DE69818869T2

DE69818869T2 - Einrichtung für Thermozyklier-Geräten für PCR

Info

Publication number: DE69818869T2
Application number: DE69818869T
Authority: DE
Inventors: John G. Atwood; Adrian Pleasanton Fawcett; Keith S. Ferrara; Paul M. Hetherington; Richard W. Noreiks; Douglas E. Olsen; John R. Widomski; Charles M. Wittmer
Original assignee: Applera Corp
Current assignee: Applied Biosystems LLC
Priority date: 1997-03-28
Filing date: 1998-03-30
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2018-03-31
Also published as: EP0963250A2; EP2156892B1; EP2090366A2; DE69818869D1; EP2186568A1; CA2285377C; DE69803041D1; ATE251496T1; CA2285377A1; EP2913109A1; EP2156892A3; EP2090366A3; WO1998043740A3; JP2010104382A; WO1998043740A2; EP2156892A2; EP2090366B1; JP2012187124A; JP2008278896A; AU6786198A

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft das Gebiet computergesteuerter Instrumente zur Durchführung der Polymerase-Kettenreaktion (polymerase chain reaction; PCR). Insbesondere betrifft die Erfindung eine Anordnung zum Zyklisieren von Gefäßen von Reaktionsgemischen durch eine Reihe von Temperaturverläufe.
Hintergrund der Erfindung
Der Hintergrund der Erfindung entspricht im Wesentlichen dem in der US-PS 5,475,610 beschriebenen.
Um DNA (Desoxyribonukleinsäure) mittels des PCR-Verfahrens zu amplifizieren, ist es notwendig, ein speziell zusammengesetztes flüssiges Reaktionsgemisch durch mehrere verschiedene Temperaturinkubationsphasen zu zyklisieren. Das Reaktionsgemisch umfasst verschiedene Komponenten, einschließlich der zu amplifizierenden DNA sowie wenigstens zwei Primern, die zu der Proben-DNA so ausreichend komplementär sind, dass sie Extensionsprodukte der amplifizierten DNA erzeugen können. Ein Schlüssel zur PCR ist das thermische Zyklisieren: abwechselnde Schritte des Schmelzens von DNA, dem Hybridisieren von kurzen Primern an die resultierenden Einzelstränge und das Erweitern dieser Primer, um neue Kopien doppelsträngiger DNA zu erzeugen. Beim thermischen Zyklisieren wird das PCR-Reaktionsgemisch wiederholt von hohen Temperaturen von etwa 90°C zum Schmelzen der DNA zu niedrigeren Temperaturen von etwa 40°C bis 70°C zum Hybridisieren der Primer und zur Extension der Primer zyklisiert. Im Allgemeinen ist es erwünscht, die Probentemperatur in dem Zyklus so rasch wie möglich auf die nächste Temperatur zu bringen. Die chemische Reaktion weist für jede ihrer Phasen eine optimale Temperatur auf. Folglich bedeutet weniger Zeit bei einer nicht optimalen Temperatur ein besseres chemisches Ergebnis. Nachdem jede der Inkubationstemperaturen erreicht wird, ist auch eine minimale Zeit zum Halten des Reaktionsgemisches bei jeder Inkubationstemperatur erforderlich. Diese minimalen Inkubationszeiten stellen die minimale Zeit dar, die zur Vervollständigung eines Zyklus erforderlich ist. Jede Übergangszeit zwischen den Probeninkubationstemperaturen stellt Zeit dar, die zu dieser minimalen Zykluszeit addiert wird. Da die Anzahl der Zyklen relativ groß ist, erhöht diese zusätzliche Zeit die zur Vervollständigung der Amplifizierung erforderliche Gesamtzeit in unnötiger Weise.
In einigen bekannten automatisierten PCR-Instrumenten werden Probenröhrchen in Probenvertiefungen auf einem Metallblock eingebracht. Um das PCR-Verfahren durchzuführen, wird die Temperatur des Metallblock gemäß den durch den Anwender in einer PCR-Protokolldatei spezifizierten vorgeschriebenen Temperaturen und Zeiten zyklisiert. Die Zyklisierung wird durch einen Computer und dazugehöriger Elektronik gesteuert. Mit der Temperaturveränderung des Metallblocks ändern auch die Proben in den verschiedenen Röhrchen ihre Temperatur. In diesen herkömmlichen Instrumenten werden jedoch Unterschiede in der Probentemperatur durch eine Ungleichförmigkeit der Temperatur von Ort zu Ort in dem Probenmetallblock erzeugt. Innerhalb des Materials des Blocks bestehen Temperaturgradienten, die dazu führen, dass zu verschiedenen Zeiten in dem Zyklus manche Proben Temperaturen aufweisen, die von den Temperaturen anderer Proben verschieden sind. Ferner treten Verzögerungen bei der Übertragung von Wärme von dem Probenblock auf die Probe auf und diese Verzögerungen sind über den Probenblock verschieden. Diese Unterschiede. in der Temperatur und den Verzögerungen bei der Wärmeübertragung führen dazu, dass sich die Ausbeuten des PCR-Verfahrens von Probengefäß zu Probengefäß unterscheiden. Um das PCR-Verfahren erfolgreich und effizient durchzuführen und um eine so genannte quantitative PCR zu ermöglichen, müssen diese Zeitverzögerungen und Temperaturfehler so gut wie möglich minimiert werden. Die Probleme der Minimierung der Ungleichförmigkeit der Temperatur an verschiedenen Punkten in dem Probenblock, der Zeit, die für die Wärmeübertragung zu und von der Probe erforderlich ist, und der Verzögerung der Wärmeübertragung zu und von der Probe werden besonders akut, wenn die Größe des Proben-enthaltenden Bereichs groß wird, wie z. B. in der 8 × 12-Standard-Mikrotiterplatte.
Ein weiteres Problem im Zusammenhang mit herkömmlichen automatisierten PCR-Instrumenten ist die präzise Vorhersage der tatsächlichen Temperatur des Reaktionsgemisches während des Temperatur-Zyklisierens. Da die chemische Reaktion des Gemisches für jede ihrer Stufen eine optimale Temperatur aufweist, ist das Erreichen der tatsächlichen Temperatur für gute analytische Ergebnisse kritisch. Die tatsächliche Messung der Temperatur des Gemisches in jedem Gefäß ist aufgrund des kleinen Volumens von jedem Gefäß und der großen Anzahl an Gefäßen unpraktisch.
Zusammenfassung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Anordnung zum Zyklisieren von Behältern von Reaktionsgemischen durch eine Reihe von Temperaturverläufen gemäß Anspruch 1 bereitgestellt. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beansprucht.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Abschnitts des Probenblocks.
2 zeigt eine vergrößerte, isometrische Ansicht einer thermoelektrischen Vorrichtung.
2A zeigt eine Seitenansicht einer thermoelektrischen Vorrichtung.
3 zeigt eine partielle isometrische Schnittansicht des Kühlkörpers.
4 zeigt eine auseinandergezogene Darstellung einer Anordnung, die einen Probenblock, thermoelektrische Vorrichtungen und einen Kühlkörper umfasst.
5 zeigt eine isometrische Ansicht der beheizten Abdeckung.
6 zeigt ein Schaubild, das die Beziehung zwischen dem Anstieg (Aufheizrate) und der Leistung darstellt.
7 zeigt ein Schaubild, das die Beziehung zwischen dem Abfall (Kühlrate) und der Leistung darstellt.
8 zeigt ein Schaubild zur Vorhersage und Kompensation von Temperaturüberschwingungen und Temperaturunterschwingungen.
9 zeigt ein Blockdiagramm der Wechselstromwiderstands-Messschaltung.
10 zeigt eine Umfangsheizeinrichtung und deren Anordnung um den Probenblock.
11 zeigt eine detaillierte Ansicht der Umfangsheizeinrichtung von 10.
12 zeigt die auf die Umfangsheizeinrichtung aufgebrachte Leistung als Funktion der Temperatur des Probenblocks.
13 zeigt ein thermisches Modell einer Probe in einem Probengefäß.
14 zeigt eine Veranschaulichung der Anfangsbedingungen des thermischen Modells von 13.
