DE102013220416A1

DE102013220416A1 - Verfahren zur Temperierung von Flüssigkeiten, Zentrifuge, Zentrifugationseinheitenhalter und Zentrifugationseinheit

Info

Publication number: DE102013220416A1
Application number: DE201310220416
Authority: DE
Inventors: Melanie Hoehl; Franz Laermer; Juergen Steigert
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-10-10
Filing date: 2013-10-10
Publication date: 2015-04-16

Abstract

Bei einem Verfahren zur Temperierung von Flüssigkeiten in einer Zentrifugationseinheit (12) in einer Zentrifuge werden in die Zentrifugationseinheit (12) über die Zentrifuge elektromagnetische Wellen zur Erwärmung von Flüssigkeiten eingekoppelt. Diese Temperierung wird insbesondere unter Verwendung von Temperatursensoren und/oder Temperaturindikatoren (14) überprüft.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperierung von Flüssigkeiten in einer Zentrifugationseinheit in einer Zentrifuge sowie eine Zentrifuge, einen Zentrifugationseinheitenhalter und eine Zentrifugationseinheit.
Stand der Technik
Die Aufbereitung und Prozessierung von biologischen, biochemischen oder chemischen Proben, beispielsweise im Zusammenhang mit der Aufreinigung und/oder Anreicherung bestimmter Moleküle oder mit der Analyse und Charakterisierung bestimmter Moleküle, basiert im Wesentlichen auf der Handhabung von Flüssigkeiten. Herkömmlicherweise werden hierzu verschiedene Hilfsmittel, insbesondere Pipetten und verschiedene Reaktionsgefäße, eingesetzt, um bei einer manuellen Handhabung unter Zuhilfenahme verschiedener Laborgeräte die verschiedenen Prozesse durchführen zu können.
Für viele Prozessierungen sind bereits Automatisierungen verfügbar, wobei beispielsweise Pipettierroboter oder andere Spezialgeräte zum Einsatz kommen. Weiterhin können mit sogenannten Lab-on-a-Chip-Systemen viele Prozesse in vollautomatisierter Weise durchgeführt werden. Lab-on-a-Chip-Systeme sind mikrofluidische Systeme, die die gesamte Funktionalität eines makroskopischen Labors auf einem nur etwa plastikkartengroßen Kunststoffsubstrat vereinigen.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2010 003 223 A1 beschreibt ein Zentrifugationssystem zur automatisierten Durchführung von biochemischen, biologischen oder chemischen Prozessen. Das System umfasst eine Zentrifugationseinheit, die zwei oder mehr revolverartige Körper umfasst, die axial übereinander angeordnet sind. Diese Körper, die verschiedene Kavitäten (Reaktionsräume) enthalten, sind mithilfe einer integrierten Kugelschreibermechanik in Abhängigkeit von der wirkenden Zentrifugalkraft gegeneinander verschiebbar, so dass eine kontrollierte Fluidführung durch die einzelnen Reaktionsräume der Vorrichtung erreicht wird.
Mit einem solchen System lassen sich verschiedene Aufreinigungsprotokolle oder Anreicherungsprotokolle für Proteine oder andere Analyte in vollautomatisierter Weise durchführen. Für verschiedene Prozessschritte sind allerdings oftmals bestimmte Temperaturen erforderlich. Beispielsweise ist für eine Lyse von Zellen, insbesondere für eine enzymatische Lyse, eine höhere Temperatur, beispielsweise im Bereich zwischen 70°C und 110°C erforderlich. Auch eine Elution von DNA von einer Festphase erfordert im Allgemeinen eine bestimmte Temperatur zwischen ca. 55°C und 95°C. Eine isothermale DNA-Amplifikation muss bei einer bestimmten Temperatur durchgeführt werden, die zwischen 15°C und 100°C liegen kann. Auch zum Trocknen von Chromatographiesäulen kann eine erhöhte Temperatur eingesetzt werden. Bei vielen Anwendungen, beispielsweise bei der isothermalen DNA-Amplifikation, ist die genaue Einhaltung des Temperaturprofils kritisch. Insbesondere sollte die Temperatur nicht um mehr als +/–2°C schwanken. Weiterhin ist die präzise Temperierung über einen bestimmten Zeitraum erforderlich. Der erforderliche Zeitraum kann beispielsweise 15 Minuten betragen. In anderen Anwendungen kann aber auch eine präzise Temperierung über Stunden erforderlich sein. Zudem sollten die erforderlichen Temperaturen möglichst innerhalb von Sekunden oder Minuten erreicht werden. Allgemein ist für komplexe analytische oder präparative Verfahren in einem automatisierten System eine zeitbestimmte Temperaturkontrolle und -stabilisierung erforderlich.
Eine Temperierung ist bei herkömmlichen automatisierten Systemen der beschriebenen Art im Allgemeinen schwierig. Bei Systemen, die für eine Zentrifugation vorgesehen sind, können Zentrifugen mit einer Temperaturregelung eingesetzt werden. Hierbei lässt sich allerdings nur eine Durchschnittstemperatur in der gesamten Zentrifugenkammer, also eine Temperatur des Rotors, einstellen. Diese Temperatur ist oftmals ungenau. Zudem erfordert das Auf- und Abkühlen der Zentrifuge im Allgemeinen mehrere Minuten, was für viele Anwendungen nicht schnell genug ist. Eine Temperierung bei herkömmlichen Systemen wird weiterhin dadurch erschwert, dass sich während des Zentrifugationsvorganges der Rotor und die eingesetzten Röhrchen im Allgemeinen erwärmen, wodurch die Aufrechterhaltung eines zeitkonstanten, homogenen Temperaturprofils weiter erschwert wird.
