DE112010002241T5

DE112010002241T5 - Optischer Lösungsansatz für Mikrofluid-DNA-Elektrophorese-Detektion

Info

Publication number: DE112010002241T5
Application number: DE112010002241T
Authority: DE
Inventors: Randall H. Bell; James P. Landers; Joan Bienvenue; Daniel Marchiarullo; Brian ROOT; Orion Scott; John W. Pettit
Original assignee: Lockheed Corp; Lockheed Martin Corp
Current assignee: Zygem Corp Ltd Nz; University of Virginia Patent Foundation; Leidos Innovations Technology Inc.
Priority date: 2009-06-04
Filing date: 2010-03-10
Publication date: 2012-07-05
Also published as: US20110065101A1; US20110070578A1; GB2483402A; GB201121510D0; GB201121512D0; EP2437888B1; EP2437889A1; WO2010141139A1; GB2484610A; AU2010257118A1; WO2010141131A1; EP2437887A1; GB201121511D0; AU2010257127A1; CA2764704C; US9649631B2; US9656261B2; US20110229897A1; CA2764704A1; GB2483402B

Abstract

Aspekte der Erfindung stellen eine DNA-Analyseeinrichtung zur Durchführung einer integrierten Einzelchip-DNA-Analyse bereit. Die DNA-Analyseeinrichtung umfasst Schnittstellen zur Kopplung eines Mikrofluidchips mit der DNA-Analyseeinrichtung. Der Mikrofluidchip enthält einen ersten Bereich, der für eine Polymerase-Kettenreaktion-(PCR)Verstärkung von DNA-Fragmenten ausgebildet ist, und enthält einen zweiten Bereich, der in Fluidverbindung mit dem ersten Bereich zum Empfang der DNA-Fragmente steht und zur Ausführung einer elektrophoretischen Separation der DNA-Fragmente ausgebildet ist. Die DNA-Fragmente sind mit fluoreszenten Markierungen gekennzeichnet. Die DNA-Analyseeinrichtung enthält ein Detektionsmodul zum Anregen der fluoreszenten Markierungen, so dass diese fluoreszente Strahlung aussenden, und zum Erfassen der ausgesandten fluoreszenten Strahlung. Das Detektionsmodul enthält ferner eine Laserquelle, eine Gruppe optischer Elemente, ein Filtermodul und einen Photodetektor.

Description

Mit Einschluss von Offenbarung durch Referenz
Diese Anmeldung beansprucht Priorität der folgenden vorläufig eingereichten US-Anmeldungen: 61/213,405, „DNA-Analyseeinrichtung mit kurzer Probenreaktionszeit (analystische Mikroeinrichtung)”, eingereicht am 4. Juni 2009, 61,213,406 „Optischer Lösungsansatz für Mikrofluid-DAN-Elektrophorese-Detektion”, eingereicht am 4. Juni 2009 und 611213,404 „Integrierte Mikrofluidchip für DNA-Analyse mit mehreren Proben”, eingereicht am 4. Juni 2009, die hierin in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme mit eingeschlossen sind.
Hintergrund
DNA wird als „ultimative biometrisches Maß” für die Personenkennzeichnung anerkannt. Die DNA-Analyse kann Beweise bereitstellen, um forensische und medizinische Fälle zu lösen, etwa in Bereichen der Kriminalistik, für die Erkennung von menschlichen Überresten, für die Prüfung der Elternschaft, für die Erkennung von Pathogenen, für die Erkennung von Krankheiten, und dergleichen.
Überblick
Aspekte der vorliegenden Erfindung können eine DNA-Analyseeinrichtung bereitstellen, um die DNA-Analyse zu erleichtern. Die DNA-Analyseinrichtung umfasst eine Schnittstelle zum Ankoppeln eines Mikrofluidchips an die DNA-Analyseeinrichtung. Der Mikrofluidchip umfasst einen ersten Bereich, der für eine Polymerase-Kettenreaktion(PCR)-Verstärkung von DNA-Fragmenten ausgebildet ist, und einen zweiten Bereich, der in Fluidverbindung zu dem ersten Bereich steht, um die DNA-Fragmente aufzunehmen. Der zweite Bereich umfasst einen Seperationskanal für die elektrophoretische Trennung der DNA-Fragmente. Der Mikrofluidchip kann andere Bereiche aufweisen, etwa einen Reinigungsbereich, einen dem PCR-Bereich angeordneten Bereich, und dergleichen.
Die DNA-Fragmente werden mit fluoreszierenden bzw. fluoreszenten Markierungen während der PCA-Verstärkung markiert bzw. gekennzeichnet. Die DNA-Analyseeinheit umfasst ein Detektionsmodul, das optisch mit dem Mikrofluidchip gekoppelt ist, um die fluoreszierenden Markierungen zum Aussenden von Fluoreszenz bzw. fluoreszenter Strahlung anzuregen, und um die ausgesandte fluoreszente Strahlung zu erfassen. Das Detektionsmodul kann eine Laserquelle, eine Gruppe aus optischen Elementen, ein Filtermodul und einen Photodetektor aufweisen.
Die Laserquelle erzeugt einen Laserstrahl. Die Gruppe aus optischen Elementen lenkt den Laserstrahl auf den Separationskanal, um die fluoreszenten Markierungen zum Aussenden fluoreszenter Strahlung anzuregen, während die DNA-Fragmente in dem Separationskanal entlang wandern. Des weiteren sammelt die Gruppe aus optischen Elementen die emittierte fluoreszente Strahlung zu einem optischen Signal, das Filtermodul filtert das optische Signal, so dass ein erstes Teil des optischen Signals mit einer ersten Wellenlänge durchgelassen wird, und der Photodetektor erzeugt ein elektrisches Detektionssignal in Reaktion auf das gefilterte optische Signal.
In einer Ausführungsform umfasst der Photodetektor eine Photovervielfacherröhre, die ausgebildet ist, das elektrische Detektionssignal in Reaktion auf das gefilterte optische Signal zu erzeugen. Die Gruppe aus optischen Elementen umfasst eine Objektivlinse, die zu dem Separationskanal ausgerichtet ist, um den Laserstrahl auf den Separationskanal zu lenken, und um die emittierte fluoreszente Strahlung aus dem Separationskanal aufzunehmen. Die Objektivlinse kann zu dem Separationskanal mittels eines Motors justiert werden.
Das Filtermodul kann einen akustisch optischen Filter (AOTF) aufweisen. Der AOTF kann das optische Signal filtern, so dass der erste Teil des optischen Signals mit der ersten Wellenlänge durchgelassen wird, wobei dies auf Grundlage eines elektrischen Einstellsignals bzw. Justiersignals mit einer ersten Einstellfrequenz bzw. Justierfrequenz erfolgt. Die erste Wellenlänge genügt einer Anpassbedingung des AOEF in Bezug auf die erste Einstellfrequenz.
in einer Ausführungsform umfasst die DNA-Analyseeinrichtung eine Steuerung, die ausgebildet ist, ein Steuersignal zu erzeugen, das die erste Einstellfrequenz kennzeichnet, und umfasst ferner einen Synthesizer, der ausgebildet ist, das elektrische Einstellsignal mit der ersten Einstellfrequenz auf der Grundlage des Steuersignals zu erzeugen.
Die Steuerung kann das Steuersignal so einstellen, dass dieses eine zweite Einstellfrequenz kennzeichnet. Daraufhin besitzt das von dem Synthesizer erzeugte elektrische Einstellsignal die zweite Einstellfrequenz. Auf der Grundlage des elektrischen Einstellsignals filtert der AOTF das optische Signal, so dass ein zweiter Teil des optischen Signals mit einer zweiten Wellenlänge durchgelassen wird. Die zweite Wellenlänge genügt der Anpassbedingung des AOTF in Bezug auf die zweite Einstellfrequenz. In einer Ausführungsform umfasst die DNA-Analyseinrichtung einen Modulationssignalgenerator, der ausgebildet ist, ein Modulationssignal mit einer Modulationsfrequenz und ein Referenzsignal, das die Modulationsfrequenz enthält, zu erzeugen. Das Modulationssignal wird von dem AOTF verwendet, um das gefilterte optische Signal zu modulieren. Ferner umfasst die DNA-Anlayseeinrichtung einen phasenempfindlichen Detektor, der ausgebildet ist, das Referenzsignal und das elektrische Detektionssignal, das dem modulierten gefilterten optischen Signal entspricht, zu empfangen und das elektrische Detektionssignal auf der Grundlage des Referenzsignals zu demodulieren.
Zu beachten ist, dass die DNA-Analyseeinrichtung andere Module aufweisen kann, um auf den Mikrofluidchip einzuwirken, so dass dieser eine chipinterne DNA-Analyse ausführt. Beispielsweise umfasst die DNA-Analyseeinrichtung ein Druckmodul, das ausgebildet ist, Flüssigkeit in den Mikrofluidchip einzubringen, ein thermisches Modul, das ausgebildet ist, einen Temperaturzyklus in dem ersten Bereich des Mikrofluidschips für die PCR-Verstärkung hervorzurufen, ein Leistungsmodul, das ausgebildet ist, Spannungen zu erzeugen, die dem zweiten Bereich des Mikrofluidchips für die elektrophoretische Separation einzuprägen sind, und ein Steuerungsmodul. Das Steuerungsmodul ist ausgebildet, das Druckmodul, das thermische Modul, das Leistungsmodul und das Detektionsmodul gemäß einer Steuerungsprozedur zu steuern, um auf dem Mikrofluidchip einzuwirken, so dass dieser eine Einzelchip bzw. chipinterne DNA-Analyse durchführt.
Aspekte der vorliegenden Erfindung können ein Verfahren für die DNA-Analyse bereitstellen. Das Verfahren umfasst das Auswählen einer ersten Wellenlänge, die einer ersten fluoreszenten Markierung entspricht, die wiederum zur Markierung von DNA-Fragmenten während einer Polymerase-Kettenreaktion-(PCR)-Verstärkung in einem ersten Bereich eines Mikrofluidchips angewendet wird. Die DNA-Fragmente sind durch Strömung von dem ersten Bereich zu einem zweiten Bereich des Mikrofluidchips geleitet worden, der einen Separationskanal für die elektrophoretische Separation enthält. Das Verfahren umfasst ferner Anregen zumindest der ersten fluoreszenten Markierung, so dass diese fluoreszente Strahlung in den zweiten Bereich ausstrahlt, und das Einstellen eines Detektionsmoduls, um die ausgesandte fluoreszente Strahlung mit der ersten Wellenlänge zu erfassen.
Zur Anregung der ersten fluoreszenten Markierung zum Aussenden der fluoreszenten Strahlung umfasst das Verfahren das Erzeugen eines Laserstrahls und das Lenken des Laserstrahls auf den Separationskanal, um die erste fluoreszente Markierung zum Aussenden der fluoreszenten Strahlung anzuregen, während die DNA-Fragmente in dem Separationskanal wandern. Die ausgesandte fluoreszente Strahlung kann zu einem optischen Signal gebündelt werden.
Zur Einstellung des Detektionsmoduls, so dass dieses die ausgesandte fluoreszente Strahlung mit der ersten Wellenlänge erfasst, umfasst das Verfahren: Erzeugen eines elektrischen Einstellsignals mit einer ersten Einstellfrequenz, Bereitstellen des elektrischen Einstellsignals für einen akustisch optischen einstellbaren Filter (AOTF) in dem Detektionsmodul, um des optische Signal zu filtern und um einen ersten Teil des optischen Signals mit der ersten Wellenlänge durchzulassen, und das Detektieren des gefilterten optischen Signals. Die erste Wellenlänge genügt einer Anpassbedingung des AOTF in Bezug auf die erste Einstellfrequenz.
Des weiteren umfasst das Verfahren: Auswählen einer zweiten Wellenlänge, die einer zweiten fluoreszenten Markierung entspricht, die zur Markierung der DNA-Fragmente während der (PCR) Verstärkung in dem ersten Bereich dient, und das Einstellen des elektrischen Einstellsignals derart, dass es eine zweite Einstellfrequenz aufweist. Die Einstellung veranlasst den AOTF, das optische Signal zu filtern und einen zweiten Teil des optischen Signals, der die zweite Wellenlänge aufweist, durchzulassen. Die zweite Wellenlänge erfüllt die Anpassbedingung bzw. Abgleichbedingung des AOTF in Bezug auf die zweite Einstellfrequenz.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Diverse anschauliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden detailliert mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, und in denen:
1 eine Blockansicht einer anschaulichen DNA-Analyseeinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2a und 2b als Beispiel einen Tupfer und eine Probenkassette oder Probenbehälter gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
3 eine schematische Darstellung eines Mikrofluidchips gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 eine Prototypenimplementierung einer DNA-Analyseeinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 ein Flussdiagramm zeigt, das ein Prozessbeispiel zur Anwendung einer DNA-Analyseeinrichtung zeigt, um eine DNA-Analyse gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auszuführen;
6 ein Flussdiagramm zeigt, in welchem ein beispielhafter Prozess für eine DNA-Analyseeinrichtung dargestellt ist, um eine DNA-Analyse gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auszuführen;
7 eine Blockansicht eines Detektionsmoduls gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 ein Blockdiagramm einer optischen Gestaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
9 eine Blockansicht für eine Signalverarbeitung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt; und
10 ein Flussdiagramm zeigt, in welchem ein Prozessbeispiel für eine Steuerung dargestellt ist, um eine Mehrfarbenfluoreszenzerkennung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zu steuern.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
1 zeigt eine Blockansicht einer anschaulichen DNA-Analyseeinrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die DNA-Analyseeinrichtung 100 umfasst ein Mikrofluidchipmodul 110, ein thermisches Modul 120, ein Druckmodul 130, ein Hochspannungsmodul 140, ein Detektionsmodul 150, ein Leistungsmodul 160, ein Rechenmodul 170 und ein Steuerungsmodul 180. Des weiteren kann die DNA-Analyseeinrichtung 100 ein magnetisches Modul 190 aufweisen. Diese Elemente können miteinander verbunden sein, wie dies in 1 gezeigt ist.
Die DNA-Analyseeinrichtung 100 ist ausgebildet, eine Verarbeitung für eine DNA-Analyseprobenahme bis zum Ergebnis auf einem integrierten Einzelchip auszuführen, Unter Anwendung der DNA-Analyseeinrichtung 100 zum Ausführen einer DNA-Analyse sind somit keine wesentlichen Erfahrungen und Kenntnisse von DNA-Prozessen erforderlich, in einem Beispiel können die geeigneten Prozeduren zur Verwendung der DNA-Analyseeinrichtung 100 zum Ausführen einer DNA-Analyse innerhalb einer Stunde erlernt werden. Des weiteren erfordert die DNA-Analyse in einem integrierten Einzelchip ein geringes Volumen an Reaktionsmitteln bzw. Reagenzien, beispielsweise in einer Größenordnung von 1 Mikroliter. Ferner kann das geringere Volumen an Reaktionsmitteln den thermischen Eintrag verringern, um Temperaturzyklen in der DNA-Analyse zu durchlaufen, und somit kann die Zeitdauer für die DNA-Analyse verringert werden.
