Un aparato destinado a calentar y, al mismo tiempo, interrogar ópticamente una muestra,

estando el aparato adaptado para recibir un recipiente (2, 46, 60, 90) que contiene la muestra, que incorpora una cámara (10, 76) delimitada por dos paredes principales opuestas (18, 72, 74) y una pluralidad de paredes secundarias (62 - 70) que unen las paredes principales entre sí, siendo al menos dos de las paredes que delimitan la cámara, respectivamente, las primera y segunda paredes transmisoras de luz, para proporcionar unas ventanas ópticas a la cámara, comprendiendo el aparato: a) al menos una superficie de calentamiento (40, 42, 208) para que entre en contacto con al menos una de las paredes principales; b) al menos una fuente de calor para calentar la superficie; y c) unos elementos ópticos para interrogar ópticamente los contenidos de la cámara mientras que la superficie de calentamiento está en contacto con al menos una de las paredes principales, comprendido los elementos ópticos al menos una fuente de luz (98, 100) para transmitir luz a la cámara a través de dicha primera de las paredes transmisoras de luz y al menos un detector (102, 104) para detectar la luz que sale de la cámara a través de dicha segunda de las paredes transmisoras de luz

Campo de la invención

La presente invención proporciona un dispositivo de utilidad en procesos químicos de intercambio de calor y a los procedimientos de fabricación del dispositivo.

Antecedentes de la invención

Hay muchas aplicaciones en el campo del tratamiento químico en las cuales es conveniente controlar con precisión la temperatura de las sustancias químicas e inducir rápidas transiciones de la temperatura. En dichas reacciones, se intercambia calor entre las sustancias químicas y su entorno para incrementar o reducir la temperatura de las sustancias químicas que reaccionan. De esta manera, el término “intercambio de calor” pretende significar en la presente memoria el calor que puede ser transmitido por una fuente de calentamiento y absorbido por las sustancias químicas o el calor liberado por las sustancias químicas debido a la exposición a una fuente de enfriamiento. A menudo es conveniente controlar el cambio de temperatura de una manera que consiga con precisión la temperatura de referencia, evite quedarse corto o sobrepasar la temperatura, y alcance rápidamente la temperatura de referencia. Dicho control de la temperatura puede impedir reacciones colaterales, la formación de burbujas no deseadas, la degradación de los componentes a determinadas temperaturas, etc., circunstancias que pueden producirse a temperaturas no óptimas. También interesa que sea capaz de observar ópticamente y supervisar la reacción química.

El documento US-A-4021124 divulga un recipiente en el cual pueden ser ópticamente observadas pequeñas cantidades de líquidos. El recipiente debe ser precalentado en un dispositivo de precalentamiento y, a continuación, insertado en una abertura de recepción de un dispositivo de medición. El recipiente está destinado a actuar como un almacén de calor, para mantener el líquido en un nivel de temperatura deseado para su medición y observación el mayor tiempo posible.

El documento EP-A-0606961 describe un dispositivo de control de la temperatura y un recipiente de reacción constituido por dos hojas flexibles. El documento EP-A-0662345 se refiere a un aparato para el calentamiento de un compartimento de soporte de fluido de una cubeta de reacción. Un reflectómetro es utilizado para analizar el fluido existente en la cubeta de reacción. El documento EP-A-0693560 divulga una cubeta de reacción destinada a un analizador centrífugo.

Las aplicaciones destinadas a las reacciones químicas de intercambio de calor pueden abarcar reacciones orgánicas, inorgánicas, bioquímicas, moleculares, y similares. En las reacciones orgánicas e inorgánicas, las sustancias químicas pueden ser calentadas para conseguir una energía de activación para la reacción. Ejemplos de reacciones químicas térmicas incluyen la amplificación isotérmica de los ácidos nucleicos, la amplificación del ciclado térmico, como por ejemplo la reacción en cadena de la polimerasa (RCP) [PCR], la reacción en cadena de la lipasa (RCP) [LCR], la duplicación de secuencias automantenidas, los estudios cinéticos de enzimas, los ensayos homogéneos de unión de ligantes y los estudios mecánicos bioquímicos más complejos que requieren cambios complejos de la temperatura. Así mismo, puede llevarse a cabo la lisis condicionada por la temperatura de microorganismos escogidos como objetivo antes de la amplificación y detección génicas mediante el control de las temperaturas y puede llevarse a cabo en el mismo dispositivo de reacción como etapa de amplificación. Los sistemas de control de la temperatura permiten, así mismo, el estudio de determinados procesos fisiológicos en los que se requiere una temperatura constante y precisa.

