迅速熱循環のために低い熱不均一性を提供する熱ブロックアセンブリおよび機器
本教示は、熱ブロックアセンブリ全体にわたって低い熱不均一性を有する熱ブロックアセンブリの種々の実施形態を開示する。したがって、かかる低い熱不均一性を有する熱ブロックアセンブリの種々の実施形態は、かかる熱ブロックアセンブリを利用する生物分析機器類の所望の性能を提供する。一実施形態において、熱循環のための熱ブロックアセンブリは、第１の表面と、第２の表面とを有するサンプルブロックであって、第１の表面は、サンプル支持デバイスを受け取るように適合されている、サンプルブロックと、第１の表面と、第２の表面と、第２の表面から垂下する複数のフィンとを有する基部を備えたヒートシンクであって、各フィン間の空隙は、複数のフィンの入口側から複数のフィンの出口側に通過する空気のための流路を提供する、ヒートシンクと、サンプルブロックとヒートシンクとの間に位置付けられた複数の熱電気デバイスとを備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本教示の分野は、熱循環装置のための熱ブロックアセンブリのためのものである。
【背景技術】
【０００２】
熱不均一性（ＴＮＵ）の分析は、熱ブロックアセンブリの性能を特性化するための当該技術分野の確立された属性であり、熱ブロックアセンブリは、種々の生物分析機器類において使用され得る。ＴＮＵは、典型的に、サンプルブロックが、サンプル支持デバイスに係合し得る、熱ブロックアセンブリのサンプルブロック部分において測定される。ＴＮＵは、サンプルブロックにおける、最も熱い場所と最も冷たい場所との間の相違または平均相違のいずれかで表され得る。例えば、ＴＮＵは、サンプルブロックにおける、最も熱いサンプル温度または位置と、最も冷たいサンプル温度または位置との間の相違または平均相違として決定され得る。ゲルデータと比較して設定される、業界標準は、そのように定義されたＴＮＵを、約１．０℃の相違、または０．５℃の平均相違として表し得る。歴史的に、ＴＮＵを低減することに対する焦点は、サンプルブロックに向けられている。例えば、サンプルブロックの周縁は、典型的に、中心よりも冷たいということが観察されている。かかる周縁効果に対抗するために採られている一手法は、観察される中心から周縁への熱勾配を相殺するように、サンプルブロックの周囲に種々の周辺および周縁加熱器を提供することである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本教示において、モデル化は、実験データを使用して、種々の熱ブロックアセンブリ設計における傾向を比較するために有効であった。かかるモデル化は、熱ブロックアセンブリの再設計につながり、本教示による実施形態は、当該技術分野の種々の確立された教示と対照的である。
【０００４】
迅速な熱循環のための低い熱不均一性を提供する熱ブロックアセンブリ、ならびにその種々の実施形態、およびかかる熱ブロックアセンブリを組み込む装置の種々の実施形態は、添付の請求項において定義される。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１Ａ】図１Ａおよび図１Ｂは、種々の従来技術の熱ブロックアセンブリの図である。
【図１Ｂ】図１Ａおよび図１Ｂは、種々の従来技術の熱ブロックアセンブリの図である。
【図２】図２は、種々の熱ブロックアセンブリのためのサンプルブロックおよびヒートシンクに関する、理想化された熱プロファイルを描写する略図である。
【図３】図３は、種々の熱ブロックアセンブリによる、ヒートシンクの熱モデル化を描写する。
【図４】図４は、種々の熱ブロックアセンブリによる、サンプルブロックの熱モデル化を描写する。
【図５】図５は、低い熱不均一性（ＴＮＵ）を提供する、熱ブロックアセンブリの種々の実施形態による、ヒートシンクの熱モデル化を描写する。
【図６】図６は、低い熱不均一性（ＴＮＵ）を提供する、熱ブロックアセンブリの種々の実施形態による、サンプルブロックの熱モデル化を描写する。
【図７】図７は、熱ブロックアセンブリの種々の実施形態による、２つのヒートシンクを比較する、斜視図である。
【図８】図８は、熱ブロックアセンブリの種々の実施形態による、その上に載置される熱制御サブアセンブリを各々有する、２つのヒートシンクを比較する、上部斜視図である。
【図９】図９は、熱ブロックアセンブリの種々の実施形態による、熱ブロックアセンブリの分解図である。
【図１０】図１０は、熱ブロックアセンブリの種々の実施形態による、ファンマウントを伴うヒートシンクサブアセンブリの底部斜視図である。
【図１１】図１１は、熱ブロックアセンブリの種々の実施形態による、熱ブロックアセンブリの側部表面図である。
【図１２】図１２Ａは、ヒートシンクサブアセンブリの底面図である。図１２Ｂは、熱ブロックアセンブリの種々の実施形態による、ヒートシンクサブアセンブリの側部表面図である。
【図１３】図１３は、熱ブロックアセンブリの種々の実施形態による、熱ブロックアセンブリの側部表面図である。
【図１４Ａ】図１４Ａは、６０℃のセットポイント温度に近付く、およびその保持期間中の熱ブロックアセンブリのブロック温度および熱不均一性を描写するグラフである。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、種々の実施形態による、６０℃のセットポイント温度に近付く、およびその保持期間中の熱ブロックアセンブリのブロック温度および熱不均一性を描写するグラフである。
【図１５Ａ】図１５Ａは、種々の実施形態による、９５℃のセットポイント温度に近付く、およびその保持期間中の熱ブロックアセンブリのブロック温度および熱不均一性を描写するグラフである。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、９５℃のセットポイント温度に近付く、およびその保持期間中の熱ブロックアセンブリのブロック温度および熱不均一性を描写するグラフである。
【図１６】図１６は、熱ブロックアセンブリの種々の実施形態を利用することができる、機器のブロック図である。
【図１７】図１７は、熱ブロックアセンブリの種々の実施形態を利用することができる、機器のブロック図である。
【図１８】図１８は、熱ブロックアセンブリの種々の実施形態を備える機器類の制御およびインターフェースにおいて利用され得る、例示的なコンピュータシステムの構成要素を例解するブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
本教示は、アセンブリ全体に低い熱不均一性を有する、熱ブロックアセンブリの種々の実施形態を開示する。以降でより詳細に述べられるように、かかる低い熱不均一性を有する熱ブロックアセンブリの種々の実施形態は、かかる熱ブロックアセンブリを利用する、生物分析機器類の所望の性能を提供する。
【０００７】
本教示の態様を理解するために、生物分析のための熱ブロックアセンブリの技術の代表的な本教示のうちの一部の検討により、全体像を提供することができる。図１Ａにおいて、描写される熱ブロックアセンブリは、基部プレート上に配置される反応ウェル（１２）を伴う、サンプルブロックサブアセンブリ（１３）と、複数の熱電気デバイスを含む、熱制御サブアセンブリ（１４）と、フィン（１６）を伴うヒートシンクサブアセンブリ（１５）と、ファン（１７）とを含む（Ｃｈｕ、他、米国特許第６，９６２，８２１号を参照されたい）。本教示の目的上、ヒートシンクサブアセンブリの真下のファンの位置、および熱制御サブアセンブリにおける熱電気デバイスの配置、最も具体的には、熱電気デバイス間の間隙が明らかである配置は、特筆に価する。図１Ｂにおいて、描写される熱ブロックアセンブリは、抵抗加熱器（５）が、スルーホール（４）の中への挿入によって、サンプルブロック（２）の中へ装備された状態のサンプルブロック（２）を含み、サンプルブロック（２）は、反応容器を保持するためのウェル（３）を含む。任意に、図１Ｂの熱ブロックアセンブリはまた、ファン（９）とともに動作されるヒートシンク（７）、ならびに抵抗加熱器（８）および（１０）を含む（Ｄａｎｓｓａｅｒｔ、他、米国特許第６，９６２，８２１号を参照されたい）。サンプルブロック（３）にわたって勾配を生成するために具体的に設計された、この熱ブロックアセンブリにおいて、サンプルブロックにわたって勾配を創出するための抵抗加熱の使用、ならびにヒートシンクの任意の使用は、特筆に価する。特に、ファン（９）は、ヒートシンクの底部に方向付けられるファンを有する、図１Ａにおいて示されるものと同様のヒートシンクサブアセンブリ等の種々のヒートシンクサブアセンブリと併せて当該技術分野において一般的に使用される種類の軸流ファンである。以降でより詳細に述べられるように、ヒートシンクサブアセンブリの設計、ならびにファンの種類および位置は、本教示による、熱ブロックアセンブリの種々の実施形態において慎重に検討されている。
【０００８】
生物分析のための迅速な熱循環の課題は、Ａｔｗｏｏｄ、米国特許第６，７０３，２３６号（第４欄、第３〜１９行）より抜粋される、以下において伝えられる。
「当然のことながら、９ミリメートルのセンタ上の８×１２ウェルアレイにおける９６個のサンプルを加熱および冷却することが必要である、金属ブロックのサイズは、極めて大きい。この大きな面積のブロックは、サンプル間の温度変動に対する非常に小さな許容誤差で、一般的に０から１００℃までの温度範囲内で、非常に迅速に、かかるブロックを加熱および冷却することが可能である、ＰＣＲ機器の設計に関して、複数の困難な工学的問題をもたらす。・・・」
さらに、生物分析機器類のための熱ブロックアセンブリの設計および機能の技術分野の教示の別の態様は、残りの熱ブロックアセンブリに対する、ヒートシンクサブアセンブリのサイズに関するということに留意されたい。大まかな経験則として、当該技術分野においてヒートシンクは、効果的な熱緩衝となるようにサイズ決定可能であること、および熱電気デバイスの仕様に従う、それらの性能を維持するために、熱電気デバイスから効果的に熱を引き出すことが必要であろうということが考えられている。これは、Ａｔｗｏｏｄ、米国特許第７，１３３，７２６号（第７欄、第４９〜５５行）より抜粋される、以下において伝えられる。
「・・・ヒートシンクの熱質量は、サンプルブロックおよび組み合わされたサンプルの熱質量よりも大幅に大きい。サンプルブロックおよびサンプルはともに、約１００ジュール／°Ｋの熱質量を有し、ヒートシンクの熱質量は、約９００ジュール／°Ｋである。・・・」
したがって、種々の商業的に利用可能な熱循環機器の慎重な研究は、残りの熱ブロックアセンブリに関連して、サイズ決定可能なヒートシンクを明らかにするであろう。
【０００９】
本教示に関して、本発明者は、最初に、モデル化研究が、Ａｔｗｏｏｄによって記載される、「サンプル間の温度変動に対する非常に小さな許容誤差」を提供するという課題の予想外の理解につながる問題を提起した観察に遭遇した。例えば、図２において描写されるように、行われた観察のうちの１つは、グラフＩＩにおいて示されるヒートシンクの実施形態の熱平衡に対して、グラフＩにおいて示されるサンプルブロックの実施形態の熱平衡に関連した。図１Ａにおいて示されるように、熱電気デバイスを利用する、熱ブロックアセンブリの実施形態に関して、複数の熱電気デバイスは、ヒートシンクと、サンプルブロックとの間に位置付けられ得る。したがって、同様の要因が、サンプルブロックおよびヒートシンクの熱プロファイルの相対的な特性に影響し得る（例えば、中心においてより熱い、および周縁でより冷たいという両方の傾向がある、観察に影響を及ぼす要因）が、サンプルブロックおよびヒートシンクは、当該技術分野において物理的に分離していると見なされ得る。したがって、ヒートシンクの熱平衡が、サンプルブロックの熱平衡を追行した理由は、明らかではなかった。
【００１０】
熱ブロックアセンブリの種々のサブアセンブリの熱特性の図２において描写されるもののような観察のさらなる理解のために、ヒートシンクおよびサンプルブロックの実施形態の熱プロファイルのモデル化研究に着手した。種々の熱ブロックアセンブリ設計の性能における傾向の評価に関する、モデルの予測可能性の妥当性は、測定値が採られた動作条件に一致した、境界条件下で、モデルによって生成された熱プロファイルと比較して、ヒートシンクの実施形態に対して採られた測定値の比較によって検証された。一度傾向を検討するためのモデルの妥当性が確立されると、モデル化は、熱ブロックアセンブリの種々の実施形態の熱特性の複雑性をさらに理解するためのツールとして使用された。図３〜図６において、モデルは、一定な熱流束が、サンプルブロックおよびヒートシンクサブアセンブリの種々の実施形態に適用されたと仮定した。その点で、種々のサブアセンブリは、それらの熱プロファイルにおける傾向を分析するために、仮説的条件下で評価されることが可能であった。
【００１１】
図３において、ヒートシンク１０の実施形態のモデルによって生成される、仮説的表面熱プロファイルの上部斜視図を描写する。ヒートシンク１０は、上表面２２および下表面２４を有する、基部２０を含む。上表面２２は、上表面２２の一部として載置される、ペデスタル４０を含む。示されるペデスタル４０は、第１のペデスタルブロック４２を有し、その上に、第２のペデスタルブロック４４が載置される（図７も参照されたい）。基部下表面２４から垂下しているのは、一連のヒートシンクフィン（３０）である。一連の熱等高線で示される温度によって分かるように、第２のペデスタルブロック４４の中心部分から、基部上表面２２の外側部分までは、約２０℃の相違である。さらに、第２のペデスタルブロック４４の中心から、その周縁までは、約４℃の相違がある。ペデスタル４０の上には、複数の熱電気デバイス（図示せず）を含む、熱制御サブアセンブリが載置され得る。熱制御サブアセンブリの上には、サンプルブロックが載置され得る。
【００１２】
図４において、図３において示されるようなヒートシンクの実施形態を含む、熱ブロックアセンブリの実施形態において利用され得る、サンプルブロックの１／４部分の底部斜視図を描写する。図４のサンプルブロック５０の実施形態に関して、モデルによって生成される、仮説的表面熱プロファイルが表示されている。サンプルブロック５０は、上表面６０、および下表面７０を含む。サンプルブロックの種々の実施形態に関して、陥凹またはウェル６５は、上表面６０において形成され得る。フランジ８０は、対向する第２のフランジリム（図示せず）を伴う第１のフランジリム６２、および対向する第４のフランジリム（図示せず）を伴う隣接する第３のフランジリム６６を有して、サンプルブロック５０の周辺の周囲に形成され得る。図４において分かるように、定義された境界条件下のモデル化に関して、サンプルブロック５０の中心の周囲から第１のフランジリム６２に向かう下表面７０上では、示される約１０℃の相違がある。モデルに対して設定される境界条件下でのモデル化研究において示される傾向は、図４において描写されるようなサンプルブロック５０の種々の実施形態に関して、熱プロファイルにおける約５℃の最大相違が、第３のフランジリム６６に近い中心周縁位置から、第１のフランジリム６２に近接して位置する外側ウェルの真下の周縁位置までの間で生じ得る。
