JP2017104134A - 化学的または生物学的反応を実行するためのデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】化学的または生物学的反応を実行するためのデバイスの提供。【解決手段】本発明は、いくつかの反応槽を備えたマイクロタイタープレートを受容するための反応槽受容素子での化学的または生物学的反応を実行するためのデバイスに関し、反応槽受容素子は、それぞれの反応槽を受容するための規則的パターンに配設されたいくつかの陥凹部、反応槽受容素子を加熱するための加熱デバイス、および反応槽を冷却するための冷却デバイスを有する。本発明は、反応槽受容素子がいくつかのセグメントに分割されるという事実によって特徴付けられる。個々のセグメントは、互いから熱的に分断され、各セグメントには、他とは独立して作動されてもよい加熱デバイスが割り当てられている。反応槽受容素子のセグメント化を用いて、ゾーンを異なる温度に設定し保持することが可能である。【選択図】図１３

Description

関連出願
この出願は、２００６年９月６日に出願された米国出願第１１／４７０，４６３号（これは、２００２年１２月２３日に出願された米国出願第１０／０８９，１３６号の一部継続である、２００５年５月１３日に出願された米国仮出願第６０／６８０，８９１号への利益を主張する）の一部継続である、２００７年９月５日に出願された米国第１１／８５０，３４５号への利益を主張するＰＣＴ出願である。これらの全ては、それらの全体が、参考として本明細書に援用される。

発明の分野
本発明は、反応槽を受けるための反応槽受容素子での化学的または生物学的反応を実行するためのデバイスに関し、該反応槽受容素子は、反応槽を受けるための規則的なパターンに配設されたいくつかの陥凹部、反応槽受容素子を加熱するための加熱素子、および反応槽受容素子を冷却するための冷却デバイスを有する。

導入
生物学的または化学的試料に対する試験は、しばしば、複数の試料を一連の温度サイクルに繰り返し供するためのデバイスを必要とする。そのようなデバイスは、サーモサイクラーまたはサーモサイクリングデバイスとして説明され、特定の温度サイクルを生成するために、すなわち、反応槽内における所定温度を設定し所定の時間間隔を維持するために使用される。

この種類の従来のデバイスは、特許文献１から知られている。開示されているデバイスは、４つの反応槽受容素子を有し、それぞれが規則的パターンに配設された陥凹部を備える。反応槽を備えるマイクロタイタープレートが陥凹部に挿入され得るように、陥凹部のパターンは、標準的なマイクロタイタープレートの反応層の既知のパターンに対応する。

反応槽受容素子の加熱および冷却デバイスは、反応槽受容素子上にわたる段階的な温度勾配が生成され得るように設計される。これは、温度サイクルの間、個々の反応槽において異なる温度を得ることができることを意味する。これにより、同時に異なる温度である実験を行うことができるようになる。

この段階的な温度勾配は、ＰＣＲ反応の最適変性温度、最適アニール温度、および最適延長温度を決定するために使用される。これを達成するために、同じ反応混合物を個々の反応槽に注ぎ、ＰＣＲ反応を行うために必要な温度サイクルを実行する。そのような温度サイクルは、通常９０〜９５℃の範囲内にある変性温度までの反応混合物の加熱、通常４０〜６０℃の範囲内のアニール温度までの冷却、および通常７０〜７５℃の範囲内の延長温度までの加熱を含む。必要に応じて、各サイクルの時間も変動し得る。この種類のサイクルは数回繰り返され、所定のＤＮＡ配列の増幅につながる。

段階的な温度勾配が設定され得るため、個々の反応槽において異なるが、所定の温度が設定される。サイクルの完了後、反応生成物を活用して、ＰＣＲ反応が最適な結果をユーザに与える温度を決定することができる。ここで、例えば、生成物の体積、またはさらに生成物の品質の点で、結果が最適化され得る。

プライマーが加えられるアニール温度は、結果に大きな影響を与える。しかしながら、延長温度もまた、有益な、または有害な影響を結果に与える可能性がある。延長温度がより高いと、塩基の添加が促進され、温度が高いほど誤差の可能性が増加する。さらに、延長温度がより高いと、ポリメラーゼの寿命がより短くなる。

段階的な温度勾配を設定することができるサーモサイクリングデバイスは、単一のサーモサイクリングデバイス内で反応混合物が同時に異なる温度のサイクルを受けることができるため、所望温度の決定を非常に容易化する。

ＰＣＲ反応の成功のための他の重要なパラメータは、異なる反応槽に広がる異なる滞留容積である。従来のデバイスでは、個々の反応槽ホルダに対する１つの試験の組においてこれらのパラメータを変えることができないため、問題が生じる。異なる滞留容積を試験するために、いくつかの試験の組が必要であり、１つのサーモサイクリングデバイスにおいて連続的に、またはいくつかのサーモサイクリングデバイスにおいて同時に行われる。

この目的のために、それぞれ別個の冷却、加熱、および制御デバイスを備えたいくつかの反応槽受容素子を有する、いわゆるマルチブロックサーモサイクリングデバイスが存在する（特許文献１参照）。試験されるべき反応混合物は、互いに独立した試験のために、いくつかのマイクロタイタープレート上に分配されていなければならない。

いくつかのサーモサイクリングデバイスもしくはマルチブロックサーモサイクリングデバイスを有する必要があるか、またはいくつかの連続した試験の組で試験を行う必要があるため、従来のサーモサイクリングデバイスを使用した最適滞留時間、温度変化速度（ramprate）、および滞留容積の決定では問題が生じる。いくつかのサーモサイクリングデバイスまたはマルチブロックサーモサイクリングデバイスを獲得することは費用を要し、また連続していくつかの試験の組を行うことは時間がかかり過ぎる。さらに、いくつかのマイクロタイタープレートの一部の反応槽のみに充填し、別個の試験の組において後者のそれぞれが試験されて最適化される場合は、取扱いが煩雑である。自動的に操作されるデバイスの場合、および反応混合物がさらなる操作に供される場合には、いくつかのマイクロタイタープレートが別個に取り扱われなければならないため、これは特に不利である。また、例えば、反応生成物を電気泳動装置に運搬するための試料コーム等の、さらなる処理のためのデバイスが、マイクロタイタープレートのグリッド上に配置されている場合が多く、つまり、マイクロタイタープレートの一部の反応槽のみが使用される場合、さらなる処理がそれに応じて制限されるため、マイクロタイタープレートの一部の反応槽のみが充填される場合は極めて非実用的である。

特許文献２は、いくつかの試料の個々の制御された加熱のためのデバイスを開示している。このデバイスは、作業表面上にグリッドパターンで配設されるいくつかの平坦加熱素子を有する。加熱素子の下には、加熱素子全体にわたり延在する冷却デバイスが形成されている。操作中、特別設計の試料プレートが作業表面上に設置される。この試料プレートは、下側をフィルムで被覆されたグリッドプレートを有する。試料はグリッドプレートの陥凹部に注がれる。このデバイスにおいて、試料は、フィルムによってのみ隔離された個々の加熱素子上にある。この手段により、直接的な熱伝達が得られる。特別設計のマイクロタイタープレートが使用されなければならず、市販のものは使用できないため、このデバイスでは問題が生じる。

さらに、バイオテクノロジーにおける自動化の増加に伴い、サーモサイクラーは、自動化された生産ラインにおいて、またいくつかの作業場の１つとしてロボットとともにますます使用されてきている。ここで、１つの作業場から次の作業場へマイクロタイタープレート内で試料が移動することが慣例である。特許文献２により開示されているサーモサイクラーでは、温度調節の前に、試料をマイクロタイタープレートから特別設計の試料プレートにピペットで移し、温度調節後に試料プレートからマイクロタイタープレートにピペットで移さなければならないため、問題が生じる。ここで試料の汚染の危険性がある。したがって、この特別設計の試料プレートの使用は、極めて不利であるとみなさなければならない。

米国特許第５，５２５，３００号明細書 米国特許第５，８１９，８４２号明細書

このように、サーモサイクラーの試料ブロックの温度を制御するための方法およびシステムを提供するために、従来技術のこれらの問題および他の問題を克服する必要性がある。

要旨
種々の実施形態によれば、本発明の教示は、生物学的または化学的試料を処理するためのサーモサイクラーを含む。サーモサイクラーは、１つのマイクロタイタープレートを受けるように構成され、また複数のゾーンを画定するように構成される試料ブロックと、該複数のゾーンのそれぞれに配置される熱電冷却デバイス（ＴＥＣ）とを含むことができ、ＴＥＣは、制御温度近くまでのゾーンの粗い加熱を提供する。サーモサイクラーは、複数のゾーンのそれぞれに配置される加熱素子をさらに含むことができ、該加熱素子は、およそ制御温度までのゾーンの細かい加熱を提供する。

種々の実施形態によれば、本発明の教示はまた、生物学的または化学的試料を処理するためのシステムを含む。システムは、複数のゾーンを画定する試料ブロックと、複数のセグメントに分離するように構成される分離可能なマイクロタイタープレートとを含むことができ、該複数のセグメントは該複数のゾーンに対応する。システムは、複数のゾーンのそれぞれに配置される熱電冷却デバイス（ＴＥＣ）と、複数のゾーンのそれぞれに配置される温度センサとをさらに含むことができる。システムはまた、複数のゾーンのそれぞれに配置される加熱素子を含むことができ、ＴＥＣはゾーンの粗い加熱を提供し、加熱素子はゾーンの細かい加熱を提供する。

種々の実施形態によれば、本発明の教示は、生物学的または化学的試料を処理するための方法をさらに含む。方法は、マイクロタイタープレートの第１の部分における試料を、試料ブロックの第１のゾーンを加熱することにより温度Ｔ_ｄ１で変性させるステップを含むことができ、第１の熱電冷却デバイス（ＴＥＣ）は、Ｔ_ｄ１に近い温度までの第１のゾーンの粗い加熱を提供し、第１の加熱素子は、およそＴ_ｄ１までの第１のゾーンの細かい加熱を提供する。方法はまた、マイクロタイタープレートの第２の部分における試料を、試料ブロックの第２のゾーンを加熱することにより温度Ｔ_ｄ２で変性させるステップを含むことができ、第２の熱電冷却デバイス（ＴＥＣ）は、Ｔ_ｄ２に近い温度までの第２のゾーンの粗い加熱を提供し、第２の加熱素子は、およそＴ_ｄ２までの第２のゾーンの細かい加熱を提供する。

