CN117241888A - 用于减少条形码上的冰形成的样品管和架子 - Google Patents

Abstract

通过围绕样品管的基部处的2D条形码的高热导率材料的壁内的气穴防止该条形码结霜。该壁的热导率大于14W/mK，并且优选地大于200W/mK。该壁可以形成为从样品管的基部延伸的裙部或者形成为支撑架子的一部分。由样品管和该管内的冷冻样品冷却的壁聚集霜，否则霜会聚集在2D条形码上，并且该壁使潮湿空气流偏转，否则潮湿空气流会流向条形码。

Description

用于减少条形码上的冰形成的样品管和架子

相关申请

本申请要求于2021年5月3日提交的美国临时申请号63/201,520的权益。上述申请的全部传授内容通过援引并入本文。

背景技术

化学样品和生物样品的处理和储存典型地采用将样品和试剂储存在单独的样品管中，为了运输和储存效率，这些样品管保留在大型储存架子中。样品管的直径典型地在6毫米(mm)至26毫米的范围内。样品管典型地储存在具有SBS(生物分子筛选协会)格式的行业标准架子中。例如，间距为9mm的8x 12样品管保持接纳座阵列承载96个样品管。类似地，其他标准架子可以支撑24、48或384个样品管。管架子可以冷冻在被保持在例如-20℃或-80℃的大型自动储存系统中。

单独的管可以各自带有用于识别的条形码。条形码可以位于管的侧面上，但为了能够利用单个图像读取整个管架子，条形码可以位于管的底端处。在自动化储存系统中，机器人系统可以从架子上挑选各个带有条形码的管并对这些管进行重新排序或将这些管移动到不同的架子或其他位置。各个管典型地由拾取站处的夹持器进行处理。

在生命科学行业，样品管通常保持在零度以下的温度，在某些情况下低至-80℃或以下。有时，管从一个位置移动到另一个位置，并且这种运输在零度以下的温度完成，以防止样品损坏。当这些管从冷运输环境移至实验室中并准备装入自动化仓库时，经常会发生来自房间的水分冷凝到管上。这种冷凝采取冰晶的形式，这些冰晶遮蔽了管的基部上的2D条形码，使得光学扫描仪难以在样品管装入安全仓库时对其进行登记。

如从图1A和图1B的照片可以看出，在当前装备的短时间内，印刷在样品管的基部上的条形码的对比度大幅降低，并且该码被条形码扫描仪读取的准确性(甚至可能性)大大减小。图1A示出了在冷样品管首次暴露于环境温度时其端部处的条形码，图1B示出了暴露于环境温度90秒后的条形码。

期望对该过程进行改进，以减少结堆积并允许准确读取2D条形码。

发明内容

样品管包括在一个端部处开口且在相反端部处底部封闭的侧壁。底部上的光学可读码(比如二维条形码)储存数据并且可从样品管下方读取。热导率大于14瓦/米开尔文(W/mK)的材料的壁大约是光学可读码。壁围封光学可读码下方的一定体积的空气。壁在样品管低于水的冻结温度并暴露于暖空气时，冻结来自该一定体积的空气的水分，并阻止底部外部上的对流流动以减少光学可读码上的结冰。

在一种抑制在样品管的底部处的光学可读码上结冰的方法中，热导率大于14W/mK的材料的壁从样品管的底部围绕光学可读码轴向延伸。壁围封光学可读码下方的一定体积的空气，并且壁在样品管低于水的冻结温度并暴露于暖空气时，冻结来自该一定体积的空气的水分，并阻止底部外部上的对流流动以减少光学可读码上的结冰。

该壁可以是从样品管的底部轴向延伸的裙部。该壁可以从样品管的底部延伸至少2mm，优选地2mm至4mm并且优选地至少3mm。一般而言，管外直径的至少15％且优选至少25％的裙部长度提供霜的显著减少，因此15％至30％的范围是优选的。该壁可以具有至少100W/mK、优选地至少200W/mK的热导率。在厚度至少为0.05mm至0.10mm的情况下，获得至少1,000W/K–4,000W/K的热导率。该壁可以包括金属。

替代性地，可以用架子来实践该方法，该架子可以承载具有从底表面面向下的光学可读码的常规样品管。该架子包括低热导率材料的框架，该框架具有从架子上方接纳样品管的端口。高传导率材料的壁在端口的底端处从端口向下延伸。壁围封光学可读码下方的空气体积。壁在样品管低于水的冻结温度并暴露于较暖空气时，冻结来自这些空气体积的水分，并阻止样品管的底部外部上的对流流动以减少光学可读码上的结冰。

