DE102005048233A1 - Apparatus and method for handling a liquid sample using a siphon structure - Google Patents
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Abstract
Eine Vorrichtung zum Handhaben einer flüssigen Probe umfasst einen Körper, der eine Kammer und einen Auslasskanal aufweist. In der Kammer ist eine Erfassungsstruktur angeordnet, die eine Erfassung einer Eigenschaft der Probe ermöglicht. Der Auslasskanal ist mit der Kammer fluidisch verbunden und besitzt eine Siphon-Struktur, die in einem gegebenen zentrifugalen Kraftfeld zu einer definierten Füllhöhe der flüssigen Probe in der Kammer führt. Eine derartige Vorrichtung ist insbesondere zur Durchführung von Mifroarray-Experimenten geeignet.An apparatus for handling a liquid sample comprises a body having a chamber and an outlet channel. A detection structure is arranged in the chamber, which enables a property of the sample to be detected. The outlet channel is fluidly connected to the chamber and has a siphon structure which, in a given centrifugal force field, leads to a defined filling level of the liquid sample in the chamber. Such a device is particularly suitable for carrying out mifroarray experiments.
Description
Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Handhaben einer flüssigen Probe unter Verwendung einer zentrifugalen Siphon-Struktur, die geeignet sind, um die Durchführung von Mikroarray-Experimenten zu unterstützen.The The present application relates to a method and an apparatus to handle a liquid Sample using a centrifugal siphon structure, the are suitable to carry out from microarray experiments to support.
Ein Mikroarray ist eine parallele Anordnung einer Mehrzahl von unterschiedlichen, aber definierten „Fängerstrukturen", die auch als Reaktionspunkte bezeichnet werden können, in einem miniaturisierten Raster (beispielsweise 500 μm) auf einem zumeist ebenen Substrat. Die Fängerstrukturen können beispielsweise Fängermoleküle (im Englischen „probe molecules"), wie DNA, cDNA, Proteine, Antikörper, biologische Zellen oder ähnliches, sein. Ein „Mikroarray-basierter Test" erlaubt die Detektion der zu den Fängermolekülen komplementären Moleküle. Mikroarray-basierte Tests sind von großem wirtschaftlichem Interesse, beispielsweise bei der Gen-Expressionsanalyse, der SNP-Analytik (SNP = Single Nucleotide Polymorphism) oder für die personalisierte Medizin.One Microarray is a parallel arrangement of a plurality of different, but defined "catcher structures", which are also called reaction points can be in a miniaturized grid (for example, 500 microns) on a mostly flat substrate. The catcher structures can For example, catcher molecules, such as DNA, cDNA, Proteins, antibodies, biological Cells or the like, be. A "microarray-based Test "allows the Detection of the molecules complementary to the capture molecules. Microarray-based Tests are great economic interest, for example in gene expression analysis, SNP analysis (SNP = Single Nucleotide Polymorphism) or for personalized medicine.
Ein „Mikroarray-basierter Test" besteht aus einer Prozedur mit mehreren Teilschritten. Zunächst wird ein definiertes Mikroarray, also das Substrat mit den immobilisierten Fängermolekülen, in Kontakt mit der zu untersuchenden Flüssigkeit gebracht, so dass die komplementären Moleküle mit den Fängermolekülen reagieren können. Die Reaktion kann bis zu mehreren Stunden dauern und ist von den charakteristischen Zeiten abhängig, die es dauert, bis die komplementären Moleküle zu den Fängermolekülen gelangt sind und dort reagiert haben, beispielsweise eine DNA hybridisiert haben.A "microarray-based Test "consists of one Procedure with several substeps. First, a defined microarray, So the substrate with the immobilized capture molecules, in contact with the examining liquid brought so that the complementary molecules react with the catcher molecules can. The reaction can take up to several hours and is from the dependent on characteristic times, it takes until the complementary molecules have reached the catcher molecules and reacts there have hybridized, for example, a DNA.
Durch kontinuierliches „Umrühren" oder eine geeignete Fluidführung können die komplementären Moleküle den Fängermolekülen sehr schnell sehr nahe gebracht werden, so dass die Diffusionslängen stark verkürzt und somit die Zeitdauern für die Reaktion, beispielsweise die Hybridisierung, stark reduziert werden können. Nach der Reaktion der Moleküle mit dem Mikroarray erfolgen weitere Prozessschritte, wie beispielsweise das Waschen des Substrats und somit des Mikroarrays, d. h. das Entfernen von ungebundenen Molekülen durch Austausch der zu untersuchenden Flüssigkeit durch einen definierten Puffer, oder das Zuführen von Reagenzien, beispielsweise fluoreszenzmarkierten Nachweisantikörpern, zu dem Mikroarray.By continuous "stirring" or a suitable fluid guide can the complementary molecules very much catcher molecules be brought very close so that the diffusion lengths are strong shortened and thus the durations for the reaction, for example, the hybridization, greatly reduced can be. After the reaction of the molecules with the microarray further process steps, such as washing the substrate and thus the microarray, d. H. the removal of unbound molecules by exchanging the liquid to be examined with a defined buffer, or feeding of reagents, for example fluorescently labeled detection antibodies the microarray.
