DE60128955T2

DE60128955T2 - Mikrofluidische geräte und verfahren für chemische probe

Info

Publication number: DE60128955T2
Application number: DE60128955T
Authority: DE
Inventors: Paul Thomas Huntingdon RYAN; Kevin Andrew Godmanchester AUTON; Sergei Mikhailovich Oakin gton SCHUROV; David John Cottenham WIGLEY
Original assignee: PerkinElmer LAS Inc
Current assignee: PerkinElmer Health Sciences Inc
Priority date: 2000-11-24
Filing date: 2001-11-22
Publication date: 2008-02-14
Anticipated expiration: 2021-11-23
Also published as: CA2433145C; ATE364445T1; AU2006225228A1; EP1345697A2; US20030096423A1; US20080311665A1; AU2002223871B2; ATE553357T1; WO2002041994A3; CA2433145A1; AU2387102A; EP1700632A3; US7431884B2; EP1700632B1; WO2002041994A2; EP1700632A2; EP1345697B1; GB2376742B; DE60128955D1; GB2376742A

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Verwendung bei der Durchführung chemischer (darunter biochemischer) Tests, insbesondere zur Bestimmung biologischer Materialien wie Proteine und Peptide.
Hintergrund der Erfindung
Bestimmte Arten chemischer, insbesondere biochemischer Tests umfassen das Immobilisieren einer Probenspezies, die zu einer selektiven Bindung an eine Zielspezies in der Lage ist, auf einem Testsubstrat. Eine Fluidprobe, die die Zielspezies enthält oder bei der angenommen wird, dass sie die Zielspezies enthält, wird mit dem Testsubstrat in Kontakt gebracht; in der Probe vorhandene Zielspezies wird dann an die immobilisierte Probe gebunden. Nach dem Waschen des Substrats zum Entfernen ungebundener Spezies kann das Vorhandensein des Ziel-Proben-Paars auf verschiedene bekannte Arten bestimmt werden, darunter durch chemische „Markierungen" (beispielsweise Markierungen, die chemilumineszenz- oder fluoreszenzfähig sind), die an die Zielspezies gebunden sind.
Dieses Prinzip wird bei einer großen Zahl biochemischer Tests genutzt, beispielsweise zur Bestimmung des Vorhandenseins von Ziel-Nukleotidsequenzen oder Proteinen. Es umfasst jedoch eine oft komplexe Abfolge von Prozeduren. Eine in geeigneter Weise selektive Probe für die Zielspezies muss zunächst identifiziert werden, üblicherweise mittels einer Form des Screenings, und auf einem Testsubstrat immobilisiert werden. Ein Probenfluid muss anschließend über einen ausreichenden Zeitraum und unter geeigneten Bedingungen mit dem Substrat in Kontakt gehalten werden, damit die Ziel-Proben-Bindung stattfinden kann (und zwar in einem bestimmbaren Grad). Während dieses Zeitraums muss die Temperatur der Probe oft Zyklen zwischen sehr genauen Bereichen und über bestimmte Zeiträume durchlaufen, damit eine Bindung stattfinden kann. Das Testsubstrat muss anschließend gewaschen werden, üblicherweise mit stei genden Stringenzniveaus, um nicht nur ungebundene Spezies zu entfernen, sondern auch solche, die mit einem inakzeptabel niedrigen Spezifizitätsgrad gebunden sind. Schließlich muss das gewaschene Substrat analysiert werden, um das Vorhandensein und/oder die Menge an Ziel-Proben-Paaren zu bestimmen.
Diese Prozeduren können zu einem gewissen Grad automatisiert werden, umfassen aber oft noch ein wesentliches manuelles Eingreifen, beispielsweise zur Steuerung der Einführung von Proben und Reagenzien zu geeigneten Zeitpunkten und an geeigneten Stellen. Außerdem können Vorrichtungen zum Durchführen der Prozeduren sowohl komplex als auch teuer sein, da sie große Anzahlen getrennter Fluidsteuerungsvorrichtungen (Ventile und Pumpen) aufweisen, um die oft in großer Anzahl nötigen Proben- und/oder Reagens-Fluide einzuführen.
Da es wünschenswert sein kann, eine große Anzahl von Proben gleichzeitig zu testen und/oder eine Probe bezüglich einer großen Anzahl von Probenspezies zu testen, besteht ein dauernder Bedarf, die Effizienz solcher Tests zu erhöhen, die Komplexität der Vorrichtung, in der sie durchgeführt werden, zu reduzieren, das notwendige manuelle Eingreifen zu minimieren, den Durchsatz zu maximieren und/oder die Genauigkeit und Einheitlichkeit der Ergebnisse zu erhöhen. Da die getesteten Proben oft nur in kleinen Mengen vorhanden sind (z.B. DNA enthaltende Proben) und typischerweise auf mehr als eine Zielspezies untersucht werden müssen, ist es außerdem immer wünschenswert, die Menge der für einen Test benötigten Probe zu minimieren, typischerweise durch Erhöhen der Bestimmungsempfindlichkeit.
Es ist bereits bekannt, einen chemischen Test durchzuführen, indem eine dünne Lage einer flüssigen Probe auf einem flachen Testsubstrat verteilt wird, beispielsweise einem gläsernen Mikroskop-Objektträger, auf dem ein „Feld" mehrerer, oft mehrerer Hundert oder mehr Probenspezies immobilisiert wurden. Dies ermöglicht es, die Probe simultan auf eine entsprechende Anzahl Zielspezies zu untersuchen. Solche Felder wurden beispielsweise kürzlich für die Bestimmung von Proteinen in einer biologischen Probe offenbart; das Testsubstrat kann als „Proteinfeld" oder „Protein-Biochip" bezeichnet werden [de Wildt, R.M.T. et al., Nat Biotechnol, 18 (9), 989-94 (September 2000); Mendoza, G., Rio Techniques, 27 (4), 781-788 (1999); Bussow, K., et al., Genomic 65 1-8 (2000)]. Es wäre wünschenswert, solche Substrate bei einem wenigstens teilweise automatisierten Testverfahren verwenden zu können und bevorzugt eine Vielzahl von Substraten gleichzeitig bearbeiten zu können.
Inhalt der Erfindung
Die Erfindung stellt eine Testvorrichtung zur Verwendung bei der Durchführung eines chemischen Fluidphasen-Tests zur Verfügung, wobei die Vorrichtung umfasst: (i) eine Fluidsteuerungseinheit mit wenigstens einer Fluidsteuerungsvorrichtung; und (ii) Mittel, um ein Testsubstrat entfernbar außerhalb der Fluidsteuerungseinheit, aber angrenzend an diese so zu tragen, dass das so getragene Testsubstrat und die Einheit zusammen dazu dienen, eine Probenkammer zu bilden, die in Fluidkommunikation mit der Fluidsteuerungsvorrichtung steht und in der eine Fluidprobe in Kontakt mit dem getragenen Testsubstrat gehalten werden kann, wobei die Fluidsteuerungsvorrichtung eine Fluidauslasskammer in Fluidkommunikation mit der Probenkammer und eine verschiebbare flexible Membran aufweist, deren Verschiebung das Volumen der Auslasskammer ändert, um die Fluidströmung zwischen der Auslasskammer und der Probenkammer zu erzeugen und/oder zu ermöglichen und/oder einzuschränken.
Der Begriff „chemischer Fluidphasen-Test" bedeutet einen diagnostischen Test zum Bestimmen des Vorhandenseins und/oder der Quantität einer Zielspezies in einer Fluidprobe durch eine chemische Reaktion. Er schließt biochemische Tests wie z.B. zur Bestimmung einer Ziel-Nukleotidsequenz (DNS, RNS usw.) oder Protein oder Peptid ein. Er umfasst typischerweise die Verwendung einer Probenspezies, die auf einem Testsubstrat immobilisiert ist, mit dem die Probe in Kontakt gebracht wird, wobei die Probenspezies fähig ist, mit der Zielspezies zu reagieren, wobei durch diese Reaktion das Vorhandensein und/oder die Quantität der Zielspezies bestimmt werden kann. Die Reaktion umfasst in geeigneter Weise eine selektive Bindung der Probenspezies an die Zielspezies, wobei das gebundene Paar unter Verwendung herkömmlicher Techniken wie Fluoreszenz, Chemilumineszenz, Einfärbung und Ähnliches bestimmbar ist.
Die Mittel zum Tragen eines Testsubstrats können Mittel wie Klemmen, Federklammern und Ähnliches umfassen, um das Substrat in der Testvorrichtung an seinem Platz zu halten. Sie umfassen bevorzugt auch Dichtungsmittel wie eine geeignet geformte Dichtung oder eine O-Ring-Dichtung zum Abdichten von Kontaktflächen zwischen dem Testsubstrat und dem Rest der Vorrichtung, insbesondere als Hilfe beim Bilden der Probenkammer, und um ein Entweichen von Fluid aus dieser zu verhindern.
Die Testvorrichtung kann in der Lage sein, zwei oder mehr Testsubstrate zu tragen.
Die Probenkammer kann wenigstens teilweise von einem Testsubstrat gebildet werden, das im Gebrauch in der Vorrichtung getragen wird. Die Probenkammer sollte dann ein umschlossener Raum sein, abgesehen von Fluideinlassen und/oder -auslassen wie diejenigen, die für eine Fluidkommunikation mit der Fluidsteuerungsvorrichtung/den Fluidsteuerungsvorrichtungen sorgen. Bevorzugt ist das Kammervolumen klein, typischerweise zwischen 50 und 120 μl, beispielsweise zwischen 100 und 120 μl. Stärker bevorzugt kann sie eine dünne Lage des Probenfluids umschließen, beispielsweise mit einer Tiefe zwischen 50 und 100 μl, angrenzend an die aktive Oberfläche eines Testsubstrats, das in der Vorrichtung gehalten wird. Die „aktive Oberfläche" des Substrats ist derjenige Teil seiner Oberfläche, der eine oder mehrere Probenspezies trägt; die Probenkammer ermöglicht es dem eingeschlossenen Fluid idealerweise, die gesamte aktive Oberfläche zu kontaktieren. Die Abmessungen der aktiven Oberfläche betragen typischerweise ungefähr 20 mm auf 30 bis 65 mm.
Wiederum kann die Testvorrichtung zwei oder mehr Probenkammern umfassen, die im Gebrauch mit getrennten Testsubstraten oder mit verschiedenen Bereichen eines einzelnen Substrats in Verbindung stehen können.
Die Fluidsteuerungsvorrichtung kann ein Fluidströmungs-Steuerungsventil umfassen, beispielsweise zum Steuern der Einführung von Fluid in die Probenkammer und/oder zur Evakuierung von Fluid aus dieser. Sie kann eine Fluidagitationsvorrichtung zur Erzeugung einer Fluidbewegung in der Probenkammer umfassen, beispielsweise indem Fluid in die Probenkammer hinein und/oder aus dieser hinaus gezwungen wird. Sie kann eine Fluidspeicherungsvorrichtung umfassen, in der eine Menge an Fluid gehalten werden kann, bevor sie in die Probenkammer oder einen anderen Teil der Testvorrichtung eingeführt wird oder nachdem sie daraus evakuiert wurde. (Der Begriff „umfassen" wird in dieser Beschreibung in der Bedeutung von „sein" oder „aufweisen" verwendet.)
Die Fluidsteuerungsvorrichtung ist bevorzugt selbst durch Verwendung eines Steuerungsfluids steuerbar, das in einen Bereich der flexiblen Membran so zugeführt werden kann, dass Abweichungen des Steuerungsfluiddrucks eine Verschiebung (wobei dieser Begriff eine Verformung einschließt) der Membran verursachen. Die Fluidsteuerungsvorrichtung umfasst daher bevorzugt eine Steuerungskammer und eine Steuerungsdurchlassöffnung, durch die Steuerungsfluid in die Steuerungskammer eingeführt werden kann, wobei die Membran zwischen der Steuerungskammer und der Fluidauslasskammer so angeordnet ist, dass eine Verschiebung der Membran, die durch Druckänderungen in dem Steuerungsfluid, das der Steuerungskammer zugeführt wird, das Volumen der Auslasskammer ändert. Ein geeignetes Steuerungsfluid ist komprimierte Luft, obwohl viele andere mit Druck beaufschlagte Flüssigkeiten oder Gase mit der gleichen Wirkung verwendbar sein können.
Stattdessen oder zusätzlich kann die Fluidsteuerungsvorrichtung wenigstens teilweise gesteuert werden, indem der Druck eines oder mehrerer der ihr zugeführten anderen Fluide (z.B. Proben- oder Reagensfluide) geändert wird.
Die flexible Membran sollte wenigstens an ihrer Oberfläche aus einem Material hergestellt sein, das bezüglich der Reagenzien, die im Gebrauch die Testvorrichtung durchlaufen, inert ist. Es muss ausreichend elastisch sein, um bei den Fluiddrücken, denen es wahrscheinlich ausgesetzt ist, auf die erforderliche Art zu funktionieren, d.h. um zwischen den erforderlichen Betriebsstellungen verschiebbar und/oder verformbar zu sein. Geeignete Membranmaterialien umfassen Silikongummiarten mit einer Shore-A-Härte von 40 bis 60 und einer Dicke zwischen 0,3 und 2 mm, typischerweise 1 mm. Diese können fakultativ mit Polyethylen niedriger oder hoher Dichte (LDPE oder HDPE) oder Polypropylen mit einer Schichtdicke zwischen 10 und 100 μm beschichtet sein.
Wenn die Fluidsteuerungsvonrichtung ein Ventil umfasst, weist sie bevorzugt zusätzlich eine Fluideinlasskammer auf, wobei die flexible Membran zwischen einer ersten Position, bei der sie eine Fluidkommunikation zwischen der Fluideinlasskammer und der Fluidauslasskammer einschränkt oder verhindert, und einer zweiten Position, in der eine Fluidkommunikation zwischen der Einlasskammer und der Auslasskammer möglich ist, verschiebbar ist.
Die Einlass- und die Auslass"kammer" können die Form von Fluidleitungen haben. Die Kommunikation zwischen ihnen kann direkt oder über eine oder mehrere Zwischenkammern und/oder -leitungen erfolgen. Allgemein bedeutet in dieser Beschreibung der Begriff „Fluidkommunikation" sowohl die direkte als auch die indirekte Kommunikation, bevorzugt allerdings die direkte, sofern nicht anders angegeben.
Wenn die Fluidsteuerungsvorrichtung eine Fluidagitationsvorrichtung umfasst, ist die Membran wiederum bevorzugt zwischen einer Steuerungskammer und der Fluidauslasskammer so angeordnet, dass eine Verschiebung der Membran, die durch Druckänderungen in dem Steuerungsfluid verursacht wird, das der Steuerungskammer zugeführt wird, das Volumen der Auslasskammer ändert. Auf diese Art kann eine Verschiebung der Membran bewirken, dass Fluid entweder in die Probenkammer oder aus dieser heraus gezwungen wird, wodurch eine Fluidbewegung in der Probenkammer erzeugt wird. Eine solche Bewegung ist allgemein wünschenswert, um ein homogenes Probenfluid beizubehalten und daher die Genauigkeit und Empfindlichkeit eines Tests zu erhöhen.
Bevorzugt weist die erfindungsgemäße Testvorrichtung zwei solche Fluidagitationsvorrichtungen auf, die reziprok betätigt werden können, um Fluid durch die Probenkammer hin und her zu bewegen. Bei einer solchen Anordnung kommunizieren die beiden Agitationsvorrichtungen bevorzugt mit gegenüberliegenden Enden der Probenkammer oder wenigstens mit zwei beabstandeten Bereichen der Probenkammer.
Wenn die Fluidsteuerungsvorrichtung eine Fluidspeichervorrichtung aufweist, umfasst diese bevorzugt eine Fluideinlassöffnung zur Aufnahme von Fluid (typischerweise ein Probenfluid) und eine Fluidspeicherkammer in Fluidkommunikation mit der Einlassöffnung, um Fluid zu halten, das an der Einlassöffnung aufgenommen wurde. Die Membran hat dann bevorzugt die Funktion, eine Bewegung von Fluid in die Speicherkammer und aus dieser heraus zu steuern, wobei sie zwischen einer ersten Position, in der Fluid in der Speicherkammer gehalten wird, und einer zweiten Position, in der Fluid aus der Speicherkammer und in die Auslasskammer gezwungen wird, verschiebbar ist. Die Steuerung der Membran, um sie zwischen dieser ersten und zweiten Position zu verschieben, kann mittels eines angeschlossenen Ventils und/oder durch Erzeugen einer Druckänderung an einem anderen Teil der Steuerungsvorrichtung bewirkt werden, beispielsweise direkt an der Speicherkammer, insbesondere durch Zufuhr von Steuerungsfluid zu der Membran, um sie innerhalb der Speicherkammer zu verschieben.
Die Kommunikation zwischen der Speicher- und der Auslasskammer kann über eine Zwischenkammer erfolgen. Weiterhin kann ein einziger Durchlass sowohl als Einlass als auch als Auslass wirken, wobei die relativen Fluiddrücke (i) in der Speicherkammer und/oder der Zwischenkammer und (ii) an der Einlass-/Auslassöffnung die Richtung der Fluidströmung bestimmen und die Membranposition die Strömung entweder zulässt oder verhindert, wie gewünscht. Diese Anordnung kann in wirksamer Weise eine Kombination einer Fluidspeichervorrichtung und eines membranbetätigten Ventils umfassen, um die Einführung von Fluid in sie hinein zu steuern, beispielsweise über die Zwischenkammer.
Die Speicherkammer hält typischerweise ein geringes Volumen, beispielsweise zwischen 50 und 200 μl, bevorzugt zwischen 100 und 150 μl Fluid. Idealerweise hält sie wenigstens genug Fluid, um die angeschlossene Probenkammer zu füllen; eine 90-μl-Probenkammer kann beispielsweise mit einer 150-μl-Speicherkammer in Verbindung stehen, die natürlich teilweise gefüllt werden kann, wenn dies angemessen ist. Die Speicherkammer ist besonders für die Speicherung kleiner Quantitäten von in geringen Mengen vorhandenen Probenfluiden geeignet, die zuvor in die Testvorrichtung geladen und in unmittelbarer Nähe der Probenkammer gespeichert werden können, um zu einem geeigneten Punkt während eines Tests in die Probenkammer eingeführt zu werden.
Wenn die Fluidsteuerungsvorrichtung eine Fluideinlassöffnung oder -einlassleitung aufweist, kann die Öffnung oder Leitung eine beliebige Größe und Form haben, die geeignet ist, die Einführung von Fluid beispielsweise von einer Quelle an einem anderen Ort in der Testvorrichtung oder im Fall eines Probenfluids zweckmäßigerweise über eine Nadel oder Pipette zu ermöglichen. Die Einlassöffnung oder -leitung kann beispielsweise eine Öffnung zum Äußeren der Vorrichtung haben, wobei die Öffnung für die Aufnahme einer Pipette oder eines anderen Fluideinführungsmittels angepasst ist.
