DE102011002571A1

DE102011002571A1 - Reagenzienkartusche, Prozessier-Chip, Analyse-Kit damit und Analyseverfahren

Info

Publication number: DE102011002571A1
Application number: DE201110002571
Authority: DE
Inventors: Martina Daub; Jochen Rupp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-01-12
Filing date: 2011-01-12
Publication date: 2012-07-12
Also published as: WO2012095200A1

Abstract

Eine Reagenzienkartusche (10) und ein Prozessier-Chip (30) werden mittels mechanischer fluidischer Schnittstelle (40) gekoppelt. Die Reagenzienkartusche (10) mit mindestens einer Vorratskammer (12, 13) für mindestens ein Reagenz und mit ersten Kanälen (18) hat eine mechanische fluidische Schnittstelle (40) mit einem ersten mechanischen Verrastungsabschnitt (26) zum Verrasten mit einem Prozessier-Chip (30). Der Prozessier-Chip (30) weist einen zweiten mechanischen Verrastungsabschnitt (36) und zweite Kanäle (32) auf. Einander zugeordnete erste Kanäle (18) und zweite Kanäle (32) sind in einem verrasteten Zustand miteinander fluidisch verbunden.

Description

Stand der Technik
In Analysesystemen z. B. für analytische und diagnostische Anwendungen werden Flüssigkeiten durch Kanäle und Reaktionskammern geleitet. Diese Systeme bestehen zumeist aus einem Gerät für die Steuerung, einem auswechselbaren Prozessier-Chip und einer auswechselbaren Kartusche (disposable chip) mit Reagenzien. Gerät und Chip stellen zusammen die Plattform dar.
Die EP 1415788 beschreibt einen Prozessier-Chip mit einem mikrofluidischen System und einem Feld von vorgelagerten Proben. Ein Trend bei so genannten Lab-on-Chip-Systemen für die Diagnostik und Analytik bildet die Entwicklung flexibler Plattformen bzw. Geräten mit einem Prozessier-Chip, welche in Verbindung mit Einmal-Kartuschen verwendet werden, die nach einmaligem Gebrauch entsorgt werden. Diese Kartuschen enthalten oft mikrofluidische Kanäle, Reaktionskammern und weitere Funktionen zur Ausführung der erforderlichen biochemischen Arbeitsschritte auf dem Chip. Eine Problematik ergibt sich aus der Zuführung und Ableitung sowie der damit verbundenen Vorlagerung der für diese biochemischen Prozesse benötigten Reagenzien. Sauberes Arbeiten und Sterilität sind dringend erforderlich. Meist werden große Puffer- und Reagenzienmengen für viele Reaktionen in großen Vorratsbehältern vorgehalten und über Schläuche mit der Einmal-Kartusche verbunden. Hinzu kommen außerdem Abfallbehälter für das Auffangen und Lagern der durchgelaufenen Flüssigkeiten. Die Schläuche und Behälter werden häufig trotz sorgfältiger Behandlung in kurzer Zeit von Keimen, Pilzen und Algen befallen.
Mehrschrittige biochemische Reaktionen erfordern die Befolgung spezieller Abfolgen von Flüssigkeitszugaben und – entnahmen, so genannte biochemische Ablauf-Protokolle; z. B. müssen auf einem Filter in einer Reaktionskammer nacheinander Lysepuffer, Bindepuffer, Waschpuffer 1, Waschpuffer 2, Elutionpuffer in bestimmter Abfolge in definierten.
Volumina zupipettiert und an anderer Stelle verworfen werden. Zur Optimierung der Durchführung solcher Ablauf-Protokolle werden häufig Protokolle zusammen mit allen benötigten Wegwerfartikeln, z. B. DNA-Aufreinigungs-Säulchen, plus allen benötigten Reagenzien als sogenannte Kits angeboten. Verschiedene Anwendungen werden durch verschiedene Kits adressiert.
Offenbarung der Erfindung
Gemäß dieser Erfindung werden für jede einzelne spezielle Anwendung, z. B. Diagnostik für Blutvergiftung, Harnwegsinfekt, Herzinfarkt, bestimmter Allergietest, zwei zusammenwirkende Komponenten, gegebenenfalls beide in Chip-Form, nämlich ein Prozessier-Chip und eine Reagenzienkartusche vorgefertigt. Diese beiden Komponenten werden kurz vor bzw. bei Gebrauch miteinander verbunden. Damit umgeht man die Lagerung von großen Flüssigkeitsmengen in oder am Gerät und die damit einher gehenden Sterilitätsprobleme einschließlich einer nachfolgenden Verfälschung der Analyseergebnisse. Die Reagenzienvorlagerung erfolgt in einer kurz vor bzw. bei Gebrauch an den Prozessier-Chip andockbaren Reagenzienkartusche. Dies bewirkt eine Verbesserung der Lagerung, Haltbarkeit, chemischen Stabilität und Sterilität von Analyse-Kits, an eine Reaktion angepasste Flüssigkeitsmengen, und die Vermeidung von Schläuchen. Es erfolgt eine an das Protokoll angepasste Kombination von genau den benötigten Flüssigkeiten für genau die bediente Anwendung – z. B. erfordert eine Harnproben-Analyse andere biochemische Protokolle als eine Blutproben-Analyse.
