DE102004050139B4

DE102004050139B4 - Mikrofluidprozessor und Verfahren zur Durchführung einer Polymerasekettenreaktion

Info

Publication number: DE102004050139B4
Application number: DE102004050139A
Authority: DE
Inventors: Natalie Dr. Salk; Astrid Dr. Rota; Carsten Prof. Dr. Harms; Michael Dr. Schlüter; Caroline Dipl.-Ing. Mähr
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2004-10-14
Filing date: 2004-10-14
Publication date: 2008-12-18
Anticipated expiration: 2024-10-15
Also published as: DE102004050139A1

Abstract

Mikrofluidprozessor (1) zur Durchführung einer Polymerasekettenreaktion (PCR) in einer Probe mit mindestens zwei Kammern (2a, 2b) zur Inkubation der Probe bei verschiedenen Temperaturen, wobei jede der Kammern (2a, 2b) einen Grundkörper (3a, 3b) aufweist
und jeder der Grundköper (3a, 3b) der beiden Kammern (2a, 2b) unabhängig vom anderen Grundkörper (3a, 3b) auf eine vorbestimmte Temperatur temperierbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass in jedem der Grundkörper (3a, 3b) eine Vielzahl von mindestens zwei Mikrokanälen (4a–4d) als Reaktionsräume angeordnet sind, wobei die Mikrokanäle (4a–4d) der einen Kammer (2a, 2b) mit den Mikrokanälen (4a–4d) der anderen Kammer (2a, 2b) verbunden sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mikrofluidprozessor und eine Vorrichtung zur Durchführung einer Polymerasekettenreaktion (PCR). Derartige Vorrichtungen und Verfahren werden insbesondere im Bereich der Nahrungsmittelindustrie, der Pharmazie, der Medizintechnik, in der Gesundheitspflege, in der Umwelttechnik und auch generell in der biochemischen Forschung benötigt, um rasch eine Polymerasekettenreaktion durchführen zu können. Sie eignet sich dann zur Erfassung von Oligonukleotiden bzw. Polynukleotiden, wie beispielsweise Desoxyribonukleinsäure (DNS) oder Ribonukleinsäure (RNS).
Eingesetzt werden kann die Polymerasekettenreaktion beispielsweise zur Erfassung von Mikroorganismen, wie beispielsweise pathogenen Mikroorganismen in Proben wie Nahrungsmittelproben. Die Polymerasekettenreakti an (PCR) ist als In-Vitro-Verfahren zur selektiven Vervielfachung bzw. Amplifikation von Nukleinsäuren mit bestimmter Sequenz und Länge bereits weit verbreitet. Die PCR wurde in den letzten Jahren eine der wichtigsten Techniken, um Mikroorganismen zu erfassen und zu bestimmen.
Herkömmlicherweise wird dabei ein 3-Schritt-Verfahren durchgeführt. Zuerst wird die Probe auf eine erste Temperatur, üblicherweise ca. 95°C, gebracht, um die doppelsträngige DNS in Einzelstränge zu denaturieren. Anschließend wird die Probe auf 50 bis 60°C abgekühlt, bei der zugegebene Oligonukleotide als Primer an die einzelsträngige DNS hybridisieren. Im letzten Schritt wird die Probe auf ca. 72°C gebracht. Bei dieser Temperatur verlängert eine thermostabile DNS-Polymerase, üblicherweise Taq-Polymerase, die Primer, sodass zuletzt wieder eine doppelsträngige vollständige DNS vorliegt. Werden diese Zyklen wiederholt, so wird ein über die Primer ausgewählter DNS-Abschnitt mit jedem Zyklus idealerweise verdoppelt, sodass insgesamt die Zahl der Kopien der ursprünglichen DNS sich exponentiell vermehrt.
In einer weiteren Variante der PCR wird ein 2-Schritt-Verfahren durchgeführt, wobei der erste Schritt unverändert bleibt, jedoch der zweite und der dritte Schritt mit Anlagerung der Oligonukleotide und deren Verlängerung durch die Polymerase bei einer einheitlichen Temperatur zwischen 60 und 75°C abläuft. In diesem Falle muss die Probe lediglich zwischen den beiden Temperaturen von ca. 95°C und ca. 70°C temperiert werden.
