ТЕРМОЦИКЛЕР Российский патент 2016 года по МПК B01L7/00 C12M1/38 G01N1/28 G01N35/00 G05D23/19 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к устройству термоциклера для использования при проведении реакций термоциклирования. Аспекты изобретения относятся к способам осуществления реакций термоциклирования.

Описание предшествующего уровня техники

Применение термоциклирования является неотъемлемой частью современной молекулярной биологии. Например, в полимеразной цепной реакции (ПЦР), которая используется для амплификации нуклеиновых кислот, используется серия этапов плавления ДНК, отжига и полимеризации при различных температурах, чтобы значительно «амплифицировать» количество ДНК в образце. Известны также другие применения термоциклирования.

Типовое устройство термоциклера состоит из металлического термоблока, содержащего соответствующее количество углублений для приема одной или более реакционных емкостей. Форма термоблока может соответствовать формату 96-луночной плашки или отдельным пробиркам для образца, которые обычно являются микроцентрифужными пробирками (пробирками Эппендорфа) объемом 0,5 µl (микролитров) или 0,2 µl (микролитров). Металлический блок работает как тепловая масса, которая передает свою тепловую энергию реакционным образцам и от них. В целом энергию термоциклирования обеспечивают за счет использования Термоэлектрического Охлаждающего Устройства (TEC), общеизвестного также как элемент, работающий на эффекте Пельтье (элемент Пельтье). Обычно в устройстве для термоциклирования используется также радиатор для содействия теплопередаче к элементу Пельтье и от него, и большой вентилятор или т.п. для отвода излишка тепла, вырабатываемого элементом Пельтье и переносимого во время охлаждения к радиатору.

Элементы Пельтье являются полупроводниковыми приборами, которые превращают электрический ток в температурный градиент. Элементы состоят из двух сторон - горячей стороны и холодной стороны. Модуль действует как тепловой насос, в котором тепло перемещается от холодной стороны к горячей стороне. Переключение направления течения электрического тока будет менять местами состояния горячей и холодной стороны, и регулировка течения электрического тока используется для периодического повторения температуры в термоблоке, чтобы осуществлять нагрев и охлаждение, требуемые для ПЦР. Горячая сторона элемента Пельтье нуждается в способе отвода этого тепла, чтобы блок функционировал надлежащим образом, и охлаждение происходило эффективно. Чем более эффективным будет средство отвода тепла от горячей стороны, тем в более холодном состоянии будет работать холодная сторона и тем быстрее холодная сторона будет достигать оптимальной для теплопередачи температуры. Все это ограничено массой используемого радиатора и воздушным потоком от вентилятора, используемым для отвода излишка тепла от радиатора.

В целом конструкция термоциклера становится компромиссным решением между номинальной мощностью для конкретного радиатора и размером радиатора и вентиляторов, которые могут быть размещены в конструкции. В стандартных термоциклерах с блоком Пельтье блоки радиатора и вентиляторов представляют собой большую часть узла и массы устройства.

Хотя подобные термоциклеры являются удобными, они обладают некоторым числом недостатков. Основной среди недостатков заключается в том, что элемент Пельтье имеет сниженное кпд, когда он используется и для нагревания, и для охлаждения, например, устройство Пельтье имеет значительную тепловую массу в виде радиатора, который сам по себе должен быть нагрет или охлажден для того, чтобы обеспечить эффективную теплопередачу к термоблоку. Сложно достичь надлежащий кпд и для нагревания, и для охлаждения, и в большинстве конструкций термоциклера необходимо найти компромисс между функциями нагрева и охлаждения элемента Пельтье и требуемой скоростью теплопередачи к термоблоку. В качестве следствия такого компромисса в традиционных термоциклерах обычно достигается максимальная скорость нагрева и охлаждения, составляющая не больше чем 3 градуса Цельсия в секунду, а также имеются высокие затраты энергии для достижения таких средних скоростей выполнения.

В настоящем изобретении предложен альтернативный вариант компоновки термоциклера.

