Устройство и способ управления температурой реакционной смеси

Авторы патента:


Устройство и способ управления температурой реакционной смеси
Устройство и способ управления температурой реакционной смеси
Устройство и способ управления температурой реакционной смеси
Устройство и способ управления температурой реакционной смеси
Устройство и способ управления температурой реакционной смеси
Устройство и способ управления температурой реакционной смеси
Устройство и способ управления температурой реакционной смеси
Устройство и способ управления температурой реакционной смеси
Устройство и способ управления температурой реакционной смеси
Устройство и способ управления температурой реакционной смеси
Устройство и способ управления температурой реакционной смеси
Устройство и способ управления температурой реакционной смеси
Устройство и способ управления температурой реакционной смеси

 

G01N33/50 - химический анализ биологических материалов, например крови, мочи; испытания, основанные на способах связывания биоспецифических лигандов; иммунологические испытания (способы измерения или испытания с использованием ферментов или микроорганизмов иные, чем иммунологические, составы или индикаторная бумага для них, способы образования подобных составов, управление режимами микробиологических и ферментативных процессов C12Q)
G01N23 - Исследование или анализ материалов радиационными методами, не отнесенными к группе G01N 21/00 или G01N 22/00, например с помощью рентгеновского излучения, нейтронного излучения (G01N 3/00-G01N 17/00 имеют преимущество; измерение силы вообще G01L 1/00; измерение ядерного или рентгеновского излучения G01T; введение объектов или материалов в ядерные реакторы, извлечение их из ядерных реакторов или хранение их после обработки в ядерных реакторах G21C; конструкция или принцип действия рентгеновских аппаратов или схемы для них H05G)

Владельцы патента RU 2487944:

КОРБЕТТ РИСЁЧ ПТИ ЛТД (AU)

Группа изобретений относится к устройствам и способам управления температурой реакционной смеси, в частности к устройствам циклической термообработки для амплификации нуклеиновых кислот. Устройство управления температурой реакционной смеси, содержащейся внутри реакционного сосуда, содержит: источник инфракрасного излучения для воздействия на реакционный сосуд излучением для нагрева реакционной смеси, датчик температуры для измерения температуры, являющейся показателем температуры реакционной смеси, и контроллер для управления источником излучения в соответствии с температурой реакционной смеси с целью выборочного нагрева реакционной смеси. Способ управления температурой реакционной смеси включает определение температуры реакционной смеси с использованием информации, получаемой от датчика температуры, управление источником излучения, предназначенным для воздействия излучением на реакционный сосуд с последующим нагревом реакционной смеси, причем источником излучения управляет контроллер в соответствии с температурой реакционной смеси, в результате чего осуществляется управление этой температурой. Группа изобретений обеспечивает улучшение регулирования температурой реакционных смесей, позволяет в режиме реального времени осуществлять анализ реакции, происходящей в сосудах и с достаточно высоким КПД. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 12 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к устройствам и способам управления температурой реакционной смеси и в частности к устройствам циклической термообработки для амплификации нуклеиновых кислот. Однако необходимо понимать, что изобретение не ограничивается только вышеуказанной областью применения.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ссылки в настоящем описании на какие-либо предшествующие публикации, или на информацию, которая является производной от таких публикаций, или на любые известные источники не являются и не должны восприниматься как подтверждение, или как признание, или как какая-либо форма указания на то, что такие публикации, такая информация или такие источники формируют часть общих знаний в области, к которой относится настоящее изобретение.

Полимеразная цепная реакция (ПЦР) представляет собой технологию, включающую повторяющиеся циклы, которые обеспечивают экспоненциальное увеличение количества некоторых полинуклеотидных последовательностей всякий раз, когда выполняется один из таких циклов. Технология ПЦР широко известна и описана во многих публикациях, включая "ПЦР: практические подходы", М.J.McPherson и др., IRL Press (1991), "Протоколы ПЦР: руководство по методикам и применениям", Innis и др.. Academic Press (1990), а также "Технология ПЦР: принципы и применения для амплификации ДНК", Н.A.Eriich, Stockton Press (1989). Технология ПЦР также описана во многих патентах США, включая 4,683,195; 4,683,202; 4,800,159; 4,965,188; 4,889,818; 5,075,216; 5,079,352; 5,104,792; 5,023,171; 5,091,310 и 5,066,584.

Технология ПЦР обычно включает стадию денатурирования полинуклеотида, после которой выполняют стадию отжига (ренатурирования) по меньшей мере двух олигонуклеотидов (праймеров) до денатурированного полинуклеотида, а именно, гибридизацию первичного материала до денатурированной полинуклеотидной матрицы. После стадии ренатурирования фермент с полимеразной активностью катализирует синтез новой полинуклеотидной цепи, которая включает олигонуклеотид (праймер) и использует исходный денатурированный полинуклеотид в качестве матрицы синтеза. Эти стадии, денатурирование, ренатурирование праймеров и достройка (элонгация) праймера, составляют цикл ПЦР.

По мере повторения циклов количество вновь синтезированного полинуклеотида увеличивается по экспоненте, поскольку вновь синтезированные полинуклеотиды из предыдущего цикла могут выступать в роли матриц для синтеза в последующих циклах. Первичные олигонуклеотиды обычно выбирают парами, которые могут ренатурировать в противолежащие цепи заданной двухцепочечной полинуклеотидной последовательности, так что область между двумя ренатурирующими участками увеличивается.

Денатурация ДНК обычно происходит при температуре порядка 90-95°, ренатурация праймера в денатурированную ДНК обычно осуществляется при температурах 40-60°С, и элонгация ренатурированных праймеров с полимеразой обычно осуществляется при температуре 70-75°С. Поэтому в цикле ПЦР температура реакционной смеси должна изменяться много раз в процессе выполнения циклической ПЦР.

Технология ПЦР находит самое широкое распространение во многих биологических применениях, включая, например, анализ последовательностей ДНК, клонирование последовательностей нуклеиновых кислот, сайт-направленный мутагенез, обнаружение генетических мутаций, диагноз вирусных инфекций, молекулярные "отпечатки пальцев" и контроль загрязняющих микроорганизмов в биологических жидкостях и других источниках.

Кроме ПЦР известны и используются также и другие процессы амплификации in vitro, в том числе лигазная цепная реакция, описанная, например, в патенте US 4,988,617, выданном Landegren и Hood. Следует отметить, что несколько важных процессов, известных в биотехнологии, такие как гибридизация нуклеиновых кислот и секвенирование, осуществляются в условиях управляемого изменения температуры растворов, содержащих молекулы образцов. Традиционные технологии основываются на использовании отдельных колодцев или труб, проходящих через зоны с разными температурами. Например, в технике известны различные устройства циклической термообработки, используемые в амплификации и секвенировании ДНК, в которых реакционная смесь удерживается в блоке с регулируемой температурой, которая изменяется во времени. Достоинством таких устройств является возможность одновременной обработки сравнительно большого числа образцов, например, широко используются планшеты с 96 лунками. Однако для таких устройств характерны различные недостатки, например, их циклы изменения температуры достаточно длительны, они потребляют довольно много энергии, регулирование температуры далеко от идеального и определение реакционной смеси in situ затруднительно.

Для устранения указанных недостатков были разработаны различные устройства циклической термообработки, в которых контейнеры с реакционными смесями удерживаются во вращающемся карусельном магазине, установленном внутри камеры, в которой обеспечивается нагрев и охлаждение. Одно из таких устройств описано, например, в патенте US 7,081,226, выданном Wittwer и др. Однако такие устройства также имеют различные недостатки. Например, регулирование температуры реакционных смесей далеко от идеального, управление скоростью нагрева и охлаждения реакционных смесей также не идеально, и такие устройства имеют сравнительно невысокий КПД.

