DE19646114A1 - Laborthermostat mit Temperierblöcken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Laborthermostat der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art.

Ein solcher Laborthermostat ist aus der US-PS 5,525,300 bekannt. Bei dieser bekannten gattungsgemäßen Konstruktion stehen die Temperierblöcke im Laborthermostaten fest. Die Behälter müssen mit dem bewegbaren Halter von Block zu Block bewegt werden.

Dies ist nachteilig, da die Bewegung der Behälter die Proben be­ einträchtigen kann, insbesondere durch unerwünschte Temperatur­ effekte bei der Bewegung der Behälter. Eine solche die Tempe­ raturbeeinflussung verhindernde Abdeckung der Behälter ist bei dieser Konstruktion schwierig vorsehbar. Es ergibt sich eine im wesentlichen offene, nur unter größerem Aufwand gegen Tempe­ ratureinflüsse kapselbare Konstruktion. Durch die Nebeneinander­ anordnung der Temperierblöcke in einer Ebene, wie sie die be­ kannte Konstruktion zeigt, ergibt sich ferner ein erheblicher Raum­ bedarf des gattungsgemäßen Laborthermostaten.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen gat­ tungsgemäßen Laborthermostaten zu schaffen der raumsparend ausgebildet ist und bei dem störende Beeinflussungen der Behälter beim Wechseln der Temperierblöcke vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteiles des Anspruchs 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion werden die Temperier­ blöcke bewegt, während die Gefäße mit dem Halter am Laborther­ mostaten feststehen. Dadurch kann eine sichere, erschütterungsfreie und durch Abdeckung thermisch stabile Lagerung der Behälter er­ reicht werden. Es werden nur die Temperierblöcke bewegt. Auf­ grund ihrer großen Masse erfahren diese bei der Bewegung nur vernachlässigbare Temperaturänderungen. Ferner läßt sich durch geschickte Wahl der Bewegungseinrichtungen der Blöcke der Raumbedarf des Labortermostaten erheblich verringern. Ein weite­ rer für die Handhabung im Labor wesentlich Vorteil ergibt sich daraus, daß bei solchen Labortermostaten üblicherweise die Be­ hälter mit ihrem Halter oberhalb der Temperierblöcke angeordnet sind. Üblicherweise ist der Laborthermostat auch mit einem ab­ deckenden, rundum geschlossenen Gehäuse versehen. Bei der erfin­ dungsgemäßen Ausbildung ergibt sich dann der Vorteil, daß die bewegten Temperierblöcke innerhalb des geschlossenen Gehäuses verlaufen und an dessen zugänglicher Oberseite, an dem der Halter zum Zwecke des Auswechseln der Behälter zugänglich sein muß, der Halter während des Betriebes fest steht. Damit lassen sich viele konstruktive Details einfacher lösen und es werden äußere bewegte Teile, die das Laborpersonal gefährden können, vermieden.

Die Temperierblöcke können beispielsweise unter dem die Behälter tragenden Halter in einem Schlitten angeordnet sein, der in einer Richtung unter dem Halter verschiebbar ist und der als Ganzes zur Abstandsbewegung bewegbar ist oder dem gegenüber die Blöcke einzeln abstandsbewegbar sind.

Vorteilhaft sind jedoch die Merkmale des Anspruches 2 vorge­ sehen. Dabei können die Temperierblöcke beispielsweise in einem Karussell in einer Ebene parallel zum Halter derart bewegbar ange­ ordnet sein, daß sie in bestimmten Winkelstellungen des Karussells fluchtend unter dem Halter stehen. Das Karussell kann beispiels­ weise als Ganzes zur Abstandsbewegung bewegbar ausgebildet sein.

Vorteilhaft sind dabei jedoch die Merkmale des Anspruches 3 vor­ gesehen. Hierbei dreht der Rotor trommelartig um eine parallel zum Halter gelagerte Achse. Es ergibt sich hierdurch eine beson­ ders raumsparende Konstruktion des Laborthermostaten.

Die Temperierblöcke können einzeln zur Abstandsbewegung gegen­ über dem Rotor bewegbar angeordnet sein. Vorzugsweise ist jedoch gemäß Anspruch 4 der Rotor als Ganzes abstandsbewegbar ausge­ bildet.

Vorteilhaft sind die Merkmale des Anspruches 5 vorgesehen. Hier­ durch ist es möglich, in einem Temperierblock Proben auf unter­ schiedliche Temperaturen einzustellen. Auch die eingangs erwähnte bekannte Konstruktion weist bereits diese Möglichkeit auf, erreicht dies jedoch durch an den Enden des Temperierblockes angreifende Temperiereinrichtungen. Demgegenüber hat die erfindungsgemäße Konstruktion den Vorteil, daß durch die großflächige Kontaktierung des Temperierblockes über seine gesamte Länge das gewählte Tem­ peraturprofil sehr schnell eingestellt und besser gegen Umgebungs­ einflüsse thermostatisiert werden kann. Es besteht ferner ohne Zu­ satzeinrichtungen die Möglichkeit eines alternativen Betriebes des Temperierblockes auf gleichmäßiger Temperatur, was bei der be­ kannten Konstruktion nur mit einer zusätzlichen, der Kontaktier­ seite anliegenden Temperiereinrichtung möglich ist. Dabei sind vor­ teilhaft parallel zu den Feldgrenzen Abschnitte erhöhten Wärme­ widerstandes vorgesehen, die unmittelbar an den Grenzen liegen können, um Temperaturregelschwingungen zwischen den Tempe­ riereinrichtungen zu begrenzen oder die über den Temperierein­ richtungen angeordnet sein können, um das Temperaturprofil zu beeinflussen, beispielsweise zu linearisieren. Diese Abschnitte kön­ nen als den Querschnitt des Blockes verringernde Nuten ausgebildet sein. Die Kontaktierseite kann auch in Längs- und Querrichtung unterteilt mit Temperiereinrichtungen versehen sein, mit denen ein Temperaturprofil in der einen oder anderen Richtung, z. B. auch abwechselnd, über den Temperierblock hinweg eingestellt werden kann, oder sogar in beiden Richtungen.

