DE19852835A1 - Probenträger - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Probenträger zur Durchführung von Reihenanalysen mit einem eine Vielzahl von Kavitäten (22) zur Aufnahme von Flüssigproben und gegebenenfalls Reagenzien aufweisenden Substratteil (10). Um einen optimierten Prozeß- und Meßablauf zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, daß die Kavitäten als Meßkammern (22) in einer Ringzone (20) des Substratteils (10) im Winkelabstand voneinander angeordnet sind, daß in einem Zentralbereich (16) des Substratteils (10) eine mit einer Flüssigprobe beaufschlagbare Aufgabekammer (18) konzentrisch mit der Ringzone (20) angeordnet ist, und daß die Aufgabekammer (18) mit den Meßkammern (22) über jeweils einen Verbindungskanal (26) kommuniziert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Probenträger zur Durchfüh­ rung von Reihenanalysen an Flüssigproben mit einem Substratteil, das eine Vielzahl von Kavitäten zur Auf­ nahme von Flüssigproben und gegebenenfalls Reagenzien aufweist.

In der immunologischen Diagnostik, Genanalyse, Mikro­ biologie, Umweltanalytik, klinischen Chemie und weite­ ren Bereichen ist es häufig erforderlich, eine Vielzahl von Probenanalysen automatisch durchzuführen, wobei vor allem optische Meßverfahren wie Photometrie oder auch Luminometrie zum Einsatz kommen. Zu diesem Zweck ist es bekannt, sogenannte Mikrotiter- bzw. Mikrotestplatten als Probenträger einzusetzen, bei denen in matrixartig angeordneten Kavitäten bzw. Näpfchen eine Vielzahl von Proben vorgelegt werden können. Dabei ist es in der Re­ gel erforderlich, die einzelnen Kavitäten sequentiell mittels einer Positioniervorrichtung bezüglich einer Meß- oder Verarbeitungsstation auszurichten. Alternativ wurden bereits Geräte entwickelt, die durch eine Viel­ zahl von Zugabe- und Meßstationen eine Parallelverar­ beitung ermöglichen. Der apparative Aufwand hierfür ist jedoch beträchtlich, insbesondere wenn eine einheitli­ che Probenverarbeitung sichergestellt sein soll. Außer­ dem sind einer gewünschten Miniaturisierung durch die dann erschwerte Handhabung der Mikrotiterplatten Gren­ zen gesetzt.

Ausgehen hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zu­ grunde, einen Probenträger der eingangs genannten Art dahingehend zu entwickeln, daß ein zeitlich und räum­ lich optimierter Prozeß- und Meßablauf mit der Möglich­ keit zur vereinfachten Automatisierung gewährleistet ist. Weiter soll insbesondere zur Verarbeitung kleiner Probenmengen eine weitgehende Miniaturisierung ermög­ licht werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird die im Patentanspruch 1 angegebene Merkmalskombination vorgeschlagen. Vorteil­ hafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, eine Flüssig­ keit aus einer zentralen Aufgabekammer simultan in eine Vielzahl von radial umgebenden Meßkammern bzw. Reakti­ onskammern zu verteilen. Dementsprechend wird nach der Erfindung vorgeschlagen, daß die Kavitäten als Meßkam­ mern in einer Ringzone des Substratteils im Winkelab­ stand voneinander angeordnet sind, daß in einem Zen­ tralbereich des Substratteils eine mit einer Flüssig­ probe beaufschlagbare Aufgabekammer konzentrisch mit der Ringzone angeordnet ist, und daß die Aufgabekammer mit den Meßkammern über jeweils einen Verbindungskanal kommuniziert. Damit läßt sich eine Testflüssigkeit auf einfache Weise in viele Meßkammern eindosieren. Durch die ringförmige Meßkammeranordnung wird ein paralleler Prozeßablauf ermöglicht. Zugleich wird die Positionie­ rung bezüglich einer Verarbeitungsstelle auch bei mi­ niaturisierter Ausbildung aufgrund einer möglichen Drehbewegung vereinfacht.