【００１３】
生物分析の技術分野において既知であるように、ウェル６５を有する、図４において描写されるようなサンプルブロックの種々の実施形態は、マイクロタイタプレート等の種々のサンプルを含むデバイスを受け取るように適合され得る。さらに、サンプルブロックの種々の実施形態は、マイクロカード等の実質的に平面のサンプルを含むデバイスを受け取るように適合される、実質的に平坦な表面を有し得る。図４において描写されるようなウェルを有するサンプルブロックにおいて、マイクロタイタプレートのウェルに堆積される生物学的サンプルは、例えば、図２のグラフＩにおいて示されるような熱循環プロファイルによる熱循環を受け得る。図２におけるグラフＩの熱循環プロファイルは、ヒートシンクの熱平衡に関連する、サンプルブロックの熱平衡に関して行われる観察を説明する目的で理想化されているということに留意されたい。
【００１４】
２つのセットポイント熱サイクルは、図２におけるグラフＩの理想化された熱循環プロファイルにおいて示されるように、変性ステップのためのセットポイント温度、およびアニーリング／延伸ステップのためのセットポイント温度を含み得る。変性ステップのためのセットポイント温度は、約９４〜９８℃であり得、一方で、アニーリング／延伸ステップのためのセットポイント温度は、約５０〜６５℃であり得る。図２において、ＡおよびＥで指定される曲線の部分は、約６０℃の熱サイクルにおけるアニーリング／延伸ステップを示し、一方で、Ｃで指定される領域は、熱サイクルにおける約９５℃の変性ステップである。さらに、曲線の２つの温度傾斜部分は、領域ＢおよびＤによって示される。代替的に、一部のプロトコルは、アニーリングおよび延伸ステップが、別個のステップである、３つのセットポイント温度プロトコルを使用する。種々のプロトコルにより、延伸ステップのためのセットポイント温度は、約７５〜８０℃であり得る。熱サイクルの定義されたステップの間、そのステップにおける化学プロセスのための時間を可能にするために、セットポイント温度に対する指定された保持時間が、定義され得る。図２の理想化されたグラフＩにおいて分かるように、セットポイント温度での保持時間は、セットポイント温度が、そのステップで効果的に一定である。図２の理想化されたグラフＩにおいて、変性セットポイント温度、およびアニーリング／延伸セットポイント温度での保持時間は、ほぼ同じであると思われるが、当業者が知るように、熱サイクルにおける種々のステップに対する保持時間は、異なり得る。例えば、熱サイクルの間、変性ステップのための変性セットポイント温度での保持時間は、約５秒から約１５秒の間であり得、一方で、アニーリング／延伸ステップのためのアニーリング／延伸セットポイント温度での保持時間は、約３５秒から約１分の間であり得る。種々の熱サイクルプロトコルは、機器、化学的性質、およびサンプルの特性により変化し得る。
【００１５】
機器に統合されるサンプルブロックにわたる、および実際の動作条件下での熱的変動の実際の測定は、エンドユーザによって実行され得る。サンプルにわたる熱的変動をもたらし得る、サンプルブロックにわたるかかる熱的変動は、サンプルブロックの熱不均一性（ＴＮＵ）として、熱循環生物学的サンプルの技術分野において既知である。したがって、Ａｔｗｏｏｄによって説明される、「サンプル間の温度変動に対する非常に小さな許容誤差」をもたらす目標条件下では、依然として、何らかの測定可能なＴＮＵが存在する。したがって、サンプルを含むデバイスを受け取るように適合される、サンプルブロックの部分にわたる、熱プロファイルの評価は、特に興味深い。その点で、図４の仮説的底部表面熱プロファイルは、第３のフランジリム６６に近い中心周縁位置から、第１のフランジリム６２に近接して位置する、外側ウェルの真下の周縁位置までが、特に興味深い。さらに、種々の生物分析機器類において利用される、熱ブロックアセンブリの物理学および工学の分野において、定義された間隔でのＴＮＵの値、ならびに目標熱均一性までの時間は、機器機能を評価するために使用される測定規準であり得る。
【００１６】
生物分析機器類において使用される、熱ブロックアセンブリに対して、許容可能に目標ＴＮＵを定義することは、かかる機器類上で実行される、バイオアッセイの目標精度に従って行われる。例えば、これに限定されないが、ＰＣＲ反応に基づく種々のバイオアッセイに関して、熱ブロックアセンブリの種々の実施形態を利用する機器類に対して許容可能に決定されたＴＮＵを有することは、サイクル閾値に対する許容可能な精度を、かかる機器類に対して生成し得ることを確実にするために有用であり得る。したがって、エンドユーザに、ＴＮＵを評価するために手段を提供することは、種々のデータセットにおける、許容可能な精度を生成するための機器内および機器間性能の評価を提供し得る。既に言及されたように、ＴＮＵは、サンプルブロックにわたる、例えば、これに限定されないが、マイクロタイタプレート等のサンプルを含むデバイスを受け取るように適合されるサンプルブロックサブアセンブリにおけるサンプルウェルにわたる、または、陥凹を伴わない、サンプルブロックの平坦な表面にわたる、サンプルブロックの温度の変動の実際の測定によって決定され得る。熱循環機器におけるサンプルブロックのＴＮＵを決定するための手順は、例えば、「Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｙｃｌｅｒ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ」；Ｐａｒｔ Ｎｕｍｂｅｒ ４３１９０９２ Ｒｅｖ． Ｄ； Ｃｈａｐｔｅｒ ４，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｂｉｏｓｙｓｔｅｍｓのようなマニュアルにおいて見出すことができる。
【００１７】
かかるプロトコルにおいて、温度が、試験されるべき既定の数およびパターンのウェルに対して記録され、ウェルにわたる変動が決定され、次いで、標準値と比較される。当該技術分野における、ＴＮＵの種々の定義に従って、ＴＮＵは、試験される既定の数のウェルに対する、記録される最高温度値と、記録される最低温度との間の相違として、定義され得る。当該技術分野におけるＴＮＵの種々の定義に関して、ＴＮＵは、記録される最高温度値と、記録される最低温度との間の平均相違として、定義され得る。熱循環機器の物理学および工学の分野においてサンプルブロックにわたる温度範囲の相違として表される１．０℃のＴＮＵ、またはサンプルブロックにわたる温度範囲の平均相違として表される０．５℃のＴＮＵは、しばしば、ＴＮＵの標準目標値として、当該技術分野において挙げられていることが見出される。
【００１８】
したがって、両方の定義は、サンプルウェルにわたる温度の範囲を表す相違が約１．０℃以内になることに基づく。かかる定義は、熱循環機器類が利用可能となる前の当該技術分野のツールであった、ゲルデータとの必要な比較から進化した可能性がある。かかるプロトコルの目的が装置性能の評価のための基礎を提供することであり得る場合には、種々の試験プロトコルに基づくＴＮＵの種々の定義が可能である。例えば、上で言及されたマニュアルにおいて説明される試験プロトコルは、サンプルブロックにわたる複数のウェルの温度を記録する。種々の試験プロトコルは、サンプルブロック上に設定されるサンプルを含むデバイスにおける、複数のサンプルの温度を記録するように、設計され得る。種々の他の試験プロトコルは、サンプルブロック内の種々の位置の温度を記録するように、設計され得る。種々の他の試験プロトコルは、ＴＮＵの評価のための手法の組み合わせを含み得る。さらに、サンプルブロックに対して記録される温度の範囲の相違を表す値以外の別の値が可能であり得る。当業者は、ＴＮＵの決定のための任意のかかるプロトコルの目的、およびＴＮＵ決定を評価するために使用される値は、機器内および機器間性能の評価を提供することに基づくであろうということを理解するであろう。機器内および機器間性能の評価は、データセットに関する許容可能な精度が、熱ブロックアセンブリの種々の実施形態を利用する機器類上で生成され得るということの確証を提供するために、有用であり得る。
【００１９】
既に言及されたように、目標熱均一性までの時間も、ＴＮＵまでの時間が、総循環時間に関連し得るので、機器機能の評価に有用な測定規準を提供し得る。一般的に、ＴＮＵまでの時間は、保持時間が目標セットポイント温度に対して開始された後に、目標ＴＮＵが達成され得る時間として説明され得る。本教示の熱ブロックアセンブリおよび機器の種々の実施形態によると、目標セットポイント温度に対する値は、サンプル支持デバイスにおける複数のサンプルにおいて測定される温度に基づき得る。本教示の熱ブロックアセンブリおよび機器の種々の実施形態において目標セットポイント温度に対する値は、サンプルブロックにおける複数の位置において測定される温度に基づき得る。当業者が理解するように、ＴＮＵまでの時間が速ければ速いほど、サイクル時間は短くなるように、ＴＮＵまでの時間と、サイクル時間との間には、直接関係がある。より短いサイクル時間の影響は、単位期間あたり、より大きな数のサイクルを提供することである。したがって、より速いＴＮＵまでの時間は、より速い循環速度を提供し得る。
【００２０】
図２の理想化されたグラフＩにおいて示される、理想化された熱サイクルプロファイルを参照すると、ＴＮＵは、ｔ０後に時間間隔で採られる、サンプルブロックに対する測定値で決定され得、本教示によるｔ０は、クロックスタートと称される。一般的に、クロックスタートは、セットポイント温度に近付く温度に関連付けられる時間として、定義され得る。例えば、これに限定されないが、クロックスタートは、セットポイント温度の約１℃以内の温度で開始され得る。本教示の熱ブロックアセンブリおよび機器の種々の実施形態によると、クロックスタートが開始される温度の値は、サンプル支持デバイスにおける複数のサンプルにおいて測定される温度に基づき得る。本教示の熱ブロックアセンブリおよび機器の種々の実施形態においてクロックスタートが開始される温度の値は、サンプルブロックにおける複数の位置において測定される温度に基づき得る。
【００２１】
以降でより詳細に述べられるように、ＴＮＵは、例えば、クロックスタート（ｔ０）の１０、２０、および３０秒後に決定され得、これは、既に述べられたように、サイクルの本質的に一定な温度部分、または目標セットポイント温度に対するサイクルの保持時間部分の間に行われるＴＮＵ決定であり得る。本教示の目的上、クロックスタート（ｔ０）の指定された時間後に、保持時間間隔中に行われるＴＮＵ決定は、静的ＴＮＵ決定と称され、一方で、クロックスタート（ｔ０）に行われるＴＮＵ決定は、動的ＴＮＵ決定と称される。ブロックが、例えば、任意の特定の一定温度に完全に平衡化される場合には、一定に変化する温度の場合に比べ、熱均一性を達成することは明らかにより容易であるため、かかる小さな時間間隔にわたって採られるかかる測定値は、最悪の場合の測定値を表し得る。その理由で、当業者が理解し得るように、静的ＴＮＵ決定に対する目標値が、例えば、サンプルブロックにわたって約１．０℃の相違であり得る場合、動的ＴＮＵは、さらにより大きな不均一性を反映することが予想され得る。
【００２２】
工学分野における当業者が知るように、複雑な機能を有する、多構成要素アセンブリおよび機器のためのプロトタイプを設計、構築、および試験することは、骨の折れる、かつ時間のかかるプロセスである。実証されたモデル化ツールは、かかるプロセスに取って代わることはできないが、それは、構築／試験／改正サイクルに対して、多数のプロトタイプの選択肢において、どのプロトタイプを目標とすべきかに関する、有用な情報を与えることに有益であり得る。図２において描写されるような観察の検討において、本発明者は、当該技術分野の教示、特に、熱ブロックアセンブリを成すサブアセンブリ間の熱移動効果の潜在的結合について、疑問視し始めた。ヒートシンクおよびサンプルブロックに対して検討された、いくつかのプロトタイプ設計の一実施形態に関する仮説的モデル化の結果を、図５および図６にそれぞれ提示する。
【００２３】
潜在的なプロトタイプヒートシンク１００の実施形態は、図５の上部斜視図において描写されるように、上表面１２２と、基部より下に第２の表面１２４から垂下する複数のフィン１３０とを有する基部１２０を含む。フィン１３０間に交互にあるのは、複数の流路１３２である。図３のヒートシンク１０の実施形態と比較して、ヒートシンク１０の上表面２２の一部である、ペデスタル４０はない。その点で、以降で明らかとなるように、サンプルブロックの種々の実施形態は、図５のヒートシンク１００の実施形態と、本質的に同じフットプリントを有し得る。対照的に、図４のサンプルブロック５０の種々の実施形態は、図３のヒートシンク１０の上表面２２のペデスタル部分４０のフットプリントのみに一致する。モデル化研究による傾向によると、図５のヒートシンク１００のようなヒートシンクの種々の実施形態は、図３のヒートシンク１０の実施形態に関する、第２のペデスタル表面４４にわたる約４℃と対照的に、約１．０℃のヒートシンクにわたる温度相違を有し得る。モデル研究は、図３のヒートシンク１０のようなヒートシンクの種々の実施形態と比較して、図５のヒートシンク１００のようなヒートシンクの種々の実施形態に対して、実質的に減少した熱不均一性を示す傾向の評価を提供した。
【００２４】
潜在的なプロトタイプサンプルブロック１５０の実施形態は、図６の底部斜視図において描写されるように、複数の陥凹またはウェル１６５を有する上表面１６０と、下表面１７０とを含む。さらに、サンプルブロック１５０は、対向する第２の側部１６４を有する、第１の側部１６２を有する。第１の側部１６２に隣接するのは、対向する第４の側部１６８を有する、第３の側部１６６である。フランジ１８０は、図４において描写されるサンプルブロック５０のフランジ８０と比較して、実質的に低減されているということに留意されたい。図６において示されるように、サンプルブロック１５０の種々の実施形態に関して、フランジ１８０は、第３の側部１６６および第４の側部１６８に関連付けられ、フランジ１８０は、仮説的モデル化を介して、サンプルブロックＴＮＵに対するその要因の潜在的な影響を評価するために、水平熱流を低減するように最適化されている。図６において分かるように、下表面１７０上で、サンプルブロック１５０のほぼ中心から、第３のフランジリム１６６に向かって、約０．２℃の相違が示される。これは、下表面７０上でサンプルブロック５０のほぼ中心から第３のフランジリム６６に向かって、約２．０℃の相違が示される図４とは対照的である。さらに、図６において、下表面１７０上で、サンプルブロック１５０のほぼ中心から、第１のフランジリム１６２に向かって、目立つ相違は示されていない。これは、サンプルブロック５０に関して、下表面７０で、サンプルブロック５０のほぼ中心から、第１のフランジリム６２に向かって、約１０．０℃の相違が示されている、図４とは対照的である。既に述べられたように、潜在的なプロトタイプヒートシンク１００の実施形態のフットプリントは、潜在的なプロトタイプサンプルブロック１５０のフットプリントと本質的にほぼ同じであるということに留意されたい。驚くべきことに、提唱されたプロトタイプのモデル化は、当該技術分野の確立された教示とは対照的に、実質的により大きなヒートシンクが、サンプルブロックのＴＮＵの増加に影響を及ぼし得るということを示唆する。これらの所見に基づき、図５および図６にそれぞれ示唆されるように、ヒートシンクおよびサンプルブロックのプロトタイプ設計の実施形態を作製および試験した。