Таким образом, имеется потребность в устройствах циклической термообработки для ПЦР, в которых обеспечивается улучшенное регулирование температуры реакционных смесей, которые имеют достаточно простую конструкцию, могут обеспечивать в режиме реального времени анализ реакции, происходящей в сосудах с образцами, и имеют достаточно высокий КПД.

В настоящем изобретении делается попытка устранить по меньшей мере один из недостатков известных устройств или ослабить их действие или создать полезные альтернативные варианты.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В настоящем изобретении предлагается устройство для управления температурой реакционной смеси, содержащейся внутри реакционного сосуда, которое содержит:

a) источник излучения для воздействия излучением на реакционный сосуд, в результате чего реакционная смесь нагревается;

b) датчик температуры для измерения температуры, являющейся показателем температуры реакционной смеси; и

c) контроллер для управления источником излучения в соответствии с температурой реакционной смеси для ее выборочного нагрева.

В большинстве вариантов осуществления изобретения устройство содержит источник тепла для нагрева камеры, содержащей реакционный сосуд.

В большинстве вариантов контроллер обеспечивает:

a) повышение температуры реакционной смеси по меньшей мере частично с использованием источника излучения; и

b) поддержание температуры реакционной смеси по меньшей мере частично с использованием источника излучения.

В большинстве вариантов устройство содержит охлаждающее средство для охлаждения реакционной смеси.

В большинстве вариантов охлаждающее средство обеспечивает охлаждение реакционной смеси, находящейся при повышенной температуре.

В большинстве вариантов охлаждающее средство подает внешний воздух в камеру, содержащую реакционный сосуд.

В большинстве вариантов охлаждающее средство подает охлажденную текучую среду в камеру, содержащую реакционный сосуд.

В большинстве вариантов в качестве датчика температуры используется инфракрасный датчик.

В большинстве вариантов в качестве датчика температуры используется оптический датчик для измерения цвета добавки-индикатора в реакционной смеси, чувствительного к температуре.

В большинстве вариантов датчик температуры измеряет температуру реакционной смеси.

В большинстве вариантов датчик измеряет температуру реакционного сосуда, и контроллер обеспечивает определение температуры реакционной смеси с использованием температуры реакционного сосуда.

В большинстве вариантов датчик измеряет температуру камеры, и контроллер обеспечивает определение температуры реакционной смеси с использованием температуры камеры.

В большинстве вариантов источник излучения генерирует инфракрасное излучение.

В большинстве вариантов источник излучения генерирует оптическое излучение.

В большинстве вариантов устройство содержит камеру для размещения в ней используемых реакционных сосудов.

В большинстве вариантов устройство содержит крепежную арматуру для установки реакционных сосудов, причем источник излучения и крепежная арматура расположены таким образом, чтобы обеспечивался нагрев одного или нескольких реакционных сосудов.

В большинстве вариантов устройство содержит привод для перемещения крепежной арматуры относительно источника излучения.

В большинстве вариантов контроллер обеспечивает управление приводом для выборочного нагрева реакционной смеси в соответствующих реакционных сосудах.

В большинстве вариантов источник излучения формирует зону нагрева излучением, и контроллер управляет нагревом реакционной смеси путем выборочного воздействия зоной нагрева на реакционный сосуд.

В большинстве вариантов контроллер представляет собой систему обработки информации.

В большинстве вариантов контроллер обеспечивает:

a) повышение температуры реакционной смеси до первой температуры для денатурации полинуклеотидов в реакционной смеси;

b) повышение температуры реакционной смеси до второй температуры для ренатурации (отжига) полинуклеотидов в реакционной смеси; и

c) повышение температуры реакционной смеси до третьей температуры для гибридизации денатурированных полинуклеотидов.

В большинстве вариантов контроллер обеспечивает:

a) определение температуры реакционной смеси с использованием информации, получаемой из датчика температуры; и

b) управление источником излучения в соответствии с полученной температурой реакционной смеси, в результате чего может осуществляться управление этой температурой.

В большинстве вариантов контроллер обеспечивает:

a) управление источником излучения для повышения температуры реакционной смеси до первой температуры;

b) управление источником излучения для поддержания первой температуры реакционной смеси;

c) управление охлаждающим средством для снижения температуры реакционной смеси до второй температуры и поддержания этой второй температуры; и

d) управление источником излучения для повышения температуры реакционной смеси до третьей температуры; и

e) управление источником излучения для поддержания третьей температуры реакционной смеси.

В большинстве вариантов источник излучения предназначен для выборочного формирования заданной зоны нагрева, и устройство содержит канал подачи охлаждающей среды для выборочного формирования заданной зоны охлаждения, причем заданная зона нагрева и заданная зона охлаждения формируются по существу рядом с нагревателем и с каналом подачи охлаждающей среды, соответственно, так что управление температурой реакционной смеси может осуществляться путем выборочного воздействия на реакционный сосуд зоной нагрева и/или зоной охлаждения.

В большинстве вариантов реакционный сосуд по меньшей мере частично пропускает излучение.

В большинстве вариантов длина волны излучения выбирается в соответствии с характеристиками реакционного сосуда и/или характеристиками реакционной смеси.

В настоящем изобретении предлагается способ управления температурой реакционной смеси, содержащейся внутри реакционного сосуда, включающий выполнение контроллером:

a) определения температуры реакционной смеси с использованием информации, получаемой из датчика температуры; и

b) управления источником излучения, предназначенным для воздействия излучением на реакционный сосуд, в результате чего нагревается реакционная смесь; причем источником излучения управляют в соответствии с полученной температурой реакционной смеси, в результате чего может осуществляться управление этой температурой.

В настоящем изобретении предлагается также устройство для управления температурой реакционной смеси, содержащейся внутри реакционного сосуда, которое содержит: i) нагреватель, предназначенный для выборочного формирования заданной зоны нагрева, и канал подачи охлаждающей среды для выборочного формирования заданной зоны охлаждения, причем заданная зона нагрева и заданная зона охлаждения формируются по существу рядом с нагревателем и с каналом подачи охлаждающей среды, соответственно, так что управление температурой реакционной смеси может осуществляться путем выборочного воздействия на реакционный сосуд зоной нагрева и/или зоной охлаждения.

В большинстве вариантов в качестве нагревателя используется один или несколько ИК-излучателей.

В большинстве вариантов канал подачи охлаждающей среды содержит несколько отверстий, расположенных возле нагревателя, и в качестве охлаждающей среды используется внешний воздух.

В большинстве вариантов реакционные сосуды используются в форме упорядоченного множества.

В большинстве вариантов температура реакционной смеси может регулироваться путем выборочного воздействия на реакционный сосуд зоной нагрева или зоной охлаждения в соответствии с заданным температурным профилем.

В большинстве вариантов заданный температурный профиль предназначен для осуществления амплификации нуклеиновых кислот.

В большинстве вариантов зоны нагрева и охлаждения по существу совпадают.

В настоящем изобретении предлагается также способ управления температурой реакционной смеси, содержащейся внутри реакционного сосуда, включающий:

i) обеспечение нагревателя, предназначенного для выборочного формирования заданной зоны нагрева; и

ii) обеспечение канала подачи охлаждающей среды, предназначенного для выборочного формирования заданной зоны охлаждения;

iii) причем заданная зона нагрева и заданная зона охлаждения формируются по существу рядом с нагревателем и с каналом подачи охлаждающей среды, соответственно; и

iv) управление температурой реакционной смеси путем выборочного воздействия на реакционный сосуд зоной нагрева и/или зоной охлаждения.

