DE69911587T2 - Vorrichtung zum analysieren einer probe - Google Patents

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der chemischen Prozesse und insbesondere eine integrierte Einrichtung zum Analysieren einer Fluidprobe.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Es gibt viele Anwendungen auf dem Gebiet der chemischen Prozesse, bei welchen es wünschenswert ist, chemische Komponenten vor oder nach dem Reagierenlassen von Chemikalien zu separieren. Beispiele von Reaktionen, die die Separierung von Komponenten erfordern, beinhalten organische, anorganische, biochemische und molekulare Reaktionen. Beispiele für chemische Reaktionen beinhalten die thermische Durchlaufamplifikation wie beispielsweise die Polymerase-Kettenreaktion (polymerase chain reaction, PCR), die Ligase-Kettenreaktion (ligase chain reaction, LCR), die isothermische Nukleinsäure-Amplifikation, die selbst-haltende Sequenzreplikation, Enzym-kinetische Studien, homogene Ligand-bindende Untersuchungen, affinitätsbindende Studien sowie komplexere biochemische mechanistische Studien. Herkömmliche Separationstechniken beinhalten die Elektrophorese wie beispielsweise die kapillare Elektrophorese, die synchronisierte Umlauf-Elektrophorese sowie die Freiströmungs-Elektrophorese. Herkömmliche Separationstechniken beinhalten auch das isoelektrische Fokussieren (IEF), die Hybridisierung, die Flüssigkeits- und Gas-Chromatographie und das molekulare Sieben und Filtern.
  • In verschiedenen Proben zu separierende Komponenten beinhalten Nukleinsäuren, Aminosäuren, Peptide, Proteine, Zellen, Viren, Bakterien, organische Verbindungen, Kohlehydrate, etc.. Beispielsweise können in Amplifikations-Anwendungen multiple Oligonukleotid-Primer und -Tester, die für viele Organismen ausgebildet sind, dazu verwendet werden, DNA von einer Vielzahl von Organismen in einer Probe zu vervielfachen. Nach der Amplifikation können Separationstechniken wie beispielsweise Elektrophorese oder IEF verwendet werden, um die Amplifikationsprodukte nach gewünschten Eigenschaften, wie beispielsweise ihr Molekulargewicht, zu separieren, und zwar für die anschließende Erfassung mittels Fluoreszenzverfahren.
  • Auf dem Gebiet der chemische Separation wird die Verwendung von Einrichtungen, die eine Reaktionskammer mit integriertem Separationsbereich verwenden, immer interessanter. Solche integrierten Einrichtungen haben eine Anzahl von Vorteilen bezüglich herkömmlicher Einrichtungen, bei denen man eine Fluidprobe zwischen einer Reaktionsvorrichtung und einer Separationseinrichtung befördert. Wo die chemische Reaktion und Separationsschritte in einer einzigen integrierten Einrichtung ausgeführt werden, kann man beispielsweise eine Kontaminierung und eine Überleitung von Proben oder Reaktionsprodukten vermeiden. Außerdem kann eine solche integrierte Einrichtung eine wesentlich schnellere Bearbeitung und Analyse von Proben ermöglichen.
  • Neuere Versuche, in einer einzigen Vorrichtung Bearbeitungs- und analytische Funktionalitäten zu integrieren, insbesondere auf dem Gebiet der MEMS, der Mikrofabrikation und der Mikroströmungslehre, haben zu der Entwicklung von Einrichtungen geführt, die mehrere, miteinander verbundene Substrate beinhalten. Diese Substrate sind normalerweise mit Klebstoff oder durch Heißkleben, Schmelzverbinden oder anodisches Verbinden miteinander verbunden. Diese Multisubtrateinrichtungen beinhalten typischerweise eine Reaktionskammer, die mit einer separaten Separationskomponente verbunden ist, wie beispielsweise mit einer Kapillarröhre, die ein geeignetes Elektrophorese-Gel aufweist, und zwar mittels eines Klebstoffs wie beispielsweise Epoxy. Alternativ haben diese Multisubtrateinrichtungen Reaktionskammer und Separationskanäle, die in eine Platte hineingeätzt sind und eine oben auf die Platte aufgeklebte Abdeckung. Beispielsweise offenbart das US-Patent 5,849,208 von Hayes et al. eine solche Multisubstrateinrichtung.
  • Diese Multisubstrateinrichtungen haben jedoch viele Nachteile. Zunächst wird hinsichtlich der Gleichmäßigkeit zwischen Einrichtungen während des Verklebens der Substrate oft ein Kompromiss geschlossen. Zweitens ist die Massenproduktion dieser Multisubstrateinrichtungen kostenintensiv, arbeitsintensiv, schwierig zu automatisieren und daher unpraktisch. Beispielsweise ist beim Aufbringen von Klebstoffen wie beispielsweise Epoxy das Isolieren des Epoxy auf nur spezifische Bereiche schwierig zu implementieren und zu steuern auf einer Produktionsbasis, insbesondere wo die Einrichtung kleine Mikrokanäle beinhaltet. Außerdem können Klebstoffe auch Lecks zulassen und zu den Kosten der Einrichtung beitragen.
  • Außerdem ermöglichen die gängigen integrierten Einrichtungen nur eine begrenzte Steuerung des Fluids zwischen dem Reaktions- und dem Separationsbereich. Beispielsweise kann sich in einer Reaktionskammer aufgrund der thermischen Expansion von Flüssigkeit oder Gas in diesem Bereich, aufgrund der Ausbildung von Gasbläschen oder aufgrund der innerhalb der Kammer ausgeführten chemischen Reaktionen ein hoher Innendruck entwickeln. Dieser Druck, kombiniert mit einer erhöhten Temperatur innerhalb der Kammer, kann schädliche Einwirkungen auf fluidische Komponenten und die Leistungsfähigkeit stromaufwärts und stromabwärts der Reaktionskammer haben. Ein besonderes Problem ist der Strom oder die Diffusion von Chemikalien von der Reaktionskammer in unerwünschte Bereiche hinein, verursacht durch den erhöhten Druck oder die erhöhte Temperatur. Diese Situation ist besonders problematisch, wenn empfindliche Erfassungsverfahren und Vorrichtungen sich stromabwärts der Reaktionskammer befinden.
  • Ein weiteres Problem mit herkömmlichen integrierten Einrichtungen ist, dass, wenn die Reaktionskammer erwärmt wird, um eine chemische Reaktion auszuführen, auch der Separationsbereich erhitzt wird aufgrund der thermischen Leitung. Wenn dieser Separationsbereich erwärmt wird, verschlechtert sich jedoch das in diesem Bereich vorhandene Separationsmaterial, beispielsweise das Elektrophorese-Gel, und dies führt dazu, dass die Einrichtung nicht mehr funktioniert. Zusätzlich zu der Verschlechterung des Separationsmaterials verursacht die thermische Leitung zwischen der Reaktionskammer und dem Separationsbereich große thermische Gradienten innerhalb der Einrichtung und verhindert eine adäquate Erhitzung einer Probe in der Reaktionskammer.
  • Wo der Separationsbereich Elektroden erfordert, wie beispielsweise bei der kapillaren Elektrophorese, der Mikro-Elektrophorese und der IEF, gibt es außerdem einige Punkte, die bei herkömmlichen Ausgestaltungen nicht berücksichtigt wurden. Der Stand der Technik hat sich meist auf Punkte konzentriert, die die Ausgestaltung, die Herstellung und den Betrieb des Kapillarkanals selbst betreffen. Im Gegensatz dazu ist die Ausgestaltung der Elektroden, die in Kontakt mit dem Fluid sind und die für die elektrokinetische Bewegung des Fluids verantwortlich sind, noch nicht adäquat behandelt worden. Die korrekte Ausgestaltung dieser Elektroden ist notwendig für die korrekte, praktische und kosteneffektive Implementierung von Einwegsystemen mit großem Volumen, die sowohl Reaktionskammern als auch Separationsbereiche in einer einzelnen Einrichtung aufweisen. Im Stand der Technik werden momentan große, offene Reservoirs (100 μl oder mehr) in der Nähe des Endes jedes Kapillarkanals vorgesehen, und dann wird eine separate Metallelektrode in jedes offene Reservoir hineingetaucht. Eine solche plumpe Anordnung ist jedoch für die Massenproduktion von Einwegeinheiten nicht geeignet. Außerdem sind externe Elektroden, die in Kontakt mit dem Fluid in der Einwegeinheit gebracht werden, im allgemeinen nicht praktisch, weil sie vor jeder Verwendung eventuell gereinigt oder anderweitig "vorbereitet" werden müssen.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Die vorliegende Erfindung schafft eine integrierte Reaktions- und Separationseinrichtung, die die oben diskutierten Nachteile des Standes der Technik überwindet. Insbesondere vermeidet die integrierte Einrichtung der vorliegenden Erfindung die Verwendung von unbequemen Klebetechniken, was eine kostengünstige Produktion der Einrichtung mit großem Volumen ermöglicht. Außerdem beinhaltet die integrierte Einrichtung eine Reaktionskammer, die von dem Separationsbereich thermisch isoliert ist, so dass die korrekte Erwärmung einer Probe ohne negative Beeinflussung des Separationsbereichs möglich ist.