【００２５】
図７は、図５において描写されるモデルの後に作製されたヒートシンク１００の実施形態と比較して、図３においてモデル化されるようなヒートシンク１０の実施形態を比較する、斜視図である。以降でより詳細に述べられるように、ヒートシンク１００に関して、フィン１３０は、ヒートシンク１００の基部１２０の近傍で最長である流路１３２を有するということに留意されたい。図８は、ヒートシンクサブアセンブリ１００と、熱制御サブアセンブリ１１０とを含む、熱ブロックサブアセンブリ２５０と比較して、ヒートシンクサブアセンブリ１０と、熱制御サブアセンブリ１１０とを含む、熱ブロックサブアセンブリ２００の実施形態の斜視図である。熱ブロックサブアセンブリ２５０において、熱電気デバイス９２、９４、９６、および９８は、それによって、ヒートシンク１２０の上表面１２２のフットプリントに本質的に一致する、組み合わされたフットプリントを提供するように、Ｘ−Ｙ平面において隣接するということに留意されたい。対照的に、例えば、熱ブロックサブアセンブリ２００において、熱電気デバイス９２、および９８、ならびに９４、および９６は隣接するが、熱電気デバイス９２と９４との間、および熱電気デバイス９６と９８との間には、間隙が存在する。本教示の熱ブロックアセンブリおよび機器の種々の実施形態によると、熱電気デバイスは、例えば、かかる熱電気デバイスにおける材料の熱膨張のための余裕を可能にする、組み合わされたフットプリントを提供するように、指定された公差に対して、隣接され得る。本教示の熱ブロックアセンブリおよび機器の種々の実施形態に関して、熱制御サブアセンブリは、最大約１ｍｍ以下の隣接する熱電気デバイスへの介在空隙を考慮した組み合わされたフットプリントを提供するように隣接する熱電気デバイスを有し得る。本教示の熱ブロックアセンブリおよび機器の種々の実施形態に関して、熱制御サブアセンブリは、実質的に約８ｍｍ未満の隣接する熱電気デバイスへの介在空隙を考慮した組み合わされたフットプリントを提供するように隣接する熱電気デバイスを有し得る。
【００２６】
図９において、本教示による、熱ブロックアセンブリ３００の実施形態の分解図を示す。熱ブロックアセンブリの種々の実施形態３００は、ヒートシンクサブアセンブリ１００と、熱制御サブアセンブリ１１０と、サンプルブロックサブアセンブリ１５０とを含む。図８において描写されるように、熱制御サブアセンブリは、Ｘ−Ｙ平面において隣接し、サンプルブロック１５０とヒートシンク１００との間に位置付けられる、熱電気デバイスを含む。隣接した熱電気デバイス９２、９４、９６、および９８のアクティブなフットプリントは、サンプルブロック１５０の第２の表面１７０、およびヒートシンク１１０の上表面１２２のフットプリントに本質的に一致するということに留意されたい。この点で、熱制御サブアセンブリの均一な接触が、熱ブロックアセンブリ３００全体にわたって提供され得る。
【００２７】
図９において描写されるように、サンプルブロック１５０の種々の実施形態は、ブロックにわたって均一な熱質量を提供するように、第１の側部１６２、および対向する第２の側部１６４から、ならびに第３の側部１６６、および対向する第４の側部１６８から再分配される熱質量を有し得る。本教示の熱ブロックアセンブリおよび機器の種々の実施形態によると、サンプルブロックの側部上の質量の再分配は、サンプルブロックの種々の領域において熱質量を減少させるための質量の除去、または種々の領域において熱質量を増加させるための質量の追加、または領域における質量の追加および除去の組み合わせのいずれであり得る。したがって、熱ブロックアセンブリにおいて使用される、サンプルブロックサブアセンブリの種々の実施形態に関して、サンプルブロックの側部からの質量の選択的な再分配は、サンプルブロックＴＮＵをさらに低減し得る。本教示の熱ブロックアセンブリおよび機器の種々の実施形態に関して、そのように設計される、サンプルブロックサブアセンブリは、当該技術分野において典型的に使用される、種々の周縁および周辺加熱器の使用を除外し得る。さらに、ヒートシンク基部１２０の側部部分からの材料は、除去され得、それによって、下表面１２４を創出する（図７を参照されたい）。本教示による熱ブロックアセンブリおよび機器の種々の実施形態によると、かかるヒートシンクサブアセンブリからの材料の除去は、ヒートシンクサブアセンブリの強化された熱均一性を提供し得る。
【００２８】
図１０は、横方向クロスフローファン１９０と、ダクト１９５とを含む、ファンサブアセンブリの実施形態に接合される、ヒートシンクサブアセンブリ１００を含む、熱ブロックアセンブリ４００を描写する。フィン１６でヒートシンクサブアセンブリ１５の下に送風される空気を描写する、図１Ａにおいて示される熱ブロックアセンブリの実施形態とは対照的に、熱ブロックアセンブリ４００の実施形態は、流路１３２を通って、複数のフィンの入口側から複数のフィンの出口側まで空気を送風する、横方向ファン１９０を有する。既に言及されたように、図１Ａのフィンに対する、ファンの位置に加えて、図１Ｂにおいて描写されるファンのような軸流ファンは、当該技術分野において頻繁に使用される。かかる軸流ファンは、さらに、気流が生じないファンの中心において、かなりのデッドスポットに見舞われ、これは、かかる軸流ファンが使用される時のヒートシンクにわたる熱勾配に影響し得る。したがって、熱ブロックアセンブリ４００の種々の実施形態は、ヒートシンクサブアセンブリにおける熱勾配形成に影響し得る、これらの追加の源を含まない。サブアセンブリ４００の種々の実施形態に関して、ダクト１９５は、ファンから複数のフィンの入口側までの均一な流路を提供する。サブアセンブリ４００の種々の実施形態において、ダクト１９５は、図１０において示されるように、複数のフィンの入口側にしっかりと嵌まるように適合される。サブアセンブリ４００の種々の実施形態によると、筐体が、複数のフィンの入口側に近接して嵌まるように適合され得る。かかる実施形態に関して、筐体と入口側との間の間隙の幅は、気流が、間隙ではなく、複数のフィンを効果的に通過するように、流路によって提供される幅を上回らないことがある。
【００２９】
さらに、入口側からヒートシンク１００を通って強制される空気は、徐々に温められ、それによって、熱勾配を創出し得る。このように形成される熱勾配を補償するために、ヒートシンクの種々の実施形態に関して、図９において示されるように、入口端部から出口端部まで、高さが変化するフィン１３０を、ヒートシンク１００に組み込み、ヒートシンクの基部の近傍で最長である流路を提供し得る。当業者が理解し得るように、ヒートシンクの流路を通過する空気の温まりを補償するための種々の方法がある。例えば、図１１において、出口端部に向かって除去され得る熱質量が、ヒートシンクの流路を通過する空気の温まりを補償することができるように、基部１２０の厚さを変化させることができる。図１２Ａは、ダクト１９５およびフィン１３０の底面図である。ヒートシンク１００の種々の実施形態に関して、図１２Ａにおいて描写されるように、フィン１３０は、一連のフィンが、複数のフィンの入口側において長さを短縮され、それによって、可変長の流路を創出するように、交互パターンに配置され得る。図１２Ａにおいて示される、かかる設計に関して、基部の厚さは、図１２Ｂにおいて示されるように、一定のままであり得る。ヒートシンク１００の種々の実施形態は、入口端部から出口端部まで、高さにおいてテーパーのついたフィン１３０を有し、図１３の断面図において描写されるように、斜線によって示される、台形の形状の断面図を形成し得る。このように、高さにおいてテーパーのついたフィンを有するヒートシンクの実施形態は、図９において示される、ヒートシンク１００の実施形態によって提供されるものと同様に、ヒートシンクの基部の近傍で最長になる流路を提供する。
【００３０】
図９の熱ブロックアセンブリの種々の実施形態３００に関して、静的および動的ＴＮＵの両方は、サンプルブロック１００における、最も熱いウェルと最も冷たいウェルとの間の相違の平均に基づくＴＮＵ決定に対して、約０．０５℃から約０．２５℃の間であり得る。これは、約１．０℃の当該技術分野における現在の標準よりも、約２から１０倍低い、約０．１０℃から約０．５０℃の間の最も熱いウェルと最も冷たいウェルとの間の相違に転換される。さらに、図８の熱ブロックサブアセンブリ２００を含む、熱ブロックアセンブリの種々の実施形態、および図４において描写される、サンプルブロックの実施形態に対する、静的および動的ＴＮＵとは対照的に、静的および動的ＴＮＵは、ほぼ同じである傾向がある。熱ブロックアセンブリのかかる実施形態に関して、サンプルブロックにおける、最も熱いウェルと最も冷たいウェルとの間の相違の平均として測定される静的ＴＮＵは、約０．２５℃から約０．５０℃の間であり得、一方で、動的ＴＮＵは、約０．７０℃から約１．０℃の間であり得る。
【００３１】
図９の熱ブロックアセンブリの種々の実施形態３００の評価に関して、かかるデータを、図１４Ａおよび図１４Ｂ、ならびに図１５Ａおよび図１５Ｂに提供する。図１４Ａおよび図１５Ａにおいて、グラフは、サンプルブロックが周縁加熱器も有する、図４の３８４ウェルサンプルブロックの実施形態を利用する、図８の熱ブロックサブアセンブリ２００の実施形態に対する、ブロック温度およびＴＮＵを描写する。図１４Ｂおよび図１５Ｂにおいて、グラフは、３８４ウェルサンプルブロックと併せて、周縁加熱器が使用されない、図９の熱ブロックアセンブリ３００の実施形態に対する、ブロック温度およびＴＮＵを描写する。図１４Ａおよび１４Ｂにおいて示されるグラフは、約６０℃のセットポイント温度前に開始し、それを継続する持続時間を表す。図１５Ａおよび図１５Ｂにおいて示されるグラフは、約９５℃のセットポイント温度前に開始し、それを継続する持続時間を表す。ＴＮＵの値は、サンプルブロックにおける、最も熱いウェルと最も冷たいウェルとの間の平均相違として表される。９つの白金抵抗プローブを具備し、かつサンプルブロックの継続的な監視のために適合される、温度較正および均一性を実証するための９チャネル固定具が、サンプルブロックのＴＮＵに対する値を記録するために使用された。
【００３２】
図１４Ａおよび図１５Ａに関するＴＮＵデータの検討において、６０℃および９５℃のデータセットに関して、ｔ０とｔ１０との間のほぼ中間の点で、またはほぼｔ５で採られたデータに対する、ＴＮＵの範囲は、約０．２８℃から約０．４５℃の間である。比較すると、図１４Ｂおよび図１５Ｂに関して、６０℃および９５℃データセットに関して、ほぼｔ５で採られたデータに対する、ＴＮＵの範囲は、約０．０８℃から約０．１５℃の間である。これは、平均相違の代わりに、相違として表される、約０．１６℃から約０．３０℃のＴＮＵ範囲と同等である。したがって、本教示による熱ブロックアセンブリおよび機器の実施形態に関して、これは、約１．０℃の相違としてしばしば挙げられる、当該技術分野における、現在の標準よりも約３から６倍低い。図１４Ａおよび図１５Ａにおいて示されるＴＮＵと比較すると、図１４Ｂおよび図１５Ｂにおいて示されるように、本教示による熱ブロックアセンブリおよび機器の実施形態によって実証される、ＴＮＵの本質的に安定した、かつ一定な特性が理解され得る。クロックスタート＋約５秒（ｔ５）と、クロックスタート＋１０秒（ｔ１０）との間の時間の範囲にわたり、図１４Ｂおよび図１５ＢのＴＮＵは、本教示による熱ブロックアセンブリおよび機器の実施形態に対して、本質的に安定した、かつ一定であると思われる一方で、図１４Ａおよび図１５ＡのＴＮＵは、傾斜を表示する。
【００３３】
さらに、本教示の熱ブロックアセンブリおよび機器の種々の実施形態に関して、動的および静的ＴＮＵが、本質的に同じ値である傾向があるということが、９５℃データに関する図１５Ａおよび図１５Ｂの比較において理解され得る。熱循環機器類の物理学および工学の当業者が知るように、サンプルブロックにおいて、瞬間的に一定なセットポイント温度を維持することは、セットポイント温度が、動作機器の周辺温度から著しく逸脱するため、より困難となる。その点で、約９５℃のセットポイントで、本質的に安定した、かつ一定なＴＮＵを達成することは、約６０℃のセットポイントで安定したＴＮＵを達成することよりも困難であることを表し得る。図１５Ａの熱ブロックアセンブリに関して、ｔ０で測定される動的ＴＮＵは、約０．７５℃であり、これは、ほぼｔ５で約０．４５℃の静的ＴＮＵへと変化し、ｔ３０で約０．０８℃の静的ＴＮＵに到達する。対照的に、図１５Ｂの本教示による、熱ブロックアセンブリの実施形態に関して、ｔ０で測定される動的ＴＮＵは、約０．１６℃であり、約ｔ５で約０．１４℃の静的ＴＮＵに対して極めて一定なままであり、ｔ３０で安定した、かつ一定なままであり続ける。さらに、本教示の熱ブロックアセンブリおよび機器の種々の実施形態は、目標セットポイントで、安定した、かつ一定なＴＮＵを達成するために、周縁または周辺加熱器の使用を必要としない場合がある。
【００３４】
さらに、静的および動的ＴＮＵが、ほぼ同じ低い値であることは、保持時間の短縮の結果としてのサイクル時間の短縮に影響を及ぼし得る。ＴＮＵまでの時間が速ければ速いほど、サイクル時間が短いように、ＴＮＵまでの時間は、サイクル時間に関係するということを想起されたい。例えば、ＰＣＲ反応を使用するバイオアッセイに関して、典型的に、分析ごとに、サンプルあたり、約４０サイクルが実行される。現在、エンドポイントプロトコルに対して、標準形式を利用する熱循環に関して、約４０サイクルが、約１５分で、またはサイクルあたり約２３秒で完了され得る。したがって、例えば、サイクル時間を１５秒にさらに低減することによって、これは、１時間に４回ではなく、６回の実行となる、約１０分の実行時間に変換されるであろう。データの質、ならびにスループットの両方への影響は、多様なエンドユーザにとって重要であり得る。本教示の熱ブロックアセンブリおよび機器の種々の実施形態によると、ＴＮＵまでの時間は、最大約５秒であり得る。本教示の熱ブロックアセンブリおよび機器の種々の実施形態において、ＴＮＵまでの時間は、最大約７秒であり得る。
【００３５】
既に記載されたように、本教示の熱ブロックアセンブリおよび機器の種々の実施形態を参照すると、複数の熱電気デバイスの組み合わされたフットプリントは、熱ブロックアセンブリ全体にわたって実質的に均一な熱伝達を提供するように、サンプルブロックの第２の表面、およびヒートシンクの第１の表面のフットプリントに、本質的にまたは十分に一致する。熱電気デバイスの組み合わされたフットプリントのサンプルブロックの第２の表面、およびヒートシンクの第１の表面のフットプリントへの十分な一致は、本教示の熱ブロックアセンブリおよび機器の種々の実施形態の効果的な性能において、裏付けられ得る。
【００３６】
本教示による、熱ブロックアセンブリの種々の実施形態は、図１６および図１７において示される、ブロック図において描写されるように、熱サイクラ機器の種々の実施形態において使用され得る。
