JP5395098B2 - 自動調整する蓋を有するサーマルサイクラー - Google Patents

Description

本発明は、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）が一例であるシーケンシャル化学反応に用いられる実験設備に関する。詳しくは、本発明は、そのような反応のためのサーマルサイクラーに関し、迅速かつ精密な温度変化が必要な多数の反応容器の各々で温度を制御する方法及び装置に関する。

（関連出願への相互参照）
本出願は、その内容が参照によって本明細書に組み込まれる2008年2月15日出願の米国特許仮出願No. 61/029,128の優先権を主張する。

ＰＣＲは、プロセスの異なる段階での迅速かつ精密な温度変化を含む反応混合物を精密に温度制御する必要がある化学プロセスの多数の例のひとつである。ＰＣＲ自体は、ＤＮＡを増幅するプロセス、すなわちあるＤＮＡ配列の多数のコピーをその配列を有する一本鎖から生成するプロセスである。ＰＣＲは典型的には、ウエル、チューブ、又は毛細管などの多数の反応容器に反応試薬の供給、温度制御、及び光学的検出を実行できる装置を用いて行われる。そのプロセスは温度敏感な一連のステップを含み、異なるステップは異なる温度で行われ、このシーケンスが多数回繰り返されて、きわめて少量の出発物質から研究と分析に十分な多量の物質が得られる。

ＰＣＲは任意の反応容器で行うことができるが、マルチウエル反応プレートが最良の反応容器である。多くの応用では、ＰＣＲはリアルタイムで行われ、反応混合物はプロセスの間ずっと、反応媒質内の蛍光タグがついた分子種からの光の検出を分析手段として繰り返し分析される。別の応用では、ＤＮＡが媒質から抽出されて別に増幅され分析される。このプロセスがいくつかのサンプルで同時平行的に行われる。マルチサンプルＰＣＲプロセスは、各サンプルをマルチウエル反応プレート又はプレート状構造のひとつのウエルに入れ、プロセスの各ステップですべてのサンプルを共通の熱的環境に同時に平衡させて行うことができる。サンプルはまた、二つの熱的環境に同時にさらして各サンプルにある温度勾配を発生させることもできる。マルチウエル反応プレートに代わるものとして、個別チューブをチューブラック又はサポートで一緒に保持するやり方、あるいは単純に、“サーマルブロック”と呼ばれる（以下で説明する）温度を制御する熱伝導度が高い共通ブロックに個別に入れるやり方もある。

典型的なＰＣＲ装置では、各ウエルにサンプルが入れられたマルチウエル反応プレート（通常は8x12配列の96ウエルであるが、しばしばもっと多数又は少数のウエルを有するもの）、又は一連の個別プラスチックチューブがサーマルブロックと接触して配置される。サーマルブロックは、単一ペルティエモジュール又はモジュール列であるペルティエ加熱/冷却装置によって、又はブロックに機械加工されたチャンネルを通して熱伝達流体を循環させる閉ループ液体加熱/冷却装置によって、加熱され冷却される。いずれの場合にもサーマルブロックの加熱と冷却は普通、オペレータからの入力によってコンピュータの制御の下で行われる。サーマルブロックは、プレートのウエル又はチューブと密接に接触して最大の熱伝達を達成する。反応容器は、プレートであれ個別チューブであれ、通常はプラスチックであり、それ自身は熱伝導度の高い媒質ではない。プラスチック自体、及び、金属のサーマルブロックとプラスチックの界面、は熱抵抗を生ずるので、それを減らして、又は少なくとも制御して、サーマルブロックと反応媒質の間で効率的な熱伝達を達成しなければならない。熱抵抗の減少と制御は、容器に力を加えて容器をサーマルブロックの対応する凹みに押しつけることによって達成できる。力を均一に加えて、一様な温度制御と最小の熱抵抗を実現しなければならない。この同じ力は、サーマルサイクリングの間容器を密封し、サーマルサイクリングの加熱及び冷却段階で生ずる圧力変化でその密封を維持することを助ける。力は、これらの目的すべてに十分に役立つものでなければならないし、サーマルサイクラー（この用語は、全ＰＣＲプロセスが行われる装置を表すためによく用いられる）はまた、異なる高さの反応チューブ又はプレートを収容でき、オペレータが加える力の大きさを選択できなければならない。最適なサーマルサイクラーは、ユーザーのエラーを自動的に安全に防護して動作するようなものである。

