WO2010049498A2 - Inkubatorvorrichtung und verfahren - Google Patents

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WO2010049498A2
WO2010049498A2 PCT/EP2009/064311 EP2009064311W WO2010049498A2 WO 2010049498 A2 WO2010049498 A2 WO 2010049498A2 EP 2009064311 W EP2009064311 W EP 2009064311W WO 2010049498 A2 WO2010049498 A2 WO 2010049498A2
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incubator
sample
fluid
flow
interior
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PCT/EP2009/064311
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Inventor
Jürgen TÜMPNER
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Olympus Soft Imaging Solutions Gmbh
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/12—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of temperature
    • C12M41/14—Incubators; Climatic chambers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M33/00—Means for introduction, transport, positioning, extraction, harvesting, peeling or sampling of biological material in or from the apparatus

Definitions

  • the present invention comprises an incubator device with an incubator chamber and a sample receptacle arranged therein for receiving a sample, as well as an incubation method.
  • Incubator devices and incubation methods of the type referred to are well known in the art and are used in industry and research wherever biological or medical materials or other substances or objects (hereinafter generally referred to as "samples") over a given period of time have a defined climate
  • samples biological or medical materials or other substances or objects
  • Temperature and humidity have an influence on the behavior of biological samples and the climate defined by these parameters must be kept as constant as possible during the examination of the sample in order to ensure that the Pro but not to change per se and, on the other hand, to largely reduce interactions of the climate with the measuring or examination instruments used.
  • An incubator device for setting such a defined climate is known from WO 2005/030394 A1.
  • This device is of sufficient size to enclose a portion of a microscope assembly and to provide sufficient space for convenient handling of the sample within the incubator chamber.
  • a desired interior temperature is achieved by introducing an air-conditioned gas into the interior of the incubation chamber, wherein the tempered gas jet in the direction of Sample holder is oriented so that the sample can be heated or cooled in the gas jet.
  • Incubator device has the advantage that it can accommodate various additional devices, for example for in situ sample preparation or for additional measurements or examinations, thus providing a versatile incubator device.
  • a major disadvantage of this device as well as other relatively large incubator chambers is the difficulty of maintaining a homogeneous temperature distribution or a reliable, defined temperature at the site of the sample.
  • a sufficiently high air flow is required, which is also exposed to the sample and leads to undefined, larger Temperaturgradien- i5 th in the interior of the incubator.
  • the formation of temperature gradients is further assisted by the combination of a small gas inlet region for the humidification gas with a relatively large interior volume. Ultimately, it can not be ruled out that sample parts at different positions in the incubator
  • An incubator device known from DE 10 2005 033 927 A1 uses an outer incubator chamber, in which an inner incubator chamber is accommodated, wherein a sample holder for receiving a sample to be examined is arranged in the inner incubator chamber.
  • the inner incubator chamber is in contact with one outside the incubator
  • an incubator device and an incubation method with which a sample can be exposed to a definable, constant temperature over the sample surface for a predetermined period of time, while a minimum of flexibility with regard to the intended use and the operation of the incubator device remains ensured.
  • an incubator device comprising an incubator chamber, a sample receptacle, which is arranged to receive a sample and to position it inside a sample position inside the incubator chamber, a heating arrangement having at least one heating element is arranged within the incubator and gives heat to the interior of the incubator, a moistening device for generating a moistening fluid, and arranged between the moistening device and the interior of the incubator transfer opening, through which the moistening fluid can pass into the interior of the incubator, wherein the interior of the Incubator chamber is at least at the sample position substantially free of directed fluid flow.
  • a fluid in particular a humidifying fluid
  • a humidifying fluid is a gas or any mixed form between gas and liquid.
  • a humidifying fluid may be a gaseous medium having a humidity in a desired range, but may also be in the form of a mist, a vapor or an aerosol having a plurality of micrometer-sized liquid particles finely dispersed therein.
  • the dampening fluid may also have a lower humidity relative to the environment, thereby reducing the humidity in the sample environment.
  • the invention is based on the insight gained in numerous experiments by the inventors that the gas flows inevitably generated by the air conditioning devices of conventional incubator devices in the interior of the incubator chamber, the time course of temperature and humidity at the sample position and a gradient of temperature and humidity over the surface the sample leads to an impairment of the measurement and examination results. With the arrangement according to the invention, however, it is proposed to influence both moisture and temperature of the sample substantially without any fluid flow at the location of the sample.
  • the incubator device On the one hand, by arranging a heating arrangement with at least one heating element within the incubator chamber, which gives off heat to the interior of the incubator, a temperature control of the sample or the interior the incubator chamber can be achieved entirely without the provision of a heat transfer gas to be passed through the interior or the like.
  • the at least one heating element radiates its heat directly into the interior of the incubator or to the sample, ie the effective heating surface of the heating element is exposed to the interior, so that the sample temperature can be influenced quickly and accurately, without affecting the constancy of the fluid flow to use.
  • the second important principle is the separation of temperature control and humidity control by providing a humidifier separate from the heater assembly.
  • the moistening device also operates according to the principle according to the invention of largely avoiding fluid flows at the sample position in the interior of the incubator chamber, but in any case at the location of the sample to build up an essentially completely flow-free environment. This is achieved in that the moistening device is separated from the incubator chamber via a transfer opening and the moistening fluid passes through this transfer opening into the incubator chamber, but soon loses its directed flow after entering the incubator chamber, so that at least the immediate surroundings of the sample remains almost completely flow-free.
  • a flow-free state in the environment of the sample is to be understood as a state in which heat, moisture or other parameters influencing the climate at the sample position are not significantly changed by a flow which is directed at the initiation of the humidifying fluid is due.
  • a possibly existing convection flow in the interior of the incubator chamber which is caused, for example, by the heat generated by the heating elements.
  • Other slow currents such. B. Diffusion due to the thermal proper movement of the gas or liquid particles in the incubator and Brownian movement, can be used according to the invention to distribute the humidifying medium in the incubator and also supply the sample without at the sample position destabilizing the sample climate flow to produce.
  • convection or diffusion flows lead to natural gas circulation inside the incubator chamber at significantly lower flow rates, but are so weak and slow that they hardly affect the precision and temporal constancy of the climate at the sample position.
  • the moistening fluid enters the transfer opening at the flow into the interior of the incubator chamber, wherein the rate at which the moistening fluid passes through the transfer opening is set so that the moistening fluid flows in a directed flow in front of and in the transfer opening and that after passing through the transfer opening
  • the directional flow of humidifying fluid falls substantially to zero within a short transitional range.
  • the speed range for meeting this condition depends on the geometry and operating data of the incubator chamber. The skilled person can easily determine a precise value by simply measuring lo on a concrete incubator chamber, for example by using a flow sensor at the location of the sample or by a colored moistening fluid in combination with the change in the migration speed of the moistening fluid into the incubator chamber.
  • the sample receptacle is adapted to position a sample inside the incubator chamber at a sample position which has a predetermined distance from the transfer opening, the length of the transition region having an amount in the transfer direction of the transfer opening, of the
  • the length of the transition zone in direction of the transfer opening should be advantageously between about 0 cm and about 10 cm, with particularly good results for higher demands on the constancy of the climate for a range of the length of the transition region between about 1 cm and about 3 cm are met. Below about 1 cm there is an increased risk that a continuous supply of moistening fluid will be absent, whereas for values above about 3 cm a significant influence of the flow rate on the sample climate has been detected.
  • the moistening device is an aerosol device which generates a moistening fluid based on a liquid aerosol.
  • a humidifying fluid eg evaporation of sacrificial fluid
  • an aerosol device is characterized in that the fluid is introduced quickly and directly in the form of an aerosol into the surrounding gas in order to moisten it.
  • the aerosol evaporates relatively quickly due to the thermal energy of the surrounding gas. This evaporation can already take place immediately after the generation of the aerosol beads, ie even before they have entered the incubator chamber, and / or can only take place within the incubator chamber.
  • the aerosol device can furthermore have a piezo-oscillating element in order to generate the liquid aerosol from a working fluid.
  • a piezoelectric vibrating element can be driven particularly easily and quickly and, because of its high frequency oscillation, very rapidly generates aerosol particles in the range of a few micrometers from the operating fluid.
  • Moisture control using such an aerosol device is extremely fast and can be precisely regulated or turned on or off. At the same time, it is solely responsible for moisture regulation and thus does not affect the temperature of the sample.
  • Humidification regulation and temperature control of the sample are decoupled according to the invention.
  • the incubator device further comprises a fluid drive means for generating a directional flow of the humidifying fluid at a predetermined rate toward the transfer opening.
  • the speed 5 imparted by the fluid drive device to the moistening fluid is selected in accordance with the above-mentioned criteria such that no flow of the moistening fluid beyond the slow convection flow is no longer present in the interior of the incubator chamber, or at least in the vicinity of the sample.
  • the incubator device comprises a gas outlet opening, which is provided separately from the transfer opening, so that gas can escape from the incubator chamber through the gas outlet opening.
  • a gas outlet opening which is provided separately from the transfer opening, so that gas can escape from the incubator chamber through the gas outlet opening.
  • the fluid drive device has a suction device in order to suck fluid from the incubator chamber into the circulation channel, then a defined flow velocity can be achieved
  • the flow velocities generated by the fluid drive device are chosen according to the invention such that they ensure a continuous transfer of the moistening fluid into the incubator chamber, but do not substantially influence the flow conditions in the interior of the incubator chamber.
  • the moistening fluid in the incubator chamber is almost exclusively due to convection currents, Brownian Operachenb ⁇ wegung etc. distributed.
  • the inventors have found that only these quasi-random undirected or very slow flow movements inside the incubator chamber are sufficiently or even surprisingly better suited to reliably produce and maintain the desired moisture at a sample position. In particular, the inventors have gone beyond the prejudice of the art, a constant climate at the sample position would require a constant, directed flow of conditioning gas across the sample.
  • the heating arrangement is constructed substantially symmetrically with respect to a vertical axis through the sample position and / or has symmetrical heat emission characteristics with respect to this axis.
  • the symmetrical configuration of the heater assembly causes a substantially vertical temperature gradient only within the incubator chamber, which results in the temperature of the sample being constant at least across the sample surface.
  • terms such as horizontal, vertical, top, bottom, sideways and the like should refer to a normal operating situation of the incubator chamber and to a planar shape and orientation of the sample in a horizontal plane.
  • the at least one heating element is plate-shaped, so that it has a relatively large heat dissipation surface.
  • a surface heating element for.
  • the at least one heating element has preferably towards the sample position.
  • a well-homogeneous heating of the sample can be carried out essentially by thermal radiation, which allows a fast and accurate temperature control.
  • a particularly effective arrangement has been found to be an embodiment in which a plurality of upper heating plates are arranged above a sample plane and substantially symmetrical to a vertical axis passing through the sample position and / or a plurality of lower heating plates below the sample plane and substantially symmetrical are arranged to the vertical axis.
  • a larger environment of the sample is exposed to a substantially constant temperature field, with a temperature gradient possibly occurring in the vertical direction.
  • an incubator device having a substantially flow-free sample environment has been realized primarily by selecting a suitable transfer speed of the humidifying fluid into the incubator chamber.
