PT876218E - HEATING A SAMPLE DOOR - Google Patents

Abstract

A method and apparatus for heating specimens in wells of a metallic specimen carrier. The specimen carrier is heated by applying resistive heating directly to the carrier. An AC source and transformer may be used where the specimen carrier is in series with a single turn secondary winding of the transformer.

Description

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DESCRIÇÃO "AQUECIMENTO DE UM PORTA-AMOSTRAS" A presente invenção refere-se ao aquecimento de porta--amostras e mais especificamente à sua ciclagem térmica (thermal cycling.DESCRIPTION " HEATING A SAMPLE PORT "" The present invention relates to sample rack heating and more specifically to its thermal cycling.

Em muitos campos de aplicação são utilizados porta--amostras configurados como blocos de suporte ou placas para a realização de vários processos em que as amostras ciciadas termicamente.In many fields of application are used sample holders configured as support blocks or plates for the realization of various processes in which the samples are heat sealed.

Um exemplo particular é a reacção em cadeia com polimerase (frequentemente referida como PCR) para efectuar a replicação de amostras de DNA. Estas amostras requerem uma ciclagem térmica rigorosa e rápida e são, tipicamente colocadas num bloco com um grande número de poços e ciciadas entre várias temperaturas previamente seleccionadas, num ciclo repetitivo pré-estabelecido. Métodos anteriores para aquecimento destes porta-amostras implicavam a utilização de fios de resistência eléctrica enrolados em torno dos poços, a utilização de dispositivos em que se aplicava o efeito de Peltier ou métodos que envolviam a aplicação de ar quente. No entanto, estes métodos são difíceis de controlar com a precisão requerida, necessitam de tempos de ciclo lentos e podem dar lugar a erros por excesso no âmbito térmico. A presente invenção resolve este problema pelo aquecimento directo de um porta-amostras metálico, usando a resistividade eléctrica deste. Assim, a presente invenção 1A particular example is the polymerase chain reaction (often referred to as PCR) to effect the replication of DNA samples. These samples require a rigorous and rapid thermal cycling and are typically placed in a block with a large number of wells and inserted between several pre-selected temperatures in a pre-established repetitive cycle. Earlier methods for heating these sample carriers involved the use of electric resistance wires wound around the wells, the use of peltier-effect devices or methods involving the application of hot air. However, these methods are difficult to control with the required accuracy, require slow cycle times and can give rise to errors in excess in the thermal scope. The present invention solves this problem by directly heating a metal sample holder using the electrical resistivity thereof. Thus, the present invention 1

V r L· K- proporciona um método para aquecimento de um porta-amostras configurado como uma folha metálica, aplicando uma corrente de aquecimento à referida folha.V L L K provides a method for heating a sample holder configured as a metal foil by applying a heating stream to said foil.

De preferência, a folha metálica é de prata a qual tem condutibilidades térmica e eléctrica elevadas. A folha tem, em regra, uma espessura baixa, da ordem de 0,3 mm e pode ser conformada de modo a nela ficar definida uma matriz de poços para colocação das amostras.Preferably, the metal foil is of silver which has high thermal and electrical conductivities. The sheet has, as a rule, a low thickness of the order of 0.3 mm and may be shaped so as to define a well array for sample placement.

Se bem que a folha metálica possa ser uma folha sólida ou um bloco de prata (que pode apresentar cavidades que constituem os poços), uma alternativa consiste em se utilizar um tabuleiro de plástico metalizado (que pode ter poços nele impressos) no qual o metal depositado por metalização constitui o elemento de aquecimento por resistividade eléctrica.While the metal foil may be a solid sheet or a silver block (which may have wells), an alternative is to use a metal foil tray (which may have wells in it) in which the metal deposited by metallization constitutes the heating element by electrical resistivity.

Outra alternativa consiste em formar por electro--conformação um tabuleiro metálico de baixa espessura (que de igual modo pode ter poços impressos) e revestir o metal com um polímero bio-compatível.Another alternative is to form by electroforming a low thickness metal tray (which may also have wells printed) and coat the metal with a bio-compatible polymer.