В настоящем изобретении предлагается также способ управления температурой реакционной смеси, содержащейся внутри реакционного сосуда, включающий:

i) выборочное воздействие на реакционный сосуд заданной зоной нагрева и/или заданной зоной охлаждения, причем заданная зона нагрева и заданная зона охлаждения формируются по существу рядом с нагревателем и с каналом подачи охлаждающей среды, соответственно.

Из нижеприведенного подробного описания будет понятно, что различные формы осуществления изобретения могут использоваться по отдельности или совместно в самых разных применения, включая (без ограничения) амплификацию нуклеиновых кислот.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Предпочтительный вариант осуществления изобретения описывается ниже в качестве примера со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показано:

фигура 1 - блок-схема одного из вариантов устройства управления температурой реакционной смеси;

фигура 2 - блок-схема одного из вариантов алгоритма управления температурой реакционной смеси в устройстве, представленном на фигуре 1;

фигура 3А - схематический вид сбоку второго варианта устройства управления температурой реакционной смеси;

фигура 3В - схематический вид в плане части устройства фигуры 3А;

фигура 4 - блок-схема одного из вариантов контроллера;

фигура 5 - вид в перспективе сверху третьего варианта устройства управления температурой реакционной смеси, на которой показан вращающийся карусельный магазин, на котором установлены сосуды с реакционными смесями, расположенные над ИК-нагревателем и над каналами охлаждения;

фигура 6 - вид в перспективе сверху вращающегося карусельного магазина и ИК-нагревателя, показанных на фигуре 5;

фигура 7 - вид сверху в перспективе одного из вариантов несущего основания с узлом ИК-нагревателя/отражателя и с каналами охлаждения;

фигура 8 - увеличенный вид части фигуры 7, на которой показан бесконтактный датчик температуры, расположенный возле узла ИК-нагревателя/отражателя;

фигура 9 - вид устройства, показанного на фигуре 7, установленного в корпусе;

фигура 10 - вид, аналогичный виду на фигуре 8, на котором также видны сосуды с реакционной смесью;

фигура 11 - вид, аналогичный виду на фигуре 5;

фигура 12 - блок-схема одного из вариантов устройства управления температурой реакционной смеси, на которой показаны компоненты устройства.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В описании даются ссылки на прилагаемые чертежи, на которых одинаковые ссылочные номера относятся к одинаковым частям.

Один из вариантов устройства управления температурой реакционной смеси, содержащейся внутри реакционного сосуда, описывается ниже со ссылками на фигуру 1.

В этом варианте устройство 100 содержит камеру 101, содержащую источник 110 излучения, используемого для нагрева реакционного сосуда 121, в котором содержится реакционная смесь 120. Источник излучения может быть любым источником, однако обычно используется инфракрасный нагреватель, генерирующий инфракрасное излучение. Однако в других вариантах могут использоваться лазеры, светоизлучающие диоды или им подобные устройства, генерирующие оптическое или инфракрасное излучение. Излучение может использоваться для нагрева реакционного сосуда, который, в свою очередь, нагревает реакционную смесь.

В других вариантах излучение может нагревать один или несколько компонентов в реакционной смеси непосредственно, например, если реакционные сосуды по меньшей мере частично пропускают излучение. В этой связи понятно, что длина волны излучения может выбираться в соответствии с характеристиками реакционного сосуда и/или характеристиками реакционной смеси. Таким образом, характеристики сосуда, такие как, например, толщина сосуда и используемый материал, а также характеристики реакционной смеси, такие как, например, состав смеси, могут использоваться для выбора длины волны излучения, так чтобы по меньшей мере часть излучения проходила сквозь материал реакционного сосуда и поглощалась реакционной смесью. Однако необходимо понимать, что в других вариантах, наоборот, характеристики реакционного сосуда и/или характеристики реакционной смеси могут выбираться в зависимости от длины волны излучения источника.

Реакционные сосуды могут представлять собой упорядоченное множество, которое приводится в движение механизмом для перемещения сосудов относительно источника излучения, в результате чего может обеспечиваться выборочное и/или периодическое воздействие на них излучения. Такая схема будет содействовать управлению процессом реакции, и при этом может обеспечиваться одновременная обработка нескольких реакционных смесей.

Внутри камеры 101 установлен датчик 130 температуры для измерения температуры, являющейся показателем температуры реакционной смеси. Измерение температуры может осуществляться любым подходящим способом, в том числе с использованием инфракрасного датчика, такого как термоэлектрический преобразователь. В других вариантах реакционная смесь может содержать индикатор, такой как, например, сигнальная цветная добавка, цвет которой меняется в зависимости от температуры, и в этом случае температура реакционной смеси может быть измерена оптическим датчиком. В то время как температура реакционной смеси может быть измерена непосредственно, существуют и другие варианты измерения температуры реакционного сосуда 121. Может быть также измерена температура воздуха внутри камеры 101, и по ней может быть определена, с использованием некоторого алгоритма, температура реакционной смеси.

С датчиком 130 температуры и с источником 110 излучения соединен контроллер 140. При работе устройства контроллер 140 определяет температуру реакционной смеси, используя информацию, получаемую от датчика 130 температуры. Контроллер 140 осуществляет управление источником 110 излучения в соответствии с полученной температурой реакционной смеси, в результате чего может осуществляться управление этой температурой. Таким образом, контроллер 140 может управлять циклической термообработкой реакционной смеси, например, для осуществления процесса амплификации нуклеиновых кислот, такого как ПЦР.

Таким образом, контроллер 140 контролирует информацию, получаемую из датчика 130 температуры, и управляет источником 110 излучения. Соответственно, могут использоваться любые подходящие типы контроллеров, такие как системы обработки информации, запрограммированные соответствующим образом, программируемые вентильные матрицы или им подобные устройства.

В одном из вариантов для нагрева камеры 101 может использоваться дополнительный источник тепла, такой как, например, конвекционный нагреватель 150, который содействует повышению и/или поддержанию температуры реакционной смеси. Обычно работой конвекционного нагревателя 150 управляет контроллер 140 в соответствии с температурой реакционной смеси или с температурой камеры 101.

В одном из вариантов также может обеспечиваться охлаждение с помощью охлаждающего устройства 160. Для этого может использоваться внешний воздух, и при этом в зависимости от варианта осуществления изобретения может непосредственно охлаждаться реакционный сосуд или камера 101. Работой охлаждающего устройства обычно управляет контроллер 140 в соответствии с температурой реакционной смеси или температурой в камере для увеличения скорости охлаждения, выполняемого в процессе управления температурой.

В одном из вариантов использование источника излучения для непосредственного воздействия на реакционные сосуды для их нагрева или непосредственного нагрева реакционной смеси позволяет исключить необходимость нагрева всей камеры 101. В этом случае уменьшается время, необходимое для нагрева реакционной смеси, в результате чего снижается время цикла термообработки и, соответственно, время на осуществление ПЦР или других процессов амплификации. В этом случае также уменьшается количество энергии, необходимое для достижения температур реакционной смеси, используемых при осуществлении таких процессов, и, соответственно, снижается энергопотребление устройства.

В некоторых вариантах для нагрева камеры 101 может использоваться дополнительный источник тепла, такой как, например, конвекционный нагреватель 150, который содействует обеспечению температурной стабильности реакционной смеси. При этом может быть снижено время достижения требуемой температуры реакционной смеси, и в то же время повышается температурная стабильность реакционной смеси.

Использование охлаждающего устройства 160 также может содействовать дополнительному сокращению цикла термообработки.

