DE69219566T2

DE69219566T2 - Verfahren und Gerät zur Temperaturregelung von Vielfachproben

Info

Publication number: DE69219566T2
Application number: DE69219566T
Authority: DE
Inventors: John Irving Bell; John Michael Old; Colin Gerald Potter; Derek Henry Potter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-12-05
Filing date: 1992-12-07
Publication date: 1998-01-02
Anticipated expiration: 2012-12-08
Also published as: EP0545736A2; EP0545736B1; DE69219566D1; US5819842A; EP0545736A3; FI915731A0

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Laboranalysen von Proben unter experimentellen Bedingungen erfordern oft, daß ihre Temperatur so konstant wie möglich gehalten oder gemäß einem vorgegebenen Zeitablauf variiert wird. Eine volle Probenanalyse kann verschiedene anzuwendende Temperaturbedingungen erfordern, und es kann sein, daß so viele Heizanordnungen bereitgestellt werden müssen, wie Proben vorliegen. Alternativ können eine oder einige wenige Anordnungen nacheinander benutzt werden, was aber Probleme bezüglich der Reproduzierbarkeit schafft, zum Beispiel dann, wenn die Proben nicht leicht gelagert werden können oder instabil sind. Zusätzlich kann es in einem vielbeschäftigten Labor mehrere Experimentatoren geben, welche eine solche Anordnung für verschiedene Zeiten und Temperaturbedingungen benötigen. Dies führt zum Bedarf von mehr Ausrüstung oder zu einer Einschränkung von Aktivitäten, bis die Anordnung frei ist.
Beispiele der in Betracht gezogenen Art von Proben finden sich in vielen Bereichen der Biochemie. Beispielsweise kann es notwendig sein, Enzymreaktionen bei verschiedenen Temperaturen durchzuführen, um die optimalen Reaktionsgeschwindigkeiten zu finden. Die Wirkung der Dauer einer Reaktion wird auch untersucht werden müssen, da sich die Reaktionsgeschwindigkeit nach langen Inkubationen verlangsamen oder sogar umkehren kann. Die Kombination der Zeit- und Temperaturparameter führt zu langwierigen Experimenten, in denen die Ergebnisse nicht immer übereinstimmen, wenn die Versuche an verschiedenen Tagen durchgeführt wurden, weil dies zu unvermeidbaren Unterschieden in den Probenbedingungen führen kann.
Ein zweites Beispiel liegt in der Molekularbiologie, wo die Geschwindigkeiten der Hybridisierung und des Schmelzens von Nucleinsäuren untersucht werden. Hier ist die Variation von Zeit und Temperatur auch äußerst wichtig. Optimale Zeiten und Temperaturen sind für die höchstspezifische Hybridisierung von RNA/DNA-Heteroduplices nötig, die unter Verwendung eines Elektronenmikroskops sichtbar gemacht und auf Tertiärstrukturen hin analysiert werden können.
Ein drittes Beispiel ist die thermische Zyklisierung von Proben zur Amplifikation von DNA (die Polymerasekettenreaktion, PCR Cetus Corp. USA). Bei diesen Verfahren (siehe EP-A- 236069 und 200362) werden DNA-Proben in Lösung erhitzt, bis sie schmelzen und in einzelnen Strängen vorliegen. Die Temperatur wird dann vermindert, wodurch es ermöglicht wird, daß ein Paar von kurzen Oligonucleotiden in dem Gemisch mit gegenüberliegenden Strängen der DNA hybridisieren, und zwar in einem Abstand, der abseits der Definition der interessierenden Sequenz liegt. Diese getemperten Oligonucleotide wirken als Primer gegenüber einer termophilen DNA-Polymerase (siehe WO 91/09550) und erlauben es, daß die DNA-Synthese weiterläuft, bis die Länge des Doppelstrangs mindestens so lang wie die interessierende Sequenz ist. Beim erneuten Schmelzen der Produkte und Wiederholen des Verfahrens werden Sequenzen mit genau der Länge gebildet, die durch die Positionen der Oligonucleotide spezifiziert ist. Diese können dann so oft wie nötig zyklisiert werden. Diese wertvolle Methode benötigt eine gute Temperatursteuerung, weil dann, wenn das Schmelzen unzureichend ist oder bei einer so hohen Temperatur erfolgt, daß die Komponenten des Gemisches abgebaut werden, sich die