Gemäß dem Stand der Technik werden Mikroarrays beispielsweise prozessiert, indem die Probe und die relevanten Reagenzien manuell pipettiert werden. Bedingt durch die planare Oberfläche des Substrats, typischerweise von der Form eines Mikroskopie-Objektträgers, ist hier der Verbrauch an Probe und Reagenzien hoch. Außerdem ist das Überströmen der Mikroarray-Reaktionspunkte mit der zu untersuchenden Probe nicht kontrolliert. Aufgrund des nicht durchgängig geschlossenen Substrats kann es sehr schnell zu Eintrocknungseffekten an einzelnen Reaktionspunkten kommen, die das Ergebnis des Experiments negativ beeinflussen.According to the state In the art, for example, microarrays are processed by the sample and the relevant reagents are pipetted manually. Due to the planar surface of the substrate, typically in the form of a microscope slide here the consumption of sample and reagents high. Besides that is the overflow of the Microarray reaction points with the sample to be examined are not controlled. Due to the non-continuous closed substrate it can very quickly lead to drying effects at individual reaction points come that negatively affect the outcome of the experiment.
Aus dem Stand der Technik ist es ferner bekannt, Mikroarrays in einer geschlossenen fluidischen Struktur zu prozessieren. Hierbei gibt es technische Lösungen beispielsweise durch eine gezielte Durchmischung der Probe in Reaktionskammern unter Ausnutzung von akustischen Oberflächenwellen. Derartige Techniken wurden beispielsweise von der Firma Advalytix AG (www.advalytix.de) offenbart.Out the prior art, it is also known, microarrays in one process a closed fluidic structure. Here are it technical solutions For example, by a targeted mixing of the sample in reaction chambers taking advantage of surface acoustic waves. Such techniques were for example from the company Advalytix AG (www.advalytix.de) disclosed.
Eine alternative Technik bestand darin, eine gezielte Durchmischung der Probe in Reaktionskammern durch eine gekoppelte Rotationsbewegung um zwei Achsen durchzuführen. Eine solche Technik ist bei M.A. Bynum u.a., „Hybridization Enhancement using Microfluidic Planetary Centrifugal Mixing", Analytical Chemistry, Bd. 76, Nr. 23, 1. Dezember 2004, Seiten 7.039–7.044, beschrieben. Gemäß dieser Technik werden Proben auf Dichtungsobjektträger aufgebracht und mit einem Mikroarray abgedeckt, um eine Kammer zu bilden. Die Kammer wird dann in eine planetarische Zentrifuge eingesetzt. Die Zentrifuge dreht die Kammer um eine außerhalb der Kammer liegende Rotationsachse mit einer Drehgeschwindigkeit von 1.200 Umdrehungen pro Minute. Darüber hinaus wird die Kammer noch mit einer Rate von 10 Umdrehungen pro Minute um ihre eigene Achse gedreht.A alternative technique was a targeted mixing of the Sample in reaction chambers by a coupled rotational movement to perform two axes. Such a technique is available at M.A. Bynum et al., "Hybridization Enhancement using Microfluidic Planetary Centrifugal Mixing ", Analytical Chemistry, Vol. 76, No. 23, December 1, 2004, pages 7,039-7,044. According to this technique Samples are applied to seal slides and with a Microarray covered to form a chamber. The chamber will then used in a planetary centrifuge. The centrifuge Turn the chamber around one outside the chamber axis of rotation at a rotational speed of 1,200 revolutions per minute. In addition, the chamber still at a rate of 10 revolutions per minute about its own axis turned.
M. Grumann u. a., „Batch-Mode mixing on Centrifugal Microfluidic Platforms", Lab Chip, 2005, 5, Seiten 560–565, offenbaren ein Mischen von Flüssigkeiten in einer Mischkammer, in dem die Mischkammer einer Rotation mit sich periodisch änderndem Drehsinn unterworfen wird.M. Grumann u. a., "Batch Mode Mixing on Centrifugal Microfluidic Platforms ", Lab Chip, 2005, 5, pp. 560-565 a mixing of liquids in a mixing chamber in which the mixing chamber is in rotation with changing periodically Is subjected to rotation.
Johan Vanderhoeven et al., „DNA Microarray Enhancement Using a Continuously and Discontinuously Rotating Microchamber", Analytical Chemistry, Vol. 77, No. 14, 15. Juli 2005, S. 4474 bis 4480, beschreiben eine DNA-Mikroarray-Hybridisierung, bei der ein Satz von rotierenden, kreisförmigen Kammern, die den Mikroarraybereich abdecken, mit einer Tiefe von 1,6 bis 70 μm auf dasselbe aufgesetzt wird. Ein Substrat, in dem die Kammern gebildet sind, wird in Rotation versetzt, während das Mikroarray stationär gehalten wird.Johan Vanderhoeven et al., "DNA Microarray Enhancement Using a Continuously and Discontinuously Rotating Microchamber ", Analytical Chemistry, Vol. 77, no. 14, 15 July 2005, p 4474 bis 4480, describe a DNA microarray hybridization in which a set of rotating, circular Chambers covering the microarray area at a depth of 1.6 to 70 μm is placed on the same. A substrate in which the chambers are formed are set in rotation while the microarray is kept stationary becomes.
