-
Technologiegebiet
-
Die
Erfindung betrifft das Verarbeiten von Zusammensetzungen, die magnetische
Teilchen enthalten, wobei die Teilchen aus einem Gefäß gesammelt
werden, das die Zusammensetzung enthält, oder als eine Zusammensetzung
in das Gefäß abgegeben
werden, und wobei ein magnetischer Stab verwendet wird, um die Teilchen
an seiner Spitze zu sammeln oder von seiner Spitze abzugeben. Die
Erfindung betrifft insbesondere das Gefäß und den Stab, die bei der
Verarbeitung verwendet werden. Die Erfindung kann zum Beispiel bei
verschiedenen Herstellungs-, Reinigungs- oder Analyseverfahren verwendet
werden.
-
Technologischer
Hintergrund
-
Magnetische
Teilchen werden in verschiedenen chemischen Prozessen als feste
Phase verwendet, an deren Oberfläche
eine gegebene Komponente anhaftet. Wegen der Teilchen wird die verfügbare Oberfläche der
festen Phase so groß wie
möglich. Die
Teilchengröße ist typischerweise
in dem Bereich von 0,05 bis 10 μm.
Die Teilchen können
mittels eines Magnetfeldes bewegt werden. Somit können sie
zum Beispiel in einer Lösung
zur Wand eines Gefäßes transferiert
werden, so dass die verbleibende Lösung aus dem Gefäß durch
Dekantieren oder Pipet tieren entfernt werden kann. Die Teilchen
können
auch aus der Lösung
durch Eintauchen eines magnetischen Stabes in die Lösung separiert
werden. Es sind auch magnetische Stäbe bekannt, die einen sich
vertikal bewegenden Magneten innerhalb einer Hülle enthalten. Mit dem Magneten
in einer unteren Position können
die Teilchen an der Staboberfläche,
insbesondere an seinem Ende, gesammelt werden. Wenn der Magnet in
eine obere Position angehoben wird, können die Teilchen entsprechend
von dem Stab abgegeben werden.
-
Die
WO 94/18565 offenbart Stäbe,
die zum Sammeln und Transferieren von magnetischen Teilchen verwendet
werden. Sie sind vorzugsweise mit einer eine scharfe Spitze aufweisenden
Hülle ausgestattet,
die einen beweglichen Magneten umgibt. Das mit dem Stab zusammenpassend
verwendete Gefäß kann einen
Boden haben, der auf die Form der Stabspitze abgestimmt ist. Der
Zwischenraum zwischen dem Stab und der Gefäßwand wird zweckmäßig eng gemacht,
um die Flüssigkeit
so schnell wie möglich zwischen
dem Stab und der Gefäßwand strömen zu lassen,
wenn der Stab vertikal bewegt wird. Dies fördert das Mischen und den Massentransfer.
Auch die WO 99/04239 beschreibt eine Anordnung mit einem solchen
Stab zum Konzentrieren von magnetischen Teilchen.
-
Allgemeine
Beschreibung der Erfindung
-
Ein
Gefäß für eine Zusammensetzung,
die magnetische Teilchen enthält,
und ein Stab zum Sammeln oder Transferieren von Teilchen zum Verwenden
zusammen mit dem Gefäß wurden
nun erfunden.
-
Das
Gefäß ist vorzugsweise
symmetrisch, wie kreisartig, im Querschnitt, und die Querschnittsform
des Stabes ist auf die Querschnittsform des Gefäßes abgestimmt. Der Stab ist
mit einem Magneten ausgestattet, mittels welchem Teilchen an der
Staboberfläche
an seinem Spitzenteil gesammelt werden. Der Magnet ist vorzugsweise
ein solcher Magnet, dessen Wirkung eliminiert werden kann, so dass
die Teilchen von der Staboberfläche
abgegeben werden können.
