CN214892126U - 一种可分区控温的生物样本冻存架及程序控温设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种可分区控温的生物样本冻存架及程序控温设备，其特征在于：包括热沉冷板、降温单元和控制模块，其中，所述热沉冷板上表面连接有多个独立的所述降温单元，所述控制模块连接并控制所述降温单元，所述热沉冷板下表面连接有制冷源；所述降温单元包括样品槽、加热元件、温度传感器和隔热盖。其中本实用新型的有益效果是：通过设计独立的降温单元和热沉，该设备可对在不同时间采集的样本分批次多通道独立操作，通过控制模块接受独立的降温单元的温度传感器的数据，调节加热元件的工作功率，使冷冻样本以最佳降温速率降温，达到最佳冷冻效果。

Description

一种可分区控温的生物样本冻存架及程序控温设备

技术领域

本实用新型涉及生物低温储存领域，特别涉及一种可分区控温的生物样本冻存架及程序控温设备。

背景技术

在进行细胞或生物样本保存的过程中，采用合适的方法将样本冷冻至超低温(低于-80摄氏度)并且在长时间段内保持于该温度下是生物冷冻技术的关键环节。常用的保存方法是将样本悬浮于加有冷冻保护剂的溶液中，并且以一定的冷冻速率降温至超低温后长期储存。其中能满足精确控制降温速率的方式是采用程序降温仪，针对特定生物样本，通过软件按照预设的曲线来降低温度。

现有的主流技术是采用液氮制冷式程序降温仪，通过控制液氮喷射流量使样本冷冻舱室按预设的降温曲线降温，该方法普遍存在液氮消耗量大，温度控制误差大，安全操作繁琐，液氮接触样本存在潜在的污染生物样本的风险，仪器结构笨重不能轻易运输等缺陷。更重要的，由于单次操作用时长，液氮消耗量大，使用时多是收集一定数目的生物样本成批操作。而在医院或科学实验室使用环境中，少量且珍贵的样本，如各类实验细胞样本，卵母细胞，患者干细胞等在采集的同时需尽快以受控速率冷冻，以便在解冻时获得更高的活性，才能保证下一步实验/治疗有效。因此，为了满足快速发展的生物医学对冷冻保存生物样本的需求，为能精确控制样本的降温过程，实现随存随取，本实用新型提供一种可分区控温的生物样本冻存架及程序降温设备，该样本冻存架具备多个独立降温区域，可以在不移出样本的前提下分批次操作多组样本，样本冻存架对接各类制冷设备可实现程序降温功能，且兼具生物样本短期低温储存功能。

发明内容

为了解决上述技术问题，本实用新型中披露了一种可分区控温的生物样本冻存架及程序控温设备，本实用新型的技术方案是这样实施的：

一种可分区控温的生物样本冻存架，包括热沉冷板、降温单元和控制模块；其中，所述热沉冷板上表面连接有多个独立的所述降温单元，所述控制模块连接并控制所述降温单元，所述降温单元包括样品槽、加热元件、温度传感器和隔热盖；所述加热元件和所述温度传感器位于所述样品槽侧壁，所述隔热盖位于所述样品槽上部。

优选地，所述热沉冷板包括基准孔，所述热沉冷板上表面设置有凹凸结构，所述降温单元包括样品托和连接柱，所述连接柱位于所述样品托底部，所述连接柱与所述基准孔匹配固定，所述热沉冷板内部设置有多电路通道，所述热沉冷板上表面覆盖有绝热材料。

优选地，所述样品槽孔径大小为1-100mm，所述样品槽深度为 1-200mm，所述样品槽内的样品孔数量为1或一个以上。

优选地，还包括热连接件，所述降温单元通过所述热连接件与所述热沉冷板连接固定。

优选地，所述热连接件材质为蓝宝石，所述热连接件厚度为 0.1-20mm。

优选地，所述热连接件包括微膨胀型低温热开关。

一种程序控温设备，包括一种可分区控温的生物样本冻存架、样品冻存架外壳和制冷单元；所述制冷单元包括制冷源，所述制冷源位于所述制冷单元内，所述制冷源与所述热沉冷板下表面接触。