  • Such a measure can be the provision of a moistening fluid deflection surface which is arranged downstream of the moistening fluid in the transferring direction of the incubation chamber, so that moistening fluid transferred into the incubator chamber strikes the moistening fluid deflection surface.
  • an incubator device for achieving the abovementioned object of the invention, comprising an incubator chamber Sample and positioned inside the incubator chamber at a sample position, a heater assembly having at least one heating element disposed within the incubator chamber and delivering heat to the interior of the incubator chamber, humidifying means for generating a humidifying fluid, and one between the humidifier and the interior
  • the incubator chamber has a transfer opening through which the moistening fluid passes in a direction of flow in the direction of the flow in the direction of the flow, into the interior of the incubator chamber, the crossing str flow direction in a direction away from the sample position direction.
  • the dampening fluid to the second aspect of the invention have a flow direction when Automated Device, "leading from the sample position. Under a direction away from the sample position towards each direction of flow is understood in the context of the present invention, along which the flowing particles of
  • the dampening fluid is not directed toward the sample, but in a different direction so that directionally directed moistening fluid particles do not move the sample position or only after reflection on another element inside the incubator chamber. Directed flow at the sample location can be prevented or reduced to such an extent that essentially only non-directional flow conditions due to natural (thermal) convection currents and diffusion exist at the sample position.
  • an incubator device comprising an incubator, a sample receptacle, which is adapted to receive a sample and to position inside the incubator at a sample position, a heating arrangement with at least one heating element, which is arranged within the incubator and emits heat to the interior of the incubator, a humidifying means for generating a humidifying fluid, as well as a arranged between the humidifier and the interior of the incubator transfer opening, through which the humidifying fluid in a flow direction in the direction of flow overpasses into the interior of the incubator wherein the transfer flow direction is directed against a dampening fluid deflection surface at which the dampening fluid is deflected.
  • the incubator apparatus of the third aspect of the invention direct flow of the wetted humidifying fluid to the sample position is prevented, and in the third aspect, a humidifying fluid deflecting surface is used the Befeuchtungsfluid, preferably in a direction away from the sample position direction, is deflected.
  • the adjustment of the flow direction of the humidifying fluid then does not have to take place at the transfer opening, but can be provided by the moistening fluid deflecting surface, which can also be installed as a retrofit element behind a transfer opening.
  • incubator devices of the second and third aspect of the invention are combined by combining a transfer opening already facing away from the sample with a humidifying fluid deflecting surface to further extend the path of the humidifying fluid to the sample position or the impact of humidifying fluid on certain elements inside the sample Prevent incubator chamber.
  • incubator devices of the second or third aspect may be further developed, alone or in combination with one another, by one or more of the features explained in connection with the first aspect of the invention in order to achieve the above-mentioned effects.
  • incubator devices of the second and / or third aspect of the invention that the directed flow of moistening fluid at the location of the sample is substantially completely dissolved, so that only natural convection currents at the sample position due to the temperature settings of the heating device or undirected diffusion streams are present.
  • the moistening fluid deflecting surface may be formed on the heating assembly.
  • the deflection of the moistening fluid on the heating arrangement also offers the advantage that the moistening fluid does not condense on the heated deflection surface and thus the moisture entry into the interior of the incubator chamber is not reduced.
  • contamination of the humidifying fluid deflecting surface is achieved by avoiding condensation.
  • the transfer opening can be arranged on a wall section of the incubator chamber which defines the interior of the incubator chamber in order to ensure a simple construction of the device. In one embodiment of the invention, however, it is contemplated that the transfer opening at a nozzle portion of a running inside the incubator Fluid line is provided. Such a fluid line offers the possibility of positioning the transfer opening in a simple manner at a desired position in the interior of the incubator chamber and / or the transfer flow direction of the transfer opening by means of appropriate routing
  • Such a fluid conduit can also branch in the interior of the incubator chamber in order to arrange a plurality of transfer openings at different positions in the interior of the incubator chamber and thus to further calm the flow conditions in the incubator chamber.
  • the incubation device comprises a microscope for viewing and / or measuring the sample
  • the sample holder comprises or forms the sample holder of the microscope and at least the sample holder or substantially the entire microscope within the incubator chamber is housed. Due to the combination of heating arrangement and humidification arrangement according to the invention, a spatially and temporally constant climate can be maintained even in a larger incubator chamber.
  • the invention is particularly well suited for a microscope and at the same time provides enough room for handling the sample in the incubator chamber or for additional measurements / examinations of the sample in the sample holder of the microscope.
  • Incubator chamber is at least at the sample position substantially free of directed fluid flow.
  • the moving speed of the dampening fluid can be adjusted according to the criteria mentioned above for the incubator device according to the invention, in particular to adjust the size of the directional flow transition region and the directional flow resolution.
  • the incubation method of the invention achieves the effects and advantages achieved by the corresponding features of the incubation device described above and described above.
  • the incubation method is preferably carried out with an incubation device according to the invention of the type described above.
  • the invention also extends to a method for the microscopic examination and / or measurement of a sample, comprising an incubation method of the aforementioned kind.
  • the method achieves the improved spatial and temporal constancy of the climate in the immediate surroundings of the sample due to the incubation method according to the invention for the microscopic examination and / or measurement of a sample according to the invention, the advantage that more reliable and meaningful examination / measurement results can be achieved.
  • the inventors have defined a range between about 0 cm and about 10 cm, preferably a range between about 1 cm and about 3 cm, as particularly useful. kungsvoll determined. In the preferred range of between about 1 cm and about 3 cm, on the one hand, a reliable transfer of the wetting fluid into the incubator chamber can be ensured and, on the other hand, any directed flow at the sample position due to the inflowing wetting fluid can be reliably avoided.
  • the invention task is solved according to a fifth and sixth aspect of the invention by incubation method according to claims 14 and 15, respectively.
  • incubation methods achieve the effects and advantages described by the particular features of the incubator devices of the second and third aspects of the invention described above, and are preferably practicable using an incubator device according to the second or third aspects of the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an incubator device according to a first exemplary embodiment of the invention
  • Fig. 2 shows a schematic representation of an incubator device according to a second embodiment of the invention.
  • an incubator apparatus of a first preferred embodiment is generally designated 10 and includes a hermetically sealable incubator chamber 12 in which a sample 14 can be received in a sample holder 15 at a sample position P in a horizontal plane H to sample at a predetermined climate, ie to keep at a predetermined temperature and predetermined humidity.
  • the incubator chamber 12 encloses a part of a microscope not shown in FIG. 1 or has windows for the passage of viewing beams for a microscope, so that the sample 14 of a microscope Inspection can be subjected while exposed to the constant climate in the incubator 12.
  • an aerosol device 16 which comprises a water tank 18 for receiving water as a working fluid and a piezoelectric element 20 in contact with the water or the water tank 18.
  • a piezoelectric element 20 in contact with the water or the water tank 18.
  • an aerosol chamber 22 Above the water tank 18 is an aerosol chamber 22 which receives the aerosol 24 generated from the water by exciting the piezoelectric element 20.
  • the aerosol device 16 is part of a closed fluid circuit 26.
  • the aerosol device 16 follows a transfer channel 28 which leads to a transfer opening 30, at which the transfer channel 28 opens into the interior of the incubator chamber 12.
  • the incubator chamber 12 furthermore has a gas outlet opening 32, which is adjoined by a circulation channel 34 which connects the gas outlet opening 32 to the aerosol device 16.
  • a suction device 36 is arranged, which sucks gas from the interior of the incubator chamber 12 at a predetermined speed or flow rate.
  • the suction device 36 acts as a fluid drive device for generating a directed flow in the circulation channel and thus also causes a directed flow of moistening fluid from the aerosol device 16 through the transfer channel 28 to the transfer opening 30.
  • the incubator chamber 12 of the embodiment shown in Fig. 1 has in horizontal section a rectangular base, while in section along the plane of Fig. 1 has a roughly hexagonal shape.
  • the shape of the incubator chamber can be adapted very flexibly to the requirements of the specific application, since the inventive configuration of the devices for climate control also ensures stable climatic conditions for large incubator chambers or incubator chambers with special internal geometries.
  • two upper heating elements 38 above the sample plane H and two lower heating elements 40 below the sample plane H are installed on the inner walls of the incubator chamber 12.
  • the heating elements 38, 40 are low-temperature surface heating elements and have a particularly large radiating surface.
  • the radiating surfaces of the heating elements 38, 40 are directed towards the sample position P out.
  • the radiating surfaces of the heating elements 38, 40 are so large that they occupy a large part of the inner wall of the incubator 12, in particular more than a third of the inner surface, so that a constant temperature field can be achieved.
  • the heating elements 38, 40 are arranged symmetrically so that they produce a temperature gradient that is possibly substantially along the vertical axis V and thus the sample temperature substantially over the entire surface of the sample 14 in the plane H is constant.
  • the piezoelectric element 20 is switched on, which then generates an aerosol 24 from the water in the " water tank 18, which accumulates in the aerosol chamber 22.
  • the suction device 36 and the The directed flow generated in the circulation channel 34 thus moves the aerosol 24 out of the aerosol chamber 22 through the transfer channel 28 to the transfer opening 30.
  • the aerosol 24 begins to evaporate immediately after its production essentially take place only in the incubator chamber 12, can already take place in the transfer channel 28 or the vaporization may possibly already take place in the aerosol chamber 22 or already be completed there before the moistening fluid enters the transfer channel 28.
  • the suction device 36 is operated at such a speed that a reliable, directed flow of the wetting fluid takes place in the transfer channel 28 as far as the transfer opening 30, so that the wetting fluid is reliably introduced into the incubator chamber 12, but that directed flow Within a transition region 42 which extends from the transfer opening 30 in the direction of the crossing to a depth d in the incubator 12 in substantially completely comes to a standstill, so that outside the transition region 42 only undirected flow conditions due to the natural convection currents, the Brownian particle motion and other gas kinetic factors.
  • a distance between the transfer opening 30 and the sample position P is denoted by I in FIG. 1, the length of the transition region d being approximately 1/10 of the predetermined distance I (FIG. 1 is a schematic, not to scale representation) which ratios may differ for illustrative purposes, in part, greatly from the real preferred ratios). Because of this distance ratio, it is ensured that a directed flow of the wetting fluid itself does not hit the peripheral regions 43 of the sample 14. For a typical incubator device, the distance d z. B. be about 2 cm.
  • a baffle plate 44 is arranged in the incubator chamber 12 at a distance of about 2 cm from the transfer opening 30, such that the flow of the moistening fluid passes through the transfer opening 30 onto the baffle 44 is directed.
  • the speed of the dampening fluid may also be increased (eg, to a speed that would cause the directional flow of humidifying fluid to reach the sample position without the baffle), for example, to ensure a faster or more reliable entry of the humidifying fluid into the incubator chamber 12.
  • the baffle 44 then deflects the dampening fluid in a direction that does not lead directly to the sample position P out.
  • FIG. 2 a second embodiment of the invention will be explained below. Compared to FIG. 1, the same or corresponding features in FIG. 2 are designated by reference numerals increased by 100. In the following, only the differences from the first embodiment will be explained in more detail, reference being made expressly to the description of the first exemplary embodiment with regard to the remaining features and effects.
