FI121164B - Thermocycles with optimized sample holder geometry - Google Patents
Thermocycles with optimized sample holder geometry Download PDFInfo
- Publication number
- FI121164B FI121164B FI20080245A FI20080245A FI121164B FI 121164 B FI121164 B FI 121164B FI 20080245 A FI20080245 A FI 20080245A FI 20080245 A FI20080245 A FI 20080245A FI 121164 B FI121164 B FI 121164B
- Authority
- FI
- Finland
- Prior art keywords
- sample
- sample holder
- gap
- thermocycles
- heat transfer
- Prior art date
Links
Landscapes
- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
Description
LÄMPÖSYKLILAITE OPTIMOIDULLA NÄYTTEENPIDIN GE OME TRI ALL ATEMPERATURE CYLINDER WITH OPTIMIZED SAMPLE HOLDER GE OME TRI ALL A
Keksinnön taustaBackground of the Invention
Keksinnön ala 5 Esillä oleva keksintö kohdistuu laitteisiin biologisten näytteiden käsittelemiseksi, varsinkin DNA-jaksojen monistamiseen polymeraasiketjureaktiossa (lyhennettynä PCR). Esillä oleva keksintö kohdistuu erityisesti lämpösyklilaitteeseen, joka käsittää näytteenpidinosuuden sekä mikrotiitterilevyn, joka on tarkoitettu sijoitettavaksi lämpösyklilaitteen pitimeen.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to devices for processing biological samples, in particular for amplifying DNA sequences in a polymerase chain reaction (abbreviated as PCR). The present invention is particularly directed to a thermocycler comprising a sample holding portion and a microtiter plate for insertion into a thermocycler holder.
10 Tekniikan tason kuvaus Lämpösyklilaitteet ovat molekyylibiologiassa yleisesti PCR:n ja syklien sekventoimiseen käytettyjä instrumentteja, ja niitä on kaupallisesti saatavilla laaja valikoima. Näiden instrumenttien eräästä alijoukkoa, johon kuuluvissa laitteissa on sisäinen DNA:n monistamisen optisen havainnoinnin mahdollisuus, kutsutaan ’’reaaliaikaisiksi” laitteiksi. Vaikka niitä 15 voidaankin joskus käyttää muissa käyttökohteissa kuin ei reaaliaikaisia lämpösyklilaitteita, niiden toiminta perustuu samoihin termisiin parametreihin ja näytteenkäsittelyparametrei-hin.Description of Related Art Thermal cycling devices are instruments commonly used in molecular biology for PCR and cycle sequencing and are commercially available in a wide variety. A subset of these instruments, which includes devices with internal optical amplification capability for DNA amplification, is called "real-time" devices. Although they may sometimes be used in applications other than non-real-time thermal cycling devices, their operation is based on the same thermal parameters and sample processing parameters.
Tärkeimmät parametrit, jotka määrittävät lämpösyklilaitteen toiminnan laatua, ovat: termi-20 sen ohjauksen tasaisuus, tarkkuus ja toistettavuus kaikkien käsiteltyjen näytteiden osalta, mahdollisuus toimia halutussa ympäristössä, toiminnan nopeus ja näytteiden käsittelykapa-siteetti.The main parameters that determine the quality of operation of the thermal cycler are: uniformity, accuracy and repeatability of term-20 control for all samples processed, ability to operate in the desired environment, rate of operation, and sample processing capacity.
Termisen ohjauksen tasaisuus, tarkkuus ja toistettavuus ovat kriittisiä, sillä mitä paremmin 25 laite näiden parametrien suhteen toimii, sitä paremmin voidaan suoritettujen testien tuloksiin luottaa. Mitään kynnystä, jonka jälkeen näiden parametrien parantaminen olisi irrelevanttia, ei ole. Lisäparannukset ovat aina hyödyllisiä.The uniformity, accuracy, and reproducibility of the thermal control are critical because the better the performance of the device with respect to these parameters, the better the confidence in the results of the tests performed. There is no threshold beyond which improvement of these parameters would be irrelevant. Further improvements are always helpful.
Mahdollisuus toimia halutussa ympäristössä ei ole ongelma laitteille, joita käytetään labo-30 ratoriossa, johon näytteet tuodaan, mutta vaihtoehdot alkavat rajoittua, kun laitteita halu- 2 taan käyttää laboratorion ulkopuolella ja siten tuoda ne paikkoihin, joissa näytteet sijaitsevat. Kaksi tärkeintä tähän vaikuttavaa seikkaa ovat kokoja siten laitteen kannettavuus sekä laitteen tehontarve. Nämä kaksi seikkaa liittyvät toisiinsa, sillä suurin yksittäinen komponentti useimmissa lämpösyklilaitteissa on jäähdytyslevy, jota käytetään syklityksen jäte-5 lämmön hävittämiseen. Jos lämpösyklilaite valmistettaisiin siten, että sen tehontarpeeseen riittäisi auton akku, se käyttäisi myös pienempää jäähdytyslevyä, sillä tällöin muodostuisi vähemmän lämpöä ja siitä tulisi riittävän kannettava, jotta se toimisi käytännössä kaikkialla maailmassa.The ability to operate in the desired environment is not a problem for the equipment used in the lab-30 laboratory where samples are imported, but alternatives begin to be limited to use the equipment outside the laboratory and thus bring them to the locations where the samples are located. The two most important factors that affect this are size, and thus the portability of the device and the power demand of the device. These two aspects are interrelated, since the largest single component in most thermal cyclers is the heat sink used to eliminate the heat of cyclization waste-5. If the thermal cycler were built to power the car battery, it would also use a smaller heat sink, which would produce less heat and be portable enough to operate virtually anywhere in the world.
10 Lämpösyklitoiminnan nopeus on tärkeää paitsi sen vuoksi, että se on näytteiden käsittely-kapasiteetin erittäin tärkeä tekijä, myös siksi, että mahdollisuus monistaa eräitä tuotteita puhtaasti ja tarkasti paranee tai jopa mahdollistuu lämpövaihdosten nopeutuessa. Tämä voi olla erityisen merkittävää monistusprotokollan kussakin syklissä esiintyvän lämmitysvai-heen aikana. Tänä aikana alukkeet liitetään templaatteihin, mutta jos lämpötila ei ole tätä 15 varten ihanteellinen, saattaa esiintyä epäspesifistä liittymistä, joka vuorostaan saattaa aiheuttaa kohinaa reaktion tuloksissa. Jos lämpövaihdosnopeutta lisätään, aika, jonka reaktio on epäihanteellisissa lämpötiloissa, lyhenee.10 The speed of thermal cycling is important not only because it is a very important factor in sample processing capacity, but also because the ability to purely and accurately replicate certain products is improved or even enabled by accelerating heat exchange. This may be particularly significant during the heating step in each cycle of the amplification protocol. During this time, primers are attached to the templates, but if the temperature is not ideal for this purpose, non-specific coupling may occur, which in turn may cause noise in the reaction results. If the rate of heat exchange is increased, the reaction time at unattractive temperatures is shortened.
