DE69015006T2

DE69015006T2 - Temperaturregelvorrichtung und Reaktionsgefäss.

Info

Publication number: DE69015006T2
Application number: DE69015006T
Authority: DE
Inventors: Mark Joseph Devaney; John Stephen Lercher; Jeffrey Allen Wellman
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Ortho Clinical Diagnostics Inc
Priority date: 1989-06-12
Filing date: 1990-06-07
Publication date: 1995-08-03
Anticipated expiration: 2010-06-08
Also published as: DE69015006D1; JPH0319700A; DE69030122D1; IE902107L; DE69030122T2; CA2016981C; IE902106L; CA2016981A1; EP0402995A3; IE902106A1; IE902107A1; EP0402995B1; EP0402995A2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum schnellen Beheizen und Kühlen eines Reaktionsgefäßes auf verschiedene Temperaturen im allgemeinen und auf Temperaturen, wie sie bei der Vervielfältigung durch Polymerisationskettenreaktion Anwendung finden, im besonderen.
Die Polymerisationskettenreaktionstechnik bietet die Möglichkeit, Nukleinsäurematerial, wie z.B. DNS, das häufig nur aus einer einzigen Zelle extrahiert wurde, durch Vervielfältigung hundertmillionenfach zu kopieren. Dies ist insofern wichtig, als es vor Bekanntwerden der Polymerisationskettenreaktionstechnik praktisch unmöglich war, einen einzelnen DNS-Strang nachzuweisen. Wenn jedoch ein einzelner DNS-Strang, wie zum Beispiel die von einem Human immunschwächevirus (beispielsweise dem auch als AIDS bekannten HIV-I-Virus) erzeugte DNS, mit Reagenzien in Berührung gebracht wird, die das ausgewählte DNS-Material vervielfältigen, können in verhältnismäßig kurzer Zeit von diesem DNS-Strang Hunderte von Millionen Kopien hergestellt werden. Die Technik ermöglicht ferner den Nachweis des vervielfältigten Nukleinsäurematerials (beispielsweise DNS) mit Sonden, die sich mit dem ausgewählten vervielfältigten Material kreuzen, wobei diese Sonden ihrerseits an einer massiven Auflage, beispielsweise einer Filtermembran, immobilisiert sind oder immobilisiert werden können und/oder mit Enzymen oder anderen Anteilen zum Nachweis gekennzeichnet werden.
Bisher geschah dies in der Weise, daß das Nukleinsäurematerial bis zur Bildung der gewünschten Anzahl von Kopien in einem mit einem Stöpsel verschlossenen Kunststoffbehälter vervielfältigt wurde. Anschließend wurde der Behälter wieder geöffnet, beispielsweise durch Entfernen des Stöpsels, worauf die durch Vervielfältigung erzeugten Kopien entweder entnommen und in eine Nachweisvorrichtung umgefüllt oder Nachweisreagenzien in den für die Vervielfältigung verwendeten Behälter zugegeben wurden, um den Nachweis in demselben Behälter durchzuführen.
Es hat sich gezeigt, daß dieses Vorgehen für eine einfache und weit verbreitete Anwendung der Polymerisationskettenreaktionstechnik insofern unbefriedigend ist, als sich beim Entfernen des Stöpsels und/oder dem Umfüllen von Flüssigkeiten Aerosole bilden. Diese Aerosole enthalten ein paar Moleküle des vervielfältigten Nukleinsäurematerials und breiten sich dann in der Umwelt aus. Normal erweise ist das Vorhandensein einer derartig kleinen Anzahl von Molekülen in der Umwelt kein Anlaß zur Besorgnis. Theoretisch genügt jedoch ein einziges DNS-Molekül, um andere, für den Nachweis vorgesehene Vervielfältigungsbehälter zu kontaminieren. Wenn das entwichene DNS-Molekül in einen anderen, noch zu verwendenden Vervielfältigungsbehälter schwebt oder von einem Bediener unbeabsichtigt in einen solchen anderen Behälter übertragen wird, liefert dieses eine Molekül bereits die für die nächste Vervielfältigung benötigte DNS. Wenn mit dem nächsten Test festgestellt werden soll, ob eine bestimmte DNS vorhanden ist (beispielsweise aus HIV-I) und dieser Nachweis nur aufgrund der entwichenen DNS und nicht aufgrund eines Virus erbracht wird, der von dem Patienten stammt, ist der Test natürlich wertlos. Infolgedessen kann gerade das enorme Vervielfältigungsvermögen von DNS die Tests wertlos machen. Durch Entfernen der Stöpsel nur weniger Behälter, in denen die Probe bereits vervielfältigt wurde, ist nachweislich schon ein ganzes Labor kontaminiert worden. Zwar könnte man diesem Problem durch den Einsatz hoch qualifizierten Personals begegnen, das peinlich genau darauf achtet, daß die erzeugten Aerosole auf ein Mindestmaß beschränkt bleiben, die Notwendigkeit eines solchen Labors würde jedoch die Technik für einen allgemeinen Einsatz unpraktisch machen.