  • the incubator device 110 of the second exemplary embodiment differs from the incubator device 10 of the first exemplary embodiment in particular in that moistening fluid 124 is guided prior to entry into an incubator chamber 112 in a fluid line 150 which is arranged inside the incubator chamber 112.
  • the fluid line 150 is branched and comprises a common feed section 152 and a first branch section 154 and a second branch section 156, which branches off from the feed section 452 at a branch point 158.
  • a first nozzle 160 is arranged and at the free end of the second branch portion 156, a second nozzle 162 is arranged.
  • the branching sections 154 and 156 of the fluid line 150 are guided inside the incubator chamber 112 so that the two nozzles 160 and 162 simultaneously allow moistening fluid to pass into the interior of the incubator chamber 112 at different locations.
  • the nozzles 160 and 162 each form a transfer opening in the sense of the present invention.
  • Nozzles 160 and 162 are adapted to meter dampening fluid in a directed manner, with first nozzle 160 delivering moistening fluid in a dispensing fluid.
  • direction n and the second nozzle 162 emits moistening fluid in a dispensing direction r 2 .
  • the dispensing directions n and r 2 each extend in a direction away from the sample position P, in the present case they even enclose an angle of approximately 180 ° with a direction pointing to the sample position P, so that the Influence of the directed flow of moistening fluid on the sample is significantly reduced.
  • the discharge directions n and r 2 are directed to heating plates 140, which are impervious to wetting fluid and form wetting fluid deflecting surfaces in the sense of the invention.
  • the flow of moistening fluid is diverted to multiple sides, so that the directional flow of moistening fluid is further drastically reduced as the flow on the heating elements 140 is somewhat dissipated.
  • the distraction of the humidifying fluid flow at the heating elements 140 has the additional advantage that the humidifying fluid does not condense on the tempered surface of the heating elements 140. It is thus changed prevent that individual droplets of the aerosol 124 join together at the deflecting surface to a liquid film and thus are not available 'for the entry of moisture into the interior of the incubator and instead remain on the deflection surfaces and cause contamination thereof.
  • the operation of the incubator device 110 of the second embodiment is largely the same as that of the first embodiment.
  • a moistening fluid formed from an aerosol 124 passes under the action of a suction device 136 from an aerosol device 116 into a transfer passage 128 and is guided by the latter into the fluid line 150.
  • a first portion of the dampening fluid flows into the first branch portion 154, while a second portion of the dampening fluid enters the second branch portion 156.
  • To the Nozzles 160, 162 pass the dampening fluid into discharge chambers n and r 2, respectively, into the interior of the incubator chamber 112 and then impact a respective heating element 140. From the heating element 140, the dampening fluid is deflected, reducing the directional flow.
  • the heating elements 140 are oriented so that the reflection directions in which the dampening fluid impinging on the heating elements 140 are deflected are not direct and pointing towards the sample position.
  • the distance to be traveled by the sample position P for the moistening fluid is increased.
  • the deflection at the heating elements 140 causes a directional dissipation or dispersion of the directed flow.
  • the flow of the humidifying fluid is further distributed by the provision of a plurality of transfer openings.
  • All of these measures contribute to reducing the directed flow of moistening fluid at the location of the sample P to such an extent that essentially only undirected flow conditions at the sample position, for example due to natural confluence currents caused by the operation of the heating elements, or diffusion flows available.
  • any residual flow at the sample location P is reduced to a level that does not influence the sample climate, so that a constant climate can be maintained over the entire sample surface and still a setting of desired climatic conditions at the sample location is possible.
  • the invention is not limited to the embodiment shown.
  • the incubator device 110 could equally be provided only with upper or lower and upper heating elements.

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Abstract

Die Erfindung stellt eine Inkubationsvorrichtung bereit, umfassend eine Inkubatorkammer (12), eine Probenaufnahme (15), welche dazu eingerichtet ist, eine Probe (14) aufzunehmen und im Inneren der Inkubatorkammer (12) an einer Probenposition (P) zu positionieren, eine Heizanordnung (38, 40) mit mindestens einem Heizelement (38, 40), welches innerhalb der Inkubatorkammer (12) angeordnet ist und Wärme an das Innere der Inkubatorkammer (12) abgibt, eine Befeuchtungseinrichtung (16) zur Erzeugung eines Befeuchtungsfluids, sowie eine zwischen der Befeuchtungseinrichtung (16) und dem Inneren der Inkubatorkammer (12) angeordnete Übertrittsöffnung (30), durch die das Befeuchtungsfluid in das Innere der Inkubatorkammer (12) übertreten kann, wobei das Innere der Inkubatorkammer (12) zumindest an der Probenposition (P) im Wesentlichen frei von gerichteter Fluidströmung ist.

Description

Inkubatorvorrichtung und Verfahren
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung umfasst eine Inkubatorvorrichtung mit einer Inkubatorkammer und einer darin angeordneten Probenaufnahme zur Aufnahme einer Probe, sowie ein Inkubationsverfahren.
Inkubatorvorrichtungen und Inkubationsverfahren der genannten Art sind im Stand der Technik bekannt und kommen in Industrie und Forschung überall dort zum Einsatz, wo biologische oder medizinische Materialien oder andere Substanzen oder Objekte (im Folgenden allgemein als „Proben" bezeichnet) über einen bestimmten Zeitraum einem definierten Klima ausgesetzt werden sollen. Beispielsweise ist für die Untersuchung von lebenden Zellen, etwa mittels eines Mikroskops, die Bereitstellung von an die Probe angepassten Umgebungsbedingungen eine entscheidende Voraussetzung für aussagekräftige Untersuchungsergebnisse und stellt dementsprechend eine wichtige technologische Herausforderung bei der Realisierung solcher Messungen bzw. Untersuchungen dar. Großen Einfluss auf das Verhalten biologischer Proben haben dabei Temperatur und Feuchtigkeit. Das durch diese Parameter definierte Klima muss für die Dauer der Untersuchung der Probe möglichst konstant gehalten werden, um einerseits die Probe an sich nicht zu verändern und andererseits Wechselwirkungen des Klimas mit den verwen- deten Mess- oder Untersuchungsinstrumenten weitestgehend zu reduzieren.
Eine Inkubatorvorrichtung zur Einstellung eines solchen definierten Klimas ist aus der WO 2005/030394 A1 bekannt. Diese Vorrichtung weist ausreichende Größe auf, um einen Teil einer Mikroskopanordnung zu umschlie- ßen und ausreichend Platz für eine bequeme Handhabung der Probe innerhalb der Inkubatorkammer sicherzustellen. Eine gewünschte Innenraumtemperatur wird durch Einleiten eines klimatisierten Gases in das Innere der Inkubationskammer erreicht, wobei der temperierte Gasstrahl in Richtung der Probenhalterung orientiert ist, so dass die Probe in dem Gasstrahl erwärmt bzw. gekühlt werden kann.
Die relativ große Inkubatorkammer der aus der WO 2005/030394 A1 be-
5 kannten Inkubatorvorrichtung hat den Vorteil, dass darin verschiedene zusätzliche Vorrichtungen, beispielsweise für eine in-situ-Präparation von Proben oder für zusätzliche Messungen bzw. Untersuchungen untergebracht werden können und somit eine vielseitig einsetzbare Inkubatorvorrichtung bereitgestellt wird. Ein Hauptnachteil dieser Vorrichtung sowie anderer rela- lo tiv großer Inkubatorkammern liegt in der Schwierigkeit, eine homogene Temperaturverteilung oder eine zuverlässige, definierte Temperatur am Ort der Probe aufrecht zu erhalten. Zur Temperierung des relativ großen Kammervolumens ist ein ausreichend hoher Luftstrom erforderlich, dem auch die Probe ausgesetzt ist und der zu Undefinierten, größeren Temperaturgradien- i5 ten im Inneren der Inkubatorkammer führt. Dabei wird die Bildung von Temperaturgradienten durch die Kombination eines kleinen Gaseintrittsbereichs für das Befeuchtungsgas mit einem relativ großen Innenraumvolumen weiter unterstützt. Letztendlich kann nicht ausgeschlossen werden, dass Probenteile an unterschiedlichen Positionen in der Inkubatorkammer sich unter ver-
2o schiedenen Klimabedingungen befinden oder sich das Klima in der Inkubatorkammer an der Probenposition im Verlaufe der Messung ändert, wodurch die Aussagekraft und Genauigkeit der durchgeführten Messungen bzw. Untersuchungen erheblich beeinträchtigt werden.
25 Eine aus der DE 10 2005 033 927 A1 bekannte Inkubatorvorrichtung verwendet eine äußere Inkubatorkammer, in welcher eine innere Inkubatorkammer untergebracht ist, wobei in der inneren Inkubatorkammer eine Proben- halterung zur Aufnahme einer zu untersuchenden Probe angeordnet ist. Die innere Inkubatorkammer steht in Kontakt mit einer außerhalb der Inkubator-
30 kammer angeordneten beheizbaren Zwischenplatte, so dass Wärme über Wärmeleitung durch die Probenhalterung in die Probe eingeleitet werden kann, um die Probe zu erwärmen. Unter Verwendung einer kleineren Inkubatorkammer, wie der aus der DE 10 2005 033 927 A1 bekannten Inkubatorkammer, lässt sich ein räumlich und zeitlich konstantes Klima zwar einfacher einstellen bzw. aufrecht erhalten, jedoch weisen solche Inkubatorvorrichtungen nur äußerst begrenzte Flexibili- tat in Bezug auf die Durchführung der Untersuchungen oder Messungen auf, da für zusätzliche Gerätschaften oder zur Handhabung (Präparation) der Probe nicht ausreichend Platz zur Verfügung steht. Oftmals sind kleinere Inkubatorvorrichtungen für die Einmalpräparation der Proben vor dem Beginn der Untersuchungen eingerichtet und erlauben nach dem Verschließen der Inkubatorkammer keinen Zugang mehr zur Probe.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Inkubatorvorrichtung sowie ein Inkubationsverfahren bereitzustellen, mit welchem eine Probe während einer vorbestimmten Zeitdauer einem definierba- ren, über die Probenoberfläche hinweg konstanten Klima ausgesetzt werden kann, während ein Mindestmaß an Flexibilität im Hinblick auf den Einsatzzweck und den Betrieb der Inkubatorvorrichtung gewährleistet bleibt.
Nach einem ersten Aspekt wird diese Aufgabe gelöst durch eine Inkubator- Vorrichtung, umfassend eine Inkubatorkammer, eine Probenaufnahme, wel- ehe dazu eingerichtet ist, eine Probe aufzunehmen und im Inneren der Inkubatorkammer an einer Probenposition zu positionieren, eine Heizanordnung mit mindestens einem Heizelement, welches innerhalb der Inkubatorkammer angeordnet ist und Wärme an das Innere der Inkubatorkammer abgibt, eine Befeuchtungseinrichtung zur Erzeugung eines Befeuchtungsfluids, sowie eine zwischen der Befeuchtungseinrichtung und dem Inneren der Inkubatorkammer angeordnete Übertrittsöffnung, durch die das Befeuchtungsfluid in das Innere der Inkubatorkammer übertreten kann, wobei das Innere der Inkubatorkammer zumindestens an der Probenposition im Wesentlichen frei von gerichteter Fluidströmung ist.
