DE60029582T2

DE60029582T2 - Patrone zum durchführen einer chemischen reaktion

Info

Publication number: DE60029582T2
Application number: DE60029582T
Authority: DE
Inventors: E. Kurt Santa Clara PETERSEN; A. William Cupertino MCMILLAN; Frazad Fremont POURAHMADI; Ronald Redwood City CHANG; B. Douglas Mill Valley DORITY
Original assignee: Cepheid
Current assignee: Cepheid
Priority date: 1999-05-28
Filing date: 2000-05-30
Publication date: 2007-07-12
Anticipated expiration: 2020-05-31
Also published as: DK1181098T4; JP2009282041A; JP4800412B2; ES2272289T3; ATE333938T1; EP1181098B1; DE60029582T3; CA2373198A1; DE60029582D1; CA2373198C; WO2000072970A1; DK1181098T3; EP1181098A1; JP2003500674A; EP1181098B2; ES2272289T5; AU781122B2; JP4495866B2; AU5300900A

Description

FACHGEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf das Gebiet der biochemischen Analyse und im Besonderen auf eine neue Kartusche zum Durchführen einer chemischen Reaktion.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Analyse klinischer oder Umwelt-Fluide umfasst im Allgemeinen eine Reihe chemischer, optischer, elektrischer, mechanischer oder thermischer Verfahrensschritte betreffend die Fluidproben. Während der letzten Jahre gab es ein wachsendes Interesse an der Entwicklung von Einwegkartuschen zur Durchführung von Analysen biologischer Proben für verschiedene diagnostische sowie Kontrollzwecke. Das US-Patent Nr. 5.587.128 (Wilding) offenbart beispielsweise Vorrichtungen zur Amplifikation eines im Vorhinein ausgewählten Polynucleotids in einer Probe mittels einer Polynucleotid-Amplifikationsreaktion. Das US-Patent Nr. 5.922.591 (Anderson et al.) beschreibt ein(e) miniaturisierte(s), integrierte(s) Diagnostikvorrichtung und -system für Nucleinsäure. Die Vorrichtung ist im Allgemeinen dazu in der Lage, eine oder mehrere Erfassungs- und Herstellungsoperation(en) von Proben in Kombination mit einer oder mehreren Probenanalyseoperation(en) durchzuführen.
WO 98/38487 stellt eine Anordnung zur Durchführung kontrollierter Wärmeaustauschreaktionen bereit. Die Anordnung besitzt eine Kammer für chemische Reaktionen, die so adaptiert wurde, dass sie eine Probe aufnehmen kann und dass die Probe chemisch reagieren kann; eine thermische Hülse mit Heizelementen, um einen effizienten thermischen Kontakt mit einer Reaktionskammer herzustellen; ein Instrument mit einem Gehäuse, umfassend eine elektrische Verbindung, eine Kühlquelle, ein für die Aufnahme einer thermischen Hülse adaptiertes Bearbeitungsfeld; eine Optikanordnung in optischer Kommunikation mit einer Kammer für chemische Reaktionen sowie einen Stromkreis zur Beobachtung und Steuerung der Optikanordnung und zum Aufnehmen des Ausgangssignals der Optikanordnung. Trotz dieser Fortschritte besteht jedoch weiter eine Notwendigkeit für eine Kartusche, die eine schnel le thermische Bearbeitung einer Reaktionsmischung sowie erhöhte Empfindlichkeit bezüglich des Nachweises von Analyten in der Mischung ermöglicht.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung stellt eine wie in Anspruch 1 definierte Kartusche und eine wie in den Ansprüchen 17 und 19 definierte Vorrichtung zur Analyse einer Fluidprobe bereit, um die Gegenwart oder das Fehlen eines Analyten in der Probe zu bestimmen. Optionale Merkmale der Kartusche werden in den Ansprüchen 2 bis 16 und 18 definiert. Die Vorrichtung umfasst eine Kartusche zur Trennung eines gewünschten Analyten von der Probe und zum Halten des Analyten für eine chemische Reaktion und optischen Nachweis. Weiters kann das Gerät auch ein Instrument zum Aufnehmen der Kartusche zur Bearbeitung der Probe umfassen. Der gewünschte Analyt kann, z.B., Organismen, Zellen, Proteine, Nucleinsäure, Kohlenhydrate, Viruspartikel, Bakterien, Chemikalien oder Biochemikalien umfassen. In einer bevorzugten Verwendung umfasst der gewünschte Analyt Nucleinsäure und bei der durchgeführten chemischen Reaktion handelt es sich um Nucleinsäure-Amplifikation, z.B. unter Verwendung der Polymerase-Kettenreaktion (PCR).
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Kartusche einen Körper mit zumindest einem Flussweg, der hierin gebildet wurde. Die Kartusche umfasst ebenfalls ein Reaktionsgefäß für chemische Reaktionen und optischen Nachweis, das sich von dem zum Halten eines Reaktionsgemisches bestimmen Körper erstreckt. Das Gefäß umfasst einen steifen Rahmen, der die Seitenwände einer Reaktionskammer definiert. Der Rahmen umfasst zumindest einen Kanal, der den Flussweg mit der Kammer verbindet. Das Gefäß umfasst ebenfalls zumindest eine biegsame Folie oder Lage, die am steifen Rahmen befestigt ist, um eine Hauptwand der Kammer zu bilden. Die Hauptwand ist ausreichend biegsam, um sich einer thermischen Oberfläche anzupassen. Vorzugsweise umfasst das Gefäß eine erste und eine zweite biegsame Folie, die an gegenüberliegenden Seiten des steifen Rahmens befestigt sind, um gegenüberliegende Hauptwände der Kammer zu bilden. Zusätzlich sind zumindest zwei der Seitenwände optisch transmissiv und in einem Winkel von etwa 90° voneinander versetzt.
Die Kartusche wird vorzugsweise in Kombination mit einem Instrument mit gegenüberliegenden thermischen Platten verwendet, die so positioniert sind, dass sie die Kammer zwischen diesen aufnehmen. Das Instrument umfasst auch eine Druckquelle, um den Druck in der Reaktionskammer zu steigern. Der Druckanstieg in der Kammer ist ausreichend, um die Hauptwände so zu verformen, um die Oberflächen der Platten zu kontaktieren und sich diesen anzupassen, um eine optimale Wärmeleitung zur Reaktionskammer sicherzustellen. Das Instrument umfasst ebenfalls Heizungselemente, die auf den Platten angeordnet sind, um eine schnelle thermische Bearbeitung des Reaktionsgemisches zu ermöglichen. Weiters umfasst das Instrument ein optisches System mit zumindest einer Lichtquelle, um das Reaktionsgemisch in der Kammer durch eine erste der optisch transmissiven Seitenwände zu erregen und mit zumindest einem Detektor zur Detektion von durch eine zweite der lichtdurchlässigen Seitenwände aus der Kammer austretendem Licht.
Die Kartusche der vorliegenden Erfindung ermöglicht ein besonders schnelles Erhitzen und Abkühlen des Reaktionsgemisches, stellt einen optimalen thermischen Transfer zwischen dem Gemisch und den Heizungs- oder Kühlelementen sicher, stellt in Echtzeit eine optische Detektion und Beobachtung der Reaktionsprodukte mit erhöhter Detektionsempfindlichkeit bereit.
Ein besseres Verständnis der Erfindung kann durch die folgende ausführliche Beschreibung und die begleitenden Zeichnungen erlangt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Kartusche zur Analyse einer Fluidprobe entsprechend einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt eine niedrigere perspektivische Ansicht der Kartusche aus 1.
3 zeigt eine Explosionszeichnung der Kartusche aus 1.
4 zeigt eine weitere Explosionszeichnung der Kartusche aus 1.
5 zeigt eine teilweise aufgeschnittene Ansicht eines Ultraschallhorns, das an eine Wand einer Lysierkammer, wie sie in der Kartusche aus 1 ausgebildet ist, gekoppelt ist.
6 zeigt eine Explosionszeichnung einer Filtersäule, die in der Lysierkammer der Kartusche aus 1 positioniert ist.
7 zeigt eine Draufsicht von oben auf die Kartusche aus 1.
8 zeigt eine Draufsicht von unten auf die Kartusche aus 1.
9 zeigt ein schematisches Blockdiagramm der Kartusche aus 1.
10 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Instruments, in dem die Kartusche aus 1 zur Bearbeitung platziert wird.
11 zeigt eine perspektivische Ansicht der Kartusche aus 1 im Instrument aus 10.
12 zeigt eine teilweise aufgeschnittene Ansicht der Kartusche aus 1 im Instrument aus 10.
13 zeigt eine schematische Draufsicht auf optische Sensoren, die positioniert wurden, um Flüssigkeitsniveaus in der Kartusche aus 1 nachzuweisen.
14 zeigt eine teilweise aufgeschnittene, schematische Seitenansicht eines geschützten optischen Sensors, der positioniert wurde, um das Flüssigkeitsniveau in einer Sensorkammer der Kartusche aus 1 nachzuweisen.
15A zeigt eine Querschnittansicht eines Teils des Körpers der Kartusche aus 1, die zwei verschiedene Arten von Ventilen in der Kartusche darstellt.
15B zeigt eine Querschnittansicht der Ventile aus 15A in geschlossener Position.
16A zeigt eine weitere Querschnittansicht der Ventile aus 15A in offener Position.
16B zeigt eine Querschnittansicht des Ventils aus 16A in geschlossener Position.
Die 17–19 zeigen ein Ventilbetätigungssystem zum Öffnen und Schließen der Ventile aus 15A.
20 zeigt eine Querschnittansicht von alternativen Ventilbetätigungssystemen zum Öffnen und Schließen der Ventile der Kartusche aus 1. 20 zeigt ebenfalls eine Druckzufuhrdüse, die an eine Drucköffnung anschließt, wie sie sich in der Kartusche aus 1 befindet.
21 zeigt eine teilweise als Explosionszeichnung ausgeführte perspektivische Ansicht eines Reaktionsgefäßes der Kartusche aus 1.
22 zeigt eine Vorderansicht des Gefäßes aus 21.
23 zeigt eine Seitenansicht des Gefäßes aus 21, das zwischen zwei Heizplatten eingefügt wurde.
24 zeigt eine Vorderansicht einer der Heizplatten aus 23.
25 zeigt eine Vorderansicht eines alternativen Reaktionsgefäßes gemäß der vorliegenden Erfindung.
26 zeigt eine Vorderansicht eines weiteren Reaktionsgefäßes gemäß der vorliegenden Erfindung.
27 zeigt eine weitere Vorderansicht des Gefäßes aus 21.
28 zeigt eine Vorderansicht des Gefäßes aus 21, das in ein Wärmeaustauschmodul des Instruments aus 10 eingefügt wurde.
29 zeigt eine Explosionszeichnung einer Stützkonstruktion zum Halten der Platten aus 23.
Die 30–31 zeigen zusammengefügte Ansichten der Stützkonstruktion aus 29.
32 zeigt eine perspektivische Ansicht, die das Äußere einer der Optikanordnungen im Wärmeaustauschmodul aus 28 darstellt.
33 zeigt eine perspektivische Ansicht der Platten aus 23 in Kontakt mit der Optikanordnung aus 32.
34 zeigt eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht des Reaktionsgefäßes aus 21, das zwischen die Platten aus 23 eingefügt wurde. Lediglich der untere Teil des Gefäßes ist in der Figur inkludiert.
35 zeigt ein schematisches Blockdiagramm der Elektronik des Wärmeaustauschmoduls aus 28.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Analyse einer Fluidprobe bereit. In einer ersten Ausführungsform stellt die Erfindung eine Kartusche zur Trennung eines gewünschten Analyten von einer Fluidprobe und zum Halten des Analyten für eine chemische Reaktion bereit. Die Fluidprobe kann eine Lösung oder eine Suspension sein. In einer besonderen Anwendung kann die Probe eine Körperflüssigkeit sein (z.B. Blut, Urin, Speichelflüssigkeit, Sputum, Samenflüssigkeit, Spinalflüssigkeit, Schleim oder andere Körperflüssigkeiten).
Alternativ kann die Probe ein Feststoff sein, der löslich gemacht oder in einer Flüssigkeit suspendiert wurde oder die Probe kann eine Umweltprobe sein, wie z.B. Grund- oder Abwasser, Bodenextrakte, Pestizidrückstände oder in einem Fluid platzierte luftübertragene Sporen. Weiters kann die Probe mit einer/einem der mehreren Chemikalien, Reagenzien, Verdünnungsmitteln oder Puffern gemischt werden. Die Probe kann beispielsweise vorbehandelt werden, mit Chemikalien gemischt, zentrifugiert, pelletiert, etc. werden oder die Probe kann in einer unbehandelten Form vorliegen.
Der gewünschte Analyt ist typischerweise intrazelluläres Material (z.B. Nucleinsäure, Proteine, Kohlenhydrate, Lipide, Bakterien oder intrazelluläre Parasiten). In einer bevorzugten Anwendung ist der Analyt Nucleinsäure, die die Kartusche von der Fluidprobe trennt und für Amplifikation (z.B. mittels PCR) und optische Detektion hält. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff "Nucleinsäure" auf jede synthetische oder natürlich vorkommende Nucleinsäure, wie z.B. DNA oder RNA, in jeder möglichen Konfiguration, d.h. in Form von doppelsträngiger Nucleinsäure, einzelsträngiger Nucleinsäure oder jeder Kombination davon.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Kartusche 20 gemäß der bevorzugten Ausführungsform. Die Kartusche 20 wurde konstruiert, um Nucleinsäure von einer Fluidprobe zu trennen und um die Nucleinsäure für Amplifikation und Detektion zu halten. Die Kartusche 20 hat einen Körper, der einen oberen Teil 22, einen mittleren Teil 24 und einen unteren Teil 26 umfasst. Im oberen Teil 22 wird eine Einlassöffnung zum Einführen einer Fluidprobe in die Kartusche gebildet, die von einem Deckel 30 verschlossen wird. Sechs Drucköffnungen 32 werden ebenso im oberen Teil 22 gebildet. Die Drucköffnungen 32 dienen zum Aufnehmen von Düsen von Druckquellen, z.B. Pumpen oder Vakuum. Die Kartusche umfasst ebenfalls die Ausrichtungsschenkel 28, die sich vom unteren Teil 26 zur Positionierung der Kartusche 20 in einem Instrument (untenstehend beschrieben mit Bezug auf 10) erstrecken. Die Einbuchtungen oder Vertiefungen 38A, 38B und 38C werden in den oberen und mittleren Teilen 22 und 24 gebildet. Die Einbuchtungen dienen zur Aufnahme optischer Sensoren, die den Fluidfluss in der Kartusche 20 nachweisen. Weiters umfasst die Kartusche 20 Lüftungsöffnungen 34 und 36. Jede Drucköffnung und Lüftungsöffnung umfasst vorzugsweise eine hydrophobe Membran, die den Durchlass von Gas, jedoch nicht von Flüssigkeiten in die oder aus den Lüftungsöffnungen und Drucköffnungen ermöglicht. Modifizierte Acryl-Copolymermembrane sind im Handel z.B. von Gelman Sciences (Ann Arbor, MI) erhältlich und geätzte Polycarbonatmembrane mit Bahnaufzeichnung sind von Poretics, Inc. (Livermore, CA) erhältlich.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht, die die Unterseite der Kartusche 20 darstellt. Neun Löcher 60 befinden sind im untersten Teil 26, um Ventilbetätigungssysteme aufzunehmen, welche die Ventile in der Kartusche 20 öffnen und schließen. Ein Loch 62 befindet sich ebenso im untersten Teil 26, um einen Wandler (untenstehend mit Verweis auf 5 ausführlich beschrieben) aufzunehmen. Die Kartusche 20 umfasst ebenso ein Reaktionsgefäß 40, das sich von Körper der Kartusche hinaus erstreckt. Das Gefäß 40 hat eine Reaktionskammer 42 zum Halten eines Reaktionsgemisches (z.B. Nucleinsäure gemischt mit Amplifikationsreagenzien und fluoreszierenden Sonden) für chemische Reaktionen und optische Detektion. Einer der Flusswege in der Kartusche bringt das Reaktionsgemisch für die chemische Reaktion und optische Detektion zu Kammer 42. Das Gefäß 40 erstreckt sich vom Körper der Kartusche 20 hinaus, so dass das Gefäß 40 zwischen ein Paar gegenüberliegender thermischer Platten eingefügt werden kann (zum Erhitzen und Kühlen der Kammer 42) ohne die Notwendigkeit, das Gefäß 40 vom Rest der Kartusche 20 abzukoppeln. So wird das Risiko einer Kontaminierung und/oder Verschüttung bedeutend redu ziert. Das Gefäß 40 kann vollständig mit dem Körper der Kartusche (z.B. vollständig mit dem mittleren Teil 24 verbunden) gebildet werden. Derzeit wird jedoch die Produktion des Gefäßes 40 als separates Element, das während der Herstellung der Kartusche an den Körper gekoppelt ist, bevorzugt.
Die 3–4 zeigen Explosionszeichnungen der Kartusche. Wie in 3 gezeigt, hat der mittlere Teil 24 darin gebildete Vielfach-Kammern. Im Besonderen umfasst der mittlere Teil 24 eine Probenkammer 65, um eine Fluidprobe, die durch die Einlassöffnung 64 eingeführt wurde, zu halten, eine Waschkammer 66, um eine Waschlösung zu halten, eine Reagenzienkammer 67, um ein lysierendes Reagens zu halten, eine Kammer für Abfallprodukte 68, um die verwendete Probe und Waschlösung aufzunehmen, eine Neutralisierungskammer 70, um ein Neutralisationsmittel zu halten und eine Hauptmischkammer 71, um eine Hauptmischung (z.B. Amplifikationsreagenzien und fluoreszierende Sonden) zu halten und die Reagenzien und Sonden mit dem von der Fluidprobe getrennten Analyten zu mischen. Die Probenkammer 65 umfasst gegebenenfalls ein Nebenfach 155, das etwas niedrigere Wände als die Probenkammer 65 aufweist. Das Seitenfach 155 ist eine visuelle Anzeige für den Benützer und gibt an, wann genügend Probenflüssigkeit in die Probenkammer 65 hinzugefügt wurde, d.h. wann das Flüssigkeitsniveau in der Kammer 65 hoch genug ist, um in das Fach 155 überzulaufen.
Der obere Teil 22 umfasst die Lüftungsöffnungen 34, 36 und die sechs Drucköffnungen 32, wie zuvor beschrieben. Eine Elastomer-Membran oder Dichtung 61 ist zwischen den Teilen 22, 24 positioniert und hineingequetscht, um die verschiedenen, in den Teilen befindlichen Kanäle und Kammern abzudichten. Der mittlere Teil 24 umfasst vorzugsweise multiple Dichtungslippen, um sicherzustellen, dass die Dichtung 61 einen geeigneten Verschluss bildet. Im Besonderen umfasst der mittlere Teil 24 vorzugsweise die Dichtungslippen 73, die jede der Kammern 65, 66, 67, 68, 70 und 71 umgeben. Der mittlere Teil 24 umfasst ebenso auch die Stützwände 75 um den Rand und Zwischendichtungslippen 76 herum. Die Dichtungslippen 73, 76 und die Stützwände 75 komprimieren die Dichtung 61 lokal und bilden einen Dichtungs-Verschluss.
Wie in 4 dargestellt, weist der mittlere Teil 24 auf seiner Unterseite verschiedene Kanäle auf, wobei einer dieser Kanäle zu einer Lysierkammer 86 führt. Die Kammer 86 ist mit dem Loch 62 im untersten Teil 26 angeordnet, so dass ein Wandler (z.B. ein Ultraschallhorn) durch das Loch 62 eingeführt werden kann, um Druckwellen in der Lysierkammer 86 zu erzeugen. Der mittlere Teil 24 hat ebenso neun Ventilsitze 84, die sich auf seiner untersten Oberfläche befinden. Die Ventilsitze 84 sind mit den neun Löchern 60 im untersten Teil 26 angeordnet, so dass Ventilbetätigungssysteme durch die Löcher 60 in die Ventilsitze 84 eingeführt werden können.
Eine Elastomer-Membran oder Dichtung 61 ist zwischen den Teilen 24, 26 positioniert und hineingequetscht, um die verschiedenen Kanäle, Ventilsitze und Kammern, die sich im mittleren Teil 24 befinden, zu verschließen. Der mittlere Teil 24 umfasst vorzugsweise Vielfach-Dichtungslippen, um sicherzustellen, dass die Dichtung 63 einen geeigneten Dichtungs-Verschluss bildet. Im Besonderen umfasst der mittlere Teil 24 vorzugsweise Dichtungslippen 73, die die Lysierkammer 86, die Ventilsitze 84 und verschieden Kanäle umgeben. Der mittlere Teil 24 umfasst auch Stützwände 75 um seinen Rand sowie die Zwischendichtungslippen 76. Die Dichtungslippen 73, 76 und die Stützwände 75 komprimieren die Dichtung 63 lokal und bilden einen Verschluss. Zusätzlich zum Verschließen verschiedener Kanäle und Kammern fungiert die Dichtung 63 durch Komprimieren in einen korrespondierenden Ventilsitz 84 auch als ein Ventilschaft, wenn sie durch eines der Löcher 60 betätigt wird, wodurch einer der Flusskanäle im mittleren Teil 24 geschlossen wird. Diese Ventilwirkung wird mit Verweis auf die 15–16 untenstehend ausführlicher beschrieben.
