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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist auf Vorrichtungen und Verfahren zur Probenabgabe
gerichtet. Spezieller ist die Erfindung auf Vorrichtungen und Verfahren
zur automatischen mikrodimensionierten Probenabgabe an chemische
Reagenzien und/oder Analysenvorrichtungen gerichtet.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Verfahren
zur Ausführung
von chemischen Reaktionen erfordern häufig mehrere Schritte in mehreren
Reaktionsgefäßen, einschließlich ein
umfassendes Handhaben von Reagenzien. Diese Beschränkungen
können
zu experimentellem Fehler, Verunreinigung und einem Risiko einer
Einwirkung von gefährlichen
Substanzen auf Laborarbeiter führen.
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Die
US-A-4906344 offenbart eine thermische Technik zur Volumenfluidbewegung
bei einer Kapillarelektrophorese. Die US-A-4979365 offenbart einen
elektrothermisch betriebenen Aktuator.
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Analysentechniken
erfordern typischerweise ein hohes Maß an Arbeit und die Verwendung
von komplizierten Vorrichtungen. Außerdem beinhalten viele chemische
Labor- und Industrieprozesse die Verwendung von verhältnismäßig großen Volumina von
Reagenzien und mehreren Laborinstrumenten. Z.B. erfordern typische
großdimensionierte
Immunoassays die Verwendung von Pipetten, Reaktionsgefäßen und
Reaktionskammern. Siehe z.B. Mattiasson et al., Proc. Int. Symp.
on Enzyme-Labeled Immunoassay of Hormones and Drugs (Pal, S., Hersg., Walter
de Gruyter, Berlin (1978), S.91). Solche Prozesse können ungeachtet
der Größe der Reaktion auch
mehrere Schritte erfordern. Demgemäß gibt es eine Möglichkeit
für eine
verringerte Genauigkeit aufgrund der Einführung von Verunreinigungen,
Volumenungenauigkeiten und geringer Reproduzierbarkeit. Diese Anwendungen
gravierend, bei denen biologische Proben, wie z.B. Immunoassays,
Polynucleotidamplifikationen oder Hybridisierungen, analysiert werden.
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Kürzlich sind
Anstrengungen unternommen worden, um chemische Prozesse zu modernisieren, um
Kosten zu reduzieren, eine Genauigkeit zu erhöhen und Reaktionsausbeuten
zu verbessern. Z.B. sind Kapillarelektrophoresetechniken vorschlagen worden,
um eine Auflösung
bei Immunoassays zu erhöhen.
Verschiedene Versuche sind unternommen worden, um andere übliche Analysentechniken,
wie z.B. die Polymerasekettenreaktion (PCR), zu verbessern. Z.B.
berichtet das US-Patent 5,273,907 über eine mit PCR-Reagenzien
vorbeladene Kapillare, die verwendet wird, um eine Probe an die
Reagenzien zur DNA-Amplifikation
abzugeben. Ähnlich
beschreibt die internationale Patentveröffentlichung WO93/22058 ein
mikrodimensioniertes Gerät
zur Ausführung
von PCR. In diesem Fall werden PCR-Reagenzien von einer ersten Kammer
durch Bewegung von Materialien durch Kanäle in einem Mikrochip mit einer
Probe in einer zweiten Kammer gemischt.
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Es
gibt einen Bedarf im Stand der Technik an Verfahren und Vorrichtungen,
die die Arbeit, Kosten, biologische Gefährdungsexposition und Kompliziertheit,
die mit einer mikrodimensionierten Probenabgabe für chemische
Reaktionen und Analysentechniken verbunden ist, verringern. Die
vorliegende Erfindung spricht diesen Bedarf an.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es
sind nun Vorrichtungen und Verfahren entwickelt worden, um automatisch
eine Probe an ein Reaktionsgefäß, ein Analysengerät oder eine
beliebige Stelle abzugeben, wo eine Probeneinführung oder -ablagerung erwünscht ist.
Allgemein gesprochen, betrifft die Erfindung ein thermisch gesteuertes
mikrodimensioniertes Probenabgabesystem und ein Verfahren zu seiner
Verwendung. Eine Ausführungsform
der Erfindung umfasst eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abgabe
einer Probe an einen Kanal, in dem chemische Reaktionen auftreten.
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Ein
Probenabgabesystem der Erfindung, wie durch Anspruch 1 definiert,
umfasst im Allgemeinen ein Gehäuse,
das einen Kanal, z.B. eine Kapillare, begrenzt, und ein Temperaturregelgerät in thermischer
Verbindung mit dem Kanal. Der Kanal ist an einem Ende verschlossen
und enthält
eine Öffnung
zur Einführung
einer Probe. Das verschlossene Ende ist typischerweise mit dem Temperaturregelgerät verbunden.
Das Temperaturregelgerät
kann eine thermoelektrische Erwärmungsvorrichtung,
wie z.B. ein Peltierelement, zum Erwärmen und Kühlen eines thermisch expandierbaren
Fluids im Kanal sein. Das Temperaturregelgerät kann auch ein temperaturgeregeltes
Fluid umfassen, das in thermischer Verbindung mit dem Kanal steht.
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Ein
Probenabgabesystem der Erfindung umfasst vorzugsweise ein Array
von unabhängigen
Kanälen,
so dass mehrere Proben gleichzeitig abgegeben werden können. Die
Kanäle
sind häufig
Kapillaren, die nichtbenetzbare Oberflächen aufweisen können. In
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung sind die Kanäle
Kapillaren, die darin mindestens ein chemisches Reagens unbeweglich
gemacht aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Reagens
in einer Kapillare durch Immobilisierung z.B. durch Trocknen des
Reagens auf den Wänden der
Kapillare vorbeladen. Reagenzien können auch durch Absorption
in einem Pfropfen von Material, wie z.B. Baumwolle, der in der Kapillare
platziert ist, unbeweglich gemacht sein. Reagenzien sind typischerweise
auf den Kapillarwänden
in einer oder mehreren diskreten Stellen unbeweglich gemacht.
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Eine
andere Ausführungsform
des Probenabgabesystem umfasst ein zweites Temperaturregelgerät. Das zweite
Temperaturregelgerät
kann zum Erwärmen
und/oder Kühlen
der Probe und Reagenzien in der Kapillare positioniert sein. Das
zweite Temperaturregelgerät
umfasst vorzugsweise eine erste Leitung zum Erwärmen und eine zweite Leitung zum
Kühlen.
Das zweite Temperaturregelgerät
ist deshalb angepasst, um die Temperatur in einem diskreten Teil
der Kapillare, typischerweise in Richtung auf das offene Ende der
Kapillare, zu steuern. D.h., das zweite Temperaturregelgerät sollte
keine Temperaturänderungen
des Fluids oder Gases in der Nähe des
verschlossenen Endes der Kapillare verursachen. Zu diesem Zweck
kann ein Probenabgabesystem auch eine Isoliertrennwand in der Kapillare
enthalten, um dabei zu helfen, ein Probenvolumen in der Kapillare
stationär
zu halten.
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Demgemäß kann die örtliche
Temperatur einer Reaktion zwischen Reagenzien und Probe durch ein
zweites Temperaturregelgerät
ohne Bewegen der Probe in der Kapillare oder durch Bewegen des zweiten
Temperaturregelgeräts
entlang der Kapillare gesteuert werden. Ein Probenabgabesystem der
Erfindung kann mehr als zwei Temperaturregelgeräte enthalten. Jedoch kann ein
einziges Temperaturregelgerät
verwendet werden, um sowohl die ganze Kapillare als auch diskrete
Stellen zu erwärmen
und/oder zu kühlen.
Ein Probenabgabesystem der Erfindung kann mehr als zwei Temperaturregelgeräte enthalten.
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Verfahren
der Erfindung, wie in den Ansprüchen
7 und 10 definiert, sorgen für
die Abgabe einer Probe an vorher angeordnete Reagenzien in einem Kanal,
an eine Eingabeöffnung
eines Analysengeräts oder
an eine andere Stelle, wo die Probe oder ihre Reaktionsprodukte
gewünscht
werden. In einer bevorzugten Ausführungsform erwärmt ein
Temperaturregelgerät
in Verbindung mit einer Kapillare das Gas in der Kapillare, so dass
das Volumen, das durch das Gas eingenommen wird, ansteigt, wodurch
sein Druck zunimmt. Diese Zunahme im Volumen und Druck zwingt Gas
durch die Kapillaröffnung.
Die Öffnung
der Kapillare wird dann einer Probe ausgesetzt, z.B. indem das offene
Ende in eine flüssige
Probe untergetaucht wird. Beim Kühlen
kontrahiert das Volumen von Gas, das im Kanal zurückbleibt,
und der Druck in der Kapillare nimmt ab. Als Folge wird eine Aliquote
einer Probe in die Kapillare gezogen, um den Volumenhohlraum zu
füllen,
der durch das kontrahierende Gas zurückgelassen wird. Bei ausreichender
Kühlung
wird die Probe weit genug in die Kapillare gezogen, um mit chemischen
Reagenzien, die darin angeordnet sind, Kontakt zu machen, wenn vorhanden.
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Produkte
der Reaktion, wenn vorhanden, können
aus der Kapillare entfernt werden, indem das Gas in der Nähe des verschlossenen
Endes in der Kapillare erwärmt
wird. Alternativ kann die in die Kapillare gezogene Probe aus der
Kapillare entfernt werden, ohne dass eine Reaktion auftritt, und
an einen anderen Reaktionsort, Kapillare, Analysengerät oder irgendwohin,
wo eine Probenablagerung gewünscht
wird, abgegeben werden.
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In
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
wird ein Probenabgabesystem der Erfindung verwendet, um eine Probe
in eine Probenanalysenvorrichtung einzuführen, wie in der in gemeinsamem Besitz
befindlichen US-A-6375817 offenbart, die hierin durch Bezug aufgenommen
wird. Eine Probenanalysenvorrichtung (oder Probenpfropfenbildungsgerät) umfasst
im Allgemeinen eine Struktur, die zwei Kanäle begrenzt, die sich unter
einem beliebigen Winkel kreuzen, um eine Verbindung (oder "Verbindungsstelle") zu bilden. Einer
der Kanäle
ist ein Probeneinführkanal
mit einer Öffnung
zur Einführung
einer Probe. Der andere Kanal umfasst einen Trennkanal, in dem ein
Medium angeordnet sein kann, das Komponenten trennen kann, von denen
vermutet wird, dass sie in der Probe sind. Die Probenanalysenvorrichtung
weist weiter eine Einrichtung zum Aufbringen eines ersten Druckunterschieds
auf die Kanäle
auf, so dass eine Probe in die Verbindung fließt. Anschließend bewegt
ein zweiter Druckunterschied einen Teil der Probe in den Trennkanal
zur Trennung und/oder Analyse. Mit den geeigneten Parametern und
Steuerung der Druckunterschiede kann ein wohldefinierter Probenpfropfen
gebildet werden.