Nachteilig am bekannten Stand der Technik zum Prozessieren von Mikroarrays sind die notwendigerweise aktiven und komplexen Systeme zur Anregung und Steuerung, um eine gezielte Durchmischung der Probe in Reaktionskammern zu erreichen.Disadvantages of the known state of the art for processing microarrays are the necessary ones diger active and complex systems for excitation and control to achieve a targeted mixing of the sample in reaction chambers.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung und ein System zum Handhaben einer flüssigen Probe zu schaffen, die es ermöglichen, dass ein Austrocknen der Erfassungsstruktur insbesondere während der typischerweise auf der Stundenskala durchgeführten Reaktion mit der Probe vermieden wird, selbst dann, wenn nacheinander unterschiedliche Flüssigkeiten zu einer Erfassungsstruktur zugeführt werden sollen.The The object underlying the present invention is that an apparatus and a system for handling a liquid sample to create that allow it drying of the detection structure, in particular during the typically on the hourly scale reaction with the sample is avoided, even if successively different Liquids too fed to a detection structure should be.
Die
vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Handhaben einer
flüssigen
Probe, mit folgenden Merkmalen:
einem Körper, der eine Kammer und einen
Auslasskanal aufweist,
wobei in der Kammer eine Erfassungsstruktur
angeordnet ist, die eine Erfassung einer Eigenschaft der Probe ermöglicht,
und
wobei der Auslasskanal mit der Kammer fluidisch verbunden
ist und nach dem Siphon-Prinzip den Füllstand in der Kammer einstellt.The present invention provides an apparatus for handling a liquid sample, having the following features:
a body having a chamber and an outlet channel,
wherein in the chamber, a detection structure is arranged, which allows detection of a property of the sample, and
wherein the outlet channel is fluidically connected to the chamber and adjusts the level in the chamber according to the siphon principle.
Die
vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Handhaben
einer flüssigen
Probe, mit folgenden Schritten:
Einbringen der flüssigen Probe
in eine Kammer, in der eine Erfassungsstruktur, die eine Erfassung
einer Eigenschaft der Probe ermöglicht,
angeordnet ist, wobei ein Auslasskanal, der eine Siphon-Struktur aufweist,
mit der Kammer fluidisch verbunden ist; und
Rotieren der Kammer
und des Auslasskanals, um ein zentrifugales Kraftfeld zu erzeugen,
das durch eine Siphon-Struktur eine definierte Füllhöhe der Probe in der Kammer
zur Folge hat.The present invention further provides a method of handling a liquid sample, comprising the steps of:
Placing the liquid sample in a chamber in which a sensing structure enabling detection of a property of the sample is disposed, wherein an outlet channel having a siphon structure is fluidly connected to the chamber; and
Rotating the chamber and the outlet channel to produce a centrifugal force field, which results in a defined filling level of the sample in the chamber by a siphon structure.
Unter einer Siphon-Struktur ist im Allgemeinen eine dem Schwerefeld, im Fall der vorliegenden Erfindung dem Zentrifugalfeld, ausgesetzte Struktur zu verstehen, welche ein Reservoir und einen Verbindungskanal umfasst, dessen eines Ende an das Reservoir angeschlossen ist und dessen anderes Ende einen Auslass aufweist. Das System ist mit einer Flüssigkeit zumindest partiell gefüllt.Under a siphon structure is generally a gravitational field, in the Case of the present invention, the centrifugal field, exposed Structure to understand which a reservoir and a connecting channel comprising one end connected to the reservoir and the other end has an outlet. The system is with a liquid at least partially filled.
Nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren strebt das System nun einen hydrostatischen Gleichgewichtszustand an, bei welchem alle Menisken die gleiche Position in Richtung des Kraftfeldes einnehmen. Ist der Auslasskanal so ausgebildet, dass er sich nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren vollständig mit Flüssigkeit befüllt, fließt, wenn die Position des Auslasses unter dem Flüssigkeitspegel im hydrostatischen Gleichgewicht liegt, solange Flüssigkeit aus dem Auslass, bis der Flüssigkeitspegel im Reservoir auf der Höhe des Auslasses liegt. In der Sanitärtechnik wirkt die durchgehende Flüssigkeitssäule des Verbindungskanals als Geruchsstopp, welcher auch durch das Nachspülen geruchsdicht bleibt.To The system now strives for the principle of communicating tubes a hydrostatic equilibrium state, in which all Menisci take the same position in the direction of the force field. Is the outlet channel designed so that it follows the principle the communicating tubes Completely with liquid filled, flows, if the position of the outlet below the liquid level in the hydrostatic Balance is as long as liquid from the outlet until the liquid level in the reservoir at the height the outlet is located. In sanitary engineering, the continuous liquid column of the Connection channel as odor stop, which is odor-proof even after rinsing remains.
Sobald der Verbindungskanal vollständig mit Flüssigkeit gefüllt ist, kann der Flüssigkeitspegel auch unabhängig vom Verlauf dieses Verbindungskanals allein durch die Höhe seines Auslasses eingestellt werden. Durch Absenken des Auslasses unterhalb des Reservoirbodens wird das Reservoir solange entleert, wie die kontinuierliche Flüssigkeitssäule nicht unterbrochen wird. Befindet sich der Anschluss des Verbindungskanals beispielsweise am Boden des Reservoirs, so wird das Reservoir vollständig entleert.As soon as the connection channel completely with liquid filled is, the liquid level can also independently of the course of this connecting channel solely by the height of his Outlet be adjusted. By lowering the outlet below of the reservoir bottom, the reservoir is emptied as long as the continuous liquid column not is interrupted. Is the connection of the connection channel for example, at the bottom of the reservoir, the reservoir is completely emptied.