В одном из вариантов может также непосредственно измеряться температура реакционного сосуда или непосредственно реакционной смеси. В этом случае повышается точность измерения температуры реакционной смеси по сравнению с тем, когда измеряется температура воздуха в камере. В результате повышается точность управления температурой реакционной смеси, что, в свою очередь, помогает достичь максимума эффективности процесса амплификации, и в то же время позволяет отказаться от необходимости использования затратных вычислительных алгоритмов для получения температуры реакционной смеси по температуре воздуха в камере.

Пример управления циклом термообработки рассматривается ниже со ссылками на фигуру 2.

В этом примере на стадии 200 контроллер 140 включает источник 110 излучения и контролирует температуру реакционной смеси, используя датчик 130 температуры. На стадии 210 определяется достижение первой температуры реакционной смеси, которая обычно находится в диапазоне от 90°С до 95°С, и если такая температура не достигнута, то нагрев продолжается (стадия 200).

Как только достигается первая температура, контроллер 140 управляет процессом нагрева таким образом, чтобы поддерживать реакционную смесь при первой температуре в течение требуемого первого интервала времени, например, в течение 20-30 сек, для обеспечения денатурации ДНК (стадия 220). Необходимо отметить, что для первого цикла горячего пуска ПЦР-реакций могут использоваться более продолжительные интервалы времени, порядка 1-9 минут. Интервал времени может быть запрограммирован в зависимости от осуществляемой ПЦР-реакций или же может быть определен оптическим датчиком, реагирующим на индикатор реакционной смеси.

Требуемая температура реакционной смеси может поддерживаться с использованием любых подходящих технических средств. Так, в одном из вариантов контроллер 140 может регулировать количество излучения, генерируемое источником 110. Дополнительно может использоваться источник 150 тепла, такой как, например, конвекционный нагреватель.

После завершения процесса денатурации температуру реакционной смеси понижают до второй температуры, которая обычно находится в диапазоне от 40°С до 60°С. Процесс охлаждения обычно заключается в том, что контроллер 140 выключает источник 110 излучения и/или конвекционный нагреватель 150 (стадия 230), в результате чего реакционная смесь начинает охлаждаться, и контроллер 140 контролирует температуру реакционной смеси с помощью датчика 130 температуры. Для ускорения процесса охлаждения может также использоваться охлаждающее устройство 160. На стадии 240 определяется достижения второй температуры реакционной смеси, и если вторая температура не достигнута, то процесс охлаждения продолжается (стадия 230).

Как только достигается вторая температура (стадия 250), контроллер 140 управляет источником 110 излучения таким образом, чтобы поддерживать реакционную смесь при второй температуре в течение требуемого второго интервала времени, например, в течение 20-40 сек, для обеспечения ренатурации ДНК до праймера. Аналогично, температура реакционной смеси может поддерживаться на требуемом уровне с помощью любых подходящих технических средств, и интервал времени может быть запрограммирован или же может определяться по определенным признакам.

После этого реакционную смесь нагревают до третьей температуры, причем контроллер 140 включает для этого источник 110 излучения и контролирует температуру реакционной смеси с помощью датчика 130 температуры (стадия 260). На стадии 270 определяется достижение третьей температуры реакционной смеси, которая обычно находится в диапазоне от 70°С до 75°С, и если такая температура не достигнута, то нагрев продолжается (стадия 260). После достижения третьей температуры (стадия 280) контроллер 140 поддерживает эту температуру реакционной смеси в течение третьего интервала времени, в котором выполняется элонгация ДНК. Третий интервал времени зависит от некоторых факторов, таких как, например, используемая полимераза ДНК, и снова может быть запрограммирован или определен на основе некоторых признаков.

Выше было описан пример отдельного цикла, и на практике для осуществления ПЦР или другого процесса амплификации используется некоторое количество циклов, а также заключительные стадии выдерживания.

Ниже описывается один из вариантов устройства управления температурой реакции со ссылками на фигуру 3.

В этом варианте устройство 300 содержит корпус 310 и крышку 312, которые формируют камеру 311. Камера 311 содержит крепежную арматуру 320 для установки карусельного магазина 321. Карусельный магазин 321 содержит множество гнезд 322 для установки в них реакционных сосудов 323, содержащих реакционную смесь.

Крепежная арматура 320 соединена с валом 330, который установлен на опоре 331 с возможностью вращения. С валом 331 соединены приводной двигатель 332, например, с помощью приводного ремня 324, в результате чего обеспечивается вращение карусельного магазина 321 внутри камеры 311. В камере 311 имеется стенка 313, которая отделяет приводной двигатель 332 и опору 331 от карусельного магазина 321. Стенка 313 имеет отверстие с сеткой 314, через которую может проходить поток воздуха.

Камера 311 содержит источник излучения в форме ИК-нагревателя 340, который обычно устанавливается на стенке 313. В одном из вариантов нагреватель 340 содержит лоток 341 и проводник 342. При работе устройства ток, проходящий по проводнику 342, нагревает этот проводник, в результате чего возникает инфракрасное излучение, которое излучается поверхностью проводника 342. Лоток 341 отражает излучение, так что оно направляется на реакционные сосуды 323.

В этом варианте на стенке 313 установлен оптический датчик 350 для определения состояния реакции по цветовому индикатору реакционной смеси. Оптический датчика 350 может содержать источник освещения, такой как лазер, и соответствующий оптический чувствительный элемент для измерения отраженного света.

Как показано на фигуре 3 В, из-за установленного оптического датчика в одном из вариантов ИК-нагреватель 340 может проходить только по части периметра карусельного магазина 321, оставляя разрыв для обеспечения линии прямой видимости между оптическим датчиком 350 и реакционными сосудами 323. Однако указанный признак не является существенным, и может использоваться другое положение оптического датчика 350, как указано ссылочным номером 360, так что нагреватель 340 может проходить по всему периметру карусельного магазина 321.

Если нагреватель 340 проходит только по части периметра карусельного магазина 321, это дает некоторые преимущества. Например, в этом случае осуществляется нагрев только часть периметра карусельного магазина 321, что позволяет нагревать реакционные сосуды только при частичном повороте магазина 321, в результате чего может улучшаться температурная стабильность. Однако в других вариантах более однородный нагрев может быть получен при использовании нагревателя, который проходит по всему периметру карусельного магазина 321.

В одном из вариантов оптический датчик 350 действует в качестве датчика температуры путем определения цвета добавки-индикатора, чувствительного к температуре реакционной смеси. В одном из вариантов индикатор, чувствительный к температуре, может быть введен в реакционный сосуд, например, путем использования чувствительного к температуре материала в реакционной смеси или введения его в материал реакционного сосуда. Необходимо иметь в виду, что использование оптического датчика для измерения температуры реакционной смеси или реакционного сосуда исключает необходимость в использовании дополнительного датчика. Это упрощает конструкцию и стоимость всего устройства.

В другом варианте может использоваться дополнительный датчик температуры, как показано ссылочным номером 360. Он может быть ИК-датчиком, который устанавливается для измерения температуры реакционной смеси или реакционного сосуда, и при этом не реагирует на излучение ИК-нагревателя 340.

В другом варианте может использоваться соответствующий датчик (не показан), который измеряет температуру воздуха в камере. Однако такое измерение температуры не обладает такой чувствительностью и точностью, как непосредственное измерение температуры реакционного сосуда или реакционной смеси, что может снизить эффективность управления температурой.

Камера 311 снабжена вентилятором 371 для обеспечения циркуляции внешнего воздуха в камере 311. В одном из вариантов может использоваться также источник 372 тепла для нагрева внешнего воздуха перед его подачей в камеру 311, в результате чего будет обеспечиваться конвекционный нагрев реакционной камеры.

Необходимо отметить, что устройство также обычно включает контроллер, один из вариантов которого будет описан ниже со ссылками на фигуру 4.

