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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Mikrowellen-gestützten Präparation
von Proben, insbesondere Proben biologischer Natur, mit zumindest
einem Mikrowellengenerator, einer Mikrowellenkammer zur Aufnahme
von zumindest einer zu prozessierenden Probe und mit einem Kühlkreislauf
zur Kühlung
eines von der Kühlflüssigkeit
des Kühlkreislaufs getrennten,
die zumindest eine Probe umgebenden Fluids.
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Mikrowellen-gestützte Präparationsgeräte der genannten
Art sind aus
DE 103
13 870 A1 und
US 6,875,583 bekannt.
Die Präparation
biologischer Proben wird beispielsweise für den Zweck einer elektronenmikroskopischen
Untersuchung durchgeführt. Hierbei
werden Mikrowellen zum Anregen und Beschleunigen der Fixations-,
Substitutions-, Infiltrations- und Polymerisationsprozesse verwendet.
Dadurch kann die Gesamtzeit der Präparationsprozesse deutlich
reduziert werden (Wendt et al., J. Microscopy, 214 (2004) pp. 80–88).
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US 6,875,583 offenbart ein
Gerät zur
schnellen mikrowellenunterstützten
Fixierung von Gewebe. Biologische Präparate werden in einer als
Fixiermittel dienenden Formalin-Lösung in das Mikrowellenfeld einer
Multi-Mode-Kammer positioniert. Die Mikrowellenleistung ist regelbar.
Die Temperatur wird durch Umpumpen und Kühlen der Fixierlösung außerhalb des
Mikrowellenfeldes kontrolliert.
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Das
Umpumpen und Kühlen
von Reagenzien während
der Prozessierung von biologischen Präparaten weist den Nachteil
auf, dass der Reagenzienaustausch mit hohem Aufwand verbunden ist.
Es müssten
Ventile, Pumpen, Vorrats- und Abfallbehälter vorgesehen werden. Deshalb
ist in
US 6,875,583 die
Verwendung der offenbarten Erfindung auf einen speziellen Prozessschritt
beschränkt.
Außerdem
ist mit einer derartigen Anordnung ein relativ hoher Chemikalienverbrauch
verbunden, da ja nicht nur das Prozessgefäß gefüllt sein muss, sondern zusätzlich auch
der gesamte Kühlkreislauf.
Austausch und Erneuerung von Reagenzien müssen auch Waschschritte für den Kühlkreislauf
umfassen.
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Multi-Mode-Mikrowellenkammern,
also Kammern nach Art eines Haushaltsmikrowellenofens mit relativ
großen
Kammerabmessungen weisen große lokale
Inhomogenitäten
der Mikrowellenintensität
(so genannte „hot
spots" und „cold spots") auf. Daher sind
Vorrichtungen zur Homogenisierung des Mikrowellenfeldes notwendig
um definierte und reproduzierbare Prozessbedingungen zu schaffen.
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US 6,329,645 offenbart ein
Gerät zur
Verhinderung sogenannter „Hot
spots" in einem
Multi-Mode Mikrowellenofen. Es handelt sich dabei um eine flache
geschlossene Wanne, die mit polarer – also Mikrowellen absorbierender – Flüssigkeit
gefüllt
ist. Durch die Wechselwirkung der Flüssigkeit mit dem Mikrowellenfeld
wird eine Homogenisierung des Mikrowellenfelds erreicht. Diese Flüssigkeit
zirkuliert zusätzlich
durch einen Kreislauf, der außerhalb
des Mikrowellengeräts
eine Vorrichtung zum Kühlen
der Flüssigkeit
beinhaltet. Die Temperatur der Flüssigkeit kann auf diese Weise
kontrolliert und gesteuert werden. Dadurch werden die Umgebungsbedingungen biologischer
Präparate,
die in dem Mikrowellenfeld prozessiert werden, stabilisiert. Diese
Vorrichtung könnte
auch zum Kühlen
von Prozessgefäßen verwendet
werden. Zwischen der zu kühlenden
Prozessflüssigkeit
und dem Kühlmedium
befinden sich aber der Boden des Prozessgefäßes und der Deckel der Kühlvorrichtung, was
den Wärmeübergang
zwischen den beiden Medien stark einschränkt. Daher ist die Kühlung in
dieser geometrischen Anordnung sehr ineffektiv.
