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Die
Erfindung betrifft eine Klimakammer, insbesondere für molekularbiologische
Anwendungen, mit der definierte Klimabedingungen, wie z. B. Temperatur-
und/oder Feuchtigkeitsbedingungen zur Aufbewahrung und/oder Bearbeitung
mindestens einer Probe einstellbar sind. Die Erfindung betrifft
insbesondere eine Klimakammer, mit der Klimabedingungen für substratgebundene
Proben für
molekularbiologische Nachweisverfahren einstellbar sind.
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Eine
Untersuchungsmethode in der Molekularbiologie, insbesondere zur
Untersuchung von Substanzen mit Hochdurchsatzverfahren, basiert
auf der Deposition tropfenförmiger
Proben auf einem Substrat mit einer spezifisch funktionalisierten
Oberfläche und
der Beobachtung eventueller Reaktionen zwischen der Probe und Testmolekülen auf
der Oberfläche.
Um bestimmte Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen für die untersuchte
Reaktion einzuhalten, wird das Substrat mit den Proben in einer
Klimakammer angeordnet.
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Aus
der Praxis sind verschiedene Typen von Vorrichtungen bekannt, die
als ungeregelte oder geregelte Klimakammern verwendet werden. Zur
ungeregelten Temperatur- und Feuchtigkeitseinstellung wird das Substrat
bspw. mit einem befeuchteten, saugfähigen Material wie z. B. Tuch
oder Watte, in einem abgeschlossenen Behältnis wie z. B. einem Probenröhrchen angeordnet
und dann das geschlossene Probenröhrchen in einem Wärmeschrank
temperiert. Diese Technik hat den Nachteil, dass ein vorbestimmter
Wert der Luftfeuchtigkeit in dem Probenröhrchen nicht eingestellt werden
kann. Auf dem Substrat kann eine unerwünschte Kondensatbildung auftreten,
die insbesondere bei einer hohen Probendichte auf dem Substrat die
Untersuchung stört
oder das Untersuchungsergebnis verfälscht. Besonders kritisch ist
die Kondensatbildung auf sog. Mikroarrays für Hochdurchsatzuntersuchungen,
da es selbst bei geringsten Kondensattröpfchen zu ineinander verlaufenden
Spots innerhalb des Mikroarrays kommen kann.
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Bei
einem weiteren ungeregelten System, das aus der Praxis bekannt ist,
wird das Substrat über
einer Salzlösung
mit einer vorbestimmten Konzentration in einem geschlossenen Behälter temperiert.
Mit dieser Technik kann die Feuchtigkeit im Behälter für eine vorbestimmte Temperatur
durch die Auswahl einer entsprechenden Salzkonzentration eingestellt
werden. Nachteilig ist jedoch, dass sich die gewünschte Feuchtigkeit, die der
gewählten
Salzkonzentration und der eingestellten Temperatur entspricht, nur
sehr langsam einstellt. Dadurch wird die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit
der Einstellung von Reaktionsbedingungen für das Substrat mit den Proben
eingeschränkt.
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Klimakammern
mit einer Regelung von Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen
sind für
verschiedene biologische oder nichtbiologische Anwendungen, wie
z. B. als Trockenkammer für
Lackierereien, Gärkammern
für Bäckereien
oder Testkammern für
die Klimaverträglichkeit
technischer Produkte bekannt. Nachteile der herkömmlichen geregelten Klimakammern
bestehen in deren komplexer Konstruktion und Gestaltung. Des Weiteren
bestehen Beschränkungen
in Bezug auf die Genauigkeit und Geschwindigkeit der Temperatur-
und Feuchtigkeitseinstellung.
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Eine
Klimakammer zur Einstellung der Temperatur- und/oder Feuchtigkeit,
die den Anforderungen molekularbiologischer, biochemischer, medizinischer
oder pharmakologischer Untersu chungen, insbesondere in Bezug auf
die Geschwindigkeit und Genauigkeit der Einstellung von Reaktionsbedingungen ist
gegenwärtig
praktisch nicht verfügbar.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Klimakammer bereitzustellen,
mit der die Nachteile der herkömmlichen
Vorrichtungen zur Einstellung von Reaktionsbedingungen überwunden werden
und die eine Einstellung der Temperatur und/oder Feuchtigkeit in
der Umgebung von mindestens einer untersuchten Probe mit erhöhter Genauigkeit
und/oder Geschwindigkeit ermöglicht.
