DE60207688T2

DE60207688T2 - Wärmetauschgerät für proben enthaltende titrationsplatten

Info

Publication number: DE60207688T2
Application number: DE60207688T
Authority: DE
Inventors: L. Christopher JONES
Original assignee: Gilson Inc
Current assignee: Gilson Inc
Priority date: 2001-03-03
Filing date: 2002-02-22
Publication date: 2006-09-21
Anticipated expiration: 2022-02-23
Also published as: AU2002238119B2; DK1366327T3; CA2409657A1; CA2409657C; KR20030009461A; RU2002129591A; CN1237315C; HK1059466A1; ATE311575T1; MXPA02010754A; CN1457418A; KR100557721B1; EP1366327A1; DE60207688D1; RU2272978C2; EP1366327B1; JP3878911B2; US6341490B1; JP2004519650A; EP1366327A4

Description

Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Geräte zur Kühlung und zur Erwärmung von Proben, die in Wells (Kavitäten) von Wellplatten (Mikrotiterplatten) enthalten sind.
Beschreibung des Stands der Technik
In der pharmazeutischen, genomischen und Proteomforschung und in Laboratorien für die Medikamententwicklung und bei anderen biotechnologischen Anwendungen werden automatisierte Flüssigkeitshandhabungsgeräte zur Handhabung von Laborproben in einer Vielfalt von Laborverfahren eingesetzt. Flüssigkeitshandhabungsgeräte werden zum Beispiel bei biotechnologischen und pharmazeutischen Vorgängen zur Flüssigkeitsuntersuchung, zur Probenaufbereitung, für die Häufigkeitsverteilung, und ähnlichem verwendet. Proben enthaltende Platten haben eine Anordnung mit vielen Proben enthaltenden Aufnahmebehältern, oder es werden typischerweise Wells (Kavitäten) eingesetzt. Eine breit eingesetzte Proben enthaltende Wellplatte hat eine X-Y Anordnung mit 96 tiefen Wells (deep wells) in einem 8 × 12 Wellraster. Andere Wellplatten sind bekannt, die verschiedene Anordnungen von Probenwells haben. Typischerweise haben die Platten einen aus einem Stück geformten Plastikaufbau mit einer umlaufenden Randleiste, einer Deckelwandung und vielen einzelnen Proben enthaltenden Wells, die von den benachbarten Wells abgetrennt sind und von der Deckenwand herunterhängen.
Bei einigen Anwendungen ist es wünschenswert die Proben in den Proben enthaltenden Wells bei reduzierter Temperatur oder bei erhöhter Temperatur aufzubewahren. Geräte, die den Peltiereffekt nutzen, wurden eingesetzt um Wärme zuzuführen oder Wärme von Proben in Wellplatten abzuführen. Durch den Peltiereffekt wird Wärme an der Verbindung von zwei Metallen als Folge von elektrischem Stromfluss erzeugt, oder absorbiert. Bei bekannten Geräten wird eine Wellplatte auf einen Wärme leitenden Block, oder eine Platte gelegt, die durch einen oder mehrere Module mit Peltiereffekt beheizt oder gekühlt werden. Die Wellplatte kann durch eine Wärme isolierende Abdeckung bedeckt werden, oder kann neben einen zweiten Wärme leitenden Block, oder eine Platte platziert werden, die durch einen oder mehrere Module mit Peltiereffekt beheizt oder gekühlt werden.