Dieses Problem ist durch die Verwendung einer Kuvette für die Aufnahme der Flüssigkeit, die als flexibler Beutel ausgebildet sein kann, gelöst worden. Für einen oder beiden der einen Reaktionskammerabschnitt begrenzenden Wände eines solchen Beutels wird dabei ein flexibler Werkstoff gewählt.
Obwohl ein solcher Beutel mit den verschiedensten Vorrichtungen schnell beheizt und gekühlt werden kann, um die für eine Vervielfältigung durch eine Polymerisationskettenreaktion bekanntlich erforderliche Vielzahl von Temperaturwechseln zu bewirken, gab es bisher keine einfachen, preisgünstigen und trotzdem wirksamen Temperaturregelvorrichtungen für derartig schnelle Temperaturwechsel. Es hat sich beispielsweise gezeigt, daß eine Temperaturwechselbelastung durch Beheizen und Kühlen eines Metallblocks, auf dem ein Beutel aufliegt, nur relativ langsam und ineffizient zu bewerkstelligen ist.
Das in US-A-4 066 412 offenbarte Hindurchführen von Reaktionsgefäßbeuteln durch eine Heiz- und Verschweißungsaufbrechstation hat sich für die Polymerisationskettenreaktion als unbrauchbar erwiesen, weil diese Technik keine direkte Kühlung vorsieht.
Die Erfindung hat daher die Aufgabe, eine Temperaturregelvorrichtung zu schaffen, welche die für eine Polymerisationskettenreaktionskuvette der beschriebenen Art erforderlichen hochwirksamen Temperaturwechsel erzeugt.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird insbesondere eine Vorrichtung zum Beaufschlagen eines Reaktionsgefäßes mit mindestens zwei Temperaturwechseln geschaffen, wobei die Vorrichtung
Heizelemente zum Erwärmen mindestens einer Seitenwand eines ausgewählten Kammerabschnitts des Reaktionsgefäßes sowie Bewegungsmittel umfaßt, die das Reaktionsgefäß und die Heizelemente entlang einer vorgegebenen Bahn relativ zueinander bewegen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung Kühlelemente aufweist, die Kühlflüssigkeit über die Heizelemente fördern, um diese in sich wiederholenden Zeitabständen direkt abzukühlen, und die gemeinsam mit den Heizelementen bewegbar sind.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird kombinatorisch ein flexibles, zusammendrückbares Reaktionsgefäß geschaffen, das einander gegenüberliegende Seitenwände aufweist, die an Abschnitten des Reaktionsgefäßes voneinander beabstandet sind und einen Kammerabschnitt bilden, der mindestens eine davon umschlossene Flüssigkeit enthält, wobei die Seitenwände so nachgiebig sind, daß sich die Flüssigkeit umschließenden Seitenwände an die Oberfläche der dagegendrückenden Körper anpassen, und eine Vorrichtung zum Beaufschlagen des Reaktionsgefäßes in der beschriebenen Weise.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sie eine Vorrichtung schafft, die in der Lage ist, die Temperatur der Flüssigkeit in einem diese umschließenden Beutel wirksam, preiswert und schnell mit einer Genauigkeit von ±1ºC von ca. 95ºC auf mindestens 55ºC bis 70ºC und wieder auf ca. 95ºC zu bringen, und zwar innerhalb von ca. 20 s bis 105 s mit einer kurzen Verweilzeit bei jeder der genannten Temperaturen und ohne interne Fühler.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sie eine Vorrichtung schafft, mit der diese Temperaturwechsel viele hundert Male genau wiederholt werden können.
Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestehen in ihrer geringen Größe und dem geringen Energiebedarf.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer vereinfachten Kuvette, die von der erfindungsgemäßen Vorrichtung beaufschlagt werden kann,
Fig. 2 eine Teilansicht in einem Schnitt, der im wesentlichen längs der Linie II-II in Fig. 1 verläuft,
Fig. 3 eine Teilansicht einer erfindungsgemäßen Temperaturregelvorrichtung mit einer Kuvette gemäß Fig. 1 von oben,
Fig. 4 eine Ansicht in einem Schnitt, der im wesentlichen längs der Linie IV-IV in Fig. 3 verläuft,
Fig. 5 eine von der Vorrichtung und Kuvette gemäß Fig. 3 erzeugte Zeit-Temperatur-Kurve,
Fig. 6 eine Teilansicht, die einem Teilabschnitt der Ansicht in Fig. 4 entspricht, aber eine andere Ausführungsform zeigt,
Fig. 7 eine Ansicht von oben, die der Ansicht in Fig. 3 entspricht, aber eine weitere andere Ausführungsform zeigt,
Fig. 8 eine teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht, die der Ansicht in Fig. 4 entspricht, aber eine andere Ausführungsform zeigt,
Fig. 9 ein Diagramm des Temperatur- und Zeitverhaltens der erfindungsgemäßen Kombination für sechs verschiedene, wie beschrieben beaufschlagte Kammerabschnitte, in der die einzelnen Kurvenabschnitte anschaulich die Reproduzierbarkeit der von der Vorrichtung bewirkten Temperaturwechsel aufzeigen, und
Fig. 10 und 11 jeweils ein Diagramm des Temperatur- und Zeitverhaltens, das dem Diagramm in Fig. 9 entspricht, wobei tens, das dem Diagramm in Fig. 9 entspricht, wobei jedoch der nachgiebige Kammerabschnitt jeweils mit einer anderen Kraft beaufschlagt wird.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben, bei denen eine Kuvette für eine Polymerisationskettenreaktion von der Vorrichtung beaufschlagt wird und bei denen die beiden auf gegenüberliegenden Seiten der Kuvette angebrachten Platten beheizt und gekühlt werden können. Die Erfindung eignet sich im übrigen zum Beheizen und Kühlen von Rekationsgefäßen jeder Art, unabhängig davon, ob diese für eine Vervielfältigung durch Polymerisationskettenreaktion verwendet werden oder nicht, und zwar auch dann, wenn die Temperaturwechsel mit nur einer Platte bewirkt werden.