Die vollständige Befüllung des Siphons kann entweder nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren durch Zuschütten in das Reservoir erfolgen, bis der gemeinsame Flüssigkeitspegel im hydrostatischen Gleichgewichtszustand oberhalb des höchsten Punktes des Verbindungskanals liegt, und/oder durch die kapillar getriebene Befüllung des Kanals.The full filling The siphon can either by the principle of communicating tubes through fill up into the reservoir until the common liquid level in the hydrostatic Equilibrium state above the highest point of the connection channel lies, and / or by the capillary driven filling of Channel.
Als Siphon-Effekt soll hier allgemein die Regelung des Füllstandes in einem Reservoir durch den Verlauf und die Position des Verbindungskanals nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren aufgefasst werden.When Siphon effect is here generally the regulation of the level in a reservoir through the course and the position of the connection channel be understood on the principle of communicating tubes.
Durch das Versehen des Auslasskanals mit einer zentrifugalen Siphon-Struktur ist es erfindungsgemäß möglich, sicherzustellen, dass die Erfassungsstruktur nicht austrocknet, d.h. stets mit Flüssigkeit bedeckt ist, selbst wenn nacheinander unterschiedliche Flüssigkeiten in die Fluidkammer eingebracht werden. So ist es beispielsweise bei der Durchführung von Mikroarray-Experimenten erforderlich, nacheinander unterschiedliche Flüssigkeiten an dem Mikroarray vorbeizuführen, was durch den erfindungsgemäßen Lösungsansatz vorteilhaft möglich ist, ohne Gefahr zu laufen, dass das Mikroarray austrocknet.By providing the outlet channel with a centrifugal siphon structure is it possible according to the invention to ensure that the detection structure does not dry out, i. always with liquid is covered, even if successively different liquids be introduced into the fluid chamber. That's the way it is, for example during execution required by microarray experiments, successively different Liquids on pass the microarray, which by the solution approach according to the invention advantageously possible is without running the risk that the microarray dries out.
Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren ferner einen Schritt des Rotierens der Kammer mit einem zeitlich veränderlichen Drehvektor, der ein mehrfaches Beschleunigen und ein mehrfaches Abbremsen aufweist, um durch hydrodynamische Inertialeffekte Konvektionsströme der Probe in der Kammer zu erzeugen, um die Probe an der Erfassungsstruktur vorbeizuführen, aufweisen. Optional können auch noch Phasen mit zeitlich konstantem oder verschwindendem Drehvektor eingefügt werden.at embodiments According to the present invention, the method may further comprise a step of Rotating the chamber with a time-varying rotary vector, the having multiple accelerations and multiple decelerations, by hydrodynamic inertial effects convection currents of the sample in the chamber to generate the sample at the detection structure pass by. Optionally also phases with temporally constant or vanishing rotation vector added become.
Entsprechend kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Antriebseinrichtung, die konfiguriert ist, um die Kammer einer Rotation zu unterwerfen, und eine Steuereinrichtung aufweisen, die konfiguriert ist, um die Antriebseinrichtung zu steuern, um die Kammer mit einem zeitlich veränderlichen Drehvektor zu rotieren, der ein mehrfaches Beschleunigen und ein mehrfaches Abbremsen aufweist, um durch hydrodynamische Inertialkräfte Konvektionsströme einer in der Kammer befindlichen Probe zu erzeugen, um die Probe an der Erfassungsstruktur vorbei zu führen. Solche Ausführungsbeispiele basieren auf der Erkenntnis, dass durch eine Rotation mit einem zeitlich veränderlichen Drehvektor erzeugte Konvektionsströme vorteilhaft ausgenutzt werden können, um einen großen Anteil einer in einer Probenkammer angeordneten Probe an einer Erfassungsstruktur vorbei zu führen, bzw. um die Teile einer Probe, der die Erfassungsstruktur ausgesetzt ist, auf einfache und schnelle Weise zu ändern.Accordingly, the inventive Device includes a drive device configured to subject the chamber to rotation and a controller configured to control the drive device to rotate the chamber with a time-varying rotational vector that includes multiple acceleration and multiple deceleration to generate by hydrodynamic inertial forces convection currents of a sample located in the chamber to guide the sample past the detection structure. Such embodiments are based on the recognition that convection currents generated by rotation with a time-varying rotary vector can advantageously be utilized to pass a large portion of a sample arranged in a sample chamber past a detection structure, or around the parts of a sample containing the sample Detection structure is exposed to change in an easy and fast way.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die Erfassungsstruktur durch ein Mikroarray, d. h. eine parallele Anordnung einer Mehrzahl von unterschiedlichen, aber definierten Fängerstrukturen bzw. Fängermolekülen, die auf einem Träger immobilisiert sind, gebildet.at preferred embodiments According to the invention, the detection structure is represented by a microarray, i. H. a parallel arrangement of a plurality of different, but defined catcher structures or catcher molecules that on a carrier are immobilized, formed.