Näytteiden käsittelykapasiteetin tarpeet ovat kehittyneet ajan mittaan. Kaikki nykyisin tuo-20 tettavat lämpösyklilaitteet voidaan jakaa ryhmityksiin sen mukaan, miten näytteet sopivat niihin. Ensimmäiset instrumentit valmistettiin siten, että niihin sopii pieni määrä putkia, jotka käsiteltiin ja ladattiin laitteeseen yksitellen (esimerkki: Perkin-Elmer 4800). Kun näytteiden käsittelykapasiteetin tarpeet kasvoivat, kehitettiin instrumentteja, joihin sopi muovisia alustoja (mikrotiitterilevyjä), jotka olivat olennaisesti 96:n tai 384:n putken ruu-25 dukoita (esimerkkejä: Perkin-Elmer 9600, MJ research PTC-200, Eppendorf MasterCy-cler). Kummassakin näistä muodoista pyritään käyttämään metallikappaleita putkien lämmittämiseen ja jäähdyttämiseen, mikä asettaa joitakin rajoituksia lämpösyklikäsittelyn nopeudelle metallikappaleen massan lämmittämisen ja jäähdyttämisen vaatiman ajan vuoksi. Toinen tapa näytekapasiteetin kasvattamiseksi keskittyi näytteiden erän käsittelyyn kulu-30 van ajan vähentämiseen nopeuttamalla lämmön siirtymistä näytteeseen, ja näissä järjestelmissä käytettiin lasikapillaareja tai kunkin toimittajan omia näytepitimiä (esimerkkejä: Idaho Technologies RapidCycler, Cephied Smartcycler, Analytic Jena Speedcycler). Läm-pösykli-instrumenttien viimeinen luokka perustuu mikrofluidiikkapohjaisiin näytepitimiin, 3 mutta tällaisia laitteita ei ole käytetty laajalti, sillä ne pystyvät käsittelemään ainoastaan tilavuudeltaan rajoitettuja näytteitä, ja mikrofluidiikkanäytepidinten valmisteleminen on vaikeaa.The needs for sample processing capacity have evolved over time. All currently manufactured thermal cycling devices can be grouped according to how the samples fit them. The first instruments were made to fit a small number of tubes, which were processed and loaded individually (example: Perkin-Elmer 4800). As the sample processing capacity requirements increased, instruments suitable for plastic substrates (microtiter plates) that were essentially 96 or 384 tube tubes were developed (examples: Perkin-Elmer 9600, MJ research PTC-200, Eppendorf MasterCy-Cler ). Both of these shapes tend to use metal bodies for heating and cooling the tubes, which places some restrictions on the speed of heat cycling due to the time required to heat and cool the mass of the metal body. Another way to increase sample capacity focused on reducing sample batch time by accelerating heat transfer to the sample, using either glass capillaries or individual supplier sample holders (examples: Idaho Technologies RapidCycler, Cephied Smartcycler, Analytic Jena Speedcycler). The last class of thermocouple instruments is based on microfluidics-based sample holders 3, but such devices have not been widely used as they can handle only limited volume samples and it is difficult to prepare microfluidic sample holders.
5 Valtaosa nykyisin käytössä olevista lämpösyklilaitteista kuuluu toiseen ryhmään: lohko-pohjaisiin lämpösyklilaitteisiin, joihin mahtuu mikrotiitterilevyjä. Tämän syynä on - näiden laitteiden hitaammasta syklinopeudesta huolimatta - se, että mikrotiitterilevyjä voidaan käyttää hyvin erilaisten nestetilavuuksien kanssa ja todellinen tiettynä aikana käsiteltävien näytteiden näytekapasiteetti on suurempi. Tämä viimeinen seikka on ainoastaan osittain 10 itse instrumentin funktio; se aiheutuu myös näytteiden käsittelemiseen ja lataamiseen käytettävissä olevista laitteista. Suurin osa käytössä olevista mikrotiitterilevyistä vastaa standardeja, jonka Society for Biomolecular Screening (SBS) on määrittänyt viimeisen vuosikymmenen aikana. Levyissä on tyypillisesti 6, 24, 96, 384 tai jopa 1536 näytekaivoa, jotka on järjestetty suorakulmaiseksi 2:3-ruudukoksi. Standardi koskee myös mittoja (esimerkik-15 si halkaisija, kaivojen väliset etäisyydet ja syvyys) sekä levyn ominaisuuksia (esimerkiksi mitat j a j äykkyys).5 Most of the thermocyclists currently in use belong to the second group: block-based thermocyclists, which hold microtiter plates. The reason for this, despite the slower cycle speeds of these devices, is that microtiter plates can be used with very different fluid volumes and the actual sample capacity of the samples processed at a given time is higher. This last point is only partially a function of the 10 instruments themselves; it is also caused by the equipment available for processing and loading samples. Most of the microtiter plates in use meet the standards set by the Society for Biomolecular Screening (SBS) over the last decade. Plates typically have 6, 24, 96, 384 or even 1536 sample wells arranged in a rectangular 2: 3 grid. The standard also applies to dimensions (for example, diameter, spacing and depth of wells) as well as sheet properties (eg dimensions and stiffness).
Erityisesti SBS-mikrolevyjen käsittelemistä varten on kehitetty joukko robotteja. Nämä robotit voivat olla nesteen käsittelijöitä, jotka aspiroivat tai jakavat nesteitä levyiltä ja le-20 vyille tai ne voivat olla ’’levyjen siirtäjiä”, jotka kuljettavat levyjä eri laitteiden välillä. Myös tiettyjä levyissä käsiteltävien näytteiden biologisia, kemiallisia tai fysikaalisia tapahtumia tunnistavia levyjen lukulaitteita on kehitetty.A number of robots have been developed specifically for handling SBS microplates. These robots can be fluid handlers that aspirate or dispense fluids from discs and discs, or they can be "" disc movers "" that transport discs between devices. Also, disc readers that recognize certain biological, chemical, or physical events in samples processed on discs have been developed.
SBS-mikrotiitterilevystandardien noudattaminen on mahdollistanut robotiikkaratkaisujen, 25 esimerkiksi nesteenkäsittelykoneiden, helpon integroinnin näytteiden valmisteluprosessiin, ja sillä on ollut suuri vaikutus mahdollisuuteen lisätä näytteiden käsittelykapasiteettia.Adherence to SBS microtiter plate standards has made it easy to integrate robotics solutions, such as liquid handling machines, into the sample preparation process and has had a major impact on the ability to increase sample processing capacity.
Voidaan siis tehdä se päätelmä, että näytteiden käsittelykapasiteettia edelleen lisäävien innovaatioiden on toimittava vaarantamatta mahdollisuutta työskennellä SBS-määritysten 30 mukaisesti. Vaikka SBS-standardit ovatkin auttaneet syklilaitteiden leviämisessä ja ne ovat harmonisoineet eri laitevalmistajien käyttämät prosessit, jotkin näiden standardien määri- 4 tykset ovat myös rajoittaneet syklilaitteiden kehittelyä kaventamalla tutkimuksen piiriä esimerkiksi tehonkulutuksen ja syklinopeuden suhteen.Therefore, it can be concluded that innovations that further increase sample processing capacity must work without compromising the ability to work in accordance with SBS specifications 30. Although the SBS standards have helped in the diffusion of cycling devices and have harmonized the processes used by different device manufacturers, some of their specifications have also limited the development of cycling devices by narrowing the scope of research, for example, on power consumption and cycle speed.
Laboratorioprotokollan vaihejoukossa, jossa PCR on erä vaiheista, PCR on usein nopeutta 5 rajoittava vaihe. Tämän vuoksi prosessin tuntevien ensisijainen tavoite on pienentää PCR:n suorittamiseen kuluvaa kokonaisaikaa.In a laboratory protocol set of steps, where PCR is a batch of steps, PCR is often a rate-limiting step. For this reason, the primary goal of those skilled in the process is to reduce the total time it takes to perform the PCR.
Joitain tunnettuja lämpösyklilaitteita, joissa on perinteiset lämmönsiirtokomponentit on esitetty WO-julkaisuissa 03/061832 ja 2004/018105 sekä GB-julkaisussa 2370112. WO-10 julkaisussa 2004/018105 esitetyssä ratkaisussa näytteenpidin koostuu leveämmästä alaosasta ja kapeammasta yläosasta. Alaosan alapintaan liitetty pinta-alaltaan alapintaa huomattavasti pienempi peltier-moduuli. Tällaisella näytteenpidinratkaisulla ei saavuteta parannusta lämpösyklilaitteen nopeudessa.Some known thermal cycling devices having conventional heat transfer components are disclosed in WO 03/061832 and 2004/018105 and GB 2370112. In the solution disclosed in WO-10 2004/018105, the sample holder consists of a wider lower part and a narrower upper part. Attached to the underside of the lower part is a considerably smaller peltier module with a lower surface area. Such a sample holder solution does not achieve an improvement in the speed of the thermal cycler.
