EP1642648A1 - Apparatus and method for regulating the temperature of a liquid - Google Patents

Abstract

Liquid samples (11-20) which need to be raised to a set temperature within a fixed short interval are moved through e.g. an infrared radiation zone (2). Inert beads of material of thermal conductivity greater than 0.6W/mK are added to the samples in order to accelerate the heating rate. The temperature of each sample is monitored (3) and may be used to control the heater. Independent claims are included for the method of increasing sample heating rate by addition of heat absorption material, and for the use of infrared heating.

Description

Translated fromGerman

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einstellen einer Temperatur einer Flüssigkeit nach dem Oberbegriff gemäss Anspruch 1 sowie ein entsprechendes Verfahren.The present invention relates to a device for adjusting a temperature of a liquid according to the preamble ofclaim 1 and a corresponding method.

Es ist allgemein bekannt, dass chemische Analysen von Proben und chemische/physikalische Prozesse bei einer vorbestimmten Temperatur ausgeführt werden müssen, um korrekte Resultate erhalten zu können. Insbesondere bei einer grossen Anzahl von chemischen Analysen innerhalb eines relativ kurzen Zeitabschnittes oder bei Prozessen, bei denen eine Temperatur oder unterschiedliche Temperaturen eingestellt werden müssen, erfordern leistungsfähige und kostenaufwendige Temperiereinheiten, damit diese Anforderungen erfüllt werden können.It is well known that chemical analyzes of samples and chemical / physical processes must be carried out at a predetermined temperature in order to obtain correct results. In particular, in a large number of chemical analyzes within a relatively short period of time or in processes in which a temperature or different temperatures must be set, require powerful and costly temperature control units, so that these requirements can be met.

Es sind verschiedene Vorrichtungen und Verfahren zur Einstellung der Temperatur bekannt. Stellvertretend wird auf die folgenden Druckschriften verwiesen: DE-42 03 202 A1, EP-0 160 282 B1, EP-0 318 255 A2, WO 98/38487, US-6 210 882 und EP-0-345 882 A1.Various devices and methods for adjusting the temperature are known. By way of example, reference is made to the following publications: DE-42 03 202 A1, EP-0 160 282 B1, EP-0 318 255 A2, WO 98/38487, US Pat. No. 6,210,882 and EP-0-345 882 A1.

Die bekannten Lehren lassen sich grundsätzlich in zwei Gruppen einteilen. Zur ersten Gruppe gehören die so genannten Festkörperinkubatoren, bei denen die Proben durch den Festkörper geheizt oder gekühlt werden, was je nach Wärmekapazität entsprechend viel Zeit in Anspruch nimmt. Müssen flüssige Proben temperiert werden, ergeben sich eines oder mehrere der nachfolgenden Probleme:

• Grosse thermische Massen müssen bei einer Temperaturänderung mitgeheizt oder mitgekühlt werden;
• Es treten Diffusionslimitationen zwischen einer geheizten Probengefässwandung und der Flüssigkeit auf (Grenzschichtbildung);
• ein direkter Kontakt zwischen der Wärmequelle bzw. Wärmesenke und dem zu beheizenden Probengefäss ist erforderlich; eine schlechte Kontaktierung zwischen Temperiereinheit und Probengefäss führt zu einer erheblichen Verzögerung in der Temperatureinstellung;
• Kontaktierungen durch Sensorkabel wirken als Wärmesenken und führen zu zusätzlichen Verlusten.

The known teachings can basically be divided into two groups. The first group includes the so-called solid-state incubators, in which the samples are heated or cooled by the solid, whichever is appropriate Heat capacity takes a lot of time. If liquid samples have to be tempered, one or more of the following problems arise:

• Large thermal masses must be co-heated or co-cooled with a change in temperature;
• Diffusion limitations occur between a heated sample vessel wall and the liquid (boundary layer formation);
• direct contact between the heat source or heat sink and the sample vessel to be heated is required; poor contact between tempering unit and sample vessel leads to a considerable delay in the temperature setting;
• Contacts through sensor cables act as heat sinks and lead to additional losses.

Zur zweiten Gruppe gehören Temperiereinheiten, die auf einer Bestrahlung, insbesondere einer IR-(Infrarot)-Bestrahlung, basieren. Zwar kann grundsätzlich ein gegenüber der ersten Gruppe verbessertes Verhalten festgestellt werden, doch ergeben sich auch bei dieser zweiten Gruppe eine Reihe von zu beachtenden Nachteilen, welche zu einem suboptimalen Aufheizverhalten bei Flüssigkeiten führen:

• nicht optimierte Absorptionsspektren der zu erwärmenden Reaktionsgemische;
• nicht optimierte Transmissionsspektren der Probengefässe;
• anderen Systemelemente werden ungewollt durch die IR-Strahlung erwärmt.

The second group includes tempering units which are based on irradiation, in particular IR (infrared) irradiation. Although, in principle, an improved behavior compared to the first group can be ascertained, there are also a number of disadvantages to be considered in this second group, which lead to a sub-optimal heating behavior for liquids:

• non-optimized absorption spectra of the reaction mixtures to be heated;
• non-optimized transmission spectra of the sample vessels;
• other system elements are inadvertently heated by the IR radiation.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Einstellen einer Temperatur einer Flüssigkeit anzugeben, wobei die Vorrichtung einen oder mehrere der vorstehend genannten Nachteile nicht aufweist.The present invention is therefore based on the object of specifying a device for adjusting a temperature of a liquid, wherein the device does not have one or more of the disadvantages mentioned above.

