专利名称：用于玻璃化的快速冷却设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及的领域是用于低温保存生物样本的设备。
背景技术：
低温保存是生命科学中的常用技术，目的是为了长时间段地停止有价值的细胞内 的生物活性。成功进行低温保存的一个因素是减少或者消除冰晶形成的有害效果。在低温 保存期间要阻止水冷冻成冰的自然趋势需要很复杂的方法。“玻璃化”就是一种这样的方 法。玻璃化可以被描述为流体粘度随着以随机取向捕获水分子的迅速冷却而快速增加。它 的成功完全要以避免形成对细胞有破坏性的冰为基础。玻璃化玻璃化中的初始步骤是用含有渗透性和/或非渗透性的低温防护剂(“CPA”)的 水溶液(“玻璃化介质”)来给一个细胞或多个细胞脱水。一个或多个细胞与少量的玻璃化 介质一起构成了“生物样本”。生物样本随后被放置在合适的低温容器内。低温容器就是适 合用于在制冷温度下使用的容器。如本文中所用，“制冷温度”是指低于-80°C的温度。生物样本随后通过浸入到低温流体例如液态氮(“LN2”)中而被快速冷却。通过 冷却速度和CPA浓度的适当结合，细胞内的水将会成为固态、无毒、玻璃状(玻璃质)的状 态而不是有序的、破坏性的冰结晶状态。临床上玻璃化具有两种主要目的。第一是在冷却剂例如LN2中长期存储。第二是 在升温后恢复一个或多个生物学意义上的活细胞。但是玻璃化介质在细胞温暖时经常都是 对细胞有毒性的。因此细胞在脱水和升温(因为没有形成冰所以不是“解冻”)期间暴露给 玻璃化介质的时间必须被小心地控制以避免细胞损伤。慢速的冷却速度需要毒性相对较高的玻璃化介质浓度，例如60%的CPA质量比浓 度。在快速的冷却速度下，可以使用较低毒性的浓度。如果106°c/分钟或者更高的冷却速 度是可获得的，那么根本不用低温防护剂就可以实现玻璃化。希望能够快速冷却，越快越好。将生物样本直接浸入LN2中可实现快速冷却，但是 可能会暴露生物样本造成污染。市场上可购得的液态氮可能会含有升温后就有生命力的细 菌和真菌菌种。而且，已经有报告说玻璃化的细胞可能会被放入LN2中的病毒性病原体所 感染。感染的可能性已经导致了对封闭式低温容器的研发，其中生物样本在LN2中进行 冷却之前要先被放入容器内并密封。低温容器也用作存储设备以在长期存储期间将生物样 本与含有病原体的冷却剂隔离。要用直接浸入的开放式低温容器或封闭式低温容器达到最快的可行冷却速度的限制之一在于最初将温暖的玻璃化设备与LN2接触会导致围绕所述设备生成氮蒸气隔离 涂层。蒸气防护层是由于液态氮在接触到温暖的样本时沸腾而产生的。这就是已知的莱顿 弗罗斯特(Leidenfrost)效应。氮蒸气是能够大大降低冷却速度的热绝缘体。如果莱顿弗 罗斯特效应被降低或消除，冷却速度即可被加快，并且也可以使用毒性较低的玻璃化介质， 这样可能会得到更好的临床效果。因此，对于在玻璃化期间通过克服莱顿弗罗斯特效应来提高生物样本的冷却速率 的方法和装置存在需求。
发明内容
本发明的内容概述被提供作为用于理解本发明的指南。该概述并非一定是描述了 本发明最一般性的实施例或本文中公开的本发明的所有种类。改进的玻璃化冷却装置和方法本文中介绍的本发明包括消除或降低了玻璃化中的莱顿弗罗斯特效应的冷却设 备和方法。在冷却剂是饱和液体(例如LN2)的情况下，使用高冷却剂速度来强行转移沸腾 气化的蒸气。在冷却剂是通过制冷剂冷却的过冷液体的情况下，介绍了一种用于控制冷却 剂的温度而不会将其冷冻的简单装置。
