RU2640186C2 - Device for real time simultaneous control of plurality of nucleic acid amplifications - Google Patents
Device for real time simultaneous control of plurality of nucleic acid amplifications Download PDFInfo
- Publication number
- RU2640186C2 RU2640186C2 RU2015149676A RU2015149676A RU2640186C2 RU 2640186 C2 RU2640186 C2 RU 2640186C2 RU 2015149676 A RU2015149676 A RU 2015149676A RU 2015149676 A RU2015149676 A RU 2015149676A RU 2640186 C2 RU2640186 C2 RU 2640186C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heat
- conducting element
- tubes
- internal channels
- tank
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
- G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
- G01N33/68—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing involving proteins, peptides or amino acids
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N35/00—Automatic analysis not limited to methods or materials provided for in any single one of groups G01N1/00 - G01N33/00; Handling materials therefor
Abstract
Description
Изобретение относится к приборам для качественного и количественного анализа нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), в которых использован метод полимеразной цепной реакции (ПНР) в реальном времени. Такие приборы широко используются в медицинской практике и в исследовательских целях:The invention relates to devices for qualitative and quantitative analysis of nucleic acids (DNA and RNA), which used the method of polymerase chain reaction (NDP) in real time. Such devices are widely used in medical practice and for research purposes:
- при диагностике инфекционных, онкологических и генетических заболеваний человека и животных;- in the diagnosis of infectious, oncological and genetic diseases of humans and animals;
- при анализе продуктов, содержащих генетически модифицированные организмы;- in the analysis of products containing genetically modified organisms;
- при мониторинге экспрессии генов с диагностическими и исследовательскими целями и т.д.- when monitoring gene expression for diagnostic and research purposes, etc.
Известен патент на прибор и метод для автоматизированной термообработки образцов жидкостей (патент США №8797526 В2, кл. G01N 1/10, 05.08.2014 г.). В описании этого прибора приведены традиционные технические решения. Прибор содержит термоблок, оснащенный системой контроля температуры и контейнером для множества пробирок с образцами, при этом конструкция контейнера обеспечивает термический контакт контейнера с установленными в нем пробиркам. Прибор содержит модуль регистрации света, излучаемого образцами и устройство сопряжения с множеством оптоволоконных световодов для передачи излучаемого света на устройство регистрации. Прибор содержит устройство перемещения модуля регистрации света и контейнера, которое позволяет варьировать расстояние между ними для того, чтобы устанавливать пробирки с образцами в контейнер или вынимать их оттуда, а также регистрировать свет, излучаемый образцами, содержащимися в пробирках, установленных в контейнере.A patent is known for a device and method for automated heat treatment of liquid samples (US patent No. 8797526 B2, class G01N 1/10, 08/05/2014). The description of this device contains traditional technical solutions. The device contains a fuser equipped with a temperature control system and a container for many test tubes with samples, while the design of the container provides thermal contact of the container with the tubes installed in it. The device includes a module for detecting light emitted by the samples and a device for interfacing with a plurality of optical fiber optical fibers for transmitting the emitted light to the registration device. The device contains a device for moving the light registration module and the container, which allows you to vary the distance between them in order to install test tubes with samples in the container or to take them out, and also to register the light emitted by the samples contained in the test tubes installed in the container.
Контейнер имеет тепловой контакт через плиту основания с верхней поверхностью термоэлектрического элемента (элемента Пельтье). Нижняя поверхность термоэлектрического элемента соединена с теплообменником (радиатором). Выше ячеек с образцами расположена нагревательная плита с нагревательным элементом (термокрышка). В отверстиях термокрышки расположены оптоволоконные световоды возбуждения и приема излучения.The container has thermal contact through the base plate with the upper surface of the thermoelectric element (Peltier element). The lower surface of the thermoelectric element is connected to a heat exchanger (radiator). A heating plate with a heating element (thermal cover) is located above the cells with samples. In the openings of the thermal cover are located optical fibers for exciting and receiving radiation.
Согласно формуле изобретения предложен метод автоматизированной термообработки образцов жидкостей, который включает в себя метод варьирования расстояния между терморегулируемым контейнером для загрузки множества пробирок с образцами и концами оптоволоконных световодов. Остальные отличительные признаки относятся к модулю регистрации света: каждый оптоволоконный световод имеет первый и второй конец, каждый первый и каждый второй конец оптоволоконного световода фиксируются относительно друг друга и служат для передачи света, варьирование межячеечного расстояния позволяет загружать и выгружать пробирки и регистрировать свет от образцов, содержащихся в одной или нескольких пробирках, установленных в контейнере, причем вторые концы световодов располагаются стохастически.According to the claims, a method for automated heat treatment of liquid samples is proposed, which includes a method for varying the distance between a temperature-controlled container for loading a plurality of test tubes with samples and ends of fiber optic fibers. Other distinctive features relate to the light registration module: each optical fiber has a first and second end, each first and every second end of the optical fiber are fixed relative to each other and serve to transmit light, varying the intercell distance allows loading and unloading tubes and recording light from samples, contained in one or more test tubes installed in the container, the second ends of the optical fibers being stochastic.
Недостаток этого прибора и метода заключается в отсутствии технических решений, направленных на повышение скоростей нагрева и охлаждения образцов.The disadvantage of this device and method is the lack of technical solutions aimed at increasing the heating and cooling rates of the samples.
