專利名稱：用于玻璃化的快速冷卻設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及的領域是用于低溫保存生物樣本的設備。
背景技術：
低溫保存是生命科學中的常用技術，目的是為了長時間段地停止有價值的細胞內 的生物活性。成功進行低溫保存的一個因素是減少或者消除冰晶形成的有害效果。在低溫 保存期間要阻止水冷凍成冰的自然趨勢需要很復雜的方法。“玻璃化”就是一種這樣的方 法。玻璃化可以被描述為流體粘度隨著以隨機取向捕獲水分子的迅速冷卻而快速增加。它 的成功完全要以避免形成對細胞有破壞性的冰為基礎。玻璃化玻璃化中的初始步驟是用含有滲透性和/或非滲透性的低溫防護劑(“CPA”)的 水溶液(“玻璃化介質”)來給一個細胞或多個細胞脫水。一個或多個細胞與少量的玻璃化 介質一起構成了“生物樣本”。生物樣本隨后被放置在合適的低溫容器內。低溫容器就是適 合用于在制冷溫度下使用的容器。如本文中所用，“制冷溫度”是指低于-80°C的溫度。生物樣本隨后通過浸入到低溫流體例如液態氮(“LN2”)中而被快速冷卻。通過 冷卻速度和CPA濃度的適當結合，細胞內的水將會成為固態、無毒、玻璃狀(玻璃質)的狀 態而不是有序的、破壞性的冰結晶狀態。臨床上玻璃化具有兩種主要目的。第一是在冷卻劑例如LN2中長期存儲。第二是 在升溫后恢復一個或多個生物學意義上的活細胞。但是玻璃化介質在細胞溫暖時經常都是 對細胞有毒性的。因此細胞在脫水和升溫(因為沒有形成冰所以不是“解凍”)期間暴露給 玻璃化介質的時間必須被小心地控制以避免細胞損傷。慢速的冷卻速度需要毒性相對較高的玻璃化介質濃度，例如60%的CPA質量比濃 度。在快速的冷卻速度下，可以使用較低毒性的濃度。如果106°c/分鐘或者更高的冷卻速 度是可獲得的，那么根本不用低溫防護劑就可以實現玻璃化。希望能夠快速冷卻，越快越好。將生物樣本直接浸入LN2中可實現快速冷卻，但是 可能會暴露生物樣本造成污染。市場上可購得的液態氮可能會含有升溫后就有生命力的細 菌和真菌菌種。而且，已經有報告說玻璃化的細胞可能會被放入LN2中的病毒性病原體所 感染。感染的可能性已經導致了對封閉式低溫容器的研發，其中生物樣本在LN2中進行 冷卻之前要先被放入容器內并密封。低溫容器也用作存儲設備以在長期存儲期間將生物樣 本與含有病原體的冷卻劑隔離。要用直接浸入的開放式低溫容器或封閉式低溫容器達到最快的可行冷卻速度的限制之一在于最初將溫暖的玻璃化設備與LN2接觸會導致圍繞所述設備生成氮蒸氣隔離 涂層。蒸氣防護層是由于液態氮在接觸到溫暖的樣本時沸騰而產生的。這就是已知的萊頓 弗羅斯特(Leidenfrost)效應。氮蒸氣是能夠大大降低冷卻速度的熱絕緣體。如果萊頓弗 羅斯特效應被降低或消除，冷卻速度即可被加快，并且也可以使用毒性較低的玻璃化介質， 這樣可能會得到更好的臨床效果。因此，對于在玻璃化期間通過克服萊頓弗羅斯特效應來提高生物樣本的冷卻速率 的方法和裝置存在需求。
發明內容
本發明的內容概述被提供作為用于理解本發明的指南。該概述并非一定是描述了 本發明最一般性的實施例或本文中公開的本發明的所有種類。改進的玻璃化冷卻裝置和方法本文中介紹的本發明包括消除或降低了玻璃化中的萊頓弗羅斯特效應的冷卻設 備和方法。在冷卻劑是飽和液體(例如LN2)的情況下，使用高冷卻劑速度來強行轉移沸騰 氣化的蒸氣。在冷卻劑是通過制冷劑冷卻的過冷液體的情況下，介紹了一種用于控制冷卻 劑的溫度而不會將其冷凍的簡單裝置。
