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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur chemischen und/oder
biologischen Analyse, die mit einem Analyseträger ausgestattet ist, der für den einmaligen
Gebrauch bestimmt sein kann.
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Die
Erfindung findet Anwendungen auf den Gebieten der Chemie und der
Biologie. Insbesondere kann die Vorrichtung vorteilhaft eingesetzt
werden bei chemischen Verstärkungs-
oder Polymerase-Reaktionsverfahren des Typs PCR (Polymerase Chain Reaction)
zur Analyse genetischen Materials (ADN).
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Stand der Technik
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Gegenwärtig kennt
man makroskopische Systeme zur chemischen oder biologischen Analyse, bei
denen Titrationsplatten benutzt werden. Diese Platten enthalten
Schalen, in denen man Muster und Reagenzien mittels Pipettierung
(mit der Pipette) mischt. Um die chemische oder biologischen Reaktionen
zu ermöglichen,
werden die Platten sukzessive durch sukzessive Dämpfungen auf Solltemperaturen erhitzt
und wieder abgekühlt.
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Bei
solchen Systemen ist die Zuführung
der Reagenzien eine langwierige und komplexe Operation, insbesondere
wegen der sukzessiven Beigabe jedes Reagenz. Zudem erweist sich
die thermische Trägheit
beim Erwärmen
und Abkühlen
der Platten als zu groß,
was die Analysezeit verlängert.
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Außerdem kennt
man Gerätschaften
zur chemischen und/oder biochemischen Analyse, die sich in Form
von kompletten Strukturen präsentieren, welche
die für
die Analyse nötigen
Heizeinrichtungen umfassen. Rohrverbindungssysteme ermöglichen, der
Struktur die Proben bzw. Muster und die Reagenzien zuzuführen.
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Die
Benutzung dieser Gerätschaften
erfordert jedoch komplexe und mühsame
Arbeiten zur Herstellung der Verbindungen für die Zuführung der Fluide, Analyte und
Reagenzien sowie Arbeiten zur Herstellung der elektrischen Versorgung
der Heizeinrichtungen. Wegen der Spezifität der Analysen ist es notwendig,
die Verbindungsarbeitsgänge
bei jeder neuen Benutzung der Gerätschaften zu wiederholen.
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Außerdem sind
die Herstellungskosten der Gerätschaften
hoch.
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Eine
vollständigere
Darstellung der Techniken und Gerätschaften auf dem Gebiet der
biochemischen Analyse liefern die Dokumente (1) und (2), deren Referenzen
am Ende der vorliegenden Beschreibung angegeben sind.
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Darstellung der Erfindung
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur biologischen
und/oder chemischen Analyse vorzuschlagen, die nicht den oben genannten
Einschränkungen
unterliegt.
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Eine
andere Aufgabe der Erfindung ist es, die Heiz- und Abkühlungszeiten
zu reduzieren und eine genaue und selektive Temperaturkontrolle
der zu analysierenden Bestandteile im Laufe der verschiedenen Reaktionsphasen
zu ermöglichen.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht dann, eine Vorrichtung vorzuschlagen,
die schnell an verschiedene Typen von zu analysierenden Produkten
angepasst werden kann und keine komplexen Verbindungsherstellungsarbeiten
erfordert.
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Die
Verbindung hat auch noch die Aufgabe, eine Vorrichtung mit einem
sehr kostengünstigen Analyseträger für einen
eventuell einmaligen Gebrauch vorzuschlagen, der nach jeder Benutzung oder
einer begrenzten Anzahl von Benutzungen entsorgt und durch einen
neuen ersetzt werden kann. Zum Beispiel ist vorgesehen, ungefähr tausend
sequentielle Analysen mit einer Vorrichtung durchzuführen, ehe
sie entsorgt wird.