Das Mikrofluidchipmodul 110 enthält einen Mikrofluidchip 111. Der Mikrofluidchip 111 ist in geeigneter Weise mit anderen Elementen der DNA-Analyseeinrichtung 100 verbunden, um eine DNA-Analyse als eine integrierte Einzelchipanalyse auszuführen. In einem Beispiel ist das Mikrofluidchipmodul 110 als ein Wegwerfbehälter bzw. als eine Wegwerfkassette und eine Kassettenschnittstelle ausgebildet, die die Wegwerfkassette mit anderen Komponenten der DNA-Analyseeinrichtung 100 verbinden kann, die nicht als Teil der Wegwerfkassette vorgesehen sind. Die Wegwerfkassette enthält den Mikrofluidchip 111 und eine Mikro-zu-Makro-Schnittstelle. Die Mirko-zu-Makro-Schnittstelle verbindet den Mikrofluidchip 111 mit Makrostrukturen auf der Wegwerfkassette. Die Wegwerfkassette kann separat aufbewahrt und in der DNA-Analyseeinrichtung 100 zum Zeitpunkt der DNA-Analye installiert werden. Nach der DNA-Analyse kann die Wegwerfkassette in geeigneter Weise entsorgt werden.
Der Mirkofluidchip 111 enthält diverse Bereiche, die in geeigneter Weise ausgebildet sind, um die integrierte Einzelchip-DNA-Analyse zu ermöglichen. In einer Ausführungsform enthält die DNA-Analyse generell einen Schritt der PCR-Verstärkung und einen Schritt der elektrophoretischen Separation. Der Mikrofluidchip 111 umfasst einen ersten Bereich 111a für die PCR-Verstärkung und einen zweiten Bereich 111b für die elektrophoretische Separation. Des weiteren kann der Mikrofluidchip 111 andere Bereiche aufweisen, die in geeigneter Weise zusammen mit dem ersten Bereich 111a und dem zweiten Bereich 111b integriert sind. In einem Beispiel umfasst der Mikrofluidchip 111 einen Reinigungsbereich, der strömungstechnisch mit dem ersten Bereich 1112 verbunden ist. Der Reinigungsbereich kann verwendet werden, um eine Schablonen-DNA herauszulösen und zu reinigen. Zu beachten ist, dass beliebige geeignete Techniken zum Reinigen der Schablonen-DNA in dem Reinigungsbereich angewendet werden können, etwa Festphasenextraktion, Flüssigphasenextraktion, und dergleichen.
In einem weiteren Beispiel umfasst der Mikrofluidchip 111 einen der PCR nachgeordneten Reinigungs/Verdünnungsbereich, der strömungstechnisch mit dem ersten Bereich 111a und dem zweiten Bereich 111b verbunden ist. Der der PCR nachgeordnete Reinigungs/Verdünngungsbereich kann für einen beliebigen Prozess nach der PCR-Verstärkung und vor der elektrophoretischen Separation verwendet werden.
Der erste Bereich 111a umfasst ein Reservoir, das für PCR-Verstärkung ausgebildet ist. In einer Ausführungsform umfasst der erste Bereich 111a mehrere getrennte Reservoire, um eine gleichzeitige PCR-Verstärkung für mehrere DNA-Proben zu ermöglichen. Die Temperatur im ersten Bereich 111a kann durch das thermische Modul 120 gesteuert werden, so dass die PCR-Verstärkung möglich ist. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erfordert die PCT-Verstärkung auf dem Mikrofluidchip 111 lediglich ein kleines Volumen an Reagenzien, die PCR-Verstärkung kann durch einen schnellen thermischen zyklischen Prozess bzw. Temperaturzyklus erreicht werden. in einem Beispiel ist das Volumen der Reagenzien, die für die PCR-Verstärkung verwendet werden, in der Größenordnung von unter einem Mikroliter, und die für die PCR-Verstärkung erforderliche Zeit kann unter 20 Minuten liegen.
Der zweite Bereich 191b kann mehrere Mikrokanäle aufweisen. Die mehreren Mikrokanäle sind für die elektrophoretische Separation ausgebildet. Insbesondere kann jeder Mikrokanal mit beispielsweise einer Polymersiebmatrix gefüllt werden. Ferner kann ein elektrisches Feld in dem Mikrokanal hervorgerufen werden. Wenn die DNA-Fragmente in dem Mikrokanal eingebracht werden, können somit die DNA-Fragmente auf Grund der von dem elektrischen Feld erzeugten Kraft mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten auf der Grundlage der Größe der DNA-Fragmente entlang wandern.
Des weiteren kann der zweite Bereich 111b so ausgebildet sein, dass die Erkennung von DNA-Fragmenten in der DNA-Analyse ermöglicht wird. In einem Beispiel werden die DNA-Fragmente mit fluoreszierenden Markierungen während des PCR markiert, bevor diese in die Mikrokanäle eingeführt werden. Die fluoreszenten bzw. fluoreszierenden Markierungen können fluoreszente Strahlung mit einer vorbekannten Wellenlänge aussenden, wenn sie mit einem Laserstrahl angeregt werden. Der zweite Bereich 111b enthält ein Detektionsfenster, das für die Detektion ausgebildet ist. Der Laserstrahl kann so gelenkt werden, dass er durch das Detektionsfenster läuft, um damit die fluoreszenten Markierungen in den Mikrokanälen anzuregen. Die ausgesandte fluoreszente Strahlung kann durch das Detektionsfenster dringen, um dann gesammelt und erfasst zu werden.
Der Mikrofluidchip 111 kann zusätzliche Strukturen aufweisen, um die integrierte Einzelchip-DNA Analyse effizient zu gestalten. Beispielsweise kann der Mikrofluidchip 111 Mikrofluidkanäle aufweisen, die die DNA-Fragmente von dem ersten Bereich 111a zu dem zweiten Bereich 111b leiten. Die DNA-Fragmente fließen in einer Lösung durch die Mikrofluidkanäle von dem ersten Bereich 111a zu dem zweiten Bereich 111b. Des weiteren kann der Mikrofluidchip 111 Einlässe zur Aufnahme von Reagenzien und der Schablonen-DNA aufweisen. Der Mikrofluidchip 111 kann ferner weitere Reservoire für zusätzliche Verarbeitungsschritte, etwa für die Verdünnung, das Reinigen, und dergleichen aufweisen.
Der Mikrofluidchip 111 kann aus einem beliebigen geeigneten Material hergestellt sein. In einem Beispiel ist der Mikrofluidchip 111 aus Glas aufgebaut. In einem weiteren Beispiel ist der Mikrofluidchip 111 aus Kunststoff oder Polymermaterial aufgebaut.
Zusätzlich zu dem Mikrofluidchip 111 kann die Wegwerfkassette eine Probenaufnahme und einen Reagenzträger enthalten. In einem Beispiel nimmt die Probenaufnahme einen Tupfer auf, um eine DNA-Probe zu nehmen, etwa aus Speichel, Blutflecken, Zigaretten und dergleichen. Ferner löst die Probenaufnahme eine Schablonen-DNA aus dem Tupfer heraus. Die Probenaufnahme kann unter Anwendung eines beliebigen geeigneten Mechanismus aufgebaut sein, etwa durch Festphasenextraktion, Flüssigphasenextraktion, und dergleichen, um die Schablonen-DNA aus dem Tupfer zu erhalten und/oder aufzubereiten. In einer Ausführungsform wird in der Probenaufnahme eine Festphasen-DNA-Extraktionsprozedur angewendet, etwa eine DNA-Extraktion auf Basis von Siliziumoxidperlen.
In einer weiteren Ausführungsform wird in der Probenaufnahme ein Flüssigphasen-DNA-Extraktionsverfahren angewendet. Das Flüssigphasen-DNA-Extraktionsverfahren kann die Aufbereitung und den Extraktionsprozess vereinfachen und kann die Gesamtkosten der DNA-Analyseeinrichtung 100 verringern. In einem Beispiel wird in der Probenaufnahme ein enzymatisches DNA-Isolationsverfahren angewendet, um die Schablonen-DNA herauszulösen und aufzubereiten. Das enzymatische DNA-Isolationsverfahren kann eine Flüssigphasenaufbereitung bzw. Reinigung erreichen, ohne dass ein Zentrifugieren erforderlich ist. Des weiteren kann die Probenaufnahme in einer beliebigen geeigneten Weise aufgebaut sein, so dass die Probenintegrität bewahrt wird.
Insbesondere kann die Probenaufnahme mehrere separate Gruben bzw. Vertiefungen aufweisen, um beispielsweise Tupfer aufzunehmen. Somit kann die DNA-Analyse gleichzeitig mehrere DNA-Proben verarbeiten. Jede Grube bzw. Vertiefung enthält eine Mischung aus flüssiger Phase, die mittels einer Membran an einem unteren Bereich der Grube abgedichtet ist. Die Mischung aus flüssiger Phase kann eine enzymatische Aufspaltung aller Proteine und anderer zellulärer Störanteile mit Ausnahme der DNA ausführen. Beispielsweise kann die Mischung aus flüssiger Phase temperaturstabile Proteinteile aus thermophilischen Bakteriensorten enthalten, wie dies in der US-Offenlegungsschrift Nr. 200410197788 offenbart ist, wobei diese Schrift somit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme mit eingeschlossen ist. Somit kann die Mischung der flüssigen Phase eine DNA-Extraktion und Aufbereitung ausführen, wenn ein Tupfer in die Mischung der flüssigen Phase eingetaucht wird. Das Verfahren der flüssigen Phase kann eine vergleichbare DNA-Qualität im Vergleich zu anderen Verfahrensarten sowohl in der DNA-Konzentration als auch der Reinheit erreichen. In einem Beispiel liegt eine abschließende DNA-Konzentration des Flüssigphasenverfahrens in einem Bereich von 0,5 bis 2 ng/μL.
Ferner kann unter Anwendung des Flüssigphasenextraktionsverfahrens anstelle des Verfahrens auf der Grundlage von Siliziumoxidfeststoffen die Anforderung im Hinblick auf den gesamten hydraulischen Druck verringert werden, um eine Strömung des Lösungsmittels durch den Mikrofluidchip 111 hervorzurufen. In einer Ausführungsform ermöglicht die Flüssigphasenextraktion einen Aufbau ohne Ventile für den Mikrofluidchip 111. Somit kann die Flüssigphasenextraktion die DNA-Analyseeinrichtung 100 vereinfachen und kann auch die Herstellung und die Prüfschritte in Verbindung mit der Festphasenextraktion vereinfachen.
Bevor eine DNA-Probe entnommen wird, kann ein Tupfer in einem Behälter versiegelt werden, um eine Kontamination zu vermeiden. Der Tupfer kann auf einem Verschlussdeckel anhaften, der den Behälter verschließt. Der Tupfer kann durch diverse Mechanismen gekennzeichnet werden. In einem Beispiel wird ein Strichcode an dem Behälter angebracht, um den Tupfer zu kennzeichnen. In einem weiteren Beispiel ist an dem Verschlussdeckel eine Funkfrequenzerkennungs-(RFID)Markierung integriert. Die RFID-Markierung kann den Tupfer, der an dem Verschlussdeckel angebracht ist, über die ganze Verarbeitung hinweg kennzeichnen. Nachdem der Tupfer zum Nehmen der DNA-Probe verwendet ist, kann der Tupfer in einer der mehreren separierten Vertiefungen angeordnet werden, und kann in der Vertiefung beispielsweise durch den Verschlussdeckel, der an dem Probentupfer angebracht ist, verschlossen werden. In einer Ausführungsform ist der Verschlussdeckel ein stufenartiger Verschlussdeckel, der die Vertiefung bzw. die Grube in einem ersten Schritt und in einem zweiten Schritt versiegelt. Wenn der Verschlussdeckel die Vertiefung in dem ersten Schritt verschließt, führt der Tupfer zu keiner Lochbildung in der Membran. Wenn der Verschlussdeckel die Vertiefung in dem zweiten Schritt versiegelt, durchstößt der Tupfer die Membran und wird in der Mischung der flüssigen Phase eingetaucht. Die Mischung aus flüssiger Phase kann dann die Schablonen-DNA aus dem Tupfer extrahieren.
Der Reagenzträger kann mehrere Reagenzien für de DNA-Analyse aufnehmen, etwa Reagenzien für die Polymerase-Kettenreaktion-(PCR)Verstärkung, für Lösungen für elektrophoretische Separation, und dergleichen. In einem STR-artigen Beispiel enthält der Reagenzienträger Reagenzien für eine STR-Verstärkung in gebündelter Form bzw. in Multiplexverarbeitung. Die Reagenzien können eine gebündelte bzw. Multiplexmodus STR-Verstärkung ausführen und können mehrere fluoreszente Farbstoffe aufweisen, um STR-Allele zu markieren. Reagenzien können kommerziell verfügbare Reagenziensammlungen sein oder können auf die Chipumgebung im Mikromaßstab zugeschneidert sein, um die integrierte Einzelchip-DNA-Analyse zu verbessern.
Des weiteren enthält der Reagenzienträger Losungen, die für die elektrophoretische Separation in der Chipumgebung im Mikromaßstab geeignet sind. Beispielsweise enthält der Reagenzienträger eine Beschichtungslösung, etwa Poly-N-Hydroxylethylacrylamid und dergleichen. Die Beschichtungslösung kann verwendet werden, um die Wände der Mikrokanäle vor der Separation zu beschichten, so dass die elektroosmotische Strömung verringert wird und die Lösung einzelner Basenpaare von verstärkten DNA-Fragmenten ermöglicht wird. In einem weiteren Beispiel enthält der Reagenzienträger eine Verdünnungslösung, etwa Wasser und/oder Formamid und dergleichen. Die Verdünnungslösung kann verwendet werden, um die ionische Stärke der Probe zu reduzieren, so dass eine bessere elektrokinetische Injektion erreicht wird. In einem weiteren Beispiel enthält der Reagenzienträger einen internen Spurstandard (ILS). Der ILS kann für präzise Größenmessungen verwendet werden. Der Reagenzienträger enthält ferner eine Polymerlösung für die elektrophoretische Separation in der Chipumgebung auf Mikroebene. Die Polymerlösung wird als Gel verwendet, um eine physikalische Separation von DNA-Fragmenten gemäß ihrer Kettenlänge zu ermöglichen. Beispielsweise kann die Polymerlösung eine siebende oder nicht siebende Matrix aufweisen, wie dies etwa offenbart ist in den US-Patenten 7,531,073 , 7,399,396 , 7,371,53 , 7,06,414 , 6,811,977 und 6,455,682 , die hierin in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme mit eingeschlossen sind. In einem Beispiel kann eine Polymersiebmatrix verwendet werden, um eine Auflösung einzelner Basen mit einer Gesamtseparation von 8 cm in weniger als 400 Sekunden zu erreichen.
Das thermische Modul 120 empfängt Steuersignale von dem Steuerungsmodul 180 und ruft geeignete Temperaturen für die DNA-Analyse hervor, etwa eine Temperatur für die DNA-Extraktion, für Temperaturzyklen für die PCR-Verstärkung, eine Temperatur für die elektrophoretische Separation, und dergleichen. In einem Beispiel enthält das thermische Modul 130 eine Widerstandsheizung, um eine Temperatur in den Vertiefungen der Probenaufnahme für die DNA-Extraktion und Aufbereitung zu steuern. In einem weiteren Beispiel enthält das thermische Modul 120 eine weitere Widerstandsheizung, um eine Temperatur in dem zweiten Bereich 111b zu steuern.
In einem weiteren Beispiel enthält das thermische Modul 120 eine Heizeinheit, eine Kühleinheit und eine Erfassungseinheit, um die thermischen Zyklen bzw. Temperaturzyklen für die PCR-Verstärkung in dem ersten Bereich 111a hervorzurufen. Die Heizeinheit kann Wärme zu dem ersten Bereich 111a zuführen, die Kühleinheit kann Wärme von dem ersten Bereich 111a abführen und die Erfassungseinheit kann eine Temperatur an bzw. in dem ersten Bereich 111a messen. Das Steuerungsmodul 180 kann die Wärmeeinheit und die Kühleinheit auf der Grundlage der Temperatur, die von der Erfassungseinheit ermittelt wird, steuern.