优选地，所述制冷源为制冷机；所述制冷机包括冷头，所述冷头连接所述所述热沉冷板下表面。

优选地，所述制冷源为制冷剂；所述制冷单元包括杜瓦器皿，所述制冷剂装载于所述杜瓦器皿中，所述杜瓦器皿的开口与所述热沉冷板下表面耦合。

实施本实用新型的技术方案可解决现有技术中液氮消耗量大，温度控制误差大，安全操作繁琐，液氮接触样本存在潜在的污染生物样本的风险，仪器结构笨重不能轻易运输的技术问题；实施本实用新型的技术方案，通过在样本冻存架设置多个独立降温区域，可实现在不移出样本的前提下分批次操作多组样本，样本冻存架对接各类制冷设备可实现程序降温功能，且兼具生物样本短期低温储存功能的技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一种实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

图1为一种可分区控温的生物样本冻存架的原理结构图；

图2为一种可分区控温的生物样本冻存架的结构示意图；

图3为实施例2的结构示意图；

图4为热连接件与热沉冷板的连接结构示意图；

图5为实施例4的结构示意图。

在上述附图中，各图号标记分别表示：

1，热沉冷板

1-1，基准孔

2，降温单元

2-1，样品槽

2-2，加热元件

2-3，温度传感器

2-4，隔热盖

2-5，样品托

2-6，连接柱

3，控制模块

4，热连接件

5，样品冻存架外壳

6，降温单元

6-1，冷头

6-2，杜瓦器皿

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

在一种具体的实施例1中，如图1和图2所示，一种可分区控温的生物样本冻存架，包括热沉冷板1、降温单元2和控制模块3；其中，热沉冷板1上表面连接有多个独立的降温单元2，控制模块3连接并控制降温单元2，降温单元2包括样品槽2-1、加热元件2-2、温度传感器2-3和隔热盖2-4；加热元件2-2和温度传感器2-3位于样品槽2-1侧壁，隔热盖2-4位于样品槽2-1上部。

在本实施例中，热沉冷板1采用高导热性能的金属材料，如铝、铜、合金等，热沉冷板1上端为多个独立的降温单元2，单个降温单元2包括有样品槽2-1、加热元件2-2、温度传感器2-3及隔热盖2-4。单个样品槽2-1采用高导热性能的金属材料如铝，铜，合金等，可用于装载样品管，样品槽2-1上部的隔热盖2-4可盖住样品管裸露在外的部分，隔绝样品管受到周围环境热能变化的影响。单个样品槽2-1 侧壁固定有加热元件2-2和温度传感器2-3，温度传感器2-3采集样品槽2-1温度(即代表当前样品温度)并反馈给控制模块3，控制模块3根据反馈的温度控制加热元件2-2的功率大小。控制模块3可为含处理器的单片机、POC、PC系统等。温度传感器2-3可为多种类型的热电偶温度计及热电阻温度计，加热元件2-2可为多种类型的加热器，如陶瓷加热器，半导体加热器，薄膜加热器等，加热元件2-2 的功率可为1W至200W，在使用时，热沉冷板1下表面可直接接触制冷源，制冷源可以是液氮，液氦，液氢，液氟，液氧，液体甲烷，以及各类斯特林制冷机，GM制冷机，J-T制冷机，脉管制冷机等。由于制冷源提供的冷量充足，热沉冷板1的温度不受上端降温单元2 热能大小变化的影响，且多个降温单元2的加热元件2-2和温度传感器2-3彼此独立，因此可独立的对单个降温单元2进行程序降温，冷冻保存，快速复温等操作，实现多个降温单元2分时分区降温、存储、复温，且针对不同特质的生物样本，可同时以不同的最佳速率降温，达到最佳的冷冻保存效果。

