JP4977138B2 - 最適化されたサンプルホルダ形状を有するサーマルサイクラー - Google Patents

Description

本発明は、生体サンプルを処理するための装置、とりわけポリメラーゼ連鎖反応（Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ Ｃｈａｉｎ Ｒｅａｃｔｉｏｎ（略称「ＰＣＲ」））法によってＤＮＡ塩基配列を増幅するための装置に関する。より詳細には、本発明はサンプルホルダ部とともに、サイクラー装置のホルダ内に配置されるように設計されたマイクロタイタープレートを備えるサーマルサイクラーに関する。

サーマルサイクラーは、分子生物学においてＰＣＲやサイクルシーケンシングなどの用途で一般的に用いられる機器であり、広範な種類の機器が商業的に入手可能である。これらの機器の一部は、ＤＮＡ増幅に関する光学的検出のための固有の能力を備えており、「リアルタイム」機器と呼ばれる。これらは非リアルタイムサーマルサイクラーとは異なる用途で用いられることもあるが、同じ熱パラメータ及び同じサンプル調製パラメータの下で動作する。

サーマルサイクラーがどの程度良好に動作するかを左右する重要なパラメータは、処理される全サンプルに関する熱制御の均一性、精度及び再現性、選択された環境における動作能力、動作速度、及びサンプル処理能力である。

熱制御の均一性、精度及び再現性は、サイクラーにおけるこれらのパラメータが良好であればあるほど、テストランの結果により大きな信頼を置くことができるので、きわめて重要である。これらのパラメータにおいて、さらなる向上が不適切となるようなしきい値は存在しない。さらなる向上は常に有益である。

選択された環境における動作能力は、サンプルが搬入される実験室の環境で使用される装置に関する問題ではないが、実験室外で機器を使用すること及びサンプルの位置する場所へ機器を搬送することが望ましい場合には選択の範囲が限定される。ここでの２つの主要な関心は、機器の大きさ、したがって可搬性と、機器の所要電力である。大多数のサイクラーにおける最大の単一構成部品はサイクリングによって発生する廃熱を除去するために用いられるヒートシンクなので、これら２つの関心は直接に連関している。サーマルサイクラーが自動車バッテリーで動作するのに十分な電力のみを必要とするように構成されるとすれば、発生する廃熱も少なくなるので、より小型のヒートシンクが使用され、事実上、地球上のどこでも動作可能なほど可搬性が増すであろう。

サーマルサイクリング速度が重要なのは、それがサンプル処理能力の決定において主要な要素であるからばかりでなく、より速い温度ランプレートにより生成物を清浄かつ正確に増幅する能力が向上ないし獲得されるからである。これは、増幅プロトコルの各サイクルにおいて生じるアニーリング工程の間に特に当てはまる。この間に、存在する鋳型にプライマーが結合されるが、温度がこのための理想温度でない場合、非特異的結合が生じて反応結果にノイズを発生させることがある。ランプレートを高くすることにより、非理想的温度における反応にかかる時間が短縮される。