Unter einem Fluid, insbesondere einem Befeuchtungsfluid, wird im Rahmen dieser Offenbarung ein Gas oder jede Mischform zwischen Gas und Flüssig- keit verstanden. Ein Befeuchtungsfluid kann ein gasförmiges Medium mit einer Feuchtigkeit in einem gewünschten Bereich sein, kann jedoch auch in Form eines Nebels, eines Dampfes oder eines Aerosols mit einer Vielzahl von fein darin verteilten Flüssigkeitsteilchen im Mikrometerbereich vorliegen. Das Befeuchtungsfluid kann darüber hinaus auch eine gegenüber der Umgebung niedrigere Feuchtigkeit aufweisen, um auf diese Weise die Feuchtigkeit in der Probenumgebung zu reduzieren.
Die Erfindung beruht auf der in zahlreichen Experimenten der Erfinder ge- wonnenen Erkenntnis, dass durch die von den Klimatisierungsgeräten herkömmlicher Inkubatorvorrichtungen im Inneren der Inkubatorkammer zwangsläufig erzeugten Gasströmungen der zeitliche Verlauf der Temperatur und Feuchtigkeit an der Probenposition sowie ein Gradient der Temperatur und Feuchtigkeit über die Fläche der Probe hinweg zu einer Beeinträch- tigung der Mess- und Untersuchungsergebnisse führt. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird dagegen vorgeschlagen, sowohl Feuchtigkeit als auch Temperatur der Probe im Wesentlichen ohne jegliche Fluidströmung am Ort der Probe zu beeinflussen.
Eng verknüpft mit dieser Erfindungsidee sind zwei wesentliche Prinzipien, die in der erfindungsgemäßen Inkubatorvorrichtung verwirklicht wurden: Zum einen kann durch Anordnen einer Heizanordnung mit mindestens einem Heizelement innerhalb der Inkubatorkammer, welches Wärme an das Innere der Inkubatorkammer abgibt, eine Temperierung der Probe bzw. des Innenraums der Inkubatorkammer gänzlich ohne die Bereitstellung eines durch den Innenraum zu leitenden Wärmeübertragungsgases oder dergleichen erreicht werden. Das mindestens eine Heizelement strahlt seine Wärme direkt in das Innere der Inkubatorkammer bzw. auf die Probe ab, d. h. die wirksame Heizoberfläche des Heizelements liegt zum Innenraum hin frei, so dass die Probentemperatur schnell und genau beeinflussbar ist, ohne eine die Konstanz des Klimas beeinträchtigende Fluidströmung zu verwenden. Das zweite wichtige Prinzip ist die Trennung von Temperatursteuerung und Feuchtigkeitssteuerung durch Bereitstellen einer von der Heizanordnung separaten Befeuchtungseinrichtung. Auch die Befeuchtungseinrichtung arbeitet nach dem erfindungsgemäßen Prinzip, Fluidströmungen an der Probenposi- tion im Inneren der Inkubatorkammer weitestgehend zu vermeiden, jedenfalls jedoch am Ort der Probe eine im Wesentlichen vollständig strömungsfreie Umgebung aufzubauen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Befeuchtungseinrichtung über eine Übertrittsöffnung von der Inkubatorkammer getrennt ist und das Befeuchtungsfluid durch diese Übertrittsöffnung in die In- kubatorkammer übertritt, seine gerichtete Strömung jedoch nach dem Eintreten in die Inkubatorkammer bald verliert, so dass zumindest die unmittelbare Umgebung der Probe nahezu vollständig strömungsfrei bleibt.
Unter einem strömungsfreien Zustand in der Umgebung der Probe ist im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Zustand zu verstehen, in welchem Wärme, Feuchtigkeit oder andere das Klima an der Probenposition beeinflussende Parameter nicht durch eine wie auch immer gerichtete Strömung signifikant geändert werden, welche auf die Einleitung des Befeuchtungs- fluids zurückzuführen ist. Hiervon zu unterscheiden ist eine ggf. vorhandene Konvektionsströmung im Inneren der Inkubatorkammer, welche beispielsweise von der durch die Heizelemente erzeugten Wärme verursacht wird. Auch andere langsame Strömungen, wie z. B. Diffusion aufgrund der thermischen Eigenbewegung der Gas- oder Flüssigkeitsteilchen in der Inkubatorkammer und Brownsche Bewegung, können erfindungsgemäß genutzt wer- den, um das Befeuchtungsmedium in der Inkubatorkammer zu verteilen und auch der Probe zuzuführen, ohne an der Probenposition eine das Probenklima destabilisierende Strömung zu erzeugen. Solche Konvektions- oder Diffusionsströme führen mit deutlich geringeren Strömungsgeschwindigkeiten zu einer natürlichen Gasumwälzung im Inneren der Inkubatorkammer, sind jedoch so schwach und langsam, dass sie die Präzision und zeitliche Konstanz des Klimas an der Probenposition kaum beeinträchtigen.
Vorzugsweise tritt das Befeuchtungsfluid an der Übertrittsöffnung in gerichte- ter Strömung in das Innere der Inkubatorkammer ein, wobei die Geschwindigkeit, mit welcher das Befeuchtungsfluid die Übertrittsöffnung passiert, so eingestellt ist, dass das Befeuchtungsfluid vor und in der Übertrittsöffnung in gerichteter Strömung strömt und dass nach dem Passieren der Übertrittsöff-
5 nung, im Inneren der Inkubatorkammer, die gerichtete Strömung des Be- feuchtungsfluids innerhalb eines kurzen Übergangsbereichs im Wesentlichen auf Null abfällt. Der Geschwindigkeitsbereich zur Erfüllung dieser Bedingung hängt von der Geometrie und den Betriebsdaten der Inkubatorkammer ab. Einen genauen Wert kann der Fachmann durch einfache Messung lo an einer konkreten Inkubatorkammer leicht feststellen, beispielsweise durch Verwendung eines Strömungssensors am Ort der Probe oder durch ein eingefärbtes Befeuchtungsfluid in Kombination mit der Veränderung der Übertrittsgeschwindigkeit des Befeuchtungsfluids in die Inkubatorkammer.
i5 In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Probenaufnahme dazu eingerichtet ist, eine Probe im Inneren der Inkubatorkammer an einer Probenposition zu positionieren, welche von der Übertrittsöffnung einen vorbestimmten Abstand aufweist, wobei die Länge des Übergangsbereichs in Übertrittsrichtung der Übertrittsöffnung einen Betrag aufweist, der
2o zwischen ungefähr 0 und ungefähr 1/4, vorzugsweise zwischen ungefähr 1/100 und ungefähr -=1/10 des vorbestimmtem Abstands liegt. Untersuchungen der Erfinder haben gezeigt, dass im Bereich zwischen ungefähr 0 und ungefähr 1/10 des vorbestimmten Abstands eine deutliche Verbesserung der zeitlichen und räumlichen Konstanz des Klimas an der Probenposition auf-
25 tritt. Besonders gute Ergebnisse für spezielle Qualitätsansprüche lassen sich im Bereich zwischen ungefähr 1/100 bis ungefähr 1/10 erreichen, wobei für Werte unterhalb 1/100 die Übertrittsströmung so gering ist, dass ein sicherer und kontinuierlicher Übertritt des Befeuchtungsfluids in die Inkubatorkammer gefährdet ist, während für Werte über 1/10 ein zunehmender Einfluss der
30 Strömungsgeschwindigkeit auf das Probenklima festgestellt wurde.
Aber auch unabhängig von der genauen Größe der Inkubatorkammer konnte festgestellt werden, dass die Länge des Übergangsbereichs in Übertritts- richtung der Übertrittsöffnung vorteilhaft zwischen ungefähr 0 cm und ungefähr 10 cm liegen sollte, wobei besonders gute Ergebnisse für höhere Anforderungen an die Konstanz des Klimas für einen Bereich der Länge des Übergangsbereichs zwischen ungefähr 1 cm und ungefähr 3 cm erfüllt wer- den. Unterhalb von ungefähr 1 cm steigt die Gefahr, dass eine kontinuierliche Zuführung von Befeuchtungsfluid ausbleibt, während für Werte über ungefähr 3 cm ein merklicher Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit auf das Probenklima festgestellt wurde.
Vorzugsweise ist die Befeuchtungseinrichtung eine Aerosoleinrichtung, welche auf Grundlage eines Flüssigkeitsaerosols ein Befeuchtungsfluid erzeugt. Gegenüber alternativen herkömmlichen Methoden zur Herstellung eines Be- feuchtungsfluids (z. B. Verdampfung von Opferflüssigkeit) zeichnet sich eine Aerosoleinrichtung dadurch aus, dass die Flüssigkeit schnell und direkt in Form eines Aerosols in das umgebende Gas eingebracht wird, um dieses zu befeuchten. Das Aerosol verdampft dabei aufgrund der thermischen Energie des umgebenden Gases relativ schnell. Diese Verdampfung kann bereits unmittelbar nach der Erzeugung der Aerosolkügelchen, also noch vor dem Übertritt in die Inkubatorkammer, erfolgen oder/und kann erst innerhalb der Inkubatorkammer stattfinden.
Die Aerosoleinrichtung kann ferner ein Piezoschwingelement aufweisen, um aus einer Betriebsflüssigkeit das Flüssigkeitsaerosol zu erzeugen. Ein solches Piezoschwingelement kann besonders leicht und schnell angesteuert werden und erzeugt aufgrund seiner Hochfrequenzschwingung sehr schnell Aerosolteilchen im Bereich von wenigen Mikrometern ausgehend von der Betriebsflüssigkeit. Eine Feuchtigkeitsregulierung unter Verwendung einer solchen Aerosoleinrichtung ist äußerst schnell und kann genau reguliert oder ein- bzw. ausgeschaltet werden. Gleichzeitig ist sie ausschließlich für die Feuchtigkeitsregulierung verantwortlich und beeinflusst somit nicht die Temperatur der Probe. Befeuchtungsregulierung und Temperierung der Probe sind erfindungsgemäß entkoppelt. Vorzugsweise weist die Inkubatorvorrichtung ferner eine Fluidantriebsein- richtung zur Erzeugung einer gerichteten Strömung des Befeuchtungsfluids mit vorbestimmter Geschwindigkeit zur Übertrittsöffnung hin auf. Die von der Fluidantriebseinrichtung dem Befeuchtungsfluid verliehene Geschwindigkeit 5 ist dabei nach den oben genannten Kriterien so gewählt, dass im Inneren der Inkubatorkammer, zumindest jedoch im näheren Umfeld der Probe, keine über die langsame Konvektionsströmung hinausgehende Strömung des Befeuchtungsfluids mehr vorhanden ist.
lö In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Inkubatorvorrichtung eine Gasauslassöffnung, welche separat von der Übertrittsöffnung vorgesehen ist, so dass Gas durch die Gasauslassöffnung aus der Inkubatorkammer austreten kann. Auf diese Weise kann ein Innendruck in der Inkubatorkammer beeinflusst werden und z. B. konstante Druckverhältnisse im Inneren i5 der Inkubatorkammer erhalten werden. Die Gasauslassöffnung kann vorteilhaft mit der Übertrittsöffnung oder mit der Befeuchtungseinrichtung über einen Zirkulationskanal verbunden sein, so dass aus der Gasauslassöffnung austretendes Gas wieder zu der Übertrittsöffnung bzw. zu der Befeuchtungseinrichtung zurückgeführt werden kann. Die Fluidantriebseinrichtung kann
20 dann in dem Zirkulationskanal oder zwischen Aerosoleinrichtung und Übertrittsöffnung angeordnet sein, so dass sie einen geschlossenen, kontinuierlichen Gaskreislauf verursacht. Wenn die Fluidantriebseinrichtung eine Saugeinrichtung aufweist, um Fluid aus der Inkubatorkammer in den Zirkulationskanal anzusaugen, so lässt sich eine definierte Strömungsgeschwindigkeit
25 mit einfachen, an sich bekannten Mitteln realisieren.