Das Protokoll der Anwendung mit zusammenwirkendem Prozessier-Chip und Reagenzienkartusche vereinfacht die Handhabung der Anwendung enorm und stellt weniger Anforderungen an das die Plattform bedienende Personal. Die vereinfachte Anwendung erlaubt sichere Handhabung und reduziert Bedienfehler. Das Prinzip der zusammenwirkenden Prozessier-Chip und Reagenzienkartusche ermöglicht die Anwendung vieler verschiedener spezieller Kits für verschiedene Anwendungen auf genau einer universellen, flexiblen Plattform. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die Vereinfachung der vollen Automatisierung durch ein Analyse-Kit mit voll integriertem Ablaufprotokoll auf der Plattform. Durch die neue Funktionalität muss häufig keine zusätzliche Aktorik eingebracht werden, da das Gerät dies zusammen mit dem Prozessier-Chip bereits bereitstellt. Die Reagenzienkartusche ist in ihrem Volumen nicht eingeschränkt, im Gegensatz zu dem meist flachen Prozessier-Chip. Durch die getrennte Bereitstellung ergibt sich eine enorme Flexibilität in Layout und Design sowie in der Größe der vorlagerbaren Volumina. Verdunstung ist bei diesem Konzept der Reagenzienvorlagerung kein Problem mehr.
Diese Erfindung adressiert weiterhin die Umsetzung von Lab-on-Chip Anwendungen für spezielle Applikationen auf z. B. einer flexiblen universellen Plattform in Form von Analyse-Kits. Dabei besteht ein Analyse-Kit-System aus beispielsweise zwei Komponenten. Eine Komponente beinhaltet mindestens die fluidischen Strukturen und Funktionen und stellt Reaktionskammern und Kanäle bereit. Die zweite Komponente wird erst kurz vor Gebrauch mit der ersten fluidisch verbunden und enthält alle für die spezielle Applikation erforderlichen Reagenzien. Die Plattform übernimmt die Aktivierung zur Verfolgung der biochemischen Protokolle. Die Verbindungstechnik und Schnittstellen zur Plattform sind gewählt, dass dadurch maximale Flexibilität der Abläufe und der Reagenzienvorlagerung gewährleistet sind. Die Reagenzienkartusche kann auch als Reagenzien-Chip ausgeführt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Aufsicht einer Reagenzienkartusche und eines Prozessier-Chips vor deren Verbindung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine schematische Seitenansicht der Reagenzienkartusche und des Prozessier-Chips aus 1 vor deren Verbindung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt eine schematische Aufsicht der Reagenzienkartusche und des Prozessier-Chips aus 1 nach deren Verbindung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt eine schematische Seitenansicht der Reagenzienkartusche und des Prozessier-Chips aus 1 nach deren Verbindung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt ein Flussdiagramm des Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
1 bis 4 zeigen schematisch jeweils dieselbe Reagenzienkartusche 10 und denselben Prozessier-Chip 30 einerseits vor und andererseits nach dem Zusammenbringen und jeweils in Aufsicht und in Seitenansicht. Die Reagenzienkartusche 10 weist in einem Kartuschengehäuse 11 zwei kleine Vorratskammern 12 und zwei große Vorratskammern 13 mit vier verschiedenen Reagenzien auf. Die Vorratskammern 12, 13 sind in einem Kartuschenkörper 14 angeordnet und sind von einer Folie 15 verschlossen. Die Folie 15 ist um Vorratskammern 12, 13 flächig mit dem Kartuschenkörper 14 verschweißt und bildet Versiegelungen der Vorratskammern 12, 13. Die Folie 15 trennt den Kartuschenkörper mit den Vorratskammern 12, 13 von einem Kartuschenoberteil 16. Das Kartuschenoberteil 16 weist eine erste fluidische Struktur 17 mit an die Folie 15 angrenzenden ersten Kanälen 18 auf. Die Reagenzienkartusche 10 weist im Kartuschenoberteil 16 weiterhin einen Aufnahmeabschnitt 19 zur Aufnahme eines Abschnitts des Prozessier-Chip 30 auf. Die ersten Kanäle 18 enden mit ersten Öffnungen 20 an definierten Positionen des Aufnahmeabschnitts 19. Die Reagenzienkartusche 10 weist im Kartuschenoberteil 16 weiterhin einen Öffnungsmechanismus 21 zum Öffnen der Versiegelung der Vorratskammer 12, 13 auf. Der Öffnungsmechanismus 21 ist hier mit einem Kontakthebel 22 und Lanzetten 23 dargestellt. Die Reagenzienkartusche 10 weist im Aufnahmeabschnitt 19 außerdem einen Anschlag 24 und einen ersten Verrastungsabschnitt 26 mit seitlichen Zungen 27 an dem Aufnahmeabschnitt 19 auf.