Diese Aufgabe wird durch den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Massnahmen gelöst. vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein verfahren sind in weiteren Ansprüchen angegeben.This object is achieved by the measures indicated in the characterizing part ofpatent claim 1. advantageous embodiments of the invention and a method are given in further claims.

Die Erfindung weist die folgenden Vorteile auf: Indem die zu untersuchende Flüssigkeit Absorptionselemente enthält, die eine Wärmeleitfähigkeit grösser als 0.6 W/m K aufweisen, wird die Temperatureinstellung in der zu untersuchenden Flüssigkeit erheblich beschleunigt. Damit kann der Durchsatz von Proben pro Zeiteinheit entsprechend gesteigert werden.The invention has the following advantages: Since the liquid to be examined contains absorption elements which have a thermal conductivity greater than 0.6 W / m K, the temperature setting in the liquid to be examined is considerably accelerated. Thus, the throughput of samples per unit time can be increased accordingly.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen beispielsweise erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1,

in schematischer Darstellung, eine erfindungsgemässe Vorrichtung als so genannter Linear-IR-Inkubator,

Fig. 2,

wiederum in schematischer Darstellung, eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung als Linear-IR-Inkubator,

Fig. 3,

wiederum in schematischer Darstellung, eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung als so genannter Rotor-IR-Inkubator und

Fig. 4,

wiederum in schematischer Darstellung, eine noch weitere Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung als Rotor-IR-Inkubator.

The invention will be explained below with reference to drawings, for example. Show

Fig. 1,

in a schematic representation, a device according to the invention as a so-called linear IR incubator,

2,

again in a schematic representation, a further embodiment of a device according to the invention as a linear IR incubator,

3,

in turn, in a schematic representation, another embodiment of the inventive device as a so-called rotor IR incubator and

4,

in turn, in a schematic representation, a still further embodiment of the inventive device as a rotor-IR incubator.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform der Erfindung, bei der acht Probengefässe 11 bis 18 im Wesentlichen auf einer Geraden angeordnet sind, wobei eine Transporteinheit 20 vorgesehen ist, um einerseits die Probengefässe 11 bis 18 in Position zu halten und anderseits, um einen einfachen Transport der Probengefässe 11 bis 18 zu gewährleisten. Seitlich entlang der Probengefässe 11 bis 18 bzw. der Transporteinheit 20 ist eine Temperiereinheit 2 vorgesehen, mit Hilfe der die Temperatur der in den Probengefässen 11 bis 18 vorhandenen Flüssigkeit eingestellt werden kann. Hierzu ist eine Steuereinheit 1 vorgesehen, die mit der Temperiereinheit 2 wirkverbunden ist, d.h. in der Steuereinheit 1 wird ein Steuersignal generiert, welches zu einer entsprechenden Temperaturstrahlung durch die Temperiereinheit 2 führt.Fig. 1 shows a schematic representation of an embodiment of the invention, in which eightsample vessels 11 to 18 are arranged substantially on a straight line, wherein atransport unit 20 is provided to hold one hand, thesample vessels 11 to 18 in position and on the other hand, to a to ensure easy transport of thesample vessels 11 to 18. Atemperature control unit 2 is provided laterally along thesample vessels 11 to 18 or thetransport unit 20, by means of which the temperature of the liquid present in thesample vessels 11 to 18 can be adjusted. For this purpose, acontrol unit 1 is provided, which is operatively connected to thetemperature control unit 2, ie in thecontrol unit 1, a control signal is generated, which leads to a corresponding temperature radiation through thetemperature control unit 2.

Grundsätzlich besteht eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darin, dass die Steuereinheit 1 keine Rückmeldung über die in den Probengefässen 11 bis 18 erzeugten Temperatur erhält.Basically, a first embodiment of the present invention is that thecontrol unit 1 receives no feedback on the temperature generated in thesample vessels 11 to 18.

Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht jedoch, wie in Fig. 1 gezeigt, darin, dass Sensorelemente 3 im Bereich der Probengefässe 11 bis 18 vorgesehen sind, mit Hilfe derer die jeweilige Temperatur der in den Probengefässen 11 bis 18 vorhandenen Flüssigkeiten bestimmt werden kann. Dabei besteht einerseits die Möglichkeit, dass für jedes Probengefäss 11 bis 18 ein Sensorelement 3 vorhanden ist, anderseits die Möglichkeit, dass die Temperatur lediglich in einem der Probengefässe 11 bis 18 gemessen wird, wobei dann angenommen wird, dass der gemessene Temperaturwert in allen anderen Probengefässen 11 bis 18 gleich ist.A further embodiment of the present invention, however, as shown in Fig. 1, is thatsensor elements 3 are provided in the region of thesample vessels 11 to 18, by means of which the respective temperature of the existing in thesample vessels 11 to 18 fluids can be determined. On the one hand there is the possibility that for eachsample vessel 11 to 18 asensor element 3 is present, on the other hand the possibility that the temperature is measured only in one of thesample vessels 11 to 18, in which case it is assumed that the measured temperature value in allother sample vessels 11 to 18 is the same.

Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Sensorelementen 3 ermöglicht die Regulierung der Temperaturstrahlung der Temperiereinheit 2, womit eine gewünschte Temperatur der in den Probengefässen vorhandenen Flüssigkeiten rasch und präzise eingestellt werden kann.The embodiments of the present invention withsensor elements 3 enables the regulation of the temperature radiation of thetemperature control unit 2, whereby a desired temperature of the liquids present in the sample vessels can be adjusted quickly and precisely.