Estas medidas permitem um contacto íntimo, indispensável, entre o elemento de aquecimento metálico e os receptáculos das amostras, feitos de material bio-compatível. Este contacto proporciona uma performance térmica substancialmente melhorada em termos de controlo de temperatura e velocidade de variação de temperatura, quando se medem as temperaturas dos reagentes contidos nos poços.These measures allow an intimate, indispensable contact between the metal heating element and the sample receptacles made of bio-compatible material. This contact provides substantially improved thermal performance in terms of temperature control and rate of temperature change when measuring the temperatures of the reactants contained in the wells.

Os tabuleiros de plástico são, convencionalmente, artigos descartáveis destinados a uma única utilização. A incorporação do elemento de aquecimento nos tabuleiros de plástico pode fazer aumentar o seu custo mas a redução dos 2 Γ tempos de ciclagem para a reacção PCR mais do que compensa qualquer aumento de custo dos artigos descartáveis. 0 fundo do tabuleiro de material compósito não deverá introduzir qualquer obstrução quando se utilizar arrefecimento por ventilador. Se se pretender efectuar o arrefecimento até temperaturas abaixo da temperatura ambiente no final dos ciclos PCR, quer com um tabuleiro feito de material compósito quer com um bloco, pode usar-se o arrefecimento por pulverização de um líquido refrigerado a baixa temperatura. 0 ponto de ebulição do líquido deverá situar-se num valor menor que o do ponto inferior do ciclo PCR de modo a que o líquido não se mantenha sobre o metal do tabuleiro ou do bloco, impedindo o aquecimento. Isto permite, também, que o calor latente de evaporação do líquido vá aumentar o efeito de arrefecimento. A corrente de aquecimento pode ser uma corrente alternada fornecida pelo enrolamento secundário de um transformador. Tal permite que o controlo da ciclagem seja feita no circuito primário do transformador (tensão mais elevada, menor intensidade) de um modo conveniente, sem se deparar com os problemas que se levantam quando se trabalha com dispositivos onde a intensidade de corrente é elevada. O transformador pode compreender um núcleo tórico com um enrolamento primário, adequado, ligado à rede e um secundário simplesmente constituído por uma barra colectora que circunda através do núcleo e se encontra ligada em série com a folha metálica de modo a formar um circuito secundário com uma única espira. A seguir descreve-se uma forma de realização da presente invenção, como um exemplo descrito em correlação com os desenhos, em que: 3 r~ U, ^^ a Fig. 1 é um alçado lateral de um aparelho de aquecimento e a Fig. 2 é uma planta do aparelho representado na Fig. 1.Plastic trays are conventionally disposable articles intended for single use. The incorporation of the heating element in the plastic trays can increase its cost but the reduction of the 2Γ cycling times for the PCR reaction more than makes up for any cost increase of the disposable articles. The bottom of the composite material tray should not introduce any obstruction when using fan cooling. If cooling to temperatures below room temperature at the end of the PCR cycles is desired, either with a tray made of composite material or with a block, spray cooling of a cooled liquid at low temperature can be used. The boiling point of the liquid should be less than the lower point of the PCR cycle so that the liquid does not remain on the metal of the tray or the block, preventing heating. This also allows the latent heat of evaporation of the liquid to increase the cooling effect. The heating current may be an alternating current supplied by the secondary winding of a transformer. This allows the control of the cycling to be made in the primary circuit of the transformer (higher voltage, lower intensity) in a convenient way, without facing the problems that arise when working with devices where the current intensity is high. The transformer may comprise a toric core with a suitable primary winding connected to the network and a secondary one simply constituted by a busbar which circles through the core and is connected in series with the metal sheet to form a secondary circuit with a single loop. An embodiment of the present invention will now be described, as an example described in correlation with the drawings, in which: Fig. 1 is a side elevation of a heating apparatus and Fig. 2 is a plan view of the apparatus shown in Fig. 1.