Der Prozessier-Chip 30 weist eine zweite fluidische Struktur 31 mit zweiten Kanälen 32 auf, die nur teilweise dargestellt sind. Der Prozessier-Chip 30 enthält in der zweiten fluidischen Struktur 31 weitere nicht gezeigte anwendungsspezifische Elemente wie Reaktionskammern, Proben und Ventile sowie eine Probenaufnahme. Die zweiten Kanäle 32 enden mit zweiten Öffnungen 33 an definierten Positionen eines Einführabschnitts 34. Der Einführabschnitt 34 ist ausgestaltet, um mit dem Aufnahmeabschnitt 19 der Reagenzienkartusche 10 zusammenzuwirken. Der Einführabschnitt 34 weist dazu eine Führungskante 35 und einen zweiten Verrastungsabschnitt 36 mit seitlichen Rastausnehmungen 37 auf.
1 und 2 zeigen die Reagenzienkartusche 10 und den Prozessier-Chip 30 vor und dem Zusammenführen. Das Zusammenführen von Reagenzienkartusche 10 und Prozessier-Chip 30 erfolgt durch Bewegen des Prozessier-Chip 30 in Richtung der Pfeile 38, bis eine Verrastung erfolgt, wobei außerdem der Öffnungsmechanismus 21 mittels Betätigen des Kontakthebels 22 in Richtung des Pfeils 39 automatisch betätigt wird und die Lanzetten 23 die Folie 15 durchbrechen. Das Zusammenführen von Reagenzienkartusche 10 und Prozessier-Chip 30 ist abgeschlossen, wenn beide in einem verrasteten Zustand sind.
3 und 4 zeigen die Reagenzienkartusche 10 und den Prozessier-Chip 30 nach dem Zusammenführen in dem verrasteten Zustand. Im verrasteten Zustand berührt die Führungskante 35 des Einführabschnitts 34 am Prozessier-Chip 30 den Anschlag 24 im Aufnahmeabschnitt 19 der Reagenzienkartusche 10 und die Verrastung von dem ersten Verrastungsabschnitt 26 mit dem zweiten Verrastungsabschnitt 36 ist erfolgt. In 3 ist dies durch die Position der seitlichen Zungen 27 des Aufnahmeabschnitts in den Rastausnehmungen 37 des Einführabschnitts 34 zu dargestellt. Die Verrastung ist irreversibel ausgestaltet. Reagenzienkartusche 10 und Prozessier-Chip 30 sind nun in definierter Weise zueinander positioniert und die Öffnungen 20 des Aufnahmeabschnitts 19 liegen jeweils an den mittels definierten Positionen zugeordneten Öffnungen 33 des Einführabschnitts 34. Weiterhin besteht nun eine fluidische Verbindung von den Vorratskammern 12, 13 durch die durchbrochene Folie 15, die ersten Kanäle 18, die Öffnungen 20 und die Öffnungen 33 zu den zweiten Kanälen 32 und damit in die zweite fluidische Struktur 31 des Prozessier-Chip 30. Diese Verbindung ist fluidisch dicht ausgeführt. Die Förderung der Reagenzien von den Vorratskammern 12, 13 in dem Prozessier-Chip 30 erfolgt mittels eines nicht gezeigten Steuergeräts in diesem Beispiel durch Komprimieren der Vorratskammern. Die zusammenwirkenden Verrastungsabschnitte 26, 36 und die zusammenwirkenden Öffnungen 20, 33 bilden an der Reagenzienkartusche 10 und an dem Prozessier-Chip 30 jeweils eine mechanische fluidische Schnittstelle 40. Die Reagenzienkartusche 10 und der Prozessier-Chip 30 werden mittels der mechanischen fluidischen Schnittstelle 40 gekoppelt.
In einer nicht gezeigten optionalen Ausführungsform der Erfindung ist der Öffnungsmechanismus derart ausgestaltet, dass er extern angetrieben von dem Steuergerät gesteuert wird. Dies ermöglicht ein sequentielles Öffnen der Versiegelungen der Vorratskammern.
Alternative nicht gezeigte Ausgestaltungen des Öffnungsmechanismus für das Öffnen der Versiegelung mittels Durchstechen der Folie mit Lanzetten sind ein Öffnen mittels Abdrehen oder Abbrechen an einer Sollbruchstelle oder mittels Abziehen einer Folie.
Die Reagenzienkartusche 10 wird bei der Herstellung vorzugsweise über die Öffnungen 12, 13 mit mindestens einem Reagenz gefüllt und anschließend versiegelt. Alternativ kann die Reagenzienkartusche leer vorgefertigt werden und die Befüllung erfolgt später durch eine weitere, nicht gezeigte Befüllungsöffnung zu jeder Vorratskammer.
Ein Analyse-Kit mit einer Reagenzienkartusche und einem Prozessier-Chip bildet eine vollständige Einheit der Verbrauchsmaterialien für eine Analyse. Vorteilhaft weist ein Kit zusätzlich ein Ablaufprotokoll auf.
Die Erfindung und das Analyse-Kit können auch mehrere Reagenzienkartuschen und/oder mehrere Prozessier-Chips aufweisen. Dann sind die Schnittstellen und Öffnungsmechanismen entsprechend anzupassen.
5 zeigt ein Flussdiagramm 42 des Analyseverfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Analyseverfahren verwendet eine Reagenzienkartusche und einen Prozessier-Chip, wobei die Reagenzienkartusche mindestens eine Vorratskammer für mindestens ein Reagenz und eine ersten fluidischen Struktur mit ersten Kanälen aufweist, und wobei der Prozessier-Chip eine zweite fluidischen Struktur mit zweiten Kanälen aufweist. Das Analyseverfahren beginnt mit dem Verfahrensschritten a. bis c. in beliebiger Reihenfolge:

a. Platzieren einer Probe auf dem Prozessier-Chip.
b. Zusammenführen von Reagenzienkartusche und Prozessier-Chip derart, dass einander zugeordnete erste Kanäle und zweite Kanäle miteinander fluidisch verbunden sind.
c. Öffnen einer Versiegelung einer Vorratskammer der Reagenzienkartusche. Anschließend folgt Verfahrensschritt
d. Fördern einer Reagenzie von der Vorratskammer in den Prozessier-Chip.

Vorzugsweise werden die Verfahrensschritte b. bis d. von einem Steuergerät gemäß einem Assay-Ablaufprotokoll gesteuert. Das Steuergerät nimmt dabei eine Mengensteuerung der Reagenzien vor. Das Fördern der Reagenzien erfolgt durch Komprimieren der die Reagenzie enthaltenden Vorratskammer.
Das Öffnen der Versiegelungen verschiedener Vorratskammern der Reagenzienkartusche kann entsprechend dem Assay-Ablaufprotokoll simultan oder sequentiell erfolgen.
Die Art der fluidischen Kontaktierung kann auf vielfältige Art und Weise erfolgen. Z. B. könnten Lanzetten beim Zusammenklicken eine Membran durchstechen und so die fluidische Verbindung herstellen. Versiegelungen des Reagenzien-Chip können wie eine Folie abgezogen, abgedreht oder abgebrochen werden um eine anschließende fluidisch dichte Verbindung mit dem Prozessier-Chip herzustellen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1415788 [0002]