  • Die Einrichtung kann einen einheitlichen Körper aufweisen, vorzugsweise ein geformtes polymerisches Bauteil, in dem eine Reaktionskammer zum chemischen Reagierenlassen einer Probe ausgebildet ist, ein Separationsbereich zum Separieren von Komponenten dieser Probe sowie ein Übergangsbereich, der die Reaktionskammer mit dem Separationsbereich verbindet. Die Reaktionskammer, der Übergangsbereich und der Separationsbereich sind in dem einheitlichen Körper ausgeformt und darin eingeschlossen. Außerdem beinhaltet der Übergangsbereich zumindest eine Flussbegrenzung zum Steuern des Fluidflusses zwischen der Reaktionskammer und dem Separationsbereich. Außerdem hat der Bereich des einheitlichen Körpers, der den Übergangsbereich definiert, eine geringere thermische Leitfähigkeit als der Bereich des Körpers, der die Reaktionskammer definiert, so dass der Übergangsbereich die Reaktionskammer im wesentlichen von der Separationskammer thermisch isoliert.
  • Der einheitliche Körper kann von externen funktionalen Komponenten umgeben sein, wie beispielsweise von Differentialdruckquellen, elektromotorischen Quellen, Heizern, Lichtquellen und optischen Erfassern. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Reaktionskammer eine Amplifikationskammer zum Amplifizieren oder Verstärken von Nukleinsäure in der Probe. Außerdem weist in der bevorzugten Ausführungsform der Separationsbereich eine Elektrophoresesäule oder eine Kapillare auf, die ein geeignetes Matrixmaterial beinhaltet, wie beispielsweise ein Elektrophorese-Gel oder einen Elektrophoresepuffer, um Nukleinsäurenfragmente in der Probe zu separieren.
  • Ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus der nun folgenden Beschreibung und den anliegenden Zeichnungen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Ansicht einer einheitlichen Prozessiereinrichtung mit einer integrierten Reaktionskammer, einem integrierten Übergangsbereich sowie einem integrierten Kapillarelektrophorese-Separationsbereich gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 2 ist eine schematische Ansicht einer anderen Prozessiereinrichtung mit einer integrierten Reaktionskammer, einem integrierten Übergangsbereich sowie einem integrierten Hybridisierungs-Separationsbereich gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 3A, B, C und E sind schematische Ansichten von verschiedenen Variationen des Übergangsbereichs, der eine Reaktionskammer und einen Separationsbereich gemäß der vorliegenden Erfindung verbindet. 3A zeigt einen Konstriktor in dem Übergangsbereich. 3B zeigt ein Zwei-Wege-Ventil. Die 3C und 3D zeigen mehrere Zwei-Wege-Ventile mit einem Einlasskanal. 3E zeigt ein Drei-Wege-Ventil.
  • 4A ist eine Draufsicht eines exemplarischen mechanischen Ventils gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 4B ist eine Querschnittsansicht des Ventils der 4A.
  • 5 ist eine perspektivische Ansicht einer chemischen Reaktions- und Separationseinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
  • 6 ist eine schematische Ansicht einer anderen chemischen Reaktions- und Separationseinrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Die vorliegende Erfindung schafft eine integrierte Einrichtung für das Prozessieren einer Fluidprobe. Die Einrichtung weist eine Reaktionskammer auf, einen Produktseparationsbereich sowie einen Fluidübergangsbereich, der die Reaktionskammer mit dem Separationsbereich verbindet. Die Reaktionskammer, der Übergangsbereich und der Separationsbereich können in einem einzelnen einheitlichen Körper ausgebildet und darin eingeschlossen sein, vorzugsweise einem geformten Bauteil aus einem polymerischen Material. Der Ausdruck "einheitlich" soll hier bedeuten, dass der Körper der Einrichtung, der die Reaktionskammer, den Übergangsbereich und den Separationsbereich bildet, ein einzelnes Bauteil ist. Dieses einheitliche Design ermöglicht die kostengünstige Massenproduktion der Einrichtung.
  • Im Betrieb wird eine Fluidprobe von einem Bereich zu einem anderen bewegt, und das Fließen dieser Probe wird zwischen Bereichen gesteuert. Es kann mehr als eine Reaktionskammer, mehr als einen Übergangsbereich oder mehr als einen Separation in einer einzelnen integrierten Einrichtung geben. Auch vorgesehen ist eine Einrichtung wie die beschriebene, bei der zumindest eine Elektrode angrenzend an zumindest einen der Bereiche in dem Körper eingebettet ist. Die Elektroden können in trockener oder beschichteter Form vorliegen. Der Körper der Einrichtung kann von externen funktionalen Komponenten wie beispielsweise elektromotorischen Quellen, Heizern, Lichtquellen und optischen Erfassern umgeben sein. Die Einrichtung kann auch eine Komponente eines größeren Systems sein, beispielsweise einer Fluidflusspatrone, die andere chemische Prozessierfunktionalitäten hat. Eine solche Patrone ist in der ebenfalls anhängigen Patentanmeldung PCT/US98/27632 beschrieben, die am 24. Dezember 1998 angemeldet wurde und deren Offenbarung hierin durch Bezug aufgenommen wird.
  • Der Körper kann aus einem Polymer sein, aus Keramik oder aus einem anderen Material, das das Ausformen der Kammern und Kanäle direkt in das Material hinein ermöglicht. Der Körper kann verschiedene Gestalten und Größen haben. Das interne Netzwerk von Kammern und Kanälen kann in einem makroskopischen, einem mikroskopischen oder einem dazwischen liegenden Maßstab vorliegen oder auch eine Kombination daraus bilden. Beispielsweise kann die Einrichtung eine makroskopische Reaktionskammer beinhalten, die zu einem Mikrokanal-Übergangsbereich und Separationsbereich führt. Im allgemeinen beinhaltet die integrierte Einrichtung der vorliegenden Erfindung zumindest eine Reaktionskammer in Fluidverbindung mit zumindest einem Separationsbereich durch zumindest einen Übergangsbereich. Eine Vielzahl von Kombinationen von Kammern, Übergangsbereichen und Separationsbereichen sollen in den Bereich der Erfindung fallen. Beispielsweise kann ein Separationsbereich einer Reaktionskammer vorangehen und/oder von der Kammer ausgehen. Es können auch mehrere Separationsbereiche in Reihe oder parallel angeschlossen sein. Diese Separationsbereiche können verschieden ausgestaltet sein und jeweils unterschiedliche Separationsfunktionen erfüllen. Beispielsweise kann eine Reaktionskammer durch einen Übergangsbereich hindurch zu einer Hybridisierungsstelle führen, die ihrerseits zu einem Elektrophoresekanal führt.
  • 1 zeigt eine Ausführungsform einer Prozessiereinrichtung 2, die durch einen einheitlichen Körper 4 gebildet wird. In dem Körper 4 sind eine Reaktionskammer 6, ein Separationsbereich 8 sowie ein Übergangsbereich 10 ausgeformt, der die Reaktionskammer mit dem Separationsbereich verbindet. Die Reaktionskammer 6 hat eine Einlassöffnung 12 zum Einbringen einer Probe und von Reagenten, wie für die in der Kammer ausgeführte jeweilige Reaktion erforderlich. Die Einrichtung 2 kann auch eine Auslassöffnung zusätzlich zu der Einlassöffnung 12 beinhalten. Die Öffnungen können dazu dienen, die Einrichtung mit einer externen Pumpe, Vakuumquelle oder Spritze zu verbinden. Alternativ können die Öffnungen auch zur Belüftung dienen. In dieser Ausführungsform ist der Separationsbereich 8 eine Kapillar-Elektrophoreseröhre 14, in der sich ein geeignetes Separationsmaterial befindet, beispielsweise Elektrophorese-Gels oder -Polymere, um Komponenten der Probe zu separieren. Solche Separationsmaterialien sind in der Technik wohlbekannt.