【００３７】
熱サイクラ機器５００の種々の実施形態によると、図１６において示されるように、熱循環機器は、サンプル支持デバイスに含まれる、複数のサンプル５１２の上に配置される加熱カバー５１０を含み得る。種々の実施形態において、サンプル支持デバイスは、複数のサンプル領域を伴う、ガラスまたはプラスチックスライドであり得、サンプル領域は、サンプル領域と、加熱蓋５１２との間にカバーを有する。サンプル支持デバイスの一部の例は、管、バイアル、標準マイクロタイタ９６ウェル、３８４ウェルプレートといった多ウェルプレート、もしくはマイクロカード、またはガラスもしくはプラスチックスライドのような実質的に平面の支持体を含み得るが、これらに限定されない。サンプル支持デバイスの種々の実施形態における、サンプル領域は、基板の表面上に形成される、規則的または不規則的なアレイにパターン化される、スルーホール、陥凹、押込、リッジ、およびこれらの組み合わせを含み得る。熱サイクラ機器の種々の実施形態は、サンプルブロック５１４と、加熱および冷却のための要素（１つまたは複数）５１６と、熱交換器５１８とを含む。本教示による、熱ブロックアセンブリの種々の実施形態は、図１６の熱サイクラシステム５００の構成要素５１４〜５１８を備える。
【００３８】
図１７において、熱循環システム６００の種々の実施形態は、熱循環機器５００の実施形態の構成要素と、さらに、検出システムとを有する。検出システムは、電磁エネルギーを放出する照明源と、サンプル支持デバイスにおけるサンプル６１６からの電磁エネルギーを受け取るための検出器または撮像器６１０とを有し得る。熱サイクラ機器類５００および６００の実施形態に関して、制御システム５３０および６２４は、それぞれ、検出、加熱カバー、および熱ブロックアセンブリの機能を制御するために使用され得る。制御システムは、熱サイクラ機器５００のユーザインターフェース５２２、および熱サイクラ機器６００の６２６を通して、エンドユーザにアクセス可能であり得る。コンピュータシステム７００は、図１８において描写されるように、熱サイクラ機器の機能、ならびにユーザインターフェース機能に、制御を提供するように作用し得る。さらに、コンピュータシステム７００は、データ処理および報告作成機能を提供し得る。全てのかかる機器制御機能は、熱サイクラ機器に局所的に設けられてもよく、または、コンピュータシステム７００は、以降でより詳細に述べられるように、制御、分析、および報告機能のうちの一部または全ての遠隔制御を提供し得る。
【００３９】
図１８は、図１６の熱サイクラシステム５００、または図１７の熱サイクラシステム６００の実施形態が利用し得る、種々の実施形態による、コンピュータシステム７００を例解する、ブロック図である。コンピュータシステム７００は、バス７０２または情報を通信するための他の通信機構と、情報を処理するためのバス７０２に結合されるプロセッサ７０４とを含む。コンピュータシステム７００はまた、メモリ７０６を含み、これは、命令をプロセッサ７０４によって実行するために、バス７０２に結合される、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）または他の動的記憶デバイスとすることができる。メモリ７０６はまた、命令の実行が、プロセッサ７０４によって実行される間、一時的な変数または他の中間情報を記憶するために使用され得る。コンピュータシステム７００は、さらに、プロセッサ７０４のための静的情報および命令を記憶するために、バス７０２に結合される、読取専用メモリ（ＲＯＭ）７０８、または他の静的記憶デバイスを含む。磁気ディスクまたは光学ディスクのような記憶デバイス７１０は、情報および命令を記憶するために、バス７０２に提供および結合される。
【００４０】
コンピュータシステム７００は、情報をコンピュータユーザに向けて表示するために、陰極線管（ＣＲＴ）または液晶表示器（ＬＣＤ）といった表示器７１２に、バス７０２を介して結合され得る。英数字および他のキーを含む、入力デバイス７１４は、情報およびコマンド選択を、プロセッサ７０４に向けて通信するために、バス７０２に結合される。別の種類のユーザ入力デバイスは、方向情報およびコマンド選択を、プロセッサ７０４に向けて通信するため、および表示器７１２上のカーソル移動を制御するためのマウス、トラックボール、またはカーソル方向キーのようなカーソル制御７１６である。この入力デバイスは、典型的に、デバイスが、平面において位置を特定することを可能にする、２つの軸、第１の軸（例えば、ｘ）および第２の軸（例えば、ｙ）において、２自由度を有する。コンピュータシステム７００は、データ処理を提供し、かかるデータに対するあるレベルの信頼を提供する。本発明のある実装と一致して、データ処理および信頼値は、メモリ７０６に含まれる１つ以上の命令の１つ以上のシーケンスを実行するプロセッサ７０４に応答して、コンピュータシステム７００によって提供される。かかる命令は、記憶デバイス７１０のような別のコンピュータ可読媒体から、メモリ７０６に読み込まれてもよい。メモリ７０６に含まれる命令のシーケンスの実行は、プロセッサ７０４に、本明細書において説明されるプロセス状態を実施させる。代替的に、本発明を実装するように、ソフトウェア命令の代わりに、またはそれと組み合わせて、ハード配線回路が使用され得る。このため、本発明の実装は、ハードウェア回路およびソフトウェアの任意の特定の組み合わせに制限されない。
【００４１】
本明細書において使用される場合、「コンピュータ可読媒体」という用語は、実行のために、命令をプロセッサ７０４に提供することに関与する、任意の媒体を指す。かかる媒体は、不揮発性媒体、揮発性媒体、および伝送媒体を含むが、これらに限定されない、多くの形態を採り得る。不揮発性媒体は、例えば、記憶デバイス７１０のような光学または磁気ディスクを含む。揮発性媒体は、メモリ７０６のような動的メモリを含む。伝送媒体は、バス７０２を成すワイヤを含む、同軸ケーブル、銅線、および光ファイバを含む。伝送媒体はまた、電波および赤外線データ通信の間に生成されるもののような音波または光波の形態を採ることができる。
【００４２】
一般的な形態のコンピュータ可読媒体は、例えば、フロッピー（登録商標）ディスク、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ、または任意の他の磁気媒体、ＣＤ−ＲＯＭ、任意の他の光学媒体、パンチカード、紙テープ、孔パターンを伴う任意の他の物理的媒体、ＲＡＭ、ＰＲＯＭ、およびＥＰＲＯＭ、ＦＬＡＳＨ−ＥＰＲＯＭ、任意の他のメモリチップもしくはカートリッジ、以降に本明細書において説明される搬送波、またはコンピュータが読み取ることができる任意の他の媒体を含む。
【００４３】
種々の形態のコンピュータ可読媒体は、１つ以上の命令の１つ以上のシーケンスを、実行のためにプロセッサ７０４に伝えることに関与し得る。例えば、命令は、最初、リモートコンピュータの磁気ディスク上に保持され得る。リモートコンピュータは、命令をその動的メモリにロードし、命令をモデムを使用して電話線上に送信することができる。コンピュータシステム７００にローカルなモデムは、電話線上でデータを受信し、赤外線伝送器を使用して、データを赤外線信号に変換することができる。バス７０２に結合される赤外線検出器は、赤外線信号において搬送されるデータを受信し、データをバス７０２上に配置することができる。バス７０２は、データをメモリ７０６に伝え、そこから、プロセッサ７０４が、命令を読出し、実行する。メモリ７０６によって受信される命令は、任意に、プロセッサ７０４による実行の前または後のいずれかで、記憶デバイス７１０上に記憶され得る。
【００４４】
さらに、図１８のコンピュータ７００は、ラックマウント式コンピュータ、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、またはタブレットコンピュータのような多くの形態のうちのいずれにおいても具現化され得ることを理解されたい。図１８のコンピュータ７００の種々の実施形態によると、コンピュータは、一般的にはコンピュータとして見なされないが、好適な処理能力を伴う、任意の数の携帯およびウェブベースのデバイスに組み込まれ得る。かかるデバイスの例は、携帯情報端末（ＰＤＡ）、スマートフォン、およびノートパッドまたは任意の他の好適な電子デバイスを含み得るが、これらに限定されない。さらに、コンピュータシステムは、クライアント／サーバ環境および１つ以上のデータベースサーバを含む、従来のネットワークシステムを含むことができる。ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）もしくは広域ネットワーク（ＷＡＮ）等、無線および／もしくは有線構成要素等の多くの従来のネットワークシステムが、当該技術分野において既知である。さらに、クライアント／サーバ環境、データベースサーバ、およびネットワークは、当該技術分野において十分に文書化されている。
【００４５】
本発明の原理を、熱ブロックアセンブリおよび機器の種々の実施形態と併せて説明してきたが、これらの説明は、一例として成されるに過ぎず、本発明の範囲を制限することは意図されないことを明確に理解されたい。本明細書において開示されているものは、例解および説明の目的で提供されている。網羅的であること、または、開示されるものを、説明される正確な形態に制限することは意図されない。多くの修正および改変が、当業者には明らかであろう。開示されるものは、説明される当該技術分野の説明された実施形態の原理および実践的応用を最良に説明するために、選択および説明され、それによって、当業者が、種々の実施形態、および企図される特定の使用に適応される、種々の修正を理解することを可能にする。開示されるものの範囲は、以下の請求項およびその同等物によって、定義されることが意図される。
【技術分野】
【０００１】
本教示の分野は、熱循環装置のための熱ブロックアセンブリのためのものである。
【背景技術】
【０００２】
熱不均一性（ＴＮＵ）の分析は、熱ブロックアセンブリの性能を特性化するための当該技術分野の確立された属性であり、熱ブロックアセンブリは、種々の生物分析機器類において使用され得る。ＴＮＵは、典型的に、サンプルブロックが、サンプル支持デバイスに係合し得る、熱ブロックアセンブリのサンプルブロック部分において測定される。ＴＮＵは、サンプルブロックにおける、最も熱い場所と最も冷たい場所との間の相違または平均相違のいずれかで表され得る。例えば、ＴＮＵは、サンプルブロックにおける、最も熱いサンプル温度または位置と、最も冷たいサンプル温度または位置との間の相違または平均相違として決定され得る。ゲルデータと比較して設定される、業界標準は、そのように定義されたＴＮＵを、約１．０℃の相違、または０．５℃の平均相違として表し得る。歴史的に、ＴＮＵを低減することに対する焦点は、サンプルブロックに向けられている。例えば、サンプルブロックの周縁は、典型的に、中心よりも冷たいということが観察されている。かかる周縁効果に対抗するために採られている一手法は、観察される中心から周縁への熱勾配を相殺するように、サンプルブロックの周囲に種々の周辺および周縁加熱器を提供することである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本教示において、モデル化は、実験データを使用して、種々の熱ブロックアセンブリ設計における傾向を比較するために有効であった。かかるモデル化は、熱ブロックアセンブリの再設計につながり、本教示による実施形態は、当該技術分野の種々の確立された教示と対照的である。
【０００４】
迅速な熱循環のための低い熱不均一性を提供する熱ブロックアセンブリ、ならびにその種々の実施形態、およびかかる熱ブロックアセンブリを組み込む装置の種々の実施形態は、添付の請求項において定義される。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１Ａ】図１Ａおよび図１Ｂは、種々の従来技術の熱ブロックアセンブリの図である。
【図１Ｂ】図１Ａおよび図１Ｂは、種々の従来技術の熱ブロックアセンブリの図である。
【図２】図２は、種々の熱ブロックアセンブリのためのサンプルブロックおよびヒートシンクに関する、理想化された熱プロファイルを描写する略図である。
【図３】図３は、種々の熱ブロックアセンブリによる、ヒートシンクの熱モデル化を描写する。
【図４】図４は、種々の熱ブロックアセンブリによる、サンプルブロックの熱モデル化を描写する。
【図５】図５は、低い熱不均一性（ＴＮＵ）を提供する、熱ブロックアセンブリの種々の実施形態による、ヒートシンクの熱モデル化を描写する。
【図６】図６は、低い熱不均一性（ＴＮＵ）を提供する、熱ブロックアセンブリの種々の実施形態による、サンプルブロックの熱モデル化を描写する。
【図７】図７は、熱ブロックアセンブリの種々の実施形態による、２つのヒートシンクを比較する、斜視図である。
【図８】図８は、熱ブロックアセンブリの種々の実施形態による、その上に載置される熱制御サブアセンブリを各々有する、２つのヒートシンクを比較する、上部斜視図である。
【図９】図９は、熱ブロックアセンブリの種々の実施形態による、熱ブロックアセンブリの分解図である。
【図１０】図１０は、熱ブロックアセンブリの種々の実施形態による、ファンマウントを伴うヒートシンクサブアセンブリの底部斜視図である。
【図１１】図１１は、熱ブロックアセンブリの種々の実施形態による、熱ブロックアセンブリの側部表面図である。
【図１２】図１２Ａは、ヒートシンクサブアセンブリの底面図である。図１２Ｂは、熱ブロックアセンブリの種々の実施形態による、ヒートシンクサブアセンブリの側部表面図である。
【図１３】図１３は、熱ブロックアセンブリの種々の実施形態による、熱ブロックアセンブリの側部表面図である。
【図１４Ａ】図１４Ａは、６０℃のセットポイント温度に近付く、およびその保持期間中の熱ブロックアセンブリのブロック温度および熱不均一性を描写するグラフである。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、種々の実施形態による、６０℃のセットポイント温度に近付く、およびその保持期間中の熱ブロックアセンブリのブロック温度および熱不均一性を描写するグラフである。
【図１５Ａ】図１５Ａは、種々の実施形態による、９５℃のセットポイント温度に近付く、およびその保持期間中の熱ブロックアセンブリのブロック温度および熱不均一性を描写するグラフである。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、９５℃のセットポイント温度に近付く、およびその保持期間中の熱ブロックアセンブリのブロック温度および熱不均一性を描写するグラフである。
【図１６】図１６は、熱ブロックアセンブリの種々の実施形態を利用することができる、機器のブロック図である。
【図１７】図１７は、熱ブロックアセンブリの種々の実施形態を利用することができる、機器のブロック図である。
