DE102008023299A1

DE102008023299A1 - Aufnahme für eine Probe

Info

Publication number: DE102008023299A1
Application number: DE102008023299A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr. Nurnus; Axel Schubert; Fritz Volkert; Daniel HÖFERLIN
Original assignee: Micropelt GmbH
Current assignee: MICROPATENT B.V., NL
Priority date: 2008-05-08
Filing date: 2008-05-08
Publication date: 2009-11-19
Also published as: EP2274100A2; WO2009135943A3; WO2009135943A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Aufnahme für eine Probe, wobei die Aufnahme mindestens ein Peltierelement (4) zum Temperieren der Probe (5) aufweist, das in eine Wandung (3) der Aufnahme (1) integriert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Aufnahme für eine Probe nach Anspruch 1.
Es ist zum Beispiel aus der US 5 525 300 bekannt, Aufnahmen in Form von Behältern, die zur Aufnahme einer chemischen oder biologischen Probe dienen, an einem Heizblock anzuordnen, um die in den Behältern befindlichen Proben auf eine gewünschte Temperatur zu bringen.
Das von der Erfindung zu lösende Problem besteht darin, die Genauigkeit der Temperierung zu verbessern und das Einstellen auf die gewünschte Temperatur zu beschleunigen.
Dieses Problem wird durch die Aufnahme mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Danach wird eine Aufnahme für eine Probe bereitgestellt, wobei die Aufnahme mindestens ein Peltierelement zum Temperieren der Probe aufweist, das in eine Wandung der Aufnahme integriert ist.
Die Probe ist insbesondere eine chemische oder biologische Substanz, die in fester oder flüssiger Form vorliegen kann. Insbesondere kann es sich bei der Probe um eine nukleinsäurehaltige Substanz handeln und die Aufnahme zur Durchführung der Polymerase- Kettenreaktion ausgebildet sein, d. h. als sog. „Tube”. Die Aufnahme kann beispielsweise aus einem Stück, insbesondere aus einem Kunststoff wie Polyethylen, hergestellt sein.
Insbesondere bei Durchführen einer Polymerase-Kettenreaktion ist wichtig, dass die Probe genau und schnell auf die gewünschte Temperatur gebracht werden kann. Dies wird durch das in die Wandung integrierte Peltierelement erreicht, da durch die Nähe des Peltierelementes zur Probe ein guter Wärmekontakt zwischen dem Peltierelement und der Probe besteht. Mit dem integrierten Peltierelement ist es somit möglich, die Wandstärke der Aufnahme ausreichend dick zu wählen, um ein Ausdiffundieren von Probenmaterial zu vermeiden, ohne dass die dickere Wandung die Temperierung der Probe beeinträchtigt.
Das Peltierelement kann sowohl als Kühl- als auch als Heizelement betrieben werden. Ein Umschalten von Kühl- auf Heizbetrieb und umgekehrt erfolgt insbesondere durch Umpolen der an das Peltierelement angelegten Spannung.
Die Wandung begrenzt die Aufnahme und kann einen Boden der Aufnahme und eine Seitenwand, die vom Boden absteht, umfassen. Das Peltierelement ist z. B. in den Boden und/oder in die Seitenwand integriert. Es können natürlich mehrere Peltierelemente vorgesehen sein, die z. B. sämtlich im Boden oder sämtlich in der Seitenwand angeordnet sind. In einer anderen Variante ist sowohl in den Boden als auch in die Seitenwand jeweils mindestens ein Peltierelement integriert. Die Erfindung umfasst darüber hinaus auch Aufnahmen, die nicht becherförmig ausgebildet sind, sondern eine andere Form (z. B. schalenförmig) aufweisen.