Известен прибор The LightCycler® 480 Real-Time PCR System (www.roche-applied-science.com), в котором использована прослойка типа теплового насоса, обеспечивающая эффективный перенос тепла между элементами Пельтье и радиатором. Держатель пробирок выполнен из серебра.The device The LightCycler® 480 Real-Time PCR System (www.roche-applied-science.com) is known, in which a layer such as a heat pump is used that provides efficient heat transfer between the Peltier elements and the radiator. The tube holder is made of silver.
Недостатком этого прибора является низкая скорость нагрева и охлаждения образцов, поскольку принятые меры незначительно повышают скорость нагрева и охлаждения образцов.The disadvantage of this device is the low heating and cooling rate of the samples, since the measures taken slightly increase the heating and cooling rates of the samples.
Известен держатель пробирок с реагентами с уменьшенной массой и повышенной скоростью изменения температуры образцов, используемых при термоциклировании при проведении полимерной цепной реакции (патент США №7632464 В2, кл. США 422/99, 422/102, 422/130, 15.12.2009 г.). Уменьшение массы достигается за счет добавления отверстий в двух перпендикулярных направлениях.A well-known holder of test tubes with reagents with reduced mass and increased rate of temperature change of the samples used in thermal cycling during the polymer chain reaction (US patent No. 7632464 B2, class USA 422/99, 422/102, 422/130, 15.12.2009, ) Weight reduction is achieved by adding holes in two perpendicular directions.
Недостатки этого устройства заключаются в незначительном уменьшении массы и теплоемкости держателя пробирок и в незначительном повышении скорости изменения температуры.The disadvantages of this device are a slight decrease in the mass and heat capacity of the tube holder and a slight increase in the rate of temperature change.
Известно устройство, имеющее название «Облегченная матрица для плашек, применяемая в ПЦР-амплификаторе» (патент на полезную модель РФ №133835, МПК С12М 1/38, опубл. 27.10.2013 г.). Матрица для плашек с реагентами, используемых при термоциклировании при проведении полимеразной цепной реакции, отличается тем, что она изготовлена из алюминиевого сплава, а между лунками для плашек с реагентами во взаимно перпендикулярных направлениях выполнены пазы треугольной формы.A device is known that has the name "Lightweight die matrix used in a PCR amplifier" (utility model patent of the Russian Federation No. 133835, IPC С12М 1/38, published on October 27, 2013). The matrix for dies with reagents used in thermal cycling during the polymerase chain reaction is characterized in that it is made of aluminum alloy, and triangular-shaped grooves are made between the wells for dies with reagents in mutually perpendicular directions.
Недостаток этого устройства заключается в уменьшении поверхности матрицы для плашек с реагентами, прилегающей к элементам Пельтье, что приводит к снижению скорости нагрева и охлаждения образцов.The disadvantage of this device is to reduce the surface of the matrix for dies with reagents adjacent to the Peltier elements, which leads to a decrease in the heating and cooling rates of the samples.
Известно устройство для одновременного контроля в реальном масштабе времени множества амплификации нуклеиновой кислоты (патент на изобретение РФ №2304277, МПК G01N 21/63, опубл. 10.08.2007 г.).A device for simultaneous real-time monitoring of multiple amplification of nucleic acids (patent for the invention of the Russian Federation No. 2304277, IPC G01N 21/63, publ. 08/10/2007).
Устройство содержит термоциклер с теплопроводящим элементом, термокрышкой, устройством автоматического управления температурным режимом, оптической системой. В теплопроводящем элементе имеются углубления для пробирок с реакционными смесями. Оптическая система включает источник излучения, волоконно-оптические световоды для передачи света возбуждения от источника и излучения флуоресценции из пробирок и детектор. Световоды выполнены в виде оптических волокон с коаксиально расположенными центральной частью и периферийной частью для сбора флуоресценции. Центральная часть световода апертурно согласована с количеством реакционной смеси в пробирках.The device comprises a thermal cycler with a heat-conducting element, a thermal cover, an automatic temperature control device, and an optical system. In the heat-conducting element there are recesses for tubes with reaction mixtures. The optical system includes a radiation source, fiber optic fibers for transmitting excitation light from the source and fluorescence radiation from the tubes and a detector. The optical fibers are made in the form of optical fibers with a coaxially located central part and a peripheral part for collecting fluorescence. The central part of the fiber is apertured to match the amount of reaction mixture in test tubes.
Недостатком этого устройства является отсутствие технических решений, повышающих скорость циклического изменения температуры для пробирок с реакционными смесями. Другой недостаток известного устройства вызван применением традиционных реакционных пробирок для ПЦР, которые имеют относительно длинные цилиндрическую и коническую части и выполнены из полимерного материала. Полимерный материал этих пробирок замедляет теплопередачу от теплопроводящего элемента к реакционной смеси, что не позволяет реализовать быстрые термические циклы.The disadvantage of this device is the lack of technical solutions that increase the rate of cyclic temperature changes for tubes with reaction mixtures. Another disadvantage of the known device is caused by the use of traditional reaction tubes for PCR, which have relatively long cylindrical and conical parts and are made of polymer material. The polymeric material of these tubes slows down the heat transfer from the heat-conducting element to the reaction mixture, which does not allow the implementation of fast thermal cycles.
Ближайшим из известных по технической сущности и назначению является устройство для одновременного контроля в реальном масштабе времени множества амплификации нуклеиновой кислоты (патент на изобретение РФ №2418289, МПК G01N 21/64, опубл. 10.05.2011 г.).The closest known by technical essence and purpose is a device for simultaneous real-time monitoring of multiple amplification of nucleic acids (patent for the invention of the Russian Federation No. 2418289, IPC G01N 21/64, published on 05/10/2011).