  • Die integrierte Einrichtung 2 beinhaltet auch eine Einspritzelektrode 20 und eine Separationselektrode 22, die in dem einheitlichen Körper 4 eingebettet sind. Die Elektroden 20 und 22 befinden sich an entgegengesetzten Enden der Einrichtung, um einen elektrophoretischen, elektro-osmotischen oder IEF-Ionenstrom durch den Separationsbereich 8 hindurch zu treiben. Jede Elektrode ist vorzugsweise in dem Körper 4 so eingebettet, dass ein Ende der Elektrode durch eine Außenfläche des Körpers hindurch hervorsteht und das andere Ende der Elektrode in einem inneren Bereich des Körpers hineinsteht.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Einrichtung 2 in Kombination mit einem externen Instrument (nicht dargestellt) verwendet und ist dazu ausgestaltet, in dieses externe Instrument eingesetzt zu werden, das eine Heizer zum Erhitzen der Reaktionskammer 6 hat und elektrische Anschlüsse zum Anlegen einer Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden 20, 22. Dieses Instrument kann optional einen optischen Detektor 16 zum Erfassen von separierten Komponenten der Probe in dem Separationsbereich 8 beinhalten. Zusätzlich kann das Instrument ein Paar von optischen Anordnungen 18A, 18B zum Überwachen der Reaktionskammer 6 beinhalten. Geeignete optische Anordnungen für die Verwendung mit der Einrichtung der vorliegenden Erfindung sind in der US-Anmeldung mit der Serien-Nr. 09/081,260 offenbart, angemeldet am 19. Mai 1998, deren Offenbarung hierin durch Bezug aufgenommen wird.
  • Die Reaktionskammer 6 ist für den jeweiligen auszuführenden Prozess ausgestaltet, wie beispielsweise eine PCR, eine LCR, eine isothermische Nukleinsäure-Amplifikation, eine selbstanhaltende Sequenzreplikation, enzym-kinetische Studien, homogene Ligand-bindende Versuche, affinitäts-bindende Versuche, chemische oder Temperatur-vermittelte Lysis von Zielmikroorganismen, komplexere biochemische mechanistische Studien, das Studium von bestimmten physiologischen Prozessen und andere synthetische und Ligand-bindende Prozesse. Die Volumenkapazität der Kammer hängt von ihrer Anwendung ab. In einer bevorzugten Ausführungsform hat die Kammer für PCR Anwendungen eine Volumenkapazität zwischen ungefähr 10 bis 100 Mikroliter. Thermische Energie kann der Reaktionskammer 6 zugeführt werden, indem der Bereich des Körpers 4, der die Kammer bildet, mit einem externen Heizer gekoppelt wird. Alternativ kann ein Heizelement permanent mit dem Körper gekoppelt sein, und zwar unter Verwendung von Siebdrucktechniken oder Abscheidetechniken für dünne Filme.
  • Hinsichtlich des Separationsbereichs 8 können elektrophoretische Funktionalitäten, Hybridisierungs-Funktionalitäten oder IEF-Funktionalitäten vorgesehen sein, unterschiedliche Filtrierungs- oder andere Separationsmechanismen wie beispielsweise das molekulare Sieben. wo die Separationsfunktionalität die Elektrophorese ist, ist der Separationsbereich 8 vorzugsweise eine Kapillare, wie in 1. Der Separationsbereich kann eine geeignete Separationsmatrix beinhalten, wie beispielsweise ein Gel oder eine andere für die Elektrophorese oder IEF geeignete Lösung, wie es an sich in der Technik bekannt ist. Diese Lösungen können Puffer, Additive, polymerische Agenten, etc., beinhalten. In der bevorzugten Ausführungsform hat die Kapillarröhre 14 einen Durchmesser von ungefähr 0,05 bis 1 mm und eine Länge von 1–10 cm.
  • 2 zeigt eine andere Ausführungsform eine Prozessiereinrichtung 30, bei welcher der Separationsbereich 32 ein Hybridisierungsbereich ist, der ein Feld von Nukleinsäure-Hybridisierungsstellen 34 beinhaltet. Jede Hybridisierungsstelle ist vorzugsweise ein Kanal oder eine Kammer, beschichtet mit einem unbeweglich gemachten Reagenz wie beispielsweise Polynukleotid-Testern. Ein unbeweglich gemachtes Reagenz ist ein Reagenz, das kovalent oder nicht kovalent an der Oberfläche der Struktur angebracht ist. Das unbeweglich gemachte Reagenz kann durch verschiedene, in der Technik wohlbekannte Verfahren auf die Oberfläche aufgebracht werden, beispielsweise Eintauchen, Aufschreiben mit einem Stift, Ausgeben durch eine Kapillarröhre hindurch oder durch die Verwendung von Reagenzstrahldrucken oder einer anderen geeigneten Ausgabetechnik.
  • Beim Verbinden des komplementären Analyt-Polynukleotids mit dem unbeweglich gemachten Polynukloetid-Tester kann ein gekennzeichneter Tester, beispielsweise ein mit Fluoreszenz gekennzeichneter Trester, hinzugefügt werden, um sich mit dem Analyt-Polynukleotid zu verbinden. Der Betrag der Fluoreszenz ist direkt proportional zu der Menge des Analyts in der Testprobe. Alternativ kann die Hybridisierungsprüfung in einem wettbewerblichen Format ausgeführt werden, wo ein Polynukleotid mit einer erfassbaren Kennzeichnung gepaart wird. Das Polynukleotid-gekennzeichnete Reagenz konkurriert mit dem Analyt um die Verbindung mit dem unbeweglich gemachten Polynukleotid. In einer anderen Ausführungsform weist der Hybridisierungsbereich Mikrostruktursäulen auf, wie beschrieben in der ebenfalls anhängigen Anmeldung mit der US-Serien-Nr. 09/115,454, angemeldet am 14. Juli 1998, deren Offenbarung hierin durch Bezug aufgenommen wird.
  • Andere Separationsbereiche gemäß der vorliegenden Erfindung beinhalten Ligand-bindende Stellen, bei welchen Elemente eines Bindungspaars sich in diesen Stellen befinden und sich mit komplementären Bindungspaaren in der Probe koppeln. Außerdem kann der Separationsbereich selektive Filter, wie beispielsweise Molekulargewichtsfilter, beinhalten. Mehrere Funktionalitäten können sich in einem Separationsbereich befinden. Beispielsweise können elektromotorische Separationen, wie beispielsweise die Elektrophorese, mit Filtern kombiniert sein, um bestimmte Proben vorzuprozessieren, wo eine Mischung aus einem Proteinhintergrund und Nukleinsäure dazu gebracht wird, durch elektromotorische Kräfte durch einen Molekulargewichts-Ausschlussfilter hindurch zu strömen, wodurch das Protein herausgefiltert wird.
  • Das Strömen zwischen der Reaktionskammer und dem Separationsbereich kann durch Differentialdruck, hydrodynamische Kräfte, elektromotorische Kräfte, Kapillarwirkung, pneumatische Kräfte, hydraulische Kräfte, mechanische Kräfte, etc., bewirkt werden. Die einheitliche Einrichtung kann mit Instrumenten verbunden sein, um das Strömen des Fluids zu bewirken, wie beispielsweise mit Pumpen, einem Vakuum, elektrischen Anschlüssen, etc.. Die elektromotorische Beweglichkeit von Molekülen und insbesondere Nukleinsäuren, wie beim isoelektrischen Fokus und der elektrophoretischen Mobilität, ist ein bequemer Bewegungsmechanismus aufgrund der Vorhersagbarkeit der Bewegung. Wenn Bedingungen wie beispielsweise die Pufferionische Stärke, die Dimensionen der Kanäle, die Art und Dichte des Gels, die Stromdichte, der Spannungsabfall, die Zeit, etc., konstant sind, ist es relativ einfach, den Ort der Moleküle vorherzusagen. Unter gesteuerten Bedingungen sollte sich zum Zeitpunkt T das Analyt konsistent an der Position X befinden. Dieses Konzept ist in 4 veranschaulicht, wobei die Stelle 114 den Aufenthaltsort des Zieles bezeichnet.
  • Für ein elektrisch angeregtes Fließen kann eine Reihe von Elektroden teilweise oder vollständig in dem Körper der Einrichtung eingebettet sein, oder alternativ vor der Verwendung eingesetzt werden. Wie in 1 dargestellt, können Elektrode 20, 22 betätigt werden, um ein Fließen von Fluid von der Reaktionskammer 6 zu dem Separationsbereich 8 oder anders herum zu induzieren. Außerdem kann auch, abhängig von der Arbeitsweise des Systems und den Anforderungen der Reaktionskammer 6, eine gemeinsame Elektrode (nicht dargestellt) in dem Übergangsbereich 10 oder nahe dieses Bereichs beinhaltet sein, um die Separationsvorgänge anzutreiben. Sowohl das Einspritzen der Probe als auch die Elektrophorese können erzielt werden durch Anlegen einer Spannung zwischen Elektroden. Die Spannung kann durch eine Energiequelle aufgebracht werden, die sich außerhalb der Einrichtung befindet. Alternativ kann auch eine geeignete Energiequelle in die Einrichtung integriert sein.