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Um
diese Ziele zu erreichen, hat die Erfindung genauer eine Vorrichtung
zu chemischen und/oder biologischen Analyse zum Gegenstand, die umfasst:
einen Analyseträger
mit wenigstens einer Eingangsschale zum Aufnehmen eines Musters,
wenigstens einer Ausgangsschale zum Liefern dieses Musters, wenigstens
einem den Träger
durchquerenden Innenkanal, der die Eingangsschale mit der Ausgangsschale
verbindet, und wenigstens einen Reagenzienspeicher, jeweils zwischen
einer Eingangsschale und einer Ausgangsschale mit jedem Kanal verbunden,
in den die Eingangsschale, die Ausgangsschale und der Reagenzienspeicher
auf einer ersten Seite bzw. in einer ersten Fläche des Analyseträgers münden.
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Die
Vorrichtung kann insbesondere eine Vielzahl Eingangsschalen und
eine Vielzahl Ausgangsschalen umfassen, wobei jede Eingangsschale
jeweils durch einen Kanal mit einer ihr zugeordneten Ausgangsschale
verbunden ist.
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Das
Einfüllen
der zu analysierenden Flüssigkeiten
in die Eingangsschalen und/oder der Reagenzien in die entsprechenden
Speicher kann durch Mikropipettierung (mit der Mikropipette) erfolgen.
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Bei
einer anderen Benutzungsart kann das Einfüllen der zu analysierenden
Flüssigkeiten
in die Eingangsschalen und/oder der Reagenzien in die entsprechenden
Speicher durch dichte Fluidzuführungseinrichtungen
erfolgen, zum Beispiel einem auf dem Speicher oder der Schale angebrachten
Stopfen bzw. Verschluss, der mit einer Spritze oder einem Druckbehälter verbunden
ist.
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Das
Einfüllen
der Flüssigkeiten
und/oder der Reagenzien kann durch eine Kombination der beiden oben
beschriebenen Methoden erfolgen.
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Bei
Trägern
mit einer großen
Anzahl Schalen und/oder Speicher kann die Zuführung der zu analysierenden
Flüssigkeiten
und/oder der Reagenzien automatisiert werden mittels eines Verteilerroboter (Spenderoboters)
mit hoher Auflösung.
Zum Beispiel können
die sequentiellen Analysen, bei denen während der Analyse wenigstens
ein Reagenz durch ein anderes ersetzt wird, automatisiert werden,
indem dem Speicher sequentiell mehrere unterschiedliche Reagenzien
zugeführt
werden. Zwischen zwei verschiedenen Reagenzien kann dem Speicher
ein neutrales Pufferreagenz zugeführt werden, oder auch nicht.
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Nach
einem speziellen Aspekt der Erfindung können der oder die Innenkanäle sich
in der Nähe von
wenigstens einer zweiten Fläche
des Analyseträgers
erstrecken, so dass sie von dieser zweiten Fläche nur durch eine dünne Wand
getrennt sind. Bei einer speziellen Realisierung kann die dünne Wand eine
Dicke von weniger als 100 μm
haben.
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Noch
genauer wird die dünne
Wand so dünn gewählt, dass
ein Wärmetausch
mit außerhalb
des Trägers
befindlichen Wärmequellen
stattfindet.
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Insbesondere
kann die Wand, welche die Kanäle
von der zweiten Fläche
trennt, dünner
gewählt
werden als eine Wand, welche die Kanäle untereinander oder von den
Schalen trennt.
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Nach
einem anderen Aspekt der Erfindung kann die der dünnen Wand
entgegengesetzte Seite der Kanäle
eine thermische Barriere darstellen, die durch eine Schicht aus
einem Material gebildet werden kann, das ein niedrige Wärmeleitfähigkeit
aufweist, und/oder durch eine Strukturierung des Substrats, die
ermöglicht,
auf den Kanälen
einen Hohlraum zu lokalisieren, gefüllt mit Luft oder einem nur
wenig wärmeleitfähigen Gas.
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Diese
Wärmebarriere
ermöglicht,
eine gleichmäßige Temperatur
in den Kanälen
zu realisieren.
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Nach
einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die Vorrichtung außerdem einen
von dem Analyseträger
unabhängigen
Thermosupport umfassen, wobei der Thermosupport eine Fläche für den Wärmetausch
mit wenigstens einer Wärmequelle
aufweist und dieser Thermosupport abnehmbar auf dem Analyseträger angebracht
werden kann, um die Wärmetauschfläche mit
der zweiten Fläche
des Analyseträgers
in Kontakt zu bringen.
