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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einstellung von physikalischen Parametern in einem Reaktionsraum sowie eine Verwendung dieser Vorrichtung und ein System zur automatisierten Durchführung von chemischen und/oder biochemischen und/oder biologischen Prozessen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung.
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Stand der Technik
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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.
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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. Neben dem Kunststoffsubstrat mit verschiedenen Kanälen, Reaktionskammern usw. sind vorgelagerte Reagenzien und verschiedene aktive Komponenten, wie beispielsweise Ventile oder Pumpen, sowie weitere Aktuations-, Detektions- und Steuereinheiten erforderlich.
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Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2010 003 223 A1 beschreibt ein System, das zum Einsetzen in einen Zentrifugationsrotor vorgesehen ist. Hierbei sind zwei oder mehr revolverartige Körper axial übereinander angeordnet. Die Revolver beinhalten jeweils ein oder mehrere Kavitäten, insbesondere Reaktionskammern und Kanäle, und gegebenenfalls weitere Strukturen für die Durchführung von Prozessen, insbesondere von fluidischen Einheitsoperationen. Ein Beschleunigungswechsel der Zentrifuge aktiviert eine integrierte Mechanik, die nach Art einer Kugelschreibermechanik funktioniert. Infolge der Zentrifugalkraft bewegen sich die Körper radial nach außen, wobei die Körper mittels einer Verzahnung und einem integrierten Rückstellmittel gegeneinander verschoben oder verdreht werden. Die Kavitäten werden hierdurch miteinander verschaltet. Darüber hinaus ist ein orientierungsabhängiges Öffnen von einzelnen Kavitäten oder Gefäßen in den Körpern möglich, wobei eine Seite der Kavität oder des Gefäßes beispielsweise mit einer durchstechbaren Folie versehen ist. Mit Hilfe eines Dorns auf einem anderen Körper wird die Folie durch die Bewegung der Körper gegeneinander durchstoßen. Auf diese Weise kann eine kontrollierte Fluidführung in der Vorrichtung erreicht werden. Beispielsweise kann eine Fluidführung von Vorlagerungskammern über zwischengeschaltete Prozessierungskammern bis hin zu Auffangkavitäten für die prozessierten Flüssigkeiten realisiert werden. Ein derartiges System kann zum Beispiel zur Aufreinigung von biologischen oder biochemischen Molekülen genutzt werden. Hierfür werden im obersten Revolver die Probe und alle zur Aufreinigung benötigten Reagenzien eingesetzt. Die darunterliegenden Revolver dienen als Reaktionsstufen für die verschiedenen Festoder Flüssigphasenreaktionen. Der Transport von Probe und Reagenzien vom obersten zum untersten Revolver erfolgt durch die Zentrifugalkraft, indem die Flüssigkeiten entlang des Kraftvektors der Zentrifugalkraft von radial innenliegenden Punkten zu radial außenliegenden Punkten transportiert werden.
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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 anstelle einer Zentrifugation eingesetzt werden. Bei vielen Anwendungen, beispielsweise bei der isothermalen DNA-Amplifikation, ist die genaue Einhaltung des Temperaturprofils wichtig. Insbesondere sollte die Temperatur nicht um mehr als +/–2°C schwanken. Weiterhin ist die präzise Temperierung über einen bestimmten Zeitraum erforderlich. Der Zeitraum kann typischerweise 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 komplexere analytische oder präparative Verfahren in einem automatisierten System eine zeitbestimmte Temperaturkontrolle und – stabilisierung erforderlich.
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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 kann oftmals schwanken. Zudem erfordert das Aufund Abkühlen der Zentrifuge im Allgemeinen mehrere Minuten, was für viele Anwendungen nicht schnell genug ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung stellt eine Vorrichtung zur Einstellung und/oder Messung von physikalischen Parametern in einem Reaktionsraum bereit, wobei es sich bei den physikalischen Parametern beispielsweise um die Temperatur in dem Reaktionsraum handelt. Die Vorrichtung kann auch so eingerichtet sein, dass sie zur Einstellung und/oder Messung des Drucks, der Optik, des pH-Wertes, der Leitfähigkeit und/oder anderer physikalischer Parameter geeignet ist. Bei dem Reaktionsraum handelt es sich um einen Raum, in dem biochemische, chemische, biologische und/oder physikalische Prozesse ablaufen können. Der Reaktionsraum ist insbesondere für mikrofluidische Anwendungen vorgesehen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Integration in den Reaktionsraum vorgesehen. Die Vorrichtung weist im Prinzip zwei Komponenten auf. Eine erste Komponente ist zur Aufnahme des wenigstens einen Elementes zur Einstellung und/oder Messung der physikalischen Bedingungen vorgesehen. Im Folgenden wird diese Komponente auch als Aufnahmekomponente bezeichnet. Bei der anderen Komponente handelt es sich um eine Haltekomponente. Die Vorrichtung kann in einen Reaktionsraum eingesetzt werden, um sehr präzise, genau und schnell die Temperatur und/oder andere physikalische Parameter einzustellen und/oder zu messen und gegebenenfalls zu regeln. Auf diese Weise kann beispielsweise in einem mikrofluidischen System zur automatisierten Prozessierung einer Probe in einzelnen Kompartimenten (Reaktionsräumen) die Temperatur sehr schnell und sehr genau eingestellt werden, um die optimalen Reaktionsbedingungen zu bieten. Die Temperatur und/oder gegebenenfalls andere Parameter können dabei sehr gleichmäßig und stabil kontrolliert werden. Das jeweils eingestellte Profil ist im Prinzip beliebig oft reproduzierbar. Der physikalische Parameter in dem Reaktionsraum kann unabhängig von äußeren Bedingungen, beispielsweise unabhängig von der Temperatur eines Zentrifugenrotors, eingestellt und je nach Bedarf verändert werden. Beispielsweise lässt sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Temperatur sehr schnell und gleichmäßig in einem Reaktionsraum einstellen. Insgesamt kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein zu beheizendes Medium in einem Reaktionsraum sehr homogen erwärmt oder abgekühlt werden. So kann ein einheitliches Temperaturprofil über den gesamten Querschnitt des Reaktionsraums erreicht werden. Dies gilt in vergleichbarer Weise für andere physikalische Parameter. Die erfindungsgemäße Vorrichtung muss nicht zwingend unmittelbar in den jeweiligen Reaktionsraum eingesetzt werden. Unter Umständen ist es auch möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung in ein benachbartes Kompartiment einzusetzen.