Die US-Patentanmeldungsschrift US 2007/0184962 A1 beschreibt ein System, bei dem eine Zentrifugationsprobe erhitzt wird, indem über eine entsprechende Einrichtung der Zentrifuge Mikrowellenenergie auf die Probe übertragen wird.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Temperierung von Flüssigkeiten in einer Zentrifugationseinheit in einer Zentrifuge bereit. Dieses Verfahren geht von einem Zentrifugationssystem aus, bei dem elektromagnetische Wellen über eine entsprechende Einrichtung der Zentrifuge in die Zentrifugationseinheit eingekoppelt werden. Über die Energie der elektromagnetischen Wellen erfolgt eine Erwärmung von Flüssigkeiten innerhalb der Zentrifugationseinheit. Erfindungsgemäß ist es hierbei vorgesehen, dass die Temperierung überwacht und/oder überprüft wird. Diese Überprüfung der Temperierung erlaubt eine kontrollierte Einstellung der Temperatur innerhalb der Zentrifugationseinheit. Damit kann die Temperatur innerhalb der Zentrifugationseinheit sehr genau gesteuert werden. Weiterhin ist auch eine zeitlich geregelte Temperaturkontrolle möglich. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt damit eine sehr präzise Temperatursteuerung innerhalb einer Zentrifugationseinheit, die beispielsweise vor allem im Hinblick auf die automatisierte Prozessierung von biologischen oder biochemischen oder chemischen Proben mit großem Vorteil einsetzbar ist. Insbesondere in diesem Anwendungsbereich ist eine sehr präzise Temperaturkontrolle und Temperatureinstellung vorteilhaft, da für viele Prozesse die Temperatur ein sehr kritischer Faktor ist. Beispielsweise arbeiten bestimmte Enzyme nur in einem sehr engen Temperaturbereich in optimaler Weise. Bereits ein nur kurzfristiges Überschreiten oder Unterschreiten des Temperaturoptimums kann eine Inaktivität des Enzyms oder sogar eine langfristige Inaktivierung oder Zerstörung des Enzyms zur Folge haben. Durch die erfindungsgemäß mögliche kontrollierte Temperierung können auch temperaturempfindliche Prozesse in zuverlässiger und optimaler Weise durchgeführt werden.
Die Flüssigkeiten innerhalb der Zentrifugationseinheit können aktiv innerhalb eines definierten Zeitrahmens auf bestimmte, konstante Temperaturen aufgeheizt werden. Durch die Einkopplung der elektromagnetischen Wellen kann die jeweilige Temperatur innerhalb weniger Sekunden oder Minuten erreicht werden. Die Temperierung mittels elektromagnetischer Wellen ist ein kostengünstiges Verfahren. Auch für die Überprüfung der Temperierung sind im Allgemeinen keine aufwendigen Bauteile erforderlich, so dass insgesamt das erfindungsgemäße Verfahren in kostengünstiger Weise eingesetzt werden kann und damit für verschiedenste Anwendungen geeignet ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise für kartuschenbasierte Zentrifugationssysteme, beispielsweise für gestapelte Anordnungen, wie sie eingangs im Zusammenhang mit der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2010 003 223 A1 beschrieben wurden, eingesetzt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch allgemein auch für andere Anordnungen geeignet. Im Prinzip kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren allgemein eine kontrollierte Temperierung von Flüssigkeiten in Zentrifugationseinheiten durchgeführt werden. Ein besonderer Vorteil hierbei ist, dass die Temperierung unabhängig von einer Drehzahl der Zentrifuge durchgeführt werden kann. Die Steuerung der Zentrifuge kann jedoch auch mit der Steuerung der Einrichtung zur Aussendung der elektromagnetischen Wellen abgestimmt werden, wobei die Temperierung beispielsweise über das Steuerprogramm der Zentrifuge erfolgen kann.
Die Überprüfung der Temperierung kann beispielsweise unter Verwendung eines Temperatursensors und/oder eines Temperaturindikators erfolgen. Der Temperatursensor und/oder der Temperaturindikator können sich beispielsweise innerhalb der Zentrifugationseinheit befinden. Ein solches Bauteil steht vorteilhafterweise in direktem Kontakt mit der zu temperierenden Flüssigkeit. Es kann beispielsweise in die zu beheizende Flüssigkeit eintauchen.
Weiterhin ist es möglich, dass sich innerhalb der Zentrifugationseinheit eine Referenzflüssigkeit befindet, deren Temperatur mittels des Temperatursensors oder des Temperaturindikators erfasst wird. Diese Referenzflüssigkeit wird also parallel zur eigentlich zu beheizenden Flüssigkeit aufgeheizt. Die Referenzflüssigkeit kann sich auch außerhalb der Zentrifugationseinheit befinden, z.B. in einer Vertiefung der Zentrifugenschüssel, am Schüsselrand, in einer Seitenwand der Zentrifuge oder auch im Deckel der Zentrifuge. Andererseits ist es auch möglich, dass sich die Referenzflüssigkeit außerhalb der Zentrifuge befindet, wobei ein Kontakt, beispielsweise eine Öffnung oder eine optische Öffnung, zum Inneren der Zentrifuge vorgesehen sein sollte. Im Allgemeinen herrscht innerhalb der Zentrifuge eine gleichmäßige Temperatur, da sich die Mikrowellenstrahlung, die die Temperierung bewirkt, in der Zentrifuge homogen verteilt. Es ist daher nicht erforderlich, dass sich die Referenzflüssigkeit zusammen mit dem Rotor dreht. Somit ist eine Referenztemperaturmessung auch außerhalb des Rotors möglich. Es ist vorteilhaft, wenn die Geometrie der Schüssel für die Zwecke der Erfindung nur so wenig wie möglich verändert wird, um keine Verwirbelungen in der Zentrifuge zu erzeugen, die die Sicherheit und/oder die maximal erreichbare Drehzahl beeinflussen könnten.
Wenn parallel zur eigentlich zu temperierenden Flüssigkeit eine Referenzflüssigkeit temperiert und deren tatsächliche Temperatur erfasst wird, kann dies genutzt werden, um aus dem Ergebnis der Referenzelementmessung die Temperatur in der eigentlich zu temperierenden Flüssigkeit zu errechnen. Dies erlaubt eine indirekte Temperaturregelung.
