WO1996037303A1 - Miniaturisierter mehrkammer-thermocycler - Google Patents

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WO1996037303A1
WO1996037303A1 PCT/EP1996/002111 EP9602111W WO9637303A1 WO 1996037303 A1 WO1996037303 A1 WO 1996037303A1 EP 9602111 W EP9602111 W EP 9602111W WO 9637303 A1 WO9637303 A1 WO 9637303A1
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WO
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sample
chamber
gap
sample chamber
thermal cycler
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Application number
PCT/EP1996/002111
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French (fr)
Inventor
Volker Baier
Ulrich Bodner
Ulrich Dillner
Johann Michael KÖHLER
Siegfried Poser
Dieter Schimkat
Original Assignee
Biometra Biomedizinische Analytik Gmbh
Institut für Physikalische Hochtechnologie e.V.
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Publication date
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Priority to US08/765,649 priority patent/US5939312A/en
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    • B01L7/52—Heating or cooling apparatus; Heat insulating devices with provision for submitting samples to a predetermined sequence of different temperatures, e.g. for treating nucleic acid samples
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    • B01L3/502707—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by the manufacture of the container or its components
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    • B01L2300/1805—Conductive heating, heat from thermostatted solids is conducted to receptacles, e.g. heating plates, blocks
    • B01L2300/1827—Conductive heating, heat from thermostatted solids is conducted to receptacles, e.g. heating plates, blocks using resistive heater
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/18—Means for temperature control
    • B01L2300/1883—Means for temperature control using thermal insulation

Definitions

  • the invention relates to a miniaturized metokarnmer thermal cycler, in particular in the process of the so-called polymerase chain reaction, in which certain sequences are multiplied from a mixture of DNA sequences, and for carrying out other processes of thermally controlled, biochemical or molecular-biological Processes, application.
  • PCR polymerase chain reaction
  • PCR is preferably performed in disposable microtubes or in standardized microtiter plates for a variety of samples.
  • the sample volumes used are approximately 10 ... 100 ⁇ l (A. Rolfs et all, Clinical Diagnostics and Research, Springer Laboratory, Berlin-Heidelberg (1992).
  • CC Oste et al The polymerase chain reaction, Birkhaeuser, Boston-Basel-Berlin (1993), p. 165 also report sample volumes of 1 ... 5 ⁇ l used.
  • the so-called microtubes are tempered with conventional heating and cooling units (Markr overview gene technology DI, Nachr. Chem. Tech. Lab. 41 (1993), Ml).
  • sample chamber which holds up to 50 ⁇ l of sample liquid, consists of a structured silicon cell with a longitudinal expansion of the order of 10 mm, which is closed off in a sample attack direction by a thin membrane, via which the corresponding temperature is applied by means of miniaturized heating elements.
  • This device too the DNA sequence to be multiplied is introduced into the chamber via microchannels, subjected to a polymerase chain reaction and then withdrawn again.
  • this sample chamber as a whole also has to be heated and cooled, with which only limited temperature change rates can be achieved.
  • the parasitic heat capacity of the sample chamber and possibly a necessary temperature control block are of increasing importance compared to the sample liquid, so that the high temperature change rates that are conceivable in principle in the case of small liquid volumes cannot be achieved, so that the effectiveness of the Procedure remains relatively low.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a miniaturized multi-chamber thermal cycler which, with simple handling, enables the treatment of a large number of samples with sample volumes in the lower micro and nanoh range at high temperature change speeds and low heating outputs, with relatively homogeneous temperature distributions detecting the individual samples and overheating - or hypothermia effects should be avoided as far as possible.
  • the object is achieved by the characterizing part of patent claim 1.
  • the object on which the invention is based is achieved in a novel manner by means of a sample receiving body produced in MiloOsystem technology with a large number of sample chambers and a defined coupling to a heat sink via at least one poorly heat-conducting bridge.
  • FIG. 1 shows a section of a first embodiment of the invention in a lateral section
  • FIG. 2 shows a top view of an opened sample holder carrier in an embodiment corresponding to FIG. 1,
  • Fig. 3 is a partial section of a second embodiment of the invention in a lateral section
  • Fig. 4 is a plan view of a possible embodiment of a
  • FIG. 1 shows schematically a n-matured multi-chamber thermal cycler with a sample-receiving carrier 1 that is as good a heat conductor as possible in a lateral section.
