）周波数にて、サンプルからの電磁放射線の反射率を決定し、それにより反射率の第１のセット（又は組み）を得る工程、
ｃ）サンプルの物理的及び／又は化学的性質を変える工程、
ｄ）第２レベルのパワーにてアプリケーターに電磁放射線を適用し、予め定めた分解能で電磁放射線の周波数を二つの予め定めた値の間で変化させ、予め定めた値によって規定される範囲は、ｂ）工程にて予め定めた値によって規定された範囲に含まれ、フィードバック信号のレベルを測定することによって二つの予め定めた値の範囲に含まれる少なくともいくつかの（二つの）周波数にてサンプルからの電磁放射線の反射率を決定して、その結果反射率の第２のセット（又は組み）を得る工程、並びに
ｅ）反射率の第１及び第２セットと関連する周波数の間で数学的差（引き算）として計算される反射率の差が予め定めた範囲内にあるようになるまで、工程ｃ）及びｄ）を繰り返す工程
を含む方法である。
【００３８】
工程ｃ）はサンプルを加熱するために電磁放射線を適用することを含んでもよい。別法として、又は追加的に、サンプルを冷却してもよく及び／又は試薬をサンプルに加えてもよい。また、反射率の差が工程ｃ）及びｄ）を最初に行った後に予め定めた範囲内にある場合、もちろん工程ｅ）はもはや適用しない。更に、差が予め定めた範囲に近い場合、工程ｅ）を行うことは経済的ではなく、工程ｅ）は省略してもよい。
【００３９】
第４の要旨において、本発明は、化学反応を行う方法に関し、該方法は
ａ）サンプル（又は試料）をアプリケーター内に供給する工程、
ｂ）開始（又は出発）周波数を有する電磁放射線をサンプルに適用する工程、
ｃ）予め定めた分解能にて、適用される電磁放射線の周波数を二つの予め定めた値の間で変化させる工程、
ｄ）電磁放射線の周波数を変化させる少なくとも一部の間にフィードバック信号のレベルを測定することにより、サンプルからの電磁放射線の反射率を決定する工程、並びに
ｅ）フィードバック信号のレベルから、反射率が予め定められた範囲内にある電磁放射線の周波数を決定する工程
を含む方法である。
【００４０】
第５の要旨において、本発明は化学反応を行う方法に関し、該方法は、
ａ）アプリケーター内にサンプルを供給する工程、
ｂ）開始（又は出発）周波数を有する電磁放射線をサンプルに適用する工程、
ｃ）開始周波数付近にて電磁放射線の周波数をインクリメンタルに（又は段階的に、incrementally）変化させる工程、
ｄ）開始周波数、開始周波数よりインクリメンタルに低い周波数、及び開始周波数よりインクリメンタルに高い周波数にて、フィードバック信号のレベルを測定することによって、サンプルからの電磁放射線の反射率を決定する工程、
ｅ）反射率が最小になるまで、工程ｂ）〜ｄ）を繰り返す工程
を含む方法である。
【００４１】
第６の要旨において、本発明は化学反応を行う方法に関し、該方法は、
ａ）アプリケーター内にサンプルを供給する工程、
ｂ）開始（又は出発）周波数を有する電磁放射線をサンプルに適用する工程、
ｃ）開始周波数付近にて電磁放射線の周波数をインクリメンタルに変化させる工程、
ｄ）開始周波数、開始周波数よりインクリメンタルに低い周波数、及び開始周波数よりインクリメンタルに高い周波数にて、フィードバック信号のレベルを測定することによって、サンプルからの電磁放射線の反射率を決定する工程、
ｅ）決定した反射率を予め定めた反射率と比較する工程、
ｆ）決定した反射率が予め定めた反射率付近の予め定めた範囲内にあるように、開始周波数を調整する工程、並びに
ｇ）望ましい回数だけ、工程ｃ）〜ｆ）を繰り返す工程
を有して成る方法である。
【００４２】
開始周波数は、３００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚの範囲内にあり得る。電磁放射線の周波数を変え得る予め定めた値の範囲は、例えば、０．５〜３ＧＨｚの範囲内又は５０〜１００ＧＨｚの範囲内のような３００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚの範囲内にある。第３、第４、第５及び第６の反応は、本発明の第１の要旨の装置を用いて行うのが好ましい。
【００４３】
第７の要旨において、本発明は、化学反応を行う方法に関し、該方法は、
ａ）サンプルをアプリケーター内に供給する工程、
ｂ）予め定めた形状を有する第１パルスの形態で、電磁放射線をサンプルに適用し、数値演算（又は数学的処理）を行うことによってアプリケーターからの反射パルスを特徴づけて（又はパルスの特性を表して）第１反射スペクトルを得る工程、
ｃ）サンプルの物理的及び／又は化学的性質を変える工程、
ｄ）予め定めた形状を有する第２パルスの形態で、電磁放射線をサンプルに適用して、数値演算を行うことによってアプリケーターからの反射パルスを特徴づけて（又はパルスの特性を表して）第２反射スペクトルを得る工程、
ｅ）第１及び第２反射スペクトルの間の数学的差（引き算）として計算される第１及び第２反射スペクトルの間の差が予め定めた範囲内にあるようになるまで、工程ｃ）及びｄ）を繰り返す工程
を有して成る方法である。
【００４４】
工程ｃ）とｄ）を最初に行った後、反射率の差が予め定めた範囲内にある場合、もちろん工程ｅ）はもはや適用する必要はない。更に、差が予め定めた範囲内に近い場合、工程ｅ）を行うことは経済的ではなく、省略してもよい。第１及び第２反射スペクトルを得るための数値演算は、フーリエ変換を含むが、他の演算も適用できる。本発明の第７の要旨の方法は、本発明の第１の要旨の装置を用いて行うことができる。
【００４５】
第８の要旨において、本発明は、少なくとも一つの有機化合物を含む少なくとも一つのサンプルを加熱するための、本発明の第１の要旨の装置の使用に関する。更に、各々のサンプルは一又はそれ以上の試薬及び適宜触媒を含むことができる。好ましくは、本発明の第１の要旨の装置は、例えば、ＰＣＲ混合物のような二又はそれ以上の反応混合物を、同時に、連続的に又は断続的に加熱するために構成される。
【００４６】
電磁放射線の周波数、放射されるパワー（又はエネルギー）のレベル及び電磁放射線を適用する時間は、問題とする化学反応に関して予め設定（又はセット）された値によって定め、そのような予め設定された値は、制御手段と結合した記憶手段内に保存される。周波数と反射率に対応するデータは、更なる処理するためにメモリー内に保存（又はストア）してよい。更なる処理は、ニューラル・ネットワークで行ってよい。
【００４７】
第９の要旨において、本発明は、適宜触媒の作用下にて、試薬と化学種を化学反応させるキットに関し、化学反応は、本発明の第１の要旨の装置内で行われ、該キットは、
ａ）少なくとも一つの試薬及び必要であれば触媒を含んで成るサンプルホルダー、
ｂ）触媒が適宜作用する条件下の化学種と試薬の間の化学反応に関するデータを有して成る電子的記憶手段であって、該電子的記憶手段と装置が、該サンプルホルダーへの電磁放射線の適用を制御するために、記憶手段からデータを引き出して、該データを処理することができるようになっている、電気記憶手段
を含むキットである。
【００４８】
この要旨は、更に、サンプルホルダーに化学種を追加することに関する指示（又は使用説明書）を含んでよい。
【００４９】
上述したように、本発明は、化学反応を、好ましくは並行して行われる化学反応を行うための装置と方法を提供する。本発明の装置の特に興味深い特徴は、信号発生器と増幅手段において半導体素子（又は部品）を使用することである。以下の記載から明らかであるように、半導体信号発生器は、従来知られていない長所を化学合成にもたらし、従って、本発明の方法にも同様に長所をもたらす。
