DE10037417A1

DE10037417A1 - Vorrichtung zur Durchführung multipler chemischer Reaktionen und Prozesse in Hochfrequenzfeldern

Info

Publication number: DE10037417A1
Application number: DE10037417A
Authority: DE
Inventors: Werner Lautenschlaeger; Bernd Ondruschka; Matthias Nuechter
Original assignee: FRIEDRICH-SCHILLER-UNIVERSITAET JENA BUERO fur FORSCHUNGSTRANSFER SACHGEBIET SCHUTZRECHTE; Mls Mikrowellen-Labor-Systeme GmbH; MLS Mikrowellen Labor Systeme GmbH; Buero fuer Forschungstransfer FSU
Current assignee: FRIEDRICH-SCHILLER-UNIVERSITAET JENA BUERO fur FORSCHUNGSTRANSFER SACHGEBIET SCHUTZRECHTE; Mls Mikrowellen-Labor-Systeme GmbH; MLS Mikrowellen Labor Systeme GmbH; Buero fuer Forschungstransfer FSU
Priority date: 2000-07-24
Filing date: 2000-07-24
Publication date: 2002-02-07
Also published as: US20020084264A1; US6717119B2

Abstract

Aufgabe ist es, mit möglichst geringem Aufwand eine gut handhabbare Vorrichtung zu schaffen, mit der multiple chemische Reaktionen und Prozesse in Hochfrequenzfeldern unter jeweils weitgehend gleicher Hochfrequenzeinwirkung durchgeführt werden können. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist ein magazinartiger im Hochfrequenzraum (5) von der Horizontalen abweichend drehbeweglich angeordneter Proben-Rotationskörper (7) vorgesehen zur stapelartigen, lagefixierbaren Aufnahme von flüssigkeitsdicht verschlossenen bzw. verschließbaren und als Einzel- oder Mehrfachreaktoren ausgeführten Reaktorblöcken (10), wobei die Probengröße vor, während und nach der Hochfrequenzeinwirkung auf Grund der Drehbewegung des Proben-Rotationskörpers durchmischt werden können. Als Reaktorblöcke finden vorzugsweise sowohl Trägerplatten für Gefäßeinsätze als auch an sich bekannte Multiwellanalysenplatten Verwendung. DOLLAR A Die Erfindung gestattet vorteilhaft die Einbringung von Energie und die Durchführung von Aufschlüssen, Hydrolysen, chemischen Synthesen, Extraktionen, Trocknungen etc. in multiplen Reaktionen und Prozessen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung chemischer Reaktionen und Prozesse in Hochfrequenzfeldern.

Sie gestattet vorteilhaft die Einbringung von Energie und die Durchführung von Aufschlüssen, Hydrolysen, chemischen Synthesen, Extraktionen und Trocknungen sowie andere Reaktionen und Prozesse unter Hochfrequenzeinwirkung.

Für den Ablauf, das Beschleunigen und/oder das Initiieren chemischer Reaktionen und Prozesse wird häufig ein Energieeintrag benötigt. Zu diesem Zweck werden die Reaktionsgemische beispielsweise in mikrowellendurchlässigen Reaktionsbehältern in einem Mikrowellensystem mit strahlungsabgeschirmtem Gehäuse angeordnet, und es wird durch Bestrahlung mit Mikrowellen Energie zugeführt. Da bei den stattfindenden Reaktionen und Prozessen häufig hohe Drücke entstehen oder die Reaktionen nur unter Druck ablaufen, muss die gesamte Anordnung druckstabil und beispielsweise durch ein Deckelsystem fest verschließbar sein. Im allgemeinen sind die Reaktionsgefäße zusätzlich mit Sicherheits- bzw. Kontrollvorrichtungen ausgestattet, um den Ablauf der chemischen Reaktionen und Prozesse überwachen zu können.

