EP0772494A1 - Miniaturized multi-chamber thermal cycling device - Google Patents

Abstract

The invention concerns a miniaturized multi-chamber thermal cycling device which is easy to handle and enables a large number of low-volume samples to be treated at high thermal cycling speeds and low heating capacities. According to the invention, a sample holder body (1), produced by microtechnology, comprises a plurality of sample chambers (2) formed such that at least one of the walls of the sample chamber forming the sample chamber base (3) has good heat conductivity but has a low mass. The sample chambers (2) are connected to a coupling member (41) acting as a heat sink via at least one bridge (51) which has poor heat conductivity and whose dimensions and/or constituent material is/are such that its specific heat conductivity μ is less than 5 W/K.m. The sample chambers are provided with at least one heating element (61) which is constructed such that, in conjunction with a sample chamber wall which acts as a heat-compensating layer and can also be the sample chamber base (3), it ensures that the temperature distribution in a fluid medium which can be introduced into the sample chambers (2) is as homogeneous as possible.

Description

Miniaturisierter Mehrkammer-ThermocyclerMiniaturized multi-chamber thermal cycler

Beschreibungdescription

Die Erfindung betrifft einen miniaturisierten Metokarnmer-Thermocycler, der insbesondere beim Verfahren der sogenannten Polymerase-Ketten- Reaktion, bei dem aus einem Gemisch von DNA-Sequenzen bestimmte Sequenzen vervielfacht werden, sowie zur Durchführung anderer Verfahren von thermisch kontrollierten, biochemischen bzw. molekular- biologischen Prozessen, Anwendung findet.The invention relates to a miniaturized metokarnmer thermal cycler, in particular in the process of the so-called polymerase chain reaction, in which certain sequences are multiplied from a mixture of DNA sequences, and for carrying out other processes of thermally controlled, biochemical or molecular-biological Processes, application.

Bei der Durchfuhrung von thermisch kontrollierten, biochemischen bzw. molekularbiologischen Prozessen sind häufig Prozeßschritte mit unter- schiedlicher Temperaturbeaufschlagung erforderlich. Von besonderer Bedeutung sind solche wechselnden Temperaturbeaufschlagungen bei der sogenannten Polymerase-Ketten-Reaktion.When carrying out thermally controlled, biochemical or molecular biological processes, process steps with different temperatures are often required. Such changing temperature exposures are of particular importance in the so-called polymerase chain reaction.

Das Verfahren der Polymerase-Ketten-Reaktion (PCR) ist in den letzten Jahren zur Vervielfachung bestimmter DNA-Sequenzen entwickelt worden und in seinen Grundsätzen von Darnell, J.; Lodish, H.; Baltimore, D. in "Molekulare Zellbiologie, Walter de Gruyter, Berlin-New York 1994, S. 256/257" ausgeführt. Unter anderem ist bei diesem Verfahren wesentlich, daß Gemische aus DNA-Sequenzen einer definierten Temperaturwechselbehandlung unterworfen werden. Dazu finden stationäre Probenbehandlungsapparaturen Verwendung, bei denen die entsprechenden Proben in Probenkammern eingegeben und periodisch einem Wami-Kalt-Temperaturzyklus unterworfen werden, wobei sich je nach definiert vorgegebenen Primern die jeweils gewünschten DNA- Sequenzen vervielfachen. Gegenwärtig wird die PCR vorzugsweise in wegwerfbaren Plastikgefaßen ("Microtubes") oder in standardisierten Mikrotiterplatten für eine Vielzahl von Proben durchgeführt. Die dabei zum Einsatz gelangenden Probenvolumina betragen ca. 10 ... 100 μl (A. Rolfs et all, Clinical Diagnostics and Research, Springer Laboratory, Berlin- Heidelberg (1992). In C. C. Oste et al, The polymerase chain reaction, Birkhäuser, Boston-Basel-Berlin (1993), S. 165 wird auch schon von verwendeten Probenvolumina von 1 ... 5 μl berichtet. Genannte Microtubes werden mit konventionellen Heiz- und Kühleinheiten temperiert (Markrübersicht Gentechnologie DI, Nachr. Chem. Tech. Lab. 41 (1993), Ml). Aufgrund der dabei verwendeten massiven Heiz- und Kühlblocks wirken sich insbesondere bei einer Reduzierung der Probenvolumina parasitäre Wärmekapazitäten von Trägern, Heiz- und Kühlelementen als physikalischen Grenzen für eine Verkürzung von Zykluszeiten nachteilig aus. Die Proben erreichen in den Microtubes erst nach ca. 20 ... 30 s ihre Gleichgewichtstemperatur. Überhitzungen und Unterkühlungen lassen sich im praktischen Betrieb kaum vermeiden. Eines der größten Probleme bei einer in genannten Microtubes durchgeführten PCR stellen Temperaturgradienten innerhalb der Proben dar, die zu Temperaturdifferenzen bis zu 10 K führen. Diesem Effekt wird versucht durch beheizbare Abdeckungen entgegen zu steuern, was wiederum den apparativen Aufwand erhöht. Für eine Automatisierung der PCR kommen bei der Beschickung und Probenanalyse vorwiegend Mikrotiterplatten aus hitzbeständigem Polycarbonat zum Einsatz. Diese verhalten sich thermisch ähnhch wie o.g. Microtubes, sind jedoch vorteilhafter bei der manuellen oder automatischen Probenbeschickung. Allerdings sind auch hier die zum Einsatz gelangenden Gerätelösungen sehr groß und unhandlich.The method of polymerase chain reaction (PCR) has been developed in recent years for the multiplication of certain DNA sequences and in its principles by Darnell, J .; Lodish, H .; Baltimore, D. in "Molecular Cell Biology, Walter de Gruyter, Berlin-New York 1994, pp. 256/257". Among other things, it is important in this process that mixtures of DNA sequences are subjected to a defined thermal cycling treatment. Stationary sample treatment apparatuses are used for this purpose, in which the corresponding samples are entered into sample chambers and periodically subjected to a Wami-cold temperature cycle, the desired DNA sequences being multiplied depending on the defined primers. Currently, PCR is preferably performed in disposable microtubes or in standardized microtiter plates for a variety of samples. The sample volumes used are approximately 10 ... 100 μl (A. Rolfs et all, Clinical Diagnostics and Research, Springer Laboratory, Berlin-Heidelberg (1992). In CC Oste et al, The polymerase chain reaction, Birkhaeuser, Boston-Basel-Berlin (1993), p. 165 also report sample volumes of 1 ... 5 μl used. The so-called microtubes are tempered with conventional heating and cooling units (Markr overview gene technology DI, Nachr. Chem. Tech. Lab. 41 (1993), Ml). Due to the massive heating and cooling blocks used, parasitic heat capacities of carriers, heating and cooling elements have a disadvantageous effect, particularly when the sample volumes are reduced, as physical limits for shortening cycle times. The samples reach their equilibrium temperature in the microtubes only after approx. 20 ... 30 s. Overheating and hypothermia can hardly be avoided in practical operation. One of the biggest problems with a PCR carried out in said microtubes are temperature gradients within the samples, which lead to temperature differences of up to 10 K. This effect is attempted to counteract this with heatable covers, which in turn increases the expenditure on equipment. To automate the PCR, microtiter plates made of heat-resistant polycarbonate are mainly used for loading and sample analysis. These behave thermally similar to the above-mentioned microtubes, but are more advantageous for manual or automatic sample loading. However, the device solutions used here are also very large and unwieldy.

