(57)【要約】  本発明は、高速大量処理解析の分野に関する。特に、本発明は、多数の試料の同時調節のためのデバイス、システムおよび方法に関する。より詳しくは、本発明は、マイクロタイタープレート形式でPCRを行なうための多数の試料の同時サーモサイクリングに関する。
2008534935.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
a) 多数の試料を含むサーマルブロック1、
b) 少なくとも１つのヒートポンプ2、
c) サーマルベース4、
d) ヒートシンク5、および
e) 多数の試料の同時サーモサイクリングを制御するための制御ユニット3
を備え、
前記サーマルベース4が前記ヒートシンク5および前記少なくとも１つのヒートポンプ2と熱的に接触しており、前記少なくとも１つのヒートポンプ2が前記サーマルブロック1と熱的に接触している、
多数の試料の同時サーモサイクリングのためのデバイス。
【請求項２】
前記サーマルブロック1が、前記多数の試料を受けるように配置された凹部7を含む、請求項１記載のデバイス。
【請求項３】
前記少なくとも１つのヒートポンプ2が、熱電変換デバイス、好ましくは半導体素子、より好ましくは、ペルチェ素子である、請求項１または２記載のデバイス。
【請求項４】
前記サーマルベース4が実質的に平面状である、請求項１〜３いずれか記載のデバイス。
【請求項５】
前記サーマルベース4に凹部がない、請求項４記載のデバイス。
【請求項６】
前記サーマルベース4の断面積が前記ヒートシンク5の断面積より20%未満大きいか小さく、前記サーマルベース4の断面積が前記サーマルブロック1の断面積より大きく、前記断面積が、それぞれの接触面に対して平行である、請求項４または５記載のデバイス。
【請求項７】
前記サーマルベースに、前記サーマルベース4の熱伝導率特性を変化させるための制御手段9が設けられた、請求項１〜６いずれか記載のデバイス。
【請求項８】
前記制御ユニット3が前記少なくとも１つのヒートポンプ2の特性を制御する、請求項１〜７いずれか記載のデバイス。
【請求項９】
前記制御ユニット3が、前記サーマルベース4の熱伝導率特性を変化させるための前記制御手段9をさらに制御する、請求項８記載のデバイス。
【請求項１０】
a) 前記多数の試料を含むサーマルブロック1、
b) 少なくとも１つのヒートポンプ2、
c) 第１のサーマルベース4および第２のサーマルベース6、
d) ヒートシンク5、および
e) 多数の試料の前記同時サーモサイクリングを制御するための制御ユニット3
を含む、多数の試料の同時サーモサイクリングのためのデバイス。
【請求項１１】
前記第１のサーマルベース4が実質的に平面状である、請求項１０記載のデバイス。
【請求項１２】
前記少なくとも１つのヒートポンプ2が前記２つのサーマルベース4,6の間にあり、前記少なくとも１つのヒートポンプ2が両方のサーマルベース4,6と熱的に接触している、請求項１０または１１記載のデバイス。
【請求項１３】
前記第１のサーマルベース4の断面積が前記ヒートシンク5の断面積より20%未満大きいか小さく、前記第１のサーマルベース4の断面積が前記サーマルブロック1の断面積より大きく、前記第２のサーマルベース6 が実質的に平面状であり、前記第２のサーマルベース6が前記サーマルブロック1と熱的に接触しており、前記断面積がそれぞれの接触面に対して平行である、請求項１０〜１２いずれか記載のデバイス。
【請求項１４】
前記第１のサーマルベース4および前記第２のサーマルベース6の両方に凹部がない、請求項１３記載のデバイス。
【請求項１５】
前記第１のサーマルベース4および／または前記第２のサーマルベース6に、前記サーマルベース4,6の熱伝導率特性を変化させるための制御手段9が設けられている、請求項１０〜１４いずれか記載のデバイス。
【請求項１６】
前記制御ユニット3が、前記サーマルベース4,6の熱伝導率特性を変化させるための前記制御手段9をさらに制御する、請求項１５記載のデバイス。
【請求項１７】
a) 多数の凹部を有するサーマルブロック1、少なくとも１つのヒートポンプ2、第１のサーマルベース4、任意に第２のサーマルベース6、ヒートシンク5および制御ユニット3を提供する工程、
b) 前記多数の凹部を有するサーマルブロック1、前記少なくとも１つのヒートポンプ2、前記第１のサーマルベース4、任意に前記第２のサーマルベース6および前記ヒートシンク5を配列する工程、
ここで、
- 前記ヒートシンク5が前記第１のサーマルベース4と熱的に接触している、
- 前記第１のサーマルベース4が前記少なくとも１つのヒートポンプ2と熱的に接触している、および
- 前記少なくとも１つのヒートポンプ2が、前記サーマルブロック1と熱的に接触しているか、または任意に前記第２のサーマルベース6と熱的に接触しているかのいずれかであり、前記第２のサーマルベース6は前記サーマルブロック1と熱的に接触している、
c) 前記多数の試料を前記サーマルブロック1の凹部内に配置する工程、ならびに
d) 前記制御ユニット3でサーモサイクリングプロトコルを行なう工程
を含む、多数の試料の同時サーモサイクリングのための方法。
【請求項１８】
前記第１のサーマルベース4が実質的に平面状である、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記第１のサーマルベース4に凹部がない、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記第１のサーマルベース4の断面積が前記ヒートシンク5の断面積より20%未満大きいか小さく、前記第１のサーマルベース4の断面積が前記サーマルブロック1の断面積より大きく、前記断面積が、それぞれの接触面に対して平行である、請求項１８または１９記載の方法。
【請求項２１】
任意の第２のサーマルベース6が実質的に平面状である、請求項１８〜２０いずれか記載の方法。
【請求項２２】
任意の第２のサーマルベース6に凹部がない、請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
前記サーモサイクリングプロトコルが、前記多数の試料内で核酸増幅を行なうために適した、請求項１７〜２２いずれか記載の方法。
【請求項２４】
a) 請求項１〜１６いずれか記載のデバイス、および
b) 前記多数の核酸増幅反応を行なうために必要な試薬
を含む、多数の核酸増幅反応を行なうための多数の試料の同時サーモサイクリングのためのシステム。
【請求項２５】
前記試薬が、バッファー溶液、洗剤、酵素、ヌクレオチドおよびプライマーを含む、請求項２４記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、試料の高速大量処理解析の分野に関する。特に本発明は、多数の試料を同時に調節する（temper）ためのデバイス(device)、システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
（先行技術背景）
制御された方法で試料または反応混合物を調節するためのデバイスは、化学または生化学のほとんど全ての分野において用いられるが、基礎科学は、工業開発または医薬製造よりも同様な様式によって影響される。労働時間および試薬は高価なので、開発は製造および分析の処理能力を増大させると同時に、必要な反応容量を最小にする傾向にある。
【０００３】
一般に調節デバイスは、研究中に試料と熱接触するサーマルブロックを有する。サーマルブロックは、試料の温度に影響する所望の温度にもまた調節される。最も単純なサーマルブロックは通常のボイラープレートである。
【０００４】
効果的な調節を実現するために、デバイスは試料を加熱および冷却する手段を有するべきである。この目的のために、サーマルブロックは、加熱および冷却の両方を実行し得る2つの独立した手段、または単一の手段と連結され得る。かかる単一の調節手段は例えばフロースルー手段であるが、サーマルブロック内部のまたはサーマルブロックに近いパイプシステムに、サーマルブロックへまたはサーマルブロックから熱を輸送する外部調節液体、例えば水もしくは油が流れている。２つの独立した手段の場合、一般に、エネルギー散逸(simultaneous)冷却と併用される抵抗加熱が利用される。医療および実験装置の分野における熱管理についての充分な概要が、Robert Smythe（Medical Device & Diagnostic Industry Magazine, Jan. 1998, p.151〜157）によって記載され、以下はこの論文の抜粋である。
【０００５】