Geräteanordnungen zur Einbringung von thermischer Energie in Aufschlüsse, Hydrolysen, chemische Synthesen, Extraktionen, Trocknungen sowie andere Reaktionen und Prozesse sind hinreichend beschrieben, haben aber auch die ebenfalls bekannten Nachteile, wie lange Aufheiz- und/oder Reaktionszeiten, eingeschränkte bzw. schlechte Druck- und/oder Temperaturfestigkeit sowie mangelnde Flexibilität der Einzelanordnungen. Des weiteren sind in der Regel nur Reaktionen und Prozesse in Einzelgefäßen oder eine geringe Anzahl Parallelreaktionen möglich. Die aufgeführten Nachteile werden zum Teil durch Einsatz von Hochfrequenzenergie zur Aktivierung chemischer Reaktionen und Prozesse überwunden, jedoch sind auch hier der Anzahl der Probegefäße Grenzen gesetzt. In der Patentschrift DE 43 25 667 A1 ist eine Vorrichtung beschrieben, welche die Durchführung von sechs, acht bzw. zehn Reaktionen gleichzeitig erlaubt. Hierbei werden die Probengefäße mit den Proben einzeln auf einen horizontalen Drehteller gebracht, dort arretiert und auf diesem in der Tellerebene durch das Mikrowellenfeld bewegt. Diese Art der Probenvorbereitung benötigt im Vergleich zur eigentlichen Reaktionsdauer lange Rüstzeiten und birgt in vielen Fällen die Gefahr von Fehlanalysen, da insbesondere durch die umfangreiche und zeitraubende Probenvorbereitung die Wartezeiten der einzelnen Reaktionsgemische sehr unterschiedlich sein können. In diesen Fällen ist die Auswertung der Mikrowellenbestrahlung auf die Proben lediglich bedingt vergleichbar und kann in der Praxis zu nicht unerheblichen Fehldeutungen führen. Die Bauform des beschriebenen Reaktorsystem lässt keine automatisierte Probenvorbereitung zu, was insbesondere bei Parallelsynthesen zu hohem Zeitaufwand und einer hohen Fehlerquote in der Probenvorbereitung führt. Ein echtes Hochdurchsatzscreening ist aus den genannten Gründen mit diesen Reaktorsystemen nicht möglich.

In Tetrahedron Lett. 1998, 39, 1117-1120 wird die Nutzung von einfachen Multiwellplatten in einem Haushaltmikrowellengerät beschrieben. Der Einsatz dieser Multiwellreaktoren zur Parallelsynthese im Mikrowellenfeld ist jedoch an technischen Unzulänglichkeiten wie mangelnde Druckfestigkeit, geringe Temperaturbeständigkeit der Reaktormaterialien, schlechte Energieverteilung und damit unterschiedliche Temperaturen in den Einzelreaktoren sowie stets vorhandenen Temperatur- und Konzentrationsgradienten in den einzelnen Reaktionsgemischen gebunden. Es ist davon auszugehen, dass die genannten Schwachpunkte zu einer Vielzahl von Fehldeutungen beim Wirkstoffscreening führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, mit möglichst geringem Aufwand eine gut handhabbare Vorrichtung zu schaffen, mit der eine Vielzahl chemische Reaktionen und Prozesse in Hochfrequenzfeldern unter verbesserter und jeweils weitgehend gleicher Hochfrequenzeinwirkung auf die einzelnen Reaktionen und Prozesse durchgeführt werden können. Insbesondere sollen Fehldeutungen beim Wirkstoffscreening, welche durch Probenspezifika, wie Temperatur- und Konzentrationsgradienten, sowie aus Unzulänglichkeiten der Vorrichtung und ihrer Anwendung entstehen könnten, vermieden werden.