在本发明的一个实施例中，饱和的冷却剂被容纳在封闭的杜瓦瓶中，其外表面被 暴露在室温下。周围环境的温升给杜瓦瓶加压并且该压力迫使饱和的冷却剂流出杜瓦瓶作 为射流。该射流被引导到玻璃化设备上并强行转移析出蒸气以避免形成莱顿弗罗斯特效应。附图简要说明
图1示出了两种现有技术中的玻璃化设备。第一种是封闭式设备而第二种是开放 式载体。图2示出了发明的封闭式玻璃化设备。图3示出了玻璃化设备上的莱顿弗罗斯特效应以及用于减轻该效应的装置。图4示意性地示出了压力如何才能够被转化为冷却剂的速度。图5示出了两种类型的开放式接触设备。图6示出了导管型的接触设备。图7示出了发明的装有饱和冷却剂的杜瓦瓶的特征。图8示出了用于氮的蒸气压力和温度之间的关系。图9A示出了封闭式接触器的特征。图9B示出了用于和封闭式接触器一起使用的夹钳。图10示出了接触器如何才能够被用于将开放式低温容器内的生物样本玻璃化。图11示出了具有收缩/扩张喷嘴的接触器如何才能够被用于将封闭式低温容器 内的生物样本玻璃化。图12示出了表现出缩脉效应的接触器如何才能够被用于将封闭式低温容器内的 生物样本玻璃化。图13示出了利用接触器和自加压的液态氮杜瓦瓶来将低温容器内的样本玻璃化 的方法。
图14示出了具有两个贮存器的杜瓦瓶的特征。第一个贮存器用于给杜瓦瓶加压 的饱和冷却剂。第二个用于过冷的冷却剂，其将被用于将生物样本玻璃化。
具体实施例方式以下的详细说明公开了本发明各种不同的实施例和特征。这些实施例和特征的意 图在于示范性说明而不是加以限制。如本文中所用，除了温度以外，并且除非是另有具体说明，否则术语“大致”表示在 参数给定值的士20%以内。对于温度，“大致”表示在给定值的士2°C以内。各种生物细胞都可以利用本发明被无菌地低温保存(玻璃化)。一类细胞是哺乳 动物的发育细胞例如精子、卵母细胞、胚胎、桑椹胚、胚泡以及其他的早期胚细胞。这些细胞 在辅助生殖过程期间要被低温保存。另一类是再生疗法中使用的干细胞。最宽泛的种类是 能够以本发明可获得的冷却速度被玻璃化的任意细胞或细胞群。玻璃化设备用作玻璃化设备的低温容器可涵盖能够从本发明中受益的宽泛范围的设计。示范 性的低温容器如下所述。图1示出了通常为管状元件的示范性低温容器100的纵向截面，其包括低温容器 管102。该设备利用抽吸真空以将生物样本吸入低温容器管内。低温容器管的两端最初都 是打开的。注射器(未示出)被连接至低温容器管的第一开口 104。注射器形成将生物样 本106吸入低温容器管的第二开口 108内的真空。生物样本包括玻璃化介质110以及一个 或多个细胞112。参见对象120，低温容器管的两端随后就被加热和夹紧以形成无菌的封口 122和124。含有生物样本126的低温容器现在就以准备好用于进行冷却。图1中的对象140示出了用于玻璃化的开放式载体。它包括连接至轴杆144的手 柄142。轴杆被连接至装载悬臂146。生物样本148被放置在悬臂上。图2示出了具有可变形壁部的通常为管状元件的示范性低温容器的纵向截面。所 述壁部可以由形状记忆材料构成。这种低温容器在申请号为12/267708的共同未决美国专 利申请“可改变形状的玻璃化设备”中进行了更加完整地介绍。所述申请及其所有的部分 继续申请都通过弓I用并入本文。低温容器包括梭管200和套管220。梭管由在末端切出切口 204以提供槽206的 管202构成。