【００５０】
化学反応を行う装置及び方法においてマイクロ波又は他の電磁放射線を使用する主な目的は、マイクロ波放射にさらされるサンプル中にて起こる反応を加熱する及び／又は触媒することである。装置のアプリケーターのサンプルホルダー内に、サンプルを置くことが好ましい。
【００５１】
また、本発明の装置及び方法によれば、アプリケーター内に供給される及び／又は吸収される信号エネルギーの実際のレベルに応答して、信号発生器を制御することができる。このフィードバックによって、例えば、サンプルの温度を極めて高温に制御することが可能となる。
【００５２】
マイクロ波という用語は、周波数範囲３００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚの電磁放射線を意味すると解釈される。本発明の装置及び方法は、５００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚの周波数範囲内で実施されるのが好ましく、５００ＭＨｚ〜１０ＧＨｚ、２〜３０ＧＨｚ、３００ＭＨｚ〜４ＧＨｚ、２〜２０ＧＨｚ、０．５〜３ＧＨｚ等の５００ＭＨｚ〜３０ＧＨｚの範囲内又は５０〜１００ＧＨｚの範囲内で使用するのが好ましい。
【００５３】
図１は、本発明の装置の好ましい態様を示す。信号増幅器２９によって別々増幅される信号発生器２８の番号ｎは、中央のボックス（又は囲み）によって表す分配ネットワーク２３を介して各々のアプリケーター２４の番号ｍに接続されている。全ての要素（又は部品）は、電源装置４４及びコントローラー（又は制御装置）４５に接続されていることがわかる。図１は、サンプルの並行処理を示し、発生器とアプリケーターは、分配ネットワーク、アプリケーター又はサンプルにおけるマイクロ波のエネルギーのカップリング（又は結合）に応じて制御されることが好ましい。尚、各々のアプリケーター２４は、一又はそれ以上のサンプルを含むことができる。
【００５４】
各々のアプリケーター２４に送られるべき平均パワー（又はエネルギー）が増幅器２９の最大出力パワーより小さい場合、アプリケーター２４の数は、発生器２８と増幅器２９の数より大きくなり得、故にｎ＜ｍである。各々のアプリケーター２４に送られるべき平均パワーが増幅器２９の最大出力パワーより大きい場合、各々のアプリケーターに対するパワーは、数個の増幅器から発生し得る。よって、いくつかの増幅器からのパワーの出力は、数個の異なるアプリケーターに分配することができる。この場合、アプリケーター２４の数は、発生器２８及び増幅器２９の数より少なくなり得、故に、ｎ＞ｍである。増幅器とアプリケーターとの間の放射線のこのガイド及びカップリング（又は結合）は、分配ネットワーク２３によって行われる。各増幅器とアプリケーターは、対に結合することもでき、即ち、ｎ＝ｍである。
【００５５】
以下に、装置に含まれる個々の要素を、好ましい特徴とともに、より詳細に説明する。
【００５６】
発生手段２８及び増幅手段２９は半導体素子（又は部品）によって本質的に構成される。３００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚの信号を発生できるように、数個の別個の半導体ベースの発生器が必要とされる場合がある。
【００５７】
発生した信号のパワーは、０〜１Ｗの間で連続的に変化する。信号発生器は、信号増幅器及び／又はパワー増幅器を駆動することができる。更に、信号発生器はコントローラー４５から制御することができ／プログラムすることができる。制御機能は、信号／パルスの振幅、周波数、周波数帯域幅、信号形状、パルス形状もしくは持続時間を制御する形態並びに二又はそれ以上の機能の同時の任意の組み合わせを制御する形態である。
【００５８】
半導体ベースのマイクロ波発生器及び増幅器は、常套のＴＷＴ、ジャイロトロン、マグネトロンと比較して種々の長所を提供する。これらの長所を、以下に例示する：
・周波数と出力パワーの制御が容易である。
・物理的に寸法が小さい。
・高電圧が不要であり、それによって安全性と信頼性が向上する。
・ウォームアップの時間が不要であり、従って、直ちに使用できる。
・消耗部品がないので、メンテナンスコストを著しく減少でき、装置の使用可能時間を増加できる。
・ＴＷＴと比較してＭＴＢＦが非常に高く、及びＭＴＴＲが非常に低い。
・ＴＷＴと比較してゲイン・カーブ（gain curve）の平坦性がより良好である。
・ＴＷＴと比較してノイズが少ない。
【００５９】
図２に示すように、増幅手段２９は信号増幅器２９及びパワーアンプ（又は電力増幅器）３０を含み得る。信号増幅器２９は、信号発生器からの信号を増幅するようになっている半導体ベースのデバイスである。増幅手段のゲインは、制御信号のレベルを変えることで調節できる。従って、出力の振幅をオペレーターが選択することができる。
【００６０】
パワーアンプ３０は、信号増幅器からの信号を更に増幅するために設けられる。パワーアンプも、調節可能なゲインを有する半導体ベースのデバイスである。ゲインは、制御信号のレベルを変化させることにより変化する。
【００６１】
アプリケーターに適用される加熱パワーは、問題とする化学反応とサンプルの量に応じて１〜２０００Ｗの範囲内であることが好ましい。典型的な範囲は５〜５０Ｗのような１〜３００Ｗ、３０〜１００Ｗのような１０〜１０００Ｗ、１００〜１０００Ｗのような５０〜２０００Ｗである。
【００６２】
モニターする又は”スキャン（又は走査）する”（後述する）ために使用される電磁放射線に必要なパワーは、典型的には加熱するために必要なパワーの一部分のみである。典型的な範囲は、０．１〜１０Ｗのような０．０５〜１００Ｗである。適用（又は照射）時間も、問題とするサンプル、プロセス（又は方法）及び化学反応に応じて変化する。典型的な反応時間は、０．２〜５００秒又は０．５〜１００秒のような０．１秒〜２時間である。
【００６３】
増幅手段から増幅された信号は、分配ネットワーク（又は配電ネットワーク）を用いて、一又はそれ以上のアプリケーターに分配される。
【００６４】
分配ネットワークは多くの特徴要素を有することができる。図２は、これらの特徴要素から抜粋したものを有する装置の態様を示す。図２は、如何にして種々の特徴要素が提供され得るかを説明する例示にすぎず、図２の特徴要素の順序は制限的なものではない。以下の特徴要素が、分配ネットワーク中に含まれ得る：
−循環器（又はサーキュレーター：circulator）３１
−双方向カプラー（bi-directional coupler）３２
−パワーメーター（power meter）３４〜３８
−擬似負荷（artificial load）３３
−デバイダー（divider）５１
−コンバイナ（combiner）５０
−スペクトル・アナライザー（spectrum analyser）
これらのうち幾つかの特徴要素は、図２を参照しながら、以下説明する。
【００６５】
循環器３１はマイクロ波アプリケーター２４及び分配ネットワーク２３から反射されたパワーがパワーアンプ３０に入ることを防ぐ。代りに、反射されたパワーは、第１パワーメーター３４に必要に応じて接続された擬似負荷３３に向けられる。いくつかの半導体ベースの発生器及び増幅器、例えば、シリコンカーバイド発生器／増幅器は、後方散乱マイクロ波によって影響されず、そのような発生器及び／増幅器が使用される場合、循環器３１は必要ではない。
【００６６】