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Der
getrennte Charakter des Analyseträgers und des Thermosupports
ermöglicht,
Analyseträger ohne
eigene Heiz- oder Kühleinrichtungen
vorzusehen. Diese Charakteristik ermöglicht folglich, die Kosten
des Analyseträgers
deutlich zu senken. Dieser Träger
kann also für
die einmalige oder mehrmalige Benutzung eingesetzt werden, das heißt nach
einer oder mehreren Benutzungen entsorgt werden. Unter Benutzung
versteht man die sequentielle Realisierung einer Anzahl von zum
Beispiel ungefähr 1000
Analysen.
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Die
Wärmetauschfläche kann
eine oder mehrere thermostabilisierte Zonen umfassen, jede ausgerüstet mit
wenigstens einer Wärmequelle.
Die thermostabilisierten Zonen fallen zusammen mit wenigstens einer
Zone des Analyseträgers,
die sich stromabwärts
von einer Verbindung zwischen einem Reagenzspeicher und einem Kanal
befindet.
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Indem
man eine thermostabilisierte Zone des Thermosupports mit einer entsprechenden
Zone des Analyseträgers
verbindet, die sich jeweils in der Nähe – zum Beispiel stromabwärts – von jedem
Reagenzspeicher befindet, ist es möglich, die Temperatur der zu
analysierenden Flüssigkeit
in Abhängigkeit von
jedem benutzten Reagenz selektiv anzupassen.
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Das
hier benutzte Wort "stromabwärts" bezieht sich auf
die Strömungsrichtung
der zu analysierenden Flüssigkeiten,
von den Eingangsschalen bis zu den Ausgangsschalen.
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Die
Wärmequellen
können
einen oder mehrere thermostabilisierte elektrische Heizwiderstände umfassen.
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Alternativ
oder komplementär
können
die Wärmequellen
auch einen oder mehrere Kanäle
umfassen, in denen ein Wärmeübertragungsfluid
fließt. Dieses
Fluid kann benutzt werden, um den Analyseträger lokal zu heizen oder zu
kühlen.
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Bei
einer speziellen Realisierung des Analyseträgers kann dieser ein erstes
Substrat umfassen, das Durchgangsöffnungen aufweist, die jeweils Schalen
und Speicher bilden, und ein auf das erste Substrat geklebtes zweites
Substrat, wobei dieses zweite Substrat Rillen aufweist, die durch
das erste Substrat abgedeckt werden, um Kanäle zu bilden, und die jeweils
mit den Durchgangsöffnungen
zusammenfallen bzw. übereinstimmen.
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Diese
besonders einfache Struktur ermöglicht
eine Reduzierung der Herstellungskosten der Analyseträger.
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Die
Herstellung des Trägers
kann erfindungsgemäß nach einem
Verfahren erfolgen, das die folgenden Schritte umfasst:
- – Bilden
von Durchgangslöchern
in einem ersten Substrat, wobei diese Löcher jeweils Eingangsschalen
oder Ausgangsschalen oder Reagenzspeichern entsprechen,
- – Bilden – in einem
zweiten Substrat – von
Rillen entsprechend einem Muster, das ermöglicht, wenigstens zwei Öffnungen
des ersten Substrats miteinander zu verbinden,
- – Zusammenkleben
des ersten und des zweiten Substrats, so dass die Rillen abgedeckt
sind,
- – Dünnermachen
des zweiten Substrats nach dem Kleben, wobei eine Substratdicke
realisiert wird, die größer ist
als eine maximale Tiefe der Rillen.
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Nach
einer speziellen Ausführungsart
kann das erste Substrat zwei thermisch wenig leitfähige Schichten
aufweisen, die zum Beispiel einige μm dick sind.