生物样本208被放置在槽上。套管包括具有热封的第一端224的管状主体222。第二端226是开放的。与生物 样本的位置相对应的套管的部分是可变形的。因此在将梭管装入套管内之后，可变形部分 可以被夹紧以使其接触到生物样本。这就提高了到所述生物样本的传热速率。如果可变形 的壁部是形状记忆材料，那么在低温容器变暖时它就可以返回其未被夹紧的形状。这样有 助于取出生物样本。对象240示出了组装在一起并密封的但是在夹紧之前的梭管和套管242。对象260示出了刚好在装载和密封之后的低温容器在A-A剖面处的横截面。生物 样本262被空气264包围。对象280示出了夹紧之后相同的横截面。可变形壁部的绝大部分282由此接触到 生物样本。因此在冷却和升温期间可以提高到生物样本的传热速率。
6
传热图3示出了低温容器对于被通过常规方式浸入到LN2浴中会如何反应。对象300示出了装有生物样本306的低温容器302的部分的传热动态特性。在静 止的LN2池304内执行浸入。低温容器在浸入前处于20°C的室温下。LN2与相对非常高温 的低温容器表面308相接触造成LN2开始蒸发并形成围绕低温容器的蒸气云310 (滞留气 体)。随后热量从低温容器的附有蒸气的表面312通过滞留蒸气传输到与冷却剂相接触的 相对表面314。滞留气体是氮蒸气并且是会导致低热导率的热绝缘体。这就是所谓的莱顿 弗罗斯特效应。生物样本的冷却速率可以通过能够透过滞留气体层的热传导速率进行控 制。如果低温容器的外径为D，那么我们可以估算出传热区域的长度316要比生物样 本的范围318宽出大约2D。本文中介绍的快速冷却方法优选地被应用于整个传热区域。根据本发明，如果促使冷却剂以高速在低温容器上流动，就能够降低莱顿弗罗斯 特效应。冷却剂速度可以被定向为沿低温容器320和322主轴线的任一方向。可选地，可 以促使冷却剂沿横向324流过低温容器或者是横向和纵向流动的适当组合。对象340示出了利用流动的冷却剂344 ( “入站流”)的玻璃化设备342。对象346 示出了流动的冷却剂内具有与传热区域348相等长度的控制体积。我们可以假定，由于冷 却剂流动的射流特性，使得没有通过控制体积的表面350进行热传输或质量传输。温暖的 低温容器加热控制体积内流动的冷却剂352。因此，来自低温容器的所有热量都会离开冷却 剂流束354中的控制体积(“出站流”)。流过低温容器表面356的冷却剂导致对流传热。 这种传热模式优于通过滞留气体层的传导。通过低温容器释放的所有热量都会在出站流中 离开控制体积。本发明要求入站流具有的速度应该可以在玻璃化所花费的时间期间数百次地更 新控制体积中的内含物。通过由于该速度而产生的动量和剪切力可以将气化的蒸气转移到 控制体积以外。至少为1000或更大的雷诺数是合适的，以使得流动为湍流。冷却剂速度图4示出了一种用于将冷却剂加速至所需速度的方法。具有冷却剂404容器402 处于压力406下，压力406高于周围环境410的压力408。从该容器中引出的是管412，具 有注入周围环境中的出口 414。容器内的压力迫使冷却剂以速度416流过管路并流入到周 围环境中。出口处的流体速度取决于容器内的压力和管路内的摩擦损失。如果冷却剂是饱和液体例如液态氮，那么它的一部分可能会随着流过管路而闪蒸 为蒸气。这种情况可以通过使管路隔热418、保持其长度424较短、将由于流体动作造成的 摩擦损失最小化以及使用低热导率材料例如塑料而被最小化。