DE19646115C2

DE19646115C2 - Verwendung von Temperiereinrichtungen zur Temperierung eines Temperierblockes

Info

Publication number: DE19646115C2
Application number: DE1996146115
Authority: DE
Inventors: Werner Lurz; Dietmar Jodies; Ruediger Brust; Ernst Tennstedt
Original assignee: Eppendorf Netheler Hinz GmbH; Eppendorf Geraetebau Netheler and Hinz GmbH
Current assignee: Eppendorf SE
Priority date: 1996-11-08
Filing date: 1996-11-08
Publication date: 2000-05-25
Anticipated expiration: 2016-11-09
Also published as: DE19646115A1

Description

Aus der
US 5 525 300 und der
US 4 679 615
sind Temperierblöcke bekannt, bei denen Temperiereinrichtungen zur Erzeugung eines Temperaturgradienten verwendet werden. Zwei an gegenüberliegenden En den des Temperierblockes in Wärmekontakt angreifende Temperiereinrichtungen heizen den Temperierblock vom einen Ende her und kühlen ihn vom anderen En de her. Es fließt ein Wärmestrom in Längsrichtung zwischen den Temperierein richtungen durch den Temperierblock und es entsteht ein Temperaturprofil in Längsrichtung über den Temperierblock, das zu unterschiedlichen Temperaturen führt. Mit einem solchen, einen Temperaturgradienten erzeugenden Temperier block kann z. B. beim PCR-Prozeß die optimale Temperatur für eine Temperatur stufe des PCR-Prozesses ermittelt werden.

Nachteilig bei der bekannten Konstruktion ist die Temperierung des Temperier blockes nur von seinen Enden her. Beim Einschalten des Gerätes oder bei einer Veränderung des im Temperierblock einzustellenden Temperaturniveaus ergeben sich aufgrund der Temperierung von den Enden her längere Temperierzeiten, bis das gewünschte Gleichgewicht eingestellt ist. Ferner kann im mittleren Bereich des Temperierblockes durch Umgebungseinflüsse die Temperatur vom ge wünschten Temperaturprofil abweichen.

Aus der
WO 90/05947 A1
ist ein Temperierblock bekannt, bei dem eine weitere zwischen den endständigen Temperiereinrichtungen vorgesehene Temperiereinrichtung zur Beeinflussung des Temperaturgradienten vorgesehen ist.

Aus der
DE 31 22 008 A1 und der
WO 89/12502 A1
ist ein Temperierblock bekannt, der an einer der die zu temperierenden Gefäße aufnehmenden Aufnahmeseite gegenüberliegenden Kontaktierseite mit den Tem periereinrichtungen großflächig im wesentlichen über die gesamte Fläche hinweg kontaktiert ist. Die Temperiereinrichtungen werden bei dieser Konstruktion je doch auf gleicher Temperatur gehalten, so daß sich kein Temperaturgradient er gibt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, bei einem Temperier block der letztgenannten Art die Einsatzmöglichkeiten zu erweitern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Verwendung von Temperiereinrichtungen gemäß den Merkmalen des Patentanspruches ge löst.

Erfindungsgemäß werden die großflächig die Kontaktierseite kontaktierenden Temperiereinrichtungen auf unterschiedliche Temperaturen eingestellt. Bei dieser Verwendung der Temperiereinrichtungen ergibt sich, daß trotz des großflächigen Kontaktes mit Temperiereinrichtungen, die dem Temperier block gleichmäßig Wärme zuführen oder aus diesem Wärme abführen, auch über die Temperiereinrichtungen hinweg ein Temperaturgradient eingestellt werden kann. Die bekannte endständige Anordnung der Temperiereinrichtung ist hierzu nicht notwendig. Es ergibt sich der Vorteil einer direkten Tempe raturbeeinflussung des Temperierblockes über seine ganze Fläche. Umgebungs einflüsse, z. B. durch die umgebende Luft, werden weitgehend ausgeschaltet. Durch den großflächigen Eingriff über die gesamte Fläche des Temperierblockes sind auch die Zeiten zur Einstellung des gewünschten Temperaturprofiles we sentlich geringer, wenn beispielsweise der Temperierblock von einem Tempera turprofil im Bereich 40° auf ein Temperaturprofil im Bereich 90° umgeschaltet werden soll. Es ist also ohne weiteres möglich, Proben in einem Temperierblock rasch nacheinander auf unterschiedliche Temperaturniveaus zu bringen.