Wirksamkeit des Verfahrens verschlechtert. In ähnlicher Weise ist das Tempern der Oligonucleotide in kritischer Weise von der Temperatur abhängig, und es gibt auch eine Optimaltemperatur für die beste Synthesegeschwindigkeit. Es gibt auch ein Verfahren zur Amplifikation von cDNA, das durch Umkehrtranscriptase von mRNA kopiert worden ist. Hier müssen für die wirksamste cDNA- Synthese die optimalen Bedingungen und die Temperatur für die Stabilität der primären Heteroduplices mit der Reduzierung der Sekundärstruktur ausgeglichen werden. In jeder Technik soll das Produkt bei jedem Zyklus verdoppelt werden, und man sieht, daß kleine Änderungen in der Wirksamkeit einen großen Unterschied bezüglich der Endmenge des Produkts machen.
Eine andere Amplifikationstechnik ist es, wenn eine thermoplastische Ligase benutzt wird, um zwei Paare von Oligonucleotiden zu verbinden, die mit gegenüberliegenden DNA- Strängen, aber an der gleichen Stelle, hybridisiert sind. Die verbundenen Paare werden Schablonen für nachfolgende Zyklen, die große und leicht auffindbare Mengen eines Doppeloligonucleotidprodukts ergeben. Wenn eine Fehlanpassung bei der Paarbildung eintritt, funktioniert die Hybridisierung nicht und der Prozeß kommt nicht in Gang. Auf diese Weise können Mutantenstellen gefunden werden, aber man kann sehen, daß die Oligonucleotidhybridisierung äußerst kritisch und gegenüber der Temperatur sehr empfindlich ist.
Ein letztes Beispiel der Temperaturregelung betrifft das Wachsen von Zellen in einer Gewebekultur. Üblicherweise werden Inkubatoren bei einer festgelegten Temperatur benutzt. Jedoch wächst eine Anzahl von Zellarten bei geringfügig verschiedenen Temperaturen besser, und es ist normalerweise ein langer und schwieriger Vorgang, das Optimum zu finden, wenn die Wachstumsgeschwindigkeiten in aufeinanderfolgenden Experimenten mit dem auf verschiedene Temperaturen eingestellten Inkubator verglichen werden. Die Expression einiger Proteine wird auch stark von der Temperatur beeinträchtigt (Hitzeschockproteine), und die Erforschung des zugehörigen Mechanismus würde durch die Möglichkeit sehr erleichtert werden, wenn verschiedene Vertiefungen einer Gewebezüchtungsplatte zur Verfügung stünden, die genau bei verschiedenen Temperaturen während verschiedener Zeiten gehalten werden oder zyklisiert werden, um die optimalen Wirkungen der Temperatur auf das fragliche System herauszufinden.
Einige Fortschritte hinsichtlich der Steuerung von Probentemperaturen wurden bereits gemacht. Es sind viele Vorrichtungen erhältlich, welche die Temperatur eines einzelnen Heiz- und Kühlblocks steuern, der zum Halten kleiner konischer Röhrchen, bekannt als Eppendorf-Röhrchen, geeignet ist. Diese Röhrchen sind aus Polypropylen hergestellt und haben leider eine schlechte Wärmeleitung Um diesen Nachteil zu überwinden, wurden einige Vorrichtungen für Röhrchen entworfen, die speziell mit dünnen Seitenwänden hergestellt worden sind.
In vielen solcher Vorrichtungen befindet sich ein Heiz- und Kühlblock aus Metall, in den die Röhrchen eingesetzt werden. Der Block kann durch eine thermoelektrische Einrichtung nach Peltier oder durch eine Zirkulation einer heißen oder kalten Flüssigkeit durch Kanäle in dem Block erhitzt oder gekühlt werden (vgl. EP-A-236069). In vielen anderen Vorrichtungen erfolgt ein elektrisches Erhitzen. Auch wurde eine wärmeaussendende Glühlampe eingesetzt (vgl. WO89/09437). In jeder dieser Vorrichtungen ist es schwierig, für jede Probe einen ähnlichen thermischen Kontakt reproduzierbar zu erreichen. Da die Wärmeströmungen passiv sind, ist es auch unvermeidbar, daß sich Unterschiede in der Temperatur zwischen verschiedenen Stellen in dem Block ergeben (F. van Leuven, Trends in Genetics, 1991, Band 7, Seite 142). Auch wurden sonst noch andere Unzulänglichkeiten klar beschrieben (R. Hoelzel, Trends in Genetics, 1990, Band 6, Seiten 237 