In einer Ausführungsform führt das thermische Modul 120 eine Temperatursteuerung ohne Kontakt durch. Beispielsweise enthält das thermische Modul 120 eine Infrarotlichtquelle als die Heizeinheit, einen Gebläsekühler als die Kühleinheit und ein Infrarotpyrometer als die Temperaturerfassungseinheit. Die Infrarotlichtquelle, etwa ein Halogenleuchtmittel, kann beispielsweise das 1,3 μm Schwingungsband einer Flüssigkeit anregen. Somit kann die Infrarotlichtquelle ein kleines Volumen der Lösung in einem Reservoir in dem ersten Bereich 111a unabhängig von dem Reservoir erwärmen, um eine rasche Erwärmung und Kühlung zu erreichen. Das Infrarotpyrometer misst die Schwarzkörperstrahlung von außerhalb des Reservoirs. In einem Beispiel ist das Reservoir so gestaltet, dass es eine dünnere Seite für Messungen durch das Infrarotpyrometer besitzt. Die Infrarotpyrometermessungen an der dünneren Seite können in genauerer Weise die Temperatur der Losung innerhalb des Reservoirs wiedergeben. Somit kann die DNA-Analyseeinrichtung 100 eine präzise Temperatursteuerung zusammen mit raschen Temperaturzyklen erreichen. In einem Beispiel kann die DNA-Analyseeinrichtung 100 eine Temperaturschwankung von weniger als ± 0,1 Grad C erreichen und die Zeitdauer eines Temperaturzyklus für die PR-Verstärkung kann weniger als 20 Minuten betragen.
Das Druckmodul 130 empfängt Steuersignale aus dem Steuerungsmodul 180 und übt einen geeigneten Druck auf das Mikrofluidchipmodul 110 aus, um eine Fluidbewegung zu ermöglichen. In einer Ausführungsform empfängt das Druckmodul 130 ein Erfassungssignal, das einen Druck repräsentiert, der auf das Mikrofluidchipmodul 110 ausgeübt wird, und das Modul stellt in geeigneter Weise eine Betriebweise so ein, dass der geeignete Druck auf das Mikrofluidchipmodul 110 beibehalten wird.
Das Druckmodul 130 kann mehrere Pumpen aufweisen. Die mehreren Pumpen steuern das Einbringen der diversen Reagenzien und der Schablonen-DNA-Lösungen in den Mikrofluidchip 111. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung können die mehreren Pumpen individuell gesteuert werden, so dass jeder mögliche Zeitablauf erreicht ist.
Das Druckmodul 130 umfasst ggf. auch andere Komponenten, um die integrierte Chip-DNA-Analyse zu ermöglichen. In einer Ausführungsform besitzt der Mikrofluidchip 111 Membranventile. Das Druckmodul 130 kann ein hydrodynamisches Druck/Vakuum-System aufweisen, um in geeigneter Weise das Schließen und das Öffnen der Membranventile zu steuern, so dass eine Fluidbewegung durch den Fluidchip 111 möglich ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Mikrofluidchip 111 ohne Ventile vorgesehen. Beispielsweise wird in der DNA-Analyseeinrichtung 100 eine Flüssigphasen-DNA-Extraktion anstelle einer Festphasen-DNA-Extraktion auf Grundlage von Siliziumoxid ausgeführt wird. Die Flüssigphasen-DNA-Extraktion kann zusammen mit nachfolgenden DNA-Prozessen auf einem ventillosen Mikrofluidchip implementiert sein. Somit ist das hydrodynamische Druck/Vakuumsystem nicht nötig. Das Druckmodul 130 kann vereinfacht werden, um die Fläche, das Gewicht, die Kosten und die Komplexität der DNA-Analyseeinrichtung 100 zu verringern.
Das Leistungsmodul 160 empfängt die Betriebsleitung, und erzeugt diverse Betriebsspannungen für diverse Komponenten der DNA-Analyseeinrichtung 100. In einem Beispiel wird die DNA-Analyseeinrichtung 100 unter Anwendung eines modularen Aufbaus eingerichtet. Jedes Modul der DNA-Analyseeinrichtung 100 erfordert eine Betriebsspannung, die sich von anderen Modulen unterscheiden kann. Das Leistungsmodul 160 bezieht eine Wechselstromeingangsleistung, etwa 100 bis 240 Volt, 50 bis 60 Hz, mit einer einzelnen Phase, wobei diese Leistung aus einem Leistungsausgang bezogen wird. Das Leistungsmodul 160 erzeugt dann 5 Volt, 12 Volt, 24 Volt und dergleichen, um die Betriebsspannungen für die diversen Komponenten der DNA-Analyeeinrichtung 100 bereitzustellen.
Des weiteren erzeugt das Leistungsmodul 160 hohe Spannungen, etwa 1000 Volt, 2000 Volt, und dergleichen, für geeignete DNA-Prozesse auf dem Mikrofluidchip 111, etwa für die elektrokinetische Injektion, für die elektrophoretische Separation und dergleichen.
Ferner können in dem Leistungsmodul 160 diverse Schutzmechanismen integriert sein, etwa Leistungs- oder Überspannungsschutz, Leistungsbegrenzung, und dergleichen, um die diversen Komponenten und Daten im Hinblick auf einen Leistungsausfall zu schützen. Zu beachten ist, dass das Leistungsmodul 160 auch eine Notversorgung, etwa ein Batteriemodul, aufweisen kann, um beispielsweise ein kontrolliertes bzw. allmähliches Abschalten zu ermöglichen.
Das Hochspannungsmodus 140 empfängt hohe Spannungen von dem Leistungsmodul 160 und führt in geeigneter Weise hohe Spannungen dem Mikrofluidchip 111 zu. Beispielsweise enthält das Hochspannungsmodul 140 Schnittstellen, die hohe Spannungen geeigneten Elektroden auf dem Mikrofluidchip 111 zuführen, so dass eine elektrokinetische Injektion und/oder eine elektrophoretische Separation hervorgerufen werden.
Das Injektionsmodul 150 enthält Komponenten, die ausgebildet sind, um die integrierte Einzelchip-DNA-Analyse zu ermöglichen. In einer Ausführungsform ist das Detektionsmodul 150 ausgebildet, um eine Mehrfarbenfluoreszenzerfassung zu ermöglichen. Das Detektionsmodul 150 enthält eine Lasereinheit, eine Gruppe aus Optiken und eine Detektoreinheit.
Die Lasereinheit sendet einen Laserstrahl aus. In einem Beispiel enthält die Lasereinheit eine Argonionenlasereinheit. In einem weiteren Beispiel enthält die Lasereinheit einen Festkörperlaser, etwa eine kohärente Saphirhalbleiterlasereinheit, die optisch gepumpt ist. Die Festkörperlasereinheit besitzt den Vorteil einer geringen Größe, eines geringen Gewichts und einer niedrigen Leistungsaufnahme.
Die Gruppe aus Optiken kann einen Laserstrahl so lenken, dass dieser das Detektionsfenster an dem zweiten Bereich 111b des Mikrofluidchips 111 durchläuft. Der Laserstrahl kann fluoreszente Markierungen, die an den DNA-Fragmenten anhaften, zum Aussenden der fluoreszenten Strahlung anregen. Ferner kann die Gruppe aus Optiken die ausgesandte fluoreszente Strahlung einsammeln und zu der Detektoreinheit lenken, so dass die Strahlung dort erfasst wird, in einem STR-aritgen Beispiel werden STR-Allele in dem zweiten Bereich 111b gemäß ihrer Größe getrennt. STR-Allele mit unterschiedlicher Größe treten durch das Detektionsfenster zu unterschiedlichen Zeiten. Des weiteren können STR-Allele mit überlappender Größe mit fluoreszenten Markierungen unterschiedlicher Farbe markiert werden. Die Detektoreinheit kann so ausgebildet sein, dass diese ein STR-Allele mit einer fluoreszenten Markierung auf der Grundlage des Zeitpunkts, an welchem die fluoreszente Strahlung von dem fluoreszenten Markierung ausgesandt wurde, und auf der Grundlage einer Farbe der emittierten fluoreszenten Strahlung erfasst.
In einem weiteren Beispiel wird ein interner Spurstandard (ILS) zugeführt, um in dem Mikrokanal zusammen mit den STR-Allele zu wandern. Der ILS enthält DNA-Fragmente bekannter Größe und kann mit einem vorbestimmten fluoreszenten Farbmittel markiert werden. Die Detektoreinheit erfasst die von dem ILS ausgesandte fluoreszente Strahlung, um damit einen Größenmaßstab einzurichten. Des weiteren erfasst die Detektoreinheit die fluoreszente Strahlung, die von dem STR-Allele ausgesendet wird. Die Detektoreinheit kann in geeigneter Weise die erfasste fluoreszente Strahlung in elektrische Signale umwandeln. Die elektrischen Signale können in geeigneter Weise gespeichert und/oder analysiert werden. In einem Beispiel führt ein Prozessor DNA-Analysesoftware Befehle aus, um die STR-Allele auf Grund ihrer Größe und der emittierten fluoreszenten Farben (Wellenlängen) zu identifizieren.
Das Rechenmodul 170 umfasst Rechen- und Kommunikationseinheiten. In einem Beispiel enthält das Rechenmodul 170 einen Personalcomputer. Der Personalcomputer kann mit dem Steuerungsmodul 180 verbunden sein, so dass eine Anwenderschnittstelle bereitgestellt wird. Die Anwender bzw. Nutzerschnittstelle kann über den Status der DNA-Analyseeinrichtung 100 Auskunft geben und kann Anwenderbefehle empfangen, um den Betrieb der DNA-Analyseeinrichtung 100 zu steuern. Der Personalcomputer enthält diverse Speichermedien, um Softwarebefehle und Daten zu speichern. Der Personalcomputer kann eine DNA-Analysesoftware aufweisen, die eine Datenverarbeitung auf der Grundlage von Rohdaten ausführt, die von dem Detektionsmodul 150 erhalten werden. Des weiteren kann der Personalcomputer mit externen Verarbeitungseinheiten, etwa einer Datenbank, einem Serverrechner und dergleichen verbunden sein, um die von der DNA-Analyseeinrichtung 100 erhaltenen Daten noch weitere zu verarbeiten.
Das magnetische Modul 190 kann eine magnetische Festphase für integrierte Einzelchip-DNA-Analyse bereitstellen. In einer Ausführungsform kann die magnetische Festphase in geeigneter Weise in die integrierte Einzelchip-DNA-Analyse eingebaut werden, um eine Volumenverringerung zu ermöglichen, so dass einer geringen Anzahl an Kopien der Schablonen-DNAs Rechnung getragen wird. In einer weiteren Ausführungsform kann die magnetische Phase in geeigneter Weise in die integrierte Einzelchip-Sequenzen-DNA-Analyse eingebaut werden.
Das Steuerungsmodul 180 empfängt Status- und Rückkopplungssignale von den diversen Komponenten und liefert Steuersignale zu den diversen Komponenten entsprechend dem Steuerungsablauf. Im Weiteren kann das Steuerungsmodul 180 die Statussignale beispielsweise dem Personalcomputer zuleiten, um damit den Anwender zu informieren. Ferner kann das Steuerungsmodul 180 Anwenderbefehle aus dem Personalcomputer empfangen und kann die Steuersignale den diversen Komponenten auf Grundlage der Anwenderbefehle zuleiten.
Während des Betriebs empfängt das Steuerungsmodul 180 Anwenderbefehle von dem Personalcomputer, um beispielsweise eine STR-artige Analyse auszuführen. Das Steuerungsmodul 180 überwacht sodann das Mikrofluidchipmodul 110, um zu prüfe, ob eine geeignete Wegwerfkassette installiert ist, und ob Tupfer erkannt worden sind und in geeigneter Weise in die Mischung der flüssigen Phase eingebracht sind, um eine Schablonen-DNA zu extrahieren. Wenn das Steuerungsmodul 180 den korrekten Status in dem Mikrofluidchipmodul 110 bestätigt, beginnt das Steuerungsmodul 180 eine Steuerungsprozedur, die der STR-artigen Analyse entspricht. In einem Beispiel kann das Steuerungsmodul 180 das thermische Modul 120 so steuern, dass eine geeignete Temperatur in den Vertiefungen der Probenaufnahme für eine vorbestimmte Zeit beibehalten wird. Die Mischung der flüssigen Phase in den Vertiefungen kann somit Schablonen-DNAs aus den Tupfern extrahieren. Anschließend kann das Steuerungsmodul 180 das Druckmodul 130 ansteuern, so dass die extrahierten Schablonen-DNAs in den ersten Bereichs 111a des Mikrofluidchips 111 gepumpt werden. Des weiteren kann das Steuerungsmodul 180 das Druckmodul 120 ansteuern, so dass Reagenzien für eine Multiplex-STR-Verstärkung in den ersten Bereich 111a gepumpt werden.
Ferner kann das Steuerungsmodul 180 das thermische Modul 120 ansteuern, um einen Temperaturzyklus für die Multiplex-STR-Verstärkung in dem ersten Bereich 111a hervorzurufen. Die Reagenzien und der Temperaturzyklus bewirken eine DNA-Verstärkung. Des weiteren können die DNA-Proben mit fluoreszenten Markierungen in geeigneter Weise markiert werden.
Nachfolgend kann das Steuerungsmodul 180 das Druckmodul 180 ansteuern, so dass die DNA-Verstärkungsproben zu dem zweiten Bereich 111b fließen. Das Steuerungsmodul 180 kann das Druckmodul 130 ansteuern, so dass eine Verdünnungslösung in den Mikrofluidchip 111 strömt, um die DNA-Verstärkungsproben zu mischen. Des weiteren kann das Steuerungsmodul 180 das Druckmodul 130 ansteuern, um einen ILS in den Mikrofluidchip 111 zum Mischen der DNA-Verstärkungsproben zu pumpen.
Ferner steuert das Steuerungsmodul 180 das Hochspannungsmodul 140 an, um eine elektrokinetische Injektion hervorzurufen, so dass DNA-Fragmente in die Mikrokanäle eingebracht werden. Die DNA-Fragmente enthalten die verstärkten Proben und den ILS. Anschließend steuert das Steuerungsmodul 180 das Hochspannungsmodul 140 so an, dass eine elektrophoretische Separation in den Mikrokanälen hervorgerufen wird. Des weiteren kann das Steuerungsmodul 180 das thermische Modul 120 so ansteuern, dass eine geeignete Temperatur in dem zweiten Bereich 111b während der Separation beibehalten wird, um beispielsweise die Temperatur für die Denaturierungsseparation der DNA-Fragmente beizubehalten.
Das Steuerungsmodul 180 steuert dann das Detektionsmodul 150, um die markierten DNA-Fagmente zu erfassen. Des Detektionsmodul 150 kann einen Laserstrahl aussenden und diesen auf die Mikrokanäle lenken, so dass die fluoreszenten Markierungen zum Aussenden von fluoreszenter Strahlung angeregt werden. Des weiteren kann das Detektionsmodul 150 die ausgesandte fluoreszente Strahlung erfassen und Detektionsdaten in einem Speicher ablegen. Die Detektionsdaten können eine Detektionszeit und eine erfasste Farbe (Wellenlänge) zusammen mit einer erfassten Intensität, etwa einer relativen Größe der erfassten fluoreszenten Strahlung, beinhalten. Die Detektionsdaten können zur Speicherung an den Personalcomputer übertragen werden. Des weiteren kann das Steuerungsmodul 180 den Steuerungsstatus an den Personalcomputer übertragen, um den Anwender zu informieren. Beispielsweise kann das Steuerungsmodul 180 einen „Analyse beendet”-Status an den Personalcomputer senden, wenn die Steuerungsprozedur abgeschlossen ist.