通常のエネルギー散逸冷却デバイスは、ファンと組み合わせたヒートシンクである。一般に、ヒートシンクは金属の比較的高い熱伝導率および低コストのためにアルミニウムから作製される。それは押し出し成形、圧断、接着、鋳造または機械加工され、表面積を最大にする形状を達成し、周囲のより冷たい空気による熱吸収を促進する。ほとんどがフィンまたはピン設計を有する。ファンと共に用いられるとき（強制対流）、ヒートシンクは大量の熱を散逸させ得るが、標的化された構成要素を、周囲温度を超える10〜15℃で保持する。ヒートシンクは安価であり、取り付けの順応性を提供するが、周囲温度以下で構成要素を冷却し得ない。また、ヒートシンクは温度制御し得ない。
【０００６】
より高性能な設備は、サーマルブロックの加熱および能動的な冷却のためのヒートポンプとして熱電変換デバイス（TEC）を利用する。熱電変換デバイスは、セラミックプレートの間に差し込まれた一連のp型およびn型半導体の対または接合部を含む半導体材料から作製された固体ヒートポンプである。電子がp型素子の低エネルギーレベルからn型素子の高エネルギーレベルへ移動するとき、熱は電子によって冷接点にて吸収される。熱接点にて、電子が高エネルギーn型素子から低エネルギーp型素子に移動するとき、エネルギーは例えばヒートシンクに放出される。直流電源は、電子がシステム中を移動するためのエネルギーを提供する。典型的なTECは127までの接合部を含み、120 Wと同等の熱を供給することができる。供給された熱量は、TECを流れる電流量に比例し、したがって厳しい温度制御が可能となる。電流を反転させることによって、TECは加熱器または冷却器として機能し得、対象物を制御すること、周囲環境を変化させること、または種々の温度でサイクリングすることにおいて有用であり得る。大きさは2〜62mmの範囲であり、多数のTECがより大規模な冷却のために用いられ得る。比較的大量の熱が小領域によって供給されるので、一般にTECは熱を周囲環境に散逸させるためのヒートシンクを必要とする。TECの周知の型はペルティエ素子である。
【０００７】
熱の散逸は、効率のよい冷却に必要不可欠である。熱がその発生場所にて散逸させ得ない場合、前記熱はヒートパイプを用いて別の場所へ伝達され得る。ヒートパイプは、内部作動流体の気化および凝縮によって熱を伝達する内部ウィック構造を有する密閉真空容器である。アンモニア、水、アセトンまたはメタノールが典型的に用いられるが、特別な流体が低温適用および高温適用のために用いられる。熱はヒートパイプの一方で吸収されるので、作動流体は気化し、ヒートパイプ内で圧力勾配を作り出す。蒸気はパイプの端の冷却器に流れるように強制され、そこで蒸気は凝縮し、その潜熱はウィック構造およびむしろ例えばヒートシンクを介した周囲環境に与えられる。凝縮された作動流体は、内部ウィック構造内の重力作用または細管作用によって気化器へ戻る。ヒートパイプは作動流体の潜熱効果を利用するので、構成要素をほぼ周囲状態で保持するように設計され得る。凝縮された流体が重力によって作用するとき、それらは最も効果的であるが、ヒートパイプは任意の方向で作用し得る。ヒートパイプは典型的に小さく信頼度が高いが、周囲温度より低いと対象物を冷却し得ない。
【０００８】
サーマルブロックは２つのヒートパイプで調節され得るが、１つのヒートパイプは熱を熱源から前記サーマルブロックへ輸送し、もう１つのヒートパイプは前記サーマルブロックから熱を運び去る。２つのヒートパイプを有するサーマルブロックがWO 01/51209に開示される。US 4,950,608において、多数のヒートパイプを用いて温度調整容器を実現する。制御可能な熱伝導性を有するヒートパイプがUS 4,387,762に開示される。
【０００９】
ヒートパイプの他に、気化(evaporate) させた液相気相平衡を有するパイプの形状をした固相封入体(enclosure)もまた、Therma-BaseTMとよばれるThermacore社（Lancester, USA）によって作製されたプレート様形態で公知である。これらのTherma-BaseTMは、実質的に平面形状を有し、例えば集積回路で発生した熱を分散するためにコンピューター中に用いられる（US 6,256,199）。封入体の内側に液相気相平衡で含まれる流体と熱接触する素子の温度調整のための装置がUS 5,161,609に開示される。US 5,819,842には、きわめて接近している多数の試料を独立して制御するためのスプレッダープレートを含む温度制御ユニットが記載されている。
【００１０】
したがって、試料の同時調節のためのデバイスを提供することは、本発明の目的であった。本発明の１つの局面において、本発明はマイクロタイタープレート形式のPCRを行うための多数の試料の同時サーモサイクリングに関する。
【００１１】
（発明の簡単な説明）
本発明は、並列様式における多数の個々の試料を調節するためのデバイスに関する。より正確には、本発明は多数の試料内で同時に多数のPCR増幅を行うのに適したデバイスに関する。
【００１２】
本発明の１つの主題は、
a)  多数の試料を含むサーマルブロック1、
b)  少なくとも１つのヒートポンプ2、
c)  サーマルベース4、
d)  ヒートシンク5および
e)  多数の試料の同時サーモサイクリングを制御するための制御ユニット3
を含み、前記サーマルベース4が前記ヒートシンク5および前記少なくとも１つのヒートポンプ2と熱接触しており、前記少なくとも１つのヒートポンプ2は前記サーマルブロック1と熱接触している、多数の試料の同時サーモサイクリングのためのデバイスである。
【００１３】
本発明の別の主題は、
a)  前記多数の試料を含むサーマルブロック1、
b)  少なくとも１つのヒートポンプ2、
c)  第１のサーマルベース4、および第２のサーマルベース6、
d)  ヒートシンク5および
e)  多数の試料の前記同時サーモサイクリングを制御するための制御ユニット3
を含む、多数の試料の同時サーモサイクリングのためのデバイスである。
【００１４】
本発明を通して、多数の試料の同時サーモサイクリングは、多数の試料の全ての種類の調節を含む。同時サーモサイクリングは、前記多数の試料の温度の周期変化を要約（summarize）するが、１つの周期の開始温度は前記周期の終止温度と同じである。１つの温度周期は、加熱段階、冷却段階および一定温度の相を含む。時間による温度変化は、サーモサイクリングプロトコルによって要約される。
【００１５】
語句多数の試料は任意の数の試料を含むが、前記多数の試料はいくつかの方法で配置され得る。多数の試料を配置する通常の方法は、マイクロタイタープレートの使用である。あるいは、多数の反応容器は、保持手段において配列され得る。本発明の範囲内において、多数の試料は流体試料である。前記多数の試料の各々は、溶媒および分析される１つ以上の溶解した標的物を含む。
【００１６】
サーマルブロック1は、良好な熱伝導性を有するように配置された固体デバイスである。良好な熱伝導性を有する、当業者に知られた多数の材料が存在し、理論に拘束されないが、良好な電気伝導性を有する多くの材料は良好な熱伝導体でもある。したがって、銅、アルミニウム、銀またはグラファイトのような材料がサーマルブロックに適している。一方、プラスチックおよびセラミックもまた、サーマルブロックの材料として用いられるような充分な熱伝導性を有し得る。
【００１７】
ヒートポンプ2は、熱を輸送し得る能動的なデバイスである。一般にヒートポンプは、作動させるために電気を必要とする半導体材料から作製された、いわゆる熱電変換デバイス（TEC）である。直流電源は加熱および冷却のためのエネルギーを提供するが、電流を反転させることで供給された熱の方向を実際逆にする。TECの周知の型はペルティエ素子である。
【００１８】
サーマルベース４は、熱を輸送および分散するための気化(vapor)チャンバデバイスである。本発明を通して、サーマルベースは特別なヒートパイプであるが、前記サーマルベースは実質的に平面な形状の領域を有する。用語ヒートパイプは、内部作動流体の気化および凝縮によって熱を伝達する内部ウィック構造を有する密閉真空容器に対して確立された名前である。熱はヒートパイプの一方で吸収されるので、作動流体は気化され、前記ヒートパイプ内で圧力勾配を作り出す。蒸気はヒートパイプの端の冷却器に流れるように強制され、そこで蒸気は凝縮し、その潜熱は周囲環境に与えられる。凝縮された作動流体は、内部ウィック構造内の重力作用または細管作用によって気化器へ戻る。サーマルベースは一般に受動デバイスであるが、前記サーマルベースが制御手段を備える場合、能動デバイスとしても設計され得る。前記制御手段は、封入体内の流量または容器内の真空に影響を与える封入体の体積のいずれかを調整することによって、サーマルベースの熱伝導率を変更する。
【００１９】