Mit der Klimakammer soll auch die Homogenität der Einstellung der Temperatur
und/oder Feuchtigkeit für
eine Vielzahl von Proben auf einem gemeinsamen Substrat oder für eine Vielzahl
von Substraten verbessert werden.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Klimakammer mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die
Erfindung beruht auf der allgemeinen technischen Lehre, eine Klimakammer,
insbesondere für
molekularbiologische Anwendungen bereitzustellen, die mit einer
Befeuchtungseinrichtung und einer Temperiereinrichtung ausgestattet
ist, wobei die Befeuchtungseinrichtung eine Ultraschallquelle enthält und eine
Strömungseinrichtung
zum gerichteten Transport von einem Arbeitsgas, wie z. B. von Luft, von
der Befeuchtungseinrichtung über
die Temperiereinrichtung zu einem Probenbereich vorgesehen ist. Vorteilhafterweise
kann mit der Ultraschallquelle in definierter Weise Wasser aus einem
Reservoir in einen Aerosolzustand (Vernebelung) überführt werden. Die Menge des pro
Zeiteinheit vernebelten Wassers ist mit hoher Genauigkeit in Abhängigkeit
von der gewünschten
Feuchtigkeit in der Klimakammer einstellbar. Das mit dem vernebelten
Wasser beladene Arbeitsgas kann mit der Strömungseinrichtung vorteilhafterweise
gezielt zum Probenbereich gelenkt werden, wobei beim Transport des
Arbeitsgases die Wassertröpfchen
verdampfen und des Weiteren die gewünschte Temperatur einstellbar
ist. Ein wichtiger Vorteil der Klimakammer besteht in der aktiven
Zufuhr des konditionierten Arbeitsgases zum Probenbereich. In der
Klimakammer ist ein Kreislauf des Arbeitsgases gegeben, der eine
schnelle Einstellung von Temperatur und/oder Feuchtigkeit ermöglicht. Die
Umströmung
von mindestens einem Substrat im Probenbereich mit dem konditionierten
Arbeitsgas ermöglicht,
dass an der Substratoberfläche
die gleiche Temperatur wie die Temperatur des umgebenden Arbeitsgases
(insbesondere feuchte Luft) gegeben ist, so dass eine Kondensation
auf der Substratoberfläche
ausgeschlossen ist.
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Gemäß bevorzugten
Ausführungsformen
der Erfindung weist die Strömungseinrichtung
mindestens einen Ventilator zum Transport des Arbeitsgases auf.
Wenn ein erster Ventilator zwischen der Befeuchtungseinrichtung
und der Temperiereinrichtung angeordnet ist, ergeben sich Vorteile
für eine
gerichtete Strömung
des Arbeitsgases auf die Temperiereinrichtung und eine schnelle
und genaue Einstellung der Temperatur. Wenn ein zweiter Ventilator
zwischen der Temperiereinrichtung und dem Probenbereich angeordnet
ist, kann vorteilhafterweise der Wärmetransport zum Probenbereich
unterstützt
werden. Vorzugsweise sind bei der erfindungsgemäßen Klimakammer beide Ventilatoren
vorgesehen. Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Variante ist der zweite Ventilator mit einer
Druckkammer ausgestattet. Die Druckkammer ist zwischen dem zweiten
Ventilator und dem Probenbereich angeordnet und dient als Strömungswiderstand
zur Einstellung definierter Strömungsverhältnisse
im Probenbereich. Das konditionierte Arbeitsgas wird mit dem zweiten
Ventilator in die Druckkammer transportiert und von dieser zum Probenbereich
ausgelassen. Hierzu ist vorzugsweise ein Strömungselement an der Auslassseite
der Druckkammer vorgesehen, mit dem ein gleichmäßiger Strom des Arbeitsgases
in dem Probenbereich gebildet werden kann. Wenn das Strömungselement gemäß einer
besonders bevorzugten Variante eine Lochplatte umfasst, deren Fläche im Wesentlichen der
durchströmten
Querschnittsfläche
des Probenbereiches entspricht und die eine Vielzahl von über der Fläche gleichmäßig verteilten
Löchern
aufweist, ergeben sich Vorteile für die Homogenität der Konditionierung
des Klimas im Probenbereich.
