DE69627699T2

DE69627699T2 - Halterung für objektträger

Info

Publication number: DE69627699T2
Application number: DE69627699T
Authority: DE
Inventors: Paul Titcomb; J. Michael FINNEY; David Cohen
Original assignee: MJ Research Inc
Current assignee: Bio Rad Laboratories Inc
Priority date: 1995-12-08
Filing date: 1996-12-05
Publication date: 2004-01-22
Anticipated expiration: 2016-12-06
Also published as: DE69627699D1; US6004512A; EP0868531B1; EP0868531A1; WO1997021834A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Objektträgerblöcke und spezieller solche Blöcke, die dazu in der Lage sind, verbesserte Objekt- bzw. Proben-Temperatureigen-schaften bereitzustellen, sowie eine erhöhte Objektdichte.
Erörterung der verwandten Technik
Eine Vielzahl biochemischer Experimente umfassen das Beobachten bestimmter Temperaturempfindlicher Reaktionen. Typischerweise enthalten solche Studien thermische Zyklen für das Objekt bzw. die Probe. Solche Experimente umfassen: Nucleinsäure-Hybridisierungen, Polymerase-Kettenreaktionen (PCR) und ihre Varianten (z.B. RT-PCR), isotherme Verstärkungstechniken (z.B. "NASBA", "In-Situ-3SR", "PRINS"), zyklische "PRINS"- und antigenbasierte Detektion von Gewebeeigenschaften. Diese Prozeduren und der allgemeine Hintergrund sind in den folgenden Literaturstellen enthalten: Current Protocols in Molecular Biology, F.M. Ausubel, et al., eds., John Wiley & Sons, Inc. Sections 14.3 and 14.7; Current Protocols in Molecular Biology, F.M. Ausubel, et al, eds., John Wiley & Sons, Inc., Section 14,8; Steacker, H.M. Cammer, R. Rubenstein and T.R. Van de Water. 1994. A procedure for RT-PCR Amplification of mRNAs on Histological Specimens. Bio Techniques. 16: 76-80; Sooknanan, R. And L.T. Malek. 1995. NASBA. A detection and amplification system uniquely suited for RNA. Bio/Technology. 13: 563-564; Zehba, I., G.W. Hacker, J.F. Sallstrom, E. Rylander and E. Wilander. 1992. Self sustained sequence replication-based amplification (3SF) for the in situ detection of MRNA in cultured cells. Cell Vision. 1: 20-24; Gosden, J., D. Hanratty, J. Starling, J. Fantes, A. Mitchell, and D. Porteous. 1991. Oligonucleotide-primed in situ DNA synthesis (PRINS): a method for chromosome mapping, banding and investigation of sequence organization. Cytogenet. Cell Genet. 57: 100-104; Watkins, S. Immunohistochemistry. in Current Protocols in Molecular Biology, F.M. Ausubel, et al., eds., John Wiley & Sons. Inc., Section 14.6. In diesen Studien kann das Objekt schnell oder langsam zyklisch eine Vielzahl von Temperaturen durchlaufen, die bis zu fast 100° C hoch sind.
Demgemäß werden verschiedene Objektträger, wie z.B. Mikroskop-Objektträger, in breitem Umfang sowohl in der Industrie als auch im akademischen Umfeld verwendet. Als Resultat kann das Studieren einzelner Objektträger sowohl ermüdend als auch uneffizient sein. Deshalb werden oftmals Objektblöcke verwendet, Vorrichtungen, die dazu in der Lage sind, mehrere Objektträger zu haltern. Um die Effizienz und Wirtschaftlichkeit zu optimieren, ist es typischerweise wünschenswert, Objektträgerblöcke zu verwenden, die dazu in der Lage sind, eine relativ große Anzahl von Objekten und/oder Objektträgern zu haltern oder zu enthalten.
Unter verschiedenen Umständen ist es wünschenswert, einen Objektträgerblock zu verwenden, der die Temperatur eines Objektträgers überwachen und steuern kann, der in dem Objektträgerblock enthalten ist. Deshalb sind Objektblöcke typischerweise dazu in der Lage, eine Temperaturregelung für die Objektträger bereitzustellen. Wenn ein Temperaturregler zusammen mit einem Objektträgerblock verwendet wird, ist es oft vorteilhaft, die Temperaturgradienten durch das dreidimensionale Volumen zu minimieren, welches durch den Objektträgerblock definiert wird, so dass die Temperatur jedes Objektträgers, der im Objektträgerblock enthalten ist, innerhalb eines akzeptierbaren Temperaturbereiches eingeregelt werden kann.
Typischerweise ist es bei einem Objektträgerblock vorteilhaft, wenn er dazu in der Lage ist, die Temperatur eines Objekts oder eines Objektträgers bei einer relativ hohen Rate zu ändern, während ein relativ geringer Wärmegradient durch den Objektträgerblock hindurch aufrecht erhalten wird. Um dieses Ziel zu erreichen sollte der Objektblock vorzugsweise ein Material umfassen, das eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Um dieses Ziel zu erreichen, ist es wünschenswert, dass die Oberfläche des Objektträgerblockes in Kontakt mit dem Temperaturregler vergleichsweise groß ist.