Diesbezüglich eignet sich die vorliegende Erfindung insbesondere zur Prozessierung von Mikroarrays, wobei ein Austrocknen des Mikroarrays verhindert werden kann und bei bevorzugten Ausführungsbeispielen ein quasi instantanes aktives Hinführen von Probe und Reagenzien an die Reaktanden in den Mikroarray-Punkten durch das Rotieren der Kammer mit einem zeitlich veränderlichen Drehvektor, was als Schüttelmodus bezeichnet werden kann, stattfindet. Ferner erfolgt, getrieben durch das Zentrifugalfeld und ggf. Kapillarkräfte, ein schnelles Entfernen nichtgebundener Reaktionspartner von den Mikroarray-Punkten, d.h. den einzelnen Fängerstrukturen bzw. Fängermolekülen.In this regard is suitable the present invention in particular for the processing of Microarrays, wherein drying of the microarray are prevented can and in preferred embodiments a quasi-instantaneous active introduction of sample and reagents to the reactants in the microarray points by rotating the chamber with a time-varying Rotary vector, which as a shaking mode can be designated takes place. Furthermore, carried by, driven by the centrifugal field and possibly capillary forces, a quick removal unbound reactant from the microarray points, i. the individual catcher structures or catcher molecules.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung bilden ein Mikroarray-Körper und ein Deckel gemeinsam eine geschlossene Reaktionskammer. Durch alternierende Drehbewegungen der Reaktionskammer kann eine Konvektion in der Kammer herbeigeführt wird, welche die Kopplung (zwischen Probe und Mikroarray) in einem Mikroarray-Experiment beschleunigt. Somit kann aufgrund einer erzwungenen Konvektion einer in einer Reaktionskammer angeordneten Probe die Zeit beispielsweise für eine Hybridisierung reduziert werden.at preferred embodiments of the present invention form a microarray body and a lid together a closed reaction chamber. By alternating Rotational movements of the reaction chamber can cause convection in the chamber brought which is the coupling (between sample and microarray) in one Accelerated microarray experiment. Thus, due to a forced Convection of a sample arranged in a reaction chamber Time for example a hybridization can be reduced.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen kann die Reaktionskammer vollständig mit Flüssigkeit gefüllt sein.at preferred embodiments can the reaction chamber completely with liquid filled be.
Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die Kammer in einem Körper gebildet sein, wobei der Körper ein Substrat und einen Deckelchip aufweist. Ein oder mehrere derartige Körper können in einen Rotor eingesetzt werden, der über einen Drehmotor in Rotation versetzbar ist. Die Erfassungsstruktur, beispielsweise das Mikroarray, kann auf dem Substrat immobilisiert sein, während im Deckelchip eine Kanalstruktur, die zumindest die Reaktionskammer und den Auslasskanal aufweist, strukturiert ist. Alternativ kann die Erfassungsstruktur an dem Teil des Körpers, beispielsweise dem Deckel, immobilisiert sein, in dem die Kanalstrukturen gebildet sind, während der Deckel ein planares Bauglied sein kann. Die Kanalstruktur kann einen oder mehrere Einlassbereiche, eine oder mehrere Probenkammern, beispielsweise Reaktionskammern, und einen oder mehrere Auslassbereiche aufweisen.at embodiments According to the present invention, the chamber may be formed in a body, being the body a substrate and a cover chip has. One or more such Body can in a rotor can be used, which via a rotary motor in rotation is displaceable. The detection structure, for example the microarray, may be immobilized on the substrate while in the lid chip a channel structure, which has at least the reaction chamber and the outlet channel, is structured. Alternatively, the detection structure on the Part of the body, For example, the lid, be immobilized, in which the channel structures are formed while the lid can be a planar member. The channel structure can one or more inlet regions, one or more sample chambers, For example, reaction chambers, and one or more outlet areas exhibit.
Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann der Körper selbst als Rotationskörper, beispielsweise eine Scheibe, ausgebildet sein, der um eine Rotationsachse drehbar ist. Ein solcher Rotationskörper kann ebenfalls aus Substrat und Deckelchip gebildet sein und eine zur Implementierung der vorliegenden Erfindung erforderliche Kanalstruktur oder zur Parallelisierung eine Mehrzahl entsprechender Kanalstrukturen, die sternförmig auf der Scheibe angeordnet sind, aufweisen.at embodiments According to the present invention, the body itself as a body of revolution, for example a disc, be formed, which is rotatable about an axis of rotation is. Such a rotary body can also be formed of substrate and cover chip and a Channel structure required to implement the present invention or for parallelization a plurality of corresponding channel structures, the star-shaped are arranged on the disc.
Bei alternativen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die Erfassungsstruktur eine Sensorstruktur aufweisen, die ein oder mehrere Sensorbereiche umfasst, die auf eine im Bereich derselben befindliche Probe ansprechen, um Rückschlüsse auf Eigenschaften bzw. Bestandteile der Proben zu ermöglichen. Beispiele für solche Sensorstrukturen sind Sauerstoff-Sensoren, CO2-Sensoren oder Biosensoren, die Biomoleküle verwenden, um Eigenschaften einer Probe nachzuweisen.In alternative embodiments of the invention, the detection structure may comprise a sensor structure comprising one or more sensor regions responsive to a sample located in the region thereof to enable conclusions to be drawn about properties of the samples. Examples of such sensor structures are oxygen sensors, CO 2 sensors or biosensors that use biomolecules to detect properties of a sample.