Herkömmlicherweise wird die PCR in Mikrotiterplatten durchgeführt. Eine miniaturisierte Version dieser Technologie wird „PCR-on-the-chip" genannt, wobei jedoch jeweils auch hier das die Probe enthaltende Gefäß gemeinsam mit der Probe aufgeheizt und abgekühlt wird.
Herkömmlicherweise dauert eine PCR ca. 180 min, bis eine ausreichende Amplifikation des gewünschten DNS-Abschnittes erreicht ist. Dies liegt daran, dass die Probe zeitaufwendig aufgeheizt und abgekühlt werden muss. Ziel vielfacher Bemühungen war es daher, die Aufheiz- und Abkühlrate zu erhöhen. Hierzu wird beispielsweise die Probenmenge verringert.
Nachteilig an diesen Technologien ist, dass sie immer noch nicht zu einer wirklich raschen Durchführung einer PCR, d. h. einer ausreichend kurzen Zyklusdauer, führen und eine sehr aufwendige Probenvorbereitung erforderlich ist.
Die JP 09 262 084 AA zeigt einen Fluidprozessor zur Durchführung einer Polymerasekettenreaktion mit zwei Kammern sowie einem Teil zur Einführung einer Probe und einem Teil zur Entnahme der Probe. An den Rückseiten der Kammern ist eine Heizvorrichtung angeordnet.
Die US 5,270,183 A zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung einer Polymerasekettenreaktion, bei der eine Probe durch eine Vielzahl von Temperaturzonen geleitet wird. Es wird außerdem ein Verfahren beschrieben, welches die aufeinanderfolgende Verarbeitung mehrerer Proben ermöglicht.
Die US 5,955,029 A beschreibt eine Vorrichtung zur Durchführung einer Polymerasenkettenreaktion. Die Vorrichtung weist ein Flusssystem auf, welches eine Polynukleotidpolymerisierungsreaktionskammer in flüssigkeitsdurchlässiger Verbindung mit einer Einlassöffnung aufweist.
Die US 5,856,174 A beschreibt einen Mikrofluidprozessor zur Untersuchung von Nukleinsäuren Mit dem Gerät können ein oder mehrere Probennahme- und Vorbereitungsoperationen zusammen mit einer oder mehrerer Probenanalyseoperationen durchgeführt werden.
Die US 6,586,233 B2 beschreibt eine Vorrichtung zur Durchführung einer Polymerasekettenreaktion, welches eine obere und eine untere Temperaturzone in einer Flüssigkeitsprobe vorsieht. Über Kanäle wird die Flüssigkeitsprobe wiederholt durch die obere und die untere Temperaturzone bewegt.
Die WO 2001/77683 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung, bei der eine Probe auf mehrere Kanäle verteilt wird und dann eine Reaktion durchgeführt werden kann.
Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, einen Mikrofluidprozessor und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, um eine Polymerasekettenreaktion sehr zuverlässig und rasch durchzuführen.
Diese Aufgabe wird durch den Mikrofluidprozessor nach Anspruch 1 sowie das Verfahren nach Anspruch 31 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Mikrofluidprozessors sowie Verwendung für den erfindungsgemäßen Mikrofluidprozessor und/oder das erfindungsgemäße Verfahren werden in den weiteren Ansprüchen gegeben.
Erfindungsgemäß weist der Mikrofluidprozessor zwei Kammern auf, die von Mikrokanälen durchzogen sind. Diese Mikrokanäle bilden nun gemeinsam einen Reaktionsraum aus. Dies hat den Vorteil, dass die Reaktionsvolumina extrem klein sind und außerdem eine sehr große Kontaktoberfläche zwischen dem Grundkörper der jeweiligen Kammer und dem Volumen der Mikrokanäle vorliegt. Hierdurch erfolgt ein extrem rascher Temperaturwechsel, wenn die Probe in die Mikrokanäle eingebracht wird. Durch die große Masse des Grundkörpers verglichen mit der Probenmenge erfolgt auch eine extrem homogene und konstante Temperierung in der jeweiligen Kammer, die während des gesamten Experiments immer auf derselben Temperatur gehalten wird.