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Folglich
stellt die vorliegende Erfindung Vorrichtungen und Verfahren zur
schnellen, genauen, automatischen Abgabe von Proben an eine Analyseninstrumentenausrüstung oder
an chemische Reagenzien zur Durchführung von chemischen Reaktionen
bereit. Bei Verwendung in Verbindung mit einer Probenanalysenvorrichtung,
die oben beschrieben ist, kann die Reaktion und anschließende Analyse
einer Probe ein vollautomatischer Prozess sein.
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Die
Erfindung wird bei Betrachtung der folgenden Zeichnungen, Beschreibung
und Ansprüche besser
verstanden.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Veranschaulichung eines Querschnitts eines Array
von Probenabgabesystemen der Erfindung, wobei jede Kapillare darin
angeordnete Reagenzien aufweist, um chemische Reaktionen auszuführen.
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2 ist
eine schematische Veranschaulichung eines Querschnitts eines bevorzugten
Probenabgabesystems der Erfindung, umfassend eine Kapillare, ein
erstes Temperaturregelgerät
und ein zweites Temperaturregelgerät.
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3 ist
eine schematische Veranschaulichung eines Querschnitts eines Array
von bevorzugten Probenabgabesystemen der Erfindung, umfassend mikroverfertigte
Kanäle,
wobei jeder einen Innendurchmesser aufweist, der entlang seiner
Längsachse
variiert.
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4 ist
eine schematische Veranschaulichung eines Querschnitts eines Array
von bevorzugten Probenabgabesystemen der Erfindung, umfassend Kapillaren,
die mit einem ersten Temperaturregelgerät und einem zweiten Temperaturregelgerät verbunden
sind.
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5A–5F sind
schematische Veranschaulichungen eines Querschnitts eines Probenabgabesystems
der Erfindung während
einer Anwendung der Erfindung.
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6 ist
eine schematische Veranschaulichung einer Probenanalysenvorrichtung
(auch als ein Probenpfropfenbildungsgerät bezeichnet), das einen Probeneinführkanal
und einen Trennkanal aufweist.
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7 veranschaulicht
ein als Einheit ausgebildetes Probenabgabesystem und Probenanalysenvorrichtung
zur schnellen automatischen Probenherstellung und -analyse.
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Gleiche
Bezugszeichen in respektiven gezeichneten Figuren zeigen entsprechende
Teile an.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung liefert im Allgemeinen ein Probenabgabesystem zur automatischen
Abgabe einer Probe an Reagenzien zur Durchführung von chemischen Reaktionen
und/oder an Analyseninstrumente zur Analyse von mikrodimensionierten
Proben. Wie hierin verwendet, soll der Term "Probe" jegliche Quelle, von der vermutet wird,
dass sie eine Komponente enthält,
die zu detektieren oder zu identifizieren ist, oder eine beliebige
potenziell reaktive chemische Einheit bedeuten. Eine Probe kann "unverdünnt" sein oder kann mit
einem geeigneten Lösungsmittel
verdünnt
sein. Im Augenblick bevorzugte Proben umfassen, sind aber nicht
darauf beschränkt,
biologische Untersuchungsmaterialien, von denen vermutet wird, dass
sie eine Komponente von Interesse enthalten. Proben, die zur Verwendung
in der beanspruchten Erfindung geeignet sind, umfassen Körperfluide,
wie z.B. Blut, Serum, Plasma, Urin, Zerebrospinalflüssigkeit,
Saliva, Schweiß,
Tränen,
Samen, Vaginalflüssigkeit,
Fruchtwasser und Aszitesflüssigkeit.
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Allgemein
gesprochen, umfasst ein Probenabgabesystem der Erfindung ein Gehäuse, das
einen Kanal begrenzt, wie z.B. eine Kapillare. Der Kanal weist ein
erstes Ende auf, das eine Öffnung
zur Einführung
einer Probe sein kann, und ein zweites Ende, das in Verbindung mit
einer Volumenregeleinrichtung sein kann. Typischerweise ist ein
Ende abgedichtet, wobei ein verschlossenes Ende des Kanals begrenzt wird.
Eine Öffnung
zur Einführung
einer Probe in den Kanal ist vorzugsweise entgegengesetzt zum Ende des
Kanals in Verbindung mit der Volumenregeleinrichtung, aber sie kann
an einer beliebigen Stelle entlang dem Kanal vorliegen.
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Die
Volumenregeleinrichtung kann allgemein gesprochen eine Pumpe, eine
Spritze, ein Pipettenballon, ein thermischer Regler oder eine andere
Einrichtung zum Ändern
des Volumens und/oder Drucks im Kanal sein. Wenn das Probenabgabesystem
ein verschlossenes Ende aufweist, ist die Volumenregeleinrichtung
vorzugsweise ein Temperaturregelgerät in thermischer Verbindung
mit dem verschlossenen Ende des Kanals. Das Temperaturregelgerät expandiert
und/oder kontrahiert, d.h. erwärmt
und/oder kühlt,
ein thermisch expandierbares Fluid, das in der Nähe des verschlossenen Endes
im Kanal angeordnet ist. Eine Regelung der Temperatur des thermisch expandierbaren
Fluids im Kanal bewegt eine Aliquote von Flüssigkeit, die häufig eine
Probe von Interesse enthält,
in den Kanal und aus dem Kanal heraus. Auf diese Weise kann eine
definierte Probenmenge eine spezifische Strecke im Kanal bewegt
werden, dann später
aus dem Kanal ausgestoßen
werden.
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Ein
Probenabgabesystem der Erfindung kann auch ein oder mehrere chemische
Reagenzien oder Sätze
von chemischen Reagenzien aufweisen, die darin angeordnet oder unbeweglich
gemacht sind. In diesen Ausführungsformen
wird eine Probe durch den Kanal zur anschließenden chemischen Reaktion
an die Reagenzien abgegeben. Wenn die chemische Reaktion bei einer
Temperatur durchgeführt
wird, die keine Umgebungstemperatur ist, kann ein zweites Temperaturregelgerät mit dem
Kanal verbunden werden, um die geeigneten Reaktionsbedingungen zu
liefern. Nach der Reaktion können
die Reaktionsprodukte zur weiteren Reaktion und/oder Analyse aus
dem Kanal ausgestoßen
werden.
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Demgemäß kann ein
Probenabgabesystem der Erfindung verwendet werden, um zahlreiche
Typen von chemischen Reaktionen durchzuführen und/oder eine Analyse
von Proben zu fördern.
Z.B. kann ein Probenabgabesystem bei Diagnoseanwendungen verwendet
werden, wie z.B. einer Blutuntersuchung (z.B. um Blutkomponenten
zu identifizieren oder DNA im Blut zu detektieren/identifizieren),
Immunoassays (z.B., um die Anwesenheit eines spezifischen Antigens
in einer Probe zu detektieren) und kolorimetrischen oder anderen
Assays (z.B. radiochemischen, chemilumineszierenden oder Bindungsassays).
Ein Probenabgabesystem der Erfindung kann in Anwendungen verwendet
werden, um Toxine (z.B. Bakterien, Alkohol, Arzneimittel, Viren,
Organismen, Metalle, nichtnormale Niveaus von physiologischen Chemikalien
und dergleichen) oder andere Komponenten in einer Probe (z.B. einer
biologischen oder Umweltprobe) zu detektieren. Zusätzlich kann ein
Probenabgabesystem bei einer chemischen Synthese verwendet werden
(z.B. bei der Herstellung von Arzneimitteln, Peptiden, Nucleotiden).
Ein Probenabgabesystem kann auch bei zahlreichen Labortechniken
verwendet werden, einschließlich,
aber nicht darauf beschränkt,
Peptid- oder Nucleotidsequenzierung, Amplifikation und/oder Modifikation; Enzymscreening;
und Rezeptor-Liganden-Reaktions-Screening, das z.B. eine Antikörper-Antigen-Reaktion
verwenden kann.
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Es
versteht sich, dass die folgende Erörterung und Beispiele auf ein
bevorzugtes thermisch gesteuertes Probenabgabesystem der Erfindung
gerichtet ist, das eine Kapillare als den Kanal und ein Gas als
das expandierbare Fluid verwendet. D.h. z.B., wenn hierin auf ein
Gas Bezug genommen wird, ist es ein spezifischer Bezug auf einen
Typ von thermisch expandierbarem Fluid, und die Verwendung des Terms "Gas" ist ein repräsentatives
Beispiel für eine
bevorzugte Ausführungsform,
das verwendet wird, um die Lehren der Erfindung zu veranschaulichen.
Jedoch lassen sich dieselben Prinzipien und Konzepte, die durch
diese Beschreibung gelehrt werden, in gleicher Weise auf die Verwendung
einer beliebigen Volumenregeleinrichtung, Kanal und/oder expandierbarem
Fluid anwenden, die einem Fachmann bekannt sind.
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Mit
Bezug auf 1 ist ein Array von Probenabgabesystemen 6 gemäß der Erfindung
dargestellt. Das Array von Probenabgabesystemen 6 umfasst
mehrere Kapillaren 10, die durch einen Arrayhalter 12 gehalten
werden. Die Kapillare kann aus Glas, Siliciumdioxid (Quarzglas)
oder polymeren Materialien, entweder anorganischen oder organischen, hergestellt
sein, wie z.B. geeigneten Kunststoffen.
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Die
Kapillaren können
wegwerfbar (d.h. zum einmaligen Gebrauch) oder wiederverwendbar
sein. Die Kapillaroberfläche
kann benetzbar oder nichtbenetzbar sein. In einer anderen Ausführungsform
werden die Kapillarkanäle
in die Oberfläche
eines Substrats eingeätzt
oder eingeformt. Obwohl ein Mikrochip typischerweise eine ebene
Oberfläche
aufweist, die mehrere Fortsätze
und/oder Verbindungen von dem Chip notwendig machen kann, sind Fachleuten
leicht Techniken und Materialien bekannt, um einen funktionalen
Mikrochip zu fertigen, um die Erfindung anzuwenden.
