DE10132761A1 - Klimatisierte Probenkammer - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine klimatisierbare Probenkammer zur Durchführung chemischer, biochemischer, biologischer oder physikalischer Reaktionen auf einem Probenträger über die Temperierung des Probenträgers und die Klimatisierung der Umgebung der Proben.

Description

• Die Erfindung betrifft eine klimatisierbare Probenkammer, insbesondere für Proben mit kleinen Volumina im Bereich von Piko- bis Nanolitern.
• Für den Bereich der biologischen, chemischen und medizinischen Forschung sind verschiedene Diagnose- und Untersuchungsgeräte mit rasterförmiger Anordnung der Trägerkompartimente bekannt, um eine Vielzahl von Proben parallel untersuchen und lagern zu können. Um auch kleine Probenvolumina während der Versuchsdurchführung erhalten und die klimatischen Bedingungen versuchsgerecht einstellen und einhalten zu können, werden die miniaturisierten Proben in Feuchtekammern inkubiert.
• Eine solche Kammer bespielsweise ist aus Litborn E. et al. Chip-based nanovials for tryptic digest and capillary electrophoresis, Analytica Chimica Acta 401 (1999) 11-19) bekannt. Die Probenkammer besteht aus einem geschlossenen Plexiglaskasten und ist mit einem Thermostatwasserbad ausgestattet. Durch Öffnungen im Deckel wird das gewünschte Instrumentarium wie z. B. Mikropipetten eingeführt. Der Probenträger wird zur Temperatureinstellung teilweise in das Wasserbad eingetaucht und für die Zugabe weiterer Reagenzien über einen xyz-Translator bewegt, wobei die ablaufenden Reaktionen mit Hilfe eines oberhalb der Kammer angebrachten Mikroskops beobachtet werden können. Die Volumenregulation erfolgt durch die Zugabe von Wasser über eine Nanopipette in festen Zeitabständen. Der Nachteil dieser Probenkammer besteht darin, daß die unmittelbar über der Wasseroberfläche angeordnete Probe nach kurzer Zeit die Temperatur des Wasserbades annimmt. Das führt dazu, daß das Wasserbad nicht auf eine hohe Temperatur erhitzt werden kann, die für eine schnelle und ausreichend hohe Feuchtigkeitsabgabe erforderlich wäre, ohne auch in der Probe die für biochemische Reaktionen üblicherweise notwendigen physiologischen Versuchstemperaturen erheblich zu überschreiten.
• Darüber hinaus ist die Inkubation von Proben in einer Feuchtekammer im Anschluß an die außerhalb der Kammer stattfindende Beschickung der Probengefäße bekannt (Oldenburg K. R. et al. Assay Miniaturization for Ultra-High Throughput Screening of Combinatorial and Discrete Compound Libraries: A 9600-Well (0,2 Microliter) Assay System, J. of Biomolecular Screening, Volume 3, Number 1, 1998). Die Auswertung der Reaktionen erfolgt ebenfalls außerhalb der Feuchtekammer, da die elektronischen Auswerteinstrumente der in der Feuchtekammer vorherrschenden 100%igen Luftfeuchtigkeit nicht standhalten Der Nachteil dieser Anordnung liegt in dem erheblichen Volumenverlust beim Transfer der Probe in die Feuchtekammer und ebenso beim Transport aus dieser heraus zur Auswertung außerhalb der Probenkammer.
• Als Probenträger sind seit langem aus Kunststoff gefertigte, sogenannte Welt Platten (z. B. 96-, 384-, 864-Well-Platten) bekannt. Die Vertiefungen dieser Probenträger können gegebenenfalls mit Beschichtungen versehen sein, die die dann ablaufenden Reaktionen fördern bzw. ermöglichen. So sind die Vertiefungen für diagnostische Untersuchungen häufig mit organischen Carboxylgruppen enthaltenden Materialien beschichtet, so daß Biomoleküle (z. B. Proteine) kovalent an die Böden der Platten gekoppelt werden können. Ein Standardverfahren dieser Art ist der ELISA (enzyme linked immunosorbent assay) Test.
• In den letzten Jahren ist in der High Throughput Technologie die Miniaturisierung von Probenträgern und Auslesegeräten weiter vorangeschritten, wobei die Zahl der Probenaufnahmegefäße auf einer Plattform auf 1536 Wells und auch darüber gestiegen ist. Die Probenvolumina wurden auf 10 µl und weniger verkleinert. Probenträger in der Biochip-Technologie arbeiten inzwischen mit Probenvolumina bis in den Pikoliterbereich.
