DE102023131381A1 - Compact precision ThermoCycler with heat storage and process for rapid temperature control of samples - Google Patents

Abstract

Translated fromGerman

Die Erfindung betrifft einen kompakten Präzisions-ThermoCycler mit Wärmereservoir und ein Verfahren zur schnellen Temperierung von Proben zum beschleunigten, miniaturisierten Kühlen und Heizen vorzugsweise in der medizinischen Diagnostik und Bioanalytik.
Aufgabe ist es einen kompakten Präzisions-ThermoCycler mit Wärmereservoir und ein Verfahren zur schnellen Temperierung von Proben zu schaffen, wobei das Verfahren eine höhere Geschwindigkeit der PCR- bzw. mRNA-Analyse ermöglicht, präzisere genau definierbare schnell regelbare Temperaturverläufe garantiert, einfach handhabbar ist und sich energieökonomisch betreiben lässt.
Erfindungsgemäß ist im ThermoCycler ein erstes metallisches Wärmereservoir 1 angeordnet, so dass mittels einer Temperaturregelung und separaten Heizelementen, wie Peltier-Elemente 7, dieses auf eine optimierte Temperatur eingestellt werden kann. In dem ersten Wärmereservoir 1 sind Kavitätenleisten 10 angeordnet. In den Kavitätenleisten 10 sind wiederum durchgehend offene Probenaufnahmeöffnungen 14 oder planare Auflagenflächen verteilt angeordnet. Auf diesem Wärmereservoir 1 können wahlweise ein, zwei oder mehrere Kühlblöcke 2 aufgebracht sein. Dabei sind das Wärmereservoir 1 und der/die Kühlblöcke 2 thermisch gekoppelt. Im Versorgungs- und Regelblock 3 ist ein Mikrorechner 4 integriert. An jeder Kavitätenleiste 10 sind ein, zwei oder mehrere geschlossene Kanäle oder thermisch angekoppelte Heat-Pipes 6 angeordnet. Im oder am Wärmereservoir 1 oder an den Kavitätenleisten 10 sind je ein, zwei oder mehrere Temperatursensoren 11 angeordnet. Alle Teile können auf einem zwei- oder dreiachsig verfahrbaren geführten xyz-Objekttisch 12 sowie dem Objekttisch-Adapter 8 angeordnet sein. Beim Verfahren werden die Kavitätenleisten 10 kraftschlüssig mit Reaktionsräumen, die mindestens die Reaktionslösung und/oder eine Probe enthalten, bestückt. Die Temperierung erfolgt über wärmeschlüssig verbundene Wärmeleiter multidirektional zwischen Probe, Peltier-Element 7, Wärmereservoir 1 und einem Umgebungsmedium energiesparend, steuerbar transportiert, so dass während aufeinanderfolgender Heiz- und Kühlzyklen eine Rekuperation erfolgt

The invention relates to a compact precision thermocycler with a heat reservoir and a method for rapid temperature control of samples for accelerated, miniaturized cooling and heating, preferably in medical diagnostics and bioanalytics.
The task is to create a compact precision ThermoCycler with a heat reservoir and a method for rapid temperature control of samples, whereby the method enables a higher speed of PCR or mRNA analysis, guarantees more precise, precisely definable, quickly controllable temperature profiles, is easy to handle and can be operated in an energy-efficient manner.
According to the invention, a first metallic heat reservoir 1 is arranged in the thermocycler so that it can be adjusted to an optimized temperature by means of a temperature control and separate heating elements, such as Peltier elements 7. Cavity strips 10 are arranged in the first heat reservoir 1. Continuously open sample receiving openings 14 or planar support surfaces are distributed throughout the cavity strips 10. One, two, or more cooling blocks 2 can be optionally mounted on this heat reservoir 1. The heat reservoir 1 and the cooling block(s) 2 are thermally coupled. A microcomputer 4 is integrated in the supply and control block 3. One, two, or more closed channels or thermally coupled heat pipes 6 are arranged on each cavity strip 10. One, two, or more temperature sensors 11 are arranged in or on the heat reservoir 1 or on the cavity strips 10. All components can be arranged on a two- or three-axis guided xyz stage 12 and the stage adapter 8. During the process, the cavity strips 10 are force-fitted with reaction chambers containing at least the reaction solution and/or a sample. Temperature control is achieved via thermally connected heat conductors that are transported multidirectionally between the sample, Peltier element 7, heat reservoir 1, and an ambient medium in an energy-saving, controllable manner, allowing recuperation during successive heating and cooling cycles.

Description

Translated fromGerman

Die Erfindung betrifft einen kompakten, schnellen, ThermoCycler mit Wärmereservoir und ein Verfahren zur schnellen Temperierung von Proben zum beschleunigten, miniaturisierten Kühlen und Heizen vorzugsweise in der medizinischen Diagnostik und Bioanalytik, insbesondere in der Fluoreszenzmikroskopie, um enzymatische Reaktionen und molekulare Interaktionen thermisch zu starten, zu steuern oder zu beenden. Beispielhaft ist hier die Polymerasekettenreaktion (PCR) benannt, welche Nukleinsäuren (Ribonukleinsäure [RNS/RNA], Desoxyribonukleinsäure [DNS/DNA]) - Abschnitte vervielfältigt und auf diese Weise dem Nachweis u. a. von Viren, Bakterien und bestimmten Genabschnitten, Messenger-RNA oder Micro-RNA dient.The invention relates to a compact, fast, thermal cycler with a heat reservoir and a method for rapid temperature control of samples for accelerated, miniaturized cooling and heating, preferably in medical diagnostics and bioanalytics, particularly in fluorescence microscopy, to thermally initiate, control, or terminate enzymatic reactions and molecular interactions. An example of this is the polymerase chain reaction (PCR), which amplifies nucleic acid (ribonucleic acid [RNA], deoxyribonucleic acid [DNA]) segments and thus serves to detect, among other things, viruses, bacteria, and certain gene segments, messenger RNA, or microRNA.

Klassischerweise sind eine Reihe unterschiedlicher Anordnungen zum Aufbau von ThermoCyclern bekannt. Immer wieder wurden Lösungsideen zum beschleunigten, miniaturisierten Kühlen und Heizen publiziert, ohne dass der Wunsch nach noch höherer Geschwindigkeit sowie Präzision der Temperaturverläufe und die Exaktheit der Temperatursteuerung vollumfänglich erfüllt wurden. Zur Erhöhung der Geschwindigkeit wurden zur PCR-Analyse, sowie des damit einhergehenden Fertigungsaufwandes in der Vergangenheit zahlreiche Lösungen entwickelt und teilweise auch schutzrechtlich gesichert. So gibt es ULTRA FAST PCR -Geräte, welche dünne Röhrchen oder Kanäle in Verbindung mit temperierten Flächen zur Wärmeübertragung einsetzen.Solche sind beispielsweise unter der Adresse https://www.nextgenpcr.com/ im Internet zu finden.Traditionally, a number of different configurations for thermocyclers are known. Ideas for solutions for accelerated, miniaturized cooling and heating have been published time and again, but the desire for even greater speed, precision in temperature profiles, and exact temperature control have not been fully met. To increase the speed of PCR analysis and the associated manufacturing effort, numerous solutions have been developed in the past, some of which have even been protected by patents. For example, there are ULTRA FAST PCR devices that use thin tubes or channels in conjunction with temperature-controlled surfaces for heat transfer. Such are available, for example, at https://www.nextgenpcr.com / can be found on the Internet.

Ein weiterer Lösungsansatz nutzt nano-Partikel zur Umhüllung der PCR- bzw. mRNA-Substanz und zu deren abwechselnder schneller Kühlung und Erwärmung. Dies ist zu finden unter derAdresse https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-12/ifbs-doh120720.php.Another approach uses nanoparticles to enclose the PCR or mRNA substance and to alternately cool and heat it rapidly. This can be found under the Address https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-12/ifbs-doh120720.php .

Schnelle Temperaturwechsel lassen sich des Weiteren auch mit geeigneten zirkulierenden kalten und warmen Flüssigkeiten erreichen, wie in der Lösung gemäß derEP 000002535427 A2 vorgeschlagen.Rapid temperature changes can also be achieved with suitable circulating cold and warm liquids, as in the solution according to the EP 000002535427 A2 suggested.

Als sogenannter Goldstandard hat sich der Einsatz von Peltier-Elementen zum Heizen und Kühlen etabliert, da sich damit die Temperaturverläufe und die Exaktheit der Temperatursteuerung am besten beherrschen lassen. Der Einsatz von Peltier-Elementen, welche sich seit langem bekanntermaßen durch hervorragende Regelbarkeit auszeichnen, ist bereits seit 1987 aus dem PatentUS 4,639,883 bekannt. Eine andere bekannte Lösung besteht im Einsatz diskreter Peltier-Elemente, welche nach dem Stand der Technik mittels Wärmeleitpasten oder Wärmeleitklebern mit den weiteren separaten Komponenten des ThermoCyclers verbunden sind. So setzt beispielsweise dieEP 1 090 141 B1 einen Heizblock und separate Peltier-Elemente sowie einem Kühlkörper ein. Für klassische ThermoCycler wurden verschiedene physikalische Effekte zum Heizen und Kühlen vorgeschlagen, welche teilweise auch großtechnisch genutzt werden. Im Zuge des Wunsches nach immer kürzeren Zeiten des Amplifikationszeitraums ermangelt es insbesondere neueren, relativ schnell arbeitenden Lösungen trotzdem an Sensitivität und präziser Quantifizierbarkeit.The use of Peltier elements for heating and cooling has established itself as the so-called gold standard, as they allow for the best control of temperature profiles and the precision of temperature control. The use of Peltier elements, which have long been known for their excellent controllability, has been patented since 1987. US$4,639,883 Another known solution is the use of discrete Peltier elements, which are connected to the other separate components of the ThermoCycler using thermal pastes or thermal adhesives. EP 1 090 141 B1 a heating block and separate Peltier elements, as well as a heat sink. Various physical effects for heating and cooling have been proposed for conventional thermocyclers, some of which are also used on a large scale. Despite the desire for ever shorter amplification times, newer, relatively fast solutions, in particular, lack sensitivity and precise quantification.

