(57)【要約】サーマルブロックアセンブリが提供される。本アセンブリは、複数の反応部位で構成された第１の表面を備える基板であって、各反応部位が生物学的サンプルを収容するように構成される基板と、複数の生物学的サンプルを熱的に調節するように構成された複数のペデスタルを備えるサンプルブロックであって、各ペデスタルが反応部位のうちの１つに熱的に結合されるサンプルブロックとを備え得る。本アセンブリは、反応部位と関連付けられた、冷却ブロック、スロット、及び絶縁リングをさらに備えてもよく、各々は反応部位間の熱流を最小限に抑えることができる。反応部位を熱的に隔離するための方法がさらに提供される。
2018531589.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の反応部位で構成された基板表面を備える基板であって、各反応部位が生物学的サンプルを収容するように構成されている、基板と、
サンプルブロックと、
ある反応部位から別の反応部位への熱流を制限するように構成された熱的隔離特徴部と、を備える、サーマルブロックアセンブリ。
【請求項２】
前記熱的隔離特徴部が、ペデスタル、スロット、冷却ブロック、リング、反応部位間隔、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される特徴部を含む、請求項１に記載のブロックアセンブリ。
【請求項３】
前記熱的隔離特徴部がペデスタルを含み、前記サンプルブロック上に提供される、請求項１又は２に記載のブロックアセンブリ。
【請求項４】
前記熱的隔離特徴部がペデスタルを含み、各ペデスタルの上部がペデスタル表面を備える、請求項１〜３のいずれかに記載のブロックアセンブリ。
【請求項５】
前記熱的隔離特徴部がペデスタルを含み、各ペデスタルの上部がペデスタル表面を備え、各ペデスタル表面が前記基板表面に近接している、請求項１〜４のいずれかに記載のブロックアセンブリ。
【請求項６】
前記熱的隔離特徴部がペデスタルを含み、前記ペデスタル及び前記反応部位が実質的に同じ形状を有し、前記形状が、円形、楕円形、長方形、及び正方形からなる群から選択される、請求項１〜５のいずれかに記載のブロックアセンブリ。
【請求項７】
前記熱的隔離特徴部がペデスタルを含み、各ペデスタル及び反応部位が実質的に同じ形状を有し、各ペデスタル及び反応部位が実質的に円形である、請求項１〜６のいずれかに記載のブロックアセンブリ。
【請求項８】
前記熱的隔離特徴部がペデスタルを含み、各ペデスタルが前記反応部位の寸法に実質的に等しい寸法を有する、請求項１〜７のいずれかに記載のブロックアセンブリ。
【請求項９】
前記熱的隔離特徴部がペデスタルを含み、各ペデスタルの上部がペデスタル表面を備え、各ペデスタルが前記ペデスタル表面の周りの半径内に嵌め込まれたリングを含む熱的隔離特徴部を備える、請求項１〜８のいずれかに記載のブロックアセンブリ。
【請求項１０】
前記熱的隔離特徴部がペデスタルを含み、各ペデスタルの上部がペデスタル表面を備え、各ペデスタルが前記ペデスタル表面の周りの半径内に嵌め込まれたリングを含む熱的隔離特徴部を備え、各リングが熱的に隔離する材料から成る、請求項１〜９のいずれかに記載のブロックアセンブリ。
【請求項１１】
前記熱的隔離特徴部が冷却ブロックを含み、各冷却ブロックが前記反応部位のうちの１つに近接して配置されている、請求項１〜１０のいずれかに記載のブロックアセンブリ。
【請求項１２】
前記熱的隔離特徴部が冷却ブロックを含み、前記冷却ブロックが熱伝導性の材料から成る、請求項１〜１１のいずれかに記載のブロックアセンブリ。
【請求項１３】
前記熱的隔離特徴部が冷却ブロックを含み、前記冷却ブロックが受動的に冷却される、請求項１〜１２のいずれかに記載のブロックアセンブリ。
【請求項１４】
前記熱的隔離特徴部が冷却ブロックを含み、前記冷却ブロックが能動的に冷却される、請求項１〜１３のいずれかに記載のブロックアセンブリ。
【請求項１５】
前記熱的隔離特徴部がスロットを含み、前記スロットが反応部位間の前記基板内に提供され、前記基板を通って延在する、請求項１〜１４のいずれかに記載のブロックアセンブリ。
【請求項１６】
前記熱的隔離特徴部がスロットを含み、前記スロットが長方形である、請求項１〜１５のいずれかに記載のブロックアセンブリ。
