УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОГРАММИРУЕМОГО НАГРЕВА И ОХЛАЖДЕНИЯ ОБРАЗЦОВ БИООБЪЕКТОВ В ЖИДКОЙ ФАЗЕ Российский патент 1994 года по МПК B01L7/00 

Изобретение относится к медицине, биотехнологии и генной инженерии и может быть использовано для программируемой автоматической термообработки биологических образцов в жидкой фазе при разных температурах, с целью проведения, например, полимеразной цепной реакции (ПЦР) или реакции амплификации. ПЦР используется для наработки специфических последовательностей ДНК в присутствии олигонуклеотидов-праймеров и фермента - термофильной ДНК-полимеразы.

Известно устройство для программируемого нагрева и охлаждения образцов биообъектов в жидкой фазе [1], включающее емкости с разной температурой жидкости, кассету с гнездами для размещения кювет, заполненных образцами биоматериала, механизм перемещения матрицы из одной емкости в другую, а также электронный блок управления устройством.

К недостаткам устройства относятся сложность конструкции и большие ее габариты, а также сложность управления устройством и необходимость боксирования и термоизоляции всей установки.

Известно другое устройство для программируемого нагрева и охлаждения образцов биообъектов в жидкой фазе [2], включающее термоизолированную емкость с системами водослива и подачи нагретой и охлажденной жидкости, матрицу с отверстиями для фиксации кювет и датчик температуры, установленные в емкости, и электронный блок управления, связанный с датчиком температуры и электромагнитными клапанами систем водослива и подачи нагретой и охлажденной жидкости.

К недостаткам устройства относятся сложность конструкции и снижение его термодинамических характеристик при увеличении объема реакционной емкости и количества обрабатываемых образцов вследствие неодинакового температурного воздействия на образцы биообъектов. Кроме того, сложен процесс контроля и управления температурными режимами в большом объеме жидкости.

Известно также устройство для программируемого нагрева и охлаждения образцов биообъектов в жидкости [3], включающее термоизолированную емкость, выполненную в виде трубы с гнездами для установки кювет с образцами биообъектов в жидкой фазе. Емкость снабжена датчиком температуры и системой подачи и удаления жидкости, включающей насосы и резервуары с термонагревателями и холодильниками для приготовления жидкости с требуемой температурой. Емкость, насосы и резервуары сообщаются между собой трубопроводами, снабженными электромагнитными клапанами. Кроме того, устройство имеет электронный блок управления, который связан с датчиком температуры, вентилями, термонагревателями и холодильниками.

К недостаткам относятся сложность конструкции устройства и снижение его термодинамических характеристик при увеличении объема реакционной емкости (длины трубы) и количества обрабатываемых образцов вследствие неодинакового температурного воздействия на образцы биообъектов, расположенных на входе и выходе из трубы. Кроме того, с увеличением объема реакционной емкости значительно увеличиваются габариты всего устройства.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) к изобретению является устройство для программируемого нагрева и охлаждения образцов биообъектов в жидкой фазе [4], включающее термоизолированную цилиндрическую емкость с водосливом и крышкой с отверстиями для фиксации кювет. Емкость имеет датчик температуры, перемешивающее устройство и снабжена системой подачи и удаления жидкости. Система включает насосы и резервуары с термонагревателями и холодильниками для приготовления жидкости с требуемой температурой. Емкость, насосы и резервуары сообщаются между собой трубопроводами, снабженными электромагнитными клапанами. Кроме того, устройство имеет электронный блок управления, который связан с датчиком температуры, вентилями, термонагревателями и холодильниками.

К недостаткам прототипа относятся сложность конструкции устройства и снижение его термодинамических характеристик при увеличении объема реакционной емкости и количества обрабатываемых образцов вследствие неодинакового температурного воздействия на образцы биообъектов, расположенных в кюветах.

Целью изобретения является упрощение конструкции устройства и сохранение его термодинамических характеристик при увеличении объема реакционной емкости и количества обрабатываемых образцов вследствие одинакового температурного воздействия на образцы биообъектов.

