DE102005019195B4 - Chemische Reaktionspatrone - Google Patents
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Abstract
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine chemische Reaktionspatrone. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Verbesserung an einem Aufbau zur Flüssigkeitszufuhr für die Synthese, Auflösung, Erfassung, Trennung usw. einer Lösung.
- Aus der
JP 2002-365299 A -
4A und4B sind Konfigurationsansichten eines in derJP 2002-365299 A 4A ist eine Schnittansicht des Biochips.4B ist eine Draufsicht auf den Biochip. Eine flache Blutsammeltasche41 mit hermetisch gedichteten Außenteilen weist einen zentralen Teil auf, der wie eine Luftblase geformt ist. Ein Öffnungsteil der Luftblasenartigen Tasche ist mit einem Gummipfropfen42 verschlossen. - In der Blutsammeltasche
41 sind ein Abnahmeteil43 , ein Vorbehandlungsteil44 , eine Sammelteil45 und ein Abfallspeicherteil47 nacheinander von dem Pfropfen42 nach innen hin angeordnet. Um Blut zu sammeln, wird der Pfropfen42 in eine Injektionsvorrichtung (nicht gezeigt) eingeführt. Im Inneren der Injektionsvorrichtung steht eine Injektionsnadel vor, um den Pfropfen42 zu durchstoßen. - Um Blut zu sammeln, wird eine Person mit einem spitzen Ende der Nadel, die aus der Injiziervorrichtung vorsteht, gestochen, wobei ein Ecke
431 der Sammeltasche41 nach außen gedehnt ist, sodass das Blut in dem Abnahmeteil43 gesammelt wird. Nach dem Sammeln des Bluts wird die Injektionsvorrichtung von der Blutsammeltasche getrennt. Dann wird wie in5 gezeigt die Blutsammeltasche41 zwischen Drehrollen61 und62 geklemmt und von dem Abnahmeteil43 zu dem Vorbehandlungsteil44 hin zusammengedrückt. Das gesammelte Blut wird auf diese Weise zu dem Vorbehandlungsteil44 transportiert. - Wenn ein Beutelteil
48 gedrückt wird, weil die Positionen der Rollen61 und62 verschoben werden, bricht eine Lösung in dem Beutelteil48 ein Ventil49 und fließt in den Vorbehandlungsteil44 . Dann fließt in gleicher Weise eine Lösung in einem Beutelteil50 in den Vorbehandlungsteil44 . Wenn eine vorbestimmte Behandlung in dem Vorbehandlungsteil abge schlossen ist, werden die Rollen derart positioniert, dass das behandelte Blut in den Verbindungsteil45 transportiert wird. - Ein DNA-Chip
46 ist in dem Verbindungsteil45 angeordnet, um eine Hybridisierung durchzuführen. Überflüssiges Blut oder überflüssige Lösung, das bzw. die aus dem Vorbehandlungsteil44 herausgedrückt wird, wird in dem Abfallspeicherteil47 aufbewahrt. Der Zustand des DNA-Chips nach der Hybridisierung wird durch eine außen angeordnete Lesevorrichtung beobachtet. - Bei dem Biochip werden Lösungen in Kammern in der Patrone transportiert und miteinander verbunden, um eine Behandlung wie etwa ein Mischen und eine chemische Reaktion durchzuführen. Dabei ergeben sich jedoch die folgenden Probleme.
- (1) Wenn eine Lösung zu einer nächsten Kammer transportiert wird, wird die Lösung mit Luft gemischt, weil in der nächsten Kammer Luft enthalten ist. Außerdem wird die Lösung durch den Rückdruck der Luft zurück geschoben.
- (2) Während des Transports der Lösung fließt die Lösung nicht nur in die nächste Kammer, sondern auch in die Kammer oder in den Flusspfad, die bzw. der auf die nächste Kammer folgt.
- (3) Während eines Erhitzens oder in Schwingungen Versetzens der Lösung fließt die Lösung zu anderen Kammern.
- (4) Wenn eine Probe zu Beginn injiziert wird, wird Luft mit der Probe gemischt. Weil die Probe manuell injiziert wird, ist außerdem die Mengenkontrolle schlecht (d. h. es kann keine vorbestimmte Probenmenge als Anfangsmenge für die Reaktion verwendet werden).
- (5) Obwohl einfach eine Mischung (A + B) der Lösungen A und B erhalten werden kann, kann unmöglich ein Aufbau (Kreuzaufbau) für das Extrahieren und Reinigen der DNA aus einer Probe unter Verwendung von Kieselerde, magnetischen Partikeln oder ähnlichem erreicht werden.