  • a silicon wafer is used as the sample holder carrier 1, into which the actual sample chambers 2 are introduced by deep etching in such a way that a sample chamber floor 3 , with sufficient thermal conductivity and low-mass training. The deep etching is continued to the left and right of this sample chamber 2 until only thin webs 5 remain.
  • the gap width of these webs is denoted by b sp , which in the context of the invention represents an essential variable that can be variably adapted to the other conditions of the sample holder carrier 1.
  • said webs 5 are provided with a poorly heat-conducting bridge 7, for which purpose thin glass, SiC> 2 or Si 3 N4 platelets as well as suitably applied coatings made of such materials, a lacquer or corresponding combinations are suitable.
  • a poorly heat-conducting bridge 7 for which purpose thin glass, SiC> 2 or Si 3 N4 platelets as well as suitably applied coatings made of such materials, a lacquer or corresponding combinations are suitable.
  • approximately 200 ⁇ m thick pyrex glass plates are used for the bridging.
  • the sample holder 1 is realized by a mirror-symmetrical assembly of two identical sub-carriers produced as described above, which is a technologically advantageous embodiment, but does not limit the invention to this.
  • Other designs for covering the sample chambers, for example with foils of suitable thermal conductivity, are also possible.
  • the sample chamber floors 3 are provided with a heating element 6, 60, which should advantageously be a thin-film heating element applied to the underside of the sample chamber floor, since it can be easily integrated into the manufacturing process. It is also within the scope of the invention to also provide the sample chamber cover with corresponding heating element arrangements, symmetrical to the sample chamber floor.
  • the respective sample chamber floor 3 simultaneously acts as a heat compensation layer, so that samples which can be introduced into the sample chamber 2, not shown, experience a homogeneous temperature gradient, both in heating and in cooling cycles.
  • the arrangement described is detected in the lateral direction on both sides by a coupling body 4 serving as a heat sink, which is shown only in parts.
  • FIG. 2 illustrates an arrangement created according to FIG. 1 with the sample chamber cover removed in a schematic and not to scale; in reality there are at least 96
  • Narrow sides 8 are connected to webs 5 on both sides, as shown.
  • the respective individual chamber volume can, depending on the desired specifications, be measured, for example, at 2 ... 10 ⁇ l.
  • the heat compensation layer acting on the sample chamber floor 3 can be set to 100 ⁇ m, for example.
  • Proberi chambers only require extremely low values, which are between 0.5 ... 5 W.
  • time constants between 1 ... 6 s and cooling rates between 5 ... 25 K / s with required temperature strokes of approx. 80 K are required realizable by the invention.
  • the temperature differences within the sample liquid are below 5 K, so that disruptive overheating or hypothermia of the sample liquid are excluded.
  • FIG. 3 a second advantageous embodiment of the invention is shown in a partial side section.
  • the production of the sample holder 1 should also correspond to that described in FIG. 1.
  • the sample chambers 2 are introduced into the silicon wafer 1 in an array-like manner, which is technologically even more advantageous and, above all, enables a higher number of sample channels per wafer.
  • approximately 6,000 sample chambers, each with approximately 0.1 ⁇ l holding volume can be introduced in a 4 "silicon wafer.
  • the poorly heat-conducting bridge to be provided according to the invention is realized by a gap 51 between the sample chamber floors 3 and a coupling body 41 serving as a heat sink.
  • a gap 51 between the sample chamber floors 3 and a coupling body 41 serving as a heat sink.
  • FIG. 5 shows a detail of a possibility of a heating element design according to the invention, as it could be used in a plan view of the sample chamber floor (or lid) according to FIG. 1.
  • the structuring of a resistance heating layer which is initially applied over the entire surface is carried out according to the invention in such a way that a wider heating element area and narrower heating webs 60 remain on the respective sample chamber edges over massive areas of the sample chamber receiving element 1 directly below the sample chamber base 3, as a result of which a greater heating power input into the sample slammer in the latter areas ( n) is guaranteed.
  • the heating elements 61 used are shown positioned in the sample chambers, analogous explanations apply to the structuring, as described above.
  • the heating elements should be designed such that a higher heating power input into the sample chambers 2 takes place on the side of the sample holder 1 facing the coupling body 41.
  • the heating elements in this example, as in FIG. 1 will be attached to the bottom or top of the sample chamber floor in the practical embodiment.