Цель достигается тем, что устройство включает термоизолированную реакционную емкость с водосливом и крышкой с гнездами для размещения кювет, термонагревательный элемент и установленные в емкости мешалку и датчик температуры. К емкости подсоединен через электромагнитный клапан трубопровод подачи холодной воды под напором. Устройство имеет электронный блок управления, связанный с датчиком температуры, электромагнитным клапаном и термонагревательным элементом. Водослив выполнен в виде последовательно состыкованных цилиндра и выходного патрубка, первый из которых расположен в емкости соосно ей, а второй - снаружи емкости со стороны ее днища. Кроме того, термонагревательный элемент размещен вокруг водосливного цилиндра в нижней части емкости, а к подающему трубопроводу перед электромагнитным клапаном подсоединен отводной патрубок с соплом на конце для эффективного перемешивания жидкости. Подающий трубопровод и конец отводного патрубка с соплом подсоединены тангенциально цилиндрической емкости.

Новыми по сравнению с прототипом являются следующие признаки устройства. Водослив выполнен в виде последовательно состыкованных цилиндра и выходного патрубка, первый из которых расположен в емкости соосно ей, а второй - снаружи емкости со стороны ее днища. Кроме того, термонагревательный элемент размещен в нижней части емкости вокруг водосливного цилиндра, а к подающему трубопроводу перед электромагнитным клапаном подсоединен отводной патрубок с соплом на конце. Подающий трубопровод и конец отводного патрубка с соплом подсоединены тангенциально цилиндрической емкости.

Наличие признаков в предложенном устройстве, которые отличают его от прототипа, свидетельствует о соответствии его критерию "новизна".

Существенные отличия предлагаемого устройства по сравнению с известными аналогами состоят в том, что его отличительные от прототипа признаки проявляют новые технические свойства, заключающиеся в том, что подвод тепло- и хладоносителя осуществляют одновременно к каждой кювете за счет выполнения реакционной емкости в виде кольцевого канала, а подачу хладоносителя в канал производят тангенциально с интенсивной закруткой потока жидкости. При этом сохраняются термодинамические характеристики устройства при увеличении объема реакционной емкости и количества обрабатываемых образцов. Кроме того, за счет нагрева теплоносителя непосредственно в нижней части емкости значительно упрощаются конструкция устройства и процесс управления нагревом и охлаждением образцов. Новизна свойств отличительных признаков предложенного устройства обеспечивает соответствие его критерию "существенные отличия".

На фиг.1 приведена схема устройства для программируемого нагрева и охлаждения образцов биообъектов в жидкой фазе; на фиг.2 - реакционная емкость; на фиг.3 - разрез А-А на фиг.2.

Устройство содержит термоизолированную реакционную емкость 1 с водосливом и крышкой 2 с гнездами для фиксации кювет 3. Водослив выполнен в виде последовательно состыкованных цилиндра 4 и выходного патрубка 5. Цилиндр 4 расположен в емкости 1 соосно ей, а патрубок 5 - снаружи емкости 1 со стороны ее днища. Между торцом цилиндра 4 и крышкой 2 имеется зазор, который зависит от уровня заполнения емкости 1. В емкости 1 между ее стенкой и цилиндром 4 установлены термонагревательный элемент 6, датчик 7 температуры и кюветы 3. К емкости 1 через электромагнитный клапан 8 подсоединен тангенциально трубопровод 9 подачи холодной воды под напором. Для обеспечения перемешивания жидкости в реакционной емкости на трубопроводе 9 перед электромагнитным клапаном 8 по ходу потока установлен отводной патрубок 10 с соплом 11 на конце, подсоединенным тангенциально к реакционной емкости 1. Электронный блок 12 управления включает микропроцессор 13 с кнопочной клавиатурой 14 и цифровым индикатором 15, к которому подсоединены аналоговый цифровой преобразователь (АЦП) 16 и схема 17 управления. Электронный блок 12 управления связан с датчиком 7 температуры, электромагнитным клапаном 8 и термонагревательным элементом 6. Причем к микропроцессору 13 датчик 7 температуры подсоединен через АЦП 16, а термонагревательный элемент 6 и электромагнитный клапан 8 - через схему 17 управления.

