DE102021131653B3

DE102021131653B3 - Thermozykler und Verfahren zum Betreiben eines Thermozyklers

Info

Publication number: DE102021131653B3
Application number: DE102021131653.7A
Authority: DE
Inventors: Stefan Lahme; Christoph Göbel
Original assignee: Clemens GmbH
Current assignee: Clemens De GmbH
Priority date: 2021-12-01
Filing date: 2021-12-01
Publication date: 2023-03-02
Anticipated expiration: 2041-12-02

Abstract

Es werden ein Thermozykler 100 zur Durchführung einer zyklischen Polymerase-Kettenreaktion sowie ein Verfahren zum Betreiben des Thermozyklers 100 vorgeschlagen. Der Thermozykler 100 umfasst eine Probenaufnahme 105 mit einer Vertiefungsstruktur 110 zum Einbringen von Probengefäßen der zu untersuchenden Proben. Zudem umfasst der Thermozykler 100 ein Abdeckelement 115 mit einer Rasterstruktur 120, wobei das Abdeckelement 115 oberhalb der Probenaufnahme 105 angeordnet ist. Überdies umfasst der Thermozykler 100 zumindest eine Heizeinheit 130 zum Temperieren der Probenaufnahme für die Durchführung der zyklischen Polymerase-Kettenreaktion und zum Beheizen des Abdeckelements 115 zur Vermeidung von Kondensation der zu untersuchenden Proben. Ferner umfasst der Thermozykler 100 eine Dekontaminationseinheit 135 mit zumindest einer UV-Lichtquelle 140 zum Aussenden optischer UV-Strahlung 145 zur Oberflächenreinigung des Thermozyklers 100 in einem ersten Modus oder zum gezielten Zerstören von zu untersuchenden Proben in einem zweiten Modus. Die Dekontaminationseinheit 135 ist oberhalb des Abdeckelements 115 mit der Rasterstruktur 120 angeordnet und die Rasterstruktur 120 umfasst eine Mehrzahl an Durchlässen 125, die für die optische UV-Strahlung 145 der UV-Lichtquelle 140 durchlässig sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Thermozykler zur Durchführung einer zyklischen Polymerase-Kettenreaktion. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Thermozyklers.
Eines der Standardverfahren in biologischen und/oder medizinischen Laboren zur Vervielfältigung von Nukleinsäuren basiert auf der Polymerase-Kettenreaktion (PCR: Polymerase Chain Reaction). Das Verfahren wird beispielsweise gegenwärtig in der klinischen Diagnostik zum Nachweis des Covid-19 Virus oder auch in der Lebensmittelanalytik zur Identifikation krankheitserregender Mikroorganismen und/oder pathogener Bakterien, wie z.B. Salmonellen, in Lebens- und/oder Genussmitteln eingesetzt.
Ein PCR-Lauf umfasst in der Regel mehrere Zyklen, die sich ca. 20 bis 50 mal wiederholen (variiert je nach Anwendung), bis eine ausreichende Menge DNA (DNA: Desoxyribonukleinsäure) amplifiziert, also vervielfältigt worden ist. Dabei umfasst ein einzelner PCR-Zyklus drei Schritte. Im ersten Schritt werden die DNA Doppelstränge denaturiert, das heißt die Stränge werden „aufgeschmolzen“ oder „separiert“. Für die Denaturierung sind Temperaturen von etwa 95°C erforderlich. Im zweiten Schritt erfolgt bei einer niedrigeren Temperatur (typischerweise zwischen 55°C und 65°C) die sogenannte Primerhybridisierung, d.h. eine Ablagerung der Primer an die jeweiligen Einzelstränge. Die angelagerten Primer legen jeweils den Startpunkt der Polymerisation festzulegen. Im dritten Schritt eines PCR-Zyklus erfolgt die Elongation bzw. Polymerisation oder Amplifikation der Einzelstränge ausgehend vom Primer durch die DNA-Polymerase. Dieser Schritt wird typischerweise bei Temperaturen von ca. 72°C durchgeführt. An einen solchen erläuterten Zyklus in drei Schritten schließen sich weitere Zyklen an, bis die DNA-Amplifikation beendet und damit der PCR-Lauf abgeschlossen ist.
Neben der herkömmlichen PCR Methode, die oben beschrieben worden ist, gibt es noch die sogenannte „quantitative Echtzeit PCR“ (real-time quantitative PCR, kurz qPCR). Die qPCR stellt gleichermaßen eine Vervielfältigungsmethode für Nukleinsäuren dar, erlaubt jedoch zusätzlich eine Quantifizierung der amplifizierten DNA, basierend auf einer Fluoreszenzmessung während eines PCR-Zyklus in Echtzeit. Beispielsweise können dazu Fluoreszenzfarbstoffe als Marker genutzt werden, die an die DNA binden und nur im Fall der Anbindung ein Fluoreszenzsignal aussenden. Das Fluoreszenzsignal nimmt hierbei proportional zur Menge der vervielfältigten DNA zu. Häufig werden ca. 20 Zyklen für ein ausreichendes Fluoreszenzsignal benötigt.
Die Amplifikation, also der PCR-Lauf, wird dabei in Geräten durchgeführt, die als sogenannte „Thermozykler“ oder „Thermocycler“ bezeichnet werden. Ein Thermozykler umfasst alle für die Vervielfältigung erforderlichen Komponenten, insbesondere eine Heizeinheit zum Temperieren einer Probeneinheit mit zu untersuchenden Proben für die Durchführung der zyklischen PCR-Schritte, ein Sensorelement zum Erfassen und Überwachen der einzustellenden Temperaturwerte, sowie eine Steuereinheit zum Einstellen der benötigten Temperaturwerte für die Heizeinheit. Ferner umfasst der Thermozykler ein Abdeckelement über der Probenaufnahme, das beheizt wird, um eine Kondensation der Proben zu verhindern. Der PCR-Lauf wird vom Thermozykler selbständig durchgeführt.
Sowohl die gewöhnliche PCR Methode als auch die qPCR Methode sind äußerst empfindlich. Denn es werden ggf. nicht nur die zu untersuchenden Proben amplifiziert, sondern auch Kontaminationen, falls diese in die Probengefäße oder in die Probensubstanz gelangen. Auch kann ein beschädigtes oder undichtes Probengefäß zum Austritt von Aerosolen der Probe führen, welche sich im Thermozykler ausbreiten und in den optischen Messpfad gelangen können, zum Beispiel im Falle der qPCR zur Detektion der emittierten Fluoreszenz. Somit kann das Quantifizierungssignal verfälscht werden.
In der Regel ist es nicht möglich Kontaminationen (z.B. ungewollte Fremd-DNA oder -RNA (RNA: Ribonukleinsäure), ungewollte PCR-Inhibitoren, etc.) zu entfernen oder zu reduzieren. Daher ist die grundsätzliche Vermeidung von Kontaminationen essenziell, um aussagekräftige und zuverlässige Messergebnisse mithilfe der PCR oder qPCR-Methode zu erzielen. Bereits bei der Probenvorbereitung als auch im Thermozykler selbst, sowie für angeschlossene Elemente, z.B. Elektronik, Auswerteeinheit, etc. muss sorgfältig darauf geachtet werden, dass es zu keiner ungewollten Kontamination kommt.
Insbesondere der Verschluss bzw. die Dichtung der Probengefäße stellt aufgrund der prozessbedingten, häufigen Temperaturwechsel eine besondere Schwachstelle für mögliche auftretende Kontaminationen, über die sich ausbreitende Aerosole dar, wie oben beschrieben. Der Nachweis von Leckagen der Probengefäße ist aufgrund der typischerweise geringen Volumina der enthaltenen Proben (ca. 10 pL) schwierig und kann meist nur indirekt durch ein unzureichendes Messsignal bzw. einen Performanceeinbruch/-verlust bei nachfolgenden PCR-Zyklen festgestellt werden. Häufig setzt die Zurückführung eines Performanceeinbruchs/-verlusts auf eine Kontamination aufgrund der Vielzahl an potenziellen Ursachen eine aufwändige Fehleranalyse voraus.
Die Dekontamination eines Thermozyklers erfordert dann zumeist einen beträchtlichen Benutzerzeitaufwand sowie geeignete Chemikalien und eine lange Ausfallzeit des Geräts zur manuellen Reinigung der kontaminierten Bereiche im Thermozykler. Dabei sind die Chemikalien oft aggressive Lösungs- und Bleichmittel und erfordern Schutzbekleidung und/oder -ausrüstung. Manche Oberflächen im Thermozykler können aus dem Grund nur durch speziell geschultes Personal gereinigt werden. Auch besteht durch die manuelle Reinigung der Oberflächen im Thermozykler eine hohe Fehleranfälligkeit. Aufgrund der schwierigen und aufwändigen Dekontamination des Thermozyklers empfehlen Hersteller in der Regel diese zur Vermeidung von etwaigen Folgekontaminationen von Laboren in separaten Räumlichkeiten unterzubringen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Thermozykler anzugeben, der eine einfachere Dekontamination für den Anwender erlaubt. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung ein optimiertes Verfahren zum Betreiben eines solchen Thermozyklers bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird ein Thermozykler zur Durchführung einer zyklischen Polymerase-Kettenreaktion vorgeschlagen. Der Thermozykler umfasst eine Probenaufnahme zum Einbringen von zu untersuchenden Proben. Zudem umfasst der Thermozykler ein Abdeckelement, wobei das Abdeckelement oberhalb der Probenaufnahme angeordnet ist. Überdies umfasst der Thermozykler zumindest eine Heizeinheit zum Temperieren der Probenaufnahme für die Durchführung der zyklischen Polymerase-Kettenreaktion und zum Beheizen des Abdeckelements zur Vermeidung von Kondensation der zu untersuchenden Proben. Ferner umfasst der Thermozykler eine Dekontaminationseinheit mit zumindest einer UV-Lichtquelle zum Aussenden optischer UV-Strahlung zur Oberflächenreinigung des Thermozyklers in einem ersten Modus oder zum gezielten Zerstören von Proben in einem zweiten Modus. Unter optische UV-Strahlung kann also ultraviolette Strahlung verstanden werden, d.h. elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich von etwa 100 nm bis 380 nm.
Unerwünschte Fremd-DNA-Fragmente, die die kritische Kontaminationsquelle für einen PCR-Lauf darstellen wie eingangs erläutert, absorbieren bei Bestrahlung mit UV-Strahlung die UV-Strahlung und bilden Pyrimidin-Dimere aus (was zu einer Zerstörung oder Beschädigung der DNA-Fragmente führt). Im oben beschriebenen PCR-Prozess können derart beschädigte DNA-Fragmente nicht amplifiziert werden und haben daher keinen negativen Einfluss auf das Ergebnis der PCR. Das Absorptionsmaximum der Nukleinsäuren der DNA liegt etwa bei 265 nm, daher kann die UV-Lichtquelle beispielsweise als eine UVC-Lichtquelle ausgebildet sein, die ausgelegt ist, optische UVC-Strahlung vorzugsweise im Wellenlängenbereich von 220 nm bis 280 nm auszusenden. Alternativ könnte auch eine UVB-Lichtquelle oder ein Ultrakurzpulslaser für Mehrphotonenabsorption im sichtbaren Spektralbereich als Lichtquelle eingesetzt werden, um die DNA-Fragmente zu zerstören.
Der vorgeschlagene Thermozykler bietet durch seine unterschiedlichen Modi (erster Modus zur Oberflächenreinigung des Thermozyklers und zweiter Modus zum gezielten Zerstören von Proben) universelle Anwendungsmöglichkeiten, je nach Bediener- und/oder Kundenanforderung. Insbesondere bietet der erste Modus zur Oberflächenreinigung des Thermozyklers den Vorteil einer vereinfachten Reinigung des Geräts, da kein speziell geschultes Personal zur manuellen Reinigung der Oberflächen im Thermozykler mittels Chemikalien, wie Lösungs- und/oder Bleichmitteln, erforderlich ist. Dies spart Zeit und Kosten und minimiert zudem die Ausfallzeit des Geräts. Ferner ist keine persönliche Schutzausrüstung (PSA) erforderlich.
Mithilfe der vorgeschlagenen Dekontaminationseinheit des Thermozyklers mit zumindest einer UV-Lichtquelle, die optische UV-Strahlung aussendet (beispielsweise mit einer Wellenlänge von 265 nm im Falle einer vorzugsweise als UVC-LED ausgebildeten UV-LED oder einer alternativen Wellenlänge), kann vollständig auf den Einsatz gefährlicher Chemikalien verzichtet werden und zugleich eine zuverlässige und sichere Reinigungsmöglichkeit geschaffen werden. Werden unerwünschte Mikroorganismen, wie Bakterien, Viren, etc. UV-Strahlung ausgesetzt, so wird ihr Zellkern in der Regel so verändert, dass eine Zellteilung unmöglich wird und es keine Reproduktion mehr gibt. Die Mikroorganismen werden abgetötet. Unerwünschte Fremd-DNA-Fragmente absorbieren die UV-Strahlung und bilden Pyrimidin-Dimere aus. Die Polymerase induzierte Verlängerung der Stränge der Fremd-DNA ist aufgrund der Ausbildung der genannten Dimere gestört. Somit können Fremd-DNA-Fragmente durch Bestrahlung mit UV-Strahlung, vorzugsweise UVC-Strahlung, beschädigt bzw. zerstört werden, sodass keine bzw. nur eine geringfügige Störung für den eigentlichen PCR-Lauf entsteht. Denn die geschädigten Fremd-DNA-Fragmente werden aufgrund der Schädigung nicht amplifiziert. Auf dieser Wirkung beruhend, kann die UV-Strahlung zur Dekontamination von Oberflächen im Thermozykler eingesetzt werden. Da die Dekontaminationseinheit als eine abgeschlossene Einheit verbaut sein kann oder geeignet für Menschen abgeschirmt werden kann, zum Beispiel durch Schließen des Gehäuses des Thermozyklers, kann sichergestellt werden, dass anwesende Personen keiner UV-Strahlung der Dekontaminationseinheit ausgesetzt werden. Vorteilhaft stellt der vorgeschlagene Thermozykler somit keine Gefahr für den Anwender dar.