Ein bekannter Objektträgerblock nach dem Stand der Technik, entworfen für das Perkin Elmer Gene Amp In Situ 100-System, umfasst eine horizontale Basisplatte und Objektplatten, die vertikal aus der Basisplatte hervorstehen, um eine kammartige Struktur auszubilden. Eine Feder ist in jedem Schlitz angeordnet, um die Objektträger innerhalb des Objektblockes an ihrem Platz zu halten. Da jedoch die Objektträger vertikal im Objektblock angeordnet werden, müssen Objektträger verwendet werden, welche die Möglichkeit des Objektverlustes aufgrund der Schwerkraft reduzieren oder eliminieren. Darüber hinaus gestattet es diese Objektblock-Ausgestaltung, die Temperatur der Objektträger nur von einer Seite her zu regeln. Als Resultat tritt ein asymmetrisches Erwärmen der Objekte aufgrund eines Wärmegradienten auf, und die Temperaturstabilität der Objekte und/oder Objektträger ist begrenzt. Ferner bietet diese Ausgestaltung nur ein relativ geringes Verhältnis von Wärmepumpen-Oberfläche zur thermischen Masse, was in einer ineffizienten Erwärmung resultiert. Somit hat der Objektblock eine relativ komplexe Gestalt und bietet nur relativ schlechte Objekttemperatur-Regelungseigenschaften.
Ein anderer Objektträgerblock, gestaltet für den Hybaid-OmniSlide-Thermal Cycler, umfasst eine im wesentlichen planare Oberfläche und Ausnehmungen. Die Ausnehmungen sind so ausgestaltet, dass sie Objektträger Seite an Seite haltern. Diese Anordnung resultiert in einer relativ geringen Trägerdichte. Zusätzlich ist eine präzise Temperaturregelung für Objekte und Objektträger schwierig, weil die Träger über einen Abstand von mindestens der Breite eines Objektträgers getrennt sein müssen. Ferner wird die Temperatur des Objekt- bzw. Probenblocks nur von der Unterseite her geregelt, und eine Erwärmung findet durch elektrischen Widerstand statt und eine Abkühlung wird durch einen erzwungenen Luftstrom erzielt. Als Resultat bietet der Objektträgerblock vergleichsweise schlechte Objekttemperatureigenschaften. Darüber hinaus würde bei dieser Ausgestaltung eine gute Wärmeregelung für die Objektträger einen separaten Sensor und eine unabhängige Temperaturregelung für jeden Objektträger erfordern. Somit bietet dieser Objektblock eine relativ geringe Objektdichte und vergleichsweise schlechte Objekttemperatur-Regelungseigenschaften.
Eine zusätzliche Ausgestaltung für einen Objektblock, den MJ Research PTC-100-16MS, umfasst eine gestapelte, zweidimensionale Anordnung von Objektträgerschlitzen, die in einen Objektblock eingearbeitet sind. Zusätzlich ist eine Temperaturregelungsvorrichtung nur an der Unterseite des Objektblockes angeordnet, so dass die Wärmeströmung über den Objektblock asymmetrisch ist. Somit herrscht gewöhnlich ein Temperaturgradient über den Objektträgerblock. Um den Temperaturgradienten über den Objektblock zu reduzieren muss eine relativ geringe Erwärmungs- und Kühlungsrate verwendet werden, aber dies kann die Verwendbarkeit des Objektträgerblockes einschränken. Somit bietet diese Anordnung nur eine eingeschränkte Objekttemperaturregelung.
Die EP-A-647 707 offenbart eine Anordnung zum Halten von Objektträgern bzw. Probenträgern mit vier paarweise parallelen Platten (1-4). Zwei der Platten (1,2) enthalten Kühl- und Erwärmungseinrichtungen (6,7). Die Anordnung enthält eine Bodenplatte sowie einen Dek kel. Zwischen den parallelen Platten sind thermisch leitende Verbindungsplatten (8-12), welche sinusförmig sein können und eine relativ große Verbindungsfläche mit den parallelen Platten haben. Eine konstante Temperatur ist durch die Anordnung vorhanden. Die Erwärmungs- und Kühlungseinrichtung in den parallelen Platten (1,2) fällt in die Definition für einen Temperaturregler entlang der zweiten berfläche, und die Leitungsplatten (8-12) fallen in die Definition für die dritten Platten, die thermisch mit den ersten und zweiten Platten verbunden sind. Darüber hinaus muss eine Art Wärmepumpe bei der Verwendung von Wärme- und Kühlröhren vorhanden sein. Schließlich wird vorgeschlagen, einzelne elektrische Versorgungen zum Erwärmen und Kühlen jeder Verbindungsplatte vorzusehen.
Somit bleibt in der Technik der Wunsch bestehen, einen Objektblock bereitzustellen, der eine Ausgestaltung hat, welche eine hohe Objektträgerdichte ermöglicht, während eine ungleichmäßige Erwärmung von Objekten bzw. Proben und/oder Objektträgern aufgrund von Wärmegradienten vermieden wird. Eine weitere Herausforderung in der Technik liegt darin, einen Probenblock bereitzustellen, welcher es gestattet, Objektträger horizontal zu stapeln. Ferner ist es ein allgemeines Problem, einen Objektträgerblock zu entwerfen, der eine gute mechanische Integrität und trotzdem eine relativ geringe thermische Masse hat. Typischerweise bieten Materialen mit geringer thermischer Masse eine vergleichsweise schlechte mechanische Integrität. Damit wäre es vorteilhaft, einen Objektträgerblock bereitzustellen, der so ausgestaltet ist, dass er die Bedeutung der guten mechanischen Integrität reduziert oder eliminiert.
