JP2009097902A - 反応制御装置及び反応制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】所定反応を行なうに際し、温度制御を高い精度で行ない得る反応制御装置を提供すること。
【解決手段】反応領域Ａと、該反応領域Ａを加熱する加熱部とを少なくとも備えた反応処理装置であり、該加熱部は、加熱源としての光源１１と、前記反応領域Ａに照射された加熱用の光Ｌ２を受光し、その照射位置、面積、強度の少なくともいずれかを検出結果として検出する光検出部１４と、前記検出結果に基づいて前記光源からの光照射を制御する照射制御手段と、を少なくとも備える反応制御装置１とすること。
【選択図】図１

Description

本発明は、反応制御装置及び反応制御方法に関する。より詳しくは、所定反応を行なうに際し、加熱を光照射により行い、その加熱照射を高精度で行う技術に関する。

近年、微細流路等で化学反応や生化学反応等を行う技術が開発されている。このようなものとして、例えば、μＴＡＳ（Total Analysis System）やLab−on−a−chip等の如きバイオ・化学アプリケーションとして開発されているものが挙げられる。微量な試料により行われる所定反応が高精度に制御できれば、試料としての少量化等が可能となり、網羅意的な解析も可能となる。

例えば、ＰＣＲ（Polymerase Chain Reaction）法であれば、目的のＤＮＡ断片を数十万倍に増幅させる技術への応用が期待される。即ち、微量にしか存在しないＤＮＡの目的部分であってもこれを増幅させることができれば、塩基配列の解析等に多大な効果が期待できる。

その一方で、マイクロスケールで反応を行なうには、そのスケール故に流路表面やその表面積等の影響が大きい。そのため、マイクロスケールで所定反応等を行うにはこれらの因子等に関して高精度の制御を行なうことが要求される。同様に、反応温度等の制御も高精度である必要がある。これに関して、特許文献１には、マイクロチップ微細流路内液相の温度の測定と制御に関する技術が開示されている。そのなかで、赤外線レーザーを用いて液相を加熱する技術も開示されている。

また、微小流路の高機能化を測ることで反応制御や反応効率を改善することも試みられている。例えば、特許文献２には、マイクロリアクターの表面処理に関して、マイクロリアクターの内部は親水性を、その周辺部は撥水性を発現するように処理を施すことで、試料導入を容易とならしめんとする技術が開示されている。

国際公開第２００２／０９０９１２号パンフレット。 特開２００４−３３３４０４号公報。

このように、所定反応を効率よく制御することが望まれているが、そのなかでも特に、温度制御を高い精度で行ない得ることが求められている。そこで、本発明は、所定反応を行なうに際し、温度制御を高い精度で行ない得る反応制御装置を提供することを主な目的とする。

まず、本発明は、反応領域と、該反応領域を加熱する加熱部とを少なくとも備えた反応処理装置であり、該加熱部は、加熱源としての光源と、前記反応領域に照射された加熱用の光を受光し、該受光した光の情報を検出結果として検出する光検出部と、前記検出結果に基づいて前記光源からの光照射を制御する照射制御手段と、を少なくとも備える反応制御装置を提供する。前記反応領域の加熱を光照射により行うことで直接反応領域を加熱することができ、更にその加熱に用いる光を光検出部で検出することで、この検出結果を照射制御手段に反映させることができる。これにより正確な加熱照射が可能となり、より正確な温度制御が可能となる。
次に、本発明は、前記光源は、複数の波長の光を照射可能であり、照射する光の波長が時分割により切り替えられる反応制御装置を提供する。反応領域への加熱照射と、それ以外の光照射とを時分割で行うことができる。
続いて、本発明は、前記照射制御手段は、前記検出部の検出対象とする光を、ホログラムによって、前記光検出部における所定の照射スポットに導く反応制御装置を提供する。ホログラムを用いて、検出する波長光を所定の照射スポットに導くことで、より高精度の光検出が可能となる。
そして、本発明は、前記光検出部は、複数の光検出素子を少なくとも備えることで、複数の波長の光の検出を行う反応制御装置を提供する。これにより、幅広い波長の光を検出することができる。
更に、本発明は、前記光検出部は、特定波長の光を透過するフィルターを備えた反応制御装置を提供する。これにより、受光精度を更に向上させることができる。
また、本発明は、前記フィルターは、透過可能な特定波長が異なる領域を複数備え、前記光検出部は、前記フィルターを透過した光の各波長に対応する光検出素子をそれぞれ備える反応制御装置を提供する。これにより、複数波長の光を高精度で検出することができる。
そして、本発明は、前記反応領域は、アレイ状に複数設けられ、前記光源と前記光検出部も、前記反応領域に対応してアレイ状に複数設けられた反応処理装置を提供する。これにより、複数の反応領域で行われる夫々の所定反応を高精度で制御できる。
また、反応領域で所定反応を行なうに際し、少なくとも前記反応領域に光照射することで加熱を行う反応制御方法であって、前記反応領域に加熱用の光を照射し、前記照射された前記加熱用の光を受光し、該受光した光の情報を検出し、前記情報に基づいて前記光照射を制御することを少なくとも行なう反応制御方法を提供する。

本発明によれば、所定反応を行なうに際し、温度制御を高い精度で行なうことができる。その結果、高い精度で所定反応を制御することができる。

以下、添付図面に基づいて、本発明に係る反応制御装置及び反応制御方法について説明する。なお、添付図面に示された各実施形態は、本発明に係わる代表例を示したものであり、これにより本発明の範囲が狭く解釈されることはない。

図１は、本発明に係る反応制御装置の第１実施形態の簡略側面図である。図２は、同実施形態の一状態を説明するための簡略側面図である。図１中の符号１は、本発明に係る反応制御装置を示している。この反応制御装置１のサイズや層構造は、目的に応じて適宜選定可能であり、反応制御装置１の形態構成についても本発明の目的に沿う範囲で設計又は変更可能である。なお、以下に使用する図面では、説明の便宜上、装置の構成等については簡素化して示している。