Сущность изобретения

Согласно настоящему изобретению предложен термоциклер, содержащий:

- термоблок для приема образца;

- термоэлектрический элемент типа Пельтье, расположенный рядом с термоблоком и выполненный с возможностью охлаждения термоблока;

- отличное от элемента типа Пельтье нагревательное устройство, расположенное рядом с термоблоком и выполненное с возможностью нагрева термоблока;

- радиатор, отделенный от термоблока и элемента типа Пельтье; и

- тепловую трубу, соединяющую радиатор с элементом типа Пельтье и которая позволяет передавать тепловую энергию от элемента типа Пельтье к радиатору.

В термоциклере согласно настоящему изобретению функции нагрева и охлаждения отделены, что позволяет оптимизировать каждую функцию до требуемого значения. Кроме того, использование отдельных нагревательного и охлаждающего элементов означает, что тепловая масса радиатора не влияет на производительность элемента типа Пельтье и эффективность нагрева и охлаждения термоблока. В дополнение, традиционный нагревательный элемент, например, электрический нагревательный элемент сопротивления в целом является более эффективным, чем элемент типа элемента Пельтье, используемого и для нагрева и для охлаждения; элемент, работающий на эффекте Пельтье, является более эффективным, когда он используется только для охлаждения или только для нагрева.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения термоблок расположен между работающим на эффекте Пельтье элементом и нагревательным устройством, отличным от элемента Пельтье; например, элемент и устройство расположены на противоположных сторонах термоблока. В традиционных устройствах термоциклера используется многоуровневая компоновка, при которой термоблок расположен над элементом Пельтье, который расположен над радиатором, который расположен над охлаждающими вентиляторами. Пробирки для образца загружают в термоблок сверху. Эта традиционная компоновка означает, что не существует положения, при котором не работающий на эффекте Пельтье нагреватель может быть соответствующим образом расположен в положении, отличном от положения между термоблоком и элементом Пельтье, что дополнительно сократило бы кпд за счет необходимости охлаждения через нагреватель.

Термоциклер может дополнительно содержать узел оптики, например, включающий в себя источник света и фотодатчик, в случае необходимости с одной или более линзами. Это позволяет использовать термоциклер при обнаружении флуоресценции или другого сигнала, поступающего от реакции, поскольку реакция происходит в режиме реального времени. Источник света и фотодатчик могут работать при любом электромагнитном излучении, не только при видимом свете. Термоциклер может также включать в себя фильтры, чтобы ограничивать свет, имеющий конкретную длину волны. Термоциклер может дополнительно включать в себя второй источник света, это допускает относительно низкозатратную систему обнаружения с двумя метками, в которой два источника направляют луч с разной длиной волны. Если термоциклер предназначен для использования множества образцов или реакционных емкостей в каждой реакции термоциклирования, термоциклер может просто содержать, по меньшей мере, одну комбинацию источник света/датчик для каждого образца.

В предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения источником света является светоизлучающий диод или подобное устройство, в то время как фотодатчиком является фотодиод или подобное устройство. Датчик является просто каротажным детектором, который обеспечивает более широкий динамический диапазон, и при этом может быть обнаружено большее число копий нуклеиновых кислот. Эта компоновка допускает использование простых и надежных компонентов без необходимости использования линз или сложного оптического оборудования. Было обнаружено, что такая комбинация источник/датчик является достаточной для получения качественной информации о ходе реакции (например, что амплификация происходит). Для многих применений такие сведения являются достаточными, и нет необходимости количественно оценивать ход реакции.

Использование компоновки светоизлучающий диод/фотодиод также сокращает необходимость в нормативном расположении или размещении на определенном расстоянии по отношению к образцу источника и датчика, делая таким образом термоциклер более надежным. Обычно источник и датчик работают на разной длине волны света; например, предпочтительным источником является светоизлучающий диод, излучающий свет с длиной волны 490 (nm) нанометров, в то время как предпочтительный датчик является наиболее чувствительным к свету с длиной волны 530 (nm) нанометров. Это соответствует стандартным флюорофорам, используемым при биохимических реакциях. Может быть использовано модулированное излучение светоизлучающего диода или светоизлучающих диодов, чтобы содействовать удалению шума и фонового излучения от сигнала.