ヒートシンク5は、熱を散逸させるためのデバイスである。一般にヒートシンクは、先に概要を述べたサーマルブロックに類似する熱伝導性材料から作製される。したがってヒートシンクは、主として金属、好ましくはアルミニウムまたは銅から作製される。ヒートシンクのための別の適切な材料はグラファイトである。あるいは、良好な熱伝導性のみが実現化される場合、ヒートシンクはプラスチックおよびセラミックから形成され得る。熱の最大散逸を実現するために、ヒートシンクは大きな表面対容積比を提供するように配置される。これはベースプレート上に配列されたフィンアセンブリによって実現される。大きな表面対容積比は、ヒートシンクおよび周囲空気の間の熱伝導抵抗を減少させる。
【００２０】
制御ユニット3は、多数の試料の前記同時サーモサイクリングを制御するためのデバイスである。本発明の中で、前記制御ユニットは、サーマルブロックへまたはサーマルブロックから輸送される熱量を変更するヒートポンプの電源を調整する。さらに、制御ユニットは、サーマルベースの任意の制御手段を操作し得る。
【００２１】
本発明のまた別の局面は、
a)  多数の凹部、少なくとも1つのヒートポンプ2、第１のサーマルベース4、任意の第２のサーマルベース6、ヒートシンク5および制御ユニット3をサーマルブロック1に提供する工程、
b)  -  前記ヒートシンク5が前記第１のサーマルベース4と熱接触する、
-  前記第１のサーマルベース4が前記少なくとも1つのヒートポンプ2と熱接触する、および
-  前記少なくとも1つのヒートポンプ2が前記サーマルブロック1と熱接触するか、または任意に前記第２のサーマルベース6と熱接触するかのいずれかであり、前記第２のサーマルベース6が前記サーマルブロック1と熱接触する、
多数の凹部、前記少なくとも1つのヒートポンプ2、前記第１のサーマルベース4、任意の前記第２のサーマルベース6、および前記ヒートシンク5で前記サーマルブロック1を配置する工程、
c)  前記多数の試料を前記サーマルブロック1の凹部内に配置する工程、ならびに
d)  前記制御ユニット3でサーモサイクリングプロトコルを行う工程
を含む、多数の試料の同時サーモサイクリング方法である。
【００２２】
本発明のまた別の局面は、
a)  本発明によるデバイス、および
b)  多数の核酸増幅反応を行うのに必要な試薬
を含む、多数の核酸増幅反応を行うための多数の試料の同時サーモサイクリングのためのシステムである。
【００２３】
（発明の詳細な説明）
本発明の１つの主題は、
a)  多数の試料を含むサーマルブロック1、
b)  少なくとも１つのヒートポンプ2、
c)  サーマルベース4、
d)  ヒートシンク5および
e)  多数の試料の同時サーモサイクリングを制御するための制御ユニット3
を含み、前記サーマルベース4が前記ヒートシンク5および前記少なくとも１つのヒートポンプ2と熱接触しており、前記少なくとも１つのヒートポンプ2は前記サーマルブロック1と熱接触している、多数の試料の同時サーモサイクリングのためのデバイスである。
【００２４】
周期的な様式で試料を調節し得る、当業者に知られた多数のデバイスが存在する。語句サーモサイクリングは試料の温度の周期変化を要約するが、１つの周期の開始温度は前記周期の終止温度と同じである。１つの温度周期は、加熱段階、冷却段階（温度ランプ）および一定温度の相を含む。時間による温度の変化は、語句「サーモサイクリングプロトコル」によって要約される。
【００２５】
デバイスが多数の試料の集合、例えばマイクロタイタープレートのウェルを同時に調節可能で、かつ多数の試料内の実験結果が比較可能であるべき場合、集合の中央および集合の端縁部（boarder）での試料のサーモサイクリングが好ましくは同一であることを保証しなければならない。さらに、できるだけ速くサーモサイクリングプロトコルの温度ランプを行うことが望ましいが、一定温度の相に到達したとき、多数の試料の温度が行き過ぎることがないようにする。
【００２６】
本発明によるデバイスの好ましい態様において、前記サーマルブロック1は熱伝導性材料で作製される。
【００２７】
熱伝導性材料は、良好な熱伝導率および低熱容量を有する材料である。熱伝導分析において、熱伝導率と熱容量の比もまた熱拡散率
α＝ｋ／（ρ・cp）
として定義され、式中、ｋはW/(m・K)で測定される熱伝導率であり、ρ・cpはJ/(m3・K)で測定される容積熱容量である。熱拡散率のSI単位はm2/sである。
【００２８】
高い熱拡散率を有する物質は、その熱バルク(bulk)と比較して急速に熱を伝導するので、その温度を速やかに周囲の温度へと調整する。熱拡散材料は良好な熱伝導率を有する材料であり、理論に拘束されないが、良好な電気伝導性を有する多くの材料はまた、良好な熱拡散率も有する。
【００２９】
他方では、ずっと小さい熱拡散率を有するが、本発明のために充分な熱特性を有するいくつかのプラスチック、セラミックおよびポリマーもある。プラスチックはα＝0.2・10-6 m2/sまでの熱拡散率、セラミックはα＝0.4・10-6m2/sまでの熱拡散率を有する。例えばポリマー系物質は、ｋ＝10 W m-1K-1までの熱伝導率を有し得る。
【００３０】
本発明によるデバイスのより好ましい態様において、前記サーマルブロック1は金属、好ましくはアルミニウムまたは銀から作製されている。
【００３１】
良好な熱伝導性を有し、サーマルブロックに適している当業者に知られた多数の金属材料、例えば銅、アルミニウムまたは銀が存在する。例えば、銅は約α＝107・10-6 m2/s、銀は約α＝166・10-6 m2/sの熱拡散率を有するが、アルミニウムは約α＝93・10-6m2/s（全て300Ｋにて）を有する。それにもかかわらずアルミニウムが好ましい材料であるのは、安価で処理が容易だからである。大多数の場合において、金属材料は純正でなく合金であるが、材料の熱伝導性は合金の組成に依存することに留意されたい。
【００３２】
一般に、本発明のサーマルブロック1は上部断面積A、長さl、幅wおよび高さhを有する立方形であり、l＝5〜200mm、w＝5〜200mmおよびh＝3〜100mmの好ましい寸法を有する。
【００３３】
本発明によるデバイスの別の好ましい態様において、前記サーマルブロック1は前記多数の試料を受けるために配置された凹部7を含む。
【００３４】
本発明によるデバイスのこの態様において、サーマルブロック1は多数の凹部7を備えるが、凹部7はサーマルブロック1の内側に広がる上部に配置される。凹部は全て同じ大きさを有することが好ましい。凹部7は、均一のサーマルブロック1を穿孔することによって得られうる。あるいは、均一のサーマルブロック1における前記穿孔は、凹部7がサーマルブロック1の全体の高さを横切る穴を形成するような方法で行われ得る。均一のサーマルブロック1における穿孔の方法の他に、成形、電気鋳造、深絞りまたは放電加工のような他の方法が、凹部を有するサーマルブロックを製造するために用いられ得る。
【００３５】
本発明によるデバイスのさらに好ましい態様において、前記多数の試料はサーマルブロック1の凹部7に直接置かれるか、または反応容器を介して置かれ、各々が前記多数の試料の1つを含む。
【００３６】
凹部7は前記多数の試料を受けるために配置されるが、いくつかの可能性が本発明の範囲内において適用可能である。一態様において、多数の試料が、例えばピペッティング工程により直接前記凹部7に置かれる。必要な場合、凹部7は、試料に対して不活性であり、さらなる使用のためにサーマルブロック1を再利用するためにクリーニング可能な材料で被覆され得る。別の態様において、多数の試料は反応容器を介して凹部7に置かれ、前記反応容器は前記凹部7に位置調整(justify)される。両構成要素間の別の空気が熱接触を妨げる熱アイソレーターとして作用し得るので、反応容器および凹部7が位置調整するのは重要である。
【００３７】
本発明によるデバイスのまた好ましい態様において、前記反応容器は1つ以上の群を形成するように連結され、好ましくは、マルチウェルプレートを形成するように反応容器は連結される。
【００３８】
前記多数の凹部7の各々は別々の反応容器を受け得るか、または1つ以上の群の連結した反応容器が前記多数の凹部7に置かれ得る。本発明に適した周知の単一反応容器は、例えばエッペンドルフ型カップであるが、連結した反応容器の適切な群は、例えばエッペンドルフ型カップストリップまたは例えば96、384もしくは1536の個々のウェルを有するマイクロタイタープレートである。
【００３９】
本発明によるデバイスのまた別の好ましい態様において、前記少なくとも１つのヒートポンプ2は熱電変換デバイス、好ましくは半導体デバイス、さらに好ましくはペルティエ素子である。
【００４０】