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In
den US-Patenten
US 6,753,517 ,
US 6,917,023 und
US 6,744,024 werden Geräte zur mikrowellenunterstützten chemischen
Synthese offenbart. Die Reagenzien befinden sich in einem mikrowellentransparenten
Reaktionsgefäß, das innerhalb des
inneren Freiraumes eines als Zylinderring geformten Mikrowellenresonators
positioniert ist; jedoch befindet sich die Probe nicht in dem eigentlichen
Wellenleiter, der ringartig den Freiraum umschließt. Durchbrechungen
der inneren Wellenleiterwand bewirken, dass Mikrowellenstrahlung
zum Reaktionsgefäß gelangt.
Dadurch wird eine vergleichsweise homogene Verteilung des Mikrowellenfeldes über den
Bereich, in dem die Reaktion abläuft,
erreicht, jedoch bedarf diese Anordnung einer zusätzlichen
aufwändigen
Abdichtung der Mikrowellenstrahlung nach außen. Die Temperatur im Reaktionsgefäß wird durch
einen Sensor kontrolliert und durch Regelung der Mikrowellenleistung
oder durch Kühlen
der Außenschale
des Reaktionsbehälters
mit Hilfe eines Gas- oder Flüssigkeitsstromes
gesteuert.
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Da
bei diesen Geräten
die Außenwand
des Gefäßes direkt
mit Kühlmedium
umspült
ist, ergibt sich eine bessere Kühlung.
Wenn in dieser Anordnung Reagenzien getauscht werden sollen, müssen sie
aber entweder in ein fest sitzendes Gefäß gepumpt oder pipettiert werden,
oder das Gefäß muss aus
dem Kühlmedium
entfernt und gegen ein anderes ausgetauscht werden, welches wiederum
in das Kühlmedium
eintaucht. Beide Lösungen
sind mit relativ großem
technischem Aufwand oder mit aufwendigen Manipulationen durch den
Benutzer verbunden.
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Die
Offenlegungsschrift
DE
103 13 870 A1 offenbart die Verwendung einer apolaren – also durch Mikrowellen
nicht oder kaum erwärmbaren – Flüssigkeit
zur Kondensation von Flüssigkeitsdämpfen in
einem Mikrowellenfeld. Das Kühlmedium
wird in einem Kühlkreislauf
gekühlt
und nimmt Wärme
nahezu ausschließlich
von den zu kondensierenden Dämpfen auf,
die über
eine Leitung zu dem Kühlkreislauf
geleitet werden. Daher ist die Kühlung
indirekt, und die Kühlleistung
am Ort der Probe ergibt sich im Wesentlichen aus der Ab/Verdampfung
der bei der Mikrowellenreaktion entstehenden Gase bzw. Dämpfe.
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Aufgabe
der gegenständlichen
Erfindung ist es, ein Gerät
zur Verfügung
zu stellen, mit dem die Proben unter einem homogenen und reproduzierbaren
Mikrowellenfeld prozessiert werden können. Gleichzeitig soll die
Temperatur der Präparate
während
der Prozessschritte weitgehend unabhängig von der Mikrowellenleistung
eingestellt und kontrolliert werden können. Die Erfindung soll außerdem eine
Automatisierung des gesamten Präparationsprozesses
zulassen.
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Diese
Aufgabe wird von einer Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, bei
welcher erfindungsgemäß die Mikrowellenkammer
als Wellenleiter ausgebildet ist, der zumindest eine Öffnung zum Einbringen
der zumindest einen Probe in den Wellenleiter aufweist, und der
Kühlkreislauf
ein Kühlteil
zum Kühlen
des Fluids im Bereich der zumindest einen Probe innerhalb des Wellenleiters
aufweist.
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Aufgrund
der erfindungsgemäßen Lösung befinden
sich die Proben, im Gegensatz zu bisher bekannten Geräten, in
einem Wellenleiter für
Mikrowellen, wodurch hohe Homogenität und Reproduzierbarkeit der
Mikrowellenstrahlung gewährleistet
ist, während
sich durch die direkte Kühlung
des die Probe umgebenden Bereichs eine effiziente und besser kontrollierbare
Kühlung
ergibt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Wellenleiter als Mono-Mode-Wellenleiter ausgebildet, was die Homogenität und Reproduzierbarkeit zusätzlich verbessert.