In der Fig. 1 ist mit 5 ein Systembus bezeichnet, über den die erfindungsgemässe Vorrichtung beispielsweise an ein übergeordnetes System gekoppelt werden kann, das beispielsweise alle Steuerungen eines Prozesses übernimmt-Es hat sich gezeigt, dass sich als Temperiereinheit 2 ein IR-(Infrarot)-Strahlungseinheit besonders eignet. Eine IR-Strahlungseinheit bestrahlt die Flüssigkeit in den Probengefässen 11 bis 18 im infraroten Wellenlängenbereich. Denkbar sind jedoch auch andere Wellenlängenbereiche.In FIG. 1, denoted by 5 is a system bus, via which the device according to the invention can be coupled, for example, to a higher-level system which, for example, assumes all the controls of a process It has been found that thetempering unit 2 is particularly suitable for an IR (infrared) radiation unit. An IR radiation unit irradiates the liquid in thesample vessels 11 to 18 in the infrared wavelength range. However, other wavelength ranges are also conceivable.

Die eingesetzte Temperiereinheit 2 ist beispielsweise als Flächenstrahler (zweidimensional) in Dickfilm- oder Dünnfilmtechnologie realisiert.Thetempering unit 2 used is realized, for example, as a surface radiator (two-dimensional) in thick-film or thin-film technology.

Damit die Einstellung der Temperatur der in den Probengefässen 11 bis 18 enthaltenen Flüssigkeiten schneller und effizienter vorgenommen werden kann, wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, den in den Probengefässen enthaltenen Flüssigkeiten Absorptionselemente beizumischen. Die Absorptionselemente haben dabei die Aufgabe, die von der Temperiereinheit 2 abgegebene Strahlungsenergie aufzunehmen und als Wärme an die in den Probengefässen 11 bis 18 enthaltenen Flüssigkeiten abzugeben. Die Wahl für ein Absorptionselement ist daher abhängig von der verwendeten Temperiereinheit 2 bzw. vom verwendeten Wellenlängenbereich der Strahlung.So that the adjustment of the temperature of the liquids contained in thesample vessels 11 to 18 can be carried out faster and more efficiently, it is proposed according to the invention to admix absorption elements to the liquids contained in the sample vessels. The absorption elements have the task to absorb the radiation energy emitted by thetemperature control unit 2 and deliver it as heat to the liquids contained in thesample vessels 11 to 18. The choice for an absorption element is therefore dependent on thetemperature control unit 2 used or on the wavelength range of the radiation used.

Die Absorptionselemente sollen die zu untersuchende oder zu verarbeitende Flüssigkeit chemisch nicht beeinflussen - d.h. in Bezug auf die Flüssigkeit inert sein - und zudem beispielsweise eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften aufweisen:

• hohe Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise grösser als 0.6 w/m K;
• geringe Wärmekapazität, vorzugsweise kleiner als 4000 J/kg K;
• magnetisiert bzw. magnetisierbar;
• geringe spezifische Dichte, vorzugsweise kleiner als 6 g/cm³.

The absorption elements should not chemically influence the liquid to be investigated or processed, ie be inert with respect to the liquid, and additionally have, for example, one or more of the following properties:

• high thermal conductivity, preferably greater than 0.6 w / m K;
• low heat capacity, preferably less than 4000 J / kg K;
• magnetized or magnetizable;
• low specific gravity, preferably less than 6 g / cm³ .

Mit den erfindungsgemässen Absorptionselementen kann ein oder mehrere der nachfolgenden Effekte erzielt werden:

• Höherer Wirkungsgrad;
• Höhere Aufheizgeschwindigkeit der inden Probengefässen 11bis 18 enthaltnen Flüssigkeiten;
• Stärkere Konvektionseffekte innerhalb der Probengefässe 11bis 18 aufgrund des lokalen Wärmeeintrages an den Absorptionselementen;
• Bessere Homogenität innerhalb der zu erwärmenden Flüssigkeit infolge des verstärkten Konvektionseffektes innerhalb der Probengefässe 11 bis 18 (ein zusätzliches Mischen der Flüssigkeiten ist nicht notwendig).

One or more of the following effects can be achieved with the absorption elements according to the invention:

• Higher efficiency;
• Higher heating rate of the liquids contained insample vessels 11 to 18;
• Greater convection effects within thesample vessels 11 to 18 due to the local heat input at the absorption elements;
• Better homogeneity within the liquid to be heated due to the increased convection effect within thesample vessels 11 to 18 (additional mixing of the liquids is not necessary).

Als Absorptionselemente eignen sich beispielsweise kugelförmige Partikel in der Grösse von 0.1 bis 100µm, insbesondere von 0.5 bis 5 µm. Es handelt sich dabei um Glaskugeln mit eingeschlossenen magnetischen Pigmenten, zum Beispiel aus Eisenoxid. Derartigen Absorptionselemente werden auch etwa als MGPs (Magnetische Glas-Partikel) bezeichnet. Des Weiteren kann die Absorption durch die Verwendung von Polymeren (PS) zur Herstellung von Absorptionselementen gesteigert werden. Schliesslich kann die Wärmeleitfähigkeit und damit ein Wärmeeintrag in die Flüssigkeiten erhöht werden, indem Absorptionselemente aus anderen inerten Partikeln (beispielsweise aus Aluminium, Keramik oder Karbonfasern) beigegeben werden.As absorption elements are, for example, spherical particles in the size of 0.1 to 100 .mu.m, in particular from 0.5 to 5 microns. These are glass beads with enclosed magnetic pigments, for example iron oxide. Such absorption elements are also referred to as MGPs (Magnetic Glass Particles). Furthermore, the absorption can be increased by the use of polymers (PS) for the production of absorbent elements. Finally, can the thermal conductivity and thus a heat input into the liquids can be increased by adding absorption elements of other inert particles (for example of aluminum, ceramic or carbon fibers).