【請求項１７】
前記熱的隔離特徴部がスロットを含み、前記スロットが湾曲している、請求項１〜１６のいずれかに記載のブロックアセンブリ。
【請求項１８】
前記熱的隔離特徴部が反応部位間隔を含む、請求項１〜１７のいずれかに記載のブロックアセンブリ。
【請求項１９】
前記サンプルブロックが熱伝導性の材料から成る、請求項１〜１８のいずれかに記載のブロックアセンブリ。
【請求項２０】
反応部位を熱的に隔離するための方法であって、
複数の反応部位を含む基板を提供することであって、各反応部位が生物学的サンプルを収容するように構成されている、提供することと、
複数のペデスタルを備えるサンプルブロックを提供することであって、各ペデスタルが前記反応部位の寸法に実質的に等しい寸法を有し、前記反応部位に熱的に結合されている、提供することと、
前記反応部位を熱的隔離特徴部で互いに熱的に隔離することと、
前記ペデスタルの温度を一連の温度及び保持時間を通じて調節することと、
前記反応部位を冷却ブロックで冷却することと、を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）は、ＤＮＡのサンプルを増幅するために遺伝子分析において頻繁に使用されるツールである。このプロセスは、ＤＮＡの生物学的サンプルを、反応部位で他のサンプルから各サンプルを隔離するのに適したサンプルホルダーの中に又は上に置くことを含むことができる。そのようなサンプルホルダーは、当該技術分野において周知であり、マイクロタイタープレート、マイクロカード、個別のチューブ、連結されたチューブのストリップ、キャピラリー、マイクロアレイ及びスライドなどの多くの形態をとることができるが、これらに限定されない。加えて、サンプルホルダーに含まれるサンプルの数は、例えば、必要とされる分析のタイプに応じて変化し得、単一のサンプルホルダーの中又は上で、１サンプルから数千サンプルまであり得る。
【０００２】
例えば、混合、流体移動、加熱及び冷却のような複数の機能のために設計されたサンプルホルダーで遭遇する課題の１つは、隣接領域に熱的な影響を与えずにホルダーの１つの領域を熱的に操作することが困難なことである。これはまた、例えば、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）において、密集した小さなサンプルを処理する場合に課題となり得る。ＰＣＲプロセスを使用したＤＮＡ（デオキシリボ核酸）の増幅は、特別に構成された液体反応混合物を、サーマルサイクラー中のいくつかの異なる温度のインキュベーション期間を周期的に繰り返すことを伴う。反応混合物は、増幅されるＤＮＡと、増幅されるＤＮＡの伸長産物を作り出すことが可能なサンプルＤＮＡに十分に相補的な少なくとも２つのプライマーとを含む、様々な成分から構成される。ＰＣＲの鍵は、サーマルサイクリング機器でのサーマルサイクリングの概念である。サーマルサイクラーは、ＤＮＡを変性させるステップ、結果として生じる一本鎖に短いプライマーをアニーリングするステップ、及びこれらのプライマーを伸長させて、二本鎖ＤＮＡの新たなコピーを作製するステップが交互に起こるように設計されている。サーマルサイクリングでは、ＰＣＲ反応混合物に、ＤＮＡを変性させるための９５℃程度の高温からプライマーのアニーリング及び伸長のためのおよそ５０℃〜７０℃の低温のサイクルが繰り返される。
【０００３】
いくつかの従来的なＰＣＲ機器では、サンプル管は、金属ブロック上のサンプルウェルに挿入される。ＰＣＲプロセスを行うために、金属ブロックの温度は、ＰＣＲプロトコルにおいてユーザによって指定された規定の温度及び時間に従ってサイクルが繰り返される。このサイクリングは、コンピュータ及び関連電子機器によって制御される。金属ブロックの温度が変化すると、様々な管中のサンプルは、同様の温度変化を受ける。このような加熱される金属ブロックは、上述したサンプルホルダーのいずれかと共に使用され得る。しかしながら、例えば、非常に小さなサンプルでＰＣＲを実施する場合、デバイスは、いくつかの以前のＰＣＲ機器で典型的ではない、非常に要求の厳しい熱のプロトコルに曝され得る。このようなプロトコルの１つは、１つ又は複数のサンプルが、例えば９５℃に加熱されることを必要とすることがあり、一方で、隣接するサンプルは９５℃と実質的に異なる温度に維持する必要がある。