Vorteilhaft sind die Merkmale des Anspruches 6 vorgesehen. Hier­ durch ist es möglich, zwei unterschiedliche im Laborbetrieb vor­ kommende Behälterarten ohne Umrüsten des Laborthermostaten verwenden zu können. Auch eine gemischte Bestückung ist mög­ lich. Die große Zahl eng benachbart angeordneter, als Vertiefungen ausgebildeter Aufnahmen verringert die Masse des Temperier­ blockes. Dadurch verringert sich seine Wärmekapazität, und er läßt sich schneller und mit geringerem Energieeinsatz auf gewünschte Temperaturen bringen. Es gelingt auch, den Temperierblock zu seiner Aufnahmeseite hin derart zu schwächen, daß der Wärme­ strom zwischen den Temperiereinrichtungen bevorzugt durch einen der Kontaktierseite benachbarten Plattenbereich des Temperier­ blockes fließt, wodurch eine sehr genaue und gleichmäßige Ein­ stellung der gewünschten Temperaturen möglich ist. Dabei sind vorteilhaft die Aufnahmen der einen Art einer vorgegebenen Gitter­ anordnung von Gefäßen angepaßt. Dadurch können auch Gefäße verwendet werden, die z. B. in einer durchgehenden Plattenanord­ nung integriert sind. Die erwünschte Schwächung des zur Aufnah­ meseite hin liegenden oberen Teiles des Temperierblockes kann durch zusätzliche Löcher zwischen den Aufnahmen verbessert wer­ den. Eine durchgehende Platte des Temperierblockes, die unterhalb der Vertiefungen und Löcher durchgehend verläuft, erhöht die Gleichmäßigkeit der Temperatureinstellung. Abschnitte erhöhten Wärmeleitwiderstandes des Temperierblockes, wie sie in der ein­ gangs genannten gattungsgemäßen Konstruktion in Form von Boh­ rungen vorgesehen sind, können zur Korrektur des gewünschten Temperaturprofiles verwendet werden. Vorteilhaft sind solche Ab­ schnitte als Nuten z. B. von der Kontaktierseite her vorgesehen, die z. B. mäanderförmig zwischen den Vertiefungen und Löchern ver­ laufen.

In den Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise und schema­ tisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Labor­ thermostaten mit einem Blockwechselantrieb in einer erster Ausführungsform,

Fig. 2 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen La­ borthermostaten mit einem Blockwechselantrieb in ei­ ner zweiten Ausführungsform,

Fig. 3 einen Temperierblock zur Erzeugung eines Tempera­ turgradienten in einer ersten Ausführungsform,

Fig. 3a den zu dem in Fig. 3 dargestellten Block gehörigen Temperaturgradienten,

Fig. 4 einen Temperierblock zur Erzeugung eines Tempera­ turgradienten in einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 4a den zu dem in Fig. 4 dargestellten Block gehörigen Temperaturgradienten,

Fig. 5 einen Temperierblock in Ansicht von der Kontaktier­ seite her mit vier in Quadrantenanordnung vorgesehe­ nen Temperiereinrichtungen,

Fig. 6 eine Draufsicht auf einen Temperierblock entspre­ chend dem der Fig. 4 mit Detaildarstellung der Auf­ nahmen und

Fig. 7 einen Schnitt nach Linie 7-7 in Fig. 6.

Fig. 1 zeigt einen Laborthermostaten, der insbesondere für den PCR-Prozeß geeignet ist. Probeflüssigkeiten z. B. Reaktionsgemi­ sche sollen nacheinander auf unterschiedliche Temperaturen ge­ bracht werden.

Dazu sind die Probeflüssigkeiten in Behältern 1 vorgesehen, die im dargestellten Ausführungsbeispiel als handelsübliche Reaktionsge­ fäße aus dünnwandigem Plastikmaterial ausgebildet sind. Sie weisen einen zylindrischen Bereich auf, der, wie Fig. 1 zeigt, in seinem unteren, die Probeflüssigkeit aufnehmenden Endbereich, sich ko­ nisch verjüngt. Der obere Rand weist einen Kragen 2 auf und einen den Behälter 1 verschließenden, elastisch verformbaren Deckel 3.

Der dargestellte Laborthermostat weist ein umschließendes Gehäuse 4 auf, in dessen Oberseite ein als Lochplatte ausgebildeter Halter 5 angeordnet ist, mit Löchern 6, die die Behälter 1 in Postition halten und an ihren Kragen 2 gegen Herausfallen nach unten sichern.