前記反応制御装置１は、基板１０と、光源１１と集光レンズ１２，１３と光検出部１４とを備えている。基板１０の反応領域Ａで所定反応を行なう。反応制御装置１は、基板１０の反応領域Ａに対して、加熱用の光源１１から光照射することで、反応領域Ａ内の試料を加熱できる。そして、この光を光検出部１４で検出し、その検出結果に基づいて光源１１の光照射を制御する。このように、加熱照射する光を検出する光検出部１４を設け、この検出結果に基づいて加熱照射の照射制御を行なうことができる。

基板１０は、基板本体１０１と被覆層１０２とから形成されており、基板本体１０１と被覆層１０２とを積層することで反応領域Ａを形成している。基板本体１０１は反応領域Ａに即した形状であり、これに被覆層１０２を積層させることで、反応領域Ａに相当する空間を形成している。

基板本体１０１の材料は限定されず、例えば、種々の合成樹脂、ガラス等を用いることができ、例えば、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート、ホウ珪酸ガラス、石英ガラス等を用いることができる。そのなかでも、好適には、光透過性を備えた材料であることが望ましく、具体的には、ポリメタクリル酸メチルや低蛍光発光プラスチック材料やホウ珪酸ガラスや石英ガラス等を用いることが望ましい。このような材料は特に優れた光透過性を有するため、高い光熱効率が得られる点で望ましい。

本発明において被覆層１０２は必ずしも層状とすることに限定されないし、基板１０を被覆層１０２で被覆することにも限定されないが、被覆層１０２により基板本体１０１をシーリングできるため好適である。

被覆層１０２の材料は限定されず、例えば、種々の合成樹脂、ガラス等を用いることができ、例えば、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート、ホウ珪酸ガラス、石英ガラス等を用いることができる。そして、基板本体１０１と同様に、光透過性を備えた材料であることが望ましく、具体的には、ポリメタクリル酸メチルや低蛍光発光プラスチック材料やホウ珪酸や石英ガラス等を用いることが望ましい。

光源１１は限定されないが、照射する光Ｌ１が指向性や収束性を有していることが望ましく、好適には半導体レーザー（ＬＤ；laser diode）や発光ダイオード（ＬＥＤ）光源であることが望ましい。また、発光の有無を制御するスイッチング素子を更に設けることが望ましい。これにより、より正確な発光の制御（即ち、加熱実施の有無の制御）が可能となる。スイッチング素子としては特に限定されないが、例えば、ＴＦＴ等を用いることができる。ＴＦＴ等を用いることで、光検出部１４との一体製造に大きく貢献できる。勿論、本発明において行う制御系の形態はＴＦＴ等に限定されず、例えば、リレースイッチやデジタル回路等を用いてもよい。

ＬＤ光源は、半導体素子を光源とするものが挙げられ、発光源が小型であること等からも好適である。例えば、Ｇａ（ガリウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ａｓ（ヒ素）、Ｐ（リン）等を含む半導体を用いた比較的長波長のＬＤ光源（例えば、λ＝１〜６μｍ）は水の吸収効率がよく、液体試料等を直接加熱するのに好適である。また、水の吸収効率の低い短波長のＬＤ光源を用いる場合であっても、反応領域Ａに上記ＬＤ光源からの光を吸収する蓄熱層（例えば、金属膜や樹脂層等）を施すことで、同様の効果を得ることもできる。

そして、ＬＤ光源と同様にＬＥＤ光源も好適に用いることができる。ＬＥＤ光源は、接合部に電流が流れると光を放射するダイオードを光源とするものが挙げられ、所望する波長等に応じて適宜好適な材料を光源として選択できる。

また、反応領域Ａ内の試料の光学的分析（例えば、蛍光分析、散乱光分析、赤外分光、紫外分光等）を行う場合には、加熱用光以外にも別途光照射を行ってもよい。１又は複数の光源を用いることで、複数波長の光を照射させることができる。そして、これらの光が同軸光路となるように反応制御装置を構成してもよい。これについては後述する。

集光レンズ１２は、光源１１から照射される光を集束させることができる。また、図示はしないが、必要に応じて、回折光学素子やコリメーティングレンズ等を光路上に設けることができる。これらによって光Ｌ１，Ｌ２を集束させたりコリメートさせて、ガイドすることができる。

集光レンズ１２の開口数（ＮＡ）等は装置構成を考慮して適宜決定することができるが、好適には、反応領域Ａの大きさと光照射スポットとが同程度であることが望ましい。例えば、光学スポットをエアーリング径と等価であるとすれば、ｄ（半径）＝０．６１x（波長）xＮＡの関係式により、所望のＮＡを算出できる。加えて、ＮＡが大きいとビームスポットは小さくできるが焦点深度は浅くなり、ＮＡが小さいと焦点深度は深く（大きく）できるがビームスポットは大きくなる傾向があるので、これらを考慮することができる。

反応領域Ａに照射された光は集光レンズ１３にて集光されて光検出部１４で受光し、検出される。光検出部１４では、光Ｌ２を受光し、その光の情報を検出することができる。この情報としては、例えば、照射位置や照射面積（あるいはスポット径）や照射強度やスペクトル分布や屈折率変化等があげられ、これらの少なくともいずれかであればよい。更に望ましくはこれらの情報のうちの複数を検出することが望ましい。これにより、検出精度を更に向上させることができる。更に、後述する照射制御手段にこの情報をフィードバックさせることで、より高精度の加熱制御が可能となる。ここで検出する情報は、反応制御装置１の使用目的や装置構成、あるいは反応領域Ａで行う反応等を踏まえて適宜決定することができる。

光検出部１４は、光検出素子としてフォトダイオード等を用いることができる。そして、例えばＣＣＤやＭＯＳ等として用いることができる。レーザー等の検出素子としては４分割や６分割等の多分割ＰＩＮフォトダイオードや、フォトダイオードと集積回路とを組み合わせたフォトＩＣ等を用いることもできる。これらについては後述する。

また必要に応じ、少なくとも光源１１と光検出部１４の間に、所定波長の光を透過するフィルターを設けることが望ましい。これにより、検出対象である光Ｌ１以外の波長をカットできるため、より検出精度を向上させることができる。そして、ダイクロックミラーを経由させることも、散乱光等の影響を排除できる点で好適である。また、フィルターを任意の周波数のみを検出するバンドパスフィルターとして、これを複数用いることで、光の周波数と光強度検出による分光分析を高精度で行なうこともできる。