Als Absorptionselemente eignen sich insbesondere partikuläre Festkörper, wie sie beispielsweise in den bekannten Lehren gemäss WO 96/41 811 bzw. US-6 255 477 B1 oder WO 00/32 762 bzw. US-6 545 143 B1 oder WO 01/37 291 bzw. US 2003/224 366 A1 der gleichen Anmelderin beschrieben worden sind. Der Offenbarungsgehalt der eben erwähnten internationalen Patentanmeldungen ist daher im vollen Umfang integrierender Bestandteil der vorliegenden Patentanmeldung.Particularly suitable absorption elements are particulate solids, as described, for example, in the known teachings according to WO 96/41 811 or US Pat. No. 6,255,477 B1 or WO 00/32 762 or US Pat. No. 6,545,143 B1 or WO 01/37 291 or US Pat US 2003/224 366 A1 of the same Applicant have been described. The disclosure of the above-mentioned international patent applications is therefore fully an integral part of the present patent application.

Wie bereits darauf hingewiesen worden ist, haben die Absorptionselemente in erster Linie die Aufgabe, Strahlung in Wärme umzuwandeln und an die zu erwärmende Flüssigkeit im Probengefäss abzugeben, um somit eine gewünschte Temperatur der Flüssigkeit raschmöglichst erreichen zu können. Des Weiteren sind Ausführungsformen denkbar und wünschenswert, bei denen Partikel als Absorptionselemente eingesetzt werden, an die Nukleinsäure reversibel gebunden werden können, wie dies auch in der vorerwähnten internationalen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer WO 96/41 811 beschrieben worden ist. Hierbei besteht das Verfahren darin, Nukleinsäuren zur Reinigung an die Partikel anzubinden. Durch die Anbindung kann ein äusserst effizienter Wärmeübergang erhalten werden. Die zu untersuchende Flüssigkeit ist dabei vorzugsweise wässrig, insbesondere eine nukleinsäurehaltige Probe, beispielsweise eine Körperflüssigkeit oder eine davon abgeleitete Flüssigkeit.As has already been pointed out, the absorption elements primarily have the task of converting radiation into heat and delivering it to the liquid to be heated in the sample vessel in order to be able to achieve a desired temperature of the liquid as quickly as possible. Furthermore, embodiments are conceivable and desirable in which particles are used as absorption elements, to which nucleic acid can be reversibly bound, as has also been described in the aforementioned international patent application with the publication number WO 96/41 811. In this case, the method consists of binding nucleic acids to the particles for cleaning. Through the connection, an extremely efficient heat transfer can be obtained. The liquid to be examined is included preferably aqueous, in particular a nucleic acid-containing sample, for example a body fluid or a fluid derived therefrom.

Eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades und des Wärmeeintrages in die Flüssigkeit der Probengefässe 11 bis 18 wird bei der erfindungsgemässen Vorrichtung dadurch erreicht, dass die Probengefässe 11 bis 18 aus einem Material mit geringer Wärmekapazität und/oder reduzierter Absorption gefertigt sind. Beispielsweise eignet sich die Verwendung von COC (Cycloolefin-Copolymer) anstelle des üblicherweise für Probengefässe verwendeten PP (Polypropylen).A further improvement of the efficiency and the heat input into the liquid of thesample vessels 11 to 18 is achieved in the inventive device in that thesample vessels 11 to 18 are made of a material with low heat capacity and / or reduced absorption. For example, the use of COC (cycloolefin copolymer) is useful instead of the PP (polypropylene) commonly used for sample vessels.

Neben der Wahl des geeigneten Materials für die Probengefässe zur Erlangung der vorstehend genannten Eigenschaften ist eine weitere Optimierung durch geeignete Eigenschaften der gewählten Temperiereinheit möglich. So ist bei der Verwendung einer IR-Strahlungseinheit dessen Strahlungsspektrum auf das verwendete Material für die Probengefässe 11 bis 18 abzustimmen. Damit wird ein optimiertes Gesamtsystem erhalten.In addition to the choice of suitable material for the sample vessels to obtain the above properties further optimization by suitable properties of the selected temperature control is possible. Thus, when using an IR radiation unit, its radiation spectrum must be matched to the material used for thesample vessels 11 to 18. This will result in an optimized overall system.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsvariante erfolgt das Einbringen von Wärme in die Probengefässe 11 bis 18 über die seitlich angeordnete Temperiereinheit 2. Das Messen der momentanen Temperatur mit Hilfe der Sensorelemente 3 erfolgt vorzugsweise, aber nicht zwingend, von oben, dass heisst über die Öffnung in den Probengefässen 11 bis 18. Damit kann eine direkte Messung der Temperatur vorgenommen werden, und es sind keine Messverfälschungen aufgrund von zwischen dem Sensorelement 3 und der Flüssigkeit liegenden Gefässwandungen zu erwarten.In the embodiment shown in FIG. 1, the introduction of heat into thesample vessels 11 to 18 via the laterally arrangedtemperature control unit 2. The measurement of the instantaneous temperature by means of thesensor elements 3 is preferably, but not necessarily, from above, that is on the Opening in thesample vessels 11 to 18. This can be a direct measurement the temperature can be made, and there are no Messverfälschungen due to lying between thesensor element 3 and the liquid vessel walls to be expected.