Unter dem Halter 5 ist ein Temperierblock 7 angeordnet, der an seiner oberen Aufnahmeseite 10 Aufnahmen 11 in Form von Ver­ tiefungen aufweist, welche in ihrer Formgebung der Formgebung der unteren Endbereiche der Behälter 1 entsprechen. Die Anord­ nung der Aufnahmen 11 in der Fläche der Aufnahmeseite 10 des Blockes 7 entspricht der Anordnung der Löcher 6 im Halter 5. In der dargestellten Stellung des Temperierblockes 7 unter dem Halter 5, bei der die Aufnahmen 11 zu den Löchern 6 fluchten, gelangen alle im Halter 5 befindlichen Behälter 1 mit ihren unteren Endberei­ chen durch ihren Eingriff mit den Aufnahmen 11 in flächigen Kon­ takt mit dem Block 7.

Zur Sicherung des gut wärmeleitenden Flächenkontaktes der Behäl­ ter 1 mit den Aufnahmen 11 des Blockes 7 ist über dem Halter 5 eine diese abdeckende Deckelplatte 12 angeordnet, die auf die ela­ stischen Deckel 3 der Behälter 1 drückt. Zu Zwecken der sicheren Temperierung der Probeflüssigkeiten in den Behältern 1 und zum Vermeiden von Kondensation an den Deckeln 3 der Behälter ist die Deckelplatte 12 mit einer ihr anliegenden Temperiereinrichtung 13, beispielsweise einem Peltierelement mit Anschlußleitern 14 auf ge­ eignete Temperatur gebracht.

Der Block 7 steht an seiner der Aufnahmeseite 10 gegenüberliegen­ den Kontaktierseite 15 in Kontakt mit einer Temperiereinrichtung 16. Diese kann beispielsweise als Peltierelement ausgebildet sein, das über Anschlußleitungen 17 mit Strom versorgt wird. Ein Pel­ tierelement ist für diese Zwecke besonders geeignet, da es je nach Erfordernis zum Heizen oder Kühlen einsetzbar ist.

Mit der Temperiereinrichtung 16 kann der Block 7 auf eine ge­ wünschte Temperatur gebracht werden. Vorzugsweise ist zu diesem Zweck in dem Block 7 an geeigneter Stelle ein Temperatursensor vorgesehen, der über eine elektronische Regeleinrichtung die Tem­ periereinrichtung 16 derart steuert, daß die Temperatur im Block 7 auf geeigneter Höhe konstant gehalten wird.

Gelangt der Block 7, wie dargestellt, in flächigen Kontakt der Be­ hälter 1 mit den Vertiefungen 11, so nimmt die Probeflüssigkeit in den Behältern sehr schnell und hochgenau die Temperatur des Blockes 7, also die gewünschte Reaktionstemperatur an.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Laborthermostat zwei weitere Blöcke 8 und 9 auf, die in ihrer Ausbildung mit den als Vertiefungen vorgesehenen Aufnahmen 11 dem bereits erwähn­ ten Block 7 entsprechen. Die Temperierblöcke 8 und 9 sind eben­ falls mit Temperiereinrichtungen versehen, und zwar im Falle des Blockes 9 mit einer Temperiereinrichtung 16 und im Falle des Temperierblockes 8 mit zwei nebeneinander angeordneten Tempe­ riereinrichtungen 19 und 20, die parallel mit gleicher Temperatur betrieben werden können oder auch, wie noch näher zu erläutern ist, mit unterschiedlicher Temperatur. Die Temperiereinrichtung 16 unter dem Temperierblock 9 ist mit einem Kühlkörper 18 versehen, der auch bei den anderen Temperiereinrichtungen vorgesehen sein kann und der dann von Vorteil ist, wenn die Temperiereinrichtung als Peltierelement ausgebildet ist, das auf seiner vom Temperier­ block abgewandten Fläche Wärme abgeben oder aufnehmen muß.

Die Anordnung der Vertiefungen 11 in allen drei Blöcken 7, 8 und 9 ist identisch. Die Blöcke können also wahlweise in Eingriff mit den Behältern 1 im Halter 5 gebracht werden.

Dazu ist ein Blockwechselantrieb vorgesehen. Die Blöcke 7, 8 und 9 sind untereinander mit Stützen 21 starr in einer Ebene zu einer seitlich verschiebbaren Schlittenkonstruktion verbunden, die mit einer Schiebestange 22 in einer Schiebeführung 23 in Richtung des Pfeiles 24 längsverschiebbar gelagert ist. Der auf diese Weise ge­ bildete Seitenantrieb für die Temperierblöcke 7, 8 und 9 ist als Ganzes mit einem Abstandsantrieb höhenverstellbar.

Für den Abstandsantrieb ist die Schiebeführung 23 auf einer Schie­ bestange 26 befestigt, die in einer Schiebeführung 27 in Richtung des Pfeiles 28 höhenverschiebbar gelagert ist.

Aus der in Fig. 1 dargestellten Position der Temperierblöcke mit Eingriff des mittleren Temperierblockes 7 mit den Behälter 1 kann durch Absenken in der Schiebeführung 27 der Block 7 außer Ein­ griff mit den Behältern gebracht werden. Durch Verstellung der Schiebestange 22 des Seitenantriebes kann nun einer der beiden an­ deren Blöcke in fluchtende Stellung unter den Halter 5 gebracht werden und nach Aufwärtsverschiebung in der Schiebeführung 27 in Eingriff mit den Behältern 1 gebracht werden.

