DE102006030379A1 - Device for controlling a temperature profile in a process chamber for a reaction chamber of an assay processor cartridge, comprises a double-side coated, flexible printed circuit board for heating and measuring - Google Patents

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Abstract

The device for controlling a temperature profile in a process chamber for a reaction chamber of an assay processor cartridge, comprises a double-side coated, flexible printed circuit board for heating and measuring. The printed circuit board is a part of the process chamber and consists of plastic or plastic foil that contains separate heating structure and sensor structure. An independent claim is included for a procedure for controlling a temperature profile in a process chamber for a reaction chamber of an assay processor cartridge.

Description

Die Erfindung bezeichnet eine Temperatursteuerung und ein Verfahren zur Steuerung eines Temperaturprofils in einem Prozessraum, vorrangig einer Reaktionskammer einer Assay-Prozessor-Kartusche (AP-Kartusche), auch als Biokartusche bezeichnet.The Invention refers to a temperature control and a method for controlling a temperature profile in a process space, primarily one Reaction chamber of an assay processor cartridge (AP cartridge), also referred to as biochar.

Der Biochip, ein fingernagelgroßes Mikrolabor mit zahlreichen winzigen Reaktionsfeldern ist das wichtigste Zukunftswerkzeug für die Analyse biologischer Proben.Of the Biochip, a fingernail-sized one Microlaboratory with numerous tiny reaction fields is the most important Future tool for the analysis of biological samples.

Auf einem Biochip lässt sich innerhalb kürzester Zeit eine Probe auf das Vorhandensein einer Vielzahl nachzuweisender Moleküle überprüfen.On a biochip lets within the shortest possible time Time a sample for the presence of a variety to be detected Check molecules.

Zum Prozessieren ist der Biochip im Probenraum einer Kartusche eingeschlossen, wo er entsprechend der Untersuchungen in definierter Weise beheizt werden kann. Die Einkopplung und Abführung der Wärme in den Reaktionsraum kann auf unterschiedliche Arten erfolgen, wie zum Beispiel durch interne oder externe Widerstandsheizung, interne Induktionsschleifen oder -flächen, durch Wasserkühlung und -heizung, durch Reibung, durch Bestrahlung mit Licht, insbesondere IR-Licht, über externe Mikrowellenstrahlung, durch Luftkühlung und/oder -heizung, durch Reibung, durch Temperaturstrahler sowie durch Peltierelemente einzubringen.To the Processing, the biochip is enclosed in the sample space of a cartridge, where he heated according to the investigations in a defined manner can be. The coupling and removal of heat in the reaction space can be done in different ways, such as by internal or external resistance heating, internal induction loops or Areas, by water cooling and heating, by friction, by irradiation with light, in particular IR light, over external microwave radiation, by air cooling and / or heating, through Friction, by thermal radiators and by Peltier elements bring.

Zum schnelleren Abkühlen eines beheizten Prozessraumes, wie zum Beispiel der Reaktionskammer einer AP-Kartusche, sind verschiedene Kühleinrichtungen bekannt.To the faster cooling a heated process space, such as the reaction chamber an AP cartridge, various cooling devices are known.

So wird die Kühlung der Reaktionskammer über Luftstrom (Raumluft oder Druckluft), direkt auf eine Wand des Reaktionsgefäßes geblasen, z.B. erzeugt mit 12V-Radiallüfter. Einsatz u.a. bei den Biochip-bestückten AP-Kartuschen (Assay Processor) in den POC-Reader, wie sie zum Beispiel in der WO 05108604 A2 beschrieben ist. Die Abkühlung der Prozesseinheit kann bevorzugt auch dadurch erreicht werden, dass der die Prozesseinheit umgebende Raum permanent auf einer erniedrigten Temperatur temperiert und die Kartusche dadurch passiv gekühlt wird. Bekannt sind auch die Kühlung durch eine an einer Reaktionskammer anliegenden gut wärmeleitenden Platte (Keramik oder Metall) durch Anblasen mit einem Lüfter (Raumluft), wobei die Wände der Reaktionskammer nur aus einer dünnen Kuststofffolie bestehen (Cephied, SmartCycler).Thus, the cooling of the reaction chamber via air flow (room air or compressed air), blown directly onto a wall of the reaction vessel, generated for example with 12V radial fan. Use among others in the biochip-equipped AP cartridges (Assay Processor) in the POC reader, as for example in the WO 05108604 A2 is described. The cooling of the process unit can preferably also be achieved by permanently tempering the space surrounding the process unit at a reduced temperature and thereby passively cooling the cartridge. Also known are the cooling by a good thermally conductive plate (ceramic or metal) applied to a reaction chamber by blowing with a fan (room air), the walls of the reaction chamber consist only of a thin Kuststofffolie (Cephied, SmartCycler).