壁的高热导率优选地是架子的主体的低热导率的至少两个数量级。优选地，高热导率大于100W/mK并且最优选地大于200W/mK。壁可以轴向延伸2mm至4mm的长度并且可以如通过包覆成型形成在架子框架中。壁可以包括金属。

附图说明

前述内容根据下面对示例实施例进行的更具体的描述将是清楚的，如在附图中所展示，在附图中，相同的参考符号在不同的图中是指相同的部分。附图不一定按比例，而是将重点放在说明实施例上。

图1A是常规样品管暴露于环境温度时其基部处的2-D条形码的照片。

图1B是图1A的冷样品管在暴露于环境室温90秒后的照片。

图2A是标准样品管的侧视图，以及图2B是根据本发明的以截面示出的在基部处具有裙部的样品管的侧视图。

图3A是图2A的常规样品管的立体图。

图3B是图2B的样品管的立体图。

图4A展示了常规样品管的条形码上结霜的机制。

图4B展示了使图2B和图3B的样品管中的结霜最小化的机制。

图4C展示了倒置的常规样品管的条形码上结霜的机制。

图4D展示了使倒置的图2B和图3B的样品管中的结霜最小化的机制。

图5A至图5I是左边的常规样品管和右边的体现本发明的样品管的条形码上的结冰序列的以二十秒增量的照片。

图6展示了示出在不同裙部材料的情况下随时间的结霜强度的实验结果。

图7A是具有防旋转特征的常规样品管的立体图。

图7B是根据本发明的具有用裙部修改的防旋转特征的样品管的立体图。

图8展示了定位在架子的支架中的图7B的样品管。

图9A展示了本发明的实施例，其中条形码凹进样品管的基部中以暴露条形码周围的壁，该壁上具有高热导率材料。

图9B是本发明的另一个实施例，其中条形码周围的壁由结合至样品管的基部的盘形成。

图10展示了根据本发明修改的架子中的端口阵列内的管支撑端口。

图11展示了环网络，环中的每一个形成如图10所示的架子中的唇部。

图12展示了具有孔口的片材，该片材要安装到架子以形成唇部阵列以支撑如图10中的样品管。

图13是另一个架子实施例的截面图。

图14是又一架子实施例的截面图。

具体实施方式

示例实施例的描述如下。

对表面上的冰积聚的物理机制的分析得出了减少冰沉积的有效方法。冷表面与环境空气之间的温度差会引起气流(自然对流或循环)，使得充满水分的空气不断流经该表面，在该表面处，该空气沉积其水含量为冰。如果对流气流停止或背离表面转移，则沉积的冰量可以显著减少。

为此，样品管的端部被裙部包围，该裙部延伸超出印刷条形码的表面几毫米。这使得能够产生微气候，该微气候包括直接邻近管的基部的干燥气穴。来自这种微气候的水分在裙部的内壁上形成冰，从而在管的基部(水分已经从该管的基部去除)附近留下小空气气泡，并且使条形码没有冰并可通过标准条形码读取装备读取。

图2A示出了具有帽22的常规样品管20的侧视图。图2B展示了类似的具有帽26的样品管24，但该样品管被修改为具有延伸超出管的基部的圆柱形裙部28。管的裙部和基部23形成气穴25。图3A示出了图2A的样品管的立体图，示出了27处的2-D条形码。图3B是图2B的样品管的立体图，示出了29处的2-D条形码。

一般而言，发现了两种防止结冰的机制。第一种是裙部的长度充当物理屏障，并将湿气流背离管的基部转向，从而在管基部附近留下初始水分量有限的气穴。第二种是裙部充当热传递装置，该热传递装置传递来自裙部上聚集的水的热量以冻结水。当冷裙部从气穴中聚集水为霜时，它会干燥条形码附近的微气候。样品管典型地具有薄塑料壁，并且这些壁作为裙部的延伸部具有低导率。但高热导率裙部作为散热器非常好，因此它们在冷凝水分方面比塑料表现更好，并提供更干燥的微气候。

