DE102014209841A1

DE102014209841A1 - Aktuierungseinrichtung für eine Vorrichtung, insbesondere für eine mikrofluidische Vorrichtung, mit gestapelten Körpern

Info

Publication number: DE102014209841A1
Application number: DE102014209841.6A
Authority: DE
Inventors: Franz Laermer; Juergen Steigert
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-05-23
Filing date: 2014-05-23
Publication date: 2015-11-26

Abstract

Es wird eine Aktuierungseinrichtung (200) für eine Vorrichtung (100) bereitgestellt, wobei die Vorrichtung wenigstens zwei axial übereinander gestapelte Körper (101, 102, 103) innerhalb einer umgebenden Hülsenstruktur (110) aufweist. Die Körper sind entgegen einer Rückstellkraft beweglich gelagert und zumindest teilweise gegeneinander verdrehbar. Die Aktuierungseinrichtung (200) umfasst einen äußeren Hohlkörper (201) und wenigsten einen inneren Kolben (202), der im Inneren des Hohlkörpers (201) beweglich gelagert ist. Die Aktuierungseinrichtung (200) ist auf den oberen Körper (101) der gestapelten Körper aufsetzbar und zur Aktuierung der Bewegung der Körper entgegen der Rückstellkraft auslenkbar.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Aktuierungseinrichtung für eine Vorrichtung, insbesondere für eine mikrofluidische Vorrichtung, mit wenigstens zwei axial übereinander gestapelten Körpern, die entgegen einer Rückstellkraft beweglich gelagert und zumindest teilweise gegeneinander verdrehbar sind. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, die mit einer solchen Aktuierungseinrichtung betätigbar ist.
Stand der Technik
Die Durchführung von biochemischen oder chemischen Prozessen, beispielsweise im Zusammenhang mit der Aufreinigung bestimmter Moleküle und/oder mit der Analyse und Charakterisierung bestimmter Moleküle, basiert im Wesentlichen auf der Handhabung von Flüssigkeiten.
Für viele Reaktionen und Prozesse sind bereits Automatisierungen verfügbar. Beispielsweise sind kartuschenbasierte Systeme bekannt, wobei die Flüssigkeiten typischerweise in einem Spezialgerät in einer Kartusche prozessiert werden. Beispielsweise beschreibt die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2010 003 223 A1 ein System mit einer Vorrichtung, die zum Einsetzen in einen Zentrifugationsrotor vorgesehen ist. Hierbei sind zwei oder mehr revolverartige Körper axial innerhalb einer Hülsenstruktur übereinander angeordnet. Die Revolver beinhalten ein oder mehrere Kavitäten, insbesondere Reaktionskammern, Kanäle und gegebenenfalls weitere Strukturen für die Durchführung von Prozessen, insbesondere von fluidischen Einheitsoperationen. Ein Beschleunigungswechsel der Zentrifuge aktiviert eine integrierte Drehmechanik, 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 bei einem Lastwechsel gegeneinander verdreht werden. Einzelne Kavitäten können hierdurch miteinander verschaltet werden. Darüber hinaus ist ein orientierungsabhängiges Öffnen von einzelnen Kavitäten oder Gefäßen in den Körpern möglich, wobei eine Seite des Gefäßes beispielsweise mit einer durchstechbaren Folie versehen ist. Mit Hilfe eines Dorns auf einem benachbarten Körper kann die Folie durchstoßen oder aufgerissen werden. Auf diese Weise kann eine kontrollierte Fluidführung in der Vorrichtung erreicht werden. Dieses System kann beispielsweise für eine Standard-DNA-Aufreinigung verwendet werden. Als Alternative zum Betrieb einer derartigen Vorrichtung über Zentrifugalkräfte ist es bereits bekannt, eine vergleichbare Vorrichtung mit Druckluft zu betreiben.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Aktuierungseinrichtung ist für eine Vorrichtung, insbesondere für eine mikrofluidische Vorrichtung, vorgesehen. Die Vorrichtung umfasst wenigstens zwei axial übereinander gestapelte Körper innerhalb einer umgebenden Hülsenstruktur. Die Körper sind entgegen einer Rückstellkraft beweglich gelagert und sind zumindest teilweise gegeneinander verdrehbar, wobei die Verdrehung vorzugsweise durch mechanische Führungsstrukturen an den Körpern und der Hülsenstruktur geleitet wird. Die Körper weisen hierbei ein oder mehrere Kavitäten auf. Durch die Verdrehung der Körper zueinander sind die einzelnen Kavitäten fluidisch miteinander koppelbar, sodass dieses System für eine automatisierte Prozessierung von Flüssigkeiten einsetzbar ist. Herkömmlicherweise werden derartige Systeme in einer Zentrifuge prozessiert, wobei durch die Zentrifugalkräfte und insbesondere durch einen Lastwechsel eine integrierte Drehmechanik (Kugelschreibermechanik) ausgelöst wird. Die erfindungsgemäße Aktuierungseinrichtung stellt eine alternative Möglichkeit zur Betätigung einer solchen gestapelten Vorrichtung bereit, sodass die Prozessierung einer solchen Vorrichtung unabhängig von einer Zentrifuge durchgeführt werden kann. Die Aktuierungseinrichtung weist erfindungsgemäß einen äußeren Hohlkörper und wenigsten einen inneren Kolben auf, der im Inneren des Hohlkörpers beweglich gelagert ist. Der äußere Hohlkörper und der wenigstens eine innere Kolben bilden dabei gewissermaßen einen Doppelzylinder, der zwei- oder auch mehrstufig ausgelenkt werden kann, wobei ein zweistufiges Aktuatorprinzip realisiert wird. Hierfür wird zunächst die Aktuierungseinrichtung auf den oberen der gestapelten Körper der Vorrichtung aufgesetzt. In der ersten Stufe wird die Aktuierungseinrichtung derart ausgelenkt, dass der äußere Hohlkörper zusammen mit dem inneren Kolben die beweglich gelagerten Körper entgegen der Rückstellkraft drückt und damit eine Bewegung der Körper innerhalb der Hülsenstruktur bewirkt. Als zweite Stufe des Aktuatorprinzips ist eine Verdrängung von Flüssigkeiten oder anderen Volumina aus einer Kavität eines Körpers der Vorrichtung vorgesehen. Diese Verdrängung wird durch den inneren Kolben bewirkt. Hierfür wird der innere Kolben weiter ausgelenkt als der äußere Hohlkörper, sodass der innere Kolben in eine Kavität eines Körpers der gestapelten Vorrichtung eingreifen und damit ein Flüssigkeitsvolumen oder Gasvolumen oder ein Volumen von fließfähigen Feststoffen verdrängen kann. Auf diese Weise wird ein Fluidfluss aus der Kavität heraus bewirkt wird. Um den Drehvorgang der Körper abzuschließen, wird der Hohlkörper zusammen mit dem inneren Kolben wieder zurückbewegt, sodass die Rückstellkraft eine Rückbewegung der gestapelten Körper auslöst, wodurch mittels der integrierten Verdrehmechanik die Verdrehung der Körper zueinander abgeschlossen (geschaltet) wird.
