JP5407445B2

JP5407445B2 - 温度制御装置

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Publication number: JP5407445B2
Application number: JP2009058976A
Authority: JP
Inventors: 展雄佐々木
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2009-03-12
Filing date: 2009-03-12
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2029-03-12
Also published as: JP2010207173A

Description

本発明は、熱拡散板を介して温度制御対象物を加熱又は吸熱する温度制御装置に関し、特に、高速に微小領域を加熱又は吸熱する温度制御装置に関する。

ＤＮＡ（デオキシリボ核酸）を増幅させるための温度制御装置として、ＰＣＲ（ポリメラーゼ連鎖反応）装置が公知である。このＰＣＲ装置は、ＤＮＡを含む水溶液の温度を周期的に上下させることにより、短時間でＤＮＡを増幅させることができるものである。そして、このＰＣＲ装置を用いて、ＤＮＡの任意の断片の増幅を行うにあたり、ＤＮＡを含む水溶液が格納されたＰＣＲ用容器に対して加熱又は吸熱を行っている。

ＰＣＲ用容器として、薄い板のなかに複数の反応槽、貯蓄槽及び流路を形成したバイオチップが公知である。単純な試験管と比較して、バイオチップは、前処理等の機能を集積しているため、一連の作業を連続して実行できる点において優れる。しかしながら、加熱又は吸熱する時に、化学反応の進行を抑制すべき貯蓄槽や流路といった部分を含めてチップの全体を加熱又は吸熱してしまうという問題がある。そのため、反応槽領域を局所的に加熱又は吸熱できる温度制御装置が特許文献１に開示されている。

特開２００８−１８５３８９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の温度制御装置においては、温度制御装置と回転しているチップとの接触熱抵抗を下げるのが困難である。また、特許文献１に記載の温度制御装置においては、反応槽領域と同程度のサイズのペルチェ素子が想定されており、ペルチェ素子の吸加熱能については考慮されていない。すなわち、特許文献１に記載の温度制御装置においては、加熱又は加熱の高速化が困難である。

本発明の目的は、温度制御対象物の温度制御領域に対して局所的にかつ高速に加熱又は吸熱を行うことができる温度制御装置を提供することにある。

請求項１の発明に係る温度制御装置は、略円環上に配置されている複数の温度制御領域を有する温度制御対象物に対して加熱又は吸熱を行う温度制御装置であって、前記温度制御対象物は円盤状であり、中央部に貯蓄槽と、前記中央部の外側に前記温度制御領域としての複数の反応槽と、前記貯蓄槽と前記反応槽とを連通する複数の流路と、を有し、前記反応槽に接触するように配置されている略円環状の熱拡散板と、前記熱拡散板に接触するように配置され前記熱拡散板に対し加熱又は吸熱を行う加熱吸熱手段と、を具備することを特徴とする。

請求項２の発明に係る温度制御装置は、請求項１に記載の発明において、略円環上に配置されている前記複数の温度制御領域としての反応槽を有する前記温度制御対象物の化学反応用チップに対して加熱又は吸熱を行う温度制御装置であって、前記略円環状の熱拡散板が前記反応槽の領域に接触するように配置されていることを特徴とする。

請求項３の発明に係る温度制御装置は、請求項１及び請求項２のいずれかに記載の発明において、前記熱拡散板が、０．０１ｍｍ以上４ｍｍ以下の範囲内である板厚を有することを特徴とする。

本発明によれば、温度制御対象物の温度制御領域に接触するように配置されている略円環状の熱拡散板に対し加熱又は吸熱を行うため、温度制御領域及び略円環状の熱拡散板の熱容量が小さいから、温度制御領域に対して局所的にかつ高速に加熱又は吸熱を行うことができる。