In derCN111521805 B ist beispielsweise als anderweitige technische Lösung ein neuartiges 2019-Coronavirus-Antigen-Nachweisreagenz und ein zugehöriges Herstellungsverfahren beschrieben. Das Nachweisreagenz besteht aus einem Probenpad, einem Konjugatpad, einer NC-Membran und einem Absorptionspad. Das Produkt ist einfach und bequem zu bedienen, hat eine kurze Erkennungszeit, eine hohe Empfindlichkeit und eignet sich gut für groß angelegte Voruntersuchungen primärer medizinischer Einrichtungen und zentraler Ausbruchsgebiete epidemischer Situationen. Allerdings ist die isothermale Amplifikation weniger empfindlich als die diagnostischen klassischen quantifizierbaren QPCR-Tests. Weiterhin ist bei derartigen Tests nachteilig, dass die falsch-negativen Ergebnisse relativ hoch sind und keine quantitativen Ct-Werte geliefert werden.In the CN111521805 B For example, as another technical solution, a novel 2019 coronavirus antigen detection reagent and a corresponding manufacturing process are described. The detection reagent consists of a sample pad, a conjugate pad, an NC membrane, and an absorption pad. The product is simple and convenient to use, has a short detection time, high sensitivity, and is well suited for large-scale screening of primary medical institutions and key outbreak areas of epidemic situations. However, isothermal amplification is less sensitive than the classic quantifiable QPCR diagnostic tests. Another disadvantage of such tests is that the false-negative rate is relatively high and no quantitative Ct values are provided.

Ein anderer Schnelltest nach der isothermalen DNA-Amplifikation ist aus derUS7829691 B2 bekannt. Dabei erfolgt eine zielspezifische Hybriderfassung (TSHC) als eine Nukleinsäure-Nachweismethode, die nicht nur schnell und empfindlich ist, sondern auch hochspezifisch und in der Lage ist, hoch homologe Nukleinsäure-Zielsequenzen zu unterscheiden. Die Methode erzeugt DNA/RNA-Hybride, die mit verschiedenen Methoden nachgewiesen werden können. Diese isothermale PCR-Testung ist weniger empfindlich als die diagnostischen klassischen quantifizierbaren QPCR-Tests. Falsch-negative Ergebnisse liegen dabei im Bereich von 5%. Als weitere Literaturstellen zum Stand der Technik werden folgende genannt:

1. 1.Rödiger, S, Schierack, P, Böhm, A, Nitschke, J, Berger, E, Frömmel, U, Schmidt, C, Ruhland, M, Schimke, I, Roggenbuck, D, Lehmann, W and Schröder, C (2012) A Highly Versatile Microscope Imaging Technology Platform for the Multiplex RealTime Detection of Biomolecules and Autoimmune Antibodies. Adv Biochem Engin/Biotechnol. DOI: 10.1007/10_2011_132
2. 2.Rödiger, S, Lehmann, W, Schröder, C, Schierack, P (2013) Bead-Technologien. Mikropartikelsysteme für die Nukleinsäurediagnostik. BIOspektrum, 153-156.
3. 3.Hanschmann, H, Rödiger, S, Kramer, T, Hanschmann, K, Steidle, M, Fingerle, V, Schmidt, C, Lehmann, W, and Schierack, P (2021) LoopTag FRET Probe System for Multiplex qPCR Detection of Borrelia Species.Life 2021, 11, 1163. https://doi.org/10.3390/life11111163

Another rapid test after isothermal DNA amplification is from the US7829691 B2 Target-specific hybrid capture (TSHC) is a nucleic acid detection method that is not only rapid and sensitive, but also highly specific and capable of distinguishing highly homologous nucleic acid target sequences. The method generates DNA/RNA hybrids that can be detected using various methods. This isothermal PCR test is less sensitive than the classic quantifiable QPCR diagnostic tests. False-negative results are in the range of 5%. Further literature on the state of the art is cited as follows:

1. 1. Rödiger, S, Schierack, P, Böhm, A, Nitschke, J, Berger, E, Frömmel, U, Schmidt, C, Ruhland, M, Schimke, I, Roggenbuck, D, Lehmann, W and Schröder, C (2012) A Highly Versatile Microscope Imaging Technology Platform for the Multiplex RealTime Detection of Biomolecules and Autoimmune Antibodies. Adv Biochem Engin/Biotechnol. DOI: 10.1007/10_2011_132
2. 2. Rödiger, S, Lehmann, W, Schröder, C, Schierack, P (2013) Bead technologies. Microparticle systems for nucleic acid diagnostics. BIOspektrum, 153-156 .
3. 3. Hanschmann, H, Rödiger, S, Kramer, T, Hanschmann, K, Steidle, M, Fingerle, V, Schmidt, C, Lehmann, W, and Schierack, P (2021) LoopTag FRET Probe System for Multiplex qPCR Detection of Borrelia Species.Life 2021, 11, 1163. https://doi.org/10.3390/life11111163

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen kompakten Präzisions-ThermoCycler mit Wärmereservoir und ein Verfahren zur schnellen Temperierung von Proben, d. h. zum schnellen, miniaturisierten Kühlen und Heizen zu schaffen, wobei der ThermoCycler eine lange Lebensdauer besitzt, das Verfahren eine höhere Geschwindigkeit der PCR- bzw. mRNA-Analyse ermöglicht, präzisere genau definierbare schnell regelbare Temperaturverläufe garantiert, die Exaktheit der Temperatursteuerung verbessert, der ThermoCycler ein kleines Volumen beansprucht, einfach handhabbar ist, welcher sich energieökonomisch betreiben lässt und welcher sich insbesondere in der Fluoreszenzmikroskopie einsetzen lässt.The invention is based on the object of creating a compact precision thermocycler with a heat reservoir and a method for rapid temperature control of samples, i.e. for rapid, miniaturized cooling and heating, wherein the thermocycler has a long service life, the method enables higher speed of PCR or mRNA analysis, guarantees more precise, precisely definable, quickly controllable temperature profiles, improves the accuracy of temperature control, the thermocycler requires a small volume, is easy to handle, can be operated in an energy-efficient manner and can be used in particular in fluorescence microscopy.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Oberbegriffs und des kennzeichnenden Teils des ersten und vierzehnten Patentanspruches gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen rückbezüglichen Unteransprüchen beschrieben. Erfindungsgemäß ist in dem neuartigen kompakten Präzisions-ThermoCycler zum beschleunigten, miniaturisierten Kühlen und Heizen in der medizinischen Diagnostik ein erstes metallisches Wärmereservoir 1, welches in der Regel als plattenförmige Trägerbasis ausgebildet ist, eingebaut und angeordnet, so dass mittels einer Temperaturregelung und separaten Heizelementen, wie Peltier-Elemente 7, dieses auf eine optimierte Temperatur (z.B. 40° C) eingestellt werden kann. In dem ersten Wärmereservoir 1 sind eine, zwei oder mehrere Kavitätenleisten 10 angeordnet. In den Kavitätenleisten 10 sind wiederum mehrere durchgehend offene Probenaufnahmeöffnungen 14 oder planare Auflagenflächen verteilt angeordnet. Auf diesem Wärmereservoir 1 können wahlweise mindestens ein, zwei oder mehrere Kühlblöcke 2 aufgebracht sein. Dabei sind das Wärmereservoir 1 und der/die Kühlblöcke 2 thermisch gekoppelt. In dem Versorgungs- und Regelblock 3 ist mindestens ein Mikrorechner 4 integriert. Im Inneren jeder Kavitätenleiste 10 oder anordenbaren Entwärmungsleisten sind ein, zwei oder mehrere thermisch angekoppelte Heat-Pipes 6 angeordnet. Das Wärmereservoir 1 ist direkt mit einer flächigen Seite der Peltier-Elemente 7 verbunden. Die andere flächige Seite der Peltier-Elemente 7 ist thermisch direkt mit den Kavitätenleisten 10 verbunden. Im oder am Wärmereservoir 1 und an den Kavitätenleisten 10 sind je ein, zwei oder mehrere Temperatursensoren 11 angeordnet. Das erste Wärmereservoir 1 oder weitere angeordnete Wärmereservoire können in Richtung eines verfahrbaren xyz-Objekttisches 12 thermisch isoliert ausgebildet sein. Bei mehreren angeordneten Kavitätenleisten 10 können verschiedene Temperaturzonen ausbildbar sein. Die Kavitätenleisten 10 anderer Temperaturzonen werden durch einen Isolator 9, welcher streifenförmig ausgebildet sein kann, voneinander getrennt sein. Alle Teile sind auf einem zwei- oder dreiachsig verfahrbaren geführten Objekttisch-Adapter 8 angeordnet.This object is achieved by the features of the preamble and the characterizing part of the first and fourteenth patent claims. Further advantageous embodiments are described in the dependent, reciprocal subclaims. According to the invention, a firstmetallic heat reservoir 1, which is generally designed as a plate-shaped support base, is installed and arranged in the novel, compact precision thermocycler for accelerated, miniaturized cooling and heating in medical diagnostics, so that it can be set to an optimized temperature (e.g., 40°C) by means of a temperature controller and separate heating elements, such asPeltier elements 7. One, two, ormore cavity strips 10 are arranged in thefirst heat reservoir 1. In turn, several continuously opensample receiving openings 14 or planar support surfaces are distributed in thecavity strips 10. At least one, two, ormore cooling blocks 2 can be optionally applied to thisheat reservoir 1. Theheat reservoir 1 and the cooling block(s) 2 are thermally coupled. At least one microcomputer 4 is integrated into the supply and control block 3. One, two, or more thermally coupledheat pipes 6 are arranged inside eachcavity strip 10 or arrangeable heat dissipation strips. Theheat reservoir 1 is directly connected to one flat side of the Peltierelements 7. The other flat side of the Peltierelements 7 is thermally connected directly to thecavity strips 10. One, two, ormore temperature sensors 11 are arranged in or on theheat reservoir 1 and on thecavity strips 10. Thefirst heat reservoir 1 or further arranged heat reservoirs can be thermally insulated in the direction of a movablexyz object stage 12. With several arrangedcavity strips 10, different temperature zones can be formed. The cavity strips 10 of other temperature zones will be separated from each other by aninsulator 9, which can be strip-shaped. All components are arranged on a guidedstage adapter 8 that can be moved along two or three axes.

Erfindungsgemäß können beim kompakten Präzisions-ThermoCycler neben dem ersten Wärmereservoir 1 bevorzugt auch ein zweites Wärmereservoir 5 oder zusätzliche weitere Wärmereservoire angeordnet werden, um die Thermozyklen an eine erforderliche probenspezifische möglichst schnelle Temperierung anzupassen.According to the invention, in the compact precision ThermoCycler, in addition to thefirst heat reservoir 1, asecond heat reservoir 5 or additional heat reservoirs can preferably be arranged in order to adapt the thermocycles to a required sample-specific temperature control as quickly as possible.