Durch die Integration der Dekontaminationseinheit mit der zumindest einen UV-Lichtquelle in den Thermozykler ist es zudem nicht mehr erforderlich der Empfehlung einiger Hersteller zu folgen und den Thermozykler in von Laboren separierten Räumlichkeiten unterzubringen. Ferner ist der vorgeschlagene Thermozykler nach einer Oberflächenreinigung schnell wieder für die Durchführung des PCR-Laufs einsatzbereit und die Fehleranfälligkeit für weitere PCR-Zyklen sinkt. Der vorgeschlagene Thermozykler kann damit insgesamt zur Verbesserung der Zuverlässigkeit der erzielten Messergebnisse beitragen und aufwändige Fehleranalysen vermeiden.
Der zweite Modus des Thermozyklers kann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn die Proben gezielt zerstört werden sollen, beispielsweise nach abgeschlossenem PCR-Lauf, der in der Regel aus mehreren PCR-Zyklen besteht. Durch Bestrahlung der Proben mit der optischen UV-Strahlung der zumindest einen UV-Lichtquelle der Dekontaminationseinheit können diese gezielt eliminiert werden. Auch ist denkbar, dass die Dekontaminationseinheit eine weitere UV-Lichtquelle aufweisen kann, in einem anderen Bereich des Thermozyklers, beispielsweise an den Seitenwänden, im Bereich der Probenaufnahme, der Elektronik, etc., und gemeinsam mit der zumindest einen UV-Lichtquelle selektiv steuerbar ist.
Die Probenaufnahme kann als ein Thermoblock oder als ein Heizblock ausgebildet sein. Zudem kann das Abdeckelement als ein Heizdeckel, eine Deckelheizung oder eine alternative beheizbare Abdeckung ausgebildet sein. Die zumindest eine Heizeinheit kann Peltier-Elemente zum Temperieren (Erwärmen und Abkühlen) der Probenaufnahme für die Durchführung eines PCR-Laufs und zum Beheizen des Abdeckelements zur Vermeidung von Kondensation der zu untersuchenden Proben aufweisen.
Der vorgeschlagene Thermozykler kann beispielsweise in Form eines Endpunkt-PCR-Geräts ausgebildet sein, wobei die Proben während des PCR-Laufs nicht optisch vermessen werden. Die Dekontaminationseinheit samt der UV-Lichtquelle kann dann zum Beispiel seitlich an die Probenaufnahme und das Abdeckelement angrenzen, um den Thermozykler kompakt zu halten.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Probenaufnahme eine Vertiefungsstruktur auf. Das Abdeckelement weist eine Rasterstruktur auf, wobei das Abdeckelement mit der Rasterstruktur oberhalb der Probenaufnahme angeordnet ist. Die Dekontaminationseinheit ist oberhalb des Abdeckelements mit der Rasterstruktur angeordnet und die Rasterstruktur umfasst eine Mehrzahl an Durchlässen, die für die optische UV-Strahlung durchlässig sind. Die oben genannten Vorteile gelten auch für diese Ausführungsform uneingeschränkt. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird daher auf die vorstehend genannten Vorteile verwiesen. Die Mehrzahl an Durchlässen der Rasterstruktur des Abdeckelements kann zum Beispiel jeweils ein Material umfassen, das für die optische UV-Strahlung durchlässig ist. Zudem können die Durchlässe der Rasterstruktur auch als Öffnungen ausgebildet sein und kein ausfüllendes Material aufweisen. Die Vertiefungsstruktur kann die Heiz- und Kühlraten für den vorgeschlagenen Thermozykler verbessern. Zudem kann der vorgeschlagene Thermozykler basierend auf der Rasterstruktur mit der Mehrzahl an Durchlässen vorteilhaft für die qPCR-Methode, also die Echtzeit-PCR eingesetzt werden, bei der die Proben während des PCR-Laufs optisch vermessen werden. Die Rasterstruktur mit der Mehrzahl an Durchlässen ermöglicht zudem vorteilhaft eine gezielte Dekontamination des Thermozyklers.
In einer weiteren Ausführungsform ist eine Anordnung der Rasterstruktur mit der Mehrzahl an Durchlässen des Abdeckelements auf eine Anordnung der Vertiefungsstruktur der Probenaufnahme abgestimmt. Dabei kann die Anordnung der Rasterstruktur auch einer Dimensionierung, also einer Abmessung der Rasterstruktur mit der Mehrzahl an Durchlässen des Abdeckelements entsprechen. Gleichermaßen kann die Anordnung der Vertiefungsstruktur der Probenaufnahme auch einer Dimensionierung, d.h. einer Abmessung der Vertiefungsstruktur entsprechen. Ist die Rasterstruktur zum Beispiel mit der Mehrzahl an Durchlässen regelmäßig ausgebildet, so ist die Vertiefungsstruktur der Probenaufnahme vorteilhaft ebenfalls regelmäßig ausgebildet. Alternativ können die Rasterstruktur mit der Mehrzahl an Durchlässen und die Vertiefungsstruktur auch in Form einer unregelmäßigen Struktur ausgebildet sein. Beispielsweise können die jeweiligen Anordnungen der Rasterstruktur und der Vertiefungsstruktur gegeneinander versetzt ausgebildet sein.
Mithilfe einer Abstimmung der Anordnung der Rasterstruktur mit der Mehrzahl an Durchlässen und der Vertiefungsstruktur können insbesondere die im Thermozykler zu reinigenden Oberflächen besser mit der optischen UV-Strahlung der zumindest einen Lichtquelle der Dekontaminationseinheit, die durch die Durchlässe der Rasterstruktur tritt, beleuchtet werden.
Dabei können die zu reinigenden Oberflächen im Thermozykler z.B. eine Oberfläche des Abdeckelements, welche eine zur Dekontaminationseinheit orientierte Oberseite und eine zur Probenaufnahme orientierte Unterseite umfasst, sein, sowie eine Oberfläche der Probenaufnahme, die zum Beispiel eine zum Abdeckelement orientierte Oberseite umfasst. Darüber hinaus können die zu reinigenden Oberflächen auch die Seitenwände des Thermozyklers umfassen, sowie die Oberflächen der Vertiefungsstruktur und der Rasterstruktur mit den Durchlässen. Weitere, zu reinigende Oberflächen im Thermozykler sind ferner denkbar.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Anordnung der Rasterstruktur mit der Mehrzahl an Durchlässen des Abdeckelements exakt auf die Anordnung der Vertiefungsstruktur der Probenaufnahme abgestimmt. Die Anordnung der Rasterstruktur mit der Mehrzahl an Durchlässen kann auch eine Dimensionierung der Rasterstruktur mit der Mehrzahl an Durchlässen des Abdeckelements umfassen. Gleichermaßen kann die Anordnung der Vertiefungsstruktur der Probenaufnahme auch eine Dimensionierung der Vertiefungsstruktur umfassen. Eine exakte Abstimmung der jeweiligen Anordnungen der Rasterstruktur mit der Mehrzahl an Durchlässen und der Vertiefungsstruktur bietet zum Beispiel den Vorteil der optimalen Ausleuchtung der zu reinigenden Oberfläche der Vertiefungsstruktur. Generell kann die Ausleuchtung durch die exakte Abstimmung der genannten Anordnungen verbessert werden. Zudem können durch die exakte Abstimmung der jeweiligen Anordnungen der Rasterstruktur mit der Mehrzahl an Durchlässen die Proben im zweiten Modus durch die Beleuchtung gezielt zerstört werden. Im Falle der qPCR Methode bietet die exakte Abstimmung der Anordnungen zudem den Vorteil der genauen Positionierung einer möglichen optischen Einheit zum Aussenden von optischer Strahlung im sichtbaren Bereich durch die Durchlässe der Rasterstruktur auf die zu messenden Probe im Probengefäß.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Dekontaminationseinheit mit der UV-Lichtquelle statisch ausgebildet. Die zumindest eine UV-Lichtquelle weist eine Mehrzahl an UV-Lichtelementen auf, die eine Matrixanordnung aufweisen. Die Matrixanordnung kann eine Ordnung der UV-Lichtelemente in Zeilen und in Spalten umfassen. Denkbar ist, dass die UV-Lichtelemente jeweils in Form von UV-LEDs und hierbei vorzugsweise als UVC-LEDs ausgebildet sind, um eine kompakte Bauform des Thermozyklers zu ermöglichen. Alternative UV-Lichtelemente sind zudem denkbar, wie beispielsweise faseroptische UV-Lichtelemente. Die Matrixanordnung kann zudem auch einer Arrayanordnung entsprechen. Die vorgeschlagene Ausbildung der UV-Lichtquelle kann vorteilhalft zur Reduktion von Verschleiß aufgrund unbeweglicher Teile beitragen. Ferner kann durch den Einsatz der Matrixanordnung der UV-Lichtelemente der Dekontaminationseinheit eine großflächigere Beleuchtung der Oberflächen im Thermozykler erreicht werden.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Dekontaminationseinheit mit der UV-Lichtquelle zumindest ein UV-Lichtelement auf, das insbesondere in Form einer UV-LED, bevorzugt in Form einer UVC-LED ausgebildet ist. Das UV-Lichtelement ist ausgelegt, eine Bewegung in Bezug auf die Durchlässe der Rasterstruktur des Abdeckelements auszuführen, wobei die Bewegung in Bezug auf die Durchlässe der Rasterstruktur in Längs- und/oder Querrichtung erfolgt. Beispielsweise kann die Bewegung in Längs- und/oder Querrichtung mäanderförmig, also S-förmig, relativ zu den Durchlässen der Rasterstruktur erfolgen. Die genannte Bewegung stellt beispielsweise eine Lösung für möglichst kurze Gesamtfahrzeiten dar. Alternativ ist auch eine spiralförmige Bewegung in Bezug auf die Durchlässe der Rasterstruktur denkbar oder eine weniger effiziente chaotische Bewegung.
Vorteilhaft kann durch die Bewegung des UV-Lichtelements der Dekontaminationseinheit in Bezug auf die Durchlässe der Rasterstruktur neben den geringeren Kosten für UV-Lichtelemente auch eine verbesserte Oberflächenreinigung im ersten Modus erzielt werden, da z.B. aufgrund unterschiedlicher Einfallswinkel der UV-Strahlung durch des ortveränderlichen Lichtelements auf diese Weise mehr Oberflächen, insbesondere schwer zugängliche Bereiche im Thermozykler erreichbar sind, beispielsweise Zwischenräume zwischen den Durchlässen der Rasterstruktur, o.ä. Bei Verwendung einer UV-LED, vorzugsweise einer UVC-LED als UV-Lichtelement kann der Thermozykler insbesondere kompakt gestaltet werden. Zudem sind weitere UV-Lichtelemente wie beispielsweise UVC-Laserdioden, die besonders kompakt sind, oder klassische UV-Lichtquellen, z.B. Gasentladung oder Glimmentladung für den Einsatz in der Dekontaminationseinheit des Thermozyklers denkbar.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Probenaufnahme mit der Vertiefungsstruktur für die optische UV-Strahlung der zumindest einen Lichtquelle der Dekontaminationseinheit reflektierend ausgebildet. Die Probenaufnahme ist ausgelegt, die optische UV-Strahlung an schwer zugängliche Bereiche im Thermozykler zu reflektieren. Durch die reflektierende Ausbildung der Probenaufnahme mit der Vertiefungsstruktur - beispielsweise durch Verwendung geeigneter Materialien und/oder Beschichtungen, o.ä. - können vorteilhaft im ersten Modus zusätzliche Oberflächenbereiche im Thermozykler mit der optischen UV-Strahlung erreicht werden, wie beispielsweise eine Unterseite des Abdeckelements oder Seitenbereiche der Mehrzahl an Durchlässen der Rasterstruktur des Abdeckelements oder Seitenwände im Thermozykler, o.ä. Diese genannten Bereiche können zum Beispiel schwer zugängliche Bereiche im Thermozykler bilden, da sie im Falle der Beleuchtung mit optischer UV-Strahlung der UV-Lichtquelle der Dekontaminationseinheit von oben durch die Durchlässe der Rasterstruktur hindurch andernfalls nicht direkt erreicht werden könnten.
In einer weiteren Ausführungsform ist zwischen der Probenaufnahme mit der Vertiefungsstruktur und dem Abdeckelement mit der Rasterstruktur ein optisches Element angeordnet. Das optische Element ist ausgelegt, die optische UV-Strahlung der zumindest einen UV-Lichtquelle der Dekontaminationseinheit an schwer zugängliche Bereiche im Thermozykler zu lenken. Der Einsatz des optischen Elements zwischen dem Abdeckelement und der Probenaufnahme bietet den Vorteil, die von der UV-Lichtquelle ausgesandte optische UV-Strahlung an die Unterseite und/oder die Seitenbereiche der Durchlässe der Rasterstruktur und/oder die Seitenwände des Thermozyklers zu lenken, die z.B. schwer zugängliche Bereiche im Thermozykler darstellen. Das optische Element kann auch in Form eines speziellen Probenbehälters ausgebildet sein.