В тех случаях, когда термоблок расположен между элементом Пельтье и нагревательным устройством, термоблок будет предпочтительно иметь такой размер и форму, которые позволяют принимать многочисленные расположенные линейным образом пробирки для образца или ленту из пробирок для образца. Это обеспечивает равномерный нагрев и охлаждение. Элемент Пельтье и нагревательный элемент при нормальной эксплуатации предпочтительно размещают над термоблоком и под ним, при этом термоблок ориентирован, чтобы принимать пробирочный штатив сбоку (в отличие от традиционных термоциклеров, в которых прием осуществляется сверху). Эта компоновка имеет дополнительное преимущество по сравнению с традиционными компоновками, заключающееся в том, что наличие бокового отверстия означает, что менее вероятным является попадание посторонних предметов в отверстие и загрязнение образцов, или загораживание любого оптического узла, который может находиться внутри термоциклера.

Конструкция термоблока, расположенного между нагревательным элементом и элементом Пельтье, обеспечивает оптимальную форму и размер для приема пробирочного штатива и осуществления теплопередачи, одновременно давая возможность создать конструкцию с минимальной массой. В сочетании с большим соотношением поверхности к площади пробирок, скорости теплопередачи к реакции от термоблока являются высокоэффективными.

Не требуется, чтобы обычно пробирочный штатив загружался горизонтально, угол, составляющий меньше 90 градусов, может быть достаточным, например, угол меньше чем 80, 70, 60, 50, 45, 40 градусов.

Термоблок может быть выполнен с возможностью изъятия из термоциклера, это позволяет использовать заменяемые или взаимозаменяемые блоки, чтобы, например, разместить пробирки для образца разных размеров или компоновки пробирок для образца.

Отличное от элемента Пельтье нагревательное устройство может быть любым соответствующим нагревателем и предпочтительно является электрическим нагревателем сопротивления. Могут быть использованы и другие нагревательные устройства. Нагревательное устройство может включать в себя одно или более отверстий, чтобы обеспечивать прохождение света через устройство; это позволяет использовать комбинацию источника света и датчика, которую размещают снаружи термоблока/нагревателя.

Элемент Пельтье предпочтительно выполнен с возможностью выведения из работы, когда нагреватель приведен в действие, и предпочтительно также наоборот. Когда нагреватель приведен в действие, а элемент Пельтье выведен из работы, элемент работает как тепловой изолятор, который ограничивает потерю тепла от термоблока к узлу тепловой трубы и радиатора. Это значительно сокращает время, требуемое для нагрева термоблока, и таким образом повышает полезность. Только компоновка элемента Пельтье в такой конфигурации работает как «тепловой шлюз», блокируя тепловую потерю во время нагрева, когда элемент выключен, в то же время обеспечивая эффективное охлаждение, когда элемент включен.

Тепло отводится от горячей стороны элемента Пельтье через тепловую трубу во время фазы охлаждения термического цикла. Тепловая труба предпочтительно имеет в целом плоское поперечное сечение и может включать в себя микроканальные трубки, содержащие ацетон или другую охлаждающую текучую среду. Например, пригодными являются плоские охлаждающие трубки компании Amec Thermasol. Традиционные тепловые трубы обычно основаны на медных трубках с круглым сечением, наполненных водой в качестве охлаждающей текучей среды, эти традиционные трубы являются менее эффективными, чем предпочтительные трубы, которые также обеспечивают более компактную площадь занимаемой поверхности. При использовании традиционных тепловых труб может возникнуть необходимость разместить вентилятор и радиатор над термоблоком, что ведет к значительному весу всего блока. Плоские охлаждающие трубы или им подобные обеспечивают боковое последовательное расположение компонентов, тогда как традиционный способ ограничен вертикальным пакетированием компонентов. Это обеспечивает компактное расположение деталей. Немаловажно, что это позволяет разместить радиатор под тепловой трубой, что обеспечивает высокоэффективное размещение в пространстве по сравнению с традиционными узлами.

