Montaje para reacción química con intercambio de calor e interrogación óptica.

Un aparato para controlar la temperatura de una muestra, comprendiendo el aparato

a) un recipiente (60,

90) que tiene

i) una cámara de reacción (2, 46, 50, 76) para contener la muestra, estando definida la cámara por dos paredes principales opuestas (72, 74) y una pluralidad de paredes secundarias rígidas (16, 62, 64, 66, 68, 70, 94, 96) que unen las paredes principales entre sí, en la que al menos una de las paredes principales comprende una hoja o película (18, 48);

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

iii) un canal (8, 80) que conecta el orificio con la cámara,

b) medios de calentamiento y al menos una superficie de calentamiento (36, 38, 52, 202, 204) asociada a dichos medios de calentamiento para ponerse en contacto la hoja o película, caracterizado porque comprende

c) un tapón (12, 84) que se puede insertar dentro del canal para aumentar la presión en la cámara, con lo que el aumento de presión en la cámara fuerza la hoja o película contra la superficie de calentamiento.

Montaje para reacción química con intercambio de calore interrogación óptica Campo de la invención

La presente invención es un dispositivo de utilidad en procesos químicos de intercambio de calor y en 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, evitando 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.

Las aplicaciones para 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 (PCR), la reacción en cadena de la lipasa (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 tubos 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, 1 2C / segundo lo que se traduce en unos tiempos de tratamiento más largos. Por ejemplo, la aplicación de la PCR, 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 3 2C / segundo.

Típicamente la velocidad de calentamiento más alta que puede obtenerse en instrumentos comerciales es del orden de 3 2C / 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 PCR 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 PCR, 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 / mi, el tamaño de la muestra debe ser de al menos 0,1 mi; para muestras más diluidas, 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. Se puede alcanzar una sensibilidad óptica óptima en soluciones fluidas maximizando la longitud de trayectoria de muestreo óptica tanto de los haces de luz que excitan las moléculas quñimicas como la luz emitida que será detectada para generar la señal óptica.

El control de los cambios de calentamiento y enfriamiento pueden ser designados como ciclado térmico. El término "ciclado térmico" 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. Por consiguiente, las sustancias químicas que experimentan ciclado térmico pueden cambiar de una temperatura a otra y, a continuación, estabilizarse a esa temperatura, pasar a una segunda temperatura o volver a la temperatura. El ciclo de temperaturas puede llevarse a cabo una vez o ser repetido tantas veces como sea necesario para la reacción química concreta. Las diversas reacciones químicas que se producen durante estos ciclos de temperaturas son más específicas y más eficientes cuando la temperatura es subida y bajada a las diversas temperaturas de reacción requeridas, lo más rápidamente posible y es controlada con mucha precisión.

Dispositivos convencionales para el control de las reacciones mediadas por enzimas

Los dispositivos que controlan la transferencia de calor para las reacciones... [Seguir leyendo]

1Un aparato para controlar la temperatura de una muestra, comprendiendo el aparato

a) un recipiente (60, 90) que tiene

i) una cámara de reacción (2, 46, 50, 76) para contener la muestra, estando definida la cámara por dos paredes principales opuestas (72, 74) y una pluralidad de paredes secundarias rígidas (16, 62, 64, 66, 68, 70, 94, 96) que unen las paredes principales entre sí, en la que al menos una de las paredes principales comprende una hoja o película (18, 48);

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

iii) un canal (8, 80) que conecta el orificio con la cámara,

b) medios de calentamiento y al menos una superficie de calentamiento (36, 38, 52, 202, 204) asociada a dichos medios de calentamiento para ponerse en contacto la hoja o película, caracterizado porque comprende

c) un tapón (12, 84) que se puede insertar dentro del canal para aumentar la presión en la cámara, con lo que

el aumento de presión en la cámara fuerza la hoja o película contra la superficie de calentamiento.

2.- El aparato según la reivindicación 1, en el que al menos dos de las paredes secundarias son transmisoras de luz,

y en el que el aparato comprende, además, elementos ópticos para interrogar ópticamente la cámara al tiempo que la superficie de calentamiento está en contacto con la hoja o película, comprendiendo los elementos ópticos al menos una fuente de luz para transmitir luz a la cámara a través de una primera de las paredes transmisoras de luz y al menos un detector para detectar luz que sale de la cámara a través de una segunda de las paredes transmisoras de luz.

