Дозирующая головка с наклонными соплами Российский патент 2024 года по МПК B05B1/14 B01J19/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к дозирующим головкам для подачи жидкости в лунки, содержащие мелкодисперсную твердую фазу, и может применяться для впрыска жидких реактивов в реакторы устройств твердофазного химического синтеза, в частности в луночные планшеты синтезатора олигонуклеотидов и олигонуклеотидных зондов (далее по тексту - ДНК-синтезатор).

При наполнении лунок, содержащих мелкодисперсную твердую фазу, струей жидкого реактива происходит разбрызгивание частиц твердой фазы, что влечет за собой снижение эффективности синтеза и потенциальное загрязнение других лунок-реакторов. Обычно эту проблему обходят через использование специальных фильтров (фритт) поверх твердой фазы. Фритта резко снижает скорость проникновения реактива в лунку почти до нуля и устраняет разбрызгивание. Такое решение создает в свою очередь дополнительные технические трудности:

1) сама по себе необходимость использования дополнительных расходных материалов - фритт;

2) расходование дополнительных количеств реактива на смачивание фритты в каждом реакционном цикле.

Использование дозирующей головки с наклонными соплами для наполнения лунок устраняет исходную проблему столкновения струи реактива с твердой фазой, соответственно технический результат состоит в том, что в лунках не происходит разбрызгивание твердой фазы, для ее покрытия не требуются фритты и не происходит дополнительный расход реактивов на смачивание фритт.

Изобретение может быть применено в любых устройствах многостадийного твердофазного химического синтеза, в частности устройствах для синтеза пептидов, синтеза олигонуклеотидов, синтеза полисахаридов, микрофлюидных реакторах.

Уровень техники

В различных твердофазных химических синтезах происходят процессы смешения жидких реагентов, продуктов или элюентов в присутствии твердой фазы. К такого типа синтезам относятся, в частности, синтез пептидов, синтез олигонуклеотидов и синтез полисахаридов. Синтезы могут осуществляться в небольших масштабах для аналитических целей или проектирования процессов, а затем часто масштабируются.

В планшетных ДНК-синтезаторах частицы твердой фазы упакованы в лунки пластикового планшета с пористым фильтром (фриттой) на нижнем конце реактора, дополнительным фриттой поверх твердой фазы и с отверстиями для жидкости на обоих концах, так что жидкость может проходить через лунку насквозь. В таких системах происходит химическое взаимодействие между растворенными веществами, проходящими через слой твердой фазы, и частицами этого слоя. Целевой продукт реакции остается на частицах, а непрореагировавшие реактивы, растворители и жидкие продукты реакции удаляются через нижние отверстия планшета с помощью вакуумных насосов. При этом нижние фритты не дают реактивам протечь сквозь лунку во время реакции, а верхние предотвращают разбрызгивание твердой фазы струями реактивов, подаваемых в лунку сверху.

Химический синтез ДНК или РНК (обычно называемый «синтезом олигонуклеотидов» - коротких цепочек нуклеиновых кислот) представляет собой процесс конструирования синтетического одноцепочечного олигомера из мономеров - производных нуклеотидов, основных строительных блоков ДНК. В автоматизированных ДНК-синтезаторах различные этапы синтеза осуществляются системой доставки и удаления реактивов, при которой ряд веществ дозируется в заданной последовательности в лунку; это происходит в циклическом режиме. После завершения желаемого количества циклов присоединения мономеров олигонуклеотид, сцепленный с твердофазном носителем, отделяют от реакционной колонки и химически отщепляют. Описанный способ синтеза зафиксирован в источниках [1-4].

Ввиду того что для синтеза используется большое количество реактивов, в систему доставки и удаления реактивов входит система трубок, закрепленная в дозирующей головке. Как правило, такая головка представляет собой пластину с соплами (длинными сквозными отверстиями), в которые вставляются трубки. Количество трубок и сопел варьируется в зависимости от модели синтезатора и метода синтеза. Пластина приводится в движение сервоприводами, обеспечивающими совмещение сопел и лунок планшета в момент подачи струи того или иного реактива.

В литературе имеется ограниченное описание дозирующих головок для устройств твердофазного синтеза.

В патенте [1] описана многоканальная дозирующая головка, где для каждого реактива предусмотрен свой канал, в данном патенте ничего не заявлено о возможности обойтись без верхних фритт, а также о положении сопел.

В патентах [5-6] описана система дозирования с вертикальными соплами, в которой также используются верхние фритты.

В настоящее время в литературе дозирующих головок с наклонными соплами для устройств твердофазного химического синтеза не описано.

Раскрытие сущности изобретения;

В планшетных синтезаторах синтез олигонуклеотидов (пептидов или иных полимерных молекул) происходит в луночных планшетах - пластиковых конструкциях, обычно с 96-ю лунками, которые используются в качестве реакторов. Такая конструкция позволяет одновременно синтезировать десятки веществ разного состава. При этом в цикле наращивания одного мономера в каждой лунке может использоваться несколько реактивов. Соответственно, для каждого реактива нужен свой канал подачи в виде узкой пластиковой трубки. Трубки закрепляют в дозирующих головках - приспособлениях с направляющими отверстиями (соплами) для трубок.