Se han descrito en la técnica numerosos dispositivos y sistemas para dirigir reacciones de transferencia térmica. Estos dispositivos utilizan una pluralidad de diseños para la transferencia de calor, como por ejemplo baños de agua, baños de aire y bloques sólidos como por ejemplo aluminio. Así mismo, se han descrito reacciones químicas en pequeños volúmenes de reacción.

El instrumental convencional, por ejemplo, típicamente consiste en un bloque de aluminio que incorpora hasta noventa y seis pocillos de reacción cónicos. El bloque de aluminio es calentado y enfriado ya sea mediante un aparato de calentamiento / enfriamiento Peltier, o bien mediante un sistema de calentamiento / enfriamiento de líquido en bucle cerrado, que fluya a través de unos canales maquinados dentro del bloque de aluminio. Debido a la gran masa térmica del bloque de aluminio, las velocidades de calentamiento / enfriamiento se limitan, a aproximadamente, 1º C / seg lo que se traduce en unos tiempos de tratamiento más largos. Por ejemplo, la aplicación de la RCP, cincuenta ciclos pueden requerir dos o más horas para su desarrollo.

Parte del por qué del bloque de metal de tamaño relativamente grande estriba en proporcionar una masa suficiente para asegurar una temperatura constante y uniforme en cada sitio de reacción, así como de sitio a sitio. Algunos instrumentos de reacción de transferencia de calor incorporan, así mismo, una placa superior, la cual es enfriada y calentada para asegurar una temperatura uniforme a través de la parte superior de todas las soluciones de muestra. Los insertos de muestra son ahusados para potenciar al máximo el contacto térmico entre el inserto y el bloque de metal. Un problema de este sistema es que las grandes masas térmicas que se requieren con vistas a la uniformidad de la temperatura, necesitan un largo periodo de tiempo (y o una fuente de potencia de calentamiento / enfriamiento de gran tamaño) para calentar y enfriar. La velocidad habitual de calentamiento y enfriamiento para este tipo de instrumentos es del orden de 1 a 3º C / segundo.

Típicamente la velocidad de calentamiento más alta que puede obtenerse en instrumentos comerciales es del orden de 3º C / segundo, y las velocidades de enfriamiento son considerablemente inferiores. Con estas velocidades de enfriamiento y calentamiento relativamente lentas, se ha observado que algunos procesos que requieren un estricto control de la temperatura, son ineficientes. Por ejemplo, pueden producirse reacciones en las temperaturas intermedias, creando productos no deseados y colaterales, como por ejemplo “dímeros cebadores” de la RCP o amplicones anómalos, los cuales son deletéreos para el proceso analítico. El control bajo de la temperatura se traduce en un sobreconsumo de los reactivos necesarios para la reacción perseguida.

Así mismo, en algunos procedimientos de detección química diagnósticos y medioambientales, el volumen de la muestra no conocida sometida a prueba puede ser importante. Por ejemplo, en la detección de virus en la sangre o en otros fluidos corporales utilizando la RCP, el límite de detección es de aproximadamente 10 viriones. Por consiguiente, se requiere un volumen de fluido mínimo dependiendo de la concentración de viriones en la muestra. A modo de ilustración, en una concentración de 100 viriones / mL, el tamaño de la muestra debe ser de al menos 0,1 mL; para muestras más diluídas, incluso son necesarios volúmenes de muestras mayores. Por consiguiente, el sistema de análisis químico debe diseñarse para manejar una amplia variedad de volúmenes de fluido, desde nanolitos hasta mililitros.

Otro elemento fundamental de las muchas reacciones químicas es la supervisión del proceso químico y la detección del producto resultante. La supervisión en tiempo real del proceso a medida que se produce, hace posible la obtención de datos precisos y cuantitativos para determinar el avance de la reacción, y del ajuste en consonancia de los parámetros de calentamiento / enfriamiento. Cuando se dirigen múltiples ciclos, los procesos pueden ser supervisados después de cada ciclo térmico. Después de que la reacción se ha completado, el producto debe ser determinado. En algunos procesos, el producto es separado antes de la detección. Una técnica de detección preferente para el análisis es la interrogación óptica típicamente utilizando fluorescencia, fotosíntesis o quimioluminiscencia. Para ensayos de aglutinación de ligantes, a menudo son utilizadas la fluorescencia de resolución en el tiempo y la polimerización de la fluorescencia.