Die Effektivität bislang bekannter Probenkammem wird als nicht ausreichend angesehen. Aus diesem Grund ist in jüngster Zeit eine rnmiaturisierte Probenkammer vorgeschlagen worden (Northrup et al, DNA Amplification with Microfabricated reaction chamber, 7th Inter¬ national Conference on Solid State Sensors and Actuators, Proc. Trans- ducers 1993, S. 924-26), die eine vierfach schnellere Vervielfachung gewünschter DNA-Sequenzen gegenüber bekannten Anordnungen ermöglicht. Diese bis zu 50 μl Probenflüssigkeit aufnehmende Probenkammer besteht aus einer strukturierten Siliziumzelle mit einer Längsausdehnung in der Größenordnung von 10 mm, welche in einer Probenangriffsrichtung von einer dünnen Membran abgeschlossen ist, über die die entsprechende Temperaturbeaufschlagung mittels miniaturisierter Heizelemente erfolgt. Auch bei dieser Vorrichtung wird die zu vervielfachende DNA-Sequenz über Mikrokanäle in die Kammer eingebracht, einer Polymerase-Ketten-Reaktion unterworfen und anschließend wieder abgezogen. Trotz der mit dieser Vorrichtung erzielten Vorteile haftet ihr im wesentlichen der Nachteil an, daß auch diese Probenkammer als Ganzes beheizt und gekühlt werden muß, womit sich nur begrenzte Temperaturwechselraten erreichen lassen. Insbesondere bei weiterer Reduzierung der Probengröße fallt dabei die parasitäre Wärmekapazität der Probenkammer und ggf. eines not¬ wendigen Temperierblocks gegenüber der Probenflüssigkeit immer stärker ins Gewicht, so daß die prinzipiell bei kleinen Flüssigkeitsvolu¬ mina denkbaren hohen Temperaturwechselraten nicht erreicht werden können, wodurch die Effektivität des Verfahrens relativ gering bleibt. Darüber hinaus ist zwecks Erreichung jeweils konstanter Temperatur¬ regimes für die Probenflüssigkeit ein relativ aufwendiger Steuer- und Regelaufwand erforderhch, wobei die erbrachte Heiz- bzw. Kühlleistung im wesentlichen nicht in der Probenflüssigkeit, sondern in den sie umge¬ benden Baugruppen verbraucht wird. Der wesentlichste Nachteil dieser letztgenannten Vorrichtung besteht jedoch darin, daß sie keine Erweiterung zur gleichzeitigen parallelen Behandlung einer Vielzahl von Proben erlaubt.The effectiveness of previously known sample chambers is considered insufficient. For this reason, a miniaturized sample chamber has recently been proposed (Northrup et al, DNA Amplification with Microfabricated reaction chamber, 7th International Conference on Solid State Sensors and Actuators, Proc. Transducers 1993, pp. 924-26), which enables the desired DNA sequences to be multiplied four times faster than known arrangements. This sample chamber, which holds up to 50 μl of sample liquid, consists of a structured silicon cell with a longitudinal expansion of the order of 10 mm, which is closed off in a sample attack direction by a thin membrane, via which the corresponding temperature is applied by means of miniaturized heating elements. This device too the DNA sequence to be multiplied is introduced into the chamber via microchannels, subjected to a polymerase chain reaction and then withdrawn again. Despite the advantages achieved with this device, there is essentially the disadvantage that this sample chamber as a whole also has to be heated and cooled, with which only limited temperature change rates can be achieved. Particularly when the sample size is further reduced, the parasitic heat capacity of the sample chamber and possibly a necessary temperature control block are of increasing importance compared to the sample liquid, so that the high temperature change rates that are conceivable in principle in the case of small liquid volumes cannot be achieved, so that the effectiveness of the Procedure remains relatively low. In addition, in order to achieve constant temperature regimes for the sample liquid, a relatively complex control and regulating effort is required, the heating or cooling output essentially not being consumed in the sample liquid, but rather in the assemblies surrounding it. The main disadvantage of this latter device, however, is that it does not allow expansion for simultaneous treatment of a large number of samples.