Die großflächige Kontaktierung mit Temperiereinrichtungen läßt sich in einer alternativen Betriebsart sehr einfach zur gleichmäßigen Temperierung aller Auf nahmen verwenden. Es ist dazu nicht erforderlich, wie bei der Konstruktion der US 5 525 300, zusätzlich zu den heizenden und kühlenden endständig angeord neten Temperiereinrichtungen eine zusätzliche, auf der Kontaktierseite angeord nete Temperiereinrichtung vorzusehen.

In den Zeichnungen ist die erfindungsgemäße Verwendung von Temperiereinrichtungen beispielsweise und schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1: einen Temperierblock zur Erzeugung eines Temperaturgradienten in einer ersten Ausführungsform,

Fig. 1a: den zu dem in Fig. 1 dargestellten Block gehörigen Temperaturgra dienten,

Fig. 2: einen Temperierblock zur Erzeugung eines Temperaturgradienten in einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 2a: den zu dem in Fig. 2 dargestellten Block gehörigen Temperaturgra dienten und

Fig. 3: einen Temperierblock in Ansicht von der Kontaktierseite her mit vier in Quadrantenanordnung vorgesehenen Temperiereinrichtun gen.

Fig. 1 zeigt einen Temperierblock 8 eines Laborthermostaten, der insbesondere für den PCR-Prozeß geeignet ist. Probeflüssigkeiten z. B. Reaktionsgemische sollen auf unterschiedliche Temperaturen gebracht werden.

Dazu sind die Probeflüssigkeiten in Behältern vorgesehen, die als handelsübliche Reaktionsgefäße aus dünnwandigem Plastikmaterial ausgebildet sind. Sie weisen einen zylindrischen Bereich auf, der in seinem unteren, die Probeflüssigkeit auf nehmenden Endbereich, sich konisch verjüngt.

Der dargestellte Temperierblockes 8 weist zwei nebeneinander angeordnete Temperiereinrichtungen 19 und 20 auf, die parallel mit gleicher Temperatur be trieben werden können oder auch, wie noch näher zu erläutern ist, mit unter schiedlicher Temperatur.

Fig. 1 zeigt den Temperierblock 8 mit zwei Temperiereinrichtungen 19 und 20 in Seitenansicht. Die als Vertiefungen zur Aufnahme der Behälter ausgebildeten Aufnahmen 11' sind in größerer Zahl dargestellt. Die Aufnahmen 11' können in Reihen und Spalten geordnet auf einer 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 einer Kontaktier seite 15 her anliegen, können vorzugsweise als Peltierelemente vorgesehen sein mit in Fig. 1 nicht dargestellten Anschlußleitungen zur Strombeaufschlagung. Damit können beliebige Temperaturen heizend oder kühlend eingestellt werden. Die Temperiereinrichtungen 19 und 20 können aber auch beispielsweise als flüs sigkeitsdurchströmte Wärmetauscher, die z. B. über Schlauchleitungen versorgt werden, ausgebildet sein.

Die Temperiereinrichtungen 19 und 20 können auf gleiche Temperatur gebracht werden oder auch auf unterschiedliche Temperaturen. Nicht dargestellte Tempe raturfühler im Block oberhalb der Temperiereinrichtungen können mit einer die Wärmezu- und -abfuhr durch die Temperiereinrichtungen steuernden Regelein richtung verbunden sein.

In der Ausführungsform der Fig. 1 liegen die Temperiereinrichtungen 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 Temperiereinrichtung 20 auf höherer Temperatur liegt, so ergibt sich ein Temperaturverlauf über die Länge des Tem perierblockes 8, der in Fig. 3a dargestellt ist. Die Temperiereinrichtung 20 führt dem Temperierblock 8 laufend Wärme zu, während die Temperiereinrichtung 19 kühlend dem Temperierblock Wärme entzieht. Wärme fließt also durch den Temperierblock 8 zwischen den Temperiereinrichtungen 20 und 19.

Es ergibt sich, wie die Temperaturkurve der Fig. 1a 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 Tempe riereinrichtung 19, flacht die Temperaturkurve ab, da zum linken Ende des Tem perierblockes 8 hin der heizende Einfluß der Temperiereinrichtung 20 immer mehr abnimmt.