El control de los cambios de calentamiento y enfriamiento pueden ser designados como ciclado térmico. El término “ciclación térmica” pretende significar en la presente memoria al menos un cambio de la temperatura, esto es, un aumento o una reducción de la temperatura, en cuyo entorno las sustancias químicas están expuestas.... [Seguir leyendo]

1. Un aparato destinado a calentar y, al mismo tiempo, interrogar ópticamente una muestra, estando el aparato adaptado para recibir un recipiente (2, 46, 60, 90) que contiene la muestra, que incorpora una cámara (10, 76) delimitada por dos paredes principales opuestas (18, 72, 74) y una pluralidad de paredes secundarias (62 -70) que unen las paredes principales entre sí, siendo al menos dos de las paredes que delimitan la cámara, respectivamente, las primera y segunda paredes transmisoras de luz, para proporcionar unas ventanas ópticas a la cámara, comprendiendo el aparato:

a) al menos una superficie de calentamiento (40, 42, 208) para que entre en contacto con al menos una de las paredes principales;

b) al menos una fuente de calor para calentar la superficie; y

c) unos elementos ópticos para interrogar ópticamente los contenidos de la cámara mientras que la superficie de calentamiento está en contacto con al menos una de las paredes principales, comprendido los elementos ópticos al menos una fuente de luz (98, 100) para transmitir luz a la cámara a través de dicha primera de las paredes transmisoras de luz y al menos un detector (102, 104) para detectar la luz que sale de la cámara a través de dicha segunda de las paredes transmisoras de luz.

2. El aparato de la reivindicación 1, en el que la superficie de calentamiento comprende una superficie de una placa (36, 38, 202, 204), y en el que la fuente de calor comprende un resistor de calentamiento acoplado a la placa.

3. El aparato de la reivindicación 2, en el que la placa comprende un material cerámico, y en el que el resistor es serigrafiado sobre la placa.

4. El aparato de la reivindicación 1, en el que dicha al menos una superficie de calentamiento está dispuesta como dos superficies de calentamiento definidas por unas placas opuestas situadas para recibir el recipiente entre ellas, de tal manera que las placas entren en contacto con las paredes principales, y en el que los elementos ópticos están situados para interrogar a la cámara a través de las ventanas o aberturas existentes entre las placas.

5. El aparato de la reivindicación 4, que comprende así mismo al menos un soporte (206) para sostener las placas en relación opuesta entre sí, incluyendo el soporte una hendidura para la inserción de la cámara del recipiente entre las cámaras.

6. El aparato de la reivindicación 1, en el que la al menos un superficie de calentamiento está provista de un manguito térmico (36, 200, 260, 270, 630) para recibir el recipiente, la fuente de calor comprende al menos un elemento de calentamiento para calentar el manguito, y el manguito incorpora al menos una ventana o abertura que proporciona acceso óptico a las paredes transmisoras de luz.

7. El aparato de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que los elementos ópticos incluyen:

i) dicha fuente de luz como una pluralidad de fuentes de luz y de filtros para transmitir diferentes longitudes de onda de luz de excitación a la cámara; y

ii) dicho al menos un detector como una pluralidad de detectores y de filtros para detectar diferentes longitudes de ondas de la luz emitida desde la cámara.

8. El aparato de la reivindicación 1, en el que:

i) el aparato incluye al menos dos superficies de calentamiento situadas para recibir el recipiente entre ellas, de tal manera que las superficies de calentamiento estén en contacto con las paredes principales;

ii) el recipiente incluye:

un orificio (4) para la introducción de un fluido dentro de la cámara; y

un canal (8, 80) que conecta el orifico con la cámara; y

iii) el aparato comprende así mismo un tapón que puede ser insertado dentro del canal para incrementar la presión dentro de la cámara, por medio de lo cual el incremento de la presión fuerza a las paredes principales contra la superficies de calentamiento.

9. El aparato de la reivindicación 1, en el que

i) el aparato incluye dichas al menos dos superficies de calentamiento provistas de unas placas opuestas situadas para recibir el recipiente entre ellas, de tal manera que las placas estén en contacto con las paredes principales;

ii) la al menos una fuente de calor comprende unos respectivos elementos de calentamiento acoplados a las placas; iii) las placas, los elementos de calentamiento, y los elementos y ópticos están incorporados en una unidad de intercambio de calor (600, 650, 710, 810); y

iv) el aparato comprende así mismo un soporte de base (702) para recibir la unidad de intercambio de calor, incluyendo el soporte de base al menos un controlador para controlar el funcionamiento de la unidad de intercambio de calor.