- Die
DE 43 418 62 A1 zeigt eine Assayvorrichtung mit einem Gehäuse, welches mehrere Speicherreservoires aufweist. Mittels eines Betätigungsmechanismus kann ein Reagenz aus den Speicherreservoires herausgedrückt werden. Die Speicherreservoires sind über Flusspfade miteinander verbunden. - Die
DE 69 305 046 T2 zeigt eine Reaktionspatrone mit mehreren Kammern, wobei einige Kammern eine seitliche Einfüllöffnung aufweisen, damit eine Flüssigkeit eingefüllt werden kann. Nach dem Befüllen werden die Kammern an den Einfüllöffnungen verschlossen, es wird eine zu testende Flüssigkeit injiziert und ein Test kann beginnen. Zum Verschieben der Flüssigkeit wird eine Rolle verwendet. Jede Kammer weist einen Auslasspfad auf. - Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine chemische Reaktionspatrone mit einer hohen Genauigkeit und Reproduzierbarkeit anzugeben, wobei eine Lösung nicht mit Luft gemischt wird.
- Die Aufgabe wird durch eine chemische Reaktionspatrone nach Anspruch 1 gelöst.
- Weitere Ausgestaltungen der Reaktionspatrone sind in den Unteransprüchen beschrieben.
- Weil bei der chemischen Reaktionspatrone der Luftablasspfad zum Ablassen von Luft aus den Kammern in den Kammern vorhanden ist, in welche die Fluidsubstanz fließt, wird verhindert, dass die Fluidsubstanz aufgrund des Rückdrucks der ausgestoßenen Luft zurückgeführt wird und Luft aufnimmt.
- Weil bei der chemischen Reaktionspatrone die Drückteile zum gleichzeitigen Blockieren aller Eingangs- und Ausgangs-Flusspfade einer Kammer mit einer darin enthaltenen Fluidsubstanz verwendet werden, kann verhindert werden, dass die Fluidsubstanz in eine nächste Kammer und in eine darauf folgende Kammer fließt.
- Im Folgenden wird die Reaktionspatrone mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
-
1A und1B sind Außenansichten, die eine Ausführungsform einer chemischen Reaktionspatrone zeigen. -
2 ist eine erläuternde Ansicht, die den Transport einer Lösung und das Ablassen von Luft in der Reaktionspatrone zeigen. -
3A bis3C sind erläuternde Ansichten, die eine Ausführungsform der chemischen Reaktionspatrone zeigen. -
4A und4B sind Konfigurationsansichten eines Biochips aus dem Stand der Technik. -
5 ist eine erläuternde Ansicht zu einem Verfahren zum Betreiben des Biochips aus dem Stand der Technik. -
1A ist eine perspektivische Ansicht der Patrone.1B ist eine Draufsicht auf die Patrone. Die Patrone101 umfasst einen elastischen Körper103 aus einem luftdichten elastischen Gummi sowie ein flaches Substrat103 aus einem starren Material. Es kann auch ein viskoelastischer Körper oder ein Kunststoffkörper als elastischer Körper102 der Patrone verwendet werden. - Beispiele für das Material des Substrats
103 sind Glas, Metall, starres Kunstharz und ein elastischer Körper. Der elastische Körper102 und das Substrat103 können miteinander durch Kleben, Saugen (z. B. zwischen PDMS (PolyDiMethylSiloxan) und Glas), Ultraschallbehandlung, Erhitzen, Plasmaklebebehandlung oder Schwingungsschweißen verbunden werden. - Kammern A1 bis A7, Flusspfade
105a bis105f , Lufteinlasspfade104a bis104c , ein gemeinsamer Lufteinlasspfad104 , Luftablasspfade106a bis106c und ein gemeinsamer Luftablasspfad106 sind in der Rückfläche des elastischen Körpers102 derart ausgebildet, dass sie zu der Oberfläche des elastischen Körpers102 hin hohl werden. Den Kammern und Pfaden entsprechende Bereiche steigen konvex zu der Oberfläche des elastischen Körpers102 . Die Kammern A1 bis A7 sind Löcher, in denen eine Lösung gespeichert ist. Luft wird in die Kammern A1, A2 und A4 durch die Lufteinlasspfade104a bis104c zugeführt. Die Lufteinlasspfade104a bis104c sind mit dem gemeinsamen Lufteinlasspfad104 verbunden. Die Luft wird aus den Kammern A3, A5 und A7 über die Luftablasspfade106a bis106c abgelassen. Die Luftablasspfade106a bis106c sind mit dem gemeinsamen Luftablasspfad106 verbunden. Ein flacher Teil der Rückfläche des elastischen Körpers102 neben den Kam mern, Flusspfaden, Lufteinlasspfaden und Luftablasspfaden ist mit der Vorderfläche des Substrats103 verbunden. Daraus resultiert, dass die Kammern, Flusspfade, Lufteinlasspfade und Luftablasspfade hermetisch mit dem elastischen Körper102 und dem Substrat103 gedichtet sind, um eine Struktur zu bilden, die ein Lecken der Lösung verhindert. - Im Folgenden wird eine Operation der derart ausgebildeten Patrone zum Transportieren einer Lösung beschrieben.
