EP0722136A2 - Thermoschüttler - Google Patents

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EP0722136A2
EP0722136A2 EP96100107A EP96100107A EP0722136A2 EP 0722136 A2 EP0722136 A2 EP 0722136A2 EP 96100107 A EP96100107 A EP 96100107A EP 96100107 A EP96100107 A EP 96100107A EP 0722136 A2 EP0722136 A2 EP 0722136A2
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metal block
shaker
block thermostat
sample
thermostat
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Joachim Schulz
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L7/00—Heating or cooling apparatus; Heat insulating devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F31/00—Mixers with shaking, oscillating, or vibrating mechanisms
    • B01F31/20—Mixing the contents of independent containers, e.g. test tubes
    • B01F31/27—Mixing the contents of independent containers, e.g. test tubes the vibrations being caused by electromagnets
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F31/00—Mixers with shaking, oscillating, or vibrating mechanisms
    • B01F31/20—Mixing the contents of independent containers, e.g. test tubes
    • B01F31/275—Mixing the contents of independent containers, e.g. test tubes with means for transporting test tubes to and from the stirring device

Definitions

  • the invention relates to a metal block thermostat combination with a shaker for use in laboratories for biochemical, biotechnological and medical research as well as for diagnosis and also for quality assurance of biotechnological productions, e.g. in the manufacture of pharmaceutical products.
  • the invention is used in the analysis of very small quantities, often in solution of volumes in the microliter range, such as in the implementation of enzymatically catalyzed synthesis and cleavage reactions of high molecular weight substances, e.g. DNA and proteins that require high temperature precision and gentle mixing of the reaction components, whereby damage to the sensitive enzyme molecules by shear forces must also be avoided.
  • high molecular weight substances e.g. DNA and proteins that require high temperature precision and gentle mixing of the reaction components, whereby damage to the sensitive enzyme molecules by shear forces must also be avoided.
  • the invention can also be used to carry out lengthy solution processes and reactions of salts and high-molecular organic substances and to carry out extractions in the microliter range, where slow, continuous mixing of solutions with different phase formation is important in order to achieve an increase in the yield.
  • the molecular forces in the sample vessel can be overcome from a certain limit, but the stronger, periodically successive movement impulses prevent defined, reproducible control of the undesired shear effect in the sample.
  • the problem of the invention is to create a shaker with a heated metal block for temperature control and for holding sample vessels, which enables gentle, gentle and effective mixing of sensitive high-molecular biochemical substances and, in particular, the creation of harmful shear forces on the molecules of the sample vessels Avoids substances.
  • a shaker metal block thermostat is designed as an electromechanically drivable linear shaker, the stroke and frequency and intensity of which are infinitely adjustable, as well as in time intervals, in single shock pulses and in the intensity of the single shock pulses by means of a known per se
  • the program circuit can be controlled manually or automatically and the sample container holder on or above the metal block thermostat with the sample containers is mechanically guided independently of the shaking mobility of the metal block thermostat and can be raised manually or by means of a program control known per se and locked in any stroke position.
  • the lifting height and also the temporal lifting sequence and the duration of the locking can be regulated.
  • the horizontal, linear single shock pulses can also be exerted on the metal block thermostats which are at a standstill and the sample vessel carrier is raised.
  • the bores for the sample vessels in the metal block thermostat of the linear shaker can be chamfered, rounded or bordered with an elastic plastic on their upper edge.
  • the metal block thermostat assumes a defined central position with respect to the raised sample vessel carrier, which can be elastically locked by at least one resilient element.
  • the electromechanical drive of the linear shaker can be a tapping mechanism, in particular for generating individual pulses that are infinitely adjustable in their intensity or their impact energy, the tapping mechanism of which hits the linearly movable and linearly sprung metal block thermostats or the sample vessel carrier with the lifting mechanism extended, in the same direction.
  • the advantages of the solution according to the invention are that gentle, gentle reaction impulses can be transferred to the sensitive high-molecular biochemical substances in the sample vessels by means of individual impulses which can be precisely defined in their impact energy.