Die Fluidsteuerungsvorrichtung kann eine Fluidladevorrichtung umfassen, in die Fluide geladen werden können und/oder aus dieser evakuiert werden können und/oder entweder von außerhalb der Testvorrichtung oder von einer anderen Komponente/anderen Komponenten innerhalb der Testvorrichtung transferiert werden können. Eine solche Fluidladevorrichtung umfasst ein Aufnahmegefäß, z.B. ein schalen- oder schüsselförmiges Aufnahmegefäß, um Fluid aufzunehmen, das beispielsweise aus einer externen Quelle in dieses eingeführt wird. Bevorzugt ist das Aufnahmegefäß direkt von außerhalb der Testvorrichtung zugänglich, und am stärksten bevorzugt ist es dafür angepasst, ein Fluideinführungsmittel wie eine Pipette aufzunehmen.
Ein schalen- oder schüsselförmiges Aufnahmegefäß kann zweckmäßigerweise in der äußeren Oberfläche einer Platte oder eines Blocks vorgesehen sein, der einen Teil der Testvorrichtung bildet, wie oben beschrieben. Seine Kapazität kann geeigneterweise zwischen 10 und 500 μl liegen, bevorzugt zwischen 50 und 100 μl, abhängig von der vorgesehenen Verwendung. Es hat wenigstens einen ersten Auslass, der Fluidkommunikation mit einem anderen Teil der Testvorrichtung ermöglicht, typischerweise einer Fluidspeichervorrichtung oder der Probenkammer, wobei diese Kommunikation zweckmäßigerweise über eine andere Fluidsteuerungsvorrichtung, z.B. ein Ventil, stattfindet.
Das Aufnahmengefäß hat bevorzugt auch einen zweiten Auslass, durch den Fluid evakuiert werden kann, typischerweise als Abfall. Die Orte des ersten und des zweiten Auslasses hängen von ihren vorgesehenen Funktionen ab; zweckmäßigerweise ist der zweite im Gebrauch auf einem höheren Fluidniveau innerhalb des Aufnahmegefäßes angeordnet als der erste.
Bevorzugt steht wenigstens der erste Auslass in direkter Fluidkommunikation mit einem Ventil, um die Fluidströmung in die Fluidladevorrichtung und/oder aus dieser heraus zu steuern. Noch stärker bevorzugt steht der erste Auslass in direkter Fluidkommunikation mit der Fluideinlasskammer eines Ventils des oben beschriebenen Typs, das über eine verschiebbare flexible Membran betätigt wird, oder bildet selbst diese Fluideinlasskammer.
Daher ist bei einer Fluidsteuerungsvorrichtung (insbesondere bei einem Ventil), die Teil einer erfindungsgemäßen Testvorrichtung bildet, jede Fluideinlasskammer oder -öffnung bevorzugt eine Fluidladevorrichtung des oben beschriebenen Typs oder umfasst eine solche.
Die erfindungsgemäße Testvorrichtung umfasst bevorzugt mehr als eine, typischerweise zwei oder mehr, beispielsweise zwei solcher Fluidladevorrichtungen, die dann dazu verwendet werden können, um Fluide von außen zu laden und/oder um Fluide zwischen anderen Komponenten der Vorrichtung zu transferieren (z.B. Probenkammem, Fluidspeichervorrichtungen und Reagens- oder andere Fluidquellen). Jede Ladevorrichtung kann mit einer oder mehreren Speichervorrichtungen und/oder Probenkammern und/oder mit einer oder mehreren Fluidladevorrichtungen so in Verbindung (d.h. in direkter oder indirekter Fluidkommunikation) stehen, dass Fluid zwischen den Ladevorrichtungen beispielsweise über eine auf übliche Art angeschlossene Speichervorrichtung transferiert werden kann. Die Kapazität jeder Ladevorrichtung (d.h. ihres Fluidaufnahmegefäßes) ist idealerweise größer als die einer angeschlossenen Probenkammer und/oder Speichervorrichtung, um einen Betrag, der ausreicht, um Verluste und „tote" Volumina aufzunehmen und trotzdem genug Fluid zu liefern, um die entsprechende Kammer/Vorrichtung zu füllen. Ihre Kapazität kann beispielsweise zwischen 10 und 100 % größer als die der angeschlossenen Kammer/Vorrichtung sein.
Die erfindungsgemäße Testvorrichtung umfasst bevorzugt mehr als eine Fluidsteuerungsvorrichtung der oben beschriebenen Typen. Sie kann beispielsweise sowohl ein Fluideinlass- als auch ein Fluidauslassventil umfassen, das jeweils die Einführung von Fluid in die Probenkammer und die Evakuierung von Fluid aus dieser steuert. Sie kann mehr als ein Fluideinlassventil umfassen, was die Einführung von mehr als einem Fluid in die Probenkammer ermöglicht. Fluideinlassventile können auch vorgesehen sein, um die Einführung von Fluid(en) in eine oder mehrere Fluidspeichervorrichtungen zu steuern. Die Testvorrichtung kann eine oder mehrere Fluidaufnahmeöffnungen umfassen, die mit einem oder mehreren der Einlassventile in Verbindung stehen. Bevorzugt umfasst sie zusätzlich eine oder mehrere Fluidagitationsvorrichtungen, bevorzugt wenigstens zwei. Stärker bevorzugt umfasst sie zusätzlich eine oder mehrere Fluidspeichervorrichtungen, in denen Fluid in unmittelbarer Nähe zu der Probenkammer gehalten werden kann. Nicht alle Fluidsteuerungsvorrichtungen müssen in direkter Fluidkommunikation mit der Probenkammer stehen.
Idealerweise umfasst die Testvorrichtung wenigstens drei, stärker bevorzugt wenigstens vier oder fünf oder sechs Fluidsteuerungsvorrichtungen, deren Fluiddurchlassöffnungen und -kammern innerhalb einer einzelnen Einheit ausgebildet sind, die auch wenigstens teilweise dazu dienen kann, ein Testsubstrat zu tragen. Die Testvorrichtung kann somit einteilige Fluidsteuerungsvorrichtungen umfassen, die von außen mit einer geeigneten Probe, einem geeigneten Reagens sowie geeigneten Wasch- und Steuerungsfluiden zugeführt werden können. Dies ermöglicht es, die Vorrichtung relativ einfach und kompakt zu konstruieren. Es vereinfacht auch eine unabhängige Temperatursteuerung, Strömungsgeschwindigkeitsanalyse und andere notwendige Prozesse für ein Testsubstrat, das in der Vorrichtung gehalten wird.
Die Einheit, in der die Fluidsteuerungsvorrichtungen vorgesehen sind, kann beispielsweise einen Block oder eine Platte umfassen, die aus einem geeigneten Material hergestellt ist, wie z.B. Metall oder Kunststoff, in der die nötigen Fluidkammern, -leitungen und -durchlassöffnungen spanabhebend bearbeitet, geformt oder auf ähnliche Art bereitgestellt werden können. Kammern, Leitungen und Durchlassöffnungen können an der Seite eines solchen Blocks oder einer solchen Platte vorgesehen sein und können wenigstens teilweise durch eine Versiegelungsschicht gebildet sein, beispielsweise eine Dichtung, die an diese Seite angrenzend angeordnet ist.
Noch stärker bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Testvorrichtung eine einzelne flexible Membran, die zu mehr als einer – idealerweise zu allen – ihrer Fluidsteuerungsvorrichtungen gehört. Mit anderen Worten, eine einzelne Membran ist dafür vorgesehen, mehr als eine Funktion an verschiedenen Stellen in der Testvorrichtung zu erfüllen, wobei die Stellen den jeweiligen Fluidkammern in den Fluidsteuerungsvorrichtungen entsprechen. Typischerweise ist ein getrenntes Mittel zur Steuerung des Betriebs der Vorrichtung an jeder dieser Stellen nötig; dies kann eine getrennte Steuerungskammer oder eine getrennte Steuerungsdurchlassöffnung umfassen, um ein Steuerungsfluid an der entsprechenden Stelle mit der Membran in Kontakt zu bringen, um eine lokale Verschiebung der Membran zu bewirken. Alle Steuerungsdurchlassöffnungen können im Gebrauch mit Steuerungsfluid aus einer einzigen Quelle gespeist werden, fakultativ mit einem getrennten Ventil oder anderen Mitteln zur Steuerung der Zufuhr von Fluid zu jeder Steuerungsdurchlassöffnung. Diese Merkmale können ebenfalls die Konstruktion der Testvorrichtung vereinfachen.
Die Membran kann beispielsweise zwischen zwei angrenzenden Platten oder Blöcken angeordnet sein, von denen jeder bestimmte Fluidkammern und -kanäle bietet, die einen Teil der Fluidsteuerungsvorrichtungen bilden. Bei einer stärker bevorzugten Ausführungsform umfasst die Testvorrichtung mehr als zwei (beispielsweise drei) übereinander gestapelte Platten, wobei eine Membran zwischen jedem Paar angrenzender Platten angeordnet ist, so dass verschiedene Fluidsteuerungsvorrichtungen von verschiedenen Plattenpaaren gebildet werden können. Dies erhöht die Vielseitigkeit des Systems und ermöglicht, eine größere Vielfalt von Vorrichtungen in einer einzelnen Einheit und in einer größeren Vielfalt von Stellen innerhalb dieser Einheit vorzusehen.
Eine oder mehrere der Platten können auch als Träger für ein Testsubstrat verwendet werden.
In Bereichen der Vorrichtung, in denen die Membran mit den Rändern einer Fluidleitung oder -kammer, die in einer angrenzenden Platte oder einem angrenzenden Block ausgebildet ist, in Kontakt steht und eine Abdichtung um diese bildet, können angehobene Oberflächenelemente (z.B. Wulste) oder andere Formen der Oberflächenprofilierung angrenzend oder nahe am Umfang der Leitung oder Kammer vorgesehen sein, um im Bereich des Leitungs- oder Kammerumfangs die Kraft zu verstärken, die aufgebracht wird, um die Membran angrenzend an die Platte oder den Block an ihrer Stelle festzuklemmen. Eine solche Oberflächenprofilierung kann an der Oberfläche (den Oberflächen) einer oder beider Platten vorgesehen sein, zwischen denen die Membran festgeklemmt wird (bevorzugt derjenigen, in der die entsprechende Leitung oder Kammer gebildet wird), und/oder an der Membran selbst.
Idealerweise weist die erfindungsgemäße Testvorrichtung auch eine Fluidverteilungsanordnung auf, mittels derer das nötige Fluid/die nötigen Fluide aus externen Quellen in die Vorrichtung eingeführt werden können und anschließend aus der Vorrichtung entfernt werden können. Diese Anordnung weist typischerweise eine oder mehrere Fluideinlassöffnungen, die direkt oder indirekt mit externen Quellen z.B. für Reagens und Waschfluide verbunden werden können, sowie eine oder mehrere Leitungen auf, durch die Fluid von der Einlassöffnung/den Einlassöffnungen zu der Fluidsteuerungsvorrichtung/den Fluidsteuerungsvorrichtungen der Testvorrichtung gelangen kann. Sie weist auch eine oder mehrere Fluidauslassöffnungen, die direkt oder indirekt z.B. mit einem Abfallbehälter verbunden werden können, sowie eine oder mehrere Leitungen auf, durch die Fluid von der Testvorrichtung zu der Auslassöffnung/den Auslassöffnungen gelangen kann.
Wiederum können die nötigen Fluidkanäle in einer Einheit wie einer Platte oder einem Block, die bezüglich der Fluidsteuerungsvorrichtung(en) der Testvorrichtung geeignet positioniert ist, gebohrt, extrudiert, spanabhebend bearbeitet oder geformt werden. Kammern, Leitungen und Durchlassöffnungen können an der Seite einer solchen Platte oder eines solchen Blocks vorgesehen sein und können wenigstens teilweise von einer Abdichtungsschicht gebildet sein, z.B. einer Dichtung, die angrenzend an diese Seite angeordnet ist. Am stärksten bevorzugt sind die Fluiddurchlassöffnungen und -leitungen der Verteilungsbaugruppe in derselben Platte oder demselben Block vorgesehen, in dem die Fluidsteuerungsvorrichtungen oder Teile davon angeordnet sind, oder wenigstens in einer angrenzenden Platte oder einem angrenzenden Block.
Die Einlassöffnungen der Verteilungsbaugruppe können in bestimmten Fällen denen der Fluidsteuerungsvorrichtungen entsprechen und können beispielsweise Fluidladevorrichtungen des oben beschriebenen Typs umfassen. Eine oder mehrere der Einlassöffnungen können dem Einlass eines Steuerungsfluids wie z.B. komprimierter Luft dienen.
Das Vorsehen einer solchen Fluidverteilungsbaugruppe ermöglicht, eine Vielzahl (oft eine sehr große Anzahl) von Testvorrichtungen mit einem gemeinsamen Satz von Fluidzufuhr- und Abfuhrleitungen und mit den Steuerungen für diese Fluidleitungen zu verbinden und daher gleichzeitig in einer einzigen Testvorrichtung zu bearbeiten.
Eine erfindungsgemäße Testvorrichtung kann in Kombination mit einem Testsubstrat vorgesehen sein, auf dem eine oder mehrere Probenspezies immobilisiert sind. Das Substrat kann z.B. ein Glas-Objektträger sein. Die Probenspezies kann auf beliebige bekannte Art auf dem Substrat immobilisiert werden. Bevorzugt trägt das Substrat eine Vielzahl (beispielsweise bis zu ungefähr 100.000, typischerweise zwischen ungefähr 5.000 und 20.000) immobilisierter Probenspezies, in beliebiger geeigneter Anordnung, wie z.B. einem Feld.
Eine erfindungsgemäße Testvorrichtung weist bevorzugt Mittel zum Steuern der Temperatur in der Probenkammer auf; dies kann besonders in dem Fall nützlich sein, wenn ein biochemischer Test in der Vorrichtung durchgeführt werden soll, der thermische Kreisläufe beinhaltet. Die Temperatursteuerungsmittel können herkömmliche Vorrichtungen wie Heißluftgebläse, Öfen, Ventilatoren, Fluiderwärmungs- oder -abkühlungsbäder usw. umfassen. Die Testvorrichtung kann beispielsweise einen Kühlkörper von herkömmlichem Aufbau umfassen, der beispielsweise durch einen Ventilator gekühlt werden kann, der ein Kühlfluid (wie z.B. Luft) durch darin vorgesehene Kanäle zwingt und der bevorzugt auch z.B. elektrisch beheizt werden kann. Wärme kann dann durch Leitung zwischen dem Kühlkörper und dem Rest der Vorrichtung strömen, wenigstens in dem Bereich der Probenkammer.
Stattdessen oder zusätzlich können die Temperatursteuerungsmittel Kanäle innerhalb der Vorrichtung oder in der sie umgebenden Vorrichtung umfassen, durch die das Strömen eines Erwärmungs-/Kühlfluids bewirkt werden kann. Dieses Fluid kann durch beliebige zweckmäßige Mittel extern erwärmt und/oder gekühlt werden, z.B. durch elektrische Widerstandsheizungen, erzwungene (oder natürliche) luftgekühlte Wärmetauscher oder Peltier-Vorrichtungen. Es kann durch Konvektion oder bevorzugt mittels einer Pumpe zirkuliert werden. Eine solche Art der Temperatursteuerung kann eine verbesserte Gleichmäßigkeit der Temperatur bewirken, sowohl an dem Testsubstrat als auch zwischen Testvorrichtungen, wenn mehrere zusammen bearbeitet werden sollen. Sie kann schnellere Temperaturänderungen ermöglichen, insbesondere wenn mehrere externe Behälter mit Erwärmungs-/Kühlfluid auf verschiedenen gewünschten Temperaturen gehalten werden, um zu geeigneten Zeitpunkten der Testvorrichtung zugeführt zu werden. Im Gebrauch können mehrere Testvorrichtungen durch eine gemeinsame Quelle oder gemeinsame Quellen von Erwärmungs-/Kühlfluid(en) gespeist werden.
Für eine effizientere Erwärmung und/oder Kühlung wird die Testvorrichtung oder – falls zutreffend – Gruppen von Testvorrichtungen bevorzugt in einer Kammer eingeschlossen, um sie von angrenzenden Testvorrichtungen und von der Umgebung zu isolieren.
Vorrichtungen zur Durchführung eines chemischen Fluidphasentests können eine erfindungsgemäße Testvorrichtung umfassen. Eine solche Vorrichtung umfasst bevor zugt eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Testvorrichtungen. Sie kann eine oder mehrere Test"stationen" umfassen, von denen jede eine Vielzahl von Testvorrichtungen aufnehmen kann. Jede Station weist idealerweise eine angeschlossene Fluidverteilungsbaugruppe auf, die mit denen ihrer Testvorrichtungen kommuniziert, um zu ermöglichen, dass geeignete Fluide den Testvorrichtungen zugeführt werden und verbrauchte Fluide entfernt und entsorgt werden.
Eine solche typische Teststation kann in der Lage sein, z.B. wenigstens vier oder sechs oder zehn oder zwölf oder sechzehn Testvorrichtungen zu tragen. Die Vorrichtung kann beispielsweise wenigstens drei oder vier oder fünf oder zehn Teststationen aufweisen. Dies ermöglicht eine simultane Durchführung einer großen Anzahl von Tests, jeder in einer entsprechenden Testvorrichtung, und ist besonders gut für eine wenigstens teilweise Automatisierung geeignet, beispielsweise unter der Steuerung eines Mikroprozessors. Idealerweise kann die Fluidbewegung durch jede Testvorrichtung und/oder Teststation unabhängig gesteuert werden. Ähnlich kann die Betriebstemperatur für wenigstens jede individuelle Teststation unabhängig gesteuert werden.
Eine Fluidsteuerungseinheit zur Verwendung als Teil einer erfindungsgemäßen Testvorrichtung umfasst eine Fluidsteuerungsvorrichtung, die eine Fluidauslasskammer umfasst, die mit einer im Gebrauch befindlichen Testvorrichtungs-Probenkammer verbunden werden kann, sowie eine verschiebbare flexible Membran, deren Verschiebung das Volumen der Fluidauslasskammer ändert, um im Gebrauch eine Fluidströmung zwischen der Fluidauslasskammer und der Probenkammer zu bewirken und/oder ermöglichen und/oder einzuschränken. Die Einheit umfasst bevorzugt eine Vielzahl solcher Fluidsteuerungsvorrichtungen, die (wie oben) jeweils ein oder mehrere Ventile, Fluidagitationsvorrichtungen, Fluidspeichervorrichtungen und/oder Fluidladevorrichtungen aufweisen können.
