DE102006031223B3

DE102006031223B3 - Schütteleinrichtung und Verfahren zum Homogenisieren und/oder Aufschließen von Proben

Info

Publication number: DE102006031223B3
Application number: DE102006031223A
Authority: DE
Inventors: Matthias Arndt; Timo Hillebrand
Original assignee: AJ Cybertron Gesellschaft fuer Laborautomationssysteme mbH
Current assignee: Analytik Jena Gmbh+co Kg De
Priority date: 2006-06-30
Filing date: 2006-06-30
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2026-07-01

Abstract

Es wird eine Schütteleinrichtung zum Homogenisieren und/oder Aufschließen von in Gefäßen eingeschlossenen Proben, insbesondere biologischen Proben, mit einem Gestell zur Aufnahme der Gefäße, das mit einer Antriebsvorrichtung zum Ausführen einer vertikalen Bewegung verbunden ist, vorgeschlagen. Die Antriebsvorrichtung weist eine Tauchspulenanordnung mit einem feststehenden und einem beweglichen Teil auf und das Gestell ist mit dem beweglichen Teil der Tauchspulenanordnung verbunden. Dabei ist die Tauchspulenanordnung als Lautsprecher ausgebildet oder weist eine geführte membranlose Tauchspule auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schütteleinrichtung und ein Verfahren zum Homogenisieren und/oder Aufschließen von in Gefäßen eingeschlossenen Proben, insbesondere von biologischen Proben.
Zum Homogenisieren und/oder Aufschließen von üblicherweise biologischen Proben sind Schüttel- oder Vibrationseinrichtungen allgemein bekannt, die die in Röhrchen oder dergleichen aufgenommenen Proben in Bewegung versetzen und dabei homogenisieren oder auch aufschließen. Eine solche Vorrichtung ist aus der WO 2004/012851 A2 bekannt, bei der die Röhrchen oder Tubes in eine ringförmige Trägerplatte eingehängt und befestigt werden, wobei konzentrische Kugellager diesen Trägerring in einer Krone montieren, die elastisch in einem Gestell aufgehängt ist. Die Lager umfassen zwei Kugellager, die ineinander montiert sind.
Diese Vorrichtung ermöglicht, dass die Röhrchen mit den Proben einer alternierenden krummlinigen Bewegung mit erhöhter Frequenz unterworfen werden. Allerdings weist diese Vorrichtung einen kompliziert Aufbau auf und ist daher recht kostenaufwendig.
Eine weitere Schütteleinrichtung zum Aufschließen von Proben ist aus der US 2002/0044495 A1 bekannt. Bei dieser schwingt ein metallischer Kern innerhalb einer Spule, wobei der Kern mit einer Platte verbunden ist, auf welcher ein Gestell zur Aufnahme von Gefäßen vorgesehen ist. Allerdings ist der schwingende Kern der Anordnung schwer, was zu einem erhöhten Energiebedarf führt und wirtschaftlich ungünstig ist. Des Weiteren sind die Gefäße fest im Gestell fixiert, so dass die Bewegung des schwingenden Kerns 1:1 auf die Gefäße übertragen wird. Dies führt zu einer regelmäßigen Bewegung der Proben, was die Aufschlussdauer erhöht.
Eine Lösung für das Problem der Wirtschaftlichkeit wird beispielsweise in der WO 91/04801 A1 gezeigt. Hierbei schwingt nicht der metallische Kern, sondern die Spule selbst, so dass der zu bewegende Teil der Schütteleinrichtung weniger Gewicht aufweist und somit eine verbesserte Energieeffizienz erreicht wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schütteleinrichtung und ein entsprechendes Verfahren zum Homogenisieren und/oder Aufschließen von in Gefäßen eingeschlossenen Proben, insbesondere biologischen Proben zu schaffen, die einfach im Aufbau und daher kostengünstig herzustellen ist und die eine schnelle und effiziente Homogenisierung und einen entsprechenden Probenaufschluss gestattet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vor richtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
Dadurch, dass die Antriebsvorrichtung zum Ausführen einer Bewegung mit senkrechter Richtungskomponente der erfindungsgemäßen Schütteleinrichtung eine Tauchspulenanordnung mit einem feststehenden und einem beweglichen Teil aufweist und dass das Gestell zur Aufnahme von Proben mit dem beweglichen Teil der Tauchspulenanordnung verbunden ist, wird ein konstruktiv einfaches Mittel zur Bewegung der Proben zur Verfügung gestellt.