  • the thermal shaker according to the invention thus makes it possible to mechanize or automate a manual flicking of each sample vessel with the fingers and also to make the impact energy reproducible at any time in a precisely defined manner. It is also advantageous that the mechanization of this flipping process means that the sample vessels are only raised for a very short time and only a very short distance, and not even completely out of the holes in the metal block thermostat with the sample vessel carrier.
  • the thermal shaker according to the invention is of compact design and is equipped with a control panel.
  • the compact design makes it easy to change the location of the device, e.g. into a laminar box for operation under sterile conditions.
  • the invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment.
  • the metal block thermostat with sample vessel support and sample vessels of a thermal shaker is shown schematically with FIG. 1.
  • FIG. 2 shows in the drawing the metal block thermostat of a thermal shaker with a raised sample vessel carrier and sample vessels.
  • the metal block thermostat 3 is arranged shake-proof on the electromechanically driven guide plate 4 of the thermal shaker. In the metal block thermostat 3 there are bores conforming to the sample vessels 1, here for conical Eppendorf tups.
  • the metal block thermostat 3 assumes a certain central position fixed by the resilient elements 8, in which the holes in the metal block thermostat 3 are aligned with the openings for the sample vessels 1 in the sample vessel carrier 2.
  • the sample vessel carrier 2 Independently of the linearly horizontally movable guide plate 4 with the metal block thermostat 3 located thereon, the sample vessel carrier 2, which can be moved up and down by means of the sample vessel carrier lifting mechanism 7, is arranged above it.
  • the lifting mechanism 7 is designed such that the sample vessel carrier 2 rests on the metal block thermostat 3 in the fully lowered working state and is positively connected to it, the lifting mechanism 7 being uncoupled from the sample vessel carrier.
  • the lifting movements of the lifting mechanism 7 take place when the shaking mechanism 6 is at a standstill.
  • All movement sequences can be preselected by means of program switching and can be controlled automatically.
  • sample vessels 1 in the form of conical Eppendorf tubes are first introduced into the sample vessel carrier 2.
  • the sample vessel carrier 2 can be located outside the thermal shaker or can already be placed in the sample vessel carrier lifting mechanism 7 on or above the metal block thermostat 3.
  • the operating parameters such as temperature control, stroke, frequency and time intervals for the shaking process can now be selected by means of a program connection, and the shaking process can then be carried out.
  • the program sequence can also be selected such that the sample vessel carrier 2 with the sample vessels 1 is not completely lifted out of the metal block thermostat 3 and remains in such a position when the shaking mechanism 6 is in the middle position by means of the sample vessel lifting mechanism 7 / or is locked so that an annular gap 5 is formed between them and the bore in the metal block thermostat as a result of the conically shaped sample vessels 1.
  • a defined single shock pulse is then triggered on the metal block thermostat 3 directly or on the guide plate 4 via the shaking stroke mechanism 6 against the resilient element 8 so that the upper edge of the bore in the metal block thermostat 3 briefly touches or carries along the conical wall of the sample vessel 1 and thus realized a snap-on effect.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Metallblockthermostat-Kombination mit einem Schüttler zur Verwendung in Laboratorien für die biochemische, biotechnische und medizinische Forschung sowie bei der Diagnose und auch bei der Qualitätssicherung biotechnischer Produktion, z.B. bei der Herstellung pharmazeutischer Erzeugnisse.
Die Erfindung wird angewandt bei der Analyse kleinster Stoffmengen, oft in Lösung von Volumina im Mikroliterbereich, wie bei der Durchführung von enzymatisch katalysierten Synthese- und Spaltungsreaktionen von hochmolekularen Stoffen, z.B. DNA und Eiweiße, die eine hohe Temperaturpräzision und eine sanfte Durchmischung der Reaktionskomponenten erfordern, wobei auch eine Schädigung der empfindlichen Enzymmoleküle durch Scherkräfte zu vermeiden ist.
