使用氮?dú)獾牡蜏毓ぷ髡镜闹谱鞣椒?br>【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于需要低操作溫度的手動和自動程序的開頂式工作站，以及用于制備和使用所述工作站的方法。
相關(guān)申請
[0002]該專利申請要求以下臨時申請中每一個的優(yōu)先權(quán):N0.61/830,354(2013年6月3日提交)；Νο.61/860,801 (2013年7 月31 日提交)；Νο.61/873,298(2013年9月3 日提交)；Νο.61/879,624(2013年9月18日提交)；以及N0.61/890,036(2013年10月11日提交)。這些專利申請中每一個的全部內(nèi)容均以引用方式出于所有目的并入本文。
【背景技術(shù)】
[0003]為了最佳結(jié)果，許多工業(yè)、商業(yè)和研究方法要求將物體或材料保持在低溫下。例如，低溫下的低溫保存或維持是確保試樣和產(chǎn)品的分子完整性的常用手段。在較高溫度下在相對短時間間隔內(nèi)可降解的物質(zhì)可以在低于所述物質(zhì)的冰點(diǎn)的溫度下儲存較長持續(xù)時間而具有有限變化或無變化。雖然冷凍儲存可有效減小樣品降解的速率，但在含水溶液和生物試樣中，分子活動直至溫度接近_130°C才停止。在高于該點(diǎn)的溫度下，試樣仍然具有重新排序立體結(jié)構(gòu)的機(jī)會，從而形成可能導(dǎo)致樣品完整性下降的試樣變化。這種類型的樣品損壞的實(shí)例包括，在解凍時，低溫儲存的細(xì)胞的活力降低、酶活性降低、以及藥物效力降低。
[0004]冷凍試樣的有害變化的幾率在樣品經(jīng)歷溫度的瞬時波動的條件下大大增加，溫度的瞬時波動諸如當(dāng)儲存材料從一個低溫儲存系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到另一個時，或者當(dāng)保持在經(jīng)歷溫度突增的儲存系統(tǒng)內(nèi)部時可能發(fā)生，溫度突增如在冷凍室門打開用于正常訪問、在電源故障的時間間隔期間、或甚至隨時間推移在正常機(jī)械制冷溫度循環(huán)期間所引起的那些。
[0005]雖然具有防止樣品中溫度突增和波動的需要，但仍然需要對正常冷凍儲存系統(tǒng)外部的樣品的大量操作。例如，細(xì)胞瓶可能需要重新組織、編目、或追蹤，需要暴露于較高溫度下數(shù)分鐘至一個半小時或更長的時間段。對于冷凍儲存外部的延長操作時間的其它要求包括制備用于海運(yùn)或本地運(yùn)輸?shù)臉悠?；試銷樣品的接收、管理和儲存；以及冷凍制品的包裝和貼標(biāo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供裝置，所述裝置為容器，所述容器可將重于空氣的氣體(通常為冷氣體)保持在井中，或裝置的“腔室”中，其中腔室深度的大部分(從裝置的底面到腔室的頂部，底面上放置樣品或“物體”)在或低于期望的溫度界限，并且其中可通過容器的開口頂部(腔室的頂部)進(jìn)行溫敏物體的操縱和操作，同時將物體溫度維持在指定溫度范圍內(nèi)。在一個實(shí)施方式中，本發(fā)明的裝置是具有由絕熱材料構(gòu)成的一個(如果形狀為圓形)或多個(即形狀為矩形或方形)側(cè)面和底部的容器，其包括其中可包含致密冷氣體的氣密井或腔室。
[0007]在一個實(shí)施例中，包含的氣體為氮?dú)猓⑶彝ㄟ^使安裝在腔室內(nèi)壁的開口罐(例如金屬罐)內(nèi)所包含的液氮沸騰而使包含的氣體溫度保持在期望范圍內(nèi)。所述罐以一定方式來構(gòu)造:使得氮蒸氣流出物直接排放到腔室中，從而混合腔室氣體并增加較熱腔室氣體暴露于鍋爐的暴露表面的速率，導(dǎo)致容納感興趣的樣品的腔室部分(從底面到底面上方足夠的高度以確保樣品完全包含在重于空氣的氣體中)中的更均勻且更低的氣體溫度。