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Der
Durchmesser und die Länge
einer Kapillare können
stark variieren, um die notwendigen Abmessungen bereitzustellen,
um das notwendige Gesamtvolumen der Kapillare zu erzeugen. Typische Reaktionsvolumina
der Erfindung sind geringer als etwa 30 Mikroliter (μL), sind
aber vorzugsweise kleiner. Der Innendurchmesser jeder Kapillare
liegt typischerweise in einem Bereich von etwa 5 μm bis etwa 1000 μm. Der Innendurchmesser
einer Kapillare liegt vorzugsweise zwischen etwa 20 μm und 300 μm. Obwohl
Abmessungen für
eine im Wesentlichen kreisförmige
Querschnittsfläche
einer Kapillare bereitgestellt werden, werden ähnliche Querschnittsflächen für nichtkreisförmige Kanäle bevorzugt,
wie z.B. rechteckige Kanäle
mit einer Tiefe und einer Breite. Das offene Ende der Kapillare
kann einen kleineren Durchmesser als der Rest der Kapillare aufweisen. Die
Kapillare kann auch einen Innendurchmesser aufweisen, der entlang
seiner Längsachse
mehrmals variiert, um verschiedene "Zonen" entlang der Kapillare zu liefern. Obwohl
mikrodimensionierte Proben bevorzugt und beschrieben sind, beschränkt dies
in keiner Weise die Erfindung, da eine großdimensionierte Probenabgabe
unter Verwendung der Prinzipien und Konzepte, die hierin offenbart
sind, erzielt werden kann.
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Wieder
mit Bezug auf 1 ist ein Ende von jeder der
Kapillaren 10 abgedichtet, wobei ein verschlossenes Ende
der Kapillare 13 begrenzt wird. Das verschlossene Ende
der Kapillare 13 ist mit einem Temperaturregelgerät 14 verbunden
und steht in thermischer Verbindung damit. Jedoch braucht das Temperaturregelgerät 14 nicht
das gesamte verschlossene Ende 13 zu umfassen, wie in 1 wiedergegeben.
Das Temperaturregelgerät 14 kann
ein beliebiges Erwärmungs/Kühl-Element
sein, das Gas in den Kapillaren 10 erwärmen oder kühlen kann, z.B. eine thermoelektrische
Erwärmungsvorrichtung.
Das Temperaturregelgerät 14 kann
auch ein thermisch gesteuertes Fluid sein oder einschließen, wie
z.B. Wasser oder Polyethylenglycol, das durch ein Konstanttemperaturbad
zirkulieren kann.
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Vorzugsweise
kann das Temperaturregelgerät
eine vorgewählte
Temperatur in einem speziellen Zeitrahmen erreichen. Das Temperaturregelgerät ist vorzugsweise
imstande, die vorgewählte
Temperatur in einem Toleranzbereich von einer speziellen Reaktion
für die
erforderliche Zeitspanne aufrechtzuerhalten. Folglich kann das Temperaturregelgerät jegliches
geeignete kommerziell erhältliche
oder kundenspezifisch hergestellte Erwärmungs- oder Kühlgerät sein,
das Temperaturen erreichen kann, die erforderlich sind, um das thermisch
expandierbare Fluid in einem Kanal zu expandieren und zu kontrahieren.
Dieses spezielle thermisch expandierbare Fluid, das verwendet wird,
um die Erfindung zu praktizieren, schreibt die notwendigen Temperaturen
vor, die das Temperaturregelgerät
erreichen muss.
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Ein
Temperaturregelgerät
kann auch eine Hilfssteuereinrichtung, wie z.B. eine beliebige geeignete
programmierbare Logiksteuereinrichtung auf Mikroprozessor-Basis, Personal-Computer-Steuereinrichtung
oder dergleichen zur Prozesssteuerung umfassen. Eine geeignete Steuereinrichtung
umfasst Merkmale, wie z.B. Programmierbarkeit, Zuverlässigkeit,
Flexibilität
und Dauerhaftigkeit. Die geeignete Steuereinrichtung umfasst verschiedene
Eingangs/Ausgangs-Ports, die verwendet werden, um Verbindungen bereitzustellen,
um das Temperaturregelgerät
zu regeln, sowie Ventile zu öffnen
und zu schließen,
Fluide zu regeln und zuzumessen, unter anderen Merkmalen. Die Steuereinrichtung
umfasst auch geeigneten Speicher, um Prozessvorschriften für eine gewünschte Anwendung
zu speichern. Natürlich
hängt der
Steuereinrichtungstyp, der verwendet wird, von der speziellen Anwendung
ab.
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Ein
Probenabgabesystem der Erfindung kann eine Isoliertrennwand 15 umfassen,
wie in 1 dargestellt. Die Isoliertrennwand 15 trennt
im Wesentlichen das thermisch expandierbare Fluid in der Nähe des verschlossenen
Endes der Kapillare 13 von der "Reaktionszone", die der Bereich in der Kapillare zwischen
der Isoliertrennwand 15 und dem offenen Ende der Kapillare 8 ist.
Der Ausdruck "Reaktionszone" bezieht sich allgemein
auf die Bereiche der Kapillare, in denen Reaktionsreagenzien vorhanden
sind, Reaktionen durchgeführt
werden und Reaktionslösungsmittel
oder -mischungen in Kontakt kommen. In bevorzugten Ausführungsformen,
wo das expandierbare Fluid ein Gas ist, ist die Isoliertrennwand
gasdurchlässig.
Die Isoliertrennwand kann stationär oder bewegbar und starr oder
flexibel sein, abhängig
von den Konstruktionsmaterialien für die Trennwand und der speziellen
Anwendung.
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Eine
Verwendung einer Isoliertrennwand trägt dazu bei, das thermisch
expandierbare Fluid in der Nähe
des verschlossenen Endes der Kapillare bei einer Temperatur unabhängig vom
Rest der Kapillare zu halten, so dass eine Bewegung der Probe in der
Kapillare im Wesentlichen durch das Temperaturregelgerät gesteuert
wird. Auf diese Weise kann eine Reaktion bei nahezu jeglicher Temperatur
an einer diskreten Stelle der Kapillare ausgeführt werden, ohne dass das Reaktionsflüssigkeitsvolumen
aufgrund einer Expansion oder Kontraktion des thermisch expandierbaren
Fluids bewegt wird.
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Ein
Isolator kann sich auch außerhalb
der Kapillare befinden und in thermischer Verbindung mit ihr stehen.
Der außen
befindliche Isolator kann jegliches geeignete Material sein, das
eine hohe thermische Leitfähigkeit
aufweist, die für
die spezielle Anwendung geeignet ist. Der außen befindliche Isolator kann
auch in thermischer Verbindung mit anderen Materialien stehen, die
eine Temperatur ableiten. Ein außen befindlicher Isolator kann
auch in Verbindung mit einer Isoliertrennwand verwendet werden.
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Mit
Bezug auf 1 kann ein Probenabgabesystem
der Erfindung weiter ein oder mehrere chemische Reagenzien 16 enthalten,
die in den Innenwänden
der Kapillaren 10 angeordnet sind oder auf ihnen unbeweglich
gemacht sind. Eine Immobilisierung der chemischen Reagenzien 16 kann
durch Trocknen auf dem Innern der Kapillarwände erreicht werden. Die Reagenzien 16 können durch
viele Verfahren in die Kapillare 10 abgegeben werden, z.B.
indem sie unter Verwendung einer Mikronadel eingespritzt werden.
Nachdem sich die chemischen Reagenzien 16 in der gewünschten
Stelle in der Kapillare 10 befinden, können die Reagenzien 16,
z.B. durch Erwärmen,
Dehydrierung oder Vakuumtrocknen der Kapillare 10 unter
geeigneten Bedingungen, getrocknet werden, so dass die Reagenzien 16 an
ihrem Ablagerungsort bleiben. Eine oder mehrere von diesen Trocknungstechniken
können
kombiniert werden, um die Reagenzien 16 an den Wänden zu
trocknen. Die chemischen Reagenzien 16 können auch
in der Kapillare 10 unbeweglich gemacht werden, indem sie
in einem Volumenmaterial absorbiert werden, wie z.B. Baumwolle,
das in der Kapillare platziert wird. Zusätzlich können gewisse chemische Reagenzien 16, wie
z.B. PCR-Reagenzien, in einer geeigneten Matrix getrocknet werden,
z.B. Dextran oder Trehalose, bevor sie auf den Kapillarwänden unbeweglich
gemacht werden.
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Mehr
als ein chemisches Reagens kann in einer Kapillare gleichzeitig
vorhanden sein. D.h., zwei oder mehr chemische Reagenzien können in derselben
Reaktionszone vorliegen, wodurch ein Satz von chemischen Reagenzien
definiert wird. Jedoch können
die zwei oder mehr chemischen Reagenzien in der Kapillare unabhängig räumlich voneinander
beabstandet sein. Es versteht sich, dass die Verwendung des Terms "Satz" beim Beschreiben
der chemischen Reagenzien eine oder mehrere Gruppierungen oder Verbindungen
von Chemikalienreagenzien definieren soll und nicht notwendigerweise
mehr als ein Reagens bedeuten soll.
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Jeder
Satz von chemischen Reagenzien wird vorzugsweise in getrennten Ringen
um die Kapillarwände
getrocknet. Eine relative Platzierung der Reagenzien hängt von
vielen Faktoren ab. D.h. die Abmessungen der Kapillare und des Flüssigkeitsvolumens
der Reaktion beeinflussen die Platzierung der Reagenzien. Zusätzlich beeinflussen
die Reaktionsbedingungen, einschließlich Temperatur und Menge
von Reaktanten, die zur Reaktion oder Analyse benötigt werden,
die Platzierung der Reagenzien in der Kapillare. Außerdem beeinflusst
die Sequenz von Reaktionen, die durchzuführen sind, die Platzierung
von Reagenzien, da ein Kontakt der Probe mit unbeweglich gemachten
Reagenzien sequenziell auftritt, wenn sich die Probe in der Kapillare
vom offenen Ende zum verschlossenen Ende, dann zurück aus dem
offenen Ende bewegt.