Bekannt sind weiter Kühlung/Heizung eines Metallblockes mit Peltierelementen, wobei in dem Metallblock eine komplette Mikrotiterplatte mit Tubes steckt (einzelne Tubes, Streifen). Die konischen Tubes tauchen dabei in entsprechend geformte Bohrungen im Metallblock für maximal mögliche Berührungsfläche ein. Zu finden ist diese Technologie in den meisten Thermocyclern (z.B. Eppendorf, Biometra, Labtech).Known are further cooling / heating a metal block with Peltier elements, wherein in the metal block a complete microtiter plate with tubes is inserted (individual tubes, Stripes). The conical tubes dive into correspondingly shaped Holes in the metal block for maximum possible Touchpad on. This technology can be found in most thermal cyclers (e.g. Eppendorf, Biometra, Labtech).

Analog dazu wird bei RotorGene der Metallblock mit den Tubes über Luftstrom gekühlt. Kühlung/Heizung können auch durch abwechselndes Andrücken eines Metallblockes mit Tubes oder Mikrotiterplaten an andere verschieden temperierte Metallblöcke erfolgen. Die den Block mit den Proben umgebenden Metallblöcke werden entsprechend auf die Temperaturen geregelt, die für die biologischen Prozesse nötig sind.Analogous At RotorGene, the metal block with the tubes is air-flowed cooled. Cooling / heating can also by alternating pressing a metal block with tubes or microtiter plates to others different tempered metal blocks respectively. The metal blocks surrounding the block with the samples become according to the temperatures regulated for the biological processes are necessary.

Weiterhin sind in diesem Zusammenhang die Kühlung/Heizung der Probenflüssigkeit beim Durchfließen von dünnen Kapillaren, Röhrchen oder Schläuchen, die sich in unterschiedlich temperierten Umgebungen befinden (Flüssigkeiten, Luft, Metallblöcke etc.) bekannt.Farther are in this context the cooling / heating of the sample liquid when flowing through of thin Capillaries, tubes or hoses, which are in different tempered environments (liquids, Air, metal blocks etc.).

Nachteile mancher dieser bekannten Einrichtungen sind unter anderem ungenügende Kühlraten, hoher technischer und finanzieller Aufwand bei der Realisierung, hoher Energieeinsatz und/oder nicht reproduzierbare Kühlraten.disadvantage Some of these known devices are, inter alia, insufficient cooling rates, high technical and financial effort in the realization, high energy input and / or non-reproducible cooling rates.

Das Abkühlen eines Körpers über vorbeistreichende kühlere Luft ist generell sehr viel träger, als durch Berührung mit einem kühleren festen Körper oder flüssigen Medium.The cooling down of a body passing by cooler Air is generally very sluggish, as by touch with a cooler solid body or liquid Medium.

Um ähnlich schnell kühlen zu können, muss die Luft mit hoher Geschwindigkeit und möglichst frontal auf den Körper geblasen werden (z.B. Druckluft aus Düsen).To be similarly fast cool to be able to the air must be blown on the body at high speed and as frontally as possible (e.g., compressed air from nozzles).

Die technische Umsetzung der Druckluftbereitstellung in einem portablen Gerät bei angestrebter Unabhängigkeit von Druckluft-Hausnetzen ist mit wesentlich höherem Aufwand verbunden, als wenn andere Kühlprinzipien eingesetzt würden (z.B. Peltier-Elemente).The technical implementation of compressed air supply in a portable Device at aspired independence Compressed air home networks is associated with much higher cost than if other cooling principles would be used (e.g., Peltier elements).