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Die Haltekomponente der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird vorzugsweise von Halterungsarmen gebildet. Die Halterungsarme können zweckmäßigerweise die Aufnahmekomponente flankieren, sodass die Aufnahmekomponente im Wesentlichen freistehend ist. Dies hat den besonderen Vorteil, dass in dieser Ausgestaltung die Aufnahmekomponente von Medium oder Probenflüssigkeit umgeben ist, sodass die Einstellung und/oder Messung der physikalischen Parameter im Reaktionsraum sehr schnell und gleichmäßig bzw. genau erfolgen kann.
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Gegenüber herkömmlichen Verfahren und Vorrichtungen zur Temperatureinstellung hat die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil, dass die Temperatur wesentlich schneller, gleichmäßiger, genauer und lokalisierter eingestellt und/oder gemessen werden kann. Durch die Positionierung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem bestimmten Reaktionsraum kann die Temperatur in dem jeweiligen Reaktionsraum definiert eingestellt werden. In anderen benachbarten Reaktionsräumen können weitere erfindungsgemäße Vorrichtungen integriert sein, um in den verschiedenen Reaktionsräumen beispielsweise verschiedene Temperaturen einstellen zu können.
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Bei dem wenigstens einen Element zur Einstellung und/oder Messung der physikalischen Bedingungen handelt es sich in bevorzugter Weise um ein Thermoelement. Alternativ oder zusätzlich kann ein Temperatursensor vorgesehen sein. In anderen Ausgestaltungen können auch zusätzlich oder alternativ ein Optikelement und/oder ein optischer Sensor und/oder ein Drucksensor und/oder ein pH-Element und/oder ein pH-Sensor und/oder ein Konduktivitätsmesselement und/oder andere Sensoren, insbesondere elektrische Sensoren vorgesehen sein. Als Optikelement kann beispielsweise ein Leuchtdiodenbauelement (LED) vorgesehen sein, um die Lichtverhältnisse in dem Reaktionsraum zu beeinflussen. Das Thermoelement kann in einer bevorzugten Ausgestaltung insbesondere einen oder mehrere SMD-Widerstände (surface-mounted device) umfassen. SMD-Widerstände sind kostengünstige Miniaturwiderstände, die daher für die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders geeignet sind. Andere Möglichkeiten eines Thermoelements sind zum Beispiel Heizfolie, Kupferdraht oder PTC- oder NTC-Widerstände.
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Durch die Verwendung von Temperatursensoren in der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Temperatur in genau kontrollierbarer Weise eingestellt werden kann. Der Temperatursensor kann beispielsweise einen NTC-Widerstandsdraht, also einen Heißleiter-Widerstand, und/oder einen PTC-Widerstandsdraht, also einen Kaltleiter-Widerstandsdraht, umfassen bzw. aus einem solchen Widerstand bestehen. Diese kleinen Widerstandsdrähte können ohne Weiteres in die erfindungsgemäße Vorrichtung integriert werden, um so eine Überwachung und eine sehr genaue Einstellung und gegebenenfalls Regelung der Temperatur zu ermöglichen. Als pH-Sensor kann beispielsweise eine pH-Messelektrode verwendet werden. Die Aufnahmekomponente bzw. das Aufnahmekomponentengehäuse kann insbesondere in diesem Fall mit einer oder mehreren Öffnungen versehen sein, damit die pH-Messelektrode mit dem Medium im Reaktionsraum in Kontakt tritt und die Messparamenter besser erfasst werden können. Die Öffnung(en) kann/können beispielsweise oben oder seitlich oder unten in dem Aufnahmekomponentengehäuse vorgesehen sein.
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Zweckmäßigerweise wird die erfindungsgemäße Vorrichtung elektrisch betrieben, wobei über eine entsprechende Schaltung beispielsweise das Thermoelement und/oder der Temperatursensor angesteuert werden können. Die erforderlichen elektrischen Leitungen (Kabel) können beispielsweise über das Gehäuse eines Systems, in dem die erfindungsgemäße Vorrichtung(en) integriert ist (sind), nach außen geführt und mit einem Steuergerät verbunden werden.
