DE69703381T2 - Erwärmung eines proben-trägers - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Erwärmen und insbesondere auf das thermisch zyklische Behandeln von Proben-Trägern.
• In vielen Bereichen werden Proben-Träger in der Form von Stützblöcken oder -platten verwendet, wenn bei verschiedenen Verfahren kleine Proben thermisch zyklisch behandelt werden.
• Ein besonderes Beispiel ist die "Polymerase Chain Reaction method" (Polymeres Kettenreaktionsverfahren, häufig zu PCR verkürzt) zum Replizieren von DNS-Proben. Solche Proben erfordern ein rasch und genau einstellbares thermisch zyklisches Verfahren, sie werden typischerweise auf in einem Block vereinten schüsselförmigen Vertiefungen als Probenaufnahmen abgelegt, und in voreingestellten wiederholten Zyklen verändert sich die Temperatur.
• Frühere Verfahren zum Erwärmen solcher Probenträger schließen die Verwendung von um die Probenaufnahmeschüsseln gewickelten Widerstandsdrähten ein, die Verwendung von Peltiereffektvorrichtungen oder die Verwendung von Heißluftverfahren. Solche Verfahren sind jedoch mit der notwendigen Genauigkeit schwierig zu regeln, erfordern lange Zeitzyklen und können zu thermischem Überschuß führen.
• Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem durch Aufbringen von Gleichstromwiderstandswärme auf einen metallischen Probenträger. Demzufolge schlägt die Erfindung ein Verfahren zum Erwärmen eines Pröbenträgers in der Form einer metallischen Fläche und Zuführung eines Heizstromes zu dieser Fläche vor.
• Vorzugsweise soll die Metallfläche aus Silber bestehen, das hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit hat. Die Fläche soll generell einen dünnen Bereich mit einer Dicke von 0,3 mm haben, der die Form einer Probenmatrix aus Probenschüsseln hat und in die Fläche inkorporiert ist.
• Während die metallische Fläche eine eigensteife Folie oder ein Block aus Silber sein kann (in bzw. den Aufnahmevertiefungen so eingearbeitet sind, dass Aufnahmeschüsseln ausgebildet sind), besteht eine Alternative in der Verwendung einer metallisierten Plastikplatte (in die Aufnahmeschüsseln gedrückt sind), bei der abgelagertes Metall ein Widerstandsheizelement bildet.
• Eine andere Alternative sieht das Elektroformen einer dünnen Metallplatte (in die wiederum Probenaufnahmevertiefungen in der Form von Aufnahmeschüsseln eingedrückt sind) vor, wobei das Metall mit einem biologisch verträglichen Polymer beschichtet ist.
• Diese Maßnahmen ermöglichen es, dass intensiver Kontakt zwischen dem metallischen Heizelement und den biologisch verträglichen Probenaufnahmen erhalten wird: Dies führt zu erheblich verbesserter thermischer Wirksamkeit bezüglich der Temperaturregelung und Temperaturwechselraten, wenn die aktuellen Temperaturen der Reagenzien in den schüsselförmigen Vertiefungen gemessen werden.
• Die Plastikplatten sind üblicherweise nur für einen einmaligen Gebrauch bestimmte Gegenstände. Das Einarbeiten des Heizelementes in die Plastikplatten kann ihre Herstellungskosten erhöhen, jedoch kompensiert die Reduktion der Wechselzeit für die PCR-Reaktion die höheren Kosten des verfügbaren Gegenstandes.
• Der Boden einer zusammengesetzten Platte soll bei Anwendung von Gebläsekühlung glatt sein. Wird bei Verwendung entweder einer zusammengesetzten Platte oder eines Blockes am Ende der PCR-Zyklen Kühlung durch Abgabe von Wärme an die Umgebung gefordert, so kann eine intensive Kühlung durch Aufsprühen von Flüssigkeit bewirkt werden. Die Verdampfungstemperatur der Flüssigkeit sollte niedriger sein als der untere Grenzwert des PCR-Zyklus, sodass keine Flüssigkeit auf dem Metall der Platte oder des Blockes zurückbleibt, was das Erwärmen beeinträchtigen würde. Dies ermöglicht auch der latenten Wärme des Verdampfens der Flüssigkeit den Kühleffekt zu erhöhen.
• Der Heizstrom kann ein von der zweiten Wicklung eines Transformators aus zugeführter Wechselstrom sein. Dies ermöglichst eine zyklische Kontrolle für die Primärwicklung des Transformators (höhere Spannung, niedriger Stromwert) in einer üblichen Weise, ohne dass Probleme entstehen, die beim Arbeiten mit Hochstromvorrichtungen auftreten.
• Der Transformator kann einen zylindrischen Kern mit einer angemessenen Starkstromprimärwicklung und einer einzigen Sammelleiterschiene in schleifenförmiger Führung durch den Kern und in Serienverbindung mit der Metallfolie zur Bildung eines Einwindungs-Sekundärschaltkreises aufweisen.
• Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen bei spielhaft beschrieben, worin