无论如何，即使是在LN2经 过装有生物样本的低温容器时绝大部分LN2都是蒸气形态，该系统也仍然有效。加速冷却剂的另一种方法是使高速的非冷凝气流(例如氦气)与冷却剂相接触。 这种接触迫使气流和冷却剂形成一种移动的夹带流。具有饱和冷却剂的容器以闪蒸为蒸气的趋势作为交换即可形成高速的冷却剂。因 此容器的压力即可通过试验进行调节以对给定几何形状的容器给出最优的传热值，从而使 得速度高而且没有过度的闪蒸。利用开放式接触器装置的冷却剂接触
图5示出了用低温容器接触高速的冷却剂流体的开放式接触器装置。对象500示出了接近冷却剂速度源504的低温容器502。冷却剂速度源是能够促 使冷却剂沿所需方向流动的装置。示例可以是具有出口管的加压容器。冷却剂流束506是 具有的优选直径为传热区域5-10倍的射流形式。它具有的更加优选的直径是传热区域的 1.5-3倍。冷却剂流束被引导到传热区域上以将其冷却并实现其内含物的玻璃化。冷却剂 流束可以是气体、过冷液体、饱和液体或其混合物。可以有多股冷却剂流束以确保完全覆盖 低温容器的外表面。示例可以是两股相对的流束506和508。在玻璃化之后，低温容器被置 于冷却剂浴中用于长期存储。对象520示出了以一定角度倾斜的低温容器522。适合的角度是在距水平方向2 度到45度的范围内。低温容器的远端周围是构成槽526 (A-A视图)的三面封装524。槽的 适当宽度和高度是低温容器直径的1. 5到10倍。来自速度源528的液体冷却剂构成在传 热区域或其附近冲击低温容器的冷却剂流束530。冷却剂流的流速足以构成完全浸没低温 容器、将其冷却并使其内含物玻璃化的槽流532 (A-A视图)。在玻璃化之后，低温容器被置 于冷却剂浴中用于长期存储。图6示出了含有液体冷却剂602的开放式容器600，液体冷却剂602可以是过冷或 饱和液体。连接至容器的是搅拌系统，搅拌系统包括连接至轴杆606的电机604，轴杆606 则被连接至搅拌器608。自转式搅拌器促使容器的内含物以由箭头610示出的方式流动。 采用另外的搅拌系统则构成的流动模式的性质可能会有所不同。由泵驱动的外部循环回路 是合适的可选方案。磁性搅拌系统也很适合。关键因素是在容器范围内的流体速度。在浸 入之前，低温容器612被定向成传热区域接近于冷却剂表面。低温容器随后被浸入冷却剂 内，到达浸没传热区域的深度614。暴露于冷却剂中即将低温容器的内含物玻璃化。如果冷 却剂是饱和液体，那么开放式容器内的冷却剂的速度可以使莱顿弗罗斯特效应最小化。当玻璃化利用开放式低温容器来保存生物样本时，冷却剂的速度必须加以限制。 这是为了防止生物样本从载体移动并进入到冷却剂中。饱和冷却剂的杜瓦瓶图7示出了使用加压容器以产生冷却剂流体的高速流束。用于加压饱和冷却剂 (例如LN2)容器的一种方法是将冷却剂放入密封容器(例如封闭式杜瓦瓶700)内，并允许 其吸收环境热量。环境热量随后蒸发一部分冷却剂流体，由此提高头部空间压力。杜瓦瓶包括顶部组件702和瓶体704。顶部组件包括释放阀706、排出阀708、出 口管710和泄压阀712。瓶体包括含有LN2 716的腔室714和含有氮蒸气的头部空间718。 瓶体的壁部720是真空隔热的双层壁。该真空将瓶中的内含物隔热。瓶体的外部可以被隔 热722以保护使用者的手免受低温影响。连接至释放阀的是伸入瓶体内以吸取LN2的汲取 管724。