  • Vor der Verwendung kann die Einrichtung Elektroden haben, die trocken sind, beschichtet oder in Vorkontakt mit elektrolytischen Fluiden stehen. Um die Einrichtung zu verwenden, sollten die Elektroden Elektrolyten ausgesetzt werden. Trockene Elektroden können in Kontakt mit Lösungen gebracht werden, in dem Fluide in die Elektrodenbereiche hineingespritzt werden oder indem zuvor dort angeordnete Fluide aus Anschlussreservoiren freigegeben werden. Wo die Elektroden beschichtet sind, kann die Beschichtung auf verschiedene Art und Weise gelöst werden, damit die Elektroden die elektrolytische Lösung kontaktieren. Außerdem kann der Zeitpunkt, zu dem die Beschichtung von bestimmten Elektroden gelöst ist, gesteuert werden, um die Aktivierung jeder Elektrode zu steuern und so die daraus resultierende elektrisch angetriebene Bewegung von Fluiden oder Komponenten vorzuschreiben.
  • Das Einbetten von Elektroden in dem Körper der Einrichtung hat eine Vielzahl von Vorteilen. Eingebettete Elektroden erleichtern die Reproduzierbarkeit der Position der Elektrode in jeder Einrichtung, damit bei mehreren Einrichtungen reproduzierbare Ergebnisse erzielt werden können. Außerdem ermöglichen eingebettete Elektroden die Massenproduktion von solchen Einrichtungen, was zu reduzierten Herstellkosten führt. Außerdem vermeidet die Einwegeinrichtung der vorliegenden Erfindung Probleme mit der Verunreinigung oder Kontamination der Elektroden, die auftreten kann, wenn Elektroden permanent in mehrfach zu verwendenden Einrichtungen angebracht sind und für lange Zeit in Kontakt mit leitenden Fluiden sich befinden.
  • Die Elektroden können mit geringen zusätzlichen Kosten auf unterschiedliche Art und Weise in die einheitliche Einrichtung eingebettet werden. Zunächst können Metallelektroden in einer Maschine zum Spritzgießen von Plastik eingebracht und während des Spritzgießvorgangs "überformt" werden. Zweitens können die Metallelektroden selektiv siebgedruckt oder anderweitig abgeschieden werden, beispielsweise durch Plattieren, durch Abscheiden eines dünnen Films, etc., und auf den einheitlichen Körper der Einrichtung musterartig gestaltet werden. Beispielsweise kann ein Ende einer siebgedruckten Metalllinie dazu verwendet werden, Fluid in der Einrichtung zu kontaktieren, während das andere Ende einen Anschluss bildet, der elektrisch im Eingriff mit einem externen Instrument ist. Beide diese Techniken und auch andere ähnliche Techniken sind kosteneffektiv und sehr geeignet für Produktionslinien mit großem Volumen. Die Elektroden befinden sich vorzugsweise in der Nähe von Belüftungsöffnungen, die das Ableiten der während des Aufbringens der starken elektrischen Felder, die der Elektrophorese zugeordnet sind, entstehenden Gase ermöglichen. Diese Entlüftungsöffnungen könnten einfache Öffnungen in der Röhre selbst sein oder gasdurchlässige hydrophobe Membranen wie beispielsweise Gore-Tex.
  • Ein anderer Aspekt der Prozessiereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Fluidübergangsbereich zwischen der Reaktionskammer und dem Separationsbereich. In einigen Ausführungsformen kann der Übergangsbereich eine einfache fluidische Verbindung sein, beispielsweise eine Röhre oder Leitung zwischen der Reaktionskammer und dem Separationsbereich. In anderen Ausführungsformen beinhaltet der Übergangsbereich Ventile, Fluideinlassöffnungen, Mischbereiche, etc.. In jeder Ausführungsform hat der Übergangsbereich einen Fluidstrombegrenzer, wie beispielsweise eine Viskosematrix, einen Konstriktor, einen fluidischen Kondensator, Öffnungen, und/oder zumindest ein Ventil, das ein mechanisches Zweiwege- oder Drei-Wege-Ventil sein kann. Der Fluidstrombegrenzer wird dazu verwendet, den Strom des Fluids zwischen der Reaktionskammer und dem Separationsbereich zu steuern.
  • Die 3AE zeigen einige Ausführungsformen einer integrierten Einrichtung aus der Perspektive des Übergangsbereichs 60 zwischen der Reaktionskammer 40 und dem Separationsbereich 50. 3A zeigt eine Einrichtung 80 mit einem Übergangsbereich 60, bei welchem der Durchflussbegrenzer ein Konstriktor 62 ist. Der innere Durchmesser des Konstriktors 62 ist sehr schmal verglichen mit dem vorangehenden Bereich, beispielsweise der Reaktionskammer 40. Der innere Durchmesser des Konstriktors 62 sollte ausreichend klein sein, vorzugsweise im Bereich von 0,01 bis 1 mm, so dass die Oberflächenspannung das Fließen von Fluid von der Reaktionskammer 40 zu dem Separationsbereich 50 verhindert, bis die Elektroden 51, 53, 55 aktiviert sind.
  • 3B zeigt eine andere exemplarische Einrichtung 82 mit einem Zwei-Wege-Ventil 64, das sich in dem Übergangsbereich 60 befindet. Dieses Ventil 64 kann ein An-Aus-Ventil sein, wie beispielsweise ein Abklemmventil, ein Membranventil oder ähnliches, um das Fließen von Fluid durch das Ventil hindurch zu verhindern, wenn dies geschlossen ist, und das Fließen des Fluids zu ermöglichen, wenn das Ventil offen ist. Es kann ermöglicht werden, dass sich die Fluide in einem Sammelbereich 66 direkt stromaufwärts des Ventils 64 sammeln. Auf diese Art und Weise kann es möglich sein, Funktionen an der Fluidprobe vor dem Einspritzen von der Reaktionskammer 40 in den Separationsbereich 50 hinein auszuführen. Beispielsweise kann das Ventil 64 während Nukleinsäure Amplifikationsreaktionen in der Reaktionskammer 40 geschlossen sein, und dann direkt vor dem Einspritzen der Probe in den Separationsbereich 50 hinein geöffnet werden. Außerdem kann es wünschenswert sein, das Ventil in eine geschlossene Stellung zurückzuführen, um das Fließen des Fluids anzuhalten, und so nur eine Art Stopfen des Fluids in den Separationsbereich 50 eintreten zu lassen.
  • Das Ventil 64 kann auch beim Echtzeitüberwachen der Prozesse, die in der Reaktionskammer 40 stattfinden, verwendet werden. Wenn die Reaktion in der Reaktionskammer fortschreitet, kann es einer Fluidprobe ermöglicht werden, durch das Ventil 64 hindurchzutreten, indem das Ventil in ausgewählten Abständen während des Verlaufs des Reaktionsprozesses geöffnet und geschlossen wird. Das Fluid fließt in den Separationsbereich 50 hinein zum Separieren von Komponenten und zur Erfassung von Chemikalien, so dass der Status des Reaktionsprozesses zu jedem gegebenen Zeitpunkt angezeigt wird. Die Erfassung der Probe kann anzeigen, dass der Reaktionsvorgang angepasst werden sollte, um die Ergebnisse zu optimieren. Beispielsweise kann, wo eine Nukleinsäure-Amplifikation in der Reaktionskammer 40 stattfindet, wenn im Verlauf der Amplifikation eine geringe Nukleinsäure-Konzentration erfasst wird, die Anzahl der thermischen Zyklen gesteigert werden gemäß dem gewünschten Ergebnis. So kann ein Benutzer der Einrichtung es vermeiden, zu viele oder zu wenige Zyklen zu durchlaufen.
  • Elektroden in dem Übergangsbereich und in Bereichen vor dem Übergangsbereich, beispielsweise der Reaktionskammer 40, können die Bewegung von Fluid in den Übergangsbereich 60 hinein erleichtern. Ein gebettete Elektroden 70A, 70B sind in Form der Zwei-Wege-Ventil-Konfiguration in 3C dargestellt. Die Elektrode 70A ist in dem Reaktionsbereich 40 eingebettet, und die zweite Elektrode 70B ist in einem Kanal 72 unmittelbar stromabwärts von dem Ventil 64 eingebettet. Die Elektroden 70A, 70B stehen durch den einheitlichen Körper der Einrichtung hindurch hervor, so dass sie teilweise dem Fluid innerhalb der Kammer und des Kanals ausgesetzt sind.
