способ программируемого нагрева и охлаждения биологических образцов в жидкой форме и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ программируемого нагрева и охлаждения биологических образцов в жидкой форме, включающий размещение биологических образцов в пробирках, установку пробирок в реакционную камеру, подачу теплоносителя с заданной температурой в камеру в виде потока жидкости под давлением с погружением пробирок выше уровня их заполнения биологическими образцами с последующим изменением температуры теплоносителя в реакционной камере по заданной программе, отличающийся тем, что в жидком теплоносителе вокруг каждой пробирки формируют струйно-вихревой слой этого теплоносителя, причем струи теплоносителя направляют в сторону поверхностей пробирок с биологическими образцами.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что струи теплоносителя вокруг каждой пробирки направляют под одинаковыми или разными углами к поверхности этой пробирки.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что давление теплоносителя при подаче его в реакционную камеру формируют в виде импульсов.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что частота импульсов давления теплоносителя при подаче его в реакционную камеру составляет не менее 1 Гц.

5. Устройство для программируемого нагрева и охлаждения биологических образцов в жидкой форме, содержащее термоизолированную реакционную камеру с датчиком температуры и крышкой, имеющей гнезда с расположенными в них пробирками, емкости-термостаты для приготовления жидкого теплоносителя заданной температуры, связанные посредством линии подачи и возврата теплоносителя с реакционной камерой и снабженные датчиками температуры, нагревательными элементами и элементом охлаждения теплоносителя, установленным в одной из емкостей-термостатов, и электронный блок управления, соединенный с датчиками температуры реакционной камеры и емкостей-термостатов, элементами нагревания и охлаждения теплоносителя, вентилями и приводом насосов линий подачи и возврата теплоносителя, отличающееся тем, что реакционная камера снабжена механизмом для формирования струйно-вихревого слоя теплоносителя вокруг пробирок с биологическими образцами.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что механизм для формирования струйно-вихревого слоя теплоносителя вокруг пробирок с биологическими образцами выполнен в виде установленных в реакционной камере держателя с отверстиями, расположенными соосно с пробирками и перфорированными стаканами, размещенными в отверстиях держателя вокруг пробирок с зазором относительно их стенок.

7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что отверстия в стаканах выполнены под одинаковыми или разными углами к их поверхности.

8. Устройство по п.5, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит механизм для создания пульсирующего давления теплоносителя в реакционной камере, расположенный между реакционной камерой и насосом на линии подачи теплоносителя в эту камеру.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что механизм для создания пульсирующего давления теплоносителя содержит цилиндрический корпус, входной патрубок, расположенный со стороны торца корпуса и соосно с ним, соединенный с выходным патрубком насоса для подачи теплоносителя в реакционную камеру, выходные патрубки, расположенные тангенциально в ряд вокруг цилиндрической стенки корпуса, прикрепленные к ней и соединенные с трубопроводами тангенциально с реакционной камерой, и колесо, установленное в корпусе этого механизма соосно с ним, выполненное в виде S-образно изогнутой трубки и соединенное посредством осевой трубки с возможностью вращения с входным патрубком корпуса, причем колесо снабжено приводом его вращения.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемые технические решения относятся к медицине, биотехнологии и генной инженерии и могут быть использованы для программируемой автоматической термообработки биологических образцов в жидкой форме при разных температурах с целью проведения, например, полимеразной цепной реакции (ПЦР), т. е. реакции амплификации. ПЦР используется для выработки специфических последовательностей ДНК в присутствии олигонуклеотидов праймеров и ферментатермофильной ДНК - полимеразы.

Известен способ нагрева и охлаждения реакционного сосуда с биологическими образцами в жидкой форме (заявка ЕПВ N 0366601, кл. B 01 L 7/02, 02.05.90). Способ включает приготовление жидкого теплоносителя путем его нагрева или охлаждения до заданной температуры, подачу теплоносителя в камеру с реакционным сосудом, заполненным биообразцом, и температурное воздействие на жидкий биологический образец с последующим удалением теплоносителя из камеры.

Биологический образец может быть многократно обработан теплоносителем с разной температурой по заданной программе.

