JP7152181B2 - 温度均一性を提供するための熱循環装置および方法 - Google Patents
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Description
本教示は、生物学的サンプルの熱循環に関する。熱循環における改善は、熱拡散プレートにより提供され得る。
生物学分野において、熱循環は、反応容器中の反応物質の加熱および冷却を提供するために利用され得る。生物学的サンプルの反応の例としては、ポリメラーゼ連鎖反応(PCR)および他の反応(例えば、リガーゼ連鎖反応、抗体結合反応、オリゴヌクレオチド連結アッセイ、およびハイブリダイゼーションアッセイ)が挙げられる。PCRにおいて、生物学的サンプルは、温度-時間プロトコルを介して熱循環され得、このプロトコルは、DNAを一本鎖に融解すること、プライマーをその一本鎖にアニールさせること、およびこれらのプライマーを伸長して、二本鎖DNAの新たなコピーを作ることを包含する。異なるサンプルウェルが均一に加熱および冷却されて、均一なサンプル収量が得られるように、熱循環の間に、熱ブロックアセンブリ全体の温度均一性を維持することが望ましい。均一な収量は、サンプルウェル間の定量化を提供し得る。
種々の実施形態に従って、生物学的サンプルを熱的に循環するための装置は、上記生物学的サンプルを受容するための熱ブロックアセンブリ;上記熱ブロックアセンブリに結合された熱電モジュール;およびヒートシンクを備え得る。ここで上記ヒートシンクは、上記熱電モジュールに結合されている。ここで上記ヒートシンクは、基部プレート、フィン、および熱拡散プレートを備え、そして上記熱拡散プレートは、上記基部プレートおよびフィンとは異なる材料を含む。ここで上記熱拡散プレートは、熱循環の間に実質的温度均一性を上記熱ブロックアセンブリに提供する。
例えば、本発明は以下を提供する:
(項目1)
生物学的サンプルを熱的に循環させるための装置であって、以下:
該生物学的サンプルを受容するための熱ブロックアセンブリ;
該熱ブロックアセンブリに結合された熱電モジュール;および
ヒートシンクであって、ここで該ヒートシンクは、該熱電モジュールに結合され、ここで該ヒートシンクは、基部プレート、フィン、および熱拡散プレートを備え、そしてここで該熱拡散プレートは、該基部プレートおよびフィンとは異なる材料を含む、ヒートシンク、
を備え、
ここで該熱拡散プレートは、熱循環の間に、実質的な温度均一性を該熱ブロックアセンブリに提供する、装置。
(項目2)
前記熱拡散プレートは、前記熱電モジュールに結合するように配置される、項目1に記載の装置。
(項目3)
前記熱拡散プレートは、銅、銀、金、および炭化ケイ素のうちの少なくとも1種を含む、項目1に記載の装置。
(項目4)
前記熱ブロックアセンブリは、銀、金、アルミニウム、炭化ケイ素、およびマグネシウムのうちの少なくとも1種を含む、項目1に記載の装置。
(項目5)
前記基部プレートおよび前記フィンは、アルミニウムを含む、項目1に記載の装置。
(項目6)
前記フィンは、ピンのフィン構成において配置されている、項目5に記載の装置。
(項目7)
前記フィンは、スエージフィン構成において配置されている、項目5に記載の装置。
(項目8)
前記熱電モジュールは、熱電間隙を備え、ここで該熱電間隙は、前記熱ブロックアセンブリ全体の実質的温度均一性を提供するために減少される、項目1に記載の装置。
(項目9)
前記熱電間隙は、5ミリメートル未満に減少される、項目8に記載の装置。
(項目10)
縁部ヒーターをさらに備え、ここで該縁部ヒーターは、前記熱ブロックアセンブリの周囲に結合されている、項目1に記載の装置。
(項目11)
前記装置は、30秒未満のPCRサイクル時間を提供する、項目1に記載の装置。
(項目12)
生物学的サンプルを熱的に循環するための装置であって、以下:
該生物学的サンプルを受容するための熱ブロックアセンブリ;
該熱ブロックアセンブリに結合した熱電モジュール;
ヒートシンク;ならびに
該熱電モジュールおよび該ヒートシンクに結合した熱拡散プレートであって、ここで該熱拡散プレートは、該熱電モジュールと該ヒートシンクとの間に配置されている、熱拡散プレート、
を備え、
該熱拡散プレートは、該ヒートシンクより有意に大きい熱拡散性を有する、
装置。
(項目13)
前記熱拡散プレートは、熱循環の間に、実質的温度均一性を前記熱ブロックアセンブリに提供する、項目12に記載の装置。
(項目14)
前記実質的温度均一性は、前記熱ブロックアセンブリに対してわずか10秒で少なくとも10℃の冷却を提供する、項目13に記載の装置。
(項目15)