Wie in Fig. 1 und 2 gezeigt, besteht ein von der erfindungsgemäßen Vorrichtung beaufschlagtes bevorzugtes Reaktionsgefäß aus einem flexiblen Beutel 10, der von vorzugsweise nachgiebigen, mindestens am Umfang 16 verschweißten Schichtplatten 12 und 14 gebildet wird. Die Schichtplatten 12 und 14 können, wie in Fig. 2 gezeigt, mindestens in dem einen Reaktionskammerabschnitt 20 bildenden Teil aus einem wärmeleitfähigen Werkstoff 18, beispielsweise Aluminium, hergestellt werden, der vorzugsweise mit einem Polymerwerkstoff 22 beschichtet wird. Dadurch wird verhindert, daß das Aluminium den Vervielfältigungsvorgang hemmt.
Vorzugsweise werden die Schichtplatten 12 und 14 jedoch ausschließlich aus einem flexiblen Kunststoff hergestellt. Am meisten bevorzugt wird eine Ausführung, bei der diese Platten aus einem Schichtaufbau aus Polyester und Polyethylen oder Polypropylen mit einer Gesamtdicke von ca. 0,06 mm bis 0,2 mm bestehen. Diese Dicken sind insofern zweckmäßig, als sie die Gewähr dafür bieten, daß die Wand auch dann ausreichend wärmeleitfähig ist, wenn keine Aluminiumschicht vorhanden ist. Wichtig ist dabei, daß die Schichtplatten unabhängig von den gewählten Werkstoffen so nachgiebig sind, daß sie sich der Form der an gegenüberliegende Seitenwände des Kammerabschnitts 20 - in Fig. 2 sind das die Seitenwände 21 und 23 - angedrückten Oberflächen anpassen. Die beiden Schichtplatten 12, 14 sind auch um den Kammerabschnitt 20 herum an der Kante 24 verschweißt, so daß eine Probenflüssigkeit L durch eine (nicht gezeigte) Durchführung eingeführt und dann abgesperrt und für eine weitere Verarbeitung aufbewahrt werden kann. In der Zeichnung tritt die Ausstülpung des Kammerabschnitts 20 nur in der Schichtplatte 12 auf, sie kann jedoch auch in der Schichtplatte 14 auftreten. Damit der Kammerabschnitt wahlweise aufgebrochen werden kann, wird durch eine abgeschwächte Verschweißung zwischen den beiden Schichtplatten 12 und 14 eine künftige Durchführung 30 geschaffen, durch die Flüssigkeit in einen Nachweiskammerabschnitt 32 mit zweckmäßig eingeleiteten Nachweisreagenzien und schließlich in einen Entsorgungskammerabschnitt 34 gelangt. (Es kann auch ein (nicht gezeigter) Vorratskammerabschnitt vorgesehen werden, der in der Ausführung dem Kammerabschnitt 20 entspricht, aber flüssige Reagenzien enthält). Die gestrichelten Linien A-A bezeichnen die Bahn in der Kuvette 10, auf der sich die Druckelemente nach entsprechender Beheizung und Kühlung des Kammerabschnitts 20 bewegen sollen. Die Druckelemente drücken mindestens den Kammerabschnitt 20 so zusammen, daß Flüssigkeit aus diesem Kammerabschnitt in den Kammerabschnitt 32 fließt.