bis 238). Bei einem alternativen Lösungsversuch (vgl. WO90/05239), bei dem Wasser als wärmeleitendes Medium verwendet wird, sollten die Temperaturunterschiede in jeder Probe wegen der großen Wassermenge mit seiner hohen spezifischen Wärme ähnlich sein. Dies ist aber auch ein Nachteil, da hierdurch die für einige Anwendungen nötigen raschen Temperaturwechsel nicht möglich sind. Bei einem anderen Lösungsversuch wurde heißes Gas verwendet, um Proben in dünnwandigen Küvetten (EP-A-381581) in einer Anordnung zu erwärmen, um eine PCR mit gewisser Zurückhaltung durchzuführen, damit eine Kontaminierung des Labors durch das PCR -Produkt vermieden wird.
Einige Vorrichtungen haben mehr als einen temperaturgesteuerten Heizblock (zum Zeitpunkt der Abfassung dieses Textes waren es bis zu fünf) und, obwohl dies das Bedürfnis für eine unabhängige Temperatursteuerung von Proben zeigt, stellt dies nur die Unterbringung verschiedener Vorrichtungen in einem einzigen Gehäuse dar, wenn auch ein einziger Computer für die Steuerung vorgesehen ist.
Für die unabhängige Steuerung einer Mehrzahl von Proben, die notwendigerweise nahe zusammen angeordnet sind, sind dann neue Techniken erforderlich. Wir beschreiben hier, wie alle Proben in einem Probenbehälter, der für einen raschen Wärmeübergang entworfen worden ist, unter Verwendung einer Temperaturrückführungssteuerung unabhängig voneinander auf einen Einstellpunkt einreguliert werden können, wobei die Temperatur durch ein temperaturempfindliches Element überwacht wird. Dies erfolgt durch Erhitzen aller Proben unabhängig voneinander, während zur gleichen Zeit eine Kühlvorrichtung einen wesentlichen und kontinuierlichen Wärmestrom von der jeweiligen Probe aus erzeugt, um bei Bedarf eine angemessene Kühlgeschwindigkeit zu ermöglichen. Die Geschwindigkeit des Wärmestroms durch die Kühlvorrichtung wird teilweise durch einen Wärmewiderstand bestimmt, der mit vorgesehen ist, um das Muster und die Maximalgeschwindigkeit des Wärmestroms auf die gewünschten Niveaus hin zu steuern. Dadurch, daß die thermische Masse der temperaturgesteuerten Komponenten auf einem Minimum gehalten wird, ist es auch möglich, die Temperatur der Proben sehr rasch zu ändern. Für miteinander in Wechselwirkung stehende Proben, zum Beispiel in Fällen, in denen eine zu kühlende Probe von heißen Proben umgeben ist, ist eine verminderte Ansteigegeschwindigkeit erreichbar. Durch Einstellen der Ansteigegeschwindigkeit auf einen Wert, bei dem sie langsamer ist als im schlechtesten Fall der Wechselwirkung von Proben erzeugt die Vorrichtung gut reproduzierbare Temperaturänderungen und Zeitabläufe, die in ihrer Schnelligkeit noch günstig sind, verglichen mit vielen Einblock-Ausführungsformen. Diese Genauigkeit wird auch noch bestatigt, wenn eine solche Vorrichtung in einem Einblockmodus benutzt wird, bei dem alle Proben dem gleichen Temperatur- und Zeitverlauffolgen, wobei aber die Leistungsfähigkeit bezüglich Genauigkeit und reproduzierbarer Temperatursteuerung einer großen Anzahl von Proben stark verbessert ist. Jedoch erleichtert die individuelle Steuerung einer jeden Probentemperatur Vielbenutzeranwendungen in hohem Maße.
Das Verfahren und die Vorrichtung, die wir beschreiben, soll deshalb den Nutzen vieler Techniken verbessern, die eine genaue Temperatursteuerung erfordern.
Die obigen und weitere Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden durch Bezugnahme auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung besser zu verstehen sein, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet werden. Die Erfindung wird nun anhand eines Beispiels beschrieben.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Querschnitt der Probenplatte.
Fig. 2 ist ein Querschnitt der Temperatursteuereinheit.
Fig. 3 ist ein Detail der Temperatursteuereinheit gemäß Fig. 2.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