Die Einheit ist bevorzugt aus zwei oder mehr angrenzenden Platten aufgebaut, die eine flexible Membran aufweisen, die zwischen jedem Paar angrenzender Platten angeordnet ist, wobei wenigstens einige der Fluidkammern und Durchlassöffnungen der Fluidsteuerungsvorrichtung(en) in den Seiten der Platten ausgebildet sind, die an die Membran(en) angrenzen. Eine der Platten kann im Gebrauch auch als Träger für ein Testsubstrat dienen. Die Einheit umfasst bevorzugt auch Mittel (wie Fluideinlassöff nungen und Fluidauslassöffnungen), um sie mit externen Fluideinlass- und -auslassleitungen (die beispielsweise zu Fluidquellen und/oder zum Abfall führen), mit einer oder mehreren Zuleitungen eines Steuerungsfluids wie komprimierte Luft und/oder mit einer Probenkammer zu verbinden, wenn die Einheit einen Teil einer vollständigen Testvorrichtung bildet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann wenigstens teilweise automatisierte Steuerungsmittel aufweisen, die z.B. einen Rechner umfassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In den beigefügten darstellenden Zeichnungen zeigt:
1 eine Vorrichtung zur Durchführung eines chemischen Fluidphasentests;
2 eine der Teststationen A bis D aus der Vorrichtung von 1;
3 die Fluidsteuerungsvorrichtungen für eine der in 2 gezeigten Kassetten;
4a und 4b eine stilisierte „Draufsicht" bzw. eine teilweise Explosions-Querschnittsansicht eines der in 3 gezeigten Ventile;
5a und 5b eine stilisierte Draufsicht bzw. einen Querschnitt eines alternativen Ventils, das in der Kassette von 3 verwendet werden kann;
6 einen Querschnitt durch eine der in 3 gezeigten Fluidagitationsvorrichtungen;
7a und 7b eine stilisierte Draufsicht bzw. einen Querschnitt einer Kombination aus Fluidsteuerungsvorrichtungen wie den in 4 bis 6 gezeigten;
8a und 8b eine stilisierte Draufsicht bzw. einen Querschnitt einer alternativen Kombination von Fluidsteuerungsvorrichtungen;
9a und b eine stilisierte Draufsicht bzw. eine perspektivische Ansicht einer Fluidsteuerungseinheit zur Verwendung in der Vorrichtung von 1 und 2;
10 einen Schnitt durch eines der in 9a gezeigten Ventile;
11a und 11b eine stilisierte Draufsicht bzw. einen Querschnitt einer Probenkammer einer der in 2 gezeigten Kassetten;
12 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Testvorrichtung zur Verwendung in dem Gerät von 1;
13a und 13b eine stilisierte Draufsicht bzw. einen Querschnitt eines Teils einer Teststation zur Verwendung in dem Gerät von 1;
14 einen Querschnitt durch eine Strömungsgeschwindigkeits-Beobachtungsvorrichtung zur Verwendung in dem Gerät von 1;
15 einen Querschnitt durch einen Teil einer Teststation des in 13 gezeigten Typs in Kombination mit Temperatursteuerungsmitteln;
16a eine Seitenansicht und
16b eine stilisierte Draufsicht einer „abgeschalteten" Kassette aus der Teststation von 13,
17a und 17b eine stilisierte Draufsicht bzw. einen Querschnitt eines alternativen Ventiltyps zur Verwendung in erfindungsgemäßen Testvorrichtungen;
18 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform des Ventils von
17;
19 einen Querschnitt durch eine alternative Ausführungsform des Ventils von 17;
20 einen Querschnitt durch eine Fluidladevorrichtung zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Testvorrichtung;
21 einen Schnitt durch einen Teil der Vorrichtung von 20 während eines typischen Fluidladevorgangs;
22 eine Anordnung von Fluidladevorrichtungen und anderen Fluidsteuerungsvorrichtungen, die in einer erfindungsgemäßen Testvorrichtung verwendet werden können;
23a, b und c Schnitte durch Teile von Fluidsteuerungsvorrichtungen, die einen alternativen Aufbau darstellen;
24a und b jeweils einen Schnitt durch einen Teil einer Fluidsteuerungsvorrichtung und eine stilisierte Draufsicht darauf;
24c einen Schnitt entsprechend dem von 24b, der die Vorrichtung im Gebrauch zeigt;
25 einen Schnitt entsprechend dem von 24a, jedoch durch einen Teil einer alternativen Fluidsteuerungsvorrichtung; und
26a und 26b eine stilisierte Draufsicht bzw. einen Querschnitt eines alternativen Ventiltyps zur Verwendung in erfindungsgemäßen Testvorrichtungen.
Alle Zeichnungen sind schematisch.
Ausführliche Beschreibung
Die Vorrichtung zur Durchführung chemischer Tests sowie erfindungsgemäße Testvorrichtungen werden im Folgenden lediglich beispielartig unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt schematisch die Vorrichtung zur Verwendung bei der Durchführung mehrerer simultaner chemischer Tests, insbesondere unter Verwendung von Proteinfeldern. Die Vorrichtung umfasst Behälter 1 der erforderlichen Reagensfluide (einschließlich Puffer, Detergenzien, Katalysatoren, Waschlösungen und Ähnliches, und typischerweise auch destilliertes Wasser und/oder andere Lösungsmittel für eine insitu-Verdünnung anderer Reagenzien). Eine geeignete Anzahl von Fluidzufuhrleitungen, die hier schematisch als eine einzige Leitung 2 dargestellt sind, trägt Fluide von den Behältern 1 zu Teststationen 3, von denen jede mehrere Objektträger"kassetten" umfasst, wie unten im Zusammenhang mit 2 und 3 beschrieben. Die Teststationen sind hier mit A bis D bezeichnet; es kann eine beliebige gewünschte Zahl solcher Stationen vorgesehen sein, die aus den gleichen Fluidbehältem gespeist werden. Die Vorrichtung ermöglicht es, alle Stationen simultan zu bearbeiten, aber auch unabhängig voneinander, falls erforderlich.
Die Zufuhrleitung 4 transportiert ein Steuerungsfluid wie komprimierte Luft über eine Pumpe 5 zu jeder der Teststationen 3. Leitungen 6 transportieren Fluide von den Teststationen zu einem Abfallbehälter 7.
2 zeigt ebenfalls schematisch eine der Teststationen A bis D aus der Vorrichtung von 1. Die Station trägt eine geeignete Anzahl, in diesem Fall zwölf, Objektträger"kassetten" 8. Jede Kassette hält ein Testsubstrat, typischerweise einen Mikroskop-Objektträger mit einem Feld von Probenmaterialien (beispielsweise Antigene und/oder Antikörper), die darauf immobilisiert sind. Jede Kassette liefert auch in Verbindung mit der Teststation die Fluidsteuerungsvorrichtungen, die notwendig sind, um Fluide zu dem Testsubstrat, das sie hält, und von diesem weg zu leiten; diese Vorrichtungen sind unten im Zusammenhang mit 3 bis 10 und 17 bis 25 beschrieben.
Die Teststation weist auch Fluidleitungen, -ventile und pumpen auf, um die Strömung von Reagenzien und Steuerungsfluiden in die und aus den Objektträgerkassetten zu steuern. Die Fluidzufuhrleitung 4 transportiert das Steuerungsfluid (in diesem Fall komprimierte Luft) zu den Objektträgerkassetten über eine entsprechende Anzahl Ventile 9. Reagensfluide werden den Kassetten über Fluidzufuhrleitungen 10 (entsprechend der Leitung 2 in 1), Wahlventile 11, Pumpen 12 und einen weiteren Mischer 13 zugeführt. Eine beliebige gewünschte Zahl von Ventilen 11, Pumpen 12 und Mischern 13 kann in der Praxis je nach Bedarf verwendet werden. Ein „Reinigungsventil" 14 ermöglicht es, die Fluidleitungen in der Station mit einem ausgewählten Reagensfluid unter Umgehung der Objektträgerkassetten 8 zu reinigen (Behälter 7, wie in 1 gezeigt), wobei eine Entsorgung zum Abfalls stattfindet. Durch die Kassetten gepumpte Fluide werden zu einer einzelnen Auslassleitung 15 (entsprechend 6 in 1) und von dort in den Abfallbehälter abgeführt.
Die Vorrichtung von 2 weist ein Fluidverteilungssystem auf, das es ermöglicht, die relativen Konzentrationen bestimmter Reagensfluide automatisch und kontinuierlich zu variieren.
Jedes Ventil 11 kann in diesem Fall ausgewählt werden, ein Paar Fluide, z.B. entweder die von der Leitung 10a transportierten oder die von der Leitung 10b transportierten, in eine Pumpe 12 zu speisen. Der Ausstoß von zwei oder mehr (in diesem Fall allen drei) der Pumpen 12 wird in der Mischvorrichtung 13 kombiniert, und die entstandene Mischung kann anschließend den Objektträgerkassetten zugeführt werden. Wenn nur eine der Pumpen 12 betätigt wird, wird nur ein einziges Fluid an die Kassetten geschickt. Wenn mehr als eine der Pumpen betätigt wird, kann eine Mischung aus Fluiden zuge führt werden. Durch Variieren der Pumpgeschwindigkeit für jede Pumpe kann dann der gesamte Pumpenvolumenstrom ebenso gesetzt werden wie das Mischverhältnis/die Mischverhältnisse zwischen den Fluiden, die den Pumpen zugeführt werden. Auf diese Art kann entweder ein vorher gesetztes Mischverhältnis erzielt werden oder die Zusammensetzung der Fluidmischung kann mit der Zeit variiert werden, wenn die Pumpen mit gesteuerter, mit der Zeit variierender Geschwindigkeit betätigt werden. Beispielsweise können zwei Pumpen mit konstanter kombinierter Pumpgeschwindigkeit betrieben werden, wobei aber ihr Pumpgeschwindigkeitsverhältnis zwischen 1:0 und 0:1 variiert. Die Zusammensetzung der entstehenden Fluidmischung kann dadurch von 100 % eines Fluids zu 100 % eines anderen variiert werden, wobei die Variation einem beliebigen gewünschten Zeitmuster folgt, entweder kontinuierlich oder schrittweise.
Diese Anordnung ist besonders nützlich z.B. bei der Zufuhr von Waschlösungen mit verschiedenen Konzentrationen zu den Testsubstraten. Eine konzentrierte Waschlösung kann einer der Pumpen 12 und ein Verdünnungsmittel wie destilliertes Wasser einer anderen zugeführt werden, was es ermöglicht, die Waschlösung auf einen beliebigen gewünschten Grad zu verdünnen, indem die beiden Pumpgeschwindigkeiten geändert werden.
Wenn drei Pumpen vorhanden sind, wie in 2 gezeigt, können zwei von ihnen verwendet werden, um konzentrierte aktive Ingredienzien zu pumpen, mit variabler Mischung der beiden, während die dritte ein Verdünnungsmittel (wiederum typischerweise Wasser) pumpt, um die Gesamtkonzentration der aktiven Ingredienzienmischung zu setzen. Dadurch muss die Vorrichtung von 1 nur aus kleineren Flaschen konzentrierter aktiver Ingredienzien gespeist werden. Die Pumpen 12 sind bevorzugt verdrängerartig, z.B. Kolben-, Peristaltik-, Zahnrad- oder Membranpumpen. Um ihre Pumpgeschwindigkeit zu variieren werden sie bevorzugt mit einer elektronischen Drehzahlsteuerung angetrieben, die fakultativ einen Mikroprozessor aufweist, um die Pumpgeschwindigkeit zu berechnen und ihre zeitliche Variation zu steuern.
Eine Alternative zu den Pumpen 12 mit variabler Geschwindigkeit ist das Vorsehen variabler Ventile in Zufuhrleitungen für mit Druck beaufschlagtes Fluid. Die Fluidströmungsgeschwindigkeiten stromabwärts der Ventile hängen von den stromaufwärtigen Drücken, den Ventilöffnungen und dem Staudruck von stromabwärtigen Flu idsteuerungsvorrichtungen ab. Strömungsgeschwindigkeitsmonitore können eingebaut werden, um eine Rückkopplungssteuerung der Fluidströmungen zu ermöglichen.
Andere Sensorvorrichtungen können stromabwärts der Mischvorrichtung 13 vorgesehen sein, um Angaben über die Strömungsgeschwindigkeit, den pH-Wert, die Leitfähigkeit und/oder andere gewünschte Parameter zu liefern. Messungen, die an solchen Sensoren genommen werden, können anschließend verwendet werden, um Fluidströmungsgeschwindigkeiten einzustellen, um eine gewünschte Mischung zu erhalten. Eine solche Einstellung kann in Echtzeit erfolgen, wobei Messungen verwendet werden, die während des Bearbeitens genommen wurden, um die Fluidmischung dynamisch zu korrigieren. Alternativ können die Messungen während eines getrennt durchgeführten Eichungs- oder Charakterisierungsvorgangs verwendet werden. In diesem letztgenannten Fall wird die Leistung der Pumpen (oder anderer Fluidströmungs-Steuerungsvorrichtungen) dadurch charakterisiert, dass die Fluidmischung analysiert wird, die sich aus verschiedenen vorher bestimmten Betriebslasten ergibt.
Die Sensorvorrichtungen sollten ebenfalls geeicht sein; dies kann halbautomatisch unter Verwendung von standardisierten Lösungen in den Reagensbehältern geschehen, wobei die Standards einzeln (und unverändert) die Sensoren passieren. Die Sensorausgaben können verwendet werden, um nachfolgende Sensorausgaben während eines Tests zu korrigieren, um eine größere Genauigkeit zu erreichen. Alternativ kann die Eichung durchgeführt werden, indem das System so eingestellt wird, dass eine Mischung aus bestimmten (dynamisch gemessenen und in Echtzeit korrigierten) Kennlinien erzeugt wird. Dieses Fluid kann manuell gesammelt und geprüft werden, und der Vorgang kann für eine Vielzahl verschiedener Mischungen wiederholt werden, und die Ergebnisse können verwendet werden, um Ungenauigkeiten in den Mischungs- und Beobachtungssystemen zu korrigieren.
Fluidverbindungen zu den Objektträger-Kassetten 8 und Fluidleitungen in den Kassetten sind dafür vorgesehen, für jede Kassette einen ähnlichen Strömungswiderstand zu liefern. Das bedeutet, dass die Fluidströmung gleichmäßig zwischen den Kassetten aufgeteilt wird. Der Strömungswiderstand kann zwischen den Kassetten angeglichen werden, indem die Länge und die Öffnung der Leitungen zu den Kassetten, durch diese und von diesen weg angeglichen wird. Wo ein Angleichen für einen Teil einer Lei tung nicht praktisch ist (zum Beispiel im Fall eines Verteilers), muss dessen Innenquerschnitt vergrößert und/oder seine Länge verkürzt werden, um sicherzustellen, dass sein Strömungswiderstand die Aufteilung der Fluidströmung zwischen den Kassetten nicht beeinflusst. So können die Betriebsgeschwindigkeiten von Pumpen wie 12 verwendet werden, um die Geschwindigkeit der Fluidströmung durch alle Kassetten zu steuern.
Es ist klar, dass die Vorrichtung mehr als eine Mischungsvorrichtung 13 und eine entsprechende Zahl an „Sätzen" von Ventilen und Pumpen aufweisen kann, um eine größere Vielseitigkeit in Anzahl und Verhältnis der Fluide zu ermöglichen, die den Objektträgerkassetten zugeführt werden können.
3 zeigt genauer, jedoch immer noch schematisch, die Fluidsteuerungsvorrichtungen in einer der Kassetten 8 von 2. Jede Kassette ist eine erfindungsgemäß aufgebaute Testvorrichtung; sie enthält alle Fluidsteuerungsvorrichtungen, die notwendig sind, um einen chemischen Test auf einem darin gehaltenen Testsubstrat durchzuführen, insbesondere Vorrichtungen zum Speichern kleiner Mengen an Probenfluid, und um diese in eine Probenkammer zu injizieren, die das Testsubstrat enthält, um Fluide in der Probenkammer zu agitieren und um Fluide daraus zu entfernen.
3 zeigt ein Testsubstrat 16 (in diesem Fall ein Mikroskop-Objektträger, der ein Proteinfeld wie oben beschrieben trägt), das in der Kassette gehalten wird. Der Objektträger ist aus der Kassette entfernbar und ersetzbar, so dass weitere Tests unter Verwendung derselben Kassette durchgeführt werden können. Durch eine Abdeckung 17 wird eine geschlossene Probenkammer über der aktiven Oberfläche des Substrats 16 gebildet.
Die Fluidsteuerungsvorrichtungen, die alle in der Kassette enthalten sind, wie unten im Zusammenhang mit 9, 12 und 13 beschrieben, weisen ein Fluideinlassventil 18 und ein -auslassventil 19 auf, die die Kassette mit den Fluidzufuhrleitungen 10 der Vorrichtung von 2 bzw. mit der Auslassleitung 15 verbinden. Sie umfassen auch Probenlademittel 20 und 21, die jeweils eine Fluidladevorrichtung umfassen, wie unten im Zusammenhang mit 20 beschrieben, und eine Fluidspeichervorrichtung, wie im Zusammenhang mit 7 beschrieben. Diese ermöglichen die Speicherung von Probenfluiden und deren Einführung in die Probenkammer. Die Kassette umfasst auch Agitationsvorrichtungen 22 und 23, die als Tandem betrieben werden, um Fluide durch die Probenkammer hin und her zu bewegen.
Jede der Fluidsteuerungsvorrichtungen 18 bis 23 wird einzeln mit Steuerungsfluid (z.B. mit komprimierter Luft) aus der Zufuhrleitung 4 (s. 2) versorgt. Die Zufuhr von Steuerungsfluid kann für jede der Fluidsteuerungsvorrichtungen unabhängig gesteuert werden, wobei herkömmliche Fluidströmungssteuerungen (nicht gezeigt) verwendet werden.
Die Fluidsteuerungsvorrichtungen 18 bis 23 sind alle unter Verwendung von zwei angrenzenden Platten mit einer flexiblen Membran aufgebaut, die sandwichartig dazwischen angeordnet ist. Der Aufbau des Einlassventils 18 ist beispielsweise schematisch in 4a („Draufsicht") und 4b (Querschnitt) gezeigt. Es ist in einer oberen und einer unteren Platte 24 bzw. 25 ausgebildet, wobei eine flexible, undurchlässige Membran 26 dazwischen festgeklemmt ist. Die obere Platte 24 trägt eine Steuerungsdurchlassöffnung 27, der ein Steuerungsfluid (typischerweise komprimierte Luft z.B. mit 300 kPa) selektiv zugeführt werden kann, und eine Steuerungskammer 28. Die untere Platte 25 enthält eine Fluidauslassöffnung 29, die zu der Probenkammer der Kassette führt, und eine Fluideinlassleitung 30. Fluid aus den Zufuhrleitungen 10 wird der Leitung 30 bei moderatem Differenzialdruck (typischerweise 20 kPa) in Bezug auf den Druck an der Auslassöffnung 29 zugeführt. Wenn kein Druck vorhanden ist, kann die Steuerungsdurchlassöffnung 27 belüftet oder fakultativ mit einem negativen Druck (in Bezug auf den Druck an der Auslassöffnung 29) beaufschlagt werden.
