DE102007057651A1

DE102007057651A1 - Thermisches Schwingen zum zyklischen Temperieren von biologischen medizinischen und chemischen Proben

Info

Publication number: DE102007057651A1
Application number: DE102007057651A
Authority: DE
Inventors: Julius Nickl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-11-28
Filing date: 2007-11-28
Publication date: 2009-06-18
Also published as: DE202007018930U1

Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, bei DNS-Vervielfältigungsapparaturen (PCR) die einmal erzeugte thermische Leistung nicht abzuführen, sondern dem Temperiersystem (1) an anderer Stelle wieder zuzuführen, indem zwischen zwei benachbarten streifenförmigen Metallblöcken (2, 2') mit einer Mehrzahl von Bohrungen (7) für die Probengefäße Temperiereinheiten (3, 3') angeordnet werden, so dass bei geeigneter Anordnung der Blöcke (2, 2') und Verschaltung der Temperiereinheiten (3, 3') durch eine Steuereinheit (6) jeder Block (2, 2') abwechselnd geheizt und gekühlt wird, wodurch ein thermisches Schwingen "thermal swing" bewirkt wird. Die Blöcke (2, 2') werdem somit alternierend warm und kalt indem die Stromrichtung abwechselnd in entgegengesetzter Richtung den Peltier-Elementen (3, 3') zugeführt wird. Bei diesem thermischen Schwingen bleibt die Gesamttemperatur der Apparatur somit unverändert. Es werden keine entgegengesetzten Leistungen abgeführt, was schnellere Rampen und Zyklen, eine kleinere Bauart, sowie eine Energieeinsparung der Apparatur ermöglicht. Die Verlustleistung dient zur Hebung der Gesamttemperatur der Anlage über Raumtemperatur.