Erfindungsgemäß wird ein linearantrieb Metallblock-Thermostat- Schüttler mit einer Hubmechanik für den Probengefäßeträger so kombiniert, daß damit und mittels einer Programmsteuerung der übliche Anschnippeffekt zur Reaktionsauslösung mechanisch nachahmbar und automatisierbar ist.
Damit ist eine schonende Behandlung d.h. Durchmischung der Proben und Auslösung von Reaktionen rationell möglich.
Durch ein nur kurzzeitiges Herausheben der Probengefäße aus dem Metallblock-Thermostaten auf kurzem Weg wird eine hohe Temperaturkonstanz der Proben gewährleistet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Metallblockthermostat-Kombination mit einem Schüttler zur Verwendung in Laboratorien für die biochemische, biotechnologische und medizinische Forschung sowie bei der Diagnose und auch bei der Qualitätssicherung biotechnologischer Produktionen, z.B. bei der Herstellung pharmazeutischer Erzeugnisse.
  • Die Erfindung wird angewandt bei der Analyse kleinster Stoffmengen, oft in Lösung von Volumina im Mikroliterbereich, wie bei der Durchführung von enzymatisch katalysierten Synthese- und Spaltungsreaktionen von hochmolekularen Stoffen, z.B. DNA und Eiweiße, die eine hohe Temperaturpräzision und eine sanfte Durchmischung der Reaktionskomponenten erfordern, wobei auch eine Schädigung der empfindlichen Enzymmoleküle durch Scherkräfte zu vermeiden ist.
  • Anwendbar ist die Erfindung auch zur Durchführung langwieriger Lösungsvorgänge und Reaktionen von Salzen und hochmolekularen organischen Substanzen sowie zur Durchführung von Extraktionen im Mikroliterbereich, wo es auf eine langsame kontinuierliche Vermischung von Lösungen mit unterschiedlicher Phasenbildung ankommt, um auch eine Steigerung der Ausbeute zu erreichen.
  • Bekannt sind Geräte , die Laborprobengefäße mit Inhalt sowohl temperieren als auch schütteln können.
  • Diese Geräte arbeiten alle nach dem Prinzip eines Kreisschüttlers, womit jedoch im vorgenannten Anwendungsbereich der Erfindung, nämlich im Mikroliterbereich, nur sehr unbefriedigende Durchmischungen von Reaktionskomponenten im Probegefäß realisierbar sind.
       Begründet ist dies damit, daß im Mikroliterbereich die Oberflächenspannung der Probenflüssigkeit zu einer Tropfenbildung im Probengefäß führt und sich durch die kontinuierlich kreisende Bewegung ein eingeschwungener, stationärer Zustand einstellt, wodurch der Tropfen, angetrieben von der Zentrifugalkraft, an die Wandung des Probengefäßes gedrückt wird und dort verbleibt. Dabei findet im Inneren der Probenflüssigkeit keine Durchmischung statt.
  • Mit einer Erhöhung der Schüttelfrequenz lassen sich zwar ab einer gewissen Grenze die Molekularkräfte im Probengefäß überwinden, womit aber die kräftigeren, periodisch aufeinanderfolgenden Bewegungsimpulse eine definierte, reproduzierbare Beherrschung des unerwünschten Schereffektes in der Probe verhindern.
  • Bekannt und üblich ist es in biochemischen und biotechnologischen Laboratorien, die Probengefäße aus dem Metallblockthermostat herauszunehmen und mit den Fingern anzuschnippen, um damit besonders schonend eine Durchmischung der Proben zu bewirken und um damit eine Reaktion auszulösen.
  • Diese manuelle Methode ist sehr arbeitsaufwendig und deshalb insbesondere bei umfangreichen Versuchsreihen nicht effektiv realisierbar.
  • Sie führt auch zu einer unzulässig hohen Temperaturdestabilisierung des Probenmaterials.