15 Keksinnön yhteenveto15 Summary of the Invention
Esillä olevan keksinnön tavoite on tuottaa uudenlainen lämpösyklilaite.It is an object of the present invention to provide a novel type of thermal cycler.
Esillä olevan keksinnön tavoite on erityisesti tuottaa SBS-levystandardin kanssa yhteensopiva lämpösyklilaite, jonka nopeus, terminen yhtenäisyys ja tehonkulutus ovat paremmat. 20 Keksinnön tavoite on varsinkin tuottaa uudenlainen syklilaitteen näytteenpidin, joka poistaa vakiintuneen käytännön mukaisesti valmistettujen tekniikan tason mukaisten laitteiden nopeaan lämmitykseen ja jäähdytykseen sekä tehon kulutukseen liittyvät ongelmat.In particular, it is an object of the present invention to provide a thermal cycling device compatible with the SBS board standard with improved speed, thermal uniformity and power consumption. The object of the invention is, in particular, to provide a novel sample holder for a cycling device which eliminates the problems of rapid heating and cooling and power consumption of the prior art devices manufactured in accordance with the established practice.
Keksinnön tavoitteena on myös tuottaa uusi käyttö mikrotiitterilevylle ja uudenlainen näyt-25 teenpidin.It is also an object of the invention to provide a new use on a microtiter plate and a novel sample holder.
Nämä ja keksinnön muut kohteet sekä sen edut tekniikan tason mukaisiin menetelmiin ja laitteisiin nähden saavutetaan esillä olevan keksinnön avulla oheisen keksinnön selityksen ja oheisten patenttivaatimusten mukaisesti.These and other objects of the invention, and the advantages thereof with respect to prior art methods and apparatus, are achieved by the present invention in accordance with the specification and appended claims.
30 530 5
Keksintö perustuu ajatukseen näytteenpitimen lämmönsiirtoalueen suurentamisesta suhteessa näytteenpitimen näytettä vastaanottavaan alueeseen samalla, kun säilytetään yhteensopivuus olemassa olevien SBS-mikrotiitterilaitteiden suurimman osan kanssa ja ilman, että terminen tasaisuus vaarantuu.The invention is based on the idea of increasing the heat transfer area of the sample holder relative to the sample receiving region of the sample holder while maintaining compatibility with the majority of existing SBS microtiter devices without compromising thermal uniformity.
5 Tämä keksintö sai alkunsa, kun havaittiin, että vaikka SBS-standardit kuvaavatkin mikro-tiitterilevyjen kaksidimensioisen mudukon, suurin osa lämpösykliprosessin hyvälle kapasiteetille tärkeistä nesteenkäsittelyroboteista lataa näytteet yksidimensioisesti tavalla, joka toistetaan niin monta kertaa kuin on tarpeen toisen dimension lataamiseksi. Tämä tarkoit-10 taa, että on mahdollista säilyttää SBS-standardien käyttämisen edut samalla, kun näytekappaletta muutetaan siten, että muut ominaisuudet maksimoidaan tavoilla, jotka on aiemmin saavutettu ainoastaan niiden toimesta, jotka ovat hylänneet standardin kokonaan.The present invention was started when it was found that although the SBS standards describe a two-dimensional sludge of microtiter plates, most liquid processing robots important for good capacity of the thermal cycle process load the samples in a one-dimensional manner repeated as many times as necessary to load another dimension. This means that it is possible to maintain the benefits of using SBS standards while modifying the sample so that other features are maximized in ways previously achieved only by those who have completely rejected the standard.
Erään suoritusmuodon mukaan esillä olevan keksinnön mukainen lämpösyklilaite käsittää 15 näytteenpitimen, jolla on yläpuoli ja alapuoli ja yläpuolella on ensimmäinen pinta ja alapuolella toinen pinta. Ensimmäinen pinta käsittää näytettä vastaanottavien kaivojen suorakulmaisen mudukon ja näytteenpitimen toisella pinnalla, jota jäljempänä kutsutaan myös ’’lämmönsiirtopinnaksi”, on pinta-ala, joka on huomattavasti ensimmäisen pinnan pinta-alaa suurempi. Ensimmäinen pinta on muotoiltu siten, että kaivojen määrä pitimen ensim-20 mäisessä dimensiossa vastaa SBS-standardin mukaisen mikrotiitterilevyn ensimmäisen dimension määritystä tietty lie näytevälille ja toisessa dimensiossa se vastaa tiettyä murto-osaa SBS-standardin mukaisen mikrotiitterilevyn toisen dimension määrityksestä. Lisäksi lämpösyklilaite käsittää elimet näytteenpitimen automaattista ja ohjattua lämmitystä varten.According to one embodiment, the thermal cycling device of the present invention comprises a sample holder having an upper side and a lower side and a first surface above and a second surface below. The first surface comprises a rectangular knot of wells receiving the sample and the second surface of the sample holder, also referred to hereinafter as the "" heat transfer surface ", has a surface which is substantially larger than the surface of the first surface. The first surface is shaped such that the number of wells in the first 20 dimensions of the holder corresponds to the determination of the first dimension of the SBS standard microtiter plate for a given sample interval and in the second dimension corresponds to a certain fraction of the second dimension of the SBS standard microtiter plate. In addition, the thermal cycler comprises means for automatic and controlled heating of the sample holder.
2525
Esillä olevan keksinnön mukainen mikrotiitterilevy käsittää joukon näytekaivoja, jotka on järjestetty ruudukoksi, jolloin levyn ensimmäinen dimensio vastaa SBS-standardin mukaisen mikrotiitterilevyn ensimmäistä dimensiota ja toinen dimensio vastaa SBS-standardin mukaisen mikrotiitterilevyn toisen dimension murto-osaa.The microtiter plate according to the present invention comprises a plurality of sample wells arranged in a grid, wherein the first dimension of the plate corresponds to the first dimension of the SBS standard microtiter plate and the second dimension corresponds to a fraction of the second dimension of the SBS standard microtiter plate.
30 6 Lämpösyklilaitteelle on erityisemmin tunnusmerkillistä se, mitä patenttivaatimuksessa 1 sanotaan.More particularly, the thermal cycler is characterized by what is claimed in claim 1.
Käytölle on tunnusmerkillistä se, mitä patenttivaatimuksessa 7 sanotaan.The use is characterized by what is claimed in claim 7.
55
Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja. Olemme havainneet, että suurentamalla lämmönsiirtopintojen pinta-alan ja näytteen pitimen näytteen vastaanottavan pinnan suhdetta on mahdollista vaikuttaa lämpötilan muutosnopeuksiin huomattavasti. Tämä avaa mahdollisuuksia edullisille syklilaitesovelluksille ilman, että muita syklilaitteisiin liittyviä 10 vakiintuneita toimia j a käytäntöjä on dramaattisesti muutettava.The invention provides considerable advantages. We have found that by increasing the ratio of the heat transfer surface area to the sample receiving surface of the sample holder, it is possible to significantly influence the temperature change rates. This opens up opportunities for low-cost cycling device applications without the need to dramatically change other established cyclic device practices and practices.
