DE19823719A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Prozessieren von Kleinstsubstanzmengen - Google Patents

Abstract

Zum Prozessieren von Substanzen im Reservoir (3) einer Dosiereinrichtung (1) erfolgt eine Bewegung eines festen Trägermaterials mit einer bindungsaktiven Oberfläche im Reservoir und eine Bindung der Substanz auf der Oberfläche des Trägermaterials, das magnetische Partikel (7) oder einen Trägerballen umfaßt.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Prozessieren von Kleinst­ substanzmengen im Reservoir einer Fluid-Dosiereinrichtung, ins­ besondere ein Verfahren zum Sammeln, Reinigen und/oder Aufkon­ zentrieren von Substanzproben in kapillarförmigen Behältern, z. B. in Mikropipetten oder Mikrodispensern, und Vorrichtungen zur Realisierung der Verfahren.

Im Bereich der Biochemie, Gentechnik und Medizin werden klein­ ste Probenmengen gewonnen, nachgewiesen, analysiert, be- oder verarbeitet. Dabei besteht häufig die Aufgabe, die in einer Flüssigkeit gelösten oder suspendierten Proben zwischen makro­ skopischen Behältnissen wie z. B. Mikrotiterplatten (µl- Volumina) und miniaturisierten Trägern wie z. B. Membranen, Fil­ tern, MALDI-MS-Targets, Silizium-Wafern oder Nanotiterplatten (nl-Volumina) zu transferieren. Als Werkzeuge zur Übertragung geringster Substanzmengen (Untergrenze rd. 1/10 nl) sind soge­ nannte "Pin-Tools", bei denen die zu transferierenden Proben an Nadelspitzen anhaften, oder Mikropipetten oder Mikrodispenser bekannt, bei denen analog zur Tintenstrahldrucktechnik kleinste Tropfen mit der inkorporierten Probe auf dem jeweiligen Ziel- Substrat plaziert werden. Bei der Übertragung an der Schnitt­ stelle zwischen makroskopischen Behältnissen und miniaturisier­ ten Trägern besteht generell das Problem, daß durch die Verwen­ dung eines Teils der im makroskopischen Behältnis vorliegenden Probenmenge nach der Übertragung auf den miniaturisierten Trä­ ger zu wenig Substanz vorhanden ist, um einen zuverlässigen Analyse- oder Bearbeitungsvorgang anzuschließen. Daher besteht ein Interesse daran, Substanzmengen in kleinen Volumina (µl- Bereich) aufzukonzentrieren, zu sammeln und/oder zu reinigen.

Beim Nachweis der interessierenden Substanzen erreichen massen­ spektrometrische Verfahren heute Nachweisempfindlichkeiten im Attomol- bis unteren Femtomol-Bereich. Diese Empfindlichkeit kann in der Praxis effektiv nur dann genutzt werden, wenn der Analyt in möglichst reiner Form in einem nur wenige Nanoliter umfassenden Volumen vorliegt. Auch hierfür besteht ein Interes­ se an einer Aufreinigung oder Anreicherung von Substanzproben.

Aus der chemischen und biochemischen Analytik ist allgemein be­ kannt, zur Probenanreicherung in die jeweilige Lösung oder Sus­ pension Festphasen einzubringen, an denen die gewünschten Mole­ küle vorübergehend gebunden werden. Bei geeigneten magnetischen Materialeigenschaften können die Festphasen unter Wirkung ma­ gnetischer Feldkräfte manipuliert werden (magnetische Aufreini­ gung).

Aus US-A-5 186 872 ist eine magnetische Trenneinrichtung zur Trennung magnetischer Teilchen von einem nicht-magnetischen Testmedium bekannt. Die magnetischen Teilchen sind kleine Par­ tikel, auf deren Oberflächen die interessierenden Substanzen gebunden sind, oder beispielsweise biologische Zellen, in die magnetische Substanzen inkorporiert sind. Mit einer Vielzahl von Magneten wird im Testmedium ein magnetischer Feldgradient derart aufgebaut, daß die magnetischen Teilchen an die Ge­ fäßwandung bewegt und dort gesammelt werden. Die aus US-A-5 186 872 bekannte magnetische Trenneinrichtung besitzt die folgenden Nachteile.