Vorteilhafterweise kann die erfindungsgemäße Lösung auf zwei- oder dreiachsig verfahrbaren xyz-Objekttische 12 oder Objekttisch-Adapter 8 marktüblicher Fluoreszenzmikroskope oder eines Pipettierautomaten in Kopplung mit einem Fluoreszenzmikroskop mit Blickrichtung 13 aufgesetzt werden.Advantageously, the solution according to the invention can be mounted on two- or three-axismovable xyz stage 12 orstage adapter 8 of commercially available fluorescence microscopes or an automatic pipetting device coupled with a fluorescence microscope withviewing direction 13.

Des Weiteren besteht das erste Wärmereservoir 1 und/oder die Kavitätenleiste 10 aus schnell wärmeleitenden Materialien wie aus Silber, Kupfer oder Aluminium und das zweite Wärmereservoir 5 besteht aus Nichtmetallen mit Phasenübergang (PCM-Material), welches eine hohe Wärmespeicherfähigkeit besitzt und mit einer vergrößerten Oberfläche ausgebildet ist.Furthermore, thefirst heat reservoir 1 and/or thecavity strip 10 consists of fast heat-conducting materials such as silver, copper or aluminum and thesecond heat reservoir 5 consists of non-metals with phase transition (PCM material), which has a high heat storage capacity and is designed with an enlarged surface.

Beim kompakten Präzisions-ThermoCycler sind die durchgehend offenen Probenaufnahmeöffnungen 14 in der/den Kavitätenleisten 10 kegelförmig ausgebildet, wobei in diese transparente, thermostabile Reaktionsgefäße mit planarem Boden kraftschlüssig einsteckbar sind oder auf die planare Auflagefläche transparente, planare, thermostabile Objektträger oder Biochips auflegbar sind. Das ermöglicht die Analyse unterschiedlichster Proben mit verschieden Arten von Probenbehältern.In the compact precision ThermoCycler, the continuously opensample receiving openings 14 in the cavity strip(s) 10 are conical, allowing transparent, thermostable reaction vessels with a planar bottom to be inserted into them with a force fit, or transparent, planar, thermostable slides or biochips to be placed on the planar support surface. This enables the analysis of a wide variety of samples using different types of sample containers.

In einer besonderen Ausführung kann über der/den Kavitätenleisten 10 eine beheizbare Beschwerungsplatte angeordnet werden, um einer Kondensatbildung entgegen zu wirken.In a special embodiment, a heatable weighting plate can be arranged above the cavity strip(s) 10 in order to counteract the formation of condensate.

Beim kompakten Präzisions-ThermoCycler bestehen das oder die Peltier-Elemente 7 aus Keramik- oder Metall-Platten, welche durch Löten, Kleben oder Pressen mit der/den Kavitätenleisten 10 und andererseits zum Wärmereservoir 1 zur Gewährleistung eines schnellen und verlustarmen Wärmeflusses kraft- und wärmeschlüssig verbunden sind. Vorteilhafterweise ist zwischen den verschiedenen Temperaturzonen eine zusätzliche Isolation 9 anzuordnen.In the compact precision ThermoCycler, the Peltier element(s) 7 consist of ceramic or metal plates, which are connected by soldering, gluing, or pressing to the cavity strip(s) 10 and, on the other hand, to theheat reservoir 1 to ensure a fast and low-loss heat flow. Advantageously, a thermally secure connection is provided between the various temperature zonesadditional insulation 9 must be arranged.

Es ist möglich, dass im Inneren der Kavitätenleiste 10, des Wärmereservoirs 1, oder anordenbaren Entwärmungsleisten Wärmeleiter Heat-Pipes 6, Wärmefolien, Wärmeleitpasten, Heat-Spreader und/oder Vapor-Chambers eingebettet werden.It is possible that heat conductors,heat pipes 6, heat foils, thermal pastes, heat spreaders and/or vapor chambers are embedded inside thecavity strip 10, theheat reservoir 1, or arrangeable heat dissipation strips.

Beim erfindungsgemäßen kompakten Präzisions-ThermoCycler können bei Bedarf beidseitig der Kavitätenleisten 10 Peltier-Elemente 7 angeordnet werden um den Wärmeeintrag oder die Wärmeabführung zu verbessern.In the compact precision ThermoCycler according to the invention,Peltier elements 7 can be arranged on both sides of the cavity strips 10 if required in order to improve the heat input or heat dissipation.

Vorteilhafterweise können beim kompakten Präzisions-ThermoCycler eine oder mehrere Kavitätenleisten 10 eine Temperaturzone bilden, welche streifenförmig verteilt sind und durch thermische Isolatoren 9 voneinander getrennt sind. Im Inneren einer Kavitätenleiste 10 können mehrere Heat-Pipes 6, Heat-Spreader und/oder Vapor-Chambers eingebettet sein, um den Wärmeübergang zum Wärmereservoir 1 und die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wärmeströme beim Heizen und Kühlen zu beschleunigen.Advantageously, in the compact precision thermocycler, one or more cavity strips 10 can form a temperature zone, which are distributed in strips and separated from each other bythermal insulators 9.Several heat pipes 6, heat spreaders, and/or vapor chambers can be embedded inside acavity strip 10 to accelerate the heat transfer to theheat reservoir 1 and the propagation speed of the heat flows during heating and cooling.

Kompakte Präzisions-ThermoCycler können in einer Gerätekonfiguration mit einem automatisierten inversen oder aufrechten Licht- oder Fluoreszenzmikroskop arbeiten, wobei die Gerätekonfiguration aus einem kompakten Präzisions-ThermoCycler mit angeordneten Mikroskopadapter, einer licht- oder fluoreszenzmikroskopischen Optik, einer Kamera, einem zwei oder dreiachsig verfahrbaren, motorisierten xyz-Objekttisch 12 und einer verbundenen und angeschlossenen Steuer- und Auswertesoftware besteht, um Proben automatisiert in Abstimmung mit dem vollautomatischen Mess- und Auswerteprozess zu temperieren.Compact precision ThermoCyclers can operate in a device configuration with an automated inverted or upright light or fluorescence microscope, whereby the device configuration consists of a compact precision ThermoCycler with arranged microscope adapter, a light or fluorescence microscopic optics, a camera, a two- or three-axis movable,motorized xyz stage 12 and a connected and connected control and evaluation software in order to automatically temperature control samples in coordination with the fully automated measurement and evaluation process.

Kompakte Präzisions-ThermoCycler können in einer Gerätekonfiguration mit einem automatisierten inversen oder aufrechten Licht- oder Fluoreszenzmikroskop arbeiten, wobei eine vorgelagerte Station zur Probenbestückung in die Kavitäten (Probenaufnahmeöffnungen 14), eine Transportvorrichtung (Tray, Fließband) zum gezielten Verfahren und Positionieren eines, oder zweier oder mehrerer kompakter Präzisions-ThermoCycler angeordnet ist und zur Analyse eine zweite Station mit mindestens einem Mikroskop, und einer Auswerteeinrichtung, wie bzw. einer Kamera ausgestattet ist.Compact precision thermocyclers can operate in a device configuration with an automated inverted or upright light or fluorescence microscope, with an upstream station for loading samples into the cavities (sample receiving openings 14), a transport device (tray, conveyor belt) for the targeted movement and positioning of one, or two or more compact precision thermocyclers, and a second station for analysis equipped with at least one microscope and an evaluation device, such as a camera.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur schnellen und präzisen Temperierung von Proben in Reaktionsräumen zur Durchführung und Auswertung von Polymerasekettenreaktionen (PCR-Tests) mit einem kompakten Präzisions-ThermoCycler werden die Kavitätenleisten 10 kraftschlüssig mit Reaktionsräumen, die mindestens die Reaktionslösung und/oder eine Probe enthalten, bestückt. Die Temperierung erfolgt über wärmeschlüssig verbundene Wärmeleiter multidirektional zwischen Probe, Kavitätenleiste 10, Peltier-Element 7, Wärmereservoir 1 und einem ggf. zweiten Wärmereservoir 5 energiesparend und steuerbar, so dass während aufeinanderfolgender Heiz- und Kühlzyklen eine Rekuperation erfolgt. Dadurch ist es möglich, dass bedarfsangepasst Wärme beschleunigt passiv oder aktiv an ein Umgebungsmedium, wie beispielsweise die Umgebungsluft abgegeben werden kann. Im Prinzip kann aber auch unter einem anderen Schutzmedium analysiert werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Reaktionslösungen, Reaktionsgele, Reaktionsfestkörper oder Reaktionsgase thermocyclisch, isothermal oder durch einen Temperaturgradienten qualitativ und quantitativ schnell temperiert, um chemische und oder enzymatische Reaktionen, Kristallisationen, molekulare Interaktion bzw. Konformationsänderungen, das Wachstum von Zellen, Geweben oder Mikroorganismen, Fluoreszenzmessvorgänge, Phasenübergänge, Lösungsvorgänge, Ablösungsvorgänge, Hybridisierungen oder Dehybridisierungen, Antikörper-/Antigenbindungen bzw. -dissoziationen thermisch zu starten, zu steuern oder zu beenden. Der erfindungsgemäße kompakte Präzisions-ThermoCycler ermöglicht es, Reaktionslösungen thermisch zu starten, geeignet zu steuern oder verfahrensgenau zu beenden, um Polymerasekettenreaktionen, Ligasekettenreaktionen, isothermale Nukleinsäureamplifikationen, sowie Schmelzkurvenanalysen von Nukleinsäuren und Proteinen durchzuführen. Im integrierten Mikrorechner 4 ist eine Steuerungssoftware mit umfassenden Algorithmen hinterlegt, welche das Verfahren so steuert, dass die Wärme sehr verlustarm und schnell aus dem Wärmereservoir 1 über das Wärmeleitsystem und aus dem Peltier-Element 7 in die Probe eingetragen und wieder zurück in das Wärmereservoir 1 oder die jeweils angeordneten Wärmereservoire abgeführt werden kann, um schnelle Thermozyklen in der Probe möglichst energiesparend zu realisieren.In the method according to the invention for the rapid and precise temperature control of samples in reaction chambers for conducting and evaluating polymerase chain reactions (PCR tests) using a compact precision thermocycler, the cavity strips 10 are force-fitted with reaction chambers containing at least the reaction solution and/or a sample. Temperature control is achieved via thermally connected heat conductors multidirectionally between the sample,cavity strip 10,Peltier element 7,heat reservoir 1, and, if required, asecond heat reservoir 5 in an energy-saving and controllable manner, so that recuperation occurs during successive heating and cooling cycles. This makes it possible for heat to be released passively or actively to an ambient medium, such as the ambient air, at an accelerated rate as needed. In principle, however, analysis can also be performed under a different protective medium. The method according to the invention allows reaction solutions, reaction gels, reaction solids, or reaction gases to be rapidly and qualitatively and quantitatively tempered thermocyclically, isothermally, or by means of a temperature gradient in order to thermally start, control, or terminate chemical and/or enzymatic reactions, crystallizations, molecular interactions or conformational changes, the growth of cells, tissues, or microorganisms, fluorescence measurement processes, phase transitions, dissolution processes, detachment processes, hybridizations or dehybridizations, and antibody/antigen binding or dissociation. The compact precision ThermoCycler according to the invention enables reaction solutions to be thermally started, suitably controlled, or terminated with process precision in order to perform polymerase chain reactions, ligase chain reactions, isothermal nucleic acid amplifications, and melting curve analyses of nucleic acids and proteins. The integrated microcomputer 4 contains control software with comprehensive algorithms which controls the process in such a way that the heat can be transferred from theheat reservoir 1 via the heat conduction system and from thePeltier element 7 into the sample with very little loss and quickly and can be dissipated back into theheat reservoir 1 or the respective arranged heat reservoirs in order to realize fast thermal cycles in the sample in the most energy-efficient way possible.