Die DNA-Analyseeinrichtung 100 ist in geeigneter Weise ausgebildet, um diverse DNA-Analysen auszuführen, indem die in dem Reagenzienträger enthaltenen Reagenzien und der Steuerungsablauf, der von dem Steuerungsmodul 180 ausgeführt wird, in geeigneter Weise eingestellt werden.
2a zeigt ein Beispiel eines Tupferbehälters 212 und die 2b bis 2c zeigen eine Seitenansicht bzw. eine Frontansicht eines Beispiels einer Probenkassette 215 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Tupferspeicher bzw. Behälter 212 enthält eine Gehäuse 203, einen Verschlussdeckel 202 und einen Tupfer 205. Der Verschlussdeckel 202 und der Tupfer 205 sind aneinander befestigt. Des weiteren umfasst der Tupferspeicher 212 eine Kennung, etwa eine Strichcodemarkierung 204, die an dem Gehäuse 203 angebracht werden kann, eine RFD-Markierung 201, in dem Verschlussdeckel 202 enthalten sein kann, und dergleichen.
Vor dem Nehmen der DNA-Probe ist der Tupfer 205 sicher in dem Gehäuse 203 untergebracht, so dass eine Kontamination vermieden wird. Nach dem Nehmen der DNA-Probe kann der Tupfer 205 in der Probenkassette 205 angeordnet werden.
Die Probenkassette 215 kann einen Mikrofluidchip 211, eine Probenaufnahme 207 und einen Reagenzienträger 206 aufweisen. Die Probenaufnahme 207 enthält mehrere separierte Gruben bzw. Vertiefungen 207a bis 207d, um die Tupfer aufzunehmen. Jede Grube bzw. jede Vertiefung enthält eine Mischung aus flüssiger Phase 214, die von einer Membran 208 an einem unteren Bereich der Vertiefung versiegelt ist. Die Mischung aus flüssiger Phase 214 kann eine enzymatische Aufspaltung aller Proteine und anderer zellulärer Störmaterialien mit Ausnahme der DNA ausführen, und kann somit eine DNA-Extraktion und Aufbereitung ausführen, wenn ein Tupfer mit einer DNA-Probe in der Mischung aus flüssiger Phase 214 eingeführt wird.
Obwohl die Probenkassette 215 im Zusammenhang mit Tupfer beschrieben ist, sollte beachtet werden, dass die Probenkassette 215 in geeigneter Weise eingerichtet werden kann, um auch anderen DNA-Sammelverfahren gerecht zu werden, etwa in Form von Karten mit Blutflecken, Luftproben, Fingerabdruckproben, und dergleichen.
In einer Ausführungsform ist der Verschlussdeckel 202 ein stufiger Verschlussdeckel, der die Vertiefungen in einem ersten Schritt und in einem zweiten Schritt versiegeln kann. Wenn der Verschlussdeckel 202 die Vertiefung in dem ersten Schritt verschließt, durchbohrt der Tupfer 205 die Membran 208 nicht, und kann dabei sicher in der Vertiefung eingeschlossen werden, um die Probenintegrität zu bewahren. Wenn der Verschlussdeckel 202 die Vertiefung in dem zweiten Schritt versiegelt, durchstößt der Tupfer 205 die Membranen 208 und taucht in die Mischung der flüssigen Phase 214 ein.
Der Reagenzienträger 206 enthält diverse Lösungen für die DNA-Analyse. In einer STR-artigen Analyse enthält der Reagenzienträger Reagenzien für eine gebündelte STR-Verstärkung bzw. eine Multiplex-STR-Verstärkung. Des weiteren enthält der Reagenzienträger eine Beschichtungslösung, etwa Poly-N-Hydroxyethylacralamid, und dergleichen. Die Beschichtungslösung kann verwendet werden, um Wände der Mikrokanäle vor der Separation zu beschichten. Ferner kann der Reagenzienträger eine Verdünnungslösung, etwa Wasser, Formamid, und dergleichen, aufweisen. Die Verdünnungslösung kann verwendet werden, um die ionische Stärke zu reduzieren, so dass eine bessere elektrokinetische Injektion erreicht wird. In einer Ausführungsform enthält der Reagenzienträger einen internen Spurstandard (ILS). Der ILS kann für Größenmessungen verwendet werden. Der Reagenzienträger enthält ferner eine Polymerlösung für die elektrophoretische Separation in der Chipumgebungmikroebene.
Während des Betriebs wird beispielsweise eine neue Wegwerfkassette 215 aus einer Aufbewahrungspackung genommen und wird in einer DNA-Analyseeinrichtung, etwa der DNA-Analyseeinrichtung 100, installiert. Anschließend wird ein Tupfer 205 verwendet, um eine DNA-Probe zu nehmen. Der Tupfer 205 wird dann gekennzeichnet und in eine der Vertiefungen 207a bis 207d eingeführt und in dem ersten Schritt verschlossen. Zusätzliche Tupfer 205 können verwendet werden, um DNA-Proben zu nehmen, und diese werden dann gekennzeichnet und in die nicht benutzten Vertiefungen 207a bis 207d eingeführt. Des weiteren kann die DNA-Analyseeinrichtung 100 einen Mechanismus enthalten, der die Verschlussdeckel 202 anschieben kann, um die Vertiefungen 207a bis 207d in dem zweiten Schritt zu versiegeln, so dass die Tupfer 205 die Membran 208 durchstoßen können und somit in die Mischung der flüssigen Phase 214 eintauchen.
3 zeigt eine schematische Ansicht eines beispielhaften Mikrofluidchips 311 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Mikrofluidchip 311 umfasst diverse Mikrostrukturen, etwa Einlässe 312 bis 314, Reaktionsreservoire 315 bis 316, Kanäle 317a bis 317b, Elektrodenreservoire 318, Auslässe (nicht gezeigt) und dergleichen, die integral bereitgestellt sind für eine Einzelchip-DNA-Analyse. Zu beachten ist, dass die diversen Mikrostrukturen so gestaltet und integriert sein können, dass sie diversen DNA-Analysen Rechnung tragen, etwa eine STR-artigen Analyse, der Sequenzierung, und dergleichen.
Die Einlässe 312 bis 314 können mit einem Druckmodul verbunden sein, um Lösungen in dem Mikrofluidchip 311 einzubringen. Wie zuvor beschrieben ist, kann die Verbindung über eine Mikro-Makroschnittstelle bewerkstelligt werden. in einem Beispiel dient der Einlass 312 für das Einführen einer Schablonen-DNA-Lösung aus einer Vertiefung der Probenaufnahme 207, und der Einlass 313 dient für das Einführen von PCR-Reagenzien aus dem Reagenzienträger 206. Des weiteren kann der Einlass 313 verwendet werden, um eine Verdünnungslösung und den ILS aus dem Reagenzienträger 206 einzuführen.
Die Reaktionsreservoire 315 bis 316 sind für diverse Zwecke ausgebildet. In einem Beispiel ist das Reaktionsreservoir 315 für die PCR-Verstärkung ausgebildet, und das Reaktionsreservoir 316 ist für PCR-nachgeordnete Prozesse, etwa Verdünnung, und dergleichen, ausgebildet. Insbesondere ist das Reaktionsreservoir 215 in einem ersten Bereich 311a angeordnet, der ein Temperatursteuerungsbereich ist. Die Temperatur in dem Temperatursteuerungsbereich 311a kann in genauer Weise eingestellt werden. In einem Beispiel führt eine Infrarotheizeinheit Wärme dem Temperatursteuerbereich 311 zu, ein Lüfter führt Wärme aus dem Temperatursteuerbereich 311a, und eine Infraroterfassungseinheit misst eine Temperatur in dem Temperatursteuerbereich 311a. Die Infrarotheizeinheit und der Lüfter können auf der Grundlage der Temperatur gesteuert werden, die von der Infraroterfassungseinheit gemessen wird. Die Infrarotheizeinheit, das Kühlergebläse und die Infraroterfassungseinheit können eine thermische Steuerung ohne Kontakt zu dem Temperatursteuerbereich 311a ausführen.
In einem weiteren Beispiel wird die Temperatur in dem Temperatursteuerbereich 311a durch eine thermische Ankoppeltechnik gemessen. Insbesondere enthält der Mikrofluidchip 311 ein thermisches Kopplungsreservoir 319 innerhalb des ersten Bereichs 311a. Somit sind Temperatur der Lösung in dem Reaktionsreservoir 315 und in den thermischen Kopplungsreservoir 319 miteinander verbunden. Die Temperatur der Losung in dem thermischen Kopplungsreservoir 319 kann mittels einer geeigneten Technik gemessen werden. Auf Grund der gemessenen Lösungstemperatur in dem thermischen Kopplungsreservoir 319 kann die Temperaturlösung in dem Reaktionsreservoir 315 bestimmt werden, Sodann können die Infrarotheizeinheit und das Kühlergebläse auf der Grundlage der Temperatur gesteuert werden, die durch thermische Koppeltechnik ermittelt wurde, um damit die Temperatur der Lösung in dem Reaktionsreservoir 215 zu steuern.
In einer Ausführungsform wird nach der PCR-Verstärkung die PCR-Mischung strömungsmäßig von dem Reaktionsreservoir 315 zu dem der PCR nachgeordneten Reinigungs/Verdünnungsbereich, etwa zu dem Reaktionsreservoir 316, zugeleitet, In dem Reaktionsreservoir 316 wird die PCR-Mischung verdünnt. In einem Beispiel werden die PCR-Mischung und eine Verdünnungslösung miteinander gemischt gemäß einem Verhältnis von 1:5 bis 1:20 (ein Teil an PCR-Mischung zu 5 bis 20 Teilen aus Verdünnung). Ferner kann ein ILS in dem Reaktionsreservoir 316 hinzugefügt werden, so dass dieser mit der PCR-Mischung gemischt wird.
Die Kanäle 317a bis 317b sind in einem zweiten Bereich 311b angeordnet. Es können elektrische Felder in geeigneter Weise an die Kanäle 317a, 317b angelegt werden. In einem Beispiel sind die Kanäle 317a bis 317b entsprechend einem T-Querträgerformat ausgebildet, das einen kurzen Kanal 317a und einen langen Kanal 317b aufweist.
Die Elektrodenreservoirs 318 können verwendet werden, um geeignete elektrische Felder über dem kurzen Kanal 317a und dem langen Kanal 317b zu erzeugen. Somit ist der kurze Kanal 317a für die elektrokinetische Injektion und der lange Kanal 317b ist für die elektrophoretische Separation ausgebildet. Wenn beispielsweise eine hohe Spannung an dem kurzen Kanal 317a angelegt wird, werden DNA-Fragmente von dem Reaktionsreservoir 316 in den kurzen Kanal 317a am Schnittpunkt zwischen dem kurzen Kanal 317a und dem langen Kanal 317b eingeführt. Der lange Kanal 317b kann mit einer siebenden Matrix gefüllt sein. Wenn eine hohe Spannung an den langen Kanal 317b angelegt wird, können die eingeprägten DNA-Fragmente in dem langen Kanal 317b zu der positiven Seite des elektrischen Felds, das durch die hohe Spannung hervorgerufen wird, in Anwesenheit der siebenden Matrix wandern. In einem Beispiel beträgt die Länge des langen Kanals 317b ungefähr 8,8 cm, wobei die Erfassung ungefähr 8 cm von dem Kreuzungsbereich stattfindet.
Es sollte beachtet werden, dass der Mikrofluidchip 311 andere Strukturen aufweisen kann, um die DNA-Analyse zu unterstützen. In einem Beispiel umfasst der Mikrofluidchip 311 eine Justiermarke 321. Die Justiermarke 321 kann für ein Detektionsmodul behilflich sein, um den langen Kanal 317b zu justieren.
Während des Betriebs wird beispielsweise über den Einlass eine Schablonen-DNA in das Reaktionsreservoir 315 eingebracht und der Einlass 313 dient dazu, um PCR-Reagenzien in das Reaktionsreservoir 315 einzuführen. Anschließend kann der Temperaturzyklus in dem ersten Bereich 311a hervorgerufen werden, und es wird eine PCR-Verstärkung in dem Reaktionsreservoir 315 ausgeführt, um DNA-Fragmente auf der Grundlage der Schablonen-DNA und der PCR-Reagenzien zu verstärken. Nach der PCR-Verstärkung werden die DNA-Verstärkungsproben in dem Reaktionsreservoir 315 in das Reaktionsreservoir 316 durch eine Flüssigkeitsströmung transportiert. In dem Reaktionsreservoir 316 können eine Verdünnungslösung und ein ILS zur Mischung mit den DNA-Fragmenten eingeführt werden. Die DNA-Fragmente in dem Reaktionsreservoir 316 können über den kurzen Kanal 317a durch elektrokinetische Injektion eingeführt werden. Die DNA-Fragmente können dann in dem langen Kanal 317b unter dem Einfluß der Kraft des elektrischen Felds, welches über dem langen Kanal 317b angelegt ist, wandern. Die Geschwindigkeit der Wanderung hängt von der Größe der DNA-Verstärkungsproben in Anwesenheit der siebenden Matrix ab. Somit können die DNA-Fragmenten in dem langen Kanal 317b entsprechend ihrer Größen separiert werden.
4 zeigt eine anschauliche DNA-Analyseeinrichtung 400 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die DNA Analyseeinrichtung 400 ist in einem Gehäuse untergebracht. Das Gehäuse enthält Griffe, Räder und dergleichen, um den Transport der DNA-Analyseeinrichtung 400 zu erleichtern. In einer Ausführungsform beträgt das Gesamtgewicht der DNA-Analyseeinrichtung 400 weniger als 70 lb und ist somit geeignet, dass die Einrichtung von zwei Personen getragen wird.
Die DNA-Analyseeinrichtung 400 ist in modularer Bauweise eingerichtet. Jedes Modul kann individuell in ein Gehäuse eingebracht sein und besitzt eine Schnittstelle, so dass die Module miteinander gekoppelt werden. Somit kann jedes Modul in einfacher Weise entfernt und ersetzt werden. Der modulare Aufbau erleichtert den Zusammenbau, die Fehlererkennung, die Reparatur und dergleichen.
Die DNA-Analyseeinrichtung 400 enthält ein Anwendermodul (UM) 410, ein aktives Druckmodul (APM) 430, ein Detektionsmodul 450, ein Leistungsmodul (PM) 460, ein Rechenmodul 470 und ein Steuerungsmodul (CM) 480. Des weiteren enthält die DNA-Analyseeinrichtung 400 einen Probenkassettenbehälter 415 und Tupferbehälter 412.