Der Erfindung hegt somit die Aufgabe zugrunde einen miniaturisierten Mehrkammer-Thermocycler anzugeben, der bei einfacher Handhabung die Behandlung einer großen Probenzahl mit Probenvolumina im unteren Mikro- und Nanohterbereich bei hohen Temperaturwechsel¬ geschwindigkeiten und kleinen Heizleistungen ermöglicht, wobei relativ homogene Temperaturverteilungen die Einzelproben erfassen und Überhitzungs- oder Unterkühlungseffekte weitestgehend vermieden werden sollen.The invention is therefore based on the object of specifying a miniaturized multi-chamber thermal cycler which, with simple handling, enables the treatment of a large number of samples with sample volumes in the lower micro and nanoh range at high temperature change speeds and low heating outputs, with relatively homogeneous temperature distributions detecting the individual samples and overheating - or hypothermia effects should be avoided as far as possible.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Kennzeichen des Patentan¬ spruchs 1 gelöst. Durch einen in MiloOsystemtechnik gefertigten Probenaufhahmekörper mit einer Vielzahl von Probenkammern und einer definierten Ankopplung an eine Wärmesenke über wenigstens eine schlecht wärmeleitende Brücke wird die der Erfindung zugrundehegende Aufgabe in neuartiger Weise gelöst. Zur näheren Illustration der Erfindung sollen nachfolgende Ausführungs¬ beispiele und schematische Zeichnungen dienen. Es zeigen:According to the invention the object is achieved by the characterizing part of patent claim 1. The object on which the invention is based is achieved in a novel manner by means of a sample receiving body produced in MiloOsystem technology with a large number of sample chambers and a defined coupling to a heat sink via at least one poorly heat-conducting bridge. The following exemplary embodiments and schematic drawings are intended to illustrate the invention in more detail. Show it:

Fig. 1 einen Ausschnitt einer ersten Ausführungsform der Erfindung in einem seitlichen Schnitt,1 shows a section of a first embodiment of the invention in a lateral section,

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen geöffneten Probenaufhahmeträger in einer Ausbildung entsprechend Fig. 1,FIG. 2 shows a top view of an opened sample holder carrier in an embodiment corresponding to FIG. 1,

Fig. 3 einen teilweisen Ausschnitt einer zweiten Ausführungsform der Erfindung in einem seitlichen Schnitt, Fig. 4 eine Draufsicht auf eine möghche Ausgestaltung einesFig. 3 is a partial section of a second embodiment of the invention in a lateral section, Fig. 4 is a plan view of a possible embodiment of a

Probenaufhahmeträgers gemäß Fig. 3 und3 and

Fig. 5 eine Möglichkeit einer erfindungsgemäßen Heizelement¬ ausbildung.5 shows a possibility of heating element formation according to the invention.