Tämän tilavuudeltaan pienemmän näytteenpitimen avulla saavutettava huomattavin etu on sen kyky hyödyntää lämpövuota ohjaavien elinten pinta-alan suhde näytteenpitimen pohja-pintaan. Tällöin saavutetaan huomattava lämpöä kohdistava vaikutus. Esillä olevan kek-15 sinnön mukainen lämpösyklilaite muistuttaa tavanomaisia kappalepohjaisia lämpösyklilait-teita, mutta siten muunnettuna, että tyypillisesti metallisen näytteenpitimen näytteen vastaanottava pinta tehdään pienemmäksi siten, että siihen mahtuu pieni yhdessä dimensiossa SBS-standardin mukainen näytelevy, mikä mahdollistaa nesteenkäsittelyrobottien täydellisen käyttämisen. Lisäksi instrumentin malli ei estä pienen levyn valmistamista siten, että 20 useita pieniä levyjä voidaan koota muodoksi, joka täysin vastaa SBS-standardin mukaista mikrotiitterilevyä. Levyn toinen dimensio voi olla SBS-standardin mukaisen mikrotiitteri-levyn vastaavan dimension murto-osa, esimerkiksi 1/2, 1/3, 1/4, tai 1/6 tällaisen levyn koosta ja se voi olla muodostettu siten, että se on SBS-standardin mukaisten kaivojen 9, 4,5 tai 2,25 mm:n kaivojen välisen etäisyyden mukainen. Kooltaan 1/4 mikrotiitterilevyn 25 koosta olevan pienen näytelevyn tapauksessa saavutetaan erikoisetu, sillä mikroskooppile-vyjen käsittelyyn suunniteltuja laitteita voidaan käyttää myös tämän pienen näytelevyn käsittelyyn.The major advantage of this smaller volume sample holder is its ability to utilize the ratio of surface area of the heat flux control members to the bottom surface of the sample holder. A considerable heat application effect is achieved. The thermal cycler of the present invention resembles conventional piece-based thermocycler but modified in that typically the sample receiving surface of a metal sample holder is reduced to accommodate a small, one-dimensional SBS standard specimen plate, allowing complete use of fluid handling robots. In addition, the design of the instrument does not prevent the manufacturing of a small plate such that a plurality of small plates can be assembled into a shape that is fully consistent with a microtiter plate according to the SBS standard. The second dimension of the plate may be a fraction of the corresponding dimension of a microtiter plate according to the SBS standard, for example 1/2, 1/3, 1/4, or 1/6 of the size of such plate, and may be formed to be SBS- the distance between wells of standard 9, 4.5 or 2.25 mm wells. In the case of a small sample plate of 1/4 microtiter plate size 25, a special advantage is obtained, since the devices designed for processing microscope plates can also be used for processing this small sample plate.
Tässä dokumentissa kuvattujen suoritusmuotojen mukainen näytteenpidin mahdollistaa 30 - suuremmat lämpövaihdosnopeudet tehon ja näytteenpitimen lämpökapasiteetin vä lisen suuremman suhteen vuoksi, 7 - paremman termisen yhtenäisyyden toisistaan kauimpana sijaitsevien näytteiden lyhentyneen etäisyyden vuoksi, - kaikkien näytteiden kohdelämpötilan saavuttamisen edellyttämän lyhyemmän ajan toisistaan kauimpana sijaitsevien näytteiden lyhentyneen etäisyyden vuoksi, ja 5 - pienemmän tehon kulutuksen näytteenpitimen pienemmän massan vuoksi.The sample holder according to the embodiments described in this document allows for 30 - higher heat exchange rates due to a higher ratio of power to sample holder heat capacity, 7 - better thermal uniformity due to shorter distance between the furthest apart samples, and 5 - lower power consumption due to the lower mass of the sample holder.
Näin ollen tässä dokumentissa kuvattua näytteenpidintä voidaan käyttää kooltaan pienennetyissä, mahdollisesti kannettavissa lämpösyklilaitteissa tai instrumentointiasemissa, jotka on liitetty ajoneuvoihin tai muihin isäntälaitteisiin. Tehonlähdettä tai isäntälaitetta voidaan 10 käyttää syklilaitteen tarvitseman tehon tuottamiseen parantuneen tehon näytteisiin keskittymisen tuottaman vähäisen tehontarpeen vuoksi. Suuret lämpövaihdosnopeudet ja esimerkiksi siten saavutetut lyhyemmät PCR-prosessit tukevat myös keksinnön käyttämistä kenttäolosuhteissa, joissa tarvitaan nopeita tuloksia. Samoista syistä myös laboratorio laitteiden tehokkuutta voidaan parantaa ja prosessointiaikoja lyhentää.Thus, the sample holder described in this document can be used in reduced-size, possibly portable, thermal cycling or instrumentation stations connected to vehicles or other host devices. The power source or host may be used to provide the power required by the cycler because of the low power required to concentrate on improved power samples. The high heat exchange rates and, for example, the shorter PCR processes thus achieved also support the use of the invention in field conditions where rapid results are required. For the same reasons, the efficiency of laboratory equipment can be improved and processing times reduced.
1515
Esillä olevan keksinnön mukainen lämpösyklilaite ja levy voidaan yhdistää kätevästi suuremmiksi analyysiyksiköiksi siten, että laitteen koko ja tehonkulutus eivät kasva kohtuuttomasti. Tällöin keksinnön mukaisten lämpösyklilaitteen ja mikrotiitterilevyjen mahdollinen käyttöalue on reaaliaikainen kvantitatiivinen PCR. Erityisen edullinen käyttökohde 20 ovat kannettavat prosessointiasemat, joita käytetään itsenäisillä tehonlähteillä, esimerkiksi akuilla tai muulla sähköenergian epäsuoralla muodolla (muu kuin sähköverkosta saatava energia).The thermal cycler device and plate of the present invention can be conveniently combined into larger assay units so that the device size and power consumption are not unduly increased. In this case, the potential application of the thermal cycler and microtiter plates according to the invention is real-time quantitative PCR. Particularly preferred applications 20 are portable processing stations powered by independent power supplies, such as batteries or other indirect forms of electrical energy (other than mains power).
Lisäksi entistä parempi terminen tasaisuus mahdollistaa keksinnön käyttämisen prosesseis-25 sa, joissa tarvitaan suurta näytteiden välistä tarkkuutta, sillä se tuottaa yhtenäisemmät reaktiot saman instrumentin eri kaivojen välillä mitattuna.In addition, improved thermal uniformity enables the invention to be used in processes that require high inter-sample accuracy as it produces more uniform reactions measured between wells of the same instrument.
Lisäetu saavutetaan, jos lämpösyklilaitetta tarkkaillaan optisella havainnointijärjestelmällä, kuten reaaliaikaisen PCR:n yhteydessä yleisesti tehdään. Tässä tapauksessa näytteenpiti-30 men pienempi koko mahdollistaa kompaktimman optisen rakenteen käyttämisen, sillä alue, 8 jolle on tarkennettava, on pienempi. Näin ollut optista reittiä voidaan lyhentää laitteen kokonaiskoon tekemiseksi riittävän pieneksi, jotta se on helppo kantaa.An additional advantage is achieved if the thermal cycler is monitored by an optical detection system, as is commonly done with real-time PCR. In this case, the smaller size of the sample holder 30 permits the use of the most compact optical structure, since the area to be focused 8 is smaller. This optical path can be shortened to make the overall size of the device small enough to easily carry.
Tässä kuvauksessa näytteet vastaanottavan pinnan (jota kutsutaan myös ’’näytteet vastaan-5 ottavaksi vyöhykkeeksi”) ja lämmönsiirtopinnan pinta-alat ovat yksinkertaisesti pinnan tasomaisen alueen pituus kertaa leveys ottamatta huomioon pinnoilla mahdollisesti olevia muotoja. Toisin sanoin näytteenpitimen ensimmäisen ja toisen pinnan pinta-alalla tarkoitetaan pintojen projektion pinta-alaa suunnassa, joka on normaali näytteenpitimen yleisen tason suhteen.In this description, the surface of the sample receiving surface (also called the "" sample receiving zone ") and the heat transfer surface are simply the length times the width of the planar area of the surface, without taking into account any possible shape on the surfaces. In other words, the surface area of the first and second surfaces of the sample holder refers to the projection area of the surfaces in a direction normal to the overall plane of the sample holder.
1010
Keksintöä kuvataan seuraavassa yksityiskohtaisemmin viitaten oheisiin piirustuksiin, jotka kuvaavat keksinnön esimerkinomaista suoritusmuotoa.The invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings, which illustrate an exemplary embodiment of the invention.