Die Trenneinrichtung besitzt einen komplexen Aufbau. Zur Aus­ bildung der Feldgradienten müssen mindestens vier Magneten vor­ handen sein, die in vorbestimmter Weise angeordnet sind und die Verwendung bestimmter Behältnisse für das Testmedium erfordern. Die für charakteristische Behältnis-Dimensionen im cm-Bereich konzipierte herkömmliche Trenneinrichtung erlaubt, insbesondere beim Einsatz von Elektromagneten, keine Miniaturisierung. Damit ist ein Einsatz an der oben genannten Schnittstelle zwischen makroskopischen Behältnissen und Miniaturträgern bei den ver­ wendeten Werkzeugen ausgeschlossen. Schließlich ist die her­ kömmliche Trenneinrichtung auf den reinen Trennvorgang be­ schränkt. Die Beladung magnetischer Teilchen mit den interes­ sierenden Substanzen in der Trenneinrichtung ist nicht vorgese­ hen.

Gegenwärtig ist keine Aufreinigungs- oder Anreicherungstechnik bekannt, die zur Prozessierung (z. B. Handhabung, Sammlung, Reinigung oder dergl.) kleinster Substanzmengen (bis zum nl- Bereich und darunter) einsetzbar ist.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Prozessie­ ren kleinster Substanzmengen anzugeben, das insbesondere mit dem Einsatz herkömmlicher Werkzeuge zur Probenhandhabung im nl- Bereich kompatibel ist und einen möglichst breiten Einsatzbe­ reich besitzt. Das Verfahren soll einfach in die üblichen Me­ thoden zur Probenhandhabung, zum Probennachweis und zur Proben­ bearbeitung aus der Biochemie, Gentechnik und Medizin integrierbar sein. Die Aufgabe der Erfindung besteht auch darin, eine Vorrichtung zur Implementierung eines derartigen Verfahrens anzugeben.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren oder Vor­ richtungen gemäß den Patentansprüchen 1, 10 bzw. 16 gelöst. Be­ vorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Sammlung von Substanzproben basiert auf der Anordnung und Bewegung einer Festphase (Träger­ material) unmittelbar im Reservoir einer Dosiereinrichtung, wo­ bei die interessierende Substanz auf der Oberfläche des Träger­ materials gebunden und für eine vorbestimmte Folge von Arbeitsschritten im Reservoir gehalten wird. Das Trägermaterial kann durch magnetische Partikel, die durch eine äußere magneti­ sche Feldkraft bewegt werden, oder durch einen porösen Träger­ ballen gebildet werden, der durch eine äußere mechanische Betä­ tigung bewegt wird. Mit dem Begriff "Reservoir" der Dosiereinrichtung wird hier das aktive Dosiervolumen oder Hub­ volumen oder - bei Implementierung mit entsprechenden Einrich­ tungen - das Pipettenvolumen oder das Dispenservolumen bezeich­ net. Die Dosiereinrichtung kann durch jede geeignete Pump- oder Dosiereinrichtung gebildet werden, die zur Abgabe vorbestimmter Fluidmengen vom Reservoir auf ein Zielsubstrat eingerichtet ist. Die Erfindung wird vorzugsweise mit Dosiereinrichtungen für kleinste Substanzmengen (Nanoliter und Sub-Nanoliter) rea­ lisiert. Hierzu zählen beispielsweise Mikropipetten oder Mikro­ dispenser oder Mikropumpen (insbesondere mit pneumatischem oder elektrischem Antrieb) oder andere Mikrotropfenabschußeinrich­ tungen, die analog zu den Tintenstrahltechniken funktionieren.

Zur Prozessierung kleinster Subtanzmengen wird das Trägermate­ rial vorzugsweise in unmittelbarer Nähe einer Austrittsöffnung des Reservoirs der Dosiereinrichtung angeordnet bzw. bewegt. Dies bedeutet beispielsweise eine Manipulierung des Trägermate­ rials an oder nahe der Spitze einer Dosierkapillare z. B. eines Mikrodispensers. Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht in deren Kompatibilität mit beliebigen, herkömmlichen Do­ siereinrichtungen. Es wurde erstmalig festgestellt, daß eine Probensammlung nach dem Prinzip der an sich bekannten Festpha­ sen-Aufreinigung in Dosiereinrichtungen möglich ist, ohne deren Funktion zu beeinträchtigen. Dies betrifft insbesondere die Im­ plementierung der Erfindung in Mikrodosiereinrichtungen mit nl- Volumina.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß im Reservoir einer Fluid-Dosiereinrichtung ein Trägermittel als Festphase mit bindungsaktiver Oberfläche angeordnet und mit einer äußeren Antriebseinrichtung manipulierbar ist. Vorzugs­ weise werden eine Vielzahl von Fluid-Dosiereinrichtungen paral­ lel betrieben, wobei nur eine gemeinsame Antriebseinrichtung zur Manipulierung der Festphasen vorgesehen ist.