[0008]本發(fā)明還提供使用裝置以操作冷庫中的樣品的方法以及裝置的附加實(shí)施方式，所述裝置用于維持并監(jiān)測罐內(nèi)液氮含量或腔室內(nèi)其它冷卻劑的量以及收集腔室氣體溫度數(shù)據(jù)用于確保工作體積的溫度達(dá)標(biāo)。
[0009]本發(fā)明的一些實(shí)施方案還包括具有磁性安裝系統(tǒng)的可移除激光架。所述安裝系統(tǒng)包括當(dāng)激光架與傳感器線束耦合時將電流輸送至激光二極管的兼容電端子或觸頭。所述安裝系統(tǒng)包括可永久性耦合至線束的線束接頭。在線束中提供開口，并且電導(dǎo)線延伸出所述開口并通過線束接頭。還提供安裝板，所述安裝板具有注意導(dǎo)線的極性而附接到導(dǎo)線的電端子。安裝板經(jīng)由扣件附接到線束接頭。安裝板的電端子在與線束接頭相對的所述板側(cè)面上向外突出。激光架還包括用于容納安裝板的凹槽。所述凹槽包括與安裝板的電導(dǎo)線對齊的附加電導(dǎo)線。在一些情況下，安裝板和凹槽還包括互補(bǔ)磁體，由此安裝板暫時或選擇性地經(jīng)由磁性界面與凹槽耦合。
[0010]在一些實(shí)施方式中，激光架可包含兩個激光二極管。激光架的電端子經(jīng)由電導(dǎo)線可操作性地連接至激光二極管。當(dāng)安裝板耦合或設(shè)置到激光架的凹槽中時，電流經(jīng)由電端子和相應(yīng)導(dǎo)線之間的界面輸送至激光二極管。當(dāng)需要時，可通過分離安裝板和激光架之間的磁性連接將激光架從線束中簡單移除。安裝板和凹槽之間的配合確保了容器腔室內(nèi)的激光二極管的正確的可重復(fù)對齊。
[0011]在一個方面，本發(fā)明提供了一種容器，所述容器包括形成內(nèi)部腔室的一個或多個側(cè)面和具有開頂式表面的底面，其中液密金屬罐安裝在內(nèi)側(cè)壁上或緊鄰內(nèi)側(cè)壁安裝，所述液密金屬罐包括在罐的頂部表面處能夠?qū)怏w直接排放入腔室中的至少一個開口。在一些實(shí)施方式中，容器包含具有小于0.2瓦每米開爾文的熱導(dǎo)率的材料。在一些實(shí)施方式中，材料包含交聯(lián)的聚乙烯泡沫、聚氨酯泡沫、苯乙烯泡沫、聚乙烯泡沫或聚合物共混物泡沫。在一些實(shí)施方式中，罐金屬由以下材料組成或包含以下材料:鋼、不銹鋼、銅、銅合金、鋁或鋁合金。在一些實(shí)施方式中，罐包括邊緣突起以限制罐內(nèi)容物溢出。在一些實(shí)施方式中，罐包括一個或多個液體填充端口、液體流量控制機(jī)構(gòu)、傳感器安裝件和傳感器外殼。在一些實(shí)施方式中，裝置包括液位傳感器或溫度傳感器或上述兩者。
[0012]在一些實(shí)施方式中，裝置包括可在例如不工作的階段降低溫度和液氮使用的蓋子或蓋。
[0013]在一些實(shí)施方式中，裝置附接到管道、管子或重力滑槽以將液體引導(dǎo)入罐中。在一些實(shí)施方式中，裝置附接或可操作地連接至接收來自液位傳感器或溫度傳感器或上述兩者的電信號的微處理器，并且將電信號輸送至液體輸送調(diào)節(jié)器。
[0014]在一些實(shí)施方式中，腔室包括一個或多個溫度傳感器以監(jiān)測內(nèi)部氣體溫度。在一些實(shí)施方式中，溫度傳感器為熱電偶或RTD傳感器。
[0015]在一些實(shí)施方式中，附接的外部液體制冷劑貯存器通過電流來加壓，所述電流通過浸沒在液體中的電阻線圈，或者其中液體制冷劑通過機(jī)械栗的作用移動。在一些實(shí)施方式中，液氮輸送系統(tǒng)包括有蓋重力滑槽。