Bei einer Verwendung der erfindungsgemäßen Aktuierungseinrichtung und der Realisierung des zweistufigen Aktuatorprinzips kann auf eine Zentrifuge verzichtet werden, wodurch sich die Möglichkeiten für den Betrieb einer solchen Vorrichtung deutlich erhöhen. Beispielsweise können verschiedene Prozessparameter, wie beispielsweise die Temperatur, im Vergleich mit einer zentrifugalen Prozessierung wesentlich flexibler eingestellt und kontrolliert werden. Bei herkömmlichen Zentrifugen ist es zwar in der Regel möglich, die Temperatur einzustellen. Die Temperatureinstellung ist jedoch in der Regel sehr träge und wenig genau. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene mechanische Betätigung der Vorrichtung ist es möglich, die Vorrichtung innerhalb eines entsprechenden Prozessierungsgerätes zu betätigen, das in einfacher Weise temperierbar ist. Beispielsweise ist es dabei möglich, sehr schnelle Temperaturwechsel durchzuführen. Eine schnelle und zyklische Variation der Temperatur ist beispielsweise für eine PCR (Polymerase-Ketten-Reaktion) zur Vervielfältigung von Nukleinsäuren erforderlich und die Verwendung der erfindungsgemäßen Aktuierungseinrichtung ermöglicht die Durchführung einer solchen Reaktion in der Vorrichtung in automatisierter Weise, beispielsweise für einen spezifischen Erregernachweis. Ein weiterer besonderer Vorteil der Verwendung der erfindungsgemäßen Aktuierungseinrichtung ist, dass beispielsweise eine elektrische Kontaktierung der Vorrichtung sehr einfach möglich ist, beispielsweise können Kabel zu einer Monitoring- oder Auswerteeinheit ohne Weiteres angeschlossen werden. Dies ist bei einem Betrieb der Vorrichtung innerhalb einer Zentrifuge nicht ohne Weiteres möglich. Durch die elektrische Versorgung der Vorrichtung ergeben sich ebenfalls viele Möglichkeiten für weitere Komponenten, die in die Vorrichtung integriert werden können. Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Aktuierungseinrichtung kann daher eine Vorrichtung der genannten Art sehr flexibel eingesetzt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Aktuierungseinrichtung ist der äußere Hohlkörper im Querschnitt größer als der Querschnitt einer Kavität des oberen der gestapelten Körper, auf den die Aktuierungseinrichtung, also der Hohlkörper mit dem inneren Kolben, aufgesetzt wird. Weiterhin ist der äußere Hohlkörper im Querschnitt kleiner als der Innendurchmesser der Hülsenstruktur der Vorrichtung. Hierdurch wird in besonders vorteilhafter Weise realisiert, dass durch eine Auslenkung des Hohlkörpers der obere Körper innerhalb der Vorrichtung entgegen der Rückstellkraft bewegt werden kann. Zweckmäßigerweise ist der innere Kolben im Querschnitt kleiner als der Querschnitt einer Kavität des oberen Körpers und gegebenenfalls eines darunterliegenden Körpers. Der innere Kolben kann damit in einfacher Weise so ausgelenkt werden, dass er in eine Kavität eingreifen und dabei ein Volumen verdrängen kann. In dieser Ausgestaltung ist die erfindungsgemäße Aktuierungseinrichtung in gewisser Weise als zweistufiger Kolben realisiert, wobei der innere Kolben (erster Kolbenteil) im Querschnitt eine geringe Dimension als der äußere Hohlkörper (zweiter Kolbenteil) aufweist. Zweckmäßigerweise weist der innere Kolben eine größere Auslenkbarkeit als der äußere Hohlkörper auf, vergleichbar mit einem Teleskopstab. Der äußere Hohlkörper kann beispielsweise in Form eines Hohlzylinders mit rundem Querschnitt ausgestaltet sein. Der Kolben kann als drehrunder Kolben innerhalb des Hohlzylinders geführt sein. Die Aktuierungseinrichtung umfasst in dieser Ausgestaltung im Prinzip zwei unterschiedlich weit auslenkbare koaxiale Aktoren in Form eines Doppelzylinders.
Vorteilhafterweise weist die erfindungsgemäße Aktuierungseinrichtung eine Spindel zur Auslenkung des äußeren Hohlkörpers und/oder des inneren Kolbens auf. Die Spindel kann beispielsweise über einen Elektromotor oder einen anderen Linearantrieb bewegt werden. Als weitere Aktionsmechanismen können beispielsweise piezoelektrische, elektrostatische, mechanische, semi-mechanisch-manuelle, elektromagnetische oder Druckpuls-aktuierte Systeme eingesetzt werden. Weiterhin ist es auch möglich, die erfindungsgemäße Aktuierungseinrichtung durch Körperkraft, insbesondere durch Fingerdruck, zu betätigen. Das Auslösen der Aktuierungseinrichtung beziehungsweise das Auslösen eines Aktuierungszyklusses (Auslenkung und Rückbewegung der Kolbenanordnung) kann nach einem vorbestimmten Zeitplan ablaufen, insbesondere in Abstimmung mit der automatisierten Prozessierung innerhalb der Vorrichtung. Es ist auch möglich, einen Startzeitpunkt, beispielsweise mittels eines integrierten Timers, festzulegen. Darüber hinaus kann die Aktuierungseinrichtung durch eine externe Triggerung angesteuert werden, beispielsweise unter Verwendung von Referenzmarken, z.B. einem Magneten, oder durch Ansteuerung über elektromagnetische Signale, beispielsweise über Funk oder einen RF-Tag.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Aktuierungseinrichtung ist es vorgesehen, dass der innere Kolben, der in eine Kavität eines Körpers der Vorrichtung eingreift, eine Deckelstruktur in das Innere der Kavität drückt. Die Kavität ist also zunächst mit einer Deckelstruktur verschlossen. Insbesondere handelt es sich um eine dichtende Deckelstruktur. Die Deckelstruktur kann beispielsweise durch eine Presspassung eines Deckelsegments in der Kavität realisiert sein. Weiterhin ist es möglich, dass der obere Körper insgesamt mit einer segmentierten Deckelstruktur abgedeckt ist, wobei einzelne Segmente durch den Kontakt mit dem inneren Kolben an einer Sollbruchstelle gelöst werden können. Die einzelnen Segmente weisen die gleiche Querschnittsform wie die jeweils darunter liegende Kavität auf. Bei seiner Auslenkung stellt der innere Kolben einen Kontakt mit dem Deckel oder dem Deckelsegment her und drückt es in die Kavität, wodurch sich das Volumen in der Kavität reduziert, vergleichbar mit dem Funktionsprinzip einer klassischen Spritze. Die Deckelstruktur kann beispielsweise aus einem thermoplastischen Material bestehen oder einen thermoplastischen Kern aufweisen. Es kann eine äußere Abdichtung, vergleichbar mit einem Dichtring, beispielsweise aus Elastomeren, insbesondere aus thermoplastischen Elastomeren, an der Deckelstruktur oder in der Kavität vorgesehen sein. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Deckelstruktur zusätzlich eine Stützstruktur aufweist, wodurch ein Verkanten der Deckelstruktur bei der Bewegung des inneren Kolbens in die Kavität vermieden wird. Die Stützstruktur kann beispielsweise so ausgestaltet sein, dass der Kolben in die Stützstruktur eintaucht, sodass die Deckelstruktur gewissermaßen von hinten an einem Verkanten gehindert wird. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das Ende des Kolbens, das mit der Deckelstruktur in Kontakt tritt, verbreitert beziehungsweise weist eine im Vergleich mit dem übrigen Querschnitt des inneren Kolbens verbreiterte Fläche auf. Auch hierdurch kann in einfacher und zuverlässiger Weise ein Verkanten der Deckelstruktur verhindert werden. Die verbreiterte Fläche des Kolbenendes kann im Längsschnitt beispielsweise in einem T-Format ausgestaltet sein.