• Fig. 1 eine Seitenansicht einer Heizvorrichtung ist und
• Fig. 2 eine Draufsicht auf die Heizvorrichtung gemäß Fig. 1 ist.
• Ein metallischer Probenträger in der Form eines Vielschüsselblockes (1) in der Abmessung 110 mm · 75 mm mit 96 Schüsseln (2) in deren Anordnung in Rasterform ist aus Silber hergestellt in einer nominellen Dicke von 0,3 mm. Dieser ist Sammelschienen (3) bestimmter Querschnittsfläche zugeordnet. Die Sammelschienen sind eine Schleife bildend durch einen (torusförmigen oder rechteckigen) Transformatorkern (4) hindurchgeführt: Dem Kern (4) ist eine Primärwicklung (5) zugeordnet, die für die verwendete Netzspannung ausgelegt ist. Der Primärstrom des Transformators wird unter Verwendung einer Thyristortriode (Triac) (6) geregelt. Dieser Triac wird Strom von einer Wechselstromquelle aus zugeführt und die Regelung erfolgt mittels eines Temperaturregelkreises (7), der eine Dünndrahtthermokupplung (8) verwendet, die im Zentrum der Unterseite des Blockes mit diesem verlötet ist, um die Blocktemperatur zu ermitteln. Der Temperaturregelkreis kann manuell oder mit einem Personalcomputer (9) geregelt werden.
• Der Kühlung des Blockes kann ein unter dem Block montiertes Gebläse (10) dienen, das Umgebungsluft über die vorstehenden Aufnahmeschüsseln (2) bläst, wobei die Luftströmung durch das Gehäuse gerichtet wird, in dem der Block montiert ist. Das Gebläse wird von demselben Temperaturregelkreis geregelt, der die Heizungstriac regelt.
• Die Messung des Nutzeffekts der Beispielvorrichtung ergibt Temperaturwechselraten im Überschuß von 6 Grad je Sekunde und ein Über-/Unterschwingen von weniger als 0,25 Grad innerhalb des typischen PCR-Arbeitsbereichs von 50-100 Grad.
• Bei den beschriebenen Beispielen wird ein Silberblock mit Vertiefungen verwendet, es können jedoch auch metallisierte Plastikplatteneinsätze oder elektrisch gebildete dünne Metallplatten, wie vorbeschrieben, verwendet werden.
• Das beschriebene System hat verschiedene wichtige Vorteile. 1.1 Der Block wird direkt ohne die Notwendigkeit des Wärmeüberganges zwischen ihm und einer zugeordneten Wärmequelle beheizt. Das ist sehr effizient und ermöglicht in Verbindung mit der sehr geringen Wärmespeicherungsfähigkeit von Silber sehr rasche Temperaturwechsel.
• 1. 2 Direkt wirkende Heizmittel sind möglich, sodass überhaupt keine Wärmeverluste eintreten. Die Temperaturregelfunktionen werden sofort umgesetzt, sodass die Temperaturwechsel des Blockes sehr rasch mit nur geringen oder keinen Unter- oder Überschreitungen der Solltemperaturen durchgeführt werden können.
• 1. 3 Weil dem Block keinerlei Hindernisse oder thermische Barrieren vorgeschaltet sind, kann die Zwangskühlung der Blockrückseite (deren Fläche größer als an sich notwendig sein kann) einfach, schnell wirkend und gut geregelt erfolgen.
• 1. 4 Die Dünndrahtthermokupplung ist an dem Blockunmittelbar angelötet, sodass die Temperaturmessung und -regelung unmittelbar erfolgen. Jedoch kann auch jede andere Vorrichtung zum Temperaturmessen verwendet werden, sofern mit ihr keine signifikanten Sensorfehler verbunden sind.
• 1. 5 Die Temperaturverteilung über die gesamte Blockoberfläche ist von der Gleichmäßigkeit der Beheizung und der thermischen Leitfähigkeit des Blocks abhängig. Die thermische Leitfähigkeit von Silber ist sehr hoch und die Verteilung .der Wärmeenergie über den Block ist von der Zuteilung des Heizstromes abhängig. Dies kann durch Veränderung der Geometrie des Blockes mit der Vielzahl von schüsselförmigen Vertiefungen geregelt werden.
• Die benötigten hohen Ströme können leicht produziert und geregelt werden, weil der Block Teil eines Starkstromsekundärkreises des Transformators wird. Der Querschnittsbereich der Wickelstangen wird deutlich größer als der Querschnittsbereich des Blocks, sodass eine merkbare Wärmeerzeugung nur im Block bewirkt wird. Der Strom kann leicht in der Primärwicklung geregelt werden (wo der Strom schwach ist), in dem Thyristoren, Triacs oder andere Vorrichtungen verwendet werden. Alternativ kann die Primärwicklung mit hochfrequenter, schaltergesteuerter und regelbarer Energiezufuhr versorgt werden. Das erlaubt, den selben Grad der Regelung des in die den Block einschließende Sekundärwicklung induzierten Stroms, jedoch ermöglicht die Hochfrequenz die Anwendung eines kompakteren Kerns im Transformator und reduziert Spitzen des Einschaltstromstoßes beim Ein- und Ausschalten des Stroms.