-
Der
Magnet ist vorzugsweise ein Permanentmagnet und am bevorzugtesten
ein Magnet, der zwischen einer Sammelposition und einer Abgabeposition
innerhalb des Stabes verschoben werden kann. Die Bewegungsrichtung
ist insbesondere die Längsrichtung
des Stabes. Die Sammelposition des Magneten ist vorzugsweise seine
untere Position, von welcher er zu der Abgabeposition angehoben
werden kann. Der Magnet hat vorzugsweise eine Länge, die wesentlich größer als
seine Breite ist. Dies gestattet es Teilchen, effektiv an der Stabspitze
gesammelt zu werden. Aus demselben Grund bleibt das obere Ende des
Magneten vorzugsweise kontinuierlich über der Zusammensetzungsoberfläche, während die
Teilchen gesammelt werden (siehe WO 96/12958). Zu diesem Zweck kann
die Länge
des Magneten deutlich größer als
die Höhe
der Flüssigkeitssäule sein,
die zu behandeln ist. Bei dem Magneten ist das Verhältnis seiner
Länge zu
seiner Breite vorzugsweise wenigstens ungefähr 5:1 und am bevorzugtesten
wenigstens ungefähr
10:1. Der Stab ist vorzugsweise an jeder Stelle abwärts geneigt,
was in einer scharfen Spitze endet. Auf diese Weise neigt der Stab,
wenn er aus der Flüssigkeit
angehoben wird dazu, eine möglichst
kleine Menge an Flüssigkeit
zurück
zu halten (siehe WO 94/18565 und WO 94/18564). Die Verwendung eines
langen Magneten gestattet eine effizientere Operation im kleinen
Volumina. Ein langer Magnet ist auch in großen Volumina nützlich,
weil er den Dynamikbereich an beiden Enden vergrößert. Die Spitze hat vorzugsweise
auch einen sich verjüngenden
konkaven Spitzenteil, so dass Teilchen effizient von der Stabspitze
in ein kleines Gefäß derselben
Größenordnung
wie der Spitzenteil des Stabes abgegeben werden (siehe WO 96/12959).
Für das
Magnetfeld, das mit diesem Spitzenteil so effizient wie möglich auszurichten
ist, ist die Höhe
des Spitzenteils relativ klein verglichen mit dem Durchmesser des
Magneten. Typischerweise ist das Verhältnis der Höhe des Spitzenteils zu dem Durchmesser
des Magneten 1:1–1:2,
wie ungefähr 1:1,5.
Die flache Form der Spitze hat auch den Zweck, ein zuverlässiges Operationsvolumen
zu erzielen, das so klein wie möglich
ist.
-
Teilchen
können
mit einem spezifischen Gerät
gesammelt werden, in welchem das Gefäß angeordnet werden kann und
das Einrichtungen zum Bewegen der Stäbe enthält (siehe WO 94/18565).
-
Üblicherweise
wurde eine Mehrzahl von Gefäßen verbunden,
um eine Platte zu bilden, insbesondere eine matrixförmige Platte,
die einige aufeinanderfolgende Reihen von Gefäßen enthält. Eine üblicherweise verwendete Platte
ist diejenige, die Mikrotitrationsplatte genannt wird, enthaltend
8·12
Gefäße oder
Kammern in Intervallen von 9 mm. Eine Platte mit entsprechenden
Außendimensionen
und 16·24 Kammern
wird auch verwendet. Das Gerät,
das für die
Behandlung der Platten vorgesehen ist, kann eine Reihe von Stäben gleich
der Anzahl von Kammern in einer Reihe enthalten (siehe WO 94/18565
und Thermo Labsystems KingfisherTM Magnetic
Particle Processor). Das Gerät
gestattet auch die Operation von mehreren, wie zwei, Platten gleichzeitig,
insbesondere parallel.
-
Gemäß einem
ersten Merkmal der Erfindung ist der Zwischenraum zwischen dem Gefäß und dem Stab
groß genug,
um die Bildung eines Flüssigkeitsrings
oder -ringteils zu verhindern, der zusammen mit dem Stab ansteigt
und dadurch Flüssigkeit
aus dem Gefäß entfernt.
In anderen Worten strömt
die Flüssigkeit
zwischen dem Stab und dem Gefäß unter
der Gravitationskraft abwärts.