• Die Volumenverkleinerung der Proben auf Kleinstvolumina verursacht Probleme, die sich nicht auf die linear mit dem Probenvolumen sinkende Menge an Reaktionsprodukten beschränken. Eine besondere Problematik ergibt sich aus der unzureichenden Dispensiergenauigkeit herkömmlicher Dispensiergeräte, die nach dem Verdrängerprinzip arbeiten. Für diesen Volumenbereich stehen jedoch bereits Entwicklungen zur Verfügung, die Einzug in die Praxis des Kleinvolumenbereichs gehalten haben. So sind z. B. Piezodispensierköpfe bekannt, die - mit einer Technologie analog zur Ink-Jet Technologie in der Drucktechnik - ein Dispensieren von Pikoliterproben erlauben. Diese Köpfe, die Volumina von 30-100 pl pipettieren können, ermöglichen es, auch Substanzen bis in Volumenbereiche von Nanolitern zu mischen und so komplexe Reaktionen in kleinsten Volumina ablaufen zu lassen. Insbesondere für Untersuchungen im Rahmen des High Throughput Screenings (HTS) finden solche Dispensiertechniken Anwendung (Technologieanalyse Lasergestützte Verfahren für das Hochdurchsatz-Screening; Zukünftige Technologien Nr. 33; Düsseldorf 05.2000; ISSN 1436-5928).
• Ein besonderes Problem bei der Miniaturisierung der Probenvolumina stellt die schnelle Verdunstung dar. Dies ist insbesondere nachteilig, wenn die gewünschten Reaktionen über einen Zeitraum von mehreren Minuten bis Stunden ablaufen sollen. Proben von ca. 150 pl verdampfen z. B. unter Laborbedingungen innerhalb weniger Sekunden. Eine Analyse der Reaktionsprodukte ist demnach nur möglich, wenn die Reaktionen in dem Probenvolumen sehr schnell ablaufen und die Reaktionsprodukte auch im eingetrockneten Zustand oder nach einmaligem Eintrocknen noch auswertbar sind. Dies ist bei empfindlichen biochemischen Reaktionen oft nicht gegeben. Zudem werden häufig Reaktionszeiten von mehreren Stunden benötigt. Plattformen, in denen Submikrolitervolumina genutzt werden, sind daher i. d. R. nur für wenige Reaktionen geeignet, von denen bekannt ist, daß sie innerhalb der durch Verdunstung vorgegebenen Zeiten ablaufen und sich auswerten lassen. Wobei auch dann das Problem nicht konstanter Versuchsbedingungen aufgrund der Konzentrationsänderung entsteht. Ein Beispiel hierfür ist die Hybridisierung von fluoreszenzmarkierten Stoffen mit DNA auf Biochips.
• Andere Systeme zur Untersuchung kleinster Volumina arbeiten im Durchflußverfahren, wobei eine Probe über ein Kapillarsystem verschiedene fertig präparierte Analyseorte erreicht (Technologieanalyse Lasergestützte Verfahren für das Hochdurchsatz-Screening; Zukünftige Technologien Nr. 33; Düsseldorf 05.2000; ISSN 1436-5928). Derartige Systeme werden von der amerikanischen Firma Agilent angeboten.
• Zur Reduzierung der ungewünschten Verdunstung ist es bekannt, Proben in kleine, luftdicht verschlossene Kompartimente zu bringen, wie es zum Beispiel bei Multi-Well-Platten geschieht. Für eine hohe Anzahl sehr kleiner Volumina werden dazu aufwendig strukturierte Probenträger benötigt. Ein späteres Zufügen von Substanzen zu den Proben ist bei dieser Vorgehensweise sehr schwierig.
• So bietet die amerikanische Firma Corning Inc. unter der Marke CMT-GAPS eine Hybridisierungskammer an, die durch eine mit zwei Klammern fixierte Abdeckung Feuchtigkeit im Reaktionsraum hält. Bei dieser Kammer handelt es sich jedoch um eine kleine, in der Größe eines typischen Objektträgers gestaltete Probenkammer, die keine Steuerung der Feuchtigkeit erlaubt und nicht für weitere Manipulationen an der Probe geeignet ist.
• Eine weitere bekannte Methode ist das Überschichten der Proben mit einer leichtflüchtigen Flüssigkeit, wie z. B. Oktan, die sich nicht mit den Proben mischt. Dieses Verfahren ist aber technisch aufwendig und mit einem hohen Kontaminationsrisiko behaftet. Durch Kondensationseffekte besteht zudem die Gefahr des Überlaufens der Probengefäße und damit der Vermischung der unterschiedlichen Proben (Litborn E. et al. Liquid lid for chemical reactions in chip-based nanovials, J. of Chromatography B, 137-147 (2000)).
• Ein übereinstimmender Nachteil bekannter Vorrichtungen und Verfahren liegt insbesondere in der Schwierigkeit, eine stark miniaturisierte Probe ohne Volumenverlust auf die erforderlichen Versuchsbedingungen einzustellen und diese entweder während der Versuchsdauer konstant zu behalten oder gezielt zu verändern. Ebenso ist es schwierig, unterschiedliche Dispensoren, Wasch- oder Mess- bzw. Auswertevorrichtungen einzusetzen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen.
• Die Aufgabe wird gelöst durch eine klimatisierbare Probenkammer nach den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand abhängiger Ansprüche.