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Nach
einer zweiten speziellen Ausführungsart
kann das erste Substrat wenigstens eine Nichtdurchgangsöffnung aufweisen,
um wenigstens einen Wärmeisolationshohlraum
herzustellen.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer wie
oben beschriebenen Analysevorrichtung, nach dem man den Analyseträger mit dem
Thermosupport während
einer Analysephase von bestimmter Dauer in Kontakt bringt, wobei
man vor der Analysephase oder während
der Analysephase wenigstens ein zu analysierendes Muster und wenigstens
ein Reagenz in den Analyseträger
gibt und man dann, nach der Analysephase, den Analyseträger von
dem Thermosupport entfernt. Nach Beendigung der Analyse kann der
Analyseträger
wieder benutzt werden.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen besser aus
der nachfolgenden Beschreibung hervor, die sich auf die Figuren
der beigefügten
Zeichnungen bezieht. Diese Beschreibung dient nur der Erläuterung
und ist nicht einschränkend.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Die 1A ist ein vereinfachter
schematischer Schnitt eines erfindungsgemäßen Analyseträgers.
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Die 1B zeigt den Analyseträger der 1A ausgerüstet mit
Befüllungseinrichtungen
der Reagenzienspeicher.
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Die 2 ist eine perspektivische
explodierte Darstellung, welche die Struktur des Analyseträgers genauer
zeigt.
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Die 3 ist eine vereinfachte
perspektivische Ansicht eines der 2 entsprechenden
Analyseträgers
und eines Thermosupports.
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Die 4 ist ein schematischer
Längsschnitt des
Analyseträgers,
angebracht auf dem Thermosupport.
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Die 5 ist eine Draufsicht eines
Teils eines Analyseträgers
nach der Erfindung, der eine Variante in Bezug auf die 1 bis 4 darstellt.
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Die 6 ist ein vereinfachter
Querschnitt eines Analyseträgers,
der einen mit der 5 konformen
Teil umfasst.
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Die 7 ist ein vereinfachter
Querschnitt eines Analyseträgers,
der einen mit der 5 konformen
Teil umfasst und eine Variante in Bezug auf die 6 darstellt.
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Die 8, 9, 10 und 11 sind schematische Längsschnitte
des Substrats entsprechend den sukzessiven Herstellungsschritten
eines erfindungsgemäßen Analyseträgers.
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Die 12 ist ein Querschnitt eines
Analyseträgers
und eines Thermosupports nach der Erfindung und mit einer speziellen
Ausführung
des Thermosupports.
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Detaillierte
Beschreibung von Ausführungsarten
der Erfindung In der nachfolgenden Beschreibung tragen identische, ähnliche
oder äquivalente Teile
der Figuren dieselben Bezugszeichen, um die Lektüre erleichtern.
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Die 1 ist ein Schnitt eines
Analyseträgers 100 nach
der Erfindung.
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Diese
Figur zeigt eine Eingangsschale 102, hauptsächlich in
Form einer Durchgangsöffnung, ausgebildet
in einem Substrat 100a des Trägers, in der Nähe von einem
seiner Enden. In derselben Weise ist in der Nähe eines zweiten Endes eine
Ausgangsschale 104 ausgebildet. Die Schalen 102, 104 münden auf
einer ersten Seite bzw. in einer ersten Fläche 106 des Trägers 100.
Ein Innenkanal 108 verbindet die Eingangsschale mit der
Ausgangsschale.
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Der
Kanal 108 hat die Form einer in ein zweites Substrat 110b geätzten Rille,
das so auf das erste Substrat geklebt ist, dass es die Rille abdeckt.
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Man
sieht, dass die Tiefe der Rille praktisch gleich der Dicke des zweiten
Substrats 100b ist, so dass nur eine dünne Wand 110 den Kanal 108 von
einer zweiten Oberfläche 112 des
Analyseträgers 100 trennt.
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In
dem dargestellten Beispiel ist der Träger 100 von allgemein
parallelflacher Form und die erste die zweite Fläche sind die entgegengesetzten
und zueinander parallelen Hauptflächen.
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Die
Figur zeigt – ebenfalls
im Schnitt – Reagenzspeicher 120a, 120b, 120c,
angeordnet zwischen der Eingangsschale 102 und der Ausgangsschale 104.
Die Speicher münden
ebenfalls in der ersten Fläche 106 des
Analyseträgers 100.
Verbindungen oder Durchgänge 122a sind
vorgesehen, um jeden der Speicher mit dem Kanal 108 zu
verbinden.