Известно устройство для реализации указанного выше способа (заявка ЕПВ N 0366601, кл. B 01 L 7/02, 02.05.90), включающее корпус, в котором расположены сборник для нагрева или охлаждения теплоносителя с нагревателем и холодильником, ванна с реакционным сосудом и система подачи и удаления теплоносителя из сборника и ванны. Теплоноситель нагревают или охлаждают в сборнике. В процессе нагрева или охлаждения теплоноситель перемещают в отделенную от сборника ванну, в которой расположен реакционный сосуд с биологическим образцом. Теплоноситель из ванны стекает непрерывно назад в сборник. После окончания процессов нагрева или охлаждения биологического образца движения теплоносителя прерывают и ванну опоражнивают.

Недостатком известных способа и устройства является низкая эффективность теплопередачи при поверхностном контакте теплоносителя с реакционным сосудом, заполненным жидким биообразцом, что снижает управляемость процессами нагрева и охлаждения биологических образцов, влияющую на стабильность поддержания температуры в каждом цикле проведения процедур нагрева и охлаждения образцов. При этом снижается качество, например, реакции амплификации (ПЦР). Известно, что при амплификации ДНК необходимо стремиться к минимальному времени перехода температуры биообразца от 93-96^oC к температуре 35-37^oC, которая должна составлять 2-3 сек, но не более 20 сек. При увеличении этого времени цепи ДНК могут ренатурировать, вследствие чего неэффективно пройдет "отжиг" и полимеризация. Существенна стабильность температуры в каждом цикле амплификации. От этого зависит воспроизводимость и специфичность ПЦР (+0,2^oC). Кроме того, низкая управляемость процессами нагрева и охлаждения образцов отрицательно влияет на стабильность времени циклов, которая должна составлять (+1-2 сек). От этого зависит гомогенность новосинтезируемой ДНК по длине (Quantification of polumerase chain reaction products by affinitybased hybrid collektion// Nucleic Acids Res. 1988, v. 16, N 23, p. 11327-11338).

Наиболее близким способом (прототипом) является способ программируемого нагрева и охлаждения биологических образцов в жидкой форме (заявка ФРГ N 3808942, кл. B 01 L 7/00, C 12 M 1/00, C 12 Q 1/68, 28.09.89 г.), включающий размещение биологических образцов в пробирках, установку пробирок в реакционной камере, подачу теплоносителя с заданной температурой в камеру в виде потока жидкости под давлением с погружением пробирок выше уровня их заполнения биологическими образцами и последующим изменением температуры теплоносителя в реакционной камере по заданной программе.

Наиболее близким устройством (прототипом), реализующим способ прототип, является устройство (заявка ФРГ N 3808942, кл. B 01 L 7/00, C 12 M 1/00, C 12 Q 1/68, 28.09.89), включающее термоизолированную реакционную камеру с датчиком температуры и крышкой, имеющей гнезда с расположенными в них пробирками, емкости-термостаты для приготовления жидкого теплоносителя заданной температуры, связанные посредством линий подачи и возврата теплоносителя с реакционной камерой и снабженные датчиками температуры, нагревательными элементами и элементом для охлаждения воды, установленным в одной из емкостей термостатов и электронным блоком управления, связанным с датчиками температуры реакционной камеры и емкостей термостатов, элементами для нагрева и охлаждения воды, а также с вентилями и приводом насосов линий подачи и возврата теплоносителя.

Недостатком способа программируемого нагрева и охлаждения образцов в жидкой форме (прототипа) и устройства для осуществления указанного способа является низкая эффективность теплопередачи при поверхностном контакте теплоносителя с пробирками, заполненными биообразцами, вследствие возникновения пограничного слоя теплоносителя вокруг пробирок, имеющего температуру ниже температуры теплоносителя при нагревании пробирок и выше температуры теплоносителя при охлаждении пробирок. При этом возникает неоднородность температуры теплоносителя по объему даже при его перемешивании мешалкой в реакционной камере, что приводит к неодинаковому температурному воздействию теплоносителя на биообразцы. В этой связи снижается управляемость процессами нагрева и охлаждения образцов, что в свою очередь отрицательно влияет на стабильность поддержания температуры в каждом цикле амплификации и увеличивает время перехода (особенно при охлаждении) образца от одной температуры к другой. От этого снижается воспроизводимость и специфичность ПЦР.