• Der Begriff "chemische, biochemische, biologische oder physikalische Reaktionen" umfaßt jegliche Art von Reaktionen, die geeignet sind, auf einem Probenträger abzulaufen. Der Begriff "Mittel zur Temperierung einer Probe " umfaßt jede Art von Vorrichtungen zur Temperatureinstellung wie z. B. ein Heizblock, ein Kühlaggregat, ein intern oder extern erzeugter Luftstrom, Bestrahlung etc. Der Begriff "klimatisierter Luftstrom" beinhaltet im Sinne der Erfindung mindestens die Einstellung eines Klimaparameters wie Temperatur, Druck oder Feuchtigkeit in einem Luftstrom. Der Begriff "temperierbares Klimatisierungsmediumreservoir" umfaßt jegliche Art von Vorrichtungen zur Beeinflussung der Temperatur eines beliebigen Klimatisierungsmediums, wie z. B. Wasser. Der Begriff "Gerätschaften" beinhaltet jegliche Art von Dispensier- und, Probenbehandlungsgeräten wie z. B. Wascheinrichtungen sowie Mess- und Auswertegeräte wie z. B. Fluoreszenz/Lumineszenzdetektoren, Geräte zur SPR-Auswertung, Mikroskope etc. Unter dem Begriff "konfokaler Aufbau" sind Anordnungen zu verstehen, bei denen die eingesetzten Geräte einen oder mehrere gemeinsame Brennpunkte besitzen.
• Der Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, eine klimatisierbare Probenkammer zur Verfügung zu stellen, in der physikalische Parameter der Probe so beeinflußt werden können, daß sich optimale Reaktionsbedingungen auch bei kleinen Probenvolumina erreichen und konstant halten lassen. Dies kann erfindungsgemäß durch die Kombination eines temperierbaren Probenträgers mit einer klimatisierten Probenumgebung vorzugsweise durch Mittel zur Erzeugung eines klimatisierten Luftstroms und/oder mit Hilfe eines temperierbaren Klimatisierungsmediumreservoirs erreicht werden. Der Luftstrom kann über eine Vorrichtung, beispielsweise einen Ventilator oder einen Abzug erzeugt werden. Das Klimatisierungsmediumreservoir kann den Probenträger an seinen Längs- und Querseiten umschließen.
• Um die klimatischen Parameter besonders effektiv zu kontrollieren, kann die Probenkammer einen geschlossenen Probenraum aufweisen. Die Luftfeuchtigkeit und die Temperatur über der Probe können mit Hilfe von Feuchtigkeitsdetektoren und Temperatursensoren, die in der direkten Probenumgebung angebracht sein können, ermittelbar und regulierbar sein.
• Durch Verwendung von Heiz- und Kühlvorrichtungen zur Temperatureinstellung des Klimatisierungsmediums im Reservoir und den Einsatz eines Umluftsystems zur Regulierung der Luftfeuchtigkeitsverteilung innerhalb der Kammer kann ein geeigneter Luftstrom erzeugt werden, der Feuchtigkeit aus dem Reservoir aufnimmt und diese zur Herstellung einer definierten Luftfeuchtigkeit in den Raum über den Proben transportiert. Die der Erzeugung eines definierten Klimas in der Probenumgebung dienenden Vorrichtungen können über eine computergestützte Steuereinheit gekoppelt sein, die die Kondensations- und/oder Verdunstungsraten und Temperaturen steuert. Die Steuerung der Kondensations- und/oder Verdunstungsraten erfolgt vorzugsweise über das Umluftsystem. Ein definiertes Anfeuchten des Luftstromes kann auch über ein außerhalb der Probenkammer angeordnetes regelbares Lüftungssystem erfolgen. Des weiteren kann die Probenkammer mit einem außerhalb der Kammer angeordneten Reservoir zur Anfeuchtung der Luft verbunden sein, so daß eine externe Feuchtigkeitsanreicherung erfolgen kann. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Probenkammer mit einem Überwachungssystem ausgestattet sein, das eventuell im Laufe einer Versuchsdurchführung auftretende Undichtigkeiten der Probenkammer automatisch durch Änderung der Klimaparameter ausgleicht.
• Bei der erfindungsgemäßen Probenkammer kann die Feuchtigkeitsaufnahme des Luftstroms durch eine vergrößerte Oberfläche des Klimatisierungsmediumreservoirs bzw. des Klimatisierungsmediums beschleunigt werden. Vorzugsweise erfolgt dies durch durch die Verwendung eines schwammartigen Körpers oder durch den Einsatz eines Verneblers. Die Oberflächenvergrößerung hat den Vorteil, daß sich die gewünschten Klimabedingungen in besonders kurzer Zeit einstellen lassen.