【図１８】図１８は、熱ブロックアセンブリの種々の実施形態を備える機器類の制御およびインターフェースにおいて利用され得る、例示的なコンピュータシステムの構成要素を例解するブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
本教示は、アセンブリ全体に低い熱不均一性を有する、熱ブロックアセンブリの種々の実施形態を開示する。以降でより詳細に述べられるように、かかる低い熱不均一性を有する熱ブロックアセンブリの種々の実施形態は、かかる熱ブロックアセンブリを利用する、生物分析機器類の所望の性能を提供する。
【０００７】
本教示の態様を理解するために、生物分析のための熱ブロックアセンブリの技術の代表的な本教示のうちの一部の検討により、全体像を提供することができる。図１Ａにおいて、描写される熱ブロックアセンブリは、基部プレート上に配置される反応ウェル（１２）を伴う、サンプルブロックサブアセンブリ（１３）と、複数の熱電気デバイスを含む、熱制御サブアセンブリ（１４）と、フィン（１６）を伴うヒートシンクサブアセンブリ（１５）と、ファン（１７）とを含む（Ｃｈｕ、他、米国特許第６，９６２，８２１号を参照されたい）。本教示の目的上、ヒートシンクサブアセンブリの真下のファンの位置、および熱制御サブアセンブリにおける熱電気デバイスの配置、最も具体的には、熱電気デバイス間の間隙が明らかである配置は、特筆に価する。図１Ｂにおいて、描写される熱ブロックアセンブリは、抵抗加熱器（５）が、スルーホール（４）の中への挿入によって、サンプルブロック（２）の中へ装備された状態のサンプルブロック（２）を含み、サンプルブロック（２）は、反応容器を保持するためのウェル（３）を含む。任意に、図１Ｂの熱ブロックアセンブリはまた、ファン（９）とともに動作されるヒートシンク（７）、ならびに抵抗加熱器（８）および（１０）を含む（Ｄａｎｓｓａｅｒｔ、他、米国特許第６，９６２，８２１号を参照されたい）。サンプルブロック（３）にわたって勾配を生成するために具体的に設計された、この熱ブロックアセンブリにおいて、サンプルブロックにわたって勾配を創出するための抵抗加熱の使用、ならびにヒートシンクの任意の使用は、特筆に価する。特に、ファン（９）は、ヒートシンクの底部に方向付けられるファンを有する、図１Ａにおいて示されるものと同様のヒートシンクサブアセンブリ等の種々のヒートシンクサブアセンブリと併せて当該技術分野において一般的に使用される種類の軸流ファンである。以降でより詳細に述べられるように、ヒートシンクサブアセンブリの設計、ならびにファンの種類および位置は、本教示による、熱ブロックアセンブリの種々の実施形態において慎重に検討されている。
【０００８】
生物分析のための迅速な熱循環の課題は、Ａｔｗｏｏｄ、米国特許第６，７０３，２３６号（第４欄、第３〜１９行）より抜粋される、以下において伝えられる。
「当然のことながら、９ミリメートルのセンタ上の８×１２ウェルアレイにおける９６個のサンプルを加熱および冷却することが必要である、金属ブロックのサイズは、極めて大きい。この大きな面積のブロックは、サンプル間の温度変動に対する非常に小さな許容誤差で、一般的に０から１００℃までの温度範囲内で、非常に迅速に、かかるブロックを加熱および冷却することが可能である、ＰＣＲ機器の設計に関して、複数の困難な工学的問題をもたらす。・・・」
さらに、生物分析機器類のための熱ブロックアセンブリの設計および機能の技術分野の教示の別の態様は、残りの熱ブロックアセンブリに対する、ヒートシンクサブアセンブリのサイズに関するということに留意されたい。大まかな経験則として、当該技術分野においてヒートシンクは、効果的な熱緩衝となるようにサイズ決定可能であること、および熱電気デバイスの仕様に従う、それらの性能を維持するために、熱電気デバイスから効果的に熱を引き出すことが必要であろうということが考えられている。これは、Ａｔｗｏｏｄ、米国特許第７，１３３，７２６号（第７欄、第４９〜５５行）より抜粋される、以下において伝えられる。
「・・・ヒートシンクの熱質量は、サンプルブロックおよび組み合わされたサンプルの熱質量よりも大幅に大きい。サンプルブロックおよびサンプルはともに、約１００ジュール／°Ｋの熱質量を有し、ヒートシンクの熱質量は、約９００ジュール／°Ｋである。・・・」
したがって、種々の商業的に利用可能な熱循環機器の慎重な研究は、残りの熱ブロックアセンブリに関連して、サイズ決定可能なヒートシンクを明らかにするであろう。
【０００９】
本教示に関して、本発明者は、最初に、モデル化研究が、Ａｔｗｏｏｄによって記載される、「サンプル間の温度変動に対する非常に小さな許容誤差」を提供するという課題の予想外の理解につながる問題を提起した観察に遭遇した。例えば、図２において描写されるように、行われた観察のうちの１つは、グラフＩＩにおいて示されるヒートシンクの実施形態の熱平衡に対して、グラフＩにおいて示されるサンプルブロックの実施形態の熱平衡に関連した。図１Ａにおいて示されるように、熱電気デバイスを利用する、熱ブロックアセンブリの実施形態に関して、複数の熱電気デバイスは、ヒートシンクと、サンプルブロックとの間に位置付けられ得る。したがって、同様の要因が、サンプルブロックおよびヒートシンクの熱プロファイルの相対的な特性に影響し得る（例えば、中心においてより熱い、および周縁でより冷たいという両方の傾向がある、観察に影響を及ぼす要因）が、サンプルブロックおよびヒートシンクは、当該技術分野において物理的に分離していると見なされ得る。したがって、ヒートシンクの熱平衡が、サンプルブロックの熱平衡を追行した理由は、明らかではなかった。
【００１０】
熱ブロックアセンブリの種々のサブアセンブリの熱特性の図２において描写されるもののような観察のさらなる理解のために、ヒートシンクおよびサンプルブロックの実施形態の熱プロファイルのモデル化研究に着手した。種々の熱ブロックアセンブリ設計の性能における傾向の評価に関する、モデルの予測可能性の妥当性は、測定値が採られた動作条件に一致した、境界条件下で、モデルによって生成された熱プロファイルと比較して、ヒートシンクの実施形態に対して採られた測定値の比較によって検証された。一度傾向を検討するためのモデルの妥当性が確立されると、モデル化は、熱ブロックアセンブリの種々の実施形態の熱特性の複雑性をさらに理解するためのツールとして使用された。図３〜図６において、モデルは、一定な熱流束が、サンプルブロックおよびヒートシンクサブアセンブリの種々の実施形態に適用されたと仮定した。その点で、種々のサブアセンブリは、それらの熱プロファイルにおける傾向を分析するために、仮説的条件下で評価されることが可能であった。
【００１１】
図３において、ヒートシンク１０の実施形態のモデルによって生成される、仮説的表面熱プロファイルの上部斜視図を描写する。ヒートシンク１０は、上表面２２および下表面２４を有する、基部２０を含む。上表面２２は、上表面２２の一部として載置される、ペデスタル４０を含む。示されるペデスタル４０は、第１のペデスタルブロック４２を有し、その上に、第２のペデスタルブロック４４が載置される（図７も参照されたい）。基部下表面２４から垂下しているのは、一連のヒートシンクフィン（３０）である。一連の熱等高線で示される温度によって分かるように、第２のペデスタルブロック４４の中心部分から、基部上表面２２の外側部分までは、約２０℃の相違である。さらに、第２のペデスタルブロック４４の中心から、その周縁までは、約４℃の相違がある。ペデスタル４０の上には、複数の熱電気デバイス（図示せず）を含む、熱制御サブアセンブリが載置され得る。熱制御サブアセンブリの上には、サンプルブロックが載置され得る。
【００１２】
図４において、図３において示されるようなヒートシンクの実施形態を含む、熱ブロックアセンブリの実施形態において利用され得る、サンプルブロックの１／４部分の底部斜視図を描写する。図４のサンプルブロック５０の実施形態に関して、モデルによって生成される、仮説的表面熱プロファイルが表示されている。サンプルブロック５０は、上表面６０、および下表面７０を含む。サンプルブロックの種々の実施形態に関して、陥凹またはウェル６５は、上表面６０において形成され得る。フランジ８０は、対向する第２のフランジリム（図示せず）を伴う第１のフランジリム６２、および対向する第４のフランジリム（図示せず）を伴う隣接する第３のフランジリム６６を有して、サンプルブロック５０の周辺の周囲に形成され得る。図４において分かるように、定義された境界条件下のモデル化に関して、サンプルブロック５０の中心の周囲から第１のフランジリム６２に向かう下表面７０上では、示される約１０℃の相違がある。モデルに対して設定される境界条件下でのモデル化研究において示される傾向は、図４において描写されるようなサンプルブロック５０の種々の実施形態に関して、熱プロファイルにおける約５℃の最大相違が、第３のフランジリム６６に近い中心周縁位置から、第１のフランジリム６２に近接して位置する外側ウェルの真下の周縁位置までの間で生じ得る。
【００１３】
生物分析の技術分野において既知であるように、ウェル６５を有する、図４において描写されるようなサンプルブロックの種々の実施形態は、マイクロタイタプレート等の種々のサンプルを含むデバイスを受け取るように適合され得る。さらに、サンプルブロックの種々の実施形態は、マイクロカード等の実質的に平面のサンプルを含むデバイスを受け取るように適合される、実質的に平坦な表面を有し得る。図４において描写されるようなウェルを有するサンプルブロックにおいて、マイクロタイタプレートのウェルに堆積される生物学的サンプルは、例えば、図２のグラフＩにおいて示されるような熱循環プロファイルによる熱循環を受け得る。図２におけるグラフＩの熱循環プロファイルは、ヒートシンクの熱平衡に関連する、サンプルブロックの熱平衡に関して行われる観察を説明する目的で理想化されているということに留意されたい。
【００１４】
２つのセットポイント熱サイクルは、図２におけるグラフＩの理想化された熱循環プロファイルにおいて示されるように、変性ステップのためのセットポイント温度、およびアニーリング／延伸ステップのためのセットポイント温度を含み得る。変性ステップのためのセットポイント温度は、約９４〜９８℃であり得、一方で、アニーリング／延伸ステップのためのセットポイント温度は、約５０〜６５℃であり得る。図２において、ＡおよびＥで指定される曲線の部分は、約６０℃の熱サイクルにおけるアニーリング／延伸ステップを示し、一方で、Ｃで指定される領域は、熱サイクルにおける約９５℃の変性ステップである。さらに、曲線の２つの温度傾斜部分は、領域ＢおよびＤによって示される。代替的に、一部のプロトコルは、アニーリングおよび延伸ステップが、別個のステップである、３つのセットポイント温度プロトコルを使用する。種々のプロトコルにより、延伸ステップのためのセットポイント温度は、約７５〜８０℃であり得る。熱サイクルの定義されたステップの間、そのステップにおける化学プロセスのための時間を可能にするために、セットポイント温度に対する指定された保持時間が、定義され得る。図２の理想化されたグラフＩにおいて分かるように、セットポイント温度での保持時間は、セットポイント温度が、そのステップで効果的に一定である。図２の理想化されたグラフＩにおいて、変性セットポイント温度、およびアニーリング／延伸セットポイント温度での保持時間は、ほぼ同じであると思われるが、当業者が知るように、熱サイクルにおける種々のステップに対する保持時間は、異なり得る。例えば、熱サイクルの間、変性ステップのための変性セットポイント温度での保持時間は、約５秒から約１５秒の間であり得、一方で、アニーリング／延伸ステップのためのアニーリング／延伸セットポイント温度での保持時間は、約３５秒から約１分の間であり得る。種々の熱サイクルプロトコルは、機器、化学的性質、およびサンプルの特性により変化し得る。
【００１５】
機器に統合されるサンプルブロックにわたる、および実際の動作条件下での熱的変動の実際の測定は、エンドユーザによって実行され得る。サンプルにわたる熱的変動をもたらし得る、サンプルブロックにわたるかかる熱的変動は、サンプルブロックの熱不均一性（ＴＮＵ）として、熱循環生物学的サンプルの技術分野において既知である。したがって、Ａｔｗｏｏｄによって説明される、「サンプル間の温度変動に対する非常に小さな許容誤差」をもたらす目標条件下では、依然として、何らかの測定可能なＴＮＵが存在する。したがって、サンプルを含むデバイスを受け取るように適合される、サンプルブロックの部分にわたる、熱プロファイルの評価は、特に興味深い。その点で、図４の仮説的底部表面熱プロファイルは、第３のフランジリム６６に近い中心周縁位置から、第１のフランジリム６２に近接して位置する、外側ウェルの真下の周縁位置までが、特に興味深い。さらに、種々の生物分析機器類において利用される、熱ブロックアセンブリの物理学および工学の分野において、定義された間隔でのＴＮＵの値、ならびに目標熱均一性までの時間は、機器機能を評価するために使用される測定規準であり得る。
【００１６】
生物分析機器類において使用される、熱ブロックアセンブリに対して、許容可能に目標ＴＮＵを定義することは、かかる機器類上で実行される、バイオアッセイの目標精度に従って行われる。例えば、これに限定されないが、ＰＣＲ反応に基づく種々のバイオアッセイに関して、熱ブロックアセンブリの種々の実施形態を利用する機器類に対して許容可能に決定されたＴＮＵを有することは、サイクル閾値に対する許容可能な精度を、かかる機器類に対して生成し得ることを確実にするために有用であり得る。したがって、エンドユーザに、ＴＮＵを評価するために手段を提供することは、種々のデータセットにおける、許容可能な精度を生成するための機器内および機器間性能の評価を提供し得る。既に言及されたように、ＴＮＵは、サンプルブロックにわたる、例えば、これに限定されないが、マイクロタイタプレート等のサンプルを含むデバイスを受け取るように適合されるサンプルブロックサブアセンブリにおけるサンプルウェルにわたる、または、陥凹を伴わない、サンプルブロックの平坦な表面にわたる、サンプルブロックの温度の変動の実際の測定によって決定され得る。熱循環機器におけるサンプルブロックのＴＮＵを決定するための手順は、例えば、「Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｙｃｌｅｒ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ」；Ｐａｒｔ Ｎｕｍｂｅｒ ４３１９０９２ Ｒｅｖ． Ｄ； Ｃｈａｐｔｅｒ ４，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｂｉｏｓｙｓｔｅｍｓのようなマニュアルにおいて見出すことができる。
【００１７】
かかるプロトコルにおいて、温度が、試験されるべき既定の数およびパターンのウェルに対して記録され、ウェルにわたる変動が決定され、次いで、標準値と比較される。当該技術分野における、ＴＮＵの種々の定義に従って、ＴＮＵは、試験される既定の数のウェルに対する、記録される最高温度値と、記録される最低温度との間の相違として、定義され得る。当該技術分野におけるＴＮＵの種々の定義に関して、ＴＮＵは、記録される最高温度値と、記録される最低温度との間の平均相違として、定義され得る。熱循環機器の物理学および工学の分野においてサンプルブロックにわたる温度範囲の相違として表される１．０℃のＴＮＵ、またはサンプルブロックにわたる温度範囲の平均相違として表される０．５℃のＴＮＵは、しばしば、ＴＮＵの標準目標値として、当該技術分野において挙げられていることが見出される。