サンプル処理能力に対する要求は、時間とともに生じている。現在製造されているすべてのサーマルサイクラーは、サンプルの収容方式に基づいていくつかのグループに分類することができる。第１の機器は、個々に処理されサイクラー内に装填された少数のチューブを収容するように構成されたものである（例：パーキンエルマー（Ｐｅｒｋｉｎ−Ｅｌｍｅｒ）４８００）。サンプル処理能力に対する要求が高まるにつれて、本質的に９６本又は３８４本のチューブ配列であるプラスチックトレイ（マイクロタイタープレート）を収容するための機器が開発された（例：パーキンエルマー９６００、エムジェイリサーチ（ＭＪ Ｒｅｓｅａｒｃｈ）ＰＴＣ−２００、エッペンドルフ・マスターサイクラー（Ｅｐｐｅｎｄｏｒｆ ＭａｓｔｅｒＣｙｃｌｅｒ））。これらの方式は双方とも金属ブロックを用いてチューブを加熱冷却するものであり、金属の塊を加熱冷却するのに必要な時間のためにサーマルサイクリングの速度に限界が生じる。サンプル処理能力を増大させる別の方法は、サンプルに対する熱伝達速度を速めて１組のサンプルを処理するのに要する時間を短縮することに焦点を当てたものであり、これらのシステムはガラスキャピラリ又は独自のサンプルホルダを利用するものであった（例：アイダホテクノロジーズ・ラピッドサイクラー（Ｉｄａｈｏ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ＲａｐｉｄＣｙｃｌｅｒ）、セファイド・スマートサイクラー（Ｃｅｐｈｉｅｄ Ｓｍａｒｔｃｙｃｌｅｒ）、アナリティク・イエナ・スピードサイクラー（Ａｎａｌｙｔｉｋ Ｊｅｎａ Ｓｐｅｅｄｃｙｃｌｅｒ））。最後の種類のサーマルサイクラー機器はマイクロ流体工学に基づくサンプルホルダを中心に構成されたものであるが、処理可能なサンプルの流体体積が限られること、及びマイクロ流体工学サンプルホルダを作製する困難さのために、広範には使用されてこなかった。

今日使用されているサーマルサイクラーの大半は第２のグループ、すなわちマイクロタイタープレートを収容するブロック式のサーマルサイクラーである。この理由は、これらの機器のサイクリング速度が低いにもかかわらず、マイクロタイタープレートを広範な液体体積に対して使用でき、実際のサンプル処理能力が、所与のタイムフレーム内に処理可能なサンプル総数の点でより高いことにある。この最後は、部分的には機器自体の機能であるが、サンプルを処理及び装填するために利用可能な設備にも左右される。使用されているマイクロタイタープレートの大半は、生体分子スクリーニング学会（Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｓｃｒｅｅｎｉｎｇ（ＳＢＳ））により最近１０年間に決定された規格に準拠している。プレートは一般的に、２対３の矩形マトリクスで配列される６、２４、９６、３８４又は１５３６個のサンプルウェルを備えている。これらの規格はウェルの寸法（例えば直径、間隔、及び深さ）とともにプレートの特性（例えば寸法及び剛性）も規定している。

ＳＢＳマイクロプレートを専門に扱うように設計された多くのロボットが開発されている。これらのロボットは、これらのプレートに対する液体サンプルの吸引又は分配を行なう液体ハンドラー、又はそれらプレートを機器間で搬送する「プレートムーバ」であってもよい。またプレート内で処理されているサンプルにおける特定の生物学的、化学的又は物理的な事象を検出可能なプレートリーダーも開発されている。

ＳＢＳマイクロタイタープレート規格に対する準拠により、液体ハンドリングマシンなどのロボット工学的手段をサンプル調製プロセスに容易に組み込むことができ、このことはサンプル処理能力を増大させる能力に大きな影響をもたらしてきた。

したがって、サンプル処理能力をさらに増大させる技術的手法は、ＳＢＳ規格内で作用する能力を損なってはならないものと結論づけることができる。ＳＢＳ規格のうちいくつかの仕様は、サイクラー機器の普及を助けるとともに様々な装置製造業者により用いられるプロセスを調和させてきたが、例えば電力消費及びサイクリング速度に関する限り、研究の範囲を狭めることによりサイクラー機器のさらなる開発を制限するものでもあった。

一連の実験室プロトコル工程においてＰＣＲはそれら工程の内の１つであり、多くの場合、律速工程である。したがって、このプロセスに精通した者の主要な目的は、ＰＣＲを実施するのに要する全体的時間を短縮することにある。

従来の熱伝達要素を備える既知のサーマルサイクラーのいくつかは、特許文献１及び特許文献２及び特許文献３に開示されている。
国際公開第０３／０６１８３２号 国際公開第２００４／０１８１０５号 英国特許出願公開第２３７０１１２号明細書