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Im
der Erfindung nützliche
Reagenzien können
eine beliebige chemische Einheit sein, die potenziell mit einer
Probe oder ihrer Komponente wechselwirkt. Da die Vorrichtungen und
Verfahren der Erfindung in einer Fülle von chemischen Wechselwirkungen
nützlich
sind, sind die in der Erfindung nützlichen Reagenzien nur durch
die Kenntnis eines Fachmanns beschränkt. Demgemäß umfassen Reagenzien z.B.
ein Bindungsprotein, eine Nucleinsäuresonde, eine PNA-Sonde, ein Enzym,
ein Substrat, einen Liganden, einen Rezeptor, einen Antikörper und/oder ein
Antigen. Reagenzien können
zusätzlich
Puffer, Stabilisatoren, Tenside, Zusatzmittel, Arzneimittelträger, Träger, Haptene
oder andere verträgliche
Moleküle
umfassen, die eine Reaktion mit Probenkomponenten fördern oder
beeinflussen. Reagenzien können
zur Detektion mit einer detektierbaren Einheit oder Markierung oder
zur Eigenschaftsmodifizierung markiert sein. Bevorzugte Detektionsmarkierungen umfassen,
sind aber nicht darauf beschränkt,
fluoreszierende, chemilumineszierende, radioaktive, massenspektrometrische-
und kolorimetrische Markierungen. Bevorzugte Eigenschaftsmodifiziermarkierungen
umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, Ladungsmodifiziermarkierungen,
die die elektrophoretische Beweglichkeit eines Reagens ändern können und
Bioerkennungs- oder chemische Erkennungsmarkierungen, die eine verbesserte
analytische Selektivität
fördern.
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Sonden,
die in einem Probenabgabesystem nützlich sind, können eine
beliebige Nucleotid-bindende Verbindung sein, wie z.B. eine Ribosonde,
ein Polynucleotid oder eine PNA. Vorzugsweise ist die Sonde komplementär zu einer
Targetsequenz, die in der Probe vorhanden ist. In gewissen Ausführungsformen
können
Sonden auch Bindungsproteine oder andere synthetische Konstrukte
sein. Es wird vorgezogen, dass die Sonden detektierbar markiert
sind. Bevorzugte Markierungen umfassen Radioisotrope, fluoreszierende
oder kolorimetrische Markierungen, enzymatische Markierungen und
Molekulargewichtsmarkierungen, sowie andere nützliche Markierungen, die Fachleuten
bekannt sind.
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Eine
besonders bevorzugte Sonde ist eine Peptidnucleinsäure (PNA).
PNAs sind DNA-Nachahmer mit einer neutralen Polyamidhauptkette,
auf der die Nucleinsäuren-Basen
auf dieselbe Weise angebracht sind, wie sie an der Phosphathauptkette
der DNA angebracht sind. Siehe z.B. Egholm, et al., Nature, 365:566–568 (1993);
Oerum, et al., Nucl.Acids Res., 23: 5332-36 (1993); Practical PNA:
Identifying Point Mutations by PNA Directed PCR Clamping, PerSeptive
Biosystems Band 1, Ausgabe 1 (1995). Siehe auch die PCT-Veröffentlichungen
EP 92/01219, EP 92/01220 und die US 92/10921, die hierin durch Bezug
aufgenommen werden. Peptidnucleinsäuresonden bilden typischerweise
stabilere Duplexe mit DNA, verglichen mit DNA/DNA-Duplexen. Zusätzlich kann,
weil PNA/DNA-Komplexe
einen höheren
thermischem Schmelzpunkt aufweisen als die analogen DNA/DNA-Duplexe,
eine Verwendung von PNA-Sonden die Reproduzierbarkeit von Blottingassays
verbessern. Peptidnucleinsäure-Synthone
und -Oligomere sind im Handel erhältlich. (PerSeptive Biosystems,
Inc., Framingham, MA).
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Wie
hierin verwendet, soll der Term "detektierbare
Einheit" jegliche
geeignete Markierung bedeuten, einschließlich aber nicht darauf beschränkt, Enzyme,
Fluorophore, Biotin, Chromophore, Radioisotope, gefärbte Teilchen,
elektrochemische, chemisch modifizierende oder chemilumineszierende Einheiten.
Eine im Augenblick bevorzugte detektierbare Einheit ist eine fluoreszierende
Einheit. Übliche fluoreszierende
Einheiten umfassen: Fluorescein, Cyaninfarbstoffe, Cumarine, Phycoerythrin,
Phycobiliproteine, Dansylchlorid, Texasrot und Lanthanidkomplexe.
Natürlich
sind die Derivate von diesen Verbindungen, die Fachleuten bekannt
sind, auch als übliche
fluoreszierende Einheiten eingeschlossen.
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Eigenschaftsmodifiziermarkierungen
umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, Ladungsmodifiziermarkierungen,
die die elektrophoretische Beweglichkeit eines Reagens ändern können, und
die Bioerkennungs- oder chemischen Erkennungsmarkierungen, die eine
verbesserte analytische Selektivität fördern. Bevorzugte Eigenschaftsmodifiziermarkierungen
sind Massenmodifiziermarkierungen, wie z.B. Massenkennzeichen. Bevorzugte
Ladungsmodifiziermarkierungen sind im Stand der Technik bekannt,
z.B. siehe das US-Patent No. 5,630,924, das hierin durch Bezug aufgenommen
wird.
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Mit
Bezug auf 2 umfasst eine andere Ausführungsform
der Erfindung ein zweites Temperaturregelgerät 20 in thermischer
Verbindung mit einer Kapillare 10. Das Probenabgabesystem,
das in 2 dargestellt ist, weist auch ein erstes Temperaturregelgerät 14' auf, das mit
dem verschlossenen Ende der Kapillare 13 verbunden ist.
Das zweite Temperaturregelgerät 20 ist
typischerweise näher
am offenen Ende der Kapillare 8 als das erste Temperaturregelgerät 14 angeordnet.
Das veranschaulichte zweite Temperaturregelgerät 20 weist zwei Leitungen 22 und 24 zum
Regeln der Temperatur der Kapillare 10 in der diskreten
Zone auf, wo jede Leitung mit der Kapillare 10 thermisch
in Verbindung steht.
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Z.B.
ist, wie in 2 dargestellt, die Leitung 24 so
positioniert, dass die Temperatur der Kapillare dort geregelt wird,
wo die chemischen Reagenzien 16 unbeweglich gemacht sind.
Die Erfindung kann praktiziert werden, indem das zweite Temperaturregelgerät 20 stationär gehalten
wird und das erste Temperaturregelgerät verwendet wird, um die Probe oder
Reaktionsmischung zu der Zone (oder Zonen) in Verbindung mit den
Leitungen 22 und 24 zu bewegen. In diesen Ausführungsformen
kann eine von der ersten Leitung 22 oder zweiten Leitung 24 eine
erste Temperatur aufrechterhalten, und die andere der Leitungen
kann eine zweite Temperatur aufrechterhalten. Jedoch bleibt in gewissen
bevorzugten Ausführungsformen,
z.B. in einem PCR-Prozess, die Reaktionsmischung vorzugsweise stationär in der
Kapillare während
des ganzen Reaktionsprozesses, d.h. es tritt eine Temperaturwechselbehandlung
in der Zone auf, wo die PCR-Reagenzien unbeweglich gemacht sind.
In diesen Ausführungsformen
kann das zweite Temperaturregelgerät 20 stationär bleiben
oder kann sich entlang der Längsachse
der Kapillare 10 bewegen.
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Im
ersten Fall, wo das zweite Temperaturregelgerät 20 stationär bleibt,
ist die zweite Leitung 24 normalerweise in thermischer
Verbindung mit der Zone der Kapillare 10 positioniert,
wo die chemischen Reagenzien 16, wie in 2 wiedergegeben,
angeordnet sind. Die zweite Leitung 24 wird verwendet, um
die Temperatur oder Temperaturen zu regeln und aufrechtzuerhalten,
die während
einer Reaktion oder Reaktionen erforderlich sind, z.B. einer Temperaturwechselbehandlung.
D.h., eine erwärmte
Flüssigkeit oder
Gas kann durch die zweite Leitung 24 hindurchgeschickt
werden, um das Reaktionsflüssigkeitsvolumen
zu erwärmen,
dann kann eine kühlere
Flüssigkeit
oder Gas durch die zweite Leitung 24 hindurchgeschickt
werden, um die Reaktionsmischung zu kühlen. Auf diese Weise wird
eine Temperaturwechselbehandlung der Reaktionsmischung (auch als "Reaktionslösung" oder "Reaktionsflüssigkeitsvolumen" bezeichnet) erzielt.
Eine Verwendung dieser Technik ermöglicht, dass die erste Leitung 22 als
ein Isolator für
das verschlossene Ende der Kapillare 13 wirkt, z.B. indem
man ein Fluid konstanter Temperatur durch die erste Leitung 22 fließen lässt. Mit
anderen Worten kann die erste Leitung 22 als ein Isolator verwendet
werden, um das thermisch expandierbare Fluid im abgedichteten Ende
der Kapillare 13 bei einer konstanten Temperatur zu halten,
wodurch sichergestellt wird, dass die Reaktionsmischung im Wesentlichen
während
des gesamten Reaktionsprozesses stationär bleibt.
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Im
zweiten Fall, wo sich das zweite Temperaturregelgerät 20 entlang
der Längsachse
der Kapillare 10 bewegt, kann jede von der ersten Leitung 22 und
zweiten Leitung 24 unabhängig eine unterschiedliche
Temperatur in ihren respektiven Zonen einer thermischen Verbindung
mit der Kapillare 10 aufrechterhalten. Infolgedessen kann
die Reaktionsmischung stationär
bleiben, und das zweite Temperaturregelgerät 20 bewegt sich,
um eine erste Temperatur bei der Leitung 22 und eine zweite
Temperatur bei der Leitung 24 zu liefern. Es sollte ersichtlich
sein, dass, obwohl zwei Leitungen erörtert und wiedergegeben sind,
ein zweites Temperaturregelgerät 20 der Erfindung
eine beliebige Anzahl von Leitungen aufweisen kann, um die verschiedenen
Temperaturen und/oder isolierenden Merkmale bereitzustellen, die oben
erörtert
sind. Außerdem
kann ein zweites Temperaturregelgerät auch mehr als 2 Leitungen
aufweisen.