Das Gestell weist Anschlagelemente auf, die eine relative Bewegung der Gefäße mit den Proben zu der des beweglichen Teils der Tauchspulenanordnung zu lassen, wobei die Anschlagelemente die Endlagen der Bewegung der Gefäße vorgeben. Durch diese Maßnahmen wird ein komplexes Wechselspiel von sich überlagernden Bewegungen und kinematischen Impulsen ermöglicht, die eine hoch effiziente Homogenisierung und einen effizienten Aufschluss der eingesetzten biologischen Proben gestattet. Durch die an sich bekannte Verwendung von Kugeln oder Beads in den Probengefäßen wird die Wirkung noch erhöht, so dass die gesamte Einrichtung so effizient ist, dass eine Zerstörung der Integrität hochkomplexer Proben wie Gewebe- oder Pflanzenmaterial problemlos und schnell erfolgt. So kann der Aufschluss komplexer biologischer Proben in weniger als 5 Minuten, teilweise in weniger als 1 Minute erreicht werden.
Die Einrichtung besticht durch ihre konstruktive Einfachheit im Vergleich zu bekannten Homogenisatoren oder Aufschlussmühlen nachdem Stand der Technik und ermöglicht einen schnellen und wirksamen Probenaufschluss als essenziell wichtigen Schritt für die molekulare Probenvorbereitung. Darüber hinaus gestattet die parallele Bearbeitung von mindestens 12 Proben kombiniert mit der nur kurzen Probenaufschlusszeit auch die Behandlung von großen Probenumfängen.
Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.
Besonders vorteilhaft ist, dass die Tauchspulenanordnung als Lautsprecher ausgebildet ist, wobei das Gestell mit der Membran des Lautsprechers verbunden ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung ist die mit einer membranlosen Tauchspule, wobei ein Magnetsystem in bekannter Weise für die Erzeugung eines Magnetfeldes zur vertikalen Bewegung der Tauchspule und ein Magnetsystem zum Halten der Tauchspule in einer Mittelstellung vorhanden sind.
Besonders vorteilhaft ist, dass die Tauchspulenanordnung mit einer Sinusspannung mit Netzfrequenz gespeist wird, wobei der bewegliche Teil der Tauchspulen, beispielsweise die Membran des Lautsprechers eine schnelle vertikale hin- und hergehende Bewegung mit einem Hub von beispielsweise 20 mm ausführen kann.
Das Gestell ist vorteilhafterweise in Leichtbauweise unter Verwendung von Karbonmaterial hergestellt.
Ausführungsbeispiele der Vorrichtung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 einen schematischen Schnitt durch eine Schütteleinrichtung unter Verwendung eines Lautsprechers,
2 eine Aufsicht auf die Schütteleinrichtung und
3 einen schematischen Schnitt durch eine Schütteleinrichtung unter Verwendung einer membranlosen Tauchspule.
Die in 1 und 2 teilweise schematisch dargestellte Schütteleinrichtung umfasst als wesentliche Bestandteile eine Lautsprecheranordnung 1, die hier lediglich schematisch dargestellt ist, ein Gestell 2 zur Aufnahme von Proben 5 und eine einen Transformator aufweisende Spannungsversorgung 3, wobei die Lautsprecheranordnung und die Spannungsversorgung 3 und teilweise das Gestell 2 in einem Gehäuse 7 aufgenommen ist.
Die Lautsprecheranordnung weist in bekannter Weise als beweglichen Leiter eine Schwingspule auf, die schwingfähig aufgehängt in einen Topfmagneten hineintaucht, wobei unmittelbar an der Schwingspule eine Membran befestigt und elastisch eingespannt ist. Diese Anordnung kann auch als Tauchspulenanordnung bezeichnet werden.
Die nicht dargestellte Schwingspule ist mit der Spannungsversorgung 3 verbunden, wobei der zugehörige Transformator beispielsweise mit einer Netzspannung von 230 V und 50 Hz versorgt wird und diese Netzspannung beispielsweise auf ca. 20 V, 50 Hz herunter transformiert.
Mit der Membran der Lautsprecheranordnung 1 ist das Gestell 2 zur Aufnahme der Proben 5 fest verbunden, das eine untere Anschlagplatte 8 und eine obere Anschlagplatte 9 sowie zwei Zwischenplatten 10 aufweist, wobei die Platten durch stiftartige Befestigungselemente 11 zueinander ortsfest verspannt sind. Die Zwischenplatten 10, die ebenso wie die Anschlagplatten 8, 9 ringförmig ausgebildet sind, weisen lochartige Durchbrüche für die Aufnahme von rohrförmigen Gefäßen (Tubes) 5 auf, die das zu homogenisierende oder aufzuschließende Material beinhalten. Die untere Anschlagplatte 8 ist, wie schon ausgeführt, fest mit der Membran der Lautsprecheranordnung 1 verbunden und die obere Anschlagplatte 9 lässt sich bajonettartig in die Befestigungselemente 11 einklinken, wobei zwischen den Proben 5, d.h. den oberen Rand der Gefäße im Ruhezustand und der oberen Anschlagplatte 9 ein Abstand 4 vorhanden ist, der beispielsweise 5 mm betragen kann. Die Proben 5 sind in dem Gestell 2 in senkrechter Richtung frei beweglich, werden aber durch die Zwischenplatten 10 seitlich fixiert, so dass sie nicht seitlich ausweichen können. vorzugsweise enthalten die Gefäße der Proben 5 Kugeln 6, die als Beads bezeichnet werden und aus Keramik oder Glas bestehen, und die in unterschiedlichen Mengen, Formen oder Größen vorgesehen sein können.