Тепловая труба в целом имеет предпочтительно S-образную форму, причем верхняя секция контактирует с радиатором, а нижняя секция контактирует с элементом Пельтье. Верхняя секция наклонена (приблизительно примерно на 20°, но в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения до 90°), при этом нижняя секция является в целом горизонтальной (предпочтительно около 0°, но в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения до 90°). Нижняя секция по площади предпочтительно меньше верхней секции (например, меньше чем 10%, 20%, 30%, 40%, 50% по площади). Для получения максимальной эффективности, по меньшей мере, последние 20% от тепловой трубы предпочтительно наклонены, чтобы быть выше, чем нижняя часть, где вырабатывается тепло, хотя обычно наклонено больше чем 50% тепловой трубы, чтобы выполнить верхнюю секцию. Это обеспечивает эффективную теплопередачу от источника тепла и также обеспечивает рециркуляцию охлаждающей текучей среды внутри трубы. Несомненно будет понятно, что использование S-образной тепловой трубы не является основным для изобретения, и что могут быть использованы другие формы, включая в целом горизонтальные трубы.

Верхняя секция тепловой трубы соединена с радиатором, который, в случае необходимости, может также сдержать осевой вентилятор. Вентилятор используется для отвода излишнего тепла, вырабатываемого и передаваемого к верхней секции тепловой трубы. Радиатор может быть радиатором любого соответствующего вида и из любого соответствующего материала, но, в случае необходимости, он будет пластиной из каленого алюминия с шипами. Шипы предпочтительно размещены в «плотном» формате с плотностью больше чем 16 шипов на квадратный сантиметр.

Тепло отводится от радиатора за счет вентилятора с мощным воздушным потоком, обычно с воздушным потоком, составляющим больше чем 10, 20, 30 или 40 кубических футов в минуту (3,048; 6,096; 9,144 или 12,19 метров в минуту). Для отвода излишка тепла от радиатора используется воздушный поток посредством столкновения и он направлен из устройства. Если используется альтернативный вариант «реберных» радиаторов, обеспечить требуемый воздушный поток может осевой, нагнетательный, поперечно-точный вентилятор или любой соответствующий вентилятор.

Термоциклер может дополнительно содержать компьютерный процессор, который может быть использован для любого или для всех процессов мониторинга или контроля источника света и датчика, регулирования температуры, программы циклирования и т.п. Процессор выполнен с возможностью программирования пользователем, чтобы обеспечить выбор соответствующих программ циклирования для конкретных реакций. Например, термоциклер может содержать пользовательский интерфейс, такой как клавиатура или сенсорный экран, позволяющие выбрать, ввести или отредактировать требуемую программу циклирования.

Компьютерный процессор может быть установлен на подложке, такой как монтажная плата или печатная плата. В предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения оставшиеся компоненты термоциклера, например, элемент Пельтье, нагреватель, термоблок, а также радиатор и труба закреплены на подложке.

Например, компоненты могут быть прикреплены к подложке болтами. Это обеспечивает удобство конструкции и сборки, а для термоциклера более маленькую занимаемую площадь. Несомненно, что не все компоненты должны быть закреплены непосредственно на подложке, некоторые из компонентов могут быть прикреплены к другим деталям (например, нагреватель может быть прикреплен к подложке, при этом термоблок прикреплен к нагревателю, а элемент Пельтье прикреплен к термоблоку). Кожух может заключать в себя подложку и оставшиеся компоненты.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показан внешний вид термоциклера в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 2 показан внешний вид нижней стороны термоциклера по фиг. 1.

На фиг. 3 показан вид сбоку внутренних компонентов основания термоциклера по фиг. 1.

На фиг. 4 показан внутренний вид термоциклера по фиг. 1, и

на фиг. 5 показана конструкция оптического узла и термоблока термоциклера по фиг. 1.

Подробное описание изобретения

Как видно прежде всего на фиг. 1, показан внешний вид термоциклера в соответствии с настоящим изобретением. Циклер 10 включает в себя наружный кожух 12, выполненный с ручкой 14 для переноски. Верхняя поверхность кожуха 12 снабжена сенсорным интерфейсом 16, позволяющим пользователю управлять циклером. На передней части кожуха выполнено отверстие 18, в которое может быть вставлен пробирочный штатив 20, который включает в себя (в данном варианте осуществления настоящего изобретения) три пробирки 22 для образца из тонкостенного пластика.