本発明は、温度制御されるマルチ容器での反応を行う装置であって、この装置は、（a）マルチウエル反応プレート又は個別サンプルチューブの形のサンプル容器を受け入れるように設計されたベースであって、サーマルブロックを関連する温度制御装置と共に収容する、又は固定された位置に保持するように構成されたベース、及び（b）ベース、サーマルブロック、及びサンプル容器を被覆して容器の上部を密封し、容器に対して自動水平化される（self-leveling）圧力プレートを備えた蓋、を含む。本発明のいくつかの実施形態では、蓋はモータで動作する。容器として個別サンプルチューブが用いられる場合、チューブにはキャップがかぶせられ、圧力プレートはキャップを圧してそれを密封する。容器がマルチウエル反応プレートのウエルである場合、ウエルは普通、密封テープによって又はキャップによって密閉され、圧力プレートは密封テープを圧すことによって密閉を強化する。圧力プレートはまた、容器をサーマルブロックの凹みに押しつけ、自動水平化する能力によってすべての容器に一様な力の配分で圧力を加えて各容器とサーマルブロックの間の最適な接触を達成する。本発明の好ましい実施形態では、装置はさらに、反応手順の間に装置が行う加熱と冷却によって圧力プレートに容器の内容物が凝縮するのを防止するための加熱システムを含む。さらに別の実施形態は、すべての容器を光学的にモニターするための光学走査メカニズムを含む。好ましい実施形態に見られる他の装備としては、ベース上に蓋を閉じた位置に保持するためのモータ付きのラッチ、圧力プレートを蓋に結合してチューブ又はプレートの高さに応じて圧力プレートの高さを調節するモータ付きのサポート、いろいろな機能のためのセンサ、及びセンサから受ける信号に応答していろいろなモータを係合させたり脱係合させたりするマイクロプロセッサ、がある。本発明は、また、容器の方への熱伝達を最大にし、力の分布がプレートの長さ及び幅の方向で一様になるようにする特別の構成の圧力プレートである。これらの特徴及びその他の特徴は以下でさらに詳しく説明される。

本発明に係わる装置を示す蓋を上げた斜視図である。残りの図は、この装置のコンポーネントを示す。 蓋のメインフレームを示す斜視図である。 メインフレームに固定又は懸垂された蓋のコンポーネントのいくつかを示す斜視図である。 図３のフレームアセンブリと蓋コンポーネントを組み合わせて示す斜視図である。 ベースと圧力プレートを、マルチウエル反応プレートをベースに定位させた状態で示す断面図でさる。 圧力プレートと自動水平化する手段の高さをコントロールする蓋のコンポーネントのひとつを示す斜視図である。 図６のコンポーネントのひとつを示す斜視図である。 圧力プレートの高さをコントロールする蓋の別のコンポーネントを示す斜視図である。 装置の最終的なクランプ力を供給するカム作動メカニズムを示す正面図である。 本発明の実施に用いられる層状の加熱された圧力プレートを示す端面図である。 本発明の実施に用いられる別の圧力プレートを示す端面図である。 図１０の圧力プレートの三つの層の二つを示す斜視図である。 装置ハードウエアを示すブロック図である。

本発明を規定する特徴は、いろいろな構成で実現することができるが、本発明の全体は特定の実施形態を詳しく検討することによって最も良く理解されるであろう。そのような実施形態のひとつが図面で示されている。

図１は、本発明の特徴を具体化した装置であり、ベース１０２と前述の蓋１０３を含む囲い又はシェル１０１を示す。ベース１０２内には、下からペルティエモジュール（見えない）によって加熱され冷却されるサーマルブロック１０４が固定された位置にあって熱伝導を高めるために熱伝導性のパッド又はグリースを通してベースと接触しており、ペルティエモジュール自身は冷却フィン（これも見えない）と接触してモジュールから出る廃熱を散逸させるようになっている。ペルティエモジュールに代わるものとしては、熱伝達流体のためのチャンネルと、チャンネルと外部加熱又は冷却エレメントの間で流体を循環させるための循環システムがある。サーマルブロック１０４は、凹みの配列を含み、凹みは温度サイクリングと制御のためにサーマルブロックに置かれるサンプル容器（図示せず）、すなわちマルチウエルプレート又は個別チューブとしてのサンプル容器の外側表面と相補的な輪郭を有する。相補的な輪郭は、サンプル容器とサーマルブロックの間の連続した接触を可能にする。蓋１０３はベース１０２にねじればねヒンジアセンブリ１０５によって接合され、ヒンジアセンブリはベアリングで支持されるヒンジモータと内蔵のセンサフラッグを蓋の開閉を検出する光学センサと合わせて含んでいる。ヒンジアセンブリに代わるものとしては、ベース上で蓋の上げ下げを可能にする任意のコネクタがある。図示された実施形態では、蓋はねじればねによってバランスされており、ヒンジは蓋の位置信号を供給するエンコーダを有するＤＣモータによって操作される。ベース１０２の前面には、スプリング取り付け前面ボタン１０７を有する開閉スイッチポッド１０６がある。スイッチポッド１０６内部（したがって見えない）には接触式瞬間スイッチ又は容量式光学スイッチ、及びスイッチのためのプリント回路基板（ＰＣＢ）がある。スイッチポッドボタン１０７は、モータシーケンス全体を、マイクロプロセッサによってプログラムされたようにヒンジモータから始めて他のモータとセンサへ順次進んで始まるように構成することができる。ヒンジは、開位置にある場合は手動でも操作することができ、モータ回路は手動操作の際に起こりうる逆ＥＭＦによって生ずる制動力を最小にするための開放切断機能を含むことができる。制動力を最小にすることは、手動操作で逆ＥＭＦが生み出す干渉を最小にしてモータ損傷の可能性を小さくする。マイクロプロセッサはまた、コンパクトディスク交換部の引き出しのように、ヒンジモータのエンコーダによって伝送されるカウントをモニターすることによってヒンジの手動操作を無効にしてヒンジモータを作動させる能力を備えることができる。どちらかの方向にヒンジ位置が動いたことを示すカウントの変化が検出されると、ヒンジモータの作動から始まって蓋の位置を決める機能に進むマイクロプロセッサのアルゴリズムが作動する。このアルゴリズムの機能については以下で説明する。