• Über eine Bestrahlung, z. B. durch eine Lichtquelle, kann die Temperatur an bestimmten Probenorten gezielt verändert werden, um so die Kondensation bzw. das Verdunsten an diesem Ort zu beeinflussen. Zum anderen kann die Strahlenquelle dazu dienen, die Temperatur in der Probe so einzustellen, daß bestimmte chemische Reaktionen, die ein definiertes Temperaturoptimum erfordern, bevorzugt oder benachteiligt ablaufen. Daraus ergibt sich der weitere Vorteil, daß unterschiedliche Versuchsparameter parallel geprüft werden können, was wiederum bei aufwendigen Versuchsanordnungen eine Zeitersparnis bedeuten kann. Darüber hinaus kann die Bestrahlung auch zur Anregung von photochemischen Reaktionen in der Probe bzw. an dem Probeort genutzt werden. Die Bestrahlung des Probenträgers kann mit Hilfe einer Maske, die auf dem Probenträger abgebildet wird oder durch Abrastern des Probenträgers mit einem Lichtstrahl erfolgen. Die Steuerung des Aufbaus kann unter Zuhilfenahme einer zentralen rechnerbasierten Steuereinheit optimiert werden.
• Bei der erfindungsgemäßen Probekammer werden die eigentliche Kammer, das Klimatisierungsmediumreservoir und der Probenträger vorzugsweise unabhängig voneinander temperiert. Der Vorteil einer solchen Konstruktion liegt in der großen Flexibilität, die es der durchführenden Person erlaubt, besonders für komplizierte, mehrstufige und/oder zeitlich aufwendige Reaktionsabläufe die jeweils optimalen Bedingungen einzustellen, zu erhalten oder zu verändern. Damit besteht die Möglichkeit, ein Probenfeld bezüglich der Probenorte und der Probenzusammensetzung nach den jeweiligen Versuchserfordernissen optimal einzustellen.
• Mit der erfindungsgemäßen Probenkammer kommen vorzugsweise stahlungsdurchlässige, insbesondere transparente Probenträger, wie Objekträger aus Glas oder Polycarbonat, zum Einsatz. Die Transparenz der Probenträger bietet den Vorteil, optische Auswertungen und Manipulationen ohne ein Öffnen der Kammer durchführen zu können. Insbesondere erlaubt die stahlungsdurchlässige Ausgestaltung die Beobachtung der Probe während des Reaktionsablaufes mit Hilfe eines Mikroskops.
• In einer bevorzugten Probenkammer ist erfindungsgemäß eine vollständige Trennung des eigentlichen Probenraumes zu den der Probenherstellung und - auswertung dienenden Gerätschaften möglich. Die Abdeckung der Probenkammer kann zu diesem Zweck als Lochplatte ausgestaltet sein. Durch diese Lochplatte können die Dispensoren und Wascheinrichtungen zur Herstellung und Bearbeitung der Proben eingeführt werden. Die externe Anordnung dieser Geräte bietet den Vorteil, daß die Dispensier- und auch die der Auswertung dienenden Messgeräte nicht wasserfest gearbeitet sein müssen. Dadurch ist eine deutlich kostengünstigere Konstruktion möglich.
• Für die Behandlung und Auswertung der Proben können in der erfindungsgemäßen Probenkammer Mittel unterschiedlicher Art insbesondere optische Mittel aber auch z. B. Mikrowellen oder mechanische Mittel zum Einsatz kommen. Als Detektoren zur Messung von beispielsweise Fluoreszenzen oder Lumineszenzen aus den Proben können je nach benötigter Empfindlichkeit Photomultiplier, Avalachedioden oder Kamerasysteme in Frage kommen. Um nur in einzelnen räumlichen Bereichen der Proben Messungen durchzuführen, kann ein konfokaler optischer Aufbau benutzt werden. Ein solcher Aufbau bietet den Vorteil, daß der Einfluß von störenden Randeffekten wie einsetzende Trocknung oder Vermischung der Probe mit winzigen Kondensationströpfchen in der direkten Nachbarschaft der Probe unterdrückt werden kann. Für bestimmte Messungen kann die Probenkammer lichtdicht verschlossen werden, so daß beispielsweise kein Umgebungslicht die Messung stören kann. Die jeweilige optische Meßvorrichtung kann sich unterhalb des strahlungsdurchlässig gestalteten Probenträgers befinden. Gleichzeitig können auch Lichtstrahlen in die Probenkammer eingekoppelt werden, so daß einzelne Areale des Probenträgers gezielt bestrahlt werden können. Die jeweiligen optischen Wege können sich lichtdicht kapseln lassen. Mit Hilfe von geeigneten elektronischen Verschlüssen kann das Eindringen von Störlicht verhindert und die Beleuchtung bzw. Bestrahlung der Proben gezielt gesteuert werden. Die Auswertung kann je nach Versuchsanordnung beispielsweise über radioaktive Stoffe, über Oberflächenplasmonen-Anregung oder Kontaktverfahren wie der Rasterkraftmikroskopie erfolgen.
• Für Untersuchungen im Rahmen des High Throughput Screenings kann die erfindungsgemäße Probenkammer mit Nanoliter-Probenfelder beispielsweise zur Analyse von DNA/RNA-Molekülen, Proteinen, Peptiden und/oder Polysacchariden ausgestattet werden. Durch den Vorteil der getrennten Klimatisierung der einzelnen Kompartimente der Probenkammer können gerade für empfindliche - überwiegend unter physiologischen Bedingungen ablaufende - Reaktionen optimaler Versuchsbedingungen geschaffen werden.
• Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das die Proben mit den erforderlichen Klimawerten versorgende gasförmige Medium beispielsweise durch die in den Ausführungsbeispielen genannten Vorrichtungen auf bestimme Klimaparameter eingestellt werden. Im Anschluß daran kann in der geschlossenen Kammer die Temperierung des Probenträgers erfolgen. Durch den unmittelbaren Transport des bereits eingestellten gasförmigen Mediums und eine entsprechende Temperierung des Probenträgers können die Proben ohne Verdunstungsgefahr den für den Versuchsablauf optimalen Bedingungen ausgesetzt werden. Eine zusätzliche Einflußnahme auf die Einstellung der Klimaparameter besteht durch die Bestrahlung der Probenträgerorte.
• Nach einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Analyse von Reaktionen in Nano- und Pikoliterproben kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach dem Aufbringen einer Pikoliter-Substanzmatrix aus einer ersten Substanz auf den Probenträger nachfolgende Substanzen hinzugefügt werden und dabei die Konzentration der ersten Substanz variiert werden, indem ein bis mehrere Pikolitertropfen der nachfolgenden Substanz an einen Probenort abgegeben werden. Des weiteren besteht durch das Hinzufügen von Substanzen, die einen gewünschten Reaktionspartner am Probenort immobilisieren, die Möglichkeit, mehrere Reaktions- und Waschvorgänge in einem Probenvolumen durchzuführen. In einer bevorzugten Ausführungform werden magnetische Partikel verwendet, die mit Hilfe eines Elektromagneten am Probenort gehalten werden. Auf diese Weise kann ein Reaktionspartner an magnetische Partikel immobilisiert und diese im ersten Reaktionsschritt dispensiert werden. Bei Waschschritten können diese Partikel durch einen Elektromagneten, der unter dem Waschort befestigt ist, auf dem Probenträger fixiert werden. Diese Vorgehensweise ermöglicht ein besonders kostengünstiges Screening mit unterschiedlichen Reaktionen, da die Probenträger nicht für jede Reaktion spezifisch präpariert werden müssen.
• Ein einfaches Anwendungsbeispiel für die erfindungsgemäße Probenkammer ist ein miniaturisierter ELISA (enzyme linked immunosorbent assay). Es können aber auch komplexe biochemische Synthesen und Reaktionsketten durchgeführt werden, bei denen ein Reaktionspartner an einem Reaktionsort auf dem dafür präparierten Probenträger immobilisiert wird. Ein weiteres Beispiel ist eine EDC Kopplung von Proteinen an einen mit Gold bedampften, beschichteten Glasobjektträger, der für eine Auswertung von SPR (surface plasmon resonance)-Signalen geeignet ist. Die erfindungsgemäße Probenkammer eignet sich darüber hinaus für Reaktionen, denen eine Kopplung von Antikörpern an eine Trägeroberfläche vorangeht und zu denen Untersuchungsmaterial hinzugegeben wird, das beispielsweise ein entsprechendes Antigen enthält.
• Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Probenkammer der Durchführung von Zellassays mit vereinzelten pro- bzw. eukaryontischen Zellen dienen, da jeder Probenort auch ein Behältnis für eine einzelne oder wenige Zellen darstellen kann, die in darauf folgenden Schritten z. B. auf die Wirkung von toxischen oder pharmazeutisch wirksamen Stoffen untersucht werden kann.
• Die erfindungsgemäße Probenkammer bietet den großen Vorteil unterschiedlicher Auswertemöglichkeiten und damit die Flexibilität, eine Vielzahl von Versuchsanordnungen durchführen zu können.
• In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Probenkammer dargestellt. Es zeigen:
• Fig. 1 eine schematische Schnittansicht der klimatisierbaren Probenkammer;
• Fig. 2 Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Probenträgers mit lokaler Beeinflussung der Temperatur des Probenträgers
  a) durch eine Heiz- oder Kühlvorrichtung
  b) durch einen temperierten Luftstrom;
  c) durch temperierbare Stempel;
  d) durch Strahlung;
• Fig. 3 Darstellung der Positionierung:
  a) des erfindungsgemäßen Probenträgers,
  b) des Dispensors,
  c) von Teilen der erfindungsgemäßen Kammer, die jeweils mit Probenträger und Dispensor fest verbunden sind,
  jeweils zum Dispensieren/Auslesen der Proben an beliebigen Orten des Probenträgers;