15 zeigt den Probenblock sowie eine Abdichtung, die so aufgebaut ist, dass sie die thermoelektrischen Vorrichtungen vor der Umgebung schützt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Im Fall der PCR ist es aus mehreren Gründen im Allgemeinen erwünscht, die Probentemperatur zwischen den erforderlichen Temperaturen in dem Zyklus so schnell wie möglich zu ändern. Zunächst weist die chemische Reaktion für jede ihrer Phasen eine optimale Temperatur auf und daher bedeutet weniger Zeit bei nicht optimalen Temperaturen ein besseres chemisches Ergebnis. Zweitens ist bei jedem gegebenen Sollwert gewöhnlich eine minimale Zeit erforderlich, die eine minimale Zykluszeit für jedes Protokoll festlegt und jede Zeit, die für den Übergang zwischen Sollwerten benötigt wird, trägt zu dieser minimalen Zeit bei. Da die Anzahl der Zyklen im Allgemeinen relativ groß ist, kann diese Übergangszeit beträchtlich zu der Gesamtzeit beitragen, die zur Vervollständigung der Amplifikation benötigt wird.
Die absolute Temperatur, die jedes Reaktionsröhrchen während jedes Schritts des Protokolls erreicht, ist für die Produktausbeute kritisch. Da die Produkte oftmals einer Quantifizierung unterzogen werden, muss die Produktausbeute von Röhrchen zu Röhrchen so gleichförmig wie möglich sein. Daher muss die thermische Gleichförmigkeit über den gesamten Block sowohl im Gleichgewicht als auch im dynamischen Zustand hervorragend sein.
Die Wärmezufuhr in die Proben und die Wärmeabfuhr aus den Proben wird durch die Verwendung von thermoelektrischen Peltiervorrichtungen erreicht. Diese sind aus Bismuthtelluridpellets des n- und p-Typs aufgebaut, die abwechselnd in Reihe geschaltet sind. Die Verbindungen zwischen den Pellets sind mit Kupfer, ausgeführt, das an einen Träger, gewöhlich eine Keramik (typischerweise Aluminiumoxid), gebunden ist.
Das Ausmaß der erforderlichen Wärmezu- und -abfuhr hängt von der thermischen Last und der Anstiegsgeschwindigkeit ab, d. h., der Geschwindigkeit, mit der sich die Temperatur ändern soll. Die Probenröhrengeometrie und die Probenvolumina sind keine Variablen, da die Probenröhrchen dem Industriestandard entsprechen und in viele andere Geräte passen, wie z. B. Zentrifugen. Das Probenvolumen ist gemäß den Anforderungen des Anwenders definiert. Daher beeinflussen die Konstruktionsvariablen in erster Linie den Probenblock, die thermoelektrischen Vorrichtungen, den Kühlkörper, den Ventilator und Wärmeübertragungsmedien zwischen den thermoelektrischen Vorrichtungen und sowohl dem Kühlkörper als auch dem Probenblock.
Die Blockgeometrie muss auch die notwendigen thermischen Einheitlichkeitserfordernisse erfüllen, da diese den Hauptbeitrag zur Lateralleitfähigkeit liefert und daher jegliche Schwankungen der thermischen Einheitlichkeit der thermoelektrischen Kühler selbst nivelliert. Die gegenläufigen Erfordernisse hoher Anstiegsgeschwindigkeiten (die eine niedrige thermisch wirksame Masse anzeigen) und hoher Lateralleitfähigkeit (die eine große Materialmasse anzeigt) werden durch Konzentrieren der Hauptmasse der Blockstruktur in einer Bodenplatte und Minimieren der thermisch wirksamen Masse des oberen Abschnitts des Blocks erfüllt, der die Probenröhrchen hält. Das optimale Material für die Blockherstellung ist reines Silber, das eine relativ niedrige thermisch wirksame Masse und eine sehr gute thermische Leitfähigkeit aufweist. Silber kann auch gut elektroerosiv bearbeitet werden. In der Praxis weist die optimale Blockgeometrie einen leichten elektroerosiv hergestellten oberen Abschnitt zum Halten der Probenröhrchen auf, der an einer relativ dicken Bodenplatte befestigt ist, die eine Lateralleitfähigkeit aufweist. Die thermisch wirksame Masse des Blocks ist in der Bodenplatte konzentriert, wobei das Material am meisten zur thermischen Einheitlichkeit beiträgt. Der elektroerosiv gebildete Abschnitt des Blocks weist eine minimale Dicke auf, die durch zwei Parameter definiert ist: erstens kann das Material nicht so dünn sein, dass es für eine normale Handhabung zu empfindlich ist; zweitens muss die Wanddicke derart sein, dass sie Wärme aus den oberen Bereichen der Probenröhrchen ableiten kann. Eine Zirkulation in der Probe selbst wird durch Konvektion innerhalb des Röhrchens erreicht und die Probentemperatur ist im Röhrchen der Höhe nach relativ einheitlich. Eine gute thermische Leitfähigkeit zwischen den Röhrchenwänden und der Bodenplatte erhöht jedoch die für die Leitung von Wärme zwischen der Probe und der Bodenplatte effektiv verfügbare Oberfläche. Die Dicke der Bodenplatte hat einen Minimalwert, der durch die Erfordernisse der Lateralleitfähigkeit definiert ist, die eine Funktion der thermischen Einheitlichkeit der thermoelektrischen Kühler und der strukturellen Steifigkeit ist.
Einen weiteren Beitrag zur thermisch wirksamen Masse liefern die Aluminiumoxid-Keramikschichten, die einen Teil der Struktur des thermoelektrischen Kühlers selbst bilden. In dem Aufbau des thermoelektrischen Kühlers befinden sich zwei Aluminiumoxidschichten, eine auf der Probenblockseite und die andere auf der Kühlkörperseite. Die Dicke der Schichten sollte so gering wie möglich gehalten werden. In diesem Fall wird die praktische Grenze der Dicke des Aluminiumoxids durch die Erfordernisse bei der Herstellung der thermoelektrischen Kühler definiert. Die spezielle Keramikschicht könnte prinzipiell insgesamt durch eine andere Schicht ersetzt werden, wie z. B. eine dünne Kaptonlage, welche die thermisch wirksame Masse noch stärker verringern würde. Obwohl derzeit Kühler mit dieser Struktur erhältlich sind, ist deren Zuverlässigkeit noch nicht nachgewiesen worden. Es wird erwartet, dass bei einer weiterentwickelten Technologie ein Kühler mit einem derartigen Aufbau bevorzugt sein könnte. Die dünnen Aluminiumoxidschichten tragen jedoch auch zur Zuverlässigkeit des Systems bei.
Die Kupferleiter innerhalb des Kühlers stellen eine beträchtliche thermische Last dar und werden bei der Konstruktion des Systems berücksichtigt. Die Dicke der Kupferleitbahnen wird durch das Erfordernis der Stromleitung durch die Vorrichtung definiert. Sobald der Strom bekannt ist, kann die erforderliche Kupferdicke berechnet werden.
Probenblock
1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Abschnitts des Probenblocks 36, der typischerweise 96 Vertiefungen 20 aufweist, die jeweils zur Aufnahme eines Probengefäßes dienen. Der Probenblock ist aus Silber konstruiert und umfasst eine obere Stützplatte 21 und Probenvertiefungen 20, die einstückig elektroerosiv hergestellt und an einer Bodenplatte 22 befestigt sind. Die Bodenplatte 22 stellt eine Lateralleitfähigkeit bereit, um jegliche Unterschiede bei der thermischen Leistungsabgabe über die Oberfläche jeder einzelnen thermoelektrischen Vorrichtung und Unterschiede von einer thermoelektrischen Vorrichtung zu einer anderen auszugleichen.