In bevorzugter Weise kann der innere Kolben innerhalb eines Aktuierungszyklusses schrittweise und/oder mehrfach auslenkbar sein. Hierdurch können Fluide (z.B. Flüssigkeiten oder Gase) sequentiell verdrängt werden. Durch ein wiederholtes Ein- und Auslenken des inneren Kolbens kann der Fluidfluss ebenfalls verbessert und/oder den jeweiligen Bedingungen angepasst werden.
Für die Positionierung der erfindungsgemäßen Aktuierungseinrichtung in Bezug zu einzelnen Kavitäten des oberen Körpers in der Vorrichtung bestehen verschiedene Möglichkeiten. Beispielsweise kann die Aktuierungseinrichtung so ausgelegt sein, dass die Aktuierungseinrichtung über der Querschnittsfläche des oberen Körpers positionierbar ist. Dies kann beispielsweise über eine X-Y-Positionseinheit der Aktuierungseinrichtung erfolgen, sodass es ohne Weiteres möglich ist, verschiedene Kavitäten des Körpers nacheinander zu aktuieren. In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Aktuierungseinrichtung umfasst die Aktuierungseinrichtung eine Mehrzahl von separat ansteuerbaren Aktuierungseinheiten, die jeweils einen äußeren Hohlkörper und jeweils wenigstens einen inneren Kolben umfassen. Die einzelnen Aktuierungseinheiten sind oberhalb von einzelnen Kavitäten des oberen Körpers positioniert. In dieser Ausgestaltung befindet sich also über mehreren und vorzugsweise über jeder Kavität des oberen Körpers eine separat ansteuerbare Aktuierungseinheit, sodass je nach Ansteuerung der einzelnen Einheiten Fluide aus den verschiedenen Kavitäten im oberen Revolver verdrängt werden können. Weiterhin ist es möglich, dass die Aktuierungseinrichtung einen zentralen Hohlkörper und eine Mehrzahl von inneren Kolben innerhalb des Hohlkörpers umfasst. Die einzelnen Kolben können oberhalb von einzelnen Kavitäten des oberen Körpers angeordnet werden. Hierbei löst der zentrale Hohlkörper den Verdrehmechanismus aus. Die einzelnen Kavitäten können dabei unabhängig voneinander je nach Ansteuerung der verschiedenen inneren Kolben aktuiert bzw. entleert werden.
Die erfindungsgemäße Aktuierungseinrichtung kann in ein Prozessierungsgerät integriert sein, das ebenfalls von der Erfindung umfasst wird. Das Prozessierungsgerät kann eine oder mehrere Halterungen aufweisen, in die die Vorrichtung mit den gestapelten Körpern einsetzbar ist. Weiterhin enthält das Prozessierungsgerät ein oder mehrere der oben beschriebenen Aktuierungseinrichtungen. Für die Betätigung der Vorrichtung wird die Vorrichtung zunächst in das Gerät eingesetzt. Hierbei werden entweder die Aktuierungseinrichtungen, also insbesondere die Einheiten mit dem äußeren Hohlkörper und dem wenigstens einen inneren Kolben, oder die Vorrichtung selbst jeweils so positioniert, dass sich die Kolbenanordnung in direkter Nähe zu einer Kavität des oberen Körpers der Vorrichtung befindet.
Die Erfindung umfasst weiterhin eine Vorrichtung, insbesondere eine mikrofluidische Vorrichtung, die wenigstens zwei axial übereinander gestapelte Körper umfasst. Die Körper sind entgegen einer Rückstellkraft beweglich gelagert und insbesondere entlang von Führungsstrukturen zumindest teilweise gegeneinander verdrehbar. Diese Vorrichtung ist zur Durchführung von automatisierten Prozessierungsprotokollen insbesondere für biochemische oder chemische Anwendungen geeignet. In den einzelnen Körpern sind verschiedene Kavitäten vorhanden. Durch den integrierten Drehmechanismus sind die Kavitäten miteinander fluidisch koppelbar. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung derart eingerichtet ist, dass sie mit der oben beschriebenen Aktuierungseinrichtung betätigbar ist. Diese Betätigungsart stellt eine Alternative zu der bisher bekannten Betätigung mittels Zentrifugalkräften bereit. Durch den hiermit möglichen Verzicht auf eine Zentrifuge für die Betätigung der Vorrichtung erweitern sich die Möglichkeiten für die Durchführung von Prozessierungsprotokollen erheblich. Im Prinzip kann eine an sich bekannte Vorrichtung, die für eine zentrifugalaktivierte Aktuierung vorgesehen ist, mit der erfindungsgemäßen mechanischen Aktuierungseinrichtung unter Verzicht auf die Zentrifugalaktivierung betrieben werden. Mit besonderem Vorteil weist die Vorrichtung jedoch bestimmte Anpassungen an die erfindungsgemäße Aktuierungseinrichtung auf.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung weist wenigstens eine Kavität eines der gestapelten Körper eine Deckelstruktur, insbesondere eine dichtende Deckelstruktur auf. Diese Deckelstruktur ist durch die Auslenkung des inneren Kolbens der Aktuierungseinrichtung eindrückbar. Hierdurch können Volumina (z.B. Flüssigkeiten, Gase oder fließfähige Feststoffe) aus der Kavität verdrängt werden, sodass ein Fluidfluss ausgelöst und/oder unterstützt wird. Besonders zweckmäßig ist eine dichtende Deckelstruktur, wodurch eine besonders effektive Volumenverdrängung möglich ist. Vorteilhafterweise ist der Deckelstruktur eine Stützstruktur zugeordnet, sodass ein Verkanten der Deckelstruktur beim Herunterdrücken durch den inneren Kolben vermieden wird.
Mit besonderem Vorteil liegen die gestapelten Körper im aktuierten Zustand zumindest teilweise planparallel aufeinander, wodurch eine Abdichtung der Körper zueinander realisiert wird. Diese Abdichtung hat den Vorteil, dass die durch den inneren Kolben verursachte Verdrängung von Fluiden auch auf einen benachbarten Körper bzw. auf eine nachfolgende Kavität übertragen wird. Der dichtende Kontakt zwischen den Körpern oder zwischen Teilen der Körper kann durch weitere Dichtelemente verstärkt werden. Beispielsweise kann eine Umrandung von Teilflächen aus einem flexiblen Dichtmaterial vorgesehen sein, sodass die Verdrängung von Volumina in vorteilhafter Weise auf einen weiteren Körper übertragen werden kann. Als Dichtmaterialien kommen verschiedene Elastomere und insbesondere thermoplastische Elastomere in Frage, beispielsweise FPM (Fluor-Polymer-Kautschuk), EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk), Silikon, FFKM (Perfluorierter Kautschuk), PU (Polyurethan), PTFE (Polytetrafluorethylen) und/oder FEP (Perfluor-Ethylen-Propylen).
Es kann vorgesehen sein, dass in der Vorrichtung ein Gas-Überdruckreservoir integriert ist. Ein solches Gas-Überdruckreservoir kann bei einer Aktuation des Systems beispielsweise mittels eines Dorns bei entsprechender Positionierung der Kavitäten zueinander aufgestochen werden. Hierdurch kann ein erhöhter Druck in dem nachfolgenden Körper freigesetzt werden und für die Zwecke der Prozessierung genutzt werden.
