ТЕРМОЦИКЛЕР Российский патент 2004 года по МПК G05D23/19 

Изобретение относится к области устройств для проведения процедур амплификации нуклеиновых кислот на олигонуклеотидных микрочипах, таких как полимеразная цепная реакция (ПЦР), литазная циклическая реакция (ЛЦР) и ряда других.

Под термином “термоциклер” подразумевается устройство, предназначенное для автоматического проведения температурных циклов по крайней мере в одном реакционном объеме (объекте) на заданных уровнях.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предложенному устройству относится термоциклер, обеспечивающий заданные длительности актов поддержания температуры реакционного объема (объекта) на заданных уровнях, циклические переводы температуры объекта с одного температурного уровня на другой в соответствии с заданной программой, содержащий установленный теплообменными спаями на радиаторе термомодуль, реализующий эффект Пельтье, тепловоздействующими спаями подключенный к объекту, блок термостабилизации, обеспечивающий регулирование тепловой мощности, выделяемой тепловоздействующими спаями термомодуля, и поддержание температуры объекта на заданном уровне, с первым управляющим входом которого соединен выход датчика температуры, а со вторым управляющим входом соединен выход программного задатчика температуры, блок реверсирования, входами соединенный с полюсами источника постоянного тока, выходами соединенного с входами термомодуля, а управляющим входом соединенного со вторым выходом программного задатчика температуры, по сигналам которого посредством блока реверсирования обеспечивают соответствие начала, длительности и окончания каждого акта работы термомодуля в режимах охлаждения или нагрева требуемым по программе заданным временным параметрам режимов нагрева или охлаждения объекта (см. патент Российской Федерации 2106007 С1, МПК 7 G 05 D 23/19, 27.02.1998).

Недостаток известного устройства, принятого за прототип, состоит в невозможности обеспечения высоких скоростей нагрева и охлаждения объекта в нестационарных температурных режимах.

Этот недостаток обусловлен тем, что величины тепловых мощностей, генерируемых на тепловоздействующих спаях термомодуля, зависят от перепада температур на спаях: при увеличении перепада наблюдается резкое уменьшение тепловых мощностей, особенно холодопроизводительности при работе в режиме охлаждения.

Таким образом, в известном устройстве скорости нагрева и охлаждения, обеспечиваемые термомодулями, подключенными тепловоздействующими спаями к циклически нагреваемому или охлаждаемому объекту, имеют некоторые предельные значения, превзойти которые используемая электронно-тепловая схема не позволяет.

Задача изобретения - снижение инерционности переходных процессов охлаждения и нагрева путем обеспечения минимально возможных значений перепадов температур в нестационарных режимах на рабочих поверхностях термомодуля, подключенного к нагреваемому или охлаждаемому объекту.

Указанный технический результат достигается тем, что термоциклер, обеспечивающий заданные длительности актов поддержания температуры объекта на заданных уровнях, циклические переводы температуры объекта с одного температурного уровня на другой в соответствии с заданной программой, содержит первый термомодуль, реализующий эффект Пельтье, тепловоздействующими спаями подключенный к объекту, блок термостабилизации, посредством которого регулируют тепловую мощность, выделяемую тепловоздействующими спаями первого термомодуля, и поддерживают температуру объекта на заданном уровне, с первым управляющим входом которого соединен выход датчика температуры, размещенного на объекте, а со вторым управляющим входом соединен первый выход программного задатчика температуры, первый блок реверсирования, входами соединенный с полюсами источника постоянного тока, выходами соединенный с входами первого термомодуля, а управляющим входом соединенный со вторым выходом программного задатчика температуры, при этом управляющие сигналы со второго выхода задатчика подают в моменты начала и окончания каждого акта режима охлаждения или нагрева объекта, обеспечивая подключение входов первого термомодуля к полюсам источника постоянного тока с такой полярностью, при которой тепловые режимы, реализуемые первым термомодулем на тепловоздействующих спаях, соответствуют заданным по программе режимам охлаждения или нагрева объекта, при этом в термоциклер дополнительно введены вторые термомодули, реализующие эффект Пельтье, установленные между теплообменными спаями первого термомодуля и радиатором, и второй блок реверсирования, входами соединенный с полюсами источника постоянного тока, выходами соединенный с входами вторых термомодулей, а управляющим входом соединенный с третьим выходом программного задатчика температуры, при этом в моменты реализации в объекте нестационарных режимов изменения температуры, обеспечиваемых первым термомодулем, вторые термомодули по сигналу, поступающему с третьего выхода программного задачика, подключают посредством второго блока реверсирования к полюсам источника питания с полярностью, совпадающей с полярностью напряжения, подаваемого на первый термомодуль, а при каждом начале акта стационарного температурного режима, обеспечиваемого в объекте первым термомодулем посредством блока термостабилизации, подают сигнал с третьего выхода программного задатчика на управляющий вход второго блока реверсирования, посредством которого меняют полярность напряжения, подаваемого на вторые термомодули, и поддерживают такое состояние полярности до момента наступления следующего стационарного состояния, после чего вновь меняют полярность напряжения, а в дальнейшем указанные процедуры циклически повторяют в соответствии с заданной программой изменения температуры объекта.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 схематично представлена конструкция предложенного термоциклера, на фиг.2 - электрическая блок-схема аппарата, на фиг.3 схематично отражены варианты реализации заданной программы цикличного изменения температуры объекта известным (пунктирные линии) и предложенным (сплошные линии) устройствами; на фиг.4 схематично отражены цикличные изменения температуры теплообменных спаев первого термомодуля в известном (пунктирные линии) и в предложенном (сплошные линии) устройствах; на фиг.5 схематично отражены перепады температур между теплообменными и тепловоздействующими спаями первого термомодуля при реализации заданной программы цикличного изменения температуры объекта, осуществляемой посредством известного (пунктирные линии) и предложенного (сплошные линии) устройств; на фиг.6 отражены цикличные изменения полярности напряжения, подаваемого от источника питания на первые и вторые термомодули; на фиг.7 отражены зависимости холодильного Е и отопительного L коэффициентов преобразования термоэлектрическим модулем электрической мощности в холодопроизводительность и теплопроизводительность.