【００１８】
したがって、両方の定義は、サンプルウェルにわたる温度の範囲を表す相違が約１．０℃以内になることに基づく。かかる定義は、熱循環機器類が利用可能となる前の当該技術分野のツールであった、ゲルデータとの必要な比較から進化した可能性がある。かかるプロトコルの目的が装置性能の評価のための基礎を提供することであり得る場合には、種々の試験プロトコルに基づくＴＮＵの種々の定義が可能である。例えば、上で言及されたマニュアルにおいて説明される試験プロトコルは、サンプルブロックにわたる複数のウェルの温度を記録する。種々の試験プロトコルは、サンプルブロック上に設定されるサンプルを含むデバイスにおける、複数のサンプルの温度を記録するように、設計され得る。種々の他の試験プロトコルは、サンプルブロック内の種々の位置の温度を記録するように、設計され得る。種々の他の試験プロトコルは、ＴＮＵの評価のための手法の組み合わせを含み得る。さらに、サンプルブロックに対して記録される温度の範囲の相違を表す値以外の別の値が可能であり得る。当業者は、ＴＮＵの決定のための任意のかかるプロトコルの目的、およびＴＮＵ決定を評価するために使用される値は、機器内および機器間性能の評価を提供することに基づくであろうということを理解するであろう。機器内および機器間性能の評価は、データセットに関する許容可能な精度が、熱ブロックアセンブリの種々の実施形態を利用する機器類上で生成され得るということの確証を提供するために、有用であり得る。
【００１９】
既に言及されたように、目標熱均一性までの時間も、ＴＮＵまでの時間が、総循環時間に関連し得るので、機器機能の評価に有用な測定規準を提供し得る。一般的に、ＴＮＵまでの時間は、保持時間が目標セットポイント温度に対して開始された後に、目標ＴＮＵが達成され得る時間として説明され得る。本教示の熱ブロックアセンブリおよび機器の種々の実施形態によると、目標セットポイント温度に対する値は、サンプル支持デバイスにおける複数のサンプルにおいて測定される温度に基づき得る。本教示の熱ブロックアセンブリおよび機器の種々の実施形態において目標セットポイント温度に対する値は、サンプルブロックにおける複数の位置において測定される温度に基づき得る。当業者が理解するように、ＴＮＵまでの時間が速ければ速いほど、サイクル時間は短くなるように、ＴＮＵまでの時間と、サイクル時間との間には、直接関係がある。より短いサイクル時間の影響は、単位期間あたり、より大きな数のサイクルを提供することである。したがって、より速いＴＮＵまでの時間は、より速い循環速度を提供し得る。
【００２０】
図２の理想化されたグラフＩにおいて示される、理想化された熱サイクルプロファイルを参照すると、ＴＮＵは、ｔ０後に時間間隔で採られる、サンプルブロックに対する測定値で決定され得、本教示によるｔ０は、クロックスタートと称される。一般的に、クロックスタートは、セットポイント温度に近付く温度に関連付けられる時間として、定義され得る。例えば、これに限定されないが、クロックスタートは、セットポイント温度の約１℃以内の温度で開始され得る。本教示の熱ブロックアセンブリおよび機器の種々の実施形態によると、クロックスタートが開始される温度の値は、サンプル支持デバイスにおける複数のサンプルにおいて測定される温度に基づき得る。本教示の熱ブロックアセンブリおよび機器の種々の実施形態においてクロックスタートが開始される温度の値は、サンプルブロックにおける複数の位置において測定される温度に基づき得る。
【００２１】
以降でより詳細に述べられるように、ＴＮＵは、例えば、クロックスタート（ｔ０）の１０、２０、および３０秒後に決定され得、これは、既に述べられたように、サイクルの本質的に一定な温度部分、または目標セットポイント温度に対するサイクルの保持時間部分の間に行われるＴＮＵ決定であり得る。本教示の目的上、クロックスタート（ｔ０）の指定された時間後に、保持時間間隔中に行われるＴＮＵ決定は、静的ＴＮＵ決定と称され、一方で、クロックスタート（ｔ０）に行われるＴＮＵ決定は、動的ＴＮＵ決定と称される。ブロックが、例えば、任意の特定の一定温度に完全に平衡化される場合には、一定に変化する温度の場合に比べ、熱均一性を達成することは明らかにより容易であるため、かかる小さな時間間隔にわたって採られるかかる測定値は、最悪の場合の測定値を表し得る。その理由で、当業者が理解し得るように、静的ＴＮＵ決定に対する目標値が、例えば、サンプルブロックにわたって約１．０℃の相違であり得る場合、動的ＴＮＵは、さらにより大きな不均一性を反映することが予想され得る。
【００２２】
工学分野における当業者が知るように、複雑な機能を有する、多構成要素アセンブリおよび機器のためのプロトタイプを設計、構築、および試験することは、骨の折れる、かつ時間のかかるプロセスである。実証されたモデル化ツールは、かかるプロセスに取って代わることはできないが、それは、構築／試験／改正サイクルに対して、多数のプロトタイプの選択肢において、どのプロトタイプを目標とすべきかに関する、有用な情報を与えることに有益であり得る。図２において描写されるような観察の検討において、本発明者は、当該技術分野の教示、特に、熱ブロックアセンブリを成すサブアセンブリ間の熱移動効果の潜在的結合について、疑問視し始めた。ヒートシンクおよびサンプルブロックに対して検討された、いくつかのプロトタイプ設計の一実施形態に関する仮説的モデル化の結果を、図５および図６にそれぞれ提示する。
【００２３】
潜在的なプロトタイプヒートシンク１００の実施形態は、図５の上部斜視図において描写されるように、上表面１２２と、基部より下に第２の表面１２４から垂下する複数のフィン１３０とを有する基部１２０を含む。フィン１３０間に交互にあるのは、複数の流路１３２である。図３のヒートシンク１０の実施形態と比較して、ヒートシンク１０の上表面２２の一部である、ペデスタル４０はない。その点で、以降で明らかとなるように、サンプルブロックの種々の実施形態は、図５のヒートシンク１００の実施形態と、本質的に同じフットプリントを有し得る。対照的に、図４のサンプルブロック５０の種々の実施形態は、図３のヒートシンク１０の上表面２２のペデスタル部分４０のフットプリントのみに一致する。モデル化研究による傾向によると、図５のヒートシンク１００のようなヒートシンクの種々の実施形態は、図３のヒートシンク１０の実施形態に関する、第２のペデスタル表面４４にわたる約４℃と対照的に、約１．０℃のヒートシンクにわたる温度相違を有し得る。モデル研究は、図３のヒートシンク１０のようなヒートシンクの種々の実施形態と比較して、図５のヒートシンク１００のようなヒートシンクの種々の実施形態に対して、実質的に減少した熱不均一性を示す傾向の評価を提供した。
【００２４】
潜在的なプロトタイプサンプルブロック１５０の実施形態は、図６の底部斜視図において描写されるように、複数の陥凹またはウェル１６５を有する上表面１６０と、下表面１７０とを含む。さらに、サンプルブロック１５０は、対向する第２の側部１６４を有する、第１の側部１６２を有する。第１の側部１６２に隣接するのは、対向する第４の側部１６８を有する、第３の側部１６６である。フランジ１８０は、図４において描写されるサンプルブロック５０のフランジ８０と比較して、実質的に低減されているということに留意されたい。図６において示されるように、サンプルブロック１５０の種々の実施形態に関して、フランジ１８０は、第３の側部１６６および第４の側部１６８に関連付けられ、フランジ１８０は、仮説的モデル化を介して、サンプルブロックＴＮＵに対するその要因の潜在的な影響を評価するために、水平熱流を低減するように最適化されている。図６において分かるように、下表面１７０上で、サンプルブロック１５０のほぼ中心から、第３のフランジリム１６６に向かって、約０．２℃の相違が示される。これは、下表面７０上でサンプルブロック５０のほぼ中心から第３のフランジリム６６に向かって、約２．０℃の相違が示される図４とは対照的である。さらに、図６において、下表面１７０上で、サンプルブロック１５０のほぼ中心から、第１のフランジリム１６２に向かって、目立つ相違は示されていない。これは、サンプルブロック５０に関して、下表面７０で、サンプルブロック５０のほぼ中心から、第１のフランジリム６２に向かって、約１０．０℃の相違が示されている、図４とは対照的である。既に述べられたように、潜在的なプロトタイプヒートシンク１００の実施形態のフットプリントは、潜在的なプロトタイプサンプルブロック１５０のフットプリントと本質的にほぼ同じであるということに留意されたい。驚くべきことに、提唱されたプロトタイプのモデル化は、当該技術分野の確立された教示とは対照的に、実質的により大きなヒートシンクが、サンプルブロックのＴＮＵの増加に影響を及ぼし得るということを示唆する。これらの所見に基づき、図５および図６にそれぞれ示唆されるように、ヒートシンクおよびサンプルブロックのプロトタイプ設計の実施形態を作製および試験した。
【００２５】
図７は、図５において描写されるモデルの後に作製されたヒートシンク１００の実施形態と比較して、図３においてモデル化されるようなヒートシンク１０の実施形態を比較する、斜視図である。以降でより詳細に述べられるように、ヒートシンク１００に関して、フィン１３０は、ヒートシンク１００の基部１２０の近傍で最長である流路１３２を有するということに留意されたい。図８は、ヒートシンクサブアセンブリ１００と、熱制御サブアセンブリ１１０とを含む、熱ブロックサブアセンブリ２５０と比較して、ヒートシンクサブアセンブリ１０と、熱制御サブアセンブリ１１０とを含む、熱ブロックサブアセンブリ２００の実施形態の斜視図である。熱ブロックサブアセンブリ２５０において、熱電気デバイス９２、９４、９６、および９８は、それによって、ヒートシンク１２０の上表面１２２のフットプリントに本質的に一致する、組み合わされたフットプリントを提供するように、Ｘ−Ｙ平面において隣接するということに留意されたい。対照的に、例えば、熱ブロックサブアセンブリ２００において、熱電気デバイス９２、および９８、ならびに９４、および９６は隣接するが、熱電気デバイス９２と９４との間、および熱電気デバイス９６と９８との間には、間隙が存在する。本教示の熱ブロックアセンブリおよび機器の種々の実施形態によると、熱電気デバイスは、例えば、かかる熱電気デバイスにおける材料の熱膨張のための余裕を可能にする、組み合わされたフットプリントを提供するように、指定された公差に対して、隣接され得る。本教示の熱ブロックアセンブリおよび機器の種々の実施形態に関して、熱制御サブアセンブリは、最大約１ｍｍ以下の隣接する熱電気デバイスへの介在空隙を考慮した組み合わされたフットプリントを提供するように隣接する熱電気デバイスを有し得る。本教示の熱ブロックアセンブリおよび機器の種々の実施形態に関して、熱制御サブアセンブリは、実質的に約８ｍｍ未満の隣接する熱電気デバイスへの介在空隙を考慮した組み合わされたフットプリントを提供するように隣接する熱電気デバイスを有し得る。
【００２６】
図９において、本教示による、熱ブロックアセンブリ３００の実施形態の分解図を示す。熱ブロックアセンブリの種々の実施形態３００は、ヒートシンクサブアセンブリ１００と、熱制御サブアセンブリ１１０と、サンプルブロックサブアセンブリ１５０とを含む。図８において描写されるように、熱制御サブアセンブリは、Ｘ−Ｙ平面において隣接し、サンプルブロック１５０とヒートシンク１００との間に位置付けられる、熱電気デバイスを含む。隣接した熱電気デバイス９２、９４、９６、および９８のアクティブなフットプリントは、サンプルブロック１５０の第２の表面１７０、およびヒートシンク１１０の上表面１２２のフットプリントに本質的に一致するということに留意されたい。この点で、熱制御サブアセンブリの均一な接触が、熱ブロックアセンブリ３００全体にわたって提供され得る。
【００２７】
図９において描写されるように、サンプルブロック１５０の種々の実施形態は、ブロックにわたって均一な熱質量を提供するように、第１の側部１６２、および対向する第２の側部１６４から、ならびに第３の側部１６６、および対向する第４の側部１６８から再分配される熱質量を有し得る。本教示の熱ブロックアセンブリおよび機器の種々の実施形態によると、サンプルブロックの側部上の質量の再分配は、サンプルブロックの種々の領域において熱質量を減少させるための質量の除去、または種々の領域において熱質量を増加させるための質量の追加、または領域における質量の追加および除去の組み合わせのいずれであり得る。したがって、熱ブロックアセンブリにおいて使用される、サンプルブロックサブアセンブリの種々の実施形態に関して、サンプルブロックの側部からの質量の選択的な再分配は、サンプルブロックＴＮＵをさらに低減し得る。本教示の熱ブロックアセンブリおよび機器の種々の実施形態に関して、そのように設計される、サンプルブロックサブアセンブリは、当該技術分野において典型的に使用される、種々の周縁および周辺加熱器の使用を除外し得る。さらに、ヒートシンク基部１２０の側部部分からの材料は、除去され得、それによって、下表面１２４を創出する（図７を参照されたい）。本教示による熱ブロックアセンブリおよび機器の種々の実施形態によると、かかるヒートシンクサブアセンブリからの材料の除去は、ヒートシンクサブアセンブリの強化された熱均一性を提供し得る。
【００２８】
図１０は、横方向クロスフローファン１９０と、ダクト１９５とを含む、ファンサブアセンブリの実施形態に接合される、ヒートシンクサブアセンブリ１００を含む、熱ブロックアセンブリ４００を描写する。フィン１６でヒートシンクサブアセンブリ１５の下に送風される空気を描写する、図１Ａにおいて示される熱ブロックアセンブリの実施形態とは対照的に、熱ブロックアセンブリ４００の実施形態は、流路１３２を通って、複数のフィンの入口側から複数のフィンの出口側まで空気を送風する、横方向ファン１９０を有する。既に言及されたように、図１Ａのフィンに対する、ファンの位置に加えて、図１Ｂにおいて描写されるファンのような軸流ファンは、当該技術分野において頻繁に使用される。かかる軸流ファンは、さらに、気流が生じないファンの中心において、かなりのデッドスポットに見舞われ、これは、かかる軸流ファンが使用される時のヒートシンクにわたる熱勾配に影響し得る。したがって、熱ブロックアセンブリ４００の種々の実施形態は、ヒートシンクサブアセンブリにおける熱勾配形成に影響し得る、これらの追加の源を含まない。サブアセンブリ４００の種々の実施形態に関して、ダクト１９５は、ファンから複数のフィンの入口側までの均一な流路を提供する。サブアセンブリ４００の種々の実施形態において、ダクト１９５は、図１０において示されるように、複数のフィンの入口側にしっかりと嵌まるように適合される。サブアセンブリ４００の種々の実施形態によると、筐体が、複数のフィンの入口側に近接して嵌まるように適合され得る。かかる実施形態に関して、筐体と入口側との間の間隙の幅は、気流が、間隙ではなく、複数のフィンを効果的に通過するように、流路によって提供される幅を上回らないことがある。