顶部组件通过螺纹连接726连接至瓶体。要使用杜瓦瓶，首先要分离组件。一定量的LN2被注入到瓶体内以形成液位728。 顶部组件随后被螺接到瓶体上。泄压阀具有两种设定“泄压”和“加压”。在泄压设定下，泄压阀被打开并且头部 空间压力与环境压力730相同。在加压设定下设定压力释放并且随后头部空间随着环境热 量被LN2吸收和LN2蒸发而加压。头部空间压力732将会升高，直到达到泄压阀的设定值 为止。泄压阀随后被打开以释放过高的压力734，由此保持LN2处于恒压下。良好隔热的手持式杜瓦瓶能够通过使蒸发气化的LN2的数量最小化而将其设定值压力保持一天。要从杜瓦瓶中分配736 LN2,就打开释放阀706以允许头部空间压力迫使LN2 738 沿汲取管上升并由出口管流出。流动的LN2流束的一个重要特征是液态氮和氮蒸气的相对比例。希望可以具有高 比例的液态氮。要实现这一点，杜瓦瓶的设计应该使用塑料或具有低热导率和/或热容的 类似材料用于汲取管和出口管以使得在冷却所述管时只有最少量的LN2沸腾。出口管的长 度740也应该被保持在最小以限制这种额外加热。从瓶体到外界环境的整个流体通道应该 将由于流体动作而造成的摩擦损失最小化。排出流束的总液体含量应该占体积的80%或更 尚ο要减少额外加热，排出阀708可以在玻璃化时段之间被保持打开。这样少量的低 温气态氮的气流就会流过并冷却出口管。该气流也可以防止环境空气倒灌入出口管内。空 气可能含有湿气，湿气能够在低温表面上结冰并且有可能会造成堵塞。对于某些实施例，通过出口管来分配气态氮可能是优选的。这一点通过使用较短 的汲取管来从头部空间中抽取而不是从LN2中抽取就可以轻易地实现。用于容纳在典型低温容器内的典型生物样本的玻璃化可能要消耗大约40克的 LN2。用于保持出口管冷却和清除环境空气的排出氮消耗量可以是25克/小时。典型的实验 室玻璃化多个样本可能需要两组设备以使得在使用另外一组时可以给一组重新充入LN2。图8示出了用于LN2的蒸气压力和温度之间的关系。如果图7中的低温容器的泄 压阀被设定为在Ibar的绝对压力下排气，则对应的温度802是LN2的正常沸点_196°C。如 果泄压阀被设定为1.6bar，则瓶内的LN2将升温至804处的-192°C。用更高的压力设定可 以达到更高的温度806，808。对于在同一杜瓦瓶内容纳有第二冷却剂例如丙烷或八氟丙烷 的应用，可能会需要更高的温度(参见下文)。更高的温度是必要的，以使第二冷却剂不会 冻结。利用封闭式接触器装置的冷却剂接触图9A示出了包括圆柱形主体902、冷却剂入口 904、低温容器开口 906和排出口 908的封闭式接触器装置900的截面图。入口适合用于接收冷却剂流体的流入。开口适合 用于允许将所述低温容器装入所述接触器内。主体适合用于在通过所述开口装入所述低温 容器之后将所述冷却剂流体引导至所述低温容器。排出口适合用于在通过所述开口装入所 述低温容器之后引导所述冷却剂流体离开所述低温容器。接触器的总长度901大约为6cm。排出口的长度912类似地大约为6cm。圆柱形 主体包括轴线914。圆柱形主体的内径916大约为1.7cm。圆柱形主体的合适内径可以在 低温容器直径的1. 5倍到10倍之间变化。低温容器的合适直径可以在100微米到2. 5mm 之间变化。如果例如低温容器具有2mm的直径，那么圆柱形主体的合适内径应该是3mm。圆柱形主体进一步包括轴套918和套管920。套管的轴线922可以与圆柱形主体 的轴线重合或者可以偏移或与其成一定角度。套管和低温容器的内径之间的间隙应该被保 持在最小。但是，间隙应该足以允许低温容器的轻易进出。圆柱形主体的横截面可以是圆形、方形或其他适当的形状。如果圆柱形主体的横 截面不是圆形，那么主体的“内径”就是跨越其横截面的最短距离。类似地，如果用于低温 容器的开口不是圆形，那么开口的“内径”是指跨越其横截面的最短距离。