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Aus
Gründen
der Vereinfachung sind die Durchgänge 122a in der Ebene
der Figur dargestellt, so dass die Speicher sich nicht von der Eingangs- und
der Ausgangsschale der 1 unterscheiden.
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Die
zu analysierende Flüssigkeit
kann mit Hilfe einer Pipette in die Eingangsschalen eingefüllt werden.
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Die
Reagenzienspeicher können
in gleicher Weise gefüllt
werden.
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Im
Falle einer sequentiellen Analyse, bei der sukzessive verschiedene
Reagenzien angewendet werden, und in dem Fall, wo die Temperatur
der Reagenzien vor der Anwendung gut kontrolliert werden muss, ist
es vorzuziehen, Speicher mit kleinen Volumen zu wählen, die
durch ein System des Typs Spritzenpumpe versorgt werden, wie dargestellt
in der 1B.
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Die 1B zeigt einen der 1A entsprechenden Analyseträger, dessen
Speicher 120a, 120b und 120c jeweils
mit Fluidzuführungseinrichtungen 150a, 150b und 150c verbunden
sind.
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Diese
Einrichtungen umfassen Versorgungsdeckel oder -hauben 152a, 152b, 152c,
die dicht auf den Speichern angebracht sind und mit Druckspritzen 154a, 154b und 154c verbunden
sind, die Reagenzien enthalten. Die Hauben können auf die Oberflächen der
Analyseträger
geklebt oder gepresst werden, wobei eine Dichtung benutzt wird.
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Die
Bezugszeichen 156a, 156b und 156c bezeichnen
jeweils Druckmessgeräte
in den Leitungen, welche die Druckspritzen mit den Hauben 152a, 152b und 152c verbinden,
die dazu dienen, den Druck und/oder die Durchflussmenge der Reagenzien
zu kontrollieren.
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Ein
nicht dargestelltes ähnliches
Versorgungssystem kann die Eingangsschalen versorgen.
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Wie
die 1A und 1B zeigen, sind die Eingangsschalen
und die Speicher dem Umgebungsdruck oder einem durch das Versorgungssystem festgelegten
Druck ausgesetzt, während
an die Ausgangsschalen eine Vakuumleitung 124 angeschlossen
ist.
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Eine
erste spontane Füllung
des Analyseträgers
kann mit einem polaren Lösungsmittel
(zum Beispiel Alkohol) erfolgen, gefolgt von einem nominalen Lösungsmittel,
um die Blasenbildung zu vermeiden. Diese Füllung nutzt eine Kapillaritätseffekt
in den Kanälen
aus.
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Nach
dieser ersten Füllung
werden die Analyte und die Reagenzien hinzugefügt. Wenn das Analyseprodukt
die Ausgangsschalen erreicht, kann es dort ebenfalls mit Hilfe von
Pipetten entnommen werden.
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Die 2 zeigt die beiden Substrate 100a und 100b,
welche den Analyseträger
bilden, noch genauer und voneinander getrennt.
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Man
sieht, dass der Analyseträger
eine Vielzahl Eingangsschalen 102 und eine Vielzahl Ausgangsschalen 104 umfasst.
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Die
Schalen haben die Form von Durchgangsöffnungen, vorgesehen in dem
ersten Substrat 100a. Diese Öffnungen sind V-förmig und
bilden Trichter.
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Außerdem ist
in dem Beispiel der 2 jede Eingangsschale 102 individuell
durch einen Kanal 108 mit einer Ausgangsschale 104 verbunden.
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Der
Analyseträger
umfasst drei Reagenzienspeicher 120a, 120b und 120c.
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In
diesem Beispiel versorgt jeder Speicher mehrere Kanäle 108,
mit denen er durch Verbindungseinrichtungen 122a, 122b verbunden
ist. Das Bezugszeichen 122a bezeichnet Durchbohrungen des
ersten Substrats 110a, die einen Speicher mit entsprechenden
Anschlüssen 122b verbinden,
realisiert in dem zweiten Substrat 110b und jeweils mit den
Kanälen
verbunden. (Selbstverständlich
können Speicher
auch individualisiert werden für
die verschiedenen Kanäle).
