Настоящее изобретение относится к области химических реакций, которые требуют темперирования и/или инкубации реакционной смеси и, в частности, химических реакций в жидкой среде. Настоящее изобретение описывает способ эффективного и гомогенного смешивания, темперирования и/или инкубации реакционной смеси, а также устройства для реализации указанного способа.
Многие важные производственные процессы, а также лабораторные анализы в различных областях связаны с химическими реакциями. Обычно время, необходимое для выполнения того или иного процесса или анализа, определяется временем достижения равновесия для одной или нескольких характерных химических реакций. Это часто называют кинетическими свойствами химической реакции или просто кинетикой реакции. Ряд переменных оказывает влияние на кинетику реакции в каждом конкретном случае, например, концентрация реагентов, температура, присутствие катализаторов и т. д.
Обычно повышение температуры ускоряет химические реакции, повышая скорость ключевых механизмов, например, приводя молекулы или молекулярные домены в контакт друг с другом. Поэтому принято нагревать реакторы, например, приводя их в контакт с открытым пламенем, горячим газом, горячим песком или твердым материалом. Эту процедуру часто называют инкубацией.
Типичная проблема, связанная с инкубацией жидких реакционных смесей, заключается в тепловой неоднородности, поскольку часть реакционной смеси, которая находится в тесном контакте со стенками реактора нагревается быстрее, чем более близкая к центру часть реакционной смеси. Во многих случаях существует опасность, что одна часть реакционной смеси окажется перегретой, прежде чем остальные части достигнут нужной температуры. Это приводит к образованию температурного градиента в реакционной смеси. Горячие зоны реакционной смеси обычно имеют более низкую плотность, чем холодные зоны, что создает тенденцию к образованию температурных градиентов или дискретных слоев в более или менее изотермических массах жидкости - так называемых, термоклинов. Таким образом, нагретые, менее плотные части реакционной смеси имеют тенденцию занимать положение над холодными, более плотными частями. Молекулярное движение и потоки в реакционной смеси в конечном счете гомогенизируют реакционную смесь с точки зрения температуры. Такой процесс называют темперированием реакционной смеси. Время, которое занимает темперирование реакционной смеси, может вносить существенный вклад в общее время, необходимое для проведения реакции.
Однако затраты времени не являются единственной проблемой, связанной с темперированием химических реакционных смесей. При определенных методиках инкубации, в частности, при повторных темперированиях, связанных с, так называемыми, термоциклами, например, для проведения полимеразно-цепных реакций, известных также как реакции PCR, длительные периоды темперирования также приводят к нежелательным побочным реакциям, иногда вызывая серьезные проблемы с качеством в части точности состава и специфичности получаемого продукта.
Патент США 4544394 описывает способ и устройство для проведения химических реакций (варка стекла). Описан реактор типа «циклон», предназначенный для эффективного нагревания и перемешивания компонент в процессе производств стекла. Подогретые компоненты стекла вбрызгиваются в реакционную камеру, где под действием гидродинамических сил (центробежная сила механической природы) распределяются и перемешиваются в тонком слое у стенок реактора. Далее, расплавленное стекло под действием силы тяжести, перемешиваясь, стекает в резервуар с образованием гомогенной массы расплавленного стекла. Описанное устройство предназначено для работы с большими объемами смешиваемых компонент и не предусматривает возможности охлаждения гомогенизируемой смеси. Кроме того, устройство не предусматривает повторных манипуляций с полученной гомогенной смесью (стеклом).
В активном стремлении к уменьшению объемов химических реакций, что очевидно, например, при скрининге с высокой пропускной способностью, возникает ряд других проблем. Реакторы малого объема, в частности, лунка на микротитровальном планшете, могут накладывать жесткие ограничения как на смешивание, так и на темперирование образца и реагентов. В случае смешивания двух или нескольких смешивающихся жидкостей обычно предполагают, что вначале они образуют однородную смесь, которая затем реагирует. Однако такой случай является редким на практике.
Обычные микротитровальные планшеты и кюветы часто изготавливают из полистирола, который является гидрофильным полимером. Не углубляясь в детальное поведение жидкости на границах с реактором, можно сделать вывод об образовании застойных зон и недостаточном перемешивании в реакторе малого объема, в частности в лунке на микротитровальном планшете. Характеристики жидких реагентов и образца также оказывают влияние на их взаимодействие друг с другом и со стенками реактора. Частичная сегрегация, расслоение, агрегация и т.п. представляют собой лишь некоторые примеры неоднородностей, которые могут иметь место в реакторе.