  • Die Ausführungsformen des Übergangsbereichs 60, die in den 3C und 3D dargestellt sind, beinhalten jede eine Kombination aus mehreren Zwei-Wege-Ventilen innerhalb eines Kanals, der mit dem Übergangsbereich verbunden ist. In diesen Ausführungsformen befindet sich ein seitliches Ventil 68 in einem seitlichen Kanal 74, um das Fließen von Fluiden in den Übergangsbereich 60 hinein zu steuern. Beispielsweise können Reagenzen und Fluide dem Separationsbereich 60 hinzugefügt oder aus ihm abgeleitet werden durch diesen seitlichen Kanal 74 hindurch. Diese zusätzlichen Fluide können vor, während oder nach dem Einspritzen der Probe in den Separationsbereich 50 hinein eingespritzt werden. Funktionen wie beispielsweise Waschen, das Beimischen von Ampholinen für das iso-elektrische Fokussieren in dem Separationsbereich 50, das Einspritzen von Markern, etc., können mit einer solchen Kanal- und Ventilanordnung eingesetzt werden.
  • In der Einrichtung 84 der 3C kommuniziert der seitliche Kanal 74 mit dem Übergangsbereich 60 stromabwärts von dem Zwischenventil 64. In der Einrichtung 86 der 3D kommuniziert der seitliche Kanal 74 mit dem Übergangsbereich 60 in dem Sammelabschnitt 66, der sich stromaufwärts von dem Zwischenventil 64 befindet. In dieser Ausführungsform kann es Reagenzen ermöglicht werden, mit Fluid in dem Sammelabschnitt 66 vor dem Einspritzen des Fluids in den Separationsbereich 50 hinein zu interagieren. In den Ausführungsformen der 3C und 3D befindet sich außerdem die eingebettete gemeinsame Elektrode 70B in dem Übergangsbereich 60 gegenüber dem seitlichen Kanal 74. Die gemeinsame Elektrode 70B kann mehrere Funktionen haben. Die gemeinsame Elektrode kann entweder mit einer seitlichen Elektrode (nicht dargestellt) in dem seitlichen Kanal 74 arbeiten, um einen Fluidfluss von dem seitlichen Kanal zu induzieren. Außerdem kann die gemeinsame Elektrode 70B mit der Einspritzelektrode 70A arbeiten, um das Fließen des Fluids von der Reaktionskammer 40 zu erleichtern.
  • Zusätzlich zu den Arten der Ventile in dem Übergangsbereich der Einrichtung kann die Funktion von mehreren Zwei-Wege-Ventilen durch ein einzelnes Drei-Wege-Ventil realisiert werden. Die 3E zeigt eine Einrichtung 88 mit einem Drei-Wege-Ventil 69, die das Einspritzen von zusätzlichen Fluiden, beispielsweise Reagenzen, in den Übergangsbereich 60 hinein durch den seitlichen Kanal 74 ermöglicht. Ein Drei-Wege-Ventil oder eine Kombination aus Zwei-Wege-Ventilen kann auch mit einem Konzentrationskanal kommunizieren, der ein Fokussiergel und eine gemeinsame Elektrode hat. In dieser Ausführungsform fließt eine Chemikalienprobe in den Kanal hinein, um einen Fluidstopfen zu produzieren, der dann in den Separationsbereich hineinbewegt werden kann.
  • Ein exemplarisches Membranventil ist in der Draufsicht in 4A und in der Querschnittsansicht in 4B dargestellt. Das Membranventil 90 weist eine dünne flexible Polymerschicht 92 auf, die einer Kraft A ausgesetzt werden kann, um die Schicht 92 gegen eine Oberfläche 94 vorzuspannen, um den fluidischen Weg zwischen zwei Kanälen 96 und 98 zu verschließen. Das Ventil 90 kann dann durch Entfernen der Kraft A freigegeben werden, so dass sich die Membran entspannt und ein Fluid zwischen den Kanälen 96 und 98 fließen kann. Die Kraft A, die die flexible Membran auslenkt, kann pneumatisch, hydraulisch oder mechanisch induziert sein, beispielsweise durch einen mechanischen Plungerkolben.
  • Wieder mit Bezug auf die 3A bis 3E ist es wichtig, dass der Übergangsbereich 60 die Reaktionskammer 40 thermisch von dem Separationsbereich 50 isoliert. Diese thermische Isolation ermöglicht ein korrektes Erhitzen einer Probe in der Reaktionskammer 40 und verhindert eine Beeinträchtigung des Materials in dem Separationsbereich 50. Die thermische Isolation wird erzielt, indem der Übergangsbereich 60 thermisch widerstandsfähig gemacht wird, d. h. indem sichergestellt wird, dass der Übergangsbereich 60 eine geringere thermische Leitfähigkeit hat als die Reaktionskammer 40. Die thermische Leitfähigkeit des Übergangsbereichs 60 bezieht sich sowohl auf die Leitfähigkeit des Materials, das den Übergangsbereich bildet, als auch auf die Größe des Übergangsbereichs relativ zu der Reaktionskammer 40. Die vorliegende Erfindung zieht mehrere Verfahren in Betracht, um sicherzustellen, dass der Übergangsbereich 60 eine geringere thermische Leitfähigkeit hat als die Reaktionskammer 40. Zunächst ist der Bereich des Körpers, der den Übergangsbereich 60 definiert, schmaler gemacht als der Bereich des Körpers, der die Reaktionskammer 40 bildet, so dass der Übergangsbereich 60 die Reaktionskammer 40 im wesentlichen thermisch von dem Separationsbereich 50 isoliert. Dies ist die gegenwärtig bevorzugte Technik und ist in den verschiedenen Ausführungsformen der 13E dargestellt. Zweitens kann der Übergangsbereich 60 ein anderes Material aufweisen, das eine geringere thermische Leiffähigkeit hat als das Material, das die Reaktionskammer 40 bildet. Drittens können thermische Isolatoren wie beispielsweise Lufttaschen in dem Körper ausgeformt sein, der den Übergangsbereich 60 umgibt. Natürlich können auch geeignete Kombinationen dieser Techniken verwendet werden.
  • Zumindest eine optische Anordnung kann mit der Reaktionskammer, dem Separationsbereich und/oder anderen Bereichen der Einrichtung kommunizieren. Die optischen Anordnungen können extern mit der Einrichtung gekoppelt sein und vorzugsweise Festkörperkomponenten, wie beispielsweise Photodioden und LEDs beinhalten. Wie in 5 dargestellt, beinhaltet eine Einrichtung 100 eine Lichtquelle 102 wie beispielsweise eine LED und einen optischen Erfasser 104, wie beispielsweise eine Linse, einen optischen Filter und eine Photodiode. Die Lichtquelle 102 und der Erfasser 104 sind so positioniert, dass sie separierte Komponenten, beispielsweise Nukleinsäurefragmente, der Probe in der Elektrophoresekapillare 108 erfassen. Die Nukleinsäurefragmente können erfasst werden, wenn sie mit einem einschaltenden Farbstoff wie beispielsweise Ethidiumbromid gefärbt sind. Ein Beispiel für dieses Format sorgt dafür, dass Ethidiumbromid von einem seitlichen Kanal (nicht dargestellt) über elektromotorische Kräfte von Elektroden hinzugefügt wird. Die Lichtquelle 102 ist mit einer Steuerung über einen Anschluss 112 gekoppelt, und Daten werden von dem Erfasser 104 durch einen Anschluss 110 an die Steuerung übertragen. Die Steuerung kann zumindest einen Mikroprozessor oder zumindest eine Mikrosteuerung aufweisen, um Vorgänge wie beispielsweise den Antrieb des Fluidstroms, Optik, Erfassung, etc., zu steuern.
  • Alternativ kann das optische Erfassungssystem einen Laser und eine CCD aufweisen. In dieser Ausführungsform beinhaltet die optische Erfassungsanordnung vorzugsweise einen optischen Filter wie beispielsweise einen Interferenzfilter oder Bandpassfilter zum Durchlassen der jeweiligen Erfassungswellenlänge, eine CCD, eine Fokussieroptik, einen Reflektor/Splitter, und einen Argon-Ionenlaser. Der Betrieb ist wie folgt: der Laser regt den fluoreszierenden Indikatorfarbstoff an, der der Produkterfassung zugeordnet ist. Das fluoreszierende Signal wird mittels der CCD überwacht und an die Steuerung weitergeleitet. Alternativ kann eine LED verwendet werden, um den fluoreszierenden Indikatorfarbstoff anzuregen. Es könnten auch Absorptionsspektroskopie verwendet werden.