異なる温度を必要とするサンプルの場合、ブロックは所望の反応部位だけでなく周辺のエリア及び他のサンプルにも熱を伝達し得る。この熱伝達は、他のサンプルに悪い影響を及ぼし、サンプルの増幅又はインキュベーションに不利益な影響を及ぼし得る。したがって、サンプルホルダーを有することが望ましく、これは、例えば隣接する反応に熱的な影響を及ぼすことなくＰＣＲのための熱サイクリング反応を行うために使用され得る。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一実施形態では、サーマルブロックアセンブリが提供される。本アセンブリは、複数の反応部位で構成された第１の表面を備える基板を備え、各反応部位が生物学的サンプルを収容するように構成されており、基板が反応部位の熱的隔離を改善する特徴部と、複数の生物学的サンプルを熱的に調節するように構成された複数のペデスタルを含むサンプルブロックとで構成されており、各ペデスタルが反応部位のうちの１つに熱的に結合されている。
【０００５】
別の実施形態では、サーマルブロックアセンブリが提供される。本アセンブリは、複数の反応部位で構成された第１の表面を備える基板を備え、各反応部位が生物学的サンプルを収容するように構成されており、サンプルブロックが１つ以上の列内に構成された複数のペデスタルを備え、各ペデスタルが反応部位のうちの１つに熱的に結合され、反応部位の熱的隔離を改善する特徴部と、複数の冷却ブロックとで構成されており、各冷却ブロックが１つの反応部位と関連付けられており、反応部位間の熱流を最小限に抑えることができる。
【０００６】
別の実施形態では、反応部位を熱的に隔離するための方法が提供される。本方法は、複数の反応部位を含む基板を提供することであって、各反応部位が生物学的サンプルを収容するように構成されている、提供することと、ペデスタルを含むサンプルブロックを提供することであって、各ペデスタルが反応部位の寸法に実質的に等しい寸法を有し、反応部位に熱的に結合されている、提供することと、ペデスタルの温度を一連の温度及び保持時間を通じて熱電デバイスで調節することと、反応部位を互いに熱的に隔離することと、反応部位を冷却ブロックで冷却することと、を含む。
【０００７】
本発明のさらなる態様、特徴、及び利点は、特に類似の部分に参照番号が付された添付の図と併せて考慮する場合、以下の説明及び特許請求の範囲に記載される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
本明細書で開示される原則、及びそれらの利点をより完全に理解するために、これから添付の図面と併せて以下の説明を参照する。
【０００９】
【図１】２列の反応部位及びサンプルブロックとのそれらの空間的関係を有する基板の斜視図である。
【図２Ａ】単一の加熱ブロック又はバーで加熱された反応部位の熱的にマッピングされた列の斜視図である。
【図２Ｂ】加熱された反応部位の列の隣接する列への熱的影響の熱的斜視図である。
【図３Ａ】様々な実施形態による、ペデスタルを含むサーマルブロックで加熱された反応部位の列の斜視図である。
【図３Ｂ】加熱された反応部位の列の隣接する列への影響の斜視図である。
【図４】様々な実施形態による、ペデスタルを有する加熱ブロック及び各ペデスタルに追加された半径の斜視図である。
【図５】図４の加熱ブロックで加熱された反応部位の列の熱的表現である。
【図６Ａ】様々な実施形態による、２列の反応部位間に挿入されたスロットを有する基板の上面図である。
【図６Ｂ】様々な実施形態による、サンプルブロックと２列の反応部位間に挿入されたスロットとの間の関係を描写する下面図である。
【図７Ａ】様々な実施形態による、２列の反応部位間に挿入され、反応部位に対してシフトされたスロットを有する基板の斜視図である。
【図７Ｂ】列間に挿入されたスロットを有する隣接する反応部位の列上の熱的にマッピングされた加熱された反応部位の列の斜視図である。
【図８】様々な実施形態による、列間の間隔が増大した基板の斜視図である。
【図９Ａ】隣接する反応部位の列上の熱的にマッピングされた加熱された列の反応部位の斜視図である。
【図９Ｂ】隣接する反応部位の列上の熱的にマッピングされた加熱された反応部位の列の別の斜視図である。