Существуют определенные причины для того, чтобы различать два разных процесса, вызывающих проблемы неоднородного распределения температуры в реакционной смеси. Процесс, вызываемый более низкой текучестью материала у стенок реактора, представляет собой проблему, которая возрастает при уменьшении объема реактора. И наоборот, проблема, связанная с тем, что при нагревании реактора центральная часть жидкой среды является более холодной, чем жидкость, находящаяся у стенок реактора, возрастает при увеличении объема реактора. По этой причине устройства для термоциклирования, предназначенные для процессов, в которых требуется соответствующее темперирование (например, процессы типа PCR), имеют очень узкий динамический диапазон объема реактора. Обычно для реакций PCR эти проблемы становятся особенно острыми, когда объем реактора менее чем 5 мкл и более чем 50 мкл.
Еще одну проблему, по-видимому, не связанную со смешиванием и темперированием, представляет собой испарение. Чтобы избежать испарения, существует тенденция делать стенки реакторов и, в частности, лунки на микротитровальных планшетах более глубокими и узкими. Это, разумеется, дополнительно увеличивает вышеуказанные проблемы недостаточного смешивания и темперирования.
Таким образом, мы рассмотрели неоднородность распределения температуры с точки зрения свойств отдельного реактора. Однако при обсуждении миниатюризации анализов следует учитывать еще один фактор температурной неоднородности, а именно различие между отдельными реакторами. В анализах, проводимых со сравнительными целями (например, с количественным анализом или без количественного анализа, в частности, скрининг для новых кандидатов лекарственных препаратов, мутации нуклеиновых кислот, полиморфизм отдельных нуклеотидов и т.п.) важно учитывать воспроизводимость, обычно называемую единообразием лунок.
Поскольку процессы, вызывающие тепловую неоднородность, являются трудно предсказуемыми, единственное доступное решение проблемы часто состоит в том, чтобы сфокусировать внимание на средствах, повышающих процессы гомогенизации. С этой целью используют различную стратегию.
Один из способов заключается в применении специальных плоских или удлиненных конфигураций, чтобы минимизировать расстояние между центральной и периферийной частями массы реакционной смеси. Примером этого является инкубация в тонких капиллярах, описанная в литературе Wittwer, С.Т. et al. (The LightCycler™: A Microvolume Multisample Fluorimeter with Rapid Temperature Control, Bio Techniques 22:176-181, January 1997). Недостаток такого способа заключается в том, что стеклянные капилляры, свободно установленные в пластмассовых держателях, требуют постоянного ручного обслуживания. Соответствующий выбор стеклянных капилляров делает возможным как быстрое темперирование реакционной смеси, так и определение флуоресценции после амплификации. Однако в стеклянном капилляре имеется тенденция к максимизации контакта между поверхностью капилляра и жидкостью со всеми последствиями этого для смешивания и темперирования. Кроме того, дополнительным недостатком применения стеклянных капилляров является препятствие для обработки образца после проведения PRC. Примеры обработки образца после PRC включают процедуры секвенирования ДНК и т. д.
Другие способы решения проблемы неоднородности смешивания и распределения температуры используют пертурбацию за счет перемешивания или встряхивания реактора. Специальные устройства, выполненные для этой цели, включают, например, различные виды встряхивателей для колб и, так называемые, вихревые машины. Проблема, которая возникает при реализации таких способов, состоит в том, что периодичность пертурбации может вызывать потоки или стоячие волны и, следовательно, не обеспечивает полной однородности.
Другой способ гомогенизации использует ультразвуковые волны в стандартной процедуре, которую называют ультразвуковой обработкой. К сожалению, эта процедура часто является сложной для сочетания с рядом стандартных способов инкубации.
Еще один способ заключается в применении проточных систем, где постоянно перемещающуюся жидкость подвергают нагреванию.
В области PCR большое внимание уделяют теплообмену и вопросу о быстром установлении стационарной температуры, т. е. сокращению скорости корректировки температуры в фазе нагревания и охлаждения.
Заявка на изобретение WO 98/49340 (PCT/AU98/0027) описывает устройство и способ термоциклирования, отличающийся тем, что реакционную смесь и образец помещают в загрузочные лунки, выполненные в одноразовом роторе, который затем устанавливают в центробежное термоциклическое устройство и вращают, при этом реакционная смесь и образец перемещаются под действием центробежной силы к реакторной лунке по окружности ротора. Устройство содержит нагревательное средство, например лампы инфракрасного излучения, конвекционные нагревательные элементы или источники СВЧ. Интерес представляют средства охлаждения ротора, также включенные в описание. Согласно одному из вариантов реализации скорость увеличивают, что приводит к поступлению воздуха в устройство и к быстрому охлаждению содержимого камер реакторов по окружности ротора. Дополнительно к воздуху из окружающей среды может быть использован охлаждающий газ. Охлажденный воздух приведен в качестве примера охлаждающих газов. Важным фактором является то, что описание заявки WO 98/49340 предполагает применение различных скоростей вращения. Кроме того, заявка WO 98/49340 не обращается к задачам смешивания и гомогенного темперирования. Так, например, она не уточняет направления, в котором производят нагревание и не рассматривает одновременного нагревания и охлаждения.