-
2 ist eine erläuternde Ansicht, die das Transportieren der Lösung und das Ablassen von Luft in der Erfindung beschreibt. In2 sind die Kammern B1 und B2 miteinander über einen Flusspfad107a verbunden. Die Öffnungsbereiche der Flusspfade107a bis107b in der Nähe der Auslässe der Kammern B1 und B2 sind schmäler als diejenigen der Luftablasspfade108a und108b , um Flussbeschränkungen zu bilden (z. B. ist die Öffnungsfläche des Flusspfads107a oder107b gleich einem Wert in einem Bereich von 1/3 bis 1/5 der Größe des Öffnungsbereichs des Luftablasspfads108a oder108b ). Daraus resultiert, dass der Widerstand gegenüber dem Ablassen von Luft zu den Flusspfaden107a und107b höher ist, sodass die Luft in die Luftablasspfade108a und108b fließt. Insbesondere wird die Patrone wie folgt betätigt. - Eine Rolle
109 drückt von oben gegen die Patrone, sodass der konkave Teil der Vorderfläche der Patrone gequetscht wird. Wenn die Rolle109 in diesem Zustand gedreht und nach rechts in der Richtung des durchgezogenen Pfeils bewegt wird, wird die Lösung in der Kammer B1 nach rechts herausgedrückt. Daraus resultiert, dass die Lösung über den Flusspfad107a in die Kammer B2 fließt. Dabei wird die Luft110 in der Kammer B2 durch die in die Kammer B2 fließende Lösung unter Druck gesetzt, sodass die Luft110 über den Luftablasspfad108b wie durch den unterbrochenen Pfeil angegeben aus der Kammer B2 abgelassen wird. - Weil der Luftablasspfad
108a auf der Lösungszuführseite durch die Rolle109 blockiert wird, leckt die Lösung nicht zu der Seite des Luftablasspfads, während die restliche Lösung in dem Luftablasspfad108a in Übereinstimmung mit der Bewegung der Rolle109 zu der Kammer B2 transportiert wird. Weil die Patrone derart vorgesehen ist, kann also verhindert werden, dass die herausgedrückte Lösung aufgrund des Rückdrucks der Luft zurückgeführt wird, wobei außerdem verhindert werden kann, dass die Luft mit der Lösung gemischt wird. -
3A bis3C sind erläuternde Ansichten, die eine Ausführungsform der chemischen Reaktionspatrone zeigen. Diese Ausführungsform wird beispielhaft mit Bezug auf die Extraktion eines Bipolymers wie etwa DNA, RNA, Protein oder einer Zuckerkette beschrieben. - In
3A bis3C sind Kammern 01 bis 023 in einer Patrone vorgesehen. Die Kammern 01 bis 014 sind in einer oberen Stufe P1 vorgesehen. Die Kammern 07 bis 09 sind mit der gemeinsamen Kammer 010 verbunden und in einer Spalte links von der Kammer 010 angeordnet. Die Kammern 01 und 02 sind mit der gemeinsamen Kammer 07 verbunden und in einer Spalte links von der Kammer 07 angeordnet. Die Kammern 03 und 06 sind in derselben Spalte wie die Kammern 01 und 02 angeordnet. Die Kammer 03 ist mit der Kammer 08 verbunden. Die Kammer 06 ist mit der Kammer 09 verbunden. Die Kammern 05 und 04 sind in einer Folge mit der Kammer 06 in einer Reihe links von der Kammer 06 angeordnet. - Die Kammer 011 ist mit der Kammer 010 verbunden und rechts von der Kammer 010 angeordnet. Die Kammern 012 bis 014 sind in einer Folge mit der Kammer 011 und in einer Reihe angeordnet. Diese Kammern sind mit regelmäßigen Intervallen in der lateralen Richtung angeordnet (in der Bewegungsrichtung der Rollen). Die durch die schraffierten Bereiche angegebenen Rollen sind mit Intervallen angeordnet, die den lateralen Intervallen der Kammern entsprechen. Die Kammern 015 bis 023 sind in einer unteren Stufe P2 vorgesehen und in einer Reihe mit regelmäßigen Intervallen angeordnet, die den vertikalen Positionen der Kammern in der oberen Stufe entsprechen. Die Kammern 019 und 020 sind mit der Kammer 010 verbunden. Die Kammer 019 ist derart angeordnet, dass sie der Spalte der Kammern 07 bis 09 entspricht. Die Kammer 020 ist derart angeordnet, dass sie der Spalte der Kammer 011 entspricht. Unter der Kammer 010 ist ein Raum vorgesehen. Die Kammern 019 bis 015 sind in einer Folge links von dem Raum angeordnet. Die Kammern 020 bis 023 sind in einer Folge rechts von dem Raum vorgesehen.