ヒートポンプ2は、熱を発生および／または輸送するために電気を必要とし、また文字通り熱電変換デバイス（TEC）と名付けられた能動的素子である。一般にTECヒートポンプ2は、セラミックプレートの間に差し込まれた一連のp型およびn型半導体の対または接合部を含む半導体材料から作製された固体ヒートポンプである。直流電源は電子がシステムを移動するためのエネルギーを提供し、それによって熱が輸送される。典型的なTECは127までの接合部を含み、120Wと同等の熱を供給することができるが、供給された熱量は、TECを流れる電流量に比例する。したがってTECは厳しい温度制御を提供する。電流を反転させることによって、TECは加熱器または冷却器として機能し得、対象物を制御すること、周囲環境を変化させること、または種々の温度でサイクリングすることにおいて有用であり得る。TECの周知の型はペルティエ素子である。かかるペルティエ素子は、性能、形状および材料に関していくつかの異なるバージョンで市販にて入手可能である。TECは長方形または円形であり、固定のための中心にあるボアホールを有し得、種々の高さで存在し得る。特別なTECは、作動モード間の広範囲な切り替えを受けるように最適化され、150℃まで適用可能である。一般に、半導体デバイスはセラミックプレートの間に差し込まれる。これらのセラミックプレートは、熱圧力を減少させるために長い切れ目を備えられ得る。バイメタル効果を無効にするために、セラミックプレートは金属物質（例えば銅）で部分的に被覆され得る。
【００４１】
本発明によるデバイスの別の好ましい変形型において、前記サーマルベース4は、固相封入体内部で液相気相平衡を含む熱伝導デバイスである。
【００４２】
前記したように、本発明の範囲内のサーマルベース4は、ヒートパイプの構造のようなパイプとの比較においてサーマルベース4が少なくとも部分的にプレート様構造を有するという違いを有する、当業者に公知のヒートパイプに基本的に類似する。一般に、ヒートパイプおよびサーマルベースは、内部作動流体の気化および凝縮によって熱を伝達させる内部ウィック(wick)構造を有する固相封入体である。つまり、密閉容器の中に液相気相平衡の内部作動流体が存続するが、局所平衡は局所温度に依存する。より詳しくは、熱がヒートパイプの一方で吸収される場合、作動流体は気化してヒートパイプの内部に圧力勾配を作り出す。蒸気はパイプの端の冷却器に流れるように強制され、そこで凝縮し、その潜熱は周囲環境に与えられる。凝縮された作動流体は、内部ウィック構造内の重力作用または細管作用によって気化器へ戻る。アンモニア、水、アセトンまたはメタノールが作動流体として典型的に用いられるが、特別な流体が低温適用および高温適用のために用いられる。
【００４３】
サーマルベースは2・105W m-1K-1までの非常に高い準熱伝導率を有し、したがって、サーマルベースの全断面積にわたる熱の広がりは非常に効率的である。ヒートシンクの熱伝導抵抗がさらに減少するために、これは、一方で加熱処理中での等質性を増加させ、他方では冷却処理のために必要な時間を縮小させる。
【００４４】
本発明によるデバイスの好ましい変形型は、実質的に平面であるサーマルベース4を含む。
【００４５】
本発明によるデバイスのより好ましい態様において、前記サーマルベース4に凹部がない。
【００４６】
本発明の範囲内において、サーマルベース4は実質的に平面であることが好ましいが、実質的に平面とは上部断面積A、長さl、幅wおよび高さhを有する立方形サーマルベース4を要約し、l＝10〜500mm、w＝10〜500mmおよびh＝3〜15mmの好ましい寸法を有する。
【００４７】
本発明を通じて、語句「凹部がない」は、本発明の特定の好ましい態様においてサーマルベースは凹部によってさえぎられない連続的な上部断面積Aを有するということを強調するために使用される。すなわち、凹部のないサーマルベースは、少なくとも隣接するデバイス部分と熱接触する領域において平面表面を有する。
【００４８】
本発明の範囲内で、語句2つの要素間の「熱接触」は、2つの要素間の物理的な接触が高い熱伝導に対して最適化されなければならないことを強調するために使用される。すなわち、本発明を通じて、「熱接触」は、2つの要素間の熱伝導を改善する最適化された「物理的な接触」である。空気は不充分な熱伝導物であるので、熱接触における2つの要素間の空気の量はできる限り小さいことを保証しなければならない。2つの固体状態物質の接触領域において空気を最小化するいくつかの可能性があるが、これらの可能性は、2つの群、すなわち直接熱接触および間接熱接触に分類され得る。
【００４９】
間接熱接触の1つの変形型は、2つの要素間のリンカーとして高い熱伝導を有するペースト、例えばサーマルグリースを利用する。間接熱接触の別の変形型において、好ましくは柔らかい、熱伝導ホイル、例えばグラファイトホイルが2つの要素間の界面物質として使用される。かかるグラファイトホイルは、要素の特定の粗さを均一にし得、熱膨張による機械ストレスを減少する。
【００５０】
他方、直接熱接触が充分であり、2つの要素間のさらなる界面物質が必要とされないように機械力を利用することが好ましい。両者の接触領域は要素間の空気間隔を最小化することができるほど平らであることも好ましい。間接熱接触を有する態様についてでさえ2つの要素を一緒に押す機械力を応用することが有利であるのは、これが熱伝導性をさらに改善し得るためであることに注意されたい。
【００５１】
本発明によるデバイスのより好ましい変形型において、該サーマルベース４は該ヒートシンク５とおよびグラファイトホイルを介して該少なくとも1つの熱ポンプ２と熱接触の状態にあるが、該少なくとも1つの熱ポンプ２は同様にグラファイトホイルを介して該熱ブロック１と熱接触の状態にある。所望である場合、サーマルグリースがサーマルベース４と該ヒートシンク５との間のさらなる界面物質として使用され得る。
【００５２】
本発明によるデバイスのまた別の好ましい変形型において、該少なくとも1つの熱ポンプ２が、熱を発生するために、および該熱を該熱ブロック１に移送するために用いられる。
【００５３】
本発明によるデバイスのより好ましい態様において、該少なくとも1つの熱ポンプ２が、該熱ブロック１から該サーマルベース４への能動熱移送のためにさらに使用される。
【００５４】
電流を反転させることによって、TECはヒーターまたはクーラーのいずれかとして機能し得る。1つの操作様式において、TECは熱を発生し、該熱はデバイスの2つのセラミックプレートの1つに移送される。他の操作様式において、TECはデバイスのセラミックプレートの1つから他のセラミックプレートへ熱を移送し、従ってセラミックプレートの1つを能動的に冷却する。すなわち、TECの両側の1つが冷却されるが、一方でTECの他の側は加熱される。
【００５５】
本発明によるデバイスのまた好ましい態様において、該サーマルベース４の断面積は該ヒートシンク５の断面積より20％未満大きいか、または20％未満小さく、該サーマルベース４の断面積は該熱ブロック１の断面積より大きく、該断面積はそれぞれの接触領域と平行である。
【００５６】
熱ブロックの冷却の間、多量の熱は短時間で散逸させなければならない。散逸させる必要のある熱量がさらにより大きくなる場合、一見してこれは、散逸のためのより大きな表面積を従って提供するより大きなヒートシンク５を単純に使用することによって満たされ得る。この推定はある程度のみ正しいのは、限定された熱伝導性を有する共有の金属ヒートシンク５を使用することによって、熱供給源に近接する表面積のわずかな特定の部分のみが散逸過程に関係するからである。それゆえに、共有のヒートシンク５のみの断面積を拡大することは多量の熱の散逸を取り扱う適切な方法ではない。本発明の中で、断面積は常に上部デバイス要素の断面積である。図１のデバイスのいくつかの態様の概略図は構成物の側面図を表すことに注意されたい。
【００５７】
本発明によってヒートシンク５と組み合わせてサーマルベース４を使用することが熱散逸を改善するのは、サーマルベース4の大きな熱伝導性が熱供給源より非常に大きなヒートシンク５も散逸過程で効率的に関係することを保証するためである。散逸過程の最適化はサーモサイクリングプロトコルの内で冷却工程に必要な時間を減少するのに役立つ。
【００５８】
本発明によるデバイスの別のより好ましい変形型において、該サーマルベース４の該断面積は、少なくとも１．５倍、好ましくは少なくとも４倍、該熱ブロック１の断面積より大きく、該サーマルベース４は該ヒートシンク２と同じ断面積を有し、該断面積はそれぞれの接触領域と平行である。
【００５９】
該サーマルベース４の断面積と該熱ブロック１の断面積の合理的な最大比はサーマルベース４の熱伝導性に依存している。同様なことがヒートシンク５とサーマルベース４の断面積比に当てはまる。ヒートシンク５に該サーマルベース４の断面積より非常に大きな断面積を提供することは熱散逸をさらに改善しない。
【００６０】