图4A和图4B将图2A和图3A的样品管上的水分冻结与图2B和图3B的样品管上的水分冻结进行比较。对于图4A的常规样品管，潮湿空气流过管的侧壁和基部，并且该空气中的水分冻结并聚集在样品管的基部上的42处和沿着管的侧面的44处。2D条形码典型地位于42处，并且因此被冰遮蔽。对于图4B的经修改的样品管，最初在穴25中的潮湿空气中的水分冻结到样品管的基部23上，但也聚集在裙部28的内表面上的47处。样品管周围的气流46被裙部28和静态气穴背离基部23转向，其中穴中仅有小气流，使得来自该气流的水分主要聚集在套管28和样品管24的外表面上。最初在穴25中的少量水分中仅一部分聚集在样品管的基部23上，从而使2D条形码比其他情况下更没有霜。

图4C和图4D示出了倒置的标准样品管和经修改的样品管。流动仍然向下。对于图4C的标准管，潮湿空气首先经过管20的基部，然后经过管的侧面，并且霜在42和44处聚集在基部和侧面上。对于图4D的经修改的管，流动被气穴25和裙部28转向，以显著减少穴中的潮湿空气的流动，从而使基部23处的结霜最小化。再次，仅少量的水分聚集在条形码所在的基部23上。

图5A至图5I是演示样品管的基部处的2-D条形码上的冰形成的进展的照片。常规样品管在每个图的左侧，具有铜裙部的经修改的样品管在每个图的右侧。从图5A中的0秒到图5I中的160秒以20秒的增量拍摄照片。160秒处，常规样品管上存在大量结霜，而此时经修改的样品管上的结霜显著更少。

几种裙部材料和大小已经过测试，并取得了不同程度的成功。已经通过突出超出管的基部大约3mm的传导性裙部获得最佳结果。发现裙部材料的传导率和超出管基部的突出部的大小都是重要的参数。除了铜带和铝带之外，测试中还使用了由塑料片、纸和铝箔制成的裙部，并在热导率超过100W/mK时获得了最佳结果。热导率较小的金属(特别是碳钢)也获得了成功。

热导率：

铜401W/mK，

铝235W/mK，

纸～0.05W/mK，

塑料～0.14W/mK，

碳钢45W/mK，

不锈钢15W/mK。

使用图像处理算法来处理图5A至图5I中所示的一组图像，以估计管基部上的平均冰强度，其中输出范围基于从0(黑色)到255(白色)的颜色。管基部上积聚的冰越多，平均冰强度数越高，并且反之亦然。在图6中，曲线602表示标准管基部上的平均冰强度。曲线604、606和608示出了具有以下不同材料的裙部的经修改的样品管的平均冰强度：纸604、塑料606和铜或铝608。四分钟后，曲线下降，因为样品管变暖，从而释放了聚集的霜。

即使是低导率纸裙部也比常规样品管改进了性能。可以在塑料样品管的模制中形成的塑料裙部也提供了改进。然而，在高传导率铜或铝裙部的情况下发现最显著的改进。高传导率金属提供了来自撞击裙部的水分的高热导率热路径，以将水分捕获为霜。结果，裙部内表面被保持至低得多的温度并且更高效地捕获进入气穴25的水分。

下表描绘了不同材料裙部的平均冰强度的减小。

一般而言，优选的是，沿着裙部的长度提供热导率大于100W/mk、并且优选地大于200W/mK的材料。大于14W/mK的热导率是典型塑料的两个数量级并且可以是可接受的。在下面的实施例中，形成高传导率壁的材料一般被描述为金属、包含金属的材料或金属涂层，但也可以使用具有所需的高热导率的其他材料，该高传导率壁形成管下方的气穴以捕获水分。

对于12mm外直径的管，小至1mm突出的裙部确实具有有益效果，但使用3mm突出获得管的基部上的2D条形码上的最大结霜减少。超过3mm未发现明显改进。一般而言，优选的是裙部长度为管直径的至少15％，并且优选为至少25％。大于管直径的约25％没有显示明显的改进，因此15％至30％是优选的。

可以通过致使管和裙部变得不可分离的方法(比如包覆成型、压配合、或在表面上沉积金属(例如化学镀、火焰或电弧喷涂、真空金属化))将裙部引入到管制造中。裙部可以由具有适当热传递特性的复合材料(比如金属-聚合物复合材料)形成。