In jedem thermischen System gibt es Grenzflächenverluste. In einer rechteckigen Konfiguration tritt ein größerer Wärmeverlust in den Ecken auf. Eine Lösung ist die Verwendung eines runden Probenblocks. Das gewöhnlich verwendete Mikrotiterplattenformat ist jedoch rechteckig und dies muss verwendet werden, um die Kompatibilität mit der anderen vorhandenen Ausrüstung zu wahren. Wenn die Kanteneffekte mit den Standardmaßnahmen eliminiert worden sind, wie z. B. Isolierung usw., neigt die Mitte des Probenblocks dazu, wärmer zu sein als die Ecken. Typischerweise ist es diese Temperaturdifferenz, welche die thermische Einheitlichkeit des Probenblocks definiert. Erfindungsgemäß wird die Temperatur der Mitte durch Bereitstellen einer kleinen thermischen. Verbindung von der Mitte des Probenblocks zu dem Kühlkörper verringert. Durch den Einsatz eines Stifts 24, der in der Mitte des Probenblocks als "Wärmeleck" wirkt, kann der Temperaturgradient über den Probenblock auf ein akzeptables Niveau reduziert werden. Das Ausmaß der erforderlichen Leitfähigkeit ist ziemlich gering und es wurde festgestellt, dass ein Edelstahlstift mit einem Durchmesser von 1,5 mm ausreichend ist. Darüber hinaus kann auch ein Stift aus dem Polymer ULTEM von General Electric verwendet werden. Wie es nachstehend ausführlicher beschrieben ist, unterstützt der Stift auch bei der Positionierung und beim In-Position-Halten der Komponenten der Anordnung, wie es in 4 veranschaulicht ist.
Thermoelektrische Peltiervorrichtungen (TED)
Die thermische Einheitlichkeit des Probenblocks ist kritisch für die PCR-Leistungsfähigkeit. Einer der signifikantesten Faktoren, der die Einheitlichkeit beeinflusst, sind Schwankungen der Leistung zwischen den einzelnen thermoelektrischen Vorrichtungen. Der Punkt, an dem es am schwierigsten ist, eine gute Einheitlichkeit zu erreichen, liegt während eines Zyklus bei konstanter Temperatur, die weit von Raumtemperatur entfernt ist. In der Praxis ist dies ein Zyklus bei einer konstanten Temperatur von etwa 95°C. Die thermoelektrischen Vorrichtungen werden unter diesen Bedingungen aufeinander abgestimmt, so dass sie einen Satz von Vorrichtungen für jede Kühlkörperanordnung bilden, die jeweils für einen gegebenen Eingangsstrom die gleiche Temperatur erzeugen. Die thermoelektrischen Vorrichtungen werden innerhalb eines gegebenen Satzes auf 0,2°C abgestimmt, wobei dieser Wert von dem maximalen Unterschied abgeleitet ist, der durch die Lateralleitfähigkeit der Probenblock-Bodenplatte korrigiert werden kann.
2A zeigt eine Seitenansicht einer typischen thermoelektrischen Peltiervorrichtung 60. Die Vorrichtung ist aus Bismuthtelluridpellets 30 zusammengesetzt, die zwischen zwei Aluminiumoxidschichten 26 eingefügt sind. Die Pellets sind durch Lötverbindungen 28 mit Kupferleitbahnen 29 elektrisch verbunden, die auf die Aluminiumoxidschichten plattiert sind.
Eine Aluminiumoxidschicht weist eine Verlängerung 31 auf, um den elektrischen Anschluss zu vereinfachen. Die Dicke der verlängerten Bereiche ist vermindert, um die thermische Last der Vorrichtung abzusenken.
2 zeigt eine isometrische Ansicht einer typischen thermoelektrischen Peltiervorrichtung. Die Aluminiumoxidschicht 26, welche die äußere Wand der thermoelektrischen Vorrichtung bildet, dehnt sich im Vergleich zu dem Probenblock 19 während des Temperatur-Zyklisierens mit einer unterschiedlichen Geschwindigkeit aus und zieht sich entsprechend mit einer unterschiedlichen Geschwindigkeit zusammen. Die Bewegung des Aluminiumoxids wird direkt auf das Lot 28 übertragen, das die innenliegenden Bismuthtelluridpellets 30 verbindet. Diese Bewegung kann dadurch dramatisch verringert werden, dass das Aluminumoxid in kleine Stücke 32 geschnitten wird, die Chips genannt werden, so dass der Ausdehnungsbereich klein ist. Die minimale Größe der Chips ist durch die Größe der Kupferleitbahnen definiert, die erforderlich sind, um Strom durch die thermoelektrische Vorrichtung zu leiten, und dadurch, dass die Vorrichtung zur Handhabung eine gewisse Festigkeit aufweisen muss.
Die Verwendung dünner Aluminiumoxidschichten in der thermoelektrischen Vorrichtung (in der Größenordnung von 0,508 mm) reduziert nicht nur die thermische Last, sondern bedeutet auch, dass bei einer gegebenen und erforderlichen Wärmeaufnahme- bzw. -abgabegeschwindigkeit die Temperatur, welche die Enden der Pellets erreichen, aufgrund der Zunahme der thermischen Leitfähigkeit k verringert wird. Dies erhöht durch Verringerung der thermischen Belastung der Lötverbindung die Zuverlässigkeit.
In der PCR liegen die Reaktionstemperaturen im Allgemeinen über Raumtemperatur und im Bereich von 35 bis 96°C. In den wichtigsten Fällen wird der Block zwischen zwei Temperaturen oberhalb von Raumtemperatur erhitzt oder gekühlt, wobei der Wärmefluss aufgrund der Wärmeleitung von dem Block zu dem Kühlkörper stattfindet. Der Schlüssel zur Optimierung der Zykluszeit des Systems liegt bei einer gegebenen optimierten Blockkonfiguration darin, die Steigerung der Anstiegsgeschwindigkeit bei der Kühlung, die durch Leitung stattfindet, gegen die Steigerung der Heizanstiegsgeschwindigkeit auszugleichen, die durch den Joule-Effekt der Widerstandsheizung verursacht wird.
Wenn man den Querschnitt der Bismuthtelluridpellets in einer gegebenen thermoelektrischen Vorrichtung als konstant betrachtet, würde die Heizanstiegsgeschwindigkeit durch Steigern der Pellethöhe angehoben werden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Leitungsweg durch die thermoelektrische Vorrichtung länger gemacht wird, wodurch k abfällt. Dies hat auch den Effekt der Verringerung des Stroms, der erforderlich ist, um im Gleichgewicht eine gegebene Blocktemperatur aufrechtzuerhalten. Während des Abfalls, d. h., beim Kühlen des Blocks, bedeutet der kleinere k-Wert, dass der Beitrag der Leitung reduziert wird und somit auch die Abkühlungsgeschwindigkeit.
Wenn umgekehrt die Höhe der Bismuthtelluridpellets bei einem gegebenen Querschnitt verringert würde, dann würde k ansteigen. Dies würde den Strom erhöhen, der erforderlich ist, um im Gleichgewicht eine erhöhte Temperatur aufrechtzuerhalten und würde. die Abkühlungsgeschwindigkeit erhöhen. Die Heizanstiegsgeschwindigkeiten würden verringert werden, da ein größerer Teil der Wärme in dem Block direkt zum Kühlkörper geleitet würde. Die Verringerung der Höhe der Bismuthtelluridpellets erhöht auch die Halteleistung, die für eine gegebene Temperatur erforderlich ist, und zwar aufgrund der Verluste durch die thermoelektrischen Vorrichtungen, und vermindert die thermische Last, was bei einer gegebenen Leistung zu einer Erhöhung der maximal möglichen Anstiegsgeschwindigkeit führt. Daher kann die optimierte thermoelektrische Vorrichtung dadurch erhalten werden, dass die Höhe der Bismuthtelluridpellets so lange eingestellt wird, bis die Heizgeschwindigkeit mit der Kühlgeschwindigkeit übereinstimmt.
Das Verhältnis 1 : A für die Pellets definiert auch den Widerstand der Vorrichtung, d. h. R = nr(h/A),wobei n die Anzahl der Pellets, r der spezifische Widerstand des verwendeten Bismuthtellurids, h die Höhe des Pellets und A die Querschnittsfläche ist.