Auf der rechten Seite, also über der Temperiereinrichtung 20, verläuft gemäß Fig. 1a die Temperatur linear bis zum Ende des Temperierblockes. 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 Rich tung des Wärmestromes, der im Block von der heizenden Temperiereinrichtung 20 zur kühlenden Temperiereinrichtung 19 verläuft, für eine örtliche Erhöhung des Wärmeleitwiderstandes des ansonsten gut leitenden Blockes, der beispiels weise aus Metall besteht. Da die Steilheit des Temperaturgradienten der in Fig. 1a dargestellten Temperaturkurve proportional zum Produkt aus Wärmestrom und Wärmeleitwiderstand ist, kann durch örtliche Veränderung des Wärmeleitwider standes die Form der Temperaturkurve beeinflußt und insbesondere, wie die Fig. 1a zeigt, die Kurve linearisiert werden. Vorteilhaft sind dazu die Nuten 37 und 38 unterschiedlich tief, also mit unterschiedlicher Querschnittsschwächung des Blockes, ausgebildet. Die Tiefe und Anordnung der Nuten 37 und 38 in Fig. 1 ist nur beispielsweise. Die genaue Tiefe, Lage und Anzahl der Nuten kann z. B. in Versuchen ermittelt werden.

Fig. 1a zeigt, daß auf der linken Seite des Temperierblockes 8 zu seinem Ende hin das Temperaturprofil abflacht. Auf der rechten Seite, also über der Tempe riereinrichtung 20 ist diese Abflachung ausgeglichen durch Vorsehen der Nuten 37 und 38. Wie Fig. 1 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 Bereich, in dem der Wärmestrom von der Temperiereinrichtung 20 zur Temperiereinrich tung 19 geringer ist als an der Stelle der Nut 37. Um denselben Temperaturgra dienten an der Stelle der Nut 38 zu erzeugen, ist ein höherer Wärmeleitwieder stand also eine tiefere Nut erforderlich. Wird die Nut 38 noch weiter vertieft, wie gestrichelt mit 38' angedeutet, so kann das Temperaturprofil in diesem Bereich weiter angehoben werden, wie in Fig. 1a strichpunktiert dargestellt.

Fig. 2 zeigt in Darstellung entsprechend Fig. 1 einen Temperierblock 48 mit drei Temperiereinrichtungen 19', 19 und 20. Wird mit der Temperiereinrichtung 20 geheizt und mit der Temperiereinrichtung 19' gekühlt, so ergibt sich die in Fig. 2a dargestellte Temperaturkurve. Zu den Enden der Kurve hin, also über den Tem periereinrichtungen 19' und 20, flacht die Kurve ab, da Nuten über den Tempe riereinrichtungen, wie die Nuten 37 und 38 (Fig. 1) fehlen.

Über die mittlere Temperiereinrichtung 19 hinweg ergibt sich ein linearer Tempe raturgradient. Die mittlere Temperiereinrichtung 19 kann mit einer mittleren Temperatur betrieben werden oder bedarfsweise auch abgeschaltet sein. Sie wird benötigt, um eine etwaige Abweichung der Temperaturkurve in der Mitte des Blockes zu verhindern und wird insbesondere auch benötigt, wenn die Tempe raturkurve insgesamt auf ein anderes Niveau rasch verschoben werden soll. Fer ner wird sie benötigt, wenn alternativ der gesamte Block auf dieselbe Temperatur gebracht werden soll.

Für die erforderliche genaue Einstellung der Temperatur im Temperierblock 48 müssen die Temperaturen geregelt werden. Dazu sind die Temperiereinrichtun gen 19', 19 und 20 jeweils in einem eigenen Regelkreis über nicht dargestellte Temperatursensoren gesteuert, die im Block 48 oberhalb der einzelnen Tempe riereinrichtungen vorgesehen sind. Zwischen den Regelkreisen findet Wärme austausch durch Wärmefluß im Block zwischen den Temperiereinrichtungen statt. Dies führt zu Wechselwirkungen der Regelkreise, wodurch schwer be herrschbare Regelschwingungen entstehen können.

Diese Regelschwingungen lassen sich verringern durch Verringerung des Wär mestromes zwischen den Temperiereinrichtungen. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 sind dazu den Wärmeleitwiderstand zwischen den Temperiereinrichtungen erhöhende Nuten 39 an den Grenzen zwischen den mit den Temperiereinrichtun gen 19', 19 und 20 belegten Feldern der Kontaktierseite 15 vorgesehen.

Wie die Fig. 2 weiter zeigt, können die Nuten 39 auch, wie gestrichelt mit der Nut 39' dargestellt, von oben, also in die Aufnahmeseite 10, eingebracht sein. Auch die Nuten 37 und 38 der Fig. 1 können alternativ von oben, also von der Aufnahmeseite 10 her, in den Block eingebracht sein.