在本發明的一個實施例中，飽和的冷卻劑被容納在封閉的杜瓦瓶中，其外表面被 暴露在室溫下。周圍環境的溫升給杜瓦瓶加壓并且該壓力迫使飽和的冷卻劑流出杜瓦瓶作 為射流。該射流被引導到玻璃化設備上并強行轉移析出蒸氣以避免形成萊頓弗羅斯特效應。附圖簡要說明
圖1示出了兩種現有技術中的玻璃化設備。第一種是封閉式設備而第二種是開放 式載體。圖2示出了發明的封閉式玻璃化設備。圖3示出了玻璃化設備上的萊頓弗羅斯特效應以及用于減輕該效應的裝置。圖4示意性地示出了壓力如何才能夠被轉化為冷卻劑的速度。圖5示出了兩種類型的開放式接觸設備。圖6示出了導管型的接觸設備。圖7示出了發明的裝有飽和冷卻劑的杜瓦瓶的特征。圖8示出了用于氮的蒸氣壓力和溫度之間的關系。圖9A示出了封閉式接觸器的特征。圖9B示出了用于和封閉式接觸器一起使用的夾鉗。圖10示出了接觸器如何才能夠被用于將開放式低溫容器內的生物樣本玻璃化。圖11示出了具有收縮/擴張噴嘴的接觸器如何才能夠被用于將封閉式低溫容器 內的生物樣本玻璃化。圖12示出了表現出縮脈效應的接觸器如何才能夠被用于將封閉式低溫容器內的 生物樣本玻璃化。圖13示出了利用接觸器和自加壓的液態氮杜瓦瓶來將低溫容器內的樣本玻璃化 的方法。
圖14示出了具有兩個貯存器的杜瓦瓶的特征。第一個貯存器用于給杜瓦瓶加壓 的飽和冷卻劑。第二個用于過冷的冷卻劑，其將被用于將生物樣本玻璃化。
具體實施例方式以下的詳細說明公開了本發明各種不同的實施例和特征。這些實施例和特征的意 圖在于示范性說明而不是加以限制。如本文中所用，除了溫度以外，并且除非是另有具體說明，否則術語“大致”表示在 參數給定值的士20%以內。對于溫度，“大致”表示在給定值的士2°C以內。各種生物細胞都可以利用本發明被無菌地低溫保存(玻璃化)。一類細胞是哺乳 動物的發育細胞例如精子、卵母細胞、胚胎、桑椹胚、胚泡以及其他的早期胚細胞。這些細胞 在輔助生殖過程期間要被低溫保存。另一類是再生療法中使用的干細胞。最寬泛的種類是 能夠以本發明可獲得的冷卻速度被玻璃化的任意細胞或細胞群。玻璃化設備用作玻璃化設備的低溫容器可涵蓋能夠從本發明中受益的寬泛范圍的設計。示范 性的低溫容器如下所述。圖1示出了通常為管狀元件的示范性低溫容器100的縱向截面，其包括低溫容器 管102。該設備利用抽吸真空以將生物樣本吸入低溫容器管內。低溫容器管的兩端最初都 是打開的。注射器(未示出)被連接至低溫容器管的第一開口 104。注射器形成將生物樣 本106吸入低溫容器管的第二開口 108內的真空。生物樣本包括玻璃化介質110以及一個 或多個細胞112。參見對象120，低溫容器管的兩端隨后就被加熱和夾緊以形成無菌的封口 122和124。含有生物樣本126的低溫容器現在就以準備好用于進行冷卻。圖1中的對象140示出了用于玻璃化的開放式載體。它包括連接至軸桿144的手 柄142。軸桿被連接至裝載懸臂146。生物樣本148被放置在懸臂上。圖2示出了具有可變形壁部的通常為管狀元件的示范性低溫容器的縱向截面。所 述壁部可以由形狀記憶材料構成。這種低溫容器在申請號為12/267708的共同未決美國專 利申請“可改變形狀的玻璃化設備”中進行了更加完整地介紹。所述申請及其所有的部分 繼續申請都通過弓I用并入本文。低溫容器包括梭管200和套管220。梭管由在末端切出切口 204以提供槽206的 管202構成。