Diese bekannten Systeme waren nicht in der Lage auf wirksame und einheitliche Weise Proben in Wellplatten zu heizen oder zu kühlen. Das Kunststoffmaterial der Wellplatte ist kein guter Wärmeleiter. Als Folge befinden sich beheizte oder gekühlte Platten oder Blöcke oben oder am Boden der Wellplatte in keiner guten Wärmeübertragungsverbindung mit Proben in den Wellplatten. Wärme wird vorwiegend in vertikalen Richtungen übertragen. Tiefe Wellplatten haben Wells mit einer Tiefe von 1,5 inches und dies führt zu einem grossen vertikalen Abstand zwischen den Inhalten einer enthaltenen Probe und einer Wärmequelle oder Wärmeableitung über oder unter der Platte. Wenn die Wellplatte von Umgebungstemperaturen stark isoliert ist, können bekannte Systeme eventuell Proben dazu bringen auf eine ziemlich gleichmässige Temperatur zu kommen, oder diese beizubehalten, jedoch braucht dies, aufgrund einer schwachen Wärmeübertragung, erheblich Zeit. Dies ist ein ernster Nachteil, da eine Verzögerung hohen Arbeitsdurchsatz verhindert und kann in der Zerstörung oder in einer Veränderung der Proben, die zur Analyse vorbereitet wurden, enden. Ein Gerät zum Beheizen einer Wellplatte ist in DE-A-3941168 beschrieben.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist ein verbessertes Gerät zur Wärmeübertragung für oder von Proben in Wells auf Wellplatten anzubieten. Andere Ziele sind ein Wärmeübertragungsgerät für Wellplatten anzubieten, das Probenwells mit einem hohen Mass an Gleichmässigkeit in verhältnismässig kurzer Zeit wärmen oder kühlen kann; ein Wärmeübertragungsgerät anzubieten, das Wärme an oder von Probenwells in seitlicher und waagrechter Richtung als nur in senkrechter Richtung überträgt; und ein Wärmeübertragungsgerät für Wellplatten anzubieten, das die Nachteile der in der Vergangenheit benutzten Geräte überwindet.
Kurz gefasst: im Einklang mit der Erfindung wird ein Wärmeübertragungsgerät für Wellplatten bereit gestellt in einer Ausführung mit einer Vielzahl senkrecht ausladenden, voneinander getrennten Proben enthaltenden Wells in einer Anordnung mit einem vorbestimmten Raster mit Abständen um die Wells herum. Das Wärmeübertragungsgerät beinhaltet einen Kamm zur Wärmeübertragung mit einer Grundplatte und einer Vielzahl von senkrecht ausladenden Stiften, die abnehmbar in Wärmeübertragungsverbindung auf der Grundplatte angebracht sind. Die Stifte sind so angeordnet, dass sie mit dem vorbestimmten Raster mit den Abständen um die Wells der Wellplatte herum übereinstimmen. Eine Quelle zur Lieferung und Aufnahme von Wärme liegt in Wärme übertragender Nachbarschaft zu dem Wärme übertragenden Kamm.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung kann zusammen mit dem oben Beschriebenen und anderen Ziele und Vorteilen am Besten mit der folgenden, ausführlichen Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung verstanden werden, die in den Zeichnungen dargestellt ist, dabei ist:
Die 1 eine isometrische Darstellung des Wärmeübertragungsgerätes, das nach der vorliegenden Erfindung aufgebaut wurde und zur Kühlung und Erwärmung von Proben in Proben enthaltenden Wellplatten eingesetzt wird;
Die 2 eine isometrische Explosionszeichnung im verkleinerten Massstab der Bauteile des Wärmeübertragungsgerätes aus der 1;
Die 3 eine isometrische Explosionszeichnung der Wärmeanordnung des Wärmeübertragungsgerätes;
Die 4 eine isometrische Explosionszeichnung des Wärme übertragenden Kamms der Wärmeanordnung;
Die 5 eine isometrische Sicht der Wärmeisolationshülle der Wärmeanordnung; und
Die 6 eine bruchstückhafte isometrische Darstellung des Wärme übertragenden Kamms mit einer eingesetzten tiefen Wellplatte, wobei ein Teil der Wellplatte entfernt wurde, um den Wärme übertragenden Kamm zu zeigen.
Ausführliche Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels.
Bezug wird nun auf die Zeichnungen genommen, wobei zuerst auf den 1 und 2 ein Wärmeübertragungsgerät gezeigt wird und das mit 10 bezeichnet ist und im Einklang mit den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung aufgebaut wurde. Das Gerät 10 beinhaltet ein Grundgehäuse 12 und eine passgenaue Abdeckung 14, die eine Wellplattenkammer 16 umschliesst, die geeignet ist ein Paar mit 96 Mikrotiterplatten 18 (6) (deep well microtitre plate) aufzunehmen, die durch eine Wärmevorrichtung, die mit 20 bezeichnet ist und im Gehäuses 12 eingebaut ist, gekühlt oder erwärmt werden sollen.