• Fig. 4 Schnittansichten verschiedener Ausführungsformen von Probenträgern:
  a) planer Probenträger,
  b) beschichteter Probenträger,
  c) strukturierte Probenträger;
• Fig. 5 Darstellung der optischen Wege beim Auslesen von Signalen und zum Heizen von Probenträgerbereichen;
• Fig. 6 Darstellung der optischen Wege zum Nachweis von Massenanlagerungen mit Hilfe der Oberflächenplasmonen-Resonanz und der Ellipsometrie;
• Fig. 7 Probenkammer mit den Zugängen für Dispensier-, Heiz-, Kühl-, Bestrahlungs-, Magnet- und Auslesevorrichtungen etc.;
• Fig. 8 Probenkammer mit Probenträgerwechselvorrichtung.
• In einer Probenkammer 6 befindet sich ein Probenträger 1 mit Proben 2, temperierbare Wasserreservoirs 5 für die Regulation des Kammerklimas, Sensoren 4 zu dessen Überwachung und Dispensier- und Waschgeräte 7 in einem Gehäuse mit einer Abdeckung 9. Außerhalb des Gehäuses sind Auswertegeräte 8 angeordnet.
• Zur Herstellung, Behandlung und Auswertung von Proben mit Volumina bis hinunter in den Pikoliterbereich wird der Probenträger 1 zunächst in die Kammer 6 eingesetzt und die Proben 2 dann durch einen in einer Lochplatte in der Abdeckung 9 der Probenkammer angeordneten Dispensor 7 auf den Probenträger 1 aufgebracht. Das Volumen der Probe 2 wird nach dem Aufbringen durch eine gezielte Beeinflussung der Verdunstung über eine Zeit von bis zu mehreren Stunden computergestützt reguliert. Dazu werden in der Probenkammer 6 die Luftfeuchtigkeit über der Probe 2, die Lufttemperatur und die Temperatur des Probenträgers 1 so geregelt, daß sich eine gewünschte Verdunstungs- oder Kondensationsrate auf dem Probenträger 1 kurzfristig einstellt.
• Die Wasserreservoirs 5 der Probenkammer 6 besitzen zu diesem Zwecks Heiz- bzw. Kühlvorrichtungen zur Erzeugung einer bestimmten Temperatur und Luftfeuchtigkeit in dem Luftraum über der Probe 2.
• Über einen an der Stirnseite der Kammer 6 befindlichen Auslaß 101, Schläuche 104, über eine variierbare Pumpe 102 und einen Einlaß 106 wird die Luft umgewälzt, um einen homogenen Luftstrom über der Probe 2 zu erzeugen. Die Strömung der Luft über der Probe 2 und über den Wasserreservoirs ist durch Pfeile 3 gekennzeichnet.
• Zur Vergrößerung des Probenvolumens wird die Luftfeuchtigkeit im Luftstrom 3 soweit erhöht, daß das Wasser der Reservoirs an den Proben kondensiert. Für eine Aufkonzentrierung der Probe wird hingegen die Luftfeuchtigkeit im Luftstrom so weit gesenkt, daß Probenflüssigkeit verdunstet.
• Eine Steigerung der Feuchtigkeitsaufnahme wird bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel durch die Vergrößerung der Oberfläche des Reservoirs durch ein schwammartiges Gewebe oder durch den Einsatz eines Verneblers erreicht. Eine weitere Alternative ergibt sich erfindungsgemäß aus der Möglichkeit, den Luftstrom außerhalb der Kammer mit einer bestimmten Feuchtigkeit anzureichern.
• Indem die Kammer 6, das Klimatisierungsmediumreservoir 5 und der Probenträger 1 getrennt heizbar ausgebildet sind, können Temperaturunterschiede zwischen der zu 100% gesättigten Luft und Punkten auf dem Probenträger für eine gezielte Verdampfung oder Kondensation des Klimatisierungsmediums optimal genutzt werden. Das Verdunsten kleiner Probenvolumina wird in der geschlossenen Probenkammer durch eine Luftfeuchtigkeit von annähernd 100% auf ein Minimum reduziert, während die durch eine Übersättigung der Luft mit Wasser oder einem anderen Klimatisierungsmedium eintretende Kondensation zur gezielten Volumenvergrößerung eingesetzt werden kann.
• Wie in Fig. 2 dargestellt erfolgt die Temperierung des Probenträgers 1 durch einen Heizwiderstand oder ein Peltierelement 15, das sich im direkten Kontakt mit dem Probenträger 1 befindet, durch einen von unten an den Probenträger herangeführten Luftstrom 16, durch temperierbare Stempel 17 oder durch Strahlen 18 einer geeigneten Wellenlänge, die beispielsweise durch einen Laser 20 erzeugt und über eine Focussier- oder Ablenkeinrichtung 19 auf den Probenträger 1 gelenkt werden. Der Strahlengang wird durch eine Maske mit entsprechender Abbildungsoptik oder durch einen optischen Scanner 18 an die vorgesehen Orte geleitet. So kann mit Hilfe des Bestrahlungsmusters und durch die Wahl einer geeigneten Leistung, die Kondensations- bzw. Verdunstungsrate des Klimatisierungsmediums an verschiedenen Reaktionsorten unterschiedlich eingestellt werden.