Die Kanalstrukturen sind vorzugsweise derart ausgestaltet, dass das Zusammenspiel aus Zentrifugalkraft und Kapillarkraft mit synchronisierter Probenzugabe und Reagenzienzugabe beispielsweise eine vollständige Prozessierung eines Mikroarray-Experiments ermöglicht. Dabei erzeugt die Siphon-Struktur im zentrifugalen Kraftfeld einen durch den Zeitverlauf der Drehfrequenz und die zu bestimmten Zeitpunkten zugegebenen Flüssigkeitsvolumina definierten Verlauf der Füllhöhe, worüber sich die Reaktionsbedingungen in der Reaktionskammer präzise kontrollieren lassen. Insbesondere kann bei der Durchführung eines Mikroarray-Experiments die Siphon-Struktur bewirken, dass der Reaktionsraum stets zumindest so weit mit Flüssigkeit gefüllt ist, dass das Mikroarray von dieser bedeckt ist, wenn nacheinander die Probe, eine Waschflüssigkeit und Reagenzien in den Reaktionsraum zugeführt werden. Somit kann das Mikroarray unter durchgängig kontrollierbaren fluidischen Bedingungen prozessiert werden, da im zentrifugalen Kraftfeld der Siphon-Kanal die Füllhöhe in der Reaktionskammer festlegt.The channel structures are preferably designed such that the interaction of centrifugal force and capillary force with synchronized sample addition and reagent addition, for example, allows complete processing of a microarray experiment. In the centrifugal force field, the siphon structure generates a course of the filling level defined by the time curve of the rotational frequency and the liquid volumes added at specific times, which allows precise control of the reaction conditions in the reaction chamber. In particular, when carrying out a microarray experiment, the siphon structure can cause the reaction space to always be filled with liquid at least so far that the microarray is covered by the latter when the sample, a washing liquid and reagents are fed successively into the reaction space. Thus, the microarray can be processed under continuously controllable fluidic conditions, as in the centrifugal force field of the siphon Ka nal determines the level in the reaction chamber.
Das
Siphonprinzip ergibt auch, dass das bei einem schon vollständig gefüllten Siphonkanal
neu eingeführte
Volumen dem verdrängten
Volumen entspricht. Um einen vollständigen Flüssigkeitsaustausch in der Kammer
zu gewährleisten,
muss das neu eingeführte
Volumen damit mindestens dem Kammervolumen entsprechen. Unter laminaren
Verhältnissen,
welche in den sehr flachen Kammern (bei typischen Aspektverhältnissen
weit unter 1:10) typische sind und gerade Durchmischungsprobleme
verursachen, kann die Volumenverdrängung hydrodynamisch so ausgestaltet
werden, dass das neu eingeführte
nicht mit ausgespült
wird. Im Idealfall findet in der Kammer
Das Verfahren kann bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ein aufeinanderfolgendes Einbringen unterschiedlicher Flüssigkeiten in die Kammer aufweisen. Erfindungsgemäß können eine oder mehrere Flüssigkeiten auf unterschiedliche Arten der Kammer zugeführt werden, z.B. zentrifugal oder durch Pipetier- oder Pumpsysteme. Ferner kann erfindungsgemäß statt einer zentrifugalen Vorbefüllung der Siphon-Struktur auch eine rein kapillare Vorbefüllung der Siphon-Struktur erfolgen.The Method can be used in embodiments the invention, a successive introduction of different liquids into the chamber. According to the invention, one or more liquids be supplied in different ways to the chamber, e.g. centrifugal or by pipetting or pumping systems. Furthermore, according to the invention instead a centrifugal pre-filling the Siphon structure also carried out a purely capillary pre-filling of the siphon structure.
Die vorliegende Erfindung besteht gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen somit in einer Vorrichtung und einem Verfahren zum Prozessieren von Mikroarrays auf einem planaren Substrat, wobei die Erfindung die Integration der im Folgenden beispielhaft beschriebenen, typischen Schritte eines mikroarray-basierten Experiments ermöglicht. Diese Schritte umfassen die Probenzugabe in eine Reaktionskammer und das Blockieren derselben, das gegebenenfalls mehrfache Waschen der Reaktionskammer und damit des Mikroarrays, den Nachweis, d. h. das Färben, des Mikroarrays und ein folgendes, wiederum gegebenenfalls mehrfaches Waschen des Mikroarrays. Auch das Auslesen des Mikroarrays, das auf jede beliebige herkömmliche Weise erfolgen kann, könnte integriert werden.The The present invention is in accordance with preferred embodiments thus in an apparatus and method for processing Microarrays on a planar substrate, wherein the invention Integration of the typical example described below by way of example Steps of a microarray-based experiment allows. These steps involve adding the sample to a reaction chamber and blocking them, optionally washing several times the reaction chamber and thus the microarray, the detection, d. H. dyeing, of the microarray and a following, again possibly multiple Washing the microarray. Also reading the microarray, the on any conventional Way could be done to get integrated.