In der Regel sind Referenzmessungen der Umgebungstemperatur nicht erforderlich. Zur Erhöhung der Präzision können solche Referenzmessungen der Umgebungstemperatur jedoch gegebenenfalls zusätzlich an relevanten Stellen durchgeführt werden.
Als Temperatursensoren können übliche Temperatursensoren eingesetzt werden, beispielsweise Temperaturfühler auf der Basis von NTC-Elementen (Heißleiter) oder PTC-Elementen (Kaltleiter) oder andere Thermoelemente, die bei einer bestimmten Temperatur beispielsweise ihren Widerstand ändern. Derartige Thermoelemente können beispielsweise über elektrische Kontakte oder über eine Transpondertechnologie über ein Regelelement ausgelesen werden. Alternativ oder zusätzlich zu einem Temperatursensor kann auch ein Temperaturindikator verwendet werden, wobei die Temperaturanzeige beispielsweise anhand eines Farbumschlags angezeigt werden kann. Es sind beispielsweise Temperaturindikatoren bekannt, bei denen ein Wachs sich bei der Schmelztemperatur farblich verändert. Ein solcher Farbumschlag kann beispielsweise über einen optischen Empfänger (Sensor) in der Zentrifuge ausgelesen werden. Wenn ein solcher Temperaturindikator eingesetzt wird, ist es vorteilhaft, wenn bei beispielsweise vier entsprechend ausgestatteten Zentrifugationseinheiten der optische Empfänger der Zentrifuge viermal so schnell wie die Zentrifugalgeschwindigkeit die Temperaturindikatoren der einzelnen Zentrifugationseinheiten auslesen kann, so dass alle Informationen, die die einzelnen Zentrifugationseinheiten betreffen, aufgezeichnet werden können. Alternativ ist es möglich, dass eine entsprechende Anzahl von optischen Sensoren in regelmäßigen Abständen innerhalb der Zentrifuge angebracht ist, so dass alle Temperaturindikatoren parallel ausgelesen werden können.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Temperaturindikator ein RFID-tag mit Temperaturindikatorfunktion, insbesondere ein passives RFID-tag, eingesetzt. Die RFID-Technologie (Radio Frequency Identification) ermöglicht eine automatische Identifizierung und Datenübertragung zwischen einem RFID-Sender (Transponder) und einem Empfänger. Der Transponder ist in diesem Beispiel das RFID-tag, das beispielsweise innerhalb der Zentrifugationseinheit im Bereich der zu temperierenden Flüssigkeit angeordnet ist. Dieses RFID-tag wird durch den Empfänger, der sich vorzugsweise in der Zentrifuge befindet, ausgelesen. Ein passives RFID-tag hat den Vorteil, dass es passiv durch die Ausleseeinheit (RFID-Empfänger) mit Energie versorgt wird. Es benötigt also keine eigene Energieversorgung und kann daher als sehr kleines und kostengünstiges Bauteil realisiert werden. Ein geeignetes passives RFID-tag ist beispielsweise aus der wissenschaftlichen Veröffentlichung von Virtanen, J. et al., Sensors Applications Symposium (SAS), 2011 IEEE, Seiten 312–317 bekannt. Bei Erreichen einer vorgebbaren Temperatur, die durch die Temperaturindikatorfunktion definiert ist, kann sich das RFID-tag so verändern, dass es beispielsweise ein verändertes Signal aussendet oder beispielsweise an- oder ausgeschaltet wird, je nach Anwendung. In dieser Ausgestaltung der Erfindung kann sowohl der eigentliche Heiz- oder Temperierungsvorgang als auch der Auslese-/Sendevorgang der RFID-Anwendung mittels elektromagnetischer Wellen (beispielsweise im Rundfunkwellenbereich) stattfinden. Eine Signalübertragung kann hierbei beispielsweise mit einer Frequenz von 125 KHz oder 13,56 MHz erfolgen.
Zweckmäßigerweise wird das RFID-tag so angeordnet, dass der Zentrifugenbecher bzw. der Zentrifugationseinheitenhalter das Signal nicht abschirmt. Hierfür kann das RFID-tag beispielsweise im oberen Bereich eines Zentrifugengefäßes, beispielsweise in einem Deckel angeordnet sein. Alternativ kann in einem entsprechenden Abschnitt des Zentrifugenbechers ein Bereich vorgesehen sein, der für elektromagnetische Wellen durchlässig ist. Dieser Bereich kann durch eine Aussparung gebildet sein oder aus einem Material bestehen, das für elektromagnetische Strahlung durchlässig ist, beispielsweise nichtleitendes Material (z.B. Glas, Plastik, insbesondere Polypropylen oder Polyethylen, Quarz, Polymere oder Keramik). Ein solcher für elektromagnetische Strahlung durchlässiger Bereich ist ebenfalls für den Durchtritt der elektromagnetischen Strahlung zur eigentlichen Temperierung der Flüssigkeit sehr zweckmäßig bzw. erforderlich. Durch derartige Bereiche kann die Temperierung innerhalb einer Zentrifugationseinheit ortsgenau durchgeführt und auf einen bestimmten Abschnitt innerhalb der Zentrifugationseinheit beschränkt werden. Bei Zentrifugationseinheiten zur automatisierten Durchführung von verschiedenen Prozessen kann auf diese Weise beispielsweise nur der untere Bereich einer Zentrifugationseinheit lokal erwärmt werden, wenn in diesem Abschnitt ein Bereich im Zentrifugenbecher vorgesehen ist, der für die elektromagnetische Strahlung durchlässig ist.