Für den Aufschluss oder Homogenisierungsvorgang werden die Proben 5 in das Gestell 2 eingesetzt, wobei die obere ringförmige Abdeckplatte 9 entfernt ist. Das Gestell kann beispielsweise zwölf Proben 5 aufnehmen, wobei das Gesamtgewicht von Gestell und Proben beispielsweise, je nach Menge und Füllstand der Proben, zwischen 20 und 60 g betragen kann. Das Ge stell 2, das wie zu erkennen ist, in Leichtbauweise ausgeführt ist, ist zumindest teilweise aus Carbon hergestellt.
Nach Einsetzen der Proben 5 wird die obere Abdeckplatte 9 aufgesetzt, leicht gedreht und eingeklinkt, so dass die Proben nicht herausschießen können. Dann wird die Spannungsversorgung 3 eingeschaltet, wodurch die nicht dargestellte Schwingspule mit Spannung versorgt wird und die Membran der Lautsprecheranordnung 1 und somit das Gestell 2 führen eine wechselnde Bewegung in vertikaler Richtung aus, wobei der Hub ca. 20 mm beträgt. Die Gefäße der Proben 5 werden dabei aus der unteren Endlage, die durch die untere Anschlagplatte 8 vorgegeben wird, nach oben beschleunigt und wenn die maximale Auslenkung der Membran erreicht wird, kehrt sich die Hubrichtung des Gestells 2 um, wobei jedoch die Gefäße der Proben 5 weiter nach oben beschleunigt werden, bis sie an die obere Anschlagplatte 9 anschlagen und gleichfalls die Bewegungsrichtung ändern. Aufgrund des derartigen Bewegungsablaufs mit der abrupten Änderung der Bewegungsrichtung entstehen sehr hohe Beschleunigungen, wobei diese sehr schnelle Bewegungsänderung annähernd in einer unendlich kleinen Zeit geschieht. Damit ist die Beschleunigung, die auf die Proben 5 bzw. auf deren Gefäße wirkt, eine gegen unendlich gehende Größe. Die Probengefäße erfahren diese Beschleunigung wechselseitig hundertmal in der Sekunde. Durch die beschriebene sehr schnelle wechselnde Vertikalbewegung des Gestells 2 und auch der Proben 5 bewegen sich auch die in den Gefäßen vorhanden Kugeln 6, die aufgrund der Trägheit der Masse ein zu dem Gestell, dem Gefäß und dem Material der Proben 5 unterschiedliches dynamisches Verhalten zeigen, und schlagen gegeneinander, gegen die Wände der Gefäße sowie gegen deren Deckel und Boden. Durch dieses komplexe Wechselspiel der sich überlagernden Bewegungen und der kinematischen Impulse wird das in den Proben vorhandene Material homogenisiert und die Integrität des Gewebe- oder Pflanzenmaterials wird zerstört und es wird der Aufschluss erreicht. Das homogenisierte und ihrer Integrität zerstörte biologische Material wird nachfolgend in weiteren Verfahrensprozessen, beispielsweise für die Isolierung und Aufreinigung von Nukleinsäuren eingesetzt.
In dem obigen Ausführungsbeispiel wurde eine Lautsprecheranordnung mit Membran als Antriebsvorrichtung für das Gestell der Proben verwendet. Selbstverständlich können andere Konstellationen, die auf dem Prinzip des elektrodynamischen Wandlers basieren, verwendet werden.
In 3 ist eine geführte Tauchspule 20 ohne Membran dargestellt, mit der das Gestell 2 verbunden ist, d.h. die Tauchspule ist an einer Plattform 21 festgelegt, auf der das Gestell 2 ruht und befestigt ist. Die Plattform 21 ist fest mit einem Führungsdorn 22 verbunden, der über Buchsen 23 in einer feststehenden Anordnung aus Rückschlusszylinder 24, einer mit letzterem verbundenen Magnetsäule 25 und einem Kern 26 geführt ist. Die Tauchspule 20 ist zwischen Rückschlusszylinder 24 und Kern 26 bzw. Magnetsäule vertikal frei beweglich angeordnet.
Auf dem Führungsdorn 22 ist ein weiterer Magnet 27 befestigt, wobei das untere Ende des Führungsdorns 22 zusammen mit dem Magneten 27 in einen Ringkerntransformator 28 hineinragen, der mit der oben erwähnten feststehenden Anordnung bzw. dem Rückschlusszylinder 24 verbunden ist. Zwei weitere Magnete 29 und 30 sind oberhalb und unterhalb des Magneten 27 fest an der feststehenden Anordnung befestigt, wobei die Magnetkraft des unteren Magneten 30 größer ist als die des Magneten 29. Die Magnete 27, 29 und 30 bilden ein System zur Positionierung der Tauchspule 20, d.h. sie halten diese in der Mittelstellung. Die Magnete sind so gepolt, dass Magnet 30 und 29 den Magneten 27 abstoßen. Rückschlusszylinder 24, Magnetsäule 25 und Kern 26 liefern das für die Funktion der Tauchspule 20 notwendige Magnetfeld.
Die Funktionsweise dieser Tauchspulenanordnung ist die gleiche wie die, die in Zusammenhang mit der Ausführung mit Lautsprecher beschrieben wurde.