Auf diese Weise können die im Halter 5 sitzenden Behälter 1 ab­ wechselnd in Wärmekontakt mit den Temperierblöcken 7, 8 oder 9 gebracht werden. Diese können auf unterschiedlichen Temperaturen thermostatisiert gehalten werden. Die Behälter 1 können also in ra­ scher Folge auf unterschiedliche hochgenaue Temperaturen ge­ bracht werden, was insbesondere für PCR-Zwecke gewünscht ist.

Die Aufnahmen 11 in den Temperierblöcken 7, 8 und 9 können, ebenso wie die Löcher 6 im Halter 5, in geeigneter Weise ange­ ordnet werden, beispielsweise in Form von Reihen und Spalten. Nach Abnehmen der Deckelplatte 12 können die Behälter ausge­ wechselt werden. Sie können beispielsweise auf arbeitssparende Weise zusammen mit dem Halter 5 gemeinsam gewechselt werden, der zu diesem Zweck auswechselbar am Gehäuse 4 vorzusehen ist.

Anstelle der dargestellten drei Temperierblöcke 7, 8 und 9 können in der dargestellten linearen Schlittenanordnung je nach gewünsch­ ter Anzahl von Temperaturstufen die Blöcke auch in anderer An­ zahl vorgesehen sein.

Es kann auch die Anordnung von Seitenantrieb und Abstandsantrieb anders ausgebildet sein. Beispielsweise können die Blöcke über ein­ zelne Abstandsantriebe mit einem Seitenantrieb verbunden sein.

Der Antrieb der Blöcke zum Zwecke ihres Auswechselns unter den Behältern 1 kann von Hand erfolgen oder vorzugsweise mittels Motorantrieben, die beispielsweise computergesteuert auf nicht dar­ gestellte Weise den Antrieb der Schiebestange 22 gegenüber ihrer Schiebeführung 23 und den Antrieb der Schiebestange 26 gegenüber ihrer Schiebeführung 27 besorgen. Auf diese Weise kann ein Thermostatisierungszyklus mit gewünschtem Ablauf programm­ gesteuert erfolgen.

Anstelle des in Fig. 1 dargestellten Blockantriebes, bei dem der Seitenantrieb als Schiebeschlitten mit der Schiebeführung 22, 23 ausgebildet ist, kann der Seitenantrieb auch beispielsweise als Karussellantrieb ausgebildet sein. Dabei wären die dargestellten Blöcke 7, 8 und 9 in einer Ebene parallel zum Halter 5 um eine dazu senk­ recht liegende Rotationsachse schwenkbar anzuordnen.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Blockwechselantrie­ bes ist in Fig. 2 dargestellt. Teile der Konstruktion entsprechen der der Fig. 1. Für übereinstimmende Teile sind, soweit möglich, dieselben Bezugszeichen verwendet.

In der Oberseite eines etwas anders geformten Gehäuses 4' ist der Halter 5 zum Halten von Gefäßen 1 vorgesehen. Es wird wiederum mit einer Deckelplatte 12 abgedeckt, die für Andruck und Tempe­ rierung der Gefäße von oben sorgt. Zusätzlich zeigt die Fig. 2 lösbare Verriegelungen 29, die auch in Fig. 1 vorgesehen sein kön­ nen und die die Deckelplatte 12 in der dargestellten Lage sichern.

In der Ausführungsform der Fig. 2 weist der Laborthermostat die drei Temperierblöcke 7, 8 und 9 der Fig. 1 auf und zusätzlich einen Temperierblock 9', der entsprechend ausgebildet ist. Diese Temperierblöcke entsprechen der Ausführungsform der Fig. 1 ein­ schließlich der zugehörigen Temperiereinrichtungen. Der Tempe­ rierblock 7 steht in seiner dargestellten Stellung in Eingriff mit den Gefäßen 1 fluchtend unter dem Halter 5.

Im wesentlichen Unterschied zur Ausführungsform der Fig. 1 ist die Bewegungseinrichtungen für die Seitenbewegung der Tempe­ rierblöcke anders ausgebildet.

Die Blöcke 7, 8, 9 und 9' sind in 90°-Stellung an einem Rotor 30 befestigt, der um eine Achse 31 in Richtung des Pfeiles 32 rotierbar im Kopf 33 der Schiebestange 26 gehalten ist, die gemäß Fig. 1 in Richtung des Pfeiles 28 in der Schiebeführung 27 längsverschiebbar ist.

Zum Wechseln der Temperierblöcke unter dem Halter 5 wird zunächst die Schiebestange 26 mit dem Rotor 30 nach unten gefah­ ren, bis der gerade im Eingriff befindliche Temperierblock außer Eingriff mit den Gefäßen 1 kommt. Sodann wird der Rotor 30 um ein Vielfaches von 90° gedreht, um einen anderen Temperierblock in die Flucht unter dem Halter 5 zu bringen und durch Anheben der Schiebestange 26 in Kontakt mit den Gefäßen 1 zu bringen. Auch hier können wieder nicht dargestellte motorische Antriebe vorgese­ hen sein, die z. B. von einer Computersteuerung zu vollautomati­ schem Ablauf gesteuert werden.

Wie der Vergleich der Fig. 1 und 2 zeigt, ist die Ausführungs­ form der Fig. 2 mit rotierendem Antrieb der Temperierblöcke von kompakterer Bauweise.