Der Widerstand muss aufgrund des Seebeck-Effekts als Wechselstromwiderstand gemessen werden. Da die Geometrie den Widerstand der Vorrichtung bestimmt, liegt eine weitere Konstruktionsbeschränkung darin, dass die Vorrichtung ein kostengünstiges Strom-zu-Spannungs-Verhältnis aufweisen muss, da eine zu große Anforderungen hinsichtlich des Stroms die Kosten des Verstärkers erhöhen. Die ausgewogene Lösung für den vorstehend beschriebenen elektroerosiv hergestellten Silberblock ist wie folgt:
Pellethöhe: 1,27 mm
Pelletquerschnittsfläche: 5,95 mm²
Wenn die thermische Zyklisierungsvorrichtung als Teil eines anderen Geräts verwendet werden soll, z. B. zusammen mit einer Nachweistechnologie, kann es zweckmäßiger sein, eine andere Stromquelle zu verwenden, die zu einer modifizierten Geometrie der thermoelektrischen Vorrichtung führen würde. Die Stromquelle in der vorliegenden Ausführungsform besteht aus einem D-Schaltleistungsverstärker mit einem stromsendenden Widerstand in Reihe mit der Vorrichtung und der Erdung.
Da die thermoelektrischen Vorrichtungen miteinander verlötet sind, kann überschüssiges Lot an der Seite der Bismuthtelluridpellets haften. Wenn dies stattfindet, wird der k-Wert erhöht, was zu einer lokalen kalten Stelle führt, einer sogenannten Schwachstelle. Diese kalten Stellen werden durch Aufbringen der minimalen Menge an Lot während des Zusammenbaus der thermoelektrischen Vorrichtung in ihrer Zahl und Intensität reduziert. Aus dem gleichen Grund ist es auch notwendig, sicherzustellen, dass das zum Anbringen der Anschlussdrähte an der thermoelektrischen Vorrichtung verwendete Lot nicht mit den Pellets in Kontakt kommt.
Es wurde gezeigt, dass Hochtemperaturlot nicht nur eine verbesserte Hochtemperaturleistungsfähigkeit aufweist, sondern dass es im Allgemeinen auch gegenüber Defekten bei Wechselbeanspruchung beständiger und somit bei dieser Anwendung am zweckmäßigsten ist. Das in dieser Erfindung verwendete Lot kann dem in der US-PS 5,441,576 beschriebenen Lot entsprechen.
Kühlkörper
3 zeigt den Kühlkörper 34, der mit den thermoelektrischen Vorrichtungen 39 und dem Probenblock 36 verbunden ist. Um die thermoelektrischen Vorrichtungen ist ein Halterahmen 41 angeordnet, um diese mit dem Probenblock und dem Kühlkörper auszurichten, um Temperatureinheitlichkeit über den Probenblock zu gewährleisten. Der Rahmen ist aus Ultem oder einem anderen geeigneten Material zusammengesetzt und weist an seinen Ecken zur leichteren Handhabung Laschen 43 auf. Der Kühlkörper 34 hat eine im Allgemeinen planare Basis 35 und Rippen 37, die sich von der Basis 35 erstrecken. Die thermisch wirksame Masse des Kühlkörpers ist beträchtlich größer als die thermisch wirksame Masse des Probenblocks und der Proben zusammen. Der Probenblock und die Proben haben zusammen eine thermisch wirksame Masse von etwa 100 Joule/°K und die thermisch wirksame Masse des Kühlkörpers beträgt etwa 900 Joule/°K. Dies bedeutet, dass der Probenblock seine Temperatur bei einer gegebenen Wärmezu- oder -abfuhr eindeutig schneller ändert als der Kühlkörper. Darüber hinaus wird die Temperatur des Kühlkörpers durch einen Ventilator mit variabler Geschwindigkeit gesteuert, wie es in 9 gezeigt ist. Die Temperatur des Kühlkörpers wird mit einem Thermistor 38 gemessen, der in einer Ausnehmung 40 innerhalb des Kühlkörpers angeordnet ist und die Ventilatorgeschwindigkeit wird so variiert, dass der Kühlkörper bei etwa 45°C gehalten wird, was innerhalb des normalen PCR-Zyklysierungstemperaturbereichs liegt, wobei die Wiederholbarkeit der Systemleistungsfähigkeit durch Aufrechterhalten einer stabilen Kühlkörpertemperatur verbessert wird. Wenn die Blocktemperatur auf einen Wert von unter Raumtemperatur eingestellt wird, dann wird der Kühlkörper auf die niedrigste erreichbare Temperatur eingestellt, um den Leistungsverbrauch des Systems zu verringern und die thermische Einheitlichkeit des Blocks zu optimieren. Dies wird einfach dadurch erreicht, dass der Ventilator mit der höchsten Geschwindigkeit betrieben wird.
Die Messung der Kühlkörpertemperatur wird auch in dem nachstehend beschriebenen Steueralgorithmus für die thermoelektrischen Vorrichtungen bei der Linearisierung der thermischen Ausgangsleistung von den thermoelektrischen Vorrichtungen verwendet.
Die Einheitlichkeit der Kühlkörpertemperatur spiegelt sich in der Einheitlichkeit der Blocktemperatur wider. Typischerweise ist der Kühlkörper in der Mitte wärmer als an den Kanten. Dies trägt zu den anderen Effekten bei, die dazu führen, dass die Ecken des Blocks am kältesten sind. Außerhalb des Umfangs des Bereichs der thermoelektrischen Vorrichtungen ist ein Graben 44 in den Kühlkörper geschnitten, um die Wärmeleitung zu begrenzen und die Kantenverluste von dem Bereich, der von dem Graben umgeben wird, zu vermindern.
Wärmeübergang und Klemmmechanismus
Hersteller von thermoelektrischen Vorrichtungen empfehlen, dass thermoelektrische Vorrichtungen unter Druck gehalten werden, um ihre Lebensdauer zu erhöhen. (Der empfohlene Druck wird häufig vom ausgewählten Wärmeübergangsmedium bestimmt.) Der empfohlene Druck variiert von Hersteller zu Hersteller, liegt jedoch im Bereich von 2,1 bar bis 6,9 bar (30 bis 100 psi) für Zyklisierungsanwendungen.
Es sind viele Wärmeübergangsmedien in Lagenform erhältlich, die als Ausgleichsschicht auf jeder Seite der thermoelektrischen Vorrichtungen wirken können. Es wurde jedoch gezeigt, dass Wärmeleitungsfett für diese Anwendung eine weit überlegene thermische Leistungsfähigkeit bietet. Anders als andere Ausgleichslagen, von denen gezeigt wurde, dass sie selbst unter optimalen Bedingungen 2,1 bar (30 psi) oder mehr benötigen, ist bei Wärmeleitungsfett keiner hoher Druck erforderlich, um sicherzustellen, dass ein guter thermischer Kontakt hergestellt worden ist. Wärmeleitungsfett wirkt auch als effektives Schmiermittel zwischen dem sich ausdehnenden und zusammenziehenden Silberblock und der Oberfläche der thermoelektrischen Vorrichtungen, was die Lebensdauer erhöht. Es kann Thermalcote II-Wärmeleitungsfett verwendet werden, das von Thermalloy, Inc. hergestellt wird.
Da der Silberblock relativ flexibel und weich ist, kann er lateralen Pressdruck nicht sehr effektiv übertragen. Da das Wärmeübergangsmedium Wärmeleitungsfett ist, ist die erforderliche Klemmkraft jedoch niedrig.