Устройство содержит термоциклер, включающий теплопроводящий элемент с расположенными в нем углублениями для пробирок с реакционными смесями, термокрышку и устройство автоматического управления температурным режимом. Также устройство содержит оптическую систему, включающую источник излучения, коаксиальные волоконно-оптические световоды для передачи света возбуждения от источника и излучения флуоресценции из пробирок, детектор для детектирования флуоресценции. При этом центральная передающая свет возбуждения часть световода апертурно согласована с количеством реакционной смеси в пробирках, установленных в углублениях теплопроводящего элемента. Причем объем пробирок соответствует максимальному объему реакционной смеси. При этом между пробирками и термокрышкой установлена сменная теплоизолирующая перегородка с отверстиями, оси которых совпадают с осями пробирок, а диаметры равны внешнему диаметру световодов для передачи излучения флуоресценции из пробирок.The device comprises a thermal cycler, including a heat-conducting element with recesses located in it for test tubes with reaction mixtures, a thermocover and an automatic temperature control device. The device also contains an optical system including a radiation source, coaxial fiber optic fibers for transmitting excitation light from the source and fluorescence radiation from the tubes, a detector for detecting fluorescence. In this case, the central transmitting light of the excitation part of the fiber is apertured to match the amount of the reaction mixture in test tubes installed in the recesses of the heat-conducting element. Moreover, the volume of the tubes corresponds to the maximum volume of the reaction mixture. In this case, a replaceable heat-insulating partition with holes, the axes of which coincide with the axes of the tubes, and the diameters equal to the outer diameter of the optical fibers for transmitting fluorescence radiation from the tubes, is installed between the tubes and the thermal cap.
Предлагаемое изобретение решает задачу сокращения времени анализа, повышения чувствительности устройства и уменьшения необходимого для проведения ПЦР количества реакционной смеси.The present invention solves the problem of reducing analysis time, increasing the sensitivity of the device and reducing the amount of reaction mixture necessary for PCR.
Недостатком этого устройства является отсутствие технических решений для выравнивания скоростей нагрева и охлаждения образцов. Почти во всех известных устройствах автоматического управления температурным режимом приборов, в которых использован метод ПЦР в реальном времени, применяются термоэлектрические элементы (элементы Пельтье), которые обладают эффектом значительного различия скоростей нагрева и охлаждения образцов. Этот эффект объясняется тем обстоятельством, что термоэлектрические элементы обладают для режима охлаждения малой тепловой производительностью (переносом тепловой энергии за единицу времени). В режиме нагрева тепловая производительность этих элементов сильно увеличивается за счет суммирования перенесенной тепловой энергии и тепловой энергии элементов, получаемой от источника питания.The disadvantage of this device is the lack of technical solutions for equalizing the heating and cooling rates of samples. In almost all known devices for automatic temperature control of devices that use the real-time PCR method, thermoelectric elements (Peltier elements) are used, which have the effect of a significant difference in the heating and cooling rates of the samples. This effect is explained by the fact that thermoelectric elements have a low thermal performance for the cooling mode (transfer of thermal energy per unit time). In the heating mode, the thermal performance of these elements is greatly increased due to the summation of the transferred thermal energy and the thermal energy of the elements received from the power source.
Предлагаемое изобретение решает задачу увеличения скорости изменения температуры в режиме охлаждения и тем самым позволяет повысить быстродействие и производительность этого устройства путем сокращения времени анализа. Далее приведены два варианта решения указанной задачи.The present invention solves the problem of increasing the rate of temperature change in the cooling mode and thereby improves the speed and performance of this device by reducing the analysis time. The following are two options for solving this problem.
1. Указанная задача решается за счет того, что известное устройство для одновременного контроля в реальном масштабе времени множества амплификации нуклеиновой кислоты, содержащее термоциклер, включающий теплопроводящий элемент с расположенными в нем углублениями для пробирок с реакционными смесями, термокрышку и устройство автоматического управления температурным режимом, оптическую систему, включающую источник излучения и приемник излучения, коаксиальные волоконно-оптические световоды для передачи света возбуждения от источника и излучения флуоресценции из пробирок, центральная передающая свет возбуждения часть световода апертурно согласована с количеством реакционной смеси в пробирках, установленных в углублениях теплопроводящего элемента, объем пробирок соответствует максимальному объему реакционной смеси, между пробирками и термокрышкой установлена сменная теплоизолирующая перегородка с отверстиями, микропроцессорное устройство управления и персональный компьютер, снабжено пневмогидравлической системой, которая содержит две емкости, частично заполненные жидкостью, трубопроводы, воздушный компрессор, четыре электромагнитных клапана, радиаторы и контроллер, воздушные фильтры, при этом теплопроводящий элемент имеет сквозные внутренние каналы, первый выход первой емкости соединен трубопроводом через первый электромагнитный клапан с окружающей средой, воздушный компрессор через воздушный фильтр соединен трубопроводами с первым входом первой емкости и с входом второго электромагнитного клапана, первый выход второй емкости через воздушный фильтр соединен трубопроводом с окружающей средой, выход второго электромагнитного клапана соединен трубопроводом с входами внутренних каналов теплопроводящего элемента, второй выход первой емкости соединен трубопроводами через третий электромагнитный клапан с теми же входами внутренних каналов теплопроводящего элемента, выходы внутренних каналов теплопроводящего элемента соединены трубопроводом с входом второй емкости, второй выход второй емкости соединен трубопроводами через