图7和图8展示了本发明的替代性实施例，其中样品管包括防旋转特征。图7A中展示了具有帽71和防旋转特征的常规样品管70。样品管的圆柱形壁70通过截头圆锥形部段74过渡到直径减小的基部72，2D条形码形成在该基部上。叶片76从截头圆锥形部段74径向延伸。当样品管定位在具有互补叶片的架子内时，叶片用于在将帽旋上或旋离样品管时限制样品管的旋转。

图7B展示了对图7A的样品管的修改以包括根据本发明的裙部。裙部78延伸叶片7b的整个长度并超出基部72，以围封叶片之间及基部72下方的气穴79。这些气穴起到图3B的单个气穴25的功能。

图8示出了定位在架子的支架81中的图7B的经修改的样品管。支架81具有圆柱形端口，样品管从上方插入到该圆柱形端口中。套管78延伸到支架中的环形部80中，该环形部包围竖直延伸的一组支架叶片82。支架叶片82支撑样品管的截头圆锥形部分74并与样品管的叶片76相互作用以防止旋转。

图9A展示了另一个实施例，其中裙部直接模制到样品管的基部中。在该实施例中，样品管具有圆柱形侧壁90和较厚的基部92，该较厚的基部在其中心处凹进以形成气穴94。凹部可以是圆形的或者其可以是矩形的以减少矩形条形码上方的气穴的体积。为了改进沿着凹部的内壁的导率并获得上述高传导率金属裙部的益处，凹部涂有金属或者在98处设置有铜、铝或其他高传导率金属的插入件。涂层或插入件具有足够的厚度以获得与上述裙部相当的导率。0.05毫米至0.10毫米的金属厚度是最佳的。

图9B展示了其中条形码上方的穴是通过将金属盘91附接到样品管的基部93而形成的实施例。盘可以例如通过高热导率粘合剂结合到基部，或者被包括在包覆成型件中，使得它与管不可分离。

替代性地，裙部可以被合并到管架子中，使得当管位于架子中时，管基部上的霜形成受到很大限制。

这种架子在图10A中展示，其中示出了接纳样品管的端口阵列中的一个端口。样品管100是常规设计的，具有平坦的基部101。2D条形码形成在该表面上。架子102可以是任何构造的，但在其下端处，其包括高传导率材料(比如金属)的环104，该环径向延伸到接纳样品管的端口中。因此，该环形成唇部，样品管100搁置在该唇部上。这种新的就座件保护管的基部并用作高传导率裙部，从而在条形码下方形成静态空气的气穴106。该环的轴向厚度应等于上述裙部的突出长度或可能比上述裙部的突出长度更深。样品管架子的主体典型地是低传导率塑料(约0.14W/mmK)以最小化对样品管的热传导，但是金属唇部起到上述从接触唇部的内壁108的水分传导热量的功能，从而使气穴106中的水分在壁108上的结霜最大化，并且因此使基部101处的条形码上的结霜最小化。唇部优选地具有2mm至4mm的轴向宽度，并且其热导率是架子的主体的热导率的至少两个数量级，优选地大于100W/mK，并且最优选地大于200W/mK。

形成唇部的环104可以如通过包覆成型单独地接合至塑料架子，如图10所示。替代性地，这些环可以接合在传导性支柱112的网络中，如图11的平面图中所示。作为单个元件接合在一起并在架子的底部处结合在一起的这些环易于制造，并且还可以用于维持整个架子的热均匀性。替代性地，唇部可以形成为单个片材120中的孔口122，每个孔口的直径小于待支撑在片材120上的每个样品管的外直径。金属片材120可以结合到塑料架子的下表面。

图13展示了架子的另一个实施例。该架子包括低传导率材料的基部131，该基部具有孔口136，这些孔口位于由安装到基部的低传导率圆柱体132形成的端口下方。每个孔口足够大以允许观察端口中的管的基部处的条形码，但足够小以留下表面133来支撑管。唇部134在基部下方延伸并支撑低传导率材料(比如形成用于聚集霜的壁的金属)，如上所述。

图14展示了与图13的架子实施例类似但没有唇部134的另一个架子实施例。如在那里，端口由低传导率圆柱体142，在低传导率基部141上在留下支撑表面144的孔口143上方形成。高传导率壁由粘附到或形成在基部141的底表面上的环145形成。