本発明の目的は、新しい種類のサーマルサイクラー装置を提供することにある。

より詳細には、本発明の目的は、速度の向上、温度の均一性、電力消費の低減が実現された、ＳＢＳプレート規格適合のサーマルサイクラーを提供することにある。とりわけ、本発明の目的は、確立した慣行により製造された従来技術による、装置の急速な加熱及び冷却、及び、電力消費、に関する問題を克服するサイクラー装置用の新しいサンプルホルダを提供することにある。

本発明のもう１つの目的は、マイクロタイタープレートの新規の使用法及び新規のサンプルホルダを提供することにある。

これら及び他の目的は、既知の方法及び装置に対するその利点とともに、以下に記述及び請求するように本発明により実現される。

本発明は、既存のＳＢＳマイクロタイター自動装置の大半との適合性を維持しながら、温度の均一性を損なうことなく、サンプルホルダのサンプル受容領域に対してサンプルホルダの伝熱領域を大きくするという着想に基づいている。

本発明の起源は、ＳＢＳ規格がマイクロタイタープレートの２次元配列を詳述しているが、サーマルサイクリングの処理能力増大にとって非常に重要な液体ハンドリングロボットの大半が、サンプルを１次元方式で装填し、これが第２次元における装填が必要な回数だけ繰り返されることを認識した時に生来した。これは、ＳＢＳ規格を用いる利点を維持する一方で、規格を完全に放棄した人々によってのみ以前に実現された方式で他の特性を最大化するようにサンプルブロックを変更可能なことを意味している。

ある実施形態によれば、本発明によるサーマルサイクラーは、上部側と下部側とを有するサンプルホルダであって、上部側の第１表面と下部側の第２表面とを有するサンプルホルダを、備えている。第１表面はサンプル受容ウェルの矩形格子を有しており、以下において「伝熱表面」として示されるサンプルホルダの第２表面の面積は第１表面よりも格段に大きい。第１表面は、ホルダの１つの寸法におけるウェルの数が所与のサンプルピッチに関するＳＢＳマイクロタイター規格プレートの第１寸法の仕様に対応し、第２寸法におけるウェルの数がＳＢＳマイクロタイター規格プレートの第２寸法の仕様の一部分に対応するような形状を有している。また、サイクラーは、サンプルホルダの、自動化され制御された、加熱及び冷却、のための手段を備えている。

本発明のマイクロタイタープレートは、格子状に配列された複数のサンプルウェルを備え、ＳＢＳマイクロタイター規格プレートの第１寸法と適合する第１寸法と、ＳＢＳマイクロタイター規格プレートの第２寸法の一部分に対応する第２寸法とを有している。

より具体的には、サーマルサイクラーは請求項１の特徴部分の記述により特徴づけられる。

使用法は、請求項８の記述により特徴づけられる。

本発明により、相当程度の利点が得られる。我々は、サンプルホルダの伝熱表面とサンプル受容表面との面積比を大きくすることにより、温度ランプスピードに相当程度影響を与えられることを見出した。これにより、サイクラーに関する他の確立された手順及び慣行を劇的に変える必要のない有利なサイクラーの可能性が開かれる。

この小体積サンプルホルダの使用による主要な利点は、サンプルホルダの占有領域に対する熱流束制御要素の表面積の比率を利用する能力である。これにより、大きな熱集束効果が実現される。本発明によるサイクラーは、従来のブロック式サーマルサイクラーと類似しているが、代表的には金属製のサンプルホルダのサンプル受容表面が小さくなるように変更されており、それにより、１つの寸法においてＳＢＳ規格に準拠する小型サンプルプレートを収容することができ、液体ハンドリングロボットを自由に活用することができる。さらに、この機器の設計では、複数の小型プレートがＳＢＳマイクロタイタープレート規格に完全に準拠した形態に組み立てられるような小型プレートの構成は妨げられない。プレートの第２の寸法は、ＳＢＳマイクロタイタープレート規格の対応する寸法の約数、例えばそのようなプレートの大きさの１／２、１／３、１／４又は１／６とすることができ、ＳＢＳ規格の９ｍｍ、４．５ｍｍ又は２．２５ｍｍのウェルピッチと適合するように構成することができる。小型サンプルプレートがマイクロタイタープレートの大きさの１／４である場合、この小型サンプルプレートの取扱いのため、マイクロスコープスライドを扱うために設計された標準的実験室用機器を利用することができるので、特別な利益が得られる。