Es sei darauf hingewiesen, dass unter einem „in die Wandung integrierten Peltierelement” auch verstanden wird, dass das Peltierelement nur abschnittsweise von dem Material der Wandung umgeben ist. Beispielsweise kann das Peltierelement mit einem Abschnitt so aus der Wandung herausstehen oder mit der Wandung abschließen, dass es in (physischen) Kontakt mit der in der Aufnahme befindlichen Probe kommt und somit eine direkte Temperierung der Probe ermöglicht. Das Peltierelement kann aber auch im Wesentlichen vollständig von dem Material der Wandung umgeben sein. Um das Peltierelement in die Wandung der Aufnahme zu integrieren kann es z. B. bei Herstellung der Aufnahme in die Wandung eingegossen werden. Dies ist insbesondere möglich, wenn die Aufnahme aus einem Kunststoff gebildet wird.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist das Peltierelement ein mikrotechnologisch (d. h. per Dünnschichttechnologie) erzeugtes Peltierelement. Derartige miniaturisierte Peltierelemente weisen beispielsweise eine Flächenausdehnung von 0,05 mm² bis 100 mm² auf. Die Höhe eines derartigen mikrotechnologisch erzeugten Peltierelementes liegt beispielsweise im Bereich von etwa 100 μm bis 2000 μm, insbesondere 500 μm bis 1100 μm.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung weist die Aufnahme Mittel zum Erzeugen einer homogenen Temperatur in der Probe auf, wobei die Mittel einerseits mit dem Peltierelement und andererseits mit der Probe thermisch gekoppelt sind. Die Mittel erhöhen die Homogenität der in der Probe erzeugten Temperaturverteilung gegenüber einer Temperierung, die ausschließlich durch die integrierten Peltierelemente erfolgt.
Beispielsweise umfassen die Mittel ein in die Wandung integriertes Element, das mit einer größeren Fläche in thermischen Kontakt mit der Probe steht als das integrierte Peltierelement (bzw. die mehreren integrierten Peltierelemente). Insbesondere kann das Element eine Folie aus einem gut wärmeleitfähigen Material, zum Beispiel einem Metall, sein, die einerseits an das Peltierelement angekoppelt ist und andererseits mit einer großen Oberfläche in thermischen Kontakt mit der in der Aufnahme befindlichen Probe steht. Dazu kann die Folie so in der Wandung der Aufnahme angeordnet sein, dass sie mit einer Oberfläche aus der Wandung herausragt. so dass die Oberfläche in unmittelbaren, d. h. physischem, Kontakt mit der Probe in der Aufnahme steht.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Aufnahme eine Mehrzahl von Peltierelementen auf, die entlang eines Umfanges der Aufnahme angeordnet sind. Beispielsweise können die Peltierelemente ringförmig in die Seitenwand der Aufnahme integriert sein, wobei die Abstände zwischen ihnen insbesondere konstant sein können.
Darüber hinaus kann ein umlaufendes Kontaktelement vorgesehen sein, über das die integrierten Peltierelemente elektrisch und/oder thermisch kontaktiert werden können. Beispielsweise kann das Kontaktelement ringförmig ausgestaltet sein und zum Kontaktieren der Peltierelemente auf die (zum Beispiel rotationssymmetrische) Seitenwand der Aufnahme geklemmt werden.
Des Weiteren kann die Aufnahme in seinem oberen Bereich ein Heizelement aufweisen, das den oberen Seitenwandbereich der Aufnahme beheizt, um dort die Bildung von Kon densat zu vermeiden. Der „obere Bereich” ist der Bereich der Aufnahme, in dem eine Öffnung zum Einfüllen der Probe vorgesehen ist.
Anstelle oder zusätzlich zu dem Heizelement kann auch ein Peltierelement oder es können mehrere Peltierelemente im oberen Bereich der Aufnahme angeordnet werden. Die Peltierelemente können insbesondere so betrieben werden, dass ein Temperaturgradient im oberen Bereich der Aufnahme erzeugt wird, um die Bildung von Kondensat zu verhindern.
Allgemein können mindestens zwei Peltierelemente so an der Aufnahme angeordnet und betrieben werden, dass ein Temperaturgradient in der Probe erzeugbar ist. Insbesondere können die Peltierelemente unterschiedlich betrieben werden, d. h. mit unterschiedlicher Heiz- bzw. Kühlwirkung.