Erfindungsgemäß ist ein magazinartiger im Hochfrequenzraum von der Horizontalen abweichend drehbeweglich angeordneter Proben-Rotationskörper zur stapelartigen, lagefixierbaren Aufnahme von flüssigkeits- und gasdicht verschlossenen bzw. verschließbaren sowie als Einzel- oder Mehrfachreaktoren ausgeführten Reaktorblöcken vorgesehen. Diese werden in den Proben-Rotationskörper eingeschoben und mit diesem um dessen Drehachse quasi "über Kopf" bewegt. Dabei können die Reaktorblöcke jeweils einzeln in den Proben-Rotationskörper eingestapelt werden, oder es werden bereits als Stapel vorliegende Reaktorblöcke gleichzeitig eingebracht und arretiert. Mit Bewegung des Proben-Rotationskörpers werden die einzelnen Proben zur Erzeugung homogener und untereinander vergleichbarer Zustandsbedingungen durchmischt. Außerdem werden die Reaktorblöcke mit den durch Hochfrequenzstrahlung zu behandelnden und bewegungsdurchmischten Proben durch das bzw. die Strahlungsfelder transportiert, so dass die Strahlung mit jeweils gleicher Wirkung auf die Proben, die in einer Vielzahl simultan zur Behandlung vorliegen können, Einfluss nimmt. Eventuell vorhandene Inhomogenitäten der Hochfrequenzfelder werden somit in ihrer Auswirkung auf die Strahlungsbehandlung der Proben bei den multiplen chemischen Reaktionen und Prozessen weitgehend ausgeglichen. Es wird eine Vorrichtung geschaffen, die mit minimalem Aufwand und in kurzer Zeit mit einer Vielzahl von Reaktionsgemischen bestückt und zur Hochfrequenzbehandlung mit vergleichbaren analytischen Bedingungen der einzelnen Proben gerüstet werden kann. Obwohl eine Vielzahl von gleichzeitigen Probenreaktionen durchführbar sind, werden dennoch zu Beginn und während der Hochfrequenzeinwirkung für die Reaktionsgemische im wesentlichen vergleichbare Proben- und Behandlungs bedingungen gewährleistet, so dass Fehlanalysen beim Wirkstoffscreening weitgehend ausgeschlossen werden. Insbesondere durch die kurze apparative Rüstzeit (auch vieler Proben, z. B. durch automatische Probenvorbereitung) werden bei der Hochfrequenzbe handlung und deren Vorbereitung analytisch nachteilige unterschiedliche Probenspezifika, wie Temperatur- und Konzentrationsgradienten, weitgehend vermieden.

Infolge der vorteilhaften aufwandgeringen, schnellen und gut handhabbaren Beschickung, Behandlung und Entnahme zahlreicher Proben werden im übrigen auch die Voraussetzun gen für echtes Hochdurchsatzscreening geschaffen.

Als Reaktorblöcke können vorzugsweise Probengefäßplatten zum Einsatz kommen, die in an sich bekannter Art als Multiwellanalysenplatten mit integrierten und in einem festen Raster angeordneten Probengefäßen oder als Probenträgerplatten mit Probengefäßeinsätzen vorliegen. Letztgenannte können ebenfalls die bekannte Rasterdimension der Probengefäße aufweisen, wodurch der Anschluss an die vorteilhafte sog. "Liquid-Handling"-Technik gegeben ist. Auch dadurch wird das besagte Hochdurchsatzscreening unterstützt.

In den übrigen Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte konstruktive Ausgestaltungen zu den Merkmalen des Hauptanspruchs angeführt. Diese betreffen beispielsweise die Aufnahme und den flüssigkeitsdichten Verschluss der Reaktorblöcke mit den Probengefäßen.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 Gesamtansicht einer Mikrowellenbehandlungsanlage mit Proben-Rotationskörper im Mikrowellenraum;

Fig. 2 Proben-Rotationskörper in Seitenansicht (Schnittdarstellung);

Fig. 3 Proben-Rotationskörper in axialer Ansicht (Schnittdarstellung);

Fig. 4 Lochplatte mit Gefäßeinsätzen als Reaktorblock im Proben-Rotationskörper.