Weiterhin kann beispielsweise wenigstens eine Mischerstruktur in die Vorrichtung integriert sein, die durch die erfindungsgemäße Aktuierungseinrichtung und/oder in anderer Weise, beispielsweise mittels Druckluft, betätigbar ist. Die Mischerstrukur kann einen Kanal und eine Kavität, die die zu durchmischende(n) Flüssigkeit(en) enthält, umfassen. Durch die Aktuierung der Vorrichtung und die ausgelöste Verdrehung der Körper kann ein Gasvolumen freigesetzt werden, das in den Kanal der Mischerstruktur geleitet wird, die sich in einem mittleren Körper der Vorrichtung befinden kann. Der Kanal mündet in die Kavität mit der Flüssigkeit. Durch den erzeugten Gasfluss werden Gasblasen in der Flüssigkeit freigesetzt, sodass Turbulenzen entstehen und es zu einer Durchmischung kommt. Die Mischerstruktur kann darüber hinaus auch so eingerichtet sein, dass durch eine Aktuierung des Systems zwei Reaktanten aus verschiedenen Vorkammern in einer Kavität zusammengeführt werden. Hierdurch kann eine chemische Reaktion ausgelöst werden, bei der Gas als Produkt entsteht und für die Durchmischung von Medien eingesetzt werden kann.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Vorrichtung einen oberen Körper auf, der wenigstens eine Kavität umfasst, die von einem inneren Kolben der Aktuierungseinrichtung durchfahrbar ist. Bekannte zentrifugalaktuierte Systeme mit gestapelten Körpern umfassen in der Regel drei übereinander gelagerte Körper. Alle Körper sind im Prinzip nach oben und unten innerhalb der umgebenden Hülsenstruktur beweglich und können im Prinzip um eine Längsachse rotieren, wobei der oberste Körper durch geeignete Fixierungsstrukturen an einer Rotation gehindert ist. Durch Führungsstrukturen an dem obersten Körper und dem mittleren Körper und auch an der umgebenden Hülse rotiert der mittlere Körper bei entsprechender Aktuierung des Systems im Verhältnis zum oberen Körper entlang der Führungsstrukturen jeweils um einen definierten Winkel. Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung, bei der ein zusätzlicher oberer Körper (oberster Körper) mit einer für einen inneren Kolben durchfahrbaren Kavität vorgesehen ist, wird das System so erweitert, dass der oberste Körper drehfest ausgestaltet ist. Der darunterliegende Körper rotiert bei der Aktuierung des Systems im Verhältnis zum obersten Körper durch entsprechende Führungsstrukturen zwischen dem obersten und dem darunterliegenden Körper. Somit können ohne eine Umpositionierung der Aktuierungseinrichtung verschiedene Kavitäten im unterhalb des obersten Körpers angeordneten Körper erreicht werden, wenn dieser Körper im Verhältnis zum obersten Körper rotiert. In dieser Ausgestaltung kann also auf eine Umpositionierung der Aktuierungseinrichtung verzichtet werden. In dieser Ausgestaltung können weiterhin auch auf den beiden unteren Körpern Führungsstrukturen vorgesehen sein, sodass auch zwischen dem von oben gesehenen dritten und vierten Körper ein gezielter Fluidfluss zwischen verschiedenen Kavitäten realisiert werden kann. Diese Ausgestaltung hat also den Vorteil, dass die Aktuierung des Verdrehmechanismus der einzelnen Körper zueinander und das Verdrängen von Fluiden aus den Kavitäten gegebenenfalls auch auf weiter unten angeordnete Körper erweiterbar ist, sodass das System für komplexe Prozessierungsprotokolle einsetzbar ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang 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:
1A/B schematische Darstellungen eines herkömmlichen Zentrifugalsystems mit axial übereinander gestapelten Körpern;
2 schematische Darstellung einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Aktuierungseinrichtung zusammen mit einer Vorrichtung mit gestapelten Körpern;
3A–D schematische Darstellungen der Anordnung aus 2 zur Illustrierung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Aktuierungseinrichtung;
4A/B schematische Darstellungen von Teilen einer Aktuierungseinrichtung und einer Vorrichtung mit gestapelten Körpern gemäß der Erfindung;
5 schematische Darstellung einer bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit gestapelten Körpern und
6A/B schematische Darstellungen der Funktionsweise bei der Betätigung der Vorrichtung aus 5 mit einer erfindungsgemäßen Aktuierungseinrichtung.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Anhand der 1A/B wird die Funktionsweise einer zentrifugierbaren Vorrichtung zur Durchführung von insbesondere biochemischen Prozessen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, erläutert. Die Vorrichtung ist beispielsweise im Format eines 50 ml-Zentrifugenröhrchens realisiert. Das Zentrifugalsystem umfasst mehrere axial übereinander angeordnete Körper (Revolver) 10, 20, 30. Die Körper 10, 20, 30 sind gegeneinander verdrehbar. Hierfür sind verschiedene Führungsstrukturen 11, 12 auf dem oberen Körper 10 und dem mittleren Körper 20 sowie auf der Innenseite der umgebenden Hülse 17 vorgesehen. Die Strukturen hindern den oberen Körper 10 an einer Rotation, sodass sich der Körper 10 in dieser Darstellungsweise nur nach oben oder unten bewegen kann. Der mittlere Körper 20 kann sich hingegen auch drehen. Auf der Oberseite des Revolvers 20 sind Dorne oder Lanzetten 13, 14 angeordnet, die Kavitäten in dem darüber liegenden Revolver 10 von unten her aufreißen oder anstechen können. Die Unterseite von Kavitäten des oberen Revolvers 10 ist zu diesem Zweck mit einer Siegelfolie oder einer anderen Sollbruchstelle versehen. Die Revolver 10, 20, 30 sind auf einer Feder 15 gelagert. Bei einer Beschleunigung der Zentrifuge werden die Revolver 10, 20, 30 entgegen der Rückstellkraft der Feder 15 radial nach außen gedrückt, in dieser Darstellung also nach unten. Bei einer Entschleunigung bewirkt die Feder 15 eine Rückbewegung der Revolver 10, 20, 30, wobei es zu einer Verdrehung des Revolvers 20 im Verhältnis zum Revolver 10 entlang der Führungsstrukturen 11, 12 kommt. Durch diesen integrierten Verdrehmechanismus im Zusammenspiel mit den Dornen 13, 14 erfolgt eine gezielte Fluidführung innerhalb der Vorrichtung, die für die automatisierte Durchführung von biochemischen Prozessierungsprotokollen genutzt werden kann. Beispielsweise kann das System für eine Beads-basierte Aufreinigung von Nukleinsäuren oder Proteinen genutzt werden. In dieser Ausgestaltung sind in einer Kavität des mittleren Revolvers 20 entsprechende Beads (Kügelchen) 16 zu diesem Zweck vorgesehen.
Als Materialien für das umgebende Gehäuse bzw. die Hülsenstruktur 110 und für die Körper 101, 102, 103 eignen sich vor allem Polymere, beispielsweise COP (Cyclo-Olefin-Polymere), COC (Cyclo-Olefin-Copolymere), PC (Polykarbonate), PA (Polyamide), PU (Polyurethane), PP (Polypropylen), PET (Polyethylenterephthalat) oder PMMA (Polymethylmethacrylat).
Dieses an sich bekannte System wird herkömmlicherweise in einer Zentrifuge betrieben, wobei der Verdrehmechanismus über einen Beschleunigungswechsel der Zentrifuge ausgelöst wird.