In baulich vorteilhafter Ausgestaltung ist es vorgese­ hen, daß das Substratteil durch eine kreiszylindrische Substratscheibe gebildet ist, daß die Aufgabekammer und die Meßkammern koaxial zu der Zentralachse der Sub­ stratscheibe angeordnet sind, und daß die Verbindungs­ kanäle in der Substratscheibe sich radial erstrecken. Dabei ist es weiter günstig, wenn die Meßkammern bezüg­ lich der Zentralachse der Substratscheibe symmetrisch verteilt angeordnet sind.

Vorteilhafterweise ist die Aufgabekammer durch eine als zylindrisches Sackloch ausgebildete Zentralausnehmung des Substratteils gebildet. Dabei sollte zur vollstän­ digen Befüllung der Meßkammern sichergestellt sein, daß das Volumen der Aufgabekammer größer oder gleich dem Gesamtvolumen der Meßkammern ist.

In herstellungstechnischer Hinsicht ist es von Vorteil, wenn die Aufgabekammer, die Verbindungskanäle und die Meßkammern als Ausnehmungen an einer Planarfläche des Substratteils randoffen sind, und wenn zumindest die Verbindungskanäle und die Meßkammern durch ein mit dem Substratteil fest verbundenes Abdeckelement an der Planarfläche flüssigkeitsdicht abgedeckt sind. Dies kann dadurch erfolgen, daß das Abdeckelement durch ein Flachmaterial gebildet ist, welches im Bereich der Auf­ gabekammer eine Durchstechmembran zur Probeninjektion bildet. Alternativ ist es vorteilhaft, das Abdeckele­ ment durch eine Deckelplatte gebildet ist, welche im Bereich der Aufgabekammer einen vorzugsweise sich zu der Öffnung der Aufgabekammer hin erweiternden Durch­ bruch zur Probenaufgabe aufweist.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Er­ findung weist das Substratteil zur Rotation um seine Zentralachse eine formschlüssig mit einem Drehantrieb verbindbare Eingriffspartie auf. Damit läßt sich die Probenflüssigkeit unter Fliehkrafteinwirkung dosiert verteilen, und die Meßkammern können auf einfache Weise mit nur einem Freiheitsgrad positioniert werden. Eine vorteilhafte Ausführung sieht vor, daß die Ein­ griffspartie durch einen umfangsseitig gezahnten Zahn­ ringbereich oder axialen Zahnradfortsatz des Substratteils gebildet ist. Alternativ kommt es auch in Betracht, daß die Eingriffspartie durch eine für den Eingriff eines Drehmitnehmers ausgebildete Ausnehmung gebildet ist.

Ein selbsttätiger Transport der Probenflüssigkeit unter Kapillarwirkung kann dadurch erreicht werden, daß die Verbindungskanäle als Kapillarröhren ausgebildet sind. Für eine optimale Probenverteilung in den Meßkammern ist es günstig, wenn die Verbindungskanäle eine sich zu der Meßkammer hin erweiternde, vorzugsweise in deren oberen Bereich mündende Mündungsöffnung aufweisen.

Um komplexere Reaktionsabläufe steuern zu können, wird vorgeschlagen, daß die Meßkammern über einen Zusatzka­ nal mit jeweils einer zugeordneten Zusatzkammer verbun­ den sind. In diesem Zusammenhang ist es weiter günstig, wenn die Deckelplatte an ihrer von dem Substratteil ab­ gewandten Breitseite eine gegebenenfalls sektorweise abgetrennte Ringausnehmung aufweist, welche über je­ weils einen Axialdurchbruch in die Zusatzkammern mün­ det.

Eine steuerbarer Durchfluß durch die Meßkammern kann dadurch ermöglicht werden, daß die Meßkammern jeweils einen vorzugsweise siphonartig ausgebildeten, an einer Mantelfläche des Substratteils mündenden Auslaßkanal aufweisen.