Die vorzugsweise für die Temperaturbeaufschlagung des Kammerabschnitts 20 verwendete erfindungsgemäße Vorrichtung 40 wird in Fig. 3 und 4 gezeigt. Sie besteht vorzugsweise aus einer ortsfesten Auflage 41 und einem oberen Element 43, das sich über die Auflage 41 bewegt. Stattdessen kann auch die Auflage 41 unter dem Element 43 bewegt werden. Die Vorrichtung 40 besteht, wie in Fig. 4 gezeigt, aus zwei gegenüberliegenden Platten 42, 44, mit Kontaktflächen 46 für die Berührung mit der Kuvette, die im wesentlichen den gleichen Flächeninhalt aufweisen (hier kreisrund) wie der Umfang des zu beheizenden Kammerabschnitts. Die Platten 42 und 44 bestehen vorzugsweise aus einem wärmeleitfähigen Werkstoff, wie z.B. Aluminium. Sie können mit Nuten versehen werden, damit eingeschlossene Luft entweichen kann.
Die Platten 42 und 44 werden vorzugsweise in entsprechenden Gehäusen 48, 49 gelagert. Das Gehäuse 48 ist in der Auflage 41 gelagert und aus noch zu erläuternden Gründen mit abgeschrägten Außenkanten 50 versehen. Das Gehäuse 48 besteht vorzugsweise aus einem Werkstoff mit geringer Wärmeleitfähigkeit.
Mindestens eines der beiden Elemente 41 und 43 ist mit einer Heizvorrichtung und vorzugsweise einer Vorrichtung zum direkten Kühlen der Heizvorrichtung versehen. ("Direkt" bzw. "aktiv" wird hier als Gegensatz zum "indirekten" oder "passiven" Kühlen verwendet, das immer dann auftritt, wenn die Einwirkung einer Heizkraft, wie z.B. Elektrizität, beendet wird). Auf der der Seite 46 gegenüberliegenden Seite 52 der Platten 42 und 44 ist ein Heizelement 54 angeordnet (das bei der Platte 42 der besseren Übersichtlichkeit wegen weggelassen wurde). Dieses Heizelement besteht vorzugsweise aus einer flexiblen, elektrisch beheizten Vorrichtung, wie z.B. einer von der Firma Ocean State Thermotics hergestellten flexiblen gedruckten Schaltung, die bei Anlegen einer Gleichspannung von 24 V 20 W Wärme erzeugt.
An der Fläche 46 der Platte 42 und/oder 44 wird vorzugsweise ein (nicht gezeigter) herkömmlicher Temperaturfühler angebracht. Dafür eignen sich thermoelektrische und ohmsche Vorrichtungen.
Das Gehäuse für die Platten 42, 44 weist jeweils eine mit Abstand zu der Platte 42, 44 selbst und zu deren Heizelement 54 angeordnete Wandung 56 auf. In dem auf diese Weise gebildeten Hohlraum 58 strömt Gas. Zum direkten Kühlen des Heizelements 54 wird die Wandung 56 mindestens einer Austrittsöffnung 62 versehen. Die Eintrittsöffnung 60 wird vorzugsweise dem Heizelement 54 direkt gegenüber angeordnet und auf dieses gerichtet. Als Austrittsöffnung(en) 62 werden vorzugsweise mehrere Öffnungen am Umfang der Platten 42, 44 angeordnet. Mit der Einlaßöffnung 60 ist ein Gasschlauch 64 strömungstechnisch verbunden, während die Austrittsöffnungen 62 das Gas aus dem Hohlraum 58 in die Atmosphäre entweichen lassen. Durch den Schlauch 64 wird vorzugsweise Luft (oder ein Inertgas) mit einem Druck von ca. 0,98 bis ca. 34,32 kPa (ca. 0,01 bis ca. 0,35 kp/cm²) eingeleitet. Diese direkte Kühlung bewirkt den bei Reaktionen wie z.B. einer Vervielfältigung durch Polymerisationskettenreaktion wünschenswerten raschen Temperaturabfall.
Das Gehäuse 48 ist auf einer Spindel 70 angebracht, damit die Platten 42, 44 einander angenähert und voneinander entfernt werden können. Die Platte 44 und das Gehäuse 49 werden vorzugsweise ortsfest ausgeführt. Aus diesem Grunde muß die Spindel 70 der auf der Platte 44 aufliegenden Kuvette 10 angenähert und von dieser entfernt werden können. Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht, daß die Spindel 70 mit Gleitsitz in der in einem Rahmen 74 gelagerten Buchse 72 montiert wird. Die Spindel 70 kann dann von Hand oder automatisch gehoben und gesenkt werden. Stattdessen können die Spindel 70 und die Platte 42 auch einfach auf der Außenfläche der Kuvette 10 aufliegen. Die abgeschrägten Kanten 50 wirken dann wie Nocken, die die Platte 42 nach oben bewegen, wenn das Gehäuse 48 auf die Ausstülpung eines weiteren Kammerabschnitts trifft.