В основу настоящих изобретений поставлена задача создания таких способа и устройства для программируемого нагрева и охлаждения биологических образцов, которые обеспечивали бы повышение эффективности теплопередачи при поверхностном контакте теплоносителя с пробирками, заполненными биообразцами, и одинаковое температурное воздействие теплоносителя на образцы в пробирках.

Поставленная задача решается тем, что в способе программируемого нагрева и охлаждения биообразцов, включающем размещение их в пробирках, установку пробирок в реакционной камере, подачу теплоносителя с заданной температурой в камеру в виде потока жидкости под давлением с погружением пробирок выше уровня их заполнения биообразцами с последующим изменением температуры теплоносителя в реакционной камере по заданной программе, согласно изобретению, в жидком теплоносителе вокруг каждой пробирки формируют струйно-вихревой слой этого теплоносителя, причем струи теплоносителя направляют в сторону поверхности пробирок с образцами.

Струи теплоносителя вокруг каждой пробирки направляют под одинаковыми или разными углами к поверхности этой пробирки.

Давление теплоносителя при подаче его в реакционную камеру формируют в виде импульсов.

Частота импульсов давления теплоносителя при подаче его в реакционную камеру составляет не менее 1 Гц.

Струйно-вихревой слой теплоносителя удаляет пограничный слой этого теплоносителя вокруг пробирок и способствует более равномерному распределению температуры по объему теплоносителя, что обеспечивает одинаковое температурное воздействие на биообразцы. Подача теплоносителя в реакционную камеру в виде импульсов повышает эффективность теплопередачи и способствует лучшему перемешиванию теплоносителя в реакционной камере и жидких биообразцов в пробирках. При подаче теплоносителя с частотой импульсов менее 1 Гц не обеспечивается эффективное перемешивание биообразцов в пробирках. Хорошие термодинамические характеристики способа получены при частоте подачи импульсов давления теплоносителя, равной 10-50 Гц. При этом в реакционной камере возникают акустические колебания, способствующие усилению теплопередачи от теплоносителя к пробиркам и наиболее интенсивному перемешиванию теплоносителя и жидких биообразцов. Подача струй теплоносителя под разными углами к поверхности пробирок способствует более интенсивному вихреобразованию вокруг пробирок, что также увеличивает теплопередачу от теплоносителя к биообразцам.

В устройстве для осуществления способа программируемого нагрева и охлаждения биологических образцов, включающем термоизолированную реакционную камеру с датчиком температуры и крышкой, имеющей гнезда с расположенными в них пробирками, емкости термостаты для приготовления жидкого теплоносителя заданной температуры, связанные посредством линий подачи и возврата теплоносителя с реакционной камерой и снабженные датчиками температуры, нагревательными элементами и элементом для охлаждения теплоносителя, установленным в одной из емкостей термостатов и электронным блоком управления, связанным с датчиками температуры реакционной камеры и емкостей - термостатов, элементами для нагрева и охлаждения теплоносителя, а также с вентилями и приводом насосов линий подачи и возврата теплоносителя, согласно изобретению, реакционная камера снабжена механизмом для формирования струйно-вихревого слоя теплоносителя вокруг пробирок с биологическими образцами.

Механизм для формирования струйно-вихревого слоя теплоносителя вокруг пробирок с биообразцами выполнен в виде установленных в реакционной камере держателя с отверстиями, расположенными соосно пробиркам, и перфорированных стаканов, размещенных в отверстиях держателя вокруг приборок с зазором относительно их стенок. Отверстия в стаканах выполнены под одинаковыми или разными углами к их поверхности.

В другом варианте выполнения этого устройства оно снабжено механизмом для создания пульсирующего давления теплоносителя в реакционной камере, расположенном между реакционной камерой и насосом на линии подачи теплоносителя.