Um porta-amostras metálico configurado como um bloco (1) com múltiplas cavidades, com as dimensões de 110 mm x 75 mm e com 96 poços (2) dispostos segundo uma grelha, é feito de prata com uma espessura nominal de 0,3 mm. Este bloco está ligado a barras colectoras (3) de secção transversal com uma área substancialmente grande. As barras colectoras constituem uma espira única que passa através do núcleo (4) (tórico ou quadrado) de um transformador. 0 núcleo (4) tem um enrolamento primário (5) adequado à tensão da rede utilizada. A corrente primária do transformador é controlada usando um triac (6) . O triac recebe corrente da fonte de corrente alternada e é controlado por um circuito de controlo de temperatura (7) que utiliza um termopar (8) de fio fino soldado na região central da parte inferior do bloco, a fim de detectar a temperatura do bloco. O circuito de controlo da temperatura pode ser operado manualmente ou por um computador pessoal (9). O arrefecimento do bloco faz-se soprando ar ambiente contra as formas salientes dos poços (2), com o auxílio de um ventilador (10) montado por baixo do bloco, sendo o ar soprado dirigido pelo invólucro onde o bloco se encontra montado. 0 ventilador é controlado pelo mesmo circuito de controlo de temperatura que comanda o triac do aquecimento. A performance medida do aparelho exemplificado deu velocidades de variação de temperatura de mais de 6 graus por segundo e erros por excesso/defeito de menos de 0,25 graus dentro do intervalo típico de trabalho do PCR de 50-100 graus. 4A metal sample holder configured as a multi-cavity block (1), having dimensions of 110 mm x 75 mm and with 96 wells (2) arranged in a grid, is made of silver with a nominal thickness of 0.3 mm . This block is connected to busbars (3) of cross-section with a substantially large area. The busbars constitute a single turn passing through the core (4) (torus or square) of a transformer. The core 4 has a primary winding 5 suitable for the mains voltage used. The primary current of the transformer is controlled using a triac (6). The triac receives current from the alternating current source and is controlled by a temperature control circuit (7) using a thin wire thermocouple (8) welded in the central region of the lower part of the block in order to detect the temperature of the block . The temperature control circuit can be operated manually or by a personal computer (9). Cooling of the block is done by blowing ambient air against the projecting shapes of the wells 2, with the aid of a fan 10 mounted under the block, the blown air being directed by the housing where the block is mounted. The fan is controlled by the same temperature control circuit which controls the heating triac. The measured performance of the exemplified apparatus gave rates of temperature change of more than 6 degrees per second and errors of excess / defect of less than 0.25 degrees within the typical working range of the PCR of 50-100 degrees. 4

VV

L-Ci )=^—^L-C 1 -C 4)

