EP1732692A1 - Temperierverfahren und-vorrichtung für die temperaturbehandlung kleiner flüssigkeitsmengen - Google Patents

Temperierverfahren und-vorrichtung für die temperaturbehandlung kleiner flüssigkeitsmengen

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Publication number
EP1732692A1
EP1732692A1 EP05747692A EP05747692A EP1732692A1 EP 1732692 A1 EP1732692 A1 EP 1732692A1 EP 05747692 A EP05747692 A EP 05747692A EP 05747692 A EP05747692 A EP 05747692A EP 1732692 A1 EP1732692 A1 EP 1732692A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
substrate
temperature control
heating
heating device
liquid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05747692A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Geisbauer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beckman Coulter Inc
Original Assignee
Advalytix AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Advalytix AG filed Critical Advalytix AG
Publication of EP1732692A1 publication Critical patent/EP1732692A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L7/00—Heating or cooling apparatus; Heat insulating devices
    • B01L7/52—Heating or cooling apparatus; Heat insulating devices with provision for submitting samples to a predetermined sequence of different temperatures, e.g. for treating nucleic acid samples
    • B01L7/525—Heating or cooling apparatus; Heat insulating devices with provision for submitting samples to a predetermined sequence of different temperatures, e.g. for treating nucleic acid samples with physical movement of samples between temperature zones
    • B01L7/5255—Heating or cooling apparatus; Heat insulating devices with provision for submitting samples to a predetermined sequence of different temperatures, e.g. for treating nucleic acid samples with physical movement of samples between temperature zones by moving sample containers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/18—Means for temperature control
    • B01L2300/1805—Conductive heating, heat from thermostatted solids is conducted to receptacles, e.g. heating plates, blocks
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01L2300/18—Means for temperature control
    • B01L2300/1805—Conductive heating, heat from thermostatted solids is conducted to receptacles, e.g. heating plates, blocks
    • B01L2300/1816—Conductive heating, heat from thermostatted solids is conducted to receptacles, e.g. heating plates, blocks using induction heating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
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    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/18—Means for temperature control
    • B01L2300/1805—Conductive heating, heat from thermostatted solids is conducted to receptacles, e.g. heating plates, blocks
    • B01L2300/1827—Conductive heating, heat from thermostatted solids is conducted to receptacles, e.g. heating plates, blocks using resistive heater
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/508—Rigid containers without fluid transport within
    • B01L3/5088—Rigid containers without fluid transport within confining liquids at a location by surface tension, e.g. virtual wells on plates, wires

Definitions

  • the invention relates to temperature control processes for carrying out a defined, in particular cyclical, temperature treatment of small amounts of liquid on substrates, temperature control devices and substrates for carrying out the method.
  • reagents In particular in the case of PCR (polymerase chain reaction) for the duplication of specific DNA sequences, reagents must be subjected to a very defined and special temperature profile. As a rule, it is necessary to heat up and cool the reagents cyclically. It is of great importance for the reproducibility of the course of the reaction that the temperature ramps can be carried out quickly, precisely and reproducibly.
  • z. B. used a Röche Light Cycler, in which the glass capillaries are cooled or heated with the help of a temperature-controlled air flow.
  • a corresponding technology is e.g. B. described in US 5,455,175 or US 6,174,670.
  • thermal cyclers have metallic recording blocks in which plastic caps or micro-titer plates are recorded with the PCR reagents.
  • the metal block is heated using conventional resistance heating or Peltier elements, which can also be used for cooling.
  • the metallic receptacle blocks In order to be able to cool the reagent vessels effectively, the metallic receptacle blocks must have a sufficiently large thermal capacity and therefore sufficient thermal mass to be able to dissipate the heat quickly.
  • the cooling of the metallic receiving block is, for. B. with the aid of a strong blower or a Peltier element (US 5,038,852, US 5,333,675).
  • the high thermal mass of the receiving block can lead to temperature gradients which lead to locally different temperature conditions.
  • Another approach to heating / cooling is the use of tempered liquids which are passed through the receiving block (US 5,038,852). Corresponding switching valves and equipment configurations are to be provided.
  • the reagents are processed on essentially planar substrates of the order of magnitude, as are known from microelectronics, in small amounts of liquid of the order of a few 10 nl to several 100 ⁇ l.
  • Reaction vessels can z. B. generated by etched structures on the substrate.
  • a special embodiment provides that the reagents are applied to a planar substrate in the form of drops, which are held together by their surface tension and thus do not require any etched structures.
  • a localization of the drops held together by the surface tension can e.g. B. can be achieved by areas on the substrate surface which are preferably wetted by the reagent liquid and in this respect represent anchor points.
  • Such completely planar substrates have e.g. B. the size of a few mm 2 to a few cm 2 .
  • the object of the present invention is to specify temperature control methods and temperature control devices with the aid of which a defined, in particular cyclical, temperature treatment of small amounts of liquid on essentially planar substrates is made possible, which enables a precise and reproducible temperature profile with a simple construction.
  • one or more quantities of liquid are applied to a preferably essentially planar substrate.
  • the amounts of liquid are on the substrate z. B. held together by their surface tension or are in etched receptacle contours or separate containers and generally each comprise a few 10 nl to a few 10 ⁇ l.
  • the substrate is preferably planar on the underside and likewise essentially planar on the upper side, with the exception of the possibly etched receiving contours.
  • the substrate can e.g. B. be a glass slide or from other substrate material such.
  • the amounts of liquid can e.g. B. applied in etched receiving structures or small containers on the substrate. It is particularly simple if the individual amounts of liquid are applied to the surface of the substrate in the form of drops, which generally comprise a few 10 nl to a few 10 ⁇ l.
  • the substrate is brought into thermal contact with a heating device which is put into operation during the heating-up phases of the temperature treatment.
  • the substrate with the amounts of liquid is therefore in constant thermal contact with the heating device, which, however, is only in operation during the heating phases.
  • a heat-conductive element is brought into thermal contact with the substrate and / or the heating device, the heat capacity of which is greater than or equal to the sum of the heat capacities of the quantities of liquid, the substrate and at least that part of the heating device which is in thermal contact with the substrate.
  • both the substrate and the heating device are cooled. This is done by thermal contact with a thermally conductive element, which due to its heat capacity can effectively dissipate the heat of the heating device and the substrate.
  • This thermally conductive element is only in thermal contact during the cooling phases and therefore does not have to be heated during the heating phases. Due to the simple design of the carrier element for the small amounts of liquid, that is, the substrate, the heat capacity of the elements to be cooled is small due to the low thermal mass. The thermally conductive element for cooling during the cooling phases can therefore also have a lower thermal mass, so that it can also be cooled again quickly and easily.
  • the thermal contact between the thermally conductive element and the substrate is interrupted and the heating device is put into operation.
  • the thermally conductive element acts like a heat sink and acts as an effective mediator for releasing the heat to the environment.
  • the contact between the thermally conductive element and the heating device or the substrate can take place at definable time intervals, so that a defined amount of heat can flow away from the substrate and the heating device. The defined heat transfer is guaranteed by the special selection of the heat capacity.
  • the inventive method allows the use of e.g. B. transparent substrates that allow an optical examination during or after the reaction in a simple manner.
  • the use of planar substrates increases the compatibility of the temperature control process with lab-on-the-chip applications.