Die Erfindung besitzt den Vorteil, daß erstmalig das Problem der miniaturisierten Proben-Aufreinigung oder -Sammlung gelöst wird. Die Erfindung ist einfach mit verfügbaren Mikropipetten oder Mikrodispensern, insbesondere bei deren einzelnem oder se­ riellem Einsatz, ohne Störung herkömmlicher Verfahrensabläufe realisierbar. Die Erfindung erlaubt sowohl die Bindung der in­ teressierenden Substanzen am Trägermaterial als auch dessen Ma­ nipulierung innerhalb eines Behältnisses des Reservoirs ohne Zusatzschritte.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung betrifft den Einsatz bei Mikropipetten oder Mikrodispensern. Für das reproduzierbare, genaue Dispensieren kleinster Flüssigkeitsmengen müssen nämlich die geometrischen Eigenschaften der Dispenserspitze sowie die elektrischen Piezoparameter optimal aufeinander abgestimmt sein. Die Erfindung ermöglicht es, daß das für eine vorüberge­ hende Anbindung der Moleküle erforderliche feste Trägermaterial den Dispersiervorgang nicht stört, d. h. weder die Gefäßdimen­ sionen noch die durch die Flüssigkeit laufende Druckwelle ef­ fektiv beeinflußt werden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im fol­ genden unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrie­ ben:

Fig. 1: eine schematische Illustration einer ersten Ausfüh­ rungsform der Erfindung, bei der ein magnetisches Trägermaterial in einer Dosiereinrichtung verwendet wird,

Fig. 2: eine schematische Illustration einer zweiten Ausfüh­ rungsform der Erfindung bei der ein poröser Träger­ ballen in einer Dosiereinrichtung verwendet wird,

Fig. 3: eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemä­ ße Vorrichtung mit einer Reihe von Mikrodispensern, die jeweils zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet sind, und

Fig. 4: eine schematische Seitenansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 3.

Fig. 1 zeigt beispielhaft das Ende eines piezoelektrischen Mi­ krodispensers, der zur Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung (magnetische Manipulierung des festen Trägermaterials) einge­ richtet ist. Der piezoelektrische Dispenser 1 umfaßt einen elektrischen Wandler 2 und ein Dosier-Reservoir 3, das durch eine Kapillare gebildet wird. Der Wandler 2 ist zur pulsförmi­ gen Verringerung des Volumens des Dosier-Reservoirs 3 einge­ richtet. Bei Betätigung des Wandlers 2 für eine Pulszeit (typi­ scherweise rd. 40 µs) läuft eine Druckwelle durch die Flüssigkeit 4 im Dosier-Reservoir 3. Dies bewirkt einen Flüs­ sigkeitsausstoß am Auslaß 5 (Durchmesser rd. 50 µm) des Dosier- Reservoirs 3, der hier durch das Ende der Kapillare gebildet wird (Dispenserspitze). Wenn die Druckwelle in der Flüssigkeit 4 die am Auslaß 5 auftretenden Rückhaltekräfte (Kapillarkräfte und Oberflächenspannung) überwindet, so kommt es zur Abgabe eines Tropfens 6.

Die Flüssigkeit 4 umfaßt beispielsweise eine Lösung oder Sus­ pension von Probenmolekülen, die bei biochemischen Anwendungen Peptide, Proteine, Nukleinsäuren bzw. DNA-Moleküle, Fette oder Kohlenhydrate umfassen. Um die Probenmoleküle (Substanzprobe) im Dosier-Reservoir 3 erfindungsgemäß aufzukonzentrieren oder aufzureinigen, ist im Dosier-Reservoir 3, vorzugsweise in der Nähe des Auslaß 5, eine Vielzahl magnetischer Partikel 7 ange­ ordnet, die mit einer Antriebseinrichtung zur Halterung und/oder Bewegung der magnetischen Partikel 7 in Form einer Ma­ gneteinrichtung 8 manipulierbar sind. Die Magneteinrichtung 8 umfaßt zwei Permanentmagneten 81, 82 mit jeweils veränderlichem Abstand in Bezug auf das Dosier-Reservoir 3 mit den magneti­ schen Partikeln. Beide Permanentmagneten 81, 82 weisen mit dem gleichen Pol hin zum Reservoir 3. Weitere Einzelheiten der Ma­ gneteinrichtung 8 und einer zugehörigen (hier nicht dargestell­ ten) Antriebseinrichtung werden unten unter Bezug auf die Fig. 3 und 4 erläutert.