Piirustusten lyhyt kuvaus 15 Kuvio 1 esittää perspektiivinäkymänä esillä olevan keksinnön mukaisen mikrotiitterilevyn ja näytteenpitimen suoritusmuotoa,BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a perspective view of an embodiment of a microtiter plate and a sample holder according to the present invention,
Kuvio 2 esittää sivunäkymänä esillä olevan keksinnön mukaista lämpösyklilaitteen suoritusmuotoa,Figure 2 is a side view of an embodiment of a thermal cycler according to the present invention,
Kuvio 3 esittää poikkileikkauksena kuvion 2 jäijestelyä, jossa kaksi peltier-elementtiä on 20 sovitettu näytteenpitimen ja kuvatun jäähdytyslevyn väliin, jaFigure 3 is a cross-sectional view of the rigid arrangement of Figure 2 in which two peltier elements 20 are disposed between the sample holder and the heat sink illustrated; and
Kuvio 4 esittää mikrotiitterilevyä näytteenpitimessä ylhäältä nähtynä.Figure 4 is a top view of a microtiter plate in a sample holder.
Keksinnön yksityiskohtainen kuvausDetailed Description of the Invention
Monet eri suoritusmuodot ovat mahdollisia esillä olevan keksinnön puitteissa, mukaan 25 lukien osien geometrioiden vaihtelu, kokoamismenetelmät ja osien rakenne suhteessa toisiinsa. Tämä kuvaus on tarkoitettu kuvaamaan ja edustamaan keksinnön yhtä mahdollista suoritusmuotoa.Many different embodiments are possible within the scope of the present invention, including variations in the geometry of the parts, assembly methods, and structure of the parts relative to one another. This description is intended to illustrate and represent one possible embodiment of the invention.
99
Kuvio 1 esittää esillä olevaa kooltaan pienennetyn näytteenpitimen ensimmäistä suoritusmuotoa. Näytteenpitimessä on näytteen vastaanottava (ensimmäinen) pinta 11 (esitetty kuviossa 1), jossa on biologisia näytteitä sisältävän muovilevyn 15 näyteputkia 16 (pohjaosia) vastaanottamaan muodostettuja syvennyksiä sekä ensimmäistä pintaa vastapäätä ole-5 va lämmönsiirtopinta 13 (toinen pinta) (piilossa kuviossa 1).Fig. 1 illustrates a first embodiment of a reduced size sample holder. The sample holder has a sample receiving (first) surface 11 (shown in Figure 1) having sample tubes 16 (bottom portions) of a plastic plate 15 containing biological samples and a heat transfer surface 13 (second surface) opposite the first surface (hidden in Figure 1).
Näytteenpitimen kaventuminen voi olla vaiheittaista, kuten kuviossa 1 kuvataan tai se voi olla muodoltaan toisenlaista, esimerkiksi jatkuvasti kohti ensimmäistä pintaa 11 kapene-vaa. Muita rakenteita, esimerkiksi ontelotta 12, voidaan sovittaa näytteenpitimen 10, 13 10 kummallekin puolelle auttamaan kaivojen tasaisempaa lämpenemistä, pienentämään näytteenpitimen massaa tai esimerkiksi auttamaan näytteenpitimen mekaanista kohdistusta lämpösyklilaitteeseen. Erään lisäsuoritusmuodon mukaan näytteenpitimen leveän osan yläpinnalle 10 on sovitettu myös lämpöeristeitä lämmön kohdistamiseksi tehokkaammin näytteisiin tai lämmön poistamiseksi näytteistä.The taper of the sample holder may be tapered, as illustrated in Figure 1, or it may have a different shape, for example, continuously tapering towards the first surface 11. Other structures, such as cavity 12, may be provided on either side of sample holder 10, 13 10 to aid in more even heating of wells, reduce sample holder mass, or, for example, assist in mechanical alignment of sample holder to the thermal cycler. According to a further embodiment, thermal insulators are also provided on the upper surface 10 of the wide portion of the sample holder to more efficiently apply heat to or remove heat from the samples.
15 Näytteenpitimen toinen pinta 13 on edullisesti termisessä yhteydessä vähintään yhden laitteen kanssa, joka laite voi lisätä lämpöä näytteenpitimeen (lämmitinlaite) ja vähintään yhteen laitteeseen, joka voi poistaa lämpöä näytteenpitimcstä (jäähdytyslaite). Nämä laitteet voivat olla molemmat toimet mahdollistava yksittäinen laite, esimerkiksi peltier-moduuli, 20 joka esitetään kuviossa 3 ja johon viitataan viitenumerolla 30.Preferably, the second face 13 of the sample holder is in thermal communication with at least one device which can add heat to the sample holder (heater) and at least one device which can remove heat from the sample holder (cooling device). These devices may be a single device enabling both operations, for example a peltier module 20 shown in Figure 3 and designated by reference numeral 30.
Näytteenpidin 10 on edullisesti valmistettu metallista. Se voidaan koneistaa yhtenäisestä alumiini- tai hopeakappaleesta tai se voidaan valmistaa muotin avulla, stanssata, valaa tai koota useasta komponentista. Yleisesti näytteenpitimen massa on edullisesti alhainen, jotta 25 sen muodostama lämpövarasto pysyy pienenä ja voidaan saavuttaa suuremmat lämpövaih-dosnopeudet.The sample holder 10 is preferably made of metal. It can be machined from a single piece of aluminum or silver, or it can be molded, stamped, cast or assembled from multiple components. Generally, the mass of the sample holder is preferably low so that the heat storage it generates is small and higher heat exchange rates can be achieved.
Keksinnön mukaisen näytteenpitimen muista näytteenpitimistä erottava pääpiirre on koko ja muoto. Esillä olevan keksinnön edullisessa suoritusmuodossa näytteenpidin on muodol-30 taan suorakulmainen ja se sisältää jaollisen murto-osan tavallisen mikrotiitterilevyn näyte-putkista (kaivoista), mukaan lukien kaikki ensimmäisen dimension putket (horisontaalisesti 10 kuvioissa 1 - 4), mutta ainoastaanl/4 putkista toisessa dimensiossa (kohtisuorassa ensimmäiseen dimensioon nähden, pitimen yläpinnan tasossa). Siinä voi kuitenkin olla näyteput-kia, joiden seinämäpaksuus on vakio tai joiden seinämät ovat ohuemmat nopeamman lämmönsiirron auttamiseksi. Siinä voi myös olla putkia, joiden korkeus on sama kuin näyt-5 teenpitimen korkeus tai putkia, jotka ovat huomattavasti näytteenpitimen korkeutta korkeampia, mikä mahdollistaa toimet, jotka edellyttävät suurempia näytetilavuuksia, esimerkiksi syklin jälkeiset pesut, voidaan tehdä samoissa putkissa kuin lämpösykliprosessissa käytetyissä.The main feature distinguishing the sample holder of the invention from other sample holders is size and shape. In a preferred embodiment of the present invention, the sample holder is rectangular in shape and contains a fractional fraction of the sample tubes (wells) of a standard microtiter plate including all tubes of the first dimension (horizontally 10 in Figures 1-4) but only 1/4 of the tubes in the second dimension (perpendicular to the first dimension, in the plane of the top surface of the holder). However, it may have sample tubes of constant wall thickness or thinner walls to aid in faster heat transfer. It may also have tubes of the same height as the sample holder, or tubes substantially higher than the sample holder, allowing operations requiring larger sample volumes, such as post-cycle washes, to be performed in the same tubes as those used in the thermal cycle process.
10 Näytteenpitimen ensimmäisen pinnan koko keksinnön edullisessa suoritusmuodossa on ensimmäisessä dimensiossa 70- 100 mm ja 25 - 45 mm toisessa dimensiossa. Näytteenpitimen tarkat mitat vaihtelevat sen mukaan, mille näytteiden välistyksille pidin on optimoitu, on väli sitten 9, 4,5 tai 2,25 mm. Mitat vaihtelevat myös sen mukaan, mitä laitteita lämmön lisäämiseen näytteenpitimeen ja poistamiseen siitä käytetään, sillä näytteenpiti-15 men toisen pinnan mittojen on vastattava niitä.The size of the first surface of the sample holder in a preferred embodiment of the invention is 70-100 mm in the first dimension and 25-45 mm in the second dimension. The exact dimensions of the specimen holder will vary depending on which specimen spacings are optimized, whether 9, 4.5 or 2.25 mm. The dimensions also vary with the devices used to add and remove heat to the sample holder, since the other surface of the sample holder 15 must match the dimensions.