以处理两个待冷冻样本A和样本B为例，实际使用时，当热沉冷板 1对接制冷源如制冷剂或制冷机后，热沉冷板1的温度将快速下降至超低温，同时热沉冷板1将持续处于低温状态，此时未启动加热元件2-2A、 2-2B的降温单元2A、2B的温度也下降至超低温。由于待冷冻样本A和样本B的初始温度一般来说接近室温或冷藏温度，因此在将样本放入样品槽2-1A、2-1B受控降温之前，加热元件2-2A、2-2B需启动以维持样品槽2-1A、2-1B的初始温度为4℃至20℃。待样品槽2-1A、2-1B温度达到初始设定值后，可先放入样本A，并通过控制模块3预设样品槽 2-1A的降温速率vA(v,t)，并启动程序降温进程。可在任意时间放入样本B，并通过控制模块3预设样品槽2-1B的降温速率vB(v,t)，启动程序降温进程。程序降温过程中，温度传感器2-3A、B分别读取当前样品槽2-1A、B的温度并反馈给控制模块3，控制模块3根据此温度调节加热元件2-2A、2-2B的功率，使样品槽2-1A、2-1B的温度分别按照预设的降温曲线变化，达到精确降温的目的。当样品槽2-1A、2-1B 的温度降至设定值后，控制模块3将维持加热元件2-2A、2-2B工作在当前功率值，并持续监控样品槽2-1A、2-1B的温度使其保持稳定。必要时，控制模块3也可控制加热元件2-2A、2-2B加热低温状态下的样品槽2-1A、2-1B，使冷冻样本快速复温。

本实施例具备多个独立降温区域，可以在不移出样本的前提下分批次操作多组样本，实现随存随取，缩短样本从采集到冷冻的等待时间，提高样本复苏效果，也可以同时使多个样本以不同的最佳降温速率降温，达到最佳的冷冻保存效果。采用制冷机为制冷源的程序降温设备，结构小巧，配置移动电源可适用生物样本长途运输，野外、多地点生物样本采集等使用场景。采用制冷剂为制冷源程序降温设备，制冷剂消耗量少，制冷效率高，且可实现批量操作大量样本，适用于大规模的GMP细胞生产中心以及生物样本库对大量生物样本的存储需求。

实施例2

在一种优选的实施例2中，如图1、图2和图3所示，热沉冷板 1包括基准孔1-1，热沉冷板1上表面设置有凹凸结构，降温单元2 包括样品托2-5和连接柱2-6，连接柱2-6位于样品托2-5底部，连接柱2-6与基准孔1-1匹配固定，热沉冷板1内部设置有多电路通道，热沉冷板1上表面覆盖有绝热材料。

在本实施例中，热沉冷板1上表面设计为凹凸结构，降温单元2 通过样品托2-5，以插拔的形式固定在热沉冷板1相对应的凹凸结构上，样品托2-5可采用低温下样品测量常用的多针插拔型样品托，样品托2-5底部设置有连接柱2-6，如10pin或12pin等，热沉冷板1凸出部位内设置有基准孔1-1，孔径可刚好容纳连接柱2-6。降温单元2 固定于样品托2-5上，降温单元2中的加热元件2-2和温度传感器2-3 的控制线路通过样品托2-5的连接柱2-6与热沉冷板1上的基准孔1-1 相连，再通过热沉冷板1内部的多通道电路连接至控制模块3，可避免电线过多暴露在外，且降温单元2便于插拔，维修更换，样品托 2-5主体可选良导热性能的金属材料。同时，热沉冷板1表面覆盖有绝热材料，使得凹槽间隙和多个降温单元2间隙填充有绝热材料，绝热材料和隔热盖2-4均用来避免降温单元2受到周围环境热辐射的影响，同时使得单个独立降温单元2只与热沉冷板1发生接触式热传导。