Aufsteigendes Wasser könnte über den
Rand des Gefäßes z. B.
in ein benachbartes Gefäß oder in
die Spitze einer entfernten Spitze zu dem nachfolgenden Prozessschritt
fließen. Ein
geeigneter Zwischenraum zwischen dem Stab und dem Gefäß kann wenigstens
ungefähr
1 mm, wie wenigstens ungefähr
1,5 mm und vorzugsweise wenigstens ungefähr 2 mm sein. In üblichen
Fällen
erzielt ein Zwischenraum über
3 mm keinen zusätzlichen
Vorteil in dieser Hinsicht.
-
Gemäß einem
zweiten Merkmal der Erfindung enthält der Gefäßboden eine Positionierausnehmung,
in welche die Stabspitze mit dem Stab in einem ausreichenden Abstand
von der Innenwand des Gefäßes an jedem
Punkt passt. Die Positionierausnehmung dient zum Kompensieren von
Positionierfehlern, die durch die Horizontalbewegung des Stabes
und des Gefäßes verursacht
werden. Das Ausnehmungszentrum enthält vorzugsweise einen horizontalen
Bereich, dessen Breite der Positionierbegrenzung entspricht. Die
Ausnehmungsform stimmt mit der Form des Spitzenteils des Stabes überein,
so dass der Zwischenraum zwischen der Ausnehmung und dem Spitzenteil
so klein wie möglich
wird. Der Zwischenraum ist vorzugsweise 0,05 – höchstens 0,3 mm, wie 0,1–0,2 mm.
Wenn ein symmetrisches Gefäß und ein
symmetrischer Stab verwendet werden, wird die Ausnehmung im Zentrum des
Gefäßes angeordnet
sein. Der horizontale Bereich hat typischerweise eine Breite im
Bereich von 0,5–2
mm, wie ungefähr
1 mm. Jedoch ist der Stab am bevorzugtesten so, dass er auch in
herkömmlichen
Gefäßen mit
einem flachen oder konkaven Boden verschiedener Größen verwendet
werden kann.
-
Gemäß einem
dritten Merkmal der Erfindung enthält das Gerät, in welchem das Gefäß mittels
des Stabes behandelt wird, vertikale Elastikeinrichtungen, die nachgeben,
so wie der Stab gegen den Gefäßboden abgesenkt
wird. Dies gestattet eine Kompensation des Positionierfehlers, der
durch die Positioniertoleranzen der Vertikalbewegung und durch die
Herstellungstoleranzen des Stabes und des Gefäßes verursacht wird. Die Elastikeinrichtungen,
wie Federeinrichtungen, können
in einer Basis, die in dem Gerät
für das
Gefäß enthalten
ist, in dem Stab oder seinem Betätigungsantrieb
oder in einer Platte, die mehrere Gefäße enthält, vorgesehen sein.
-
Die
Erfindung ist zur Verwendung insbesondere während Operationen in sehr kleinen
Volumina geeignet. Die untere Grenze kann z. B. 10 μl oder sogar
5 μl sein.
Die Erfindung ist auch zur Verwendung geeignet, wenn Teilchen von
einem relativ großen Volumen,
z. B. einer bakteriellen Kultur, gesammelt und in ein Volumen transferiert
werden, das bis zu vielmals kleiner sein kann.
-
Zeichnungen
-
Die
begleitenden Zeichnungen betreffen die detaillierte Beschreibung
einiger Ausführungsbeispiele
der Erfindung unten.
-
1 zeigt
die Schritte des Sammelns von magnetischen Teilchen mit dem Stab
aus einer kleinen Flüssigkeitsmenge
in dem Gefäß gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
-
2 zeigt
die Schritte des Abgebens der magnetischen Teilchen, die an dem
Stab von 1 anhaften, in eine kleine Flüssigkeitsmenge
in dem Gefäß von 1.
-
3 zeigt
ein Gerät
der Erfindung, das mit Federeinrichtungen versehen ist.