Description

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem System zum Temperieren von biologischen, medizinischen und chemischen Proben, insbesondere mit Apparaturen, die zur Vervielfältigung von DNS-Strukturen verwendet werden.
Derartige Verfahren und Systeme sind aus der US 2007/0113880 A1 , EP 1 356 303 , EP 1 135 211 , EP 1 090 141 und DE 202 21 055 bekannt.
Diese sogenannten PCR-Apparaturen werden in der Mikrobiologie zur DNA-Analyse eingesetzt. Je nach dem werden 48 oder 96 Probentöpfchen mit Chemikalien/Enzymen in passende Bohrungen einer postkartengroße Metallplatte eingesetzt und heizt diese von 50 auf 90°C und zurück – ca. 100 mal hoch und zürück. Damit diese Zyklen nicht zu viel Zeit in Anspruch nehmen, sind große Heiz- und Kühlleistungen gefordert, wozu häufig Peltier-Elemente eingebaut werden. Das hat die Eleganz, dass man mit einer Stromumkehr von Heizen auf Kühlen umschalten kann.
Die im Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren weisen im Allgemeinen eine beheizbare Platte auf, die eine Vielzahl von Bohrungen zur Aufnahme von Probengefäßen aufweisen. Die Wärme- und Kältezufuhr zu der Metallplatte erfolgt am Boden über die thermisch angekoppelten Peltier-Elemente. Die entgegengesetzte thermische Leistung wird an der anderen Peltierseite der Umgebung über Aluminiumprofile zugeführt.
Die Bohrungen sind matrixartig in Zeilen und Reihen angeordnet und tragen alle annähernd die gleiche Temperatur wie die unmittelbare Umgebung der beheizbaren Platte. An die beheizbare Platte mit ihren Bohrungen ist thermische ein Heiz- oder Kühlelement, in der Regel ein Peltier-Element, thermisch gekoppelt, das von einer Regeleinheit angesteuert wird, um die benötigten unterschiedlichen zeitabhängigen Temperatur-Zyklen fahren zu können. Unterhalb der Peltier-Elemente sind Kühlrippen oder andere Einrichtungen angeordnet, die zur Abfuhr der Verlustwärme und der entgegengesetzten thermischen Leistung dienen.
Als nachteilig an diesen Systemen wird es empfunden, dass die notwendigen Temperaturunterschiede zur zyklischen Erwärmung und Abkühlung der Proben allein mit Hilfe der Kühleinrichtungen durchgeführt werden, so dass eine relativ hohe Verlustleistung an Energie zu verzeichnen ist. Ein weiterer Nachteil besteht bei den bekannten Systemen ferner darin, dass diese Systeme thermisch verhältnismäßig träge sind und dadurch die Gesamtzeit der zu durchfahrenden Zyklen unnötig verlängert wird.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System, das nach einem vorbestimmten Verfahren arbeitet, bereitzustellen, das in der Lage ist, den thermischen Ballast und damit die Zykluszeiten zu verringern, sowie die Herstellungskosten zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen der Hauptansprüche gelöst.
Das erfindungsgemäße Temperiersystem zum schnellen zyklischen Erwärmen und Kühlen von Proben mit mindestens einem wärmeleitfähigen Block, der mittels geeigneter Temperierungseinrichtungen erwärmt und/oder gekühlt wird, ist gekennzeichnet durch mindestens zwei Blöcke mit mindestens einer Temperierungseinrichtung, die mit den Blöcken in engem thermischen Kontakt stehen. Durch Andrücken weiterer Temperiereinheit/Block-Paare können Blockarrays gebildet werden, in denen die Blöcke abwechselnd warm und kalt sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur zyklischen Temperierung von Proben in Blöcken aus wärmeleitfähigem Material in einem Temperiersystem ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Blöcken aus wärmeleitfähigem Material zu einem Temperiersystem zusammengestellt werden, wobei die mindestens zwei Blöcke in engen thermischen Kontakt mit mindestens einer Temperiereinheit gebracht werden und von einer regelbaren Steuereinheit zu unterschiedlichen Temperaturen (T) zur gleichen Zeit (t) gebracht werden.
Einer der Grundgedanken dieser Erfindung liegt darin, dass die entgegen gesetzte thermische Leistung nicht abgeführt wird, sondern diese in der Metallplatte zu belassen. Ordnet man zwischen Streifen der Metallplatte mit den Bohrungen für die Gefäße Peltier-Elemente an, so werden bei geeigneter Anordnung und Verschaltung die Streifen abwechselnd geheizt und gekühlt. Die Streifen sind folglich alternierend warm und kalt und umgekehrt. Bei diesem thermischen Schwingen („thermal swing") bleibt die Gesamttemperatur der Apparatur nahezu unverändert, abgesehen von der Verlustleistung der Peltier-Elemente. Es werden somit keine entgegengesetzte Leistungen abgeführt, was schnellere Zyklen, eine kleinere Bauart, sowie eine Energieeinsparung ermöglicht. Die Verlustleistung von z. B. Peltier-Elementen dient zur Hebung der Gesamttemperatur der Anlage über Raumtemperatur.
Vorteilhafte Ausbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Dabei ist es vorteilhaft, dass die Temperiereinrichtung elektrische Heiz- und Kühlelemente sind, z. B. Peltier-Elemente und einzeln angesteuert werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die Temperiereinrichtung von einer Steuereinrichtung angesteuert und geregelt wird.
Vorteilhaft ist es ferner, dass die Steuereinrichtung programmierbar ist.
Vorteilhaft ist es auch, dass die zu temperierenden Blöcke länglich ausgebildet sind.
Vorteilhaft ist es ferner dass die Blöcke mindestens eine Ausnehmung aufweisen.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die zu temperierenden Blöcke plattenartig und länglich ausgebildet sind und an der nach oben weisenden Fläche Ausnehmungen zur Aufnahme von Proben aufweisen.
Vorteilhaft ist es ferner, dass die erzeugte Wärme innerhalb einer wärmeisolierenden Hülle konserviert und gespeichert wird und die abgeführte Verlustleistung der Temperiereinrichtung zur Anhebung und Aufrechterhaltung des Wärmeinhalts des Gesamtsystems verwendet wird.
Vorteilhaft ist es auch, dass die Temperaturzyklen sowohl in der Zeit (t) als auch in der Temperatur (T) variabel gesteuert werden.
Vorteilhaft ist es ferner, dass die Temperaturzyklen von t1 bis t2 vorprogrammiert werden und automatisch zyklisch ablaufen.
Vorteilhaft ist es in bestimmten Anwendungsfällen, dass die Temperaturzyklen (t1 bis t2) identisch sind.
Weitere erfindungswesentliche Merkmale sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Im nun Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen im Einzelnen näher beschrieben. Es zeigt
1: eine schematische Darstellung des Temperiersystems (1) im Querschnitt in der Vorderansicht;