生物樣本208被放置在槽上。套管包括具有熱封的第一端224的管狀主體222。第二端226是開放的。與生物 樣本的位置相對應的套管的部分是可變形的。因此在將梭管裝入套管內之后，可變形部分 可以被夾緊以使其接觸到生物樣本。這就提高了到所述生物樣本的傳熱速率。如果可變形 的壁部是形狀記憶材料，那么在低溫容器變暖時它就可以返回其未被夾緊的形狀。這樣有 助于取出生物樣本。對象240示出了組裝在一起并密封的但是在夾緊之前的梭管和套管242。對象260示出了剛好在裝載和密封之后的低溫容器在A-A剖面處的橫截面。生物 樣本262被空氣264包圍。對象280示出了夾緊之后相同的橫截面。可變形壁部的絕大部分282由此接觸到 生物樣本。因此在冷卻和升溫期間可以提高到生物樣本的傳熱速率。
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傳熱圖3示出了低溫容器對于被通過常規方式浸入到LN2浴中會如何反應。對象300示出了裝有生物樣本306的低溫容器302的部分的傳熱動態特性。在靜 止的LN2池304內執行浸入。低溫容器在浸入前處于20°C的室溫下。LN2與相對非常高溫 的低溫容器表面308相接觸造成LN2開始蒸發并形成圍繞低溫容器的蒸氣云310 (滯留氣 體)。隨后熱量從低溫容器的附有蒸氣的表面312通過滯留蒸氣傳輸到與冷卻劑相接觸的 相對表面314。滯留氣體是氮蒸氣并且是會導致低熱導率的熱絕緣體。這就是所謂的萊頓 弗羅斯特效應。生物樣本的冷卻速率可以通過能夠透過滯留氣體層的熱傳導速率進行控 制。如果低溫容器的外徑為D，那么我們可以估算出傳熱區域的長度316要比生物樣 本的范圍318寬出大約2D。本文中介紹的快速冷卻方法優選地被應用于整個傳熱區域。根據本發明，如果促使冷卻劑以高速在低溫容器上流動，就能夠降低萊頓弗羅斯 特效應。冷卻劑速度可以被定向為沿低溫容器320和322主軸線的任一方向。可選地，可 以促使冷卻劑沿橫向324流過低溫容器或者是橫向和縱向流動的適當組合。對象340示出了利用流動的冷卻劑344 ( “入站流”)的玻璃化設備342。對象346 示出了流動的冷卻劑內具有與傳熱區域348相等長度的控制體積。我們可以假定，由于冷 卻劑流動的射流特性，使得沒有通過控制體積的表面350進行熱傳輸或質量傳輸。溫暖的 低溫容器加熱控制體積內流動的冷卻劑352。因此，來自低溫容器的所有熱量都會離開冷卻 劑流束354中的控制體積(“出站流”)。流過低溫容器表面356的冷卻劑導致對流傳熱。 這種傳熱模式優于通過滯留氣體層的傳導。通過低溫容器釋放的所有熱量都會在出站流中 離開控制體積。本發明要求入站流具有的速度應該可以在玻璃化所花費的時間期間數百次地更 新控制體積中的內含物。通過由于該速度而產生的動量和剪切力可以將氣化的蒸氣轉移到 控制體積以外。至少為1000或更大的雷諾數是合適的，以使得流動為湍流。冷卻劑速度圖4示出了一種用于將冷卻劑加速至所需速度的方法。具有冷卻劑404容器402 處于壓力406下，壓力406高于周圍環境410的壓力408。從該容器中引出的是管412，具 有注入周圍環境中的出口 414。容器內的壓力迫使冷卻劑以速度416流過管路并流入到周 圍環境中。出口處的流體速度取決于容器內的壓力和管路內的摩擦損失。如果冷卻劑是飽和液體例如液態氮，那么它的一部分可能會隨著流過管路而閃蒸 為蒸氣。