СИСТЕМА ТЕРМОЦИКЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ПОЛИМЕРАЗНОЙ ЦЕПНОЙ РЕАКЦИИ
THERMOCYCLING SYSTEM FOR POLYMERASE CHAIN REACTION

Изобретение относится к лабораторному оборудованию, а именно к средствам для проведения реакций термоциклирования в молекулярной биологии.
Применение термоциклирования является неотъемлемой частью современной молекулярной биологии. Например, в полимеразной цепной реакции (ПЦР), которая используется для амплификации нуклеиновых кислот, используется серия этапов плавления ДНК, отжига и полимеризации при различных температурах, чтобы значительно повысить количество ДНК в образце. Известно большое число конструктивных решений систем термоциклирования, использующих как жидкостные и газовые носители нагрева-охлаждения, так и электронные термостаты.
Известна система термоциклирования для ПЦР (WO 2005113741 (А1) - VORTEX - TUBE THERMOCYCLER, PADHYE NISHA VIKAS et al., 01.12.2005), которая использует горячие и холодные газовые потоки. Температура газа регулируется клапанной системой, управляет потоком холодного газа в реакционную камеру, где его смешивают с горячим газом, чтобы установить различные температуры, необходимые для этапов денатурации, отжига и удлинения цикла, однако система сложна и инерционна.
Другие системы термоциклирования (US 2008124722 (A1) - Cooling In А Thermal Cycler Using Heat Pipes, APPLERA CORP, 29.05.2008; RU 2577282 C2, ЭПИСТЕМ ЛИМИТЕД (GB), 10.03.2016) используют для нагрева термоблока с образцом нуклеиновой кислоты электронагреватель, а для охлаждения - термоэлектрический элемент Пельтье совместно с тепловой трубой для отвода тепла от нагретой стороны элемента Пельтье к радиатору. Контроллер сконфигурирован для управления системами нагрева и охлаждения для циклического переключения в соответствии с заданным профилем температуры. Однако быстродействие и эффективность устройства в целом зависят от качества теплоотвода от элемента Пельтье. Этот тепловой поток следует удалять подходящими охлаждающими средствами: когда вентиляторы не справляются с тепловыделением, применяют водяное охлаждение.
В патенте RU 144458 U1, OOO ''MBM-Диагностик ", 20.08.2014, описано устройство для проведения конвекционной ПЦР. Устройство состоит из реакционной ячейки, с возможностью охлаждения воздухом в верхней части и нижнего нагревающего элемента. Позволяет ускорить формирование конвекционных потоков и их упорядочивание, обеспечить протекание полимеразной цепной реакции с сохранением высокой специфичности и скорости протекания реакции по всему объему реакционной смеси. Устройство, хотя и имеет низкие энергозатраты, однако характеризуется длительностью процесса.
Известна система термоциклирования, в которой ПЦР проводят путем циклического изменения температуры образцов с помощью программируемого термостата (ЕР 0488769 (B1), PERKIN ELMER CORP, 29.04.1998). Устройство содержит трехзонный пленочный нагреватель, управляемый компьютером, и управляемые компьютером электромагнитные клапаны охлаждения картриджа для подачи потока охлаждающей жидкости через блок образцов и контроля температуры блока. Используют одноразовые и многокомпонентные пластиковые картриджи для микротитрования.
Наиболее близким аналогом изобретения является система термоциклирования для проведения ПЦР (US 2006105433 (A1) - Rapid thermocycler, ICKMORE WILLIAM D JR, JENNINGS GILBERT M, 18.05.2006 - прототип), содержащая размещенные в корпусе средства нагрева и охлаждения держателя тестируемых образцов, теплообменник и подключенные к контроллеру термодатчик и помпу циркуляции теплоносителя.
Использованы отдельные теплообменники для каждой целевой температуры термоцикла, а также теплообменник с холодным повышением температуры и теплообменник с горячим повышением. Трубопровод используется для циркуляции жидкости через соответствующий теплообменник и через держатель образца, содержащий, по меньшей мере, один образец. При использовании температура образцов увеличивается или быстро уменьшается, сначала передавая циркулирующую жидкость в теплообменник с горячим повышением или холодным повышением, а затем пропуская циркулирующую текучую среду в соответствующий целевой теплообменник. Контроллер используется для управления нагревом, охлаждением и длительностью цикла.
Недостатки устройства состоят в сложной системе подготовки термостатирующей жидкости и неизбежного инерционного перехода с горячего цикла на холодный.
Проблема, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, направлена на упрощение устройства и снижение его инерционности путем нагрева образца от контактирующего с ним электрического нагревателя с последующим непосредственным охлаждением водой самого нагревателя.
Предлагаемая система термостатирования для проведения ПЦР содержит размещенные в корпусе средства нагрева и охлаждения держателя тестируемых образцов, теплообменник и подключенные к контроллеру термодатчик и помпу циркуляции теплоносителя.
Отличие состоит в следующем. Корпус выполнен в виде цилиндрического элемента, имеющего основание, боковую цилиндрическую стенку и верхнюю панель для размещения держателя тестируемых образцов.