Edullisen suoritusmuodon mukaan näytteenpitimen ensimmäisen ja toisen pinnan mitat ovat erilaisia levennyksen ansiosta, edullisesti laipan tai rivan avulla toteutetun, joka levennys suuntautuu ulospäin näytteenpitimen ympäri siten, että se suurentaa toisen pinnan 20 kokoa suurentamatta näytteenpitimen kokoa. Tämä ominaisuus näkyy kuvioissa selkeästi, ja se on tärkeä, sillä se mahdollistaa suuremman ja tehokkaamman peltier-laitteen tai muun lämpöpumppulaitteen käyttämisen tietyn levykonfiguraation kanssa käytettäväksi tarkoitetun näytteenpitimen kanssa, jolloin lämpövaihdosnopeus lisääntyy tehon ja näytteenpitimen massan välisen suhteen suurentuessa. Laippa tai ripa voi suuntautua sivusuunnassa 25 kustakin näytteenpitimen sivusta, mutta yhteensopivuusseikkojen vuoksi se suuntautuu tyypillisesti enemmän näytteenpitimen pienemmän, toisen dimension suunnassa, edullisesti symmetrisesti.According to a preferred embodiment, the first and second surfaces of the sample holder have different dimensions due to widening, preferably by flange or rib, which extends outwardly around the sample holder so as to increase the size of the second surface 20 without increasing the size of the sample holder. This feature is clearly shown in the figures and is important because it allows a larger and more efficient peltier or other heat pump device to be used with a specimen holder for use with a particular plate configuration, thereby increasing heat exchange rate as the power to sample holder mass increases. The flange or rib may be laterally oriented on each side of the sample holder, but due to compatibility issues, it is typically more oriented in the direction of the smaller, second dimension of the sample holder, preferably symmetrically.
Peltier-moduulit, monien muiden lämpöpumppukomponenttien tavoin, ovat rajallisia teho-30 kapasiteetiltaan, joka on suoraan suhteessa pinta-alaan, johon ne ovat kosketuksissa. Tällöin voidaan saavuttaa nopeusetu suurentamalla näytteenpitimen pohjan pinta-alaa suhteessa itse näytteiden pohjapinnan muodostamaan alaan. Pohjapinta-alan suurentamisella on 11 kuitenkin raja, jonka jälkeen terminen epäyhtenäisyys ja muut haittapuolet ohittavat nope-usedun. Tyypillisessä mikrotiitterilaitteille tarkoitetussa lämpösyklilaitteessa raja saavutetaan, kun pohjapinta on hieman ylitse 100 cm2, joka vastaa lämpöä tuottavaan alan ja näy-teputken pohjapinnan alle 1,19 olevaa suhdetta. Kun näytteenpitimen yhtä dimensiota vä-5 hennetään, kuten keksinnön edullisessa suoritusmuodossa tehtiin, saavutettiin yli 1,41 oleva suhde. Jos kaikki muut tekijät ovat yhtä suuria, pelkästään tämä tekijä tuottaa 20 % parannuksen lämpövaihdosnopeuteen. Olisi hyödyllistä suurentaa tätä suhdetta vielä enemmän pienentämällä näytelevyn pohjapintaa edelleen ja suhteiden raja saavutetaan noin suhteen 9,0 tasolla näytelevylle, joka sisältää ainoastaan yhden rivin näytteitä, jonka rivin pi-10 tuus on yhtä suuri kuin SBS-standardin mukaisen levyn lyhyt dimensio, ja suhteessa 40,0 näytteenpitimessä, johon mahtuu ainoastaan yksi näyte. Ääriarvoihin mentäessä esiintyy kuitenkin muita tekijöitä, jotka estävät järjestelmää hyötymästä nopeuden suhteen läheskään siinä määrin kuin tämä korkea suhde ehdottaa.Peltier modules, like many other heat pump components, have a limited power-30 capacity that is directly proportional to the area they are in contact with. A speed advantage can then be obtained by increasing the area of the bottom of the sample holder relative to the area formed by the bottom surface of the samples themselves. However, the increase in the base area has a limit of 11, after which the thermal inconsistency and other disadvantages outweigh the accelerated one. In a typical thermocycler for microtiter devices, the limit is reached when the bottom surface is slightly over 100 cm 2, which corresponds to a ratio of the heat-producing area to the bottom of the sample tube of 1.19. When one dimension of the sample holder is reduced, as was done in the preferred embodiment of the invention, a ratio above 1.41 was achieved. If all other factors are equal, this factor alone produces a 20% improvement in heat exchange rate. It would be useful to further increase this ratio by further decreasing the bottom surface of the sample plate, and the ratio limit is reached at about 9.0 level for a sample plate containing only one row of samples equal to the short dimension of the SBS standard plate and 40.0 in a sample holder that can hold only one sample. However, when going to extremes, there are other factors that prevent the system from benefiting from speed at rates as high as this high ratio suggests.
15 Kuten edellä olevista esimerkinomaisista laskutoimituksista ilmenee, kapenevan näytteenpitimen edut menetetään suurelta osin, jos käytetään standardikokoisia näytteenpitimiä. Lisäksi, jos ensimmäiseltä pinnaltaan vakiokokoisen näytteenpitimen toisen pinnan alaa suurennetaan, näytteenpitimen yhteensopivuus olemassa olevien lämpösyklilaitteiden kanssa menetetään. Tällöin kooltaan pienemmän näytteen vastaanottavan pinnan ja sopi-20 vasti säädetyn lämmönsiirtopinnan yhdistelmä tuottaa suurimmat edut yhteensopivuuden ja lämpövaihdosnopeuden suhteen.15 As is evident from the above exemplary calculations, the benefits of a tapered sample holder are largely lost if standard sized sample holders are used. In addition, if the area of the second surface of the sample holder of standard size one is enlarged, the compatibility of the sample holder with existing thermal cycling devices is lost. Thus, the combination of a smaller sample receiving surface and a suitably adjusted heat transfer surface provides the greatest advantages in terms of compatibility and heat exchange rate.
Vaikka peltier-moduulit tuottavatkin kätevän tavan näytteiden lämmittämiseksi ja jäähdyttämiseksi, myös muita lämmönsiirtomenetelmiä voidaan käyttää. Näitä ovat esimerkiksi 25 kuuman/viileän ilman konvektio puhaltimien avulla, lämmitys/jäähdytysnestepohjaiset järjestelmät ja kappaleen mekaaninen kosketus kuuma- tai kylmävarastoihin. Kaikissa menetelmissä lämmönsiirtoalueen suhde näytteen alueeseen on tärkeä tekijä.Although peltier modules provide a convenient way to heat and cool samples, other heat transfer methods may be used. These include, for example, convection of 25 hot / cool air with fans, heating / coolant based systems, and mechanical contact of the unit with hot or cold stores. In all methods, the ratio of heat transfer area to sample area is an important factor.
Erään suoritusmuodon mukaan lämpösyklilaite käsittää näytteenpitimen, joka on muodos-30 tettu pitämään joukkoa näytteitä, jotka on järjestetty ruudukoksi 9, 4,5 tai 2,25 mm:n välein, jolloin kaivojen määrä yhdessä dimensiossa vastaa tarkasti kyseisen näytevälin mukaista SBS-standardin mukaista näytelevyä. Ensimmäiseen suuntaan nähden kohtisuorassa 12 toisessa suunnassa pitimen näytettä vastaanottavan pinnan dimensio on murto-osa kyseisen näytevälin mukaisen SBS-standardin mukaista näytelevyn vastaavasta dimensiosta.In one embodiment, the thermal cycler comprises a sample holder configured to hold a plurality of samples arranged in a grid of 9, 4.5, or 2.25 mm, whereby the number of wells in one dimension corresponds exactly to the SBS standard sample plate for said sample interval. . The dimension of the sample receiving surface perpendicular to the first direction 12 in the second direction is a fraction of the corresponding dimension of the sample plate according to the SBS standard for said sample interval.