スイッチポッド１０６の真向かいには蓋の前面クランプ１０８があってベース１０２への蓋１０３の最終固定を実行し、それによって力を加えてサンプル容器を閉じた状態で密閉し、容器をサーマルブロック１０４に圧しつける。前面クランプ１０８は、別の図面に示して以下で詳しく説明するが、スイッチポッド１０６のピンと係合するカムの形のトラックを有する歯車ディスクである。このディスクはエンコーダを有するＤＣモータによって駆動され二つの光学的リミットスイッチを含む。

反応容器をサーマルブロックに圧しつけて容器を加熱する圧力プレート１０９は蓋１０３によって支持され、サンプル容器と直接接触する下向きの中央プラットフォーム１１０を有する。中央プラットフォーム１１０は、サーマルブロックの凹み１１２と整列している、したがってサンプル容器の位置と整列している孔１１１の配列を有する。孔１１１は、光が両方向に透過することを許す。こうして励起光をスキャナーからサンプル容器内のサンプルへ透過させることができ、サンプルからの放出光をスキャナーへ透過させて戻すことができる。スキャナーは別の図面で示して以下で説明する。オプションとして、中央プラットフォーム１１０は境界のスカート（図示せず）を有し、スカートの底部にゴム製のバッフルを備えて反応容器のまわりで補助的な側方の密閉に役立てることができる。これによって、伝導、対流、及び空気の流れによるプレートの縁を通る熱の流れが防止される。別のオプションとして、サンプル容器がマルチウエル反応プレートのウエルである場合、ゴム又は発泡体のガスケットを用いることができ、それを圧力プレートの下面に接着して、その縁に隣接するマルチウエル反応プレートと接触させる。このガスケットは密封機能を有し、その弾力性によって圧力プレートの自動水平化特性を強化する。

図２は、装置のメインフレーム１２０を、機能的コンポーンエントを除去した形で示し、蓋のメイン構造フレーム１２１，蓋の背面パネル１２２，蓋をベース１０２に結合するヒンジ１２３，１２４，及び装置の内部コンポーネントの支持ブラケット１２５を示している。支持ブラケット１２５は、本明細書では“上方チャンネル”と呼ばれる。上方チャンネル１２５は、フレームの上方前端１２６とフレームの背面でメイン構造フレーム１２１に硬く固定され、圧力プレートの位置をコントロールする位置決めモータと自動水平化ジョイントの取り付けに用いられる。圧力プレート、位置決めモータ及び自動水平化ジョイントは、すべて他の図に示し、以下で説明する。ヒンジアセンブリ１０５の内部の図も、ヒンジの回転を駆動するヒンジモータ１２７と合わせて見られる。ヒンジモータ１２７の動作は、一部、蓋の位置を検出するセンサによって制御される。開放センサ１２８が背面コーナーの内側でフレーム１２１に固定され、閉鎖センサ１２９が蓋の前面に配置されて接触するとスイッチポッド１０６と係合する。どちらのセンサも光スイッチと関連したフレキシブルな材料のフラグを有し、接触するとフラグが曲がって光ビームを遮断する。当業者に公知の他のスイッチとフラグが容易に代用される。

図３は、メインフレームによって支持される蓋ヒータキャリアサブアセンブリ１３０を示す。このサブアセンブリは加熱される圧力プレートと走査メカニズムを支持する。走査メカニズムは、走査平面のＸ軸及びＹ軸を定義する直交レール１３１，１３２、及び各走査軸にそれぞれひとつ、二つのモータアセンブリ１３４，１３５，及び光学コンポーネントを含みレールを走行するシャトル１３６を含む。図２のメインフレーム１２０とのサブアセンブリの結合は、本明細書ではその形態と図２の上方チャンネル１２５の下にある位置によって“下方チャンネル”と呼ばれるブラケット１３７によって達成される。上方及び下方チャンネルは、自動水平化ジョイントとして機能するユニバーサルジョイントによって結合する。“ユニバーサルジョイント”という用語は、ここではどの方向にも曲げられるジョイント、すなわち曲げることができ、かつ３６０度全体にわたって回転できるジョイントを表す用語として用いられる。このジョイントは他の図にも示され以下で説明する。下方チャンネル１３７は、前部及び背部ブラケット１３８，１３９と４つのコイルばね１４０，１４１，１４２，１４３によって取り付けられる。４つのコイルばねは、前部クランプモータで発生する力を容器に伝える。下方チャンネル１３７には、自動水平化ジョイントの下方部分を成すピボットブロック１４５が固定される。上方及び下方チャンネル１２５，１３７はさらに４つのガイドポスト１４６，１４７，１４８，１４９によって非剛性結合で結合する。プレートが自動水平化ジョイントによって水平化されるとき、ガイドポストは圧力プレート１０９の垂直整列を維持する。各ガイドポストは、コイルばね（図示せず）によって囲んで、上方及び下方チャンネルを安定化させ圧力プレートによってサンプル容器と下に位置するサーマルブロックに加えられる力の分配を助けることが好ましい。

