JP2017108710A - 試料加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、試料チューブおよびチューブホルダを効率よく冷却することができる試料加熱装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の試料加熱装置は、それぞれ試料チューブを受容する複数のチューブ受容用凹所が互いに離間して並ぶよう形成されたチューブホルダと、前記チューブホルダを介して前記試料チューブを加熱する加熱機構とを備えてなり、前記チューブホルダは、互いに隣接するチューブ受容用凹所の間の位置に欠落部を有することを特徴とする。【選択図】図４

Description

本発明は、ＰＣＲ法によってＤＮＡを増幅する可搬式のサーマルサイクラーとして好適に利用することができる試料加熱装置に関する。

例えば親子鑑定等のＤＮＡ型鑑定や、細菌やウイルスなどのＤＮＡの検査においては、ＰＣＲ法（ポリメラーゼ連鎖反応）によって微量のＤＮＡを増幅するために、サーマルサイクラーと称される試料加熱装置が用いられている。この試料加熱装置においては、増幅対象であるＤＮＡ、プライマー、ｄＮＴＰおよびＤＮＡポリメラーゼを含有する液状の試料に対して、周期的な温度パターンに従って加熱処理を実行することにより、ＤＮＡの融解（変性）、ＤＮＡとプライマーとのアニーリング、およびＤＮＡの複製が繰り返して生ずる結果、ＤＮＡが増幅される。

従来、サーマルサイクラーに用いられる試料加熱装置としては、試料チューブ（マイクロプレートのスリーブ）を受容する複数のチューブ受容用凹所が互いに離間して並ぶよう形成されたチューブホルダ（サーマルブロック）を備えてなるものが知られている（特許文献１参照。）。このような試料加熱装置においては、加熱機構によって、チューブホルダを介して試料チューブが加熱処理される。

特表２０１２−５１７２２０号公報

しかしながら、上記の試料加熱装置においては、試料の加熱処理の終了直後には、チューブホルダおよび試料チューブが相当に高い温度に加熱されているため、作業者が火傷する虞れがある。また、試料チューブおよびチューブホルダが十分に冷却されるまでに相当に長い時間を要するため、作業効率が低下する、という問題がある。
更に、チューブホルダの端部は、当該チューブホルダの中央部よりも冷却されやすいので、チューブホルダの中央部位置に配置された試料チューブと、チューブホルダの端部位置に配置された試料チューブとの間に温度のバラツキが生じる、という問題がある。

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、試料チューブおよびチューブホルダを効率よく冷却することができ、しかも、複数の試料チューブについて均一な温度で加熱することができる試料加熱装置を提供することにある。

本発明の試料加熱装置は、それぞれ試料チューブを受容する複数のチューブ受容用凹所が互いに離間して並ぶよう形成されたチューブホルダと、
前記チューブホルダを介して前記試料チューブを加熱する加熱機構と
を備えてなり、
前記チューブホルダは、互いに隣接するチューブ受容用凹所の間の位置に欠落部を有することを特徴とする。

本発明の試料加熱装置においては、前記欠落部は貫通孔によって形成されていることが好ましい。
また、前記欠落部を形成する貫通孔の径が５〜２０ｍｍであることが好ましい。
また、前記チューブホルダは、熱伝導率が２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の金属材料よりなることが好ましい。
また、前記チューブホルダを冷却風によって冷却する冷却機構が設けられていることが好ましい。

本発明の試料加熱装置によれば、チューブホルダが欠落部を有することにより、欠落部を有さないチューブホルダに比較して、チューブホルダの熱容量が小さくなると共に表面積が大きくなるため、試料チューブおよびチューブホルダを効率よく冷却することができる。従って、加熱処理の終了後に、作業者が火傷することを防止することができ、また、作業効率の向上を図ることができる。
また、欠落部は、互いに隣接するチューブ受容用凹所の間の位置に形成されていることにより、チューブホルダの中央部が当該チューブホルダの端部と同様に冷却されやすい構造である。そのため、チューブホルダの中央部位置に配置された試料チューブと、チューブホルダの端部位置に配置された試料チューブとの間に温度のバラツキが小さい。従って、複数の試料チューブについて均一な温度で加熱することができる。