Der Druck an der Steuerungsdurchlassöffnung 27 zwingt die Membran 26 gegen die Oberseite der Platte 25 über dem Bereich der Steuerungskammer 28. Die Membran dichtet so das Ende der Leitung 30 ab, wodurch eine Fluidströmung durch die Vorrichtung verhindert wird. Wenn die Durchlassöffnung 27 belüftet wird (oder mit negativem Druck beaufschlagt wird), ist die Membran nicht mehr an der Platte 25 festgeklemmt und kann sich wegbewegen, falls nötig mit Hilfe des Drucks des einströmenden Fluids in der Leitung 30. Dieses einströmende Fluid kann anschließend zu der Auslassöffnung 29 und von dort in die Probenkammer der Kassette strömen. In dem Fall, wenn das Ventil „offen" ist, wenn seine Steuerungsdurchlassöffnung 27 belüftet wird, bildet das Ventil eine Einschränkung der Fluidströmung, die durch Fluiddruck in der Einlassleitung 30 überwunden werden kann. Im Gegensatz dazu kann eine Anordnung, bei der ein Vakuum auf die Steuerungsdurchlassöffnung aufgebracht wird, um das Ventil zu öffnen, eine weniger starke Einschränkung der Fluidströmung bilden.
Die Zufuhr aller notwendigen Fluide zu der Probenkammer kann unter Verwendung eines Ventils/von Ventilen des Typs von 4 gesteuert werden.
Die Membran 26 kann aus einem beliebigen Material von einer Vielzahl von Materialien oder sogar einer Kombination hergestellt sein. Wenn das Membranmaterial dünn und/oder weich ist, ist wenig Druck erforderlich, um Fluid durch das Ventil zu zwingen (vorausgesetzt, dass die Durchlassöffnung 27 belüftet wird). Wenn es dicker, härter und durch das Festklemmen der Platten komprimiert ist, ist im Gegensatz dazu ein wesentliches Druckdifferenzial zwischen den Durchlassöffnungen 27 und 29 erforderlich, um die natürliche Abdichtkraft zu überwinden, die von der Membran ausgeübt wird. In diesem letztgenannten Fall kann eine Fluidströmung durch das Ventil gesteuert werden, indem der Druck der Fluidspeisung durch die Einlassleitung 30 variiert wird, wobei der Druck an der Steuerungsdurchlassöffnung 27 konstant bleibt (z.B. belüftet).
Es ist klar, dass die Membran bezüglich der Fluide, die das Ventil passieren, inert sein sollte. Dies kann erreicht werden, indem entweder die Membran aus einem geeigneten inerten Material hergestellt ist, oder indem ein laminierter Aufbau verwendet wird, bei dem ein Material, das seiner mechanischen Eigenschaften wegen ausgewählt wird, von einer bevorzugt dünnen Schicht eines anderen, inerten Materials überzogen ist. Typische Membranmaterialien sind Silikongummischichten (mit einer Shore-„A”-Härte von 45), überzogen mit einer Polypropylenschicht. Es ist für das Funktionieren des Ventils nicht notwendig, dass die Komponenten des Laminats mechanisch verbunden sind, es kann jedoch die Montage erleichtern.
Der Betriebsdruck des Ventils ist auch von seinen Abmessungen abhängig. Ein kleinerer Durchmesser der Steuerungskammer 28 und/oder eine dickere Membran (mit einer entsprechend verstärkten Klemmkraft) führen zu einem höheren Betriebsdruck. Typische Abmessungen für das Ventil von 4 sind ein Durchmesser der Steuerungs kammer zwischen 3 und 6 mm, bevorzugt zwischen 4 und 5,5 mm, eine Tiefe der Steuerungskammer zwischen 0,2 und 2 mm, bevorzugt zwischen 0,5 und 1,5 mm, z.B. 1 mm, und eine Membrandicke zwischen 0,2 und 1,5 mm, bevorzugt zwischen 0,7 und 1,3 mm, z.B. 1 mm, für eine Gummimembran mit einer Shore-A-Härte von 40-60 (bevorzugt ein Silikongummi mit einer Shore-A-Härte von 45). Steuerungsdurchlassöffnungsdrücke im Bereich von 70-300 kPa, bevorzugt 100-200 kPa, z.B. 150 kPa, sind für die Betätigung eines solchen Ventils erforderlich.
Um einen unerwünschten Fluidaustritt an den Rändern einer Fluid enthaltenden Leitung oder Kammer wie der Steuerungskammer 28, der Auslassöffnung 29 oder der Einlassleitung 30 zu verhindern, insbesondere wenn das Fluid einen relativ hohen Druck hat, kann die in 23 gezeigte Abwandlung verwendet werden. 23a zeigt schematisch einen Teil einer Fluidsteuerungsvorrichtung ähnlich dem Ventil von 4, bei dem eine flexible Membran 158 zwischen einer oberen und einer unteren Platte 159 bzw. 160 festgeklemmt ist, die im Wesentlichen flach sind, wobei sie das offene Ende einer Fluidleitung oder -kammer 161 bedeckt. Die Gefahr eines Fluidaustritts aus der Kammer 161 hängt von dem Druck ab, der auf die Membran 158 unmittelbar angrenzend an die Kammerränder aufgebracht wird.
Um diese Gefahr zu verringern, kann, wie in der Explosions-Schnittansicht von 23b gezeigt, eine der inneren Plattenoberflächen vorstehende Abschnitte aufweisen, wie die Wulste 162 angrenzend oder nahe an dem Kammerumfang; diese dienen dazu, die Klemmkraft zu konzentrieren, die um die Kammerränder auf die Membran 158 aufgebracht wird, wie in 23c gezeigt. Das führt dazu, dass eine wirksame leckdichte Abdichtung erreicht werden kann, indem eine geringere Klemmkraft aufgebracht wird.
Obwohl 23b und c zeigen, dass vorstehende Oberflächenelemente in der unteren Platte 160 vorgesehen sind, können solche Elemente statt dessen oder zusätzlich in der oberen Platte 159 und/oder in der Membran selbst vorgesehen sein, in dem Bereich, der die Fluidleitung oder -kammer unmittelbar umgibt. Andere Formen der Oberflächenprofilierung, die die gleiche kraftkonzentrierende Wirkung wie die Wulste 162 erreichen, können verwendet werden.
Die Abwandlung nach 23 kann in jedem beliebigen Teil einer Fluidsteuerungsvorrichtung verwendet werden, wo das Abdichten einer flexiblen Membran um einen fluidführenden Kanal oder Hohlraum erforderlich ist. Insbesondere kann die Abwandlung bei Vorrichtungen wie den Ventilen, Fluidspeichervorrichtungen, Fluidagitationsvorrichtungen und Fluidladevorrichtungen verwendet werden, die unten im Zusammenhang mit 5 bis 8, 10, 12, 13, 17 bis 20, 24 und 25 beschrieben sind, und/oder um die Abdichtung um die Probenkammern zu verstärken.
Ein alternatives Einlass-/Auslassventil, das als Ventil 18 oder 19 von 3 verwendbar ist, ist schematisch in 5a („Draufsicht") und 5b (Querschnitt) gezeigt. Teile, die dem Ventil von 4 entsprechen, sind entsprechend nummeriert, und ähnliche Kommentare gelten für ihren Aufbau und ihren Betrieb.
Bei dem Ventil von 5 sind die Fluideinlass-/auslassleitungen 31 und 32 als blinde Kanäle in der unteren Platte 25 ausgebildet; beide können im Gebrauch sowohl als Einlass- als auch als Auslassleitungen fungieren, oder das Ventil kann ein Zweirichtungsventil sein. Die Steuerung wird wiederum durch die Steuerungsdurchlassöffnung 27 bewirkt, wie im Zusammenhang mit 4 beschrieben.
Bei einem Ventil wie dem von 4 oder 5 ist es bevorzugt, dass die Fluideinlassund -auslassöffnungen (die Enden der Fluideinlass- und -auslassleitungen 30 und 29 in 4) so nah wie möglich an der Längsmittelachse der Steuerungskammer (28 in 4) angeordnet sind, da eine wirksame Ventilbetätigung und insbesondere eine wirksame Abdichtung zwischen der Membran und den Fluiddurchlassöffnungen in der Richtung der Peripherie der Steuerungskammer mit relativ großem Durchmesser weniger leicht erreicht wird. Beispielsweise kann eine der Durchlassöffnungen an oder nahe an der Mittelachse der Steuerungskammer angeordnet sein. Die andere Durchlassöffnung kann auch näher an der Mittelachse als an dem Umfang der Steuerungskammer sein, oder wenigstens gleich nah.
Beispielsweise kann die Ventilsteuerungskammer insgesamt zylindrisch geformt sein und einen Querschnittsdurchmesser von ungefähr 5,5 mm haben. Der Fluideinlass-, -auslass- und die -steuerungsdurchlassöffnungen können typischerweise jeweils einen Durchmesser zwischen 0,5 und 2,0 mm haben, z.B. ungefähr 1,0 mm. Allgemeiner gesagt betragen die Querschnittsdurchmesser der Fluiddurchlassöffnungen oder – leitungen typischerweise zwischen 1/20 und 1/5 von denen der Steuerungskammer, und der kleinste Abstand zwischen den Umfängen der Einlass- und der Auslassöffnung (typischerweise entlang einem Durchmesser der Steuerungskammer gemessen) beträgt dann bevorzugt zwischen 1/10 und ½ des Durchmessers der Steuerungsdurchlassöffnung.
Bei dem Ventil von 4 ist eine der Einlass-/Auslassöffnungen koaxial zu der Steuerungskammer angeordnet. Die Längsmittelachse der zweiten Durchlassöffnung kann dann um 2 mm von derjenigen der Steuerungskammer beabstandet sein (d.h. der kleinste Abstand zwischen den Umfängen der ersten und der zweiten Durchlassöffnung ist 1 mm).
Eine besonders bevorzugte Alternativform des Ventils von 4 oder 5 ist so aufgebaut, wie es in der stilisierten Draufsicht in 26a und im Querschnitt in 26b gezeigt ist. Das Bezugszeichen 177 stellt die Steuerungskammer dar, 178 die Steuerungsdurchlassöffnung und 179 und 180 die Fluideinlass- und -auslassöffnung. 181 und 182 sind die obere bzw. die untere Platte, zwischen denen eine flexible Membran 183 festgeklemmt ist. Alle drei Fluiddurchlassöffnungen nähern sich der Steuerungskammer, wobei ihre Längsmittelachsen im Wesentlichen parallel zu der der Steuerungskammer sind. Hier ist die Längsmittelachse jeder Einlass- und jeder Auslassöffnung in geeigneter Weise in einem Abstand von 1/8 bis ¼ x von der Längsmittelachse der Steuerungskammer entfernt, wobei x der Querschnittsdurchmesser der Steuerungskammer ist.
Weitere alternative Ventilkonstruktionen sind in 17 bis 19 gezeigt. Diese Ventile, deren Gesamtaufbau in 17 dargestellt ist, werden so eingestellt, dass sie entweder geschlossen (das Ventil von 18) oder geöffnet sind (19), wenn kein Steuerungsfluiddruck vorhanden ist.
Wie in der schematischen „Draufsicht" von 17a und dem Querschnitt von 17b gezeigt, ist ein Ventil zwischen einer oberen Platte 120 und einer unteren Platte 121 aufgebaut, wobei eine flexible Membran 122 zwischen ihnen festgeklemmt ist. In der unteren Platte ist eine Steuerungsdurchlassöffnung 123 und eine Steuerungskam mer 124 vorgesehen, die es ermöglichen, dass mit Druck beaufschlagtes Steuerungsfluid die Membran lokal gegen die Öffnung einer Fluiddurchlassöffnung 125 verschiebt, die in der oberen Platte vorgesehen ist. Fluid kann normalerweise in beiden Richtungen zwischen der Fluiddurchlassöffnung 125 und einer ringförmigen Nut 126 und einem Kanal 127 strömen, wobei es zwischen der oberen Platte 120 und der Membran 122 hindurchgeht. Wenn jedoch die Steuerungsdurchlassöffnung 123 mit Druck beaufschlagt wird, wird eine solche Fluidströmung verhindert.
Zwei alternative Formen eines solchen Ventils sind in schematischem Querschnitt in 18 und 19 gezeigt; ihre Betätigung hängt von der Tiefe der Oberfläche der oberen Platte in dem Bereich 128 um die Öffnung der Fluiddurchlassöffnung 125 angrenzend an die Membran ab. Wenn der Oberflächenbereich 128 sich voll in die ringförmige Nut 126 erstreckt, wie in 18, streckt er die Membran 122. In diesem Fall liefert die Elastizität der Membran eine abdichtende Kraft, um die Fluiddurchlassöffnung 125 zu schließen, und das Ventil ist „normal geschlossen". Die abdichtende Kraft kann entweder durch Fluidüberdruck (entweder in der Fluiddurchlassöffnung 125 oder dem Kanal 127) oder durch Aufbringen eines relativ geringen Drucks an der Steuerungsdurchlassöffnung 123 überwunden werden.
Ein „normal geöffnetes" Ventil ist in 19 gezeigt. Hier erstreckt sich der Oberflächenbereich 128 nur teilweise in die Nut 126 und ist daher von der Membran entfernt. Das Ventil ist daher geöffnet, wenn nicht ein relativ hoher Druck an der Steuerungsdurchlassöffnung 123 aufgebracht wird.
Ein „normal geschlossenes" Ventil ist allgemein wünschenswert, wenn bei Abwesenheit von Strom eine Abdichtung gegen eine Fluidströmung notwendig ist. Ein typisches Beispiel kann ein Ventil sein, das mit einer Fluidspeicher- und -ladevorrichtung in Verbindung steht, wenn es wünschenswert ist, die Vorrichtung entfernt von dem Rest der Testvorrichtung zu laden.
Ein „normal geöffnetes" Ventil hat bei jedem gegebenen Steuerungsdurchlassöffnungdruck einen geringeren Widerstand gegenüber Strömung und kann daher an Stellen bevorzugt sein, wo ein Druckabfall ein potenzielles Problem darstellt, beispielsweise wo Fluide zwischen mehreren Testvorrichtungen aufgeteilt werden und ein un terschiedlicher Druckabfall an den Einlass- und Auslassventilen eine variable Verteilung der Strömung zwischen den Vorrichtungen verursachen könnte.
6 zeigt, wie die Fluidagitationsvorrichtungen 22 und 23 in 3 ähnlich wie die Ventile 18 und 19 aufgebaut sein können. Die Vorrichtung von 6 umfasst eine obere Platte 33, eine untere Platte 34 und eine flexible Membran 35, die dazwischen festgeklemmt ist. Eine Steuerungskammer 36, typischerweise größer als die des Ventils 18, ist in der unteren Oberfläche der Platte 33 vorgesehen. Die Steuerungsdurchlassöffnung 37 wird mit Steuerungsfluid aus der Zufuhrleitung 4 gespeist. Die Fluideinlass/-auslassöffnung 38 kommuniziert mit der Probenkammer der Kassette.
Mit Bezug auf den Druck an der Durchlassöffnung 38 als Referenzgröße zieht die Beaufschlagung der Steuerungsdurchlassöffnung 37 mit negativem Druck die Membran 35 von der unteren Platte 34 weg, so dass Fluid von der Probenkammer durch die Durchlassöffnung 38 in die Vorrichtung gezogen wird, um den Raum zwischen der Membran 35 und der unteren Platte 34 zu füllen. Diese Situation ist in 6 dargestellt, wobei die Pfeile die Richtungen der Fluidströmung anzeigen. Negativer Differenzialdruck an der Steuerungsdurchlassöffnung 37 kann erreicht werden, indem entweder die Steuerungsdurchlassöffnnung mit negativem Manometerdruck beaufschlagt wird oder die Durchlassöffnung 38 mit positivem Manometerdruck beaufschlagt wird. Umgekehrt bewirkt ein positiver Druck an der Steuerungsdurchlassöffnung 37 das Einspritzen von Fluid hinten durch den Durchlass 38 in die Vorrichtung.
Auf diese Weise können Schwankungen beim aufgebrachten Druck verwendet werden, um kleine Mengen Fluid in die Probenkammer und aus dieser heraus zu bewegen, wodurch eine kontinuierliche Fluidbewegung im Bereich des Testsubstrats sichergestellt wird. Durch Betätigung eines Paars solcher Vorrichtungen im Tandem durch einen abgedichteten Raum kann eine Vor- und Zurückbewegung des Fluids einfach durch alternierendes Beaufschlagen der Steuerungsdurchlassöffnungen der beiden Vorrichtungen mit einem positiven Manometerdruck erzeugt werden.
Allgemein gesagt ist eine sanfte und keine heftige Fluidbewegung in der gesamten Testvorrichtung wünschenswert, insbesondere in der Probenkammer. Um dies zu erreichen sollten moderate Drücke (z.B. bis zu 120 kPa, beispielsweise ungefähr 100 kPa) idealerweise auf die Fluidvorrichtungs-Steuerungskammern aufgebracht werden (wie z.B. Kammer 36 in der Vorrichtung von 6), und Änderungen des Steuerungsfluiddrucks sollten schrittweise erzeugt werden, beispielsweise durch Anbringen eines Drosselkörpers in der Steuerungsfluidströmung. Zweckmäßigerweise sollte ein Zeitraum zwischen 0,5 und 2,5 Sekunden, bevorzugt zwischen 1 und 2 Sekunden, eingeplant werden, um eine Vorrichtung wie ein Ventil zwischen Zuständen umzuschalten (z.B. zwischen „geöffnet" und „geschlossen" oder zwischen „ein" und „aus").
Das Probenvolumen, das von der Vorrichtung von 6 verdrängt wird, hängt von Volumen und Querschnittsfläche der Steuerungskammer 36 und der Bewegung der Membran 35 ab. Diese können auf zwei Arten eingestellt werden. Wenn die Steuerungskammer relativ tief und die Membran relativ steif ist, wird der Grad der Membranbewegung durch den aufgebrachten Differenzialdruck bestimmt. Dies kann unter einigen Umständen ein Vorteil sein, wenn es gewünscht ist, das verdrängte Volumen durch Fernsteuerung zu ändern; ein Variieren des aufgebrachten Drucks, entweder manuell oder automatisch, kann verwendet werden, um das verdrängte Volumen einzustellen. Wenn im Gegensatz dazu die Kammer 36 relativ flach und die Membran flexibler ist, kann die Membran durch Druckbeaufschlagung verschoben werden, bis sie im Wesentlichen die Oberseite der Kammer berührt. In diesem Fall hängt das verdrängte Volumen mehr von den Abmessungen der Steuerungskammer und weniger von dem aufgebrachten Differenzialdruck ab. Der Vorteil dieser letztgenannten Anordnung besteht darin, dass ein vorher bestimmtes Volumen von Probenfluid, das sich mit dem aufgebrachten Differenzialdruck nicht wesentlich ändert, verdrängt werden kann. Dies kann nützlich sein, z.B. wenn der Fluiddruck an der Durchlassöffnung 38 unklar ist.
Eine Vorrichtung, deren Aufbau dem von 6 ähnlich ist, kann verwendet werden, um eine kleine Menge an Fluid (typischerweise ein Probenfluid) vor dessen Einführung in die Probenkammer der Kassette zu speichern. Eine andere Abdichteinrichtung (typischerweise ein Ventil) ist erforderlich, um das Fluid in dem Hohlraum zu halten, der zwischen der Membran 35 und der unteren Platte 34 ausgebildet ist. Wenn diese Abdichteinrichtung geöffnet wird (es kann vorgesehen sein, dass dies automatisch unter der Einwirkung von Fluidüberdruck geschieht), dann zwingt die Druckbeaufschla gung an der Steuerungsdurchlassöffnung 37 gespeichertes Fluid aus dem Hohlraum heraus und in die Probenkammer. Eine solche Anordnung ist in 7 dargestellt.