  • the temperature change rates are adaptable to the respective conditions for a given PCR experiment, between 1 ... 15 K / s.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen miniaturisierten Mehrkammer-Thermocycler. Die Aufgabe der Erfindung, einen solchen Thermocycler anzugeben, der bei einfacher Handhabung die Behandlung einer großen Probenzahl mit kleinen Probenvolumina bei hohen Temperaturwechselgeschwindigkeiten und kleinen Heizleistungen ermöglicht, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein in Mikrosystemtechnik gefertigter Probenaufnahmekörper (1) eine Vielzahl von Probenkammern (2) aufweist, die derart ausgebildet sind, daß wenigstens eine der Probenkammerwandungen der Probenkammer, die den Probenkammerboden (3) bildet, gut wärmeleitend, jedoch massearm ausgebildet ist, die Ankopplung genannter Probenkammern (2) an einen als Wärmesenke dienenden Koppelkörper (41) über wenigstens eine schlecht wärmeleitende Brücke (51) erfolgt, die bezüglich ihrer Dimensionierung und/oder Materialauswahl derart ausgeführt ist, daß ihre spezifische Wärmeleitfähigkeit μ weniger als 5 W/K.m beträgt, und genannte Probenkammern mit wenigstens einem Heizelement (61) versehen sind, das so ausgeführt ist, daß es in Verbindung mit einer als Wärmeausgleichsschicht wirkenden Probenkammerwandung, die zugleich genannter Probenkammerboden (3) sein kann, eine möglichst homogene Temperaturverteilung in einem, in die Probenkammern (2) einbringbaren flüssigen Medium bewirkt.

Description

Miniaturisierter Mehrkammer-Thermocycler
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen miniaturisierten Metokarnmer-Thermocycler, der insbesondere beim Verfahren der sogenannten Polymerase-Ketten- Reaktion, bei dem aus einem Gemisch von DNA-Sequenzen bestimmte Sequenzen vervielfacht werden, sowie zur Durchführung anderer Verfahren von thermisch kontrollierten, biochemischen bzw. molekular- biologischen Prozessen, Anwendung findet.
Bei der Durchfuhrung von thermisch kontrollierten, biochemischen bzw. molekularbiologischen Prozessen sind häufig Prozeßschritte mit unter- schiedlicher Temperaturbeaufschlagung erforderlich. Von besonderer Bedeutung sind solche wechselnden Temperaturbeaufschlagungen bei der sogenannten Polymerase-Ketten-Reaktion.
Das Verfahren der Polymerase-Ketten-Reaktion (PCR) ist in den letzten Jahren zur Vervielfachung bestimmter DNA-Sequenzen entwickelt worden und in seinen Grundsätzen von Darnell, J.; Lodish, H.; Baltimore, D. in "Molekulare Zellbiologie, Walter de Gruyter, Berlin-New York 1994, S. 256/257" ausgeführt. Unter anderem ist bei diesem Verfahren wesentlich, daß Gemische aus DNA-Sequenzen einer definierten Temperaturwechselbehandlung unterworfen werden. Dazu finden stationäre Probenbehandlungsapparaturen Verwendung, bei denen die entsprechenden Proben in Probenkammern eingegeben und periodisch einem Wami-Kalt-Temperaturzyklus unterworfen werden, wobei sich je nach definiert vorgegebenen Primern die jeweils gewünschten DNA- Sequenzen vervielfachen. Gegenwärtig wird die PCR vorzugsweise in wegwerfbaren Plastikgefaßen ("Microtubes") oder in standardisierten Mikrotiterplatten für eine Vielzahl von Proben durchgeführt. Die dabei zum Einsatz gelangenden Probenvolumina betragen ca. 10 ... 100 μl (A. Rolfs et all, Clinical Diagnostics and Research, Springer Laboratory, Berlin- Heidelberg (1992). In C. C. Oste et al, The polymerase chain reaction, Birkhäuser, Boston-Basel-Berlin (1993), S. 165 wird auch schon von verwendeten Probenvolumina von 1 ... 