Der Rahmen 74 wird vorzugsweise als Gabelkopf ausgeführt, der sich, wie in Fig. 3 und 4 gezeigt, auf einer Achse 76 bewegen kann. Der Gabelkopf trägt eine auf der Achse 76 drehbar gelagerte Druckwalze 78. Die Achse 76 kann dann auf der Kuvette 10 so verfahren werden, daß die Walze 78, wie in Fig. 3 gezeigt, der Bahn A-A folgt. Allerdings verläuft diese Bewegung nicht kontinuierlich, so daß die Platdings verläuft diese Bewegung nicht kontinuierlich, so daß die Platten 42, 44 die Möglichkeit haben, jeden Kammerabschnitt vor dem Aufbrechen durch die Walze 78 wiederholt zu beheizen und zu kühlen. Die Achse 76 kann manuell oder (nicht dargestellt) automatisch verfahren werden.
Wenn Kammerabschnitte, wie z.B. der Kammerabschnitt 20, von der Walze 78 zusammengedrückt werden sollen, um die darin enthaltene Flüssigkeit in die anderen Durchführungen zu fördern, wird die Achse 76, wie in Fig. 4 gezeigt, im Falle einer ca. 4 cm langen Walze mit einer Kraft F von ca. 9,8 bis 68,6 N/cm (1 bis 7 kp/cm) beaufschlagt.
Für das Ein- und Abschalten des Heizelements 54 und des Kühlschlauchs 64 wird vorzugsweise ein (nicht gezeigter) herkömmlicher Mikroprozessor verwendet.
Im Einsatz wird mit der Beaufschlagungsvorrichtung und der Temperaturregelvorrichtung ein ausgewählter Teilabschnitt des Reaktionsgefäßes, beispielsweise ein als Reaktionskammer dienender, Flüssigkeit enthaltender Kammerabschnitt, rasch auf die erforderliche hohe Temperatur erwärmt und dann rasch durch direkte Kühlung auf eine wesentlich tiefere Temperatur gekühlt. Dieser Vorgang wird so oft wiederholt, wie dies für die gewünschte Reaktion erforderlich ist. Die obere Platte 42 bleibt dabei mit dem Kammerabschnitt in Berührung. Bei der DNS-Replikation durch Polymerisationskettenreaktion wird dieser Vorgang beispielsweise vorzugsweise 50 mal wiederholt.
Nach Beendigung der zyklischen Heizung und Kühlung wird die Berührung der Temperaturregelvorrichtung 40 mit dem Kammerabschnitt durch Weiterrollen der Walze 78 längs der Bahn A-A und relativ zum Reaktionsgefäß aufgehoben. Die Walze 78 wird dann vorzugsweise mit dem Kammerabschnitt in Berührung gebracht, in dem die Reaktion stattgefunden hat, um diesen aufzubrechen und den Inhalt dem nächsten Teilabschnitt des Reaktionsgefäßes zuzuführen. Anschließend fährt die Vorrichtung 40 zu anderen, Flüssigkeit enthaltenden Kammerabschnitten auf der Bahn A-A weiter (in Fig. 1 nicht gezeigt). Für mindestens einige der anderen Kammerabschnitte ist eine wiederholte Temperaturwechselbeaufschlagung nicht in jedem Fall erforderlich, so daß die Verweilzeit der Heizplatte über diesen Kammerabschnitten verkürzt werden oder ganz entfallen kann. Das Heizelement wird zu diesem Zweck abgeschaltet. Die Walze kann jedoch auch diese Kammerabschnitte aufbrechen und den Inhalt beispielsweise in den Nachweiskammerabschnitt fördern.
Im einzelnen wurde bei Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Temperaturansprechkurve der in Fig. 5 gezeigten Art erzielt. In diesem Falle wurden zur Bildung des Kammerabschnitts 20 Polyesterschichtplatten 12 und 14 mit einer Dicke von 63,5 um (2.5 mil) verwendet. Der Kammerabschnitt hatte ein Volumen von 140 ul und eine Dicke von 2,16 mm. Der Inhalt bestand aus Mineralöl (für Temperaturmeßzwecke). Zwischen den Schichtplatten 12 und 14 wurde ein Thermoelement in das Öl eingeführt. Der Kurvenabschnitt 100 zeigt die von der Platte 44 erzeugte und mit einem Temperaturfühler gemessene Temperatur. Der Kurvenabschnitt 102 zeigt die Temperatur der Platte 42 selbst, der Kurvenabschnitt 104 die des Öls in dem Kammerabschnitt 20. Der Kurvenabschnitt 104 zeigt, daß die Temperatur in dem Kammerabschnitt der Temperatur der Platte 42 trotz der drastischen Beheizung und Kühlung von ca. 57ºC auf ca. 97ºC und wieder zurück innerhalb von nur etwa 78 s (1,3 min) für die gewählten Verweilzeiten bemerkenswert genau folgt. (Die hier gewählten Temperaturplateaus entsprechen bekanntlich den für eine Vervielfältigung durch Polymerisationskettenreaktion wünschenswerten Temperaturen). Für einen solchen Zyklus wurden auch schon noch kürzere Zeiten erzielt, im äußersten Fall 45 s.