В этом примере контроллер 400 содержит процессор 410, запоминающее устройство 411, устройство 412 ввода/ввода (клавиатура и дисплей) и интерфейс 413, соединенные друг с другом по шине 414. Интерфейс 413 может использоваться для соединения контроллера 400 с такими устройствами, как нагреватель 340, приводной двигатель 332, датчики 350 и 360, вентилятор 371 и источник 372 тепла. Интерфейс также может содержать внешний интерфейс, используемый для обеспечения соединения с внешними периферийными устройствами, такими как сканер штриховых кодов, компьютерная система и иными подобными устройствами. Соответственно, необходимо понимать, что в качестве контроллера 400 может использоваться любая подходящая система обработки информации, программируемая вентильная матрица или иные подобные устройства.

При работе процессор 410 обычно выполняет команды, например, команды программного обеспечения, записанного в запоминающем устройстве 411, которое определяет процесс циклической термообработки, подлежащий осуществлению. Это может быть выполнено путем обращения к заданным профилям термообработки, записанным в запоминающем устройстве 411, и/или путем исполнения команд, вводимых с помощью устройства ввода.

Затем процессор 410 формирует управляющие сигналы для управления работой нагревателя 340, приводного двигателя 332 и дополнительно вентилятора 371 или источника 372 тепла для запуска процесса циклической термообработки. При осуществлении этого процесса процессор 410 получает сигналы от одного или нескольких датчиков 350, 360 и использует их для определения температуры реакционной смеси, причем для интерпретации этих сигналов используется информация, записанная в запоминающем устройстве 411. Процессор 410 может также определить состояние реакции, например, используя сигналы, получаемые от оптического датчика 350.

Процессор 410 использует температуру реакционной смеси и дополнительно информацию о состоянии реакции в качестве информации обратной связи для управления работой нагревателя 340, приводного двигателя 332 и дополнительно вентилятора 371 или источника тепла 372, в результате чего осуществляется процесс циклической термообработки в основном так, как это было описано со ссылками на фигуру 2.

Другой вариант устройства описывается ниже со ссылками на фигуры 5-12, на которых иллюстрируется конструкция устройства 1, в котором обеспечивается управление температурой реакционной смеси для амплификации нуклеиновых кислот.

Вращающийся магазин 2 обеспечивает опору для реакционных сосудов 3, содержащих реакционные смеси (не показаны). Реакционные сосуды 3 предпочтительно выполнены из пластмассы и обеспечивают сравнительно быстрое выравнивание температуры и измерение характеристик реакционной смеси. Реакционные сосуды 3 могут содержать любую реакционную смесь, однако в предполагаемых вариантах реакционные смеси используются для амплификации нуклеиновых кислот, и устройство 1 циклической термообработки сконфигурировано соответствующим образом, а именно, процесс циклической термообработки специально предназначен для амплификации нуклеиновых кислот в соответствии с вышеописанным профилем циклической термообработки.

Используется по меньшей мере один нагреватель 4 для подачи тепла к реакционным сосудам 3, и по меньшей мере один канал 5 используется для подачи к реакционным сосудам 3 охлаждающей среды. Нагреватель 4 и канал 5 подачи охлаждающей среды обеспечивают выборочное формирование заданной зоны нагрева и заданной зоны охлаждения, соответственно. Эти зоны формируются по существу рядом с нагревателем 4 и каналом 5 подачи охлаждающей среды, соответственно, так что температура реакционной смеси может регулироваться путем выборочного воздействия на реакционные сосуды 3 зоной нагрева и/или зоной охлаждения. Формируемые "заданные зоны" могут быть определены как сравнительно небольшие или ограниченные области пространства, которые нагреваются/охлаждаются. Поэтому введение реакционных сосудов 3 в эти зоны или их воздействие на реакционные сосуды 3 приводит преимущественно к нагреву/охлаждению реакционных сосудов, а не к нагреву/охлаждению всей камеры (не показана), в которой находится устройство 1.

Устройство 1 способно обеспечивать более быстрые циклы термообработки по сравнению с известными устройствами, в результате чего сокращается время выполнения амплификации. Кроме сокращения циклов термообработки также может быть улучшена степень управления температурой реакции по сравнению с известными устройствами, поскольку нагревается и охлаждается только реакционная смесь. Качество процесса дополнительно улучшается за счет измерения действительной температуры реакционной смеси в режиме реального времени и обеспечением контура обратной связи для регулирования количества тепла, обеспечиваемого нагревателем 4, и количества охлаждающей среды, подаваемой к реакционным сосудам каналом 5. Другие улучшения процесса связаны с измерением действительного хода реакции, происходящей в реакционных сосудах 3, и использованием полученной информации в качестве управляющего сигнала для управления количеством тепла и количеством охлаждающей среды, которые подаются к реакционным сосудам 3.

В предпочтительном варианте используется нагреватель 4 бесконтактного действия, такой как инфракрасный нагреватель/излучатель 6, который размещен в нижней части вращающегося карусельного магазина 2 и в непосредственной близости от вращающихся реакционных сосудов 3. ИК-нагреватель 6 предпочтительно представляет собой трубку из нержавеющей стали, имеющую внешний диаметр примерно 2 мм и внутренний диаметр примерно 1,5 мм. ИК-нагреватель 6 предпочтительно имеет кольцевую форму, и диаметр кольца примерно равен диаметру вращающегося карусельного магазина 2. Необходимо отметить, что ИК-нагреватель 6 должен обеспечивать подачу тепла к реакционным сосудам 3 таким образом, чтобы нагревалась исключительно локальная зона вокруг реакционного сосуда 3. Также предпочтительно используется параболический отражатель 7. Отражатель 7 предназначен для фокусирования тепла, выделяемого ИК-нагревателем 6, в основном на реакционных сосудах 3.

Канал 5 подачи охлаждающей среды может представлять собой кольцевую щель, прилегающую к отражателю 7. Однако в других вариантах канал 5 подачи охлаждающей среды содержит множество расположенных по окружности отверстий 8, расположенных рядом с отражателем 7. Отверстия 8 подачи охлаждающей среды предпочтительно устроены таким образом, чтобы охлаждающая среда подавалась непосредственно на реакционные сосуды 3. В этом случае вокруг реакционных сосудов 3 формируется локальная зона охлаждения. Предпочтительно в качестве охлаждающей среды используется внешний воздух, однако этот воздух может быть предварительно охлажден.

Температура реакционных сосудов 3 может измеряться в процессе циклической термообработки предпочтительно с помощью термоэлектрического датчика 9. Измеренная температура реакционных сосудов 3 может поступать в контур обратной связи с пропорционально-интегрально-дифференциальным регулированием, реализованным в управляющем микропроцессоре 10, который может регулировать количество тепла или количество охлаждающей среды, подаваемой к реакционным сосудам 3. Необходимо отметить, что в процессе циклической термообработки может измеряться не только температура реакционных сосудов 3, но также может контролироваться ход реакции, происходящей в реакционных сосудах 3. Такой контроль может осуществляться с помощью любых технических средств, однако в предпочтительном варианте используется флуоресцентный зонд, введенный в реакционную смесь.

Контроль осуществляется предпочтительно с использованием источника света 11, фильтра 12 и трубки 13 фотоумножителя. Результаты хода реакции могут также регистрироваться управляющим микропроцессором 10. Необходимо отметить, что ход реакций, происходящих в реакционных сосудах 3, может использоваться в качестве управляющего сигнала для повышения или понижения температуры реакционных сосудов с целью увеличения или уменьшения интенсивности реакций в реакционных сосудах 3.

Ниже будут описаны дополнительные признаки, которые могут быть использованы в вышеописанных вариантах.