Eine Wellplatte 18 wird in der 6 dargestellt. Es ist eine aus einem Stück formgepresste Kunststoffkonstruktion und beinhaltet eine obere Abdeckung 22 und einen umlaufenden Rand oder eine Randleistenwand 24 mit einer unteren Kante 26. Zahlreiche oben offene Proben enthaltende Wells (Kavitäten) 28 hängen von der Abdeckung 22 herab. Jede Well hat eine zylindrische Seitenwand und einen geschlossenen Kavitätenboden. Die Wells liegen in regelmässiger Anordnung zueinander mit einem gleichmässigen Abstand zu ihrem Nachbar. In der dargestellten Anordnung nimmt das Wärmeübertragungsgerät 10 zwei Platten 18 mit Wells 28, die eine Tiefe von ungefähr 1,5 inches haben und die Wells liegen in einer X-Y Anordnung mit 96 Wells mit einem 8 × 12 Wellraster. Die Grundlagen der Erfindung können auch bei anderen Konfigurationen mit mehr oder weniger Platten angewendet werden und die Platten können auch anders angeordnet sein, zum Beispiel mit mehr oder weniger Wells 28. jede Well ist mit 4 senkrecht sich ausdehnenden, offenen Zwischenräume 30 umgeben. Die Wellplatte 18 und jeder der Zwischenräume 30 haben einen offenen Boden. In dem dargestellten 8 × 12 Raster sind die Zwischenräume 30 in einem 9 × 13 Raster.
Die Wärmeeinheit 20 (3) beinhaltet eine im Allgemeinen flache, ebene thermisch isolierende Schale 32 mit einem umlaufenden Flansch 34. Ein Paar Modulanschlüsse 36 erstrecken sich zwischen den oberen und unteren Flächen 38 und 40 der Schale 32. Ein Modul mit Peltiereffekt 42 wird in jeden Modulanschluss 36 eingesetzt und ist den oberen und unteren Schalenflächen 38 und 40 ausgesetzt. Elektrische Leiter 44 verbinden die Module 42 mit einer Stromquelle, die die Module 42 getrennt betreibt, um Wärme in Aufwärts- und Abwärtsrichtung zwischen dem oberen und unteren Teil der Module 42 zu übertragen.
Ein Kühlkörper 46 hat eine flache Oberfläche 48 und liegt unter der unteren Fläche 38 der Schale 32 in Wärme leitendem Kontakt mit dem Boden der Module mit Peltiereffekt 42. Lamellen 50 erstrecken sich nach unten von der Oberfläche 38, um den Oberflächenbereich und das Wärmeableitungsverhalten des Kühlkörpers 46 zu erhöhen.
Eine Lüftereinheit 52 beinhaltet ein Gestell oder Schirmblech 54 mit einer zentralen Öffnung, die an den Lüfter 56 angepasst ist. Die Lamellen 50 werden im Schirmblech 54 innerhalb des Gehäuses 12 aufgenommen. Das Gehäuse schliesst eine Bodenwand 58, die Stirnwände 60 und Seitenwände 62 ein. Wenn der Lüfter in Betrieb ist, bewegt sich Luft durch die Strömungsöffnungen 64 in den Stirnwänden 60 durch die Öffnung 54 und durch die Ventilatorschlitze 66 und 68 in den Stirnwänden 60 und den Seitenwänden 62. Die Strömungsöffnungen 64 sind mit den Enden der Lamellen 50 (1) ausgerichtet und die Luft fliesst über die Oberflächen der Lamellen 50, um Wärme abzuziehen oder Wärme an den Kühlkörper 46 zu führen.