Somit ermöglicht die vorliegende Erfindung eine nahezu vollständige Integration aller notwendigen Schritte zum Prozessieren eines mikroarray-basierten Experiments, wobei die Reduktion der manuellen Arbeitsschritte dabei hilft, die Reproduzierbarkeit von mikroarray-basierten Experimenten zu erhöhen. Der Körper, in dem die fluidischen Strukturen gebildet sind, der vorzugsweise aus einem Substrat und einem Deckel besteht, lässt sich einfach und kostengünstig herstellen und kann deshalb als Einwegartikel eingesetzt werden.Consequently allows the present invention provides a nearly complete integration of all necessary Steps to process a microarray-based experiment, whereby the reduction of the manual work steps helps, the To increase reproducibility of microarray-based experiments. Of the Body, in which the fluidic structures are formed, preferably consists of a substrate and a lid, can be produced easily and inexpensively and can therefore be used as a disposable article.
Bei einem Pilot-Experiment hatte die Reaktionskammer ein Volumen von ca. 50 μL, wobei das Gesamtvolumen bestehend aus Probe, Reagenzien und Puffern bei dem durchgeführten Experiment bei lediglich 500 μL lag. Dies stellt generell eine erhebliche Reduktion des Verbrauchs der zum Teil sehr teueren Flüssigkeiten dar. Bedingt durch die optimierten hydrodynamischen Bedingungen, die durch die Anwendung der Rotation mit einem zeitlich veränderlichen Drehvektor erreicht werden kann und die alternativ oder unterstützend durch eine mäanderförmige Reaktionskammer erreicht werden können, ließ sich bei dem Pilot-Experiment die Prozesszeit auf 45 Minuten senken. Dabei entfällt der weitaus größte Teil dieser Zeit auf die Reaktion/Inkubation zwischen der anfänglich eingebrachten Probe mit der Erfassungsstruktur, während ein Waschschritte in weniger als einer Minute beendet ist. Generell ist eine weitere, drastische Beschleunigung der Prozesszeit sowie eine erhebliche Reduktion der Flüssigkeitsvolumina denkbar.at In a pilot experiment, the reaction chamber had a volume of about 50 μL, the total volume consisting of sample, reagents and buffers at the performed Experiment at only 500 μL was. This generally represents a significant reduction in consumption the sometimes very expensive fluids Due to the optimized hydrodynamic conditions, by the application of rotation with a time-varying Rotational vector can be achieved and the alternative or supportive by a meandering reaction chamber can be achieved agreed reduce the process time to 45 minutes in the pilot experiment. there deleted the vast majority of these Time on the reaction / incubation between the initially introduced Sample with the detection structure while washing in less than a minute has ended. Generally, another is drastic Acceleration of the process time as well as a considerable reduction of the Liquid volumes conceivable.
Die erfindungsgemäß verwendbare geschlossene Reaktionskammer ermöglicht im Vergleich zu einem nicht gedeckelten Substrat, dass das mikroarray-basierte Experiment permanent in einer kontrollierten Umgebung abläuft, was insbesondere verhindert, dass die Mikroarray-Spots austrocknen können. Insbesondere ermöglicht das optionale „Umrühren" in dem Reaktionsraum durch das Rotieren mit einem zeitlich veränderlichen Drehvektor eine verkürzte Prozessdauer, während die fluidische „Siphon-Struktur" eine kontrollierte Umgebung liefert.The usable according to the invention closed reaction chamber allows compared to a non-capped substrate that microarray-based Experiment permanently in a controlled environment, which runs In particular, it prevents the microarray spots from drying out. Especially allows the optional "stirring" in the reaction space by rotating with a temporally variable rotation vector a shortened process duration, while the fluidic "siphon structure" a controlled Environment supplies.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:preferred embodiments The present invention will be described below with reference to FIG the enclosed drawings closer explained. Show it:
Ein
Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird nun zunächst
anhand der
Die
Vorrichtung umfasst einen Rotor
Der
Rotor umfasst vier Aufnahmebereiche
Durch
die Steuereinrichtung
Beispielhafte
Kanalstrukturen werden nun Bezug nehmend auf die
Bei
dem in
Die
Siphon-Struktur
Die
Einlassbereiche
In
den Ausführungsbeispielen
von
Bei
bevorzugten Ausführungsbeispielen
der Erfindung sind die Kanalstrukturen in dem Deckelchip gebildet,
wobei der Deckelchip derart mit einem Mikroarray-Substrat zusammengeführt wird,
dass in der Reaktionskammer das Mikroarray
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird nun anhand des Durchführens eines Mikroarray-Experiments beschrieben.One embodiment a method according to the invention will now be based on performing a microarray experiment described.
Dabei
wird zunächst
eine Probenflüssigkeit, d.h.
ein Analyt, in die Reaktionskammer
Nach
dem Befüllen
der Reaktionskammer wird nun diese mit einem zeitlich veränderlichen Drehvektor
beaufschlagt, der ein mehrfaches Beschleunigen und ein mehrfaches
Abbremsen aufweist. Durch die Drehung der Anordnung mit einem zeitlich
veränderlichen
Drehvektor erzeugen hydrodynamische Inertialkräfte innerhalb der Reaktionskammer
Konvektionsströme
der dort befindlichen Flüssigkeit.