[0016]在一些實(shí)施方式中，所述罐定位在內(nèi)部腔室中，使得罐開口的最低邊不低于內(nèi)部腔室高度的百分之七十五。在一些實(shí)施方式中，所述罐定位在內(nèi)部腔室中，使得罐開口的最低邊不低于內(nèi)部腔室高度的百分之五十。在一些實(shí)施方式中，所述罐定位在內(nèi)部腔室中，使得罐開口的最低邊不低于內(nèi)部腔室高度的百分之八十。在一些實(shí)施方式中，所述罐定位在內(nèi)部腔室中，使得罐開口的最低邊不低于內(nèi)部腔室高度的百分之六十。在一些實(shí)施方式中，所述罐具有一個或多個水平頂部邊緣，由此從罐中溢出的冷氣體將均勻向下落到水平邊緣下方的罐表面。在一些實(shí)施方式中，所述罐由長尺寸構(gòu)成，所述長尺寸大于上面固定有所述罐的腔室壁的長度的百分之五十。在一些實(shí)施方式中，罐內(nèi)部包括可抑制或限制管內(nèi)部的液體移動的可移除或永久附接的擋板、篩網(wǎng)或多孔材料。
[0017]在一個方面，系統(tǒng)包括如上文所述的裝置，以及激光安裝系統(tǒng)。在一個方面，本發(fā)明提供激光安裝系統(tǒng)，其包括:激光架，所述激光架包括電連接至第一電端子的激光二極管，并且還包括第一磁體;安裝板，所述安裝板包括第二電端子和第二磁體，所述第二電端子和第二電磁體定位成當(dāng)激光架與安裝板耦合時與第一電端子和第一磁體對齊；線束接頭，其具有用于容納傳感器線束的外表面的第一表面和用于容納安裝板的相對表面，所述線束接頭插入線束和安裝板之間；以及耦合至第二電端子的導(dǎo)線。在一些實(shí)施方式中，激光架包括成對的激光二極管。
[0018]在一個實(shí)施方式中，激光架的前表面包括平面，并且其中前表面的側(cè)角邊緣相對于所述前表面的平面向內(nèi)成在10°-50°范圍內(nèi)，任選為約30°的角度，其中激光二極管的中心軸線相對于前表面的平面成約30°的角度。
[0019]在一個實(shí)施方式中，激光架包括定位在前表面的第一拐角上的第一激光二極管，和定位在前表面的第二拐角上的第二激光二極管，其中所述第一拐角與前表面上的第二拐角相對。在一個實(shí)施方式中，第一激光二極管的中心軸線和第二激光二極管的中心軸線之間的角度在20°-100°的范圍內(nèi)，任選地為約60°。
[0020]在一個實(shí)施方式中，激光架從安裝板中選擇性地移除。在一個實(shí)施方式中，線束接頭永久性附接至線束。在一個實(shí)施方式中，安裝板經(jīng)由扣件可移除地耦合至線束接頭。在一個實(shí)施方式中，激光安裝系統(tǒng)包括介于安裝板和激光架之間的磁性界面。在一個實(shí)施方式中，激光安裝系統(tǒng)包括介于安裝板和激光架之間的鍵連接。
[0021]在一個方面，本發(fā)明提供了一種用于形成具有填充有低溫氣體的開頂式腔室的容器的方法，其中所述氣體的一部分處于低于-80攝氏度的溫度，所述方法包括蒸發(fā)固定到容器壁的金屬罐內(nèi)的液氮，并且將氮蒸氣直接排放到容器腔室中。
[0022]在一些實(shí)施方式中，容器腔室氣體溫度通過控制罐內(nèi)包含的制冷劑含量來調(diào)節(jié)。在一些實(shí)施方式中，氮蒸氣以一定方式排出，使得所述容器腔體內(nèi)的氣體以相對于使用放置在所述腔室底面上的盤內(nèi)所包含的液氮而獲得的速率增加的速率混合。在一些實(shí)施方式中，所述腔室內(nèi)的氣體溫度的均勻度通過金屬罐中氣體流出物的混合效果來增加。
[0023]在一些實(shí)施方式中，腔室氣體溫度通過控制罐內(nèi)包含的制冷劑含量來調(diào)節(jié)。
[0024]在一些實(shí)施方式中，氮蒸氣以一定方式排放出，使得所述容器腔體內(nèi)的氣體以相對于使用相同罐內(nèi)在其置于所述腔室底面上時所包含的液氮所獲得的速率增加的速率混入口 ο
[0025]在一些實(shí)施方式中，腔室內(nèi)的氣體溫度的均勻度通過金屬罐中氣體流出物的混合效果來增加。