本発明によるデバイスの別のより好ましい変形型において、該サーマルベースには制御手段９が設けられ、該サーマルベース４の熱伝導特性を変化させる。
【００６１】
サーマルベースに制御手段９を設けることが好ましいのは、該サーマルベースの熱伝導性特性が変化され得る場合、該サーマルベースの影響がサーモサイクリングプロトコルの異なる手順によって所望のようにスイッチが「オン」および「オフ」され得るためである。例えば、サーモサイクリングプロトコルの加熱手順についてサーマルベース４の熱伝導特性を最小化することが望ましい。サーマルベース４が加熱手順の間にスイッチが「オフ」され得ない場合、少なくとも1つの熱ポンプ２で生じた大部分の熱はヒートシンク５で直ぐに散逸される。
【００６２】
サーマルベースの熱伝導特性を制御するいくつかの方法がある（例えば、US 5,417,686参照）。一般に、サーマルベースの熱伝導特性は、容器の減圧によって影響を受ける内部作動液の液相気相平衡および密閉された容器内での気体および液体の移送に依存している。
【００６３】
本発明によるより好ましい態様は、該制御手段９が該サーマルベース内での容積を変化することによってサーマルベースの熱伝導特性を変化させるデバイスである。
【００６４】
本発明による別のより好ましい態様は、該制御手段９が該サーマルベース内で流速を変化することによってサーマルベースの熱伝導特性を変化させるデバイスである。
【００６５】
サーマルベース内の内部作動液の液相気相平衡は、サーマルベースの容積を変化させることによって改変され得る。これは、開口部を介して該サーマルベースに連結されたさらなる容器を設けることによって行なわれ得るが、さらなる容器の容積は調節可能である。さらなる容器は、例えば、シリンジまたはベローズであり得る。あるいは、該サーマルベース内での減圧は、容器の開口部に連結された減圧ポンプを用いることによって直接的に調節され得る。さらに、サーマルベースの熱伝導特性は該容器内での流速に影響を与えることによって改変され得る。なお、サーマルベースを区画に分割する容器内で減圧に影響を与えることなく外界から操作され得るスロットルバルブが適切である。
【００６６】
本発明によるデバイスの好ましい変形型において、該ヒートシンク５は熱伝導物質から作られる。
【００６７】
本発明によるデバイスのより好ましい変形型において、該ヒートシンク５は、金属、好ましくはアルミニウム、銅、銀またはグラファイトから作られる。
【００６８】
ヒートシンク５の熱伝導物質に関して、前記と同じことが熱ブロック１に関してあてはまる。
【００６９】
本発明によるデバイスのまた別の好ましい変形型において、該ヒートシンク５が最大化された表面対容積比を提供するように配置される。
【００７０】
理論に拘束されないが、該ヒートシンク５によって散逸させ得る熱量は表面積と正比例する。従って、本発明のデバイス内での制限された空間量のために、最適化された表面対容積比を有するヒートシンクを提供することが望ましい。
【００７１】
本発明によるデバイスのより好ましい変形型において、該大きな表面対容積比はベースプレート上に配列されたフィンアセンブリによって提供される。
【００７２】
該ヒートシンク５が空気または水流によって冷却される本発明によるデバイスもまた好ましい。
【００７３】
格子型(interstitial)フィンアセンブリは大きな表面積を提供するが、一方で固体ベースプレートがサーマルベース４を有する熱接触領域を表す。ヒートシンク５は周囲に熱を散逸させる。この散逸過程は周囲大気とヒートシンク５の間の大きな温度差に最も有効であるので、周囲を能動的に冷却することが望ましい。これは、ファンによって生み出される空気の流れまたは例えば蠕動ポンプによって生み出される液体の流れのいずれかによって行われ得る。
【００７４】
本発明によるデバイスのまた別の好ましい変形型において、該制御ユニット３は該少なくとも1つの熱ポンプ２の特性を制御する。
【００７５】
本発明によるデバイスのより好ましい変形型において、該制御ユニット３は、該サーマルベース４の熱伝導特性を変化させるために該制御手段９をさらに制御する。
【００７６】
本発明によるデバイスは、制御ユニット３を備えている。該制御ユニット３は、少なくとも1つの熱ポンプ２の電力を制御する電子素子、例えばコンピューターであり、従って、加熱特性または冷却特性を調節する。さらに、該制御ユニット３はサーマルベースの制御手段９を操作し得る。
【００７７】
本発明による別の好ましい態様は、該サーモサイクリングが該多数の試料内で核酸増幅を実現するように実施されるデバイスである。
【００７８】
本発明によるより好ましい態様は、リアルタイムで該核酸増幅をモニターする手段をさらに含むデバイスである。
【００７９】
本発明の範囲内で、当業者に公知の全ての核酸増幅、例えば、ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）、リガーゼ連鎖反応（LCR）、ポリメラーゼリガーゼ連鎖反応、Gap-LCR、修復連鎖反応、3SR、鎖置換増幅（SDA）、転写媒介増幅（TMA）またはQβ増幅が、適用可能である。
【００８０】
一般に、核酸増幅は、当業者に公知の蛍光色素を用いてリアルタイムでモニターされる。蛍光シグナルを測定するために、全ての種類の光学手段が本発明の範囲内で適切である。レンズ、光学フィルターまたはフォールディング鏡のようなさらなる光学要素と共に利用され得、これらを利用し得ないCCDカメラまたはフォトメーターが好ましい。
【００８１】
特定の適用用途において、光学手段が、例えば、該熱ブロック１の下部の穴から多数の試料の蛍光強度をモニターするために、熱ブロック１の下に配置されなければならないことが必要とされる場合、ヒートシンク５、第１のサーマルベース４、熱ポンプ２および任意に該熱ブロック１の横にある第２のサーマルベース６から構成要素を配置することができる。熱ブロック１の均一なサーモサイクリングを得るために、該熱ブロック１の４面のそれぞれに該構成要素の1つを配置することが可能である。あるいは、単一の構成要素が熱ブロック１の周囲に配置され得る。
【００８２】
本発明の別の局面は、
a)多数の試料を含む熱ブロック１、
b)少なくとも１つの熱ポンプ２、
c)第１のサーマルベース４および第２のサーマルベース６、
d)ヒートシンク５ならびに
e)多数の試料の同時サーモサイクリングを制御する制御ユニット３
を含む多数の試料の同時サーモサイクリングのためのデバイスである。
【００８３】
本発明の本態様において、2つの個別のサーマルベース４、６が使用される。第１のサーマルベース４は、ヒートシンク５全体を通過して均一に散逸させる熱を分散することによってサーモサイクリングプロトコル内での冷却手順を改善する。第２のサーマルベース６は、熱ブロック１全体を均一に通過して少なくとも1つの熱ポンプ２で生じた熱を分散することによってサーモサイクリングプロトコル内での加熱手順を改善する。
【００８４】
本発明によるデバイスのまた別の好ましい変形型において、該第１のサーマルベース４は実質的に平面である。
【００８５】
本発明によるデバイスのより好ましい変形型において、該第１のサーマルベース４は実質的に平面であり、該ヒートシンク５と熱接触している。
【００８６】
前記したように、実質的な平面は、上部断面積A、長さｌ、幅wおよび高さhを有する立方体サーマルベースを要約し、該第１のサーマルベース４はl=10〜500 mm、w=10〜500 mmおよびh=3〜15 mmの好ましい大きさを有する。熱接触に関して、前記記載の全ての可能性がこの好ましい変形型にも適用可能である。
【００８７】
本発明によるデバイスのまた好ましい変形型において、該少なくとも1つの熱ポンプ２は該2つのサーマルベース４、６の間にあり、該少なくとも1つの熱ポンプ２はサーマルベース４、６の両方と熱接触している。
【００８８】
2つのサーマルベース4、6の間の少なくとも1つの熱ポンプ２により、熱ポンプ２は加熱手順の間に第２のサーマルベース６におよび冷却手順の間に第２のサーマルベース６から第１のサーマルベース４へ熱を移送することができる。本発明の好ましい態様において、該少なくとも1つの熱ポンプ２はTECである。
【００８９】
該熱ポンプ２と該第１のサーマルベース４および該第２のサーマルベース６の間にさらなる界面物質があることが好ましい。両方の場合に、好ましい界面物質は前記に概説したグラファイトホイルである。
【００９０】
本発明によるデバイスのより好ましい変形型において、該第１のサーマルベース４の断面積は該ヒートシンク５の断面積より20％未満大きいか、または20％未満小さく、該第１のサーマルベース４の断面積は該熱ブロック１の断面積より大きく、該第２のサーマルベース６は実質的に平面であり、該第２のサーマルベース６は該熱ブロック１と熱接触し、該断面積はそれぞれの接触領域と平行である。