Claims

Reagenzienkartusche (10) mit mindestens einer Vorratskammer (12, 13) für mindestens ein Reagenz und mit ersten Kanälen (18), gekennzeichnet durch eine mechanische fluidische Schnittstelle (40) mit einem ersten mechanischen Verrastungsabschnitt (26) zum Verrasten mit einem Prozessier-Chip (30), der einen zweiten mechanischen Verrastungsabschnitt (36) und zweite Kanäle (32) aufweist, wobei einander zugeordnete erste Kanäle (18) und zweite Kanäle (32) in einem verrasteten Zustand miteinander fluidisch verbunden sind.
Reagenzienkartusche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reagenzienkartusche (10) Versiegelungen (15) der Vorratskammer (12, 13) aufweist.
Reagenzienkartusche nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reagenzienkartusche (10) einen Öffnungsmechanismus (21) zur Öffnung einer Versiegelung (15) einer Vorratskammer (12, 13) der Reagenzienkartusche (10) aufweist.
Reagenzienkartusche nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungsmechanismus (21) derart ausgestaltet ist, dass der Öffnungsmechanismus (21) bei einem Zusammenführen von Reagenzienkartusche (10) und Prozessier-Chip (30) automatisch betätigt wird.
Reagenzienkartusche nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Reagenzienkartusche (10) derart ausgestaltet ist, dass ein Öffnen der Versiegelung (15) mittels Durchstechen einer Folie mit Lanzetten (23), mittels Abdrehen oder Abbrechen an einer Sollbruchstelle oder mittels Abziehen einer Folie erfolgt.
Reagenzienkartusche nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Reagenzienkartusche (10) mit mindestens einer Reagenz gefüllt ist.
Prozessier-Chip mit einer Probenaufnahme und zweiten Kanälen (32), gekennzeichnet durch eine mechanische fluidische Schnittstelle (40) mit einem zweiten mechanischen Verrastungsabschnitt (36) zum Verrasten mit einer Reagenzienkartusche (10), die einen ersten mechanischen Verrastungsabschnitt (26) und erste Kanäle (18) aufweist, wobei einander zugeordnete erste Kanäle (18) und zweite Kanäle (32) in einem verrasteten Zustand miteinander fluidisch verbunden sind.
Prozessier-Chip nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessier-Chip (30) einen Probenverschlussmechanismus aufweist, der derart ausgestaltet ist, dass der Probenverschlussmechanismus bei einem Zusammenführen von Reagenzienkartusche (10) und Prozessier-Chip (30) automatisch betätigt wird.
Analyse-Kit mit einer Reagenzienkartusche (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und einem Prozessier-Chip (30) nach Anspruch 7 oder 8.
Analyse-Kit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kit zusätzlich ein Ablaufprotokoll aufweist.
Analyseverfahren mit einer Reagenzienkartusche und einem Prozessier-Chip, wobei die Reagenzienkartusche (10) mindestens eine Vorratskammer (12, 13) für mindestens eine Reagenz und erste Kanäle (18) aufweist, wobei der Prozessier-Chip (30) zweite Kanäle (32) aufweist, mit den Verfahrensschritten a. Platzieren einer Probe auf dem Prozessier-Chip (30); b. Zusammenführen von Reagenzienkartusche (10) und Prozessier-Chip (30) derart, dass einander zugeordnete erste Kanäle (18) und zweite Kanäle (32) miteinander fluidisch verbunden sind; c. Öffnen einer Versiegelung (15) einer Vorratskammer (12, 13) der Reagenzienkartusche (10); d. Fördern einer Reagenzie von der Vorratskammer (12, 13) in den Prozessier-Chip (30); wobei die Verfahrensschritte a. bis c. in beliebiger Reihenfolge erfolgen.
Analyseverfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte b. bis d. von einem Steuergerät gemäß einem Assay-Ablaufprotokoll gesteuert werden.
Analyseverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät eine Mengensteuerung der Reagenzien vornimmt.
Analyseverfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Öffnen der Versiegelungen verschiedener Vorratskammern (12, 13) der Reagenzienkartusche (10) sequentiell erfolgt.
Analyseverfahren nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Fördern der Reagenzie durch Komprimieren der die Reagenzie enthaltenden Vorratskammer (12, 13) erfolgt.