制造这些部件的材料应该适用于低温。与低温容器传热区域上游的冷却剂相接触 的组件可以具有低热导率和低热容。塑料就具有这些性质。套管需要有柔性以允许围绕玻 璃化设备夹紧。用于套管的合适材料是聚四氟乙烯。参照图9B，夹钳940包括具有钳口 944的主体942，其通过弹簧946保持闭合。将 把手948和950 —起移动即可打开钳口。返回参照图9A，接触器的主体在冷却剂入口处被连接至流动的冷却剂源(未示 出)。箭头924指示了冷却剂流过接触器的主要流动情况。连接至圆柱形主体的冷却剂供 应管的直径可以明显大于所述圆柱形主体的直径。它可以通过异径接头被连接至圆柱形主 体。这样可以使压降最小化并因此使从冷却剂供应贮存器到封闭式接触器装置的闪蒸(如 果冷却剂为饱和)最小化。为了玻璃化，低温容器的末端被插入通过套管。将容器插入直到传热区域位于被 浸没在冷却剂的主流内为止。一旦就位，就将夹钳打开的钳口放在套管上的926处。释放 夹钳的把手以允许钳口夹紧套管以与低温容器接合。将低温容器夹紧至套管的目的在于当 冷却剂流动时避免低温容器被从套管中推出。但是，夹紧的套管并不需要是气密或液密的。 其他合适的夹具也均可使用。一旦低温容器就位，就开始冷却剂流动并将生物样本玻璃化。冷却剂可以是气体、 过冷液体、饱和液体或其组合。在玻璃化之后，释放夹钳并将低温容器置于长期低温存储环 境中。图10-12示出了封闭式接触器设计的不同实施例。在各种情况下，冷却剂入口均 被连接至能够分配气体、过冷液体或饱和液体的冷却剂源。而且，不同的玻璃化设备能够被 如上所述结合在图示的各个实施例中。图10示出了装有开放的玻璃化设备1002的接触器1000。由于暴露的生物样本 1010的敏感性质，接触器也可以在冷却剂入口处包括限流孔1004。使冷却剂源是气体可能 也是优选的。分配的冷却剂1006如箭头1008所示横穿接触器。冷却剂流接触开放式载体 并将生物样本玻璃化。图11示出了装有封闭式玻璃化低温容器的接触器1100。收缩/扩张喷嘴1102被 设计用于在传热区域的附近1106将进入的冷却剂流1104成形为非常狭窄的环形流束。在 传热区域的两侧都需要平滑的过渡1108以保持用于转化为速度的压力。冷却剂流1110将 生物样本1112玻璃化。玻璃化低温容器和喷嘴之间的间隙可以是0.2到1.5mm。上游压力 可以比环境压力高出0.2到3bar。排出口内的压力1114即为环境压力。因此，几乎全部的 压降都出现在喷嘴内。传热区域内的冷却剂速度可以是0.5到25米/秒(m/s)。该速度足 以避免形成莱顿弗罗斯特效应。接触器主体的轴线可以与低温容器的开口的轴线大致重合以使得在通过所述开 口插入低温容器时，传热区域能够位于收缩扩张喷嘴的喉部内。图12示出了装有封闭式玻璃化低温容器1202的接触器1200。流动孔1204被设 计用于在传热区域的附近将进入的冷却剂流1206成形为下游的缩脉1208。冷却剂流1210 将生物样本1212玻璃化。