Im Einklang mit der Erfindung überträgt ein Wärme übertragender Kamm 70 Wärme zu oder von den Wells 28. Der Kamm beinhaltet eine im Allgemeinen flache Grundplatte 72 und zahlreiche aufrecht stehende Stifte 74. Die Grundplatte 72 wird von einer Oberfläche 38 und innerhalb des umlaufenden Flansches 34 der Schale 32 aufgenommen und steht mit der oberen Oberfläche der Module mit Peltiereffekt 42 in Verbindung. Die Stifte 74 stehen in gutem Wärme leitenden Kontakt mit der Grundplatte 72. Wie in der 4 dargestellt wird, beinhaltet die Grundplatte 72 eine Anordnung mit Löchern 76 und in der bevorzugten Anordnung werden die Stifte 74 mit einer Presspassung in die Löcher 76 eingedrückt.
Wenn die Module 42 betrieben werden, um Wärme von den Spitzen der Module 42 wegzubewegen, werden der Kamm 70 einschliesslich der Stifte 74 auf eine Temperatur abgekühlt, die erheblich niedriger als die Umgebungstemperatur ist. Wärme wird durch den Kühlkörper 46 und von der Luft abgeleitet, die vom Lüfter 56 bewegt wird. Wenn die Module 42 betrieben werden, um Wärme in Richtung von den Spitzen der Module 42 zu bewegen, werden der Kamm 70 und die Stifte 74 auf eine Temperatur erwärmt, die erheblich höher als die Umgebungstemperatur ist. Wärme wird vom Kühlkörper 46 und durch Luft erzeugt, die vom Lüfter 56 bewegt wird.
Die Stifte 74 des Wärme übertragenden Kamms 70 sind so angeordnet, dass sie schnell und wirkungsvoll Wärme zu oder von jedem Proben enthaltenden Well 28 übertragen. Die Anordnung der Stifte 74 ist die gleiche wie die Anordnung der Zwischenräume 30. Wenn die Wellplatten 18 in die Wellplattenkammer 16 gesetzt werden, erstreckt sich ein Stift 74 nach oben in jeden Zwischenraum 30. Jede Well 28 wird von 4 Stiften flankiert und umgeben und die Stifte erstrecken sich senkrecht im Wesentlichen durch die gesamte senkrechte Tiefe der Wells 28. Jeder Menge einer Probe, die in einer Well 28 enthalten ist, steht in enger Nachbarschaft zur 4 sie umgebenden Stiften 74 und die Wärme wird waagerecht in kurzen Abständen zwischen den Inhalten jeder Probenwell 28 und den sie umgebenden Stifte 74 übertragen. Die kurzen waagerechten Wärmeübertragungswege mit geringer Beeinträchtigung stellen eine schnelle und gleichmässige Kühlung oder Erwärmung der enthaltenen Proben sicher.
Die Schale 32 beinhaltet ein Anpassungsfeld 78, das einen Temperaturfühler aufnehmen kann, der die Grundplatte 72 des Wärme übertragenden Kamms 70 berührt. Der Fühler kann ein Signal liefern, das zum Beispiel zur Kontrolle des Betriebs des Wärmeübertragungsgerätes 10 dienen kann.
Die Abdeckung 14 wird über die Wells 18 in der Kammer 16 gesetzt, um das Ausströmen oder Eindringen von Wärme von der oder in die Kammer 16 zu reduzieren und die Kühlung oder Erwärmung der Proben in den Wells 28 zu unterstützen. Die Abdeckung 14 hat Öffnungen 80, die mit den offenen Kopfenden der Probenwells 28 ausgerichtet sind. Die Öffnungen 80 bieten Zugang zu den Wells 28, zum Beispiel für Sonden eines automatischen Flüssigkeitshandhabungsgerätes, oder für die Spitzen von handbetriebenen Pipetten.
Während die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die Einzelheiten des Ausführungsbeispiels der Erfindung, die in der Zeichnung dargestellt ist, beschrieben wurde, so ist es nicht beabsichtigt, dass diese Einzelheiten den Umfang der Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen geltend gemacht wird, einschränken.