So lässt sich bereits mit zwei Kammern, die miteinander verbunden sind, eine 2-Schritt-PCR realisieren. Die eine Kammer wird hierzu beispielsweise auf 95°C temperiert und die andere Kammer auf 72°C. Die Probe wird nun gemeinsam mit den Reaktionschemikalien in die Mikrokanäle einer Kammer gegeben und dort für kurze Zeit, beispielsweise auf 95°C gehalten. Dabei erfolgt die Trennung der doppelsträngigen DNS in Einzelstränge. Anschließend wird die Probe beispielsweise durch Druckluft in die Mikrokanäle der anderen Kammer überführt, die eine Temperatur von 72°C aufweist. Dort wird also die Probe extrem rasch auf 72°C gebracht, sodass sich die Primer anlagern und die Elongation der Primer durch die Polymerase, beispielsweise eine Tag-Polymerase, erfolgt. Nach kurzer Inkubation der Probe in der zweiten Kammer wird, vorteilhafterweise wieder über Druckluft, die Probe wieder in die erste Kammer bei 95°C überführt, sodass bereits der nächste Zyklus beginnt.
Für eine 3-Schritt-PCR wären erfindungsgemäß 3 derartige Kammern, beispielsweise temperiert auf 95°C, 72°C und 40 bis 70°C miteinander zu verbinden. Die Erfindung ist also nicht auf ein 2-Kammern-System beschränkt, sondern kann auch mehr als 2 Kammern aufweisen.
Die Kammern können dabei gleichartig sein, wobei sie bezüglich Ihrer Anschlüsse versetzt zueinander angeordnet sind.
Es wird also bei der vorliegenden Erfindung grundsätzlich davon abgegangen, die Probe gemeinsam mit ihrem Gefäß aufzuheizen bzw. zu kühlen, sondern nunmehr die Probe zwischen zwei immer konstant temperierten Kompartimenten (Kammern) hin und her zu bewegen. Da die Kammern eine große Masse verglichen mit der Probe haben und immer konstant temperiert sind, erfolgt eine sehr homogene, konstante und rasche Aufheizung bzw. Abkühlung der Probe.
Das vorliegende System eines Mikrofluidprozessors ist daher sehr zuverlässig, leicht zu verwenden und auch noch kostengünstig herzustellen, beispielsweise durch Metallspritzgießen, wie beispielsweise das Mikrometallspritzgießen (μMIM).
Der erfindungsgemäße Mikrofluidprozessor führt zu einer Beschleunigung einer PCR bei gleicher Zyklenzahl, um ca. den Faktor 10, eine Verbesserung der Mischung der Proben, zu einem extrem raschen Temperaturwechsel, verkürzten Inkubationszeiten sowie nur geringen benötigten Probenmengen. Dies verringert auch die erforderlichen Mengen an teueren Reaktionschemikalien. Die Vorrichtung ist sehr klein und damit transportabel und ermöglicht dennoch einen hohen Durchsatz an Proben. Die Ergebnisse einer derartigen PCR sind aufgrund der Temperaturhomogenität während des jeweiligen Schrittes sehr zuverlässig und reproduzierbar, was auch eine Echtzeit-PCR bzw. eine quantifizierte Auswertung der erhaltenen Ergebnisse ermöglicht. Insgesamt ergibt sich damit auch eine Verringerung der Kosten pro Analyse trotz der Verbesserung in Sensitivität, Genauigkeit, Stabilität und Flexibilität der durchgeführten PCR.
Der erfindungsgemäße Mikrofluidprozessor kann zwischen den beiden Kammern ein optisch transparentes Verbindungselement aufweisen, in dem beispielsweise der Fortschritt der PCR-Reaktion im Sinne einer Echtzeit-PCR beobachtet werden kann. Hierzu ist den Reaktionschemikalien ein geeigneter Fluoreszenz-markierter Primer zuzugeben. Über das Verbindungselement kann dann die Menge an Fluoreszenz beobachtet werden. Hierzu kann auch das Verbindungselement selbst eine Lichtquelle, wie beispielsweise eine Laserdiode, und einen Photodetektor, wie beispielsweise eine Photodiode enthalten. Auch Signalisierungselemente können angebracht sein, die anzeigen, ob ein bestimmtes Fluoreszenzniveau überschritten und damit der Nachweis einer bestimmten DNS und damit eines bestimmten Mikrofluidprozessors erbracht wurde.