Das UM 410 enthält eine Halterung, um eine Probekassette, etwa die Probenkassette 215, an einer geeigneten Position zu halten, wenn die Probenkassette durch den Anwender eingeführt wird. Ferner umfasst das UM 410 Schnittstellenkomponenten, um die Probenkassette 215 mit beispielsweise dem APM 430, dem Detektionsmodul 450 und dergleichen zu verbinden. Das UM 410 enthält thermische Komponenten, etwa Widerstandsheizungen 421, ein Kühlergebläse 422, eine Infrarotheizeinheit 423 und dergleichen. Die thermischen Komponenten können in geeigneter Weise entsprechend der Probenkassette 215 angeordnet werden. Beispielsweise ist eine Widerstandsheizung 421 an einer Position angeordnet, die in wirksamer Weise eine Steuerung der Temperatur der Mischung der flüssigen Phase innerhalb der mehreren separierten Vertiefungen auf der Probenkassette 215 ermöglich. Die Temperatur kann so bestimmt werden, dass Enzymaktivitäten der Mischungen der flüssigen Phase optimiert werden, so dass eine enzymatische Aufspaltung aller Proteine und anderer zellulärer Störmaterialien mit Ausnahme der DNA erfolgt. Eine weitere Widerstandsheizung 421 ist an einer Position angeordnet, in der effizient eine Temperatur des Separationskanals auf dem Mikrofluidchip 211 gesteuert werden kann. Die Infrarotheizeinheit ist an einer Position, an der Wärme zu dem Temperatursteuerbereich des Mikrofluidchip 211 auf der Probenkassette 215 geführt werden kann. Das Kühlergebläse ist an einer Position, in der wirksam Wärme von dem Temperatursteuerbereich angeführt werden kann. Ferner umfasst das UM 410 ein Hochspannungsmodul, das geeignete Hochspannung über die Elektrodenreservoire des Mikrofluidchips 211 bereitstellen kann.
Zu beachten ist, dass das UM 410 auch andere geeignete Komponenten aufweisen kann. in einer Ausführungsform enthält das UM 410 ein magnetisches Modul, das in geeigneter Weise eine magnetische Steuerung eines Bereichs des Mikrofluidchips bewerkstelligen kann.
Das APM 430 enthält geeignete Komponenten, etwa Pumpen, Vakuumbereiche und dergleichen, um geeignete Drücke dem Mikrofluidchip 211 zur Ermöglichung einer Fluidbewegung zuzuführen.
Das PM 460 empfängt eine Eingangshauptleistung und erzeugt diverse Betriebsspannungen, etwa 6 V, 12 V, 24 V, 1000 V, 2000 V und dergleichen, für die diversen Komponenten der DNA-Analyseeinrichtung 400.
Das Detektionsmodul 450 kann ein Lasermodul (LM) 451, ein passives Optikmodul (POM) 452 und eine aktives Optikmodul (AOM) 453 aufweisen. Das LM 451 enthält eine geeignete Einrichtung, um einen Laserstrahl auszusenden. In einer Ausführungsform umfasst das LM 451 einen Argonionenlaser. In einem weitere Beispiel enthält das LM 451 einen Diodenlaser. In einer weiteren Ausführungsform umfasst das LM 451 einen Festkörperlaser, etwa einen optisch gepumpten kohärenten Saphirfestkörperlaser. Der Festkörperlaser kann eine reduzierte Größe und Gewicht aufweisen und verbraucht gegebenenfalls weniger Leistung als der Argonionenlaser. Des weiteren erzeugt der Festkörperlaser weniger Abwärme, so dass die Kühlergröße verringert werden kann, um damit die Größe der DNA-Analyseeinheit 400 zu verringern.
Das AOM 453 enthält optische Elemente, die im Hinblick auf jeden eingefügten Mikrofluidchip eingestellt werden müssen. In einem Beispiel enthält das AOM 453 mehrere Glasfasern, die entsprechend mit mehreren Separationskanälen auf dem Mikrofluidchip gekoppelt sind. Die mehreren Glasfasern können entsprechend Laserstrahlen zu den mehreren Separationskanälen bereitstellen, um damit eine fluoreszente Emission anzuregen. Des weiteren können die mehreren Glasfasern die ausgesandte fluoreszente Strahlung aus den mehreren Separationskanälen zurückführen.
Das POM 452 enthält diverse optische Elemente, etwa Linsen, Teller, Photodetektoren und dergleichen, die nicht im Hinblick auf jeden eingefügten Mikrofluidchip angepaßt werden müssen. In einem Beispiel wird das POM 452 in Bezug auf das LM 451 und das AOM 453 kalibriert und eingestellt, wenn das Detektionsmodul 450 zusammengefügt wird. Sodann sind die optischen Elemente innerhalb des POM 452 an relativ fixierten Positionen angeordnet, und es muss keine Einstellung im Hinblick auf jeden eingefügten Mikrofluidchip erfolgen.
Das Steuerungsmodul 480 ist mit den diversen Komponenten der DNA-Analyseeinrichtung 400 verbunden, um Steuersignale für die DNA-Analyse bereitzustellen. Das Steuerungsmodul 480 enthält eine Steuerungsprozedur, die die Abläufe und die zeitliche Koordination der Steuersignal bestimmt.
Das Rechenmodul 470 ist als ein Personalcomputer eingerichtet. Der Personalcomputer umfasst einen Prozessor, einen Speicher mit geeigneter Software, eine Tastatur, eine Anzeige und eine Kommunikationsschnittstelle. Das Rechenmodul 470 kann eine Anwenderschnittstelle bereitstellen, um die Steuerung durch den Anwender zu vereinfachen und um die DNA-Analyse, die von der DNA-Analyseeinrichtung 400 durchgeführt wird, zu überwachen.
5 zeigt ein Flussdiagramm, in dem ein anschaulicher Prozess zur Verwendung einer DNA-Analyseeinrichtung, etwa der DNA-Analyseeinrichtung 400, dargestellt ist, so dass eine DNA-Analyse gemäß einer Ausführungsform der Erfindung durchgeführt wird. Der Prozess beginnt bei S501 und geht zu S510 weiter.
Bei S510 verbindet ein Anwender die DNA-Analyseeinrichtung 400 mit einer Hauptleistungsversorgung. In einer Ausführungsform kann die Hauptleistungsversorgung eine 110-V-60-Hz-Wechselspannung sein, oder diese kann eine 220-V-50-Hz-Wechselspannung sein. Das Leistungsmodus 460 wandelt die Hauptleistung in mehrere Betriebsspannungen um, und stellt die mehreren Betriebsspannungen den diversen Modulen der DNA-Analyseeinrichtung 400 zu Verfügung. Dann geht der Prozess weiter zum Schritt S515.
Bei S515 schaltet der Anwender eine Anwendungssteuerungsschnittstelle ein, beispielsweise schaltet der Anwender den Personalcomputer 470 ein und initiiert ein Softwarepaket, das mit dem Anwender und dem Steuerungsmodul in Wechselwirkung tritt. Das Softwarepaket ermöglicht es dem Personalcomputer 470, eine Anwendersteuerungsschnittstelle auf der Anzeige bereitzustellen. Ferner ermöglicht das Softwarepaket es dem Personalcomputer 470, Anwenderbefehle über Tastatur oder die Maus zu empfangen. Das Softwarepaket kann ferner den Personalcomputer 470 in die Lage versetzen, mit dem Steuerungsmodul 480 in Verbindung zu treten. Danach geht der Prozess zum Schritt S520 weiter.
Bei S520 weist der Anwender die DNA-Analyseeinrichtung 400 an, eine Initialisierung vorzunehmen. Die Anwendersteuerungsschnittstelle empfängt den Initialisierungsbefehl und das Softwarepaket ermöglicht es dem Personalcomputer 470, den Initialisierungsbefehl zu dem Steuerungsmodul 480 zu senden. Das Steuerungsmodul 480 kann dann die diversen Komponenten der DNA-Analyseeinrichtung 400 initialisieren. Beispielsweise kann das Steuerungsmodul 480 die diversen Komponenten einschalten, den Status überprüfen und bei Bedarf den Status zurücksetzen. Danach geht der Prozess zu S525 weiter.
Bei S525 fügt der Anwender eine Probenkassette 215 in das UM 410 ein. Die Probenkassette kann durch eine Halterung positioniert werden. Die Schnittstellenkomponenten koppeln in geeigneter Weise die Probenkassette 215 mit anderen Komponenten der DNA Analyseeinrichtung 400. Danach geht der Prozess zu S530 weiter.
Bei S530 nimmt der Anwender einen Tupfer 205 und lässt die DNA-Analyseeinrichtung 400 den Tupfer kennzeichnen. In einem Beispiel enthält die DNA-Analyseeinrichtung 400 eine Strichcodeleseeinrichtung, die die Strichcode 204, die an dem Gehäuse 203 zur Aufnahme des Tupfers 205 angebracht ist, ausliest. In einem weiteren Beispiel aktiviert die DNA-Analyseeinrichtung 400 die RFID 201, die in dem Verschlußdeckel des Tupfers 205 enthalten ist, um eine einzigartige Seriennummer der Tupfers 205 zu erhalten. Danach geht der Prozess zu S535 weiter.
Bei S535 verwendet der Anwender den Tupfer 205 um eine DNA-Probe zu nehmen und führt den Tupfer 205 in eine Vertiefung der Probenkassette 215 ein. Der Anwender kann die Schritte S530 und S535 wiederholen, um mehrere Tupfer 205 in getrennte Vertiefungen der Probenkassette einzuführen. Danach geht der Prozess zu S540 weiter.
Bei S540 weist der Anwender die DNA-Analyseeinrichtung 400 an, eine DNA-Analyse zu beginnen. Die Anwendersteuerungsschnittstelle empfängt den Startbefehl und das Softwarepaket ermöglicht es dem Personalcomputer 470, den Startbefehl zu dem Steuerungsmodul 480 zu senden. Das Steuerungsmodul 480 kann eine Steuerungsprozedur beginnen, die der DNA-Analyse entspricht. In einem Beispiel startet das Steuerungsmodul 480 eine STR-artige Prozedur, die einer gebündelten STR-artigen Analyse entspricht. In einem weiteren Beispiel startet das Steuerungsmodul 480 eine Sequenzierprozedur, die einer DNA-Sequenzanalyse entspricht. Anschließend geht der Prozess zu S545 weiter.
Bei S545 wartet der Anwender und überwacht den Status der DNA-Analyse. Die Steuerungsprozedur kann Sequenzen und Zeitabläufe von Steuerungssignalen für die diversen Komponenten der DNA-Analyseeinrichtung 400 entsprechend der DNA-Analyse angeben. Anschließend sendet das Steuerungsmodul 480 automatisch die Steuersignale entsprechend den Sequenzen und Zeitabläufen, die in dem Steuerungsablauf spezifiziert sind. Des weitere empfängt das Steuerungsmodul 480 Status- und Rückkopplungssignale von den diversen Komponenten und sendet diese zu dem Personalcomputer 470. Der Personalcomputer 470 stellt dann den Analysestatus für den Anwender zur Überwachung bereit. Danach geht der Prozess zu S550 weiter.
Bei S550 beendet das Steuerungsmodul 480 das Ausführen des Steuerungsablaufs und sendet einen ”Analyse-beendet”-Status an den Personalcomputer 470. Der Personalcomputer 470 kann den Anwender über den Status ”Analyse beendet” über die Anwendersteuerungsschnittstelle informieren. Danach geht der Prozess zu S555 weiter.
Bei S555 führt der Anwender eine nachgeordnete Datenverarbeitung aus. Der Anwender kann die rohen Daten der DNA-Analyse speichern oder kann die rohen Daten an einen entfernten Empfänger übermitteln. Des weiteren kann der Anwender ein Softwarepaket zur Datennachverarbeitung starten. Alternativ kann das Softwarepaket für die Datennachverarbeitung in geeigneter Weise in den Steuerungsablauf integriert sein. Nachdem somit die Steuerungsprozedur erfolgreich ausgeführt ist, wird dann das Softwarepaket für die Datennachverarbeitung automatisch ausgeführt, um eine Datennachverarbeitung auszuführen. Der Prozess geht dann zu S599 weiter und wird dann beendet.
Zu beachten ist, dass zur Ausführung einer weiteren DNA-Analyse der Anwender die Probenkassette entfernen kann und die Schritte S520 bis S550 wiederholen kann. Zu beachten ist ferner, dass die Reihenfolge der DNA-Analyseschritte in geeigneter Weise eingestellt werden kann. Beispielsweise können die Schritte S535 und S520 vertauscht werden, so dass ein Tupfer zunächst zum Nehmen einer DNA-Probe verwendet wird, und anschließend wird dieser durch die DNA-Analyseeinrichtung 400 gekennzeichnet.
6 zeigt ein Flussdiagramm, das einen anschaulichen Prozess 600 für eine DNA-Analyseeinrichtung zum Ausführen einer multiplex-STR-artigen Analyse zeigt gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Prozess beginnt bei S601 und geht weiter zu S610.
Bei S610 steuert das Steuerungsmodul 480 die Widerstandsheizung 421 derart, dass eine Temperatur für die Schablonen-DNA-Extraktion und -aufbereitung beibehalten wird. Insbesondere ist die Widerstandsheizung 421 entsprechend den mehreren Vertiefungen auf der Probenkassette 215 angeordnet. Eine Vertiefung kann einen Tupfer 205 aufnehmen. Der Tupfer 205 kann die Membrane durchstoßen, die die Mischung der flüssigen Phase an der Unterseite der Wanne abdichtet, so dass der Tupfer 205 in die Mischung der flüssigen Phase eintaucht. Die Mischung der flüssigen Phase kann eine Schablonen-DNA aus dem Tupfer bei der Temperatur extrahieren und aufbereiten, wobei die Temperatur einem enzymatische DNA-Isolationsverfahren entspricht. in einer Ausführungsform kann die Flüssigphasenmischung eine kompatible DNA-Konzentration und Reinheit erreichen in Bezug auf ein Festphasenextraktionsverfahren auf der Grundlage von Siliziumoxid, wobei dies in ungefähr 6 min. erfolgt. Anschließend geht der Prozess zu S620 weiter.
Bei S620 steuert das Steuerungsmodul 480 das APM 430 derart, dass die extrahierte Schablonen-DNA und Reagenzien zu einem Reaktionsreservoir für die PCR-Verstärkung durch Strömung transportiert werden. Beispielsweise enthält der Reagenzienträger 206 Reagenzien für eine Multiplex-STR-Verstärkung. Das Steuerungsmodul 480 sendet Steuersignale zu dem APM 430. In Reaktion auf die Steuersignale pumpt eine Pumpe die Flüssigphasenmischung von der Vertiefung zu dem Reaktionsreservoir und eine weitere Pumpe pumpt die Reagenzien von dem Reagenzienträger 206 zu dem Reaktionsreservoir. Danach geht der Prozess zu S630 weiter.
Bei S630 steuert das Steuerungsmodul 480 das Kühlergebläse 422 und die Infrarotheizeinheit 423 derart, dass ein Temperaturzyklus in dem Reaktionsreservoir für die Multiplex-STR-Verstärkung durchlaufen wird. Des weitere können die Reagenzien fluoreszente Markierungen an den DNA-Verstärkungsproben während des STR-Verstärkungsprozessen anbringen. Der Prozess geht dann weiter zu S640.
Bei S640 kann nach der PCR-Verstärkung die Lösung verdünnt werden. Insbesondere sendet das Steuerungsmodul 480 Steuersignale zu dem APM 430 nach der PCR-Verstärkung. In Reaktion auf die Steuersignale transportiert das APM 430 durch Strömung die DNA-Verstärkungsproben in ein Verdünnungsreservoir. Des weiteren liefert das APM 430 eine Verdünnungslösung von dem Reagenzienträger zu dem Verdünnungsreservoir. Der Prozess geht dann weiter zu S650.
Bei S650 sendet das Steuerungsmodul 480 Steuersignale zu dem Hochspannungsmodul in dem UM 410, um die DNA-Verstärkungsproben über den Injektionsarm (den kurzen Kanal 317a) einzuspeisen. Danach geht der Prozess weiter zu S660.