In Figur 1 ist schematisch ein n- maturisierter Mehrkammer- Thermocycler mit einem möglichst gut wärmeleitenden Probenaufhahmeträger 1 in einem seitlichen Schnitt dargestellt. Ohne, daß die Erfindung auf die im folgenden genannten Materiahen und Herstellungstechnologien beschränkt wäre, stellen nachfolgende Ausführungsformen die derzeit vorteilhaftesten dar. Im Beispiel wird als Probenaufhahmeträger 1 ein Siliziumwafer verwendet, in den durch Tiefenätzung die eigentlichen Probenkammem 2 derart eingebracht sind, daß ein Probenkammerboden 3, mit hinreichender Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitig massearmer Ausbildung verbleibt. Links und rechts dieser Probenkammem 2 wird die Tiefenätzung fortgeführt, bis nur noch dünne Stege 5 verbleiben. Die Spaltbreite dieser Stege ist mit b_sp bezeichnet, welche im Rahmen der Erfindung eine variabel an die sonstigen Gegebenheiten des Probenaufhahmeträgers 1 anpaßbare wesentliche Größe darstellt. Im Beispiel von Figur 1 sind genannte Stege 5 mit einer schlecht wärmeleitenden Überbrückung 7 versehen, wofür sich dünne Glas-, SiC>2-oder Si₃N4-Plättchen als auch geeignet aufgebrachte Beschichtungen aus solchen Materiahen, einem Lack oder entsprechende Kombinationen eignen. Im Beispiel sind für die Überbrückung ca. 200 μm dicke Pyrexglasplättchen verwendet. Wesentlich für die Auswahl und Dimensionierung sind neben der Spaltbreite b_sp, die bspw. 40 μm betragen kann, die spezifische Wärmeleitfähigkeit λ^ der Überbrückung und ihre Dicke d_ü, wobei erfindungsgemäß für eine Beziehung für einen modifizierten Wärmeleitwert G' = (λy^• d_u)/b_sp, Werte zwischen 0,6 ... 6 W K-m einzuhalten sind. Im Beispiel ist der Probenaufhahmeträger 1 durch einen, entlang der stricl-üniert dargestellten Achse spiegelsymmetrischen Zusammenbau zweier, wie zuvor beschrieben hergestellter, identischer Teilträger realisiert, was eine technologisch vorteilhafte Ausführung darstellt, die Erfindung jedoch nicht darauf beschränkt. Ebenso sind andere Ausführungen der Abdeckung der Probenkammem, bspw. mit Folien geeigneter Wärmeleitfähigkeit, möglich. Die Probeiikammerböden 3 sind mit einem Heizelement 6, 60 versehen, welches vorteilhafter Weise, da in den Herstellungsprozeß leicht integrierbar, ein auf die Probenkammerbodenunterseite aufgebrachtes Dünnschichtheizelement sein sollte. Ebenso hegt es im Rahmen der Erfindung, auch den Probenkammerdeckel mit entsprechenden Heizelementanordnungen, symmetrisch zum Probenkammerboden, zu versehen. Der jeweilige Probenkammerboden 3 wirkt gleichzeitig als Wärmeausgleichsschicht, so daß in die Probenkammer 2 nicht dargestellte einbringbare Proben einen homogenen Temperaturgradienten, sowohl in Heiz- als auch bei Kühlzyklen erfahren. Die beschriebene Anordnung ist in lateraler Richtung beidseits von einem als Wärmesenke dienenden Koppelkörper 4 erfaßt, der nur in Teilen dargestellt ist.FIG. 1 shows schematically a n-matured multi-chamber thermal cycler with a sample-receiving carrier 1 that is as good a heat conductor as possible in a lateral section. Without the invention being restricted to the materials and production technologies mentioned below, the following embodiments are the most advantageous at the present time. In the example, a silicon wafer is used as the sample holder carrier 1, into which the actual sample chambers 2 are introduced by deep etching in such a way that a sample chamber floor 3 , with sufficient thermal conductivity and low-mass training. The deep etching is continued to the left and right of this sample chamber 2 until only thin webs 5 remain. The gap width of these webs is denoted by b_sp , which in the context of the invention represents an essential variable that can be variably adapted to the other conditions of the sample holder carrier 1. In the example of FIG. 1, said webs 5 are provided with a poorly heat-conducting bridge 7, for which purpose thin glass, SiC> 2 or Si₃ N4 platelets as well as suitably applied coatings made of such materials, a lacquer or corresponding combinations are suitable. In the example, approximately 200 μm thick pyrex glass plates are used for the bridging. In addition to the gap width b_sp , which can be, for example, 40 μm, the specific thermal conductivity λ ^ of the bridging is essential for the selection and dimensioning and their thickness d_ü , values according to the invention for a relationship for a modified thermal conductivity G '= (λy^• d_u ) / b_sp , values between 0.6 ... 6 W km. In the example, the sample holder 1 is realized by a mirror-symmetrical assembly of two identical sub-carriers produced as described above, which is a technologically advantageous embodiment, but does not limit the invention to this. Other designs for covering the sample chambers, for example with foils of suitable thermal conductivity, are also possible. The sample chamber floors 3 are provided with a heating element 6, 60, which should advantageously be a thin-film heating element applied to the underside of the sample chamber floor, since it can be easily integrated into the manufacturing process. It is also within the scope of the invention to also provide the sample chamber cover with corresponding heating element arrangements, symmetrical to the sample chamber floor. The respective sample chamber floor 3 simultaneously acts as a heat compensation layer, so that samples which can be introduced into the sample chamber 2, not shown, experience a homogeneous temperature gradient, both in heating and in cooling cycles. The arrangement described is detected in the lateral direction on both sides by a coupling body 4 serving as a heat sink, which is shown only in parts.