5 μl berichtet. Genannte Microtubes werden mit konventionellen Heiz- und Kühleinheiten temperiert (Markrübersicht Gentechnologie DI, Nachr. Chem. Tech. Lab. 41 (1993), Ml). Aufgrund der dabei verwendeten massiven Heiz- und Kühlblocks wirken sich insbesondere bei einer Reduzierung der Probenvolumina parasitäre Wärmekapazitäten von Trägern, Heiz- und Kühlelementen als physikalischen Grenzen für eine Verkürzung von Zykluszeiten nachteilig aus. Die Proben erreichen in den Microtubes erst nach ca. 20 ... 30 s ihre Gleichgewichtstemperatur. Überhitzungen und Unterkühlungen lassen sich im praktischen Betrieb kaum vermeiden. Eines der größten Probleme bei einer in genannten Microtubes durchgeführten PCR stellen Temperaturgradienten innerhalb der Proben dar, die zu Temperaturdifferenzen bis zu 10 K führen. Diesem Effekt wird versucht durch beheizbare Abdeckungen entgegen zu steuern, was wiederum den apparativen Aufwand erhöht. Für eine Automatisierung der PCR kommen bei der Beschickung und Probenanalyse vorwiegend Mikrotiterplatten aus hitzbeständigem Polycarbonat zum Einsatz. Diese verhalten sich thermisch ähnhch wie o.g. Microtubes, sind jedoch vorteilhafter bei der manuellen oder automatischen Probenbeschickung. Allerdings sind auch hier die zum Einsatz gelangenden Gerätelösungen sehr groß und unhandlich.
Die Effektivität bislang bekannter Probenkammem wird als nicht ausreichend angesehen. Aus diesem Grund ist in jüngster Zeit eine rnmiaturisierte Probenkammer vorgeschlagen worden (Northrup et al, DNA Amplification with Microfabricated reaction chamber, 7th Inter¬ national Conference on Solid State Sensors and Actuators, Proc. Trans- ducers 1993, S. 924-26), die eine vierfach schnellere Vervielfachung gewünschter DNA-Sequenzen gegenüber bekannten Anordnungen ermöglicht. Diese bis zu 50 μl Probenflüssigkeit aufnehmende Probenkammer besteht aus einer strukturierten Siliziumzelle mit einer Längsausdehnung in der Größenordnung von 10 mm, welche in einer Probenangriffsrichtung von einer dünnen Membran abgeschlossen ist, über die die entsprechende Temperaturbeaufschlagung mittels miniaturisierter Heizelemente erfolgt. Auch bei dieser Vorrichtung wird die zu vervielfachende DNA-Sequenz über Mikrokanäle in die Kammer eingebracht, einer Polymerase-Ketten-Reaktion unterworfen und anschließend wieder abgezogen. Trotz der mit dieser Vorrichtung erzielten Vorteile haftet ihr im wesentlichen der Nachteil an, daß auch diese Probenkammer als Ganzes beheizt und gekühlt werden muß, womit sich nur begrenzte Temperaturwechselraten erreichen lassen. Insbesondere bei weiterer Reduzierung der Probengröße fallt dabei die parasitäre Wärmekapazität der Probenkammer und ggf. eines not¬ wendigen Temperierblocks gegenüber der Probenflüssigkeit immer stärker ins Gewicht, so daß die prinzipiell bei kleinen Flüssigkeitsvolu¬ mina denkbaren hohen Temperaturwechselraten nicht erreicht werden können, wodurch die Effektivität des Verfahrens relativ gering bleibt. Darüber hinaus ist zwecks Erreichung jeweils konstanter Temperatur¬ regimes für die Probenflüssigkeit ein relativ aufwendiger Steuer- und Regelaufwand erforderhch, wobei die erbrachte Heiz- bzw. Kühlleistung im wesentlichen nicht in der Probenflüssigkeit, sondern in den sie umge¬ benden Baugruppen verbraucht wird. Der wesentlichste Nachteil dieser letztgenannten Vorrichtung besteht jedoch darin, daß sie keine Erweiterung zur gleichzeitigen parallelen Behandlung einer Vielzahl von Proben erlaubt.
