DE102009015869B4 - Microtiter plate with heating device - Google Patents
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Abstract
Mikrotiterplatte mit Heizeinrichtung zum Temperieren von zweidimensional angeordneten Proben mit elektrischen Widerstandselementen und Temperatursensoren, sowie einem Wärme leitenden Medium, wobei die Mikrotiterplatte zweidimensional angeordnete Kavitäten für Proben aufweist, ferner zwischen den Kavitäten angeordnete Kompartimente, welche im Betrieb mit dem Wärme leitenden Medium ausgefüllt sind, wobei die Heizeinrichtung als an die Mikrotiterplatte angepasster Beisatz ausgebildet ist, wobei der Beisatz elektrische Widerstandselemente aufweist, welche im Betrieb in die Kompartimente eintauchen, wobei die elektrischen Widerstandselemente an einer Platte angeordnet sind, die korrespondierend zu den Kavitäten mit Löchern versehen ist, so dass sich die Temperatur der Proben in den Kavitäten einstellen lässt und während oder nach der Einstellung der Temperatur sensorische, insbesondere optische Messungen von Probenparametern durchführbar sind.Microtiter plate with heating device for tempering two-dimensionally arranged samples with electrical resistance elements and temperature sensors, as well as a heat-conducting medium, the microtiter plate having two-dimensionally arranged cavities for samples, furthermore compartments arranged between the cavities, which are filled with the heat-conducting medium during operation, whereby the heating device is designed as an add-on adapted to the microtiter plate, the add-on having electrical resistance elements which plunge into the compartments during operation, the electrical resistance elements being arranged on a plate which is provided with holes corresponding to the cavities, so that the Temperature of the samples in the cavities can be set and sensory, in particular optical measurements of sample parameters can be carried out during or after the setting of the temperature.
Description
Die Erfindung betrifft eine temperierbare Vorrichtung für handelsübliche Mikrotiterplatten, deren einzelne Proben in Kavitäten zweidimensional angeordnet sind. Die in den einzelnen Kavitäten befindlichen Proben, beispielsweise Proteine oder lebende Zellen, weisen in der Regel eine Umgebungs- bzw. Gerätetemperatur auf, die oft beträchtlichen Schwankungen unterworfen ist und vergleichbare Untersuchungen verhindert. Daher ist eine definiert einstellbare Temperatur der Proben ohne störenden oder verfälschenden Einfluss der Umgebungs- oder Gerätetemperatur für quantitative Untersuchungen temperaturabhängiger Probenparameter wesentlich. Gelingt es außerdem, eine schnelle und homogene Temperierung zu realisieren oder einen definierten Temperaturgradienten zwischen den Kavitäten einer Mikrotiterplatte einzustellen, erschließt sich eine große Anzahl von Applikationen, z. B. bei optischen Untersuchungen temperaturabhängiger Reaktionen in der Diagnostik, Serologie, Zellkultur oder immunologischen Forschung. Die industriell geforderten Regelgenauigkeiten liegen im Bereich von ±0,5°C bis ±1°C (siehe Dissertation: Schnelle homogene Temperierung von Mikrotiterplatten zur photometrischen Messung von Analysengut; M. Bethge; TU Ilmenau (2002)). Hierbei kommt es zum einen darauf an, eine gewisse Temperatur überhaupt zu erreichen und zum anderen, diese möglichst genau einzustellen und zu stabilisieren. Dabei darf in der Regel ein bestimmter Temperaturwert nicht überschritten werden, um die Proben nicht zu schädigen, und außerdem sollten auch während des Aufheizvorgangs sensorische, insbesondere optische Messungen von Probenparametern möglich sein.The invention relates to a temperature-controllable device for commercially available microtiter plates whose individual samples are arranged two-dimensionally in cavities. The samples contained in the individual cavities, for example proteins or living cells, generally have an ambient or device temperature which is often subject to considerable fluctuations and prevents comparable examinations. Therefore, a defined settable temperature of the samples without disturbing or falsifying influence of the ambient or device temperature for quantitative investigations of temperature-dependent sample parameters is essential. If, in addition, it is possible to realize a rapid and homogeneous temperature control or to set a defined temperature gradient between the wells of a microtiter plate, a large number of applications, eg. As in optical investigations of temperature-dependent reactions in diagnostics, serology, cell culture or immunological research. The industrially required control accuracies range from ± 0.5 ° C to ± 1 ° C (see Dissertation: Fast Homogeneous Temperature Control of Microtiter Plates for Photometric Measurement of Analytical Material, M. Bethge, TU Ilmenau (2002)). On the one hand, it is important to achieve a certain temperature at all and, on the other hand, to adjust and stabilize them as precisely as possible. As a rule, a certain temperature value must not be exceeded in order not to damage the samples, and, in addition, sensory, in particular optical, measurements of sample parameters should also be possible during the heating process.