In Fig. 1 ist eine Mikrowellenbehandlungsanlage zur Durchführung multipler chemischer Reaktionen und Prozesse in schematischer Gesamtansicht abgebildet. Ein Hochfrequenz ofen 1, der über ein Steuergerät 2 mittels Tastatur 3 bzw. Maus 4 steuerbar ist, besitzt einen Mikrowellenraum 5 mit einem oder mehreren nicht explizit dargestellten Mikrowellenstrahlern. Der Mikrowellenraum 5 ist durch eine Frontklappe 6 von außen zugänglich. Im Mikrowellenraum 5 ist ein Proben-Rotationskörper 7 angeordnet, der mittels einer aus Übersichtsgründen in Fig. 1 nicht dargestellten Antriebssteuerung zur Ausführung einer Drehbewegung (prinzipiell vergleichbar mit einem Drehrohrofen) um eine Achse 8 drehbar gelagert ist. Dieser Proben-Rotationskörper 7 verkörpert ein magazinartiges Reaktorsystem, das bei geöffneter Frontklappe 6 des Mikrowellenraums 5 bzw. mit deren Öffnung über einen Schlitten 9 aus dem Mikrowellenraum 5 ausfahrbar ist. Im ausgefahrenen Zustand des Schlittens 9 ist der Proben-Rotationskörper 7 mit den Reaktorblöcken in Form von Probengefäßplatten 10, die mit Silikon-PTFE-Folien 11 abgedichteten werden, beschickbar, bzw. die mikrowellenbehandelten Probengefäßplatten 10 können wieder aus dem Proben-Rotationskörper 7 entnommen werden. Während der Mikrowellenbehandlung der in den Proben-Rotationskörper 7 magazinartig eingebrachten und flüssigkeits- und gasdicht verschlossenen Probengefäßplatten 10 werden diese, wie durch einen Drehpfeil 12 angedeutet, um die Achse 8 des Reaktorsystems im Mikrowellenraum 5 quasi über Kopf bewegt.

Durch ein Sichtfenster 13 in der Frontklappe 6 kann die Mikrowellenbehandlung optisch, über einen Temperatursensor 14 thermisch überwacht werden.

In den Fig. 2 und 3 ist der Proben-Rotationskörper 7 als Schnitt in Richtung der Achse 8 (Fig. 2) sowie als Schnitt quer zu dieser (Fig. 3) detaillierter dargestellt.

Der Proben-Rotationskörper 7 ist über Kugel- bzw. Rollenlager 15 gegen aus Übersichtsgründen nicht in Fig. 2 dargestellten Laufflächen des Schlittens 9 im Mikrowellenraum 5 um die Achse 8 drehbar gelagert. Für seine Drehbewegung sind an seiner Rückseite (von der Frontklappe 6 aus betrachtet) eine Kupplungsaufnahme 16 sowie Mitnehmerbohrungen 17 als Antriebselemente vorgesehen.

Zur Aufnahme der Probengefäßplatten 10 besitzt der Proben-Rotationskörper 7 eine Einschuböffnung 18 (vgl. Fig. 3) mit nicht näher dargestellten jeweiligen Führungs elementen zur Lagefixierung, beispielsweise Führungsschienen und Anschläge. Es wäre auch eine konstruktive Lösung denkbar, bei welcher die Einschuböffnung 18 beidseitig im Proben-Rotationskörper 7 zugänglich ist.

In diese Einschuböffnung 18 werden im ausgefahrenen Zustand des Schlittens 9 (vgl. Fig. 1), wie beispielhaft in den Fig. 2 und 3 für drei Probengefäßplatten 10 dargestellt, eine oder mehrere Probengefäßplatten 10 eingestapelt und darin gehalten. Dabei können die Platten nacheinander oder als Stapel in die Einschuböffnung 18 eingebracht werden.