本発明の試料加熱装置の一例における内部の構成を示す説明用断面図である。 図１に示す試料加熱装置に用いられる試料チューブの構成を示す説明用断面図である。 図１に示す試料加熱装置におけるチューブホルダおよび加熱機構を上方から見た平面図である。 図３に示すチューブホルダおよび加熱機構のＡ−Ａ断面図である。 図３に示すチューブホルダおよび加熱機構のＢ−Ｂ断面図である。 図３に示すチューブホルダおよび加熱機構のＣ−Ｃ断面図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の試料加熱装置の一例における内部の構成を示す説明用断面図である。この試料加熱装置１０は、ＰＣＲ法によってＤＮＡを増幅する可搬式のサーマルサイクラーとして構成されている。

図１に示す試料加熱装置１０は、後述するチューブホルダ２０、加熱機構３０および冷却機構４０を収容する、外形が略直方体状の筐体１１を有する。この例では、図１において筐体１１の左面が正面、筐体１１の右面が背面である。この筐体１１の上面には、後述するチューブホルダ２０に、図２に示す構成のマイクロチューブよりなる試料チューブ１を着脱するためのチューブ着脱用開口１２が形成されている。筐体１１の背面（図１において右面）には、後述する冷却機構４０による冷却風を外部に排出するためのルーバーよりなる排気口１３が設けられている。

試料チューブ１は、有底筒状のチューブ本体２と、チューブ本体２の開口に着脱自在に設けられた、当該チューブ本体２の開口を閉塞する蓋体３とを有する。蓋体３は、その周縁部から伸びる連結部４を介してチューブ本体２の開口縁部に一体に連結されている。この試料チューブ１は、例えば内容積が約０．２ｍＬ、全長が約２１ｍｍ、チューブ本体２の最大径が約８ｍｍである。

筺体１１の内部には、チューブ着脱用開口１２の直下位置にチューブホルダ２０が配置されている。チューブホルダ２０の直下位置には、当該チューブホルダ２０を介して試料チューブ１を加熱する加熱機構３０が設けられている。また、チューブホルダ２０と筐体１１の排気口１３との間には、冷却風によってチューブホルダ２０を冷却する冷却機構４０が設けられている。
筐体１１には、下方に開口するカップ状のリッド体１５が、開閉機構５０によってチューブ着脱用開口１２に対して開閉自在に設けられている。また、筐体１１には、リッド体１５を閉状態において固定するバックル１４が設けられている。

図３は、図１に示す試料加熱装置１０におけるチューブホルダ２０および加熱機構３０を、試料チューブ１をセットした状態で上方から見た平面図である。図４は、図３に示すチューブホルダ２０および加熱機構３０のＡ−Ａ断面図である。図５は、図３に示すチューブホルダ２０および加熱機構３０のＢ−Ｂ断面図である。図６は、図３に示すチューブホルダ２０および加熱機構３０のＣ−Ｃ断面図である。
チューブホルダ２０は、長尺な板状の基台部２１上に、基台部２１と同方向に伸びる直方体状の保持部２２が基台部２１から突出するよう一体に形成されて構成されている。保持部２２の上面には、それぞれ試料チューブ１を受容する複数のチューブ受容用凹所２３が、当該保持部２２の長手方向に沿って互い離間して並ぶよう形成されている。チューブ受容用凹所２３の各々は、試料チューブ１のチューブ本体２に適合する形状、すなわち上端の開口から下端の底部に向かって小径となるテーパ状の形状を有する。

また、チューブホルダ２０は、互いに隣接するチューブ受容用凹所２３の間の位置に欠落部２５を有する。この例の欠落部２５は、チューブホルダ２０を水平な方向に貫通する貫通孔、具体的にはチューブホルダ２０における一方の外側面２６から他方の外側面２７に貫通する貫通孔によって形成されている。欠落部２５が貫通孔によって形成されていることにより、当該貫通孔に冷却風を導入することが可能となるため、チューブホルダ２０を一層効率よく冷却することができる。
欠落部２５を貫通孔によって形成する場合において、当該貫通孔の径は、５〜２０ｍｍであることが好ましい。

チューブホルダ２０を構成する材料としては、金属材料、シリコーン樹脂、ポリカーボネート樹脂等の耐熱性の樹脂材料を用いることができるが、熱伝導率が２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の金属材料を用いることが好ましい。これにより、複数の試料チューブ１についてより均一な温度で加熱することができる。
このような金属材料の具体例としては、アルミニウム、銅、鉄などが挙げられる。これらの中では、装置の軽量化の観点から，アルミニウムが好ましい。