Es ist nicht unbedingt erforderlich, daß zum Kühlen des Heizelements wie in Fig. 6 gezeigt, auch mehrere Öffnungen verwendet werden. Teile, die den zuvor beschriebenen Teilen entsprechen, wurden mit gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet, zur Unterscheidung jedoch mit dem Suffix "A" versehen.
So weist der obere Teil der Vorrichtung 40A (nur teilweise gezeigt), wie zuvor beschrieben, eine Platte 42A in einem Gehäuse 48A mit einem Heizelement 54A an der Fläche 52A auf. Die Spindel 70A versorgt die Kammer 58A mit Luft, die durch die Austrittsöffnungen 62A abgeführt wird. In diesem Fall ist jedoch eine Vielzahl von Düseneintrittsöffnungen 60A vorgesehen, die sich alle in der mit Abstand zu dem Heizelement 54A angeordneten Fläche 56A befinden.
Vorzugsweise wird die obere Heiz- und Kühlvorrichtung mit einer gewissen Kraft gegen den nachgiebigen Beutel gedrückt, um den Kontakt und damit die Wärmeleitfähigkeit zu verbessern. Dadurch wird wiederum, wie in Fig. 7 gezeigt, die Geschwindigkeit der darin stattfindenden Reaktionen beschleunigt. Teile, die den zuvor beschriebenen Teilen entsprechen, wurden mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet, zur Unterscheidung jedoch mit dem Suffix "B" versehen. So besteht in Fig. 7 die Vorrichtung 40B vorzugsweise aus einer (nicht gezeigten) ortsfesten Auflage und einem oberen beweglichen Element 43B, das so eingespannt ist, daß es der Bahn A-A über einen Beutel oder ein flexibles Reaktionsgefäß 10B folgt. Die Auflage und das Element 43B sind im wesentlichen so ausgeführt wie weiter oben beschrieben. Das obere Element 43B weist zusätzlich eine Vorrichtung 110 zur Beaufschlagung der Heizplatte in dem Gehäuse 48B mit einer bestimmten Kraft auf. In der Zeichnung ist dies die auf der Achse 76B angebrachte Torsionsfeder, deren Federkonstante so gewählt wird, daß die Beaufschlagung mit der gewünschten Kraft, wie später noch ausführlich beschrieben, gewährleistet ist. Stattdessen kann diese Kraftbeaufschlagungsvorrichtung 110 auch als ausgewählte zusätzliche Masse auf der Spindel, mit der der Schlauch 64B verbunden ist, ausgeführt werden oder auch als hydraulische Vorrichtung, die den Gabelkopf 74B so vorspannt, daß dieser sich relativ zur Achse 76B mit einer vorgegebenen Kraft nach unten bewegt. Für die Beaufschlagung mit einem veränderlichen, vorgewählten Druck P kann beispielsweise, wie in Fig. 8 gezeigt, ein Kolben 120 an dem Rahmen 121 verwendet werden.
Die Kraft, die aufgebracht werden muß, damit sich die Seitenwand des Kammerabschnitts optimal an die Fläche des Heiz- und Kühlelements anschmiegt, hängt von den verwendeten Werkstoffen, der Werkstoffdicke und dem Inhalt des Kammerabschnitts ab. Je flexibler, dünner und nachgiebiger die einzelnen Seitenwände sind, desto weniger Kraft ist erforderlich. Vorzugsweise werden die Seitenwände und die aufgebrachte Kraft so gewählt, daß sich die Seitenwände mindestens so gut an die Kontaktflächen anschmiegen, wie dies der Fall ist, wenn das obere Heiz- und Kühlelement 43 von der Vorrichtung 110 mit einer Kraft von ca. 2,6 N (270 p oder ca. 0.61 bf) beaufschlagt wird, wenn dieses Element einen Kammerabschnitt berührt, der 170 ml Flüssigkeit enthält und zwei gegenüberliegende nachgiebige, jeweils im wesentlichen aus einem Schichtaufbau aus ca. 0,013 mm dicken Polyester und ca. 0,1 mm dicken Polyethylen bestehende nachgiebige Schichtplatten aufweist. Diese Ausführung ergibt einen Flächenkontakt von ca. 180 mm².
Es hat sich gezeigt, daß mit diesem Flächenkontakt und den dafür verwendeten Mitteln ungewöhnliche Polymerisationskettenreaktionen erzeugt werden können. Wichtig ist dabei, daß der Inhalt des beheizten und gekühlten Kammerabschnitts so eingespannt wird, daß er der Temperatur der Heiz- und Kühlvorrichtung wiederholbar besser folgen kann. Dies ist insofern wesentlich, als für eine DNS-Replikation die Grenzen der einzelnen Temperaturwechselbelastungen genau eingehalten werden müssen. Die Reproduzierbarkeit der einzelnen Zyklen ist aus Fig. 9 ersichtlich. Jeder Kurvenabschnitt entspricht Zyklen ist aus Fig. 9 ersichtlich. Jeder Kurvenabschnitt entspricht dort einem anderen Kammerabschnitt in sechs verschiedenen Reaktionsgefäßen, die der Reihe nach einzeln über mindestens 5 Zyklen mit einer Kraft von 2,2 N (227 p) beaufschlagt werden. In jedem Fall wurde die Temperatur des Inhalts mit einem eingeführten Temperaturfühler gemessen. Das Volumen der einzelnen Kammerabschnitte betrug 170 bis 190 ul . Das Ergebnis zeigt, daß in jedem Kammerabschnitt bei jedem Zyklus eine obere Temperatur von mindestens ca. 93ºC und eine untere Temperatur von mindestens ca. 50ºC erreicht wurde. Das sind genau die Bereiche, die für eine Polymerisationskettenreaktion bevorzugt werden.