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3 veranschaulicht
eine Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die
ein Array von mikroverfertigten Probenabgabesystemen ist. Die Kanäle sind
auf einem mikroverfertigten Festkörper, wie z.B. einem Glas-
oder Kunststoffsubstrat, gebildet, die in der Form eines Mikrochips
vorliegen können.
Die Kanäle
werden typischerweise in die Oberfläche des Festkörpersubstrats
geätzt
oder eingeformt, wie unten erörtert.
Wie in 3 wiedergegeben, weist der Kanal 10' einen Innendurchmesser
auf, der mehrmals entlang seiner Längsachse variiert. Folglich
weist der Kanal verschiedene Zonen (oder Gebiete) auf, die eine
Isolation von unterschiedlichen Funktionen und/oder Reaktionen erlauben.
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Z.B.
ist in 3 die Zone von Kanal 10', die als Buchstabe "A" bezeichnet ist, das Wärmeregelgebiet
des Kanals. Dieses Gebiet umfasst das verschlossene Ende des Kanals 13', das sich in
thermischer Verbindung mit einem Temperaturregelgerät 14 befindet.
Im der veranschaulichten Ausführungsform
ist das Temperaturregelgerät 14 eine
thermisch geregelte Schicht, die sich in thermischer Verbindung mit
dem ganzen Wärmeregelgebiet "A" des Kanals 13' befindet. Wie wiedergegeben, befindet
sich die thermisch geregelte Schicht hinter den Kanälen. Jedoch
ist die Schicht vorzugsweise vor den Kanälen (oder obendrauf, wenn die
Kanäle
horizontal sind). Zusätzlich
können
mehrere Schichten verwendet werden. Die Schicht kann sich direkt
in thermischer Verbindung mit den Kanälen befinden oder kann in thermischer
Verbindung mit einer Substratabdeckung vorliegen (nicht dargestellt).
Typischerweise ist die thermisch geregelte Schicht eine Wärmesenke,
die mit einem geeigneten Wärmeregler
gekoppelt ist, der die Temperatur des Fluids im verschlossenen Ende
des Kanals moduliert.
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Die
Zone, die mit dem Buchstaben "B" bezeichnet ist,
ist ein Wärmeisolationsgebiet,
wo der Kanal 10' eingeschnürt ist,
um dazu beizutragen, das Wärmeregelgebiet
von der Probe und/oder den Reagenzien thermisch zu isolieren. Die
Zone "C" ist das Reagens-Mischungs-
und -Inkubations-Gebiet oder die "Reaktionszone". In diesem Gebiet des Kanals 10' kann eine Probe
mit chemischen Reagenzien 16 reagieren, die fakultativ
vorhanden sind. Dieses Gebiet kann auch verwendet werden, um Reagenzien und/oder
die Probe zu mischen, die zum Kanal über mehrere Einführunterkanäle (nicht
dargestellt) oder über
eine "Blasenabsonderung" (weiter unten zu
erörtern)
eingeführt
worden sind. Die Zone "D" ist das Einführgebiet,
wo die Probe und/oder die Reagenzien zum Innern des Kanals zum Transport
darin zugeführt
werden. Der Kanal in diesem Gebiet ist häufig von einem kleineren Durchmesser
als der größte Teil des
Kanals. Der Kanal in Zone "D" kann auch mehrere
offene Ende und Einführunterkanäle umfassen,
die an oder in der Nähe
der Reaktionzone zum Mischen und dergleichen darin konvergieren.
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Mikrochips
mit Kanälen
können
in großen Mengen
von einem Festkörpersubstratmaterial
konstruiert und gefertigt werden, das leicht sterilisiert werden
kann. Quarzglas ist wegen der gut entwickelten Technologie, die
seine genaue und effiziente Fertigung ermöglicht, ein bevorzugtes Substratmaterial, aber
andere Materialien können
verwendet werden, einschließlich
Polymere, wie z.B. Polytetrafluorethylen. Die Känale können von einem Quarzglassubstrat durch
die verschiedensten maschinellen Mikrobearbeitungsverfahren, die
Fachleuten bekannt sind, kostengünstig
in großen
Mengen gefertigt werden. Die maschinellen Mikrobearbeitungsverfahren,
die verfügbar
sind, umfassen Filmablagerungsprozesse, wie z.B. Schleuderbeschichtung
und chemisches Aufdampfen, Laserfertigungs- oder fotolithografische Techniken,
wie z.B. UV- oder Röntgenstrahlprozesse,
oder Ätzverfahren,
die durch entweder nasschemische Prozesse oder Plasmaprozesse durchgeführt werden
können.
(Siehe z.B. Manz, et al., Trends in Analytical Chemistry 10: 144–149 (1991).)
Jedoch können
andere Fertigungslösungswege
verwendet werden.
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Kanäle von variierenden
Breiten und Tiefen können
mit mikrodimensionierten Abmessungen gefertigt werden. Eine maschinelle
Mikrobearbeitung liefert auch ein einfaches Mittel, um zu ermöglichen, dass
eine Mehrzahl von Kanälen
gefertig werden und in gegenseitige Beziehung, d.h. in Fluidverbindung, miteinander
gebracht werden. Es sollte ersichtlich sein, dass ein Kanal der
Erfindung keine konsistente Längsachse
aufweisen mag. D.h., ein Kanal kann mehrere offene Enden aufweisen,
um die Einführung von
mehreren Proben und/oder Reagenzien zum Kanal zu ermöglichen.
Zusätzlich
kann ein Kanal der Erfindung ein verschlossenes Ende aufweisen,
das in Verbindung mit mehreren anderen Kanälen steht, wodurch ein gemeinsames
verschlossenes Ende bereitgestellt wird, das in Verbindung mit einem
Temperaturregelgerät
steht, das gleichzeitig eine Bewegung einer Flüssigkeit in den Kanälen fördert. Demgemäß sind viele
verschiedene Konstruktionen und Layouts von Kanälen möglich, abhängig von der speziellen Anwendung.
Natürlich
gelten diesselben Konstruktionsprinzipien für Kapillaren. Jedoch werden
komplizierte Konstruktionen vorzugsweise maschinell mikrobearbeitet.
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Die
Kanäle
können
unter Verwendung von Techniken, die im Stand der Technik bekannt
sind, umschlossen werden. Z.B. können
die Kanäle
umschlossen werden, indem ein anderes ebenes Substrat über die
geätzte
oder eingeprägte
Seite des mikroverfertigten Substrat gebunden wird. Wenn das umschlossene
Substrat dünn
ist, überträgt es Wärme schnell,
selbst wenn es aus einem thermisch isolierenden Material besteht.
Bevorzugte Dünnfilmmaterialien
zum Umschließen
von mikroverfertigten Merkmalen umfassen, sind aber nicht darauf
beschränkt, Polyimid
(z.B. Kapton®),
Mylar (z.B. MonoKote), Polyethylen, Teflon, Glas und Laminate und
Verbundwerkstoffe von diesen Materialien. Wenn für die Anwendung gewünscht, können Reagenzien
auf die Wände
der Kanäle
abgelagert und getrocknet werden, bevor die Kanäle umschlossen werden.
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Die
Breite und Tiefe eines mikroverfertigten Kanals kann eingestellt
werden, um Funktionen zu fördern,
wie z.B. Lösungsmischen,
Lösungsabsondern,
thermische Isolation und Zwischenkanalmanifoldbildung. Zusätzlich können mikroverfertigte Mehrschichtprobenabgabesysteme
die Funktionalität
des Probenabgabesystems durch Integration von anderen Kanalstrukturen
oder integrierten elektronischen Geräten durch Fachleuten bekannte
Verfahren erhöhen.
Registriermerkmale können
auch in das Substrat eingeprägt
werden, um Zusammenbau- und Roboterhandhabungsfunktionen zu fördern.
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Außerdem kann
das Quarzglassubstrat, das verfertigte Kanäle enthält, mit einer dünnen anodisch gebundenen
Glasabdeckung bedeckt und abgedichtet werden. Andere durchsichtige
oder opake Abdeckungsmaterialien können verwendet werden. Alternativ
können
zwei mikroverfertigte Quarzglassubstrate in Sandwichbauweise angeordnet
werden, oder ein Quarzglassubstrat kann zwischen zwei Glasabdeckungen
eingefügt
werden. Die Verwendung einer transparenten Abdeckung führt zu einem
Fenster, was ein dynamisches Betrachten der Kanalinhalte fördert und
ein optisches Probenehmen der Kanäle entweder visuell oder durch
eine Maschine ermöglicht.
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Die
Verwendung von mikroverfertigten Kanälen in einem Festkörpersubstrat,
wie oben beschrieben, liefert viele Vorteile. Die Abmessungen und
die Form der Kanäle
können
für Prozesse
oder Funktionen eingestellt werden, denen nicht leicht unter Verwendung
von Kapillaren eines einzigen Durchmessers entsprochen wird. Z.B.
können
in einen Kanal gezogene Lösungen,
die zu Beginn durch eine Blase abgesondert sind, gemischt werden,
wenn die Lösungen
zu einem Gebiet des Kanals transportiert werden, das einen vergrößerten Durchmesser
aufweist. Alternativ können
Kanäle
mit verringertem Durchmesserbereichen gefertigt werden, um den Wärmeübertragungskoeffizienten
von einem Abschnitt des Kanals zu einem anderen zu verringern.
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Zusätzlich ermöglichen
mikroverfertigte Kanäle,
dass eine Reagenslösung
leicht in einem Gebiet eines nicht umschlossenen Kanals abgelagert wird
und anschließend
getrocknet wird, um das Reagens im Kanal zurückzulassen, bevor der Kanal
mit einem umschließenden
Substrat umschlossen wird. Außerdem
können
mehrschichtige mikroverfertigte Strukturen gebildet werden, die
die Funktionalität
des Probenabgabesystems durch Kanalmanifoldbildung oder durch Integration
von elektrischen Komponenten in das Probenabgabesystem unter Verwendung von Fachleuten
bekannten Verfahren erhöhen.