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In
vorteilhafter Weise ist zumindest ein Verschlussmittel vorgesehen,
mittels dessen die zumindest eine Öffnung im Betrieb der Vorrichtung
mikrowellendicht abschließbar
ist. Dadurch wird nicht nur eine Kontamination der Umgebung mit
Mikrowellenstrahlung vermieden, es wird auch die Homogenität und Stabilität des Mikrowellenfelds
im Hohlleiter deutlich verbessert. Dabei kann das Verschlussmittel mit
einer Haltevorrichtung für
die Probe(n) verbunden sein, wodurch sich eine eindeutige Positionierung
der Proben innerhalb des Wellenleiters ergibt und zugleich ausgeschlossen
ist, dass der Wellenleiter versehentlich unverschlossen bleibt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist der Wellenleiter gegenüberliegende Öffnungen
auf, wobei zu einer ersten Öffnung
der bereits genannten Art, nämlich
für das
Einbringen zumindest einer Probe mittels einer Haltevorrichtung, eine
zweite Öffnung
für das
Einbringen eines Behälters
des Fluids eingerichtet ist. Dies erleichtert die Beschickung der
Vorrichtung und vereinfacht zudem die Wartung und allfällige Reparatur
dieser Komponenten. Die zweite Öffnung
kann z.B. mit einem mikrowellendichten Verschluss verschlossen sein.
In einer vorteilhaften Variante kann, um den Durchtritt von z.B.
Halterungselementen für
den Reagenzbehälter zu
gestatten, welche die Positionierung des Behälters und ein Wechseln des
Reagenzfluids erleichtern, an dieser Öffnung ein Abschwächerrohr
vorgesehen sein, das den Austritt von Mikrowellenstrahlung verhindert.
Günstigerweise
kann die Öffnung
für das Einbringen
der Probe(n) an der Oberseite des Wellenleiters und die Öffnung für das Einbringen
des Fluid-Behälters
an der Unterseite des Wellenleiters angeordnet sein.
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Es
ist günstig,
wenn das die Probe(n) umgebende Fluid nicht nur für die Temperatureinstellung der
Probe(n) über
das Kühlteil
sorgt, sondern auch ein Reagenz für eine Prozessierung der Probe(n)
ist.
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Um
eine gezielte Temperatureinstellung am Ort der Probe(n) zu erreichen,
ist ein Temperatursensor zur Messung der Temperatur des Fluids im
Bereich der zumindest einen Probe und eine mit dem Temperatursensor
verbundene Steuereinrichtung zur Steuerung der eingespeisten Mikrowellenleistung
in Abhängigkeit
von der gemessenen Temperatur besonders zweckmäßig. Dabei kann die Steuereinrichtung
zur Steuerung der eingespeisten Mikrowellenleistung durch Regelung
der Magnetronleistung oder durch Pulsen der Mikrowellenstrahlung
mit einem geeigneten Tastverhältnis
eingerichtet sein. Zudem kann die Steuereinrichtung zur Steuerung
der über Kühlkreislauf
und Kühlteil
erbrachten Kühlleistung eingerichtet
sein. Durch diese Maßnahmen
kann die Einstellung und Stabilisierung der Prozessierungstemperatur
wesentlich verbessert werden.
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Weitere
Beispiele für
Gestaltungsmöglichkeiten
des offenbarten Geräts,
sowie bevorzugte Ausführungsformen
sind nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Die Figuren
zeigen jeweils:
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1 eine
schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung im
Querschnitt, und
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2 eine
zweite Ausführungsform
der Erfindung, und
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3 eine
dritte Ausführungsform
der Erfindung.
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Die
hier gezeigten Ausführungsformen
sind als Beispiele zu verstehen und stellen keine Beschränkung der
Erfindung auf die vorgestellten Ausführungen dar. Gemäß der Erfindung
werden gleichzeitig mit der Mikrowellenstrahlung die Reagenzien über eine
Kühlvorrichtung
gekühlt.
Die Temperatur wird mit einem Sensor gemessen und der Messwert wird
als Steuersignal in eine Regelelektronik eingekoppelt. Die Emission
des Magnetrons kann auf elektronischem Wege geregelt werden. Als
Regelparameter stehen die Magnetronleistung, Pulsen der Mikrowellenstrahlung
und die Kühlleistung
zur Verfügung.
Damit kann während
des Mikrowellenprozesses eine Prozesstemperatur eingestellt und
gehalten werden. Dadurch wird Degradieren der Proben durch zu hohe
Prozesstemperaturen verhindert.