Je nach verwendetem Material für das optische Element, kann zum Beispiel bei rauer Oberfläche des optischen Elements die optische UV-Strahlung an der rauen Oberfläche des optischen Elements gestreut werden. Zudem ist ferner denkbar, das optische Element aus für die UV-Strahlung halbdurchlässigem Material auszubilden, sodass die optische UV-Strahlung der UV-Lichtquelle der Dekontaminationseinheit teilweise reflektiert wird auf die Unterseite des Abdeckelements und teilweise transmittiert wird zur Vertiefungsstruktur der Probenaufnahme. Auch die Ausgestaltung des optischen Elements als Strahlteiler, als Spiegel, mit unterschiedlichen Materialien bzw. Beschichtungen gefertigt, o. ö. sind denkbar.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Dekontaminationseinheit eine weitere UV-Lichtquelle auf. Die weitere UV-Lichtquelle grenzt seitlich an einen Bereich eines Spaltes zwischen dem Abdeckelement mit der Rasterstruktur und der Probenaufnahme mit der Vertiefungsstruktur an. Die weitere UV-Lichtquelle ist zur Aussendung weiterer optischer UV-Strahlung an schwer zugängliche Bereiche im Thermozykler ausgelegt. Beispielsweise kann die weitere UV-Lichtquelle als eine weitere UVC-Lichtquelle ausgebildet sein. Die schwer zugänglichen Bereiche können dabei den oben genannten Bereichen entsprechen, beispielsweise der Unterseite des Abdeckelements, etc. Der vorgeschlagene Thermozykler bietet flexible Ausgestaltungsmöglichkeiten durch die Verwendung verschiedener UV-Lichtquellen in verschiedenen Bereichen im Thermozykler, um eine bestmögliche Beleuchtung zur Oberflächenreinigung im ersten Modus zu erzielen. Weitere alternative Anordnungen der weiteren UV-Lichtquelle sind denkbar, wie zum Beispiel in einem Bodenbereich des Thermozyklers, um eine Beleuchtung des Abdeckelements von unten zu ermöglichen.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Thermozykler eine optische Einheit zur Anregung der zu untersuchenden Proben zur Fluoreszenz und zur Detektion der emittierten Fluoreszenz im sichtbaren Spektralbereich auf. Die Mehrzahl an Durchlässen der Rasterstruktur ist für die Anregung der zu untersuchenden Proben zur Fluoreszenz und für die emittierte Fluoreszenz im sichtbaren Spektralbereich durchlässig. Diese vorgeschlagene Ausgestaltung ermöglicht vorteilhaft die Verwendung des Thermozyklers zur Durchführung einer quantitativen Echtzeit-PCR (real-time quantitative PCR), die auf der herkömmlichen PCR beruht und eine Quantifizierung der gewonnenen DNA basierend auf der Fluoreszenzmessung von Fluoreszenzmarkern, zum Beispiel Farbstoffe, die an die gewonnene DNA anbinden, erlaubt.
Dabei kann die optische Einheit zur Bewegung in Bezug auf die Durchlässe der Rasterstruktur ausgelegt sein, also zur Bewegung in Längs- und/oder Querrichtung, z.B. mäanderförmig. Vorteilhaft kann die Dekontaminationseinheit mit der UV-Lichtquelle hierbei an der optischen Einheit angeordnet sein, um die Bewegung, insbesondere mäanderförmig, in Bezug auf die Durchlässe der Rasterstruktur auszuführen. Ist die Dekontaminationseinheit mit der UV-Lichtquelle an der optischen Einheit angeordnet, sind in vorteilhafter Weise keine weiteren Komponenten zur Bewegung der Dekontaminationseinheit in Bezug auf die Durchlässe der Rasterstruktur erforderlich. Somit kann die vorgeschlagene Dekontaminationseinheit im Thermozykler einfach und ohne großen Aufwand implementiert werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Dekontaminationseinheit mit der UV-Lichtquelle in die optische Einheit integriert. Die optische Einheit ist durchstimmbar ausgebildet und deckt den UV-Spektralbereich sowie den sichtbaren Spektralbereich ab bzw. sendet ultraviolette Strahlung sowie sichtbare Strahlung, also elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich von etwa 400 nm bis 800 nm aus. Ist die Dekontaminationseinheit mit der UV-Lichtquelle in die optische Einheit integriert, so ist in vorteilhafter Weise nur eine Komponente für die Aussendung optischer UV-Strahlung und für die Aussendung optischer Strahlung im sichtbaren Spektralbereich erforderlich. Dies spart Kosten und gestaltet den Thermozykler vorteilhaft kompakt.
Durchstimmbar kann hierbei bedeuten, dass die optische Einheit den zur Fremd-DNA Schädigung/Zerstörung präferierten Wellenlängenbereich, vorzugsweise zwischen 220 nm und 280 nm im UV-Bereich und den sichtbaren Spektralbereich abdecken kann, und optische Strahlung einer beliebigen Wellenlänge in diesem genannten Spektralbereich emittieren kann. Beispielsweise realisierbar mithilfe einer Xenon-Entladungslampe und einem Filterrad bzw. einem Bandpassfilter zur Selektion der UV-Strahlung für die Oberflächenreinigung im ersten Modus oder die gezielte Probenzerstörung im zweiten Modus sowie anderen Bandpassfiltern zur Fluoreszenzanregung und -detektion. Zur Detektion der Fluoreszenz kann beispielsweise eine Kamera oder ein geeignetes alternatives Detektionsmittel genutzt werden. Sofern die UV-Strahlung aus dem Emissionsspektrum der Quelle gefiltert wird, wäre sie auch im ungefilterten Fall vorhanden und könnte so auch ihre zerstörerische Wirkung entfalten. Darüber hinaus ist in der Praxis eine schmalbandige Anregung der Fluoreszenz bei einer Echtzeit-PCR vorteilhaft.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Probenaufnahme mit der Vertiefungsstruktur zumindest als eines der nachfolgenden Elemente ausgebildet und/oder zur Aufnahme zumindest eines der nachfolgenden Elemente ausgelegt: eine Mikroplatte, ein Probengefäß, ein Streifen an Probengefäßen.
Als Mikroplatte sind z.B. verschiedene Ausgestaltungen denkbar, eine 96-Well Mikroplatte oder eine 384-Well Mikroplatte, etc. Ein Probengefäß kann dabei z.B. einem einzelnen Reaktionsgefäß oder einer sog. „PCR Tube“ entsprechen. Ein Streifen an Probengefäßen kann z.B. einem Streifen an Reaktionsgefäßen, sog. „PCR Strips“ oder „PCR Tube Strips“ entsprechen, also einer linearen Anordnung verbundener Probengefäße - beispielsweise im 8er-Streifen-Format - die eine sehr flexible Bestückung der Probenaufnahme ermöglichen. Die 96-Well Mikroplatte oder eine alternative Mikroplatte kann insbesondere jeweils als Mikrotiterplatte ausgebildet sein und aus dem oben genannten wärmeleitfähigen Material bzw. der wärmeleitfähigen Beschichtung gefertigt sein. Dies schafft in vorteilhafter Weise eine gute Kompatibilität zu bestehenden Laborausrüstungsstandards und ermöglicht den Einsatz gängiger Standardprodukte.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Thermozykler eine Steuereinheit zum Ansteuern der UV-Lichtquelle und der weiteren UV-Lichtquelle der Dekontaminationseinheit auf. Die Steuereinheit ist ausgelegt, die weitere UV-Lichtquelle anzusteuern, sofern die Probenaufnahme mit der Vertiefungsstruktur keine zu untersuchenden Proben umfasst. Darüber hinaus kann die Steuereinheit auch in vorteilhafter Weise dazu ausgelegt sein, die UV-Lichtquelle oberhalb des Abdeckelements während des Vorhandenseins von Proben in der Vertiefungsstruktur der Probenaufnahme zum gezielten Zerstören der Proben im zweiten Modus anzusteuern.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Thermozykler ein Sensorelement zur Erfassung von Temperaturwerten im Thermozykler für die Durchführung der zyklischen Polymerase-Kettenreaktion auf. Die Steuereinheit ist zum Einstellen der Temperaturwerte für die zumindest eine Heizeinheit ausgelegt. Der Thermozykler weist ein Gehäuse zum Abdecken des Thermozyklers auf. Die Steuereinheit ist damit flexibel für die Komponenten im Thermozykler einsetzbar. Das Gehäuse schützt den Benutzer des Thermozyklers in vorteilhafter Weise vor austretender UV-Strahlung und erfordert wie bereits oben genannt, keine Verwendung von PSA für den Benutzer.
Erfindungsgemäß wird des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben eines Thermozyklers vorgeschlagen, wobei der Thermozykler dabei die oben genannten Komponenten aufweist. Das Verfahren umfasst die Schritte:

Einfahren der Probenaufnahme in den Thermozykler in einem ersten Schritt,
Bewegen der Probenaufnahme in Richtung des Abdeckelements oder Bewegen des Abdeckelements in Richtung der Probenaufnahme in einem zweiten Schritt, und
Durchführen einer Oberflächenreinigung im Thermozykler in einem ersten Modus oder gezieltes Zerstören von Proben in einem zweiten Modus in einem dritten Schritt, durch Bestrahlung des Abdeckelements und der Probenaufnahme mit der optischen UV-Strahlung der UV-Lichtquelle der Dekontaminationseinheit.

Es ist denkbar die einzelnen Schritte zu variieren und die Bewegung der Komponenten alternativ auszugestalten, zum Beispiel, dass der Thermozykler eine Bewegung in Bezug auf die Probenaufnahme ausführt, etc. Zudem kann der erste Schritt in alternativer Umsetzung das Einfahren der Probenaufnahme mit der Vertiefungsstruktur in den Thermozykler beinhalten. Der zweite Schritt kann z.B. unverändert sein, wobei der dritte Schritt in alternativer Umsetzung z.B. das Bestrahlen des Abdeckelements mit der Mehrzahl an Durchlässen der Rasterstruktur und der Probenaufnahme mit der Vertiefungsstruktur mit der optischen UV-Strahlung der UV-Lichtquelle der Dekontaminationseinheit umfassen kann. Die verschiedenen Modi des Thermozyklers bieten zusätzlich eine flexible Einsatzmöglichkeit und eine sichere und einfache Reinigung im ersten Modus. Die Zuverlässigkeit der Messergebnisse wird, wie oben bereits erläutert, vorteilhaft verbessert und die Geräteausfallzeit insgesamt reduziert.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein gezieltes Zerstören von Proben im dritten Schritt durchgeführt, sofern in der Probenaufnahme Probengefäße mit Proben eingesetzt sind. Alternativ kann der dritte Schritt die Bedingung umfassen, dass in der Vertiefungsstruktur der Probenaufnahme Probengefäße eingesetzt sind. Zum gezielten Zerstören von Proben wird die zumindest eine UV-Lichtquelle der Dekontaminationseinheit aktiviert. Darüber hinaus kann zusätzlich die weitere UV-Lichtquelle aktiviert werden. Die Aktivierung der zumindest einen UV-Lichtquelle und der weiteren Lichtquelle kann vorteilhaft von der Steuereinheit vorgenommen werden.
Die vorgeschlagene Ausführungsform kann in vorteilhafter Weise nach dem PCR-Lauf, also nach den durchgeführten PCR-Zyklen, zum Zerstören der Proben im zweiten Modus ausgeführt werden. Zudem ist denkbar zumindest eine Probe gezielt im zweiten Modus zu zerstören, sofern festgestellt worden ist, dass zumindest ein Probengefäß, also beispielsweise die Dichtung des zumindest einen Probengefäßes beschädigt worden ist und dadurch Aerosole in den optischen Messpfad gelangt sind. Im Falle einer Folgekontamination können die übrigen Probengefäße entfernt werden und eine Oberflächenreinigung des Thermozyklers im ersten Modus durchgeführt werden, bevor die erhaltenen Proben weiter quantitativ beurteilt werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Oberflächenreinigung im ersten Modus durchgeführt, sofern zumindest ein Probengefäß der zu untersuchenden Proben beschädigt ist. Die Probengefäße der zu untersuchenden Proben werden aus der Probenaufnahme vor der Durchführung der Oberflächenreinigung im dritten Schritt entfernt. Alternativ können die Probengefäße im dritten Schritt aus der Vertiefungsstruktur der Probenaufnahme vor der Durchführung der Oberflächenreinigung entfernt werden. Zur Oberflächenreinigung im dritten Schritt werden die UV-Lichtquelle und/oder die weitere UV-Lichtquelle der Dekontaminationseinheit aktiviert. Die Beschädigung eines Probengefäßes kann wie oben erläutert zum Beispiel in Form einer Beschädigung der Dichtung des Probengefäßes ausgebildet sein, sodass Aerosole in den optischen Messpfad gelangen können. Dies kann die Messresultate verfälschen, weshalb in vorteilhafter Weise eine Oberflächenreinigung des Thermozyklers im ersten Modus durchgeführt werden kann, um die Zuverlässigkeit der Messresultate zu erhöhen.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Oberflächenreinigung im ersten Modus vor dem Einbringen von Proben in die Probenaufnahme zeitgesteuert in periodischen Abständen und/oder zeitgesteuert über Nacht durchgeführt. Alternativ kann die Oberflächenreinigung vor dem Einbringen von Proben in die Vertiefungsstruktur der Probenaufnahme zeitgesteuert in periodischen Abständen und/oder zeitgesteuert über Nacht durchgeführt werden. Zur zeitgesteuerten Oberflächenreinigung im ersten Modus werden die UV-Lichtquelle und/oder die weitere UV-Lichtquelle der Dekontaminationseinheit aktiviert.