четвертый электромагнитный клапан со вторым входом первой емкости, первая и вторая емкости имеют термический контакт с радиаторами, контроллер соединен с воздушным компрессором, четырьмя электромагнитными клапанами и микропроцессорным устройством управления.1. This problem is solved due to the fact that the known device for simultaneous real-time monitoring of the amplification set of a nucleic acid, comprising a thermal cycler including a heat-conducting element with recesses for test tubes with reaction mixtures located therein, a thermal cap and an automatic temperature control device, optical a system including a radiation source and a radiation receiver, coaxial fiber optic fibers for transmitting excitation light from a source and fluorescence emission from the tubes, the central part of the fiber transmitting the excitation light is aperture aperture matched with the amount of reaction mixture in the tubes installed in the recesses of the heat-conducting element, the volume of the tubes corresponds to the maximum volume of the reaction mixture, a replaceable heat-insulating partition with holes is installed between the tubes and the thermocover, microprocessor control unit and a personal computer equipped with a pneumohydraulic system, which contains two containers, partially liquid pipelines, an air compressor, four solenoid valves, radiators and a controller, air filters, while the heat-conducting element has through internal channels, the first output of the first tank is connected by piping through the first electromagnetic valve to the environment, the air compressor is connected by pipelines to the first inlet of the first tank and with the inlet of the second electromagnetic valve, the first outlet of the second tank through an air filter is connected by a pipe to the surrounding environment, the output of the second electromagnetic valve is connected by a pipeline to the inputs of the internal channels of the heat-conducting element, the second output of the first tank is connected by pipelines through the third electromagnetic valve to the same inputs of the internal channels of the heat-conducting element, the outputs of the internal channels of the heat-conducting element are connected by a pipe to the input of the second capacity, the second output of the second tanks connected by pipelines through the fourth electromagnetic valve to the second input of the first tank, the first and second tanks hav e thermal contact with radiators, the controller is connected to an air compressor, four solenoid valves and microprocessor control device.
2. Указанная задача решается за счет того, что устройство для одновременного контроля в реальном масштабе времени множества амплификаций нуклеиновой кислоты, содержащее термоциклер, включающий теплопроводящий элемент с расположенными в нем углублениями для пробирок с реакционными смесями, термокрышку и устройство автоматического управления температурным режимом, оптическую систему, включающую источник излучения и приемник излучения, коаксиальные волоконно-оптические световоды для передачи света возбуждения от источника и излучения флуоресценции из пробирок, центральная передающая свет возбуждения часть световода апертурно согласована с количеством реакционной смеси в пробирках, установленных в углублениях теплопроводящего элемента, объем пробирок соответствует максимальному объему реакционной смеси, между пробирками и термокрышкой установлена сменная теплоизолирующая перегородка с отверстиями, микропроцессорное устройство управления и персональный компьютер, отличающееся тем, что устройство снабжено пневмогидравлической системой, которая содержит емкость, частично заполненную жидкостью, четыре электромагнитных или обратных клапана, два поршневых или мембранных насоса и воздушный фильтр, при этом при этом теплопроводящий элемент имеет сквозные внутренние каналы, первый вход емкости соединен через фильтр с окружающей средой, первый насос с помощью трубопроводов через первый клапан соединен с первым выходом емкости и через второй клапан соединен с входами внутренних каналов теплопроводящего элемента, второй насос с помощью трубопроводов через третий клапан соединен со вторым выходом емкости и через четвертый клапан соединен с теми же входами внутренних каналов теплопроводящего элемента, выходы внутренних каналов теплопроводящего элемента соединены трубопроводом со вторым входом емкости, контроллер соединен с воздушным компрессором, четырьмя электромагнитными клапанами и микропроцессорным устройством управления.2. This problem is solved due to the fact that a device for simultaneous real-time monitoring of multiple amplifications of a nucleic acid containing a thermal cycler including a heat-conducting element with recesses for test tubes with reaction mixtures located therein, a thermal cap and an automatic temperature control device, an optical system comprising a radiation source and a radiation receiver, coaxial fiber optic optical fibers for transmitting excitation light from a source and radiation I of fluorescence from tubes, the central part of the fiber transmitting the excitation light is aperture apertured with the amount of reaction mixture in the tubes installed in the recesses of the heat-conducting element, the volume of the tubes corresponds to the maximum volume of the reaction mixture, a replaceable heat-insulating partition with holes is installed between the tubes and the thermocover, microprocessor control unit and personal a computer, characterized in that the device is equipped with a pneumohydraulic system that contains a capacitance partly filled with liquid, four solenoid or check valves, two piston or membrane pumps and an air filter, while the heat-conducting element has through internal channels, the first inlet of the tank is connected through the filter to the environment, the first pump is piped through the first valve connected to the first outlet of the tank and through the second valve connected to the inputs of the internal channels of the heat-conducting element, the second pump through pipelines through the third valve is connected to the second output container and through the fourth valve is connected to the same internal channels of the heat conducting member inputs, outputs, internal channels of the heat conducting element connected to the second input conduit container, the controller is connected to an air compressor, four solenoid valves and microprocessor control device.