Die Dichtung 63 bildet ebenso auch die unterste Wand der Lysierkammer 86, gegen die ein Wandler platziert wird, um die Zerstörung von Zellen oder Viren in der Kammer 86 durchzuführen. Jede der Dichtungen 61, 63 besteht vorzugsweise aus einem Elastomer. Geeignete Dichtungsmaterialien sind Silikonkautschuk, Neopren, EPDM oder jedes andere flexible Material. Jede der Dichtungen 61, 63 hat vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 0,005 bis 0,125 Zoll (0,125 bis 3,175 mm) und noch bevorzugter im Bereich von 0,01 bis 0,06 Zoll (0,25 bis 1,5 mm), mit einer momentan bevorzugten Dicke von 0,031 Zoll (0,79 mm). Die Dicke wird ausgewählt, um sicherzu stellen, dass die Dichtung flexibel genug ist, um die Kanäle und Kammern zu verschließen, um in die Ventilsitze 84 zu komprimiert zu werden, wenn sie gepresst wird und um sich unter Druck auszudehnen, um den Wandler zu kontaktieren.
Wie in 3 gezeigt wird, umfasst der mittlere Teil 24 einen Schlitz 79, durch den das Reaktionsgefäß 40 während der Anordnung der Kartusche eingeführt wird. Das Gefäß 40 hat zwei Fluidöffnungen 41, 43, um Fluide in das Gefäß hinzuzufügen und daraus zu entfernen. Wenn der oberste Teil 22 mit dem mittleren Teil 24 durch die Dichtung 61 verschlossen ist, befinden sich die Öffnungen 41, 43 in Fluidkommunikation mit den Kanälen 80 bzw. 81, die sich im obersten Teil 22 (siehe 4) befinden. Die Dichtung 61 verschließt die jeweiligen Fluidanschlüsse zwischen den Öffnungen 41, 43 und den Kanälen 80, 81. Die obersten, mittleren und untersten Teile 22, 24, 26 sind vorzugsweise Spritzgussteile, die aus einem polymeren Material, wie z.B. Polypropylen, Polycarbonat oder Akryl, bestehen. Obwohl Formen für die Massenproduktion bevorzugt wird, ist es auch möglich, die obersten, mittleren und untersten Teile 22, 24, 26 maschinell zu bearbeiten. Die Teile 22, 24, 26 können durch Schrauben oder Befestigungsmittel zusammengehalten werden.
Alternativ könnte das Kontaktieren mit Ultraschall, das durch Lösungsmittel-Bonding oder Snap-Fit-Ausführungen verwendet werden, um die Kartusche anzuordnen.
4 zeigt auch einen Filterring 88. Der Filterring 88 komprimiert und hält eine Filtersäule in der Lysierkammer 86. 6 zeigt eine Explosionsdarstellung einer Filtersäule 87. Der Zweck der Filtersäule 87 ist das Einfangen von Zellen oder Viren aus einer Fluidprobe, während die Probe durch die Lysierkammer 86 fließt. Die gefangenen Zellen oder Viren werden dann in der Kammer 86 zerstört (lysiert). Die Zellen können Tier- oder Pflanzenzellen, Sporen, Bakterien oder Mikroorganismen sein. Die Viren können jede Art infektiöser Agenzien umfassen, die eine Proteinhülle haben, die einen RNA- oder DNA-Kern umgibt.
Die Filtersäule 87 umfasst eine Dichtung 93, einen ersten Filter 94, eine Dichtung 95, einen zweiten Filter 97 mit einer kleineren Porengröße als der erste Filter 94, eine Dichtung 98, einen dritten Filter 100 mit einer kleineren Porengröße als der zweite Filter 97, eine Dichtung 101, ein gewebtes Netz 102 und einen Filter 103. Die Filtersäule umfasst vorzugsweise auch ein erstes Set an Perlen 96, das sich zwischen den ersten und den zweiten Filtern 94 und 97 befindet und ein zweites Set an Perlen 99, das sich zwischen den zweiten und den dritten Filtern 97 und 100 befindet. Der Filterring 88 komprimiert die Filtersäule 87 in die Lysierkammer 86, so dass die Dichtung 93 gegen den Filter 94 gepresst wird, der Filter 94 wird gegen die Dichtung 95 gepresst, die Dichtung 95 wird gegen den Filter 97 gepresst, der Filter 97 wird gegen die Dichtung 98 gepresst, die Dichtung 98 wird gegen den Filter 100 gepresst, der Filter 100 wird gegen die Dichtung 101 gepresst, die Dichtung 101 wird gegen das Netz 102 gepresst, das Netz 102 wird gegen die Dichtung 103 gepresst und die Dichtung 103 wird gegen den äußeren Rand der untersten Wand der Lysierkammer 86 gepresst. Die Dichtung 95 ist dicker als der übliche Durchmesser der Perlen 96, so dass sich die Perlen im Raum zwischen den Filtern 94 und 97 frei bewegen können. Ähnlicherweise ist die Dichtung 98 dicker als der übliche Durchmesser der Perlen 99, so dass sich die Perlen 99 im Raum zwischen den Filtern 97 und 100 frei bewegen können. Eine Fluidprobe, die durch den Kanal 106 in die Lysierkammer 86 fließt, fließt zuerst durch Filter 94, dann durch Filter 97, als nächstes durch Filter 100 und schließlich durch das Netz 102. Nach dem Durchfließen durch die Filtersäule 87 fließt die Probe Fließrippen 91 entlang, die sich oben in der Lysierkammer 86 befinden, und durch einen Auslasskanal (in 6 nicht abgebildet).
Im Bezug auf 5 werden die in der Filtersäule (in 5 aus Gründen der illustrativen Klarheit nicht dargestellt) eingefangenen Zellen oder Viren durch Koppeln eines Wandlers 92 (z.B. ein Ultraschallhorn) direkt an die Wand der Lysierkammer 86 lysiert. In dieser Ausführungsform wird die Wand der Lysierkammer 86 durch eine flexible Dichtung 63 gebildet. Der Wandler 92 sollte eine externe Oberfläche der Wand direkt kontaktieren. Mit dem Begriff "externe Oberfläche" ist eine Oberfläche der Wand gemeint, die außerhalb der Lysierkammer 86 liegt. Der Wandler 92 ist eine vibrierende oder oszillierende Vorrichtung, die aktiviert wird, um in der Kammer 86 Druckwellen zu erzeugen. Die Druckwellen bewegen die Perlen 96, 99 (6) und die Bewegung der Perlen zerreißt die eingefangenen Zellen oder Viren. Im Allgemei nen kann der Wandler zum Kontaktieren der Wand der Lysierkammer 86 ein Ultraschall-, piezoelektrischer, magnetostriktiver oder elektrostatischer Wandler sein. Der Wandler kann auch eine elektromagnetische Vorrichtung mit einer gewundenen Spule sein, wie z.B. ein Schwingspulenmotor oder eine Solenoidvorrichtung. Derzeit sollte das Betätigungselement vorzugsweise ein Ultraschallwandler, wie z.B. ein Ultraschallhorn sein. Geeignete Hörner sind im Handel bei Sonics & Materials, Inc. erhältlich, die ein Büro in Church Hill 53, Newton, Connecticut 06470-1614 USA haben. Alternativ kann der Ultraschallwandler eine piezoelektrische Scheibe oder jede andere Art Ultraschallwandler umfassen, die an den Behälter gekoppelt werden kann. Derzeit wird die Verwendung eines Ultraschallhorns bevorzugt, da die Hornstruktur stark mitschwingend ist und für eine wiederholbare und deutliche Anregungsfrequenz sowie für eine starke Bewegung der Hornspitze sorgt.
Wie zuvor in 6 beschrieben, umfasst die Filtersäule eine Dichtung an beiden ihrer Enden. Wie in 5 abgebildet, besitzt der mittlere Kartuschenteil 24 eine Dichtungslippe 90, gegen die die Dichtung an einem Ende der Filtersäule komprimiert wird. Die Dichtung am anderen Ende der Filtersäule wird vom Filterring 88 komprimiert, so dass sie einen Verschluss bildet. Das Dichtungsmaterial kann sich in den Entlastungsbereich außerhalb der Dichtungslippe 90 ausdehnen. Die Breite der Dichtungslippe 90 ist gering (typischerweise 0,5 mm), so dass kein exzessiver Kraftaufwand notwendig ist, um einen ausreichenden Verschluss zu erzielen.
Der Filterring 88 wird zwischen der Filtersäule und der Kartuschendichtung 63 gehalten. Die Kartuschendichtung 63 wird zwischen dem mittleren Teil 24 und dem untersten Teil 26 durch eine Dichtungslippe 406 gehalten. Es wird daher Kraft vom untersten Teil 26 durch die Dichtung 63 auf den Filterring 88 und schließlich auf die Filtersäule übertragen. Der Filterring 88 enthält eine Kontaktlippe 404, die die Dichtung 63 kontaktiert. Die Kontaktlippe 404 ist keine primäre Dichtungslippe (obwohl sie einen Verschluss bildet), sondern ein Kraftübertragungsmechanismus. Die Breite der Kontaktlippe 404 ist größer als die Breite der Dichtungslippe 90, um sicherzustellen, dass die Deformation und Verschlusswirkung in der Filtersäule passiert und nicht zum Zusammendrücken der Kartuschendichtung 63 führt. Der mittlere Teil der Kartusche 24 besitzt ebenso eine Dichtungslippe 406, die den Filterring 88 umgibt. Dies ist ein aktiver Verschlussbereich, der nicht durch die Gegenwart des Filterrings 88 kompromittiert werden sollte. Aus diesem Grund befindet sich ein Spalt 407 zwischen der Dichtungslippe 406 und der Kontaktlippe 404 auf dem Filterring 88. Der Spalt 407 dient dazu, um es der Dichtung 63 zu ermöglichen, in den Spalt 407 hervorzustehen, da diese durch die Dichtungslippe 406 und die Kontaktlippe 404 komprimiert wird. Falls die Kontaktlippe 404 eine andere Höhe als die Dichtungslippe 406 aufweist, wird der Verschluss durch den Spalt 407 und die Distanz zwischen den Lippen 404 und 406 nicht kompromittiert.
Mit erneutem Bezug auf 6 ist anzumerken, dass die Filtersäule 87 effizient zum Abfangen von Zellen oder Viren ist, da eine Fluidprobe durch die Säule 87 fließt, ohne einen der Filter 94, 97, 100 in der Säule zu verstopfen. Der erste Filter 94 (mit der größten Porengröße) filtert grobes Material, wie z.B. Salzkristalle, Zellbruchstücke, Haare, Gewebe, etc. heraus. Der zweite Filter 97 (mit mittlerer Porengröße) fängt Zellen oder Viren in der Fluidprobe heraus. Der dritte Filter 100 (mit der kleinsten Porengröße) fängt kleinere Zellen oder Viren in der Probe heraus. Die Filtersäule 87 ermöglicht daher das gleichzeitige Herausfangen von verschieden großen Probekomponenten, ohne die Filter zu verstopfen. Die durchschnittliche Porengröße des ersten Filters 94 wurde so ausgewählt, dass sie fein genug ist, um grobes Material aus der Fluidprobe herauszufiltern (z.B. Salzkristalle, Zellbruchstücke, Haare, Gewebe), jedoch trotzdem groß genug, um den Durchgang der Targetzellen oder -viren, die den gewünschten Analyten (z.B. Nucleinsäure oder Proteine) enthalten, zu ermöglichen. Im Allgemeinen sollte die Porengröße des ersten Filters 94 im Bereich von etwa 2 bis 25 μm liegen, mit einer derzeit bevorzugten Porengröße von etwa 5 μm.
Die durchschnittlichen Porengrößen der zweiten und dritten Filter werden in Abhängigkeit von der durchschnittlichen Größe der Targetzellen oder -viren, die den/die gewünschten Analyten enthalten, ausgewählt. In einer Ausführungsform wird die Filtersäule 87 z.B. verwendet, um Gonorrhoe(GC)- und Chlamydia(Ct)-Organismen einzufangen, um die Gegenwart der Krankheiten in der Fluidprobe nachzuweisen. Die GC- und Ct-Organismen haben unterschiedliche durchschnittliche Durchmesser, etwa 1 bis 2 μm für GC-Organismen und etwa 0,3 μm für Ct-Organismen. In dieser Ausführungsform besitzt der zweite Filter 97 eine durchschnittliche Porengröße von etwa 1,2 μm, während der dritte Filter 100 eine durchschnittliche Porengröße von etwa 0,22 μm aufweist, so dass die meisten der GC-Organismen vom zweiten Filter 97 herausgefangen werden, während die meisten der Ct-Organismen vom dritten Filter 100 herausgefangen werden. Die Filtersäule ermöglicht daher das gleichzeitige Herausfangen von verschieden großen Targetorganismen und tut dies, ohne die Filter zu verstopfen. Die Porengröße der Filter 97, 100 kann so ausgewählt werden, dass gewünschte Zellen oder Viren jeder Größe herausgefangen werden können und der Umfang der Erfindung ist nicht auf das spezifische, hier angeführte Beispiel eingeschränkt.
Die Filtersäule 87 ist auch nützlich, um die herausgefangenen Zellen oder Viren zu zerstören, so dass das intrazelluläre Material (Nucleinsäure) aus ihnen freigesetzt wird. Das erste und zweite Perlenset 96, 99 dient in dieser Hinsicht zwei nützlichen Zwecken. Erstens werden die Perlen durch die vom Wandler generierten Druckwellen bewegt. Diese Bewegung der Perlen zerreißt die herausgefangenen Zellen oder Viren. Zweitens können die Perlen die aus den lysierten Zellen oder Viren freigesetzte Nucleinsäure scheren, so dass die Stränge der Nucleinsäure kurz genug sind, um durch die Filter und aus der Lysierkammer 86 zu fließen. Geeignete Perlen zum Zerreißen von Zellen oder Viren umfassen Borsilicatglas, Kalkglas, Kieselerde und Polystyrolperlen.
Die Perlen können porös oder nicht porös sein und haben vorzugsweise einen durchschnittlichen Durchmesser im Bereich von 1 bis 200 μm. Der durchschnittliche Durchmesser der Perlen 96, 99 wird in Abhängigkeit von den gewünschten Targetzellen oder -viren, die von den Perlen zerrissen werden sollen, gewählt. Der durchschnittliche Durchmesser der Perlen 96 kann im ersten Set dem durchschnittlichen Durchmesser der Perlen 99 im zweiten Set entsprechen. Alternativ ist es von Vorteil, den durchschnittlichen Durchmesser der Perlen so zu wählen, dass sich der durchschnittliche Durchmesser der Perlen 96 im ersten Set vom durchschnittlichen Durchmesser der Perlen 99 im zweiten Set unterscheidet, wenn das erste Perlenset 96 verwendet wird, um eine Art Targetzelle oder -virus zu zerreißen, die sich von der Zell- oder Virusart unterscheidet, die vom zweiten Perlenset 99 zerrissen werden soll. Wird die Filtersäule z.B. verwendet, um, wie oben beschrieben, GC- und Ct-Zellen herauszufangen, sind die Perlen 96 Borsilicatglasperlen mit einem Durchmesser von 20 μm, um die GC-Organismen zu zerreißen und die Perlen 99 Natronkalkglasperlen mit einem Durchmesser von 106 μm, um die Ct-Organismen zu zerreißen. Jede der Silikondichtungen 95, 98 sollte dick genug sein, um den Perlen 96, 99 Platz zu geben, um sich bewegen und die Zellen oder Viren zerreißen zu können.
Das Netz 102 dient ebenso zwei wichtigen Zwecken. Erstens stützt das Netz die Filtersäule 87. Zweitens bricht das Netz Luftblasen auf, so dass die Blasen durch die Fließrippen 91 und aus der Lysierkammer 86 kanalisiert werden können. Um die Luftblasen effizient aufzubrechen oder ihre Größe zu reduzieren, weist das Netz 102 vorzugsweise eine kleine Porengröße auf. Es ist vorzugsweise eine gewebtes Polypropylennetz mit einer durchschnittlichen Porengröße von etwa 25 μm. Um sicherzustellen, dass die Luftblasen aus der Lysierkammer 86 entweichen können, ist es wünschenswert, die Kartusche in einer Ausrichtung zu verwenden, in der die Flüssigkeit (im Verhältnis zur Schwerkraft) hinauf durch die Filtersäule 87 und die Lysierkammer 86 fließt. Die Aufwärtsströmung durch die Kammer 86 unterstützt den Luftblasenstrom aus der Kammer 86. Daher sollte sich die Einlassöffnung für den Eintritt der Fluide in die Kammer 86 generell am niedrigsten Punkt der Kammer befinden, während sich die Auslassöffnung am höchsten Punkt befinden sollte.
Es sind viele verschiedene Ausführungsformen der Filtersäule möglich. In einer alternativen Ausführungsform besitzt der Filter z.B. nur zwei Filter und ein Perlenset, das sich zwischen den Filtern befindet. Der erste Filter besitzt die größte Porengröße (z.B. 5 μm) und filtert grobes Material, wie z.B. Salzkristalle, Zellbruchstücke, Haare, Gewebe, etc., heraus. Der zweite Filter hat eine kleinere Porengröße als der erste Filter und eine etwas kleinere Porengröße als die herauszufangenden Targetzellen oder -viren. Solch eine Filtersäule wird untenstehend mit Bezug auf 38 beschrieben. In einer anderen Ausführungsform der Kartusche wird der Filter mit der größten Porengröße (zum Herausfiltern des groben Materials) in einer Filterkammer (nicht abgebildet) positioniert, die sich stromauf der Lysierkammer 86 befindet. Ein Kanal verbindet die Filterkammer mit der Lysierkammer 86. In dieser Ausführungsform fließt eine Fluidprobe zuerst durch den groben Filter in der Filterkammer und dann durch einen zweiten Filter in der Lysierkammer, um die Targetzellen oder -viren in der Lysierkammer zu fangen.
Weiters können die Perlen in der Filtersäule eine Bindungsaffinität für Targetzellen oder -viren in der Fluidprobe haben, um das Fangen der Targetzellen oder -viren zu erleichtern. Antikörper oder gewisse Rezeptoren können beispielsweise auf die Oberfläche der Perlen beschichtet sein, um die Targetzellen in der Probe zu binden. Weiters kann die Lysierkammer 86 zwei verschiedene Perlenarten zur Wechselwirkung mit Targetzellen oder -viren enthalten. Die Lysierkammer kann beispielsweise ein erstes Perlenset enthalten, das mit Antikörpern oder Rezeptoren zur Bindung von Targetzellen oder -viren beschichtet ist sowie ein zweites Perlenset (gemischt mit dem ersten Set), um die herausgefangenen Zellen oder Viren zu zerreißen. Die Perlen in der Lysierkammer 86 können ebenso auch eine Bindungsaffinität für das intrazelluläre Material (z.B. Nucleinsäure) aufweisen, das aus den zerrissenen Zellen oder Viren austritt. Solche Perlen sind für die Isolierung von Target-Nucleinsäure zur darauffolgenden Elution und Analyse nützlich. Die Lysierkammer kann beispielsweise Kieselerdeperlen enthalten, um DNA oder Zelluloseperlen mit Oligo-dT zu isolieren, um Messenger-RNA für RT-PCR zu isolieren. Die Lysierkammer 86 kann ebenso Perlen zur Entfernung von unerwünschtem Material (z.B. Proteine, Peptide) oder Chemikalien (z.B. Salze, Metallionen oder Reinigungsmittel) aus der Probe enthalten, die die PCR inhibieren könnten. Die Kammer 86 kann z.B. Ionenaustauschperlen zur Entfernung von Proteinen enthalten. Alternativ entfernen Perlen mit Metallionen-Chelatbildnern, wie z.B. Iminodiessigsäure, Metallionen aus biologischen Proben.
Die 21–22 zeigen das Reaktionsgefäß 40 ausführlicher. 21 zeigt eine Teilexplosionszeichnung des Gefäßes 40 und 22 zeigt eine Vorderansicht des Gefäßes 40. Das Gefäß 40 umfasst die Reaktionskammer 42 (in dieser Ausführung diamantförmig), die zum Halten eines Reaktionsgemisches gedacht ist. Das Gefäß 40 ist für optimale Wärmeübertragung hin zum und weg vom Reaktionsgemisch konstruiert worden sowie für effiziente optische Beobachtung des Gemisches. Die dünne Form des Gefäßes trägt durch große Oberflächen für die Wärmeleitung und zum Kontaktieren der thermischen Platten zu optimaler thermischer Kinetik bei. Zusätzlich stellen die Wände des Gefäßes optische Fenster in die Kammer 42 dar, so dass das gesamte Reaktionsgemisch optisch beobachtet werden kann. Das Reaktionsgefäß 40 umfasst, in größerem Detail als die 21–22, einen steifen Rahmen 46, der die Seitenwände 57A, 57B, 59A, 59B der Reaktionskammer 42 definiert. Der Rahmen 46 definiert ebenso eine Einlassöffnung 41 und einen Kanal 50, der die Öffnung 41 mit der Kammer 42 verbindet. Der Rahmen 46 definiert ebenso eine Auslassöffnung 43 und einen Kanal 52, der die Öffnung 43 mit der Kammer 42 verbindet. Die Einlassöffnung 41 und der Kanal 50 werden verwendet, um Fluide in die Kammer 42 hinzuzufügen und der Kanal 52 und die Auslassöffnung 43 werden zum Auslass der Fluide aus der Kammer 42 verwendet. Die Abgleichstifte 44A, 44B werden verwendet, um das Gefäß 40 während der Anordnung der Kartusche korrekt zu positionieren.