  • the temperature control process according to the invention can be carried out particularly easily if the substrate is simply placed on a heating device, for. B. on a hot plate, so as to make the thermal contact, and the thermally conductive element during the cooling phase with the heating device, for. B. the heating plate is brought into thermal contact.
  • Another embodiment of the method according to the invention uses a substrate which comprises an integrated heating device.
  • the one or more amounts of liquid are applied to the substrate with the integrated heating device.
  • a thermally conductive higes element brought into thermal contact with the substrate the heat capacity is greater than or equal to the sum of the heat capacities of the amounts of liquid and the substrate.
  • the thermal contact between the thermally conductive element and the substrate is interrupted and the heating device is put into operation.
  • the heater integrated on the substrate can e.g. B. a resistance heater, which preferably comprises a vapor-deposited metal conductor of high resistance.
  • the heating energy is coupled into this resistance heater with the aid of a power source.
  • Another embodiment provides an induction heater into which energy is injected with the help of induction.
  • the thermally conductive element While the thermally conductive element is not in thermal contact with the substrate or the heating device, it absorbs the heat absorbed. This can e.g. B. with the help of cooling liquids, an air flow or a Peltier element. It is particularly simple and advantageous if the thermally conductive element is in thermal contact with a heat sink when it is not connected to the heating device or the substrate. The amount of heat absorbed by the thermally conductive element during the cooling phase can then emit the absorbed heat to the heat sink during this contact phase. In particular, this can happen while the substrate is being heated by the heating device during a heating phase. The thermally conductive element therefore gives off the heat it has absorbed during the cooling phase to the cooling body until the start of the next cooling phase. The heat sink itself can in turn z. B.
  • the heat transfer between the substrate or the heating device and the thermally conductive element on the one hand and between the thermally conductive element and the heat sink on the other hand can be achieved by using coupling media, e.g. As glycerin, can be further improved.
  • the amounts of liquid, preferably drops, can on the planar substrate z. B. applied in flat etched receiving structures.
  • a process in which the amounts of liquid in the form of drops are held together only by their surface tension is particularly simple and easy to process.
  • the wetting properties of the surface of the substrate are selected such that the drops do not flow apart due to their small volume and their surface tension properties.
  • areas can also be provided on the substrate which are preferably wetted by the liquid and in this respect represent anchor points for the liquid drops. Wetting-modulated surfaces of this type can be produced in a simple manner using lithographic processes. For processing aqueous solutions z. B. the surface areas outside the anchor points have been made hydrophobic by a silanization process.
  • the drops in the amount of liquid can be covered with oil.
  • the temperature control method according to the invention is suitable for temperature cycles above room temperature, since it is here that the amount of heat absorbed can be released directly from the thermally conductive element or from the heat sink.
  • the temperatures to be set are higher than room temperature, particularly for the advantageous application of the temperature control method according to the invention for PCR products.
  • a first temperature control device according to the invention has a heating device and a holding device for a preferably essentially planar substrate, which enable the substrate to be stored in thermal contact with the heating device.
  • a thermally conductive element is provided which can be brought into thermal contact with a substrate held by the holding device or with the heating device, the heat capacity of the thermally conductive element being greater than the sum of the heat capacities of the substrate and the heating device.
  • the temperature control device according to the invention has a movement device which is designed such that it can bring the thermally conductive element into thermal contact with the substrate or the heating device.
  • the temperature control device according to the invention is particularly suitable for carrying out the temperature control method according to the invention.
  • the movement device enables the thermally conductive element to be brought into contact with the substrate and / or the heating device.
  • the selection of heat capacities according to the invention enables the removal of defined amounts of heat.
  • the advantages of the temperature control device according to the invention also result in particular from the advantages of the temperature control method to be carried out with it.
  • the holding device is formed directly by the heating device, in particular by a heating plate.
  • the heating device can then serve directly as a support for the substrate, so that the thermal contact between the substrate and the heating device has already been established. Separate holding devices in addition to the heating device are then not necessary.
  • the design with a hot plate, for. B. a silicon heating plate. Silicon offers itself because of its good and inexpensive availability. It has a high thermal conductivity, which enables a high heat dissipation or supply from or to the substrate.
  • a transparent material such as e.g. B. lithium niobate used as a hot plate with the z. B. an optical detection of the course of the reaction from below is possible.
  • Another temperature control device has a holding device for a substrate, which has an integrated heating device.
  • the temperature control device also has an energy supply device, with the aid of which energy can be coupled into the heating device of the substrate in order to heat it.
  • a thermally conductive element is provided which can be brought into thermal contact with a substrate held by the holding device and whose heat capacity is greater than the heat capacity of the substrate.
  • this temperature control device also has a movement device which is designed such that it can bring the thermally conductive element into thermal contact with the substrate.
  • Such a temperature control device can be used similarly to the temperature control device already described. It can e.g. B. substrates are used in which a metallic resistance heater is preferably vapor-deposited on the underside.
  • a temperature control device provided for the use of such substrates has contact devices which come into contact with the resistance heater when the substrate is placed on it.
  • the energy supply device of the temperature control device is in this case, for. B. a current source, with the help of which current can be sent through the resistance heater through the contact devices.
  • Other temperature control devices have devices by means of which energy can be inductively coupled into an induction heater applied to the substrate. The function and advantages of the thermally conductive element and the movement device of the temperature control device have already been explained above.
  • a movement device that includes an electromagnet is simple and precise to control.
  • a thermally conductive element for removing the heat from the substrate or the heating device a block of thermally conductive material, for. B. made of metal, in particular aluminum or copper.
  • a heat sink is provided with which the thermally conductive element can be brought into thermal contact in order to dissipate the amount of heat absorbed by the substrate or the heating device.
  • a metal block, in particular made of aluminum or copper, is suitable as the heat sink, which advantageously has a heat capacity that is greater than the heat capacity of the thermally conductive element.
  • the heat sink can comprise cooling fins that ensure effective heat dissipation to the environment. The heat flow can be calibrated in preliminary tests.
  • a temperature measuring element is provided which can optionally be used to regulate the temperature control processes.
  • a controller in particular a microprocessor controller, can be provided for this purpose.
  • the method according to the invention and the device according to the invention are particularly suitable for PCR applications.
  • substrates with integrated heating devices for use with a temperature control device according to the invention, in particular a substrate with a, preferably vapor-deposited resistance heating device and a substrate with a, preferably vapor-deposited induction heating.
  • FIG. 1 a schematic side sectional view of an embodiment according to the invention in a first process state when carrying out a method according to the invention
  • Figure 2 the device of Figure 1 in a second process state
  • FIG. 3 a temperature cycle that can be carried out with the method according to the invention.
  • the substrate is designated 1.
  • the drops 3 are covered with an oil film 5 and are held together by their surface tension. If appropriate, there are hydrophilic anchor points on the substrate 1 in relation to their surroundings, which cause the drops 3 to be localized.
  • the entire arrangement lies on the heating plate 7.
  • substrate materials such. B. polished silicon, especially when used for PCR. It has a high thermal conductivity, which can effectively conduct the heat generated with the heating plate 7 to the drops 3.
  • substrates are e.g. B. coated with silicon dioxide lithium niobate, glass or glass coated with silicon dioxide.