Somit kann die Zeitdauer für
die Durchmischung von komplementären
Molekülen
in der Probe an die Fängermoleküle durch
ein gezieltes „Umrühren" der in der Reaktionskammer
Nach
einer für
die Prozessierung des Mikroarrays ausreichenden Zeitdauer wird dann über den
Einlassbereich
Nach
dem Zuführen
der Waschflüssigkeit können über den
Einlassbereich
Hinsichtlich
der Kanalstrukturen bleibt festzuhalten, dass in
In
Mit
der beschriebenen Vorrichtung und dem beschriebenen Verfahren wurde
ein Experiment durchgeführt,
dessen Ablauf in den
Bei
dem Experiment gemäß
Bei beiden Experimenten wurde BSA (Bovines Serum Albumin) unter Verwendung der gut dokumentierten EDC-NHS-Affinitäts-Ligandenkopplung an dem jeweiligen Substrat immobilisiert, um die Oberflächendichte der immobilisierten Fängermoleküle zu erhöhen.at In both experiments, BSA (bovine serum albumin) was used the well-documented EDC-NHS affinity ligand coupling to the respective substrate immobilized to the surface density increase the immobilized capture molecules.
Die
entsprechenden Mikroarray-Substrate sind unter Punkt
Die
erhaltenen Ergebnisse sind in
Mögliche Rotationsprotokolle
zum Beaufschlagen der Kanalstrukturen mit einem zeitlich veränderlichen
Drehvektor, der ein mehrfaches Beschleunigen und mehrfaches Abbremsen
und auch ggf. Phasen mit konstantem Drehvektor aufweist, sind in
den
Wie
der Kurve
Abweichend
von den erläuterten
bevorzugten Ausführungsbeispielen
sind zahlreiche Variationen der vorliegenden Erfindung möglich. So
könnte statt
des beschriebenen scheibenförmigen
Rotors
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung umfassen die Kanalstrukturen einen oder mehrere Einlasskanäle, um Flüssigkeit durch Zentrifugalkraft der Reaktionskammer zuzuführen. Alternativ könnte jedoch die Flüssigkeit auch auf beliebige andere Arten in die Reaktionskammer gelangen, beispielsweise über einen Zuführkanal unter Ausübung eines Drucks oder durch manuelle Befüllung.at preferred embodiments In accordance with the invention, the channel structures comprise one or more inlet channels for liquid supplied by centrifugal force of the reaction chamber. Alternatively, however, could the liquid get into the reaction chamber in any other ways, for example about a feed channel under exercise of a Pressure or by manual filling.
Der Rotationsantrieb kann beispielsweise entworfen sein, um PC-gesteuert ein Frequenzprotokoll durchzuführen, um einen zeitabhängigen Zentrifugaldruck zu erzeugen, um für die einzelnen durchzuführenden Schritte die Flussraten und den zeitlichen Ablauf exakt zu steuern.Of the Rotary drive, for example, can be designed to be PC-controlled to carry out a frequency protocol, around a time-dependent To generate centrifugal pressure to be carried out for each Steps to precisely control the flow rates and timing.
Die vorliegende Erfindung schafft somit Vorrichtungen und Verfahren, die insbesondere geeignet sind, um Mikroarray-Experimente auf eine zunehmend automatisierte Weise durchzuführen. Insbesondere schafft die vorliegende Erfindung eine Möglichkeit, Probenflüssigkeit und die darin enthaltenen Moleküle effizient Fängermolekülen des Mikroarrays zuzuführen und während des gesamten Experiments zu verhindern, dass das Mikroarray austrocknet. Dadurch können zuverlässige, reproduzierbare Ergebnisse bei nur sehr geringen Totvolumen erhalten werden. Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere auch für den Einsatz in sogenannten „Lab-on-a-Disk"-Systemen, die eine flexible Plattform für eine vollständig integrierte und schnelle Verarbeitung von Experimenten darstellen.The the present invention thus provides apparatus and methods which are particularly suited to microarray experiments to an increasingly automated Way to perform. In particular, the present invention provides a way sample liquid and the molecules contained within efficiently catcher molecules of the Supply microarrays and while of the entire experiment to prevent the microarray from drying out. Thereby can reliable, reproducible results obtained with only a very small dead volume become. The present invention is particularly suitable for the Use in so-called "lab-on-a-disk" systems, the one flexible platform for a complete one represent integrated and fast processing of experiments.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Durchführung von Mikroarray-Experimenten mit einem reduzierten Zeitaufwand, einer schnellen und homogenen Reaktion, einem automatisierten Waschvorgang, einem reduzierten Verbrauch von Probe und Reagenzien, sowie einer integrierten Abfallhandhabung. Durch die Elimination von ungesteuerten Trocknungsschritten durch die Siphon-Struktur kann ferner die Empfindlichkeit des Mikroarray-Experiments erhöht werden. Auf diese Weise wird die Verwendung getrennter Vorrichtungen, wie Objektträger-Wascheinrichtungen und dergleichen obsolet und Handhabungsschritte werden automatisiert. Schließlich ermöglicht die Symmetrie des Rotors bzw. des Rotationskörpers potentiell, dass mehrere Mikroarray-Experimente parallel durchgeführt werden.The present invention enables the implementation of microarray experiments with a reduced amount of time, one fast and homogeneous reaction, an automated washing process, a reduced consumption of sample and reagents, as well as a integrated waste handling. By the elimination of uncontrolled drying steps The sensitivity of the microarray experiment can be further improved by the siphon structure elevated become. In this way, the use of separate devices, like slide-washing devices and the like become obsolete and handling steps are automated. Finally, the Symmetry of the rotor or the body of revolution potentially that multiple microarray experiments carried out in parallel become.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8131 | Rejection |