Dies gilt besonders dann, wenn Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur angestrebt sind, die Druckluft demnach auch noch gekühlt werden müsste.This especially applies when temperatures below ambient temperature are sought, the compressed air therefore also be cooled would.

Bei der Kühlung über Berührung mit einem kühleren (aktiv gekühlten) Körper (oder Medium)

  • – muss ein dauerhafter Kontakt des Probenraumes mit einem beheizbaren/kühlbaren Körper/Medium während des gesamten Prozesses hergestellt werden, um den zu temperierenden Körper abwechselnd exakt auf die unterschiedlichen benötigten Temperaturen zu heizen/kühlen, oder
  • – es müssen mehrere exakt auf die verschiedenen Zieltemperaturen gebrachte Körper/Medien abwechselnd mit dem Probenraum in Berührung gebracht werden.
When cooling by contact with a cooler (actively cooled) body (or medium)
  • - A permanent contact of the sample chamber with a heatable / coolable body / medium must be made during the entire process in order to heat / cool the body to be tempered alternately exactly to the different temperatures required, or
  • - There must be several exactly on the different NEN target temperatures brought body / media are alternately brought into contact with the sample space.

Bei der ersten Variante braucht man wegen der thermischen Trägheit des beheizbaren/kühlbaren Körpers/Mediums und dem ständigen Wechsel zwischen Heizen und Kühlen sehr viel Energie, um die gewünschte Dynamik zu erreichen.at The first variant is needed because of the thermal inertia of the heatable / coolable body / medium and the permanent Change between heating and cooling a lot of energy to the desired To achieve dynamics.

Beim Heizen und Kühlen mit Peltierelementen bedeutet das, falls die gewünschte Schnelligkeit überhaupt wegen der zu sätzlichen Trägheit der Peltiers beim Umpolen erreichbar ist, einen extrem hohen Stromverbrauch.At the Heating and cooling with Peltier elements that means, if the desired speed at all because of the additional inertia the Peltiers at Umpolen is reached, an extremely high power consumption.

Bei Variante 2 ist die Kühlung mit einem auf Zieltemperatur geregelten Körper am Anfang zwar schnell, wird aber immer langsamer, je näher sich die Ist-Temperatur der Zieltemperatur nähert, je geringer also der Temperaturunterschied der beiden Körper ist. Bis die Zieltemperatur also tatsächlich erreicht ist, können viele Sekunden verstrichen sein, was sich bei den üblicherweise nur Sekunden dauernden Haltezeiten pro Temperaturschritt und den vielen Wiederholungen bei manchen biologischen Prozessen schnell zu Minuten aufsummiert.at Variant 2 is the cooling with a target temperature controlled body at the beginning though quickly, but gets slower, the closer the actual temperature approaches the target temperature, the lower the so Temperature difference of the two bodies is. Until the target temperature So in fact is reached many seconds have passed, which is usually the case only seconds holding time per temperature step and the many repetitions in some biological processes quickly summed up to minutes.

Die Temperatursteuerelemente eines Probenraumes sind wegen der verwendeten Materialien (Silizium usw.) und des Aufbaus sehr teuer. Der Aufbau des Probenraumes aus Deckglas, Dichtung und Silizium-Heizelement ist sehr aufwendig.The Temperature control elements of a sample chamber are because of the used Materials (silicon, etc.) and the structure very expensive. The structure of the sample chamber made of cover glass, seal and silicon heating element is very expensive.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Temperatursteuerung und ein Verfahren zu schaffen, womit die Kosten für einen neuen Assay-Prozessor deutlich sinken, der flexibel im Einbau ist, sowie ein Verfahren des zur Temperierung des Probenraumes verwendeten Reglers zu schaffen.task The present invention is therefore a temperature control and to create a procedure with which the cost of a new assay processor drops significantly, which is flexible in installation, and a method of temperature control of the sample space used To create regulator.

Die Aufgabe wird durch den Einsatz einer flexiblen Leiterplatte (Ausführungsbeispiel gemäß 1) gelöst, wobei die Heizung über einen ohmschen Widerstand eines sehr dünnen Leiterzuges realisiert werden kann. In besonderer Ausführung wird eine doppelseitig beschichtete flexible Leiterplatte verwendet, in die die Wärmeverteilungskomponenten integriert sind.The object is achieved by the use of a flexible printed circuit board (embodiment according to 1 ), wherein the heating can be realized via an ohmic resistance of a very thin conductor cable. In a special embodiment, a double-sided coated flexible printed circuit board is used, in which the heat distribution components are integrated.