Vorteilhafterweise wird beim erfindungsgemäßen Verfahren das Wärmereservoire 1 und 5 auf eine Temperatur zwischen dem oberen Temperaturniveau (Denaturierung bei 94-96° C) und der Raumtemperatur (bei 25° C) eingestellt und die geringen zu überbrückenden Temperaturdifferenzen werden mittels Peltier-Elementen 7 geregelt.Advantageously, in the method according to the invention, theheat reservoirs 1 and 5 are set to a temperature between the upper temperature level (denaturation at 94-96° C) and the room temperature (at 25° C) and the small temperature differences to be bridged are controlled by means ofPeltier elements 7.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass die beim Betrieb der Peltier-Elemente 7 auftretende Verlustwärme nicht wie bisher bei jedem Zyklus durch intensives Kühlen abgeführt wird, sondern direkt im ThermoCycler zwischen gespeichert wird, denn es ist aufwendig und teuer, größere Wärmemengen immer wieder abzuführen (Kühlen) und nachfolgend erneut wieder zuzuführen (Heizen). Diese Wärmeströme zum Wärmereservoir 1 hin und vom Wärmereservoir 1 weg in Verbindung mit einer direkten Zwischenspeicherung verringern die zum Betrieb erforderliche Energie erheblich, so dass ein Rekuperationseffekt auftritt. Neben einer Energieeinsparung kann die gesamte Anordnung zudem erheblich verkleinert und sehr kompakt ausgeführt werden. Außerdem verringert sich durch die offenbarte Erfindung die thermische Materialbelastung aller Komponenten insbesondere der Peltier-Elemente 7. Neben dem Nutzen durch Energie- und Kosteneinsparung vergrößert sich zusätzlich die Lebensdauer, wenn der kompakte Präzisions-ThermoCycler in ein durch ein Gehäuse geschlossenes mikroskopisches Messinstrument integriert wird, welches bekanntermaßen empfindlich auf Temperaturschwankungen reagiert. Je höher der Energieeintrag in das Messgerät ausfällt, umso aufwändiger wird die aktive Kühlung des Messgerätes durch zusätzliche Kosten bei der Konstruktion und des Betriebs. Im Routinelabor sind die negativen Auswirkungen auf das Arbeitsumfeld durch Abwärme und Lüftergeräusche wohlbekannte Störungen.The advantage of the solution according to the invention lies in the fact that the heat loss occurring during operation of thePeltier elements 7 is not dissipated by intensive cooling during each cycle as was previously the case, but is stored directly in the ThermoCycler, because it is complex and expensive to repeatedly dissipate large amounts of heat. lead (cooling) and subsequently fed back in again (heating). These heat flows to and from theheat reservoir 1, in conjunction with direct intermediate storage, significantly reduce the energy required for operation, so that a recuperation effect occurs. In addition to energy savings, the entire arrangement can also be made considerably smaller and very compact. Furthermore, the disclosed invention reduces the thermal material load of all components, in particular thePeltier elements 7. In addition to the benefits of energy and cost savings, the service life is also increased when the compact precision ThermoCycler is integrated into a microscopic measuring instrument enclosed by a housing, which is known to react sensitively to temperature fluctuations. The higher the energy input into the measuring instrument, the more complex the active cooling of the measuring instrument becomes due to additional costs in construction and operation. In routine laboratories, the negative effects on the working environment caused by waste heat and fan noise are well-known disturbances.

Durch die erfolgte Verkleinerung der von den Peltier-Elementen zu überstreichenden Temperaturunterschiede steigt deren Wirkungsgrad. Das Wärmereservoir 1 kann in einfacher Art und Weise auf eine optimierte Temperatur eingestellt werden. Die optimale Temperatur (z.B. 40°C) ergibt sich jeweils aus der Dauer der Heiz- und Kühlzyklen sowie den erforderlichen Temperaturdifferenzen unter dem Aspekt eines minimalen Wärmetransfers. Der Effekt der Rekuperation entfaltet seine Wirkung vor allem bei optimaler Temperaturregelung, d. h. bis zu dem vom Wirkungsgrad der Peltier-Elemente 7 begrenzten Maß beim Kühlen.By reducing the temperature differences that the Peltier elements must overcome, their efficiency increases.Heat reservoir 1 can be easily adjusted to an optimized temperature. The optimal temperature (e.g., 40°C) is determined by the duration of the heating and cooling cycles and the required temperature differences, taking into account minimal heat transfer. The effect of recuperation is particularly effective with optimal temperature control, i.e., up to the extent limited by the efficiency of thePeltier elements 7 during cooling.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist, dass die beim Kühlen auftretenden Verlustleistungsspitzen schnell in ein metallisches (beispielsweise aus Silber, Kupfer oder Aluminium) Wärmereservoir 1 abgeführt werden können. Im Bestreben nach noch schnelleren Temperaturwechseln kann eine weitere Steigerung der Wärmespeicherkapazität durch Einsatz eines zweiten Wärmereservoirs 5, bestehend aus PCM-Material (Phase Change Material), erreicht werden. Hierbei nimmt das metallische Wärmereservoir 1 insbesondere die kurzzeitigen Leistungsspitzen schnell auf, während das zweite PCM-Wärmereservoir 5 relativ größere Wärmemengen zwischenspeichert. Dabei ergibt sich ein insgesamt besseres Leistungs-/ Masse-Verhältnis, da das PCM-Material gegenüber metallischen Ausführungen im relevanten Temperaturbereich wesentlich mehr Wärmeenergie auf- bzw. abgeben kann.Another significant advantage is that the power loss peaks that occur during cooling can be quickly dissipated into a metallic (for example, made of silver, copper, or aluminum)heat reservoir 1. In the pursuit of even faster temperature changes, a further increase in heat storage capacity can be achieved by using asecond heat reservoir 5 made of PCM (Phase Change Material). Themetallic heat reservoir 1 quickly absorbs, in particular, short-term power peaks, while the secondPCM heat reservoir 5 temporarily stores relatively larger amounts of heat. This results in an overall better power-to-mass ratio, since the PCM material can absorb and release significantly more heat energy than metallic designs in the relevant temperature range.

Das PCM-Material lässt sich jeweils nach der optimal erforderlichen Wärmereservoir-Temperatur auswählen. Um trotz der langsameren Wärmespeicherung im zweiten Wärmereservoir 5 genügend Energie aus dem ersten Wärmereservoir 1 abzuleiten, wird die Kontaktoberfläche zwischen beiden Reservoiren erhöht, indem Metallzapfen oder -rippen des ersten Wärmereservoirs 1 weit in das PCM hineinreichen. Das metallische erste Wärmereservoir 1 bestimmt maßgeblich die Geschwindigkeit und Wirksamkeit der Gesamtanordnung.The PCM material can be selected according to the optimal required heat reservoir temperature. To dissipate sufficient energy from thefirst heat reservoir 1 despite the slower heat storage in thesecond heat reservoir 5, the contact surface between the two reservoirs is increased by extending metal pins or fins of thefirst heat reservoir 1 deep into the PCM. The metallicfirst heat reservoir 1 significantly determines the speed and effectiveness of the overall arrangement.

Darüber hinaus kann die Wärmeausbreitungsgeschwindigkeit durch ein System von miteinander verbundenen Wärmeleitern durch Einsatz von Heat-Pipes 6, Heat-Spreaders, Wärmefolien oder Vapor-Chambers und metallischen konstruktiven Elementen, wie die Kavitätenleisten, metallische Peltierelemente, Lötverbindungen wesentlich beschleunigt werden. Zum kompletten Aufbau des ThermoCyclers gehören die Führung zum verfahrbaren Objekttisch-Adapter 8, Befestigungselemente und der Isolation zwischen den Temperaturzonen 9 und mehrere Kavitätenleisten 10. Außerdem kann noch eine thermische Isolation in Richtung des xyz-Objekttisches 12 angeordnet sein, damit beispielsweise ein Mikroskop nicht erwärmt wird.Furthermore, the heat propagation rate can be significantly accelerated by a system of interconnected heat conductors usingheat pipes 6, heat spreaders, heat foils, or vapor chambers, and metallic structural elements such as cavity strips, metallic Peltier elements, and solder joints. The complete structure of the ThermoCycler includes the guide for themovable stage adapter 8, fastening elements and insulation between thetemperature zones 9, and several cavity strips 10. Furthermore, thermal insulation can be arranged in the direction of thexyz stage 12 to prevent, for example, a microscope from heating up.