図４は、蓋が閉じられたときに見られるメインフレーム１２０のいろいろな部分と蓋ヒータキャリアサブアセンブリ１３０の組み合わせを示す。走査及び蓋の動作を一緒に制御する二つのプリント回路基板１５１，１５２が示されている。この図はまた、上方チャンネル１２５と下方チャンネル１３７の相対位置を示す。

図５は、装置のベース１０２の断面を示し、一組の反応容器１６０（すなわちマルチウエル反応プレート）がサーマルブロック１０４上に位置し容器がサーマルブロックの凹みに延びている様子を示す。圧力プレート１０９が反応容器より少し高く持ち上げられた位置で示されている。すべての調整が行われて蓋が完全に閉じられると、圧力プレートはすべての容器に均等な圧力で接触する。圧力プレートのヒンジに最も近い縁に沿って、マルチウエル反応プレートがサーマルブロック上にあることを検出するセンサ１５３が取り付けられて個別チューブとマルチウエル反応プレートを区別する。このセンサは、関連するフラグが典型的なマルチウエル反応プレートのフランジと接触すると撓む光センサであってよい。チューブとプレートの区別を用いて、圧力プレートをチューブ又はプレートへ下ろされるときの圧力プレートの高さ、したがってスプリングの撓みの度合を決めることができる。装置はこのようにして所望の力を発生させるスプリングの撓みを生ずるように自動で調整する。

上方チャンネル１２５の下側が図６に示されている。このチャンネルには、蓋の内部で圧力プレートの高さをコントロールする自動水平化機能を備えるユニバーサルジョイントを含むギアー結合ロッドのためのギアーボックス１６１がチャンネル天井の下側に取り付けられる。チャンネルはチャンネル天井にある取り付け器具（図示せず）によってメインフレームに取り付けられる。チャンネルの二つの側方側面に沿ったショルダー１６２，１６３は、図３に示されたガイドポスト１４６，１４７，１４８，１４９のための孔１６４，１６５を有する。ギアーボックス１６１から下向きにギアー端１６６，すなわちギアーロッド（以下で説明する）の端が下向きに突出し、ギアーボックスの片側にギアーロッドを、したがってロッド端１６６を位置決めする（すなわち伸ばす又は引っ込める）モータ１６９から伸びるギアードライブ１６８を受ける孔１６７が示されている。上方チャンネル１２５の別の特徴は、ロッドがホーム位置にあることを検出するホームセンサ１５４である。

図７は、ギアーロッド１６７の拡大図である。ねじ溝付きスリーブ１６８がロッドを囲み、ねじ溝付きスリーブの外側ギアーはモータ１６９（図６）によってロッド１６７を、したがってロッド端１６６を、伸ばしたり引っ込めたりするように係合する。ロッド端１６６の一例は孔が通っている球面ベアリングであるが、以下でさらに説明するように、ロッド端の中心を通り、下方チャンネルに取り付けられた別の横方向シャフトと係合する。モータ１６９によるロッド１６７の動きがそれにより上方チャンネルと下方チャンネルの間の距離をコントロールし、最終的にはヒータープレートの位置をコントロールする。ロッド１６７の回動自由度は、ロッドがギアーボックスに入る孔のベアリングによって達成される。回動によってロッド１６７の角度、したがって上方チャンネルと下方チャンネルの間の角度が変わり、それはさらに圧力プレートの角度を変える。ロッド端１６６のベアリングはそれ自体で回動自由度を与えることができる。いずれの場合も、ロッド端１６６とそのベアリングはユニバーサルジョイントとして機能する。

下方チャンネル１３７が図８に上面図で示されている。このチャンネルの二つの側方側面に沿ったショルダー１７０，１７１は、孔１７２，１７３，１７４，１７５を有し、図３に示されたガイドポストがそれに取り付けられる。ピボットブロック１７６が振動絶縁システムを介してチャンネルの床に取り付けられる。ピボットブロックの中央のスロット１７８が上方チャンネルに取り付けられたギアーロッド１６７の端のロッド端１６６を受け入れる（図６と７）。ロッド端を通る横方向シャフト（図示せず）はまた、ピボットブロックの側面の孔１８０，１８１，並びにチャンネルの側壁の孔１８２（そのうちのひとつだけが見える）を通る。この実施形態における横方向シャフトは、蓋ヒータキャリアアセンブリをフレームから懸垂する手段である。