  • 6 zeigt eine anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher eine Prozessiereinrichtung 150 Elektrodenbereiche 160, 162 und 164 beinhaltet. Jeder Elektrodenbereich beinhaltet ein zugehöriges Reservoir 166A, 166B, 116C zum Aufbewahren von elektrophoretisch transportiertem Fluid. Jeder dieser Elektrodenbereiche hat auch eine Elektrode 167, 168 bzw. 169, die im Körper 152 der Einrichtung eingebettet ist. Jede Elektrode steht durch den Körper 152 hindurch hervor, so dass sie teilweise innerhalb eines Reservoirs eingetaucht ist. Jedes Reservoir hat außerdem eine Membran 170A, 170B bzw. 170C, um Gase abzuleiten. Die Membranen können aus Gore-Tex bestehen oder aus einem anderen geeigneten hydrophoben porösen Material.
  • Der erste Elektrodenbereich 160 ist mit einer Reaktionskammer 154 über einen Kanal 172 verbunden. In gleicher Art und Weise ist der zweite Elektrodenbereich 162 mit einem Übergangsbereich 156 über einen Kanal 174 verbunden. Der Kanal 174 hat außerdem einen Filter 178, vorzugsweise einen Filter für hohes Molekulargewicht, so dass nur ausgewählte Molekularkomponenten hindurchtreten können. Der dritte Elektrodenbereich 164 ist am Ende eines Separationsbereichs 158 über einen Kanal 176 angebracht. Ein Ventil 180 in dem Übergangsbereich 156 steuert den Strom des Fluids von der Reaktionskammer 174, und ein Ventil 182 steuert den Kreuzstrom des Fluids durch einen seitlichen Kanal 184 hindurch. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Einrichtung 150 für die Nukleinsäureanalyse verwendet, und die Reaktionskammer 154 ist eine Nukleinsäure-Amplifikationskammer.
  • Beispiele für die Arbeitsweise
  • Die vorliegende Erfindung zieht außerdem bestimmte Verfahren in Betracht, um verschiedene Ausführungsformen der oben beschriebenen Reaktions- und Separationseinrichtung zu verwenden.
  • 1. Verfahren zur Verwendung einer Elektrophorese-Einrichtung der vorliegenden Erfindung:
    • i) Eine unbekannte Probe wird mit dem geeigneten PCR, beispielsweise einer Mastermix-Lösung, gemischt und in den Reaktionskammerbereich des Analysesystems eingeführt;
    • ii) eine PCR-Reaktionssequenz (oder eine andere DNA Amplifikationstechnik oder chemische Reaktion) wird mit der Lösung innerhalb der Reaktionskammer ausgeführt;
    • iii) eine optisch Überwachung der Reaktionsprodukte innerhalb der Kammer wird durchgeführt, um das Fortschreiten der Amplifikationsreaktion zu verfolgen;
    • iv) wenn festgestellt wird, dass ausreichend Produkt, wie beispielsweise Nukleinsäure, innerhalb der Reaktionskammer erzeugt worden ist, werden die Injektionselektroden und gemeinsame Elektroden aktiviert, so dass sie einen Probenstopfen durch den Übergangsbereich hindurch in den oberen Bereich des Separationsbereichs hineinziehen, beispielsweise eine Elektrophoreseröhre, die ein geeignetes Gel beinhaltet. Dieser elektrophoretische Einspritzschritt kann innerhalb einer sehr kurzen Zeit ausgeführt werden, wodurch die Erzeugung von Bläschen innerhalb der Reaktionskammer minimiert wird;
    • v) die gemeinsamen Elektroden und Elektrophorese-Elektroden werden aktiviert, so dass sich der Probenstopfen durch das Gel hindurch bewegt und die hohle Separationsröhre hinunter;
    • vi) wenn die separierten Molekülbänder die Länge der Röhre durchqueren, passieren sie das optische Erfassungssystem, und Daten, die das Produkt repräsentieren, werden bestimmt.
  • 2. Verfahren zur Verwendung der Elektrophorese-Einrichtung, die in 6 gezeigt ist:
    • i) Die Probe und geeignete Reagenzen werden einem Nukleinsäure-Amplifikationsprozess in der Reaktionskammer 154 unterzogen, während die Ventil 180, 182 geschlossen sind;
    • ii) eine optisch Überwachung der Reaktionsprodukte innerhalb der Kammer 154 wird ausgeführt, um das Fortschreiten der Amplifikationsreaktion zu verfolgen;
    • iii) während das Ventil 180 geschlossen ist, wird das Ventil 182 geöffnet, und eine geeignete Pufferlösung wird in die Separationssäule oder die Kapillare 158 hinein durch die Einlassöffnung 184 eingespritzt;
    • iv) eine geeignete Elektrophorese-Spannung wird zwischen den Elektroden 167 und 168 angelegt, während das Ventil 180 geöffnet und das Ventil 182 geschlossen ist. Während dieser Phase werden Spezies mit hohem Molekulargewicht an dem Molekulargewichtsfilter 178 gesammelt;
    • v) eine geeignete Elektrophorese-Spannung wird dann zwischen den Elektroden 168 und 169 angelegt, während die Ventile 180 und 182 geschlossen sind. Während dieser Phase werden die an dem Filter 178 gesammelten Spezies mit dem hohen Molekulargewicht elektrophoretisch die Separationskapillare 158 hinunter transportiert;
    • vi) wenn die aufgefangenen Molekularspezies elektrophoretisch die Kapillare 158 hinab transportiert werden, erreichen sie den optischen Erfasser 186 und werden durch optische Fluoreszenz erfasst.
  • 3. Verfahren zur Verwendung einer Einrichtung mit einem Hybridisierungsbereich und Drei-Wege-Ventil:
    • i) Die Schritte i) bis iii) in Beispiel 1 werden mit einer Probe ausgeführt;
    • ii) ein erstes Drei-Wege-Ventil in dem Übergangsbereich wird geöffnet, so dass die Reaktionsmischung unter hydrodynamischer Kraft von der Reaktionskammer fließen kann, durch das Ventil, durch einen Hybridisierungsbereich (ersten Separationsbereich) hindurch, durch ein zweites Drei-Wege-Ventil hindurch und in einen angeschlossenen Ausschussbereich hinein. Wenn das Fluid durch den Hybridisierungsbereich hindurchfließt, hybridisieren Zielmoleküle in der Probe, um Liganden oder Tester aufzufangen, die kovalent mit der Oberfläche des Hybridisierungsbereichs verbunden sind;
    • iii) das erste Drei-Wege-Ventil wird geschaltet, so dass ein Reagenz hydrodynamisch von einem Reagenzzugangskanal durch das erste Drei-Wege-Ventil hindurch, durch den Hybridisierungsbereich hindurch, durch das zweite Drei-Wege-Ventil hindurch und in den Ausschussbereich hinein fließen kann. Reporter-Moleküle oder Tester hybridisieren oder verbinden sich mit den im vorangegangenen Schritt ii) aufgefangenen Zielmolekülen;
    • iv) eine Waschlösung wird in den Reagenz-Zugangskanal eingeführt und fließt durch den Hybridisierungsbereich hindurch, durch das zweite Drei-Wege-Ventil hindurch und in den Ausschuss hinein;
    • v) eine Elutionslösung oder Auswaschlösung wird in den Reagenz-Zugangskanal hineingeführt und fließt durch das erste Drei-Wege-Ventil hindurch und in den Hybridisierungsbereich hinein, bis dieser Bereich gefüllt ist, und dann wird der Fluss für einen ausgewählten Zeitraum angehalten;
    • vi) das zweite Drei-Wege-Ventil schaltet, um den Hybridisierungsbereich und einen zweiten Zugangskanal mit einem zweiten Separationsbereich zu verbinden;
    • vii) die Auswaschlösung mit den Zielmolekülen wird von der Hybridisierungsoberfläche durch chemische, thermische oder elektrische Mittel ausgewaschen;
    • viii) die Auswaschlösung mit den Zielmolekülen nimmt ihren Fluss durch das zweite Drei-Wege-Ventil hindurch zu dem Zeitpunkt wieder auf, zu dem ein Reagenz durch den zweiten Zugangskanal hindurch hinzugefügt wird, wo die Auswaschlösung und das Reagenz sich treffen und zusammen in den zweiten Separationsbereich hineinfließen;
    • ix) Elektroden in Verbindung mit dem zweiten Separationsbereich werden aktiviert und führen dazu, dass die Zielmoleküle sich separieren und zu ihren pI-Stellen migrieren;
    • x) eine CCD Kamera bildet die gesamte Länge des zweiten Separationskanals optisch ab, um ein Strichcode-artiges Ergebnis zu bilden.