本文書で記述された実施形態のサンプルホルダにより、
サンプルホルダの熱容量に対する電力の比率がより高いことによる、より高い温度ランプスピードと、
最も離れて位置するサンプル間の距離短縮によるより良好な温度均一性と、
最も離れて位置するサンプル間の距離短縮による、すべてのサンプルが目標温度に達するのに要する時間の短縮と、
サンプルホルダの質量低下により可能となる電力消費の低下と、が実現可能となる。

このようにして、本文書で記述されたサンプルホルダを、車又は他のホスト装置に組み込まれた小型、可能な場合は可搬式のサイクラー装置又は機器設備で使用することができる。サンプルに対する改良された電力集束により実現される低い電力需要によって、サイクラーに必要な作動電力を供給するため、電源又はホスト装置を利用することができる。例えば、実現された高い温度ランプスピードとその結果の短時間のＰＣＲプロセスにより、即座に結果が求められる現場用途において本発明を用いることができる。同じ理由により、実験室用装置の効率を改善し、処理時間を短縮することもできる。

本発明のサイクラー及びプレートは大型の解析要素に簡便に組み込むことができ、それにより装置の大きさ及び電力消費が不合理に増大することはない。よって、本発明のサイクラー及びマイクロタイタープレートの潜在的用途領域はリアルタイム定量ＰＣＲに存する。特に有利な用途領域は可搬式処理ステーションに存し、これらは電池又は他の間接形態の電気エネルギー（非ネットワーク電力）などの独立電源により動作する。

さらに、温度均一性の向上により、同じ機器の異なるウェルでより一貫した反応が計測されることになるので、高いサンプル対サンプル精度が要求される処理において本発明を用いることが可能になる。

サーマルサイクラーが、リアルタイムＰＣＲで一般に行われるように光学的検出システムによりモニタされる場合、さらなる利益がもたらされる。その場合、サンプルホルダのサイズが小さいほど、収束が必要な領域が小さくなって、より簡潔な光学的設計を用いることができる。したがって、装置の全体的サイズを容易に携帯可能なほど小さくするため焦点経路長を短くすることができる。

本記述の目的に関して、サンプル受容表面（「サンプル受容区域」とも呼ばれる）及び伝熱表面の面積は、それら表面上に存する部品を考慮しなければ、単純に表面の平坦領域の長さに幅を乗じたものである。言い換えれば、サンプルホルダの第１表面及び第２表面の面積によって、サンプルホルダの全体的平面に垂直な方向における表面の突起部の面積が得られる。

以下、本発明の例示的な実施形態を表わす附属図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。

本発明の範囲内では、部品形状、組立方法及び部品相互の構成に関する変形を含む多くの様々な構成が実施可能である。ここでの記述は、本発明の実現可能な１つの実施形態を説明及び表現することを意図したものである。

図１は小型化されたサンプルホルダの第１実施形態を示している。サンプルホルダは、生体サンプルを保持するプラスチックプレート１５のサンプルチューブ１６（底部）を受容するような形状を有する凹部を含むサンプル受容（第１）表面１１（図１に示す）と、第１表面の反対側の伝熱（第２）表面１３（図１では隠れている）とを有している。