上記概要および以下の詳細な説明の両方は、例示および説明のみを目的としており、請求されるように、本発明を制限しない。

本明細書に組み入れられ、その一部を成す添付の図面は、本発明のいくつかの実施形態を示し、説明と併せて、本発明の原理を解説する役目を果たす。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
生物学的または化学的試料を処理するためのサーモサイクラーであって、
１つのマイクロタイタープレートを受容するように構成され、かつ複数のセグメントを画定するように構成される試料ブロックと、
該複数のセグメントのそれぞれに対応するように配置される複数の熱電冷却デバイス（ＴＥＣ）と、
を備え、該ＴＥＣは、加熱および冷却を提供する、サーモサイクラー。
（項目２）
複数のゾーンのそれぞれに配置される１つ以上の温度センサをさらに備える、項目１に記載のサーモサイクラー。
（項目３）
上記複数のセグメントのそれぞれに配置される加熱素子をさらに備え、該加熱素子は、およそ制御温度までの該セグメントの細かい加熱を提供する、項目１に記載のサーモサイクラー。
（項目４）
複数の電力増幅器と、
該複数の電力増幅器から上記ＴＥＣまで電流フローを方向付ける、上記複数のゾーンのそれぞれに対するスイッチと、
をさらに備える、項目１に記載のサーモサイクラー。
（項目５）
上記複数のセグメントのそれぞれに配置される上記熱電冷却デバイスは、単一ユニットに統合される、項目１に記載のサーモサイクラー。
（項目６）
上記熱電冷却デバイスは、それぞれダイシングを備える、項目５に記載のサーモサイクラー。
（項目７）
励起光源と、リアルタイムＰＣＲを監視するための検出器とをさらに備える、項目１に記載のサーモサイクラー。
（項目８）
上記複数のセグメントにおける上記試料をＣＣＤで光学的に結合する画像化光学系をさらに備える、項目７に記載のサーモサイクラー。
（項目９）
上記複数のセグメントにおける上記試料を、それらのセグメント上での動きにより光学的に結合する走査ヘッドをさらに備える、項目７に記載のサーモサイクラー。
（項目１０）
生物学的または化学的試料を処理するための方法であって、
マイクロタイタープレートの第１の部分における試料を、試料ブロックの第１のゾーンを加熱することにより温度Ｔ_ｄ１で変性させるステップであって、第１の熱電冷却デバイス（ＴＥＣ）は、加熱および冷却を提供する、ステップと、
該マイクロタイタープレートの第２の部分における試料を、該試料ブロックの第２のゾーンを加熱することにより温度Ｔ_ｄ２で変性させるステップであって、第２の熱電冷却デバイス（ＴＥＣ）は、加熱および冷却を提供する、ステップと、
を含む、方法。
（項目１１）
上記第１の熱電冷却デバイスは、Ｔ_ｄ１に近い温度までの上記第１のゾーンの粗い加熱を提供し、第１の加熱素子は、およそＴ_ｄ１までの該第１のゾーンの細かい加熱を提供する、項目１０に記載の方法。
（項目１２）
上記第２の熱電冷却デバイスは、Ｔ_ｄ２に近い温度までの上記第２のゾーンの粗い加熱を提供し、第２の加熱素子は、およそＴ_ｄ２までの該第２のゾーンの細かい加熱を提供する、項目１０に記載の方法。
（項目１３）
上記マイクロタイタープレートの第３の部分における試料を、上記試料ブロックの第３のゾーンを加熱することにより第３の温度Ｔ_ｄ３で変性させるステップをさらに含み、Ｔ_ｄ２≠Ｔ_ｄ３であり、Ｔ_ｄ１＞Ｔ_ｄ２である、項目１０に記載の方法。
（項目１４）
上記マイクロタイタープレートの第３の部分における試料を、上記試料ブロックの第３のゾーンを加熱することにより第３の温度Ｔ_ｄ３で変性させるステップをさらに含み、Ｔ_ｄ１≠Ｔ_ｄ２およびＴ_ｄ１＜Ｔ_ｄ２である、項目１０に記載の方法。
（項目１５）
上記マイクロタイタープレートの上記第１の部分における試料を、上記試料ブロックの上記第１のゾーンを冷却することにより温度Ｔ_ａ１でアニールするステップと、
該マイクロタイタープレートの上記第２の部分における試料を、該試料ブロックの上記第２のゾーンを冷却することにより温度Ｔ_ａ２でアニールするステップと、
をさらに含み、Ｔ_ａ２は、Ｔ_ａ１と等しくない、項目１０に記載の方法。
（項目１６）
上記マイクロタイタープレートの上記第１の部分における試料を、上記試料ブロックの上記第１のゾーンを加熱することにより温度Ｔ_ｅ１で延長させるステップと、
該マイクロタイタープレートの上記第２の部分における試料を、該試料ブロックの上記第２のゾーンを加熱することにより温度Ｔ_ｅ２で延長させるステップと、
をさらに含み、Ｔ_ｅ２は、Ｔ_ｅ１と等しくない、項目１５に記載の方法。
（項目１７）
少なくとも１つの、上記マイクロタイタープレートの上記第１の部分における試料を変性させるステップ、アニールするステップ、および延長させるステップを、第１のサイクル数だけ繰り返すステップと、
少なくとも１つの、該マイクロタイタープレートの上記第２の部分における試料を変性させるステップ、アニールするステップ、および延長させるステップを、第２のサイクル数だけ繰り返すステップと、
をさらに含み、該第１のサイクル数は、該第２のサイクル数と等しくない、項目１０に記載の方法。
（項目１８）
上記マイクロタイタープレートの上記第１の部分における試料をアニールする上記第１のセグメントを冷却する速度は、該マイクロタイタープレートの上記第２の部分における試料をアニールする上記第２のセグメントを冷却する速度と等しくない、項目１５に記載の方法。
（項目１９）
Ｔ_ｄ１への温度変化速度は、Ｔ_ｄ２への温度変化速度と等しくない、項目１０に記載の方法。
（項目２０）
マイクロタイタープレートの上記第１の部分における試料の体積は、該マイクロタイタープレートの上記第２の部分における試料の体積と異なる、項目１０に記載の方法。
（項目２１）
上記マイクロタイタープレートの上記第１の部分における試料をアニールするための滞留時間は、該マイクロタイタープレートの上記第２の部分における試料をアニールするための滞留時間と異なる、項目１５に記載の方法。
（項目２２）
上記マイクロタイタープレートの上記第１の部分における試料を延長させるための滞留時間は、該マイクロタイタープレートの上記第２の部分における試料を延長させるための滞留時間と異なる、項目１６に記載の方法。
（項目２３）
上記マイクロタイタープレートの第３の部分における試料を変性させるステップをさらに含み、該マイクロタイタープレートの上記第１の部分、上記第２の部分、および該第３の部分における試料は、異なる熱的および化学的プロトコルを受ける、項目１０に記載の方法。
（項目２４）
各々の型の標的に対して異なる熱的および化学的プロトコルを同時に使用して、３つ以上の型の標的を独立して増幅するステップをさらに含む、項目１０に記載の方法。
（項目２５）
上記マイクロタイタープレートは、６つの部分を備え、該６つの部分は、独立したゾーンの増幅に使用される、項目２４に記載の方法。

一実施形態に従い、化学的または生物学的反応を実行するための、本発明によるデバイスの断面図である。 他の実施形態に従い、化学的または生物学的反応を実行するための、本発明によるデバイスのある領域の断面図である。 図２のデバイスの略平面図である。 他の実施形態によるデバイスの略平面図である。 図４のデバイスの線Ａ−Ａに沿った断面における領域を示す図である。 異なるセグメントの反応槽受容素子の略平面図である。 異なるセグメントの反応槽受容素子の略平面図である。 異なるセグメントの反応槽受容素子の略平面図である。 異なるセグメントの反応槽受容素子の略平面図である。 クランプ枠の平面図である。 反応槽受容素子のセグメントが図１０によるクランプ枠で固定された、本発明によるデバイスを示す図である。 反応槽受容素子のセグメントが図１０によるクランプ枠で固定された、本発明によるデバイスのさらなる実施形態を示す断面図である。 本発明の教示に従う、サーモサイクリングデバイスの分解斜視図である。 本発明の教示に従う、ＴＥＣの斜視図である。 本発明の教示に従う、他のサーモサイクリングデバイスの分解斜視図である。 本発明の教示に従う、ヒートパイプ冷却器を含む他のサーモサイクリングデバイスの分解斜視図である。 本発明の教示に従う、複数のゾーンを画定するように構成される試料ブロックの斜視図である。 本発明の教示に従う、試料ブロックセグメントの斜視図である。 本発明の教示に従う、試料ブロックセグメントの斜視図である。 本発明の教示に従う、複数の試料ブロックセグメントを固定するように構成される滴受けの斜視図である。 本発明の教示に従う、例示的ゾーンの斜視図である。 本発明の教示に従う、複数の電力増幅器からの電流を加熱／冷却素子に方向付ける複数のスイッチの概略図である。 本発明の教示に従う、マイクロタイタープレートの斜視図である。 本発明の教示に従う、マイクロタイタープレートにおける溝の斜視図である。 本発明の教示に従う、モジュール式マイクロタイタープレートの斜視図である。 本発明の教示に従う、モジュール式マイクロタイタープレートホルダの斜視図である。 本発明の教示に従う、マイクロタイタープレートの斜視図である。 本発明の教示に従う、機械加工された試料ブロックセグメントを示す図である。 本発明の教示に従う、金属射出成形により形成された試料ブロックセグメントを示す図である。 本発明の教示に従う、金属射出成形により形成された試料ブロックセグメントを示す図である。 本発明の教示に従う、金属射出成形により形成された他の試料ブロックセグメントを示す図である。 本発明の教示に従う、異なる標的の同時ゾーンの増幅のための６つのゾーンを含むサーマルサイクラーの上面図である。 本発明の教示に従う、異なる標的の同時ゾーンの増幅のための６つのゾーンにおける変性ステップを示すチャートである。 本発明の教示に従う、蛍光検出のための例示的画像化光学系(imagingoptics)を示す図である。 試料ブロックセグメントにおけるリアルタイムＰＣＲの検出の異なる実施形態を示す図である。 試料ブロックセグメントにおけるリアルタイムＰＣＲの検出の異なる実施形態を示す図である。

以下の説明において、本明細書の一部を形成し、また本発明が実施される特定の例示的実施形態が例示目的で示される添付の図面を参照する。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施することができるように十分詳細に説明され、また他の実施形態も使用することができ、本発明の範囲から逸脱することなく変更を行うことができることを理解されたい。したがって、以下の説明は、限定された意味で考慮されるべきではない。

本発明の広い範囲を示す数値的範囲およびパラメータは近似であるが、特定の実施例で示される数値は、可能な限り正確に報告されている。しかしながら、いかなる数値も、本質的に、それぞれの試験測定値に見出される標準偏差から必然的に生じるある特定の誤差を含む。さらに、本明細書に開示されるすべての範囲は、それに含まれるありとあらゆる部分範囲を包含することが理解されるべきである。例えば、「１０未満」の範囲は、最小値ゼロと最大値１０の間（およびそれらを含む）のありとあらゆる部分範囲、すなわち、ゼロ以上の最小値および１０以下の最大値を有するあらゆる部分範囲、例えば１から５を含むことができる。

本明細書で使用される場合、「試料プレート」、「マイクロタイタープレート」、および「マイクロプレート」という用語は、交換可能であり、化学的および生物学的試料の試験のためのマルチウェル型試料容器を指す。マイクロプレートは、円錐型、円筒型、直線型、テーパ型、および／または平底形状のウェルを有することができ、単一材料または複数種類の材料から構成することができる。マイクロプレートは、ＳＢＳ標準に準拠してもよく、または非標準であってもよい。マイクロプレートは、開放型（例えば密封フィルムまたはキャップで閉鎖される）であっても、または閉鎖容器型（例えば、米国特許第６，８２５，０４７号に記載のマイクロカード）であってもよい。開放型マイクロプレートは、例えば、ピペット（手持ち式、ロボット式等）または貫通孔分配プレートを用いて充填することができる。閉鎖容器型マイクロプレートは、例えば、チャネルを通して、または容器を形成するように閉鎖することにより充填することができる。