Патент DE 19501105 А1 описывает центрифугу с системой регулирования температуры, в которой циркулирующая жидкость поступает в ротор сверху и протекает наружу и вниз в радиальном направлении, вокруг пробирок с тестами или контейнеров с образцами. Автор изобретения центрифуги согласно DE 19501105 критикует ранее известные устройства, использующие источник теплового излучения, и отзывается о них как о неудовлетворительных.
Задачей настоящего изобретения является решение проблемы длительного и неэффективного смешивания и темперирования в тех процессах, где присутствует инкубация химических реакционных смесей малого объема, за счет нахождения эффективных средств перемешивания и гомогенизации. Важно, чтобы указанные средства были совместимыми со средствами беспрепятственного анализа реакции и предпочтительно были также применимы в существующих и перспективных технологических процессах в области химических и биотехнологических реакций, скрининга и анализа, в частности скрининга с высокой пропускной способностью, реакций амплификации и т.д.
В частности, потребность в быстродействующем и точном устройстве для термоциклирования и в соответствующем способе еще не удовлетворена известными устройствами и способами.
Эта задача решена настоящим изобретением в соответствии с отличительной частью прилагаемой формулы, которая включена в данное описание. Изобретение включает устройство и способы, раскрытые в описании и определенные в прилагаемой формуле. Другие задачи, решенные изобретением, и его достоинства можно установить из данного описания и чертежей.
Ниже приведено описание настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых:
Фиг.1 условно показывает первый вариант реализации изобретения, включающий устройство 7 для измерения температуры, связанное с процессором 4,
Фиг.2 показывает второй вариант реализации изобретения, в котором устройство 7 для измерения температуры дополнено источником 8 лазерного излучения и датчиком 9,
Фиг.3 показывает третий вариант реализации изобретения, в котором температуру измеряют датчиком 12, связанным через передатчик 13 и приемник 14 с процессором 4,
Фиг.4 показывает схематичный поперечный разрез устройства согласно изобретению, на котором представлены основные компоненты, в частности нагревательный кожух,
Фиг.5 показывает схематичный вид сверху варианта реализации согласно Фиг.2,
Фиг.6 показывает схематичный вид сверху какого-либо варианта реализации, например варианта реализации согласно Фиг.1,
Фиг.7 показывает схематичный поперечный разрез устройства с источником 17 нагревания, размещенным в нижней части кожуха 16, которая может перемещаться в вертикальном направлении.
В приведенном ниже описании изобретения использованы некоторые термины. Их необходимо интерпретировать следующим образом.
Направление гравитационного поля: описывается векторами. Направление гравитационного поля совпадает с направлением результирующего вектора, если вектор, представляющий центробежную силу, т. е. вектор, перпендикулярный оси ротора центрифуги и направленный от центра ротора, складывается с вектором, представляющим гравитацию земли. Соответственно направление вниз в данном тексте определено как совпадающее с направлением гравитационного поля, определяемым суммой векторов, которые представляют центробежную силу и гравитацию.
Реакционная смесь: любая текучая реакционная смесь, предпочтительно - жидкая реакционная смесь, на кинетику реакции которой оказывает влияние температура и для которой желательно более быстрое, более эффективное и однородное темперирование. Примерами реакций, пригодных для настоящего устройства и способа, являются химические / биохимические реакции в области скрининга с высокой пропускной способностью и биохимические реакции, включающие неоднократное темперирование, например циклические изменения температуры, в том числе полимеразно-цепную реакцию (PCR), лигазно-цепную реакцию (LCR), "прерывистую реацию LCR", амлификацию, основанную на последовательности нуклеиновых кислот (NASBA), самоподдерживающуюся репликацию (3SR), амплификацию, передаваемую транскрипцией (ТМА), амплификацию с замещением места (SDA), целевую амплификацию, сигнальную амплификацию или сочетание вышеуказанных реакций.
Обычно полимеразно-цепная реакция включает следующие этапы:
1) приготовление реакционных смесей, т.е. приготовление образцов, подлежащих контролю,
2) амплификация, т.е. экспоненциальная репликация молекул ДНК, и
3) определение специфических последовательностей, например, способом электрофореза или гибридизации.
Этап 2 включает повторную температурную обработку для того, чтобы провести реакционную смесь через стадии отжига и удлинения нуклеотидных цепей. Неэффективность темперирования, т.е. диффузные температуры в реакционной смеси, приводят к образованию неспецифических продуктов амплификации. Необходимость быстрого и однородного темперирования реакционной смеси является центральным фактором обеспечения качества и надежности реакции.
