EP1214969A1 - Labortemperiereinrichtung zur Temperierung von Reaktionsproben - Google Patents

Labortemperiereinrichtung zur Temperierung von Reaktionsproben Download PDF

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EP1214969A1
EP1214969A1 EP01121966A EP01121966A EP1214969A1 EP 1214969 A1 EP1214969 A1 EP 1214969A1 EP 01121966 A EP01121966 A EP 01121966A EP 01121966 A EP01121966 A EP 01121966A EP 1214969 A1 EP1214969 A1 EP 1214969A1
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EP
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samples
temperature control
temperature
control device
steps
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EP01121966A
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Heinz Gerhard Dr. Köhn
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Eppendorf SE
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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L7/00—Heating or cooling apparatus; Heat insulating devices
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    • Y10T436/00—Chemistry: analytical and immunological testing
    • Y10T436/25—Chemistry: analytical and immunological testing including sample preparation

Definitions

  • the invention relates to a laboratory temperature control device in the preamble of Claim 1 mentioned Art.
  • Such laboratory temperature control devices are used for the cyclic temperature control of Reaction samples used at different temperatures, such as Some biochemical reactions are required.
  • Main application Such temperature control devices is PCR (polymerase chain reaction). If the optimal temperatures of the respective temperature ranges are known, the largest possible number of samples must only in mass throughput can be processed in one cycle of several cycles. Under "pass” is understood in the following a completed reaction run in which the sequence of steps was repeated several times.
  • the object of the present invention is in a generic Laboratory temperature device to simplify the temperature optimization of all steps.
  • the samples provided in the laboratory temperature device are divided into subsets assigned to each of the steps.
  • temperature differences are only created for one of the subsets, while all remaining samples are at one of the temperatures associated with the step Temperature range. The whole thing is repeated cyclically. accesses you take out one of the subsets and look at the successive ones Steps, so it is only in the same with temperature differences Step worked. If the samples are evaluated after a complete run, so you can at each of the subsets when evaluating the result for the different Groups determine the optimal temperature for one of the steps. This subset remains unaffected by temperature differences in other steps. This results in a very simple and precise determination of the optimal one Temperature for each step. All steps can be carried out in one run be optimized with regard to their temperature.
  • the samples can be two-dimensional or three-dimensional in any way or be arranged arbitrarily distributed.
  • the group and subset assignment and evaluation can be done by a computer.
  • Fig. 1 shows a laboratory temperature control device 1, which in a flat, according to lines and column ordered array arrangement contains reaction samples 2.
  • samples 2 In the illustrated Example are samples on which a three-step PCR process to be carried out. All samples of the array are stored in the first step, the denaturation step, to temperatures in the temperature range brought by 90 °.
  • the annealing step In the second step, which is shown in FIG. 2, the annealing step, all samples are brought to the temperature range around 45 °.
  • the elongation step all are Samples brought to a temperature range around 65 °.
  • the samples of the array shown in Fig. 1 are corresponding in three subsets the surface areas I, II, III shown divided into that shown simple way with the two range limits shown, the are parallel to the columns of the array.
  • the laboratory temperature control device brings 1 with temperature control devices, not shown, the surface areas II and III to the mean temperature of 90 ° of the temperature range.
  • the area I becomes a temperature gradient in the direction of the arrow, i.e. in the direction of the columns applied to this area and generated in this temperature in the range of 85 ° up to 95 °.
  • the annealing step a with gradient represented by an arrow also created parallel to the columns, however in area II.
  • the areas I and III are at the mean temperature of 55 ° of the temperature range belonging to the annealing step.
  • a temperature gradient is used created in area III.
  • the two areas I and II are again on the mean temperature of the associated temperature range 65 °.
  • the three steps shown are cyclically as a sequence of steps in one pass repeated.
  • the gradient moves from step to step in a step sequence through areas I-III.
  • the temperature in area I can be used to determine which temperature is optimal for the denaturation step. Accordingly, from the samples the areas II and III the optimal temperature for the annealing step and Elongation step can be determined. So all three can be done in one run Steps to be optimized in terms of their temperature.
  • the gradients do not have to be in the column direction. They can also be applied in the row direction. However, the embodiment shown is structurally simpler, in which the gradients are parallel to the area boundaries III, since the gradients of two sides of the array arrangement forth (according to FIG. 1 from above and from below) for all three areas I-III can be generated.
  • reaction samples 2 with devices not shown individually and tempered independently of one another, the problems at the area boundaries are eliminated.
  • the column and row arrangement can then also be used in favor of one any arrangement of the reaction samples 2 in the area of the array become. Should z. B. the step shown in FIG. 1 are carried out in a number of samples taken from samples 2 arbitrarily selected groups are formed and these groups of Samples brought to different temperatures while all other samples are at the same temperature.
  • the brought to different temperatures within a subset Groups must contain at least one sample each.
  • the array arrangement shown in FIG. 1 per surface area (I, II, III) each contain only one column filled with samples. This will reduce the sample consumption reduced in the temperature optimization run.
  • this laboratory temperature control later also used for the mass processing of large numbers of samples at which the optimal temperatures of the individual steps already are known and therefore all in each of the steps shown in Figures 1-3 Samples lie on the previously determined optimum temperature of the step.
  • the aforementioned embodiments have a two-dimensional array arrangement of samples on.
  • the samples can also be three-dimensional, z. B. ordered in a rectangular grid or irregular be arranged.
  • the aforementioned regulations then apply analogously to three dimensions extended form.