図１から２１は、いくつかのセグメントに分割された反応槽受容素子を含む方法およびシステムの例示的実施形態を示し、個々のセグメントは熱的に分断され、各セグメントには独立して作動可能な加熱素子が割り当てられている。

この手段により、デバイスの個々のセグメントは、互いに独立して異なる温度に設定され得る。これにより、セグメントにおいて異なる温度レベルを設定するだけでなく、その温度を種々の長さの時間で保持する、または異なる変化速度で変更することが可能となる。したがって、本発明によるデバイスは、ＰＣＲプロセスに重要となるすべての物理的パラメータの最適化を可能とする一方、マイクロタイタープレートを挿入することができる単一の反応槽受容素子に対し最適化プロセスを行うことができる。

したがって、本発明によるデバイスを用いて、その目的のために反応混合物を異なるマイクロタイタープレート上に分配する必要なく、滞留時間および温度変化速度を最適化することも可能である。さらに、異なる反応槽セグメントにわたり、混合物容積を変えることにより、混合物容積を最適化することも可能である。

本発明によるサーモサイクリングデバイスは、特に、いくつかの異なるプライマーが使用される多重ＰＣＲプロセスの最適化に好適である。

図１は、化学的または生物学的反応を行うための本発明によるデバイス１の第１の実施形態を、概略的な断面図として示す。

デバイスは、底部３および側壁４を備える筐体２を有する。底部３の上方に、およびそれに平行して、中間壁５が位置し、その上にいくつかのベース５ａが形成されている。図１に示される実施形態において、全部で６つのベース５ａが設けられ、２つの行に３つずつベース５ａが配置されている。

ベース５ａのそれぞれには、熱交換器６、ペルチェ素子７、および反応槽受容素子９のセグメント８が装着されている。熱交換器６は冷却装置の一部であり、ペルチェ素子７は、組み合わされた加熱および冷却デバイスの一部である。ベース５ａ上に装着された素子（熱交換器、ペルチェ素子、セグメント）は、これらの素子の間で良好な熱伝達が達成されるように良好な熱伝導特性を有する接着樹脂により接着され、素子はまた、セグメント素子１０に強固に接続される。デバイスは、全部で６つのそのようなセグメント素子１０を有する。接着樹脂の代わりに、熱伝導フィルムまたは熱伝導ペーストを提供することもできる。

反応槽受容素子９のセグメント８のそれぞれは、その上に管状の薄肉反応槽ホルダ１２が一体的に形成されるベースプレート１１を有する。図１に示される実施形態では、それぞれの場合において４×４の反応槽ホルダ１２がベースプレート１１上に配置される。隣接セグメント８間の距離ｄは、すべてのセグメントＳの反応槽ホルダ１２が、一定のグリッド間隔Ｄを有する規則的パターンで配設されるような距離である。グリッド間隔Ｄは、反応槽を備えた標準化されたマイクロタイタープレートが反応槽ホルダ１２に挿入され得るように選択される。他の種々の実施形態において、Ｄは一定ではなく、所望の用途における要求を満たすように変動する。

隣接セグメント間に距離ｄを提供することにより、セグメント８およびセグメント１０をそれぞれ熱的に分断する空隙が形成される。

図１に示されるデバイスの反応槽ホルダ１２は、全部で９６個の反応槽ホルダとグリッドを形成し、８つの行にそれぞれ１２個の反応槽ホルダ１２が配置される。９６個より多い、あるいは少ない反応槽ホルダを含む実施形態が企図されることが、当業者には理解される。

ペルチェ素子７は、それぞれ、第１の制御ユニット１３に電気的に接続される。熱交換器６のそれぞれは、別個の冷却回路１４を介して第２の制御ユニット１５に接続される。使用される冷媒は、例えば、熱交換器６のうちの１つへの伝達の前に冷温制御ユニットで冷却される水である。

第１の制御ユニット１３および第２の制御ユニット１５は、デバイス中で実行されるべき温度サイクルを制御する中央制御ユニット１６に接続される。それぞれの冷却回路１４には制御弁１９が挿入され、これは中央制御ユニット１６により制御されてそれぞれの制御回路１４を開放または閉鎖する。

筐体２には、ペルチェ素子、加熱フィルム、または半導体加熱素子の形態の追加の加熱素子１８が位置することができるカバー１７が、枢動可能に取り付けられている。加熱素子１８はカバー加熱素子を形成し、各加熱素子１８が独立して作動され得るように、それぞれセグメント８に割り当てられて別個に第１の制御ユニット１３に接続される。種々の実施形態において、加熱素子１８は、反応槽セグメントのすべてを覆うか、または重なっていくつかのセグメントを覆う、単一または複数の加熱素子であってもよい。

本発明によるデバイスの操作形態を以下に詳細に説明する。

３つの操作形態がある。

第１の操作形態では、すべてのセグメントが同じ温度に設定され、すなわち同じ温度サイクルがすべてのセグメントに対し実行される。この操作形態は、従来のサーモサイクリングデバイスの操作に対応する。

第２の操作形態では、セグメントは異なる温度で作動され、隣接セグメント８の温度差ΔＴが、例えば、５〜１５℃の値の所定値Ｋよりも小さくなるように温度が制御される。Ｋに選ばれる値は、断熱の質に依存する。断熱が良好なほど、Ｋに対し選ぶことができる値は大きい。

ユーザにより入力される温度サイクルは、隣接セグメント間の温度差が可能な限り小さくなるように、中央制御ユニット１６により自動的にセグメント８に分配され得る。

この第２の操作形態は、ユーザが単一の温度サイクルまたはＰＣＲサイクルのみを入力し、次いで、中央制御ユニット１６がこのサイクルを自動的に変動させる機能により提供され得る。温度、滞留時間、混合物体積、または温度変化速度等の変動されるべきパラメータは、別個に、または組み合わせて、ユーザにより選択され得る。パラメータの変動は、直線状またはシグモイド状の分布によりもたらされる。

第３の操作形態では、セグメントの一部のみが作動される。平面図（図３、図４、図６から９）において、セグメント８は側縁２０を有する。この操作形態において、作動したセグメント８の側縁に隣接したセグメント８は作動していない。セグメント８自体が規則的パターン（図３、図４、図６、図７、および図８）を形成する場合には、作動したセグメントはチェス盤状パターンに分布する。図１から４に示される実施形態では、６つのセグメント８のうちの３つ、つまり１つの行の２つの外側のセグメントと別の行の中央のセグメントを作動することができる。

この操作形態では、作動したセグメントは他のセグメントの影響を受けず、それらの温度は他の作動したセグメントとは完全に独立して設定することができる。この手段により、個々のセグメントに対して極めて異なる温度サイクルを実行することが可能であり、例えば、セグメントの１つを変性温度まで加熱し、他のセグメントをアニール温度に保持することができる。したがって、滞留時間、すなわち、変性温度、アニール温度、および延長温度が保持される時間間隔、さらに温度変化速度を要望通りに設定し、個々のセグメントに対して同時に実行することができる。このように、温度だけでなく、滞留時間、混合物体積、および温度変化速度をも最適化することが可能である。

この操作形態では、非作動セグメント８を少しだけ加熱し、それらの温度が大まかに隣接した作動セグメントの最低温度の範囲にあるようにするのが好都合となり得る。これにより、非作動セグメントが作動セグメントのヒートシンクを形成してそれらの温度プロファイルに悪影響を与えることが回避される。

本発明による第２の実施形態を図２および３に示す。基本的な設計は図１の設計に対応しているため、同一の部分には同じ参照番号が付されている。

第２の実施形態は、筐体２の側壁４に隣接したセグメント８の側縁２０が、側壁４の内面に沿って延在する溝２１に嵌合し、例えば、接着によりそこに固定されるという点で、第１の実施形態と異なる。この手段により、個々のセグメント素子１０は間隙を介して固定され、それによりセグメント素子１０の間に空隙が形成されても、すべての反応槽ホルダ１２は、マイクロタイタープレートの反応槽のパターンに配設される。筐体２の側壁４は、非熱伝導材料で作製される。この実施形態はまた、筐体２とは別個に形成された枠に溝２１が導入されるように変更されてもよい。枠およびそれに挿入されるセグメントは、製造中に別個に取り扱うことができる部品を形成し、加熱および冷却デバイスに接着される。

第３の実施形態を図４および５に概略的に示す。この実施形態では、セグメント素子１０間、およびセグメント素子１０と筐体２の側壁４との間の領域で、非熱伝導材料の結束２２がセグメント８のベースプレート１１のやや下方に位置している。セグメント８の側縁２０およびベースプレート１１のそれぞれに、下方に湾曲する係止素子２３が形成される。係止素子２３は、結束２２の対応する陥凹部に嵌合し（図５）、それによりセグメント８を適所に固定する。隣接セグメント８の係止素子２３は、互いと相対的にオフセットされている。したがって、結束２２はグリッドを形成し、その開口部のそれぞれに、セグメント８が挿入され得る。

この種類の位置固定は、セグメント８と結束２２との間の領域の境界が非常に小さく、それに対応して、結束２２を介した熱伝達が低いため、非常に有利である。さらに、この配置は、隣接セグメント素子間の限定空間条件でさえも実現するのが容易である。

図６から９の平面図には、本発明によるデバイスのさらなる変形を表す反応槽受容素子９が示されている。これらの反応槽受容素子９には、単一ユニットを形成するように結合された断熱材料のウェブ２４により、個々のセグメント８が結合されている。結束２２は、ベースプレート１１の側縁２０の間に配置され、例えば、接着によりそれに固定される。

図６の反応槽受容素子のセグメント化は、第１および第２の実施形態（図１‐３）に対応し、４×４の反応槽ホルダが各セグメントＢ上に配置されている。

図７に示される反応槽受容素子９は、２４個のセグメント８を備え、それぞれ２×２の反応槽ホルダ１２を有し、一方でセグメント８は、断熱ウェブ２４を用いて接続されている。

図８に示される反応槽受容素子９において、各セグメント８は、単一の反応槽ホルダ１２のみを有する。

比較的細かく細分化された反応槽受容素子９では、サーモサイクリングデバイスに温度センサを統合するのが好都合である。これらの温度センサは、セグメント８の温度が温度センサにより測定された温度値に基づき閉じた制御ループで調整されるように、個々のセグメントの温度を感知する。

例えば、温度センサとして、カバー内等に位置する赤外線センサが使用されてもよい。このセンサの配置により、反応混合物の温度を直接感知することが可能である。

図９は、平面図において長方形の６つのセグメント８と、反応層ホルダ１２の３つの交差する行により形成される二重十字の形態のセグメント８ａとを有する反応槽受容素子９を示す。６つの長方形セグメント８は、それぞれ、反応槽ホルダの行または列により、隣の長方形セグメントから隔離されている。このセグメント化は、長方形セグメント８が互いに接触せず、したがって、二重十字の形態のセグメント８ａのみが作動されることなく要望通りに同時に作動され得るため、上述の第３の操作形態に特に有利である。