  • the heating plate consists, for. B. made of silicon. Not shown is a temperature sensor, e.g. B. a platinum resistance thermometer. On the silicon hot plate, for. B. a thin-film heater made of nickel. The temperature sensor can e.g. B. with the help of thin-film technology also be integrated on the heating plate 7.
  • the heating plate then carries a passivation, which is intended to prevent the sensor material from oxidizing during operation and thus moving away from the original calibration data.
  • FIG. 13 shows a schematic representation of a lifting magnet for lifting a plunger 15 together with the thermally conductive element 9.
  • B a copper block.
  • a copper stamp with a mass of 12 g can be used.
  • 11 denotes a copper storage block with an exemplary mass of 800 g.
  • the lifting magnet 13 is designed such that movement of the copper block
  • FIG. 10 shows the copper block 9 in thermal contact with the storage block 11 in FIG. 2 and there is an air gap 8 between the copper block 9 and the heating plate 7.
  • FIG. 17 shows cooling fins which serve to cool the storage block 11.
  • the embodiment can be used as follows. First, the liquid drops are applied to the substrate, in which, for. B. the PCR reaction is to take place. To protect against evaporation, an oil film 5 is placed over the liquid drops 3. The substrate prepared in this way is placed on the heating plate 7. In order to heat the substrate, the silicon heating plate 7 is heated with the resistance heating (not shown).
  • the heating plate 7 is switched off for cooling and thermal contact of the heating plate 7 with the copper block 9 is generated.
  • the copper block 9 is brought up into the position of FIG. 1 with the aid of the lifting magnet 13 and the stamp 15. Due to the greater heat capacity, the copper block 9 absorbs heat from the heating plate 7 and the substrate 1 and thus leads to their cooling. After the heat has been absorbed, the copper block 9 is moved back into the position of FIG. 2, in which it is in thermal contact with the copper storage block 11. For this, z. B. the winding of the electromagnet 13 de-energized. In the position of FIG. 2, the copper block 9 can effectively transfer the absorbed heat to the copper storage block 11.
  • the movement of the copper block 9 with the aid of the electromagnet 13 and the operation of the heating plate 7 can be controlled by control electronics which use the signal from the temperature sensor (not shown in the figures) on the heating plate 7.
  • the necessary heating power of the heating plate 7 or the time that the copper block must remain in contact with the heating plate in order to generate the desired temperature profiles can be determined in preliminary tests or estimated from the thermodynamic parameters.
  • the described embodiment has the advantage that the heating plate can be easily loaded with substrates and the reagents on them.
  • the substrates can be loaded with reagents outside the device. After the temperature treatment, they are easily accessible for analysis.
  • the substrates can be used as disposable.
  • An embodiment not shown, enables the use of substrates with an integrated heating device.
  • no heating device is provided on the temperature control device, but a simple holder for the substrate.
  • the substrate itself has e.g. B. a vapor-deposited resistance heater, which comes into contact with contact devices when the substrate is placed in the temperature control device, which are connected to a power source.
  • a vapor-deposited resistance heater which comes into contact with contact devices when the substrate is placed in the temperature control device, which are connected to a power source.
  • current is then conducted through the resistance heating of the substrate with the aid of this current source through the contact devices in order to heat the latter.
  • an induction heater can be provided on the substrate, which can be heated by inductive coupling of energy.

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Abstract

Die Erfindung betrifft Temperierverfahren zur Durchführung einer definierten, insbe­sondere zyklischen Tem eraturbehandlung kleiner Flüssigkeitsmengen auf Substraten, bei dem eine o er mehrere Flüssigkeitsmengen auf einem Substrat aufgebracht werden, das Su strat mit einer Heizeinrichtung in thermischen Kontakt gebracht wird, die während ufheizphasen der Temperaturbehandlung in Betrieb genommen wird, während Abkühiphasen der Temperaturbehandlung ein wärmeleit­fähiges Element in thermischen Kontakt mit dem Substrat oder der Heizeinrichtung gebracht wird, dessen Wärmekapazität größer als die oder gleich der Summe der Wärmekapazitäten der Flüss dem Substrat in thermischem während der Aufheizphasen zwischen dem wärmeleitfähi die Heizeinrichtung in Betrie solches Temperierverfahren, eingesetzt werden, und Tern gkeitsmengen, des Substrates und zumindest des mit Kontakt stehenden Teiles der Heizeinrichtung ist, und der Temperaturbehandlung der thermische Kontakt en Element und dem Substrat unterbrochen wird und genommen wird. Die Erfindung betrifft weiterhin ein bei dem Substrate mit integrierter Heizeinrichtung periervorrichtungen, die zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren geeignet sind.

Description

Temperierverfahren und- Vorrichtung für die Temperaturbehandlung kleiner Flüssigkeitsmengen
Die Erfindung betrifft Temperierverfahren zur Durchführung einer definierten, insbesondere zyklischen Temperaturbehandlung kleiner Flüssigkeitsmengen auf Substraten, Temperiervorrichtungen und Substrate zur Durchführung des Verfahrens.
Insbesondere bei der PCR (Polymerase Chain Reaction, Polymerase- Kettenreaktion) zur Vervielfältigung spezifischer DNA-Sequenzen müssen Reagenzien einem sehr definierten und speziellen Temperaturverlauf unterzogen werden. In der Regel ist es notwendig, die Reagenzien zyklisch aufzuheizen und wieder abzukühlen. Dabei ist es für die Reproduzierbarkeit des Reaktionsverlaufes vo großer Bedeutung, daß die Temperaturrampen schnell, präzise und reproduzierbar durchgefahren werden können. Bei PCR-Verfahrensführungen, die in Glaskapillaren durchgeführt werden, wird dazu z. B. ein Röche Light Cycler eingesetzt, bei dem die Glaskapillaren mit Hilfe eines temperierten Luftstromes gekühlt oder geheizt werden. Eine entsprechende Technologie ist z. B. in US 5,455,175 oder US 6,174,670 beschrieben. Andere konventionelle sogenannte Thermocycler besitzen metallische Aufnahmeblöcke, in welchen Plastikcaps oder Mikro-Titerplatten mit den PCR-Reagenzien aufgenommen werden. Das Aufheizen des Metallblockes geschieht mit gewöhnlichen Widerstandsheizungen oder Peltierelementen, die zudem zur Kühlung eingesetzt werden können. Um die Reagenzgefäße wirksam abkühlen zu können, müssen die metallischen Aufnahmeblöcke eine ausreichend große Wärmekapazität und damit ausreichende thermische Masse besitzen, um die Wärme schnell abführen zu können. Die Kühlung des metallischen Aufnahmeblockes wird z. B. mit Hilfe eines starken Gebläses oder eines Peltierelementes durchgeführt (US 5,038,852, US 5,333,675). Durch die hohe thermische Masse des Aufnahmeblockes kann es zu Temperaturgradienten kommen, die zu lokal unterschiedlichen Temperaturverhältnissen führen. Ein anderer Ansatz für das Heizen/Kühlen ist der Einsatz temperierter Flüssigkeiten, welche durch den Aufnahmeblock durchgeleitet werden (US 5,038,852). Es sind dazu entsprechende Schaltventile und apparative Ausgestaltungen vorzusehen.