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Abstract

Eine Labortemperiereinrichtung (1) zur gemeinsamen Temperierung von Reaktionsproben (2) in mindestens zwei Schritten in jeweils zugeordneten bestimmten Temperaturbereichen, welche als Schrittfolge wiederholt nacheinander ausgeführt werden, wobei die Labortemperiereinrichtung (1) in einem Schritt der Schrittfolge mehrere jeweils mindestens eine Probe enthaltende Gruppen von Proben (2) auf innerhalb der Gruppen konstante und zwischen den Gruppen unterschiedliche Temperaturen innerhalb des Temperaturbereiches bringt, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Labortemperiereinrichtung (1) in jedem Schritt der Schrittfolge eine andere Teilmenge (I,II,III) der Proben (12) Gruppenweise auf innerhalb der Gruppen gleiche und zwischen den Gruppen unterschiedliche Temperaturen und die Proben der anderen Teilmengen auf eine gleiche Temperatur innerhalb des zugeordneten Temperaturbereiches bringt. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Labortemperiereinrichtung der im Oberbegriff des Anspruch 1 genannten Art.
Derartige Labortemperiereinrichtungen werden zur zyklischen Temperierung von Reaktionsproben auf unterschiedliche Temperaturen verwendet, wie sie zur Durchführung einiger biochemischer Reaktionen erforderlich sind. Hauptanwendungsgebiet solcher Temperiereinrichtungen ist die PCR (Polymerase Chain Reaction). Wenn die optimalen Temperaturen der jeweiligen Temperaturbereiche bekannt sind, muß nur im Massendurchsatz eine möglichst große Zahl von Proben in einem Durchlauf mehrerer Zyklen verarbeitet werden. Unter "Durchlauf" wird im Folgenden ein abgeschlossener Reaktionsdurchlauf verstanden, bei dem die Schrittfolge mehrfach wiederholt wurde.
Die optimalen Temperaturen der einzelnen Temperaturbereiche müssen jedoch vorher ermittelt werden.
Gattungsgemäße Labortemperiereinrichtungen, wie sie z. B. aus US 6054263 und DE 196 46 115 A1 bekannt sind, bringen daher in einem Schritt der zyklisch wiederholten Schrittfolge alle Proben auf unterschiedliche Temperaturen innerhalb des zugeordneten Temperaturbereiches. Bei Auswertung des Reaktionsergebnisses kann ermittelt werden, bei welcher der Proben für diesen Schritt ein optimales Ergebnis vorliegt. Das ist dann die optimale Temperatur für diesen Schritt.
Bei handelsüblichen gattungsgemäßen Labortemperiereinrichtungen sind die Proben in einem flächigen Array zeilen- und spaltenweise angeordnet. Die Temperaturunterschiede werden als Gradient in einer Richtung über das Array angelegt. Die Schrittfolge wird zyklisch wiederholt. Bei diesen sogenannten Gradientencyclern wird bei jeder zyklisch wiederholten Schrittfolge immer nur bei demselben Schritt mit unterschiedlichen Temperaturen gearbeitet. Es kann also in einem Durchlauf nur die Temperatur für einen Schritt optimiert werden. Zur Optimierung der Temperaturen aller Schritte sind mehrere Durchläufe erforderlich. Dies ist mit erheblichen Zeitaufwand und Verbrauch an teuren Proben verbunden.
In der DE 196 46 115 A1 ist vorgeschlagen, bei jeder Schrittfolge in zwei Schritten Gradienten in X- bzw. Y-Richtung anzulegen. Damit können in einem Durchlauf zwei Schritte optimiert werden. Besteht die Schrittfolge jedoch aus mehr Schritten, z. B. den üblichen drei Schritten des Standard PCR-Prozesses, so müssen die weiteren Schritte in gesonderten Durchläufen optimiert werden. Außerdem ist zur Anlegung von Gradienten in unterschiedlichen Richtungen ein erhöhter Geräteaufwand und auch Auswertaufwand erforderlich.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, bei einer gattungsgemäßen Labortermperiereinrichtung die Temperaturoptimierung aller Schritte zu vereinfachen.