Bei S660 sendet das Steuerungsmodul 480 Steuersignale zu dem Hochspannungsmodul in dem UM 410 um eine geeignete Hochspannung über dem Separationskanal anzulegen (dem langen Kanal 317b), um die DNA-Verstärkungsproben auf der Grundlage ihrer Größe zu separieren. Der Prozess geht dann weiter zu S670.
Bei S670 sendet das Steuerungsmodul 480 Steuersignale zu dem Detektionsmodul 450, um die fluoreszenten Markierungen zum Aussenden von fluoreszenter Strahlung anzuregen, und um die ausgestrahlte fluoreszente Strahlung zu erfassen. Die rohen Erfassungsdaten können dann zu dem Personalcomputer zur Speicherung und zur Nachbearbeitung gesendet werden. Der Prozess geht dann zu S699 weiter und endet dort.
Zu beachten ist, dass einige Prozeßschritte in dem Prozess 600 parallel ausgeführt werden können. Beispielsweise können der Schritt S660 und der Schritt S670 parallel ausgeführt werden. Das Steuerungsmodul 480 sendet Steuersignale sowohl zum Hochspannungsmodul in dem UM 410 als auch zu dem Detektionsmodul 450 gleichzeitig. Die Steuersignale für das Hochspannungsmodul in dem UM 410 bewirken, dass eine elektrophoretische Separation in dem Separationskanal eintritt, während die Steuersignale für das Detektionsmodul 450 die Erkennung der fluoreszenten Strahlung bewirken.
Zu beachten ist, dass der Prozess 600 in geeigneter Weise mit der Anpassung der Reagenzien für andere DNA-Analysen eingerichtet werden kann, etwa qPCR-DNA-Quantisierung, Sequenzierung und dergleichen.
In einem Beispiel für die qPCR-DNA-Quantisierung werden die Schritte S601 bis S630 ausgeführt und die Schritte S640 bis S670 werden gestrichen. Ferner sendet im Schritt S630, wenn Temperaturzyklen in einem qPCR-Reservoir für die PCR-Verstärkung hervorgerufen werden, das Steuerungsmodul 480 Steuersignale zu dem Detektionsmodul 450, um die von den fluoreszenten Markierungen in dem qPCR-Reservoir fluoreszente Strahlung zu erfassen.
Es ist ferner zu beachten, dass ein magnetischer Festphasenreinigungsprozessschritt in geeigneter Weise dem Prozess 600 hinzugefügt werden kann, um eine weitere Volumenverringerung zu erreichen, so dass der Prozess 600 für die DNA-Sequenzierung eingestellt werden kann.
7 zeigt eine Blockansicht eines anschaulichen Detektionsmoduls 750, das mit einer anschaulichen Probenkassette 715 mit einem Mikrofluidchip 711 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gekoppelt ist. Das Detektionsmodul 750 ist in geeigneter Weise in einer DNA-Analyseeinrichtung, etwa der DNA-Analyseeinrichtung 100 oder den DNA-Analyseeinrichtung 400, installiert. Des weiteren kann das Detektionsmodul 570 mit anderen Komponenten gekoppelt sein, etwa einem Steuerungsmodul der DNA-Analyseeinrichtung. Das Steuerungsmodul kann das Detektionsmodul 750 und andere Module, etwa ein thermische Modul, ein Druckmodul, ein Hochspannungsmodul und dergleichen, so steuern, dass diese auf den Mikrofluidchip 711 so einwirken, dass eine integrierte Einzelchip-DNA-Analyse ausgeführt wird. Das Detektionsmodul 750 umfasst ein Lasermodul 751, ein passives Optikmodul 752 und ein aktives Optikmodul 753. Diese Elemente können in der in 7 gezeigten Weise miteinander gekoppelt sein.
Der Mikrofluidchip 711 ist ausgebildet für eine integrierte Einzelchip-DNA-Analyse, etwa wie der Mikrofluidchip 311, der in 3 gezeigt ist. Der Mikrofluidchip 711 enthält diverse Bereiche, die in geeigneter Weise für die diverse Zwecke ausgebildet sind. Beispielsweise umfasst der Mikrofluidchip 711 einen ersten Bereich, der für eine PCR-Verstärkung ausgebildet ist, und einen zweiten Bereich mit einem Separationskanal, der für eine elektrophoretische Separation ausgebildet ist. Des weiteren umfasst der Mikrofluidchip 711 beispielsweise einen Reinigungsbereich, einen der PCR nachgeordneten Reinigungs-/Verdünnungsbereich und dergleichen.
Das Detektionsmodul 750 ist optisch mit dem Mikrofluidchip 711 gekoppelt. Wie zuvor beschrieben ist, umfasst ein Mikrofluidchip 711 einen Separationskanal, der für die elektrophoretische Trennung von DNA-Fragmenten ausgebildet ist. Die DNA-Fragmente bewegen sich in dem Separationskanal auf der Grundlage ihrer Größen. Die DNA-Fragmente können in geeigneter Weise mit fluoreszenten Markierungen markiert werden. Die fluoreszenten Markierungen können von dem Detektionsmodul 750 optisch erfaßt werden. Auf der Grundlage der erfassten fluoreszenten Markierungen können in geeigneter Weise die DNA-Analysen, etwa Identifizierung, Sequenzierung und dergleichen ausgeführt werden.
Insbesondere lenkt das Detektionsmodul 750 einen Laserstrahl auf einen Ort des Separationskanals entlang der Bewegungsrichtung der DNA-Fragmente. Der Laserstrahl kann die fluoreszenten Markierungen, die an den DNA-Fragmenten angebracht sind, anregen, so dass diese eine fluoreszente Strahlung aussenden, wenn sich die DNA-Fragmente durch den Ort bewegen. Das Detektionsmodul 750 sammelt die ausgesandte fluoreszente Strahlung und erfasst Eigenschaften der Fluoreszenz, etwa Intensität, Wellenlänge, Zeitpunkt und dergleichen. Die erfassten Eigenschaften können dann in geeigneter Weise gespeichert und analysiert werden.
Das Lasermodul 751 enthält eine beliebige geeignete Lasereinrichtung, etwa einen Argonionenlaser, einen Festkörperlaser und dergleichen, um den Laserstrahl zu erzeugen. In einem Beispiel enthält das Lasermodul 751 einen optisch gepumpten kohärenten Saphirfestkörperlaser (OPSL), der einen Laserstrahl von 488 nm Wellenlänge ausgibt, und der eine Ausgangsleistung von 200 mW besitzt. Das Lasermodul 751 stellt den Laserstrahl passive Optikmodul 752 über einen geeigneten optischen Kanal, etwa eine Glasfaser oder dergleichen, bereit.
Das passive Optikmodul 752 steht mit dem aktiven Optikmodul 753 und dem Lasermodul 751 in Verbindung. Das passive Optikmodul 752 empfängt den Laserstrahl aus dem Lasermodul 751 und sendet den Laserstrahl zu dem aktiven Optikmodul 753. Auf der anderen Seite empfängt das passive Optikmodul 752 ein optisches Signal, das von dem aktiven Optikmodul 753 zurückgespeist wird. Des weiteren wandelt das passive Optikmodul 752 das optische Signal in ein elektrisches Signal um und verarbeitet das elektrische Signal in geeigneter Weise.
Das passive Optikmodul 752 enthält diverse optische Komponenten, etwa eine Gruppe aus Optiken 790 und einen Photodetektor 799, die generell im Wesentlichen an festgelegten Positionen angeordnet sind. In einem Beispiel sind die optischen Komponenten innerhalb des passiven Optikmoduls 752 vorkalibriert und an ihren kalibrierten Positionen durch die Herstellung festgelegt. In einem weiteren Beispiel werden die optischen Komponenten in Bezug auf das aktive Optikmodul 753 und das Lasermodul 751 kalibriert, wenn das Detektionsmodul 750 zusammengesetzt wird. Sodann sind die optischen Komponenten an ihren kalibrierten Positionen angeordnet und müssen nicht für jede Probenkassette 715 eingestellt werden. Zu beachten ist, dass in dem passiven Optikmodul 752 die optischen Komponenten beispielsweise während eines Wartungsprozesses eingestellt werden können.
Das aktive Optikmodul 753 empfängt der Laserstrahl von dem passiven Optikmodul 752 und lenkt den Laserstrahl in geeigneter Weise auf den Separationskanal auf dem Mikrofluidchip 711. Andererseits sammelt das aktive Optikmodul 753 die von dem fluoreszenten Markierungen ausgesandte fluoreszente Strahlung in ein optisches Signal und sendet das optische Signal zu dem passiven Optikmodul 752.
Das aktive Optikmodul 753 enthält optische Komponenten, die für jede Probenkassette 715 ggf. angepasst werden müssen. In dem Beispiel aus 7 enthält das aktive Optikmodul 753 einen Motor 756, der mit einer Objektivlinse 791 gekoppelt ist. Der Motor 756 stellt die Objektivlinse 791 so ein, dass der Laserstrahl auf einen Ort des Separationskanals auf der Probenkassette 715 fokussiert wird.
Das Detektionsmodul 750 ist in modularer Weise aufgebaut. Das Lasermodul 751, das passive Optikmodul 752 und das aktive Optikmodul 753 können jeweils individuell gehandhabt werden, etwa zusammengebaut, gekauft, getestet und kalibriert werden. Ferner können das Lasermodul 751, das passive Optikmodul 752 und das aktive Optikmodul 753 geeignet miteinander gekoppelt und in einer DNA-Analyseeinrichtung zusammengefügt werden. Während des Betriebs kann das aktive Optikmodul 753 im Hinblick auf den Mikrofluidchip 711 auf der Probenkassette 715 kalibriert werden. Das Lasermodul 751 und das passive Optikmodul 752 müssen nicht für jede Probenkassette 715 eingestellt werden.
Während des Betriebs kann, wenn beispielsweise eine neue Probenkassette 715 in einer DNA-Analyseeinrichtung, die das Detektionsmodul 750 aufweist, installiert ist, die DNA-Analyseeinrichtung einen Initialisierungsprozess veranlassen, um das Detektionsmodul 750 in Bezug auf einen Mikrofluidchip 711 auf der Probenkassette 715 zu kalibrieren. Während des Initialisierungsprozesses justiert der Motor 756 die Objektivlinse 791 auf einen Separationskanal auf dem Mikrofluidchip 711. In einem Beispiel enthält der Mikrofluidchip 711 eine Justiermarke, um dem aktiven Optikmodul 753 zu helfen, die Objektivlinse 791 auf eine gewünschte Position auf dem Separationskanal auszurichten.
Ferner startet die DNA-Analyseeinrichtung eine Steuerungsprozedur, um die diversen Komponenten der DNA Analyseeinrichtung so zu steuern, dass diese auf dem Mikrofluidchip 711 einwirken, so dass eine integrierte Einzelchip-DNA-Analyse ausgeführt wird. Beispielsweise kann eine Schablone-DNA in geeigneter Weise extrahiert und strömungsmäßig zu einem ersten Bereich des Mikrofluidchips 711 transportiert werden; es kann eine PCR-Verstärkung in geeigneter Weise in dem ersten Bereich des Mikrofluidchips 711 hervorgerufen werden, um DNA-Fragemente zu verstärken; und anschließend können die verstärkten DNA-Fragmente in geeigneter Weise in dem Separationskanal des Mikrofluidchips 711 injiziert werden; und danach wird die elektrophoretische Separation in geeigneter Weise in dem Separationskanal hervorgerufen. Des weiteren kann das Detektionsmodul 750 so gesteuert werden, dass ein Laserstrahl auf den Separationskanal gerichtet wird, so dass fluoreszente Markierungen, die zur Kennzeichnung der DNA-Fragmente verwendet sind, angeregt werden. Die fluoreszenten Markierungen senden dann fluoreszente Strahlung aus. Das Detektionsmodul 750 bündelt die fluoreszente Strahlung in ein optisches Signal, gibt das optische Signal zurück und erfasst die Fluoreszenzinformation in dem optischen Signal. Die erfasste Fluorenszenzinformation kann in geeigneter Weise gespeichert und von der DNA-Analyseeinrichtung weiter verarbeitet werden, oder die Information kann zu anderen Einrichtungen für eine weitere Verarbeitung gesendet werden.
8 zeigt eine Blockansicht eines Optikmoduls 852, das mit einem Mikrofluidchip 811 und einem Lasermodul 851 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gekoppelt ist. Das Optikmodul 852 enthält eine Objektivlinse 891, einen dichroischen Spiegel 892, einen Durchgangsfilter für lange Wellenlängen 889, einen Frontflächenspiegel 893, eine Durchgangsöffnung 894, eine erste Akromatlinseneinheit 895, einen aktustisch optisch einstellbaren Filter (AOTF) 896, einen Strahlenblock 897, eine zweite akromatische Linseneinheit 898 und eine Photovervielfacherröhre (PMT) 899. Diese Elemente können in geeigneter Weise miteinander verbunden sein, wie in 8 gezeigt ist.
Das Lasermodul 851 sendet einen Laserstrahl aus. Der Laserstrahl wird auf einen Separationskanal auf dem Mikrofluidchip 811 mittels eines ersten Pfades P1 gelenkt, der durch die Elemente des Optikmoduls 852 gebildet ist. Der Laserstrahl kann fluoreszente Markierungen in dem Separationskanal zum Aussenden einer fluoreszenten Strahlung anregen. Die ausgesendete fluoreszente Strahlung wird in ein optisches Signal zusammengefasst und in geeigneter Weise zu der PMT 899 über einen zweiten Pfad P2, der durch die Elemente des Optikmoduls 852 gebildet ist, zurückgeführt.
Der erste Pfad bzw. optische Weg P1 enthält den dichroischen Spiegel 892 und die Objektivlinse 891. Der dichroische Spiegel 892 ist ausgebildet, Licht zu reflektieren oder Licht durchzulassen, wobei dies von der Wellenlänge abhängt. In einem Beispiel ist der dichroische Spiegel 892 ausgebildet, Licht zu reflektieren, wenn die Wellenlänge des Lichtes ungefähr 488 nm beträgt, und er ist ausgebildet, Licht durchzulassen, wenn die Wellenlänge des Lichts größer als 525 nm ist. Wenn daher das Lasermodul 851 ausgebildet ist, einen Laserstrahl mit einer Wellenlängen von 488 nm zu erzeugen und der Laserstrahl in geeigneter Weise auf den dichroischen Spiegel 892 gelenkt wird, reflektiert der dichroische Spiegel 892 den Laserstrahl. Der reflektierte Laserstrahl wird dann auf die Objektivlinse 891 gelenkt. Die Objektivlinse 891 fokussiert den Laserstrahl auf den Separationskanal auf dem Mikrofluidchip 811. In einer Ausführungsform ist die Objektivlinse 891 mit einem Motor (nicht gezeigt) gekoppelt. Der Motor wird verwendet, um die Objektivlinse 891 so einzustellen, dass der Laserstrahl auf den Separationskanal auf dem Mikrofluidchip 811 fokussiert wird.
Der zweite Pfad bzw. der zweite optische Weg P2 enthält die Objektivlinse 891, den dichroischen Spiegel 892, den Langpassfilter 889, den Vorderseitenspiegel 893, die Durchgangsöffnung 894, die erste akromatische Linseneinheit 895, den AOTF 896, den Strahlenblock 897, die zweite akromatische Linseneinheit 898 und die PMT 899.