Die kompakte Bauweise und die geringen Abmessungen erlauben den einfachen Einsatz in einer Vielzahl handelsüblicher Mikroskope. Im erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Kombination bevorzugt mit automatisierten Mikroskopen, so dass die Temperierung und der Messprozess vollautomatisch softwaregesteuert und aufeinander abgestimmt ausgeführt werden kann. Neben der bevorzugten mikroskopischen Auswertung der Probe ist es ebenso möglich, den kompakten Präzisions-ThermoCycler selbst mit entsprechender Messtechnik basierend auf optischer oder elektrischer Sensorik zu versehen. Diese Messtechnik kann vollständig integriert werden, wird aber bevorzugt über den Mikroskopadapter als unabhängiges Readermodul angeschlossen.The compact design and small dimensions allow for easy use in a variety of commercially available microscopes. In the method according to the invention, the combination is preferably carried out with automated microscopes, so that the temperature control and the measurement process can be carried out fully automatically, software-controlled, and coordinated. In addition to the preferred microscopic evaluation of the sample, it is also possible to equip the compact precision ThermoCycler itself with appropriate measurement technology based on optical or electrical sensors. This measurement technology can be fully integrated, but is preferably connected via the microscope adapter as an independent reader module.

Die Kombination der schnellen thermocyclischen Temperierung von Reaktionsräumen mit der Mikroskop-optischen Auswertung und insbesondere der Mehrfarben-Fluoreszenzmikroskopie erlaubt eine Reihe von Untersuchungen an mikroskopischen Strukturen bei gleichzeitiger Temperierung des Reaktionsraumes und somit auch der Mikrostrukturen, die bislang nicht möglich oder zumindest nicht optimal möglich waren. Dies betrifft insbesondere fluoreszenzgekoppelte, thermocyclische oder isothermale Reaktionen wie Multiplex-Realtime-PCR oder LAMP auf Biochips und Beadassays z.B. zum Nachweis verschiedener Mikroorganismen oder molekularer Tumormarker. Solche Multiplex-Nachweise können zusätzlich mit Schmelzkurvenanalysen kombiniert werden, um die Bindungsstärke von Analyten wie z.B. die Avidität von Antikörpern zu messen oder um Single Nucleotid Polymorphisms (SNP) in Genen zu analysieren. Zur Durchführung von Schmelzkurvenanalysen werden Stufengradienten oder lineare Gradienten bei gleichzeitiger stufenweiser oder kontinuierlicher Auswertung der Reaktion angewendet. Durch das offenbarte Verfahren der Kopplung der eversen oder bevorzugt der inversen Mehrfarben-Fluoreszenzmikroskopie mit einer thermischen Reaktionsführung können Zellen, Gewebe bzw. Biomoleküle einzeln oder kombiniert in Multiplexsystemen bis hin zur Einzelmolekülauflösung, also der optischen Auflösung von Nanostrukturen, untersucht werden. Es ist ebenso möglich, die Mikroskopoptik so einzusetzen, dass die o.g. Reaktionen wahlweise auch summativ ohne optische Auflösung der Mikro- und Nanostrukturen im Reaktionsraum gemessen werden können. Alternativ ist es möglich, die Auswertung ähnlich, wie beim Stand der Technik im einfachsten Falle durch eine Kombination von LED, optischen Filtern und Photodioden durch eine einfache Fluoreszenzoptik zu gestalten und in Kombination mit der erfindungsgemäßen Lösung und dem zugehörigen erfindungsgemäßen Verfahren zur schnellen Temperierung von Proben z.B. PCR-Tests oder isothermale Amplifikationsreaktionen, ohne bildgebende und bildanalysierende Verfahren anzuwenden und auszuwerten.The combination of rapid thermocyclic temperature control of reaction chambers with microscopic optical evaluation, and in particular multicolor fluorescence microscopy, allows a range of investigations of microscopic structures with simultaneous temperature control of the reaction chamber and thus also of the microstructures, which were previously not possible or at least not optimally possible. This particularly applies to fluorescence-coupled, thermocyclic or isothermal reactions such as multiplex real-time PCR or LAMP on biochips and bead assays, e.g., for the detection of various microorganisms or molecular tumor markers. Such multiplex detection methods can also be combined with melting curve analysis. can be combined to measure the binding strength of analytes such as the avidity of antibodies or to analyze single nucleotide polymorphisms (SNPs) in genes. To carry out melting curve analyses, step gradients or linear gradients are used with simultaneous stepwise or continuous evaluation of the reaction. By means of the disclosed method of coupling eversen or preferably inverse multi-color fluorescence microscopy with a thermal reaction control, cells, tissues or biomolecules can be examined individually or in combination in multiplex systems down to single-molecule resolution, i.e. the optical resolution of nanostructures. It is also possible to use the microscope optics in such a way that the above-mentioned reactions can optionally be measured summatively without optical resolution of the micro- and nanostructures in the reaction chamber. Alternatively, it is possible to design the evaluation in a similar way to the state of the art, in the simplest case by a combination of LEDs, optical filters and photodiodes using a simple fluorescence optics and to apply and evaluate it in combination with the solution according to the invention and the associated method according to the invention for the rapid tempering of samples, e.g. PCR tests or isothermal amplification reactions, without imaging and image analysis methods.

Der Gedanke der bildgebenden Auswertung thermozyklisch gesteuerter Reaktionen wurde erstmals von Lehmann et al. (EP2167964) beschrieben und als Funktionsmuster von Rödiger et al. (2012) am Beispiel eines Einkavitätenzyklers umgesetzt. Für das moderne molekularbiologische Labor ist die Auswertung einzelner Proben jedoch nicht ausreichend, um im Routinebetrieb eingesetzt werden zu können. Rödiger et al. (2013) konnten zeigen, dass es möglich war, mit erheblichem konstruktiven Aufwand bei der Wärmeabführung durch externe Kühlkörper einen ThermoCycler für eine Kavitätenleiste mit 8 Kavitäten konstruktiv und baulich umzusetzen. Diese Art des Wärmemanagements schloss jedoch eine weitere Integration von mindestens drei jeweils 8 Kavitäten umfassenden Kavitätenleisten in einem ThermoCycler aus. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau des kompakten Präzisions-ThermoCyclers und das offenbarte Verfahrens eines Wärmemanagements für ThermoCycler kann nun erstmals die Integration von einer hinreichenden Anzahl von mikroskopierbaren Kavitätenleisten 10 in einem ThermoCycler baulich umgesetzt werden, ohne die Standardmaße der Mikrotestplatten-Objektaufnahme eines Mikroskops zu überschreiten. Durch die Verwendung von 4 Kavitätenleisten 10 mit jeweils 3 x 8 Kavitäten wird das 96-Wellformat erreicht, welches üblicherweise in Routinelabors zum Einsatz kommt. Jede dieser Kavitätenleisten 10 kann individuell in Form einer Temperaturzone temperiert werden.The idea of imaging evaluation of thermocyclically controlled reactions was first introduced by Lehmann et al. ( EP2167964 ) and implemented as a functional model by Rödiger et al. (2012) using the example of a single-cavity cycler. However, for the modern molecular biology laboratory, the evaluation of individual samples is not sufficient for use in routine operation. Rödiger et al. (2013) were able to show that it was possible to construct and design a ThermoCycler for a cavity strip with 8 cavities with considerable design effort in heat dissipation through external heat sinks. However, this type of heat management ruled out the further integration of at least three cavity strips, each comprising 8 cavities, in a ThermoCycler. Due to the inventive design of the compact precision ThermoCycler and the disclosed method of heat management for ThermoCyclers, the integration of a sufficient number of microscopically viewable cavity strips 10 in a ThermoCycler can now be implemented for the first time without exceeding the standard dimensions of the microtest plate specimen holder of a microscope. By using fourcavity strips 10, each with 3 x 8 cavities, the 96-well format commonly used in routine laboratories is achieved. Each of these cavity strips 10 can be individually controlled as a temperature zone.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung soll an Hand der1 und2 in ihrem Aufbau und ihrer Wirkungsweise näher erläutert werden.1 zeigt die Explosionszeichnung eines kompakten Präzisions-ThermoCyclers mit einem Wärmereservoir 1. Zur Abführung überschüssiger Verlustwärme dient der Kühlblock 2, welcher vorteilhafterweise als ein Aggregat, bestehend aus einem Alu-Vierkant-Profil mit integriertem Ventilator konstruiert ist. Damit das erste Wärmereservoir 1 schnell die optimale Betriebstemperatur erreicht, ist das erste Wärmereservoir 1 mit einer Bedarfsheizung 15 verbunden.The device according to the invention is intended to be 1 and 2 their structure and mode of operation are explained in more detail. 1 shows the exploded view of a compact precision ThermoCycler with aheat reservoir 1. Thecooling block 2 serves to dissipate excess heat loss. It is advantageously constructed as a unit consisting of a square aluminum profile with an integrated fan. To ensure that thefirst heat reservoir 1 quickly reaches the optimal operating temperature, thefirst heat reservoir 1 is connected to ademand heater 15.

Sofern eine höhere Wärmespeicherfähigkeit und damit eine höhere Wärme-Rekuperation (Wärmerückgewinnung) gewünscht ist, kann dem schnell wirkenden metallischen Wärmereservoir 1 ein oder mehrere Wärmereservoire aus PCM-Material 5 nachgeschaltet werden. In Kombination von einem ersten Wärmereservoir 1 und mindestens einem zweiten Wärmereservoir 5 ergibt sich ein sehr wirksames komplexes Wärmereservoir, welches die Eigenschaften hoher Volumen- und Gewichtseffizienz, hohe Wärmeenergie-Speicherfähigkeit mit schneller Wärmeleistungsaufnahme verbindet. Die an sich relativ langsame Lade- und Entladegeschwindigkeit des PCM-Wärmespeichers 5 kann durch Vergrößerung der Kontaktoberfläche zwischen beiden Reservoiren erheblich erhöht werden. Vorteilhafterweise wird dieser Effekt durch angeordnete Metallzapfen oder -rippen des ersten Wärmereservoirs 1 erreicht, indem diese konstruktiv so ausgebildet sind, dass diese weit in das PCM-Wärmereservoir 5 hineinreichen. Gleichzeitig wird auf diese Weise gegenüber einer naheliegenden separaten Gestaltung der Wärmereservoire eine unerwünschte Wärmedurchgangsfläche eliminiert.If greater heat storage capacity and thus greater heat recuperation (heat recovery) is desired, one or more heat reservoirs made ofPCM material 5 can be connected downstream of the fast-actingmetallic heat reservoir 1. The combination of afirst heat reservoir 1 and at least onesecond heat reservoir 5 results in a highly effective, complex heat reservoir that combines the properties of high volume and weight efficiency, high thermal energy storage capacity, and rapid heat power absorption. The relatively slow charging and discharging rate of thePCM heat reservoir 5 can be significantly increased by increasing the contact surface between the two reservoirs. This effect is advantageously achieved by arranging metal pins or fins on thefirst heat reservoir 1, which are designed to extend deep into thePCM heat reservoir 5. At the same time, this eliminates an undesirable heat transfer surface compared to a more obvious separate design of the heat reservoirs.