Die Schwierigkeiten, die bei Kräften unter 2,6 N (270 p) auftreten, sind aus Fig. 10 ersichtlich. Zur Erzielung dieser Ergebnisse wurde für jedes der in Fig. 10 gezeigten Beispiele ein getrennter Kammerabschnitt des aus zwei Schichtplatten mit jeweils im wesentlichen einem Schichtaufbau aus ca. 0,013 mm dicken Polyester und ca. 0,1 mm dicken Polyethylen bestehenden Beutels verwendet, in dem durch Verschweißen ein mit im wesentlichen ca. 170 ml Wasser gefülltes eingeschlossenes Volumen erzeugt wurde und der dann mit der in Fig. 7 gezeigten Vorrichtung 40B beidseitig beaufschlagt wurde, um die in Fig. 10 angegebenen Temperaturen zu erreichen. Der von der Vorrichtung 110 aufgebrachte Druck wurde so verändert, daß er dem für den jeweiligen Kurvenabschnitt angegebenen vorbestimmten Druck entsprach. Die Temperatur wurde innerhalb des Kammerabschnitts gemessen. Erst bei einer Kraft von mindestens ca. 2,6 N (270 p) (rechte Kurve der Gruppe) konnten für diesen nachgiebigen Kammerabschnitt die Extremtemperaturen des Zyklus vorhersehbar erzielt werden.
Vorzugsweise entsprechen die mit der Vorrichtung 110 aufgebrachte Kraft und der Flächenkontakt der Seitenwände mindestens den Werten, die erzielt werden, wenn der beschriebene Kammerabschnitt mit einer Kraft von mindestens 8,8 N (900 p) beaufschlagt wird. Bei dieser höheren Kraft folgt die Temperatur des Kammerabschnittinhalts der Temperatur des Heizelements noch schneller, wie dies aus Fig. 11 ersichtlich ist. Die "flachen" oder doppelspitzigen Abschnitte der Kurvengipfel und -täler bei 8,8 N (900 p) und darüber zeigen an, daß die gewünschte Endtemperatur früher erreicht wird. Bei diesen Beispielen wurde das gleiche Vorgehen angewandt wie für Fig. 10, jedoch mit dem Unterschied, daß die von der oberen Heiz- und Kühlvorrichtung aufgebrachte Kraft in diesem Falle einem der Werte in Fig. 11 entsprach. Der "flache" Abschnitt tritt deswegen auf, weil sowohl die Heizvorrichtung als auch die Kühlvorrichtung vorzugsweise so programmiert werden, daß sie ein paar Sekunden lang, beispielsweise ca. 1 s, bei den Extremwerten des Temperaturzyklus eine flache, konstante Temperatur erzeugen. Dadurch wird gewährleistet, daß die Flüssigkeitstemperatur vorhersehbar und wiederholt den erforderlichen Wert erreicht. Nur für die Kammerabschnitte, die diese Werte rechtzeitig erreichen, weist die Kurve im jeweiligen Endpunkt diese Konstanz auf. Auf diese Weise beaufschlagte Vorrichtungen und Beutel sind besser in der Lage, Vervielfältigungen durch Polymerisationskettenreaktion zu steuern.
Die obere Grenze der Kraft, mit der das obere Element 43, 43A oder 43B beaufschlagt wird, wird natürlich primär durch die Kraft bestimmt, die erforderlich ist, um den Reaktionskammerabschnitt aufzubrechen. Die von dem Element 43 aufgebrachte Kraft wird etwas kleiner, die von der nachfolgenden Walze aufgebrachte Kraft etwas größer gewählt. Die zum Aufbrechen des in Fig. 1 gezeigten Kammerabschnitts 20 erforderliche Kraft kann beispielsweise ca. 17,6 N (1800 p) betragen.
Einige der Kurven in Fig. 11 haben an den Gipfeln eine doppelte Spitze. Dies ist lediglich darauf zurückzuführen, daß das Heizelement für ein Überschwingen der gewünschten Temperatur programmiert war. Wenn Ergebnisse wie die für die Kurven bei 8,8 N (900 p) und darüber erzielt werden, ist dies ein unnötiger Schritt.