4 zeigt eine Explosionsansicht der Anordnung mit der bevorzugten Ausführungsform des Klemmmechanismus. Jede Klemme 46 besteht aus einer Reihe von Zinken 48, die sich von einem Träger 49 erstrecken. Die Zinken 48 sind so groß, so geformt und so beabstandet, dass sie zwischen die Vertiefungen 20 des Probenblocks 36 passen und so Druck an einer entsprechenden Reihe von Punkten auf der Bodenplatte 22 des Probenblocks 36 ausüben. Die offene Honigwabenstruktur der elektroerosiv hergestellten Probenvertiefungen ermöglicht, dass die Zinken eine gewisse Strecke in den Block hinein eingesetzt werden, wodurch der Druck gleichmäßiger als bei einer Kantenklemmung ausgeübt wird. Diese Zinken üben Druck an einer Reihe von begrenzten Punkten aus, um die Kontaktfläche zwischen der Masse der Klemme und des Probenblocks zu minimieren. Dadurch trägt die Klemme nicht signifikant zur thermischen Last bei. Die Klemmen sind aus einem mit Glas gefüllten Kunststoff geformt, der die für diese Anwendung notwendige Steifheit aufweist. Der Druck wird durch Verformen der Zinken bezüglich Befestigungsstrukturen 50 ausgeübt, die separate Klemmenstrukturen sein können, jedoch vorzugsweise einstückig mit den Klemmen 46 ausgebildet sind. Die Klemmen 46 werden durch eine Reihe von Schrauben 52, die sich durch entsprechende Löcher 53 in den Klemmen 46 und anschließend in Gewindelöcher 55 in dem Kühlkörper 34 erstrecken, bündig zur Oberfläche des Kühlkörpers gehalten. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, den Druck mit Einstellschrauben einzustellen, da die Klemmen einfach mit Standard-Drehmomenttechniken angezogen werden können.
Die resultierende gleichmäßige Druckverteilung gewährleistet, dass die gesamte Fläche der thermoelektrischen Vorrichtungen in gutem thermischen Kontakt mit dem Block und dem Kühlkörper steht, was zu einer Verringerung lokaler thermischer Spannungen auf den thermoelektrischen Vorrichtungen führt.
4 zeigt weitere wichtige Merkmale der Erfindung. Eine Leiterplatte 82 umfasst eine Speichervorrichtung 96 zum Speichern von Daten, umgibt die thermoelektrischen Vorrichtungen und stellt elektrische Anschlüsse bereit. Ausrichtungsstifte 84 sind in den Löchern 86 in dem Kühlkörper angeordnet und ragen durch die Ausrichtungslöcher 88, um die Leiterplatte mit dem Kühlkörper auszurichten. Der Halterahmen 41 ist um die thermoelektrischen Vorrichtungen angeordnet und weist einen Querträger 90 mit durchgehender Halterung 92 auf. Der Stift 24 (in 1 gezeigt) paßt in ein Loch (nicht gezeigt) in dem Probenblock, erstreckt sich durch die Halterung 92 in dem Halterahmen und weiter in das Loch 94 in dem Kühlkörper.
Umfangsheizeinrichtung
Um die Temperatureinheitlichkeit über den Probenblock auf etwa ± 0,2°C zu bringen, ist eine Umfangsheizeinrichtung um den Probenblock angeordnet, um Wärmeverluste von seinen Kanten auszuschließen. Vorzugsweise ist die Heizeinrichtung eine Filmheizeinrichtung mit geringer Masse und Innenabmessungen, die etwas größer sind als der Probenblock. 10 zeigt die Umfangsheizeinrichtung 74 und deren ungefähre Anordnung um den Probenblock 36. Die Heizeinrichtung wird nicht befestigt, sondern lediglich in der Luft um den Umfang des Probenblocks positioniert, um die Luft in der unmittelbaren Umgebung zu erwärmen.
11 zeigt eine detaillierte Ansicht der Umfangsheizeinrichtung 74. Die Heizeinrichtung ist rechteckig, wie es von den Abmessungen des Probenblocks bestimmt wird. Sie wird so hergestellt, dass sie in bestimmten Bereichen separate Leistungsdichten aufweist, um die variierende Größe der Wärmeverluste um den Umfang des Blocks widerzuspiegeln. Passende Bereiche mit niedrigerer Leistungsdichte 76 (0,113 W/cm² (0,73 W/in²)) befinden sich in den Mittelabschnitten der kurzen Seiten des Rechtecks und passende Bereiche mit höherer Leistungsdichte 78 (0,202 W/cm² (1,3 W/in²)) befinden sich in den längeren Seiten und erstrecken sich in die kürzeren Seiten.
Wie es in 12 gezeigt ist, wird die an die Umfangsheizeinrichtung abgebene Leistung so reguliert, dass sie der Temperatur des Probenblocks entspricht, wobei bei höheren Blocktemperaturen mehr Leistung und bei niedrigeren Blocktemperaturen weniger Leistung an die Heizeinrichtung abgegeben wird.
Geheizte Abdeckung
5 zeigt die geheizte Abdeckung 57. Die geheizte Abdeckung übt Druck auf die Kappen der Probengefäße aus, um sicherzustellen, dass diese dicht verschlossen bleiben, wenn die Probe erhitzt wird.
Ferner stellt der auf die Gefäße ausgeübte Druck einen guten thermischen Kontakt mit dem Probenblock sicher. Die Abdeckung wird computergesteuert auf eine Temperatur oberhalb der Probentemperatur erhitzt, um sicherzustellen, dass die Flüssigkeit nicht auf der Röhrchenkappe kondensiert und stattdessen im Boden des Röhrchens verbleibt, wenn das thermische Zyklisieren stattfindet. Dies ist in der vorstehend genannten US-PS 5,475,610 beschrieben. Die geheizte Platte 54 der vorliegenden Erfindung drückt nicht auf die Wölbung der Kappe sondern stattdessen auf den Umfang der Kappe. Die Platte hat eine entsprechend geformte Oberfläche, so dass optische Kappen durch das Ausüben von Druck nicht verformt werden. Folglich können Röhrchen, die zyklisiert worden sind, direkt zu einem optischen Lesegerät überführt werden, ohne dass die Kappe gewechselt werden muss.
Da die geheizte Platte Ausnehmungen 56 aufweist, um die Wölbung der Kappen aufzunehmen, muss die Platte vor dem Ausüben von Druck mit den Röhrchenpositionen ausgerichtet werden, um eine Beschädigung der Röhrchen zu verhindern. Dies wird durch die Verwendung eines "Rahmens" 58 um den Umfang der Platte erreicht, der sich mit der Mikrotiterplatte ausrichtet, bevor die Platte die Röhrchenkappen berührt. Die Abdeckung weist einen Gleitmechanismus auf, der dem ähnlich ist, der in dem PYRIS Differential-Scanning-Kalorimeter der Perkin-Elmer Corporation verwendet wird, und ermöglicht ein Gleiten der Abdeckung nach hinten, wodurch Probengefäße in den Probenblock eingeführt werden können, und nach vorne, um den Probenblock abzudecken, und nach unten, um die Gefäße in Eingriff zu nehmen.
Bestimmen der idealen Aufheizgeschwindigkeit
Die optimierte Aufheizgeschwindigkeit wurde empirisch zu 4°C/s bestimmt. Systeme mit höherer Blockaufheizgeschwindigkeit als der vorstehend genannten können vom Nutzen der Temperaturüberschwingungen nicht vollständig profitieren und erreichen als Konseguenz eine nicht signifikante Verringerung der Zykluszeit.
6 ist eine Auftragung, die den Anstieg (Aufheizgeschwindigkeit) gegen die Leistung zeigt und 7 ist eine Auftragung, die den Abfall (Abkühlungsgeschwindigkeit) gegen die Leistung zeigt.
Wenn der Block auf eine Temperatur über Raumtemperatur aufgeheizt wird, wirken sowohl die Joule-Wärme als auch die Seebeck-Wärmezufuhr und -abfuhr zum Aufheizen des Probenblocks gegen die Wärmeleitung. Wenn der Block zwischen zwei Temperaturen oberhalb von Raumtemperatur abgekühlt wird, wirken die Seebeck-Wärmezufuhr und – abfuhr und die Wärmeleitung gegen die Joule-Wärme. Während des Abkühlens ist eine signifikante Leistung erforderlich, um die Blocktemperatur gegen den Wärmefluss aus dem Block heraus durch Wärmeleitung konstant zu halten. Daher wird sich der Block selbst ohne Leistungszufuhr mit einer signifikanten Geschwindigkeit abkühlen. Wenn der Strom erhöht wird, verstärkt der Seebeck-Effekt die erhaltene Kühlung. Wenn der Strom jedoch weiter erhöht wird, beginnt der Joule-Effekt, der proportional zum Quadrat des Stroms ist, schnell gegen die Seebeck-Abkühlung zu wirken. Daher wird ein Punkt erreicht, an dem die Zuführung weiterer Leistung gegen den erforderlichen Kühlungseffekt wirkt. Im Aufheizmodus wirken diese beiden Effekte zusammen gegen die Wärmeleitung und es wird keine Höchstgrenze erreicht. In der Praxis ist die Aufheizleistung gegen den Eingangsstrom ungefähr linear. Dies ist der Grund dafür, warum sich die Konstruktionskriterien auf das Erreichen der Erfordernisse bezüglich der Abkühlungsgeschwindigkeit konzentrieren; die Aufheizgeschwindigkeit kann immer durch Zuführen von mehr Leistung erreicht werden.