Fig. 3 zeigt den Temperierblock 8 der Fig. 1 und 2 mit seinen beiden Temperiereinrichtungen 19 und 20 in Seitenansicht. Die als Vertiefungen zur Aufnahme der Behälter ausgebildeten Aufnahmen 11' sind hier etwas kleiner und in größerer Zahl dargestellt. Die Aufnahmen 11' können in Reihen und Spalten geordnet auf der Aufnahmeseite 10 vorgesehen sein. Sie dienen der Aufnahme einer größeren Zahl von Behältern zu deren Temperierung.

Die Temperiereinrichtungen 19 und 20, die dem Block 8 von der Kontaktierseite 15 her anliegen, können vorzugsweise als Peltier­ elemente vorgesehen sein mit in Fig. 3 nicht dargestellten An­ schlußleitungen zur Strombeaufschlagung. Damit können beliebige Temperaturen heizend oder kühlend eingestellt werden. Die Tempe­ riereinrichtungen 19 und 20 können aber auch beispielsweise als flüssigkeitsdurchströmte Wärmetauscher, die z. B. über Schlauchlei­ tungen versorgt werden, ausgebildet sein.

Die Temperiereinrichtungen 19 und 20 können auf gleiche Tempe­ ratur gebracht werden oder auch auf unterschiedliche Temperatu­ ren. Nicht dargestellte Temperaturfühler im Block oberhalb der Temperiereinrichtungen können mit einer die Wärmezu- und -ab­ fuhr durch die Temperiereinrichtungen steuernden Regeleinrichtung verbunden sein.

In der Ausführungsform der Fig. 3 liegen die Temperiereinrichtun­ gen 19 und 20 je etwa der halben Fläche der Kontaktierseite 15 an. Der gute Wärmekontakt kann durch Verklebung, Verschraubung oder sonstige Befestigung gesichert sein.

Werden die Temperiereinrichtungen 19 und 20 auf unterschiedliche Temperatur gebracht, wobei im dargestellten Fall die Temperier­ einrichtung 20 auf höherer Temperatur liegt, so ergibt sieh ein Temperaturverlauf über die Länge des Temperierblockes 8, der in Fig. 3a dargestellt ist. Die Temperiereinrichtung 20 führt dem Temperierblock 8 laufend Wärme zu, während die Temperier­ einrichtung 19 kühlend dem Temperierblock Wärme entzieht. Wär­ me fließt also durch den Temperierblock 8 zwischen den Tempe­ riereinrichtungen 20 und 19.

Es ergibt sich, wie die Temperaturkurve der Fig. 3a zeigt, in der die Temperatur T über der Strecke S dargestellt ist, im mittleren Bereich des Temperierblockes 8 ein linearer Temperaturverlauf. Zum linken Ende hin, also über der Temperiereinrichtung 19, flacht die Temperaturkurve ab, da zum linken Ende des Temperierblockes 8 hin der heizende Einfluß der Temperier­ einrichtung 20 immer mehr abnimmt.

Auf der rechten Seite, also über der Temperiereinrichtung 20, ver­ läuft gemäß Fig. 3a die Temperatur linear bis zum Ende des Tem­ perierblockes. Dafür sorgen zwei parallel zur Grenze zwischen den mit den Temperiereinrichtungen 19 und 20 kontaktierten Feldern der Kontaktierseite 15 verlaufende Nuten 37 und 38. Diese Nuten schwächen den Querschnitt des Temperierblockes 8 und sorgen in Richtung des Wärmestromes, der im Block von der heizenden Tem­ periereinrichtung 20 zur kühlenden Temperiereinrichtung 19 ver­ läuft, für eine örtliche Erhöhung des Wärmeleitwiderstandes des ansonsten gut leitenden Blockes, der beispielsweise aus Metall be­ steht. Da die Steilheit des Temperaturgradienten der in Fig. 3a dar­ gestellten Temperaturkurve proportional zum Produkt aus Wär­ mestrom und Wärmeleitwiderstand ist, kann durch örtliche Verän­ derung des Wärmeleitwiderstandes die Form der Temperaturkurve beeinflußt und insbesondere, wie die Fig. 3a zeigt, die Kurve li­ nearisiert werden. Vorteilhaft sind dazu die Nuten 37 und 38 unter­ schiedlich tief, also mit unterschiedlicher Querschnittsschwächung des Blockes, ausgebildet. Die Tiefe und Anordnung der Nuten 37 und 38 in Fig. 3 ist nur beispielsweise. Die genaue Tiefe, Lage und Anzahl der Nuten kann z. B. in Versuchen ermittelt werden.

Fig. 3a zeigt, daß auf der linken Seite des Temperierblockes 8 zu seinem Ende hin das Temperaturprofil abflacht. Auf der rechten Seite, also über der Temperiereinrichtung 20 ist diese Abflachung ausgeglichen durch Vorsehen der Nuten 37 und 38. Wie Fig. 3 zeigt ist dabei die Nut 38 tiefer ausgebildet als die Nut 37, da sie näher zum rechten Rand des Blockes hin liegt, also in einem Be­ reich, in dem der Wärmestrom von der Temperiereinrichtung 20 zur Temperiereinrichtung 19 geringer ist als an der Stelle der Nut 37. Um denselben Temperaturgradienten an der Stelle der Nut 38 zu erzeugen, ist ein höherer Wärmeleitwiderstand also eine tiefere Nut erforderlich. Wird die Nut 38 noch weiter vertieft, wie ge­ strichelt mit 38' angedeutet, so kann das Temperaturprofil in die­ sem Bereich weiter angehoben werden, wie in Fig. 3a strichpunk­ tiert dargestellt.