Erään suoritusmuodon mukaan lämmönsiirtopinnan ja näytteenpitimen näytteen vastaanot-5 tavan pinnan välinen suhde on yhtä suuri tai pienempi kuin näytettä vastaanottavan pinnan toisen dimension määrittävän murto-osan käänteisluku. Tyypillisesti tehokkain suhde jää välille 1,2-9, yleensä 1,2-4, erityisesti 1,2-2 esimerkiksi näytettä vastaanottavan pinnan koon, lämmön tuotanto-ja poistomenetelmän, näytteenpitimen laipan ja näytteen vastaanottavien osien paksuuden, laitteen rakenteen ja yhtenäisyysvaatimusten mukaan. Eri-10 tyisesti on huomattava, että kun lämmönsiirtopinnan pinta-alaa suurennetaan, myös näytteenpitimen kokonaismassa kasvaa (joskaan ei yhtä paljoa kuin jos koko näytteenpitimen kokoa suurennettaisiin). Tämä suurentaa näytteenpitimen termistä kapasiteettia. Laippa-osan keskimääräinen paksuus suhteessa näytteenpitimen kokonaispaksuuteen on edullisesti noin 10 - 70 %, tyypillisesti 20 - 50 %. Näillä alueilla lämmön keskittämiskyvyn ja näyt-15 teenpitimen lämpökapasiteetin suhde maksimoidaan tyypillisissä käyttökohteissa.According to one embodiment, the ratio between the heat transfer surface and the sample receiving surface of the sample holder is equal to or less than the inverse of the fraction defining another dimension of the sample receiving surface. Typically, the most effective ratio will be in the range of 1.2-9, usually 1.2-4, especially 1.2-2, for example, according to the size of the sample receiving surface, heat generation and removal method, sample holder flange and sample receiving thickness, device design and integrity requirements. In particular, it should be noted that as the surface area of the heat transfer surface is increased, the total mass of the sample holder also increases (though not as much as if the size of the entire sample holder were enlarged). This increases the thermal capacity of the sample holder. The average thickness of the flange portion relative to the total thickness of the sample holder is preferably about 10 to 70%, typically 20 to 50%. In these areas, the ratio of the heat concentration to the heat capacity of the sample holder is maximized in typical applications.
Näytteenpidin valmistetaan edullisesti massaltaan alhaisesta metallista, kuten alumiinista tai hopeasta tai metallien seoksesta. Pidin voi vaihtoehtoisesti muodostua jostakin keraamisesta materiaalista. Tyypillisesti näytteenpidin käsittää yhden elementin, mutta se voidaan 20 valmistaa esimerkiksi myös useista toistensa päällä olevista osista. Näytteenpitimen yleiset vaatimukset ovat hyvä lämmönjohtavuus, matala lämpökapasiteetti ja mekaaninen kestävyys.The sample holder is preferably made of a low-weight metal such as aluminum or silver or an alloy of metals. Alternatively, the holder may consist of a ceramic material. Typically, the sample holder comprises a single element, but may also be manufactured, for example, from a plurality of superimposed portions. The general requirements for a sample holder are good thermal conductivity, low heat capacity and mechanical resistance.
Mikrotiitterilevyt on edullisesti valmistettu polypropyleenistä tai muusta PCR-25 yhteensopivasta materiaalista. Levy on tyypillisesti pinnoittamaton, mutta siinä voi olla yläpinnoite, joka käsittää esimerkiksi piidioksidia, polyaniliinia tai vasta-aineita käyttökohteen mukaan.The microtiter plates are preferably made of polypropylene or other PCR-compatible material. The sheet is typically uncoated but may have an overcoat comprising, for example, silica, polyaniline or antibodies, depending on the application.
Kuviot 2-4 esittävät näytteenpidintä ja mikrotiitterilevyä koottuna esimerkinomaiseen 30 lämpösyklilaitteeseen. Kuviot 2 ja 3 esittävät lämpösyklilaitteen sivunäkymiä kahtena eri leikkauksena. Kuvio 4 on vastaava näkymä ylhäältä päin. Mikrolevyyn viitataan numerolla 13 25. Näyteputkiin 26 viitataan viitenumerolla 26. Näyttccnpidin 20 on sovitettu sellaiseen asentoon, että putkien kaivot avautuvat ylöspäin mikrolevyn 25 vastaanottamiseksi. Näyt-teenpitimen 20 alapuolella on kaksi peltier-elementtiä 30, jotka on yhdistetty jäähdytyslc-vyyn 28, jossa on jäähdytysrivat 29 lämpötilan tehokasta ohjaamista varten. Näytelevy 20 5 on sovitettu kiinnitysrakenteeseen 201, johon on kiinnitetty jäykistyslevy 21, piirilevy 24 ja kiskot 22. Kiskot 22 mahdollistavat näytteenpitimen 20 ja mikrolevyn 25 liikkeen toisessa suunnassa instrumenttilaatikkoon (ei kuvattu) kiinnitettyjen luistien 23 avulla. Koko kokonaisuutta pidetään yhdessä mekaanisilla kiinnittimillä (ei kuvattu), jotka liittävät jääh-dytyslevyn 28 näytteenpitimeen 20 ja jäähdytys levyn jäykistelevyyn 21. Nämä kiinnittimet 10 kulkevat jäähdytyslevyrakenteeseen jäljestettyjen tilojen 31 läpi. Laitteessa on myös useita tiivisteitä, kuten 27, joka estää vieraita aineita pääsemästä keskellä olevaan onteloon, jossa peltier-moduulit 30 sijaitsevat.Figures 2-4 show a sample holder and a microtiter plate assembled in an exemplary thermal cycler. Figures 2 and 3 show side views of the thermal cycler in two different sections. Figure 4 is a corresponding top view. The microplate is designated by reference numeral 13 25. The sample tubes 26 are referred to by reference numeral 26. The display holder 20 is arranged so that the wells of the tubes open upwardly to receive the microplate 25. Below the sample holder 20 there are two peltier elements 30 connected to a cooling lc 28 having cooling fins 29 for effective temperature control. The sample plate 20 5 is mounted on a mounting structure 201 to which a stiffening plate 21, a printed circuit board 24 and rails 22 are mounted. The rails 22 allow the sample holder 20 and the micro plate 25 to move in the other direction by slides 23 attached to the instrument box (not shown). The entire assembly is held together by mechanical fasteners (not shown) that connect the heat sink 28 to the sample holder 20 and the cooling plate stiffener plate 21. These fasteners 10 pass through the space 31, which is imitated in the heat sink structure. The device also has a plurality of seals, such as 27, which prevents foreign matter from entering the central cavity in which the peltier modules 30 are located.