Die magnetischen Partikel 7 besitzen einen Durchmesser, der etwa ein bis zwei Zehnerpotenzen kleiner als der Durchmesser der Dispenserdüse (Auslaß 5) ist und vorzugsweise im Bereich von 0,25 bis 2 µm liegt. Damit wird erreicht, daß die Partikel 7 problemlos als Suspension in den Dispenser 1 eingesaugt und im Dosier-Reservoir 3 deponiert bzw. bewegt werden können. Dies ist sogar in der Nähe des Auslaß 5 möglich, da die magnetische Feldeinwirkung der Magneteinrichtung 8 vorteilhafterweise ver­ hindert, daß Partikel 7 unerwünscht an den Auslaß 5 bzw. aus diesem hinaus gelangen. Ein weiterer Vorteil der angegebenen Partikelgröße besteht darin, daß die deponierten Partikel 7, d. h. die unter der magnetischen Feldkraft an der Dispenserin­ nenwand haftenden Partikel, aufgrund ihrer geringen Raumausdeh­ nung den piezoelektrischen Dispensiervorgang nicht behindern.

Als magnetische Partikel 7 werden vorzugsweise kommerziell ver­ fügbare Substanzen mit einer genügenden Magnetisierbarkeit und mit einer möglichst großen aktiven Partikeloberfläche verwen­ det. Die Partikel 7 besitzen eine Affinität für die Probenmole­ küle, so daß diese aus der Flüssigkeit 4 heraus im Inneren der Dispenserspitze an die Partikel gebunden werden.

Erfindungsgemäß können die magnetischen Partikel 7 durch Verän­ derung der magnetischen Feldkräfte in vorbestimmter Weise im Dosier-Reservoir 3 bewegt werden. Die Veränderung der magneti­ schen Feldkräfte erfolgt durch eine Bewegung des Mikrodispen­ sers 1 in Bezug auf die Magneteinrichtung 8, wobei vorzugsweise die Permanentmagneten 81, 82 in Bezug auf die ortsfeste Dis­ penserspitze bewegt werden. So ist es beispielsweise möglich, durch simultane Entfernung des Magneten 81 und Annäherung des Magneten 82 von der entgegengesetzten Dispenserseite her, die Partikel mit der Probenbeladung durch die Flüssigkeit 4 von ei­ ner Wandung des Dosier-Reservoirs 3 zur entgegengesetzten Wan­ dung zu bewegen. Die Partikel 7, die das feste Trägermaterial (Festphase) bilden, werden durch die Flüssigkeit 4 bewegt, von dieser umströmt und mit ihr vermischt, so daß weitere Probenmo­ leküle gebunden werden, während andere Lösungsbestandteile in der Flüssigkeit 4 verbleiben. Durch wiederholtes Bewegen der Partikel 7 durch die Flüssigkeit 4 können in ausreichender Men­ ge die interessierenden Probenmoleküle gesammelt werden (Anrei­ cherung). Weitere Prozessierungsschritte werden weiter unten erläutert.

Die Permanentmagneten 81, 82 sind vorzugsweise NdFeB-Magneten mit einer anwendungsabhängig gewählten Remanenz. Beim Einsatz mit Mikrodispensern beträgt die Remanenz vorzugsweise rd. 1 Tesla bis 1,5 Tesla.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung wiederum am Beispiel eines Mikrodispensers 1 mit einem piezoelektrischen Wandler 2 und einem Dosier-Reservoir 3, von dessen Auslaß 5 bei Betätigung des Wandlers 2 ein Mikrotropfen 6 abgegeben werden kann. Als Trägermaterial ist erfindungsgemäß ein Trägerballen 9 vorgesehen, der mit einer Antriebseinrichtung zur Halterung und/oder Bewegung des Ballens 9 in Form eines faden- oder stab­ förmigen Betätigungselements 91, das durch das Dosier-Reservoir 3 des Dispensers 1 beweglich ist (Pfeilrichtung). Der Träger­ ballen 9 ist eine zusammenhängende, schwammartige feste Phase, die eine möglichst große aktive Oberfläche besitzt. Das vor­ zugsweise poröse Material des Trägerballens 9 besteht bei­ spielsweise aus Nitrocellulose oder einem Säulenfüllmaterial, wie es bei HPLC-Trennungen verwendet wird (z. B. Material "Po­ ros" (registrierte Marke)).

Anstelle der Probensammlung mit den bewegten, magnetischen Par­ tikeln (erste Ausführungsform) wird bei der zweiten Ausfüh­ rungsform ein mechanisches Wirkprinzip realisiert. Der Träger­ ballen 9 wird mit dem Betätigungselement 91 durch den Innenraum des Dosier-Reservoir 3 bewegt, um Probenmoleküle aufzusammeln. Der Trägerballen 9 ist von der Flüssigkeit 4 im Mikrodispenser 4 durchströmbar, so daß eine unerwünschte Flüssigkeitsabgabe vermieden wird. Nach dem Anreicherungsvorgang, wenn die aufkon­ zentrierten Analytmoleküle funktionsgemäß vom Mikrodispenser 1 auf ein bestimmtes Substrat abgegeben werden sollen, wird der Trägerballen 9 durch die Dispenserspitze nach oben durch den Wandler 2 hindurchgezogen.