Wenn die RFID-Technologie in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt wird, ist neben dem RFID-Sender (RFID-tag) auch ein RFID-Empfänger erforderlich, der das rückgesendete RFID-Signal empfängt und gegebenenfalls auswertet. Der RFID-Empfänger, der insbesondere im Bereich der Zentrifuge angeordnet ist, kann die entsprechenden Informationen oder Daten direkt an die Mikrowellenansteuerung oder gegebenenfalls die Zentrifugenansteuerung übertragen, um auf diese Weise eine Regelung über diese Rückkopplung durchzuführen. Über die elektromagnetische Wellentechnologie können darüber hinaus auch andere Informationen, wie z.B. ein Phasenwechsel, Daten zum pH-Wert, Informationen zum Drehzustand eines gestapelten Zentrifugationssystems oder allgemein Daten zur Qualitätskontrolle ausgelesen und kontrolliert werden.
Es kann weiterhin eine Kalibrierung der Temperierung durchgeführt werden. Beispielsweise kann die Temperierung zunächst mit Vergleichsflüssigkeiten durchgeführt werden, sodass entsprechende Daten für eine Kalibrierung aufgenommen werden können. Diese Daten können auf Standardprozesse mit bekanntem Flüssigkeitsvolumen in der Zentrifugationseinheit übertragen werden. Die entsprechenden Informationen zur jeweils erforderlichen Mikrowellenansteuerung für die Temperierung können eingespeichert werden. Da die Einstellung der jeweiligen Temperatur von der Art und dem Volumen der jeweiligen Flüssigkeit abhängt, ist es zweckmäßig, die jeweiligen Ansteuerungsprotokolle auf ein bestimmtes Volumen festzulegen. Durch Kalibrierungsdaten können Anpassungen an veränderte Bedingungen vorgenommen werden. Es kann vorgesehen sein, dass Informationen zur jeweiligen Flüssigkeit und zum Flüssigkeitsvolumen, beispielsweise in Form eines Barcodes oder auch über die RFID-Technologie, auf der jeweiligen Zentrifugationseinheit angebracht oder auslesbar sind. Diese Informationen können vor dem Start des Zentrifugiervorgangs eingelesen werden, so dass die Steuerung des Zentrifugations- und Temperierungsvorganges entsprechend eingestellt werden kann.
Bei den elektromagnetischen Wellen, die für die Temperierung der Flüssigkeit genutzt werden, kann es sich beispielsweise um Mikrowellen insbesondere im Bereich zwischen 300 MHz bis 300 GHz handeln oder auch um Radiowellen im Bereich zwischen 50 KHz bis 3 GHz. Die elektromagnetischen Wellen können beispielsweise über die Öffnung des Zentrifugationseinheitenhalters (Zentrifugenbecher) in die Zentrifugationseinheit gelangen, um dort Flüssigkeiten (wasserhaltige Elemente) aufzuheizen. Zur Aussendung der elektromagnetischen Wellen ist in die Zentrifuge ein entsprechender Sender, also eine Einrichtung zur Aussendung von elektromagnetischen Strahlen (Wellen), integriert. Um eine Temperierung gemäß einem vorgebbaren zeitlichen Protokoll in Anpassung an die jeweils durchzuführenden Prozesse zu ermöglichen, kann die Mikrowellenansteuerung direkt mit der Zentrifugenansteuerung abgestimmt werden. Beispielsweise ist es möglich, eine Temperierung mittels der elektromagnetischen Wellen dann durchzuführen, wenn beispielsweise ein Löse- oder ein Elutionsschritt bei einer erhöhten Temperatur durchgeführt werden soll. Informationen über das durchzuführende Temperierungsprotokoll können beispielsweise über die bereits erwähnte RFID-Anwendung übertragen werden, so dass die Steuerung und/oder Regelung der Temperierung entsprechend durchgeführt werden kann. Diese Informationen können beispielsweise auch durch einen Barcode, der sich auf der Zentrifugationseinheit oder anderswo befindet, oder aus einem Programm abgerufen werden. Die erforderlichen Daten können auch per Hand eingegeben werden.
RFID-Anwendungen können weiterhin genutzt werden, um Informationen zu physikalischen Parametern innerhalb der Zentrifugationseinheit nach außen zu übertragen. Auf diese Weise können Daten beispielsweise im Hinblick auf eine Qualitätskontrolle aufgezeichnet werden. Andererseits sind derartige Daten auch als Rückkopplung für die Einstellung der entsprechenden Parameter mit Vorteil nutzbar, so dass diese Daten in die Zentrifugen- und/oder Temperierungssteuerung einfließen können. Derartige RFID-Anwendungen bei einer Temperierung mittels elektromagnetischer Wellen können daher auch mit Vorteil unabhängig von der beschriebenen Überprüfung oder Überwachung der Temperierung eingesetzt werden.