反応槽受容素子９のセグメント８は、良好な熱伝導特性を有する材料、例えば、アルミニウムから作製される。非熱伝導材料または断熱材料として上述した材料は、プラスチックまたはセラミックである。

本発明によるデバイスのさらなる実施形態を図１１に示す。この実施形態では、反応槽受容素子９の個々のセグメント８ｂは、クランプ枠２５を用いて適所に固定される（図１０）。

クランプ枠２５はグリッド形状であり、縦方向の結束２６および交差する結束により形成され、結束２６、２７は開口部にわたり延在する。これらの開口部は、セグメント８ｂの反応槽ホルダ１２に延在する。本実施形態において、結束２６、２７は、例えば、反応槽ホルダ１２、および反応槽ホルダから突出するベースプレート１１にしっかり接触している。２５は、穴２８を備え、これを通して貫通ボルト２９がクランプ枠をサーモサイクリングデバイス１に固定する。

セグメント８ｂのそれぞれの下方には、別個に作動可能なペルチェ素子７、およびすべてのセグメント８ｂの領域にわたり延在する冷却素子３０が位置する。それぞれの場合において、冷却素子３０とペルチェ素子７との間、およびペルチェ素子７とそれぞれのセグメント８ｂとの間には、熱伝導ホイル３１が位置する。冷却素子３０は、ボルト２９がそれを通して延在する穴を備え、ボルトはそれぞれ、ナット３２により、反応槽受容素子９から離れて面する冷却素子３０の側部に固定される。

クランプ枠２５は、非熱伝導材料、特にＰＯＭまたはポリカーボネートから作製される。したがって、反応槽受容素子９のセグメント８ｂの固定を可能とし、セグメント８ｂと冷却素子３０との間の個々の素子が張力下となり、それにより個々の素子間の水平方向の良好な熱伝達が確保される。クランプ枠自体は熱伝導特性に乏しいため、２つの隣接セグメント８ｂ間の熱伝達は低く保たれる。２つの隣接セグメント間の熱伝達をさらに低減するために、ウェブに隣り合う領域においてクランプ枠２５とセグメント８ｂとの間に空隙が形成されるように、セグメント８ｂと接触するクランプ枠２５の表面に狭いウェブが提供されてもよい。

図１１に示される実施形態において、反応槽ホルダ１２の２つの行毎の間にいわゆるヒートパイプ３３が取り付けられる。そのようなヒートパイプは、例えば、米国のＴＨＥＲＭＡＣＯＲＥ ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ， Ｉｎｃ．社から配給されている。これは、ごく微量の流体のみが存在する気密外被を備える。ヒートパイプ内の圧力は低いため、流体は液体と凝集状態の気体が平衡状態となり、結果的にヒートパイプのより温かい部分で蒸発し、より涼しい部分で凝縮する。この手段により、個々の部分の間の温度が平衡化される。使用される流体は、例えば、水またはフレオンである。

反応槽受容素子９のセグメント８ｂへのそのようなヒートパイプの統合により、セグメント８ｂにわたり温度の平衡化が行われる。この手段により、セグメント８ｂ全体にわたり同じ温度が存在することが確実となる。

本発明によるサーモサイクリングデバイス１のさらなる実施形態を図１２に示す。このサーモサイクリングデバイスの設計は図１１の設計と類似しているため、類似した部分には同じ参照番号が付されている。

しかしながら、このサーモサイクリングデバイス１のセグメント８ｃは、ヒートパイプを有さない。ヒートパイプの代わりに、温度平衡化プレート３４がセグメント８ｃのそれぞれの下の領域に提供されている。これらの温度平衡化プレート３４は、セグメント８ｃの１つの基本表面に対応する表面を有する平坦な素子である。これらの温度平衡化プレート３４は、微量の流体を有する中空体であり、ヒートパイプと同じ原理で機能する。この手段により、ここでも、セグメント８ｃ内で温度変動がないことが確実となる。

しかしながら、温度平衡化プレートは、例えば、銅等の良好な熱伝導性を有する材料から作製され得る。追加の加熱および／または冷却素子、例えば、加熱ホイル、加熱コイルまたはペルチェ素子を、そのような温度平衡化プレートに統合してもよい。加熱および冷却素子は、均質性をサポートし、より急速な加熱および／または冷却速度を可能にする。好ましくは、一般に均一な温度分布を有さないペルチェ素子が平坦加熱素子と組み合わされる。

上述の反応槽受容素子は、略管状の反応槽ホルダを有するベースプレートを備える。本発明の範囲内で、マイクロタイタープレートの反応槽を受容するための陥凹部が作製された、例えば、金属で形成された試料ブロックを使用することも可能である。

図１３および１３Ｂは、本発明の教示に従い生物学的または化学的試料を処理するための例示的サーモサイクラーを示す分解斜視図である。図１３を参照すると、サーモサイクラー１は、試料ブロック３５と、試料ブロック３５に隣接して配置される複数の加熱素子１８と、例えば、ペルチェデバイス等の複数の熱電冷却デバイス（ＴＥＣ）７と、複数の温度センサ（図示せず）とを含むことができる。種々の実施形態において、複数の第１の金属プレート３６が、複数の加熱素子１８と複数のＴＥＣ７との間に配置され得る。また、第２の金属プレート３７が、複数のＴＥＣ７とヒートシンク３８との間に配置され得る。

図１３Ｂを参照すると、他の例示的なサーモサイクラーが示されている。サーモサイクラー２は、試料ブロック３５と、試料ブロック３５に隣接して配置される第１の熱界面材料１３６と、第１の熱界面材料１３６と第２の熱界面材料１３７との間に配置される、例えば、ペルチェデバイス等の複数の熱電冷却デバイス（ＴＥＣ）７とを含むことができる。サーモサイクラー２は、第１の金属プレート３６およびヒートシンク３８をさらに含むことができる。

試料ブロック３５は、アルミニウム、銀、金、および銅等の金属、炭素、または導電性ポリマーを含むがこれらに限定されない、良好な熱伝導性を示すいかなる材料で形成されてもよい。試料ブロック３５は、１つのマイクロタイタープレートを受容するように構成され得る。例えば、試料ブロック３５の頂部は、マイクロタイタープレートにおけるウェルに対応して配列する複数の陥凹部を含むことができる。例えば、一般的なマイクロタイタープレートは、８×１２の配列として配置される９６の窪み、１６×２４の配列として配置される３８４の窪み、および８×６の配列または１６×３の配列として配置される４８の窪みを含むことができる。あるいは、試料ブロックは、平坦であるかまたは陥凹部を有さず、マイクロプレートの平底ウェルまたはマイクロカードの容器の平坦部と整合してもよい。

試料ブロック３５は、複数のゾーンを画定するように構成され得る。図１４Ａは、６つのゾーン３９〜４４を画定するように構成される試料ブロック３５の底部の斜視図を示す。試料ブロック３５の頂部を一体としてマイクロタイタープレートを受容するように構成することができるが、底部は６つの部分４５〜５０として構成され、底部のそれぞれの部分はゾーン３９〜４４の１つを形成することができる。したがって、試料ブロック３５１における各ウェルは、ゾーン３９〜４４の１つに含まれる。示された実施形態においては、試料プレート３５の頂部は、ウェルが８×１２の配列として構成される標準的な９６ウェルマイクロプレートを受容することができる。６つの底部の部分４５〜５０により画定される６つのゾーン３９〜４４のそれぞれは、したがって、２×８の配列のウェルを含む。

種々の実施形態によれば、試料ブロックは、各セグメントがゾーンを画定する複数の別個の試料ブロックセグメントを備えることができる。図１４Ｂは、１６ウェルを含むセグメント５１を示す。例えば、６つのセグメント５１を使用して、１つの９６ウェルマイクロプレートを受容する試料ブロックを形成することができる。例えば、図１４Ｄに示される滴受け７７を使用して、セグメント５１を位置付けることができる。種々の実施形態において、滴受け７７は、複数の溝７８、およびセグメント５１を保持するための複数のブリッジ８０を有することができる。滴受け７７は、熱可塑性樹脂を含むがこれに限定されない、いかなる好適な材料で形成することもできる。溝７８は、セグメント５１を適所に保持するためのアンダーカット７９をさらに含むことができる。また、アンダーカット７９とセグメント５１上のフランジ部との間にシール（図示せず）を配置してもよい。次いで、セグメント５１は、例えばねじを用いて固定することができる。このようにして、１つのゾーンから隣接ゾーンへの熱流束を最小限に留めることができ、また、各ゾーンでの熱の均一性を提供することができる。開示される試料ブロックおよび滴受けは例示的なものであり、試料ブロックおよび／または滴受けは、他の標準的なマイクロタイタープレートを受容するように構成することができ、また６つ未満、または６つを超えるセグメントで形成することができることが、当業者には理解される。

図１４Ｃに示されるように、他の種々の実施形態において、試料ブロックセグメント５２は、マイクロカード形式に対応する平坦表面を含むことができる。マイクロカード形式は、マイクロカード内の異なる容器を熱的に隔離するためにセグメント化される平底金属ホイルを含むことができる。

各ゾーンは、加熱素子１８をさらに含むことができる。加熱素子１８は、例えば、当業者に知られた抵抗加熱器であってもよく、例えば、ゾーンにわたり均一に熱を分布させるためのホイルまたはループとして形成され得る。他の実施形態において、加熱素子１８は、例えば、Ｋａｐｔｏｎ加熱器等の、抵抗インク加熱器または接着剤付き加熱器であってもよい。

種々の実施形態において、各ゾーンは、第１の金属プレートを含むこともできる。図１３に示されるように、第１の金属プレート３６は、加熱素子１８とＴＥＣ７との間に配置され得る。

各ゾーンは、例えば、ペルチェデバイス等のＴＥＣをさらに含む。複数のゾーンに対応するように複数のＴＥＣ７を構成することができる。例えば、複数のＴＥＣ７は、試料ブロック３５により画定される６つのゾーンに対応することができる。種々の実施形態によれば、ＴＥＣ７は、制御温度近くまでの粗い加熱を提供することができ、加熱素子１８は、およそ制御温度までの細かい加熱を提供することができる。ＴＥＣがすべての加熱および冷却を提供してもよい。本明細書で使用される場合、「制御温度」は、例えば、ＰＣＲ反応中の変性、アニール、および延長のための温度等、ユーザにより設定可能なあらゆる所望の温度を指す。複数のＴＥＣのそれぞれは、複数のＴＥＣの他のものに影響を与えることなく独立して機能することができる。これは、ゾーンのそれぞれにおける改善された温度制御を提供することができる。

種々の実施形態において、ＴＥＣ７は単一ユニットに統合することができる。図１３Ａに示されるように、ＴＥＣ７１は、第１のゾーン７２および第２のゾーン７３を含む２つのゾーンＴＥＣとなり得る。第１のゾーン７２および第２のゾーン７３は、隙間７４により隔離され得るが、例えば、共通の基礎を共有している。種々の実施形態において、ＴＥＣ７１の電気接続８１は、他の電気接続、例えば加熱素子１８の電気接続の方向とは反対の方向に配向することができる。これは、電気接続の経路決定をより容易とし、また電気接続間の干渉を最小限化することができる。各ＴＥＣゾーンは、試料ブロックの異なるゾーンに、加熱および／または冷却を独立して提供することができる。２つ以上のＴＥＣゾーンを単一ユニットに統合することにより、性能、整合性、および組立の容易性を改善することができる。種々の実施形態において、ＴＥＣの寿命を改善するためにダイシング（dicing）を使用することができる。線７５として示されるダイシングはまた、ＴＥＣの熱応力を低減し、連結部７６に対する熱応力を低減することができる。２つのゾーンＴＥＣは例示的なものであり、２つを超えるゾーンも企図されることが、当業者には理解される。