Die von der Fluidantriebseinrichtung erzeugten Strömungsgeschwindigkeiten sind dabei erfindungsgemäß so gewählt, dass sie zwar einen kontinuierlichen Übertritt des Befeuchtungsfluids in die Inkubatorkammer sicherstellen, 30 die Strömungsverhältnisse im Inneren der Inkubatorkammer aber im Wesentlichen nicht beeinflussen. Nach dem Eintritt des Befeuchtungsfluids in die Inkubatorkammer wird das Befeuchtungsfluid in der Inkubatorkammer nahezu ausschließlich aufgrund von Konvektionsströmungen, Brownscher Teilchenbθwegung usw. verteilt. Die Erfinder haben festgestellt, dass allein diese quasi-zufälligen ungerichteten bzw. sehr langsamen Strömungsbewegungen im Inneren der Inkubatorkammer ausreichend oder sogar überraschend besser geeignet sind, um die gewünschte Feuchtigkeit an einer Pro- benposition zuverlässig herzustellen und konstant zu halten. Insbesondere haben sich die Erfinder hierbei über das Vorurteil der Fachwelt hinweg gesetzt, ein konstantes Klima an der Probenposition würde eine konstante, gerichtete Strömung von Klimatisierungsgas über die Probe erfordern.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Heizanordnung bezüglich einer vertikalen Achse durch die Probenposition im Wesentlichen symmetrisch aufgebaut oder/und weist bezüglich dieser Achse symmetrische Wärmeabgabecharakteristiken auf. Die symmetrische Konfiguration der Heizanordnung bewirkt einen im Wesentlichen nur vertikalen Temperaturgradienten innerhalb der Inkubatorkammer, was dazu führt, dass die Temperatur der Probe zumindest über die Probenoberfläche hinweg konstant ist. Dabei sollen sich im Sinne der vorliegenden Erfindung Begriffe wie horizontal, vertikal, oben, unten, seitwärts und dergleichen auf eine normale Betriebssituation der Inkubatorkammer und auf eine flächige Gestalt und Orientierung der Probe in einer horizontalen Ebene beziehen. Diese Angaben sind nicht einschränkend zu interpretieren und können ohne weiteres auch auf andere Orientierungen oder Geometrien der Probe bzw. andere Geometrien und Orientierungen der Inkubatorkammer analog übertragen werden.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das mindestens eine Heizelement plattenförmig, so dass es eine relativ große Wärmeabgabefläche aufweist. Hier wird insbesondere an ein Flächenheizelement, z. B. ein Niedertemperatur-Flächenheizelement, gedacht, so dass eine möglichst homo- gene Temperaturverteilung im Wärmeabstrahlfeld des Heizelements erreichbar ist.
Die Hauptwärmeabstrahirichtung des mindestens einen Heizelements weist vorzugsweise zur Probenposition hin. Auf diese Weise kann eine gut homogene Erwärmung der Probe im Wesentlichen durch Wärmestrahlung erfolgen, was eine schnelle und genaue Temperaturführung ermöglicht. Als besonders wirkungsvolle Anordnung hat sich eine Ausführungsform herausge- stellt, bei welcher eine Mehrzahl von oberen Heizplatten oberhalb einer Probenebene und im Wesentlichen symmetrisch zu einer durch die Probenposition verlaufenden Vertikalachse angeordnet sind oder/und eine Mehrzahl von unteren Heizplatten unterhalb der Probenebene und im Wesentlichen symmetrisch zu der Vertikalachse angeordnet sind. In dieser Anordnung ist eine größere Umgebung der Probe einem im Wesentlichen konstanten Temperaturfeld ausgesetzt, wobei ein Temperaturgradient allenfalls in vertikaler Richtung auftritt.
In vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung wurde eine Inkubatorvorrichtung mit im Wesentlichen strömungsfreier Probenumgebung vornehmlich durch Wahl einer geeigneten Übertrittsgeschwindigkeit des Be- feuchtungsfluids in die Inkubatorkammer realisiert. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung ist jedoch ebenfalls denkbar, zusätzlich oder alternativ zur Begrenzung der Übertrittsgeschwindigkeit Maßnahmen zu treffen, die verhindern, dass die gerichtete Strömung des Befeuchtungsfluids die Probenumgebung erreicht. Eine solche Maßnahme kann die Bereitstellung einer Befeuchtungsfluid-Ablenkfläche sein, welche in Übertrittsrichtung des Befeuchtungsfluids der Übertrittsöffnung nachfolgend, also im Inneren der Inkubatorkammer, angeordnet ist, so dass in die Inkubatorkammer übergetrete- nes Befeuchtungsfluid auf die Befeuchtungsfluid-Ablenkfläche trifft. Denkbar wäre außerdem die Positionierung der Übertrittsöffnung an solcher Position innerhalb der Inkubatorkammer, dass zwischen Übertrittsöffnung und Probe keine geradlinige Verbindung innerhalb der Inkubatorkammer besteht. Auf diese Weise kann die gerichtete Strömung des Befeuchtungsfluids zumin- dest nicht auf direktem Wege zur Probenposition gelangen, so dass auch bei höheren Übertrittsgeschwindigkeiten des Befeuchtungsfluids gewährleistet werden kann, dass zumindest die unmittelbare Probenumgebung frei von gerichteter Strömung ist. Auch andere eine Auflösung der Strömung des Be- fβuchtungsfluids innerhalb der Inkubatorkammer bewirkende Einrichtungen sind einsetzbar.
Anknüpfend an solche zusätzlichen oder alternativen Maßnahmen zur Redu- 5 zierung der gerichteten Strömung von Befeuchtungsfluiden an der Probenposition wird nach einem zweiten Aspekt der Erfindung zur Lösung der oben genannten Erfindungsaufgabe eine Inkubatorvorrichtung bereitgestellt, umfassend eine Inkubatorkammer.eine Probenaufnahme, welche dazu eingerichtet ist, eine Probe aufzunehmen und im Inneren der Inkubatorkammer an lo einer Probenpositioπ zu positionieren, eine Heizanordnung mit mindestens einem Heizelement welches innerhalb der Inkubatorkammer angeordnet ist und Wärme an das Innere der Inkubatorkammer abgibt, eine Befeuchtungseinrichtung zur Erzeugung eines Befeuchtungsfluids, sowie eine zwischen der Befeuchtungseinrichtung und dem Inneren der Inkubatorkammer ange- i5 ordnete Übertrittsöffnung, durch die das Befeuchtungsfluid entlang einer Übertrittsströmungsrichtung in gerichteter Strömung in das Innere der Inkubatorkammer übertritt, wobei die Übertrittsströmungsrichtung in einer von der Probenposition wegführenden Richtung verläuft.
2o Somit soll nach dem zweiten Aspekt der Erfindung das Befeuchtungsfluid beim Übertraft in die Inkubatorkammer eine Strömungsrichtung aufweisen, " die von der Probenposition wegführt. Unter einer von der Probenposition wegführenden Richtung wird im Sinne der vorliegenden Erfindung jede Strömungsrichtung verstanden, entlang der sich die strömenden Teilchen des
25 Befeuchtungsfluids zumindest nicht der Probenposition annähern. Das heißt, dass zwischen einer die Übertrittsöffnung und die Probenposition verbindenden Linie und der Übertrittsströmungsrichtung ein Winkel von zumindest ungefähr 90° eingeschlossen sein sollte.
30 Durch eine Übertrittsöffnung mit solcher Übertrittsströmungsrichtung wird das Befeuchtungsfluid nach dem Übertritt in die Inkubatorkammer nicht in Richtung der Probe sondern in eine andere Richtung geschickt, so dass gerichtet strömende Teilchen des Befeuchtungsfluids die Probenposition nicht oder erst nach Reflexion an einem anderen Element im Inneren der Inkubatorkammer erreichen können. Eine gerichtete Strömung am Probenort kann auf diese Weise verhindert oder soweit reduziert werden, dass an der Probenposition im Wesentlichen nur ungerichtete Strömungsverhältnisse auf- grund natürlicher (thermischer) Konvektionsströme und Diffusion vorliegen.
Nach einem dritten Aspekt wird die Erfindungsaufgabe gelöst durch eine Inkubatorvorrichtung, umfassend eine Inkubatorkammer, eine Probenaufnahme, welche dazu eingerichtet ist, eine Probe aufzunehmen und im Inneren der Inkubatorkammer an einer Probenposition zu positionieren, eine Heizanordnung mit mindestens einem Heizelement, welches innerhalb der Inkubatorkammer angeordnet ist und Wärme an das Innere der Inkubatorkammer abgibt, eine Befeuchtungseinrichtung zur Erzeugung eines Befeuchtungs- fluids, sowie eine zwischen der Befeuchtungseinrichtung und dem Inneren der Inkubatorkammer angeordnete Übertrittsöffnung, durch die das Befeuch- tungsfluid entlang einer Übertrittsströmungsrichtung in gerichteter Strömung in das Innere der Inkubatorkammer übertritt, wobei die Übertrittsströmungsrichtung gegen eine Befeuchtungsfluid-Ablenkfläche gerichtet ist, an welcher das Befeuchtungsfluid abgelenkt wird.
Vergleichbar mit der Inkubatorvorrichtung des vorstehend genannten zweiten Aspekts der Erfindung wird auch in der Inkubatorvorrichtung des dritten Aspekts der Erfindung eine direkte Strömung des übergetretenen Befeuch- tungsfluids zur Proben position verhindert, wobei nach dem dritten Aspekt hierzu eine Befeuchtungsfluid-Ablenkfläche zum Einsatz kommt, an der das Befeuchtungsfluid, vorzugsweise in eine von der Probenposition wegführende Richtung, abgelenkt wird. Die Einstellung der Strömungsrichtung des Be- feuchtungsfluids muss dann nicht bereits an der Übertrittsöffnung erfolgen, sondern kann durch die Befeuchtungsfluid-Ablenkfläche bereitgestellt wer- den, welche auch als Nachrüstelement hinter einer Übertrittsöffnung installierbar ist.