在一种优选的实施方式中，样品槽2-1孔径大小为1-100mm，样品槽2-1深度为1-200mm，样品槽2-1内的样品孔数量为1或一个以上。

由于样品槽2-1用于装载样品管，在实际生物低温保存中，样品管有不同规格，例如冻存管，麦管，疫苗，药品，血袋等，因此样品槽2-1内部孔径大小和深度也应匹配不同规格样本管，样品槽2-1的深度应使得样品管的部分管体及管帽露出，方便存取操作，单个样品槽2-1可容纳至少一个冷冻样本，也可设计为匹配各类多孔板、SBS 标准多孔板规格，容纳多个样本，方便与细胞生产线结合使用。当待处理样品管为麦管时，样品槽2-1上表面设计为横向的沟槽以容纳细长形状的麦管，当待处理样品为血袋时，样品槽2-1上表面设计为平面。

实施例3

在一种优选的实施例3中，如图1、图2和图4所示，还包括热连接件4，降温单元2通过热连接件4与热沉冷板1连接固定。

在制冷剂和制冷机提供的制冷量非常大，热沉冷板1的温度极低 (如小于-120℃)的情况下，若样本槽2-1与热沉冷板1直接接触，加热元件2-2的功率可能不足以维持样本槽的初始温度稳定在4℃至20℃的温度区间内。因此采用热连接件4，在加热元件2-2启动使样品槽2-1 的温度升高的同时，热连接件4受样品槽2-1温度变化的影响，热连接件4温度升高同时热导率降低，减少了热量从样品槽2-1向热沉冷板1 传输，促进了样品槽2-1的温度进一步升高，使得加热元件2-2工作在较低功率即可维持样本槽的初始温度稳定在4℃至20℃的温度区间内。启动降温程序后，热连接件4的热导率随样品槽2-1温度的降低而增大，促进了热量从样品槽2-1向热沉冷板1传输，可调节的降温速率范围更大，能满足更多种类的生物样本冷冻要求。

在一种优选的实施方式中，热连接件4材质为蓝宝石，热连接件 4厚度为0.1-20mm。

由于如蓝宝石在30K以上的温度范围内，热导率随温度的降低而增大，随温度的升高而减小，可表现出高温下的弱导热性和低温下的良导热性。可有效满足利用加热元件2-2控制样本槽2-1升温和降温的需求。

在一种优选的实施方式中，热连接件4包括微膨胀型低温热开关。在本实施方式中，热连接件4直接采用微膨胀型低温热开关，利用两种不同材料的膨胀收缩率不同，实现热连接件4在高温下断开，低温下闭合导热的效果，也可满足利用加热元件2-2控制样本槽2-1升温和降温的需求。

实施例4

在一种具体的实施例4中，一种程序控温设备，如图1、图2和图5所示，包括根据本实用新型的任一实施例的可分区控温的生物样本冻存架、样品冻存架外壳5和制冷单元6；制冷单元6包括制冷源，制冷源位于制冷单元6内，制冷源与热沉冷板1下表面接触。

在本实施例中，公布了根据本实用新型的任一实施例的可分区控温的生物样本冻存架的程序降温设备，为隔绝外部环境热量的影响，样品冻存架外壳5可设计为双层真空杜瓦瓶，亦可设计为真空绝缘面板及聚氨酯发泡复合材料等绝热装置，制冷单元6的制冷源可采用多种类型的制冷设备或制冷剂，如液氮，液氦，液氢，液氟，液氧，液体甲烷，以及各类斯特林制冷机，GM制冷机，J-T制冷机，脉管制冷机等。

在一种优选的实施方式中，制冷源为制冷机；制冷机包括冷头 6-1，冷头6-1连接热沉冷板1下表面。

制冷源采用制冷机时，制冷机的冷头6-1与热沉冷板1下表面直接接触，通过接触式热传导方式去除样本冻存架的热量。制冷机与样本冻存架之间有减震装置，以减小振动对生物样本带来的潜在伤害。采用单个制冷机的程序降温设备结构小巧，配置移动电源可适用生物样本长途运输，野外、多地点生物样本采集、随存随取的使用场景。

