JP4764341B2 - ポリメラーゼ連鎖反応のための装置 - Google Patents

Description

本願は、２００３年５月２８日に出願した米国特許仮出願第６０／４７３，４４７号の優先権および利益を主張し、それを参照によってここに組み込む。本発明は、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）のための装置に関し、さらに詳しくは、ＰＣＲ技術を使用してサンプル中の生物剤の有無を検出するために手持ち式計器と共に使用することのできる装置に関する。

ＰＣＲ技術は、施設セキュリティ専門家、軍隊、および救急対応要員、例えば消防士、警察、緊急医療要員、および危険物処理班によって使用され、生命を脅かす生体有害物質が現場に存在するか否かを現地及び野外で決定することができる。例えば、ＰＣＲ技術を利用する生物学的検出計器は、炭疸菌のような生物剤が存在しないかを調べるサンプルを検査するために使用することができ、４０分またはそれ以下で正確な結果をもたらす。

サンプルは最初に、使い捨て反応管内でＰＣＲ反応混合物へと調剤される。反応管は、計器の反応装置内のチャンバ内へ挿置される。反応装置内で、反応混合物は熱サイクル（加熱および冷却）を受ける。生物剤の有無は計器によって光学的に検出される。

従来の反応装置の一つの不利点は、そのような反応装置が、現地及び野外で使用するのに適した携帯用（手持ち式）生物学的検出計器にパッケージ化するには重すぎ、かつ複雑すぎることである。例えば、従来の反応装置は、反応混合物を加熱および冷却するために加熱および冷却流体がその中を流れる金属ブロックから構成される（例えば、参照によって本書に組み込まれる米国特許第５，５５５，６７５号を参照されたい）。該金属ブロックならびに流体の温度および供給を制御するために必要な構成部品は、反応装置の重量および複雑さを増大する。その結果、生物学的検出計器の重量および複雑さが増大するので、計器を容易に現地および野外の現場に運ぶことができない。

従来の反応装置の別の不利点は、そのような反応装置が反応混合物を急速または効率的に加熱および冷却できないことである。例えば、従来の反応装置の金属ブロックは高い熱伝導率を有するので、熱は反応混合物から金属ブロックを通して計器内に逆に伝達される。したがって、反応装置の加熱効率が低減する。その結果、熱サイクルを完了するための時間が増大する。

一部の従来の反応装置は、反応混合物を急速に加熱および冷却するために、発熱素子を一体化した微細加工シリコンを使用しているが、そのような反応装置は比較的高い工具費、労賃、および生産コストが悩みである（例えば、参照によって本書に組み込まれる米国特許第５，５８９，１３６号を参照されたい）。さらに、微細加工された発熱体の脆弱性は、そのような発熱体を携帯野外用としては非現実的にする。

本発明の一態様では、検出装置を提供する。該検出装置は、試料を受容するように構成されたチャンバを収容する筺体と、該チャンバ内に配置された加熱素子と、該チャンバの観察を可能にする光学窓とを含む。筺体は、流体をチャンバ中に流動させ、それによって冷却を達成するように構成された通路を含む。

本発明の別の態様では、生物剤を検出するための計器を提供する。該計器はアレイ状に配設された複数の筺体を含む。各筺体は、試料を受容するように構成されたチャンバと、該チャンバ内に配置された加熱素子と、該チャンバの観察を可能にする光学窓とを含む。加えて、各筺体は、流体をチャンバ中に流動させ、それによって冷却を達成するように構成された通路を含む。

この明細書に組み込まれ、その一部を構成する添付の図面は、本発明の実施形態を示し、解説と共に本発明の原理を説明するのに役立つ。

図１を参照すると、計器４０用の検出装置１は一般的に、筺体１０、加熱素子２０、および光学アパーチャ(optical aperture)（窓：window）３０を含む。

筺体１０は、炭疸菌、野兎病、疫病、または天然痘のような生物剤を潜在的に含む試料（サンプル）を受容するように構成される。試料は、筺体１０内に挿置することのできる長尺部分を有する使い捨て反応管内に収容することができる。参照によって本書に組み込む、２００３年１２月４日に出願された米国特許出願第１０／７３７，０３７号、および２００３年５月２８日に出願された米国特許仮出願第６０／４７３，５３９号に記載されているように、反応チャンバ１は反応管（サンプル保持器）と共に使用することが好ましい。