In vorteilhafter Weise wird der Heizstrom gleichzeitig zur Messung der Temperatur des Probenraumes verwendet.In Advantageously, the heating current is simultaneously for measurement the temperature of the sample space used.

Die flexible Leiterplatte wird nicht von außen an den Probenraum angebaut, sondern sie ist Bestandteil des Probenraumes.The flexible PCB is not attached to the sample room from the outside, but it is part of the sample room.

Die Flexibilität der Leiterplatte wirkt sich auch vorteilhaft bei der Gestaltung der Außenform- und Strukturgestaltung, sowie bei dessen Einbau und beim so genannten Stößeln mit Kühl- oder Temperierelementen aus, die Gegenstand weiterer Erfindungen des Anmelders sind.The flexibility The circuit board also has an advantageous effect on the design the outer mold and structural design, and in its installation and the so-called Pounding with Cooling or Tempering, which is the subject of further inventions of Applicants are.

Die Kammerwand des Probenraumes wird statt von dem bisherigen teuren Silizium-Chip mit aufwendig gefertigten separaten Heiz- und Sensorstrukturen von einer speziell konstruierten flexiblen Leiterplatte gebildet. Diese besteht, wie allgemein üblich, in einer Ausführung aus einer sehr dünnen Kunststofffolie (z.B. 0,1 mm dick, Material Polyimid o.ä.) mit einer oder zwei übereinanderliegenden Kupferlagen.The Chamber wall of the sample room is held instead of the previous expensive Silicon chip with elaborately manufactured separate heating and sensor structures formed by a specially designed flexible printed circuit board. This consists, as usual, in one execution from a very thin one Plastic film (e.g., 0.1 mm thick, polyimide material or the like) with a or two superimposed ones Copper layers.

In der dem Probenraum abgewandten Kupferschicht ist eine mäanderförmige Struktur aus sehr dünnen Leiterbahnen eingeätzt, die zweite Lage auf der Probenraumseite ist eine durchgehende Kupferschicht zur besseren Wärmeverteilung (diese kann u.U. auch entfallen).In the copper layer facing away from the sample space is a meander-shaped structure from very thin Conductor tracks etched, the second layer on the sample chamber side is a continuous copper layer for better heat distribution (this may also be omitted).

Durch eine speziell entwickelte Elektronik wird der Mäander sowohl als Heizung, als auch als Sensor verwendet und nach einer Kalibrierung gezielt auf bestimmte Temperaturen geheizt.By A specially developed electronics will meander the meander as well as heating also used as a sensor and targeted after a calibration heated certain temperatures.

Mit der flexiblen Leiterplatte lassen sich noch bessere Kühlraten erreichen und man kann z.B. gegen einen angedrückten Kühlstößel noch weiter hochheizen, bei gleichzeitig geringerem Aufheizen des Kühlstößels hinter der Andruckfläche.With The flexible PCB allows even better cooling rates and you can e.g. continue to heat up against a pressed-on cooling plunger, at the same time less heating of the cooling plunger behind the pressure surface.

Außerdem wird z.B. deutlich weniger Kraft für das Stößeln zur Bildaufnahme benötigt, wodurch auch der Antrieb eines Kühlstempels oder einer Temperiereinheit kleiner und preiswerter gestaltet werden kann. Zudem besteht damit eine deutlich geringere Bruchgefahr.In addition, will e.g. significantly less power for the pestle to Image acquisition needed, which also drives a Kühlstempels or a tempering can be made smaller and cheaper. In addition, there is a much lower risk of breakage.

In erfinderischer Weise kann durch den Einsatz der flexiblen Leiterplatte simultan gemessen und geheizt werden. Es wird kein zusätzliches Messintervall mit eigenem Messstrom benö tigt. Der Heizstrom wird zugleich als Messstrom verwendet. Sie hat nur eine geringe Wärmeaufnahme, geringere Wärmekapazität des Probenraumes und deshalb bessere Kühlraten.In inventive way can by the use of the flexible circuit board be measured and heated simultaneously. It will not be additional Measuring interval with own measuring current needed. The heating current is at the same time used as measuring current. It has only a low heat absorption, lower heat capacity of the sample space and therefore better cooling rates.