種々の実施形態において、サーモサイクラーは、ＴＥＣ７とヒートシンク３８との間に配置される第２の金属プレート３７をさらに含むことができる。種々の実施形態において、セグメント化されたブロックは、単一のＴＥＣデバイスにより冷却され、各セグメントに対し個別化された抵抗加熱器により加熱され得る。あるいは、セグメント化されたブロックは、各セグメントに対し個別化されたＴＥＣにより冷却され、単一の抵抗加熱器により加熱され得る。

サーモサイクラー１は、少なくとも上述の３つの形態で操作し得る。第１の形態では、各ゾーンが同じ温度に設定される。第２の形態では、ゾーンのそれぞれが異なる温度で作動される。また、第３の形態では、ゾーンのごく一部が利用される。例示的な操作方法において、サーモサイクラー１は、ＰＣＲ用の生物学的または化学的試料を処理することができる。図１３および１４Ａを参照すると、試料ブロック３５は、６つのゾーン３９〜４４を画定することができる。ゾーン３９〜４４は、３つの操作形態のうちの１つで、変性温度Ｔ_ｄまで加熱され得る。種々の実施形態において、各ゾーンを異なる温度まで加熱することができ、例えば、Ｔ_ｄ１はゾーン３９における変性温度、Ｔ_ｄ２はゾーン４０における変性温度、Ｔ_ｄ３はゾーン４１における変性温度、Ｔ_ｄ４はゾーン４２における変性温度、Ｔ_ｄ５はゾーン４３における変性温度、およびＴ_ｄ６はゾーン４４における変性温度である。例えば、Ｔ_ｄ２≠Ｔ_ｄ３およびＴ_ｄ１＞Ｔ_ｄ２であるか、またはＴ_ｄ１≠Ｔ_ｄ２およびＴ_ｄ１＜Ｔ_ｄ２である。変性温度Ｔ_{ｄ１−ｄ６}への温度変化速度およびＴ_{ｄ１−ｄ６}での滞留時間は、要望通り変更し得る。図１３に示されるように、ＴＥＣ７は、Ｔ_{ｄ１−ｄ６}近くまでの粗い加熱を提供することができ、加熱素子１８は、およそＴ_{ｄ１−ｄ６}までの細かい加熱を提供することができる。

次いで、ゾーン３９〜４４は、アニール温度Ｔ_ａまで冷却することができる。一実施形態において、各ゾーンを異なる温度まで冷却することができ、例えば、Ｔ_ａ１はゾーン３９におけるアニール温度、Ｔ_ａ２はゾーン４０におけるアニール温度、Ｔ_ａ３はゾーン４１におけるアニール温度、Ｔ_ａ４はゾーン４２におけるアニール温度、Ｔ_ａ５はゾーン４３におけるアニール温度、およびＴ_ａ６はゾーン４４におけるアニール温度である。アニール温度Ｔ_{ａ１−ａ６}への温度変化速度およびＴ_{ｅ１−ｅ６}での滞留時間は、要望通り変更し得る。

延長ステップの間、ゾーン３９〜４４は、次いで、延長温度Ｔ_ｅまで加熱することができる。一実施形態において、各ゾーンを異なる温度まで加熱することができ、例えば、Ｔ_ｅ１はゾーン３９における延長温度、Ｔ_ｅ２はゾーン４０における延長温度、Ｔ_ｅ３はゾーン４１における延長温度、Ｔ_ｅ４はゾーン４２における延長温度、Ｔ_ｅ５はゾーン４３における延長温度、およびＴ_ｅ６はゾーン４４における延長温度である。延長温度Ｔ_{ａ１−ａ６}への温度変化速度およびＴ_{ａ１−ａ６}での滞留時間は、所望に応じて変更し得る。図１３に示されるように、ＴＥＣ７は、Ｔ_{ｅ１−ｅ６}近くまでの粗い加熱を提供することができ、加熱素子１８は、およそＴ_{ｅ１−ｅ６}までの細かい加熱を提供することができる。

サイクル数、混合物体積、変性、アニール、および延長のステップもまた、各ゾーンに対し変動し得る。例えば、ゾーン３９における試料は、例えば、５０回等の第１のサイクル数を経験することができ、一方ゾーン４０における試料は、例えば、１００回等の第２のサイクル数を経験することができる。６つのゾーンを画定するように構成される試料ブロックを参照して例示的な方法が説明されていること、また６つを超える、または６つ未満のゾーンを使用するこができることが、当業者には理解される。他の種々の実施形態において、反応槽混合物体積は、各ゾーン３９〜４４で異なる体積で満たすことができ、各反応槽セグメントは、ＰＣＲ性能を最適化するために、充填された混合物体積に従い設定することができる。

他の例示的実施形態によれば、開示されるサーモサイクラーは、例えば、ＰＣＲの間の異なる熱的および化学的プロトコルを使用した異なる標的の独立したゾーンの増幅に使用することができる。図２５Ａを参照すると、本発明の教示の種々の実施形態によるサーマルサイクラー３の上面図が示されている。サーマルサイクラー３は、複数の別個の試料ブロックセグメント３９〜４４で形成される試料ブロック３５を含むことができる。あるいは、試料ブロック３５は、単一のセグメントで形成されてもよい。試料ブロック３５は、６つのゾーン（または部分）を含むように構成され得る。図２５Ｂに示されるように、１から６の番号を付した６つのゾーンのそれぞれは、２列（列１〜１２として示されている）および８行（行Ａ〜Ｈとして示されている）のウェルを含むことができる。各セグメントに１６ウェルを備える９６ウェル試料プレートが示されているが、各ゾーンにはそれより多い、または少ないウェルが含まれ得ることが当業者には理解される。また、６つのゾーンは例示的なものであり、６つを超える、または６つ未満のゾーンが企図されることが、当業者には理解される。

種々の実施形態によれば、異なる熱的および化学的プロトコルによる異なる標的の独立したゾーンの増幅にマルチゾーンサーマルサイクラー３を使用することができ、各ゾーンは同時に、または一部重複して実行される。図２５Ｂを参照すると、試料ブロックセグメント３９〜４４は、ゾーン１〜６として示される６つの独立したゾーンとして使用することができる。一実施例として、ゾーンは、ラムダＤＮＡ、ＨＩＶ−１ ＤＮＡ、および再配列決定テンプレート（それぞれゾーン１〜２、および５）；ラムダおよびＨＩＶ−１テンプレート（それぞれゾーン３〜４）のＢｉｇ Ｄｙｅ（登録商標）サイクル配列決定；および１８Ｓ ｒＲＮＡの逆転写酵素ＰＣＲ（ゾーン６）を、単一の９６ウェルプレート上で同時に増幅するために使用された。図２５Ｂに示される、ゾーン１のラムダＤＮＡプライマーＰＣＲ熱的プロトコルは、０．１ｎｇ／ｕＬのラムダテンプレート、０．２ｕＭのプライマー、ＰＣＲマスタミックスおよび水に対し、９４℃までの初期温度、６８℃までの冷却、および２０秒の保持の２５サイクルを含んだ。ゾーン２のＨＩＶ−１のＰＣＲ熱的プロトコルは、ＨＩＶ−１テンプレートの１０コピー、０．５ｕＭの２種類のプライマー、ＰＣＲマスタミックス、および水に対し、９５℃の初期温度、１秒の保持、６０℃までの冷却、および２０秒の保持の４０サイクルを含んだ。同様に、ゾーン５において再配列決定に使用されたプライマーに対するＰＣＲ熱的プロトコルは、１０ｎｇ／ｕＬのヒトｇＤＮＡ、８種類のプライマーのそれぞれ６００ｎＭ、マスタミックス、および水に対し、初期温度９５℃、２秒の保持、７０℃までの冷却、および４０秒の保持の４０サイクルを含んだ。さらに、ゾーン３におけるラムダテンプレートのＢｉｇ Ｄｙｅ（登録商標）サイクル配列決定は、３．２ｐｍｏｌ／ｕＬのＨＩＶ−１プライマー、４ｎｇ／ｕＬのテンプレート、Ｂｉｇ Ｄｙｅ（登録商標）ターミネータ、および水に対し、９４℃までの初期温度、６８℃までの冷却、および２０秒の保持の２５サイクルのＰＣＲ熱的プロトコルを含んだ。ゾーン４におけるＨＩＶ−１テンプレートのＢｉｇ Ｄｙｅ（登録商標）サイクル配列決定は、３．２ｐｍｏｌ／ｕＬのＨＩＶ−１プライマー、８ｎｇ／ｕＬのテンプレート、Ｂｉｇ Ｄｙｅ（登録商標）ターミネータ、および水に対し、９５℃までの初期温度、１秒の保持、６０℃までの冷却、および２０秒の保持の４０サイクルのＰＣＲ熱的プロトコルを含んだ。ゾーン６における１８Ｓ ｒＲＮＡの逆転写酵素ＰＣＲは、１０ｕＭのリボソームフォワードプライマーおよびリバースプライマー、４０ｕＭのリボソーム色素プローブ、５０ｎｇ／ｕＬのテンプレート、マスタミックス、ＭＵＬＶ−ＲＴ／Ｒｎａｓｅインヒビターミックス、ならびに水に対し、９５℃の初期温度、１秒の保持、６０℃までの冷却、および２０秒の保持の４０サイクルのＰＣＲ熱的プロトコルを含んだ。結果は、６つのセグメントを備える１ブロック内に位置付けられた単一のマイクロタイタープレートにおける異なるゾーンの試料において、ＰＣＲの指数関数的増幅およびサイクル配列決定の線形増幅の両方を行うことができることを示している。種々の実施形態において、異なる熱的プロトコルによるＰＣＲは、例えば、通常のＰＣＲ対タッチダウンＰＣＲ、２ステップＰＣＲ対３ステップＰＣＲ、通常のＰＣＲ対高速ＰＣＲ等、隣り合うゾーンで行うことができる。本発明の教示に従い、いかなる数の温度依存反応が行われてもよいことが、核酸分析分野の当業者には理解される。例えば、ＰＣＲの例示的実施例は、Ｓａｍｂｒｏｏｋら、Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｃｌｏｎｉｎｇ， ３^ｒｄ Ｅｄｉｔｉｏｎに見出すことができる。