Wie in 21 gezeigt, umfasst das Gefäß 40 auch dünne, biegsame Folien, die an den gegenüberliegenden Seiten des steifen Rahmens 46 befestigt sind, um entgegengesetzte Hauptwände 48 der Kammer zu bilden. (Die Hauptwände 48 werden in 1 in auseinandergezogener Anordnung vom steifen Rahmen 46 aus Gründen der illustrativen Klarheit dargestellt). Die Reaktionskammer 42 wird daher durch die steifen Seitenwände 57A, 57B, 59A, 59B des Rahmen 46 definiert sowie durch die gegenüberliegenden Hauptwände 48. Die gegenüberliegenden Hauptwände 48 schließen an entgegengesetzte Seiten des Rahmens 46 an, so dass die Seitenwände 57A, 57B, 59A, 59B die Hauptwände 48 miteinander verbinden. Die Wände 48 erleichtern eine optimale Wärmeleitfähigkeit zum in Kammer 42 enthaltenen Reaktionsgemisch. Jede der Wände 48 ist ausreichend biegsam, eine jeweilige thermische Oberfläche zu kontaktieren und sich dieser anzupassen, wodurch für optimale(n) Wärmekontakt und Wärmeübertragung zwischen der thermischen Oberfläche und dem in Kammer 42 enthaltenen Reaktionsgemisch gesorgt wird. Weiters passen sich die biegsamen Wände 48 auch weiterhin an die thermischen Oberflächen an, falls sich die Form der Oberflächen aufgrund der thermischen Ausdehnung oder Zusammenziehung während der Wärmeaustauschoperation verändert.
Wie in 23 abgebildet, werden die thermischen Oberflächen zum Kontaktieren der biegsamen Wände 48 vorzugsweise durch ein Paar gegenüberliegenden Platten 190A, 190B gebildet, die so positioniert sind, dass sie die Kammer 42 zwischen sich aufzunehmen. Wenn die Kammer 42 des Gefäßes 40 zwischen die Platten 190A, 190B eingefügt ist, kontaktieren die inneren Oberflächen der Platten die Wände 48 und die biegsamen Wände passen sich den Oberflächen der Platten an. Die Platten sind vorzugsweise von einander in einer Distanz beabstandet, die der Dicke T der Kammer 42 entspricht, wie sie von der Dicke des Rahmens 46 definiert wird. In dieser Position sind minimale oder keine Spalte zwischen den Plattenoberflächen und den Wänden 48 zu finden. Die Platten können durch verschiedene thermische Elemente erhitzt oder gekühlt werden, um Temperaturveränderungen in der Kammer 42 zu induzieren, wie sie untenstehend ausführlicher beschrieben werden.
Die Wände 48 sind vorzugsweise biegsame Folien aus Polymermaterial, wie z.B. Polypropylen, Polyethylen, Polyester oder andere Polymere. Die Folien können entweder in Schichten angeordnet sein, wie z.B. Laminate, oder sie können homogen sein. In Schichten angeordnete Folien werden bevorzugt, da sie im Allgemeinen stärker sind und eine bessere strukturelle Integrität ausweisen als homogene Filme. Im Besonderen werden derzeit in Schichten angeordnete Polypropylenfolien bevorzugt, da Polypropylen PCR nicht inhibiert. Alternativ können die Wände 48 jedes andere Material umfassen, das zu einer dünnen, biegsamen Lage geformt werden kann und eine schnelle Wärmeübertragung ermöglicht. Für eine gute Wärmeleitfähigkeit liegt die Dicke jeder Wand 48 vorzugsweise zwischen etwa 0,003 bis 0,5 mm, noch bevorzugter zwischen 0,01 bis 0,15 mm und insbesondere zwischen 0,025 bis 0,08 mm.
Mit erneutem Bezug auf 22 umfasst das Gefäß 40 vorzugsweise auch optische Fenster zur optischen In-situ-Beobachtung des Reaktionsgemisches in Kammer 42. In der bevorzugten Ausführungsform sind die optischen Fenster die Seitenwände 57A, 57B des steifen Rahmens 46. Die Seitenwände 57A, 57B sind optisch durchlässig, um eine Anregung des Reaktionsgemisches in Kammer 42 durch die Seitenwand 57A zu ermöglichen sowie die Detektion von Licht, das aus Kammer 42 durch die Seitenwand 57A ausgestrahlt wird. Die Pfeile A repräsentieren Beleuchtungsstrahlen, die in die Kammer 42 durch die Seitenwand 57A eindringen und die Pfeile B repräsentieren ausgestrahltes Licht (z.B. fluoreszierende Ausstrahlung aus markierten Analyten im Reaktionsgemisch), das Kammer 42 durch die Seitenwand 57B anregt.
Die Seitenwände 57A, 57B sind vorzugsweise in einem Winkel voneinander versetzt angeordnet. Normalerweise wird bevorzugt, dass die Wände 57A, 57B in einem Winkel von etwa 90° von einander versetzt sind. Ein 90°-Winkel zwischen der Anregung und den Detektionswegen stellt sicher, dass eine minimale Menge Anregungsstrahlung, die durch die Wand 57A eindringt, durch die Wand 57B austritt. Zusätzlich ermöglicht der 90°-Winkel das Auffangen einer maximale Menge an ausgestrahltem Licht (z.B. Fluoreszenz) durch die Wand 57B. Die Wände 57A, 57B sind vorzugsweise mit einander verbunden, um einen "V"-förmigen Schnittpunkt am Boden von Kammer 42 zu bilden. Alternativ müssen die winkligen Wände 57A, 57B nicht direkt mit einander verbunden sein, sondern können durch einen Zwischenteil, wie z.B. eine andere Wand oder verschiedene mechanische oder Fluidmerkmale, die die thermische und optische Leistung des Gefäßes nicht stören, getrennt sein. Die Wände 57A, 57B z.B. können sich in einer Öffnung treffen, die zu einem anderen Bearbeitungsbereich in Kommunikation mit Kammer 42 führt, wie z.B. ein integrierter Kapillarelektrophoresebereich. In der derzeit bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich eine Lokalisierungs-Nase 58 vom Rahmen 46 unter dem Schnittpunkt der Wände 57A, 57B. Die Nase 58 wird verwendet, um das Gefäß 40 ordnungsgemäß in einem wie unten im Bezug auf 28 beschriebenen Wärmeaustauschmodul zu positionieren.
Eine optimale optische Empfindlichkeit kann durch Maximieren der optischen Weglänge der Lichtstrahlen erreicht werden, die den markierten Analyten im Reaktionsgemisch anregen und des ausgestrahlten Lichts, das nachgewiesen wird, wie dies in folgender Gleichung dargestellt wird: lo/li = C·L·A,wobei l_o das Beleuchtungsausgangssignal an ausgestrahltem Licht ist, in Volt, Photonen oder Ähnlichem, C die Konzentration des nachzuweisenden Analyten ist, l_i das Beleuchtungseingangssignal ist, L die Weglänge ist und A das intrinsische Absorptionsvermögen der Farbe ist, die verwendet wurde, um den Analyten zu markieren.
Das dünne, flache Reaktionsgefäß 40 der vorliegenden Erfindung optimiert die Detektionsempfindlichkeit, indem sie eine maximale optische Weglänge pro Einheit Analytvolumen bereit stellt. Im Bezug auf die 23 und 27 ist das Gefäß 40 vorzugsweise so gebaut, dass jede der Seitenwände 57A, 57B, 59A, 59B der Kammer 42 eine Länge L im Bereich von 1 bis 15 mm aufweist, die Kammer hat eine Breite W im Bereich von 1,4 bis 20 mm, die Kammer hat eine Dicke T im Bereich von 0,5 bis 5 mm und das Verhältnis der Breite W der Kammer zur Dicke T der Kammer ist zumindest 2:1. Diese Parameter werden derzeit bevorzugt, da sie ein Gefäß mit einer relativ großen durchschnittlichen optischen Weglänge durch die Kammer bereit stellen, d.h. 1 bis 15 mm im Durchschnitt, während sie die Kammer trotzdem ausreichend dünn halten, um für extrem schnelles Erhitzen und Kühlen des darin enthaltenen Reaktionsgemisches zu sorgen. Die durchschnittliche optische Weglänge der Kammer 42 ist die Distanz vom Zentrum der Seitenwand 57A zum Zentrum der Kammer 42 plus der Distanz vom Zentrum der Kammer 42 zum Zentrum der Seitenwand 57B.
Noch bevorzugter ist das Gefäß 40 so gebaut, dass jede der Seitenwände 57A, 57B, 59A, 59B der Kammer 42 eine Länge L im Bereich von 5 bis 12 mm aufweist, die Kammer eine Breite W im Bereich von 7 bis 17 mm aufweist, die Kammer eine Dicke T im Bereich von 0,5 bis 2 mm aufweist und das Verhältnis der Breite W der Kammer zur Dicke T der Kammer zumindest 4:1 ist. Diese Bereiche werden besonders bevor zugt, da sie ein Gefäß bereit stellen, dass sowohl eine längere optische Weglänge (d.h. 5 bis 12 mm) als auch eine Volumenkapazität im Bereich von 12 bis 100 μl aufweist, während sie eine Kammer ausreichend dünn halten, um extrem schnelles Erhitzen und Kühlen des Reaktionsgemisches zu ermöglichen. Die relativ große Volumenkapazität ermöglicht eine erhöhte Empfindlichkeit bei der Detektion von Analyten in niedrigen Konzentrationen, wie z.B. Nucleinsäuren.
In der bevorzugten Ausführungsform besitzt das Reaktionsgefäß 40 eine diamantförmige Kammer 42, die durch die Seitenwände 57A, 57B, 59A, 59B definiert wird, jede der Seitenwände hat eine Länge von etwa 10 mm, die Kammer hat eine Breite von etwa 14 mm, die Kammer hat eine Dicke T von 1 mm, wie von der Dicke des Rahmens 46 definiert und die Kammer hat ebenso eine Volumenkapazität von etwa 100 μl. Dieses Reaktionsgefäß stellt eine relativ lange durchschnittliche optische Weglänge von etwa 10 mm durch die Kammer 42 bereit. Zusätzlich ermöglicht die dünne Kammer ein extrem schnelles Erhitzen und/oder Kühlen des darin enthaltenen Reaktionsgemisches. Die Diamantform der Kammer 42 wirkt hilfreich beim Verhindern der Bildung von Luftblasen in der Kammer, da sie mit dem Reaktionsgemisch gefüllt ist und ist ebenso hilfreich bei der optischen Beobachtung des Gemisches.
Mit erneutem Bezug auf 22 besteht der Rahmen 46 vorzugsweise aus einem optisch durchlässigen Material, z.B. einem Polycarbonat oder einem geklärten Polypropylen, so dass die Seitenwände 57A, 57B optisch durchlässig sind. Wie hierin verwendet, bedeutet der Begriff optisch durchlässig, dass eine oder mehrere Lichtwellenlängen die Wände durchdringen können. In der bevorzugten Ausführungsform sind die optisch durchlässigen Wände 57A, 57B im Wesentlichen transparent. Zusätzlich kann/können ein oder mehrere optische(s) Element(e) auf den optisch durchlässigen Seitenwänden 57A, 57B vorhanden sein. Die optischen Elemente können z.B. dafür geschaffen worden sein, um das Gesamtvolumen der Lösung, die von einer Lichtquelle beleuchtet wird, zu maximieren, um das Messlicht auf einen bestimmen Bereich der Kammer 42 zu fokussieren oder um so viel des Fluoreszenzsignals aus einem größtmöglichen Teil des Kammervolumens aufzunehmen wie möglich. In alternativen Ausführungsformen können die optischen Elemente Gitter umfassen, um spezifische Wellenlängen auszuwählen sowie Filter, um lediglich das Durchlassen bestimmter Wellenlängen zu ermöglichen oder gefärbte Linsen, um Filterfunktionen bereit zu stellen. Die Wandoberflächen können beschichtet sein oder Materialien, wie z.B. Flüssigkristalle, umfassen, um die Absorption bestimmter Wellenlängen zu erhöhen. In einer derzeit bevorzugten Ausführungsform sind die optisch durchlässigen Wände 57A, 57B im Wesentlichen klare, flache Fenster mit einer Dicke von etwa 1 mm.
Die Seitenwände 59A, 59B umfassen vorzugsweise reflektierende Flächen 56, die innen Licht reflektieren, das durch die Seitenwände 59A, 59B aus der Kammer 42 austreten will. Die reflektierenden Flächen 56 sind so angeordnet, dass die angrenzenden Flächen von einander in einem Winkel von etwa 90° versetzt sind. Zusätzlich definiert der Rahmen 46 offene Räume zwischen den Seitenwänden 59A, 59B und den Stützrippen 53. Die offenen Räume sind mit Umgebungsluft gefüllt, die einen unterschiedlichen Brechungsindex als das Material, aus dem der Rahmen besteht (z.B. Kunststoff), hat. Aufgrund des Unterschieds der Brechungsindices sind die reflektierenden Flächen 56 effizient, um innen Licht zu reflektieren, das aus der Kammer durch die Wände 59A, 59B austreten will sowie für eine erhöhte Detektion des optischen Signals durch die Wände 57A, 57B. Vorzugsweise definieren die optisch durchlässigen Seitenwände 57A, 57B den unteren Teil der diamantförmigen Kammer 42 und die rückstrahlenden Seitenwände 59A, 59B definieren den oberen Teil der Kammer.
Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung des Reaktionsgefäßes 40 wird nun mit Bezug auf die 21-22 beschrieben. Das Reaktionsgefäß 40 kann durch Formen des steifen Rahmens 46 als ersten Schritt unter Verwendung bekannter Spritzgießverfahren hergestellt werden. Der Rahmen 46 wird vorzugsweise in einem einzigen Stück aus einem Polymermaterial, z.B. geklärtem Polypropylen, durch Formen hergestellt. Nachdem der Rahmen 46 hergestellt wurde, werden dünne, biegsame Lagen auf die gewünschte Größe zugeschnitten und mit den gegenüberliegenden Seiten des Rahmens 46 verschlossen, um die Hauptwände 48 der Kammer 42 zu bil den. Die Hauptwände 48 sind vorzugsweise Gießfolien oder Extruderfolien aus Polymermaterialien, z.B. Polypropylenfolien, die auf die gewünschte Größe zugeschnitten und am Rahmen 46 unter Verwendung von folgendem Verfahren befestigt wurden. Ein erstes Stück Folie wird über einer Seite des Rahmens 46 platziert. Der Rahmen 46 umfasst vorzugsweise einen Haftstab 47, um das obere Eck der Folie anzugleichen. Die Folie wird über dem unteren Teil des Rahmens 46 platziert, so dass das obere Eck der Folie mit dem Haftstab 47 ausgerichtet wird und so dass die Folie den unteren Teil des Rahmens 46 unter dem Haftstab 47 vollständig bedeckt. Die Folie sollte größer als der untere Teil des Rahmens 46 sein, so dass sie leicht gehalten und flach über den Rahmen gespannt werden kann. Die Folie wird dann auf die gewünschte Größe des Umrisses des Rahmens zugeschnitten, indem jener Teil der Folie an den Rahmen geklammert wird, der den Rahmen bedeckt und durch Wegschneiden jener Teile der Folie, z.B. mittels eines Lasers oder eines Schneidwerkzeugs, die sich über den Umfang des Rahmens erstrecken. Die Folie wird dann an den Rahmen haftgeschweißt, vorzugsweise unter Verwendung eines Lasers.
Die Folie wird dann an den Rahmen 46 plombiert, vorzugsweise mittels Hitzeversiegelung. Derzeit wird die Hitzeversiegelung bevorzugt, da sie einen starken Verschluss erzeugt, ohne potentielle Verunreinigungen in das Gefäß einzubringen, wie dies bei der Verwendung von Klebeverbindungs- oder Lösungsmittelverbindungsverfahren der Fall sein könnte. Weiters ist die Hitzeversiegelung einfach und kostengünstig durchführbar. Die Hitzeversiegelung kann z.B. unter Verwendung einer Heizwalze durchgeführt werden. Ein identisches Verfahren kann verwendet werden, um eine zweite Lage zu schneiden und an die gegenüberliegende Seite des Rahmens 46 zu siegeln, um die Kammer 42 zu vervollständigen. Bei diesem Herstellungsverfahren sind viele Variationen möglich. In einer alternativen Ausführungsform wird die Folie z.B. über den unteren Teil des Rahmens 46 gespannt und dann an den Rahmen gesiegelt, bevor die Folie auf die richtige Größe zugeschnitten wird. Nachdem die Folie an den Rahmen gesiegelt wurde, werden jene Teile der Folie, die über den Umfang des Rahmens hinausstehen, weggeschnitten, z.B. mittels eines Lasers oder eines Schneidwerkzeugs.
Obwohl es derzeit bevorzugt wird, den Rahmen 46 in einem Stück durch Formen herzustellen, ist es auch möglich, den Rahmen aus mehreren Teilen herzustellen. Die Seitenwände 57A, 57B z.B., die die winkligen optischen Fenster bilden, können durch Formen aus Polycarbonat hergestellt werden, wobei das Polycarbonat eine gute optische Transparenz aufweist, während der Rest des Rahmens durch Formen aus Polypropylen hergestellt wird, das kostengünstig und mit PCR kompatibel ist. Die einzelnen Stücke können in einem zweiten Schritt mit einander verbunden werden. Die Seitenwände 57A, 57B können z.B. pressgepasst und/oder mit dem verbleibenden Teil des Rahmens 46 verbunden werden. Die biegsamen Wände 48 können dann, wie zuvor beschrieben, an gegenüberliegenden Seiten des Rahmens 46 angebracht werden.
Mit erneutem Bezug auf 3 wird derzeit die Verwendung einer Dichtung 61 bevorzugt, um die Öffnungen 41, 43 des Gefäßes 40 an die korrespondierenden Kanäle 80, 81 (4) im Kartuschenkörper zu siegeln. Alternativ können Fluidverschlüsse unter Verwendung von Luer-Verbindungsstücken, Druckmontage oder Press-Fassungen erzeugt werden. In einer anderen Ausführungsform werden der Kartuschenkörper und Rahmen des Gefäßes 40 unter Verwendung von Formen als ein einziger Teil hergestellt und die biegsamen Hauptwände des Gefäßes werden an gegenüberliegenden Seiten des Rahmens hitzeversiegelt.
Mit erneutem Bezug auf 22 wird die Kammer 42 gefüllt, indem eine Flüssigkeit (z.B. ein Reaktionsgemisch) zwangsbewegt wird, um durch die Öffnung 41 und den Kanal 50 in die Kammer 42 zu fließen. Die Flüssigkeit kann dazu zwangsbewegt werden, unter Verwendung von Differenzdruck (d.h. entweder durch Hineindrücken der Flüssigkeit durch die Einlassöffnung 41 oder durch Ansaugen der Flüssigkeit, indem ein Vakuum an der Auslassöffnung 43 erzeugt wird) in die Kammer 42 zu fließen. Während die Flüssigkeit die Kammer 42 füllt, verdrängt sie Luft in der Kammer. Die verdrängte Luft entweicht aus der Kammer 42 durch den Kanal 52 und die Öffnung 43. Für die optimale Detektion des Analyten in der Kammer 42 sollte die Kammer keine Luftblasen enthalten. Um zu verhindern, dass sich Luftblasen in der Kammer 42 fangen, sollte sich die Verbindung zwischen der Kammer 42 und dem Aus lasskanal 52 am höchsten Punkt (hinsichtlich der Schwerkraft) der Kammer 42 befinden. Das ermöglicht es den Luftblasen in Kammer 42, zu entweichen, ohne gefangen zu bleiben. Das Gefäß 40 ist daher konstruiert worden, um in der in 22 gezeigten, vertikalen Ausrichtung verwendet zu werden.
25 zeigt ein anderes Gefäß 206, das für eine Verwendung in horizontaler Ausrichtung konstruiert worden ist. Das Gefäß 206 besitzt eine Einlassöffnung 41 und einen Einlasskanal 50, der die Einlassöffnung 41 mit dem unteren Teil der Kammer 42 verbindet. Das Gefäß hat ebenso eine Auslassöffnung 43 und einen Auslasskanal 52, der die Auslassöffnung 43 mit dem oberen Teil der Kammer 42 verbindet. Dadurch können etwaige Luftblasen in Kammer 42 durch den Auslasskanal 52 entweichen, ohne gefangen zu bleiben. 26 zeigt ein anderes Gefäß 207 mit zwei Einlassöffnungen 41, 45 und einer Auslassöffnung 43. Die Einlasskanäle 50, 54 verbinden die jeweiligen Einlassöffnungen 41, 45 mit der Kammer 42 und der Auslasskanal 52 verbindet die Kammer 42 mit der Auslassöffnung 43. Es sind viele weitere verschiedene Ausführungsformen des Gefäßes möglich. In jeder Ausführungsform ist es erwünscht, die Kammer 42 vom höchsten Punkt in der Kammer (hinsichtlich der Schwerkraft) auszupumpen und eine Flüssigkeit aus einem niedriger gelegenen Punkt in die Kammer einfließen zu lassen.
Die 15A–15B zeigen zwei Arten von Ventilen, die in der Kartusche verwendet werden. Wie in 15A gezeigt wird, gibt es zwei Arten von Grundkonzepten bezüglich der Ventilwirkung und daher zwei Arten von Ventilen. Das erste Ventil verwendet einen konus-förmigen oder konischen Ventilsitz 160, der sich im mittleren Kartuschenteil 24 befindet. Der Ventilsitz 160 ist eine Vertiefung, Aushöhlung oder ein Hohlraum, der/die durch Formen oder mechanische Bearbeitung im mittleren Teil 24 erzeugt wurde. Der Ventilsitz 160 ist mit einer Kammer 167 in Fluidkommunikation, und zwar durch eine Öffnung oder einen Kanal 157, der/die das Zentrum des konischen Ventilsitzes 160 schneidet. Wie in 15B dargestellt, wird ein Ventilbetätigungselement 164A mit einer sphärischen Oberfläche gegen die elastische Membran 63 und in den Ventilsitz 160 gedrückt, wodurch ein kreisförmiger Kontaktring zwischen der Membran 63 und dem Ventilsitz 160 entsteht. Das kinematische Prinzip ist jenes einer Kugel, die in einem Konus sitzt. Der runde Dicht-Verschluss, der durch die Membran 63 und den Ventilsitz 160 gebildet wird, verhindert einen Fluss zwischen dem Kanal 157 (und daher der Kammer 167) und einem Seitenkanal 158, der sich von einer Seite des Ventilsitzes 160 erstreckt. Der Seitenkanal 158 wird durch die Membran 63 und den mittleren Kartuschenteil 24 definiert.