這種情況可以通過使管路隔熱418、保持其長度424較短、將由于流體動作造成的 摩擦損失最小化以及使用低熱導率材料例如塑料而被最小化。無論如何，即使是在LN2經 過裝有生物樣本的低溫容器時絕大部分LN2都是蒸氣形態，該系統也仍然有效。加速冷卻劑的另一種方法是使高速的非冷凝氣流(例如氦氣)與冷卻劑相接觸。 這種接觸迫使氣流和冷卻劑形成一種移動的夾帶流。具有飽和冷卻劑的容器以閃蒸為蒸氣的趨勢作為交換即可形成高速的冷卻劑。因 此容器的壓力即可通過試驗進行調節以對給定幾何形狀的容器給出最優的傳熱值，從而使 得速度高而且沒有過度的閃蒸。利用開放式接觸器裝置的冷卻劑接觸
圖5示出了用低溫容器接觸高速的冷卻劑流體的開放式接觸器裝置。對象500示出了接近冷卻劑速度源504的低溫容器502。冷卻劑速度源是能夠促 使冷卻劑沿所需方向流動的裝置。示例可以是具有出口管的加壓容器。冷卻劑流束506是 具有的優選直徑為傳熱區域5-10倍的射流形式。它具有的更加優選的直徑是傳熱區域的 1.5-3倍。冷卻劑流束被引導到傳熱區域上以將其冷卻并實現其內含物的玻璃化。冷卻劑 流束可以是氣體、過冷液體、飽和液體或其混合物。可以有多股冷卻劑流束以確保完全覆蓋 低溫容器的外表面。示例可以是兩股相對的流束506和508。在玻璃化之后，低溫容器被置 于冷卻劑浴中用于長期存儲。對象520示出了以一定角度傾斜的低溫容器522。適合的角度是在距水平方向2 度到45度的范圍內。低溫容器的遠端周圍是構成槽526 (A-A視圖)的三面封裝524。槽的 適當寬度和高度是低溫容器直徑的1. 5到10倍。來自速度源528的液體冷卻劑構成在傳 熱區域或其附近沖擊低溫容器的冷卻劑流束530。冷卻劑流的流速足以構成完全浸沒低溫 容器、將其冷卻并使其內含物玻璃化的槽流532 (A-A視圖)。在玻璃化之后，低溫容器被置 于冷卻劑浴中用于長期存儲。圖6示出了含有液體冷卻劑602的開放式容器600，液體冷卻劑602可以是過冷或 飽和液體。連接至容器的是攪拌系統，攪拌系統包括連接至軸桿606的電機604，軸桿606 則被連接至攪拌器608。自轉式攪拌器促使容器的內含物以由箭頭610示出的方式流動。 采用另外的攪拌系統則構成的流動模式的性質可能會有所不同。由泵驅動的外部循環回路 是合適的可選方案。磁性攪拌系統也很適合。關鍵因素是在容器范圍內的流體速度。在浸 入之前，低溫容器612被定向成傳熱區域接近于冷卻劑表面。低溫容器隨后被浸入冷卻劑 內，到達浸沒傳熱區域的深度614。暴露于冷卻劑中即將低溫容器的內含物玻璃化。如果冷 卻劑是飽和液體，那么開放式容器內的冷卻劑的速度可以使萊頓弗羅斯特效應最小化。當玻璃化利用開放式低溫容器來保存生物樣本時，冷卻劑的速度必須加以限制。 這是為了防止生物樣本從載體移動并進入到冷卻劑中。飽和冷卻劑的杜瓦瓶圖7示出了使用加壓容器以產生冷卻劑流體的高速流束。用于加壓飽和冷卻劑 (例如LN2)容器的一種方法是將冷卻劑放入密封容器(例如封閉式杜瓦瓶700)內，并允許 其吸收環境熱量。環境熱量隨后蒸發一部分冷卻劑流體，由此提高頭部空間壓力。杜瓦瓶包括頂部組件702和瓶體704。頂部組件包括釋放閥706、排出閥708、出 口管710和泄壓閥712。瓶體包括含有LN2 716的腔室714和含有氮蒸氣的頭部空間718。 瓶體的壁部720是真空隔熱的雙層壁。該真空將瓶中的內含物隔熱。瓶體的外部可以被隔 熱722以保護使用者的手免受低溫影響。