In Fig. 1 ist die Probenplatte 10 dargestellt. Die Probe 11 wird in Form einer dünnen Scheibe eines Fluids gezeigt. Die Probe 11 liegt über der dünnen Kunststoffolie 12 und befindet sich deshalb in einem guten thermischen Kontakt mit der Unterseite der Folie 12. Diese ist der temperaturgesteuerten Oberfläche der Verteilerplatte 21 in Fig. 2 ausgesetzt. Somit steht die Probe 11 in einem guten thermischen Kontakt mit dem Verteiler 21. Die Proben 11 befinden sich in Vertiefungen 13 eines Materials mit niedriger thermischer Masse. Die Vertiefungen 13 sind durch eine Kunststoffversteifung 14 mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit verbunden. Die Vertiefungen 13 werden, nachdem die Proben 11 darin eingebracht worden sind, an der Oberseite durch eine Siegelfohe 15 und ein Klebesiegel 17 oder ein Heißsiegel verschlossen.
In der Temperatursteuereinheit 20 in Fig. 2 steht die Verteilerplatte 21, die einen niedrigen Wärmewiderstand aufweist, in engem Kontakt mit der Heizvorrichtung, der Kühlvorrichtung und dem Temperaturfühler.
Diese sind als eine Temperatursteuerung aufgebaut, die deshalb eine unmittelbare Steuerung der Temperatur der Basis der Probe bewirkt. Da die Probe 11 dünn ist, unterliegt sie insgesamt der gleichen Steuerung.
Zusätzlich zu der Probe 11 muß die Temperatursteuerung die Temperatur der Kunststoffolie 12 und der Probenvertiefung 13 ändern und aufrechterhalten. Da diese aus einem Material mit geringer thermischer Masse bestehen, dominieren sie nicht die thermische Belastung der Steuerung. Diese Belastung wird deshalb zum großen Teil durch die Probe 11 allein bestimmt.
Die gegebenenfalls vorhandene Vertei.lerplatte 21 gleicht die Temperaturunterschiede über die temperaturgesteuerte Oberfläche aus. Diese Unterschiede entstehen aufgrund von Beschränkungen bei der Herstellung.
Restliche Temperaturunterschiede in der Probe 11 selbst entstehen wegen der durch sie hindurchgehenden Wärmeströmungen.
Diese werden durch die Anordnung der Versteifung oberhalb der Probe 11, wie im Abschnitt 16 der Versteifung 14 in der Darstellung gezeigt wird, und durch ein geeignetes Dimensionieren der Versteifung und der Wände der Vertiefung 13 minimiert. Die resultierende niedrige Wärmeverbindung zu anderen Temperaturen wird weiter reduziert, wenn die Oberseite oder die Seiten der Vertiefung auf oder im Bereich der erforderlichen Temperatur gehalten werden. Da dies zur Verminderung eines kleinen Fehlers dient, muß die Steuerungsgenauigkeit nicht so groß wie die Haupttemperatursteuerung unterhalb der Kunststoffolie 12 sein.
Die Basis der Vertiefung 13 ist auch abgeschirmt. In diesem Fall kann die Verwirklichung mittels eines leitfähigen Metall-, Keramik- oder Kunststoffrings in der Position 16 der Versteifung 14 erfolgen, die in der Darstellung ausgeschnitten und in gutem thermischen Kontakt mit der temperaturgesteuerten Oberfläche oder mit der Verteilerplatte 21, wenn sie angepaßt ist, gezeigt wird.
Dadurch, daß die Probenplatte 10 von einer vertikalen Bewegung abgehalten wird, nutzt man das natürliche Bestreben der Kunststoffolie 12, sich beim Erhitzen der Probe 11 auszubauchen, aus, um den thermischen Kontakt mit der temperaturgesteuerten Oberfläche zu verbessern. Gleichzeitig wird die mechanische Beanspruchung in der Folie 12 durch die Abstützung der Verteilerplatte 21 vermindert.
In der Fig. 2 sind die Heizvorrichtung und der Temperaturfühler zusammen als Heizelement-Temperaturfühler 22 dargestellt, weil sie in der Praxis sehr eng zusammenliegend oder sogar in einem Teil verbunden gebaut werden können. Die Kühlvorrichtung wird durch den gesamten Wärmewiderstand des Kühlblocks bestimmt. Der Widerstand umfaßt zwei Hauptwege, nämlich den zum großen Teil senkrechten Weg durch die Scheibe 29 des Matrixmaterials unterhalb des Heizelement-Temperaturfühlers 22 und den zum großen Teil radialen Weg 30 vom Rand des Heizelement-Temperaturfühlers 22 aus, wobei die Wärme schließlich nach unten in den Kälteblock 25 strömt.