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1 zeigt
ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung, eine Vorrichtung zur Präparation biologischer Schnitte
mit einer Prozesskammer, die das Einbringen der Proben von oben
zulässt.
Durch ein Magnetron 1 wird über dessen Antenne 2 Mikrowellenstrahlung
in einen Wellenleiter 3, der als Mono-Mode-Wellenleiter
für die
Mikrowellenstrahlung ausgebildet ist, eingekoppelt. Der Wellenleiter
ist ein an beiden Enden abgeschlossenes Rohr, z.B. rechteckigen
Querschnitts, und so dimensioniert, dass sich am Ort der zu prozessierenden
Proben 11 ein weitgehend homogenes und konstantes Mikrowellenfeld
ausbildet. Die Proben können
durch die Oberseite des Wellenleiter eingeführt werden; Gefäße mit den
Reagenzien werden dagegen von unten in die Kammer eingeführt und
sind auf diese Weise währen
des Prozesses tauschbar, was eine Prozessautomatisierung ermöglicht.
Die Öffnungen sind
dabei jeweils so gestaltet, dass Mikrowellenaustritt verhindert
wird.
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Die
Proben 11 sind in mindestens einer Haltevorrichtung 6,
z.B. ein Körbchen,
aufgenommen und können
durch eine oberseitig in dem Wellenleiter befindliche Öffnung 3a eingebracht
bzw. entnommen werden. Die Öffnung
wird im Betriebszustand durch einen Verschluss 7 abgedeckt,
der die Kammer nach oben abschließt und so ausgebildet ist,
dass der Austritt von Mikrowellenstrahlung verhindert wird. Die Haltevorrichtung 6 für die Proben 11 ist
vorzugsweise über
ein z.B. stabförmiges
Halteelement 6a mit dem Verschluss 7 verbunden
und hängt
vom Verschluss 7 in ein Gefäß 5 aus mikrowellentransparentem
Material. Das Gefäß enthält ein Reagenz 12,
das zur Prozessierung der Proben 11 verwendet wird. Das
Gefäß 5 wird
von unten durch einen zweiten Verschluss 4 in Position
gehalten und kann durch die vom unteren Verschluss 4 verschlossene
untere Öffnung 4a nach
unten ausgetauscht werden. Der untere Verschluss 4 ist
ebenfalls so ausgebildet, dass der Austritt von Mikrowellenstrahlung
verhindert wird.
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In
der gezeigten Ausführungsform
nimmt der obere Verschluss 7 zusätzlich zu den Probenträgern auch
mindestens ein Kühlrohr 8 auf,
das Teil eines Kühlkreislaufes
mit Pumpe 9 und sekundärem
Wärmetauscher 10 ist.
Das Kühlrohr 8 ist
in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
durch Öffnungen 7a, 7b im Verschluss 7 geführt und
verläuft
zwischen dem Probenträger 6 und
der Wand des Gefäßes 5.
Eine Flüssigkeit 13 wird
mittels der Pumpe 9 als Kühlflüssigkeit zur Kühlung des
Reagenz 12 während
des Mikrowellenprozesses durch das Kühlrohr gepumpt und wird in
dem sekundären
Wärmetauscher 10 gekühlt. Die Flüssigkeit 13 ist
vorzugsweise eine apolare Flüssigkeit,
die durch Mikrowellenstrahlung nicht oder nahezu nicht erwärmt wird,
z.B. Silikon-Öl,
oder eine Flüssigkeit
mit hoher Wärmekapazität, z.B.
Wasser. Das Kühlrohr 8 ist
nicht-metallisch und besteht aus einem Material, das durch Mikrowellen
nicht erwärmt
wird. Es ist so ausgebildet, dass guter Wärmeaustausch zwischen der Flüssigkeit 13 und
dem Reagenz 12 gewährleistet
ist. Bevorzugt wird es aus dünnwandigem Glas
oder Keramik, z.B. Aluminiumoxid, ausgebildet. Eine Zirkulation
des Reagenz 12, insbesondere in einem eigenen Kreislauf,
erübrigt
sich daher in dieser Ausführungsform.
Bei Verwendung von Kunststoff als Rohrmaterial des Kühlrohrs 8 muss
die Wandfläche
durch Wellung oder andere geeignete geometrische Maßnahmen
vergrößert werden,
um trotz der relativ niedrigen Wärmeleitfähigkeit
des Wandmaterials guten Wärmekontakt
zwischen Kühl- und Prozessflüssigkeit
zu gewährleisten.