In jüngster Zeit werden mikrobiologische Experimente zunehmend mit Hilfe sogenannter Lab-on-the-chip-Elemente durchgeführt. Dabei werden die Reagenzien auf im wesentlichen planaren Substraten der Größenordnungen, wie sie aus der Mikroelektronik bekannt sind, in kleinen Flüssigkeitsmengen der Größenordnung von einigen 10 nl bis mehreren 100 μl prozessiert. Reaktionsgefäße können dabei z. B. durch geätzte Strukturen auf dem Substrat erzeugt werden. Eine spezielle Ausgestaltung sieht vor, daß die Reagenzien auf einem planaren Substrat in Form von Tropfen aufgebracht werden, die durch ihre Oberflächenspannung zusammengehalten werden und insofern keine geätzten Strukturen benötigen. Eine Lokalisierung der durch die Oberflächenspannung zusammengehaltenen Tropfen kann z. B. durch Bereiche auf der Substratoberfläche erreicht werden, die von der Reagenzflüssigkeit bevorzugt benetzt werden und insofern Ankerpunkte darstellen. Derartige vollständig planare Substrate haben z. B. die Größe einiger mm2 bis einiger cm2.
Um derartige planare Substrate z. B. in Form eines Objektträgers einem entsprechenden Temperaturzyklus, z. B. zur Durchführung von PCR-Reaktionen, zu unter- ziehen, sind ausgehend von den konventionellen Thermocyclern Adapterblöcke notwendig, welche die metallischen Aufnahmeblöcke der konventionellen Cycler planar machen. Diese Adapterblöcke erhöhen die thermische Masse der metallischen Aufnahmeblöcke. Der dadurch entstehende thermische Offset muß mit Hilfe eines Kalibrierfaktors zur Korrektur der PCR-Parameter ermittelt werden.
Die hohe thermische Last der konventionellen Thermocycler begrenzt durch lange Zykluszeiten den möglichen Probendurchsatz.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Temperierverfahren und Temperiervorrichtungen anzugeben, mit deren Hilfe eine definierte, insbesondere zyklische Temperaturbehandlung kleiner Flüssigkeitsmengen auf im wesentlichen planaren Substraten ermöglicht wird, die einen präzisen und reproduzierbaren Temperaturverlauf bei einfachem konstruktiven Aufbau ermöglicht.
Diese Aufgabe wird mit Temperierverfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 oder des Anspruches 3 und Temperiervorrichtungen mit den Merkmalen des Anspruches 13 oder des Anspruches 17 gelöst. Unteransprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen gerichtet.
Bei einem ersten erfindungsgemäßen Temperierverfahren werden eine oder mehrere Flüssigkeitsmengen auf einem vorzugsweise im wesentlichen planaren Substrat aufgebracht. Die Flüssigkeitsmengen werden auf dem Substrat z. B. durch ihre Oberflächenspannung zusammengehalten oder befinden sich in geätzten Aufnahmekonturen oder gesonderten Behältnissen und umfassen jeweils in der Regel einige 10 nl bis einige 10 μl. Das Substrat ist auf der Unterseite vorzugsweise planar und auf der Oberseite ebenfalls im wesentlichen planar mit Ausnahme der ggf. geätzten Aufnahmekonturen. Das Substrat kann z. B. ein Glasobjektträger sein oder aus anderem Substratmaterial wie z. B. Lithiumniobat bestehen. Die Flüssigkeitsmengen können z. B. in geätzten Aufnahmestrukturen oder kleinen Behältnissen auf dem Substrat aufgebracht werden. Besonders einfach ist es, wenn die einzelnen Flüssigkeitsmengen in der Form von Tropfen auf die Oberfläche des Substrates aufgebracht werden, die in der Regel einige 10 nl bis einige 10 μl umfassen.
Das Substrat wird mit einer Heizeinrichtung in thermischen Kontakt gebracht, die während der Aufheizphasen der Temperaturbehandlung in Betrieb genommen wird. Das Substrat mit den Flüssigkeitsmengen ist also ständig mit der Heizeinrichtung in thermischem Kontakt, die allerdings nur während der Aufheizphasen in Betrieb ist.
Während der Abkühlphasen der Temperaturbehandlung wird mit dem Substrat und/oder der Heizeinrichtung ein wärmeieitfähiges Element in thermischen Kontakt gebracht, dessen Wärmekapazität größer als die oder gleich der Summe der Wärmekapazitäten der Flüssigkeitsmengen, des Substrates und zumindest desjenigen Teiles der Heizeinrichtung ist, der in thermischem Kontakt mit dem Substrat ist.
Zur Abkühlung der Flüssigkeitsmengen werden also sowohl das Substrat als auch die Heizeinrichtung abgekühlt. Dies geschieht durch thermischen Kontakt mit einem wärmeleitfähigen Element, das aufgrund seiner Wärmekapazität die Wärme der Heizeinrichtung und des Substrates effektiv abführen kann. Dieses wärmeleitfähige Element ist nur während der Abkühlphasen in thermischem Kontakt und muß daher während der Aufheizphasen nicht mitgeheizt werden. Aufgrund der einfachen Ausgestaltung des Trägerelementes für die kleinen Flüssigkeitsmengen, also des Substrates, ist die Wärmekapazität der abzukühlenden Elemente aufgrund der geringen thermischen Masse klein. Das wärmeleitfähige Element zur Abkühlung während der Abkühlphasen kann daher ebenfalls eine geringere thermische Masse aufweisen, so daß es einfach und schnell auch wieder abgekühlt werden kann.
Während der Aufheizphasen der Temperaturbehandlung wird der thermische Kontakt zwischen dem wärmeleitfähigen Element und dem Substrat unterbrochen und die Heizeinrichtung in Betrieb genommen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nicht notwendig, die Heizeinrichtung und/oder das Substrat mit einem Gebläse direkt zu kühlen, was hohe Strömungsgeschwindigkeiten erfordern würde. Das wärmeleitfähige Element wirkt wie eine Wärmesenke und tritt als effektiver Mediator zur Abgabe der Wärme an die Umgebung auf. Der Kontakt zwischen dem wärmeleitfähigen Element und der Heizeinrichtung bzw. dem Substrat kann in definierbaren zeitlichen Intervallen erfolgen, so daß eine definierte Wärmemenge vom Substrat und der Heizeinrichtung abfließen kann. Durch die spezielle Auswahl der Wärmekapazität ist der definierte Wärmeübertrag garantiert.
Mit dem erfindungsgemäßen Temperierverfahren ist z. B. die PCR in kleinen Volumina mit hohen Heiz- und Kühlraten möglich, mit dem Vorteil, unspezifische Reaktionen während der Aufheiz- und Abkühlphasen sowie die Prozeßzeit zu minimieren. Der planare Ansatz bei der PCR ermöglicht sehr spezifische Reaktionen durch einen schnellen Abbau von Temperaturgradienten durch Konvektion.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Verwendung z. B. transparenter Substrate, die eine optische Untersuchung während oder nach der Reaktion auf einfache Weise ermöglichen. Die Verwendung planarer Substrate erhöht die Kompatibilität des Temperierverfahrens mit Lab-on-the-chip-Anwendungen.