Der Erfindung hegt somit die Aufgabe zugrunde einen miniaturisierten Mehrkammer-Thermocycler anzugeben, der bei einfacher Handhabung die Behandlung einer großen Probenzahl mit Probenvolumina im unteren Mikro- und Nanohterbereich bei hohen Temperaturwechsel¬ geschwindigkeiten und kleinen Heizleistungen ermöglicht, wobei relativ homogene Temperaturverteilungen die Einzelproben erfassen und Überhitzungs- oder Unterkühlungseffekte weitestgehend vermieden werden sollen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Kennzeichen des Patentan¬ spruchs 1 gelöst. Durch einen in MiloOsystemtechnik gefertigten Probenaufhahmekörper mit einer Vielzahl von Probenkammern und einer definierten Ankopplung an eine Wärmesenke über wenigstens eine schlecht wärmeleitende Brücke wird die der Erfindung zugrundehegende Aufgabe in neuartiger Weise gelöst. Zur näheren Illustration der Erfindung sollen nachfolgende Ausführungs¬ beispiele und schematische Zeichnungen dienen. Es zeigen:
Fig. 1 einen Ausschnitt einer ersten Ausführungsform der Erfindung in einem seitlichen Schnitt,
Fig. 2 eine Draufsicht auf einen geöffneten Probenaufhahmeträger in einer Ausbildung entsprechend Fig. 1,
Fig. 3 einen teilweisen Ausschnitt einer zweiten Ausführungsform der Erfindung in einem seitlichen Schnitt, Fig. 4 eine Draufsicht auf eine möghche Ausgestaltung eines
Probenaufhahmeträgers gemäß Fig. 3 und
Fig. 5 eine Möglichkeit einer erfindungsgemäßen Heizelement¬ ausbildung.
In Figur 1 ist schematisch ein n- maturisierter Mehrkammer- Thermocycler mit einem möglichst gut wärmeleitenden Probenaufhahmeträger 1 in einem seitlichen Schnitt dargestellt. Ohne, daß die Erfindung auf die im folgenden genannten Materiahen und Herstellungstechnologien beschränkt wäre, stellen nachfolgende Ausführungsformen die derzeit vorteilhaftesten dar. Im Beispiel wird als Probenaufhahmeträger 1 ein Siliziumwafer verwendet, in den durch Tiefenätzung die eigentlichen Probenkammem 2 derart eingebracht sind, daß ein Probenkammerboden 3, mit hinreichender Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitig massearmer Ausbildung verbleibt. Links und rechts dieser Probenkammem 2 wird die Tiefenätzung fortgeführt, bis nur noch dünne Stege 5 verbleiben. Die Spaltbreite dieser Stege ist mit bsp bezeichnet, welche im Rahmen der Erfindung eine variabel an die sonstigen Gegebenheiten des Probenaufhahmeträgers 1 anpaßbare wesentliche Größe darstellt. Im Beispiel von Figur 1 sind genannte Stege 5 mit einer schlecht wärmeleitenden Überbrückung 7 versehen, wofür sich dünne Glas-, SiC>2-oder Si3N4-Plättchen als auch geeignet aufgebrachte Beschichtungen aus solchen Materiahen, einem Lack oder entsprechende Kombinationen eignen. Im Beispiel sind für die Überbrückung ca. 200 μm dicke Pyrexglasplättchen verwendet. Wesentlich für die Auswahl und Dimensionierung sind neben der Spaltbreite bsp, die bspw. 40 μm betragen kann, die spezifische Wärmeleitfähigkeit λ^ der Überbrückung und ihre Dicke dü, wobei erfindungsgemäß für eine Beziehung für einen modifizierten Wärmeleitwert G' = (λy • du)/bsp, Werte zwischen 0,6 ... 6 W K-m einzuhalten sind. Im Beispiel ist der Probenaufhahmeträger 1 durch einen, entlang der stricl-üniert dargestellten Achse spiegelsymmetrischen Zusammenbau zweier, wie zuvor beschrieben hergestellter, identischer Teilträger realisiert, was eine technologisch vorteilhafte Ausführung darstellt, die Erfindung jedoch nicht darauf beschränkt. Ebenso sind andere Ausführungen der Abdeckung der Probenkammem, bspw. mit Folien geeigneter Wärmeleitfähigkeit, möglich. Die Probeiikammerböden 3 sind mit einem Heizelement 6, 60 versehen, welches vorteilhafter Weise, da in den Herstellungsprozeß leicht integrierbar, ein auf die Probenkammerbodenunterseite aufgebrachtes Dünnschichtheizelement sein sollte. Ebenso hegt es im Rahmen der Erfindung, auch den Probenkammerdeckel mit entsprechenden Heizelementanordnungen, symmetrisch zum Probenkammerboden, zu versehen. Der jeweilige Probenkammerboden 3 wirkt gleichzeitig als Wärmeausgleichsschicht, so daß in die Probenkammer 2 nicht dargestellte einbringbare Proben einen homogenen Temperaturgradienten, sowohl in Heiz- als auch bei Kühlzyklen erfahren. Die beschriebene Anordnung ist in lateraler Richtung beidseits von einem als Wärmesenke dienenden Koppelkörper 4 erfaßt, der nur in Teilen dargestellt ist.