【００９１】
本発明によるデバイスの別のより好ましい変形型において、該第１のサーマルベース４の断面積は、該ヒートシンク５の断面積より20％未満大きいか、または20％未満小さく、該第１のサーマルベース４の断面積は該熱ブロック１の断面積より大きく、該第２のサーマルベース６は該熱ブロック１の一部または該熱ブロック１全体を覆う複合形状を有し、該第２のサーマルベース６は該熱ブロック１と熱接触し、該断面積はそれぞれの接触領域と平行である。
【００９２】
熱ブロック１のようなより大きな断面積を両方に有するヒートシンク５および第１のサーマルベース４の正の効果は前に詳細に議論された。要するに、サーマルベース４の大きな熱伝導性は熱供給源より非常に大きいヒートシンク5さえもが散逸過程に効率的に関係することを保証するので、ヒートシンク５と組み合わせた第１のサーマルベース４の使用は、熱散逸を改善する。
【００９３】
該第２のサーマルベース６と該熱ブロック１の熱接触はさらなる界面物質、例えばサーマルグリースまたはグラファイトホイルを好ましくは含む。
【００９４】
最適化された熱散逸のない熱ブロックの均一な加熱だけが必要とされる場合、第１のサーマルベース４のない該第２のサーマルベース６のみを有するデバイスを提供することが有利であり得る。本発明によるデバイスのこの変形型は、本出願に記載される第１および第２のサーマルベースを有する全ての態様に対して行われ得る。
【００９５】
本発明によるデバイスのさらにより好ましい変形型において、該第１のサーマルベース４の断面積は該熱ブロック１の断面積より少なくとも１．５倍、好ましくは4倍大きく、該第１のサーマルベース４は該ヒートシンク２と同じ断面積を有し、該断面積はそれぞれの接触領域と平行である。
【００９６】
該第１のサーマルベース４および該熱ブロック１ならびに該第１のサーマルベース４および該ヒートシンク２の合理的な断面積比はサーマルベース４の熱伝導性に依存している。
【００９７】
該第２のサーマルベース６および該熱ブロック１の断面積比に関して、前に概説した同じ議論が当てはまり、該第２のサーマルベース６および該熱ブロック１は約同じ断面積、好ましくは該第２のサーマルベース６の断面積は該熱ブロック１の断面積と20％未満大きいか、または20％未満小さい。該第２のサーマルベース６はl=5〜200mm、w=5〜200 mmおよびh=3〜30 mmの好ましい大きさを有する。
【００９８】
本発明によるデバイスの別の好ましい態様において、該少なくとも１つの熱ポンプ２は熱を生じるためにおよび該熱を該第２のサーマルベース６に移送するために使用される。
【００９９】
本発明によるデバイスのより好ましい態様において、該少なくとも1つの熱ポンプ２は該第２のサーマルベース６から該第１のサーマルベース４への熱の能動的移送にさらに用いられる。
【０１００】
前記のように、TECは熱ポンプとして使用される場合、これらの熱電子エレメントの電流を反転させることは加熱装置または冷却装置のいずれかを提供する。
【０１０１】
本発明による好ましい態様は、該第１のサーマルベース４および該第２のサーマルベース６が両方に凹部がないデバイスである。
【０１０２】
本発明による別の好ましい態様は、該第１のサーマルベース４および／または該第２のサーマルベース６が該サーマルベース４、６の熱伝導特性を変化させる制御手段９と共に提供されるデバイスである。
【０１０３】
該サーマルベースの熱伝導特性が独立して変化され得る場合、該サーマルベースの影響はサーモサイクリングプロトコルの異なる手順によって所望のようにスイッチ「オン」および「オフ」され得るために、各サーマルベースに制御手段９を設けることが好ましい。例えば、第１のサーマルベース４および第２のサーマルベース６を有する態様において、サーモサイクリングプロトコルの加熱手順について第１のサーマルベース４の熱伝導特性を最小化し、第２のサーマルベース６の熱伝導特性を最大化することが望ましい。第１のサーマルベース４は加熱手順の間にスイッチ「オフ」され得ない場合、少なくとも1つの熱ポンプ２で生じる大部分の熱はヒートシンク５で直ぐに散逸させる。
【０１０４】
サーマルベースの熱伝導特性を制御する方法および前記記載されるヒートシンク５、熱ポンプ２、熱ブロック１、制御手段９および制御ユニット３の態様もまた、第１および第２のサーマルベース４、６を有するデバイスに関して適用可能であることに注意されたい。
【０１０５】
本発明によるデバイスのより好ましい変形型において、該制御ユニット３が該サーマルベース４，６の熱伝導特性を変化させる該制御手段９をさらに制御する。
【０１０６】
本発明によるデバイスは制御ユニット３を備えている。該制御ユニット３は少なくとも1つの熱ポンプ２の電力を制御する電子素子、例えばコンピューターであり、従って加熱特性または冷却特性を調節する。さらに、該制御ユニット３は少なくとも１つのサーマルベース４、６の制御手段９を操作し得る。
【０１０７】
本発明の別の局面は、
a)多数の凹部を有する熱ブロック１、少なくとも1つの熱ポンプ２、第１のサーマルベース４、任意に第２のサーマルベース６、ヒートシンク５および制御ユニット３を提供する工程、
b)多数の凹部を有する該熱ブロック１、該少なくとも1つの熱ポンプ２、該第１のサーマルベース４、任意に該第２のサーマルベース６および該ヒートシンク５を配置する工程、ここで
−  該ヒートシンク５は該第１のサーマルベース４と熱接触している、
−  該第１のサーマルベース４は該少なくとも1つの熱ポンプ２と熱接触している、および
−  該少なくとも１つの熱ポンプ２は該熱ブロック１と熱接触しているか、任意に該第２のサーマルベース６と熱接触し、該第２のサーマルベース６は該熱ブロック１と熱接触している、
c)該熱ブロック１の凹部内に該多数の試料を置く工程ならびに
d)該制御ユニット３を用いてサーモサイクリングプロトコルを実施する工程
を含む多数の試料の同時サーモサイクリングのための方法である。
【０１０８】
語句サーモサイクリングプロトコルは試料温度でのサイクル変化を要約するが、1つのサイクルの始めの温度は該サイクルの終わりの温度と同じである。1つの温度サイクルは、加熱、冷却（温度ランプ）の相および一定温度の相を含む。
【０１０９】
前記のように、語句2つの要素間での「熱接触」は本発明を通じて、接触が高い熱伝導に対して最適化されなければならないことを強調するために使用される。熱接触は、2つの要素間のリンカーとして高い熱伝導を有する、例えば、ペースト、例えばサーマルグリースによって、または2つの要素間の中間体として柔らかい、熱伝導ホイル、例えばグラファイトホイルによって最適化され得る。全ての場合において、2つの要素が機械力によって一緒に押される場合、有利である。
【０１１０】
本発明による方法の好ましい変形型において、該第１のサーマルベース４は、該ヒートシンク５と熱接触し、グラファイトホイルを介して該少なくとも1つの熱ポンプ２と熱接触しているが、該少なくとも1つの熱ポンプ２は該熱ブロック１と熱接触しているか、またはグラファイトホイルを介して該第２のサーマルベース６と熱接触している。
【０１１１】
本発明による方法の別の好ましい変形型において、前記第１のサーマルベース4は実質的に平面状である。
【０１１２】
本発明による方法のより好ましい変形型において、前記第１のサーマルベース4に凹部がない。
【０１１３】
本発明による方法のまた別の好ましい変形型において、前記第１のサーマルベース4の断面積は、前記ヒートシンク5の断面積よりも20%未満大きいか小さく、前記第１のサーマルベース4の断面積は、前記サーマルブロック1の断面積よりも大きく、前記断面積は、それぞれの接触領域と平行である。
【０１１４】
本発明による方法のより好ましい変形型において、前記第１のサーマルベース4の断面積は、前記サーマルブロック1の断面積より少なくとも1.5倍、好ましくは少なくとも4倍大きく、前記第１のサーマルベース4は前記ヒートシンク2と同じ断面積を有し、前記断面積は、それぞれの接触領域と平行である。
【０１１５】
任意の第２のサーマルベース6が実質的に平面状である本発明による方法もまた好ましい。
【０１１６】
任意の第２のサーマルベース6に凹部がない本発明による方法は、より好ましい。
【０１１７】
前記任意の第２のサーマルベース6が前記サーマルブロック1と同じ断面積を有する本発明による方法はさらに好ましい。
【０１１８】
上記の示された配置が好ましい理由は、本発明によるデバイスに関して既に先に記載した。
【０１１９】
本発明による方法の好ましい態様において、前記任意の第２のサーマルベース6は、前記サーマルブロック1の一部または前記サーマルブロック1全体を封入する複雑な形状を有する。
【０１２０】