Механизм для создания пульсирующего давления теплоносителя содержит цилиндрический корпус, входной патрубок, расположенный в торце корпуса и соосно ему и соединенный трубопроводом с выходным патрубком насоса для подачи теплоносителя в реакционную камеру, выходные патрубки, расположенные тангенциально в ряд вокруг цилиндрической стенки корпуса и соединенные трубопроводами тангенциально с реакционной камерой, и колесо, установленное в корпусе механизма соосно ему, выполненное в виде S-образно изогнутой трубки и соединенное посредством осевой трубки с возможностью вращения с входным патрубком корпуса этого механизма. Колесо снабжено приводом его вращения.

Перфорированные стаканы при прохождении через их отверстия теплоносителя под давлением обеспечивают формирование струй жидкости, которые при взаимодействии друг с другом и с поверхностью пробирок образуют струйно-вихревой слой теплоносителя вокруг указанных пробирок. При выполнении отверстий в стаканах с разным углом наклона к их поверхности обеспечивается более интенсивное взаимодействие струй теплоносителя между собой. При выполнении отверстий в стаканах с одинаковым углом наклона обеспечивается более простая технология изготовления этих стаканов, например, из сетки с мелкими отверстиями.

Во втором варианте выполнения устройства механизм для создания пульсирующего давления теплоносителя в реакционной камере позволяет формировать пульсации теплоносителя в широком диапазоне акустических частот от 1 до 1000 Гц и более.

На фиг.1 приведена схема устройства для программируемого нагрева и охлаждения биообразцов в жидкой форме; на фиг.2 то же, второй вариант выполнения этого устройства с механизмом для создания пульсирующего давления теплоносителя; на фиг.3 представлена схема механизма для создания пульсирующего давления теплоносителя; на фиг.4 то же, разрез по А-А.

Предлагаемый способ программируемого нагрева и охлаждения образцов в жидкой форме осуществляется следующим образом. Биологические образцы размещают в пробирках для проведения, например, полимеразной цепной реакции при наработке специфических последовательностей ДНК. Пробирки с образцами устанавливают в реакционной камере (фиг.1), куда подают теплоноситель (дистиллированная вода) с температурой 93 100^oC (в зависимости от состава буфера и длины амплифицируемой ДНК). Причем теплоноситель вокруг пробирок формируют в виде струй жидкости, скорость которых составляет 1 10 м/сек. Струи жидкости направляют в сторону поверхности пробирок под углом 90 градусов и менее. Струи жидкости могут быть направлены под одинаковыми или под разными углами к поверхности пробирок. В результате взаимодействия струй теплоносителя между собой и с поверхностью пробирок формируется струйно-вихревой слой жидкости вокруг этих пробирок, который удаляет пограничный слой жидкости, снижающий теплопередачу от теплоносителя к обрабатываемым образцам, вследствие чего повышается тепломассообмен между ними. Кроме того повышается однородность температуры теплоносителя по объему, что обеспечивает одинаковые условия температурного воздействия на образцы биоматериала и повышает управляемость данного процесса.

На стадии нагрева биоматериала до температуры 93 100^oC происходит денатурация двойной цепи ДНК. При этом цепи ДНК, связанные в двойную спираль водородными связями, расходятся. Далее в реакционную камеру подают теплоноситель с температурой 35 37^oC, при которой происходит "отжиг" денатурированной ДНК с олигонуклеотидами-праймерами, т.е. олигонуклеотиды специфически связываются с определенными участками ДНК-образца водородными связями. Струйно-вихревой слой теплоносителя вокруг пробирок обеспечивает быстрый температурный переход (в течение 7 10 сек) биообразцов от 93-100^oC к 35 37^oC, вследствие чего происходит качественный "отжиг" денатурированной ДНК с олигонуклеотидами-праймерами. Далее по программе в реакционную камеру поступает теплоноситель с температурой 65 75^oC для проведения третьего режима обработки биообразцов, при котором происходит реакция полимеризации ДНК-полимераза достраивает цепь ДНК, комплементарную цепи ДНК-матрицы, начиная с олигонуклеотида-праймера. На четвертом режиме в реакционную емкость подается теплоноситель с температурой 93 100^oC, т.е. цикл амплификации повторяется.