照射制御手段は、光源１１から照射される光Ｌ１を所定の照射目標スポットに照射可能であればよく、その方法について限定されない。加熱照射を制御する照射制御手段としては、光路上に設けた光学素子の位置を制御することで光照射の光路を調整すること等が挙げられる。このような光学素子としては、例えば、レンズ、プリズム、反射鏡、回折格子等を用いることができる。このような光学素子を移動させて位置制御を行なうことで、光照射の光路を調整することができる。反応制御装置１では、集光レンズ１２の位置を制御することや、光源１２の照射方向を調節すること等によって行うことができる。光検出部１４の検出結果を照射制御手段に出力することで、加熱照射を高精度で制御できる。例えば、光検出部１４での検出結果をアナログデジタルコンバーター（ＡＤＣ）等によってデジタル情報に変換して出力し、ＣＰＵを用いて照射制御することができる。

光学素子の位置制御は、所定の位置に移動させることができればよく、その手法は限定されない。例えば、機械制御であってもよいし、手動によっても行ってもよい。しかし、本発明に係る反応制御装置は反応領域Ａを微小領域として好適に用いることができるものであり、このような場合等には特に光学部品の移動量は微小量となる。このような観点からは、電磁アクチュエータ、圧電素子、ステッピングモータ、超音波モーター等を用いることが望ましい。

なお、集光レンズ１２等の光学素子の移動方向は、水平方向（Ｘ−Ｙ方向）のみならず垂直方向（Ｚ方向、光軸方向）にも可動させることが望ましい。これにより、照射スポットのＸ−Ｙ方向のずれを解消できるとともに、照射スポットの大きさ（ビームスポット径）の調整が可能となる。

次に、本発明の反応制御装置１で行われる照射制御について、図２を参照しながら説明する。図２は、反応制御装置１で行われる照射制御の一例を説明するための簡略側面図である。

図２は、基板１０が水平方向（図面に対して右側）にやや位置ずれした状態を示している。この場合、光源１１から照射された光Ｌ１が反応領域Ａに照射され、光Ｌ２として検出する。しかし、基板１０が位置ずれしているため、反応領域Ａへの照射スポットがずれるとともに、集光レンズ１３への入射位置もずれている。その結果、検出部１４で検出される照射スポットが距離ｄだけずれた位置となっている（図２の拡大領域参照）。例えば、図２の場合、反応領域Ａを有する基板１０が本来設置すべき設置位置であれば、光Ｌ２の照射スポットは光検出部１４の中心に形成される。しかし、基板１０が位置ずれしているため、距離ｄだけずれた位置に実際の照射スポットが形成されている。

光検出部１４で、上記の照射スポットの位置ずれの距離ｄを検出することで、反応領域Ａへの光Ｌ１への照射がどの程度ずれて照射されているかを検出できる。この距離ｄを考慮して、光源１１からの照射の制御を行なうことができる。この距離ｄに関する検出は、光検出部１４によって光照射スポットの情報を検出することで行うことができる。この光検出については、以下説明する。

なお、ここでは、反応領域Ａが基板１０に設けられた形態とし、基板１０が距離ｄだけずれた場合を一例として説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。即ち、光検出部１４で検出した検出結果に基づいて照射制御手段を介して照射制御できればよく、反応領域Ａは必ずしも基板に設けられる必要はない。また、反応領域Ａへの照射のずれは、基板１０の位置ずれに起因するものに限られない。更には、実際の反応温度をコントロールすることもでき、意図的に温度勾配を形成させること等も可能である。本発明ではこのようなことが可能であるため、高精度の加熱制御が可能となる。このことは、以下で行う説明によっても明らかになるであろう。

図３は、本発明に係る反応制御装置１で行う光検出の一例を説明するための一部概念図である。なお、図３においては、反応制御装置１の光検出に関連する部分を示しており、その他の構成については省略している。

光検出部１４は、光検出素子１４１を水平面（Ｘ−Ｙ方向）に複数配置されている。詳しくは、光検出素子１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃ，１４１ｄをマトリクス的に配置している。なお、図３の拡大領域はこれらの光検出素子１４１を上面視した状態である。受光した光の照射スポットがどの光検出素子で受光されているか、更にはその受光面積や受光強度等を検出することができる。これにより、加熱照射に供されている照射スポットのより正確な位置を検出できる。この光検出部１４で検出する情報としては、照射スポットがどの位置に存在してるか等といった照射位置や受光面積や受光強度に限らず、それ以外にもスペクトル分布や、受光する光の屈折率変化等といった情報であってもよいことは勿論である。

例えば、図３では、実際の照射スポットＳ１が、目標とする照射スポットＳ２からやや右下にずれている状態である。まず、目標の照射スポットＳ２であれば、光検出素子１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃ，１４１ｄは、受光面積と受光強度は均一である。しかし、実際の照射スポットＳ１では、光検出素子１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃ，１４１ｄの受光面積や受光強度は均一ではない。具体的には、光検出素子１４１ｄは照射スポットが広すぎており、光検出素子１４１ａでは照射スポットが狭すぎている。これらから、実際の照射スポットＳ１の位置を検出することができる。

従って、ここで、光検出素子１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃ，１４１ｄの夫々の受光面積（あるいは受光強度）をＰＤ_１４１ａ，ＰＤ_１４１ｂ，ＰＤ_１４１ｃ，ＰＤ_１４１ｄとすると、Ｘ方向の位置検出においては、下記式（１）で示される関係式を用いることができる。

上記式（１）は、光検出部１４のＸ方向において所定目標に光照射された状態を示している。同様に、Ｙ方向の位置検出においては、下記式（２）で示される関係式を用いることができる。

上記式（２）は、光検出部１４のＹ方向において所定目標に光照射された状態を示している。従って、上記式（１）、（２）のいずれもを満たす場合に、少なくとも水平方向（Ｘ−Ｙ方向）においては、目標スポットＳ２に光照射されていることが確認できる。