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Vorteilhafterweise umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung und insbesondere die Aufnahmekomponente leitfähiges Material, insbesondere wärmeleitfähiges Material. So kann die Komponente, die zur Aufnahme eines Thermoelements vorgesehen ist, eine wärmeleitfähige Füllung enthalten. Das Thermoelement kann dabei in eine wärmeleitfähige Paste (Zement, Kleber) eingebettet und fixiert sein. Durch das wärmeleitfähige Material wird diese Komponente insgesamt gleichmäßig erwärmt oder abgekühlt, sodass die Temperatur in gleichmäßiger Weise auf das umgebende Medium übertragen werden kann und eine homogene Wärmeausbreitung erzielt wird. Weiterhin wird durch das leitfähige Material vermieden, dass sich die Oberflächen der Aufnahmekomponente lokal überhitzen oder unterkühlen. Das eigentliche Thermoelement kommt nicht direkt mit dem zu temperierenden Medium in Kontakt. Auch dies dient einer sehr gleichmäßigen und schonenden Temperaturübertragung. Eine lokale Überhitzung des umgebenden Mediums wird somit ausgeschlossen, sodass es beispielsweise nicht zu einer lokalen Denaturierung eines Enzyms oder zu vergleichbaren Vorgängen kommen kann. Bei dem wärmeleitfähigen Material kann es sich beispielsweise um einen wärmeleitfähigen Epoxidkleber handeln, mit dem das Thermoelement und/oder andere Elemente innerhalb der Aufnahmekomponente fixiert werden können. Das wärmeleitfähige Material oder allgemein das leitfähige Material kann die Aufnahmekomponente in einer möglichen Ausgestaltung im Wesentlichen ausfüllen. Es können jedoch auch Beschichtungen oder Schichten aus dem leitfähigen Material vorgesehen sein. Beispielsweise kann die Aufnahmekomponente mit einem entsprechenden Kleber, Zement, Gummi oder anderem ausgelegt sein, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung an der Oberfläche dieser Komponente zu erreichen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann aus verschiedenen Materialien gefertigt sein. Geeignete Materialien sind Thermoplaste, wie beispielsweise PA (Polyamide), PC (Polycarbonate), PP (Polypropylen), PS (Polystyrol), PET (Polyethylenterephthalat) oder PVC (Polyvenylchlorid). Weiterhin können Duro-Plaste, wie beispielsweise Aminoplaste oder Phenoplaste, sowie Metalle, beispielsweise Aluminium, Eisen, Kupfer oder Wolfram, oder Keramiken eingesetzt werden.
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In besonders vorteilhafter Weise besteht die erfindungsgemäße Vorrichtung zumindest teilweise aus einem biokompatiblen Material, beispielsweise aus Glas. Der Einsatz von einem biokompatiblen Material hat den Vorteil, dass hierdurch keine Beeinflussung von biologischen oder biochemischen oder anderen Reaktionen erfolgt, sodass die erfindungsgemäße Vorrichtung die durchzuführenden Prozesse nicht stört. Es können auch verschiedene Materialien miteinander kombiniert werden.
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Die Haltekomponente und die Aufnahmekomponente können aus einem Teil oder mehrteilig gebildet sein. Beispielsweise kann die Haltekomponente ein Bauteil aus einem Kunststoff und die Aufnahmekomponente ein Bauteil aus Glas sein. In anderen Ausgestaltungen können beide Komponenten einteilig gefertigt sein und beispielsweise vollständig aus einem thermoplastischen Kunststoff oder aus Glas hergestellt sein.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Vorrichtung im Wesentlichen rechteckförmig. Dies hat den Vorteil, dass viele der möglichen einzusetzenden Elemente, also beispielsweise Thermoelemente oder Thermosensoren, in Rechteckform verfügbar sind und daher passend in einem rechteckförmigen Innenraum der Vorrichtung untergebracht werden können. Weiterhin lässt sich die rechteckige Form der Vorrichtung in besonders vorteilhafter Weise in einen Reaktionsraum integrieren. Beispielsweise ist die rechteckige Form geeignet, in verschiedene Geometrien von Reaktionsräumen eingesetzt zu werden. Eine derartige Vorrichtung ist also besonders universell einsetzbar.
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Es kann vorgesehen sein, dass die äußere Form der Vorrichtung Anpassungen für eine formschlüssige Integration in einen Reaktionsraum aufweist. Beispielsweise können entsprechende Vorsprünge oder Abkantungen in Anpassung an eine bestimmte Geometrie eines Reaktionsraums vorgesehen sein. Hierdurch wird zum einen ein fester Halt der Vorrichtung in dem Reaktionsraum gewährleistet. Zum anderen wird ein fehlerhaftes Einsetzen der Vorrichtung in einen Reaktionsraum vermieden.
