DE112018007855T5 - Thermocycler und diesen enthaltendes echtzeit-pcr-gerät - Google Patents

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Hayato Shimizu
Toshiki Yamagata
Yoko Makino
Nobutaka Kumazaki
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Hitachi High Tech Corp
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Abstract

Ein Thermocycler (160) umfasst: einen Stützblock (3) zur Aufnahme eines Reaktionsgefäßes (2); ein mit dem Stützblock (3) thermisch verbundenes Peltier-Element (5) zum Einstellen der Temperatur einer in dem Reaktionsgefäß (2) enthaltenen Probenlösung (1) durch Erwärmen/Kühlen des Stützblocks (3); einen Temperaturfühler (4) zum Messen der Temperatur des Stützblocks (3); und eine Wärmeeingangsmengen-Einstelleinheit (230) zum Steuern von dem Peltier-Element (5) zugeführten Strom- und Spannungsgrößen aufgrund der von dem Temperaturfühler (4) gemessenen Temperatur des Stützblocks (3). Als Reaktionsgefäß (2) dient ein solches mit einem konischen Abschnitt, der an einem oberen Abschnitt (21) offen ist und sich zu einem unteren Abschnitt hin verjüngt, wobei das Peltier-Element (5) ist so angeordnet, dass es parallel zu einem Teil der Konusmantellinie (23) des Reaktionsgefäßes (2) verläuft.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Thermocycler für ein Echtzeit-PCR-Gerät zur Analyse einer Nukleinsäure, die in einer von einem lebenden Körper abgeleiteten Probe, etwa Blut oder Urin, d.h. einer sogenannten biologischen Probe, enthalten ist, sowie ein den Thermocycler enthaltendes Echtzeit-PCR-Gerät.
  • Stand der Technik
  • Als Beispiel eines Echtzeit-PCR-Gerätes, bei dem zur Vermeidung einer Verringerung der Analyseeffizienz infolge teilweiser Überhitzung der Reaktionslösung und zur Abkürzung der Analysezeit durch Verbessern der Temperatur-Änderungsgeschwindigkeit der Reaktionslösung eine an den Analysegegenstand oder an Eigenschaften der Gerätekonfiguration angepasste Temperatursteuerung eingestellt und unter Durchführung einer einfachen Operation ausgeführt wird, offenbart PTL 1, dass beim Auftreten eines Überschwingens unter Ausführung eines ersten Prozesses, in dem die Temperatur kontinuierlich auf eine Überschwing-Zieltemperatur angehoben wird, eines zweiten Prozesses, in dem nach Erreichen dieser Temperatur die Überschwing-Zieltemperatur für eine vorgegebene Zeitspanne beibehalten wird, bis eine Überschwing-Aufrechterhaltungstemperatur erreicht ist, und eines dritten Prozesses, in dem die Temperatur kontinuierlich auf eine Zieltemperatur der Reaktionslösung reduziert wird, die Steuerung so erfolgt, dass der Temperatur-Messwert einen trapezförmigen Verlauf aufweist.
  • Um eine stabile Temperatur-Anpassungseffizienz für jedes von mehreren eine Reaktionslösung enthaltenden Reaktionsgefäßen aufrechtzuerhalten und Temperaturschwankungen selbst dann zu minimieren, wenn die Umgebungstemperatur des Ortes, an dem das Gerät installiert ist, innerhalb eines gewissen Bereichs abweicht, offenbart PTL 2, dass bei einer Konfiguration, bei der das die Reaktionslösung enthaltende Reaktionsgefäß und ein Teil, der eine Temperatursteuerung an dem Reaktionsgefäß direkt oder indirekt durchführt, mit einem Deckel und einem Lamellendeckel mit wärmeisolierender Struktur bedeckt werden und eine Wärmequelle zur Steuerung der Innentemperatur eines mit dem Deckel bedeckten Innenraums vorgesehen ist, die Innentemperatur konstant gehalten und der Einfluss der Umgebungstemperatur auf die Temperatursteuerung des Reaktionsgefäßes minimiert wird.
  • Zitatenliste
  • Patentliteratur
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Im verwandten Stand der Technik gehört zu Beispielen der Nukleinsäure-Vervielfältigungstechnik zur Untersuchung einer Nukleinsäure, die in einer von einem lebenden Körper abgeleiteten Probe enthalten ist, eine Technik, die mit einer Polymerase-Kettenreaktion (im Folgenden als PCR bezeichnet) arbeitet. Bei dem PCR-Verfahren wird die Temperatur einer durch Mischen einer Probe mit einem Reagens erhaltenen Reaktionslösung nach einer vorgegebenen Bedingung gesteuert, wodurch sich eine gewünschte Basensequenz in der Reaktionslösung selektiv vervielfältigen lässt.
  • Als weitere Nukleinsäure-Vervielfältigungsverfahren wurden ferner Konstanttemperaturverfahren entwickelt, bei denen die Temperatur der Reaktionslösung zur Vervielfältigung der Nukleinsäure konstant gesteuert wird, etwa das NASBA-Verfahren (sequenzbasierte Nukleinsäure-Vervielfältigung) und das LAMP-Verfahren (schleifenvermittelte isotherme Vervielfältigung).
  • Ein derartiges Nukleinsäure-Vervielfältigungsverfahren wird auch bei der Diagnose von Virusinfektionen und bei der klinischen Untersuchung angewandt und ist zur Verbesserung der Effizienz, zur Arbeitsersparnis und zur Erzielung hoher Untersuchungsgenauigkeit durch Automation erforderlich.
  • PTL 1 offenbart ein an den Analysegegenstand oder die Eigenschaften der Gerätekonfiguration angepasstes Temperatursteuerverfahren, um eine Verringerung der Analyseeffizienz infolge Überhitzung der Reaktionslösung zu vermeiden und die Analysezeit durch Verbessern der Temperaturänderungsgeschwindigkeit der Reaktionslösung abzukürzen.
  • PTL 2 offenbart ein Gerät zur Erkennung der Nukleinsäure-Vervielfältigung, mit dem sich eine stabile Temperatureinstellung für jedes von mehreren eine Reaktionslösung enthaltenden Reaktionsgefäßen aufrechterhalten und Temperaturschwankungen selbst dann minimieren lassen, wenn die Umgebungstemperatur des Ortes, an dem das Gerät installiert ist, innerhalb eines gewissen Bereichs abweicht.
  • Die in PTL 1 und PTL 2 offenbarten Echtzeit-PCR-Geräte weisen eine Konfiguration auf, bei der ein das Reaktionsgefäß tragender Temperatur-Einstellblock am kreisförmigen Außenrand eines um eine Welle drehbaren Karussells installiert und für jeden Temperatur-Einstellblock als Temperatur-Einstellgerät zwischen dem Karussell und dem Temperatur-Einstellblock ein Peltier-Element vorgesehen ist.
  • Bei einer solchen Konfiguration lässt sich dann, wenn ein FluoreszenzAnalysegerät oder ein Ausgabemechanismus an einer feste Position in Umfangsrichtung des Karussells befestigt ist, die Temperatur gemäß dem Protokoll des jeweiligen Vervielfältigungstargets für eine Einstellzeit unabhängig und parallel auf eine Einstelltemperatur einstellen. Daher ist es möglich, Prozesse entsprechend mehreren Protokollen durchzuführen, bei denen Nuleinsäureanalysen an einer großen Anzahl von Probentypen gleichzeitig vorgenommen werden.
  • Bei dem in PTL 1 beschriebenen Echtzeit-PCR-Gerät lässt sich zur Fluoreszenzanalyse eine Probenlösung von der Unterseite des Reaktionsgefäßes her mit Anregungslicht bestrahlen, wobei die Fluoreszenz mit einem an der radial äußeren Seite des kreisförmigen Karussells vorgesehenen Lichtempfänger erfasst wird.
  • Das in PTL 2 beschriebene Gerät hat eine Konfiguration, bei der ein unterer Teil des Reaktionsgefäßes aus dem Temperatureinstellblock nach unten ragt und die Fluoreszenzanalyse sich unter Verwendung eines unter dem Reaktionsgefäß über dessen vorspringenden Boden angeordneten Fluoreszenzanalysegerätes durchführen lässt.
  • In jedem Fall ist bei den Konfigurationen nach PTL 1 und PTL 2, bei denen an dem Karussell mehrere Temperatureinstellblöcke hängen, ein Teil der die Probenlösung enthaltenden Reaktionsgefäße wegen der Betrachtung mit dem Fluoreszenzanalysegerät weitgehend der Luft ausgesetzt. Grund dafür ist, dass das Fluoreszenzanalysegerät fest ist und die Fluoreszenzmessung von einer Seite oder von der Unterseite des Reaktionsgefäßes her erfolgt.
  • Die in PTL 1 und PTL 2 beschriebenen Verfahren verwenden ein Reaktionsgefäß, das eine enge untere Spitze aber in den meisten Teilen eine kreisrunde oder viereckige Rohrform hat. Der Grund dafür besteht in der Notwendigkeit, eine komplizierte Lichtstreuung zu vermeiden, um die Intensität der Fluoreszenz von der Seite oder von der Unterseite des Reaktionsgefäßes her zu messen.
  • Ferner sind die in PTL 1 und PTL 2 beschriebenen Echtzeit-PCR-Geräte so konzipiert, dass der einzelne Temperatureinstellblock ein möglichst großes Volumen hat. Deshalb sind die einzelnen Temperatureinstellblöcke in dem Karussell in Umfangsrichtung angeordnet. Grund dafür ist, dass der Temperatureinstellblock als Inkubator betrachtet wird. Durch Volumenvergrößerung des Temperatureinstellblocks lassen sich daher Eigenschaften erzielen, bei denen die Wärmekapazität der Temperatureinstellblöcke erhöht ist und, wenn die Probenlösung auf einer konstanten Temperatur gehalten wird, Temperaturänderungen aufgrund externer Störungen unwahrscheinlich sind.
  • Bei der klinischen Untersuchung besteht nun Bedarf an einer raschen Erzielung von Untersuchungsergebnissen von Proben.
  • Da beim PCR-Verfahren die Zeit, über die die Temperatur konstant gehalten wird, von einem Protokoll bestimmt wird, ist eine rasche Änderung von einer konstanten Temperatur zur nächsten konstanten Temperatur erforderlich, um rasch Untersuchungsergebnisse zu erhalten. Dazu muss die Anstiegsrate, d.h. die Änderungsgeschwindigkeit, in der Temperatur des Temperatureinstellblocks verbessert werden.
  • Wie in PTL1 und PTL2 beschrieben, lässt sich bei Verwendung eines Verfahrens, bei dem das System zur Fluoreszenzintensitätsmessung anstelle einer Konfiguration, bei der die Probe an dem Karussell gehalten wird und das Karussell sich dreht und über dem Messsystem bewegt, mit einem festen Temperatureinstellblock arbeitet, die Fluoreszenzintensität von oben her messen, und es braucht kein transparentes Reaktionsgefäß verwendet zu werden. Dadurch wird es möglich, für das Reaktionsgefäß ein Material mit guter Wärmeleitfähigkeit zu verwenden und rasche Temperaturänderungen zu gestatten.