Erfindungsgemäß weist der Mikrofluidprozessor einen geeigneten Ansatzstutzen, beispielsweise eine Schraubverbindung auf, über die eine Kartusche angeschlossen werden kann. Diese Kartusche kann sämtliche für eine bestimmte PCR-Reaktion erforderlichen Chemikalien enthalten. So ist es beispielsweise dann möglich, verschiedene Kartuschen für verschiedene nachzuweisende Mikroorganismen vorzuhalten und diese lediglich in den erfindungsgemäßen Mikrofluidprozessor einzuschrauben, um eine Probe auf den jeweiligen Mikroorganismus zu testen. Die Kartusche selbst kann einen herkömmlichen Kugelverschluss aufweisen, sodass die Handhabung der Kartusche extrem einfach ist.
Im Anschluss an eine durchgeführte PCR-Reaktion kann das Gesamtsystem gespült, gereinigt und dann eine weitere Reaktion durchgeführt werden.
Im Folgenden wird nun ein Beispiel für einen erfindungsgemäßen Mikrofluidprozessor beschrieben.
Es zeigen
1 einen erfindungsgemäßen Mikrofluidprozessor;
2 eine zu diesem gehörige erfindungsgemäße Kartusche mit Reaktionschemikalien und
3 zeigt einen weiteren erfindungsgemäßen Mikrofluidprozessor.
1 zeigt einen Mikrofluidprozessor 1 für eine 2-Schritt-PCR, der zwei Kammern 2a, 2b aufweist. Beide Kammern sind grundsätzlich gleich ausgebildet, jedoch mit den jeweils gleichen Enden zueinander gerichtet angeordnet. Diese Kammern 2a, 2b weisen Grundkörper 3a, 3b auf, die idealerweise aus einem massiven, sehr gut wärmeleitenden Material bestehen. Jeder der Grundkörper 3a, 3b wird über ein, in diesem Beispiel zylindrisches, Peltierelement 14a bzw. 14b auf eine vorbestimmte Temperatur gebracht. Diese beträgt beim Grundkörper 3a 95°C und beim Grundkörper 3b 72°C.
Die Grundkörper 3a, 3b besitzen eine zylinderförmige Gestalt. In diese Grundkörper 3a, 3b sind in axialer Richtung der zylinderförmigen Grundkörper 3a, 3b Mikrokanäle 4a, 4b bzw. 4c, 4d eingebracht, die einen Durchmesser von 100 μm aufweisen. Hier sind nur jeweils zwei der Mikrokanäle aus der Schar von Mikrokanälen mit Bezugszeichen versehen. Diese Mikrokanäle 4a bis 4d enden jeweils in einem innerhalb des Grundkörpers angebrachten Mischbereich 6a bzw. 6b, in dem der Inhalt der Mikrokanäle 4a, 4b bzw. 4c, 4d jeder Kammer 2a bzw. 2b jeweils miteinander vermischt wird. Diese Mischbereiche 6a, 6b sind einander zugewandt und über ein Verbindungselement 10 miteinander verbunden. Das Verbindungselement 10 weist eine Durchgangsbohrung 11 auf, die die Mischbereiche 6a und 6b miteinander verbindet. Auf diese Weise kann eine in den Mikrokanälen 4a, 4b befindliche Probe über den Mischbereich 6a, die einen Durchflusskanal bildende Durchgangsbohrung 11 und den Mischbereich 6b in die Mikrokanäle 4c und 4d überführt werden.
Das Verbindungselement 10 weist weiterhin Signalisierungselemente 17a, 17b auf, die anzeigen, ob eine ausgewählte über die Primer in einer Reaktionsmischung festgelegte DNS bzw. RNS über ein bestimmtes Maß hinaus amplifiziert wurde und damit positiv nachgewiesen werden konnte. Das Signalisierungselement 17a leuchtet beispielsweise rot im Falle eines nicht ausreichenden Nachweises von Amplikons und das Signalisierungselement 17b leuchtet grün, wenn die nachgewiesene Menge an Amplikons einen bestimmten Schwellwert überschreitet und dann vom Vorliegen der entsprechenden DNS bzw. RNS und damit dem Vorliegen eines bestimmten Mikroorganismus ausgegangen werden muss.