No exemplo descrito usou-se um bloco de prata com cavidades mas podem também usar-se tabuleiros de plástico metalizados ou tabuleiros de baixa espessura feitos por electro-conformação, como anteriormente se referiu. O sistema, tal como descrito, tem várias vantagens importantes. 1.1 0 bloco é aquecido directamente, não sendo necessária a transferência de calor de uma fonte de calor que lhe esteja ligada. Isto é altamente eficiente e, quando considerado em conjunto com o calor específico extremamente baixo da prata permite que se obtenham variações de temperatura muito rápidas. 1.2 0 aquecimento directo significa que não existe qualquer inércia térmica. As funções de controlo de temperatura são imediatas de modo que o bloco pode ser ciciado em temperatura com pouco ou nenhum erro por excesso ou por defeito. O controlo de temperatura é, portanto, inerentemente preciso. 1.3 Dado que não existem obstruções ou barreiras térmicas associadas ao bloco, um simples arrefecimento, por ar forçado, da parte traseira do bloco (que pode ter conformações destinadas a aumentar a sua superfície exposta) proporciona um arrefecimento rápido e controlável. 1.4 O termopar de fio fino está soldado directamente ao bloco de modo a proporcionar um controlo e medição de temperatura rigorosos. Qualquer outro dispositivo de medição de temperatura pode ser usado desde que não introduza um retardamento significativo da actuação do sensor. 5 1.5 A distribuição de temperatura em torno da superfície do bloco depende da regularidade do aquecimento e da condutibilidade térmica do bloco. A condutibilidade térmica da prata é muito elevada e a distribuição da energia calorífica em torno do bloco depende da distribuição da corrente de aquecimento. Isto pode ser regulado por variação da geometria do bloco provido de múltiplos poços.In the example described, a silver block with cavities was used but metallized plastic trays or low thickness trays made by electroforming could also be used, as previously mentioned. The system, as described, has several important advantages. 1.1 The block is directly heated, and heat transfer from a connected heat source is not required. This is highly efficient and when taken in conjunction with the extremely low specific heat of the silver allows very rapid temperature variations to be obtained. 1.2 Direct heating means that there is no thermal inertia. The temperature control functions are immediate so that the block can be temperature cycled with little or no over or under error. Temperature control is therefore inherently accurate. 1.3 Since there are no obstructions or thermal barriers associated with the block, a simple forced air cooling of the rear part of the block (which may have conformations intended to increase its exposed surface) provides a fast and controllable cooling. 1.4 The fine wire thermocouple is welded directly to the block to provide rigorous temperature control and measurement. Any other temperature measuring device may be used as long as it does not introduce a significant delay of the sensor actuation. 5 1.5 The temperature distribution around the block surface depends on the regularity of the heating and the thermal conductivity of the block. The thermal conductivity of the silver is very high and the distribution of the heat energy around the block depends on the distribution of the heating current. This can be regulated by varying the geometry of the block provided with multiple wells.

As correntes elevadas necessárias podem ser facilmenteThe required raised chains can easily be

produzidas e controladas quando o bloco faça parte de um circuito secundário do transformador, que apresente uma massa elevada. A secção transversal das barras colectoras tem uma área consideravelmente maior que a do bloco de modo que a geração de calor significativa se dá apenas no bloco. A corrente pode ser facilmente controlada no enrolamento primário (onde a corrente é reduzida), utilizando tiristores, triacs, ou outros dispositivos. Alternativamente, o enrolamento primário pode ser actuado por uma fonte de energia controlável, de alta frequência, com comutação modulada. Isto permite o mesmo grau de controlo da corrente induzida no enrolamento secundário, no qual se encontra incorporado o bloco, mas a alta frequência permite utilização de um núcleo mais compacto no transformador e reduz as pontas de corrente de "self" quando se liga e desliga a corrente.produced and controlled when the block is part of a secondary circuit of the transformer, which has a high mass. The cross-section of the busbars has a considerably larger area than that of the block so that significant heat generation occurs only in the block. The current can be easily controlled in the primary winding (where current is reduced) using thyristors, triacs, or other devices. Alternatively, the primary winding may be actuated by a controllable, high frequency, modulated switching power source. This allows for the same degree of control of the induced current in the secondary winding in which the block is incorporated, but the high frequency allows use of a more compact core in the transformer and reduces the " self " when the power is turned on and off.

Lisboa, 30 de Novembro de 2000Lisbon, November 30, 2000

O AGENTE OFICIAL DA PROPRIEDADE INDUSTRIALTHE OFFICIAL AGENT OF INDUSTRIAL PROPERTY

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Claims (13)