In einer weiteren Variante der Erfindung weist die Aufnahme eine Mehrzahl von Peltierelementen auf, die in Abhängigkeit von der Form der Aufnahme so angeordnet sind, dass eine homogene Temperaturverteilung in der Probe erzeugbar ist. Beispielsweise können bei einer konischförmigen Aufnahme im oberen (breiteren) Bereich der Aufnahme mehr Peltierelemente vorgesehen werden als im unteren (schmaleren) Bereich.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist zusätzlich ein in die Wandung integriertes Sensorelement zum Erfassen der Probe angeordnet, das mit dem Peltierelement zusammenwirkt. In einer Weiterbildung ist das Sensorelement in das Peltierelement integriert. Die vom Sensorelement erfasste Temperatur der Probe wird insbesondere zum Steuern des integrierten Peltierelementes (bzw. der mehreren integrierten Peltierelemente) verwendet. Dazu können das Sensorelement bzw. die mehreren Sensorelemente und das Peltierelement elektrisch mit einer Steuerung verbunden sein.
In einer weiteren Ausführungsvariante betrifft die Erfindung ein System, das eine wie oben beschriebene Aufnahme aufweist. Zudem umfasst das System eine Trägervorrichtung für die Aufnahme, die elektrische Kontakte aufweist, über die das Peltierelement elektrisch kontaktierbar ist. Insbesondere sind die Aufnahme und die Trägervorrichtung geometrisch aufeinander abgestimmt, so dass die Aufnahme zum Beispiel in die Trägervorrichtung eingesetzt (z. B. eingesteckt) werden kann und dabei die Peltierelemente der Aufnahme automatisch thermisch und/oder elektrisch kontaktiert werden.
Des Weiteren kann die Trägervorrichtung auch Mittel zum Kühlen des integrierten Peltierelementes aufweisen, um dessen Effizienz zu erhöhen.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 und 2A–2C Schnittansichten betreffend ein System mit einer Aufnahme gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung und einer Trägervorrichtung;
3A und 3B verschiedene Ansichten einer zweiten Ausführungsform der Aufnahme;
4 eine dritte Ausführungsform der Aufnahme;
5 eine vierte Ausführungsform der Aufnahme.
1 zeigt ein System aus einer Aufnahme in Form eines Behälters 1 zur Aufnahme einer Probe und einer Trägervorrichtung 2, auf der der Behälter 1 angeordnet ist. Der Behälter 1 weist eine Wandung 3 auf, die einen Boden 31 des Behälters sowie eine vom Boden 31 abstehende Seitenwand 32 umfasst. Im dargestellten Beispiel ist der Behälter rotationssymmetrisch (kegelstumpfartig) ausgebildet. Die Erfindung ist selbstverständlich jedoch nicht auf rotationssymmetrische Behälter beschränkt.
In den Boden 31 des Behälters 1 ist ein Peltierelement 4 integriert, das zum Temperieren, d. h. zum Heizen und/oder Kühlen einer in dem Behälter 1 vorgelegten Probe 5 dient. Im Beispiel der 1 ist die Probe 5 eine Flüssigkeit.
Die 2A bis 2C betreffen verschiedene Varianten der Integration des Peltierelementes 4 in den Boden 31. Danach kann das Peltierelement 4 so angeordnet sein, dass es wenig oder gar nicht aus der Wandung des Bodens 31 herausragt (2A). Hier ist die Dicke des Bodens im Bereich des Peltierelementes verringert; z. B. durch Vorsehen einer Einbuchtung (z. B. mit schrägen Seiten) im Boden 31, so dass die Dicke des Materials des Bodens zwischen dem Peltierelement 4 und der im Behälter angeordneten Probe 5 gering ist. Dies ermöglicht eine gute thermische Ankopplung des Peltierelementes 4 mit der Probe 5.
Das Peltierelement 4 weist an seiner Unterseite (d. h. an seiner der Probe 5 abgewandten Seite) Kontakte 41a, 41b zu seiner elektrischen Kontaktierung auf. Des Weiteren sind Kontakte 42a, 42b vorgesehen, über die ein in das Peltierelement 4 integriertes Sensorelement zur Temperaturerfassung (nicht dargestellt) elektrisch kontaktiert werden kann. Selbstverständlich können auch mehrere Sensorelemente in das Peltierelement integriert sein, wobei entsprechend mehr als zwei Kontakte vorgesehen sein können. Alternativ oder zusätzlich zu den integrierten Sensoren kann zudem mindestens ein Sensorelement vorhanden sein, das nicht in das Peltierelement integriert ist, sondern separat zu diesem angeordnet ist, z. B. in der Wandung der Aufnahme.