Mithilfe der erfindungsgemäßen Aktuierungseinrichtung kann die Zentrifugalkraft beziehungsweise die hierfür erforderliche Zentrifuge durch ein mechanisches Betätigungsmittel ersetzt werden. Aus 2 geht der prinzipielle Aufbau einer beispielhaften erfindungsgemäßen Aktuierungseinrichtung 200 hervor. Im oberen Teil der Abbildung ist die Aktuierungseinrichtung 200 gezeigt. Im unteren Teil der Abbildung ist eine Vorrichtung 100 mit gestapelten Körpern 101, 102 und 103 dargestellt. Die Körper 101, 102 und 103 sind auf einer Feder 104 gelagert. Innerhalb der einzelnen revolverartigen Körper 101, 102, 103 sind verschiedene Kavitäten 105, 106, 107, 108, 109 vorhanden. Durch den hier nicht näher dargestellten integrierten Verdrehmechanismus sind die einzelnen Körper 101, 102, 103 zueinander verdrehbar, wodurch sich die einzelnen Kavitäten 105–109 fluidisch in vorgegebener Weise miteinander koppeln lassen. Der Verdrehmechanismus und der Fluidfluss von einer Kavität in eine Kavität eines benachbarten oder darunterliegenden Körpers werden mittels der erfindungsgemäßen Aktuierungseinrichtung 200 ausgelöst. Die Aktuierungseinrichtung 200 basiert in dieser Ausgestaltung im Prinzip auf einem Doppelkolben oder Doppelzylinder, der aus einem äußeren Hohlkörper oder Hohlzylinder 201 (äußerer Kolbenteil) und einem darin beweglich gelagerten inneren Kolben (innerer Kolbenteil) 202 aufgebaut ist. Hierbei weist der innere Kolben 202 im Querschnitt eine geringere Dimension als der äußere Hohlkörper 201 auf. Der innere Kolben 202 wird im äußeren Hohlkörper 201 geführt. Der innere Kolben 202 ist weiter auslenkbar als der äußere Hohlkörper 201, sodass dieser zweistufige Kolben 201, 202 in gewisser Weise wie ein Teleskopstab aufgebaut ist. In der einfachsten Ausführungsform kann der Hohlkörper 201 als hohler Kreiszylinder und der Kolben 202 zylinderförmig mit kleinerem Durchmesser ausgestaltet sein. Der äußere Hohlkörper 201 weist vorzugsweise eine Dimension auf, die größer als der Durchmesser der kleinsten Kavität 105 oder 106 im oberen Körper 101 der Vorrichtung 100 ist. Der Durchmesser der kleinsten Kavität kann beispielsweise zwischen 2 bis 5 mm betragen. Darüber hinaus ist der äußere Hohlkörper 201 im Querschnitt kleiner als der Innendurchmesser der umgebenden Hülse 110 der Vorrichtung 100. Die Hülse 110 kann beispielsweise einen Durchmesser zwischen 20 und 30 mm aufweisen. Der innere Kolben 202 ist so ausgelegt, dass der Querschnitt kleiner als der kleinste Kavitätenquerschnitt im oberen Körper 101 ist, beispielsweise kleiner als 2 bis 5 mm, sodass der innere Kolben 202 in die Kavitäten 105 und 106 im oberen Körper 101 eintauchen kann. Die Auslenkung des äußeren Hohlkörpers 201 und des inneren Kolbens 202 wird über eine Spindel 203 geführt, die über einen Motor 204, beispielsweise einen Elektromotor, betrieben wird. Die Darstellung in 2 zeigt den Ruhezustand des Systems, wobei die Vorrichtung 100 in eine Halterung 301 eines Prozessierungsgeräts 300, das die Aktuierungseinrichtung 200 enthält, eingelegt oder eingestellt ist.
3A/D illustriert einen beispielhaften Ablauf bei der Aktuierung des Systems mittels der Aktuierungseinrichtung 200. Im Ausgangszustand sind der äußere Hohlkörper 201 und der innere Kolben 202 der Aktuierungseinrichtung so ausgerichtet, dass die Unterseite der Kolbenanordnung 201, 202, die später auf die Oberseite des oberen Körpers 101 drückt, planar ist. Die Vorrichtung 100 wird so innerhalb des Prozessierungsgeräts 300 positioniert, dass der äußere Hohlkörper 201 auf dem oberen Körper 101 oder einer Teilfläche des Körpers 101 aufliegt, hierbei aber nicht auf der umgebenden Hülse 110 aufliegt. Weiterhin wird die Positionierung so vorgenommen, dass der innere Kolben 202 sich über einer der Kavitäten des oberen Körpers 101, in diesem Beispiel die Kavität 105, befindet. Wenn die Mechanik der Aktuierungseinrichtung 200 betätigt wird, bewegt sich der Hohlkörper 201 zusammen mit dem inneren Kolben 202 in dieser Darstellungsweise nach unten, bis der Hohlkörper 201 auf dem oberen Körper 101 aufliegt (3A). Durch eine weitere Auslenkung in Pfeilrichtung werden alle Körper 101, 102, 103 der Vorrichtung 100 nach unten geschoben, sodass die erste Phase der integrierten Verdrehmechanik (Kugelschreiberprinzip) ausgelöst wird. Die maximale Auslenkung des äußeren Hohlkörpers 201 ist dann erreicht, wenn die Körper 101, 102, 103 soweit verschoben sind, dass die Führungsstrukturen am mittleren Revolver 102 aus den Führungsstrukturen der umgebenden Hülse 110 herausgedrückt wurden (3B). Ferner befinden sich in diesem Zustand der obere Körper 101 und der mittlere Körper 102 in Kontakt, wobei die Unterseite des oberen Körpers 101 auf die Oberseite des mittleren Körpers 102 gepresst wird. Wird die Aktuierungseinrichtung 200 weiter betätigt und weiter nach unten ausgelenkt, so bleibt der äußere Hohlkörper 201 ortsfest. Nur der innere Kolben 202 wird weiter ausgelenkt, sodass er in die darunterliegende Kavität 105 des oberen Körpers 101 eintaucht (3C). Wenn die Vorrichtung mit den gestapelten Körpern beispielsweise in dem Format eines 50ml-Zentrifugenröhrchens ausgelegt ist, kann die maximale Auslenkung für den Hohlkörper 201 beispielsweise 1 bis 2 cm oder gegebenenfalls auch mehr als 2 cm betragen. Die maximale Auslenkung des inneren Kolbens 202 aus dem umgebenden Hohlkörper 201 heraus kann beispielsweise zwischen 1 bis 3 cm oder auch mehr als 3 cm betragen.