Alternativ kann die Flüssigkeit in den Probengefässen 11 bis 18 von unten bzw. von oben erwärmt werden. In diesem Fall wird eine Temperaturmessung von der Seite bevorzugt.Alternatively, the liquid in thesample vessels 11 to 18 can be heated from below or from above. In this case, a temperature measurement from the side is preferred.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung mit einem Linear-IR-Inkubator. Anstelle eines seitlich angeordneten Temperiereinheit, wie bei der Ausführungsvariante gemäss Fig. 1, umfasst die Ausführungsform gemäss Fig. 2 eine Rechen-förmige Temperiereinheit, die aus den im wesentlichen parallel angeordneten Temperierelementen 2a bis 2f besteht. Die Temperierelemente 2a bis 2f können ebenfalls mit den erwähnten Dünnfilm- bzw. Dickfilmtechnologien hergestellt werden. Bei dieser Ausführungsform besteht die Möglichkeit, die Temperatur der in den einzelnen Probengefässe 11 bis 15 enthaltenen Flüssigkeiten individuell zu regulieren. Hierzu ist die Steuereinheit 1 einzeln mit den Temperierelementen 2a bis 2f verbunden.FIG. 2 shows a further embodiment of the device according to the invention with a linear IR incubator. Instead of a laterally arranged tempering unit, as in the embodiment according to FIG. 1, the embodiment according to FIG. 2 comprises a rake-shaped tempering unit, which consists of the essentially parallel tempering elements 2a to 2f. The tempering elements 2a to 2f can also be produced with the mentioned thin-film or thick-film technologies. In this embodiment, it is possible to individually regulate the temperature of the liquids contained in theindividual sample vessels 11 to 15. For this purpose, thecontrol unit 1 is individually connected to the temperature control 2a to 2f.

Die Temperaturmessung erfolgt, wie bei der Ausführungsform gemäss Fig. 1, über Sensorelemente 3, die mit der Steuereinheit 1 verbunden sind (in Fig. 2 strichliniert dargestellt). Vorzugsweise sind die Sensorelemente 3 oberhalb oder unterhalb der Probengefässe 11 bis 15 angeordnet.The temperature measurement takes place, as in the embodiment according to FIG. 1, viasensor elements 3, which are connected to the control unit 1 (shown in dashed lines in FIG. 2). Preferably, thesensor elements 3 arranged above or below thesample vessels 11 to 15.

In einer alternativen Ausführungsvariante sind Sensorelemente 3' direkt auf den Temperierelementen 2a bis 2f vorgesehen, wie dies stellvertretend beim ersten Temperierelement 2a angedeutet ist.In an alternative embodiment, sensor elements 3 'are provided directly on the temperature control elements 2a to 2f, as is indicated by way of example in the case of the first temperature control element 2a.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemässen Vorrichtung dargestellt. Bei dieser Ausführungsform kommt ein so genannter Rotor-IR-Inkubator zum Einsatz, bei dem die Probengefässe 11 bis 1B auf einem Kreis angeordnet sind. Entsprechend sind die Probengefässe 11 bis 18 durch eine kreisförmige Transporteinheit 20 in Position gehalten. Die Temperiereinheit 2 ist im Zentrum der kreisförmigen Transporteinheit 20 angeordnet, so dass die Wärmestrahlen radial verlaufen, mithin seitlich auf die Probengefässe 11 bis 18 auftreffen. Wie bei den Ausführungsformen gemäss Fig. 1 und 2 ist auch bei derjenigen gemäss Fig. 3 ein einziges oder mehrere Sensorelemente 3 vorgesehen, um die Temperatur der in den Probengefässen 11 bis 18 enthaltenen Flüssigkeiten zu messen und gegebenenfalls an die Steuereinheit 1 zur Regelung der Temperatur über die Temperiereinheit 2 zu übergeben.In Fig. 3 shows a further embodiment of the inventive device is shown. In this embodiment, a so-called rotor-IR incubator is used, in which thesample vessels 11 to 1B are arranged on a circle. Accordingly, thesample vessels 11 to 18 are held in position by acircular transport unit 20. Thetempering unit 2 is arranged in the center of thecircular transport unit 20, so that the heat rays run radially, thus impinging laterally on thesample vessels 11 to 18. As in the embodiments according to FIGS. 1 and 2, a single ormultiple sensor elements 3 are also provided in that according to FIG. 3 in order to measure the temperature of the liquids contained in thesample vessels 11 to 18 and optionally to thecontrol unit 1 for regulating the temperature to pass over thetemperature control unit 2.

Damit keine direkte Beeinflussung der Sensoreinheit 3 bzw. der Sensoreinheiten durch die Temperiereinheit 2 vorkommen kann, sind die Sensoreinheit bzw. die Sensoreinheiten geeignet zu platzieren. Bei der eben erläuterten Ausführungsvariante mit zentral angeordneter Temperiereinheit 2 eignet sich insbesondere eine Anordnung der Sensoreinheit 3 über den Probengefässen 11 bis 18, womit eine direkte Beeinflussung durch die Temperiereinheit 2 ausgeschlossen ist.So that no direct influence of thesensor unit 3 or of the sensor units by thetempering unit 2 can occur, the sensor unit or the sensor units are to be suitably placed. In the just explained Embodiment with centrally arranged tempering 2 is particularly suitable an arrangement of thesensor unit 3 on thesample vessels 11 to 18, whereby a direct influence by thetemperature control unit 2 is excluded.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemässen Vorrichtung mit einem Rotor-IR-Inkubator. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäss Fig. 3 besteht die Ausführungsform gemäss Fig. 4 darin, dass die Temperiereinheit 2 unterhalb eines der Probengefässe 11 bis 18 angeordnet ist. Denkbar und in Abwandlung der Ausführungsform gemäss Fig. 4 besteht eine weitere Ausführungsvariante darin, dass unter mehreren oder unter allen Probengefässen 11 bis 18 eine Temperiereinheit 2 angeordnet ist.FIG. 4 shows a further embodiment of the device according to the invention with a rotor-IR-incubator. In contrast to the embodiment according to FIG. 3, the embodiment according to FIG. 4 consists in that thetemperature control unit 2 is arranged below one of thesample vessels 11 to 18. Conceivable and in a modification of the embodiment according to FIG. 4, a further embodiment variant is that atemperature control unit 2 is arranged under a plurality of or among allsample vessels 11 to 18.