2: eine schematische Darstellung des Temperiersystems (1) in der Draufsicht;
3: ein schematisches Temperatur-Zeitdiagramme eines Blockes (2) mit einem stufenförmigen Temperaturverlauf;
4: ein qualitatives Temperatur-Zeitdiagramme zweier nebeneinander angeordneter Blöcke (2, 2') mit zwei Kurven, die einen zeitlichen Zyklus zwischen t1 und t2 darstellen.
Die 1 zeigt eine schematische Vorderansicht des erfindungsgemäßen Temperiersystems 1. Die zu temperierenden Blöcke 2, 2', die im Wesentlichen aus länglichen gut wärmeleitfähigem Material bestehen, sind parallel zu einander angeordnet. Jeder einzelne Block 2, 2' weist an der nach oberen weisenden Fläche 8 eine Mehrzahl von, aber mindestens eine, Ausnehmung 7 auf, die verschiedene Formen annehmen können. In die Ausnehmung 7 wird die zu temperierende Probe 5 direkt oder mit einem speziellen Einsatz 11, eingebracht. Zwischen den Blöcken 2, 2' sind Temperiereinrichtungen 3, 3' angeordnet, die mit einem geeignetem dünnen Übertragungsmedium 4, das zwischen der Temperiereinrichtung 3, 3' und den Blöcken 2, 2' im Abstand (d) angeordnet ist und somit in engem thermischen Kontakt mit den Blöcken 2, 2' stehen. Die Temperiereinrichtungen 3, 3' sind Einrichtungen, mit denen die Blöcke 2, 2' auf eine vorbestimmte Temperatur (T) gebracht werden. Häufig werden hierfür sogenannte Peltier-Elemente verwendet, die mit Gleichstrom gespeist werden und bei einer Stromrichtung Wärme erzeugen und bei Umkehr der Stromrichtung Kälte erzeugen. Das heißt, dass das Peltier-Element auf der einen Seite bei Stromdurchfluss heiß wird und auf der anderen Seite kalt wird. Dadurch entsteht bei wechselseitigem Heizen und Kühlen der benachbarten Blöcke 2, 2' eine thermisches Schwingen (thermal swing). Der gleiche Effekt kann erzielt werden, wenn beispielsweise jeder zweite Block in einem vorbestimmten Zyklus temperiert wird. Die seitliche Anordnung der einzelnen im Grunde identischen Blöcke mit den Temperiereinrichtungen 3, 3' ist beliebig oft wiederholbar und richtet sich nach den Anforderungen des mit dieser Apparatur durchzuführenden Experimentes. Zwischen den benachbarten Blöcken 2, 2' ist eine Temperiereinrichtung im gewissem Abstand angeordnet, deren Seiten je nach Stromfluss abwechselnd heiß und kalt werden und die entstehenden Temperaturen auf die benachbarten Blöcke 2, 2' übertragen werden. Dadurch bleibt ein Großteil an Energie, abgesehen von Verlustleistungen, im Gesamtsystem erhalten, der Wärmefluß pendelt hin und her und die entgegengesetzte Leistung muß nicht abgeführt werden. Dadurch können die beiden Blöcke 2, 2' mit völlig unterschiedlichen Temperaturen zur gleiche Zeit betrieben werden. Die Wärme, die beim Abkühlen einer aufgeheizten Temperierungseinheit 3, 3' abgeführt werden muss, wird wechselseitig dazu verwendet, die neu aufzuheizende benachbarte Temperierungseinheit 3, bzw. den Block vorzuwärmen, wodurch ca. 1/3 an Energiezufuhr eingespart werden kann und sich die Gesamtzykluszeit (tges) auf die Hälfte der sonst üblichen Aufheiz- bzw. Rampenzeit verkürzen lässt. Das Temperaturprofil über das gesamte Temperierungssystem 1 in Querrichtung zu den Längsachsen der einzelnen Blöcke 2, 2' ist somit im Wesentlichen nicht konstant, sondern wellenförmig, wobei sich Maxima und Minima der Temperaturen zeitlich abwechseln. Bei diesem thermischen Schwingen bleibt die Gesamttemperatur der Apparatur weitgehend unverändert. Es werden keine entgegengesetzte Leistungen abgeführt, was schnellere Zyklen, eine kleinere Bauart sowie eine Energieeinsparung ermöglicht. Die Verlustleistung dient zur Hebung der Gesamttemperatur der Anlage über Raumtemperatur. Das gesamte Temperiersystem 1 ist von einer Hülle 9 zur thermischen Abtrennung umgeben.
Die 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf das Temperiersystem 1 mit der Steuereinrichtung 6. Jeder beheizbare Block 2, 2' weist eine Reihe von Ausnehmungen 7 an der nach oben weisenden Fläche 8 auf, deren Anzahl von der Art des durchzuführenden Experimentes abhängt. Wenn zum Beispiel 96 Proben benötigt werden, so weist jeder Block 12 Ausnehmungen auf, wobei 12 Blöcke nebeneinander angeordnet sind. Die Funktion der Peltier-Elemente 3, 3' im vorliegenden System wurde bereits weiter oben beschrieben. Die Temperatur (T) wird durch entsprechende, hier nicht gezeigte Temperaturfühler, aufgenommen und zu Regelzwecken der Steuereinheit 6 zugeführt. Anstatt der Peltier-Elemente können auch andere Temperierungseinheiten 3, 3' verwendet werden, z. B. Hohlkörper, die abwechselnd von einer Flüssigkeit vorbestimmter Temperatur (T) durchflutet werden und diese Temperatur an die Blöcke 2, 2' abgeben.
Die 3 zeigt ein schematisches Temperatur-Zeitdiagramm für einen Block 2 mit einer zyklisch stufenförmig verlaufenden vorprogrammierten Temperatur (T). Die einzelnen Temperaturniveaus jeder Stufe zwischen t1 und t2 können mit einer Steuereinheit 6 je nach Experimentvorgabe beliebig eingestellt bzw. vorprogrammiert werden.
Die 4 zeigt zwei Temperaturkurven zweier benachbarter Blöcke 2, 2', die qualitativ den zeitlichen Verlauf der Temperatur-Zyklen der Blöcke 2, 2' zwischen der Zeit t1 und t2 wiedergeben. Die einzelnen Temperaturstufen können mit der Steuereinrichtung 6 vorprogrammiert automatisch durchfahren werden. Die voll ausgezogene Kurve (I) gibt qualitativ den zeitlichen Verlauf der Temperatur (T) eines Blockes 2 an der Oberfläche wieder, was vergleichbar mit der Temperatur einer Peltier-Seite 10 aus dem aufgeheizten Zustand in den abgekühlten Zustand in Abhängigkeit von der Zeit (t) ist. Die gestrichelte Kurve (II) zeigt den umgekehrten Temperaturverlauf der Oberfläche des benachbarten Blocks 2' bzw. der anderen Peltier-Seite 10' des gleichen Peletier- Elements. Die erzeugte gespeicherte Wärme des ersten Blocks 2 wird praktisch in einem bestimmten Zeitinterval (t2 – t1) auf den benachbarten Block 2' übertragen, wodurch eine gewisse Aufheizleistung eingespart wird.
Ähnliche und andere Ausführungsformen des o. g. Erfindungsgedankens sind vom Schutzumfang der Erfindung ebenfalls umfasst, z. B. wenn anstatt eines Peltier-Elements zwei Hohlräume angeordnet sind, die abwechselnd auf und abgekühlt werden oder jeder zweite Block abwechselnd mit Hilfe elektrischer Heizung auf- und abgeheizt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 2007/0113880 A1 [0002]
- EP 1356303 [0002]
- EP 1135211 [0002]
- EP 1090141 [0002]
- DE 20221055 [0002]