10. El aparato de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que el aparato es un termociclador que presenta al menos una fuente de enfriamiento además de la fuente de calor, siendo la fuente de enfriamiento y la fuente de calor operables para someter la muestra en unos ciclos de temperatura.

11. El aparato de la reivindicación 10, en el que la fuente de enfriamiento comprende un ventilador para soplar el aire de enfriamiento.

12. El aparato de acuerdo con la reivindicación 9, en el que la unidad de intercambio de calor comprende así mismo:

i) una carcasa (602) para sostener las placas, unos elementos de calentamiento y unos elementos ópticos; y

ii) un elemento de enfriamiento dispuesto dentro de la carcasa para enfriar la cámara.

13. El aparato de la reivindicación 12, en el que el elemento de enfriamiento comprende un ventilador (606) para soplar el aire de enfriamiento.

14. El aparato de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, en el que el soporte de base está construido para recibir y controlar de manera independiente una pluralidad de dichas unidades de intercambio de calor.

15. El aparato de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, en el que las al menos dos paredes transmisoras de luz comprenden dos de las paredes secundarias, y en el que los elementos ópticos están situados para transmitir la luz hasta la cámara a través de una primera de las paredes secundarias transmisoras de luz y para detectar la luz que sale de la cámara a través de la segunda de las paredes secundarias transmisoras de luz.

16. El aparato de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, en el que las paredes transmisoras de luz están angularmente descentradas entre sí formando un ángulo aproximado de 90º y en el que los elementos ópticos proporcionan aproximadamente un ángulo de 90º entre las trayectorias de excitación y detección ópticas.

17. Un recipiente de reacción (2, 46, 60, 90) que comprende:

a) dos paredes principales opuestas (18; 72, 74), en el que al menos una de las paredes principales comprende una hoja o película;

b) una pluralidad de paredes secundarias rígidas (62 -70) que unen las paredes principales entre sí para formar una cámara de reacción (10, 76), en el que al menos dos de las paredes secundarias son transmisoras de luz para proporcionar unas ventanas ópticas respectivas a la cámara;

c) un orificio para introducir fluido dentro de la cámara.

18. El recipiente de la reivindicación 17, en el que la hoja o la película es lo suficiente flexible para adaptarse a una superficie de calentamiento o enfriamiento.

19. El recipiente de acuerdo con la reivindicación 17 o 18, que comprende así mismo un medio de estanqueidad para cerrar herméticamente el orificio.

20. El recipiente de la reivindicación 19, en el que el recipiente incluye un canal que conecta el orificio con la cámara y en el que el medio de estanqueidad comprende un tapón que puede ser insertado dentro del canal para incrementar la presión dentro de la cámara.

21. El recipiente de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 17 a 20, en el que el recipiente incluye un bastidor rígido que proporciona las paredes secundarias de la cámara, y en el que las dos paredes principales opuestas comprenden dos hojas o películas que están fijadas a los lados opuestos del bastidor rígido, siendo cada una de las hojas o películas lo suficientemente flexible para adaptarse a una respectiva superficie de calentamiento.

22. El recipiente de la reivindicación 21, en la que cada una de las hojas o películas comprende un material polimérico.

23. El recipiente de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 17 a 22, en el que las paredes transmisoras de luz están angularmente descentradas entre sí.

24. El recipiente de acuerdo con la reivindicación 23, en el que las paredes transmisoras de luz están descentradas entre sí formando un ángulo aproximado de 90º.

25. El recipiente de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 17 a 24, que comprende así mismo unos elementos o revestimientos ópticos sobre las paredes transmisoras de luz para posibilitar que únicamente 5 determinadas longitudes de ondas de luz pasen a través de las paredes transmisoras de luz.

26. El recipiente de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 17 a 25, en el que el recipiente incluye al menos cuatro paredes secundarias que delimitan la cámara, siendo al menos dos de las paredes secundarias las paredes transmisoras de luz, y siendo al menos otras dos de las paredes secundarias paredes retrorreflectantes para reflejar la luz dentro de la cámara. 27. El recipiente da cuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 17 a 26, en el que la relación de la conductancia térmica de las paredes principales con respecto a la conductancia térmica de las paredes secundarias es de al menos 2:1.

28. El recipiente de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 17 a 27, en el que la relación del área superficial de las paredes principales con respecto al área principal de las paredes secundarias es de al menos 2:1. 29. El recipiente de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 17 a 28, que comprende así mismo unos reactivos situados dentro de la cámara.