図９は、蓋の前面に取り付けられ圧力プレートを反応容器上に最終的に閉じて容器をサーマルブロックに圧しつける前面クランプ１０８の正面図である。クランプは、ブラケットプレート１９０を含み、クランプを閉じるために必要なトルクを供給するのに十分なギアー比のギアートレインがそれに取り付けられる。ギアートレインはカムディスク１９１で終端する。（最も大きなギアーはカムディスクの背部に取り付けられ、図９に示された図では見えない。）ピニオンギアー１９２はＤＣギアードモータ１９７（破線で示されている）によって、ブラケットプレート１９０の背後にあるギアードモータに取り付けられた適当なギアーハブを通して駆動される。カムディスク１９１は、カム溝１９３を含み、それが上述したようにスイッチポッド１０６の後ろに突出したピン（図１）と係合して、カムディスク１９１の反時計方向の回転が蓋をベースに引き下げ、圧力プレートをチューブ又はマルチウエル反応プレートのレセプタクルに引き下げる。カムディスク１９１には、カムディスクと共に回転するフラグ１９４が取り付けられ、それが一対の光センサ１９５，１９６を作動させて、光ビームがフラグで遮断されたときにモータを切り離す。これらのセンサはこうしてクランプの行程範囲の両端を規定する。この装置で同様の機能を効果的に果たす光センサに代わる方法は当業者には明らかであろう。

抵抗加熱エレメントを有する圧力プレートの特殊な一例が図１０と１１に示されている。図１０に示されているように、圧力プレート２０１は、三つの層−下方層２０２，抵抗加熱層２０３，及び上方支持層２０４を含む層状プレートであり、全体がボルト２０５で結合されてサンドイッチ型アセンブリを形成している。図示された実施形態では、ボルトのひとつが圧力プレートの４つのコーナーのそれぞれの近くに位置している。下方層２０２は露出した表面２０６を有し、それがサンプル容器に接触してそれらをサーマルブロックに圧しつける。抵抗加熱層２０３からの熱をその下面２０６に適切に伝達し、熱を拡散して下面で一様な温度を達成するために、下方層２０２はアルミニウム金属など熱伝導の良い材料から成っている。支持層２０４は、比較的熱絶縁性の材料、例えば樹脂など、から成り、加熱層２０３で発生する熱の全部又は大部分が下方層２０２を通して下向きに導かれることが好ましい。好ましい実施形態では、一連のスペーサー２０７が抵抗加熱層２０３と支持層２０４の間に配置され、層の間にギャップ２０８を残すようにする。この実施形態のスペーサー２０７はそれらの層をひとつに保持するボルト２０５を取り囲む。スペーサー２０７とギャップ２０８の目的は、三つの層をボルトで互いに圧しつけたときに下方の熱伝導性の層２０２が自然に弓なりに反ることを減らす又はなくすことである。圧力プレートがギャップの限界内で撓むことを許すことによって、スペーサーはボルトで結合されたアセンブリから自然な弓なりに反る効果を排除し、熱伝導層が必要なときには曲率を調整して圧力プレートと下にある容器との間の一様な接触と、圧力プレートの長さと幅に沿った一様な力の分配を強化する。

図１１は、圧力プレートの別の一変形である。図１１の圧力プレート２１１も同様に三つの層−下方の、熱伝導層２１２，抵抗加熱層２１３，及び上方支持層２１４を含み、それぞれの周縁でひとつに接合されている。この場合も下方層２１２は露出した下面２１５を有し、それが接触表面になってサンプル容器をサーマルブロックに圧しつける。この変形では、下方層２１２は少しフレキシブルであるが弾力性を有する材料、例えば弾力的な金属から作られ、他の層から弓なりに反って少し凸な輪郭の下面２１４を生ずる（図の寸法は説明のために誇張されている）。これらの層は、サンプル容器とサーマルブロックに圧しつけられると平坦になって均一な力分布を与える。上方層２１４と抵抗加熱層２１３が撓んでボルトが弓なりに反らせる効果を補償する実施形態では、ギャップは必要ない。

図１２は、図１０又は図１１の圧力プレートの下方の、熱伝導層と抵抗加熱層の斜視図である。便宜上、層には図１０の層に対応する番号がつけられている。下方の、熱伝導層２０２と抵抗加熱層２０３がこのように示され、それぞれの層、並びに支持層２０４（図１０）は開口している、すなわちサーマルブロックの凹みと同じサイズと間隔を有する孔２２１の配列で孔があけられている。したがって、圧力プレートをサーマルブロックと整列させると、これらの孔が圧力プレートの上のスペースから出てくる又はそこへ入ってゆく放射及び光信号をサンプル容器へ及びサンプル容器から透過して伝送されることを許す。こうしてサンプルを圧力プレートを通して走査することができる。これらの孔はプレートの中央領域２２２を占め、周縁領域２２３に囲まれており、スペーサー２０７は大体において周縁領域にある。