Die Erfindung umfasst weiterhin eine Zentrifuge, die mit einer Einrichtung zur Aussendung von elektromagnetischen Wellen zur Temperierung von Flüssigkeiten innerhalb einer Zentrifugationseinheit ausgestattet ist. Die erfindungsgemäße Zentrifuge ist derart eingerichtet, dass eine Überprüfung der Temperierung möglich ist. Die erfindungsgemäße Zentrifuge ist insbesondere zur Durchführung des beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist in oder an der Zentrifuge ein Referenzelement für die Temperierung vorgesehen. Bei dem Referenzelement kann es sich beispielsweise um eine Vertiefung im Bereich der Zentrifugenschüssel oder in einem anderen Bereich der Zentrifuge handeln. Die Vertiefung ist insbesondere zur Aufnahme eines Gefäßes vorgesehen, in dem sich eine Referenzflüssigkeit befindet. Diese Referenzflüssigkeit wird parallel zur eigentlich zu temperierenden Flüssigkeit, die sich in der Zentrifugationseinheit befindet, temperiert. Mittels eines Temperatursensors und/oder eines Temperaturindikators kann die Temperatur innerhalb der Referenzflüssigkeit erfasst werden. Diese Information wird zur Überprüfung oder Überwachung der Temperatur genutzt. Beispielsweise kann diese Information für eine Regelung der Temperierung (indirekte Temperaturregelung) oder für andere Zwecke, beispielsweise für eine Qualitätskontrolle, genutzt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Zentrifuge kann die Zentrifuge für eine RFID-Anwendung eingerichtet sein und insbesondere einen RFID-Empfänger und/oder einen RFID-Sender umfassen. Wenn beispielsweise die Temperatur innerhalb der Zentrifugationseinheit mittels eines passiven RFID-tags mit Temperaturindikatorfunktion, wie weiter oben bereits beschrieben wurde, durchgeführt wird, kann das Signal bzw. die Information, die über diesen passiven RFID-tag ausgesendet wird, mittels des RFID-Empfängers der Zentrifuge erfasst und entsprechend weitergeleitet und/oder ausgewertet und verwendet werden. Die Zentrifuge kann darüber hinaus auch einen RFID-Sender aufweisen, um Signale an einen entsprechenden Empfänger, der beispielsweise in der Zentrifugationseinheit enthalten ist, auszusenden und so beispielsweise Informationen zur Identität der jeweiligen Zentrifuge zu übermitteln.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Zentrifuge ist die Zentrifuge mit einem oder mehreren Zentrifugationseinheitenhaltern, also Zentrifugenbechern, ausgestattet, die jeweils wenigstens einen Bereich aufweisen, der für elektromagnetische Strahlung durchlässig ist. Der übrige Zentrifugenbecher besteht beispielsweise aus einem Leichtmetall, das die elektromagnetische Strahlung abschirmt. Der durchlässige Bereich kann beispielsweise aus einem nicht-leitenden Material bestehen oder von einer Materialaussparung gebildet sein. Ein solcher Bereich ist zweckmäßig, um einen lokalisierten Durchtritt der elektromagnetischen Strahlung zu ermöglichen. Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, die Temperierung innerhalb der Zentrifugationseinheit lokal zu begrenzen. Durch eine entsprechende Anordnung derartiger Bereiche kann beispielsweise festgelegt werden, ob die Temperierung in einem oberen, einem mittleren oder einem unteren Abschnitt der Zentrifugationseinheit erfolgen soll. Der Bereich, der für die elektromagnetische Strahlung durchlässig ist, sollte groß genug sein, um keinen Faradayschen Käfig zu bilden. Im Allgemeinen sollte hierfür die Maschweite größer als 1/30 der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung sein. Bei einer Wellenlänge von 3 bis 300 mm sollte dieser Bereich also insbesondere größer als 0,01 bis 1 cm sein, so dass die elektromagnetische Strahlung durchtreten kann. Bei der Ausgestaltung derartiger Zentrifugenbecher sollte beachtet werden, dass der Zentrifugenbecher auch bei hohen Drehzahlen, beispielsweise bei einer Beschleunigung von 6000 × g, ausreichend stabil sein sollte. Vor dem Hintergrund einer ausreichenden Stabilität kann nicht-leitendes Material mit geeigneter Stabilität gegenüber einer Aussparung zur Realisierung des durchlässigen Bereichs bevorzugt sein.
Die Erfindung umfasst weiterhin einen entsprechenden Zentrifugationseinheitenhalter (Zentrifugenbecher), der eine oder mehrere derartiger Bereiche aufweist, die für elektromagnetische Strahlung durchlässig sind.
Um den Anwender vor elektromagnetischer Strahlung und insbesondere vor Mikrowellen zu schützen, ist es zweckmäßig, wenn die Zentrifuge nach außen hin entsprechend abgeschirmt ist. Beispielsweise kann das Zentrifugengehäuse innen als Faradayscher Käfig ausgekleidet sein, beispielsweise durch ein Metallgitter im Deckel und in der Zentrifugenschüssel, so dass durch die Zwischenräume keine potenziell schädigende Strahlung nach außen gelangen kann.