Claims (13)

1. Verfahren zum Erwärmen eines Probenträgers mit mehreren Probenbereichen, beispielsweise in der Form von Probenaufnahmeschüsseln, wobei der Träger die Form einer Metallfläche hat und das Verfahren die Zuführung eines Stromes zu der Fläche einschließt, um eine Widerstandsbeheizung der Fläche zu bewirken und die Proben mittels des Trägers zu erwärmen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Erwärmung mittels eines zugeführten Wechselstromes erfolgt, der eine Widerstandserwärmung bewirkt und so gesteuert wird, dass die Erwärmung in sich wiederholenden Zyklen bewirkt wird.

3. Verfahren nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Fläche Teil eines massiven Silberblocks ist.

4. Verfahren nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Fläche von metallisiertem Plastikmaterial gebildet wird.

5. Verfahren nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Fläche von einer auf elektrischem Weg hergestellten dünnen Metallfolie gebildet wird.

6. Verfahren nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Metallfläche eine Mehrzahl von Probenaufnahmeschüsseln zur Aufnahme von Proben aufweist.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche mit einem Probenträger mit mehreren Probenbereichen, beispielsweise in der Form von Probenaufnahmeschüsseln, wobei der Träger die Form einer elektrisch leitenden Metallfläche hat, mit weiter einem Energiezuführungsmittel und mit einem Umformer, der eine mit dem Energiezuführungsmittel verbundene Primärwicklung und eine mit der leitenden Fläche verbundene Sekundärwicklung hat.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Sekundärwicklung aus einer einzigen Windung besteht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder nach Anspruch 8 mit einem Temperaturregelmittel, das so geschaltet ist, dass der Heizstromdurchgang durch die zweite Wicklung mit einer Rate erfolgt, dass die geregelte Heiztemperatur innerhalb des Probenträgers gleich bleibt

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, die ein Gebläsekühlmittel enthält in einer Anordnung, dass Kühlluft auf die Rückseite des Probenträgers gerichtet wird und in Verbindung mit dem Temperaturregelmittel.

11. Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 7 bis 10, bei der die Metallfläche Teil eines festen Silberblockes ist.

12. Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 7 bis 10, bei der die Metallfläche von metallisiertem Plastikmaterial gebildet ist.

13. Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 7 bis 10, bei der die Metallfläche Teil einer auf elektrische Weise gebildeten dünnen Metallfolie ist.