Der Boden 31 kann im Bereich des Peltierelementes 4 auch eine so geringe Dicke aufweisen, dass das Peltierelement 4 mit einem Abschnitt aus der Wandung in das Innere des Behälters 3 hineinragt und somit ein Großteil einer Seite des Peltierelementes mit der Flüssigkeit 5 in physischem Kontakt ist (2B). Wird die Dicke der Wandung 3 im Bodenbereich 31 soweit reduziert, dass sie in der Höhe des Peltierelementes 4 entspricht oder kleiner ist, so ist die gesamte dem Inneren des Behälters 3 zugewandte Seite des Peltierelementes 4 in direktem Kontakt mit der Flüssigkeit 5. Dies ist in 2C dargestellt.
Die Trägervorrichtung 2 umfasst Kontaktelemente, über die das Peltierelement thermisch und elektrisch kontaktiert wird, wenn der Behälter 1 auf der Trägervorrichtung angeordnet ist. Insbesondere können Kontakte vorgesehen sein, die beim Anordnen des Behälters 1 auf der Trägervorrichtung 2 mit den Kontakten 41a, 41b und/oder 42a, 42b des Peltierelementes 4 elektrisch verbunden werden. Zudem weist die Trägervorrichtung 2 einen Kühlkörper 21 mit einer Mehrzahl von Kühlrippen auf, der zum Kühlen der von der zu temperierenden Probe abgewandten Seite des Peltierelementes 4 dient. Alternativ oder zusätzlich zu einem Kühlkörper, der Kühlrippen aufweist, können auch andere Kühlelemente verwendet werden, z. B. Kühlelemente, die eine Kühlflüssigkeit aufweisen.
Die 3A und 3B betreffen eine Ausführungsform der Erfindung, wonach mehrere Peltierelemente 4 in die Seitenwand 32 der Wandung 3 integriert sind. 3B zeigt einen Schnitt durch 3A.
Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung ist eine Mehrzahl von Peltierelementen 4 entlang eines Umfanges der Seitenwand 32 angeordnet (vgl. insbesondere 3B). Der Behälter 1 weist hier zwar kein Peltierelement im Boden 31 auf; selbstverständlich können jedoch Peltierelemente sowohl im Boden 31 als auch in der Seitenwand 32 angeordnet sein.
Die Peltierelemente 4 sind ringförmig in der Seitenwand 32 angeordnet, wobei sie konstante Abstände zueinander aufweisen, um eine möglichst homogene Temperaturverteilung in der Probe 5 zu erzielen.
Des Weiteren ist ein Kontaktelement in Form einer ringförmigen Druckkontaktierung 6 auf die Seitenwand 32 des Behälters 3 aufgeklemmt (aufgeschoben). Die Druckkontaktierung 6 dient zum thermischen und/oder elektrischen Kontaktieren der integrierten Peltierelemente 4 und kann vom Behälter 1 wegführende Leitungselemente aufweisen, über die die Peltierelemente zum Beispiel mit einer Steuerelektronik (nicht dargestellt) verbunden sein können. Die Druckkontaktierung 6 kann beispielsweise als flexibles Band realisiert sein. Zudem weist die Druckkontaktierung 6 Mittel zur Kühlung der Peltierelemente 4 in Form einer Mehrzahl von Kühlrippen 61 auf, die im Bereich der Peltierelemente 4 angeordnet sind.
4 betrifft eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Behälters. Wie in 1 ist ein Peltierelement 4 in den Boden 31 der Behälterwandung 3 integriert. In die Wandung 3 ist zusätzlich ein Element in Form einer gut wärmeleitenden Folie 7 integriert, das mit einer größeren Fläche in thermischen Kontakt mit der Flüssigkeit 5 steht als das Peltierelement 4. Dadurch sorgt die Folie 7 für eine homogenere Temperaturverteilung in der Flüssigkeit 5.