[0026]在一些實(shí)施方式中，腔室溫度處于與相同罐在置于所述腔室底面上時相比降低的溫度下。
[0027]在一些實(shí)施方式中，鍋爐中的氣流增加較熱腔體氣體對液氮表面的暴露。
[0028]在一些實(shí)施方式中，相對于使用相同罐內(nèi)在置于所述腔室底面上時所包含的液氮而獲得的清晰度，所述腔室內(nèi)的工作空間的視覺清晰度通過由從所述腔室邊溢出的腔室腔體內(nèi)的氣體噴射經(jīng)氣體懸浮的凝固水蒸氣而改善。
[0029]在一些實(shí)施方式中，暴露于腔室的氣體含量通過從鍋爐落入引力場中的氣體流出物的動量來增加。
[0030]在一個方面，本發(fā)明提供通過移除一個或多個側(cè)壁的一部分并接合容器以形成連續(xù)內(nèi)部腔室來形成擴(kuò)展的開頂式腔室的方法，其中液密金屬罐安裝在內(nèi)側(cè)壁上或緊鄰內(nèi)側(cè)壁安裝，所述液密金屬罐包括在罐頂部表面處能夠?qū)怏w直接排放到腔室中的至少一個開
□ ο
【附圖說明】
[0031]為了容易理解獲得本發(fā)明的上述和其它特征結(jié)構(gòu)以及優(yōu)點(diǎn)的方式，將參考附圖中解釋說明的其【具體實(shí)施方式】來對上文簡單描述的本發(fā)明進(jìn)行更具體說明。這些附圖僅示出本發(fā)明的典型實(shí)施方式并且因此不認(rèn)為是對本發(fā)明范圍的限制。
[0032]圖1示出了本發(fā)明裝置的實(shí)施方式的線條圖，其示出裝置的外部組件。
[0033]圖2示出圖1中所示裝置的截面圖，其揭示裝置的內(nèi)部特征結(jié)構(gòu)。
[0034]圖3示出用于本發(fā)明裝置中的液氮?dú)怏w循環(huán)鍋爐的線條圖。
[0035]圖4示出了圖3中所示裝置的截面圖。
[0036]圖5示出了在兩種操作條件下，在圖1和2中所示裝置的實(shí)施方式的腔室內(nèi)的不同深度處的內(nèi)部氣體溫度的時間圖，一種條件是其中液氮包含在腔室底面上的盤中，并且另一種條件是其中液氮包含在如圖2、3和4中所示安裝在腔室壁的氣體循環(huán)貯存器中。在兩組條件下的內(nèi)部氣體溫度的測量值展示氣體循環(huán)貯存器在降低腔室內(nèi)的溫度同時增加氣體溫度均勻性方面的效果。
[0037]圖6A示出了液氮鍋爐的第二實(shí)施方式。
[0〇38]圖6B示出了圖6A中所示裝置的示例性尺寸。
[0039]圖7示出了本發(fā)明的液氮鍋爐的第三實(shí)施方式。
[0040]圖8示出圖7中所示裝置的示例性尺寸。
[0041]圖9示出在圖7和8中所示設(shè)計(jì)的液氮鍋爐上操作的、在圖1和2中所示裝置容器的一個實(shí)施方式的腔室內(nèi)的不同深度處，內(nèi)部氣體溫度的時間圖。使用液氮輸送系統(tǒng)的手動控制和來自液氮液位觀察的反饋以及腔室氣體溫度數(shù)據(jù)，可迅速建立液氮再填充循環(huán)，所述液氮再填充循環(huán)可將腔室溫度保持在約-80至-60攝氏度的20攝氏度范圍內(nèi)。
[0042]圖10示出了適用于由兩個并排工作的個體同時使用的本發(fā)明裝置的一個實(shí)施方式，如可用于兩步法。所述裝置通過主動調(diào)節(jié)鍋爐罐內(nèi)的液氮含量而將開放腔體溫度保持在指定范圍。所述圖示出用于氮?dú)忮仩t的液位傳感器的位置以及向氣體腔室提供高度調(diào)節(jié)能力的大氣壓液氮輸送系統(tǒng)的實(shí)施方式。
[0043]圖11不出了圖10中所不液氮輸送系統(tǒng)的截面視圖。
[0044]圖12示出了與本發(fā)明的液氮鍋爐一起使用的本發(fā)明液位傳感器的實(shí)施方式。