【図１０Ａ】様々な実施形態による、反応部位の隣接する列上の熱的にマッピングされた加熱された反応部位の列の別の斜視図である。
【図１０Ｂ】隣接する反応部位の列上の熱的にマッピングされた加熱された反応部位の列の別の斜視図である。
【図１１】様々な実施形態による、隣接する反応部位の下に冷却ブロックが追加されたサーマルブロックの斜視図である。
【図１２】隣接する反応部位の列上の熱的にマッピングされた加熱された反応部位の列の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
基板の要素間に熱的隔離を提供するための装置、システム及び方法の実施形態が、本明細書に記載される。本明細書に使用される節の見出しは、構成目的のものに過ぎず、決して記載される主題を限定すると解釈されるものではない。
【００１１】
本開示の様々な態様を詳細に参照し、それらの例は、添付の図面において例示される。可能な限り、同じ参照番号は、図面全体を通して同じ又は類似部分を参照するために使用される。
【００１２】
様々な実施形態のこの詳細な説明において、説明の目的で、開示される実施形態の完全な理解を提供するための多くの具体的な詳細が記載されている。しかしながら、当業者であれば、これらの様々な実施形態がこれらの具体的な詳細の有無にかかわらず実践され得ることを理解するであろう。他の事例においては、構造及びデバイスは、ブロック図の形態で示される。さらに、当業者であれば、方法が提示及び実施される特定の順序が例示的であることを容易に理解することができ、この順序が変更されてもよく、依然として本明細書に開示される様々な実施形態の趣旨及び範囲内に収まり得ることが企図される。
【００１３】
それらに限定されるものではないが、特許、特許出願、記事、書籍、論文、及びインターネットウェブページを含む、本願で引用された全ての文献及び同様の資料が、任意の目的でそれら全体が参照によって明示的に組み込まれる。別途定義されない限り、本明細書に使用される全ての技術及び科学用語は、本明細書に記載される様々な実施形態に関連する当業者に通常理解されるものと同様の意味を有する。組み込まれる参照文献における用語の定義が、本教示に提供される定義と異なる場合、本教示に提供される定義が優先されるものとする。
【００１４】
本発明の教示において議論された温度、距離などの前に、黙示の「約」があり、その結果、わずかで実体のない偏差が本発明の教示の範囲内にあることが理解されるであろう。本出願において、単数形の使用は、別途具体的に記載されない限り、複数形を含む。また、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含有する（ｃｏｎｔａｉｎ）」、「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｓ）」、「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、及び「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」は、限定することを意図していない。本出願では、「基板」という用語は、当該技術分野において既知の全てのサンプルホルダーフォーマットを指すために使用され、特定のフォーマットに限定することを意図していない。さらに、前述の一般的な記載及び下記の詳細な記載は、例示的かつ説明的なものであるだけであって、本発明の教示を限定するものではないことを理解すべきである。
【００１５】
本教示は、様々な実施形態と併せて記載されるが、本教示がそのような実施形態に限定されることを意図するものではない。それとは逆に、本教示は、当業者には理解されるように、様々な代替物、修正物、及び同等物を包含する。
【００１６】
さらに、様々な実施形態を記載する際、本明細書が、方法及び／又はプロセスを特定の配列のステップとして提示する場合がある。しかしながら、本方法はプロセスが本明細書に示される特定のステップの順序に依存しない程度に、本方法又はプロセスは、記載される特定のステップの配列に限定されるべきではない。当業者には理解されるように、他のステップの配列も可能であり得る。したがって、本明細書に示される特定のステップの順序は、特許請求の範囲の限定として解釈されるものではない。加えて、本方法及び／又はプロセスを対象とする特許請求の範囲は、記された順序でのそれらのステップの性能に限定されるものではなく、当業者であれば、配列が変更されてもよく、それでもなお様々な実施形態の趣旨及び範囲内に収まり得ることを容易に理解することができる。