循環器３１は増幅手段と分配ネットワークの間に操作可能に接続され、少なくとも一つの入力端子（又はターミナル）、出力端子及び少なくとも一つの複合入力／出力端子（又は入力兼出力端子）を有する。入力端子は、増幅手段の出力端子に操作可能に接続されており、複合入力／出力端子は、分配ネットワークに操作可能に接続されている。更に、負荷３３及び第１パワーメーター３４は、循環器に関連して装置に組み込まれている。
【００６７】
分配ネットワークは、双方向カプラー３２のようなカプラーを含むことができ、該カプラーは、入力端子、少なくとも二つの出力端子及び複合入力／出力端子を有して成る。入力端子は、循環器又は増幅器の出力端子に操作可能に接続することができ、出力端子は分配ネットワークの他の部分に操作可能に接続することができる。
【００６８】
双方向カプラーは、入力及び／又は反射されたパワーの一部を、二つのパワーメーター３５及び３６に向ける。第３のパワーメーター３６は、アプリケーターの方向へ伝送したパワーの一部を測定し、一方、第２パワーメーター３５は、反対方向、即ち、アプリケーターから離れる方向に伝送したパワーの一部を測定する。パワー測定手段は、コントローラー４５に信号を送ることができる。
【００６９】
並行処理を容易にするため、分配ネットワークも、コンバイナー５０とデバイダー５１を含み得る。これらは、スイッチを有することができ、その結果ネットワークの構造が変化し得る。
【００７０】
一般に、分配ネットワークは、半導体信号発生器及び半導体増幅器をそれぞれ用いて発生させた電磁放射線及び増幅させた電磁放射線を分配するために設けられる。発生させて増幅させた信号は、単一の又は複数のアプリケーターに分配することができる。
【００７１】
そのようなネットワークの例は、デバイダーを有する同軸ケーブルであり、パワー／信号のライン（又は線）を、別々のアプリケーター全てに供給するのに必要とされる数と同数のパワー／信号ラインに分割する。分配ネットワークを達成する別の方法は、導波管、ストリップ・ライン等を使用することである。分配ネットワークは、図３、４、５及び６に示すように、アプリケーターのデザインの一体的な部分で有り得る。
【００７２】
２４のようなアプリケーターは、種々のタイプのものが有り得る。本発明によれば、アプリケーターは、いくつかの特徴要素を含むのが好ましい。これらの好ましい特徴要素のうちいくつかは、図２を参照しながら、以下説明する。具体的なアプリケーターのいくつかについて、後でより詳細に説明する。
【００７３】
アプリケーターの最低要件は、以下の通りである：
ａ）入力端子１２、
ｂ）サンプルホルダー１、及び
ｃ）入力端子１２からのマイクロ波エネルギーを閉じ込める手段
【００７４】
サンプルに吸収される（又はアプリケーターによって反射される）パワーに応答して信号発生器及び増幅器の動作を制御するために、アプリケーター内で吸収され及びアプリケーターによって反射される全パワーの測定を行う必要がある。
【００７５】
サンプルでのパワー（又はエネルギー）の吸収量を測定（又は決定）するために、アプリケーターは電磁場の強度を測定する手段を有することができる。アプリケーターは、アプリケーターから反射されたパワーを吸収する負荷３３に操作可能に接続された出力端子を有することができる。更に、第４のパワー測定手段３７は、負荷３３及び制御手段４５に操作可能に接続されている。また、ループ・アンテナ（loop antenna）１３が、マイクロ波受信（又は受容）手段として機能できる。ループ・アンテナは、第５のパワー測定手段３８及び制御手段４５と接続されている。
【００７６】
上述の負荷３３及びループ・アンテナ１３は、エネルギーをパワー・メーター３７又は３８に伝えることによって、サンプル１を経由して伝送されるマイクロ波をモニターし、受信するために使用される。サンプルにて照射されるパワーとサンプルによって伝えられ／反射されるパワーの差は、まさにそのセットアップに応じて各パワー・メーターを用いて測定され、システム内のエネルギー損失とサンプル内にて吸収されたエネルギーの合計を示す。サンプルがアプリケーター内に導入される前に、負荷の無いアプリケーターのシステム損失を測定することによって、アプリケーターを較正することができる。サンプル内で吸収されるエネルギーは、その温度と周波数にて、誘電特性に関してサンプルを特徴づける。所定の範囲、例えば、１〜４ＧＨｚ内で周波数について走査し、３５から反射された信号とともに負荷３３又は受信アンテナ１３からの信号をモニターすることによって、化学反応の進行をフォローできる。
【００７７】
一又は複数のサンプルへのマイクロ波エネルギーの適用をモニターし制御するために、アプリケーターは、コントローラーに操作可能に接続されたセンサーを含むことができる。加熱する間（及びその間の中間非加熱の間）に、圧力、温度、ｐＨ、及び導電率のようなプロセス又は反応の程度を特徴づけるいずれかのパラメーターを測定するセンサーを含むことができる。マイクロ波のキャビティ用の一つの可能な温度センサーは、国際公開ＷＯ９４／２４５３２号に記載されている。そのようなセンサーからの出力はまた、サンプルで吸収されたパワーの量の目安を与えることができる。
【００７８】
スペクトル・アナライザーをパワー測定手段に接続することができ、パワー測定手段は周波数選択式で有り得る。アプリケーターに向けられた電磁信号が、時間依存性である（例えば、パルス状である）場合、サンプルに照射されたパルスの時間−周波数スペクトル及び反射された／伝えられた信号の分析は、サンプルの有用な情報をもたらすことができる。この分析は、測定された信号のフーリエ変換を含み得る。この特徴要素はアプリケーターに特に結合しているわけではなく、むしろ、コントローラーに含まれ得る分析手段と、システム内の種々の位置のパワーメーターの測定の組み合わせである。
【００７９】
アプリケーターは調節可能であることが好ましく、使用される周波数に応じて、サポート・モード（support mode）に合せることができる。アプリケーターは、準静（quasistatic）、近距離場（near field）、表面場（surface field）、シングル・モード・キャビティ（single mode cavity）又はマルチ・モード・キャビティ（multi mode cavity）に加え、開口・キャビティ（open ended cavity）を有することに留意すべきである。アプリケーターのある幾何学的な（又は構造的な）パラメーター（例えば、共振器のロッド）を調節することによって、共振周波数を入力端子１２に接続された信号の周波数に一致させるようにアプリケーターを調節することができる。
【００８０】
サンプル１をアプリケーター内に直接的に配置することができるが、サンプルは典型的には、開放した又は閉じたサンプルホルダー２内に配置される。そのようなサンプルホルダーは、アプリケーターの一体的部分であり得、あるいはマイクロ波加熱用途にて使用する適切ないずれかの物質から成る別の反応容器であり得る。当業者によく知られているように、サンプルホルダーを構成する物質（又は材料）はマイクロ波エネルギーを好ましくは吸収するべきではない。種々のタイプのポリマー及びガラスを使用できる。複数のサンプルを同時に加熱する場合、特に、種々のタイプのトレイ、マイクロタイター・プレート（microtiter plate）等が好ましく使用され得る。複数のサンプルホルダーをサンプルホルダーセットに組み込むことができ、そのようなセットアップは、全てのサンプルを同時に非常に均一に加熱することを可能にする。
【００８１】
サンプルホルダーには、プロセス工程とプロセス工程との間もしくは全プロセスと全プロセスとの間、又はプロセス工程もしくは全プロセス工程の間中に、アプリケーター及びサンプルホルダーの内外へサンプルを移動するためのサンプル入口及び出口部分を更に設けることができる。