       Problem der Erfindung ist es, einen Schüttler mit beheizbarem Metallblock zur Temperierung und zur Aufnahme von Probengefäßen zu schaffen, der eine sanfte, schonende und wirkungsvolle Durchmischung von empfindlichen hochmolekularen biochemischen Substanzen ermöglicht und insbesondere das Entstehen von schädlichen Abscherkräften an den Molekülen der in den Probegefäßen befindlichen Substanzen vermeidet.
  • Erfindungsgemäß wird das Problem dadurch gelöst, daß ein Schüttler- Metallblock-Thermostat als elektromechanisch antreibbarer Linearschüttler ausgebildet ist, dessen Hub und dessen Frequenz und dessen Intensität stufenlos einstellbar sind, sowie in Zeitintervallen, in Einzelstoßimpulsen und in der Intensität der Einzelstoßimpulse mittels einer an sich bekannten Programmschaltung manuell oder automatisch steuerbar ist und dessen auf oder über dem Metallblock-Thermostat befindlicher Probengefäßeträger mit den Probengefäßen unabhängig von der Schüttelbeweglichkeit des Metallblock-Thermostaten mechanisch geführt und manuell oder mittels an sich bekannter Programmsteuerung elektrisch anhebbar und in jeder Hubstellung arretierbar ist.
       Mittels der Programmsteuerung ist die Hubhöhe und auch die zeitliche Hubfolge sowie die Dauer der Arretierung regelbar. Die horizontalen, linearen Einzelstoßimpulse können bei im Stillstand befindlichem Metallblock-Thermostaten und angehobenen Probengefäßeträger auch auf diesen ausübbar sein.
  • Die Bohrungen für die Probengefäße im Metallblock-Thermostat des Linearschüttlers können an ihrer Oberkante angefast, gerundet oder mit einem elastischen Kunststoff umrandet sein. Im Stillstand der Schüttelmechanik nimmt der Metallblock-Thermostat eine definierte Mittelstellung zum angehobenen Probengefäßträger ein, die durch mindestens ein federndes Element elastisch arretierbar sein kann.
  • Der elektromechanische Antrieb des Linearschüttlers kann insbesondere zur Erzeugung von in ihrer Intensität bzw. ihrer Stoßenergie stufenlos einstellbaren Einzelimpulsen, ein Klopfwerk sein, dessen Klopfer auf den linear beweglichen und linear gefederten Metallblock-Thermostaten oder auf den Probengefäßeträger bei ausgefahrener Hubwerkmechanik linear gleichgerichtet auftrifft.
       Die Vorzüge der erfindungsgemäßen Lösung bestehen darin, daß sich mittels in ihrer Stoßenergie genau definierbarer Einzelimpulse sanfte, schonende Reaktionsanstöße auf die empfindlichen hochmolekularen biochemischen Stoffe in den Probengefäßen übertragen lassen.
  • Der erfindungsgemäße Thermoschüttler erlaubt damit, ein manuelles, mit den Fingern ausgeübtes Anschnippen eines jeden Probengefäßes zu mechanisieren bzw. zu automatisieren und auch die Stoßenergie genau definiert jederzeit reproduzierbar zu machen.
       Von Vorteil ist dabei auch, daß durch die Mechanisierung dieses Anschnippvorganges die Probengefäße nur sehr kurzzeitig und auch nur ein sehr kurzes Wegstück sowie nicht einmal vollständig aus den Bohrungen im Metallblock-Thermostaten mit dem Probengefäßträger angehoben werden.
  • Auf diese Weise wird auch eine Temperaturkonstanz der Proben in den Probengefäßen besser als auf herkömmliche Weise gewährleistet.
       Dies bedeutet auch eine höhere Sicherheit bei der Versuchsdurchführung im Labor und eine wesentliche Verbesserung der Effektivität der Forschungsarbeit.
       Der erfindungsgemäße Thermoschüttler ist von kompakter Bauart und ist mit einem Bedienpult ausgestattet.
  • Er erlaubt bei Verwendung einer Prozessorsteuerung für Temperatur, Zeit und Schüttlermechanik sowie für die Probengefäßeträgerhubmechanik eine hohe Genauigkeit bei der Reproduzierbarkeit der Betriebsparameter und eine einfache Bedienung.