図１０，１１，及び１２の実施形態における寸法は異なってもよく、本発明にとって決定的なものではないが、現在考えている寸法は次のようなものである。下方層の厚さは３ mm、抵抗加熱層の厚みは０．３ mm、支持層の厚みは６．４ mmである。

図１３は、本発明による装置のハードウエアの一例を示すブロックダイアグラムである。この図は三つのモータ、一連のセンサ、及びマイクロプロセッサを含む装置を表す。三つのモータは、ねじればねヒンジアセンブリ１０５（図１）を操作するヒンジモータ３０１、上方チャンネル１２５（図２）の下側に取り付けられ下方チャンネル１３７（図３）の高さを制御するユニバーサルジョイントとシャフトの位置を制御する位置モータ３０２、及びカムディスク１９１（図９）の回転を駆動するカムモータ３０３である。各モータはそのモータがどこまで進んだかを検出するエンコーダを含み、エンコーダはモータが制御するコンポーネントの位置によってモータを制御する。各エンコーダはその信号をマイクロプロセッサ３０４に送る。センサは、ヒンジの二つの限界位置のどちらに到達したかを示す信号をマイクロプロセッサに送るヒンジモータの開放センサ３０５と閉鎖ドセンサ３０６、ユニバーサルジョイントシャフトの位置に関してシャフトがそのスタート位置にあることを示す信号を送るホームセンサ３０７、及びカムディスクに関連して全開及び全閉位置に到達したことを示すフラグと二つの光センサ３０８，３０９、を含む。その他のセンサとしては、蓋の前面にあって蓋が開いているか閉じているかを示す光センサ、装置に挿入された反応容器がマルチウエル反応プレートの形かサーマルブロックの全部の位置を占めない一連のチューブの形かを示すひとつ以上のプレート対チューブセンサがある。オプションとして、マルチウエル反応プレートの色を検出して光学コンポーネントが色又はプレートからの反射を補償できるようにするための別の追加センサが含まれる。この追加センサはまた、機械的特徴、又はバーコード、又はプレートのその他のしるしを検出できる。

マイクロプロセッサ３０４には以下のステップを含むアルゴリズムがプログラムされている。

（１）予期される（又はデフォルトの）反応容器（反応媒質）の高さに合わせて圧力プレートを位置決めするステップ

（２）圧力プレートを反応媒質に圧しつけるように蓋を位置決めするステップ

（３）圧力プレートと反応媒質の相互作用を用いて、反応媒質の高さが予期されたものと異なるかどうかを決定するステップ

（４）反応媒質の高さが予期されたものと異なる（すなわち、最初の設定と異なる）場合、圧力プレートを別の高さに再び位置決めしてステップ（２）と（３）を選ばれた回数繰り返し、比較が続けてうまくゆかない場合、障碍の存在を動作エラーと認めて蓋を開くステップ及び

（５）ユーザーに圧力プレートの力の範囲の設定を許すステップ

再び図１３を参照して説明すると、位置モータ３０２は、最初は比較的浅い（すなわち、高さが低い）マルチウエル反応プレートに対して、大きな力でマルチウエル反応プレートをサーマルブロックに圧しつけるように設定される。蓋の下向きの動きの開始はスイッチポッドのボタン１０７（図１）を手で押すことによって、又はヒンジモータ３０１が動きを感知して係合するまで蓋を手で下向きに引くことによって行われる。マイクロプロセッサ３０４は、蓋の前面の蓋閉鎖検出（“クランプ可能”）センサ３１１が作動するか又はモータが失速するまでヒンジモータが動くことを許す。クランプ可能センサは、カムモータ３０３が係合して蓋を引き下ろすことができる位置に蓋があるときに作動する。クランプ可能センサ３１１が作動すると、ヒンジモータ３０１はマイクロプロセッサ３０４によって切り離され、マイクロプロセッサはプレート対チューブセンサ３１２によって、個別反応チューブではなくプレートが実際に装置内に入っていることを検証する。センサ３１２がそうでない（例えば、プレートでなくチューブである）と表示した場合、位置モータ３０２は個別反応チューブに適当な低チューブ位置及び小さな力という設定で圧力プレートを再び位置決めするように係合する。クランプ可能センサ３１１が作動するときまでヒンジモータ３０１が失速せず、プレート対チューブセンサ３１２がプレートを表示した場合、高さが低いマルチウエル反応プレート及び最大の力というデフォルト設定が維持される。クランプ可能センサ３１１が作動するときまでヒンジモータ３０１が失速せず、プレート対チューブセンサ３１２がプレートではなくチューブを表示した場合、位置モータ２０２は圧力プレートを低チューブ位置及び小さな力の設定に位置決めするように操作される。クランプ可能センサ３１１に到達する前にヒンジモータ３０１が失速した場合、マイクロプロセッサはヒンジモータからのエンコーダーカウントを真正なチューブ又はプレート高さに対応する範囲と比較する。この範囲からはみ出したカウントは障害が存在することを示しており、手順は中止される。これが起きたとき、蓋は完全に開き、マイクロプロセッサはユーザーの応答を待つ。