Die Signale, die durch die Signalisierungselemente 17a und 17b angezeigt werden, werden beispielsweise über eine Laserdiode und eine Photodiode im Bereich der Durchgangsbohrung 11 abgetastet. Hierzu ist es dann lediglich erforderlich, einen geeigneten Fluoreszenz-markierten Primer in die Reaktionsmischung zu geben.
An den jeweils vom Verbindungselement 10 beabstandeten Enden der Kammern 2a und 2b sind ein erstes Anschlusselement 20 am Ende der Kammer 2a und ein zweites Anschlusselement 25 am Ende der Kammer 2b angeordnet. Über das Anschlusselement 20, das eine Öffnung 23 mit einem Gewinde 24 aufweist kann eine Kartusche wie in 2 dargestellt und später beschrieben, angeschlossen werden. Weiterhin besitzt das erste Anschlusselement 20 eine Öffnung für die Probenzufuhr. Dieses Anschlusselement 20 wird abgedeckt von einer Endplatte 30a, die ebenfalls eine geeignete Öffnung 32 aufweist, um die Probe durch das Anschlusselement 20 in die Mikrokanäle 4a, 4b einzubringen.
Das zweite Anschlusselement 25 weist einen Auslass 26 auf, aus dem die Probe ausgelassen bzw. verworfen werden kann. Weiterhin ist dieser Auslass wichtig, um über die Zufuhröffnung in dem Anschlusselement 20 Spül- und Reinigungslösungen in die Mikrokanäle 4a bis 4d einzuspritzen und diese Lösungen über den Auslass 26 aus den Kammern wieder zu entfernen.
Auch das Anschlusselement 25 wird von einer Endplatte 30b abgedeckt. Über die Endplatten 30a, 30b, die über eine Schnellspannfeder 31a, 31b miteinander verklammert sind, wird die gesamte Vorrichtung des erfindungsgemäßen Mikrofluidprozessors zusammengehalten.
In dem ersten Anschlusselement 20 und im zweiten Anschlusselement 25 befindet sich weiterhin jeweils ein Anschluss 35a bzw. 35b für eine Druckluftleitung 36a, 36b, die mit den Mikrokanälen 4a, 4b bzw. 4c, 4d kommuniziert. Diese Druckluftleitungen 36a, 36b sind mit einem Dreiwegeventil 37 verbunden. Der dritte Anschluss des Dreiwegeventils 37 ist über eine Leitung 36e mit einer Druckluftquelle 38 verbunden, die über das Dreiwegeventil 37 jeweils eine der Druckluftleitungen 36a bzw. 36b mit Druckluft beaufschlagen kann. Soll nun eine Probe, die sich in der Kammer 2a befindet, in die Kammer 2b verschoben werden, so wird die Druckluftleitung 36a über das Dreiwegeventil 37 mit Druckluft beaufschlagt, die die Probe aus den Mikrokanälen 4a, 4b über die Mischbereiche 6a, 6b in die Mikrokanäle 4c, 4d drückt.
Soll die Probe wieder zurück in die Mikrokanäle 4a, 4b gedrückt werden, so wird die Druckluftleitung 36b mit Druckluft beaufschlagt, bis die Probe sich in der Kammer 2a befindet.
Auf diese Weise kann nun eine Probe für ein 2-Schritt-PCR-Verfahren zwischen den beiden Kammern 2a und 2b hin und her bewegt werden. Dies kann so lange erfolgen, bis eine ausreichende Zahl Amplikons erzeugt wurde.
2 zeigt eine Kartusche 40, die sämtliche für eine bestimmte PCR erforderlichen Reaktionschemikalien wie Tag-Polymerase, Primeroligonukleotide, sowie eine Nukleotidmischung (dNTPs) sowie gegebenenfalls ein Fluoreszenz-markiertes Oligonukleotid enthält.
Diese Kartusche 40 besitzt einen Hauptkörper 41, in dem sich die Reaktionschemikalien befinden und ein Anschlusselement 42 mit einem Gewinde 43. Das Gewinde 43 ist passend zu dem Gewinde 24 in 1. Am Ende des Anschlusselements 42 befindet sich eine Kugel 44 für einen Kugelverschluss, wie er beispielsweise auch aus Tintenpatronen bekannt ist.