加熱機構３０は、断熱材料よりなる支持板３１と、この支持板３１上に支持された、例えばポリイミドフィルムにステンレス製の抵抗線が形成されてなるシートヒータ３２とにより構成されている。支持板３１を構成する断熱材料としては、セラミックス材料、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂などの耐熱性を有する樹脂材料などを用いることが好ましい。

加熱機構３０は、筐体１１に固定された板状の支持体４５上にスペーサ４６を介して配置され、チューブホルダ２０は、加熱機構３０におけるシートヒータ３２上に配置されている。そして、チューブホルダ２０および加熱機構３０における支持板３１は、ボルト４７によって支持体４５に固定されている。

冷却機構４０は、ファンよりなり、吸気側がチューブホルダ２０に対向し、排気側が筐体１１の排気口１３に対向するよう配置されている。

リッド体１５の開閉機構５０は、当該リッド体１５を、下方に開口する姿勢が維持されたまま、閉状態と開状態との間を略円軌道で自在に移動するものである。
具体的には、開閉機構５０は、リッド体１５の両側面に取り付けられた２本ずつ（合計４本）のリンクバー５１を備えたリンク機構を有する。各リンクバー５１の基端部は、筺体１１の上面に上方に突出するよう設けられた突起板５２に、枢支軸を介して揺動自在に取り付けられている。一方、各リンクバー５１の先端部は、リッド体１５内における天井面に下方に突出するよう設けられた突起板５３に、枢支軸を介して揺動自在に取り付けられている。

この例の試料加熱装置１０においては、カップ状のリッド体１５の内部に、補助加熱機構３５が、閉状態において試料チューブ１の上面に対接するよう設けられている。また、リッド体１５には、補助加熱機構３５の側方位置に、閉状態において筐体１１の内部に冷却風を導入するためのルーバーよりなる吸気口１６が設けられている。

補助加熱機構３５は、試料の加熱処理中において、試料チューブ１における蓋体３の内面に結露が生じることを防止するためのものである。この例の補助加熱機構３５は、断熱材料よりなる支持板３６と、この支持板３６上に支持された、例えばポリイミドフィルムにステンレス製の抵抗線が形成されてなるシートヒータ３７と、このシートヒータ３７の表面に設けられた、例えばアルミニウムよりなる伝熱板３８とにより構成されている。この補助加熱機構３５は、支持ロッド３９によって、リッド体１５内における天井面に固定されており、リッド体１５が閉状態とされることにより、伝熱板３８が試料チューブ１における蓋体３の上面に対接される。

また、この例の試料加熱装置１０においては、筐体１１の上面に、リッド体１５の開状態において補助加熱機構３５に外部の物体が接触することを防止する接触防止部材５５が設けられている。この接触防止部材５５は、リッド体１５の開状態において、当該リッド体１５の開口縁と筐体１１の上面との間に位置するよう配置されている。

上記の試料加熱装置１０においては、先ずリッド体１５が開状態とされ、この状態で、筐体１１のチューブ着脱用開口１２から、試料チューブ１がチューブホルダ２０のチューブ受容用凹所２３にセットされる。次いで、リッド体１５が閉状態とされ、これにより、試料チューブ１における蓋体３の上面に、補助加熱機構３５における伝熱板３８が対接される。この状態で、バックル１４によって、リッド体１５が筐体１１に固定される。
そして、試料加熱装置１０を作動させると、加熱機構３０および補助加熱機構３５によって、試料チューブ１内の試料に対して、所定の温度プログラムに従って加熱処理が実行される。これにより、試料チューブ１内の試料中において、ＤＮＡの融解（変性）、ＤＮＡとプライマーとのアニーリング、およびＤＮＡの複製が繰り返して生じ、その結果、ＤＮＡが増幅される。

以上において、試料チューブ１に収容される試料は、増幅対象であるＤＮＡ、プライマー、ｄＮＴＰおよびＤＮＡポリメラーゼを含むものである。
また、加熱処理に係る温度プログラムは、増幅対象であるＤＮＡの融解温度や、ＤＮＡポリメラーゼの種類などを考慮して適宜設定される。
また、加熱機構３０および補助加熱機構３５の作動中において、リッド体１５が開けられたときに、加熱機構３０および補助加熱機構３５の作動を停止する安全機構が設けられていてもよい。