  • Die kompakte Bauweise ermöglicht einen leichten Standortwechsel des Gerätes z.B. auch in eine Laminarbox zum Betrieb unter Sterilbedingungen.
       Nachstehend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
       In der Zeichnung ist mit Fig. 1 der Metallblock-Thermostat mit Probengefäßeträger und Probengefäßen eines Thermoschüttlers schematisch dargestellt.
  • Mit Fig. 2 ist in der Zeichnung der Metallblock-Thermostat eines Thermoschüttlers mit angehobenem Probengefäßeträger und Probengefäßen dargestellt.
  • Auf der elektromechanisch angetriebenen Führungsplatte 4 des Thermoschüttlers ist der Metallblock-Thermostat 3 schüttelfest angeordnet. In dem Metallblock-Thermostat 3 befinden sich mit den Probengefäßen 1 gefäßkonforme Bohrungen, hier für konische Eppendorf-Tups.
  • Bei Stillstand der Schüttelmechanik 6 nimmt der Metallblock-Thermostat 3 eine bestimmte, vom federnden Elementen 8 fixierte Mittelstellung ein , in welcher die Bohrungen im Metallblock-Thermostaten 3 mit den Öffnungen für die Probengefäße 1 im Probengefäßeträger 2 fluchten.
  • Unabhängig von der linear horizontal beweglichen Führungsplatte 4 mit dem darauf befindlichen Metallblock-Thermostat 3 ist über demselben der mittels Probengefäßeträgerhubmechanik 7 auf-und abbewegliche Probengefäßeträger 2 angeordnet.
  • Die Hubmechanik 7 ist so gestaltet, daß der Probengefäßeträger 2 im völlig abgesenktem Arbeitszustand auf dem Metallblock-Thermostaten 3 aufliegt und mit diesem formschlüssig verbunden ist wobei die Hubmechanik 7 vom Probengefäßeträger abgekuppelt ist.
  • Im angehobenen Arbeitszustand des Probengefäßeträgers 2 ist dieser formschlüssig mit der Hubmechanik 7 verbunden und vom Formschluß mit dem Metallblock-Thermostaten 3 gelöst.
  • Die Hubbewegungen der Hubmechanik 7 erfolgen bei Stillstand der Schüttelmechanik 6 .
  • Alle Bewegungsabläufe sind mittels Programmschaltung vorwählbar und automatisch steuerbar.
  • Zur Inbetriebnahme des Thermoschüttlers werden zunächst Probengefäße 1 in Form von konischen Eppendorf-Tubs in den Probengefäßeträger 2 eingebracht.
  • Der Probengefäßeträger 2 kann sich dabei außerhalb des Thermoschüttlers befinden oder bereits in der Probengefäßeträger hubmechanik 7 auf oder über dem Metallblock-Thermostat 3 plaziert sein.
  • Sobald der Probengefäßträger 2 auf dem Metallblock-Thermostaten 3 aufliegt, ist dieser gegenüber der Probengefäßeträgerhubmechanik 7 frei beweglich und mit dem Metallblock-Thermostaten formschlüssig verbunden.
  • Er führt die Schüttelbewegungen des auf der Führungsplatte 4 befindlichen Metallblock-Thermostaten 3 mit aus.
  • Mittels einer Programmanschaltung lassen sich jetzt die Betriebsparameter, wie Temperierung, Hub, Frequenz und Zeitintervalle für den Schüttelvorgang vorwählen, und der Schüttelvorgang läßt sich danach ausführen.
  • Neben diesem Schüttelprogramm bzw. innerhalb dieses Schüttelprogrammes kann der Programmablauf auch so gewählt werden, daß der Probengefäßeträger 2 mit den Probengefäßen 1 bei Stillstand der Schüttelmechanik 6 in Mittelstellung mittels Probengefäßehubmechanik 7 nicht vollständig aus dem Metallblock-Thermostaten 3 herausgehoben wird und in solcher Stellung verbleibt und/oder arretiert wird, so daß sich infolge der konisch geformten Probengefäße 1 zwischen diesen und der Bohrung im Metallblock-Thermostaten ein Ringspalt 5 ausbildet.