Als Probengefäßplatten 10 sind im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 und 3 Lochplatten 19, beispielsweise aus mikrowellenadsorbierendem Kunststoff, wie WEFLON, gezeigt, in deren Aufnahmelöchern 20 Gefäßeinsätze 21 als Einzelreaktorgefäße in einer festen oder frei wählbaren Dimension, vorzugsweise in einem an die "Liquid-Handling" - Technik angepassten Raster, z. B. 8 × 12, eingebracht sind.

Die Gefäßeinsätze 21 können beispielsweise durch Pressung oder Klebung in den Lochplatten 19 befestigt sein und je nach Ausführung und Verwendungsweck z. B. aus Glas, Quartz oder Kunststoff bestehen. Sie werden dabei so eingebracht, dass ihre Oberkanten weitgehend mit den oberen Abschlüssen der Lochplatten 19 fluchten und somit einen druckfesten Verschluss ermöglichen. Fig. 4 zeigt im Ausschnitt eine solche Anordnung einer Lochplatte 19 mit einzelnen Gefäßeinsätzen 21, die jeweils einzeln mit einem Deckel 22, vorzugsweise aus PTFE, verschlossen und/oder durch eine gemeinsame Silikon-PTFE-Folie 11 abgedichtet werden. Statt der Deckel 22 können die Gefäß einsätze 21 auch einzeln und unabhängig von der Silikon-PTFE-Folie 11 (beispielsweise durch Folien- bzw. Silikonabdichtung) verschlossen sein.

Ein druckfester Verschluss der Gefäßeinsätze 12, der nicht zuletzt auch die Lagearretierung für die Bewegung des Proben-Rotationskörpers 7 bewirkt, erfolgt über Andruckplat ten 23, 24 gegen eine Grundplatte 25. Dadurch werden die elastische Folienzwischenlagen (Silikon-PTFE-Folien 11) jeweils form- und kraftschlüssig einerseits mit den Oberkanten der Lochplatten 19 oder der Gefäßeinsätze 21 bzw. deren Abdeckungen und andererseits mit den Unterkanten der Lochplatten 19 bzw. der Andruckplatte 24 in Verbindung gebracht. Für den Anpressdruck sorgt eine von außen zugängliche (vgl. Fig. 1) Andruckschraube 26 mit einer Linearfeder 27, welche auf die Andruckplatten 23 und 24 wirkt. Die apparative Rüstzeit beschränkt sich auf Magazinierung und Fixierung der Probegefäßplatten 10 im Proben-Rotationskörper 7.

Die auf diese Weise druckfest flüssigkeits- und gasdicht sowie als Stapel lagearretiert im Proben-Rotationskörpers 7 aufgenommenen Probengefäßplatten 10 (im Ausführungsbei spiel der Fig. 2-4 Lochplatten 19 mit den Gefäßeinsätzen 21) werden nach Einfahren des Schlittens 9 (vgl. Fig. 1) innerhalb des geschlossenen Mikrowellenraums 5 im Proben- Rotationskörper 7 gemeinsam um dessen Achse 8 durch das Mikrowellenfeld bewegt, wobei die in den Probengefäßplatten 10 enthaltenen Proben mit dieser "Über-Kopf"- Bewegung der Probengefäße durchmischt werden. Einerseits werden dadurch in den einzelnen Proben jeweils homogene und untereinander vergleichbare Zustandsbedingungen geschaffen, und andererseits werden durch die lokale Ortsveränderung der Probengefäße eventuell vorhandene örtliche Inhomogenitäten des Mikrowellenfeldes weitgehend ausgeglichen.