また、光検出素子は、いわゆる多分割したものであってもよい。そして、より多くの光検出素子を設けるほど、照射スポットＳ１の位置をより正確に検出できる。従って、例えば、各光検出素子１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃ，１４１ｄを更にマトリクス状に多分割すれば、更に正確な照射スポット位置の情報が検出できる。

基板１０の垂直方向（Ｚ方向）の位置検出する場合を中心に説明する。基板１０が垂直方向に移動する場合、その高さによってビームスポット径が変化するが、これも光検出部１４によって検出できる。受光した実際の照射スポットＳ３がどの光検出素子で受光しているか、更にはその受光面積等を光検出素子によって検出できるからである。

例えば、図３において基板１０があるべき位置よりもやや上方（即ち、集光レンズ１２（１３）側より）に位置している場合について述べる。この場合、基板１０の光学素子や反応領域の表面等を経て屈折・干渉する。これにより、光検出部１４への入射角等が異なってくる。このため、光検出素子１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃ，１４１ｄの受光位置や受光面積や受光強度等が変化する。これを光Ｌ２の情報として検出することで、目標とする照射スポットＳ４にどれだけ近づいているかを知ることができる。

垂直方向（Ｚ方向）の位置ずれに関しては、照射スポットＳ３のビームスポット径を検出すること等により知ることができる。実際の照射スポットＳ３のビーム径が、目標とする照射スポットＳ４のビーム径よりも大きければ、基板１０がやや上方（即ち、集光レンズ１２側より）にずれていることになる。もちろん、照射スポットＳ３の照射面積を知ることでも同様に検出することもできる。

図３の目標の照射スポットＳ４は、光検出素子１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃ，１４１ｄのいずれもが受光できない状態である。しかし、実際の照射スポットＳ３では、光検出素子１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃ，１４１ｄのいずれの領域にもかぶさっている。これらから、実際の照射スポットＳ３の情報を検出することができる。

従って、Ｚ方向の位置検出においては、式（１）、式（２）を満たした状態で、垂直方向に基板１０を移動させて、各光検出素子１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃ，１４１ｄからの出力が最小となる位置を検出する。なお、この位置は照射光の焦点位置と一致した状態といえる。

図４は、本発明に係る反応制御装置の第２実施形態の一部概念図である。以下、既に述べた実施形態との相違点を中心に説明し、共通する部分についてはその説明を割愛する。なお、図４においては、基板の位置検出に関連する部分を示しており、その他の構成については省略している。

図４に示す符号２は、反応制御装置を示している。該反応制御装置２は、少なくとも集光レンズ２１と光検出部２２とを備えており、基板２０において所定反応を行なうものである。そして、光検出部２２は複数の光検出素子２２１を有している。この反応制御装置２は、光検出素子２２１として、５個の光検出素子２２１ａ，２２１ｂ，２２１ｃ，２２１ｄ，２２１ｅを用いている点が特徴の一である（図４の拡大領域参照）。この場合、５分割した光検出素子を用いてもよい。

光検出部２２は、光検出素子２２１ａ，２２１ｂ，２２１ｃ，２２１ｄ，２２１ｅを水平面（Ｘ−Ｙ方向）に複数配置している。受光した光の照射スポットがどの光検出素子で受光しているのかや、その受光面積や受光強度やスペクトル分布等を検出することができる。これによって、照射スポットのより正確な情報を検出できる。特に、光検出素子２２１ｅを中心位置に配置しているため、ビームスポット径が小さい場合にも正確に検出できる。

ここで、光検出素子２２１ａ，２２１ｂ，２２１ｃ，２２１ｄ，２２１ｅの夫々の受光面積（あるいは受光強度）をＰＤ_２２１ａ，ＰＤ_２２１ｂ，ＰＤ_２２１ｃ，ＰＤ_２２１ｄ，ＰＤ_２２１ｅとすると、Ｘ方向の位置検出においては、下記式（３）で示される関係式を用いることができる。

上記式（３）は、光検出部２２のＸ方向において所定目標に光照射された状態を示している。同様に、Ｙ方向の位置検出においては、下記式（４）で示される関係式を用いることができる。

上記式（４）は、光検出部２２のＹ方向において所定目標に光照射された状態を示している。従って、上記式（３）、（４）のいずれもを満たす場合に、少なくとも水平方向（Ｘ−Ｙ方向）においては、目標スポットＳ２に光照射されていることが確認できる。

また、基板２０の垂直方向（Ｚ方向）の位置検出する場合を中心に説明する。基板２０が垂直方向に移動する場合、その高さ（図４の矢印参照）によってビームスポット径が変化するが、これも光検出部２２によって検出できる。受光した実際の照射スポットＳ３がどの光検出素子で受光しているか、更にはその受光面積等を、各光検出素子２２１ａ，２２１ｂ，２２１ｃ，２２１ｄ，２２１ｅによって検出できる。

この場合、Ｚ方向の位置検出においては、式（３）、式（４）を満たした状態で、Ｚ方向に基板２０を移動させて、光検出素子２２１ａ，２２１ｂ，２２１ｃ，２２１ｄからの出力が最小となる、あるいは光検出素子２２１ｅの出力が最大となる位置を検出する。なお、この位置は照射光の焦点位置と一致した状態といえる。

図５は、本発明に係る反応制御装置の第３実施形態の一部概念図である。以下、既に述べた実施形態との相違点を中心に説明し、共通する部分についてはその説明を割愛する。なお、図３は、反応制御装置の光検出に関連する部分を示しており、その他の構成については省略している。

図５に示す符号３は、反応制御装置を示している。該反応制御装置３は、少なくとも集光レンズ３１と光検出部３２とを備えている。加熱用の光に加えて測定用（あるいは観察用）の光を用い、これらの光の屈折率の相違を利用して受光している。そして、いずれの光も検出部３２で検出可能な装置構成を有している。即ち、反応制御装置３は、光学系として異なる波長の光源を複数備え、これらの波長に対応する光検出素子を夫々検出部３２に備えることを特徴の一とする。