  • 4. Verfahren zur Verfahren einer Einrichtung mit einem Hybridisierungsbereich, einem Elektrophoresebereich und einem Drei-Wege-Ventil:
    • i) die Schritte i) bis vii) im Beispiel 3 werden mit einer Probe ausgeführt;
    • ii) die Auswaschlösung mit den Zielmolekülen nimmt ihren Strom durch das zweite Drei-Wege-Ventil hindurch wieder auf;
    • iii) Elektroden in Verbindung mit dem zweiten Separationsbereich werden aktiviert und führen dazu, dass die Auswaschlösung mit den Zielmolekülen in den Separation hineinströmt und die Zielmoleküle sich in der Matrix in dem zweiten Separationsbereich separieren;
    • iv) eine CCD Kamera bildet die gesamte Länge des zweiten Separationskanals optisch ab, um ein Strichcode-artiges Ergebnis zu bilden.
  • Herstellung
  • Die Einrichtungen der vorliegenden Erfindung können beispielsweise durch Spritzgießen, Gießen, Bearbeiten oder andere geeignete Mittel zur Herstellung eines einheitlichen Körpers ohne Verkleben von mehreren Bauteilen produziert werden. Das Formen durch Gießen ermöglicht das Ausbilden eines zusammenhängenden Elements mit Reaktionskammer, Übergangsbereich und Separationsbereich. Ventilstrukturen können auch in dem Formteil eingeschlossen sein, oder alternativ der Einrichtung hinzugefügt werden, nachdem der einheitliche Körper ausgeformt worden ist.
  • Obwohl ein einheitlicher Körper beschrieben worden ist, kann eine Einrichtung der vorliegenden Erfindung auch dadurch produziert werden, dass einer oder mehrere Plastikfolien mit einem geformten polymerischen Bauteil laminiert oder versiegelt werden. Beispielsweise kann der Körper der Einrichtung ein geformtes polymerisches Bauteil aufweisen, in dem die Reaktionskammer, der Übergangsbereich und der Separationsbereich ausgeformt sind, und eine erste und eine zweite Plastikfolie, die an entgegengesetzten Seiten des geformten polymerischen Teils angebracht sind, so dass sie die Reaktionskammer, den Übergangsbereich und/oder den Separationsbereich umschließen. Um bei der Übertragung von Energie zu den Probenkomponenten zu helfen oder um bei der optischen Erfassung der Komponenten zu helfen, ist es bevorzugt, dass diese Plastikfolien relativ dünn sind, beispielsweise dass die Folien jede eine Dicke im Bereich von 0,01 bis 0,5 mm haben und noch besser eine Dicke von ungefähr 0,05 mm.
  • Die integrierten Einrichtungen der vorliegenden Erfindung bestehen vorzugsweise aus einer Anzahl von polymerischen Materialien. Darin enthalten sind, aber die Erfindung ist nicht begrenzt auf, Polyolefine wie beispielsweise Polypropylen und Polyethylen, Polyester wie beispielsweise Polyethylenterephthalat, Styren mit Polymeren wie beispielsweise Polystyren, Styrenacrylonitril, und Acrylonitrilbutadienstyren, Polycarbonat, acrylische Polymere wie beispielsweise Polymethylmethacrylat und Polyacrylonitril, Chlor enthaltende Polymere wie beispielsweise Polyvinylchlorid und Polyvinylidenchlorid, Acetalhomopolymere und Copolymere, zellulosehaltige Materialien und ihre Ester, Zellulosenitrat, Fluorin enthaltende Polymere wie beispielsweise Polyvinylidenfluorid, Polytetrafluorethylen, Polyamide, Polyimide, Polyetheretherketon, schwefelhaltige Polymere wie beispielsweise Polyphenylensulfid und Polyethersulfon, Polyurethane, Silizium enthaltende Polymere wie beispielsweise Polydimethylsiloxan. Außerdem können diese Aufbauten aus Copolymeren sein, Mischungen und/oder Laminaten der oben genannten Materialien sowie aus Glas und keramischen Materialien.
  • Außerdem können Elektroden auch "überformt" sein, indem Elektroden teilweise an ihren gewählten Stellen in die Form eingesetzt werden, so dass die Elektroden in den einheitlichen Körper eingebettet werden, nachdem das Material der Form hinzugefügt worden ist und sich verfestigt hat. Die Elektroden können aus Platin, Silber, Kohlenstoff, Gold oder einem anderen geeigneten chemisch leitenden Material sein. Andere Komponenten können optional auf ähnliche Art und Weise an der Einrichtung überformt werden.
  • In der Alternative können, nachdem der einheitliche Körper ausgeformt worden ist, Elektroden, Filter, Widerstandsheizelemente, etc., in den Körper eingebettet werden unter Verwendung von Siebdrucktechniken oder Abscheidetechniken für dünne Filme. Reagenzen, Matrizen oder Fluide können in verschiedene Reservoire hineingespritzt werden und Kanäle des ausgeformten Körpers. Außerdem kann die Einrichtung auch Komponenten beinhalten, die sich außerhalb des einheitlichen Körper befinden, wie beispielsweise Optiken, elektrische Anschlüsse für die Elektroden, Heizer, die in dem Körper eingebettet sind, pneumatische Schnittstellen zu Pumpen oder Vakui, etc.. Alternativ können sich solche Komponenten auch in einem externen Instrument befinden, in welches hinein die einheitliche Einrichtung platziert wird für die Probenbearbeitung, wie oben beschrieben.
  • Zusammenfassend kann die gesamte Anordnung aus Reaktionskammer, Übergangsbereich und Separationsbereich in einem einzelnen einheitlichen Einwegkörper ausgeformt sein. Es gibt eine Anzahl von Gründen, warum die Einrichtung der vorliegenden Erfindung gegenüber herkömmlichen Implementierungen stark verbessert ist.
    • 1) Die gesamte Einrichtung kann entsorgt werden, so dass eine Übertragung von Probenmaterial und eine Verunreinigung von Probe zu Probe kein Problem ist;
    • 2) alle hauptsächlichen Elemente der Einrichtung sind in eine analytische Komponente integriert; es ist nicht notwendig, die Probe oder die Reaktionsprodukte von einer Einrichtung mit einer Reaktionskammer zu einer separaten Einrichtung mit einer Separationsröhre zu übertragen;
    • 3) es sind Maßnahmen getroffen zum thermischen Isolieren der Reaktionskammer von dem Separationsbereich, so dass eine korrekte Erwärmung einer Probe und ein korrekter Betrieb des Separationsbereichs sichergestellt sind;
    • 4) es sind Maßnahmen getroffen für die optische Erfassung sowohl in der Reaktionskammer als auch der Separationsröhre;
    • 5) es sind Maßnahmen getroffen zum Entlüften und anderweitigen Handhaben der während der Elektrophorese oder während des iso-elektrischen Fokussierens erzeugten Gase;
    • 6) die Nachteile der Verklebetechniken, um Substrate und Module zu verbinden, werden vermieden; und
    • 7) eingebettete Elektroden sorgen für eine Reproduzierbarkeit und eine Massenproduktion bei geringen Kosten.
  • Die vorliegende Erfindung ist oben in verschiedenen Details mit Bezug auf die Ausführungsformen und die Zeichnungen beschrieben worden. Modifikationen oder Substitutionen können jedoch an den hier beschriebenen Einrichtungen und Verfahren auf der Grundlage dieser Offenbarung vorgenommen werden, ohne dass der breite Bereich der Erfindung verlassen wird. Daher sollte der Bereich der Erfindung durch die nun folgenden Ansprüche und ihre gesetzlichen Äquivalente bestimmt sein.

Claims (16)

  1. Einrichtung zum Analysieren einer Probe, welche Einrichtung folgendes aufweist: a) einen Körper mit: i) einer Reaktionskammer zum chemischen Reagierenlassen der Probe; ii) einem Separationskanal zum Separieren von Komponenten der Probe; iii) einem Übergangsbereich, der die Reaktionskammer mit dem Separationskanal verbindet, wobei die thermische Leitfähigkeit des Übergangsbereichs ausreichend gering ist, so dss der Übergangsbereich die Reaktionskammer von dem Separationskanal im wesentlichen thermisch isoliert; und iv) zumindest einem Ventil in dem Übergangsbereich zum Steuern des Fluidstroms zwischen der Reaktionskammer und dem Separationskanal; und b) zumindest zwei mit dem Körper verbundene Elektroden, die so positioniert sind, dass sie einen elektrophoretischen Strom, einen elektroosmotischen Strom oder ein isoelektrisches Fokussieren der Probenkomponenten in dem Separationskanal induzieren, wenn ein Spannungsunterschied zwischen den Elektroden aufgebracht wird.
  2. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei der Körper außerdem einen mit dem Übergangsbereich verbundenen Seitenkanal zum Einbringen von Fluid in den oder Entfernen von Fluid aus dem Übergangsbereich beinhaltet sowie zumindest ein zweites Ventil zum Steuern des Fluidstroms durch den Seitenkanal hindurch.
  3. Einrichtung nach Anspruch 2, wobei die Ventile Membranventile sind und die Einrichtung mit einem Instrument kombiniert und darin einführbar ist, das Mittel zum Steuern der Membranventile hat.