Diese vorgeschlagene Ausführungsform kann vorteilhafterweise die Bedienung des Thermozyklers erleichtern, indem eine zeitgesteuerte, automatische Reinigung beispielsweise mithilfe eines Eingabefeldes/Bedienfeldes in der Software für den Benutzer auswählbar ist. Die automatische Reinigung kann die Ausfallzeiten des Thermozyklers vorteilhaft reduzieren. Vorzugsweise kann die automatische Oberflächenreinigung des Thermozyklers im ersten Modus über Nacht durchgeführt werden, wenn kein PCR-Lauf durchgeführt wird. Ferner kann eine zeitgesteuerte, automatische Reinigung in periodischen Abständen eingestellt und ausgeführt werden. Beispielsweise kann eine solche Einstellung einen bestimmten Wochentag und eine bestimmte Uhrzeit und eine wöchentliche Wiederholung (alternative periodische Wiederholungen sind ferner denkbar) der Oberflächenreinigung des Thermozyklers umfassen.
Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen der Erfindung können - außer zum Beispiel in Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen - einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung, sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich in Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den schematischen Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

1 einen schematischen Aufbau eines Thermozyklers nach einer ersten Ausführungsform;
2 einen schematischen Aufbau eines Thermozyklers nach einer zweiten Ausführungsform;
3 einen schematischen Aufbau eines Thermozyklers nach einer dritten Ausführungsform;
4 eine schematische Draufsicht auf eine Dekontaminationseinheit mit zumindest einer UV-Lichtquelle, die eine Mehrzahl an UV-Lichtelementen aufweist;
5 eine schematische Draufsicht auf ein Abdeckelement und eine Dekontaminationseinheit in einem Thermozykler in den 2 und 3;
6 einen schematischen Aufbau eines Thermozyklers nach einer vierten Ausführungsform;
7 einen schematischen Aufbau eines Thermozyklers nach einer fünften Ausführungsform;
8 eine schematische Draufsicht eines Ausschnitts einer Probenaufnahme mit einer Vertiefungsstruktur, die als eine Mikroplatte ausgebildet ist;
9 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betreiben eines Thermozyklers nach einer ersten Ausführungsform; und
10 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betreiben eines Thermozyklers nach einer zweiten Ausführungsform.

Es wird darauf hingewiesen, dass die Figuren lediglich schematischer Natur und nicht maßstabsgetreu sind. In diesem Sinne können in den Figuren gezeigte Komponenten und Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß oder verkleinert dargestellt sein. Ferner wird darauf hingewiesen, dass die Bezugszeichen in den Figuren unverändert gewählt worden sind, wenn es sich um gleich ausgebildete Elemente und/oder Komponenten und/oder Größen handelt.
1 zeigt einen schematischen Aufbau eines Thermozyklers 10 zur Durchführung eines PCR-Laufs mit mehreren Zyklen nach einer ersten Ausführungsform. Insbesondere eignet sich der vorgeschlagene Thermozykler 10 besonders vorteilhaft für die Ausgestaltung als Endpunkt-PCR-Gerät, bei dem während eines PCR-Laufs keine optische Messung der Proben durchgeführt wird. Der Thermozykler 10 weist in der vereinfachten Darstellung in 1 eine Probenaufnahme 5 auf, zum Einbringen von Probengefäßen der zu untersuchenden Proben. Zudem weist der Thermozykler 10 ein Abdeckelement 15 auf, das oberhalb der Probenaufnahme 5 angeordnet ist. Zumindest eine Heizeinheit 13 des Thermozyklers 10 kann neben der Temperierung (also Heizen und Abkühlen) der Probenaufnahme 5 mit den Proben (nicht dargestellt), gleichermaßen auch zum Beheizen des Abdeckelements 15 dienen, um eine Kondensation der zu untersuchenden Probe zu verhindern.
Zumindest eine UV-Lichtquelle 40 einer Dekontaminationseinheit 35 emittiert optische UV-Strahlung 14 ausreichender Dosis bzw. Intensität, beispielsweise mit einer Wellenlänge von 265 nm im Falle einer UVC-LED, um eine Oberflächenreinigung im Thermozykler 10 in einem ersten Modus durchzuführen oder Proben in einem zweiten Modus gezielt zu zerstören. Die benötigte Strahlungsdosis zur Dekontamination bzw. Oberflächenreinigung im ersten Modus hängt vom konkreten Einzelfall ab. Dabei spielen Parameter wie:

i) Zusammensetzung der zu zerstörenden DNA (AT-reiche Sequenzen (A: Adenin, T: Thymin) werden effizienter geschädigt, d.h. in der Amplifikation blockiert, als ATärmere Sequenzen),
ii) Gewünschter Unterdrückungsfaktor in der PCR (Anzahl Größenordnungen, um die die Kontamination verringert wird und dadurch bei anschließender zyklischer Amplifikation in der PCR erst bei einer höheren Zykluszahl eine kritische Konzentration erreicht)

Für eine grobe Abschätzung können folgende Parameter herangezogen werden:

- Verringerung der Kontamination um Faktor 10 bei einer Dosis von 1.5 J/cm² bei einer Wellenlänge von 254 nm (Quelle: Champlot, S., et. al., An Efficient Multistrategy DNA Decontamination Procedure of PCR Reagents for Hypersensitive PCR Applications, Plos One, September 2010, Volume 5, Issue 9)
- Einzelne LED mit 100 mW optischer Ausgangsleistung bei einer Wellenlänge von 265 nm (Die bessere Effizienz von DNA-Schädigung bei 265 nm wurde vernachlässigt)
- Typische Oberfläche von Abdeckelement und Probenaufnahme eines q-Cyclers von etwa 800 cm²

Die Verringerung der Kontamination auf der gesamten Fläche um eine Größenordnung dauert dann etwa 3,3 Stunden. Vorteilhaft kann bei Verwendung mehrerer UV-Lichtquellen die Zeit zur Oberflächenreinigung/Dekontamination entsprechend verringert werden. Basierend auf einer Verwendung einer einzelnen UV-LED nach heutigem Stand der Technik, kann bei einer „Uber-Nacht“-Dekontamination von 12 Stunden die Kontamination um fast drei Größenordnungen verringert werden, was einer Erhöhung des Ct-Werts (PCR-Zykluszahl bis zur Schwelle) von etwa 12 entspricht.
Beispielsweise grenzt die Dekontaminationseinheit 35 mit der UV-Lichtquelle 40 im gezeigten Beispiel in 1a seitlich an die Probenaufnahme 5 und das Abdeckelement 15 an. Alternativ ist auch eine abweichende Platzierung der Dekontaminationseinheit 35 samt UV-Lichtquelle 40 denkbar.
2 zeigt einen schematischen Aufbau eines Thermozyklers 100 zur Durchführung eines PCR-Laufs mit mehreren Zyklen nach einer zweiten Ausführungsform. Insbesondere eignet sich der vorgeschlagene Thermozykler 100 besonders vorteilhaft für die Vermeidung von Kontaminationen für die empfindliche qPCR-Methode, die zur Quantifizierung der amplifizierten DNA je Zyklus das emittierte Fluoreszenzsignal nutzt. Beispielsweise können Fluoreszenz-Farbstoffe als Marker genutzt werden, die an die DNA binden und nur im Fall der Anbindung ein Fluoreszenzsignal abgeben. Der vorgeschlagene Thermozykler 100 kann jedoch alternativ auch vorteilhaft zur Vermeidung von Kontaminationen für herkömmliche PCR-Zyklen Anwendung finden.
Der Thermozykler 100 weist z.B. im Unterschied zum Thermozykler 10 in 1 eine Probenaufnahme 105 auf, die eine Vertiefungsstruktur 110 zum Einbringen von Probengefäßen der zu untersuchenden Proben umfasst. Die Vertiefungsstruktur 110 kann zur Verbesserung der Heiz- und Kühlraten des Thermozyklers 100 beitragen. Wird nachfolgend von „zu untersuchenden Proben“ gesprochen, können damit auch nukleinsäurehaltige Proben mit umfasst sein. Zur Durchführung der PCR-Zyklen bzw. des PCR-Laufs, umfassend eine Vielzahl an einzelnen PCR-Zyklen, ist es daher essentiell die Probenaufnahme 110 mit den Proben (zur besseren Übersichtlichkeit nicht dargestellt) zu temperieren. Dies wird mittels zumindest einer Heizeinheit 130 gewährleistet, die neben der Temperierung (also Heizen und Abkühlen) der Probenaufnahme mit den Proben, gleichermaßen auch zum Beheizen eines Abdeckelements 115 dient, welches in der Regel fest im Thermozykler 100 eingebaut ist. Es können alternativ auch zusätzliche Kühlelemente im Thermozykler 100 enthalten sein. Das Abdeckelement 115 kann als Deckelheizung ausgebildet sein. Die Heizeinheit 130 kann zumindest ein Heizelement umfassen, das zum Beispiel als Peltier-Element und/oder in Form von mehreren Peltier-Elementen ausgebildet ist. Dies gilt ebenso für das Heizelement 13 in 1.
Das Abdeckelement 115 weist im Unterschied zum Abdeckelement 15 in 1 eine Rasterstruktur 120 mit einer Mehrzahl an Durchlässen 125 auf und ist oberhalb der Probenaufnahme 105 angeordnet. Die Rasterstruktur 120 mit der Mehrzahl an Durchlässen 125 ist insbesondere für die gezielte Dekontamination des Thermozyklers 100 vorteilhaft. Während eines PCR-Laufs ist die Probenaufnahme 105 gewöhnlich von unten fest an das Abdeckelement 115 gedrückt. Für den Andruck bzw. die Ausübung einer definierten Kraft, umfasst die Probenaufnahme zum Beispiel Federn, die in 2 nicht gezeigt sind. Alternativ sind auch andere Elemente mit Federwirkung einsetzbar, beispielsweise Druckluftzylinder, eine Kombination aus Kraftsensor und Regelung, etc. In 2 sind eine Anordnung 111 der Probenaufnahme 105 und eine Anordnung 121 des Abdeckelements 115 aufeinander abgestimmt und zwar exakt 117. Das heißt die Durchlässe 125, die als Öffnungen ausgebildet sein können, sind genau ausgerichtet auf die Vertiefungsstruktur 110 der Probenaufnahme 105, in die die Probengefäße mit den Proben eingesetzt werden.
Die Anordnungen können dabei auch „Dimensionen“ bzw. „Abmessungen“ entsprechen. Zum Beispiel kann die Rasterstruktur 120 des Abdeckelements 115 mit der Mehrzahl an Durchlässen 125 einem 9 mm Bohrungsraster entsprechen, also 9 mm Bohrungsabstände aufweisen. Das Abdeckelement 115 kann eine Höhe von etwa 12 bis 20 mm aufweisen. Alternative Bohrungsraster sowie alternative Höhen sind für das Abdeckelement 115 denkbar. Die Probenaufnahme 105 kann ebenfalls eine Höhe von etwa 12 bis 20 mm aufweisen. Die Vertiefungsstruktur 110 der Probenaufnahme 105 weist in 2 zum Beispiel konische Spitzen mit einem Winkel von etwa je 17° auf. Auch hier sind alternative Abmessungen für die konischen Spitzen der Vertiefungsstruktur 110, sowie für die Höhe der Probenaufnahme 105 denkbar, die auf die Rasterstruktur 120 des Abdeckelements 115 abgestimmt sind.
Wie tief die Probengefäße mit den Proben in die Vertiefungsstruktur 110 eingeführt werden können, hängt in der Regel auch von der Tiefe der Probenaufnahme 105 ab. Ferner ist die Tiefe der Probenaufnahme 105 mit ausschlaggebend für die Dauer eines Temperier-, also eines Heizvorgangs. Je tiefer bzw. dicker die Probenaufnahme 105 aus wärmeleitfähigem Material ausgebildet oder beschichtet ist, zum Beispiel durch eine Aluminium-, Kupfer-, oder Silberbeschichtung, desto geringer können die Heiz- und Kühlraten für die Probenaufnahme 105 sein und desto langsamer können die Probengefäße mit darin enthaltenen Proben beheizt werden. Je dünner die Probenaufnahme 105 ausgebildet ist, desto kürzer kann der Temperierungsvorgang für die Probengefäße mit den Proben sein. Die Probenaufnahme 105 kann demnach als Heizblock, Thermoblock oder Thermoplatte ausgebildet und beweglich im Thermozykler 100 montiert sein.