Die Hauptwege des Widerstands werden auch in Fig. 3 gezeigt, die ein Detail der Temperatursteuereinheit erläutert. Der vertikale Weg geht durch die Scheibe 29 des Matrixmaterials unterhalb des Heizelement-Temperaturfühlers 22 hindurch, und der radiale Weg 30 führt vom Rand des Heizelement Temperaturfühlers 22 hinunter zu dem Kühlblock 25.
Bei einer Matrix, die aus einem Material mit hoher Leitfähigkeit hergestellt ist, kann die Scheibe des Matrixmaterials durch eine Scheibe 23 aus einem Material mit einem höheren Wärmewiderstand verstärkt werden. Durch eine thermochrome Anstrichfarbe an oder in der Matrix 24 kann ein visueller Indikator der Temperatur der Matrix 24 an einer Probenstelle eingerichtet werden.
In der Darstellung ist die Dicke der Matrix 24 erheblich geringer als der Abstand zwischen den Probenpositionen. Folglich erreicht die radiale Strömung größtenteils nicht die benachbarten Proben, sondern strömt zu dem Kühlblock 25. Die Geometrie kann durch Verdünnen der Matrix 24 zwischen den Probenpositionen verbessert werden. Es ist dann fakultativ, ob die Matrix 24 bis zu dem Kühlblock 25 hinabreicht oder von dem Kühlblock 25 bis zur Matrix 24 eine Wärmebrücke aufgebaut ist, um den größten Teil irgendeiner Wärmeströmung aufzunehmen und abzuleiten.
Wärmeströmungen zwischen Proben werden so auf ein Minimum gebracht. Was bleibt, überträgt die eigenen Anforderungen auf die Temperatursteuerung. Da die letztere am besten als ein geschlossenes Kreislaufsystem verwirklicht wird, haben sie eine vernachlässigbare Wirkung auf die erreichten Temperaturen.
Wegen der kleinen thermischen Massen ist es möglich, die Temperatur der Proben 11 sehr rasch zu verändern. Im wesentlichen strömt anfangs jede Veränderung im Wärmeausgang der Heizvorrichtung in die Probe 11 oder aus ihr heraus.
Eine wichtige Komponente der Kühlvorrichtung ist der Kühlteil, der als ein Kühlblock 25 bezeichnet wird. In der Darstellung ist er einigen oder allen Probenpositionen gemeinsam. Der Kühlblock 25 wird durch eine thermoelektrische Vorrichtung 26 gekühlt. Unter Verwendung eines großen Metallblocks wird die Wärmeströmung über die Fläche der thermoelektrischen Vorrichtung 26 ausgeglichen. Er wird auch über die Zeit ausgeglichen, was ein besseres Ansprechen unter einigen Bedingungen erlaubt, insbesondere dann, wenn der Kühlblock 25 eine Wärmekapazität aufweist, die ein Mehrfaches von derjenigen der Proben 11 beträgt. Der Kühlblock 25 wird während der ganzen Zeit bei etwa der gleichen Temperatur gehalten, wodurch ein potentiell schädlicher Kreislauf der thermoelektrischen Vorrichtung 26 ausgeschlossen wird.
Abfallwärme wird durch den Wärmeleitblock 27 beseitigt, der ein Fluidkühlmittel 28 bestimmter Art benötigt. Dies kann Luft, Wasser oder etwas anderes sein. In der Praxis ist das Kühlen mit Wasser bequem.
Das Verfahren gemäß der Erfindung steuert die Temperatur von Proben, die sich in ausreichender Nähe für irgendeinen regulierenden Wechsel in der Temperatur einer Probe befinden, um sonst die Temperaturen einer anderen Probe zu beeinträchtigen. Die Temperatur bei irgendeinem gewünschten Einstellpunkt für jede Probe in einem Probenbehälter wird durch die folgenden Stufen unabhängig gesteuert. Jede Probe wird durch eine getrennte Heizvorrichtung erhitzt. Dem getrennten Erhitzen der Proben steht das kontinuierliche Kühlen einer jeden Probe durch eine Kühlvorrichtung gegenüber, wobei die Temperatur der Probe durch einen Temperaturfühler gemessen wird, die Temperatur der Probe mit der Temperatur des Einstellpunkts verglichen wird und die Heizvorrichtung gemäß diesem Vergleich gesteuert wird.
Das Abkühlen der Proben erfolgt durch eine Kühlvorrichtung, die aus einem Wärmewiderstand und einem gekühlten Teil besteht, der sich bei einer Temperatur befindet, die wesentlich niedriger ist als jene der Probe. Die Temperatur der 12, 24, 48 oder vorzugsweise 96 Proben wird unabhangig eingestellt.