Wie in 15A dargestellt, kontrolliert die andere Ventilart den Kreuzstrom zwischen dem Kanal 158 und einem anderen Seitenkanal 159, der sich zwischen der Membran 63 und dem mittleren Kartuschenteil 24 gebildet hat. In diesem Fall wäre ein kreisförmiger Kontaktring ineffizient. Statt dessen umfasst das zweite Ventil eine Aushöhlung, Vertiefung oder einen Hohlraum 161, die/der sich im mittleren Kartuschenteil 24 befindet. Der Hohlraum 161 trennt die Kanäle 158, 159 von einander. Ein Ende des Kanals 158 befindet sich an einer Seite des Hohlraums 161 und ein Ende des Kanals 159 befindet sich auf der gegenüberliegenden Seite des Hohlraums 161. Der Hohlraum 161 wird durch eine erste gekrümmte Oberfläche 162A, die sich neben dem Ende des Kanals 158 befindet, eine zweite gekrümmte Oberfläche 162B, die sich neben dem Ende des Kanals 159 befindet und eine dritte Oberfläche 163 zwischen den ersten und zweiten gekrümmten Oberflächen 162A, 162B definiert. Wie in 15B dargestellt, stellen die gekrümmten Oberflächen zwei Ventilsitze bereit, die den Hauptkontaktbereich für die Membran 63 darstellen, um den Fluss zwischen den Kanälen 158 und 159 zu verschließen. Das kinematische Prinzip ist jenes einer Kugel (oder sphärischen Endes auf einem Ventilbetätigungselement), die von drei Kontaktpunkten, der aufwärtsgerichteten Kraft auf dem Betätigungselement und zwei Ventilsitzen 162A, 162B gehalten wird.
Wie in 16A dargestellt, sind die ersten und zweiten gekrümmten Oberflächen 162A, 162B vorzugsweise konzentrische sphärische Oberflächen. Das Ventilbetätigungselement 164 hat auch eine sphärische Oberfläche, um die Membran 63 fest gegen die Oberflächen 162A, 162B zu pressen. Zusätzlich hat jede der Oberflächen 162A, 162B vorzugsweise einen sphärischen Krümmungsradius R1, der dem kombinierten Krümmungsradius R2 des Ventilbetätigungselements 164 plus der Dicke T der Membran 63 entspricht. Wenn z.B. der Krümmungsradius R2 der Oberfläche des Ventilbetätigungselements 164 0,094 Zoll beträgt und die Membran 63 eine Dicke T von 0,031 Zoll aufweist, dann beträgt der Krümmungsradius R1 einer jeden der Oberflächen 162A, 162B 0,125 Zoll. Im Allgemeinen hängt die Größe und der Krümmungsradius der Ventilsitze von der Größe des Kanals in der Kartusche ab. Die Ventile werden vorzugsweise genau groß genug angefertigt, um die Kanäle effizient zu verschließen, jedoch nicht größer, so dass Totvolumen in der Kartusche reduziert wird.
Wie in 16B dargestellt, ist die dritte Oberfläche 163 von den ersten und zweiten Oberflächen 162A, 162B zurückgesetzt, um einen Spalt 166 zwischen der Membran 63 und der dritten Oberfläche 163 zu bilden, wenn die Membran 63 gegen die ersten und zweiten Oberflächen 162A, 162B gepresst wird. Anders gesagt werden die Oberflächen 162A, 162B von der Oberfläche 163 angehoben oder erhöht. Der Spalt 166 stellt sicher, dass die Membran 63 primär die Ventilsitze 162A, 162B kontaktiert, anstatt der ganzen Oberfläche des Hohlraums 161, so dass maximaler Druck auf die Ventilsitze 162A, 162B durch die Membran 63 aufgebracht wird. Dies führt zu einem sehr starken Dichtungs-Verschluss mit minimaler Betätigungskraft, die dafür erforderlich ist.
Mit erneutem Bezug auf 15B definiert bei beiden Ventilarten das jeweilige kinematische Prinzip die Stelle der Passteile. Sowohl beim Konzept Kugel-in-Konus als auch beim Konzept Kugel-gegen-zwei-sphärische-Oberflächen wird es der Kugel oder dem sphärischen Ventilbetätigungselement erlaubt, seine eigene Stelle zu finden, während sie gegen den/die Ventilsitz(e) gepresst wird. Es gibt einen absichtlich freigelassenen Abstand (z.B. 0,01 bis 0,03 Zoll) zwischen dem Ventilbetätigungselement und dem Loch im unteren Kartuschenteil 26, in dem sich das Betätigungselement 164 bewegt, so dass nur die Ventilsitzwirkung die Stelle der Passteile definiert.
Die Ventilbetätigungselemente können durch eine Reihe an Mechanismen gesteuert werden. Die 17–19 zeigen einen solchen Mechanismus. Wie in 17 dargestellt, besitzt ein Ventilbetätigungselement 172 eine sphärische Oberfläche, um die Dichtung 63 in einen Ventilsitz zu pressen. Das Betätigungselement 172 hat ebenso auch einen Flansch 177 auf seinem unteren Teil. Die Kartusche umfasst einen elastischen Körper, wie z.B. eine Feder 174, die gegen eine Leiste im unteren Kartuschenteil 26 stößt, um das Ventilbetätigungselement gegen die Dichtung 63 vorzuspannen. Die Feder 174 ist stark genug, um das Ventil zu schließen, falls nicht eine Freisetzungskraft angewandt wird, um das Betätigungselement 172 hinunter zu ziehen. Die Ventile in der Kartusche können auf diese Art und Weise bevor die Kartusche verwendet wird für Versand und Lagerung geschlossen bleiben. Die Kartusche kann daher während der Herstellung mit den notwendigen Reagenzien und Waschlösungen vorbeladen werden, um eine Fluidprobe zu analysieren, ohne dass die Fluide während des Versands und Lagerns aus der Kartusche auslaufen.
Der Herunterzieh-Mechanismus des Betätigungselements befindet sich normalerweise in einem Instrument, in dem die Kartusche platziert wird, um die Proben zu analysieren (ein solches Instrument wird untenstehend mit Bezug auf 10 ausführlich beschrieben). Der Mechanismus umfasst eine Gleitführung 175, die ein schwenkbares Herunterzieh-Element 180 mit einer Klemmbacke 181 drehend bewegt, um den Flansch 177 des Betätigungselements 172 aufzunehmen. Wie in 18 dargestellt, rotiert die Gleitführung 175 das schwenkbare Pulldown-Element 180 drehend, bis der Flansch 177 innerhalb der Klemmbacke 181 positioniert ist. Wie in 19 dargestellt, zieht ein Solenoid 146 das Element 180 und damit das Ventilbetätigungselement 172 hinunter, so dass die Dichtung 63 aus dem Ventilsitz freigegeben wird, wodurch das Ventil geöffnet wird und ein Durchfließen der Fluide zwischen den Kanälen 170 und 171 ermöglicht wird.
20 zeigt die Art und Weise, auf die der Fluss der Fluide in die und aus der/den Probenkammer, Waschkammer, Neutralisierungskammer und den Reagenzienkammern in der Kartusche gesteuert wird. Jede dieser Kammern ist, wie von Kammer 414 in 20 dargestellt, mit einer hydrophoben Membran 410 bedeckt, die den Durchlass von Gas, jedoch nicht von Flüssigkeiten durch sie ermöglicht. Die hydrophobe Membran 410 ist zwischen der Kammer 414 und einer Drucköffnung 32 positioniert. Die Drucköffnung 32 befindet sich um oberen Kartuschenteil 22 und ist über der Kammer 414 positioniert. Die Membran 410 hält während Versand und Transport der Kartusche Flüssigkeiten in der Kammer 414, sogar wenn die Kartusche auf dem Kopf steht. Die Drucköffnung 32 hat die richtige Größe, um eine Druckdüse 182 aufzunehmen, die mit einer Druckquelle (z.B. einem Vakuum oder einer Luftpumpe) verbunden ist, die sich normalerweise im externen Instrument befindet. Die Düse 182 umfasst einen O-Ring 184 und einen Flansch 415. Eine Feder 185 drückt gegen den Flansch 415, um die Düse 182 in die Drucköffnung 32 hinein zu drücken, so dass der O-Ring 184 einen Verschluss um die Öffnung 32 bildet. Bei Betrieb wird positiver Luftdruck oder ein Vakuum der Kammer 414 durch die Drucköffnung 32 zugeführt, um Flüssigkeiten aus der bzw. in die Kammer 414 zu drängen.
Ein konischer Ventilsitz 160 (zuvor mit Bezug auf die 15A–15B beschrieben) befindet sich im mittleren Kartuschenteil 24 unter der Kammer 414, um den Flüssigkeitsfluss zwischen der Kammer 414 und einem Verbindungskanal 411 zu steuern. Das Ventil wird durch ein Ventilbetätigungselement 186 mit einem Flansch 187 und einer Feder 188, die gegen den Flansch drückt, um das Ventil geschlossen zu halten bis eine abwärts gerichtete Kraft auf das Betätigungselement 186 wirkt, geöffnet und geschlossen. Die abwärts gerichtete Kraft wird vorzugsweise durch ein Solenoid bereit gestellt, das das Betätigungselement 186 nach unten zieht, um das Ventil zu öffnen. Das Ventilbetätigungselement 186 und Solenoid befinden sich vorzugsweise im Instrument.
Die 7–8 zeigen eine Draufsicht der Kartusche von oben bzw. von unten. 9 zeigt ein schematisches Blockdiagramm der Kartusche. Wie in jeder der 7–9 dargestellt, umfasst die Kartusche eine Probenkammer 65 mit einer Öffnung, um eine Fluidprobe in die Kartusche hinzuzufügen und einen Probenflussweg, der sich von der Probenkammer 65 erstreckt. Der Probenflussweg erstreckt sich von der Probenkammer 65 durch ein Ventil 107 und in einen Kanal 106. Der Kanal 106 umfasst einen Sensorbereich 136, in der der Kanal 106 einen ebenen Boden hat, um eine leichte optische Detektion der Gegenwart von Flüssigkeit im Kanal zu ermöglichen. Der Probenflussweg führt vom Kanal 106 in die Lysierkammer 86 und durch die Filtersäule 87. Der Probenflussweg umfasst auch einen Kanal 109, um Fluide aus der Lysierkammer 86 abfließen zu lassen, einen Kanal 110 mit einem Detektionsbereich mit ebenem Boden 137, ein Ventil 111 und einen Kanal 112, der zur belüfteten Kammer für Abfallprodukte 68 durch ein Ventil 114 führt.
Die Kartusche umfasst ebenso die Waschkammer 66 zum Halten von Waschlösung sowie die Reagenzienkammer 67 zum Halten von Lysierreagenzien. Die Waschkammer 66 ist mit der Lysierkammer 86 durch ein Ventil 115, Kanal 117 und Kanal 106 verbunden. Die Reagenzienkammer 67 ist mit der Lysierkammer 86 durch ein Ventil 119, Kanal 117 und Kanal 106 verbunden. Probekomponenten (z.B. Zellen oder Viren in der Probe) werden in der Filtersäule 87 herausgefangen und in der Kammer 86 lysiert, um den Target-Analyten (z.B. Nucleinsäure) aus den Probekomponenten freizusetzen. Die Kartusche umfasst ebenso einen Analytenflussweg, der sich von der Lysierkammer 86 zum Halten des von der Fluidprobe getrennten Analyten bis zum Reaktionsgefäß 40 für chemische Reaktionen und optische Detektion erstreckt. Der Analytenflussweg erstreckt sich von der Kammer 86 durch den Kanal 109, Kanal 110 und das Ventil 111. Nach dem Passieren des Ventils 111 weicht der Analytenflussweg vom Probenflussweg ab. Während der Probenflussweg sich durch Kanal 112 in die Kammer für Abfallprodukte erstreckt, divergiert der Analytenflussweg in den U-förmigen Kanal 122. Der Analytenflussweg erstreckt sich dann in die und aus der Neutralisierungskammer 70 durch ein Ventil 124. Der Analytenfussweg führt auch in die und wieder aus der Hauptmischkammer 71 durch ein Ventil 126. Von der Hauptmischkammer 71 führt der Analytenflussweg den Kanal 122 entlang, durch ein Ventil 127 und Kanal 80 und in das Reaktionsgefäß 40 durch die Öffnung 41.
Das Reaktionsgefäß 40 umfasst die Öffnung 41 zum Hinzufügen eines Reaktionsgemisches in das Gefäß und die Öffnung 43 zum Abfließen von Fluiden (z.B. Luft oder überschüssiges Reaktionsgemisch) aus dem Gefäß. Die Kartusche umfasst auch Kanal 81, der sich in Fluidkommunikation mit der Öffnung 43 befindet. Der Kanal 81 umfasst eine Detektionsregion mit ebenem Boden 130, um die Gegenwart von Flüssigkeit im Kanal zu ermöglichen. Kanal 81 ist mit einem Kanal 131 (Kanal 131 erstreckt sich gerade hinunter, senkrecht zur Seite in der oberen Draufsicht in 7) verbunden. Kanal 131 ist mit einem Kanal 132 verbunden, der wiederum mit einem Kanal 134 durch ein Ventil 133 verbunden ist (Kanal 134 erstreckt sich gerade hinauf, senkrecht zur Seite in der oberen Draufsicht in 7). Der Kanal 134 führt zur Lüftungsöffnung 36, die eine hydrophobe Membran besitzt, um das Entweichen von Gas, jedoch nicht von Flüssigkeit aus der Kartusche zu ermöglichen. Die Kanäle, Lüftungsöffnung und Ventil, die sich stromab des Reaktionsgefäßes 40 befinden, werden verwendet, um die Kammer 42 des Gefäßes unter Druck zu setzen, wie dies untenstehend im Abschnitt betreffend den Betrieb beschreiben wird.
Die Kartusche umfasst auch eine erste Drucköffnung 105, die sich über der Probenkammer 65 befindet, eine zweite Drucköffnung 116, die sich über der Waschkammer 66 befindet, eine dritte Drucköffnung 118, die sich über der Reagenzienkammer 67 befindet, eine vierte Drucköffnung 123, die sich über der Neutralisierungskammer 70 befindet, eine fünfte Drucköffnung 125, die sich über der Hauptmischkammer 71 befindet und eine sechste Drucköffnung 128, die sich am Ende des U-förmigen Kanals 122 befindet. Die Kartusche umfasst weiters Sensorkammern 120 und 121, die sich in Fluidkommunikation mit der Kammer für Abfallprodukte 68 befinden. Die Sensorkammern 120 und 121 zeigen, wie untenstehend ausführlich beschrieben, an, wann festgesetzte Flüssigkeitsvolumen in der Kammer für Abfallprodukte 68 aufgenommen wurden.
Mit Bezug auf 10 wird die Kartusche vorzugsweise in Kombination mit einem Instrument 140 verwendet, das dazu konstruiert wurde, eine oder mehrere der Kartuschen anzunehmen. Um die Klarheit der Darstellung zu gewährleisten, zeigt das Instrument 140 in 10 nur eine Kartusche. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass das Instrument für die Bearbeitung von Vielfach-Kartuschen gleichzeitig konstruiert werden kann. Die Kartusche 140 umfasst eine Kartuschenhalterung 141, in der die Kartusche zur Bearbeitung platziert wird. Das Instrument 140 umfasst ebenso den Wandler 92 (z.B. ein Ultraschallhorn), um Druckwellen in der Lysierkammer der Kartusche zu erzeugen, neun Ventilbetätigungselemente 142, um die neun Ventile in der Kartusche zu betätigen, neun korrespondierende Solenoide 146, um die Ventilbetätigungselemente hinunter zu ziehen und sechs Druckdrüsen 145, um eine Schnittstelle mit sechs korrespondierenden Drucköffnungen, die sich in der Kartusche befinden, zu bilden. Zusätzlich umfasst das Instrument eine oder mehrere Druckquelle(n) zur Druckversorgung der Kartusche durch die Druckdüsen 145 oder es ist mit diesen verbunden. Geeignete Druckquellen umfassen Spritzpumpen, Druckluftquellen, Luftpumpen oder Verbindungen zu externen Druckquellen. Das Instrument umfasst weiters drei geschlitzte optische Sensoren 143 und drei reflektierende optische Sensoren 144.
13 zeigt die geschlitzten optischen Sensoren 143, die positioniert wurden, um Flüssigkeit in den Sensorkammern 120, 121 und in der Reagenzienkammer 67 nachzuweisen. Jeder Sensor 143 umfasst eine eingebaute LED sowie eine Photodiode, die an den gegenüberliegenden Seiten des Sensors positioniert wurde. Die LED gibt einen Strahl ab, der von der Photodiode nachgewiesen wird, wenn der Strahl nicht wesentlich gebrochen wird. Solche geschlitzten optischen Sensoren sind im Handel von einer Reihe an Lieferfirmen erhältlich. Die Kartusche ist so geformt, dass sich die geschlitzten optischen Sensoren um die Kammern 67, 120 und 121 anordnen lassen. Der Betrieb eines jeden Sensors funktioniert folgendermaßen. Falls keine Flüssigkeit in der vom Sensor umgebenen Kammer vorhanden ist, wird der Strahl der LED wesentlich von der Luft in der Kammer und den gekrümmten inneren Wänden der Kammer gebrochen und, falls überhaupt, wird nur ein schwaches Signal von der Photodiode nachgewiesen, da Luft einen Brechungsindex aufweist, der jenem der Plastikkartusche nicht ähnlich ist. Falls jedoch Flüssigkeit in der Kammer vorhanden ist, bricht der Strahl der LED nicht oder wird nur geringfügig gebrochen und produziert ein viel stärkeres Signal, das von der Photodiode nachgewiesen wird, da die Flüssigkeit einen Brechungsindex aufweist, der jenem der Plastikkartusche sehr ähnlich ist. Die optischen Sensoren 143 sind daher nützlich, um die Gegenwart oder Abwesenheit von Flüssigkeit in den Kammern 67, 120 und 121 zu bestimmen.
14 zeigt eine aufgeschnittene, schematische Seitenansicht der Sensorkammer 120, die sich in Fluidkommunikation mit der Kammer für Abfallprodukte 68 befindet und vom geschlitzten optischen Sensor 143 umgeben ist. Die Sensorkammer 120 und der Sensor 143 werden verwendet, um anzugeben, wann ein festgelegtes Flüssigkeitsvolumen in der Kammer für Abfallprodukte 68 vorhanden ist. Die Sensor kammer 120 ist teilweise von der Kammer für Abfallprodukte 68 durch eine Wand abgetrennt, die einen Überlaufrand 152 aufweist. Die Höhe der Wand wurde so ausgewählt, dass wenn das festgelegte Flüssigkeitsvolumen in der Kammer für Abfallprodukte 68 aufgenommen wurde, die Flüssigkeit über den Überlaufrand 152 in die Sensorkammer 120 überläuft. Die Flüssigkeit in der Sensorkammer 120 wird dann durch den Sensor 143 nachgewiesen.
Mit erneutem Bezug auf 13 kann die Kartusche auch eine zweite Sensorkammer 121 umfassen, die sich in Fluidkommunikation mit der Kammer für Abfallprodukte 68 befindet. Die zweite Sensorkammer 121 ist ebenso von der Kammer für Abfallprodukte 68 durch eine Wand 153 mit einem Überlaufrand abgetrennt. Die Wand 153 ist höher als die Wand 152, so dass die Flüssigkeit nicht über die Wand 153 überläuft, bis ein zweites festgelegtes Fluidvolumen zusätzlich zum ersten festgelegten Fluidvolumen in der Kammer für Abfallprodukte 68 aufgenommen wurde. Die Sensorkammern 120, 121 und die optischen Sensoren 143 sind für die Steuerung des Betriebs der Kartusche nützlich. Die Höhe der Wand 152 wird vorzugsweise so ausgewählt, dass die Probeflüssigkeit in die Sensorkammer 120 überläuft und nachgewiesen wird, wenn ein festgelegtes Volumen der Fluidprobe aus der Probenkammer 65 durch den Probenflussweg in die Kammer für Abfallprodukte 68 geflossen ist. Die Detektion in Kammer 120 löst die Freisetzung von Waschlösung aus der Waschkammer 66 aus, die durch den Probenflussweg in die Kammer für Abfallprodukte 68 fließt. Wenn eine Inkrementalmenge der Waschlösung von der Kammer 68 aufgenommen wurde, läuft die Flüssigkeit über die Wand 153 in die Sensorkammer 121 und wird nachgewiesen. Die Detektion von Flüssigkeit in der Kammer 121 löst dann die Freisetzung eines lysierenden Reagens aus der Kammer 67 aus. Der die Kammer 67 umgebende Sensor 143 kann dann verwendet werden, um anzugeben, wann die Kammer 67 leer ist, wodurch der Start der Ultraschalllyse ausgelöst wird. In einer alternativen Ausführungsform kann die Kartusche zwei Kammern für Abfallprodukte aufweisen, eine für die Probe und eine für das Waschen, wobei jede Kammer für Abfallprodukte eine jeweilige Sensorkammer besitzt, die mit ihr verbunden ist.