Нижняя сторона циклера 10 показана на фиг. 2. Наружный кожух включает в себя отверстие 24, внутри которого установлен охлаждающий вентилятор 26, который расположен рядом с радиатором 28. Кожух выполнен с опорами 30, которые приподнимают вентилятор 26 поверхностью, позволяя воздуху циркулировать.

Внутренняя архитектура циклера 10 показана на фиг. 3. Наружный кожух 12 не показан на данной фигуре. Выполнена подложка 32 из печатной платы, на которой установлены различные электронные компоненты, необходимые для контроля и управления циклером (например, управление пользовательским интерфейсом посредством сенсорного экрана; приведение в действие нагревательного и охлаждающего элементов, и управление оптическим узлом). Радиатор 28 и узел вентилятора 26 прикреплены к подложке 32 болтами 34. Термоблок 34 также прикреплен к подложке 32, но отделен от радиатора 28.

Элемент 36 Пельтье установлен под термоблоком 34, в тепловом контакте с ним. Над термоблоком 34 находится электрический нагреватель 38 сопротивления.

Элемент 36 Пельтье прикреплен к снабженной микроканалами тепловой трубе 40 с плоским сечением, в которой в качестве охлаждающего агента используется ацетон. Тепловая труба 40 имеет обычно S-образную форму и включает в себя верхнюю секцию 42 в контакте с радиатором 28 и вентилятором 26 и нижнюю секцию 44 в контакте с элементом 36 Пельтье. Верхняя секция 42 наклонена под углом около 20°, тогда как нижняя секция 44 является обычно горизонтальной (при угле около 0°). Нижняя секция 44 составляет примерно половину площади верхней секции 42.

Вид внутреннего основания показан на фиг. 4. Подложка 32 несет электронные компоненты и процессор, необходимые для управления циклером, в то время как оставшиеся компоненты прикреплены к подложке 32 с помощью болтов 46 или других крепежных устройств. На этой фигуре можно видеть участок тепловой трубы 40 и термоблок 34. Весь узел может быть просто установлен внутри кожуха 12 для удобства изготовления.

Узел термоблока 34 показан более подробно на фиг. 5. Блок включает в себя различные компоненты оптического узла (не показанного на других фигурах). Печатная плата 46, включающая в себя три светоизлучающих диода 48, расположена внутри шаблона 50 оптического узла, который включает в себя три апертуры 52 для приема реакционных пробирок и отверстие 54 для прохождения света от светоизлучающих диодов. Стеклянный фильтр 56 возбуждения длины волны 490 (nm) нанометров размещен в отверстии над светоизлучающими диодами 48, а электрический нагреватель 38 - над фильтром. Нагреватель 38 включает в себя три апертуры 58, расположенные соосно со светоизлучающими диодами. Термоблок 34 затем помещают в шаблон 50 и стеклянный фильтр 60 излучения волны 535 (nm) нанометров помещают на задней стороне термоблока 34. Термоблок может включать в себя апертуры, расположенные соосно со светоизлучающими диодами и эмиссионным фильтром, или может быть прозрачным для света соответствующей длины волны, или может включать в себя волноводы в соответствующих местах расположения. Весь узел затем может быть собран вместе с другими компонентами циклера.

При эксплуатации циклер работает следующим образом. Пользователь может программировать требуемую программу циклирования, используя интерфейс 16 сенсорного экрана. Это заставляет электронную аппаратуру управления соответствующим образом управлять компонентами. Образец может быть затем загружен в пробирки для образца 22 пробирочного штатива 20, а штатив затем вставляют в термоблок 34 через отверстие 18.