Die Kavitäten 105, 106 des oberen Körpers 101 sind zunächst mit Deckelstrukturen 111 verschlossen. Die Deckelstruktur kann beispielsweise durch eine Presspassung eines Deckelsegments in der Kavität gebildet sein. In anderen Ausgestaltungen kann der obere Körper 101 selbst einen Deckel aufweisen, der Segmente umfasst, die durch den Bruch einer Sollbruchstelle gelöst werden und die die gleiche Querschnittsform wie die darunterliegende Kavität aufweisen. Der innere Kolben 202 gelangt bei seiner Auslenkung in Kontakt mit der Deckelstruktur 111 und drückt sie in die Kavität 105, wodurch das Volumen in der Kavität 105 reduziert wird und ein enthaltenes Fluid gemäß dem beschriebenen Spritzenprinzip verdrängt wird. Auf diese Weise können Flüssigkeiten, die in der Kavität 105 beispielsweise vorgelagert sind, direkt verdrängt und in die Kavität 107 des mittleren Körpers 102 überführt werden. In vergleichbarer Weise kann beispielsweise auch ein Gasvolumen verdrängt werden. Da der obere Körper 101 und der mittlere Körper 102 in diesem Aktuationszustand miteinander in Kontakt sind und vorteilhafterweise die Kontaktfläche abgedichtet ist, kann durch das verdrängte Volumen aus dem oberen Körper 101 auch ein Flüssig- oder Gasvolumen im mittleren Körper 102 verdrängt werden. Eine Abdichtung kann insbesondere durch planparallele Flächen oder Teilflächen, z. B. als planparallele Umrandung, der Unterseite des oberen Körpers 101 und der Oberseite des mittleren Körpers 102 erfolgen. Der Dichteffekt basiert dabei auf der entstehenden Pressung beispielsweise von thermoplastischen Materialien. Alternativ kann einer der beiden Körper 101, 102 eine Fläche mit einem Elastomer und insbesondere einem thermoplastischen Elastomer aufweisen, das als Dichtfläche dient. Dies kann beispielsweise durch einen O-Ring realisiert werden. Es kann vorgesehen sein, dass die Dichtfläche die gesamte Fläche des jeweiligen Körpers bedeckt und/oder dass die Dichtfläche so strukturiert ist, dass nur bestimmte Segmente abgedichtet werden und gegebenenfalls Entlüftungen vorhanden sind. Steht beispielsweise eine Pufferlösung auf einer Membran in einer Kavität des mittleren Körpers 102, wobei die Flüssigkeit aufgrund von Kapillarkräften nicht durch die Membran fließen kann, so kann durch einen erhöhten Gasdruck im mittleren Körper die Flüssigkeit durch die Membran gedrückt werden. Beim Ausdrücken wird das Volumen verringert bzw. ein Fluidvolumen komprimiert, wodurch vergleichbar mit einer Fahrradluftpumpe ein Druck erzeugt wird. In diesem Beispiel liegt während der Aktuation der Kugelschreibermechanik nur kurzfristig ein Druck an. Dieser kann jedoch beliebig oft aufgebaut werden.
Je nach Geschwindigkeit, mit der der innere Kolben 202 ausgelenkt wird, kann der Fluidfluss kontrolliert werden. Alternativ kann der Fluidfluss über Auslassöffnungen einer Kammer über den fluidischen Widerstand und den Aufbau einer Kapazität durch Kompression des Volumens gesteuert werden. Insbesondere ein Gasfluss kann beispielsweise zum Trocknen eines Filters eingesetzt werden, je nach durchzuführendem Prozessierungsprotokoll. Weiterhin kann in den oberen Körper 101 ein Gas-Überdruckreservoir integriert sein, das durch die Aktuation aufgestochen wird, wenn der obere Körper 101 und der mittlere Körper 102 gasdicht in Kontakt sind. Hierdurch wird ein erhöhter Druck freigesetzt, der beispielsweise in die Kavität 107 des mittleren Revolvers 102 appliziert wird.
Nachdem durch die Auslenkung des inneren Kolbens 202 das vorgesehene Volumen in der Kavität 105 verdrängt wurde und der Fluidfluss abgeschlossen ist, fährt der innere Kolben 202 wieder zurück in den Hohlzylinder (Hohlkörper) 201 und die Kolbenanordnung 201, 202 fährt zurück in den Ausgangszustand (3D). Nachdem der Druck durch den Hohlkörper 201 auf die Körper 101, 102, 103 gelöst wurde, bewegen sich die Körper 101, 102, 103 aufgrund der Rückstellkraft (Feder 104) wieder nach oben. Dies stellt die zweite Phase des Verdrehmechanismus dar, wobei in diesem Beispiel der mittlere Körper 102 im Verhältnis zum drehfixierten oberen Körper 101 um einen festen Winkel basierend auf der integrierten Kugelschreibermechanik rotiert.
Es kann vorgesehen sein, dass der innere Kolben 202 schrittweise ausgelenkt wird, um Fluide sequentiell zu verdrängen. Darüber hinaus kann der innere Kolben 202 auch mehrfach ein- und ausgelenkt werden. Bewegt sich der äußere Hohlkörper 201 hierbei leicht mit, kann beispielsweise wiederum Gas in die Kavität 105 des oberen Körpers 101 einströmen, sofern die Verdrehmechanik noch nicht ausgelöst wird. Wird durch die erneute Auslenkung des Hohlkörpers 201 wieder ein gasdichter Kontakt zwischen dem oberen 101 und dem mittleren Körper 102 hergestellt, kann das Gasvolumen erneut verdrängt werden. Wenn der Hohlkörper 201 bei der mehrfachen Ein- und Auslenkung des inneren Kolbens 202 ortsfest bleibt und der gasdichte Kontakt zwischen den Körpern 101, 102 aufrechterhalten wird, so können zum einen beispielsweise Flüssigkeiten auch wieder entgegen der Gravitationskraft in den oberen Körper 101 oder den mittleren Körper 102 hochgezogen werden, vergleichbar mit einer klassischen Spritze. Hierbei ist es zweckmäßig, wenn der innere Kolben 202 fest mit dem Deckelsegment 111 verbunden ist beziehungsweise wenn ein ausreichend fester Kontakt, z.B. über eine Pressung sichergestellt ist. Durch die wiederholte Komprimierung eines eingeschlossenen Gasvolumens können repetitiv Überdrücke erzeugt werden, die z.B. beim Ausdrücken von Flüssigkeiten über eine Membran vorteilhaft sind. Zur Erzeugung von Überdrücken kann darüber hinaus beispielsweise eine Gaskartusche in das Prozessierungsgerät 300 integriert sein. Weiterhin kann eine Bewegung von Flüssigkeiten auch durch den Aufbau von Vakuum induziert werden.
4 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Vorrichtung, die mit der erfindungsgemäßen Aktuierungseinrichtung 200 betätigbar ist, wobei in die Vorrichtung eine Gasblasenmischeinrichtung integriert ist. In 4 sind der obere Körper 401 und der mittlere Körper 402 einer gestapelten Vorrichtung gezeigt. Weiterhin sind der äußere Hohlzylinder (Hohlkörper) 201 und der innere Kolben 202 der Aktuierungseinrichtung 200 dargestellt. Der mittlere Körper 402 weist eine Kavität 403 auf, die mit Flüssigkeit 404 gefüllt ist. Die Kavität 403 verfügt über eine Entlüftungsöffnung 407. Die Kavität 403 ist über einen im unteren Bereich seitlich abgehenden Kanal 406 mit der Oberseite des mittleren Körpers 401 verbunden. 4A zeigt die Ausgangsstellung. 4B zeigt das aktuierte System, wobei die Körper 401 und 402 zunächst durch die Auslenkung und Bewegung der Kolbenanordnung 201, 202 nach unten gedrückt werden und dabei miteinander in Kontakt treten. Durch die weitere Auslenkung des inneren Kolbens 202 wird ein Gasvolumen aus einer Kavität 405 des oberen Körpers 401 in den Kanal 406 des mittleren Revolvers 402 gedrückt. Das nach unten gedrückte Gas blubbert gewissermaßen durch die Flüssigkeit 404 in der Kavität 403 des mittleren Revolvers 402, wodurch es zu einer Durchmischung der Flüssigkeit kommt. Der Überdruck wird mittels der Entlüftungsöffnung 407 abgebaut. Alternativ kann dem Kanal 406 auch eine weitere Kammer als Vorkammer vorgeschaltet sein, in welcher ein Reaktionsmittel (erster Reaktant) vorgelagert ist. In dieser Ausgestaltung kann aus dem oberen Revolver 401 ein weiteres Reaktionsmittel (zweiter Reaktant) freigesetzt werden. Wenn die beiden Reaktanten in der Vorkammer in Kontakt treten, beginnt eine chemische Reaktion, bei der Gas als Produkt entsteht. Dieses Gas kann durch den Kanal 406 in die Flüssigkeitskammer 403 weitergeleitet werden und die dort enthaltenen Medien durchmischen.