В настоящем изобретении предлагается дозирующая головка, сопла в которой располагают под углом к вертикальной оси головки (Фиг. 1). Соответственно, под таким же углом будут располагаться трубки подачи/впрыска реактивов и направление струи реактива. Струя, попадающая в лунку, сталкивается с ее стенкой под углом и стекает вниз без разбрызгивания мелкодисперсной твердой фазы. Напротив, струя, бьющая вертикально, попадает прямо на твердую фазу, приводя к разлету ее частиц, во избежание чего на твердую фазу обычно помещают фритты. Опытным путем установлено, что столкновение струи и стенки реактора под определенным углом оказывается достаточным для уменьшения импульса струи и предотвращения разбрызгивания. Установлено, что диапазоном углов, при которых разбрызгивание снижено по сравнению с вертикальным расположением отверстий, является диапазон углов 14-67°, что явным образом не следует из уровня техники. В области малых углов резко возрастает разбрызгивание твердой фазы, а в области больших углов возрастает разбрызгивание уже жидкой фазы, ведущее к загрязнению соседних лунок. Предпочтительным является угол 28°, при котором разбрызгивание и твердой и жидкой фазы минимально, что также не следует явным образом из уровня техники.

Осуществление изобретения

Вариант исполнения изобретения изображен на Фиг. 2. Изобретение исполнено в виде пластины с фланцем, имеющей форму прямого параллелепипеда, с выступами на верхней и нижней плоскости пластины и длинными сквозными отверстиями, выходящими на поверхность через грани выступов, и где угол между осью отверстий и вертикальной осью головки составляет 28° (Фиг. 3). Отверстия имеют цилиндрическую форму. Выступы имеют форму прямой треугольной призмы, основания которой перпендикулярны плоскости пластины. Таков предпочтительный вариант настоящего изобретения, эти отличительные признаки указаны в формуле изобретения, однако форма отверстий, наличие и форма выступов, форма пластины и материал пластины не влияет существенно на функциональность изобретения, и при использовании конкретных параметров принималось во внимание эргономичность и экономичность изготовления и его совместимость с принципиальной конструкцией ДНК-синтезатора. Принципиальной характеристикой изобретения является наклонное расположение сопел для трубок подачи жидкости в лунки планшета, конкретный диапазон углов наклона сопел 14-67° и оптимальный угол наклона 28°.

Дозирующая головка испытана в автоматическом ДНК-синтезаторе. В эксперименте 1 применялась штатная для синтезатора дозирующая головка с вертикальными отверстиями, с фриттами и без. В эксперименте 2 применялась предлагаемая дозирующая головка с отверстиями под углом 28°, с фриттами и без. В случае, когда в обоих экспериментах присутствовали фритты, значимых различий в результатах экспериментов не наблюдалось. Когда фритты были сняты, отмечались следующее :

Эксперимент 1

- расход реактивов (мономеров) статистически неизменен;

- выход олигонуклеотидов снизился на 69-78%;

- наблюдалось разбрызгивание твердой фазы;

Эксперимент 2

- выход олигонуклеотидов статистически неизменен;

- расход реактивов (мономеров) ниже на 19-24%;

- нет разбрызгивания твердой фазы;

Таким образом достигается технический результата изобретения:

- отказ от использования дополнительных расходных материалов - верхних фриттов при неизменном выходе продукта;

- ликвидируется разбрызгивание мелкодисперсной твердой фазы;

- снижается расход реактивов.

Список литературы

1. US Patent № US6696298 B2.

2. Заявка PCT WO2003049852 A1

3. Патент РФ № 2073008.

4. US Patent 5814700.

5. US Patent US6001311 A.

6. US Patent US7390459 B2.

Изобретение может быть использовано при твердофазном химическом синтезе олигонуклеотидов, пептидов или полисахаридов. Предложено применение дозирующей головки с наклонными соплами для подачи жидкости в лунки, содержащие мелкодисперсную твердую фазу, в устройствах многостадийного твердофазного химического синтеза. Оси наклонных сопел дозирующей головки расположены под углом к вертикальной оси головки в диапазоне от 14 до 67 градусов. Изобретение позволяет снизить расход реактивов, отказаться от использования дополнительных расходных материалов и исключить разбрызгивание твердой и жидкой фазы в реакторе устройства твердофазного химического синтеза. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Применение дозирующей головки с наклонными соплами для подачи жидкости в лунки, содержащие мелкодисперсную твердую фазу, характеризующейся тем, что оси сопел расположены под углом к вертикальной оси головки в диапазоне от 14 до 67 градусов, в устройствах многостадийного твердофазного химического синтеза.

2. Применение по п.1, где устройством многостадийного твердофазного химического синтеза является синтезатор олигонуклеотидов и олигонуклеотидных зондов.

3. Применение по п.1, где устройством многостадийного твердофазного химического синтеза является синтезатор пептидов.

5. Применение по п.1, где устройством многостадийного твердофазного химического синтеза является синтезатор полисахаридов.

5. Применение по п.1, где устройством многостадийного твердофазного химического синтеза является микрофлюидный реактор.