  • Sodann wird ein definierter Einzelstoßimpuls auf den Metallblock-Thermostaten 3 direkt oder auf die Führungsplatte 4 über die Schüttelhubmechanik 6 gegen das federnde Element 8 so ausgelöst, daß die Oberkante der Bohrung im Metallblock-Thermostat 3 die konische Wandung des Probengefäßes 1 kurzzeitig berührt bzw. mitführt und damit einen Anschnippeffekt realisiert.
  • Mittels dieses Anschnippeffektes wird das manuelle Anschnippen des Probengefäßes 1 mit den Fingern nachgeahmt und damit dieser häufig unverzichtbare Arbeitsgang für eine schonende Reaktionsauslösung bei hochmolekularen, biochemischen Verbindungen mechanisiert und so ausgeführt, daß der Temperaturenabfall in der Probe auf ein Minimum reduziert ist. Durch das kurzfristige Herausheben der Probengefäße aus dem Metallblockthermostaten auf kurzem Weg wird der daraus resultierende Temperaturabfall der Proben minimiert.

Claims (6)

  1. Thermoschüttler, bestehend aus einer Kombination von Schüttler und Metallblock- Thermostat (3) zum Vermischen und Temperieren von Proben in Probengefäßen (1), insbesondere für biochemische Laboratorien, dadurch gekennzeichnet, daß ein Thermoschüttler als elektromechanisch, auch in Einzelimpulsen, antreibbarer Linearschüttler ausgebildet ist, dessenHub, dessen Schüttelfrequenz und dessen Intensität von Einzelstoßimpulsen stufenlos einstellbar sind, sowie in Zeitintervallen, in Einzelstoßimpulsen und in der Intensität der Einzelstoßimpulse mittels einer an sich bekannten Programmschaltung manuell oder automatisch steuerbar ist und dessen, auf oder über dem Metallblock-Thermostat (3) befindlicher, Probengefäßeträger (2) mit dem Probengefäßen(1) unabhängig von der Schüttelbeweglichkeit des Metallblock-Thermostaten (3) mechanisch geführt und manuell oder mittels an sich bekannter Programmsteuerung elektromechanischer anhebbar und absenkbar ist und in jeder Hubstellung arretierbar ist.
  2. Thermoschüttler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die horizontalen linearen Einzelstoßimpulse bei im Stillstand befindlichen Metallblock-Thermostaten (3) und aus dem Metallblock-Thermostaten (3) angehobenen Probengefäßen (1) mittels einer Stoßmechanik auf den Probengefäßeträger ausübbar sein können.
  3. Thermoschüttler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hubhöhe des Probengefäßeträgers (2), die zeitliche Hubfolge desselben sowie die Dauer dessen Arretierung mittels Programmsteuerung regelbar ist.
  4. Thermoschüttler nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallblock-Thermostat (3) bei Stillstand der Schüttelmechanik (6) eine definierte, vorzugsweise Mittelstellung einnimmt, in welcher der Metallblock-Thermostat (3) beweglich mittels mindestens einem federnden Element (8) arretierbar ist.
  5. Thermoschüttler nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen für die Probengefäße (1) im Metallblock-Thermostat (3) des Linearschüttlers an ihrer Oberkannte angefaßt, gerundet oder mit einem elastischen Kunststoff umrandet sind.
  6. Thermoschüttler nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den Metallblock-Thermostaten (3) einwirkenden Einzelstoßimpulse von einem in der Schüttlermechanik (6) integrierten Klopfwerk oder elektromagnetisch erzeugt werden.
EP96100107A 1995-01-12 1996-01-05 Thermoschüttler Withdrawn EP0722136A2 (de)

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DE19512635 1995-04-06

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