Die bisher verwendeten technischen Lösungen zum Temperieren von Mikrotiterplatten nutzen die Übertragung von Wärme, die in externen Heizelementen erzeugt wird, auf die Proben durch Leitung oder Konvektion, häufig mittels Luft. Dies erfordert zumeist eine komplett geschlossene Kammer und ermöglicht somit keine oder nur stark eingeschränkte gleichzeitige Messungen von Probenparametern. Für viele Anwendungen sind inakzeptabel lange Anheizzeiten bis zum Erreichen der Solltemperatur notwendig. Diese betragen z. B. für das Aufheizen von Umgebungstemperatur auf 37°C bis zu 20 Minuten, wobei die Messunsicherheit bei ±0,2°C und die Homogenität über die Fläche der Mikrotiterplatte bei ±0,4°C liegt (siehe o. a. Dissertation). Allerdings wird keine Aussage darüber gemacht, nach welcher Zeit die angegebene Homogenität von ±0,4°C erreicht wird. Außerdem werden erhebliche Inhomogenitäten der Temperatur über die Fläche der Mikrotiterplatte beim Erwärmen der Proben beobachtet. Des Weiteren können mit den bestehenden Ansätzen keine definierten Temperaturgradienten zwischen den Kavitäten einer Mikrotiterplatte realisiert werden.The technical solutions used to control the temperature of microtiter plates use the transfer of heat generated in external heating elements to the samples by conduction or convection, often by air. This usually requires a completely closed chamber and thus allows no or only very limited simultaneous measurements of sample parameters. For many applications, unacceptably long heating times are necessary until the setpoint temperature is reached. These amount to z. For example, for the heating of ambient temperature to 37 ° C up to 20 minutes, wherein the uncertainty at ± 0.2 ° C and the homogeneity over the surface of the microtiter plate at ± 0.4 ° C (see o. A. Dissertation). However, no statement is made as to when the specified homogeneity of ± 0.4 ° C is reached. In addition, significant inhomogeneities in the temperature across the surface of the microtiter plate are observed upon heating the samples. Furthermore, with the existing approaches no defined temperature gradients between the wells of a microtiter plate can be realized.
Zum Heizen von Mikrotiterplatten sind mehrere patentrechtliche Ansätze bekannt, von denen ein Großteil die Umgebungsluft zur Temperierung nutzt. Ferner sind Ansätze bekannt, die einen eigenen temperierbaren Körper vorsehen und nicht für handelsübliche Mikrotiterplatten geeignet sind. Des Weiteren sind bei dem Großteil der Ansätze keine optischen Untersuchungen von Probenparametern während der Heizphase möglich. Außerdem fehlt allen bisher bekannten Ansätzen die Möglichkeit einer partiellen Beheizung der Mikrotiterplatte. In der
Weiterhin kann Wasser vorteilhaft in einem Umlaufthermostat als Wärme übertragendes Medium verwendet werden, wie in
Eine Vorrichtung zur Temperierung zweidimensional angeordneter Proben über an einem Beisatz angeordnete Heizspulen ist in
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben mit der die Temperatur möglichst aller Einzelproben in handelsüblichen Mikrotiterplatten individuell einstellbar ist und hinreichend schnell variiert werden kann. Diese Aufgabe wird durch eine Mikrotiterplatte mit Heizeinrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Hierbei wird ein Wärme leitendes flüssiges Medium, insbesondere Wasser, oder ein anderes, insbesondere festes Medium, insbesondere Silikon, in den den einzelnen Proben naheliegenden, insbesondere den dazwischen liegenden Bereichen angebracht. Ebenso werden zweidimensional angeordnete Widerstandselemente an einem angepassten Beisatz in diesen Bereichen angebracht, um eine Einstellung der gewünschten Temperatur möglichst aller Einzelproben zu erreichen. Handelt es sich bei dem Wärme leitenden Medium um eine Flüssigkeit, so werden die Widerstandselemente mit selbiger umhüllend in Kontakt gebracht, handelt es sich hingegen um ein anderes, insbesondere festes Medium, so werden sie gemeinsam mit diesem Medium eingebracht. Temperatursensoren werden entweder in den den einzelnen Proben naheliegenden, insbesondere den dazwischen liegenden Bereichen oder in definierten Probenbereichen angebracht und ermöglichen eine Regulierung der Temperatur möglichst jeder Probe durch individuelle Stromanpassung einzelner Widerstände. Zwischen den Widerstandselementen und den Proben besteht kein direkter Kontakt, so dass keine Kontaminierung der Proben durch die Widerstandselemente und keine Beanspruchung, insbesondere Beschädigung der Widerstandselemente durch die Proben möglich ist. Die Bodengeometrie der Mikrotiterplatte kann neben den handelsüblichen Flach-, Rund- und V-förmigen Böden insbesondere auch eine Glas- oder Kunststoffplatte umfassen. Alle Proben der Mikrotiterplatte sind für sensorische, insbesondere optische Untersuchungen der Probenparameter von oben und unten zugänglich. Hierbei vergrößert sich die Bauhöhe der Mikrotiterplatte durch den Beisatz zur Temperierung üblicherweise nur geringfügig, typischerweise um 4 bis 6 mm. Vielfältige Beschaltungsgeometrien der Widerstandselemente ermöglichen sowohl eine individuelle Temperatureinstellung als auch die Einstellung definierter Temperaturgradienten, sowie ein reihenselektives, ringselektives oder homogenes Temperieren der Mikrotiterplatte. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The present invention is based on the object of specifying a device with which the temperature of all individual samples in commercially available microtiter plates is individually adjustable and can be varied sufficiently quickly. This object is achieved by a microtiter plate with heating device having the features specified in
Im Folgenden wird die Vorrichtung an Hand der
Die Mikrotiterplatte
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