Когда пользователь нажимает на сенсорном экране иконку «СТАРТ» (или подобную), нагреватель 38 и элемент 36 Пельтье работают соответствующим образом. Нагреватель 38 сначала приводится в действие, чтобы повышать температуру образца до требуемой первой температуры. Одновременно элемент 36 Пельтье выводится из работы, так что он работает в качестве теплового изолятора между термоблоком и тепловой трубой 40, удерживая тепло внутри термоблока. Когда в термоблоке достигается требуемая температура в течение требуемого времени, нагреватель 38 может быть выведен из работы, а элемент 36 Пельтье введен в работу. Элемент 36 Пельтье работает так, чтобы охлаждать термоблок 34, тепло передается от термоблока к тепловой трубе 40. Тепловая труба 40 затем передает тепло от нижней секции 44 к верхней секции 42, затем тепло рассеивается посредством радиатора 28 и вентилятора 26. Затем цикл повторяется, как требуется.

В дополнение к этому, узел оптики также может быть использован, чтобы наблюдать за ходом циклической реакции либо во время циклирования, либо после нее. Светоизлучающие диоды приводят в действие, чтобы освещать образец, затем фотодатчик обнаруживает излученный свет. Интенсивность или просто наличие или отсутствие излученного света можно наблюдать либо в течение времени, либо в конкретный момент времени. Это позволяет осуществлять полимеразную цепную реакцию в режиме реального времени.

Описанный здесь циклер имеет некоторые преимущества по сравнению с традиционными циклерами по предшествующему уровню техники. Во-первых, общий кпд повышается за счет отделения нагревательной и охлаждающей функций и использования нагревателя, не работающего на эффекте Пельтье. Использование тепловой трубы для отвода отработанного тепла от элемента Пельтье в сочетании с разделением нагревательной и охлаждающей функций и использованием элемента Пельтье в качестве «шлюза», когда нагреватель приведен в действие, позволяет физически отделить узел термоблок/нагреватель/охладитель и узел радиатор/ вентилятор, обеспечивая циклеру улучшенное физическое размещение.

Кроме того, общий тепловой профиль «термического отработанного тепла» является низким. В стандартном термоциклере, в котором и для нагрева, и для охлаждения используется единственный элемент Пельтье, радиатор может повысить температуру до значений от 65°С до 85°С. При использовании настоящей системы радиатор может повысить температуру до 40°С-45°С, которая значительно ниже. Это частично обусловлено рециркуляцией энергии внутри прямолинейной плоской тепловой трубы, которая не использовалась в инструментах ПЦР ранее. Тепловая труба обеспечивает эффективный отвод тепла от горячей стороны элемента Пельтье во время охлаждения, за счет чего повторно используется тепловая энергия и быстро охлаждается горячая сторона элемента Пельтье. Высвобожденная радиатором тепловая энергия значительно меньше, и, следовательно, требования к мощности элемента Пельтье значительно меньше.

Весь узел может затем работать при различной входной мощности, что является значимым. Например, переносной промысловый блок требует очень низкий профиль мощности, так что он может снабжаться энергией от батареек. Циклеры в соответствии с настоящим изобретением могут потреблять меньше чем 50 (W) Ватт общей мощности и обеспечивать длительности цикла для 30 циклов по 30 минут. Увеличение мощности снижает длительность цикла и не перегружает механизм теплообмена. Настоящая конструкция обеспечивает эту способность к «мультимощности». Входная мощность 100 (W) Ватт сокращает продолжительность цикла до 20 мин, а входная мощность 150 (W) Ватт сокращает продолжительность до 15 минут. В частности, в предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения при эксплуатации циклер подвергается 30 или более стандартным циклам по 5 секунд каждый при температуре циклов 50, 72 и 95°С до 30 минут, когда работает при мощности 50 (W) Ватт или меньше; 30 или более стандартным циклам по 5 секунд каждый при температуре циклов 50, 72 и 95°С до 20 минут; когда работает при мощности 100 (W) Ватт или меньше; или 30 или более стандартным циклам по 5 секунд каждый при температуре циклов 50, 72 и 95°С до 20 минут, когда работает при мощности 150 (W) Ватт или меньше. Для сравнения, для термоциклеров со стандартным блоком требуется более 500 (W) Ватт, для циклеров с быстродействующими блоками, таких как термоциклер Finnzymes Piko, требуется 180 (W) Ватт, для воздушных циклеров, таких как lightCycler 2.0 фирмы Roche, требуется 800 (W) Ватт.