Zusammenfassung der Erfindung
Deshalb ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Objektblock bereitzustellen, der eine relativ hohe Objektdichte aufweist.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Objektblock bereitzustellen, der dazu in der Lage ist, einen relativ niedrigen Temperaturgradienten über den gesamten dreidimensionalen Raum bereitzustellen, der den Objektblock definiert.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Objektblock bereitzustellen, der eine relativ geringe thermische Masse aufweist.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Objektträgerblock bereitzustellen, der eine relativ hohe Wärmepumpen-Oberfläche aufweist. Bei bestimmten Ausführungsformen kann die Wärmepumpen-Oberfläche planar sein.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Objektblock bereitzustellen, der ein relativ hohes Verhältnis von Wärmepumpen-Oberfläche zu thermische Masse aufweist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung bereitzustellen, zur Halterung von Objektträgern mit einem Objektträgerblock bzw. einem Objektprobenblock und einem ersten Temperaturregler, wobei der Objektprobenblock (10) umfasst:
eine erste Platte (12) mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, wobei die zweite Oberfläche der ersten Oberfläche gegenüberliegt und die erste Platte im Allgemeinen in vertikaler Ausrichtung angeordnet ist;
eine zweite Platte (14) mit einer dritten Oberfläche und einer vierten Oberfläche, wobei die vierte Oberfläche der dritten Oberfläche gegenüberliegt und im Allgemeinen parallel zur ersten Platte angeordnet ist;
mehrere dritte Platten (16), von denen jede ein erstes Ende, das mit der zweiten Oberfläche verbunden ist, und ein zweites Ende, das mit der dritten Oberfläche verbunden ist, aufweist und die im Allgemeinen horizontal ausgerichtet sind und senkrecht zur Ausrichtung der ersten Platte und der zweiten Platte stehen;
wobei der erste Temperaturregler entlang der ersten Oberfläche angeordnet ist;
dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Platte aus demselben, monolithischen Materialabschnitt ausgebildet ist wie die erste und zweite Platte, oder mit ihnen zur Ausbildung eines Blockes verbunden ist, durch eine Technik, die ausgewählt wird aus Löten oder Hartlöten.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Fig. 1	ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Objektträgerblocks.
Die Fig. 2	ist eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform eines Objektträgerblocks.
Die Fig. 3	ist eine perspektivische Ansicht eines Objektträgerblocks nach Fig. 2.
Die Fig. 4	ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Anordnung mit einem Objektträgerblock und einem Temperaturregler.
Die Fig. 5	ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Konstruktionsstufe für eine Anordnung.
Die Fig. 6	ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer anderen Konstruktionsstufe einer Anordnung.
Die Fig. 7	ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform noch einer weiteren Konstruktionsstufe einer Anordnung der vorliegenden Erfindung.
Die Fig. 8	ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer weiteren Konstruktionsstufe einer Anordnung der vorliegenden Erfindung.
Die Fig. 9	ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform noch einer weiteren Konstruktionsstufe einer Anordnung der vorliegenden Erfindung.
Die Fig. 10	ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Anordnung der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 11	ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Mehrfach-Anordnung, die mehr als einen Objektträgerblock umfasst, gemäß der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung
Die vorliegenden Erfindung betrifft Objektträgerblocks, die ausgestaltet sind, um Objektträger zu haltern. Die 1 zeigt eine Ausführungsform eines Objektträgerblocks 10. Der Block 10 umfasst eine erste Basisplatte 12 und eine zweite Basisplatte 14. Verbindungsplatten 16 sind sowohl mit der Platte 12 als auch der Platte 14 verbunden, und Objektträgerschlitze 18 sind zwischen benachbarten Verbindungsplatten 16 angeordnet.
Der Begriff "Objektträger", wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf eine Vorrichtung, die dazu in der Lage ist, ein Objekt bzw. eine Probe zu tragen, wie z.B. ein Lösungs-Aliquot. Beispielsweise kann ein Objektträger ein einzelner Mikroskop-Objektträger sein, zwei Mikroskop-Objektträger, die in Kontakt stehen, ein Mikroskop-Träger, der in Kontakt mit einem Abdeckträger steht, eine Versiegelungsvorrichtung mit aufgeklebter Dichtung, eine Versiegelungseinrichtung mit aufgepresster Dichtung oder Objektträger-Halterungsvorrichtungen. Typischerweise umfasst ein Objektträger mindestens einen Mikroskop-Objektträger.
Der Ausdruck "Objektträgerblock" bezeichnet hierin eine Einrichtung, die dazu in der Lage ist, mindestens einen Objektträger zu halten oder zu enthalten. Ein Objektträgerblock kann so angeordnet sein, dass er einen Objektträger vertikal, horizontal oder auf beide Arten hält. Gewöhnlich ist ein Objektträgerblock dazu vorgesehen, einen Objektträger horizontal im Objektträgerblock zu halten. Bei bestimmten Ausführungsformen kann der Objektträgerblock dazu in der Lage sein, die Temperatur eines Objektträgers und/oder eines Objektes, die im Objektträgerblock angeordnet sind, zu überwachen und zu regeln. Typischerweise kann eine Objektträgerblock die Temperatur eines Objektes oder eines Objektträgers, das in dem Objektträgerblock angeordnet ist, erhöhen, verringern oder konstant halten.
Die Platten 12, 14 und 16 können jeweils dieselben oder andere Materialien umfassen. Für Ausführungsformen, bei welchen die Platten 12, 14 und 16 dasselbe Material umfassen, kann der Block 10 jedwedes Material umfassen, das eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit hat. Typischerweise umfassen die Platten 12, 14 oder 16 Aluminium, Kupfer oder Silber. Wie hierin beschrieben, können die Platten 12, 14 oder 16 bei einigen dieser Ausführungsformen in Kontakt mit einer elektrisch leitenden Oberfläche stehen, und für diese Ausführungsformen kann es vorteilhaft sein, eine elektrisch isolierende Schicht oder Beschichtung zu haben, die um zumindest einen Teil der äußeren Oberfläche der Platten 12, 14 oder 16 angeordnet ist. Wenn beispielsweise Aluminium verwendet wird, kann eine anodisierte Beschichtung (das heißt Aluminiumoxidbeschichtung) verwendet werden. Alternativ, wenn Silber verwendet wird, kann eine Beschichtung aus Aluminiumoxid durch Plasmasprühen auf mindestens einen Teil der äußeren Oberfläche der Platten 12, 14 oder 16 aufgesprüht werden. Vorzugsweise umfassen die Platten 12, 14 und 16 Aluminium; bevorzugter Aluminium 6061.