Elimet lämmön lisäämiseksi näytteeseen ja poistamiseksi siitä on tyypillisesti mekaanisesti 15 yhdistetty näytteenpitimen toiseen pintaan. Keksinnön edullisessa suoritusmuodossa lämpöä lisätään ja poistetaan näytteenpitimen pohjapinnan ja hukkalämmön poistamiseen käytettävän jäähdytyslcvyn kanssa läheiseen termiseen yhteyteen painettujen yhden tai usean peltier-elementin avulla. Näytteenpitimen ja peltier-elementtien sekä peltier-elementtien ja jäähdytyslevyn välissä voidaan käyttää 1 ämpöliittymämateriaaleja elementtien välisen ter-20 misen kontaktin parantamiseksi. Näytteenpitimen lämpötilan tarkkailemiseksi voidaan järjestää yksi lämpötila-anturi tai useita lämpötila-antureita ja peltier-elementeille syötettävän tehon modulointia ohjaa tietokone siten, että saavutetaan tarkka lämpötilan säätö. Anturi mittaa jäähdytyslcvyn lämpötilaa ja tietokone moduloi ilmaa jäähdytyslevyn ripojen läpi puhaltavan puhaltimen nopeutta jäähdytyslevyn hukkalämmön poistonopeuden ohjaami-25 seksi.The means for applying heat to and removing heat from the sample are typically mechanically connected to one surface of the sample holder. In a preferred embodiment of the invention, heat is added and removed by means of one or more peltier elements printed in close thermal communication with the bottom surface of the sample holder and the cooling plate used to remove waste heat. Between the sample holder and the peltier elements and between the peltier elements and the heat sink, 1 thermal interface material may be used to improve the thermal contact between the elements. One or more temperature sensors may be provided to monitor the sample holder temperature and the modulation of the power supplied to the peltier elements is controlled by the computer to achieve accurate temperature control. The sensor measures the temperature of the heat sink and the computer modulates the speed of the blower blowing air through the fins of the heat sink to control the heat dissipation rate of the heat sink.
Useita edellä kuvattuja näytteenpitimiä ja levyjä voidaan käyttää rinnakkain dimensioiltaan esimerkiksi SBS-standardin mukaisen yksikön tuottamiseksi käyttämällä vastaavaa lämpö-syklilaitetta. Kun kullekin pitimelle järjestetään erilliset lämmitys- ja jäähdytyslaitteet, 30 pidinten kunkin levyn lämpötilaa voidaan säätää itsenäisesti. Yhteensopivuus näytteen ja levyjen käsittelyrobotiikan ja analyysilaitteiden kanssa kuitenkin säilytetään.The multiple sample holders and plates described above can be used in parallel to produce a unit of, for example, a SBS standard using a corresponding thermal cycler. When separate heating and cooling devices are provided for each holder, the temperature of each plate of the holders can be independently adjusted. However, compatibility with sample and plate processing robotics and analysis equipment is maintained.
14 Käytännössä teho- ja ohjauselimet on tyypillisesti järjestetty elektronisten elementtien muodossa PCR-prosessin tärkeimpien toimintojen suorittamiseksi. Ohjelmistoelementtejä voidaan käyttää prosessin automaattisen tarkkailun ja käyttöliittymän toteuttamiseen. Lisäksi on jäljestetty mekaaniset elementit, joiden avulla varmistetaan, että putket ovat tuke-5 vasti näytteenpitimessä näytteiden helpon käsittelyn auttamiseksi ja kaikkien laitteen komponenttien kiinnittämiseksi ja paikallaan pitämiseksi. Alan ammattilainen voi helposti suunnitella kaikki nämä elementit.In practice, power and control elements are typically arranged in the form of electronic elements to perform the most important functions of the PCR process. The software elements can be used to implement an automatic process monitoring and user interface. In addition, mechanical elements are provided to ensure that the tubes are supported in the specimen holder to facilitate easy handling of the specimens and to secure and hold all components of the apparatus. All of these elements can be easily designed by the skilled artisan.
Esillä olevan laitteen lämpöä keskittävän luonteen vuoksi voidaan käyttää pienempitehoi-10 siä teholähteitä termisen suorituskyvyn etuja menettämättä. Tavanomaisissa laitteissa teholähteen tehon pienentäminen on aina tehty lämpövaihdosnopeuden tai muiden suori-tusominaisuuksien kustannuksella.Due to the heat-concentrating nature of the present device, lower power supplies can be used without losing the benefits of thermal performance. In conventional devices, power supply power reduction is always done at the expense of heat exchange rate or other performance characteristics.
Erään suoritusmuodon mukaan lämpösyklilaite saa käyttötehonsa muusta kuin sähköverk-15 kolähteestä, esimerkiksi laitteen omasta tai lämpösyklilaitteen kanssa käytettävän isäntä- laitteen akusta tai generaattorista. Tällöin lämpösyklilaite käsittää edullisesti liittimen (esimerkiksi pistukan tai pistokkeen) sähkötehon syöttämiseksi tehonlähteestä. Isäntälaite voi käsittää esimerkiksi ajoneuvon, jota käytetään lämpösyklilaitteen kuljettamiseen. Tässä dokumentissa kuvattujen suoritusmuotojen avulla saavutettava alhainen tehonkulutus mah-20 dollistaa jopa akkukäyttöisen lämpösyklilaitteen käyttämisen useiden tuntien tai jopa päivien ajan.According to one embodiment, the thermal cycler is powered by a non-mains power source, for example, the battery of the device itself or the battery or generator of the host device used with the thermal cycler. In this case, the thermal cycler preferably comprises a connector (for example, a plug or plug) for supplying electrical power from a power source. The master device may comprise, for example, a vehicle used to drive the thermal cycler. The low power consumption achieved by the embodiments described in this document allows even the use of a battery-operated thermal cycler for several hours or even days.
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FI20080245A FI121164B (en) | 2005-09-06 | 2008-03-28 | Thermocycles with optimized sample holder geometry |
Applications Claiming Priority (8)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US71490305P | 2005-09-06 | 2005-09-06 | |
| US71490305 | 2005-09-06 | ||
| FI20050881 | 2005-09-06 | ||
| FI20050881A FI20050881L (en) | 2005-09-06 | 2005-09-06 | Thermal cycler and microtitre plate |
| PCT/FI2006/050378 WO2007028860A1 (en) | 2005-09-06 | 2006-09-05 | Thermal cycler with optimized sample holder geometry |
| FI2006050378 | 2006-09-05 | ||
| FI20080245A FI121164B (en) | 2005-09-06 | 2008-03-28 | Thermocycles with optimized sample holder geometry |
| FI20080245 | 2008-03-28 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FI20080245A FI20080245A (en) | 2008-05-28 |
| FI121164B true FI121164B (en) | 2010-08-13 |
Family
ID=39269414
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FI20080245A FI121164B (en) | 2005-09-06 | 2008-03-28 | Thermocycles with optimized sample holder geometry |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FI (1) | FI121164B (en) |
-
2008
- 2008-03-28 FI FI20080245A patent/FI121164B/en active IP Right Grant
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FI20080245A (en) | 2008-05-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9604219B2 (en) | Thermal cycler with optimized sample holder geometry | |
| US9428800B2 (en) | Thermal cycling apparatus and method | |
| US20210316311A1 (en) | Fluidic device and method for preparing a sample substrate | |
| JP6181370B2 (en) | Assay card for sample acquisition, processing and reaction | |
| JP2009509144A (en) | Thermal cycler for microfluidic array assays | |
| US20080038163A1 (en) | Systems and Methods for Cooling in Biological Analysis Instruments | |
| US20150328634A1 (en) | Case for containing biological samples and corresponding method of use | |
| EP2760583B1 (en) | Systems for biological analysis | |
| CN104602817A (en) | Apparatus, systems, and methods for performing thermal melt analyses and amplifications | |
| CN107796758B (en) | Assembly and apparatus and method for performing temperature dependent reactions | |
| JP2015534824A (en) | Case for containing biological sample and corresponding method of use | |
| WO2004024330A2 (en) | Thermocycler and sample holder | |
| FI121164B (en) | Thermocycles with optimized sample holder geometry | |
| CN116731842A (en) | Reaction tank device and PCR instrument | |
| CN214300154U (en) | Bearing system and sequencing device | |
| AU2021364598A1 (en) | System and method for rapid multiplexed sample processing with applications for nucleic acid amplification assays | |
| Hardt et al. | Development of a slug-flow PCR chip with minimum heating cycle times | |
| CN220467974U (en) | Reaction tank device and PCR instrument | |
| CN213931682U (en) | Temperature control device, bearing system and sequencing device | |
| JP2004298017A (en) | Array for reaction to convert probe into solid phase amplifying nucleic acid and detecting hybridization | |
| EP2916955A1 (en) | Case for containing biological samples and corresponding method of use |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FG | Patent granted |
Ref document number: 121164 Country of ref document: FI |