【００８２】
気体とサンプルとの間で反応することを防ぐために、アプリケーター内の自由空間を不活性気体で満たすことができる。しかし、サンプルホルダーはフタを有することが好ましい。アプリケーターは、サンプル上の空間に不活性な雰囲気を供給するための少なくとも一つの入口／出口を有することが好ましい。別法では、サンプル上の空間を、反応性の気体、例えば、水素化反応に有用なＨ_２で満たす。
【００８３】
アプリケーターは、化学反応によって生ずる又は反応パラメーターとして高圧雰囲気を与えるために意図的に形成された高い内圧に耐え得るべきである。高い内圧は、通常、液相の沸点を超えるようにサンプルの温度を上昇させる方法として使用される。圧力を予め定めたレベルに保ち、又は超える又はすべきでないレベルに予めセットすることができる。圧力システムは、加圧される部品の保護と人の安全のために安全バルブ機能を組み込んでいる。
【００８４】
サンプルの急速冷却は、きわめて実際的な特徴要素であり、アプリケーター内に装備され得る。即ち、冷却手段を全く使用しないでサンプルを冷却する場合、サンプルが周囲の温度に達するまでの時間は、通常きわめて長時間であり、望ましくない副反応や他の好ましくない現象を引き起こす。従って、サンプルが予め定めた温度に達するのに要する時間を最小にするために、強制的な冷却を使用することができる。冷却装置は、例えば、空気の循環、水もしくは他の液体冷却媒体の循環、ペルティエ素子等のいずれのものでもよい。冷却装置もプロセス・サイクルの間中、温度を制御するために使用することができる。冷却装置の一つの重要な用途は、サンプルの温度サイクルが望ましい場合である。予めプログラムされた温度サイクルを使用して、マイクロ波を用いるサンプルの加熱及び冷却装置を用いるサンプルの冷却を制御する。そのような適用の例は、ＰＣＲ反応（ポリメラーゼ連鎖反応：Polymerase Chain Reaction）を行うための温度サイクルである。
【００８５】
コントローラー４５は、図２に示すように中枢機能（central function）を有している。コントローラーは、装置とその全てのモジュール／部品の制御（ランタイム・コントロール：run-time control）及びプログラム化のためのコンピューターベースのシステムである。
【００８６】
ユーザー・インターフェイスとして、及び／又は１台または数台のマイクロ波装置用のコンピューティング・デバイスとして、ネットワーク内で１台または数台のＰＣにコントローラー４５を接続してもよい。このようにすると、データ及び／又は処理されたデータ及び／又は予め定めたプロセスパラメーターに関するデータを保存する記憶手段が利用可能となる。
【００８７】
コントローラー４５によって発生手段２８に供給される制御信号は、アプリケーター２４から後方反射された信号又は伝送された信号の第１関数に従って変化し、該後方反射された信号又は伝送された信号は、パワー測定手段３４〜３８の一つによって検知される。コントローラーによって増幅手段２９及び３０に供給される制御信号は、アプリケーターから後方反射された信号又は伝送された信号の第２関数に従って変化し、該後方反射された信号又は伝送された信号は、パワー測定手段３４〜３８の一つによって検知される。
【００８８】
発生手段２８に供給される制御信号は出力周波数を決定し、増幅手段２９及び３０に供給される制御信号は増幅される信号の振幅を決定する。増幅される信号の振幅は、時間の関数として変えることができる。
【００８９】
制御システムは３種類の操作モードを有する：
１）加熱モード
２）モニタリングモード
３）プログラミングモード。
【００９０】
加熱モードにてコントローラー４５を操作することは、コントローラーの構成に特別な要件を課する。コントローラーは、信号増幅器２９及びパワーアンプ３０からの出力パワーを設定し制御することができる。更に、コントローラーは、信号発生器２８によって発生させられた信号を変調することができ、方形波又は三角波のような時間の関数である、出力信号を発生させることができる。同じ意味において、信号のデューティー・サークル（duty circle）は、伝送される信号のパワーを減少するために調節可能でなければならない。
【００９１】
上述の特徴は、信号増幅器２９に第１制御信号を適用し、パワーアンプ３０に第２制御信号を適用することによって提供される。
【００９２】
コントローラーに組み込まれていなければならない他の特徴は、信号発生器の出力周波数を制御する能力である。周波数走査に関するセッティング、即ち、開始（又は出発）周波数、停止周波数、周波数の分解能及び走査時間もコントローラーから操作可能でなければならない。開始周波数は０．５〜３００ＧＨｚの範囲内であり、１〜３０ＧＨｚの範囲内であることが好ましい。その間で電磁放射線の周波数が変化する予め定められた値は、０．５〜３００ＧＨｚの範囲内にあり、１〜３０ＧＨｚの範囲内にあるのが好ましい。
【００９３】
更に、プロセス全体、又はプロセスが一よりも多い工程を伴なう場合、プロセスの一部のためのプロセス時間は、制御可能でなければならない。
【００９４】
アプリケーターへの入力パワーの測定はパワーメーター３６を用いて行われるが、パワーメーター３６の最適な位置は、分配ネットワークのまさにその構成に応じて決定される。同様に、アプリケーターから反射されたパワーは、パワーメーター３４又は３５で測定され、パワーメーター３７又は３８は、アプリケーターから結合して出たパワーを測定する。アプリケーターで吸収されたパワーは、アプリケーター内の損失を測定するためにキャビティが空である装置を較正することによって、測定することができる。この較正は、サンプルが処理される周波数の範囲内で行うことができる。反射されたパワーと空のアプリケーターのパワー損失を差し引くことによって、吸収されたパワーを計算することができる。
【００９５】
パワーメーター３４〜３８によって測定されたパワー信号は、コントローラーに送られ、信号発生器２８の周波数及並びに／又は信号増幅器２９及び／もしくはパワーアンプ３０のゲインを制御するために使用される。
【００９６】
コントローラー４５はまた、方向性カプラー３２、循環器３１のようなシステムの部品（又は要素）に制御信号を提供し得る。コントローラーは他のタイプの信号処理を提供することができる。コントローラーは、上述したセンサーを用いて、温度、圧力、ｐＨ、電導率等のようなサンプルパラメーターを制御しモニターすることができる。そのようなパラメーターの最新の値を測定することによって、コントローラーは、パラメーターが予め定めた値に達する場合に応答できる。プロセスの間に超えるべきでない最大値、及びプロセスの間に下まわるべきでない最小値をセットすることができる。
【００９７】
電磁放射線とサンプルの結合（又はカップリング）を測定し、放射線の周波数とパワーを変えることは、必須である。更に、電磁放射線の周波数を、予め定めた閾値を超えるフィードバック信号のレベルの変化に応じて変えることができる。反射率として測定される、電磁放射線とサンプル１の間の周波数とカップリング効率に関するデータを、更なるプロセス（又は処理）のためにメモリーに保存することができる。
【００９８】
モニタリングモードでは、スキャン機能が利用でき、スキャン機能は（狭いベースラインを与える）第１スキャンからの信号を規格化し、多くの次のスキャンサイクルの間、規格化したベースラインとの差を検出する。サンプル１で吸収される最大パワーを与える周波数をトラッキングし、これにロックすることは（最大値を動かすことは）、他の利用可能な特徴である。マイクロ波発生器２８の周波数は、中心周波数付近から少なくとも±３０％の範囲で調節可能である。