В одном из вариантов температура реакционной смеси может регулироваться в соответствии с заданным температурным профилем. Это позволяет использовать реакционные смеси для амплификации нуклеиновых кислот, и заданный температурный профиль предназначен для обеспечения такой амплификации. Температурный профиль может быть предварительно записан в контроллере или в запоминающем устройстве и может выбираться из набора профилей в соответствии с командами, поступающими с устройства ввода информации. В другом варианте профиль может быть введен вручную с помощью устройства ввода информации.

В одном из вариантов реакционные сосуды объединены в комплект, такой как вращающийся карусельный магазин. Каждый реакционный сосуд может содержать одну и ту же реакционную смесь или разные реакционные смеси, так что одновременно могут обрабатываться разные реакционные смеси.

В качестве нагревателя обычно используется один или несколько ИК-излучателей, и канал подачи охлаждающей среды содержит множество отверстий, расположенных рядом с ИК-излучателями. В одном из вариантов в качестве нагревателя используется ИК-излучатель, вырабатывающий ИК-энергию, которая поглощается реакционными сосудами и их содержимым, в результате чего они нагреваются. В таких вариантах зоны нагрева и охлаждения по существу совпадают.

В одном из вариантов "заданная зона" обеспечивается путем подачи тепла или охлаждающей среды в сравнительно небольшую или ограниченную область пространства. Это представляет собой отличие от известных устройств, в которых осуществляется нагрев/охлаждение всей камеры, внутри которой находятся реакционные сосуды. Путем фокусировки или концентрации тепла/охлаждающей среды внутри заданной локальной зоны в пространстве, в которой могут быть размещены реакционные сосуды, обеспечивается нагрев и/или охлаждение реакционных сосудов и их содержимого. В некоторых вариантах нагревается/охлаждается только верхний конец реакционного сосуда путем введения только верхнего конца реакционного сосуда в указанные зоны, и в других вариантах может нагреваться/охлаждаться нижняя часть реакционного сосуда.

Однако, следует понимать, что технические средства нагрева, в форме ИК-нагревателя/излучателя, и технические средства охлаждения, в форме канала подачи охлаждающей среды, могут быть устроены таким образом, чтобы они нагревали/охлаждали весь реакционный сосуд без существенного нагрева/охлаждения всей камеры, окружающей реакционные сосуды. Хотя некоторый нагрев/охлаждение камеры может происходить. Однако в предложенном устройстве минимизируется бесполезный нагрев/охлаждение камеры за счет того, что нагрев и охлаждение происходит только в локальной зоне вокруг реакционных сосудов.

Нагрев и охлаждение реакционной смеси или реакционных сосудов, или их частей, вместо нагрева и охлаждения всей камеры, содержащей реакционные сосуды, как это делается во многих известных устройствах, дает ряд преимуществ. Например, предложенная технология может обеспечивать более быстрые циклы нагревания/охлаждения по сравнению с известными устройствами, в которых нагревается/охлаждается вся камера. Понятно, что более быстрые циклы термообработки реакционных смесей позволяют сократить время выполнения амплификации.

Кроме того, при непосредственном нагреве и/или охлаждении реакционной смеси можно повысить эффективность регулирования температуры реакции по сравнению с известными устройствами, поскольку нагревается и охлаждается только реакционная смесь или реакционный сосуд. Также может быть быстро измерена действительная температура реакционной смеси или реакционного сосуда, используемая в контуре управления с обратной связью. В этом заключается одно из отличий от известных устройств, в которых камера заполняется нагревающей или охлаждающей текучей средой, и действительная температура реакционной смеси не используется в качестве параметра обратной связи.

Устройство может также обеспечивать точное регулирование температуры реакционных смесей, подвергающихся циклической термообработки в реакционных сосудах. Это представляет собой существенный прогресс по сравнению с известными устройствами, которые могут обеспечивать лишь сравнительно грубое регулирование температуры в сравнимых циклах термообработки, поскольку обычно контур управления в известных устройствах является фактически открытым, в котором регулируется только температура воздуха или температура всего устройства; и действительная температура реакционной смеси не используется в качестве основного параметра контура обратной связи.

Кроме того, может быть повышена эффективность использования энергии, поскольку при использовании изобретения количества бесполезного тепла и охлаждающей среды минимальны. Также, могут использоваться технические средства нагрева и охлаждения сравнительно меньших размеров по сравнению с известными устройствами, поскольку нет необходимости в нагреве и охлаждении всей камеры, в результате чего снижается стоимость изготовления устройства.

Настоящее изобретение имеет и другие достоинства и преимущества. Например, корпус камеры, в которой размещается вращающийся карусельный магазин, не требует изоляции, или же для его изоляции используется минимальное количество изоляционного материала, поскольку потери тепла/охлаждающей среды минимальны, кроме того, можно отказаться от вентилятора, используемого для обеспечения циркуляции нагретого/охлажденного воздуха вокруг реакционных сосудов и через камеру, если используются каналы охлаждения.

Предлагаемое в настоящем изобретении устройство направлено прежде на устройства циклической термообработки, предназначенные для амплификации нуклеиновых кислот, в которых реакционные сосуды удерживаются на кольцевом карусельном магазине, установленном внутри камеры с возможностью вращения. Наиболее предпочтительными устройствами циклической термообработки для использования с устройством, предлагаемым в настоящем изобретении, является семейство аппаратов Rotor-Gene™, производимых и продаваемых компанией Corbett Life Sciences Pty Limited (www.corbettlifescience.com). Другие аналогичные устройства описаны в публикациях РСТ WO 92/20778 и WO 98/49340. Однако необходимо иметь в виду, что и другие имеющиеся на рынке устройства циклической термообработки могут быть модифицированы для того, чтобы они работали, в соответствии с вышеописанным способом.

Вращение реакционных сосудов может давать различные преимущества. Одно из основных достоинств заключается в том, что обеспечивается возможность контроля процесса амплификации in situ. Поскольку вращающийся карусельный магазин обычно имеет кольцевую форму, то нагреватель и канал подачи охлаждающей среды также имеют кольцевую форму, так что на реакционные сосуды во время вращения действует постоянный поток тепла или охлаждающей среды. В этом случае вращение карусельного магазина означает, что для нагрева/охлаждения реакционных сосудов нет необходимости в их позиционировании в определенной зоне нагрева/охлаждения.

В некоторых вариантах канал подачи охлаждающей среды может быть смещен от нагревателя радиально внутрь или радиально наружу. Следует иметь в виду, что нагреватель (или канал подачи охлаждающей среды) может находиться в одном или нескольких секторах круга, так что реакционные сосуды подвергаются прерывистому нагреву/охлаждению в процессе их вращения. Однако в других вариантах нагреватель и канал подачи охлаждающей среды могут находиться в чередующихся секторах круга, в результате чего формируются чередующиеся зоны нагрева/охлаждения.

В одном из вариантов для нагрева реакционной смеси может использоваться бесконтактный нагреватель. Например, подходящим источником нагрева может быть СВЧ-излучатель, или в предпочтительных вариантах используется ИК-нагреватель. В случае использования ИК-нагревателя его мощность предпочтительно составляет не меньше 100 Вт. В одном из вариантов ИК-нагреватель предпочтительно представляет собой трубку из нержавеющей стали, имеющую внешний диаметр примерно 2 мм и внутренний диаметр примерно 1,5 мм. В другом варианте ИК-нагреватель представляет собой нихромовый элемент, намотанный спиралью вокруг трубки.