【００２９】
さらに、入口側からヒートシンク１００を通って強制される空気は、徐々に温められ、それによって、熱勾配を創出し得る。このように形成される熱勾配を補償するために、ヒートシンクの種々の実施形態に関して、図９において示されるように、入口端部から出口端部まで、高さが変化するフィン１３０を、ヒートシンク１００に組み込み、ヒートシンクの基部の近傍で最長である流路を提供し得る。当業者が理解し得るように、ヒートシンクの流路を通過する空気の温まりを補償するための種々の方法がある。例えば、図１１において、出口端部に向かって除去され得る熱質量が、ヒートシンクの流路を通過する空気の温まりを補償することができるように、基部１２０の厚さを変化させることができる。図１２Ａは、ダクト１９５およびフィン１３０の底面図である。ヒートシンク１００の種々の実施形態に関して、図１２Ａにおいて描写されるように、フィン１３０は、一連のフィンが、複数のフィンの入口側において長さを短縮され、それによって、可変長の流路を創出するように、交互パターンに配置され得る。図１２Ａにおいて示される、かかる設計に関して、基部の厚さは、図１２Ｂにおいて示されるように、一定のままであり得る。ヒートシンク１００の種々の実施形態は、入口端部から出口端部まで、高さにおいてテーパーのついたフィン１３０を有し、図１３の断面図において描写されるように、斜線によって示される、台形の形状の断面図を形成し得る。このように、高さにおいてテーパーのついたフィンを有するヒートシンクの実施形態は、図９において示される、ヒートシンク１００の実施形態によって提供されるものと同様に、ヒートシンクの基部の近傍で最長になる流路を提供する。
【００３０】
図９の熱ブロックアセンブリの種々の実施形態３００に関して、静的および動的ＴＮＵの両方は、サンプルブロック１００における、最も熱いウェルと最も冷たいウェルとの間の相違の平均に基づくＴＮＵ決定に対して、約０．０５℃から約０．２５℃の間であり得る。これは、約１．０℃の当該技術分野における現在の標準よりも、約２から１０倍低い、約０．１０℃から約０．５０℃の間の最も熱いウェルと最も冷たいウェルとの間の相違に転換される。さらに、図８の熱ブロックサブアセンブリ２００を含む、熱ブロックアセンブリの種々の実施形態、および図４において描写される、サンプルブロックの実施形態に対する、静的および動的ＴＮＵとは対照的に、静的および動的ＴＮＵは、ほぼ同じである傾向がある。熱ブロックアセンブリのかかる実施形態に関して、サンプルブロックにおける、最も熱いウェルと最も冷たいウェルとの間の相違の平均として測定される静的ＴＮＵは、約０．２５℃から約０．５０℃の間であり得、一方で、動的ＴＮＵは、約０．７０℃から約１．０℃の間であり得る。
【００３１】
図９の熱ブロックアセンブリの種々の実施形態３００の評価に関して、かかるデータを、図１４Ａおよび図１４Ｂ、ならびに図１５Ａおよび図１５Ｂに提供する。図１４Ａおよび図１５Ａにおいて、グラフは、サンプルブロックが周縁加熱器も有する、図４の３８４ウェルサンプルブロックの実施形態を利用する、図８の熱ブロックサブアセンブリ２００の実施形態に対する、ブロック温度およびＴＮＵを描写する。図１４Ｂおよび図１５Ｂにおいて、グラフは、３８４ウェルサンプルブロックと併せて、周縁加熱器が使用されない、図９の熱ブロックアセンブリ３００の実施形態に対する、ブロック温度およびＴＮＵを描写する。図１４Ａおよび１４Ｂにおいて示されるグラフは、約６０℃のセットポイント温度前に開始し、それを継続する持続時間を表す。図１５Ａおよび図１５Ｂにおいて示されるグラフは、約９５℃のセットポイント温度前に開始し、それを継続する持続時間を表す。ＴＮＵの値は、サンプルブロックにおける、最も熱いウェルと最も冷たいウェルとの間の平均相違として表される。９つの白金抵抗プローブを具備し、かつサンプルブロックの継続的な監視のために適合される、温度較正および均一性を実証するための９チャネル固定具が、サンプルブロックのＴＮＵに対する値を記録するために使用された。
【００３２】
図１４Ａおよび図１５Ａに関するＴＮＵデータの検討において、６０℃および９５℃のデータセットに関して、ｔ０とｔ１０との間のほぼ中間の点で、またはほぼｔ５で採られたデータに対する、ＴＮＵの範囲は、約０．２８℃から約０．４５℃の間である。比較すると、図１４Ｂおよび図１５Ｂに関して、６０℃および９５℃データセットに関して、ほぼｔ５で採られたデータに対する、ＴＮＵの範囲は、約０．０８℃から約０．１５℃の間である。これは、平均相違の代わりに、相違として表される、約０．１６℃から約０．３０℃のＴＮＵ範囲と同等である。したがって、本教示による熱ブロックアセンブリおよび機器の実施形態に関して、これは、約１．０℃の相違としてしばしば挙げられる、当該技術分野における、現在の標準よりも約３から６倍低い。図１４Ａおよび図１５Ａにおいて示されるＴＮＵと比較すると、図１４Ｂおよび図１５Ｂにおいて示されるように、本教示による熱ブロックアセンブリおよび機器の実施形態によって実証される、ＴＮＵの本質的に安定した、かつ一定な特性が理解され得る。クロックスタート＋約５秒（ｔ５）と、クロックスタート＋１０秒（ｔ１０）との間の時間の範囲にわたり、図１４Ｂおよび図１５ＢのＴＮＵは、本教示による熱ブロックアセンブリおよび機器の実施形態に対して、本質的に安定した、かつ一定であると思われる一方で、図１４Ａおよび図１５ＡのＴＮＵは、傾斜を表示する。
【００３３】
さらに、本教示の熱ブロックアセンブリおよび機器の種々の実施形態に関して、動的および静的ＴＮＵが、本質的に同じ値である傾向があるということが、９５℃データに関する図１５Ａおよび図１５Ｂの比較において理解され得る。熱循環機器類の物理学および工学の当業者が知るように、サンプルブロックにおいて、瞬間的に一定なセットポイント温度を維持することは、セットポイント温度が、動作機器の周辺温度から著しく逸脱するため、より困難となる。その点で、約９５℃のセットポイントで、本質的に安定した、かつ一定なＴＮＵを達成することは、約６０℃のセットポイントで安定したＴＮＵを達成することよりも困難であることを表し得る。図１５Ａの熱ブロックアセンブリに関して、ｔ０で測定される動的ＴＮＵは、約０．７５℃であり、これは、ほぼｔ５で約０．４５℃の静的ＴＮＵへと変化し、ｔ３０で約０．０８℃の静的ＴＮＵに到達する。対照的に、図１５Ｂの本教示による、熱ブロックアセンブリの実施形態に関して、ｔ０で測定される動的ＴＮＵは、約０．１６℃であり、約ｔ５で約０．１４℃の静的ＴＮＵに対して極めて一定なままであり、ｔ３０で安定した、かつ一定なままであり続ける。さらに、本教示の熱ブロックアセンブリおよび機器の種々の実施形態は、目標セットポイントで、安定した、かつ一定なＴＮＵを達成するために、周縁または周辺加熱器の使用を必要としない場合がある。
【００３４】
さらに、静的および動的ＴＮＵが、ほぼ同じ低い値であることは、保持時間の短縮の結果としてのサイクル時間の短縮に影響を及ぼし得る。ＴＮＵまでの時間が速ければ速いほど、サイクル時間が短いように、ＴＮＵまでの時間は、サイクル時間に関係するということを想起されたい。例えば、ＰＣＲ反応を使用するバイオアッセイに関して、典型的に、分析ごとに、サンプルあたり、約４０サイクルが実行される。現在、エンドポイントプロトコルに対して、標準形式を利用する熱循環に関して、約４０サイクルが、約１５分で、またはサイクルあたり約２３秒で完了され得る。したがって、例えば、サイクル時間を１５秒にさらに低減することによって、これは、１時間に４回ではなく、６回の実行となる、約１０分の実行時間に変換されるであろう。データの質、ならびにスループットの両方への影響は、多様なエンドユーザにとって重要であり得る。本教示の熱ブロックアセンブリおよび機器の種々の実施形態によると、ＴＮＵまでの時間は、最大約５秒であり得る。本教示の熱ブロックアセンブリおよび機器の種々の実施形態において、ＴＮＵまでの時間は、最大約７秒であり得る。
【００３５】
既に記載されたように、本教示の熱ブロックアセンブリおよび機器の種々の実施形態を参照すると、複数の熱電気デバイスの組み合わされたフットプリントは、熱ブロックアセンブリ全体にわたって実質的に均一な熱伝達を提供するように、サンプルブロックの第２の表面、およびヒートシンクの第１の表面のフットプリントに、本質的にまたは十分に一致する。熱電気デバイスの組み合わされたフットプリントのサンプルブロックの第２の表面、およびヒートシンクの第１の表面のフットプリントへの十分な一致は、本教示の熱ブロックアセンブリおよび機器の種々の実施形態の効果的な性能において、裏付けられ得る。
【００３６】
本教示による、熱ブロックアセンブリの種々の実施形態は、図１６および図１７において示される、ブロック図において描写されるように、熱サイクラ機器の種々の実施形態において使用され得る。
【００３７】
熱サイクラ機器５００の種々の実施形態によると、図１６において示されるように、熱循環機器は、サンプル支持デバイスに含まれる、複数のサンプル５１２の上に配置される加熱カバー５１０を含み得る。種々の実施形態において、サンプル支持デバイスは、複数のサンプル領域を伴う、ガラスまたはプラスチックスライドであり得、サンプル領域は、サンプル領域と、加熱蓋５１２との間にカバーを有する。サンプル支持デバイスの一部の例は、管、バイアル、標準マイクロタイタ９６ウェル、３８４ウェルプレートといった多ウェルプレート、もしくはマイクロカード、またはガラスもしくはプラスチックスライドのような実質的に平面の支持体を含み得るが、これらに限定されない。サンプル支持デバイスの種々の実施形態における、サンプル領域は、基板の表面上に形成される、規則的または不規則的なアレイにパターン化される、スルーホール、陥凹、押込、リッジ、およびこれらの組み合わせを含み得る。熱サイクラ機器の種々の実施形態は、サンプルブロック５１４と、加熱および冷却のための要素（１つまたは複数）５１６と、熱交換器５１８とを含む。本教示による、熱ブロックアセンブリの種々の実施形態は、図１６の熱サイクラシステム５００の構成要素５１４〜５１８を備える。
【００３８】
図１７において、熱循環システム６００の種々の実施形態は、熱循環機器５００の実施形態の構成要素と、さらに、検出システムとを有する。検出システムは、電磁エネルギーを放出する照明源と、サンプル支持デバイスにおけるサンプル６１６からの電磁エネルギーを受け取るための検出器または撮像器６１０とを有し得る。熱サイクラ機器類５００および６００の実施形態に関して、制御システム５３０および６２４は、それぞれ、検出、加熱カバー、および熱ブロックアセンブリの機能を制御するために使用され得る。制御システムは、熱サイクラ機器５００のユーザインターフェース５２２、および熱サイクラ機器６００の６２６を通して、エンドユーザにアクセス可能であり得る。コンピュータシステム７００は、図１８において描写されるように、熱サイクラ機器の機能、ならびにユーザインターフェース機能に、制御を提供するように作用し得る。さらに、コンピュータシステム７００は、データ処理および報告作成機能を提供し得る。全てのかかる機器制御機能は、熱サイクラ機器に局所的に設けられてもよく、または、コンピュータシステム７００は、以降でより詳細に述べられるように、制御、分析、および報告機能のうちの一部または全ての遠隔制御を提供し得る。
【００３９】
図１８は、図１６の熱サイクラシステム５００、または図１７の熱サイクラシステム６００の実施形態が利用し得る、種々の実施形態による、コンピュータシステム７００を例解する、ブロック図である。コンピュータシステム７００は、バス７０２または情報を通信するための他の通信機構と、情報を処理するためのバス７０２に結合されるプロセッサ７０４とを含む。コンピュータシステム７００はまた、メモリ７０６を含み、これは、命令をプロセッサ７０４によって実行するために、バス７０２に結合される、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）または他の動的記憶デバイスとすることができる。メモリ７０６はまた、命令の実行が、プロセッサ７０４によって実行される間、一時的な変数または他の中間情報を記憶するために使用され得る。コンピュータシステム７００は、さらに、プロセッサ７０４のための静的情報および命令を記憶するために、バス７０２に結合される、読取専用メモリ（ＲＯＭ）７０８、または他の静的記憶デバイスを含む。磁気ディスクまたは光学ディスクのような記憶デバイス７１０は、情報および命令を記憶するために、バス７０２に提供および結合される。
【００４０】
コンピュータシステム７００は、情報をコンピュータユーザに向けて表示するために、陰極線管（ＣＲＴ）または液晶表示器（ＬＣＤ）といった表示器７１２に、バス７０２を介して結合され得る。英数字および他のキーを含む、入力デバイス７１４は、情報およびコマンド選択を、プロセッサ７０４に向けて通信するために、バス７０２に結合される。別の種類のユーザ入力デバイスは、方向情報およびコマンド選択を、プロセッサ７０４に向けて通信するため、および表示器７１２上のカーソル移動を制御するためのマウス、トラックボール、またはカーソル方向キーのようなカーソル制御７１６である。この入力デバイスは、典型的に、デバイスが、平面において位置を特定することを可能にする、２つの軸、第１の軸（例えば、ｘ）および第２の軸（例えば、ｙ）において、２自由度を有する。コンピュータシステム７００は、データ処理を提供し、かかるデータに対するあるレベルの信頼を提供する。本発明のある実装と一致して、データ処理および信頼値は、メモリ７０６に含まれる１つ以上の命令の１つ以上のシーケンスを実行するプロセッサ７０４に応答して、コンピュータシステム７００によって提供される。かかる命令は、記憶デバイス７１０のような別のコンピュータ可読媒体から、メモリ７０６に読み込まれてもよい。メモリ７０６に含まれる命令のシーケンスの実行は、プロセッサ７０４に、本明細書において説明されるプロセス状態を実施させる。代替的に、本発明を実装するように、ソフトウェア命令の代わりに、またはそれと組み合わせて、ハード配線回路が使用され得る。このため、本発明の実装は、ハードウェア回路およびソフトウェアの任意の特定の組み合わせに制限されない。
【００４１】
本明細書において使用される場合、「コンピュータ可読媒体」という用語は、実行のために、命令をプロセッサ７０４に提供することに関与する、任意の媒体を指す。かかる媒体は、不揮発性媒体、揮発性媒体、および伝送媒体を含むが、これらに限定されない、多くの形態を採り得る。不揮発性媒体は、例えば、記憶デバイス７１０のような光学または磁気ディスクを含む。揮発性媒体は、メモリ７０６のような動的メモリを含む。伝送媒体は、バス７０２を成すワイヤを含む、同軸ケーブル、銅線、および光ファイバを含む。伝送媒体はまた、電波および赤外線データ通信の間に生成されるもののような音波または光波の形態を採ることができる。
【００４２】