在所有实施例中，高传导率材料在其沿着样品管的侧面延伸的长度方面受到限制，以避免加热冷冻样品。

虽然已具体地显示和描述了示例实施例，但本领域的技术人员将理解的是，在不脱离由所附权利要求涵盖的实施例的范围的情况下，可以在其中做出不同的在形式和细节上的改变。

Claims (30)

1.一种样品管，包括：

侧壁，该侧壁在一个端部处开口且在相反端部处底部封闭；

位于该底部上的光学可读码，该光学可读码储存数据并能够从该样品管下方读取；

围绕该光学可读码的热导率大于14W/mK的材料的壁，该壁围封该光学可读码下方的一定体积的空气。

2.如权利要求1所述的样品管，其中，该壁是从该样品管的底部轴向延伸的裙部。

3.如权利要求1或2所述的样品管，其中，该壁从该样品管的底部延伸在该样品管的外直径的15％至30％的范围内的量。

4.如权利要求1或2所述的样品管，其中，该壁从该样品管的底部延伸至少2mm。

5.如权利要求1或2所述的样品管，其中，该壁从该样品管的底部延伸2mm至4mm。

6.如任一前述权利要求所述的样品管，其中，该壁的内表面具有至少100W/mK的热导率。

7.如任一前述权利要求所述的样品管，其中，该壁的内表面具有至少200W/mK的热导率。

8.如任一前述权利要求所述的样品管，其中，该壁包括金属。

9.如任一前述权利要求所述的样品管，其中，该壁是从该样品管的底部延伸该样品管的外直径的15％至30％的金属裙部。

10.如任一前述权利要求所述的样品管，其中，该壁是从该样品管的底部延伸距该样品管的底部2mm至4mm的金属裙部。

11.如任一前述权利要求所述的样品管，其中，该光学可读码是二维条形码。

12.一种抑制样品管的底部处的光学可读码上的结冰的方法，该方法包括：

围绕该光学可读码从该样品管的底部轴向延伸热导率大于14W/mK的材料的壁，该壁围封该光学可读码下方的一定体积的空气，当该样品管低于水的冻结温度并暴露于较暖空气时，冻结来自该一定体积的空气的水分，并阻止底部外部上的对流流动以减少该光学可读码上的结冰。

13.如权利要求12所述的方法，其中，该壁是从该样品管的底部轴向延伸的裙部。

14.如权利要求12或13所述的方法，其中，该壁从该样品管的底部延伸在该样品管的外直径的15％至30％的范围内的量。

15.如权利要求12或13所述的方法，其中，该壁从该样品管的底部延伸至少2mm。

16.如权利要求12或13所述的方法，其中，该壁从该样品管的底部延伸2mm至4mm。

17.如权利要求12至16中任一项所述的方法，其中，该壁的内表面具有至少100W/mK的热导率。

18.如权利要求12至16中任一项所述的方法，其中，该壁的内表面具有至少200W/mK的热导率。

19.如权利要求12至18中任一项所述的方法，其中，该壁包括金属。

20.如权利要求12至19中任一项所述的方法，其中，该壁是从该样品管的底部延伸该样品管的外直径的15％至30％的金属裙部。

21.如权利要求12至19中任一项所述的方法，其中，该壁是从该样品管的底部延伸距该样品管的底部2mm至4mm的金属裙部。

22.如权利要求12至21中任一项所述的方法，其中，该光学可读码是二维条形码。

23.一种用于承载样品管的架子，这些样品管具有从底表面面向下的光学可读码，该架子包括：

低热导率材料的框架，该框架具有从该架子上方接纳样品管的端口；以及

高热导率材料的壁，这些壁在这些端口的底端处从这些端口向下延伸，这些壁围封这些光学可读码下方的空气体积。

24.如权利要求23所述的架子，其中，该高热导率是该低热导率的至少两个数量级。

25.如权利要求23或24所述的架子，其中，该高热导率大于100W/mK。

26.如权利要求23或24所述的架子，其中，该高热导率大于200W/mK。

27.如权利要求23至26中任一项所述的架子，其中，这些壁通过包覆成型形成在塑料框架中。

28.如权利要求23至27中任一项所述的架子，其中，这些壁轴向延伸在这些样品管的外直径的15％至30％的范围内的长度。

29.如权利要求23至27中任一项所述的架子，其中，这些壁轴向延伸2mm至4mm的长度。

30.如权利要求23至29中任一项所述的架子，其中，这些壁包括金属。