- Die Rollen in der oberen und in der unteren Stufe P1 und P2 sind mit Intervallen angeordnet, die den lateralen Intervallen der Kammern entsprechen, und blockieren die Flusspfade, die die Kammern verbinden. Diese Ausführungsform zeigt den Fall eines Nullvolumen-Aufbaus als Kammernaufbau, wobei jedoch auch ein Aufbau mit Luftablasspfaden verwendet werden kann. Es werden Rollen als Drückteile verwendet, wobei jedoch auch Betätigungsglieder des Kolbentyps verwendet werden können.
- In
3A ist eine Probenlösung in der Kammer 01 enthalten. Eine lytische Lösung ist in der Kammer 02 enthalten. Ein DNA-Auffangmaterial (Oberflächen-modifizierte magnetische Partikeln) ist in der Kammer 03 enthalten. Eine Reinigungslösung ist in den Kammern 04 und 05 enthalten. Eine Extraktions-Pufferlösung ist in der Kammer 015 enthalten. Das Volumen der anderen Kammern ist gleich null. - In
3A werden die entsprechenden Rollen in der oberen Stufe P1 in der Richtung des durchgezogenen Pfeils gedreht und bewegt. Die Kammer 010 wird jedoch zwei Mal gereinigt, weil die Reinigungslösung in den Kammern 04 und 05 enthalten ist. - Wenn die Rollen in der oberen Stufe P1 um die Distanz einer Kammer in der Richtung des Pfeils gedreht und bewegt werden, werden die Probenlösung in der Kammer 01 und die lytische Lösung in der Kammer 02 miteinander in der Kammer 07 gemischt. Das Auffangmaterial in der Kammer 03 wird in die Kammer 03 bewegt. Die Reinigungslösung in den Kammern 04 und 05 wird in die Kammern 05 und 06 bewegt.
- In der Kammer 07 wird die Mischlösung erhitzt und einem Reaktionsprozess unterworfen. Zum Beispiel wird ein Peltier-Element zum Erhitzen der Mischlösung verwendet.
- Wenn die Rollen weiter um die Distanz einer Kammer in der Richtung des Pfeils gedreht und bewegt werden, werden die Mischlösung in der Kammer 07 und das DNA-Auffangmaterial in der Kammer 08 miteinander in der Kammer 010 gemischt. Die Reinigungslösung in den Kammer 05 und 06 wird in die Kammern 06 und 09 bewegt. In der Kammer 010 wird DNA in dem DNA-Auffangmaterial aufgefangen. Die als Auffangmaterial dienenden magnetischen Partikeln selbst werden durch die Anlegung eines Magnetfelds in der Kammer 010 gefangen.
- Wenn die Rollen weiter um die Distanz einer Kammer in der Richtung des durchgezogenen Pfeils gedreht und bewegt werden, wird der Abfall nach dem Auffangen der DNA in der Kammer 010 in die Kammer 011 bewegt. Die Reinigungslösung in der Kammer 09 wird in die Kammer 010 bewegt. Die Reinigungslösung in der Kammer 06 wird in die Kammer 010 bewegt. In der Kammer 010 wird eine Reinigung der magnetischen Partikeln durch die Reinigungslösung als erster Reinigungszyklus durchgeführt.