Изобретение поясняется чертежами, на которых представлены:The invention is illustrated by drawings, in which:
на фиг. 1 - принципиальная схема заявляемого устройства для одновременного контроля множества амплификаций нуклеиновой кислоты;in FIG. 1 is a schematic diagram of the inventive device for the simultaneous control of multiple amplifications of a nucleic acid;
на фиг. 2 - схема сопряжения одной из множества пробирок с реакционными смесями с коаксиальными волоконно-оптическими световодами заявляемого устройства;in FIG. 2 is a diagram of the interface of one of the many tubes with reaction mixtures with coaxial fiber optic optical fibers of the claimed device;
на фиг. 3 - схема пневмогидравлической системы первого варианта возможного исполнения заявляемого устройства;in FIG. 3 is a diagram of the pneumohydraulic system of the first embodiment of a possible embodiment of the inventive device;
на фиг. 4 - схема пневмогидравлической системы второго варианта возможного исполнения заявляемого устройства;in FIG. 4 is a diagram of a pneumohydraulic system of a second embodiment of a possible embodiment of the inventive device;
на фиг. 5 - диаграмма изменения температуры термоциклера с пробирками во время температурного цикла;in FIG. 5 is a diagram of a temperature change of a thermal cycler with test tubes during a temperature cycle;
на фиг. 6 - таблица работы составных частей заявляемого устройства во время температурного цикла.in FIG. 6 is a table showing the operation of the components of the inventive device during the temperature cycle.
Заявленное устройство для одновременного контроля множества амплификаций нуклеиновой кислоты (фиг. 1) состоит из устройства для термоциклирования 1 (далее - термоциклер) с пробирками 2, оптической системы 3 с источником излучения 4 и приемником излучения 5, микропроцессорного устройства управления 6, персонального компьютера с программным обеспечением 7 и пневмогидравлической системы 8. Микропроцессорное устройство управления 6 соединено с термоциклером 1, оптической системой 3, персональным компьютером 7 и пневмогидравлической системой 8. Источник излучения 4 и приемник излучения 5 содержат галогенную лампу или белый светодиод 9, двухлинзовые конденсоры 10 и 11, между линзами которых установлены интерференционные светофильтры возбуждения 12 и эмиссии 13, многоканальный фотоприемник 14 и световодный жгут 15. Угол α - угол между крайними лучами конического светового пучка оптической системы 3.The claimed device for the simultaneous control of multiple amplifications of nucleic acid (Fig. 1) consists of a device for thermal cycling 1 (hereinafter referred to as the thermal cycler) with
Термоциклер 1 содержит теплопроводящий элемент 16 с расположенными в его углублениях пробирками 2, устройство автоматического управления температурным режимом 17 и термокрышку 18. Между теплопроводящим элементом 16 и термокрышкой 18 установлена сменная теплоизолирующая перегородка 19.The
Пневмогидравлическая система 8 содержит контроллер 20 соединенный с микропроцессорным устройством управления 6. Пневмогидравлическая система 8 соединена с теплопроводящим элементом 16.
Одна из множества пробирок 2 изображена в увеличенном виде (фиг. 2). Пробирка 2 с реакционной смесью 21 закрыта крышкой 22 и установлена в углубление теплопроводящего элемента 16. В термокрышке 18 имеются отверстия, в которые вставляются концы коаксиальных волоконно-оптических световодов с центральной 23 и периферийной 24 частями.One of the
Центральные части световодов 23 используются для передачи света возбуждения от источника излучения 4, а периферийные части 24 - для передачи излучения из пробирок в приемник излучения 5.The central parts of the
Теплоизолирующая перегородка 19 имеет отверстия, оси которых совпадают с осями пробирок, а диаметры равны внешнему диаметру периферийной части световодов 24. Центральная передающая свет возбуждения часть световода 23 апертурно согласована с количеством реакционной смеси 21 в пробирке 2: перегородка 19 имеет вертикальный размер, при котором обеспечивается максимальный угол α между крайними лучами конического светового пучка на выходе из центральной части световода, падающего на поверхность реакционной смеси с диаметром d, одновременно обеспечивается минимальное влияние тепловой крышки на температуру реакционной смеси.The heat-insulating
На фиг. 3 показаны термоэлектрические элементы 25 (элементы Пельтье) и радиатор 26, которые входят в устройство автоматического управления температурным режимом 17 и с помощью которых обеспечивается циклический температурный режим теплопроводящего элемента 16.In FIG. 3 shows thermoelectric elements 25 (Peltier elements) and a radiator 26, which are included in the automatic
Пневмогидравлическая система 8 (первый вариант) содержит две емкости 27, 28, частично заполненные жидкостью, трубопроводы 29, воздушный компрессор 30, четыре электромагнитных клапана 31-34, радиаторы 35, 36, контроллер 20 и воздушные фильтры 38, 39. Теплопроводящий элемент 16 имеет сквозные внутренние каналы.Pneumohydraulic system 8 (first option) contains two containers 27, 28 partially filled with liquid, pipelines 29,
Первый выход первой емкости 27 соединен трубопроводом через первый электромагнитный клапан 31 с окружающей средой.The first outlet of the first tank 27 is connected by a pipe through the first solenoid valve 31 to the environment.
Воздушный компрессор 30 через воздушный фильтр 37 соединен трубопроводами с первым входом первой емкости 27 и с входом второго электромагнитного клапана 32.The
Первый выход второй емкости 28 через воздушный фильтр 38 соединен трубопроводом с окружающей средой.The first outlet of the second container 28 through the air filter 38 is connected by a pipe to the environment.