Die Probenbehälter sind meist als Kunststoffbehälter ausgebildet, die von einer Folie abgeschlossen werden. Dieser Verschluss stellt im Thermozykler 100 aufgrund der häufigen Temperaturwechsel für einen PCR-Lauf eine besondere Schwachstelle dar und kann im Falle einer Beschädigung eines Probengefäßes, also einer Beschädigung der abschließenden Folie z.B., zum Austritt und Verbreiten von Probendampf (Aerosole) im Thermozykler 100 und damit zu einer Kontamination des Thermozyklers 100 führen. Auch kann das Messergebnis durch den ausgetretenen Probendampf verfälscht werden, da die Zusammensetzung der Probe dadurch verändert wird. Im Falle eines solchen Szenarios muss der Thermozykler 100 dekontaminiert werden, um weitere Folgekontaminationen zu verhindern.
Dazu weist der Thermozykler 100 in 2 eine Dekontaminationseinheit 135 mit zumindest einer UV-Lichtquelle 140 auf. Im oben geschilderten Szenario können die Probengefäße mit Proben dazu aus der Probenaufnahme 105 entfernt worden sein. Die zumindest eine UV-Lichtquelle 140 der Dekontaminationseinheit 135 emittiert optische UV-Strahlung 145 ausreichender Dosis bzw. Intensität (vergleiche hierzu beispielsweise obige Erläuterungen zur Strahlungsdosis bzw. den Parametern und der Abschätzung), beispielsweise mit einer Wellenlänge von 265 nm im Falle einer UVC-LED, um eine Oberflächenreinigung im Thermozykler 100 in einem ersten Modus durchzuführen. Die zu dekontaminierenden Oberflächen können beispielsweise eine Oberseite 151 des Abdeckelements 115, eine Unterseite 152 des Abdeckelements 115, eine Oberseite 153 der Probenaufnahme 105, zumindest einen Seitenbereich 154 der Rasterstruktur 120, also zum Beispiel einen Seitenbereich 154 innerhalb eines Durchlasses 125 der Rasterstruktur 120 und zumindest einen Seitenbereich 156 der Vertiefungsstruktur 156 umfassen. Dabei sind die genannten Oberflächen bzw. Bereiche nicht abschließend aufgelistet und können um weitere zu reinigende Oberflächen bzw. Bereiche erweitert sein, wie zum Beispiel Seitenbereiche, d.h. Seitenwände im Thermozykler 100, der Bodenbereich des Thermozyklers 100, Dichtungen, Mechanik, Bereiche im Thermozykler 100, in denen Elektronik, o.ä. angeordnet ist, etc.
Die Dekontaminationseinheit 135 mit der UV-Lichtquelle 140 ist im in 2 gezeigten Beispiel oberhalb des Abdeckelements 115 angeordnet, sodass eine Bestrahlung des Abdeckelements 115 und der Probenaufnahme 105 mit optischer UV-Strahlung 145 von oben herab erfolgt. In einer alternativen nicht dargestellten Ausgestaltung ist es ferner denkbar, eine Bestrahlung des Abdeckelements 115 von unten oder seitlich zu realisieren mit veränderter Position der UV-Lichtquelle 140 der Dekontaminationseinheit 135 oder einer weiteren UV-Lichtquelle. Für die dargestellte Ausführungsform in 2 sowie für die erläuterten Alternativen ist die Mehrzahl an Durchlässen 125 der Rasterstruktur 115 jeweils für die optische UV-Strahlung 145 der Dekontaminationseinheit 135 durchlässig. Die Durchlässe 125 können dabei Material umfassen, das für die optische UV-Strahlung 145 durchlässig ist oder in Form von Öffnungen ohne ausfüllendes Material ausgebildet sein.
Die Probenaufnahme 105 mit der Vertiefungsstruktur 110 kann dabei vorteilhaft reflektierend ausgebildet sein 107, um die optische UV-Strahlung 145 an schwer zugängliche Bereiche im Thermozykler 100 zu reflektieren. Ein schwer zugänglicher Bereich im Thermozykler 100 kann dabei beispielsweise die Unterseite 152 des Abdeckelements 115 sein, die durch die reflektierende Ausbildung 107 der Probenaufnahme 105 mit der Vertiefungsstruktur 110 von der optischen UV-Strahlung 145 zur Dekontamination erreicht werden kann. Die reflektierende Ausbildung kann insbesondere erreicht werden, wenn die Probenaufnahme 105 mit der Vertiefungsstruktur 110 aus den oben genannten metallischen Materialien bzw. Beschichtungen gefertigt wird.
Die UV-Lichtquelle 140 der Dekontaminationseinheit 135 ist in 2 beweglich ausgebildet, was durch die beiden schematischen Pfeile angedeutet ist. Die Beweglichkeit kann beispielsweise erreicht werden, indem die UV-Lichtquelle 140 der Dekontaminationseinheit 135 an eine optische Einheit angeordnet wird, die in den 1 und 2 nicht dargestellt ist, aber anhand von 3 erläutert wird und zur Durchführung der qPCR eingesetzt wird, also für die Fluoreszenzanregung und Detektion der emittierten Fluoreszenz im sichtbaren Spektralbereich. Die optische Einheit kann beispielsweise über eine geeignete Mechanik in zwei Achsen frei bewegt werden. Dazu kann die optische Einheit z.B. zwei Linearführungseinheiten, einmal in Längsrichtung (Längsachse), z.B. x-Richtung, und einmal in Querrichtung (Querachse), z.B. y-Richtung, umfassen, welche Schlitten führen, die von Motoren über Zahnriemen angetrieben werden. Die Motoren wiederum können von einer Steuereinheit aktiviert werden, die in den 1 und 2 nicht dargestellt ist, jedoch anhand von 3 erläutert wird. Die übrigen genannten Komponenten zur Führung bzw. Bewegung der optischen Einheit sind in den Figuren nicht dargestellt.
Beispielsweise kann die UV-Lichtquelle 140 in Form einer UV-LED oder einer UV-Laserdiode ausgebildet sein. Auch konventionelle UV-Lichtquellen wie Gasentladung oder Glimmentladung sind denkbar. Aufgrund der kompakten Bauform und dem hohen Wirkungsgrad sind jedoch Solid-State-Lighting Quellen, also z.B. die oben genannte UV-LED oder UV-Laserdiode besonders interessant für den vorgeschlagenen Thermozykler 100.
In einer weiteren Alternative kann die Dekontaminationseinheit 135 mit der UV-Lichtquelle 140 auch in die optische Einheit integriert sein, sodass die optische Einheit durchstimmbar ausgebildet ist und den UV-Spektralbereich sowie den sichtbaren Spektralbereich abdecken kann, mit einer geeigneten durchstimmbaren Lichtquelle. Auch dies ist in den 1 und 2 nicht dargestellt. Ferner kann die UV-Lichtquelle 140 der Dekontaminationseinheit 135 auch ortsfest ausgebildet sein in einer zusätzlichen Alternative. Dies wird nachfolgend anhand 4 erläutert.
Es ist zudem denkbar, für das oben erläuterte Szenario mit dem beschädigten Probengefäß bzw. dessen beschädigtem Verschluss, der zu austretendem Probendampf führt, mithilfe der UV-Lichtquelle 140 der Dekontaminationseinheit 135 in einem zweiten Modus eine gezielte Zerstörung der besagten Probe vorzunehmen, durch Bestrahlung der Probe mit optischer UV-Strahlung 145 ausreichender Dosis bzw. Intensität. Für die Strahlungsdosis können dabei beispielsweise die oben im Zusammenhang mit 1 erläuterten Parameter sowie die obige Abschätzung gelten. Daher wird an dieser Stelle auf eine Wiederholung verzichtet.
Beispielsweise brauchen die anderen Proben dann nicht mit der optischen UV-Strahlung 145 beleuchtet werden. Die gezielt zerstörte Probe in dem beschädigten Probengefäß sowie die übrigen, nicht mit optischer UV-Strahlung 145 beleuchteten Proben mit intakten Probengefäßen, können anschließend aus der Vertiefungsstruktur 110 der Probenaufnahme 105 entfernt werden. Danach kann mithilfe der UV-Lichtquelle 140 der Dekontaminationseinheit 135 im ersten Modus eine Oberflächendekontamination im Thermozykler durchgeführt werden, wobei die zu reinigenden Oberflächen den oben erläuterten Flächen bzw. Bereichen entsprechen können.
3 zeigt einen schematischen Aufbau eines Thermozyklers 200 nach einer dritten Ausführungsform. Im Unterschied zu den Thermozyklern 10, 100 in den 1 und 2 können die Komponenten des Thermozyklers 200 in 3 von einem Gehäuse 270 abgeschlossen werden. Zusätzlich kann der Thermozykler 200 in 3 weitere Komponenten umfassen, wie eine Steuereinheit 250, die bereits genannte optische Einheit 255, ein Sensorelement 265 sowie ein erstes Heizelement 231 und ein zweites Heizelement 233 der Heizeinheit 230. Die genannten Komponenten können die Thermozykler 10, 100 ebenfalls aufweisen. 3 zeigt vereinfacht die bewegliche Anordnung der UV-Lichtquelle 240 (beispielsweise mit einer UVC-LED, die optische UV-Strahlung 245 mit einer Wellenlänge von 265 nm emittiert) der Dekontaminationseinheit 235 an der ebenfalls beweglich ausgebildeten optischen Einheit 255. Die Bewegung kann dabei mithilfe der oben bereits erläuterten Mechanik erfolgen. Alternativ können Dekontaminationseinheit 235 und optische Einheit 255 wie oben genannt, eine gemeinsame Komponente bilden (vgl. 6). Sowohl die Dekontaminationseinheit 235 als auch die optische Einheit 255 sind kommunikativ mit der Steuereinheit 250 verbunden zur Ansteuerung der Dekontaminationseinheit 235, umfassend die UV-Lichtquelle 240 und die optische Einheit 255.
Die Steuereinheit 250 ist darüber hinaus kommunikativ mit dem Sensorelement 265 verbunden. Das Sensorelement 265 dient zur Erfassung von Temperaturwerten im Thermozykler 200 für die Durchführung der PCR-Zyklen. Weiterhin ist die Steuereinheit 250 kommunikativ mit der Heizeinheit 230, also in 3 beispielsweise dem ersten Heizelement 231 und dem zweiten Heizelement 233, verbunden. Das erste Heizelement 231 und das zweite Heizelement 233 können jeweils als Peltier-Elemente ausgebildet sein. Alternative Ausgestaltungen sind ferner denkbar. Zudem können die Anordnungen des ersten Heizelements 231 und des zweiten Heizelements 233 abweichend realisiert sein, um die Probenaufnahme 205 sowie das Abdeckelement 215 zu temperieren. Aufgrund der kommunikativen Verbindung der Steuereinheit 250 mit dem ersten Heizelement 231 und dem zweiten Heizelement 233 der Heizeinheit 230, kann die Steuereinheit das erste Heizelement 231 sowie das zweite Heizelement 233 bezüglich der Temperaturwerte einstellen. Beispielsweise kann die Einstellung des zweiten Heizelements 233 einen Temperaturwert von 100°C zur Vermeidung von Kondensation der zu untersuchenden Proben in den Probengefäßen umfassen. Die Einstellung des ersten Heizelements 231 kann beispielsweise die oben genannten Temperaturwerte für die drei Schritte bei der Durchführung der PCR-Zyklen umfassen. Auch der Thermozykler 100 in 2 kann die Komponenten aufweisen, die lediglich im Zusammenhang mit dem Thermozykler 200 in 3 dargestellt sind.
Der Thermozykler 200 in 3 wird insbesondere für die echtzeitbasierte qPCR eingesetzt. Die Fluorophore, die an die amplifizierte DNA anbinden, werden zwischen den einzelnen PCR-Schritten mittels optischer Strahlung 260 im sichtbaren Spektralbereich, also etwa 400 bis 800 nm, die von der optischen Einheit 255 ausgesandt wird, zur Fluoreszenz angeregt. Da sich die zu untersuchenden Proben und die Fluorophore in den Probengefäßen unterscheiden können, kann die optische Einheit 255 über mehrere Kanäle verfügen (nicht dargestellt), die jeweils einen optischen Messpfad für die Fluoreszenzanregung und -detektion der einzelnen Fluorophore in den Proben bilden. Für die einzelnen Kanäle können dann beispielsweise je nach eingesetztem Fluorophor unterschiedliche Wellenlängen zur Fluoreszenzanregung genutzt werden und verschiedene Fluoreszenz-Emissionswellenlängen detektiert werden. Die einzelnen Kanäle der optischen Einheit 255 werden zur Fluoreszenzanregung und -detektion gezielt über den entsprechenden Durchlass 225 der Rasterstruktur 220 des Abdeckelements 215 positioniert, damit die optische Strahlung 260 durch den Durchlass 225 auf das Probengefäß mit der Probe treffen kann.
Typischerweise werden einzelne Probengefäße mit Proben oder eine Teilmenge von Probengefäßen mit Proben gleichmäßig oder sämtliche Probengefäße mit Proben mit einer zuvor ausgewählten Wellenlänge zur Fluoreszenz angeregt. Die Messung der Fluoreszenz kann analog erfolgen. Insbesondere bei der Anregung sämtlicher Probengefäße mit Proben zur Fluoreszenz kann eine ortsfeste optische Einheit 255 genutzt werden. Eine bewegliche optische Einheit 255 gegenüber den Probengefäßen dagegen ist insbesondere für die ersten beiden genannten Varianten, also der gezielten Fluoreszenzanregung einzelner Probengefäßen mit Proben oder einer ausgewählten Teilmenge von Probengefäßen mit Proben zur Fluoreszenzanregung geeignet.