Die Gleichmäßigkeit
und die Gesamtleistung der Kühlung
kann verbessert werden, wenn statt des einen Kühlrohres 8 zwei oder
mehrere Kühlrohre,
die in einem Kreisring um die Probenbehälter 6 angeordnet
sind, parallel betrieben werden. Auch die Verwendung einer Kühlschlange,
wie sie von chemischen Flüssigkeitskühlern bekannt
ist, wäre
vorstellbar.
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Der
sekundäre
Wärmetauscher 10 kann,
je nach angestrebten Prozesstemperaturen und der dafür notwendigen
Kühlleistung,
die Wärme
gegen einen großvolumigen
Vorratstank oder aber gegen ein aktives Kühlelement, z.B. ein Peltier-Element
oder einen Kompressorkühler
abführen.
Bevorzugt wird ein Peltier-Element, dessen Kühlleistung an die Kühlleistung
des Kühlrohres
angepasst ist.
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Die
Temperatur der Flüssigkeit 13 wird
mit einem Temperatursensor 15 gemessen. Dieser Temperatursensor
ist als Tauchsensor dargestellt (z.B. Gasthermometer oder Infrarotthermometer
mit einem Lichtwellenleiter). Er kann aber auch als berührungsfreier
Infrarotsensor ausgebildet sein, der oberhalb oder seitlich des
Gefäßes montiert
ist und die von der Flüssigkeit
oder der Gefäßwand emittierte
Wärmestrahlung
misst. Das Temperaturmesssignal wird in eine Regelelektronik 14 übertragen.
Die Regelelektronik 14 kann die Magnetronleistung regeln
oder das Magnetron bei fest eingestellter Leistung im Pulsbetrieb
ansteuern und auf diese Weise die Mikrowellenleistung regeln. Zusätzlich kann
Regelung der Kühlleistung
durch die Regelelektronik 14 vorgesehen werden, wobei die
Förderleistung
der Pumpe 9 und, bei Verwendung eines Peltier-Elements
oder eines Kühlkompressors,
die Temperatur im sekundären Wärmetauscher 10 als
Regelparameter zur Verfügung
stehen.
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2 zeigt
eine andere bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung. Hier ist ein Kühlrohr 18 im Wesentlichen
zentral entlang der Achse des Gefäßes 5 angeordnet.
Die Haltevorrichtung 19 für die mindestens eine Probe 11 ist
nun ringförmig
ausgeführt und
umschließt
das Kühlrohr 18.
Die Haltevorrichtung 19 kann durch Befestigungselemente 19a mit dem
Deckel 7 verbunden sein, wie in 2 dargestellt,
oder durch entsprechende Klemmelemente direkt am Kühlrohr 18 befestigt
sein. Das Kühlrohr 18 kann
haarnadelförmig
mit nebeneinander liegendem Zu- und Abfluss oder siphonartig mit
einander umschließendem
Zu- und Abfluss ausgebildet sein. Der Temperatursensor 15 wird
nun vorzugsweise so angeordnet, dass er die Temperatur an der vom
Kühlrohr
abgewandte Seite der Probenhalterungen erfasst. Besonders geeignet
ist dafür
auch ein Infrarot-Sensor, der von außen auf die Seitenwand des Gefäßes 5 gerichtet
ist. Im Übrigen
gilt für
diese Ausführungsform
das zu der in 1 gezeigten Ausführungsform
Gesagte.
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3 zeigt
eine weitere bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung. Hier ist an der Unterseite der Mikrowellenkammer
der Austritt von Mikrowellenstrahlung nicht durch einen Deckel verhindert,
sondern es wird ein Abschwächerrohr 16 verwendet,
das unten offen ist und geometrisch so geformt wird, dass der Austritt
von Mikrowellenstrahlung effektiv verhindert wird. Bei dieser Ausführungsform
wird das Gefäß 5 mit
dem Reagenz durch eine lange Säule 17, die
von außen
in Position gehalten wird, gehalten. Im Übrigen gilt für diese
Ausführungsform
das zu der in 1 gezeigten Ausführungsform
Gesagte. Diese Ausführungsform
eignet sich besonders zum automatischen Wechsel der Reaktionsflüssigkeiten.