Устройство работает следующим образом.

Предварительно посредством клавиатуры 14 в память микропроцессора 13 вносятся данные программы по нагреву и охлаждению образцов. После нажатия кнопки "Пуск" на клавиатуре 14 прибор в автоматическом режиме проводит самоподготовку к работе. В процессе самоподготовки проверяется наличие воды в трубопроводе 9, измеряется ее температура и определяется температурная постоянная реакционной емкости 1. Вначале измеряется температура воды в емкости 1. При этом сигнал с датчика 7 через АЦП 16 поступает в микропроцессор 13. Микропроцессор посредством схемы 17 управления откpывает клапан 8. Вода поступает в емкость 1 из трубопровода 9 и сливается через выходной патрубок 5. Процессор 13 регистрирует изменение температуры воды в емкости 1 через определенное время (20-30 с). Измерение прекращается после выравнивания температуры воды в емкости 1 до температуры ее в трубопроводе 9. При этом микропроцессор 13 подает сигналы на схему 17 управления для отключения клапана 8 и включения термонагревательного элемента 6 на полную мощность. Посредством тангенциальной подачи струи воды из сопла 11 осуществляется интенсивное перемешивание жидкости в емкости 1. Температурная постоянная емкости 1 определяется путем измерения времени нагрева воды на 1^оС вблизи заданных по программе точек температуры и времени охлаждения на 1^оС у этих же точек. Далее процессор 13 вычисляет температурную постоянную емкости 1 как отношение времени нагрева воды к времени ее охлаждения на 1^оС. Температуpная постоянная показывает какую долю мощности нагpевателя необходимо затрачивать для стабильного поддержания заданной по прогpамме температуры. После подготовки и проверки прибор готов к работе. В гнезде крышки 2 устанавливаются кюветы 3 с образцами биообъектов в жидкой фазе. После нажатия кнопки "Пуск" в соответствии с программой микропроцессор 13 подает сигнал на схему 17 управления, которая включает термонагревательный элемент 6 на полую мощность. Вода в емкости 1 нагревается до первой заданной по программе температуры при закрытом клапане 8 и постоянном пеpемешивании ее за счет тангенциальной подачи под большим давлением струйки воды из сопла 11 (выходное отверстие сопла 0,1-0,5 мм). В другом варианте выполнения пpибора вместо отводного патpубка 10 может быть установлена в емкость пропеллерная мешалка или вибратор (на фигурах не показан). После нагpева воды до пеpвой заданной по программе темпеpатуpы, напpимер денатурация двойной цепи ДНК происходит при темпеpатуре 93-100^оС, с микpопpоцессора 13 поступает сигнал для переключения нагревателя 6 на мощность, обеспечивающую поддержание температуры воды в емкости 1 на заданном режиме. На второй стадии обработки образцов (отжиг денатурированной ДНК с олигонуклеотидами-праймерами) температуpа воды в емкости 1 изменяется в течение не более 30 с до 37-60^оС в зависимости от длины олигонуклеотидов-праймеров. При этом по программе нагревательный элемент 6 пеpеключается на более низкую мощность и открывается клапан 8. Холодная вода под давлением с большим расходом и интенсивной тангенциальной закруткой поступает из трубопpовода 10 в емкость 1, излишки которой сливаются через выходной патрубок 5. В момент охлаждения воды в емкости 1 до втоpой заданной по пpограмме температуры (напримеp 37^оС) микропроцессор 13 закрывает клапан 8, а включенный нагpевательный элемент 6 обеспечивает поддержание температуры воды в емкости 1 на втором режиме при интенсивном перемешивании воды струей жидкости из сопла 11. Далее по программе сигнал с микропроцессоpа 13 подается на схему 17 управления для включения нагревательного элемента 6 на полную мощность для нагрева воды в емкости 1 до температуры 65-75^оС (третий режим обработки биообразцов). На тpетьем режиме обработки происходит реакция полимеризации: ДНК-полимераза достраивает цепь ДНК, комплементарную цепи ДНК-матрицы, начиная с олигонуклеотида-праймеpа. На четвертом режиме вода в емкости 1 нагревается снова до 93-100^оС, т.е. цикл амплификации повторяется. При этом происходит денатурация новосинтезирующих цепей ДНК и т.д.