Auf diese Weise ist es möglich, für jede spezifische PCR eine Kartusche 40 herzustellen, sodass der Anwender des erfindungsgemäßen Mikrofluidprozessors lediglich die Kartusche 40 in den Anschluss 23 einschrauben muss, um eine entsprechende PCR-Reaktion starten zu können.
3 zeigt einen weiteren erfindungsgemäßen Mikrofluidprozessor für eine 3-Stufen-PCR. Bei diesem Beispiel werden für gleiche und ähnliche Bauelemente gleiche bzw. ähnliche Bezugszeichen verwendet und daher deren Erläuterung teilweise nicht wiederholt.
In 3 weist der Mikrofluidprozessor nunmehr drei Kammern 2a, 2b, 2c auf, die mit ihren Grundkörpern 3a, 3b bzw. 3c über jeweils eigene Heizelemente 14a', 14b' und 14c' auf verschiedene Temperaturen gebracht werden, nämlich 95°C für den Grundkörper 3a, 40 bis 70°C für den Grundkörper 3b und 72°C für den Grundkörper 3c. Diese drei Grundkörper 3a, 3b und 3c sind wiederum über ein Verbindungselement 10 und über ihre Mischbereiche 6a, 6b bzw. 6c miteinander verschaltet, sodass Fluide in den Mikrokanälen 4a, 4b in die Mikrokanäle 4c, 4d bzw. 4e, 4f transportiert werden können. Hierzu befindet sich in dem Verbindungselement 10 ein Mikroschaltventil als 3-Wege-Ventil 13, mit dem die Flussrichtung zwischen den drei Kammern 2a, 2b und 2c gesteuert werden kann. Hierdurch ist es also nun möglich, eine Probe in der Kammer 2a für einige Zeit auf 95°C zur Erzeugung von einzelsträngiger DNS zu halten. Anschließend wird sie über das Mischelement 6a und das Verbindungselement 10 mittels des 3-Wege-Ventils 13, das auch elektronisch gesteuert werden kann, in die Kammer 3b bei 40 bis 70°C gebracht. Dort hybridisieren die Primer im Probenmix an die jeweilige einzelsträngige DNS. Von dort wird die Probe weiterhin aus der Kammer 3b in die Kammer 3c bei einer Temperatur von 72°C gebracht, sodass dort die Elongation zu doppelsträngigen DNS erfolgt. Aus der Kammer 3c kann dann anschließend die Probe wieder in die Kammer 3a über das 3-Wege-Ventil 13 transportiert werden. Damit ist ein Zyklus einer dreistufigen PCR abgeschlossen.
Um diese Transportvorgänge zu bewerkstelligen, sind nunmehr in diesem Beispiel zwei Druckluftquellen 38a und 38b vorgesehen, die über einen 3-Wege-Hahn mit zwei Druckluftleitungen 36a, 36b bzw. 36c, 36d verbunden sind. Die Druckluftleitung 36a ist über einen Anschluss 35a an einem Ende der Kammer 2a angeschlossen. Die Druckluftleitung 36b ist über einen Anschluss 35b am Ende der Kammer 2d angeschlossen. Die Druckluftleitung 36c ist über einen Anschluss 35c ebenfalls am Ende der Kammer 2a angeschlossen, während die Druckluftleitung 36d über einen Anschluss 35d am Ende der Kammer 2c angeschlossen ist. Auf diese Art und Weise lassen sich zwischen den jeweiligen Enden der Kammern in beliebiger Kombination Druckunterschiede erzeugen, sodass die in den Mikrokanälen 4a bis 4f befindlichen Probenvolumina beliebig zwischen den Kammern verschoben werden können. Es ist lediglich eine aufeinander abgestimmte Steuerung des als Mikroventil ausgeführten 3-Wege-Ventils 13 und der 3-Wege-Ventile 37a, 37b erforderlich, um einen zielgerichteten Transport der Probe zu bewirken.