  • Bei dem in PTL 1 und PTL 2 beschriebenen rohrförmigen Reaktionsgefäß muss zwischen diesem und dem Temperatureinstellblock ein Spalt vorgesehen werden, um das Abnehmen zu erleichtern. Da dieser Spalt jedoch einen Wärmeübergangswiderstand bildet, ist er für rasche Temperaturänderungen ungünstig. Wird dagegen ein Verfahren zur Messung der Fluoreszenzintensität von oben her angewendet, so ergeben sich Vorteile insofern, als das Reaktionsgefäß mit einer sich nach unten verjüngenden konischen Form ausgebildet werden kann und sich auch dann leicht abnehmen lässt, wenn es in engem Kontakt mit dem Temperatureinstellblock steht.
  • Außerdem wird der Effekt erzielt, dass sich die Steuerung des Peltier-Elements optimieren lässt, wenn die zeitliche Temperaturänderung der Probenlösung bekannt ist. Da sich die Temperatur der Probenlösung während einer Reaktion nur schwer messen lässt, wird sie aufgrund der von einem Temperaturfühler erhaltenen Temperatur des Temperatureinstellblocks abgeschätzt. Zu diesem Zweck ist es zweckmäßig, dass bei Temperaturänderungen die an Stellen des Temperatureinstellblocks verursachte Temperaturdifferenz nicht groß ist. Da das Peltier-Element dann, wenn an der Wärmeübertragungsfläche eine große Temperaturdifferenz auftritt, eine Wärmespannungsverteilung ausweist, ist es erwünscht, große Temperaturdifferenzen zu vermeiden.
  • Somit besteht die von der Erfindung zu lösende Aufgabe darin, einen Thermocycler, mit dem sich die Anstiegsrate eines Stützblocks verbessern lässt und bei zeitlichen Temperaturänderungen Temperaturdifferenzen in dem Stützblock verringern lassen, in einem Echtzeit-PCR-Gerät, das ein Reaktionsgefäß mit sich nach unten verjüngender konischer Form enthält und die Fluoreszenzintensität von oben her misst, sowie ein diesen Thermocycler enthaltendes Echtzeit-PCR-Gerät zu schaffen.
  • Problemlösung
  • Die Erfindung bietet mehrere Mittel zur Lösung der obigen Probleme. Ein Aspekt bezieht sich beispielsweise auf einen Thermocycler, der aufweist: einen Stützblock zur Aufnahme eines Reaktionsgefäßes; ein mit dem Stützblock thermisch verbundenes Peltier-Element zum Einstellen der Temperatur der in dem Reaktionsgefäß enthaltenen Probenlösung durch Erwärmen/Kühlen des Stützblocks; einen Temperaturfühler zum Messen der Stützblocktemperatur; und eine Eingangswärmemengen-Einstelleinheit zur Steuerung von dem Peltier-Element zugeführten Strom- und Spannungsgrößen aufgrund der von dem Temperaturfühler gemessenen Temperatur, wobei als Reaktionsgefäß ein solches mit einem nach oben offenen und sich nach unten verjüngenden konischen Teil, verwendet wird und das Peltier-Element parallel zu einer Konus-Mantellinie des Reaktionsgefäßes verläuft.
  • Vorteilhafter Effekt
  • Gemäß der Erfindung lassen sich die Anstiegsrate des Stützblocks verbessern und Temperaturdifferenzen in dem Stützblock bei zeitlichen Temperaturänderungen selbst dann reduzieren, wenn die Fluoreszenzintensität von oben gemessen wird und das Reaktionsgefäß eine sich nach unten verjüngende konische Form hat. Weitere Probleme, Konfigurationen und Effekte übe das oben Gesagte hinaus ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein Diagramm der schematischen Konfiguration eines Echtzeit-PCR-Gerätes gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
    • 2 ist ein schematischer Querschnitt zur Darstellung der grundsätzlichen Struktur des Thermocyclers eines Echtzeit-PCR-Gerätes gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
    • 3 ist eine Außenansicht eines Beispiels für ein Reaktionsgefäß, wie es in dem Thermocycler des Echtzeit-PCR-Gerätes gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet wird.
    • 4 ist eine Außenansicht eines Beispiels für einen Stützblock, wie er in dem Thermocycler des Echtzeit-PCR-Gerätes gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet wird.
    • 5 ist eine Außenansicht eines Beispiels für den zusammengebauten Zustand des Thermocyclers des Echtzeit-PCR-Gerätes gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
    • 6 zeigt zum Vergleich einen Querschnitt durch ein Beispiel eines Stützblocks im Thermocycler eines Echtzeit-PCR-Gerätes im verwandten Stand der Technik.
    • 7 zeigt zum Vergleich einen Querschnitt durch ein Beispiel des Stützblocks im Thermocycler des Echtzeit-PCR-Gerätes im verwandten Stand der Technik
    • 8 zeigt einen Querschnitt durch ein Beispiel des Stützblocks in dem Thermocycler des Echtzeit-PCR-Gerätes gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
    • 9 zeigt in einem Diagramm das Simulationsergebnis der Anstiegsrate und der maximalen Temperaturdifferenz aufgrund der Form des Stützblocks in dem Thermocycler des Echtzeit-PCR-Gerätes gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung und aufgrund der Form des Stützblocks in dem Thermocycler gemäß dem verwandten Stand der Technik.
    • 10 ist ein Blockschaltbild eines Temperatursteuersystems des Thermocyclers eines Echtzeit-PCR-Gerätes gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Beschreibung von Ausführungsbeispielen
  • Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Thermocyclers und eines diesen enthaltenden Echtzeit-PCR-Gerätes anhand der Zeichnungen beschrieben.
  • <Erstes Ausführungsbeispiel>
  • Anhand von 1 bis 9 werden im Folgenden ein Thermocycler und ein diesen enthaltendes Echtzeit-PCR-Gerät gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
  • 1 zeigt ein Gesamtdiagramm der schematischen Konfiguration des Echtzeit-PCR-Geräts gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Das in 1 gezeigte des Echtzeit-PCR-Gerät 1000 umfasst einen Träger-Aufnahmeteil 110, einen Transportmechanismus 120, einen Flüssigkeits-Abgabemechanismus 130, eine Deckeleinheit 140, eine Rühreinheit 150, ein Steuergerät 200, einen Thermocycler 160 und eine Messeinheit 165.
  • In dem Echtzeit-PCR-Gerät 1000 umfasst eine Lösungsaufbereitungseinheit zum Aufbereiten einer Probenlösung 1 (siehe 2) den Träger-Aufnahmeteil 110, den Transportmechanismus 120, den Flüssigkeits-Abgabemechanismus 130 und die Deckeleinheit 140.
  • Der Träger-Aufnahmeteil 110 ist ein Bereich, in dem eine Probe, ein Reagens, eine Abgabespitze und ein Reaktionsgefäß 2 für die Untersuchung angeordnet sind. Der Träger-Aufnahmeteil 110 ist an einer vorgegebenen Stelle auf einem Arbeitstisch 102 des Echtzeit-PCR-Geräts 1000 vorgesehen und mit einem Probengefäßträger 112, einem Reagensgefäßträger 114, einem Reaktionsgefäßträger 116 und einem Düsenspitzenträger 118 ausgerüstet.
  • In dem Probengefäßträger 112 sind mehrere Probengefäße 113, die jeweils eine Probe einer Nukleinsäure als Gegenstand eines Vervielfältigungsprozesses enthalten, matrixartig angeordnet. In dem Reagensgefäßträger 114 sind mehrere Reagensgefäße 115, die jeweils ein jeder Probe zuzusetzendes Reagens enthalten, matrixartig angeordnet. In dem Reaktionsgefäßträger 116 sind mehrere unbenutzte leere Reaktionsgefäße 2 zum Mischen der Probe mit dem Reagens matrixartig angeordnet. In dem Düsenspitzenträger 118 sind mehrere unbenutzte Düsenspitzen 119 zur Abgabe von Probe und Reagens matrixartig angeordnet.
  • Bei dem Transportmechanismus 120 handelt es sich um eine Mechanismus, der die einzelnen Teile in dem Echtzeit-PCR-Gerät 1000 bewegt, während er das Reaktionsgefäß 2 oder dergleichen hält, und der eine X-Achsenführung 121, einen X-Achsenantieb 122, eine Y-Achsenführung 123 und einen Y-Achsenantieb 124 umfasst und eine Konfiguration hat, bei der sich der Y-Achsenantieb 124 aufgrund eines Steuersignals auf einem Arbeitstisch zweidimensional bewegen und an einer gewünschten Position auf dem Arbeitstisch anordnen lässt.
  • Die X-Achsenführung 121 ist so angeordnet, dass sie auf dem Arbeitstisch 102 des Echtzeit-PCR-Geräts 1000 in 1 in einer X-Achsenrichtung verläuft. Der X-Achsenantrieb 122 ist ein an der X-Achsenführung 121 bewegbarer Antrieb.
  • Die Y-Achsenführung 123 ist einstückig an dem X-Achsenantieb 122 angebracht und erstreckt sich in 1 in X-Achsenrichtung. Der Y-Achsenantieb 124 ist an der Y-Achsenführung 123 bewegbar.
  • Der Y-Achsenantieb 124 ist mit einem Strichcodeleser 125, einer Greifeinheit 126 und einer Abgabeeinheit 127 versehen, die sich einstückig mit dem Y-Achsenantrieb 124 auf dem Arbeitstisch bewegen und an gewünschten Positionen des Arbeitstisches 102 angeordnet sind.
  • Der Strichcodeleser 125 erhält die Kenninformationen durch Lesen von an den einzelnen Probengefäßen 113, Reagensgefäßen 115 und Reaktionsgefäßen 2 angebrachten Kenninformationen.
  • Bei Betätigung eines Greifers aufgrund des Steuersignals ergreift die Greifeinheit 126 das jeweilige Reaktionsgefäß 2 oder gibt es frei und transportiert es, während sich der Y-Achsenantieb 124 zwischen Teilen des Gerätes auf dem Arbeitstisch 102 bewegt.
  • Die Abgabeeinheit 127 hat eine Konfiguration, mit der sich die Düsenspitze 119 abnehmen lässt. Aufgrund des Steuersignals setzt die Abgabeeinheit 127 die Düsenspitze 119 aus dem Düsenspitzenträger 118 an, taucht sie in die Probe in dem Probengefäß 113 oder das Reagens in dem Reagensgefäß 115 und saugt die Probe bzw. das Reagens zum Sammeln in die Düsenspitze 119. Aufgrund eines Steuersignals gibt die Abgabeeinheit 127 die in der Düsenspitze 119 enthaltene Probe bzw. das Reagens in das Reaktionsgefäß ab.