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Die
Flüssigkeitsmengen
(zu analysierende Flüssigkeiten
und Reagenzien), die sich an den Anschlüssen 122b der Kanäle 108 mischen,
hängen von
der jeweiligen Größe dieser
Anschlüsse
und der Kanäle 108 ab.
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Die 3 zeigt einen Analyseträger 100,
der dem der 2 entspricht
und dessen Substrate 100a und 100b definitiv zusammengeklebt
werden.
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Der
Analyseträger
ist über
einem entsprechenden Thermosupport 200 dargestellt.
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Der
Thermosupport 200 hat eine der zweiten Fläche 112 des
Analyseträgers 100 zugewandte Wärmetauschfläche 212,
in deren Nähe
sich die Kanäle
befinden. Die Wärmetauschfläche 212 des Thermosupports 200 und
die zweite Fläche 112 des Analyseträgers sind
zur Kontaktherstellung bestimmt.
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Die
Wärmetauschfläche 121 umfasst
drei thermostabilisierte Zonen 220a, 220b und 220c,
jede ausgerüstet
mit einer oder mehreren Wärmequellen (nicht
dargestellt).
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Die
drei thermostabilisierten Zonen 220a, 220b, 220c sind
so angeordnet, dass sie zusammenfallen mit Abschnitten der Kanäle des Analyseträgers, die
sich in der Nähe
von jeweils den Speichern 120a, 120b, 120c oder
genauer von den die Reagenzien zuführenden Anschlüssen befinden.
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Das
Fluid in dem Kanal 122b kann dank angepasster Kanalmuster,
wie dargestellt in der weiter unten beschriebenen 5, jede Wärmezone einmal oder mehrmals
durchqueren.
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Die 4 ist ein schematischer
Schnitt des auf dem Thermosupport angebrachten Analyseträgers, der
ermöglicht,
die thermostabilisierten Zonen detaillierter darzustellen.
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Aus
Gründen
der Klarheit der Figur sind der Analyseträger und sein Thermosupport
mit einem kleinen Abstand dargestellt. In Wirklichkeit haben sie jedoch
Kontakt miteinander.
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Wie
oben angegeben, können
die thermostabilisierten Zonen mehrere Wärmequellen umfassen. Dies ist
der Fall der Zone 220a. Diese umfasst eine erste Wärmequelle 230,
gebildet durch einen elektrischen Widerstand wie zum Beispiel einen
Mikrowiderstand aus Platin. Sie umfasst auch zwei Quellen 232 und 234 in
Form von Kanälen,
in denen Wärmeübertragungsfluids
fließen.
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In
dem Fall einer Analyse des Typs PCR können die elektrischen Widerstände der
ersten Quelle 230 auf eine Temperatur von 94°C gebracht
werden, das Wärmeübertragungsfluid
der zweiten Wärmequelle 232 kann
eine Temperatur von 55°C
haben und das Wärmeübertragungsfluid
der dritten Wärmequelle 234 eine
Temperatur von 72°C.
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Diese
Temperaturen entsprechen jeweils Schritten der Denaturierung, Hybridisierung
und Elongation von ADN (s. Dokument (1)).
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Die
Wärmequellen
können
miniaturisiert werden, so dass der Thermosupport eine thermische Auflösung im
Submillimeterbereich aufweist.
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Die 5 ist eine Draufsicht eines
Teils eines ersten Substrats 100a eines Analyseträgers und zeigt
eine Ausführungsvariante
eines Kanals 108.
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Der
Kanal 108 ist ausgebildet entsprechend einem geometrischen
Wiederholungsmuster.
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In
dieser Figur ist gestrichelt auch die Position der Wärmequellen
einer thermostabilisierten Zone 220 eines dem Analyseträger zugeordneten
Thermosupports dargestellt. Man sieht, dass dank des geometrischen
Musters des Kanals eine zu analysierende Flüssigkeit, indem sie verschiedene
Abschnitte des Musters durchfließt, sequentiell in Kontakt
kommen kann mit verschiedenen Wärmequellen
der thermostabilisierten Zone.