Zur Verwendung für die erfindungsgemäße Prozessierung von kleinsten Substanzmengen wird eine Dosiereinrichtung durch Aufnahme des festen Trägermaterials in das Reservoir der Dosiereinrichtung vorbereitet. Bei der ersten Ausführungsform erfolgt eine Aufnahme und Deponierung der magnetischen Partikel im Reservoir (z. B. im Dosier-Reservoir des Mikrodispensers), in dem eine Partikelsuspension entweder durch den Auslaß des Re­ servoirs oder durch eine zusätzliche Versorgungsleitung unter gleichzeitiger Einwirkung der magnetischen Feldkräfte in das Reservoir gefüllt wird. Unter Wirkung der magnetischen Feld­ kräfte werden die Partikel sofort an eine Reservoirwandung ge­ zogen und dort festgehalten (Deponierung). Bei der zweiten Aus­ führungsform umfaßt der Vorbereitungsschritt die Zuführung des Trägerballens in das Reservoir der Dosiereinrichtung und eine Fixierung des hierfür verwendeten Betätigungselements derart, daß der Trägerballen im Reservoir nahe dessen Auslaß positio­ niert ist.

Nach dem Vorbereitungsschritt erfolgt die Aufnahme einer Lösung oder Dispensierung der interessierenden Substanzproben. Diese Aufnahme erfolgt entsprechend durch einen Auslaß der Dosierein­ richtung oder durch eine zusätzliche Zufuhrleitung.

Beim folgenden Bindungsschritt werden die auf das jeweilige Trägermaterial wirkenden Kräfte derart verändert, daß sich das Trägermaterial durch die aufgenommene Lösung oder Suspension bewegt und dabei von dieser umspült wird, so daß sich eine Bin­ dung der Substanz auf dem Trägermaterial ergibt. Bei der ersten Ausführungsform werden die magnetischen Feldkräfte derart ver­ ändert, daß sich die magnetischen Partikel vom ursprünglichen Deponierungsort zu einem anderen Teil der Reservoirwandung (z. B. gegenüberliegende Wandung) bewegen. Bei der zweiten Aus­ führungsform wird das Antriebselement (z. B. in Fig. 2, Bezugs­ zeichen 9), derart bewegt, daß das Trägermaterial von der Lö­ sung oder Suspension umspült wird. Die Bewegung des Trägermaterials durch die Flüssigkeit erfolgt vorzugsweise pe­ riodisch mit einer Vielzahl von Bewegungsabläufen. Die Ge­ schwindigkeit und Dauer der Trägermaterialbewegung und somit des Bindungsschrittes werden anwendungsabhängig gewählt.

Nach Anbindung der interessierenden Substanz am Trägermaterial wird die Flüssigkeit aus dem Reservoir der Dosiereinrichtung durch den Auslaß oder durch eine vom entgegengesetzten (oberen) Ende wegführende Leitung abgegeben. Je nach Anwendungsfall kann nun eine weitere Lösung oder Suspension mit der interes­ sierenden Substanz oder ohne eine Probensubstanz zugeführt wer­ den. Im ersten Fall wird damit eine Anreicherung der Substanz im Reservoir erzielt. Das Aufkonzentrieren erfolgt zunächst im gebundenen Zustand an den Trägermaterialien. Nach wiederholter Zufuhr von Probenlösungen wird dann durch Aufnahme einer ge­ eigneten Elutionslösung in das Reservoir die gebundene Substanz wieder in die Flüssigkeit oder Suspension abgegeben. Nach dem Ablösen der Substanz von den Partikeln oder vom Trägerballen besitzt die Elutionslösung eine höhere Konzentration als die ursprünglich zugeführte Lösung. Im zweiten Fall kann vorgesehen sein, eine Reinigungslösung zuzuführen, mit der eine vorbe­ stimmte Art von Substanzen, die beim vorherigen Bindungsschritt unbeabsichtigt an den Trägermaterialien angebunden wurden, wie­ der abgelöst werden. Dies entspricht einer Reinigung oder wei­ teren selektiven Substanzwahl. Anschließend erfolgt wiederum die Ablösung der Substanz von den Trägermaterialien mit einer geeigneten Elutionslösung.