Bei einer Anordnung beispielsweise mit einem einzigen Probengefäss, enthaltend 100µl Wasser und 6 mg MGPs, wurde bei Verwendung einer 90 Watt Halogenlampe als Temperiereinheit, ausgehend von Raumtemperatur, eine Wassertemperatur von 80° Celsius nach ca. 40 Sekunden erreicht. Das Probengefäss ist dabei konzentrisch über einer Halogenlampe als Temperiereinheit platziert, wobei die Halogenlampe in einem rotationssymmetrischen Spiegel angeordnet ist. Um die Anteile von sichtbaren Strahlen zu reduzieren, ist zwischen der Temperiereinheit und dem Probengefäss ferner ein Wellenlängenfilter vorgesehen. Um eine genaue und schnelle Temperatureinstellung erhalten zu können, ist ein Sensorelement als berührungsloser Temperatursensor vorgesehen, mit dem die Steuereinheit und die Temperiereinheit wirkverbunden sind.In an arrangement, for example, with a single sample vessel containing 100μl of water and 6 mg of MGPs, using a 90 watt halogen lamp as a tempering, starting from room temperature, a water temperature of 80 ° Celsius was reached after about 40 seconds. The sample vessel is placed concentrically over a halogen lamp as a tempering unit, wherein the halogen lamp is arranged in a rotationally symmetrical mirror. In order to reduce the proportion of visible rays, a wavelength filter is further provided between the tempering unit and the sample vessel. In order to obtain an accurate and fast temperature setting, a sensor element is non-contact Temperature sensor provided, with which the control unit and the temperature control unit are operatively connected.

Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass sich eine Temperiereinheit 2, welche Strahlen im infraroten Bereich erzeugt, für alle erläuterten erfindungsgemässen Ausführungsvarianten besonders eignet. Dessen ungeachtet sind aber auch Temperiereinheiten denkbar, welche Strahlen in anderen Wellenlängenbereichen erzeugen. Massgebend ist eine Abstimmung der eingesetzten Strahlen in Verbindung mit den verwendeten Materialien für die Absorptionselemente und für die Probengefässe 11 bis 18.It is expressly pointed out that atempering unit 2, which generates beams in the infrared range, is particularly suitable for all of the described embodiments according to the invention. Nevertheless, tempering units are also conceivable which generate beams in other wavelength ranges. Decisive is a vote of the used rays in connection with the used materials for the absorption elements and for thesample vessels 11 to 18.

Als Probengefässe eignen sich herkömmliche so genannte Tubes, die aus einem zylinderförmigen Abschnitt bestehen und gegen das geschlossene Ende hin beispielsweise in einen Spitz auslaufen.Suitable sample vessels are conventional so-called tubes, which consist of a cylindrical section and leak towards the closed end, for example, in a tip.

Alternativ eignen sich so genannte flache Zellen, die im Wesentlichen aus einer oder mehreren Kammern mit einer geringen Tiefe (einige hundert µm) in einem Trägermaterial bestehen, wobei die äusseren Abmessungen der Kammer sowie deren Geometrie beliebig sein können.Alternatively, so-called flat cells are suitable, which consist essentially of one or more chambers with a small depth (a few hundred microns) in a carrier material, wherein the outer dimensions of the chamber and its geometry may be arbitrary.

Es hat sich gezeigt, dass sich so genannte Eppendorf-Tubes oder andere Tubes mit einem Fassungsvermögen von beispielsweise 300 µl bis 2.5 ml eignen. Des Weiteren eignen sich auch Hohlzylinder und Kapillarröhrchen als Probengefässe.It has been found that so-called Eppendorf tubes or other tubes with a capacity of, for example, 300 .mu.l to 2.5 ml are suitable. Furthermore, hollow cylinders and capillary tubes are also suitable as sample vessels.

Grundsätzlich kann das Fassungsvermögen der Probengefässe, wie auch immer sie ausgestaltet sind, bis ca. 5 ml betragen, insbesondere im Bereich 0.1 bis 5 ml bzw. insbesondere im Bereich von 0.3 bis 2.5 ml liegen.In principle, the capacity of the sample vessels, however they are designed, may be up to about 5 ml, in particular in the range from 0.1 to 5 ml or in particular in the range from 0.3 to 2.5 ml.