Charakterisierung der Leistungsabgabe der TED
Die nachstehende Gleichung beschreibt den Gesamtwärmefluss von der kalten Seite eines thermoelektrischen Kühlers: 0 = 1/2*R(tavg)*I2 + tc*S(tavg)*I – (k(tavg)*(tc – th) + Qc)wobei
t_c = Temperatur der kalten Seite des Kühlers
t_h = Temperatur der heißen Seite des Kühlers
t_avg = Mittelwert aus t_c und t_h R(t) = elektrischer Widerstand des Kühlers als Funktion der Temperatur
S(t) = Seebeck-Koeffizient des Kühlers als Funktion der Temperatur
K(t) = Leitfähigkeit des Kühlers als Funktion der Temperatur
I = dem Kühler zugeführter elektrischer Strom
Q_c = Gesamtwärmefluss von der kalten Seite des Kühlers
Bei einem gegebenen Wärmefluss Q_c und gegebenen Temperaturen der heißen und kalten Seite t_c und t_h wird die Gleichung nach 1 aufgelöst, dem zur Erzeugung von Q_c erforderlichen Strom. Die Lösung dieser Gleichung wird für drei Zwecke verwendet:

1) Um lineare Temperaturübergänge oder -anstiege zu erreichen. Für lineare Temperaturübergänge ist eine konstante thermische Leistung erforderlich. Um eine konstante thermische Leistung aufrechtzuerhalten, wenn sich die Temperaturen t_c und t_h ändern, ist es erforderlich, die Gleichung 1 periodisch nach 1 aufzulösen. Das Ergebnis ist der Strom, der dann in die Kühleinrichtungen geleitet wird. Um Fehler zu kompensieren, wird eine proportional-integral-differenzierende (PID) Steuerschleife angewandt, wobei: Fehlereingabe in PID = Sollwert der Geschwindigkeit – tatsächlicher Geschwindigkeit und die Ausgabe von der PID wird als Prozent Q interpretiert.
2) Um einen linearen PID-Temperatursollwert-Steueralgorithmus über den gewünschten Temperaturbereich zu erhalten: Eingabe in die PID-Steuerung ist das Fehlersignal t_c – Sollwert. Ausgabe von der PID-Steuerung wird als % von Q_max interpretiert. Gleichung 1 wird verwendet, um den momentarten Wert von 1 zu bestimmen, der zu einem %-Wert der Q_max Ausgabe durch die PID-Steuerung führt, und zwar unter den momentanen Temperaturbedingungen.
3) Um nichtlineare Temperaturübergänge oder Anstiege zu erreichen, wobei die Temperaturübergänge durch die Ableitung der Temperatur nach der Zeit, dT/dt, als Funktion der Blocktemperatur definiert sind.

Diese Funktion wird durch eine Tabelle, welche die Blocktemperatur T, dT/dt-Datenpunkte in 5°C-Inkrementen für die Abkühlung und durch eine lineare Gleichung für das Aufheizen angenähert. Der geringe Effekt der Probenmasse auf die dT/dt-Profile wird außer Acht gelassen, obwohl dieser meßbar ist. Bei bekannter thermisch wirksamer Gesamtmasse MC_p (Joule/°K), die an den Temperaturübergängen beteiligt ist, ist die thermische Leistung, Q (Joule/s), die erforderlich ist, um das gewünschte Geschwindigkeitsprofil, dT/dt (°K/s), zu erreichen, bei einer beliebigen Temperatur durch die Gleichung Q = MCp·dT/dtgegeben.
Die Lösung der Gleichung 1 wird verwendet, um den momentanen I-Wert zu bestimmen, der unter den momentanen Temperaturbedingungen zu dem gewünschten Q-Wert führen wird. Dieses Verfahren wird während Temperaturübergängen periodisch wiederholt.
Steuerung des Über- und Unterschwingens
Es, gibt eine praktische Grenze für die Aufheizgeschwindigkeiten und die daraus resultierenden Zykluszeiten, die erreicht werden können. Die Probe weist bezüglich der Blocktemperatur eine Zeitkonstante auf, die eine Funktion des Probenröhrchens und der Röhrchengeometrie ist, die nicht verkleinert werden kann, da das Röhrchen dem Industriestandard entspricht. Dies bedeutet, dass selbst dann, wenn die Temperatur der Probenröhrchenwand als Stufenfunktion geändert wird, z. B. durch Eintauchen in ein Wasserbad, die Probe eine endliche Aufheizgeschwindigkeit aufweisen wird, wenn sich die Probentemperatur exponentiell an den Sollwert annähert. Dies kann dadurch kompensiert werden, dass veranlaßt wird, dass der Block die programmierte Temperatur in einer kontrollierten Weise überschwingt. Dies bedeutet, dass die Blocktemperatur über den Sollwert hinaus steigen und wieder fallen läßt, um die Zeit zu minimieren, die von der Probe benötigt wird, um den Sollwert zu erreichen. Wenn die mögliche Aufheizgeschwindigkeit ansteigt, wird das Überschwingen größer, das zur Minimierung der Zeit, die für die Probe erforderlich ist, um den Sollwert zu erreichen, benötigt wird, und bald wird eine praktische Grenze erreicht. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Flüssigkeitsgrenzschicht in dem Röhrchen zu einem gewissen Maß überschwingt, obwohl die durchschnittliche Probentemperatur den Sollwert nicht überschwingt. Wenn auf die Priming-Temperatur abgekühlt wird, kann ein zu großes Überschwingen zu einem unspezifischen Priming führen. Daher können die meisten Vorteile bei einem System erhalten werden, bei dem die maximale Aufheizgeschwindigkeit kombiniert mit einem optimierten Überschwingen verwendet wird, wobei das Überschwingen sowohl beim Aufheizen als auch beim Abkühlen symmetrisch ist.
8 ist eine Auftragung zur Vorhersage und Kompensation von Temperatur- über- und – unterschwingungen. Um die Blocktemperatur gesteuert über den Sollwert hinaus zu erhöhen und wieder abfallen zu lassen mißt das System zuerst die Blocktemperatur, Tbn + 1 und löst dann die folgenden Gleichungen: Tsn+1 = Tsn + (Tbn+1 – Tsn)*0.174/RC Tsfn = (Tbn – Tsn – mRC)(1 – e –tm/RC + mtrn + Tsn worin Tb die gemessene Blocktemperatur, Ts die berechnete Probentemperatur, Tsf die letzte berechnete Probentemperatur, wenn der Block zur Zeit t_n abgekühlt wird, R der Wärmewiderstand zwischen dem Probenblock und der Probe, C das Entropie-Temperatur-Verhältnis der Probe, m die Steigung einer Linie, die durch die Punkte Tb und Tsf bestimmt wird, und die die Zeit ist, die der Probenblock benötigt, um zu dem Sollwert zurückzukehren, wenn das System mit der gleichen Geschwindigkeit auf den Sollwert gebracht wird, mit der es sich davon entfernt hat.
Wenn der erhaltene Tsf_n-Wert innerhalb eines speziellen Fehlerfensters um den Sollwert liegt, bringt das System den Probenblock dazu, mit der gleichen Geschwindigkeit zu dem Sollwert zurückzukehren, mit der er sich davon entfernt hat. Wenn der erhaltene Tsf_n-Wert außerhalb des speziellen Fehlerfensters um den Sollwert liegt, bringt das System den Probenblack dazu, sich mit der gleichen Geschwindigkeit weiter von dem Sollwert zu entfernen. Während der Rückkehr zu dem Sollwert wird die vorstehend beschriebene proportional-integral-differenzierende (PID) Steuerschleife verwendet.