• Der Probenträger 1 und die Dispensoren 7 sind relativ zueinander bewegbar (Fig. 3), um die Proben an den vorgesehenen Positionen des Probenträgers aufzubringen. Diese Relativbewegung erfolgt durch die Bewegung des Probenträgers 1, des Dispensors 7 oder beider. Zur Abdichtung der beweglichen Bauteile werden z. B. Balgendichtungen oder Flüssigkeitsfilme 21 eingesetzt.
• In dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel a) ist der Probenträger 11 in Form einer planaren Glasplatte 11 vorgesehen, während in dem Ausführungsbeispiel b) die Oberfläche 12 des Probenträgers durch eine Beschichtung 23 hydrophob und durch eine Beschichtung 24 hydrophil strukturiert ist, so daß die Proben an bestimmten Orten auf dem Probenträger stabil vorliegen. In dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel c) sind Vertiefungen 13, 14 für die Aufnahme der Proben vorgesehen.
• Die Fig. 5 und 6 zeigen vorteilhafte Auswertevorrichtungen 8 für die Messungen der unterschiedlichen, in den Proben ablaufenden Vorgänge. Diese sind unterhalb der Probenkammer 6 angebracht und können für optische Meßverfahren wie Chemolumineszenz, Fluoreszenz (z. B. mit einer Xenonlampe 27), und Oberflächenplasmonen-Anregung, vorgesehen sein. Das Auslesen von Fluoreszenz und Chemolumineszenz ist in Fig. 5 über ein Photomultiplier 28 dargestellt, während ein Laserstrahl 29 über einen Scanner 30 auf den Probenträger 1 gelenkt wird. Die Proben werden von einem Aufbau analog zu einem Fluoreszenzmikroskop auf einen Detektor 28 abgebildet. Im Fall der Oberflächenplasmonenresonanz-Auswertung oder der Ellipsometrie, wie in Fig. 6 dargestellt, wird der Träger mit einer geeigneten Beschichtung wie z. B. einer Goldbedampfung versehen, die entsprechende Resonanzen aufweist. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, radioaktiv markierte Proben mit einem in einer unter dem Probenträger 1 vorgesehenen Filmhalterung angeordneten Film zu untersuchen.
• Die in Fig. 7 gezeigte Vorrichtung besteht im wesentlichen aus drei Räumen: der Probenkammer 6, in der der Probenträger 1 fixiert wird, einem Raum, der die Probenkammer umschließt und einem Raum unterhalb der Probenkammer, in dem sich das jeweilige Instrumentarium für optische Messungen 8 befindet. Der Probenträger 1 wird über eine xy-Positioniereinheit 25 relativ zu den Dispensier- und Waschköpfen 7 positioniert, ohne daß dabei die Probenkammer 6 geöffnet werden muß. Durch die als Lochmaske ausgestaltete Abdeckung 9 der Probenkammer 6 ragen die beweglich konstruierten Dispensier- und Waschvorrichtungen 7. Die Abdeckung 9 verschließt die Kammer 6 luftdicht und ist strahlungsdurchlässig ausgebildet, um einen optischer Zugang zu den Proben 1 zu ermöglichen. Die Abdeckung 9 besteht aus Glas, Quarz oder Plexiglas. Der Probenträger 1 ist in einer Aussparung in der unteren Wandung 26 der Kammer 6 so gelagert, daß durch reines Aufliegen oder durch eine zusätzliche Dichtung 21 die Kammer 6 luftdicht verschlossen ist. Auf diese Weise bildet der Probenträger 1 einen Teil der Wandung der Kammer 6 und ermöglicht, die Proben 2 direkt durch den Probenträger 1 zu analysieren. Der untere Teil 26 der Probenkammer 6 wird mit Hilfe eines xy-Positioniersystems 25 relativ zu den verschiedenen Dispensier-, Wasch- und Ausleseorten 7, 8 angeordnet.
• Fig. 8 zeigt eine detaillierte Zeichnung der Probenträgerwechselvorrichtung und die Lagerung des Probenträger 1 im dem ihm umgebenden Klimatisierungsmediumreservoir 22. Die Probenkammer 6 verfügt über eine untere Wandung 26, in die der Probenträger 1 eingesetzt wird und damit zu einem Teil der Wandung der Probenkammer wird. Von besonderer Bedeutung ist die gas- und flüssigkeitsdichte Verbindung 21 zwischen Probenkammer 6 und Probenträger 1. Die untere Wand der Probenkammer 6 ist entweder fest mit dieser verbunden oder in Form einer Schublade ausgebildet, die mehrere Aufnahmen für Probenträger 1 enthält, so daß durch Verschieben der Kammer 6 gegenüber der unteren Wandung 26 der Probenträger 1 frei wird und damit gewechselt werden kann, ohne daß die Kammer 6 vollständig geöffnet werden muß. Die Probenkammer 6 selber ist derart ausgebildet, daß sie dicht mit der unteren und der oberen Wandung 26 abschließt. Die Flächen zwischen den einzelnen Komponenten - untere Wandung, obere Wandung und Probenträger werden unter anderem durch einen Flüssigkeitsfilm abgedichtet, der die Kapillarwirkung von Spalten nutzt.