検出部３２は、複数の光検出素子３２１，３２１，３２１，３２１，３２２を備え、これらの光検出素子の検出可能な波長が異なることを特徴の一としている。光検出素子３２１は、加熱用光（例えば、赤外光）が検出可能な光検出素子である。光検出素子３２２は、測定用光（例えば、青色ＬＤ）を検出可能な光検出素子である。このように、光の用途（例えば、加熱用や測定用等）に応じて、その波長を変えることができる。

また、光の波長の相違は、屈折率の相違を生じる。即ち、集光レンズ３１における屈折率特性は波長に依存する。そのため、加熱用光や測定用光の屈折率は異なるため、検出部３２に形成する照射スポット径等も異なるものとなる。ここで、波長に依存する屈折率特性の代表的な一例を表１に示す。

但し、２以上の波長を同時照射する場合には、必要に応じて所定波長を透過するフィルタを設けることが望ましい。更に、透過可能な波長が異なる複数の領域を備えたフィルタとすることもできる。フィルタを設けることでクロストークの発生を防止できる。例えば、加熱用光として赤外光を用い、測定用光として青色ＬＤを用いる場合において、これら２波長を同時照射すると、青色ＬＤ検出用の光検出素子上で、赤外光によるクロストークが生じてしまう。そのため、赤外線カットフィルタを設けることが望ましい。

このようなカットフィルタとしては、例えば、ダイクロックミラーのような反射型、赤外線ＮＤフィルタのような吸収型、回折格子を用いたホログラム型等を用いることが望ましく、更に必要に応じた特性を選択することが望ましい。またホログラム型を用いた場合には、特定波長（例えば、加熱用の赤外光）のみを、任意の位置に集光させることが可能であるが、これに関しては後述する。

そして、測定用光（例えば、青色ＬＤ）の照射スポットＳ_analysis（図５の斜線領域参照）は、加熱用光（例えば、赤外光）の照射スポットＳ_heatよりも小さくなる。そして、一般的には波長が短いほうが屈折角が大きい特性があること等から、測定用光の光検出素子３２２を中心に設け、加熱用光の光検出素子３２１を外側に設けることが望ましい。この場合、前述したように、照射スポットについての照射位置や照射面積や照射強度等のほかにも、スペクトル分布や屈折率変化等についても好適に使用することができる。特に、屈折率変化はデフォーカス量を検出することで知ることができる。

また、複数の波長を光学系に用いる場合には、その照射タイミングを制御することが望ましい。これにより、クロストーク等を効果的に防止できる。例えば、加熱用光源と位置検出用光源の照射時間をずらすようにスイッチング制御することが挙げられる。スイッチング制御には、ＴＦＴ等をスイッチング素子として用いることができるため、光検出素子との一体化も可能となる。そして、装置の薄型化、量産化、透明性等に資することができる。勿論、本発明においては、薄型化、量産化、透明性については必ずしも必要とはしないが、ＴＦＴを用いることでこれらを実現可能とできる点で望ましい。

図６は、本発明に係る反応制御装置の第４実施形態の一部概念図である。以下、既に述べた実施形態との相違点を中心に説明し、共通する部分についてはその説明を割愛する。なお、図６は、反応制御装置の光検出に関連する部分を示しており、その他の構成については省略している。

図６に示す符号４は、反応制御装置を示している。該反応制御装置４は、少なくとも集光レンズ４１と回折格子４２と光検出部４３を備えている。波長が異なる光を、それぞれ加熱用の光と測定用の光として用いている。これらの光の屈折率の相違を利用して、光検出部４３の光検出素子４３１で加熱用光を検出し、同じく光検出素子４３２で測定用光を検出することができる。これにより、複数波長の光を夫々検出部４３で検出できる。

反応制御装置４では、光学フィルタとして回折格子４２を利用したホログラム型カットフィルタを用いていることを特徴の一としている。このようなホログラム型を用いることで、特定波長（例えば、加熱用の赤外光）のみを所定の位置Ｓ_heatに集光させることができる。例えば、赤外光の波長にのみ回折現象が生じるよう設計された回折格子４２を配置していることで、赤外光の集光スポットＳ_heatを所望のスポット形状とすることができる。

図７は、本発明に係る反応制御装置の第５実施形態の簡略側面図である。図７の符号５は、本発明に係る反応制御装置を示している。該反応制御装置５は、反応領域Ａを備えた基板５０と、光源５１と、集光レンズ５２と、光検出部５３とを備えている。基板５０の反応領域Ａで所定反応を行なう。反応制御装置５は、反応領域Ａに加熱用の光源５１から光照射することで、反応領域Ａ内の試料を加熱できる。基板５０は、基板本体５０１と光学素子層５０２とを備えている。この光学素子層５０２には、光学素子５０２２が夫々反応領域Ａに対応して配置されている。反応制御装置５は、反応領域Ａに対応する光学素子５０２２を基板５０に備えていることを特徴の一としている。

本発明では、光学素子５０２２を基板５０と一体とすることや、基板５０上に反応領域Ａを設けることは必ずしも必要ではないが、このような構造とすることで、基板５０の設置位置の位置ずれも検出できる。即ち、光Ｌ１，Ｌ２の照射スポットのずれを検出することに加えて、基板５０の位置ずれも検出できる。光学素子５０２２が基板５０（あるいは基板本体５０２）と一体であるため、基板５０の位置ずれと同様に光学素子５０２２も位置ずれする。従って、光学素子５０２２の位置ずれに対応して、光Ｌ２の照射スポットの位置や大きさが変化するこれを検出することで、基板５０の位置を検出することもできる。この位置検出は、上述した照射スポットの検出手法を用いることができる（例えば、図２，３，４，５，６等参照）。

光学素子５０２２は、反応領域Ａに光を導入することができればよく、その種類等は限定されない。例えば、レンズ、プリズム、鏡、回折格子等を適宜用いて反応領域Ａに光Ｌ１を導入できるが、好適には、光学レンズを用いることが望ましい。光学レンズであれば、反応領域Ａに対応する位置に容易に固着できる。光学素子５０２２の材料についても限定されず、例えば、シリコンやフッ化カルシウム等の結晶材料や、合成石英等のガラス材料等を用いることができる。更に、必要に応じて複数の光学素子を併用し、これらを基板５０上に設けることもできる。