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Die 6 und 7 zeigen zwei Ausführungsvarianten der Vorrichtung,
die ermöglichen,
die Gleichmäßigkeit
der Temperatur in den Kanälen
zu verbessern, in dem ihre Oberseite isoliert wird, das heißt die der
zweiten Fläche 112 des
Analyseträgers
entgegengesetzte Seite. Eine erste Lösung, dargestellt in der 6, besteht darin, in dem
oberen Teil 100a des Hybridisierungsträgers einen Hohlraum 160 (mündend oder
nicht) zu realisieren. Dieser Hohlraum fällt zusammen mit wenigstens
einem Teil des Kanals 108. Eine zweite Lösung, dargestellt
in der 7, besteht darin,
zwischen dem oberen und unteren Teil 100a, 100b des
Analyseträgers
eine Schicht 100c aus schwach wärmeleitfähigem Material vorzusehen. Es
auch möglich,
eine oberes Substrat zu verwenden, das eine Schicht 100c aus
einem wärmeisolierenden
Material umfasst.
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Die
anschließend
beschriebenen 8 bis 11 liefern ein Beispiel eines
Herstellungsverfahrens eines wie oben beschriebenen Analyseträgers.
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In
einer ersten Substratplatte 100a, zum Beispiel aus Silicium,
realisiert man, wie zu sehen in der 8,
Durchgangsöffnungen.
Diese Öffnungen
bilden die Schalen oder die Speicher 102, 104, 120a, 120b, 120c.
Diese auf chemischem Wege geätzten Öffnungen
haben – zum
Beispiel durch anisotropes chemisches Ätzen (KOH) – schräge Flanken, die ihnen Trichterform
verleihen. Die Positionen der Öffnungen
werden durch eine Ätzmaske
so definiert (nicht dargestellt), dass sie mit den Rillen übereinstimmen
bzw. zusammenfallen. Das Perforieren der Schicht 100c aus
wärmeisolierendem
Material, zum Beispiel aus SiO2 in dem Fall
der in der 7 vorgeschlagenen
Variante, kann zum Beispiel durch eine CHF3-Trockätzung erfolgen,
wobei die Abmessung der Perforation durch eine Ätzmaske definiert wird, oder
indem man die Wände
des auf chemischem Wege hergestellten Lochs als Maske nimmt.
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Die 9 zeigt das Ätzen der
Rillen, welche die Kanäle 108 bilden,
in einem zweiten Substrat 100b, zum Beispiel aus Silicium.
Das Ätzen
erfolgt durch eine Ätzmaske
hindurch (nicht dargestellt), die ein den gewünschten Kanälen entsprechendes Muster aufweist.
Es handelt sich zum Beispiel um eine chemische Ätzung (KOH). Die Tiefe der
Rillen beträgt zum
Beispiel ungefähr
100 μm für ein Substrat 100b mit
einer Dicke von 250 bis 450 μm.
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Es
kann sich auch um eine SG6-Trockenätzung handeln, die ermöglicht,
Rillen herzustellen, der Tiefe größer ist als ihre Breite, zum
Beispiel 100 μm × 20 μm.
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Ein
dritter Schritt, dargestellt in der 10, umfasst
die Versiegelung bzw. Vereinigung des ersten und zweiten Substrats 100a und 100b,
um die Verbindung herzustellen zwischen den Schalen oder Speichern 102, 104, 120a, 120b, 120c und
den entsprechenden Kanälen
(Rillen) 108. Die Versiegelung erfolgt zum Beispiel durch
direktes (molekulares) Zusammenkleben der beiden Substrate.
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Bei
dieser Operation werden die Rillen 108 des zweiten Substrats 100b abgedeckt
durch das erste Substrat 100a, μm die Kanäle zu bilden.
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Ein
letzter Schritt, dargestellt in der 11, umfasst
das Dünnermachen
des zweiten Substrats 100b, so dass zwischen dem Kanal 108 und
der Außenoberfläche 112 nur
eine dünne
Wand 110 übrigbleibt.
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Diese
Wand 110 hat eine Dicke von nur ungefähr 10 μm, um die Wärmeaustausche zu begünstigen.
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Das
Dünnermachen
erfolgt mittels Ätzung und/oder
durch mechanisch-chemisches Polieren.
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Eine
Vielzahl erfindungsgemäßer Analyseträger können simultan
und kollektiv nach dem obigen Verfahren in zwei Siliciumscheiben
(dem ersten und zweiten Substrat entsprechend) hergestellt werden.