Die Kavitätenleisten 10 enthalten konische Öffnungen (Kavitäten) zur Aufnahme der Probengefäße, wie z.B. Nucleolink-Module (Nunc). Der Winkel der Konen (z.B. 17,2°) ist so gewählt, dass die Probengefäße bei den zyklischen Temperaturveränderungen durch Reibung selbsthemmend und kraftschlüssig in der Kavitätenleiste 10 gehalten werden. Damit wird eine gute, stabile Wärmeübertragung zwischen den Proben über die Probengefäße und den Kavitätenleisten 10 gewährleistet. Zur Kühlung und Heizung werden entsprechend dem Goldstandard der klassischen PCR-Technik Peltier-Elemente 7 eingesetzt. Der Kennlinienverlauf der Temperatur in der2 belegt die realisierte, hervorragende Exaktheit der Temperatursteuerung ohne nennenswerte Überschwingungen in den Temperaturverläufen. Zur Verkürzung der Temperatur-Übergangszeiten werden im Inneren der Kavitätenleisten 10 zusätzlich Heat-Pipes 6 eingebettet. Damit wird die Geschwindigkeit der Temperaturübergänge real um eine Größenordnung erhöht.The cavity strips 10 contain conical openings (cavities) for receiving sample vessels, such as Nucleolink modules (Nunc). The angle of the cones (e.g. 17.2°) is selected so that the sample vessels are held in thecavity strip 10 in a self-locking and force-fitting manner during cyclic temperature changes due to friction. This ensures good, stable heat transfer between the samples via the sample vessels and the cavity strips 10.Peltier elements 7 are used for cooling and heating, in accordance with the gold standard of classical PCR technology. The characteristic curve of the temperature in the 2 demonstrates the outstanding precision of the temperature control achieved without any significant overshoots in the temperature curves. To shorten the temperature transition times,additional heat pipes 6 are embedded inside the cavity strips 10. This effectively increases the speed of the temperature transitions by an order of magnitude.

Die an beiden Enden der Heat-Pipes 6 positionierten Peltier-Elemente 7 können bei Bedarf die Wärmeübertragungsfähigkeit der Heat-Pipes 6 im Vergleich zum Einsatz einer einseitig temperierten Heat-Pipe 6 bis zu vierfach, d.h. ganz erheblich vergrößern. Und zwar indem von beiden Seiten ein Wärmestrom in die Kavitätenleisten 10 eingebracht und zusätzlich der Weg des Wärmestromes halbiert wird.ThePeltier elements 7 positioned at both ends of theheat pipes 6 can, if necessary, significantly increase the heat transfer capacity of theheat pipes 6 by up to four times compared to the use of aheat pipe 6 with a single-sided temperature control. This is done by introducing a heat flow into the cavity strips 10 from both sides and additionally halving the path of the heat flow.

Zur exakten Steuerung der Temperaturverläufe sind mehrere Temperatursensoren 11 angeordnet, welche zumindest in jeder Kavitätenleiste 10 an einer Temperaturzone und am Wärmereservoir 1 geeignet befestigt sind. Die Steuerung der Energiezuführung in die Peltier-Elemente 7 erfolgt durch einen aufgesetzten Energieversorgungs- und Regelblock 3. Vorteilhafterweise sind die entsprechenden Algorithmen in Form digitaler Regelung mittels eines in den Energieversorgungs- und Regelblock 3 integrierten Mikrorechners 4 realisiert.For precise control of the temperature profiles,several temperature sensors 11 are arranged, which are suitably attached to a temperature zone at least in eachcavity strip 10 and to theheat reservoir 1. The energy supply to thePeltier elements 7 is controlled by an attached energy supply and control block 3. Advantageously, the corresponding algorithms are implemented in the form of digital control by means of a microcomputer 4 integrated into the energy supply and control block 3.

Auf Grund der kompakten sehr kleinen Bauweise kann der erfindungsgemäße ThermoCycler direkt auf einen in die drei räumlichen Dimensionen verfahrbaren xyz-Objekttisch 12 eines üblichen Fluoreszenzmikroskopes (in1 nur schematisch angedeutet) montiert werden. Mit einem realisierbaren Eigengewicht des erfindungsgemäßen ThermoCyclers von ca. nur 1,5 kg lassen sich dem Stand der Technik entsprechende xyz-Tische von Standardmikroskopen mit hoher Beschleunigungsrate und damit respektive sehr geringer Verfahrzeit nutzen.Due to its compact, very small design, the ThermoCycler according to the invention can be mounted directly on anxyz stage 12 of a conventional fluorescence microscope (in 1 only schematically indicated). With a feasible dead weight of the inventive ThermoCycler of only approximately 1.5 kg, state-of-the-art xyz stages of standard microscopes with high acceleration rates and thus very short travel times can be used.

1 zeigt die bevorzugte Blickrichtung eines Mikroskops 13, d. h. die Betrachtungsrichtung des Mikroskops 13 ist von unten auf den Boden der Probengefäße und damit durch diese hindurch auf die Proben gerichtet. Diese Blickrichtung erschließt den Vorteil, dass sich bildgebende Partikel der Proben (z.B. Beads bei der Auswertung von Beadassays, sieheRödiger et al. 2012, Rödiger et al. 2017, Hanschmann et al. 2021), welche sich am Boden der Probenbehälter sammeln und absetzen, somit in der Regel die Entfernung der Partikel zum Mikroskop in engen Rahmen konstant ist. Damit wird eine wesentliche Voraussetzung für die quantitative hochwertige PCR-Analyse durch Bereitstellung von scharfen, kontrastreichen Bildern in Echtzeit erfüllt, aus denen letztlich die Extraktion der Daten für die Auswertung von z.B. PCR- oder Schmelzkurvenanalysen erfolgt. Die hiermit beschriebene optische Anordnung bezieht sich in erster Linie auf inverse Mikroskope. Im Prinzip können mit der erfindungsgemäßen Lösung aber auch aufrecht stehende Mikroskope eingesetzt werden, wenn dies z.B. für In situ-Untersuchungen an lebenden Zellen vorteilhaft ist. Es kann auch gänzlich oder wahlweise auf die Bildgebung bei der Auswertung verzichtet werden.1 shows the preferred viewing direction of amicroscope 13, ie the viewing direction of themicroscope 13 is directed from below to the bottom of the sample vessels and thus through them to the samples. This viewing direction offers the advantage that imaging particles of the samples (e.g. beads during the evaluation of bead assays, see Rödiger et al. 2012, Rödiger et al. 2017, Hanschmann et al. 2021 ), which collect and settle at the bottom of the sample container, so that the distance of the particles to the microscope is generally constant within a narrow range. This fulfills an essential prerequisite for quantitative, high-quality PCR analysis by providing sharp, high-contrast images in real time, from which the data for the evaluation of, for example, PCR or melting curve analyses is ultimately extracted. The optical arrangement described here relates primarily to inverted microscopes. In principle, however, upright microscopes can also be used with the solution according to the invention if this is advantageous, for example, for in situ investigations on living cells. Imaging can also be dispensed with entirely or optionally during analysis.

Bei temperierten Untersuchungen von Biochips, ggf. in Kombination mit einer Amplifikation, können die Biochips auf die obere Auflagefläche der Kavitätenleisten 10 aufgelegt werden. Durch die Öffnungen in den Kavitätenleisten 10 können dann je nach Skalierung bis zu 96 Beobachtungspunkte genutzt werden. Weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten dieses Ansatzes sind die Auflage von geeigneten Objektträgern und die Anordnung von Biochips und Objektträgern an der Unterseite der Kavitätenleisten 10 mittels einer einfachen geeigneten Andrück- bzw. Ansaugoption.For temperature-controlled biochip examinations, possibly in combination with amplification, the biochips can be placed on the upper support surface of the cavity bars 10. Depending on the scaling, up to 96 observation points can then be used through the openings in the cavity bars 10. Further configuration options for this approach include the placement of suitable slides and the arrangement of biochips and slides on the underside of the cavity bars 10 using a simple, suitable pressure or suction option.

Einen typischen Temperaturverlauf, welcher mit dem kompakten Präzisions-ThermoCycler und mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens für PCR-Zyklen erreicht wurde, zeigt2. Die drei Temperaturphasen des PCR-Zyklus werden in der erfindungsgemäßen Lösung sehr schnell und nahezu ohne Überschwingen der Temperatur angefahren und somit sehr stabil gehalten:

1. 1. Denaturierung bei 94-96°C: Die komplementären Doppelstränge werden bei dieser hohen Temperatur entlang der Wasserstoffbrückenbindungen voneinander getrennt, also denaturiert, sodass sie als Einzelstränge vorliegen.
2. 2. Hybridisierung bei 50-70°C: Die Spiegelbildkopie des charakteristischen Abschnitts der nachzuweisenden DNA-Sequenz lagert sich an die Einzelstränge an, indem Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den komplementären Nukleinbasen ausgebildet werden.
3. 3. Polymerisation bei 70-74°C: Bei dieser Temperatur synthetisiert z.B. eine DNA-Polymerase den neuen Strang optimal, indem sich die komplementär bindenden Nukleotide verknüpfen.

A typical temperature profile, which was achieved with the compact precision ThermoCycler and by means of the method according to the invention for PCR cycles, is shown 2 . The three temperature phases of the PCR cycle are approached very quickly in the solution according to the invention and almost without overshooting of the temperature and thus kept very stable:

1. 1. Denaturation at 94-96°C: At this high temperature, the complementary double strands are separated from each other along the hydrogen bonds, i.e. denatured, so that they exist as single strands.
2. 2. Hybridization at 50-70°C: The mirror image copy of the characteristic section of the DNA sequence to be detected attaches to the single strands by forming hydrogen bonds between the complementary nucleic bases.
3. 3. Polymerization at 70-74°C: At this temperature, a DNA polymerase, for example, optimally synthesizes the new strand by linking the complementary binding nucleotides.