在一种优选的实施方式中，制冷源为制冷剂；制冷单元6包括杜瓦器皿6-2，制冷剂装载于杜瓦器皿6-2中，杜瓦器皿6-2的开口与热沉冷板1下表面耦合。

当制冷单元6的制冷源采用各种类型的制冷剂时，制冷剂可装载于杜瓦器皿6-2中，杜瓦器皿6-2的开口与热沉冷板1耦合，通过接触式热传导方式去除样本冻存架的热量，和传统液氮喷射式程序降温仪相比，本设备中液氮直接接触式制冷效率高，除液氮自身挥发性损耗外，消耗量小，且不与生物样本直接接触，杜绝污染的可能。

在本实用新型中：

样本冻存架可对在不同时间采集的样本分批次多通道独立降温，缩短样本从采集到冷冻的等待时间，提高样本复苏效果，也可以同时使多个样本以不同的最佳降温速率降温，达到最佳的冷冻保存效果。

样本冻存架耦合制冷剂制冷源可以以较低制冷剂消耗量实现程序降温过程。

样本冻存架耦合制冷机制冷源可实现无液氮制冷，避免液氮污染生物样本，操作安全无耗材。

样本冻存架各个降温单元2相互独立，已完成降温的样本短时间内可不必取出，不受其他样本降温操作的影响，可具备短期的低温储存功能。

独立的降温单元2可针对不同规格的冻存管设计相应的孔径大小，可拆卸更换。独立的降温单元2可设计为匹配各类多孔板、SBS标准多孔板规格，方便与智能机器人技术，高通量筛选结合使用。

各降温单元2由加热元件2-2和温度传感器2-3调节温度，除控制降温外亦可控制样本快速复温使用。

对温度的调控可精确至±0.1摄氏度。

需要指出的是，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可分区控温的生物样本冻存架，其特征在于：包括热沉冷板、降温单元和控制模块；其中，所述热沉冷板上表面连接有多个独立的所述降温单元，所述控制模块连接并控制所述降温单元，所述降温单元包括样品槽、加热元件、温度传感器和隔热盖；所述加热元件和所述温度传感器位于所述样品槽侧壁，所述隔热盖位于所述样品槽上部。

2.根据权利要求1所述的一种可分区控温的生物样本冻存架，其特征在于：所述热沉冷板包括基准孔，所述热沉冷板上表面设置有凹凸结构，所述降温单元包括样品托和连接柱，所述连接柱位于所述样品托底部，所述连接柱与所述基准孔匹配固定，所述热沉冷板内部设置有多电路通道，所述热沉冷板上表面覆盖有绝热材料。

3.根据权利要求1所述的一种可分区控温的生物样本冻存架，其特征在于：所述样品槽孔径大小为1-100mm，所述样品槽深度为1-200mm，所述样品槽内的样品孔数量为1或一个以上。

4.根据权利要求1所述的一种可分区控温的生物样本冻存架，其特征在于：还包括热连接件，所述降温单元通过所述热连接件与所述热沉冷板连接固定。

5.根据权利要求4所述的一种可分区控温的生物样本冻存架，其特征在于：所述热连接件材质为蓝宝石，所述热连接件厚度为0.1-20mm。

6.根据权利要求4所述的一种可分区控温的生物样本冻存架，其特征在于：所述热连接件包括微膨胀型低温热开关。

7.一种程序控温设备，其特征在于：包括如权利要求1-6任一所述的一种可分区控温的生物样本冻存架、样品冻存架外壳和制冷单元；所述制冷单元包括制冷源，所述制冷源位于所述制冷单元内，所述制冷源与所述热沉冷板下表面接触。

8.根据权利要求7所述的一种程序控温设备，其特征在于：所述制冷源为制冷机；所述制冷机包括冷头，所述冷头连接所述热沉冷板下表面。

9.根据权利要求7所述的一种程序控温设备，其特征在于：所述制冷源为制冷剂；所述制冷单元包括杜瓦器皿，所述制冷剂装载于所述杜瓦器皿中，所述杜瓦器皿的开口与所述热沉冷板下表面耦合。

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