- Wenn die Rollen weiter um die Distanz einer Kammer in der Richtung des Pfeils gedreht und bewegt werden, wird der Abfall in der Kammer 011 in die Kammer 012 bewegt. Die Reinigungslösung wird nach der Reinigung in der Kammer 010 in die Kammer 011 bewegt. Die Reinigungslösung für einen zweiten Reinigungszyklus wird in die Kammer 010 transportiert. Die Reinigungslösung wird in Übereinstimmung mit der nächsten Bewegung der Rollen aus der Kammer 010 entfernt. Die Reinigungslösung
167a für den ersten Reinigungszyklus wird in die Kammer 012 transportiert. Die Reinigungslösung167b für den zweiten Reinigungszyklus wird in die Kammer 011 transportiert. - Daraus resultiert, dass die magnetischen Partikeln
166 mit der darin aufgefangenen DNA in der Kammer 010 bleiben, sodass die DNA extrahiert werden kann. Parallel zu dem zuvor genannten Operation werden die Rollen in der unteren Stufe P2 in der Richtung des durchgezogenen Pfeils synchron zu den Rollen in der oberen Stufe P1 bewegt. Die Extraktions-Pufferlösung165 wird in die Kammer 019 bewegt, wie durch den unterbrochenen Pfeil angegeben. - Die Kammern 016 bis 018 sind ursprünglich leere Kammern, die als Dummy-Kammern zum Anpassen des Zeitablaufs beim Transportieren der Extraktions-Pufferlösung
165 in die Kammer110 dienen. Das Vorhandensein der Dummy-Kammern ermöglicht eine Anpassung des Zeitablaufs beim Lösungstransport auf der Basis der einachsigen Bewegung der Rollen. Zu diesem Zeitpunkt sind die zwei Reinigungszyklen in der Kammer 010 abgeschlossen. Die Reinigungslösung wurde aus der Kammer 010 entfernt. Dann wird die Rollengruppe in der oberen Stufe P1 gesperrt, wobei nur die Rollengruppe in der unteren Stufe P2 bewegt wird. Daraus resultiert, dass die Extraktions-Pufferlösung in der Kammer 019 in der unteren Stufe P2 in die Kammer 010 transportiert wird, wie durch den unterbrochenen Pfeil angegeben. In der Kammer 010 wird die DNA gelöst (3B ). - Dazu werden die Rollengruppen in der oberen und in der unteren Stufe P1 und P2 gleichzeitig bewegt. Daraus resultiert, dass die DNA-Extraktionslösung
168 (das Produkt) in der Kammer 010 in die Kammer 020 transportiert wird. Auf diese Weise wird der DNA-Extraktionsschritt abgeschlossen (3C ). Der zuvor genannte Lösungstransport-Mechanismus ist der Bewegung eines Schieberegisters in einer digitalen Schaltung ähnlich. Dementsprechend kann gesagt werden, dass die Bewegung der Rollengruppen vom Takt-Typ ist.
Claims (4)
- Chemische Reaktionspatrone (
101 ) bestehend aus einem Substrat (103 ) und einem elastischen Körper (102 ), wobei eine Vielzahl von Kammern (A3, A5; B1, B2) in dem elastischen Körper (102 ) geformt sind, die über Flusspfade (105c ,107a ) miteinander verbunden sind, wobei eine externe Kraft auf den elastischen Körper (102 ) ausübbar ist, um eine Fluidsubstanz in einem der Flusspfade (105c ,107a ) und/oder in einer der Kammern (A3, A5; B1, B2) zu verschieben, um eine chemische Reaktion durchzuführen, wobei wenigstens eine der Kammern (A3, A5, B1, B2) in welche die Fluidsubstanz verschiebbar ist, einen Luftablasspfad (106a ,106b ,108a ,108b ) aufweist, der Luft aus der eigenen Kammer (A3, A5, B1, B2) lässt, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionspatrone (101 ) zwei über einen Flusspfad (107a ) miteinander verbundene Kammern (B1, B2) aufweist, wobei beide Kammern (B1, B2) jeweils einen Luftablasspfad (108a ,108b ) aufweisen, wobei beide Luftablasspfade (108a ,108b ) nach Austritt aus den Kammern (B1, B2) in einer ersten Richtung fortgeführt sind, so dass bei Verschiebung des Fluids durch Betätigung eines Drückteils (109 ) in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung, der zur ersten Kammer (B1) gehörende Luftablasspfad (108a ) blockierbar ist, wobei Luft über den Flusspfad (107a ) durch den Luftablasspfad (108b ) der zweiten Kammer (B2) ablassbar ist. - Chemische Reaktionspatrone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Öffnungsbereiche der Flusspfade (
107a ,107b ) in der Nähe von Auslässen der Kammern (B1, B2) schmäler sind als Öffnungsbereiche der Luftablasspfade (108a ,108b ). - Chemische Reaktionspatrone nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftablasspfade (
108a ,108b ) gegenüber der Atmosphäre hermetisch abgedichtet sind. - Chemische Reaktionspatrone nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Kammern (A3, A5; B1, B2) in regelmäßigen Intervallen angeordnet sind.
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