-
Genaue Beschreibung
einiger Ausführungsbeispiele der
Erfindung
-
Die
kreisartige Kammer 1, die in den 1 und 2 gezeigt
ist, enthält
an ihrem Bodenzentrum eine Bodenausnehmung 2 mit relativ
steilen Rändern.
Es ist Flüssigkeit
in der Kammerausnehmung.
-
Zusammen
mit der Kammer 1 wird ein Stab 3 verwendet, der
einen kreisartigen Querschnitt und einen Durchmesser hat, der bemerkenswert
kleiner als der Durchmesser der Kammer, aber noch größer als
der Durchmesser der Ausnehmung ist. Der Stab hat eine interne Bohrung,
die an seinem oberen Ende beginnt, und einen länglichen Permanentmagneten 4,
der innerhalb der Bohrung bewegt werden kann. Wenn der Magnet in
der unteren Position innerhalb des Stabes ist, können magnetische Teilchen an
der Stabspitze gesammelt werden (1). Die
Stabspitze 5 des Stabes verjüngt sich, um in der Bodenausnehmung 2 der
Kammer untergebracht zu werden.
-
Magnetische
Teilchen, die an dem Stab 3 anhaften, können in die Flüssigkeit
in der Kammer 1 abgegeben werden (2). Zu diesem
Zweck wird der Stab mit dem Magneten 4 in der unteren Position
in die Kammer eingeführt,
wird dann der Magnet und danach der Stab ohne den Magneten entfernt,
so dass die Teilchen in der Flüssigkeit
in der Kammer bleiben. Entsprechend werden, wenn es Teilchen in der
Flüssigkeit
gibt, die in der Kammer enthalten ist, mit dem Magneten in der unteren
Position, die Teilchen aus der Flüssigkeit an der Stabspitze
gesammelt. Wenn der Stab und der Magnet zusammen entfernt werden,
werden die Teilchen zusammen mit ihnen entfernt.
-
Der
Spitzenteil 5 des Stabes 3 ist konkav und endet
in einer scharfen Spitze. Somit werden, wenn die Teilchen abgelöst werden,
sie so vollständig
wie möglich
in die Ausnehmung 2 abgegeben, und wenn der Stab aus der
Flüssigkeit
angehoben wird, neigt er dazu, Flüssigkeit in einer möglichst
kleinen Menge zurück
zu halten. Wenn Teilchen gesammelt werden, haften sie an dem konkaven
Teil der Spitze an, wobei sie sie als eine ringartige Masse umgeben.
Die Ausnehmung hat eine passende konvexe Form, so dass der Zwischenraum
zwischen dem Stabspitzenteil und der Kammer so klein wie möglich ist.
Wenn die Stabspitze gegen den Ausnehmungsboden anliegt, findet die
Flüssigkeit
wegen der Adhäsion
und Oberflächenspannung
automatisch ihren Weg in diesen Zwischenraum. Die Flüssigkeit
befeuchtet somit den gesamten Spitzenteil, wo Teilchen vorhanden
sein können,
so wie sie mit dem Stab in die Kammer gebracht werden. Die Flüssigkeit
verbleibt bei dem in der Ausnehmung in Position eingepassten Stab
solide in dem Zwischenraum. Wenn der Stab aus der Ausnehmung angehoben
wird, wird die Flüssigkeitsplatte, die
den Spitzenteil umgibt, durch hydrodynamische Kräfte die Teilchen von der Oberseite
zum Boden hin effizient ablösen.
-
Wenn
der Zwischenraum zwischen dem Stab 3 und der Wand der Kammer 1 groß genug
ist, wird kein Flüssigkeitsring
oder -teil davon, ansteigend zusammen mit dem Stab, in dieser Lücke gebildet.
Ein geeigneter Zwischenraum ist ungefähr 1 mm. In der Praxis erzielt
ein Zwischenraum von über
ungefähr
3 mm keinen zusätzlichen
Vorteil in dieser Hinsicht. Um einen ansteigenden Flüssigkeitsring, der
in Ausnahmefällen
entstanden sein kann, zu zerstören,
kann der Mündungsteil
der Kammer ferner vergrößert sein
(siehe WO 94/18565 5). Die hohen Seitenwände der
Kammer hindern die Flüssigkeit
daran, über
die Außenseite
zu spritzen. Auf diese Weise können,
wann immer es erforderlich ist, Flüssigkeitsmengen um ein Vielfaches
größer als
das Volumen der Bodenausnehmung 2 in derselben Kammer verwendet
werden.