ИК-нагреватель может быть размещен в нижней части корпуса камеры вращающегося карусельного магазина в непосредственной близости от вращающихся реакционных сосудов. В одном из вариантов ИК-нагреватель находится под реакционными сосудами, так что они перекрывают сверху ИК-нагреватель. Однако в других вариантах ИК-нагреватель может быть смещен радиально наружу (или внутрь) по отношению к реакционным сосудам, и в этом случае он устроен таким образом, чтобы ИК-энергия излучалась радиально внутрь (или наружу) в направлении реакционных сосудов, размещенных на вращающемся карусельном магазине.

Независимо от размещения нагреватель может быть устроен таким образом, чтобы тепло подавалось к реакционным сосудам или к реакционной смеси с созданием небольшой локальной зоны нагрева вокруг реакционных сосудов. В одном из вариантов трубка из нержавеющей стали устанавливается на керамических изоляторах, которые прикреплены к пластине отражателя, причем вся конструкция обеспечивает направление получаемой ИК-энергии в основном на реакционные сосуды.

В других вариантах пластина отражателя устроена таким образом, чтобы фокусировать тепло, выделяемое ИК-нагревателем, в основном на реакционных сосудах. В таких вариантах пластина отражателя имеет криволинейную форму в поперечном сечении, предпочтительно форму параболы. Хотя в предпочтительных вариантах используется отражатель, однако этот элемент не является существенным для изобретения.

В одном из вариантов канал подачи охлаждающей среды представляет собой кольцевую щель, расположенную рядом с узлом пластины отражателя и ИК-нагревателя. Однако в других вариантах канал подачи охлаждающей среды содержит множество расположенных по окружности отверстий, расположенных рядом с узлом пластины отражателя и ИК-нагревателя. Каналы подачи охлаждающей среды могут быть устроены таким образом, чтобы охлаждающая среда подавалась непосредственно на реакционные сосуды. В этом случае вокруг реакционных сосудов формируется заданная зона охлаждения.

В одном из вариантов в качестве охлаждающей среды используется внешний воздух. Однако для этого может использоваться любая известная в технике охлаждающая среда. Подаваемый для охлаждения воздух может быть предварительно охлажден. Следует отметить, что воздух может быть охлажден любым способом, например, путем предварительного пропускания потока воздуха вдоль холодной стороны термоэлектрического блока (эффект Пельтье). Однако в некоторых предпочтительных вариантах охлаждающая среда охлаждается в результате адиабатического расширения, как это хорошо известно в технике. Например, канал подачи охлаждающей среды может быть соединен с источником сжатого воздуха, и в этом случае используется одна или несколько распылительных форсунок.

Реакционные сосуды устроены таким образом, чтобы происходило быстрое выравнивание температуры и обеспечивалось измерение реакционной смеси, и в этом случае они могут быть выполнены из стекла или из пластмассы. В одном из вариантов используются реакционные сосуды, аналогичные трубкам Eppendorf™. Реакционные сосуды могут содержать любую реакционную смесь, однако в предполагаемых вариантах реакционные смеси используются для амплификации нуклеиновых кислот, и устройство циклической термообработки сконфигурировано соответствующим образом, а именно, процесс циклической термообработки специально предназначен для амплификации нуклеиновых кислот, как это уже было описано.

В одном из вариантов реакционные сосуды по меньшей мере частично пропускают излучение, так что реакционная смесь по меньшей частично подвергается действию излучения, то есть, происходит прямой нагрев. Однако в других вариантах реакционные сосуды могут поглощать излучение, в результате чего они нагреваются и передают тепло содержащейся в них реакционной смеси.

В одном из вариантов в процессе циклической термообработки измеряется температура реакционного сосуда. Для этого могут использоваться любые чувствительные элементы, известные в технике, однако предпочтительно используются датчики температуры бесконтактного типа. Например, могут использоваться термоэлектрические датчики и им подобные технические средства. За счет использования подходящих реакционных сосудов, которые обеспечивают быстрое выравнивание температуры, температура реакционной смеси будет такой же, как и температура на поверхности реакционного сосуда. Поэтому после достижения заданной температуры отсутствует необходимость в выравнивании температуры. Кроме того, время выравнивания температуры больше не зависит от отношения площади поверхности к объему реакционного сосуда. Поскольку ИК-энергия фокусируется на реакционной смеси, то интенсивность нагрева пропорциональна мощности ИК-нагревателя и не зависит от геометрии трубки в отличие от других систем циклической термообработки, теплопроводных или конвекционных.

В одном из вариантов температура реакционной смеси измеряется непосредственно, например, когда реакционный сосуд пропускает измеряемое излучение, как это происходит в случае, когда осуществляется оптическое определение цвета индикатора в реакционной смеси.

Также необходимо иметь в виду, что при локальном нагреве и охлаждении реакционной смеси, после нагрева до 95°С по меньшей мере часть реакционной смеси будет испаряться и конденсироваться на холодных частях реакционного сосуда, которые не подвергаются действию ИК-излучения. Для устранения этого недостатка в процессе циклической термообработки ротор вращается с высокой скоростью, чтобы реакционная смесь, которая может испаряться при нагреве, опускалась вниз. Другим способом устранения этого недостатка является покрытие реакционной смеси маслом или воском, которые действуют в качестве преграды для испарения.

Необходимо отметить, что нагреватель, подающий тепло в реакционный сосуд, и канал, подающий к реакционному сосуду охлаждающую среду, могут включаться последовательно или одновременно, как это хорошо известно в технике. Например, при их последовательном включении управление температурой может считаться регулированием "ВКЛ/ВЫКЛ", а при одновременном включении управление температурой может считаться "пропорциональным" регулированием. В последнем случае для управления температурой реакционного сосуда может использоваться контроллер пропорционально-интегрально-дифференциального регулирования.

В одном из вариантов осуществления изобретения способ управления температурой реакционной смеси включает: обеспечение нагревателя, предназначенного для выборочного формирования заданной зоны нагрева; и обеспечение канала подачи охлаждающей среды для выборочного формирования заданной зоны охлаждения; причем заданная зона нагрева и заданная зона охлаждения формируются по существу рядом с нагревателем и с каналом подачи охлаждающей среды, соответственно; и управление температурой реакционной смеси путем выборочного воздействия на реакционный сосуд зоной нагрева и/или зоной охлаждения.

В другом варианте осуществления изобретения способ управления температурой реакционной смеси включает: выборочное воздействие на реакционный сосуд заданной зоной нагрева и/или заданной зоной охлаждения, причем заданная зона нагрева и заданная зона охлаждения формируются по существу рядом с нагревателем и с каналом подачи охлаждающей среды, соответственно.

В этих вариантах обеспечивается нагрев/охлаждение реакционного сосуда без нагрева/охлаждения всей камеры, в которой размещены реакционные сосуды, как это осуществляется в известных устройствах. В результате снижается количество энергии, необходимое для нагрева и охлаждения реакционной смеси, а также сокращается время нагрева, как указывалось выше.

Если в описании в явной форме не указано иное, то по всему описанию и в формуле изобретения слова "содержит" и ему подобные должны пониматься как "включает в себя", но не как "содержит только", то есть, должны пониматься в смысле "включающий без ограничения".

За исключением случаев действующих вариантов или случаев, где указано иное, все числа, выражающие количества ингредиентов или условий реакции, используемые в описании, должны пониматься во всех случаях как указываемые со словом "примерно".

Несмотря на то, что численные диапазоны значений и параметры, устанавливающие расширенный объем изобретения, являются приближенными величинами, численные значения, указанные в конкретных примерах, даются как можно более точно. Однако любая численная величина принципиально содержит определенные ошибки, неизбежно возникающие как результат стандартных отклонений, полученных при выполнении их измерений.