Vorteilhaft können die Merkmale der Inkubatorvorrichtungen des zweiten und dritten Aspekts der Erfindung miteinander kombiniert werden, indem eine bereits von der Probe wegweisende Übertrittsöffnung mit einer Be- feuchtungsfluid-Ablenkfläche kombiniert wird, um den Weg des Befeuch- tungsfluids zur Probenposition weiter zu verlängern oder das Aufprallen von Befeuchtungsfluid auf bestimmten Elementen im Inneren der Inkubatorkammer zu verhindern. Ferner können Inkubatorvorrichtungen des zweiten oder dritten Aspekts jeweils für sich oder in Kombination miteinander durch eines oder mehrere der in Zusammenhang mit dem ersten Aspekt der Erfindung erläuterten Merkmale weitergebildet werden, um die an entsprechender Stel- Ie vorstehend genannten Effekte zu erzielen. So ist es insbesondere aber auch für Inkubatorvorrichtungen des zweiten oder/und dritten Aspekts der Erfindung bevorzugt, dass sich die gerichtete Strömung von Befeuchtungsfluid am Ort der Probe im Wesentlichen vollständig auflöst, so dass an der Probenposition nur natürliche Konvektionsströme aufgrund der Temperatur- einstellungen der Heizeinrichtung oder ungerichtete Diffusionsströme vorliegen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Inkubatorvorrichtung des dritten Aspekts der Erfindung kann die Befeuchtungsfluid-Ablenkfläche an der Heiz- anordnung ausgebildet sein. Auf diese Weise wird durch die Doppelfunktion der Heizanordnung als Wärmequelle und als Befeuchtungsfluid-Ablenkfläche nicht nur eine Bauteileinsparung erzielt, die Ablenkung des Befeuchtungs- fluids an der Heizanordnung bietet außerdem den Vorteil, dass das Befeuchtungsfluid an der beheizten Ablenkfläche nicht kondensiert und somit der Feuchtigkeitseintrag in das Innere der Inkubatorkammer nicht reduziert wird. Außerdem wird durch die Vermeidung der Kondensation auch eine Verschmutzung der Befeuchtungsfluid-Ablenkfläche erreicht.
Die Übertrittsöffnung kann an einem das Innere der Inkubatorkammer defi- nierenden Wandabschnitt der Inkubatorkammer angeordnet sein, um einen einfachen Aufbau der Vorrichtung sicherzustellen. In einer Ausführungsform der Erfindung wird jedoch daran gedacht, dass die Übertrittsöffnung an einem Düsenabschnitt einer im Inneren der Inkubatorkammer verlaufenden Fluidleitung vorgesehen ist. Eine solche Fluidleitung bietet die Möglichkeit, die Übertrittsöffnung in einfacher Weise an einer gewünschten Position im Inneren der Inkubatorkammer zu positionieren und/oder die Übertrittsströmungsrichtung der Übertrittsöffnung durch entsprechende Leitungsführung
5 oder entsprechende Konfiguration des Düsenabschnitts anzupassen. Eine solche Fluidleitung kann sich ferner im Inneren der Inkubatorkammer verzweigen, um mehrere Übertrittsöffnungen an verschiedenen Positionen im Inneren der Inkubatorkammer anzuordnen und somit die Strömungsverhältnisse in der Inkubatorkammer weiter zu beruhigen. Diese Vorteile können für iö Inkubatorvorrichtungen aller Aspekte der Erfindung genutzt werden.
Die Erfindung lässt sich mit besonderem Vorteil einsetzen, wenn die Inkubationsvorrichtung ein Mikroskop zur Betrachtung oder/und zur Vermessung der Probe umfasst, wobei die Probenaufnahme den Probenhalter des Mikro- i5 skops umfasst oder bildet und wobei zumindest die Probenaufnahme oder im Wesentlichen das gesamte Mikroskop innerhalb der Inkubatorkammer untergebracht ist. Durch die erfindungsgemäße Kombination von Heizanordnung und Befeuchtungsanordnung kann auch in einer größeren Inkubatorkammer ein räumlich und zeitlich konstantes Klima aufrecht erhalten wer-
20 den, so dass sich die Erfindung besonders gut für ein Mikroskop eignet und gleichzeitig genug Raum für die- Handhabung der Probe in der Inkubatorkammer oder für zusätzliche Messungen/Untersuchungen der Probe im Probenhalter des Mikroskops bereitstellt.
25 Die Erfindungsaufgabe wird nach einem vierten Aspekt der Erfindung ferner durch ein Inkubationsverfahren gelöst, welches die folgenden Schritte umfasst:
Aufnehmen einer Probe in einer Probenaufnahme im Inneren einer Inkubatorkammer an einer Probenposition,
30 - Betreiben von mindestens einem im Inneren der Inkubatorkammer angeordneten Heizelement, so dass es Wärme an das Innere der Inkubatorkammer abgibt, Betreiben einer Befeuchtungseinrichtung, so dass sie ein Befeuch- tungsfluid erzeugt, sowie
Bewegen des Befeuchtungsfluids zu einer Übertrittsöffnung, so dass das Befeuchtungsfluid durch diese in das Innere der Inkubatorkammer übertreten kann, wobei die Bewegung mit einer vorbestimmten Ge- schwindigkeit erfolgt, die ausreichend klein ist, so dass das Innere der
Inkubatorkammer zumindestens an der Probenposition im Wesentlichen frei von gerichteter Fluidströmung ist.
In dem Schritt der Bewegung des Befeuchtungsfluids zur Übertrittsöffnung kann die Bewegungsgeschwindigkeit des Befeuchtungsfluids nach den vorstehend für die erfindungsgemäße Inkubatorvorrichtung genannten Kriterien eingestellt werden, um insbesondere die Größe des Übergangsbereichs zwischen gerichteter Strömung und Auflösung der gerichteten Strömung einzustellen.
Mit dem erfindungsgemäßen Inkubationsverfahren werden die Effekte und Vorteile erzielt, welche durch die entsprechenden Merkmale der vorstehend beschriebenen Inkubationsvorrichtung erzielt werden und oben beschrieben wurden. Das Inkubationsverfahren wird bevorzugt mit einer erfindungsgemä- ßen Inkubationsvorrichtung der oben beschriebenen Art ausgeführt.
Die Erfindung erstreckt sich ferner auf ein Verfahren zur mikroskopischen Untersuchung oder/und Vermessung einer Probe, umfassend ein Inkubationsverfahren der vorstehend genannten Art. Durch die verbesserte räumli- che und zeitliche Konstanz des Klimas in der unmittelbaren Umgebung der Probe aufgrund des erfindungsgemäßen Inkubationsverfahrens erzielt das Verfahren zur mikroskopischen Untersuchung oder/und Vermessung einer Probe gemäß der Erfindung den Vorteil, dass zuverlässigere und aussagekräftigere Untersuchungs-/Messungsergebnisse erreichbar sind.
Für die tatsächliche Größe des Übergangsbereichs haben die Erfinder einen Bereich zwischen ungefähr 0 cm und ungefähr 10 cm, vorzugsweise einen Bereich zwischen ungefähr 1 cm und ungefähr 3 cm als besonders wir- kungsvoll ermittelt. In dem bevorzugten Bereich zwischen ungefähr 1 cm und ungefähr 3 cm kann einerseits ein zuverlässiger Übertritt des Befeuch- tungsfluids in die Inkubatorkammer sichergestellt werden und andererseits jegliche gerichtete Strömung an der Probenposition aufgrund des einströ- menden Befeuchtungsfluids sicher vermieden werden.
Weiterhin wird die Erfindungsaufgabe nach einem fünften und sechsten Aspekt der Erfindung durch Inkubationsverfahren gemäß den Ansprüchen 14 bzw. 15 gelöst. Diese Inkubationsverfahren erzielen die Effekte und Vor- teile, welche durch die besonderen Merkmale der vorstehend beschriebenen Inkubatorvorrichtungen des zweiten bzw. dritten Aspekts der Erfindung beschrieben wurden, und sie sind vorzugsweise unter Verwendung einer Inkubatorvorrichtung nach dem zweiten bzw. dritten Aspekt der Erfindung ausführbar.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, wobei
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Inkubatorvorrichtung ge- maß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt und
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Inkubatorvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
In Fig. 1 ist eine Inkubatorvorrichtung eines ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels allgemein mit 10 bezeichnet und umfasst eine hermetisch abdichtbare Inkubatorkammer 12, in welcher eine Probe 14 in einem Probenhalter 15 an einer Probenposition P in einer horizontalen Ebene H aufgenommen werden kann, um die Probe bei einem vorbestimmten Klima, d. h. bei vorbestimmter Temperatur und vorbestimmter Feuchtigkeit zu halten. Die Inkubatorkammer 12 umschließt einen Teil eines in Fig. 1 nicht dargestellten Mikroskops bzw. weist Fenster für den Durchgang von Betrachtungsstrahlen für ein Mikroskop auf, so dass die Probe 14 einer mikroskopischen Untersuchung unterzogen werden kann, während sie dem konstanten Klima in der Inkubatorkammer 12 ausgesetzt ist.
Außerhalb der Inkubatorkammer ist eine Aerosoleinrichtung 16 vorgesehen, welche einen Wassertank 18 zur Aufnahme von Wasser als Betriebsflüssigkeit sowie ein Piezoelement 20 in Kontakt mit dem Wasser bzw. dem Wassertank 18 umfasst. Oberhalb des Wassertanks 18 befindet sich eine Aerosolkammer 22, welche das aus dem Wasser durch Anregen des Piezoele- ments 20 erzeugte Aerosol 24 aufnimmt.
Die Aerosoleinrichtung 16 ist Teil eines geschlossenen Fluid kreislaufs 26. In Strömungsrichtung F des Fluidkreislaufs 26 folgt der Aerosoleinrichtung 16 ein Übertrittskanal 28, der zu einer Übertrittsöffnung 30 führt, an welcher der Übertrittskanal 28 in das Innere der Inkubatorkammer 12 mündet. Die Inku- batorkammer 12 weist ferner eine Gasauslassöffnung 32 auf, an die sich ein Zirkulationskanal 34 anschließt, der die Gasauslassöffnung 32 mit der Aerosoleinrichtung 16 verbindet. Im Zirkulationskanal 34, kurz nach der Gasauslassöffnung 32, ist eine Saugeinrichtung 36 angeordnet, welche mit vorbestimmter Geschwindigkeit bzw. Strömungsrate Gas aus dem Inneren der In- kubatorkammer 12 absaugt. Die Saugeinrichtung 36 wirkt als Fluidantriebs- einrichtung zur Erzeugung einer gerichteten Strömung in dem Zirkulationskanal und bewirkt auf diese Weise ebenfalls eine gerichtete Strömung von Befeuchtungsfluid von der Aerosoleinrichtung 16 durch den Übertrittskanal 28 zur Übertrittsöffnung 30 hin.
Die Inkubatorkammer 12 des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels weist im horizontalen Schnitt eine rechteckige Grundfläche auf, während sie im Schnitt entlang der Zeichenebene der Fig. 1 eine grob sechseckige Gestalt hat. Die Form der Inkubatorkammer kann den Anforderungen der kon- kreten Anwendung sehr flexibel angepasst werden, da die erfindungsgemäße Konfiguration der Einrichtungen zur Klimasteuerung auch für große Inkubatorkammern oder Inkubatorkammern mit besonderen Innengeometrien stabile Klimaverhältnisse gewährleistet. Im Inneren der lnkubatorkammer 12 sind an den Innenwänden der Inkubatorkammer 12 zwei obere Heizelemente 38 oberhalb der Probenebene H und zwei untere Heizelemente 40 unterhalb der Probenebene H installiert. Die Heizelemente 38, 40 sind Niedertemperatur-Flächenheizelemente und weisen eine besonders große Abstrahlfläche auf. Die Abstrahlflächen der Heizelemente 38, 40 sind zur Probenposition P hin gerichtet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Abstrahlflächen der Heizelemente 38, 40 so groß, dass sie einen großen Teil der Innenwand der Inkubatorkammer 12, insbesondere mehr als ein Drittel der Innenfläche einnehmen, so dass ein konstantes Temperaturfeld erreicht werden kann.