連接至釋放閥的是伸入瓶體內以吸取LN2的汲取 管724。頂部組件通過螺紋連接726連接至瓶體。要使用杜瓦瓶，首先要分離組件。一定量的LN2被注入到瓶體內以形成液位728。 頂部組件隨后被螺接到瓶體上。泄壓閥具有兩種設定“泄壓”和“加壓”。在泄壓設定下，泄壓閥被打開并且頭部 空間壓力與環境壓力730相同。在加壓設定下設定壓力釋放并且隨后頭部空間隨著環境熱 量被LN2吸收和LN2蒸發而加壓。頭部空間壓力732將會升高，直到達到泄壓閥的設定值 為止。泄壓閥隨后被打開以釋放過高的壓力734，由此保持LN2處于恒壓下。良好隔熱的手持式杜瓦瓶能夠通過使蒸發氣化的LN2的數量最小化而將其設定值壓力保持一天。要從杜瓦瓶中分配736 LN2,就打開釋放閥706以允許頭部空間壓力迫使LN2 738 沿汲取管上升并由出口管流出。流動的LN2流束的一個重要特征是液態氮和氮蒸氣的相對比例。希望可以具有高 比例的液態氮。要實現這一點，杜瓦瓶的設計應該使用塑料或具有低熱導率和/或熱容的 類似材料用于汲取管和出口管以使得在冷卻所述管時只有最少量的LN2沸騰。出口管的長 度740也應該被保持在最小以限制這種額外加熱。從瓶體到外界環境的整個流體通道應該 將由于流體動作而造成的摩擦損失最小化。排出流束的總液體含量應該占體積的80%或更 尚ο要減少額外加熱，排出閥708可以在玻璃化時段之間被保持打開。這樣少量的低 溫氣態氮的氣流就會流過并冷卻出口管。該氣流也可以防止環境空氣倒灌入出口管內。空 氣可能含有濕氣，濕氣能夠在低溫表面上結冰并且有可能會造成堵塞。對于某些實施例，通過出口管來分配氣態氮可能是優選的。這一點通過使用較短 的汲取管來從頭部空間中抽取而不是從LN2中抽取就可以輕易地實現。用于容納在典型低溫容器內的典型生物樣本的玻璃化可能要消耗大約40克的 LN2。用于保持出口管冷卻和清除環境空氣的排出氮消耗量可以是25克/小時。典型的實驗 室玻璃化多個樣本可能需要兩組設備以使得在使用另外一組時可以給一組重新充入LN2。圖8示出了用于LN2的蒸氣壓力和溫度之間的關系。如果圖7中的低溫容器的泄 壓閥被設定為在Ibar的絕對壓力下排氣，則對應的溫度802是LN2的正常沸點_196°C。如 果泄壓閥被設定為1.6bar，則瓶內的LN2將升溫至804處的-192°C。用更高的壓力設定可 以達到更高的溫度806，808。對于在同一杜瓦瓶內容納有第二冷卻劑例如丙烷或八氟丙烷 的應用，可能會需要更高的溫度(參見下文)。更高的溫度是必要的，以使第二冷卻劑不會 凍結。利用封閉式接觸器裝置的冷卻劑接觸圖9A示出了包括圓柱形主體902、冷卻劑入口 904、低溫容器開口 906和排出口 908的封閉式接觸器裝置900的截面圖。入口適合用于接收冷卻劑流體的流入。開口適合 用于允許將所述低溫容器裝入所述接觸器內。主體適合用于在通過所述開口裝入所述低溫 容器之后將所述冷卻劑流體引導至所述低溫容器。排出口適合用于在通過所述開口裝入所 述低溫容器之后引導所述冷卻劑流體離開所述低溫容器。接觸器的總長度901大約為6cm。排出口的長度912類似地大約為6cm。圓柱形 主體包括軸線914。圓柱形主體的內徑916大約為1.7cm。圓柱形主體的合適內徑可以在 低溫容器直徑的1. 5倍到10倍之間變化。低溫容器的合適直徑可以在100微米到2. 5mm 之間變化。如果例如低溫容器具有2mm的直徑，那么圓柱形主體的合適內徑應該是3mm。圓柱形主體進一步包括軸套918和套管920。套管的軸線922可以與圓柱形主體 的軸線重合或者可以偏移或與其成一定角度。套管和低溫容器的內徑之間的間隙應該被保 持在最小。但是，間隙應該足以允許低溫容器的輕易進出。圓柱形主體的橫截面可以是圓形、方形或其他適當的形狀。如果圓柱形主體的橫 截面不是圓形，那么主體的“內徑”就是跨越其橫截面的最短距離。類似地，如果用于低溫 容器的開口不是圓形，那么開口的“內徑”是指跨越其橫截面的最短距離。