Mit den vorher beschriebenen Prozessierungsschritten umfassend die Probenbindung und die Proben-Konzentration und/oder -Reinigung, können bei geeigneter Wiederholung mit jeweils aus­ gewählten Substanzen auch mikropräparative und mikrosyntheti­ sche Zwecke verfolgt werden. So ist es beispielsweise möglich, zunächst einen ersten Reaktionspartner im Reservoir zu sammeln und/oder zu reinigen, um ihn dann mit einem entsprechend gesam­ melten und/oder gereinigten zweiten Reaktionspartner zur Reak­ tion zu bringen. Diese Reaktion kann im gebundenen Zustand auf dem Trägermaterial oder im gelösten oder suspendierten Zustand im Reservoir oder nach Dispensierung auf einem Substrat erfol­ gen.

Nach der Substanzfreigabe von den Trägermaterialien erfolgt die bestimmungsgemäße Dosierung mit der Dosiereinrichtung durch Ab­ gabe der konzentrierten oder gereinigten Lösung auf ein Ziel- Substrat. Dies erfolgt beispielsweise bei dem beschriebenen Mi­ krodispenser durch die bestimmungsgemäße Tropfenabgabe durch den Auslaß.

Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführung der Erfindung mit einer Vielzahl von Dosiereinrichtungen, in denen jeweils Sub­ stanzen entsprechend den oben beschriebenen Prinzipien prozes­ siert werden können, unter Bezug auf die Fig. 3 und 4 be­ schrieben.

Die Fig. 3 und 4 zeigen schematisch eine Prozessierungssta­ tion für die parallele Bearbeitung einer Vielzahl von Substan­ zen in Drauf- bzw. Seitenansicht. Die Prozessierungsstation um­ faßt eine Dispensereinheit 10 mit einer Vielzahl von Mikrodispensern 1 (z. B. piezoelektrische Dispenser gem. Fig. 1), eine Magneteinheit 20 mit einer Vielzahl von Magnetein­ richtungen 8 und eine Antriebseinheit 30, die zur Einstellung der Position bzw. zur Bewegung der Magneteinheit 20 in Bezug auf die Dispensereinheit 10 eingerichtet ist.

Die Mikrodispenser 1 der Dispensereinheit 10 sind als gerade Reihe angeordnet. Die Anzahl und Abstände der Mikrodispenser sind anwendungsabhängig von der Gestalt des jeweiligen makro­ skopischen Behältnisses gewählt, von dem Proben übernommen wer­ den sollen. Die Anordnung der Mikrodispenser ist vorzugsweise an die Gestalt einer Mikrotiterplatte angepaßt. Bei der darge­ stellten Ausführungsform sind beispielsweise sechzehn Mikrodis­ penser 1 entsprechend einer Mikrotiterplatte mit sechzehn rei­ henweise angeordneten Volumina vorgesehen. Die Mikrodispenser 1 sind an einer (nicht dargestellten) Halterungs- und Stellein­ richtung angebracht.

Die Magneteinheit 20 umfaßt eine Vielzahl von Magneteinrichtun­ gen 8, deren Anzahl mindestens gleich der Anzahl der Mikrodis­ penser 1 ist. Vorzugsweise wird jedoch an den Enden der Reihe der Mikrodispenser 1 jeweils eine zusätzliche Magneteinheit zur Schaffung gleichförmiger Feldverhältnisse in den Mikrodispen­ sern an den Enden der Reihe zu schaffen. Jede Magneteinrichtung 8 besteht aus zwei voneinander beabstandeten Permanentmagneten 81, 82, zwischen denen zur Substanzprozessierung jeweils ein Mikrodispenser angeordnet ist.

Die Permanentmagneten 81, 82 sind an den Längsseiten eines die Mikrodispenserreihe umgebenden, sich entsprechend der Dispen­ serreihe länglich erstreckenden Rahmens 21 befestigt. Der Rahmen 21 ist mit der Antriebseinheit 30 in einer Richtung parallel zur Längserstreckung der Mikrodispenser 1 (Auf-/Ab-Bewegung) und in einer zu den Mikrodispensern 1 senkrecht ausgerichteten Bezugsebene (Vor-/Rück-Bewegung) beweglich. Die Längsseiten des Rahmens 21 besitzen einen derartigen Abstand, daß einem Mikro­ dispenser in einer Position unmittelbar benachbart zu einem der Permanentmagneten 81, 82 die magnetischen Partikel im wesentli­ chen ausschließlich Feldkräften dieses Permanentmagneten und vernachlässigbar geringen Feldkräften des gegenüberliegenden Permanentmagneten ausgesetzt sind. Außerdem wird der Abstand so gewählt, daß beim Positionswechsel der Mikrodispenser von einem zum gegenüberliegenden Permanentmangeten (Vor-/Rück-Bewegung) die Partikel unter der Wirkung der Schwerkraft dem jeweiligen Reservoir nicht so weit hin zum Auslaß absinken können, daß sie den Kraftwirkungsbereich des jeweiligen Permanentmagneten ver­ lassen. Damit wird sichergestellt, daß die Partikel den Auslaß nicht erreichen und dort keine Störungen durch Verstopfen oder dergl. verursachen können.