【００１７】
本教示は、デバイス全体にわたって改善された熱的隔離を有する基板及びサンプルブロックの様々な実施形態を開示する。続いてより詳細に述べるように、改善された熱的隔離を有する基板及びサンプルブロックの様々な実施形態は、このようなデバイスを利用するバイオ分析機器の所望の性能を提供する。
【００１８】
例えば、ＰＣＲの場合には、いくつかの理由により、サイクル中の必要な温度間でサンプル温度をできるだけ迅速に変化させることが望ましい場合がある。第１に、化学反応はその各段階に最適な温度を有するため、最適でない温度で費やされる時間が短いことは、より良好な化学的結果が達成されることを意味し得る。第２に、最短時間は通常、各プロトコルの最短サイクル時間を設定する任意の設定点で必要であり、設定点間の移行に費やされる時間がこの最短時間に加算される。通常、サイクル数はかなり大きいため、この移行時間の大部分は増幅を完了するために必要な合計時間に追加することができる。
【００１９】
プロトコルの各ステップにおいて各反応部位が達成する絶対温度は、生成物の収率にとって重要である。したがって、ある領域の別の領域への影響を最小限に抑えるために、基板の領域を熱的に隔離することが有利である。基板内に見出され得る幾何学的形状は小さい場合が多く、その結果、高温又は暖かい領域が、デバイスのより低温な領域の非常に近くに位置することになる。このように近接することにより、高温又は暖かい領域から低温領域へとデバイスを通過する熱流に起因して、より低温な領域が意図したよりも暖かくなり、このため、より低温な領域の性能が損なわれる可能性がある。加えて、幾何学的形状が小さいため、高温及び低温領域を熱的に隔離することが困難になり得る。
【００２０】
図１は、当技術分野で珍しいものではない一実施形態を描写する。この実施形態では、基板１４０が示されており、８つの反応部位の２つの列１１０及び１２０が存在する。加熱ブロック１３０は、基板１４０の下側に結合され、列１１０の下のバー形状であり、列１１０とは基板を挟んで反対側にある。基板と、反応部位と、加熱ブロックとの間のこのような関係もまた、当技術分野では珍しいものではない。加熱ブロックもまた、当該技術分野において周知であり、高い熱伝導率を有する材料で作製されている場合が多い。加熱ブロックに適した材料のいくつかの例には、銀、金、アルミニウム、マグネシウム及び銅が含まれるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、加熱ブロックは、長方形の幾何学的形状で作られてもよいが、円形、正方形、又は用途に適した他の任意の形状であってもよい。ブロックの表面は、プレート又はチューブと呼ばれることもあるサンプル格納デバイスを受け入れることができるくぼみのアレイを有する。アレイのサイズは様々であり、例えば、８、１６、２４、４８、９６、３８４、１５３６又はそれ以上であり得る。いくつかの適用では、金属ブロックは、例えばガラススライドなどの平坦な表面を有し得る反応部位のアレイを収容するために、くぼみのない平坦な表面を含んでいてもよい。
【００２１】
この実施形態では、ブロック１３０は、平坦な上面を有し、列１１０の反応部位の反対側の基板１４０の下側に熱的に結合する寸法に合わせられた金属バーとして作製された。列１２０は室温又は約２７℃に保たれた。ブロック１３０は９５℃に加熱され、列１１０及び１２０の温度が判定された。図２Ａは熱的結果を描写する。熱的マップから、列１１０及び１２０の両方が同じ温度に近づくように加熱され、個々の反応部位は区別できないことは明らかである。図２Ｂは、加熱される列１１０と加熱されない列１２０との間のより詳細な相互作用を示す。加熱される列１１０は、均一な濃淡によって示されるように均一な高温であることが示されている。この温度は、熱が基板１４０を横切って、かつ基板１４０を通って列１１０から列１２０へと流れる、列１１０から列１２０との十分に高い温度差を提供する。図２Ｂに含まれる温度目盛は、加熱される列１１０に最も近い加熱されない列１２０の領域の温度が、約５０℃であることを示している。