Claims

Temperiersystem (1) zum zyklischen Erwärmen und Kühlen von Proben mit einem wärmeleitfähigen Block (2) der mittels geeigneter Temperierungseinrichtungen (3) erwärmt und/oder gekühlt wird, gekennzeichnet durch, mindestens zwei Blöcke (2, 2') mit mindestens einer Temperiereinrichtung (3), die mit den Blöcken (2, 2') in engem thermischen Kontakt steht.
Temperiersystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierungseinrichtung (3, 3') elektrische Heiz- und Kühlelemente sind, z. B. Peltier-Elemente.
Temperiersystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiereinrichtung (3, 3') von wärmetragenden Flüssigkeiten durchströmt werden.
Temperiersystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den benachbarten Temperierungseinrichtungen (3, 3') ein Block (2) und im Abstand (d) an den Seiten des Blocks (2) ein geeignetes Wärmeübertragungsmittel angeordnet ist.
Temperiersystem (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierungseinrichtung (3, 3') von einer Steuereinrichtung (6) angesteuert und geregelt wird.
Temperiersystem (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (6) programmierbar ist.
Temperiersystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blöcke (2, 2') länglich ausgebildet sind.
Temperiersystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blöcke (2, 2') mindestens eine Ausnehmung (7) aufweisen.
Temperiersystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu temperierenden Blöcke (2, 2') plattenartig und länglich ausgebildet sind und an der nach oben weisenden Fläche (8) Ausnehmungen (7) zur Aufnahme von Proben (5) aufweisen.
Temperiersystem (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine wärmeisolierende Hülle (9), die die erzeugte Wärme innerhalb der Hülle (9) konserviert und speichert.
Verfahren zur zyklischen Temperierung von Proben (5) in Blöcken aus wärmeleitfähigem Material in einem Temperiersystem (1), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Blöcke (2, 2'), die thermisch in engem Kontakt mit mindestens einer Temperiereinheit (3, 3') stehen, parallel zu einander angeordnet werden und von einer Steuereinheit (6) zu unterschiedlichen Temperaturen (T) zur gleichen Zeit (t) gebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Temperiereinheit (3, 3') mindestens zwei Peltier-Elemente verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die abgeführte Verlustleistung der Temperierungseinrichtungen (3, 3') zur Anhebung und Aufrechterhaltung des Wärmeinhalts des Gesamtsystems verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturzyklen sowohl in der Zeit als auch in der Temperatur (T) variabel gesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturzyklen (t1 bis t2) vorprogrammiert werden und automatisch zyklisch ablaufen.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturzyklen (t1 bis t2) identisch sind.