Besonders einfach läßt sich das erfindungsgemäße Temperierverfahren durchführen, wenn das Substrat einfach auf eine Heizeinrichtung gelegt wird, z. B. auf eine Heizplatte, um so den thermischen Kontakt herzustellen, und das wärmeleitfähige Element während der Abkühlphase mit der Heizeinrichtung, z. B. der Heizplatte, in thermischen Kontakt gebracht wird.
Eine andere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens setzt ein Substrat ein, das eine integrierte Heizeinrichtung umfaßt. Bei einer solchen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die eine oder mehrere Flüssigkeitsmengen auf das Substrat mit der integrierten Heizeinrichtung aufgebracht. Während der Abkühlphasen der Temperaturbehandlung wird wiederum ein wärmeleitfä- higes Element in thermischen Kontakt mit dem Substrat gebracht, dessen Wärmekapazität größer als die oder gleich der Summe der Wärmekapazitäten der Flüssigkeitsmengen und des Substrates ist. Während der Aufheizphase der Temperaturbehandlung wird der thermische Kontakt zwischen dem wärmeleitfähigen Element und dem Substrat unterbrochen und die Heizeinrichtung in Betrieb genommen.
Die an dem Substrat integrierte Heizeinrichtung kann z. B. eine Widerstandsheizung sein, die vorzugsweise einen aufgedampften Metalleiter hohen Widerstandes umfaßt. Die Heizenergie wird mit Hilfe einer Stromquelle in diese Widerstandsheizung eingekoppelt. Eine andere Ausführungsform sieht eine Induktionsheizung vor, in die Energie mit Hilfe von Induktion eingekoppelt wird.
Während ein Temperierverfahren unter Einsatz eines Substrates ohne integrierte Heizeinrichtung den Einsatz einfacher und billiger Substrate ermöglicht, sichert die Verwendung von Substraten mit integrierter Heizeinrichtung die optimale thermische Ankopplung der Heizeinrichtung an die Flüssigkeitsmenge.
Während das wärmeleitfähige Element nicht mit dem Substrat bzw. der Heizeinrichtung in thermischem Kontakt ist, wird von ihm die aufgenommene Wärme abgegeben. Dies kann z. B. mit Hilfe von Kühlflüssigkeiten, einem Luftstrom oder einem Peltierelement geschehen. Besonders einfach und vorteilhaft ist es, wenn das wärmeleitfähige Element, wenn es nicht mit der Heizeinrichtung bzw. dem Substrat in Verbindung ist, in thermischem Kontakt mit einem Kühlkörper steht. Die während der Abkühlphase vom wärmeleitfähigen Element aufgenommene Wärmemenge kann dann während dieser Kontaktphase die aufgenommene Wärme an den Kühlkörper abgeben. Insbesondere kann dies geschehen, während das Substrat durch die Heizeinrichtung während einer Aufheizphase aufgeheizt wird. Das wärmeleitfähige Element gibt also die Wärme, die es während der Abkühlphase aufgenommen hat, bis zum Beginn der nächsten Kühlphase an den Kühlkörper ab. Der Kühlkörper selbst kann wiederum z. B. durch eine Kühlflüssigkeit, durch einen Luftstrom oder durch ein Peltierelement, am einfachsten und vorteilhaftesten z. B. durch Kühlrippen, gekühlt werden. Der Wärmeübertrag zwischen dem Substrat bzw. der Heizeinrichtung und dem wärmeleitfähigen Element einerseits und zwischen dem wärmeleitfähigen Element und dem Kühlkörper andererseits kann durch Verwendung von Koppelmedien, z. B. Glycerin, noch zusätzlich verbessert werden.
Die Flüssigkeitsmengen, vorzugsweise Tropfen, können auf das planare Substrat z. B. in flach geätzten Aufnahmestrukturen aufgebracht werden. Besonders einfach und leicht zu prozessieren ist ein Verfahren, bei dem die Flüssigkeitsmengen in Form von Tropfen nur durch ihre Oberflächenspannung zusammengehalten werden. Dazu werden die Benetzungseigenschaften der Oberfläche des Substrates derart ausgewählt, daß die Tropfen aufgrund ihres kleinen Volumens und ihrer Oberflächenspannungseigenschaften nicht auseinanderfließen. Um die Tropfen an gewünschten Orten zu lokalisieren, können auf dem Substrat auch Bereiche vorgesehen sein, die von der Flüssigkeit bevorzugt benetzt werden und insofern Ankerpunkte für die Flüssigkeitstropfen darstellen. Derartige benetzungsmodulierte Oberflächen lassen sich mit lithographischen Verfahren auf einfache Weise herstellen. Zur Prozessierung wäßriger Lösungen können z. B. die Oberflächenbereiche außerhalb der Ankerpunkte durch einen Silanisierungsprozeß hydrophob ausgestaltet worden sein.
Zum Schutz gegen Verdunstung während der Aufheizung können die Tropfen der Flüssigkeitsmenge mit Öl überdeckt werden.
Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße Temperierverfahren für Temperaturzyklen oberhalb von Raumtemperatur, da hier eine Abgabe der aufgenommenen Wärmemenge von dem wärmeleitfähigen Element direkt bzw. von dem Kühlkörper leicht zu bewerkstelligen ist. Gerade für die vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Temperierverfahrens für PCR-Produkte sind die einzustellenden Temperaturen höher als Raumtemperatur. Eine erste erfindungsgemäße Temperiervorrichtung weist eine Heizeinrichtung und eine Halteeinrichtung für ein vorzugsweise im wesentlichen planares Substrat auf, die die Lagerung des Substrates in thermischem Kontakt mit der Heizeinrichtung ermöglichen. Weiterhin ist ein wärmeleitfähiges Element vorgesehen, das in thermischen Kontakt mit einem von der Halteeinrichtung gehaltenen Substrat oder mit der Heizeinrichtung bringbar ist, wobei die Wärmekapazität des wärmeleitfähigen Elementes größer als die Summe der Wärmekapazitäten des Substrates und der Heizeinrichtung ist. Weiterhin weist die erfindungsgemäße Temperiervorrichtung eine Bewegungseinrichtung auf, die derart ausgestaltet ist, daß sie das wärmeleitfähige Element mit dem Substrat oder der Heizeinrichtung in thermischen Kontakt bringen kann.
Die erfindungsgemäße Temperiervorrichtung eignet sich insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Temperierverfahrens. Die Bewegungseinrichtung ermöglicht das in Kontakt Bringen des wärmeleitfähigen Elementes mit dem Substrat und/oder der Heizeinrichtung. Durch die erfindungsgemäße Auswahl der Wärmekapazitäten ist das Abführen definierter Wärmemengen möglich. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung ergeben sich insbesondere auch aus den bereits beschriebenen Vorteilen des mit ihr durchzuführenden Temperierverfahrens.
Bei einer besonders günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung wird die Halteeinrichtung direkt durch die Heizeinrichtung, insbesondere durch eine Heizplatte, gebildet. Die Heizeinrichtung kann dann direkt als Auflage für das Substrat dienen, so daß der thermische Kontakt zwischen Substrat und Heizeinrichtung bereits hergestellt ist. Gesonderte Halteeinrichtungen zusätzlich zur Heizeinrichtung sind dann nicht nötig. Besonders günstig ist die Ausgestaltung mit einer Heizplatte, z. B. einer Siliziumheizplatte. Silizium bietet sich aufgrund der guten und kostengünstigen Verfügbarkeit an. Es besitzt eine hohe Wärmeleitfähigkeit, welche eine hohe Wärmeab- bzw. -zufuhr von dem bzw. an das Substrat ermöglicht. Bei anderen Ausführungsformen wird anstelle des Silizium ein transparentes Material wie z. B. Lithiumniobat als Heizplatte verwendet, mit dem z. B. eine optische Detektion des Reaktionsverlaufes von unten möglich wird.