-
Der
Boden der Kammer 1 hat eine Form, so dass eine kleine Flüssigkeitsmenge,
die in die Kammer dosiert wurde, in natürlicher Weise so vollständig wie
möglich
ihren Weg in die Bodenausnehmung 2 findet. In der Ausnehmung
wird die freie Oberfläche der
Flüssigkeit
auf einem Minimum sein, so dass die Flüssigkeit dazu neigt, unter
der Wirkung der Oberflächenspannung
hier zu verbleiben. Damit die Flüssigkeit
nicht in der Ecke zwischen dem Kammerboden und der Außenwand
bleibt, hat diese Ecke eine leicht gekrümmte Form erhalten. Ein geeigneter
Krümmungsradius
der Ecke ist z. B. 0,5–2
mm, so wie ungefähr
1 mm.
-
Der
Boden der Kammer 1 neigt sich von den Ecken zur Bodenausnehmung 2 kontinuierlich.
Somit wird die Flüssigkeit
in natürlicher
Weise in die Ausnehmung fließen.
-
Der
Boden der Bodenausnehmung 2 in der Kammer 1 enthält einen
zentralen horizontalen Bereich 6. Die Breite des Bereichs
ist durch die Positioniertoleranzen bestimmt, so dass sichergestellt
ist, dass die Spitze des Stabes 3 immer den horizontalen Bereich
trifft. Es wird Positionierfehler geben, wenn die Kammern oder die
Stäbe horizontal
bewegt werden. Die Breite des horizontalen Bereiches ist dann (zumindest)
das Doppelte des geschätzten
Positionierfehlers. Die geeignete Breite des Bereiches ist typischerweise
0,5–2
mm, so wie ungefähr
1 mm. Aus demselben Grund ist der Zwischenraum zwischen dem Spitzenteil 5 des
Stabes und der Wand der Bodenausnehmung am Bodenende geringfügig größer als
am oberen Ende. Das Ziel ist, den Zwischenraum auf ein Minimum zu
reduzieren. Er ist typischerweise 0,1–0,2 mm.
-
Das
Verhältnis
der Länge
zum Durchmesser des Magneten 4 ist ungefähr 13:1.
wegen des langen Magneten werden die Teilchen so vollständig wie möglich genau
an dem Spitzenbereich des Stabes 3 gesammelt. Aus demselben
Grund ist die Höhe
des Spitzenteils relativ klein verglichen mit dem Durchmesser des
Magneten. Typischerweise ist das Verhältnis der Höhe des Spitzenteils zum Durchmesser des
Magneten 1:1–1:2,
so wie ungefähr
1:1,5.
-
Bei
der sogenannten Mikrotitrationsplatte, wo die Kammern in Intervallen
von 9 mm angeordnet sind, kann die Dimensionierung einer üblichen
Kammer 1 und eines üblichen
Stabes 3 folgendermaßen sein:
Innendurchmesser der Kammer 7 mm, Außendurchmesser des Stabes 4
mm, Innentiefe der Kammer (ohne die Bodenausnehmung 5)
10 mm, Tiefe der Bodenausnehmung und Höhe des Stabspitzenteils 1,5
mm, Breite des flachen Bodens 6 der Ausnehmung 1 mm, Krümmungsradius
der Bodenecke der Wand ungefähr
1 mm, Krümmungsradius
der Bodenausnehmungswand ungefähr
5 mm, Radius der konkaven Wölbung
der Stabspitze ungefähr
4 mm, Höhe
des Magneten 4 ungefähr
40 mm und Durchmesser des Magneten ungefähr 3 mm. Im Hinblick auf die
Kammer der Mikrotitrationsplatte ist ein solcher Magnet tatsächlich "überlang", jedoch kann dieser selbe Stab auch
in größeren Kammern,
z. B. mit einer Höhe
von ungefähr
25 mm, verwendet werden, wobei das Volumen bis zu der Größenordnung
von 500 μl
ist. Ein ziemlich langer Magnet hat auch den Vorteil, dass er leicht
an den Haltestrukturen des Gerätes
zu befestigen ist, ohne einen Zwischenadapter zu erfordern.