失速が起こり、何も障害が存在すると判定されない場合、マイクロプロセッサはもっと高いプレートが挿入されたと想定する。プレート対チューブセンサ３１２からの情報によって、マイクロプロセッサは圧力プレートの新しい高さを選ぶ。次に位置モータを作動させて新しい高さに移動し、ヒンジモータ３０１を作動させて蓋をクランプ可能な位置へ移動する。次にカムモータ３０３を係合させて蓋を引き下げる。蓋が最終位置まで下げられたら、スキャナーの動きと励起光と放出光の検出を含めて反応シーケンスを開始できる。

要約すると、上述したサーマルサイクラー装置によって達成される主な機能は次のようなものである。

装置は、走査メカニズムを正しい場所に位置決めして光学システムが反応容器の中身に焦点を合わせて励起光を容器の中身に導き、励起から生ずる放出光を受けることができるようにする。

蓋は自動的に開閉し、圧力プレートを異なる高さの反応容器又はマルチウエル反応プレートに合わせて自動的に位置決めする。装置が走査デバイスを組み込んでいる場合、圧力プレートはサーマルブロックの凹みのマトリクスと整列する孔のマトリクスを含み、それはまたマルチウエル反応プレートのウエルと整列する。孔は、光がウエルと蓋に取り付けられたスキャナーの間で通過することを許す。圧力プレートはまた、感圧接着テープによってプレートに取り付けられた抵抗加熱シートを含む。走査デバイスを含まない装置の場合、圧力プレートの孔はなくてもよい。

装置は圧力プレートに適当な力を加えて反応容器をサーマルブロックに圧しつけると同時にサーマルサイクリング過程の間容器を密封して凝縮によるサンプルのロスを防ぐ。

装置のセンサは、マルチウエル反応プレート又は個別チューブが挿入されたかどうかを検出する。個別チューブは一般にキャップをつけて供給されるので必要な力が小さく、また個別チューブの場合はマルチウエル反応プレートのウエルに比べてチューブの数が少ないので、必要な力は小さくなる。圧力プレートによって加えられる力を制御することでプレートによって生ずるチューブ変形の危険も小さくなる。

この装置では、オペレータが装置の機能を手動で解除し、特定の力を選択したり、特定タイプのプレート又はチューブに合わせて装置を設定することが可能である。

装置は、三つのモータの逐次作動と合わせてそれらのモータ作動の間の位置調整のためのセンサを含めて、正確かつフレキシブルな動作を生ずる行動シーケンスを与える。

ねじればねが蓋をアシストするので、ヒンジモータは蓋の慣性にうちかつだけでよい。これによって開閉のために必要なモータのトルクは小さくなり、障害やプレート又はチューブ高さの検出が容易になり、蓋モータによって加えられる力が限られるので装置の安全性が高められる。

最初に蓋を配置するためのヒンジモータと別のカムモータを最終の力の印加のために使用することによって比較的小さなヒンジモータの使用が可能になる。

圧力プレートを反応容器に対して自動水平化するためのユニバーサルジョイントは均等な力分布を与え、密封を改善し、平行走査を可能にする。

添付された特許請求の範囲で、“a”又は“an”という語は“ひとつ以上”を意味するものとする。“comprise”という用語、及び“comprise”又は“comprising”などその変形は、それがあるステップ又はあるエレメントの言明（recitation）に先行するとき、別のステップ又はエレメントの追加がオプションであって排除されないことを意味するものとする。本明細書で引用されたすべての特許、特許出願、及びその他の公開された参照資料は参照によって本明細書に組み込まれる。本明細書で引用された参照資料、又は従来技術一般と本明細書の明記された教示の間の矛盾は本明細書の教示を優先させて解消されるものとする。これはある語又は句の当業者が了解している定義と、同じ語又は句の本明細書で明示された定義の間の矛盾も含む。

Claims (18)