Во втором варианте выполнения способа теплоноситель подают в реакционную камеру (фиг.2) тангенциально и под давлением, формируемым в виде импульсов с частотой их подачи не менее 1 Гц. Хорошие термодинамические характеристики способа получены при частоте подачи импульсов давления теплоносителя, равной 10 50 Гц. При этом вокруг пробирок формируется пульсирующий струйно-вихревой слой теплоносителя, генерирующий акустические колебания, распространяющиеся по всему объему реакционной камеры. Акустические колебания совместно со струйно-вихревым слоем жидкости вокруг пробирок обеспечивают способу наиболее высокие тепломассообменные характеристики с погрешностью поддержания температуры в циклах амплификации, равной +0,2^oC и погрешностью времени циклов +2 сек. Минимальное время температурного перехода при смене режимов амплификации во втором варианте способе составляет 2 3 сек.

Таким образом, предлагаемый способ нагрева и охлаждения образцов при осуществлении ПЦР по сравнению с известными аналогами повышает проводимость и специфичность этой реакции, а также повышает гомогенность новосинтезируемой ДНК по длине.

Устройство для программируемого нагрева и охлаждения биологических образцов в жидкой форме содержит (фиг.1) термоизолированную камеру 1 с датчиком температуры 2 и крышкой 3, имеющей гнезда с расположенными в них пробирками 4, и емкости-термостаты 5, 6, 7 для приготовления жидкого теплоносителя заданной температуры. Емкости-термостаты 5, 6 и 7 связаны посредством линии 8 подачи и линии 9 возврата теплоносителя с камерой 1. Линия 8 подачи теплоносителя из термостатов 5 7 в камеру 1 включает систему трубопроводов 10, насос 11 с электроприводом 12 и вентили 13, 14 и 15. Линия 9 возврата теплоносителя из камеры 1 в термостаты 5 7 включает систему трубопроводов 16, насос 17, подсоединенный к электроприводу 12, и вентили 18, 19 и 20. Термостат 5 снабжен датчиком 21 температуры, нагревательным элементом 22 и элементом 23 для охлаждения теплоносителя. Термостат 6 имеет датчик 24 температуры и нагревательный элемент 25, а термостат 7 датчик 26 температуры и нагревательный элемент 27. Кроме того, устройство имеет электронный блок 28 управления, электрически связанный с датчиками 2, 21, 24, 26 температуры, а также элементами 22, 25, 27 для нагревания и элементом 23 для охлаждения теплоносителя, а также с вентилями 13-15, 18-20 и электроприводом 12. Камера 1 снабжена механизмом для формирования струйно-вихревого слоя теплоносителя вокруг пробирок 4 с биообразцами, выполненными в виде установленных в реакционной камере 1 держателя 29 с отверстиями 30, расположенными соосно пробиркам 4, и перфорированных стаканов 31, размещенных в отверстиях 30 держателя вокруг пробирок 4 с зазором относительно их стенок. Отверстия 32 в стаканах 31 выполнены под одинаковыми или разными углами к их поверхности.

Во втором варианте выполнения устройства (фиг.2, 3, 4) оно снабжено механизмом 33 для создания пульсирующего давления теплоносителя в камере 1, расположенном между камерой 1 и насосом 11 на линии 8 подачи теплоносителя в эту камеру 1. Механизм 33 содержит цилиндрический корпус 34 и входной патрубок 35, расположенный в торце корпуса 34 и соосно ему и соединенный с выходным патрубком насоса 11 для подачи теплоносителя в камеру 1. Вокруг цилиндрической стенки корпуса 34 расположены тангенциально в ряд выходные патрубки 36, прикрепленные к этой стенке и соединенные трубопроводами 37 тангенциально с камерой 1. В корпусе 34 установлено колесо 38, выполненное в виде S-образно изогнутой трубки и соединенное посредством осевой трубки 39 с возможностью вращения с входным патрубком 35. Колесо 38 снабжено приводом 40 его вращения.