Bestimmung der Probentemperatur
Die Temperatur einer Probe in einem Probengefäß wird mit dem in 13 veranschaulichten Modell bestimmt, wobei:
TBlk ist die gemessene Bodenplattentemperatur;
TSmp ist die berechnete Probentemperatur;
TKunststoff ist die berechnete Kunststofftemperatur;
TCvr ist die gemessene Abdeckungstemperatur;
R1 ist der Wärmewiderstand des Kunststoffgefäßes zwischen dem Block und dem Probengemisch;
C1 ist das Entropie-Temperatur-Verhältnis des Probengemischs; R2 und R3 stellen den Wärmewiderstand von Luft parallel zu dem Kunststoffgefäß zwischen dem Probengemisch und der Abdeckung der und
C2 ist das Entropie-Temperatur-Verhältnis des Kunststoffgefäßes zwischen dem Probengemisch und der Abdeckung.
Das vorstehende Modell wird nach TSmp(t) und TKunststoff(t) aufgelöst, wobei TBlk = mt + TBlk0, TCvr = K und die Anfangsbedingungen ungleich 0 sind. Wenn die Anfangsbedingungen und die Steigung von TBlk als einzige Variablen genommen werden, wie es in 14 veranschaulicht ist, werden die Gleichungen umgeformt, wobei Gleichungen für Tsmp und TKunststoff erhalten werden.
Mit den Beziehungen: g1 = 1/R1; g2 = 1/R2; g3 = 1/R3; a = (g1 + g2)/C1; b = g2/C1; f = g2/C2; g = (g2 + g3)/C2; alpha = –(–g/2 –a/2 – (sqrt(g*g – 2*g*a + a*a + 4*f*b))/2); und beta = –(–g/2 –a/2 + (sqrt(g*g – 2*g*a + a*a + 4*f/b))/2),ergeben sich die Koeffizienten (coef) für die Probentemperaturgleichung wie folgt: coef1 = (g3/C2)*(–b/(beta*(alpha – beta))*exp(–beta*T) + b/(alpha*beta) + (b/(alpha*(alpha – beta)))*exp(–alpha*T)) coef2 = (b/(alpha – beta))*exp(–beta*T) – (b/(alpha – beta))*exp(–alpha*T) coef3 = (g1/Cl)*(g/(alpha*beta) + (–alpha + g)*exp(–alpha*T)/(alpha*(alpha–beta)) + (beta – g)*exp(–beta*T)/(beta*(alpha – beta))) coef4 = (g1/C1)*((g – beta)*exp(–beta*T)/(pow(beta,2)*(alpha – beta)) – g/(beta*pow(alpha,2)) + (1 + T*g)/(alpha*beta) + (–g + alpha)*exp(– alpha*T)/(pow(alpha,2)*(alpha – beta)) – g/(alpha*pow(beta,2))) coef5 = (–g + alpha)*exp(–alpha*T)/(alpha – beta) + (g – beta)*exp(–beta*T)/(alpha – beta) und es ergeben sich folgende Koeffizienten (coef) für die Kunststoffgefäß-Temperaturgleichung: coef6 = (g3/C2)*((beta – a)*exp(–beta*T)/(beta* (alpha – beta)) + a/(alpha*beta) + (– alpha + a)*exp(–alpha*T)/(alpha*(alpha – beta))) coef7 = (–beta + a)*exp(–beta*T)/(alpha – beta) + (alpha – a)*exp(–alpha*T)/(alpha – beta) coef8 = (g1/C1)*(f*exp(–beta*T)/(pow(beta,2)*(alpha – beta))–f/(beta*pow(alpha,2))– f*exp(–alpha*T)/(pow(alpha,2)*(alpha – beta)) + T*f/(alpha*beta) – f/(alpha*pow(beta,2))) coef9 = (g1/C1)*(–f*exp(–beta*T)/(beta*(alpha – beta)) + f/(alpha*beta) + f*exp(– alpha*T)/(alpha*(alpha – beta))) coef10 = f*exp(–beta*T)/(alpha – beta) – f*exp(–alpha*T)/(alpha – beta)und
Steigung = (TBlk – TBlk0)/T, wobei T die Dauer der Probennahme ist (0,174 s).
Unter Verwendung des Modells in 13 ergibt sich dann: TSmp = coef1*TCvr0 + coef2*TKunststoff0 + coef3*TBlk0 + coef4*Steigung + coef5*TSmp0 TKunststoff = coefb*TCvr0 + coef7*TKunststoff0 + coefb*Steigung + coef9*TBlk0 + coef10*TSmp0
Die Koeffizienten werden zu Beginn jedes PCR-Protokolls neu berechnet, um das momentan gewählte Probenvolumen zu berücksichtigen. TSmp und TKunststoff werden für jede Iteration des Steuerprozesses neu berechnet.
Um den Sollwert, TBlkSP, des Probenblocks während eines Zyklus mit konstanter Temperatur zu bestimmen, wird Tblk mit der Gleichung für TSmp bestimmt. Tblk0 = (Tsmp – coef1*TCvr0 – coef2*TKunststoff0 – coef4*Steigung – coef5*TSmp0)/coef3
Wenn eine konstante Temperatur aufrechterhalten wird, dann wird die Steigung = 0 und Tsmp = Tsmp0 = TSmpSP (Sollwert der Probentemperatur) und: TBlkSP = (TSmpSP – coef1*TCvr – coef2*TKunststoff – coef5*TSmpSP)/coef3
Die Gleichung für TBlkSP wird zur Aktualisierung des Sollwerts des Probenblocks bei jedem Durchlaufen der Steuerschleife gelöst, um Temperaturänderungen des Kunststoffs und der Abdeckung zu berücksichtigen.
Kalibrierdiagnose
Die Steuersoftware umfasst eine Kalibrierdiagnose, die einen Ausgleich von Leistungsschwankungen der thermoelektrischen Kühler von Gerät zu Gerät ermöglicht, so dass alle Geräte identisch arbeiten. Der Probenblock, die thermoelektrischen Vorrichtungen und der Kühlkörper werden zusammengebaut und mit dem vorstehend beschriebenen Klemmmechanismus zusammengeklemmt. Die Anordnung wird dann durch eine Reihe von bekannten Temperaturprofilen gefahren, währenddessen die tatsächliche Leistung mit der spezifizierten Leistung verglichen wird. Die Leistung, mit der die thermoelektrischen Vorrichtungen versorgt werden, wird eingestellt und das Verfahren wird wiederholt, bis die tatsächliche Leistung mit der Spezifikation übereinstimmt. Die während dieses Charakterisierungsprozesses erhaltenen thermischen Charakteristika werden in einer Speichervorrichtung gespeichert, die sich auf der Anordnung befindet. Dies ermöglicht es, dass die Blockanordnung von Gerät zu Gerät bewegt wird und dennoch innerhalb der Spezifikationen arbeitet.
Wechselstromwiderstandsmessung
Die typische Defektursache bei den thermoelektrischen Vorrichtungen ist ein Anstieg des Widerstands, der durch einen Ermüdungsbruch einer Lötverbindung verursacht wird. Dies führt zu einem Anstieg der Temperatur dieser Verbindung, was die Verbindung weiter belastet und schnell zu einem vollkommenen Defekt führt. Es wurde empirisch bestimmt, dass Vorrichtungen, die einen Anstieg des Wechselstromwiderstands von etwa 5 % nach etwa 20000 bis 50000 Temperaturzyklen zeigen, in kurzer Zeit einen Defekt aufweisen werden. Der Wechselstromwiderstand der thermoelektrischen Vorrichtungen wird durch das Gerät überwacht, um nahe bevorstehende Defekte zu erfassen, bevor die fragliche Vorrichtung ein Problem bezüglich der thermischen Einheitlichkeit verursacht.