  • Die Abgabeeinheit 127 bildet einen Hauptteil des Flüssigkeits-Abgabemechanismus 130, der so konfiguriert ist, dass er durch Abgabe einer Probe und eines Reagens in ein gewähltes Reaktionsgefäß 2 unter Verwendung einer Abgabespitze eine Probenlösung erzeugt.
  • In dem Echtzeit-PCR-Gerät 1000 ist auf dem Arbeitstisch 102 zwischen dem Träger-Aufnahmeteil 110 und dem Thermocycler 160 eine Probenlösungs-Aufbereitungsstelle 170 ausgebildet, an der ein aus dem Reaktionsgefäßträger 116 entnommenes unbenutztes Reaktionsgefäß 2 zur Erzeugung der Probenlösung anzuordnen ist.
  • Die Probenlösungs-Aufbereitungsstelle 170 ist mit einer Gefäßhalteeinheit 172 zur Aufnahme des Reaktionsgefäßes 2 versehen. In dem Echtzeit-PCR-Gerät 1000 werden unter Verwendung der Abgabeeinheit 127 eine Probe aus dem Probengefäß 113 und ein Reagens aus dem Reagensgefäß 115 in das unbenutzte Reaktionsgefäß 2 abgegeben, das unter Verwendung der Greifeinheit 126 von dem Reaktionsgefäßträger an die Probenlösungs-Aufbereitungsstelle 170 überführt wird, und in dem Reaktionsgefäß 2 eine Probenlösung erzeugt, in der die Probe und das Reagens gemischt sind. Vorgesehen sind mehrere Gefäßhalteeinheiten 172. Demgemäß können beispielsweise die gleiche Probe oder das gleiche Reagens gleichzeitig in mehrere Reaktionsgefäße 2 abgegeben werden, so dass sich ein Chargenverfahren durchführen lässt, bei dem mehrere Probenlösungen erzeugt werden
  • Bei der Deckeleinheit 140 handelt es sich um einen Mechanismus, der das die Probenlösung enthaltende Reaktionsgefäß 2 bedeckt. Die Deckeleinheit bedeckt eine Öffnung des die Probenlösung enthaltenden Reaktionsgefäßes 2, das mittels der Greifeinheit 126 von der Probenlösungs-Aufbereitungsstelle 170 überführt wird, um eine Verdunstung der Probenlösung, den Eintritt von Fremdstoffen von außen usw. zu verhindern.
  • Bei der Rühreinheit 150 handelt es sich um einen Mechanismus, der die Probe und das Reagens der in dem Reaktionsgefäß 2 enthaltenen Probenlösung mischt. Die Rühreinheit 150 rührt die Probenlösung, die in dem mittels der Greifeinheit 126 von der Deckeleinheit 140 überführten geschlossenen Reaktionsgefäß 2 enthalten ist, und mischt die Probe mit dem Reagens.
  • In dem Echtzeit-PCR-Gerät 1000 ist auf dem Arbeitstisch 102 zwischen der Probenlösungs-Aufbereitungsstelle 170 und dem Träger-Aufnahmeteil 110 ein Abfallbehälter 180 vorgesehen, um an der Abgabeeinheit 127 angebrachte und zur Abgabe von Proben oder Reagenzien benutzte Düsenspitzen 119 oder von dem Thermocycler in einem Nukleinsäure-Vervielfältigungsprozess benutzte untersuchte Reaktionsgefäße 2 zu beseitigen.
  • Bei dem Thermocycler 160 handelt es sich um einen Mechanismus, in dem das Reaktionsgefäß 2 nach dem Rühren montiert und nach einem vorgegebenen, weiter unten detailliert beschriebenen Protokoll eine Nukleinsäure der Probenlösung 1 vervielfältigt wird.
  • Die Messeinheit 165 ist an einer oberen Seite des die Probenlösung 1 enthaltenden Reaktionsgefäßes 2 angeordnet und stellt einen Mechanismus zum Messen der Nukleinsäurekonzentration dar, wobei eine Fluoreszenzcharakteristik der Probenlösung 1 mit von dem Thermocycler 160 eingestellter Temperatur nach einem vorgegebenen Protokoll gemessen wird.
  • Die Messeinheit 165 umfasst eine Anregungslichtquelle, die einen freiliegenden Gefäßbodenteil des gegenüberstehenden Reaktionsgefäßes 2 mit Anregungslicht bestrahlt, sowie ein Detektorelement, das auf der Bestrahlung mit dem Anregungslicht beruhende Fluoreszenz von der Probenlösung detektiert. Beispiele für die Anregungslichtquelle sind Leuchtdioden (LEDs), Halbleiterlaser, Xenonlampen, Halogenlampen und dergleichen. Beispiele für das Detektorelement sind Photodioden, Photomultiplier, CCDs und dergleichen.
  • Die Messeinheit 165 ist somit in der Lage, die von der Probenlösung 1 durch die Bestrahlung mit dem Anregungslicht aus der Anregungslichtquelle erzeugte Fluoreszenz mittels des Detektorelements zu detektieren und zu messen und gleichzeitig die Basensequenz eines mit dem Reagens in der Probenlösung 1 fluoreszenzmarkierten Verviefältigungstargets zu quantifizieren.
  • Die Arbeitsweise der einzelnen Teile des Gerätes, einschließlich des Thermocyclers 160 des so konfigurierten Echtzeit-PCR-Gerätes 1000 wird von den Steuergerät 200 gesteuert, das, wie in 1 gezeigt, ein Eingabegerät 210, etwa eine Tastatur und eine Maus, und ein Anzeigegerät 220, etwa einen Flüssigkristallmonitor, umfasst.
  • Das Steuergerät 200 steuert die einzelnen Teile des oben erwähnten Gerätes, darunter den Thermocycler 160 des Echtzeit-PCR-Gerätes 1000, und führt nach einem von dem Eingabegerät 210 gesetzten Protokoll unter Verwendung verschiedener in der Speichereinheit 201 vorher gespeicherter Softwaretypen und dergleichen einen Nukleinsäure-Untersuchungsprozess einschließlich eines Probenlösungs-Aufbereitungsprozesses und eines Nukleinsäure-Vervielfältigungsprozesses durch. Während des Nukleinsäure-Untersuchungsprozesses speichert ferner das Steuergerät 200 in der Speichereinheit 201 einen beweglichen Status jedes Geräteteils, speichert das Analyseergebnis, etwa das von dem Thermoycycler 160 gewonnene Ergebnis der Fluoreszenzerfassung in der Speichereinheit 201 und stellt das Analyseergebnis an dem Anzeigegerät 220 dar.
  • Das Steuergerät 200 des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist so konfiguriert, dass es eine Temperatursteuerung mehrerer Thermocycler 160 unabhängig und parallel gestattet.
  • Im Folgenden werden die oben erwähnten Probenlösungs-Aufbereitungs- und Nukleinsäure-Vervielfältigungsprozesse in Bezug auf den von dem Steuergerät 200 durchgeführten Nukleinsäure-Untersuchungsprozess im Einzelnen beschrieben.
  • Der Probenlösungs-Aufbereitungsprozess bezieht sich hier auf einen Prozess, bei dem die Probenlösung 1, in der ein Muster und ein Reagens in dem von dem Steuergerät 200 des Echtzeit-PCR-Gerätes 1000 durchgeführten Nukleinsäure-Untersuchungsprozess in dem Reaktionsgefäß 2 gemischt werden. Ferner bezieht sich der Nukleinsäure-Vervielfältigungsprozess auf einen Prozess, in dem der Thermocycler 160 die Temperatur der Probenlösung 1 einstellt, wobei die Probenlösung 1 in dem Reaktionsgefäß 2 durch diesen Probenlösungs-Aufbereitungsprozess nach einem vom Typ der Basissequenz als Vervielfältigungstarget abhängigen Protokoll erzeugt und die Nukleinsäure-Vervielfältigung an der Basissequenz durchgeführt wird, während die Fluoreszenzmessung der Probenlösung 1 von der Messeinheit 165 bestätigt wird.
  • Zu Beginn des Probenlösungs-Aufbereitungsprozesses initialisiert das Steuergerät 200 zunächst verschiedene in der Speichereinheit 201 vorgesehene Arbeitsbereiche für den Probenlösungs-Aufbereitungsprozesses.
  • Bei Beendigung der auf den Aufbereitungsprozess der Probenlösung 1 bezogenen Initialisierung liest das Steuergerät 200 Informationen zum Probengefäßträger, Informationen zum Reagensgefäßträger und von dem Eingabegerät 210 gesetzte Ausführungs-Inhaltsinformationen zur Nukleinsäureuntersuchung.
  • Das Steuergerät 200 extrahiert aus einem oder mehreren in den Ausführungs-Inhaltsinformationen der Nukleinsäure-Untersuchung enthaltenen individuellen Nukleinsäure-Untersuchungsprozessen einen oder mehrere einzelne Nukleinsäureprozesse, die in diesem Fall aufgrund einer vorher gesetzten Prozedur dem Probenlösungs-Aufbereitungsprozess unterworfen werden sollen.
  • Sodann bereitet das Steuergerät 200 die Probenlösung 1 an der Probenlösungs-Aufbereitungsstelle 170 durch Steuern der Arbeitsweise des Flüssigkeitsabgabemechanismus 130 bezüglich des zuvor von dem Reaktionsgefäßträger 116 transportierten und an der Gefäßhalteeinheit 172 der Probenlösungs-Aufbereitungsstelle 170 angebrachten unbehandelten Reaktionsgefäßes 2 aufgrund von Probenlösungs-Aufbereitungsinformationen des selektiv extrahierten individuellen Nukleinsäureprozesses vor.
  • Als Nächstes werden Konfiguration und Arbeitsweise des Thermocyclers 160, der einen Hauptteil zur effizienten Verarbeitung unterschiedlicher Analysegegenstände in kurzer Zeit in dem Echtzeit-PCR-Gerät 1000 des vorliegenden Ausführungsbeispiels darstellt, anhand von 2 bis 9 im Einzelnen beschrieben.
  • 2 zeigt einen Querschnitt durch den Grundaufbau des Thermocyclers 160 des vorliegenden Ausführungsbeispiels.
  • Der Thermocycler 160 des vorliegenden Ausführungsbeispiels stellt einen Mechanismus dar, der unter Beobachtung der Temperatur eines Temperaturfühlers 4 den einem Peltier-Element 5 zugeführten Strom mittels einer Temperatureinstelleinheit 230 einstellt, um die Temperatur der Probenlösung 1 nach einem Target-Protokoll zu ändern. Der in 2 gezeigte Thermocycler 160 umfasst einen Stützblock 3, den Temperaturfühler 4, das Peltier-Element 5, einen Kühlkörper 6, ein Wärmeisolier-Abstandsstück 7, ein Blockfixierglied 8, eine Befestigungsschraube 9 und die Temperatureinstelleinheit 230.