Fig. 4 zeigt in Darstellung entsprechend Fig. 3 einen Temperier­ block 48 mit drei Temperiereinrichtungen 19', 19 und 20. Wird mit der Temperiereinrichtung 20 geheizt und mit der Temperierein­ richtung 19' gekühlt, so ergibt sich die in Fig. 4a dargestellte Tem­ peraturkurve. Zu den Enden der Kurve hin, also über den Tempe­ riereinrichtungen 19' und 20, flacht die Kurve ab, da Nuten über den Temperiereinrichtungen, wie die Nuten 37 und 38 (Fig. 3) fehlen.

Über die mittlere Temperiereinrichtung 19 hinweg ergibt sich ein linearer Temperaturgradient. Die mittlere Temperiereinrichtung 19 kann mit einer mittleren Temperatur betrieben werden oder be­ darfsweise auch abgeschaltet sein. Sie wird benötigt, um eine et­ waige Abweichung der Temperaturkurve in der Mitte des Blockes zu verhindern und wird insbesondere auch benötigt, wenn die Temperaturkurve insgesamt auf ein anderes Niveau rasch verscho­ ben werden soll. Ferner wird sie benötigt, wenn alternativ der ge­ samte Block auf dieselbe Temperatur gebracht werden soll.

Für die erforderliche genaue Einstellung der Temperatur im Tem­ perierblock 48 müssen die Temperaturen geregelt werden. Dazu sind die Temperiereinrichtungen 19', 19 und 20 jeweils in einem eigenen Regelkreis über nicht dargestellte Temperatursensoren ge­ steuert, die im Block 48 oberhalb der einzelnen Temperierein­ richtungen vorgesehen sind. Zwischen den Regelkreisen findet Wärmeaustausch durch Wärmefluß im Block zwischen den Tempe­ riereinrichtungen statt. Dies führt zu Wechselwirkungen der Regel­ kreise, wodurch schwer beherrschbare Regelschwingungen entste­ hen können.

Diese Regelschwingungen lassen sich verringern durch Verringe­ rung des Wärmestromes zwischen den Temperiereinrichtungen. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 sind dazu den Wärmeleitwiderstand zwischen den Temperiereinrichtungen erhöhende Nuten 39 an den Grenzen zwischen den mit den Temperiereinrichtungen 19', 19 und 20 belegten Feldern der Kontaktierseite 15 vorgesehen.

Wie die Fig. 4 weiter zeigt, können die Nuten 39 auch, wie gestri­ chelt mit der Nut 39' dargestellt, von oben, also in die Anfnahme­ seite 10, eingebracht sein. Auch die Nuten 37 und 38 der Fig. 3 können alternativ von oben, also von der Aufnahmeseite 10 her, in den Block eingebracht sein.

In den Fig. 3 und 4 sind Nuten 37, 38 und 39 dargestellt, die zu unterschiedlichen Zwecken den Wärmestrom durch den Temperier­ block behindern sollen, indem sie den Querschnitt des Blockes schwächen und somit an dieser Stelle die Wärmeleitfähigkeit ver­ ringern bzw. den Wärmeleitwiderstand erhöhen. An Stelle der dar­ gestellten Nuten können auch andere Möglichkeiten verwendet werden, örtlich die Wärmeleitfähigkeit des Blockes zu verändern. An Stelle der Nuten können auch auf andere Weise Abschnitte im Temperierblock vorgesehen sein, die eine andere Wärmeleitfä­ higkeit bzw. einen anderen Wärmeleitwiderstand aufweisen, als die anderen Stellen des Blockes. Solche Abschnitte können z. B. da­ durch geschaffen werden, daß der Block an dieser Stelle getrennt ist und eine Zwischenlage aus einem Material höheren Leitwider­ standes eingesetzt ist. Die genannten Abschnitte können ebenso wie die in den Fig. 3 und 4 dargestellten Nuten in beliebiger Linien­ führung den Block durchlaufen, vorzugsweise jedoch quer zum Wärmestrom in gerader Linie zwischen zwei Rändern des Blockes. So laufen vorzugsweise die in den Fig. 3 und 4 dargestellten Nuten quer zum Block 8 bzw. 48, also senkrecht zur Zeichnungs­ ebene durch den gesamten Block.

Der in den Fig. 3 und 4 dargestellte Temperierblock 8 bzw. 48 ist mit zwei Temperiereinrichtungen 19 und 20 oder drei Tempe­ riereinrichtungen 19', 19 und 20 versehen, die sich jeweils über die gesamte Breite des Blockes erstrecken. Ein Temperaturgradient kann in diesem Block also nur, wie die Temperaturkurven der Fig. 3a und 4a zeigen, in Längsrichtung, also in der Zeichnung von links nach rechts, eingestellt werden.

Fig. 5 zeigt eine Variante eines Temperierblockes 58, dessen Kon­ taktierseite 15 mit Feldgrenzen 61 und 62 in vier Quadrantenfelder mit Temperiereinrichtungen 59, 60, 59' und 60' belegt sind. Wer­ den die Temperiereinrichtungen 59 und 59' gleich betrieben, z. B. kühlend, und auch die Temperiereinrichtungen 60 und 60' auf glei­ cher Temperatur betrieben, so ergibt sich auf dem Temperierblock 58 ein Temperaturgradient in Richtung der x-Achse. Werden die Temperiereinrichtungen 59 und 60 auf gleicher Temperatur betrie­ ben und auch die Temperiereinrichtungen 59 und 60' auf gleicher Temperatur, so ergibt sich in senkrechter Richtung dazu, also in y-Rich­ tung, ein Temperaturgradient. Werden alle Tempe­ riereinrichtungen mit gleicher Temperatur betrieben, so ergibt sich eine konstante Temperatur über den gesamten Temperierblock 58.