1. 複数のサンプル容器を、それと相補的な形の凹みを有する共通の温度制御される熱伝導ブロックに、サンプル容器のすべてにわたって一様な力分布で圧しつけることにより複数のサンプル容器を一様な温度に維持する装置であって、
   ブロックを固定位置で受け入れるように構成されたベースと、
   蓋をベース上で上下させることを許容するコネクタによってベースに結合された蓋であって、蓋には平らな下面を有する圧力プレートが取り付けられ、圧力プレートは蓋が下げられたとき蓋上でブロックと対向し整列するように位置し、蓋にユニバーサルジョイントで結合して、複数のサンプル容器と接触して回動し、下面を個々の容器に実質的に等しい接触力で接触させる圧力プレートが取り付けられた蓋と、
   圧力プレートの回動の際に圧力プレートとブロックとの垂直方向での整列を維持するガイド手段と、
   圧力プレートにサンプル容器を予め選択された力で凹みの中に圧しつけながら蓋をベース上にクランプする固定手段と、
   を含む装置。
2. 蓋をベースに結合するコネクタはヒンジモータで駆動されるヒンジであり、固定手段はクランプモータによって駆動され、
   装置は、さらに、蓋が十分に閉じてベースへの固定が可能であることを検出するクランプ可能センサと定義されるセンサと、クランプ可能センサから受ける信号に応答してヒンジモータとクランプモータの作動を決定するマイクロプロセッサと、を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. ユニバーサルジョイントは、蓋に対する圧力プレートの高さを変える延伸可能なシャフトによって蓋に結合され、装置は、さらに、シャフトの動きを駆動するように配置されたシャフトモータを含み、シャフトモータの作動はマイクロプロセッサによって決定されることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 結合して縁フランジを有する共通のプレートを形成するサンプル容器と、互いに結合しない個別チューブであるサンプル容器とを区別するプレート対チューブセンサと定義されるセンサを含み、マイクロプロセッサがプレート対チューブセンサから受ける信号に応答してシャフトモータの作動を決定することを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. マイクロプロセッサは、蓋が十分に下げられてベースに固定することが可能であること、又は蓋を閉じることに対する障害の結果としてモータが失速したことをクランプ可能センサが検出したときに、ヒンジモータを不活性化するようにプログラムされていることを特徴とする請求項２に記載の装置。
6. マイクロプロセッサは、クランプ可能センサが蓋が下げられてベースに固定することが可能であることを検出し、プレート対チューブセンサが縁フランジを検出しないときに、シャフトモータに係合してシャフトを引っ込めるようにプログラムされていることを特徴とする請求項４に記載の装置。
7. マイクロプロセッサによるヒンジモータの作動を決定するための蓋開放センサと蓋閉鎖センサとを含むことを特徴とする請求項２に記載の装置。
8. 固定手段がカムディスクを含み、クランプモータがギアードモータであり、固定手段がさらにカムディスクの位置を検出してギアードモータの動きを決定するカム位置センサを含むことを特徴とする請求項２に記載の装置。
9. 圧力プレートは、ブロックがベース内に受け入れられたときにブロックの凹みと整列する孔があけられ、圧力プレートを通してサンプル容器への光学的アクセスを提供することを特徴とする請求項１に記載の装置。
10. サンプル容器の光学的走査のために走査ヘッドを備え、走査ヘッドはブロックの上方表面と平行な面内で直交軸に沿って走行するように蓋に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
11. 圧力プレートに熱を導く熱源を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
12. 圧力プレートは、平面状の下面を成す熱伝導層と、熱絶縁層と、熱伝導層と熱絶縁層の間の抵抗加熱層を含む層状プレートであることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
13. 層状プレートは、ブロックの凹みに置かれたサンプル容器への光学的アクセスを与える孔があけられており、孔は層状プレートの周縁領域に囲まれた中央領域にあり、層状プレートの層は周縁領域における固定具によって結合していることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
14. 層状プレートの形は四つのコーナーを有する長方形であり、固定具は四つのコーナーの各々におけるボルトを含むことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
15. 固定具を囲むスペーサーを含み、スペーサーは抵抗加熱層と熱絶縁層の間に位置し中央領域で抵抗加熱層と熱絶縁層の間にギャップを残し、それにより、熱伝導層は、サンプル容器との一様な接触を達成するために必要なときには曲率を調整することを可能にすることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
16. 複数のサンプル容器を共通の温度制御される熱伝導ブロックに圧しつける加熱される圧力プレートであって、
    加熱される圧力プレートは露出した下面を有する熱伝導層、熱絶縁層、熱伝導層と熱絶縁層の間の抵抗加熱層、及び抵抗加熱層と熱絶縁層の間にギャップを残す抵抗加熱層と熱絶縁層の間の周縁スペーサー手段を含み、それによって、熱伝導層はサンプル容器との一様な接触を達成するために必要なときには曲率を調整することを可能にすることを特徴とする加熱される圧力プレート。
17. 圧力プレートは孔があけられた中央領域を有し、スペーサー手段は中央領域の周縁にあることを特徴とする請求項１６に記載の加熱される圧力プレート。
18. 複数のサンプル容器を共通の温度制御される熱伝導ブロックに圧しつける加熱される圧力プレートであって、
    加熱される圧力プレートは露出した下面を有する熱伝導層、熱絶縁層、及び前記熱伝導層と前記熱絶縁層の間の抵抗加熱層を含み、熱伝導層が弓なりに反って露出した下面を凸にすることを特徴とする加熱される圧力プレート。

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