Предложенный термоциклер включает в себя (фиг.1) первый термомодуль 1, реализующий эффект Пельтье, на тепловоздействующих спаях 2 которого установлен объект 3, а теплообменные спаи 4 установлены на верхней стороне межкаскадной пластины 5, по нижней стороне установленной на первых рабочих поверхностях 6 вторых термомодулей 7, реализующих эффект Пельтье, по вторым рабочим поверхностям 8 установленных на радиаторе 9, обдуваемом вентилятором (на чертеже не показан).

Введенние в устройство межкасакадной пластины 5 необходимо в том случае, когда площадь теплообменных спаев 4 первого термомодуля 1 меньше суммарной площади рабочих поверхностей вторых термомодулей 7.

Блок-схема предложенного термоциклера включает в себя (фиг.2) сильноточный источник постоянного тока 10, первый блок реверсирования 11 напряжения, подаваемого на термомодуль 1, входами соединенный с полюсами источника 10, а выходами соединенного с входами первого термомодуля 1, блок термостабилизации 12, установленный в цепи первого термомодуля 1, посредством которого осуществляют автоматическое регулирование тепловой мощности, генерируемой первым термомодулем 1, и поддержание температуры объекта 3 на заданном по программе уровне, второй блок реверсирования 13 напряжения, подаваемого на вторые термомодули 7, входами соединенный с полюсами источника 10, а выходами соединенный с входом термомодулей 7, параллельно или последовательно соединенных между собой, датчик температуры 14, установленный на объекте 3, выход которого соединен с первым управляющим входом блока термостабилизации 12, программный задатчик 15, первый выход которого соединен со вторым управляющим входом блока термостабилизации 12, второй выход задатчика 15 соединен с управляющим входом первого блока реверсирования 11, а третий выход задатчика соединен с управляющим входом второго блока реверсирования 13.

Предложенный термоциклер работает следующим образом.

При включении в сеть электропитания аппарата, предназначенного обеспечивать заданную программу цикличного изменения температуры объекта 3 (фиг.3), подают с задатчика 15 на управляющие входы блоков реверсирования 11 и 13 сигналы и обеспечивают подачу напряжения одинаковой полярности полюсов источника питания 10 на первый 1 и вторые термомодули 7 (фиг.6) и работу их в одинаковом тепловом режиме, например нагревательном.

При этом в отличие от работы известного термоциклера в нестационарном режиме нагрева температура теплообменных спаев первого термомодуля 1, т.е. спаев, не подключенных к объекту 3 и подогреваемых вторым термомодулем 7, растет (фиг.4), перепад температур на спаях первого термомодуля, если и увеличивается, то не до таких значений, как в известном устройстве (фиг.5).

Как следует из фиг.7, отопительный коэффициент 1, а соответственно и генерируемая первым термомодулем тепловая мощность в нестационарном нагревательном режиме в известном устройстве будет при одинаковой электрической мощности, потребляемой первым термомодулем, меньше, чем в предложенном, что и определяет, в свою очередь, более высокие скорости изменения температуры объекта 3.