Eine andere erfindungsgemäße Temperiervorrichtung weist eine Halteeinrichtung für ein Substrat auf, das eine integrierte Heizeinrichtung aufweist. Die Temperiervorrichtung weist zudem eine Energiezuführungseinrichtung auf, mit deren Hilfe Energie in die Heizeinrichtung des Substrates zu dessen Erwärmung eingekoppelt werden kann. Ein wärmeleitfähiges Element ist vorgesehen, das in thermischen Kontakt mit einem von der Halteeinrichtung gehaltenen Substrat bringbar ist und dessen Wärmekapazität größer als die Wärmekapazität des Substrates ist. Schließlich weist auch diese erfindungsgemäße Temperiervorrichtung eine Bewegungseinrichtung auf, die derart ausgestaltet ist, daß sie das wärmeleitfähige Element mit dem Substrat in thermischen Kontakt bringen kann.
Eine solche erfindungsgemäße Temperiervorrichtung kann ähnlich wie die bereits beschriebene Temperiervorrichtung eingesetzt werden. Es können z. B. Substrate eingesetzt werden, bei denen eine metallische Widerstandsheizung vorzugsweise auf die Unterseite aufgedampft ist. Eine für die Verwendung von derartigen Substraten vorgesehene Temperiervorrichtung weist Kontakteinrichtungen auf, die bei aufgelegtem Substrat mit der Widerstandsheizung in Kontakt treten. Die Energiezuführungseinrichtung der Temperiervorrichtung ist in diesem Fall z. B. eine Stromquelle, mit deren Hilfe durch die Kontakteinrichtungen Strom durch die Widerstandsheizung geschickt werden kann. Andere Temperiervorrichtungen weisen Einrichtungen auf, mit deren Hilfe Energie induktiv in eine auf dem Substrat aufgebrachte Induktionsheizung eingekoppelt werden kann. Die Funktion und Vorteile des wärmeleitfähigen Elementes und der Bewegungseinrichtung der Temperiervorrichtung wurden bereits oben erläutert.
Einfach und präzise zu steuern ist eine Bewegungseinrichtung, die einen Elektromagneten umfaßt. Als wärmeleitfähiges Element zum Abtransport der Wärme von dem Substrat bzw. der Heizeinrichtung eignet sich besonders ein Block aus wärmeleitfähigem Material, z. B. aus Metall, insbesondere aus Aluminium oder Kupfer. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung ist ein Kühlkörper vorgesehen, mit dem das wärmeleitfähige Element in thermischen Kontakt gebracht werden kann, um die von dem Substrat bzw. der Heizeinrichtung aufgenommene Wärmemenge abzuleiten. Als Kühlkörper eignet sich ein Metallblock, insbesondere aus Aluminium oder Kupfer, der vorteilhafterweise eine Wärmekapazität besitzt, die größer ist als die Wärmekapazität des wärmeleitfähigen Elementes. Entweder alternativ oder zusätzlich kann der Kühlkörper Kühlrippen umfassen, die einen effektiven Wärmeabtransport an die Umgebung gewährleisten. Der Wärmeverlauf kann in Vorversuchen kalibriert werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Temperaturmeßelement vorgesehen, das ggf. zur Regelung der Temperiervorgänge eingesetzt werden kann.
Dazu kann eine Steuerung, insbesondere eine Mikroprozessorsteuerung, vorgesehen sein.
Aufgrund der mit der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Temperierverfahren möglichen präzisen Temperaturzyklen eignen sich das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere für PCR-Anwendungen.
Unabhängiger Schutz wird für Substrate mit integrierten Heizeinrichtungen zur Verwendung mit einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung, insbesondere ein Substrat mit einer, vorzugsweise aufgedampften Widerstandsheizeinrichtung und ein Substrat mit einer, vorzugsweise aufgedampften Induktionsheizung beansprucht.
Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Figuren im Detail erläutert. Dabei zeigt: Figur l: eine schematische seitliche Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform in einem ersten Verfahrenszustand bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
Figur 2: die Vorrichtung der Figur 1 in einem zweiten Verfahrenszustand, und
Figur 3: einen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren durchführbaren Tempera- turzyklus.
In Figur 1 ist das Substrat mit 1 bezeichnet. Darauf befinden sich Tropfen 3 einer Reaktionsflüssigkeit, in der z. B. eine PCR-Reaktion stattfinden soll. Die Tropfen 3 sind mit einem Ölfilm 5 überzogen und werden von ihrer Oberflächenspannung zusammengehalten. Gegebenenfalls befinden sich auf dem Substrat 1 im Verhältnis zu ihrer Umgebung hydrophile Ankerpunkte, die eine Lokalisierung der Tropfen 3 bewirken. Die gesamte Anordnung liegt auf der Heizplatte 7.
Als Substratmaterialien eignen sich z. B. poliertes Silizium, im speziellen bei der Anwendung für die PCR. Es weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, die die mit der Heizplatte 7 erzeugte Wärme effektiv an die Tropfen 3 leiten kann. Weitere mögliche Substrate sind z. B. mit Siliziumdioxid überzogene Lithiumniobatplättchen, Glas bzw. Glas mit Siliziumdioxid beschichtet.
Die Heizplatte besteht z. B. aus Silizium. Nicht gezeigt ist ein Temperatursensor, z. B. ein Platinwiderstandsthermometer. Auf der Siliziumheizplatte kann z. B. ein Dünnschichtheizer aus Nickel realisiert sein. Der Temperatursensor kann z. B. mit Hilfe der Dünnschichttechnologie ebenfalls auf der Heizplatte 7 integriert sein. Die Heizplatte trägt dann eine Passivierung, welche verhindern soll, daß das Sensormaterial im Betrieb oxidiert und sich somit von den ursprünglichen Kalibrationsda- ten wegbewegt.
13 zeigt in schematischer Darstellung einen Hubmagneten zum Anheben eines Stempels 15 zusammen mit dem wärmeleitfähigen Element 9. Dies ist z. B. ein Kupferblock. Zum Beispiel bei Verwendung eines Siliziumsubstrates der Größe 20 x 20 x 0,5 mm3 kann ein Kupferstempel der Masse 12 g eingesetzt werden. 11 bezeichnet einen Kuperablageblock mit einer beispielhaften Masse von 800 g. Der Hubmagnet 13 ist dabei derart ausgestaltet, daß eine Bewegung des Kupferblockes
9 von der in Figur 1 gezeigten Stellung in die in Figur 2 gezeigte Stellung möglich ist. Während in Figur 1 der Kupferblock 9 mit der Heizplatte 7 in thermischem Kontakt ist und sich zwischen Kupferblock 9 und Kupferablageblock 11 ein Luftspalt
10 befindet, ist in Figur 2 der Kupferblock 9 mit dem Ablageblock 11 in thermischem Kontakt und zwischen Kupferblock 9 und Heizplatte 7 befindet sich ein Luftspalt 8. 17 zeigt Kühlrippen, die zum Abkühlen des Ablageblockes 11 dienen.