図８は、本発明に係る反応制御装置の第６実施形態の簡略側面図である。図８中の符号６は、本発明に係る反応制御装置を示している。該反応制御装置６は、複数の反応領域Ａを備えた基板６０と、複数の加熱用の光源６１と、集光レンズ６２，６３と、光検出部６４とを備えている。反応制御装置６は、複数の反応領域Ａを設け、光源６１と光検出部６４も、反応領域Ａに対応して複数設けられていることを特徴の一としている。

基板６０は、複数の反応領域Ａが、基板本体６０１と被覆層６０２によって形成されている。反応領域Ａの大きさや形状等は限定されず、異なる大きさや形状であってもよいし、反応領域Ａ同士の配置間隔についても適宜好適な間隔とすることができる。このように、複数の反応領域Ａを設けることで、基板上で網羅的な解析を行なうことができる。

例えば、ヒーター等の発熱体を用いて反応領域Ａを加熱した場合には、基板本体６０１等を介して熱伝導するため、加熱効率が低下したり加熱ムラが生じ易くなる場合がある。これに加えて、複数の反応領域Ａを有する場合、各反応領域Ａの加熱に発熱体等を用いれば、隣接する反応領域Ａ同士で熱干渉が生じてしまう。この現象が温度制御に影響を与えてしまい、温度のずれが生じる場合がある。これに関して、本発明によれば、複数の反応領域Ａを備えた基板６０であっても、このような熱干渉を防止できる。更には反応領域Ａの設置間隔も短くすることができ、省デバイス化も可能となる。

また、発熱体として半導体素子等を用いる場合は、反応領域Ａの目標温度と実際温度の微小な温度のずれが起こりうる。半導体素子は一般に製造上のばらつきがあるため、基板内のヒーターユニットごとに加熱量のばらつきが生じてしまう。また、半導体素子は、一般に温度によって特性が変化する性質がある。例えば、単結晶シリコンを用いたＭＯＳトランジスタは負の温度特性を持ち、同じ電圧値を印加しても、温度が高くなると流れる電流が減少する。従って、同じ電圧値であっても温度によって加熱量が変化する結果となる。このような現象が温度制御において問題となる場合があった。

これに対して、本発明では、上記のような影響を受けずに正確に加熱照射できるため、複数の反応領域Ａに対して夫々正確な加熱照射が可能である。特に、光源６１を反応領域Ａごとに個別に設けることで、各反応領域Ａの個別の熱制御が可能となる。特に、反応領域Ａをアレイ状に複数配置し、光源６１と光検出部６４も、夫々の反応領域Ａに対応するようにアレイ状に複数配置する装置構成とすることができる。

更に、本発明では、加熱照射する際、そのエネルギーの大半を各反応領域Ａに吸収させることができる。そして、透過した残りを光検出部６４で検出することができるが、その際、ディテクタ部分のスポットサイズは調整することが可能であるため、透過光（検出する光Ｌ２）が少なければ集光させて感度（あるいは温度）を上げることができるし、透過光が多ければ集光させずに感度を下げることもできる。このように、本発明では、加熱量のコントロールを行うことができる。

基板６０は、複数の反応領域Ａが、基板本体６０１と被覆層６０２とによって形成されている。反応領域Ａの大きさや形状等は限定されず、異なる大きさや形状であってもよいし、反応領域Ａ同士の配置間隔についても適宜好適な間隔とすることができる。このように、複数の反応領域Ａを設けることで、基板上で網羅的な解析を行なうことができる。基板については後述する。

図９は、本発明に係る反応制御装置の第７実施形態の簡略側面図である。図９中の符号７は、本発明に係る反応制御装置を示している。該反応制御装置７は、複数の反応領域Ａを備えた基板７０と、複数の加熱用の光源７１と、集光レンズ７２，７３と、光検出部７４とを備えている。反応制御装置７は、複数の反応領域Ａと光源７１と光検出部７４が設けられていることに加えて、基板７０にも光学素子７０２２が設けられていることを特徴の一としている。

図１０は、本発明に係る反応制御装置に用いることができる基板の一形態例の簡略斜視図である。図１０の符号８０は、本発明に係る反応制御装置で用いることができる基板を示している。該基板８０は、試料の注入口８０１と、流路８０２と、使用後（例えば、反応終了後）の反応物を回収又は排出する排出口８０３と、を備えている。図１０では、基板の流路構造を図示しており、基板内のその他の構成（例えば、被覆層等）や反応制御装置については省略している。

基板８０の反応領域Ａに試料を導入する方法としては、通常用いられる手法を適宜採用できる。注入口８０１から導入された試料は矢印Ｆの方向に沿って流れ、やがては排出口８０３で回収又は廃棄される。特に、流路８０２や反応領域Ａ等が微小な空間である場合には、毛細管現象等を用いて試料を導入することができる。

基板８０では、反応領域Ａを所定反応を行なうための微小な空間とし、この試料を反応領域Ａに導くために微細な流路８０２によって連通させる構造とできる。また、これらの流路表面は適宜コーティングして親水性を高めること等により、試料を効率よく搬送できる。なお、本発明では、反応領域Ａを必ずしも基板等に設ける必要はなく、使用目的に応じて好適な部材に反応領域を形成することができる。

図１１は、本発明に係る反応制御装置の第８実施形態の概略構成図である。以下、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、共通する部分についてはその説明を割愛する。

図１１に示す符号９は、反応制御装置を示している。該反応制御装置９は、基板９０と、光源９１ａ，９１ｂ，９１ｃ，９１ｄと、これに対応したハーフミラー９２ａ，９２ｂ，９２ｃ，９２ｄと、集光レンズ９３と、光検出部９４とを備えている。反応制御装置９は、光学系として、４種類の光源と、これに対応する４種類の波長を受光可能な光検出部９４を備えていることを特徴の一としている。

図示はしないが、基板９０には反応領域が設けられており、この反応領域に対して加熱照射が行われる。そして、光源９１ａは、加熱用光源として用いている。光源９１ａから照射される光によって、基板９０の反応領域を加熱する。例えば、赤外線レーザーダイオード等を用いることができる。