Die Objektivlinse 891 sammelt die von den fluoreszenten Markierungen emittierte fluoreszente Strahlung, um ein optisches Signal zu erzeugen, und gibt das optische Signal zu dem dichroischen Spiegel 892 zurück. Die fluoreszenten Markierungen können in geeigneter Weise ausgewählt werden derart, dass die Wellenlänge der ausgesandten fluoreszenten Strahlung größer als 525 nm ist. Somit ermöglicht es der dichroische Spiegel 892, dass die von den fluoreszenten Markierungen ausgesandte Strahlung diesen durchläuft und das durchgelassene optische Signal zu dem Langpassfilter 889 gelenkt wird.
Der Langpassfilter 889 filtert das optische Signal weiter. Insbesondere ist der Langpassfilter 889 in geeigneter Weise ausgebildet, so dass die ausgesandte fluoreszente Strahlung durchgelassen wird, wobei kürzere Wellenlängen aus dem optischen Signal ausgefiltert werden.
Der Vorderseitenspiegel 893 wird verwendet, um die Richtung des optischen Signals zu ändern, so dass das optische Signal auf die Durchgangsöffnung 894 gelenkt wird. Die Durchgangsöffnung 894 ist ausgebildet, einen gestreuten Teil in dem optischen Signal zu blockieren. In einem Beispiel besitzt die Durchgangsöffnung 893 einen Durchmesser von ungefähr 1000 μm. Die erste akromatische Linseneinheit 895 wird verwendet, um das optische Signal auf dem AOTF 896 zu fokussieren.
Der AOTF 896 ist ein elektrisch einstellbarer optischer Filter. In einem Beispiel enthält der AOTF 896 einen optisch doppelbrechenden Kristall, etwa Tellurdioxid (TeO2). Wennd er AOTF 896 ein elektrisches Signal mit einer Frequenz empfängt, erzeugt der AOTF 896 eine akustische Welle mit der Frequenz. Ferner wird die akustische Welle in den Kristall freigesetzt und tritt in Wechselwirkung mit dem optischen Signal in dem Kristall. Als Folge davon wir ein Teil des optischen Signals gebeugt und verlässt den Kristall unter einem anderen Winkel in Bezug auf den Rest des optischen Signals. Der Anteil des optischen Signals besitzt eine Wellenlänge, die einer Anpassbedingung des Kristalls im Hinblick auf der Frequenz der akustischen Welle entspricht. In einem Beispiel verlässt der Bereich des optischen Signals, der der Anpassbedingung genügt, den Kristall bei ungefähr –5 Grad, und der Rest des optischen Signals verlässt den Kristall ohne Beugung. Wenn die Frequenz des optischen Signals geändert wird, erfolgt durch den AOTF 896 selektiv eine Beugung einer weiteren Wellenlänge in dem optischen Signal, die der Anpassbedingung mit der geänderten Frequenz entspricht.
Der Strahlenblock 897 ist mit dem AOTF 896 gekoppelt, um das optische Signal zu filtern, so dass dieses die ausgewählte Wellenlänge besitzt. Insbesondere blockiert der Strahlenblock 897 den nicht gebeugten Anteil des optischen Signals und ermöglicht es, dass der gebeugte Anteil des optischen Signals, der die ausgewählte Wellenlänge besitzt, durchtritt. Danach fokussiert die zweite akromatische Linseneinheit 898 das gefilterte optische Signal auf die PMT 899.
Die PMT 899 empfängt gefilterte optische Signale mit der ausgewählten Wellenlänge und erzeugt ein elektrisches Signal, etwa ein Stromsignal, ein Spannungssignal und dergleichen, in Reaktion auf das gefilterte optische Signal. In einem Beispiel entspricht eine Amplitude des elektrischen Signals der Intensität des gefilterten optischen Signals.
in einer Ausführungsform werden mehrere fluoreszente Markierungen zur Markierung der DNA-Fragmente verwendet. Die mehreren fluoreszenten Markierungen können Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen aussenden. Zur Erfassung der unterschiedlichen Wellenlängen ist eine Steuerung mit dem AOTF 896 verbunden. Die Steuerung stellt ein Steuersignal ein, um die Frequenz des dem AOTF 896 eingespeisten elektrischen Signals zu ändern, so dass unterschiedliche Wellenlängen für das gefilterte optische Signal ausgewählt werden.
9 zeigt eine Blockansicht eines Signalverarbeitungspfads 900 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Signalverarbeitungspfad umfasst ein AOTF-Modul 910, ein PMT-Detektormodul 920, ein phasenempfindliches Detektor-(PST)Modul 930, ein Nachverarbeitungsmodul 940, ein Funkfrequenz-(RF)Spektrumeinstellmodul 950 und ein Niederfrequenzmodulationsmodul 960. Diese Elemente können miteinander gekoppelt sein, wie dies in 9 gezeigt ist.
Das RF-Spektrumeinstellmodul 950 umfasst Schaltungen, um ein elektrisches Signal mit einer einstellbaren Funktfrequenz (RF) zu erzeugen. In einer Ausführungsform enthält das RF-Spektrumeinstellmodul 950 eine Steuerung und einen Synthesizer, die miteinander gekoppelt sind. Die Steuerung kann als eine allgemeine Steuerung ausgebildet sein, die Softwarebefehle ausführt, oder die Steuerung kann als eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) implementiert werden. Die Steuerung erzeugt ein Steuersignal, das eine Funkfrequenz kennzeichnet und stellt das Steuersignal für den Synthesizer bereit. Der Synthesizer erzeugt das elektrische Signal mit der Funkfrequenz auf der Grundlage des Steuersignals. In einer Ausführungsform stellt die Steuerung wiederholt das Steuersignal ein, so dass es mehreren Funkfrequenzen entspricht. Somit wiederholt das von dem Synthesizer erzeugte elektrische Signal die mehreren Funkfrequenzen.
Zu beachten ist, dass das RF-Sprektrumeinstellmodul 950 auch andere Komponenten zur weiteren Verarbeitung des elektrischen Signals aufweisen kann. In einem Beispiel umfasst das RF-Spektrumeinstellmodul 150 einen RF-Verstärker, um das elektrische Signal im RF-Bereich zu verstärken, und um harmonische Frequenzanteile in dem elektrischen Signal zu reduzieren, so dass das elektrische Signal bereinigt wird. Anschließend wird das bereinigte elektrische Signal dem AOTF-Signal 910 zugeleitet.
Das AOTF-Modul 910 empfängt das elektrische Signal, das die Funkfrequenz enthält. Ferner erzeugt das AOTF-Modul 910 eine akustische Welle mit der Funkfrequenz in einem Kristall, etwa einem optischen doppelbrechenden Kristall. In einem Beispiel enthält das AOTF-Modul 910 einen Wandler, etwa einen piezoelektrischen Wandler, der mit dem Kristall gekoppelt ist. Der Wandler wandelt das elektrische Signal in eine akustische Welle, die die Funkfrequenz besitzt, um und führt die akustische Welle in den Kristall ein.
Des weiteren empfängt das AOTF-Modul 910 ein optisches Signal, das kollektiv die angeregte fluoreszente Strahlung darstellt. Das AOTF-Modul 910 filtert das optische Signal, um eine Wellenlänge auf der Grundlage des elektrischen Signals auszuwählen. Die Wellenlänge genügt einer Anpassbedingung des AOTF-Moduls 910 mit der Funkfrequenz des elektrischen Signals. Insbesondere tritt die akustische Welle, die die Funkfrequenz besitzt, mit dem optischen Signal mit dem Kristall in Wechselwirkung. Als Folge davon wird ein Teil des optischen Signals gebeugt und verlässt den Kristall unter einem Winkel, der sich von dem Winkel des restlichen Anteils des optischen Signals unterscheidet. Der gebeugte Anteil des optischen Signals besitzt eine Wellenlänge, die die Anpassbedingung des AOTF-Moduls 910 in Bezug auf die Funkfrequenz erfüllt. In einem Beispiel verlässt der gebeugte Anteil eines optischen Signals den Kristall bei ungefähr 5 bis 7 Grad und der Rest des zurückkehrenden Strahls verlässt den Kristall ohne Beugung.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält das AOTF-Modul 910 einen Strahlenblock, so dass der gebeugte Anteil des optischen Signals durchgelassen wird, und der nicht gebeugte Anteil des optischen Signals blockiert wird. Das gefilterte optische Signal wird in geeigneter Weise auf dem PMT-Detektor 920 gelenkt.
Zu beachten ist, dass, wenn das elektrische Signal die mehreren Funkfrequenzen wiedergibt, das AOTF-Modul 910 das optische Signal im Hinblick auf die mehreren Wellenlängen abtastet, die entsprechend die Anpassbedingung des AOFT-Moduls 910 in Bezug auf die mehreren Funkfrequenzen erfüllen. Somit ist das gefilterte optische Signal eine wiederholte Abtastung der mehreren Wellenlängen.
Der PMT-Detektor 920 empfängt das gefilterte optische Signal und erzeugt ein elektrisches Signal, das dem gefilterten optischen Signal entspricht. Insbesondere enthält der PMT-Detektor 920 eine Röhre, die in Reaktion auf Photonen Elektronen aussendet. Die Elektronen können in geeigneter Weise gesammelt und verwendet werden, um das elektrische Signal zu erzeugen. Somit ist eine Amplitude des elektrischen Signals proportional zu der Intensität des gefilterten optischen Signals. Das elektrische Signal wird dem PSD-Modul 930 zugeleitet.
Das PSD-Modul 930 ist mit dem Niederfrequenzmodulationsmodul 960 verbunden, um ein Rauschen in dem elektrischen Signal zu verringern. Insbesondere liefert das Niederfrequenzmodulationsmodul 960 ein Modulationssignal an das AOTF-Modul 910 und ein Referenzsignal an das PSD-Modul 930. Das Modulationssignal und das Referenzsignal besitzen eine geringe Frequenz im Vergleich zu den Funkfrequenzen, die von dem RF-Spektrumeinstellmodul 950 erzeugt werden. Das Modulationssignal wird von dem AOTF-Modul 910 verwendet, um das gefilterte optische Signal zu modulieren. Somit wird das in Reaktion auf das gefilterte optische Signal erzeugte elektrische Signal mit der relativ geringen Frequenz moduliert. Das Referenzsignal wird von dem PSD-Modul 930 verwendet, um das elektrische Signal zu demodulieren, um damit ein Spektrum abgetastetes elektrisches Signal zu erhalten. Somit können die Einflüsse des Rauschens, die im PMT-Detektormodul 920 entstehen, verringert werden.
Das spektral abgetastete elektrische Signal kann in geeigneter Weise weiter verarbeitet werden, etwa durch Übertragen, Speicherung, Digitalisierung und dergleichen. In dem Beispiel aus 9 wird das spektral abgetastete elektrische Signal durch Nachverarbeitung 940 verarbeitet, um spektral separierte Signal 970 zu erhalten. In einer Ausführungsform stellt die Steuerung das Steuersignal auf der Grundlage eines im Wesentlichen konstanten Zeitintervalls ein. Die Nachverarbeitung 940 kann das spektral abgetastete elektrische Signal auf der Grundlage des im Wesentlichen konstanten Intervalls separieren, um das spektral separierte Signal 970 zu erhalten. Die Nachverarbeitung 940 kann als ein allgemeiner Prozessor implementiert sein, der Softwarebefehle für die Nachverarbeitung ausführt, oder kann als ein ASIC implementiert sein.
10 zeigt ein Flussdiagramm, in welchem ein anschaulicher Prozess 1000 für eine Steuerung dargestellt ist, etwa die Steuerung 180, um ein Detektionsmodul gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zu steuern. Der Prozess beginnt bei S1001 und geht weiter zu S1010.
Bei S1010 sendet die Steuerung Steuersignale zu dem Detektionsmodul, um das Detektionsmodul zu initialisieren. Wenn beispielsweise einen neue Probenkassette mit einem Mikrfluidchip in der DNA-Analyseeinrichtung 100 installiert ist, sendet die Steuerung 180 Steuersignale zu dem Detektionsmodul 150, um das Detektionsmodul 150 zu initialisieren. in einem Beispiel justiert das Detektionsmodul 150 seine Objektivlinse in Bezug auf einen Separationskanal auf dem Mikrofluidchip. Somit kann die Objektivlinse einen Laserstrahl auf einem Ort entlang des Separationskanals richten, und kann fluoreszente Strahlung, die von dem Laserstrahl angeregt wird, erfassen. Der Prozess geht dann weiter zu S1020.
Bei S1020 bestimmt die Steuerung mehrere Wellenlängen für die Erfassung. In einem Beispiel empfängt die Steuerung Information Ober Reagenzien, die in der PCR verwendet werden, und über den ILS, die nach der PCR hinzugefügt wird. Auf der Grundlage der Information bestimmt die Steuerung die Arten von fluoreszenten Markierungen, die zur Kennzeichnung von DNA-Fragmenten verwendet werden, und bestimmt die mehreren Wellenlängen, die von den fluoreszenten Markierungen ausgesandt werden können. Die Steuerung kann ferner Funkfrequenzen bestimmen, die den mehreren Wellenlängen entsprechen, und kann Steuerwerte bestimmen, um die Funkfrequenzen zu erzeugen. Die Steuerung kann eine Bestimmung auf der Grundlage des AOTF-Moduls durchführen, das zum Filtern der fluoreszenten Strahlung verwendet wird. Beispielsweise genügt jede Wellenlänge für die Erfassung einer Anpassbedingung des AOTF-Moduls in Bezug auf eine der bestimmten Funkfrequenzen. In einem Beispiel umfasst die Steuerung eine Tabelle, um die Steuerung dabei zu unterstützen, die Bestimmung durchzuführen. Der Prozess geht dann weiter zu S1030.
Bei S1030 liefert die Steuerung ein Steuersignal zu dem Detektionsmodul. Das Steuersignal kennzeichnet eine Funkfrequenz. In einem Beispiel umfasst das Detektionsmodul einen Synthesizer. Der Synthesizer erzeugt ein elektrisches Signal, das die Funkfrequenz gemäß dem Steuersignal enthält. Das elektrische Signal kann weiter verarbeitet werden und wird dem AOTF-Modul zugeführt. Das AOTF-Modul enthält einen Wandler, der das elektrische Signal in eine akustische Welle umwandelt und die Welle in einen Kristall einführt. Das AOTF-Modul empfängt ferner ein optisches Signal. Das optische Signal enthält die fluoreszente Strahlung, die von der Objektivlinse aus dem Separationskanal gesammelt wird. Das optische Signal tritt mit der akustischen Welle in dem Kristall in Wechselwirkung. Als Folge davon wird ein Teil des optischen Signals, das die Wellenlänge mit der Anpassbedingung im Hinblick auf die Funkrequenz enthält, von dem AOTF-Modul durchgelassen. Der Prozess geht dann weiter zu S1040.
Bei S1040 bewahrt die Steuerung das Steuersignal für eine gewisse Zeitdauer. Die Zeitdauer ist ausreichend für das AOTF-Modul, so dass es einschwingen und das optische Signal filtern kann. Das gefilterte optische Signal wird in ein elektrisches Signal mittels eines Photodetektors, etwa durch eine PMT, umgewandelt. Das elektrische Signal kann weiter verarbeitet werden, etwa digitalisiert, gespeichert, und dergleichen, werden.
Bei S1050 bestimmt die Steuerung, ob der Detektionsprozess beendet ist. Wenn der Detektionsprozess beendet ist, geht der Prozess weiter zum Schritt S1099 und ist somit beendet; ansonsten geht der Prozess zu S1060 weiter.