Zwei oder mehr Fluidsteuerungsvorrichtungen wie die von 4 bis 6 und 17 bis 20 können zusammen in einer einzigen Einheit aufgebaut sein. 7 stellt schematisch sowohl in „Draufsicht" (7a) als auch im Querschnitt (7b) dar, wie dies erreicht werden kann. Die Steuerungsdurchlassöffnung 39, die Einlassöffnung 40, die Steuerungskammer 41 und der „Zwischen"-Kanal 42 bilden zusammen ein Ventil. Die Steuerungsdurchlassöffnung 43 und die Speicherkammer 44 wirken zusammen als Fluidspeichervorrichtung, die über den Zwischenkanal 42 mit dem Ventil kommuniziert. Fluid kann durch die Betätigung des Ventils in der Speicherkammer 44 festgehalten werden. Die Ventilabdichtung kann entweder durch Druckbeaufschlagung an der Durchlassöffnung 39 oder durch die natürliche Elastizität der Membran 45 erfolgen.
Um die Vorrichtung von 7 z.B. mit einem Probenfluid zu laden, wird das Fluid unter Druck durch die Durchlassöffnung 40 eingespritzt. Bei ausreichendem Differenzialdruck zwischen den Durchlassöffnungen 39 und 40 wird Fluid von der Öffnung 40 weg zwischen der Membran 45 und der unteren Platte 46 in den Zwischenkanal 42 bewegt. Aus dem Kanal 42 strömt es in die Speicherkammer 44 und füllt den Raum zwischen der Membran und der unteren Platte und streckt dabei die Membran.
Nachdem die Speicherkammer 44 gefüllt wurde, wird das Fluid von dem Ventil zurückgehalten (entweder durch Druckbeaufschlagung oder durch Elastizität), bis die Durchlassöffnung 43 in der oberen Platte 47 mit Druck beaufschlagt wird. Dies beaufschlagt das Fluid mit Druck, so dass es die Abdichtung des Ventils überwindet (Druck an der Durchlassöffnung 39 kann verringert oder entfernt werden), und das Fluid tritt über die Durchlassöffnung 40 in die Probenkammer aus. Die Speicherkammer kann dadurch entweder vollständig oder teilweise evakuiert werden.
Eine weitere nützliche Kombination von Fluidsteuerungsvorrichtungen ist in den schematischen 8a („Draufsicht") und 8b (Querschnitt) dargestellt. Hier ist ein Ventil (Steuerungsdurchlassöffnung 48, Steuerungskammer 49 sowie Kanäle 50 und 51) mit einer Fluidagitationsvorrichtung (Steuerungsdurchlassöffnung 52, Steuerungs kammer 53 und Probenfluiddurchlassöffnung 54) kombiniert. Eine Auslasskammer 55 ist in der unteren Platte 56 zwischen der flexiblen Membran 57 und der Durchlassöffnung 54 vorgesehen. Im Gebrauch geht der Fluidweg von dem Kanal 50 durch das Ventil zu dem Kanal 51 und durch die Agitationsvorrichtungskammer 55 zu der Durchlassöffnung 54. Eine Rückwärtsströmung ist ebenfalls möglich. Wenn an der Ventilsteuerungsdurchlassöffnung 48 kein Druck vorhanden ist, verschiebt Fluid, das unter Druck auf den Kanal 50 aufgebracht wird, die Membran 57 in der Ventilsteuerungskammer 49, um eine Strömung durch den Kanal 51 zu ermöglichen. Wenn die Steuerungsdurchlassöffnung 48 mit Druck beaufschlagt wird, wird diese Strömung verhindert. Eine Strömung durch den Kanal 51 füllt die Kammer 55, und das Fluid kann dann durch den Durchlass 54 in die Probenkammer austreten. Die Fluidströmung durch die Kammer 55 beseitigt im Wesentlichen Blasen daraus, vorausgesetzt, dass ihre Dimensionen im Vergleich zu der typischen Fluidmeniskusdimension nicht zu groß sind. Sobald die Kammer 55 im Wesentlichen mit Fluid gefüllt ist, kann das Ventil durch Druckbeaufschlagung an der Ventilsteuerungsdurchlassöffnung 48 geschlossen werden.
Um eine Fluidbewegung in der Probenkammer zu gewährleisten, können Druck und fakultativ ein Vakuum zyklisch auf den Agitationsvorrichtungs-Steuerungsdurchlassöffnung 52 aufgebracht werden. Dies bewirkt eine Verschiebung der Membran 57 zwischen den Kammern 53 und 55, wodurch Fluid hin und her durch die Durchlassöffnung 54 verschoben wird.
Ein Vorteil hiervon gegenüber der oben beschriebenen Agitationsanordnung (6) liegt darin, dass die Kammer 55 vor der Agitation gründlich von Blasen gereinigt werden kann. Eine ähnliche Anordnung kann in einer Fluidspeichervorrichtung wie der in 7 gezeigten verwendet werden, indem eine zusätzliche Fluiddurchlassöffnung vorgesehen ist, um die Einführung von Wasch- oder anderen Fluiden in die Speicherkammer zu ermöglichen. Sobald die Speichervorrichtung mit solchen Fluid(en) gefüllt ist, kann sie gereinigt werden, indem sie wie oben beschrieben betätigt wird, und kann so saubergewaschen und von Blasen gereinigt werden, bevor sie wieder mit frischen Fluiden benutzt wird.
Eine typische erfindungsgemäße Testvorrichtung (Kassette) weist zwei der Vorrichtungskombinationen von 8 auf, die mit ihrer Probenkammer verbunden sind, wie in 3 gezeigt. Bevorzugt kommunizieren die Probenfluiddurchlassöffnungen 54 der beiden Vorrichtungen mit gegenüberliegenden Enden der Probenkammer, so dass eine Betätigung der gegenüberliegenden Agitationsvorrichtungen eine Fluidverschiebung im Wesentlichen auf der gesamten aktiven Fläche des Testsubstrats verursacht.
Bei einer Anordnung wie der in 8 gezeigten kann das Ventil benutzt werden, um Überdruck in der Probenkammer zu mindern, der verursacht werden kann, indem die Temperatur in der Kammer während eines Bearbeitungsvorgangs erhöht wird. Dies wird erreicht, indem die Ventilsteuerungskammer 49 mit einem vorher bestimmten „Schwellen-Druck" beaufschlagt wird, was eine Öffnung des Ventils bewirkt, wenn der Fluiddruck in der Probenkammer diese Schwelle überschreitet.
Allgemein verursachen bei allen oben beschriebenen Fluidsteuerungsvorrichtungen sehr hohe oder sehr niedrige Steuerungsfluiddrücke wahrscheinlich einen unerwünschten schnellen Wechsel zwischen Betriebsstellungen (z.B. zwischen geschlossenen und offenen Ventilstellungen). Dies kann wiederum zu plötzlichen Fluidbewegungen führen, die wiederum unerwünscht sind, besonders in der Probenkammer. Daher werden idealerweise moderate Steuerungsfluiddrücke verwendet, und Änderungen bei den Fluiddrücken werden so schrittweise und glatt wie möglich bewirkt.
Aus dem oben Stehenden wird deutlich, dass ein vollständiger Satz Fluidsteuerungsvorrichtungen für jede Kassette einfach aus zwei angrenzenden Platten und einer flexiblen Membran dazwischen aufgebaut werden kann. Jeder Vorrichtungstyp kann durch eine Anordnung von Kammern, Leitungen und Fluiddurchlassöffnungen gekennzeichnet werden, die in den angrenzenden Plattenseiten vorgesehen sind.
9 stellt eine Fluidsteuerungseinheit dar, die einen Teil einer erfindungsgemäßen Testvorrichtung bilden kann (z.B. die Kassette von 3). Die Einheit kombiniert zwei Probenfluidspeichervorrichtungen 58 und 59, zwei Fluidagitationsvorrichtungen 60 und 61 und zwei Ventile 62 und 63 (eines für einen Fluideintritt in die Kassette und eines für einen Fluidaustritt daraus). Die Speichervorrichtungen 58 und 59 sind mit ihren zugehörigen Ventilen gezeigt, wie in 7 – es ist zu beachten, dass die Ventile in diesem Fall von der „normal geschlossenen" Art sind, die in 18 dargestellt ist; sie weisen keine Steuerungsdurchlassöffnung auf und werden stattdessen durch Probenfluid-Überdruck geöffnet. 9a ist eine stilisierte Draufsicht auf die Fluidsteuerungseinheit und 9b eine perspektivische Ansicht.
Alle Fluidsteuerungsvorrichtungen sind in oberen und unteren Platten 64 bzw. 65 aufgebaut, zwischen denen eine flexible Membran 66 festgeklemmt ist. Öffnungen in der Oberseite der Platte 64 bilden Steuerungsdurchlassöffnungen 67 bis 72 sowie Reagens-Fluiddurchlassöffnungen 73 und 74. Probenfluiddurchlassöffnungen, die mit der Probenkammer im Gebrauch kommunizieren, sind als Öffnungen (z.B. 58a und 59a) in der Unterseite der Platte 65 vorgesehen.
10 ist ein schematischer Schnitt durch das Ventil, das in 9a mit 63 bezeichnet ist. Die Öffnung 74 ist eine Fluideinlassöffnung, 75 eine Probenfluiddurchlassöffnung, die dafür vorgesehen ist, mit einer Probenkammer zu kommunizieren, und 72 ist die Steuerungsdurchlassöffnung. Wenn das Ventil aktiviert wird, kann Fluid durch die Durchlassöffnung 75 zwischen der Membran 66 und der unteren Platte 65 durch den Zwischenkanal 76 und durch die Durchlassöffnung 74 (die durch eine Öffnung in der Membran hindurchgeht) strömen. Fluid kann entweder von 74 nach 75 oder umgekehrt strömen.
Ein wichtiges Merkmal der oben beschriebenen Objektträger-Kassette (der Testvorrichtung) ist das Mittel, um eine kleine Menge Fluid in Kontakt mit der aktiven Oberfläche eines Testsubstrats einzuschließen. Während eines typischen chemischen Tests muss Flüssigkeit über die Substratoberfläche passieren, um sie zu waschen und Reagenzien aufzubringen. Eine kritische Anforderung ist jedoch, eine kleine Menge einer nur in geringen Mengen vorhandenen oder wertvollen Flüssigkeit (wie einer biologischen Probe) über längere Zeiträume in Kontakt mit dem Substrat lassen zu können, typischerweise viele Stunden. Idealerweise sollte die Flüssigkeit in einer dünnen Lage verteilt werden, wobei sie so viel der aktiven Oberfläche des Substrats bedeckt wie möglich. Eine größere Bedeckungsfläche ermöglicht es, ein größeres Feld von Probenspezies einzubeziehen. Während die Flüssigkeit mit dem Substrat in Kontakt bleibt, ist es wesentlich, ihre Verringerung durch Austreten, Verdampfung oder Absorption zu verhindern. Diese Anforderungen können erfindungsgemäß in einer kompakten Testvorrichtung von relativ einfachem Aufbau erfüllt werden.
Eine bevorzugte Art, um eine effiziente Abdichtung der Probenkammer beispielsweise in den Kassetten 8 von 2 zu erreichen, ist schematisch in 11a, die eine stilisierte Draufsicht auf ein Testsubstrat und seinen Träger ist, und 11b dargestellt, die ein Querschnitt davon ist.
In der Anordnung von 11 ist das Testsubstrat 77 an einer Platte oder einem Block 78 festgeklemmt, wobei eine Dichtung 79 dazwischen angeordnet ist. Typischerweise ist das Testsubstrat eine dünne Glasplatte wie ein Mikroskop-Objektträger. Eine Klemmplatte 80 drückt gegen die Rückseite des Objektträgers, was durch Verwendung eines beliebigen geeigneten Klemmmittels erreicht wird. Das Klemmmittel weist bevorzugt mechanische Mittel wie z.B. eine Feder auf, um kleine Unterschiede oder Veränderungen der Gesamtdicke der Baugruppe auszugleichen. Es ist notwendig, dass bei allen eingestellten Kombinationen von Komponententoleranz und Wärmeexpansion/-kontraktion oder Kompression (z.B. der Dichtungen und Membrane in der Vorrichtung) eine ausreichende Klemmkraft aufgebracht wird.
Die Öffnung 81 in der Dichtung 79 bildet eine Probenkammer (82) angrenzend an die aktive Oberfläche 83 des Testsubstrats. In dieser aktiven Fläche des Substrats wurde zuvor ein Feld von Probenspezies platziert. Die Dichtung 79 dichtet nicht nur das Substrat gegenüber der Platte 78 ab, sondern bestimmt auch die Tiefe der Probenkammer 82. Das Material für die Dichtung wird im Hinblick auf seine Undurchlässigkeit, seine Weichheit zur Anpassung an die Oberflächenpaare und seine Unkomprimierbarkeit, um eine verlässliche Dicke unter Klemmdruck beizubehalten, gewählt. Bei einer typischen Objektträgergröße von ungefähr 26 mm mal 76 mm ist ein geeignetes Überstehen des Objektträgers über die Dichtung an jedem Rand ungefähr 2 mm.
Obgleich eine kleinstmögliche Fluidtiefe wünschenswert ist, um das zum Füllen der Probenkammer 82 nötige Volumen zu minimieren, machen Unregelmäßigkeiten in dem Objektträger und in den Platten es teurer (wegen der erforderlichen engeren Endtoleranz), eine konsistente Dicke von weniger als einige zehn Mikrometer beizubehalten. Daher liegt eine typische Probenkammertiefe ungefähr bei 70 Mikrometer. Bei diesen Dimensionen sind geeignete Materialien für die Dichtung Polyethylen von niedriger Dichte (LDPE), Polyethylen von hoher Dichte (HDPE) und Polypropylen (PP). Diese Materialien sind in extrudierten Folien von geregelter Dicke leicht erhältlich; Dichtungen können aus solchen Folien durch bekannte Techniken ausgeschnitten werden, z.B. durch Stanzen oder Laserschneiden oder unter Verwendung von Messerwerkzeugen.
Für eine optimale Abdichtung ist es bevorzugt, das weichstmögliche Material zu verwenden, das mit dem Betriebstemperaturbereich vereinbar ist. Für einen Betrieb zwischen ungefähr 5 und 40°C ist LDPE geeignet, während bei höheren Temperaturen HDPE oder PP verwendet werden sollte. Dies liegt daran, dass von den drei Polymeren LDPE die niedrigste Erweichungstemperatur und PP die höchste hat. Wenn die Dichtung aus einem Polymer hergestellt ist, das bei einer niedrigen Temperatur im Vergleich zu der Betriebstemperatur der Kassette aufweicht, dann kann der Klemmdruck ein Extrudieren der Dichtung zwischen dem Testsubstrat 77 und der Trägerplatte 78 verursachen.
Da Polymere mit höheren Erweichungstemperaturen normalerweise bei jeder gegebenen Temperatur härter sind, besteht ein potenzielles Abdichtproblem, wenn über einen weiten Temperaturbereich gearbeitet wird. Ein Polymer, das geeignet ist, der maximalen Betriebstemperatur zu widerstehen, kann bei der Mindesttemperatur zu hart sein und sich nicht den Seitenpaaren anpassen, was eine Leckage ermöglicht. Eine Lösung hierfür liegt in der Verwendung eines Mehrlagen-Materials, das beispielsweise einen Kern aus einem härteren Polymer hat, das in der Lage ist, die höheren Temperaturen auszuhalten, wobei ein dünneres, weicheres Polymer auf die beiden Seiten laminiert ist. Das weichere Material bewirkt die Abdichtung, wird jedoch keiner übermäßigen Extrudierung unterworfen, da es aus einer so dünnen Lage besteht. Seine Viskosität ermöglicht selbst bei maximaler Betriebstemperatur kein Extrudieren zwischen den Platten, selbst bei ausgedehnten Bearbeitungszeiträumen.
Im Gebrauch können Fluide durch Leitungen mit kleinem Durchmesser (nicht gezeigt), die in der Platte 78 vorgesehen sind, zu der Probenkammer 82 gelangen und aus dieser entnommen werden. Die inneren Oberflächen dieser Leitungen und die obere Oberfläche der Platte 78 stehen beide über längere Zeiträume in Kontakt mit dem Pro benfluid und müssen daher aus inerten Materialien hergestellt sein. Die Oberflächen müssen ebenfalls flach und glatt sein und bleiben, für eine wirksame Abdichtung und um unerwünschte Bindungen zwischen den Oberflächen und Spezies in dem Probenfluid zu verhindern. Geeignete Materialien umfassen rostfreien Stahl (bevorzugt Grad 316) und Polymere wie Polyetheretherketon (PEEK), Polyoxymethylen (POM – auch als Acetal bekannt), Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Polypropylen (PP).
Ein wesentliches Problem mit bestimmten Polymeren ist ihre Absorption von flüssigen Lösungsmitteln, insbesondere Wasser. Testproben werden oft in wässriger Lösung formuliert, daher ist es wesentlich, die Wasserabsorption in die Komponenten zu minimieren, die während potenziell ausgedehnter Bearbeitungszeiten eine Probe einschließen. Die Absorption in die Dichtung 79 ist normalerweise kein signifikantes Problem, da wenig Lösungsmittel von der kleinen Menge an betreffendem Material absorbiert werden kann und weil die Fläche, die dem Probenfluid ausgesetzt ist, sehr klein ist. Eine Absorption in die Platte 78 und in das Testsubstrat selbst kann sehr viel kritischer sein. Das Testsubstrat stellt normalerweise kein Problem dar, da Glas, das das typische Substratmaterial ist, eine minimale Absorption zeigt. Eine Absorption in die Platte 78 kann jedoch die Verwendung von Polymeren verhindern. Ein bevorzugtes Material für die Platte ist daher rostfreier Stahl, der eine sehr geringe Wasserabsorptionsfahigkeit hat und bis zu einem hohen Grad an Flachheit und Glätte bearbeitet werden kann (z.B. durch chemisches Polieren, Schleifpolieren oder Diamantbearbeitung).
Die in 11 dargestellte Probenkammerkonstruktion ist mit der Fluidsteuerungseinheit von 9 kompatibel, um eine vollständige erfindungsgemäße Testvorrichtung herzustellen. Eine solche Vorrichtung ist in schematischem Querschnitt in 12 gezeigt. Sie besteht aus drei parallelen Platten, einer oberen Platte 84, einer Zwischenplatte 85 (entsprechend der unteren Platte 78 in 11 und auch der unteren Platte 65 in 9) und einer unteren „Fluid"-Platte 86, die der oberen Platte 64 in 9 entspricht. Ein Testsubstrat 87 ist zwischen den Platten 84 und 85 festgeklemmt, mit einer Dichtung 88 (analog zu der Dichtung 79 in 11), die dazu dient, eine eingeschlossene Probenkammer 89 zu bilden. Eine flexible Membran 90 ist zwischen den Platten 85 und 86 festgeklemmt.
Die Fluidsteuerungen für die Vorrichtung von 12 bestehen aus Kammern und Kanälen (wie im Zusammenhang mit 4 bis 10 und 17 bis 20 beschrieben), die in den angrenzenden Seiten der Zwischenplatte 85 und der Fluidplatte 86 ausgebildet sind, zusammen mit Fluidleitungen durch die beiden Platten und die Membran 90. Diese Kammern, Kanäle und Leitungen sind der Einfachheit halber in 12 weggelassen.
In diesem Fall kann die Testvorrichtung aufweisen:

i) zwei Probenspeicher- und -einspritzvorrichtungen, wie in 7 dargestellt, die mit der Probenkammer 89 kommunizieren;
ii) zwei Einlass-/Auslassventile, wie in 4, 5, 10 oder 17 bis 19 dargestellt, um die Fluidströmung aus externen Behältern zu der Probenkammer oder von der Probenkammer zum Abfall zu steuern; und
iii) zwei Fluidagitationsvorrichtungen wie in 6 oder 8 dargestellt, um Fluid, das in der Probenkammer enthalten ist, über die aktive Oberfläche des Testsubstrats 87 hin und her zu bewegen.

Eine Probenvorrichtung wie die von 12 kann auch eine oder mehrere Fluidladevorrichtungen des Typs umfassen, der in schematischem Querschnitt in 20 gezeigt ist. Diese umfasst eine offene schalenförmige Vertiefung 129 mit einem ungefähren Volumen von 50-100 μl, die in der äußeren Oberfläche der oberen Platte 130 vorgesehen ist. Die „Schale" 129 weist einen ersten und einen zweiten Auslass 131 bzw. 132 auf.
Der Auslass 131 führt zu einem Ventil, das von einer Steuerungskammer 133, einer Steuerungsdurchlassöffnung 134, einer Zwischenkammer 135 und einer Fluidauslassöffnung 136 gebildet wird. Das Ventil wird durch Zufuhr von Steuerungsfluid zu der Steuerungskammer 133 betätigt, die eine Verschiebung der Membran 137 bewirkt und dadurch die Fluidströmung entweder in die oder aus der Schale 129 steuert. In diesem Fall führt die Fluidauslassöffnung 136 zu einer Probenkammer.
Der zweite Auslass 132 aus der Schale führt zum Abfall (Auslassöffnung 138).
Die Vorrichtung von 20 ist in einer Dreiplattenkonstruktion vorgesehen, die nicht nur die obere Platte 130 umfasst, sondern auch ein Paar untere Platten 139 und 140. Eine zweite flexible Membran 141 ist zwischen den beiden unteren Platten angeordnet. Eine solche Konstruktion hat die Vorteile, die unten im Zusammenhang mit 25 beschrieben sind.
Fluid kann entweder direkt oder wie in 21 gezeigt durch Einsetzen einer Pipettenspitze 142 in den ersten Auslass 131 in die Schale 129 geladen werden. Das Mundstück des Auslasses 131 ist besonders dafür angepasst, eine Standard-Pipettenspitze aufzunehmen.
Das Ventil, das zu der Ladevorrichtung von 20 gehört, wird analog zu denen betrieben, die im Zusammenhang mit 4, 5, 10 und 17 bis 19 beschrieben sind. Um das Ventil zu öffnen wird seine Steuerungskammer 133 mit einem niedrigen Druck beaufschlagt. Dies erzeugt eine lokale Verschiebung der Membran 137 nach unten, was eine Fluidströmung entweder zu der oder aus der Schale 129 ermöglicht. Das Beaufschlagen der Steuerungskammer 133 mit einem höheren Druck dichtet die Membran 137 gegen die obere Platte 130 ab und verhindert eine Fluidströmung in die oder aus der Schale.
Die Vorrichtung von 20 kann verwendet werden, um Fluide in andere Teile der Testvorrichtung (insbesondere die Probenkammer und/oder Fluidspeichervorrichtungen) zu laden und um Fluide aus anderen Teilen wie der Probenkammer zu evakuieren. Sie kann auch beim Waschen der Probenkammer und anderer Vorrichtungsteile verwendet werden.
Ein typischer Probenladevorgang umfasst das Auslassen von Probenflüssigkeit entweder direkt in die Schale 129 oder über eine Pipette, wie in 21 gezeigt. Wenn die Schale vorher gewaschen wurde (wie unten beschrieben), dann bleibt eine kleine Menge Waschflüssigkeit darin zurück, und dies gewährleistet, dass die Probe dem Ventileinlass unter einer Flüssigkeitsoberfläche zugeführt werden kann, so dass keine Blasen eingeschlossen werden können.
Ein Ansaugen der Probe kann anschließend erreicht werden, indem das Steuerungsventil geöffnet wird, um die Probenflüssigkeit hindurch in die Probenkammer zu ziehen, indem stromabwärts des Ventils ein Vakuum aufgebracht wird. Dies kann z.B. geschehen, indem eine Fluidspeichervorrichtung (des im Zusammenhang mit 7 beschriebenen Typs) so betätigt wird, dass die Flüssigkeit eingesaugt wird.
Ebenso wie Flüssigkeit von der Schale 129 durch Vakuum hineingezogen werden kann, kann sie in ähnlicher Weise durch geeignete Druckbeaufschlagung zu der Schale (oder zu einer Pipettenspitze, die in den Schalenauslass 131 eingestezt ist) ausgestoßen werden.
Ein typischer Waschvorgang kann erreicht werden, indem die Vorrichtung von 20 verwendet wird, indem eine Waschflüssigkeit unter leichtem Druck in das Ventil eingeführt wird (z.B. durch die Durchlassöffnung 136). Ein Vakuum wird anschließend auf die Steuerungskammer 133 aufgebracht, was es ermöglicht, dass die Waschflüssigkeit in die Schale 129 eingeführt wird. Ein Vakuum, das auf die Abfallauslassöffnung 138 aufgebracht wird, entfernt überschüssige Flüssigkeit aus der Schale und nimmt Verunreinigungen mit. In dem Ventil eingeschlossene Blasen, besonders in der Einlassleitung, werden auch bei diesem Vorgang entfernt. Sobald die Zufuhr von Waschflüssigkeit gestoppt wird, sinkt das Fluid in der Schale auf ungefähr den Spiegel des Abfallauslasses 132.
22 zeigt schematisch, wie eine Gruppe von Fluidladevorrichtungen des in 20 gezeigten Typs zusammen in einer erfindungsgemäßen Testvorrichtung verwendet werden können. Hier sind drei Ladevorrichtungen 143 bis 145 dargestellt. Jede weist ein zugehöriges Ventil (entsprechend 146 bis 148) auf. Bezugszeichen 149 und 150 bezeichnen Fluidspeichervorrichtungen, die jeweils mit einer Probenkammer verbunden sind, in der der Test durchgeführt werden soll. Bezugszeichen 151 bis 155 bezeichnen weitere Fluidströmungs-Steuerungsventile. Die Leitung 156 ist mit einer Waschflüssigkeitsquelle verbunden, und die Leitung 157 führt zum Abfall.
Alle drei Ladevorrichtungen stehen in Fluidkommunikation mit der Speichervorrichtung 149, und die Ladevorrichtung 145 steht zusätzlich in Fluidkommunikation mit der Speichervorrichtung 150. Alle drei Ladevorrichtungen können verwendet werden, um Fluide der Speichervorrichtung 149 zuzuführen und Fluide daraus zu evakuieren (beispielsweise vorher gespeicherte oder getestete Probenfluide oder Waschflüssigkeiten). Alle drei Ladevorrichtungen können mit Fluid gewaschen werden, das über die Speichervorrichtung 149 zugeführt wird. Zusätzlich kann die Vorrichtung 145 Fluide der Speichervorrichtung 150 zuführen oder von dieser aufnehmen. Fluide können auch zwischen allen drei Ladevorrichtungen über die Speichervorrichtung 149 übertragen werden.
Die Kapazitäten der Ladevorrichtungs"schalen" kann ausreichend groß sein, dass sie bei jeder gegebenen Fluid"transaktion" nur teilweise gefüllt oder geleert werden können. So kann beispielsweise die Vorrichtung 145 verwendet werden, um Fluidrestmengen zu beiden Speichervorrichtungen 149 und 150 abzugeben.
Ein großer Vorteil der Anordnung von 22 ist die Flexibilität, die sie bezüglich der Fluidbewegungen bietet. Es ermöglicht nicht nur das Speichern kleiner Mengen mehrerer verschiedener Fluidproben, sondern auch, mehr als eine Fluidprobe aus jeder Ladevorrichtung abzuziehen und Fluid jeder beliebigen Probenkammer oder Speichervorrichtung über mehr als eine Ladevorrichtung zuzuführen. Der Betrieb der Ladevorrichtungen kann darüber hinaus automatisiert werden, zweckmäßigerweise über die Betätigung anderer Fluidsteuerungseinrichtungen in der umgebenden Vorrichtung, mit der die Fluidladevorrichtungen betriebskompatibel sind.
Die Fluidladevorrichtungen ermöglichen auch, in der Vorrichtung eingeschlossene Luftblasen zu entfernen, während ihre Kompatibilität mit herkömmlichen Laborpipetten sie einfach im Gebrauch macht.
Idealerweise ist/sind die Fluidladevorrichtung(en) in der erfindungsgemäßen Testvorrichtung in sinnvoller Nähe zu der Probenkammer angeordnet. Es kann jedoch auch Fälle geben, in denen eine oder mehrere Fluidladevorrichtungen an einer unterschiedlichen Stelle vorgesehen sind, beispielsweise als Teil einer Teststation, an der eine oder mehrere Testvorrichtungen bearbeitet werden sollen.
Fluidverbindungen mit der Testvorrichtung von 12 werden durch Öffnungen (nicht gezeigt) in der unteren Seite der Fluidplatte 86 hergestellt, für den Ein- und Austritt von Proben- und Reagensfluiden und auch von Steuerungsfluid für die Ventile und andere Vorrichtungen. Diese Verbindungen können durch einzelne Röhren hergestellt werden. Bei einem System, das mehrere solche Testvorrichtungen oder „Kassetten" an einer Teststation aufweist, gibt es jedoch viele solcher Verbindungen, was zu hohen Kosten führen kann. Ein alternatives Verbindungsverfahren besteht darin, die Fluidplatten 86 mehrerer Kassetten zu einer einzigen Platte zu kombinieren. In der unteren Seite dieser Platte sind Kanäle ausgebildet, um die verschiedenen Fluide zu den Kassetten hin und von ihnen weg zu verteilen und zu sammeln. Wenigstens einige der Fluidsteuerungsvorrichtungen und Fluidverteilungsleitungen können daher zu mehr als einer Testvorrichtung gehören.
Eine solche Anordnung ist in stilisierter „Draufsicht" und im Querschnitt in 13a bzw. 13b gezeigt. 13b ist ein Schnitt entlang der Linie B-B in 13a. Hier gehört die Fluidplatte 91 zu sieben Testkassetten 92 (allgemein kann eine beliebige Zahl von Kassettenpositionen in einer Teststation wie der von 13 vorhanden sein). Jede Kassette umfasst eine Membran 93, eine Zwischenplatte 94, eine Dichtung 95 und eine obere Klemmplatte 96. Ein Testsubstrat 97 ist in 13b in der Kassette festgeklemmt gezeigt, in einer Anordnung ähnlich der von 12.
Die untere Seite der Fluidplatte 91 umfasst mehrere Kanäle 98, die unter allen diesen Kassettenpositionen verlaufen. Die Kanäle 98 sind an einem Ende geschlossen, abgesehen von Fluidverbindungsdurchlassöffnungen 99 durch die obere Seite der Platte. Obgleich sie als geschlossene Röhren in dem Körper der Platte 91 hergestellt sein können (z.B. durch Bohren oder Extrudieren), ist es wirtschaftlicher, sie in der Plattenfront herzustellen und mit einer abdichtenden Dichtung 100 und einer Dichtungsplatte 101 zu verschließen, wie in 13b gezeigt. Die Dichtungsplatte 101 kann an der Fluidplatte 91 durch ein beliebiges zweckmäßiges Verfahren festgeklemmt sein.
Öffnungen durch die Fluidplatte 91 in ausgewählten Positionen ermöglichen eine Kommunikation zwischen den Kanälen 98 und den Fluidsteuerungsvorrichtungen in der oberen Seite der Platte und/oder der Zwischenplatte 94 für jede Kassettenposition. Unter Verwendung der Fluiddurchlassöffnungen 99 können so Flüssigkeiten und Gase über die Kanäle 98 den Kassetten 92 zugeführt werden. Jeder der Kanäle 98 kann entweder mit einer einzelnen Fluidsteuerungsvorrichtung einer Kassette oder mit einem bestimmten Vorrichtungstyp über alle Kassetten verbunden sein. Ein bevorzugter Satz Kanalfunktionen ist unten aufgelistet.