Die Folie 7 ist thermisch (und mechanisch) mit einer Seite des Peltierelementes 4 gekoppelt (vgl. Ausschnittsvergrößerung) und erstreckt sowohl im Bodenbereich 31 als auch in einem Abschnitt der Seitenwand 32. Die Folie 7 befindet sich dicht unterhalb der inneren Oberfläche der Wandung 3, so dass ein guter Wärmeübergang zur Flüssigkeit 5 gewährleistet ist. In einer anderen Variante ist die Folie so in die Wandung 3 integriert, dass sie mit einer Oberfläche aus der Wandung herausragt und in direktem, physischem Kontakt mit der Probe 5 steht.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Behälters zeigt 5. Wie in 3 sind Peltierelemente 4 in die Seitenwand 32 des Behälters 1 integriert, die mit einer Druckkontaktierung 6 elektrisch und/oder thermisch kontaktiert sind. Im oberen Bereich des Behälters 3, d. h. in dem Bereich des Behälters, in dem sich eine Öffnung 33 zum Einfüllen einer Probe befindet, ist ein Heizelement 8 zum Beheizen dieses Behälter bereiches vorgesehen. Über das Heizelement 8 lässt sich insbesondere die Bildung von Kondensat am Behälter reduzieren bzw. vermeiden. Als Heizelement 8 kann ein Widerstandsheizelement oder ein weiteres Peltierelement verwendet werden.
Es versteht sich, dass die in den 1 bis 5 gezeigten Elemente auch miteinander kombiniert werden können. Zum Beispiel können die Behälter der 2 bis 5 auch mit der in 1 dargestellten Trägervorrichtung 2 kombiniert werden.

1: Behälter
2: Trägervorrichtung
3: Wandung
4: Peltierelement
5: Probe
6: Druckkontaktierung
7: Element
8: Heizvorrichtung
21: Kühlkörper
31: Boden
32: Seitenwand
61: Kühlrippe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 5525300 [0002]

Claims

Aufnahme für eine Probe, gekennzeichnet durch mindestens ein Peltierelement (4) zum Temperieren der Probe (5), das in eine Wandung (3) der Aufnahme (1) integriert ist.
Aufnahme nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (3) die Aufnahme (1) begrenzt.
Aufnahme nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (3) einen Boden (31) der Aufnahme (1) und eine Seitenwand (32), die vom Boden (31) absteht, umfasst, wobei mindestens ein Peltierelement (4) in den Boden (31) und/oder mindestens ein Peltierelement (4) in die Seitenwand (32) integriert ist.
Aufnahme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Peltierelement (4) zumindest abschnittsweise aus der Wandung (3) hervorsteht oder mit der Wandung (3) abschließt.
Aufnahme nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Peltierelement (4) vollständig von der Wandung (3) umgeben ist.
Aufnahme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Peltierelement (4) ein mikrotechnologisch erzeugtes Peltierelement ist.
Aufnahme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zum Erzeugen einer homogenen Temperatur in der Probe (5), wobei die Mittel einerseits mit dem Peltierelement (4) und andererseits mit der Probe (5) thermisch gekoppelt sind.
Aufnahme nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel ein in die Wandung (3) integriertes Element umfassen, das mit einer größeren Fläche in thermischem Kontakt mit der Probe (5) steht als das Peltierelement (4).
Aufnahme nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Element eine gut wärmeleitende Folie (7) ist.
Aufnahme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Peltierelementen (4), die entlang eines Umfanges der Aufnahme (1) angeordnet sind.
Aufnahme nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch ein die Aufnahme (1) umlaufendes Kontaktelement (6) zum elektrischen und/oder thermischen Kontaktieren der Peltierelemente (4).
Aufnahme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Heizelement (8) im oberen Bereich der Aufnahme (1).
Aufnahme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens zwei Peltierelemente (4), die so angeordnet sind und betrieben werden können, dass ein Temperaturgradient in der Probe erzeugbar ist.
Aufnahme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Peltierelementen (4), die in Abhängigkeit von der Form der Aufnahme so angeordnet sind, dass eine homogene Temperaturverteilung in der Probe erzeugbar ist.
Aufnahme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein in die Wandung (3) integriertes Sensorelement zum Erfassen der Temperatur der Probe (5), das mit dem Peltierelement (4) zusammenwirkt.
System mit einer Aufnahme nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einer Trägervorrichtung (2) für die Aufnahme (1), die elektrische Kontakte aufweist, über die das integrierte Peltierelement (4) elektrisch kontaktierbar ist.
System nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägervorrichtung (2) Mittel zum Kühlen des Peltierelementes (4) aufweist.