Bezüglich einer vertikalen Achse V durch die Probenposition P sind die Heizelemente 38, 40 symmetrisch angeordnet, so dass sie einen allenfalls im Wesentlichen entlang der vertikalen Achse V verlaufenden Temperaturgradienten erzeugen und somit die Probentemperatur im Wesentlichen über die gesamte Fläche der Probe 14 in der Ebene H hinweg konstant ist.
Im Betrieb der Inkubatorvorrichtung 10 wird zur Erhöhung der Feuchtigkeit im Inneren der Probenkammer 12 das Piezoelement 20 eingeschaltet, welches daraufhin aus dem Wasser im" Wassertank 18 ein Aerosol 24 erzeugt, das sich in der Aerosolkammer 22 ansammelt. Durch den Betrieb der Saugeinrichtung 36 und die damit erzeugte gerichtete Strömung im Zirkulationskanal 34 wird das Aerosol 24 aus der Aerosolkammer 22 durch den Über- trittskanal 28 zur Übertrittsöffnung 30 hin bewegt. Aufgrund der erhöhten Umgebungstemperatur beginnt das Aerosol 24 sofort nach seiner Erzeugung zu verdampfen. Je nach konkret gewählten Betriebsparametern kann die Verdampfung im Wesentlichen erst in der Inkubatorkammer 12 stattfinden, kann bereits im Übertrittskanal 28 vonstatten gehen oder die Verdamp- fung kann ggf. bereits in der Aerosolkammer 22 stattfinden bzw. dort bereits abgeschlossen werden, bevor das Befeuchtungsfluid in den Übertrittskanal 28 eintritt. Diθ Saugeinrichtung 36 wird erfindungsgemäß mit einer solchen Geschwindigkeit betrieben, dass zwar in dem Übertrittskanal 28 bis hin zur Übertrittsöffnung 30 eine zuverlässige, gerichtete Strömung des Befeuchtungsfluids stattfindet, so dass das Befeuchtungsfluid zuverlässig in die Inkubatorkam- mer 12 eingeführt wird, dass jedoch diese gerichtete Strömung innerhalb eines Übergangsbereichs 42, der sich von der Übertrittsöffnung 30 in Richtung des Übertritts bis zu einer Tiefe d in die Inkubatorkammer 12 hinein erstreckt, im Wesentlichen vollständig zum Erliegen kommt, so dass außerhalb des Übergangsbereichs 42 nur noch ungerichtete Strömungsverhältnisse aufgrund der natürlichen Konvektionsströme, der Brownschen Teilchenbewegung und andere gaskinetischer Faktoren vorlegt.
Ein Abstand zwischen der Übertrittsöffnung 30 und der Probenposition P ist in Fig. 1 mit I bezeichnet, wobei die Länge des Übergangsbereichs d unge- fähr 1/10 des vorbestimmten Abstands I beträgt (Fig. 1 ist eine schematische, nicht-maßstabsgetreue Darstellung, in welcher Größenverhältnisse zu Illustrationszwecken zum Teil stark von den real bevorzugten Verhältnissen abweichen können). Aufgrund dieses Abstandsverhältnisses ist gewährleistet, dass eine gerichtete Strömung des Befeuchtungsfluids selbst die peri- pheren Bereiche 43 der Probe 14 nicht trifft. Für eine typische Inkubatorvorrichtung kann der Abstand d z. B. ungefähr 2 cm betragen.
In einer in Fig. 1 durch gestrichelte Linien dargestellten Variante der Erfindung ist in der Inkubatorkammer 12 in einem Abstand von etwa 2 cm von der Übertrittsöffnung 30 ein Prallblech 44 angeordnet, derart, dass die Strömung des Befeuchtungsfluids durch die Übertrittsöffnung 30 hindurch auf das Prallblech 44 gerichtet ist. Unter Verwendung eines solchen Prallblechs kann in jedem Falle sichergestellt werden, dass die gerichtete Strömung des Befeuchtungsfluids zumindest nicht den Bereich der näheren Umgebung der Probenposition P erreicht. In einigen Ausführungsformen kann in diesem Fall die Geschwindigkeit des Befeuchtungsfluids auch erhöht werden (z. B. auf eine Geschwindigkeit, die ohne das Prallblech dazu führen würde, dass die gerichtete Strömung des Befeuchtungsfluids bis zur Probenposition reicht), um etwa einen schnelleren oder zuverlässigeren Eintritt des Befeuchtungs- fluids in die Inkubatorkammer 12 sicherzustellen. Das Prallblech 44 lenkt das Befeuchtungsfluid dann in eine Richtung ab, die nicht direkt zur Probenposition P hin führt.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird nachfolgend ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Gegenüber Fig. 1 sind gleiche oder entsprechende Merkmale in Fig. 2 mit um 100 erhöhten Bezugszeichen bezeichnet. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zur ersten Ausführungsform nä- her erläutert, wobei bezüglich der übrigen Merkmale und Effekte ausdrücklich auf die Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels verwiesen wird.
Die Inkubatorvorrichtung 110 des zweiten Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von der Inkubatorvorrichtung 10 des ersten Ausführungsbeispiel be- sonders dadurch, dass Befeuchtungsfluid 124 vor dem Eintritt in eine Inkubatorkammer 112 in einer Fluidleitung 150 geführt wird, welche im Inneren der Inkubatorkammer 112 angeordnet ist. Die Fluidleitung 150 ist verzweigt und umfasst einen gemeinsamen Zuführungsabschnitt 152 sowie einen ersten Verzweigungsabschnitt 154 und eine zweiten Verzweigungsabschnitt 156, welcher an einem Verzweigungspunkt 158 von dem Zuführungsabschnitt 452 abzweigt.
Am freien Ende des ersten Verzweigungsabschnitts 154 ist eine ersten Düse 160 angeordnet und am freien Ende des zweiten Verzweigungsabschnitts 156 ist eine zweiten Düse 162 angeordnet. Die Verzweiungsabschnitte 154 und 156 der Fluidleitung 150 sind im Inneren der Inkubatorkammer 112 so geführt, dass die beiden Düsen 160 und 162 Befeuchtungsfluid gleichzeitig an unterschiedlichen Stellen in das Innere der Inkubatorkammer 112 übertreten lassen. Die Düsen 160 und 162 bilden jeweils eine Übertrittsöffnung im Sinne der vorliegenden Erfindung.
Die Düsen 160 und 162 sind dafür eingerichtet, Befeuchtungsfluid gerichtet abzugegen, wobei die ersten Düse 160 Befeuchtungsfluid in einer Abgabe- richtung n abgibt und die zweite Düse 162 Befeuchtungsfluid in einer Abgaberichtung r2 abgibt. Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, verlaufen die Abgaberichtungen n und r2 jeweils in einer von der Probenposition P wegführenden Richtung, im vorliegenden Fall schließen sie mit einer zur Probenposition P weisenden Richtung sogar einen Winkel von ungefähr 180° ein, so dass der Einfluss der gerichteten Strömung des Befeuchtungsfluids auf die Probe deutlich reduziert wird.
Ferner sind die Abgaberichtungen n und r2 auf Heizplatten 140 gerichtet, welche für Befeuchtungsfluid undurchlässig sind und Befeuchtungsfluid-Ab- lenkflächen im Sinne der Erfindung bilden. An diesen Heizplatten 140 wird die Strömung des Befeuchtungsfluids nach mehreren Seiten abgelenkt, so dass die gerichtete Strömung des Befeuchtungsfluids weiter drastisch verringert wird, da die Strömung an den Heizelementen 140 in gewisser Weise zerstreut wird.
Das Ablenken des Befeuchtungsfluidstroms an den Heizelementen 140 hat den zusätzlichen Vorteil, dass das Befeuchtungsfluid an der temperierten Oberfläche der Heizelemente 140 nicht kondensiert. Es wird damit verhin- dert, dass einzelne Tröpfchen des Aerosols 124 sich an der Ablenkfläche zu einem Flüssigkeitsfilm zusammenschließen und somit' für den Feuchtigkeitseintrag in das Innere der Inkubatorkammer nicht zur Verfügung stehen und stattdessen an den Ablenkflächen verbleiben und eine Verschmutzung derselben bewirken.
Der Betrieb der Inkubatorvorrichtung 110 des zweiten Ausführungsbeispiels erfolgt weitestgehend entsprechend dem des ersten Ausführungsbeispiels. Ein aus einem Aerosol 124 gebildetes Befeuchtungsfluid tritt unter der Wirkung einer Saugeinrichtung 136 aus einer Aerosoleinrichtung 116 in einen Übertrittskanal 128 ein und wird von diesem in die Fluidleitung 150 geleitet. Am Verzeigungspunkt 158 strömt ein erster Teil des Befeuchtungsfluids in den ersten Verzweigungsabschnitt 154, während ein zweiter Teil des Befeuchtungsfluids in den zweiten Verzweigungsabschnitt 156 eintritt. An den Düsen 160, 162 tritt das Befeuchtungsfluid jeweils in Abgaberichtungen n und r2 in das Innere der Inkubatorkammer 112 über und prallt anschließend auf ein jeweiliges Heizelement 140. Von dem Heizelement 140 wird das Befeuchtungsfluid abgelenkt, wobei die gerichtete Strömung reduziert wird. Vorzugsweise sind die Heizelemente 140 so ausgerichtet, dass auch die Reflexionsrichtungen, in die das auf die Heizelemente 140 auftreffende Befeuchtungsfluid abgelenkt werden, nicht direkt und zur Probenposition hin weisen.
Durch die Ausrichtung der Düsen 160, 162 wird der bis zur Probenposition P zurückzulegende Weg für das Befeuchtungsfluid verlängert. Die Ablenkung an den Heizelementen 140 bewirkt eine Richtungsauflösung oder Zerstreuung der gerichteten Strömung. Darüber hinaus wird durch die Bereitstellung einer Mehrzahl von Übertrittsöffnungen die Strömung des Befeuchtungs- fluids weiter verteilt. Schließlich wird auch im zweiten Ausführungsbeispiel noch die Geschwindigkeit, mit welcher das Befeuchtungsfluid in die Inkubatorkammer 112 übertritt, d.h. die Leistung der Saugeinrichtung 136, auf einen geeigneten niedrigen Wert eingestellt. Alle diese Maßnahmen tragen dazu bei, die gerichtete Strömung von Befeuchtungsfluid am Ort der Probe P soweit zu reduzieren, dass an der Probenposition im Wesentlichen nur noch ungerichtete Strömungverhältnisse, beispielweise aufgrund natürlicher Kon- fenktionsströme, die durch den Betrieb der Heizelemente verursacht werden, oder Diffusionsströme vorliegen. Jedenfalls ist eine etwaige restliche Strömung am Probenort P auf ein das Probenklima nicht beeinflussendes Maß reduziert, so dass über die gesamte Probenoberfläche hinweg ein konstantes Klima aufrechterhalten werden kann und dennoch eine Einstellung gewünschter klimatischer Bedingungen am Probenort möglich ist.