Bei Ausführungsformen, bei denen die Platten 12, 14 und 16 unterschiedliche Materialen aufweisen, können die Platten 12 oder 14 jedwedes Material umfassen, das eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit hat, wie z.B. Aluminium, Kupfer oder Silber. Wenn die Platten 12 oder 14 mit einer elektrisch leitenden Oberfläche in Kontakt gebracht werden sollen, haben die Platten 12 oder 14 vorzugsweise eine elektrisch isolierende Beschichtung, die darüber angeordnet ist, wie hierin beschrieben wird. Die Platte 16 kann eine sandwichartige Struktur aus mehr als einem Material aufweisen. Beispielsweise kann die Platte 16 einen inneren Teil aus Aluminium 6951 umfassen, der eine Beschichtung aus Aluminium 4343 hat, die darüber angeordnet ist. Alternativ kann die Platte 16 eine Schicht aus pyrolitischem Graphit umfassen, die zwischen zwei Schichten aus Aluminium eingebracht ist.
Während bestimmte Materialien, die zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignet sind, hierin offenbart wurden, versteht es sich, dass andere Materialien ebenfalls verwendet werden können. Solche Materialien sind nur dahingehend beschränkt, dass sie bestimmte vorteilhafte Merkmale bieten sollten, wie sie hierin beschrieben werden. Solche Materialien werden für Durchschnittsfachleute offensichtlich sein.
Die Platten 12 und 14 sind in vertikaler Ausrichtung angeordnet.
Vorzugsweise haben die Platten 12 und 14 Oberflächen, die im Wesentlichen planar sind.
Die Platten 12 und 14 sind im Wesentlichen parallel.
Die Verbindungsplatten 16 sind im Allgemeinen horizontal ausgerichtet und können Oberflächen von jedweder Form haben, solange der Block 10 dazu in der Lage ist, Objektträger zu haltern, während bestimmte Vorteile der vorliegenden Erfindung bereitgestellt werden. Beispielsweise können die Verbindungsplatten 16 Oberflächen haben, die im Wesentlichen konvex, im Wesentlichen konkav oder im Wesentlichen flach (das heißt planar) sind.
Die Verbindungsplatten 16 sind thermisch mit den Platten 12 und 14 so verbunden, dass Trägerschlitze 18 jedwede Form haben können, solange der Block 10 dazu in der Lage ist, Objektträger zu halten, während bestimmte vorteilhafte Eigenschaften bereitgestellt werden. Beispielsweise können die Trägerschlitze 18 eine Querschnittsform haben, die im Wesentlichen quadratisch oder rechteckig ist.
Die Verbindungsplatten 16 liegen im Wesentlichen rechtwinklig zu beiden Platten 12 und 14.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Block 10 eine hohe Dichte von Objektträgern bereitstellen, indem er eine erhöhte Dichte an Verbindungsplatten 16 aufweist. Der Begriff "Dichte der Verbindungsplatten" wie er hierin benutzt wird, bezeichnet die Anzahl der Verbindungsplatten 16 pro mm, gemessen in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu den Verbindungsplatten 16. Die Dichte der Verbindungsplatten hängt gewöhnlich von der Dicke der Objektträger ab, die mit dem Objektträgerblock 10 zu verwenden sind. Beispielsweise wenn ein Mikroskop-Objektträger mit einer Dicke von 1 mm verwendet wird, kann der Block 10 eine Dichte der Trägerschlitze von mindestens ungefähr 0,1 Verbindungsplatten pro mm aufweisen. Wenn eine 1 mm dicke Trägerplatte verwendet wird, hat der Block 10 vorzugsweise eine Dichte der Trägerschlitze von zumindest ungefähr 0,2 Verbindungsplatten pro mm, bevorzugter mindestens ungefähr 0,3 Verbindungsplatten pro mm und am bevorzugtesten mindestens ungefähr 0,4 Verbindungsplatten pro mm.
Oftmals kann die Dichte der Verbindungsplatten 16 durch das Verringern der Dicke der Platten 16 erhöht werden. Zusätzlich kann die Dicke einer Platte 16 von dem Abstand zwischen den Platten 12 und 14 abhängen, da die Platte 16 verwendet werden kann, um sowohl mechanische Integrität für den Block 10 sowie Wärmeleitung zwischen den Platten 12 oder 14 und einem Objektträger bereitzustellen. Wenn der Abstand zwischen den Platten 12 und 14 steigt, kann die Dicke der Platte 16 erhöht werden, um eine erhöhte mechanische Tragwirkung bereitzustellen. Alternativ kann, wenn der Abstand zwischen den Platten 12 und 14 abnimmt, die Dicke der Platte 16 verringert werden. Um eine gute Wärmeleitung zwischen den Platten 12 oder 14 und dem Mittelpunkt der Platte 16 bereitzustellen, könnte ferner die Platte 16 notwendigerweise eine erhöhte Dicke aufweisen, wenn die Dicke zwischen den Platten 12 und 14 erhöht wird. Deshalb hat, bei manchen Ausführungsformen, wenn die Platte 12 ungefähr 25 mm von der Platte 14 beabstandet ist, eine Verbindungsplatte 16 vorzugsweise eine Dicke von höchstens ungefähr 50 mm, bevorzugter höchstens ungefähr 40 mm und am bevorzugtesten höchstens ungefähr 30 mm.
Bei bestimmten Ausführungsformen hat der Block 10 eine verringerie maximale Temperaturvariation. "Maximale Temperaturvariation" bedeutet hierin die Änderung der Temperatur von einem ersten Punkt im Block 10 zu einem zweiten Punkt in dem Volumen, in welchem die Objektträger im Block 10 gehalten werden, gemessen zwischen dem ersten Punkt und dem zweiten Punkt. Vorzugsweise beträgt die maximale Temperaturvariation des Blockes 10 höchstens ungefähr 1°C bevorzugt höchstens ungefähr 0,7°C und am bevorzugtesten höchstens ungefähr 0,5°C (das heißt vorzugsweise eine Temperaturänderung zwischen dem ersten Punkt und dem zweiten Punkt von +/– 0,5°C, bevorzugter +/– 0,35°C und am bevorzugtesten +/– 0,25°C).