  • Unter Verwendung der anhand von 1 beschriebenen Lösungsaufbereitungseinheit wird die Probenlösung 1 durch Abgabe und Mischen von Flüssigkeiten, etwa einer Musterprobe, einer Verdünnungslösung und eines Reagens aufbereitet und in dem Reaktionsgefäß 2 gespeichert.
  • Der Stützblock 3 umfasst ein Halteteil 32 (siehe 4), in dem eine Halterausnehmung 3a (siehe 4) ausgebildet ist, die die gleiche Form hat wie die Außenform des Reaktionsgefäßes 2, eine Wärmeaufnahmeplatte 31, die mit einem Halteteil 32 in thermischer Verbindung steht und dadurch, dass sie mit einer Wärmeübertragungsfläche 51 des Peltier-Elements 5 steht, eine Wärmeaufnahmefläche 31b zur Wärmeübertragung bildet, sowie ein Kehlstück 33 (siehe 4).
  • Das Reaktionsgefäß 2 wird von der Halterausnehmung 3a des Stützblocks 3 getragen.
  • Die eine Fläche (die Wärmeaufnahmefläche 31b) der Wärmeaufnahmeplatte 31 steht mit dem Peltier-Element in Kontakt, die andere Fläche 31b ist mit dem das Reaktionsgefäß 2 tragenden Halteteil 32 versehen.
  • In dem Stützblock 3 ändert das kühl- und erwärmbare Peltier-Element 5 über den das Reaktionsgefäß 2 und die Wärmeaufnahmeplatte 31 tragenden Halteteil 5 die Temperatur der Probenlösung 1 periodisch entsprechend dem PCR-Protokoll der einzelnen Reaktion.
  • Während dieser Periode wird die Probenlösung 1 mit Licht bestrahlt und die Fluoreszenzintensität gemessen. Dabei trägt der die Aufbereitung der Probenlösung, den Transport und die Messung der Fluoreszenzintensität betreffende Teil nicht signifikant zur Verbesserung der Anstiegsrate bei, so dass ihr Aufbau keinen besonderen Beschränkungen unterliegt, wobei es, wie in 2 gezeigt, zweckmäßig ist, die Probenlösung 1 von oben in das Reaktionsgefäß 2 einzuleiten und die Fluoreszenzintensität von oben zu messen.
  • Das PCR-Protokoll ist ferner optional und nicht beschränkt. Gewöhnlich wird in einem Temperaturbereich von etwa 50 °C bis 100 °C, was höher ist als die Umgebungstemperatur oder Zimmertemperatur, bei der das Echtzeit-PCR-Gerät installiert ist, eine spezifizierte Anzahl von Malen ein Temperaturänderungsmuster wiederholt, in dem zwei oder drei Targettemperaturen über eine gewisse Zeitspanne aufrechterhalten werden.
  • Der Temperaturfühler 4 ist an dem Stützblock 3 angebracht und misst die Temperatur der Probenlösung indirekt durch Messen der Temperatur des Stützblocks 3. Der Temperaturfühler 4 umfasst beispielsweise ein Thermoelement und ein Halbeiterthermometer, ist aber darauf nicht besonders beschränkt.
  • Die Temperatureinstelleinheit 230 steuert die dem Peltier-Element 5 zugeführten Strom- und Spannungsgrößen derart, dass die von dem Temperaturfühler 4 gemessene Temperatur des Stützblocks 3 mit einer entsprechend dem PCR-Protokoll vorher eingestellten Temperatur übereinstimmt. Vorliegend wird zwar ein Fall beschrieben, bei dem das Steuergerät 200 und die Temperatureinstelleinheit 230 voreinander getrennt sind; das Steuergerät 200 und die Temperatureinstelleinheit 230 können aber auch als Einheit vorliegen.
  • In den oben erwähnten PTLs wird eine Kombination aus dem Stützblock 3 und dem Peltier-Element 5 als Temperatureinstellblock bezeichnet.
  • 3 ist eine schematische Darstellung des in dem Thermocycler 160 des vorliegenden Ausführungsbeispiels verwendeten Reaktionsgefäßes 2.
  • Das in dem Thermocycler 160 verwendete Reaktionsgefäß 2 ist vom Einwegtyp; es wird am Ende der Untersuchung weggeworfen und besteht üblicherweise aus Kunststoff. Wie in 3 gezeigt, weist das Reaktionsgefäß 2 in seiner Form einen konischen Abschnitt auf, in dem sich ein oberer Teil 21 öffnet, und einen in dem Stützblock 3 untergebrachten Abschnitt, der sich zu einem unteren Abschnitt hin verjüngt, so dass das Reaktionsgefäß 2 thermisch in engem Kontakt mit dem Stützblock 3 stehen und leicht davon gelöst werden kann.
  • Das Reaktionsgefäß 2 ist an dem Stützblock 3 so angebracht, dass die Mittelachse 24 des konischen Abschnitts im Wesentlichen senkrecht steht. Das sich verjüngende Spitzenende 22 des konischen Abschnitts ist zur thermischen Adhäsion und zum leichten Abnehmen annähernd kugelförmig verrundet. Das Spitzenende 22 weist senkrecht nach unten, während der obere Teil 21 des Reaktionsgefäßes 2 ist an der gegenüber liegenden Seite offen ist, so dass die Probenlösung 1 von oben eingebracht und die Fluoreszenzintensität nach der Bestrahlung mit Licht von oben gemessen werden kann.
  • Obwohl in dem vorliegenden, oben beschriebenen Ausführungsbeispiel nicht gezeigt, kann am oberen Abschnitt 21 des Reaktionsgefäßes 2 ein transparenter Deckel verwendet werden, um zu verhindern, dass die Probenlösung verdunstet und während der PCR-Reaktion verschwindet.
  • Außer für den in Kontakt mit dem Stützblock 3 stehenden Teil kann jede beliebige Form vorgesehen sein; beispielsweise können ein Flansch zum Ausrichten auf ein zusätzliches Stützelement, eine Heizung zum Verhindern von Taukondensation auf dem oben beschriebenen Schwund verhindernden Deckel und dergleichen vorgesehen sein.
  • Da in den oben beschriebenen Literaturstellen PTL 1 und PTL 2 ein optisches System zur Beobachtung der Fluoreszenz von einer Seite her konfiguriert ist, lässt sich keine konische Fläche dazu verwenden, bei der in dem Reaktionsgefäß eine komplizierte Lichtstreuung auftritt; vielmehr ist die Form eines in senkrechter Richtung geraden Zylinders oder Prismas erforderlich.
  • Daher besteht eine Beschränkung darin, dass zwischen Stützblock und Reaktionsgefäß ein Spalt vorgesehen sein muss, damit sich das Reaktionsgefäß leichter abnehmen lässt. Eine weitere Beschränkung besteht darin, dass ein Bereich vorgesehen sein muss, in dem der Stützblock und das Reaktionsgefäß in keinem engen Kontakt miteinander stehen, um einen seitlichen Lichtweg zu gewährleisten. Daher gibt es noch einige Teile, in denen keine thermische Adhäsion zu erreichen ist, und es besteht Raum zur Verbesserung der Anstiegsrate.
  • Da bei PTL 2 das die Probenlösung hauptsächlich enthaltende Spitzenende des Reaktionsgefäßes aus dem Stützblock herausragen muss, besteht auch hier Raum für die Verbesserung der Anstiegsrate.
  • 4 zeigt eine Außenansicht eines Beispiels für den in dem Thermocycler 160 des vorliegenden Ausführungsbeispiels verwendeten Stützblock.
  • Wie in 4 gezeigt und oben beschrieben, stellt der Stützblock 3 ein Bauteil dar, bei dem der Halteteil 32 und die Wärmeaufnahmeplatte 31 einstückig an einer Fläche ausgebildet sind, die zu der in Kontakt mit dem Peltier-Element 5 stehenden Fläche der Wärmeaufnahmeplatte 31 entgegengesetzt ist.
  • Da der Stützblock 3 ein permanentes Bauelement ist und hohe Festigkeit, um das Abnehmen des Reaktionsgefäßes 2 auszuhalten, und gute Wärmeleitfähigkeit haben soll, besteht er üblicherweise insgesamt aus einem Metallmaterial mit guter Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise einem Metall mit guter Wärmeleitfähigkeit wie etwa Aluminium.
  • Für das Verfahren zur Herstellung des Stützblocks 3 bestehen keine besonderen Beschränkungen. Der Halteteil 32 und die Wärmeaufnahmeplatte 31 können separat verarbeitet oder durch Schweißung oder Diffusionsverbindung oder durch Druckguss unter Verwendung einer Form verbunden werden, so dass der Halteteil 32 und die Wärmeaufnahmeplatte 31 miteinander integriert sind. Alternativ können der Halteteil 32 und die Wärmeaufnahmeplatte 31 durch Schneiden oder durch elektrische Erodierbearbeitung aus einem Metallstück ausgeschnitten werden.
  • Um das Volumen des Stützblocks 3 zu minimieren, ist der Halteteil 32, der das konische Reaktionsgefäß 2 mit konstanter Dicke 32a bedeckt, an einer Seite entgegengesetzt zur Wärmeaufnahmefläche 31b der das Peltier-Element 5 mit konstanter Dicke 31a bedeckenden Wärmeaufnahmeplatte 31 in Kontakt mit dem als flache Platte ausgebildeten Peltier-Element 5 angeordnet, so dass der Mantellinienteil des Halteteils 32 und die Wärmeaufnahmeplatte 31 einander überlappen. Um die Temperaturverteilung an der Wärmeübertragungsfläche 51 des Peltier-Elements 5 oder der mit dem Reaktionsgefäß 2 in Kontakt stehenden Fläche gleichmäßig zu machen, ist es somit möglich, die Fläche mit einem wärmeleitenden Material in konstanter Dicke zu bedecken.
  • Wird wegen der Bearbeitung das zusätzliche Volumen des Kehlstücks 33 hinzugefügt, wie in 4 gezeigt, so ist es zweckmäßig, die Querschnittsfläche des Stützblocks 3 mit zunehmendem Abstand äquidistant zur Wärmeübertragungsfläche des Peltier-Elements 5 oder der Wärmeaufnahmeplatte 31 zu reduzieren.
  • Als typische Dimensionen der einzelnen Teile sind die Dicke 32a von der Halterausnehmung 3a zur Außenform des Halteteils 3 und die Dicke der Wärmeaufnahmeplatte 31 spezifiziert.
  • Das Reaktionsgefäß 2 wird vom oberen Ende des Halteteils 32 her längs der Mittelachse 24 des Halters um die Einsetztiefe 32b in den Halteteil 32 eingefügt.
  • Die Form an der Innenseite des Halteteils 32 ist fast gleich der Form des Reaktionsgefäßes 2, wobei jedoch ein kleines Loch vorgesehen sein kann, durch das Luft und austretende Tröpfchen entweichen können.