制造這些部件的材料應該適用于低溫。與低溫容器傳熱區域上游的冷卻劑相接觸 的組件可以具有低熱導率和低熱容。塑料就具有這些性質。套管需要有柔性以允許圍繞玻 璃化設備夾緊。用于套管的合適材料是聚四氟乙烯。參照圖9B，夾鉗940包括具有鉗口 944的主體942，其通過彈簧946保持閉合。將 把手948和950 —起移動即可打開鉗口。返回參照圖9A，接觸器的主體在冷卻劑入口處被連接至流動的冷卻劑源(未示 出)。箭頭924指示了冷卻劑流過接觸器的主要流動情況。連接至圓柱形主體的冷卻劑供 應管的直徑可以明顯大于所述圓柱形主體的直徑。它可以通過異徑接頭被連接至圓柱形主 體。這樣可以使壓降最小化并因此使從冷卻劑供應貯存器到封閉式接觸器裝置的閃蒸(如 果冷卻劑為飽和)最小化。為了玻璃化，低溫容器的末端被插入通過套管。將容器插入直到傳熱區域位于被 浸沒在冷卻劑的主流內為止。一旦就位，就將夾鉗打開的鉗口放在套管上的926處。釋放 夾鉗的把手以允許鉗口夾緊套管以與低溫容器接合。將低溫容器夾緊至套管的目的在于當 冷卻劑流動時避免低溫容器被從套管中推出。但是，夾緊的套管并不需要是氣密或液密的。 其他合適的夾具也均可使用。一旦低溫容器就位，就開始冷卻劑流動并將生物樣本玻璃化。冷卻劑可以是氣體、 過冷液體、飽和液體或其組合。在玻璃化之后，釋放夾鉗并將低溫容器置于長期低溫存儲環 境中。圖10-12示出了封閉式接觸器設計的不同實施例。在各種情況下，冷卻劑入口均 被連接至能夠分配氣體、過冷液體或飽和液體的冷卻劑源。而且，不同的玻璃化設備能夠被 如上所述結合在圖示的各個實施例中。圖10示出了裝有開放的玻璃化設備1002的接觸器1000。由于暴露的生物樣本 1010的敏感性質，接觸器也可以在冷卻劑入口處包括限流孔1004。使冷卻劑源是氣體可能 也是優選的。分配的冷卻劑1006如箭頭1008所示橫穿接觸器。冷卻劑流接觸開放式載體 并將生物樣本玻璃化。圖11示出了裝有封閉式玻璃化低溫容器的接觸器1100。收縮/擴張噴嘴1102被 設計用于在傳熱區域的附近1106將進入的冷卻劑流1104成形為非常狹窄的環形流束。在 傳熱區域的兩側都需要平滑的過渡1108以保持用于轉化為速度的壓力。冷卻劑流1110將 生物樣本1112玻璃化。玻璃化低溫容器和噴嘴之間的間隙可以是0.2到1.5mm。上游壓力 可以比環境壓力高出0.2到3bar。排出口內的壓力1114即為環境壓力。因此，幾乎全部的 壓降都出現在噴嘴內。傳熱區域內的冷卻劑速度可以是0.5到25米/秒(m/s)。該速度足 以避免形成萊頓弗羅斯特效應。接觸器主體的軸線可以與低溫容器的開口的軸線大致重合以使得在通過所述開 口插入低溫容器時，傳熱區域能夠位于收縮擴張噴嘴的喉部內。圖12示出了裝有封閉式玻璃化低溫容器1202的接觸器1200。流動孔1204被設 計用于在傳熱區域的附近將進入的冷卻劑流1206成形為下游的縮脈1208。冷卻劑流1210 將生物樣本1212玻璃化。