サンプルホルダの狭窄は、図１に示すように階段状とするか、あるいは第１表面１１に向かって連続的にテーパ付けされた形状など別の形態を有することもできる。ウェルのより均質な加熱補助、サンプルホルダの質量低減、又は例えばサイクラー装置内へのサンプルホルダの機械的位置合せのため、サンプルホルダのいずれかの側１０、１３に空洞１２などの付加的構造を設けてもよい。さらに別の実施形態によれば、サンプルに対するさらに効率的な熱の集束又は熱の除去のため、サンプルホルダの幅広部の上部面１０に断熱材を配設してもよい。

サンプルホルダの第２表面１３は、サンプルホルダを加熱可能な少なくとも１つの装置（加熱装置）及びサンプルホルダから除熱可能な少なくとも１つの装置（冷却装置）と熱的に接触することが好ましい。これらの装置は、図３に参照数字３０で示されるペルチェモジュールのように、両方の動作が可能な一体的装置とすることができる。

サンプルホルダ１０は金属製であることが好ましい。サンプルホルダはアルミニウム又は銀の固体ブロックから加工することが可能であり、もしくは１以上の構成要素からの成形、圧断、鋳造、又は組立ても可能である。一般に、サンプルホルダの質量は小さいことが好ましく、それにより、サンプルホルダにより形成される蓄熱体は小型のままで、より高い温度ランプレートが実現可能となる。

本発明のサンプルホルダを他のサンプルホルダから区別する重要な特徴は、サイズ及び形式である。本発明の好適な実施形態では、サンプルホルダは形式が直線的であり、標準的マイクロタイタープレートに収容されるサンプルチューブ（ウェル）の一部分を保持するものであり、これは（図１から４では水平方向に配置された）第１寸法におけるすべてのチューブを含んでいるが、（ホルダの上面の平面内で第１寸法とは垂直の）第２寸法におけるチューブの４分の１しか含んでいない。しかし標準的壁厚を有するサンプルチューブ又はより速い熱伝達のためより薄い壁寸法を有するチューブを保持することができる。またサンプルホルダと同じ高さのチューブあるいは高さがサンプルホルダを相当程度上回るチューブを収容することができ、それにより、サイクリング後の洗浄など、より大きなサンプル量を必要とする操作を、サーマルサイクリングのため使用される同じチューブ内で実行することができる。

本発明の好適な実施形態におけるサンプルホルダの第１表面の大きさは、第１寸法において７０〜１００ｍｍ、第２寸法において２５〜４５ｍｍである。サンプルホルダの正確な寸法は、サンプルホルダが最適化されるサンプルピッチに応じて、すなわちピッチが９ｍｍであるか、４．５ｍｍであるか、又は、２．２５ｍｍであるかに応じて変化する。またこれらの寸法は、サンプルホルダの第２表面の寸法がサンプルホルダに対する加熱及び除熱に用いられる装置に対応するように設計されなければならないので、それら装置の大きさに依存することになる。

ある好適な実施形態によれば、サンプルホルダの第１表面及び第２表面の寸法は、サンプルホルダの周囲に突出する広がり、典型的にはフランジ又はリブのために異なるものとなり、それによりサンプルホルダの上面の大きさを増すことなく第２表面の大きさが効果的に増大する。この特徴は図面に明瞭に示されており、これにより、特定のプレート構成の使用のために設計されたサンプルホルダとともに、より大型で強力なペルチェもしくは他の熱ポンプ要素を使用でき、サンプルホルダの質量に対する電力の比率を大きくすることにより全体的な温度ランプレートが増大するので、この特徴は重要である。フランジ又はリブは、サンプルホルダの各側部から横向きに延びることも可能であるが、適合性の問題のため、一般的にはサンプルホルダの短縮された第２寸法の方向に、好ましくは対称的に延びている。