Технико-экономическая эффективность пpедложенной конструкции прибора состоит в том, что по сравнению с прототипом значительно упрощаются конструкция прибора и система управления процессом нагрева и охлаждения образцов биоматериала за счет того, что нагрев воды производят непосредственно в pеакционной емкости, а холодную воду подают непосредственно из водопроводной сети. При этом отпадает необходимость в ряде емкостей для нагрева и охлаждения воды, в нагревателях и холодильниках, установленных в этих емкостях в трубопроводной системе с клапанами и насосами, а также упрощаются прогpамма и схема управления процессом термообработки образцов биоматериала. Кроме того, за счет выполнения реакционной емкости в виде кольцевого канала и тангенциального подвода тепло- и хладоносителя снизу и слива воды в верхней части емкости обеспечивается подвод тепло- и хладоносителя одновpеменно ко всем кюветам, вследствие чего достигается одинаковое темпеpатурное воздействие одновременно на все образцы биообъектов. Причем при увеличении объема реакционной емкости и количества обрабатываемых образцов (с сохpанением ширины проточного кольцевого канала) обеспечивается сохранение термодинамических характеристик прибора, т.е. процесс амплификации легко масштабируется. В реакционных емкостях pазного объема в прототипе трудно обеспечить одинаковые термодинамические характеристики процесса нагрева и охлаждения биообразцов, в связи с чем процесс амплификации трудномасштабируем.

Использование: программируемая автоматическая термообработка биологических образцов в жидкой фазе при разных температурах. Сущность изобретения: устройство для программируемого нагрева и охлаждения образцов биообъектов в жидкой фазе включает термоизолированную реакционную емкость 1 с водосливом и крышкой 2 с гнездами для размещения кювет 3. В нижней части емкости установлены термонагревательный элемент 6 и датчик 7 температуры. Холодная вода подается в емкость 1 по трубопроводу 9 через электромагнитный клапан 8. Устройство выполнено с электронным блоком 12 управления, связанным с термонагревательным элементом. Водослив реакционной емкости выполнен в виде последовательно состыкованных цилиндра 4 и выходного патрубка 5. Цилиндр 4 расположен в емкости 1 соосно ей. Выходной патрубок 5 расположен снаружи емкости со стороны ее днища. Мешалка устройства выполнена в виде установленного на трубопроводе 9 холодной воды отводного патрубка с соплом на конце, подсоединенного тангенциально к реакционной емкости. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОГРАММИРУЕМОГО НАГРЕВА И ОХЛАЖДЕНИЯ ОБРАЗЦОВ БИООБЪЕКТОВ В ЖИДКОЙ ФАЗЕ, включающее термоизолированную реакционную емкость с водосливом и крышкой с гнездами для размещения кювет, термонагревательный элемент, расположенные в емкости мешалку и датчик температуры, трубопровод подачи холодной воды под напором, подсоединенный через электромагнитный клапан к емкости, и электронный блок управления, связанный с датчиком температуры электромагнитным клапаном и термонагревательным элементом, отличающееся тем, что водослив реакционной емкости выполнен в виде последовательно состыкованных цилиндра и выходного патрубка, первый из которых расположен в емкости соосно с ней, а второй - снаружи емкости со стороны ее днища, при этом термонагревательный элемент размещен в нижней части емкости вокруг цилиндра водослива, а трубопровод подачи холодной воды подсоединен тангенциально реакционной емкости. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что мешалка выполнена в виде установленного на трубопроводе подачи холодной воды перед электромагнитным клапаном отводного патрубка с соплом на конце, подсоединенного тангенциально к реакционной емкости.