Фактически при испытаниях, когда циклер по изобретению работал при 50 (W) Ватт температура тепловой трубы изменялась между 47°С и 57°С при постоянной температуре радиатора 40°С. При 100 (W) Ватт: тепловая труба находилась при температуре от 50°С до 60°С, и радиатор при постоянной температуре 48°С. При 150 (W) Ватт: тепловая труба находилась при температуре 53°С и 63°С, и радиатор при постоянной температуре 49°С.

Таким образом, при изменяемой подаче мощности эффективность охлаждения остается высокой, и при всех обстоятельствах температура радиатора не превышает 50°С, означая, что вентилируемый воздух будет оставаться при температуре значительно ниже 40°С. Выгода от этого заключается в том, что температура окружающей среды повышается, а работа блока остается ненарушенной.

Другое преимущество системы заключается в том, что она менее чувствительна к изменению температуры окружающей среды, что вновь обусловлено эффективностью компоновки, и потому что имеются многочисленные пути отвода тепла из системы. Это также является важным для переносных блоков. Таким образом, даже при температурах окружающей среды, превышающих 50°С, блок все еще обеспечивает подобные продолжительные термические циклы, что и традиционные блоки. Это обусловлено тем, что вентилятор и радиатор имеют значительный запас, так что, если температура окружающей среды повышается, больше тепла отводится из системы с помощью вентилятора и радиатора, нежели за счет испарительных свойств радиатора. Фактически, мы полагаем, что некоторые варианты осуществления настоящего изобретения могут работать при температуре окружающей среды до 55°С и выше, тогда как стандартные циклеры, работающие на эффекте Пельтье, могут работать только при 30°С-40°С.

Данная конфигурация позволяет использовать термоблок с малой массой, изготовленный из алюминия или термоэластомерных полимеров, которые имеют хорошие свойства теплопереноса; все это допускает эксплуатационную гибкость в блоке, что означает, что сменные блоки не надо складывать в стопку и это обеспечивает хорошее соответствие сопротивления, что обычно невозможно с твердотельными блоками и длинными, тонкостенными трубами.

Другие преимущества настоящего изобретения будут очевидны.

Изобретение относится к устройству термоциклера для использования при проведении реакций термоциклирования в молекулярной биологии. Термоциклер содержит: термоблок (34) для приема образца; термоэлектрический элемент (36) типа Пельтье; нагревательное устройство (38), отличное от элемента Пельтье; радиатор (28); тепловую трубу (40), соединяющую радиатор с элементом типа Пельтье. Элемент типа Пельтье расположен рядом с термоблоком и выполнен с возможностью его охлаждения для реакции термоциклирования. Нагревательное устройство расположено рядом с термоблоком и выполнено с возможностью его нагрева для реакции термоциклирования. Термоблок расположен между элементом типа Пельтье и нагревательным устройством. Радиатор отделен от термоблока и элемента типа Пельтье. Тепловая труба соединяет радиатор с элементом типа Пельтье и позволяет передавать тепловую энергию от элемента типа Пельтье к радиатору. Термоблок имеет первую сторону для приема образца и дополнительно содержит пару противоположных сторон. Элемент типа Пельтье находится в тепловом контакте с первой противоположной стороной термоблока, а нагревательное устройство находится в тепловом контакте со второй противоположной стороной термоблока. Обеспечивается более быстрый период циклирования и работа устройства в более широком диапазоне температур окружающей среды. 23 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Термоциклер, содержащий: термоблок для приема образца; термоэлектрический элемент типа Пельтье, расположенный рядом с термоблоком и выполненный с возможностью охлаждения термоблока для реакции термоциклирования; нагревательное устройство, отличное от элемента Пельтье, расположенное рядом с термоблоком и выполненное с возможностью нагрева термоблока для реакции термоциклирования; радиатор, отделенный от термоблока и элемента типа Пельтье; и тепловую трубу, соединяющую радиатор с элементом типа Пельтье, которая позволяет передавать тепловую энергию от элемента типа Пельтье к радиатору, причем термоблок расположен между элементом типа Пельтье и нагревательным устройством, отличным от элемента Пельтье, причем термоблок имеет первую сторону для приема образца и дополнительно содержит пару противоположных сторон, причем упомянутый элемент находится в тепловом контакте с первой противоположной стороной термоблока и причем устройство, отличное от элемента Пельтье, находится в тепловом контакте со второй противоположной стороной термоблока.