Claims (33)

1. Klimatisierbare Probenkammer zur Durchführung chemischer, biochemischer, biologischer oder physikalischer Reaktionen auf einem Probenträger, gekennzeichnet durch Mittel zur Temperierung des Probenträgers und Mittel zur Klimatisierung der Probenumgebung.

2. Klimatisierbare Probenkammer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein temperierbares Klimatisierungsmediumreservoir.

3. Klimatisierbare Probenkammer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch Mittel zur Erzeugung eines klimatisierten Luftstroms. 4. Klimatisierbare Probenkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen geschlossenen Probenraum.

5. Probenkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Feuchtigkeitsdetektoren und Temperatursensoren (4).

6. Probenkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Heiz- und Kühlvorrichtungen (5).

7. Probenkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Umluftsystem zur Regelung der Luftfeuchtigkeitsverteilung innerhalb der Kammer.

8. Probenkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine computergestützte Steuereinheit zur Steuerung der Kondensations- und/oder Verdampfungsraten und/oder Temperatur.

9. Probenkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zum Anfeuchten des Luftstromes außerhalb der Probenkammer.

10. Probenkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein mit der Probekammer verbundenes, außerhalb desselben angeordnetes Reservoirs zur Befeuchtung der Luft.

11. Probenkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zum Überwachen der Einhaltung der Klimaparameter.

12. Probenkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zur Vergrößerung der Oberfläche des Klimatisierungsmediums.

13. Probenkammer nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen schwammartigen Körper.

14. Probenkammer nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen Vernebler.

15. Probenkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Strahlenquelle zur Bestrahlung der Probenträgerorte.

16. Probenkammer nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine auf dem Probenträger abbildbare Maske.

17. Probenkammer nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch Mittel zum Abrastern des Probenträgers mit einem Lichtstrahl.

18. Probenkammer nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine zentrale rechnerbasierte Steuereinheit.

19. Probenkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zu einer unabhängigen Temperierung der Kammer (6), des Klimatisierungsmediumreservoirs (22) und der Probenträger (1).

20. Probenkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet, durch ein Probenfeld, das bezüglich der Dispensier- und Waschvorrichtungen sowie der Auswertevorrichtungen positionierbar ist.

21. Klimatisierbare Probenkammer zur Durchführung chemischer, biochemischer, biologischer oder physikalischer Reaktionen auf einem Probenträger, gekennzeichnet durch einen strahlungsdurchlässigen Probenträger und Mittel zur Bestrahlung oder Auswertung der Proben außerhalb der Probenkammer und unterhalb des Probenträgers.

22. Probenkammer nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch einen konfokalen Aufbau der Mittel zur Bestrahlung oder Auswertung.

23. Klimatisierbare Probenkammer zur Durchführung chemischer, biochemischer, biologischer oder physikalischer Reaktionen auf einem Probenträger, gekennzeichnet durch außerhalb der Probenkammer angeordnete Gerätschaften.

24. Probenkammer nach Anspruch 23, gekennzeichnet durch eine als abdichtbare Lochplatte (9) ausgestaltete Abdeckung der Probenkammer.

25. Probenkammer nach Anspruch 23, gekennzeichnet durch Dispensoren und Wascheinrichtungen (7) in der Lochplatte (9).

26. Probenkammer nach Anspruch 23, gekennzeichnet durch optische Mittel zur Behandlung und Auswertung von Proben.

27. Probenkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Probenträger mit Nano- und/oder Pikoliter- Probenfeldern.

28. Probenkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Dichtungen der Probenkammer über Flüssigkeitsfilme.

29. Verfahren zur Klimatisierung von auf einem Probenträger befindlichen Proben, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- Einstellen des gasförmigen Mediums auf bestimmte Klimaparameter,

- Temperieren des Probenträgers,

- Transport des gasförmigen Mediums zu der Probe.

30. Verfahren zur Klimatisierung von Proben nach Anspruch 29, gekennzeichnet durch Bestrahlung der Probenträgerorte

31. Verfahren zur Analyse von Reaktionen in Nano- und Pikoliterproben mit einer klimatisierbaren Probenkammer nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche mit folgenden Verfahrensschritten:

- Aufbringen einer Pikoliter-Substanzmatrix aus einer ersten Substanz auf einen Probenträger;

- Hinzufügen von nachfolgenden Substanzen oder Klimatisierungsmediumn, wobei die Konzentration der ersten Substanz variiert wird, indem eine unterschiedliche Menge der nachfolgenden Substanzen oder Klimatisierungsmedium an die jeweiligen Probenorte abgegeben werden.

- Hinzufügen von Substanzen, die einen gewünschten Reaktionspartner am Probenort immobilisieren.

32. Verwendung von magnetischen Partikeln auf einem Probenträger einer klimatisierbaren Probenkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Partikel mit Hilfe eines Magneten am Probenort gehalten werden.

33. Verwendung einer klimatisierbaren Probenkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche in Zellassays mit einzelnen oder wenigen pro- bzw. eukaryontischen Zellen.