ペルチェモジュールは、他の多くの熱ポンプ要素と同様に、それらが接触する表面積に正比例する電力容量に限りがある。したがって、サンプル自体の占有領域により記述される面積に対してサンプルホルダの底部の表面積を大きくすることにより、速度の有利性を実現することが可能である。しかし、温度の不均一性及び他の否定的効果が速度面の利益を上回る前に、可能な底部表面積の増大には限界がある。マイクロタイタープレートを収容するように設計された一般的サーマルサイクラーに関して、この限界に達するのは、底面が１００ｃｍ^２をわずかに上回る場合であり、これはサンプルチューブの占有領域に対する発熱面積の比率が１．１９未満であることに相当している。本発明の好適な実施形態でなされたようにサンプルホルダの寸法の１つを縮小することにより、１．４１を上回る比率が実現された。他のすべての要因が等しく保たれる場合、この要因単独では温度ランプレートが２０％高くなる。サンプルプレートの占有領域をさらに小さくすることにより、この比率をさらに大きくすることは実現可能であり、比率が限界に達するのは、ＳＢＳ準拠のプレートの短寸法と長さが等しい単一列のサンプルのみを収容するサンプルプレートにおいておよそ９．０、１個のサンプルのみを収容するサンプルホルダにおいておよそ４０．０である。しかし、まさに極限まで達した場合、他の要因が作用することにより、速度に関してこの高い比率が示唆する程度の付近までシステムが利益を得ることは妨げられる。

上記の例示的計算から明示されるように、標準サイズのサンプルホルダを使用した場合、狭窄したサンプルホルダを使用する利益はかなりの程度失われる。さらに、標準サイズの第１表面を有するサンプルホルダの第２表面領域の面積を大きくすることにより、既存のサイクラーとのサンプルホルダの適合性は失われるであろう。よって、縮小されたサンプル受容領域と適切に調整された伝熱領域との組み合わせにより、適合性及びランプスピードに関する限り、最大限の利益が得られる。

ペルチェモジュールは、サンプルを加熱及び冷却する簡便な方法を提供するものであるが、他の熱伝達方法も利用可能である。これらは例えば、ファンを使用した熱気／冷気対流、液体加熱／冷却剤によるシステム、及びサンプルホルダと蓄熱／蓄冷体との機械的接触を含んでいる。すべての方法において、サンプル領域に対する伝熱領域の比率は重要な要素である。

ある実施形態によれば、サーマルサイクラーは、９ｍｍ、４．５ｍｍ又は２．２５ｍｍの格子で配列された複数のサンプルを保持するように形成されたサンプルホルダを備え、１つの寸法におけるウェルの数は当該サンプルピッチに関するＳＢＳのプレート規格と正確に適合している。第１の方向に垂直な第２の方向において、ホルダのサンプル受容表面の寸法は、当該サンプルピッチに関するＳＢＳホルダの対応する寸法の数分の１である。

ある実施形態によれば、サンプルホルダの伝熱表面とサンプル受容表面との面積比は、サンプル受容表面の第２寸法を規定する分数の逆数に等しいかそれより小さい。典型的に、最も効率的な比率は、例えばサンプル受容表面の寸法、発熱及び除熱の方法、サンプルホルダのフランジ及びサンプル受容部の厚さ、サイクラーの設計、及び、均一性の必要条件に応じて、１．２〜９、通常は１．２〜４、とりわけ１．２〜２である。特に、伝熱表面の面積が増大するにつれて（サンプルホルダ全体が増大する場合程ではないが）サンプルホルダの全体質量も増すということに留意しなければならない。これによりサンプルホルダの熱容量も大きくなる。サンプルホルダの全体厚に対するフランジ部の平均厚は、好ましくは約１０〜７０％、典型的には約２０〜５０％である。これらの範囲内で、サンプルホルダの熱集束能力と熱容量との比率が一般的な用途に関して最大化される。

サンプルホルダはアルミニウム又は銀などの低質量金属、又は金属の合金で作製することが好ましい。あるいは、ホルダはセラミック材料で構成することも可能である。典型的に、サンプルホルダは単一の要素からなるが、例えば互いに積層された数個の部品から製造することも可能である。サンプルホルダに関する一般的必要条件は良好な熱伝導性、低熱容量、及び機械的強度である。