Der rotorische Bewegungsantrieb des Proben-Rotationskörpers 7 ist in Fig. 1 durch einen Mitnehmerstift 28 symbolisiert, der beim Einfahren des Schlittens 9 in eine der Mit nehmerbohrungen 17 (vgl. Fig. 2) an der Rückfläche des in Fig. 1 dargestellten Proben- Rotationskörpers 7 eingreift und diesen in Richtung des Drehpfeils 12 bewegt.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1

Hochfrequenzofen

2

Steuergerät

3

Tastatur

4

Maus

5

Mikrowellenraum

6

Frontklappe

7

Proben-Rotationskörper

8

Achse

9

Schlitten

10

Probengefäßplatten

11

Silikon-PTFE-Folien

12

Drehpfeil

13

Sichtfenster

14

Temperatursensor

15

Kugel- bzw. Rollenlager

16

Kupplungsaufnahme

17

Mitnehmerbohrungen

18

Einschuböffnung

19

Lochplatten

20

Aufnahmelöcher

21

Gefäßeinsätze

22

Deckel

23

,

24

Andruckplatte

25

Grundplatte

26

Andruckschraube

27

Linearfeder

28

Mitnehmerstift

Claims

1. Vorrichtung zur Durchführung multipler chemischer Reaktionen und Prozesse in Hoch frequenzfeldern, bei der mehrere Probengefäße in einem Hochfrequenzraum gleichzeitig dem Einfluss eines oder mehrere Hochfrequenzfelder ausgesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein magazinartiger im Hochfrequenzraum (5) von der Horizontalen abweichend drehbeweglich angeordneter Proben-Rotationskörper (7) vorgesehen ist zur stapelartigen, lagefixierbaren Aufnahme von flüssigkeits- und gasdicht verschlossenen bzw. verschließbaren sowie als Einzel- oder Mehrfachreaktoren ausgeführten Reaktorblöcken (10).

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Reaktorblock jeweils eine Probengefäßplatte (10) mit einzeln oder gemeinsam verschließbaren Proben gefäßen (21) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Probengefäß platten (10) jeweils aus einer mit einzelnen Gefäßeinsätzen (21), beispielsweise aus Glas, Quartz oder Kunststoff, bestückbaren Trägerplatte (19), vorzugsweise aus Weflon, besteht.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte durch eine Lochplatte (19) gebildete wird, deren Löcher (20) zur Aufnahme der Gefäßeinsätze (21) in einem an die an sich bekannte "Liquid-Handling"-Technik angepassten Raster, beispielsweise 8 × 12, angeordnet sind.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Probengefäß platten (10) an sich bekannten Multiwellanalysenplatte mit in einem ebenfalls an die "Liquid-Handling"-Technik angepassten Raster, beispielsweise 8 × 12, angeordneten Probengefäßen vorgesehen sind.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Probengefäße (21) jedes Reaktorblocks (10) einzeln oder gemeinsam mit Folie abgedichtet sind.

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Probengefäße (21) der Reaktorgefäße (10) jeweils durch Gefäßdeckel (22) verschlossen sind.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Probengefäße (21) der Reaktorblöcke (10) durch zusätzliche Dichtelemente (11) während der Drehbewegung des Proben-Rotationskörpers (7) in diesem dicht verschlossen gehalten werden.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Dichtelemente aus jeweils einer Andruckplatte (11) für den jeweiligen Reaktorblock (10), vorzugsweise mit elastischer Andruckfläche, bestehen.

10. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktorblöcke (10) durch Spannelemente (26, 27) lagearretiert werden.

11. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannelemente aus einer Andruckschraube (26) mit Linearfeder (27) bestehen.

12. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Proben- Rotationskörper (7) Antriebselemente (16, 17), beispielsweise Mitnehmer (28), Zahnräder oder Kupplungselemente, für die Drehbewegung aufweist bzw. mit ihnen in Verbindung steht.

13. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schlitten (9) vorgesehen ist, mit welchem der Proben-Rotationskörper (7) in den Hochfrequenzraum (5) ein- sowie zur Auf- bzw. Entnahme der Reaktorblöcke (10) aus diesem ausgeschoben werden kann.