Bei einer alternativen Ausgestaltung der Probengefässe als flache Zellen wird eine Tiefe von beispielsweise 0.1 bis 1.0 mm, insbesondere von 0.3 bis 0.7 mm, gewählt. Das Fassungsvermögen wird in einem Bereich von 0.1 bis 100 µl gewählt, vorzugsweise im Bereich zwischen 0.3 und 50 µl, vorzugsweise im Bereich zwischen 0.5 und 0.9 µl oder im Bereich zwischen 30 und 40 µl.In an alternative embodiment of the sample vessels as flat cells, a depth of, for example, 0.1 to 1.0 mm, in particular from 0.3 to 0.7 mm, is selected. The capacity is selected in a range of 0.1 to 100 ul, preferably in the range between 0.3 and 50 ul, preferably in the range between 0.5 and 0.9 ul or in the range between 30 and 40 ul.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit flachen Zellen als Probengefässe weisen die Zellen eine Olivenform auf, d.h. die Querschnittfläche einer Zelle ist oval mit einer maximalen Breite von 6 mm und einer maximalen Länge von 14 mm, wobei die Zellentiefe ungefähr 0.65 mm ist. Neben einer ovalen Querschnittfläche ist aber auch eine kreisrunde Querschnittfläche denkbar. In diesem Fall entspricht die Zelle einer zylindrischen Kavität, die beispielsweise einen Durchmesser von 1.5 mm und eine Höhe von ebenfalls 1.5 mm aufweist. Für diese Ausführungsformen einer flachen Zelle gelten die Angaben zu den Fassungsvermögen bezüglich den oben genannten flachen Zellen entsprechend.In a further embodiment of the invention with flat cells as sample vessels, the cells have an olive shape, i. the cross-sectional area of a cell is oval with a maximum width of 6 mm and a maximum length of 14 mm, the cell depth being about 0.65 mm. In addition to an oval cross-sectional area but also a circular cross-sectional area is conceivable. In this case, the cell corresponds to a cylindrical cavity, for example, has a diameter of 1.5 mm and a height of also 1.5 mm. For these embodiments of a flat cell, the information on the capacities with respect to the above-mentioned flat cells apply accordingly.

Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere für die folgenden Anwendungen: Inkubatoren, Thermocycler sowie alle Anwendungen im Zusammenhang mit einem Energieeintrag.The present invention is particularly suitable for the following applications: incubators, thermal cyclers and all applications related to energy input.

Claims (22)