本発明による方法の別の好ましい態様において、前記任意の第２のサーマルベース6は、サーマルブロック1と置き換えられる(replace)複雑な形状を有する。
【０１２１】
第２のサーマルベース6が複雑な形状を有する本発明による方法の好ましい態様は、前記サーマルブロック1の底面が第２のサーマルベース6と熱的に接触しているだけでなく、側壁の一部、またはサーマルブロック1全体さえが第２のサーマルベース6に被覆されているため、特に均一なサーマルブロック1の調節を提供する。
【０１２２】
第２のサーマルベース6全体によるサーマルブロック1の被覆に代替的に、サーマルブロック1は、サーマルブロック自体と同様に形成された特別なサーマルベース8に置き換えられ得る。
【０１２３】
本発明による方法のまた別の好ましい態様において、前記多数の試料は、前記サーマルブロック1の前記凹部内に直接または各々が前記多数の試料の１つを含む反応容器により配置される。
【０１２４】
本発明による方法のより好ましい態様において、前記反応容器は、１つ以上の群を形成するように連結されており、好ましくは、前記反応容器は、マルチウェルプレートを形成(form of)するように連結されている。
【０１２５】
多数の試料をサーマルブロック1内に配置する異なる選択肢は、本発明によるデバイスに関して既に先に記載した。
【０１２６】
本発明による方法のさらに好ましい態様において、前記サーモサイクリングプロトコルは、前記多数の試料内の核酸増幅を行なうために適している。
【０１２７】
前記核酸増幅がリアルタイムでモニターされる本発明による方法が、さらにより好ましい。
【０１２８】
本発明のまた別の局面は、
a) 本発明によるデバイス、および
b) 前記多数の核酸増幅反応を行なうために必要な試薬
を備える、多数の核酸増幅反応を行なうための多数の試料の同時サーモサイクリングのためのシステムである。
【０１２９】
本明細書全体における試薬は、本発明による本発明のデバイスの補助により上記に概要を示した方法の１つを行なうために必要なすべての種類の化学薬品である。これらの試薬は、液体または固体、純粋な物質または混合物であり得、「使用準備状態(ready-to-use)」で、または濃縮物として提供され得る。
【０１３０】
本発明による好ましいシステムにおいて、前記試薬は、バッファー溶液、洗剤、酵素、ヌクレオチドおよびプライマーを含む。
【０１３１】
本発明によるこの好ましいシステムの試薬は、PCR増幅を行なうために必要な試薬である。より詳細には、試薬は、１組の単一のヌクレオチド、ポリメラーゼ、１対のプライマーおよびバッファー溶液である。
【０１３２】
本発明による別の好ましいシステムでは、前記多数の核酸増幅反応は、リアルタイムでモニターされる多数のPCR増幅である。
【０１３３】
以下の実施例、配列表および図面は、本発明の理解を補助するために提供され、その真の範囲は、添付の特許請求の範囲に示されている。本発明の精神から逸脱することなく、示された手順において変形がなされることは理解されよう。
【実施例】
【０１３４】
実施例1
384マルチウェルプレートのサーモサイクリングのための本発明によるデバイスは、アルミニウム合金 AlMgSi 0,5製の手製のサーマルブロックを含む。109×73×9.1 mmの寸法のアルミニウムブロックを用いて、穿孔により、各円錐形の凹部が3.44 mm (角度17°)の上部直径および6.8 mmの深さを有する384個の凹部を形成した。
【０１３５】
前記サーマルブロック6の下方に、熱的接触を熱伝導性グラファイトホイルにより増強しながら、ペルチェ素子を配置する。使用されるペルチェ素子は、多数のサーモサイクリング手順に適しており、130℃まで加熱され得る。さらに、各々は、75 Wの冷却能力を有する。
【０１３６】
第２の熱伝導性グラファイトホイルにより、6個のペルチェ素子がサーマルベース上に配列される。使用されるサーマルベースは、ThermacoreTM の特注品であり、248×198×5 mmの寸法を有する。容器壁は銅製であり、作動液は水である。
【０１３７】
使用されるヒートシンクはWebra (製品番号W-209)から市販されており、アルミニウム合金 AlMgSi 0,5製であり、250×200×75 mmの寸法を有する。ヒートシンクおよびサーマルベースの間に、熱的接触を増強するため、市販のサーマルグリースを塗布している。
【０１３８】
該デバイスの全部で４つの構成部品が、17個のねじおよびばねによって互いに固定されており、エネルギー散逸プロセスは、ヒートシンクの４つのファン循環空気によって増強される。
【０１３９】
実施例2
実施例1に記載のデバイスのサーマルブロックの熱図(heat picture)を、加熱手順(図2)および冷却手順(図3)中、IR-カメラ(FLIR社から市販)で記録した。
【０１４０】
加熱手順(図2)は、55℃の温度で開始し、95℃に達するまで4℃/秒の加熱速度とし、冷却手順(図3)は、95℃の温度で開始し、55℃に達するまで2℃/秒の冷却速度とした。図は、それぞれ、加熱手順および冷却手順中、異なる時点で得た。
【０１４１】
実施例3
図4において、 以下のサーモサイクリングプロトコルの6回の連続温度サイクルの異なる特性温度を時間の関数としてプロットする。
2008534935.tif 000003
7つの異なる温度プロフィール、サーモサイクリングプロトコルの温度プロフィール(「Soll Temp」)、サーマルブロックの理論温度(「Soll Ist」)、サーマルブロックの測定温度(「Ist Temp」)、サーマルブロックの9個の凹部内で測定された平均温度(「平均」)、サーマルブロックの前記9個の凹部の最小測定温度(「最小」)、サーマルブロックの前記9個の凹部の最大測定温度(「最大」)および9つの凹部測定値の均等性(homogeneity) (「Hom」; 均等性＝最大凹部温度−最小凹部温度) が図に含まれる。
【０１４２】
標準マルチウェルプレートをサーマルブロックの凹部に配列し、サーマルブロックの断面全体に分布させた9個のウェルにオイル(Type Applied Biosystems, Nujol Nineral Oil, 部品番号0186-2302)を充填した。各凹部について、熱電対 (Thermocouples Omega 5TC-TT-36-72)を用いて温度を測定した。サーマルブロックの温度を、サーマルブロック内の内部温度センサーにより測定した。
【０１４３】
図5において、異なるプロフィールをより詳細に示すため、シーケンスの最後のサイクルの大きさをプロットする。
【０１４４】
実施例4
本発明の有効性をさらに示すため、蛍光色素標識ハイブリダイゼーションプローブに基づく検出を用いて異なる標的濃度のリアルタイムPCR増幅を、実施例1に記載の装置を用いて行なった。試験システムとして、パルボウイルスB19 (配列番号:1)の177 bp断片のリアルタイムPCR増幅を選択した。蛍光プローブとして、LightCycler-パルボウイルスB19定量キット(Roche Applied Science, 製造番号3 246 809)のHybridisationProbe対(配列番号:4および配列番号:5)またはSybrGreenを使用した。結果を図6 (HybridisationProbe対)および図7 (SybrGreen)に示す。
【０１４５】
PCR
パルボウイルスB19配列の部分断片を、pCRTM2.1プラスミドベクター(Invitrogen)にクローン化した。パルボウイルスB19プラスミドDNA希釈物を10 mM Tris-HCl、pH 8.3中で調製した。1回のPCR反応あたり、106〜100コピーのプラスミド標的を増幅に使用した。
【０１４６】
PCR増幅のため、LightCycler-パルボウイルスB19定量キット(Roche Applied Science, 製造番号3 246 809)を使用した。典型的なPCRアッセイは、106〜100コピーのパルボウイルスB19プラスミド、反応バッファー、検出バッファーおよび製造業者の使用説明書に従って1UのFastStart Taq DNAポリメラーゼからなった。PCRプロトコルは、95℃で10分間の初期変性工程後、95℃で10秒、60℃で15秒および72℃で10秒の増幅の40サイクルからなった。ランプ(ramp)速度は、それぞれ、加熱で4.8℃および冷却で2.4℃であった。PCR反応は、合計容量20μlで、白色384ウェルマイクロタイタープレート(Treff, Switzerlandの特注品) で行なった。
【０１４７】