  4. Einrichtung nach Anspruch 3, wobei das Instrument die Membranventile pneumatisch steuert.
  5. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Einrichtung mit einem Instrument kombiniert und darin einsetzbar ist, das einen Heizer zum Heizen der Reaktionskammer hat sowie elektrische Anschlüsse zum Anlegen der Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden.
  6. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Elektroden so positioniert sind, dass sie die Probenkomponenten so induzieren, dass sie sich in dem Separationskanal in Bänder auftrennen, wenn die Spannungsdifferenz angelegt wird, und wobei die Einrichtung mit einem Instrument kombiniert und darin einsetzbar ist, das einen elektrischen Anschluss zum Anlegen der Spannungsdifferenz hat und zumindest eine Lichtquelle und einen Detektor zum Erfassen der Probenkomponenten in den Separationskammern.
  7. Einrichtung nach Anspruch 6, wobei das Instrument eine zusätzliche Optik zum Überwachen der Reaktionskammer beinhaltet.
  8. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Separationskanal einen Elektrophorese- oder IEF-Kanal mit einem Separationsmaterial aufweist.
  9. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Körper ein erstes Reservoir hat, das in Fluidverbindung mit einem ersten Ende des Separationskanals steht, und ein zweites Reservoir, das in Fluidverbindung mit einem zweiten Ende des Separationskanals steht, und wobei die zumindest zwei Elektroden folgendes beinhalten: i) eine erste Elektrode, die mit dem Körper so verbunden ist, dass sie zumindest teilweise in das erste Reservoir eingetaucht ist; und ii) eine zweite Elektrode, die mit dem Körper so verbunden ist, dass sie zumindest teilweise in das zweite Reservoir eingetaucht ist.
  10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei jede Elektrode in dem Körper so eingebettet ist, dass ein Ende der Elektrode durch eine äußere Oberfläche des Körpers hindurch hervorsteht und das andere Ende der Elektrode in einen inneren Bereich des Körpers hinein hervorsteht.
  11. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Körper ein polymerisches Material aufweist und die Elektroden in dem Körper übergeformt sind.
  12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Elektroden auf dem Körper siebgedruckt sind.
  13. Einrichtung nach Anspruch 2, wobei der Seitenkanal stromaufwärts des ersten Ventils mit dem Übergangsbereich verbunden ist.
  14. Einrichtung nach Anspruch 2, wobei der Seitenkanal stromabwärts des ersten Ventils mit dem Übergangsbereich verbunden ist.
  15. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zumindest drei Elektroden beinhaltet, wobei die erste mit dem Körper angrenzend an die Reaktionskammer verbunden ist, die zweite mit dem Körper angrenzend an den Übergangsbereich verbunden ist und die dritte mit dem Körper angrenzend an den Separationsbereich verbunden ist, so dass, wenn eine erste Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angelegt wird, die Probenkomponenten von der Reaktionskammer zu dem Übergangsbereich gebracht werden, und wenn eine zweite Spannung zwischen der zweiten und der dritten Elektrode angelegt wird, der elektrophoretische Strom, der elektroosmotische Strom oder das isoelektrische Fokussieren der Probenkomponenten in dem Separationskanal induziert wird.
  16. Einrichtung nach Anspruch 15, weiter mit einem Molekulargewichtsfilter zum Filtern von Spezies in der Probe, die ein ausreichend hohes Molekulargewicht haben, welcher Filter in einem Kanal zwischen der zweiten Elektrode und dem Übergangsbereich so vorgesehen ist, dass, wenn die erste Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angelegt wird, die Spezies von der Reaktionskammer transportiert werden und sich an dem Filter sammeln, und wenn die zweite Spannung zwischen der zweiten und der dritten Elektrode angelegt wird, die an dem Filter gesammelten Spezies in den Separationsbereich transportiert werden.
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Families Citing this family (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6403037B1 (en) * 2000-02-04 2002-06-11 Cepheid Reaction vessel and temperature control system
US8048386B2 (en) 2002-02-25 2011-11-01 Cepheid Fluid processing and control
GB2368809B (en) * 2000-09-15 2004-09-29 Norchip As Microfabricated reaction chamber system
US7829025B2 (en) 2001-03-28 2010-11-09 Venture Lending & Leasing Iv, Inc. Systems and methods for thermal actuation of microfluidic devices
US7183104B1 (en) 2002-08-23 2007-02-27 Duane Morris Llp Separator and particle detection system
JP4996248B2 (ja) 2003-07-31 2012-08-08 ハンディーラブ インコーポレイテッド 粒子含有サンプルの処理
US7032605B1 (en) 2003-10-15 2006-04-25 Douglas B. Dority Dual piston rotary valve
US20050244837A1 (en) * 2004-04-28 2005-11-03 Cepheid Method and device for sample preparation control
US8852862B2 (en) 2004-05-03 2014-10-07 Handylab, Inc. Method for processing polynucleotide-containing samples
US7998708B2 (en) 2006-03-24 2011-08-16 Handylab, Inc. Microfluidic system for amplifying and detecting polynucleotides in parallel
US10900066B2 (en) 2006-03-24 2021-01-26 Handylab, Inc. Microfluidic system for amplifying and detecting polynucleotides in parallel
ES2692380T3 (es) 2006-03-24 2018-12-03 Handylab, Inc. Método para realizar PCR con un cartucho con varias pistas
US8883490B2 (en) 2006-03-24 2014-11-11 Handylab, Inc. Fluorescence detector for microfluidic diagnostic system
US11806718B2 (en) 2006-03-24 2023-11-07 Handylab, Inc. Fluorescence detector for microfluidic diagnostic system
US9186677B2 (en) 2007-07-13 2015-11-17 Handylab, Inc. Integrated apparatus for performing nucleic acid extraction and diagnostic testing on multiple biological samples
US8287820B2 (en) 2007-07-13 2012-10-16 Handylab, Inc. Automated pipetting apparatus having a combined liquid pump and pipette head system
AU2008276211B2 (en) 2007-07-13 2015-01-22 Handylab, Inc. Polynucleotide capture materials, and methods of using same
US8182763B2 (en) 2007-07-13 2012-05-22 Handylab, Inc. Rack for sample tubes and reagent holders
US8105783B2 (en) 2007-07-13 2012-01-31 Handylab, Inc. Microfluidic cartridge
GB0818609D0 (en) 2008-10-10 2008-11-19 Univ Hull apparatus and method
US8361293B2 (en) 2009-06-26 2013-01-29 Yi Wang Monolithic electrophoresis gel system
US8361294B2 (en) * 2009-06-26 2013-01-29 Yi Wang Monolithic electrophoresis gel system
US8449745B2 (en) 2009-06-26 2013-05-28 Yi Wang Monolithic electrophoresis flat gel system
ES2769028T3 (es) 2011-04-15 2020-06-24 Becton Dickinson Co Termociclador microfluídico de barrido en tiempo real
CN104040238B (zh) 2011-11-04 2017-06-27 汉迪拉布公司 多核苷酸样品制备装置
CN107881219B (zh) 2012-02-03 2021-09-10 贝克顿·迪金森公司 用于分子诊断测试分配和测试之间兼容性确定的外部文件
WO2022226599A1 (en) * 2021-04-30 2022-11-03 University Of Tasmania Sample transfer method and system

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4756884A (en) * 1985-08-05 1988-07-12 Biotrack, Inc. Capillary flow device
US5726026A (en) * 1992-05-01 1998-03-10 Trustees Of The University Of Pennsylvania Mesoscale sample preparation device and systems for determination and processing of analytes
US5639423A (en) * 1992-08-31 1997-06-17 The Regents Of The University Of Calfornia Microfabricated reactor
CA2097257A1 (en) * 1993-05-28 1994-11-29 Norman J. Dovichi Continuous biochemical reactor for analysis of sub-picomole quantities of complex organic molecules and method of operation thereof
US6001229A (en) * 1994-08-01 1999-12-14 Lockheed Martin Energy Systems, Inc. Apparatus and method for performing microfluidic manipulations for chemical analysis
KR19990036069A (ko) * 1995-08-03 1999-05-25 이.에이치. 리링크 진단 장치

Also Published As

Publication number Publication date
ATE250455T1 (de) 2003-10-15
WO1999047255A8 (en) 2001-07-19
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AU3106599A (en) 1999-10-11
DE69911587D1 (de) 2003-10-30
AU745445B2 (en) 2002-03-21
CA2324244C (en) 2008-01-08
EP1064090A1 (de) 2001-01-03
JP2004521738A (ja) 2004-07-22
WO1999047255A1 (en) 1999-09-23
CA2324244A1 (en) 1999-09-23

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