前記熱拡散プレートは、銅を含む、項目12に記載の装置。
(項目16)
前記熱ブロックアセンブリは、銀および金を含む、項目15に記載の装置。
(項目17)
前記ヒートシンクは、基部プレートおよびフィンを備え、ここで該フィンは、ピンのフィン構成およびスエージフィン構成のうちの少なくとも1つにおいて配置されている、項目16に記載の装置。
(項目18)
前記熱電モジュールは、熱電間隙を備え、ここで該熱電間隙は、前記熱ブロックアセンブリ全体に実質的温度均一性を提供するために減少される、項目17に記載の装置。
(項目19)
前記熱電間隙は、5ミリメートル未満に減少される、項目18に記載の装置。
(項目20)
縁部ヒーターをさらに備え、ここで該縁部ヒーターは、前記熱ブロックアセンブリの周囲に結合される、項目12に記載の装置。
(項目21)
生物学的サンプルを熱的に循環するための方法であって、該方法は:
熱電モジュールを、熱ブロックアセンブリに接触させる工程;
該熱ブロックアセンブリを加熱する工程であって、ここで該熱ブロックアセンブリは、該生物学的サンプルを受容するために適合されている、工程;および
該熱ブロックアセンブリを冷却する工程であって、ここで該冷却する工程は、ヒートシンクへと熱拡散プレートを介して熱を拡散する工程を包含する、工程、
を包含する、方法。
(項目22)
前記熱ブロックアセンブリと縁部ヒーターを接触させる工程をさらに包含し、ここで該縁部ヒーターは、前記熱ブロックアセンブリの周囲に結合されている、項目21に記載の方法。
(項目23)
実質的温度均一性を前記熱ブロックアセンブリに提供する工程をさらに包含する、項目22に記載の方法。
(項目24)
前記拡散する工程は、前記熱ブロックアセンブリに対してわずか10秒で少なくとも10℃の冷却を提供する、項目23に記載の方法。
(項目25)
前記加熱する工程および冷却する工程は、30秒未満のPCRサイクル時間を提供する、項目24に記載の方法。
(項目26)
前記熱電モジュールは、少なくとも2つの出力領域を備える、項目1に記載の装置。
(項目27)
前記熱ブロックアセンブリの頂部に配置されているシールをさらに備える、項目1に記載の装置。
種々の実施形態についての参照を行う。実施形態の例は、添付の図面において図示される。図面中および同一の部分または同種の部分を参照する説明においては、可能な限り同一の参照番号を使用する。
a=k/ρ*Cp (1)
ここで、aは1秒あたりの1平方メートルおいて測定され得る熱拡散性であり、kはメータ-ケルビンあたりのワット単位で測定され得る熱伝導性であり、Cpはキログラム-ケルビンあたりのジュール単位で測定され得る比熱容量あり、そしてρは1立方メートルあたりのキログラム単位で測定され得る密度である。材料科学の分野で公知のように、これらの熱特性を測定する代替的な方法が存在する。
CT=ρ×Cp (2)
ここで、CTは1立方メートル-ケルビンあたりのジュール単位で測定され得る熱容量であり、Cpはキログラム-ケルビンあたりのジュール単位で測定され得る比熱容量であり、そしてρは1立方メートルあたりのキログラム単位で測定され得る密度である。本明細書中に使用される「有意に」大きいか、または小さいとは、比較した値より少なくとも25%大きいか、または小さい値の熱拡散性または熱容量を指す。表1は、種々の実施形態による上述の各熱特性に関する値を包含する:
実施例1において、99.9%のEDM銅から作製され、8.0mmの厚みを有する熱拡散性プレートを、5.0mmの厚みを有する6063-T5アルミニウムから作製された基部プレートおよびピンフィンに結合した。金メッキした銀から作製された熱ブロックアセンブリを、テルル化ビスマスから作製された熱電デバイスに結合した。この熱電デバイスを、熱拡散性プレートに結合した。9.3ワットの電力出力を有する縁部ヒーター(Minco Products,Inc.(Minneapolis,Minnesota)製)を、この熱ブロックアセンブリに結合した。シリコーンラバーから作製されたシールを、熱ブロックアセンブリの上部に位置決めした。この熱循環装置を、熱拡散性プレートが13.0mmの厚みを有する基部プレートで置き換えたこと以外は上記のものと類似する熱循環装置と比較した。図6は、温度の上昇についての熱ブロックアセンブリの温度曲線およびTNU曲線を図示する。図7は、温度の下降についての温度曲線およびTNU曲線を図示する。図6~7において、TNU曲線62は、熱拡散性プレートを備える熱循環装置に関するものであり、TNU曲線64は、熱拡散性プレートなしの熱循環装置に関するものである。