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Die Erfindung umfasst weiterhin die Verwendung der beschriebenen Vorrichtung in einem mikrofluidischen System, das zur automatisierten Durchführung von chemischen und/oder biochemischen und/oder biologischen Prozessen vorgesehen ist. Die Vorrichtung ist mit besonderem Vorteil für eine Verwendung in zentrifugierbaren Systemen geeignet. Insbesondere kann es sich hierbei um ein mikrofluidisches System handeln, das wenigstens zwei axial übereinander angeordnete Körper mit jeweils wenigstens einer Kavität aufweist. Diese Körper sind in Abhängigkeit von einer Zentrifugalkraft oder einer gleichwirkenden Kraft gegeneinander verdrehbar oder verschiebbar, wobei die Kavitäten miteinander fluidisch koppelbar sind. Es kann sich hierbei beispielsweise um das eingangs beschriebene System handeln, das dafür vorgesehen ist, in einen Zentrifugenrotor eingesetzt zu werden. Aufgrund der wirkenden Zentrifugalkräfte werden die Körper gegeneinander mithilfe einer sogenannten Kugelschreibermechanik verdreht, wobei die Verschaltung der einzelnen Kavitäten und das Öffnen dieser Kavitäten vorgegeben werden kann, sodass verschiedene Reaktionsschritte beispielsweise eines Aufreinigungsprotokolls in vorgegebener und automatisierter Weise vorgenommen werden können. Bei diesem an sich bekannten System ist es herkömmlicherweise sehr schwierig, die Temperatur genau einzustellen. Bisher ist eine Temperatureinstellung im Wesentlichen nur über die Temperatur des Zentrifugenrotors möglich. Die Einstellung der Temperatur auf diese Weise ist aber sehr träge und ungenau. Zudem kann hierbei nicht die Temperatur in einzelnen Reaktionskammern des Systems unterschiedlich voneinander eingestellt und reguliert werden. Mithilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Temperatur in einzelnen Kompartimenten eines solchen Systems sehr schnell, gleichmäßig und genau eingestellt werden. Zudem können in einem solchen System mehrere der erfindungsgemäßen Vorrichtungen verwendet werden und in jeweils unterschiedliche Reaktionsräumen (Kompartimenten) positioniert werden. Auf diese Weise kann die Temperatur in den unterschiedlichen Kompartimenten eines solchen Systems unterschiedlich eingestellt werden, sodass die Kombination der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem solchen System eine Vielzahl von Möglichkeiten der Variation der Reaktionsbedingungen ermöglicht. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dabei nicht nur auf eine Regulierung der Temperatur beschränkt. Vielmehr können auch andere physikalische Parameter eingestellt und/oder überwacht werden.
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Die Erfindung umfasst weiterhin ein mikrofluidisches System zur automatisierten Durchführung von chemischen und/oder biochemischen und/oder biologischen Prozessen, wobei in dieses System wenigstens eine der beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Einstellung und/oder Messung von physikalischen Parametern integriert ist. Es kann sich insbesondere um das bereits beschriebene mikrofluidische System mit wenigstens zwei axial übereinander angeordneten Körpern handeln, die in Abhängigkeit von einer Zentrifugalkraft oder einer gleichwirkenden Kraft gegeneinander verdrehbar oder verschiebbar sind. Bezüglich weiterer Einzelheiten zu dieser Vorrichtung wird auf die obige Beschreibung verwiesen.
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Schließlich umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der beschriebenen Vorrichtung. Die Vorrichtung wird hierbei zumindest teilweise aus Glas oder einem anderen thermoplastischen Material gegossen. Während des Gießens wird ein Platzhalter aus Wolfram oder einem anderen Material, das einen höheren Schmelzpunkt als Glas hat, verwendet. Wenn statt Glas ein anderes thermoplastisches Material verwendet wird, sollte das Platzhaltermaterial einen höheren Schmelzpunkt als das jeweils verwendete thermoplastische Material aufweisen. Dieser Platzhalter wird zur Erzeugung einer Aussparung in dem Gusskörper benutzt. Die Aussparung ist zur Integration des Elements zur Einstellung und/oder Messung der physikalischen Bedingungen vorgesehen. Beispielsweise kann ein aus Wolframdraht hergestellter Stift eingesetzt werden. Nach der Formgebung des Bauteils wird der Wolframdraht bzw. das Platzhaltermaterial erhitzt und kann so aus dem Glasbauteil oder dem Bauteil aus einem anderen thermoplastischen Material entfernt werden. Bei diesem Verfahren ergibt sich eine Mulde oder Aussparung in dem Bauteil, in die anschließend beispielsweise ein Thermoelement und ein Thermosensor eingebracht werden können. Dieses Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils ist sehr kostengünstig und einfach durchführbar.
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Weitere Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des beschriebenen Systems zur automatisierten Durchführung von chemischen und/oder biochemischen und/oder biologischen Prozessen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Zusammenhang mit den Zeichnungen. Hierbei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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In den Zeichnungen zeigen:
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1A/B/C isometrische Ansichten einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2A/B isometrische Ansichten einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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3A/B isometrische Ansichten der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus 2, integriert in einen Reaktionsraum;
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4A/B isometrische Ansichten einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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5A/B isometrische Ansichten der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus 4, integriert in einen Reaktionsraum;
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6 Seitenansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Heizelement und Temperaturfühler;
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7 graphische Darstellung der Temperaturstabilisierung in einem Reaktionsraum unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