Подбирая то или иное число термомодулей 7, можно обеспечить высокую скорость изменения температуры, в данном случае нагрева, межкаскадной пластины 5, и обеспечивать, как следствие, высокую скорость нагрева объекта 3, осуществляемую первым термомодулем 1 при малых перепадах температур на спаях.

В момент достижения заданного режима термостабилизации происходит следующее:

- блок термостабилизации 12 осуществляет такое регулирование тепловой мощности первого термомодуля 1, например, с использованием широтно-импульсного, частотно-импульсного пропорционального и др. видов регулирования, при которых достигается соответствие .

При этом следует иметь в виду, что при больших скоростях изменения температуры объекта электронная схема блока термостабилизации 12 может учитывать не только значения текущей температуры Т_об(τ) объекта 3, но и значения dТ_об/dτ и d²Т_об/dτ²;

- в этот момент подают сигнал с третьего выхода программного задатчика 15 на управляющий вход 2-го блока реверсирования 13 и меняют полярность напряжения, подаваемого от источника питания 10 на вторые термомодули 7 (фиг.6), последние начинают работать в режиме охлаждения, понижая температуру межкаскадной пластины 5 и установленных на ней теплообменных спаев первого термомодуля 1 (фиг.4, 6), подготавливая аппарат к следующему по программе этапу изменения температуры объекта - этапу охлаждения.

В предложенном устройстве блок термостабилизаци 12, обеспечивает регулирование тепловой мощности, генерируемой первым термомодулем 1, в условиях, когда перепад температур на его спаях непрерывно растет.

В момент окончания акта режима термостатирования при происходит следующее:

подают сигнал со 2-го выхода задатчика 15 на управляющий вход и первого блока реверсирования 11 и меняют полярность напряжения, подаваемого от источника 10 на первый термомодуль 1 (фиг.6). Первый термомодуль 1, начиная с этого момента, работает в режиме охлаждения. При этом как в известном, так и в предложенном устройствах на спаях первого термомодуля реализуются так называемые аномальные перепады температур, т.е. температура на тепловоздействующих спаях 2 (теплоотводящей пластины), подключенных к объекту 3, оказывается выше, чем температура теплообменных спаев 4 (тепловыделяющей пластины). В свою очередь, это обуславливает высокое значение холодильного коэффициента и, как следствие, высокое значение генерируемой холодопроизводительности (фиг.7).

При достижении происходит следующее:

- блоком термостабилизации 12 осуществляют регулирование выделяемой термомодулем тепловой мощности, обеспечивая соответствие ;

- подают сигнал с третьего выхода программного задатчика 15 на управляющий вход 2-го блока реверсирования 13 и меняют полярность напряжения, подаваемого от источника питания 10 на вторые термомодули 7 (фиг.6); последние начинают работать в режиме нагрева, повышая температуру межкаскадной пластины 5 и установленных на ней теплообменных спаев первого термомодуля 1 (фиг.4).

В момент окончания акта режима термостатирования при происходит следующее:

- подают сигнал со 2-го выхода задатчика 15 на управляющий вход первого блока реверсирования 11 и меняют полярность напряжения, подаваемого от источника 10 на термомодуль 1 (фиг.3).

- первый термомодуль 1, начиная с этого момента, работает в режиме нагрева при меньших значениях перепада температур на рабочих спаях, чем в известном устройстве.

При достижении вновь происходит следующее:

- блоком термостабилизации 12 осуществляют регулирование выделяемой термомодулей тепловой мощности, обеспечивая соответствие ;

- вновь подают сигнал с третьего выхода программного задатчика 15 на управляющий вход 2-го блока реверсирования 13 и меняют полярность напряжения, подаваемого от источника питания 10 на вторые термомодули 7 (фиг.6), последние начинают работать в режиме охлаждения, понижая температуру межкаскадной пластины 5 и установленных на ней теплообменных спаев первого термомодуля 1 (фиг.4), как бы подготавливая термоциклер к следующему этапу теплового воздействия на объект.

В дальнейшем описанные выше циклы работ предложенного термоциклера повторяются.

Как видно из фиг.5, в предложенном устройстве при работе в нестационарных режимах нагрева объекта 3 первый термомодуль 1 работает при меньших значениях перепадов температур на рабочих поверхностях, чем в известном. Т.е. при одинаковой электрической мощности, потребляемой первым термомодулем, генерируемая теплопроизводительность, а также скорость нагрева объекта 3 в предложенном устройстве будет выше, чем в известном.