実施例2において、実施例1に記載したものと類似する熱拡散性プレートを備える熱循環装置を、ピンフィンヒートシンクをスエージフィンヒートシンクで置き換えて改変した。熱拡散性プレートおよびスエージフィンを備える熱循環装置を、熱拡散性プレートを、13.0mmの厚みを有する基部プレートで置き換えたこと以外は類似する熱循環装置と比較した。図8は、温度の上昇についての熱ブロックアセンブリの温度曲線およびTNUを図示する。図9は、熱の下降についての熱ブロックアセンブリの温度曲線およびTNUを図示する。図8~9において、TNU曲線82は、スエージフィンヒートシンクおよび熱拡散性プレートを備える熱循環装置に関するものであり、TNU曲線84は、熱拡散性プレートなしのスエージフィンヒートシンクを備える熱循環装置に関するものである。
実施例3において、99.9%のEDM銅から作製され、8.0mmの厚みを有する熱拡散性プレートを、5.0mmの厚みを有する6063-T5アルミニウムから作製された基部プレートおよびフィンに結合した。金メッキした銀から作製された熱ブロックアセンブリを、テルル化ビスマスから作製された熱電デバイスに結合した。この熱電デバイスを、熱拡散性プレートに結合した。9.3ワットの電力出力を有する縁部ヒーター(Minco Products,Inc.(Minneapolis,Minnesota)製)を、この熱ブロックアセンブリに結合した。シリコーンラバーから作製されたシールを、熱ブロックアセンブリの上部に位置決めした。この熱循環装置を、1つ以上の縁部ヒーターを熱ブロックアセンブリに結合したこと以外は上記のものと類似する熱循環装置と比較した。図10~11は、熱循環の間の、異なるフィン構成を備える種々の縁部ヒーターの熱ブロックアセンブリの温度曲線およびTNUを図示する。図10は、ピンフィンヒートシンクを備える1つの縁部ヒーターと2つの縁部ヒーターとの間の比較を図示する。TNU曲線102は、1つの縁部ヒーターを備える熱循環装置に関するものであり、TNU曲線104は、2つの縁部ヒーターを備える熱循環装置に関するものである。図11は、スエージフィンヒートシンクを備える1つの縁部ヒーターと3つの縁部ヒーターとの間の比較を図示する。TNU曲線112は、1つの縁部ヒーターを備える熱循環装置に関するものであり、TNU曲線114は、3つの縁部ヒーターを備える熱循環装置に関するものである。
実施例4において、99.9%のEDM銅から作製され、8.0mmの厚みを有する熱拡散性プレートを、5.0mmの厚みを有する6063-T5アルミニウムから作製された基部プレートおよびピンフィンに結合した。金メッキした銀から作製された熱ブロックアセンブリを、テルル化ビスマスから作製された熱電デバイスに結合した。この熱電デバイスを、熱拡散性プレートに結合した。シリコーンラバーから作製されたシールを、熱ブロックアセンブリの上部に位置決めした。この熱循環装置を、このシールを取り除いたこと以外は上記のものと類似する熱循環装置と比較した。図12~13は、熱循環の間の、熱拡散性プレートを備える熱ブロックアセンブリの温度曲線およびTNU曲線を図示する。図12は、熱ブロックアセンブリに対する温度の上昇に関するものであり、図13は、熱ブロックアセンブリに対する温度の下降に関するものである。図12~13において、TNU曲線122は、シリコンラバーシールを備える熱循環装置に関するものであり、TNU曲線124は、シリコンラバーシールなしの熱循環装置に関するものである。
Claims (1)
- 生物学的サンプルを熱的に循環させるための装置であって、
前記装置は、
前記生物学的サンプルを受容するための熱ブロックアセンブリ(20)と、
前記熱ブロックアセンブリに結合された熱電モジュール(30)と、
ヒートシンク(10)と、
縁部ヒーターと
を備え、
前記ヒートシンクは、前記熱電モジュールに結合され、前記ヒートシンクは、基部プレート、フィンおよび熱拡散プレート(12)を備え、前記熱拡散プレートは、前記熱拡散プレートが前記基部プレートおよびフィンよりも少なくとも25%大きい熱拡散性を有するように、前記基部プレートおよびフィンとは異なる材料を含み、
前記縁部ヒーターは、前記熱ブロックアセンブリの周囲に結合されており、
前記熱拡散プレートは、熱循環の間に実質的温度均一性を前記熱ブロックアセンブリに提供し、前記縁部ヒーターは、熱的不均質性を低減する、装置。
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C22 | Notice of designation (change) of administrative judge |
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