Schließlich umfasst die Erfindung eine Zentrifugationseinheit, die zur Insertion in den Rotor einer Zentrifuge vorgesehen ist, wobei diese Zentrifugationseinheit wenigstens ein Mittel zur Überprüfung oder Überwachung einer Temperierung von Flüssigkeiten innerhalb der Zentrifugationseinheit aufweist. Diese erfindungsgemäße Zentrifugationseinheit ist insbesondere für die Durchführung des beschriebenen Verfahrens geeignet, bei dem eine Temperierung von Flüssigkeiten innerhalb der Zentrifugationseinheit über die Einkopplung von elektromagnetischer Strahlung erfolgt und wobei diese Temperierung überprüft und/oder überwacht wird. Bei dem Mittel zur Überprüfung oder Überwachung der Temperierung handelt es sich insbesondere um einen Temperatursensor und/oder einen Temperaturindikator, beispielsweise um das beschriebene passive RFID-tag mit Temperaturindikatorfunktion. Der Temperatursensor oder der Temperaturindikator kann an verschiedenen Positionen innerhalb der Zentrifugationseinheit angeordnet sein. Zweckmäßigerweise befindet sich der Temperatursensor oder der Temperaturindikator in direktem Kontakt mit der zu temperierenden Flüssigkeit oder einer Referenzflüssigkeit innerhalb der Zentrifugationseinheit. Wenn beispielsweise eine Temperierung im oberen Bereich der Zentrifugationseinheit vorgesehen ist, kann es vorgesehen sein, dass der Temperatursensor oder der Temperaturindikator in einem Deckel der Zentrifugationseinheit angeordnet ist, da hierbei die räumliche Nähe zu der zu temperierenden Flüssigkeit gewährleistet ist. Wenn sich die zu temperierende Flüssigkeit in einem anderen Bereich oder Abschnitt der Zentrifugationseinheit befindet, sollte sichergestellt werden, dass der Kontakt mit dem Temperatursensor oder dem Temperaturindikator gegeben ist, beispielsweise durch entsprechende räumliche Anordnung oder durch Verbindungskanäle.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Hierbei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen zeigen:
1 schematische Darstellung von vier ausgeschwungenen Zentrifugationseinheiten innerhalb einer Zentrifuge mit optischen Sensoren;
2 schematische Darstellung einer Zentrifugationseinheit mit wärmeaktivierbarem RFID-tag;
3 Außenansicht einer Zentrifugationseinheit zur automatisierten Prozessierung von Flüssigkeiten;
4 schematische Aufsicht auf eine Zentrifugenschüssel einer Zentrifuge mit einem Referenzelement in der Zentrifugenschüssel gemäß der Erfindung;
5 schematische Darstellung zur Illustrierung der Anordnung von Temperatursensoren in einer Referenzflüssigkeit;
6A/B schematische Seitenansicht von Zentrifugationseinheitenhaltern mit Bereichen, die für elektromagnetische Strahlung durchlässig sind.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
1 illustriert das erfindungsgemäße Verfahren anhand einer Darstellung von vier Zentrifugenbechern (Zentrifugationseinheitenhaltern) 10, die innerhalb einer Zentrifuge (nicht näher dargestellt) rotieren. Die Zentrifugenbecher sind an einem Ausschwingrotor 11 befestigt, wobei hier die Befestigung nicht näher dargestellt ist. Innerhalb der Zentrifugenbecher 10 befindet sich jeweils eine Zentrifugationseinheit 12 in der Form eines Zentrifugenröhrchens. Die Zentrifugationseinheiten 12 sind jeweils mit einem Deckel 13 verschlossen. Für die Prozessierung von Flüssigkeiten oder Proben innerhalb der Zentrifugationseinheiten 12 ist eine Temperierung vorgesehen, die mittels einer Einkopplung von elektromagnetischen Wellen (Strahlen) erfolgt. Erfindungsgemäß wird die Temperatur im Zuge der Temperierung überprüft und/oder überwacht. Hierdurch wird sichergestellt, dass sich die gewünschte Temperatur tatsächlich einstellt, so dass die vorgesehenen Prozesse in optimaler Weise ablaufen können. Für die Überwachung der eingestellten Temperatur ist in dieser Ausführungsform jeweils ein Temperaturindikator 14 vorgesehen, der im oberen Bereich des Deckels 13 angeordnet ist. Der eingesetzte Temperaturindikator zeigt das Erreichen einer bestimmten Temperatur durch einen Farbumschlag an (Farbindikator). Der Farbumschlag wird durch optische Sensoren 15 detektiert, die auf dem Rotor 11 angeordnet sind. Die Anzahl der optischen Sensoren 15 entspricht der Anzahl der Zentrifugenbecher 10 bzw. der Farbindikatoren 14, so dass Informationen von allen vier Farbindikatoren 14 aufgezeichnet werden können. Zweckmäßigerweise befinden sich die optischen Sensoren 15 auf der Höhe der ausgeschwungenen, sich drehenden Zentrifugationseinheitenhalter 10. Alternativ kann auch beispielsweise nur ein optischer Sensor vorgesehen sein, der bei vier Zentrifugenbechern, wie in diesem Beispiel, viermal so schnell wie die Zentrifugalgeschwindigkeit die Temperaturindikatoren 14 auf den einzelnen Zentrifugationseinheiten 12 auslesen kann.
2 zeigt eine Zentrifugationseinheit 22, in deren Deckel 23 ein wärmeaktivierbares RFID-tag 24 integriert ist. Das RFID-tag 24 hat die Funktion eines Temperaturindikators. Das RFID-tag 24 steht in Kontakt mit der zu temperierenden Flüssigkeit 25, die sich im Bereich des Deckels 23 in der Zentrifugationseinheit 22 befindet. Bei einem definierten Temperaturschwellwert ändert sich das Emissionssignal 26 des RFID-tags 24. Wenn die Temperatur der zu beheizenden Flüssigkeit 25 unterhalb des Schwellwertes liegt, wird ein erstes Signal (Pfeile 26-1) über die RFID-Anwendung gesendet (linke Seite der Darstellung). Das Signal 26-1 wird von einem RFID-Empfänger, der in der Zentrifuge angeordnet ist, empfangen und kann derart interpretiert werden, dass die Temperatur unterhalb des Temperaturschwellwertes liegt. Auf der rechten Seite der Darstellung liegt die Temperatur der zu beheizenden Flüssigkeit 25 oberhalb des Temperaturschwellwertes. Damit ändert sich das Emissionssignal des RFID-tags 24. Das geänderte Signal 26-2 wird von dem RFID-Empfänger empfangen und kann entsprechend ausgewertet werden. In einer anderen Ausgestaltung eines geeigneten RFID-tags kann das RFID-tag über oder alternativ unter einem bestimmten Temperaturwert komplett inaktiv sein, so dass aus dem vorhandenen oder dem gegebenenfalls nicht vorhandenen Signal des RFID-tags abgeleitet werden kann, ob der Temperaturschwellwert erreicht ist oder nicht.