Figur 2 verdeutlicht eine gemäß Fig. 1 geschaffene Anordnung mit abgenommenen Probenkammerdeckel in schematischer und nicht maßstäblicher Weise; in Wirklichkeit befinden sich wenigstens 96
Probenkammem 2 auf dem Siliziumwafer 1, an deren jeweiligen
Schmalseiten 8 sich beidseits genannte Stege 5, wie dargestellt, anschließen. Das jeweilige Einzelkammervolumen läßt sich, je nach gewünschten Vorgaben, bspw. zu 2 ... 10 μl bemessen. Die Dicke des als
Wärmeausgleichsschicht wirkenden Probenkammerbodens 3 läßt sich bspw. auf 100 μm festlegen. Für den Heizleistungseintrag pro
Proberikammer sind nur äußerst geringe Werte, die zwischen 0,5 ... 5 W hegen, erforderhch. Bei der Durchführung des o.g. PCR- Verfahrens sind mit genannten Vorgaben Zeitkonstanten zwischen 1 ... 6 s, Kühlraten zwischen 5 ... 25 K/s bei erforderlichen Temperaturhüben von ca. 80 K durch die Erfindung realisierbar. Die Temperaturunterschiede innerhalb der Probenflüssigkeit bewegen sich unterhalb 5 K, so daß störende Überhitzungen bzw. Unterkühlungen der Probenflüssigkeit ausge¬ schlossen sind.
In Figur 3 ist eine zweite vorteilhafte Ausfuhrung der Erfindung in einem seitlichen Teilschnitt dargestellt. Die Herstellung des Proben¬ aufhahmeträgers 1 soll auch hier der unter Figur 1 beschriebenen entsprechen. Abweichend zum ersten Ausführungsbeispiel sind hier jedoch die Probenkammem 2 arrayartig in den Siliziumwafer 1 eingebracht, was technologisch noch vorteilhafter ist und vor allem eine höhere Probenkan ieranzahl pro Wafer ermöglicht. In praktischer Umsetzung einer solchen Ausführung können in einem 4"-Siliziumwafer ca. 6000 Probenkammem mit je ca. 0,1 μl Aufhahmevolumen eingebracht sein. Die Erfindung ist nicht auf die in Figur 4 schematisch dargestellten quadratischen Grundrisse der einzelnen Probenkammem 2 beschränkt. Durch entsprechende Führung des Ätzprozesses sind ebenso auch kreisrunde Geometrien erzeugbar. Die erfindungsgemäß vorzusehende schlecht wärmeleitende Brücke wird in dieser Ausführungsform durch einen Spalt 51 zwischen den Probeiikammerböden 3 und einem als Wärmesenke dienenden Koppelkörper 41 realisiert. Eine solche Ausfiihrungsfoπn erhöht den Freiheitsgrad bei der Festlegung der gewünschten Spaltdimensionierung b'sp erheblich. So ist es einerseits möglich, durch präzise vorfertigbare Distanzringe unterschiedhcher Höhe, den Spalt b'sp in Stufen veränderbar festzulegen, als auch andererseits mittels aufwendigerer mechanischer Verstellmechanismen die Spaltbreite variabel einzustellen. Vorgenannte Alternativen sind besonders bei Verwendung von Gasen oder Flüssigkeiten als schlecht wärmeleitende Brückenmaterialien von Vorteil. Desweiteren besteht aber bei dieser Ausführung auch die Möghchkeit ganzflächige Zwischenlagen oder Beschichtungen im Spaltraum anzubringen. In diesem Zusammenhang erfindungswesentlich ist jedoch, daß der Spalt 51 material- und/oder dickenmäßig so ausgebildet ist, daß bei einer Beziehung λsp b'sp, mit λsp als spezifischer Wärmeleitfähigkeit im Spalt, ein Wert zwischen 300 ... 3000 W/K-m2 eingehalten ist. In Figur 5 ist schheßhch eine Möghchkeit einer erfindungsgemäßen Heizelementausbildung im Ausschnitt dargestellt, wie sie in Draufsicht auf den Probenkammerboden (oder -deckel) gemäß Fig. 1 einsetzbar wäre. Die Strukturierung einer zunächst ganzflächig aufgebrachten Widerstandsheizschicht ist dabei erfindungsgemäß so ausgeführt, daß unmittelbar unterhalb des Probenkammerbodens 3 ein breiterer Heizelementbereich und schmalere Heizstege 60 an den jeweiligen Probenkammerberandungen über massiven Bereichen des Probenkammeraufhahmekö ers 1 verbleiben, wodurch in letzteren Bereichen ein größerer Heizleistungseintrag in die Probenlrammer(n) gewährleistet ist.