図１に示すように、筺体１０は筺体１０の高さＨが筺体１０の幅Ｗより大きくなるように形作ることができる。高さＨを筺体１０の奥行きＤより大きくすることもできる。したがって、筺体１０は矩形の形状を有する。筺体１０の底部は、計器４０の装着用レール内への筺体１０の挿入を容易にするために、一対の脚１７を含む。

筺体１０は、試料を受容するように構成されたチャンバ１２を形成するために、一つに結合される第一部分１０ａ（図３に示す）および第二部分１０ｂを含む。第二部分１０ｂは構造的に第一部分１０ａと同様であり（第二部分１０ｂに光学アパーチャ３０が欠如していることを除く）、第一部分１０ａと嵌合するように構成される。第一部分１０ａおよび第二部分１０ｂは、いずれかの従来の方法で（例えば接着剤を使用して）一つに結合することができるが、パチンと嵌め合う(snap together)ように構成することが好ましい。例えば、第一部分１０ａおよび第二部分１０ｂは各々、筺体１０の他方の部分１０ａまたは１０ｂに配置された対応するアパーチャ(aperture)１４ｂ内にパチンと嵌って係合するように構成された、一つまたはそれ以上のタング１４ａ（図４および５に示す）を含むことができる。

筺体１０はまた、流体がチャンバ１２中を流動して冷却を達成することができるように構成された、通路１６をも含む。例えば通路１６は、図１に示すように上下に配置された複数の溝(channel)１６ａを含むことができる。各溝１６ａは、筺体１０の第一側面から筺体１０の第二側面まで延在することが好ましい。したがって、溝１６ａは筺体１０中全体に延在する（図４に示す通り）。加えて、試料がチャンバ１２内に受容されたときに、流体が試料を超えて流動するように、溝１６ａはチャンバ１２と交差する。この方法により、空気のような流体はチャンバ１２中を流動し、それによって熱を除去し、試料に冷却をもたらすことができる。

本発明の一実施形態では、筺体１０は電気絶縁性材料から作られる。該材料は例えばプラスチック、ポリマ、または樹脂とすることができ、約１Ｗ／ｍ−Ｋ未満の熱伝導度を持つことができる。筺体１０は、商品名ＶＡＬＯＸ（登録商標）によって知られる樹脂のような熱可塑性ポリエステル樹脂から形成することが好ましい。本発明の別の実施形態では、筺体１０は断熱性材料から形成される。その結果、加熱素子２０は筺体１０によって計器４０から断熱されるので、筺体１０を通して計器４０へ伝達される熱の量がかなり低減される。したがって、加熱素子２０によって発生する熱が試料に集中する。筺体１０は、電気的絶縁性および断熱性の両方である材料から形成することが好ましい。ＶＡＬＯＸ（登録商標）は模範的材料である。プラスチック、ポリマ、または樹脂材を使用して筺体１０を形成することにより、金属ブロックから作られた従来の装置の重量に対して、筺体１０の重量が低減される。その結果、検出装置１は改善された熱効率、より低いコストを有し、携帯性が高まり、かつ取り扱いが容易になる。

試料がチャンバ１２内に挿置されたときに、試料の温度を高めることができるように、加熱素子２０はチャンバ１２に熱を提供する。加熱素子２０は可撓性とすることができ、かつ例えば約０．０１５インチ以下の厚さを持つことができる。模範的実施形態では、加熱素子２０は、基板２１上に堆積された二つのエッチング抵抗素子(etched resistance element)２２（発熱体）を含む薄膜抵抗体である。基板２１はポリエステル膜、例えば商品名ＭＹＬＡＲ（登録商標）によって知られるポリエステル膜、またはポリイミド膜、例えば商品名ＫＡＰＴＯＮ（登録商標）によって知られるポリイミド膜とすることができる。加熱素子２０はまた、加熱素子２０の温度を感知するためのサーミスタ２３をも含むことができる。

加熱素子２０（図２に示す）は、チャンバ１２内でチャンバ１２の壁上に配置するように構成される。加熱素子２０は例えば、接着剤を使用してチャンバ１２の壁に接着することができる。模範的実施形態では、加熱素子２０は、筺体の第一部分１０ａおよび第二部分１０ｂが嵌合される前に、筺体１０に取り付けられる単一組立体である。この実施形態では、加熱素子２０の一端２０ａが筺体の第一部分１０ａに取り付けられ、加熱素子２０の他端２０ｂが筺体の第二部分１０ｂに取り付けられる。加熱素子２０の中心部分２０ｃは折れ曲がるように構成されるので、次いで筺体１０の第一および第二部分１０ａ、１０ｂを結合することができる。このようにして、加熱素子２０は筺体１０のチャンバ１２内に設置される。