  • Durch Verringern der Temperaturverteilung in dem Stützblock 3 lässt sich die Effizienz des Peltier-Elements 5 an der Seite der Wärmeaufnahmefläche 31b maximieren. Ferner kann durch Verringerung der Temperaturverteilung des Halteteils 32 bewirkt werden, dass Abweichungen in der Flüssigkeitstemperatur der Probenlösung 1 kleiner werden und die Reaktion in der Probenlösung 1 gleichmäßig wird.
  • Untersucht man die Wärmebilanz während der Temperatureinstellung des Stützblocks 3, so beträgt die durch das Reaktionsgefäß 2 auf die Probenlösung 1 übertragene Wärme gewöhnlich ein Zehntel der aus dem Peltier-Element 5 eingebrachten oder diesem entnommenen Wärme oder weniger. Beispiele für weitere Wärme sind einige Wärmemengen, die auf andere mit dem Stützblock 3 in Kontakt stehende Bauteile und an die umgebende Atmosphäre übertragen werden, doch dient der größte Wärmeanteil zum Ändern der Temperatur des Stützblocks 3.
  • Somit lässt sich ersehen, dass dann, wenn die durch Erwärmung und Absorption des Peltier-Elements 5 erzielte Wärme konstant ist, die Anstiegsrate durch Verringern der Wärmekapazität des Stützblocks 3 verbessert werden kann. Ferner ist ersichtlich, dass zur Verringerung der Wärmekapazität des Stützblocks 3 bei gleichem Material dessen Volumen verkleinert werden sollte.
  • Strukturbedingt beträgt die Wärmeleitfähigkeit der Probenlösung 1 oder des Reaktionsgefäßes 2 etwa 1/100 der des Materials des Stützblocks 3.
  • Daher besteht die Meinung, dass die Dicke 32a des Halteteils 32 etwa 1/100 der Wandstärke des Reaktionsgefäßes 2 betragen und konstante Dicke um die Halterausnehmung 3a herum bestehen sollte.
  • Ferner besteht die Meinung, dass die Dicke 31a der Wärmeaufnahmeplatte 31 senkrecht zur Wärmeaufnahmefläche 31b ebenfalls etwa 1/10 der Wandstärke des Reaktionsgefäßes 2 betragen sollte.
  • In der Praxis ist es zur Verbesserung der Haltbarkeit des Peltier-Elements 5 und hinsichtlich der Möglichkeit, es so zu verarbeiten, dass es im Hinblick auf Festigkeit und verbesserte Haltbarkeit seine Form behält, zweckmäßig, dass die Dicke 31a gleich oder größer ist als eine Dickendimension, die das Verhältnis aus dem Kontakt-Wärmewiderstand mit dem Peltier-Element 5 zum Wärmeübergangskoeffizient des den Stützblock 3 bildenden Materials (Kontakt-Wärmewiderstand (m2K/W)) x Material-Wärmeleitfähigkeit (W/mK)) > Dicke) angibt, oder die Dicke 31a gleich oder größer ist als die kleinste Wandstärke, bei der die maximale Temperaturdifferenz in der Wärmeaufnahmefläche 31b größer ist als die Temperaturdifferenz zwischen den Wärmeübertragungsflächen 51, 52 des Peltier-Elements 5 an der Hochtemperaturseite und den Wärmeübertragungsflächen 51, 52 des Peltier-Elements 5 an der Niedertemperaturseite, oder die Dicke 31a gleich oder größer ist als die kleinste Wandstärke, bei der sich die Form der Wärmeaufnahmeplatte 31 aufrechterhalten lässt.
  • Da das Peltier-Element 5 und die Wärmeaufnahmeplatte 31 in engem Kontakt miteinander stehen, hat die Wärmeaufnahmefläche 31b der Wärmeaufnahmeplatte 31 zweckmäßigerweise die gleiche Form und Fläche wie die Wärmeübertragungsfläche 51 des Peltier-Elements 5.
  • Wie oben beschrieben, lässt sich dadurch, dass die Fläche der Wärmeaufnahmeplatte 31 nicht extrem kleiner gemacht wird als die Fläche der Wärmeübertragungsfläche 51 des Peltier-Elements 5, vermeiden, dass der der Luft ausgesetzte Teil der Wärmeübertragungsfläche 51 des Peltier-Elements 5 groß wird. Daher lässt sich vermeiden, dass eine ungleichmäßige Temperaturverteilung in der Oberfläche des Peltier-Elements 5 zu Wärmespannungen führt, und so die Haltbarkeit des Peltier-Elements 5 gewährleisten. Da die Fläche der Wärmeaufnahmeplatte 31 nicht extrem größer ist als die der Wärmeübertragungsfläche 51 des Peltier-Elements 5, lässt sich verhindern, dass andere Gegenstände als der Stützblock 3 erwärmt und gekühlt werden.
  • Das Peltier-Element 5 ist ein mit dem Stützblock 3 thermisch verbundenes Bauteil, das so ausgelegt ist, dass es die Temperatur der Probenlösung 1 in dem Reaktionsgefäß 2 durch Erwärmen/Kühlen des Stützblocks 3 einstellt, und so angeordnet, dass es parallel zur Konus-Mantellinie 23 des Reaktionsgefäßes 2 verläuft. Das Peltier-Element 5 muss nicht genau parallel zur Konus-Mantellinie 23 verlaufen; eine Abweichung von etwa ±5° ist zulässig.
  • Beispiel für das Peltier-Element 5 ist ein solches mit geringer Dicke in der Wärmeübertragungsrichtung und mit rechteckigen oder quadratischen Wärmeübertragungsflächen 51, 52. Für die übrigen Eigenschaften, die Zusammensetzung und dergleichen bestehen keinen besonderen Beschränkungen, wobei eine geeignete Zusammensetzung entsprechend der benötigten Anstiegsrate verwendet werden kann; beispielsweise kommt eine Wismut-Tellur-Zusammensetzung (Bi2Te3) oder dergleichen zu Einsatz.
  • Die Wärmeübertragungsfläche 51 des Peltier-Elements 5 steht mit dem Stützblock 3, die Wärmeübertragungsfläche 52 mit dem Kühlkörper 6 in Kontakt. Zur Verbesserung der thermischen Bindung wird auf diese Wärmeübertragungsflächen 51, 52 zweckmäßig ein wärmeleitendes Fett aufgetragen. Einzelheiten des Wärmeübertragungs- und des wärmeleitenden Fettes unterliegen keinen besonderen Beschränkungen. Zweckmäßig wird ein geeignetes Fett entsprechend den Eigenschaften des Peltier-Elements 5 und des Stützblocks 3 benutzt.
  • Die maximale Wärmeübertragungseffizienz (Einheit Watt) zwischen den Wärmeübertragungsflächen 51, 52 wurde in dem Peltier-Element 5 bestimmt; in dem Thermocycler 160 des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist die Temperaturänderung bei dieser maximalen Effizienz die Anstiegsrate.
  • Auf 2 zurückkommend, dient der Kühlkörper 6 dazu, die Temperatur der Wärmeübertragungsfläche 25 unabhängig vom Betrieb des Peltier-Elements 5 im Wesentlichen konstant zu halten, um die Steuerung des Peltier-Elements 5 zu erleichtern. Dazu ist seine Wärmekapazität zweckmäßigerweise ausreichend groß, so dass sich seine Temperatur nicht infolge Wärmeübertragung von dem Peltier-Element 5 ändert, wobei es zweckmäßig ist, ein Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit, spezifischer Wärme und Dichte zu verwenden und sein Volumen größer zu machen als das des Peltier-Elements 5 oder dergleichen.
  • Um die Temperatur des Kühlkörpers 6 nahe an der Umgebungstemperatur, etwa der Zimmertemperatur, zu halten, kann an einer nicht mit dem Peltier-Elements 5 in Kontakt stehenden Oberfläche des Kühlkörpers 6 eine wärmeableitende Rippe vorgesehen sein. Durch Vorsehen eines Gebläses, Aufblasen von Luft bei Zimmertemperatur oder dergleichen lässt sich die Temperatur des Kühlkörpers 6 über der Zimmertemperatur halten.
  • In dem mehrere Thermocycler 160 enthaltenden Gerät gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann ein großer Kühlkörper 6 für die mehreren Thermocycler 160 gemeinsam verwendet werden.
  • Das Wärmeisolier-Abstandsstück 7 blockiert Wärmeverluste und Wärmeinleitung von anderen Flächen als den Wärmeübertragungsflächen 51, 52 des Peltier-Elements 5 und dient als fester Rahmen zur Bestimmung der Positionen des Peltier-Elements 5 und des Stützblocks 3. Daher ist es zweckmäßig, wenn sich die Wärmeaufnahmeplatte 31 des Stützblocks 3 und das Peltier-Element 5 auf einer Platte unterbringen lassen, deren Dicke gleich der Summe aus der Dicke des Peltier-Elements 5 und der Dicke der Wärmeaufnahmeplatte 31 des Stützblocks 3 ist und ein Loch zum Bestimmen der Position der Wärmeaufnahmeplatte 31 oder des Peltier-Elements 5 in Richtung der Ebene der Platte vorgesehen ist.
  • Das Wärmeisolier-Abstandsstück 7 ist mittels der in 2 gezeigten Befestigungsschraube 9 an dem Kühlkörper 6 fixiert. Das Wärmeisolier-Abstandsstück 7 dient auch als Basis zum Befestigen des Blockfixiergliedes 8, um den Stützblock 3 und das Peltier-Element 5 des Blockfixiergliedes 8 mittels gegen den Kühlkörper 6 zu drücken.
  • Für das Wärmeisolier-Abstandsstück 7 wird ein Material verwendet, das eine geringere Wärmeleitfähigkeit hat als der Stützblock 3 oder der Kühlkörper 6, etwa wärmebeständiger Kunststoff oder Keramik.
  • Wie in 2 gezeigt, ist es beim Befestigen des Blockfixiergliedes 8 mittels einer Fixierschraube 8a zweckmäßig, wenn die Fixierschraube 8a zum Befestigen des Blockfixiergliedes 8 und die Befestigungsschraube 9 getrennt sind, um Wärmeisolierung zu gewährleisten.
  • 5 ist eine Außenansicht eines Beispiels für den zusammengebauten Zustand des Thermocyclers 160 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung. In 5 sind zwar drei Blockfixierglieder 8 gezeigt, doch können Blockfixierglieder 8 in der erforderlichen Anzahl vorgesehen werden, damit der Stützblock 3 und das Peltier-Element 5 sich nicht lösen.
  • Ein Ausführungsbeispiel (8) des erfindungsgemäßen Stützblocks wird unter Verwendung von Beispielen (6 und 7) eines Stützblocks nach dem Stand der Technik beschrieben.
  • 6 zeigt zum Vergleich einen Querschnitt durch ein Beispiel eines Stützblocks in einem Thermocycler gemäß dem verwandten Stand der Technik.