-
Die
Bodenausnehmung 2 und der Stabspitzenteil stellen sicher,
dass der Zwischenraum zwischen der Wand der Kammer 1 und
dem Stab 3 groß genug
ist, und dass der Stab über
den gesamten Weg bis zum Ausnehmungsboden eingeführt werden kann, ungeachtet
von Positioniertoleranzen, die durch die Querbewegung verursacht
werden.
-
Der
Stab 3 kann auch in einer herkömmlichen Kammer mit einem flachen
oder konkaven Boden verwendet werden.
-
Die
Vertikalbewegung hat auch spezifische Toleranzen, und als ein Ergebnis
erreicht die Spitze des Stabes 3 nicht immer notwendigerweise
ihre unterste Position an dem Kammerboden. Bei typischen Gerätetechniken
ist der dadurch verursachte maximale Fehler ungefähr ±0,5 mm.
Die relative Neigung des Stabes und der Kammer verursacht einen
zusätzlichen
Fehler. Der dadurch verursachte Fehler kann typischerweise ungefähr ±0,3 mm
sein. Die relative Neigung einer Platte, die mehrere Kammern enthält, und
einer Matrix, die mehrere Stäbe
enthält, verursacht
einen zusätzlichen
Fehler. Jedoch ist dieser Fehler klein im Vergleichen zu jenen,
die oben angegeben wurden.
-
Das
Gefäß und der
Stab können
aus geeignetem Kunststoff, z. B. Ppolypropylen, hergestellt sein.
-
Das
Gerät kann
mit vertikalen Federeinrichtungen versehen sein, um Vertikalbewegungstoleranzen
zu kompensieren.
-
Die
Anordnung in der 3 verwendet eine Platte 7,
die eine Mehrzahl von Reihen von Kammern 1 enthält. Ähnlich wurde eine
Anzahl von Stäben gleich
der Anzahl von Kammern in einer Reihe mit einem Arm verbunden, der
parallel zu der Reihe ist, um eine verbunden bewegte Reihe von Stäben zu bilden. Jeder
Stab 3 hält
einen Magnet 4, der an dem Arm 8 befestigt ist.
An seinem oberen Ende hat der Arm Greifeinrichtungen 9,
mit welchen der Arm vertikal bewegt wird. Die Platte ist auf einer
Basis 10 angeordnet. Die Basis gibt wegen den vertikalen
Federeinrichtungen 11 in der Vertikalrichtung nach. Wenn die
Reihe von Stäben
in die Kammern eingeführt wird,
wird sie gegen den Boden 6 der Bodenausnehmung 2 und
selbst etwas weiter gesteuert. Dann werden die Federn den Abstand
zwischen der Spitze und dem Boden von jedem Stab auf ein Minimum
ausgleichen (in der Praxis fast auf Null).
-
Statt
der Basis 10 kann der Befestigungsarm der Stäbe 4 mit
Federn versehen sein.
-
Zusätzlich oder
als eine Alternative kann jeder Arm 8 separat mit Federn
versehen sein. Zu diesem Zweck sind die Greifeeinrichtungen 9 gleitend zwischen
einem oberen Stopp 12 und einem unteren Stopp 13 in
dem Arm angeordnet und gibt es zwischen den Greifeinrichtungen und
dem unteren Stop eine Feder 14, die die Greifeinrichtungen
aufwärts drückt.
-
Die
Federanordnung ist insbesondere nützlich, wenn sehr kleine Kammern
(z. B. 5 bis 10 μl)
verwendet werden. Sie ist auch insbesondere nützlich, wenn größere Platten
oder Platten verwendet werden, die zahlreiche Kammern enthalten.