マイクロタイタープレートは、ポリプロピレン又はＰＣＲに適合した本質的に既知の他の材料で作製することが好ましい。プレートは一般的に被覆されていないが、用途に応じて例えばＳｉＯ_２、ポリアニリン又は抗体、を含む表面コーティングを有することも可能である。

図２〜４は、例示的なサイクラー装置に組み立てられたサンプルホルダ及びマイクロタイタープレートを示している。図２及び３は、２つの異なる断面によってサイクラーの側面図を示している。図４は対応する上面図である。マイクロプレートは参照数字２５で示される。サンプルチューブ２６は参照数字２６で示される。サンプルホルダ２０は、チューブウェルがマイクロプレート２５を受容するため上向きに開口するような姿勢で配置されている。サンプルホルダ２０の下方には２個のペルチェ素子３０が配置され、これら素子は効率的な温度制御のため冷却フィン２９を備えたヒートシンク２８に接続されている。サンプルホルダ２０は、補強板２１、回路基板２４及びレール２２が装着された保持構造２０１上に配置されている。レール２２により、機器用箱（図示せず）に取り付けられたスライド２３を介して、サンプルホルダ２０及びマイクロプレート２５が第２方向に移動することができる。組立品の全体は、ヒートシンク２８をサンプルホルダ２０に、またヒートシンクを補強板２１にボルト締めする機械的締結具（図示せず）により互いに固定される。これらの締結具はヒートシンク構造内に設けられたスペース３１を貫通する。ペルチェモジュール３０により占有される中央空洞への異物の進入を防止する参照数字２７などの数個のガスケットも存在する。

サンプルに対する加熱及び除熱を行う手段は典型的に、サンプルホルダの第２表面に機械的に連結される。本発明のある好適な実施形態では、サンプルホルダの底面と廃熱を除去するために用いられるヒートシンクとの間に、緊密に熱接触するよう押し込まれた１以上のペルチェ素子により、加熱及び除熱が行われる。サンプルホルダとペルチェ素子との間、及びペルチェ素子とヒートシンクとの間、には要素間のより良好な熱接触のためサーマルインタフェース材料を使用することができる。サンプルホルダの温度を監視するため１以上の温度センサを配設してもよく、正確な温度制御が実現されるようにコンピュータはペルチェ素子に対する電力の変調を制御する。センサはヒートシンクの温度を計測し、コンピュータは、ヒートシンクからの廃熱除去速度を制御するために、ヒートシンクのフィンに対して空気を流通させるファンの速度を調節する。

上記いくつかのサンプルホルダ及びプレートを並列的に用いて適切なサイクラー機構を使用することにより、例えば標準的なＳＢＳユニットの寸法を有する、より大型のユニットを形成することもできる。ホルダの各々に関して別個の加熱冷却装置を配設することにより、ホルダ上のプレートの各々の温度を独立して調節することができる。しかしながら、サンプル及びプレートのハンドリングロボット工学と解析装置との適合性は、なお完全に維持されるであろう。

実際には典型的に、ＰＣＲプロセスの本質的な機能を実行するため、電子的素子の形態で電力手段及び制御手段が配設される。プロセスに対する自動監視及びユーザインタフェース要素を実現するため、ソフトウェア要素を用いることもできる。さらに、チューブを確実にサンプルホルダ内に密着して収容させ、サンプルに対する操作を容易にし、また装置のすべての構成要素を定位置に固定保持して収容するための、機械的要素が配設される。これらの要素はすべて、当業者により容易に設計可能である。

本装置の熱集束効果によって、温度性能の優位性を維持しながら、より小出力の電源を使用することができる。従来の装置では常に、電源の出力低減はランプスピード又は他の性能特性を犠牲にして行われてきた。