Bei den beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung wurde zum Zusammendrücken und Aufbrechen der die flüssigkeit enthaltenden Kammerabschnitte vorzugsweise eine Walze verwendet. Stattdessen kann jedoch auch ein beliebiger anderer Mechanismus verwendet werden. So kann beispielsweise die Walze 78B in Fig. 8 auch entfallen und der Druck auf den Kammerabschnitt 20B stattdessen mit dem Kolben 120 erhöht werden, bis der Kammerabschnitt beispielsweise bei einer Kraft von 17,6 N (1800 p) aufbricht und die Flüssigkeit in die (nicht gezeigte) Austrittsdurchführung fließt.

Fig. 5, 9 - 11:

a Temperatur in Grad Celsius
b Zeit in Minuten (6 Ablesungen pro Sekunde)
c Zeit in Minuten
d Zeit in Sekunden

Claims

1. Vorrichtung zum Beaufschlagen eines Reaktionsgefäßes mit mindestens zwei Temperaturwechseln, wobei die Vorrichtung

Heizelemente (54; 54A) zum Erwärmen mindestens einer Seitenwand (21, 23) eines ausgewählten Kammerabschnitts (20) des Reaktionsgefäßes (10) sowie

Bewegungsmittel (70, 72, 74; 70A; 74B) umfaßt, die das Reaktionsgefäß (10) und die Heizelemente (54; 54A) entlang einer vorgegenenen Bahn relativ zueinander bewegen,

dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung Kühlelemente (56, 58, 60, 62, 64; 56A, 58A; 60A; 62A) aufweist, die Kühlflüssigkeit über die Heizelemente (54; 54A) fördern, um diese in sich wiederholenden Zeitabständen direkt abzukühlen, und die gemeinsam mit den Heizelementen (54; 54A) bewegbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgefäß (10) flexibel ausgebildet ist und die Bewegungsmittel Druckelemente (76, 78; 76A, 78B) aufweisen, die einen Kammerabschnitt (20) des flexiblen Reaktionsgefäßes (10) zusammendrücken und wahlweise aufbrechen, nachdem es von den Heizelementen (54; 54A) erwärmt bzw. von den Kühlelementen (56, 58, 60, 62, 64; 56A, 58A, 60A, 62A) gekühlt worden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckelemente eine auf einer Achse (76; 76B) gelagerte Walze (78; 78B) umfassen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (54; 54A) und die Kühlelemente (56, 58, 60, 62, 64; 56A, 58A, 60A, 62A) auf der Achse (76; 76B) gelagert sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Vorspannmittel (110; 120) vorgesehen sind, die die Heizelemente (54; 54A) und die Kühlelemente (56, 58, 60, 62, 64; 56A, 5BA, 60A, 62A) mit einer vorbestimmten Kraft gegen den ausgewählten Kammerabschnitt (20) des Reaktionsgefäßes (10) vorspannen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannmittel (110; 120) das Reaktionsgefäß (10) so zusammendrücken, daß ein Flächenkontakt mit damit in Berührung zu bringenden Körpern hergestellt wird, der zumindest einem Flächenkontakt entspricht, der bei Anwendung einer Kraft von etwa 2,6 N auf einen etwa 180 mm² großen, im allgemeinen kreisrunden Bereich eines Kammerabschnitts (20) eines Reaktionsgefäßes (10) entsteht, und daß der Kammerabschnitt (20) aus einander gegenüberliegenden Seitenwänden (21, 23) besteht, von denen jede im wesentlichen aus einem etwa 0,013 mm dicken Schichtenaufbau aus Polyester und einem etwa 0,1 mm dicken Schichtenaufbau aus Polyäthylen besteht und im wesentlichen mit etwa 170 ul Flüssigkeit gefüllt ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein im allgemeinen flacher Träger (44) für das Reaktionsgefäß (10) sowie im Träger (44) angeordnete Heizelemente (54; 54A) vorgesehen sind, die die andere Seitenwand (23) erwärmen.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlelemente (56, 58, 60, 62, 64; 56A, 5BA, 60A, 62A) eine Düsenöffnung (60; 60A; 60B) und eine Druckgas-Quelle (64) aufweisen und daß die Öffnung (60; 60A; 608) auf die Heizelemente (54; 54A) ausgerichtet ist, um diese mittels des Gases zu kühlen.

9. Flexibles, zusammendrückbares Reaktionsgefäß (10), das einander gegenüberliegende Seitenwände (21, 23) aufweist, die an Abschnitten des Reaktionsgefäßes (10) voneinander beabstandet sind und einen Kammerabschnitt (20) bilden, der mindestens eine davon umschlossene Flüssigkeit enthält, wobei die Seitenwände (21, 23) so nachgiebig sind, daß sich die die Flüssigkeit umschließenden Seitenwände (21, 23) an die Oberfläche der dagegendrückenden Körper anpassen, und Vorrichtung (40) zum Beaufschlagen des Reaktionsgefäßes (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.