加えて、約２０℃の加熱されない列１２０を横切る著しい温度勾配があることも分かる。これらの結果は、著しく異なる温度要件を有する密接した間隔の隣接する列間の相互作用の大きさを実証する。ＰＣＲを実施する際、ある列を９５℃に１０分間ほど加熱することが一般的であり得るが、例えば、隣接する列は３７℃未満に維持される必要がある。加熱されない隣接する列への、加熱される列による悪い熱的相互作用を確実に抑制するために、隣接する列の熱の影響を最小限に抑えることが有利である。データが図に表される。図２Ａ及び図２Ｂは、隣接する列間の熱的相互作用を確認し、この影響を最小限に抑える実施形態の必要性を実証する。
【００２２】
反応部位間の熱的相互作用に寄与し得る多くの要因が存在する。これらの要因のいくつかは、間隔、間隔に関連し得る反応部位サイズ、反応部位と基板材料との間の温度差を含み得るが、これらに限定されない。当業者であれば、所望の熱的隔離の程度を達成するために、１つ又は複数の要因の組み合わせが必要であることを理解するであろう。この理解により、熱的各隔離のための解決策が以下のように表される。
【００２３】
基板材料
基板を作製するために使用される材料は、例えば、ゴム様弾性を示すポリマーなどのエラストマーであってもよい。当業者はさらに、例えば飽和ゴム、不飽和ゴム、熱可塑性エラストマー及びポリスルフィドゴムのような多くのタイプのエラストマーがあることをさらに知るであろう。これらの材料は全て、熱伝導率が比較的低く、反応部位の隣接する列の間に、ある程度の熱的隔離を提供する。一例として、ＣｏｏｌＰｏｌｙ（登録商標）の熱伝導性エラストマーは、最大５Ｗ／ｍＫの熱伝導率を示す。比較のために、アルミニウム、銅、金及び銀などの金属は、２０５Ｗ／ｍＫから４０６Ｗ／ｍＫの熱伝導率を示す。しかし、上述したように、それらは熱伝導率が低いにもかかわらず、基板の隣接するウェルの反応温度に影響を及ぼすのに十分な熱を伝導する。
【００２４】
基板は、例えばポリプロピレンを含むポリマーから作製されてもよいが、他のポリマーが使用されてもよい。一例として、ポリプロピレンは約０．１Ｗ／ｍＫから０．２２Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する。上述したように、部位間の温度差が十分に大きい場合には、この程度の導電率でも、他の反応部位に影響を及ぼす反応部位をもたらす可能性がある。
【００２５】
サーマルブロックの幾何学的形状
図２Ｂの熱的マップから、サンプルブロック１３０を９５℃に加熱すると、列１１０及び基板１４０に十分な熱が提供され、列１２０の少なくとも一部を約５０℃に加熱し、上述したように、列１２０の反応に悪影響を及ぼすことは明らかである。図３Ａは、図２Ａに描写された熱的マップと同様の熱的マップを描写する。しかし、図３Ａに表す実施形態では、図２Ｂのブロック１３０がブロック１５０に置き換えられている。ブロック１５０は、ブロック１３０の平坦な上面が一連のペデスタルで置き換えられている点でブロック１３０と異なる。各ペデスタルの上面は、実質的に円形（図３Ａに示すような）、正方形、楕円形、長方形、又は用途に適した他の任意の形状を有していてもよい。加えて、各ペデスタルの上面４５０（図４に示すように）は、例えば、実質的に対応する反応部位の接触面の面積に等しく、対応する反応部位の接触面積よりも小さく、又は対応する反応部位の接触面の面積よりも大きくなり得る面積を有していてもよい。形状及びサイズにかかわらず、ブロック１５０は、各ペデスタル表面４５０（図４に示すように）が反応部位の反対側の基板表面６２０（図６Ｂに示すような）の領域と整列するように基板１４０の下に配置されてもよい。
【００２６】
サーマルブロック１５０は９５℃に設定され、その結果が図３Ａに描写される。図３Ａは、図２Ａでは見えない個々の反応部位を明確に示している。サーマルブロック１５０へのペデスタルの追加は、列１２０に劇的に影響することなく、列１１０の反応部位のより局所的な加熱を実証する。図３Ｂは、列１１０及び１２０のより詳細な熱的詳細を提供する。再び、均一な温度を示す均一な陰影を有する列１１０が示される。図３Ｂに提供される温度目盛は、ここで、列１２０の最も暖かい領域が現在約４６℃であり、反応部位を横切る勾配が約１６℃であることを示している。これらの結果と図２Ａに示す結果との比較は、サーマルブロック１５０へのペデスタルの追加が、列１２０の絶対温度を下げ、かつ反応部位を横切る熱勾配のサイズを約４℃又は約８％改善することを示す。当業者は、ペデスタルの寸法及び幾何学的形状並びに反応部位の寸法は、上記のような他の用途のために変更されてもよいことを認識するであろう。