種々の実施形態によれば、試料ブロック３５は、ゾーンが異なる形状を有する複数のゾーンを画定するように構成することができる。図１５の分解斜視図を参照すると、試料ブロック３５は、試料ブロック３５の各縁の近くのウェルを含む第１のゾーン、および試料ブロック３５の各縁から離れたウェルを含む第２のゾーンを画定するように構成することができる。例えば、第１のＴＥＣ５３は、第１のゾーンを加熱および冷却することができ、第２のＴＥＣ５４は、第２のゾーンを加熱および冷却することができる。一実施形態において、加熱素子は使用されない。この構成では、角部および／または縁部での熱損失は、加熱素子なしに補償または排除される。さらに、加熱中に貯蔵された熱は、冷却の間に補償または排除される。他の種々の実施形態において、加熱素子（図示せず）を使用することができる。この実施形態では、第１のＴＥＣ５３および第２のＴＥＣ５４は、それぞれ第１のゾーンおよび第２のゾーンの、制御温度（複数を含む）近くまでの粗い加熱を提供することができ、一方加熱素子は、第１および第２のゾーンの、およそ制御温度（複数を含む）までの細かい加熱を提供することができる。他の種々の実施形態によれば、試料ブロック３５は、図１４Ｂに示されるように、複数のセグメントで形成することができ、セグメントの形状は複数のゾーンに対応する。種々の実施形態において、図１５において長方形ＴＥＣとして説明される同心ゾーンはまた、円形であってもよい。例えば、セグメントは円形となって円形ＴＥＣを備える丸型ブロックを形成することができ、またセグメントは、単一の丸型マイクロタイタープレートまたは他の円形プラスチック試料ホルダに適合するように同心または円弧状となることができる。

種々の実施形態において、試料ブロックの複数のゾーンを加熱および／または冷却するために、複数の電力増幅器を使用して電流をＴＥＣに提供することができる。図１６を参照すると、コントローラ５５は、第１のスイッチ５６および第２のスイッチ５７を制御して、第１の電力増幅器５８および第２の電力増幅器５９からの電流フローを、第１のＴＥＣ５３および第２のＴＥＣ５４のうちの１つまたは両方に方向付けることができる。第１のスイッチ５６および第２のスイッチ５７は、例えば、リレースイッチ、ＭＯＳＦＥＴＳ、トランジスタ、ＩＧＢＴ、またはマルチプレクサデバイスであってもよい。コントローラ５５は、例えば、マイクロプロセッサまたはプログラム可能論理デバイスであってもよい。スイッチは、電力増幅器へ、またはそこから、電流フローを方向付けることができることが、当業者には理解される。

操作中、第１のスイッチ５６および第２のスイッチ５７は、任意の電力増幅器から任意のＴＥＣへ電流フローを方向付けることができる。例えば、第１のスイッチ５６および第２のスイッチ５７は、第１のゾーンを加熱および／または冷却するために第１の電力増幅器５８から第１のＴＥＣ５３に、また第２のゾーンを加熱および／または冷却するために第２の電力増幅器５９から第２のＴＥＣ５４に電流フローを方向付けることができる。あるいは、第１のスイッチ５６および第２のスイッチ５７は、第１のゾーンを加熱および／または冷却するために、例えば、第１の電力増幅器５８および第２の電力増幅器５９から第１のＴＥＣ５３に電流フローを方向付けることができる。同様に、第１のスイッチ５６および第２のスイッチ５７は、第２のゾーンを加熱および／または冷却するために、例えば、第１の電力増幅器５８および第２の電力増幅器５９から第２のＴＥＣ５４に電流フローを方向付けることができる。このように、複数のゾーンのそれぞれにおける温度を制御するための温度変化速度は、所望に応じて増加または変動され得る。２つのスイッチおよび２つの電力増幅器が示されているが、２つを超えるスイッチおよび電力増幅器を使用することができることが、当業者には理解される。

他の種々の実施形態において、生物学的または化学的試料を処理するためのシステムは、サーモサイクラーと、分離して複数のゾーンに対応する複数のセグメントとなるように構成される分離可能なマイクロタイタープレートとをさらに含むことができる。分離したマイクロタイターセグメントは、例えば、試料プレート３５により画定される複数のゾーンに対応することができる。図１７は、複数の溝６１を備える分離可能なマイクロタイタープレート６０の斜視図を示す。溝６１は、必要に応じて、ウェルの列（または行）の間に配置され得る。分離可能なマイクロタイタープレート６０は、６つの部分に分離することができ、各部分は、例えば、試料ブロック３５の１つのゾーンに対応する。図１８は、複数の分離タブ６２を含む１つの溝６１の拡大図を示す。種々の実施形態において、折り曲げるかまたは切断することによる分離を容易とするために、硬くて脆い材料を使用して分離タブ６２を形成することができる。開示される実施形態は例示的なものであり、分離可能なマイクロプレート６０は、所望に応じて６つ未満または６つを超える部分に分離するように構成され得ることが、当業者には理解される。

種々の実施形態において、マイクロタイタープレートは、ユーザに柔軟性を提供するためにモジュール式となることができる。図１９は、マイクロタイタープレートホルダ６４と、複数のマイクロタイタープレートセグメント６５とを含むモジュール式マイクロタイタープレート６３の斜視図である。示されるように、２つのマイクロタイタープレートホルダ６４が６つのマイクロタイタープレートセグメント６５を保持して標準的な９６ウェルマイクロタイタープレートを形成することができる。開示される実施形態は例示的なものであり、６つ未満または６つを超えるモジュール式マイクロタイタープレートを使用して標準的なマイクロタイタープレートを形成し得ることが、当業者には理解される。

図２０は、マイクロタイタープレートホルダ６４の斜視図を示す。種々の実施形態において、マイクロタイタープレートホルダ６４は、位置決めキー６６、ロック機能６７、および／または分断可能な結合部６８を含むことができる。例えば、マイクロタイタープレートセグメント６５を位置付けるために、１つ以上の位置決めキー６６をマイクロタイタープレートホルダ６４に沿って設置することができる。例示的実施形態において、位置決めキー６６は、その形状がマイクロタイタープレートセグメント６５における位置決めスロットに適合する突起であってもよい。マイクロタイタープレートセグメント６５の位置を固定するために、１つ以上のロック機能６７をマイクロタイタープレートホルダ６４に沿って設置することもできる。例示的実施形態において、ロック機能６７は、例えば、マイクロタイタープレートセグメント６５におけるロック穴に適合する突起であってもよい。マクロタイタープレートホルダ６４は、１つ以上の分断可能な結合部６８をさらに含むことができる。分断可能な結合部６８は、マイクロタイタープレートホルダ６４がより小さな部分に分断されて１つ以上のマイクロタイターセグメント６５を保持することを可能とすることができる。換言すると、分断可能な結合部６８が分断された後、分断されたマイクロタイタープレートホルダにより保持される１つ以上のマイクロタイターセグメント６５が、標準的な９６ウェルマイクロタイタープレートに満たないマイクロタイタープレートを形成する。

図２１は、キー溝６９を含むマイクロタイターセグメント６５の斜視図を示す。１つ以上のキー溝６９をマイクロタイターセグメント６５上に配置して、マイクロタイタープレートホルダ６４上の位置決めキー６６の位置と整合させることができる。さらに、１つ以上のキー溝６９の形状は、位置決めキー６６を受け入れるように構成することができる。マイクロタイターセグメント６５はまた、マイクロタイタープレートホルダ６４上のロック機能６７の位置と整合するように配置される１つ以上のロック穴７０を含むこともできる。さらに、１つ以上のロック穴の形状は、ロック機能６７を受け入れるように構成することができる。

種々の実施形態によれば、図１３から１５に示されるように、試料ブロック３５ならびに試料ブロックセグメント５１および５２は、一塊の金属から機械加工されるか、いくつかの金属片を互いに連結することにより形成されるか、または電鋳法により形成され得る。図２２は、サーマルサイクリング用の試料を含有することができるウェル用の陥凹部を形成するためのウェル孔２２０を含む、機械加工された試料ブロックセグメント２５１を示す。質量低減孔２３０は、試料ブロックセグメント２５１の熱質量を低減するためにブロックから質量を取り除く。側部２４０は、ブロック側部の寸法の質量を低減するために機械加工され得る。

また、金属射出成形（ＭＩＭ）により、試料ブロックおよび試料ブロックセグメントを形成することもできる。ＭＩＭは、プラスチック射出成形の設計自由度を金属の性能と組み合わせることができる。ＭＩＭは、アルミニウム、銅、タングステン、およびそれらの合金等の金属とともに使用することができる。種々の実施形態において、ＭＩＭは、非常に微細な粉末が熱可塑性ポリマー（結合剤として知られる）と混合されて、ペレット化され直接プラスチック成形機に供給される正確な成分混合物を形成する、フィードストック混合を含むことができる。このペレット化された粉末−ポリマーは、フィードストックとして知られる。金属粉末および結合剤は、混合器内で混合および加熱され、冷却されて粒状フィードストックを形成することができる。ＭＩＭは、プラスチックを溶融するためにフィードストックが加熱され、圧力により型に押し込まれて所望の形状を形成する、射出成形をさらに含むことができる。成形部品は「グリーン」部品として知られる。ＭＩＭは、ポリマーまたは結合剤が、「グリーン」部品をおよそ４００℃（またはおよそ７５２°Ｆ）に加熱することにより熱的に取り除かれる分解をさらに含むことができる。その形状およびサイズを維持しながら、分解された、または「ブラウン」部品は、非常に脆く多孔質な粉末骨格である。分解は、熱および空気フローが流入し排出生成物が流出されるオーブン内で行うことができる。オーブンは、「グリーン」部品を「ブラウン」部品に変換する。ＭＩＭは、「ブラウン」部品が１２００℃より高く加熱され、孔隙が排除された高密度固体への粉末の緻密化および焼結を進行させる、焼結をさらに含むことができる。焼結は、熱、水素ガス、およびアルゴンガスが流入する環境で行うことができる。通常、焼結密度は、理論上９８％で、鋳造と類似している。最終結果は、熱成形部品、例えば、試料ブロックである。

種々の実施形態において、ＭＩＭは、およそ１００ミリメートル×およそ１００ミリメートルのサイズを有する試料ブロックを提供することができる。典型的な９ウェル試料ブロックは、より大きな寸法を有する。しかしながら、欧州特許第１２１６０９８号に記載のような９６ウェルまたは３８４ウェルマイクロプレート用のサーマルサイクリングを提供するために、ＭＩＭによりいくつかの試料ブロックセグメントを構築することができる。

図２３Ａおよび２３Ｂを参照すると、試料ブロックセグメント２５２は、試料ウェルを取り囲む各部分に対する付着点を最小限とし、試料ウェル周囲の部分の壁の厚さを最小限として、低い熱質量を提供することができる。図２３Ｂに示されるように、試料ブロックセグメント２５２は、反応体積がおよそ５．０マイクロリットルからおよそ１００マイクロリットルまでの範囲の試料ウェルを含有するように構成される異なる構成を提供することができる。例えば、当技術分野では既知のマイクロプレート構成に対応する他の構成も想定されることが、当業者には理解される。種々の実施形態において、試料ブロック材料は、銅、アルミニウム、または銀であってもよい。以下のチャート１は、異なる材料に対する、１秒あたりの摂氏温度での温度変化速度の差を示した、本明細書に記載の試料ブロックおよび試料ブロックセグメントの比較を示す。

種々の実施形態において、本明細書に記載される試料ブロックおよび試料ブロックセグメントは、ＭＩＭにより製造することができる。ＭＩＭにより形成される試料ブロックおよび試料ブロックセグメントは、銅、銀、および／または金を含むことができる。ＭＩＭにより形成される試料ブロックおよび試料ブロックセグメントは、サーマルサイクリングのためのブロックに連結された試料ウェルの配列に含有される生物学的試料の配列にわたり、実質的な温度の均一性を提供することができる。