【００９９】
装置がプログラミングモードで作動する場合、内蔵の高レベルの方法プログラミング言語を使用して、創作し、保存し、取り出し、編集する可能性を、オペレーターが利用できるようにしなければならない。方法は、予めプログラムされた事象のシーケンスであり、各々の事象はインプットとして少なくとも一つのプロセスを有する。プロセスパラメーターは、例えば、パワー、時間、圧力等である。
【０１００】
装置はまた、全てのプロセスデータを収集し処理する方法を含むことができ、内部及び／又は外部データベースからの該データを保存し及び／又は取り出すことができる。
【０１０１】
変数である下記のパラメーター：
周波数、波形、パワー、時間、温度、圧力、人工的雰囲気
の少なくとも１つと組み合わされた該モニタリング及び制御手段を有する装置を用いることによって、該化学反応のためのこれらの最適の条件を最適化し、維持することが可能である。
【０１０２】
再び図２を参照して、マイクロ波で補助される化学及び生物学的反応用装置を説明する。装置の主な特徴の１つは、該化学反応の反応条件を最適化することを目的とする。装置の他の特徴の組は、該化学反応の最適化された条件をモニターし、制御することを目的とする。更に、他の特徴の組は、プロセスデータを収集し、データの処理をし、内部及び／又は外部データベースからデータを保存し、取り出すことを目的とする。
【０１０３】
二以上の出発物質が化学的に反応する場合、それらの物理的及び化学的性質は変化する。これらの性質の変化は、通常温度に依存する。化学反応は、反応速度を速くするために、又は反応を開始させ維持するに十分なエネルギーを供給するために、しばしば昇温して行われる。供給されるエネルギーの形態は、熱放射線、超音波、マイクロ波等であってよい。供給されたエネルギーの形態がマイクロ波である場合、反応物質内に伝えられるエネルギーは、出発物質及び化学反応の間に形成された物質の誘電性に依存する。誘電性は温度依存性であり、従って化学的プロセスの間に変化する。誘電性の変化は化学反応中に新しい物質が形成することによっても起こる。物質の誘電性は周波数とともに変化することも既知である。
【０１０４】
周波数同調（又はチューニング）をともなう装置では、反応に結合されるエネルギーの最適値は、特定の周波数にて生ずる。この周波数は、サンプルの誘電率ε’の温度依存に従って、反応の温度によって変化するであろう。
【０１０５】
”化学反応”という用語は、二つの原子間の（共有）結合の形成又は開裂を伴なういずれかの無機及び有機反応に加え、クラスター及び大きな分子の同様の反応をも意味するものである。この用語はまた、例えば、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）及びそれと同様のタイプの反応である、酵素が触媒として関与する反応も含むことを理解するべきである。化学反応は、有機化合物、即ち、低分子有機化合物及び生物学的な有機化合物（例えば、酵素）を伴なう反応であることが好ましい。更に、一以上の有機化合物の化学構造の転化が起こるのが好ましい。
【０１０６】
化学反応は、一般的には有機化学反応であり、そのうちの実質的に全ての既知の反応が適用可能である。代表的な反応のタイプは、重合／オリゴマー化、エステル化、脱炭酸、水素化、脱水素化、１，３−双極性付加のような付加、酸化、異性化、アシル化、アルキル化、アミド化、アリール化（arylation）、マレイン化（maleinisation）及びフマル化（fumarisation）等のディールス−アルダー反応、エポキシ化、ホルミル化、ハイドロカルボキシレーション（hydrocarboxylation）、ハイドロボーレーション、ハロゲン化、水酸化、ハイドロメタレーション（hydrometallation）、還元、スルホン化、アミノメチル化（aminomethylation）、オゾン分解等である。本発明の装置及び方法は、一以上の触媒を伴なう反応及び不斉（又は非対称）有機反応に、特に適すると考えられる。
【０１０７】
化学反応は、適当な溶媒中にて、又はニートの形態にて起こり得る。溶媒を使用する場合、誘電正接（又は損失正接：loss tangent）は、室温にて約０．０４より大きいことが好ましい。適切な溶媒として、アセトニトリル、ＤＭＦ、ＤＭＳＯ、ＮＭＰ、水、tert−ブタノール、エタノール、ベンゾニトリル、エチレングリコール、アセトン、ＴＨＦを例示できる。発生した電磁信号の周波数は、使用する溶媒の吸収バンド／ピーク（band/peak）に調節することができる。
【０１０８】
化学反応は、一般に出発物質（基質又は”化学種”）、試薬、及び必要に応じて触媒（例えば、熱に安定なＤＮＡポリメラーゼのような酵素）を必要とする。出発物質は、固相、液相又は気相のいずれかの相のいずれかの化学物質であってよい。出発物質には、例えば、化学反応中の反応物の固体の担体（又は支持体）として使用される全ての物質を含む。出発物質は、化学反応中に形成される全ての物質（化学物質）も含み、同じ装置内にて行われる新しいプロセスにおける新しい出発物質又は同じプロセス中の次の化学反応に対する新しい出発物質であると考えることができる。出発物質又は試薬も人工的雰囲気の気相中に含めることができる。装置内で行われた先の化学反応の最終的な化学生成物は、装置内で行われる次の化学反応の出発物質であると考えられよう。
【０１０９】
アプリケーター２４は、一又は複数のサンプル１にマイクロ波エネルギーを適用するために一つ又は複数のキャビティ（又はキャビティ）を有して成る。種々のタイプのキャビティ及びキャビティの配置（又はアレンジメント）は、本発明の装置のアプリケーターの種々の態様を表すことを理解するべきである。原則として、装置はいずれの既知のタイプのアプリケーター（成功には種々の程度があるが）を有してもよいので、本発明は、特に記載した態様に制限されることはない。以下に、種々のアプリケーターのデザイン及び並行処理の程度を示す種々の態様を記載する。これらの態様は、図１及び２に関するアプリケーター２４として、作用し得る。
【０１１０】
図３は、アレイ（array）に配置された幾つかのキャビティを示す。このアレイはマイクロタイター・プレート（microtiter plate）４であり得るが、それに制限されるものではない。各々のキャビティはフタ６、底プレート８及び外側金属管１７によって規定される。各々のキャビティは、サンプルホルダー２、キャビティの共振周波数を調節するための共振器ロッド１６、入力及び出力信号のループ・アンテナ１８、及び必要であれば気体の入口／出口１５を有して成る。マイクロ波は、図３に示すように、ループ・アンテナ１８を通って誘導的に導入され、また別法では、全てのアレイに供給する分配ネットワークを介して容量的に導入することもできる。サンプルを、キャビティの外側管１７内の共振器ロッド１６上に置く。共振器ロッドの長さをキャビティの共振周波数を変えるために調節することができる。全ての部品は、閉じた電気回路を形成するために互いに電気的に接続されている。キャビティを加圧することができ、人工的な雰囲気に置くことができる。
【０１１１】