このようにして、試料チューブ１内の試料に対する加熱処理が終了すると、加熱機構３０および補助加熱機構３５が停止されると共に、冷却機構４０が作動する。これにより、リッド体１５に設けられた吸気口１６から装置内部に冷却風が導入される。この冷却風は、先ず、吸気口１６の正面に位置する補助加熱機構３５に向かって流れ、これにより、補助加熱機構３５が冷却される。その後、冷却風は、補助加熱機構３５の下方に向かって流れ、当該補助加熱機構３５の下方に位置する試料チューブ１、チューブホルダ２０および加熱機構３０が冷却される。その後、冷却風は、加熱機構３０の側方に位置する冷却機構４０に向かって流れ、当該冷却機構４０を介して、排気口１３から装置外部に排出される。

以上において、冷却機構４０は、作動を開始してから所定の時間、例えば５分間が経過したときに作動を停止するよう制御されてもよく、チューブホルダ２０の温度が所定の温度、例えば４０℃に達したときに作動を停止するよう制御されてもよい。
また、冷却機構４０の作動が停止するまで、リッド体１５が開かないよう当該リッド体１５の閉状態を維持する安全機構が設けられていてもよい。

上記の試料加熱装置１０によれば、チューブホルダ２０が欠落部２５を有することにより、欠落部を有さないチューブホルダに比較して、チューブホルダ２０の熱容量が小さくなると共に表面積が大きくなる。そのため、試料チューブ１およびチューブホルダ２０を効率よく冷却することができる。従って、加熱処理の終了後に、作業者が火傷することを防止することができ、また、作業効率の向上を図ることができる。
また、欠落部２５は、互いに隣接するチューブ受容用凹所２３の間の位置に形成されていることにより、チューブホルダ２０の中央部が当該チューブホルダ２０の端部と同様に冷却されやすい構造である。そのため、チューブホルダ２０の中央部位置に配置された試料チューブ１と、チューブホルダ２０の端部位置に配置された試料チューブ１との間に温度のバラツキが小さい。従って、複数の試料チューブ１について均一な温度で加熱することができる。

以上、本発明の試料加熱装置の実施の形態について説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されず、種々の変更を加えることが可能である。
例えば上記の試料加熱装置１０は、ＰＣＲ法によってＤＮＡを増幅する可搬式のサーマルサイクラーとして構成されたものであるが、その他の用途に使用される試料加熱装置として構成されていてもよい。

１ 試料チューブ
２ チューブ本体
３ 蓋体
４ 連結部
１０ 試料加熱装置
１１ 筐体
１２ チューブ着脱用開口
１３ 排気口
１４ バックル
１５ リッド体
１６ 吸気口
２０ チューブホルダ
２１ 基台部
２２ 保持部
２３ チューブ受容用凹所
２５ 欠落部
２６ 一方の外側面
２７ 他方の外側面
３０ 加熱機構
３１ 支持板
３２ シートヒータ
３５ 補助加熱機構
３６ 支持板
３７ シートヒータ
３８ 伝熱板
３９ 支持ロッド
４０ 冷却機構
４５ 支持体
４６ スペーサ
４７ ボルト
５０ 開閉機構
５１ リンクバー
５２ 突起板
５３ 突起板
５５ 接触防止部材

Claims (5)

1. それぞれ試料チューブを受容する複数のチューブ受容用凹所が互いに離間して並ぶよう形成されたチューブホルダと、
   前記チューブホルダを介して前記試料チューブを加熱する加熱機構と
   を備えてなり、
   前記チューブホルダは、互いに隣接するチューブ受容用凹所の間の位置に欠落部を有することを特徴とする試料加熱装置。
2. 前記欠落部は貫通孔によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の試料加熱装置。
3. 前記欠落部を形成する貫通孔の径が５〜２０ｍｍであることを特徴とする請求項２に記載の試料加熱装置。
4. 前記チューブホルダは、熱伝導率が２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の金属材料よりなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の試料加熱装置。
5. 前記チューブホルダを冷却風によって冷却する冷却機構が設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の試料加熱装置。

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