種々の実施形態において、生物学的試料のサーマルサイクリングのための方法は、試料ブロックおよび試料ブロックセグメントの加熱および冷却が、複数の試料ウェルに含有される複数の生物学的試料にわたる実質的な温度均一性を提供するように、本発明の教示により、ＭＩＭプロセスで製造された試料ブロックおよび試料ブロックセグメントを提供することで、提供することができる。加熱は、抵抗加熱器からの熱により提供され得る。種々の実施形態において、冷却は、加熱サイクル中に偏熱を提供するためにも使用可能な熱電モジュールで熱を排出することにより提供され得る。種々の実施形態において、冷却サイクル中に、ブロックを回転させ、それによって試料ブロックおよび試料ブロックセグメントから環境に対流的に熱を消散させることにより冷却を提供することができる。例えば、試料ブロックおよび／または試料ブロックセグメントは、円盤型の形状となり、試料ウェルを受け入れるための穴の同心円状の環を提供することができる。円盤は、中心軸に沿って回転し、熱ブロックにわたり対流を形成することができる。あるいは、任意の形状の試料ブロックおよび／または試料ブロックセグメントが、他の試料ブロックおよび／または試料ブロックセグメントにより釣り合った軸に沿って回転して、遠心分離に類似した対流を提供することができる。種々の実施形態において、空気または窒素等の吹き付けガスを提供して試料ブロックおよび／または試料ブロックセグメントと接触させることにより、冷却を達成することができる。吹き付けガスは、周囲温度を有することができるか、または周囲温度より低温に冷やされてもよい。

種々の実施形態において、ＭＩＭ試料ブロックおよび試料ブロックセグメントは、複数の試料ウェルの１つ１つが同様の厚さを有する試料ブロックの部分に囲まれるように均一に機械加工することができない厚さを有するため、ＭＩＭは、一塊の金属からの熱ブロックの機械加工によって製造することができない試料ブロックおよび試料ブロックセグメントを提供することができる。例えば、ＭＩＭは、図２３Ａおよび２３Ｂのように、試料ウェルに接触するための丸い表面、および平底を有する丸い外側表面を提供することができる。あるいは、ＭＩＭは、図２４のように、剛性のために２つ以上の外部表面を提供するとともに、試料ウェルに接触するための丸い表面以外の内部材料を取り除くことができる。また、ＭＩＭは、試料ブロックおよび試料ブロックセグメントの複数のセグメントを、機械加工よりも迅速および一貫して提供することができる。

本発明は、９６個の反応槽を有するマイクロタイタープレートを受容するための９６個の陥凹部を有する実施形態を用いて上述されている。しかしながら、本発明は、この陥凹部の数に限定されない。したがって、例えば、反応槽受容素子は、対応するマイクロタイタープレートを受容するために３８４個の陥凹部を有してもよい。上記で詳細に説明されていない本発明の特徴に関しては、請求項および図面に明白な参照がなされる。

上述の実施形態では、液体冷媒を用いた冷却デバイスが使用される。本発明の範囲内で、液体冷媒の代わりに、ガス状冷媒、特に空冷を使用することが可能である。

種々の実施形態において、複数のセグメントを有する試料ブロックを、励起光源および検出器と組み合わせて、セグメントのそれぞれにおける試料でのリアルタイムＰＣＲの監視を提供することができる。リアルタイムＰＣＲは、サーマルサイクリング中の発光（例えば、蛍光、化学発光等）を検出することにより監視することができる。種々の実施形態において、監視は、セグメントのそれぞれにおける試料をＣＣＤ等の検出器で光学的に結合するための、画像化光学系により提供され得る。画像化光学系の実施形態での蛍光検出の例を、図２６に示す。種々の実施形態において、監視は、複数のセグメントにおける試料を、そのセグメントのそれぞれの上での走査ヘッドの動きにより光学的に結合するための走査ヘッドを提供することにより提供され得る。走査ヘッドの実施形態での蛍光検出の例を、図２７Ａ―２７Ｂに示す。図２７Ａ―２７Ｂに示されるように、複数のブロックセグメント上に位置する単一のマイクロタイタープレートの二次元表面を、単一回転軸を中心とした回転を線形軸走査と組み合わせることにより、効果的に走査することができる。図２７Ａは、軸Ｌ１０２を有する回転アーム１０２０を含む走査ヘッドを有するリアルタイムサーマルサイクラーの上面図、図２７Ｂは断面図である。回転アーム１０２０は、回転作動器１０２２を介して線形スキャナ１０１０に取り付けられている。線形スキャナ１０１０は、単一線形軸Ｌ１０１を走査するように構成される。示されるように、回転作動器１０２２は、作動器１０２２の中心の周りに、試料の面に略垂直となるような紙面に垂直な軸を中心に回転する。回転作動器１０２２の回転運動を軸Ｌ１０１または線形スキャナ１０１０に沿った線形運動と組み合わせることにより、マイクロタイタープレート６４０上のいかなる位置、具体的にはいかなる試料ウェル６０８も、それらのセグメント上での動きにより、走査ヘッド１０２４と光学的に結合することができる。走査ヘッド１０２４は、少なくとも１つの励起光源および／または少なくとも１つの検出器を有する光学系を含有することができる。あるいは、励起光源および／検出器は、走査ヘッドからはずれた位置にあってもよい。例示を目的として、回転アーム１０２０は、２つの異なる位置に示されている。さらに、ある実施形態によれば、それぞれ少なくとも１つの関連した光学系を有する、複数の回転アームおよび回転作動器があってもよい。図２７Ａおよび２７Ｂに示されるように、線形作動器は、ステッピングモータ１０２５およびベルト駆動部１０２６を含むことができる。ステッピングモータは、例えば、ＮＥＭＡ１７作動器であってもよい。ベルト１０２６は、ステッピングモータ１０２５を、バネ付勢遊動輪巻取アーム１０３０に接続することができる。作動器１０２５が作動されると、ベルト駆動部１０２６に操作可能に接続されたプラットフォーム１０３２は、青銅、プラスチック、または機能的に好適な他の材料であってもよいブッシング１０２８上で動きながら、軸Ｌ１０１と平行に移動する。回転作動器１０２２は、プラットフォーム１０３２上に装着され、これも軸Ｌ１０１と平行に移動する。回転作動器１０２２は、これも例えばＮＥＭＡ１７作動器であってもよいが、その中心軸の周りに回転し、アーム１０２０および走査ヘッド１０２４を、マイクロタイタープレート６４０の種々のウェル６０８上をスイープさせるか、あるいはそれに整合させることができる。回転作動器１０２２が調節されると、アーム１０２０の縦軸Ｌ１０２は、線形軸Ｌ１０１に対し異なる角度に移動することができるが、マイクロタイタープレート６４０の二次元走査のために共通平面内に残る。したがって、例えば、線形および回転調節の組合せを使用して、走査ヘッド１０２４をウェル６０８ａ１付近に位置付けることができる。次いで、ウェル６０８ａ１〜６０８ａ１２が走査されるように、この線形軸を走査することができる。次いで、線形および回転調節の組合せを使用して、走査ヘッド１０２４をウェル６０８ｂ１２上に位置付けることができ、線形軸を走査し、ブロック３５の第１のセグメント上のウェル６０８の走査を完了することにより、次に試料行ｂを走査することができる。各セグメントにおいて行われている異なる分析および熱的プロトコルに依存して、走査ヘッド１０２４は、第１のセグメント上の走査を繰り返すか、または第２および／もしくは第３のセグメントに移動することができる。エルボー付きのアーム、線形−線形作動器等、走査ヘッドを位置付けるための他の機構が、当業者には理解される。セグメントが円形および／または同心状である種々の代替の実施形態において、浮動ヘッドスキャナを使用することができる。画像化光学系の実施形態の実施例を、図２６に示す。画像化光学系６０４は、光源６００、光学デバイス６１０、可動プラットフォーム６２０、マイクロタイタープレート６４０、検出器６０２、集束レンズ６２４、遮光部６２２、およびモータ６１６を含むことができる。光源６００は、光学デバイス６１０のうちの１つにより受光されるソースビーム６０６を放出することができる。例示の容易化のために、図２８は、可動プラットフォーム６２０上の１つの光学デバイスを示す。しかしながら、いかなる数の光学デバイスでも可動プラットフォーム６２０上に設置することができる。モータ６１６は、ステム６１８により可動プラットフォーム６２０に取り付けることができる。モータ６２０は、可動プラットフォーム６２０を移動させ、光学デバイス６１０のうちの１つをソースビーム６０６の経路上に介在させるために使用される。モータ６１６はまた、可動プラットフォーム６２０を移動させ、ソースビーム６０６がマイクロタイタープレート６４０に到達させないように遮光部６２２を介在させることができる。光学デバイス６１０は、ソースビーム６０６を受光し、一部を励起ビーム６１２として、集束レンズ６２４を通してマイクロプレート６４０における試料に方向付ける。マイクロタイタープレート６４０のウェル６０８内の試料は、ブロック３５の３つのセグメントに適合する。励起ビーム６１２は、各セグメントにおける試料中の１つ以上の色素を蛍光発光させ、発光ビーム６１４の形態で光を放出する。発光ビーム６１４は、光学デバイス６１０により受光されてから、光学デバイス６１０により検出器６０２に方向付けられることが可能である。検出器６０２は、各セグメントにおける試料中のＤＮＡ濃度を表す情報を含むデータ信号を生成する。セグメントは、検出器、例えば、ＣＣＤ上の異なる領域と関連している。検出器は、蛍光の検出がより効率的となるように、領域が各セグメントにおいて行われている分析に対応するように較正することができる。種々の実施形態によれば、光源は、改善された照射波長の均一性、光パワー出力の均一性、長時間にわたる出力の最小限の低下を提供するために使用されるＬＥＤであってもよい。さらに、ＬＥＤは、比較的低温で操作し、外部冷却をほとんどまたは全く必要としない。ある実施形態において、光源６００から放出される光のサイズは、試料上に方向付けられるエネルギー密度を最大化するために、可能な限り小さく調節することができる。図２６における画像化光学系は、励起フィルタ、二色性ミラー（ビームスプリッタ）、および発光フィルタの組を有することができる光学デバイス６１０を示す。あるいは、発光側および／または励起側のフィルタホイールは、異なる励起光および発光パターンを提供することができる。類似した励起および発光スキームが走査ヘッド光学系に適用される。

本明細書で使用される「励起光源」という用語は、蛍光発光をもたらす励起を提供することができる放射源を指す。光源は、ＬＥＤ、リンコートＬＥＤ、有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ）、リン光ＯＬＥＤ（ＰＨＯＬＥＤ）、無機−有機ＬＥＤ、量子ドット技術を使用したＬＥＤ、およびＬＥＤアレイを含むことができるが、これらに限定されない。あるいは、光源は、白色光、ハロゲンランプ、レーザ、固体レーザ、レーザダイオード、マイクロワイヤレーザ、ダイオード固体レーザ（ＤＳＳＬ）、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、薄膜エレクトロルミネセンスデバイス（ＴＦＥＬＤ）、フィラメントランプ、アークランプ、ガスランプ、および蛍光管を含むことができる。光源は、レーザ等、高い放射輝度を有することができ、または、ＬＥＤ等、低い放射輝度を有することができる。放射輝度とは、放出された光を指し、ワット毎平方センチメートル毎ステラジアンの単位で測定することができる。レーザは、実質的に単一の方向に光を放出するため、高い放射輝度を有する。ＬＥＤは、典型的には、２πステラジアンに発光するため、低い放射輝度を有する。上述の異なる種類のＬＥＤは、中程度から高程度の放射輝度を有することができる。