圖13示出了被連接1306至含有LN2的杜瓦瓶1304的接觸器1302。在玻璃化之 前，低溫的氣態氮氣從排出閥1308通過出口管1310移動。這樣可以冷卻接觸器以限制額外加熱。這種流動還可以阻止可能含有濕氣的環境空氣在排出口 1312或低溫容器開口 1314 處進入接觸器。在玻璃化期間，通過開口放置低溫容器并且通過打開釋放閥1316來接通LN2。LN2 在出口管內的速度1318與其在傳熱區域內的速度相比相對較慢。這是非常想要的，因為這 就降低了從杜瓦瓶到接觸器的壓降。杜瓦瓶的頭部空間內的壓力被設定為足夠高以使得傳 熱區域內的LN2的速度至少為0. 5m/s。雙腔室杜瓦瓶圖14示出了飽和冷卻劑的杜瓦瓶如何才能夠被用于分配過冷冷卻劑。示范性的 過冷冷卻劑是具有_42°C的沸點和_188°C的凝固點的丙烷。如果丙烷被冷卻至恰好高于其 凝固點，那么它就能夠被用作流動的冷卻劑并具有最低可能性的萊頓弗羅斯特效應。對象1400是雙腔室杜瓦瓶，其中第一腔室1402用作LN2的貯存器。第二腔室1404 用作過冷丙烷的貯存器。兩個貯存器的頭部空間彼此物理連通以使其中的壓力大致相等。 第一和第二貯存器也可以彼此熱連通以使它們的溫度大致相等。泄壓閥1406具有升高頭部空間壓力的設定值以使LN2的溫度恰好高于丙烷的凝 固點。2bar的絕對壓力是合適的壓力(對象806，圖8)。為了裝填第二腔室，丙烷氣體源1408被連接在杜瓦瓶的出口 1410處。排出閥1412 被打開以允許丙烷氣體通過蒸氣汲取管1414進入第二腔室。較重的氣態丙烷可以移動氣 態氮并冷凝成液體1416然后積聚在第二腔室中。外部標尺能夠被用于控制丙烷的裝填量。 在填充完成后，丙烷氣體源即被斷開。蒸氣汲取管現與頭部空間內的氣態氮相連通以使排出閥的功能重新回到提供排 出氮氣。要分配液態丙烷，頭部空間壓力1418迫使液態丙烷1420移動通過汲取管1422并 隨后通過釋放閥1424然后進入出口管1426內。接觸器能夠在出口處被連接至杜瓦瓶以使 得能夠用液態丙烷進行玻璃化。丙烷是可燃物質。合適的不可燃冷卻劑是具有-37°c沸點和-183°c凝固點的八氟 丙烷(R218)。八氟丙烷要求頭部空間壓力為3. 5bar的絕對壓力以防止冷卻劑凍結(對象 808，圖 8)。結論盡管已經參照一個或多個不同的示范性實施例對本發明進行了介紹，但是本領域 技術人員應該理解可以進行各種改變并且可以用等價物替換其元件而并不背離本發明的 保護范圍。另外，可以進行各種修改以適用于特定情況而并不背離本發明的實質范圍或教 導。因此，應該理解本發明并不局限于作為被設計用于實現本發明的最佳模式而公開的特 定實施例。
1權利要求
一種用于將容納在低溫容器內的生物樣本快速冷卻的接觸器，所述接觸器包括a.入口，所述入口適合用于接收第一低溫流體流入；b.開口，所述開口適合用于允許所述低溫容器進入所述接觸器內；以及c.主體，所述主體適合用于在通過所述開口裝入所述低溫容器時將所述低溫流體引導至所述低溫容器；d.排出口，所述排出口適合用于在通過所述開口裝入所述低溫容器時引導所述第一低溫流體離開所述低溫容器，其中所述主體的內徑是所述開口內徑的至少1.5倍。
2.如權利要求1所述的接觸器，其中所述接觸器是封閉式接觸器，并且其中所述開口 包括套管，所述套管具有在100微米到3毫米范圍內的內徑，并且其中所述主體的內徑不大 于所述套管內徑的10倍。