Diese Ausführungsform automatisiert die tatsächliche Messung mit einem Rückkopplungssteuerungssystem und verhindert, dass die thermoelektrische Vorrichtung von der Einheit entfernt werden muss. Das Steuersystem gleicht den Temperaturunterschied zwischen zwei Oberflächen der thermoelektrischen Vorrichtung aus, der durch den auf der einen Seite befestigten Kühlkörper und den auf der anderen Seite befestigten Probenblock verursacht wird. Das Steuersystem führt dazu, dass die thermoelektrische Vorrichtung ihre beiden Oberflächentemperaturen ausgleicht und anschließend wird die Wechselstromwiderstandsmessung durchgeführt. Der Mikrokontroller führt zum Zeitpunkt der Wechselstromwiderstandsmessung eine Polynomberechnung durch, um den Umgebungstemperaturfehler auszugleichen.
9 zeigt den Probenblock 36, eine Schicht einer thermoelektrischen Vorrichtung 60 und einen Kühlkörper 34, der mit dem Mikrokontroller 62 des Systems und einem Bipolar-Leistungsverstärker 64 verbunden ist. Der bereits in dem Kühlkörper 38 vorhandene Temperatursensor und ein zusätzlicher Temperatursensor, der mit dem Probenblock 36 mit einer Klammer (nicht gezeigt) aus Saitendraht befestigt ist, werden verwendet, um die Temperaturdifferenz der Oberflächen der thermoelektrischen Vorrichtung zu bestimmen.
Der Bipolar-Leistungsverstärker gibt in zwei Richtungen Strom an die Vorrichtung ab. Der Strom in einer Richtung heizt den Probenblock und der Strom in der anderen Richtung kühlt den Probenblock. Der Bipolar-Leistungsverstärker besitzt auch eine Signalaufbereitungsfähigkeit, um die Wechselspannung und den Wechselstrom zu messen, die an die thermoelektrische Vorrichtung abgegeben werden. In die Signalaufbereitung ist ein Bandpass 68 integriert, um ein Wechselstrommesssignal von dem stationären Signal zu trennen, das eine Nullbedingung für die Temperaturdifferenz über die thermoelektrische Vorrichtung erzeugt.
Der Mikrokontrollen hat die erforderliche Fähigkeit, um die Messinformation zu verarbeiten und die Rückkopplung in Echtzeit durchzuführen. Er speichert auch die zeitliche Veränderung des Wechselstromwiderstands und die Anzahl der Temperaturzyklen der thermoelektrischen Vorrichtung und zeigt dem Anwender die Information auf der Anzeige 70 an. Die Wechselstrommessung wird normalerweise während des anfänglichen Einschattens durchgeführt. Sie kann jedoch auch aktiviert werden, wenn die Selbstdiagnose durch den Anwender mit der Tastatur 72 aktiviert wird. Ein Analog-Digital- und ein Digital-Analog-Konverter ist zusammen mit einer Signalaufbereitung für die Temperatursensoren und die Wechselstromwiderstandsmessung ebenso in den Mikrokontrollen integriert, so dass der Mikrokontrollen seine digitale Signalverarbeitung durchführen kann.
Abdichtung des Bereichs der thermoelektrischen Vorrichtung gegenüber der Umgebung
Die thermoelektrischen Vorrichtungen werden gegenüber der Feuchtigkeit in der Umgebung durch Dichtungen geschützt und die Kammer wird mit einem Trockenmittel wie z. B. Silicagel trocken gehalten. Die Dichtung stellt eine Verbindung von dem elektroerosiv geformten Silber zu dem umgebenden Träger her und trägt daher zu den Kantenverlusten von dem Block bei. Diese Verluste werden durch die Verwendung einer Druckdichtung 98 mit niedriger Wärmeleitfähigkeit und der vorstehend beschriebenen Umfangsheizeinrichtung minimiert. Die Dichtung 98 weist einen im Allgemeinen parallelogrammförmigen Querschnitt mit mehreren Laschen 100 auf, die um die untere Fläche der Dichtung 98 beabstandet sind, um die Dichtung 98 an der Kante des Probenblocks zu haften, wie es in 15 gezeigt ist.
Die Dichtung 98 wird dadurch angebracht, dass zuerst ein RTV-Kautschuk (nicht gezeigt) um den Umfang 110 des oberen Abschnitts des Probenblocks aufgebracht wird. Die Dichtung 98 wird dann auf dem RTV-Kautschuk angeordnet. Auf dem Umfang 120 der Dichtung wird weiterer RTV-Kautschuk aufgebracht und anschließend wird eine Abdeckung (nicht gezeigt) angebracht, welche die RTV-Kautschuk-Dichtungskombination kontaktiert. Die Abdeckung weist einen Rahmen auf, der auch eine Dichtung (nicht gezeigt) auf der Leiterplatte kontaktiert, um eine wirksamere Abdichtung bereitzustellen.

Claims

Anordnung zum Zyklisieren von Gefäßen von Reaktionsgemischen durch eine Reihe von Temperaturverläufe umfassend: einen Probenblock (36), um Gefäße von Reaktionsgemischen aufzunehmen, eine Vielzahl von thermoelektrischen Vorrichtungen (60), einen Kühlkörper (34), einen Klemmmechanismus, der derart angeordnet ist, die thermoelektrischen Vorrichtungen zwischen dem Probenblock und dem Kühlkörper festzuklemmen, eine Heizvorrichtung (74), die um den Umfang des Probenblocks angeordnet ist, und einen Stift (24) mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, wobei das erste Ende in engem Kontakt mit dem Probenblock steht und das zweite Ende in engem Kontakt mit dem Kühlkörper steht, um einen thermischen Pfad zwischen dem Probenblock und dem Kühlkörper bereitzustellen, wobei der Stift (24) angeordnet ist, um thermale Gradienten entlang des Probenblocks (36) zu reduzieren.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Stift (24) in der Mitte des Probenblocks (36) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Kühlkörper (34) umfasst: eine Platte mit einer Oberseite und einer Unterseite, eine Vielzahl von Rippen (37), die sich senkrecht von der Unterseite erstrecken, einen Graben (44), der sich um den Umfang der Oberseite erstreckt, um Wärmeverluste von dem Umfang zu verhindern, und eine Ausnehmung (40) innerhalb der Platte zum Aufnehmen eines Temperatursensors (38).
Anordnung nach Anspruch 3 ferner umfassend einen Ventilator, der in der unmittelbaren Nähe der Rippen (37) angeordnet ist, um den Luftstrom durch die Rippen zu steuern.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Klemmmechanismus umfasst: einen Träger (49), wobei der Träger eine Vielzahl von Öffnungen (53) zum Aufnehmen von Befestigungselementen (52) aufweist, und eine Vielzahl von Zinken (48), die sich lateral um den Träger erstrecken.
Anordnung nach Anspruch 5, wobei der Träger (49) eine rechteckige Form aufweist.
Anordnung nach Anspruch 5, wobei die Zinken (48) eine rechteckige Form aufweisen.
Anordnung nach Anspruch 5, wobei die Zinken (48) ein Oberteil und ein Unterteil aufweisen und konisch verjüngt sind, so dass die Finger an dem Oberteil eine geringere Breite aufweisen, als an dem Unterteil.
Anordnung nach Anspruch 5, wobei die Zinken (48) ein erstes Ende, das lateral von dem Träger (49) vorsteht, und einen Vorsprung aufweisen, der sich von dem ersten Ende nach unten erstreckt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Probenblock (36) umfasst: eine Vielzahl von Probenvertiefungen (20) zum Aufnehmen von Probengefäßen, wobei jede Vertiefung ein oberes Ende und ein unteres Ende aufweist, eine obere Trägerplatte (21), die die oberen Enden der Probenvertiefungen verbindet, und eine Bodenplatte (22), die die unteren Enden der Probenvertiefungen verbindet.
Anordnung nach Anspruch 10, wobei die obere Trägerplatte (21) und die Probenvertiefungen (20) als ein Stück galvanoplastisch ausgebildet sind.
Anordnung nach Anspruch 10, wobei der Probenblock (36) Silber umfasst.
Anordnung nach Anspruch 10, wobei die Propenvertiefungen (20) in einer 8 × 12 rechteckigen Anordnung angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 10, wobei der Probenblock (36) rechteckig ist.