(i) Flüssigkeitsquelle (typischerweise Wasch- und/oder Reagensflüssigkeit) für alle Kassetten
(ii) bis (viii) Steuerungsfluidquelle für Einlassventile in Kassetten 1 bis 7
(ix) Steuerungsfluidquelle für Agitationsvorrichtung A (alle Kassetten)
(x) Steuerungsfluidquelle für Speicher-/Einspritzvorrichtung für Probe A (alle Kassetten)
(xi) Steuerungsfluidquelle für Speicher-/Einspritzvorrichtung für Probe 13 (alle Kassetten)
(xii) Steuerungsfluidquelle für Agitationsvorrichtung B (alle Kassetten)
(xiii)-(xix) Steuerungsfluidquelle für Auslassventile in Kassetten 1 bis 7
(xx) Flüssigkeitsauslass von allen Kassetten.

Mit dieser Kombination von Fluidsteuerungsvorrichtungen ist es möglich, einzelne Kassetten abzuschalten, so dass die Teststation mit weniger als sieben positionierten Testsubstraten bearbeitet werden kann. Ansonsten werden alle Kassetten gemeinsam gesteuert, so dass sie synchron laufen.
Eine „Unterbaugruppe" wie die von 13 umfasst alle Fluidsteuerungsvorrichtungen, die für jede Kassette erforderlich sind. Die Unterbaugruppe kann einen Teil einer Teststation bilden, wie sie in 1 gezeigt ist, wobei die übrigen Steuerungselemente die in 2 gezeigten Pumpen und Ventile umfassen. Bevorzugt ist die Unterbaugruppe von 13 als ein Modul aufgebaut, das leicht und schnell von einer Station entfernt werden kann, deren Teil es bildet. Fluid- und elektrische Verbindungen zu der Unterbaugruppe können über mechanisch gekuppelte Verbinder hergestellt werden, um dies zu ermöglichen.
Bei Fluidsteuerungsvorrichtungen der oben beschriebenen Typen und bei Baugruppen oder Unterbaugruppen, die solche Vorrichtungen umfassen, kann es nötig sein, dass eine Fluidleitung oder -kammer, die in einer Platte vorgesehen ist, wenigstens teilweise eine andere Leitung oder Kammer überlagert, die in einer angrenzenden Platte vorgesehen ist. Eine solche Situation ist in 24a dargestellt, die ein Schnitt durch einen Teil einer Fluidsteuerungsvorrichtung ist, die zwischen einer oberen und einer Teil einer Fluidsteuerungsvorrichtung ist, die zwischen einer oberen und einer unteren Platte 163 bzw. 164 ausgebildet ist, wobei die Fluiddurchlassöffnungen 165 und 166 und ihre gemeinsame Fluidleitung 167 durch die flexible Membran 168 von der Fluidleitung 169 in der unteren Platte getrennt sind. Die Anordnung ist in stilisierter „Draufsicht" in 24b gezeigt, wobei die Leitungen innerhalb des Aufbaus durch gestrichelte Linien dargestellt sind. 24c ist ein Schnitt entsprechend 24a, der jedoch darstellt, wie, wenn der Fluiddruck in der Leitung 169 höher ist als in der Leitung 167, eine Verschiebung der Membran 168 ausreichen kann, um einen Austritt von Fluid aus der Leitung 169 entlang der Schnittstelle zwischen der Membran 168 und der unteren Platte 164 zu ermöglichen.
Dieses Problem kann überwunden oder wenigstens abgemildert werden, indem eine „innere" Platte zwischen den beiden Platten vorgesehen ist, in der die relevanten überlappenden Leitungen/Kammern ausgebildet sind. Eine solche Anordnung ist in 25 dargestellt, in der die überlappenden Fluidleitungen 170 und 171, die in der oberen Platte 172 bzw. der unteren Platte 173 vorgesehen sind, durch eine Platte 174 getrennt sind, die sandwichartig zwischen zwei flexiblen Membranen 175 und 176 angeordnet ist. Alle drei Platten sind aus einem geeigneten steifen Material hergestellt, etwa aus rostfreiem Stahl, einem keramischen Material oder einem steifen Kunststoff. Die innere Platte 174 überträgt Klemmkräfte über die gesamte zusammenpassende Oberfläche jeder oberen und unteren Platte, wobei ungestützte Bereiche an den flexiblen Membranen vermieden werden, die andernfalls ein „Tunneln" des Fluids zwischen den Membranen und den angrenzenden Platten ermöglichen könnten.
Jede der oben beschriebenen Fluidsteuerungsvorrichtungen und insbesondere das Ventil von 26 kann unter Verwendung einer Anordnung der in 25 gezeigten Form konstruiert werden.
Ein weiteres fakultatives Merkmal der Vorrichtung zum Durchführen chemischer Tests ist eine Vorrichtung zum Beobachten der Fluid-Strömungsgeschwindigkeit durch einen oder mehrere Vorrichtungsteile, insbesondere durch Testvorrichtungen. Dies ist wünschenswert erstens zur Entdeckung von Fehlfunktionen und zweitens, damit Pumpgeschwindigkeiten eingestellt werden können, um eine gewünschte Strömungsgeschwindigkeit zu erreichen.
Eine Strömungsgeschwindigkeits-Beobachtungsvorrichtung zur Verwendung z.B. in der Vorrichtung von 1 ist in schematischem Querschnitt in 14 gezeigt. Sie ist in einer Fluidplatte 102 vorgesehen, die einfach eine Verlängerung der Fluidplatte wie 91 von 13 einer Test"kassette" sein kann. Zwei Hohlräume, 103 und 104, werden spanabhebend in der Fluidplatte hergestellt. Sie werden geschlossen, indem eine bedruckte Leiterplatte (printed circuit board, PCB) 105 an die obere Oberfläche der Platte 102 mit einer Dichtung 106 dazwischen geklemmt wird. Die Hohlräume kommunizieren miteinander über ein Labyrinth 107 von Fluidleitungen, die in dem Körper der Platte 102 vorgesehen sind (dieses Labyrinth kann eine beliebige gewünschte Geometrie haben). Fluid aus einer Testkassette kann an der Durchlassöffnung 108 in die Vorrichtung eintreten und an der Durchlassöffnung 109 austreten, typischerweise zum Abfall. Der Durchlass 110 ermöglicht ein Einspritzen eines Gases, dessen Zweck unten beschrieben ist. Die Pfeile zeigen die Richtung der Fluidströmung im Gebrauch an.
Fluid (typischerweise Flüssigkeit), das die Hohlräume 103 und 104 füllt, tritt in Kontakt mit der Fläche der PCB 105. Sein Vorhandensein kann in beiden Hohlräumen erfasst werden, indem eine Änderung der Konduktanz oder Kapazitanz zwischen Leiterspuren erfasst wird, die an der Unterseite der PCB vorgesehen sind; die Elektronik hierfür kann entweder auf der PCB selbst oder entfernt vorgesehen sein. Dies liefert eine digitale Anzeige des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins von Flüssigkeit in den Hohlräumen.
Um die Strömungsgeschwindigkeit zu messen wird eine kleine Gasblase über der Durchlassöffnung 110 in die Flüssigkeit eingespritzt, die durch die Vorrichtung von 14 strömt. Die Abmessungen der Fluidleitungen und Hohlräume in der Vorrichtung sind so, dass die Blase den Querschnitt füllt und sich mit der Flüssigkeitsströmung bewegt. Wenn sie die PCB-Sensoren passiert, die mit den Hohlräumen 103 und 104 in Verbindung stehen, erfasst dies ein Steuerungsrechner und misst die Zeit, die die Blase braucht, um das Labyrinth 107 zu durchlaufen. Daraus kann eine ungefähre Flüssigkeits-Strömungsgeschwindigkeit berechnet werden.
Ein zusätzlicher Vorteil der Vorrichtung von 14 ist, dass sie auch das Vorhandensein von Blasen während einer „normalen" Flüssigkeitsströmung prüfen kann, z.B. als Qualitätsprüfung während der Reinigung.
Wenn die Geschwindigkeit der Gaseinspritzung an der Durchlassöffnung 110 ausreichend gleichmäßig gehalten werden kann, kann es möglich sein, mit einem einzigen Hohlraum und einem PCB-Sensor eine ausreichende Genauigkeit zu erzielen, wobei das Intervall zwischen der Gaseinspritzung und der Erfassung der gemessene Parameter ist.
Es ist klar, dass die PCB mit den vorhandenen Fluiden kompatibel sein muss; dies kann z.B. erreicht werden, indem die PCB aus goldplattierten Spuren auf einem Epoxysubstrat aufgebaut ist.
Optische oder alternative Erfassungsmittel können anstelle der PCB verwendet werden, um das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Flüssigkeit in den Hohlräumen zu erfassen.
Die Vorrichtung von 14 kann in eine beliebige gewünschte Flüssigkeitsströmung eingesetzt werden. Wenn beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit durch jede der Kassetten individuell gemessen werden muss, dann ist eine Vorrichtung pro Kassette erforderlich. Bevorzugt ist die Vorrichtung stromabwärts der Kassette angeordnet, um zu verhindern, dass die eingespritzten Gasblasen die Tests beeinflussen, die in der Kassette durchgeführt werden.
Die Gaseinspritzdurchlassöffnung kann zweckmäßigerweise zu mehreren Kassetten gehören. Um zu verhindern, dass Flüssigkeit entlang dieser gemeinsamen Verbindung fließt, was die Gaseinspritzung beeinflussen würde, kann ein Ventil des in 5 gezeigten Typs in die Gaszufuhrleitung eingesetzt werden. Dieses Ventil kann entweder durch seine Steuerungsdurchlassöffnung 27 oder einfach durch den Druck der Gaszufuhr, die die natürliche Abdichtung der Membran 26 überwindet, betätigt werden.
Es ist offensichtlich, dass sowohl die Strömungsgeschwindigkeits-Messvorrichtung als auch ein oder mehrere damit verbundene Ventile als Merkmale in den Platten 91, 94 und 101 einer Kassette (s. 13) hergestellt sein können, wobei die dazwischen liegenden Membrane 93 und 100 genutzt werden. Dies minimiert die Gesamtkosten der Kassette, da die Komponenten aller Fluidsteuerungsvorrichtungen gleichzeitig hergestellt werden können.
Während eines chemischen oder biochemischen Tests ist es üblicherweise notwendig, die Temperatur des Testsubstrats und der damit in Kontakt stehenden Fluide zu regeln. Dies kann ein Erwärmen auf Temperaturen oberhalb der Umgebungstemperatur und/oder ein Kühlen unter die Umgebungstemperatur beinhalten, wobei oft ein „Zyklus" zwischen verschiedenen Betriebstemperaturen zu verschiedenen Zeiten während der Bearbeitung stattfindet.
Bei Verwendung der Vorrichtung zur Durchführung chemischer Tests wie hierin beschrieben, kann die Temperaturregelung in einer Vielzahl von bekannten Arten bewirkt werden, beispielsweise durch:

i) Leiten von erwärmter oder gekühlter Luft über die gesamte Baugruppe;
ii) Ermöglichen einer Strömung von erwärmter oder gekühlter Flüssigkeit gegen oder durch einen beliebigen geeigneten Teil der Baugruppe, vorausgesetzt, es herrscht eine gute Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Teil und dem Rest;
iii) elektrische Widerstandsheizung eins solchen Teils, und/oder
iv) Peltier-Erwärmung oder -kühlung dieses Teils.

Ein bevorzugtes Temperaturregelungsmittel ist in schematischem Querschnitt in 15 gezeigt, in Kombination mit einer Kassette des in 13 gezeigten Typs (entsprechende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet). In diesem Fall ist die unterste Platte 111 ein extrudierter (z.B. Aluminium-)Kühlkörper des Typs, der herkömmlicherweise in elektronischen Systemen verwendet wird und der mehrere Kühlungs"rippen" 111a aufweist. In diesem Fall kann der Kühlkörper mittels elektrischer Heizeinrichtungen 112, die mit ihm verbunden sind, auch selbst erwärmt werden. Das Anlegen von Strom an diese Heizeinrichtungen erhöht die Temperatur des Kühlkörpers 111 und, durch Leitfähigkeit, der angeschlossenen Kassette. Die Temperatur kann durch ein beliebiges herkömmliches Mittel beobachtet werden, z.B. Platinwiderstands- oder Thermoelementsensoren. Unter Verwendung einer automatisierten Temperaturregelungseinrichtung kann die Temperatur der Baugruppe auf einem beliebigen gewünschten Niveau oberhalb der Umgebungstemperatur stabilisiert werden.
Eine Umhüllung 113 passt um die gesamte Baugruppe, um Konvektion und andere Luftströmungen und dadurch Temperaturunterschiede in der Anordnung zu minimieren. Dann ist jedoch die natürliche Abkühlungsgeschwindigkeit der Baugruppe, wenn kein Strom an der Heizeinrichtung vorhanden ist, verringert, was wiederum ihre Gesamtbetriebsrate verlangsamt und sogar für den Testvorgang selbst schädlich sein kann. Eine schnellere Kühlung kann daher erreicht werden, indem eine Luftströmung verwendet wird, die durch einen elektrisch angetriebenen Ventilator (nicht gezeigt) durch den Kühlkörper 111 gezwungen wird. Ein solcher Ventilator kann auch von dem automatischen Temperaturregelungssystem gesteuert werden, so dass er automatisch aktiviert wird, wenn Kühlung erforderlich ist. Wenn eine Kühlung unter die Umgebungstemperatur erforderlich ist, muss Luft, die von dem Ventilator angezogen wird, vorgekühlt werden, wobei eine beliebige von einer Vielzahl bekannter Techniken verwendet werden kann.
Die hierin beschriebene Vorrichtung zur Durchführung chemischer Tests kann eine beliebige gewünschte Zahl von Teststationen aufweisen, wie in 1 gezeigt, wobei jede Station eine Vielzahl von Kassettenstellen aufweist. Die oben im Zusammenhang mit 1 bis 15 und 17 bis 25 beschriebene Vorrichtung ermöglicht eine Bearbeitung mit einer beliebigen aktiven Kombination von Kassetten und Teststationen.
Die gemeinsamen Fluidverbindungen führen dazu, dass aktive Kassettenpositionen in einer Station teilweise voneinander abhängig sein können. Jede Station kann jedoch vollständig unabhängig arbeiten. Ein Steuerungsrechner oder anderer Sequenzer kann verwendet werden, um die Ventile, Pumpen, Heizeinrichtungen und anderen Vorrichtungen zu betätigen, die nötig sind, um eine vorprogrammierte Bearbeitungssequenz an einer oder mehreren Stationen auszuführen.
Im Folgenden wird beschrieben, wie die Vorrichtung typischerweise betrieben werden kann, unter Bezugnahme auf eine Teststation. Andere Stationen in der Vorrichtung können auf ähnliche Weise synchron oder asynchron betrieben werden.
Vorbereitung
Bevor ein Bearbeitungsdurchlauf durchgeführt werden kann, müssen alle Waschmittel, Reagenzien usw. in den entsprechenden Behältern sein. Es ist typischerweise eine manuelle Aufgabe, die Behälter zu prüfen und zu füllen. Abfallflaschen müssen ebenfalls mit ausreichender Restkapazität vorhanden sein. Die Vorrichtung kann mit „Hauptleitungs"-Versorgungen versehen sein, wie gereinigtes Wasser, Gas und unter einigen Umständen Abfall. Eine automatische Prüfung der Behälterpegel kann durch eine beliebige einer Vielzahl bekannter Techniken erfolgen (z.B. ein Gewichtssensor oder Wägegleichgewicht).
Stationskonfiguration und Probenspeicherung
Wenn weniger Testsubstrate bearbeitet werden sollen als die maximale Stationskapazität, müssen nicht genutzte Kassettenpositionen deaktiviert werden. Abhängig von der genauen Konfiguration der Fluidsteuerungsvorrichtungen und der Stationsbaugruppe, erfordert dies eventuell keine weitere Aktion. Bei der bevorzugten Anordnung ist es jedoch nötig, nicht genutzte Kassettenpositionen „abzuschalten", um ein Austreten von Steuerungsgas oder anderen Fluiden von exponierten Durchlassöffnungen zu verhindern. Dies wird so erreicht, wie schematisch in 16 gezeigt ist.
16a ist eine Seitenansicht und 16b eine stilisierte Draufsicht auf eine „abgeschaltete" Kassette von der oben beschriebenen Vorrichtung. Wie in 15 bezeichnet 111 eine Platte, die sowohl als Träger als auch als Kühlkörper fungiert, 91 bezeichnet eine Fluidplatte, die Fluidsteuerungsvorrichtungen und Fluidkanäle trägt, und 100 bezeichnet die Membran zwischen diesen beiden Platten. Eine Verstärkungsplatte 114 und eine einfache abdichtende Dichtung 115 sind oben auf der Fluidplatte 91 mittels einer Federklemme 116 und einer Knebelklemme 117 festgeklemmt.
Idealerweise ist die Vorrichtung so angeordnet, dass sogar in den „abgeschalteten" Kassetten die Fluidsteuerungsvorrichtungen periodisch (und bevorzugt automatisch) betätigt werden, d.h. Fluid wird durch sie hindurchgeleitet, um eine Adhäsion zwi schen den flexiblen Membranen und den angrenzenden Platten zu verhindern oder wenigstens zu reduzieren.
Für jede „aktive" Kassette werden eine Membran 93 und eine Zwischenplatte 94 (s. 13) an Stelle der Verstärkungsplatte 114 und der Dichtung 115 verwendet, die unter Verwendung ähnlicher Feder- und Knebelklemmen befestigt werden. Wenn diese an ihrem Platz sind, können eine oder mehrere kleine Mengen Probenfluid oder anderes Reagens zuvor in eine oder mehrere der Speichervorrichtungen der Kassette geladen werden, idealerweise über Fluidladevorrichtungen, wobei z.B. eine Pipette oder Spritze benutzt wird. (Die Spritze ist idealerweise mit einer hohlen Spitze versehen, die für ein abdichtendes Einsetzen in die Einlassöffnung der entsprechenden Fluidsteuerungsvorrichtung geeignet ist.)
Einsetzen der Testsubstrate
Nachdem die Probe und andere nötige Fluide zuvor geladen wurden, können die Dichtung 95, das Testsubstrat 97 und die Klemmplatte 96 (13 und 15) in jede aktive Kassette eingesetzt werden. Wiederum werden diese zweckmäßigerweise durch Federklemmen an ihrem Platz gehalten, wie im Zusammenhang mit 16 beschrieben. Das Testsubstrat trägt wenigstens eine „Proben"spezies, die (bevorzugt selektiv) mit einer Zielspezies reagiert, die in der getesteten Probe vorhanden ist oder deren Vorhandensein angenommen wird. Ein typisches Testsubstrat für einen biochemischen Test ist ein Glas-Mikroskopobjektträger, der mit Streptavidin überzogen ist, wobei eine oder mehrere (bevorzugt ein Feld von) biotinmarkierten Proben wie Nukleotidsequenzen, Antigene oder Antikörper darauf immobilisiert sind. Die Verwendung einer Avidin-Biotin-Bindung zur Immobilisierung biologischer Reagenzien auf einem Substrat ist völlig herkömmlich.
Einsetzen der Stations-Unterbaugruppe in die Teststation
Sobald eine Stations-Unterbaugruppe des in 13 gezeigten Typs (die eine Vielzahl von Kassetten enthält) mit allen erforderlichen Testsubstraten, Probenfluiden und Ab dichtplatten für nicht genutzte Positionen präpariert wurde, wird sie in eine der Teststationen 3 der Vorrichtung von 1 eingesetzt. Dabei entstehen Fluid- und elektrische Verbindungen zwischen den Fluid- und Wärmesteuerungsvorrichtungen der Station und denen der Unterbaugruppe.
Automatisierte Bearbeitung
Die Vorrichtung kann anschließend verwendet werden, um einen fast vollständig automatisierten chemischen Test durchzuführen, typischerweise unter der Steuerung eines vorprogrammierten Mikrocomputers oder anderer Prozesssteuerungsmittel. Dieser wird installiert, um die Pumpen, Ventile, Wärmesteuerungseinrichtungen und andere notwendige Vorrichtungen in einer vorprogrammierten Abfolge zu betätigen. Eine typische Abfolge umfasst:

i) Reinigen des Systems: Abwechselndes Öffnen jedes Ventils zwischen Behältern und jeder Pumpe. Bei Betrieb der Pumpe ist das Verteiler-Bypassventil 14 (2) offen. Flüssigkeit gelangt in den Abfall, wobei sie alle Fluidleitungen und Verteiler freigeben.
ii) Waschen der Substrate: Ausgewählte Behälter, die z.B. konzentrierte Waschflüssigkeit und destilliertes Wasser enthalten, werden mit der Pumpe/den Pumpen verbunden, indem das entsprechende Ventil/die entsprechenden Ventile geöffnet werden. Die Pumpe(n) werden mit einer Rate betrieben, die von dem erforderlichen Fluidmischverhältnis und der Strömungsgeschwindigkeit abhängt, wobei Letztere von der Zahl der aktiven Kassetten in der Teststation abhängt. Einlass- und Auslassventile für ausgewählte Kassetten werden geöffnet (durch entsprechende Betätigung des angeschlossenen Steuerungsventils, das Druck oder ein Vakuum oder Belüftung auf die Ventilsteuerungsdurchlassöffnungen aufbringt). Was aus den Kassetten herausströmt, gelangt in den Abfall. Aktive Kassetten können unabhängig oder zusammen durch entsprechende Steuerung ihrer Einlass- und Auslassventile gewaschen werden.
iii) Aufbringen von Reagens/Reagenzien: Wie in Schritt (ii), aber unter Verwendung eines oder mehrerer Reagensfluidbehälter als Quelle(n). Reagensfluide können Puffer, Tenside, Elektrolyten, Katalysatoren, Reaktionsinitiatoren und/oder -terminatoren, Blockierungsagenzien, markierte Reagenzien und Ähnliches umfassen.
iv) Einspritzen der Probe: Bei geschlossenen Einlassventilen, aber bei offenen Auslassventilen der Kassetten werden die entsprechenden Steuerungsdurchlassöffnungen der Probenspeichervorrichtungen mit Druck beaufschlagt. In den Vorrichtungen gespeicherte Flüssigkeit wird in die Probenkammern der Kassetten eingespritzt.

Gleichzeitig mit den anderen Schritten kann die Temperatur der Kassettenbaugruppen von dem Wärmesteuerungssystem auf einen vorher bestimmten Wert gesetzt werden. Dies kann ein Erwärmen oder Kühlen erfordern, wie oben beschrieben.
Während des Tests wird Druck (und fakultativ ein Vakuum) alternierend auf die Agitationsvorrichtungen jedes Paars Vorrichtungen in jeder aktiven Kassette aufgebracht (wobei die Einlass- und Auslassventile geschlossen sind). Dies bewegt die Flüssigkeit in den Probenkammern hin und her.
Nachfolgende Testschritte können Waschen, Erwärmen und/oder Kühlen, Agitieren und/oder Zuführen von weiteren Reagenzien oder Proben zu den Testsubstraten und Probenfluiden umfassen, alles wie oben beschrieben.
Wenn der Test abgeschlossen ist, kann Gas oder Luft durch die Kassetten gepumpt werden, um die meiste Flüssigkeit in den Probenkammern zu entfernen. Die Testsubstrate können anschließend aus den Kassetten entfernt und in geeigneter Weise abgebildet werden, um die gewünschten Testergebnisse zu erhalten. Bei dem Waschschritt/den Waschschritten ermöglicht es die Vorrichtung, die Waschlösungskonzentration wie gewünscht zu ändern. Dies ermöglicht wiederum mehrere aufeinanderfolgende Waschschritte, typischerweise mit steigendem Stringenzgrad.
Aus dem Obigen wird deutlich, dass die hier beschriebene Vorrichtung mehrere Schlüsselvorteile haben kann, nämlich:

i) Eine kleine Menge Reaktions- oder Waschfluid kann an dem Testsubstrat eingeschlossen sein;
ii) multiple Testsubstrate können gleichzeitig und wirtschaftlich bearbeitet werden;
iii) kleine Mengen Probenfluid können für jedes getestete Substrat zuvor geladen und effizient gespeichert werden;
iv) multiple Proben können für jedes Testsubstrat gespeichert werden, was eine multiple Probenbearbeitung mit z.B. mehreren verschiedenen Antikörpern ermöglicht;
v) der Betrieb kann wenigstens teilweise, bevorzugt vollständig, automatisiert werden;
vi) das Probenfluid kann an der aktiven Oberfläche des Testsubstrats agitiert werden;
vii) multiple Wasch- oder Reagensfluide können in die Probenkammer eingeführt werden;
viii) Wasch- und/oder Reagensfluide können vermischt werden, um gewünschte Konzentrationen oder Mischungen zu erhalten, die im Verlauf der Zeit kontinuierlich geändert werden können;
ix) große Probemahlen können gleichzeitig getestet werden, wobei für jede eine unabhängige Steuerung der Bearbeitungsbedingungen (z.B. Temperatur und Fluidbewegung) stattfindet;
x) die Fluidsteuerungsvorrichtungen wie Ventile und Agitationseinrichtungen sind relativ einfach und kompakt im Aufbau, da sie in die Kassetten integriert sind. Dies ermöglicht die Verwendung von großen Zahlen von Reagens- und Probenfluiden, ohne dass Größe, Komplexität und Kosten der Vorrichtung insgesamt über Gebühr steigen.

Claims

Testvorrichtung zur Verwendung bei der Durchführung eines chemischen Fluidphasen-Tests, wobei die Vorrichtung umfasst: (i) eine Fluidsteuerungseinheit mit wenigstens einer Fluidsteuerungsvorrichtung; und (ii) Mittel, um ein Testsubstrat entfernbar außerhalb der Fluidsteuerungsvorrichtung, aber angrenzend an diese so zu tragen, dass das so getragene Testsubstrat und die Einheit zusammen dazu dienen, eine Probenkammer zu bilden, die in Fluidkommunikation mit der Fluidsteuerungsvorrichtung steht und in der eine Fluidprobe in Kontakt mit dem getragenen Testsubstrat gehalten werden kann, wobei die Fluidsteuerungsvorrichtung eine Fluidauslasskammer in Fluidkommunikation mit der Probenkammer und eine verschiebbare flexible Membran aufweist, deren Verschiebung das Volumen der Auslasskammer ändert, um die Fluidströmung zwischen der Auslasskammer und der Probenkammer zu erzeugen und/oder zu ermöglichen und/oder einzuschränken.
Testvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Fluidsteuerungsvorrichtung steuerbar ist, indem ein Steuerungsfluid verwendet wird, das einem Bereich der flexiblen Membran so zugeführt wird, dass Abweichungen im Steuerungsfluiddruck eine Verschiebung der Membran verursachen.
Testvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Fluidsteuerungsvorrichtung ein Ventil umfasst, um das Einführen von Fluid in die und/oder die Evakuierung von Fluid aus der Probenkammer zu steuern, wobei das Ventil eine Fluideinlasskammer umfasst, und wobei die flexible Membran zwischen einer ersten Position, in der sie die Fluidkommunikation zwischen der Fluideinlasskammer und der Fluidauslasskammer einschränkt oder verhindert, und einer zweiten Position, in der Fluidkommunikation zwischen der Einlasskammer und der Auslasskammer ermöglicht wird, verschiebbar ist.
Testvorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, bei der die Fluidsteuerungsvorrichtung eine Fluidagitationsvorrichtung zur Erzeugung einer Fluidbewegung in der Probenkammer umfasst, und wobei weiterhin in der Fluidagitationsvorrichtung die flexible Membran zwischen einer Steuerungskammer und der Fluidauslasskammer so angeordnet ist, dass eine Verschiebung der Membran, die durch Druckänderungen in dem Steuerungsfluid verursacht wird, das der Steuerungskammer zugeführt wird, das Volumen der Auslasskammer ändert.
Testvorrichtung nach Anspruch 4, die zwei Fluidagitationsvorrichtungen umfasst, die reziprok betätigt werden können, um Fluid durch die Probenkammer hin und her zu bewegen.
Testvorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, bei der die Fluidsteuerungsvorrichtung eine Fluidspeichervorrichtung aufweist, in der eine Menge an Fluid gehalten werden kann, bevor sie in die Probenkammer eingeführt wird oder nachdem sie aus dieser evakuiert wurde, wobei die Fluidspeichervorrichtung eine Fluideinlassöffnung und eine Fluidspeicherkammer umfasst, die in Fluidkommunikation mit der Einlassöffnung steht, um Fluid zu halten, das an der Einlassöffnung aufgenommen wurde, und bei der weiterhin die Membran so funktioniert, dass sie die Bewegung von Fluid in die Speicherkammer und aus der Speicherkammer steuert, indem sie zwischen einer ersten Position, in der Fluid in der Speicherkammer gehalten wird, und einer zweiten Position, bei der Fluid aus der Speicherkammer heraus und in die Auslasskammer gezwungen wird, verschiebbar ist.
Testvorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, bei der die Fluidsteuerungsvorrichtung eine Fluidladevorrichtung umfasst, in die Fluide geladen und/oder evakuiert und/oder entweder von außerhalb der Testvorrichtung oder von einer anderen Komponente (anderen Komponenten) innerhalb der Testvorrichtung transferiert werden können, wobei die Fluidladevorrichtung ein Aufnahmegefäß umfasst, um Fluid aufzunehmen, wobei dieses Gefäß direkt von außerhalb der Testvorrichtung zugänglich ist und einen ersten Auslass, der über ein Ventil Fluidkommunikation mit einer Fluidspeichervorrichtung oder der Probenkammer ermöglicht, sowie einen zweiten Auslass aufweist, durch den Fluid evakuiert werden kann, wobei der zweite Auslass im Betrieb auf einem höheren Fluidspiegel innerhalb des Gefäßes positioniert ist als der erste.
Testvorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, umfassend wenigstens zwei Fluidsteuerungsvorrichtungen, deren Fluiddurchlässe und Kammern innerhalb einer einzelnen Fluidsteuerungseinheit gebildet werden, und eine einzelne flexible Membran, die zu mehr als einer der Fluidsteuerungsvorrichtungen gehört.
Testvorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Membran zwischen zwei benachbarten Platten oder Blöcken positioniert ist und bei der wenigstens einige der Fluiddurchlässe und Kammern der Fluidsteuerungsvorrichtungen an einer oder mehreren Seiten der Platten oder Blöcke vorgesehen sind und wenigstens teilweise durch eine Versiegelungsschicht gebildet sind, die an diese Seiten angrenzend angeordnet ist.
Testvorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, zusätzlich umfassend eine Fluidverteilungsanordnung, mittels derer Fluid(e) von externen Quellen in die Vorrichtung eingeführt und anschließend aus der Vorrichtung entfernt werden kann (können), wobei die Fluidverteilungsanordnung eine oder mehrere Fluideinlassöffnungen, die direkt oder indirekt mit einer externen Fluidquelle (mit externen Fluidquellen) verbunden werden können, eine oder mehrere Leitungen, durch die Fluid von der Einlassöffnung (den Einlassöffnungen) zu der Fluidsteuerungsvorrichtung (den Fluidsteuerungsvorrichtungen) der Testvorrichtung gelangen kann, eine oder mehrere Fluidauslassöffnungen und eine oder mehrere Leitungen, durch die Fluid von der Probenkammer oder der Fluidsteuerungsvorrichtung (den Fluidsteuerungsvorrichtungen) zu der Auslassöffnung (den Auslassöffnungen) gelangen kann, aufweist, wobei die Testvorrichtung zwei oder mehr angrenzende Platten mit einer flexiblen Membran umfasst, die zwischen jedem Paar angrenzender Platten positioniert ist, und wobei die Fluidsteuerungsvorrichtung(en) und wenigstens teilweise die Fluidleitung(en) der Fluidverteilungsanordnung in den zwei oder mehr Platten vorgesehen sind.
Testvorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, in Kombination mit einem Testsubstrat, auf dem eine oder mehrere Probenspezies immobilisiert sind, wobei das Testsubstrat von außerhalb der Fluidsteuerungseinheit, aber angrenzend an diese so getragen wird, dass das Testsubstrat und die Einheit zusammen dazu dienen, eine Probenkammer in Fluidkommunikation mit der Fluidsteuerungsvorrichtung zu bilden, in der eine Fluidprobe in Kontakt mit dem Testsubstrat gehalten werden kann.
Testvorrichtung/Testsubstratkombination nach Anspruch 11, bei der das Testsubstrat ein Mikroskop-Objektträger ist.