In anderen Ausführungsformen
können
Registriermerkmale auf das Substrat geätzt oder geformt werden, um
eine Ausrichtung des Substrats mit anderen Instrumentkomponenten
oder anderen Schichten des Probenabgabesystems zu ermöglichen,
wodurch die Ausrichtung und Handhabung der Substrate in einem automatischen
Robotersystem vereinfacht wird. Sämtliche obigen Merkmale tragen
dazu bei, die Kompliziertheit des Abgabesystems der Erfindung zu verringern,
indem ein einziges Festkörperabgabesystem
bereitgestellt wird, das ein Array von Kanälen enthält, die leicht und wirkungsvoll
gehandhabt werden können.
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4 stellt
ein Array von Kapillaren 10 dar, die jeweils ein verschlossenes
Ende 13 aufweisen und sich jeweils in Verbindung mit einem
ersten Temperaturregelgerät 14' befinden. Die
Kapillaren 10 enthalten jeweils einen ersten Satz von chemischen
Reagenzien 18 und einen zweiten Satz von chemischen Reagenzien 26,
die auf den Kapillarwänden
unbeweglich gemacht sind. Ein zweites Temperaturregelgerät 20,
das die Leitungen 22 und 24 respektive zum Erwärmen und/oder
Kühlen
umfasst, ermöglicht
eine Steuerung der Temperatur im diskreten Teil der Kapillare, der
die chemischen Reagenzien enthält,
wie oben erörtert.
Eine Verwendung des zweiten Temperaturregelgeräts und eines Isolators (z.B.
einer Isoliertrennwand, nicht dargestellt) ermöglicht, dass die Temperatur
der Reaktionen gesteuert wird, ohne dass das Gas im verschlossenen
Ende der Kapillare thermisch beeinflusst wird.
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In
seinem breitesten Aspekt sind die Verfahren der Erfindung auf eine
Verwendung eines Probenabgabesystems gerichtet, das oben beschrieben ist,
um eine Aliquote einer Probe zu einer gewünschten Stelle einzutragen.
Das Volumen von Fluid in einer Kapillare wird durch die Temperatur
des Fluids in der Kapillare moduliert. Vorzugsweise ist das Fluid ein
Gas. Jedoch kann das Fluid eine inerte Flüssigkeit sein. Ohne Rücksicht
darauf ist das Volumen und der Druck des thermisch expandierbaren
Fluids das Mittel, das verwendet wird, um eine Probe in die Kapillare
und aus sie heraus zu bewegen.
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Die 5A–5F geben
die verschiedenen Stadien eines Probenabgabesystems während der
Anwendung eines Verfahrens der Erfindung wieder. 5A stellt
ein Probenabgabesystem der Erfindung vor einer Verwendung und ähnlich zu
dem System dar, das in 1 wiedergegeben ist. Ein Ändern der
Temperatur eines thermisch expandierbaren Gases in der Kapillare
bewirkt, dass sich Gas expandiert oder kontrahiert. Typischerweise,
wenn ein Gas erwärmt
wird, erhöht
sich das Volumen, das es einnimmt, und folglich der Druck in der
Kapillare ungefähr
entsprechend dem idealen Gasgesetz PV=nRT, wobei P der Druck ist,
V das Volumen ist, n die Anzahl von Gasmolekülen ist, R die Konstante 8,314 JK–1 Mol–1 ist
und T die Temperatur in Grad Kelvin ist. Wenn das Gas durch das
Temperaturregelgerät 14 erwärmt wird
und ein Ende der Kapillare gedichtet 13 ist, entweicht
das expandierende Gas ("G") durch eine Öffnung in
der Kapillare 8, wobei es dem Weg eines kleinsten Widerstandes
folgt, wie in 5B dargestellt. Demgemäß wird der
Druck in der Kapillare 10 abgesenkt. Anschließend wird
die Kapillare 10 in einer Probe 58 (5C)
untergetaucht, und das Gas wird gekühlt. Der Druckunterschied zwischen
der Außenseite
und der Innenseite der Kapillare 10 zwingt ein Aliquot
einer Probe 60 in die Kapillare 10. D.h. der Druck
außerhalb
der Kapillare 10, der durch den Buchstaben "P" in 5C dargestellt
ist, "drückt" auf die Probe 58,
um den Druck innerhalb und außerhalb der
Kapillare 10 ins Gleichgewicht zu bringen. Wie in 5D dargestellt,
wird nach Kühlen
eine Aliquote der Probe 60 in die Kapillare 10 eingeführt.
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Vorzugsweise
ist das Volumen einer Probe, die in die Kapillare eingetragen wird,
eine zuvor ausgewählte
oder zugemessene Aliquote, die typischerweise durch die Zeit, die
die Kapillare 10 in der Probe 60 eingetaucht ist,
und die Druckunterschiede, die auf die Probe einwirken, bestimmt
ist. Anschließend kann
das Aliquot der Probe 60, die in die Kapillare gezogen
wird, irgendwo zur weiteren Reaktion und/oder Analyse abgelagert
werden (nicht dargestellt).
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Alternativ
können
die Probe und Reagenslösungen
durch nichtthermische Mittel in eine Kapillare eingeführt und/oder
zugemessen werden. Z.B. kann ein Hilfs-Volumenregelgerät in Fluidverbindung mit einer
Kapillare verwendet werden, um ein vorbestimmtes Aliquot einer Lösung in
die Kapillare einzuführen.
Ein anderes Beispiel ist die Verwendung von Kapillarwirkung, um
einen Teil der Kapillare zu füllen. Mit
der richtigen Konstruktion kann eine vorbestimmte Menge von Lösung in
die Kapillare über
Kapillarwirkung eingeführt
werden, um ein zugemessenes Aliquot zu liefern. Außerdem können mit
einer Kapillare mit mehreren offenen Enden und Einführunterkanälen mehrere
Lösungen
zu einer Kapillare gleichzeitig und in zugemessenen Mengen eingeführt werden. Anschließend an
einen Eintritt der Lösung
in die Kapillare können
thermisch betätigte
Volumenänderungen
in der Kapillare, wie oben erörtert,
verwendet werden, um die Probe und/oder Reagenzien zu anderen Gebieten
der Kapillare zu transportieren.
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In
gewissen bevorzugten Ausführungsformen,
wie in den 5A–5F wiedergegeben, kann
ein Aliquot der Probe 60 in die Kapillare 10 gezogen
werden, so dass das Aliquot der Probe 60 an ein chemisches
Reagens 16 abgegeben wird und mit diesem in Kontakt tritt,
das in der Kapillare 10 vorbeladen ist. Bei Kontakt des
Aliquotes der Probe 60 mit dem chemischen Reagens 16 kann,
wenn die Bedingungen geeignet sind, eine chemische Reaktion auftreten,
wie in 5E dargestellt. Um eine Reaktion oder
Wechselwirkung zu fördern,
können
die Reaktionsbedingungen unter Verwendung eines zweiten Temperaturregelgeräts (nicht
dargestellt) geändert werden,
wie oben beschrieben, d.h. durch Erwärmen oder Kühlen desjenigen Bereichs der
Kapillare, wo das Reagens 16 angeordnet ist. Anschließend an eine
Reaktion können
Reaktionsprodukte 62 und andere Komponenten, wie z.B. Ausgangsmaterialien, aus
der Kapillare 10 zu einer geeigneten Stelle eluiert werden,
indem die Temperatur des Gases in der Nähe des verschlossenen Endes
der Kapillare 13 erhöht
wird, wie oben beschrieben und in 5F wiedergegeben.
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Alternativ
können
mit dem geeigneten System und Anwendung die Reaktionsprodukte 62 zu
einer anderen Zone der Kapillare bewegt werden, indem das Gas in
der Nähe
des verschlossenen Endes der Kapillare 13 unter Verwendung
des Temperaturregelgeräts 14 erwärmt oder
gekühlt
wird. In einer anderen Zone können
die Reaktionsprodukte 62 direkt in der Kapillare analysiert
werden oder können
mit einem zweiten chemischen Reagens zur möglichen weiteren Reaktion unter
den richtigen Bedingungen in Kontakt treten. Es sollte ersichtlich
sein, dass, wenn keine Reaktion zwischen der Probe und den Reagenzien
austritt, die Probe wie oben bewegt und/oder analysiert werden kann,
um eine nützliche Information
bereitzustellen, dieselbe, als wenn eine Reaktion aufgetreten wäre.
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Eine
andere Technik, die unter Verwendung eines Probenabgabesystems der Erfindung
angewandt werden kann, ist als "Blasenabsonderung" bekannt. Ein Aliquot
einer Ausgangsprobe wird in eine Kapillare gezogen, die Kapillare
wird von der Ausgangsprobe entfernt und dann in eine zweite Probe gesetzt.
Die zweite Probe kann eine Lösung
von Reagenzien sein. Bei weiterem Kühlen des Gases, das in der
Kapillare in der Nähe
des verschlossenen Endes eingefangen ist, wird die zweite Probe
(oder Reagenzien) in die Kapillare gezogen und beginnt damit, sich
mit der Ausgangsprobe an ihrer Grenzfläche zu mischen. Abhängig von
vielen Faktoren kann das Mischen der zwei Proben gesteuert werden.
Jedoch kann die Einführung
der zweiten Probe in die Kapillare anschließend daran erfolgen, dass ein
Volumen von Gas zuerst in die Kapillare gezogen wird, was eine "Blase" zwischen der ersten
Probe und der zweiten Probe erzeugen würde. Dies ist "Blasenabsonderung", da eine Luftblase
die zwei Flüssigkeiten,
die in die Kapillare gezogen werden, trennt und ihr Mischen verhindert.
Demgemäß können auf
Grundlage der zuvor erwähnten
Techniken und anderen, die Fachleuten bekannt sind, die unterschiedlichsten
nützlichen
Prozeduren kontrolliert und implementiert werden, um den speziellen
Erfordernissen eines experimentellen Protokolls oder Anwendung zu
entsprechen.
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Z.B.,
wenn die Lösungen
mit abgesonderten Blasen (entweder Proben und/oder Reagenzien) zu einem
Gebiet der Kapillare transportiert werden, wo der Kapillardurchmesser
ansteigt, bildet die Blase nicht länger eine wirkungsvolle Barriere
zwischen den zwei Lösungen,
und die Lösungen
treten miteinander in Kontakt und können sich mischen. Diese Anwendung
einer "Blasenabsonderung" ist in 3 wiedergegeben.