Реактор: любой резервуар, который может содержать реакционную смесь в температурном диапазоне, необходимом для проведения реакции. Примеры реакторов, пригодных для применения согласно изобретению, включают без ограничения следующие: пробирки, так называемые микропробирки, пробирки Эппендорфа, одну или множество лунок на микротитровальном планшете, в частности микротитровальный планшет с форматом 96 лунок и другими форматами с высокой плотностью расположения лунок, например формат 192 лунки, формат 384 лунки, более плотные форматы и т.п. Реактор для применения согласно настоящему изобретению может быть обычным, серийно выпускаемым реактором, одним из перечисленных выше, или реактором, который специально приспособлен для применения согласно настоящему изобретению, например содержит оптический элемент в дальнем конце, имеет специальную окраску или поверхность для поглощения тепла в дальнем конце или имеет матовые, изолирующие или отражающие поверхности на боковых стенках и т.д.
Реакционную смесь помещают в реактор, например в резервуар, имеющий по меньшей мере одно отверстие и один закрытый конец, расположенный в практически противоположном направлении от открытого конца. В указанный резервуар загружают образец и по меньшей мере один реагент, который по определению образует реакционную смесь, подлежащую инкубации. Реагенты загружают через открытый конец, который после загрузки может быть закрыт, например, крышкой. Загрузку реагентов можно производить с помощью ручных или автоматических пипеточных устройств, или, в предпочтительном варианте реализации изобретения, с помощью капилляров, предварительно загруженных реагентами (PCT/SE91/00343), или картриджей с реагентами (PCT/SE97/01562).
Закрытый конец, называемый дальним концом, указывает в том же направлении, что и действующее поле гравитации. Открытый конец, или конец, закрываемый крышкой или картриджем с реагентом, называют ближним концом. Таким образом, при отсутствии центрифугирования дальний конец реактора часто направлен вниз в соответствии с гравитационным полем земли. Согласно этому положению направление вверх в данном тексте определяется как направление, противоположное направлению гравитационного поля, которое действует на реактор с его содержимым в конкретной позиции. Таким образом, ближний конец направлен вверх или в направлении, противоположном центробежной силе.
Устройство согласно настоящему изобретению, показанное на фигуре 1, содержит средство, в частности ротор 1 для удерживания по меньшей мере одного реактора 2 с его содержимым, средство для обеспечения воздействия центробежной силы на указанный по меньшей мере один реактор с его содержимым, в частности двигатель 3, средства 5 и 6 для нагревания части реактора, направленной наружу по отношению к центробежной силе, и средства для охлаждения ближнего конца реактора (не показано). Температурный датчик 7 показан линией, которая схематично указывает, что показание температуры определяется на том конце вращающегося реактора 2, где содержится образец. Температурный датчик 7 предпочтительно представляет собой датчик инфракрасного излучения.
С помощью датчика инфракрасного излучения или другого быстродействующего датчика обеспечивается измерение температуры в реальном режиме времени. Большая скорость и точность измерения температуры дает возможность использовать очень высокие температуры, как указано ниже.
На фигуре 1 показан процессор 4. Этот процессор может представлять собой любую обычную логическую схему, загруженную рабочими инструкциями в форме компьютерного кода, или схему, специально адаптированную к устройству согласно изобретению. Функции процессора включают по меньшей мере следующие: обработка температурного сигнала от температурного датчика 7, а также управление двигателем 3 и источником 5 нагревания / охлаждения в соответствии с одной или несколькими программами, выбранными оператором.
Указанным средством 1 для закрепления по меньшей мере одного реактора является ротор, например ротор, выбранный из следующей группы: барабанный ротор, ротор в форме качающегося ковша и ротор с фиксируемым углом наклона. Кроме того, выбранный ротор предпочтительно модифицируют для обеспечения беспрепятственного контакта между дальним или "нижним" концом реактора и нагревательным средством. Аналогичным образом ротор можно модифицировать для обеспечения эффективного охлаждения ближнего конца.
Нагревательные средства 5 и 6 могут представлять собой любой источник нагревания, способный нагревать дальние концы реакторов, например источник излучения, в частности нагревательный элемент с электрическими проволочными резисторами, источник инфракрасного излучения, элемент СВЧ и т.п. Согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения нагревание и охлаждение осуществляют с помощью по меньшей мере одного внешнего источника нагревания или охлаждения (на всех фигурах обозначен как 5), соединенного с кожухом 6. Кожух охватывает траекторию вращения реактора 2 или по меньшей мере часть этой траектории, как показано в поперечных разрезах на фигурах 1, 2, 3 и 4.