Für eine unabhängige Steuerung der Temperatur bei einigen gewiinschten Einstellpunkten für jede Probe in einem Probenbehälter ist die Vorrichtung mit einer getrennten Heizvorrichtung, um jede Probe nach Bedarf zu erhitzen, einer Kühlvorrichtung zum kontinuierlichen Kühlen einer jeden Probe, einem Temperaturfühler zum Messen der Probentemperatur und einer Steuervorrichtung zum Steuern der Heizvorrichtung gemäß der Temperatur der gemessenen Probe und der Temperatur des Einstellpunkts ausgerüstet.
Eine Kühlvorrichtung besteht aus einem Wärmewiderstand und einem gekühlten Teil mit einer Temperatur, die wesentlich unter jener der Probe liegt, wobei der Wärmewiderstand zwischen der Heizvorrichtung und dem gekühlten Teil angeordnet ist. Zum Erhitzen der Proben weist die Heizvorrichtung Widerstandsheizelemente auf, die elektrisch durch Ohmschen Widerstand erhitzt werden. Das Widerstandsheizelement besteht aus einer flachen Abscheidung oder einer Haftung von Kupfer oder eines anderen Metalls oder Leiters auf einer Matrix, oder solche Stoffe sind auf die Matrix aufgeschmolzen oder darin eingeschmolzen. Die Matrix ist ein Isolator, der aus mit Kunststoff versehenen Glasfasern, Keramik, Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Glas oder Kunststoff besteht. Diese Stoffe sind auf irgendwelchen anderen dieser Materialien entweder allein niedergeschlagen oder auf Stahl oder andere Metalle aufgebracht.
Die Widerstandselemente sind in einem Muster angeordnet, das ein gleichförmiges Erhitzen der Probe erlaubt, zum Beispiel in einer Spirale, einer Zick-Zack-Anordnung, die sowohl gerade als auch in einer Kurve gekrümmt verlaufen kann, oder in einem meanderartigen Muster, das eine vergrößerte Streckenlänge gestattet, um innerhalb einer kleinen Fläche einen geeigneten Widerstand zur Verfügung zu stellen. Das Muster der Widerstandselemente der Heizvorrichtung ergibt eine nicht gleichmäßige Wärmezufuhr, um eine ungleichförmige Wärmeströmung von dem gesteuerten Bereich auszugleichen, damit eine verbesserte Gleichmäßigkeit der Temperatur erreicht wird.
Das Muster der Widerstandselemente der Heizvorrichtung ist vorgesehen, um Wärme an die Peripherie der temperaturgesteuerten Oberfläche heranzuführen, damit der radiale Wärmeverlust ausgeglichen wird. Der radiale Wärmeverlust stellt einen wesentlichen Anteil der Wärmeströmung aus dem Bereich dar und ist auch ein wesentlicher Teil der Kühlvorrichtung Wärme wird in Bereiche gebracht, die wesentlich kleiner sind als die gesamte wärmegesteuerte Fläche, um die Wärmeströmung durch wesentliche Teile des Aufbaus zu kompensieren.
Ein Ring aus wärmeleitendem Material ist um die Basis einer jeden Vertiefung der Probenbehälterpiatte angeordnet, entweder in thermischem Kontakt mit der Probenpiatte oder mit der Matrix, um bessere Wärmeübergangseigenschaften zu erreichen. Der Ring ist vorgesehen, um Temperaturdifferenzen innerhalb der Probe auf einem Minimum zu halten. Der Ring hat beispielsweise eine Höhe von 3 mm oder weniger, eine Dicke von 2 mm oder weniger und einen Durchmesser von 3 bis 15 mm.
Die Verteilerplatte aus einem guten Wärmeleiter befindet sich zwischen dem Probenbehälter und der Matrix oder zwischen der Matrix und dem Wärmewiderstand. Der vorgenannte Ring und die Verteilerplatte können auch verbunden sein. Der Ring oder die Verteilerplatte oder ihre Kombination können unabhängig von dem Heizelement erhitzt werden.
Die Temperatur wird von einem Temperaturfühler erfaßt, der sich in unmittelbarer Nähe der Probenvertiefung befindet. Die Temperatur kann auch durch eine temperaturabhängige Widerstandsbahn erfaßt werden. Dies ist eine flache Ablagerung oder eine Anhaftung von Kupfer oder eines anderen Metalls oder eines anderen Leiters auf der gleichen Matrix, welche das Heizelement trägt, oder solche Stoffe sind auf die Matrix aufgeschmolzen oder in sie hineingeschmolzen. Alternativ wird die Temperatur durch eine temperaturabhängige Widerstandsbahn erfaßt, die auch das Heizelement ist, welches auf die Matrix aufgebracht oder aufgeschmolzen oder in diese hineingeschmolzen ist.