  • Wie in 6 gezeigt, sind die Wärmeaufnahmeplatte 1031 eines Stützblocks 1003 und das Peltier-Element 1005 als in derselben Horizontalrichtung verlaufende und in Kontakt miteinander stehende ebene Platten horizontal installiert. Der Halteteil 1302 hat die Form eines Zylinders oder einer polygonalen Säule, wobei die Mittelachse 1010 des Halteteils 1302 in senkrechter Richtung an der Mitte einer Wärmeübertragungsfläche des Peltier-Elements 1005 angeordnet ist. In den Halteteil 1302 ist ein Reaktionsgefäß 1002 auf eine Einsetztiefe 1302b eingesetzt.
  • Ähnlich wie bei der in 2 gezeigten Erfindung sind in dem Beispiel, wenn auch in 6 weggelassen, ein Wärmeisolier-Abstandsstück, ein Blockfixierglied, ein Befestigungsschraube und ein Kühlkörper vorgesehen. Der in diesem Beispiel gezeigte Stützblock 1003 wird in einem Thermocycler eines vorhandenen PCR-Gerätes verwendet, das die Fluoreszenzintensität nach Bestrahlung mit Licht von oben misst.
  • 7 zeigt zum Vergleich einen Querschnitt durch ein Beispiel des Stützblocks eines Thermocyclers im verwandten Stand der Technik.
  • Bei dem in 7 gezeigten Stützblock 1003A ist die räumliche Relation zwischen den Bauteilen im Wesentlichen die gleiche wie in dem anhand von 6 beschriebenen Stützblock 1003. Ein Unterschied besteht darin, dass die äußere Form des Halteteils 1302A nicht säulenförmig sondern konisch ist, wobei das Reaktionsgefäß 1002 mit konstanter Wandstärke 1302a bedeckt ist. Bei dieser Form lässt sich das Volumen des Stützblocks 1003A minimieren, so dass bei gleicher Übertragungswärme des Peltier-Elements 1005 die Anstiegsrate maximiert sein sollte.
  • 8 zeigt einen Querschnitt durch ein Beispiel des Stützblocks in dem erfindungsgemäßen Thermocycler 160. Im Folgenden wird der Unterschied zwischen der Form des Stützblocks 1003A in dem anhand von 7 beschriebenen Stand der Technik und der Form des erfindungsgemäßen Stützblocks 3 beschrieben.
  • Wie in 8 gezeigt, hat der Halteteil 32 des Stützblocks 3 nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine konische Form, wobei das Reaktionsgefäß 2 mit der konstanten Dicke 32a bedeckt ist. Diese konische Form ist so angeordnet, dass die Mittellinie 5a des Peltier-Elements 5 und die Mittellinie 24 des Reaktionsgefäßes 2 im Schwerpunkt 1b der Probenlösung 1 einander schneiden. Der Halteteil 32 des Stützblocks 3 nimmt das Reaktionsgefäß 2 bezüglich der Wärmeaufnahmeplatte 31 derart auf, dass der Schwerpunkt 1b der in dem Reaktionsgefäß 2 enthaltenen Probenlösung 1 auf der Mittellinie 5a in einem ebenen Bereich der Wärmeübertragungsfläche 51 des Peltier-Elements 5 liegt.
  • Wie oben beschrieben, steht der Halteteil 32 in Kontakt mit der Wärmeaufnahmeplatte 31 in einem der Konusmantellinie 23 des Reaktionsgefäßes 2 entsprechenden Teil; die Menge an Probenlösung 1 ist jedoch nicht immer gleich. Als grobe Regel ist es daher zweckmäßig, dass der Schwerunkt 1b der Probenlösung 1 an der Stelle des Schwerpunktes liegt, wenn die Flüssigkeitsmenge einem mittleren Wert zwischen der maximalen und der minimalen Menge an Probenlösung 1 entspricht. Der Schwerpunkt 1b der Probenlösung muss also nicht genau in der Mittellinie 5a liegen; vielmehr ist ein gewisser Fehler zulässig.
  • Dadurch, dass das Peltier-Element 5 auf diese Weise diagonal zur Vertikalen und längs der Konusmantellinie 23 des Reaktionsgefäßes 2 angeordnet wird, lässt sich das Reaktionsgefäß 2 so halten, dass die Entfernung 31c von dem Peltier-Element 5 zum entferntesten Teil des Stützblocks 3 minimal wird.
  • Somit werden von der Wärmeübertragungsgeschwindigkeit abhängige momentane Temperaturabweichungen in dem Stützblock 3 minimiert, und die an einer beliebigen Stelle des Stützblocks 3 gemessene Temperatur lässt sich mit minimalem Fehler an die Temperatur des mit dem Stützblock 3 in Kontakt stehenden Teils des Reaktionsgefäßes 2 anpassen.
  • Das Peltier-Element 5 und die das Peltier-Element 5 im Wesentlichen bedeckende Wärmeaufnahmeplatte 31 sind quadratisch oder rechteckig. Sind das Peltier-Element 5 und die Wärmeaufnahmeplatte 31 rechteckig, so ist es zweckmäßig, die kurzen Seiten des Peltier-Elements 5 und der Wärmeaufnahmeplatte 31 in horizontaler Richtung einzubauen, da die Temperatur innerhalb der Wärmeaufnahmeplatte 31 dazu neigt gleichmäßig zu sein. Dies macht jedoch keinen großen Unterschied, so dass sie in jeder beliebiger Weise angeordnet werden kann.
  • Hinsichtlich der anhand von 8 beschriebenen räumlichen Relation zwischen dem Halteteil 32 des Stützblocks 3 und dem Peltier-Element 5 kann es schwierig sein, den Effekt zu maximieren, wenn der Spitzenwinkel der konischen Form des Reaktionsgefäßes 2 großer ist als 90°. In einem solchen Fall kann die in 7 gezeigte Form verwendet werden, wobei es zweckmäßig ist, dass der Spitzenwinkel der Konusform des Reaktionsgefäßes rund 20° beträgt, so dass selbst bei einer kleinen Menge an Probenlösung eine Tiefe zur Messung der Fluoreszenzintensität von oben her gewährleistet ist.
  • 9 zeigt das Ergebnis, das man erhält, wenn man die Temperaturdifferenz in dem Stützblock und die Anstiegsrate von einem Temperaturänderungszustand unter der gleichen Wärmeübergangsbedingung berechnet. In 9 sind Bedingungen für die Verwendung von Probenlösungen in der gleichen Menge, Reaktionsgefäßen mit gleicher Form und Peltier-Elementen mit der gleichen Spezifikation vorgegeben. Auch sind Bedingungen für die Verwendung von Stützblöcken mit gleicher Einsetztiefe 32b und den in 6 bis 8 gezeigten Formen vorgegeben.
  • Bei dieser numerischen Simulation lässt sich eine tatsächlich gemessene Temperatur mit einer Genauigkeit von ±0,2° vorhersagen, wobei diese Vorhersagegenauigkeit als ausreichend angesehen wird.
  • Die Anstiegsrate lässt sich durch ein Experiment erhalten, da sie durch Dividieren der Temperaurdifferenz durch die Zeit gewonnen wird, die von dem in dem Stützblock eingebauten Temperaturfühler zur Änderung auf eine vorgegebene Temperaturdifferenz gemessen wird; die Temperaturdifferenz im Stützblock lässt sich jedoch nicht messen, da sie eine Temperaturdifferenz zwischen der maximalen und der minimalen Temperatur zu einem Zeitpunkt darstellt, zu dem die eingestellte Temperaturdifferenz der Anstiegsrate erreicht wird. Aus diesem Grund wird die Temperaturdifferenz in dem Stützblock unter Verwendung dieser Simulation vorhergesagt.
  • In dem Diagramm der 9 ist an der Abszisse das Volumen des Stützblocks, an der linken Ordinate der 9 die Anstiegsrate und an der rechten Ordinate die Temperaturdifferenz in dem Block aufgetragen.
  • In 9 zeigt der Punkt 81a die Anstiegsrate des in 8 gezeigten erfindungsgemäßen Stützblocks 3 und der Punkt 82a das Berechnungsergebnis für die Temperaturdifferenz in dem erfindungsgemäßen Stützblock 3.
  • In 9 sind die Punkte 81b1, 81b2 und 81b3 Ergebnisse der Anstiegsraten an dem Stützbock 1003 in dem in 6 gezeigten verwandten Stand der Technik und die Punkte 82b1, 82b2 und 82b3 die Ergebnisse der Temperaturdifferenz in dem Stützblock 1001 gemäß dem in 6 gezeigten verwandten Stand der Technik. Dabei wurden drei Blöcke der in 6 gezeigten Form mit jeweils unterschiedlichem Volumen als Prototyp verwendet.
  • In 6 geben die Punkte 81c und 82c die Ergebnisse an, die man für einen Block erhält, bei dem die Dicke 1301a der Wärmeaufnahmeplatte 1301A und die Wandstärke 1302a des Halteteils 1302A in dem Stützblock 1003A des in 7 gezeigten verwandten Standes der Technik gleich denen des Stützblocks 3 mit den Ergebnissen der Punkte 81a und 82a in der Form nach 8 sind.
  • In 9 ist wegen der Volumendifferenz des Kehlstücks an der Verbindungsstelle zwischen der Wärmeaufnahmeplatte und dem Halteteil das Volumen am Punkt 81c oder am Punkt 82c etwas kleiner als das Volumen am Punkt 81a oder am Punkt 82a.
  • Wie in 9 gezeigt, ist die Anstiegsrate umso größer, je kleiner das Blockvolumen ist. Die Anstiegsrate am Punkt 81a ist als erfindungsgemäße Anordnung bei im Wesentlichen gleichem Volumen größer als die Anstiegsrate am Punkt 81c. Wie am Punkt 82b und am Punkt 82c gezeigt, sinkt die Temperaturdifferenz in dem Block mit abnehmen Blockvolumen, d.h. die Anstiegsrate steigt, und der Temperaturmesswert des in dem Block eingebauten Temperaturfühlers ist fehlerhaft.
  • Wie aus 9 ersichtlich, ist die Temperaturdifferenz in dem Block am Punkt 82b als Ergebnis des erfindungsgemäßen Stützblocks 3 bei im Wesentlichen gleichem Volumen deutlich kleiner als am Punkt 82c, und der Fehler im Temperaturmesswert des Temperatursensors 4 lässt sich trotz hoher Anstiegsrate reduzieren.
  • Als Nächstes werden Wirkungen des vorliegenden Ausführungsbeispiels beschrieben.
  • Das Echtzeit-PRC-Gerät 1000 des oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung umfasst den Thermocycler 160 und die Messeinheit 165 zum Messen der Fluoreszenzcharakteristik der mittels des Thermocyclers 160 in ihrer Temperatur eingestellten Probenlösung 1.