2 zeigt im Temperaturbereich von 28° C bis 32° C (untere durchgehende Linie) die nur sehr geringfügigen Schwankungen der Temperatur des Wärmereservoirs 1 mit einem erfindungsgemäßen kompakten Präzisions-ThermoCycler in Folge der Aufnahme bzw. Abgabe von Wärmeenergie beim Heizen bzw. Kühlen.2 shows in the temperature range from 28° C to 32° C (lower solid line) the only very slight fluctuations in the temperature of theheat reservoir 1 with a compact precision ThermoCycler according to the invention as a result of the absorption or release of heat energy during heating or cooling.

Bezugszeichenliste zum kompakten Präzisions-ThermoCyclerReference symbol list for the compact precision ThermoCycler

11

erstes Wärmereservoir metallischfirst heat reservoir metallic

22

KühlblockCooling block

33

Energieversorgungs- und RegelblockPower supply and control block

44

Integrierter MikrorechnerIntegrated microcomputer

55

zweites Wärmereservoir aus PCM-Materialsecond heat reservoir made of PCM material

66

Heat-PipeHeat pipe

77

Peltier-ElementPeltier element

88

Objekttisch-AdapterStage adapter

99

Thermischer Isolator zwischen TemperaturzonenThermal insulator between temperature zones

1010

KavitätenleisteCavity bar

1111

TemperatursensorTemperature sensor

1212

verfahrbarer xyz-Objekttischmovable xyz stage

1313

Blickrichtung eines MikroskopsDirection of view of a microscope

1414

Probenaufnahmeöffnung (Kavität)Sample receiving opening (cavity)

1515

Bedarfsheizung für erstes WärmereservoirDemand heating for the first heat reservoir

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

• EP 000002535427 A2 [0004]EP 000002535427 A2 [0004]
• US 4,639,883 [0005]US 4,639,883 [0005]
• EP 1 090 141 B1 [0005]EP 1 090 141 B1 [0005]
• CN 111521805 B [0006]CN 111521805 B [0006]
• US 7829691 B2 [0007]US 7829691 B2 [0007]
• EP 2167964 [0030]EP 2167964 [0030]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

• Solche sind beispielsweise unter der Adresse https://www.nextgenpcr.com [0002]Such are available, for example, at https://www.nextgenpcr.com [0002]
• Adresse https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-12/ifbs-doh120720.php [0003]Address https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-12/ifbs-doh120720.php [0003]
• Rödiger, S, Schierack, P, Böhm, A, Nitschke, J, Berger, E, Frömmel, U, Schmidt, C, Ruhland, M, Schimke, I, Roggenbuck, D, Lehmann, W and Schröder, C (2012) A Highly Versatile Microscope Imaging Technology Platform for the Multiplex RealTime Detection of Biomolecules and Autoimmune Antibodies. Adv Biochem Engin/Biotechnol. DOI: 10.1007/10_2011_132 [0007]Rödiger, S, Schierack, P, Böhm, A, Nitschke, J, Berger, E, Frömmel, U, Schmidt, C, Ruhland, M, Schimke, I, Roggenbuck, D, Lehmann, W and Schröder, C (2012) A Highly Versatile Microscope Imaging Technology Platform for the Multiplex RealTime Detection of Biomolecules and Autoimmune Antibodies. Adv Biochem Engin/Biotechnol. DOI: 10.1007/10_2011_132 [0007]
• Rödiger, S, Lehmann, W, Schröder, C, Schierack, P (2013) Bead-Technologien. Mikropartikelsysteme für die Nukleinsäurediagnostik. BIOspektrum, 153-156 [0007]Rödiger, S, Lehmann, W, Schröder, C, Schierack, P (2013) Bead technologies. Microparticle systems for nucleic acid diagnostics. BIOspektrum, 153-156 [0007]
• Hanschmann, H, Rödiger, S, Kramer, T, Hanschmann, K, Steidle, M, Fingerle, V, Schmidt, C, Lehmann, W, and Schierack, P (2021) LoopTag FRET Probe System for Multiplex qPCR Detection of Borrelia Species. Life 2021, 11, 1163. https://doi.org/10.3390/life11111163 [0007]Hanschmann, H, Rödiger, S, Kramer, T, Hanschmann, K, Steidle, M, Fingerle, V, Schmidt, C, Lehmann, W, and Schierack, P (2021) LoopTag FRET Probe System for Multiplex qPCR Detection of Borrelia Species.Life 2021, 11, 1163. https://doi.org/10.3390/life11111163 [0007]
• Rödiger et al. 2012, Rödiger et al. 2017, Hanschmann et al. 2021 [0037]Rödiger et al. 2012, Rödiger et al. 2017, Hanschmann et al. 2021 [0037]

Claims (15)