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Erfindungsgemäß sind die in der Labortermperiereinrichtung vorgesehenen Proben in jeweils einem der Schritte zugeordnete Teilmengen unterteilt. Bei jedem Schritt werden Temperaturunterschiede nur bei einer der Teilmengen angelegt, während alle übrigen Proben auf einer der Temperaturen des dem Schritt zugeordneten Temperaturbereiches liegen. Das Ganze wird zyklisch wiederholt. Greift man eine der Teilmengen heraus und betrachtet diese bei den aufeinanderfolgenden Schritten, so wird bei ihr mit Temperaturunterschieden nur in dem selben Schritt gearbeitet. Werden nach komplettem Durchlauf die Proben ausgewertet, so kann man an jeder der Teilmengen bei Auswertung des Resultates für die unterschiedlichen Gruppen die optimale Temperatur für einen der Schritte ermitteln. Dieses Teilmenge bleibt von Temperaturunterschieden bei anderen Schritten unbeeinflußt. Es ergibt sich also eine sehr einfache und genaue Ermittlung der optimalen Temperatur für jeden Schritt. Bei einem Durchlauf können alle Schritte hinsichtlich ihrer Temperatur optimiert werden.
Die Proben können in beliebiger Weise zweidimensional oder dreidimensional oder auch willkürlich verteilt angeordnet sein. Die Gruppen- und Teilmengenzuordnung und -auswertung kann von einem Computer erledigt werden. Dabei ergibt sich der Vorteil, daß bei beliebiger Anzahl von Schritten pro Schrittfolge durch Unterteilung in eine entsprechend große Zahl von Teilmengen stets in einem Durchlauf die Temperaturoptimierung für alle Schritte erfolgen kann.
Nach der Lehre der DE 196 46 115 A1 wäre in einer zweidimensionalen Anordnung von Proben nur die gleichzeitige Optimierung zweier Schritte möglich. Bei einer dreidimensionalen Anordnung von Proben ergäbe sich analog die Möglichkeit zur Optimierung dreier Schritte in einem Durchlauf. Mit der vorliegenden Erfindung wird die Zahl gleichzeitig optimierbarer Schritte unabhängig von der Dimensionszahl der Probenanordnung.
Vorteilhaft sind zur Vereinfachung der Anordnung und Auswertung der Proben die Merkmale des Anspruches 2 vorgehen, wobei insbesondere weiter vereinfachend die Merkmale der Ansprüche 3 und 4 vorgesehen sind. Dabei sind vorteilhaft die Teilmengen in übersichtlicher Weise gemäß Anspruch 5 angeordnet und es werden vorteilhaft Gradienten gemäß Anspruch 6 angelegt. Dies ergibt eine Anordnung, die im wesentlichen der des üblichen Gradientencyclers entspricht, bei der jedoch erfindungsgemäß Flächenbereiche des Arrays bei jedem Schritt anders behandelt werden. Dies kann bei Verwendung des üblichen wärmeleitfähigen Temperierblockes, der die Proben aufnimmt, z. B. durch entsprechende thermische Unterteilung an den Flächengrenzen ermöglicht werden.
Eine weitere Vereinfachung der Konstruktion und auch der Auswertung ergibt sich durch die vorteilhaften Merkmale des Anspruches 7.
In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise und schematisch dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1
Eine Labortemperiereinrichtung mit einer flächigen Anordnung von Proben bei Durchführung des ersten Schrittes einer dreischrittigen Schrittfolge,
Fig. 2
die Anordnung der Fig. 1 bei einem zweiten Schritt und
Fig. 3
die Anordnung der Fig. 1 bei einem dritten Schritt der Schrittfolge.
Fig. 1 zeigt eine Labortemperiereinrichtung 1, die in einer flächigen, nach Zeilen und Spalten geordneten Arrayanordnung Reaktionsproben 2 enthält. Im dargestellten Beispiel handelt es sich um Proben, an denen ein dreischrittiger PCR-Prozeß durchgeführt werden soll. Dabei werden alle Proben des Arrays in dem ersten Schritt, dem Denaturierungsschritt, auf Temperaturen im Temperaturbereich um 90° gebracht. Im zweiten Schritt, der in Fig. 2 dargestellt ist, dem Annealingschritt, werden alle Proben auf den Temperaturbereich um 45° gebracht. Im dritten Schritt, der in Fig. 3 dargestellt ist, dem Elongationsschritt, werden alle Proben auf einen Temperaturbereich um 65° gebracht.
Die Proben des in Fig. 1 dargestellten Arrays sind in drei Teilmengen entsprechend den dargestellten Flächenbereichen I, II, III unterteilt und zwar in der dargestellten einfachen Weise mit den beiden dargestellten Bereichsgrenzen, die parallel zu den Spalten des Arrays liegen.
In dem in Fig. 1 dargestellten Denaturierungsschritt bringt die Labortemperiereinrichtung 1 mit nicht dargestellten Temperiereinrichtungen die Flächenbereiche II und III auf die Mitteltemperatur von 90° des Temperaturbereiches. Im Flächenbereich I wird ein Temperaturgradient in Pfeilrichtung, also in Richtung der Spalten an diesen Bereich angelegt und erzeugt in diesem Temperaturen im Bereich 85° bis 95°.