Die 5 und 6 illustrieren eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung, wobei die gestapelte Vorrichtung 500 einen zusätzlichen obersten Körper 550 umfasst, der sich dadurch auszeichnet, dass wenigstens eine Kavität dieses Körpers 550 vollständig von dem inneren Kolben 202 der Aktuierungseinrichtung durchfahrbar ist. „Zusätzlich“ bezieht sich darauf, dass übliche gestapelte Zentrifugalsysteme, die im Prinzip mit der erfindungsgemäßen Aktuierungseinrichtung betätigt werden können, in der Regel drei übereinander gestapelte Körper aufweisen. Hierbei ist der erste Körper drehfest angeordnet und der mittlere Körper ist durch entsprechende Führungsstrukturen auf dem mittleren und dem oberen Körper sowie auf der Innenseite der umgebenden Hülse im Verhältnis zum obersten Körper rotierbar. In der in 5 und 6 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 500 ist im Unterschied hierzu der oberste Revolver 550 und optional der übernächste Revolver 502 drehfixiert, das heißt also in dieser Darstellungsweise im Prinzip nur nach oben und unten auslenkbar. Die Körper 501 und 503 hingegen sind sowohl nach oben und unten beweglich als auch rotierbar, wobei entsprechende Führungsstrukturen 560, 570 für eine integrierte Verdrehmechanik (Kugelschreibermechanik) vorgesehen sind. Die an sich bekannten Führungsstrukturen auf den Körpern und an der umgebenden Hülse der Vorrichtung sind hierbei gewissermaßen gedoppelt. Anhand der 6A und 6B wird die Funktionsweise des Systems 500 im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Aktuierungseinrichtung 200 erläutert. Mit diesem System können alle Kavitäten 505, 506 des Körpers 501 mit nur einem Aktuierungssystem 200 betätigt werden, ohne dass eine Umpositionierung der Kolbenanordnung 201, 202 erforderlich wäre. Hierbei durchfährt der innere Kolben 202 die durchgängige Kavität 551 des obersten Körpers 550 und greift in die darunterliegende Kavität 505 des Körpers 501 ein, sodass der innere Kolben 202 diese Kavität 505 aktuieren kann. Durch die bereits beschriebenen Anpassungen des Drehmechanismus ist in dieser Ausgestaltung der Körper 501 im Verhältnis zum obersten Körper 550 rotierbar, sodass verschiedene Kavitäten im Körper 501 nacheinander durch die Kavität 551 des obersten Körpers 550 hindurch erreichbar sind. Durch die optionale Integration von vergleichbaren Verdrehmechanismen in den weiteren Körpern 502, 503 ist auch der unterste Körper 503 im Verhältnis zum Körper 502 verdrehbar, sodass eine entsprechende Fluidführung ermöglicht wird.
Der zusätzliche oberste Körper 550 kann so ausgestaltet sein, dass er im Wesentlichen nur die beschriebene Funktion des erweiterten Drehmechanismus realisiert. In Erweiterungen kann der oberste Revolver 550 auch beispielsweise zusätzliche Flüssigkeiten oder Gase als Vorlagerung beinhalten. Darüber hinaus können beispielsweise auch Komponenten für eine Wärmekontrolle oder für ein Auslesen (Read-Out) integriert sein oder es können elektrische Regelschaltungen insbesondere in dem obersten Körper 550 integriert sein.
Nach Durchlauf eines Aktuierungszyklusses verdreht sich der Körper 501 im Verhältnis zum obersten Körper 550 um einen vorgegebenen Drehwinkel gemäß der integrierten Verdrehmechanik (6B). Hierbei können beispielsweise unterschiedliche Flüssigkeiten in die gleiche Reaktionskammer des darunterliegenden Körpers 502 geleitet werden können. Weiterhin befindet sich dann eine andere Kavität, in diesem Beispiel die Kavität 506, in der Aktuierungsposition unterhalb der Kolbenanordnung 201, 202, sodass anschließend der Inhalt dieser weiteren Kavität 506 in die nachfolgende Kavität 507 des darunter angeordneten Körpers 502 überführt werden kann. Auf diese Weise können beispielsweise alle Reagenzien, die in den Kavitäten des Körpers 501 vorgehalten werden, in den nachfolgenden Körper 502 transportiert werden. Wenn durch entsprechende Führungsstrukturen eine Rotation des Körpers 503 im Verhältnis zum Körper 502 vorgesehen ist, kann beispielsweise zwischen einer Flüssigkeitsauffangkammer 509, die für Abfälle oder Waschdurchgänge (Waste) vorgesehen ist, und einer getrennten Auffangkammer 508 für Produktflüssigkeit (Eluat) geschaltet werden. Der zusätzliche Körper 550 macht es in der Regel erforderlich, dass sowohl der innere Kolben 202 als auch der äußere Hohlkörper 201 im Vergleich mit einem System mit drei geschichteten Körpern weiter auslenkbar sind. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass die vorgesehene Auslenkungsstrecke der Kolbenanordnung 201, 202 etwa 1 bis 3 cm länger ist als bei einer Aktuierungseinrichtung für ein herkömmliches System mit drei gestapelten Körpern.
Die erfindungsgemäße Aktuierungseinrichtung 200 wird zweckmäßigerweise so in das System integriert oder extern angebracht, dass der Aktor die für das Auslösen der Verdrehmechanik notwendige Druckkraft aufbringen kann. Die erforderliche Druckkraft variiert je nach Auslegung des Systems und kann beispielsweise zwischen 0,5 bis 100 N betragen.
Die beschriebenen revolverartigen Körper in den erfindungsgemäßen Ausgestaltungen sind zweckmäßigerweise so ausgelegt, dass sie in eine übliche gestapelte Anordnung integriert werden können. Die Körper und/oder Kavitäten oder Kammern der Körper können so ausgelegt werden, dass weitere Prozessschritte und Strukturen integriert werden können, beispielsweise Sedimentationsstrukturen, Mischstrukturen oder Kanal- oder Siphonstrukturen zum Weiterleiten und Schalten von Flüssigkeiten oder Gasfluiden.
Übliche, an sich bekannte Zentrifugalsysteme, die auch mit der erfindungsgemäßen Aktuierungseinrichtung betätigt werden können, weisen üblicherweise ein Volumen von etwa 50 ml auf, in der Regel sind sie in dem Format eines üblichen 50 ml-Zentrifugenröhrchens realisiert. Die erfindungsgemäße Aktuierungseinrichtung ist insbesondere für solche Systeme geeignet. Die Aktuierungseinrichtung kann jedoch auch für andere Formate ausgelegt sein, beispielsweise für das Format eines 1,5 ml- oder 2 ml-Eppendorf-Röhrchens oder für ein Format einer Mikrotiterplatte, wobei das System beispielsweise für ein Volumen von etwa 20 μl pro Kavität ausgelegt werden kann.
Die für die Verdrehmechanik erforderliche Rückstellkraft kann beispielsweise durch eine Feder dargestellt werden. Es sind auch andere Ausgestaltungen zur Realisierung der Rückstellkraft möglich. Beispielsweise kann ein geeignetes Polymer, beispielsweise ein Elastomer, vorgesehen sein, welches bei der Bewegung der Körper deformiert wird und wobei aus einer Rückstellkraft dieses Polymers eine Gegenkraft beim Zurückkehren in die Ruheform aufgebaut wird. Weiterhin ist es prinzipiell möglich, für die Erzeugung der Rückstellkraft ein Polymer, insbesondere ein Elastomer zu verwenden, welches bei der durch die Aktuierungseinrichtung ausgelösten Bewegung der Körper gedehnt wird und wobei eine Zugkraft für die Rückstellung der Körper genutzt wird. In dieser Ausgestaltung können die Körper gewissermaßen an diesem Polymer aufgehängt sein.