【００２７】
図２Ａと比較して、隣接する反応部位間の熱的隔離を改善するための別の実施形態が図４に描写される。サーマルブロック４４０は、ペデスタル４３０及びペデスタル表面４５０と共に示される。この例では、ペデスタルの形状は実質的に円形である。しかしながら、当業者であれば、ペデスタルは上述のような任意の形状又はサイズであり得ることを認識するであろう。この場合、ペデスタルは、リング４１０及び４２０を収容するために上部円周の周りの半径を含むように変更されている。リング４１０は、リング４２０よりも薄い厚さを有するように示され、ペデスタルの形状と一致するように実質的に円形である。当業者であれば、リングはペデスタルの形状に一致する任意の形状又はサイズであってもよく、したがっていくつかの実施形態では、リングとして記載されないことも理解するであろう。リング４１０及び４２０はまた、サーマルブロック４４０から隣接する列への熱漏れをさらに防止するために、断熱材料を含むことができる。サーマルブロック４４０を９５℃に１０分間加熱した結果が図５に示される。図５の目盛によれば、列１２０は列１１０によって約４３℃の最高温度まで加熱される。図５はまた、リング４１０付きペデスタルが、隣接する反応部位でリング４２０付きペデスタルよりも暖かいことを例証し、このように、ペデスタルの幾何学的形状を変更し、熱抵抗リングを含むことにより、列間の熱的相互作用を低減することを確立する。この実施形態では、加熱されない列１２０は１４℃の温度勾配で約４３℃の最高温度に達し、これにより、図２Ａのデータと比較して、列１２０について１４％の温度で全体的な改善につながる。
【００２８】
反応部位間のスロット
図６Ａは、スロット６１０が列１１０と１２０との間に配置された別の実施形態を描写する。スロット６１０は、列間に熱抵抗を導入し、これにより、加熱される列から加熱されない列への熱流を減少させることができる。デバイス内の熱流に影響を及ぼす要因には、隙間の長さ、隙間の幅及び隙間の位置が含まれるが、これに限定されるものではない。図６Ａは、基板１４０の下に配置され、列１１０の反応部位の反対側に配置された加熱ブロック１５０を含む基板の一部の斜視図を示す。ブロック１５０は、図４のブロック１５０と同じ構成を有する。図６Ａは、列１１０及び列１２０の各反応部位の間に配置されたスロットをさらに示す。列１１０と列１２０との間の距離は１０ｍｍであり、スロットの寸法は１ｍｍ×４ｍｍである。当業者であれば、スロットの寸法及び列間の距離が任意であり、実施形態によって要求される性能を提供するように選択されることを理解するであろう。この例では、列とスロットの寸法の間の距離は、基板及び対応する反応部位の寸法並びに反応部位の密度に基づいている。
【００２９】
この実施形態の有効性を判定するために、ブロック１５０が９５℃に加熱され、その温度で１０分間保持された。上述したように、この時間／温度の組み合わせは、ＰＣＲプロトコルでは珍しいことではなく、隣接する反応部位への熱漏れという最悪のシナリオを表し得る。図６Ｂは、熱的結果を示し、基板１４０の下側の図である。ブロック１５０は、上側の４つのペデスタルに０．５ｍｍの厚さのリングが取り付けられ、下側の４つのペデスタルに１．０ｍｍの厚さのリングが取り付けられるように配向される。スロット６１０は、列１１０から列１２０への熱流を遅延させ、その結果、列１２０の上部の４反応部位の最高温度が３６℃〜３８℃の範囲に入り、下部の４反応部位の最高温度が３５℃〜３７℃の範囲に入った。
【００３０】
図６Ｂに例証された結果は、反応部位間のスロットの使用はまた、熱流を破壊し、図２Ａと比較して隣接する列の最高温度をかなり低下させる効果的な方法であり得ることを例証する。当業者であれば、スロットのさらなる最適化が可能であることが分かる。１つのこのような実施形態が、反応部位間でわずかに位置がずれたスロットを示す図７Ａに示される。図７Ｂは、サーマルブロックを９５℃に加熱し、９５℃で１０分間維持する熱的結果を例証する。温度目盛によって提示されるように、隣接する反応部位の最高温度は約３４℃に低下した。この結果は、図２Ａと比較して、反応部位間の熱的隔離を改善するスロットの有効性を実証する。