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Vorteilhafterweise
kann die mit der Ultraschallquelle in das Arbeitsgas übertragene
Wassermenge quantitativ durch eine Steuerung der Betriebsleistung
der Ultraschallquelle eingestellt werden. Die Steuerung der Betriebsleistung
kann eine Einstellung bestimmter Leistungswerte oder einen Schaltbetrieb
umfassen, bei dem die Ultraschallquelle nach Bedarf ein- oder ausgeschaltet
wird. Gemäß einer
bevorzugten Variante der Erfindung ist eine zusätzliche Steuerungsmöglichkeit
gegeben, wenn die Befeuchtungseinrichtung mit einer Schiebereinrichtung
ausgestattet ist, mit der die Menge des von der Ultraschallquelle
erzeugten Nebelstroms, die auf das Arbeitsgas übertragen wird, einstellbar
ist. Vorteilhafterweise kann dies mit einem einfachen Aufbau realisiert
werden, indem die Schiebereinrichtung zwei zueinander verschiebbare
Platten jeweils mit einer Durchtrittsöffnung aufweist. In Abhängigkeit
von den Relativpositionen der Platten sind die Durchtrittsöffnungen
für einen
maximalen oder für
einen eingeschränkten
Durchfluss des Nebelstroms eingerichtet.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass die Klimakammer zwei Teilkammern
aufweist, von denen eine erste Teilkammer die Befeuchtungs einrichtung und
eine zweite Teilkammer die Temperiereinrichtung und den Probenbereich
aufnehmen. Zwischen den Teilkammern ist eine Kammerwand vorgesehen,
die in mindestens einem Wandbereich gasdurchlässig ist. Vorzugsweise weist
die Kammerwand Durchtrittsfenster auf, durch die das konditionierte
Arbeitsgas einerseits in die zweite Teilkammer einströmen und andererseits
nach Durchtritt durch den Probenbereich in die erste Teilkammer
zurückströmen kann. Vorzugsweise
ist der erste Ventilator in einem der Fenster der Kammerwand angeordnet.
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Gemäß einer
weiteren Variante der Erfindung kann die Kammerwand eine Doppelfunktion
erfüllen.
Neben der Schaffung eines gerichteten Strömungskreislaufs in der Klimakammer
kann die Kammerwand hohl gebildet sein und einen inneren Strömungsbereich
aufweisen, durch den das mit dem vernebelten Wasser beladene Arbeitsgas
zum ersten Ventilator strömt.
Mit dem ersten Ventilator wird das Arbeitsgas mit dem vernebelten
Wasser durch den Strömungsbereich
gesogen, wobei vorteilhafterweise eine Verwirbelung des Arbeitsgases
erreicht wird. Das vernebelte Wasser wird im Arbeitsgas homogen verteilt.
Des Weiteren wird durch die Verwirbelung die Bildung von Wasserdampf
gefördert.
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Grundsätzlich ist
der Betrieb der erfindungsgemäßen Klimakammer
möglich,
indem an den Befeuchtungs- und Temperierungseinrichtungen definierte
Betriebsbedingungen eingestellt werden, die entsprechend definierte
Temperatur- und Feuchtigkeitswerte im Probenbereich ergeben, ohne
dass eine gesonderte Überwachung
erforderlich ist. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Klimakammer jedoch mit einer Sensoreinrichtung
ausgestattet, die vorteilhafterweise eine Kontrolle der Klimabedingungen
und ggf, eine dynamische Veränderung
der Klimabedingungen im Lauf einer molekularbiologi schen Anwendung
ermöglicht. Die
Senuoreinrichtung umfasst vorzugsweise mindestens einen der folgenden
Sensortypen. Wenn ein Temperatursensor vorgesehen ist, kann vorteilhafterweise
die Temperatur im Probenbereich, insbesondere zur Vermeidung einer
Kondensatbildung auf Substraten genau überwacht werden. Wenn ein Feuchtigkeitssensor
vorgesehen ist, kann der Betrieb und die Wirksamkeit der Befeuchtung
des Arbeitsgases überwacht
werden. Erfindungsgemäß ist entsprechend
vorzugsweise mindestens einer der Regelkreise vorgesehen, die einen
ersten Regelkreis zur Temperaturregelung des Arbeitsgases im Probenbereich
und einen zweiten Regelkreis zur Regelung der Feuchtigkeit des Arbeitsgases
im Probenbereich umfassen. Wegen des gegenseitigen Zusammenhangs
von Temperatur und Feuchte können
beide Regelkreise erfindungsgemäß zu einem
gemeinsamen Regelkreis kombiniert werden.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden
Beschreibung der beigefügten
Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:
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1:
eine schematische Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform
der Klimakammer gemäß der Erfindung;
und
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2:
eine schematische Draufsicht (teilweise durchbrochen) auf die Klimakammer
gemäß 1.