Figur 2 verdeutlicht eine gemäß Fig. 1 geschaffene Anordnung mit abgenommenen Probenkammerdeckel in schematischer und nicht maßstäblicher Weise; in Wirklichkeit befinden sich wenigstens 96FIG. 2 illustrates an arrangement created according to FIG. 1 with the sample chamber cover removed in a schematic and not to scale; in reality there are at least 96

Probenkammem 2 auf dem Siliziumwafer 1, an deren jeweiligenSample chambers 2 on the silicon wafer 1, at their respective

Schmalseiten 8 sich beidseits genannte Stege 5, wie dargestellt, anschließen. Das jeweilige Einzelkammervolumen läßt sich, je nach gewünschten Vorgaben, bspw. zu 2 ... 10 μl bemessen. Die Dicke des alsNarrow sides 8 are connected to webs 5 on both sides, as shown. The respective individual chamber volume can, depending on the desired specifications, be measured, for example, at 2 ... 10 μl. The thickness of the as

Wärmeausgleichsschicht wirkenden Probenkammerbodens 3 läßt sich bspw. auf 100 μm festlegen. Für den Heizleistungseintrag proThe heat compensation layer acting on the sample chamber floor 3 can be set to 100 μm, for example. For the heating power entry per

Proberikammer sind nur äußerst geringe Werte, die zwischen 0,5 ... 5 W hegen, erforderhch. Bei der Durchführung des o.g. PCR- Verfahrens sind mit genannten Vorgaben Zeitkonstanten zwischen 1 ... 6 s, Kühlraten zwischen 5 ... 25 K/s bei erforderlichen Temperaturhüben von ca. 80 K durch die Erfindung realisierbar. Die Temperaturunterschiede innerhalb der Probenflüssigkeit bewegen sich unterhalb 5 K, so daß störende Überhitzungen bzw. Unterkühlungen der Probenflüssigkeit ausge¬ schlossen sind.Proberi chambers only require extremely low values, which are between 0.5 ... 5 W. When the above-mentioned PCR method is carried out, time constants between 1 ... 6 s and cooling rates between 5 ... 25 K / s with required temperature strokes of approx. 80 K are required realizable by the invention. The temperature differences within the sample liquid are below 5 K, so that disruptive overheating or hypothermia of the sample liquid are excluded.

In Figur 3 ist eine zweite vorteilhafte Ausfuhrung der Erfindung in einem seitlichen Teilschnitt dargestellt. Die Herstellung des Proben¬ aufhahmeträgers 1 soll auch hier der unter Figur 1 beschriebenen entsprechen. Abweichend zum ersten Ausführungsbeispiel sind hier jedoch die Probenkammem 2 arrayartig in den Siliziumwafer 1 eingebracht, was technologisch noch vorteilhafter ist und vor allem eine höhere Probenkan ieranzahl pro Wafer ermöglicht. In praktischer Umsetzung einer solchen Ausführung können in einem 4"-Siliziumwafer ca. 6000 Probenkammem mit je ca. 0,1 μl Aufhahmevolumen eingebracht sein. Die Erfindung ist nicht auf die in Figur 4 schematisch dargestellten quadratischen Grundrisse der einzelnen Probenkammem 2 beschränkt. Durch entsprechende Führung des Ätzprozesses sind ebenso auch kreisrunde Geometrien erzeugbar. Die erfindungsgemäß vorzusehende schlecht wärmeleitende Brücke wird in dieser Ausführungsform durch einen Spalt 51 zwischen den Probeiikammerböden 3 und einem als Wärmesenke dienenden Koppelkörper 41 realisiert. Eine solche Ausfiihrungsfoπn erhöht den Freiheitsgrad bei der Festlegung der gewünschten Spaltdimensionierung b'_sp erheblich. So ist es einerseits möglich, durch präzise vorfertigbare Distanzringe unterschiedhcher Höhe, den Spalt b'_sp in Stufen veränderbar festzulegen, als auch andererseits mittels aufwendigerer mechanischer Verstellmechanismen die Spaltbreite variabel einzustellen. Vorgenannte Alternativen sind besonders bei Verwendung von Gasen oder Flüssigkeiten als schlecht wärmeleitende Brückenmaterialien von Vorteil. Desweiteren besteht aber bei dieser Ausführung auch die Möghchkeit ganzflächige Zwischenlagen oder Beschichtungen im Spaltraum anzubringen. In diesem Zusammenhang erfindungswesentlich ist jedoch, daß der Spalt 51 material- und/oder dickenmäßig so ausgebildet ist, daß bei einer Beziehung λsp b'sp, mit λs_p als spezifischer Wärmeleitfähigkeit im Spalt, ein Wert zwischen 300 ... 3000 W/K-m² eingehalten ist. In Figur 5 ist schheßhch eine Möghchkeit einer erfindungsgemäßen Heizelementausbildung im Ausschnitt dargestellt, wie sie in Draufsicht auf den Probenkammerboden (oder -deckel) gemäß Fig. 1 einsetzbar wäre. Die Strukturierung einer zunächst ganzflächig aufgebrachten Widerstandsheizschicht ist dabei erfindungsgemäß so ausgeführt, daß unmittelbar unterhalb des Probenkammerbodens 3 ein breiterer Heizelementbereich und schmalere Heizstege 60 an den jeweiligen Probenkammerberandungen über massiven Bereichen des Probenkammeraufhahmekö ers 1 verbleiben, wodurch in letzteren Bereichen ein größerer Heizleistungseintrag in die Probenlrammer(n) gewährleistet ist.In Figure 3, a second advantageous embodiment of the invention is shown in a partial side section. The production of the sample holder 1 should also correspond to that described in FIG. 1. In a departure from the first exemplary embodiment, however, the sample chambers 2 are introduced into the silicon wafer 1 in an array-like manner, which is technologically even more advantageous and, above all, enables a higher number of sample channels per wafer. In a practical implementation of such an embodiment, approximately 6,000 sample chambers, each with approximately 0.1 μl holding volume, can be introduced in a 4 "silicon wafer. The invention is not limited to the square floor plans of the individual sample chambers 2 shown schematically in FIG In this embodiment, the poorly heat-conducting bridge to be provided according to the invention is realized by a gap 51 between the sample chamber floors 3 and a coupling body 41 serving as a heat sink. Such an embodiment increases the degree of freedom in determining the desired gap dimensioning b_'sp significantly. Thus, it is possible on the one hand, by precise unterschiedhcher prefabricatable spacer rings height, the gap b'_sp in stages changeable set, and on the other hand must be used * variable, the gap width by means of more elaborate mechanical adjustment mechanisms The aforementioned alternatives are particularly advantageous when using gases or liquids as poorly heat-conducting bridge materials. Furthermore, with this version there is also the possibility of applying full-length intermediate layers or coatings in the gap space. In this context, it is essential to the invention that the gap 51 is made of material and / or thickness in such a way that with a relationship λsp b'sp, with λs_p as the specific thermal conductivity in the gap, a value between 300 ... 3000 W / Km^{2 is} complied with. FIG. 5 shows a detail of a possibility of a heating element design according to the invention, as it could be used in a plan view of the sample chamber floor (or lid) according to FIG. 1. The structuring of a resistance heating layer which is initially applied over the entire surface is carried out according to the invention in such a way that a wider heating element area and narrower heating webs 60 remain on the respective sample chamber edges over massive areas of the sample chamber receiving element 1 directly below the sample chamber base 3, as a result of which a greater heating power input into the sample slammer in the latter areas ( n) is guaranteed.