Der Objektträgerblock 10 kann dazu in der Lage sein, eine relativ niedrige maximale Temperaturvariation aufrecht zu erhalten, nachdem er einer Temperaturänderung unterzogen wurde. Bei einer Ausführungsform hat der Block 10 vorzugsweise eine maximale Temperaturvariati on von höchstens ungefähr 1°C (das heißt eine Temperaturänderung zwischen dem ersten Punkt und dem zweiten Punkt von +/– 0,5°C) ungefähr 30 Sekunden nachdem eine Temperaturänderung von mindestens ungefähr 1°C pro Sekunde vorüber ist, bevorzugter mindestens ungefähr 2°C pro Sekunde und am bevorzugtesten mindestens ungefähr 3°C pro Sekunde. Bei einer anderen Ausführungsform kann der Block 10 vorzugsweise dazu in der Lage sein, eine maximale Temperaturvariation von höchstens ungefähr 0,7°C aufzuweisen (das heißt eine Temperaturänderung zwischen dem ersten Punkt und dem zweiten Punkt von +/– 0,35°C), ungefähr 25 Sekunden nach einer Temperaturänderung von mindestens ungefähr 1° C pro Sekunde, bevorzugter mindestens ungefähr 2°C pro Sekunde und am bevorzugtesten ungefähr 3°C pro Sekunde. Bei einer weiteren Ausführungsform kann der Block 10 vorzugsweise dazu in der Lage sein, eine maximale Temperaturvariation von höchstens ungefähr 0,5°C aufzuweisen (das heißt eine Temperaturveränderung zwischen dem ersten Punkt und dem zweiten Punkt von +/– 0,25°C), 15 Sekunden nachdem er eine Temperaturänderung von mindestens ungefähr 1°C pro Sekunde erfahren hat, bevorzugter mindestens ungefähr 2°C pro Sekunde und am bevorzugtesten mindestens ungefähr 3°C pro Sekunde.
Der Objektträgerblock 10 kann eine verringerte thermische Masse aufweisen. "Thermische Masse" bedeutet hierin das mathematische Produkt einer gravimetrischen Masse eines Materials und der spezifischen Wärmekapazität des Materials. Die "spezifische Wärmekapazität" bedeutet hierin die Wärmemenge, die notwendig ist, um die Temperatur von einem Gramm Material um 1°C zu erhöhen. Vorzugsweise hat der Block 10 eine thermisch wirksame Masse von ungefähr 220 Joule/°C (53 cal/°C), bevorzugter höchstens 167 Joule/°C (40 cal/°C) und am bevorzugtesten höchstens ungefähr 125 Joule/°C (30 cal/°C).
Bei bestimmten Ausführungsformen kann der Block 10 aus einem Material beschaffen sein, das eine niedrige spezifische Wärmekapazität aufweist (welche einer hohen Wärmeleitfähigkeit entspricht), so dass der Block 10 eine geringe thermisch wirksame Masse hat. Bei solchen Ausführungsformen umfasst der Block 10 vorzugsweise ein Material, das eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens ungefähr 200 W/m°C aufweist.
Um eine niedrige thermisch wirksame Masse zu erhalten, kann der Block 10 ein Material umfassen, das eine niedrige gravimetrische Masse aufweist. Beispielsweise wenn der Block 10 bei speziellen Ausführungsformen Aluminium umfasst, ist die gravimetrische Masse des Blocks 10 vorzugsweise höchstens ungefähr 250 g, bevorzugter höchstens ungefähr 200 g und am bevorzugtesten höchstens ungefähr 150 g. Bei einer Ausführungsform hat der Block 10 eine gravimetrische Masse von ungefähr 250 g. Es versteht sich, dass die gravimetrische Masse des Blocks 10 nicht einschränkend ist, und dass die gravimetrische Masse des Blocks 10 jedweden Wert annehmen kann, solang der Block 10 bestimmt Vorteile gemäß der vorliegenden Erfindung bereitstellt.
Um die thermisch wirksame Masse des Objektträgerblocks 10 zu verringern, kann die Platte 12 und/oder die Platte 14 eine reduzierte Dicke aufweisen. Bei solchen Ausführungsformen können die Platte 12 und/oder die Platte 14 jedwede Dicke haben, die größer oder gleich der Dicke der Platte 16 ist. Vorzugsweise haben die Platten 12 und/oder 14 eine Dicke von höchstens ungefähr 1,27 cm (0,5 inches), bevorzugter höchstens ungefähr 0,29 cm (0,1 inches) und am bevorzugtesten höchstens ungefähr 50 mm.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann die vorliegende Erfindung eine relativ hohe Wärmepumpoberfläche haben. Eine "Wärmepumpoberfläche" bedeutet hierin die Oberfläche eines Objektträgerblocks 10, die thermisch mit einem Temperaturregler (unten beschrieben) verbunden ist. "Thermisch verbunden" bedeutet hierin eine Verbindung zwischen zwei oder mehr Elementen, die es den Elementen gestattet, Wärme auszutauschen. Eine solche Verbindung kann direkten Kontakt oder Kontakt durch ein wärmeleitfähiges Material umfassen, wie z.B. ein Metall. Demgemäß hat der Block 10 bei bestimmten Ausführungsformen vorzugsweise eine Wärmepumpoberfläche von mindestens 80 cm², bevorzugter mindestens 100 cm², und am bevorzugtesten mindestens 120 cm². Bei einer Ausführungsform hat der Block 10 eine Wärmepumpfläche von ungefähr 112 cm². Bei einigen Ausführungsformen kann die Wärmepumpfläche des Blocks 10 planar sein (das heißt die Oberfläche der Wärmepumpoberfläche des Blocks 10 liegt im Wesentlichen in einer Ebene). Jedoch versteht es sich, dass die Form, Größe und die Wärmepumpoberfläche des Blockes 10 nicht auf bestimmte hierin offenbarte Werte begrenzt sind, und dass diese Parameter nur dahingehend beschränkt sind, dass der Block 10 bestimmt Vorteile bietet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Block 10 ein hohes Verhältnis von Wärmepumpoberfläche zu thermisch wirksamer Masse aufweisen. Vorzugsweise ist das Verhältnis der Wärmepumpoberfläche des Blockes 10 zur thermisch wirksamen Masse des Blocks 10 mindestens ungefähr 1,5 cm²-°C/cal, bevorzugter mindestens ungefähr 2,5 cm²-°C/cal und am bevorzugtesten mindestens ungefähr 4 cm²-°C/cal. Bei einer Ausführungsform hat der Block 10 ein Verhältnis von Wärmepumpoberfläche zur thermisch wirksamen Masse von ungefähr 2 cm²-cal/°C.