Кожух 6 предпочтительно адаптируют к форме ротора, как условно показано на фигурах 5 и 6, где представлено два варианта реализации изобретения. На фигуре 7 показан вариант реализации, в котором кожух или его часть может перемещаться относительно траектории вращения реакторов. В этом случае подвижная часть кожуха предпочтительно представляет собой отражатель 16, который имеет форму круга или части круга, содержит источник 17 нагревания и установлен таким образом, что может приближаться к траектории вращения реакторов и удаляться от нее.
Источник нагревания может быть расположен внутри ротора, у дальнего или у ближнего конца реактора (не показан). Согласно одному из вариантов реализации между источником нагревания и одним или несколькими реакторами устанавливают телецентрическую линзу.
Источник охлаждения или средство для охлаждения можно выбирать из группы, которая включает конвекционную и циркуляционную охлаждающую среду, например охлажденный газ, в частности воздух, и предпочтительно - азот. В отдельных вариантах реализации, в частности, показанных на прилагаемых фигурах, охлаждающая среда поступает в кожух и при этом вступает в контакт с вращающимися реакторами. Согласно другому варианту реализации (не показан) охлаждают пространство вокруг ротора за исключением кожуха. Такие реакторы нагревают путем перемещения кожуха относительно ротора, например, поднимая или опуская его в непосредственной близости от вращающихся реакторов. Путем опускания, подъема или удаления кожуха иным образом обеспечивают контакт также между охлаждающей окружающей средой и вращающимися реакторами. Вместо перемещения кожуха можно перемещать ротор, оставляя кожух в фиксированном положении.
Реактор 2 может представлять собой один из следующих вариантов: комплект отдельных трубок, например пробирок Эппендорфа, отдельных лунок на микротитровальном планшете или отдельных пробирок.
На фиг.2 схематично показан вариант реализации изобретения, в котором источник 8 излучения испускает излучение, например лазерный луч, который пересекает траекторию вращения реакторов. Коэффициент отражения этого излучения определяют датчиком 9. Температурный датчик 7, например датчик инфракрасного излучения, может сообщаться с датчиком 9 коэффициента отражения через процессор 10, например, для настройки измерения температуры в зависимости от скорости вращения. Источник 8 излучения и датчик 9 коэффициента отражения могут быть использованы также для обнаружения химических реакций в образцах, например коэффициент отражения света или излучение, указывающие на конечную точку реакции или положительный или отрицательный результат теста.
Кроме того, на фигуре 2 показан интерфейс 11. Указанный интерфейс пользователя может включать клавиатуру или аналогичное устройство для ввода выбранных параметров управления или для выбора предварительно запрограммированных схем функционирования, а также дисплей для отображения процесса функционирования, технологических параметров и т.д. В соответствии с предпочтительным вариантом реализации устройство согласно настоящему изобретению содержит средство для считывания информации, касающейся идентификации образца, рабочих инструкций и т.п. Примеры такой информации включают технологические параметры, в частности время и температуру, количество циклов, температуру после окончания PCR, информацию об образце, в частности дату, источник, идентификационные данные пациента, качество и т.п., и информацию о реагенте, в частности номер партии, дату, количество реагента, тип и т.п.
Согласно одному из вариантов реализации образцы или реакторы содержат указанную выше или аналогичную информацию, например, в форме оптически считываемых символов, в частности штриховых кодов, оптически читаемых дисков и т. п., или информацию, считываемую электронным способом, в частности информацию, содержащуюся на магнитном носителе или на интегральной схеме или на чипе. Использование такого варианта реализации обеспечивает высокую степень надежности и контроля. Ошибка оператора минимизирована. Образцы - идентифицированы, и операцию выполняют согласно информации, которая содержится на каждом носителе образца, например на каждом микротитровальном планшете. Информацию может считывать оператор, например, с помощью устройства для считывания штриховых кодов или устройством, которое автоматически распознает информацию, когда образцы загружают в устройство.
На фиг.3 показан вариант реализации, в котором считывание значений температуры и контроль осуществляют с помощью датчика 12, который устанавливают в одном из реакторов и который сообщается с процессором 4 через передатчик 13 и приемник 14. Датчик представляет собой, например, термопару, а система передатчик/приемник может быть системой, использующей сигналы инфракрасного излучения.
На фиг.4 представлен схематичный поперечный разрез устройства согласно изобретению, на котором показан кожух 6. Реакторы 2, ротор 1 и двигатель 3 описаны выше.
На фиг.5 показан схематичный вид сверху, например, варианта реализации согласно фиг.2. Кожух 6 имеет входное и выходное отверстия, указанные стрелками, через которые происходит ввод в кожух и вывод из кожуха соответственно. Как видно на фигуре, кожух закрывает только часть траектории вращения реакторов 2, оставляя некоторый сектор для беспрепятственного измерения. В этом секторе показана система измерения, включающая датчик 7 инфракрасного излучения, лазерный источник 8 и датчик 9 измерения коэффициента отражения.