Zu Figur 3, in der der Einfachheit halber die zur Anwendung gelangenden Heizelemente 61 in den Probenkammem positioniert dargestellt sind, gelten analoge Ausführungen zur Strukturierung, wie oben beschrieben. Insbesondere, wenn auch der Probenkammerdeckel mit entsprechenden Heizelementen versehen ist, soll die Ausführung der Heizelemente¬ gestaltung so erfolgen, daß ein höherer Heizleistungseintrag in die Probenkammem 2 an der dem Koppelkörper 41 zugewandten Seite des Probenau&ahmeköφers 1 erfolgt. Aus Gründen der einfacheren Herstellbarkeit werden jedoch in diesem Beispiel die Heizelemente, wie in Fig. 1, an der Probenkammerbodenunterseite bzw. -deckenoberseite in der praktischen Ausführung angebracht sein.3, in which, for the sake of simplicity, the heating elements 61 used are shown positioned in the sample chambers, analogous explanations apply to the structuring, as described above. In particular, if the sample chamber cover is also provided with corresponding heating elements, the heating elements should be designed such that a higher heating power input into the sample chambers 2 takes place on the side of the sample holder 1 facing the coupling body 41. For reasons of simplicity of manufacture, however, the heating elements in this example, as in FIG. 1, will be attached to the bottom or top of the sample chamber floor in the practical embodiment.

Die geringe Wärmekapazität des vorgeschlagenen Gesamtsystems ermögUcht es, Heiz- und Kühlraten zu erreichen, die bei reduziertem apparativem Aufwand denen konventioneller Thermocycler weit überlegen sind. 3h einem ersten Muster, mit Wasser als Versuchsmedium, wurden Temperaturwechselgeschwindigkeiten von 15 K/s problemlos erreicht. Die Temperaturunterschiede innerhalb der Probe hegen während einer Aufheiz- und Abkühlphase ledighch in der Größenordnung vonThe low heat capacity of the proposed overall system makes it possible to achieve heating and cooling rates that are far superior to conventional thermal cyclers with less equipment. In a first sample, with water as the test medium, temperature change speeds of 15 K / s were easily achieved. The temperature differences within the sample are only of the order of magnitude during a heating and cooling phase

5 K. Nach Einstellung des thermischen Gleichgewichts sinken diese auf nahezu 0 K. Die Einstellung des thermischen Gleichgewichts innerhalb einer Probe vollzieht sich in einem Zeitraum in der Größenordnung von ca. 10 s. Aufgrund der durch die Erfindung geschaffenen Möghchkeit einer aktiven Temperaturregelung, verbunden mit der geringen thermischen Relaxationszeit des Probenaufhahmekörpers, sind die Temperatur¬ wechselraten den jeweihgen Bedingungen für ein gegebenes PCR- Experiment behebig zwischen 1 ... 15 K/s anpaßbar.5 K. After the thermal equilibrium has been set, these decrease to almost 0 K. The thermal equilibrium is set within a sample over a period of the order of about 10 s. Because of the possibility of active temperature control created by the invention, combined with the low thermal Relaxation time of the sample holder body, the temperature change rates are adaptable to the respective conditions for a given PCR experiment, between 1 ... 15 K / s.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in behebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.All of the features shown in the description, the subsequent claims and the drawing can be essential to the invention both individually and in a combination with one another.