Die Möglichkeit der Erzeugung von Temperaturgradienten abwech­ selnd in x-Richtung oder y-Richtung erlaubt eine Betriebsvariante, bei der der Temperierblock 58 nacheinander auf zwei unter­ schiedlichen Temperaturniveaus betrieben wird, beispielsweise bei einem Temperaturniveau von 30° und bei einem Temperaturniveau von 60°. Für beide Temperaturniveaus soll die genaue optimale Temperatur ermittelt werden. Das kann in einem Durchlauf erfol­ gen, wobei zunächst der Temperierblock bei dem Niveau von 30° in x-Richtung mit einem Gradienten betrieben wird der Tempe­ raturen auf dem Temperierblock von beispielsweise 28°, 29°, 30°, 31°, 32° erzeugt. Anschließend wird der Temperierblock auf das Temperaturniveau 60° gebracht mit einem Temperaturgradienten in y-Richtung, wobei dann in y-Richtung unterschiedliche Temperatu­ ren von z. B. 58°, 59°, 60°, 61°, 62° erzeugt werden. Ist der Temperierblock dabei über seine Fläche hin in regelmäßigen Zeilen (x-Richtung) und Spalten (y-Richtung) mit zu temperierenden Pro­ ben bestückt, so kann man diese anschließend auswerten und fest­ stellen, welche dieser Proben optimal temperiert wurden. Bei diesen lag auf beiden Temperierniveaus die optimale Temperatur vor.

Interessant ist auch eine weitere mögliche Betriebsvariante, bei der gleichzeitig alle vier Temperiereinrichtungen auf unterschiedlichen Temperaturen gehalten werden. Dann läßt sich ein komplexes Tem­ peraturfeld einstellen mit unterschiedlichen Temperaturen sowohl in x-Richtung als auch in y-Richtung. So kann z. B. in x-Richtung ein größerer Temperaturgradient und in y-Richtung ein kleinerer Tem­ peraturgradient eingestellt werden. Sind auf der Aufnahmeseite des Temperierblockes 58 Aufnahmen für Gefäße in Reihen (x-Rich­ tung) und Spalten (y-Richtung) vorgesehen, so können beispielsweise zwischen den Reihen Temperaturunterschiede von 10 und innerhalb der Reihen zwischen den Spalten Temperaturun­ terschiede von 1/10° eingestellt werden. Es lassen sich damit Temperaturunterschiede von beispielsweise 10° mit einer Auflösung von 1/10° einstellen.

Die Fig. 6 und 7 zeigen in Draufsicht auf die Aufnahmeseite und im Schnitt einen Temperierblock 68, der in seinem grundsätzli­ chen Aufbau dem bereits erläuterten Temperierblock 8 entspricht, der also mit zwei Temperiereinrichtungen 19 und 20 von seiner Kontaktierseite 15 her kontaktiert ist.

Von der Aufnahmeseite her sind in den Block zwei unterschiedliche Arten von Aufnahmen 71 und 72 als unterschiedlich große Vertie­ fungen eingebracht.

Wie Fig. 6 zeigt, sind die beiden Arten von Aufnahmen 71 und 72 in einem rechtwinkligen Gitter ineinandergeschachtelt derart ange­ ordnet, daß jeweils zwischen vier Aufnahmen 71 der ersten Art eine Aufnahme 72 der zweiten Art liegt und umgekehrt. Wie Fig. 7 zeigt, entsteht dadurch eine filigrane Blockkonstruktion mit sehr stark geschwächtem Querschnitt im oberen Bereich des Blockes, also zu seiner Aufnahmeseite hin. Zusätzlich sind zwischen den Aufnahmen 71 und 72 noch ovale Löcher 73 eingebracht, die je­ weils in der Mitte zwischen zwei größeren Aufnahmen 71 und zwei kleineren Aufnahmen 72 liegen, wie die Fig. 6 zeigt. Dadurch wird der Temperierblock 70 in seinem oberen Bereich zusätzlich ge­ schwächt. Wärmeleitung zwischen den Temperiereinrichtungen 20 und 19 findet also weniger in seinem oberen, durch die Aufnahmen 71, 72 und die Löcher 73 geschwächten Dickenbereich statt, son­ dern im Bereich der unteren, durchgehenden Platte 74, die unter allen Aufnahmen 71, 72 und den Löchern 73 durchgehend verläuft.