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In
diesem Fall wird das Verfahren durch ein Schneiden der Scheiben
mit der Säge
vervollständigt,
um die Analyseträger
zu vereinzeln.
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Die 12 zeigt eine spezielle
Ausführung des
Thermosupports 200 einer erfindungsgemäßen Analysevorrichtung.
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Der
Thermosupport 200 umfasst im Wesentlichen einen Sockel 202,
auf dem ein oder mehrere thermostabilisiert Stäbe angeordnet sind. In dem
Beispiel der Figur umfasst der Thermosupport drei thermostabilisierte
Stäbe 320a, 320b, 320c,
die drei thermostabilisierte Zonen bilden.
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Die
ganzen Stäbe
oder Teile von ihnen können
in ein wärmeisolierendes
Material eingebettet sein. In dem Beispiel der Figur sind zwei Stäbe 320b und 320c von
einem festen wärmeisolierenden
Material umgeben, während
der erste Stab 320a mit seinen Seitenflächen der Umgebungsluft ausgesetzt
ist.
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Jeder
Stab ist mit Heiz- und/oder Kühleinrichtungen
ausgestattet.
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Der
erste Stab 320a enthält
einen Kanal 322a, der ihn axial durchläuft und ermöglicht, ihn durch Zirkulation
eines Wärmeübertragungsmittels thermostabil
zu halten.
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Die
anderen Stäbe 320b und 320c enthalten auch
solche Kanäle 322b und 322c.
Die Kanäle
sind jeweils mit thermostabilierten Bädern mit Pumpsystemen verbunden
(nicht dargestellt), um das Wärmeübertragungsmittel
zirkulieren zu lassen.
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Die
Verbindung zwischen den Bädern
und den Stäben
kann mit Hilfe von nicht dargestellten hydraulischen Verbindungen
realisiert werden.
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Die
Kanäle
können
einen runden Querschnitt aufweisen, wie die Figuren zeigen, können aber
auch Rippensysteme aufweisen, um die Wärmeaustausche zu optimieren.
Zusätzliche
Heizelemente können
in die Stäbe
integriert sein. Zum Beispiel ist der dritte Stab 320c mit
einem elektrischen Widerstand 330 ausgestattet. Der elektrische
Widerstand wird hier als "warme
Quelle" benutzt,
während
das Wärmeübertragungsmittel
als "kalte Quelle" benutzt wird.
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Der
zweite Stab 320b umfasst ein Temperaturmesselement 340 wie
zum Beispiel einen Widerstand, dazu dienend, zum Beispiel die Temperatur des
zugeordneten thermostabilisierten Bades zu regeln.
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Das
Bezugszeichen 100 bezeichnet allgemein einen abnehmbaren
Analyseträger,
so auf dem Thermosupport angebracht, dass er Kontakt hat mit den
thermostabilisierten Stäben.
Die detaillierte Beschreibung eines solchen Trägers wird hier nicht wiederholt.
Zu diesem Thema sei auf die Erläuterungen verwiesen,
die weiter oben in Bezug auf die vorhergehenden Figuren gegeben
wurden. Der Analyseträger 100 kann
einfach auf den Thermosupport 200 gelegt werden. Er kann
auch mittels eines nicht dargestellten Flansches oder Saugsystems
auf den Thermosupport gepresst werden.
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Da
die zur Temperatursteuerung bestimmten Einrichtungen, das heißt insbesondere
die thermostabilisierten Bäder
und die thermostabilisierten Stäbe,
fest mit dem Thermosupport verbunden sind oder fluidtechnisch (fluidique)
mit dem Thermosupport verbunden sind, und da der Analyseträger abnehmbar
ist, ist es möglich,
diesen letzteren einfach und kostengünstig herzustellen.
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GENANNTE DOKUMENTE
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- (1) Martin U. Kopp et al., "Chemical Amplification: continuous-Flow
PCR on a chip",
Science, Vol. 280, 15. Mai 1998, Seiten 1046–1048
- (2) "Chip advance
but cost contraints remain" in Nature
Biotechnology, Vol. 16, Juni 1998, Seite 509.