图13示出了被连接1306至含有LN2的杜瓦瓶1304的接触器1302。在玻璃化之 前，低温的气态氮气从排出阀1308通过出口管1310移动。这样可以冷却接触器以限制额外加热。这种流动还可以阻止可能含有湿气的环境空气在排出口 1312或低温容器开口 1314 处进入接触器。在玻璃化期间，通过开口放置低温容器并且通过打开释放阀1316来接通LN2。LN2 在出口管内的速度1318与其在传热区域内的速度相比相对较慢。这是非常想要的，因为这 就降低了从杜瓦瓶到接触器的压降。杜瓦瓶的头部空间内的压力被设定为足够高以使得传 热区域内的LN2的速度至少为0. 5m/s。双腔室杜瓦瓶图14示出了饱和冷却剂的杜瓦瓶如何才能够被用于分配过冷冷却剂。示范性的 过冷冷却剂是具有_42°C的沸点和_188°C的凝固点的丙烷。如果丙烷被冷却至恰好高于其 凝固点，那么它就能够被用作流动的冷却剂并具有最低可能性的莱顿弗罗斯特效应。对象1400是双腔室杜瓦瓶，其中第一腔室1402用作LN2的贮存器。第二腔室1404 用作过冷丙烷的贮存器。两个贮存器的头部空间彼此物理连通以使其中的压力大致相等。 第一和第二贮存器也可以彼此热连通以使它们的温度大致相等。泄压阀1406具有升高头部空间压力的设定值以使LN2的温度恰好高于丙烷的凝 固点。2bar的绝对压力是合适的压力(对象806，图8)。为了装填第二腔室，丙烷气体源1408被连接在杜瓦瓶的出口 1410处。排出阀1412 被打开以允许丙烷气体通过蒸气汲取管1414进入第二腔室。较重的气态丙烷可以移动气 态氮并冷凝成液体1416然后积聚在第二腔室中。外部标尺能够被用于控制丙烷的装填量。 在填充完成后，丙烷气体源即被断开。蒸气汲取管现与头部空间内的气态氮相连通以使排出阀的功能重新回到提供排 出氮气。要分配液态丙烷，头部空间压力1418迫使液态丙烷1420移动通过汲取管1422并 随后通过释放阀1424然后进入出口管1426内。接触器能够在出口处被连接至杜瓦瓶以使 得能够用液态丙烷进行玻璃化。丙烷是可燃物质。合适的不可燃冷却剂是具有-37°c沸点和-183°c凝固点的八氟 丙烷(R218)。八氟丙烷要求头部空间压力为3. 5bar的绝对压力以防止冷却剂冻结(对象 808，图 8)。结论尽管已经参照一个或多个不同的示范性实施例对本发明进行了介绍，但是本领域 技术人员应该理解可以进行各种改变并且可以用等价物替换其元件而并不背离本发明的 保护范围。另外，可以进行各种修改以适用于特定情况而并不背离本发明的实质范围或教 导。因此，应该理解本发明并不局限于作为被设计用于实现本发明的最佳模式而公开的特 定实施例。
1权利要求
一种用于将容纳在低温容器内的生物样本快速冷却的接触器，所述接触器包括a.入口，所述入口适合用于接收第一低温流体流入；b.开口，所述开口适合用于允许所述低温容器进入所述接触器内；以及c.主体，所述主体适合用于在通过所述开口装入所述低温容器时将所述低温流体引导至所述低温容器；d.排出口，所述排出口适合用于在通过所述开口装入所述低温容器时引导所述第一低温流体离开所述低温容器，其中所述主体的内径是所述开口内径的至少1.5倍。
2.如权利要求1所述的接触器，其中所述接触器是封闭式接触器，并且其中所述开口 包括套管，所述套管具有在100微米到3毫米范围内的内径，并且其中所述主体的内径不大 于所述套管内径的10倍。