2. Циклер по п. 1, дополнительно содержащий узел оптики.

3. Циклер по п. 2, в котором узел оптики содержит источник света и фотодатчик, в случае необходимости с одной или более линзами.

4. Циклер по п. 1, в котором термоблок имеет размер и форму, чтобы принимать множество расположенных линейным образом пробирок для образца или ленту из пробирок для образца.

5. Циклер по п. 1, в котором термоблок имеет размер и форму, чтобы при эксплуатации принимать пробирочный штатив сбоку.

6. Циклер по п. 1, в котором термоблок выполнен с возможностью изъятия из термоциклера.

7. Циклер по п. 1, в котором нагревательное устройство, отличное от элемента Пельтье, является электрическим нагревателем сопротивления.

8. Циклер по п. 1, в котором нагревательное устройство, отличное от элемента Пельтье, включает в себя одно или более отверстий, чтобы обеспечивать прохождение света через устройство.

9. Циклер по п. 1, в котором элемент Пельтье выполнен с возможностью выведения из работы, когда не работающий на эффекте Пельтье нагреватель приведен в действие.

10. Циклер по п. 1, дополнительно содержащий компьютерный процессор.

11. Циклер по п. 10, в котором циклер содержит пользовательский интерфейс, обеспечивающий взаимодействие пользователя с компьютерным процессором.

12. Циклер по п. 10 или 11, в котором компьютерный процессор установлен на подложке.

13. Циклер по п. 12, в котором элемент Пельтье, нагреватель, термоблок, а также радиатор и труба также прикреплены к подложке.

14. Циклер по п. 1, в котором тепловая труба имеет плоское поперечное сечение и включает в себя микроканальные трубки, содержащие охлаждающую текучую среду.

15. Циклер по п. 1, в котором тепловая труба имеет обычно S-образную форму, причем верхняя секция соприкасается с радиатором, а нижняя секция соприкасается с элементом Пельтье.

16. Циклер по п. 15, в котором верхняя секция наклонена, при этом нижняя секция является в целом плоской.

17. Циклер по п. 15 или 16, в котором нижняя секция меньше по площади, чем верхняя секция.

18. Циклер по п. 1, в котором при эксплуатации циклер подвергается 30 или более стандартным циклам по 5 секунд каждый при температуре 50, 72 и 95°C до 30 минут, если работает при мощности 50 (W) Ватт или меньше.

19. Циклер по п. 1, в котором при эксплуатации циклер подвергается 30 или более стандартным циклам по 5 секунд каждый при температуре 50, 72 и 95°C до 20 минут, если работает при мощности 100 (W) Ватт или меньше.

20. Циклер по п. 1, в котором при эксплуатации циклер подвергается 30 или более стандартным циклам по 5 секунд каждый при температуре 50, 72 и 95°С до 20 минут, если работает при мощности 150 (W) Ватт или меньше.

21. Циклер по п. 1, дополнительно содержащий одну или более батареек для снабжения электрической энергией.

22. Циклер по п. 1, выполненный с возможностью работы при выбираемой входной мощности.

23. Циклер по п. 1, в котором, когда циклер подвергается 30 или более стандартным циклам по 5 секунд каждый при температуре 50, 72 и 95°C при эксплуатации при комнатной температуре, температура радиатора не превышает 50°C.

24. Циклер по п. 1, в котором, когда циклер подвергается 30 или более стандартным циклам по 5 секунд каждый при температуре 50, 72 и 95°C при эксплуатации при комнатной температуре, температура тепловой трубы не превышает 63°C.