In dem in Fig. 2 dargestellten zweiten Schritt, dem Annealingschritt, wird ein mit einem Pfeil dargestellter Gradient ebenfalls parallel zu den Spalten angelegt, jedoch im Flächenbereich II. Die Bereiche I und III liegen auf der Mitteltemperatur von 55° des zum Annealingschritt gehörenden Temperaturbereiches.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Elongationsschritt wird, wie dargestellt, ein Temperaturgradient im Bereich III angelegt. Die beiden Bereiche I und II liegen wiederum auf der Mitteltemperatur des zugehörigen Temperaturbereiches also auf 65°.
Die drei dargestellten Schritte werden als Schrittfolge zyklisch in einem Durchlauf wiederholt. In einer Schrittfolge wandert der Gradient von Schritt zu Schritt durch die Bereiche I-III.
Nach Ende des Durchlaufes werden die Reaktionsergebnisse in den Proben ausgewertet. Aus den Proben im Bereich I kann ermittelt werden, welche Temperatur für den Denaturierungsschritt optimal ist. Entsprechend kann aus den Proben der Bereiche II und III die optimale Temperatur für den Annealingschritt und den Elongationsschritt ermittelt werden. In einem Durchlauf können also alle drei Schritte hinsichtlich ihrer Temperatur optimiert werden.
Wird ein Prozeß verwendet, der nur zwei Schritte benötigt, so wären beispielsweise nur zwei Bereiche, also z.B. die Bereiche I und II, erforderlich. Wird ein Prozeß mit fünf Schritten verwendet, so wäre das Array in fünf Bereiche zu unterteilen, die in der aus den Figuren 1-3 ersichtlichen Weise zu behandeln sind.
Anders als im ausgeführten Ausführungsbeispiel, müssen die Gradienten nicht unbedingt in Spaltenrichtung anliegen. Sie können auch in Zeilenrichtung anliegen. Konstruktiv einfacher ist jedoch die dargestellte Ausführungsform, bei der die Gradienten parallel zu den Bereichsgrenzen III liegen, da die Gradienten von zwei Seiten der Arrayanordnung her (gemäß Fig. 1 von oben und von unten) für alle drei Bereiche I-III erzeugbar sind.
Ist die Labortemperiereinrichtung als üblicher wärmeleitfähiger Block mit Vertiefungen ausgebildet, in denen die Reaktionsproben 2 z. B. in Kunststoffgefäßen angeordnet sind, so wäre an den Bereichsgrenzen für eine saubere thermische Trennung zwischen den Bereichen in geeigneter Weise Sorge zu tragen.
Werden die Reaktionsproben 2 mit nicht dargestellten Einrichtungen einzeln und unabhängig voneinander temperiert, so entfallen die Probleme an den Bereichsgrenzen. Es kann dann auch die Spalten- und Zeilenanordnung zugunsten einer beliebigen Anordnung der Reaktionsproben 2 in der Fläche des Arrays aufgegeben werden. Soll z. B. der Schritt gemäß Fig. 1 ausgeführt werden, so wird in einer beliebig aus den Proben 2 herausgegriffenen Teilmenge eine Anzahl von beliebig herausgegriffenen Gruppen gebildet und es werden diese Gruppen von Proben auf unterschiedliche Temperaturen gebracht, während alle übrigen Proben auf derselben Temperatur liegen.
Die innerhalb einer Teilmenge auf unterschiedliche Temperaturen gebrachten Gruppen müssen jeweils wenigsten eine Probe enthalten. In einfachster Ausführung könnte die in Fig. 1 dargestellte Arrayanordnung pro Flächenbereich (I, II, III) nur jeweils eine mit Proben besetzte Spalte enthalten. Dadurch wird der Probenverbrauch bei dem Temperaturoptimierungsdurchlauf verringert. Sind, wie dargestellt, mehrere Spalten pro Bereich vorgesehen, so kann diese Labortemperiereinrichtung später auch für die Massenverarbeitung großer Probenzahlen verwendet werden, bei der die optimalen Temperaturen der einzelnen Schritte bereits bekannt sind und daher in jedem in der in Figuren 1-3 dargestellten Schritte alle Proben auf der zuvor ermittelten Optimaltemperatur des Schrittes liegen.
Die vorerwähnten Ausführungsformen weisen eine zweidimensionale Arrayanodnung von Proben auf. Die Proben können nach der Erfindung auch dreidimensional, z. B. in einen rechtwinkligen Gitter geordnet oder auch unregelmäßig angeordnet sein. Die vorerwähnten Vorschriften gelten dann in analog auf Dreidimensionen erweiterter Form.