На фиг.6 показан вариант реализации, в котором кожух 6 окружает всю траекторию вращения реакторов 2. В данном случае измерение производится датчиком 7 через кожух, предпочтительно - через секцию 15 кожуха, которая является проницаемой или способной пропускать сигналы, воспринимаемые датчиком.
На фиг.7 показан схематичный поперечный разрез устройства согласно одному из вариантов реализации изобретения, где источник 17 нагревания, например люминесцентная лампа инфракрасного излучения, расположен в подвижном рефлекторе 16. Включение лампы инфракрасного излучения и подъем рефлектора в непосредственной близости от вращающихся реакторов обеспечивают эффективное нагревание всего объема образцов. При выключенных лампах и опущенном рефлекторе тепло из указанного объема образцов быстро рассеивается. Охлаждение можно обеспечить путем охлаждения всего объема устройства или объема, окружающего вращающиеся реакторы. Рефлектор 16 не обязательно располагают ниже траектории вращения реакторов, он может быть расположен также выше или вокруг указанной траектории. В этих случаях рефлектор перемещают вниз или внутрь до тех пор, пока он не оказывается в непосредственной близости от вращающихся реакторов.
Согласно одному из вариантов реализации изобретения указанное устройство способно подвергать содержимое одного или нескольких контейнеров воздействию значительной центробежной силы, предпочтительно - центробежной силы в пределах примерно от 500g до 20000g или более предпочтительно в пределах примерно от 1500g до 20000g и наиболее предпочтительно в пределах примерно от 5000g до 15000g. Темперирование, которое обеспечивают устройство или способ согласно настоящему изобретению, конечно, зависит от объема реактора, его конструкции, температуры и центробежной силы.
Кроме того, устройство согласно одному из вариантов реализации изобретения содержит средство для охлаждения части реактора, направленной внутрь относительно центробежной силы. В этом случае ротор модифицируют, чтобы обеспечить беспрепятственный тепловой контакт между ближним или "верхним" концом реактора и охлаждающей средой.
Средство для нагревания содержит по меньшей мере один источник нагревания, например источник излучения, испускающий излучение в диапазоне длин волн, генерирующих теплоту, например источник инфракрасного излучения, электрический элемент, горячий газ или горячую жидкость, которые располагают внутри центрифуги или подводят к центрифуге таким образом, чтобы испускаемая теплота достигала одного или нескольких дальних концов одного или нескольких реакторов, когда указанные реакторы, расположенные соответствующим образом в роторе центрифуги, вращаются в центрифуге. Если изобретение предполагается использовать для циклического нагревания или охлаждения, такой источник тепла можно включать и выключать без прекращения центрифугирования. Влияние источника нагревания должно быть достаточно высоким, чтобы довести все количество реакционной смеси, содержащейся в одном или в нескольких реакторах, до температуры, которая требуется для соответствующей реакции. Средство для нагревания может предпочтительно содержать один или несколько температурных датчиков или термореле для мониторинга и регулирования нагревания.
Согласно одному из вариантов реализации изобретения горячий воздух подают в пространство, окружающее вращающиеся реакторы или по меньшей мере части этих реакторов, удаленные от центра. Такое пространство называют "нагревательным кожухом".
Термин "горячий воздух", используемый в данном контексте, означает воздух или пригодную газовую смесь, нагретую до температуры, которая превышает температуру плавления материала реакторов, например термопластичного материала пробирок Эппендорфа или лунок на микротитровальных планшетах. Температура предпочтительно должна быть максимально возможной с учетом ограничений, которые накладывает применяемое оборудование. Температура должна быть предпочтительно в пределах от 200 до 800°С, более предпочтительно - примерно 600°С.
Охлаждающий эффект обеспечивают при неизменной скорости вращения. Согласно одному из вариантов реализации нагревательный кожух удаляют из непосредственной близости к реактору путем перемещения нагревательного кожуха относительно ротора, например, путем подъема нагревательного кожуха или путем опускания ротора. При этом быстро вращающиеся реакторы вступают в контакт с окружающим воздухом или газовой смесью, например с воздухом внутри центрифуги или с воздухом, который засасывается из окружающего помещения. Согласно предпочтительному варианту реализации воздух или газовую смесь внутри центрифуги охлаждают ниже температуры окружающей среды. Кроме того, ротор можно поместить в большее пространство, которое охлаждают. Когда нагревательный кожух выводят из непосредственного контакта с реакторами, охлажденный воздух быстро охлаждает реакторы.
Средство для охлаждения может включать средство для подачи охлаждающей среды, например газа, жидкости или окружающего воздуха в непосредственную близость от ближнего или "верхнего" конца реакторов. Пригодным средством охлаждения является жидкий азот или охлажденный газообразный азот.