Claims

Mikrofluidprozessor (1) zur Durchführung einer Polymerasekettenreaktion (PCR) in einer Probe mit mindestens zwei Kammern (2a, 2b) zur Inkubation der Probe bei verschiedenen Temperaturen, wobei jede der Kammern (2a, 2b) einen Grundkörper (3a, 3b) aufweist und jeder der Grundköper (3a, 3b) der beiden Kammern (2a, 2b) unabhängig vom anderen Grundkörper (3a, 3b) auf eine vorbestimmte Temperatur temperierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem der Grundkörper (3a, 3b) eine Vielzahl von mindestens zwei Mikrokanälen (4a–4d) als Reaktionsräume angeordnet sind, wobei die Mikrokanäle (4a–4d) der einen Kammer (2a, 2b) mit den Mikrokanälen (4a–4d) der anderen Kammer (2a, 2b) verbunden sind.
Mikrofluidprozessor (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch jeweils mindestens ein Heizelement (14a, 14b, 14a', 14b') pro Kammer (2a, 2b) zur unabhängigen Temperierung der beiden Kammern (2a, 2b).
Mikrofluidprozessor (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch jeweils mindestens ein Peltierelement pro Kammer (2a, 2b) zur unabhängigen Temperierung der beiden Kammern (2a, 2b).
Mikrofluidprozessor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern (2a, 2b) getrennt oder einstückig ausgebildet sind.
Mikrofluidprozessor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kammern (2a, 2b) baugleich und spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sind.
Mikrofluidprozessor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den der jeweils anderen Kammer (2a, 2b) zugewandten Enden der Kammern Mischbereiche (6a, 6b) angeordnet sind, in denen sich in den Mikrokanälen (4a–4d) jeweils einer Kammer (2a, 2b) befindliche Fluide miteinander vermischen.
Mikrofluidprozessor (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischbereiche (6a–6d) als Mischrohr ausgebildet und mit sämtlichen Mikrokanälen (4a–4d) der jeweiligen Kammer (2a, 2b) verbunden sind.
Mikrofluidprozessor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den der jeweils anderen Kammer (2a, 2b) abgewandten Enden der Kammern (2a, 2b) Einlaß- (7) bzw. Auslassöffnungen (8) angeordnet sind, zur Zufuhr bzw. Abfuhr von Fluiden aus den Mikrokanälen (4a–4d) der jeweiligen Kammer (2a, 2b).
Mikrofluidprozessor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den zwei Kammern (2a, 2b) ein Verbindungselement (10) angeordnet ist zur Leitung der Probe aus der einen Kammer (2a, 2b) in die andere Kammer (2a, 2b).
Mikrofluidprozessor (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (10) eine Durchflussbohrung aufweist, die mit den Mikrokanälen (4a–4d) beider Kammern (2a, 2b) kommuniziert.
Mikrofluidprozessor (1) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (10) für Licht mindestens eines Wellenlängenbereiches durchlässig oder optisch durchsichtig ist.
Mikrofluidprozessor (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Verbindungselement (10) mindestens eine Lichtquelle und/oder mindestens ein Lichtdetektor angeordnet ist.
Mikrofluidprozessor (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode ist.
Mikrofluidprozessor (1) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtdetektor eine Photodiode ist.
Mikrofluidprozessor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Mikrofluidprozessor (1) bzw. an dem Verbindungselement (10) mindestens ein Signalelement (17a, 17b) angeordnet ist zur Signalisierung eines vorbestimmten Messergebnisses des Lichtdetektors.
Mikrofluidprozessor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer der Kammern (2a) an dem von der anderen Kammer (2b) abgewandten Ende ein erstes Anschlusselement (20) angeordnet ist mit einer Öffnung (21) für die Probenzufuhr und eine Öffnung (23) für die Zufuhr von Reaktionschemikalien zu den Mikrokanälen (4a, 4b) der Kammer (2a).
Mikrofluidprozessor (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (21) für die Probenzufuhr mit einem Septum verschlossen ist.
Mikrofluidprozessor (1) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (23) für die Zufuhr von Reaktionschemikalien einen Verschluß mit standardisiertem Verbindungselement, beispielsweise einem Bajonett- oder Schraubverschluß (24) aufweist.