Die Erfindung ist nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt. So kann etwa anstelle eines geschlossenen Fluidkreislaufs 26, 126 mit einem offenen System gearbeitet werden, wobei Übertrittsöffnung und Gasauslass mit gleicher oder auch mit unterschiedlichen Strömungsraten betrieben werden können oder auf einen Gasauslass gar ganz verzichtet werden kann, um in der Inkubatorkammer einen definierten Überdruck aufzubauen. Ferner sind zwar in Fig. 2 nur zwei untere Heizelemente 140 dargestellt - die Inkubatorvorrichtung 110 könnte jedoch gleichermaßen auch nur mit oberen oder mit oberen und unteren Heizelementen ausgestattet sein.

Claims

Ansprüche
5 1. Inkubatorvorrichtung (10), umfassend eine lnkubatorkammer (12), eine Probenaufnahme (15), welche dazu eingerichtet ist, eine Probe (14) aufzunehmen und im Inneren der Inkubatorkammer (12) an einer Probenposition (P) zu positionieren, lo - eine Heizanordnung (38, 40) mit mindestens einem Heizelement
(38, 40), welches innerhalb der Inkubatorkammer (12) angeordnet ist und Wärme an das Innere der Inkubatorkammer (12) abgibt, eine Befeuchtungseinrichtung (16) zur Erzeugung eines Befeuch- tungsfluids, sowie i5 - eine zwischen der Befeuchtungseinrichtung (16) und dem Inneren der Inkubatorkammer (12) angeordnete Übertrittsöffnung (30), durch die das Befeuchtungsfluid in das Innere der Inkubatorkammer (12) übertreten kann, wobei das Innere der Inkubatorkammer (12) zumindest an der Proben-
20 position (P) im Wesentlichen frei von gerichteter Fluidströmung ist.
2. Inkubatorvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Befeuchtungsfluid an der Übertrittsöffnung (30) in gerichteter Strömung in das Innere der Inkubatorkammer (12) übertritt,
25 wobei die Geschwindigkeit, mit welcher das Befeuchtungsfluid die
Übertrittsöffnung (30) passiert, so gewählt ist, dass das Befeuchtungsfluid vor und in der Übertrittsöffnung (30) in gerichteter Strömung strömt und dass nach dem Passieren der Übertrittsöffnung (30), im Inneren der Inkubatorkammer (12), die gerichtete Strömung des Befeuchtungs-
30 fluids innerhalb eines kurzen Übergangsbereichs (42) im Wesentlichen auf Null abfällt.
3. Inkubatorvorrichtung (10) nach Anspruch 2 oder Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Probenaufnahme (15) dazu eingerichtet ist, eine Probe (14) im Inneren der Inkubatorkammer (12) an einer Probenposition (P) zu positionieren, welche von der Übertrittsöffnung (30) einen vorbestimmten Abstand (I) aufweist, wobei die Länge (d) des Übergangsbereichs (42) in Übertrittsrichtung 5 der Übertrittsöffnung (30) einen Betrag aufweist, der zwischen ungefähr
0 und ungefähr 1/4, vorzugsweise zwischen ungefähr 1/100 und ungefähr 1/10 des vorbestimmtem Abstands (I) liegt, oder/und zwischen ungefähr 0 cm und ungefähr 10 cm, vorzugsweise zwischen ungefähr 1 cm und ungefähr 3 cm liegt.
10
4. Inkubatorvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Übertrittsrichtung des Befeuchtungs- fluids der Übertrittsöffnung (30) nachfolgend, im Inneren der Inkubatorkammer (12), eine Befeuchtungsfluid-Ablenkfläche (44) angeordnet ist, i5 so dass in die Inkubatorkammer (12) Übergetretendes Befeuchtungs- fluid auf die Befeuchtungsfluid-Ablenkfläche (44) trifft.
5. Inkubatorvorrichtung, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend
20 - eine Inkubatorkammer (12), eine Probenaufnahme (15), welche dazu eingerichtet ist, eine Probe (14) aufzunehmen und im Inneren der Inkubatorkammer (12) an einer Probenposition (P) zu positionieren, eine Heizanordnung (38, 40) mit mindestens einem Heizelement
25 (38, 40), welches innerhalb der Inkubatorkammer (12) angeordnet ist und Wärme an das Innere der Inkubatorkammer (12) abgibt, eine Befeuchtungseinrichtung (16) zur Erzeugung eines Befeuch- tungsfluids, sowie eine zwischen der Befeuchtungseinrichtung (16) und dem Inneren
30 der Inkubatorkammer (12) angeordnete Übertrittsöffnung (30), durch die das Befeuchtungsfluid entlang einer Übertrittsströmungsrichtung in gerichteter Strömung in das Innere der Inkubatorkammer (12) übertritt, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertrittsströmungsrichtung in einer von der Probenposition (P) wegführenden Richtung verläuft.
6. Inkubatorvorrichtung, insbesondere nach einem der vorhergehenden 5 Ansprüche, umfassend eine Inkubatorkammer (12), eine Probenaufnahme (15), welche dazu eingerichtet ist, eine Probe (14) aufzunehmen und im Inneren der Inkubatorkammer (12) an einer Probenposition (P) zu positionieren, lo - eine Heizanordnung (38, 40) mit mindestens einem Heizelement
(38, 40), welches innerhalb der Inkubatorkammer (12) angeordnet ist und Wärme an das Innere der Inkubatorkammer (12) abgibt, eine Befeuchtungseinrichtung (16) zur Erzeugung eines Befeuch- tungsfluids, sowie i5 - eine zwischen der Befeuchtungseinrichtung (16) und dem Inneren der Inkubatorkammer (12) angeordnete Übertrittsöffnung (30), durch die das Befeuchtungsfluid entlang einer Übertrittsströmungsrichtung in gerichteter Strömung in das Innere der Inkubatorkammer (12) übertritt,
20 dadurch gekennzeichnet, dass die Übertrittsströmungsrichtung gegen eine Befeuchtungsfluid-Ablenkfläche (44, '14O) gerichtet ist, an welcher das Befeuchtungsfluid abgelenkt wird.
7. Inkubatorvorrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, 25 dass die Befeuchtungsfluid-Ablenkfläche an der Heizanordnung (38,
40) ausgebildet ist.
8. Inkubatorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertrittsöffnung an einem Düsenab-
30 schnitt einer im Inneren der Inkubatorkammer verlaufenden Fluidleitung vorgesehen ist.
9. Inkubatorvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizanordnung (38, 40) bezüglich einer vertikalen Achse (V) durch die Probenposition (P) im Wesentlichen symmetrischen Aufbau oder/und symmetrische Wärmeabgabecharakteristik aufweist.
5
10. Inkubatorvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Heizelement (38, 40) ein Flächenheizelement, insbesondere ein Niedertemperatur-Flächenheizelement, ist.
10
11. Inkubatorvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von oberen Heizplatten (38) oberhalb einer Probenebene (H) und im Wesentlichen symmetrisch zu einer durch die Probenposition (P) verlaufenden Vertikalachse i5 (H) angeordnet sind oder/und eine Mehrzahl von unteren Heizplatten
(40) unterhalb der Probenebene (H) und im Wesentlichen symmetrisch zu der Vertikalachse (V) angeordnet sind.
12. Inkubationsverfahren umfassend die folgenden Schritte:
20 - Aufnehmen einer Probe (14) in einer Probenaufnahme (15) im Inneren einer Inkubatorkammer (12) an einer Probenposition (P), Betreiben von mindestens einem im Inneren der Inkubatorkammer (12) angeordneten Heizelement (38, 40), so dass es Wärme an das Innere der Inkubatorkammer (12) abgibt,
25 - Betreiben einer Befeuchtungseinrichtung (16), so dass sie ein Be- feuchtungsfluid erzeugt, sowie
Bewegen des Befeuchtungsfluids zu einer Übertrittsöffnung (30), so dass das Befeuchtungsfluid durch diese in das Innere der Inkubatorkammer (12) übertreten kann, wobei die Bewegung mit ei-
30 ner vorbestimmten Geschwindigkeit erfolgt, die ausreichend klein ist, so dass das Innere der Inkubatorkammer (12) zumindestens an der Probenposition (P) im Wesentlichen frei von gerichteter Fluidströmung ist.
13. Inkubationsverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Befeuchtungsfluid an der Übertrittsöffnung (30) in gerichteter Strömung in das Innere der Inkubatorkammer (12) überführt wird,
5 wobei die vorbestimmte Geschwindigkeit, mit welcher das Befeuchtungsfluid zu der Übertrittsöffnung (30) hin bewegt wird, so gewählt wird, dass das Befeuchtungsfluid vor und in der Übertrittsöffnung (30) in gerichteter Strömung strömt und dass nach dem Passieren der Übertrittsöffnung, im Inneren der Inkubatorkammer (12), die gerichtete lo Strömung des Befeuchtungsfluids innerhalb eines kurzen Übergangsbereichs (42) im Wesentlichen auf Null abfällt.
14. Inkubationsverfahren, insbesondere nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, umfassend die folgenden Schritte: i5 - Aufnehmen einer Probe (14) in einer Probenaufnahme (15) im Inneren einer Inkubatorkammer (12) an einer Probenposition (P)1 Betreiben von mindestens einem im Inneren der Inkubatorkammer (12) angeordneten Heizelement (38, 40), so dass es Wärme an das Innere der Inkubatorkammer (12) abgibt,
20 - Betreiben einer Befeuchtungseinrichtung (16), so dass sie ein Be- feuchturrgsfluid erzeugt, sowie
Bewegen des Befeuchtungsfluids zu einer Übertrittsöffnung (30), so dass das Befeuchtungsfluid durch diese entlang einer Übertrittsströmungsrichtung in gerichteter Strömung in das Innere der
25 Inkubatorkammer (12) übertritt, wobei die Übertrittsströmungsrichtung in einer von der Probenposition (P) weg führenden Richtung verläuft.
15. Inkubationsverfahren, insbesondere nach einem der Ansprüche 12 bis 30 14, umfassend die folgenden Schritte:
Aufnehmen einer Probe (14) in einer Probenaufnahme (15) im Inneren einer Inkubatorkammer (12) an einer Probenposition (P), Betreiben von mindestens einem im Inneren der Inkubatorkam- mer (12) angeordneten Heizelement (38, 40), so dass es Wärme an das Innere der Inkubatorkammer (12) abgibt, Betreiben einer Befeuchtungseinrichtung (16), so dass sie ein Be- feuchtungsfluid erzeugt, sowie - Bewegen des Befeuchtungsfluids zu einer Übertrittsöffnung (30), so dass das Befeuchtungsfluid durch diese entlang einer Übertrittsströmungsrichtung in gerichteter Strömung in das Innere der Inkubatorkammer (12) übertritt, wobei die Übertrittsströmungsrichtung gegen eine Befeuchtungs- fluid-Ablenkfläche (44, 140) gerichtet ist, an welcher das Befeuchtungsfluid abgelenkt wird.
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