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Die
Klimakammer 100 umfasst gemäß 1 die Befeuchtungseinrichtung 10,
die Temperiereinrichtung 20, die Strömungseinrichtung 30,
den Probenbereich 40 und die Sensoreinrichtung 50,
die in einem Gehäuse 60 angeordnet
sind. Des Weiteren ist eine Steuereinrichtung 70 vorgesehen,
die mindestens mit den Befeuchtungs- und Temperierungseinrichtungen 10, 20 verbunden
und bspw. in einem Basisteil angeordnet ist, welches das Gehäuse 60 trägt.
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Die
Klimakammer 100 umfasst eine erste Teilkammer 101 zur
Aufnahme der Befeuchtungseinrichtung 10 und eine zweite
Teilkammer 102 zur Aufnahme der Temperiereinrichtung 20 und
des Probenbereiches 40, wobei die Teilkammern 101, 102 durch eine
Trennwand 103 voneinander getrennt sind. Die Trennwand 103 ist
eine Hohlwand mit einem inneren Strömungsbereich 105,
dessen Funktion unten erläutert
wird.
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Die
Befeuchtungseinrichtung 10 umfasst eine Ultraschallquelle 11,
die am Boden eines Vorratsgefäßes 12 zur
Aufnahme von Wasser angeordnet ist. An der Oberseite des Vorratsgefäßes 12 befindet
sich die Schiebereinrichtung 13 mit zwei Platten 14, 15 (Draufsicht
siehe 2). Die obere Platte 15 ist drehbar auf
der unteren Platte 14 angeordnet. Beide Platten 14, 15 weisen
jeweils eine Durchtrittsöffnung
auf. Durch die Verdrehung der oberen Platte 15 können beide Öffnungen
zueinander ausgerichtet werden, so dass ein bestimmter Durchflussquerschnitt
für den
an der Oberfläche
des Wassers im Vorratsgefäß 12 erzeugten
Nebel 16 gebildet wird.
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Das
Vorratsgefäß 12 hat
ein Volumen von rd. 0,6 l. Bei vollständiger Füllung reicht dieses Volumen zum
Betrieb der Klimakammer bei z. B. 35 °C und einer Luftfeuchte von
75 % für
die Dauer von rd. 6 bis 7 Stunden. Als Ultraschallquelle wird ein
Ultraschallvernebler (z. B. vom Typ: Mini-Nebler, 24 V, Hersteller:
Seliger GmbH, VS-Villingen, Deutschland) verwendet.
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Die
Temperiereinrichtung 20 umfasst ein Keramikheizelement 21,
das am Boden des Gehäuses 60 angeordnet
ist. Das Keramikheizelement ist z. B. für eine Betriebsspannung von
12 V, ei ne maximale Heizleistung von 150 W und ein PTC-Verhalten
ausgelegt und mit einem Übertemperaturschutzschalter ausgestattet.
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Die
Strömungseinrichtung 30 umfasst
den ersten Ventilator 31, der in die Trennwand 103 integriert
ist, eine Leitplatte 32 zur Zuführung des vom ersten Ventilator 31 geförderten
Arbeitsgases zur Temperiereinrichtung 20 und einen zweiten
Ventilator 33, der oberhalb der Temperiereinrichtung 20 angeordnet
ist. Der zweite Ventilator 33 ist einlassseitig an einer
Druckkammer 34 angeordnet, deren Oberseite durch eine Lochplatte 35 verschlossen
ist. Die Lochplatte 35 besteht z. B. aus Hartpapier, Kunststoff
oder Metall. Sie weist eine Vielzahl von Löchern mit einem Durchmesser
von z. B. 1 mm auf, durch die das temperierte und mit einer vorbestimmten
Feuchtigkeit beaufschlagte Arbeitsgas von der Druckkammer 34 in
den Probenbereich 40 ausströmt.
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Der
Probenbereich 40 umfasst eine Halterung 41 für Substrate
mit Proben, wie z. B. eine Halterung für Objektträger 1, auf den Mikroarrays 2 angeordnet
sind. Die Halterung 41 ist zur Aufnahme von bis zu 32 Objektträgern ausgelegt.
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In
einem Raumbereich oberhalb des Probenbereichs 40 ist die
Senuoreinrichtung 50 mit dem Feuchtigkeitssensor 51 und
dem Temperatursensor 52 angeordnet. Beide Sensoren sind
mit der Steuereinrichtung 70 verbunden.