Die Ausführungsform kann wie folgt eingesetzt werden. Zunächst werden auf das Substrat die Flüssigkeitstropfen aufgebracht, in denen z. B. die PCR-Reaktion stattfinden soll. Zum Schutz gegen Verdunstung wird ein Ölfilm 5 über die Flüssigkeitstropfen 3 gelegt. Das so präparierte Substrat wird auf die Heizplatte 7 aufgelegt. Um das Substrat aufzuheizen, wird mit der nicht gezeigten Widerstandsheizung die Siliziumheizplatte 7 erwärmt.
Nach einem entsprechenden Aufheizschritt wird zur Abkühlung die Heizplatte 7 abgeschaltet und thermischer Kontakt der Heizplatte 7 mit dem Kupferblock 9 erzeugt. Dazu wird mit Hilfe des Hubmagneten 13 und des Stempels 15 der Kupferblock 9 nach oben in die Position der Figur 1 gebracht. Aufgrund der größeren Wärmekapazität nimmt der Kupferblock 9 Wärme von der Heizplatte 7 und dem Substrat 1 auf und führt so zu deren Abkühlung. Nachdem die Wärme aufgenommen worden ist, wird der Kupferblock 9 wieder in die Position der Figur 2 gefahren, in der er in thermischem Kontakt mit dem Kupferablageblock 11 steht. Dazu wird z. B. die Wicklung des Elektromagneten 13 stromlos gemacht. In der Position der Figur 2 kann der Kupferblock 9 die aufgenommene Wärme effektiv an den Kupferablageblock 11 abgeben. Dieser wird mit Hilfe der Kühlrippen 17 effektiv gekühlt und ermöglicht so eine schnelle Abführung der Wärme vom Kupferblock 9. Während die Wärme vom Kupferblock 9 auf den Kupferablageblock 11 übergeführt wird, kann bereits der nächste Aufheizprozeß des Substrates 1 mit den Flüssigkeitstropfen 3 stattfinden, indem die Heizplatte 7 aufgeheizt wird. In der Stellung der Figur 2 verhindert der Luftspalt 8 den Wärmeübertrag von der Heizplatte 7 auf den Kupferblock 9. Auf diese Weise läßt sich ein scharfes und definiertes Temperaturprofil erzeugen, wie es z. B. in Figur 3 sichtbar ist und zur Durchführung von PCR-Reaktionen genutzt werden kann.
Die Bewegung des Kupferblockes 9 mit Hilfe des Elektromagneten 13 und der Betrieb der Heizplatte 7 kann von einer Regelelektronik angesteuert werden, die das Signal des in den Figuren nicht gezeigten Temperatursensors an der Heizplatte 7 verwendet. Die notwendige Heizleistung der Heizplatte 7 bzw. die Zeit, die der Kupferblock mit der Heizplatte in Kontakt bleiben muß, um die gewünschten Tem- peraturprofile zu erzeugen, kann in Vorversuchen bestimmt werden oder aus den thermodynamischen Parametern abgeschätzt werden.
Die beschriebene Ausführungsform hat den Vorteil, daß die Heizplatte leicht mit Substraten und den auf ihnen befindlichen Reagenzien beladen werden kann. Die Beladung der Substrate mit Reagenzien kann außerhalb des Gerätes erfolgen. Nach der Temperaturbehandlung sind sie für eine Analytik leicht zugänglich. Die Substrate können als Disposable verwendet werden.
Eine nicht gezeigte Ausführungsform ermöglicht die Verwendung von Substraten mit integrierter Heizeinrichtung. In diesem Fall ist keine Heizeinrichtung an der Temperiervorrichtung vorgesehen, sondern eine einfache Halterung für das Substrat. Das Substrat selbst weist z. B. eine aufgedampfte Widerstandsheizung auf, die bei Einlegen des Substrates in die Temperiervorrichtung mit Kontakteinrichtungen in Kontakt kommt, die an eine Stromquelle angeschlossen sind. Zum Aufheizen des Substrates in der Stellung entsprechend der Figur 2 wird dann mit Hilfe dieser Stromquelle durch die Kontakteinrichtungen Strom durch die Widerstandsheizung des Substrates geführt, um dieses zu erwärmen. Alternativ kann eine Induktionsheizung an dem Substrat vorgesehen sein, die durch induktive Einkopp- lung von Energie aufgeheizt werden kann. Der Betrieb solcher Ausführungsformen ist ansonsten analog zu der mit Bezug zu den Figuren 1 und 2 erläuterten Betriebsweise.

Claims

Patentansprüche
1. Temperierverfahren zur Durchführung einer definierten, insbesondere zyklischen Temperaturbehandlung kleiner Flüssigkeitsmengen, bei dem ein oder mehrere Flüssigkeitsmengen auf ein Substrat (1) aufgebracht werden, das Substrat (1) mit einer Heizeinrichtung (7) in thermischen Kontakt gebracht wird, die während Aufheizphasen der Temperaturbehandlung in Betrieb genommen wird, während Abkühlphasen der Temperaturbehandlung ein wärmeleitfähiges Element (9) in thermischen Kontakt mit dem Substrat oder der Heizeinrichtung (7) gebracht wird, dessen Wärmekapazität größer als die oder gleich der Summe der Wärmekapazitäten der Flüssigkeitsmengen (3), des Substrates (1) und zumindest des mit dem Substrat in thermischem Kontakt stehenden Teiles der Heizeinrichtung (7) ist, und während der Aufheizphasen der Temperaturbehandlung der thermische Kontakt zwischen dem wärmeleitfähigen Element (9) und dem Substrat (1) unterbrochen wird und die Heizeinrichtung (7) in Betrieb genommen wird.
> Temperierverfahren nach Anspruch 1 , bei dem das Substrat auf die Heizeinrichtung (7) gelegt wird und das wärmeleitfähige Element (9) während der Abkühlphasen mit der Heizeinrichtung (7) in thermischen Kontakt gebracht wird.
5. Temperierverfahren zur Durchführung einer definierten, insbesondere zyklischen Temperaturbehandlung kleiner Flüssigkeitsmengen, bei dem ein oder mehrere Flüssigkeitsmengen auf ein Substrat aufgebracht werden, wobei das Substrat eine Heizeinrichtung aufweist, während Abkühlphasen der Temperaturbehandlung ein wärmeleitfähiges Element in thermischen Kontakt mit dem Substrat gebracht wird, dessen Wärmekapazität größer als die oder gleich der Summe der Wärmekapazitäten der Flüssigkeitsmengen und des Substrates ist, und während der Aufheizphasen der Temperaturbehandlung der thermische Kontakt zwischen dem wärmeleitfähigen Element und dem Substrat unterbrochen wird und die Heizeinrichtung in Betrieb genommen wird.
!•. Temperierverfahren nach Anspruch 3, bei dem ein Substrat eingesetzt wird, das über eine integrierte Widerstandsheizeinrichtung, vorzugsweise eine aufgedampfte Widerstandsheizeinrichtung verfügt.
5. Temperierverfahren nach Anspruch 4, bei dem das Substrat mit Kontakteinrichtungen in Kontakt gebracht wird, mit deren Hilfe ein Strom durch die Widerstandsheizeinichtung geführt werden kann.