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8 schematische Schnittdarstellung eines zentrifugierbaren Systems zur automatisierten Durchführung von chemischen und/oder biochemischen und/oder biologischen Prozessen.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung, die in verschiedenen Ausführungsformen nachfolgend näher erläutert wird, wird in einen Reaktionsraum (Reakionskammer) integriert, um dort verschiedene physikalische Bedingungen (Parameter) in sehr vorteilhafter Weise einstellen und/oder messen und gegebenenfalls regulieren zu können. Insbesondere ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur schnellen und genauen Temperierung eines Reaktionsraumes geeignet. Es können jedoch auch andere physikalische Parameter, wie beispielsweise Druck, Optik oder pH-Wert, in einem Reaktionsraum mithilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemessen oder eingestellt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt eine Integration verschiedener Sensorelemente, sodass aktuelle Werte des jeweiligen physikalischen Parameters erfasst werden können und so eine genaue Regulierung und/oder Steuerung dieser Parameter möglich ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird mit einer Schaltung elektrisch betrieben, sodass beispielsweise ein in der Vorrichtung integriertes Thermoelement und ein Temperatursensor angesteuert werden können. Die Vorrichtung wird in eine Reaktionskammer eingesetzt, sodass durch die Ansteuerung des Thermoelements die Flüssigkeit in dem Reaktionsraum schnell und gleichmäßig temperiert, d.h. auf eine bestimmte Temperatur erwärmt oder abgekühlt werden kann. Auf diese Weise können optimale Bedingungen für den jeweils durchzuführenden Prozess erreicht werden. Beispielsweise sind für eine isothermale DNA-Amplifikation stabile Temperaturprofile über einen Zeitraum von wenigen Sekunden bis Stunden erforderlich, die eine Abweichung der Temperatur um nur wenige °C erlauben. Hierbei muss nicht nur die Temperatur mit einer möglichst geringen Abweichung reguliert werden, sondern es muss auch möglichst eine gleichmäßige Verteilung der Temperatur realisiert werden. Wenn beispielsweise ein übliches Heizelement direkt in die Probenflüssigkeit eingebracht werden würde, würde sich das resultierende Temperaturprofil unkontrolliert und nicht einheitlich einstellen. Bei einer einfachen Einbringung der Heizelemente direkt in die Flüssigkeit wird die Flüssigkeit direkt um die Heizelemente herum am stärksten erwärmt. Mit zunehmendem Abstand von dem Heizelement nimmt die Temperatur ab. Versuche mit einem Heizelement direkt in der Probenflüssigkeit haben gezeigt, dass das resultierende Temperaturprofil einen Temperaturunterschied ∆T von circa 11K bei einem Probenvolumen von 400 µl zeigt. Auch ein Temperaturfühler kann nur die Temperatur in der unmittelbaren Nähe erfassen, sodass je nach Position des Temperaturfühlers eine unterschiedliche Temperatur erfasst wird. Durch die ungleichmäßige Temperaturverteilung bei einer direkten Einbringung des Heizelements in der Flüssigkeit wird gerade bei kleinen Probenmengen die Durchführung von temperaturempfindlichen Prozessen, wie beispielsweise eine Durchführung einer isothermalen DNA-Amplifikation, nicht möglich sein. Davon abgesehen würden durch den direkten Kontakt des Heizelements mit der Probe die empfindlichen Prozesse gestört werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt hingegen eine Einstellung der Temperatur, bei der die Temperaturdifferenz ∆T beispielsweise in einem Probenvolumen von 400 µl nur 2K beträgt, also eine sehr gleichmäßige Temperaturverteilung. Gerade bei kleinen Probenvolumina ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung daher die Durchführung von temperaturempfindlichen Prozessen in sehr vorteilhafter Weise. Zudem kann die Temperatur mithilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung sehr schnell herauf und herab reguliert werden, je nach gewünschtem Prozessierungsprotokoll. Dies ist bei herkömmlichen Systemen, die beispielsweise über die Temperatur eines Zentrifugenrotors temperiert werden, nicht möglich. Weiterhin kann durch den Einsatz von mehreren der erfindungsgemäßen Vorrichtungen in unterschiedlichen Reaktionsräumen eines Systems jeweils eine unterschiedliche Temperatur eingestellt werden, sodass mithilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtungen sehr komplexe Prozessierungsprotokolle in automatisierter Weise durchgeführt werden können.
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Insbesondere durch die Verwendung von biokompatiblen Materialien für die erfindungsgemäße Vorrichtung ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung direkt in einem Reaktionsraum unproblematisch, da durch die biokompatiblen Materialien keine Interaktion mit den empfindlichen Bestandteilen der Probe selbst stattfindet.
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Die Figuren illustrieren beispielhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Darstellungen in 1 bis 5 zeigen jeweils lediglich die äußeren Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Nicht gezeigt sind die Elemente zur Einstellung und/oder Messung der physikalischen Bedingungen, die in die jeweilige Aufnahmekomponente 11, 21 eingesetzt werden. Allgemein kann die erfindungsgemäße Vorrichtung einteilig, also aus nur einem Bauteil bestehend, gefertigt sein, wobei in dieses Bauteil die Elemente zur Einstellung und/oder Messung der physikalischen Bedingungen integriert werden, also beispielsweise ein Thermoelement und ein Temperaturfühler und/oder weitere Elemente. Die Vorrichtung kann auch aus mehreren Bauteilen zusammengefügt sein. Allgemein umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Komponente zur Aufnahme des wenigstens einen Elements (Aufnahmekomponente) sowie eine Haltekomponente, die beispielsweise in Form von zwei oder mehr Halterungsarmen gebildet sein kann. Die Aufnahmekomponente, die in der fertig montierten Form die Elemente zur Einstellung und/oder Messung der physikalischen Bedingungen enthält, ist dadurch im Wesentlichen freistehend. Dies hat den Vorteil, dass diese Komponente direkt in die Probenflüssigkeit im Reaktionsraum eintauchen kann und so beispielsweise eine sehr gleichmäßige und schnelle Temperierung der Probenflüssigkeit erlaubt.
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1A/B illustriert eine erste Ausführungsform 10 der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die im Wesentlichen aus zwei Bauteilen besteht. Die Vorrichtung 10 umfasst zum einen die Komponente 11, die zur Aufnahme des oder der Elemente zur Einstellung und/oder Messung der physikalischen Bedingungen vorgesehen ist. In dieser Ausgestaltung ist die Komponente 11 aus einem transparenten Material, insbesondere aus Glas oder einem anderen transparenten thermoplastischen Material, gefertigt. Die Verwendung von Glas hat den Vorteil, dass es sich hierbei um ein gut zu verarbeitendes und kostengünstiges Material handelt. Glas ist weiterhin biokompatibel und interagiert nicht mit der Probenflüssigkeit beziehungsweise mit den Inhaltsstoffen der Probe. Die weitere Komponente 12 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 ist die Haltekomponente, die insbesondere dazu vorgesehen ist, die andere Komponente 11 zu fixieren, und die das Einsetzen der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 in einen Reaktionsraum erlaubt. In dieser Ausgestaltung ist die Komponente 12 in Form von zwei Halterungsarmen ausgebildet. Die Halterungsarme 12 können aus verschiedenen Materialien gefertigt sein, in diesem Beispiel beispielsweise aus Polypropylen. Es können jedoch auch andere thermoplastische Materialien oder Duroplaste gewählt werden. Darüber hinaus eignen sich beispielsweise auch Metalle und Keramiken hierfür.