Vorteilhafterweise besteht das Substratteil als Form­ teil aus Kunststoff, Glas oder einem Halbleitermateri­ al.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung in schematischer Weise dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen scheibenförmigen Probenträger zur Durch­ führung von Reihenanalysen in einer ersten Ausführungsform bei abgenommenem Abdeckteil in axialer Draufsicht;

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des geschlossenen Probenträgers entsprechend der Linie 2-2 der Fig. 1;

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Proben­ trägers mit teilweise abgebrochen dargestell­ ter Abdeckplatte in der Draufsicht;

Fig. 4 einen Axialschnitt des Probenträgers entlang der Schnittlinie 4-4 der Fig. 3;

Fig. 5 und Fig. 6 den mit einem Zahnradfortsatz aus­ gestatteten Probenträger nach Fig. 3 in einer Seitenansicht und einer Stirnseitenansicht von unten;

Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Proben­ trägers in einer ausschnittsweisen Draufsicht bei abgenommenem Abdeckteil; und

Fig. 8 eine Ausführungsform eines Probenträgers mit einer für den Eingriff eines Drehmitnehmers ausgebildeten Ausnehmung entsprechend der Dar­ stellung nach Fig. 6.

Die in der Zeichnung dargestellten Probenträger sind durch ein scheibenförmiges Formteil bzw. Substratteil 10 gebildet, das an seiner planaren Oberseite 12 fest mit einem Abdeckelement 14, 14' verbunden oder verbind­ bar ist. Das Substratteil 10 ist in einem axialen Zen­ tralbereich 16 mit einer Aufgabekammer bzw. Zentralaus­ nehmung 18 versehen, die als zylindrisches Sackloch über eine Aufgabeöffnung an der Oberseite 12 des Substratteils mit einer Flüssigprobe beaufschlagbar ist. Weiterhin weist das Substratteil 10 in einer peri­ pheren Ringzone 20 eine Vielzahl von Kavitäten bzw. Meßkammern 22 auf, die in gleichem Winkelabstand von­ einander bezüglich seiner Zentralachse 24 symmetrisch verteilt angeordnet sind. Die Meßkammern 22 weisen ei­ nen in radialer Richtung oval-langgestreckten lichten Querschnitt auf und sind als Ausnehmungen an der Substratteil-Oberseite 12 randoffen. Zur Verteilung der Flüssigprobe ist die Aufgabekammer 18 mit den Meßkam­ mern 22 über jeweils einen Verbindungskanal 26 verbun­ den. Die Verbindungskanäle 26 verlaufen als Vertiefun­ gen an der Oberseite 12 des Substratteils 10 ausgehend von der Aufgabekammer 18 geradlinig-in radialer Rich­ tung und weisen eine zu der jeweiligen Meßkammer 22 hin sich erweiternde Mündungsöffnung 28 auf.

Die vorstehend beschriebenen Merkmale sind bei allen in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen ver­ wirklicht, wobei funktionsgleiche Elemente mit densel­ ben Bezugszeichen versehen sind. Bei der Ausführungs­ form nach Fig. 2 ist das Abdeckelement 14 zur flüssig­ keitsdichten Abdeckung der Aufgabekammer 18 sowie der Meßkammern 22 und Verbindungskanäle 26 durch ein Flach­ material bzw. Folienmaterial 30 gebildet, welches stoffschlüssig flächig mit der Oberseite 12 des Substratteils 10 verbunden ist und im Öffnungsbereich der Aufgabekammer 18 eine Durchstechmembran zur Injek­ tion einer Flüssigprobe bildet.

Bei der in Fig. 3 und 4 gezeigten Ausführungsform sind die Meßkammern 22 über jeweils einen Zusatzkanal 32 mit einer zugeordneten Zusatzkammer 34 verbunden. Die Zu­ satzkammern 34 sind in raumsparender Weise zwischen den Verbindungskanälen 26 angeordnet. Sie ermöglichen ei­ nerseits die Aufnahme bzw. Durchleitung der beim Flüs­ sigkeitseintritt aus den Meßkammern 22 verdrängten Luft und erlauben andererseits eine zusätzliche Beaufschla­ gung der Meßkammern 22 beispielsweise mit einer Wasch­ flüssigkeit in der nachstehend beschriebenen Weise.

Zum Verschluß der Ausnehmungen 22, 26, 32, 34 ist eine scheibenförmige Deckelplatte 14' als Abdeckelement vor­ gesehen. Diese weist einen zu der Öffnung der Aufgabe­ kammer 18 hin sich konisch erweiternden Durchbruch 36 zur Probenaufgabe auf. Weiterhin ist die Deckelplatte 14' an ihrer von dem Substratteil 10 abgewandten Breit­ seite 38 mit einer Ringausnehmung 40 versehen, welche über jeweils einen Axialdurchbruch 42 in eine darunter­ liegende Zusatzkammer 34 mündet. Auf diese Weise kann eine Flüssigkeit durch Beaufschlagung der Ringausneh­ mung 40 in die Zusatzkammern 34 und von dort in die Meßkammern 22 verteilt werden. Grundsätzlich ist es auch möglich, daß die Ringausnehmung 40 zur getrennten Flüssigkeitsverteilung sektorweise abgetrennt ist.