Выход второго электромагнитного клапана 32 соединен трубопроводом с входами внутренних каналов теплопроводящего элемента 16.The output of the second electromagnetic valve 32 is connected by a pipeline to the inputs of the internal channels of the heat-conducting
Второй выход первой емкости 27 соединен трубопроводами через третий электромагнитный клапан 33 с теми же входами внутренних каналов теплопроводящего элемента 16.The second output of the first tank 27 is connected by pipelines through the third electromagnetic valve 33 with the same inputs of the internal channels of the heat-conducting
Выходы внутренних каналов теплопроводящего элемента 16 соединены трубопроводом с входом второй емкости 28.The outputs of the internal channels of the heat-conducting
Второй выход второй емкости 28 соединен трубопроводами через четвертый электромагнитный клапан 34 со вторым входом первой емкости 27.The second output of the second tank 28 is connected by pipelines through the fourth electromagnetic valve 34 to the second input of the first tank 27.
Первая и вторая емкости 27, 29 имеют термический контакт с радиаторами 35, 36.The first and second containers 27, 29 have thermal contact with
Контроллер 20 соединен с воздушным компрессором 30 и электромагнитными клапанами 31-34.The
На фиг. 4 показаны термоэлектрические элементы 25 (элементы Пельтье) и радиатор 26, которые входят в устройство автоматического управления температурным режимом 17 и с помощью которых обеспечивается циклический температурный режим теплопроводящего элемента 16.In FIG. 4 shows thermoelectric elements 25 (Peltier elements) and a radiator 26, which are included in the automatic
Пневмогидравлическая система 8 (второй вариант) содержит емкость 27, частично заполненную жидкостью, четыре электромагнитных или обратных клапана 31-34, два поршневых или мембранных насоса 39, 40, радиатор 35, контроллер 20 и воздушный фильтр 37. Теплопроводящий элемент 16 имеет сквозные внутренние каналы.Pneumohydraulic system 8 (second option) contains a container 27 partially filled with liquid, four solenoid or check valves 31-34, two piston or
Первый вход емкости 27 соединен через воздушный фильтр 37 с окружающей средой.The first inlet of the container 27 is connected through the air filter 37 to the environment.
Первый насос 39 с помощью трубопроводов через первый клапан 31 соединен с первым выходом емкости 27 и через второй клапан 32 соединен с входами внутренних каналов теплопроводящего элемента 16.The
Второй насос 40 с помощью трубопроводов через третий клапан 33 соединен со вторым выходом емкости 27 и через четвертый клапан 34 соединен с теми же входами внутренних каналов теплопроводящего элемента 16.The
Выходы внутренних каналов теплопроводящего элемента 16 соединены трубопроводом со вторым входом емкости 27.The outputs of the internal channels of the heat-conducting
Контроллер 20 соединен с клапанами 31-34, насосами 39, 40.The
Заявляемое устройство работает следующим образом.The inventive device operates as follows.
При работе множество пробирок 2 (фиг. 1) помещается в углубления теплопроводящего элемента 16. Пример размещения одной из этих пробирок изображен на фиг. 2. Пробирка 2, которая содержит реакционную смесь 21 с набором химических реагентов и фрагментом нуклеиновой кислоты, герметично закрывается крышкой 22. Термокрышка 18 со сменной теплоизолирующей перегородкой 19, ограничивающей объем воздуха над пробиркой, обеспечивает дополнительный подогрев крышки 22 пробирки 2 и предотвращает конденсацию на ней капелек воды. С помощью микропроцессорного устройства управления 6 задается температурный цикл термоциклера 1, который имеет четыре температурных режима: нагрев во временном интервале t1-t2, стабилизация температуры Т2 на верхнем уровне во временном интервале t2-t3, охлаждение во временном интервале t3-t5 и стабилизация температуры Т1 на нижнем уровне во временном интервале t5-t7 (фиг. 5).During operation, many tubes 2 (FIG. 1) are placed in the recesses of the heat-conducting
Работа устройства дополнительно поясняется таблицей работы составных частей заявляемого устройства во время температурного цикла (фиг. 6). Знаком «+» обозначены интервалы времени, когда компрессор и насосы находятся в рабочем состоянии, а клапаны открыты.The operation of the device is additionally illustrated by the table of the components of the inventive device during the temperature cycle (Fig. 6). The “+” sign indicates the time intervals when the compressor and pumps are in operation and the valves are open.