加熱素子２０は、計器４０内の電源に接続されるように構成される。例えば加熱素子２０は、抵抗素子２２用のリード線２４ａおよびサーミスタ２３用のリード線２４ｂを含むことができる。各々のリード線２４ａ、２４ｂの一端は加熱素子２０に圧着または接着することができ、各々のリード線２４ａ、２４ｂの他端は、電源に接続するためのコネクタ２６（例えばワイヤ対ワイヤレセプタクル）で終端することができる。加熱素子２０は追加的に、光学アパーチャ３０の一部を構成する開口２８を含むことができる。

光学アパーチャ３０は、計器４０によるチャンバ１２の光学的監視または観察を可能にするように構成される。図１および４に示すように、光学アパーチャ３０は、筺体１０の壁を貫通して延びる第一開口３２ａおよび第二開口３２ｂを含む。開口３２ａおよび３２ｂは例えば、第一開口３２ａが第二開口３２ｂの上に配置されるように、上下に配置することができる。加熱素子２０が筺体１０内に設置されるときに、光学アパーチャ３０が加熱素子２０を貫通して延びるように、加熱素子の開口２８は開口３２ａおよび３２ｂと位置合わせされる。したがって、加熱素子２０は光学アパーチャ３０のチャンバ１２内への視線経路を遮断しない。

光学アパーチャ３０は、試料が検出装置１のチャンバ１２内に挿置されたときに、計器４０内の検出器が試料を分析することができるように構成される。検出器は、光学分光分析を使用して、生物剤が試料中に存在するかどうかを決定する。検出器はいずれかの適切な検出器とすることができるが、蛍光に基づく光学分光分析を使用する検出器であることが好ましい。操作時に、使用者はサンプルを使い捨て反応管内でＰＣＲ反応混合物へと調剤し、反応管を検出装置１のチャンバ１２内へ挿置する。検出装置１で、反応混合物を一連の熱サイクル（例えば４０〜５０回の熱サイクル）にさらすことによって、ＤＮＡ増幅が達成される。模範的実施形態では、各熱サイクル中に検出装置１は、加熱素子２０を起動させることによって、反応混合物を摂氏約９６度の温度まで加熱し、次いで加熱素子２０の動作を停止し、空気を溝１６ａに流動させることによって、反応混合物の温度を摂氏約６０度の温度まで冷却する。空気流は、ファンのような空気源によって付勢される強制空気流であることが好ましい。熱サイクルが完了すると、励起波長が開口３２ａ、３２ｂの一つを通って向けられ、検出（発光）波長が開口３２ａ、３２ｂのもう一つを通って向けられ、それによって生物剤が反応混合物内に存在するかどうかが決定される。蛍光発光の増加は、生物剤の存在に関連付けられる。

検出装置１の上述した実施形態は、軽量で手持ち式の計器４０（図６に示す）と共に使用することができる。模範的実施形態では、計器４０は、複数のサンプルを同時に分析することができるように、図６に示すようにアレイ状に配設された、幾つかの独立して動作する検出装置１を含む。この方法により、生体有害物質を検出するためのＰＣＲ技術は、現地及び野外で施設セキュリティ専門家、軍隊、および救急対応要員に容易に利用可能になる。

したがって、上述した例示的実施形態では、ＰＣＲ技術を使用してサンプル中の生物剤の有無を検出するために手持ち式計器と共に使用することのできる装置がもたらされる。

本発明の変形および他の実施形態は、本書に開示した本発明の詳細および実施の検討から、当業者には明白であろう。詳細および実施例は単なる例示とみなされ、発明の範囲は付属の請求の範囲によってのみ限定されることを意図している。

本発明に係る検出装置の実施形態の斜視図である。 図１の検出装置の加熱要素の上面図である。 図１の検出装置の第一部分の立面図である。 図３の線Ａ−Ａに沿って切った断面図である。 図１の検出装置の第一部分の上面図である。 本発明に係る携帯検出計器の実施形態の斜視図である。