Translated fromGerman

Kompakter Präzisions-ThermoCycler mit Wärmespeicherund mindestens einem darauf angeordneten und verbundenen Peltier-Element (7)und einem Versorgungs- und Regelblock (3),dadurch gekennzeichnet,dass ein oder zwei oder mehrere Wärmereservoire angeordnet sind,diese Wärmereservoire untereinander koppelbar ausgebildet sind, dass ein erstes metallisches Wärmereservoir (1) als Trägerbasis für den ThermoCycler ausgebildet ist,eine, zwei oder mehrere Kavitätenleisten (10) über Peltier-Elemente (7) mit dem ersten Wärmereservoir (1) verbunden und angeordnet sind,in den Kavitätenleisten (10) mehrere durchgehend offene Probenaufnahmeöffnungen (14) und/oder planare Auflagenflächen angeordnet sind,auf diesem ersten Wärmereservoir (1) mindestens ein, zwei oder mehrere Kühlblöcke (2) angeordnet sind,das erste Wärmereservoir (1) und die weiteren Wärmereservoire und der/die Kühlblöcke (2) thermisch gekoppelt sind,in den Versorgungs- und Regelblock (3) mindestens ein Mikrorechner (4) integriert ist, an oder innen in jeder Kavitätenleiste (10) ein, zwei oder mehrere thermisch angekoppelte Heat-Pipes (6) angeordnet sind,das erste Wärmereservoir (1) oder weitere in Richtung eines verfahrbaren xyz-Objekttisches (12) thermisch isoliert ausgebildet sind,im oder am Wärmereservoir (1) und in oder an den Kavitätenleisten (10) je ein, zwei oder mehrere Temperatursensoren (11) angeordnet sind,die Kavitätenleisten (10) einer Temperaturzone von Kavitätenleisten (10) anderer Temperaturzonen durch einen Isolator (9) voneinander getrennt sind,und alle Teile auf einem zwei- oder dreiachsig verfahrbaren geführten xyz-Objekttisch (12) oder Objekttisch-Adapter (8) platzierbar sind.Compact precision thermocycler with a heat storage device and at least one Peltier element (7) arranged and connected thereto and a supply and control block (3),characterized in that one or two or more heat reservoirs are arranged, these heat reservoirs are designed to be coupled to one another, that a first metallic heat reservoir (1) is designed as a support base for the thermocycler, one, two or more cavity strips (10) are connected and arranged to the first heat reservoir (1) via Peltier elements (7), a plurality of continuously open sample receiving openings (14) and/or planar support surfaces are arranged in the cavity strips (10), at least one, two or more cooling blocks (2) are arranged on this first heat reservoir (1), the first heat reservoir (1) and the further heat reservoirs and the cooling block(s) (2) are thermally coupled, at least one microcomputer (4) is integrated in the supply and control block (3) is integrated, one, two or more thermally coupled heat pipes (6) are arranged on or inside each cavity strip (10), the first heat reservoir (1) or further ones are thermally insulated in the direction of a movable xyz object stage (12), one, two or more temperature sensors (11) are arranged in or on the heat reservoir (1) and in or on the cavity strips (10), the cavity strips (10) of one temperature zone are separated from cavity strips (10) of other temperature zones by an insulator (9), and all parts can be placed on a two- or three-axis movable guided xyz object stage (12) or object stage adapter (8).Kompakter Präzisions-ThermoCycler nachAnspruch 1,dadurch gekennzeichnet,dass zwei Wärmereservoire (1 und 5) angeordnet sind,diese untereinander koppelbar ausgebildet sind,dass ein erstes metallisches Wärmereservoir (1) als Trägerbasis für den ThermoCycler ausgebildet ist,eine, zwei oder mehrere Kavitätenleisten (10) über Peltier-Elemente (7) mit dem ersten Wärmereservoir (1) verbunden und angeordnet sind,in den Kavitätenleisten (10) mehrere durchgehend offene Probenaufnahmeöffnungen (14) oder planare Auflagenflächen angeordnet sind,auf diesem erstem Wärmereservoir (1) mindestens ein, zwei oder mehrere Kühlblöcke (2) angeordnet sind,das erste Wärmereservoir (1) und das zweite Wärmereservoir (5) und der/die Kühlblöcke (2) thermisch gekoppelt sind,in den Versorgungs- und Regelblock (3) mindestens ein Mikrorechner (4) integriert ist, an oder innen in jeder Kavitätenleiste (10) ein, zwei oder mehrere thermisch angekoppelte Heat-Pipes (6) eingebettet sind,die Wärmereservoire (1 und 5) in Richtung eines verfahrbaren xyz-Objekttisch (12) thermisch isoliert ausgebildet sind,im oder am Wärmereservoir (1) und in oder an den Kavitätenleisten (10) je ein, zwei oder mehrere Temperatursensoren (11) angeordnet sind,die Kavitätenleisten (10) einer Temperaturzone von Kavitätenleisten (10) anderer Temperaturzonen durch einen Isolator (9) voneinander getrennt sind,und alle Teile auf einem zwei- oder dreiachsig verfahrbaren geführten xyz-Objekttisch (12) sowie dem Objekttisch-Adapter (8) anordenbar sind.Compact precision ThermoCycler according to Claim 1 ,characterized in that two heat reservoirs (1 and 5) are arranged, which are designed to be coupled to one another, in that a first metallic heat reservoir (1) is designed as a support base for the thermocycler, one, two or more cavity strips (10) are connected and arranged with the first heat reservoir (1) via Peltier elements (7), in the cavity strips (10) a plurality of continuously open sample receiving openings (14) or planar support surfaces are arranged, on this first heat reservoir (1) at least one, two or more cooling blocks (2) are arranged, the first heat reservoir (1) and the second heat reservoir (5) and the cooling block(s) (2) are thermally coupled, in the supply and control block (3) at least one microcomputer (4) is integrated, on or inside each cavity strip (10) one, two or more thermally coupled heat pipes (6) are embedded the heat reservoirs (1 and 5) are thermally insulated in the direction of a movable xyz object table (12), one, two or more temperature sensors (11) are arranged in or on the heat reservoir (1) and in or on the cavity strips (10), the cavity strips (10) of one temperature zone are separated from cavity strips (10) of other temperature zones by an insulator (9), and all parts can be arranged on a two- or three-axis movable guided xyz object table (12) and the object table adapter (8).Kompakter Präzisions-ThermoCycler nachAnspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass neben dem ersten Wärmereservoir (1) ein zweites Wärmereservoir (5) oder weitere Wärmereservoire angeordnet sind.Compact precision ThermoCycler according to Claim 1 ,characterized in that a second heat reservoir (5) or further heat reservoirs are arranged next to the first heat reservoir (1).Kompakter Präzisions-ThermoCycler nachAnspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass der zwei- oder dreiachsig verfahrbare xyz-Objekttisch (12) als ein Tisch eines Fluoreszenzmikroskopes oder eines Pipettierautomaten mit Fluoreszenzmikroskop ausgebildet ist.Compact precision ThermoCycler according to Claim 1 ,characterized in that the two- or three-axis movable xyz object table (12) is designed as a table of a fluorescence microscope or an automatic pipetting machine with a fluorescence microscope.Kompakter Präzisions-ThermoCycler nachAnspruch 1,dadurch gekennzeichnet,dass das erste Wärmereservoir (1) und/oder die Kavitätenleiste (10) aus schnell wärmeleitenden Materialien wie aus Silber, Kupfer oder Aluminium besteht und das zweite Wärmereservoir (5) aus Nichtmetallen mit Phasenübergang (PCM-Material) besteht,eine hohe Wärmespeicherfähigkeit besitzt und mit einer vergrößerten Oberfläche ausgebildet ist.Compact precision ThermoCycler according to Claim 1 ,characterized in that the first heat reservoir (1) and/or the cavity strip (10) consists of rapidly heat-conducting materials such as silver, copper or aluminum and the second heat reservoir (5) consists of non-metals with phase transition (PCM material), has a high heat storage capacity and is designed with an enlarged surface.Kompakter Präzisions-ThermoCycler nachAnspruch 1,dadurch gekennzeichnet,dass die durchgehend offenen Probenaufnahmeöffnungen (14) in der/den Kavitätenleisten (10) kegelförmig ausgebildet sind,in die transparente, thermostabile Reaktionsgefäße mit planarem Boden kraftschlüssig einsteckbar sind,oder auf die planare Auflagefläche transparente, planare, thermostabile Objektträger oder Biochips auflegbar sind.Compact precision ThermoCycler according to Claim 1 ,characterized in that the continuously open sample receiving openings (14) in the cavity strip(s) (10) are conical, into which transparent, thermostable reaction vessels with a planar bottom can be inserted in a force-fitting manner, or transparent, planar, thermostable microscope slides or biochips can be placed on the planar support surface.Kompakter Präzisions-ThermoCycler nachAnspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass über der/den Kavitätenleisten (10) eine beheizbare Beschwerungsplatte angeordnet ist.Compact precision ThermoCycler according to Claim 1 ,characterized in that a heatable weighting plate is arranged on the cavity strip(s) (10).Kompakter Präzisions-ThermoCycler nachAnspruch 1,dadurch gekennzeichnet,dass das oder die Peltier-Elemente (7) aus Keramik- oder Metall-Platten bestehen,welche durch Löten, Kleben oder Pressen mit der/den Kavitätenleisten (10) und andererseits zum Wärmereservoir (1) zur Gewährleistung eines schnellen und verlustarmen Wärmeflusses kraft- und wärmeschlüssig verbunden sind.Compact precision ThermoCycler according to Claim 1 ,characterized in that the Peltier element(s) (7) consist of ceramic or metal plates which are connected by soldering, gluing or pressing to the cavity strip(s) (10) and, on the other hand, to the heat reservoir (1) in a force- and heat-locking manner to ensure a rapid and low-loss heat flow.Kompakter Präzisions-ThermoCycler nachAnspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren der Kavitätenleiste (10), des Wärmereservoirs (1) und anordenbaren Entwärmungsleisten Wärmeleiter, Heat-Pipes (6), Wärmefolien, Wärmeleitpasten, Heat-Spreader und/oder Vapor-Chambers eingebettet sind.Compact precision ThermoCycler according to Claim 1 ,characterized in that heat conductors, heat pipes (6), heat foils, thermal pastes, heat spreaders and/or vapor chambers are embedded in the interior of the cavity strip (10), the heat reservoir (1) and arrangeable heat dissipation strips.Kompakter Präzisions-ThermoCycler nachAnspruch 8,dadurch gekennzeichnet, dass beidseitig der Kavitätenleiste (10) Peltier-Elementen (7) angeordnet sind.Compact precision ThermoCycler according to Claim 8 ,characterized in that Peltier elements (7) are arranged on both sides of the cavity strip (10).Kompakter Präzisions-ThermoCycler nachAnspruch 1,dadurch gekennzeichnet,dass eine oder mehrere Kavitätenleisten (10) Temperaturzonen bilden, welche streifenförmig verteilt ausgebildet sind und durch thermische Isolatoren (9) voneinander getrennt sind,an oder innen in der Kavitätenleiste (10) ein oder mehrere Heat-Pipes(6), Heat-Spreader und/oder Vapor-Chambers angeordnet sind und diese unmittelbar mit dem Wärmereservoir (1) gekoppelt sind,wobei dabei der Wärmeübergang zum Wärmereservoir (1) und die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wärmeströme beim Heizen und Kühlen beschleunigt sind.Compact precision ThermoCycler according to Claim 1 ,characterized in that one or more cavity strips (10) form temperature zones which are distributed in strips and are separated from one another by thermal insulators (9), one or more heat pipes (6), heat spreaders and/or vapor chambers are arranged on or inside the cavity strip (10) and these are directly coupled to the heat reservoir (1), the heat transfer to the heat reservoir (1) and the propagation speed of the heat flows being accelerated during heating and cooling.Kompakter Präzisions-ThermoCycler nachAnspruch 1 in einer Gerätekonfiguration mit einem automatisierten inversen oder aufrechten Licht- oder Fluoreszenzmikroskop,dadurch gekennzeichnet,dass die Gerätekonfiguration aus einem kompakten Präzisions-ThermoCycler mit angeordneten Mikroskopadapter, einer licht- oder fluoreszenzmikroskopischen Optik, einer Kamera, einem zwei- oder dreiachsig verfahrbaren, motorisierten xyz-Objekttisch (12) undeiner verbundenen und angeschlossenen Steuer- und Auswertesoftware besteht, um Proben automatisiert in Abstimmung mit dem vollautomatischen Mess- und Auswerteprozess zu temperieren.Compact precision ThermoCycler according to Claim 1 in a device configuration with an automated inverted or upright light or fluorescence microscope,characterized in that the device configuration consists of a compact precision thermocycler with arranged microscope adapter, a light or fluorescence microscopic optics, a camera, a two- or three-axis movable, motorized xyz stage (12) and a connected and connected control and evaluation software in order to automatically temperature control samples in coordination with the fully automatic measuring and evaluation process.Kompakter Präzisions-ThermoCycler nachAnspruch 1 in einer Gerätekonfiguration mit einem automatisierten inversen oder aufrechten Licht- oder Fluoreszenzmikroskop nachAnspruch 9,dadurch gekennzeichnet, dass eine vorgelagerte Station zur Probenbestückung in die Kavitäten (Probenaufnahmeöffnungen 14), eine Transportvorrichtung (Tray, Fließband) zum gezielten Verfahren und Positionieren eines, oder zweier oder mehrerer kompakter Präzisions-ThermoCycler angeordnet ist und zur Analyse eine zweite Station mit mindestens einem Mikroskop, und einer Auswerteeinrichtung, wie bzw. einer Kamera ausgestattet ist.Compact precision ThermoCycler according to Claim 1 in a device configuration with an automated inverted or upright light or fluorescence microscope according to Claim 9 ,characterized in that an upstream station for loading samples into the cavities (sample receiving openings 14), a transport device (tray, conveyor belt) for the targeted movement and positioning of one or two or more compact precision thermocyclers is arranged and a second station is equipped with at least one microscope and an evaluation device, such as a camera, for analysis.Verfahren zur schnellen und präzisen Temperierung von Proben in Reaktionsräumen zur Durchführung und Auswertung von Polymerasekettenreaktionen (PCR-Tests) mit einem kompakten Präzisions-ThermoCycler nachAnspruch 1,dadurch gekennzeichnet,dass die Kavitätenleisten (10) kraftschlüssig mit Reaktionsräumen, die mindestens die Reaktionslösung und/oder eine Probe enthalten, bestückt werden,die Temperierung über wärmeschlüssig verbundene Wärmeleiter multidirektional zwischen Probe, Peltier-Element (7), Wärmereservoir (1) und einem Umgebungsmedium energiesparend, steuerbar transportiert werden unddass während aufeinanderfolgender Heiz- und Kühlzyklen eine Rekuperation erfolgt.Method for the fast and precise temperature control of samples in reaction chambers for the performance and evaluation of polymerase chain reactions (PCR tests) with a compact precision ThermoCycler according to Claim 1 ,characterized in that the cavity strips (10) are force-fitted with reaction spaces which contain at least the reaction solution and/or a sample, the temperature control is transported multidirectionally between the sample, Peltier element (7), heat reservoir (1) and an ambient medium in an energy-saving, controllable manner via thermally connected heat conductors and that recuperation takes place during successive heating and cooling cycles.Verfahren nachAnspruch 14,dadurch gekennzeichnet, dass Wärmereservoire (1, 5) auf eine Temperatur zwischen dem oberen Temperaturniveau (Denaturierung bei 94-96° C) und der Raumtemperatur (bei 25° C) eingestellt werden und somit von den Peltier-Elementen (7) geringere Temperaturdifferenzen zu überbrücken sind.Procedure according to Claim 14 ,characterized in that heat reservoirs (1, 5) are set to a temperature between the upper temperature level (denaturation at 94-96° C) and the room temperature (at 25° C) and thus smaller temperature differences can be bridged by the Peltier elements (7).

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