Zu Figur 3, in der der Einfachheit halber die zur Anwendung gelangenden Heizelemente 61 in den Probenkammem positioniert dargestellt sind, gelten analoge Ausführungen zur Strukturierung, wie oben beschrieben. Insbesondere, wenn auch der Probenkammerdeckel mit entsprechenden Heizelementen versehen ist, soll die Ausführung der Heizelemente¬ gestaltung so erfolgen, daß ein höherer Heizleistungseintrag in die Probenkammem 2 an der dem Koppelkörper 41 zugewandten Seite des Probenau&ahmeköφers 1 erfolgt. Aus Gründen der einfacheren Herstellbarkeit werden jedoch in diesem Beispiel die Heizelemente, wie in Fig. 1, an der Probenkammerbodenunterseite bzw. -deckenoberseite in der praktischen Ausführung angebracht sein.
Die geringe Wärmekapazität des vorgeschlagenen Gesamtsystems ermögUcht es, Heiz- und Kühlraten zu erreichen, die bei reduziertem apparativem Aufwand denen konventioneller Thermocycler weit überlegen sind. 3h einem ersten Muster, mit Wasser als Versuchsmedium, wurden Temperaturwechselgeschwindigkeiten von 15 K/s problemlos erreicht. Die Temperaturunterschiede innerhalb der Probe hegen während einer Aufheiz- und Abkühlphase ledighch in der Größenordnung von
5 K. Nach Einstellung des thermischen Gleichgewichts sinken diese auf nahezu 0 K. Die Einstellung des thermischen Gleichgewichts innerhalb einer Probe vollzieht sich in einem Zeitraum in der Größenordnung von ca. 10 s. Aufgrund der durch die Erfindung geschaffenen Möghchkeit einer aktiven Temperaturregelung, verbunden mit der geringen thermischen Relaxationszeit des Probenaufhahmekörpers, sind die Temperatur¬ wechselraten den jeweihgen Bedingungen für ein gegebenes PCR- Experiment behebig zwischen 1 ... 15 K/s anpaßbar.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in behebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Bezueszeichenliste
1 - Probenaufhahmeköφer (Siliziumwafer)
2 - Probenkammei n)
3 - Probenkammerboden
4, 41 - Koppelköφer (Wärmesenke)
5, 51, 7 β schlecht wärmeleitende Brücke (Steg, Spalt, Überbrückung)
6, 60, 61 - Heizelement
8 - Probenkammerschmalseite

Claims

Patentansprüche
1. Miniaturisierter Mehrkammer-Thermocycler, einen Probenaufhahme- körper zur Aufnahme von flüssigen Medien beinhaltend, dadurch gekennzeichnet, daß
- ein in Mikrosystemtechnik gefertigter Probenaufhahmekörper (1) eine Vielzahl von Probenkammem (2) aufweist, die derart ausgebildet sind, daß - wenigstens eine der Proberikammerwandungen der Probenkammer, die den Proberikammerboden (3) bildet, gut wärmeleitend, jedoch massearm ausgebildet ist,
- die Ankopplung genannter Probenkammer(n) (2) an einen als Wärmesenke dienenden Koppelköφer (4; 41) - über wenigstens eine schlecht wärmeleitende Brücke (5, 7; 51) erfolgt, die bezüglich ihrer Dimensionierung und/oder Material¬ auswahl derart ausgeführt ist, daß ihre spezifische Wärmeleitfähigkeit λ weniger als 5 W/K-m beträgt,
- und genannte Probenkammer(n) mit wenigstens einem Heizelement (6) versehen ist (sind), das so ausgeführt ist, daß es in Verbindung mit einer als Wärmeausgleichsschicht wirkenden Probenkammer- wandung, die zugleich genannter Proberikammerboden (3) sein kann, eine möglichst homogene Temperaturverteilung in einem, in die Probenkammer(n) (2) einbringbaren flüssigen Medium bewirkt.