別の応用を図４Ａ及びＢに示す。この図では、四つのサンプルウェル（又はサンプル窪み）９をサンプルホルダー・セット内に対称的に組み込まれている。キャビティ内の壁として作用する金属製の遮蔽かご３は、サンプルホルダーを取り囲んでいる。マイクロ波伝送デバイス５は、四つの各サンプルホルダーの間に規定される空間の中央に配置され、それにより四つのサンプル１を、同時に照射する。従って、図４に示した態様においては、幾つかの（例では四つの）サンプルが並行して処理される。図４Ｂに示すように、複数のキャビティを、図３に関して記載したアレイと同様のアレイに配置することができる。
【０１１２】
図５は、伝送又は受信デバイス１２又は１３の各々が、底プレート８の上に配置され、これらのデバイスがアレイを形成している構成を示す。フタ６は、プレートの上端の上に配置され、受信又は伝達デバイス１３又は１２をフタの上に配置することができる。底プレート又はフタは、マイクロタイター・プレートであり得るが、それに制限されるものではない。底プレート８とフタ６は、金属管３と共にキャビティを規定する。適切な物質（ガラス又は、例えばポリスチレン等のポリマー）で作られた小ビンを、サンプルホルダー２として機能させるために金属管内に挿入する。冷却装置を底のプレートに取り付けることができる。吸収されなかったマイクロ波エネルギーを消散させるために、フタはマイクロ波吸収物質を含むことができる。消散したエネルギーを処理するために、冷却装置をフタにも取り付けることができる。人工的な雰囲気への入口／出口部１５を、フタ及び／又は底プレートに取り付けることができる。反応容器を、人工的な雰囲気を用いて、又は化学反応により内部に発生した圧力を用いて、加圧することができる。場の閉じ込め（制限）は、１２又は１３にて高誘電率体を用いることで実現できる。それによりフタを取り除くことができ、アプリケーターは開口のアプリケーターとなる。
【０１１３】
図６は、各々のサンプルウェルについて個々のアンテナ５を有するマイクロタイター・プレートを示し、アンテナは、サンプルウェル内に浸漬されている。サンプルウェルは、アレイに配置され、金属管３は、遮蔽物（又はシールド）として各ウェルを取り囲んでいる。ガラス又はプラスティック製のサンプルホルダー２は、通常、サンプルホルダーとして作用するように金属管３の中に挿入される。図３及び５の態様の場合のように、各々のサンプルは、個々に処理される。
【０１１４】
マイクロ波を用いる処理に対する一般的な指針及び指示並びにマイクロ波のキャビティの構成は、例えば、ガブリエルらの、ケミカル・ソサイエティ・レビュー、１９９８年、第２７巻、第２１３〜２２３頁（Gabriel, et al., Chem. Soc. Rev, 1998, Vol. 27, pp 213-223）、及びハービーの編集によるマイクロウェーブ・エンジニアリング、アカデミック・プレス、ロンドン１９６３年（Microwave Engineering, Harvey (ed.), Academic Press, London 1963）（特に第４〜６章）に記載されている。
【０１１５】
本発明の装置は、少なくとも一つの有機化合物を含んで成る少なくとも一つの反応混合物（サンプル）を、加熱するのに適している。反応混合物又は各々の反応混合物（サンプル）は、更に、一又はそれ以上の試薬及び必要であれば触媒（例えば、酵素）を含むことができる。
【０１１６】
特に興味深い態様では、装置は二又はそれ以上の反応混合物を同時に又は逐次的に又は断続的に加熱するようになっている。
【０１１７】
本発明の一つの重要な態様では、複数の化学反応を並行して行う。これは、本発明の装置がコスト効率のよい構成であるために現実的である。図１は、複数のサンプルの並行処理を指示する原理を示す。
【０１１８】
本発明は、上述した本発明の第三の要旨に従って、複数の化学反応を同時に又は逐次的に行う方法をも提供する。
【０１１９】
この方法及び以下の方法は、ここに規定した装置を用いて行うことで、全て適切に行われる。
【０１２０】
電磁放射線を（例えば、周波数、加熱時間、パワー、信号のパルシング、信号のサイクル等に関して）サンプルの各々に適合させ得るという事実は、例えば、プロセスを最適化する場合、及び化合物のライブラリーを構成する場合、重要である。後者の場合、種々の試薬と種々の基質（及び酵素）の範囲内で、反応性が相違することはいずれも、装置によって補償することができる。従って、本発明の別の態様において、化合物（少なくとも四つの化合物）の組み合わせのライブラリー（combinatorial library）を作成するために装置を使用できる。
【０１２１】
また、化合物が組み合わせのライブラリーの一部ではない、即ち、化合物が共通の構造的な特徴を共有しない場合に、本発明の装置と方法を並行プロセスにて多数の化合物を製造するために使用できる。装置は、各々のサンプルに独立して電磁放射線の適用を結合する（又はカップルする）ことができるので、これは、並行プロセスで可能である。更に興味深い態様は、サンプル入口とサンプル出口を有するサンプルホルダーを使用することによる化合物の連続製造である。この後者の場合において、環状又はらせん状の管として形成されたサンプルホルダー内に、サンプルを入れることができ、続いてサンプル入口を通してすすぎ水を入れ、それにより、サンプル出口を通してサンプルホルダーの外にサンプルを押し出し、続いて新しいサンプルを入れる。マイクロ波加熱条件下では反応時間が比較的短いために、多数のサンプルを並行して（数サンプルのホルダー内で）又は逐次的に（一サンプルホルダー内で）処理することができる。
【０１２２】
プロセスパラメーター、即ち、周波数と電磁放射線のパワーに関するパラメーターは、コントローラー（４５）を用いて制御される。上述した記載から理解されるように、半導体ベースの信号発生器を用いて、特に、本発明の第一の要旨にて規定した装置を用いて、電磁放射線を供給するのが好ましい。ある応用、例えば、加熱／冷却サイクルが必要な場合、電磁放射線は、断続的に適用することが好ましい。別法では、いずれかの冷却手段を、断続的に作動させることができる。
【０１２３】
上述したように、電磁放射線は各々のサンプルに限定的に適合させる、即ち、各々のサンプル／サンプルホルダーに対してプロセスパラメーターは独立して選択される。このことは、各々のサンプルは異なる条件下で処理されること、又はサンプルの組（又はセット）は実質的に同じ条件下で処理されるが他のサンプルの組とは異なる条件下で処理されること、又は全てのサンプルは実質的に同一の条件下で処理されることを意味する。一つの組のサンプルを実質的に同一の条件下にて処理する場合、図４に実質的に示したようなアプリケーターであって、二以上のサンプルホルダーから成るセットの中にサンプルホルダーをまとめたアプリケーターを使用することが有利であり得る（図４に四つのサンプルホルダーから成る一つのセットを示す）。そのようなサンプルホルダーのセットは、通常、２〜１０００のサンプルホルダーから成り、典型的には３〜９６のサンプルホルダーから成る。
【０１２４】
装置は、化学反応の進行と完了の表示としてデータを生成することができる。そのようなデータを、コントローラーと操作可能に連結された（又は連動させた）データベース内に保存することができる。更に、化学反応により生じる生成物に関する情報、例えば、純度、エナンチオ純度、収率等をデータベースに供給することができる。複数の反応混合物を同時に別々のキャビティ内にて種々の条件（例えば、周波数、加熱時間、加熱サイクル、加熱パワー、試薬、基質及びいずれかの触媒の濃度、信号の形状、反射されたパワー、伝送されたパワー、温度、圧力、人工的な雰囲気、サンプル小ビン（又はバイアル）のタイプ等に関する条件）下にて加熱する場合、又は同じもしくは別のキャビティ内にて別の条件下にて逐次的に加熱する場合、そのようなデータは、適切な分析（例えば、自動的な統計的な分析）の後、その後の同様な化学反応の反応条件を最適化するという独特な可能性を提供するであろう。処理されたデータは、適切な分析方法を用いて分析することができ、最適なパラメーター設定と条件を見出すために評価することができる。プロセスの結果を、最適化のために多変数データ分析（multi-variant data analysis）によって処理することができる。