Wie dargestellt, wurde eine erste Lösung 21 zum offenen
Ende des Kanals 8' eingeführt, sequenziell
gefolgt durch ein Gas und eine zweite Lösung 21'. Das Ergebnis ist eine Gasblase 23,
die die erste Lösung 21 von
der zweiten Lösung 21' absondert.
Anschließend,
wenn sich die Lösungen
und die Blase entlang der Längsachse
des Kanals weg vom offenen Ende 8' bewegen, treten sie in die Reaktionszone
("C") ein, wo die Blase
nicht länger
wirkungsvoll ist, um die Lösungen
abzusondern, was auf das erhöhte
Volumen des Kanals 10' in
diesem Gebiet zurückzuführen ist.
Als Folge treten die Lösungen
in Kontakt miteinander und auch mit den chemischen Reagenzien 16,
die fakultativ darin angeordnet sind.
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Um
eine Automatisierung der Verfahren, die hierin beschrieben sind,
zu unterstützen,
ist ein anderer Aspekt der Erfindung ein wissenschaftliches Instrument, das
die oben beschriebenen Probenabgabesysteme enthält. Die wissenschaftliche Vorrichtung
ermöglicht
die wirkungsvolle Automatisierung der Systeme der Erfindung mit
ihren Hilfsgeräten
und -ausrüstung.
Die wissenschaftliche Vorrichtung ermöglicht auch, dass andere Vorrichtungen
mit den Abgabesystemen der Erfindung verbunden werden, um zu ermöglichen,
dass eine funktionale Konstruktion den Endbenutzererfordernissen
entspricht. Z.B. können
Analyseninstrumente mit einem wissenschaftlichen Instrument der
Erfindung verbunden sein, um eine Analyse von Proben, z.B. zu gegebenen
Zeiten im Reaktionszyklus, zu ermöglichen. Analyseninstrumente,
die in der Erfindung nützlich
sind, sind Fachleuten wohlbekannt und umfassen, sind aber nicht
darauf beschränkt,
Massenspektrometrieinstrumente, Chromatographiesysteme und verschiedene
Detektionsinstrumente, wie z.B. Ultraviolett-, Infrarot-, Fluoreszenz- und Brechungsindex-Detektoren.
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Andere
nichtbeschränkende
Beispiele für Hilfsinstrumente,
die in der Erfindung nützlich
sind, umfassen Diagnoseinstrumente zur Durchführung von Assays und Synthetisiervorrichtungen
zur Automatisierung der Produktion von speziellen Verbindungen,
um Teil einer Probe zu werden. Solche Synthetisiervorrichtungen
umfassen diejenigen, die kombinatorische Synthesen ausführen können, die
das Screenen von Bibliotheken von Verbindungen mit den Abgabesystemen
der Erfindung ermöglichen. Sämtliche
obigen Instrumente und Geräte
können von
Hand schrittweise betrieben werden. Jedoch wird eine Vollautomatisierung
bevorzugt. Wie für
einen Fachmann ersichtlich ist, umfasst eine Automatisierung vorzugsweise
einen Mikroprozessor und/oder Computer, der verschiedene Aspekte
der Verfahren der Erfindung steuert, aber typischerweise mindestens
in Verbindung mit dem Temperaturregelgerät steht.
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Nach
Vorliegen der Offenbarung des grundlegenden Betriebs und der Grudprinzipien,
die der Erfindung zugrunde liegen, erkennt ein Fachmann leicht verschiedene
Probenabgabe- und chemische Reaktionsschemata/-protokolle, die in
Verbindung mit dieser Erfindung verwendet werden können. Z.B. können mehrere
Reaktanten in der Kapillare vorhanden sein, jeder durch eine inerte
Zone getrennt. Die Variation von Reaktionstemperaturen könnte durch mehrere
Temperaturregler, die benachbart zu jedem Satz von Reaktanten angeordnet
sind, oder einen zweiten Temperaturregler gesteuert werden, der mehrere
Leitungen aufweist, die entsprechend positioniert sind. Folglich
können
die verschiedensten chemischen Reaktionen und Prozesse durch das Probenabgabesystem
der Erfindung gefördert
oder durchgeführt
werden, einschließlich
aber nicht beschränkt
auf PCR.
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Ein
Probenabgabesystem der Erfindung kann verwendet werden, um eine
Probe, eine umgesetzte Probe und/oder andere Reaktionsprodukte an eine
Vorrichtung zur Analyse abzugeben. Eine besonders bevorzugte Vorrichtung
ist in der in gemeinsamem Besitz befindlichen US-A-6375817 beschrieben.
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Die
oben angegebene Probeanalysenvorrichtung (oder Probenpfropfenbildungsgerät) weist ein
Gehäuse
auf, das zwei Kanäle
begrenzt, die sich schneiden, um eine Verbindung zu bilden, die
eine Bildung eines Probenpfropfens fördert. Anschließend an
seine Bildung wird der Probenpfropfen entlang einem von den Kanälen, einem
Trennkanal, zu einem Analyseninstrument und/oder zur Trennung der
Probe vor einer Detektion in ihre einzelnen Komponenten transportiert.
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Wie
in 6 dargestellt, ist ein erster Kanal zur Einführung einer
Probe ein Probeneinführkanal 27,
und ein zweiter Kanal, der den Probeneinführkanal 27 kreuzt,
ist ein Trennkanal 29. Die Vorrichtung umfasst weiter ein
Mittel zur Erzeugung von Druckunterschieden bei den Kanälen, wie
z.B. eine Vakuumpumpe oder eine peristaltische Pumpe. Die Vorrichtung
kann auch einen Spannungsgenerator 43 zur Erzeugung eines
Spannungsgradienten entlang dem Trennkanal 29 umfassen.
Schließlich
kann die Vorrichtung einen Detektor zum Detektieren von Komponenten
im Trennkanal umfassen.
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Wie
oben angegeben, sind in einer bevorzugten Ausführungsform die Kanäle auf einem
mikroverfertigten Festkörper
gebildet, wie z.B. einem Siliciumdioxid- oder Quarzglassubstrat,
das in der Form eines Mikrochip vorliegen kann. Jeder Kanal enthält typischerweise
ein geeignetes Medium. Der Trennkanal kann ein Medium zum Trennen
von Probenkomponenten auf Grundlage ihrer Ladung oder Größe aufweisen.
Das Medium kann z.B. Siebmedien umfassen, wie z.B. Polyacrylamid.
Jedoch können
andere Siebmedien für
eine spezielle Anwendung verwendet werden, wie für einen Fachmann ersichtlich ist.
Demgemäß kann ein
Probenabgabesystem, das in Verbindung mit einer Probenanalysenvorrichtung verwendet
wird, verwendet werden, um eine komplizierte Reaktion, Trennung
und Analysenprotokolle, z.B. Immunoassays oder Polynucleotididentifizierungen
auszuführen.
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Eine
Vorrichtung zur Analyse, die in Verbindung mit einem Probenabgabesystem
der Erfindung verwendet wird, sorgt für die automatische gleichförmige Herstellung
von Probenpfropfen durch die Verwendung von Vakuum und/oder Druck
auf die Probeneinführ-
und Trennkanäle.
Wie in 6 veranschaulicht, bildet der Probeneinführkanal 27 eine Verbindung 33 mit
dem Trennkanal 29. Ein Aufbringen von Druck und/oder Vakuum
auf den Probeneinführkanal 27,
dann den Trennkanal, bewirkt, dass ein Probenpfropfen 35 stromabwärts von
der Verbindung 33 im Trennkanal 29 gebildet wird.
(Es versteht sich, dass 6 eine schematische Darstellung
ist und dass in Wirklichkeit der Probenpfropfen 35 in den
Kanälen
enthalten ist.) Pfeile 37, 39 und 41 stellen
die Richtung eines Probenflusses dar. Ein Spannungsgenerator 43,
wenn vorhanden, kann einen Spannungsgradienten axial entlang dem
Trennkanal anlegen. Ein Spannungsgradient kann angelegt werden, während ein
Druckgradient eine Probe entlang dem Probeneinführkanal vorbei an der Verbindung
bewegt, um einen Typ einer Probenpfropfenbildungstechnik anzuwenden,
der als "Aufhäufung" bezeichnet wird.
Unter Verwendung einer Aufhäufungstechnik
kann eine verdünnte
Probe vor einer Trennung und/oder Analyse konzentriert werden.
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Ein
Probenabgabesystem der Erfindung, das in Verbindung mit einer Probenanalysenvorrichtung, die
oben beschrieben ist, verwendet wird, sorgt für die schnelle automatische
Analyse von biologischen Proben ohne die komplizierte Maschinerie,
Zeit und biologische Gefährdungsexposition,
die dem Gebrauch von vorhandenen Systeme inhärent ist. 7 stellt
ein als Einheit ausgebildetes Probenanalysenvorrichtung und Probenabgabesystemarray
dar. Das als Einheit ausgebildete Gerät 62 enthält eine
Probekarte 28 mit einer Plattform oder Membran, auf der eine
Probe, wie z.B. Blut, abgelagert ist. Die Karte kann z.B. eine IsoCodeTM-Karte (Schleicher & Schuell, King, NH) sein. Das als
Einheit ausgebildete Gerät 62 umfasst
weiter ein Array von Probenabgabesystemen der Erfindung 6,
wie oben beschrieben. Das Gerät 62 enthält eine
Mikrochipanordnung 32 mit Probeneinführ- und Trennkanälen, die
mit einer Druck/Vakuum-Einheit 34, einer Hochspannungsenergieversorgung 36 und
einer Hochdruckpatrone 38 verbunden sind.
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In
der Nähe
des Endes der Trennkanäle
der Mikrochipanordnung befindet sich ein optisches Scanningmodul 40.
Das optische Scanningmodul detektiert die Anwesenheit von detektierbaren
Einheiten, die an der Komponente von Interesse in der Probe gebunden
sind. Eine Detektion kann durch Methodiken erreicht werden, einschließlich, aber
nicht darauf beschränkt,
Extinktion von Ultraviolettstrahlung, Extinktion von sichtbarer
Strahlung, Fluoreszenz, Brechungsindex, Raman- oder Massenspektrometrie,
Elektrochemie und/oder Leitfähigkeit.
Eine Detektion durch Fluoreszenz wird bevorzugt. Fluoreszenzdetektion
unter Verwendung dieses Moduls umfasst einen Mikrochiplaserstrahl,
der über
die Kanäle des
Mikrochip 32 scannt. Das Modul kann unter Verwendung von
konfokaler Optik Fluoreszenz detektieren.