符号の説明

１ 検出装置
１０ 筐体
２０ 加熱素子
３０ 光学アパーチャ
４０ 計器

Claims (32)

1. 試料を受容するように構成されたチャンバを収容する筺体と、前記チャンバ内に配置された加熱素子と、前記チャンバの観察を可能にする光学窓とを備えた検出装置であって、前記筺体の一方の面からそれに対向する面へ向かって前記チャンバ中を通過して流体を流動させそれによって前記チャンバ中の前記試料を冷却するように構成された通路が前記筺体に含まれる検出装置。
2. 前記筺体が断熱材を含む、請求項１に記載の検出装置。
3. 前記筺体が電気絶縁体を含む、請求項１に記載の検出装置。
4. 前記筺体がプラスチックを含む、請求項１に記載の検出装置。
5. 前記筺体がポリマ材料を含む、請求項１に記載の検出装置。
6. 前記筺体が樹脂を含む、請求項１に記載の検出装置。
7. 前記樹脂が熱可塑性ポリエステル樹脂を含む、請求項６に記載の検出装置。
8. 前記筺体が約１Ｗ／ｍ−Ｋ未満の熱伝導度を有する材料を含む、請求項１に記載の検出装置。
9. 前記筺体の高さが前記筺体の幅より大きく、かつ前記筺体の奥行きより大きい、請求項１に記載の検出装置。
10. 前記筺体が、一つに結合されてチャンバを形成する第一部分および第二部分を含む、請求項１に記載の検出装置。
11. 前記第一部分および前記第二部分が噛み合って係合するように構成された、請求項１０に記載の検出装置。
12. 前記第一部分が突起を含み、前記第二部分がアパーチャを含み、前記突起および前記アパーチャが係合して、前記第一部分および前記第二部分が噛み合って係合することができるように構成された、請求項１１に記載の検出装置。
13. 前記加熱素子が薄膜抵抗体を含む、請求項１に記載の検出装置。
14. 前記薄膜抵抗体が、基板上に配置されたエッチング抵抗素子を含む、請求項１３に記載の検出装置。
15. 前記基板がポリエステル膜を含む、請求項１４に記載の検出装置。
16. 前記基板がポリイミド膜を含む、請求項１４に記載の検出装置。
17. 前記加熱素子が可撓性である、請求項１に記載の検出装置。
18. 前記加熱素子が第一発熱体および第二発熱体を含む、請求項１に記載の検出装置。
19. 前記第一発熱体が前記チャンバの第一壁上に配置され、かつ前記第二発熱体が前記チャンバの前記第一壁に対向する第二壁上に配置された、請求項１８に記載の検出装置。
20. 前記流体が空気を含む、請求項１に記載の検出装置。
21. 前記通路が上下に配置された複数の溝を含む、請求項１に記載の検出装置。
22. 前記通路が前記筺体の第一側面から前記筺体の第二側面まで延在する請求項１に記載の検出装置。
23. 前記光学窓は、前記検出装置による前記チャンバの光学的監視を可能にするように構成される、請求項１に記載の検出装置。
24. 前記光学窓は、前記筺体の壁を貫通して延びる開口を含む、請求項１に記載の検出装置。
25. 前記光学窓は、前記加熱素子を貫通して延びる開口を含む、請求項１に記載の検出装置。
26. 前記開口が第一開口と、前記第一開口の下に配置された第二開口とを含む、請求項２４に記載の検出装置。
27. 前記検出装置が試料の蛍光を検出するように構成された、請求項１に記載の検出装置。
28. 前記試料が反応管内に収容される、請求項１に記載の検出装置。
29. 前記反応管が、前記チャンバに受容されるように構成された、請求項２８に記載の検出装置。
30. 生物剤を検出するための携帯計器であって、
    アレイ状に配設された複数の筺体を備え、
    各筺体は、試料を受容するように構成されたチャンバと、前記チャンバ内に配置された加熱素子と、前記チャンバの観察を可能にする光学窓と、該筺体の一方の面からそれに対向する面へ向かって前記チャンバ中を通過して流体を流動させそれによって前記チャンバ中の前記試料を冷却するように構成された通路とを含む、
    携帯計器。
31. 前記携帯計器が使用者の手の中に保持されるように構成された、請求項２９に記載の携帯検出装置。
32. 前記携帯計器が六個の筺体を含む、請求項２９に記載の携帯検出装置。