Die in einer Reihe angeordneten optischen Sensoren 144 werden verwendet, um die Gegenwart oder Abwesenheit von Flüssigkeit in den Detektionsregionen mit ebenem Boden 130, 136, 137 der Kanäle 81, 106 bzw. 110 (7) zu bestimmen. Jeder Sensor 144 besitzt einen eingebauten Emitter und Detektor, der über einem Detektionsbereich mit ebenem Boden positioniert ist. Der Emitter gibt einen Strahl ab, der von der Kartusche reflektiert wird und vom Detektor nachgewiesen wird. Der Sensor weist eine Veränderung des Signals nach, wenn eine Luft/Flüssigkeits-Grenzfläche die Detektionsregion passiert. Gegebenenfalls können reflektierende optische Sensoren dualer Emitter für einen verlässlicheren Detektionsbetrieb verwendet werden. Beide Arten der reflektierenden optischen Sensoren sind nach dem Stand der Technik wohlbekannt und im Handel erhältlich.
Mit erneutem Bezug auf 10 umfasst das Instrument 140 auch ein Wärmeaustauschmodul 147 mit einem Schlitz 148, um das Reaktionsgefäß der Kartusche aufzunehmen. Das Modul 147 wird untenstehend im Bezug auf 28 ausführlich beschrieben. Das Instrument 140 umfasst weiters einen Verriegelungsmechanismus 149, um einen Deckel 150 über einer Kartusche zu verriegeln. Die Kartuschenhalterung 141 umfasst Ausrichtungslöcher 401, um die Schenkel der Kartusche aufzunehmen. Die Ausrichtungslöcher 401 stellen die richtige Positionierung der Kartusche in der Halterung 141 sicher, so dass die Druckdüsen 145, der Wandler 92 und die Ventilbetätigungselemente 142 in die korrespondierenden Öffnungen in der Kartusche passen und dass das Reaktionsgefäß in den Schlitz 148 passt. Der Wandler 92 sollte im Instrument 140 so positioniert sein, dass der Wandler die untere Wand der Lysierkammer 86 kontaktiert, wie in der aufgeschnittenen Ansicht von 5 dargestellt, wenn die Kartusche in der Halterung 141 positioniert wird. Zusätzlich kann das Instrument eine Feder oder einen ähnlichen Mechanismus umfassen, um den Wandler 92 gegen die Wand der Lysierkammer 86 vorzuspannen.
Das Instrument 140 umfasst weiters verschiedene konventionelle Geräte, die in 10 nicht dargestellt werden, unter anderem eine Hauptlogikkarte mit einer Mikroprozessorsteuerung, um den Betrieb der Solenoide 146, des Wandlers 92, des Wärmeaustauschmoduls 147 und der optischen Sensoren 143, 144 zu steuern. Das Instru ment umfasst ebenso ein Netzgerät, um es anzutreiben sowie eine Luftpumpe, um Luftdruck durch die Düsen 145 bereit zu stellen oder aber es ist mit diesen beiden Geräten verbunden. Das Instrument 140 ist vorzugsweise computergesteuert, z.B. unter Verwendung der Mikroprozessorsteuerung, die darauf programmiert ist, die im untenstehenden, den Betrieb betreffenden Abschnitt beschriebenen Funktionen auszuführen. Alternativ kann das Instrument von einem eigenen Computer oder einer Kombination aus einem eigenen Computer und einer an Bord befindlichen Mikroprozessorsteuerung gesteuert werden.
11 zeigt eine perspektivische Ansicht der Kartusche 20, die zur Bearbeitung im Instrument 140 positioniert wurde. 11 zeigt eine teilweise aufgeschnittene Ansicht des Instruments 140, in der der Deckel 150 geschlossen ist. Mit erneutem Bezug auf 11 kann gegebenenfalls ein Speicherchip oder ein Mikroprozessorchip als Teil der Kartusche 20 eingebaut werden. Dieser Chip enthält vorzugsweise Informationen, wie z.B. den Typus der Kartusche, Programminformationen, wie z.B. spezifische Protokolle für die Bearbeitung der Kartusche, Toleranzen für Akzeptanz und Zurückweisung, Seriennummern und Chargencodes zur Verfolgung der Qualität und Vorkehrungen für die Lagerung der Bearbeitungsresultate. Integrierte elektronische Speicherung auf der Kartusche 20 ermöglicht ein schnelles, einfaches und fehlerfreies Set-up des Instruments 140 für verschiedene Fluidbearbeitungsprotokolle. Wird die Kartusche 20 in das Instrument 140 eingeführt, so kann das Instrument elektronisch auf den Speicher der Kartusche zugreifen und daher automatisch das geeignete Set an Instruktionen zur Steuerung der Zeitsequenz der Fluidoperationen, die mit der eingeführten Kartusche durchgeführt werden sollen, erhalten. Das Instrument 140 kann einfach sequentiell jeden Schritt im Speicher der Kartusche abrufen und durchführen oder dessen Inhalt herunterladen, so dass der Benutzer, z.B. unter Verwendung des Steuerungscomputers, die Sequenz bearbeiten kann.
Falls geeignete Speicher, wie z.B. beschreibbare Speicher (etwa löschbare, programmierbare Read-Only-Speicher (EPROM), elektrisch löschbare, programmierbare Read-Only-Speicher (EEPROM) etc.) auf der Kartusche inkludiert sind, konnten auf der in die Kartusche eingeführten Probe basierende Zwischen- und Endergebnisse vom Instrument nach der Bearbeitung mit der physikalischen Probe zur colokalisierten Lagerung in den Speicher der Kartusche geschrieben werden. Dies ist besonders bei Anwendungen von Vorteil, bei denen eine Archivierung von Proben und Resultaten notwendig ist, wie z.B. in der Forensik. Zusätzlich können andere Informationen im Speicher auf der Kartusche in unveränderlicher (oder veränderlicher) Formen gespeichert werden. Die Kartuschenseriennummer, Chargenherstellungsinformationen und ähnliche Informationen könnten beispielsweise vorprogrammiert und unveränderlich sein. Benutzerdaten, Technikeridentifikationsnummer, Testdatum, Testort und Instrumentseriennummer könnten unveränderlich auf der Kartusche festgeschrieben sein. Das ermöglicht eine leichte Identifikation der Kette derjenigen, die für die Obhut beim Transport des Probestücks zuständig sind. Techniker werden nach dem Stand der Technik der Datenspeicherung erkennen, dass auch andere Speichermedien als elektronische verwendet werden können, z.B. optisch adressierte gedruckte Bereiche (z.B. mit Tintenstrahl oder thermisch), Magnetstreifen, etc.
28 zeigt das Wärmeaustauschmodul 147 des Instruments, in das das Reaktionsgefäß 40 zur thermischen Bearbeitung und optischen Detektion des/der Target-Analyten im Reaktionsgemisch eingeführt wird. Das Modul 147 umfasst vorzugsweise ein Gehäuse 208 zum Halten der verschiedenen Komponenten des Moduls. Das Modul 147 umfasst ebenso die oben beschriebenen thermischen Platten 190. Das Gehäuse 208 umfasst einen Schlitz (in 28 nicht dargestellt) über den Platten 190, so dass die Reaktionskammer des Gefäßes 40 durch den Schlitz und zwischen die Platten eingefügt werden kann. Das Wärmeaustauschmodul 147 umfasst vorzugsweise ebenso ein Kühlsystem, wie z.B. ein Gebläse 212. Das Gebläse 212 ist so positioniert, dass es kühlende Luft über die Oberflächen der Platten 190 bläst, um die Platten und dadurch das Reaktionsgemisch im Gefäß 40 zu kühlen. Das Gehäuse 208 definiert vorzugsweise Kanäle, um die kühlende Luft vorbei an den Platten 190 und aus dem Modul 147 zu leiten.
Das Wärmeaustauschmodul 147 umfasst weiters eine optische Anregungsanordnung 216 und eine optische Detektionsanordung 218, um das im Gefäß 40 enthaltene Reaktionsgemisch optisch beobachten zu können. Die Anregungsanordnung 216 umfasst eine erste Leiterplatte 220, um ihre elektronischen Komponenten halten zu können und die Detektionsanordnung 218 umfasst eine zweite Leiterplatte 222, um ihre elektronischen Komponenten halten zu können. Die Anregungsanordnung 216 umfasst eine oder mehrere Lichtquelle(n) (z.B. eine LED, einen Laser oder eine Glühbirne), um fluoreszenzmarkierte Analyten im Gefäß 40 anzuregen. Die Anregungsanordnung 216 umfasst weiters auch eine oder mehrere Linse(n), um das Licht aus den Lichtquellen zu kollimieren, sowie Filter, um die Anregungswellenlängenbereiche von Interesse auszuwählen. Die Detektionsanordnung 218 umfasst einen oder mehrere Detektor(en) (z.B. eine Photodiode, eine Signalverstärkerröhre oder CCD), um das aus Gefäß 40 ausgestrahlte Licht nachzuweisen. Die Detektionsanordnung 218 umfasst ebenso eine oder mehrere Linse(n), um das ausgestrahlte Licht zu fokussieren und zu kollimieren, sowie Filter, um die Emissionswellenlängenbereiche von Interesse auszuwählen. Geeignete optische Anregungs- und Detektionsanordnungen zur Verwendung im Wärmeaustauschmodul 147 werden in der Internationalen Publikation Nr. WO 99/60380 (Internationale Anmeldung Nr. PCT/US 99/11182), veröffentlicht am 25. November 1999, beschrieben.
Die optischen Anordnungen 216, 218 werden im Gehäuse 208 so positioniert, dass sich, wenn die Kammer des Gefäßes 40 zwischen die Platten 190 eingeführt wird, die Anregungsanordnung 216 durch die optisch transmissive Seitenwand 57A (siehe 22) in optischer Kommunikation mit der Kammer 42 und die Detektionsanordnung 218 durch die optisch transmissive Seitenwand 57B (22) in optischer Kommunikation mit der Kammer befindet. In der bevorzugten Ausführungsform werden die optischen Anordnungen 216, 218 mit den optisch durchlässigen Seitenwänden durch einfaches Platzieren der optischen Anordnungen 216, 218 neben den unteren Rändern der Platten 190 in optische Kommunikation gebracht, so dass die optischen Anordnungen 216, 218 die Seitenwände direkt kontaktieren oder sich in nächster Nähe zu diesen befinden, wenn die Kammer des Gefäßes zwischen den Platten positioniert wird.
34 zeigt eine teilweise aufgeschnittene, perspektivische Ansicht der Kammer des Gefäßes, das zwischen den Platten 190A, 190B eingefügt wurde (der obere Teil des Gefäßes ist aufgeschnitten). Das Gefäß hat vorzugsweise einen winkligen Unterteil (z.B. dreieckig), der von den optisch durchlässigen Seitenwänden 57A, 57B gebildet wird. Jede der Platten 190A, 190B hat einen entsprechend geformten Unterteil. Der Unterteil der ersten Platte 190A besitzt eine erste untere Ecke 250A und eine zweite untere Ecke 250B. Ähnlich dazu besitzt der Unterteil der zweiten Platte 190B eine erste untere Ecke 252A und eine zweite untere Ecke 252B. Die ersten und zweiten unteren Ecken jeder Platte sind vorzugsweise im gleichen Winkel von einander versetzt, in dem die Seitenwände 57A, 57B von einander versetzt sind (z.B. 90°). Zusätzlich sind die Platten 190A, 190B vorzugsweise so positioniert, dass sie die Kammer des Gefäßes zwischen sich aufnehmen, so dass die erste Seitenwand 57A im Wesentlichen neben und parallel zu jeder der ersten unteren Ecken 250A, 252A positioniert ist und so dass die zweite Seitenwand 57B im Wesentlichen neben und parallel zu jeder der zweiten unteren Ecken 250B, 252B positioniert ist. Diese Anordnung sorgt für einen leichten optischen Zugang zu den optisch transmissiven Seitenwänden 57A, 57B und daher zur Kammer des Gefäßes. Ein Gel oder Fluid kann gegebenenfalls verwendet werden, um die optische Kommunikation zwischen jeder optischen Anordnung und den Seitenwänden 57A, 57B herzustellen oder zu verbessern. Das Gel oder Fluid sollte einen Brechungsindex aufweisen, der den Brechungsindices der Elemente, die es verkoppelt, ähneln sollte.
Mit erneutem Bezug auf 28 werden die optischen Anordnungen 216, 218 vorzugsweise so angeordnet, dass sie einen 90° Winkel zwischen den Anregungs- und Detektionswegen aufweisen. Der 90° Winkel zwischen den Anregungs- und Detektionswegen stellt sicher, dass eine Minimalmenge an Anregungsstrahlung, die durch die erste Seitenwand der Kammer eintritt, durch die zweite Seitenwand austritt. Ebenso ermöglicht der 90° Winkel das Einfangen einer Maximalmenge an abgegebener Strahlung durch die zweite Seitenwand. In der bevorzugten Ausführungsform umfasst das Gefäß 40 eine Lokalisierungsnase 58 (siehe 22), die in einen Schlitz zwischen den optischen Anordnungen 216, 218 passt, um die richtige Positionierung des Gefäßes 40 für die optische Detektion sicher zu stellen. Für eine verbesserte Detektion umfasst das Modul 147 vorzugsweise ebenso einen lichtundurch lässigen Deckel (nicht dargestellt), der oben über dem Gefäß 40 positioniert wird und für das Gehäuse 208 lichtundurchlässig gemacht wird, nachdem das Gefäß zwischen die Platten 190 eingeführt wurde.
Obwohl derzeit eine Positionierung der optischen Anordnungen 216, 218 neben den unteren Ecken der Platten 190 bevorzugt wird, sind jedoch viele andere Anordnungen möglich. Die optische Kommunikation kann beispielsweise zwischen den optischen Anordnungen 216, 218 und den Wänden des Gefäßes 40 durch Glasfasern, Lichtleitungen, Wellenleiter oder ähnliche Vorrichtungen erreicht werden. Ein Vorteil dieser Vorrichtungen ist die Tatsache, dass sie die Notwendigkeit, die optischen Anordnungen 216, 218 physisch neben den Platten 190 anzuordnen, eliminieren. Dadurch bleibt mehr Raum um die Platten herum frei, in dem kühlende Luft oder Kühlmittel zirkulieren kann, so dass die Kühlung verbessert werden kann.
Das Wärmeaustauschmodul 147 umfasst ebenso eine PC-Karte 226, um die elektronischen Komponenten des Moduls zu halten sowie ein Eckverbindungsstück 224, um das Modul 147 mit dem Instrument 140 zu verbinden (10). Die Heizelemente und Temperatursensoren auf den Platten 190 genauso wie die optischen Karten 220, 222 sind mit der PC-Karte 226 durch Flexkabel verbunden (in 28 aus Gründen der illustrativen Klarheit nicht dargestellt). Das Modul 147 kann ebenso auch eine Erdungsbahn 228 umfassen, um die optische Detektionsschaltung zu schützen. Das Modul 147 kann gegebenenfalls einen Indikator umfassen, wie z.B. eine LED 214, um dem Benützer den aktuellen Status des Moduls, wie z.B. "Heizen", "Kühlen", "Fertig" oder "Fehler" anzuzeigen.
Das Gehäuse 208 kann durch Formen aus einem steifen Hochleistungsplastik oder einem anderen konventionellen Material hergestellt sein. Die Hauptfunktionen des Gehäuses 208 sind die Bereitstellung eines Rahmens, um die Platten 190, die optischen Anordnungen 216, 218, das Gebläse 212 und die PC-Karte 226 zu halten. Das Gehäuse 208 stellt vorzugsweise ebenso Flusskanäle und Öffnungen bereit, um kühlende Luft aus dem Gebläse 212 über die Oberflächen der Platten 190 und aus dem Gehäuse zu leiten. In der bevorzugten Ausführungsform umfasst das Gehäuse 208 ergänzende Teile (nur ein Teil wird in der schematischen Seitenansicht in 28 dargestellt), die zusammen passen, um die Komponenten des Moduls 147 zwischen sich aufzunehmen.
Mit erneutem Bezug auf 23 können die Platten 190A, 190B aus verschiedenen, thermisch leitenden Materialien, unter anderem Keramik oder Metalle, gemacht sein. Geeignete keramische Materialien umfassen Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Berylliumoxid und Siliziumnitrid. Andere Materialien, aus denen die Platten hergestellt werden können, umfassen z.B. Galliumarsenid, Silizium, Siliziumnitrid, Siliciumdioxid, Quarz, Glas, Diamant, Polyacryle, Polyamide, Polycarbonate, Polyester, Polyimide, Vinylpolymere und halogenierte Vinylpolymere, wie z.B. Polytetrafluorethylene. Weitere mögliche Plattenmaterialien umfassen Chrom/Aluminium, Superalloys, Zircaloy, Aluminium, Stahl, Gold, Silber, Kupfer, Wolfram, Molybdän, Tantal, Messing, Saphir sowie jedes andere der zahlreichen keramischen, metallischen oder polymerischen Materialien, die nach dem Stand der Technik erhältlich sind.
Derzeit werden keramische Platten bevorzugt, da ihre inneren Oberflächen leicht zu einem sehr hohen Glättegrad verarbeitet werden können, um hohe Verschleißbeständigkeit, hohe chemische Resistenz und guten thermischen Kontakt mit den biegsamen Wänden des Reaktionsgefäßes zu erreichen. Keramische Platten können ebenso sehr dünn hergestellt werden, vorzugsweise zwischen 0,6 und 1,3 mm, damit die geringe thermische Masse für extrem schnelle Temperaturveränderungen sorgen kann. Eine aus Keramik hergestellte Platte ist sowohl ein guter thermischer Leiter als auch ein elektrischer Isolator, so dass die Temperatur der Platte unter Verwendung eines Widerstandsheizelements, das an die Platte gekoppelt ist, gut kontrollierbar ist.
Verschiedene thermische Elemente können verwendet werden, um die Platten 190A, 190B zu erhitzen und/oder zu kühlen und dadurch die Temperatur des Reaktionsgemisches in Kammer 42 zu regeln. Im Allgemeinen umfassen zum Erhitzen der Platte geeignete Heizelemente Leitungs-Heizvorrichtungen, Konvektoren oder Heizstrahler. Beispiele für Leitungs-Heizvorrichtungen umfassen Widerstands- oder induktive Heizelemente, die an die Platten gekoppelt sind, z.B. Widerstände oder thermoelekt rische Vorrichtungen. Geeignete Konvektoren umfassen Gebläseluftheizer oder Fluidwärmetauscher, um Fluide über die Platten fließen zu lassen. Geeignete Heizstrahler umfassen Infrarot- oder Mikrowellenheizvorrichtungen. In Analogie dazu können verschiedene Kühlelemente verwendet werden, um die Platten zu kühlen. So können z.B. verschiedene Konvektionskühlelemente wie etwa ein Gebläse, eine Peltiervorrichtung, eine Kühlvorrichtung oder eine Strahldüse verwendet werden, um kühlende Fluide an den Plattenoberflächen vorbei fließen zu lassen. Alternativ können verschiedene leitende Kühlelemente verwendet werden, beispielsweise ein Kühlkörper, z.B. ein gekühlter Metallblock, in direktem Kontakt mit den Platten.
Mit Bezug auf 24 besitzt jede Platte 190 vorzugsweise ein Widerstandsheizelement 206, das sich auf ihrer äußeren Oberfläche befindet. Das Widerstandsheizelement 206 ist vorzugsweise eine dicke oder dünne Folie und kann mittels Siebdruck direkt auf jede Platte 190 gedruckt werden, besonders auf Platten, die ein keramisches Material, wie z.B. Aluminiumnitrid oder Aluminiumoxid, umfassen. Der Siebdruck bietet eine hohe Verlässlichkeit und einen geringen Querschnitt für wirkungsvollen Wärmetransfer in die Reaktionskammer. Dicke oder dünne Folienwiderstände mit variierenden geometrischen Mustern können sich auf den äußeren Oberflächen der Platten befinden, um für ein einheitlicheres Erhitzen zu sorgen, z.B. durch die Tatsache, dass sie an den Enden mit Widerständen größerer Dichte und in der Mitte mit dünneren Widerständen ausgestattet sind. Obwohl es derzeit bevorzugt wird, ein Heizelement auf der äußeren Oberfläche jeder Platte anzubringen, so kann ein Heizelement alternativ in jede Platte gebrannt werden, besonders wenn die Platten aus Keramik hergestellt sind. Das Heizelement 206 kann Metalle, Wolfram, Polysilizium oder andere Materialien umfassen, die sich erhitzen, wenn ein Spannungsunterschied an das Material angelegt wird. Das Heizelement 206 besitzt zwei Enden, die mit den jeweiligen Kontakten 204 verbunden sind, welche wiederum mit einer Spannungsquelle (in 24 nicht dargestellt) verbunden sind, um dafür zu sorgen, dass Strom durch das Heizelement fließt. Jede Platte 190 umfasst vorzugsweise auch einen Temperatursensor 192, wie z.B. ein Thermoelement, einen Thermistor oder RTD, der durch zwei Bahnen 202 mit den jeweiligen der Kontakte 204 verbunden ist.
Der Temperatursensor 192 soll dazu verwendet werden, um die Temperatur der Platte 190 in einem kontrollierten Rückführungskreis zu beobachten.