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Das
als Einheit ausgebildete Gerät 62 kann weiter
eine sterile Deionateinheit 42, eine Siebgelpuffereinheit 44 und
eine Mikrokanalwiederaufbereitungslösungseinheit 46 umfassen.
Wie in 7 dargestellt, ist jede dieser drei Einheiten
in zwei Hälften eingeteilt,
wobei eine Hälfte
die frischen Lösungen und
die andere Hälfte
Abfalllösungen
enthält.
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Im
Betrieb wird eine Probe auf die Membran der Probenkarte 28 abgelagert,
und die Karte wird in das als Einheit ausgebildete Gerät 62 eingesetzt.
In diesem Beispiel werden die Zellen in der Probe durch die chemischen
Reagenzien, die in der Membran enthalten sind, lysiert. Die zelluläre DNA oder
andere Probenkomponenten werden dann auf der Membran durch Erwärmen mit
einem Ofen 30 getrocknet. An diesem Punkt kann die Karte
entfernt und archiviert werden, oder sie kann bei fortgesetzter
Verarbeitung verwendet werden. Alternativ kann ein Guthriepapiertrockenblutblot
verwendet werden, um die Probe abzulagern.
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Nach
Trocknen der Probe an die Karte, werden die Kartenmembranen dampfbeheizt,
wobei steriles Deionat von der Einheit 42 verwendet wird,
um die Probenkomponenten in einer kleinen Menge von Flüssigkeit
zu extrahieren. Wie oben beschrieben, werden die verschlossenen
Enden der Kapillaren des Array von Probenabgabesystemen 6 erwärmt, um Gas
auszustoßen,
in eine Position über
die Membranen bewegt und in die Flüssigkeit eingetaucht, die die Probe
enthält.
Beim Kühlen
der verschlossenen Enden der Kapillaren kontrahiert das Gas in den
Kapillaren, und eine Probe wird in die Kapillaren gezogen. Die Kapillaren
sind vorzugsweise mit den Reagenzien vorbeladen, die für die Immunoassay-
oder Polynucleotiddetektion, die durchzuführen ist, spezifisch sind,
wie oben erwähnt.
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Nach
einer geeigneten Reaktionszeit werden die Reaktionsprodukte in den
Probeneinführkanälen der
Mikrochipanordnung 32 abgelagert. Das Array von Probenabgabesystemen 6 bewegt
sich typischerweise, um das offene Ende der Kapillaren über den
Probeneinführkanälen zu positionieren.
Die verschlossenen Enden der Kapillaren werden dann durch ein Temperaturregelgerät erwärmt, so
dass Gas, das im Innern der Kapillare gefangen ist, expandiert und
eine Probe aus der Kapillare herauszwingt, wie oben beschrieben.
Nach Gebrauch kann das Array von Probenabgabesystemen 6 entsorgt
werden, und neue Probenabgabesysteme, die Reagenzien für die nächste Reaktion
von Interesse enthalten, können
in das als Einheit ausgebildete Gerät 62 eingesetzt werden.
Mit den geeigneten Bedingungen und Anwendung kann ein frisches Array
von Probenabgabesystemen 6 zum als Einheit ausgebildeten Gerät 62 eingeführt werden,
indem eine Spule abrollt wird und auf eine gewünschte Länge zugeschnitten wird.
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Nach
Ablagerung am Probeneinführkanal der
Mikrochipanordnung manipuliert eine Druck/Vakuum-Einheit 34 die
Druckgradienten im Innern der Probeneinführ- und Trennkanäle des Mikrochip,
wodurch ein Teil der Probe, d.h. ein Probenpfropfen, in den Trennkanal
bewegt wird. Ein Ausbringen von Druck entlang dem Trennkanal führt im Wesentlichen zu
einer Bildung eines Pfropfens einer Probe im Trennkanal stromabwärts von
der Verbindung, wie zuvor in 6 dargestellt.
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Wenn
die Trennung Elektrophorese beinhaltet, wird nach Bildung des Probenpfropfens
im Trennkanal der Spannungsgenerator 36 verwendet, um einen
Spannungsgradienten axial entlang dem Trennkanal des Mikrochip 32 anzulegen,
um die Komponenten der Probe zu trennen. Ein Siebmedium wird in die
Kanäle
des Mikrochip vorgeladen. Der Puffer von der Einheit 44 wird
in die Trennkanäle
vor Bildung des Probenpfropfens eingespritzt.
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Wenn
die Proben das Ende des Trennkanals erreichen, scannt das optische
Scanningmodul 40 die Trennkanäle, um die Anwesenheit der
detektierbaren Einheiten zu detektieren, die an den Probenkomponenten
angebracht sind, indem eine Reaktion mit den chemischen Reagenzien
erfolgt, die im Array von Probenabgabesystemen 6 enthalten
sind. Für Polynucleotididentifizierungen
werden die Ergebnisse des optischen Scannens mit Daten verglichen,
die von Gendiagnoseexperimenten erzeugt wurden. Diese Daten liegen
in der Form von Graphen Intensität gegen
Zeit vor, die sich beim Bestimmen einer Entsprechungsgleichheit
aufsuchen lassen.
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Nach
Ausführung
der Analyse wird Druck von der Hochdruckpatrone 38 verwendet,
um einen Druck an beiden Enden des Trennkanals aufzubringen, um
die Kanäle
der Mikrochipanordnung zu reinigen. Die Kanäle werden dann unter Verwendung
einer Wiederaufbereitungslösung
von der Einheit 46 wiederaufbereitet. Die Mikrochipanordnung
kann dann in nachfolgenden Analysen wiederverwendet werden. Alternativ
kann die Mikrochipanordnung nach einer Verwendung entsorgt werden.
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Verglichen
mit der Verwendung von herkömmlichen
Volumenregeleinrichtungen, wie z.B. Spritzen und Pumpen, weist ein
thermisch gesteuertes Probenabgabesystem der Erfindung weniger bewegliche
Teile auf, die verschleißen
können
oder eine umfassende Wartung erfordern. Außerdem, da das Probenabgabesystem
unabhängig
von einem Analyseninstrument sein kann, werden andere Vorteile verwirklicht.
Z.B. können
die Probenabgabekanäle aus
kostengünstigen
Materialien hergestellt sein, wie z.B. Kunststoffkapillarrohrmaterial,
da eine optische Qualität
oder integrierte Elektroden nicht erforderlich sind. Demgemäß ist eine
Einmalverwendung eines Kanals attraktiv, was einen Reinigungsschritt
beseitigen und/oder Querverunreinigung beseitigen kann.
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Zusätzlich,
da die Kanäle
typischerweise in einer Analysentechnik nicht direkt verwendet werden,
können
die Kanäle
leicht bewegbar sein und einen höheren
Grad an Toleranz zum Positionieren aufweisen. D.h., da das Detektionssystem
des Analysengeräts
typischerweise stationär
bleibt, muss die optische Ausrichtung einer Flüssigkeitsdetektionskapillare
während
der Analyse einer Mehrzahl von Proben für eine optimale Genauigkeit
einmal durchgeführt
werden. Weiter, wenn das Probenabgabesystem ein chemisches Reagens
enthält
und verwendet wird, um eine Reaktion auszuführen, können jegliche teilchenförmigen Stoffe,
die vorhanden sind oder während
der Reaktion gebildet werden, leicht vor einer Einführung der
Reaktionsprodukte zu einem Analysengerät gefiltert werden, wodurch
ein Verstopfen und/oder eine ungenaue Analyse verhindert werden. Diese
obigen Merkmale ermöglichen,
dass eine einfache und kostengünstige
Automatisierungsrobotik verwendet wird.
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Verglichen
mit einer Verwendung von Kapillarwirkung, um Chemikalien abzugeben,
zu mischen und/oder umzusetzen, zeigt ein Probenabgabesystem der
Erfindung, das Druck verwendet, mehrere Vorteile. Die Oberfläche eines
Kanals eines Probenabgabesystems der Erfindung kann hydrophil oder hydrophob
sein, im Gegensatz zu einer Kapillarwirkungsoberfläche, die
eine hydrophile Oberfläche
erfordert. Auch mit Bezug auf die Oberfläche des Kanals ist die Reproduzierbarkeit
einer Probenlösungszumessung
unabhängig
von Oberflächencharakteristiken
und Probenbestandteilen. Zusätzlich
ermöglicht das
Probenabgabesystem der Erfindung eine direkte Kontrolle über das
Zumessen von Proben und Reagenzien und ermöglicht, dass eine Blasenabsonderung
routinemäßig praktiziert
wird.
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Verglichen
mit elektroosmotischem Fluss zur Abgabe, zum Mischen und/oder Umsetzen
von Chemikalien, zeigt ein Probenabgabesystem der Erfindung, das
Druck verwendet, einige derselben Vorteile, verglichen mit einer
Verwendung einer oben erörterten
Kapillarwirkung, d.h. Oberflächencharakteristiken
und Reproduzierbarkeit einer Lösungszumessung.
Außerdem
ist das Probenabgabesystem der Erfindung typischerweise in seiner
Lösungszusammensetzung
zur Durchführung
einer Analyse und/oder von chemischen Reaktionen unbeschränkt. D.h.
Variablen, wie z.B. pH, Ionenstärke,
Pufferzusammensetzung, chemische Zusatzmittel und Lösungsmittel,
sind häufig
unbeschränkt,
abhängig
von der speziellen Anwendung. Diese Variablen sind typischerweise
beschränkt,
damit ein wirkungsvoller elektroosmotischer Fluss auftritt.
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Deshalb
ermöglicht,
wie oben beschrieben, die vorliegende Erfindung eine Hochgeschwindigkeitsabgabe
von Proben zur Ausführung
von mikrodimensionierten Reaktionen und/oder Analyse von biologischen
Proben ohne die Kompliziertheit, Zeit, Arbeit und die biologische
Gefährdungsexposition
herkömmlicher
Techniken. Zusätzliche
Aspekte und Ausführungsformen
der Erfindung sind bei Betrachtung der vorhergehenden Offenbarung
ersichtlich. Demgemäß ist der
Bereich der Erfindung nur durch den Bereich der angefügten Ansprüche beschränkt.
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Die
Erfindung kann in anderen spezifische Formen verwirklicht sein.