Средство нагрева держателя образцов выполнено в виде плоского электронагревательного элемента, установленного на верхней панели так, что его рабочая поверхность выполнена с возможностью теплового контакта с держателем образцов, а тыльная - обращена к средству охлаждения, выполненному в виде струйного оросителя в форме стакана с опорным фланцем по открытому краю, в днище которого по продольной оси стакана размещен патрубок с соплом подачи орошающей воды, а в боковой поверхности стакана - патрубок слива воды, связанный с входом теплообменника, выход которого и патрубок подачи орошающей воды присоединены к помпе.
Система может характеризоваться тем, что теплообменник с возможностью воздушного охлаждения выполнен в форме змеевика из медной трубки, размещенного по наружной поверхности боковой цилиндрической стенки корпуса и соединенного с помпой через щель в боковой цилиндрической стенке.
Система может характеризоваться и тем, что опорный фланец струйного оросителя герметично прикреплен к внутренней поверхности верхней панели.
Система может характеризоваться также тем, что плоский электронагревательный элемент имеет керамическую оболочку, внутри которой запрессован металлический спиралевидный проводник.
Система может характеризоваться и тем, что контроллер представляет собой одноплатный компьютер.
Технический результат - упрощение устройства и снижение инерционности регулирования за счет прямого орошения электронагревательного элемента водой из системы охлаждения, что позволяет снизить габариты и уменьшить потребляемую электрическую мощность.
Существо изобретения поясняется на чертежах, где:
фиг. 1 - показана конструкция в разрезе;
фиг. 2 - узел сопла подачи орошающей воды;
фиг. 3 - вид сверху на верхнюю панель для размещения держателя тестируемых образцов;
фиг. 4 - блок-схема системы.
Предлагаемая система термостатирования для проведения ПЦР содержит корпус 10, имеющий основание 12, боковую цилиндрическую стенку 14 с продольной щелью 15 и верхнюю панель 16, на которую помещается держатель 18 тестируемых образцов.
К панели 16 заподлицо крепится плоский нагревательный элемент 20, представляющий собой электронагревательный элемент в виде металлического спиралевидного проводника, запрессованного в керамическую оболочку с токоподводами (на фиг. условно не показан). Температура нагрева элемента 20 контролируется термодатчиком 22 (термистором) и соответствует температуре нагрева образцов в держателе 18.
Режим термоциклирования задается системой 30 охлаждения нагревателя 20 путем периодического орошения водой тыльной поверхности нагревателя с заданным режимом.
Система 30 охлаждения выполнена в форме стакана 31 с дном 32, в котором размещено сопло 33 подачи охлаждающей воды, которой выполняется орошение. Сопло имеет подводящий патрубок 331.
Крепление стакана 31 к панели 16 осуществляется через фланец 34 винтами 341. Слив воды из стакана 31 осуществляется через патрубок 35. Циркуляция охлаждающей воды осуществляется посредством помпы 36, имеющей входной 361 и напорный 362 патрубки. Помпа 36 закреплена на основании 12 корпуса. Стрелками 37 показано направление циркуляции жидкости от патрубка 331 сопла 33 через полость стакана 31 к патрубку 35, для чего напорный патрубок 362 помпы присоединен к патрубку 331 сопла 33. Вокруг боковой цилиндрической стенки 14 корпуса 10 размещен охладительный змеевик 38, выполненный из тонкостенной медной трубки. Концы змеевика 38 через продольную щель 15 заведены внутрь полости корпуса: один конец (входной) присоединен к патрубку 35, а другой - посредством силиконовой трубки 39 к входному патрубку 361 помпы 36.
Устройство работает следующим образом (см. фиг. 4). На блок-схеме электрические связи показаны сплошными линиями, гидравлические - пунктирными линиями.
Тестируемый образец в держателе 18 помещается на верхнюю панель 16 таким образом, чтобы его рабочая зона была в тепловом контакте с лицевой поверхностью 201 нагревательного элемента 20. В соответствии с управляющей программой термоциклирования, параметры которой устанавливают на дисплее 41, контроллер 40 подает питание на нагревательный элемент 20, в результате чего температура тестируемого образца в держателе 18 возрастает, что контролируется термодатчиком 22.
По достижении заданной температуры нагрев прекращается и контроллер 40 подает сигнал на включение помпы 36 для охлаждения. В результате этого помпа 36 создает напор воды, которая через сопло 33 осуществляет орошение нерабочей тыльной поверхности 202 нагревательного элемента, снимая с него и держателя 18 тестируемого образца тепло (на фиг. 4 поток охлаждающей жидкости из сопла условно показан стрелкой 371). После этого нагретая вода попадает в стакан 31 и затем отводится через патрубок 35 в змеевик 38, опоясывающий боковую цилиндрическую стенку 14 корпуса 10. В змеевике 38 циркулирующая вода охлаждается воздушным путем. По достижении заданной нижней границы температуры, которая регистрируется термодатчиком 22, помпа 36 отключается, после чего вновь активируется нагревательный элемент 20 и в таком режиме циклический процесс термостатирования продолжается.
Испытания показали, что предлагаемая система термостатирования для проведения ПЦР обеспечивает достижение технического результата в части снижения инерционности регулирования, обеспечивает высокую скорость нагрева/охлаждения, равную 2,4 и 2,7 градусов в секунду соответственно; имеет габаритные размеры: 12,3×12,3×10 (см) при средней потребляемой мощности 45 Вт.