  • Der Thermocycler 160 umfasst unter anderem: den Stützblock 3 zur Aufnahme des Reaktionsgefäßes 2; das mit dem Stützblock 3 thermisch verbundene Peltier-Element 5 zum Einstellen der Temperatur der in dem Reaktionsgefäß 2 enthaltenen Probenlösung 1 durch Erwärmen/Kühlen des Stützblocks 3; den Temperaturfühler 4 zum Messen der Temperatur des Stützblocks 3; und die Temperatur-Einstelleinheit 230 zum Steuern der dem Peltier-Element 5 zugeführten Strom- und Spannungsgrößen aufgrund der von dem Temperaturfühler 4 gemessenen Temperatur des Stützblocks 3. As Reaktionsgefäß 2 dient ein solches mit einem konischen Abschnitt, der am oberen Abschnitt 21 offen ist und sich in Richtung des unteren Abschnitts verjüngt, wobei das Peltier-Element 5 parallel zum konischen Teil der Mantellinie 31 des Reaktionsgefäßes 2 steht.
  • Hat das Reaktionsgefäß 2 somit eine sich nach unten verjüngende Form, um die Fluoreszenzintensität von oben zu messen, so lässt sich die Anstiegsrate des Stützblocks 3 bei konstanter Kapazität des Peltier-Elements 5 größer machen als beim verwandten Stand der Technik, und die Temperaturdifferenz in dem Stützblock 3 bei zeitlicher Temperaturänderung lässt sich im Vergleich zum verwandten Stand der Technik verringern. Durch Verbessern der Anstiegsrate der Stützblocks 3 lassen sich die Zeit für die Temperatureinstellung des PCR-Gerätes und die Zeit für die klinische Untersuchung verkürzen und die Bedienungsfreundlichkeit des gesamten Gerätes verbessern.
  • Der Stützblock 3 hält das Reaktionsgefäß 2 derart, dass der Schwerpunkt 1b der in dem Reaktionsgefäß 2 enthaltenen Probenlösung 1 auf der Mittellinie 5a in dem ebenen Bereich der Wärmeübertragungsfläche 51 des Peltier-Elements 5 liegt und die Entfernung 31c von der Wärmeübertragungsfläche 51 bis zum am weitesten entfernten Teil des Stützblocks 3 minimiert wird, so dass sich das Volumen des Stützblocks 3 minimieren lässt. Daher lässt sich die Anstiegsrate des Stützblocks 3 größer halten, und die Prüfungszeit lässt sich einfacher verkürzen.
  • Da der Stützblock 3 den Halteteil 32, in dem die Halterausnehmung 3a mit der gleichen äußeren Form wie das Reaktionsgefäß 2 ausgebildet ist, und die mit dem Halteteil 32 thermisch verbundene Wärmeaufnahmeplatte 31 zur Wärmeübertragung zu und von der Wärmeübertragungsfläche 51 des Peltier-Elements 5 umfasst, lässt sich die Wärme effizient von dem Peltier-Element 5 auf den Stützblock 3 übertragen und die Anstiegsrate weiter verbessern.
  • Da die mit dem Peltier-Element 5 in Kontakt stehende Wärmeaufnahmefläche 31b der Wärmeaufnahmeplatte 31 die gleiche Form und Fläche hat wie das Peltier-Element 5, lässt sich verhindern, dass der der Luft ausgesetzte Teil der Wärmeübertragungsfläche 51 des Peltier-Elements 5 groß wird und Wärmespannungen aufgrund der ungleichmäßigen Temperaturverteilung in der Oberfläche des Peltier-Elements 5 entstehen, sowie die Haltbarkeit des Peltier-Elements 5 gewährleisten.
  • Die Beständigkeit des Peltier-Elements 5 und des Stützblocks 3 lässt sich ferner dadurch verbessern, dass die senkrecht zur Wärmeaufnahmefläche 31b gemessene Dicke 31a der Wärmeaufnahmeplatte 31 gleich oder größer ist als das Dickenmaß, das das Verhältnis des Kontaktwärmewiderstands mit dem Peltier-Element 5 zum Wärmeübergangskoeffizient des den Stützblock 3 bildenden Materials angibt, dass die senkrecht zur Wärmeaufnahmefläche 31b gemessene Dicke 31a der Wärmeaufnahmeplatte 31 gleich oder größer ist als die Mindestwandstärke, bei der die maximale Temperaturdifferenz in der Wärmeaufnahmefläche 31b größer ist als die Temperaturdifferenz zwischen den Wärmeübertragungsflächen 51, 52 des Peltier-Elements 5 an der Hochtemperaturseite und den Wärmeübertragungsflächen 51, 52 des Peltier-Elements 5 an der Niedertemperaturseite, und dass die senkrecht zur Wärmeaufnahmefläche 31b gemessene Dicke 3a der Wärmeaufnahmeplatte 31 gleich oder größer ist als die minimale Wandstärke, bei der sich die Form der Wärmeaufnahmeplatte 31 aufrechterhalten lässt.
  • Da der Stützblock 3 das den Halteteil 32 mit der Wärmeaufnahmeplatte 31 verbindende Kehlstück 33 aufweist, lässt sich ferner der Effekt erreichen, dass die Temperaturdifferenz in dem Stützblock 3 kleiner gemacht werden kann.
  • Da die Messeinheit 165 des Echtzeit-PCR-Gerätes 1000 an der Oberseite des die Probenlösung 1 enthaltenden Reaktionsgefäßes 2 angeordnet ist, ist es einfacher, als Reaktionsgefäß 2 ein konisches Gefäß mit einem sich verjüngenden Spitzenende 22 zu verwenden.
  • Da das Echtzeit-PCR-Gerät 1000 mit einer Lösungs-Aufbereitungseinheit zum Aufbereiten der Probenlösung 1 versehen ist, lassen ich ferner die Belastung des Kontrolleurs und der zur Ausgabe des Prüfungsergebnisses erforderliche Arbeitsaufwand verringern.
  • In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde ein Fall beschrieben, in dem der Thermocycler 160 an dem Echtzeit-PCR-Gerät 1000 angebracht ist; der Thermocycler 160 des vorliegenden Ausführungsbeispiels kann aber auch ein unabhängiges Gerät sein. In diesem Fall werden Aufbereitung der Lösung und Messung mittels eines anderen Gerätes und von einem anderen Prüfer oder vom Rechercheur selbst durchgeführt.
  • Beschrieben wurde ein Fall, bei dem das Echtzeit-PCR-Gerät mit der Lösungs-Aufbereitungseinheit versehen ist; vom Prüfer oder vom Rechercheur selbst wird aber nur die Aufbereitung der Lösung vorgenommen, während die Analyse der Nukleinsäure von dem die Messeinheit 165 und den Thermocycler 160 umfassenden Echtzeit-PCR-Gerät der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden kann.
  • Es wurde ein Fall beschrieben, bei dem in einem Echtzeit-PCR-Gerät neun Thermocycler 160 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel installiert sind; die Anzahl an installierten Thermocyclern 160 unterliegt aber keiner besonderen Beschränkung, und die erforderliche Anzahl an Thermocyclern 160 kann zweckentsprechend installiert werden.
  • Die räumliche Beziehung zwischen dem Thermocycler 160 und der Lösungs-Aufbereitungseinheit 165 oder der Messeinheit 165 beschränkt sich nicht auf die in 1 gezeigte Form, sondern kann zweckentsprechend geändert werden.
  • <Zweites Ausführungsbeispiel>
  • Anhand von 10 werden ein Thermocycler und ein diesen umfassendes Echtzeit-PCR-Gerät gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Dabei sind die gleichen Bauteile wie in dem ersten Ausführungsbeispiel mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und deren Beschreibung wird weggelassen. Das Gleiche gilt für das folgende Ausführungsbeispiel.
  • 10 ist ein Blockschaltbild eines Temperatursteuersystems des Thermocyclers 160 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel.
  • Der in 10 gezeigte Thermocycler 160A umfasst die Probenlösung 1, das Reaktionsgefäß 2, den Stützblock 3, den Temperaturfühler 4 und das Peltier-Element 5 wie im ersten Ausführungsbeispiel.
  • Wie in 10 gezeigt, umfasst die Temperatur-Einstelleinheit 230 ein Echtzeit-PCR-Steuersystem 231, eine Temperaturdaten-Erfassungseinheit 232 zum Erfassen von Echtzeit-Blocktemperaturinformationen, eine Peltier-Eingangsstrom/spannungs-Erfassungseinheit 233, eine Zeitintegriereinheit 234, eine Zeitdifferenziereinheit 235, eine Übertragungswärme-Berechnungseinheit 236, eine Berechnungseinheit 237 für die Wärmekapazität der Probenlösung, eine Berechnungseinheit 238 für die Wärmekapazität der Probenlösung, eine Berechnungseinheit 239 für die Wärmekapazität der Probenlösung, eine PCR-Zyklussteuerung 240 und eine Antriebsenergieversorgung 241, um die zeitliche Änderung der Temperatur des Stützblocks 3 aufgrund der von dem Temperaturfühler 4 gemessenen Temperatur des Stützblocks zu differenzieren/integrieren und die dem Stützblock 3 zugeführte Wärmemenge aufgrund des dem Peltier-Element 5 zugeführten Strom/Spannungswert zu berechnen.
  • Jede Einheit der Temperatur-Einstelleinheit 230 wird aufgrund verschiedener Programme ausgeführt. Diese Programme sind in einem internen Aufzeichnungsmedium, einem externen Aufzeichnungsmedium oder dergleichen gespeichert und werden von der CPU ausgeführt.
  • Die Betriebssteuerung kann in ein Programm oder mehrere Programme oder eine Kombination daraus integriert sein. Ein Teil der Programme oder alle können von zugehöriger Hardware implementiert werden oder modularisiert sein.
  • Wenn die Probenlösung 1 in das Reaktionsgefäß 2 abgegeben ist und ein PCR-Zyklus gestartet werden kann, führt die Temperatur-Einstelleinheit 230 die Temperatursteuerung durch.
  • Zunächst startet die PCR-Zyklussteuerung 240 die Temperatursteuerung aufgrund eines Befehls von dem Echtzeit-PCR-Steuersystem 231.
  • Die PCR-Zyklussteuerung 240 ermittelt den aktuellen Betriebszustand des Peltier-Elements 5 durch Vergleich des aktuellen Temperaturwertes der Probenlösung 1 mit einem Zeitdiagramm des PCR-Zyklus und der eingestellten Temperatur der Probenlösung 1 und löst die Arbeit der Antriebsenergieversorgung 241 des Peltier-Elements 5 aus.
  • Nachdem die Probenlösung 1 abgegeben worden ist, liegt die Temperatur nahe Zimmertemperatur und die von dem PCR-Zyklus eingestellte Temperatur über der obigen Temperatur. Daher findet zu Beginn immer ein Temperaturerhöhungsvorgang statt. In diesem Moment ist die Wärmekapazität der Probenlösung 1 unbekannt. Daher beaufschlagt die Antriebsenergieversorgung 241 das Peltier-Element 5 mit Strom und Spannung, so dass die Wärmeübertragung auf den Stützblock 3 mit der maximalen Kapazität des Peltier-Elements 5 erfolgt.