Der Abstand der Permanentmagnetreihen entlang der Längsseite des Rahmens 21 ist bei der Kombination mit Mikrodispensern kleiner als 1 cm und beträgt vorzugsweise rd. 6 mm bis 7,5 mm.

Die Antriebseinheit 30 umfaßt zwei Servomotoren 31, die über Schwenkhebel 32 mit den Enden des Rahmens 21 verbunden sind. Durch gleichzeitiges Betätigen der Servomotoren 31 ist der Rah­ men 21 mit den Schwenkhebeln 32 von einer ersten Position, in der die Dispenserreihe nahe der einen Permanentmagnetenreihe (Permanentmagnete 81) angeordnet ist, in eine zweite Position verschwenkbar, in der die Dispenserreihe nahe der jeweils ande­ ren Permanentmagnetenreihe (Permanentmagneten 82) angeordnet ist. Die Servomotoren sind vorzugsweise zur Bereitstellung ver­ schiedener Schwenkgeschwindigkeiten eingerichtet. Es sind bei­ spielsweise drei Schwenkgeschwindigkeiten vorgesehen, bei denen jeweils unterschiedliche Partikelgeschwindigkeiten im Reservoir jedes Mikrodispensers erzielt werden. Bei den drei Schwenkge­ schwindigkeiten benötigt der Positionswechsel von der ersten zur zweiten Position beispielsweise rd. eine viertel Sekunde, eine halbe Sekunde bzw. eineinhalb Sekunden.

Die Antriebseinheit 30 umfaßt ferner zwei Stelleinrichtungen 33, mit denen die Höhenposition der Magneteinrichtungen 8 in Bezug auf die Längsrichtung der Mikrodispenser einstellbar ist. Die Stelleinrichtungen 33 sind vorzugsweise Federaufhängungen mit vorbestimmten Einstellpositionen. Es ist vorzugsweise eine erste Position, in der die Prozessierung in den Mikrodispensern erfolgt, und eine zweite Position vorgesehen, in der die Dis­ penserenden unterhalb der Ebene des Rahmens 21 hervorragen, um beispielsweise zur Befüllung in ein Gefäß (z. B. in die Volumina einer Mikrotiterplatte) gefahren zu werden. Zur Umstellung von der Prozessierungsposition zur Befüllungsposition werden die Servomotoren 31 mit dem Rahmen 21 zur Freigabe der Dispenser­ spitzen nach oben gegen Rückholfedern der Stelleinrichtung 33 gedrückt und in der Befüllungsposition verankert. Nach der Be­ füllung wird die Verankerung freigegeben und die Rückholfedern drücken die Servomotoren 31 mit dem Rahmen 21 zurück in die Prozessierungsposition. Die Antriebseinheit 30 besitzt ferner eine Motoraufhängung 34, deren Betätigung wiederum mit der Hal­ terungs- und Stelleinrichtung der Dispenserreihe synchronisiert ist.

Bei der Realisierung der oben genannten zweiten Ausführungsform ist die Prozessierungsstation gemäß den Fig. 3 und 4 ent­ sprechend anzupassen. Demnach sind die Trägerballen an einem gemeinsamen Träger reihenweise zu befestigen und mit angepaßten Betätigungselementen in einer Richtung entsprechend der Längs­ richtung der Mikrodispenser (Auf-/Ab-Bewegung) zu betätigen.

Die Betätigungselemente besitzen insbesondere für jeden Träger­ ballen eine Draht- oder Faden-Aufhängung, mit der der Träger­ ballen vom Auslaß (oder der Düse) des Mikrodispensers bis zu einem oberen Dispenserbereich hochgezogen werden kann. Oberhalb des piezoelektrischen Wandlers kann die Bewegung der Aufhängung magnetisch oder mechanisch erfolgen.

Die erfindungsgemäße Prozessierung geringster Substanzmengen in Mikrodispensern besitzt den Vorteil, daß nur geringe Mengen des Elutionsmittels benötigt werden, um die gebundenen Probensub­ stanzen in der Dispenserspitze von der festen Phase zu eluie­ ren. Als Elutionsmittel kommen beispielsweise 100 bis 300 nl eines Gemisches aus Acetonitril (80 Vol-%) mit Trifluoressig­ säure (0.1 Vol-%) zum Einsatz. Die Aufnahme des Elutionsmittels erfolgt durch den Mikrodispenserauslaß (Düse), indem über eine Versorgungsleitung ein Unterdruck (z. B. rd. 10 mbar) am Mikro­ dispenser erzeugt wird. Über die Einstellung der Oberflächen­ kräfte bzw. der Kapillarkräfte wird das Elutionsmittel in den Mikrodispenser eingesogen.