2. Miniaturisierter Mehrkammer-Thermocycler nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß genannte, schlecht wärmeleitende Brücke im wesentlichen durch einen, durch Mikrostrakturierung erzeugten, dünnen stegföπnigen Spalt (5) gebildet ist, der sich in lateraler Richtung beidseits an die Schmalseiten (8) genannter
Probenkammer(n) (2) anschließt.
3. Miniaturisierter Mehrkammer-Thermocycler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dünne Spalt (5) probenkammerabseitig mit einer parallel zum Spalt verlaufenden, schlecht wärmeleitenden Überbrückung (7) versehen ist. 4. Miniaturisierter Mel-rkammer-Theπnocycler nach Ansprach 3, dadurch gekennzeichnet, daß genannter Spalt (5) und genannte Überbrückung (7) zueinander in einem Verhältnis G' = (XQ • dü)/bsp, mit λy als der spezifischen Wärmeleitfähigkeit der Überbrückung, dü als der Dicke der Überbrückung, bsp als der Spaltbreite und G' als einem sich ergebenden modifizierten Wärmeleitwert, festgelegt sind, daß für G' ein Wert zwischen 0,6 ... 6 W/K*m, eingehalten ist.
Figure imgf000013_0001
Mehrkammer-Thermocycler nach Ansprach 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß für das Material genannter Überbrückung
(7) insbesondere ein Glasplättchen, eine Beschichtung bestehend aus SiC>2, Si3N4 oder ein Lack oder Kombinationen der genannten Materiahen eingesetzt ist.
6. Miniaturisierter Mehrkammer-Thermocycler nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Heizelement ein mikrostrukturierter Dünnschichtheizer (6, 60) eingesetzt ist, der bevorzugt mit dem Probenkammerboden in Verbindung gebracht ist und dessen Lay-out so ausgeführt ist, daß ein größerer Heizleistungseintrag im Bereich der Proberikammerschmalseiten (8) erfolgt.
7. Miniaturisierter MeM mmer-Thermocycler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß genannte, schlecht wärmeleitende Brücke durch einen alle Probenkammem in ihren Probenkammerbodenbereich einerseits erfassenden Spalt (51) gebildet ist, an den sich andererseits ein als Wärmesenke dienender Koppelköφer (41) anschließt.
8. Mmiaturisierter Mehrkammer-Thermocycler nach Ansprach 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (51) material- und/oder dickenmäßig so ausgebildet ist, daß bei einer Beziehung λgp/b'sp, mit λgp als spezifischer Wärmeleitwert im Spalt und b'sp als der Spaltdicke, ein Wert zwischen 300 ... 3000 W/Km2 eingehalten ist.
9. M aturisierter Mehrkammer-Thermocycler nach Ansprach 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (51) bezüglich seiner Spaltbreite (b'™) vorbestimmbar, stufenweise veränderbar und dann fixierbar ist.
10. Miniaturisierter Mehrkammer-Thermocycler nach Ansprach 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die den Spalt (51) bezüglich seiner Spaltbreite (b'sp) variabel einstellen lassen.
11. Miniaturisierter Mehrkammer-Thermocycler nach Ansprach 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (51) mit einem in fester Form vorhegendem Material, insbesondere einem SiC>2-, S13N4- oder Glasplättchen, verfüllt ist, bzw. mit einer Beschichtung aus genannten Materiahen oder einem Lack versehen ist.
12. Miniaturisierter Mehrkammer-Thermocycler nach Ansprach 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (51) ein flüssiges oder gasförmiges Medium beinhaltet.
13. Miniaturisierter Mehrkammer-Thermocycler nach Ansprach 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenkammem (2) mit entsprechend ausgeführten Dünnschichtheizelementen (61) derart versehen sind, daß ein größerer Heizleistungseintrag im Bereich der Probenkammer- bodenbereiche (3) erfolgt.
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