In den Fig. 1 und 2 sind Nuten 37, 38 und 39 dargestellt, die zu unterschiedli chen Zwecken den Wärmestrom durch den Temperierblock behindern sollen, indem sie den Querschnitt des Blockes schwächen und somit an dieser Stelle die Wärmeleitfähigkeit verringern bzw. den Wärmeleitwiderstand erhöhen. An Stelle der dargestellten 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 Wärmeleitfähigkeit bzw. einen anderen Wärmeleitwiderstand aufweisen, als die anderen Stellen des Blockes. Solche Abschnitte können z. B. dadurch geschaffen werden, daß der Block an dieser Stelle getrennt ist und eine Zwischenlage aus einem Material höheren Leitwiderstandes eingesetzt ist. Die genannten Abschnitte können ebenso wie die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Nuten in beliebiger Linienführung den Block durchlaufen, vorzugweise jedoch quer zum Wärmestrom in gerader Linie zwischen zwei Rändern des Blockes. So laufen vorzugsweise die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Nuten quer zum Block 8 bzw. 48, also senkrecht zur Zeichnungsebene durch den gesamten Block.

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Temperierblock 8 bzw. 48 ist mit zwei Temperiereinrichtungen 19 und 20 oder drei Temperiereinrichtungen 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. 1a und 2a zeigen, in Längsrichtung, also in der Zeichnung von links nach rechts, eingestellt werden.

Fig. 3 zeigt eine Variante eines Temperierblockes 58, dessen Kontaktierseite 15 mit Feldgrenzen 61 und 62 in vier Quadrantenfelder mit Temperiereinrichtungen 59, 60, 59' und 60' belegt sind. Werden die Temperiereinrichtungen 59 und 59' gleich betrieben, z. B. kühlend, und auch die Temperiereinrichtungen 60 und 60' auf gleicher Temperatur betrieben, so ergibt sich auf dem Temperierblock 58 ein Temperaturgradient in Richtung der x-Achse. Werden die Temperiereinrichtun gen 59 und 60 auf gleicher Temperatur betrieben und auch die Temperierein richtungen 59 und 60' auf gleicher Temperatur, so ergibt sich in senkrechter Richtung dazu, also in y-Richtung, 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 abwechselnd in x- Richtung oder y-Richtung erlaubt eine Betriebsvariante, bei der der Temperier block 58 nacheinander auf zwei unterschiedlichen Temperaturniveaus betrieben wird, beispielsweise bei einem Temperaturniveau von 30° und bei einem Tempe raturniveau von 60°. Für beide Temperaturniveaus soll die genaue optimale Tem peratur ermittelt werden. Das kann in einem Druchlauf erfolgen, wobei zunächst der Temperierblock bei dem Niveau von 30° in x-Richtung mit einem Gradienten betrieben wird der Temperaturen 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 Temperaturen 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 tempe rierenden Proben bestückt, so kann man diese anschließend auswerten und fest stellen, welche dieser Proben optimal temperiert wurden. Bei diesen lag auf bei den 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 Temperaturfeld einstellen mit unter schiedlichen 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 kleine rer Temperaturgradient eingestellt werden. Sind auf der Aufnahmeseite des Tem perierblockes 58 Aufnahmen für Gefäße in Reihen (x-Richtung) und Spalten (y- Richtung) vorgesehen, so können beispielsweise zwischen den Reihen Tempera turunterschiede von 1° und innerhalb der Reihen zwischen den Spalten Tempe raturunterschiede von 1/10° eingestellt werden. Es lassen sich damit Temperatur unterschiede von beispielsweise 10° mit einer Auflösung von 1/10° einstellen.

Claims

1. Verwendung von Temperiereinrichtungen (20, 19, 19') zur Temperierung eines Temperierblockes (8, 48) für Laborthermostate mit Aufnahmen (11') an einer Aufnahmeseite (10) für die Aufnahme der mit Probeflüssigkeit gefüllten Bereiche von Behältern in großflächigem Kontakt, mit wenigstens zwei den Temperier block (8, 48) wärmeleitend kontaktierenden Temperiereinrichtungen (20, 19, 19'), wobei die Temperiereinrichtungen (20, 19, 19') mit aneinandergrenzenden Fel dern einer der Aufnahmeseite (10) gegenüberliegenden Kontaktierseite (15) des Temperierblockes (8, 48) mit Ausnahme von Zwischenräumen im Bereich der Feldgrenzen (61, 62) über die gesamte Fläche des Temperierblockes (8, 48) in großflächigem Kontakt stehen, zur Erzeugung eines Temperaturgradienten zwi schen unterschiedlichen Stellen des Temperierblockes (8, 48), wobei die Tempe riereinrichtungen (20, 19, 19') auf unterschiedliche Temperaturen eingestellt wer den und wobei sich über die Temperiereinrichtungen (20, 19, 19') hinweg der Temperaturgradient im Temperierblock (8, 48) einstellt.