本明細書で使用される「検出器」という用語は、電荷結合素子（ＣＣＤ）、背面薄型冷却ＣＣＤ、正面照射ＣＣＤ、ＣＣＤアレイ、フォトダイオード、フォトダイオードアレイ、光電子増倍管（ＰＭＴ）、ＰＭＴアレイ、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）センサ、ＣＭＯＳアレイ、電荷注入デバイス（ＣＩＤ）、ＣＩＤアレイ等、光を検出することができるいかなるコンポーネント、それらの一部、またはコンポーネントのシステムを指す。検出器は、データの格納、相関、および／または操作のために、例えばコンピュータ等のデータ収集デバイスや他の信号処理システムに情報をリレーするように構成され得る。

本明細書で開示される本発明の仕様および実践を考慮して、本発明の他の実施形態も当業者には明らかとなるだろう。明細書および実施例は例示のみとしてみなされ、本発明の真の範囲および精神は、以下の請求項によって示されることが意図される。

Claims (26)

1. 生物学的または化学的試料を処理するためのサーモサイクラーであって、
   １つのマイクロタイタープレートを受容するように構成され、かつ複数のセグメントを画定するように構成される試料ブロックであって、各セグメントが別個の試料ブロックセグメントから形成されることにより、該複数のセグメントが分離可能に互いに固定されて該試料ブロックが形成され、各セグメントは、該試料ブロック内で受容されたときに該マイクロタイタープレートのそれぞれの部分と直接接触するように構成される、試料ブロックと、
   該複数のセグメントのそれぞれに対応するように配置される複数の熱電冷却デバイス（ＴＥＣ）であって、該ＴＥＣは、加熱および冷却を提供する、複数の熱電冷却デバイス（ＴＥＣ）と、
   該複数のＴＥＣのうちの第１のＴＥＣおよび該複数のＴＥＣのうちの第２のＴＥＣに電気的に接続された少なくとも１つの制御ユニットであって、該少なくとも１つの制御ユニットは、（ａ）第１の温度および第２の温度を示すデータを格納し、（ｂ）該第１のＴＥＣおよび該第２のＴＥＣを制御することにより、該試料ブロックの第１のゾーンを加熱することによって該マイクロタイタープレートの第１の部分であって、第１の別個の試料ブロックセグメントと接触する第１の部分を該第１の温度に維持し、該試料ブロックの第２のゾーンを加熱することによって該マイクロタイタープレートの第２の部分であって、第２の別個の試料ブロックセグメントと接触する第２の部分を該第２の温度に維持し、該試料ブロックの該第１のゾーンと該試料ブロックの該第２のゾーンとは、互いに熱的に絶縁されている、少なくとも１つの制御ユニットと、
   励起光源と、リアルタイムＰＣＲを監視するための検出器と、
   を備え、
   該複数のセグメントのそれぞれは、１つよりも多いウェルを含む、サーモサイクラー。
2. 複数のゾーンのそれぞれに配置される１つ以上の温度センサをさらに備える、請求項１に記載のサーモサイクラー。
3. 前記複数のセグメントのそれぞれに配置される加熱素子をさらに備え、該加熱素子は、およそ制御温度までの該セグメントの細かい加熱を提供する、請求項１に記載のサーモサイクラー。
4. 複数の電力増幅器と、
   該複数の電力増幅器から前記ＴＥＣまで電流フローを方向付ける、前記複数のゾーンのそれぞれに対するスイッチと、
   をさらに備える、請求項１に記載のサーモサイクラー。
5. 前記複数のセグメントのそれぞれに配置される前記熱電冷却デバイスは、単一ユニットに統合される、請求項１に記載のサーモサイクラー。
6. 前記熱電冷却デバイスは、それぞれダイシングを備える、請求項５に記載のサーモサイクラー。
7. 前記複数のセグメントにおける前記試料をＣＣＤで光学的に結合する画像化光学系をさらに備える、請求項１に記載のサーモサイクラー。
8. 前記複数のセグメントにおける前記試料を、それらのセグメント上での動きにより光学的に結合する走査ヘッドをさらに備える、請求項１に記載のサーモサイクラー。
9. 生物学的または化学的試料を処理するための方法であって、
   マイクロタイタープレートの第１の部分における試料を、試料ブロックの第１のゾーンを加熱することにより温度Ｔ _ｄ１ で変性させるステップであって、第１の熱電冷却デバイス（ＴＥＣ）は、加熱および冷却を提供する、ステップと、
   該マイクロタイタープレートの第２の部分における試料を、該試料ブロックの第２のゾーンを加熱することにより温度Ｔ _ｄ２ で変性させるステップであって、第２の熱電冷却デバイス（ＴＥＣ）は、加熱および冷却を提供し、該試料ブロックの該第１のゾーンと該試料ブロックの該第２のゾーンとは、互いに熱的に絶縁されている、ステップと、
   該第１のＴＥＣおよび該第２のＴＥＣに電気的に接続された少なくとも１つの制御ユニットを提供するステップであって、該少なくとも１つの制御ユニットは、（ａ）温度Ｔ _ｄ１ および温度Ｔ _ｄ２ を示すデータを格納し、（ｂ）該第１のＴＥＣおよび該第２のＴＥＣを制御することにより、該マイクロタイタープレートの該第１の部分を温度Ｔ _ｄ１ に維持し、該マイクロタイタープレートの該第２の部分を温度Ｔ _ｄ２ に維持する、ステップと、
   を含み、
   該第１のゾーンおよび第２のゾーンは、該試料ブロック上で１つよりも多いウェルを含み、
   該試料ブロックは、複数のセグメントを画定するように構成され、各セグメントが別個の試料ブロックセグメントから形成されることにより、該複数のセグメントが分離可能に互いに固定されて該試料ブロックが形成され、各セグメントは、該マイクロタイタープレートが該試料ブロック内で受容されたときに該マイクロタイタープレートのそれぞれの部分と直接接触するように構成される、方法。
10. 前記第１の熱電冷却デバイスは、Ｔ _ｄ１ に近い温度までの前記第１のゾーンの粗い加熱を提供し、第１の加熱素子は、およそＴ _ｄ１ までの該第１のゾーンの細かい加熱を提供する、請求項９に記載の方法。
11. 前記第２の熱電冷却デバイスは、Ｔ _ｄ２ に近い温度までの前記第２のゾーンの粗い加熱を提供し、第２の加熱素子は、およそＴ _ｄ２ までの該第２のゾーンの細かい加熱を提供する、請求項９に記載の方法。
12. 前記マイクロタイタープレートの第３の部分における試料を、前記試料ブロックの第３のゾーンを加熱することにより第３の温度Ｔ _ｄ３ で変性させるステップをさらに含み、Ｔ _ｄ２ ≠Ｔ _ｄ３ であり、Ｔ _ｄ１ ＞Ｔ _ｄ２ である、請求項９に記載の方法。
13. 前記マイクロタイタープレートの第３の部分における試料を、前記試料ブロックの第３のゾーンを加熱することにより第３の温度Ｔ _ｄ３ で変性させるステップをさらに含み、Ｔ _ｄ１ ≠Ｔ _ｄ２ およびＴ _ｄ１ ＜Ｔ _ｄ２ である、請求項９に記載の方法。
14. 前記マイクロタイタープレートの前記第１の部分における試料を、前記試料ブロックの前記第１のゾーンを冷却することにより温度Ｔ _ａ１ でアニールするステップと、
    該マイクロタイタープレートの前記第２の部分における試料を、該試料ブロックの前記第２のゾーンを冷却することにより温度Ｔ _ａ２ でアニールするステップと、
    をさらに含み、Ｔ _ａ２ は、Ｔ _ａ１ と等しくない、請求項９に記載の方法。
15. 前記マイクロタイタープレートの前記第１の部分における試料を、前記試料ブロックの前記第１のゾーンを加熱することにより温度Ｔ _ｅ１ で延長させるステップと、
    該マイクロタイタープレートの前記第２の部分における試料を、該試料ブロックの前記第２のゾーンを加熱することにより温度Ｔ _ｅ２ で延長させるステップと、
    をさらに含み、Ｔ _ｅ２ は、Ｔ _ｅ１ と等しくない、請求項１４に記載の方法。
16. 少なくとも１つの、前記マイクロタイタープレートの前記第１の部分における試料を変性させるステップ、アニールするステップ、および延長させるステップを、第１のサイクル数だけ繰り返すステップと、
    少なくとも１つの、該マイクロタイタープレートの前記第２の部分における試料を変性させるステップ、アニールするステップ、および延長させるステップを、第２のサイクル数だけ繰り返すステップと、
    をさらに含み、該第１のサイクル数は、該第２のサイクル数と等しくない、請求項９に記載の方法。
17. 前記マイクロタイタープレートの前記第１の部分における試料をアニールする前記第１のセグメントを冷却する速度は、該マイクロタイタープレートの前記第２の部分における試料をアニールする前記第２のセグメントを冷却する速度と等しくない、請求項１４に記載の方法。
18. Ｔ _ｄ１ への温度変化速度は、Ｔ _ｄ２ への温度変化速度と等しくない、請求項９に記載の方法。
19. マイクロタイタープレートの前記第１の部分における試料の体積は、該マイクロタイタープレートの前記第２の部分における試料の体積と異なる、請求項９に記載の方法。
20. 前記マイクロタイタープレートの前記第１の部分における試料をアニールするための滞留時間は、該マイクロタイタープレートの前記第２の部分における試料をアニールするための滞留時間と異なる、請求項１４に記載の方法。
21. 前記マイクロタイタープレートの前記第１の部分における試料を延長させるための滞留時間は、該マイクロタイタープレートの前記第２の部分における試料を延長させるための滞留時間と異なる、請求項１５に記載の方法。
22. 前記マイクロタイタープレートの第３の部分における試料を変性させるステップをさらに含み、該マイクロタイタープレートの前記第１の部分、前記第２の部分、および該第３の部分における試料は、異なる熱的および化学的プロトコルを受ける、請求項９に記載の方法。
23. 各々の型の標的に対して異なる熱的および化学的プロトコルを同時に使用して、３つ以上の型の標的を独立して増幅するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
24. 前記マイクロタイタープレートは、６つの部分を備え、該６つの部分は、独立したゾーンの増幅に使用される、請求項２３に記載の方法。
25. 前記第１のゾーンおよび前記第２のゾーンは、互いから熱的に分断され、前記第１のＴＥＣおよび前記第２のＴＥＣのそれぞれは、他方から独立的に作動可能である、請求項１に記載のサーモサイクラー。
26. 前記第１のゾーンおよび前記第２のゾーンは、互いから熱的に分断され、前記第１のＴＥＣおよび前記第２のＴＥＣのそれぞれは、他方から独立的に作動可能である、請求項９に記載の方法。

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