FI121164B - Lämpösyklilaite optimoidulla näytteenpidingeometrialla - Google Patents

Description

LÄMPÖSYKLILAITE OPTIMOIDULLA NÄYTTEENPIDIN GE OME TRI ALL A

Keksinnön tausta

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

SBS-mikrotiitterilevystandardien noudattaminen on mahdollistanut robotiikkaratkaisujen, 25 esimerkiksi nesteenkäsittelykoneiden, helpon integroinnin näytteiden valmisteluprosessiin, ja sillä on ollut suuri vaikutus mahdollisuuteen lisätä näytteiden käsittelykapasiteettia.

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.

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.

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.

15 Keksinnön yhteenveto

Esillä olevan keksinnön tavoite on tuottaa uudenlainen lämpösyklilaite.

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.

Keksinnön tavoitteena on myös tuottaa uusi käyttö mikrotiitterilevylle ja uudenlainen näyt-25 teenpidin.

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.

30 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.

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.

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.

25

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.

30 6 Lämpösyklilaitteelle on erityisemmin tunnusmerkillistä se, mitä patenttivaatimuksessa 1 sanotaan.

Käytölle on tunnusmerkillistä se, mitä patenttivaatimuksessa 7 sanotaan.

5

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.

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.

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.

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.

15

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).

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.

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.

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.

10

Keksintöä kuvataan seuraavassa yksityiskohtaisemmin viitaten oheisiin piirustuksiin, jotka kuvaavat keksinnön esimerkinomaista suoritusmuotoa.

Piirustusten lyhyt kuvaus 15 Kuvio 1 esittää perspektiivinäkymänä esillä olevan keksinnön mukaisen mikrotiitterilevyn ja näytteenpitimen suoritusmuotoa,

Kuvio 2 esittää sivunäkymänä esillä olevan keksinnön mukaista lämpösyklilaitteen suoritusmuotoa,

Kuvio 3 esittää poikkileikkauksena kuvion 2 jäijestelyä, jossa kaksi peltier-elementtiä on 20 sovitettu näytteenpitimen ja kuvatun jäähdytyslevyn väliin, ja

Kuvio 4 esittää mikrotiitterilevyä näytteenpitimessä ylhäältä nähtynä.

Keksinnön yksityiskohtainen kuvaus

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.

9

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Claims (8)

15

1. Lämpösyklilaite, joka on suunniteltu altistamaan useita näytteitä lämpösyklikäsittelylle, joka lämpösyklilaite käsittää 5. näytteenpitimen (20), jossa on ensimmäinen ylempi pinta (10) ja toinen alempi lämmönsiirtopinta (13), mainitun ensimmäisen pinnan ollessa näytteitä vastaanottava pinta (11), joka käsittää useita ruudukoksi jäijestettyjä näytesyvennyksiä, joilla on 9 mm, 4,5 mm tai 2,25 mm välistys ja näytesyvennysten lukumäärä näytteenpitimen (20) ensimmäisessä suunnassa on 8 9 mm välistykselle, 16 4,5 mm välistyk- 10 selle ja 32 2,25 mm välistykselle, ja välineet näytteenpitimen automaattiseksi, ohjatuksi lämmittämiseksi ja jäähdyttämiseksi, jotka välineet käsittävät näytteenpitimen (20) lämmönsiirtopintaan (13) termisesti yhdistetyn peltier-moduulin (30), jolloin 15. näytteenpitimen (20) muoto on sellainen, että lämmönsiirtopinnan (13) pinta-ala on suurempi kuin näytettä vastaanottavan pinnan (11) pinta-ala, tunnettu siitä, että - näytesyvennysten lukumäärä näytteenpitimen toisessa suunnassa, joka on kohtisuora mainitulle näytteenpitimen (20) ensimmäiselle suunnalle, vastaa 12:n mur- 20 to-osaa 9 mm välistyksellä, 24:n murto-osaa 4,5 mm välistyksellä ja 48:n murto- osaa 2,25 mm välistyksellä, ja - peltier-moduulin (30) ja näytteenpitimen (20) lämmönsiirtopinnan (13) pinta-alojen suhde on 0,8 -1,2 näytteiden kohdistetun lämmittämisen tai jäähdyttämisen aikaansaamiseksi. 25

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen lämpösyklilaite, tunnettu siitä, että näytteenpitimen (20) lämmönsiirtopinnan (13) ja näytteitä vastaanottavan pinnan (10) pinta-alojen suhde on yhtä suuri tai pienempi kuin mainitun murto-osan käänteisluku. 16

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen lämpösyklilaite, tunnettu siitä, että näytteenpiti-men lämmönsiirtopinnan (13) ja näytettä vastaanottavan pinnan (11) pinta-alojen suhde on 1,2-9, edullisesti 1,2-4, erityisesti 1,2-2.

4. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen lämpösyklilaite, tunnettu siitä, että peltier-moduuli (30) on termisesti yhdistetty jäähdytyslcvyyn.

5. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen lämpösyklilaite, tunnettu siitä, että se käsittää liittimen sähkötehon syöttämiseksi lämpösyklilaitteeseen itsenäisestä tehonläh- 10 teestä, esimerkiksi akusta tai isäntäyksiköstä.

6. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen lämpösyklilaite, tunnettu siitä, että mainittu muro-osa on 1/2, 1/3, 1/4 tai 1/6.

7. Ruudukoksi järjestettyjä yksittäisiä näytekaivoja (26) käsittävän mikrotiitterilevyn (25) käyttö jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukaisessa lämpösyklilaitteessa, mainitun ruudukon välistyksen ollessa on 9 mm, 4,5 mm tai 2,25 mm, ja mainitun levyn (25) näytekaivo-jen (26) lukumäärän ollessa ensimmäisessä suunnassa 8 9 mm välistykselle, 16 4,5 mm välistykselle ja 32 2,25 mm välistykselle ja toisessa suunnassa, joka on kohtisuora ensim-20 mäiselle suunnalle, 12:n murto-osa 9 mm välistyksellä, 24:n muro-osa 4,5 mm välistyksellä ja 48 :n murto-osa 2,25 mm välistyksellä.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen käyttö, tunnettu siitä, että mainittu murto-osa on 1/2, 1/3, 1/4 tai 1/6. 25 17