蛍光発光は、プレートのすべてのウェルの蛍光シグナルを同時に測定するため、各サイクルにおいてアニーリング工程の最後に60℃で、テレセントリックレンズを備える光学系に連結されたCCDカメラを用いて検出した。使用される光学系は、欧州特許出願EP 05000863.0 (2005年1月18日に出願)に記載されている。HybridisationProbe対は480 nmで励起し、発光は640 nmで測定した。SybrGreenは470 nmで励起し、発光は530 nmで測定した。曝露時間は、1000 msに設定した。
【０１４８】
図6において、5つの異なる標的濃度の増幅曲線をプロットし、各標的濃度を、5つの異なるウェル(384ウェルプレート全体に分布)により示す。同じ標的濃度に基づく増幅曲線の群を、(a) 106コピー (中間Cp (肩値) 16.6; SD 0.033), (b) 105コピー (中間Cp 20.1 ; SD 0.043), (c) 104コピー(中間Cp 23.5; SD 0.029), (d) 103コピー (中間Cp 26.9; SD 0.020), (e) 102コピー (中間Cp 30.4 ; SD 0.2)で標識する。
【０１４９】
図7は、各々が104コピーの標的配列を含む１つの384ウェルプレートの96個の異なるウェル内の96個のリアルタイム増幅曲線記録機を含む。96の増幅反応は、0.08の標準偏差の23.7の平均Cp値を有した。
【０１５０】
パルボウイルスB19 の配列情報(プライマーの位置に下線)
2008534935.tif 000004
PCRプライアーおよびプローブの配列:
2008534935.tif 000005
増幅された断片の配列:
2008534935.tif 000006
【図面の簡単な説明】
【０１５１】
【図１−１】図１は、本発明によるデバイスのいくつかの態様の概略図である。
【図１−２】図１は、本発明によるデバイスのいくつかの態様の概略図である。
【図２】図2は、サーマルブロックの加熱手順中のサーマルブロックの熱図である。
【図３】図3は、サーマルブロックの冷却手順中のサーマルブロックの熱図である。
【図４】図4は、6サイクルを含むサーモサイクリングプロトコルの期間中の時間の関数としてのサーマルブロックと関連するいくつかの温度を示すグラフである。
【図５】図5は、１回のサーモサイクリングサイクルの期間中の時間の関数としてのサーマルブロックと関連するいくつかの温度を示す詳細なグラフである。
【図６】図6は、パルボウイルスB19断片のリアルタイム増幅曲線である。5つの異なる標的濃度をリアルタイムPCRによって解析し、各濃度は、プレートの5つの異なるウェルを示す(a: 106コピー; b: 105コピー; c: 104コピー; d: 103コピー; e: 102コピー)。
【図７】図7は、パルボウイルスB19断片のリアルタイム増幅曲線である。各々が104コピーの標的配列を含むプレートの96個の異なるウェル内の96個のリアルタイム増幅曲線記録機。
【図１−１】
2008534935.tif 000007
【図１−２】
2008534935.tif 000008
【図２】
2008534935.tif 000009
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【配列表】
2008534935000001.app
【手続補正書】
【提出日】平成19年10月5日(2007.10.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
a) 多数の試料を含むサーマルブロック1、
b) 少なくとも１つのヒートポンプ2、
c) サーマルベース4、
d) ヒートシンク5、および
e) 多数の試料の同時サーモサイクリングを制御するための制御ユニット3
を備え、
前記サーマルベース4が前記ヒートシンク5および前記少なくとも１つのヒートポンプ2と熱的に接触しており、前記少なくとも１つのヒートポンプ2が前記サーマルブロック1と熱的に接触している、
多数の試料の同時サーモサイクリングのためのデバイス。
【請求項２】
前記サーマルブロック1が、前記多数の試料を受けるように配置された凹部7を含む、請求項１記載のデバイス。
【請求項３】
前記少なくとも１つのヒートポンプ2が、熱電変換デバイス、好ましくは半導体素子、より好ましくは、ペルチェ素子である、請求項１または２記載のデバイス。
【請求項４】
前記サーマルベース4が実質的に平面状である、請求項１〜３いずれか記載のデバイス。
【請求項５】
前記サーマルベース4に凹部がない、請求項４記載のデバイス。
【請求項６】
前記サーマルベース4の断面積が前記ヒートシンク5の断面積より20%未満大きいか小さく、前記サーマルベース4の断面積が前記サーマルブロック1の断面積より大きく、前記断面積が、それぞれの接触面に対して平行である、請求項４または５記載のデバイス。
【請求項７】
a) 多数の試料を含むサーマルブロック1、
b) 少なくとも１つのヒートポンプ2、
c) 第１のサーマルベース4および第２のサーマルベース6、
d) ヒートシンク5、および
e) 多数の試料の同時サーモサイクリングを制御するための制御ユニット3
を含む、多数の試料の同時サーモサイクリングのためのデバイス。
【請求項８】
前記第１のサーマルベース4が実質的に平面状である、請求項７記載のデバイス。
【請求項９】
前記少なくとも１つのヒートポンプ2が前記２つのサーマルベース4,6の間にあり、前記少なくとも１つのヒートポンプ2が両方のサーマルベース4,6と熱的に接触している、請求項７または８記載のデバイス。
【請求項１０】
前記第１のサーマルベース4の断面積が前記ヒートシンク5の断面積より20%未満大きいか小さく、前記第１のサーマルベース4の断面積が前記サーマルブロック1の断面積より大きく、前記第２のサーマルベース6 が実質的に平面状であり、前記第２のサーマルベース6が前記サーマルブロック1と熱的に接触しており、前記断面積がそれぞれの接触面に対して平行である、請求項７〜９いずれか記載のデバイス。
【請求項１１】
前記第１のサーマルベース4および前記第２のサーマルベース6の両方に凹部がない、請求項１０記載のデバイス。
【請求項１２】
a) 多数の凹部を有するサーマルブロック1、少なくとも１つのヒートポンプ2、第１のサーマルベース4、任意に第２のサーマルベース6、ヒートシンク5および制御ユニット3を提供する工程、
b) 前記多数の凹部を有するサーマルブロック1、前記少なくとも１つのヒートポンプ2、前記第１のサーマルベース4、任意に前記第２のサーマルベース6および前記ヒートシンク5を配列する工程、
ここで、
- 前記ヒートシンク5が前記第１のサーマルベース4と熱的に接触している、
- 前記第１のサーマルベース4が前記少なくとも１つのヒートポンプ2と熱的に接触している、および
- 前記少なくとも１つのヒートポンプ2が、前記サーマルブロック1と熱的に接触しているか、または任意に前記第２のサーマルベース6と熱的に接触しているかのいずれかであり、前記第２のサーマルベース6は前記サーマルブロック1と熱的に接触している、
c) 前記多数の試料を前記サーマルブロック1の凹部内に配置する工程、ならびに
d) 前記制御ユニット3でサーモサイクリングプロトコルを行なう工程
を含む、多数の試料の同時サーモサイクリングのための方法。
【請求項１３】
前記第１のサーマルベース4が実質的に平面状である、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記第１のサーマルベース4に凹部がない、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記第１のサーマルベース4の断面積が前記ヒートシンク5の断面積より20%未満大きいか小さく、前記第１のサーマルベース4の断面積が前記サーマルブロック1の断面積より大きく、前記断面積が、それぞれの接触面に対して平行である、請求項１３または１４記載の方法。
【請求項１６】
任意の第２のサーマルベース6が実質的に平面状である、請求項１３〜１５いずれか記載の方法。
【請求項１７】
任意の第２のサーマルベース6に凹部がない、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記サーモサイクリングプロトコルが、前記多数の試料内で核酸増幅を行なうために適した、請求項１２〜１７いずれか記載の方法。
【請求項１９】
a) 請求項１〜１１いずれか記載のデバイス、および
b) 多数の核酸増幅反応を行なうために必要な試薬
を含む、多数の核酸増幅反応を行なうための多数の試料の同時サーモサイクリングのためのシステム。
【請求項２０】
前記試薬が、バッファー溶液、洗剤、酵素、ヌクレオチドおよびプライマーを含む、請求項１９記載のシステム。
【国際調査報告】
2008534935.tif 000015
2008534935.tif 000016
2008534935.tif 000017