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Im oberen Bereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 befindet sich ein Verbindungssteg, der die Halterungsarme 12 miteinander verbindet und der die Komponente 11 trägt. In diesem Bereich ist eine Aussparung 13 vorgesehen, durch die die für eine Ansteuerung der Elemente innerhalb der Komponente 11 erforderliche Verkabelung nach außen geführt und mit einem Steuergerät verbunden werden kann.
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1C zeigt eine isolierte Darstellung der Komponente 11. In diesem Fall wird ein handelsübliches Lampenglas für die Zwecke der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzt. Die Form der Komponente 11 ist jedoch im Prinzip beliebig. Größe und Gestalt der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind ohne Weiteres an verschiedene Anwendungen und insbesondere an verschiedene Geometrien des jeweiligen Reaktionsraumes anpassbar. In das Innere der Komponente 11 werden beispielsweise ein oder mehrere Thermoelemente und ein oder mehrere Sensorelemente integriert. Diese Elemente können mit einem wärmeleitfähigen Epoxidkleber, mit einem wärmeleitfähigen Zement oder auf andere Weise fixiert werden.
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Die 2A/B zeigt eine weitere Ausgestaltung 20 der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die Aufnahmekomponente 21 und die Haltekomponente 22 als ein Bauteil gefertigt sind. Vergleichbar mit der Ausführungsform in 1 ist auch in dieser Ausführungsform die Komponente 21 im Querschnitt im Wesentlichen kreisförmig, wodurch eine gleichmäßige Abstrahlung der Wärme in die umgebende Flüssigkeit unterstützt wird.
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Wie in 2B zu erkennen ist, weisen die zwei Halterungsarme der Komponente 22 einen gewissen Abstand zur zentralen Komponente 21 auf, sodass die Komponente 21 einen im Wesentlichen freistehenden Körper bildet, der eine gleichmäßige Wärmeabstrahlung in das umgebende Medium erlaubt. So kann beispielsweise ein gleichmäßiges Temperaturprofil im umgebenden Medium, also in der Probenflüssigkeit, eingestellt werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung 20 weist im unteren Bereich eine Einkerbung 24 auf. Die Einkerbung 24 ist als stufenartige Ausbuchtung ausgestaltet, die eine passgenaue Einfügung in einen Reaktionsraum erlaubt. Diese Anpassung der äußeren Geometrie der Vorrichtung 20 kann jeweils in Abhängigkeit von dem jeweiligen Reaktionsraum ausgestaltet sein, in den die Vorrichtung einzusetzen ist.
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Die Vorrichtung 20 ist oben offen, sodass eine Verkabelung beispielsweise eines Thermoelements und eines Temperaturfühlers ohne Weiteres nach oben hinausgeführt werden kann. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Vorrichtung nach oben im Wesentlichen geschlossen ist, so wie es bei der Ausführungsform in 1 vorgesehen ist, und dass lediglich eine Öffnung zum Durchtritt der Verkabelung vorgesehen ist.
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Die Vorrichtung 20 kann beispielsweise aus Glas gegossen sein oder aus einem anderen thermoplastischen Kunststoff. Glas hat den besonderen Vorteil, dass die Temperatur besonders gleichmäßig in alle Richtungen abgestrahlt wird und so eine optimale Temperaturverteilung im umgebenden Medium erreicht wird.
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3A/B illustriert die Integration der erfindungsgemäßen Vorrichtung 20 in einen Reaktionsraum 201. Der Reaktionsraum 201 befindet sich im Inneren eines Körpers 200, der Bestandteil eines zentrifugierbaren Systems zur automatisierten Prozessierung von Flüssigkeiten, beispielsweise von biologischen Proben, ist. 3A zeigt eine Schnittansicht und 3B eine Aufsicht auf den Körper 200 mit der integrierten erfindungsgemäßen Vorrichtung 20. Durch die Auskerbung 24 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 20 ist die Vorrichtung passgenau in den Körper 200 beziehungsweise in den Reaktionsraum 201 einsetzbar. Zudem verhindert die Einkerbung 24, dass die Vorrichtung 20 falsch eingesetzt wird.
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4A/B illustriert eine weitere Ausgestaltung 30 der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Vorrichtung 30 ist ähnlich wie die Ausführungsform aus 2 einteilig realisiert und kann beispielsweise aus Glas gefertigt sein. Die Komponente 31 der Vorrichtung 30 ist zur Aufnahme von beispielsweise einem oder mehreren Thermoelementen und Temperatursensoren vorgesehen. Die Halterung der Komponente 31 wird durch die Haltekomponente 32 in Form von zwei Halterungsarmen realisiert. Die äußere Form der erfindungsgemäßen Vorrichtung 30 ist in etwa rechteckförmig gestaltet. Diese Form hat den Vorteil, dass sie in besonderer Weise für das Einfügen von handelsüblichen Thermoelementen oder anderen Elementen geeignet ist, da handelsübliche Elemente oftmals ebenfalls eine rechteckige Form aufweisen. Durch die Beabstandung der Halterungsarme 32 von der Komponente 31 ist auch in dieser Ausgestaltung die Komponente 31 im Wesentlichen freistehend, sodass eine gleichmäßige Temperierung der umgebenden Probenflüssigkeit möglich ist.