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Das
Gehäuse 60 weist
an seiner Oberseite für
den Frischluftaustausch eine Öffnung 61 mit
einer Schiebeklappe 62 und einer Strömungsplatte 63 auf, die
unterhalb der Öffnung 61 parallel
zur oberen Gehäusewand
verläuft.
Durch die Strömungsplatte 63 wird
einströmende
Frischluft zum Fenster 104 in der Trennwand 103 gelenkt
und ein Teil des konditionierten Arbeitsgases aus der Kammer 102 nach
außen abgeführt.
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Das
Gehäuse 60 besteht
z. B. aus Kunststoff. Der Kunststoff kann zur Beobachtung des Betriebes
der Probenkammer und insbesondere des Probenbereiches lichtdurchlässig oder
für die
Durchführung
von lichtempfindlichen Reaktionen lichtundurchlässig sein. Die Maße des Gehäuses 60 betragen
z. B. 30 cm (Breite) * 18 cm (Höhe)
* 16 cm (Tiefe).
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Zum
Betrieb der Klimakammer 100 werden die Objektträger 1 mit
den Mikroarrays 2 in die Halterung 41 des Probenbereiches 40 eingesetzt.
Dann wird das Gehäuse 60 verschlossen.
Die Befeuchtungs- und Temperiereinrichtungen 10, 20 werden betrieben,
bis das von der Druckkammer 34 in den Probenbereich 40 austretende
Arbeitsgas die gewünschten
Temperatur- und Feuchtigkeitswerte aufweist. Zum Betrieb der Befeuchtungseinrichtung 10 wird
die Ultraschallquelle 11 betätigt. Unter der Wirkung der
Ultraschallschwingungen im Wasser im Vorratsgefäß 12 wird an der Oberfläche des
Wassers ein Nebel gebildet, der durch die Schiebeeinrichtung 13 als
Strom 16 vernebelten Wassers austritt. Oberhalb der Befeuchtungseinrichtung 10 vermischt
sich der Strom 16 mit dem Arbeitsgas (Luft) in der Klimakammer.
Durch den Betrieb des ersten Ventilators 31 wird das Arbeitsgas
mit dem vernebelten Wasser durch den inneren Strömungsbereich 105 der
Trennwand 103 bis zur Temperiereinrichtung 20 geführt. Dabei tritt
eine Verwirbelung des Arbeitsgases und eine Verdampfung der Wassertropfen
auf.
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Das
Keramikheizelement 21 wird mit einem Arbeitsstrom beaufschlagt,
um die Temperatur des feuchten Arbeitsgases einzustellen. Das temperierte, befeuchtete
Arbeitsgas wird mit dem zweiten Ventilator 33 in die Druckkammer 34 gepumpt,
von der es durch die Lochplatte 35 in den Probenbereich 40 strömt.
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Nach
dem Umströmen
der Objektträger 1 im Probenbereich 40 wird
das Arbeitsgas dem Druckgefälle
zum Fenster 104 in der Trennwand 103 folgend, an
der Sensoreinrichtung 50 vorbei in die erste Teilkammer 101 zurückgeführt.
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Zur
Einstellung vorgegebener Temperatur- und Feuchtigkeitswerte sind
Regelkreise vorgesehen, mit denen die Befeuchtungseinrichtung 10 bzw. die
Temperiereinrichtung 20 in Abhängigkeit von den Signalen der
Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren 51, 52 und
vorgegebenen Sollgrößen eingestellt
werden. Die Regelkreise werden bspw. durch einen Temperaturregler
vom Typ FOX D1004 und eine Feuchteregler FOX 1H gebildet.
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Die
Klimakammer 100 wird vorzugsweise für molekularbiologische Anwendungen,
insbesondere zur Untersuchung der Reaktion von Fängermolekülen mit den Mikroarrayoberflächen angewendet.
Eine weitere Anwendung besteht bei Hybridisierungsaufgaben, wobei
in diesem Fall wegen der für
Hybridisierungsreaktionen erforderlichen höheren Temperaturen das Gehäuse 60 aus
einem temperaturbeständigen
Material, z. B. Metall gebildet ist.
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Bei
einer weiteren Abwandlung kann vorgesehen sein, dass die Klimakammer
mit einer gesonderten Arbeitsgasquelle ausgestattet oder verbunden und
im übrigen
gegenüber
der Umgebung gasdicht verschlossen ist. Als Arbeitsgas kann statt
Luft z. B. Stickstoff verwendet werden.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten
Merkmale der Erfindung können
sowohl einzeln als auch in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung
in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.