3.- El aparato según la reivindicación 2, en el que al menos una superficie de calentamiento está provista de un manguito térmico para recibir el recipiente, incluyendo el manguito al menos un calentador para calentar la superficie, teniendo el manguito al menos una ventana o abertura que proporciona acceso óptico a las paredes transmisoras de luz, y estando posicionados los elementos ópticos para interrogar la cámara a través de la al menos una ventana o abertura en el manguito.

4.- El aparato segúnla reivindicación 1, en el que la superficie de calentamiento comprende una superficie de una placa, teniendo la placa al menos un resistor de calentamiento acoplado a la misma.

5.- El aparato de la reivindicación 1, en el que cada una de las paredes principales comprende una hoja o película, el aparato incluye al menos dos superficies de calentamiento definidas por placas opuestas posicionadas para recibir el recipiente entre las mismas de manera que las placas estén en contacto con las paredes principales, y el aparato incluye dichos medios de calentamiento para calentar las placas.

6.- El aparato segúnla reivindicación 5, que comprende, además, al menos un soporte para mantener las placas en una relción de oposición entre sí, incluyendo el soporte una ranura para insertar la cámara del recipiente entre las placas.

7.- El aparato según la reivindicación 5, en el que al menos dos de las paredes secundarias son transmisoras de luz para proporcionar ventanas ópticas a la cámara, y en el que el aparato comprende, además, elementos ópticos para interrogar ópticamente la cámara a través de al menos una ventana o abertura entre las placas, comprendiendo los elementos ópticos al menos una fuente de luz para transmitir luz a la cámara a través de una primera de las paredes transmisoras de luz y al menos un detector para detectar luz que sale de la cámara a través de una segunda de las paredes transmisoras de luz.

8.- El aparato según la reivindicación 7, en el que los elementos ópticos incluyen:

i) una pluralidad de fuentes de luz y filtros para transmitir diferentes longitudes de onda de luz de excitación a

la cámara,;

ii) una pluralidad de detectores y filtros para detectar diferentes longitudes de onda de luz emitida desde la

cámara.

9.- El aparato según la reivindicación 7, en el que las placas, medios de calentamiento, y elementos ópticos están incorporados en una unidad de intercambio de calor, el aparato comprende, además, un soporte de base para recibir la unidad de intercambio de calor, y el soporte de base incluye al menos un controlador para controlar la operación de la unidad de intercambio de calor.

10.- El aparato según la reivindicación 9, en el que la unidad de intercambio de calor comprende, además:

i) una carcasa para contener las placas, medios de calentamieno y elementos ópticos; y

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

11El aparato según la reivindicación2, en el que las paredes transmisoras de luz están angularmente descentradas aproximadamente 902 la una de la otra, y en el que los elementos ópticos proporcionan aproximadamente un ángulo de 90a entre las trayectorias ópticas de excitación y de detección.

12.- El aparato según la reivindicación 1, en el que el aparato incluye una fuente de calor para calentar la superficie, y el aparato incluye, además, un elemento de enfriamiento para enfriar la cámara

13.- El aparato según la reivindicación 10 o 12, en el que el elemento de enfriamiento comprende un ventilador para soplar aire de enfriamiento.

14.- El aparato según la reivindicación 13, en el que el soporte de base está construido para recibir y controlar independientemente una pluralidad de tales unidades de intercambio de calor.

15.- Un procedimiento para llevar a cabo una reacción química utilizando un aparato que comprende:

a) un recipiente que tiene

i) una cámara de reacción para contener la muestra, estando definida la cámara por dos paredes principales opuestas y una pluralidad de paredes secundarias rígidas que unen las paredes principales entre sí, en el que al menos una de las paredes principales comprende una hoja o película;

ii) un orificio para introducir fluido dentro de la cámara;

b) al menos una superficie de calentamiento para poner en contacto la hoja o película; y

c) un capuchón que se puede insertar en el orificio para aumentar la presión en la cámara, por lo que el aumento de presión en la cámara fuerza la hoja o película contra la superficie de calentamiento, comprendiendo el procedimiento las etpas de

1) añadir una muestra a través del orificio dentro de la cámara de reacción

2) exponer la muestra a variaciones de temperatura activando un elemento de calentamiento

/enfriamiento; y

3) interrogar ópticamente la muestra en la cámara de reacción para la reacción química o el producto de reacción.