3 illustriert eine konkrete Ausgestaltung eines Zentrifugationsröhrchens 32, das als Zentrifugationseinheit mit einem RFID-tag gemäß der Erfindung ausgestaltet ist. Die Zentrifugationseinheit 32 ist mit einem Deckel 33 versehen. Innerhalb der Zentrifugationseinheit 32 befindet sich ein mikrofluidisches System mit mehreren gegeneinander verdrehbaren Körpern (Revolver), die mithilfe einer Kugelschreibermechanik in Abhängigkeit von den wirkenden Zentrifugalkräften gegeneinander verdreht werden und wobei ein vorgegebener Weg von Flüssigkeiten durch die Zentrifugationseinheit realisiert wird. Eine solche Vorrichtung ist zur automatisierten Prozessierung von Flüssigkeiten vorgesehen. Es kann sich hierbei beispielsweise im Prinzip um eine Zentrifugationseinheit handeln, wie sie in der bereits erwähnten Offenlegungsschrift DE 10 2010 003 223 A1 beschrieben ist. Im Inneren des Deckels 33 sind Strukturen vorgesehen, in die ein RFID-tag mit einer Temperaturindikatorfunktion integriert ist. Das RFID-tag steht dabei in Kontakt mit einer zu temperierenden Flüssigkeit, die ebenfalls im Deckel 33 der Zentrifugationseinheit 32 untergebracht ist. Eine Anordnung des RFID-tags in oder auf dem Deckel eines Zentrifugenröhrchens hat den besonderen Vorteil, dass hierbei eine Auslesung der elektromagnetischen Wellen im Rahmen der RFID-Anwendung problemlos möglich ist, da die Wellen durch die obere Öffnung des Zentrifugenbechers ohne Weiteres austreten können. Es findet also keine Abschirmung der elektromagnetischen Wellen durch den Zentrifugenbecher statt.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Aufsicht auf eine Zentrifuge 42 mit einer Zentrifugenschüssel 43. Im Zentrum der Zentrifugenschüssel 43 befindet sich der Rotor 41, an dem die Zentrifugationseinheitenhalter 40 mit den Zentrifugationseinheiten (nicht näher dargestellt) angeordnet sind. Die Zentrifuge 42 ist mit einer nicht näher dargestellten Einrichtung ausgestattet, über die elektromagnetische Strahlung (beispielsweise im Mikrowellenbereich oder im Radiowellenbereich) in die Zentrifugationseinheiten eingekoppelt wird, wodurch eine Temperierung von Flüssigkeiten innerhalb der Zentrifugationseinheiten erfolgt. Zur Überprüfung oder Überwachung der Temperierung ist im Bereich der Wandung 44 der Zentrifugenschüssel 43 ein Referenzelement 46 vorgesehen. Das Referenzelement 46 enthält als wesentliche Komponente eine Referenzflüssigkeit, die parallel zu den Flüssigkeiten in den Zentrifugationseinheiten durch die elektromagnetische Strahlung erwärmt wird. Darüber hinaus enthält das Referenzelement 46 einen Temperatursensor oder Temperaturindikator, über den die Temperatur der Referenzflüssigkeit gemessen werden kann. Die Übertragung der Messwerte kann auf verschiedene Weise erfolgen. Besonders bevorzugt ist eine Transpondertechnologie (RFID), wobei Sensorsignale an eine Empfängereinheit 45, die im Bereich der Zentrifugenschüssel 43 angeordnet ist, übertragen werden. Der Sensor des Referenzelements 46 kann in dieser Ausgestaltung als RFID-tag mit Temperaturindikatorfunktion oder gegebenenfalls auch mit weiteren Funktionen realisiert sein. Das RFID-tag kann insbesondere Bestandteil des Referenzelementes 46 sein. In anderen Ausgestaltungen der Erfindung erfolgt die Temperaturmessung direkt in den Zentrifugationseinheiten, wobei sich ein RFID-tag in den Zentrifugenbechern 40 oder in den darin enthaltenen Zentrifugationseinheiten befinden kann, wie es beispielsweise im Zusammenhang mit der 2 erläutert wurde.
Die gemessenen Temperaturwerte können in eine Temperaturregelung einfließen, wobei auf der Basis dieser Werte die Temperierung über die Einkopplung von elektromagnetischer Strahlung gesteuert oder geregelt werden kann. Die über das Referenzelement 46 erfassbaren Temperaturwerte können darüber hinaus auch zu anderen Zwecken, beispielsweise zur Dokumentation oder Qualitätskontrolle, genutzt werden. Auf der Basis der mit dem Referenzelement 46 messbaren Temperaturen kann weiterhin eine Kalibrierung der Temperierung vorgenommen werden.
5 zeigt ein Referenzelement 56, das einen Temperatursensor 54 zur Temperaturmessung umfasst. Das Referenzelement 56 kann sich beispielsweise in der Seitenwand der Zentrifuge befinden. Weiterhin kann das Element 56 in die Zentrifugenschüsselwandung oder in den oberen Rand der Zentrifugenschüssel eingelassen sein. Im Allgemeinen ist es nicht erforderlich, dass das Referenzelement 56 mit dem Rotor mitdreht, da die Temperatur innerhalb der Zentrifuge homogen verteilt ist, so dass durch eine Temperaturmessung auch außerhalb des Rotors eine indirekte Temperaturregelung möglich ist. Die elektromagnetische Strahlung zur Temperierung ist gleichmäßig innerhalb der Zentrifugenschüssel verteilt, so dass im Prinzip an einer beliebigen Position innerhalb der Zentrifugenschüssel die Temperatur gemessen werden kann. Der Temperatursensor 54 taucht in eine Referenzflüssigkeit ein, so dass die Temperatur dieser Flüssigkeit gemessen werden kann. Über elektrische Kontakte 57 können die Werte des Temperatursensors 54 an eine Kontroll- und Steuerungseinheit der Zentrifuge (nicht dargestellt) weitergeleitet werden. Anstatt der hier gezeigten elektrischen Kontakte 57 kann alternativ auch beispielsweise die Transponder-Technologie oder eine andere Drahtlos-Datenübertragungstechnologie eingesetzt werden. Um die Temperaturerfassung und gegebenenfalls die Temperaturregelung weiter zu verbessern, kann es gegebenenfalls vorgesehen sein, auch die Umgebungstemperatur zu erfassen. In dem hier gezeigten Beispiel ist hierfür ein weiterer Temperatursensor 58 vorgesehen, der in der Umgebung der Zentrifuge angeordnet ist. Die Messwerte des Temperatursensors 58 werden ebenfalls an die Zentrifugenansteuerungseinheit übertragen, sodass die gemessene Umgebungstemperatur bei der Temperierung innerhalb der Zentrifuge berücksichtigt werden kann.