本発明の実施の形態１に係る温度制御装置の構成を示す概略断面図である。図１に示す本発明の実施の形態１に係る温度制御装置のＢ−Ｂ線に沿って切断して示す断面図である。図１に示す本発明の実施の形態１に係る温度制御装置のＣ−Ｃ線に沿って切断して示す断面図である。本発明の実施の形態２に係る温度制御装置の構成を示す概略断面図である。図４に示す本発明の実施の形態１に係る温度制御装置をＤ−Ｄ線に沿って切断して示す断面図である。本発明の実施の形態３に係る温度制御装置の構成を示す概略断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る温度制御装置の構成を示す概略断面図である。図２は、図１に示す本発明の実施の形態１に係る温度制御装置のＢ−Ｂ線に沿って切断して示す断面図である。図３は、図１に示す本発明の実施の形態１に係る温度制御装置のＣ−Ｃ線に沿って切断して示す断面図である。

図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る温度制御装置は、略円環上に配置されている１又は複数の温度制御領域Ａ１を有する温度制御対象物Ａに対して加熱又は吸熱を行う温度制御装置である。本発明の実施の形態１に係る温度制御装置は、略円環状の熱拡散板１１（図２参照）、円盤状の熱拡散板及１２及び加熱吸熱手段１３を具備している。略円環状の熱拡散板１１は、円盤状の熱拡散板１２の上に配置されている。略円環状の熱拡散板１１の上には、温度制御対象物Ａが載置されている。温度制御対象物Ａの上には、受け台１４が載置されている。略円環状の熱拡散板１１は、温度制御対象物Ａの前記温度制御領域Ａ１に接触するように配置されている。

加熱吸熱手段１３は、熱拡散板１２に接触するように配置され熱拡散板１２に対し加熱又は吸熱を行うものである。加熱吸熱手段１３は、ペルチェ素子１５と、電流供給制御装置（図示せず）と、ヒートシンク１６と、を具備している。ペルチェ素子１５は、熱拡散板１２に接触するように配置され熱拡散板１２に対し加熱又は吸熱を行う。前記電流供給制御装置は、ペルチェ素子１５に電流を供給し、かつ、ペルチェ素子１５に供給する電流の向きと大きさを制御する。ペルチェ素子１５は、円盤状の熱拡散板１２及び略円環状の熱拡散板１１に対して加熱又は吸熱を行うことにより、温度制御対象物Ａの温度制御領域Ａ１に対して加熱又は吸熱を行う。ペルチェ素子１５の下面には、これに接触するようにヒートシンク１６が配置されている。ヒートシンク１６は、所定温度に維持され蓄熱作用を有する。

なお、本発明の実施の形態１に係る温度制御装置は、円盤状の熱拡散板１２を具備しない構成であってもよい。この場合には、ペルチェ素子１５は、略円環状の熱拡散板１１に直接に接触するように配置される。

本発明の実施の形態１においては、温度制御対象物Ａは、化学反応用チップ（バイオチップ）である。温度制御対象物Ａは、略円環上に配置されている複数の温度制御領域Ａ１としての反応槽１７の領域を有している。また、温度制御対象物Ａは、中央部に貯蓄層１８を有し、かつ、この貯蓄層１８と反応槽１７とを連通する複数の流路１９を有している。略円環状の熱拡散板１１は、温度制御対象物Ａの温度制御領域Ａ１である反応槽１７の領域に接触するように配置されている。

熱拡散板１１、１２は、アルミニウム、銅、銀の合金などの熱伝導率の高い素材で形成されている。熱拡散板１１は、温度制御対象物Ａの下側の表面と全面的に接触するのではなく、温度制御対象物Ａの反応槽１７の表面とのみに接触している。熱拡散板１１には、図示しない温度検出部が設置されている。前記電流供給制御装置は、前記温度検出部により検出された温度に基づいてペルチェ素子１５に供給する電流の向きと大きさを制御する。