[0045]圖13示出了設(shè)計(jì)成包含和冷卻托盤式容器的堆疊物的本發(fā)明的一個實(shí)施方式的截面視圖。
[0046]圖14A示出了用于使用低溫裝置的工藝流程布置圖。
[0047]圖14B示出了與專用裝備車組合使用的裝置。
[0048]圖15C-D示出可用于制備過程的槽構(gòu)造，所述制備過程在保留超冷環(huán)境中的制備步驟的同時，需要多個步驟。[A]直線槽構(gòu)造；[B]蛇形槽構(gòu)造；[C]閉環(huán)構(gòu)造，其示出可以模塊化樣式制備并組裝的容器外殼；[D] “部分覆蓋的”實(shí)施方式。
[0049]圖16示出了本發(fā)明實(shí)施方式的截面視圖，其包括液氮冷卻系統(tǒng)和溫度傳感器以及激光邊界指示器線束。
[0050]圖17示出了可從本發(fā)明的裝置接收和發(fā)送的信號連接的示例性實(shí)施方式。
[0051]圖18示出了液氮輸送和流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的實(shí)施方式。
[0052]圖19提供了根據(jù)本發(fā)明的代表性實(shí)施方式，經(jīng)由安裝板和線束接頭選擇性耦合至線束的激光架的透視圖。
[0053]圖20提供了根據(jù)本發(fā)明的代表性實(shí)施方式，與線束脫離的激光架的透視圖，其中安裝板和線束接頭保持耦合至線束。
[0054]圖21提供根據(jù)本發(fā)明的代表性實(shí)施方式的激光安裝系統(tǒng)的分解圖。
[0055]圖22是根據(jù)本發(fā)明的代表性實(shí)施方式的激光安裝系統(tǒng)的截面視圖。
[0056]圖23是根據(jù)本發(fā)明的代表性實(shí)施方式，激光架線束和接頭的截面視圖，其示出通過調(diào)節(jié)調(diào)平螺絲可獲得的激光架的傾斜自由度。
[0057]圖24是根據(jù)本發(fā)明的代表性實(shí)施方式，安裝板和激光架的詳細(xì)后透視圖。
[0058]圖25是根據(jù)本發(fā)明的代表性實(shí)施方式，示出用于激光模塊電源的電通路的三維透視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0059]本發(fā)明提供開放式容器系統(tǒng)，其包括冷氣體井室，其中出于制造溫敏材料的目的可維持相當(dāng)于冷凍室內(nèi)部溫度的溫度。在此類開放系統(tǒng)中，無滲漏隔熱容器保持冷氣體，因?yàn)橄啾扔谳^熱環(huán)境氣體溫度，冷氣體的較大密度限制通過容器邊緣的移動。雖然在操作期間包含的氣體的溫度可升高并且密度可減小，從而使得氣體具有逸出的機(jī)會，但通過容器的隔熱壁和底面進(jìn)入容器系統(tǒng)并且主要通過大氣和冷氣體界面的環(huán)境熱可通過腔室內(nèi)相變材料諸如液氮的蒸發(fā)潛熱被系統(tǒng)吸收。
[0060]本發(fā)明提供相比于機(jī)械制冷系統(tǒng)的顯著優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)闉榱嗽陂_放系統(tǒng)中保持-130°C至-80°C范圍內(nèi)的低溫而置于機(jī)械制冷系統(tǒng)上的熱負(fù)荷使其對于該應(yīng)用持續(xù)延長工作時間段而言不實(shí)用。當(dāng)以適當(dāng)供應(yīng)速率引入腔室中時，相變材料可具有足夠的潛熱吸收能力以維持必要的溫度范圍。在大氣壓下具有-196°C沸騰溫度的液氮具有將開放系統(tǒng)容器保持在約-150°C和更高范圍內(nèi)的能力。
[0061]相變材料在被用作開放系統(tǒng)冷卻劑時存在限制，所述限制對于在直接置于腔室的底表面上或靠近腔室底表面放置時所需的溫度范圍和可用的工作空間而言是有問題的。因?yàn)?