Claims

Gerät zur Wärmeübertragung (10) für Mikrotiterplatten (18) in einer Ausführung mit einer Vielzahl sich senkrecht erstreckenden, von einander getrennten, Proben enthaltenden, Kavitäten (28) in einer Anordnung mit einem vorgegebenen Rasterabstand (30) um die Kavitäten herum, wobei das Gerät zur Wärmeübertragung einschliesst: a. einen thermischen Übertragungskamm (70), der eine Grundplatte (72) hat und eine Vielzahl von senkrecht stehenden, wärmeleitfähigen Stiften (74), die abnehmbar angebracht sind und eine Wärme übertragende Verbindung mit der Grundplatte besitzen; b. die Stifte sind so angeordnet, dass sie dem vorgegebenen Rasterabstand um die Kavitäten der Mikrotiterplatte herum entsprechen und c. eine Quelle (42), die in der Lage ist Wärme zu liefern und zu absorbieren, die Quelle befindet sich in geringem Wärmeübertragungsabstand zum thermischen Übertragungskamm.
Gerät zur Wärmeübertragung nach Anspruch 1, wobei die Anordnung der Kavitäten der Mikrotiterplatte aus geradlinigen Reihen und Spalten X-Y besteht, wo sich n Kavitäten in jeder X-Reihe und m Kavitäten in jeder Y-Spalte befinden, die Stifte befinden sich in einer geradlinigen Reihen- und Spaltenanordnung mit mindestens n + 1 Stiften in jeder X-Reihe und mindestens m + 1 Stiften in jeder Y-Spalte.
Gerät zur Wärmeübertragung nach Anspruch 2, wobei die Stifte sich in einer Anordnung mit n + 1 Stiften in jeder X-Reihe und m + 1 Stiften in jeder Y-Spalte befinden.
Gerät zur Wärmeübertragung nach allen Ansprüchen, wobei die Quelle ein Modul mit Peltiereffekt einschliesst, das mit der Unterseite der Grundplatte Kontakt hat.
Gerät zur Wärmeübertragung nach Anspruch 4, das ferner einen Kühlkörper einschliesst, der Kontakt mit der Unterseite des Moduls mit Peltiereffekt hat.
Gerät zur Wärmeübertragung nach Anspruch 5, das ferner einen Ventilator beinhaltet, der Luft über den Kühlkörper führt.
Gerät zur Wärmeübertragung nach allen Ansprüchen, wobei die Grundplatte ein Raster mit Löchern aufweist und die Stifte in diesen Löchern aufgenommen werden.
Gerät zur Wärmeübertragung nach Anspruch 7, wobei die Stifte in die Löcher gedrückt werden.
Gerät zur Wärmeübertragung nach Anspruch 1, wobei die Quelle zur Lieferung und Absorption von Wärme beinhaltet: a. eine flache planare, wärmeisolierende Schale, die eine Modulfassung enthält; b. ein Modul mit Peltiereffekt, das in dieser Fassung sitzt und obere und untere Seiten hat, die an der oberen und der unteren Seite der Schale offen liegen; und c. einen Kühlkörper unter der Schale in geringem wärmeübertragenden Abstand zur Unterseite des Modul; d. und wobei ferner die Grundplatte des Wärmeübertragungskamms von der Oberseite der Schale in einer Wärme übertragenden Verbindung mit der Oberseite des Moduls getragen wird.
Gerät zur Wärmeübertragung nach Anspruch 9, das ferner eine wärmeisolierende Abdeckung beinhaltet, die durch die Schale getragen wird und den Wärmeübertragungskamm umschliesst.
Gerät zur Wärmeübertragung nach Anspruch 10, wobei die Abdeckung Zugangsöffnungen zu den Kavitäten in Reihen und Spalten hat, die den Kavitäten der Mikrotiterplatte entsprechen.
Gerät zur Wärmeübertragung nach Anspruch 9, das ferner ein unteres Gehäuse, das den Kühlkörper umschliesst und einen Ventilator beinhaltet, der Luft durch das untere Gehäuse und über den Kühlkörper bläst.