Claims

Schütteleinrichtung zum Homogenisieren und/oder Aufschließen von in Probengefäßen eingeschlossenen Proben, insbesondere biologischen Proben, mit einem Gestell zur Aufnahme der Probengefäße, das Aufnahmen mit seitlicher Führung für die Probengefäße aufweist und mit einer Antriebsvorrichtung zum Ausführen einer vertikalen Bewegung verbunden ist, wobei die Antriebsvorrichtung eine Tauchspulenanordnung (1) mit einem feststehenden Topfmagneten und einer schwingfähig aufgehängten Schwingspule aufweist, die in den Topfmagneten eintaucht, wobei das Gestell (2) mit der Schwingspule verbunden ist und die Aufnahmen für die Probengefäße Anschlagelemente (8, 9) aufweisen, wobei die verwendeten Probengefäße so ausgebildet sind, dass die Anschlagelemente (8, 9) eine relative vertikale Bewegung der Probengefäße zu der Bewegung des Gestells (2) zulassen, und die dem Gestell (2) zugeordneten Probengefäße teilweise mit Kugeln (6), vorzugsweise aus Glas oder Keramik, gefüllt sind.
Schütteleinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Tauchspulenanordnung als Lautsprecher ausgebildet ist, wobei das Gestell (2) mit der Membran des Lautsprechers (1) verbunden ist.
Schütteleinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Tauchspulenanordnung eine geführte membranlose Tauchspule (20) aufweist, wobei ein Magnetsystem (24, 25, 26) für die Erzeugung des Magnetfeldes für die Funktion der Tauchspule und ein zweites Magnetsystem (27, 29, 30) zum Halten der Tauchspule in ihrer Mittelstellung vorhanden sind.
Schütteleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Anschlagelemente (8, 9) die Endlagen der Gefäße vorgeben.
Schütteleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Anschlagelemente (8, 9) ringförmig ausgebildet sind.
Schütteleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die dem Gestell zugeordneten Gefäße rohrförmig mit lösbarem Verschluss ausgebildet sind.
Schütteleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eines der Anschlagelemente (9) lösbar an dem Gestell (2) befestigt ist.
Schütteleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Tauchspulenanordnung (1) mit einer Spannungsversorgung (3) verbunden ist, die vorzugsweise eine Sinusspannung mit Netzfrequenz liefert.
Verfahren zum Homogenisieren und/oder Aufschließen von in Gefäßen eingeschlossenen Proben, insbesondere biologischen Proben, bei dem mittels einer Tauchspulenanordnung, die mit einer Sinusspannung gespeist wird, auf die Proben eine wechselnde vertikale Bewegung aufgebracht wird, wobei die Proben aus einer ersten Endlage bis zu einer zweiten Endlage beschleunigt, abrupt in der Bewegungsrichtung geändert und wieder bis zur ersten Endlage beschleunigt werden, wobei die Probengefäße so ausgebildet sind, dass sie relativ zu dem Gestell vertikal bewegbar sind und wobei die Probengefäße teilweise mit Kugeln, vorzugsweise aus Glas oder Keramik, gefüllt sind.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Beschleunigung wechselseitig mit 50 Hz auf die Proben aufgebracht wird.