Устройство для программируемого нагрева и охлаждения биообразцов работает следующим образом. Предварительно посредством клавиатуры (на чертежах не показана) в блок 28 управления вносятся данные программы по нагреву и охлаждению биообразцов, например, при проведении реакции амплификации. В гнезда крышки 3 устанавливают пробирки 4 с биообразцами в жидкой форме. После нажатия кнопки "пуск" блок 28 управления включает нагревательные элементы 22, 25, 27 и в термостатах 5 7 теплоноситель (дистиллированная вода) нагревается по заданной программе. По сигналу с блока 28 управления открывается один из вентилей 13 15 линии 8 подачи и один из вентилей 18-20 линии 9 возврата теплоносителя. Теплоноситель с температурой 93 100^oC подается, например, из термостата 5, насосом 11 в камеру 1 под давлением. Теплоноситель заполняет камеру 1 и продавливается через мелкие отверстия 32 стаканов 31, образуя систему струй вокруг каждой пробирки 4, направленных к поверхности указанных пробирок. Струи теплоносителя, взаимодействуя между собой и с поверхностью пробирок 4, образуют вокруг них струйно-вихревой слой жидкости, который интенсивно нагревает пробирки 4 с биообразцами. Излишки теплоносителя сливаются через отверстия 30 держателя из камеры 1 и далее по линии 9 возвращаются насосом 17 в один из термостатов 5 7 для повторного использования. После окончания процесса денатурации двойной цепи ДНК поступает сигнал с блока 28 управления на прекращение подачи теплоносителя из термостата 5 с температурой 93 100^oC и переключение вентилей 13 15 линии 8 и вентилей 18 20 линии 9 на подачу в камеру 1 теплоносителя с температурой 35 37^oC, например из термостата 7. Теплоноситель с температурой 93 - 100^oC вытесняется из камеры 1 теплоносителем с температурой 35 37^oC. Время температурного перехода составляет 7-10 сек благодаря струйно-вихревым процессам, происходящим в объеме теплоносителя. При температуре 35 37^oC происходит "отжиг" денатурированной ДНК с олигонуклеотидами-праймерами. Далее по программе в камеру 1 поступает теплоноситель с температурой 65 75^oC для проведения третьего режима обработки биообразцов, при котором происходит реакция полимеризации, и далее циклы амплификации повторяются. Во втором варианте выполнения устройства (фиг.2, 3, 4) теплоноситель подается в камеру 1 насосом 11 через механизм 33 для создания пульсирующего давления теплоносителя. При вращении колеса 38 посредством привода 40 с заданной скоростью поток теплоносителя делится на отдельные порции, которые выбрасываются в патрубки 36 и, перемещаясь по трубопроводам 37, поступают в камеру 1. Частота пульсаций теплоносителя зависит от скорости вращения колеса 38 и регулируется с помощью механизма 33 в широком диапазоне частот от 1 до 1000 Гц и более. Хорошие термодинамические характеристики (указаны при описании способа) прибора получены при частоте подачи импульсов давления теплоносителя в диапазоне от 10 до 50 Гц. Порции теплоносителя подаются в камеру 1 тангенциально и продавливаются через отверстия 32 стаканов 31, вследствие чего вокруг пробирок 4 формируется пульсирующий струйно-вихревой слой жидкости, а в объеме камеры 1 генерируются акустические колебания, которые способствуют лучшему перемешиванию теплоносителя в камере 1 и жидких образцов в пробирках 4 (за счет передачи колебаний стенкам пробирок 4). При этом повышается эффективность теплопередачи при поверхностном контакте теплоносителя с пробирками, заполненными биообразцами, и более равномерное температурное воздействие теплоносителя на указанные биообразцы. Время температурного перехода от одного режима термообработки к другому составляет 2 3 сек. Погрешность поддержания температуры в циклах амплификации составляет +0,2^oC, а погрешность времени циклов равна + 1 2 сек.

Промышленная применимость. Изобретения могут быть использованы в медицине, биотехнологии и генной инженерии.