6A und 6B zeigen beispielhafte Ausgestaltungen für Zentrifugationseinheitenhalter (Zentrifugenbecher) 621 und 622. Bei den Zentrifugenbechern 621, 622 sind Bereiche 61 bzw. 62 vorgesehen, die für elektromagnetische Strahlung oder Wellen durchlässig sind. Üblicherweise bestehen derartige Zentrifugenbecher aus einem Leichtmetall, das elektromagnetische Wellen abschirmt. Das bedeutet, dass bei der Verwendung von üblichen Zentrifugenbechern die elektromagnetische Strahlung, die für die Temperierung und gegebenenfalls für eine RFID-Anwendung eingesetzt wird, nur durch die obere Öffnung in den Zentrifugenbecher eindringen und diesen verlassen kann. Bei einer Verwendung der erfindungsgemäßen Zentrifugenbechern 621, 622 mit den durchlässigen Bereichen 61, 62 kann die elektromagnetische Strahlung für die Temperierung gezielt positioniert werden. In den hier gezeigten Beispielen befinden sich die Bereiche 61 bzw. 62 im jeweiligen mittleren Abschnitt der Zentrifugenbecher. Daher ist die Temperierung von Flüssigkeiten innerhalb einer Zentrifugationseinheit, die sich in dem Zentrifugenbecher befindet, lokal auf diesem Bereich begrenzt. Auch eine Signalübertragung im Rahmen einer RFID-Anwendung kann durch die durchlässigen Bereiche 61 oder 62 hindurch erfolgen.
Der Bereich 61 bildet einen einheitlichen Bereich, der für elektromagnetische Strahlung durchlässig ist. Der Bereich 62 wird von mehreren nebeneinander- und untereinanderliegenden Fenstern gebildet. Die Bereiche 61 und 62 können aus nicht-leitendem Material, beispielsweise aus Glas, Plastik, insbesondere Polypropylen oder Polyethylen, Quarz, Polymeren oder Keramik hergestellt sein. In alternativen Ausgestaltungen ist für die Bereiche 61 oder 62 eine Materialaussparung vorgesehen. Die Bereiche 61 und 62 müssen ausreichend groß sein, um keinen Faradayschen Käfig zu bilden. Bei einer Wellenlänge von beispielsweise 3 bis 300 mm sollte die Maschweite größer als 0,01 bis 1 cm sein, so dass beispielsweise Mikrowellen ungehindert durchtreten können. Im Hinblick auf eine Stabilität der Zentrifugenbecher 621 und 622 können stabile, nicht-metallische Materialien für die Bereiche 61 und 62 gegenüber bloßen Materialaussparungen bevorzugt sein. Aber beispielsweise bei einem 20 cm hohen Zentrifugenbecher mit einem Durchmesser zwischen 4 bis 9 cm kann eine Ausgestaltung mit Materialaussparungen zur Realisierung der Bereiche 61 oder 62 ausreichend stabil sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010003223 A1 [0004, 0010, 0039]
US 2007/0184962 A1 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

J. et al., Sensors Applications Symposium (SAS), 2011 IEEE, Seiten 312–317 [0016]

Claims

Verfahren zur Temperierung von Flüssigkeiten in einer Zentrifugationseinheit (12; 22; 32) in einer Zentrifuge (42), dadurch gekennzeichnet, dass in die Zentrifugationseinheit (12; 22; 32) über die Zentrifuge elektromagnetische Wellen zur Erwärmung von Flüssigkeiten eingekoppelt werden und dass die Temperierung überprüft wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überprüfung der Temperierung unter Verwendung eines Temperatursensors (54) und/oder eines Temperaturindikators (14; 24), insbesondere anhand eines Farbumschlags des Temperaturindikators, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Überprüfung der Temperierung innerhalb der Zentrifugationseinheit (12; 22; 32) erfolgt, wobei vorzugsweise ein Temperatursensor und/oder ein Temperaturindikator (14; 24) in der Zentrifugationseinheit vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Referenzmessung durchgeführt wird, wobei vorzugsweise parallel eine Referenzflüssigkeit (56) temperiert wird, die mit einem Temperatursensor (54) oder einem Temperaturindikator ausgestattet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturindikator ein RFID-tag mit Temperaturindikatorfunktion (24) ist, der vorzugsweise in der Zentrifugationseinheit (22) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kalibrierung der Temperierung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung und/oder Regelung der Temperierung über eine RFID-Anwendung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass über die RFID-Anwendung Informationen zu physikalischen Parametern innerhalb der Zentrifugationseinheit (12; 22; 32) übertragen werden.
Zentrifuge (42) mit einer Einrichtung zur Aussendung von elektromagnetischen Wellen zur Temperierung von Flüssigkeiten innerhalb einer Zentrifugationseinheit (12; 22; 32), dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrifuge zur Durchführung einer Überprüfung der Temperierung eingerichtet ist.
Zentrifuge nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in oder an der Zentrifuge (42) ein Referenzelement (46; 56) für die Temperierung vorgesehen ist, wobei vorzugsweise das Referenzelement in der Schüssel (43) der Zentrifuge angeordnet ist.
Zentrifuge nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrifuge wenigstens einen RFID-Empfänger und/oder RFID-Sender aufweist.
Zentrifuge nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrifuge wenigstens einen Zentrifugationseinheitenhalter (621; 622) aufweist, der wenigstens einen Bereich (61; 62) aufweist, der für elektromagnetische Strahlung durchlässig ist, wobei der Bereich insbesondere aus nicht-leitendem Material besteht und/oder von einer Materialaussparung gebildet wird.
Zentrifugationseinheitenhalter (621; 622), dadurch gekennzeichnet, dass der Zentrifugationseinheitenhalter wenigstens einen Bereich (61; 62) aufweist, der für elektromagnetische Strahlung durchlässig ist, wobei der Bereich insbesondere aus nicht-leitendem Material besteht und/oder von einer Materialaussparung gebildet wird.
Zentrifugationseinheit (12; 22; 32) zur Insertion in den Rotor (11; 41) einer Zentrifuge (42), dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrifugationseinheit wenigstens ein Mittel (14; 24) zur Überprüfung einer Temperierung von Flüssigkeiten innerhalb der Zentrifugationseinheit aufweist.
Zentrifugationseinheit nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel ein Temperatursensor und/oder ein Temperaturindikator (14), insbesondere ein RFID-tag (24) mit Temperaturindikatorfunktion, ist.