Der Objektträgerblock 10 kann ferner mindestens eine Vorrichtung enthalten, die dazu in der Lage ist, es dem Block 10 zu gestatten, thermisch mit bestimmten äußeren Vorrichtungen verbunden zu werden, die dazu geeignet sind, mit dem Block 10 verwendet zu werden, wie zum Beispiel Temperaturreglern oder Wärmesenken. Eine solche thermische Verbindung kann dadurch erzielt werden, dass der Block 10 und die äußere Vorrichtung mit einer Befestigungseinrichtung verbunden werden.
Eine solche Befestigungseinrichtung ist in den 2 und 3 gezeigt, in welchen der Objektträgerblock 10 eine Wärmeabschirmungsplatte 20, eine Ösenanbringung 22 und eine Öffnung 24 für einen Temperatursensor umfasst. Die Wärmeabschirmung 20 kann jedwede Gestalt aufweisen, solange sie dazu in der Lage ist, die Wärmeströmung zwischen der Ösenanbringung 22 und den Platten 12, 14 und 16 zu verringern oder zu vermeiden. Die Wärmeabschirmungsplatte 20 kann dasselbe Material umfassen wie die Platten 12, 14 oder 16. Alternativ kann die Wärmeabschirmung 20 ein anderes Material umfassen als die Platten 12, 14 oder 16. Vorzugsweise umfasst die Wärmeabschirmung 20 ein Material mit einer Wärmeleitfähigkeit in einem Bereich zwischen ungefähr 0,01 W/m°C und 1 W/m°C. Ein Beispiel für eine nicht beschränkte Liste solcher Materialien umfasst Materialien mit hoher Wärmewiderstandsfähigkeit, wie zum Beispiel Kunststoff, einschließlich Phenol-Kunststoff.
Die Ösenanbringung 22 umfasst ein Loch 26, welches vollständig durch sie hindurch geht. Vorzugsweise verläuft ein solches Loch in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Platten 12 und 14 entlang welcher die Verbindungsplatten 16 thermisch verbunden sind. Die Ösenanbringung 22 kann jedwede Form oder Gestalt aufweisen, solange sie dazu in der Lage ist, es einer äußeren Vorrichtung, wie zum Beispiel einen Temperaturregler und/oder einer Wärmesenke, zu gestatten, thermisch mit dem Objektträgerblock 10 verbunden zu werden. Es ist zu bemerken, dass, wie in 2 gezeigt ist, die Ösenanbringung 22 nicht direkt mit den Platten 12, 14 oder 16 verbunden ist. Stattdessen ist die Ösenanbringung 22 von diesen Oberflächen entfernt, so dass der Block 10 eine erhöhte Wärmepumpoberfläche haben kann, wie hierin beschrieben wurde.
Die Ösenanbringung 22 kann dasselbe Material umfassen wie der Block 10 oder die Wärmeabschirmung 22. Alternativ kann die Ösenanbringung 22 ein anderes Material als der Block 10 oder ein anderes Material als die Abschirmung 22 aufweisen. Bei einer Ausführungsform kann die Wärmeabschirmung 22 ein Kunststoffmaterial umfassen, und die Ösenanbringung kann Metall umfassen.
Der Temperatursensor 24 ist thermisch mit dem Block 10 verbunden. Der Temperatursensor 24 kann einen Thermistor, ein Thermoelement, einen Sensor in integrierter Schaltung oder jedweden anderen Sensor aufweisen, der dazu in der Lage ist, eine Temperatur zu erfühlen. Typischerweise ist der Sensor 24 ein Thermistor.
Die 4 zeigt eine Ausführungsform einer Anordnung 30, bei welcher ein Temperaturregler 32 thermisch mit der Oberfläche der Platte 12 des Objektträgerblocks 10 verbunden ist. Der Temperaturregler 32 kann jedwede Vorrichtung aufweisen, die dazu in der Lage ist, die Temperatur von Objekten bzw. Proben oder Objektträgern zu regeln, welche im Objektträgerblock 10 gehaltert oder enthalten sind. Solche Vorrichtungen können Widerstands-Erwärmungssysteme, Flüssigkeitskühlsysteme, mechanische Kühlungssysteme oder Feststofferwärmungsvorrichtungen umfassen. Wenn der Temperaturregler 32 beispielsweise ein Flüssigkeitskühlsystem umfasst, kann dieses Flüssigkeitskühlsystem entlang der Oberflächen der Platten 12, 14 und 16 verlaufen. Typischerweise umfasst der Temperaturregler 32 eine Feststoffvorrichtung, wie zum Beispiel ein thermoelektrisches Wärmepumpmodul. Bei einer Ausführungsform umfasst der Temperaturregler 32 ein Modell M1-2009-1-thermoelektrisches Wärmepumpenmodul von Marlow Industries aus Dalles, Texas. Es ist zu bemerken, dass es bei bestimmten Ausführungsformen vorteilhaft sein kann, dass die Platte 12 eine im Wesentlichen planare Oberfläche hat, wenn der Temperaturregler 32 eine Wärmepumpe des Modell M1-2009-1 umfasst.