  • Dabei wird der Temperaturänderungszustand des Stützblocks 3 von dem Temperaturfühler 4 sequenziell gemessen und als Echtzeit-Blocktemperaturinformation verwendet.
  • Gleichzeitig werden Informationen über die von der Antriebsenergieversorgung 241 dem Peltier-Element 5 zugeführten Strom- und Spanungsgrößen von der Peltier-Eingangsstrom/spannungs-Erfassungseinheit 233 erfasst, wobei die Übertragungswärme des Peltier-Elements sowie die Temperatur von der Übertragungswärme-Berechnungseinheit 236 in Echtzeitdaten umgewandelt werden.
  • Die von der Temperaturdaten-Erfassungseinheit 232 erfassten Temperaturwerte des Stützblocks 3 werden von der Zeitintegriereinheit 234 sequenziell über die Zeit integriert und von der Zeitdifferenziereinheit 235 sequenziell zeitlich differenziert. die Anstiegsrate ist der reziproke Wert einer zeitlichen Ableitung der Temperatur, wenn das Peltier-Element 5 bei konstanter Wärmeübertragung arbeitet.
  • Die Berechnungseinheit 237 für die Wärmekapazität der Probenlösung gewinnt die Wärmekapazität durch Teilen der Anstiegsrate während der Periode, in der die von der Übertragungswärme-Berechnungseinheit 236 des Peltier-Elements 5 erhaltene Übertragungswärme konstant ist, durch die von der Übertragungswärme-Berechnungseinheit 236 erhaltene Übertragungswärme des Peltier-Elements 5.
  • Die erhaltene Wärmekapazität gibt die gesamte Wärmekapazität des Stützblocks 3, des Reaktionsgefäßes 2 und der Probenlösung 1 an. Von diesen Größen lassen sich die Wärmekapazitäten des Stützblocks 3 und des Reaktionsgefäßes 2 vorher gewinnen, da die Materialien und Volumina des Stützblocks 3 und des Reaktionsgefäßes 2 bekannt sind. Das bedeutet, dass die Wärmekapazität der Probenlösung durch Subtrahieren der Wärmekapazitäten des Stützblocks 3 und des Reaktionsgefäßes 2 von der erhaltenen Wärmekapazität zu erhalten ist. Diese Wärmekapazität wird als Zwischenspeichergröße 238 für die Wärmekapazität der Probenlösung aufgezeichnet.
  • Der von der Zeitintegriereinheit 234 gewonnene Temperaturwert stellt die dem Stützblock 3, dem Reaktionsgefäß 2 und der Probenlösung 1 zugeführte gesamte Wärme dar und ist die der Probenlösung 1 zugefügte Wärme, geteilt durch das Wärmekapazitätsverhältnis. Somit vermag die Berechnungseinheit 239 für die Temperatur der Probenlösung die mittlere Temperatur der Probenlösung 1 durch Berechnen der Wärme unter Benutzung der Wärmekapazitäts-Zwischenspeicherdaten 238 der Probenlösung in Echtzeit zu berechnen.
  • Wie sich aus dem oben Gesagten ergibt, kann die PCR-Zyklussteuerung 240 die Temperatursteuerung aufgrund der genauen Temperatur der Probenlösung 1 durchführen. Da die Genauigkeit der wie oben beschrieben erhaltenen Temperatur der Probenlösung 1 gleich der momentanen Temperaturdifferenz in dem Stützblock 3 ist, wird vorausgesetzt, dass der in dem ersten Ausführungsbeispiel oben beschriebene Stützblock 3 mit kleiner Temperaturdifferenz verwendet wird.
  • Weitere Bauteile und Operationen sind im Wesentlichen die gleichen wie bei dem Thermocycler und dem Echtzeit-PCR-Gerät in dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel. Deren Einzelheiten werden weggelassen.
  • In dem Thermocycler und dem diesen enthaltenden Echtzeit-PCR-Gerät gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung lassen sich die gleichen wesentlichen Wirkungen erzielen wie bei dem Thermocycler und dem Echtzeit-PCR-Gerät gemäß dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel.
  • <Sonstiges>
  • Die Erfindung ist nicht auf die obigen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst auch verschiedene Abwandlungen. Die obigen Ausführungsbeispiele wurden zum leichteren Verständnis der Erfindung in Einzelnen beschrieben und beschränken sich nicht unbedingt mit allen oben beschriebenen Konfigurationen auf diese.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Probenlösung
    1b
    Schwerpunkt
    2
    Reaktionsgefäß
    3
    Stützblock
    3a
    Halterausnehmung
    4
    Temperaturfühler
    5
    Peltier-Element
    5a
    Mittellinie
    6
    Kühlkörper
    7
    Wärmeisolier-Abstandsstück
    8
    Blockfixierglied
    8a
    Fixierschraube
    9
    Befestigungsschraube
    21
    Oberer Teil
    22
    Ende der Spitze
    23
    Mantellinie
    24
    Mittelachse
    31
    Wärmeaufnahmeplatte
    31a
    Dicke
    31b
    Wärmeaufnahmefläche
    31c
    Abstand
    32
    Halteteil
    32a
    Dicke
    32b
    Einsetztiefe
    33
    Kehlstück
    51, 52
    Wärmeübertragungsfläche
    81a
    Aufnahmepunkt
    82a
    Aufnahmepunkt
    160, 160A
    Thermocycler
    165
    Messeinheit
    200
    Steuergerät
    230
    Temperatureinstelleinheit (Eingangswärmemengen-Einstelleinheit)
    231
    Echtzeit-PCR-Steuersystem
    232
    Temperaturdaten-Erfassungseinheit
    233
    Peltier-Eingangsstrom/spannungs-Erfassungseinheit
    234
    Zeitintegriereinheit
    235
    Zeitdifferenziereinheit
    236
    Übertragungswärme-Berechnungseinheit
    237
    Berechnungseinheit für die Wärmekapazität der Probenlösung
    238
    Zwischenspeichergröße für die Wärmekapazität der Probenlösung
    239
    Berechnungseinheit für die Temperatur der Probenlösung
    240
    Zyklussteuerung
    241
    Antriebsenergieversorgung
    1000
    Echtzeit-PCR-Gerät
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2016135798 [0003]
    • WO 2015005078 [0003]

Claims (13)

  1. Thermocycler mit einem Stützblock zur Aufnahme eines Reaktionsgefäßes, einem mit dem Stützblock thermisch verbundenen Peltier-Element zum Einstellen der Temperatur einer in dem Reaktionsgefäß enthaltenen Probenlösung durch Erwärmen/Kühlen des Stützblocks, einem Temperaturfühler zum Messen der Temperatur des Stützblocks und einer Wärmeeingangsmengen-Einstelleinheit zum Steuern von dem Peltier-Element zugeführten Strom- und Spannungsgrößen aufgrund der von dem Temperaturfühler gemessenen Temperatur des Stützblocks, wobei das Reaktionsgefäß einen konischen Abschnitt, der oben offen ist und sich zu einem unteren Abschnitt hin verjüngt, und das Peltier-Element so angeordnet ist, dass es parallel zu einem Teil der Konusmantellinie des Reaktionsgefäßes verläuft.
  2. Thermocycler nach Anspruch 1, wobei der Stützblock das Reaktionsgefäß so aufnimmt, dass der Schwerpunkt der in dem Reaktionsgefäß enthaltenen Probenlösung auf einer Mittellinie eines ebenen Bereichs einer Wärmeübertragungsfläche des Peltier-Elements liegt und die Entfernung von der Wärmeübertragungsfläche zum am weitesten entfernten Teil des Stützblocks minimiert ist
  3. Thermocycler nach Anspruch 1, wobei der Stützblock aufweist: einen Halteteil mit einer Halterausnehmung, die die gleiche Form hat wie die äußere Form des Reaktionsgefäßes, und eine mit dem Halteteil thermisch verbundene Wärmeaufnahmeplatte, die Wärme zu und von der Wärmeübertragungsfläche des Peltier-Elements überträgt.
  4. Thermocycler nach Anspruch 3, wobei die Wärmeaufnahmefläche der mit dem Peltier-Element in Kontakt stehenden Wärmeaufnahmeplatte die gleiche Form und Größe hat wie die Wärmeaufnahmefläche des Peltier-Elements.
  5. Thermocycler nach Anspruch 3, wobei die senkrecht zu der mit dem Peltier-Element in Kontakt stehenden Wärmeaufnahmefläche gemessene Dicke der Wärmeaufnahmeplatte gleich oder größer ist als ein Dickenmaß, das das Verhältnis eines KontaktWärmewiderstands mit dem Peltier-Element zum Wärmeübertragungskoeffizient des den Stützblock bildenden Materials angibt.
  6. Thermocycler nach Anspruch 3, wobei die senkrecht zu der mit dem Peltier-Element in Kontakt stehenden Wärmeaufnahmefläche gemessene Dicke der Wärmeaufnahmeplatte gleich oder größer ist als die Mindestwandstärke, bei der die maximale Temperaturdifferenz in der Wärmeaufnahmefläche größer ist als die Temperaturdifferenz zwischen der Wärmeübertragungsfläche des Peltier-Elements an einer Hochtemperaturseite und der der Wärmeübertragungsfläche des Peltier-Elements an einer Niedertemperaturseite.
  7. Thermocycler nach Anspruch 3, wobei die senkrecht zu der mit dem Peltier-Element in Kontakt stehenden Wärmeaufnahmefläche gemessen Dicke der Wärmeaufnahmeplatte gleich oder größer ist als die Mindestwandstärke, bei der die Form der Wärmeaufnahmeplatte erhalten bleibt.
  8. Thermocycler nach Anspruch 3, wobei der Halteteil um die Halterausnehmung herum konstante Wandstärke hat.
  9. Thermocycler nach Anspruch 3, wobei der Stützblock ein den Halteteil mit der Wärmeaufnahmeplatte verbindendes Kehlstück aufweist.
  10. Thermocycler nach Anspruch 1 wobei die Eingangswärmemengen-Einstelleinheit die zeitliche Änderung des Stützblocktemperatur aufgrund der vom dem Temperaturfühler gemessenen Stützblocktemperatur differenziert/integriert und die dem Stützblock zugeführte Wärmemenge aufgrund einer dem Peltier-Elements zugeführten Strom/Spannungsgröße berechnet.
  11. Echtzeit-PCR-Gerät mit dem Thermocycler nach Anspruch 1 und einer Messeinheit zum Messen einer Fluoreszenzcharakteristik der Probenlösung, deren Temperatur von dem Thermocycler eingestellt worden ist.
  12. Echtzeit-PCR-Gerät nach Anspruch 11, wobei die Messeinheit an einer oberen Seite des die Probenlösung enthaltenden Reaktionsgefäßes angeordnet ist.
  13. Echtzeit-PCR-Gerät nach Anspruch 11 mit ferner einer Lösungs-Aufbereitungseinheit zum Aufbereiten der Probenlösung.
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