V Γ uV Γ u REIVINDICAÇÕES 1. Método de aquecimento de um porta-amostras do tipo compreendendo vários pontos de colocação das amostras, tais como poços, tendo cada porta-amostras a forma de uma folha metálica e compreendendo o método as acções de aplicar corrente à referida folha de modo a proporcionar um aquecimento por resistividade da referida folha a fim de aquecer as amostras colocadas no referido porta--amostras.A method of heating a sample holder of the type comprising various sample placement points, such as wells, each sample holder having the shape of a metal foil and the method comprising the steps of applying current to said mode sheet to provide a resistivity heating of said sheet in order to heat the samples placed in said sample holder. 2. Método de acordo com a reivindicação 1 em que o aquecimento é aplicado por meio de uma corrente alternada que dá lugar a um aquecimento por resistividade e por o método ser controlado de modo a proporcionar ciclos de aquecimento repetitivos.A method according to claim 1 wherein the heating is applied by means of an alternating current which gives rise to a resistivity heating and that the method is controlled so as to provide repetitive heating cycles. 3. Método de acordo com qualquer das reivindicações anteriores em que a folha metálica é um bloco sólido de prata.A method according to any preceding claim wherein the metal foil is a solid block of silver. 4. Método de acordo com qualquer das reivindicações anteriores em que a folha é um tabuleiro de plástico metalizado.A method according to any preceding claim wherein the sheet is a metallized plastic tray. 5. Método de acordo com qualquer das reivindicações anteriores em que a referida folha é um tabuleiro metálico de pequena espessura, produzido por electro--conformação.A method according to any preceding claim wherein said sheet is a thin metal tray, produced by electroforming. 6. Método de acordo com qualquer das reivindicações anteriores em que a referida folha metálica inclui vários poços destinados à colocação das várias amostras. 1 Ll ^A method according to any preceding claim wherein said metal foil includes several wells for the placement of the various samples. 1, 7. Aparelho para realização do método mencionado em qualquer das reivindicações anteriores compreendendo um porta--amostras do tipo que inclui vários pontos para colocação das amostras, tais como poços, sendo o porta-amostras consubstanciado por uma folha metálica condutora de electricidade, meios de fornecimento de energia e um transformador com o enrolamento primário ligado à referida fonte de energia e o enrolamento secundário directamente ligado à referida folha condutora.An apparatus for carrying out the method of any of the preceding claims comprising a sample holder of the type including a plurality of sampling points, such as wells, the sample holder being constituted by an electrically conductive metal foil, power supply and a transformer with the primary winding connected to said power source and the secondary winding directly connected to said conductive sheet. 8. Aparelho de acordo com a reivindicação 7 em que o referido enrolamento secundário é um enrolamento com uma única espira.The apparatus of claim 7 wherein said secondary winding is a winding with a single winding. 9. Aparelho de acordo com qualquer das reivindicações 7 ou 8 compreendendo meios de controlo de temperatura ligados de modo a regular o fluxo de corrente de aquecimento que passa no enrolamento secundário para valores que mantenham uma temperatura de aquecimento controlada no seio do referido porta-amostras.Apparatus as claimed in any one of claims 7 or 8 comprising temperature control means connected in order to regulate the flow of heating current passing in the secondary winding to values which maintain a controlled heating temperature in said sample holder . 10. Aparelho de acordo com a reivindicação 9 compreendendo meios de arrefecimento por ventilador dispostos de modo a dirigirem um fluxo de ar de arrefecimento para o lado de trás do porta-amostras e se encontram ligados operacionalmente aos referidos meios de controlo de temperatura.An apparatus according to claim 9 comprising fan cooling means arranged to direct a cooling air flow to the back side of the sample holder and operatively connected to said temperature control means. 11. Aparelho de acordo com qualquer das reivindicações 7 a 10 em que a folha metálica é constituída por um bloco de prata, sólido.The apparatus of any one of claims 7 to 10 wherein the metal sheet is a solid, silver block. 12. Aparelho de acordo com qualquer das reivindicações 7 a 10 em que a referida folha metálica é constituída por um tabuleiro de plástico metalizado. 2The apparatus of any one of claims 7 to 10 wherein said metal sheet is comprised of a metallized plastic tray. 2 13. Aparelho de acordo com qualquer das reivindicações 7 a 10 em que a referida folha metálica é constituída por um tabuleiro metálico de pequena espessura fabricado por electro-conformação. Lisboa, 30 de Novembro de 2000 0 AGENTE OFICIAL DA PROPRIEDADE INDUSTRIALThe apparatus of any one of claims 7 to 10 wherein said metal sheet is comprised of a small thickness metal tray manufactured by electroforming. Lisbon, November 30, 2000 0 OFFICIAL AGENT OF INDUSTRIAL PROPERTY 33