【０１２５】
更に、例えば、特定の種類の触媒を使用する置換反応、特定の基質を使用するディールス−アルダー反応等の同じタイプのその後の反応のために適切な反応条件の一つのセットを提供することが可能である。
【０１２６】
本発明の更なる展望では、多数の標準的なタイプの反応について最適な（又は適切な）プロセスパラメーターに関するそのようなデータを、装置の供給者は明らかにすることができ、本発明の装置とともに提供することができると考えられる。従って、好ましい態様において、コントローラーと接続した記憶手段は、予め定めたプロセスパラメーターに割り当てられたセクション（又は部分）を含む。そのようなセクションを、装置の供給者が定期的に更新して、装置の利用者に提供できる置き換え可能なメモリーカード（又は”スマートカード”：Smart Card）として形成することができる。
【０１２７】
結果的に、本発明は上述した方法及び使用に関し、当該方法アプリケーター内のサンプルに供給された電磁放射線の周波数、伝送されるパワーのレベル及び電磁放射線の適用時間は、問題とする化学反応について予めセットされた値によって決められ、そのような予めセットされた値は装置のコントローラーと結合した記憶手段内に保存される。
【０１２８】
ゆえに、第９の要旨として上述した更に興味深い要旨、本発明は、必要であれば触媒の作用の下で、化学種を試薬と化学的に反応させるためのキットであり、化学反応を、本発明の第１の要旨にて規定した装置内にて行うキットである。
【０１２９】
第９の要旨において、キットに設けられるサンプルホルダーは、一又はそれ以上の必要な試薬及び／又はいずれかの適切な触媒を含むことができ、その結果、使用者（又はユーザー）は、サンプルホルダーに化学種を供給することのみを要する。（もし溶媒が必要であり又は望ましいのであれば）溶媒もキットに供給して試薬と触媒が十分に溶解／分散することを確保することが好ましい。別法では、サンプルホルダーは、化学反応の生成物の分離を容易にするために、固定化された形態の試薬及び／又は触媒を含むことができる。
【０１３０】
装置は、化学反応を行うための多数の他の有用な方法を行うことを可能にする。一つの態様において、反応の進行は、電磁放射線の適用の（反射率の基準（又はレフェレンス）のセット）前及び後にサンプルを走査することによって同時にモニターされる。加熱の後及び前（基準のセット）の反射率のセットを比較することによって、進行を測定することができる。レファレンスの状況（アプリケーターは空）とサンプルがアプリケーター内に入れられている状況との間でマイクロ波信号を比較することは、米国特許第５，５２１，３６０号に記載されている。本発明に関して、コントローラー（４５）を用いて、反射率の測定されたセットに対応してプロセスパラメーターを変えることが可能である。好ましくは、カップリング効率のセットを、比較の前に標準化し及び／又は置き換えることができる。
【０１３１】
従って、本発明は上述の本発明の第３の要旨に従って化学反応を行うための方法を提供する。
【０１３２】
上述の方法の一つの興味深い変形例（”バイオセンサー”変形例）として、周波数の第１（参照）変化（工程（ｂ））（”走査”）は、サンプルに化学物質を入れる前に行われる。サンプルは、酵素又は生体分子又は細胞を含んで成ることができ、そのための化学物質は基質又はリガンドである。その後、引き続き走査が行われ、反射率の差は、化学物質とサンプルの成分との間の相互作用を反映することが予想される。この態様は、リガンド／基質及び酵素間の相互作用を研究するための特に興味深い変形例となり得る。この変形においては、加熱（工程（ｃ））は、しばしば省略される。更に、工程を繰り返すことは、時間をかけて上述した相互作用を研究するためにのみ必要であり、さもなければ反射率の二つのセットの比較のみが必要であろう。
【０１３３】
更に、本発明は、（特に、予め定めた範囲が電磁放射とサンプルの間の最適のカップリングを与える周波数を含んで成る場合）電磁放射線の適用に関して反射の最小値（又は二もしくはそれ以上の最小値）を確認するための方法も提供する。即ち、本発明は上述した本発明の第５の要旨の化学反応を行う方法を提供する。
【０１３４】
本発明は、化学反応を行いながら、局所的な（又は全体的な）反射率を示す周波数を求める方法、即ち、上述の本発明の第６の要旨の化学反応を行う方法も提供する。
【０１３５】
更に、本発明は、化学反応を行いながら、反射率が予め定めたレベルを有する周波数を求める方法、即ち、上述の本発明の第７の要旨の化学反応を行う方法を提供する。
【０１３６】
ここに記載した方法の特に興味深い変形例においては、各々のサンプルは、少なくとも一つの酵素を含み、更に、各々のサンプルはＰＣＲ混合物である変形である。
【０１３７】
装置は、適用されるエネルギー（その結果ＰＣＲの小ビンの温度）を正確に変化させ、パルス化するので、ＰＣＲ反応は、本発明の第六の要旨の装置に関する特に興味深い応用である。更に、装置は、ＰＣＲ反応の進行を制御し、モニターする手段を有して成る。
【０１３８】
ＰＣＲ技術は、米国特許第４，６８３，２０２号及び米国特許第４，６８３，１９６号に、概ね記載されている。ＰＣＲ混合物を加熱するためにマイクロ波放射適用を使用することは、国際公開公報ＷＯ９１／１２８８８号、ＷＯ９５／１５６７１号及びＷＯ９８／０６８７６号により既知であるが、本発明の装置を使用して処理することは、既知のシステムと比較して新規な効果をもたらす。ＰＣＲ混合物を取り扱い、処理するための一般的な指針（例えば、温度範囲、サイクルの回数及び時間）は、国際公開公報ＷＯ９８／０６８７６に見ることができる。ＰＣＲ用の温度サイクルの典型例は、８０〜１００℃付近（例えば、０．５〜３分間）までの変性加熱工程、混合物を２０〜４０℃付近（例えば、０．１〜１分間）とする冷却工程、及び５５〜７５℃付近（例えば、１〜５分間）の重合工程である。完全な増幅反応には、１５〜１００サイクル、例えば、約２５〜３５サイクルが必要である。
【０１３９】
本発明によれば、エネルギーの適用を非常に正確に制御すること、制御可能な線量でエネルギーを適用すること、及びサンプルを極めて迅速に冷却して、冷却工程を減らすことができる。更に、（ある基準に対する）反応の終了を決定するために、例えば、各々の冷却工程にて、反応混合物に低強度のマイクロ波信号を適用することによって、反応の進行をモニターすることも可能である。従って、少なくとも各々のサイクルの一部の間にサンプルが冷却される少なくとも二つのレベルのサイクルにて電磁放射線を当てるのが好ましい。少なくとも二つのレベルは、８０〜１００℃及び５５〜７５℃の温度レベルを表すことができる。通常、２０〜４０℃の温度レベルに達するために冷却を開始する。急な冷却勾配を得るために、（例えば、コールドブロック（ボトムプレート）の形態にて）、絶えず冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明の装置内の主な３つのモジュールの可能な組み合わせを示す。
【図２】 図２は、本発明の装置を含む態様を示す。
【図３】 図３は、マイクロタイター・プレート内に取り付けられたアプリケーターを示す。