Die Ausbildung der weiteren Komponenten im Thermozykler 200 bzw. dessen Funktionen in 3 (Probenaufnahme 205 mit Vertiefungsstruktur 210 und reflektierender Ausbildung 207 sowie das Abdeckelement 215 mit der Rasterstruktur 220 und der Mehrzahl an Durchlässen 225, die Dekontaminationseinheit 235 mit der UV-Lichtquelle 240 und die zu reinigenden Oberflächen im ersten Modus bzw. die gezielte Zerstörung von Proben im zweiten Modus, etc.), die lediglich im Zusammenhang mit dem Thermozykler 100 in 2 im Detail erläutert worden sind, können auch für die Komponenten des Thermozyklers 200 gelten. Es wird an dieser Stelle auf eine Wiederholung der Merkmale verzichtet.
4 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Dekontaminationseinheit 335 mit zumindest einer UV-Lichtquelle 340, die eine Mehrzahl an UV-Lichtelementen aufweist 343. Die Dekontaminationseinheit 335 mit der UV-Lichtquelle 340 kann beispielsweise für den Thermozykler 100 in 2 oder für den Thermozykler 200 in 3 in einer alternativen Ausgestaltung eingesetzt werden. Auch ist denkbar den Thermozykler 10 in 1 derartig auszugestalten. Im Unterschied zu den Dekontaminationseinheiten 135, 235 mit den UV-Lichtquellen 140, 240 in den 2 und 3, die beweglich in Bezug auf die Durchlässe 125, 225 der Rasterstruktur 115, 215 ausgebildet sind, kann die Dekontaminationseinheit 335 mit der UV-Lichtquelle 340 in 4 ortsfest ausgebildet sein. Beispielsweise ist die Dekontaminationseinheit 335 samt UV-Lichtquelle 340 dann nicht an der beweglichen optischen Einheit 255 in 3 angebracht. Die statische Dekontaminationseinheit 335 samt der Mehrzahl an UV-Lichtelementen 343 als UV-Lichtquelle 340 kann zum Beispiel an einer Gehäuseinnenfläche im Thermozykler 200 in 3 angeordnet sein, um das Abdeckelement 115, 215 und die Probenaufnahme 105, 205 von oben mit optischer UV-Strahlung 145, 245 zu beleuchten. Alternative Anordnungen im Thermozykler 100, 200 sind zudem denkbar, zum Beispiel an Seitenflächen für eine seitliche Beleuchtung, an einer Bodenfläche für eine Beleuchtung von unten, eine Kombination aus den genannten Flächen, etc.
Die Mehrzahl an UV-Lichtelementen 343 in 4 weisen eine Matrixanordnung 344 auf, zum Beispiel entsprechend der exakt abgestimmten Anordnung des Abdeckelements 115, 215 mit den Durchlässen 125, 225 der Rasterstruktur 120, 220 und der Anordnung der Probenaufnahme 105, 205 mit der Vertiefungsstruktur 110, 210. Die Position der Mehrzahl an Lichtelementen 343 in der Matrixanordnung 344 kann dabei also der Position der Mehrzahl an Durchlässen 125, 225 der Rasterstruktur 110, 210 entsprechen. Die Matrixanordnung 344 ist im gezeigten Beispiel regelmäßig ausgebildet und umfasst Zeilen und Spalten in Längs- bzw. Querrichtung (oder umgekehrt bei alternativer Festlegung der Richtungen).
5 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Abdeckelement 115, 215 und eine Dekontaminationseinheit 135, 235 in einem Thermozykler 100, 200 in den 2 und 3. Die UV-Lichtquelle 140, 240 umfasst ein einzelnes UV-Lichtelement 443, das vorzugsweise einer UVC-LED entspricht. Das UV-Lichtelement 443 ist ausgelegt, die oben geschilderte Bewegung in Bezug auf die Durchlässe 125, 225 der Rasterstruktur 120, 220 des Abdeckelements 115, 215 auszuführen. Diese Bewegung erfolgt in Längs- und Querrichtung und kann beispielsweise mäanderförmig, also S-förmig, erfolgen. Alternativ ist auch eine spiralförmige Bewegung oder eine chaotische Bewegung in Bezug auf die Durchlässe 125, 225 denkbar. Beispielsweise bewegt sich das UV-Lichtelement 443 zur Oberflächenreinigung im ersten Modus zunächst in Längsrichtung bzw. entlang der Längsachse, z.B. x-Richtung in Bezug auf die Durchlässe 125, 225 der Rasterstruktur 115, 215. Ist die Längsrichtung in Bezug auf die Durchlässe 125, 225 in Längsrichtung abgefahren, so bewegt sich das UV-Lichtelement 443 anschließend in Querrichtung bzw. entlang der Querachse, z.B. y-Richtung, um weitere Durchlässe 125, 225 in Längsrichtung in einer anderen Zeile zu erreichen und in Längsrichtung abfahren zu können, etc. Dies wird so lange durchgeführt, bis sämtliche Durchlässe 125, 225 des Abdeckelements 115, 215 im Thermozykler 100, 200 abgefahren worden sind und die Dekontamination des Thermozyklers 100, 200 abgeschlossen ist.
Zur Bewegung des UV-Lichtelements 443 kann dieses, wie im Zusammenhang mit 2 erläutert, über die Dekontaminationseinheit 135, 235 an der optischen Einheit 255 angeordnet sein (nicht dargestellt in 5). Die Bewegung der optischen Einheit 255 kann wie oben beschrieben realisiert werden. Auch kann das UV-Lichtelement 443 der UV-Lichtquelle 140, 240 der Dekontaminationseinheit 135, 235 in die optische Einheit 255 integriert sein.
6 zeigt einen schematischen Aufbau eines Thermozyklers 500 nach einer vierten Ausführungsform. Beispielsweise umfasst die optische Einheit 555 im Thermozykler 500 die Dekontaminationseinheit 535 mit der UV-Lichtquelle 540, wie oben bereits beschrieben worden ist. Die optische Einheit 555 ist demnach durchstimmbar im UV- und sichtbaren Spektralbereich ausgebildet. Die Beweglichkeit der optischen Einheit 555, umfassend die Dekontaminationseinheit 535, ist wie in den vorangehenden Figuren mithilfe der beiden Pfeile in 6 angedeutet und kann gemäß der obigen Erläuterung umgesetzt werden. Im Unterschied zu den 2 und 3, weist der Thermozykler 500 in 6 zwischen der Probenaufnahme 505 mit der Vertiefungsstruktur 510 und dem Abdeckelement 515 mit der Rasterstruktur 520 ein optisches Element 501 auf. Das optische Element 501 ist ausgelegt, die optische UV-Strahlung 545 der UV-Lichtquelle 540 an schwer zugängliche Bereiche im Thermozykler 500 zu lenken. Schwer zugängliche Bereiche im Thermozykler 500 können z.B. die Unterseite 552 des Abdeckelements oder Seitenbereiche der Rasterstruktur 554, d.h. Seitenbereiche der Durchlässe der Rasterstruktur 520 des Abdeckelements 515 oder Seitenwände im Thermozykler 500, oder Seitenbereiche 556 der Vertiefungsstruktur, o.ä. sein. Diese genannten Bereiche können zusätzlich zur direkten Beleuchtung der Oberseite 551 des Abdeckelements mit optischer UV-Strahlung 545 zur Oberflächenreinigung ausgeleuchtet werden.
Das optische Element 501 kann z.B. aus halbdurchlässigem Material gefertigt sein, sodass ein Teil der optischen UV-Strahlung 545 transmittiert wird, in Richtung der Oberseite 553 der Probenaufnahme 505 sowie der Vertiefungsstruktur 510 (inkl. deren Seitenbereiche 556), und ein Teil der optischen UV-Strahlung 545 auf die Unterseite 552 des Abdeckelements 515 sowie den Seitenbereichen 554 der Rasterstruktur 520 reflektiert wird. Auch kann eine Reflexion der optischen UV-Strahlung 545 an die Seitenwände des Gehäuses des Thermozyklers (nicht dargestellt in 6) erfolgen, etc. Alternativ ist auch denkbar das optische Element 501 als eine Art Strahlteiler für die Transmission und Reflexion der UV-Strahlung 545 auszubilden. Überdies kann das optische Element 501 aus Kunststoffen gefertigt sein, die für die UV-Strahlung 545 (und die optische Strahlung der optischen Einheit 555 im sichtbaren Spektralbereich) transparent sind oder aus Glas oder aus Milchglas. Es ist ferner denkbar das optische Element 501 aus kristallinem Material, wie z.B. Saphir zu fertigen, das für UV- bzw. UVC-Wellenlängen häufig eingesetzt wird, oder das optische Element 501 als Spiegel auszubilden, zum Beispiel mit einer Beschichtung, die ein beliebiges Transmissions-/Reflexionsverhältnis für die UV-Strahlung 545 bei 265 nm erlaubt, z.B. 70% Transmission und 30% Reflexion, etc. Es kann ferner ein Aluminiumspiegel als optisches Element 501 eingesetzt werden oder ein geeignetes Metall für die Streuung und Reflexion der UV-Strahlung.
Es ist zudem denkbar das optische Element 501 nicht als perfekten Spiegel auszubilden, sondern ein Material dafür zu wählen, das die UV-Strahlung 545 streut bzw. eine raue Oberfläche aufweist und die Strahlung 545 dann ebenfalls streut. Denkbar ist hierfür z.B. ein Milchglas aus Fused-Silica zur Erzielung des Streuungseffekts. Wird das optische Element 501 zwischen der Probenaufnahme 505 mit der Vertiefungsstruktur 510 und dem Abdeckelement 515 mit der Rasterstruktur 520 in den Thermozykler 500 eingesetzt, so wird die Probenaufnahme 505 für den PCR-Lauf in der Regel nicht fest an das Abdeckelement 515 angedrückt, sondern in einem Abstand zur Probenaufnahme 505 angeordnet. Im Bereich des Abstands oder Spalts kann die UV-Strahlung 545 dann z.B. an die Unterseite 552 des Abdeckelements 515 reflektiert werden. Zudem können durch die Anordnung mit Abstand oder Spalt Beschädigungen zu vermieden werden, wenn das optische Element 501 aus Glas, etc. gefertigt ist.
Die Abmessung des optischen Elements 501 korreliert dabei mit den Abmessungen/Dimensionen des Abdeckelements 515 bzw. den Abmessungen/Dimensionen der Probenaufnahme 505 mit der Vertiefungsstruktur 510. Für die Abmessungen des Abdeckelements 515 und der Probenaufnahme 505 wird auf obige Erläuterungen zu den 2 und 3 verwiesen, die an dieser Stelle gleichermaßen gelten. Auch die Thermozykler 100, 200 in den 1, 2 und 3 können das optische Element 501 umfassen. Bei geschickter Wahl des Materials der Probenaufnahme 505, beispielsweise bei einer Fertigung der Probenaufnahme 505 mit der Vertiefungsstruktur 510 aus Aluminium bzw. einer Beschichtung der Probenaufnahme 505 mit der Vertiefungsstruktur 510 aus Aluminium, kann z.B. wegen der guten reflektierenden Eigenschaft von Aluminium für UV-Strahlung, auf die Verwendung des optischen Elements 501 verzichtet werden.
Die optische Einheit 555 kann zudem Spiegel, Reflektoren, Streumodule, Prismen, alternative optische Module zur Ablenkung der UV-Strahlung 545 aufweisen, um die optische Einheit 555 bzw. den Messpfad zu dekontaminieren. Der Thermozykler 500 kann zudem ein Gehäuse umfassen, die Komponenten, die in 3 gezeigt sind oder eine alternative Ausgestaltung der Dekontaminationseinheit 535 aufweisen, zum Beispiel wie in 4 dargestellt.
7 zeigt einen schematischen Aufbau eines Thermozyklers 600 nach einer fünften Ausführungsform. Der Thermozykler 600 in 7 unterscheidet sich von den vorangehenden Figuren dadurch, dass die Dekontaminationseinheit 635 eine weitere UV-Lichtquelle 641 zur Oberflächenreinigung aufweist. Diese weitere UV-Lichtquelle 641 ist zum Beispiel ortsfest ausgebildet und grenzt seitlich an einen Bereich eines Spaltes 603 zwischen dem Abdeckelement 615 mit der Rasterstruktur 620 und der Probenaufnahme 605 mit der Vertiefungsstruktur 610 an. Im gezeigten Beispiel ist nur eine weitere UV-Lichtquelle 641 dargestellt, jedoch kann der Thermozykler 600 noch zusätzliche UV-Lichtquellen an allen Seitenwänden oder eine Mehrzahl an weiteren UV-Lichtquellen an den Seitenwänden, etc. aufweisen. Die weitere UV-Lichtquelle 641 ist zur Aussendung weiterer optischer UV-Strahlung 646 an die oben genannten schwer zugänglichen Bereiche im Thermozykler ausgelegt. Die weitere UV-Lichtquelle 641 kann baugleich zur UV-Lichtquelle 640 bzw. den UV-Lichtquellen 14, 140, 240, 340, 540 in den 1 bis 6 ausgebildet sein. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich und kann abweichend realisiert sein.