Микропроцессорное устройство управления 6 передает циклические сигналы для синхронизации работы контроллера 20.The
При работе пневмогидравлической системы 8 контроллер 20 (фиг. 3) с помощью воздушного компрессора 30 через воздушный фильтр 37 в течение времени нагрева, стабилизации температуры на верхнем уровне и охлаждения создает и поддерживает повышенное воздушное давление в первой емкости 27.During operation of the
В режиме охлаждения контроллер 20 открывает клапан 33. Из первой емкости 27 через трубопровод 29 под давлением поступает жидкость на входы внутренних каналов теплопроводящего элемента 16. Жидкость протекает через каналы теплопроводящего элемента 16 и выходов внутренних каналов теплопроводящего элемента 16 с помощью трубопровода поступает на вход второй емкости 28, в которой поддерживается нормальное давление с помощью фильтра 38. Протекающая через каналы теплопроводящего элемента жидкость значительно повышает скорость изменения температуры в режиме охлаждения. В конце режима охлаждения в момент времени t4 контроллер 20 выключает клапан 33 и включает клапан 32. Жидкость из внутренних каналов теплопроводящего элемента 16 удаляется во вторую емкость 28. Радиаторы 36 и 35 обеспечивают двухступенчатое охлаждение жидкости, нагретой при теплообмене с теплопроводящим элементом 16. Жидкость в емкости 28 охлаждается с помощью радиатора 36.In cooling mode, the
В режиме стабилизация температуры на нижнем уровне контроллер 20 в момент времени t5 останавливает воздушный компрессор 26, нагнетание воздуха прекращается. Контроллер 20 открывает клапан 31 для снижения давления в первой емкости 27, затем в момент времени t6 включает клапан 34, при этом избыток жидкости из второй емкости 28 переливается в первую емкость 27. Жидкость в емкости 27 охлаждается с помощью радиатора 35 до комнатной температуры.In the temperature stabilization mode at the lower level, the
В режиме нагрева и стабилизации температуры на верхнем уровне контроллер 20 закрывает все клапаны и включает воздушный компрессор 30 для создания повышенного давления в первой емкости 27. Затем температурные циклы многократно повторяются.In the heating and temperature stabilization mode at the upper level, the
При работе пневмогидравлической системы 8 (фиг. 4) с помощью контроллера 20 через клапаны 31, 33 в течение времени стабилизации температуры на нижнем уровне, нагрева и стабилизации температуры на верхнем уровне насосы 39, 40 заполняются с выходов емкости 27 соответственно воздухом или жидкостью. В режиме охлаждения насос 40 через клапан 34 обеспечивает заполнение жидкостью и проточный режим каналов теплопроводящего элемента 16. В конце режима охлаждения в момент времени t4 насос 40 останавливается, а насос 39 через клапан 32 обеспечивает удаление жидкости из каналов теплопроводящего элемента 16 в емкость 27. Затем температурные циклы многократно повторяются.During operation of the pneumohydraulic system 8 (Fig. 4) using the
При всех температурных режимах термоциклера активно работают термоэлектрические элементы 25 устройства автоматического управления температурным режимом 17. В режиме охлаждения температура теплопроводящего элемента и пробирок, содержащих реакционную смесь, должна измениться от 95 до 60°С.At all temperature conditions of the thermal cycler, thermoelectric elements 25 of the automatic
В режиме охлаждения обеспечивается поток жидкости через внутренние каналы теплопроводящего элемента. Заполняющая емкости жидкость с помощью радиаторов поддерживается на уровне окружающей среды, которая может находиться в диапазоне 10-35°С. При протекании жидкости через внутренние каналы теплопроводящего элемента активно происходит теплообмен между нагретым теплопроводящим элементом с пробирками и жидкостью, обладающей значительно меньшей (комнатной) температурой. Длительность режима охлаждения значительно снижается, при этом сокращается общее время анализа.In cooling mode, a fluid flow is provided through the internal channels of the heat-conducting element. The liquid filling the tank with the help of radiators is maintained at the level of the environment, which can be in the range of 10-35 ° С. When a fluid flows through the internal channels of a heat-conducting element, heat exchange actively occurs between the heated heat-conducting element with test tubes and a liquid having a much lower (room) temperature. The duration of the cooling mode is significantly reduced, while reducing the total analysis time.
В режимах стабилизации температуры на нижнем уровне, нагрева и стабилизации температуры на верхнем уровне жидкость во внутренних каналах теплопроводящего элемента отсутствует. За счет внутренних каналов уменьшается вес и теплоемкость теплопроводящего элемента, при этом также снижается длительность режима нагрева.In the modes of temperature stabilization at the lower level, heating and temperature stabilization at the upper level, there is no liquid in the internal channels of the heat-conducting element. Due to the internal channels, the weight and heat capacity of the heat-conducting element are reduced, while the duration of the heating mode is also reduced.
Скорость изменения температуры определяется как приращение температуры °С за секунду. При сокращении времени охлаждения скорость изменения температуры возрастает.The rate of temperature change is defined as the temperature increment ° C per second. With a reduction in cooling time, the rate of temperature change increases.
Предложенная конструкция устройства позволяет увеличить скорость изменения температуры в режиме охлаждения и тем самым повысить быстродействие и производительность этого устройства путем сокращения времени анализа.The proposed design of the device allows to increase the rate of temperature change in the cooling mode and thereby increase the speed and performance of this device by reducing the analysis time.
Источники информацииInformation sources
1. Патент США №8797526 В2, кл. G01N 1/10, 05.08.2014 г.1. US patent No. 8797526 B2, cl.
2. The LightCycler® 480 Real-Time PCR System (http://www.roche-applied-science.com).2. The LightCycler® 480 Real-Time PCR System (http://www.roche-applied-science.com).