Как видно из фиг.5 в предложенном устройстве при работе в нестационарных режимах охлаждения объекта 3 первый термомодуль 1 работает при больших значениях аномальных перепадов температур на рабочих поверхностях, чем в известном. Т.е. при одинаковой электрической мощности, потребляемой первым термомодулем, генерируемая холодопроизводительность, а также скорость охлаждения объекта 3 в предложенном устройстве будет выше, чем в известном.

Предложенное устройство позволяет предотвращать возникновение неспецифических продуктов реакций амплификации нуклеиновых кислот, обусловленных низкой эффективностью работы известных устройств в нестационарных режимах.

Термоциклер обеспечивает заданные длительности актов поддержания температуры объекта на заданных уровнях и циклические переводы температуры объекта с одного температурного уровня на другой в соответствии с заданной программой и может быть использован для проведения процедур амплификации нуклеиновых кислот. Термоциклер содержит первый и вторые термомодули, реализующие эффект Пельтье, первый термомодуль тепловоздействующими спаями подключен к объекту, а вторые термомодули установлены между теплообменными спаями первого термомодуля и радиатором, блок термостабилизации, посредством которого регулируют тепловую мощность, выделяемую тепловоздействующими спаями первого термомодуля, и поддерживают температуру объекта на заданном уровне, первый и второй блоки реверсирования, обеспечивающие изменение подключения термомодулей к источнику тока, программный задатчик температуры и датчик температуры объекта. При этом в моменты реализации в объекте нестационарных режимов температуры, обеспечиваемых первым термомодулем, вторые термомодули по сигналу программного задатчика подключают посредством второго блока реверсирования к полюсам источника питания с полярностью, совпадающей с полярностью напряжения, подаваемого на первый термомодуль, а при каждом начале акта стационарного температурного режима, обеспечиваемого в объекте первым термомодулем, подают сигнал программного задатчика на управляющий вход второго блока реверсирования, посредством которого меняют полярность напряжения, подаваемого на вторые термомодули, и поддерживают такое состояние полярности до момента наступления следующего стационарного состояния. Указанные процедуры циклически повторяют в соответствии с заданной программой изменения температуры. Устройство обеспечивает высокие скорости нагрева и охлаждения объекта в нестационарных температурных режимах. 7 ил.

Термоциклер, обеспечивающий заданные длительности актов поддержания температуры объекта на заданных уровнях, циклические переводы температуры объекта с одного температурного уровня на другой в соответствии с заданной программой, содержащий первый термомодуль, реализующий эффект Пельтье, тепловоздействующими спаями подключенный к объекту, блок термостабилизации, посредством которого регулируют тепловую мощность, выделяемую тепловоздействующими спаями первого термомодуля, и поддерживают температуру объекта на заданном уровне, с первым управляющим входом которого соединен выход датчика температуры, размещенного на объекте, а со вторым управляющим входом соединен первый выход программного задатчика температуры, первый блок реверсирования, входами соединенный с полюсами источника постоянного тока, выходами соединенный с входами первого термомодуля, а управляющим входом соединенный со вторым выходом программного задатчика температуры, при этом управляющие сигналы со второго выхода задатчика подают в моменты начала и окончания каждого акта режима охлаждения или нагрева объекта, обеспечивая подключение входов первого термомодуля к полюсам источника постоянного тока с такой полярностью, при которой тепловые режимы, реализуемые первым термомодулем на тепловоздействующих спаях, соответствуют заданным по программе режимам охлаждения или нагрева объекта, при этом в термоциклер дополнительно введены вторые термомодули, реализующие эффект Пельтье, установленные между теплообменными спаями первого термомодуля и радиатором, и второй блок реверсирования, входами соединенный с полюсами источника постоянного тока, выходами соединенный с входами вторых термомодулей, а управляющим входом соединенный с третьим выходом программного задатчика температуры, при этом в моменты реализации в объекте нестационарных режимов изменения температуры, обеспечиваемых первым термомодулем, вторые термомодули по сигналу, поступающему с третьего выхода программного задатчика, подключают посредством второго блока реверсирования к полюсам источника питания с полярностью, совпадающей с полярностью напряжения, подаваемого на первый термомодуль, а при каждом начале акта стационарного температурного режима, обеспечиваемого в объекте первым термомодулем посредством блока термостабилизации, подают сигнал с третьего выхода программного задатчика на управляющий вход второго блока реверсирования, посредством которого меняют полярность напряжения, подаваемого на вторые термомодули, и поддерживают такое состояние полярности до момента наступления следующего стационарного состояния, после чего вновь меняют полярность напряжения, а в дальнейшем указанные процедуры циклически повторяют в соответствии с заданной программой изменения температуры объекта.