При использовании изобретения реакторы, содержащие всю реакционную смесь или ее составную часть, размещают в роторе центрифуги таким образом, чтобы закрытый конец был направлен вниз, или иным образом в соответствии со стандартной технологией центрифугирования соответствующих реакторов. Затем запускают центрифугу, т.е. включают двигатель, который приводит во вращение ротор. После ускорения ротора до величины, обеспечивающей заданную силу притяжения, поддерживают постоянную скорость вращения. При этом включают источник нагрева, что приводит к повышению температуры главным образом у дальних концов реакторов. Через материал стенок реакторов теплота передается наиболее удаленной части массы реакционной смеси. Вследствие повышения температуры более интенсивное молекулярное движение будет распространяться, т.е. уменьшать плотность этой нагретой части реакционной смеси. В результате давления, которое вызывается гравитационным полем, действующим на более плотные части реакционной смеси, части с меньшей плотностью будут вынуждены перемещаться вверх, незамедлительно заменяясь реакционной смесью с более высокой плотностью. Затем эта плотная часть нагревается в результате того же самого процесса теплопередачи от источника нагревания. Плотность этой части реакционной смеси будет уменьшаться, и она будет передвигаться вверх и замещаться более холодной реакционной смесью. Согласно одному из вариантов реализации изобретения средство охлаждения, действующее одновременно с этим в верхней или ближней части реактора, будет вносить свой вклад в обеспечение тщательного перемешивания и гомогенизации. Эта последовательность этапов будет выполняться, приводя, в конечном счете, к получению тщательно перемешанной, однородной реакционной смеси и однородному распределению температуры в массе реакционной смеси.
Согласно предпочтительному варианту реализации устройство в соответствии с изобретением содержит датчик инфракрасного излучения и предпочтительно - фокусируемый датчик, постоянно контролирующий температуру содержимого вращающихся реакторов. Известные способы контроля температуры часто используют термопару, которую помещают в один из реакторов, участвующих в процедуре термоциклирования. Однако такой способ не всегда обеспечивает достаточную точность. Поскольку большинство пластичных материалов, используемых для изготовления реакторов, не поглощает инфракрасного излучения, измерение согласно настоящему изобретению дает фактическое значение температуры в образце. Измерение можно проводить по определенному алгоритму, задавая не только среднюю температуру вращающихся реакторов, но также и возможные отклонения от этого среднего значения.
Вышеуказанный датчик инфракрасного излучения оснащен лазером, испускающим концентрированный луч света, который попадает на реакторы. Такую лазерную "точку", видимую на реакторах, можно регистрировать оптическим датчиком и использовать для регулирования фокуса датчика инфракрасного излучения, для регулирования скорости вращения, для запуска измерения температуры образца, а также для измерения коэффициента отражения и/или измерения флуоресценции. При использовании отраженного излучения лазера для запуска измерений температуры можно достичь более высокой точности.
Кроме того, во избежание интерференции между датчиком и источником инфракрасного излучения, который может быть использован для нагревания реакторов, источник инфракрасного излучения следует выбирать таким образом, чтобы длина волны, излучаемой источником инфракрасного излучения, однозначно отличалась от длины волны, считываемой датчиком инфракрасного излучения.
Одновременное охлаждение со стороны, противоположной гравитационному полю, обеспечиваемое согласно одному из вариантов реализации, эффективно увеличивает степень однородности плотности, т.е. сокращает время темперирования и гомогенизации реакционной смеси.
Способ согласно изобретению включает следующие операции:
а) определенное количество по меньшей мере одного реагента помещают в реактор,
б) указанный реактор с содержимым помещают в устройство, способное одновременно обеспечивать его центрифугирование и нагрев, и
в) реактор подвергают центрифугированию,
г) нагревают дальний конец реактора.
Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения добавляют по меньшей мере один реагент с помощью капиллярного или аналогичного устройства, которое выделяет содержимое только при центрифугировании.
Способ согласно одному из вариантов реализации изобретения включает следующие операции:
а) определенное количество по меньшей мере одного реагента помещают в реактор, при этом указанный реактор содержит информацию, которая касается предполагаемой обработки или операций процесса,
б) информация считывается устройством, которое является частью устройства, способного одновременно обеспечивать центрифугирование и нагрев, или подключено к такому устройству,
в) указанный реактор с содержимым помещают в указанное выше устройство для центрифугирования и нагрева, и
г) указанный реактор подвергают центрифугированию,
д) нагревают дальний конец реактора,
е) операции г и д выполняют согласно информации, содержащейся на реакторе.
При реализации способа согласно указанным выше операциям а - е опасность ошибки оператора минимизируется, если не исключается полностью. Способ позволяет также в значительной степени автоматизировать процесс и, кроме того, упрощает согласование со схемами контроля качества.
