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図面 (20)

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

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1であって、1つのマイクロタイタープレート受容するように構成され、かつ複数のセグメント画定するように構成される試料ブロック35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)7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。

概要

背景

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、複数の試料一連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。

概要

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。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1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画定するように構成される試料ブロック35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)7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。

目的

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

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

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請求項1

本明細書に記載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

技術分野

0001

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。

0002

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。

背景技術

0003

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、複数の試料一連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。

0004

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既知のパターンに対応する。

0005

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。

0006

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配列増幅につながる。

0007

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。

0008

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、ポリメラーゼ寿命がより短くなる。

0009

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。

0010

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。

0011

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。

0012

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。

0013

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。

0014

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。

先行技術

0015

米国特許第5,525,300号明細書
米国特許第5,819,842号明細書

発明が解決しようとする課題

0016

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。

課題を解決するための手段

0017

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。

0018

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。

0019

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Td1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、Td1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Td1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Td2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、Td2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Td2までの第2のゾーンの細かい加熱を提供する。

0020

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。

0021

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Td1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Td2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、Td1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Td1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、Td2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Td2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Td3で変性させるステップをさらに含み、Td2≠Td3であり、Td1>Td2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Td3で変性させるステップをさらに含み、Td1≠Td2およびTd1<Td2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Ta1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Ta2でアニールするステップと、
をさらに含み、Ta2は、Ta1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Te1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Te2で延長させるステップと、
をさらに含み、Te2は、Te1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)
Td1への温度変化速度は、Td2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。

図面の簡単な説明

0022

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。

実施例

0023

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。

0024

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。

0025

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。

0026

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。

0027

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。

0028

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。

0029

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。

0030

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。

0031

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。

0032

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。

0033

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。

0034

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。

0035

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。

0036

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。

0037

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。

0038

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。

0039

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。

0040

3つの操作形態がある。

0041

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。

0042

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。

0043

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。

0044

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。

0045

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。

0046

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。

0047

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。

0048

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。

0049

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。

0050

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。

0051

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。

0052

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。

0053

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。

0054

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。

0055

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。

0056

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。

0057

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。

0058

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。

0059

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。

0060

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)。

0061

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。

0062

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。

0063

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。

0064

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 INTERATINAL, 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、流体は液体凝集状態気体平衡状態となり、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。

0065

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。

0066

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。

0067

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。

0068

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。

0069

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。

0070

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。

0071

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。

0072

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整合してもよい。

0073

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。

0074

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。

0075

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。

0076

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。

0077

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。

0078

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。

0079

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。

0080

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。

0081

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Td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、Td1はゾーン39における変性温度、Td2はゾーン40における変性温度、Td3はゾーン41における変性温度、Td4はゾーン42における変性温度、Td5はゾーン43における変性温度、およびTd6はゾーン44における変性温度である。例えば、Td2≠Td3およびTd1>Td2であるか、またはTd1≠Td2およびTd1<Td2である。変性温度Td1−d6への温度変化速度およびTd1−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、Td1−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Td1−d6までの細かい加熱を提供することができる。

0082

次いで、ゾーン39〜44は、アニール温度Ta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、Ta1はゾーン39におけるアニール温度、Ta2はゾーン40におけるアニール温度、Ta3はゾーン41におけるアニール温度、Ta4はゾーン42におけるアニール温度、Ta5はゾーン43におけるアニール温度、およびTa6はゾーン44におけるアニール温度である。アニール温度Ta1−a6への温度変化速度およびTe1−e6での滞留時間は、要望通り変更し得る。

0083

延長ステップの間、ゾーン39〜44は、次いで、延長温度Te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、Te1はゾーン39における延長温度、Te2はゾーン40における延長温度、Te3はゾーン41における延長温度、Te4はゾーン42における延長温度、Te5はゾーン43における延長温度、およびTe6はゾーン44における延長温度である。延長温度Ta1−a6への温度変化速度およびTa1−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、Te1−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Te1−e6までの細かい加熱を提供することができる。

0084

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。

0085

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。

0086

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18SrRNA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, 3rd Editionに見出すことができる。

0087

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。

0088

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。

0089

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。

0090

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。

0091

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。

0092

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。

0093

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。

0094

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。

0095

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、非常に微細粉末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。

0096

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。

0097

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。

0098

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。

0099

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。

0100

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。

0101

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。

0102

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。

0103

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。

0104

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。

0105

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。

0106

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。

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