Der Temperaturanstieg ist durch den naturgemäß vorhandenen Anstieg des Widerstands des Heizelements auf einen maximalen Sicherheitswert begrenzt. Das Kühlen der Proben erfolgt durch ihren Kontakt mit der Matrix, die ihrerseits mit dem gekühlten Teil über den Wärmewiderstand gekühlt wird, der die Matrix selbst beinhaltet, wobei gegebenenfalls eine andere Schicht mit einem geeigneten Wärmewiderstand, wie Luft oder ein anderes Material, hinzugefügt ist, um die erforderliche Radialströmung und die erforderliche Strömung durch die Matrix zu erreichen.
Das Kühlen des gekühlten Teils erfolgt durch eine Luft- oder Wasserströmung und mindestens durch eine thermoelektrische Vorrichtung oder den Kreislauf einer gekühlten Flüssigkeit. Wenn die thermoelektrischen Vorrichtungen verwendet werden, wird die erzeugte Wärme durch eine Luft- oder Wasserströmung oder einen Kreislauf einer gekühlten Flüssigkeit abgeführt.
Die Proben werden in einer Kunststoffplatte mit Probenvertiefungen angeordnet. Der Aufbau ist derart, daß der Boden der Vertiefungen dünn ausgebildet und vorzugsweise weniger als 0,25 mm, insbesondere etwa 0,025 mm, beträgt, um die beste Wärmeübertragung zur Probe und von ihr weg zu erreichen. Die Platte wird durch Erzeugen von Löchern in einer Kunststoffplatte sowie Aufsiegeln einer Kunststoffolie auf die Basis der Platte hergestellt, wodurch ein mit Vertiefungen versehener Probenbehälter gebildet wird. Die Geometrie der Platte ist derart, daß das Probenvolumen bis zu 100 µl, vorzugsweise etwa 25 µl, beträgt, so daß die Probendicke weniger als 5 mm, vorzugsweise etwa 1 mm, beträgt, um rasche Veränderungen der Probentemperatur zu gestatten.
Die Wärmeströmung von einer Probe zur anderen durch das Material der Platte wird durch dünne Materialversteifungen, welche die Vertiefungen diagonal verbinden, auf einem Minimum gehalten. Die Materialversteifungen sind oberhalb des Niveaus der Probe mit dem Probenbehälter verbunden, um die Querströmung von Wärme auf einem Minimum zu halten. Die Oberseite der Platte ist mit einer Klebe- oder Heißsiegelfolie verschlossen, um zu verhindern, daß eine Verunreinigung in die Vertiefung oder aus dieser heraus gelangt.
Die mechanische Beanspruchung der dünnen Basisbereiche der Probenvertiefungen wird dadurch vermindert, daß die Probenvertiefungen in einer Weise angeordnet sind, in der jeder Druck, der diese Basisbereiche zu einem Ausbeulen bringen kann, durch mindestens eine temperaturgesteuerte Oberfläche begrenzt wird.
Die Proben werden in Streifen von Vertiefungen, vorzugsweise 8 oder 12 pro Streifen, für jeden Benutzer, angeordnet, um die eigenen Proben unterzubringen. Die Oberseite des Probenbehälters wird mit einem Deckel abgedeckt, der Heizelemente trägt, um eine Kondensation aus jeder Probe zu vermeiden. Die Heizelemente halten Wärmeströmungen zu der Probe und von ihr weg auf einem Minimum. Bei mehrfachen Benutzerstreifen wird die Oberseite jedes Streifens der Probenbehältervertiefungen mit einem Deckel abgedeckt, der Heizelemente trägt, um eine Kondensation aus jeder Probe zu vermeiden.
Die Wärmeeingabe wird durch den Einstellpunkt oder die Temperatur gemäß dem Temperaturfühler gesteuert. Der gekühlte Teil hat eine große thermische Masse, um die gesamte abzuführende Wärmeströmung auszugleichen. Der gekühlte Teil beinhaltet eine Temperatursteuerung, um unerwünschte Temperaturschwankungen zu vermeiden.
Die Proben werden in einer Reihe angeordnet, vorzugsweise in Zwölfer-Reihen und insbesondere in einer Reihe von 8 x 12 für das Erreichen von 96 Proben im Format einer Mikrotitrationsplatte.