Die Implementierung der Erfindung ist nicht auf die oben be­ schriebenen Ausführungsformen beschränkt. Es sind insbesondere die folgenden Modifikationen möglich. Es ist der Einsatz magne­ tisch und mechanisch betätigbarer Trägermaterialien simultan möglich. Es ist möglich, anstelle von zwei Permanentmagneten nur einen Permanentmagneten vorzusehen, dessen Position in Be­ zug auf den jeweiligen Mikrodispenser mit einer Verstellein­ richtung so geändert wird, daß die magnetischen Partikel stän­ dig unter Feldeinfluß bleiben. Es können auch mehr als zwei Permanentmagneten pro Dispenser vorgesehen sein. Anstelle der beschriebenen Mikrodispenser oder Mikropipetten können auch an­ dere Dosiereinrichtungen eingesetzt werden. Es können zusätzli­ che Mittel zur Formung des Magnetfeldes im Bereich der Reser­ voire der Mikrodispenser vorgesehen sein. Anstelle der Permanentmagneten können Elektromagneten oder Magneten auf der Basis von Mikrosupraleitern eingesetzt werden, falls genügend Platz für deren Positionierung gegeben ist. Die oben beschrie­ benen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können wieder­ holt und modifiziert werden, um bestimmte Prozessierungen zu erzielen.

Claims (17)

1. Verfahren zum Prozessieren von Substanzen im Reservoir (3) einer Dosiereinrichtung (1), mit den Schritten:

• 1. Bewegung eines festen Trägermaterials mit einer bindungsaktiven Oberfläche im Reservoir, und
• 2. Bindung der Substanz auf der Oberfläche des Trägermaterials.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem zum Sammeln von Substanzen im Reservoir (3) abwechselnd wiederholt eine Aufnahme einer Lösung oder Suspension der Substanz in das Reservoir und eine Bindung der Substanz an das Trägermaterial erfolgt.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem in das Reservoir (3) der Dosiereinrichtung ein Elutionsmittel aufgenommen wird, mit dem die am Trägermaterial gebundene Substanz abgelöst wird.

4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Trägermaterial magnetische Partikel (7) umfaßt, deren Bewegung unter der Einwirkung eines veränderlichen Magnetfeldes erfolgt.

5. Verfahren gemäß Anspruch 4, bei dem das veränderliche Magnetfeld durch die simultane Bewegung von Permanentmagneten (81, 82) in Bezug auf das Reservoir (3) gebildet wird.

6. Verfahren gemäß Anspruch 4, bei dem das veränderliche Magnetfeld durch Elektromagneten oder Mikrosupraleiter erzeugt wird.

7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Trägermaterial einen Trägerballen (9) umfaßt, dessen Bewegung mit einem mechanischen Betätigungselement erfolgt.

8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Dosiereinrichtung ein Mikrodispenser (1) oder eine Mikropipette verwendet wird.

9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche bei dem das Prozessieren der Substanz ein Aufkonzentrieren, Aufreinigen, Präparieren und/oder Synthetisieren umfaßt.

10. Vorrichtung zum Prozessieren von Substanzen, die durch eine Dosiereinrichtung (1) mit einem Reservoir (3) gebildet wird, in dem ein Trägermaterial (7, 9) mit bindungsaktiver Oberfläche beweglich angeordnet ist, wobei eine Antriebseinrichtung zur Halterung und/oder Bewegung des Trägermaterials im Reservoir (3) vorgesehen ist.

11. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, bei der die Dosiereinrichtung eine Mikropipette oder ein Mikrodispenser (1) ist.

12. Vorrichtung gemäß Anspruch 10 oder 11, bei der das Trägermaterial magnetische Partikel (7) umfaßt.

13. Vorrichtung gemäß Anspruch 12, bei der die Antriebseinrichtung eine Magneteinrichtung (8) umfaßt.

14. Vorrichtung gemäß Anspruch 13, bei der die Magneteinrichtung (8) mindestens einen Permanentmagneten umfaßt.

15. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11, bei der das Trägermaterial einen porösen Trägerballen (9) umfaßt.

16. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine Vielzahl von Dosiereinrichtungen jeweils mit einem Reservoir und eine Antriebseinrichtung mit einer Vielzahl von Magneteinrichtungen (8) oder Trägerballen (9) vorgesehen, sind.

17. Vorrichtung gemäß Anspruch 16, bei der die Vielzahl von Dosiereinrichtungen eine Reihe von piezoelektrischen Mikrodispensern umfaßt.