Claims (7)

  1. Labortemperiereinrichtung (1) zur gemeinsamen Temperierung von Reaktionsproben (2) in mindestens zwei Schritten (Fig. 1, 2, 3) in jeweils zugeordneten bestimmten Temperaturbereichen, welche als Schrittfolge wiederholt nacheinander ausgeführt werden, wobei die Labortemperiereinrichtung (1) in einem Schritt der Schrittfolge mehrere jeweils mindestens eine Probe enthaltende Gruppen (Zeilen) von Proben (2) auf innerhalb der Gruppen konstante und zwischen den Gruppen unterschiedliche Temperaturen innerhalb des Temperaturbereiches bringt, dadurch gekennzeichnet, daß die Labortemperiereinrichtung (1) in jedem Schritt (Fig. 1, 2, 3) der Schrittfolge eine andere Teilmenge (I, II, III) der Proben (2) Gruppenweise (zeilenweise) auf innerhalb der Gruppen gleiche und zwischen den Gruppen unterschiedliche Temperaturen und die Proben der anderen Teilmengen auf eine gleiche Temperatur innerhalb des zugeordneten Temperaturbereiches bringt.
  2. Labortemperiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Proben (2) in einem flächigen Array in Zeilen und Spalten angeordnet sind.
  3. Labortemperiereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeilen und Spalten orthogonal zueinander angeordnet sind.
  4. Labortemperiereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle Proben einer Gruppe in einer Zeile oder in einer Spalte liegen.
  5. Labortemperiereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilmengen zusammenhängenden Flächenbereichen (I, II, III) des Arrays entsprechen.
  6. Labortemperiereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturunterschiede als Temperaturgradient (Pfeil) parallel zu den Zeilen oder Spalten des Arrays ausgebildetet sind.
  7. Labortemperiereinrichtung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzen der Flächenbereiche (I, II, III) parallel zur Richtung des Gradienten (Pfeil) liegen.
EP01121966A 2000-12-12 2001-09-13 Labortemperiereinrichtung zur Temperierung von Reaktionsproben Withdrawn EP1214969A1 (de)

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