Терминология, используемая в настоящем описании, предназначена лишь для описания конкретных вариантов устройства управления температурой реакционных смесей и никоим образом не ограничивает объем изобретения. Если не указано иное, то все технические и научные термины, используемые в настоящем описании, имеют значения, распространенные среди специалистов в данной области техники. Указание числовых диапазонов граничными значениями включает все числа, входящие в этот диапазон (напр. диапазон 1-5 включает 1; 1,5; 2, 2,75; 3; 3,80; 4; 5 и т.д.).

Термины "предпочтительный" и "предпочтительно" указывают, что при определенных условиях могут быть получены некоторые преимущества. Однако при тех же или других условиях предпочтительными могут быть и другие варианты. Кроме того, указание одного или нескольких предпочтительных вариантов осуществления изобретения не означает, что не могут быть использованы и другие варианты, то есть, другие варианты не исключаются из объема изобретения.

Признаки разных вариантов могут использоваться совместно или являются взаимозаменяемыми, и все варианты, рассмотренные в настоящем описании, являются всего лишь примерами.

Хотя изобретение было описано со ссылками на конкретные варианты, необходимо понимать, что специалисты в данной области техники могут осуществить его и во многих других формах. В частности признаки любого из описанных вариантов могут использоваться в любых сочетаниях в любых других описанных вариантах.

1. Устройство управления температурой реакционной смеси, находящейся внутри реакционного сосуда, содержащее:
а) источник излучения для воздействия излучением на реакционный сосуд, в результате чего реакционная смесь нагревается;
б) инфракрасный датчик температуры для измерения температуры, являющейся показателем температуры реакционной смеси; и
с) контроллер для управления источником излучения в соответствии с температурой реакционной смеси с целью ее выборочного нагрева.

2. Устройство по п.1, которое содержит источник тепла для нагрева камеры, содержащей реакционный сосуд.

3. Устройство по п.2, в котором контроллер обеспечивает:
а) повышение температуры реакционной смеси по меньшей мере частично с использованием источника излучения; и
б) поддержание температуры реакционной смеси по меньшей мере частично с использованием источника излучения.

4. Устройство по п.1, содержащее дополнительно охлаждающее средство для охлаждения реакционной смеси.

5. Устройство по п.4, в котором охлаждающее средство предназначено для охлаждения реакционной смеси, находящейся при повышенной температуре.

6. Устройство по п.4 или 5, в котором охлаждающее средство подает внешний воздух в камеру, содержащую реакционный сосуд.

7. Устройство по п.4 или 5, в котором охлаждающее средство подает охлажденную текучую среду в камеру, содержащую реакционный сосуд.

8. Устройство по п.1, в котором датчик температуры измеряет температуру камеры, и контроллер обеспечивает определение температуры реакционной смеси по температуре камеры.

9. Устройство по п.1, в котором источник излучения генерирует инфракрасное излучение.

10. Устройство по п.1, содержащее камеру для размещения в ней используемых реакционных сосудов.

11. Устройство по п.1, содержащее крепежную арматуру для установки реакционных сосудов, причем источник излучения и крепежная арматура расположены таким образом, чтобы обеспечивался нагрев одного или нескольких реакционных сосудов.

12. Устройство по п.11, содержащее привод для перемещения крепежной арматуры относительно источника излучения.

13. Устройство по п.12, в котором контроллер обеспечивает управление приводом для выборочного нагрева реакционной смеси в соответствующих реакционных сосудах.

14. Устройство по п.1, в котором источник излучения формирует зону нагрева излучением, и контроллер управляет нагревом реакционной смеси путем выборочного воздействия на реакционный сосуд зоной нагрева.

15. Устройство по п.1, в котором в качестве контроллера используется система обработки информации.

16. Устройство по п.1, в котором контроллер обеспечивает:
а) определение температуры реакционной смеси с использованием информации, получаемой от датчика температуры; и
б) управление источником излучения в соответствии с температурой реакционной смеси, в результате чего может осуществляться управление этой температурой.

17. Устройство по п.1, в котором нагреватель предназначен для выборочного формирования заданной зоны нагрева, и устройство содержит канал подачи охлаждающей среды для выборочного формирования заданной зоны охлаждения; причем заданная зона нагрева и заданная зона охлаждения формируются рядом с нагревателем и с каналом подачи охлаждающей среды соответственно, так что температурой реакционной смеси можно управлять путем выборочного воздействия на реакционный сосуд зоной нагрева и/или зоной охлаждения.

18. Устройство по п.1, в котором реакционный сосуд по меньшей мере частично пропускает излучение.

19. Устройство по п.18, в котором длина волны излучения выбирается в соответствии с характеристиками реакционного сосуда и/или характеристиками реакционной смеси.

20. Способ управления температурой реакционной смеси, содержащейся в реакционном сосуде, включающий:
а) определение температуры реакционной смеси с использованием информации, получаемой от датчика температуры; и
б) управление источником излучения, предназначенным для воздействия излучением на реакционный сосуд, в результате чего нагревается реакционная смесь; причем источником излучения управляет контроллер в соответствии с температурой реакционной смеси, в результате чего осуществляется управление этой температурой.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области медицины, в частности к онкологии, и может найти применение для прогнозирования периода безрецидивной выживаемости при раке шейки матки (РШМ).

Изобретение относится к биохимии, в частности к определению активности пируватдегидрогеназного комплекса (PDH комплекса) путем 13C-МР обнаружения (магнитно-резонансного обнаружения на основе изотопа 13C).
Изобретение относится к диагностике, а именно к способу определения показаний к выбору тактики консервативной терапии пациентов, перенесших повторный инфаркт миокарда.

Изобретение относится к практической медицине и касается оценки эффективности комбинированной антиагрегантной терапии у больных острым коронарным синдромом. .
Изобретение относится к области аналитической химии, а именно к способу создания реагента для определения содержания глюкозы глюкозооксидазным методом в присутствии аскорбиновой кислоты.
Изобретение относится к неврологии, иммунологии и профессиональной патологии и позволяет проводить раннее выявление формирующейся патологии до проявления клинических признаков интоксикации винилхлоридом.

Изобретение относится к области медицины, а именно к педиатрии и онкогематологии, и может быть использовано для прогнозирования развития нарушений функции миокарда у детей с острым лимфобластным лейкозом (ОЛЛ), находящихся на разных этапах полихимиотерапии (ПХТ).

Изобретение относится к медицине, а именно к лабораторной диагностике, и может быть использовано для диагностики патологий, связанных с заболеваниями коры надпочечников.

Изобретение относится к области радиационных неразрушающих методов контроля, основанных на регистрации и анализе проникающего ионизирующего излучения, и может быть применено для дефектоскопии сварных и паяных швов, отливок и т.д.

Изобретение относится к области исследования образцов неконсолидированных пористых сред и может быть использовано для изучения открытой или закрытой пористости, распределения пор по размерам, удельной поверхности, пространственного распределения и концентрации ледяных и/или газогидратных включений в поровом пространстве образцов, определения размера включений и т.д.

Изобретение относится к области геологии, разработки и использования месторождений полезных ископаемых и может быть использовано на ранних этапах геолого-разведочных работ для предварительной оценки качества силикатного сырья и для предварительной оценки коэффициента светопропускания.

Изобретение относится к способу рентгенофлуоресцентного определения микроэлементов и может быть использовано при анализе природных вод и техногенных растворов. .

Изобретение относится к области рентгенографической техники и может быть использовано при проверке багажа, ручной клади и других объектов контроля во время таможенного и специального досмотра.

Изобретение относится к области элементного анализа - качественного обнаружения и количественного определения содержания элементов и элементного состава веществ, материалов и различных объектов.

Изобретение относится к области исследования материалов без их разрушения, а точнее к гамма-дефектоскопии. .

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами. .
Наверх