Der Temperaturregler 32 kann in jedweder Weise mit dem Objektträgerblock 10 verbunden werden, solange die Anordnung 30 bestimmte vorteilhafte Eigenschaften der vorliegenden Erfindung bereitstellt. Eine solche Verbindung kann einen Wärmeleiter, wie zum Beispiel ein Stück Metall, umfassen, welches sowohl am Block 10 als auch am Regler 32 befestigt ist oder damit in Kontakt steht. Alternativ kann der Block 10 in direktem physischen Kontakt mit dem Temperaturregler 32 stehen. Vorzugsweise umfasst ein Temperaturregler 32, der zur Verwen dung mit der vorliegenden Erfindung geeignet ist, eine Wärmepumpe des Modells M1-2009-1, die in direktem körperlichen Kontakt mit der Oberfläche der Platte 12 ist.
In den 5 bis 10 werden bestimmte Aspekte einer Vorrichtung beschrieben. Bei dieser Vorrichtung ist jede Seite des Blocks 10 unabhängig aufgebaut. Standard-O-Ringe 11 mit einem geeigneten Material, wie zum Beispiel Nitril, Viton oder ähnliches, sind in Rillen 13 der Platten 12 und 14 (5) angeordnet. Ein Halteelement 15 wird nach unten auf die Platte 12 gedrückt und quetscht den O-Ring 11 zwischen der Kante des Blockes 10 und der inneren Oberfläche 17A und 17B des Halteelements 15 (6). Ein Temperaturregler (einschließlich zugehöriger Elektronik, Sensoren und ähnlichem) 19 wird dann an geeigneten Positionen innerhalb eines Hohlraums angeordnet, der durch den Block 10 und die Zentralöffnung 25 des Halteelements 15 ausgebildet wird.
Ein O-Ring 45 ist in einer entsprechenden Rille in einer Wärmesenke 27 angeordnet und gegen das Halteelement 15 gesetzt. Eine Unterdruckquelle 31 ist an einer Öffnung 33 der Ausnehmung 35 angebracht, die durch den Block, die Wärmesenke 27 und die Öffnung des Halteelements 15 ausgebildet wird. Atmosphärischer Druck, der auf die äußeren Oberflächen des Blocks 10 und die Wärmesenke 27 wirkt, drückt die Wärmesenke 27 und den Block 10 zusammen, was die Anordnung unter Kompression hält. Bei einer Ausführungsform wird eine Kompressionskraft von ungefähr 890 N (200 pounds) verwendet. Vorzugsweise wird diese Kraft gleichmäßig über die Flächen der Wärmepumpmodule verteilt. Bei einigen Ausführungsformen sind die Wärmepumpmodule in Wärmeschnittstellen-Lagen 37 eingesetzt. Die Lagen 37 können jedwedes Material umfassen, welches die geeignete Kompressibiliät und Wärmeleitfähigkeit bietet. Bei bestimmten Ausführungsformen umfassen die Lagen 37 Grafoil TM von Union Carbide Company, Inc. Cleveland, OH 44101. Wärmeschnittstellen-Lagen 37 können zwischen dem Block 10 und die Module und zwischen die Module und die Wärmesenke gesetzt werden, um eine gute und gleichmäßige Erwärmung bereitzustellen.
Ein Ventil 80 kann verwendet werden, um die Unterdruckquelle 31 von dem Hohlraum 35 zu trennen, während der Unterdruck in dem Hohlraum 35 aufrecht erhalten wird. Unter Verwendung einer Unterdruck-Messeinrichtung 82 kann die Funktion der Dichtungen dadurch getestet werden, dass jedwede Veränderung im Unterdruck beobachtet wird. Während ein Unterdruck gehalten wird, wird ein Belleville-Scheibenstapel 84 oder ähnliches über jeden Pfosten gesetzt, der an den Anbringungsösen 22 des Blockes angebracht ist, und ein Gewindebefesti gungselement wird verwendet, um jeden Stapel gegen die äußere Oberfläche der Wärmesenke zu drücken.
Unter Verwendung von Belleville-Scheiben mit einem Verhältnis von Kegelhöhe zu Dicke (h/t) von nahezu 1,4 und durch das Zusammendrücken jeder Scheibe auf ungefähr 70% Ausbiegung, resultiert eine Ausbiegung von +/– 0,3 mm (aufgrund von Ausbau-Toleranzstapelfehlern und Abmessungsänderungen durch Wärmezyklen) in einer Veränderung der aufgebrachten Kraft von ungefähr +/– 10%.
Die Unterdruck-Klammerkraft gestattet es den Belleville-Scheibenklemmen (außerhalb des Bereiches der Wärmepumpen) aufgebracht zu werden, ohne dass unausgeglichene Kräfte auf die Anordnung aufgebracht werden. Wenn die Belleville-Scheibenklemmen gesetzt werden, wird der Unterdruck entlastet und die Ausbauprozedur kann für die gegenüberliegende Seite wiederholt werden.