ある実施形態によればサイクラーは、自身又はサイクラーが使用されるホスト機器の電池又は発電機など非ネットワーク電源からその動作電力を受ける。したがってサイクラーは、電源から電力を供給するためのコネクタ（例えばプラグ、ソケット）を備えることが好ましい。ホスト機器は例えば、サイクラーを輸送するために使用される車を備えることもある。本文書で記述された実施形態により電力消費が少なくなるので、電池駆動によるサイクラーの稼働時間を数時間、さらには数日とすることもできる。

本発明によるマイクロタイタープレート及びサンプルホルダの一実施形態の斜視図を示している。 本発明の一実施形態によるサイクラーの側面図を示している。 図示の、サンプルホルダとヒートシンクとの間に、２個のペルチェ素子が挟まれた図２の構成の断面図を示している。 サンプルホルダ内のマイクロタイタープレートの上面図を示している。

Claims (9)

1. 複数のサンプルを温度サイクリング状態に置くように設計されたサーマルサイクラーであって、
   第１上部表面と第２下部伝熱表面とを有するサンプルホルダであって、前記第１表面が、複数のサンプルを保持するように、９ｍｍ、４．５ｍｍ又は２．２５ｍｍのピッチを有する格子状に配列された複数の凹部を備えるサンプル受容表面を構成し、サンプルホルダの第１寸法におけるサンプルウェルの数は、９ｍｍのピッチで８、４．５ｍｍのピッチで１６、２．２５ｍｍのピッチで３２であるところのサンプルホルダと、
   サンプルホルダの、自動化され制御された、加熱及び冷却のための手段であって、サンプルホルダの伝熱表面に熱的に連結された熱ポンプ要素を備える手段と、を備え、
   熱ポンプ要素とサンプルホルダの伝熱表面との面積比が０．８〜１．２であり、
   伝熱表面の面積がサンプル受容表面の面積よりも大きくなるような形状をサンプルホルダが有しており、
   サンプルに関する集束した加熱及び冷却を実現するため、サンプルホルダの前記第１寸法と垂直な第２寸法におけるサンプルウェルの数は、９ｍｍのピッチで１２、４．５ｍｍのピッチで２４、２．２５ｍｍのピッチで４８、の分数に相当していることを特徴とするサーマルサイクラー。
2. サンプルホルダの、伝熱表面とサンプル受容表面との面積比が、前記分数の逆数に等しいかそれより小さいことを特徴とする、請求項１のサーマルサイクラー。
3. サンプルホルダの、伝熱表面とサンプル受容表面との面積比が、１．２〜９であることを特徴とする、請求項１又は２のサーマルサイクラー。
4. 熱ポンプ要素がペルチェモジュールを備えていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１つのサーマルサイクラー。
5. 熱ポンプ要素がヒートシンクに熱的に連結されていることを特徴とする、請求項４のサーマルサイクラー。
6. 電池又はホスト装置など独立型電源からサイクラーに電力を供給するためのコネクタを備えていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１つのサーマルサイクラー。
7. サンプルホルダのサンプル受容表面の大きさは、前記第１寸法において７０〜１００ｍｍであり、前記第２寸法において２５〜４５ｍｍであることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１つのサーマルサイクラー。
8. 複数のサンプルを保持するように、９ｍｍ、４．５ｍｍ又は２．２５ｍｍのピッチを有する格子状に配列された複数の別個のサンプルウェルを備えているマイクロタイタープレートの使用方法であって、
   マイクロタイタープレートの第１寸法におけるサンプルウェルの数は、９ｍｍのピッチで８、４．５ｍｍのピッチで１６、２．２５ｍｍのピッチで３２であり、
   マイクロタイタープレートの前記第１寸法と垂直な第２寸法におけるサンプルウェルの数は、９ｍｍのピッチで１２、４．５ｍｍのピッチで２４、２．２５ｍｍのピッチで４８、の分数に相当している、請求項１〜７のいずれか１つのサーマルサイクラーにおける、マイクロタイタープレートの使用方法。
9. 前記分数が、１／２、１／３、１／４又は１／６であることを特徴とする、請求項８の使用方法。

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