温度制御対象物Ａの基材は、ポリプロピレンなどの樹脂で形成されている。ポリプロピレンは、ＰＣＲ（ポリメラーゼ連鎖反応）反応を阻害しない素材である。樹脂の熱伝導率は一般に低いため、温度制御対象物Ａは、板厚方向に薄くする必要がある。温度制御対象物Ａには、反応槽１７及び貯蓄層１８及び流路１９が形成されている。反応槽１７は吸加熱すべき温度制御領域Ａ１あり、貯蓄槽１８及び流路１９は吸加熱すべきでない領域である。ペルチェ素子１５の限られた吸加熱量で、温度制御対象物Ａの反応槽１７を高速に吸加熱するためには、貯蓄槽１８及び流路１９の存在する領域に熱を拡散させることなく、反応槽１７の存在する温度制御領域Ａ１に熱を集中させる必要がある。このため、ペルチェ素子１５は、円盤状の熱拡散板１２及び略円環状の熱拡散板１１に対して加熱又は吸熱を行うことにより、温度制御対象物Ａの温度制御領域Ａ１である反応槽１７の領域に対して加熱又は吸熱を行う。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２に係る温度制御装置の構成を示す概略断面図である。図５は、図４に示す本発明の実施の形態１に係る温度制御装置をＤ−Ｄ線に沿って切断して示す断面図である。本発明の実施の形態２においては、本発明の実施の形態１と同じ構成要素には同じ参照符号を付して、その説明を省略する。

図４及び図５に示すように、本発明の実施の形態２に係る温度制御装置は、略円環状の熱拡散板２１（図５参照）及び加熱吸熱手段２２を具備している。略円環状の熱拡散板２１は、温度制御対象物Ａの温度制御領域Ａ１の上に配置されている。温度制御対象物Ａは、受け台２３の上に載置されている。

加熱吸熱手段２２は、４つのペルチェ素子２３と、電流供給制御装置（図示せず）と、ヒートシンク２４と、を具備している。ペルチェ素子２３は、略円環状の熱拡散板３１の上に接触するように所定間隔をおいて配置され熱拡散板２１に対し加熱又は吸熱を行う。ヒートシンク２４は、ペルチェ素子２３の上に配置されている。

前記電流供給制御装置は、ペルチェ素子２３に電流を供給し、かつ、ペルチェ素子２３に供給する電流の向きと大きさを制御する。ペルチェ素子２３は、略円環状の熱拡散板２１に対して加熱又は吸熱を行うことにより、温度制御対象物Ａの温度制御領域Ａ１に対して加熱又は吸熱を行う。熱拡散板２１には、図示しない温度検出部が設置されている。前記電流供給制御装置は、前記温度検出部により検出された温度に基づいてペルチェ素子２３に供給する電流の大きさを制御する。

温度制御対象物Ａの中央領域に、検体（ＤＮＡを含む水溶液）を注入するための上へと出する凸形状の液注入機構Ａ２が設けられている。また、熱拡散板２１の板厚は、熱容量の観点から薄いほうが望ましい。

本発明の実施の形態１、２において、温度制御対象物Ａの温度制御領域Ａ１と接触するように設けられる略円環状の熱拡散板１１、２１の板厚は、０．０１ｍｍ以上４ｍｍ以下の範囲内であることが好ましい。熱拡散板１１、２１の板厚が４ｍｍを超える場合にあっては熱効率が低下することがある。一方、熱拡散板１１、２１の板厚が０．０１ｍｍに満たない場合にあっては十分な熱拡散効果が得られなくなることがある。なお、略円環状の熱拡散板１１、２１の板厚は、０．０１ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内であることがより好ましい。

（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３に係る温度制御装置の構成を示す概略断面図である。本発明の実施の形態３においては、本発明の実施の形態１、２と同じ構成要素には同じ参照符号を付して、その説明を省略する。

図４に示すように、本発明の実施の形態３に係る温度制御装置は、第１の温度制御ユニット１０及び第２の温度制御ユニット２０を具備している。第１の温度制御ユニット１０は、略円環状の熱拡散板１１（図２参照）、円盤状の熱拡散板１２及び加熱吸熱手段１３を具備し、かつ、加熱吸熱手段１３がペルチェ素子１５と電流供給制御装置（図示せず）とヒートシンク１６と、を具備している。第２の温度制御ユニット２０は、略円環状の熱拡散板２１（図５参照）及び加熱吸熱手段２２を具備し、かつ、加熱吸熱手段２２が４つのペルチェ素子２３と電流供給制御装置（図示せず）とヒートシンク２４とを具備している。