3.如權利要求1所述的接觸器，其進一步包括第一低溫流體源，其中所述第一低溫流 體源是包括泄壓閥的密封杜瓦瓶，所述泄壓閥適合用于保持所述杜瓦瓶的頭部空間內的壓 力以使所述第一低溫流體在流過所述主體時能夠被加速至至少0. 5m/s的速度，并且其中 所述第一低溫流體源被連接至所述入口。
4.如權利要求3所述的接觸器，其中所述杜瓦瓶具有用于所述第一低溫流體的第一貯 存器和用于第二低溫流體的第二貯存器，并且其中所述第一貯存器和所述第二貯存器的頭 部空間彼此連通以使所述頭部空間內的壓力大致相等。
5.如權利要求4所述的接觸器，其中所述第一低溫流體為液態丙烷而所述第二低溫流 體為液態氮，并且其中所述泄壓閥被設定為一定的壓力以使所述液態氮的溫度高于所述丙 烷的凝固點。
6.如權利要求3所述的接觸器，其進一步包括連通在所述杜瓦瓶的所述頭部空間和所 述主體之間的閥，以使所述頭部空間內的氣體可以被放入所述主體內。
7.如權利要求2所述的接觸器，其中所述套管由撓性管構成，其適合用于在所述管被 夾緊時與所述低溫容器構成密封。
8.如權利要求1所述的接觸器，其中所述主體包括收縮/擴張噴嘴。
9.如權利要求1所述的接觸器，所述主體包括孔，所述孔被成形為使得所述第一低溫 流體能夠在流過所述孔之后形成縮脈。
10.如權利要求1所述的接觸器，其中所述主體包括適合用于低溫工作的塑料。
11.如權利要求7所述的接觸器，其中所述套管由聚四氟乙烯構成。
12.如權利要求1所述的接觸器，其中所述主體的橫截面是正方形。
13.一種用于快速冷卻生物樣本的封閉式接觸器裝置，所述裝置包括a.ΛΠ ；b.圓柱形主體，所述圓柱形主體包括收縮/擴張噴嘴；c.排出口；以及d.用于允許所述低溫容器進入的開口；其中所述圓柱形主體的軸線與所述開口的軸線大致重合以使得通過所述開口插入的 低溫容器可以穿過所述噴嘴的喉部。
14.如權利要求13所述的裝置，其進一步包括杜瓦瓶，所述杜瓦瓶與所述入口相連通以使低溫流體可以從所述杜瓦瓶流過所述圓柱形主體。
15. 一種封閉式杜瓦瓶，所述杜瓦瓶包括a.用于容納第一低溫流體的第一貯存器；b.用于容納第二低溫流體的第二貯存器；以及c.設置用于將所述第一貯存器的頭部空間內的壓力保持為高于環境壓力的泄壓閥； 其中所述第一貯存器的頭部空間和所述第二貯存器的頭部空間彼此物理連通以使所述第一貯存器的頭部空間內的壓力與所述第二貯存器的頭部空間內的壓力大致相等，并且 其中所述第一貯存器與所述第二貯存器熱連通以使所述第一貯存器的溫度與所述第二貯 存器的溫度大致相同。
全文摘要
通過玻璃化方法進行的成功的低溫保存取決于高冷卻速度。玻璃化的專業人員由于液態氮固有的安全性和低成本而傾向于將其用作冷卻劑。將玻璃化低溫容器浸入靜止的液態氮池內總是會導致冷卻速率低于理論上的可能值。該缺陷是由于公知的萊頓弗羅斯特效應。本發明的目的是在利用液態氮進行的玻璃化期間提供改進的冷卻速率。本發明的一個特征是利用對流傳熱原理來提高冷卻速度。在本發明的另一個特征中，冷卻速度是源于含有飽和冷卻劑的自加壓杜瓦瓶。通過外界加熱杜瓦瓶的內含物來實現自加壓。在另一個實施例中，過冷的冷卻劑例如丙烷被與飽和冷卻劑例如LN2一起在自加壓杜瓦瓶中使用。
文檔編號G01N1/42GK101939631SQ200980102441
公開日2011年1月5日 申請日期2009年1月16日 優先權日2008年1月17日
發明者M·錢 申請人:庫克泌尿科學公司萬斯產品公司