光源９１ｂ，９１ｃ，９１ｄは、加熱用以外の他の用途の光源として用いることができる。即ち、異なる３波長を夫々測定用光として用いることもできる。例えば、赤色レーザーダイオード（ＲＬＤ）と青色レーザーダイオード（ＢＬＤ）と緑色レーザーダイオード（ＧＬＤ）を用いることができる。光源９１ｂ，９１ｃ、９１ｄは、測定に供するものに限定されず、適宜それ以外の用途にも用いることができる。

また、光源としてレーザーダイオードを用いる場合、各レーザーダイオードを格納した光源ユニット９５とすることもできる。光源ユニット９５は４種類のレーザーダイオードであるが、４種類に限定するものではない。即ち、異なる波長の光（好適には、レーザー光）を複数生成するため、この光源ユニット９５に複数のレーザーダイオードを格納することができる。

本発明において複数波長の光を照射可能であることは前述したが、更に、本発明ではこの複数波長の光を時分割で照射することができる。例えば、加熱用と測定用（あるいは観測用）の光について時間分割することで、最適な温度制御（加熱制御）を行いながら、かつこれをリアルタイムで検出することができる。

これについて、遺伝子増幅反応をＰＣＲ法によって行ない、かつこれを蛍光検出によりリアルタイムに解析する場合を例として説明する。本発明では、短時間に複数波長の光を照射することもできるため、これらに対応する複数種類の蛍光マーカーを励起させることができる。その結果、ＰＣＲ等のような化学反応の状態を正確にリアルタイムで把握することができる。更には、この検出結果を照射制御手段にリアルタイムにフィードバックさせることもできる。即ち、この場合であれば、蛍光検出した測定結果によって反応の進行状況等を反応領域Ａごとに個別に把握でき、これに基づいて各反応領域Ａの加熱を個別に制御すること等ができる。

勿論、使用する蛍光マーカーが一種類である場合には１波長の励起光でよいが、蛍光マーカーを複数用いる場合や複数の励起特性を有するマーカーを用いる場合には、複数波長を時間分割して照射することで、各波長光（例えば、励起光）に対する特性を評価できる。また、本発明において、光を時間分割して照射することで、単一波長による観察をより短い時間で行うことが可能となり、検出感度（Ｓ／Ｎ）の向上等も可能となる。

例えば、反応制御装置９であれば、加熱用光（光源９１ａ）：１秒、第１の測定用光（光源９１ｂ）：０．１秒、第２の測定用光（光源９１ｃ）：０．１秒、第３の測定用光（９１ｄ）：０．１秒、加熱用光（光源９１ａ）：１秒、・・・といった照射サイクルを繰り返すことで、温度制御を行ないつつ、反応の観察もリアルタイムで行うことができる。

更に、光検出部９４は、前記４波長の光を夫々受光・検出することができる。即ち、特定波長の光を透過するフィルタを複数備え、これらのフィルタが透過する特定波長は夫々異なる波長であることを特徴とするフィルタ膜を、検出部９４に設けている。。反応制御装置９では、４枚のフィルタ９４１，９４２，９４３，９４４をマトリクス的に配置しており、これらは特定波長λ_ａ，λ_ｂ，λ_ｃ，λ_ｄを夫々透過するものである。そして、フィルタ膜としては、例えば、赤外光透過フィルタとＲＧＢフィルタ等を用いることができる。

即ち、透過可能な特定波長が異なる領域を複数備えたフィルターを用い、更に光検出部はこのフィルターにより透過された各特定波長の光を検出する光検出素子を複数設けることが望ましい。更に望ましくは、これらの光学系は同軸光路であることが望ましい。まず、前記したフィルタ膜等を用いることで、幅広い波長域に対応させることができる。特に、蛍光分析等を行なう場合には、複数の蛍光ラベル等を同時に用いることもでき、かつこれを高い精度で検出できるため好適である。

本発明に係る反応制御装置によれば、基板に設けた反応領域への加熱照射を正確に行うことができる。更には、分光測定等の他の光学系も同軸光路で行うことで、加熱照射と同様に正確に照射することができる。更には、複数の反応領域を備えた基板である場合において、各反応領域に対応した光源を夫々設けることで、各反応領域の個別制御が可能となる。

そして、各反応領域ごとに加熱用光源（例えば、ＬＤやＬＥＤ）を設け、これらの加熱用光源を夫々独立に駆動させる構成とすることで、各反応領域の温度を個別かつ高精度に制御できる。これにより反応領域Ａごとに設定温度を変えて制御することもできる。また、分光測定を行う場合でも、これを同軸光路上で行えば高い照射精度が同時に得られるため、正確な測定結果をリアルタイムで得ることができる。更に、各反応領域Ａによって異なる波長の光も用いることもできる。従って、特に、微小な反応領域や微細流路を備えた基板において所定反応を行なう場合にとりわけ優れた効果を発揮できる。

そして、位置精度を有したアレイ状の部品（例えば、ＬＤやＬＥＤ等の光源、レンズアレイ、これに対応する光検出部）等を必要に応じて設ける、反応制御装置で必要とする各種調整を簡略化できる。また、今まで説明した装置の各種構成・部品等は、半導体プロセス等を用いることで小型化できる。その結果、マイクロ空間で所定反応の制御や検出等が可能となるばかりでなく、装置全体としても小デバイス化が可能となる。また、従来用いられているような、いわゆるイメージセンサのかわりに、反応領域ごとに光検出部を用いることで、高感度でありながら高精度の反応検出が可能となる。

本発明の反応制御装置は、基板の形態として各種チップや各種センサーの如き形態として使用することができる（例えば、図１０参照）。例えば、血液分析チップや生体高分子検出チップ等に用いることができる。従って、本発明は、マイクロ流路を用いた分析システムであるμＴＡＳやLab-on-a-chip等のバイオ・化学アプリケーションにも応用できる。

更に、基板として使用することで使い捨てとした場合であっても、経済的な負担が軽減できる。従って、試料のコンタミネーション等も防止できるため、より高い測定精度を簡便に得ることができる。

そして、基板に用いる測定試料の小容量化・微量化が可能であれば、基板上で網羅的な解析を行なうことができる。また、解析時間の短縮や必要とする測定試料の少量化も可能となる。従って、各種測定試料の小容量化・微量化とする技術は、医療、環境科学、食品分析等をはじめとする幅広い分野への応用が期待されている。