Zum selbsttätigen Transport der Flüssigprobe bzw. von Testflüssigkeiten kann es vorgesehen sein, daß die Ver­ bindungskanäle 26 und gegebenenfalls die Zusatzkanäle 32 als Kapillarröhren ausgebildet sind. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß das Substratteil 10 zur Rotation um seine Zentralachse 24 eine formschlüssig mit einem nicht gezeigten Drehantrieb verbindbare Ein­ griffspartie aufweist. Auf diese Weise kann eine Flüs­ sigkeit aus der Aufgabekammer 14 unter Fliehkraftein­ wirkung, welche über die Drehzahl einstellbar ist, de­ finiert in die Meßkammern 22 gefördert werden. Wie in Fig. 5 und 6 gezeigt, kann die Eingriffspartie durch einen umfangsseitig gezahnten axialen Zahnradfortsatz 44 des Substratteils 10 gebildet sein. Der Fortsatz 44 kann zugleich dazu dienen, einen bodenseitigen Ab­ schnitt der Aufgabekammer 18 aufzunehmen (Fig. 4). Bei der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform weist das Substratteil 10 anstelle eines Zahnradfortsatzes einen axial abgestuften Bodenabschnitt 46 auf, welcher mit einer Querausnehmung 48 für den Eingriff eines nicht gezeigten Drehmitnehmers versehen ist.

Zur Durchleitung von Flüssigkeiten durch die Meßkammern 22 können diese mit einem Auslaßkanal 50 verbunden sein, welcher an der Mantelfläche 52 des Substratteils 10 mündet. Der Auslaßkanal 50 kann dabei siphonartig bzw. S-förmig ausgebildet sein, um so einen Flüssig­ keitsdurchlaß erst bei Überschreiten einer gewissen Fliehkraft zu erlauben. Grundsätzlich ist es auch mög­ lich, die Substratscheibe 10 mit einem Strichcode zur Probenkennzeichnung zu versehen, welcher bei einer Dre­ hung des Substratteils 10 einfach abtastbar ist.

Zur Herstellung des Substratteils 10 und der Abdeck­ platte 14' ist es zweckmäßig, wenn diese als einstücki­ ge Formteile, insbesondere Spritzgußformteile aus Kunststoff ausgebildet sind. Für optische Messungen kann ein transparentes Material mit den gewünschten op­ tischen Eigenschaften verwendet werden, wobei auch Glas bzw. Quarz in Frage kommt. Grundsätzlich ist es auch möglich, die Meßkammern 22 und Zusatzkammern 34 an ih­ ren Wandungen mit Reagenzien zu beschichten oder dort Meßelemente anzubringen. Die Meßkammern können bei­ spielsweise ein Volumen von weniger als 100 Mikrolitern aufweisen, wobei zur ausreichenden Befüllung sicherge­ stellt sein sollte, daß das Volumen der Aufgabekammer größer oder gleich dem Gesamtvolumen der Meßkammern ist. Eine weitere vorteilhafte Variante kann darin be­ stehen, daß den Meßkammern eine oder mehrere Vorkammern für einen stufenweisen Reaktionsablauf vorgeordnet . sind. Zur weiteren Miniaturisierung ist es auch denk­ bar, das Substratteil als eine Art von Miniaturlabor durch Ätzen einer Halbleiterstruktur zu fertigen.

Claims (17)

1. Probenträger zur Durchführung von Reihenanalysen mit einem eine Vielzahl von Kavitäten (22) zur Auf­ nahme von Flüssigproben und gegebenenfalls Reagen­ zien aufweisenden Substratteil (10), dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kavitäten als Meßkammern (22) in einer Ringzone (20) des Substratteils (10) im Winkelabstand voneinander angeordnet sind, daß in einem Zentralbereich (16) des Substratteils (10) eine mit einer Flüssigprobe beaufschlagbare Aufga­ bekammer (18) konzentrisch mit der Ringzone (20) angeordnet ist, und daß die Aufgabekammer (18) mit den Meßkammern (22) über jeweils einen Verbindungs­ kanal (26) kommuniziert.

2. Probenträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Substratteil durch eine kreiszylindri­ sche Substratscheibe (10) gebildet ist, daß die Aufgabekammer (18) und die Meßkammern (22) koaxial zu der Zentralachse (24) der Substratscheibe ange­ ordnet sind, und daß die Verbindungskanäle (26) in der Substratscheibe sich radial erstrecken.

3. Probenträger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Meßkammern (22) bezüglich der Zen­ tralachse (24) der Substratscheibe (10) symmetrisch verteilt angeordnet sind.

4. Probenträger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Aufgabekammer durch eine als zylindrisches Sackloch ausgebildete Zen­ tralausnehmung (18) des Substratteils (10) gebildet ist.

5. Probenträger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß das Volumen der Aufgabe­ kammer (18) größer oder gleich dem Gesamtvolumen der Meßkammern (22) ist.

6. Probenträger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Aufgabekammer (18), die Verbindungskanäle (26) und die Meßkammern (22) als Ausnehmungen an einer Planarfläche (12) des Substratteils (10) randoffen sind, und daß zumin­ dest die Verbindungskanäle (26) und die Meßkammern (22) durch ein mit dem Substratteil (10) fest ver­ bundenes oder verbindbares Abdeckelement (14, 14') an der Planarfläche flüssigkeitsdicht abgedeckt sind.

7. Probenträger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß das Abdeckelement durch ein Flachmaterial (14) gebildet ist, welches im Bereich der Aufgabe­ kammer (18) eine Durchstechmembran zur Probeninjek­ tion bildet.

8. Probenträger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß das Abdeckelement durch eine Deckelplatte (14') gebildet ist, welche im Bereich der Aufgabe­ kammer (18) einen vorzugsweise sich zu der Öffnung der Aufgabekammer (18) hin erweiternden Durchbruch (36) zur Probenaufgabe aufweist.

9. Probenträger nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß das Substratteil (10) zur Rotation um seine Zentralachse (24) eine form­ schlüssig mit einem Drehantrieb verbindbare Ein­ griffspartie (44, 48) aufweist.

10. Probenträger nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Eingriffspartie durch einen umfangs­ seitig gezahnten Zahnringbereich oder axialen Zahn­ radfortsatz (44) des Substratteils (10) gebildet ist.

11. Probenträger nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Eingriffspartie durch eine für den Eingriff eines Drehmitnehmers ausgebildete Ausneh­ mung (48) gebildet ist.

12. Probenträger nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß die Verbindungskanäle (26) zum Transport der Flüssigprobe unter Kapillar­ wirkung als Kapillarröhren ausgebildet sind.

13. Probenträger nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß die Verbindungskanäle (26) eine sich zu der jeweiligen Meßkammer (22) hin erweiternde, vorzugsweise in deren oberen Bereich mündende Mündungsöffnung (28) aufweisen.

14. Probenträger nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß die Meßkammern (22) über einen Zusatzkanal (32) mit jeweils einer zugeordne­ ten Zusatzkammer (34) verbunden sind.

15. Probenträger nach einem der Ansprüche 8 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, daß die Deckelplatte (14') an ihrer von dem Substratteil (10) abgewandten Breit­ seite (38) eine gegebenenfalls sektorweise abge­ trennte Ringausnehmung (40) aufweist, welche über jeweils einen Axialdurchbruch (42) in die Zusatz­ kammern (34) mündet.

16. Probenträger nach einem der Ansprüche 1 bis 15, da­ durch gekennzeichnet, daß die Meßkammern (22) je­ weils einen vorzugsweise siphonartig ausgebildeten, an einer Mantelfläche des Substratteils (10) mün­ denden Auslaßkanal (50) aufweisen.

17. Probenträger nach einem der Ansprüche 1 bis 16, da­ durch gekennzeichnet, daß das Substratteil (10) als Formteil aus Kunststoff, Glas oder einem Halblei­ termaterial besteht.