Wie Fig. 6 zeigt, ist bei der dargestellten Konstruktion das Volu­ men des Temperierblockes 68 insbesondere in seinem oberen, der Kontaktierseite 15 abgewandt liegenden dicken Bereich sehr weit­ gehend verringert. Dadurch ist die Wärmekapazität des Tempe­ rierblockes stark verringert. Dies gibt die Möglichkeit, den Tempe­ rierblock sehr schnell auf eine gewünschte Temperatur zu bringen, beispielsweise von einem Temperaturniveau auf ein anderes Tempe­ raturniveau zu heizen oder zu kühlen. Es ergibt sich also für den in Fig. 1 oder 2 dargestellten Laborthermostaten die Möglichkeit, in einem der dargestellten Temperierblöcke mehrere Temperaturnive­ aus nacheinander zu betreiben. So können insbesondere benachbarte Temperaturniveaus in einem Temperierblock betrieben werden, während für ein weiter entferntes Temperaturniveau ein anderer Temperierblock verwendet wird. Bei den üblichen drei Tempera­ turniveaus für den PCR-Prozesses können z. B. zwei der Tempe­ raturniveaus in einem Block und eines in einem zweitem Block be­ trieben werden. Hilfreich dabei ist auch die in den Figuren darge­ stellte großflächige Kontaktierung des Temperierblockes mit den Temperiereinrichtungen, die einer sehr raschen Aufheizung oder Abkühlung dienlich ist.

Die in den Fig. 6 und 7 dargestellte sehr massearme Ausbildung des Temperierblockes 68 sorgt aber nicht nur für eine stark verrin­ gerte Wärmekapazität des Temperierblockes, sondern ergibt auch eine geringe Wärmeleitfähigkeit bzw. einen hohen Wärmeleit­ widerstand des Temperierblockes in Richtung des Wärmetranspor­ tes zwischen den Temperiereinrichtungen 20 und 19. Zur Erzielung eines gewünschten Temperaturprofiles bzw. eines Temperaturgra­ dienten, wie er beispielsweise in den Fig. 3a und 4a dargestellt ist, wird angesichts des hohen Wärmeleitwiderstandes nur ein ge­ ringer Wärmestrom benötigt. Die Temperiereinrichtungen 19 und 20 können daher mit geringer Leistung ausgebildet sein.

Der in den Fig. 6 und 7 dargestellte Temperierblock 68 weist eine Nut 69 auf, die die an Hand der Fig. 4 erläuterte Funktion der thermischen Entkopplung zwischen den Temperiereinrichtungen 20 und 19 erfüllt. Die Nut 69 ist, wie Fig. 7 im Schnitt zeigt, stufen­ förmig ausgebildet, um möglichst tief zwischen die Aufnahmen 71, 72 und die Löcher 73 reichen zu können, ohne jedoch diese zu be­ rühren. Wie Fig. 6 (gestrichelt) zeigt, ist die Nut 69 zu diesem Zweck mäanderförmig zwischen den Vertiefungen und Löchern sich hindurchwindend angeordnet. Der dargestellte Temperierblock 68 kann beispielsweise formgegossen oder mit einer numerisch ge­ steuerten Fräsmaschine hergestellt werden, beispielsweise aus Alu­ minium.

Ähnlich wie in Fig. 4 mit der gestrichelten Nut 39 angedeutet, kann auch bei der Ausführungsform der Fig. 6 und 7 die Nut 69 von der Aufnahmeseite, also in Fig. 7 von oben in den Tem­ perierblock 68 eingebracht sein. Sie kann beispielweise quer durch die Vertiefungen 71, 72 und Löcher 73 verlaufen oder auch mäan­ derförmig diese umlaufend ausgebildet sein, beispielweise als sehr schmaler und tiefer Schlitz.

Claims (6)

1. Laborthermostat zum Temperieren von Probeflüssigkeiten in Behältern (1), mit einem die Behälter tragenden Halter (5) und wenigstens zwei unterschiedlich temperierten Temperier­ blöcken (7, 8, 9, 9'), die all einer Aufnahmeseite (10) Auf­ nahmen (11) aufweisen, die zu großflächigem Kontakt mit den gefüllten Bereichen der Behälter (1) ausgebildet sind und die in ihrer Anordnung der Anordnung der Behälterplätze (Löcher 6) im Halter (5) entsprechen, wobei durch relative Abstandsbewegung (Pfeil 28) und Seitenbewegung (Pfeile 24, 32) zwischen Halter und Temperierblöcken die Behälter (1) nacheinander in Eingriff mit den Aufnahmen (11) ver­ schiedener Temperierblöcke bringbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (5) am Laborthermostat (Ge­ häuse 4) feststeht und die Temperierblöcke (7, 8, 9, 9') die­ sen' gegenüber bewegbar angeordnet sind.

2. Laborthermostat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Temperierblöcke (7, 8, 9, 9') zur Seitenbewe­ gung auf einem Rotor (30) angeordnet sind.

3. Laborthermostat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Rotor (30) um eine parallel zum Halter (5) lie­ gende Achse (31) drehbar ausgebildet ist.

4. Laborthermostat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Abstandsbewegung (Pfeil 28) der Temperier­ blöcke (7, 8, 9, 9') der Rotor (30) als Ganzes abstands­ bewegbar ausgebildet ist.

5. Laborthermostat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß wenigstens einer der Temperierblöcke (8, 48, 58, 68) an seiner der Aufnahmeseite (10) gegenüberliegenden Kontaktierseite (15) mit mehreren Temperiereinrichtungen (20, 19, 19'; 59, 59', 60, 60') versehen ist, die mit aneinan­ dergrenzenden Feldern der Kontaktierseite (15) in flächigem Kontakt stehen und den Temperierblock unterschiedlich tem­ perieren.

6. Laborthermostat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß an der Aufnahmeseite der Temperierblöcke (68) zwei Arten von Aufnahmen (71, 72) für unterschiedliche Ge­ fäße in einem regelmäßigen Flächengitter derart angeordnet sind, daß eine Aufnahme einer Art jeweils zwischen vier Aufnahmen der anderen Art liegt.