Mikrofluidprozessor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer der Kammern (2b) an dem von der anderen Kammer (2a) abgewandten Ende ein zweites Anschlusselement (25) angeordnet ist mit einer Öffnung (26) zum Probenablaß aus den Mikrokanälen (4c, 4d) der Kammer (2b).
Mikrofluidprozessor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den beiden voneinander abgewandten Enden der beiden Kammern (2a, 2b) miteinander verbundene Endplatten (30a, 30b) angeordnet sind.
Mikrofluidprozessor (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Endplatten (30a, 30b) mittels mindestens einer Schnellspannfeder (31a, 31b) und/oder Schnellspannschraube miteinander verbunden sind.
Mikrofluidprozessor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kammern (2a, 2b) und/oder die beiden Anschlußelemente (20, 25) und/oder die Endplatten (30a, 30b) mit einem Anschluß für Druckluftzufuhr (35a, 35b) versehen sind, um die Mikrokanäle (4a–4d) der Kammern (2a, 2b) mit Druckluft zu beaufschlagen.
Mikrofluidprozessor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kammern (2a, 2b) und/oder die beiden Anschlußelemente (20, 25) und/oder die Endplatten (30a, 30b) jeweils mit einem Druckluftschlauch (36a, 36b) verbunden sind, um die Mikrokanäle (4a–4d) der Kammern (2a, 2b) mit Druckluft zu beaufschlagen.
Mikrofluidprozessor (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Druckluftschläuche (36a, 36b) mit zwei Ausgängen eines Dreiwegeventils (37) verbunden sind, und der dritte Ausgang des Dreiwegeventils (37) mit einer Druckluftquelle (38) verbunden ist
Mikrofluidprozessor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern (2a, 2b) eine zylindrische oder rechteckige Außenform aufweisen und die Mikrokanäle (4a–4d) sich längs der Zylinderachse der Kammern (2a, 2b) erstrecken.
Mikrofluidprozessor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern (2a, 2b) einen Durchmesser zwischen 2 mm bis 20 cm, vorteilhafterweise zwischen 1 cm und 10 cm je einschließlich aufweisen.
Mikrofluidprozessor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokanäle (4a–4d) einen Durchmesser zwischen 5 μm und 5 mm, vorteilhafterweise zwischen 20 μm und 2 mm, vorteilhafterweise zwischen 50 μm und 1,5 mm, vorteilhafterweise zwischen 50 μm und 1 mm je einschließlich aufweisen.
Mikrofluidprozessor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Kammern 1 bis 500, vorzugsweise 1 bis 200, vorzugsweise 50 Kanäle pro Kammer aufweist.
Mikrofluidprozessor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern (2a, 2b) aus Edelstahl bestehen oder dieses enthalten.
Mikrofluidprozessor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Kammern (2a, 2b) mittels Mikro-Metallspritzguß hergestellt sind.
Verfahren zur Durchführung einer Polymerasekettenreaktion, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Mikrofluidprozessor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die Probe einschließlich der für eine Polymerasekettenreaktion erforderlichen Reagentien zwischen den beiden Kammern (2a, 2b) hin- und herbewegt wird, wobei die eine Kammer (2b) eine Temperatur aufweist zum Trennen von DNS-Doppelsträngen in Einzelstränge und die andere Kammer (2a) eine Tempera tur aufweist zum Anlagern von Oligonukleotiden an die Einzelstränge und/oder zum Verlängern der angelagerten Oligonukleotide.
Verwendung eines Mikrofluidprozessors (1) und/oder eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Amplifikation von Oligonukleotiden.
Verwendung nach Anspruch 32 zur Amplifikation von DNS und/oder RNS.
Verwendung nach einem der Ansprüche 32 oder 33 mittels Polymerasekettenreaktion, 3-Schritt-Polymerasekettenreaktion oder 2-Schritt-Polymerasekettenreaktion.
Verwendung nach einem der Ansprüche 32 bis 34 zur Erfassung von DNS, RNS, Mikroorganismen, pathogenen Mikroorganismen in einer Probe.
Verwendung nach einem der Ansprüche 32 bis 35 in der Nahrungsmittelindustrie, in der Medizintechnik, in der Pharmazie, in der Gesundheitspflege, in der Umwelttechnik sowie in der biochemischen Forschung.