Translated fromGerman

Vorrichtung zum Einstellen einer Temperatur einer Flüssigkeit, die in einem Probengefäss (11, ..., 18) enthalten ist, wobei eine Steuereinheit (1) und eine Temperiereinheit (2) vorgesehen sind, die auf die im Probengefäss (11, ..., 18) enthaltene Flüssigkeit wirkt, und wobei die Steuereinheit (1) mit der Temperiereinheit (2) wirkverbunden ist,dadurch gekennzeichnet, dass die zu untersuchende Flüssigkeit Absorptionselemente enthält, um die Temperatureinstellung in der zu untersuchenden Flüssigkeit zu beschleunigen, wobei die Absorptionselemente eine Wärmeleitfähigkeit aufweisen, die grösser als 0.6 W/m K ist.Device for adjusting a temperature of a liquid which is contained in a sample vessel (11, ..., 18), wherein a control unit (1) and a temperature control unit (2) are provided, which are placed in the sample vessel (11, ... , 18), and wherein the control unit (1) is operatively connected to the temperature control unit (2),characterized in that the liquid to be examined contains absorption elements in order to accelerate the temperature adjustment in the liquid to be examined, the absorption elements having a thermal conductivity greater than 0.6 W / m K.Vorrichtung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionselemente im Wesentlichen inert in Bezug die zu untersuchende Flüssigkeit sind und zudem eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften aufweisen:- geringe Wärmekapazität, vorzugsweise kleiner als 4000 J/kg K;- magnetisiert bzw. magnetisierbar;- geringe spezifische Dichte, vorzugsweise kleiner als 6 g/cm³.Apparatus according to claim 1,characterized in that the absorption elements are substantially inert with respect to the liquid to be examined and also have one or more of the following properties: low heat capacity, preferably less than 4000 J / kg K; - Magnetized or magnetizable; low specific gravity, preferably less than 6 g / cm³ .Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionselemente aus mindestens einem der folgenden Materialien bestehen:- Glas;- Keramik;- Aluminium;- Karbonfasern.Apparatus according to claim 1 or 2,characterized in that the absorption elements consist of at least one of the following materials: - Glass; - ceramics; - aluminum; - Carbon fibers.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionselemente ein magnetisches Pigment enthalten, vorzugsweise aus Eisenoxid.Device according to one of claims 1 to 3,characterized in that the absorption elements contain a magnetic pigment, preferably of iron oxide.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,dadurch gekennzeichnet, dass das Material für die Probengefässe (11, ..., 18) eine kleinere Absorptionsfähigkeit und/oder eine kleinere Wärmekapazität aufweist als die Absorptionselemente.Device according to one of claims 1 to 4,characterized in that the material for the sample vessels (11, ..., 18) has a lower absorption capacity and / or a smaller heat capacity than the absorption elements.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,dadurch gekennzeichnet, dass die Probengefässe (11, ..., 18) ein Fassungsvermögen von weniger als 5 ml bzw. im Bereich von 0.1 bis 5 ml bzw. im Bereich von 0.3 bis 2.5 ml aufweisen.Device according to one of claims 1 to 5,characterized in that the samplevessels (11, ..., 18) have a capacity of less than 5 ml or in the range of 0.1 to 5 ml or in the range of 0.3 to 2.5 ml ,Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,dadurch gekennzeichnet, dass die Probengefässe (11, ..., 18) als Zellen mit einer Tiefe von 0.1 bis 1 mm bzw. 0-3 bis 0-7 mm ausgebildet sind und dass eine Zelle ein Fassungsvermögen von 0.1 bis 100 µl bzw. 0.3 bis 50 µl bzw. 0.5 bis 0.9 µl oder 30 bis 40 µl aufweist.Device according to one of claims 1 to 5,characterized in that the samplevessels (11, ..., 18) are formed as cells with a depth of 0.1 to 1 mm or 0-3 to 0-7 mm and that a cell has a capacity of 0.1 to 100 ul or 0.3 to 50 ul or 0.5 to 0.9 ul or 30 to 40 ul.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiereinheit (2) auf mehrere Probengefässe (11, ..., 18) mit zu untersuchender Flüssigkeit wirkt.Device according to one of claims 1 to 7,characterized in that the temperature control unit (2) acts on a plurality of sample vessels (11, ..., 18) with liquid to be examined.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,dadurch gekennzeichnet, dass die Probengefässe (11, ..., 18) durch eine Transporteinheit (20) gehalten und transportierbar sind.Device according to one of claims 1 to 8,characterized in that the samplevessels (11, ..., 18) by a transport unit (20) are held and transportable.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensorelement (3) zur Bestimmung der Temperatur der zu untersuchenden Flüssigkeit vorgesehen ist, wobei das Sensorelement (3) mit der Steuereinheit (1) wirkverbunden ist.Device according to one of claims 1 to 9,characterized in that a sensor element (3) is provided for determining the temperature of the liquid to be examined, wherein the sensor element (3) with the control unit (1) is operatively connected.Vorrichtung nach Anspruch 10,dadurch gekennzeichnet, dass für jedes Probengefäss (11, ..., 18) eine Sensoreinheit (3) vorgesehen ist.Apparatus according to claim 10,characterized in that a sensor unit (3) is provided for each sample vessel (11, ..., 18).Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Probengefässe (11, ..., 18) vorgesehen sind, die auf einem Kreis angeordnet sind.Device according to one of claims 1 to 11,characterized in that a plurality of samplevessels (11, ..., 18) are provided, which are arranged on a circle.Vorrichtung nach Anspruch 12,dadurch gekennzeichnet, dass das Temperiereinheit (2) im Zentrum des Kreises angeordnet ist.Apparatus according to claim 12,characterized in that the temperature control unit (2) is arranged in the center of the circle.Vorrichtung nach Anspruch 12,dadurch gekennzeichnet, dass das Temperiereinheit (2) unterhalb eines der Probengefässe (11, ..., 18) angeordnet ist.Apparatus according to claim 12,characterized in that the temperature control unit (2) below one of the sample vessels (11, ..., 18) is arranged.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14,dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensorelement (3) zur Bestimmung der Temperatur der zu untersuchenden Flüssigkeit vorgesehen ist, wobei das Sensorelement (3) mit der Steuereinheit (1) wirkverbunden ist und wobei das Sensorelement (3) in Bezug auf eine Längsachse der Probengefässe (11, ..., 18) seitlich angeordnet ist.Device according to one of claims 12 to 14,characterized in that a sensor element (3) for determining the temperature of the liquid to be examined is provided, wherein the sensor element (3) with the control unit (1) is operatively connected and wherein the sensor element (3) with respect to a longitudinal axis of the sample vessels (11, ..., 18) is arranged laterally.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Probengefässe (11, ..., 18) vorgesehen sind, die auf einer Geraden angeordnet sind.Device according to one of claims 1 to 11,characterized in that a plurality of samplevessels (11, ..., 18) are provided, which are arranged on a straight line.Vorrichtung nach Anspruch 16,dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiereinheit (2) aus mindestens einem flachen Temperierelement (2a, ..., 2f) besteht.Apparatus according to claim 16,characterized in that the temperature control unit (2) consists of at least one flat tempering (2a, ..., 2f).Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 17,dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensorelement (3) zur Bestimmung der Temperatur der zu untersuchenden Flüssigkeit vorgesehen ist, wobei das Sensorelement (3) mit der Steuereinheit wirkverbunden ist und wobei das Sensorelement (3) oberhalb eines Probengefässes (11, ..., 18) angeordnet ist.Device according to one of claims 16 to 17,characterized in that a sensor element (3) is provided for determining the temperature of the liquid to be examined, wherein the sensor element (3) is operatively connected to the control unit and wherein the sensor element (3) above a sample vessel (11, ..., 18) is arranged.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18,dadurch gekennzeichnet, dass als Temperiereinheit (2) so genannte IR-(Infrarot)-Strahler vorgesehen sind.Device according to one of claims 1 to 18,characterized in that as a temperature control unit (2) so-called IR (infrared) emitters are provided.Verfahren zum Einstellen einer Temperatur von einer Flüssigkeit, die in einem Probengefäss (11, ..., 18) enthalten ist, wobei das Verfahren darin besteht,- dass der Flüssigkeit Absorptionselemente beigemischt werden und- dass das Probengefäss (11, ..., 18) bestrahlt wird, wobei zumindest ein Teil der Strahlungsenergie in den Absorptionselementen in Wärme umgewandelt wird.Method for adjusting a temperature of a liquid contained in a sample vessel (11, ..., 18), the method being - That the liquid absorption elements are admixed and - That the sample vessel (11, ..., 18) is irradiated, wherein at least a portion of the radiation energy is converted into heat in the absorption elements.verfahren nach Anspruch 20,dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlen im infraroten Wellenlängenbereich liegen.Method according to Claim 20,characterized in that the beams are in the infrared wavelength range.Verfahren nach Anspruch 20 oder 21,dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur der in den Probengefässen (11, ..., 18) enthaltenen Flüssigkeit gemessen wird und dass aufgrund der gemessenen Temperatur die Strahlungsenergie eingestellt wird.A method according to claim 20 or 21,characterized in that a temperature of the liquid contained in the sample vessels (11, ..., 18) is measured and that on the basis of the measured temperature, the radiation energy is adjusted.

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