一般的な形態のコンピュータ可読媒体は、例えば、フロッピー（登録商標）ディスク、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ、または任意の他の磁気媒体、ＣＤ−ＲＯＭ、任意の他の光学媒体、パンチカード、紙テープ、孔パターンを伴う任意の他の物理的媒体、ＲＡＭ、ＰＲＯＭ、およびＥＰＲＯＭ、ＦＬＡＳＨ−ＥＰＲＯＭ、任意の他のメモリチップもしくはカートリッジ、以降に本明細書において説明される搬送波、またはコンピュータが読み取ることができる任意の他の媒体を含む。
【００４３】
種々の形態のコンピュータ可読媒体は、１つ以上の命令の１つ以上のシーケンスを、実行のためにプロセッサ７０４に伝えることに関与し得る。例えば、命令は、最初、リモートコンピュータの磁気ディスク上に保持され得る。リモートコンピュータは、命令をその動的メモリにロードし、命令をモデムを使用して電話線上に送信することができる。コンピュータシステム７００にローカルなモデムは、電話線上でデータを受信し、赤外線伝送器を使用して、データを赤外線信号に変換することができる。バス７０２に結合される赤外線検出器は、赤外線信号において搬送されるデータを受信し、データをバス７０２上に配置することができる。バス７０２は、データをメモリ７０６に伝え、そこから、プロセッサ７０４が、命令を読出し、実行する。メモリ７０６によって受信される命令は、任意に、プロセッサ７０４による実行の前または後のいずれかで、記憶デバイス７１０上に記憶され得る。
【００４４】
さらに、図１８のコンピュータ７００は、ラックマウント式コンピュータ、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、またはタブレットコンピュータのような多くの形態のうちのいずれにおいても具現化され得ることを理解されたい。図１８のコンピュータ７００の種々の実施形態によると、コンピュータは、一般的にはコンピュータとして見なされないが、好適な処理能力を伴う、任意の数の携帯およびウェブベースのデバイスに組み込まれ得る。かかるデバイスの例は、携帯情報端末（ＰＤＡ）、スマートフォン、およびノートパッドまたは任意の他の好適な電子デバイスを含み得るが、これらに限定されない。さらに、コンピュータシステムは、クライアント／サーバ環境および１つ以上のデータベースサーバを含む、従来のネットワークシステムを含むことができる。ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）もしくは広域ネットワーク（ＷＡＮ）等、無線および／もしくは有線構成要素等の多くの従来のネットワークシステムが、当該技術分野において既知である。さらに、クライアント／サーバ環境、データベースサーバ、およびネットワークは、当該技術分野において十分に文書化されている。
【００４５】
本発明の原理を、熱ブロックアセンブリおよび機器の種々の実施形態と併せて説明してきたが、これらの説明は、一例として成されるに過ぎず、本発明の範囲を制限することは意図されないことを明確に理解されたい。本明細書において開示されているものは、例解および説明の目的で提供されている。網羅的であること、または、開示されるものを、説明される正確な形態に制限することは意図されない。多くの修正および改変が、当業者には明らかであろう。開示されるものは、説明される当該技術分野の説明された実施形態の原理および実践的応用を最良に説明するために、選択および説明され、それによって、当業者が、種々の実施形態、および企図される特定の使用に適応される、種々の修正を理解することを可能にする。開示されるものの範囲は、以下の請求項およびその同等物によって、定義されることが意図される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱循環のための熱ブロックアセンブリであって、
第１の表面と、第２の表面とを有するサンプルブロックであって、該第１の表面は、サンプル支持デバイスを受け取るように適合されている、サンプルブロックと、
第１の表面と、第２の表面と、該第２の表面から垂下する複数のフィンとを有する基部を備えたヒートシンクであって、各フィン間の空隙は、該複数のフィンの入口側から該複数のフィンの出口側に通過する空気のための流路を提供する、ヒートシンクと、
該サンプルブロックと該ヒートシンクとの間に位置付けられた複数の熱電気デバイスと
を備え、
該複数の熱電気デバイスのフットプリントが、該サンプルブロックの第２の表面および該ヒートシンクの第１の表面のフットプリントに効果的に一致していることにより、該熱ブロックアセンブリ全体にわたり実質的に均一な熱伝達を提供する、
熱ブロックアセンブリ。
【請求項２】
前記サンプルブロックの動的熱不均一性は、約０．０５℃から約０．２５℃の間の平均値である、請求項１に記載の熱ブロックアセンブリ。
【請求項３】
前記サンプルブロックの静的熱不均一性は、約０．０５℃から約０．２５℃の間の平均値である、請求項１または２に記載の熱ブロックアセンブリ。
【請求項４】
目標セットポイント温度に到達した後の前記サンプルブロックの本質的に安定した熱不均一性に到達する時間は、最大約５秒である、請求項１、２、または３に記載の熱ブロックアセンブリ。
【請求項５】
前記セットポイント温度は、前記サンプル支持デバイスにおける複数のサンプルにおいて測定される温度に基づく値である、請求項４に記載の熱ブロックアセンブリ。
【請求項６】
前記セットポイント温度は、前記サンプルブロックにおける複数の位置において測定される温度に基づく値である、請求項４に記載の熱ブロックアセンブリ。
【請求項７】
前記サンプルブロックの前記本質的に安定した熱不均一性は、約０．０５℃から約０．２５℃の間の平均値である、請求項４、５、または６に記載の熱ブロックアセンブリ。
【請求項８】
前記サンプルブロックの静的熱不均一性および動的熱不均一性は、本質的に同じである、請求項１から７のうちのいずれか一項に記載の熱ブロックアセンブリ。
【請求項９】
前記サンプルブロックの前記静的熱不均一性および前記動的熱不均一性は、熱サイクル中の定義された時において本質的に同じである、請求項８に記載の熱ブロックアセンブリ。
【請求項１０】
前記熱サイクル中の定義された時は、定義されたクロックスタートである、請求項９に記載の熱ブロックアセンブリ。
【請求項１１】
前記定義されたクロックスタートは、熱サイクルの目標セットポイント温度の約１℃以内で開始される、請求項１０に記載の熱ブロックアセンブリ。
【請求項１２】
前記セットポイント温度は、前記サンプル支持デバイスにおける複数のサンプルにおいて測定される温度に基づく値である、請求項１１に記載の熱ブロックアセンブリ。
【請求項１３】
前記セットポイント温度は、前記サンプルブロックにおける複数の位置において測定される温度に基づく値である、請求項１１に記載の熱ブロックアセンブリ。
【請求項１４】
ファンとダクトとを備えたファンサブアセンブリをさらに備え、該ファンサブアセンブリは、前記複数のフィンの入口側から、前記複数のフィンの出口側への前記フィンの流路を通る気流を提供するために位置付けられている、請求項１から１３のうちのいずれか一項に記載の熱ブロックアセンブリ。
【請求項１５】
前記ダクトは、前記ファンから前記複数のフィンの入口側までの均一な流路を提供する、請求項１４に記載の熱ブロックアセンブリ。
【請求項１６】
前記ダクトは、前記複数のフィンの入口側にしっかりと嵌まるように適合されている、請求項１４または１５に記載の熱ブロックアセンブリ。
【請求項１７】
前記複数のフィンの高さは、該複数のフィンの長さにわたって変化し、前記ヒートシンクの基部の近傍で最長である流路を提供する、請求項１から１６のうちのいずれか一項に記載の熱ブロックアセンブリ。
【請求項１８】
前記サンプルブロックは、水平熱流を低減するように最適化されたフランジを備え、それによって、該サンプルブロックの熱不均一性を低減する、請求項１から１７のうちのいずれか一項に記載の熱ブロックアセンブリ。
【請求項１９】
前記サンプルブロックは、第１の側部表面と、第２の側部表面と、第３の側部表面と、第４の側部表面とを備え、熱質量が、該表面の各々から選択的に再分配され、それによって、該サンプルブロックの熱不均一性を低減する、請求項１から１８のうちのいずれか一項に記載の熱ブロックアセンブリ。
【請求項２０】
制御システムと、
請求項１から１９のうちのいずれか一項に記載の熱ブロックアセンブリと
を備えている、装置。
【請求項１】
熱循環のための熱ブロックアセンブリであって、
第１の表面と、第２の表面とを有するサンプルブロックであって、該第１の表面は、サンプル支持デバイスを受け取るように適合されている、サンプルブロックと、
第１の表面と、第２の表面と、該第２の表面から垂下する複数のフィンとを有する基部を備えたヒートシンクであって、各フィン間の空隙は、該複数のフィンの入口側から該複数のフィンの出口側に通過する空気のための流路を提供する、ヒートシンクと、
該サンプルブロックと該ヒートシンクとの間に位置付けられた複数の熱電気デバイスと
を備え、
該複数の熱電気デバイスのフットプリントが、該サンプルブロックの第２の表面および該ヒートシンクの第１の表面のフットプリントに効果的に一致していることにより、該熱ブロックアセンブリ全体にわたり実質的に均一な熱伝達を提供する、
熱ブロックアセンブリ。
【請求項２】
前記サンプルブロックの動的熱不均一性は、約０．０５℃から約０．２５℃の間の平均値である、請求項１に記載の熱ブロックアセンブリ。
【請求項３】
前記サンプルブロックの静的熱不均一性は、約０．０５℃から約０．２５℃の間の平均値である、請求項１または２に記載の熱ブロックアセンブリ。
【請求項４】
目標セットポイント温度に到達した後の前記サンプルブロックの本質的に安定した熱不均一性に到達する時間は、最大約５秒である、請求項１、２、または３に記載の熱ブロックアセンブリ。
【請求項５】
前記セットポイント温度は、前記サンプル支持デバイスにおける複数のサンプルにおいて測定される温度に基づく値である、請求項４に記載の熱ブロックアセンブリ。
【請求項６】
前記セットポイント温度は、前記サンプルブロックにおける複数の位置において測定される温度に基づく値である、請求項４に記載の熱ブロックアセンブリ。
【請求項７】
前記サンプルブロックの前記本質的に安定した熱不均一性は、約０．０５℃から約０．２５℃の間の平均値である、請求項４、５、または６に記載の熱ブロックアセンブリ。
【請求項８】
前記サンプルブロックの静的熱不均一性および動的熱不均一性は、本質的に同じである、請求項１から７のうちのいずれか一項に記載の熱ブロックアセンブリ。
【請求項９】
前記サンプルブロックの前記静的熱不均一性および前記動的熱不均一性は、熱サイクル中の定義された時において本質的に同じである、請求項８に記載の熱ブロックアセンブリ。
【請求項１０】
前記熱サイクル中の定義された時は、定義されたクロックスタートである、請求項９に記載の熱ブロックアセンブリ。
【請求項１１】
前記定義されたクロックスタートは、熱サイクルの目標セットポイント温度の約１℃以内で開始される、請求項１０に記載の熱ブロックアセンブリ。
【請求項１２】
前記セットポイント温度は、前記サンプル支持デバイスにおける複数のサンプルにおいて測定される温度に基づく値である、請求項１１に記載の熱ブロックアセンブリ。
【請求項１３】
前記セットポイント温度は、前記サンプルブロックにおける複数の位置において測定される温度に基づく値である、請求項１１に記載の熱ブロックアセンブリ。
【請求項１４】
ファンとダクトとを備えたファンサブアセンブリをさらに備え、該ファンサブアセンブリは、前記複数のフィンの入口側から、前記複数のフィンの出口側への前記フィンの流路を通る気流を提供するために位置付けられている、請求項１から１３のうちのいずれか一項に記載の熱ブロックアセンブリ。
【請求項１５】
前記ダクトは、前記ファンから前記複数のフィンの入口側までの均一な流路を提供する、請求項１４に記載の熱ブロックアセンブリ。
【請求項１６】
前記ダクトは、前記複数のフィンの入口側にしっかりと嵌まるように適合されている、請求項１４または１５に記載の熱ブロックアセンブリ。
【請求項１７】
前記複数のフィンの高さは、該複数のフィンの長さにわたって変化し、前記ヒートシンクの基部の近傍で最長である流路を提供する、請求項１から１６のうちのいずれか一項に記載の熱ブロックアセンブリ。
【請求項１８】
前記サンプルブロックは、水平熱流を低減するように最適化されたフランジを備え、それによって、該サンプルブロックの熱不均一性を低減する、請求項１から１７のうちのいずれか一項に記載の熱ブロックアセンブリ。
【請求項１９】
前記サンプルブロックは、第１の側部表面と、第２の側部表面と、第３の側部表面と、第４の側部表面とを備え、熱質量が、該表面の各々から選択的に再分配され、それによって、該サンプルブロックの熱不均一性を低減する、請求項１から１８のうちのいずれか一項に記載の熱ブロックアセンブリ。
【請求項２０】
制御システムと、
請求項１から１９のうちのいずれか一項に記載の熱ブロックアセンブリと
を備えている、装置。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１３】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図１５Ａ】
【図１５Ｂ】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１３】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図１５Ａ】
【図１５Ｂ】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公表番号】特表２０１３−５０４１８１（Ｐ２０１３−５０４１８１Ａ）
【公表日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５２７１１６（Ｐ２０１２−５２７１１６）
【出願日】平成２２年９月１日（２０１０．９．１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０４７５７３
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０２８８３４
【国際公開日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【出願人】（５０２２２１２８２）ライフ テクノロジーズ コーポレーション (113)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１日（２０１０．９．１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０４７５７３
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０２８８３４
【国際公開日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【出願人】（５０２２２１２８２）ライフ テクノロジーズ コーポレーション (113)
【Ｆターム（参考）】
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