BezueszeichenlisteBezueszeichenliste

1 - Probenaufhahmeköφer (Siliziumwafer)1 - sample holder body (silicon wafer)

2 - Probenkammei n)2 - sample chamber)

3 - Probenkammerboden3 - Sample chamber floor

4, 41 - Koppelköφer (Wärmesenke)4, 41 - coupling body (heat sink)

5, 51, 7^β schlecht wärmeleitende Brücke (Steg, Spalt, Überbrückung)5, 51, 7^β poorly heat-conducting bridge (bridge, gap, bridging)

6, 60, 61 - Heizelement6, 60, 61 - heating element

8 - Probenkammerschmalseite8 - Sample chamber narrow side

Claims

Patentansprüche claims

1. Miniaturisierter Mehrkammer-Thermocycler, einen Probenaufhahme- körper zur Aufnahme von flüssigen Medien beinhaltend, dadurch gekennzeichnet, daß1. Miniaturized multi-chamber thermal cycler, containing a sample holder for holding liquid media, characterized in that

- ein in Mikrosystemtechnik gefertigter Probenaufhahmekörper (1) eine Vielzahl von Probenkammem (2) aufweist, die derart ausgebildet sind, daß - wenigstens eine der Proberikammerwandungen der Probenkammer, die den Proberikammerboden (3) bildet, gut wärmeleitend, jedoch massearm ausgebildet ist,- A sample receiving body (1) made in microsystem technology has a plurality of sample chambers (2) which are designed such that - at least one of the sample chamber walls of the sample chamber, which forms the sample chamber bottom (3), is good heat-conducting, but low-mass,

- die Ankopplung genannter Probenkammer(n) (2) an einen als Wärmesenke dienenden Koppelköφer (4; 41) - über wenigstens eine schlecht wärmeleitende Brücke (5, 7; 51) erfolgt, die bezüglich ihrer Dimensionierung und/oder Material¬ auswahl derart ausgeführt ist, daß ihre spezifische Wärmeleitfähigkeit λ weniger als 5 W/K-m beträgt,- The coupling of said sample chamber (s) (2) to a coupling body (4; 41) serving as a heat sink - takes place via at least one poorly heat-conducting bridge (5, 7; 51), which is designed in this way with regard to its dimensioning and / or material selection is that their specific thermal conductivity λ is less than 5 W / km,

- und genannte Probenkammer(n) mit wenigstens einem Heizelement (6) versehen ist (sind), das so ausgeführt ist, daß es in Verbindung mit einer als Wärmeausgleichsschicht wirkenden Probenkammer- wandung, die zugleich genannter Proberikammerboden (3) sein kann, eine möglichst homogene Temperaturverteilung in einem, in die Probenkammer(n) (2) einbringbaren flüssigen Medium bewirkt.- And said sample chamber (s) is (are) provided with at least one heating element (6), which is designed such that it is in combination with a sample chamber wall acting as a heat compensation layer, which can also be called sample chamber floor (3), as possible homogeneous temperature distribution in a liquid medium that can be introduced into the sample chamber (s) (2).

2. Miniaturisierter Mehrkammer-Thermocycler nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß genannte, schlecht wärmeleitende Brücke im wesentlichen durch einen, durch Mikrostrakturierung erzeugten, dünnen stegföπnigen Spalt (5) gebildet ist, der sich in lateraler Richtung beidseits an die Schmalseiten (8) genannter2. Miniaturized multi-chamber thermal cycler according spoke 1, characterized in that said poorly heat-conducting bridge is essentially formed by a thin web-shaped gap (5) produced by microstructuring, which is called in the lateral direction on both sides of the narrow sides (8)

Probenkammer(n) (2) anschließt.Sample chamber (s) (2) connects.

3. Miniaturisierter Mehrkammer-Thermocycler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dünne Spalt (5) probenkammerabseitig mit einer parallel zum Spalt verlaufenden, schlecht wärmeleitenden Überbrückung (7) versehen ist. 4. Miniaturisierter Mel-rkammer-Theπnocycler nach Ansprach 3, dadurch gekennzeichnet, daß genannter Spalt (5) und genannte Überbrückung (7) zueinander in einem Verhältnis G' = (XQ^• d_ü)/b_sp, mit λy als der spezifischen Wärmeleitfähigkeit der Überbrückung, d_ü als der Dicke der Überbrückung, b_sp als der Spaltbreite und G' als einem sich ergebenden modifizierten Wärmeleitwert, festgelegt sind, daß für G' ein Wert zwischen 0,6 ... 6 W/K*m, eingehalten ist.3. Miniaturized multi-chamber thermal cycler according to claim 2, characterized in that the thin gap (5) is provided on the sample chamber side with a parallel to the gap, poorly heat-conducting bridging (7). 4. Miniaturized Mel-rkammer-Theπnocycler according spoke 3, characterized in that said gap (5) and said bridging (7) to each other in a ratio G '= (XQ^• d_ü ) / b_sp , with λy as the specific thermal conductivity of the bridging, d_ü as the thickness of the bridging, b_sp as the gap width and G 'as a resultant modified thermal conductivity value, are determined such that a value between 0.6 ... 6 W / K * m is maintained for G' is.