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5A/B illustriert die Integration der erfindungsgemäßen Vorrichtung 30 in einen Reaktionsraum 201 des Körpers 200. Vergleichbar mit der Darstellung in 3 ist der Körper 200 Bestandteil eines zentrifugierbaren Systems für eine automatische Prozessierung von Proben. 5A zeigt eine geschnittene Ansicht und 5B eine Aufsicht. Die rechteckförmige äußere Geometrie der erfindungsgemäßen Vorrichtung 30 erlaubt auch ohne weitere Anpassungen eine formgenaue und stabile Integration in den Reaktionsraum 201.
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6 illustriert eine fertig montierte erfindungsgemäße Vorrichtung 40 mit einer Haltekomponente 42 in Form von zwei Halterungsarmen sowie einer zentralen Komponente 41 zur Aufnahme der Elemente zur Einstellung der physikalischen Bedingungen. Im Inneren der Aufnahmekomponente 41 sind zwei Heizelemente 45 in Form von SMD-Widerständen sowie ein Temperaturfühler 46 in Form eines NTC-Widerstandes integriert. Die Thermoelemente 45 und das Sensorelement 46 sind in eine wärmeleitfähige Paste, insbesondere in einen wärmeleitfähigen Zement eingebettet. Das Innere der Komponente 41 ist mit diesem wärmeleitfähigen Material ausgefüllt. An der Oberfläche der Komponente 41 wird hierdurch eine gleichmäßige Temperaturverteilung erreicht, sodass in sehr vorteilhafter Weise eine gleichmäßige Temperierung der umgebenden Probenflüssigkeit möglich ist. Alternativ können auch andere Temperaturelemente, zum Beispiel Heizfolien, Kupferdrähte, PTC-Elemente oder anderes eingesetzt werden. Es sind auch andere Elemente möglich, die andere physikalische Parameter einstellen können. Außer dem hier gezeigten Temperatursensor 46 können auch andere Sensoren verwendet werden, die beispielsweise den Druck, den pH-Wert oder optische Parameter detektieren. Weiterhin können beispielsweise LEDs integriert werden. Um die Thermoelemente 45 und das Sensorelement 46 betreiben zu können, ist eine Verkabelung 47 vorgesehen, die im oberen Bereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung 40 nach außen geführt wird, um so eine Spannungsversorgung und Regelung zu bewerkstelligen.
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Im Prinzip können verschiedene Heizertypen eingesetzt werden. Die Nutzung von SMD-Widerständen als Heizelement ist dabei eine sehr kostengünstige und platzsparende Lösung. Üblicherweise werden SMD-Widerstände nur als Widerstände und nicht als Heizer genutzt. Die Untersuchungen der Erfinder haben jedoch gezeigt, dass durch die Verwendung von SMD-Widerständen als Heizelement ein sehr gleichmäßiges Temperaturprofil erreicht werden kann (Probenvolumen 200 µl). Diese Versuchsergebnisse sind in der 7 illustriert. Gezeigt ist der Zeitverlauf bei der Ansteuerung des SMD-Heizelements und die resultierende Temperatur. Der Verlauf 70 illustriert die Temperatur in der umgebenden Probenflüssigkeit, die mit einem NTC-Widerstand als Temperaturfühler, der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung integriert ist, erfasst wurde. Der Verlauf 75 gibt die angezeigten Temperaturwerte des Steuergerätes wieder, das zur Ansteuerung der Heizelemente eingesetzt wurde. Der Verlauf zeigt deutlich, dass die Temperatur auf diese Weise sehr stabil auf +/–2°C für mindestens 40 Minuten eingeregelt werden kann.
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Die Verwendung eines SMD-Widerstands als Heizelement und eines NTC-Widerstandsdrahtes oder auch eines PTC-Widerstandsdraht als Sensorelement sind damit in sehr vorteilhafter Weise für die Verwendung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung geeignet. Es handelt sich um sehr kleine Bauteile, die beispielsweise mithilfe einer Wärmeleitpaste ohne Weiteres in die Aufnahmekomponente 41 integriert werden können. Auf diese Weise lässt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung sehr kostengünstig herstellen, sodass die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise auch für eine Massenherstellung geeignet ist.