Die 10 zeigt eine Ausführungsform der Anordnung 40 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Anordnung 40 umfasst einen Block 10 und Wärmesenken 42 und 44.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann der Block 10 aus einem monolithischen Materialabschnitt ausgebildet sein. Für solche Ausführungsformen können Elektronenentladungs-Bearbeitungs(EDM)-Prozesse bei der Herstellung des Blocks 10 verwendet werden. Typischerweise wird Draht-EDM verwendet, wobei ein sich bewegender Draht Schlitze durch das Material schneidet, aus welchem der Block 10 aufgebaut ist. Die so gebildeten Schlitze haben ungefähr dieselbe Breite wie die Dicke des Drahtes. Andere Prozesse zur Bereitstellung des Blocks 10 aus einem monolithischen Materialabschnitt sind Fachleuten bekannt.
Gemäß der Erfindung kann der Block 10 aus mehr als einer diskreten Komponente ausgebildet werden. Für solche Ausführungsformen kann der Block 10 dadurch ausgebildet werden, dass die separaten Komponenten durch Tauchlöten verbunden werden. Bei diesem Prozess werden die Komponenten in ein geschmolzenes Bad aus Salz eingetaucht, das bei einer Temperatur oberhalb der Schmelzpunkttemperatur jedweder inneren Legierung und oberhalb der Schmelzpunkttemperatur jedweder äußeren Legierung liegt. Vor dem Eingeben in das geschmolzene Bad können die Komponenten dadurch aneinander angesetzt werden, das Schlitze in die Platten 12 oder 14 eingearbeitet werden, so dass die Platten 16 darin positioniert wer den können. Tauchlöten wird oft verwendet, wenn der Block 10 Aluminium umfasst. Alternativ kann für bestimmte Ausführungsformen Hart- oder Weichlöten verwendet werden, um die Komponenten des Blocks 10 aneinander anzusetzen. Typischerweise umfasst ein solcher Lötprozess Silberlöten. Dieses Verfahren wird oft verwendet, wenn der Block 10 Kupfer oder Silber umfasst. Die diskreten Komponenten können gemäß jeder Standard-Bearbeitungstechnik hergestellt werden, wie zum Beispiel fräsen oder sägen. Außerdem kann eine Aluminiumextrusion verwendet werden.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann mehr als ein Aufbau (das heißt ein Mehrfachaufbau), der einen Gleitblock enthält, mechanisch und/oder thermisch verbunden werden. Die 11 zeigt eine Ausführungsform einer Mehrfachanordnung 70 gemäß der vorliegenden Erfindung, welche die Anordnungen 72 und 74 umfasst. Die Anordnung 72 umfasst den Objektträgerblock 76, und die Anordnung 74 umfasst den Objektträgerblock 78.
Die vorhergehende Beschreibung ist nur beispielhaft und nicht einschränkend gedacht. Die Erfindung wird nur wie durch die folgenden Ansprüche definiert eingeschränkt.

Claims

Anordnung zur Halterung von Objektträgern mit einem Objektprobenblock und einem ersten Temperaturregler, wobei der Objektprobenblock (10) umfasst: eine erste Platte (12) mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, wobei die zweite Oberfläche der ersten Oberfläche gegenüberliegt und die erste Platte im Allgemeinen in vertikaler Ausrichtung angeordnet ist; eine zweite Platte (14) mit einer dritten Oberfläche und einer vierten Oberfläche, wobei die vierte Oberfläche der dritten Oberfläche gegenüberliegt und im Allgemeinen parallel zur ersten Platte angeordnet ist; mehrere dritte Platten (16), von denen jede ein erstes Ende, das mit der zweiten Oberfläche verbunden ist, und ein zweites Ende, das mit der dritten Oberfläche verbunden ist, aufweist und die im Allgemeinen horizontal ausgerichtet sind und senkrecht zur Ausrichtung der ersten Platte und der zweiten Platte stehen; wobei der erste Temperaturregler entlang der ersten Oberfläche angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Platte aus demselben, monolithischen Materialabschnitt ausgebildet ist wie die erste und zweite Platte, oder mit ihnen zur Ausbildung eines Blockes verbunden ist, durch eine Technik, die ausgewählt wird aus Löten oder Hartlöten.
Anordnung nach Anspruch 1, bei der das Verhältnis der Fläche des thermisch mit einem Temperaturregler verbundenen Objektprobenblockes zur thermisch wirksamen Masse des Objektprobenblockes mindestens 0,4 cm² pro J/°C (1,5 cm² pro Cal/°C) beträgt.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Objektprobenblock so angepasst ist, dass er eine Dauerzustandstemperatur-Variation von höchstens ungefähr 1°C einhalten wird.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die so angepasst ist, dass der Objektprobenblock einer Temperaturänderung von mindestens 1°C pro Sekunde unterzogen werden kann.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Objektprobenblock eine Objektträgerdichte von mindestens zwei Trägern pro cm (fünf Trägem pro Inch) aufweist, gemessen in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu den dritten Platten.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die thermisch wirksame Masse des Objektprobenblockes, der angepasst ist, um 16 Träger zu halten, höchstens etwa 220 J/°C (53 Cal/°C) ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der erste Temperaturregler ein Wärmepumpen-Modul umfasst.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner einen Temperatursensor aufweist, der thermisch mit mindestens einer der Platten verbunden ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Objektprobenblock ferner eine Ösen-Anbringung (22) und eine Wärmschildplatte (20) umfasst, wobei die Wärmeschildplatte ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, wobei die Ösen-Anbringung thermisch mit der Wärmeschildplatte verbunden ist und wobei das erste Ende der Wärmeschildplatte thermisch mit der ersten Oberfläche verbunden ist und das zweite Ende der Wärmeschildplatte thermisch mit der dritten Oberfläche verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 9, die ferner eine Stange und eine Wärmesenke mit einer Öffnung umfasst, wobei die Ösen-Anbringung eine Öffnung aufweist und die Stange teilweise in der Öffnung der Wärmesenke und der Öffnung der Ösen-Anbringung angeordnet ist, und wobei die Wärmesenke entlang einer Oberfläche angeordnet ist, die aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus der ersten Oberfläche und der vierten Oberfläche besteht.