6. Temperierverfahren nach Anspruch 3, bei dem ein Substrat eingesetzt wird, das eine induktive Heizeinrichtung aufweist.
7. Temperierverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem ein im wesentlichen planares Substrat (1) eingesetzt wird.
8. Temperierverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die eine oder mehreren Flüssigkeitsmenge(n) in Form von Tropfen (3) auf das Substrat (1 ) aufgebracht werden.
9. Temperierverfahren nach Anspruch 8, bei dem die Tropfen (3) derart dimensioniert und die Benetzungseigenschaften der Oberfläche des Substrates (1) derart ausgewählt werden, daß die Tropfen (3) auf der Oberfläche des Substrates (1 ) von ihrer Oberflächenspannung zusammengehalten werden.
10. Temperierverfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, bei dem die eine oder mehreren Flüssigkeitsmengen, die in Form von Tropfen (3) auf dem Substrat (1) aufgebracht werden, jeweils mit einem Ölfilm (5) überzogen werden, um Verdunstung der einen oder mehreren Flüssigkeitsmengen (3) zu verhindern.
11. Temperierverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die eine oder mehreren Flüssigkeitsmengen (3) auf dem Substrat (1) auf Ankerpunkte aufgebracht werden, die im Vergleich zu ihrer Umgebung auf dem Substrat (1) eine Oberflächenbeschaffenheit aufweisen, die zur bevorzugten Benetzung durch die eine oder mehreren Flüssigkeitsmengen (3) führt.
12. Temperierverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die von dem wärmeleitfähigen Element (9) während einer Abkühlphase aufgenommene Wärme an einen Kühlkörper (11 , 17) abgegeben wird, wenn das wärmeleitfähige Element (9) nicht in thermischem Kontakt mit dem Substrat (1) steht.
13. Temperiervorrichtung zur Durchführung einer definierten, insbesondere zyklischen Temperaturbehandlung kleiner Flüssigkeitsmengen auf Substraten, die folgendes aufweist: eine Heizeinrichtung (7), eine Halteeinrichtung für ein Substrat (1), die die Lagerung des Substrates (1 ) in thermischem Kontakt mit der Heizeinrichtung (7) ermöglicht, ein wärmeleitfähiges Element (9), das in thermischen Kontakt mit einem von der Halteeinrichtung gehaltenen Substrat (1) oder mit der Heizeinrichtung (7) bringbar ist und dessen Wärmekapazität größer als die Summe der Wärmekapazitäten des Substrates (1) und der Heizeinrichtung (7) ist, und eine Bewegungseinrichtung (13, 15), die derart ausgestaltet ist, daß sie das wärmeleitfähige Element (9) mit dem Substrat (1 ) oder der Heizeinrichtung (7) in thermischen Kontakt bringen kann.
14. Temperiervorrichtung nach Anspruch 13, bei der die Halteeinrichtung durch die Heizeinrichtung (7) gebildet wird.
15. Temperiervorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, bei der die Heizeinrichtung eine Heizplatte (7) umfaßt.
16. Temperiervorrichtung nach Anspruch 15, bei der die Heizeinrichtung eine Siliziumheizplatte (7) umfaßt.
17. Temperiervorrichtung zur Durchführung einer definierten, insbesondere zyklischen Temperaturbehandlung kleiner Flüssigkeitsmengen auf Substraten, die folgendes aufweist: eine Halteeinrichtung für ein Substrat, das eine integrierte Heizeinrichtung aufweist, eine Energiezuführungseinrichtung, mit deren Hilfe Energie in die Heizeinrichtung des Substrates zu dessen Erwärmung eingekoppelt werden kann, ein wärmeleitfähiges Element, das in thermischem Kontakt mit einem von der Halteeinrichtung gehaltenen Substrat bringbar ist und dessen Wärmekapazität größer als die Wärmekapazität des Substrates ist, und eine Bewegungseinrichtung, die derart ausgestaltet ist, daß sie das wärmeleitfähige Element mit dem Substrat in thermischen Kontakt bringen kann.
18. Temperiervorrichtung nach Anspruch 17, bei der die Halteeinrichtung derart ausgestaltet ist, daß sie ein Substrat mit einer vorzugsweise aufgedampften elektrischen Widerstandsheizung lagern kann, und die Energiezuführungseinrichtung eine Stromquelle und mit dieser verbundene Kontakte umfaßt, die bei Lagerung des Substrates in der Halteeinrichtung mit der Widerstandsheizung in Kontakt sind.
19. Temperiervorrichtung nach Anspruch 17, bei der ein Substrat mit einer Induktionsheizung einsetzbar ist und die Energiezuführungseinrichtung eine Einrichtung zur Einkopplung von Energie in die Induktionsheizung umfaßt.
20. Temperiervorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, bei der die Halteeinrichtung zur Halterung eines im wesentlichen planaren Substrates (1) ausgestaltet ist.
21. Temperiervorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 20, bei der die Bewegungseinrichtung einen Elektromagneten (13) umfaßt.
22. Temperiervorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 21 , bei der das wärmeleitfähige Element einen Block (9) aus wärmeleitfähigem Material, insbesondere aus Aluminium oder Kupfer umfaßt.
23. Temperiervorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 22 mit zumindest einem Kühlkörper (11, 17), wobei die Bewegungseinrichtung (13, 15) derart ausgestaltet ist, daß sie das wärmeleitfähige Element (9) mit dem Kühlkörper (11, 17) in thermischen Kontakt bringen kann.
24. Temperiervorrichtung nach Anspruch 23, bei der der Kühlkörper einen Block (11) aus wärmeleitfähigem Material, insbesondere aus Aluminium oder Kupfer mit größerer Wärmekapazität als derjenigen des wärmeleitfähigen Elementes (9) umfaßt.
25. Temperiervorrichtung nach einem der Ansprüche 23 oder 24, bei der der Kühlkörper Kühlrippen (17) umfaßt.
26. Temperiervorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 25 mit einem Peltier- kühlelement, einer Flüssigkeitskühlung oder einer Luftströmungskühlung.
27. Temperiervorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 26 mit einer Tempe- raturmeßeinrichtung.
28. Temperiervorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 27 mit einer Steuerung, vorzugsweise einer Mikroprozessorsteuerung für die automatische Ansteuerung der Heizeinrichtung (7) und der Bewegungseinrichtung (13, 15).
29. Temperiervorrichtung nach den Ansprüchen 27 und 28, bei der die Steuerung derart ausgestaltet ist, daß sie das Signal der Temperaturmeßeinrichtung als Regelgröße zur Ansteuerung der Heizeinrichtung (7) und der Bewegungseinrichtung (13, 15) zur Erzeugung eines gewünschten Temperaturverlaufes verwendet.
30. Substrat mit einer vorzugsweise aufgedampften Widerstandsheizeinrichtung zur Verwendung in einer Temperiervorrichtung nach Anspruch 18.
31. Substrat mit einer vorzugsweise aufgedampften Induktionsheizung zur Verwendung in einer Temperiervorrichtung nach Anspruch 19.
32. Verwendung eines Temperierverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder einer Temperiervorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 29 für PCR (Polymerase-Kettenreaktionen)-Anwendungen.
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