【図４】 図４は、四つのウェルの中央に対称に配置されたマイクロ波の導体を有するマイクロタイター・プレートを示す。
【図５】 図５は、入力部１２及び出力部１３を有する、伝送タイプのアプリケーターを有するマイクロタイター・プレートを示す。
【図６】 各々のサンプルのウェル用の個々のアンテナを有するマイクロタイター・プレートを示す。

Claims (26)

1. 複数のアプリケーターに電磁放射線を供給する装置であって、複数のアプリケーターの各々は電磁放射線にさらされるべきサンプルを含む反応器を保持するようになっており、反応器は複数のアプリケーターの一つに配置されており、該装置は、
   ａ）電磁放射の波を発生させる複数の発生手段であって、該複数の発生手段の各々は、複数の周波数にて電磁放射線を発生させることができる発生手段、
   ｂ）複数のアプリケーターの少なくとも一つのアプリケーターに、発生した電磁放射の波の少なくとも一部をガイドするガイド手段、並びに
   ｃ）制御信号に応答して複数の発生手段を個々に制御するための制御手段であって、該制御信号がアプリケーター内のサンプルの状態を反映する制御手段
   を有して成る装置。
2. 複数の発生手段の幾つかは、電磁放射の波の発生に、半導体素子を使用する請求項１記載の装置。
3. 複数の発生手段の各々は、信号発生器及び信号増幅器を含んで成る請求項１又は２記載の装置。
4. ガイド手段は、複数の発生手段と複数のアプリケーターの間で個々に導波路を制御する切り換え手段を有して成る請求項１〜３のいずれかに記載の装置。
5. 複数のアプリケーターは、近距離場、表面場、シングル−モード、マルチ−モードアプリケーターから成る群から選択される請求項１〜４のいずれかに記載の装置。
6. 電磁波の発生に使用される半導体素子は、シリコンカーバイド・パワー・トランジスターを有して成る請求項２〜５のいずれかに記載の装置。
7. 所定の発生手段によって発生させられる電磁放射線のパワーは、該所定の発生手段によって発生させられる電磁放射を受け取るアプリケーターからの制御信号に従って変化し、該制御信号は制御手段によって供給される請求項１〜６のいずれかに記載の装置。
8. 複数の発生手段は、同じ周波数にて電磁放射線を発生させる請求項１〜７のいずれかに記載の装置。
9. 所定の発生手段によって発生させられる電磁放射線の周波数は、該所定の発生手段によって発生させられる電磁放射線を受け取るアプリケーターからの制御信号に従って変化し、該制御信号は制御手段によって供給される請求項１〜７のいずれかに記載の装置。
10. 複数の発生手段によって発生させられる電磁放射線の周波数は、３００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚの範囲内である請求項１〜９のいずれかに記載の装置。
11. 制御手段は、汎用コンピュータを有して成る請求項１〜１０のいずれかに記載の装置。
12. 複数の化学反応を同時に行う方法であって、該方法は、
    ａ）第１サンプルを第１アプリケーター内に供給する工程、
    ｂ）第２サンプルを第２アプリケーター内に供給する工程、
    ｃ）複数の周波数の電磁放射線を発生させることができる第１発生手段から、第１アプリケーター内の第１サンプルに電磁放射線を当てる工程、
    ｄ）複数の周波数の電磁放射線を発生させることができる第２発生手段から、第２アプリケーター内の第２サンプルに電磁放射線を当てる工程、並びに
    ｅ）第１及び第２アプリケーターからの制御信号に応答して、第１及び第２発生手段を各々独立して制御することによって、第１及び第２アプリケーターに当てられる電磁放射線を個々に制御する工程
    を有して成る方法。
13. 当てられる電磁放射線は、３００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚの範囲内にある請求項１２記載の方法。
14. 第１及び第２サンプルに当てられる電磁放射線は、同じ周波数及び同じパワーレベルを有し、第１及び第２サンプルを同じ条件にさらす請求項１２又は１３記載の方法。
15. 第１及び第２サンプルは、ＰＣＲ用混合物である請求項１２〜１４のいずれかに記載の方法。
16. 各々のサイクルの少なくとも一部でサンプルが冷却される少なくとも２つの工程から成るサイクルにて、電磁放射線をサンプルに当てる請求項１２〜１５のいずれかに記載の方法。
17. 請求項１〜１１のいずれかに記載の装置によって、電磁放射線を供給する請求項１２〜１６のいずれかに記載の方法。
18. 請求項１〜１１のいずれかに記載の装置内で、化学反応を行う方法であって、
    ａ）サンプルをアプリケーター内に供給する工程、
    ｂ）予め定めた形状を有するパルスの形態で、電磁放射線をサンプルに当て、数値演算を行うことによってアプリケーターからの反射パルスを特徴づけて第１反射スペクトルを得る工程、
    ｃ）サンプルの物理的及び／又は化学的性質を変える工程、
    ｄ）予め定めた形状を有するパルスの形態で、電磁放射線をサンプルに当てて、数値演算を行うことによってアプリケーターからの反射パルスを特徴づけて第２反射スペクトルを得る工程、
    ｅ）第１及び第２反射スペクトルの間の数学的差（引き算）として計算される第１及び第２反射スペクトルの間の差が予め定めた範囲内にあるようになるまで、工程ｃ）及びｄ）を繰り返す工程
    を含む方法。
19. 第１及び第２反射スペクトルを得る数値演算は、フーリエ変換を含む請求項１８記載の方法。
20. ＰＣＲ用混合物を温度サイクルに付すための請求項１〜１１のいずれかに記載の装置の使用。
21. アプリケーター内のサンプルに当てられる電磁放射線の周波数、放射されるパワーのレベル及び電磁放射線を当てる時間は、問題とする化学反応について予め設定された値によって定められ、そのような予め設定された値は、制御手段に結合した記憶手段内に保存されている、サンプル内にて化学反応を行う請求項２０記載の使用。
22. 周波数及び反射率の対応するデータは、更なる処理のためにメモリー内に保存される請求項２０又は２１記載の方法。
23. 更なる処理はニューラル・ネットワークで行われる請求項２２記載の使用。
24. 試薬と化学種を化学反応させるキットであって、
    ａ）試薬を含んで成るサンプルホルダー、
    ｂ）化学種と試薬の間の化学反応に関するデータを有して成る電子的記憶手段であって、該電子的記憶手段と装置は、該サンプルホルダーに電磁放射線を当てることを制御するために、記憶手段からデータを引き出して、該データを処理することができるようになっている電子的記憶手段
    を有して成る該キットに関する請求項１〜１１のいずれかに記載の装置の使用。
25. 触媒の作用下にて、試薬と化学種を化学反応させるキットであって、
    ａ）少なくとも一つの試薬及び触媒を含んで成るサンプルホルダー、
    ｂ）触媒が作用する条件下の化学種と試薬の間の化学反応に関するデータを有して成る電子的記憶手段であって、該電子的記憶手段と装置は、該サンプルホルダーに電磁放射線を当てることを制御するために、記憶手段からデータを引き出して、該データを処理することができるようになっている電子的記憶手段
    を有して成る該キットに関する請求項１〜１１のいずれかに記載の装置の使用。
26. キットは、サンプルホルダーに化学種を加えることに関する指示を更に有して成る請求項２４又は２５記載の使用。

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