Die Platten haben eine geringe thermische Masse, um ein schnelles Erhitzen und Kühlen der Platten zu ermöglichen. Im Besonderen wird derzeit bevorzugt, dass jede der Platten eine thermische Masse besitzt, die weniger als etwa 5 J/°C, noch bevorzugter weniger als 3 J/°C und insbesondere weniger als 1 J/°C beträgt. Wie hierin verwendet, wird der Begriff thermische Masse einer Platte als die spezifische Hitze der Platte definiert, die mit der Masse der Platte multipliziert wurde. Zusätzlich sollte jede Platte groß genug sein, um eine betreffende Hauptwand der Reaktionskammer zu bedecken. In der derzeit bevorzugten Ausführungsform besitzt z.B. jede der Platten eine Breite X im Bereich von 2 bis 22 mm, eine Länge Y im Bereich von 2 bis 22 mm und eine Dicke im Bereich von 0,5 bis 5 mm. Die Breite X und die Länge Y jeder Platte wird so ausgewählt, dass sie etwas größer ist, als die Breite und Länge der Reaktionskammer. Weiters besitzt jede Platte vorzugsweise einen winkeligen Unterteil, der mit der Geometrie des Unterteils der Reaktionskammer übereinstimmt, wie zuvor im Bezug auf 34 beschrieben. Ebenso in der bevorzugten Ausführungsform wird jede der Platten aus Aluminiumnitrid mit einer spezifischen Wärme von etwa 0,75 J/g°C hergestellt. Die Masse jeder Platte liegt vorzugsweise im Bereich von 0,005 bis 5,0 g, so dass jede Platte eine thermische Masse im Bereich von 0.00375 bis 3,75 J/°C besitzt.
Die gegenüberliegenden Platten 190 sind so positioniert, dass sie die Kammer des Gefäßes 40 zwischen sich aufnehmen, so dass die biegsamen Hauptwände der Kammer die inneren Oberflächen der Platten kontaktieren und sich diesen anpassen. Es wird derzeit bevorzugt, die Platten 190 in einem entgegengesetzten Verhältnis zu einander zu halten, z.B. unter Verwendung von Gestellen, Stützen oder Haltebügeln. Alternativ können die Platten 190 mittels einer Feder zu einander vorgespannt werden, wie dies in der Internationalen Veröffentlichung mit der Nr. WO 98/38487 beschrieben wird. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird eine der Platten in einer fixierten Position gehalten und die zweite Platte wird unter Verwendung einer Feder zur ersten Platte vorgespannt. Falls eine oder mehrere Federn verwendet werden, um die Platten zu einander hin vorzuspannen, sollten die Federn ausreichend starr sein, um sicherzustellen, dass die Platten mit genügend Druck gegen die biegsamen Wände des Gefäßes gepresst werden, so dass sich die Wände den inneren Oberflächen der Platten anpassen.
Die 29–30 zeigen eine bevorzugte Stützstruktur 209, um die Platten 190A, 190B in einem einander entgegengesetzten Verhältnis zu halten. 29 zeigt eine Explosionszeichnung der Struktur und 30 zeigt eine zusammengesetzte Ansicht der Struktur. Aus Gründen der Klarheit der Darstellung werden die Stützstruktur 209 und die Platten 190A, 190B im Vergleich zu ihrer normalen Ausrichtung im Wärmeaustauschmodul aus 28 auf dem Kopf stehend gezeigt. Mit Bezug auf 29 umfasst die Stützstruktur 209 eine Montageplatte 210 mit dem darin befindlichen Schlitz 148. Der Schlitz 148 ist groß genug, so dass die Kammer des Gefäßes durch ihn eingeführt werden kann. Abstandshalter 230A, 230B erstrecken sich von der Montageplatte 210 an gegenüberliegenden Seiten des Schlitzes 148. Der Abstandshalter 230A besitzt Einbuchtungen 232 auf gegenüberliegenden Seiten desselben (in der perspektivischen Ansicht aus 29 ist nur eine Seite sichtbar). Der Abstandshalter 230B besitzt Einbuchtungen 234 auf gegenüberliegenden Seiten desselben (in der perspektivischen Ansicht aus 29 ist nur eine Seite sichtbar). Die Einbuchtungen 232, 234 in den Abstandshaltern dienen dazu, die Ecken der Platten 190A, 190B aufzunehmen. Um die Struktur zusammen zu bauen, werden die Platten 190A, 190B gegen gegenüberliegende Seiten der Abstandshalter 230A, 230B positioniert, so dass die Ecken der Platten in den Einbuchtungen 232, 234 positioniert werden. Die Ecken der Platten werden dann unter Verwendung einer geeigneten Retentionsmöglichkeit in den Eindrücken gehalten. In der bevorzugten Ausführungsform werden die Platten von Retentionsklammern 236A, 236B gehalten. Alternativ können die Platten 190A, 190B durch Klebeverbindungen, Schrauben, Bolzen, Klemmen oder jedes andere geeignete Mittel gehalten werden.
Die Montageplatte 210 und die Abstandshalter 230A, 230B werden vorzugsweise ganz als ein durch Formen aus Kunststoff hergestelltes einziges Stück hergestellt.
Der Kunststoff sollte ein Hochtemperaturkunststoff, wie z.B. Polyetherimid, sein, der sich beim Erhitzen der Platten 190A, 190B nicht verformt oder schmilzt. Die Retentionsklammern 230A, 230B sind vorzugsweise aus Edelstahl. Die Montageplatte 210 kann gegebenenfalls die Einbuchtungen 240A, 240B umfassen, um die Flex-Kabel 238A bzw. 238B aufzunehmen, die die Heizelemente und Temperatursensoren, die sich auf den Platten 190A, 190B befinden, mit der PC-Karte 226 des Wärmeaustauschmoduls 147 (28) zu verbinden. Der Teil der Flex-Kabel 238A neben der Platte 190A wird durch ein Stück Band 242A in der Einbuchtung 240A gehalten und der Teil des Flex-Kabels 238B neben der Platte 190B wird durch ein Stück Band 242B in der Einbuchtung 240B gehalten.
31 zeigt eine perspektivische Ansicht der zusammengesetzten Stützstruktur 209. Die Montageplatte 210 umfasst vorzugsweise die Laschen 246, die sich von davon gegenüberliegenden Seiten erstrecken, um die Struktur 209 am Gehäuse des Wärmeaustauschmoduls zu befestigen. Mit erneutem Bezug auf 28 umfasst das Gehäuse 208 vorzugsweise Schlitze, um die Nasen aufzunehmen, wodurch die Montageplatte 210 sicher an ihrem Platz gehalten wird. Alternativ kann die Montageplatte 210 am Gehäuse 208 z.B. unter Verwendung von Klebeverbindungen, Schrauben, Bolzen, Klemmen oder jedem anderen herkömmlichen Befestigungsmittel angebracht werden.
Mit erneutem Bezug auf 29 hält die Stützstruktur 209 vorzugsweise die Platten 190A, 190B, so dass ihre inneren Oberflächen sehr leicht in einem Winkel zu einander angeordnet sind. In der bevorzugten Ausführungsform besitzt jeder der Abstandshalter 230A, 230B eine Wand 244, die leicht spitz zulaufend ist, so dass die inneren Oberflächen der Platten zueinander leicht winklig angeordnet sind, wenn die Platten 190A, 190B gegen gegenüberliegende Seiten der Wand gepresst werden. Wie dies am besten in 23 dargestellt wird, sind die inneren Oberflächen der Platten 190A, 190B zu einander in einem Winkel angeordnet, um einen leicht V-förmigen Schlitz zu bilden, in den die Kammer 42 eingeführt wird. Der Grad, in dem die inneren Oberflächen zu einander in einem Winkel angeordnet sind, ist sehr gering, vorzugsweise 1° vom Parallelstand entfernt. Die Oberflächen sind zu einander in einem Winkel angeordnet, so dass, vor der Einführung der Kammer 42 zwischen die Platten 190A, 190B, die Unterteile der Platten zu einander etwas näher liegen als die Oberteile. Diese leichte Schrägstellung der inneren Oberflächen ermöglicht ein leichteres Einführen der Kammer 42 des Gefäßes zwischen die Platten sowie ein leichteres Entfernen dieser aus den Platten. Alternativ könnten die inneren Oberflächen der Platten 190A, 190B parallel zu einander gehalten werden, das Einführen und die Entfernung des Gefäßes 40 wäre jedoch schwieriger.
Zusätzlich weisen die inneren Oberflächen der Platten 190A, 190B vorzugsweise einen Abstand zu einander auf, welcher der Dicke des Rahmens 46 entspricht. In Ausführungsformen, in denen die inneren Oberflächen zu einander in einem Winkel angeordnet sind, weisen die Zentren der inneren Oberflächen vorzugsweise einen Abstand auf, welcher der Dicke des Rahmens 46 entspricht und die Unterteile der Platten weisen ursprünglich einen Abstand auf, der etwas geringer ist, als die Dicke des Rahmens 46. Wird die Kammer 42 zwischen die Platten 190A, 190B eingeführt, so zwingt der steife Rahmen 46 die Unterteile der Platten auseinander, so dass die Kammer 42 fest zwischen den Platten eingeklemmt wird. Der Abstand, in dem die Platten 190A, 190B durch den Rahmen 46 auseinander gedrückt werden, ist normalerweise sehr gering, z.B. etwa 0,035 mm, wenn die Dicke des Rahmens 1 mm beträgt und die inneren Oberflächen zu einander in einem Winkel von 1° angeordnet sind.
Mit erneutem Bezug auf 30 sollten die Retentionsklammern 236A, 236B ausreichend biegsam sein, um diese leichte Bewegung der Platten 190A, 190B nach außen zu ermöglichen, jedoch ausreichend starr, um die Platten während der Einführung und dem Entfernen des Gefäßes in den Aushöhlungen in den Abstandshalter 230A, 230B zu halten. Das Verkeilen des Gefäßes zwischen den Platten 190A, 190B sorgt für eine anfängliche Vorspannung gegen die Kammer und stellt sicher, dass die biegsamen Hauptwände der Kammer, wenn sie unter Druck gesetzt werden, einen guten thermischen Kontakt mit den inneren Oberflächen der Platten erreichen.
Mit erneutem Bezug auf 28 können durch Formen Anschlagvorrichtungen in die Gehäuse der optischen Anordnungen 216, 218 eingebaut werden, um den Spielraum, mit dem die Platten 190 aufgrund der Druckhaltung des Gefäßes 40 auseinander gedrückt werden können, zu begrenzen. Wie in 32 dargestellt, umfasst das Gehäuse 249 der optischen Anordnung 218 klauenförmige Sperrvorrichtungen 247A, 247B, die sich vom Gehäuse nach außen erstrecken. Wie in 33 dargestellt, ist das Gehäuse 249 so positioniert, dass die unteren Ecken der Platten 190A, 190B zwischen die Sperrvorrichtungen 247A, 247B eingeführt werden. Die Sperrvorrichtungen 247A, 247B verhindern daher, dass die Platten 190A, 190B weiter als eine festgelegte Maximaldistanz auseinander gedrückt werden. Obwohl dies aus Gründen illustrativer Klarheit in 33 nicht dargestellt wird, besitzt die optische Anordnung 216 (siehe 28) ein Gehäuse mit korrespondierenden Sperrvorrichtungen, um zu verhindern, dass die anderen Hälften der Platten weiter als die festgelegte Maximaldistanz auseinander gedrückt werden. Mit erneutem Bezug auf 23 sollte die Maximaldistanz, welche die Sperrvorrichtungen für den Abstand der inneren Oberflächen der Platten 190A, 190B zwischen einander erlauben, der Dicke des Rahmens 46 sehr ähnlich sein. Vorzugsweise ist der Maximalabstand der inneren Oberflächen der Platten 190A, 190B etwas größer als die Dicke des Rahmens 46, um Toleranzvariationen beim Gefäß 40 und den Platten 190A, 190B mit einzubeziehen. Der Maximalabstand ist z.B. vorzugsweise etwa 0,1 bis 0,3 mm größer als die Dicke des Rahmens 46.
35 zeigt ein schematisches Blockdiagramm der elektronischen Komponenten des Wärmeaustauschmoduls 147. Das Modul umfasst ein Verbindungselement 224 oder ein Flex-Kabel zur Verbindung mit der Hauptlogikkarte des Instruments. Das Modul umfasst ebenso Heizplatten 190A, 190B, die jede, wie oben beschrieben, ein Widerstandsheizelement aufweisen. Die Platten 190A, 190B sind parallel geschaltet, um den Spannungseingang 253 vom Instrument zu erhalten. Die Platten 190A, 190B umfassen ebenso Temperatursensoren 192A, 192B, die analoge Temperatursignale an einen Analog-Digital-Konvertierer 264 aussenden. Der Konvertierer 264 konvertiert die analogen Signale in digitale Signale und leitet sie durch das Verbindungselement 224 zur Mikroprozessersteuerung im Instrument.
Das Wärmeaustauschmodul umfasst ebenso ein Kühlsystem, wie z.B. ein Gebläse 212, um die Platten 190A, 190B sowie das Reaktionsgemisch, das sich in dem zwischen die Platten eingefügten Gefäß befindet, zu kühlen. Das Gebläse 212 wird durch Umlegen eines Netzschalters 272 aktiviert, der wiederum von einem Logik-Steuerblock 270 gesteuert wird, der von der Mikroprozesssteuerung Steuerungssignale empfängt. Das Modul umfasst weiters vier Lichtquellen, wie z.B. LEDs 200, zur Anregung markierter Analyten im Reaktionsgemisch sowie vier Detektoren 198, vorzugsweise Photodioden, um fluoreszierende Emissionen aus dem Reaktionsgemisch nachzuweisen. Das Modul umfasst ebenso eine regelbare Stromquelle 255, um eine variable Strommenge (z.B. im Bereich von 0 bis 30 mA) an jede LED zu liefern, um die Helligkeit der LED variieren zu können. Ein Digital-Analog-Konvertierer 260 ist zwischen die regelbare Stromquelle 255 und die Mikroprozessersteuerung geschaltet, um die Stromquelle digital einzustellen.
Die regelbare Stromquelle 225 wird vorzugsweise verwendet, um sicherzustellen, dass jede LED bei der Aktivierung etwa die gleiche Helligkeit aufweist. Aufgrund von Herstellungsvarianzen weisen viele LEDs verschiedene Helligkeiten auf, wenn sie mit der gleichen Strommenge versorgt werden. Daher wird derzeit das Testen der Helligkeit jeder LED während der Herstellung des Wärmeaustauschmoduls sowie das Speichern von Kalibrierungsdaten in einem Speicher 268 des Moduls bevorzugt. Die Kalibrierungsdaten geben die korrekte Strommenge, mit der jede LED versorgt werden muss, an. Die Mikroprozessersteuerung liest die Kalibrierungsdaten aus dem Speicher 268 und regelt die Stromquelle 255 dementsprechend.
Zusätzlich umfasst das Modul einen signalaufbereitenden Verstärkungsauswahl/Offset-Anpassungsblock 262, der aus Verstärkern, Schaltern, elektronischen Filtern und einem Digital-Analog-Konvertierer besteht. Der Block 262 passt die Signale der Detektoren 198 an, um Verstärkung, Offset zu erhöhen und Rauschen zu reduzieren. Die Mikroprozessersteuerung steuert Block 262 durch ein digitales Ausgaberegister 266. Das Ausgaberegister 266 empfängt Daten von der Mikroprozessersteuerung und gibt Regelspannungen an den Block 262 weiter. Der Block 262 gibt die angepassten Detektorsignale durch den Analog-Digital-Konvertierer 264 und das Verbin dungselement 224 an die Mikroprozesssteuerung weiter. Das Modul umfasst ebenso den Speicher 268, vorzugsweise ein serieller EEPROM, um modulspezifische Daten, wie z.B. Kalibrierungsdaten für die LEDs 200, thermischen Platten 190A, 190B und Temperatursensoren 192A, 192B, zu speichern.
Nun wird der Betrieb der Kartusche und des Instruments beschrieben. Wie in 3 dargestellt, wird eine zu analysierende Fluidprobe in die Probenkammer 65 durch die Probenöffnung 64 hinzugefügt und der Deckel 30 auf die Öffnung 64 geschraubt, um die Öffnung zu verschließen. Mit Bezug auf 10 wird die Kartusche 20 dann zur Bearbeitung in der Kartuschenhalterung 141 des Instruments 140 positioniert. Alle Ventile in der Kartusche 20 sind anfänglich geschlossen, wenn die Kartusche im Instrument 140 positioniert wird. Wird die Kartusche im Instrument positioniert, kontaktiert der Wandler 92 eine externe Oberfläche der biegsamen Dichtung 63, welche, wie in 5 dargestellt, die untere Wand der Lysierkammer 86 bildet.
Mit erneutem Bezug auf 10 ist das Instrument 140 vorzugsweise computergesteuert, um die im folgenden Abschnitt beschriebenen Funktionen durchzuführen, z.B. Öffnen und Schließen von Ventilen in der Kartusche unter Verwendung von Ventilbetätigungselementen 142, das Versorgen der Kartusche mit Druck durch die Düsen 145, das Aktivieren des Wandlers 92, der Sensornachweis der Gegenwart von Flüssigkeit oder Flüssigkeitsniveaus mittels optischer Sensoren 143 und 144 und die Steuerung des Wärmeaustausch- und optischen Detektionsmoduls 147. Ein durchschnittlicher Programmierer kann nach dem Stand der Technik eine Mikroprozessersteuerung und/oder einen Computer programmieren, um diese, auf der folgenden Beschreibung basierenden Funktionen auszuführen.
Mit Bezug auf 9 werden Flüssigkeiten vorzugsweise unter Anwendung von Differenzdruck zwangsbewegt, um durch die Kartusche zu fließen. Obwohl hierin Überdruck beschrieben wird, kann auch Unterdruck (Vakuum) verwendet werden, um den Fluidfluss in der Kartusche zu steuern. Die Maximalmenge an Überdruck, die angewandt werden kann, wird normalerweise durch die hydrophoben Membranen eingeschränkt, die einen Flüssigkeits-Durchbruchsdruck über 30 Pfund pro Quadratzoll (psi) erreichen können. Das untere Drucklimit wird von der Notwendigkeit eingeschränkt, Proben- und andere Fluide ausreichend schnell durch die Kartusche zu bewegen, um die Testziele zu erreichen. Unter 1 psi kann Probeflüssigkeit z.B. nicht effizient durch die Filtersäule 87 fließen. Ein Druck im Bereich von 6 bis 20 psi ist normalerweise geeignet. Die Probenflussrate durch die Kartusche befindet sich vorzugsweise im Bereich von 10 bis 30 ml/Minute. Die Waschflussrate kann langsamer sein, z.B. 6 bis 18 ml/Minute, so dass der Waschvorgang tatsächlich die Lysierkammer 86 reinigt.
Nun wird mit Bezug auf 9 ein spezifisches Protokoll beschrieben, um den Betrieb der Kartusche zu veranschaulichen. Dies ist so zu verstehen, dass es sich dabei lediglich um ein Beispiel eines möglichen Protokolls handelt und soll nicht als Einschränkung des Umfangs der Erfindung verstanden werden. Anfangs wird die Kartusche vorzugsweise mit Waschlösung aus der Waschkammer 66 geprimt, bevor die Fluidprobe zwangsbewegt wird, um aus der Probenkammer 65 zu fließen. Um die Kartusche zu primen, werden die Ventile 111 und 115 geöffnet und ein Druck von 10 psi wird durch die Drucköffnung 116 etwa zwei Sekunden lang auf die Kammer 66 ausgeübt. Ein kleiner Teil der Waschlösung fließt durch die Kanäle 117 und 106, durch die Lysierkammer 86, durch die Kanäle 109 und 110, in den U-förmigen Kanal 122 und den ganzen Weg zur hydrophoben Membran unter der Drucköffnung 128.
Nach dem Primen werden das Ventil 115 und die Drucköffnung 116 geschlossen und die Ventile 107 und 114 werden geöffnet. Gleichzeitig wird ein Druck von 20 psi etwa 15 Sekunden lang durch die Drucköffnung 105 auf die Probenkammer 65 ausgeübt, um die Probe zwangszubewegen, um durch den Kanal 106, durch die Filtersäule 87 in der Kammer 86, durch die Kanäle 110, 111, 112 und in die belüftete Kammer 68 für Abfallprodukte zu fließen. Während die Probe den Detektionsbereich 136 im Kanal 106 passiert, kann der reflektierende optische Sensor 144 (13) verwendet werden, um zu bestimmen, wann die Probenkammer 65 geleert wurde. Während die Probenflüssigkeit durch die Filtersäule 87 fließt, werden Target-Zellen oder -Viren aus der Probe herausgefangen. Wenn ein festgelegtes Volumen der Probe die Kammer für Abfallprodukte 68 erreicht, läuft etwas von der Flüssigkeit in die Sensor kammer 120 über, wodurch der nächste Schritt im Protokoll ausgelöst wird. Alternativ können die Schritte, anstatt Feedback von optischen Sensoren zu verwenden, um Vorkommnisse auszulösen, in einem vorbestimmten Protokoll einfach gestoppt werden, z.B. durch Anwenden von festgelegten Druckverhältnissen für festgelegte Zeitspannen, um bekannte Flüssigkeitsvolumina in bekannten Flussraten zu bewegen.
Das Durchflussdesign der Lysierkammer 86 ermöglicht eine Konzentration von Target-Zellen oder -Viren aus einem relativ großen Probenvolumen auf ein viel kleineres Volumen zur Amplifikation und Detektion. Dies ist für die Detektion von niedrig konzentriertem Analyten in der Probe, wie z.B. Nucleinsäure, wichtig. Im Besonderen liegt das Verhältnis des Probenvolumens, das zwangsbewegt wird, um durch die Lysierkammer 86 zu fließen, zur Volumenkapazität der Kammer 86 vorzugsweise bei zumindest 2:1 und noch bevorzugter bei zumindest 5:1. Das Volumen der Probe, die gezwungen wird, durch die Kammer 86 zu fließen, liegt vorzugsweise bei zumindest 100 μl und noch bevorzugter bei zumindest 1 ml. In der derzeit bevorzugten Ausführungsform wird ein Probevolumen von 5 ml zwangsbewegt, um durch die Lysierkammer 86 zu fließen und die Kammer 86 besitzt eine Volumenkapazität von etwa 0,5 ml, so dass das Verhältnis bei 10:1 liegt. Zusätzlich kann die Lysierkammer 86 beschallt werden (z.B. unter Verwendung eines Ultraschallhorns, das an eine Wand der Kammer gekoppelt ist), während die Probe gezwungen wird, durch die Kammer zu fließen. Eine Beschallung der Kammer 86 hilft dabei, ein Verstopfen der Filtersäule 87 zu verhindern und sorgt so für einen einheitlicheren Fluss durch die Kammer 86. Die Schallwellen helfen im Besonderen dabei, zu verhindern, dass Schwebstoffteilchen oder die Perlen in der Filtersäule einen oder mehrere Filter verstopfen.