【００３１】
環境に応じた列の間隔
別の実施形態によれば、熱的隔離は、反応部位の列間の距離を変化させることにより、図１よりも改善され得る。
【００３２】
図８は、図１で上述した間隔から増大された間隔を示す。加熱ブロック１５０が９５℃に加熱され、２５℃の周囲温度で９５℃で１０分間保持された後で、図９Ａは、１０分間の保持時間後の結果を表す熱的マップを示す。図９Ａの目盛を参照し、隣接する列１２０の温度は、約２６℃の最高温度を達成する。この最高温度は、図１に示される間隔と比較すると、隔離において著しい改善である。図９Ｂには、周囲温度が３０℃に上昇する影響が示される。温度目盛を参照すると、周囲温度が５℃上昇すると、列１２０が約４℃増加する。図１０Ａは、２５℃の周囲条件での列間隔１５ｍｍについて同様の結果を示し、図１０Ｂは、３０℃の周囲での同じ１５ｍｍシミュレーションの結果を示す。このデータは、反応部位間の間隔を広げ、周囲温度を低下させることにより、図２Ａと比較して、反応部位間の改善された熱的隔離がもたらされ得ることを実証する。当業者であれば、選択された列間隔は、基板の幾何学的形状及び反応部位密度に依存し得ることを理解するであろう。
【００３３】
冷却ブロック
さらに別の実施形態では、上述の隣接する列が冷却されてもよい。図１１は、基板１４０の下側の一実施形態を描写する。加熱ブロック１５０はまた、先に表したように、列１１０の反応部位の反対側に配置されて示され、冷却ブロック１１１０は、各反応部位と整列された１つの冷却ブロックを有する列１２０の反応部位の反対側に示される。
【００３４】
一実施形態では、冷却ブロック１１１０は、ヒートシンクが高温物体から周囲へ熱を除去するために使用されることとほぼ同じ方法で、隣接する列１２０により大きな熱質量を提供するために使用されてもよい。このように、冷却ブロックは、例えばアルミニウム及び銅のような熱伝導性材料を含むことが有利であろう。当業者であれば、この実施形態における冷却ブロックの有効性は、例えば、反応部位のサイズに対する冷却ブロック１１１０のサイズにも依存し得ることを理解することができる。
【００３５】
別の実施形態は、冷却ブロック１１１０に能動冷却を提供することができる。能動冷却は、当技術分野で知られている任意の数の実装によって提供され得る。例えば、能動冷却の様々な実装には、熱電冷却、冷却ブロック及びヒートパイプを介してポンプで送られる冷却流体が含まれ得るが、これらに限定されない。能動冷却溶液の熱的結果が図１２に示される。加熱ブロック１５０が９５℃に加熱され、９５℃で１０分間保持されると、冷却ブロック１１１０が冷却され、２５℃に保持された後に、図１２の熱的マップが捕捉された。温度目盛で分かるように、列１２０の最も暖かい縁部は、図２Ａの列１２０の最高温度の約半分である約２８℃に維持される。隣接する列１２０を横切る熱勾配が、図２Ａの熱的マップと比較して大幅に減少され、反応部位を熱的に隔離する際の冷却ブロック６１０の有効性をさらに実証していることも、図１２で見ることができる。
【００３６】
本発明の原理は、サーマルブロック及び基板の様々な実施形態に関連して記載されているが、これらの記載は例としてのみなされ、本発明の範囲を限定するものではないことは明らかに理解されるべきである。本明細書に開示されたものは、例示及び記載のために提供されたものである。網羅的であること、又は記載されている正確な形式に開示されている内容を限定することを意図するものではない。当業者には多くの修正及び変更が明らかであろう。開示されたものは、記載された技術の開示された実施形態の原理及び実用的応用を最も良く説明するために選択され、かつ記載され、これにより当業者が考えられる特定の用途に適した様々な実施形態及び様々な変更を理解できるようにする。開示されているものの範囲は、以下の特許請求の範囲及びそれらの均等物によって規定されることが意図されている。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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