Die im Thermozykler 200 in 3 gezeichnete Steuereinheit 250, die gleichermaßen im Thermozykler in 7 integriert sein kann, kann zum Aktivieren der weiteren UV-Lichtquelle 641 ausgelegt sein, insbesondere dann, wenn keine zu untersuchenden Proben in Probengefäßen im Thermozykler 600 eingesetzt sind. Darüber hinaus kann die weitere UV-Lichtquelle 641 auch im Bereich der Elektronik/Regelungselektronik (nicht dargestellt) im Thermozykler 500 angeordnet sein. Alternativ ist denkbar, dass die weitere UV-Lichtquelle 641 im Bereich der Probenaufnahme 605 angeordnet ist. Im Falle der Bewegung der Probenaufnahme 605 auf das Abdeckelement 615 zu, ist in einer alternativen Ausgestaltung denkbar, dass die Probenaufnahme an einer weiteren UV-Lichtquelle 641 und/oder einer weiteren Dekontaminationseinheit „vorbeifährt“.
8 zeigt eine schematische Draufsicht 710 eines Ausschnitts einer Probenaufnahme 105, 205, 505, 605 der 2, 3, 6 und 7 mit einer Vertiefungsstruktur 110, 210, 510, 610, die z.B. als eine Mikroplatte, zum Beispiel in Form einer 96-Well Mikroplatte, ausgebildet ist. Diese Ausgestaltung ist exemplarisch zur Erläuterung gewählt worden und die Mikroplatte kann alternativ z.B. auch einer 384-Well Mikroplatte, o.ä. entsprechen. Zudem ist denkbar, verschiedene Einzelprobengefäße bzw. Reaktionsgefäße in die Vertiefungsstruktur 110, 210, 510, 610 einzusetzen oder sog. „PCR Strips“ zu verwenden, das heißt eine lineare Anordnung von verbundenen Probengefäßen, welche eine flexible Bestückung der Probenaufnahme 105, 205, 505, 605 ermöglichen. Die 96-Well Mikroplatte oder Mikrotiterplatte weist eine 8 x 12 Matrix auf und kann maximal 96 Probengefäße mit Proben aufnehmen. Zur Vereinfachung ist jedoch lediglich ein Ausschnitt der 8 x 12 Matrix gezeigt. Sie kann eine Beschichtung wie Aluminium, Kupfer oder Silber aufweisen, die eine gute wärmeleitfähige Eigenschaft aufweist, um ein Temperieren der einzusetzenden Probengefäßen mit Proben gemäß der oben stehenden Erläuterung für den PCR-Lauf zu ermöglichen.
9 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 800 zum Betreiben eines Thermozyklers 10, 100, 200, 500, 600 nach einer ersten Ausführungsform 800. Der Thermozykler 10, 100, 200, 500, 600 kann dabei die Ausgestaltungen der 1, 2, 3, 6 bzw. 7 aufweisen. Zusätzlich kann der Thermozykler 10, 100, 200, 500, 600 die Ausgestaltungen der 4 und 5 aufweisen. Gemäß eines ersten Schritts 805 wird die Probenaufnahme 5, 105, 205, 505, 605 in den Thermozykler 10, 100, 200, 500, 600 eingefahren. Alternativ ist auch denkbar, dass der Thermozykler 10, 100, 200, 500, 600 auf die Probenaufnahme 5, 105, 205, 505, 605 zu bewegt wird. Die Bewegung kann durch geeignete Mechanik, die zum Beispiel ähnlich zur obigen Erläuterung der optischen Einheit 255, 555 ausgebildet ist, umgesetzt werden. In einem zweiten Schritt 810 wird die Probenaufnahme 5, 105, 205, 505, 605 in Richtung des Abdeckelements 15, 115, 215, 515, 615 bewegt oder das Abdeckelement 15, 115, 215, 515, 615 in Richtung der Probenaufnahme 5, 105, 205, 505, 605.
Der zweite Schritt 810 kann dabei auch das Andrücken der Probenaufnahme 5, 105, 205, 505, 605 an das Abdeckelement 15, 115, 215, 515, 615 mit umfassen. In einem dritten Schritt 815 wird eine Oberflächenreinigung im Thermozykler 10, 100, 200, 500, 600 in einem ersten Modus oder eine gezielte Zerstörung von Proben in einem zweiten Modus durchgeführt, durch Bestrahlung des Abdeckelements 15, 115, 215, 515, 615 mit und der Probenaufnahme 5, 105, 205, 505, 605 mit der UV-Strahlung 14, 145, 245, 545, 645. Alternativ kann der dritte Schritt 815 auch durch Bestrahlung des Abdeckelements 115, 215, 515, 615 mit der Mehrzahl an Durchlässen 125, 225, 525, 625 der Rasterstruktur 120, 220, 520, 620 und der Probenaufnahme 105, 205, 505, 605 mit der Vertiefungsstruktur 110, 210, 510, 610, mit der UV-Strahlung 145, 245, 545, 645 umgesetzt werden. Das Verfahren 800 zum Betreiben des Thermozyklers 10, 100, 200, 500, 600 ist somit insbesondere zur Oberflächenreinigung des Thermozyklers 10, 100, 200, 500, 600 oder zur gezielten Probenzerstörung geeignet. Es ist denkbar, dass der dritte Schritt 815 in einer alternativen Ausführung in zwei Unterschritte für die beiden Modi aufgespaltet ist.
Eine Oberflächenreinigung im ersten Modus wird im dritten Schritt 815 zum Beispiel vor dem Einbringen von Proben in die Probenaufnahme 5, 105, 205, 505, 605 zeitgesteuert in periodischen Abständen und/oder zeitgesteuert über Nacht durchgeführt. Alternativ kann die Oberflächenreinigung im dritten Schritt 815 auch vor dem Einbringen von Proben bzw. Probengefäßen in die Vertiefungsstruktur 110, 210, 510, 610 der Probenaufnahme 105, 205, 505, 605 zeitgesteuert in periodischen Abständen und/oder zeitgesteuert über Nacht durchgeführt werden. Aufgrund der Zeitsteuerung kann die Oberflächenreinigung, umfassend die oben genannten Flächen bzw. Bereiche, vollautomatisch durchgeführt werden. Hierzu kann die Bediensoftware des Thermozyklers 10, 100, 200, 500, 600 um die Auswahl „Dekontamination“, „Oberflächenreinigung“, o.ä. ergänzt werden, um dem Anwender die vollautomatische Dekontamination des Geräts in erleichterter und komfortabler Weise bereitstellen zu können.
Es ist denkbar für die zeitgesteuerte Oberflächenreinigung die beiden Varianten „über Nacht“ sowie „in periodischen Abständen“ (bestimmter Wochentag, bestimmte Uhrzeit, wöchentliche Wiederholung, z.B. jeden Dienstag um 6 Uhr, etc.) zu implementieren, um den normalen PCR-Lauf nicht zu beeinträchtigen und für eine regelmäßige Dekontaminierung des Geräts 10, 100, 200, 500, 600 zu sorgen. Zur zeitgesteuerten Oberflächenreinigung im ersten Modus wird die UV-Lichtquelle 40, 140, 240, 340, 540, 640 und/oder die weitere UV-Lichtquelle 641 der Dekontaminationseinheit 35, 135, 235, 335, 535, 635 von der Steuereinheit aktiviert. Nach erfolgter Reinigung können z.B. Proben in die Vertiefungsstruktur 110, 210, 510, 610 eingesetzt oder in die Probenaufnahme 5 ohne Vertiefungsstruktur eingesetzt und der PCR-Lauf durchgeführt werden. Hierzu können die Bewegungen des ersten Schritts 805 und des zweiten Schritts 810 mit eingesetzten Proben im Thermozykler 10, 100, 200, 500, 600 wiederholt werden und statt dem dritten Schritt 815 der PCR-Lauf durchgeführt werden.
10 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 900 zum Betreiben eines Thermozyklers 10, 100, 200, 500, 600 nach einer zweiten Ausführungsform. Der Thermozykler 10, 100, 200, 500, 600 kann dabei die Ausgestaltungen der 1, 2, 3, 6 bzw. 7 aufweisen. Zusätzlich kann der Thermozykler 10, 100, 200, 500, 600 die Ausgestaltungen der 4 und 5 aufweisen. Beispielsweise ist ein erster Schritt 905 im Verfahren 900 analog zum ersten Schritt 805 des Verfahrens 800 in 9 ausgebildet, also dem Einfahren der Probenaufnahme 105, 205, 505, 605 in den Thermozykler 10, 100, 200, 500, 600. Gleichermaßen kann ein zweiter Schritt 910 in 10 analog zum zweiten Schritt 810 des Verfahrens 800 ausgebildet sein, nämlich die Bewegung der Probenaufnahme 5, 105, 205, 505, 605 in Richtung des Abdeckelements 15, 115, 215, 515, 615 oder die Bewegung des Abdeckelements 15, 115, 215, 515, 615 in Richtung der Probenaufnahme 5, 105, 205, 505, 605.
An den zweiten Schritt 910 anschließend kann in 10 jedoch eine erste Verzweigung 911 folgen, die zum Beispiel eine Prüfung umfasst, ob Probengefäße mit Proben in der Probenaufnahme 5, 105, 205, 505, 605 vorhanden sind. Alternativ kann mittels der Verzweigung 911 eine Prüfung erfolgen, ob Probengefäße mit Proben in der Vertiefungsstruktur 110, 210, 510, 610 der Probenaufnahme 105, 205, 505, 605 vorhanden sind. Der Nein-Zweig (N) der ersten Verzweigung 911 bedeutet, dass keine Probengefäße in der Probenaufnahme 5 vorhanden sind, wonach das Verfahren 900 auf eine erste Variante eines dritten Schritts 915 mündet. Der Nein-Zweig (N) der ersten Verzweigung 911 bedeutet in der alternativen Umsetzung (Probenaufnahme mit Vertiefungsstruktur), dass keine Probengefäße in der Vertiefungsstruktur 110, 210, 510, 610 vorhanden sind, wonach das Verfahren 900 ebenfalls auf eine erste Variante eines dritten Schritts 915 mündet.
Diese Variante 915 kann beispielsweise nur die Ausführung der ersten Variante des dritten Schritts 815 in 9 umfassen, nämlich die Durchführung der Oberflächenreinigung im Thermozykler 10, 100, 200, 500, 600 in einem ersten Modus, durch Bestrahlung des Abdeckelements 115, 215, 515, 615 und der Probenaufnahme 105, 205, 505, 605 mit der UV-Strahlung 14, 145, 245, 545, 645. Die Variante 915 kann z.B. für die alternative Umsetzung die Durchführung der Oberflächenreinigung im Thermozykler 100, 200, 500, 600 in einem ersten Modus umfassen, durch Bestrahlung des Abdeckelements 115, 215, 515, 615 mit den Durchlässen 125, 225, 525, 625 der Rasterstruktur 120, 220, 520, 620 und der Probenaufnahme 105, 205, 505, 605, umfassend die Vertiefungsstruktur 110, 210, 510, 610 mit der UV-Strahlung 145, 245, 545, 645.
Der Ja-Zweig (Y) der ersten Verzweigung 911 bedeutet, dass Probengefäße mit Proben vorhanden sind, wonach das Verfahren 900 auf eine zweite Verzweigung 913 mündet. In der alternativen Umsetzung bedeutet der Ja-Zweig (Y) der ersten Verzweigung 911, dass Probengefäße in der Vertiefungsstruktur 110, 210, 510, 610 vorhanden sind, wonach das Verfahren 900 ebenfalls auf die zweite Verzweigung 913 mündet. Die zweite Verzweigung 913 umfasst z.B. eine Prüfung, ob zumindest ein Probengefäß einer zu untersuchenden Probe beschädigt ist. Der Nein-Zweig (N) der zweiten Verzweigung 913 bedeutet, dass kein Probengefäß einer zu untersuchenden Probe beschädigt ist. Daher mündet der Nein-Zweig (N) auf eine zweite Variante eines dritten Schritts 919. Diese Variante 919 kann beispielsweise nur die Ausführung der zweiten Variante des dritten Schritts 815 in 9 umfassen, nämlich das gezielte Zerstören von Proben in einem zweiten Modus, durch Bestrahlung des Abdeckelements 115, 215, 515, 615 und der Probenaufnahme 105, 205, 505, 605 mit der UV-Strahlung 14, 145, 245, 545, 645.
Die Variante 919 kann beispielsweise in der alternativen Umsetzung das gezielte Zerstören von Proben in einem zweiten Modus umfassen, durch Bestrahlung des Abdeckelements 115, 215, 515, 615 mit den Durchlässen 125, 225, 525, 625 der Rasterstruktur 120, 220, 520, 620 und der Probenaufnahme 105, 205, 505, 605, umfassend die Vertiefungsstruktur 110, 210, 510, 610 mit der UV-Strahlung 145, 245, 545, 645. Zum gezielten Zerstören der zu Proben aktiviert die Steuereinheit beispielsweise die UV-Lichtquelle 40, 140, 240, 340, 540, 640 zum Aussenden der UV-Strahlung 14, 145, 245, 545, 645. Vorzugsweise ist die UV-Lichtquelle 40, 140, 240, 340, 540, 640 hierzu beweglich ausgebildet. Es ist zudem denkbar, dass für das gezielte Zerstören der Proben die UV-Lichtquelle 40, 140, 240, 340, 540, 640 und/oder die weitere UV-Lichtquelle 641 selektiv vom Benutzer in der Bediensoftware ausgewählt werden und im Thermozykler 10, 100, 200, 500, 600 von der Steuereinheit 250 in 3 entsprechend aktiviert werden.