Im nächsten Schritt werden die Ventile 111, 114, 115 geöffnet und ein Druck von 20 psi wird etwa sieben Sekunden lang auf die Waschkammer 66 ausgeübt, um die Waschlösung dazu zu zwingen, durch die Kanäle 117 und 106 in die Lysierkammer 86 zu fließen. Die Waschlösung wäscht PCR-Inhibitoren und Verunreinigungen aus der Lysierkammer 86 und trägt sie durch die Kanäle 109, 110 und 112 in die Kammer für Abfallprodukte 68. Eine Reihe geeigneter Waschlösungen mit variierendem pH, variierender Lösungsmittelzusammensetzung und Ionenstärke können zu diesem Zweck verwendet werden und sind nach dem Stand der Technik gut bekannt. Ein geeignetes Wasch-Reagens ist z.B. eine Lösung aus 80 mM Kaliumacetat, 8,3 mM Tris-HCl, pH 7,5, 40 μM EDTA und 55% Ethanol. Die Lysierkammer 86 kann beschallt werden (z.B. unter Verwendung eines Ultraschallhorns, das an eine Wand der Kammer gekoppelt ist), während die Waschlösung zwangsbewegt wird, um durch die Kammer zu fließen. Eine Beschallung der Kammer 86 hilft dabei, ein Verstopfen der Filtersäule 87 zu verhindern und sorgt so, wie zuvor beschrieben, für einen einheitlicheren Fluss durch die Kammer 86. Zusätzlich können die Schallwellen dabei helfen, das wegzuwaschende Material zu lösen. Wenn ein inkrementelles Volumen der Waschlösung die Kammer für Abfallprodukte 68 erreicht, läuft etwas von der Flüssigkeit in die Sensorkammer 121 über, wodurch der nächste Schritt im Protokoll ausgelöst wird.
Im nächsten Schritt wird Ventil 115 geschlossen und Ventil 119 wird geöffnet, während ein Druck von 15 psi etwa drei Sekunden lang durch die Drucköffnung 118 auf die Reagenzienkammer 67 ausgeübt wird. Der Druck zwingt das Lysierreagens dazu, aus der Kammer 67 durch die Kanäle 117, 106 in die Lysierkammer 86 und in den Kanal 110 zu fließen. Die Kammer 86 ist daher mit Flüssigkeit gefüllt. Geeignete Lysierreagenzien umfassen, z.B. Lösungen, die ein chaotropes Salz enthalten, wie etwa Guanidin-HCl, Guanidinthiocyanat, Guanidinisothiocyanat, Natriumiodid, Harnstoff, Natriumperchlorat und Kaliumbromid. In der derzeit bevorzugten Ausführungsform wird ein Lysierreagens verwendet, der PCR nicht inhibiert. Das Lysierreagens umfasst 10 mM Tris, 5% Tween-20, 1 mM Tris (2-Carboxyethylphosphinhydrochlorid), 0,1 mM Ethylenglykol-bis (B-Amino-Ethylether)-N,N,N',N'-Tetrachloressigsäure. Nachdem die Lysierkammer 86 mit dem Lysierreagens gefüllt ist, werden die Ventile 111, 114 geschlossen. Ventil 119 bleibt offen und ein Druck von 20 psi wird auf die Drucköffnung 118 angewandt. Der statische Druck in der Lysierkammer 86 wird dadurch in Vorbereitung auf die Lysis der in der Filtersäule 87 gefangenen Zellen oder Viren auf 20 psi angehoben.
Mit erneutem Bezug auf 5 ist das Unterdrucksetzen der Lysierkammer 86 wichtig, da es eine effiziente Kopplung zwischen dem Wandler 92 und der biegsamen Wand 63 der Lysierkammer 86 sicher stellt. Um die Zellen oder Viren in der Kammer 86 zu zerstören, wird der Wandler 92 aktiviert (d.h. in eine Schüttelbewegung versetzt). Die biegsame Wand 63 der Lysierkammer 86 überträgt die Schwingungsbewegung des Wandlers 92 auf die Flüssigkeit in der Kammer 86, indem sie leichte Ablenkungen ermöglicht, ohne dabei hohe Beanspruchungen in der Wand zu erzeugen. Die Wand 63 kann, wie zuvor beschrieben, durch die elastomere Membran gebildet werden. Alternativ kann die Wand eine Folie oder Lage aus einem Polymermaterial sein (z.B. eine Polypropylenfolie), vorzugsweise mit einer Dicke im Bereich von 0,025 bis 0,1 mm. Der Wandler 92 ist vorzugsweise ein Ultraschallhorn, um die Kammer 86 zu beschallen. Die Kammer 86 wird vorzugsweise 10 bis 40 Sekunden lang mit einer Frequenz im Bereich von 20 bis 60 kHz beschallt. In dem beispielgebenden Protokoll wird die Kammer 15 Sekunden lang mit einer Frequenz von 47 kHz beschallt. Die Amplitude der Hornspitze liegt vorzugsweise im Bereich von 20 bis 25 μm (von Spitze zu Spitze gemessen).
Während die Spitze des Wandlers 92 eine Schwingungsbewegung ausführt, prallt sie wiederholt auf die biegsame Wand 63 auf. Bei der Vorwärtsbewegung (in aufwärtsgerichteter Richtung in 6) drückt die Spitze des Wandlers 92 auf die Wand 63 und schafft einen Druckimpuls oder eine Druckwelle in der Kammer 86. Während der zurückziehenden Bewegung (abwärtsgerichtet in 5) trennt sich die Spitze des Wandlers 92 normalerweise von der biegsamen Wand 63, da sich die biegsame Wand 63 nicht in der selben Frequenz wie der Wandler bewegen kann. Während der nächsten Vorwärtsbewegung prallt die Spitze des Wandlers 92 erneut in einem Frontalzusammenstoss auf die Wand 63 auf, da sich die Spitze und die Wand auf einander zu bewegen. Da sich der Wandler 92 und die Wand 63 trennen, während der Wandler 92 vibriert, ist die effektive Vorwärtsbewegung des Wandlers kleiner als seine Amplitude von Spitze zu Spitze. Die effektive Vorwärtsbewegung bestimmt das Ausmaß der Beschallung in der Kammer 86. Daher ist es wichtig, den statischen Druck in der Lysierkammer 86 zu erhöhen, so dass, wenn sich die Spitze des Wandlers 92 rückwärts bewegt, die biegsame Wand 63 nach außen gezwungen wird, um die Spitze bei der Rückwärtsbewegung zu treffen. Der statische Druck in der Kammer 86 sollte ausreichen, um sicherzustellen, dass die effektive Vorwärtsbewegung des Wandlers 92 Druckimpulse oder Druckwellen in der Kammer 86 erzeugt. Derzeit wird es bevorzugt, den statischen Druck in der Kammer 86 auf zumindest 5 psi über dem Umgebungsdruck außerhalb der Kartusche zu erhöhen und noch bevorzugter auf einen Druck im Bereich von 15 bis 25 psi über dem Umgebungsdruck.
Bei jeder Vorwärtsbewegung überträgt der Wandler 92 eine Geschwindigkeit auf die Flüssigkeit in der Kammer 86, wodurch eine Druckwelle geschaffen wird, die sich schnell über die Kammer 86 ausbreitet. Die Perlen in der Filtersäule 87 (6) werden durch die Druckwellen in der Kammer 86 bewegt. Die Druckwellen treiben die Perlen zu schneller Bewegung in der Kammer 86 an, wobei die Perlen die Zellen oder Viren mechanisch zerstören, damit sie das in ihnen enthaltene Material (z.B. Nucleinsäure) freisetzen. Es sollte angemerkt werden, dass einige Zellarten, z.B. Blutzellen, relativ schwach sind und allein durch die Verwendung von Druckwellen (z.B. Ultraschallwellen) zerstört werden können, ohne die Verwendung von Perlen. Andere Zellarten (im Besonderen Sporen) haben höchst widerstandsfähige Zellwände und für ihre effiziente Lysis werden normalerweise Perlen benötigt.
Mit erneutem Bezug auf 9 werden nach der Zerstörung der Zellen oder Viren die Ventile 111, 124 geöffnet und ein Druck von 12 psi wird etwa 4 Sekunden lang durch die Drucköffnung 118 auf die Reagenzienkammer 67 ausgeübt. Der Druck zwingt das Lysis-Reagens dazu, die Nucleinsäure aus der Filtersäule 87 zu eluieren und mit der Nucleinsäure in die Neutralisierungskammer 70 zu fließen. Die Lysierkammer 86 kann während des Eluierens der Nucleinsäure beschallt werden (z.B. unter Verwendung eines an eine Wand der Kammer gekoppeltes Ultraschallhorn). Eine Beschallung der Kammer 86 kann, wie zuvor beschrieben, eine Verstopfung der Filtersäule 87 verhindern helfen. Die Kammer 420 ist teilweise mit Neutralisierungsmittel, wie z.B. Detergens, gefüllt (z.B. halb gefüllt), um das Lysier-Reagens zu neutralisieren. Wenn ein Lysier-Reagens verwendet wird, das die PCR nicht inhibiert, ist das Neutralisierungsmittel optional.
Im nächsten Schritt wird das Ventil 124 geschlossen, um das Lysier-Reagens, den Analyten und das Neutralisierungsmittel in der Kammer 70 zu halten. Das Ventil 114 wird geöffnet und ein Druck von 15 psi wird etwa drei Sekunden lang durch die Drucköffnung 128 ausgeübt, um jede etwaige Flüssigkeit im U-förmigen Kanal 122 dazu zu zwingen, in die Kammer für Abfallprodukte 68 zu fließen. Als nächstes werden die Ventile 124 und 126 geöffnet und ein Druck von 15 psi wird etwa fünf Sekunden lang durch die Drucköffnung 123 über der Neutralisierungskammer ausgeübt. Der Druck zwingt das neutralisierte Lysier-Reagens und die Nucleinsäure in Kammer 70 dazu, in den Kanal 122 und in die Hauptmischkammer 71 zu fließen. Dann wird das Ventil 126 zur Hauptmischkammer 71 geschlossen. Die Hauptmischkammer enthält PCR-Reagenzien und fluoreszierende Sonden, die sich mit dem neutralisierten Lysier-Reagens und der Nucleinsäure vermischen, um ein Reaktionsgemisch zu bilden.
Im nächsten Schritt wird der Kanal 122 durch Öffnen des Ventils 114 zur Kammer für Abfallprodukte 68 freigelegt sowie durch Ausüben eines Drucks von 15 psi etwa eine Sekunde lang auf die Drucköffnung 128. Im nächsten Schritt wird das Reaktionsgemisch, das sich in der Hauptmischkammer 71 gebildet hat, wie folgt in das Reaktionsgefäß 40 geleitet. Die Ventile 126, 127 und 133 werden geöffnet und ein Druck von 15 psi wird etwa sechs Sekunden lang auf die Drucköffnung 125 über der Hauptmischkammer 71 ausgeübt, um das Reaktionsgemisch dazu zu zwingen, durch den Kanal 122, das Ventil 127 und den Kanal 80 durch die Öffnung 41 in das Reaktionsgefäß 40 zu fließen. Das Reaktionsgemisch füllt die Kammer 42 des Gefäßes, wodurch Luft in der Kammer verdrängt wird, die durch den Auslasskanal 52 entweicht. Die durch den Auslasskanal 52 entweichende Luft wird im Kanal 81 vorbei an dem Sensorbereich 130 und in den Kanal 131 geleitet. Vom Kanal 131 wird die Luft durch Kanal 132, durch Ventil 133, Kanal 134 geleitet und verlässt die Kartusche durch die Lüftungsöffnung 36. Wenn ein Volumen an Reaktionsgemisch in das Gefäß geflossen ist, das ausreicht, um die Kammer 42 zu füllen, so fließt der Überschuss des Reaktionsgemisches aus dem Gefäß durch den Auslasskanal 52 ab. Der Überschuss an Reaktionsgemisch fließt in den Kanal 81 und wird in der Sensorregion 130 optisch nachgewiesen. Wird das Reaktionsgemisch nachgewiesen, so wird Ventil 133 geschlossen, während Druck aus der Drucköffnung 125 angewandt wird, um die Reaktionskammer 42 unter Druck zu setzen.
Mit erneutem Bezug auf 23 dehnen sich durch das Unterdrucksetzen der Kammer 42 die biegsamen Hauptwände 48 des Gefäßes aus. Der Druck zwingt im Besonderen die Hauptwände 48 dazu, die inneren Oberflächen der Platten 190A, 190B zu kontaktieren und sich ihnen anzupassen. Dadurch wird eine optimale thermische Leitfähigkeit zwischen den Platten 190A, 190B und dem Reaktionsgemisch in Kammer 42 sichergestellt. Derzeit wird das Unterdrucksetzen der Kammer 42 mit einem Druck im Bereich von 2 bis 30 psi über dem Umgebungsdruck bevorzugt. Dieser Bereich wird derzeit bevorzugt, da 2 psi normalerweise genug Druck ist, um eine Konformität zwischen den Wänden 48 und den Oberflächen der Platten 190A, 190B sicherzustellen, während ein Druck über 30 psi zu einem Bersten der Wände 48, zu Deformationen des Rahmens 46 oder der Platten 190A, 190B oder zum Platzen der hydrophoben Membranen in der Kartusche führen kann. Noch bevorzugter wird die Kammer 42 mit einem Druck im Bereich von 8 bis 15 psi über dem Umgebungsdruck unter Druck gesetzt. Diese Bandbreite wird stärker bevorzugt, da sie sich sicher innerhalb der oben beschriebenen praktischen Grenzwerte befindet. Wenn die Kammer 42 unter Druck gesetzt wird, wird das Reaktionsgemisch im Gefäß 40 thermisch bearbeitet und optisch beobachtet, um die Gegenwart oder Abwesenheit eines Target-Analyten im Gemisch festzustellen.
Mit erneutem Bezug auf 35 wird das Reaktionsgemisch zwischen den Platten 190A, 190B mittels Standard-Proportional-Integral-Differential(PID-)Steuerung unter Verwendung von Zieltemperaturen und Rückkopplungssignalen der Temperatursensoren 192A, 192B thermisch bearbeitet. Eine Proportionierung kann entweder durch Variieren des Verhältnisses von "Ein"-Zeiten zu "Aus"-Zeiten erreicht werden oder vorzugsweise mit proportionalen analogen Ausgangssignalen, welche die durchschnittliche Leistung, die entweder den Heizelementen auf den Platten 190A, 190B oder dem Gebläse 212 zugeführt wird, verringert, während sich die tatsächliche Temperatur auf den Platten 190A, 190B dem gewünschten Vorgabetemperaturwert annähert. Eine PID-Steuerung kombiniert den proportionalen Modus mit einer automatischen Reset-Funktion (die das Abweichungssignal im Hinblick auf die Zeit integriert) und einer Vorhaltwirkung (wodurch das Integral- und das Abweichungssignal zusammengefasst werden, um den Proportionalbereich zu verschieben). Die Stan dard-PID-Steuerung ist nach dem Stand der Technik wohlbekannt und muss hierin nicht weiter beschrieben werden. Alternativ kann das Reaktionsgemisch unter Verwendung einer modifizierten Version der PID-Steuerung, die in der Internationalen Veröffentlichung Nr. WO 99/48608 (Anmeldung Nr. PCT/US99/06628) beschrieben wird, thermisch bearbeitet werden.
Während das Reaktionsgemisch zwischen den Heizplatten 190A, 190B thermisch wechselbeansprucht wird, um eine oder mehrere Target-Nucleinsäuresequenzen im Gemisch zu amplifizieren, wird das Gemisch optisch beobachtet, vorzugsweise beim niedrigsten Temperaturpunkt jedes Zyklus. Optische Beobachtung wird durch sequentielles Aktivieren jeder der LEDs 200 erreicht, um verschiedene fluoreszenzmarkierte Analyten im Gemisch anzuregen sowie durch Nachweisen des aus der Kammer 42 ausgestrahlten Lichts (fluoreszierendes Ausgangssignal) unter Verwendung der Detektoren 198. Mit erneutem Bezug auf 22 werden Anregungsstrahlen vorzugsweise auf die Kammer 42 durch die optisch transmissive Seitenwand 57A übertragen, während die Fluoreszenzemission durch die Seitenwand 57B nachgewiesen wird.
Ein Vorteil der Kartusche der vorliegenden Erfindung ist die Tatsache, dass sie eine Trennung des intrazellulären Materials aus einem relativ großen Volumen einer Fluidprobe, z.B. einige Milliliter oder mehr, von der Probe ermöglicht sowie eine Konzentration in ein viel geringeres Volumen an Reaktionsfluid, z.B. 100 μL oder weniger. Die Kartusche ermöglicht außergewöhnliche Konzentrationsfaktoren durch effizientes Extrahieren von Material aus Mengen der Fluidprobe, die im Milliliterbereich liegen. Im Besonderen besitzt die Probenkammer 65 vorzugsweise eine Volumenkapazität im Bereich von 100 μl bis 12 ml. Noch bevorzugter besitzt die Probenkammer 65 eine Volumenkapazität von zumindest 1 ml. Die untere Grenze von 1 ml wird bevorzugt, da zumindest 1 ml Probenflüssigkeit analysiert werden sollte, um niedrig konzentrierte Analyten, wie z.B. Nucleinsäure, nachzuweisen. Die obere Grenze von 12 ml wird bevorzugt, da ein Probenvolumen von mehr als 12 ml eine viel größere Kartusche erfordern würde und mit großer Wahrscheinlichkeit die Filtersäule verstop fen würde. In der derzeit bevorzugten Ausführungsform besitzt die Probenkammer eine Volumenkapazität von 5,5 ml, um 5 ml Probenflüssigkeit halten zu können.
Die Waschkammer 66 besitzt eine Volumenkapazität, die zum Volumen der Lysierkammer 86 proportional ist. Im Besonderen hält die Waschkammer 66 vorzugsweise ein Volumen der Waschflüssigkeit, das zumindest ein bis zwei Mal dem Volumen der Lysierkammer 86 entspricht, um sicherzustellen, dass genug Waschlösung vorhanden ist, um PCR-Inhibitoren und Trümmer aus der Kammer 86 auszuwaschen. In der derzeit bevorzugten Ausführungsform beträgt das Volumen der Lysierkammer 86 etwa 0,5 ml und das Volumen der Waschkammer 66 beträgt 2,5 ml, um 2 ml der Waschlösung aufnehmen zu können. Das Volumen der Lysierkammer von 0,5 ml stellt einen Kompromiss zwischen einer Größe dar, die groß genug ist, um ein Verstopfen der Filtersäule 87 zu verhindern und klein genug, um den Analyten zur verbesserten Amplifikation und Detektion auf ein geringes Volumen zu konzentrieren.
Die Reagenzienkammer 67 enthält vorzugsweise ein Volumen an Lysier-Reagens, das zumindest ein bis zwei Mal dem Volumen der Lysierkammer 86 entspricht, so dass genügend Lysier-Reagens vorhanden ist, um die Kammer unter Druck zu setzen und die Nucleinsäure aus der Kammer zu eluieren. In der derzeit bevorzugten Ausführungsform besitzt die Kammer 67 eine Volumenkapazität von 1,5 ml, um etwa 1 bis 1,5 ml Lysier-Reagens halten zu können. Die Kammer für Abfallprodukte 68 besitzt eine Volumenkapazität, die ausreicht, um die Probe, die Waschlösung und unverwendetes Lysier-Reagens aufzunehmen. Die Kammer für Abfallprodukte 68 besitzt in der bevorzugten Ausführungsform eine Volumenkapazität von 9,5 ml.
Die Größe der Neutralisierungskammer 70 hängt vom Volumen der Lysierkammer 86 ab, da das Neutralisierungsmittel in der Kammer 70 das Volumen des Lysier-Reagens, das die Lysierkammer 86 füllt, neutralisiert. Derzeit wird bevorzugt, dass die Lysierkammer ein Volumen von 0,5 ml aufweist, so dass die Kammer 70 eine Volumenkapazität von 1,0 ml aufweist, um etwa 0,5 ml Neutralisierungsmittel zu halten, das mit 0,5 ml des Lysier-Reagens und eluiertem Analyten gemischt wird. Die Volumenkapazität der Hauptmischkammer 71 sollte ausreichen, um ein Reaktionsge misch herzustellen, mit dem das Gefäß 40 und die Kanäle 122, 127, die zum Gefäß führen, gefüllt werden können. In der derzeit bevorzugten Ausführungsform besitzt die Hauptmischkammer eine Volumenkapazität von 200 μl, um eine Erstbelastung von 100 μl des Hauptgemisches halten zu können, zu dem 100 μl neutralisiertes Lysier-Reagens und eluierter Analyt hinzugefügt werden, um das Reaktionsgemisch zu bilden.