Bei S1060 stellt die Steuerung das Steuersignal ein und liefert das eingestellte Steuersignal an das Detektionsmodul. Das eingestellte Steuersignal ist kennzeichnend für eine weitere Funkfrequenz, die verwendet werden kann, um eine weitere Wellenlänge auszuwählen. In ähnlicher Weise erzeugt der Synthesizer das elektrische Signal mit der anderen Funkfrequenz auf der Grundlage des eingestellten Steuersignals. Anschließend wandelt der Wandler in dem AOTF-Modul das elektrische Signal in eine akustische Welle um und führt die akustische Welle in den Kristall ein. Die akustische Welle tritt mit dem optischen Signal in dem Kristall in Wechselwirkung. Als Folge davon wird ein Teil des optischen Signals, das die andere Wellenlänge besitzt, in dem AOTF-Modul durchgelassen. Anschließend kehrt der Prozess zu S1040 zurück.
Obwohl die Erfindung in Verbindung mit den speziellen anschaulichen Ausführungsformen beschrieben ist, werden viele Alternativen, Modifizierungen und Variationen für den Fachmann auf diesem Gebiet ersichtlich. Folglich sind anschauliche Ausführungsformen der Erfindung, wie sie hierin dargestellt sind, als anschaulich und nicht als einschränkend zu betrachten. Es können Änderungen vorgenommen werden, ohne von dem Grundgedanken und dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 200410197788 [0038]
US 7531073 [0042]
US 7399396 [0042]
US 737153 [0042]
US 706414 [0042]
US 6811977 [0042]
US 6455682 [0042]

Claims

DNA-Analyseeinrichtung mit: einer Schnittstelle zur Kopplung eines Mikrofluidchips mit der DNA-Analyseeinrichtung, wobei der Mikrofluidchip umfasst: einen ersten Bereich, der für eine Polymerase-Kettenreaktion-(PCR)Verstärkung von DNA-Fragmenten ausgebildet ist, wobei die DNA-Fragmente mit fluoreszenten Markierungen markiert sind; und einen zweiten Bereich, der mit dem ersten Bereich in Fluidverbindung steht, um die DNA-Fragmente zu empfangen, wobei der zweite Bereich einen Separationskanal für die elektrophoretische Separation der DNA-Fragmente aufweist; und ein Detektionsmodul, das optisch mit dem Mikrofluid gekoppelt ist und enthält: eine Laserquelle, die zum Erzeugen eines Laserstrahls ausgebildet ist; eine Gruppe optischer Elemente, die ausgebildet sind, den Laserstrahl zu dem Separationskanal zur Anregung der fluoreszenten Markierungen zu lenken, so dass diese eine fluoreszente Strahlung aussenden, während die DNA-Fragmente in dem Separationskanal wandern, und ausgesandte fluoreszente Strahlung zu einem optischen Signal zusammen zu fassen; ein Filtermodul, das zum Filtern des optischen Signals ausgebildet ist, so dass ein erster Teil des optischen Signals mit einer ersten Wellenlänge durchgelassen wird; und einen Photodetektor, der zum Erzeugen eines elektrischen Detektionssignals in Reaktion auf das gefilterte optische Signal ausgebildet ist.
DNA-Analyseinrichtung nach Anspruch 1, wobei der Photodetektor ferner umfasst: eine Photovervielfacherröhre, die ausgebildet ist, das elektrische Detektionssignal in Reaktion auf das gefilterte optische Signal zu erzeugen.
DNA-Analyseeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Gruppe optischer Elemente ferner umfasst: eine Objektivlinse, die zu dem Separationskanal ausgerichtet ist, so dass der Laserstrahl auf den Separationskanal gelenkt wird und die ausgesandte fluoreszente Strahlung aus dem Separationskanal aufgenommen wird.
DNA-Analyseeinrichtung nach Anspruch 3, die ferner umfasst: einen Motor, der ausgebildet ist, die Objektivlinse auf den Separationskanal auszurichten.
DNA-Analyseeinrichtung nach Anspruch 1, wobei das Filtermodul ferner umfasst: einen akustisch optischen einstellbaren Filter (AOTF), der ausgebildet ist, das optische Signal so zu filtern, dass der erste Teil des optischen Signals mit der ersten Wellenlänge durchgelassen wird auf der Grundlage eines elektrischen Einstellsignals mit einer ersten Einstellfrequenz, wobei die erste Wellenlänge eine Anpassbedingung des AOTF in Bezug auf die erste Einstellfrequenz erfüllt.
DNA-Analyseinrichtung nach Anspruch 5, die ferner umfasst: eine Steuerung, die ausgebildet ist, ein Steuersignal zu erzeugen, das die erste Einstellfrequenz kennzeichnet; und einen Synthesizer, der ausgebildet ist, das elektrische Einstellsignal mit der ersten Einstellfrequenz auf der Grundlage des Steuersignals zu erzeugen.
DNA-Analyseeinrichtung nach Anspruch 6, wobei die Steuerung das Steuersignal so einstellt, dass es für eine zweite Einstellfrequenz kennzeichnend ist und wodurch bewirkt wird, dass: der Synthesizer das elektrische Einstellsignal mit der zweiten Einstellfrequenz auf der Grundlage des Steuersignals erzeugt; und der AOTF das optische Signal so filtert, dass ein zweiter Teil des optischen Signals mit einer zweiten Wellenlänge durchgelassen wird auf der Grundlage des elektrischen Einstellsignals, wobei die zweite Wellenlänge die Anpassbedingung des AOTF in Bezug auf die zweite Einstellfrequenz erfüllt.
DNA-Analyseeinrichtung nach Anspruch 5, die ferner umfasst: einen Modulationssignalgenerator, der ausgebildet ist, ein Modulationssignal mit einer Modulationsfrequenz und ein Referenzsignal mit der Modulationsfrequenz zu erzeugen, wobei das Modulationssignal von dem AOTF verwendet ist, um das gefilterte optische Signal zu modulieren; und einen phasenempfindlichen Detektor, der ausgebildet ist, das Referenzsignal und das elektrische Detektionssignal, das dem modulierten gefilterten optischen Signal entspricht, zu empfangen, und das elektrische Detektionssignal auf der Grundlage des Referenzsignals zu demodulieren.
DNA-Analyseeinrichtung nach Anspruch 1, die ferner umfasst: ein Druckmodul, das aufgebildet ist, Flüssigkeit in den Mikrofluidchip zu fördern; ein thermisches Modul, das ausgebildet ist, einen Temperaturzyklus in dem ersten Bereich des Mikrofluidchips für die PCR-Verstärkung hervorzurufen; ein Leistungsmodul, das ausgebildet ist, Spannungen zu erzeugen, die an dem zweiten Bereich des Mikrofluidchips für die elektrophoretische Separation anzulegen sind; und ein Steuerungsmodul, das ausgebildet ist, das Druckmodul, das thermische Modul, das Leistungsmodul und das Detektionsmodul gemäß einer Steuerungsprozedur zu steuern, derart, dass auf dem Mikrofluidchip die Durchführung einer Einzelchip-DNA-Analys eingewirkt wird.
Verfahren zur DNA-Analyse, mit: Auswählen einer ersten Wellenlänge, die einer ersten fluoreszenten Markierung entspricht, die zur Markierung von DNA-Fragmenten während einer Polymerase-Kettenreaktion-(PCR)-Verstärkung in einem ersten Bereich eines Mikrofluidchips verwendet wird, wobei die DNA-Fragmente als Fluid von dem ersten Bereich zu einem zweiten Bereich des Mikrofluidchips, der einen Separationskanal für die elektrophoretische Separation aufweist, geleitet worden sind; Anregen zumindest der ersten fluoreszenten Markierung zum Aussenden von fluoreszenter Strahlung in dem zweiten Bereich; und Einstellen eines Detektionsmoduls zum Erfassen der ausgesandten fluoreszenten Strahlung mit der ersten Wellenlänge.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei Anregen der ersten fluoreszenten Markierung zum Aussenden der fluoreszenten Strahlung in dem zweiten Bereich ferner umfasst: Erzeugen eines Laserstrahls; und Lenken des Laserstrahls auf den Separationskanal zum Anregen der ersten fluoreszenten Markierung zum Aussenden der fluoreszenten Strahlung, während sich die DNA-Fragmente im Separationskanal bewegen.
Verfahren nach Anspruch 11, das ferner umfasst: Zusammenführen der ausgesendeten fluoreszenten Strahlung in ein optisches Signal.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei Einstellen des Detektionsmoduls zum Erfassen der ausgesendeten fluoreszenten Strahlung mit der ersten Wellenlänge ferner umfasst: Erzeugen eines elektrischen Einstellsignals mit einer ersten Einstellfrequenz; Bereitstellen des elektrischen Einstellsignals für einen akustisch optischen einstellbaren Filter (AOTF) in dem Detektionsmodul zur Filterung des optischen Signals und zum Durchlassen eines ersten Teils des optischen Signals, der die erste Wellenlänge aufweist, wobei die erste Wellenlänge eine Anpassbedingung des AOTF in Bezug auf die erste Einstellfrequenz erfüllt; und Erfassen des gefilterten optischen Signals.
Verfahren nach Anspruch 13, das ferner umfasst: Auswählen einer zweiten Wellenlänge, die einer zweiten fluoreszenten Markierung entspricht, die zur Markierung der DNA-Fragmente während der (PCR) Verstärkung in dem ersten Bereich verwendet wird; Einstellen des elektrischen Einstellsignals derart, dass dieses eine zweite Einstellfrequenz aufweist; und Veranlassen des AOTF, dass dieser das optische Signal filtert und einen zweiten Teil des optischen Signals mit der zweiten Wellenlänge durchlässt, wobei die zweite Wellenlänge die Anpassbedingung des AOTF in Bezug auf die zweite Einstellfrequenz erfüllt.
DNA-Analyseeinrichtung mit: einer Schnittstelle zur Kopplung eines Mikrofluidchips mit der DNA-Analyseeinrichtung, wobei der Mikrofluidchip umfasst: einen ersten Bereich, der zur Polymerase-Kettenreaktion(PCR)-Verstärkung von DNA-Fragmenten ausgebildet ist, wobei die DNA-Fragmente mit fluoreszenten Markierungen markiert sind; und einem zweiten Bereich, der in Fluidverbindung mit dem ersten Bereich steht, um die DNA-Fragmente zu empfangen, wobei der zweite Bereich einen Separationskanal für eine elektrophoretische Trennung der DNA-Fragmente aufweist; ein Detektionsmodul, das optisch mit dem Mikrofluidchip gekoppelt ist und enthält: eine Laserquelle, die zum Erzeugen eines Laserstrahls ausgebildet ist; ein passives Optikmodul mit passiven Einheiten, die vorkonfiguriert sind, so dass der Laserstrahl empfangen und der Laserstrahl ausgesendet wird; und ein aktives optisches Optikmodul mit mindestens einer aktiven Einheit zur Fokussierung des Laserstrahls auf den Separationskanal zum Anregen der fluoreszenten Markierungen, so dass diese fluoreszente Strahlung aussenden, während die DNA-Fragmente sich im Separationskanal bewegen, und zur Zusammenführung von ausgesendeter fluoreszenter Strahlung aus dem Separationskanal in ein optisches Signal als Rückgabesignal, wobei das passive Optikmodul enthält: ein Filtermodul, das ausgebildet ist, das optische Signal zu filtern, so dass ein erster Teil des optischen Signals mit einer ersten Wellenlänge durchgelassen wird; und einen Photodetektor, der ausgebildet ist, ein elektrisches Detektionssignal in Reaktion auf das gefilterte optische Signal zu erzeugen.
DNA-Analyseeinrichtung nach Anspruch 15, wobei der Photodetektor ferner umfasst: eine Photovervielfacherröhre, die ausgebildet Ist, das elektrische Detektionssignal in Reaktion auf das gefiltert optische Signal zu erzeugen.
DNA-Analyseeinrichtung nach Anspruch 15, wobei das aktive Optikmodul ferner umfasst: eine Objektivlinse, die zu dem Separationskanal ausgerichtet ist, so dass der Laserstrahl auf den Separationskanal gelenkt und die von dem Separationskanal ausgehende fluoreszente Strahlung aufgenommen wird.
DNA-Analyseeinrichtung nach Anspruch 17, wobei das aktive Optikmodul ferner umfasst: einen Motor, der zum Ausrichten der Objektivlinse auf dem Separationskanal ausgebildet ist.
DNA-Analyseeinrichtung nach Anspruch 15, wobei das Filtermodul ferner umfasst: einen akustisch optisch einstellbaren Filter (AOTF), der ausgebildet ist, das optische Signal so zu filtern, dass der erste Bereich des optischen Signals mit der ersten Wellenlänge durchgelassen wird, auf der Grundlage eines elektrischen Einstellsignals mit einer ersten Einstellfrequenz, wobei die erste Wellenlänge eine Anpassungsbedingung des AOTF in Bezug auf die erste Einstellfrequenz erfüllt.
DNA-Analyseeinrichtung nach Anspruch 19, die ferner umfasst: eine Steuerung, die ausgebildet ist, ein Steuersignal zu erzeugen, das die erste Einstellfrequenz kennzeichnet; und einen Synthesizer, der ausgebildet ist, das elektrische Einstellsignal mit der ersten Einstellfrequenz auf der Grundlage des Steuersignals zu erzeugen.
DNA-Analyseeinrichtung nach Anspruch 20, wobei die Steuerung des Steuersignal so einstellt, dass es eine zweite Einstellfrequenz kennzeichnet, die bewirkt, dass: der Synthesizer das elektrische Einstellsignal mit der zweiten Einstellfrequenz erzeugt; und der AOTF das optische Signal so filtert, dass ein zweiter Teil des optischen Signals mit einer zweiten Wellenlänge durchgelassen wird auf der Grundlage des elektrischen Einstellsignals, wobei die zweite Wellenlänge die Anpassbedingung des AOTF in Bezug auf die zweite Einstellfrequenz erfüllt.
DNA-Analyseeinrichtung nach Anspruch 19, die ferner umfasst: einen Modulationssignalgenerator, der ausgebildet ist, ein Modulationssignal mit einer Modulationsfrequenz und ein Referenzsignal mit der Modulationsfrequenz zu erzeugen, wobei das Modulationssignal von dem AOTF verwendet wird, um das gefilterte optische Signal zu modulieren; und einen phasenänderungsempfindlichen Detektor, der ausgebildet ist, das Referenzsignal und das elektrische Detektionssignal, das dem modulierten gefilterten optischen Signal entspricht, zu empfangen und das elektrische Detektionssignal auf der Grundlage des Referenzsignals zu demodulieren.
DNA-Analyseeinrichtung nach Anspruch 15, die ferner umfasst: ein Druckmodul, das ausgebildet ist, Flüssigkeit in den Mikrofluidchip zu leiten; ein thermisches Modul, das ausgebildet ist, einen Temperaturzyklus in dem ersten Bereich des Mikrofluidschips für die PCR-Verstärkung hervorzurufen; ein Leistungsmodul, das ausgebildet ist, Spannungen zur Beaufschlagung des zweiten Bereichs des Mikrofluidchips für die elektrophoretische Separation zu erzeugen; und ein Steuerungsmodul, das ausgebildet ist, das Druckmodul, das thermische Modul, das Leistungsmodul und das Detektionsmodul entsprechend einer Steuerungsprozedur zu steuern, so dass der Mikrofluidchip zu einer Einzelchip-DNA-Analyse veranlasst wird.