Mehrkammer-Thermocycler nach Ansprach 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß für das Material genannter Überbrückung Multi-chamber thermal cycler according to spoke 3 and 4, characterized in that for the material said bridging

(7) insbesondere ein Glasplättchen, eine Beschichtung bestehend aus SiC>2, Si3N4 oder ein Lack oder Kombinationen der genannten Materiahen eingesetzt ist.(7) in particular a glass plate, a coating consisting of SiC> 2, Si3N4 or a lacquer or combinations of the materials mentioned is used.

6. Miniaturisierter Mehrkammer-Thermocycler nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Heizelement ein mikrostrukturierter Dünnschichtheizer (6, 60) eingesetzt ist, der bevorzugt mit dem Probenkammerboden in Verbindung gebracht ist und dessen Lay-out so ausgeführt ist, daß ein größerer Heizleistungseintrag im Bereich der Proberikammerschmalseiten (8) erfolgt.6. Miniaturized multi-chamber thermal cycler according spoke 1, characterized in that a microstructured thin-film heater (6, 60) is used as a heating element, which is preferably connected to the sample chamber bottom and the layout of which is designed such that a larger heating power input in Area of the test chamber narrow sides (8).

7. Miniaturisierter MeM mmer-Thermocycler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß genannte, schlecht wärmeleitende Brücke durch einen alle Probenkammem in ihren Probenkammerbodenbereich einerseits erfassenden Spalt (51) gebildet ist, an den sich andererseits ein als Wärmesenke dienender Koppelköφer (41) anschließt.7. Miniaturized MeM thermocycler according to claim 1, characterized in that said poorly heat-conducting bridge is formed by a gap (51) which detects all of the sample chambers in their sample chamber bottom region and which is followed by a coupling body (41) serving as a heat sink.

8. Mmiaturisierter Mehrkammer-Thermocycler nach Ansprach 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (51) material- und/oder dickenmäßig so ausgebildet ist, daß bei einer Beziehung λgp/b'sp, mit λgp als spezifischer Wärmeleitwert im Spalt und b'_sp als der Spaltdicke, ein Wert zwischen 300 ... 3000 W/Km² eingehalten ist.8. Mmiaturized multi-chamber thermal cycler according spoke 7, characterized in that the gap (51) is formed in terms of material and / or thickness so that with a relationship λgp / b'sp, with λgp as a specific thermal conductivity in the gap and b '_sp than the gap thickness, a value between 300 ... 3000 W / km^{2 is} maintained.

9. M aturisierter Mehrkammer-Thermocycler nach Ansprach 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (51) bezüglich seiner Spaltbreite (b'_™) vorbestimmbar, stufenweise veränderbar und dann fixierbar ist.9. M aturized multi-chamber thermal cycler according spoke 7 or 8, characterized in that the gap (51) with respect to its gap width (b '_™ ) can be predetermined, changed in stages and then fixed.

10. Miniaturisierter Mehrkammer-Thermocycler nach Ansprach 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die den Spalt (51) bezüglich seiner Spaltbreite (b'_sp) variabel einstellen lassen.10. Miniaturized multi-chamber thermal cycler according spoke 7 or 8, characterized in that means are provided which allow the gap (51) to be variably adjusted with respect to its gap width (b '_sp ).

11. Miniaturisierter Mehrkammer-Thermocycler nach Ansprach 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (51) mit einem in fester Form vorhegendem Material, insbesondere einem SiC>₂-, S1₃N₄- oder Glasplättchen, verfüllt ist, bzw. mit einer Beschichtung aus genannten Materiahen oder einem Lack versehen ist.11. Miniaturized multi-chamber thermal cycler according spoke 9, characterized in that the gap (51) is filled with a solid material, in particular a SiC>₂ -, S1₃ N₄ - or glass plate, or with a coating is made of materials mentioned or a varnish.

12. Miniaturisierter Mehrkammer-Thermocycler nach Ansprach 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (51) ein flüssiges oder gasförmiges Medium beinhaltet.12. Miniaturized multi-chamber thermal cycler according spoke 10, characterized in that the gap (51) contains a liquid or gaseous medium.

13. Miniaturisierter Mehrkammer-Thermocycler nach Ansprach 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenkammem (2) mit entsprechend ausgeführten Dünnschichtheizelementen (61) derart versehen sind, daß ein größerer Heizleistungseintrag im Bereich der Probenkammer- bodenbereiche (3) erfolgt.13. Miniaturized multi-chamber thermal cycler according to spoke 7, characterized in that the sample chambers (2) are provided with appropriately designed thin-film heating elements (61) in such a way that a greater heating power input takes place in the area of the sample chamber floor areas (3).