Die Flusskanäle in der Kartusche sind im Querschnitt normalerweise D-förmig (wobei die Dichtung 63 die flache Seite des Kanals bildet) und besitzen vorzugsweise eine Breite oder einen Durchmesser im Bereich von 1/64 bis 1/8 eines Zoll (0,4 bis 3,2 mm) und noch bevorzugter eine Breite von 1/32 bis 1/16 eines Zoll (0,8 bis 1,6 mm). Diese Bereiche werden derzeit bevorzugt, um Kanäle zu vermeiden, die zu eng sind (was eine Restriktion des Flusses mit sich bringt) ebenso wie Kanäle, die zu weit sind (was zu unbenutzten Flüssigkeitsvolumina führt, sie sich im Flussweg befinden).
In Alternativausführungsformen sind viele Modifikationen der Struktur und des Betriebs der Kartusche und des Instruments möglich. Obwohl die Amplifikation durch PCR derzeit bevorzugt wird, so kann die Kartusche und das Instrument z.B. dazu verwendet werden, um Nucleinsäuresequenzen unter Verwendung jeglicher Amplifikationsverfahren, unter anderem sowohl thermischer Wechselbeanspruchungsverfahren zur Amplifikation als auch isothermischer Amplifikationsverfahren, zu amplifizieren. Geeignete thermische Wechselbeanspruchungsverfahren umfassen, sind jedoch nicht eingeschränkt auf, die Polymerase-Kettenreaktion (PCR; US-Patent Nr. 4.683.202, 4.683.195 und 4.965.188); Reverse Transkriptase-PCR (RT-PCR); DNA-Ligase-Kettenreaktion (LCR; Internationale Patentanmeldung Nr. WO 89/09835) und transkriptionsbasierte Amplifikation (D. Y. Kwoh et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 86, 1173–1177 (1989). Geeignete isothermische, bei der Umsetzung der vorliegenden Erfindung nützliche Amplifikationsverfahren umfassen, sind jedoch nicht eingeschränkt auf, Rollkreisamplifikation; Strand Displacement Amplification (SDA; Walker et al., Proc. Natl. Acad. Sci USA 89, 392–396 (1992)); Q-.Beta.Replicase (Lizardi et al., Bio/Technology 6, 1197–1202 (1988); Nucleinsäuresequenzgestützte Amplifikati on (NASBA; R. Sooknanan & L. Malek, Bio/Technology 13, 563–65 (1995)); sowie Selbsttragende Sequenzreplikation (3SR; Guatelli et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 87, 1874–1878 (1990)).
Weiters kann die Kartusche und das Instrument verwendet werden, um chemische Reaktionen, die nicht die Nucleinsäureamplifikation umfassen, durchzuführen. Weiters können, obwohl die Fluoreszenzanregung und Emissionsdetektion bevorzugt werden, auch optische Detektionsverfahren verwendet werden, wie z.B. jene, die in direkter Absorption und/oder Transmission mit auf den Achsen liegenden Geometrien verwendet werden, um den Analyten in der Kartusche nachzuweisen. Ein weiteres mögliches Detektionsverfahren ist Abklingzeitfluoreszenz. Zusätzlich ist die Kartusche nicht auf die Detektion basierend auf fluoreszierenden Markierungen eingeschränkt. Die Detektion kann z.B. auf phosphoreszierenden Markierungen, chemilumineszierenden Markierungen oder elektrochemilumineszierenden Markierungen basieren.
Eine Fluidprobe kann durch eine Reihe händischer oder automatisierter Verfahren in die Kartusche eingeführt werden. Für die händische Zugabe kann ein abgemessenes Materialvolumen in einem Empfangsbereich der Kartusche durch eine Einlassöffnung eingebracht und platziert werden und danach die Öffnung mit einem Deckel verschlossen werden. Alternativ kann eine größere Menge an Probematerial als zur Analyse notwendig in die Kartusche hinzugefügt werden und die Mechanismen in der Kartusche können das genaue Abmessen und Aliquotieren der für das spezifizierte Protokoll notwendigen Probeflüssigkeit ausführen. Es kann wünschenswert sein, gewisse Proben, wie z.B. Gewebebiopsiematerial, Erde, Fäkalien, Exsudate und andere komplexe Materialien in einer anderen Vorrichtung oder Hilfsvorrichtung zu platzieren und dann die Sekundärvorrichtung oder Hilfsvorrichtung in der Kartusche zu platzieren. So kann z.B. ein Gewebestück im Lumen einer Sekundärvorrichtung platziert werden, die als Deckel für die Einlassöffnung der Kartusche fungiert. Wenn der Deckel in die Öffnung gepresst wird, wird das Gewebe durch ein Netz hindurch gedrückt, welches das Gewebe schneidet oder auf andere Art und Weise zerteilt.
Zur automatisierten Einführung von Proben werden zusätzliche Konstruktionsmerkmale der Kartusche verwendet, die, in vielen Fällen, eine Probenzugangsfunktionalität direkt in die Kartusche vermitteln. Bei einigen Proben, z.B. jenen, die für den Bediener oder die Umwelt ein Gefahrenrisiko in sich bergen, wie etwa menschliche Retrovirus-Pathogene, kann der Transfer der Probe in die Kartusche ein Risiko darstellen. In einer Ausführungsform kann daher eine Spritze in eine Vorrichtung integriert werden, um eine Art und Weise des direkten Einbringens externer Fluidproben in die Kartusche bereit zustellen. Alternativ kann eine Venenpunktionsnadel und ein entleertes Blutröhrchen an der Kartusche befestigt werden, um eine Zusammenstellung zu bilden, die verwendet werden kann, um eine Blutprobe zu erhalten. Nach dem Auffangen werden das Röhrchen und die Nadel entfernt und entsorgt und die Kartusche wird daraufhin in einem Instrument zur Bearbeitung platziert. Der Vorteil eines solchen Ansatzes ist, dass der Bediener oder die Umwelt keinen Pathogenen ausgesetzt werden.
Eine Einlassöffnung kann im Hinblick auf geeignete menschliche Faktoren als eine Funktion der Natur der beabsichtigten Probe angelegt werden. So können z.B. die Atmung betreffende Proben aus den unteren Atemwegen als Expektoranzien durch Husten oder als Abstrich oder Bürstenprobe aus dem hinteren Rachen oder den Nasenlöchern erworben werden. In ersterem Fall kann die Einlassöffnung so angelegt werden, dass es dem Patienten ermöglicht wird, direkt in die Kartusche zu husten oder es ihm andernfalls zu erleichtern, die ausgeworfene Probe in die Kartusche zu spucken. Für Bürsten- oder Abstrichproben wird die Probe in der Einlassöffnung platziert, wobei Merkmale der Öffnung sowie deren Schließung das Abbrechen und Behalten des Tupfers oder der Bürste im Empfangsbereich der Kartusche erleichtern.
In einer anderen Ausführungsform umfasst die Kartusche Einlass- und Auslassröhrchen, die in einem Probepool mit großem Volumen positioniert werden können, wie z.B. einem fließenden Wasserstrom, so dass das Probematerial durch die Kartusche fließt. Alternativ kann ein hydrophiles Saugmaterial als interaktive Region dienen, so dass die gesamte Kartusche direkt in die Probe eingetaucht werden kann und eine ausreichende Menge der Probe in das Saugmaterial absorbiert wird. Danach wird die Kartusche entfernt und kann ins Labor transportiert werden oder unter Verwendung eines tragbaren Instruments direkt analysiert werden. In einer anderen Ausführungsform kann eine Verrohrung verwendet werden, wobei ein Ende des Rohrs in direkter Kommunikation mit der Kartusche ist, um eine Fluidschnittstelle mit zumindest einer interaktiven Region bereitzustellen und das andere Ende der externen Umwelt zugänglich ist, um als Empfangsort für Proben zu dienen. Das Rohr kann dann in einer Probe platziert werden und als Sauger dienen. Die Kartusche selbst kann ebenso als die tatsächliche Probensammelvorrichtung dienen, wodurch Bedienungsaufwand und Beschwerlichkeit reduziert werden. Bei Fällen, in denen Proben an Rechtsstreitigkeiten oder Verbrechensaufklärungen beteiligt sind, ist die direkte Einbringbarkeit des Testmaterials in die Fluidkartusche von Vorteil, da die Kette des Gewahrsams leicht und verlässlich erhalten wird.
Mit erneutem Bezug auf 9 können Reagenzien vor der Verwendung exogen in die Kartusche eingeführt werden, z.B. durch verschließbare Öffnungen in der Reagenzienkammer 67, Neutralisierungskammer 70 und der Hauptmischkammer 71. Alternativ können die Reagenzien während der Herstellung in der Kartusche platziert werden, z.B. als wässrige Lösungen oder getrocknete Reagenzien, die eine Wiederherstellung erfordern. Das spezifische Format wird basierend auf einer Reihe verschiedener Parameter ausgewählt und hängt unter anderem davon ab, ob es sich bei der Wechselwirkung um eine Lösungsphase oder eine Festphase handelt sowie von der innewohnenden thermischen Stabilität des Reagens, der Wiederherstellungsgeschwindigkeit und der Reaktionskinetik. Reagenzien, die, wenn sie sich in einer Lösung befinden, thermisch instabile Verbindungen enthalten, können durch Trocknung unter Anwendung von Verfahren, wie z.B. Lyophilisation, stabilisiert werden. Additive, wie z.B. einfache Alkoholzucker, Methylcellulosen und Quellproteine, können vor dem Trocknen zum Reagens hinzugefügt werden, um die Stabilität oder Wiederherstellungsfähigkeit zu erhöhen.
Mit erneutem Bezug auf 21 erfordert das Reaktionsgefäß 40 keine zwei biegsamen Lagen, die gegenüberliegende Hauptwände 48 der Reaktionskammer 42 bilden.
In einer alternativen Ausführungsform besitzt das Gefäß 40 z.B. nur eine biegsame Lage, die eine Hauptwand der Kammer bildet. Der steife Rahmen 46 definiert die andere Hauptwand der Kammer genauso wie die Seitenwände der Kammer. In dieser Ausführungsform sollte die vom Rahmen 46 gebildete Hauptwand eine minimale Dicke von etwa 0,05 Zoll (1,25 mm) aufweisen, was typischerweise die praktische minimale Dicke für das Spritzgussverfahren ist, während die biegsame Lage eine Dicke von 0,0005 Zoll (0,0125 mm) aufweisen kann. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist die Tatsache, dass die Herstellung des Reaktionsgefäßes 40 vereinfacht und daher kostengünstiger wird, da nur eine biegsame Lage an den Rahmen 46 angebracht werden muss. Der Nachteil ist, dass die Erwärmungs- und Abkühlungsgeschwindigkeiten des Reaktionsgemisches mit großer Wahrscheinlichkeit langsamer sind, da die durch den Rahmen 46 gebildete Hauptwand wahrscheinlich keine so hohe Wärmeübertragungsgeschwindigkeit wie die dünne, biegsame Lage erlauben wird.
Mit erneutem Bezug auf 28 erfordert das Wärmeaustauschmodul 147 lediglich eine thermische Oberfläche, um eine biegsame Wand des Reaktionsgefäßes 40 zu kontaktieren sowie ein thermisches Element, um die thermische Oberfläche zu erhitzen und/oder zu kühlen. Der Vorteil gegenüber einer thermischen Oberfläche und einem thermischen Element ist, dass das Gerät kostengünstiger hergestellt werden kann. Der Nachteil ist, dass die Erwärmungs- und Abkühlungsgeschwindigkeiten wahrscheinlich etwa zwei Mal so langsam sind. Weiters kann, obwohl es derzeit bevorzugt wird, wenn die thermischen Oberflächen von der thermisch leitenden Platten 190 gebildet werden, jede thermische Oberfläche von jeder starren Struktur mit einem Kontaktbereich zum Kontaktieren einer Wand des Gefäßes 40 bereitgestellt werden. Die thermische Oberfläche umfasst vorzugsweise ein Material mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit, wie z.B. Keramik oder Metall. Weiters kann die thermische Oberfläche die Oberfläche des thermischen Elements selbst umfassen. Die thermische Oberfläche kann z.B. die Oberfläche einer thermoelektrischen Vorrichtung sein, welche die Wand kontaktiert, um die Kammer zu erhitzen und/oder zu kühlen.
Es wird derzeit bevorzugt, den Wandler in das Instrument 140 einzubauen. In einer anderen Ausführungsform kann der Wandler jedoch in die Kartusche eingebaut sein. So kann z.B. eine piezoelektrische Scheibe in die Kartusche eingebaut sein, um die Lysierkammer zu beschallen. Alternativ kann ein Lautsprecher oder eine elektromagnetische Spulenvorrichtung in die Kartusche eingebaut sein. In diesen Ausführungsformen umfasst die Kartusche geeignete elektrische Verbindungselemente, um den Wandler mit einem Netzgerät zu verbinden. In Ausführungsformen, in denen der Wandler in die Kartusche eingebaut ist, sollte verhindert werden, dass der Wandler direkt mit der Fluidprobe in Kontakt kommt, z.B. sollte der Wandler laminiert oder durch eine Kammerwand von der Probe getrennt sein. Weiters kann die Lysis der Zellen oder Viren unter Verwendung einer Heizvorrichtung anstelle eines Wandlers oder in Kombination mit einem solchen durchgeführt werden. Die Heizvorrichtung kann ein Widerstandsheizelement sein, das Teil der Kartusche ist oder die Heizvorrichtung könnte in das Instrument, das die Kartusche aufnimmt, eingebaut sein. In dieser Ausführungsform werden die Zellen oder Viren durch Erhitzen der Lysierkammer auf eine hohe Temperatur (z.B. 95°C) zerstört, um die Zellwände zu zerstören.
Obwohl die obenstehende Beschreibung viele Details enthält, sollten diese jedoch nicht als Einschränkungen des Schutzumfangs der Erfindung verstanden werden, sondern lediglich als Beispiele einiger derzeit bevorzugter Ausführungsformen. Es können viele Modifikationen oder Substitutionen im Bezug auf das beschriebene Gerät und die beschriebenen Verfahren vorgenommen werden, ohne dabei vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
Der Schutzumfang der Erfindung sollte daher von den folgenden Ansprüchen und ihren rechtlichen Äquivalenten bestimmt werden.

Claims

Kartusche zum Durchführen einer chemischen Reaktion, umfassend einen Körper mit zumindest einem ersten und einem zweiten darin ausgebildeten Kanal (80, 81), dadurch gekennzeichnet, dass: die Kartusche zudem ein sich vom Körper aus erstreckendes Reaktionsgefäß (40) mit: i) einer Reaktionskammer (42); ii) einer Einlassöffnung (41), die über einen Einlasskanal (50) mit der Reaktionskammer (42) verbunden ist; und iii) einer Auslassöffnung (43), die über einen Auslasskanal (52) mit der Reaktionskammer (42) verbunden ist, umfasst, worin die Einlassöffnung (41) des Gefäßes (40) mit dem ersten Kanal (80) im Körper verbunden ist und worin die Auslassöffnung (43) des Gefäßes (40) mit dem zweiten Kanal (81) im Körper verbunden ist.
Kartusche nach Anspruch 1, worin der Körper zudem eine in Fluidkommunikation mit dem zweiten Kanal (81) stehende Lüftungsöffnung (36) zur Gaslüftung umfasst.
Kartusche nach Anspruch 1 oder 2, zudem umfassend eine Differenzdruckquelle, um ein Fluid im ersten Kanal (80) im Körper zum Fließen durch die Einlassöffnung (41) des Gefäßes (40) und in die Reaktionskammer (42) hinein zu zwingen.
Kartusche nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin das Gefäß (40) Folgendes umfasst: i) einen steifen Rahmen (46), der Seitenwände (57A, 57B, 59A, 59B) der Reaktionskammer (42) definiert; und ii) zumindest eine biegsame Lage oder Folie, die am Rahmen (46) befestigt ist, um eine Hauptwand (48) der Kammer (42) zu bilden, worin die Hauptwand ausreichend biegsam ist, um sich einer thermischen Oberfläche anzupassen.
Kartusche nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin das Gefäß (40) Folgendes umfasst: i) einen steifen Rahmen (46), der Seitenwände (57A, 57B, 59A, 59B) der Reaktionskammer (42) definiert; und ii) eine erste und eine zweite biegsame Lage oder Folie, die an gegenüberliegenden Seiten des Rahmens (46) befestigt ist, um gegenüberliegende Hauptwände (48) der Reaktionskammer (42) zu bilden.
Kartusche nach Anspruch 5, worin die erste und die zweite biegsame Lage oder Folie jeweils eine Polymerfolie umfassen.
Kartusche nach Anspruch 4 oder 5, worin zumindest zwei der Seitenwände (57A, 57B, 59A, 59B) lichtdurchlässig und in einem Winkel voneinander versetzt sind.
Kartusche nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin das Verhältnis der Breite der Reaktionskammer (42) zur Dicke der Reaktionskammer (42) zumindest 2:1 beträgt.
Kartusche nach einem der Ansprüche 1 bis 8, worin die Reaktionskammer (42) eine Dicke von 5 mm oder weniger aufweist.
Kartusche nach einem der Ansprüche 1 bis 9, worin die Reaktionskammer (42) eine Dicke in einem Bereich von 0,5 bis 5 mm aufweist.
Kartusche nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin das Verhältnis der Breite der Reaktionskammer (42) zur Dicke der Reaktionskammer (42) zumindest 4:1 beträgt.
Kartusche nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder 11, worin die Reaktionskammer (42) eine Dicke von 2 mm oder weniger aufweist.
Kartusche nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder 11 bis 12, worin die Reaktionskammer (42) eine Dicke in einem Bereich von 0,5 bis 2 mm aufweist.
Kartusche nach einem der Ansprüche 1 bis 13, worin der Körper zudem eine Mischkammer (71) zum Mischen einer Fluidprobe mit Verstärkungsreagenzien umfasst, wobei die Mischkammer (71) über den ersten Kanal (80) mit der Einlassöffnung (41) des Gefäßes (40) verbunden ist.
Kartusche nach einem der Ansprüche 1 bis 14, worin im Körper Folgendes ausgebildet ist: i) einen Probenflussweg; und ii) einen Abscheidebereich im Probenflussweg zum Abscheiden eines gewünschten Analyten aus einer Fluidprobe, wobei der Abscheidebereich über den ersten Kanal (80) mit der Einlassöffnung (41) des Gefäßes verbunden ist.
Kartusche nach Anspruch 15, worin der Abscheidebereich im Körper Folgendes umfasst: a) eine Lysierkammer (86) im Probenflussweg zum Lysieren von Zellen oder Viren in der Probe zum Freisetzen von Material aus diesen; und b) zumindest einen in der Lysierkammer (86) angeordneten festen Träger zum Einfangen der zu lysierenden Zellen oder Viren.
Vorrichtung, umfassend eine Kartusche nach Anspruch 1, worin das Gefäß (40) eine Vielzahl an Wänden umfasst, die die Reaktionskammer definieren, wobei zumindest eine der Wände eine biegsame Lage oder Folie umfassen, und die Vorrichtung weiters Folgendes umfasst: a) zumindest eine thermische Oberfläche zum Kontaktieren der Lage oder Folie; b) Mittel zum Anheben des Drucks in der Reaktionskammer, worin der Druckanstieg in der Reaktionskammer ausreichend ist, um die Lage oder Folie dazu zu zwingen, sich an die thermische Oberfläche anzupassen; und c) zumindest ein thermisches Element zum Erwärmen oder Kühlen der Oberfläche, um eine Änderung der Temperatur innerhalb der Kammer herbeizuführen.
Kartusche nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin das Gefäß Folgendes umfasst: i) zwei gegenüberliegende Hauptwände (48); ii) Seitenwände (57A, 57B, 59A, 59B), die die Hauptwände (48) miteinander verbinden, um die Reaktionskammer (42) zu definieren, worin zumindest zwei der Seitenwände (57A, 57B, 59A, 59B) lichtdurchlässig und in einem Winkel voneinander versetzt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin das Gefäß (40) zwei gegenüberliegende Hauptwände (48) und Seitenwände (57A, 57B, 59A, 59B), die die Hauptwände (48) miteinander verbinden, um die Reaktionskammer (42) zu bilden, umfasst, wobei zumindest zwei der Seitenwände (48) lichtdurchlässig sind, und worin die Vorrichtung zudem ein optisches System mit zumindest einer Lichtquelle zum Ausleuchten der Reaktionskammer (42) durch eine erste der lichtdurchlässigen Seitenwände und zumindest einen Detektor zur Detektion von durch eine zweite der lichtdurchlässigen Seitenwände aus der Kammer austretendem Licht umfasst.
Kartusche nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 8 bis 16, worin jede der Seiten der Reaktionskammer (42) eine Länge im Bereich von 1 bis 15 mm aufweist.
Kartusche nach einem der Ansprüche 1 bis 16 oder 20, worin das Reaktionsgefäß (40) eine durch die Reaktionskammer (42) hindurch führende Lichtweglänge im Bereich von 1 bis 15 mm aufweist.
Kartusche nach Anspruch 22, worin das Reaktionsgefäß (40) eine durch die Reaktionskammer (42) hindurch führende Lichtweglänge im Bereich von 5 bis 12 mm aufweist.
Kartusche nach einem der Ansprüche 1 bis 16 oder 20 bis 22, worin die Reaktionskammer (42) eine Volumenkapazität im Bereich von 12 bis 100 Mikroliter aufweist.
Kartusche nach einem der Ansprüche 1 bis 16, worin zumindest eine der Wände der Reaktionskammer (42) eine Dicke im Bereich von 0,003 bis 0,5 mm aufweist.
Kartusche nach einem der Ansprüche 1 bis 16, worin der erste und der zweite Kanal (80, 81) im Körper eine Breite oder einen Durchmesser im Bereich von 0,4 bis 3,2 mm aufweisen.