3. Патент США №7632464 B2, кл. США 422/99, 422/102, 422/130, 15.12.2009 г.3. US patent No. 7632464 B2, cl. USA 422/99, 422/102, 422/130, 12/15/2009
4. Патент на полезную модель РФ №133835, МПК7 С12М 1/38, опубл. 27.10.2013 г.4. Patent for utility model of the Russian Federation No. 133835,
5. Патент на изобретение РФ №2304277, МПК G01N 21/63, опубл. 10.08.2007 г.5. Patent for the invention of the Russian Federation No. 2304277,
6. Патент на изобретение РФ №2418289, МПК G01N 21/64, опубл. 10.05.2011 г.6. Patent for the invention of the Russian Federation No. 2418289,
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015149676A RU2640186C2 (en) | 2015-11-19 | 2015-11-19 | Device for real time simultaneous control of plurality of nucleic acid amplifications |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015149676A RU2640186C2 (en) | 2015-11-19 | 2015-11-19 | Device for real time simultaneous control of plurality of nucleic acid amplifications |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2015149676A RU2015149676A (en) | 2016-08-10 |
RU2640186C2 true RU2640186C2 (en) | 2017-12-26 |
Family
ID=56612687
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015149676A RU2640186C2 (en) | 2015-11-19 | 2015-11-19 | Device for real time simultaneous control of plurality of nucleic acid amplifications |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2640186C2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2757986C1 (en) * | 2021-01-29 | 2021-10-25 | Общество с ограниченной ответственностью «Тробио» | Device for analysis of nucleic acids from samples of biological material |
RU209636U1 (en) * | 2020-11-11 | 2022-03-17 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство здравоохранения Российской Федерации | DNA amplifier with real-time registration of results |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2666209C2 (en) * | 2016-09-22 | 2018-09-06 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт аналитического приборостроения Российской академии наук (ИАП РАН) | Apparatus for real-time simultaneous monitoring of multiple nucleic acid amplifications |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0812621B1 (en) * | 1990-11-29 | 2002-04-17 | PE Corporation (NY) | Automated performance of the polymerase chain reaction |
US20080003650A1 (en) * | 2006-06-29 | 2008-01-03 | Bio-Rad Laboratories, Inc., Mj Research Division | Low-mass sample block with rapid response to temperature change |
RU2418289C1 (en) * | 2009-11-25 | 2011-05-10 | Учреждение Российской академии наук Институт аналитического приборостроения Российской академии наук (ИАП РАН) | Apparatus for real-time simultaneous monitoring of multiple nucleic acid amplifications |
US20120295249A1 (en) * | 2010-11-15 | 2012-11-22 | Roche Diagnostics Operations, Inc. | Instrument And Method For The Automated Thermal Treatment Of Liquid Samples |
RU2487944C2 (en) * | 2007-11-30 | 2013-07-20 | Корбетт Рисёч Пти Лтд | Apparatus and method of controlling temperature of reaction mixture |
-
2015
- 2015-11-19 RU RU2015149676A patent/RU2640186C2/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0812621B1 (en) * | 1990-11-29 | 2002-04-17 | PE Corporation (NY) | Automated performance of the polymerase chain reaction |
US20080003650A1 (en) * | 2006-06-29 | 2008-01-03 | Bio-Rad Laboratories, Inc., Mj Research Division | Low-mass sample block with rapid response to temperature change |
RU2487944C2 (en) * | 2007-11-30 | 2013-07-20 | Корбетт Рисёч Пти Лтд | Apparatus and method of controlling temperature of reaction mixture |
RU2418289C1 (en) * | 2009-11-25 | 2011-05-10 | Учреждение Российской академии наук Институт аналитического приборостроения Российской академии наук (ИАП РАН) | Apparatus for real-time simultaneous monitoring of multiple nucleic acid amplifications |
US20120295249A1 (en) * | 2010-11-15 | 2012-11-22 | Roche Diagnostics Operations, Inc. | Instrument And Method For The Automated Thermal Treatment Of Liquid Samples |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU209636U1 (en) * | 2020-11-11 | 2022-03-17 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство здравоохранения Российской Федерации | DNA amplifier with real-time registration of results |
RU2757986C1 (en) * | 2021-01-29 | 2021-10-25 | Общество с ограниченной ответственностью «Тробио» | Device for analysis of nucleic acids from samples of biological material |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2015149676A (en) | 2016-08-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN107805597B (en) | Gene detection system and method based on micro-fluidic chip | |
US9914123B2 (en) | Caps for sample wells and microcards for biological materials | |
RU2640186C2 (en) | Device for real time simultaneous control of plurality of nucleic acid amplifications | |
CN205874440U (en) | Ribonucleic chain polymerization amplification reaction detection device | |
US20100248245A1 (en) | Integrated apparatus for conducting and monitoring chemical reactions | |
Nguyen et al. | An integrated smartphone-based genetic analyzer for qualitative and quantitative pathogen detection | |
CN202898426U (en) | Space-oriented spiral micro-fluidic PCR (Polymerase Chain Reaction) real-time fluorescence detection system | |
CN103038331A (en) | Reagent fluid dispensing device, and method of dispensing a reagent fluid | |
US20220250075A1 (en) | System and method for isolating and analyzing cells | |
US11896977B2 (en) | Method and system for temperature monitoring of a biochemical reaction vessel | |
JP2015053893A (en) | High-speed gene amplification detection device | |
CN102220227A (en) | Polymerase chained type reactor and real-time micro-optics detection device | |
RU2666209C2 (en) | Apparatus for real-time simultaneous monitoring of multiple nucleic acid amplifications | |
WO2009054647A2 (en) | Portable analyzing apparatus based on pcr | |
KR100912626B1 (en) | Portable optical device for multi-chamber fluorescence measurement and method for multi-chamber fluorescence measurement using the same | |
CN102586098B (en) | Real-time fluorescent PCR (polymerase chain reaction) working system of space-oriented micro-volume unit | |
RU2418289C1 (en) | Apparatus for real-time simultaneous monitoring of multiple nucleic acid amplifications | |
CN111560310B (en) | Random access type digital nucleic acid detection device and use method | |
WO2020132131A1 (en) | Method and system for heating and temperature measurement using patterned thin films | |
RU118064U1 (en) | DEVICE FOR SIMULTANEOUS MONITORING IN REAL TIME OF MULTIPLE NUCLEIC ACID AMPLIFICATIONS | |
CN108613953B (en) | Sample crystal particle detection system and method | |
Sayers et al. | Novel Optical Detection of the PCR reaction for the Detection of Rare Cell Carcinoma in micro Total Analysis System (Ì-TAS) |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20190805 Effective date: 20190805 |