Der Ja-Zweig (Y) der zweiten Verzweigung 913 bedeutet, dass zumindest ein Probengefäß einer zu untersuchenden Probe beschädigt ist. In einem Zwischenschritt 917 werden die Probengefäße mit Proben aus der Probenaufnahme 5 ohne Vertiefungsstruktur entfernt. In der alternativen Ausgestaltung werden im Zwischenschritt 917 die Probengefäße aus der Vertiefungsstruktur 110, 210, 510, 610 entfernt. Alternativ oder zusätzlich ist denkbar, dass die Probe in dem zumindest einen beschädigten Probengefäß gezielt mit UV-Strahlung 14, 145, 245, 545, 645 zerstört wird, bevor sämtliche Probengefäße entfernt werden. Dies ist jedoch nicht dargestellt.
Nachdem die Proben in dem Zwischenschritt 917 entfernt worden sind, kann die erste Variante des dritten Schritts 915 ausgeführt werden, also die Oberflächenreinigung im Thermozykler 10, 100, 200, 500, 600 im ersten Modus, wie oben erläutert. Hierzu aktiviert die Steuereinheit die UV-Lichtquelle 40, 140, 240, 340, 540, 640 zum Aussenden der UV-Strahlung 14, 145, 245, 545, 645 und/oder die weitere UV-Lichtquelle 641 zum Aussenden weiterer UV-Strahlung 646. Dies gilt gleichermaßen für die oben erläuterte erste Variante des dritten Schritts 915.
Die Durchführung des PCR-Laufs kann dabei beispielsweise wie im Zusammenhang mit 9 erläutert wurde erfolgen. Alternativ zur Beschreibung einzelner bzw. einer Vielzahl an Probengefäßen im Zusammenhang mit den 9 und 10 beschrieben, können auch Probenstreifen oder Mikroplatten verwendet werden und es versteht sich, dass die einzelnen Verfahrensschritte dahingehend abänderbar sind, beispielsweise eine Prüfung, ob ein Probenstreifen mit Proben bzw. eine Mikroplatte mit Proben in die Probenaufnahme eingesetzt ist oder beschädigt sind, etc.
Die Erfindung wurde im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben. Anstelle der beschriebenen Ausführungsbeispiele sind weitere Ausführungsbeispiele denkbar, welche weitere Abwandlungen oder Kombinationen von beschriebenen Merkmalen aufweisen können. Die Erfindung ist aus diesem Grund nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt, da vom Fachmann andere Variationen daraus abgeleitet werden können, ohne dabei den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Thermozykler (10, 100, 200, 500, 600) zur Durchführung einer zyklischen Polymerase-Kettenreaktion, umfassend: eine Probenaufnahme (5, 105, 205, 505, 605) zum Einbringen von zu untersuchenden Proben, ein Abdeckelement (15, 115, 215, 515, 615), wobei das Abdeckelement (15, 115, 215, 515, 615) oberhalb der Probenaufnahme (5, 105, 205, 505, 605) angeordnet ist, zumindest eine Heizeinheit (13, 130, 230) zum Temperieren der Probenaufnahme (5, 105, 205, 505, 605) für die Durchführung der zyklischen Polymerase-Kettenreaktion und zum Beheizen des Abdeckelements (15, 115, 215, 515, 615) zur Vermeidung von Kondensation der zu untersuchenden Proben, und eine Dekontaminationseinheit (35, 135, 235, 335, 535, 635) mit zumindest einer UV-Lichtquelle (40, 140, 240, 340, 540, 640) zum Aussenden optischer UV-Strahlung (14, 145, 245, 545, 645) zur Oberflächenreinigung des Thermozyklers (10, 100, 200, 500, 600) in einem ersten Modus oder zum gezielten Zerstören von Proben in einem zweiten Modus.
Thermozykler (100, 200) nach Anspruch 1, wobei die Probenaufnahme (105, 205, 505, 605) eine Vertiefungsstruktur (110, 210, 510, 610) aufweist, wobei das Abdeckelement (115, 215, 515, 615) eine Rasterstruktur (120, 220, 520, 620) aufweist, wobei das Abdeckelement (115, 215, 515, 615) mit der Rasterstruktur (120, 220, 520, 620) oberhalb der Probenaufnahme (105, 205, 505, 605) angeordnet ist, und wobei die Dekontaminationseinheit (135, 235, 335, 535, 635) oberhalb des Abdeckelements (115, 215, 515, 615) mit der Rasterstruktur (120, 220, 520, 620) angeordnet ist und die Rasterstruktur (120, 220, 520, 620) eine Mehrzahl an Durchlässen (125, 225, 525, 625) umfasst, die für die optische UV-Strahlung (145, 245, 545, 645) der UV-Lichtquelle (140, 240, 340, 540, 640) durchlässig sind.
Thermozykler (100, 200) nach Anspruch 2, wobei eine Anordnung der Rasterstruktur (121, 221) mit der Mehrzahl an Durchlässen (125, 225) des Abdeckelements (115, 215) auf eine Anordnung der Vertiefungsstruktur (111, 211) der Probenaufnahme (105, 205) abgestimmt ist.
Thermozykler (100, 200) nach Anspruch 3, wobei die Anordnung der Rasterstruktur (121, 221) mit der Mehrzahl an Durchlässen (125, 225) des Abdeckelements (115, 215) exakt (117, 217) auf die Anordnung der Vertiefungsstruktur (111, 211) der Probenaufnahme (105, 205) abgestimmt ist.
Thermozykler (100, 200, 500, 600) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Dekontaminationseinheit (335) mit der UV-Lichtquelle (340) statisch ausgebildet ist, wobei die zumindest eine UV-Lichtquelle (340) eine Mehrzahl an UV-Lichtelementen (343) aufweist, die eine Matrixanordnung (344) aufweisen.
Thermozykler (100, 200, 500, 600) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Dekontaminationseinheit (135, 235, 535, 635) mit der UV-Lichtquelle (140, 240, 540, 640) zumindest ein UV-Lichtelement (443) aufweist, das insbesondere in Form einer UV-LED ausgebildet ist, wobei das UV-Lichtelement (443) ausgelegt ist, eine Bewegung in Bezug auf die Durchlässe (125, 225, 525, 625) der Rasterstruktur (120, 220, 520, 620) des Abdeckelements (115, 215, 515, 615) auszuführen, wobei die Bewegung in Bezug auf die Durchlässe (125, 225, 525, 625) der Rasterstruktur (120, 220, 520, 620) in Längs- und/oder Querrichtung (447) erfolgt.
Thermozykler (100, 200, 500, 600) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Probenaufnahme (105, 205, 505, 605) mit der Vertiefungsstruktur (110, 210, 510, 610) für die optische UV-Strahlung (145, 245, 545, 645) der zumindest einen Lichtquelle (140, 240, 340, 540, 640) der Dekontaminationseinheit (135, 235, 335, 535, 635) reflektierend ausgebildet ist, wobei die Probenaufnahme (105, 205, 505, 605) ausgelegt ist, die optische UV-Strahlung (145, 245, 545, 645) an schwer zugängliche Bereiche im Thermozykler (100, 200, 500, 600) zu reflektieren.
Thermozykler (500) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei zwischen der Probenaufnahme (505) mit der Vertiefungsstruktur (510) und dem Abdeckelement (515) mit der Rasterstruktur (520) ein optisches Element (501) angeordnet ist, wobei das optische Element (501) ausgelegt ist, die optische UV-Strahlung (545) der zumindest einen UV-Lichtquelle (540) der Dekontaminationseinheit (535) an schwer zugängliche Bereiche im Thermozykler (500) zu lenken.
Thermozykler (600) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Dekontaminationseinheit (635) eine weitere UV-Lichtquelle (641) aufweist, wobei die weitere UV-Lichtquelle (641) seitlich an einen Bereich eines Spaltes (603) zwischen dem Abdeckelement (615) mit der Rasterstruktur (620) und der Probenaufnahme (605) mit der Vertiefungsstruktur (610) angrenzt, wobei die weitere UV-Lichtquelle (641) zur Aussendung weiterer optischer UV-Strahlung (646) an schwer zugängliche Bereiche im Thermozykler (600) ausgelegt ist.
Thermozykler (200, 500) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Thermozykler (200, 500) eine optische Einheit (255, 555) zur Anregung der zu untersuchenden Proben zur Fluoreszenz und zur Detektion der emittierten Fluoreszenz im sichtbaren Spektralbereich aufweist, und wobei die Mehrzahl an Durchlässen (225, 525) der Rasterstruktur (220, 520) für die Anregung der zu untersuchenden Proben zur Fluoreszenz und für die emittierte Fluoreszenz im sichtbaren Spektralbereich durchlässig ist.
Thermozykler (500) nach Anspruch 10, wobei die Dekontaminationseinheit (535) mit der UV-Lichtquelle (540) in die optische Einheit (555) integriert ist, wobei die optische Einheit (555) durchstimmbar ausgebildet ist und den UV-Spektralbereich sowie den sichtbaren Spektralbereich abdeckt.
Thermozykler (100, 200, 500, 600) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Probenaufnahme (105, 205, 505, 605) mit der Vertiefungsstruktur (110, 210, 510, 610) zumindest als eines der nachfolgenden Elemente ausgebildet und/oder zur Aufnahme zumindest eines der nachfolgenden Elemente ausgelegt ist: eine Mikroplatte, ein Probengefäß, ein Streifen an Probengefäßen.
Thermozykler (200, 600) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Thermozykler (200, 600) eine Steuereinheit (250) zum Ansteuern der UV-Lichtquelle (240, 640) und der weiteren UV-Lichtquelle (641) der Dekontaminationseinheit (235, 635) aufweist, wobei die Steuereinheit (250) ausgelegt ist, die weitere UV-Lichtquelle (641) anzusteuern, sofern die Probenaufnahme (205, 605) mit der Vertiefungsstruktur (210, 610) keine zu untersuchenden Proben umfasst.
Thermozykler (200) nach Anspruch 13, wobei der Thermozykler (200) ein Sensorelement (265) zur Erfassung von Temperaturwerten im Thermozykler (200) für die Durchführung der zyklischen Polymerase-Kettenreaktion aufweist, wobei die Steuereinheit (250) zum Einstellen der Temperaturwerte für die zumindest eine Heizeinheit (230) ausgelegt ist, und wobei der Thermozykler (200) ein Gehäuse (270) zum Abdecken des Thermozyklers (200) aufweist.
Verfahren (800, 900) zum Betreiben eines Thermozyklers (10, 100, 200, 500, 600) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, umfassend die Schritte: Einfahren der Probenaufnahme (5, 105, 205, 505, 605) in den Thermozykler (10, 100, 200, 500, 600) in einem ersten Schritt (805, 905), Bewegen der Probenaufnahme (5, 105, 205, 505, 605) in Richtung des Abdeckelements (15, 115, 215, 515, 615) oder Bewegen des Abdeckelements (15, 115, 215, 515, 615) in Richtung der Probenaufnahme (5, 105, 205, 505, 605) in einem zweiten Schritt (810, 910), und Durchführen einer Oberflächenreinigung im Thermozykler (10, 100, 200, 500, 600) in einem ersten Modus (915) oder gezieltes Zerstören von Proben in einem zweiten Modus (919) in einem dritten Schritt (815), durch Bestrahlung des Abdeckelements (15, 115, 215, 515, 615) und der Probenaufnahme (5, 105, 205, 505, 605) mit der optischen UV-Strahlung (14, 145, 245, 545, 645) der UV-Lichtquelle (40, 140, 240, 340, 540, 640) der Dekontaminationseinheit (35, 135, 235, 335, 535, 635).
Verfahren (900) nach Anspruch 15, wobei ein gezieltes Zerstören von Proben (919) im dritten Schritt durchgeführt wird, sofern in der Probenaufnahme (5, 105, 205, 505, 605) Probengefäße mit Proben eingesetzt sind, und wobei zum gezielten Zerstören von Proben die zumindest eine UV-Lichtquelle (40, 140, 240, 340, 540, 640) der Dekontaminationseinheit (35, 135, 235, 335, 535, 635) aktiviert wird.
Verfahren (900) nach einem der Ansprüche 15 oder 16, wobei die Oberflächenreinigung im ersten Modus (915) durchgeführt wird, sofern zumindest ein Probengefäß der zu untersuchenden Proben beschädigt ist, wobei die Probengefäße der zu untersuchenden Proben aus der Probenaufnahme (5, 105, 205, 505, 605) vor der Durchführung der Oberflächenreinigung (915) im dritten Schritt entfernt werden, und wobei zur Oberflächenreinigung (915) im dritten Schritt die UV-Lichtquelle (40, 140, 240, 340, 540, 640) und/oder die weitere UV-Lichtquelle (641) der Dekontaminationseinheit (35, 135, 235, 335, 535, 635) aktiviert werden.
Verfahren (800, 900) nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die Oberflächenreinigung im ersten Modus (815, 915) vor dem Einbringen von Proben in die Probenaufnahme (5, 105, 205, 505, 605) zeitgesteuert in periodischen Abständen und/oder zeitgesteuert über Nacht durchgeführt wird, und wobei zur zeitgesteuerten Oberflächenreinigung im ersten Modus (815, 915) die UV-Lichtquelle (40, 140, 240, 340, 540, 640) und/oder die weitere UV-Lichtquelle (641) der Dekontaminationseinheit (35, 135, 235, 335, 535, 635) aktiviert werden.