Sie ist außerdem variabel bezüglich der äußeren Form und bei Form des Heizers und schließlich für den speziellen Einbau gestaltbar. Der thermische Kontakt zur Probe kann verbessert werden.she is also variable with regard to the outer shape and in the form of the heater and finally customizable for the specific installation. The thermal contact with the sample can be improved.

Die Erfindung beinhaltet auch ein Verfahren zur Steuerung der Temperatur des Probenraumes mit Hilfe der flexiblen Leiterplatte. In 2 ist der Algorithmus zur Temperaturmessung des Probenraumes angegeben.The invention also includes a method for controlling the temperature of the sample space by means of the flexible printed circuit board. In 2 the algorithm for measuring the temperature of the sample space is given.

Der Algorithmus ist prinzipiell auch zur Verwendung bei klassischen Verfahren mit einem Silizium-Chip geeignet.Of the Algorithm is in principle also for use in classical Method suitable with a silicon chip.

Claims (6)

Einrichtung zur Steuerung eines Temperaturprofils in einem Prozessraum, insbesondere für Reaktionskammern einer Assay-Prozessor-Kartusche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Heizung und Messung eine flexible Leiterplatte verwendet wird, die Bestandteil des Prozessraumes ist.Device for controlling a temperature profile in a process space, in particular for reaction chambers of an assay processor cartridge, characterized in that for heating and measuring a flexible printed circuit board is used, which is part of the process space. Einrichtung zur Steuerung eines Temperaturprofils in einem Prozessraum, insbesondere für Reaktionskammern einer Assay-Prozessor-Kartusche, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Leiterplatte aus Kunststoff oder einer Kunststofffolie besteht, die separate Heiz- und Sensorstrukturen enthält.Device for controlling a temperature profile in a process space, in particular for reaction chambers of an assay processor cartridge Claim 1, characterized in that the flexible printed circuit board Made of plastic or a plastic film, the separate Contains heating and sensor structures. Einrichtung zur Steuerung eines Temperaturprofils in einem Prozessraum, insbesondere für Reaktionskammern einer Assay-Prozessor-Kartusche, nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Leiterplatte eine doppelseitig beschichtete Leiterplatte ist.Device for controlling a temperature profile in a process space, in particular for reaction chambers of an assay processor cartridge the claims 1 and 2, characterized in that the flexible printed circuit board a double-sided printed circuit board is. Verfahren zur Steuerung eines Temperaturprofils in einem Prozessraum, insbesondere für Reaktionskammern einer Assay-Prozessor-Kartusche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Heizung des Prozessraumes und Messung der Prozessraumtemperatur eine flexible Leiterplatte verwendet wird.Method for controlling a temperature profile in a process space, in particular for reaction chambers of an assay processor cartridge, characterized in that for heating the process space and measurement the process space temperature a flexible printed circuit board is used. Verfahren zur Steuerung eines Temperaturprofils in einem Prozessraum, insbesondere für Reaktionskammern einer Assay-Prozessor-Kartusche, nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Heizung und Messung der Prozessraumtemperatur simultan erfolgen.Method for controlling a temperature profile in a process space, in particular for reaction chambers of an assay processor cartridge after Claim 4, characterized in that heating and measuring the Process chamber temperature simultaneously. Verfahren zur Steuerung eines Temperaturprofils in einem Prozessraum, insbesondere für Reaktionskammern einer Assay-Prozessor-Kartusche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung und Steuerung der Prozessraumtemperatur nach einem speziellen Algorithmus gemäß 2 erfolgt.Method for controlling a temperature profile in a process space, in particular for reaction chambers of an assay processor cartridge, characterized in that the measurement and control of the process space temperature according to a special algorithm according to 2 he follows.
DE200610030379 2006-06-27 2006-06-27 Device for controlling a temperature profile in a process chamber for a reaction chamber of an assay processor cartridge, comprises a double-side coated, flexible printed circuit board for heating and measuring Withdrawn DE102006030379A1 (en)

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