Das beschriebene System kann beispielsweise zur Aufreinigung und/oder zum Nachweis von Nukleinsäuren, beispielsweise von DNA, oder von Proteinen eingesetzt werden, wobei insbesondere Säulen-basierte oder Beads-basierte Methoden eingesetzt werden können. Das System kann weiterhin für verschiedene Tests, z.B. Immunotests oder Tests, die mit einer Amplifikation von DNA und einer anschließenden Detektion einhergehen, genutzt werden. In die Prozessierungseinheit können weitere Elemente integriert sein, um verschiedene biochemische Prozesse in dem System ablaufen lassen zu können. Insbesondere können Heizelemente integriert sein, um beispielsweise eine Kammer im oberen Revolver zu temperieren, wobei beispielsweise Puffer vorgewärmt werden können oder eine Lyse von Zellen bei erhöhter Temperatur durchgeführt werden kann. Heizelemente können weiterhin hilfreich sein, um beispielsweise im mittleren Revolver einen Filter zu trocknen. Eine Temperierung des unteren Revolvers kann beispielsweise genutzt werden, um die Temperatur für eine PCR-Reaktion zyklisch zu variieren. Weiterhin kann es auch zweckmäßig sein, eine Temperierung für die Einhaltung einer gleichbleibenden Temperatur zu nutzen, wie es beispielsweise für eine isotherme DNA-Amplifikation erforderlich ist.
Darüber hinaus kann beispielsweise eine optische Read-Out-Einrichtung integriert sein, um beispielsweise Farbumschlagsreaktionen, Absorptionsmessungen oder Fluoreszenzmessungen durchführen zu können. Für die Durchführung verschiedener Reaktionen kann es darüber hinaus hilfreich sein, das System auf einen „Rüttler“ zu positionieren. Beispielsweise kann ein üblicher Vortexer eingesetzt werden, um das System zu schütteln und so Flüssigkeiten zu vermischen. In einer weiteren Ausführungsform können in einer Kavität des Systems Beads vorgelagert werden, die insbesondere in Kombination mit einem Rüttler das Lysieren von Probenmaterialien, insbesondere von Zellen, unterstützen, vergleichbar mit einer Kugelmühle.
Verschiedene zusätzliche Einrichtungen können beispielsweise in eine Halterung für die gestapelte Vorrichtung integriert sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010003223 A1 [0003]

Claims

Aktuierungseinrichtung (200) für eine Vorrichtung (100; 500), insbesondere für eine mikrofluidische Vorrichtung, wobei die Vorrichtung wenigstens zwei axial übereinander gestapelte Körper (101, 102, 103; 501, 502, 503, 550) innerhalb einer Hülsenstruktur (110) aufweist, wobei die Körper entgegen einer Rückstellkraft beweglich gelagert sind und zumindest teilweise gegeneinander verdrehbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuierungseinrichtung (200) einen äußeren Hohlkörper (201) und wenigsten einen inneren Kolben (202) aufweist, der im Inneren des Hohlkörpers (201) beweglich gelagert ist, wobei die Aktuierungseinrichtung (200) auf den oberen Körper (101; 550) der gestapelten Körper aufsetzbar und zur Aktuierung der Bewegung der Körper entgegen der Rückstellkraft auslenkbar ist.
Aktuierungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Hohlkörper (201) im Querschnitt größer als der Querschnitt einer Kavität (105, 106; 551) des oberen Körpers (101; 550) ist und dass der äußere Hohlkörper (201) im Querschnitt kleiner als der Innendurchmesser der Hülsenstruktur (110) ist.
Aktuierungseinrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Kolben (202) im Querschnitt kleiner als der Querschnitt einer Kavität (105, 106; 551) des oberen Körpers (101; 550) ist.
Aktuierungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuierungseinrichtung (200) eine Spindel (203) zur Auslenkung des äußeren Hohlkörpers (201) und/oder des inneren Kolbens (202) umfasst.
Aktuierungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des inneren Kolbens (202) eine Deckelstruktur (111), insbesondere eine dichtende Deckelstruktur, in das Innere einer Kavität (105, 105; 505, 506) eines der gestapelten Körper (101; 501) gedrückt wird, wobei vorzugsweise das Ende des inneren Kolbens, das mit der Deckelstruktur in Kontakt tritt, eine gegenüber dem übrigen Querschnitt des inneren Kolbens verbreiterte Fläche aufweist.
Aktuierungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Kolben (202) innerhalb eines Aktuierungszyklusses schrittweise und/oder mehrfach auslenkbar ist.
Aktuierungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuierungseinrichtung (200) über der Querschnittsfläche des oberen Körpers (201; 550) der Vorrichtung (110; 500) positionierbar ist.
Aktuierungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuierungseinrichtung eine Mehrzahl von separat ansteuerbaren Aktuierungseinheiten mit jeweils einem äußeren Hohlkörper (201) und jeweils wenigstens einem inneren Kolben (202) umfasst, die oberhalb von einzelnen Kavitäten (105, 106; 551) des oberen Körpers (101; 550) der Vorrichtung (100, 500) anordnenbar sind.
Aktuierungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuierungseinrichtung einen zentralen äußeren Hohlkörper und eine Mehrzahl von inneren Kolben umfasst, wobei die inneren Kolben oberhalb von einzelnen Kavitäten (105, 106; 551) des oberen Körpers (101; 550) der Vorrichtung (100; 500) anordnenbar sind.
Prozessierungsgerät (300) für eine Vorrichtung (100; 500) mit wenigstens zwei axial übereinander gestapelten Körpern (101, 102, 103; 501, 502, 503, 550) innerhalb einer Hülsenstruktur (110), wobei die Körper entgegen einer Rückstellkraft beweglich gelagert sind und zumindest teilweise gegeneinander verdrehbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessierungsgerät wenigstens eine Aktuierungseinrichtung (200) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 umfasst.
Vorrichtung (100; 500), insbesondere mikrofluidische Vorrichtung, mit wenigstens zwei axial übereinander gestapelten Körpern (101, 102, 103; 501, 502, 503, 550) innerhalb einer Hülsenstruktur (110), wobei die Körper entgegen einer Rückstellkraft beweglich gelagert sind und zumindest teilweise gegeneinander verdrehbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mit einer Aktuierungseinrichtung (200) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 betätigbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Kavität (105, 106; 505, 506) eines der gestapelten Körper (101; 501) eine Deckelstruktur (111), insbesondere eine dichtende Deckelstruktur, aufweist, die mittels des inneren Kolbens (202) der Aktuierungseinrichtung (200) eindrückbar ist, wobei vorzugsweise der Deckelstruktur eine Stützstruktur zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die gestapelten Körper (101, 102, 103; 501, 502, 503, 550) im aktuierten Zustand zumindest teilweise planparallel aufeinander liegen, wobei vorzugsweise zusätzliche Dichtelemente vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in die Vorrichtung wenigstens eine Mischerstruktur (403, 406, 407) integriert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (500) einen oberen Körper (550) aufweist, der wenigstens eine Kavität (551) aufweist, die von einem inneren Kolben (202) der Aktuierungseinrichtung (200) durchfahrbar ist.