В общем, настоящее изобретение описывает также новый способ проведения химических реакций в текучей среде, содержащейся в реакторах, который отличается тем, что используют устройство согласно одному из пунктов прилагаемой формулы изобретения, описывающих устройство.
Настоящее изобретение описывает, в частности, новый и эффективный способ проведения реакций, которые требуют высокой степени гомогенизации и применения неоднократного темперирования, например анализ и синтез с термоциклированием. Одним из примеров такого анализа является методика проведения полимеразно-цепьевых реакций (PCR). Другое важное применение находится в области скрининга с высокой пропускной способностью. Этот и другие способы упомянуты выше в данном описании.
Устройство согласно изобретению особенно пригодно для варианта анализа PCR, широко известного как "горячий запуск PCR". Используя устройство согласно настоящему изобретению, устанавливают значение температуры, превышающее температуру отжига праймеров. В процессе этого начального темперирования ротор вращают с пониженной скоростью, в достаточной степени, способствующей темперированию. После достижения желаемой температуры добавляют реагенты с помощью капилляров с реагентами или картриджей с реагентами (например, капилляры или картриджи, описанные в патентных заявках PCT/SE91/00343 и PCT/SE97/01562 того же заявителя). Выделение реагентов из капилляров или картриджей осуществляется путем увеличения скорости вращения. При более высокой скорости вращения капилляры или картриджи освобождаются под действием центробежной силы, а анализ PCR может быть проведен согласно приведенному выше описанию.
При проведении анализа с помощью устройства или агрегата согласно настоящему изобретению время, необходимое для этапов амплификации, существенно сокращается. В практических экспериментах, проведенных автором, амплификация, обычно требующая для завершения около 2 часов, теперь может быть выполнена менее чем за 20 минут с такими же или улучшенными результатами. Результаты были подтверждены электрофорезом додецилсульфата натрия в полиакриамидных гелях, который показал высокую специфичность и разрешение.
Изобретение описано с учетом его предпочтительных вариантов реализации, которые являются наилучшими из известных авторам в настоящее время, однако следует понимать, что различные изменения и модификации, очевидные для специалистов в данной области, могут быть сделаны в пределах области распространения изобретения, установленной прилагаемой формулой изобретения.
Предложенное изобретение относится к химической промышленности, в частности к проведению химических реакций, которые требуют темперирования и/или инкубации реакционной смеси. Способ проведения химических и биохимических реакций включает температурную обработку и гомогенизацию. Реакционную смесь загружают в реактор для ее выдерживания с целью гомогенизации. Подвергают указанный реактор и его содержимое воздействию центробежной силы. Под действием центробежной силы реакционную смесь в реакторе доводят до температуры, соответствующей требуемой реакции, так, что под действием гравитационного поля на более плотные части реакционной смеси образуется тщательно перемешанная гомогенная реакционная смесь и происходит распространение однородной температуры в массе реакционной смеси. Устройство для осуществления данного способа содержит средства удерживания реактора с реакционной смесью, средства воздействия центробежной силы на реактор и его содержимое, и средства доведения температуры содержимого реактора под действием центробежной силы до температуры, требуемой для протекания желательных реакций. Данное техническое решение обеспечивает эффективное быстрое и смешивание, и темперирование. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 7 ил.
а) загружают реакционную смесь в реактор для ее выдерживания с целью гомогенизации;
б) подвергают указанный реактор и его содержимое воздействию центробежной силы; и
в) доводят под действием центробежной силы указанную реакционную смесь в указанном реакторе до температуры, соответствующей требуемой реакции, так что под действием гравитационного поля на более плотные части реакционной смеси образуется тщательно перемешанная гомогенная реакционная смесь и происходит распространение однородной температуры в массе реакционной смеси.
а) средства удерживания реактора, содержащего реакционную смесь, выдерживаемую для гомогенизации;
б) средства воздействия центробежной силы на реактор и его содержимое; и
в) средства доведения температуры содержимого реактора под действием центробежной силы до температуры, требуемой для протекания желательных реакций, так что под действием гравитационного поля на более плотные части реакционной смеси образуется полностью гомогенизированная реакционная смесь и происходит распространение однородной температуры в массе реакционной смеси.
Приоритет по пунктам:
| US 4544394 А, 01.10.1985 | |||
| Дорожная спиртовая кухня | 1918 |
|
SU98A1 |
| РЕАКТОР С НЕСИММЕТРИЧНЫМ ПЕРЕМЕШИВАЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ | 1991 |
|
RU2019284C1 |
| Бесконтактный способ определенияКООРдиНАТ плАчЕВыХ КОСТЕй Рыбы | 1978 |
|
SU693560A1 |