3.如权利要求1所述的接触器，其进一步包括第一低温流体源，其中所述第一低温流 体源是包括泄压阀的密封杜瓦瓶，所述泄压阀适合用于保持所述杜瓦瓶的头部空间内的压 力以使所述第一低温流体在流过所述主体时能够被加速至至少0. 5m/s的速度，并且其中 所述第一低温流体源被连接至所述入口。
4.如权利要求3所述的接触器，其中所述杜瓦瓶具有用于所述第一低温流体的第一贮 存器和用于第二低温流体的第二贮存器，并且其中所述第一贮存器和所述第二贮存器的头 部空间彼此连通以使所述头部空间内的压力大致相等。
5.如权利要求4所述的接触器，其中所述第一低温流体为液态丙烷而所述第二低温流 体为液态氮，并且其中所述泄压阀被设定为一定的压力以使所述液态氮的温度高于所述丙 烷的凝固点。
6.如权利要求3所述的接触器，其进一步包括连通在所述杜瓦瓶的所述头部空间和所 述主体之间的阀，以使所述头部空间内的气体可以被放入所述主体内。
7.如权利要求2所述的接触器，其中所述套管由挠性管构成，其适合用于在所述管被 夹紧时与所述低温容器构成密封。
8.如权利要求1所述的接触器，其中所述主体包括收缩/扩张喷嘴。
9.如权利要求1所述的接触器，所述主体包括孔，所述孔被成形为使得所述第一低温 流体能够在流过所述孔之后形成缩脉。
10.如权利要求1所述的接触器，其中所述主体包括适合用于低温工作的塑料。
11.如权利要求7所述的接触器，其中所述套管由聚四氟乙烯构成。
12.如权利要求1所述的接触器，其中所述主体的横截面是正方形。
13.一种用于快速冷却生物样本的封闭式接触器装置，所述装置包括a.ΛΠ ；b.圆柱形主体，所述圆柱形主体包括收缩/扩张喷嘴；c.排出口；以及d.用于允许所述低温容器进入的开口；其中所述圆柱形主体的轴线与所述开口的轴线大致重合以使得通过所述开口插入的 低温容器可以穿过所述喷嘴的喉部。
14.如权利要求13所述的装置，其进一步包括杜瓦瓶，所述杜瓦瓶与所述入口相连通以使低温流体可以从所述杜瓦瓶流过所述圆柱形主体。
15. 一种封闭式杜瓦瓶，所述杜瓦瓶包括a.用于容纳第一低温流体的第一贮存器；b.用于容纳第二低温流体的第二贮存器；以及c.设置用于将所述第一贮存器的头部空间内的压力保持为高于环境压力的泄压阀； 其中所述第一贮存器的头部空间和所述第二贮存器的头部空间彼此物理连通以使所述第一贮存器的头部空间内的压力与所述第二贮存器的头部空间内的压力大致相等，并且 其中所述第一贮存器与所述第二贮存器热连通以使所述第一贮存器的温度与所述第二贮 存器的温度大致相同。
全文摘要
通过玻璃化方法进行的成功的低温保存取决于高冷却速度。玻璃化的专业人员由于液态氮固有的安全性和低成本而倾向于将其用作冷却剂。将玻璃化低温容器浸入静止的液态氮池内总是会导致冷却速率低于理论上的可能值。该缺陷是由于公知的莱顿弗罗斯特效应。本发明的目的是在利用液态氮进行的玻璃化期间提供改进的冷却速率。本发明的一个特征是利用对流传热原理来提高冷却速度。在本发明的另一个特征中，冷却速度是源于含有饱和冷却剂的自加压杜瓦瓶。通过外界加热杜瓦瓶的内含物来实现自加压。在另一个实施例中，过冷的冷却剂例如丙烷被与饱和冷却剂例如LN2一起在自加压杜瓦瓶中使用。
文档编号G01N1/42GK101939631SQ200980102441
公开日2011年1月5日 申请日期2009年1月16日 优先权日2008年1月17日
发明者M·钱 申请人:库克泌尿科学公司万斯产品公司