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8 illustriert schließlich ein System 80 zur automatisierten Prozessierung von chemischen und/oder biochemischen und/oder biologischen Prozessen, bei dem die erfindungsgemäße Vorrichtung mit besonderem Vorteil einsetzbar ist. Das System umfasst mehrere axial übereinander angeordnete Körper (Revolver) 81, 82, 83, die gegeneinander verdrehbar sind. Die Körper 81, 82 und 83 umfassen verschiedene Kavitäten 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, die als Behältnisse oder Reaktionsräume dienen. Die Vorrichtung kann beispielsweise für eine Proteinaufreinigung oder eine DNA-Aufreinigung eingesetzt werden. In den Kavitäten 84 werden Reagenzien vorgehalten. In die Kavität 85 wird die Probe eingebracht. Die Kavität 86 stellt eine Mischkammer dar. Die Kavität 87 enthält eine Matrix-basierte Säule, mit der beispielsweise die eigentliche Proteinaufreinigung erfolgt. Die Kavität 88 ist für den Abfall aus Waschschritten an der Säule vorgesehen. In der Kavität 89 wird das Eluat der Säule aufgefangen. In einer anschließenden Reaktionskammer 90 kann beispielsweise das aufgereinigte Protein mit einer biochemischen Reaktion nachgewiesen werden, wobei ein Detektor 91, der sich außerhalb des Systems 80 befindet, verwendet werden kann. Die Körper 81, 82, 83 befinden sich in gestapelter Weise innerhalb eines Gehäuses in Form eines Zentrifugenröhrchens 92, das mit einem Deckel 93 verschließbar ist. Das Zentrifugenröhrchen 92 wird in den Rotor einer Laborzentrifuge eingesetzt. Durch die wirkenden Zentrifugalkräfte verdrehen sich die Körper 81, 82, 83 in vorgebbarer Weise gegeneinander, insbesondere über eine integrierte Kugelschreibermechanik. Der Transport von Probe und Reagenzien vom obersten Revolver 81 bis zum untersten Revolver 83 erfolgt durch die Zentrifugalkraft. Hierbei kann es vorgesehen sein, dass durch Dorne oder ähnliches an den Körpern 82 und 83 die darüberliegenden Kavitäten geöffnet werden. Der Fluidfluss erfolgt in vorgegebener Weise, sodass die Probe aus der Kavität 85 in vorbestimmter Weise die verschiedenen Prozessierungsschritte durchläuft.
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Für den Ablauf verschiedener Reaktionen in den einzelnen Reaktionsräumen eines solchen Systems ist oftmals eine bestimmte Temperatur erforderlich. Herkömmlicherweise ist es schwierig, in einem solchen System eine Temperatur präzise und schnell einzustellen. Insbesondere ist es besonders schwierig, in verschiedenen Reaktionsräumen verschiedene Temperaturen einzustellen, da im Allgemeinen eine Temperierung eines solchen Systems nur über die Temperatur des Zentrifugenrotors einstellbar ist. Mithilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann jedoch in einzelnen Reaktionsräumen eines solchen Systems die Temperatur sehr schnell und gleichmäßig eingestellt werden. Hierfür wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wie sie in beispielhaften Ausgestaltungen in den Figuren 1 bis 6 illustriert ist, beispielsweise in die Kavität 85 oder in die Kavität 86 eingesetzt. Es ist auch möglich, durch das Einsetzen von mehreren erfindungsgemäßen Vorrichtungen in verschiedene Kavitäten oder Reaktionsräume die Temperatur in unterschiedlichen Reaktionsräumen individuell zu regulieren. Darüber hinaus können auch andere physikalische Parameter in einem solchen System in vergleichbarer Weise eingestellt, kontrolliert und reguliert werden. Insofern kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine deutliche Verbesserung der Funktionalitäten von komplexen automatisierten Systemen erreicht werden, indem in einzelnen Reaktionsräumen, die für sehr kleine Probenvolumina vorgesehen sein können, verschiedene physikalische Parameter, beispielsweise die Temperatur, in sehr effektiver und kontrollierter Weise eingestellt und gegebenenfalls überwacht werden können.
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Druck- oder pH-Sensoren in der erfindungsgemäßen Vorrichtung können genutzt werden, um den Druck oder den pH-Wert in kontrollierter Weise einzustellen. Wenn beispielsweise ein zu hoher oder zu niedriger Druck gemessen wird, kann durch eine geeignete Rückkopplung der fluidische Pfad oder die Zentrifugationsgeschwindigkeit so verändert werden, dass sich der Druck in der gewünschten Weise einstellt. Wenn beispielsweise eine Abweichung von einem vorgesehenen pH-Wert gemessen wird, kann ein geeigneter Puffer in den jeweiligen Reaktionsraum eingeleitet werden, um den vorgesehenen pH-Wert einzustellen.
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Die Verwendung einer LED in der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann für biochemische Reaktionen genutzt werden, die mit einem Farbindikator (z.B. Fluoreszenz-gekoppelte Reaktionen oder Nachweis von Reaktionsprodukten über eine Absorptionsmessung bei bestimmter Wellenlänge) arbeiten. Wenn in einem automatisierten System beispielsweise DNA extrahiert und amplifiziert wird, kann über eine Taqman-Sonde oder einen interkalierenden Farbstoff oder einen anderen Fluoreszenzindikator die Reaktion visualisiert und damit eine Ziel-DNA-Sequenz nachgewiesen werden. Es können auch andere chemische Reaktionen über Absorption (z.B. Enzymreaktionen mit Absorptionsindikator wie beispielsweise Absorptionsänderung bei der Reaktion des Coenzym NAD zu NADH) oder Turbidität (z.B. isothermale DNA-Amplifikation mittels LAMP – Loop mediated isothermal amplification) oder Fluoreszenz (z.B. DNA/RNA-Amplifikationen oder Immunoassays oder Enzymreaktionen mit Fluoreszenzindikatoren) nachgewiesen werden. Die Rohdaten können beispielsweise an eine Mikrokontrolleinheit, die sich innerhalb der Zentrifugationseinheit befinden kann, beispielsweise im Deckel, weitergeleitet und gegebenenfalls ausgewertet und prozessiert werden. Die Ergebnisse können weiterhin über einen Indikator beispielsweise als Ja/Nein-Angabe oder als quantitative Angabe angezeigt werden (z.B. Display, Farbindikator, rot-/grün-Lämpchen). Weiterhin ist es möglich, die Ergebnisse insbesondere drahtlos an einen Computer oder eine andere externe Auswerteeinheit zu übertragen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010003223 A1 [0004]