Claims

1. Verfahren zum unabhängigen Steuern der Temperatur jeder Probe in einer Anordnung von Proben (11), die sich in ausreichender Nähe zueinander befinden, damit irgendeine regulierende Änderung der Temperatur einer Probe andererseits die Temperatur einer anderen Probe beeinflußt, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur bei einem gewünschten Einstellpunkt für jede Probe (11) in einem Probenbehälter (10) unabhängig durch Stufen gesteuert wird, die beinhalten:

- Erhitzen jeder Probe durch eine gesonderte Heizvorrichtung (22),

- kontinuierliches Abkühlen jeder Probe durch eine übliche Kühlvorrichtung (22, 25, 29, 30),

- Messen der Temperatur jeder Probe durch einen Temperaturfühler,

- Vergleichen der Temperatur jeder Probe mit der Temperatur des dafür geeigneten Einstellpunkts und

- Steuern der Heizvorrichtung für jede Probe gemäß dem genannten Vergleich.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abkühlen der Proben (11) dadurch geschieht, daß jede Probe in der Anordnung über einen Wärmewiderstand (23, 29, 30) mit einem gekühlten Teil (25) mit einer Temperatur, die wesentlich unterhalb jener der Probe liegt, verbunden wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Proben (11), deren Temperaturen unabhängig voneinander eingestellt werden sollen, eine Anordnung von 12, 24, 48 oder 96 Proben ist.

4. Vorrichtung zum Steuern der Temperatur jeder Probe in einer Anordnung von Proben (11) in einem Probenbehälter (10), wobei die Vorrichtung einen Heiz- oder Kühlblock in thermischem Kontakt mit dem Probenbehälter (10) aufweist, wenn die Vorrichtung im Gebrauch ist, dadurch gekennzeichnet, daß für das unabhängige Steuern der Temperatur des Heiz- oder Kühlblocks der Vorrichtung folgende Merkmale vorhanden sind:

- eine Anordnung von getrennten Heizvorrichtungen (22), die der Anordnung des Probenbehälters angepaßt sind,

- eine übliche Kühlvorrichtung (23, 25, 29, 30) zum kontinuierlichen Kühlen jeder Probe,

- eine Anordnung von Temperaturfühlern zum Messen der Temperatur jeder Probe und

- eine Einsteilvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, daß sie auf jedes Element der Anordnung von Temperaturfühlern reagiert und das jeweilige Element der Anordnung der Heizvorrichtungen entsprechend einem Vergleich der Temperatur der gemessenen Probe und einer abgeleiteten Temperatur für diese Probe steuert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtungen (12) Widerstandsheizelemente sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsheizelement (22) eine flache Widerstands bahn ist, die auf einer elektrisch nicht leitfähigen Matrix (24) aufgesetzt ist oder an dieser haftet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix (24) aus mit Glas verstärktem Kunststoff, Keramik, Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid, Glas oder Kunststoff besteht oder damit verkleidet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung aus einem Wärmewiderstand (23, 29, 30) besteht, der zwischen der Heizvorrichtung (22) und einem gekühlten Teil (25) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der gekühlte Teil eine hohe thermische Masse aufweist und eine Temperatursteuerung beinhaltet, um unangemessene Temperaturschwankungen zu vermeiden.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlen des gekühlten Teils durch Luft- oder Wasserstrom, mindestens eine thermoelektrische Vorrichtung oder einen gekühlten Flüssigkeitskreislauf erfolgt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler eine Widerstandsbahn aufweist, deren Widerstand temperaturabhängig ist und der das Heizelement des Anspruchs 6 sein kann.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Probenbehälter (10) eine Anordnung von Probenvertiefungen (13) aufweist, die mit einer dünnen Bodenwand mit einer Dicke von weniger als 0,25 mm, insbesondere von etwa 0,025 mm, konstruiert sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen (13) über diagonale Bänder (14) miteinander verbunden sind, die sich von der Oberseite des Behälters (10) nur über einen Teil des Wegs bis zum Grund der Vertiefung (13) erstrecken.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ring (16) aus wärmeleitendem Material um den Grund jeder Vertiefung (13) der Probenbehälterplatte (10) herum angeordnet ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberseite des Probenbehälters (10) mit einem Deckel abgedeckt ist, der Heizelemente trägt, um eine Kondensation aus jeder Probe (11) zu verhindern.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Probenbehälter (10) und der Anordnung der Heizelemente eine Anordnung von Verteilerplatten (21) aus einem guten Wärmeleiter angeordnet ist.