（実施例１）
次に、本発明の実施例１について説明する。
図１に示す温度制御装置を用いて、温度制御が行われた。ここで、温度制御対象物（バイオチップ）Ａの反応槽１７の領域は、９５℃に加熱され、かつ、６８℃に吸熱される。このような加熱及び吸熱が、高速に（９０秒／サイクル程度）３０サイクルくり返される。温度制御対象物Ａと接触する略円環状の熱拡散板１１は、アルミ合金であるジェラルミンからなる板厚１ｍｍの円環状のものを用いた。温度制御対象物Ａは、直径５０ｍｍであり、板厚２ｍｍであり、ポリプロピレン製のものを用いた。温度制御対象物Ａに用いられているポリプロピレンの熱伝導率は０．２Ｗ／（ｍ・Ｋ）と低いため、熱拡散板１１と接触していない温度制御対象物Ａの中央領域の温度は、高速な温度サイクルに追従しないことが確認された。

（実施例２）
次に、本発明の実施例２について説明する。
図５に示した温度制御装置を用い、温度制御が行われた。ここで、温度制御対象物（バイオチップ）Ａの反応槽１７の領域は、９５℃に加熱され、かつ、６８℃に吸熱される。このような加熱及び吸熱が、高速に３０サイクル繰り返される。温度制御対象物Ａと接触する熱拡散板２１は、アルミ合金であるジェラルミンからなる板厚１ｍｍの円環状のものを用いた。温度制御対象物Ａは、直径５０ｍｍ、板厚２ｍｍであり、ポリプロピレン製のものを用いた。温度制御対象物Ａに用いられているポリプロピレンの熱伝導率は０．２Ｗ／（ｍ・Ｋ）と低いため、熱拡散板２１と接触していない温度制御対象物Ａの中央領域の温度は、高速な温度サイクルに追従しない。本発明者は、９５℃の保持時間を過剰に３０秒としても、温度制御対象物Ａの中央領域の温度は９２℃に達しないことを確認した。

また、温度制御対象物Ａの中央領域を不要に吸加熱しないため、従来のベタ円形状の熱拡散板を用いて温度制御対象物Ａの全体を吸加熱した場合の３０％の吸加熱量をもって、反応槽１７における加熱速度２．７℃／秒、吸熱速度１．８℃／秒という、従来と同等の吸加熱速度が得られることを確認した。したがって、本発明の実施例においては、従来と同等の吸加熱量を与えた場合に、吸加熱が高速化されるといえる。

１１、１２、２１熱拡散板
１３、２２加熱吸熱手段
１５、２３ペルチェ素子
１６、２４ヒートシンク
Ａ温度制御対象物
Ａ１温度制御領域
１７反応槽

Claims

略円環上に配置されている複数の温度制御領域を有する温度制御対象物に対して加熱又は吸熱を行う温度制御装置であって、
前記温度制御対象物は円盤状であり、中央部に貯蓄槽と、前記中央部の外側に前記温度制御領域としての複数の反応槽と、前記貯蓄槽と前記反応槽とを連通する複数の流路と、を有し、
前記反応槽に接触するように配置されている略円環状の熱拡散板と、
前記熱拡散板に接触するように配置され前記熱拡散板に対し加熱又は吸熱を行う加熱吸熱手段と、
を具備することを特徴とする温度制御装置。
略円環上に配置されている前記複数の温度制御領域としての反応槽を有する前記温度制御対象物の化学反応用チップに対して加熱又は吸熱を行う温度制御装置であって、
前記略円環状の熱拡散板は前記反応槽の領域に接触するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の温度制御装置。
前記熱拡散板は、０．０１ｍｍ以上４ｍｍ以下の範囲内である板厚を有することを特徴とする請求項１及び請求項２のいずれかに記載の温度制御装置。