本発明の反応制御装置は、各種反応に用いることができ、生物のゲノムやタンパクの解析、創薬支援、コンビナトリアルケミストリ等の化合物合成・分析、環境のモニタリング試験、食品の安全性検査等にも用いることができる。その中でも、微小な試料を増幅させる遺伝子増幅反応や、マイクロリアクターや、更にはフローサイトメトリー等の分光測定機器として好適に用いることができる。

フローサイトメトリーは、試料から発生する蛍光発光のみならず側方散乱光等も検出対象として用いるため、今まで述べたような複数光源を用いることができる点で好適である。また、マイクロ流路中を測定対象である微小粒子を通過させながら分光測定する場合は、照射精度が高い点でも、本発明の反応制御装置を好適に使用できる。

遺伝子増幅反応は、微小なサンプルを正確に増幅させることが必要であるが、その増幅反応を制御するには、分光測定や温度制御を正確に行うことが重要である。これに関して、本発明の反応制御装置であれば、正確な温度制御や高精度の分光測定を行なうことができる点で好適である。なお、遺伝子増幅反応は、その出発物質と増幅産物の種類に応じて、種々の手法が用いられているが、ここでは一例として、本発明の反応制御装置においてＰＣＲ法を行う場合について説明する。

ＰＣＲ法は、「熱変性→プライマーとのアニーリング→ポリメラーゼ伸長反応」という増幅サイクルを連続的に行うことで、ＤＮＡ等を数十万倍にも増幅させることができる。このようにして得られるＰＣＲ増幅産物をリアルタイムでモニタリングして前記微量核酸の定量分析を行うこともできる。

しかし、ＰＣＲ法等において前記増幅サイクルを正確に制御することが必要である。そのためには高精度の温度制御が必要となる。温度制御が不十分である場合には、無関係なＤＮＡ配列を増幅してしまったり、増幅が全く見られなかったりする問題があった。

これに対して、本発明に係る反応制御装置によれば、特に光照射により加熱を行う場合に、ＤＮＡ解離温度やアニーリング温度や伸長温度等の絶対温度だけでなく、各反応領域の昇温や降温勾配や伸長時間等といった様々なパラメータについても正確に制御できる。更に、１つの基板上で、反応領域の数だけこれらの条件を変えて測定することが可能となる。また、蛍光色素等によってラベリングする場合においても、異なる波長の光を使用できるため、複数の色素を検出することもできる。このようなことから、増幅条件の最適化を容易に行なうことができ、更には網羅的解析にも大きく貢献できる。

いままで説明した反応制御装置と同様に、本発明の反応制御方法でも同様の効果を得ることができる。即ち、反応領域で所定反応を行なうに際し、少なくとも前記反応領域に光照射することで加熱を行う反応制御方法であって、前記反応領域に加熱用の光を照射し、前記照射された前記加熱用の光を受光し、該受光した光の情報を検出し、前記情報に基づいて前記光照射を制御することを少なくとも行なうものである。そして、今まで説明した反応制御装置において、この反応制御方法を行うことができるのは勿論である。

本発明に係る反応制御装置の第１実施形態の簡略側面図である。 同第１実施形態の一状態を説明するための簡略側面図である。 同第１実施形態で行う光検出の一例を説明するための一部概念図である。 本発明に係る反応制御装置の第２実施形態の一部概念図である。 本発明に係る反応制御装置の第３実施形態の一部概念図である。 本発明に係る反応制御装置の第４実施形態の一部概念図ある。 本発明に係る反応制御装置の第５実施形態の簡略側面図である。 本発明に係る反応制御装置の第６実施形態の簡略側面図である。 本発明に係る反応制御装置の第７実施形態の簡略側面図である。 本発明に係る反応制御装置に用いることができる基板の一形態例の簡略斜視図である。 本発明に係る反応制御装置の第８実施形態の簡略構成図である。

符号の説明

１，２，３，４，５，６，７，９ 反応制御装置
１１，５１，６１，７１，９１ａ，９１ｂ，９１ｃ，９１ｄ 光源
１４，２２，３２，４３，５３，６４，７４，９４ 光検出部
Ａ 反応領域
Ｓ 照射スポット

Claims (8)

1. 反応領域と、該反応領域を加熱する加熱部とを少なくとも備えた反応処理装置であり、
   前記加熱部は、
   加熱源としての光源と、
   前記反応領域に照射された加熱用の光を受光し、該受光した光の情報を検出結果として検出する光検出部と、
   前記検出結果に基づいて前記光源からの光照射を制御する照射制御手段と、
   を少なくとも備える反応制御装置。
2. 前記光源は、複数の波長の光を照射可能であり、照射する光の波長が時分割により切り替えられることを特徴とする請求項１記載の反応制御装置。
3. 前記照射制御手段は、前記検出部の検出対象とする光を、ホログラムによって、前記光検出部における所定の照射スポットに導くことを特徴とする請求項１記載の反応制御装置。
4. 前記光検出部は、複数の光検出素子を備えることで、複数の波長の光の検出を行うことを特徴とする請求項１記載の反応制御装置。
5. 前記光検出部は、特定波長の光を透過するフィルターを備えたことを特徴とする請求項１記載の反応制御装置。
6. 前記フィルターは、透過可能な特定波長が異なる領域を複数備え、
   前記光検出部は、前記フィルターを透過した光の各波長に対応する光検出素子をそれぞれ備えることを特徴とする請求項５記載の反応制御装置。
7. 前記反応領域は、アレイ状に複数設けられ、
   前記光源と前記光検出部も、前記反応領域に対応してアレイ状に複数設けられていることを特徴とする請求項１記載の反応処理装置。
8. 反応領域で所定反応を行なうに際し、少なくとも前記反応領域に光照射することで加熱を行う反応制御方法であって、
   前記反応領域に加熱用の光を照射し、
   前記照射された前記加熱用の光を受光し、該受光した光の情報を検出し、
   前記情報に基づいて前記光照射を制御することを少なくとも行なう反応制御方法。

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